“鈷”時代正式登場 成新代半導(dǎo)體導(dǎo)線材料之王

以半導(dǎo)體為根基的第三次產(chǎn)業(yè)革命浪潮在人工智能和大數(shù)據(jù)的助力下不斷引爆，但眼見摩爾定律瀕臨極限，新材料的革新勢必再上一個階梯。從 1997 年 IBM 以“銅”取代“鋁”后，二十年后的今天，屬于“鈷”的時代在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正式登場，將挑起產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的跨時代任務(wù)！

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在這幾年有不少關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)，但多半是在晶體管架構(gòu)、設(shè)備技術(shù)上，如 3D 立體式鰭式晶體管 FinFET 接棒 2D 平面晶體管架構(gòu)、 3D NAND 架構(gòu)取代傳統(tǒng)的 2D NAND 技術(shù)，這種立體式架構(gòu)的革新讓半導(dǎo)體制程順利走入 14/16 納米等高端技術(shù)。

另外，荷蘭企業(yè) ASML 的 EUV 光刻機(jī)即將在 7 納米工藝技術(shù)上實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，這些都在半導(dǎo)體行業(yè)中都具有跨越時代的意義，值得歷史留名，也因?yàn)橛羞@些轉(zhuǎn)折點(diǎn)的產(chǎn)生，摩爾定律的生命因此延續(xù)。

圖丨鈷礦

短短數(shù)年，我們經(jīng)歷了 FinFET 、 EUV 光刻機(jī)的成功，而半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的下一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)其實(shí)就在不遠(yuǎn)處，會是由新材料的革新接棒，“鈷”時代即將登場，逐漸終結(jié)“鎢”和“銅”的時代。

10 納米和 7 納米節(jié)點(diǎn)進(jìn)入鈷導(dǎo)線時代，設(shè)備龍頭應(yīng)材推動產(chǎn)業(yè)革命的到來

隨著半導(dǎo)體制程朝 10 納米以下發(fā)展，原本以“銅”作為導(dǎo)線材料開始暴露導(dǎo)電速率不足等缺點(diǎn)，讓制程工藝技術(shù)在 10 納米、 7 納米節(jié)點(diǎn)上遇到瓶頸，因此半導(dǎo)體大廠和設(shè)備大廠紛紛投入新材料研發(fā)，突破半導(dǎo)體制程技術(shù)的限制。

美國公司應(yīng)用材料（Applied Materials, Inc）是全球半導(dǎo)體設(shè)備龍頭，每年投入的研發(fā)經(jīng)費(fèi)十分可觀，也是最早投入以“鈷”作為導(dǎo)線材料取代傳統(tǒng)“銅”、“鎢”的半導(dǎo)體技術(shù)大廠之一，現(xiàn)在，這樣的產(chǎn)業(yè)革命已經(jīng)即將要落實(shí)在商用化芯片，具有劃時代的意義！

在 10 納米、 7 納米等先進(jìn)工藝下以“鈷”作為導(dǎo)線材料，可以達(dá)到導(dǎo)電性能更強(qiáng)、功耗更低，芯片達(dá)到體積更小的目標(biāo)，應(yīng)材解釋，這就是推動“PPAC”（效能 performace、功耗 power、面積 area、成本 cost）不斷往前，未來甚至往下做到 5 納米、 3 納米工藝節(jié)點(diǎn)。

應(yīng)用材料解釋，不像是晶體管的體積越小，效能會越高，在金屬鍍層的接點(diǎn)和導(dǎo)線上，反而是體積越小，效能越差，如果把導(dǎo)線比喻成吸管，吸管越小是越容易阻塞，因此，導(dǎo)線材料的選擇上有三個關(guān)鍵參考點(diǎn)，分別是填滿能力、抗阻力、可靠度。

在 30 納米以上的工藝技術(shù)，“鋁”在填滿、可靠度兩方面表現(xiàn)不佳，但“銅”則是十分稱職，因此仍扮演很重要的材料。

然進(jìn)入 20 納米以下高端工藝后，無論是鎢、鋁、銅的表現(xiàn)其實(shí)都不理想，相較之下，“鈷”在填滿能力、抗阻力、可靠度三方面是異軍突起，尤其在半導(dǎo)體 10 /7 納米以下的高端技術(shù)，“鈷”是新一代導(dǎo)線材料之王。

圖丨鎢鋁銅鈷的比較

應(yīng)材分析，晶體管的關(guān)鍵臨界尺寸（Critical Dimension）是在 15 納米左右，意思是到了該尺寸時，鈷與銅的性能參數(shù)比達(dá)到交叉點(diǎn)，而所謂晶體管的關(guān)鍵臨界尺寸，與制程技術(shù)工藝節(jié)點(diǎn)之間的比例約是 2 比 1，意思是，當(dāng) 15 納米是使用銅材料的關(guān)鍵臨界尺寸極限，放大到制程工藝節(jié)點(diǎn)上，瓶頸就是 7 納米左右。

關(guān)于“鎢”時代的登場，應(yīng)材進(jìn)一步表示，在芯片關(guān)鍵臨界尺寸的微縮上，“鎢”與“銅”兩個金屬材料在 10 納米以下已經(jīng)無法完成微縮任務(wù)，因?yàn)槠潆娦栽诰w管接點(diǎn)與局部中段金屬導(dǎo)線制程上已逼近物理極限，“鎢”與“銅”再也無法導(dǎo)入成為接口，這就成為 FinFET 無法發(fā)揮完全效能的一大瓶頸。

而“鈷”這個金屬剛好能消除這個瓶頸，但也需要在制程系統(tǒng)策略上進(jìn)行變革，隨著產(chǎn)業(yè)將結(jié)構(gòu)微縮到極端尺寸，這些材料的表現(xiàn)會有所不同，而且必須在原子級上，有系統(tǒng)地進(jìn)行工程，通常是在真空的條件下進(jìn)行。

