金屬材料變革將影響中國半導體設備的研發方向

全球最大半導體設備商應用材料（Applied Materials）於 6 月 6 日宣布，材料工程獲得技術突破，能在大數據與人工智慧（AI）時代加速晶元效能。應材表示，20 年來首樁電晶體接點與導線的重大金屬材料變革，能解除 7 納米及以下晶圓製程主要的效能瓶頸，由於鎢（W）在電晶體接點的電性表現與銅（Cu）的局部終端金屬導線製程都已逼近物理極限，成為 FinFET 無法完全發揮效能的瓶頸，因此晶元設計者在 7 納米以下能以鈷（Co）金屬取代鎢與銅，藉以增進 15% 晶元效能。

採用鈷可優化先進位程金屬填充情形，延續 7 納米以下製程微縮

鎢和銅是目前先進位程採用的重要金屬材料，然而鎢和銅與絕緣層附著力差，因此都需要襯層（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晶元電性，必須有障壁層（Barrier Layer）存在。

如下圖所示，隨著製程微縮至 20 納米以下，以鎢 Contact（金屬導線及電晶體間的連接通道稱為 Contact，由於 Contact 實際形狀為非常貼近圓柱體的圓錐體，因此 Contact CD 一般指的是 Contact 直徑）製程為例，20 納米的 Contact CD 中，Barrier 就占 8 納米，Contact 中實際金屬層為 12 納米（Metal Fill 8nm＋Nucleation 4nm），Contact CD 為 10 納米時，實際金屬層僅剩 2 納米，以此估算 Contact CD 為 8 納米時將沒有金屬層的容納空間，此時襯層及障壁層的厚度成了製程微縮瓶頸。

鎢 Contact 的 metal fill 情形。（Source：應材；整理：拓墣產研）

註：圖中 Barrier 包含襯層＋障壁層。

然而同樣 10 納米的 Contact CD 若採用鈷（如下圖），其障壁層僅 4 納米，而實際金屬層有 6 納米，相較於採用鎢更有潛力在 7 納米以下製程持續發展。

鈷 Contact 的 metal fill 情形。（Source：應材；整理：拓墣產研）

註：圖中 Barrier 包含襯層＋障壁層。

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 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，朝向打入先進位程的前段電晶體製程之遠期目標相當明確，然而相較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。

（首圖來源：應材）

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