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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,�,!痹诮邮堋吨袊娮訄蟆酚浾卟稍L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,、工藝和器件結構的挑戰(zhàn),。作為連接前端晶體管層和最外層的封裝植球層的核心,中端和后端的互聯(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,�,!蹦暇┐髮W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,�,;阝Z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-金屬柵晶體管結構,,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,,整個產業(yè)鏈供應鏈問題得到一定凸顯,。很多業(yè)內人士都擔心,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,所以短期內貴金屬價格的波動對芯片產業(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、設備和設計產業(yè)鏈的布局與整合,,對整體產業(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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