石墨烯敗了：Intel退鈷還銅
近日，英特爾在2022 IEEE VLSI 技術和電路研討會上，展示了許多涉及其Intel 4（10nm）製程的論文。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晶片互連中採用鈷（Co）這種新材料，但是眾所周知，英特爾在10nm製程經歷了挫敗，業界認為，與鈷的集成問題可能是英特爾10nm延遲問題的部分原因。
過去我們往往只關心電晶體的大小，但是現在隨著晶片微縮逐漸來到極限，晶片互連問題已經不能被繼續忽略。
邏輯晶片的製造主要包括三大流程：前端製程、中段製程和後段製程。
前端製程主要是處理晶片中的有源器件，如現在主流的製程是FinFET；中段製程通常由微型金屬結構組成，來連接前段和後段製程；晶片互連屬於後段製程，即為晶片製造的最後階段，目前的主流技術就是銅互連。其實關於取代銅互連，業界有不少新材料探索，如石墨烯、鈷、釕或鉬等。
那麼，英特爾此次退鈷還銅，是否證明銅互連還是無法被替代？
偉大的銅互連
在半導體行業的早期，電路線是在硅晶片上通過將溝槽蝕刻到二氧化硅層中並用鋁金屬填充它們來製造的。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 最初是採用鋁設計的，其工作頻率高達300 MHz，採用銅互連之後，同一晶片的速度至少能達到400MHz，提高了33%。
這個轉換不容易，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塗在溝槽上，以防止銅擴散到電介質中。
為了將銅應用到晶圓上，材料科學家必須開發一種新的電沉積技術，因為使用鋁的蝕刻製程對銅不起作用。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，然後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開始被採用了多年。
IBM 在微處理器中使用銅互連的開創性技術現已成為行業標準，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，並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製造製程添加更多互連層的機會。截止目前，銅仍是微處理器設計和發展的重要組成部分，銅互連還可被用於3D晶片集成。
鈷（Co）被引入
在14nm或10nm技術節點之前，鎢一直是與金屬/多晶硅柵極以及電晶體上的源極和漏極硅化物區域進行電接觸的主要材料。但隨著銅和鎢層變得更薄，採用氮化鉭（TaN）的銅互聯開始出現新問題。
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，從而在電路中產生空隙，晶片容易發生故障。再一個就是氮化鉭層的電阻越來越大，但由於銅易擴散的特性，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。
雖然電晶體性能一直在提高，但銅線電阻實際上隨著線變小而增加。這意味著訊號變慢，行進距離減少，並且我們消耗的能量超出了預期。
換句話說，儘管擁有更高性能的電晶體，但電晶體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。所以在經歷了20年以後，到10nm節點，銅互連已經開始逐漸失去動力。
於是新材料鈷（Co）開始被引入。在2017年的IEDM上，英特爾宣布了首次在大批量製造中使用純鈷互連的10納米技術。
鈷在元素周期表中排在第27位。藍色鈷顏料首先用於青銅時代的藝術，但直到 1735 年瑞典化學家喬治·勃蘭特才分離出這種金屬。鈷常常用於電池中。俄羅斯是第二大鈷生產國，佔全球供應量的4%。
那麼為什麼是鈷呢？
因為在10nm節點，使用鎢作為電晶體接觸金屬由於電阻和間隙填充而成為性能瓶頸。同樣，在 M0 和 M1 層用銅製造的局部互連在填隙、電阻和可靠性方面受到影響——限制了性能並影響了製造晶片的成本。
在7nm 及以下代工節點用鈷代替鎢觸點和銅局部互連可以緩解這些性能瓶頸。
純鈷具有較好的電遷移特性，但線電阻較差。同樣，銅合金具有較好的線電阻，但卻有較差的電遷移壽命。在最新的Intel 4中，英特爾選擇的是在最低的四個金屬層中使用增強型銅 (eCu)。
這種增強的銅線包括一個鉭阻擋層，鈷包層周圍的純銅核心。eCU似乎是一個折中雙贏的選擇，與銅合金相比，既提供了更好的電磁壽命(儘管沒有鈷那麼好)，同時小幅提高了0.85倍的線電阻。
