半导体设备商应用材料日前宣布, 材料工程获得技术突破, 能在大数据与人工智能 (AI) 时代加速芯片效能. 应用材料表示, 20 年来首桩晶体管接点与导线的重大金属材料变革, 能解除 7 纳米及以下晶圆工艺主要的效能瓶颈, 由于钨 (W) 在晶体管接点的电性表现与铜 (Cu) 的局部终端金属导线工艺都已逼近物理极限, 成为 FinFET 无法完全发挥效能的瓶颈, 因此芯片设计者在 7 纳米以下能以钴 (Co) 金属取代钨与铜, 藉以增进 15% 芯片效能.
采用钴可优化先进工艺金属填充情形, 延续 7 纳米以下工艺微缩
钨和铜是目前先进工艺采用的重要金属材料, 然而钨和铜与绝缘层附着力差, 因此都需要衬层 (Liner Layer) 增加金属与绝缘层间的附着力; 此外, 为了避免阻止钨及铜原子扩散至绝缘层而影响芯片电性, 必须有障壁层 (Barrier Layer) 存在.
如下图所示, 随着工艺微缩至 20 纳米以下, 以钨 Contact (金属导线及晶体管间的连接通道称为 Contact, 由于 Contact 实际形状为非常贴近圆柱体的圆锥体, 因此 Contact CD 一般指的是 Contact 直径) 工艺为例, 20 纳米的 Contact CD 中, Barrier 就占 8 纳米, Contact 中实际金属层为 12 纳米 (Metal Fill 8nm+ Nucleation 4nm) , Contact CD 为 10 纳米时, 实际金属层仅剩 2 纳米, 以此估算 Contact CD 为 8 纳米时将没有金属层的容纳空间, 此时衬层及障壁层的厚度成了工艺微缩瓶颈. 20180702-material-1钨 Contact 的 metal fill 情形. (Source: 应用材料; 整理: 拓墣产研)
然而同样 10 纳米的 Contact CD 若采用钴 (如下图) , 其障壁层仅 4 纳米, 而实际金属层有 6 纳米, 相较于采用钨更有潜力在 7 纳米以下工艺持续发展. 20180702-material-2钴 Contact 的 metal fill 情形. (Source: 应用材料; 整理: 拓墣产研)
金属材料变革将影响中国半导体设备的研发方向
目前中国半导体设备以蚀刻, 薄膜及 CMP 发展脚步最快, 此部分将以打入主流厂商产线, 取得认证并藉此建立量产数据为目标, 朝向打入先进工艺的前段晶体管工艺之远期目标相当明确, 然而相较国际主流半导体设备厂商的技术水平, 中国半导体设备厂商仍是追随者角色, 因此钴取代钨和铜的趋势确立, 将影响中国半导体设备厂商尤其是蚀刻, 薄膜及 CMP 的研究发展方向.