文章來源：半導(dǎo)體與物理

原文作者：易哲鎧

本文介紹了芯片制造中的互連工藝。

半導(dǎo)體是一種介于導(dǎo)體和絕緣體之間的導(dǎo)電性，半導(dǎo)體通過參雜可以使得能夠精確地控制電流的流動(dòng)。通過基于晶圓的光刻、刻蝕和沉積工藝，我們可以構(gòu)建出各種元件，如晶體管。然而，僅有元件還不足以完成電路，我們還需要將它們連接起來。

金屬因其良好的導(dǎo)電性而被廣泛應(yīng)用于電路互連。在選擇用于半導(dǎo)體的金屬時(shí)，我們需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵條件。首先，金屬應(yīng)具有低電阻率，以便有效傳遞電流。其次，金屬在互連過程中需要具備熱化學(xué)穩(wěn)定性，即能夠保持其物理和化學(xué)特性。此外，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，即使是少量金屬互連材料也必須具備足夠的可靠性。最后，制造成本也是一個(gè)重要的考慮因素，即使?jié)M足前面三個(gè)條件，如果材料成本過高，則無法滿足批量生產(chǎn)的需求。目前，互連工藝主要使用鋁和銅這兩種金屬。

鋁互連工藝是一種常用的方法。該工藝以鋁的沉積為起點(diǎn)，然后進(jìn)行光刻膠的應(yīng)用、曝光和顯影，隨后通過刻蝕有選擇地去除多余的鋁和光刻膠，最后進(jìn)行氧化處理。這些步驟會(huì)不斷重復(fù)，包括光刻、刻蝕和沉積，直至完成互連。鋁具有出色的導(dǎo)電性能，容易進(jìn)行光刻、刻蝕和沉積，并且成本相對較低。然而，鋁的缺點(diǎn)是容易腐蝕且熔點(diǎn)較低。為了避免鋁與硅之間的反應(yīng)導(dǎo)致連接問題，我們還需要添加一層金屬沉積物，將鋁與晶圓隔離，這種沉積物被稱為"阻擋金屬"。

在鋁互連工藝中，鋁電路是通過沉積形成的。晶圓進(jìn)入真空腔后，鋁顆粒形成的薄膜會(huì)附著在晶圓上，這個(gè)過程被稱為"氣相沉積 (VD)"，其中包括化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積。

然而，隨著半導(dǎo)體工藝的精密化和器件尺寸的不斷縮小，鋁電路的連接速度和電氣特性逐漸無法滿足需求。因此，我們需要尋找一種新的導(dǎo)體材料，既能滿足尺寸要求，又能控制成本。銅作為替代鋁的候選材料，具有較低的電阻，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的器件連接速度。此外，銅的可靠性也更高，因?yàn)樗鄬τ阡X來說更能抵抗電遷移，即電流通過金屬時(shí)產(chǎn)生的金屬離子運(yùn)動(dòng)。

然而，銅不容易形成化合物，因此在晶圓表面氣化和去除銅變得更加困難。為解決這個(gè)問題，我們采取了不同的方法。與鋁互連工藝不同的是，銅互連工藝中不再使用刻蝕來去除多余的銅，而是通過沉積和刻蝕介電材料的方式，在需要的位置形成由溝道和通路孔組成的金屬線路圖案，然后將銅填入這些圖案中，這一過程被稱為"鑲嵌工藝"。

在銅互連工藝中，銅原子會(huì)不斷擴(kuò)散到電介質(zhì)中，降低其絕緣性，并形成一個(gè)阻擋層，阻止銅原子進(jìn)一步擴(kuò)散。隨后，在阻擋層上形成一個(gè)非常薄的銅種子層。接下來，進(jìn)行電鍍過程，即使用銅填充高深寬比的圖案。填充完成后，多余的銅可以通過金屬化學(xué)機(jī)械拋光 (CMP) 方法去除。最后，進(jìn)行氧化膜的沉積，并利用光刻和刻蝕工藝去除多余的膜層。整個(gè)過程需要不斷重復(fù)，直到完成銅互連。

通過對比鋁互連和銅互連工藝的步驟和特點(diǎn)，我們可以看出最大的區(qū)別在于多余的銅的處理方式。鋁互連中使用刻蝕去除多余的鋁，而銅互連中則采用了金屬化學(xué)機(jī)械拋光的方法來去除多余的銅。這些互連工藝的發(fā)展和應(yīng)用使得電子設(shè)備的性能和功能得到了極大的提升。