文章來源：半導體與物理

原文作者：易哲鎧

本文介紹了芯片制造中的互連工藝。

半導體是一種介于導體和絕緣體之間的導電性，半導體通過參雜可以使得能夠精確地控制電流的流動。通過基于晶圓的光刻、刻蝕和沉積工藝，我們可以構建出各種元件，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。

金屬因其良好的導電性而被廣泛應用于電路互連。在選擇用于半導體的金屬時，我們需要考慮幾個關鍵條件。首先，金屬應具有低電阻率，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穩定性，即能夠保持其物理和化學特性。此外，隨著集成電路技術的發展，即使是少量金屬互連材料也必須具備足夠的可靠性。最后，制造成本也是一個重要的考慮因素，即使滿足前面三個條件，如果材料成本過高，則無法滿足批量生產的需求。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，然后進行光刻膠的應用、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，最后進行氧化處理。這些步驟會不斷重復，包括光刻、刻蝕和沉積，直至完成互連。鋁具有出色的導電性能，容易進行光刻、刻蝕和沉積，并且成本相對較低。然而，鋁的缺點是容易腐蝕且熔點較低。為了避免鋁與硅之間的反應導致連接問題，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。晶圓進入真空腔后，鋁顆粒形成的薄膜會附著在晶圓上，這個過程被稱為"氣相沉積 (VD)"，其中包括化學氣相沉積和物理氣相沉積。

然而，隨著半導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，能夠實現更快的器件連接速度。此外，銅的可靠性也更高，因為它相對于鋁來說更能抵抗電遷移，即電流通過金屬時產生的金屬離子運動。

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，銅原子會不斷擴散到電介質中，降低其絕緣性，并形成一個阻擋層，阻止銅原子進一步擴散。隨后，在阻擋層上形成一個非常薄的銅種子層。接下來，進行電鍍過程，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機械拋光 (CMP) 方法去除。最后，進行氧化膜的沉積，并利用光刻和刻蝕工藝去除多余的膜層。整個過程需要不斷重復，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，我們可以看出最大的區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機械拋光的方法來去除多余的銅。這些互連工藝的發展和應用使得電子設備的性能和功能得到了極大的提升。