1. Intel 7工艺概述与挑战
1.1 Intel 7工艺（原10nm Enhanced SuperFin）的技术定位与目标
Intel 7工艺，最初被称为10nm Enhanced SuperFin (10ESF)，是英特尔公司在其半导体制造技术路线图上的一个重要节点 。该工艺的命名变更是为了与行业内其他主要制造商（如台积电和三星）的命名惯例保持一致，尽管这更多地被视为一种营销策略，因为「纳米」级别的工艺节点名称已不再直接对应晶体管栅极的实际物理尺寸 , 。Intel 7工艺在技术上被视为其前代10nm SuperFin (10SF)工艺的改进版本，旨在通过优化实现更高的性能和更低的功耗。具体而言，英特尔宣称Intel 7工艺相比10SF工艺能够带来10-15%的每瓦性能提升，这一提升幅度被公司强调为等同于一个完整技术节点迭代所能带来的性能增益 , 。该工艺主要用于生产英特尔的第12代酷睿Alder Lake、第13代酷睿Raptor Lake以及后续的Raptor Lake Refresh处理器，同时也涵盖了英特尔的Xe-HP图形处理单元 , 。Intel 7工艺是英特尔最后一项主要使用深紫外光刻（DUV）技术的制造工艺节点，其后续的Intel 4工艺则开始引入极紫外光刻（EUV）技术 , 。
Intel 7工艺的开发目标是在保持或提升晶体管性能的同时，进一步缩小晶体管尺寸，从而在单位芯片面积上集成更多的晶体管，以支持更复杂的功能和更高的运算能力。然而，随着晶体管尺寸的不断缩小，制造工艺面临着日益严峻的挑战，包括对材料特性、制造精度和工艺控制的要求都达到了前所未有的高度。在Intel 7这一节点，互连技术成为制约芯片性能和功耗的关键因素之一。传统的铜互连在尺寸缩小到一定程度后，其电阻和RC延迟问题日益突出，难以满足先进制程对高速传输和低功耗的需求 。因此，Intel 7工艺在材料选择和工艺集成方面进行了诸多探索和调整，以期克服这些挑战。例如，在互连材料方面，英特尔在早期的10nm工艺节点中部分引入了钴（Co）材料，以期改善电迁移和电阻特性 , 。然而，这些新材料和新工艺的引入也带来了新的复杂性和潜在的缺陷来源。
1.2 Intel 7工艺研发与量产过程中面临的主要挑战
Intel 7工艺（原10nm Enhanced SuperFin）的研发与量产过程并非一帆风顺，英特尔在其先进制程技术节点上遭遇了显著的延迟和挑战。一个核心的挑战来自于新材料和新工艺的集成。例如，在Intel 7的前身10nm工艺节点中，英特尔率先在部分互连层引入了钴（Co）材料，旨在利用钴优异的抗电迁移特性来替代传统的铜或钨，从而在超薄布线层中实现更好的可靠性和更低的电阻 , 。尽管钴在抗电迁移方面表现优异，但其电阻率约为铜的三倍，这直接影响了互连线的导电性能，可能导致性能不达标或功耗过高的问题 , 。此外，钴的引入对化学机械抛光（CMP）等后续工艺步骤提出了新的要求，例如钴与铜之间可能发生的电偶腐蚀以及钴的去除速率控制问题，这些都直接关系到芯片的良率和可靠性 , 。
除了材料本身的特性带来的挑战外，制造工艺的复杂性也急剧增加。在7nm及更先进的节点，CMP工艺步骤大幅增加，例如7nm制程可能需要多达30次CMP步骤，远高于14nm制程 , 。每一次CMP步骤都可能引入缺陷，如表面颗粒、刮伤、研磨剂残留等，这些缺陷直接影响产品的成品率 。对于钴等新型互连材料，需要开发专门的CMP抛光液和工艺，例如钴抛光液，其配方中的磨粒选择（如二氧化硅、氧化铈、氧化铝）和pH值控制（酸性或碱性）都对抛光效果和缺陷控制至关重要 , 。氧化铈磨粒虽然硬度低、抛光效率高，但其本身属于稀有金属，成本较高，且易团聚，需要添加分散剂，这可能影响抛光液的稳定性和最终抛光质量 , 。这些因素共同构成了Intel 7工艺在研发和量产过程中面临的主要挑战，导致其良率提升和产能爬坡过程异常艰难。根据多方报道，Intel 7nm工艺的量产时间表一再推迟，主要原因之一便是良率未达预期 , 。例如，在2020年，英特尔CEO Bob Swan曾公开表示，7nm工艺的良率比内部目标落后了约12个月，导致首批7nm产品（一款客户端CPU）的出货时间推迟到2022年底或2023年初 。
