元件在矽晶圓上製作完成後，需用導線，使元件間具有特定的連接才能執行電路功能。
23-1 金屬化之要求
23-2 真空沉積
23-3 沉積技術
23-4 真空沉積程序23-5 合金/退火
23-6 金屬矽化物
23-7 銅製程技術
元件在矽晶圓上製作完成後，需用金屬導線使元件間具有特定的連接才能執行電路功能，這種程序稱為金屬化(metallization)，金屬化可用許多種真空沉積技術來執行。在本章中，我們將討論對金屬化沉積系統之要求、沉積金屬和其材料的方法、及在金屬化中的一些考慮。
23-1 金屬化之要求 (Metallization Requirements)
不同的金屬與矽基板接觸有兩種結果：
(1) 歐姆型接觸 (Ohmic contact) ，即金屬與矽晶圓接觸後，其電特性呈電阻特性，也就是電流與電壓為線性關係。
(2) 蕭特基型接觸(Schottky contact)，即金屬與矽晶圓接觸後，其電特性呈二極體特性，也就是電流與電壓為非線性關係，並有一起始電壓。
故金屬化時對金屬之選擇與處理要仔細考慮。
矽晶圓金屬化後具有令人滿意的特性，所選用的金屬應要有下列特性：
1. 與矽有低電阻性接觸。
2. 與矽有低化學反應，且長時間有穩定特性。
3. 選用高導電性的金屬，幾乎沒有電壓降。
4. 對二氧化矽或其它介質附著性良好。
5. 金屬膜上容易規劃圖案。
6. 沉積方法與晶圓上已有之結構有相容性。
7. 金屬必須很均勻的覆蓋住表面有階梯(step)的部份。
8. 金屬膜必須能抗拒”電子遷移”。
9. 金屬在正常操作條件下不會腐蝕。
10. 很容易由封裝之外圍接腳焊接至晶片上金屬區。
11. 金屬化必須在商業上有競爭性。
沒有一種金屬能滿足上面所有的要求。但是，鋁能滿足上列大部份要求，因此，鋁最常用來做為元件金屬化的材料，在鋁中加入少量它種元素更能增進其性能，例如：矽在鋁中有一定的溶解度，金屬化過程中矽晶圓會溶於鋁中，特别在矽晶圓有缺陷部位發生更快速，形成像尖釘般釘入，使P-N接面短路，稱為尖釘(spike)效應。若在沉積時，在鋁中加入少量的矽就可減低矽晶圓溶於鋁中的量，避免尖釘效應。另一例，電子在鋁導線中跑動，電子之質量雖小，但大量的電子能將鋁原子衝退後，特別是在鋁導線較細處電流密度較大時，衝擊力更大，可將鋁導線衝斷，造成斷路，稱為電子遷移效應 (electromigration)。若在沉積時，在鋁中加入少量的較重的銅就可提高“電子遷移阻抗”。
在鋁不能滿足金屬化的要求時，常利用多層結構，每一層會滿足某些要求，各層組合後將幾乎達到所有要求。
IC製造中的金屬化採平面化製程，將金屬先沉積至整片晶圓表面，再用微影蝕刻技術得到所要的圖案。
23-2 真空沉積 (Vacuum Deposition)
金屬化常使用真空沉積技術進行，雖有許多種沉積系統，但它們都有一些共同的特性，一沉積系統必須具有:
1. 沉積室一可被抽成高真空，真空度一般要低於4X10-6 torr，使沉積在真空中進行以避免氧化污染。
2. 真空唧筒 (或幫浦) 一需有低真空與高真空唧简共用，使沉積室中的真空快速降至可接受的程度。
3. 具有可監視真空程度 (真空計) 和其它系統參數 (如厚度) 的儀器。
4. 可沉積一層或多層材料之裝置，例如：多個燈絲加熱系統。
每一種需求都有許多方法滿足，但必須互相協調，一典型真空沉積系統如圖23-1(a)所示。其中真空室由一不漏氣的鐘罩組成，可在其內工作及處理物件，一般鐘罩有玻璃和不銹鋼兩種，不銹鋼者可裝入更多的非標準物件而不會破裂。
🔼圖23-1典型真空沉積系統結構圖
要得到足夠的真空，需使用不同的真空唧筒組合，不同型式的真空唧筒在不同的真空範圍內工作。摘要如下:
