随着集成电路尺寸不断缩小，传统的Cu互连因电阻尺寸效应严重而面临严峻的性能挑战在10纳米线宽下，铜互连的电阻率可达块体材料的数十倍，严重制约芯片性能提升。寻找新一代互连金属及其加工方案成为行业迫切需求。Ir、Ru、Rh等金属因其电阻尺寸效应较弱、可靠性好被称为有可能取代Cu的“下一代互连金属”。然而目前下一代互连金属材料的加工方案尚不成熟。
上海科技大学物质科学与技术学院冯继成课题组成功开发出下一代芯片金属互连“自下而上”加工的新方案。相关研究成果以题为“Wafer-scale nanoprinting of 3D interconnects beyond Cu”发表于国际学术期刊ACS NANO, 并选为Supplementary Cover成果。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c00720
此方案中开发了不受材料限制，且兼具纳米级加工精度与晶圆级加工通量的新型金属互连方案，利用其加工的Au、Ir与Ru三维金属互连可达到理论预测的性能。该方法利用“人工闪电”蒸发金属电极靶材，在常温常压的惰性载气氛围中高速冷却下形成高纯（>99%）金属纳米颗粒，再通过控制电场空间构型，将纳米颗粒原位打印成高纯3D纳米互连结构，最小三维结构的特征尺度可达17 nm（图1），为芯片互连加工提供了全新的可能性。
除可适配材料种类多、高精度等优势外，该策略相较于主流的大马士革工艺（绝缘层刻蚀–Cu填充–平坦化）可分别节省能源3个量级和提高材料利用率5个量级（图1）。
图1.晶圆级大面积3D打印多级、多尺度、多材料的芯片互连结构。
通过程控化定制电场空间构型，该工作中实现了多材料互连结构，最小三维互连结构的特征尺度微缩至17 nm。该工作还成功展示了“台阶式”的三维互连，为未来芯片立体集成提供了指导方案（图2）。
图2.打印互连结构的材料以及尺度的自由调控。
该工作中通过对互连结构进行后处理以提升性能，并结合第一性原理计算预测互连结构性能（图3）。实验结果表明，经过简单热处理后，3D打印的金属互连结构即可展现出接近理论预测值的优异性能表现。
图3.打印互连结构的性能优化以及理论预测。
此外，为契合集成电路的产量需求，本工作开发了一种基于脉冲电场的高通量打印策略，实现了晶圆级规模化制造金属互连结构的能力，仅需单次打印即可在60分钟内加工超过由10000000个3D纳米结构组成的晶圆级大面积阵列（图4）。所打印的互连结构展现出优异的工艺一致性，其尺寸变异系数CV <10%，与光刻图案的标准在一个量级，充分满足集成电路制造对工艺稳定性的严苛要求。
图4.基于脉冲电场的晶圆级高通量打印。
本工作展示了打印三维纳米结构作为芯片互连的应用潜力，有望为受制于现有制造手段而难以实现的芯片互连方案带来新的发展机会。与此同时，该技术不仅适用于集成电路互连制造和金属化，在MEMS、光学超构材料等前沿领域同样展现出广阔的应用前景（，物质学院冯继成课题组自研）。展望未来，冯继成团队将持续深耕纳米尺度3D打印技术的产业化应用研究，重点推进该技术与现有芯片制造工艺的深度融合，致力于攻克制约我国集成电路产业发展的\"卡脖子\"技术难题，为提升我国在高端芯片制造领域的自主创新能力注入新动能。
基于本工作已申请了多件中国和国际发明专利。上海科技大学物质学院2024级博士研究生殷钰祥、2022级博士研究生刘柄言为本文共同第一作者，通讯作者为冯继成教授，上海科技大学为本项成果唯一完成单位。
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