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3nm后的芯片应该怎么连

“新一代多层排线技术（BEOL）”——负责3纳米以后技术节点的多层排线技术（BEOL）

2021-11-01 15:28 · 微信公众号：半导体行业观察福田昭

编者按

在不久之前，半导体行业观察发布了题为的文章对芯片技术的未来进行了探讨。在本文里，我们将深入探讨一下3nm以后的晶体管支撑技术。

多层排线技术支撑3纳米

在之前的文章中，我们探索了“更先进的晶体管技术（Post Silicon）”，具体而言，通过将作为2D材料的过渡金属二硫属化物（TMD，Transition Metal Dichalcogenide）用于沟道（Channel），以实现1纳米以下技术节点的目标。

本文开始介绍第五项“新一代多层排线技术（BEOL）”。负责3纳米以后技术节点的多层排线技术（BEOL）是本文的主题。首先，我们看下微缩化技术蓝图。

3纳米以后的CMOS逻辑电路的技术蓝图

排线微缩化技术蓝图。此图是笔者根据上面图纸中排线的相关数值汇总的

三年来，金属排线的最小Pitch（MP）的技术发展蓝图如下：5纳米技术节点为28纳米、3纳米技术节点为21纳米、2纳米技术节点为16纳米。此外。CGP的发展蓝图如下：5纳米技术节点为48纳米、3纳米技术节点为45纳米、2纳米技术节点为42纳米。

而从最新的技术蓝图中可以看出来，金属排线的微缩化发展越来越慢。3纳米节点的MP为21纳米一一24纳米、CGP（或者PP）为44纳米一一48纳米。2纳米节点和1.5纳米节点的MP为18纳米一一21纳米，CGP为40纳米一一44纳米，1.0纳米以下节点的MP为15纳米一一18纳米，CGP为38纳米一一42纳米。在以往的技术蓝图中，金属排线的Pitch（MP）微缩化是从21纳米直接过渡到16纳米。而在最新的技术蓝图中，21纳米的后面为18纳米、15纳米，发展较缓。

支持着最新的CMOS逻辑电路的多层排线技术采用的是铜（Cu）质排线。而制造工艺采用的是Damascene技术（一种通过蚀刻绝缘膜，在沟槽中镀金属的技术，俗称“大马士革技术”或“镶嵌技术”）和CMP技术（一种平坦化技术）。

铜（Cu）质排线的缺点是随着微缩化的发展，排线的电阻会急剧增加。由于铜原子易于扩散于周边，因此将Barrier层（防止铜原子扩散）置于铜金属层与绝缘膜之间。而Barrier层电阻高、很难做到更薄。因此，如果缩小铜排线层断面厚度，Barrier层（高电阻层）的厚度就会增加。

要缓解因微缩化而带来的电阻增大问题，有两个办法。其一，加厚铜排线层。其二，将排线金属改为不需要Barrier层的材料。在imec演讲中，主要叙述了“尝试将排线金属由铜（Cu）改为钌（Ruthenium）”。

即使在现行的Lithography （微影）技术中，也做到与16纳米（2纳米技术节点）Pitch平行的平行线路。将ArF浸液光刻技术与Multi-patterning技术（多重图形技术）融合。Multi-patterning技术选用的是SAOP（Self Aligned Octuple Patterning，自对准型八重曝光）。依据以上这些技术，imec于2018年公布称，已经成功试做与16纳米Pitch平行的排线线路。

电子显微镜下观察，与16纳米Pitch平行的排线线路断面图

新的多层排线技术有助于实现2纳米

多层排线的导体部分由平行的直线排线群层（排线层）和连接各层的导孔（Via）电极构成。*迎来微缩化极限的是导孔电极。于是，导孔电极的材料不再采用铜，而是改为钨（W，Tungsten）、钼(Mo，Molybdenum)、钴（Co，Cobalt）、钌（Ru，Ruthenium）等熔点较高的金属。

