在半导体技术持续演进的过程中，一项重大变革或许正在酝酿：铜互连时代或将迎来终结。这一断言并非空穴来风，尤其是在先进制程中，当互连关键尺寸缩至10纳米以下时，铜作为金属化材料的地位开始动摇。
铜在微缩过程中的一大挑战在于，当其尺寸低于平均自由程长度（40纳米）时，金属电阻率会急剧攀升。据三星材料科学家Jun Hwan Moon及其团队的研究，线宽缩减至10纳米以下时，电子散射效应会导致线路电阻较块状材料激增近10倍。铜互连线还需借助扩散阻挡层，这不仅增加了工艺复杂度，还使得实际铜线宽度小于设计尺寸，因为扩散阻挡层至少需要3至4纳米的厚度。
制造上的另一难题在于，铜的蚀刻工艺相对复杂，且缺乏高效的选择性沉积方法。随着特征尺寸的进一步缩小，抑制剂分子的操作空间愈发有限，这无疑加剧了电迁移的风险。因此，业界开始寻找能够替代铜的材料，而钌因其独特性质逐渐进入人们的视野。
钌最初因其低电阻特性而作为氮化钽（TaN）扩散阻挡层的替代品受到关注。研究表明，钌不仅能有效阻挡铜扩散，还能降低互连线路的净电阻。更重要的是，对于17纳米及以下线宽的互连，钌的导电性能优于铜，且具备出色的抗电迁移能力。钌的蚀刻工艺相对简单，为工艺集成提供了更多灵活性。
然而，钌的应用也面临挑战。尽管其蚀刻过程较为容易，但电沉积和化学机械抛光（CMP）去除却相对困难。钌与铜的兼容性对于混合使用这两种材料的互连结构至关重要。为此，三星与比利时微电子研究中心（IMEC）合作，深入研究了铜与钌界面处的扩散和混合问题，并探索了使用自组装单分子层（SAM）等技术来优化界面性能。
在材料科学领域，钌的研究也取得了显著进展。例如，通过优化沉积条件，可以制备出电阻率更低、结构更致密的钌薄膜。同时，研究人员还发现，将钌与其他金属合金化可以改善其阻挡层性能。针对钌的各向异性导电特性，IMEC的研究人员正致力于探索如何通过改变薄膜取向来优化电阻率。
尽管钌的应用前景广阔，但半导体制造商在引入新材料时总是谨慎行事。毕竟，这类变革通常发生在现有技术潜力已近枯竭之际。因此，钌作为通孔或线路材料的广泛应用尚需时日。然而，从当前的研究进展来看，业界正在为这一变革奠定坚实基础。
随着半导体技术的不断演进，铜互连时代的终结或许只是时间问题。而钌作为一种潜力巨大的替代材料，正逐步展现出其在先进制程中的独特优势。尽管仍面临诸多挑战，但业界对于钌的研究和应用正不断深入，未来有望为半导体技术的发展带来新的突破。
