“加碳再去除，电阻骤降45%”……2纳米半导体布线的逆向思维[读懂科学]

在半导体布线中刻意加入碳后再将其去除，电阻降低了逾45%。研究人员以一种“逆向思维”提升了下一代2纳米（nm，十亿分之一米）级半导体布线的性能：将原本被视为金属杂质的碳，仅在晶体生长期间短暂利用。

光州科学技术院（GIST）21日表示，中央仪器研究所博士 Cho Yongryun 与三星电子三星先进技术研究院（Samsung Advanced Institute of Technology，SAIT，原三星综合技术院）、美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）研究团队合作，开发出利用微量碳控制下一代半导体布线材料钌晶体尺寸及取向的技术。研究成果于本月13日在线发表于国际学术期刊《科学》（Science）。

碳促进剂（C-promoter）促进钌（Ru）晶粒生长及晶体取向排列过程。研究团队供图

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随着半导体微缩至2纳米级以下，芯片内部的金属布线也变得极为纤细。问题在于，布线越窄，电子流动受到的阻碍越大，电阻便会急剧上升。钌作为可替代和补充传统铜材料的下一代布线材料而备受关注，但钌同样存在电子在大量微小晶粒之间的边界处发生散射、导致电阻增加的问题。

研究团队找到的解决方案出人意料，正是“碳”。他们向钌中加入极少量碳，在热处理过程中借助碳促进晶体生长和排列，待其完成作用后再使碳逸出。这并非让碳持续留存在薄膜中、以改变其特性的添加剂，而是将其作为仅在晶体生长期间发挥作用的“临时促进剂”。

研究团队通过改变碳含量进行实验发现，当添加相当于每1000个钌原子中约5个的0.48原子%碳时，效果最显著。碳含量过高反而会妨碍晶体排列。

研究团队还阐明了碳促进晶体生长的过程。开始热处理后，钌内部的碳原子会迁移至晶粒相接的“晶界”。随后，碳以气体形式逸出，在晶界周边形成称为“自由体积”的临时空隙。得益于这一空间，钌原子和晶界能够更容易地移动，小晶体相互合并并不断长大，同时重新排列至相近方向。

碳促进作用下钌（Ru）晶粒的生长与排列过程及三维结构应用结果。研究团队供图

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研究团队还利用原位加热透射电子显微镜，直接观察了这一过程。他们在显微镜内对样品加热，实时追踪晶体长大及改变取向的情况。

结果显示，经450摄氏度热处理后，钌薄膜的平均晶粒尺寸从约13纳米增至91.7纳米，扩大逾7倍。反映晶体朝同一方向排列程度的取向度达到99.3%。

随着晶体结构发生变化，电学性能也显著提升。在厚度为8纳米的钌薄膜中，电阻率为11.2微欧姆·厘米（μΩ·cm），较未使用碳的钌低29.0%。制成实际超微细布线结构后，布线电阻降低45.4%。研究团队表示，该成果满足线宽约2纳米的下一代半导体布线所需的电学性能要求。

除平面薄膜外，研究团队还确认该技术可应用于复杂的三维结构。他们在深宽比达33∶1的狭窄深槽中沉积了厚度为12纳米的钌。结果显示，涂层覆盖至沟槽侧壁和底部，均匀性高达99.1%，且即使在复杂结构中，钌晶体的取向性也得到保持。

研究团队合影。从左起：Samsung综合技术院博士 Lim Yongcheol、博士 Ha Yunhu、研究员 Lee Youngmin、GIST中央仪器研究所尖端分析中心博士 Cho Yongryun。GIST供图

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这表明，即使半导体结构日益微细化和立体化，该技术也具有应用潜力。研究团队预计，未来可将其应用于2纳米级以下超微细半导体布线及高集成度三维半导体结构等领域。

此次研究的意义并不局限于碳本身。研究提出了一种新的材料设计策略：不再仅将金属中的微量元素视为需要去除的杂质，或是最终留存在材料中的添加剂，而是将其作为在形成所需晶体结构后自行消失的“临时促进剂”。

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Cho博士表示：“这项研究表明，金属中的微量元素并非只是必须去除的杂质，也可作为诱导晶界移动和排列、随后逸出的临时促进剂加以利用。我们提出了一项新设计原理，可同时调控下一代半导体布线材料的结构与电学性能。”

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