2. Intel 7工艺中稀有金属的应用
2.1 互连层中钴（Co）的应用及其演变
在Intel 7工艺（其前身为10nm Enhanced SuperFin）及其前代10nm工艺中，钴（Co）作为一种关键的稀有金属，在互连层的特定部分得到了应用。最初，在Intel的10nm工艺节点，钴被引入到最底层的金属堆栈，特别是M0和M1层，以及中间连线（MOL）的接触点（contact）部分 , 。英特尔采用钴的主要目的是利用其在超细导线中优于铜的抗电迁移能力，以及通过替换钨（W. 接触来降低接触电阻 。具体而言，英特尔宣称在10nm工艺的M0和M1层使用钴，可以实现✅层到层电阻降低2倍，并在层内部将电迁移问题改善5-10倍 , 。然而，钴的电阻率本身比铜高出约三倍，这构成了其应用的一个主要缺点 , 。因此，钴的应用并非全面取代铜，而是有针对性地应用于对电迁移和接触电阻要求极为严苛的底层局部互连。随着工艺的演进，特别是在Intel 7工艺中，虽然核心的互连材料策略延续了10nm的一些特点，但对于钴的使用也经历了一些调整和优化。例如，在Intel 7工艺中，金属层采用了不同材料的特殊组合，包括带有钴的钽隔离层以及带有铜合金的氧化碳，试图在电迁移寿命和电阻之间取得平衡，但效果并非完美 , 。最终，在后续的Intel 4工艺中，英特尔转向了增强型铜（eCu）技术，在最低的四个金属层中结合了钽、钴与纯铜材料，这标志着钴在英特尔互连方案中角色的又一次重要演变 , 。
2.2 阻挡层中钽（Ta）等材料的使用
在Intel 7工艺及其相关的10nm工艺中，除了作为互连材料的钴和铜之外，稀有金属钽（Ta）及其化合物（如氮化钽 TaN）在阻挡层（barrier layer）和衬垫（liner）中扮演了至关重要的角色。随着互连尺寸的不断缩小，为了防止铜原子扩散到周围的介电材料中以及改善金属与介电层之间的粘附性，使用高质量的阻挡层变得尤为重要。在传统的铜互连技术中，氮化钽（TaN）是常用的阻挡层材料 , 。当英特尔在10nm及Intel 7工艺中引入钴作为互连材料时，钽基材料同样被用作钴与周围介质之间的隔离层或衬垫。例如，在Intel 7工艺中，存在「带钴的钽隔离层」的配置 , 。此外，在Intel 4工艺中转向增强型铜（eCu）方案时，钽阻挡层依然被保留，并且纯铜核心周围还包裹了钴包层，这进一步凸显了钽在先进互连结构中的持续重要性 。高纯度的钽材（通常要求5N5，即99.9995%以上纯度）被用于制造溅射靶材，以沉积这些超薄的阻挡层 。随着工艺节点进入7nm以下，钽阻挡层的厚度已减至2nm左右，这对钽靶材的纯度和微观结构均匀性提出了极高的要求，关键杂质元素含量需低于0.1ppm，晶粒尺寸控制在30nm以下 , 。这些严格的要求确保了阻挡层在极窄尺寸下的有效性和可靠性。
2.3 高k金属栅极（HKMG）中材料的应用（主要为铪基材料）
