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将异质构造导入前辈的芯片导线（interconnect）深具发展潜力，不同导体材料之间的接口更扮演了关键角色，但目前在整合技能上仍面临了一些寻衅。因此IMEC在2021年IEEE国际芯片导线技能会议（International Interconnect Technology Conference）上提出了几种可用来延续后段制程微缩的异质整合方法。芯片开拓商现在正持续推动前段制程的晶体管发展，但同时，后段制程的内连导线技能却面临了开拓寻衅，难以跟进。后段制程的处理步骤依照不同的金属层进行安排，包含局部导线层、中间导线层、半全局和全局导线层，这些金属层之间透过通孔（via）构造互连，通孔则以金属添补。然而，每一代新制程技能所面临的布线拥塞和讯号严重延迟的问题变得越来越棘手，迫使芯片开拓商必须为导线制程着想，考虑全新的整合方案和材料。就现阶段进入量产的最前辈5纳米制程来说，在关键的局部导线层，金属导线间距最短为28纳米。铜双镶嵌构造依然是导线制程中最费工耗时的步骤，但随着未来金属导线间距将微缩至21纳米以下，芯片开拓商可能会逐渐淡出主流技能市场。像是IMEC就提出了一些替代的整合方案，包含通孔稠浊异质金属布线、半镶嵌制程，以及信道高度的零通孔构造，为今后的技能节点做好准备。同时，其他质量成分（figure of merit）较高的导体材料也被纳入研究范围，用于前述的那些前辈制程。这里说的质量成分，指的是块材电阻（bulk resistivity）与金属内部载子均匀自由路径的乘积。目前备受瞩目的材料包含钴（Co）、钌（Ru）、钨（W），还有铝镍合金（AlNi）或钌钒合金（RuV3）等有序二元介金属化合物。除此之外，研究职员也在密切关注石墨烯（graphene）的发展潜力，由于它具备精良的材料特性，现在正逐步进军（生物）感测、储能、光伏、光电和CMOS微缩等市场焦点运用。近年来，石墨烯一贯是芯片导线运用的研究重点，由于它具备发挥多种功能的发展潜力。例如，它常被当作金属材料的氧化阻障层和超薄扩散阻障层。研究职员也在评估利用多层石墨烯导线或纳米带（nanoribbon）当作替代导体的可行性。石墨烯会在导线运用备受瞩目完备在猜想之中，它具备高达200,000cm2V-1s-1的实质载子迁移率，还有108A/cm2的最高载流量。而且石墨烯的导热性佳，抗迁移韧性也具备竞争上风，还能制造出单层原子的构造，减薄组件层厚度，进而减缓RC延迟的问题。图一 : 碳基材料与其他导线材料的特性比较表。碳基材料包含纳米碳管（carbon nanotube；CNT）、单层石墨烯（single layer graphene；SLG）和寡层石墨烯（few layer graphene；FLG）；其他受到关注的金属材料则有钨、铜和钌。
只管石墨烯具备这些吸睛的材料特性，但却有一大缺陷：它不能用来当作局部导线层，由于本身的载流子数量不足。载流子不敷会严重折损导电性，但导电性却是导线性能的关键指针，与迁移率和载子浓度成比例。以是经由建模证明，如果要用于（局部）导线层，就须要在例如铜等金属殽杂好几层石墨烯，至于层数多寡，则必须考虑对电阻和电容的整体影响后做出取舍。幸运的是，我们可以利用一些方法来调变石墨烯的传导性。有关「石墨烯纳米带」的研究—也便是窄带状图形化的石墨烯层，因此蔚为风潮。另一个改良方法则从石墨烯层和下方组件层之间的角方向动手。末了，我们还能透过掺杂（doping）来增强石墨烯的导电性，如此一来，石墨烯就有更多的电子和电洞来带动电流。掺杂能以几种办法进行，例如金属诱发技能利用石墨烯和铜、钌等金属的直接打仗来产生结晶。这些稠浊了金属和石墨烯的掺杂方法可以整合两种材料各自的最大上风：金属的高载子密度与石墨烯的高迁移率。本文磋商在2纳米以下的芯片导线中采取金属／石墨烯稠浊构造的可行性。目前有两种构造正在进行研究，包括具备石墨烯覆盖层的金属组件，以及具备金属覆盖层的石墨烯组件。本研究锁定钌金属，业界近期逐渐把它当作取代铜的金属布线材料，但这里提到的观点未来该当可以延伸到其他的导线金属材料上。本研究中，IMEC团队将化学气相沉积（CVD）的多层石墨烯薄膜，转移到物理气相沉积（PVD）的钌金属薄膜（常日是5纳米）上面，终极制成稠浊了钌和石墨烯的组件构造。结果创造，石墨烯在转移之后可以完全附着在大面积的钌金属薄膜上。在导线运用，石墨烯的金属诱发掺杂技能得到了市场关注，估量会让石墨烯在与钌打仗的接口产生结晶。为了理解并掌握掺杂的结果，我们针对钌与石墨烯打仗接口的电荷转移展开系统性研究。结果有两大创造：首先，研究职员创造钌在与石墨烯完成封装之后，薄膜电阻（sheet resistance）均匀低落了15%。