我們正處于最大規(guī)模的計算潮流的風(fēng)口浪尖——那就是由大數(shù)據(jù)驅(qū)動的AI (人工智能) 時代。要想成為這個時代的弄潮兒,就需要顯著提升處理器性能以及內(nèi)存容量和延遲性。當(dāng)經(jīng)典摩爾定律微縮速度日漸減緩,行業(yè)將面臨的挑戰(zhàn)正在日益嚴(yán)峻。而以上的要求便成為AI時代之所需。
為繼續(xù)推動行業(yè)與時俱進的發(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(來源:TECHINSIGHTS)
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%。
如需更加詳細地了解關(guān)于鈷的優(yōu)勢以及應(yīng)用材料公司如何在晶體管接觸孔和互聯(lián)線中實現(xiàn)其用途,歡迎您瀏覽如下網(wǎng)頁觀看我們近期的網(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)。