在前几篇文章中@@，我们详细讲解了氧化@@、光刻@@、刻蚀@@、沉积@@等@@工艺@@@@@@。经过上述工艺@@@@，晶圆表面会形成各种半导体@@@@188足彩外围@@app 。SK海力士@@等@@半导体@@制造商会让晶圆表面布满晶体管和电容@@@@（Capacitor）1；而代工厂或@@@@CPU制造商则会让晶圆底部排列鳍式场效电晶体@@@@（FinFET）2等@@三维@@晶体管@@。
1电容@@（Capacitor）：蓄电池等@@储存电荷@@（电能@@）的设备@@@@@@，用于各种电子@@产品@@。在本文中@@，电容@@指半导体@@数据的存储设备@@@@@@。
2鳍式场效电晶体@@（FinFET，Fin Field-Effect Transistor）：三维@@MOSFET的一种@@，因电晶体形状与@@鱼鳍相似而得名@@。
图@@1: 电子@@元器件区域与@@金属@@布线@@区域@@（摘自@@：Cepheiden，查看原文@@）
单独的元器件若不经连接@@，则起不了任何作用@@。如果不把电子@@线路板上的元器件焊接起来@@，它们就无法工作@@。同样地@@，晶圆上的晶体管若没有相互连接起来@@，也起不了任何作用@@。只有把晶体管与@@外部电源连接起来@@，它们才能各司其职@@，正常执行把已处理过的数据传输到下一个环节等@@各种工作@@。可见@@，晶圆上的元器件与@@电源以及其他元器件之间的连接是必要的@@。更何况@@，半导体@@本身就是一个@@“集成电路@@”，各个元器件之间需要通过电能@@来@@“交流@@”信息@@。根据半导体@@电路图@@连接电路的过程@@@@，就是本篇要讲的@@“金属@@布线@@”工艺@@。
相同的元器件@@，用不同的方式连接@@，也能形成不同的半导体@@@@（CPU、GPU等@@）。可以说@@，金属@@布线@@是赋予半导体@@工艺@@@@“目的@@”的一个过程@@。
图@@2：以金属@@布线@@@@（黄色部分@@）连接电子@@元器件层@@（红色部分@@）（图@@中省略了部分结构@@）（摘自@@：查看原文@@）
本篇要讲的金属@@布线@@工艺@@@@，与@@前面提到的光刻@@@@、刻蚀@@、沉积@@等@@独立的工艺@@不同@@。在半导体@@制程中@@@@，光刻@@、刻蚀@@等@@工艺@@@@@@，其实@@是为了金属@@布线@@才进行的@@。在金属@@布线@@过程中@@，会采用很多与@@之前的电子@@元器件层性质不同的配线材料@@（金属@@）。
换言之@@，不像刻蚀@@工艺@@有专门的@@“刻蚀@@设备@@@@@@”，金属@@布线@@环节没有其专门的@@“设备@@@@”，而是要综合使用各个工艺@@环节的设备@@@@@@@@：如移除残余材料时@@，使用刻蚀@@设备@@@@@@@@；添加新材料时@@，使用沉积@@设备@@@@@@；每道工艺@@之间@@，则通过光刻@@设备@@@@进行光刻@@@@。
导线@@与@@元器件的连接@@：接触孔@@
连接电子@@线路板时@@，要先用电线连接电子@@线路板上的各个电子@@元器件后@@，再进行焊接@@。但半导体@@制程需要从下往上一层一层堆叠@@。因此@@，要先做好元器件层后@@，在其上层生成接触孔@@@@@@（Contact，连接元器件与@@导线@@@@），然后再进行金属@@布线@@@@。
图@@3：生成接触孔@@@@时@@，钨@@（W）的作用与@@金属@@阻挡层@@的作用@@@@（摘自@@：Cepheiden，查看原文@@）
