晶片裡的導線怎麼做？通孔、銅，為什麼要先挖溝再填

晶片裡的導線，是在電晶體上面一層一層「蓋」出來的：先鋪一層絕緣層，在裡面挖出放導線的溝、往下接的小洞，填滿金屬（現在多半是銅），把表面磨平，再蓋下一層。最先進的晶片，導線會疊到十幾層。晶圓廠常把做電晶體那一段叫「前段製程」（FEOL），做導線這一段叫「後段製程」（英文 BEOL，back end of line）。

這個「後段」是晶圓廠裡的說法。產業上說「後段封測」的後段，是把晶片切開、包起來（見「封裝是什麼？」），是另一件事。

晶片為什麼需要好幾層導線？

晶片最底下，是做在矽裡的電晶體（多的有上百億個），也就是用電控制的小開關（見「電晶體是什麼？」）。每個開關的結果，是一條線上電壓的高低（高是 1、低是 0），要送到別的開關去。線多到一層擺不下，所以晶片像一棟大樓：一樓擠滿開關，樓上一層一層都是走廊。

• 導線：同一層裡橫著走的金屬線，像一層樓裡的走廊。
• 通孔：上下兩層導線之間，垂直接通的小洞，像樓梯。英文叫 via，台灣也常叫介層窗。
• 接觸窗：最底下的那一種洞，從第一層導線往下接到電晶體。

離開關最近的接觸窗，常填鎢這類金屬，不直接填銅，原因在後面。電晶體和接觸窗怎麼做，見「一顆電晶體是怎麼做出來的？」；這篇講上面那十幾層。

一層導線怎麼做？

每一層導線，大致走一樣的六步。

第 1 步：鋪一層絕緣層

在下面那一層上，鋪一層絕緣的薄膜，例如二氧化矽（見「薄膜製程是什麼？」）。導線要埋在絕緣層裡，線和線之間才不會通電。少了它，兩條不該接的線一碰到，就短路。

第 2 步：印圖案，挖出溝和洞

用黃光把這一層導線的形狀印在光阻上，再用蝕刻在絕緣層裡挖出淺溝和更深的小洞：溝以後放導線，洞以後變成通孔，往下接到下面那一層的線。很多時候溝和洞先後挖在同一層裡、再一次填滿，叫「雙鑲嵌」。洞沒挖到底，上下就接不通；挖過頭，會傷到下面那一層。洞非常多，廠裡會把幾千個串起來一起量（見「WAT 是什麼？」）。

第 3 步：先鋪一層很薄的阻障層

在溝和洞的底部、側壁，先鋪一層很薄的金屬膜，叫阻障層，常用鉭和氮化鉭。因為銅的原子很會鑽：鑽進絕緣層，絕緣層就變得不太絕緣；鑽進底下的矽，會在裡面形成「陷阱」，讓電晶體漏電。阻障層把銅關在裡面，也讓銅黏得住。少了它，電晶體慢慢變差，而且不一定馬上看得出來。

鋪完阻障層，還要鋪一層很薄的銅，當下一步的「種子」。

第 4 步：電鍍，把銅填滿

把晶圓泡進含銅的電鍍液、通上電，銅就從種子層上長出來，把溝和洞填滿。電鍍液裡加了添加劑，讓洞底長得比洞口快，從下往上填。洞又細又深，洞口要是先合起來，裡面就留下空隙，電不好走，嚴重的會斷掉。

第 5 步：把多出來的磨掉

銅連溝外面也蓋上一層，把所有的線連成一片。所以要用 CMP（化學機械研磨）把溝外面的銅和阻障層磨掉，磨到絕緣層露出來就停，銅只留在溝和洞裡；表面平了，下一層的黃光也才印得準。磨太少，線和線之間留著一點銅就短路；磨太多，線變薄、電阻變高（見「CMP 是什麼？」）。

第 6 步：封住頂面，再做下一層

在磨平的銅上蓋一層很薄的保護膜。阻障層只包住銅的底部和兩側，頂面也要封起來，不然銅會往上鑽進上面那一層的絕緣層。然後回到第 1 步，十幾層就重複十幾次；最上面做成大塊的金屬墊，讓晶片接到外面（見「打線是什麼？」）。