多层排线断面图：排线层为铜、导孔电极为熔点较高的金属

因导孔电极微缩化而引起的铜和高熔点金属电阻值的变化（比较铜和其他高熔点金属，上图中的数值为计算值）。用铜填埋纵横比（Aspect Ratio，AR，Barrier层厚度为2纳米）为2的导孔（最小尺寸CD为14纳米）时的电阻值定为单位“1”后，得出以上数值。

用厚度为2纳米的Barrier层和铜来填埋最小尺寸（Critical Dimension，CD）为14纳米的导孔（相当于排线Pitch为21纳米一一24纳米的多层排线结构）后，把导孔的电阻值（导孔的纵横比AR为“2”）定为单位“1”。如果导孔宽度微缩至10纳米，电阻值（相对值）会超过单位“1”的两倍以上，为2.16。

另一方面，同样导孔（AR为2）最小尺寸为14纳米，且无Barrier层的钨电阻值（相对值）为0.84，钼为0.94，钌为0.59，电阻值都低于铜。

此外，当排线宽度为14纳米、纵横比（AR）为3时，铜质排线的电阻值（此处为：每单位长度的电阻值）为234Ω/μm，AR为2时，铜电阻值为389Ω/μm。如果排线宽度微缩至10纳米，当AR为3时，电阻值为672Ω/μm，当AR为2时，铜电阻值为1135Ω/μm，电阻值增加到2.9倍。

基于以上推测，imec认为未来钌（Ru，Ruthenium）有望成为多层排线材料。其理由如下：电阻率低、不需要Barrier层、可进行蚀刻加工等。

于是，imec正在利用一种被称为“半镶嵌（Semi Damascene）”的技术，来研发钌材质的多层排线结构。在“半镶嵌”技术中，首先在下层的排线层上形成绝缘膜，并蚀刻形成导孔。其次，同时在上层的排线层（Ru层）和导孔上形成绝缘膜。最后，蚀刻导孔周围后，用绝缘膜填埋、或者留下“空气间隙（Air Gap）”。

“半镶嵌（Semi Damascene）”技术工艺。利用成膜和蚀刻，形成排线和导孔电极。导孔的周围为绝缘膜或者空气间隙

从铜排线改为钌后的技术蓝图

Imec正在利用一种名为“半镶嵌（Semi Damascene）”的技术研发钌（Ru，Ruthenium）多层排线结构。就“半镶嵌（Semi Damascene）”的技术而言，它是在下层排线层的上面形成绝缘膜、蚀刻导孔。然后，在上层的排线层（Ru层）和导孔上形成绝缘膜。最后，蚀刻导孔周边后，用绝缘膜填埋、或者留下“空气间隙（Air Gap）”。

从铜排线改为钌（Ru，Ruthenium）排线后的微缩化技术蓝图在“IEDM 2020”的演讲（论文编号 32.2）中已经公布。21纳米一一24纳米Pitch是采用“双镶嵌结构(Dual Damascene ）”技术形成铜排线或者钌排线。钌排线和“半镶嵌技术”都是始于16纳米一一18纳米Pitch。相邻的排线之间和上下排线层之间由介电常数较低的的绝缘体填充。排线的纵横比（AR比：纵/横之比）为2.5左右。3也是被选项之一。

即使是16纳米一一18纳米Pitch，在进入下一代际后，也会将排线的纵横比（AR比）提高至3，降低电阻值。通过在相邻排线间的绝缘层中留出一部分“空气间隙（Air Gap）”，来控制静电电容值的增加。

在新的代际（16纳米一一18纳米Pitch之后的13纳米一一16纳米Pitch）中，会把排线的AR比提高至5，以进一步降低电阻值。相邻排线间的绝缘层全部由“空气间隙（Air Gap）”完成，以控制静电电容值的增加。

要实现13纳米一一16纳米Pitch，采用钌金属会存在不少困难。因此很有可能会采用其他金属或者合金用于排线、导孔电极。

从铜排线向钌排（Ru）线的过渡，钌排线微缩化发展蓝图

下面我们说明一下导入微缩化技术蓝图的技术要素。排线微缩化的主要弊端在于电阻值的增加和较低的抗电迁移（Electromigration）性。但是二者都可以通过提高排线的AR比得以缓解。比方说，将AR比从2提高至3.5的话，单位长度的电阻值可以下降50%左右。