第二，他们创造石墨烯的费米能阶低落，价带比纯石墨烯低了约0.5eV，相称于1.9E13cm-2的电洞浓度。这项创造指出，在界面发生的金属诱发掺杂征象，让石墨烯在作为钌金属的覆盖层时，会变成P型。 图二 : 实验丈量纯钌金属（玄色）与具备石墨烯覆盖层的钌组件（赤色），在不同厚度的钌薄膜基板上的薄膜电阻值。经由本研究就可以确定钌在与石墨烯稠浊封装后，确实可以增加其作为导线的电气性能。不过，覆盖层内的导电机制究竟如何运作，还须要更多根本研究来供应见地。不论是将钌当作紧张导体，辅以石墨烯来抑制金属内的散射机制，进而降落电阻，或是让这两种导体共同运作，个中，石墨烯会由于电荷迁移而具备比纯石墨烯还要高的导电性，这些稠浊方法现在都还在透过建立模型来取得更深入的理解。此外，值得把稳的是，钌金属导线在与石墨烯封装后，对温度变革的敏感度也降落了，这可能源于石墨烯的高导热性，散热机制由于多了额外或替代的传导路径而变得更有效率。这项创造也在开拓未来的导线运用时引起关注，由于高度微缩的IC布线本身就会产生热能，其周围的介电组件散热能力又不敷，导致芯片内部导线的热可靠度（thermal reliability）低落。整体而言研究职员下了个结论，那便是采取石墨烯覆盖层的稠浊金属构造供应了一套办理导线RC延迟的办理办法。IMEC预期，这项技能未来能导入1纳米以下技能节点的后段制程。长远来看，IMEC团队为了进一步提升导电性，目前正在研究石墨烯与金属相互交替的堆栈构造。以类似三明治的办法堆栈出金属／石墨烯／金属…的夹层构造时，就会有第二个、第三个…的不同接口，每个都发挥同等主要的浸染，都是在石墨烯上方沉积金属层时的打仗接口。就像先条件到的研究结果，石墨烯和金属在打仗接口自产产生的交互浸染，能够改变石墨烯的物理特性，而且电子能带构造会因接口上的电荷分布而产生明显变革。不过，设计石墨烯和金属接口是一项巨大寻衅。常日（经由转移的）石墨烯层含有大量的非定向晶粒，这些晶界会充当线毛病和上层表面金属沉积的晶粒成核中央位置。利用PVD或原子层沉积（ALD）等传统方法时，要让金属均匀覆盖在整片石墨烯基面上会有困难。而且石墨烯在转移后表面会受到杂质污染，以是须要采取得当的洗濯方法，才不会损及石墨烯层。在一项实验室研究中，IMEC利用了氢气电浆（氩气／氢气顺流式电浆）来洗濯石墨烯表面，然后利用电子束表面蒸镀的办法沉积金属（例如钌）。接着研究这些制程对石墨烯和钌堆栈的导电度产生了哪些影响。研究职员创造，石墨烯在打仗氢气电浆后会产生N型掺杂，载流子浓度也会上升。不幸的是，单层石墨烯还是要面临电浆诱发的毛病问题。在这些情形下，采取（经电浆洗濯的）钌覆盖层的石墨烯组件，整体导电性提升了18%。这些初次研究成果相称振奋民气，估量未来还能透过调度氢气电浆的化学特性和洗濯条件，以及增加交替层数，实现进一步的改良。图三 : （图左）具备钌覆盖层并以电浆洗濯的寡层石墨烯，此为电子穿透显微镜（TEM）影像；（图右）双层石墨烯组件的转移特性曲线，显示了经电浆洗濯且转移后的石墨烯，在洗濯步骤后开启电流时的变革，以及其电荷中性点的变动。实线和虚线分别代表从63个组件测得的转移曲线上限和下限。上述研究成果展示了金属／石墨烯稠浊构造用于前辈芯片导线的性能潜力，不过在导入12吋晶圆厂以前，这些导线制程都必须先战胜在整合方面的寻衅。举例来说，在本研究磋商石墨烯转移时，比较“精练”的沉积方法是让石墨烯直接发展在金属模板上，但是高质量石墨烯的发展温度高达900℃~1000℃，以是石墨烯天生不能用在一样平常导线会选用的金属材料上。已有研究展示在较低温的环境下进行沉积，但会导致毛病和石墨烯质量的低落。本研究采取的另一种替代方法牵扯到高质量石墨烯的移转，晶粒天生会先在白金箔上以CVD制程进行。这种转移方法在热预算受限时可能派得上用场。IMEC先前展示过如何在12吋晶圆上完成高质量石墨烯的分层和转移，但这些步骤可能会由于下方金属层表面平坦化的程度不同而面临磨练。此外，石墨烯的移转势必增加好几道额外的处理步骤，还必须优化均匀度和制程掌握。为了将这些石墨烯和金属的稠浊架构导入家当运用，未来研究还必须加强对石墨烯层的毛病和晶粒取向掌握。对1纳米以下的节点来说，石墨烯和金属的稠浊构造有望成功延续后段制程的技能进展。本文磋商两种可能的稠浊架构，个中，石墨烯和金属之间的接口在导线整体的电性表现上都扮演了要角。只管具备石墨烯覆盖层的金属导线技能较为成熟，但长远来看，交替层堆栈构造可能会被逐渐扩大采取。与30万半导体精英一起，订阅您的私家芯闻秘书！
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