铜的大马士革(Damascene)工艺

这篇笔记介绍下铜的大马士革镶嵌工艺。小豆芽之前对于金属图案的理解是先沉积一层金属，然后再通过干法刻蚀的方法形成图案。最近才发现自己的理解不够全面。

对于金属铜，它的电阻率(1.7 μΩ.cm)比铝(2.8 μΩ.cm)低，导致电路RC延时的降低。并且，铜比铝更不容易发生电子迁移，有较高的可靠性。因此铜互连技术逐渐取代了铝互联技术。但是如果采用传统的气体plasma刻蚀方法，铜的生成物是固态，而不是气态，它的刻蚀速度比Al小一个量级。因此，人们提出了大马士革镶嵌（Damascene plating）的方法来形成铜的互联线。

大马士革镶嵌本来是指将多种金属镶嵌在一起，用于制作精美的工艺品，如下图所示。金线或者银线通过敲打的方式，嵌入到钢片中。

（图片来自https://www.xuehua.us/2018/06/20/原创设计典范-大马士革镶嵌黄金戒指/）

对于铜互联线的镶嵌工艺，正是借鉴了这一思想，先是对介质进行刻蚀，形成孔洞，然后沉积金属铜，使其填充到这些孔洞中，最后再进行化学机械凭证化处理（Chemical-Mechanical Planarization， 简称CMP），即可以得到所需的金属图案，如下图所示。阻挡层（barrier layer）主要有两个作用： 1）避免Cu扩散到介质层中，2）可以较好地粘附Cu。

(图片来自https://web.stanford.edu/class/ee311/NOTES/Interconnect%20Cu%20Slides.pdf)

进一步发展出dual Damascene工艺，这里的dual是指同时形成via和metal两层。Dual Damascene还可进一步细分，包括via first、trench first和self-aligned三类,

1) Trench first

顾名思义，也就是先刻蚀出trench, 然后刻蚀出via。

（图片来自https://www.halbleiter.org/en/metallization/copper-technology/）

2）Via first

如下图所示，首先刻蚀出via孔洞，然后刻蚀出trench, 最后沉积金属Cu

（图片来自https://www.halbleiter.org/en/metallization/copper-technology/）

3） self-aligned

如下图所示，首先沉积一层介质层和一层刻蚀阻挡层。在阻挡层上刻蚀出via的图案，沉积完介质后，再进行trench图案的刻蚀。由于阻挡层的保护，底部的介质层只被刻蚀成via的图案。该方法的工艺步骤较多，相对复杂，但它的via与trench同时形成。

（图片来自https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dual-Damascene-Prozess_(self_aligned;_Schautafel).svg）

以上是对大马士革镶嵌工艺的简单介绍，简而言之，该工艺通过一定的方法在介质层中刻蚀出所需的图案，然后填充金属铜, 即可得到铜互联线。在半导体工艺流程中，大马士革镶嵌工艺是非常重要的一个步骤。细想起来，也就是捡软柿子捏，无法直接对Cu刻蚀，就欺负软柿子——介质层，然后让硬柿子填充到安排好的座位中。