或@@许有些读者会好奇@@：为什么不跳过@@“接触孔@@”，直接把金属@@与@@元器件连接起来@@？这还要从半导体@@的微细化说起@@。在上一篇中@@，我们提到了衡量沟槽填充程度的沟槽填充@@（Gap fill）能力@@。若使用铝等@@配线材料@@，一旦穿孔稍深一些@@，就算@@“沉积@@”得再好@@，也无法把沟槽完全填充好@@，从而容易生产出一些中间有空隙的不良导线@@@@。也就是说@@，如果想实现较深的金属@@布线@@@@（即元器件层与@@金属@@布线@@层的距离较远时@@），就需要用钨@@@@（W）等@@沟槽填充能力@@优秀的配线材料进行沉积@@@@，提前把沟槽填充好@@。或@@者@@，生成接触孔@@@@后@@再进行高温处理@@。如果采用铝等@@熔点较低的配线材料@@，需要先@@用钨@@形成接合面后@@，再连接铝导线@@@@。
在尺度只有头发直径数千分之一的微观世界里@@，很多问题是我们难以想象的@@。为解决这些问题@@，我们必须比较各种对策@@，不断寻找最优的方案@@。前边提到的钨@@配线似乎只有优点@@，其实@@不然@@。作为半导体@@配线材料@@，钨@@远不如铜或@@铝@@。钨@@的电阻大@@，如果用它来充当所有配线材料@@，将大幅提高@@半导体@@的功耗@@。
金属@@阻挡层@@：减少金属@@与@@金属@@之间的电阻@@
元器件与@@接触孔@@之间需要能起到阻挡作用的金属@@层@@（金属@@或@@金属@@化合物@@）——金属@@阻挡层@@（Barrier metal）。连接不同性质的物质时@@，接合面的电阻@@3会变大@@，令半导体@@的功耗大幅提高@@@@。因此@@，在半导体@@制程中@@@@，有效连接金属@@与@@非金属@@材料的难度相当大@@。形成金属@@阻挡层@@的目的@@@@，便是实现非金属@@材料与@@金属@@材料间的@@“自然@@”过渡@@。要形成金属@@阻挡层@@@@，我们要先在硅表面涂敷钛@@（Ti）或@@钴@@（Co）等@@材料@@，使其与@@硅发生反应@@生成硅化物接触结构@@（Contact Silicide）。这一过程被称为硅化工艺@@@@（Silicidation） 。
3从物理学讲@@，由于金属@@与@@硅的导带@@@@（Conduction band）4 间存在能量间隙@@，所以会产生电阻@@。
4导带@@（Conduction Band）：在固体能带结构内@@，以能级分裂的两个带中@@，用高带促进固体导电@@。
此外@@，金属@@阻挡层@@还可以在各工艺@@中保护元器件不受损@@。例如@@，铝与@@硅@@（Si，晶圆的主要成分@@）相遇时会发生反应@@@@，导致接合面被破坏@@。因此@@，如果想在元器件层的近处排布铝线@@，就必须在硅与@@铝接合面之间形成钛化合物等@@阻挡层@@，防止接合面被破坏@@。
图@@4：采用铝材料进行金属@@布线@@时@@，金属@@阻挡层@@的作用@@
如果以铜取代铝作为配线材料@@，金属@@阻挡层@@的作用@@就更多了@@。铜的反应能力@@比铝还强@@，可以与@@比硅更稳定的二氧化硅@@（SiO2）发生反应@@。如果铜扩散到二氧化硅里@@，铜粒子就会渗入到氧化膜中@@，造成漏电现象@@@@。为防止这种情况的发生@@，要用钽@@（Ta）在铜与@@元器件层接合面形成阻挡层@@。
导线@@：元器件与@@元器件之间的电线@@
生成接触孔@@@@后@@，下一步就是连接导线@@@@。在半导体@@制程中@@@@，连接导线@@的过程@@与@@一般电线的生产过程非常相似@@，即先制作线的外皮@@。在一般的电路连接中@@，直接采用成品电线即可@@。但在半导体@@制程中@@@@@@，需要先@@“制作电线@@”。
图@@5：反应性离子刻蚀@@@@（RIE）与@@镶嵌@@（Damascene）工艺@@的比较@@（摘自@@:（株@@）图@@书出版@@HANOL出版社@@[半导体@@制造技术@@的理解@@@@293p]）