1. 一大氣壓至中等真空程度 (約10-3 torr)
(1) 旋轉油封唧筒 (rotary oil-sealed pump) 一該類唧筒用真空油封住一轉子(rotor)，防止其漏氣，真空系統中的空氣由進氣口抽入唧筒，壓縮，再由出氣口排入大氣。
(2) 吸收唧筒 (sorption pump) 一該類唧筒使用分子篩或化學藥品吸收氣體至其表面上，直到不能再吸收為止(通常幾個循環)，這些吸收劑使用後必須加以烘烤以恢復能力。
2. 中等真空到高真空程度 (約10-3 torr ~ 10-6 torr ) 高真空唧筒與中等真空唧筒串接使用，常有的有兩種。
(1) 擴散唧筒 (diffusion pump) 在該唧筒中，沸騰油蒸汽通過一連串朝下之噴嘴，吸附真空室中殘留的氣體原子，遇水冷管壁冷卻，在底部集中排出氣體，由連接的旋轉油封唧筒排出，如圖23-1(b)所示。
(2) 渦輪分子唧筒(turbomolecular pump) 該種唧筒環繞輪軸有一串葉片，作用像飛機渦輪引擎一樣，將氣體分子抽出真空室外。
3. 高真空至超高真空程度 (10-6 torr ~ 10-10 torr)。離子唧筒 (ion pump)一使用電場和磁場之組合，使金屬原子游離，在與氧、水分子反應，達到高真空。
量測不同的真空程度時我們同樣需要使用不同種類的真空計。真空室中真空度從一大氣壓到低真空可用隔膜真空計 (diaphragm pressure gauge)測量，其原理是利用金屬圓形隔膜會隨壓力差而產生凹凸變形，再推動機械傳動裝置帶動指針旋轉指示真空度如圖23-2(a)所示。另常使用博登管真空計 (Bourdon pressure gauge) 如圖23-2(b)所示，利用氣壓進入金屬扁型彎曲管 (稱為博登管)，因內外兩面積不同產生不同受力致使機械變形，推動機械傳動裝置帶動指針旋轉指示真空度。
對中高真空，使用潘寧真空計如圖23-3(a)所示。其原理是利用真空計内有一熱阻係數大的燈絲，量度剩餘氣體自燈絲帶走熱量之能力來表示真空程度，當壓力愈大時，氣體殘留愈多，帶走的熱量愈多，燈絲溫度降低，其電阻值隨之下降，潘寧真空計利用電阻值的改變以量測壓力。注意該真空計不適用於反應氣體的環境，該型真空計適用的真空範圍在 1 X 10-2 torr 至 1 X 10-12 torr間。
熱燈絲離子真空計 (hot filament ionization gauge)，簡稱熱離子真空計(ion gauge) 如圖23-3(b)，其原理是利用加熱的絲極產生穩定的電子流，這些電子會被加了正電壓螺旋狀的柵極吸引，電子從絲極往柵極的過程中，電子會撞擊真空計内的氣體分子，導致部分的氣體分子被離子化，這些離子的數目正比於氣體分子密度，藉由離子電流大小去計算壓力。該型真空計適用的真空範圍在 1 X 10-3 torr 至1X10-10 torr間。
🔼圖23-2(a)隔膜真空計：(b)博登管真空計
(a)潘寧(Pirani) 真空計熱偶 (b)熱燈絲離子真空計( ion gauge)
🔼圖23-2 中高真空劑
另外，真空沉積系統中常裝置有測量沉積膜厚的輔助儀器一薄膜厚度監控器(thickness monitor)，它可以監控沉積速率及測量薄膜沉積厚度。原理是使用石英晶體微量天平作為感測器，石英晶體振盪器的共振頻率變化量精確地與質量變化相關，隨著質量沉積在晶體表面上，質量會增加，振盪頻率從初始值開始降低，測量質量可以低於1 μg/cm2。
23-3 沉積技術 (Deposition Techniques)
常用的真空沉積系統有三種方式。它們是：
1. 燈絲沉積 (Filament evaporation)
