关于微电子工艺技术铜互连！

随着科学技术的突飞猛进,半导体制造技术面临日新月异的变化，其中12英寸、90纳米技术和铜工艺">铜工艺被称为引导半导体发展趋势的三大浪潮。传统的半导体工艺是主要采用铝作为金属互联材料(Interconnect)，在信号延时(signal delay)上已经受到限制。人们寻找到了新的材料来满足对电阻的要求，这种材料就是铜。简单地说，铜工艺就是指以铜作为金属互联材料的一系列半导体制造工艺。将铜工艺融入集成电路制造工艺可以提高芯片的集成度，提高器件密度，提高时钟频率以及降低消耗的能量。

要达到这样的要求就需要对工艺上做出相应的调整。在新的工艺水平，尤其是在90纳米或以下的技术节点上，主要的信号延时来自互联电路的部分。这一部分可以用以下公式来描述：

τ = RC = (ρL/Wtmetal) *(Kε0LW/tILD)

其中τ是指 total signal delay, R是指金属层的电阻, C是指介电层的电容，ρ是互联金属的电阻率，L是指长度，W是指长度，t 是指厚度， K是介电常数。由公式可见，选用

电阻率比较小的金属材料作为互联材料，和选用介电常数比较小的介电材料作为介电材料是降低信号延时、提高时钟频率的两个主要方向。铜的电阻率为1.7μΩ.cm，铝的电阻率为2.8μΩ.cm，所以铜更为优越。同时由于采用铜线可以降低互联层的厚度，所以同时也降低了上面公式中的电容C。为了进一步降低τ,产业界也在选择比SiO2的K值更加低的材料（即所谓的low k材料）。现有的铝材料（通常选用掺入少量Cu的AlCu合金材料）在器件密度进一步提高的情况下还会出现由电子迁移引发的可靠性问题，而铜在这方面比铝也有很强的优越性。当IC的电流密度超过106A/cm2时，高熔点的材料比低熔点的材料更易于发生电子迁移，原因在于前者具有更高的晶界扩散激活能。铜的熔点为1083℃，铝的熔点为660℃，所以铜更不容易发生电子迁移。和铝相比，铜的电子迁移失效时间要大一到两个数量级，所以它可以在更小的互联层厚度上通过更高的电流密度，从而降低能量消耗。推动铜工艺走向产业化的另一个重要原因就是和传统的铝工艺相比，铜工艺采用了Damascene工艺，减少了金属互联的层数，从而降低了成本。之所以采用Damascene工艺，主要原因在于铜本身不能够和象铝一样，与其它刻蚀气体产生气态的副产品，所以只能采用这种先刻蚀再充填金属互联材料的模式。

自从IBM公司在1985年引入铜，许多关于铜工艺的研发工作都取得了实效。主要包括制造Damascene结构的Damascene工艺、Cu CMP (Chemical Mechanical Polishing) 工艺和ECP (Electroplating) 工艺等（见图1）。

图1. 铜工艺的Dual Damascene 结构流程示

由于铜的扩散会引起器件的所谓“中毒效应”，所以在和source/drain和gate区域的接触金属仍然选用重金属钨。其余的互联金属都可以采用铜，其中的via可以采用single damascene，也可以采用dual damascene结构。在damascene结构经过CVD, Etch 等工艺后，就形成了via的结构。为了防止铜在Si 和SiO2中的扩散，所以必须在via上沉积一层阻挡层，然后再沉积一层很薄的铜作为ECP的导电介质，也作为电镀铜的金属晶体生长的晶核层。由ECP产生电镀铜层。接着的工艺是CMP，主要是磨掉多余的铜，同时将硅片表面磨平。其中的机制主要包括用微小颗粒对表面的机械摩擦和对摩擦材料的化学清洗，摩擦和化学清洗的载体，即所谓的浆料(slurry)，是整个铜工艺制造成本比较高的部分。

经过近几年的发展，铜工艺已经日臻成熟，进入量产阶段，现在的铜工艺主要应用于电脑的中央处理器、服务器、通讯及消费应用产品各领域对整体产品表现、高密度及低耗电有极高要求的产品。与此同时，降低RC的另一条有效途径，是选用低介电常数的low k的材料作为介电材料。单纯采用铜来代替铝作为互联材料可以降低RC 大约40%，而low k能够降低成本RC的程度则决定于选择材料的k值大小。Low k 技术还初于初期的研发阶段和试产阶段，目前还面临着一些集成(Intergration)问题，将是未来发展，特别是在90纳米技术及以下的结点上，一个重要的趋势。

