新聞資訊

研究背景

互連線佔據集成電路相當大的體積份額，也是芯片製造成本的重要組成部分，先進電子芯片中銅互連的總長度可超過100 km。隨著集成電路特徵尺寸持續微縮至納米尺度，一旦線寬低於銅的電子平均自由程（λ≈40 nm），表面與晶界散射急劇增強，銅互連電阻率顯著上升，帶來嚴重的阻容（RC）延遲。隨著技術節點推進，來自互連的信號延遲日益成為主導因素：即便晶體管開關速度不斷提升，集成電路的整體性能仍受制於互連的信號傳輸。與此同時，銅互連中不斷攀升的電流密度會引發電遷移，成為影響芯片可靠性與壽命的重大挑戰。

國際器件與系統路線圖（IRDS）預計，到2030年現有銅互連將無法滿足納米級互連的需求，因此亟需在電學性能與可靠性上更優的替代材料。硅化鈷（CoSi）半金屬因其與硅基CMOS工藝的天然兼容性，被視為下一代互連的有力候選。理論預測CoSi在超薄極限下呈現由費米弧表面態主導的電荷輸運：由於表面通道比體通道更導電，高比表面積的CoSi納米片在特徵尺寸縮小時反而電導更高，這與銅在納米尺度電阻率上升的行為形成鮮明反差。此外，CoSi的內聚能超過5 eV，有望在大電流密度與高溫條件下保持優異可靠性。

成果簡介

近日，香港理工大學應用物理學系柴揚講座教授團隊在Nature Materials上發表研究成果，報道了單晶半金屬CoSi納米片在高性能互連中的應用。研究團隊採用受限助熔劑輔助生長方法制備出單晶超薄CoSi納米片，其厚度由1 µm減小至約20 nm時，電阻率不升反降，從7.0 µΩ·cm降至0.72 µΩ·cm，僅為同等厚度銅互連（約7.5 µΩ·cm）的十分之一。憑借高內聚能（5.4 eV）與高遷移勢壘（3.7 eV），CoSi互連在10⁸ A cm⁻²電流密度和450 °C高溫下均可穩定工作200 h，載流能力較銅互連高約100倍。射頻測試表明CoSi互連可在40 GHz以內低損耗傳輸信號；將其與16 nm技術節點的硅基環形振蕩器集成後，振蕩頻率保持在94 MHz，與金屬互連方案完全一致，證實該半金屬互連可與成熟硅基CMOS芯片無縫集成。 

圖文導讀

圖1 CoSi晶體表徵及其電阻率。(A) CoSi與傳統銅互連電阻率（ρ）隨厚度變化的示意圖，縱軸取歸一化ρ以突出CoSi的理論縮放趨勢。(B) 傳統金屬與CoSi的電阻率與載流能力對比，電阻率數值均在約20 nm厚樣品上測得。(C) CoSi納米片的截面HAADF-STEM圖像及相應的Co、Si元素EDS分布圖，二者分布均勻。(D) 沿[011]晶帶軸拍攝的具有(100)頂表面的CoSi納米片原子級分辨截面HAADF-STEM圖像（左）、對應的快速傅里葉變換圖案（中）以及疊加原子模型的放大圖像（右）。(E) CoSi納米片的拉曼光譜，E峰位於約206 cm⁻¹，T峰位於約222 cm⁻¹與243 cm⁻¹。(F) 硅2p與鈷2p的XPS譜，約98.9 eV的峰對應Si–Co成鍵的硅2p信號，約777.7 eV與792.9 eV分別對應鈷2p₃/₂與2p₁/₂。

CoSi為立方晶體結構，空間群P2₁3（國際表編號198），每個鈷原子與六個近鄰硅原子成鍵，形成穩固的三維網絡。正因這種三維強共價鍵合，傳統的化學氣相輸運與浮區法受熱力學平衡支配，通常只能得到厚度大於100 µm的塊體晶體。作者改用受限助熔劑輔助生長：以碲粉為助熔劑、前驅體與助熔劑質量比控制在1:6~1:8，將混合粉體夾持於c面藍寶石襯底與新鮮解理的氟金雲母片之間，形成“剛性—柔性”受限結構，在860~890 °C窗口內僅保溫6 min後自然冷卻。快速熱歷程在垂直堆垛尚未達到熱力學平衡前即終止生長，有效抑制了奧斯特瓦爾德熟化，從而穩定出超薄納米片形貌。

