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作者：Jonathan Bakke，應用材料公司金屬沉積產(chǎn)品事業(yè)部產(chǎn)品經(jīng)理，斯坦福大學(xué)化學(xué)工程博士 我們正處于最大規模的計算潮流的風(fēng)口浪尖——那就是由大數據驅動(dòng)的AI（人工智能）時(shí)代。要想成為這個(gè)時(shí)代的弄潮兒，就需要顯著(zhù)提升處理器性能以及內存容量和延遲性。當經(jīng)典摩爾定律微縮速度日漸減緩，行業(yè)將面臨的挑戰正在日益嚴峻。而以上的要求便成為AI時(shí)代之所需。 為繼續推動(dòng)行業(yè)與時(shí)俱進(jìn)的發(fā)展，我們需要在原子級層面就開(kāi)始系統性的設計新型材料組合，用新架構和新設備成就人工智能的明天。 在這系列博客中，第一篇我將先闡述晶體管接觸孔和本地互聯(lián)的材料拐點(diǎn)，下一篇接著(zhù)探討集成材料解決方案的需求。 談到計算機時(shí)代，它曾經(jīng)由經(jīng)典摩爾定律所代表，即依賴(lài)于少數材料以及通過(guò)光刻實(shí)現幾何尺寸縮小，從而提升芯片性能、功耗、尺寸及成本，通常稱(chēng)為PPAC。 而到了移動(dòng)時(shí)代，我們看到原來(lái)用在經(jīng)典摩爾定律中的系列材料達到物理極限，隨著(zhù)器件架構的變化采用一些新型材料，例如從平面晶體管轉變到FinFETs來(lái)促進(jìn)PPAC縮放。 時(shí)至如今，對于人工智能時(shí)代而言，PPAC優(yōu)化需要更多新型的其它材料。此外，尺寸縮小后，界面層在材料特征中的占比也越來(lái)越大，而在原子級層面設計材料成為需求的核心，同時(shí)也是重要挑戰。 新型材料被需求的關(guān)鍵之處在于接觸孔和本地互聯(lián)，即最小層面的金屬互聯(lián)。它將晶體管與外界相連，目前我們使用的材料分別是鎢和銅（圖1）。 
圖1：為持續提升器件性能，在最小、最關(guān)鍵的導電層需要的材料變化（來(lái)源：TECHINSIGHTS） 新型材料 應用材料公司在創(chuàng )新材料工程方面的突破性進(jìn)展就是研發(fā)出一系列使用鈷作為導體制造晶體管接觸孔和互聯(lián)的產(chǎn)品。這是過(guò)去20多年來(lái)第一次對晶體管供電的金屬線(xiàn)做出改變。上一次變革還是在1997年開(kāi)始使用銅。 當我們持續看到新架構以及光刻技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，芯片制造最巨大的變化將發(fā)生在材料領(lǐng)域。對比90年代使用的材料數量（很少），我們預計未來(lái)對新材料的需求數量將增長(cháng)10倍，并可大幅提升人工智能時(shí)代的芯片性能。 為何選擇鈷？ 由于電阻和間隙填充，在10nm節點(diǎn)使用鎢作為晶體管接觸孔金屬，其性能遭遇瓶頸。同樣，用銅在M0和M1層面制造的本地互聯(lián)也飽受間隙填充、電阻和可靠性的困擾——性能受限，芯片制造成本因此受影響。在7nm制程及以下技術(shù)節點(diǎn)用鈷代替鎢接觸孔和本地互聯(lián)銅則打破了上述性能瓶頸（圖2）。 那么，鈷具有哪些優(yōu)勢呢？與鎢相比，鈷能夠用更薄的阻擋層填補小尺寸特征，所以尺寸越小，固有電阻越高。