英特爾于 IEEE 國際電子元件會議上首度揭露鈷材料細(xì)節(jié)，將采用 10 納米節(jié)點(diǎn)

應(yīng)材在 2013 年就投入“鈷”材料的開發(fā)，花了很多時間通過客戶認(rèn)證，進(jìn)而導(dǎo)入客戶端協(xié)助高端工藝的芯片商用化。而究竟是哪些客戶使用了“鈷”這個深具產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的新材料在關(guān)鍵的半導(dǎo)體制程上？

雖然應(yīng)材表示不能評論客戶的技術(shù)。但聰明的讀者可以推論，眼下有 7 納米和 10 納米技術(shù)即將問世的半導(dǎo)體大廠，當(dāng)屬臺積電、三星、英特爾，其中，英特爾在 IEEE 國際電子元件會議（IEDM）上，已經(jīng)公開揭橥了“鈷”材料的奧妙。

英特爾已經(jīng)在 IEEE 上透露，將在 10 納米工藝節(jié)點(diǎn)的部分互連層上，導(dǎo)入鈷材料的計(jì)劃細(xì)節(jié)，在 10 納米節(jié)點(diǎn)互連的最底部兩個層導(dǎo)入鈷材料，可以達(dá)到 5～ 10 倍的電子遷移率改善，并且降低兩倍的通路電阻，這算是眾多半導(dǎo)體制造大廠中，第一個公開討論分享鈷材料使用在制程技術(shù)上的細(xì)節(jié)的企業(yè)。

圖丨鎢和銅的遷移狀況比較

回顧半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上一波的材料革新是 15 ~ 20 年前的 0.13 微米關(guān)鍵制程。在 0.13 微米以前，是使用鋁作為導(dǎo)線材料，但 IBM 率先導(dǎo)入銅制程，讓金屬導(dǎo)線的電阻率降低，且訊號傳輸速度和功耗成長，在半導(dǎo)體史上是劃時代的一頁。

半導(dǎo)體業(yè)者分析，銅離子的擴(kuò)散系數(shù)高，容易進(jìn)入介電或是硅材料中，導(dǎo)致電性飄移或是制程腔體遭到污染，但當(dāng)時的 IBM 研發(fā)出雙鑲嵌法（Dual Damascene），先蝕刻出金屬導(dǎo)線所需之溝槽與洞（Trench & Via），并沉積一層薄薄的阻擋層（Barrier）與襯墊層（Liner），之后再將銅回填，如此一來便可防止銅離子擴(kuò)散，成功迎來半導(dǎo)體的銅制程時代。

20 年后的今日，半導(dǎo)體材料再度出現(xiàn)變革，在制程技術(shù)上導(dǎo)入“鈷”作為新的導(dǎo)體材料，設(shè)備商也將迎來新的商機(jī)。業(yè)界預(yù)期，“鈷”金屬材料將從 7/10 納米起步，開始進(jìn)入半導(dǎo)體導(dǎo)線制程，預(yù)計(jì)在 5 納米工藝結(jié)點(diǎn)以下，會擴(kuò)大采用“鈷”材料。

針對“鈷”材料，應(yīng)材有一系列的半導(dǎo)體設(shè)備作為對應(yīng)，包括 Endura 平臺上的物理氣相沉積（PVD）、原子層沉積（ALD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）等機(jī)臺設(shè)備。應(yīng)材的 Endura 平臺是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)史上最成功的金屬化系統(tǒng)，累積 20 年來全球有 100 個客戶使用超過 4,500 臺的 Endura 系統(tǒng)。

圖丨應(yīng)用材料Endura 系統(tǒng)

再者，應(yīng)材也界定出一套整合性的鈷組合產(chǎn)品，包括 Phroducer 平臺上的退火、 Reflexion LK Prime CMP 平臺上的平坦化，以及 PROVision 平臺上的電子束檢測，這套整合材料解決方案是針對 7 納米和以下的制程，可以加速芯片效能，且縮短產(chǎn)品上市的時間。

半導(dǎo)體面臨近 20 年來最重要的材料變革，可以看見技術(shù)推進(jìn)之手已經(jīng)換人，象征產(chǎn)業(yè)領(lǐng)航者的更迭。進(jìn)入 7 納米工藝以下，半導(dǎo)體技術(shù)難度快速竄升，包括英特爾的 10 納米延遲多年尚未問世，也透露摩爾定律推前的難度大增。

另一個趨勢是半導(dǎo)體設(shè)備大廠在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)折當(dāng)下，扮演越來越重要的關(guān)鍵角色，像是 ASML 為了解開 EUV 光刻機(jī)的瓶頸，曾找來英特爾、臺積電、三星三大客戶的集資研發(fā)，如今 EUV 光刻機(jī)即將進(jìn)入 7 納米芯片生產(chǎn)。

再者，應(yīng)材在半導(dǎo)體關(guān)鍵材料“銅”進(jìn)入“鈷”的時代，也扮演領(lǐng)航者的角色，提前多年就大舉投入研發(fā)，如今將伴隨英特爾、臺積電、三星的 7 納米和 10 納米芯片進(jìn)入商用化，具有舉足輕重的地位。

在“后摩爾定律”世代中，為了延續(xù)該定律產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)各個環(huán)節(jié)無不卯足全力接棒演出，晶體管架構(gòu)的改變、 EUV 光刻機(jī)的誕生、過往不被重視的封裝技術(shù)也躍升成為主流技術(shù)，而材料更是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。“鈷”材料從 7 納米為起始點(diǎn)，將在 5 納米、3 納米中扮演主流角色，引領(lǐng)未來 10 年的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)時代。