宜特小學堂:鈷真能取代銅?7 奈米製程晶片實測分析

作者 | 發布日期 2019 年 10 月 15 日 9:15 | 分類 晶片 , 材料 , 零組件 follow us in feedly


7 奈米晶片是當今已量產之最先進製程產品,金屬材料加入鈷(Co)是關鍵,但鈷(Co)真的完全取代原先的銅(Cu)了嗎?

人工智慧及大數據時代來臨,晶片也必須透過不斷微縮提升效能?然而面對 7 奈米先進製程,如何生產出效能更高、耗電更少、面積更小,又符合可靠度要求的晶片,是當今半導體製程上的重要課題。

當今,隨著摩爾定律,半導體 7 奈米先進製程已進入量產階段,從材料工程上來看,電晶體接點與導線的重大金屬材料進行變革,是解除 7 奈米以下先進製程效能瓶頸的關鍵。

這重大的金屬材料就是──鈷(Co)。然而坊間傳言以鈷(Co)取代銅(Cu)的真實性如何?

宜特材料分析實驗室這次直接實測已量產的 7 奈米晶片,帶您進入 7 奈米的微縮世界。

💡 IC 結構示意圖

▲ 圖 1。

降低 RC Delay,提升晶片運行速度

在積體電路中,「電阻─電容延遲時間」(RC Delay)是影響半導體元件的速度或性能的重要參數之一。

隨著半導體製程推進至 7 奈米,不僅金屬連線(interconnect)層數越趨增加,導線間的距離也不斷微縮;當電子訊號在層數非常多的金屬連線(interconnect)間傳送時,其產生的「電阻─電容延遲時間」(RC Delay),將嚴重減低半導體元件的速度。如何降低「電阻─電容延遲時間」(RC Delay)、增加半導體元件運行速度,是一重要課題。

IC 製程微縮,阻障層有相對增加電阻的風險

銅(Cu)和鋁(Al)是半導體後段製程(Back End Of Line,BEOL)金屬連線(Interconnect)最常使用的金屬材料。而銅主要會被用於先進製程的「金屬連線」,來自於銅導電性比鋁好,不過銅(Cu)原子在介電層的擴散係數遠比鋁原子大,為防止銅(Cu)擴散在介電層所造成線路短路。所以,在半導體製程,就必須使用更緻密的「氮化」(TaN),取代柱狀晶結構的「氮化鈦」(TiN),藉此避免銅擴散。

然而,此氮化(TaN)比氮化鈦(TiN)的電阻係數大很多,相差十倍以上(參見表 1),使用氮化鉭(TaN)為銅的阻障層,將會有使金屬連線電阻增加的風險。

▲ 表 1:TaN 及 TiN 電阻係數。

金屬線上的電阻為「銅線電阻」加「氮化鉭(TaN)層電阻」的總和。銅線尺寸大時,氮化鉭(TaN)層引起的電阻增加比例不大,可忽略不計。但是當晶片微縮到非常小,促使銅線的尺寸也逐漸縮小時,氮化鉭(TaN)層貢獻的電阻比例就愈來愈大。宜特材料分析實驗室使用並聯電阻簡化計算氮化鉭層電阻貢獻度(見表 2)。銅線橫截面尺寸由 200 奈米降到 20 奈米,則氮化鉭層電阻貢獻度約增加大於 40 倍。

▲ 表 2:氮化鉭層電阻貢獻度,利用並聯電阻簡化計算。

然而,在銅(Cu)製程中,因銅的容易擴散的特性關係,所以也不能藉由降低氮化鉭(TaN)層的「厚度」來減少電阻,否則就會失去阻障功能。因此在 7 奈米 IC 製程中,使用新材料取代銅導線或阻障層變成很重要的課題。

降低 7 奈米晶片的電阻,金屬材料是選用是關鍵

那該如何減低氮化鉭(TaN)層的電阻呢?調整該層的金屬材料就成為關鍵。經研究,發現金屬鈷(Co)是加入氮化鉭(TaN)阻障層的極佳候選材料,鈷(Co)不但降低阻障層的電阻,而且可以降低阻障層厚度,一舉兩得。

雙層接觸窗設計,讓鈷(Co)發揮最大效能

金屬導線和矽基板上半導體元件之間的連結稱為接觸窗(contact),主要是靠鎢(W)連結,其阻障層材料是氮化鈦(TiN)。在銅金屬化製程中,如何降低 W / TiN 的接觸窗的電阻,鈷(Co)又成為最佳候選者。但是,用鈷(Co)直接完全取代 W / TiN 直接和銅接觸,則銅和鈷容易固溶在一起,造成金屬導線電遷移性能會變差。於是有了雙層接觸窗的製程設計。

實測 7 奈米製程晶片,透視鈷(Co)是否完全取代銅(Cu)

剖析完為什麼要使用鈷(Co)的原因後,宜特材料分析實驗室進行實測,一起來看看鈷(Co)是用在 7 奈米製程晶片的那些地方?鈷(Co)真的完全取代銅(Cu)了嗎?

前期樣品製備作業

為了執行分析 7 奈米先進製程產品的分析,宜特材料分析實驗室採購市售手機相關部品,取得 Kirin 980 CPU。由於此 CPU 是封裝在手機電路板上,必須先進行相關部品的拆解(Tear down),以及相關結構觀察的分析工程,包括 X 光分析、去錫球、去封裝、去膠、紅外線定位、研磨、吃酸、CPU / DRAM 雙晶片分離等技術,最後終於取得 Kirin 980 晶片。

利用 TEM 實際觀察

宜特材料分析實驗室利用穿透式電子顯微鏡(Transmission electron microscope,TEM),搭配高性能的能量散布 X 射線譜術(Energy-dispersive X-ray spectroscopy,EDS / EDX),藉此解析 7 奈米晶片的前段製程(Front End Of Line,FEOL)及後段製程(Back End Of Line,BEOL)。

宜特材料分析實驗室透過 TEM 及 EDS 觀察晶片結構裏頭第一層(M1)與第二層(M2)金屬層,解析 7 奈米的鰭狀電晶體(FinFET)、閘極(Gate)、接觸窗(Contact)(見圖 2),與相對應鈷(Co)及鎢(W)(見圖 3)的成分分布。

▲ 圖 2:STEM HAADF 影像,顯示鰭狀電晶體、閘極、接觸窗、M1 和 M2 等結構。

▲ 圖 3:桃紅色為鈷(Co)成分,草綠色為鎢(W)成分,對照圖 2,即可了解鈷和鎢在結構裡分布的情形。

由圖 2 及圖 3 兩張圖比較,宜特材料分析實驗室觀察到鈷(Co)成為「接觸窗」及「阻障層」材料,而且鈷(Co)包覆了整個第一層(M1)銅金屬層的結構,成為阻障層材料。但 Co 沒有完全取代接觸窗的 W / TiN,可能是因為接觸窗製程與阻障層製程使用不同類型製程,造成 Co 與周圍材料反應的狀況不同,致使接觸窗的 Co 無法完全取代 W/TiN。

結論

由 TEM 結果可知,鈷(Co)的用途並非取代銅(Cu)。鈷用在銅的阻障層,且只有取代一半的接觸窗。因此宜特材料分析實驗室得以證明鈷(Co)在 7 奈米先進製程產品,並未完全取代銅(Cu)。