铜互连技术面临的挑战 - 铜在10纳米以下关键尺寸下电阻率急剧上升，线宽小于10纳米时电阻相比块体材料增加约10倍 [1] - 铜需要至少3-4纳米厚度的扩散阻挡层，导致10纳米铜线的实际金属厚度仅剩2-4纳米 [1] - 铜缺乏可制造的蚀刻工艺，需通过电介质蚀刻、阻挡层沉积和电镀填充实现微细线路制造 [1] - 更小线宽导致电流密度和电阻升高，加剧发热和电迁移风险 [2] 钌作为替代导体的优势 - 钌在17纳米以下线宽时导电性优于铜，且具备优异的抗电迁移性能 [2] - 钌可抵抗向SiO₂和SiOCH电介质的扩散，且无需扩散阻挡层 [2] - 钌易于蚀刻，支持更灵活的工艺集成方案（如半镶嵌结构结合加成/减成工艺） [4] - 钌通孔（21纳米间距）与铜线（24纳米间距）组合比纯钌结构电阻更低 [3] 钌工艺开发与挑战 - 化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）需300°C高温，而化学镀可在低于100°C下进行但需退火处理降低电阻 [5] - 钌为各向异性导体，沿六边形[001]轴电阻率低25%，但外延薄膜通常使电流沿高电阻率方向流动 [5] - PVD钌与SiO₂粘附性差，降低沉积压力可致密化薄膜但恶化粘附性，薄膜化可改善粘附性 [4] - 溅射钌的柱状晶粒可能成为铜扩散通道，需通过氮气氛围溅射或与钨/钴合金化改善阻挡性能 [4] 界面与集成技术突破 - 铜与钌在通孔底部无混合现象，使用自组装单分子层（SAM）可防止通孔底部阻挡层沉积 [3] - 薄钴钌双层或钴衬里可降低线路电阻且保持电迁移性能不变 [3] - 1.5纳米TiN衬垫可钝化电介质并促进钌粘附 [3] - 钌与铜兼容性强，20纳米以上线宽仍以铜为主，界面处理对器件成功至关重要 [2] 行业应用前景 - 钌引入需克服沉积一致性挑战，涉及数千片晶圆上数百万特征的工艺控制 [4] - 钌替代铜属于阶跃式变革，需现有技术潜力耗尽后才会大规模应用 [5] - 行业正为钌基互连技术奠定基础，但全面替代不会快速发生 [5]

铜互连技术面临的挑战 - 铜在10纳米以下关键尺寸不再是最佳金属化选择 线宽小于10纳米时电阻增加约10倍 [2] - 铜需要至少3-4纳米扩散阻挡层 导致10纳米铜线实际厚度仅2-4纳米 [2] - 铜缺乏可制造的蚀刻工艺 需通过电介质蚀刻/阻挡层沉积/铜填充的复杂流程 [2] - 更小线宽导致电流密度和电阻升高 增加电迁移风险 [3] 钌作为替代导体的优势 - 钌在17纳米以下线宽导电性优于铜 且具备优异抗电迁移性能 [5] - 钌能有效阻挡铜扩散 同时可作为低电阻衬层替代氮化钽 [5] - 钌与铜兼容性关键 因铜仍是20纳米以上线宽首选金属 [5] - 钌相对铜更易蚀刻 支持更灵活的工艺集成方案 [5] 钌-铜界面研究进展 - 使用自组装单分子层防止通孔底部阻挡层沉积 降低线路电阻 [6] - 薄钴钌双层或钴层作为侧壁阻挡层 电迁移性能保持稳定 [6] - 铜与钌在通孔底部无混合现象 界面稳定性良好 [6] 钌通孔技术突破 - 钌通孔(21纳米间距)与铜线(24纳米间距)组合 电阻低于全钌结构 [8] - 采用1.5纳米TiN衬垫钝化电介质并促进钌粘附 [8] - 钌的易蚀刻性支持半镶嵌结构 结合加成与减成金属化工艺 [8] - 金属图案化简化气隙电介质方案实施 [8] 钌沉积工艺挑战与解决方案 - PVD钌与SiO2粘附性差 但降低薄膜厚度可改善粘附性 [9] - 降低沉积压力可获更致密低电阻薄膜 但会牺牲粘附性 [9] - 氮气氛围溅射形成非晶态结构 有效阻止铜扩散 [9] - 钌与钨或钴合金化可提升阻挡层性能 [9] - 化学镀在低于100°C温度下可行 琥珀酸络合剂配合成型气体退火效果最佳 [9] 钌材料特性研究 - 钌为各向异性导体 沿六边形[001]轴电阻率低约25% [10] - 硅基外延薄膜电流通常沿高电阻率方向流动 [10] - 蓝宝石衬底测试显示改变薄膜取向可改善电阻率 [10] - 层转移技术可能实现外延钌与CMOS工艺集成 [10] 行业技术转型展望 - 钌作为通孔或线路材料将引发阶跃式技术变革 [10] - 变革需待现有铜技术潜力完全耗尽后发生 [10] - 行业正在为钌基互连技术奠定基础 [10]