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標題: 芯片里的金屬 [打印本頁]

作者: xbq1013 時間: 2022-4-30 09:30
標題: 芯片里的金屬
金屬材料在芯片工藝的演進中發(fā)揮著重要作用。在先進制程的尺寸不斷縮小的過程中,，貴金屬及其合金材料在實現(xiàn)小線寬、低電阻率,、高黏附性等方面扮演著關鍵角色,。進入21世紀后，芯片材料共增加了約40余種元素,，其中約90%都是貴金屬和過渡金屬材料,。

貴金屬是芯片先進工藝的推手之一，英特爾新近引入了金屬銻和釕做金屬接觸,，讓電容更小,，突破了硅的限制,。此前，英特爾在10nm工藝節(jié)點的部分互連層上率先導入鈷材料,，達到了5~10倍的電子遷移率改善,，將通路電阻降低了兩倍。

英特爾在互聯(lián)材料的探索之路上并不孤單,。應用材料是最早投入以鈷作為導線材料,，取代傳統(tǒng)銅和鎢的半導體技術(shù)大廠之一；格羅方德在7nm制程工藝中同樣用鈷代替了鎢,。目前,，三星和臺積電等也在積極研發(fā)新型互聯(lián)材料。預計在不遠的將來,，鈷合金,、釕和銠等新一代互聯(lián)材料有望閃亮登場，為先進工藝芯片搭建橋梁,。

“芯片城市”里的道路如何互聯(lián)

“如果把一枚芯片比作一座城市,，那么晶體管是其核心區(qū)，負責信息的運算,，互連層就相當于城市的道路負責信息與外界的交通,。”在接受《中國電子報》記者采訪時,，鎂光資深工程師盛海峰博士如此形象地比喻,。

盛海峰認為，摩爾定律下,，當核心區(qū)的晶體管越來越小,、密度越來越大時，道路就會越來越窄,、越來越密,。當核心區(qū)的密度大到一定程度時，道路的運輸能力,，即互連層的RC延遲,，就成為整個芯片速度提升和功耗降低的瓶頸。在此情況下,，互連層的金屬材料需要通過升級換代,，來為晶體管核心區(qū)的“道路”提速。

摩爾定律的延續(xù)與互聯(lián)材料的演進息息相關,。清華大學研究員王琛作為技術(shù)負責人,，曾先后任職于英特爾和芯片設備制造商泛林半導體，對高端芯片材料和先進芯片制造及架構(gòu)有深入研究。王琛向《中國電子報》記者解釋,，互聯(lián)材料其實就是前端晶體管層與后端外部電路層之間電信號互聯(lián)傳遞的導線,。

量子效應的增強是互聯(lián)材料面臨的一大挑戰(zhàn)。王琛向記者表示,，當前晶體管在多個幾何維度進入亞10nm尺度,，材料的量子效應開始顯著，晶體管繼續(xù)微縮就會遇到材料,、工藝和器件結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn),。作為連接前端晶體管層和最外層的封裝植球?qū)拥暮诵模卸撕秃蠖说幕ヂ?lián)材料微縮也面臨量子效應增強的挑戰(zhàn),。

銅和“大馬士革工藝”

上世紀90年代,，半導體制程進入0.18微米時代，后段鋁互聯(lián)技術(shù)就遇到了巨大瓶頸,。為此,，世界各大半導體制造公司都在尋找能替代鋁的金屬。由于銅價格不貴,，導電性能好,，還容易沉積，大家不約而同地想到了銅,。但是,，因為銅不能用干法蝕刻，所以后端互聯(lián)問題遲遲無法解決,。

