終結「銅「時代，「鈷」續命摩爾定律

2020-10-14

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英特爾（Intel）創始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）曾經提出：「當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個月翻一倍以上。

」這就是傳說中的摩爾定律。

英特爾創始人戈登·摩爾

1998年時，台積電董事長張忠謀曾表示，摩爾定律在過去30年相當有效，未來10到15年應依然適用。

不過到了2018年，這個定律似乎有了失效的苗頭，電晶體數量密度預計只會每三年翻一番。

事實上，半導體行業作為目前第三次科技革命的核心在這幾年有不少關鍵轉折點出現，但多半是在電晶體架構、設備技術上，如3D立體式鰭式電晶體FinFET接棒2D平面電晶體架構、3D NAND架構取代傳統的2D NAND技術，這種立體式架構的革新讓半導體製程順利走入14/16納米等高端技術。

終於，中國也能買光刻機了

而荷蘭ASML的EUV光刻機即將在7納米工藝技術上實現量產，這都將成為半導體行業重新走回「摩爾定律」快車道的指標。

而除了技術上的進化話，材料上的革命也已經納入議程。

隨著半導體製程朝10納米以下發展，原本以「銅」作為導線材料開始暴露導電速率不足等缺點，讓製程工藝技術在10納米、7納米節點上遇到瓶頸，因此半導體大廠和設備大廠紛紛投入新材料研發，突破半導體製程技術的限制。

美國公司應用材料（Applied Materials, Inc）最早提出用「鈷」代替銅作為導線材料。

應用材料公司表示，鈷的導電性能更強、功耗更低，晶片體積更小。

隨著技術的發展，鈷為導線材料是晶片製程往5納米、3納米進化的一個關鍵。

鈷礦石

應用材料解釋，不像是電晶體的體積越小，效能會越高，在金屬鍍層的接點和導線上，反而是體積越小，效能越差，如果把導線比喻成吸管，吸管越小是越容易阻塞。

因此，導線材料的選擇上有三個關鍵參考點，分別是填滿能力、抗阻力、可靠度。

「鈷」在填滿能力、抗阻力、可靠度三方面是異軍突起，尤其在半導體10/7納米以下的高端技術，「鈷」的表現明顯更好。

應用材料公司早在2013年就投入「鈷」材料的開發，並且已經導入客戶進行商業化的開發。

雖然這家公司沒有公開客戶資料，不過眼下有成熟7納米和10納米技術的半導體大廠，當屬台積電、三星和英特爾。

其中，英特爾在IEEE國際電子元件會議（IEDM）上已經透露正在「鈷」材料。

英特爾已經在IEEE上透露，將在10納米工藝節點的部分互連層上，導入鈷材料的計劃細節，在10納米節點互連的最底部兩個層導入鈷材料，可以達到5～10倍的電子遷移率改善，並且降低兩倍的通路電阻，這是第一家公開承認會使用鈷材料的半導體大廠。

在半導體領域裡，上一波的材料革新是15~20年前的0.13微米關鍵製程。

在0.13微米以前，是使用鋁作為導線材料，但IBM率先導入銅製程，讓金屬導線的電阻率降低，且訊號傳輸速度和功耗成長，在半導體史上是劃時代的一頁。

在「銅代鋁」20年後，英特爾又率先舉起了「鈷代銅」的大旗，鈷材料從10納米為起始點，將在5納米、3納米中扮演主流角色，引領未來10年的半導體產業時代。

對於目前正在奮起直追的中國半導體行業來說，「鈷代銅」的材料革命則是一個在技術之外的機會，如何通過提前布局鈷材料贏得半導體行業彎道超車的機會，值得所有半導體材料人好好思考。

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