圖2：鈷將在最小導電層上取代鎢和銅 制造鎢接觸孔需要相當厚的套筒，由一個(gè)雙材料疊層的阻擋層和一個(gè)成核層組成。這些薄膜的厚度不能隨著(zhù)特征縮小而進(jìn)一步降低，限制了導電金屬的可用體積。晶體管接觸孔縮小到12nm后，即達到物理極限，沒(méi)有多余的體積可用于鎢。更薄的襯墊阻擋層可以與鈷一起在關(guān)鍵尺寸（CD）15nm處使用（大致相當于7nm節點(diǎn)），可以使導電金屬性能增加3.7倍。
圖3：通過(guò)模擬論證了鈷能夠顯著(zhù)提高性能 采用鈷晶體管接觸孔會(huì )顯著(zhù)降低電阻和變異性�；趦炔垦邪l(fā)數據，鈷接觸孔電阻低于87%，變異性從超過(guò)10歐姆（標準化）降至約0.06歐姆。由于電阻降低以及由于晶體管接觸孔變異性降低而導致的成品率損失降低，所以這些改進(jìn)可以通過(guò)更低的功耗，實(shí)現更多的晶體管固有性能。 即使突破了晶體管接觸孔的瓶頸，下一個(gè)性能瓶頸就是本地互聯(lián)銅線(xiàn)。雖然銅作為塊體金屬，電阻比鈷要低，但是在10-15nm范圍內有一個(gè)交叉點(diǎn)，鈷互聯(lián)在這個(gè)交叉點(diǎn)的電阻低于銅互聯(lián)。形成這個(gè)交叉點(diǎn)的原因是電子平均自由程，銅為~39nm，鈷為~10nm。電子平均自由程定義了電子在塊體材料中無(wú)散射情況下的行程長(cháng)度。當特征低于平均自由程時(shí)，材料界面層和晶界發(fā)生明顯散射，導致電阻增加。更小的電子平均自由程使電子在窄線(xiàn)中流通，并減少碰撞，從而降低電阻。 同時(shí)如前所述，鈷的阻擋層比銅更薄，因此鈷互聯(lián)線(xiàn)通孔的垂直電阻更低。綜合這些因素，鈷有助于釋放晶體管在7nm制程及以下技術(shù)節點(diǎn)的全部潛力。 最后，我們通過(guò)5級環(huán)形振蕩器電路EDA模擬論證了鈷的價(jià)值。我們證明對于一系列模擬的關(guān)鍵尺寸，含鈷電路的性能要優(yōu)于鎢。實(shí)際上，鈷的這一優(yōu)勢隨著(zhù)關(guān)鍵尺寸的縮小而增加，使芯片性能顯著(zhù)提升15%。 如需更加詳細地了解關(guān)于鈷的優(yōu)勢以及應用材料公司如何在晶體管接觸孔和互聯(lián)線(xiàn)中實(shí)現其用途，歡迎您瀏覽如下網(wǎng)頁(yè)觀(guān)看我們近期的網(wǎng)絡(luò )直播或文字記錄。 http://ir.appliedmaterials.com/phoenix.zhtml?c=112059&p=SafeHarbourJune5 集成材料解決方案 計算機時(shí)代通常通過(guò)單流程系統解決方案來(lái)推動(dòng)經(jīng)典摩爾定律，集成過(guò)程更少。而在移動(dòng)時(shí)代，我們見(jiàn)證了集成過(guò)程系統的發(fā)展，使新型材料的使用成為現實(shí)。與早期時(shí)代不同的是，它不只是通過(guò)一種適應性廣的材料取代另一種材料，而是需要多元創(chuàng )新，與一系列過(guò)程技術(shù)協(xié)調發(fā)展，共同解決集成新型材料所面臨的難題。集成材料解決方案已經(jīng)實(shí)現了鈷的技術(shù)突破，解決了鎢和銅存在的限制問(wèn)題。我將在下一篇博客中更加詳細地探討鈷的集成材料解決方案。 結論 我們將看到微縮帶來(lái)越來(lái)越多的PPAC挑戰，這些挑戰需要通過(guò)新型材料和集成材料解決方案加以解決。 在應用材料公司，我們擁有業(yè)界最大規模的材料工程能力，可以一站式探索、開(kāi)發(fā)和集成新材料，實(shí)現行業(yè)拐點(diǎn)。我們的優(yōu)勢得天獨厚，能夠通過(guò)新型材料解決問(wèn)題，并將集成材料解決方案推向市場(chǎng)，解決人工智能時(shí)代遇到的難題，從容應對挑戰。 |
