金屬材料在芯片工藝的演進(jìn)過(guò)程中發(fā)揮著(zhe)重要作用。在先進(jìn)制程的尺寸不斷縮小的過(guò)程中，貴金屬及其合金材料在實現小線寬、低電阻率、高粘附性、接觸電阻低等方面(miàn)扮演著(zhe)關鍵角色。進(jìn)入21世紀後(hòu)，芯片材料共增加了約40餘種(zhǒng)元素，其中約90%都(dōu)是貴金屬和過(guò)渡金屬材料。

貴金屬是芯片先進(jìn)工藝的推手之一，英特爾新近引入了金屬銻和钌做金屬接觸，讓電容更小，突破了矽的限制。此前，英特爾在10nm工藝節點的部分互連層上率先導入钴材料，達到了5-10倍的電子遷移率改善，將(jiāng)通路電阻降低了兩(liǎng)倍。
英特爾在互聯材料的探索之路上并不孤單。應用材料是最早投入以钴作爲導線材料，取代傳統銅和鎢的半導體技術大廠之一；格羅方德在7nm制作工藝中同樣(yàng)用钴代替了鎢。目前，三星和台積電等也在積極研發(fā)新型互聯材料。預計在不遠的將(jiāng)來，钴合金、钌和铑等新一代互聯材料有望閃亮登場，爲先進(jìn)工藝芯片搭建橋梁。

 “芯片城市”裡(lǐ)的道(dào)路如何互聯

“如果把一枚芯片比作一座城市，那麼(me)晶體管是其核心區，負責信息的運算，互連層就(jiù)相當于城市的道(dào)路負責信息與外界的交通。”在接受《中國(guó)電子報》記者采訪時(shí)，鎂光資深工程師盛海峰博士如此形象地比喻。

盛海峰認爲，摩爾定律下，核心區的晶體管越來越小、密度越來越大，道(dào)路就(jiù)會(huì)越來越窄、越來越密。當核心區的密度大到一定程度，道(dào)路的運輸能(néng)力，即互連層的RC延遲，就(jiù)成(chéng)爲整個芯片速度提升和降低功耗的瓶頸。在此情況下，互連層的金屬材料需要通過(guò)升級換代，來爲晶體管核心區的“道(dào)路”提速。

摩爾定律的延續與互聯材料的演進(jìn)息息相關。清華大學(xué)研究員王琛作爲技術負責人，曾先後(hòu)任職于英特爾和芯片設備制造商泛林半導體，對(duì)高端芯片材料和先進(jìn)芯片制造及架構有深刻研究。王琛向(xiàng)《中國(guó)電子報》記者解釋，互聯材料其實就(jiù)是前端晶體管層與後(hòu)端外部電路層之間，電信号互聯傳遞的導線。

量子效應的增強是互聯材料面(miàn)臨的一大挑戰。王琛向(xiàng)記者表示，當前晶體管在多個幾何維度進(jìn)入亞10nm尺度，材料的量子效應開(kāi)始顯著，晶體管繼續微縮就(jiù)會(huì)遇到材料、工藝和器件結構的挑戰。作爲連接前端晶體管層和最外層的封裝植球層的核心，中端和後(hòu)端的互聯材料微縮也面(miàn)臨量子效應增強的挑戰。

銅和“大馬士革工藝”

上世紀90年代，半導體制程進(jìn)入0.18微米時(shí)代，後(hòu)段鋁互聯技術就(jiù)遇到了巨大瓶頸。爲此，世界各大半導體制造公司都(dōu)在尋找能(néng)替代鋁的金屬。由于銅價格不貴，導電性能(néng)好(hǎo)，還(hái)容易沉積，大家不約而同地想到了銅。但是，因爲銅不能(néng)用幹法蝕刻，所以後(hòu)端互聯問題遲遲無法解決。

