金屬化是半導體制造中至關重要的環(huán)節(jié)，它是將半導體芯片與外部電路連接的關鍵步驟。

本文將深入探究金屬化技術在半導體產業(yè)中的作用和發(fā)展歷程，介紹不同金屬化技術的優(yōu)缺點和應用場景，從傳統(tǒng)的鋁金屬化到現(xiàn)代的銅金屬化和尖晶石金屬化，全面講解金屬化技術的原理和實踐。

無論您是從事半導體行業(yè)的專業(yè)人士，還是對半導體技術感興趣的普通讀者，本文都將為您帶來全面深入的了解，助力您更好地理解半導體金屬化技術的重要性和應用價值。

在相關技術中，金屬薄膜經常作為表面連線被使用。零件連起來的過程需要多重的金屬類型系統(tǒng)，需要使用鋁合金、銅、鋁、等擁有導電能力的天然金屬。

正如其他制造工藝一樣，金屬化技術不斷改進和發(fā)展以適應新的電路要求和新材料的出現(xiàn)。此外，隨著金屬電鍍的雙鑲嵌工藝的開發(fā)，銅成為了作為主要金屬之一的選擇。

總之，金屬化工藝是制造高集成度電路所必不可少的一個重要環(huán)節(jié)，隨著技術的進步和發(fā)展，相關工藝將不斷得到改進，以滿足日益增長的芯片制造需求。

無論金屬化系統(tǒng)的結構如何，它都應符合一些條件，比如良好的電流負載能力、與晶圓表面具有良好的黏合性、易于圖形化的工藝、與晶圓材料具有良好的電接觸性能、高純度、耐腐蝕、具有長期的穩(wěn)定性、能夠淀積出均勻且沒有“空洞”和“小丘”的薄膜、均勻的顆粒結構等。

為了解決芯片密度和表面連線可用空間的問題，需要使用多層金屬設計。國際半導體技術路線圖(ITRS)預測到2020年金屬層將達到15-20層。

多層金屬結構通常有2-4層獨立金屬層，底部是硅化物阻擋層，可以降低硅表面和上層之間的阻抗。

在兩個金屬層之間還需要一層介質材料層提供電絕緣作用。這種多層金屬結構可以實現(xiàn)更高的芯片密度，但設計和制造過程需要更大的技術復雜度和成本。

重寫1：在制造超大規(guī)模集成電路（VLSI）之前，金屬互連層的主要材料是純鋁。 這些通常被形成為導電的塞或通孔。鋁擁有有足夠低的電阻率（2.7-cm），天生就擁有較好的過電流密度以及較高的黏附性。

這種特性可以讓它具有非常好的傳導性，能夠天然地與硅進行很低的電阻接觸。這種天然優(yōu)勢讓它非常輕易的就能進行圖形工藝，提高了完成率，也能夠降低一定的生產成本。

重寫2：在超大規(guī)模集成電路（VLSI）開發(fā)之前，金屬化匸藝的主要材料是純鋁，但它的導電性能比銅和金差。此外，鋁與硅的接觸電阻很低，純度可高達99.999% -99.9999%。然而，鋁-硅界面的淺結是一個問題，需要進行烘焙才能形成穩(wěn)定的電接觸。

為了解決這一問題，需要采取兩種方法之一：第一是在硅和鋁之間加入一層金屬阻擋層，以隔離鋁和硅，避免共熔現(xiàn)象的發(fā)生；第二是采用含1%~2%硅的鋁合金。

在VLSI/LLSI電路中，鋁導線需要承載更高的電流，時常會發(fā)生問題，而同時電流所運作產生的熱也會出現(xiàn)一個新的熱梯度。

在它們的作用下，導線內的物質會進行運動并沿著梯度方向進行擴散。與純鋁相比，這個材料增加了薄膜的電阻率，雖然增幅受到了工藝以及技術的限制，但提高的數據還是十分客觀的。
與真空蒸發(fā)工藝相比，濺射工藝具有許多優(yōu)點。首先，靶材成分不會改變，這意味著可以在晶圓上生長出合金膜和絕緣膜。

濺射工藝可以采用含量低于百分之二銅的材料，并在晶圓上產生含有相同含量的薄膜。生產后的薄膜大大提升了表面的粘附性，比普通的蒸發(fā)工藝要好得多。

在高深高比的孔中，均勻標準的膜覆蓋面積是通過一種特殊的準直系統(tǒng)來完成的。該工藝大多數時候采用濺射靶類的材料，該材料可以輕易的與其他混合，從而在表面形成均勻完美的覆蓋，起到一起的保護作用。

這些系統(tǒng)大致分為兩種，一種是晶圓生產系統(tǒng)，另一種是單晶圓生產系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的反應室都擁有局部真空的區(qū)域，以確保反應室內的真空度。

生產設備通常具有裝料自鎖能力，就像接待室一樣，這種設計可以提高生產效率。隨著機械技術的不斷發(fā)展，未來的生產設備將具有更大的擴展性，并且通常可以支持一種或兩種靶材。