對於Intel 4，該公司選擇採用增強型銅(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。總之，eCu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，應用材料公司的化學家就發現，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。結果，銅更好地粘附在溝槽的側面，從而最大限度地減少了以後的電遷移。應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，鈷觸點採用了薄的 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，而是和銅進行聯合應用，因此使得晶片又能繼續延續摩爾定律。
2nm之後，釕、鉍或鉬又被探索
晶片的微縮還在繼續，到2nm之後，電晶體的結構要發生新變化，或由GAA納米片、CFET來取代FinFET，與此同時，銅互連的架構也將需要重新配置向電晶體傳輸功率的方式。
要把握好製程精度的控制，新金屬材料的引入將是關鍵，於是晶片製造商可能會在2nm之後在一定程度上用釕（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計劃計劃採用原子形狀的溝道（Atomic Channel），其溝道採用厚度為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屬化物（Dichalcogenide），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通過採用2D材料和High NA EUV，開拓了1納米以下的製程。
而台灣大學、台積電和麻省理工（MIT）在去年共同發布了1nm以下晶片重大研究成果，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並提高電流，使其效能媲美硅材料，有助於半導體行業應對未來1nm世代的挑戰。這項研究成果由台大電機系暨光電所教授吳志毅，與台積電和MIT研究團隊共同完成。已在國際期刊Nature上發表題為「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。迴流退火或雷射退火可以使晶粒尺寸最大化。
石墨烯已經敗下陣來
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的銅，成為在電腦晶片周圍傳輸數據和電力的互連的最佳材料。
但就當下產業鏈配套而言，石墨烯不容易製造，而且端到端比較表明石墨烯流動不均勻，無法實現增強銅互連的低電阻。如何實現石墨烯低成本規模化生產也是個一大問題。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，這幾年關於石墨烯的進展已經沒那麼響亮了。
光互連能否取代銅互連呢？
現在光晶片的話題很高，尤其是隨著電子晶片逼近摩爾定律極限，於是光晶片開始走入行業的研究範疇。關於銅與光傳輸介質的爭論始於人們意識到光子可用於傳輸數據的那一刻。
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千英里長的銅質電話電纜，雖然光纖電纜被廣泛使用，但光背板互連仍然很少見。
光晶片，一般是由化合物半導體材料（InP和GaAs等）所製造，通過內部能級躍遷過程伴隨的光子的產生和吸收，進而實現光電訊號的相互轉換。
可以看出，光晶片所採用的是光波來進行資訊載體。相比於電子積體電路或銅互聯技術，光晶片展現出了更低的傳輸損耗、更寬的傳輸頻寬、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。
那麼光互聯會否取代銅互連呢？最近被英特爾和NVIDIA 投資的一家初創光晶片企業Ayar Labs CEO Mark Wade預計，在未來十年內，隨著光學I/O產品出貨量的增加，光波導將開始取代PCB上的銅跡線。
不過純光子晶片仍處於概念階段，嚴格意義上來看，當前的光子晶片應該是指集成了光子器件或光子功能單元的光電融合晶片，其仍需要與成熟的電子晶片技術融合。英特爾是光晶片的早期研究者之一，其光晶片所採用的是光電共封技術（co-Packaged），即將光晶片和電晶片封裝在同一個基板上，晶片之間採用光連接。
所以就目前來看，光互連不會那麼快取代銅互連，光晶片仍有很長的路要走，要克服成本、功率效率等等多項問題。在電子產品失敗之前，它們不會成為主導，而且也不會很快發生，
結語
在PC時代推動摩爾定律通常僅需依賴單一製程系統解決方案就行。但在移動和AI時代，我們看到了集成製程系統的發展，現在已經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同作用，共同克服晶片微縮過程中所帶來的的挑戰。
未來我們還將看到PPAC所面臨的的規模化挑戰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發揮作用，但銅互連仍難以被替代。
