Intel|石墨烯败了：Intel退钴还铜石墨烯|自然铜|钴矿|石墨烯败

近日，英特尔在2022 IEEE VLSI 技术和电路研讨会上，展示了许多涉及其Intel 4（10nm）工艺的论文。其中一点就是，新的intel 4选用了铜互连连接。
早前英特尔原本打算在10nm芯片互连中采用钴（Co）这种新材料，但是众所周知，英特尔在10nm工艺经历了挫败，业界认为，与钴的集成问题可能是英特尔10nm延迟问题的部分原因。
过去我们往往只关心晶体管的大小，但是现在随着芯片微缩逐渐来到极限，芯片互连问题已经不能被继续忽略。
逻辑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。
前端制程主要是处理芯片中的有源器件，如现在主流的工艺是FinFET；中段制程通常由微型金属结构组成，来连接前段和后段制程；芯片互连属于后段制程，即为芯片制造的最后阶段，目前的主流技术就是铜互连。其实关于取代铜互连，业界有不少新材料探索，如石墨烯、钴、钌或钼等。
那么，英特尔此次退钴还铜，是否证明铜互连还是无法被替代？
伟大的铜互连
在半导体行业的早期，电路线是在硅晶片上通过将沟槽蚀刻到二氧化硅层中并用铝金属填充它们来制造的。但随着线宽的缩小，铝作为导体的缺点变得明显。
到1997年， IBM率先从铝互连转向铜布线互连。1998年9月1日， IBM 宣布出货世界上第一个铜基微处理器。IBM PowerPC 750 最初是采用铝设计的，其工作频率高达300 MHz ，采用铜互连之后，同一芯片的速度至少能达到400MHz ，提高了33% 。
这个转换不容易，因为铜原子在介电层具有易扩散特性，所以首先需要一个绝缘性比二氧化硅更好的介电材料，还要将一层薄的氮化钽（TaN）阻挡层和一层钽衬层涂在沟槽上，以防止铜扩散到电介质中。
为了将铜应用到晶圆上，材料科学家必须开发一种新的电沉积技术，因为使用铝的蚀刻工艺对铜不起作用。新方法有两个步骤：沉积一层薄薄的铜种子层以确保完全覆盖沟槽壁，然后进行更完整的铜电沉积。在这样的努力之下，铜从电路线宽为180nm开始被采用了多年。
IBM 在微处理器中使用铜互连的开创性技术现已成为行业标准，使下一代更小、更快的微处理器成为可能。铜线的导电电阻比铝线低约 40% ，从而使微处理器速度增加了 5% 。
随着时间的推移，铜线的耐用性和可靠性也显着提高了100 倍，并且可以缩小到比铝线更小的尺寸。铜还提供了使用完全不同的制造工艺添加更多互连层的机会。截止目前，铜仍是微处理器设计和发展的重要组成部分，铜互连还可被用于3D芯片集成。
钴（Co）被引入
在14nm或10nm技术节点之前，钨一直是与金属/多晶硅栅极以及晶体管上的源极和漏极硅化物区域进行电接触的主要材料。但随着铜和钨层变得更薄，采用氮化钽（TaN）的铜互联开始出现新问题。
其中一个就是电迁移，因为通过超细导线运行电流（电子）会使铜离子错位，从而在电路中产生空隙，芯片容易发生故障。再一个就是氮化钽层的电阻越来越大，但由于铜易扩散的特性，也不能通过降低氮化钽层的厚度来减少电阻，否则就会失去阻障功能。