金屬互連中的大馬士革工藝

文章出處：責(zé)任編輯：人氣：-發(fā)表時間：2024-07-05 16:22【大中小】

在半導(dǎo)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(dǎo)電金屬來形成互連結(jié)構(gòu)。鋁曾經(jīng)是半導(dǎo)體行業(yè)中用于這些互聯(lián)結(jié)構(gòu)的主要材料。然而，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)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(dǎo)線材料。1997年，美國 IBM 公司公布了先進(jìn)的銅互連技術(shù)，標(biāo)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(nèi)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(jīng)被廣泛應(yīng)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(zhì)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(zhì)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??；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(shù)（TSV）不同，大馬士革刻蝕的是二氧化硅為主的介質(zhì)層材料，而 TSV 刻蝕的是硅晶圓。由于 Low-k 介質(zhì)層很薄，所以大馬士革通孔的深度遠(yuǎn)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(zhǔn)同步溝槽通孔。其中，第二、三種路徑分別因?yàn)闇喜壑械墓饪棠z堆積效應(yīng)和校準(zhǔn)工藝難度大而被逐漸淘汰，目前應(yīng)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(dá)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(zhì)地較軟，容易在高能刻蝕下出現(xiàn)側(cè)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(jīng)過大量理論計算和實(shí)驗(yàn)才能摸索出最優(yōu)化的光刻條件。

當(dāng)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(huán)節(jié)都需要精雕細(xì)琢，才有助于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高可靠性的電路互連，這也為大馬士革工藝在封裝領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

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