宜特小学堂:钴真能取代铜?7 奈米製程晶片实测分析

宜特小学堂:钴真能取代铜?7 奈米製程晶片实测分析

7 奈米晶片是当今已量产之最先进製程产品,金属材料加入钴(Co)是关键,但钴(Co)真的完全取代原先的铜(Cu)了吗?

人工智慧及大数据时代来临,晶片也必须透过不断微缩提升效能?然而面对 7 奈米先进製程,如何生产出效能更高、耗电更少、面积更小,又符合可靠度要求的晶片,是当今半导体製程上的重要课题。

当今,随着摩尔定律,半导体 7 奈米先进製程已进入量产阶段,从材料工程上来看,电晶体接点与导线的重大金属材料进行变革,是解除 7 奈米以下先进製程效能瓶颈的关键。

这重大的金属材料就是──钴(Co)。然而坊间传言以钴(Co)取代铜(Cu)的真实性如何?

宜特材料分析实验室这次直接实测已量产的 7 奈米晶片,带您进入 7 奈米的微缩世界。

IC 结构示意图宜特小学堂:钴真能取代铜?7 奈米製程晶片实测分析

图 1。

降低 RC Delay,提升晶片运行速度

在积体电路中,「电阻─电容延迟时间」(RC Delay)是影响半导体元件的速度或性能的重要参数之一。

随着半导体製程推进至 7 奈米,不仅金属连线(interconnect)层数越趋增加,导线间的距离也不断微缩;当电子讯号在层数非常多的金属连线(interconnect)间传送时,其产生的「电阻─电容延迟时间」(RC Delay),将严重减低半导体元件的速度。如何降低「电阻─电容延迟时间」(RC Delay)、增加半导体元件运行速度,是一重要课题。

IC 製程微缩,阻障层有相对增加电阻的风险

铜(Cu)和铝(Al)是半导体后段製程(Back End Of Line,BEOL)金属连线(Interconnect)最常使用的金属材料。而铜主要会被用于先进製程的「金属连线」,来自于铜导电性比铝好,不过铜(Cu)原子在介电层的扩散係数远比铝原子大,为防止铜(Cu)扩散在介电层所造成线路短路。所以,在半导体製程,就必须使用更緻密的「氮化钽」(TaN),取代柱状晶结构的「氮化钛」(TiN),藉此避免铜扩散。

然而,此氮化钽(TaN)比氮化钛(TiN)的电阻係数大很多,相差十倍以上(参见表 1),使用氮化钽(TaN)为铜的阻障层,将会有使金属连线电阻增加的风险。

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表 1:TaN 及 TiN 电阻係数。

金属线上的电阻为「铜线电阻」加「氮化钽(TaN)层电阻」的总和。铜线尺寸大时,氮化钽(TaN)层引起的电阻增加比例不大,可忽略不计。但是当晶片微缩到非常小,促使铜线的尺寸也逐渐缩小时,氮化钽(TaN)层贡献的电阻比例就愈来愈大。宜特材料分析实验室使用并联电阻简化计算氮化钽层电阻贡献度(见表 2)。铜线横截面尺寸由 200 奈米降到 20 奈米,则氮化钽层电阻贡献度约增加大于 40 倍。

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表 2:氮化钽层电阻贡献度,利用并联电阻简化计算。

然而,在铜(Cu)製程中,因铜的容易扩散的特性关係,所以也不能藉由降低氮化钽(TaN)层的「厚度」来减少电阻,否则就会失去阻障功能。因此在 7 奈米 IC 製程中,使用新材料取代铜导线或阻障层变成很重要的课题。

降低 7 奈米晶片的电阻,金属材料是选用是关键

那该如何减低氮化钽(TaN)层的电阻呢?调整该层的金属材料就成为关键。经研究,发现金属钴(Co)是加入氮化钽(TaN)阻障层的极佳候选材料,钴(Co)不但降低阻障层的电阻,而且可以降低阻障层厚度,一举两得。

双层接触窗设计,让钴(Co)发挥最大效能

金属导线和硅基板上半导体元件之间的连结称为接触窗(contact),主要是靠钨(W)连结,其阻障层材料是氮化钛(TiN)。在铜金属化製程中,如何降低 W / TiN 的接触窗的电阻,钴(Co)又成为最佳候选者。但是,用钴(Co)直接完全取代 W / TiN 直接和铜接触,则铜和钴容易固溶在一起,造成金属导线电迁移性能会变差。于是有了双层接触窗的製程设计。

实测 7 奈米製程晶片,透视钴(Co)是否完全取代铜(Cu)

剖析完为什幺要使用钴(Co)的原因后,宜特材料分析实验室进行实测,一起来看看钴(Co)是用在 7 奈米製程晶片的那些地方?钴(Co)真的完全取代铜(Cu)了吗?

前期样品製备作业

为了执行分析 7 奈米先进製程产品的分析,宜特材料分析实验室採购市售手机相关部品,取得 Kirin 980 CPU。由于此 CPU 是封装在手机电路板上,必须先进行相关部品的拆解(Tear down),以及相关结构观察的分析工程,包括 X 光分析、去锡球、去封装、去胶、红外线定位、研磨、吃酸、CPU / DRAM 双晶片分离等技术,最后终于取得 Kirin 980 晶片。

利用 TEM 实际观察

宜特材料分析实验室利用穿透式电子显微镜(Transmission electron microscope,TEM),搭配高性能的能量散布 X 射线谱术(Energy-dispersive X-ray spectroscopy,EDS / EDX),藉此解析 7 奈米晶片的前段製程(Front End Of Line,FEOL)及后段製程(Back End Of Line,BEOL)。

宜特材料分析实验室透过 TEM 及 EDS 观察晶片结构裏头第一层(M1)与第二层(M2)金属层,解析 7 奈米的鳍状电晶体(FinFET)、闸极(Gate)、接触窗(Contact)(见图 2),与相对应钴(Co)及钨(W)(见图 3)的成分分布。宜特小学堂:钴真能取代铜?7 奈米製程晶片实测分析

图 2:STEM HAADF 影像,显示鳍状电晶体、闸极、接触窗、M1 和 M2 等结构。

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图 3:桃红色为钴(Co)成分,草绿色为钨(W)成分,对照图 2,即可了解钴和钨在结构里分布的情形。

由图 2 及图 3 两张图比较,宜特材料分析实验室观察到钴(Co)成为「接触窗」及「阻障层」材料,而且钴(Co)包覆了整个第一层(M1)铜金属层的结构,成为阻障层材料。但 Co 没有完全取代接触窗的 W / TiN,可能是因为接触窗製程与阻障层製程使用不同类型製程,造成 Co 与周围材料反应的状况不同,致使接触窗的 Co 无法完全取代 W/TiN。

结论

由 TEM 结果可知,钴(Co)的用途并非取代铜(Cu)。钴用在铜的阻障层,且只有取代一半的接触窗。因此宜特材料分析实验室得以证明钴(Co)在 7 奈米先进製程产品,并未完全取代铜(Cu)。