研究透视：芯片-互连材料

编辑语

集成电路占用面积的不断缩小，正在将性能限制，从晶体管本身转移到晶体管之间的互连工艺。互连的电阻-电容延迟，随着器件密度的增加而恶化，因为互连路径变长，导线变窄，并且随着新材料集成到电路中，需要更多类型的连接。这一综述，通过关注材料的载流子平均自由程和内聚能，回顾了开发更好互连的策略。

摘 要

在芯片上集成更多器件的半导体技术，目前达到了器件单独缩放，已经不再是提高器件性能的有效方式。问题在于连接晶体管的互连工艺，随着尺寸按比例缩小以匹配晶体管尺寸，金属的电阻率呈指数增加。

因此，总信号处理延迟，主要是来自互连的电阻-电容resistance-capacitance （RC）延迟，而不是来自晶体管开关速度的延迟。这一技术瓶颈，需要探索替代材料和颠覆性器件结构。

近日，韩国三星电子综合技术院（Samsung Advanced Institute of Technology）Joon-Seok Kim，Jeehwan Kim，Sang Won Kim等，在Science上发表综述文章，从材料和器件两个方面，提出了互连技术中，RC电阻-电容延迟的提升策略。

Addressing interconnect challenges for enhanced computing performance.

解决互连难题，以增强计算性能。

互连电阻-电容resistance-capacitance ，RC延迟是器件性能的瓶颈。

图1. 电阻率增加的原因。

图2. DRAM架构结构变化的扩展挑战和进展。

图3. NAND闪存的扩展挑战。

图4. 逻辑器件的互连缩放和结构挑战。

表2. 逻辑互连规范及其对技术节点的预测和要求。

研究进展

晶体管栅极延迟，取决晶体管栅极氧化物电容和沟道载流子迁移率，而互连RC延迟，则取决于金属线电阻和电容决定。据报道，互连RC延迟已超过约180-nm节点时代的晶体管栅极延迟，并具有65-nm节点时代所能达到工作频率上限。物理缩放之外的有效器件缩放方案，即高k/金属栅极的引入和沟道结构的改变，增加了晶体管的密度，并提高晶体管的开关速度，但也导致互连RC延迟呈指数增长。随着最近引入的垂直堆叠多个芯片策略，互连RC延迟，预计将以更快的速度增加，并对指数增长的计算需求，造成更严重的瓶颈。

晶体管和存储单元的横向按比例缩小，迫使互连也按比例缩小到这样的尺寸，其中导体的表面和晶界决定着电子散射，并导致电阻率的指数增加。未来互连的理想候选材料，应具有较短的平均自由程，从而使散射表现出较小的缩放效应，不需要衬层和势垒层，并且具有表面态主导的导电性。就存储器和逻辑器件的结构变化而言，由于朝着垂直集成结构的发展，以使面密度最大化，制造变得更具挑战性。未来互连材料的研究，还应考虑兼容于最近开发的制造工艺。

在这篇综述中，讨论了当前互连技术的材料和器件挑战，并讨论了学术界和工业界未来研究的潜在方向。介绍了用于确定互连应用的合适材料，并评估其基本特性的方法，介绍了各种半导体器件中提出的结构进步，并建议基于器件功能和制造工艺的材料。最后，对半导体三维集成日益增长的重要性，提出了前瞻性的展望。

展望未来

用于互连的互补金属氧化物半导体complementary metal-oxide semiconductor （CMOS）兼容导电材料的研究，业界通常是去优先化的，主要重点是提高半导体性能和增强高k电介质。这已经导致互连材料开发受挫，并且相比于半导体技术的其他方面，也受到较少的关注。在学术研究中，互连研究，通常强调选择材料特性，而没有全面考虑在实际器件架构中的适用性。为了解决这一关键差距，需要一种系统和协作的研究方法，建立一个强大的平台，用于发现、合成、表征和实际验证与下一代半导体技术兼容的互连材料。学术界和工业界之间这种共同努力，将促进互连解决方案的可行性开发，这些解决方案不仅在理论上很有前景，而且在功能与新兴电子设备的苛刻性能和集成要求兼容。

文献链接

Joon-Seok Kim et al. ， Addressing interconnect challenges for enhanced computing performance. Science 386， eadk 6189 （2024）。

DOI:10.1126/science.adk6189

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk6189

本文译自Science。