上海科大团队开发出一种晶圆级多级芯片互连结构3D打印制造方案

3D打印技术参考注意到，上海科技大学物质学院冯继成研究员课题组近日在半导体器件制造领域取得重要研究进展。其开发出了一种3D纳米打印工艺，可以一次性的在晶圆尺度上开发可靠的多级和多尺度金属3D互连结构，为未来集成电路内部及异构芯片间的高速互联需求提供了技术储备。相关研究成果被国际权威期刊ACS Nano以封面形式发表。

研究指出，随着大数据存储、大数据分析、人工智能、智慧城市、智能工业等发展，数据处理量呈现出指数级增长，需要更复杂且密集集成的集成电路（IC）和异构IC。研究人员正在设计新的设备结构，来最大化现有处理器架构的性能。为了处理、传输和存储大量数据，半导体器件必须进一步微型化，以便将更多组件放入集成电路封装中。这些集成电路包含数十亿个晶体管和许多其他组件，必须使用超薄“导线”进行互连。

芯片中的互联结构

然而，当前的互连技术面临很多挑战，尤其是在纳米尺度下，传统的铜互连材料的电阻率增加、可靠性下降，导致所谓的“RC瓶颈”问题。此外，传统的光刻和蚀刻工艺在制造纳米级3D互连时存在局限性，且成本较高。而3D纳米打印技术作为一种新兴的制造方法，具有高精度、高通量、材料选择灵活和成本低等优势，展现出巨大潜力。

上海科技大学相关资料提到，冯继成研究员团队开发出了一种气溶胶纳米制造系统，结合纳米技术，可创建新材料体系。该课题组主要通过创制和打印超构材料及微纳器件来开发物质科学普适系统，满足我国对于关键核心技术及其产业化的需求。

上海科大气溶胶纳米技术

在本研究中，研究人员探索了铱（Ir）、钌（Ru）和金（Au）三种材料，他们在纳米尺度下具有更低的电阻率和更高的热稳定性。3D打印技术参考注意到，虽然这三种金属成本较高，但与处理Cu互连的传统工艺相比，本研究中的3D纳米打印技术只使用了少量的金属（0.0001%）。

具体地说，所使用的的纳米颗粒的平均直径约为4.42 ± 0.06纳米，他们是分散的、非聚集颗粒，在打印过程中纳米颗粒被氮气（N₂）气流携带进入打印区域。氮气的流速被精确控制，确保纳米颗粒能够均匀分布在整个打印区域。然后，通过精确控制脉冲电场的开关，实现纳米颗粒的均匀分布和沉积。在电场ON相，带电的纳米颗粒被引导沉积形成互连结构；而在OFF相，纳米颗粒则随气流均匀分布在整个晶圆表面。这种独特的打印方式不仅能够实现高精度的纳米级互连，还能在单次打印周期内制造出大量互连结构，显著提高生产效率。

3D打印技术参考了解到，使用这项工艺，在1小时内就完成了晶圆级尺度上的大面积互连结构制造。研究人员还成功制备了由135个阵列周期性排布的27万个互连结构，每个阵列的面积为40μm×10μm，这些阵列分布在2英寸的晶圆上面，其可扩展性比之前所能达到的效果高四个数量级。

此外，这项研究报道的3D纳米打印工艺与现有的集成电路制造工艺兼容。与传统的局部蚀刻绝缘体形成金属互连通孔的方法不同，该研究实现了一种简单且成本效益高的新互连制造技术。使用带电纳米粒子制造3D互连的静电场的实施对于器件小型化非常有效，因为功耗低，对带电纳米粒子的放置没有几何限制。脉冲电场可以被调制以获得广泛的操作和材料参数，用于工艺可扩展性、材料开发和几何控制。

研究原文：Wafer-scale nanoprinting of 3D interconnects beyond Cu

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