近日，英特爾在2022 IEEE VLSI 技術(shù)和電路研討會上，展示了許多涉及其Intel 4（10nm）工藝的論文。其中一點就是，新的intel 4選用了銅互連連接。早前英特爾原本打算在10nm芯片互連中采用鈷（Co）這種新材料，但是眾所周知，英特爾在10nm工藝經(jīng)歷了挫敗，業(yè)界認為，與鈷的集成問題可能是英特爾10nm延遲問題的部分原因。過去我們往往只關(guān)心晶體管的大小，但是現(xiàn)在隨著芯片微縮逐漸來到極限，芯片互連問題已經(jīng)不能被繼續(xù)忽略。

邏輯芯片的制造主要包括三大流程：前端制程、中段制程和后段制程。前端制程主要是處理芯片中的有源器件，如現(xiàn)在主流的工藝是FinFET；中段制程通常由微型金屬結(jié)構(gòu)組成，來連接前段和后段制程；芯片互連屬于后段制程，即為芯片制造的最后階段，目前的主流技術(shù)就是銅互連。其實關(guān)于取代銅互連，業(yè)界有不少新材料探索，如石墨烯、鈷、釕或鉬等。那么，英特爾此次退鈷還銅，是否證明銅互連還是無法被替代？

在半導體行業(yè)的早期，電路線是在硅晶片上通過將溝槽蝕刻到二氧化硅層中并用鋁金屬填充它們來制造的。但隨著線寬的縮小，鋁作為導體的缺點變得明顯。

到1997年，IBM率先從鋁互連轉(zhuǎn)向銅布線互連。1998年9月1日，IBM 宣布出貨世界上第一個銅基微處理器。IBM PowerPC 750 最初是采用鋁設(shè)計的，其工作頻率高達300 MHz，采用銅互連之后，同一芯片的速度至少能達到400MHz，提高了33%。

這個轉(zhuǎn)換不容易，因為銅原子在介電層具有易擴散特性，所以首先需要一個絕緣性比二氧化硅更好的介電材料，還要將一層薄的氮化鉭（TaN）阻擋層和一層鉭襯層涂在溝槽上，以防止銅擴散到電介質(zhì)中。為了將銅應(yīng)用到晶圓上，材料科學家必須開發(fā)一種新的電沉積技術(shù)，因為使用鋁的蝕刻工藝對銅不起作用。新方法有兩個步驟：沉積一層薄薄的銅種子層以確保完全覆蓋溝槽壁，然后進行更完整的銅電沉積。在這樣的努力之下，銅從電路線寬為180nm開始被采用了多年。

IBM 在微處理器中使用銅互連的開創(chuàng)性技術(shù)現(xiàn)已成為行業(yè)標準，使下一代更小、更快的微處理器成為可能。銅線的導電電阻比鋁線低約 40%，從而使微處理器速度增加了 5%。隨著時間的推移，銅線的耐用性和可靠性也顯著提高了100 倍，并且可以縮小到比鋁線更小的尺寸。銅還提供了使用完全不同的制造工藝添加更多互連層的機會。截止目前，銅仍是微處理器設(shè)計和發(fā)展的重要組成部分，銅互連還可被用于3D芯片集成。

在14nm或10nm技術(shù)節(jié)點之前，鎢一直是與金屬/多晶硅柵極以及晶體管上的源極和漏極硅化物區(qū)域進行電接觸的主要材料。但隨著銅和鎢層變得更薄，采用氮化鉭（TaN）的銅互聯(lián)開始出現(xiàn)新問題。其中一個就是電遷移，因為通過超細導線運行電流（電子）會使銅離子錯位，從而在電路中產(chǎn)生空隙，芯片容易發(fā)生故障。再一個就是氮化鉭層的電阻越來越大，但由于銅易擴散的特性，也不能通過降低氮化鉭層的厚度來減少電阻，否則就會失去阻障功能。

雖然晶體管性能一直在提高，但銅線電阻實際上隨著線變小而增加。這意味著信號變慢，行進距離減少，并且我們消耗的能量超出了預期。換句話說，盡管擁有更高性能的晶體管，但晶體管能力和導線能力之間的差距越來越大。銅線已成為嚴重的瓶頸。所以在經(jīng)歷了20年以后，到10nm節(jié)點，銅互連已經(jīng)開始逐漸失去動力。于是新材料鈷（Co）開始被引入。在2017年的IEDM上，英特爾宣布了首次在大批量制造中使用純鈷互連的10納米技術(shù)。

