芯片里的金屬

金屬材料在芯片工藝的演進(jìn)過程中發(fā)揮著重要作用。在先進(jìn)制程的尺寸不斷縮小的過程中，貴金屬及其合金材料在實(shí)現(xiàn)小線寬、低電阻率、高粘附性、接觸電阻低等方面扮演著關(guān)鍵角色。進(jìn)入21世紀(jì)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(jìn)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(diǎn)的部分互連層上率先導(dǎo)入鈷材料，達(dá)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(yīng)用材料是最早投入以鈷作為導(dǎo)線材料，取代傳統(tǒng)銅和鎢的半導(dǎo)體技術(shù)大廠之一；格羅方德在7nm制作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(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)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(jìn)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(fù)責(zé)信息的運(yùn)算，互連層就相當(dāng)于城市的道路負(fù)責(zé)信息與外界的交通。”在接受《中國電子報(bào)》記者采訪時(shí)，鎂光資深工程師盛海峰博士如此形象地比喻。

盛海峰認(rèn)為，摩爾定律下，核心區(qū)的晶體管越來越小、密度越來越大，道路就會越來越窄、越來越密。當(dāng)核心區(qū)的密度大到一定程度，道路的運(yùn)輸能力，即互連層的RC延遲，就成為整個(gè)芯片速度提升和降低功耗的瓶頸。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(jìn)息息相關(guān)。清華大學(xué)研究員王琛作為技術(shù)負(fù)責(zé)人，曾先后任職于英特爾和芯片設(shè)備制造商泛林半導(dǎo)體，對高端芯片材料和先進(jìn)芯片制造及架構(gòu)有深刻研究。王琛向《中國電子報(bào)》記者解釋，互聯(lián)材料其實(shí)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(dǎo)線。

量子效應(yīng)的增強(qiáng)是互聯(lián)材料面臨的一大挑戰(zhàn)。王琛向記者表示，當(dāng)前晶體管在多個(gè)幾何維度進(jìn)入亞10nm尺度，材料的量子效應(yīng)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(yīng)增強(qiáng)的挑戰(zhàn)。

銅和“大馬士革工藝”

上世紀(jì)90年代，半導(dǎo)體制程進(jìn)入0.18微米時(shí)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(dǎo)體制造公司都在尋找能替代鋁的金屬。由于銅價(jià)格不貴，導(dǎo)電性能好，還容易沉積，大家不約而同地想到了銅。但是，因?yàn)殂~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工程師來到了有“人間花園”之稱的大馬士革。機(jī)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(shí)，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(dǎo)線用的圖膜，然后再填充金屬，以實(shí)現(xiàn)多層金屬互連，無需進(jìn)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(xiàng)工藝命名為大馬士革工藝。

時(shí)代在進(jìn)步，線寬在縮小。2018年，應(yīng)用材料等公司又用鈷作為導(dǎo)線材料，在部分領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的銅、鎢線。

談及鋁、銅、鈷導(dǎo)線的代際變化，盛海峰向記者表示，銅取代鋁是因?yàn)樗鼘?dǎo)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(shí)候才對銅有導(dǎo)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(diǎn)的部分互連層上導(dǎo)入鈷材料，達(dá)到了5-10倍的電子遷移率改善，將通路電阻降低了兩倍；應(yīng)用材料是最早投入以鈷作為導(dǎo)線材料，取代傳統(tǒng)銅和鎢的半導(dǎo)體技術(shù)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(lǐng)域是一個(gè)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(diǎn)工藝做好了技術(shù)儲備，預(yù)計(jì)對7nm后節(jié)點(diǎn)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(jìn)。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(yuǎn)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(shí)，無擴(kuò)散阻擋層的互聯(lián)線，甚至在晶體管層下預(yù)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(jìn)制程

貴金屬材料在芯片工藝的演進(jìn)過程中發(fā)揮著重要作用。半導(dǎo)體行業(yè)專家池憲念向《中國電子報(bào)》記者表示，半導(dǎo)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(diǎn)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(kuò)散層薄等也提出更高要求。

因此，在先進(jìn)制程的尺寸不斷縮小的過程中，貴金屬及其合金材料在實(shí)現(xiàn)小線寬、低電阻率、高粘附性、接觸電阻低等方面扮演著關(guān)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(yīng)。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(diǎn)，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(guān)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。屏障層的作用是粘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(dāng)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(diǎn)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(diǎn)左右逐步引入。

