大马士革电镀铜超级填充研究进展和展望

大马士革电镀铜是构筑芯片中互连网络的核心技术, 也是我国攻克高端芯片制造的“卡脖子”领域. 电子科技大学杭弢团队介绍了大马士革电镀铜技术的发展及实现电镀铜“超级填充”的重要意义, 并分别从超级填充的物理模型研究、超级填充的添加剂及其作用机制研究两方面重点综述了近年来取得的研究成果和仍然存在的不足, 结合当前新兴的理论计算方法和界面电化学研究方法, 对未来电镀铜技术研究的发展进行了展望, 为先进制程芯片电镀添加剂的研发及机理的研究提供参考.

芯片是现代工业的基石, 人工智能、大数据、5G通讯、新能源汽车等新兴产业发展均离不开芯片. 但我国芯片严重依赖进口, 仅2021年就花费4400亿美元进口了6354.8亿颗芯片. 芯片也成为了遏制我国产业结构升级转型的瓶颈: 当前14 nm以下的逻辑芯片、128层以上的存储器芯片、18 nm以下的动态随机存取存储器芯片等的相关技术被全链条、高强度封锁. 党的二十大报告提出, 要推动经济高质量发展, 着力提升产业链供应链韧性和安全水平. 如何保障芯片产业链和供应链安全是当前我国面临的突出问题.

芯片制造一般分为前段(Front-end of line, FEOL)晶体管制造和后段(Back-end of line, BEOL)金属互连制造. 图1所示金属互连包含了层内的金属线和轨道(line and trace)及将上下层线路连接在一起的垂直互连. 目前最先进的处理器芯片中的总互连层数已接近20层. 金属互连用于连接各晶体管, 并分配时钟和其他信号, 也为各种电子系统组件提供电源和接地, 是芯片中的“神经网络”. 虽然晶体管尺寸已经逼近物理极限, 但后段金属互连的节距仍然保持以0.7倍的速度缩放, 以面对芯片集成度不断提高带来的挑战. 自1997年IBM发明大马士革电镀铜技术以来, 铜始终是逻辑芯片和存储器芯片中金属互连的最佳选择. 最新10 nm和7 nm技术节点中最小金属互连节距已缩小至36 nm, 互连线宽接近铜的平均电子自由程, 散射造成的电阻急剧增大. 图2展示了Co、Ru等取代Cu作为底层垂直互连的优势,CuAl合金类、MXene化合物类也被列为下一代最底层金属互连的候选材料. 而其他互连层的线宽在40 nm以上, 铜的电阻相较这些新兴材料具有较大优势, 探索铜的大马士革电镀机理和相关电子化学品在当前和未来仍然具有重要意义.

图1 铜互连导线在芯片中的应用

图2 纳米尺度金属薄膜的电导率随厚度的变化关系: (a)NiAl合金; (b) Ru、Co金属; (c) CuAl合金

但大马士革电镀铜的设备及电子化学品一直都在美国企业控制之下. 我国的上海新阳公司只能提供28 nm制程以上的大马士革电镀铜添加剂, 而当前最先进7 nm、5 nm制程的电镀铜添加剂技术掌握在美国MacDermid、Moses lake industries等公司手中. 在关键设备和电子化学品限制越来越严格的环境下, 国内最先进的芯片制造企业中芯国际不得不宣布放弃14 nm制程芯片的代工. 唯有自主创新, 完全掌握芯片制造的设备、材料和技术, 才能够保障我国经济的健康发展. 电子科技大学杭弢团队介绍了大马士革电镀铜技术的发展及实现电镀铜“超级填充”的重要意义, 并分别从超级填充的物理模型研究、超级填充的添加剂及其作用机制研究两方面重点综述了近年来取得的研究成果和仍然存在的不足, 结合当前新兴的理论计算方法和界面电化学研究方法, 对未来电镀铜技术研究的发展进行了展望, 为先进制程芯片电镀添加剂的研发及机理的研究提供参考.