但是，如果提高AR比，就会出现排线间静电电容值增加的问题。比方说，如果将AR比从2提高至3.5，单位长度的电容值会增加42%。

要解决这一问题，可以在相邻排线间的绝缘部分导入“空气间隙（Air Gap）”。“空气间隙（Air Gap）”的相对介电常数（Relative Permittivity）为“1”，理论上是介电常数*的绝缘物体。一旦导入“空气间隙（Air Gap）”，就可以将AR比为3时的静电电容值控制在23%。

钌（Ru）排线的AR比和电阻值以及静电电容值的关系。电阻值和静电电容值都基于单位长度的

Imec已经成功用钌（Ru）试做了32纳米Pitch（采用“半镶嵌”技术和空气间隙技术等）的两层排线。*层金属排线、导孔电极、第二层金属排线全部采用钌材质。

电子显微镜下观察，*层金属排线、导孔电极、第二层金属排线全部采用钌材质的双层排线结构的断面图，排线Pitch为32纳米

导孔电极的微缩化支撑高密度化

接下来，我们谈谈多层排线技术的核心一一导孔电极技术。

导孔电极指的是连接上下排线层的圆柱状的电极。由在排线层间的绝缘膜中形成的细长孔和埋于孔中的金属构成。通常，与排线层的厚度相比，导孔电极的直径较短。如果收窄排线的宽幅，导孔电极就会增加、抗电迁移（Electromigration）性也会下降。如果将铜质多层排线微缩化，铜导孔电极的电阻会明显增加，同时，电迁移（Electromigration）的寿命会变短。于是，考虑仅把导孔电极的金属改为熔点较高的金属。这在上文已经说明。

多层排线层的断面图，其中排线层为铜、导孔电极（黄色部分）为熔点较高的金属

最尖端的CMOS的多层排线多采用以下布局（Layout），各层平行的直线群通过上下相连的层来直接相连。比方说，从最下层（*层或者称之为“M1”）开始数，奇数层的排线为水平方向（横向）延伸，偶数层（第二层或者称之为“M2”），的排线为垂直方向（纵向）延伸。由于一般的导孔电极是连接上下相连的排线层的，因此此处的导孔电极为连接水平排线和垂直排线的交叉点。

但是，最近，人们开始认为连接邻近奇数层（或者偶数层）的导孔电极也很重要。比方说，用导孔电极连接M1和M3。这种导孔电极的作用是可以有效降低下层排线的电阻值，提高抗电迁移（Electromigration）性。

电子显微镜下观察，钌（Ru）材质的三层排线层的断面（试作品）。M2（第二层）为横切、M1（*层）、M3（第三层）为平行方向。M1何M3的排线Pitch为36纳米、M2为21纳米，导孔（Via）的直径（V1，连接M1和M2的导孔）为12.9纳米，V2（连接M2和M3的导孔）为16.3纳米一一45.3纳米

通常，三层排线的最上层和最下层由2个导孔电极和1层排线层连接。为了方便，我们将连接M1和M2的导孔成为“V1”，称连接M2和M3的导孔为“V2”。要连接平行的M1和M3，需要经由2个导孔和1个排线层。即，V1、M2、V2。M2是用于连接V1和V2的，因此不是具有细长的排线，因此多采用柱状。我们这种结构为“叠加导通孔（Stacked Via）”。

导孔电极的电阻值（累积概率）。此处为导孔电极的试作品的测量值

就imec试做的钌材质的三层排线而言，中间的M2的Pitch最狭窄，因此，V1的电阻稍高，V2的电阻稍低。此外，V1、M2、V2“叠加导通孔（Stacked Via）”电阻最高。