為尋找靈感,，一位IBM工程師來到了素有“人間花園”之稱的大馬士革。機緣巧合下,，他看到了一位在偏僻角落從事金屬鑲嵌工作的匠人,。

在觀摩匠人鑲嵌工藝時，工程師的腦海中不斷浮現(xiàn)這樣的場景：雕刻類似蝕刻,，鑲嵌與沉積相似,。他突然意識到，銅雖然不能被蝕刻,，但可以沉積,。與大馬士革工藝類似，工程師可以先在介電層上蝕刻金屬導線用的圖膜,，然后再填充金屬,，以實現(xiàn)多層金屬互連，無需進行金屬層蝕刻,。就這樣,，這位工程師順利解決了銅互聯(lián)技術(shù)問題,，并將這項工藝命名為大馬士革工藝,。

時代在進步,，線寬在縮小。2018年,，應用材料等公司又用鈷作為導線材料,，在部分領域取代傳統(tǒng)的銅、鎢線,。

談及鋁,、銅、鈷導線的代際變化,，盛海峰向記者表示,，銅取代鋁是因為它導電性更好，可以降低RC延遲中的電阻,。在很多邏輯芯片中,，銅全面取代鋁，也就是將所有互連層都升級為銅,。但鈷對銅的取代有所不同,。鈷只是在互連層很窄的時候才對銅有導電性的優(yōu)勢，所以鈷只是在金屬0層（M0）和金屬1層（M1）取代銅,，其他互連層還是會繼續(xù)用銅,。

從鈷到釕、銠

英特爾率先在10nm工藝節(jié)點的部分互連層上導入鈷材料,，實現(xiàn)了5~10倍的電子遷移率改善,，將通路電阻降低了兩倍；應用材料是最早投入以鈷作為導線材料,，取代傳統(tǒng)銅和鎢的半導體大廠之一,；格羅方德在7nm制作工藝中同樣用鈷代替了鎢。

如何保證在20nm甚至更小的尺度,，將電阻率維持在較低水平,，是互聯(lián)材料研發(fā)的核心。王琛表示,，鈷的引入雖然帶來了不少良率和可靠性上的問題,，但在互聯(lián)材料領域是一個大跨越，突破了現(xiàn)有的銅材料體系,，整體對10nm芯片性能有一定提升,。

更重要的是，鈷的引入為后期更小的節(jié)點工藝做好了技術(shù)儲備,，預計對7nm后節(jié)點性能的提升將更為顯著,。

互聯(lián)材料正在朝著超薄低電阻率、無阻擋層、低延遲方向演進,。目前,，三星和臺積電等都在積極研發(fā)新型互聯(lián)材料。王琛表示,，在不遠的將來,，鈷合金、釕和銠等新一代互聯(lián)材料也有望登場,。

同時,，無擴散阻擋層的互聯(lián)線，甚至在晶體管層下預埋互聯(lián)電軌,，也都是解決互聯(lián)材料挑戰(zhàn)的方向,。

引入新金屬材料助力先進制程

貴金屬材料在芯片工藝的演進過程中發(fā)揮著重要作用。半導體行業(yè)專家池憲念向《中國電子報》記者表示,，半導體芯片不斷朝著體積小,、速度快、功耗低的趨勢發(fā)展,，要求接觸點的接觸電阻低,，較寬溫度范圍內(nèi)的熱穩(wěn)定好、附著好,，對橫向均勻,、擴散層薄等也提出更高要求。

因此,，在先進制程尺寸不斷縮小的過程中,，貴金屬及其合金材料在實現(xiàn)小線寬、低電阻率,、高黏附性,、接觸電阻低等方面扮演著關鍵角色。

在芯片工藝制程不斷提升的過程中,，晶體管面臨的主要挑戰(zhàn)是抑制短溝道效應,。盛海峰表示，現(xiàn)階段,，F(xiàn)inFET工藝最多延伸至3nm,。在3nm及以下節(jié)點，GAAFET工藝是主要方向,。GAAFET主要使用傳統(tǒng)材料,，最大的挑戰(zhàn)是工藝精度控制。

