7nm之后,钴将能取代铜?

2019-11-03 17:02:48   【浏览】3748

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7纳米芯片是当今大规模生产中最先进的工艺产品。向金属材料中添加钴是关键,但是钴真的完全取代了原来的铜吗?

随着人工智能和大数据时代的到来,芯片也必须通过持续扩展来提高性能?然而,面对7纳米的先进制造工艺,如何生产效率更高、功耗更低、面积更小且满足可靠性要求的芯片是当今半导体制造工艺中的一个重要课题。

今天,凭借摩尔定律,7纳米的先进半导体制造工艺已经进入大规模生产阶段。从材料工程的角度来看,消除7纳米以下先进制造工艺性能瓶颈的关键是改变晶体管触点和导线的主要金属材料。

这种主要的金属材料是钴。然而,钴(co)取代铜(cu)的谣言的真相是什么?

伊泰材料分析实验室这次直接测量了大规模生产的7纳米芯片,带你进入7纳米的微型世界。

图1

减少rc延迟,提高芯片运行速度。

在集成电路中,“电阻电容延迟”(rc延迟)是影响半导体器件速度或性能的重要参数之一。

随着半导体制造工艺进展到7纳米,不仅金属互连的层数增加,而且线之间的距离减小。当电子信号在具有许多层的金属互连之间传输时,产生的“rc延迟”将严重降低半导体器件的速度。如何降低“rc延迟”和提高半导体器件的工作速度是一个重要课题。

集成电路工艺被小型化,阻挡层具有电阻相对增加的风险。

铜(cu)和铝(al)是半导体后端(beol)中金属互连最常用的金属材料。然而,铜(cu)原子在介电层中的扩散系数远大于铝原子的扩散系数,以防止铜(cu)在介电层中扩散引起的短路。因此,在半导体制造过程中,有必要使用更致密的“氮化钽”(tan)而不是具有柱状晶体结构的“氮化钛”(tin),以避免铜扩散。

然而,这种氮化钽(tan)的电阻率比氮化钛(tin)的电阻率大得多,相差十倍以上(见表1)。使用氮化钽(tan)作为铜的阻挡层会有增加金属线电阻的风险。

表1: tan和tin电阻率。

金属线上的电阻是“铜线电阻”和“氮化钽(tan)层电阻”的总和。当铜线尺寸较大时,氮化钽(tan)层引起的电阻增加很小,可以忽略不计。然而,当芯片收缩到非常小的尺寸并且铜线的尺寸逐渐减小时,氮化钽(tan)层贡献的电阻比例变得越来越大。伊泰材料分析实验室使用并联电阻来简化氮化钽层电阻贡献的计算(见表2)。当铜线的横截面尺寸从200纳米减小到20纳米时,氮化钽层电阻的贡献将增加40倍以上。

表2:氮化钽层电阻的贡献,使用并联电阻的简化计算。

然而,在铜(cu)工艺中,由于铜容易扩散的特性,不能通过减小氮化钽(tan)层的“厚度”来降低电阻,否则将失去阻挡功能。因此,用新材料替换铜线或阻挡层已经成为7纳米集成电路工艺中非常重要的课题。

为了降低7纳米芯片的电阻,金属材料是关键。

我们如何降低氮化钽层的电阻?调整这一层的金属材料成为关键。通过研究发现,钴是添加氮化钽阻挡层的优良候选材料。钴不仅降低了阻挡层的电阻,还降低了阻挡层的厚度,一举两得。

双层接触窗设计允许钴(co)充分发挥其最大效率。

金属线和硅衬底上的半导体器件之间的连接称为接触,主要由钨(W)连接,其阻挡层材料是氮化钛(tin)。在铜金属化工艺中,钴(co)是降低钨/锡接触窗电阻的最佳选择。然而,如果钨/锡被钴(co)直接和完全替代,并且与铜直接接触,铜和钴容易溶解在一起,导致金属线的电迁移性能差。因此,有双层接触窗的工艺设计。

测量7纳米工艺芯片,看看钴(co)是否完全取代铜(cu)

在分析了使用钴的原因后,伊泰材料分析实验室进行了实际测量,以了解钴在7纳米工艺芯片中的使用情况。钴真的完全取代了铜吗?

为了进行7纳米先进工艺产品的分析,伊泰材料分析实验室在市场上购买了手机的相关组件,并获得了麒麟980 cpu。由于cpu封装在手机电路板上,相关组件必须拆除,相关结构观察的分析工程必须进行,包括x光分析、锡球去除、封装去除、胶水去除、红外定位、研磨、酸蚀、cpu/dram双芯片分离等技术,最终获得麒麟980芯片。

伊泰材料分析实验室(Yite Materials Analysis Laboratory)使用透射电子显微镜(tem)结合高性能能量色散x光光谱(eds/edx)分析7纳米芯片的前端(feol)和后端(beol)。

yite材料分析实验室通过tem和eds观察芯片结构中第一层(m1)和第二层(m2)的金属层,并分析7纳米鳍fet、栅极和触点(见图2)以及相应的钴(co)和钨(w)的成分分布(见图3)。

图2: stemha ADF图像,显示鳍晶体管、栅极、触点、m1和m2结构。

图3:桃红是钴(co)成分,草绿是钨(w)成分。与图2相比,可以理解钴和钨在结构中的分布。

比较图2和图3的两幅图,yite材料分析实验室观察到钴(co)成为“接触窗口”和“阻挡层”材料,钴(co)覆盖第一层(m1)铜金属层的整个结构并成为阻挡层材料。然而,co没有完全取代接触窗的w/tin,这可能是由于在接触窗工艺和阻挡层工艺中使用的不同类型的工艺,导致co和周围材料之间的不同反应条件,导致接触窗的co不能完全取代w/tin。

结论

透射电镜结果表明,钴不能代替铜。钴用于铜的阻挡层,仅替代一半的接触窗口。因此,伊泰材料分析实验室可以证明,在先进的7纳米工艺产品中,钴(co)还没有完全取代铜(cu)。

*免责声明:这篇文章最初是作者写的。这篇文章的内容是作者的个人观点。重印半导体行业观察只是为了传达不同的观点。这并不意味着半导体行业观察同意或支持这一观点。如果您有任何异议,请联系半导体行业观察。

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