圖2 CoSi的高可縮放性與超低電阻率。(A) 室溫下CoSi納米片電阻率隨厚度的變化，實心符號為10個獨立器件的平均值，空心符號為單個實驗數據點，誤差棒表示標準差，紅色實線為視覺引導線；插圖為典型霍爾條結構CoSi器件的SEM圖像，標尺2 µm。(B) CoSi樣品厚度相關遷移率與三維載流子濃度的模擬與實驗結果，紅、藍實線分別為模擬遷移率與載流子濃度，空心符號取自實驗測量，不同形狀代表不同樣品；插圖為雙通道輸運模型示意圖。(C) 2 K下測得的角度依賴霍爾電阻（Rxy）。(D) 提取的振蕩分量隨磁場倒數的變化，0°時起振場低至約1.5 T，90°時振蕩完全消失。(E) FFT幅值譜，顯示主頻率隨角度增大而系統性藍移。(F) CoSi、石墨烯、碳納米管及代表性金屬的遷移率與載流子濃度對比。

輸運測量顯示，隨溫度從300 K降至2 K，樣品電阻率單調下降，確認其金屬性。厚度依賴測試給出與銅完全相反的趨勢：銅的電阻率由塊體的約1.7 µΩ·cm升至20 nm時的約7.5 µΩ·cm，而CoSi的電阻率由塊體的約80 µΩ·cm降至約20 nm時的0.72 µΩ·cm。作者用體—表雙通道共導模型（總電導率等於體電導率與表面薄層電導除以厚度之和）擬合了涵蓋80片納米片與機械拋光塊體晶體的數據集，得到體電導率為1.22 S µm⁻¹、表面薄層電導約為7 S；該體電導率與650 µm厚塊體晶體實測電阻率82.1 µΩ·cm高度自洽。以厚度100 nm為例，表面貢獻高達70 S µm⁻¹，佔總電導71.22 S µm⁻¹的絕大部分，說明薄片區間的輸運由表面通道主導。如此巨大的表面貢獻源自CoSi獨特的拓撲能帶結構——動量空間長度約1.0 Å⁻¹的超長費米弧提供了高電導、長壽命的輸運通道，而大動量間隔又強烈抑制了背散射。

霍爾測量擬合進一步表明，表面遷移率高達1.5×10⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹，約為體遷移率（704 cm² V⁻¹ s⁻¹）的20倍。2 K下出現清晰的舒布尼科夫—德哈斯振蕩，起振場低至約1.5 T，反映出很高的量子遷移率；振蕩頻率隨角度呈近似1/cosθ依賴，且面內磁場下完全消失，與准二維柱狀費米面一致，說明穩健的二維表面態對輸運有重要貢獻。得益於低耗散的表面態主導輸運，CoSi同時具備超高遷移率與高載流子濃度（約10¹⁵ cm⁻²，約為石墨烯的100倍），突破了常規金屬中二者難以兼得的困境。基於Elmore模型的電路仿真顯示，在5 nm技術節點下，CoSi互連可使工作頻率相比銅提升約40%；與銅、鉍、鉑、釕、鎢、鈷等對比，其工作頻率增益可超過50%。

圖3 CoSi互連的可靠性。(A) 1×10⁸ A cm⁻²電流密度下的可靠性測試，插圖顯示電流密度升至5.7×10⁸ A cm⁻²時發生擊穿。(B) 450 °C下的熱可靠性測試，插圖為測試200 h前後CoSi的拉曼光譜對比。(C) 不同電流密度下CoSi互連的失效時間，數據來自共18個測試器件，每個數據點為6個電流密度下各3個獨立器件的平均值，誤差棒表示標準差，並給出銅互連的參考失效時間作為對比；CoSi極小的統計漲落體現了其高度可重復的本徵可靠性。(D) CoSi與若干常用互連金屬的內聚能與載流能力對比。

