首頁 鈷真能取代銅? 7奈米製程晶片實測分析

鈷真能取代銅? 7奈米製程晶片實測分析

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鈷真能取代銅? 7奈米製程晶片實測分析

by ruby

發佈日期:2019/10/157奈米IC
發佈單位:iST宜特

7奈米晶片是當今已量產之最先進製程產品
金屬材料加入鈷(Co)是關鍵,但鈷(Co)真的完全取代原先的銅(Cu)了嗎?

7奈米IC

人工智慧以及大數據時代來臨,晶片也必須透過不斷微縮提升效能?然而面對7奈米先進製程,如何生產出效能更高、耗電更少、面積更小,又符合可靠度要求的晶片,是當今半導體製程上的重要課題。

當今,隨著摩爾定律,半導體7奈米先進製程已進入量產階段,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奈米以下先進製程效能瓶頸的關鍵。

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?
今日宜特材料分析實驗室,直接實測已量產的7奈米晶片,帶您進入7奈米的微縮世界。

IC結構示意圖

IC結構圖
  • 降低RC Delay,提升晶片運行速度

    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之一。

    隨著半導體製程推進至7奈米,不僅金屬連線(interconnect) 層數越趨增加,導線間的距離也不斷微縮;當電子訊號在層數非常多的金屬連線(interconnect) 間傳送時,其產生的「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製程微縮,阻障層有相對增加電阻的風險

    銅(Cu)和鋁(Al)是半導體後段製程(BEOL, Back End Of Line) 金屬連線(Interconnect)最常使用的金屬材料。而銅主要會被用於先進製程的「金屬連線」,來自於銅導電性比鋁好,不過銅(Cu)原子在介電層的擴散係數遠比鋁原子大,為防止銅(Cu)擴散在介電層所造成線路短路。所以,在半導體製程上,就必須使用更緻密的「氮化鉭(TaN)」,取代柱狀晶結構的「氮化鈦(TiN)」,藉此避免銅擴散。

    然而,此氮化鉭(TaN)比氮化鈦(TiN)的電阻係數大很多,相差十倍以上(參見表一),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。

    氮化钽(TaN)阻障層(Barrier)氮化鈦(TiN) 阻障層
    電阻係數200 ~ 350 mΩ-cm22 mΩ-cm

    表一: TaN及TiN電阻係數

    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。但是當晶片微縮到非常小,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。表二我們使用並聯電阻簡化計算氮化鉭層電阻貢獻度。銅線橫截面尺寸由200nm降到20nm,則氮化鉭層電阻貢獻度約增加大於40倍。

    金屬線上的電阻= 銅線電阻+氮化钽層電阻
    既有製程銅線尺寸氮化钽層尺寸氮化钽層電阻貢獻度
    200nm5nm1 (定義為參考值)
    7奈米先進製程銅線尺寸氮化钽層尺寸
    20nm5nm> 40

    表二:氮化鉭層電阻貢獻度: 利用並聯電阻簡化計算

    然而,在銅(Cu)製程中,因銅的容易擴散的特性關係,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奈米 IC製程中,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奈米晶片的電阻,金屬材料是選用是關鍵

    那該如何減低氮化鉭(TaN)層的電阻呢?調整該層的金屬材料就成為關鍵。經研究,發現金屬鈷(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。

  • 雙層接觸窗設計,讓鈷(Co)發揮最大效能

    金屬導線和矽基板上半導體元件之間的連結稱為接觸窗(contact),主要是靠鎢(W)來連結,其阻障層材料是氮化鈦(TiN)。在銅金屬化製程中,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。於是有了雙層接觸窗的製程設計。

  • 實測7奈米製程晶片,透視鈷(Co)是否完全取代銅(Cu)

    剖析完為什麼要使用鈷(Co)的原因後,這個段落宜特材料分析實驗室,將進行實測,讓我們一起來看看,鈷(Co)是用在7奈米製程晶片的那些地方? 鈷(Co)真的完全取代銅(Cu)了嗎?

    前期樣品製備作業

    宜特材料分析實驗室,為了執行分析7nm先進製程產品的分析,因此,我們採購市售手機相關部品,取得Kirin 980 CPU。因,此CPU是封裝在手機電路板上,因此必須先進行相關部品的拆解(Tear down),以及相關結構觀察的分析工程,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雙晶片分離等等技術,最後終於取得Kirin 980晶片。

    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佈X射線譜術(Energy-dispersive X-ray spectroscopy,EDS/ EDX),藉此解析7奈米晶片的前段製程(FEOL, Front End Of Line)及後段製程(BEOL, Back End Of Line)

    宜特材料分析實驗室透過TEM及EDS觀察晶片結構裏頭第一層(M1)與第二層(M2)金屬層,解析7奈米的鰭狀電晶體(FinFET)、閘極(Gate)、接觸窗(Contact)(參見圖二),與相對應鈷(Co) 及鎢(W) (參見圖三)的成份分佈。

    7奈米IC TEM

    圖二: STEM HAADF影像,顯示鰭狀電晶體、閘極、接觸窗、M1和M2等結構。

    7奈米IC EDS

    圖三: 圖中桃紅色為鈷(Co)成份,草綠色為鎢(W)成份,對照圖二,即可了解鈷和鎢在結構中分佈情形。

    由圖二及圖三兩張圖比較,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)銅金屬層的結構,成為阻障層材料。但Co沒有完全取代接觸窗的W/TiN,可能是因為接觸窗製程與阻障層製程使用不同類型製程,造成Co與周圍材料反應的狀況不同,致使接觸窗的Co無法完全取代W/TiN。

    結論

    由TEM結果可知,鈷(Co)的用途並非取代銅(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奈米先進製程產品上,並未完全取代銅(Cu)

電子驗證分析實驗室-宜特科技在材料分析上提供各項服務,包括TEM顯微結構觀察、EDS成份分析、FIB精細切割、各種顯微試片製備、先進製程分析、結構觀察工程分析、奈米/金屬/陶瓷/生醫各種材料分析。若您想要更進一步了解細節,歡迎洽詢 +886-3-579-9909分機6161王先生 (Jay Wang) │ Email: tem_tw@istgroup.com

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