自45nm节点起，英特尔率先在业界引入高k金属栅极（HKMG）技术，以替代传统的二氧化硅栅极介质，这一革新显著降低了栅极漏电流并提升了晶体管性能 , 。在Intel 7工艺及其前代技术中，HKMG技术得到了延续和优化。高k介质材料主要基于铪（Hf）的氧化物，如二氧化铪（HfO₂）或其掺杂/复合形式 , 。二氧化铪因其较高的介电常数（k值）和相对较好的热稳定性以及与硅工艺的兼容性而被广泛采用。在金属栅极方面，为了调节晶体管的阈值电压（Vt）并实现NMOS和PMOS器件的不同功函数，通常会采用多种金属材料堆叠构成。这些金属材料体系包括氮化钛（TiN）、氮化钽（TaN）、氮铝钛（TiAlN）等 , 。例如，在格芯（GlobalFoundries）的7nm工艺（作为对比参考）中，使用了多达8个功函数金属来设定4个阈值电压 。稀有金属醇盐，如铪醇盐、钽醇盐，作为前驱体材料，通过原子层沉积（ALD）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）等方法，用于在硅芯片上沉积这些高k介质层和金属栅极层 。这些前驱体材料需要具有高纯度（例如99.99%以上）和良好的挥发性，以满足薄膜沉积的均匀性和一致性要求 。虽然Intel 7工艺的具体功函数金属组合细节未在当前信息中详述，但其HKMG结构无疑依赖于这些精密的稀有金属材料体系来实现晶体管的性能目标。
2.4 其他潜在稀有金属（如钌Ru）的探索与应用情况
除了钴和钽之外，钌（Ru）作为一种潜在的互连材料，在半导体行业，包括英特尔的研究范围内，受到了广泛关注。钌的特性介于钴和铜之间，它不像钴那样具有极高的电阻率，同时在某些方面展现出优于铜的抗电迁移能力，并且一个潜在的优势是它可能不需要像铜那样厚的阻挡层，甚至在某些方案中可以不使用阻挡层，这对于进一步缩小互连尺寸、降低RC延迟具有积极意义 , 。IBM和三星等公司已经展示了使用钌代替铜的新型互连方案，通过减法 patterning 和 EUV 光刻，实现了18nm金属间距的互连 。有报道提及，英特尔在其10nm和7nm节点中也对钌进行了研究和应用探索 。例如，有资料显示，在Intel Cannon Lake处理器的底层检测到了钌的存在，尽管英特尔官方并未公开此信息 , 。Wikichip曾猜测，在英特尔的10nm工艺中，M2/M3/M4金属层可能用到了钌 , 。然而，关于钌在Intel 7工艺中的具体应用程度和范围，现有信息较为有限且不够明确。一些分析指出，虽然钌具有潜力，但其集成工艺（例如CMP）仍面临挑战 , 。因此，尽管钌被视为未来互连技术的有力候选者，其在Intel 7工艺中的大规模应用情况尚不清晰，可能仍处于研究或有限应用的阶段。Intel在IEDM 2024上展示的「减法钌」（subtractive ruthenium）工艺，进一步揭示了其在钌金属化方面的深入研究和未来应用方向，该工艺通过在25纳米及以下间距的互连中结合气隙（airgaps）和减法钌，实现了高达25%的线间电容降低，并保持了匹配的电阻 , 。
3. 稀有金属方案与工艺缺陷的关联性分析
3.1 钴（Co）的特性及其引入的缺陷
3.1.1 高电阻率导致的性能与功耗问题
钴（Co）作为一种在Intel 10nm及Intel 7工艺中被引入互连层的材料，其固有的高电阻率是导致性能与功耗问题的主要因素之一。与传统的铜（Cu）互连相比，钴的体电阻率大约是铜的三倍 , 。虽然钴在超细尺寸下展现出优异的抗电迁移特性，并且能够实现更薄的阻挡层，从而在一定程度上抵消了部分电阻增加的影响，但其较高的本征电阻仍然对互连线的整体电阻构成了显著贡献。在Intel 7工艺中，虽然采用了包含钴的钽隔离层等复合方案，但高电阻问题并未完全解决 , 。互连电阻的增加直接导致了RC延迟的增大，这会限制芯片的整体性能，特别是在对延迟敏感的关键路径上。同时，更高的电阻也意味着在信号传输过程中会产生更多的焦耳热（I²R损耗），从而导致芯片的动态功耗增加。这对于追求高能效的现代处理器而言是一个不容忽视的负面影响。英特尔在评估纯钴内核与具有氮化钽阻挡层的传统铜合金内核时也承认，纯钴提供了较好的电迁移特性，但线路电阻更差 。因此，钴的高电阻率是其在追求更高集成度和性能的先进工艺节点中应用时，必须仔细权衡和克服的关键缺陷之一。
