【成功案例】QuantumATK 與 Raphael FX 如何加速先進邏輯晶片金屬配線技術創新？IBM 與 Synopsys 合作實證

IBM 引領半導體技術創新，探索銅以外的替代性金屬配線材料（Alternative Interconnect Metals），致力突破傳統銅配線在先進製程節點下所面臨的限制。為了加速材料研發與評​​估，IBM 與 Synopsys 合作，運用 QuantumATK 模擬平台，有效篩選並分析新型金屬材料，支援高效能與高可靠度配線技術的開發。在本篇的文章中，虎門科技將從新材料開發的三大挑戰、解決方案，到最終結果三個階段，帶你一次看懂 QuantumATK 與 Raphael FX 如何加速先進邏輯晶片內配線技術的創新！

新材料開發三大挑戰

• 材料篩選（Material Screening）：從大量候選的金屬材料中，有效縮小範圍、篩選出兼具理想導電性和可靠性的材料方案。

• 製程相容性（Process Compatibility）：在不影響現有製造流程與元件架構的前提下，導入新型材料。

• 實驗結果驗證（Experimental Correlation）：使模擬結果與實際量測結果相互對應，確保預測準確性和實際可行性。

解決方案

IBM 研究院（IBM Research）與 Synopsys 合作，部署了一套以模擬為導向的工作流程，用於評估新型配線金屬材料。其主要內容包括：

• 原子尺度模擬（Atomic-scale Simulation）：利用 QuantumATK 對新一代金屬釕（Ru）、鈷（Co）、鎢（W）進行建模，並考慮晶界（Grain Boundary）效應與表面散射效應（Surface Scattering Effect）的影響。

• 系統化篩選（Systematic Screening）：建立完整的材料篩選方法，不再僅比較材料本身的塊材電阻率（Bulk Resistivity），更將黏著層（Adhesion Liner）、潤濕性（Wetting）和擴散阻障層（Diffusion Barrier Layer）對整體導體性能的影響納入評估。

• 自動化晶界分析（Automated Grain Boundary Analysis）：運用 Sentaurus Materials Workbench (SMW) 自動化建構和弛豫（Relaxation）大量晶界結構，精確取得晶界反射係數（Reflection Coefficient）和晶界電阻率（Grain Boundary Resistivity）。

• 全面性金屬和通孔特性評估（Comprehensive Metal and Via Characterization）：評估線路和通孔電阻隨導體線寬和內襯層（Liner）厚度變化的相互關係，藉此釐清不同包覆材料所帶來的影響。

• 整合模擬工作流程（Integrated Simulation Workflow）：將 QuantumATK 和 SMW 的模擬參數匯入 Raphael FX，並搭配 Process Explorer ，在設計初期即可評估新金屬材料應用與複雜 3D 配線結構的 RC 寄生效應（RC Parasitic Assessment）。

• 設計技術協同最佳化（DTCO）：協助技術開發團隊能夠快速篩選並驗證有潛力的金屬配線材料，以供後續實驗性導入先進邏輯與記憶體製程中。