芯片里的金屬-新華網
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    2022 04/25 07:56:24
    來源:中國電子報

    芯片里的金屬

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    金屬材料在芯片工藝的演進中發揮著重要作用。在先進制程的尺寸不斷縮小的過程中,貴金屬及其合金材料在實現小線寬、低電阻率、高黏附性等方面扮演著關鍵角色。進入21世紀后,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工藝節點的部分互連層上率先導入鈷材料,達到了5~10倍的電子遷移率改善,將通路電阻降低了兩倍。

    英特爾在互聯材料的探索之路上并不孤單。應用材料是最早投入以鈷作為導線材料,取代傳統銅和鎢的半導體技術大廠之一;格羅方德在7nm制程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新型互聯材料。預計在不遠的將來,鈷合金、釕和銠等新一代互聯材料有望閃亮登場,為先進工藝芯片搭建橋梁。

    “芯片城市”里的道路如何互聯

    “如果把一枚芯片比作一座城市,那么晶體管是其核心區,負責信息的運算,互連層就相當于城市的道路負責信息與外界的交通?!痹诮邮堋吨袊娮訄蟆酚浾卟稍L時,鎂光資深工程師盛海峰博士如此形象地比喻。

    盛海峰認為,摩爾定律下,當核心區的晶體管越來越小、密度越來越大時,道路就會越來越窄、越來越密。當核心區的密度大到一定程度時,道路的運輸能力,即互連層的RC延遲,就成為整個芯片速度提升和功耗降低的瓶頸。在此情況下,互連層的金屬材料需要通過升級換代,來為晶體管核心區的“道路”提速。

    摩爾定律的延續與互聯材料的演進息息相關。清華大學研究員王琛作為技術負責人,曾先后任職于英特爾和芯片設備制造商泛林半導體,對高端芯片材料和先進芯片制造及架構有深入研究。王琛向《中國電子報》記者解釋,互聯材料其實就是前端晶體管層與后端外部電路層之間電信號互聯傳遞的導線。

    量子效應的增強是互聯材料面臨的一大挑戰。王琛向記者表示,當前晶體管在多個幾何維度進入亞10nm尺度,材料的量子效應開始顯著,晶體管繼續微縮就會遇到材料、工藝和器件結構的挑戰。作為連接前端晶體管層和最外層的封裝植球層的核心,中端和后端的互聯材料微縮也面臨量子效應增強的挑戰。

    銅和“大馬士革工藝”

    上世紀90年代,半導體制程進入0.18微米時代,后段鋁互聯技術就遇到了巨大瓶頸。為此,世界各大半導體制造公司都在尋找能替代鋁的金屬。由于銅價格不貴,導電性能好,還容易沉積,大家不約而同地想到了銅。但是,因為銅不能用干法蝕刻,所以后端互聯問題遲遲無法解決。

    為尋找靈感,一位IBM工程師來到了素有“人間花園”之稱的大馬士革。機緣巧合下,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,工程師的腦海中不斷浮現這樣的場景: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線用的圖膜,然后再填充金屬,以實現多層金屬互連,無需進行金屬層蝕刻。就這樣,這位工程師順利解決了銅互聯技術問題,并將這項工藝命名為大馬士革工藝。

    時代在進步,線寬在縮小。2018年,應用材料等公司又用鈷作為導線材料,在部分領域取代傳統的銅、鎢線。

    談及鋁、銅、鈷導線的代際變化,盛海峰向記者表示,銅取代鋁是因為它導電性更好,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候才對銅有導電性的優勢,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用銅。

    從鈷到釕、銠

    英特爾率先在10nm工藝節點的部分互連層上導入鈷材料,實現了5~10倍的電子遷移率改善,將通路電阻降低了兩倍;應用材料是最早投入以鈷作為導線材料,取代傳統銅和鎢的半導體大廠之一;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,是互聯材料研發的核心。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,但在互聯材料領域是一個大跨越,突破了現有的銅材料體系,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點工藝做好了技術儲備,預計對7nm后節點性能的提升將更為顯著。

    互聯材料正在朝著超薄低電阻率、無阻擋層、低延遲方向演進。目前,三星和臺積電等都在積極研發新型互聯材料。王琛表示,在不遠的將來,鈷合金、釕和銠等新一代互聯材料也有望登場。

    同時,無擴散阻擋層的互聯線,甚至在晶體管層下預埋互聯電軌,也都是解決互聯材料挑戰的方向。

    引入新金屬材料助力先進制程

    貴金屬材料在芯片工藝的演進過程中發揮著重要作用。半導體行業專家池憲念向《中國電子報》記者表示,半導體芯片不斷朝著體積小、速度快、功耗低的趨勢發展,要求接觸點的接觸電阻低,較寬溫度范圍內的熱穩定好、附著好,對橫向均勻、擴散層薄等也提出更高要求。

    因此,在先進制程尺寸不斷縮小的過程中,貴金屬及其合金材料在實現小線寬、低電阻率、高黏附性、接觸電阻低等方面扮演著關鍵角色。

    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是抑制短溝道效應。盛海峰表示,現階段,FinFET工藝最多延伸至3nm。在3nm及以下節點,GAAFET工藝是主要方向。GAAFET主要使用傳統材料,最大的挑戰是工藝精度控制。

