半導體設備商應用材料日前宣布, 材料工程獲得技術突破, 能在大數據與人工智慧 (AI) 時代加速晶片效能. 應用材料表示, 20 年來首樁晶體管接點與導線的重大金屬材料變革, 能解除 7 納米及以下晶圓工藝主要的效能瓶頸, 由於鎢 (W) 在晶體管接點的電性表現與銅 (Cu) 的局部終端金屬導線工藝都已逼近物理極限, 成為 FinFET 無法完全發揮效能的瓶頸, 因此晶片設計者在 7 納米以下能以鈷 (Co) 金屬取代鎢與銅, 藉以增進 15% 晶片效能.
採用鈷可優化先進工藝金屬填充情形, 延續 7 納米以下工藝微縮
鎢和銅是目前先進工藝採用的重要金屬材料, 然而鎢和銅與絕緣層附著力差, 因此都需要襯層 (Liner Layer) 增加金屬與絕緣層間的附著力; 此外, 為了避免阻止鎢及銅原子擴散至絕緣層而影響晶片電性, 必須有障壁層 (Barrier Layer) 存在.
如下圖所示, 隨著工藝微縮至 20 納米以下, 以鎢 Contact (金屬導線及晶體管間的連接通道稱為 Contact, 由於 Contact 實際形狀為非常貼近圓柱體的圓錐體, 因此 Contact CD 一般指的是 Contact 直徑) 工藝為例, 20 納米的 Contact CD 中, Barrier 就占 8 納米, Contact 中實際金屬層為 12 納米 (Metal Fill 8nm+ Nucleation 4nm) , Contact CD 為 10 納米時, 實際金屬層僅剩 2 納米, 以此估算 Contact CD 為 8 納米時將沒有金屬層的容納空間, 此時襯層及障壁層的厚度成了工藝微縮瓶頸. 20180702-material-1鎢 Contact 的 metal fill 情形. (Source: 應用材料; 整理: 拓墣產研)
然而同樣 10 納米的 Contact CD 若採用鈷 (如下圖) , 其障壁層僅 4 納米, 而實際金屬層有 6 納米, 相較於採用鎢更有潛力在 7 納米以下工藝持續發展. 20180702-material-2鈷 Contact 的 metal fill 情形. (Source: 應用材料; 整理: 拓墣產研)
金屬材料變革將影響中國半導體設備的研發方向
目前中國半導體設備以蝕刻, 薄膜及 CMP 發展腳步最快, 此部分將以打入主流廠商產線, 取得認證並藉此建立量產數據為目標, 朝向打入先進工藝的前段晶體管工藝之遠期目標相當明確, 然而相較國際主流半導體設備廠商的技術水平, 中國半導體設備廠商仍是追隨者角色, 因此鈷取代鎢和銅的趨勢確立, 將影響中國半導體設備廠商尤其是蝕刻, 薄膜及 CMP 的研究發展方向.