爲尋找靈感，一位IBM工程師來到了有“人間花園”之稱的大馬士革。機緣巧合下，他看到了一位在偏僻角落從事(shì)金屬鑲嵌工作的匠人。

在觀摩匠人鑲嵌工藝時(shí)，工程師的腦海中不斷浮現這(zhè)樣(yàng)的場景：雕刻類似蝕刻，鑲嵌與沉積相似。他突然意識到，銅雖然不能(néng)被(bèi)蝕刻，但可以沉積。與大馬士革工藝類似，工程師可以先在介電層上蝕刻金屬導線用的圖膜，然後(hòu)再填充金屬，以實現多層金屬互連，無需進(jìn)行金屬層蝕刻。就(jiù)這(zhè)樣(yàng)，這(zhè)位工程師順利解決了銅互聯技術問題，并將(jiāng)這(zhè)項工藝命名爲大馬士革工藝。

時(shí)代在進(jìn)步，線寬在縮小。2018年，應用材料等公司又用钴作爲導線材料，在部分領域取代傳統的銅、鎢線。

談及鋁、銅、钴導線的代際變化，盛海峰向(xiàng)記者表示，銅取代鋁是因爲它導電性更好(hǎo)，可以降低RC延遲中的電阻。在很多邏輯芯片中，銅全面(miàn)取代鋁，也就(jiù)是將(jiāng)所有互連層都(dōu)升級爲銅。但钴對(duì)銅的取代有所不同。钴隻是在互連層很窄的時(shí)候才對(duì)銅有導電性的優勢，所以钴隻是在金屬0層（M0)和金屬1層 (M1)取代銅，其他互連層還(hái)是會(huì)繼續用銅。

從钴到钌、铑

英特爾率先在10nm工藝節點的部分互連層上導入钴材料，達到了5-10倍的電子遷移率改善，將(jiāng)通路電阻降低了兩(liǎng)倍；應用材料是最早投入以钴作爲導線材料，取代傳統銅和鎢的半導體技術大廠之一；格羅方德在7nm制作工藝中同樣(yàng)用钴代替了鎢。

如何保證在20nm甚至更小的尺度，將(jiāng)電阻率維持在較低水平，是互聯材料研發(fā)的核心。王琛表示，钴的引入雖然帶來了不少良率和可靠性上的問題，但在互聯材料領域是一個大跨越，突破了現有的銅材料體系，整體對(duì)10nm芯片性能(néng)有一定提升。

更重要的是，钴的引入爲後(hòu)期更小的節點工藝做好(hǎo)了技術儲備，預計對(duì)7nm後(hòu)節點性能(néng)的提升將(jiāng)更爲顯著。

互聯材料正在朝著(zhe)超薄低電阻率、無阻擋層、低延遲方向(xiàng)演進(jìn)。目前，三星和台積電等都(dōu)在積極研發(fā)新型互聯材料。王琛表示，在不遠的將(jiāng)來，钴合金、钌和铑等新一代互聯材料也有望登場。

同時(shí)，無擴散阻擋層的互聯線，甚至在晶體管層下預埋互聯電軌，也都(dōu)是解決互聯材料挑戰的方向(xiàng)。

引入新金屬材料助力先進(jìn)制程

貴金屬材料在芯片工藝的演進(jìn)過(guò)程中發(fā)揮著(zhe)重要作用。半導體行業專家池憲念向(xiàng)《中國(guó)電子報》記者表示，半導體芯片不斷朝著(zhe)體積小、速度快、功耗低的趨勢發(fā)展，要求接觸點的接觸電阻低，較寬溫度範圍内的熱穩定好(hǎo)、附著(zhe)好(hǎo)，對(duì)橫向(xiàng)均勻、擴散層薄等也提出更高要求。

因此，在先進(jìn)制程的尺寸不斷縮小的過(guò)程中，貴金屬及其合金材料在實現小線寬、低電阻率、高粘附性、接觸電阻低等方面(miàn)扮演著(zhe)關鍵角色。

在芯片工藝制程不斷提升的過(guò)程中，晶體管面(miàn)臨的主要挑戰是抑制短溝道(dào)效應。盛海峰表示，現階段，FINFET工藝最多延伸至3nm。在3nm及以下節點，GAAFET工藝是主要方向(xiàng)。GAAFET主要使用傳統材料，最大的挑戰是工藝精度控制。