电线的制作过程因配线材料而异@@。如果沉积@@铝配线@@，可采用在前几篇文章讲述过的刻蚀@@和沉积@@工艺@@制作@@：先在整张晶圆表面涂敷金属@@膜@@，再在涂敷光刻@@胶后进行曝光@@，然后移除残余的铝材料@@，最后在铝周围添加各种绝缘材料@@。
然而@@，采用铜作为配线材料时@@，金属@@与@@电介质层的沉积@@顺序要反过来@@：即先沉积@@电介质层@@，再通过光刻@@工艺@@刻蚀@@电介质层@@，接着形成铜籽晶层@@（Seed Layer），在电介质层之间加入铜@@，最后去除残余铜@@。
有些读者可能会好奇@@：只是调换了沉积@@顺序@@，为什么这么重要@@？如前所述@@，采用铜布线@@，就必须涂敷铜籽晶层@@，为此@@又新加入了沉积@@和电镀@@（Electroplating，以铝作为配线材料时不需要电镀过程@@）等@@工艺@@@@。日后@@，为攻克铝配线带来的技术@@难题@@，除用铜@@（Cu）来做线材外@@，我们还需要研发出更多新的工艺@@@@。其实@@，早在@@100年@@前@@，人类就知道铜的导电性要优于铝@@。那么@@，当时为什么没有把铜用作配线材料@@？因为@@，从半导体@@制造商的角度来看@@，要以更低廉的成本令导线@@用于更多的晶体管@@，半导体@@制造工艺@@也需要同步发展@@，而当时的工艺@@并无法解决铜配材带来的新问题@@。
金属@@布线@@越往上越厚@@。在半导体@@元器件中@@，频繁交流@@庞大数据的元器件之间当然要近一些@@，反之则可以远些@@。排列较远的元器件之间@@，可以通过上层较厚的金属@@布线@@来进行连接@@。
不难看出@@，位于上层的较厚金属@@导线@@无需高难度技术@@做支撑@@。半导体@@制造商在过去制作的有一定厚度的铝导线@@到如今也可以直接放到上层@@。也就是说@@，上层布线无需采用尖端技术@@@@，只要沿用以往的工艺@@即可@@。这也是半导体@@制造商节省投资并缩短工艺@@学习时间的一个有效方法@@。
技术@@的组合@@
上述技术@@并非各自独立存在@@，而是根据各半导体@@制造商的不同目的@@@@，形成各种不同组合@@，从而生产出厂商希望制造的多种半导体@@@@。例如@@，与@@SK海力士@@等@@芯片制造商@@不同@@，台积电@@（TSMC）、英特尔等@@逻辑半导体@@@@@@5制造商对晶体管的电流控制能力@@要求比较高@@。为此@@，逻辑半导体@@@@制造商采用了@@FinFET等@@三维@@晶体管@@，实现了三维@@结构的电流@@，以增加电流通道的面积@@。在三维@@晶体管上生成接触孔@@@@@@，当然要比在@@DRAM等@@平面晶体管上难度更大@@。图@@6形象地揭示了这两种情况@@，左图@@是在平面电流通道生成接触孔@@@@@@，较容易@@；右图@@是在三维@@晶体管上生成接触孔@@@@@@@@，较难@@。
5逻辑半导体@@@@（logic semiconductors）：CPU、GPU等@@通过处理数字数据来运行电子@@设备@@@@的半导体@@@@
图@@6：在逻辑半导体@@@@的@@FinFET生成接触孔@@@@，要远比在@@DRAM的平面晶体管生成接触孔@@@@难@@。
导线@@的金属@@阻挡层@@也一样@@，英特尔在@@其@@7纳米工艺@@中@@，为解决铜的电迁移@@@@6现象@@，试图@@用钴配线代替铜@@，却兜了好几年@@的圈子@@。2022年@@，英特尔在@@4纳米工艺@@中@@又重新回到原点@@，采用铜配线@@，试图@@通过用钽@@（Ta）和钴金属@@层包裹铜线来攻克技术@@难关@@。英特尔将此称为@@“强化铜@@（Enhanced Cu）”。
