一些公司正在嘗試使用其他材料來(lái)替代銅連接芯片，如鈷、釕甚至是石墨烯。2017年12月份在舊金山舉辦的IEEE國(guó)際電子設(shè)備大會(huì)(IEDM)上，一些公司似乎已經(jīng)選定鈷作為替代金屬。英特爾公司闡述了將鈷金屬應(yīng)用于10納米芯片最細(xì)連接線的設(shè)想;英特爾和格羅方德公司都詳細(xì)介紹了用鈷代替鎢制成的電接觸材料設(shè)備的性能。

他們現(xiàn)在正努力解決的問題源于基礎(chǔ)物理學(xué)：線路越細(xì)(同時(shí)也越長(zhǎng))，其電阻越大。位于紐約市約克敦海茨IBM沃森研究中心的研究員丹尼爾•埃德爾斯坦(DanielEdelstein)說(shuō)：“對(duì)于電線來(lái)說(shuō)，電阻太大總歸是不好的。”他作為IBM 1997年成功實(shí)現(xiàn)從鋁到銅的技術(shù)轉(zhuǎn)換的總架構(gòu)師之一，很了解銅互聯(lián)。

銅金屬的電阻率比鋁、鎢甚至是鈷都要低。但是銅在更小尺度上很容易受到電遷移的影響。當(dāng)電子加速穿過(guò)超薄線路時(shí)，它們會(huì)將原子驅(qū)趕到金屬中，就像是一位急匆匆的行人將另外一個(gè)人推到人行道外面一樣。

為了保護(hù)銅互連，需要在纖細(xì)的線路中鑲嵌其他材料，如氮化鉭甚至是鈷。應(yīng)用材料經(jīng)理、半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商凱文•莫賴斯(Kevin Moraes)說(shuō)：“銅原子很容易移動(dòng)，需要用1到2納米的阻擋層來(lái)控制它。”

當(dāng)銅互連變小時(shí)，氮化鉭襯里依然保持相對(duì)較厚，因?yàn)閷⒁r里尺寸縮小得比1納米還要薄是十分困難的。當(dāng)銅接線小到一定程度時(shí)，襯里的厚度會(huì)大于接線。“襯里占據(jù)了銅的空間，加大了線路電阻率。”埃德爾斯坦說(shuō)。

莫賴斯說(shuō)，由于銅的局限性，線路問題成為半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的瓶頸。“如果線路問題得不到解決，就無(wú)法從晶體管中獲利。”

相比于銅來(lái)說(shuō)， 鈷的電阻率是其3倍，但電遷移的可能性要小得多。因此，制造商紛紛轉(zhuǎn)而利用鈷作為金屬層材料，構(gòu)成晶體管之間以及晶體管內(nèi)部的短程連接。而在其他芯片的布線層，由于線路更粗且連接距離更遠(yuǎn)，因此還是使用銅更好。

在國(guó)際電子設(shè)備大會(huì)上，英特爾在報(bào)告中指出，在10納米加工技術(shù)的兩層超薄布線層(互聯(lián)最小)中使用鈷互聯(lián)，電遷移減少了1/10至1/5，電阻率是原來(lái)的一半。改善后的互連線路將有助于半導(dǎo)體行業(yè)克服線路問題，進(jìn)一步縮小晶體管尺寸。

英特爾公司是第一個(gè)將芯片中的銅換成鈷的公司。在工藝改進(jìn)過(guò)程中，英特爾公司曾經(jīng)將與晶體管柵極接觸的鎢金屬層替換成鈷金屬層。之前選擇用鎢是因?yàn)殒u有彈性且不會(huì)有電遷移問題。但是鎢的電阻率很高。

格羅方德在2017年12月份的國(guó)際電子設(shè)備大會(huì)中還闡述了在其7納米制作工藝中用鈷代替鎢。應(yīng)用材料公司的莫賴斯說(shuō)，其他客戶也在探索進(jìn)行這一轉(zhuǎn)變。目前，芯片制造商如三星、臺(tái)積電還沒有公開表示使用鈷材料。

半導(dǎo)體咨詢公司VLSIresearch的首席執(zhí)行官丹•哈奇森(Dan Hutcheson)說(shuō)：“最大的問題是在哪里植入新技術(shù)。如果你過(guò)早應(yīng)用，就會(huì)產(chǎn)生很多成本。英特爾愿意為此付出高價(jià)，并且他們有能力調(diào)試新的材料。”

但是哈奇森提到，真正的考驗(yàn)在于產(chǎn)品。“紙上談兵完全可以，而真正的考驗(yàn)在于投入生產(chǎn)并從中贏利。”