2. 電子束沉積 (Electron- evaporation, E-beam)
3. 濺射沉積 (Sputtering)
每一種方式都有優點與缺點，選擇沉積方法時應仔細考慮各項利弊。燈絲沉積是最簡單且最便宜的沉積方法，圖23-4為一典型燈絲沉積系統，放入圖23-1(a)鐘罩中即構成真空沉積系統。
🔼圖23-4典型燈絲沉積系統
沉積的程序是逐漸增加通過燈絲的電流，使溫度上升至熔點熔化沉積材料，濕潤燈絲(所用燈絲與所沉積材料要配合)，濕潤燈絲的目的是增加沉積材料的面積，以便均勻沉積。待燈絲完全濕潤後，再增加燈絲的電流達到沸點進行沉積。燈絲沉積系統易於建立，許多材料都可用此法沉積。然而，所沉積材料中之污染常很高，會影響到元件的功能，污染可能由燈絲、腔體或不良處理技術(如清洗)而來。絲燈沉積常用來沉積元件背面用的金，因為在此情況中污染問題是較不關鍵。該技術無法沉積沸點高於燈絲的材料，該技術不宜用來沉積合成材料，因為較低沸點的元素會先蒸發，其餘的材料再蒸發，造成組成不均勻。
為解決合成材料沉積問題，發展出閃爍沉積如圖23-5(a)、(b)所示，將線狀沉積材料(有時用碇塊或粉)不斷地少量的加到高溫的燈絲上(也可用船型燈絲、陶瓷棒) 以供沉積，因隨時少量沉積較易保持組成。
感應沉積是另一種發展技術，用射頻電源將功率能量耦合至坩堝中的金屬使之熔化達到沸點沉積，如圖23-6中所示，沒有燈絲沉積之污染，容易施加高功率快速沉積，有獨特之優點，該法如用於大面積沉積，則系統價格不便宜，在半導體製程中甚為少用。
(a)側視圖
(b)俯視圖
🔼圖23-5 閃爍沉積系統
🔼圖23-6 感應沉積
電子束沉積 (簡稱為E-beam) 利用聚焦電子束加熱放置於坩堝中之材料如圖23-7(a)所示，坩堝放置於用水冷卻的爐床(hearth)凹區中如圖23-7(b)所示，坩堝是可以置換的，沉積速度用電子束功率控制，因為電子束只與沉積的材料接觸，所以是一種低污染的沉積程序。沉積過程中材料是局部蒸發，較燈絲沉積適合於合成材料之沉積。此外，因為使用高強度電子束，打在要沉積的材料上會產生X光，會對晶圓產生輻射損傷，隨後要用退火(annealing)程序除去損傷。
(a) 電子束坩堝平面示意圖
(b) 立體結構圖
🔼圖23-7 電子束沉積系統
濺射沉積是半導體工業中最常用的一種真空沉積方法，沉積材料製作成圓形靶材固定於濺射機頂端，在濺射中，真空室已抽至相當高真空後通入惰性氣體(一般用氧氣)，所加之電場使惰性氣體游離成正離子，靶極加上負電壓吸引正離子向靶材高速移動，撞擊靶材將原子撞出後沉積在面對靶的晶圓上如圖23-8所示。濺射可用直流(DC)和射頻(RF)電壓，通常直流(DC)濺射用來沉積金屬材料，射頻(RF)濺射用來沉積非金屬絕緣材料，雖然濺射沉積速低，但幾乎可用沉積任何材料。由於濺射出靶材原子具有高能量，所以濺射膜附著性良好。
🔼圖23-8 濺射系統
23-4 真空沉積程序(Vacuum Deposition Procedure)
不論要沉積的材料為何或使用的設備為何，都有典型的金屬化程序如下列所示:：
1. 自晶圓上除去所有污染物，再乾燥之。
2. 將晶圓放入真空室中適當位置以得到均勻膜。在大部分情況下，使用一種稱為”行星“(planetary)的旋轉系統，如圖23-9所示，使晶圓在沉積期間橫跨過沉積速率高及低的地方，故均勻度較好。
3.關上真空室，粗抽至10-3 torr。
4. 關上粗抽唧筒閥，再打開高真空唧筒閥，並抽至所要的真空程度約10-6 torr。
5. 打開沉積電源，沉積小量的材料至材料源與晶圓間的遮板(shutter)上，藉以清潔材料源。
6. 移除遮板，開始在晶圓上沉積材料至所需厚度，沉積時晶圓可加熱以增加鍍膜之附著性。