銅為什麼要「先挖溝再填」？

大約到 1990 年代末，導線多半用鋁，做法跟上面相反：先整片鋪滿鋁、印上圖案，用乾蝕刻刻掉不要的鋁，再用絕緣層填滿線和線之間的縫。

後來改用銅，因為同樣粗細，銅的電阻只有鋁的六成多；電流大時，電子一直撞金屬的原子，日子久了會把原子推走、讓線斷掉，銅也比鋁耐得住。

問題是，銅很難用乾蝕刻刻出線條。乾蝕刻靠電漿裡很活潑的碎片跟表面起反應，變成氣體被抽走（見「蝕刻是什麼？」）；銅反應之後的產物，在晶片受得了的溫度下很難變成氣體，會黏在表面，刻不乾淨。

所以反過來做：刻不動銅，就刻絕緣層，再把銅填進去、把多的磨掉。這叫「鑲嵌」（damascene），名字來自一種古老的工藝：在金屬器物上刻出花紋，再把金、銀嵌進去。

為什麼底下幾層細，上面幾層粗？

最底下幾層接旁邊的開關：路短、線多，所以最細、最密。最先進的晶片，最密的導線間距只有幾十奈米（見新聞說的「2 奈米」那篇）。

上面幾層把訊號送到晶片的另一頭，也把電源送到每一個開關。路長、電流大，線就要寬、要厚，因為導線越長電阻越大、越粗電阻越小。就像城市裡，家門口的巷子又窄又多，跨城的快速道路又寬又少。

為什麼沾過銅的機台和晶圓，要跟前段分開？

銅跑進矽裡，一點點就會讓電晶體漏電。前段的晶圓還要進很高溫的步驟（見「爐管在做什麼？」）：要是經過沾了銅的機台或盒子，沾到一點銅，一進高溫，銅就鑽進矽裡，同一爐都可能受影響，爐子也被弄髒。

所以很多晶圓廠會畫一條線：做銅的步驟放在另一區，或用專用的機台；做過銅的晶圓不再回到前段的機台；裝晶圓的盒子和搬運的工具，也只在銅那一邊用。晶圓背面和邊緣的銅要另外洗掉，免得經過兩邊共用的量測機台時帶過去。

導線為什麼越來越拖慢晶片？

訊號在導線上走，要過兩關。一是線越細，電阻越大。二是兩條線中間隔著絕緣層，就像一個小電容：靠得越近，一條線的電壓一變，越會牽動旁邊那一條，電壓也變得越慢。

電晶體做小通常變快，導線做細卻變慢。線細到一定程度，銅的電阻還會比照比例算出來的更高：電子更常撞到線的表面和銅裡結晶的交界，阻障層又不能一直變薄。所以晶片越先進，訊號的延遲就有越多是導線造成的，線越長越明顯。對策之一，是改用比較不會讓線互相干擾的絕緣材料（低介電常數材料）；在最細的幾層改用別的金屬，工程師也正在試。

在 fab24hr 裡

在 fab24hr，研發線好幾個位子都碰到同一層：新的接觸窗。按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「研發線」，左右滑到研發製程工程師，名字下面再點「薄膜」，就是薄膜研發製程工程師（標著 Beta）：早班，新的洞比較窄，要決定阻障層長多厚；深夜班，切片照片上，邊緣的接觸窗底下有一個洞。研發線清洗那一區的午班，另一組有一批邊緣露出金屬的片子，想排進唯一的清洗機：金屬泡進槽液，會留在槽壁上，下一批用同一桶的片子都可能沾到。

主線「晶片的一生」第 2 章「一站一站」挖的是最底下的隔離溝：挖溝、填滿氧化物、磨平，跟這篇同一個節奏，只是填的是絕緣的材料。遊戲裡沒有電鍍銅的機台，也沒說接觸窗填的是哪一種金屬。公司、人物、機台和數字都是虛構的；導線怎麼做，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。