钴在半导体制造中的应用

文章来源：Tom聊芯片智造

原文作者：Tom

本文介绍了钴在半导体制造中的应用。

钴（Co）在半导体制造里的应用比很多人想象的要广，而且是随着制程推进逐步扩大的。它不只是"下一代互连金属"，在硅化物、接触、互连、衬垫层、甚至磁性存储等多个环节都有关键作用。

局部互连（Local Interconnect / MOL）

——先进节点应用

背景：在器件层和上层铜互连之间，有一层中段制程（MOL, Middle-of-Line）的局部互连，连接相邻的器件、栅极等，线宽极细。

钴的应用：这层局部互连线宽最细，铜在这里的阻挡层占比和尺寸效应问题最严重。所以钴被用于最底层的局部互连，钴替代铜/钨做这些最细的局部连线；

接触层（Contact）

背景：晶体管做好后，要通过接触孔（contact）把器件连接到上层金属互连。传统接触孔用钨（W）填充，钨需要一层钛/氮化钛（Ti/TiN）阻挡层。

钴的应用：在 10nm/7nm 及以下节点，接触孔变得极细，钨 + 阻挡层的方案遇到瓶颈（阻挡层占空间、钨电阻上升）。于是钴被用来替代钨做接触填充.

钴硅化物

这是钴在半导体里最早、最经典的应用，用了很多年。

背景：晶体管的源极、漏极、栅极和金属接触之间，需要一层硅化物（silicide）来降低接触电阻。硅化物是金属和硅反应生成的化合物，导电性好、接触电阻低。

钴硅化物（CoSi₂）的应用：在 0.18μm 到 90nm/65nm 这几代工艺，钴硅化物（CoSi₂）是主流的硅化物材料，用于源漏和栅极的自对准硅化物（salicide）工艺。

铜互连的衬垫层

背景：铜互连需要阻挡层（TaN）+ 衬垫层（liner）。衬垫层的作用是改善铜的附着、填充和可靠性。传统用钽（Ta）做衬垫层。

钴的应用：钴被用作铜的衬垫层（Co liner），替代或补充钽，这是钴在先进铜互连里很广泛的一个应用，从 22nm/14nm 就开始用，比钴做主互连金属更早、更普遍。

钴覆盖层 / 帽层（Cobalt Cap）——提高铜可靠性

背景：铜互连做好后，铜的顶部需要一层覆盖层（cap）来防止铜扩散、提高电迁移可靠性。

钴的应用：用选择性沉积的钴帽层（Co cap / CoWP 等）覆盖在铜线顶部：

磁性存储（MRAM 等）——钴的磁性应用

除了导电用途，钴还是磁性材料，在新型存储器里有应用：

MRAM（磁性随机存储器）的磁隧道结（MTJ）里，钴基合金（如 CoFeB）是关键的磁性层，用来存储磁化状态（即数据）；

钴的铁磁性和自旋特性，使它成为自旋电子学（spintronics）器件的重要材料。

对比：钴用在哪、为什么？

| 应用 | 作用 | 为什么用钴 | 节点 | | 钴硅化物 CoSi₂ | 降低源漏/栅接触电阻 | 低电阻、热稳定、细线不退化 | 0.18μm~65nm | | 接触填充 | 连接器件到互连 | 极细孔里优于钨+阻挡层 | 10nm/7nm 以下 | | 局部互连 | 最细的器件间连线 | 细线电阻恶化小、抗电迁移 | 7nm 以下 | | 铜衬垫层 | 改善铜填充/可靠性 | 界面好、抗电迁移 | 22nm/14nm 起 | | 铜帽层 | 封铜、提高可靠性 | 选择性沉积、抗电迁移 | 先进节点 | | MRAM 磁性层 | 存储磁化状态 | 铁磁性、自旋特性 | 新型存储 |