半导体设备商应用材料（Applied Materials）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。 

 

钨 Contact 的 metal fill 情形。（Source：应用材料；整理：拓墣产研）

 

注：图中 Barrier 包含衬层＋障壁层。

 

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。 

 

钴 Contact 的 metal fill 情形。（Source：应用材料；整理：拓墣产研）

 

注：图中 Barrier 包含衬层＋障壁层。

 

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。

 

 

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