大馬士革工藝一般指的是銅的大馬士革鑲嵌工藝（Cu Damascene plating），鑲嵌（damascene）一詞，衍生自古代Damascus（大馬士革）工匠的嵌刻技術，故亦稱為大馬士革鑲嵌技術。此外還有雙大馬士革工藝（Dual Damascene），都是應用在集成電路互聯線路的BEOL制程中。
由于鋁對于二氧化硅有很好的粘附性，早期的集成電路是采用鋁金屬進行布線互聯（通過PVD先沉積鋁層，刻蝕出鋁圖案后淀積二氧化硅介質層，最后再進行化學機械平坦化處理（Chemical-Mechanical Planarization，簡稱CMP）如下圖1所示）。然而，鋁和硅在577℃下會發生共熔，容易破壞淺結形成短路；另外，在大規模集成電路里面的鋁導線又細又長，經常要承受很高密度的電流，內部的鋁容易在在電場作用和熱作用下擴散，甚至斷開，發生“電遷移”，人們發現，在鋁中加入4%的銅可以有效減輕這種電遷移現象。
隨著電路頻率上升和尺度的下降，鋁布線制程的信號延時增大，需要更高電導率的材料。對于金屬銅，其電阻率(1.7 μΩ·cm)比鋁(2.8 μΩ·cm)低，能夠導致電路RC延時的降低。并且，銅比鋁更不容易發生電子遷移，有較高的可靠性。此外，隨著通孔數量增加，鋁硅表面的小接觸電阻變大，而且鋁很難沉積在10：1深寬比的通孔中。
似乎采用銅布線互聯使大勢所趨了，然而，在硅片上鍍銅又有一個致命缺點，其與硅的接觸電阻很高，而且銅容易擴散進入硅中，引起器件性能災難。而且銅無法像鋁一樣采用傳統的氣體plasma刻蝕方法，因為銅與等離子體反應的生成物是固態，而不是氣態，且刻蝕速度比鋁小一個量級。
因此，人們提出了大馬士革鑲嵌的方法來形成銅的互聯線，隨之銅互連技術逐漸取代了鋁互聯技術。銅的大馬士革鑲嵌工藝，先是對硅介質進行刻蝕（高純度的硅有很低的接觸電阻，而且容易干法刻蝕），形成孔洞（通孔），然后沉積金屬銅（PVD、CVD或電鍍），使其填充到這些孔洞中，最后再進行CMP，即可以得到所需的金屬圖案，如下圖2所示。
其中，硅介質表面的阻擋層（barrier layer）一般是TaN，主要起兩個作用，一是避免銅擴散到介質層中而引起器件失效；二是可以更好地粘附銅層。
進一步發展出dual Damascene工藝，這里的dual是指同時形成通孔（via）和金屬（metal）兩層。Dual Damascene還可進一步細分，包括trench first、via first和self-aligned三類。其中：
Trench first：顧名思義，也就是先刻蝕出溝槽trench，然后刻蝕出via，最后沉積金屬Cu（如圖3所示）。此法的缺點在于進行via的光刻時，由于此處的光阻（photoresist，PR）較厚，因此曝光（exposure）與顯影（development）較為困難。
Via first：首先刻蝕出via孔洞，然后刻蝕出trench，最后沉積金屬Cu（如圖4所示）。此法via的光刻制程是在平坦平面上，因此較為容易，操作也較大；但是在之后的溝槽光刻制程時，由于光阻會將via填滿，造成在trench蝕刻后，via可能會有有機殘余物（residue）的問題。
Self-aligned：如下圖5所示，先在已沉積的介質層上再沉積一層數百埃的薄氮化硅作為阻擋層，然后在阻擋層上蝕刻出via圖案，但在此先不往下層的介質層蝕刻下去。接下來沉積第二層介質層，然后進行trench的光刻制程，最后進行干蝕刻，在蝕刻至trench底部時，利用二氧化硅對氮化硅的高蝕刻選擇比，以氮化硅作為trench的蝕刻終止層，同時并繼續蝕刻下去至via圖案完成為止（由于阻擋層的保護，底部的介質層只被刻蝕成via的圖案）。該方法的工藝步驟較多，相對復雜，但它的via與trench同時形成。
簡而言之，傳統的集成電路多層金屬互連是以金屬層的干法蝕刻方式來制作金屬導線，然后進行介電層的填充。而大馬士革工藝技術則是先在介電層上蝕刻金屬導線用的圖案，然后再填充金屬。該技術最主要的特點是不需要進行金屬層的干法蝕刻，因此對銅制程來說便極為重要，并且也是目前唯一成熟和已經成功用于IC制造中的銅圖形化工藝。
屹立芯創 · 除泡品類開創者
————————————————
聯系我們
電話：4000202002; 13327802009
地址：南京市江北新區星火北路11號
官網：www.3-better.com
郵箱：info@elead-tech.com