    面對這一挑戰,新金屬材料的引入較為關鍵。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。屏障層的作用是黏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使用和正在探索的新元素。

    當前,全球2nm芯片制程之戰的號角已經吹響。2011年,22nm節點引入了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節點左右逐步引入。

    這些過程將涉及大量的摻雜控制、應變控制等材料問題。王琛向記者表示,在亞1nm節點,相關材料的挑戰越發凸顯,材料量子效應將發揮顯著作用。屆時,硅基材料的量子效應調控、材料的原子級加工、器件的單電子波動問題,將深刻挑戰現有材料體系和制造工藝。新的材料體系,例如層狀半導體、新原理器件和新加工工藝的引入勢在必行。

    “據悉,二維半導體材料因尺寸較小,有望幫助突破2納米先進制程?!蹦暇┐髮W電子科學與工程學院教授萬青對《中國電子報》記者說。

    新增芯片材料九成是金屬

    貴金屬具有優異的導電、穩定和導熱性能,是半導體行業的關鍵核心材料。進入21世紀之后,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域應用的重要性。

    應用于芯片制造領域的金屬材料擁有更高“門檻”。池憲念以互聯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、納米級別的黏合度等因素,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節。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。俄羅斯的鈀金產量約占全球總量的40%,鈀金出口量占比達到35%。鈀金可用于傳感器等半導體元器件中,也是芯片封裝環節的重要原料之一。

    有研億金新材料有限公司副總經理何金江對《中國電子報》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;在半導體后道的封裝環節,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?;阝Z的特性,新的材料和應用也在開發中。

    貴金屬材料在芯片領域主要有四方面應用。王琛向《中國電子報》記者表示,第一是互聯材料。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。

    第二是金屬柵極材料。自從2007年英特爾在45nm節點引入高介電-金屬柵晶體管結構,鉭、氮化鉭、氮化鈦、氮鋁鈦(TiAlN)等材料體系得到了廣泛應用,金屬硅化物接觸也經歷了從鈦、鈷和鎳到金屬硅化物體系的演進。

    第三是金屬阻擋層黏附層材料,比如鈦/氮化鈦、鉭/氮化鉭等常用于芯片制造和先進封裝中的阻擋層黏附層材料。

    第四是后端封裝用金屬材料,包括傳統的鉛基合金和無鉛銻、錫、銀、銦基合金等。另外,后期基板互聯等也涉及大量貴金屬材料。其中,芯片前端納米底層互聯金屬、金屬柵極材料、阻擋黏附層材料等,均是金屬材料研發的前沿。因此,如何在小尺度保持高電導率、低電遷移率、薄膜均勻結晶性、高熱擴散性、工藝可集成性等特性,成為芯片金屬材料的研究重點和下一代高性能芯片的材料瓶頸。

    金屬漲價對芯片沖擊較小

    集成電路領域重要的貴金屬主要包括金、銀和鉑金。當前,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造成沖擊,讓相關產品的價格有所上漲,貴金屬市場頻繁出現波動。由于半導體產業鏈整體具有一定的封閉性,前期受新冠肺炎疫情沖擊,整個產業鏈供應鏈問題得到一定凸顯。很多業內人士都擔心,貴金屬市場的波動很可能會進一步擾動芯片產業鏈供應鏈的穩定性。

    貴金屬是重要的半導體材料之一,其價格的波動會對芯片制造的成本產生一定影響。池憲念對《中國電子報》記者表示,隨著貴金屬價格的波動,芯片制造的成本也會產生變化。比如,在貴金屬供應鏈不穩定的情況下,貴金屬的采購價格會隨之上漲,導致芯片的成品價格也會同步上漲。

    不過,由于貴金屬在芯片中的應用比重較小,實際需求量也很小,萬青認為,貴金屬價格的波動對芯片產業的影響不太大。

    以鈀金為例。鈀金價格的上漲會導致半導體行業的成本有所增加,但考慮到單個半導體產品對鈀金的需求量較少,鈀金漲價對原材料庫存水位較高的企業影響很小。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重問題。

    在王琛看來,貴金屬市場波動對半導體產業鏈的影響需要從短期和長期這兩個角度來看。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,如果國際上的不穩定因素不斷增加,某一種關鍵金屬材料的短缺將在短期內持續沖擊芯片價格。但由于貴金屬在芯片行業的總體材料用量占比和成本占比較低,所以短期內貴金屬價格的波動對芯片產業鏈影響有限。

    而從長遠角度來看,后疫情時代以及俄烏局勢的持續變化,可能會帶來一些潛在的不穩定因素。王琛認為,芯片的長供應鏈特性也決定了其自身的脆弱性。因復雜國際形勢導致的不穩定因素,可能會讓芯片相關產業鏈受到進一步考驗,比如影響芯片行業中材料、設備和設計產業鏈的布局與整合,對整體產業優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,讓半導體供應鏈處于整體上較為不穩定的狀態。盛海峰向《中國電子報》記者表示,俄烏局勢對半導體供應鏈肯定會有影響,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地,俄烏局勢的復雜變化可能會影響氖氣供應。(記者 張依依)

    【糾錯】 【責任編輯:冉曉寧】
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