本文介紹了集成電路工藝中的金屬。

集成電路工藝中的金屬

概述

在芯片制造領域，金屬化這一關鍵環節指的是在芯片表面覆蓋一層金屬。除了部分起到輔助作用的阻擋層和種子層金屬之外，在集成電路工藝里，金屬主要發揮著三種重要功能：

1.接觸（contact）：這是指在硅芯片的表面，把芯片內部的結構（像是源極、漏極、柵極等）與第一層金屬層連接起來。通常會采用鎢金屬來實現這種接觸。

2.互連（interconnect）：其作用是利用由諸如鋁、銅這類導電材料制成的連線，將電信號傳送到芯片的不同部位。

3.通孔（via）：如今的芯片常常具備不止一層的互連線結構，需要多層金屬連線，以下圖 為例，它采用了 4 層金屬層。在介質層中，從某一金屬層通向相鄰另一金屬層、形成電通路的開口，就被稱作通孔。通孔材料可以選擇鎢或者銅。

4層金屬與3層通孔結構

在集成電路工藝中，常見的金屬以及金屬合金包含鋁、鋁銅合金、銅、硅化物、金屬填充塞、阻擋層金屬。常用金屬與硅、摻雜多晶硅的電阻率和熔點數據呈現在下表中。

常用金屬與硅、摻雜多晶硅的電阻率與熔點

從這些數據里能夠總結出兩個特性：其一，鋁的熔點相對較低，而其他金屬的熔點普遍較高；其二，摻雜多晶硅的電阻率相比硅大幅減小，不過依舊比金屬的電阻率高一些。

鋁

在室溫條件下，鋁的電阻率為 2.65uΩ?cm，處于較低水平，只是比金和銀的電阻率略高一點。然而，金和銀的價格要比鋁昂貴許多，并且它們在氧化膜上的附著效果不佳，同時銀還容易遭受腐蝕，在硅和二氧化硅中的擴散率也比較高。所以，在早期的互連金屬選擇上，人們傾向于使用鋁。鋁作為互連金屬。

具備以下優勢：

電阻率低，導電性能出色：能夠高效地傳輸電信號。

2.化學反應促進粘附：鋁能夠與氧化硅發生化學反應，在加熱的情況下會生成氧化鋁（ALO），這一反應增強了鋁和氧化硅之間的粘附力。

3.易于沉積：可以較為輕松地在硅片上完成沉積操作。

4.易于刻蝕：能夠通過濕法刻蝕進行處理，并且不會對下層薄膜產生影響。

鋁氧化后所生成的氧化鋁，一方面強化了與襯底的粘附，另一方面能夠抵御空氣中潮氣等因素對芯片造成的不良影響，從而起到保護芯片的作用。也正是基于這個原因，盡管現代高端芯片的下層金屬互連不再使用鋁，但它最頂層的互連金屬常常還是選用鋁基的金屬薄膜。不過，在加熱過程中，鋁和硅之間容易引發不良反應，這種反應會促使鋁和硅形成微合金，這個過程被叫做結 “穿通”。如下圖所示，當出現這種情況時，鋁會像尖刺一樣扎入有源區，硅向鋁中擴散，同時在硅片中留下空洞。針對結尖刺的問題，可以通過向鋁中添加少量（大約 1%）的硅來解決，借助在 400℃熱退火工藝下，在鋁、硅界面形成鋁硅合金。此外，預先沉積一層阻擋層（比如氮化鈦）也能夠解決這一問題。

