什么金属能够替代铜线,成为10纳米芯片连接线?

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英特尔公司阐述了将钴金属应用于10纳米芯片最细连接线的设想;英特尔和格罗方德公司都详细介绍了用钴代替钨制成的电接触材料设备的性能。

如今的电脑芯片中缠绕着上万米的铜线,分布在大约15个布线层中。随着半导体行业中晶体管体积的缩小,这些互连也必须更细。目前有的布线层过于纤细,电流会对其造成损伤。芯片制造商为了解决这一问题是想尽各种办法。

一些公司正在尝试使用其他材料来替代铜连接芯片,如钴、钌甚至是石墨烯。2017年12月份在旧金山举办的IEEE国际电子设备大会(IEDM)上,一些公司似乎已经选定钴作为替代金属。英特尔公司阐述了将钴金属应用于10纳米芯片最细连接线的设想;英特尔和格罗方德公司都详细介绍了用钴代替钨制成的电接触材料设备的性能。

他们现在正努力解决的问题源于基础物理学:线路越细(同时也越长),其电阻越大。位于纽约市约克敦海茨IBM沃森研究中心的研究员丹尼尔•埃德尔斯坦(DanielEdelstein)说:“对于电线来说,电阻太大总归是不好的。”他作为IBM 1997年成功实现从铝到铜的技术转换的总架构师之一,很了解铜互联。

铜金属的电阻率比铝、钨甚至是钴都要低。但是铜在更小尺度上很容易受到电迁移的影响。当电子加速穿过超薄线路时,它们会将原子驱赶到金属中,就像是一位急匆匆的行人将另外一个人推到人行道外面一样。

为了保护铜互连,需要在纤细的线路中镶嵌其他材料,如氮化钽甚至是钴。应用材料经理、半导体设备供应商凯文•莫赖斯(Kevin Moraes)说:“铜原子很容易移动,需要用1到2纳米的阻挡层来控制它。”

当铜互连变小时,氮化钽衬里依然保持相对较厚,因为将衬里尺寸缩小得比1纳米还要薄是十分困难的。当铜接线小到一定程度时,衬里的厚度会大于接线。“衬里占据了铜的空间,加大了线路电阻率。”埃德尔斯坦说。

莫赖斯说,由于铜的局限性,线路问题成为半导体行业发展的瓶颈。“如果线路问题得不到解决,就无法从晶体管中获利。”

相比于铜来说,钴的电阻率是其3倍,但电迁移的可能性要小得多。因此,制造商纷纷转而利用钴作为金属层材料,构成晶体管之间以及晶体管内部的短程连接。而在其他芯片的布线层,由于线路更粗且连接距离更远,因此还是使用铜更好。

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在国际电子设备大会上,英特尔在报告中指出,在10纳米加工技术的两层超薄布线层(互联最小)中使用钴互联,电迁移减少了1/10至1/5,电阻率是原来的一半。改善后的互连线路将有助于半导体行业克服线路问题,进一步缩小晶体管尺寸。

英特尔公司是第一个将芯片中的铜换成钴的公司。在工艺改进过程中,英特尔公司曾经将与晶体管栅极接触的钨金属层替换成钴金属层。之前选择用钨是因为钨有弹性且不会有电迁移问题。但是钨的电阻率很高。

格罗方德在2017年12月份的国际电子设备大会中还阐述了在其7纳米制作工艺中用钴代替钨。应用材料公司的莫赖斯说,其他客户也在探索进行这一转变。目前,芯片制造商如三星、台积电还没有公开表示使用钴材料。

半导体咨询公司VLSIresearch的首席执行官丹•哈奇森(Dan Hutcheson)说:“最大的问题是在哪里植入新技术。如果你过早应用,就会产生很多成本。英特尔愿意为此付出高价,并且他们有能力调试新的材料。”

但是哈奇森提到,真正的考验在于产品。“纸上谈兵完全可以,而真正的考验在于投入生产并从中赢利。”

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