金屬材料變革將影響中國半導體設備的研發方向

作者 | 發布日期 2018 年 07 月 02 日 15:30 | 分類 晶片 , 材料 follow us in feedly

全球最大半導體設備商應用材料(Applied Materials)於 6 月 6 日宣布,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。應材表示,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 奈米及以下晶圓製程主要的效能瓶頸,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製程都已逼近物理極限,成為 FinFET 無法完全發揮效能的瓶頸,因此晶片設計者在 7 奈米以下能以鈷(Co)金屬取代鎢與銅,藉以增進 15% 晶片效能。



採用鈷可優化先進製程金屬填充情形,延續 7 奈米以下製程微縮

鎢和銅是目前先進製程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,隨著製程微縮至 20 奈米以下,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)製程為例,20 奈米的 Contact CD 中,Barrier 就占 8 奈米,Contact 中實際金屬層為 12 奈米(Metal Fill 8nm+Nucleation 4nm),Contact CD 為 10 奈米時,實際金屬層僅剩 2 奈米,以此估算 Contact CD 為 8 奈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製程微縮瓶頸。

▲ 鎢 Contact 的 metal fill 情形。(Source:應材;整理:拓墣產研)

註:圖中 Barrier 包含襯層+障壁層。

然而同樣 10 奈米的 Contact CD 若採用鈷(如下圖),其障壁層僅 4 奈米,而實際金屬層有 6 奈米,相較於採用鎢更有潛力在 7 奈米以下製程持續發展。

▲ 鈷 Contact 的 metal fill 情形。(Source:應材;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

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,朝向打入先進製程的前段電晶體製程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。

(首圖來源:應材