3.1.2 化学机械抛光（CMP）过程中的挑战与良率问题
化学机械抛光（CMP）是半导体制造中实现全局平坦化的关键工艺步骤，对于多层互连结构的形成至关重要。然而，当引入钴（Co）作为互连材料时，其在CMP过程中的行为特性给工艺带来了新的挑战，并直接影响芯片的良率。钴相较于传统的铜或钨，其化学性质和机械性能有所不同，这使得针对钴的CMP工艺窗口更窄，控制难度更大。有分析指出，钴在CMP过程中更容易发生腐蚀（corrosion）或过度抛光（dishing）等问题 , 。腐蚀可能导致互连线表面产生缺陷，甚至影响其导电性和可靠性；而过度抛光则可能导致关键尺寸的损失或表面不平整，进而影响后续工艺层的对准和沉积质量。这些问题如果得不到有效控制，会直接转化为芯片的缺陷，降低最终产品的良率。一篇知乎专栏文章甚至将钴的使用列为导致Intel 10nm量产困难的最大元凶之一，并推测其CMP相关的问题可能也是后续13/14代酷睿处理器出现「缩缸」问题的潜在原因之一 。虽然Intel 7工艺在钴的应用上可能进行了一些优化，但CMP工艺的挑战性依然是钴集成方案中需要重点关注和解决的环节，以确保足够的良率和可靠性。
3.1.3 电迁移与长期稳定性问题
尽管钴（Co）的引入部分原因是为了改善电迁移（Electromigration, EM）问题，尤其是在超细互连线中，但其在Intel 7工艺中的实际表现和长期稳定性仍存在一些复杂因素。电迁移是金属导线中在高电流密度下，电子风（electron wind）驱动金属原子发生定向扩散的现象，可能导致导线内形成空洞（voids）或晶须（hillocks），从而引起电阻增大甚至断路，是影响芯片长期可靠性的关键因素 , 。钴相较于铜，在超细尺寸下确实展现出更好的抗电迁移能力，英特尔宣称在10nm工艺的M0和M1层使用钴，电迁移减少了1/10至1/5 , ，或者说提升了5-10倍 , 。然而，在Intel 7工艺中，为了平衡电阻和电迁移，采用了包含钴的钽隔离层以及带有铜合金的氧化碳等复合方案 , 。这种复合方案虽然旨在兼顾两者，但也可能引入新的界面和材料相互作用，对长期稳定性带来不确定性。例如，带钴的钽隔离层虽然可延长电子迁移寿命，但电阻变大；而带铜合金的氧化碳虽然可降低电阻，但电子迁移寿命可能变短 , 。这种权衡表明，即使在引入钴之后，电迁移和长期稳定性问题仍然是工艺优化中需要持续关注和精细调控的方面，以确保芯片在整个生命周期内的可靠运行。
3.2 钴与钌（Ru）组合在CMP工艺中的问题
在Intel 10nm工艺节点的研发过程中，除了钴（Co）本身作为互连材料带来的挑战外，其与钌（Ru）的组合应用在化学机械抛光（CMP）工艺中也遇到了显著的困难。根据EE Times Japan的报道，Intel在10nm工艺中，其阻挡层材料据称使用了含有钴的钌（Co-containing Ru） , 。这种材料组合的CMP工艺不顺利，被认为是导致Intel 10nm工艺量产受阻的关键问题之一 , 。CMP工艺的目标是实现晶圆表面的全局平坦化，并精确控制不同材料的去除速率，以确保最终结构的完整性和电学性能。当钴和钌这两种稀有金属同时出现在同一CMP步骤中，或者作为相邻层需要被平坦化时，它们之间的化学和机械相互作用变得非常复杂，对抛光液的选择、工艺参数的调控都提出了极高的要求。具体来说，钴和钌在CMP过程中可能面临去除速率选择比的控制、电化学腐蚀问题、表面钝化和氧化控制以及抛光后清洗的挑战。例如，在钴作为互连材料，而含有钴的钌作为阻挡层的结构中，两者直接接触，在抛光液的电解质环境中，若电位控制不当，极易发生腐蚀，导致界面缺陷或材料损失。这些由钴和钌组合在CMP过程中引发的缺陷，如表面不平整、金属残留、腐蚀等，都会直接降低芯片的良率，并可能影响器件的长期可靠性。
