導線：元器件與元器件之間的電線

生成接觸孔后，下一步就是連接導線。在半導體制程中，連接導線的過程與一般電線的生產過程非常相似，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。但在半導體制程中，需要先“制作電線”。

▲ 圖5：反應性離子刻蝕（RIE）與鑲嵌（Damascene）工藝的比較（摘自:（株）圖書出版HANOL出版社[半導體制造技術的理解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，金屬與電介質層的沉積順序要反過來：即先沉積電介質層，再通過光刻工藝刻蝕電介質層，接著形成銅籽晶層（Seed Layer），在電介質層之間加入銅，最后去除殘余銅。 有些讀者可能會好奇：只是調換了沉積順序，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不需要電鍍過程）等工藝。

日后，為攻克鋁配線帶來的技術難題，除用銅（Cu）來做線材外，我們還需要研發出更多新的工藝。其實，早在100年前，人類就知道銅的導電性要優于鋁。那么，當時為什么沒有把銅用作配線材料？因為，從半導體制造商的角度來看，要以更低廉的成本令導線用于更多的晶體管，半導體制造工藝也需要同步發展，而當時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。在半導體元器件中，頻繁交流龐大數據的元器件之間當然要近一些，反之則可以遠些。排列較遠的元器件之間，可以通過上層較厚的金屬布線來進行連接。

不難看出，位于上層的較厚金屬導線無需高難度技術做支撐。半導體制造商在過去制作的有一定厚度的鋁導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，只要沿用以往的工藝即可。這也是半導體制造商節省投資并縮短工藝學習時間的一個有效方法。

技術的組合

上述技術并非各自獨立存在，而是根據各半導體制造商的不同目的，形成各種不同組合，從而生產出廠商希望制造的多種半導體。例如，與SK海力士等芯片制造商不同，臺積電（TSMC）、英特爾等邏輯半導體5制造商對晶體管的電流控制能力要求比較高。為此，邏輯半導體制造商采用了FinFET等三維晶體管，實現了三維結構的電流，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邏輯半導體（logic semiconductors）：CPU、GPU等通過處理數字數據來運行電子設備的半導體

▲ 圖6：在邏輯半導體的FinFET生成接觸孔，要遠比在DRAM的平面晶體管生成接觸孔難。

導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，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難關。英特爾將此稱為“強化銅（Enhanced Cu）”。 6電遷移（EM，Electromigration）：指在金屬導線上施加電流時，移動的電荷撞擊金屬原子，使其發生遷移的現象。 隨著半導體的日益微細化，這種新的挑戰將不斷出現。對英特爾等CPU制造商來說，元器件的高速運行至關重要。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難關。而像SK海力士等芯片制造商，雖然不存在電路運行速率上的問題，但卻在堆疊電容維持電荷容量上遇到了難題。微細化給處于不同制造環境的制造商提出的技術難題各有不同。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。

結論

半導體制程可以說是一個“集腋成裘”的過程。一張晶圓需經數百道工藝、數萬人聯手才能完成。盡管每一名作業人員對最終成品的貢獻可能都不及1%，但任何一道工藝出現任何差錯，都會影響半導體的整體運行。半導體制程中，每一名工作人員的工作都不是孤立的。我們要銘記：半導體制程的所有工藝都有機地交融在一起，牽一發而動全身。

另外，我也希望讀者們能通過這半導體前段工藝的這六篇文章認識到“理解工藝技術”的重要性。其中，理解技術彼此之間的關系尤為重要。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行加熱處理和刻蝕；充分刻蝕后，如果在后續的沉積工藝中，材料的溝槽填充能力不佳，會對整個產品產生影響；繪制微細圖形時，如果***光刻不充分，就要多重曝光7，即使用掩模多次重復沉積和刻蝕。 7多重曝光（Multi Patterning）: 通過重復的曝光和刻蝕工藝，追求更高圖形密度和更小工藝節點的技術。

可見，半導體產業不僅是尖端產業，更是需要“可信度”的產業。從業人員需要有較高的溝通和創新能力以及正直的從業態度。在成功研發出新的微細工藝，出現各種技術難關后，要本著正直的態度，將這些新的技術難題與業界分享，然后再聯合起來發揮創新能力，一同將難題攻克。半導體技術的發展是不斷出現問題、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典型的案例。

▲圖7：用光刻膠解決***帶來的新問題

審核編輯：劉清