6电迁移@@（EM，Electromigration）：指在金属@@导线@@上施加电流时@@，移动的电荷撞击金属@@原子@@，使其发生迁移的现象@@@@。
随着半导体@@的日益微细化@@，这种新的挑战将不断出现@@。对英特尔等@@@@CPU制造商来说@@，元器件的高速运行至关重要@@。正是由于@@CPU制造商非常重视元器件的速率@@，连抗电迁移@@性能出色的铜配线也遇到了瓶颈@@。英特尔的几番周折正是为了解决铜配线带来的技术@@难关@@。而像@@SK海力士@@等@@芯片制造商@@，虽然不存在电路运行速率上的问题@@，但却在堆叠电容@@维持电荷容量上遇到了难题@@。微细化给处于不同制造环境的制造商提出的技术@@难题各有不同@@。但可以肯定的是@@，SK海力士@@在金属@@布线@@上的难题也终将出现@@。
结论@@：“理解@@”先于@@“死记硬背@@”，“多人@@”先于@@“个人@@”
我们一起阅读了六篇文章@@，说长也长@@，说短也短@@。区区六篇文章@@，或@@许连半导体@@产业的@@1%都无法囊括@@。尽管如此@@，笔者仍然义无反顾地写下这六篇文章@@，希望能向未来将引领半导体@@产业的栋梁们传达几点核心信息@@@@。
半导体@@制程可以说@@是一个@@“集腋成裘@@”的过程@@。一张晶圆需经数百道工艺@@@@、数万人联手才能完成@@。尽管每一名作业人员对最终成品的贡献可能都不及@@1%，但任何一道工艺@@出现任何差错@@，都会影响半导体@@的整体运行@@。半导体@@制程中@@，每一名工作人员的工作都不是孤立的@@。我们要铭记@@：半导体@@制程的所有工艺@@都有机地交融在一起@@，牵一发而动全身@@。
另外@@，我也希望读者们能通过这六篇文章认识到@@“理解@@工艺@@技术@@@@”的重要性@@。其中@@，理解@@技术@@彼此之间的关系尤为重要@@。比如@@，在沉积@@工艺@@中@@，我们要考虑到新添加的材料是否适合进行加热处理和刻蚀@@@@；充分刻蚀@@后@@，如果在后续的沉积@@工艺@@中@@，材料的沟槽填充能力@@不佳@@，会对整个产品产生影响@@；绘制微细图@@形时@@，如果光刻@@机光刻@@不充分@@，就要多重曝光@@@@7，即使用掩模多次重复沉积@@和刻蚀@@@@。
7多重曝光@@（Multi Patterning）: 通过重复的曝光和刻蚀@@工艺@@@@，追求更高图@@形密度和更小工艺@@节点的技术@@@@。
可见@@，半导体@@产业不仅是尖端产业@@，更是需要@@“可信度@@”的产业@@。从业人员需要有较高的沟通和创新能力@@以及正直的从业态度@@。在成功研发出新的微细工艺@@@@，出现各种技术@@难关后@@，要本着正直的态度@@，将这些新的技术@@难题与@@业界分享@@，然后再联合起来发挥创新能力@@@@，一同将难题攻克@@。半导体@@技术@@的发展是不断出现问题@@、不断解决问题的过程@@@@。光刻@@工艺@@中@@，以光刻@@胶解决浸没式光刻@@机带来的新问题就是一个典型的案例@@。
图@@7：用光刻@@胶解决光刻@@机带来的新问题@@
希望读者们能通过本系列文章对半导体@@产业的性质有所了解@@，并通过对技术@@的不断深耕成就自己的职业生涯@@，与@@各相关部门联手@@，制造出全球最有竞争力的半导体@@产品@@。
目前@@，半导体@@技术@@在微细化过程中再一次遇到瓶颈@@。越往后@@，半导体@@制造越要倾听半导体@@用户的声音@@，通过沟通实现技术@@研发的能力@@也将变得越发重要@@。
来源@@：SK海力士@@