面(miàn)對(duì)這(zhè)一挑戰，新金屬材料的引入較爲關鍵。盛海峰對(duì)記者說，三星使用了镧摻雜來提升Vt（門檻電壓）。而對(duì)于互連層來說，新材料的引入除了有互連層金屬钴，還(hái)有互連層金屬和互連層絕緣層之間的屏障層。屏障層的作用是粘合互連金屬和絕緣層，以及提升互連層的電子遷移可靠性。钽和钌都(dōu)是屏障層裡(lǐ)已經(jīng)使用和正在探索的新元素。

當前，全球2nm芯片制程之戰的号角已經(jīng)吹響。2011年，22nm節點引入了FINFET工藝取代平面(miàn)型晶體管；全新的GAA和CFET等工藝則有望在3nm節點左右逐步引入。

這(zhè)些過(guò)程將(jiāng)涉及大量的摻雜控制、應變控制等材料問題。王琛向(xiàng)記者表示，在亞1nm節點，相關材料的挑戰越發(fā)凸顯，材料量子效應將(jiāng)發(fā)揮顯著作用。屆時(shí)，矽基材料的量子效應調控、材料的原子級加工、器件的單電子波動問題，將(jiāng)深刻挑戰現有材料體系和制造工藝。新的材料體系，例如層狀半導體、新原理器件和新加工工藝的引入將(jiāng)勢在必行。

“據悉，二維半導體材料因尺寸較小，有望幫助突破2納米先進(jìn)制程。”南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授萬青對(duì)《中國(guó)電子報》記者說。

新增芯片材料九成(chéng)是金屬

貴金屬具有優異的導電、穩定和導熱性能(néng)，是半導體行業的關鍵核心材料。進(jìn)入21世紀之後(hòu)，芯片材料共增加了約40餘種(zhǒng)元素，其中約90%都(dōu)是貴金屬和過(guò)渡金屬材料，可見金屬材料在芯片領域應用的重要性。

應用于芯片制造領域的金屬材料擁有更高“門檻”。池憲念以互聯材料中的金屬爲例告訴記者，芯片級金屬材料要考慮接觸電阻、納米級别的粘合度等因素，所以銅、钴等金屬要在做成(chéng)高純度靶材或者合金靶材之後(hòu)，才能(néng)用在芯片制造環節。目前，德國(guó)賀利氏、美國(guó)霍尼韋爾國(guó)際股份有限公司、日本東曹株式會(huì)社主要生産芯片級的銅和钴。

受俄烏局勢影響，钯金成(chéng)爲了目前最火的貴金屬之一。俄羅斯的钯金産量約占全球總量的40%，钯金出口量占比達到35%。钯金可用于傳感器等半導體元器件中，也是芯片封裝環節的重要原料之一。

有研億金新材料有限公司副總經(jīng)理何金江對(duì)《中國(guó)電子報》記者表示，钯及銀钯合金等是制備MLCC電容器、諧振器的重要材料；在半導體後(hòu)道(dào)的封裝環節，钯合金及鍍钯絲主要用作電子封裝的引線鍵合，用來替代金絲；此外，钯可以用于元器件精密連接的钯合金焊料，基于钯的特性，新的材料和應用也在開(kāi)發(fā)中。

貴金屬材料在芯片領域主要有四方面(miàn)應用。王琛向(xiàng)《中國(guó)電子報》記者表示，第一方面(miàn)是互聯材料。比如早期的鋁到銅，到Al-Cu合金和鎢，以及在研的最新的钴、钌等。

第二方面(miàn)是金屬栅極材料。自從2007年英特爾在45nm節點引入高介電-金屬栅晶體管結構，钽、氮化钽, 氮化钛、氮鋁钛（TiAlN）等材料體系得到了廣泛應用，金屬矽化物接觸也經(jīng)曆了從钛、钴和鎳等多個金屬矽化物體系的演進(jìn)。