7. 關上沉積電源，冷卻系統。
8. 以乾淨氣體如氮氣或過濾過的乾淨空氣充填真空室至一大氣壓，再打開真空室取出晶圓。
🔼圖23-9 行星旋轉結構
23-5 合金/退火(Alloy/Anneal)
沉積金屬膜至晶圓正面，隨後經微影蝕刻形成元件之金屬接觸或連線，金屬接觸是金屬與半導體直接接觸，再經 ”合金“ (alloy)及 “退火“ (annealing)步驟形成歐姆接觸，連線是金屬由一個元件之歐姆接觸接出，經過絕緣層(如SiO2) 接至另一個元件之歐姆接觸，不會形成歐姆接觸。
所謂再經”合金“(alloy)步驟將金屬和矽晶圓間互熔形成合金具有低電阻的歐姆接觸。合金形成步驟是在退火爐中進行，退火有最佳化的溫度和時間，鋁-矽合金之溫度由相圖決定，如圖23-10。
🔼圖23-10鋁-矽之相圖
相圖是描述兩元素 (Al，Si) 系統之熔點隨成份變化之關係，純鋁之熔點是660°C，純矽之熔點是1412 °C 。鋁矽合金之熔點隨矽在鋁中原子百分數不同而不同如圖所示，最低熔點是兩線的交點577 °C，該溫度鋁-矽共晶(eutectic)溫度，相當於組成11.3%Si – 88.7%Al，也就說鋁沉積在矽上當升溫超過577 °C，矽就會溶解進入鋁中，當熔解太多會破壞元件結構。故合金退火溫度的最高限制是577 °C。實際合金形成溫度約在450°C至550°C間在真空或鈍氣中進行10至30分鐘。
在合成形成過程中或之後，晶圓需“退火“ (annealing)，退火通常在含氫的氣體混合氣體中進行 (使用稱為forming gas 的氫氣(5%)和氮氣合氣體，氫之功能是去除氣體中的水蒸氣與氧氣以防止金屬氧化)，使元件中金屬與半導體接觸緊密穩定，特性達最佳狀況，典型退火溫度是400~500°C進行30分鐘至60分鐘。
23-6 金屬矽化物(Silicide)
IC縮小化使導線線寬變窄，元件接觸面積變小，於是電阻變大，影響IC性能，摻雜多晶矽與金屬矽化物具有低電阻率、高熱穩定性，適用於MOS元件閘極、源極及汲極降低接觸電阻，用來提升IC性能。
23-6-1摻雜多晶矽 (Doped Polysilicon)
摻雜多晶矽作為MOS元件的閘極電極是MOS技術的一項重要發展，研究顯示用鋁作為電極時擊穿時間隨閘極氧化層厚度變薄而縮短，原因是鋁原子在電場作用下會遷移進入薄氧化層中。採用摻雜多晶矽作為電極時擊穿時間遠高於鋁電極且不受氧化層厚度影響，故摻雜多晶矽閘極的可靠性優於鋁電極。此外，掺雜多晶矽亦可作為雜質擴散源以形成淺接面，並確保與單晶矽形成歐姆接觸。多晶矽還可用來製作導體與高阻值的電阻。
多晶矽採用低壓化學氣相沉積法生長，摻雜多晶矽可在沉積生長時引入摻雜質氣體而得，或生長後通過擴散、離子植入(ion implantation)而得，離子注入法因為有較低的工作溫度最為常用。但是隨著元件與元件連線的寬度降至1μm以下，摻雜多晶矽的電阻值(電阻率在 500μΩ的量級)變得不可接受，閘極電極再改用金屬。
23-6-2 金屬矽化物與多晶矽化物(Silicide and Polycide)
矽可與金屬形成許多穩定的具有金屬或半導體特性的化合物，稱為金屬矽化物(silicide)，一般將金屬沉積於矽上經退火後形成，或直接沉積得到。矽化鈦(TiSi2)、矽化鈷(CoSi2)和矽化鎳(Nisi) 等金屬矽化物呈現低電阻率如表23-1所示，其導電特性介於金屬和矽之間，但是矽化物低的片電阻並聯源極及汲極高電阻的擴散區可以降低接觸電阻，並且金屬矽化物與矽有緊密可靠的接觸，也降低了接觸電阻。隨著元件尺寸的縮小，金屬矽化物在金屬化製程中變得愈來愈重。
