為繼續(xù)推動行業(yè)與時俱進(jìn)的發(fā)展，我們需要在原子級層面就開始系統(tǒng)性的設(shè)計新型材料組合，用新架構(gòu)和新設(shè)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，下一篇接著探討集成材料解決方案的需求。
談到計算機(jī)時代，它曾經(jīng)由經(jīng)典摩爾定律所代表，即依賴于少數(shù)材料以及通過光刻實現(xiàn)幾何尺寸縮小，從而提升芯片性能、功耗、尺寸及成本，通常稱為PPAC。
而到了移動時代，我們看到原來用在經(jīng)典摩爾定律中的系列材料達(dá)到物理極限，隨著器件架構(gòu)的變化采用一些新型材料，例如從平面晶體管轉(zhuǎn)變到FinFETs來促進(jìn)PPAC縮放。
時至如今，對于人工智能時代而言，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越大，而在原子級層面設(shè)計材料成為需求的核心，同時也是重要挑戰(zhàn)。
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(xù)提升器件性能，
在最小、最關(guān)鍵的導(dǎo)電層需要的材料變化
新型材料
應(yīng)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(dǎo)體制造晶體管接觸孔和互聯(lián)的產(chǎn)品。這是過去20多年來第一次對晶體管供電的金屬線做出改變。上一次變革還是在1997年開始使用銅。
當(dāng)我們持續(xù)看到新架構(gòu)以及光刻技術(shù)進(jìn)步的同時，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(shù)量(很少)，我們預(yù)計未來對新材料的需求數(shù)量將增長10倍，并可大幅提升人工智能時代的芯片性能。
為何選擇鈷?
由于電阻和間隙填充，在10nm節(jié)點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(jié)點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(bǔ)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(dǎo)電層上取代鎢和銅
制造鎢接觸孔需要相當(dāng)厚的套筒，由一個雙材料疊層的阻擋層和一個成核層組成。這些薄膜的厚度不能隨著特征縮小而進(jìn)一步降低，限制了導(dǎo)電金屬的可用體積。晶體管接觸孔縮小到12nm后，即達(dá)到物理極限，沒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(dāng)于7nm節(jié)點)，可以使導(dǎo)電金屬性能增加3.7倍。
圖3：通過模擬論證了鈷能夠顯著提高性能
采用鈷晶體管接觸孔會顯著降低電阻和變異性?；趦?nèi)部研發(fā)數(shù)據(jù)，鈷接觸孔電阻低于87%，變異性從超過10歐姆(標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致的成品率損失降低，所以這些改進(jìn)可以通過更低的功耗，實現(xiàn)更多的晶體管固有性能。
即使突破了晶體管接觸孔的瓶頸，下一個性能瓶頸就是本地互聯(lián)銅線。雖然銅作為塊體金屬，電阻比鈷要低，但是在10-15nm范圍內(nèi)有一個交叉點，鈷互聯(lián)在這個交叉點的電阻低于銅互聯(lián)。形成這個交叉點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散射情況下的行程長度。當(dāng)特征低于平均自由程時，材料界面層和晶界發(fā)生明顯散射，導(dǎo)致電阻增加。更小的電子平均自由程使電子在窄線中流通，并減少碰撞，從而降低電阻。
同時如前所述，鈷的阻擋層比銅更薄，因此鈷互聯(lián)線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(jié)點的全部潛力。
最后，我們通過5級環(huán)形振蕩器電路EDA模擬論證了鈷的價值。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。實際上，鈷的這一優(yōu)勢隨著關(guān)鍵尺寸的縮小而增加，使芯片性能顯著提升15%。
集成材料解決方案
計算機(jī)時代通常通過單流程系統(tǒng)解決方案來推動經(jīng)典摩爾定律，集成過程更少。而在移動時代，我們見證了集成過程系統(tǒng)的發(fā)展，使新型材料的使用成為現(xiàn)實。與早期時代不同的是，它不只是通過一種適應(yīng)性廣的材料取代另一種材料，而是需要多元創(chuàng)新，與一系列過程技術(shù)協(xié)調(diào)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)實現(xiàn)了鈷的技術(shù)突破，解決了鎢和銅存在的限制問題。我將在下一篇博客中更加詳細(xì)地探討鈷的集成材料解決方案。
結(jié)論
我們將看到微縮帶來越來越多的PPAC挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)需要通過新型材料和集成材料解決方案加以解決。
在應(yīng)用材料公司，我們擁有業(yè)界最大規(guī)模的材料工程能力，可以一站式探索、開發(fā)和集成新材料，實現(xiàn)行業(yè)拐點。我們的優(yōu)勢得天獨(dú)厚，能夠通過新型材料解決問題，并將集成材料解決方案推向市場，解決人工智能時代遇到的難題，從容應(yīng)對挑戰(zhàn)。
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