导读：

半导体产业正积极探索更经济、高效的金属线设计方法，以应对技术进步带来的挑战。当前，铜作为主流的金属线材料面临性能瓶颈，尤其是随着芯片尺寸的不断缩小，铜线的性能优势逐渐减弱。

铜的局限与替代材料的兴起

在微缩工艺中，铜线的性能受到限制，尤其是在阻挡层尺寸和电阻率增加的问题上。为克服这些挑战，业界开始寻找铜的替代品。其中，钌表现出优于铜和钴的性能，在较小尺寸的芯片设计中展现出巨大的潜力。

工艺建模助力决策

为了优化金属线设计方案，工程师利用虚拟半导体工艺建模技术，对不同材料和工艺参数进行模拟分析。这种方法不仅能够节省实体实验的成本和时间，还能提供精确的数据支持，帮助决策者更好地理解材料特性及其在实际应用中的表现。

钌与铜的比较

在研究过程中，钌和铜成为对比分析的重点对象。钌因其较低的电阻率和优异的性能，在小尺寸芯片设计中显示出潜在优势。通过工艺建模，研究人员能够量化不同材料在关键尺寸、深度和侧壁角度下的性能差异，从而为后续的材料选择提供科学依据。

实验设计与结果解读

为了系统评估材料特性，实验团队采用蒙特卡罗均匀分布方法，构建了包含1000次虚拟运行的实验设计。通过这一方法，研究团队能够揭示不同金属线方案在特定条件下的表现，例如电阻与面积的关系。结果显示，在某些关键尺寸下，无需阻挡层的钌线方案展现出优于铜和钴的性能。

金属线边缘粗糙度的影响

此外，实验还考察了金属线边缘粗糙度对电阻的影响。结果显示，钌线对粗糙度的敏感性低于铜线，尤其在小尺寸设计中，这一特性使得钌成为一种有吸引力的金属线材料选择。

结论与展望

总的来说，通过虚拟半导体工艺建模，研究人员发现无需阻挡层的钌金属线方案在小尺寸芯片设计中具有显著优势，这不仅有助于解决铜线性能下降的问题，还可能引领未来芯片制造技术的发展方向。这项工作不仅为业界提供了宝贵的参考，也为后续的材料开发和工艺优化提供了理论基础。

参考资料：

1. Liang Gong Wen et al., "Ruthenium metallization for advanced interconnects," IEEE International Interconnect Technology Conference / Advanced Metallization Conference (IITC/AMC), 2016, pp. 34-36.
2. M. H. van der Veen et al., "Damascene Benchmark of Ru, Co and Cu in Scaled Dimensions," IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC), 2018, pp. 172-174.

作者：

泛林集团 Semiverse Solutions 部门半导体工艺与整合部高级经理 Daebin Yim