金屬互連中的大馬士革工藝

文章出處：責任編輯：人氣：-發表時間：2024-07-05 16:22【大中小】

在半導體制程中為了連接不同的電路元件，傳遞電子信號和為電路元件供電，需要使用導電金屬來形成互連結構。鋁曾經是半導體行業中用于這些互聯結構的主要材料。然而，隨著半導體技術的進步和特征尺寸的不斷縮小，銅成為了替代選擇，那么這個過程是如何演變的呢？

金屬互連工藝歷史：早期的集成電路使用了金作為互連材料，到60-90年代中期，鋁逐漸成為集成電路制造中最主要的互連導線材料。1997年，美國 IBM 公司公布了先進的銅互連技術，標志著銅正式開始替代鋁成為高性能集成電路的主要互連材料。

IBM 公司首先提出了以銅作為互連材料的工藝方法，由于與2500多年前敘利亞大馬士革城內鑄劍工藝有異曲同工之妙，故以“大馬士革”（Damascene）命名。如今大馬士革工藝已經被廣泛應用到了集成電路中。

通俗地講，大馬士革工藝就是在 Low-k 介質材料上刻蝕出凹痕并電鍍銅的過程，并不會刻蝕較深的硅晶圓。最早的大馬士革工藝稱為銅質雙重鑲嵌，所謂“雙重”，即需要刻蝕出通孔和溝槽兩種形狀，在這兩種形狀中濺射 Ti、Cu 種子層，再電鍍出銅互連線，故該工藝也常被稱為“雙大馬士革”（Dual-damascene）。

通孔用于垂直方向的互連，直徑小；溝槽用于平面方向的互連，直徑大。此處的通孔與硅通孔技術（TSV）不同，大馬士革刻蝕的是二氧化硅為主的介質層材料，而 TSV 刻蝕的是硅晶圓。由于 Low-k 介質層很薄，所以大馬士革通孔的深度遠不及 TSV 通孔。

大馬士革工藝有三種路徑選擇：1）先通孔后溝槽；2）先溝槽后通孔；3）自校準同步溝槽通孔。其中，第二、三種路徑分別因為溝槽中的光刻膠堆積效應和校準工藝難度大而被逐漸淘汰，目前應用最廣的是先通孔后溝槽工藝，在該路徑中溝槽刻蝕是最困難的。

整個刻蝕流程為，先在 Low-k 材料表面涂覆光刻膠，曝光顯影后，干法刻蝕穿透表面硬阻擋層和中間阻擋層直達底部氮化硅阻擋層，然后重新涂覆一層光刻膠，使通孔中保留少量光刻膠，刻蝕出溝槽，最后洗去光刻膠。中間的阻擋層方便通孔和溝槽的分步刻蝕。

目前大馬士革工藝對光刻精度的要求越來越高，由于 Low-k 材料是多孔材料，質地較軟，容易在高能刻蝕下出現側壁彎曲、階梯、柵欄等缺陷，故對射頻能量、氣體流量、壓力的控制要求很高，且需要經過大量理論計算和實驗才能摸索出最優化的光刻條件。

當然，不只是光刻，整個大馬士革工藝中還存在著各種各樣的難題，比如電鍍、清洗、等離子體刻蝕、磨平拋光等各個環節都需要精雕細琢，才有助于實現高質量、高可靠性的電路互連，這也為大馬士革工藝在封裝領域的應用奠定了良好的基礎。

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