半導(dǎo)體前端工藝：第六篇（完結(jié)篇）：金屬布線 —— 為半導(dǎo)體注入生命的連接

在前幾篇文章中，我們?cè)敿?xì)講解了氧化、光刻、刻蝕、沉積等工藝。經(jīng)過上述工藝，晶圓表面會(huì)形成各種半導(dǎo)體元件。SK海力士等半導(dǎo)體制造商會(huì)讓晶圓表面布滿晶體管和電容（Capacitor）1；而代工廠或CPU制造商則會(huì)讓晶圓底部排列鰭式場(chǎng)效電晶體（FinFET）2等三維晶體管。

1電容（Capacitor）：蓄電池等儲(chǔ)存電荷（電能）的設(shè)備，用于各種電子產(chǎn)品。在本文中，電容指半導(dǎo)體數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備。
2鰭式場(chǎng)效電晶體（FinFET，F(xiàn)in Field-Effect Transistor）：三維MOSFET的一種，因電晶體形狀與魚鰭相似而得名。

圖1: 電子元器件區(qū)域與金屬布線區(qū)域（摘自：Cepheiden，查看原文）

單獨(dú)的元器件若不經(jīng)連接，則起不了任何作用。如果不把電子線路板上的元器件焊接起來，它們就無法工作。同樣地，晶圓上的晶體管若沒有相互連接起來，也起不了任何作用。只有把晶體管與外部電源連接起來，它們才能各司其職，正常執(zhí)行把已處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱粋€(gè)環(huán)節(jié)等各種工作。可見，晶圓上的元器件與電源以及其他元器件之間的連接是必要的。更何況，半導(dǎo)體本身就是一個(gè)“集成電路”，各個(gè)元器件之間需要通過電能來“交流”信息。根據(jù)半導(dǎo)體電路圖連接電路的過程，就是本篇要講的“金屬布線”工藝。

相同的元器件，用不同的方式連接，也能形成不同的半導(dǎo)體（CPU、GPU等）?？梢哉f，金屬布線是賦予半導(dǎo)體工藝“目的”的一個(gè)過程。

圖2：以金屬布線（黃色部分）連接電子元器件層（紅色部分）（圖中省略了部分結(jié)構(gòu)）（摘自：查看原文）

本篇要講的金屬布線工藝，與前面提到的光刻、刻蝕、沉積等獨(dú)立的工藝不同。在半導(dǎo)體制程中，光刻、刻蝕等工藝，其實(shí)是為了金屬布線才進(jìn)行的。在金屬布線過程中，會(huì)采用很多與之前的電子元器件層性質(zhì)不同的配線材料（金屬）。

換言之，不像刻蝕工藝有專門的“刻蝕設(shè)備”，金屬布線環(huán)節(jié)沒有其專門的“設(shè)備”，而是要綜合使用各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的設(shè)備：如移除殘余材料時(shí)，使用刻蝕設(shè)備；添加新材料時(shí)，使用沉積設(shè)備；每道工藝之間，則通過光刻設(shè)備進(jìn)行光刻。

導(dǎo)線與元器件的連接：接觸孔
連接電子線路板時(shí)，要先用電線連接電子線路板上的各個(gè)電子元器件后，再進(jìn)行焊接。但半導(dǎo)體制程需要從下往上一層一層堆疊。因此，要先做好元器件層后，在其上層生成接觸孔（Contact，連接元器件與導(dǎo)線），然后再進(jìn)行金屬布線。

圖3：生成接觸孔時(shí)，鎢（W）的作用與金屬阻擋層的作用（摘自：Cepheiden，查看原文）

或許有些讀者會(huì)好奇：為什么不跳過“接觸孔”，直接把金屬與元器件連接起來？這還要從半導(dǎo)體的微細(xì)化說起。在上一篇中，我們提到了衡量溝槽填充程度的溝槽填充（Gap fill）能力。若使用鋁等配線材料，一旦穿孔稍深一些，就算“沉積”得再好，也無法把溝槽完全填充好，從而容易生產(chǎn)出一些中間有空隙的不良導(dǎo)線。也就是說，如果想實(shí)現(xiàn)較深的金屬布線（即元器件層與金屬布線層的距離較遠(yuǎn)時(shí)），就需要用鎢（W）等溝槽填充能力優(yōu)秀的配線材料進(jìn)行沉積，提前把溝槽填充好?；蛘?，生成接觸孔后再進(jìn)行高溫處理。如果采用鋁等熔點(diǎn)較低的配線材料，需要先用鎢形成接合面后，再連接鋁導(dǎo)線。