3.3 高k金属栅极材料与缺陷的潜在关联
高k金属栅极（HKMG）技术虽然在提升晶体管性能和抑制漏电流方面取得了显著成就，但其引入的复杂材料体系也可能带来新的缺陷和可靠性挑战。Intel自45nm节点率先引入HKMG技术，并持续在后续工艺中应用，包括Intel 7工艺 , 。高k介质材料，主要是铪（Hf）基氧化物（如HfO₂），虽然具有高介电常数的优势，但其本身也存在固有的缺陷。例如，HfO₂薄膜中的氧空位缺陷是一个严重的问题，这些氧空位会导致阈值电压（Vt）的不稳定、沟道载流子迁移率的退化以及器件可靠性的降低 。特别是在pMOS器件中，氧空位缺陷可能导致费米能级钉扎效应和平带电压的异常偏移 。这些缺陷的存在直接影响晶体管的电学特性，可能导致性能不达标、功耗异常或稳定性差等问题。金属栅极材料的选择和集成也对缺陷的形成有重要影响。为了克服多晶硅与高k介质不兼容的问题（如界面反应和栅极电阻过大），金属栅极被引入 , 。然而，金属栅极与高k介电层之间的界面质量、金属栅极本身的功函数稳定性以及其在后续高温工艺步骤中的热稳定性都是需要严格控制的。如果金属栅极材料与高k介电层之间存在扩散或反应，可能会在界面处引入缺陷态，改变器件的阈值电压或增加栅极漏电流。此外，NMOS和PMOS晶体管需要不同的金属功函数来优化性能，这意味着至少需要两种不同的金属栅极材料或通过掺杂、合金化等方式调节功函数 。这种复杂性增加了工艺集成的难度，任何偏差都可能导致器件参数偏离设计目标，甚至形成致命缺陷。
4. Intel 7工艺缺陷的具体表现与成因
4.1 良率问题：CMP缺陷、材料兼容性等
Intel 7工艺（及其前身10nm工艺）在研发和量产初期遭遇了显著的良率挑战，这直接导致了产品发布的多次延迟 , 。良率问题的成因是多方面的，其中与稀有金属方案相关的因素，特别是化学机械抛光（CMP）缺陷和材料兼容性问题，扮演了重要角色。如前所述，钴（Co）作为新的互连材料被引入，其CMP工艺本身就带来了新的挑战。钴的抛光选择性、表面钝化、以及与铜共存时的电偶腐蚀等问题，如果未能得到完美控制，极易在晶圆表面产生缺陷，如碟形化、侵蚀、划痕、残留颗粒和腐蚀坑等 , 。这些CMP相关的缺陷会直接影响互连线的几何形状、电学性能和可靠性，从而导致芯片失效，降低整体良率。Intel曾公开承认其7nm工艺（现Intel 4）存在「缺陷模式」（defect mode），导致良率下降，并使其内部目标推迟了约12个月 , 。虽然未具体说明缺陷模式的具体细节，但CMP作为关键工艺步骤，其与新材料的相互作用无疑是重要的排查方向。材料兼容性是另一个影响良率的关键因素。在先进工艺节点，多种新材料被引入，它们之间的物理和化学相互作用非常复杂。例如，钴与周围的介质材料（如低k材料）、阻挡层材料（如Ta/TaN）以及蚀刻停止层材料之间的粘附性、应力匹配和化学稳定性都需要仔细考量。如果材料选择不当或工艺集成方案不完善，可能导致界面分层、薄膜开裂、界面反应生成不利相或扩散等问题，这些都会成为良率杀手。
4.2 性能不达标：互连电阻增加、延迟增大
Intel 7工艺在追求性能目标的过程中，互连电阻的增加及其导致的信号延迟增大是一个显著的挑战。这一问题的成因与工艺中采用的稀有金属方案，特别是钴（Co）的应用密切相关。钴的本征电阻率远高于铜，尽管其在超细尺寸下具有电迁移优势，并能允许更薄的阻挡层，但其较高的电阻仍然对互连线的整体电阻构成了显著贡献 , 。在Intel 7工艺中，为了平衡电迁移和电阻，采用了包含钴的钽隔离层等复合方案，但这些方案可能未能完全克服钴的高电阻问题 , 。互连电阻（R. 的增大会直接导致✅RC延迟的增加，其中C为互连电容。RC延迟是限制芯片工作频率和整体性能的关键因素之一，尤其是在先进工艺节点下，互连延迟在整个系统延迟中的占比越来越高。当互连电阻过大时，信号在芯片内部的传输速度会变慢，导致处理器无法达到预期的时钟频率或数据吞吐率，从而表现为性能不达标。英特尔在对比纯钴内核与铜合金内核时也承认，纯钴的线路电阻更差 。因此，由钴引入的高电阻问题是Intel 7工艺在实现预期性能指标时面临的一个重要障碍。
