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钼成为互联新贵,加速替代铜

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半导体材料的更替,往往不是因为旧材料突然失去价值,而是器件结构变了,原本成熟的工艺开始遇到新的限制。钼(Mo)进入先进芯片制造,就是一个典型例子。

10月22日,德国默克在韩国忠清北道阴城启用了新的钼前驱体生产设施,生产二氯二氧化钼(MoO₂Cl₂)。这项布局的意义,不仅在于增加一种半导体材料的供应能力,更在于钼正在从候选材料走向实际应用。随着3D NAND堆叠层数不断增加,传统字线材料钨面临的电阻问题日益突出,钼开始进入存储芯片制造商的视野。默克也将其潜在应用指向DRAM和逻辑芯片。

钼为何在这个时候受到关注?

在3D NAND中,存储单元通过垂直堆叠来提高存储密度。层数增加之后,字线等结构需要在更狭窄的空间内完成制造,金属材料不仅要具备良好的导电性能,还必须适应复杂结构中的沉积要求。

过去,钨是这类结构中的重要材料。但随着尺寸缩小,金属薄膜的有效电阻会受到尺寸效应影响,电子散射带来的影响也越来越明显。对于高层数NAND而言,字线电阻上升会影响信号传输,因此,如何在更小的结构中维持较低电阻,成为材料选择需要解决的问题。

钼的优势在于,在某些微细结构中,它有望实现比钨更低的有效电阻。与此同时,钼在特定工艺中还具有减少阻挡层需求的潜力。传统钨互连通常需要额外的衬层或阻挡层,而这些材料会占据有限的结构空间。如果能够减少这部分占用,就有机会为导电金属留出更多空间。

这也是钼受到关注的原因之一。不过,材料的块体电阻率并不能直接决定其在纳米尺度下的表现,最终效果仍取决于薄膜厚度、沉积方式、结构尺寸以及具体工艺条件。

目前,这一变化已经在3D NAND中有所体现。报道显示,三星电子已于2024年在200层级NAND中开始采用钼,SK海力士也在300层级NAND中将部分字线材料替换为钼。钼由此不再只是材料研发中的一个选项,而是开始进入实际制造流程。

难点不止是导电性能

默克此次建设的生产设施,生产的并不是直接加工成芯片字线的金属钼,而是用于薄膜沉积的前驱体。

在化学气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)工艺中,前驱体提供形成目标薄膜所需的材料。经过相应的化学反应,金属薄膜才能沉积到晶圆表面。对于高深宽比结构,如何让薄膜在狭窄、深邃的空间中形成连续且均匀的覆盖,是制造过程中的重要挑战。

ALD通过交替进行表面反应来控制薄膜生长,适用于对厚度和覆盖能力要求较高的结构。但采用ALD并不意味着所有材料都能轻易实现量产,前驱体的化学性质、反应条件和薄膜质量仍然需要经过优化。

钼前驱体还有一个特殊之处:默克此次生产的MoO₂Cl₂在室温下为固态,必须通过加热使其升华,再以气态形式输送至沉积设备。这使得材料输送系统成为工艺链条中不可忽视的一环。

如果输送过程中温度或压力控制不稳定,材料供应就可能受到影响,进而影响沉积过程的稳定性。因此,钼的产业化不只是找到合适的化学材料,还需要配套的容器、加热、输送和工艺控制系统。

默克将钼前驱体与其安山工厂生产的CHEMKEEPER Vapor 200供应系统结合,正是围绕这一问题展开。公司表示,该方案的材料利用率可超过99%。这类系统的价值,在于让材料能够更稳定地进入制造流程,并尽可能减少材料浪费。

从这个角度看,先进半导体材料的竞争,早已不只是比较材料本身的电学性能。前驱体能否稳定供应、薄膜能否满足结构要求,以及工艺能否在量产中保持一致,都会影响新材料最终能否被采用。

仍要跨过工艺门槛

钼的应用前景并不局限于NAND。默克方面表示,随着器件结构进一步缩小,其应用有望扩展至DRAM和逻辑芯片。

但这并不意味着钼可以直接替代所有芯片中的钨或铜。不同器件的结构、材料组合和制造流程存在差异,一种材料在NAND字线中表现出优势,并不能证明它在DRAM或逻辑芯片的所有互连结构中都同样适用。

尤其是在先进逻辑芯片中,金属互连尺寸不断缩小,材料的有效电阻、薄膜连续性以及与周围材料的兼容性都需要综合考虑。钼能否在特定结构中带来实际收益,还需要通过工艺开发和客户验证来判断。

DRAM同样如此。其制造结构与3D NAND并不相同,钼若要进入相关工艺,需要找到明确的应用位置,并证明相较现有方案具有足够的技术价值。应用扩展的速度,也会受到前驱体开发和沉积工艺成熟度的影响。

因此,默克在韩国布局钼前驱体,值得关注的并非单纯增加了多少产能,而是产业链正在为这种新材料建立从化学品生产、材料输送到晶圆沉积的完整条件。对于一种仍在拓展应用范围的材料而言,这些基础能力将影响它能否从部分NAND工艺进一步走向更多芯片类型。

随着先进存储器持续增加堆叠层数、逻辑芯片继续推进微缩,半导体制造对材料的要求还会发生变化。钼能否成为更广泛使用的互连材料,最终仍要由具体工艺中的性能、可靠性和量产结果决定。但从默克此次布局可以看到,围绕下一代金属材料展开的竞争,已经不再停留在实验室层面,而是开始深入前驱体供应和制造工艺的每一个环节。

(来源:综合自theelec)

*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。

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