第三個方面(miàn)是金屬阻擋層粘附層材料，比如钛/氮化钛, 钽/氮化钽等常備用于芯片制造和先進(jìn)封裝中的阻擋層粘附層材料。

第四個方面(miàn)是後(hòu)端封裝用金屬材料，包括傳統的鉛基合金和無鉛銻、錫、銀、铟基合金等。另外，後(hòu)期基闆互聯等也涉及大量貴金屬材料。其中，芯片前端納米底層互聯金屬、金屬栅極材料、阻擋粘附層材料等，均是金屬材料研發(fā)的前沿，因此如何在小尺度保持高電導率、低電遷移率、薄膜均勻結晶性、高熱擴散性、工藝可集成(chéng)性等特性，成(chéng)爲芯片金屬材料的研究重點和下一代高性能(néng)芯片的材料瓶頸。

金屬漲價對(duì)芯片沖擊較小

集成(chéng)電路領域重要的貴金屬主要包括金、銀和鉑金。當前，俄烏局勢的變化對(duì)全球鋁、鎳、钯金、鉑金等有色金屬和貴金屬供應造成(chéng)沖擊，讓相關産品的價格有所上漲，貴金屬市場頻繁出現波動。由于半導體産業鏈整體具有一定的封閉性，前期受新冠肺炎疫情沖擊，整個産業鏈的供應鏈問題得到一定凸顯。很多業内人士都(dōu)擔心，貴金屬市場的波動很可能(néng)會(huì)進(jìn)一步擾動芯片産業鏈供應鏈的穩定性。

貴金屬是重要的半導體材料之一，其價格的波動會(huì)對(duì)芯片制造的成(chéng)本産生一定影響。池憲念對(duì)《中國(guó)電子報》記者表示，随著(zhe)貴金屬價格的波動，芯片制造的成(chéng)本也會(huì)産生變化。比如，在貴金屬供應鏈不穩定的情況下，貴金屬的采購價格會(huì)随之上漲，導緻芯片的成(chéng)品價格也會(huì)同步上漲。

不過(guò)，由于貴金屬在芯片中的應用比重較小，實際需求量也很小，萬青認爲，貴金屬價格的波動對(duì)芯片産業的影響不太大。

以钯金爲例。钯金價格的上漲會(huì)導緻半導體行業的成(chéng)本有所增加，但考慮到單個半導體産品對(duì)钯金的需求量較少，钯金漲價對(duì)原材料庫存水位較高的企業影響很小。另外，以钯金爲代表的貴金屬可以尋找其他貴金屬作爲替代，所以不太可能(néng)面(miàn)臨斷供這(zhè)樣(yàng)的嚴重問題。

在王琛看來，貴金屬市場波動對(duì)半導體産業鏈的影響需要從短期和長(cháng)期這(zhè)兩(liǎng)個角度來看。王琛向(xiàng)記者表示，芯片的總體成(chéng)本在于制造成(chéng)本，而制造成(chéng)本主要源自工藝成(chéng)本。貴金屬在芯片制造中不可或缺，如果國(guó)際上的不穩定因素不斷增加，某一種(zhǒng)關鍵金屬材料的短缺將(jiāng)在短期内持續沖擊芯片價格。但由于貴金屬在芯片行業的總體材料用量占比和成(chéng)本占比較低，所以短期内貴金屬價格的波動對(duì)芯片産業鏈影響有限。

而從長(cháng)遠角度來看，後(hòu)疫情時(shí)代以及俄烏局勢的持續變化，可能(néng)會(huì)帶來一些潛在的不穩定因素。王琛認爲，芯片的長(cháng)供應鏈特性也決定了其自身的脆弱性。因複雜國(guó)際形勢導緻的不穩定因素，可能(néng)會(huì)讓芯片相關産業鏈受到進(jìn)一步考驗，比如影響芯片行業中材料、設備和設計産業鏈的布局與整合，對(duì)整體産業優化方面(miàn)的布局與突破造成(chéng)不利影響。

新冠肺炎疫情等各種(zhǒng)因素的疊加，讓半導體供應鏈處于整體上較爲不穩定的狀态。盛海峰向(xiàng)《中國(guó)電子報》記者表示，俄烏局勢對(duì)半導體供應鏈肯定會(huì)有影響，但這(zhè)種(zhǒng)影響可能(néng)不僅僅局限于貴金屬。比如，烏克蘭是氖氣的主要供應地，俄烏局勢的複雜變化可能(néng)會(huì)影響氖氣供應。