面對這一挑戰(zhàn),，新金屬材料的引入較為關鍵,。盛海峰對記者說,，三星使用了鑭摻雜來提升Vt（門檻電壓）。而對于互連層來說,，新材料的引入除了有互連層金屬鈷,，還有互連層金屬和互連層絕緣層之間的屏障層。屏障層的作用是黏合互連金屬和絕緣層,，以及提升互連層的電子遷移可靠性。鉭和釕都是屏障層里已經(jīng)使用和正在探索的新元素,。

當前,，全球2nm芯片制程之戰(zhàn)的號角已經(jīng)吹響。2011年,，22nm節(jié)點引入了FinFET工藝取代平面型晶體管,；全新的GAA和CFET等工藝則有望在3nm節(jié)點左右逐步引入。

這些過程將涉及大量的摻雜控制,、應變控制等材料問題,。王琛向記者表示，在亞1nm節(jié)點,，相關材料的挑戰(zhàn)越發(fā)凸顯,，材料量子效應將發(fā)揮顯著作用。屆時,，硅基材料的量子效應調(diào)控,、材料的原子級加工、器件的單電子波動問題,，將深刻挑戰(zhàn)現(xiàn)有材料體系和制造工藝,。新的材料體系，例如層狀半導體,、新原理器件和新加工工藝的引入勢在必行,。

“據(jù)悉，二維半導體材料因尺寸較小,，有望幫助突破2納米先進制程,。”南京大學電子科學與工程學院教授萬青對《中國電子報》記者說,。

新增芯片材料九成是金屬
貴金屬具有優(yōu)異的導電,、穩(wěn)定和導熱性能，是半導體行業(yè)的關鍵核心材料,。進入21世紀之后,，芯片材料共增加了約40余種元素，其中約90%都是貴金屬和過渡金屬材料,，可見金屬材料在芯片領域應用的重要性,。

應用于芯片制造領域的金屬材料擁有更高“門檻”,。池憲念以互聯(lián)材料中的金屬為例告訴記者，芯片級金屬材料要考慮接觸電阻,、納米級別的黏合度等因素,，所以銅、鈷等金屬要在做成高純度靶材或者合金靶材之后,，才能用在芯片制造環(huán)節(jié),。目前，德國賀利氏,、美國霍尼韋爾國際股份有限公司,、日本東曹株式會社主要生產(chǎn)芯片級的銅和鈷。

受俄烏局勢影響,，鈀金成為了目前最火的貴金屬之一,。俄羅斯的鈀金產(chǎn)量約占全球總量的40%，鈀金出口量占比達到35%,。鈀金可用于傳感器等半導體元器件中,，也是芯片封裝環(huán)節(jié)的重要原料之一。

有研億金新材料有限公司副總經(jīng)理何金江對《中國電子報》記者表示,，鈀及銀鈀合金等是制備MLCC電容器,、諧振器的重要材料；在半導體后道的封裝環(huán)節(jié),，鈀合金及鍍鈀絲主要用作電子封裝的引線鍵合,，用來替代金絲；此外,，鈀可以用于元器件精密連接的鈀合金焊料,。基于鈀的特性,，新的材料和應用也在開發(fā)中,。

貴金屬材料在芯片領域主要有四方面應用。王琛向《中國電子報》記者表示,，第一是互聯(lián)材料,。比如早期的鋁到銅，到Al-Cu合金和鎢,，以及在研的最新的鈷,、釕等。

第二是金屬柵極材料,。自從2007年英特爾在45nm節(jié)點引入高介電-金屬柵晶體管結(jié)構(gòu),，鉭、氮化鉭,、氮化鈦,、氮鋁鈦（TiAlN）等材料體系得到了廣泛應用,，金屬硅化物接觸也經(jīng)歷了從鈦、鈷和鎳到金屬硅化物體系的演進,。