在尺度只有頭發(fā)直徑數(shù)千分之一的微觀世界里，很多問題是我們難以想象的。為解決這些問題，我們必須比較各種對(duì)策，不斷尋找最優(yōu)的方案。前邊提到的鎢配線似乎只有優(yōu)點(diǎn)，其實(shí)不然。作為半導(dǎo)體配線材料，鎢遠(yuǎn)不如銅或鋁。鎢的電阻大，如果用它來充當(dāng)所有配線材料，將大幅提高半導(dǎo)體的功耗。

金屬阻擋層：減少金屬與金屬之間的電阻
元器件與接觸孔之間需要能起到阻擋作用的金屬層（金屬或金屬化合物）——金屬阻擋層（Barrier metal）。連接不同性質(zhì)的物質(zhì)時(shí)，接合面的電阻3會(huì)變大，令半導(dǎo)體的功耗大幅提高。因此，在半導(dǎo)體制程中，有效連接金屬與非金屬材料的難度相當(dāng)大。形成金屬阻擋層的目的，便是實(shí)現(xiàn)非金屬材料與金屬材料間的“自然”過渡。要形成金屬阻擋層，我們要先在硅表面涂敷鈦（Ti）或鈷（Co）等材料，使其與硅發(fā)生反應(yīng)生成硅化物接觸結(jié)構(gòu)（Contact Silicide）。這一過程被稱為硅化工藝（Silicidation） 。

3從物理學(xué)講，由于金屬與硅的導(dǎo)帶（Conduction band）4 間存在能量間隙，所以會(huì)產(chǎn)生電阻。
4導(dǎo)帶（Conduction Band）：在固體能帶結(jié)構(gòu)內(nèi)，以能級(jí)分裂的兩個(gè)帶中，用高帶促進(jìn)固體導(dǎo)電。

此外，金屬阻擋層還可以在各工藝中保護(hù)元器件不受損。例如，鋁與硅（Si，晶圓的主要成分）相遇時(shí)會(huì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致接合面被破壞。因此，如果想在元器件層的近處排布鋁線，就必須在硅與鋁接合面之間形成鈦化合物等阻擋層，防止接合面被破壞。

圖4：采用鋁材料進(jìn)行金屬布線時(shí)，金屬阻擋層的作用

如果以銅取代鋁作為配線材料，金屬阻擋層的作用就更多了。銅的反應(yīng)能力比鋁還強(qiáng)，可以與比硅更穩(wěn)定的二氧化硅（SiO2）發(fā)生反應(yīng)。如果銅擴(kuò)散到二氧化硅里，銅粒子就會(huì)滲入到氧化膜中，造成漏電現(xiàn)象。為防止這種情況的發(fā)生，要用鉭（Ta）在銅與元器件層接合面形成阻擋層。

導(dǎo)線：元器件與元器件之間的電線
生成接觸孔后，下一步就是連接導(dǎo)線。在半導(dǎo)體制程中，連接導(dǎo)線的過程與一般電線的生產(chǎn)過程非常相似，即先制作線的外皮。在一般的電路連接中，直接采用成品電線即可。但在半導(dǎo)體制程中，需要先“制作電線”。

圖5：反應(yīng)性離子刻蝕（RIE）與鑲嵌（Damascene）工藝的比較（摘自:（株）圖書出版HANOL出版社[半導(dǎo)體制造技術(shù)的理解293p]）

電線的制作過程因配線材料而異。如果沉積鋁配線，可采用在前幾篇文章講述過的刻蝕和沉積工藝制作：先在整張晶圓表面涂敷金屬膜，再在涂敷光刻膠后進(jìn)行曝光，然后移除殘余的鋁材料，最后在鋁周圍添加各種絕緣材料。

