金属互连中的大马士革工艺

文章出处：责任编辑：人气：-发表时间：2024-07-05 16:22【大中小】

在半导体制程中为了连接不同的电路元件，传递电子信号和为电路元件供电，需要使用导电金属来形成互连结构。铝曾经是半导体行业中用于这些互联结构的主要材料。然而，随着半导体技术的进步和特征尺寸的不断缩小，铜成为了替代选择，那么这个过程是如何演变的呢？

金属互连工艺历史：早期的集成电路使用了金作为互连材料，到60-90年代中期，铝逐渐成为集成电路制造中最主要的互连导线材料。1997年，美国 IBM 公司公布了先进的铜互连技术，标志着铜正式开始替代铝成为高性能集成电路的主要互连材料。

IBM 公司首先提出了以铜作为互连材料的工艺方法，由于与2500多年前叙利亚大马士革城内铸剑工艺有异曲同工之妙，故以“大马士革”（Damascene）命名。如今大马士革工艺已经被广泛应用到了集成电路中。

通俗地讲，大马士革工艺就是在 Low-k 介质材料上刻蚀出凹痕并电镀铜的过程，并不会刻蚀较深的硅晶圆。最早的大马士革工艺称为铜质双重镶嵌，所谓“双重”，即需要刻蚀出通孔和沟槽两种形状，在这两种形状中溅射 Ti、Cu 种子层，再电镀出铜互连线，故该工艺也常被称为“双大马士革”（Dual-damascene）。

通孔用于垂直方向的互连，直径小；沟槽用于平面方向的互连，直径大。此处的通孔与硅通孔技术（TSV）不同，大马士革刻蚀的是二氧化硅为主的介质层材料，而 TSV 刻蚀的是硅晶圆。由于 Low-k 介质层很薄，所以大马士革通孔的深度远不及 TSV 通孔。

大马士革工艺有三种路径选择：1）先通孔后沟槽；2）先沟槽后通孔；3）自校准同步沟槽通孔。其中，第二、三种路径分别因为沟槽中的光刻胶堆积效应和校准工艺难度大而被逐渐淘汰，目前应用最广的是先通孔后沟槽工艺，在该路径中沟槽刻蚀是最困难的。

整个刻蚀流程为，先在 Low-k 材料表面涂覆光刻胶，曝光显影后，干法刻蚀穿透表面硬阻挡层和中间阻挡层直达底部氮化硅阻挡层，然后重新涂覆一层光刻胶，使通孔中保留少量光刻胶，刻蚀出沟槽，最后洗去光刻胶。中间的阻挡层方便通孔和沟槽的分步刻蚀。

目前大马士革工艺对光刻精度的要求越来越高，由于 Low-k 材料是多孔材料，质地较软，容易在高能刻蚀下出现侧壁弯曲、阶梯、栅栏等缺陷，故对射频能量、气体流量、压力的控制要求很高，且需要经过大量理论计算和实验才能摸索出最优化的光刻条件。

当然，不只是光刻，整个大马士革工艺中还存在着各种各样的难题，比如电镀、清洗、等离子体刻蚀、磨平抛光等各个环节都需要精雕细琢，才有助于实现高质量、高可靠性的电路互连，这也为大马士革工艺在封装领域的应用奠定了良好的基础。

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