除了濺射生產外，濺射工藝還可以完成晶圓表面的腐蝕和清潔。這種工藝過程稱為濺射刻蝕、反濺射或離子鐵。

為了防止程序延誤，信號必須以足夠快的速度通過金屬系統(tǒng)。然而，芯片性能的增強需要更強勁的金屬導線，這就導致金屬系統(tǒng)連接之間的電阻效果增強。

銅金屬化相關技術的出現(xiàn)讓人們的關注點重新聚焦在銅這種材料上。相比于鋁的電阻率為3.1 ，銅的電阻率只有1.7，因此導電性更加優(yōu)越。

銅可以通過多種方法進行淀積，包括CVD、濺射、化學鍍和電鍍等。

為滿足ULSI電路需求，人們已經開發(fā)出了許多相關材料，包括氧化硅基、有機基以及變種。這種材料具有旋轉涂敷的特色，可以提供非常高效的均勻性和平坦性，而且比CVD工藝成本更低。

為了解決銅在二氧化硅層中容易出現(xiàn)過度擴散，從而導致電性能出現(xiàn)衰弱的困難。需要在通孔底面和側面弄出一個襯墊層，這樣就可以完美解決這個問題?；瘜W機械工藝（CMP）技術的主要目的是提高光刻精度。

硅柵MOS技術的使用使得芯片上的多晶硅線條成為可用的導體。為了提高材料的導電性，最有的選擇是具有極高固溶度的磷。

將其擴散摻雜在材料中可以降低薄膜的方阻率，但由于晶界俘獲，原位CVD摻雜可以獲得最低的雜質載流子遷移率。

鈣可以通過WF6和土生成，其反應方程為WF6+3H2->W+6HF。所有的淀積都是在低壓化學氣相沉積(LPCVI)系統(tǒng)中進行的，溫度大約為300度。

這可以與鋁金屬化工藝相兼容。硅化鴇和硅化鈦層的工藝反應式為

WF6+2SiH4->WSi2+6HF+H2，TiCl4+2SiH4->TiSi2+4HC1+2H2。

MOS晶體管就是一個電容器的結構，其上部電極稱為柵極(gate)，它在MOS集成電路中起著非常關鍵的作用。

在微芯片制造最初，僅有兩種基于真空的工藝：鋁蒸發(fā)和背金。高真空泵在粗真空建立后承擔了最終真空建立的任務。

這些泵都由特殊材料制成，不會向系統(tǒng)漏氣，不會破壞真空。典型的材料有304號不銹鋼、硼硅酸玻璃、陶瓷、鴇、金和某些低揮發(fā)的人造橡膠。某些泵被用于抽取腐蝕性、毒性氣體或反應后的副產品。

系統(tǒng)壓力是指，在完全封閉的環(huán)境中，氣體原子以及分子在分子間力作用下，撞擊反應室壁產生壓力的過程。

干機械泵的出現(xiàn)取代了早期的產品，因為油擁有吸附尾氣的作用，油基泵算是一個巨大的污染源，其中產生的有毒氣體會產生巨大的安全問題。

渦輪分子泵有一系列開口葉片，這些葉片圍繞中心軸高速旋轉（每分鐘24000~36000轉）。渦輪分子泵的主要優(yōu)點是無需使用油，因此無需回流或填充油，具有高可靠性并可以降壓至高真空范圍。

但相比于油擴散泵和低溫泵，渦輪分子泵的抽氣速率較低，容易產生振動和磨損，因此必須在轉子和定子表面涂層和/或加熱以避免氣體形成能夠淀積在泵部件的固態(tài)顆粒。這種泵可以在高氣壓下排氣，適用于腐蝕性氣體工藝。

金屬化技術作為半導體制造中不可或缺的環(huán)節(jié)，為半導體芯片提供了外部電路連接的關鍵步驟。

本文深入探究了金屬化技術在半導體產業(yè)中的作用和發(fā)展歷程，介紹了不同金屬化技術的優(yōu)缺點和應用場景。

隨著半導體產業(yè)的快速發(fā)展，金屬化技術也在不斷更新和優(yōu)化。從傳統(tǒng)的鋁金屬化到現(xiàn)代的銅金屬化和尖晶石金屬化，金屬化技術的不斷進步，使得芯片連接的速度更快、能耗更低、可靠性更高，為各種應用場景提供了更加優(yōu)秀的解決方案。

未來，隨著5G、物聯(lián)網、人工智能等技術的廣泛應用，金屬化技術將繼續(xù)得到發(fā)展和應用。bvty寶威

同時，在技術創(chuàng)新的背后，我們也需要不斷關注環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展等問題，通過創(chuàng)新和合作，共同推動半導體產業(yè)的發(fā)展，為我們的生活和工作帶來更多的便利和創(chuàng)新。

參考資料：

《金屬化與半導體》

《半導體產業(yè)發(fā)展》

《半導體工藝》

《半導體優(yōu)化設計》