可靠性方面，作者以初始電阻R₀與老化後電阻Rt之比作為判據。在10⁸ A cm⁻²應力下連續測試200 h，CoSi互連的Rt/R₀始終接近1；其擊穿載流能力可達5.7×10⁸ A cm⁻²，遠高於銅互連的10⁶~10⁷ A cm⁻²。在450 °C空氣環境中老化200 h後，Rt/R₀同樣維持在1附近，拉曼光譜證實晶體結構完好保留。失效時間統計顯示，銅互連的失效時間隨電流密度近似線性下降（4.0×10⁶ A cm⁻²下為3.3×10⁵ s，1.0×10⁷ A cm⁻²下降至3.9×10⁴ s），而CoSi在3.0×10⁷ A cm⁻²下失效時間仍達4.4×10⁷ s，即使在2.0×10⁸ A cm⁻²的極端應力下也有4.37×10⁶ s。第一性原理計算給出CoSi的內聚能為5.4 eV/原子，顯著高於銅的3.5 eV/原子，鈷在CoSi中的遷移勢壘達3.7 eV，從原子尺度解釋了其優異的抗電遷移能力。此外，在50~10 000 nm²的截面區間內，CoSi的線電阻始終低於NbAs納米線、MoP納米線以及釕、銅互連。

圖4 CoSi互連的片上演示。(A) 用於射頻測試的地—信號—地（GSG）結構光學圖像及待測器件的雙探針測試示意。(B) “金屬”“開路”與“CoSi互連”三類典型GSG結構，光學顯微圖像給出金電極器件與開路器件，標尺40 µm；SEM圖像顯示位於1.5 µm間隙結構上的CoSi互連，標尺4 µm，CoSi厚度為50 nm。(C) 典型器件的射頻傳輸特性。(D) 16 nm技術節點環形振蕩器的偽彩色SEM圖像。(E) 片上集成CoSi互連與環形振蕩器的偽彩色SEM圖像，下圖為相應的結構示意圖。(F) 供電電壓（Vdd）為3 V時，集成與未集成CoSi的環形振蕩器時域波形，CoSi厚度約300 nm，與金屬電極一致。

高頻特性上，作者在GSG結構上制備CoSi互連，用矢量網絡分析儀測量散射參數。CoSi互連的S₂₁曲線與“直通”結構極為接近，經開路器件去嵌入處理後，射頻結果表明CoSi互連可在40 GHz以內正常工作，提取的分布式傳輸線參數（R、L、G、C）也與“直通”結構高度吻合，其歸一化電阻甚至優於“直通”結構。為驗證與大規模硅電路的兼容性，作者在16 nm技術節點的123級硅基環形振蕩器上，用聚焦離子束切斷部分金屬互連，並轉移CoSi納米片橋接兩側電極。測試顯示振蕩頻率保持在94 MHz，與未集成CoSi時完全相同，說明互連總電阻幾乎未受影響，CoSi互連可與成熟硅基CMOS工藝無縫銜接。

總結展望

該工作系統研究了CoSi半金屬在互連應用中的電導率與可靠性。CoSi納米片具備高電導的表面輸運通道，其電阻率呈現獨特的厚度依賴：在約20 nm厚度下電阻率低至0.72 µΩ·cm，僅為同厚度銅的十分之一，可顯著提升集成電路的工作頻率。同時，CoSi在450 °C高溫與10⁸ A cm⁻²高電流密度等嚴苛條件下仍保持長時間穩定，載流能力較銅高約100倍；射頻測試證實其可工作至40 GHz，並已成功與16 nm技術節點環形振蕩器集成。上述結果表明，CoSi在納米尺度下於電導率與可靠性兩方面均優於銅，是極具潛力的下一代互連材料。後續若能進一步優化納米片的可控制備與更小截面尺寸的加工工藝，有望推動其向實際後段互連集成邁進。

文獻鏈接

DOI：https://doi.org/10.1038/s41563-026-02740-1

（內容來源：https://mp.weixin.qq.com/s/8knSYBnE1rNnISUGIkmiaQ）