降低叠加导通孔（Stacked Via）电阻的方法之一是将M2层做得厚一些，但是，如果M2做得过厚，就会影响周边的M2的配置，影响整体的布局。此外，直接连接M1和M3（不经过M2）的“Super Via（超级导孔）”也在被人们考虑，将在下文中叙述。

“Super Via” 可有效降低多层排线的电阻

接下来我们就“Super Via（超级导孔）” 技术展开叙述，这是一种可以降低直接连接奇数层（或者偶数层）的导孔电极的电阻的技术。

现在已经开始采用一种名为“叠加导通孔（Stacked Via）”的技术，即一种以垂直方向连接奇数层（或者偶数层）的导孔电极。下面我们设想一下连接*层金属排线（M1）和第三层金属排线（M3）的导孔电极。利用“叠加导通孔（Stacked Via）”技术，首先制造出连接M1和第二层金属排线（M2）的导孔（V1），然后制作M2。其次，再制造连接M2和M3的导孔，最后成膜制成M3。

叠加导通孔（Stacked Via）技术的缺点如下，与连接M1和M2（或者M2和M3）的导通孔电阻相比，连接M1和M3的电阻值的电阻值会变得较高，且导孔的生产工艺会很复杂。

于是，开始考虑一种可以直接连接M3到M1的“Super Via（超级导孔）”。制作工艺如下：首先制作M1和M2（或者Dummy M2，即虚设的M2），然后在M2上形成绝缘膜。其次，堆叠氮化钛（TiN， Titanium Nitride）硬膜（Hard Mask），然后开凿一个可以贯通到M1表面的垂直孔（即，Super Via）。最后，将高熔点金属（比方说钌）埋入到超级导孔（Super Via）内，同时，形成M3。

连接第三层金属排线层（M3）和*层金属排线层（M1）的超级导孔工艺。左边为结构图，M2为虚设层（Dummy）。右边图像为在X射线扫描电镜能谱仪(EDS设备)和电子显微镜下观察的形成M3后的断面图。中间的两张图像如下，各种厚度TiN层所对应的导孔的类型。如果将TiN层做到30纳米，就可以获得良好的导孔

Imec分别试做了铜（Cu）、钴（Co）、钌（Ru）材质的可以连接M1和M3的超级导孔，结果如下：铜无法充分地填埋导孔底部内壁，钴会使导孔电极内部发生Void（空孔）。能形成良好的导孔电极和M3的只有钌。

上图是试做的铜（Cu）、钴（Co）、钌（Ru）材质的可以连接M1和M3的超级导孔。上面的表格是Barrier层、Liner、排线金属、成膜方法。下面的图片为在EDS设备和电子显微镜下观察的断面图像

后来，又试做了钌材质多层排线，并比较了采用之前的技术叠加导通孔和超级导通孔情况下，连接M1和M3的导孔的电阻值。M1和M3为互相平行的直线群、排线Pitch为36纳米；M2为与M1（以及M3）成九十度的平行直线群，排线Pitch为21纳米。

利用传统技术试做的导孔电阻值（中间值）为66.4欧、超级导孔为27.7欧。超级导孔的电阻值较传统技术减少了1/2.4（42%），得以大幅度减少。

超级导孔（左边）、传统技术（Stacked Via，右边）下的电阻值（测定值）。图像为电子显微镜下观察的断面图。排线Pitch如下，M2为21纳米，M1和M3为36纳米

“Super Via”所面临的问题

Imec所推测的超级导孔有效发挥作用的排线结构如下：连接*层金属排线（M1）和第三层金属排线（M3）。理论上的标准单元如下：垂直方向（纵向）上为平行的直线状的M1和M3，水平方向（横向）上为平行的直线状的第二层金属排线层（M2）。在此标准单元下，如果想要直接连接M1和M3，M2肯定是一个“障碍物”。换句话说，是超级导孔技术“阻碍（Block）”了M2。

3纳米代际下，从*层（M1）到第三层的多层排线结构和光刻技（Lithography）。排线层和导孔电极的金属为钌。左图为第二层（M2）的断面图，右图为M1和M3的断面图