結“穿通”現象

鋁銅合金

鋁作為一種多晶材料，其內部由眾多單晶粒組合而成。當鋁被用于互連時，存在一個不可忽視的弊端，即電遷移現象。從下圖中能夠清晰看到，在大電流密度的環境下，電子與晶粒中的鋁原子頻繁碰撞，這會使得鋁原子逐步發生移動。隨著鋁原子的移動，空洞逐漸產生，進而導致鋁連線不斷變薄，甚至有可能引發斷路故障。就算暫時沒有出現空洞，剩余部分也會因電流分布變化而形成更高的電流密度，如此一來，會進一步加劇電遷移現象的發生，最終還是會導致線路斷開。另外，鋁原子移動到其他區域后，會堆積起來形成小丘。這些小丘可能會造成相鄰的原本不導通的連線之間發生短路。由此可見，鋁的電遷移現象嚴重威脅芯片的可靠性，即便在短時間內芯片能夠正常工作，但隨著時間的推移，大概率還是會出現問題。

鋁的電遷現象

在超大規模集成電路中，問題更為突出。芯片溫度會隨著電流密度的增大而升高，而這兩個因素 —— 較高的溫度和大電流密度，都會使得芯片中的鋁金屬更容易出現電遷移現象。為了解決這一棘手的問題，通常會采用向鋁中摻入少量銅的方法，使用鋁銅合金來作為金屬互連線。當鋁和銅形成合金，并且銅含量保持在 0.5% 左右時，連線中的電遷移現象能夠得到有效的抑制。在這種情況下，銅就如同膠水一般，將鋁內部的各個小晶粒緊密地黏合在一起，從而有效阻止它們隨意移動，保障了芯片互連線路的穩定性和可靠性。

銅

在集成電路工藝持續進步的大背景下，芯片集成度呈現出飛速提升的態勢，金屬互連布線的層數也在不斷增多。在這種發展趨勢下，傳統用作互連金屬的鋁，因其電阻率相對偏高，已經難以滿足日益增長的技術需求，迫切需要一種擁有更低電阻率的金屬來替代它。就在這時，銅以其獨特的優勢進入了人們的視線。將銅作為互連金屬材料，具有以下一系列突出優點：

1.更低的電阻率：在室溫環境下，銅的電阻率僅為 1.678μΩ?cm ，相較于鋁的 2.65μΩ?cm 有了大幅下降。這一特性能夠有效降低 RC 信號的延遲時間，進而顯著提高芯片的運行速度，使得芯片能夠在更短的時間內處理更多的數據。

2.更高的集成度：由于銅的使用允許采用更窄的線寬，這就使得芯片在有限的空間內能夠容納更多的電路元件。舉例來說，原本使用鋁作為互連金屬時，每平方毫米只能容納 1000 個電路元件，而換成銅之后，同樣面積下可以容納 1500 個甚至更多。集成度的提升，不僅可以減少所需的金屬層數，還能優化芯片的整體結構，降低芯片的制造成本。

3.更好的抗電遷移性能：與鋁不同，銅在正常工作條件下幾乎不存在電遷移問題。電遷移是指在大電流密度的作用下，金屬原子會發生移動，從而導致金屬連線變薄甚至斷裂。而銅不存在這個問題，這極大地提高了芯片的可靠性，減少了因電遷移導致的故障風險，延長了芯片的使用壽命。

4.更小的功耗：隨著銅線寬的減小，器件在運行過程中的功耗也隨之降低。這不僅有助于延長芯片的使用壽命，還能提高能源利用效率，符合當前綠色環保的發展理念。例如，在一些移動設備中，采用銅作為互連金屬后，電池的續航時間得到了明顯提升。

5.更少的工藝步驟數：通過采用新穎的銅雙大馬士革工藝（詳細流程將在 7.5 節進行詳細介紹），可以同步完成通孔和互連的制作。這種創新工藝能夠使工藝步驟數減少 20% - 30% ，大大提高了生產效率，降低了生產成本，為大規模生產提供了有力支持。

盡管銅具備諸多優點，但在實際應用過程中，人們還是遇到了一些挑戰：

1.擴散與金屬沾污問題：銅具有較強的擴散能力，能夠迅速進入氧化硅和硅材料中，進而導致嚴重的金屬沾污現象。一旦銅進入有源區，就會對器件造成不可逆的損壞，使得芯片無法正常工作。比如，在一些高端芯片制造過程中，由于銅的擴散問題，導致芯片的良品率大幅下降。

