半导体制造中大马士革工艺介绍

文章来源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

在半导体制造的发展历程中，金属互连技术的演进至关重要。

早期集成电路主要使用铝作为互连材料，但随着制程工艺迈入0.18微米时代，铝互连的局限性日益凸显。首先，铝与硅在577℃下会发生共熔，可能破坏浅结导致短路，即“结尖刺”现象。其次，随着导线尺寸缩小，电流密度增大，铝原子在电场和热作用下容易发生迁移，导致导线断裂或形成空洞，即“电迁移”失效，这会显著增加芯片的RC延迟并限制其运行速度。因此，业界迫切需要一种性能更优的替代材料。

铜互连的优势与挑战

铜因其优异的性能成为铝的理想替代品。铜的电阻率（1.7μΩ·cm）低于铝（2.8μΩ·cm），能有效降低信号延迟，提升芯片速度。同时，铜具有更高的抗电迁移能力，能够承载更大电流，保证了高电流密度下的可靠性。此外，采用铜互连还有助于减少工艺步骤、降低功耗并实现更高的集成密度。然而，铜互连的推广面临一个巨大的工艺障碍：铜无法像铝那样采用传统的等离子体干法刻蚀进行图形化，因为其反应产物不易挥发，难以从表面有效去除。

大马士革工艺的原理

这一难题最终通过借鉴古老工艺得到了巧妙解决，即“大马士革工艺”。该工艺得名于古代叙利亚大马士革城的工匠在金属上进行镶嵌雕刻的技术。在半导体制造中，大马士革工艺的基本思路与传统铝互连相反：不再是对金属层进行刻蚀，而是先在介电层上刻蚀出所需的导线沟槽和通孔，然后再向这些凹痕中填充金属铜，最后通过化学机械平坦化（CMP）去除多余的铜，从而形成嵌入式互连结构。这种方法巧妙地避开了铜难以刻蚀的难题。

随着技术的发展，为了进一步提高集成度，业界发展出了“双大马士革”工艺。该工艺的核心是同时形成用于层间垂直连接的通孔和用于平面布线的沟槽，然后一次性填充铜，从而简化了流程。根据通孔和沟槽形成的先后顺序，双大马士革工艺主要有三种路径选择：先通孔后沟槽、先沟槽后通孔以及自校准同步形成。其中，先通孔后沟槽工艺因光刻工艺相对容易控制，成为目前应用最广泛的方法。在该流程中，首先在Low-k介质层上涂覆光刻胶，曝光显影后干法刻蚀出通孔，随后进行第二次光刻和刻蚀以形成沟槽。整个过程对光刻精度、刻蚀参数的控制要求极高，以避免出现侧壁弯曲、阶梯等缺陷。

铜互连的配套技术与应用

尽管大马士革工艺解决了铜的图形化问题，但铜互连本身仍面临其他挑战。一是铜在低温下（低于200℃）容易氧化；二是铜极易向周围的二氧化硅或硅中扩散，污染器件并导致性能下降。为了解决这些问题，大马士革工艺在填充铜之前，需要先在刻蚀好的沟槽和通孔内沉积一层薄的阻挡层（如TaN、TiN等）。这层阻挡层既能有效阻止铜向介质中扩散，又能增强铜与介质的粘附性，是铜互连成功应用的关键保障。大马士革工艺，特别是双大马士革工艺，通过与阻挡层技术、化学机械平坦化技术的结合，成功实现了铜在集成电路制造中的应用，成为目前唯一成熟且广泛使用的铜图形化方法。它为后段制程的微缩和多层立体布线奠定了坚实的技术基础，深刻影响了半导体产业的发展。