宜特小學堂：鈷真能取代銅？7 奈米製程晶片實測分析
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？
人工智慧及大數據時代來臨，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？
宜特材料分析實驗室這次直接實測已量產的 7 奈米晶片，帶您進入 7 奈米的微縮世界。
💡 IC 結構示意圖
▲ 圖 1。
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（Back End Of Line，BEOL）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，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 1），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。
▲ 表 1：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。宜特材料分析實驗室使用並聯電阻簡化計算氮化鉭層電阻貢獻度（見表 2）。銅線橫截面尺寸由 200 奈米降到 20 奈米，則氮化鉭層電阻貢獻度約增加大於 40 倍。
▲ 表 2：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）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，宜特材料分析實驗室進行實測，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
為了執行分析 7 奈米先進製程產品的分析，宜特材料分析實驗室採購市售手機相關部品，取得 Kirin 980 CPU。由於此 CPU 是封裝在手機電路板上，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布 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（Front End Of Line，FEOL）及後段製程（Back End Of Line，BEOL）。
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）（見圖 2），與相對應鈷（Co）及鎢（W）（見圖 3）的成分分布。
▲ 圖 2：STEM HAADF 影像，顯示鰭狀電晶體、閘極、接觸窗、M1 和 M2 等結構。
▲ 圖 3：桃紅色為鈷（Co）成分，草綠色為鎢（W）成分，對照圖 2，即可了解鈷和鎢在結構裡分布的情形。
由圖 2 及圖 3 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，並未完全取代銅（Cu）。