金屬矽化物常用降低源極、汲極、閘極的接觸電阻。其中一個重要應用是作為MOSFET的閘極電極，或是在摻雜多晶矽閘極上形成多晶金屬矽化物(Polycide)，最常用來形成多晶矽化物的是矽化鎢(WSi2)、矽化鉭(TaSi2) 和矽化鉬(MoSi2)。
IC製程中對金屬矽化物材料的要求：(1) 低電阻率；(2) 高矽化物相對於金屬的蝕刻選擇性；(3) 高的乾反應離子蝕刻氣體的抗蝕刻性；(4) 高的擴散阻擋層特性；(5) 低粗糙度；(6) 高的抗氧化性。還必須滿足高穩定的形貌、最少的矽消耗及低的薄膜應力。在應用時，金屬矽化物只在金屬與矽相接觸的區域形成，通常會以濕蝕刻將未反應的金屬除去，只留下金屬矽化物。
🔽表23-1 金屬矽化物及鋁電阻係數
| 材料 | TaSi2 | CoSi2 | Nisi | Al |
| 電阻係數 (μΩ-cm) | 13 ~ 16 | 15 ~ 20 | 10 ~ 20 | 2.8 |
23-7 銅製程技術(Copper Processes)
金屬鋁一直被用來當作晶片元件間表面的導線材料，隨著線寬的縮小，特別是0.25微米以下，導線總長度及導線總電阻隨電晶體數目大量增加而增加，信號在導線上所花的傳輸時間越來越長，甚至大過了電晶體的切換時間，IC運算的速度便受到電阻值和電容質值乘積(RC)延遲的增加而顯著的下降，限制了晶片的效能。
由於銅具有低電阻的特性，在室溫時純銅電阻係數僅為1.7μΩ-cm，低於鋁之2.82μΩ-cm，僅高於銀1.59μΩ-cm，此外，銅線可以做的較細，而讓線與線靠的更密，再加上電阻降低後，繞線時可以走更遠的距離，不需要把電路分割，或擺在不同層次，因此銅為導線的IC可承受更密集的電路排列，減少金屬層的層數，也省去了相關的製程步驟與光罩的製作費用，進而降低生產本和提昇IC的運算速度。此外，銅還具有較高的電子遷移阻力(electron-migration-resistance)，因此以銅為導線的IC具有更高的壽命及穩定性。IC上的鋁線若能以銅線取代，在0.18微米或以下製程，速度就能加快4倍，耗電量可以減少，製造成本更能降低20%到30%，因此銅製程成為IC製程的主要技術。
然而，銅製程無法使用傳統微影蝕刻及乾式蝕刻技術來進行導線佈線，因為乾式蝕刻都使用鹵化物反應氣體，銅鹵化物揮發性極低，使銅乾式蝕刻效率極低，因此IC銅製程採用鑲嵌 (damascene)法來進行，如圖23-11所示。由於該製程有低製成溫度、高沉積速度和低製作成本等諸多優點，該技術已成為銅導線的製作主流。該項技術需要用到兩個重要的製程步驟。第一：由於銅在矽和二氧化矽內具有高度擴散性，為了預防銅擴散進入介電層之中而造成漏 電，同時也為了避免銅擴散進入與矽產生深層陷阱的缺陷降低元件特性，因此必須在銅鑲嵌之前加一阻障層防止擴散。阻障層的要求如下：必須能夠防止銅的擴散、具有低阻抗、對介電層以及銅膜的附著性良好、及良好的化學機械研磨相容性。在目前已知的材料中，以氮化鉭(Tantalum Nitride,TaN)具有最好的銅阻擋能力。
(a)蝕刻出連接孔
(b)生長阻障層，一般可用Ta或TaN
(c)再生長一薄銅種晶層
(d)電鍍銅
🔼圖23-11 銅導線的製作流程
第二：阻障層製作完畢之後，使用物理氣相沉積法生長一層薄而連續的銅種晶層，藉以提高附著力，並促進電鍍時將銅充填至鑲嵌式結構內。種晶層能夠沿著鑲嵌結構的外圍攜帶電流，具有促進銅結晶生長的功效；種晶層必須薄、均勻而且連續，如此充填銅時才不會產生空隙。
銅電鍍因具有低本、高效率和速快等特色，使得它為銅製程的主要技術。另一方面，也要發展相搭配的低介電系數(low-k)材料，取代二氧化矽(k～4.0)的角色，進一步改善RC延遲，減少導線間雜訊耦合及功率消耗。將二者整合好是今日研發的主流。