4.3 功耗过高：电阻损耗增加
Intel 7工艺中，功耗过高的问题与互连电阻的增加有着直接的因果关系，而这又与钴（Co）等稀有金属的应用方案紧密相连。如前所述，钴的本征电阻率较高，导致互连线的电阻值偏大 , 。根据焦耳定律，电流通过导体时产生的功耗与导体的电阻成正比（P = I²R. 。因此，当互连电阻增大时，信号在芯片内部传输过程中产生的焦耳热损耗也会相应增加。这部分额外的功耗会直接贡献于芯片的总动态功耗，对于追求高能效比的现代处理器而言，这是一个不利因素。在Intel 7工艺中，虽然可能通过优化设计规则和采用新的电容结构（如SuperMIM电容）来尝试降低部分功耗 ，但互连电阻带来的基本损耗难以完全消除。如果互连电阻控制不当，芯片在运行高负载任务时，其功耗可能会超出设计目标，这不仅会影响移动设备的电池续航，也可能对桌面和服务器的散热设计提出更高要求，甚至限制处理器的最高可持续性能。因此，由钴等材料引入的较高互连电阻是导致Intel 7工艺芯片功耗偏高的一个重要成因。✅
4.4 稳定性问题：电迁移、界面缺陷等
Intel 7工艺的稳定性问题，特别是长期可靠性，受到电迁移和潜在界面缺陷等因素的影响，这些都与所采用的稀有金属方案及其集成工艺密切相关。电迁移是金属互连线在高电流密度下，金属原子因电子撞击而发生迁移的现象，可能导致导线开路或短路，是影响芯片寿命的关键因素 , 。虽然钴（Co）的引入旨在改善超细互连线的抗电迁移能力 , ，但在Intel 7工艺中，为了平衡电阻和电迁移，采用了包含钴的钽隔离层以及带有铜合金的氧化碳等复合方案 , 。这种材料组合可能引入新的界面，例如钴与钽、钴与铜合金、或这些材料与周围介质层之间的界面。这些界面处可能存在原子结构失配、杂质聚集或化学反应等问题，形成界面缺陷。这些界面缺陷不仅可能成为电迁移的起始点或加速通道，还可能影响信号的完整性和器件的长期稳定性。此外，化学机械抛光（CMP）过程中可能引入的表面损伤或残留物，如果未能完全清除，也可能成为潜在的可靠性薄弱环节 , 。因此，尽管引入了新的材料以图改善稳定性，但新材料体系的复杂性以及工艺控制的挑战，使得Intel 7工艺在确保芯片长期稳定运行方面仍需克服诸多难题。
5. Intel后续工艺（如Intel 4）对稀有金属方案的调整与改进
5.1 从纯钴向增强型铜（e-Cu）等合金的转变
在经历了Intel 10nm和Intel 7工艺中对钴（Co）作为主要互连材料的探索和应用后，英特尔在后续的Intel 4工艺节点上对其互连方案进行了显著的调整，核心转变是从纯钴或钴主导的方案转向了增强型铜（enhanced Copper, eCu）技术 , 。这一转变反映了对先前工艺中钴材料所带来挑战的深刻认识，特别是其高电阻率和CMP工艺难度等问题 , 。Intel 4工艺在最低的四个金属层中采用了这种增强型铜技术，该方案结合了钽（Ta）作为阻挡层，并在纯铜（Cu）核心周围包裹了钴（Co）包层 。这种设计旨在综合不同材料的优势：铜提供低电阻率，钴包层则有助于改善电迁移性能和填充能力，而钽阻挡层则防止铜扩散。英特尔表示，这种增强铜技术非常好地平衡了电子迁移寿命和电阻 。与Intel 7工艺中带钴的钽隔离层（电阻较大）和带铜合金的氧化碳（电迁移寿命较短）的方案相比，Intel 4的eCu方案在性能和可靠性之间取得了更优的平衡 , 。这一转变标志着英特尔在先进互连材料选择上的一次重要策略调整，旨在克服纯钴带来的瓶颈，并更好地满足更高性能和更低功耗的需求。
