鈷取代銅,半導體材料工程技術大突破,或將影響中國半導體設備研發
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來源:拓墣產業研究院
半導體設備商應用材料(Applied Materials)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 年來首樁電晶體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)在電晶體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(金屬導線及電晶體間的連接通道稱為 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。
鎢 Contact 的 metal fill 情形。
(Source:應用材料;整理:拓墣產研)
註:圖中 Barrier 包含襯層+障壁層。
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。
鈷 Contact 的 metal fill 情形。
(Source:應用材料;整理:拓墣產研)
註:圖中 Barrier 包含襯層+障壁層。
金屬材料變革將影響中國半導體設備的研發方向
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