隨著集成電路尺寸不斷縮小，傳統的銅互連因電阻尺寸效應嚴重而面臨嚴峻的性能挑戰。在10納米線寬下，銅互連的電阻率可達塊體材料的數十倍，嚴重制約芯片性能提升。尋找新一代互連金屬及其加工方案成為行業迫切需求。Ir、Ru、Rh等金屬因其電阻尺寸效應較弱、可靠性好，被稱為有望取代Cu的“下一代互連金屬”，然而這些金屬材料的加工方案尚不成熟。
 

　　在此背景下，上海科技大學物質科學與技術學院馮繼成課題組成功開發出用于下一代芯片金屬互連“自下而上”增材加工的新方案。相關研究成果以“Wafer-scale nanoprinting of 3D interconnects beyond Cu”為題發表于國際學術期刊ACS NANO, 并被選為增選封面(Supplementary Cover)。
 

　　本工作開發了不受材料限制，且兼具納米級加工精度與晶圓級加工通量的新型金屬互連方案，利用其加工的Au、Ir與Ru三維金屬互連可達到理論預測的導電性能。該方法利用“人工閃電”創制等離子體氛圍下的金屬納米顆粒，通過氣流將其攜帶進入預設構型的空間電場中，將納米顆粒原位打印成高純、多級、多材料、高精度和晶圓級的3D納米互連結構，最小三維結構的特征尺度已至17 nm(圖1)。
 

　　除納米級加工精度外，該策略兼具低成本的優勢，相較于主流大馬士革工藝(絕緣層刻蝕– Cu填充–平坦化)的金屬互連制造方案，可節省3個量級能源消耗和提高5個量級的材料利用率(圖1)。
 

圖1.晶圓級大面積3D打印多級、多尺度、多材料的芯片互連結構。
 

　　通過程控化定制電場空間構型，成功打印了不同尺度的Ru、Ir和Au材料的互連結構，并展示了“臺階式”的三維互連，為未來芯片立體集成提供了可行方案(圖2)。
 

圖2.打印互連結構的材料和尺度的靈活調控以及臺階式互連結構。
 

　　互連的電學性能與其構型同樣重要。實驗結果表明，經過簡單熱處理后，打印金屬互連結構展現出接近理論預測值的導電性能，這對未來芯片三維互連的實際應用具有重要意義。
 

圖3.打印互連結構的性能優化以及理論預測。
 

　　此外，為契合集成電路的產量需求，研究團隊還開發了一種基于脈沖電場的高通量打印策略，實現了晶圓級規模化制造金屬互連結構，僅需單次打印即可在1小時內加工超千萬個3D納米結構(圖4)。所打印的互連結構展現出優異的一致性，其尺寸變異系數CV <10%，與光刻圖案CV在一個量級，滿足集成電路的要求。
 

圖4.基于脈沖電場的晶圓級高通量打印。
 

　　本研究展示了打印三維納米結構作為芯片互連的應用潛力，有望為受制于現有制造手段而難以實現的芯片互連方案帶來新的機會。該技術不僅適用于集成電路互連制造和金屬化，在MEMS、光學超構材料等前沿領域同樣展現出廣闊的應用前景。
 

　　論文共同第一作者為物質學院2024級博士研究生殷鈺祥和2022級博士研究生劉柄言，通訊作者為馮繼成教授。上海科技大學為唯一完成單位。