5.2 EUV光刻技术的引入对工艺流程的简化
Intel 4工艺是英特尔首个正式采用极紫外光刻（EUV）技术进行量产的工艺节点 , 。EUV光刻的引入对Intel 4的整个工艺流程，包括稀有金属的图案化和集成，带来了显著的简化效果。在未使用EUV的Intel 7工艺中，为了实现精细的图案转移，需要依赖更为复杂和耗时的多重图案化技术，如自对准四重图案化（SAQP） , 。这不仅增加了光刻和掩模环节的数量，也引入了更多的工艺步骤和分层，从而增加了工艺复杂度和潜在的良率风险 。EUV光刻由于其更短的波长，能够以更少的曝光次数实现更精细的图形，从而大大简化了这些复杂图案的制造过程。根据英特尔的估算，EUV的加入使得Intel 4工艺的掩膜总数比Intel 7工艺减少了约20%，生产步骤总数也减少了5% 。这种简化不仅有助于提高生产效率，降低制造成本，还有望改善整体良率，因为工艺步骤的减少意味着潜在的缺陷引入点的减少。EUV技术的引入是英特尔在先进制程竞赛中的一个重要里程碑，它为解决Intel 7工艺所面临的复杂性和良率挑战提供了一条有效的技术路径。
6. 结论与展望
6.1 Intel 7工艺缺陷与稀有金属方案选择的关键总结
Intel 7工艺的缺陷问题，特别是良率低下、性能不达标、功耗过高和稳定性风险，与其在先进节点下对稀有金属方案（尤其是钴）的探索性应用密切相关。钴的引入旨在解决传统铜互连在微缩至10nm及以下节点时面临的电迁移和电阻挑战，但其固有的高电阻率直接导致了性能瓶颈和功耗增加。更为关键的是，钴在化学机械抛光（CMP）等关键工艺步骤中的集成难度极大，容易产生腐蚀、碟形化等缺陷，严重影响了芯片的良率。钴与钌等其他稀有金属的组合应用，虽然在理论上可能带来性能优势，但在CMP等实际工艺中进一步加剧了复杂性，对良率构成了严峻考验。高k金属栅极中铪基等材料的应用，虽然对提升晶体管性能至关重要，但也引入了界面缺陷和可靠性等新的潜在风险。Intel 7工艺的经验教训凸显了在先进制程中，新材料的选择并非简单的性能替换，而是一个需要在材料特性、工艺可行性、成本控制以及最终器件性能、功耗、良率和可靠性之间进行复杂权衡的系统工程问题。英特尔在后续Intel 4工艺中转向增强型铜（e-Cu）并引入EUV光刻，正是对这些挑战的积极回应和策略调整。
6.2 先进工艺节点下稀有金属应用的未来趋势与挑战
展望未来，随着半导体工艺节点持续向3nm、2nm甚至更小尺寸推进，稀有金属在互连和晶体管技术中的应用将更加广泛和深入，同时也面临着更为严峻的挑战。在互连方面，钴和钌仍将是重要的候选材料。钴凭借其在超小尺寸下的抗电迁移优势，可能在特定关键层继续发挥作用，但其高电阻率和CMP难题仍需克服。钌因其较低的电阻率、良好的抗电迁移性能以及实现更薄甚至无阻挡层结构的潜力，被认为是未来互连技术的有力竞争者，特别是在替代铜大马士革工艺的「减法钌」方案中展现出应用前景 , 。然而，钌的CMP工艺、与现有工艺的兼容性以及成本控制仍是其大规模应用的障碍。此外，其他潜在稀有金属如钼（Mo）、铑（Rh）等也可能在特定应用中崭露头角 , 。在高k金属栅极方面，铪基材料仍将是主流，但对更高k值、更低缺陷密度新材料的需求将持续存在，功函数金属的选择和集成也将更加复杂。未来稀有金属应用的核心挑战在于如何在原子级别精确控制材料特性、界面质量，并开发出与之匹配的高效、低缺陷制造工艺。此外，稀有金属的全球供应链安全、成本效益以及环境影响也将成为产业界需要共同面对和解决的重要议题。持续的材料创新、工艺优化以及跨学科的合作将是推动先进半导体技术发展的关键。