金属材料变革将影响中国半导体设备的研发方向

Applied Materials表示，20年来首桩晶体管接点与导线的重大金属材料变革，能解除7nm及以下晶圆制程主要的效能瓶颈，由于钨（W）在晶体管接点的电性表现与铜（Cu）的局部终端金属导线制程都已经逼近物理极限，成为FinFET无法完全发挥效能的瓶颈，因此芯片设计者在7nm以下能以钴（Co）金属取代钨与铜，借以增进15%的芯片效能。

钨和铜是目前先进制程所采用的重要金属材料，然而钨和铜与绝缘层附着力差，因此都需要线性层（Liner Layer）增加金属与绝缘层间的附着力。

此外，为了避免阻止钨及铜原子扩散至绝缘层而影响芯片电性，必须有阻挡层存在。

如下图所示，随着制程微缩至20nm以下，以钨 contact制程为例，20nm的Contact CD中，Barrier就占了8nm，Contact中实际金属层为12nm （金属填充8nm+ 晶核形成 4nm），Contact直径为10nm时，实际金属层仅剩2nm，以此估算Contact直径为8nm时将没有金属层的容纳空间，此时线性层及阻挡层的厚度成了制程微缩瓶颈。

注：金属导线及晶体管间的连接通道称为Contact，由于Contact实际形状是非常贴近圆柱体的圆锥体。因此Contact CD一般指的是Contact直径

▲W Contact的金属填充情形

然而同样10nm的Contact直径若采用钴（如下图），其Barrier仅4nm，而实际金属层则有6nm，相较于采用钨更有潜力在7nm以下制程持续发展。

▲CO Contact的金属填充情形

目前中国半导体设备以蚀刻、薄膜及CMP的发展脚步最快，此部分将以打入主流厂商产线、取得认证并藉此建立量产数据为目标，朝向打入先进制程的前段晶体管制程之远期目标是相当明确。

然而相较于国际主流半导体设备厂商的技术水平，中国半导体设备厂商仍是追随者角色，因此钴取代钨和铜的趋势确立，将影响中国半导体设备厂商尤其是蚀刻、薄膜及CMP的研究发展方向。