鈷在元素周期表中排在第27位。藍色鈷顏料首先用于青銅時代的藝術(shù)，但直到 1735 年瑞典化學家喬治·勃蘭特才分離出這種金屬。鈷常常用于電池中。俄羅斯是第二大鈷生產(chǎn)國，占全球供應(yīng)量的4%。

那么為什么是鈷呢？因為在10nm節(jié)點，使用鎢作為晶體管接觸金屬由于電阻和間隙填充而成為性能瓶頸。同樣，在 M0 和 M1 層用銅制造的局部互連在填隙、電阻和可靠性方面受到影響——限制了性能并影響了制造芯片的成本。在7nm 及以下代工節(jié)點用鈷代替鎢觸點和銅局部互連可以緩解這些性能瓶頸。

對于Intel 4，該公司選擇采用增強型銅(eCu)來處理最底層的四個金屬層。這種增強的銅導線包括鉭屏障與鈷包層周圍的純銅核心?？傊琫Cu似乎是一個中間的雙贏-提供更好的電磁壽命比銅合金(雖然不像鈷合金一樣好)，同時提供了0.85倍適度的提高線電阻。

其實早在2014年，應(yīng)用材料公司的化學家就發(fā)現(xiàn)，鈷比鉭能更好地“潤濕”銅。通過將鈷代替鉭襯墊，用一個鈷帽，選擇性地沉積在銅電路線上，有效地將它們包裹在鈷套管中。結(jié)果，銅更好地粘附在溝槽的側(cè)面，從而最大限度地減少了以后的電遷移。應(yīng)用材料公司稱鈷的引入是“15 年來最重要的互連材料變化”。

近年來，鈷觸點采用了薄的 TiN 勢壘。同樣在線路或通孔中，有更薄的勢壘以及更短的鈷平均自由程（10nm 對銅的 39nm）導致線的電阻率更低（電子路徑更長，散射會增加凈電阻）。

所以鈷也沒有取代銅，而是和銅進行聯(lián)合應(yīng)用，因此使得芯片又能繼續(xù)延續(xù)摩爾定律。

芯片的微縮還在繼續(xù)，到2nm之后，晶體管的結(jié)構(gòu)要發(fā)生新變化，或由GAA納米片、CFET來取代FinFET，與此同時，銅互連的架構(gòu)也將需要重新配置向晶體管傳輸功率的方式。要把握好工藝精度的控制，新金屬材料的引入將是關(guān)鍵，于是芯片制造商可能會在2nm之后在一定程度上用釕（Ru）或鉬（Mo）取代銅。釕具有低電阻率、高熔點、耐酸腐蝕和極低的腐蝕電位等優(yōu)點，是極具吸引力的新一代互連材料。而鉬則相對更便宜些。

imec計劃計劃采用原子形狀的溝道（Atomic Channel），其溝道采用厚度為1到多個原子層的2D材料。imce所指的2D材料為半導體單層過渡金屬二硫?qū)倩铮―ichalcogenide），化學式為MX2。此處的M為Mo（鉬）、W（鎢）等過渡金屬元素。X為硫、Se硒、Te（碲）等硫硒碲化合物（16類元素），imec通過采用2D材料和High NA EUV，開拓了1納米以下的工藝。

而臺灣大學、臺積電和麻省理工（MIT）在去年共同發(fā)布了1nm以下芯片重大研究成果，用二維材料和半金屬鉍（Bismuth，化學符號Bi）或可突破1nm，該二維材料指的是二硫化鉬（Molybdenum disulfide, MoS2）。鉍材料可以大幅降降低電阻并提高電流，使其效能媲美硅材料，有助于半導體行業(yè)應(yīng)對未來1nm世代的挑戰(zhàn)。這項研究成果由臺大電機系暨光電所教授吳志毅，與臺積電和MIT研究團隊共同完成。已在國際期刊Nature上發(fā)表題為“Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors”的研究論文。