這些過程將涉及大量的摻雜控制、應(yīng)變控制等材料問題。王琛向記者表示，在亞1nm節(jié)點(diǎn)，相關(guān)材料的挑戰(zhàn)越發(fā)凸顯，材料量子效應(yīng)將發(fā)揮顯著作用。屆時(shí)，硅基材料的量子效應(yīng)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(dǎo)體、新原理器件和新加工工藝的引入將勢在必行。

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

新增芯片材料九成是金屬

貴金屬具有優(yōu)異的導(dǎo)電、穩(wěn)定和導(dǎo)熱性能，是半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)鍵核心材料。進(jìn)入21世紀(jì)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(lǐng)域應(yīng)用的重要性。

應(yīng)用于芯片制造領(lǐng)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、納米級別的粘合度等因素，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(dá)到35%。鈀金可用于傳感器等半導(dǎo)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(bào)》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(dǎo)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(yīng)用也在開發(fā)中。

貴金屬材料在芯片領(lǐng)域主要有四方面應(yīng)用。王琛向《中國電子報(bào)》記者表示，第一方面是互聯(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。

第二方面是金屬柵極材料。自從2007年英特爾在45nm節(jié)點(diǎn)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(yīng)用，金屬硅化物接觸也經(jīng)歷了從鈦、鈷和鎳等多個(gè)金屬硅化物體系的演進(jìn)。

第三個(gè)方面是金屬阻擋層粘附層材料，比如鈦/氮化鈦, 鉭/氮化鉭等常備用于芯片制造和先進(jìn)封裝中的阻擋層粘附層材料。

第四個(gè)方面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、阻擋粘附層材料等，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(dǎo)率、低電遷移率、薄膜均勻結(jié)晶性、高熱擴(kuò)散性、工藝可集成性等特性，成為芯片金屬材料的研究重點(diǎn)和下一代高性能芯片的材料瓶頸。

金屬漲價(jià)對芯片沖擊較小

集成電路領(lǐng)域重要的貴金屬主要包括金、銀和鉑金。當(dāng)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(yīng)造成沖擊，讓相關(guān)產(chǎn)品的價(jià)格有所上漲，貴金屬市場頻繁出現(xiàn)波動。由于半導(dǎo)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(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的供應(yīng)鏈問題得到一定凸顯。很多業(yè)內(nèi)人士都擔(dān)心，貴金屬市場的波動很可能會進(jìn)一步擾動芯片產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性。

貴金屬是重要的半導(dǎo)體材料之一，其價(jià)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(bào)》記者表示，隨著貴金屬價(jià)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(yīng)鏈不穩(wěn)定的情況下，貴金屬的采購價(jià)格會隨之上漲，導(dǎo)致芯片的成品價(jià)格也會同步上漲。

不過，由于貴金屬在芯片中的應(yīng)用比重較小，實(shí)際需求量也很小，萬青認(rèn)為，貴金屬價(jià)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(jià)格的上漲會導(dǎo)致半導(dǎo)體行業(yè)的成本有所增加，但考慮到單個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)品對鈀金的需求量較少，鈀金漲價(jià)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(yán)重問題。

在王琛看來，貴金屬市場波動對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的影響需要從短期和長期這兩個(gè)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(guān)鍵金屬材料的短缺將在短期內(nèi)持續(xù)沖擊芯片價(jià)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(jià)格的波動對芯片產(chǎn)業(yè)鏈影響有限。

而從長遠(yuǎn)角度來看，后疫情時(shí)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(rèn)為，芯片的長供應(yīng)鏈特性也決定了其自身的脆弱性。因復(fù)雜國際形勢導(dǎo)致的不穩(wěn)定因素，可能會讓芯片相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)艿竭M(jìn)一步考驗(yàn)，比如影響芯片行業(yè)中材料、設(shè)備和設(shè)計(jì)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(dǎo)體供應(yīng)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(bào)》記者表示，俄烏局勢對半導(dǎo)體供應(yīng)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(yīng)地，俄烏局勢的復(fù)雜變化可能會影響氖氣供應(yīng)。

作者丨張依依

編輯丨連曉東

美編丨馬利亞