全球最大半導體設備商應用材料(Applied Materials)於2018年6月6日宣佈，在材料工程上獲得技術突破，能在大數據與人工智能(AI)時代加速芯片效能。
Applied Materials表示，20年來首樁晶體管接點與導線的重大金屬材料變革，能解除7nm及以下晶圓製程主要的效能瓶頸，由於鎢(W)在晶體管接點的電性表現與銅(Cu)的局部終端金屬導線製程都已經逼近物理極限，成為FinFET無法完全發揮效能的瓶頸，因此芯片設計者在7nm以下能以鈷(Co)金屬取代鎢與銅，藉以增進15%的芯片效能。
採用鈷可優化先進製程金屬填充情形，延續7nm以下的製程微縮
鎢和銅是目前先進製程所採用的重要金屬材料，然而鎢和銅與絕緣層附著力差，因此都需要線性層（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芯片電性，必須有阻擋層存在。
如下圖所示，隨著製程微縮至20nm以下，以鎢 contact製程為例，20nm的Contact CD中，Barrier就佔了8nm，Contact中實際金屬層為12nm (金屬填充8nm+ 晶核形成 4nm)，Contact直徑為10nm時，實際金屬層僅剩2nm，以此估算Contact直徑為8nm時將沒有金屬層的容納空間，此時線性層及阻擋層的厚度成了製程微縮瓶頸。
注：金屬導線及晶體管間的連接通道稱為Contact，由於Contact實際形狀是非常貼近圓柱體的圓錐體。因此Contact CD一般指的是Contact直徑
*注：圖中Barrier包含Barrier Layer+Liner Layer
▲W Contact的金屬填充情形；source：Applied Materials
然而同樣10nm的Contact直徑若採用鈷(如下圖)，其Barrier僅4nm，而實際金屬層則有6nm，相較於採用鎢更有潛力在7nm以下製程持續發展。
注：圖中Barrier包含Barrier Layer+Liner Layer
▲CO Contact的金屬填充情形；source：Applied Materials
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的發展腳步最快，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晶體管制程之遠期目標是相當明確。
然而相較於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。
文丨拓墣產業研究院 黃志宇
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