半导体制造技术知识要点

半导体制造技术是整个电子产业的核心，它的发展水平直接影响了电子产品的性能、速度、能耗及成本。半导体制造技术主要包括晶圆制备、光刻、掺杂、刻蚀、化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）等多个复杂步骤，而金属化互连技术是其中至关重要的部分。 ### 金属化互连技术 金属化互连技术是用导电材料制成的连线，将电信号传输到芯片的不同部分。在芯片制造过程中，金属化互连技术包括接触（contact）、通孔（via）和金属填充塞（filling plug）三个关键概念。接触指的是硅芯片内的器件与第一金属层之间的连接，而通孔则是穿过介质层，连接上下不同金属层的开口，以形成电通路。金属填充塞则是指用金属薄膜填充通孔，实现两金属层之间的电连接。 ### 金属和合金种类 半导体制造业中常用的金属和合金主要有铝、铝铜合金、铜、阻挡层金属、硅化物和金属填充塞。铝及其合金因其成熟的加工技术和良好的性能被广泛用于传统互连金属线，但随着技术的发展，铜逐渐取代铝成为互连金属的主流。 ### 铝的优缺点及铜的优势 铝具有良好的导电性和粘附性，易于加工，并且可以通过与氧化硅反应形成氧化铝，从而与氧化硅形成良好的附着。但是，铝的缺点在于它易于在高电流密度下发生电迁移，这会导致金属线的损坏和电路失效。铜的电阻率低于铝，更耐电迁移，且其抗腐蚀性好，因此在高集成度芯片中，铜逐渐取代铝成为主要的互连金属。 ### 欧姆接触和结尖刺 欧姆接触是硅片制造中的一种重要电接触，它具有低电阻，并能够增强金属与半导体表面的附着。欧姆接触通常通过在硅表面淀积特殊的难熔金属实现。当硅与铝界面加热时，可能会发生结尖刺现象，这会引发硅在铝中扩散。解决这个问题通常需要在铝中添加硅，或者采用阻挡层金属化技术来抑制扩散。 ### 电迁移问题 电迁移是指电流通过金属线时，由于电子对晶粒的持续轰击导致晶粒移动的现象。这种现象会导致金属线撕裂，增加电阻率，甚至可能引起电路短路。随着集成电路特征尺寸的减小，电迁移问题越来越突出，这也是铜作为互连材料的一个优势，因为铜具有良好的抗电迁移性能。 ### 阻挡层金属和硅化物 阻挡层金属用于防止金属与半导体材料之间的相互扩散，它必须具有良好的阻挡扩散特性、高电导率、良好的附着性和抗电迁移特性。在高温和薄层条件下，阻挡层金属必须保持稳定，并且具有抗侵蚀和氧化的能力。常用的阻挡层金属材料包括钛、钨等。硅化物是指金属与硅形成的热稳定性化合物，在硅片制造业中，硅化物被用来降低硅接触电阻，提高芯片性能。 ### 铜金属化的优势 铜金属化技术有五大优点，包括其较低的电阻率、良好的抗电迁移性能、更高的集成密度、更低的功耗和更少的工艺步骤。与铝相比，铜不需要考虑电迁移问题，并且在大马士革工艺中，铜可以减少20%到30%的工艺步骤。 ### 铜金属化的挑战 虽然铜金属化带来了许多优势，但在转向铜金属化的过程中，也面临着三大挑战：铜容易扩散到其他材料中导致器件损坏；常规的等离子体刻蚀工艺难以在铜上形成图形；铜在低温空气中会快速氧化，不利于制造过程。 为了应对这些挑战，引入了铜阻挡层金属化技术。这种技术要求阻挡层金属具备阻止铜扩散、低薄膜电阻、良好的介质材料和铜附着性、与化学机械平坦化过程的兼容性，以及良好的台阶覆盖性等特殊要求。 通过以上的技术点分析，我们可以看出，半导体制造技术的每一个环节都极为重要，金属化互连作为其中的关键部分，其技术的革新直接关系到芯片性能的提升与制造成本的降低。随着芯片制造工艺的不断发展，新材料和新技术将不断涌现，为半导体行业带来更加广阔的前景。