然而，采用銅作為配線材料時(shí)，金屬與電介質(zhì)層的沉積順序要反過來：即先沉積電介質(zhì)層，再通過光刻工藝刻蝕電介質(zhì)層，接著形成銅籽晶層（Seed Layer），在電介質(zhì)層之間加入銅，最后去除殘余銅。

有些讀者可能會(huì)好奇：只是調(diào)換了沉積順序，為什么這么重要？如前所述，采用銅布線，就必須涂敷銅籽晶層，為此又新加入了沉積和電鍍（Electroplating，以鋁作為配線材料時(shí)不需要電鍍過程）等工藝。日后，為攻克鋁配線帶來的技術(shù)難題，除用銅（Cu）來做線材外，我們還需要研發(fā)出更多新的工藝。其實(shí)，早在100年前，人類就知道銅的導(dǎo)電性要優(yōu)于鋁。那么，當(dāng)時(shí)為什么沒有把銅用作配線材料？因?yàn)?，從半?dǎo)體制造商的角度來看，要以更低廉的成本令導(dǎo)線用于更多的晶體管，半導(dǎo)體制造工藝也需要同步發(fā)展，而當(dāng)時(shí)的工藝并無法解決銅配材帶來的新問題。

金屬布線越往上越厚。在半導(dǎo)體元器件中，頻繁交流龐大數(shù)據(jù)的元器件之間當(dāng)然要近一些，反之則可以遠(yuǎn)些。排列較遠(yuǎn)的元器件之間，可以通過上層較厚的金屬布線來進(jìn)行連接。

不難看出，位于上層的較厚金屬導(dǎo)線無需高難度技術(shù)做支撐。半導(dǎo)體制造商在過去制作的有一定厚度的鋁導(dǎo)線到如今也可以直接放到上層。也就是說，上層布線無需采用尖端技術(shù)，只要沿用以往的工藝即可。這也是半導(dǎo)體制造商節(jié)省投資并縮短工藝學(xué)習(xí)時(shí)間的一個(gè)有效方法。

技術(shù)的組合
上述技術(shù)并非各自獨(dú)立存在，而是根據(jù)各半導(dǎo)體制造商的不同目的，形成各種不同組合，從而生產(chǎn)出廠商希望制造的多種半導(dǎo)體。例如，與SK海力士等芯片制造商不同，臺(tái)積電（TSMC）、英特爾等邏輯半導(dǎo)體5制造商對(duì)晶體管的電流控制能力要求比較高。為此，邏輯半導(dǎo)體制造商采用了FinFET等三維晶體管，實(shí)現(xiàn)了三維結(jié)構(gòu)的電流，以增加電流通道的面積。在三維晶體管上生成接觸孔，當(dāng)然要比在DRAM等平面晶體管上難度更大。圖6形象地揭示了這兩種情況，左圖是在平面電流通道生成接觸孔，較容易；右圖是在三維晶體管上生成接觸孔，較難。

5邏輯半導(dǎo)體（logic semiconductors）：CPU、GPU等通過處理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來運(yùn)行電子設(shè)備的半導(dǎo)體

圖6：在邏輯半導(dǎo)體的FinFET生成接觸孔，要遠(yuǎn)比在DRAM的平面晶體管生成接觸孔難。

導(dǎo)線的金屬阻擋層也一樣，英特爾在其7納米工藝中，為解決銅的電遷移6現(xiàn)象，試圖用鈷配線代替銅，卻兜了好幾年的圈子。2022年，英特爾在4納米工藝中又重新回到原點(diǎn)，采用銅配線，試圖通過用鉭（Ta）和鈷金屬層包裹銅線來攻克技術(shù)難關(guān)。英特爾將此稱為“強(qiáng)化銅（Enhanced Cu）”。

6電遷移（EM，Electromigration）：指在金屬導(dǎo)線上施加電流時(shí)，移動(dòng)的電荷撞擊金屬原子，使其發(fā)生遷移的現(xiàn)象。