無論是釕、鉬還是半金屬鉍，他們的主要優(yōu)點是可以消除襯墊，為主要金屬提供更多的溝槽或通過體積?；亓魍嘶鸹蚣す馔嘶鹂梢允咕Я３叽缱畲蠡?/p>

其實在銅互連的取代者中，石墨烯早先的呼聲也很高。有很多研究表明石墨烯的潛力很大，石墨烯的強度是鋼的100到300倍，其最大電流密度比銅大幾個數(shù)量級，是地球上最強、最薄、也是迄今為止最可靠的導電材料，再加上石墨烯具有較大的載流子遷移率和熱導率，加上較小的材料體積，成為電子電路中銅互連的可行替代品。

多個科研院所和高校都研究證明了石墨烯能夠提高材料傳輸電荷的能力。也證明了石墨烯有朝一日可以取代傳統(tǒng)的銅，成為在計算機芯片周圍傳輸數(shù)據(jù)和電力的互連的最佳材料。

但就當下產(chǎn)業(yè)鏈配套而言，石墨烯不容易制造，而且端到端比較表明石墨烯流動不均勻，無法實現(xiàn)增強銅互連的低電阻。如何實現(xiàn)石墨烯低成本規(guī)模化生產(chǎn)也是個一大問題。石墨烯面臨的問題比1990年代使銅集成變得困難的問題要困難得多。所以我們可以看到，這幾年關(guān)于石墨烯的進展已經(jīng)沒那么響亮了。

現(xiàn)在光芯片的話題很高，尤其是隨著電子芯片逼近摩爾定律極限，于是光芯片開始走入行業(yè)的研究范疇。關(guān)于銅與光傳輸介質(zhì)的爭論始于人們意識到光子可用于傳輸數(shù)據(jù)的那一刻。早在上世紀70年代，貝爾等國際電信巨頭就用光纖取代了數(shù)千英里長的銅質(zhì)電話電纜，雖然光纖電纜被廣泛使用，但光背板互連仍然很少見。

光芯片，一般是由化合物半導體材料（InP和GaAs等）所制造，通過內(nèi)部能級躍遷過程伴隨的光子的產(chǎn)生和吸收，進而實現(xiàn)光電信號的相互轉(zhuǎn)換?？梢钥闯?，光芯片所采用的是光波來進行信息載體。相比于電子集成電路或銅互聯(lián)技術(shù)，光芯片展現(xiàn)出了更低的傳輸損耗、更寬的傳輸帶寬、更小的時間延遲、以及更強的抗電磁干擾能力。所以，從原理上來看，其自然是不需要銅互連。

那么光互聯(lián)會否取代銅互連呢？最近被英特爾和英偉達投資的一家初創(chuàng)光芯片企業(yè)Ayar Labs CEO Mark Wade預計，在未來十年內(nèi)，隨著光學I/O產(chǎn)品出貨量的增加，光波導將開始取代PCB上的銅跡線。

不過純光子芯片仍處于概念階段，嚴格意義上來看，當前的光子芯片應(yīng)該是指集成了光子器件或光子功能單元的光電融合芯片，其仍需要與成熟的電子芯片技術(shù)融合。英特爾是光芯片的早期研究者之一，其光芯片所采用的是光電共封技術(shù)（co-Packaged），即將光芯片和電芯片封裝在同一個基板上，芯片之間采用光連接。

所以就目前來看，光互連不會那么快取代銅互連，光芯片仍有很長的路要走，要克服成本、功率效率等等多項問題。在電子產(chǎn)品失敗之前，它們不會成為主導，而且也不會很快發(fā)生，

在PC時代推動摩爾定律通常僅需依賴單一工藝系統(tǒng)解決方案就行。但在移動和AI時代，我們看到了集成工藝系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)不是僅僅引入一種使能材料取代另一種的時代，而是多種材料相互協(xié)同作用，共同克服芯片微縮過程中所帶來的的挑戰(zhàn)。未來我們還將看到PPAC所面臨的的規(guī)?；魬?zhàn)需要通過新材料和集成材料來解決。但有一點確定的是，就當下而言，銅互連仍然是最好的解決方案，也許可以用鈷、鎳、釕或其他鉑族貴金屬作為底層來輔助其繼續(xù)發(fā)揮作用，但銅互連仍難以被替代。