终结“铜“时代，“钴”续命摩尔定律

英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）曾经提出：“当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。”这就是传说中的摩尔定律。

英特尔创始人戈登·摩尔

1998年时，台积电董事长张忠谋曾表示，摩尔定律在过去30年相当有效，未来10到15年应依然适用。不过到了2018年，这个定律似乎有了失效的苗头，晶体管数量密度预计只会每三年翻一番。

事实上，半导体行业作为目前第三次科技革命的核心在这几年有不少关键转折点出现，但多半是在晶体管架构、设备技术上，如3D立体式鳍式晶体管FinFET接棒2D平面晶体管架构、3D NAND架构取代传统的2D NAND技术，这种立体式架构的革新让半导体制程顺利走入14/16纳米等高端技术。

终于，中国也能买光刻机了

而荷兰ASML的EUV光刻机即将在7纳米工艺技术上实现量产，这都将成为半导体行业重新走回“摩尔定律”快车道的指标。而除了技术上的进化话，材料上的革命也已经纳入议程。

随着半导体制程朝10纳米以下发展，原本以“铜”作为导线材料开始暴露导电速率不足等缺点，让制程工艺技术在10纳米、7纳米节点上遇到瓶颈，因此半导体大厂和设备大厂纷纷投入新材料研发，突破半导体制程技术的限制。

美国公司应用材料（Applied Materials, Inc）最早提出用“钴”代替铜作为导线材料。应用材料公司表示，钴的导电性能更强、功耗更低，芯片体积更小。随着技术的发展，钴为导线材料是芯片制程往5纳米、3纳米进化的一个关键。

钴矿石

应用材料解释，不像是晶体管的体积越小，效能会越高，在金属镀层的接点和导线上，反而是体积越小，效能越差，如果把导线比喻成吸管，吸管越小是越容易阻塞。因此，导线材料的选择上有三个关键参考点，分别是填满能力、抗阻力、可靠度。“钴”在填满能力、抗阻力、可靠度三方面是异军突起，尤其在半导体10/7纳米以下的高端技术，“钴”的表现明显更好。

应用材料公司早在2013年就投入“钴”材料的开发，并且已经导入客户进行商业化的开发。虽然这家公司没有公开客户资料，不过眼下有成熟7纳米和10纳米技术的半导体大厂，当属台积电、三星和英特尔。其中，英特尔在IEEE国际电子元件会议（IEDM）上已经透露正在“钴”材料。

英特尔已经在IEEE上透露，将在10纳米工艺节点的部分互连层上，导入钴材料的计划细节，在10纳米节点互连的最底部两个层导入钴材料，可以达到5～10倍的电子迁移率改善，并且降低两倍的通路电阻，这是第一家公开承认会使用钴材料的半导体大厂。

在半导体领域里，上一波的材料革新是15~20年前的0.13微米关键制程。在0.13微米以前，是使用铝作为导线材料，但IBM率先导入铜制程，让金属导线的电阻率降低，且讯号传输速度和功耗成长，在半导体史上是划时代的一页。

在“铜代铝”20年后，英特尔又率先举起了“钴代铜”的大旗，钴材料从10纳米为起始点，将在5纳米、3纳米中扮演主流角色，引领未来10年的半导体产业时代。

对于目前正在奋起直追的中国半导体行业来说，“钴代铜”的材料革命则是一个在技术之外的机会，如何通过提前布局钴材料赢得半导体行业弯道超车的机会，值得所有半导体材料人好好思考。

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