7 納米芯片是當今已量產(chǎn)之最先進制程產(chǎn)品，金屬材料加入鈷（Co）是關(guān)鍵，但鈷（Co）真的完全取代原先的銅（Cu）了嗎？

人工智慧及大數(shù)據(jù)時代來臨，芯片也必須透過不斷微縮提升效能？然而面對7 納米先進制程，如何生產(chǎn)出效能更高、耗電更少、面積更小，又符合可靠度要求的芯片，是當今半導體制程上的重要課題。

當今，隨著摩爾定律，半導體7 納米先進制程已進入量產(chǎn)階段，從材料工程上來看，電晶體接點與導線的重大金屬材料進行變革，是解除7 納米以下先進制程效能瓶頸的關(guān)鍵。

這重大的金屬材料就是──鈷（Co）。然而坊間傳言以鈷（Co）取代銅（Cu）的真實性如何？

宜特材料分析實驗室這次直接實測已量產(chǎn)的7 納米芯片，帶您進入7 納米的微縮世界。

▲ 圖1

降低RC Delay，提升芯片運行速度

在積體電路中，「電阻─電容延遲時間」（RC Delay）是影響半導體元件的速度或性能的重要參數(shù)之一。

隨著半導體制程推進至7 納米，不僅金屬連線（interconnect）層數(shù)越趨增加，導線間的距離也不斷微縮；當電子訊號在層數(shù)非常多的金屬連線（interconnect）間傳送時，其產(chǎn)生的「電阻─電容延遲時間」（RC Delay），將嚴重減低半導體元件的速度。如何降低「電阻─電容延遲時間」（RC Delay）、增加半導體元件運行速度，是一重要課題。

IC 制程微縮，阻障層有相對增加電阻的風險

銅（Cu）和鋁（Al）是半導體后段制程（Back End Of Line，BEOL）金屬連線（Interconnect）最常使用的金屬材料。而銅主要會被用于先進制程的「金屬連線」，來自于銅導電性比鋁好，不過銅（Cu）原子在介電層的擴散系數(shù)遠比鋁原子大，為防止銅（Cu）擴散在介電層所造成線路短路。所以，在半導體制程，就必須使用更致密的「氮化鉭」（TaN），取代柱狀晶結(jié)構(gòu)的「氮化鈦」（TiN），借此避免銅擴散。

然而，此氮化鉭（TaN）比氮化鈦（TiN）的電阻系數(shù)大很多，相差十倍以上（參見表1），使用氮化鉭（TaN）為銅的阻障層，將會有使金屬連線電阻增加的風險。

▲ 表1：TaN 及TiN 電阻系數(shù)。

金屬線上的電阻為「銅線電阻」加「氮化鉭（TaN）層電阻」的總和。銅線尺寸大時，氮化鉭（TaN）層引起的電阻增加比例不大，可忽略不計。但是當芯片微縮到非常小，促使銅線的尺寸也逐漸縮小時，氮化鉭（TaN）層貢獻的電阻比例就愈來愈大。宜特材料分析實驗室使用并聯(lián)電阻簡化計算氮化鉭層電阻貢獻度（見表2）。銅線橫截面尺寸由200 納米降到20 納米，則氮化鉭層電阻貢獻度約增加大于40 倍。

▲ 表2：氮化鉭層電阻貢獻度，利用并聯(lián)電阻簡化計算。

然而，在銅（Cu）制程中，因銅的容易擴散的特性關(guān)系，所以也不能藉由降低氮化鉭（TaN）層的「厚度」來減少電阻，否則就會失去阻障功能。因此在7 納米IC 制程中，使用新材料取代銅導線或阻障層變成很重要的課題。

降低7 納米芯片的電阻，金屬材料是選用是關(guān)鍵那該如何減低氮化鉭（TaN）層的電阻呢？調(diào)整該層的金屬材料就成為關(guān)鍵。經(jīng)研究，發(fā)現(xiàn)金屬鈷（Co）是加入氮化鉭（TaN）阻障層的極佳候選材料，鈷（Co）不但降低阻障層的電阻，而且可以降低阻障層厚度，一舉兩得。

雙層接觸窗設(shè)計，讓鈷（Co）發(fā)揮最大效能金屬導線和矽基板上半導體元件之間的連結(jié)稱為接觸窗（contact），主要是靠鎢（W）連結(jié)，其阻障層材料是氮化鈦（TiN）。在銅金屬化制程中，如何降低W / TiN 的接觸窗的電阻，鈷（Co）又成為最佳候選者。但是，用鈷（Co）直接完全取代W / TiN 直接和銅接觸，則銅和鈷容易固溶在一起，造成金屬導線電遷移性能會變差。于是有了雙層接觸窗的制程設(shè)計。

實測7 納米制程芯片，透視鈷（Co）是否完全取代銅（Cu）剖析完為什么要使用鈷（Co）的原因后，宜特材料分析實驗室進行實測，一起來看看鈷（Co）是用在7 納米制程芯片的那些地方？鈷（Co）真的完全取代銅（Cu）了嗎？

前期樣品制備作業(yè)為了執(zhí)行分析7 納米先進制程產(chǎn)品的分析，宜特材料分析實驗室采購市售手機相關(guān)部品，取得Kirin 980 CPU。由于此CPU 是封裝在手機電路板上，必須先進行相關(guān)部品的拆解（Tear down），以及相關(guān)結(jié)構(gòu)觀察的分析工程，包括X 光分析、去錫球、去封裝、去膠、紅外線定位、研磨、吃酸、CPU / DRAM 雙芯片分離等技術(shù)，最后終于取得Kirin 980 芯片。

利用TEM 實際觀察宜特材料分析實驗室利用穿透式電子顯微鏡（Transmission electron microscope，TEM），搭配高性能的能量散布X 射線譜術(shù)（Energy-dispersive X-ray spectroscopy，EDS / EDX），借此解析7 納米芯片的前段制程（Front End Of Line，F(xiàn)EOL）及后段制程（Back End Of Line，BEOL）。

宜特材料分析實驗室透過TEM 及EDS 觀察芯片結(jié)構(gòu)里頭第一層（M1）與第二層（M2）金屬層，解析7 納米的鰭狀電晶體（FinFET）、閘極（Gate）、接觸窗（Contact）（見圖2），與相對應(yīng)鈷（Co）及鎢（W）（見圖3）的成分分布。

▲ 圖2：STEM HAADF 影像，顯示鰭狀電晶體、閘極、接觸窗、M1 和M2 等結(jié)構(gòu)。

▲圖3：桃紅色為鈷（Co）成分，草綠色為鎢（W）成分，對照圖2，即可了解鈷和鎢在結(jié)構(gòu)里分布的情形。

由圖2 及圖3 兩張圖比較，宜特材料分析實驗室觀察到鈷（Co）成為「接觸窗」及「阻障層」材料，而且鈷（Co）包覆了整個第一層（M1 ）銅金屬層的結(jié)構(gòu)，成為阻障層材料。但Co 沒有完全取代接觸窗的W / TiN，可能是因為接觸窗制程與阻障層制程使用不同類型制程，造成Co 與周圍材料反應(yīng)的狀況不同，致使接觸窗的Co 無法完全取代W/TiN。

結(jié)論由TEM 結(jié)果可知，鈷（Co）的用途并非取代銅（Cu）。鈷用在銅的阻障層，且只有取代一半的接觸窗。因此宜特材料分析實驗室得以證明鈷（Co）在7 納米先進制程產(chǎn)品，并未完全取代銅（Cu）。