第三是金屬阻擋層黏附層材料,，比如鈦/氮化鈦、鉭/氮化鉭等常用于芯片制造和先進封裝中的阻擋層黏附層材料,。

第四是后端封裝用金屬材料,，包括傳統(tǒng)的鉛基合金和無鉛銻、錫,、銀,、銦基合金等。另外,，后期基板互聯(lián)等也涉及大量貴金屬材料。其中,，芯片前端納米底層互聯(lián)金屬,、金屬柵極材料、阻擋黏附層材料等,，均是金屬材料研發(fā)的前沿,。因此，如何在小尺度保持高電導率,、低電遷移率,、薄膜均勻結(jié)晶性、高熱擴散性,、工藝可集成性等特性,，成為芯片金屬材料的研究重點和下一代高性能芯片的材料瓶頸。

金屬漲價對芯片沖擊較小

集成電路領域重要的貴金屬主要包括金,、銀和鉑金,。當前，俄烏局勢的變化對全球鋁,、鎳,、鈀金、鉑金等有色金屬和貴金屬供應造成沖擊,，讓相關產(chǎn)品的價格有所上漲,，貴金屬市場頻繁出現(xiàn)波動。由于半導體產(chǎn)業(yè)鏈整體具有一定的封閉性,，前期受新冠肺炎疫情沖擊,，整個產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈問題得到一定凸顯。很多業(yè)內(nèi)人士都擔心,，貴金屬市場的波動很可能會進一步擾動芯片產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈的穩(wěn)定性,。

貴金屬是重要的半導體材料之一,，其價格的波動會對芯片制造的成本產(chǎn)生一定影響。池憲念對《中國電子報》記者表示,，隨著貴金屬價格的波動,，芯片制造的成本也會產(chǎn)生變化。比如,，在貴金屬供應鏈不穩(wěn)定的情況下,，貴金屬的采購價格會隨之上漲，導致芯片的成品價格也會同步上漲,。

不過,，由于貴金屬在芯片中的應用比重較小，實際需求量也很小,，萬青認為,，貴金屬價格的波動對芯片產(chǎn)業(yè)的影響不太大。

以鈀金為例,。鈀金價格的上漲會導致半導體行業(yè)的成本有所增加,，但考慮到單個半導體產(chǎn)品對鈀金的需求量較少，鈀金漲價對原材料庫存水位較高的企業(yè)影響很小,。另外,，以鈀金為代表的貴金屬可以尋找其他貴金屬作為替代，所以不太可能面臨斷供這樣的嚴重問題,。

在王琛看來,，貴金屬市場波動對半導體產(chǎn)業(yè)鏈的影響需要從短期和長期這兩個角度來看。王琛向記者表示,，芯片的總體成本在于制造成本,，而制造成本主要源自工藝成本。貴金屬在芯片制造中不可或缺,，如果國際上的不穩(wěn)定因素不斷增加,，某一種關鍵金屬材料的短缺將在短期內(nèi)持續(xù)沖擊芯片價格。但由于貴金屬在芯片行業(yè)的總體材料用量占比和成本占比較低,，所以短期內(nèi)貴金屬價格的波動對芯片產(chǎn)業(yè)鏈影響有限,。

而從長遠角度來看，后疫情時代以及俄烏局勢的持續(xù)變化,，可能會帶來一些潛在的不穩(wěn)定因素,。王琛認為，芯片的長供應鏈特性也決定了其自身的脆弱性,。因復雜國際形勢導致的不穩(wěn)定因素,，可能會讓芯片相關產(chǎn)業(yè)鏈受到進一步考驗，比如影響芯片行業(yè)中材料,、設備和設計產(chǎn)業(yè)鏈的布局與整合,，對整體產(chǎn)業(yè)優(yōu)化方面的布局與突破造成不利影響,。

新冠肺炎疫情等各種因素的疊加，讓半導體供應鏈處于整體上較為不穩(wěn)定的狀態(tài),。盛海峰向《中國電子報》記者表示,，俄烏局勢對半導體供應鏈肯定會有影響，但這種影響可能不僅僅局限于貴金屬,。比如,，烏克蘭是氖氣的主要供應地，俄烏局勢的復雜變化可能會影響氖氣供應,。

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