Intel 7工艺缺陷
与稀有金属方案的
深度分析

1.1 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重要节点。 [672] 该工艺的命名变更更多是营销策略， 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。 [417] [426]

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。 [426] [143] 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。 [426] [672]

1.2 研发与量产挑战

Intel 7工艺的研发与量产过程并非一帆风顺，一个核心挑战来自于新材料和新工艺的集成。 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。 [378] [419]

2.1 互连层中钴（Co）的应用及其演变

在Intel 7工艺及其前代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。 [652] [653]

然而，钴的电阻率本身比铜高出约三倍，这构成了其应用的主要缺点。 [655] [419] 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。 [649] [651]

2.2 阻挡层中钽（Ta）等材料的使用

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）在阻挡层和衬垫中扮演了至关重要的角色。 在传统的铜互连技术中，氮化钽（TaN）是常用的阻挡层材料。 [651] [664]

2.3 高k金属栅极（HKMG）中材料的应用

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。 [654] [677]

2.4 其他潜在稀有金属（如钌Ru）的探索

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。 [664] [665]

3.1 钴（Co）的特性及其引入的缺陷

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，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）。 [247] [233]

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）技术虽然提升了晶体管性能，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。 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。

特别是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。 [539] 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。

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。 [649] [651]

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。 [657] [672]

6.1 Intel 7工艺缺陷与稀有金属方案选择的关键总结

6.2 先进工艺节点下稀有金属应用的未来趋势与挑战