2.刻蝕難題：常規的等離子體刻蝕工藝并不適用于銅，很難通過這種刻蝕方式得到精確的銅圖案。這給芯片制造過程中的圖形化工藝帶來了極大的困難，增加了芯片制造的難度和成本。

3.氧化問題：銅在空氣中容易被氧氣氧化，而且氧化銅無法形成有效的保護層來阻止銅的進一步氧化。這不僅會影響銅的性能，還可能對芯片的整體穩定性產生負面影響，降低芯片的可靠性。

面對這些挑戰，科研人員和工程師們積極探索解決方案，最終找到了一系列行之有效的對策：

1.擴散阻擋：為了阻止銅的擴散，在進行銅工藝之前，先沉積一層阻擋層，如鉭和氮化鉭。這些阻擋層能夠有效地阻擋銅的擴散，保護芯片中的其他材料不被銅污染。在與源、漏和柵區接觸時，依然采用傳統的鎢塞，從根本上杜絕了銅沾污硅的問題。

2.圖形化工藝創新：針對銅不易被刻蝕成圖形的特性，人們采用了一種全新的圖形化工藝。先刻蝕介質層，然后再將銅鑲嵌其中，巧妙地避開了直接刻蝕銅的難題，成功得到了所需的銅圖形結構。這種創新工藝不僅解決了銅的刻蝕問題，還提高了圖形的精度和質量。

3.氧化防護：在制作最上層的金屬時，仍然選用傳統的鋁基金屬。這是因為鋁表面氧化后會形成一層致密的氧化鋁保護膜，能夠有效地保護下面的金屬，防止其繼續被氧化。例如，在一些電子設備的外殼中，采用鋁基金屬作為表面材料，既美觀又能保護內部的電子元件。

下表總結了鋁和銅的特性以及工藝特點。

鋁、銅的特性及工藝特點對比

硅化物

除了鋁和銅，硅化物（silicide）在集成電路中也有著重要的應用。硅化物是硅與難熔金屬發生化學反應后形成的一種具有熱穩定性的金屬化合物。硅化物之所以備受關注，是因為它具有較低的電阻率，這對于減小源漏和柵區硅的接觸電阻起著至關重要的作用，能夠顯著提升芯片的性能。常用來形成硅化物的金屬有鈦、鈷、鎢等，它們及其他硅化物的特性如下表所示，這些特性為芯片制造工藝的選擇和優化提供了重要依據。

硅化物的特性

在硅材料表面對金屬進行加熱處理，以此形成符合預期的電接觸界面，這一界面被稱作歐姆接觸（如下圖所示），而整個工藝過程則被叫做燒結或者退火。在當下的芯片設計領域，現代工藝常常利用難熔金屬與硅片上暴露出來的源區、漏區以及多晶硅柵極發生化學反應，從而生成硅化物。這種技術被命名為自對準硅化物技術，其獨特之處在于這些難熔金屬僅會與硅或者多晶硅發生反應，而不會和二氧化硅產生反應。正因如此，生成的硅化物能夠精準地與源區、漏區以及柵極實現對準，極大地提升了接觸的精準度。自對準硅化物技術提供了一種能夠有效降低接觸電阻、增強附著穩固性以及構建穩定接觸結構的工藝方案，對于提高芯片性能有著不可或缺的作用。

歐姆接觸

常見的硅化物包含鈦 - 硅（TiSi?）、鈷 - 硅（CoSi?）、鎢 - 硅（WSi?）、鉭 - 硅（TaSi?）、鉬 - 硅（MoSi?）、鉑 - 硅（PtSi） 等。當難熔金屬與多晶硅發生反應生成的硅化物，我們將其稱為多晶硅化物。值得注意的是，多晶硅化物的電阻率相較于多晶硅要低出許多。倘若直接采用摻雜多晶硅來作為柵電極，由于其具有較高的電阻率，大約為 500μΩ?cm ，這必然會導致 RC 延遲顯著增加，進而影響芯片的運行速度和性能。所以，必須借助多晶硅化物來降低電阻率，減少 RC 延遲，以滿足芯片對于高性能的需求。

