日本慶應義塾大學與物質材料研究機構(NIMS)的研究團隊共同發表4項與1 nm節點之後的次世代半導體配線材料研究成果。這些技術可望大幅降低半導體積體電路中的配線電阻，突破現有銅(Cu)配線在微細化過程中面臨的性能瓶頸。隨著半導體製程持續微縮，元件效能提升與功耗降低已取得顯著進展。然而，使用於連接晶片內大量元件的配線材料卻逐漸成為限制因素。當配線寬度進一步縮小時，既有銅配線的電阻明顯增加，進而導致訊號延遲與功耗上升。因此，開發新型低電阻配線材料與結構已成為先進半導體的重要研究課題。慶應義塾大學與NIMS此次提出4項關鍵技術，期藉此解決銅配線的限制。
「利用超薄鉭(Ta)襯層實現釕(Ru)配線結晶高定向化」：研究團隊開發出在Ru/SiO₂界面精確插入0.1~1.0 nm超薄Ta層的技術。當Ta厚度控制在0.2~0.3 nm時，hcp-Ru (002)晶面定向強度比由0.78提升至最高1.0，顯著改善薄膜結晶品質。在20 nm膜厚條件下，Ru薄膜電阻率可達13.0 µΩ·cm，同時通過膠帶剝離測試，證明具備良好的附著力。此成果顯示超薄Ta襯層有助於提升Ru配線性能與可靠性。「採用1 nm鋁(Al)包覆鎳(Ni)薄膜之低電阻配線技術」：研究團隊利用磁控濺鍍(Magnetron sputtering)製程形成Ni薄膜後，立即連續沉積厚度僅1 nm的Al頂蓋層(Cap Layer)。藉由此結構，可在7.9 nm薄膜厚度下實現23 µΩ·cm的低電阻率。此外，該技術符合半導體後段製程(BEOL) 400℃以下熱負荷要求，展現其導入先進半導體製造的可行性。
「單晶CoSn籠目金屬薄膜製作技術」：研究團隊成功建立獨特的磊晶成長技術，在MgO (110)基板上，透過bcc-CoFe (211)/hcp-Co/hcp-Ru緩衝層，製備出c軸位於面內方向的CoSn (10-10)單晶薄膜。CoSn屬於具有非均向性(Anisotropy)導電特性的籠目金屬(Kagome Metal)。量測結果顯示，其c軸方向電阻率約為13 µΩ·cm，而a軸方向約為120 µΩ·cm，呈現接近塊材單晶的顯著電阻率非均向性(Resistivity Anisotropy)。此特性可望用於設計具有方向性導電能力的新型配線結構。
「PtCoO₂雙晶晶界散射的原子尺度模型建立」：研究團隊針對準一維導體PtCoO₂，建立雙晶晶界電子散射的原子尺度模型。研究中利用密度泛函緊束縛法(DFTB)，並透過貝葉斯最佳化自行開發適用於PtCoO₂的DFTB參數。此外，進一步結合非平衡格林函數(NEGF)計算，成功取得180度旋轉雙晶晶界的電子反射係數R=0.48，與過去經驗模型常採用的R=0.5極為接近。這是首次從原子尺度理論計算驗證該參數的合理性，有助於更精確預測未來超低電阻配線材料中的電子傳輸行為。
這四項研究成果分別從材料設計、薄膜結構控制、非均向性導電材料開發，以及原子尺度電子傳輸模擬等面向切入，為1 nm節點以後的半導體互連技術提供新的解決方案。隨著一般銅配線逐漸接近性能極限，Ru、Ni、CoSn以及PtCoO₂等新材料可望成為未來超高密度積體電路的重要候選配線材料，協助降低配線電阻、減少功耗並提升運算效能。