一个超级导孔可以阻断（Block）多少根（Track）M2？至少是1根。但是，imec使用的3纳米代际的多层排线的尺寸如下，M1和M3为36纳米Pitch，M2为21纳米Pitch。用超级导孔“阻挡（Block）”Pitch最短的M2。如果仅阻挡一根的话，对M2的布局没有什么影响，但很难再保持超级导孔和M2的绝缘关系。

单元格（Cell）高度为5T（Track）的标砖单元（Standard Cell）中的超级导孔和第二层金属排线（M2）的布局。上图为超级导孔所“Block”的M2的多条线路。左（a）为1根，中间（b）为3根，右（c）为5根

下面我们看看增加阻断（Block）的线路后的影响。如果被阻断（Block）的线路数量过多的话，M2的布局就会受到阻碍。其影响如下，当布局第三层以及网上的其他层时，会受限制，且排线会更复杂。Imec将阻断（Block）的M2的线路数量从1根（Track）到5（Track）分别作了测试，且推断了从第0层（Mint层）到第5层（M5）的排线复杂程度。我们把阻断（Block）一根排线的复杂程度为看做单位“1”，阻断3根（Track）的时候，复杂程度没有什么变化，4根和5根的时候，从M3到M5的复杂度急剧增加！

超级导孔所阻断的M2的线路数量与从M0（Mint）到M5的排线复杂度的关系。当阻断的线路数量超过3时，M3和M4、M5的排线复杂程度急剧增加。即，把阻断（Block）一根M2排线的复杂程度为看做单位“1”

此外，如果阻断的线路条数过多的话，布局的设计就会很困难。多层排线的布局设计（PnR工程）工艺中使用设计工具能够检测出布局是否违反设计规定的功能（即，设计工具检查功能，DRC）。当超级导孔阻断的M2的线路数量增加的时候，排线的复杂度会增加，同时，违反DRC的数量也会增加。假设一款13层的排线结构，当阻断的M2的线路达到5条时，违反DRC的数量会达到1500，甚至更多。另一方面，当被阻断的数量小于4时，违反DRC的数量为100左右。

被阻断的M2的线路数量和排线复杂度（左纵轴）、违反DRC数量（右纵轴）的关系。当被阻断的线路数量为4以及以下时，违反DRC的数量为100左右。当数量为5时，违反DRC的数量会急剧增加，超过1500。以上为13层产品的推测值

接下来，我们将说明当减少单个超级导孔阻断的排线数量时产生的问题。布局在垂直（竖向）方向的*层金属排线层（M1）和第三层（M3），第二层金属排线层（M2）为水平（横向）方向的平行直线。并采用了Nano-sheet结构的晶体管和埋入式电源（BPR）。超级导孔直接连接M1和M3。即，超级导孔阻断了M2。

*层(M1)到第三层（M3）的多层排线结构、光时刻（Lithography）技术（3纳米代际）。排线层和导孔电极的金属为钌。左图为第二层（M2）的断面图。右图为M1和M3的断面图

为了尽可能地提高排线布局的自由度，需要减少阻断的排线数量。单个超级导孔至少要阻断一根M2排线（Track）。于是，将阻断的排线数量从1开始逐步增加到2,3 。并以此为条件，试做了M1到M3，且测量了超级导孔的特性。

改变阻断的排线数量后，电子显微镜下观察试做的具有多层排线结构布局图案和断面。左边为阻断的M2的排线数量。从上往下依次为3,2,1 。中间和右边为排线结构的断面图，分别对应左边的被阻断的排线的数量。中间为与M2平行的M3和M1的断面图。右端为与M1和M3平行的M2的断面图。图像中间的黄色数值为超级导孔的各部分的尺寸

尤其受到重视的是超级导孔和M2绝缘电阻。测量了绝缘电阻（泄露电流）后发现，当一根M2的线路被阻断时，75%的超级导孔发生了短路不良问题。即使两根线路被阻断，也有10%的超级导孔发生了短路问题。当被阻断的线路为3时，短路问题不再那么明显。