金屬填充塞

金屬填充塞在集成電路中扮演著連接不同金屬層，或者連接第一層金屬與硅的重要角色，它是一種金屬填充物。在早期的集成電路制造中，曾經使用鋁作為金屬填充塞的材料。然而，隨著器件尺寸不斷朝著更小的方向發展，鋁電遷移的問題逐漸凸顯。如下圖所示，鋁電遷移會造成空洞，而這些空洞極有可能引發斷路風險，嚴重影響集成電路的穩定性和可靠性。

鋁電遷移造成的空洞

鑒于鎢（W）擁有極高的熔點，即使處于高電流密度的工作環境下，其擴散率依舊很低，不會像鋁那樣產生空洞和小丘，也不存在電遷移現象。此外，鎢還具備出色的臺階覆蓋能力以及在高深寬比間隙中的填充能力。基于這些優勢，鎢常常被用作第一層金屬與下方硅之間的連接材料，這種連接結構被稱為鎢塞（如下圖所示） 。在銅雙大馬士革工藝問世之前，鎢也是連接不同金屬連線的優先選擇材料。鎢屬于難熔材料，它的熔點高達 3417℃，在 20℃時，其體電阻率為 52.8μΩ?cm。

CMOS器件中的鎢塞

鎢塞的制作工藝有著嚴謹的流程：首先要進行氧化硅的沉積操作，并將其表面處理至平坦狀態；接著通過光刻和刻蝕技術，精確地形成接觸孔的圖案；隨后沉積一層阻擋層，用于防止后續工藝中材料之間的相互干擾；最后進行鎢的淀積，并再次進行平坦化處理，以確保整個結構的平整和穩定。

阻擋層金屬

阻擋層金屬，從其名稱便可以理解，它是用于阻擋金屬擴散的其他金屬或者金屬化合物。在進行金屬淀積或者制作金屬塞之前，通常都需要先沉積一薄層阻擋層金屬，目的是防止上下層材料相互混合，避免對集成電路的性能產生不良影響。

對于阻擋層金屬，有著多方面嚴格的要求。除了需要具備卓越的阻擋擴散能力之外，還應當具備抗電遷移的性能，以保證在電流作用下自身結構的穩定性；具備抗侵蝕能力，能夠抵御外界環境和工藝過程中的各種侵蝕；具備抗氧化能力，防止在空氣中被氧化而影響性能；要有良好的附著特性，確保與其他材料緊密結合；擁有高導電率，保障電流的順暢傳輸；具有很低的歐姆接觸電阻，減少接觸電阻帶來的能量損耗；并且要求它在高溫環境下依然能夠保持良好的穩定性，不發生性能劣化。例如，在沉積鎢之前，常常會先沉積氮化鈦（TiN）和鈦（Ti）作為阻擋層和促黏層，以滿足上述各項要求。在沉積銅之前，一般會預先沉積氮化鉭和鉭作為阻擋層（如下圖所示） 。氮化鉭具有電阻率低、熔點高、界面穩定、晶格和晶界擴散的激活能高等一系列優異的性能，使其成為當前制備銅擴散阻擋層的首選材料，為銅在集成電路中的應用提供了可靠的保障。

阻擋層金屬

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編輯：小帥 責編：六塊錢的魚 投稿郵箱：weixin@semi.ac.cn 往期推薦 1.半導體所在仿生覆蓋式神經元模型及學習方法研究方面取得進展 2.半導體所在反型結構鈣鈦礦太陽能電池方面取得重要進展 3.芯片為什么用銅作為互聯金屬？ 4.關于芯片的7nm到底是個啥 5.硅基集成光量子芯片技術 6.量子反常霍爾效應有多反常？或將帶來下一次信息技術革命！

原文標題：集成電路工藝中的金屬

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