隨著半導(dǎo)體的日益微細(xì)化，這種新的挑戰(zhàn)將不斷出現(xiàn)。對(duì)英特爾等CPU制造商來說，元器件的高速運(yùn)行至關(guān)重要。正是由于CPU制造商非常重視元器件的速率，連抗電遷移性能出色的銅配線也遇到了瓶頸。英特爾的幾番周折正是為了解決銅配線帶來的技術(shù)難關(guān)。而像SK海力士等芯片制造商，雖然不存在電路運(yùn)行速率上的問題，但卻在堆疊電容維持電荷容量上遇到了難題。微細(xì)化給處于不同制造環(huán)境的制造商提出的技術(shù)難題各有不同。但可以肯定的是，SK海力士在金屬布線上的難題也終將出現(xiàn)。

結(jié)論：“理解”先于“死記硬背”，“多人”先于“個(gè)人”
我們一起閱讀了六篇文章，說長也長，說短也短。區(qū)區(qū)六篇文章，或許連半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的1%都無法囊括。盡管如此，筆者仍然義無反顧地寫下這六篇文章，希望能向未來將引領(lǐng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的棟梁們傳達(dá)幾點(diǎn)核心信息。

半導(dǎo)體制程可以說是一個(gè)“集腋成裘”的過程。一張晶圓需經(jīng)數(shù)百道工藝、數(shù)萬人聯(lián)手才能完成。盡管每一名作業(yè)人員對(duì)最終成品的貢獻(xiàn)可能都不及1%，但任何一道工藝出現(xiàn)任何差錯(cuò)，都會(huì)影響半導(dǎo)體的整體運(yùn)行。半導(dǎo)體制程中，每一名工作人員的工作都不是孤立的。我們要銘記：半導(dǎo)體制程的所有工藝都有機(jī)地交融在一起，牽一發(fā)而動(dòng)全身。

另外，我也希望讀者們能通過這六篇文章認(rèn)識(shí)到“理解工藝技術(shù)”的重要性。其中，理解技術(shù)彼此之間的關(guān)系尤為重要。比如，在沉積工藝中，我們要考慮到新添加的材料是否適合進(jìn)行加熱處理和刻蝕；充分刻蝕后，如果在后續(xù)的沉積工藝中，材料的溝槽填充能力不佳，會(huì)對(duì)整個(gè)產(chǎn)品產(chǎn)生影響；繪制微細(xì)圖形時(shí)，如果***光刻不充分，就要多重曝光7，即使用掩模多次重復(fù)沉積和刻蝕。

7多重曝光（Multi Patterning）: 通過重復(fù)的曝光和刻蝕工藝，追求更高圖形密度和更小工藝節(jié)點(diǎn)的技術(shù)。

可見，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不僅是尖端產(chǎn)業(yè)，更是需要“可信度”的產(chǎn)業(yè)。從業(yè)人員需要有較高的溝通和創(chuàng)新能力以及正直的從業(yè)態(tài)度。在成功研發(fā)出新的微細(xì)工藝，出現(xiàn)各種技術(shù)難關(guān)后，要本著正直的態(tài)度，將這些新的技術(shù)難題與業(yè)界分享，然后再聯(lián)合起來發(fā)揮創(chuàng)新能力，一同將難題攻克。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展是不斷出現(xiàn)問題、不斷解決問題的過程。光刻工藝中，以光刻膠解決浸沒式***帶來的新問題就是一個(gè)典型的案例。

圖7：用光刻膠解決***帶來的新問題

希望讀者們能通過本系列文章對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的性質(zhì)有所了解，并通過對(duì)技術(shù)的不斷深耕成就自己的職業(yè)生涯，與各相關(guān)部門聯(lián)手，制造出全球最有競(jìng)爭(zhēng)力的半導(dǎo)體產(chǎn)品。

目前，半導(dǎo)體技術(shù)在微細(xì)化過程中再一次遇到瓶頸。越往后，半導(dǎo)體制造越要傾聽半導(dǎo)體用戶的聲音，通過溝通實(shí)現(xiàn)技術(shù)研發(fā)的能力也將變得越發(fā)重要。

來源：SK海力士

審核編輯 黃宇