半导体前端工艺：金属布线—为半导体注入生命的连接

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

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半导体前段工艺的这六篇文章认识到“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***带来的新问题就是一个典型的案例。

▲图7：用光刻胶解决***带来的新问题

审核编辑：刘清