芯片制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个环节，其中晶片制作过程尤为的复杂。首先是芯片设计，根据设计的需求，生成的“图样”

1、芯片的原料晶圆

晶圆的成分是硅，硅是由石英沙所精练出来的，晶圆便是硅元素加以纯化（99.999%），接着是将这些纯硅制成硅晶棒，成为制造集成电路的石英半导体的材料，将其切片就是芯片制作具体所需要的晶圆。晶圆越薄，生产的成本越低，但对工艺就要求的越高。

2、晶圆涂膜

晶圆涂膜能抵抗氧化以及耐温能力，其材料为光阻的一种。

3、晶圆光刻显影、蚀刻

在晶圆（或衬底）表面涂上一层光刻胶并烘干。烘干后的晶圆被传送到光刻机里面。光线透过一个掩模把掩模上的图形投影在晶圆表面的光刻胶上，实现曝光，激发光化学反应。对曝光后的晶圆进行第二次烘烤，即所谓的曝光后烘烤，后烘烤是的光化学反应更充分。

最后，把显影液喷洒到晶圆表面的光刻胶上，对曝光图形显影。显影后，掩模上的图形就被存留在了光刻胶上。涂胶、烘烤和显影都是在匀胶显影机中完成的，曝光是在光刻机中完成的。匀胶显影机和光刻机一般都是联机作业的，晶圆通过机械手在各单元和机器之间传送。

整个曝光显影系统是封闭的，晶圆不直接暴露在周围环境中，以减少环境中有害成分对光刻胶和光化学反应的影响。

该过程使用了对紫外光敏感的化学物质，即遇紫外光则变软。通过控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蚀剂，使得其遇紫外光就会溶解。

这时可以用上第一份遮光物，使得紫外光直射的部分被溶解，这溶解部分接着可用溶剂将其冲走。这样剩下的部分就与遮光物的形状一样了，而这效果正是我们所要的。这样就得到我们所需要的二氧化硅层。

4、掺加杂质

将晶圆中植入离子，生成相应的P、N类半导体。具体工艺为从硅片上暴露的区域开始，放入化学离子混合液中。这一工艺将改变搀杂区的导电方式，使每个晶体管可以通、断、或携带数据。简单的芯片可以只用一层，但复杂的芯片通常有很多层，这时候将该流程不断的重复，不同层可通过开启窗口联接起来。

这一点类似多层PCB板的制作原理。 更为复杂的芯片可能需要多个二氧化硅层，这时候通过重复光刻以及上面流程来实现，形成一个立体的结构。

5、晶圆测试

经过上面的几道工艺之后，晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。一般每个芯片的拥有的晶粒数量是庞大的，组织一次针测试模式是非常复杂的过程，这要求了在生产的时候尽量是同等芯片规格构造的型号的大批量的生产。

数量越大相对成本就会越低，这也是为什么主流芯片器件造价低的一个因素。

6、封装

将制造完成晶圆固定，绑定引脚，按照需求去制作成各种不同的封装形式，这就是同种芯片内核可以有不同的封装形式的原因。比如：DIP、QFP、PLCC、QFN等等。这里主要是由用户的应用习惯、应用环境、市场形式等外围因素来决定的。

7、测试、包装

经过上述工艺流程以后，芯片制作就已经全部完成了，这一步骤是将芯片进行测试、剔除不良品，以及包装。

扩展资料

集成电路（IC）芯片在封装工序之后，必须要经过严格地检测才能保证产品的质量，芯片外观检测是一项必不可少的重要环节，它直接影响到IC产品的质量及后续生产环节的顺利进行。外观检测的方法有三种：

1、传统的手工检测方法，主要靠目测，手工分检，可靠性不高，检测效率较低，劳动强度大，检测缺陷有疏漏，无法适应大批量生产制造；

2、基于激光测量技术的检测方法，该方法对设备的硬件要求较高，成本相应较高，设备故障率高，维护较为困难；

3、基于机器视觉的检测方法，这种方法由于检测系统硬件易于集成和实现、检测速度快、检测精度高，而且使用维护较为简便，因此，在芯片外观检测领域的应用也越来越普遍，是IC芯片外观检测的一种发展趋势。

参考资料来源：百度百科-IC芯片

参考资料来源：百度百科-芯片

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