什么是銅互連？為什么銅互連非要用雙大馬士革工藝？

在芯片制程中，很多金屬都能用等離子的方法進(jìn)行刻蝕，例如金屬Al，W等。但是唯獨(dú)沒有聽說過干法刻銅工藝，聽的最多的銅互連工藝要數(shù)雙大馬士革工藝，為什么？

什么是銅互連？

芯片的金屬互連是指在芯片內(nèi)部，用于連接晶體管、電容、電阻等之間的金屬導(dǎo)線，確保芯片電信號(hào)傳輸。早期的集成電路中，鋁是制作金屬互連的主要材料，但由于銅具有更好的導(dǎo)電性和抗電遷移特性，現(xiàn)在一般用銅作為集成電路的互聯(lián)金屬。

芯片互連指的是集成電路上，不同的部件之間進(jìn)行電連接的金屬連接。這些導(dǎo)線使得芯片內(nèi)部的成千上萬乃至上億的晶體管之間可以進(jìn)行信號(hào)傳輸。簡單來說，就像幾個(gè)水庫，相互獨(dú)立。通過挖溝渠的方式，將水庫之間導(dǎo)通，來實(shí)現(xiàn)水流（電流）的流動(dòng)。如果沒有互連，芯片內(nèi)部就像一個(gè)斷路。

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什么是大馬士革工藝？

熟悉歷史和地理的朋友都知道敘利亞首都大馬士革（Damascene）這座城市，而大馬士革刀劍以其鋒利，紋理的精美而著稱。其中需要用到一種鑲嵌工藝：首先，在大馬士革鋼的表面上雕刻出所需的圖案，將預(yù)先準(zhǔn)備好的材料緊密地鑲嵌到雕刻出的凹槽中，完成鑲嵌后，表面可能會(huì)有些不平整。工匠會(huì)仔細(xì)打磨，確保整體的光滑。

了解芯片工藝的朋友不禁驚呼，這不就是芯片的雙大馬士革工藝的雛形嘛。先在介電層中刻出凹槽或孔，然后在其中填充金屬。填充后，多余的金屬會(huì)被cmp去除。簡直如出一轍。

為什么銅互連非要用雙大馬士革工藝？

銅不容易被刻蝕！與某些材料不同，銅在等離子體刻蝕過程中不容易形成揮發(fā)性化合物。對(duì)于許多材料，干法刻蝕會(huì)形成容易從表面蒸發(fā)的反應(yīng)產(chǎn)物，這些產(chǎn)物會(huì)迅速擴(kuò)散出去而不會(huì)再次沉積在晶圓表面。但是，銅與常見的刻蝕氣體反應(yīng)生成的化合物往往是非揮發(fā)性的，這使得其難以被有效地從表面去除。

干法不行，那用濕法？芯片制程新線寬在幾十納米，濕法精度根本達(dá)不到。 因此棄用干濕法刻蝕的方案，改用雙大馬士革工藝。

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雙大馬士革工藝步驟：

介電層沉積：在已有的金屬層上沉積一層介電材料。通常是一個(gè)低介電常數(shù)的材料，以減少電容和信號(hào)延遲。

孔與槽的光刻與蝕刻：首先通過光刻技術(shù)在介電層上形成圖案，定義出導(dǎo)通孔和互連槽的位置。然后，使用蝕刻技術(shù)，將這些圖案轉(zhuǎn)移到介電層中，形成實(shí)際的孔和槽。

銅沉積：在孔和槽中沉積銅。通常是通過電鍍技術(shù)完成的。

化學(xué)機(jī)械拋光：去除多余的銅，使銅與介電層的表面齊平。這樣，只有孔和槽內(nèi)部的銅仍然保留。



為什么沒有干法刻蝕銅工藝？

銅的刻蝕難以生成易揮發(fā)物質(zhì)，生成物會(huì)附在晶圓表面，生成物的再沉積了影響下方Cu的刻蝕速率和均勻性，甚至導(dǎo)致Cu刻蝕的停止。

一般金屬的干法刻蝕通常需要目標(biāo)材料與刻蝕氣體反應(yīng)生成易揮發(fā)的化合物。例如： 鋁刻蝕:

2Al+3Cl2→2AlCl3 鎢刻蝕:

W+Cl2→WCl6 鈦刻蝕:

Ti+2Cl2→TiCl4 AlCl3,WCl6,TiCl4均是可揮發(fā)的物質(zhì)，可以通過真空系統(tǒng)從刻蝕腔室中抽出。

Cu與Cl2或F自由基的反應(yīng)式為：

Cu+Cl2→CuCl2或CuCl

Cu+F*→CuF2



CuF2,CuCl，CuCl2的物化性質(zhì)？

外觀：CuF2，白色或綠色晶體；CuCl，白色或淺綠色的粉末；CuCl2，棕黃色至綠色的粉末。

相態(tài)：在常溫下，CuF?，CuCl，CuCl2均是固態(tài)物質(zhì)。

密度：CuF?，4.23 g/cm3；CuCl2，3.386 g/cm3；CuCl，4.14 g/cm3。

熔點(diǎn)：CuF?，785°C；CuCl,約為430°C;CuCl2,993°C。

銅刻蝕有哪些方法？

1，在線寬很小的芯片制程中，無法用干法刻蝕，也無法用濕法刻蝕，因?yàn)闈穹涛g銅在納米尺度上難以實(shí)現(xiàn)高度均勻和精確的控制，一般濕法刻蝕在線寬為3um以上比較適用。因此，在大多數(shù)芯片制程中只能使用雙大馬士革工藝進(jìn)行Cu互連。

2，當(dāng)線寬較大時(shí)，可以用濕法刻蝕來除去Cu。濕法刻蝕是使用液體化學(xué)品來去除材料的過程，對(duì)于銅這樣的金屬，需要使用特定的化學(xué)溶液進(jìn)行去除。對(duì)于大面積的銅層，如電鍍銅的種子層或較粗的銅線路，濕法刻蝕是一個(gè)有效且經(jīng)濟(jì)的選擇。



3，Cu層較薄時(shí)，可以考慮用IBE（離子束刻蝕）去除。但是IBE不是主流的除銅方式，因?yàn)樗乃俾瘦^慢+Cu容易再沉積。IBE使用Ar離子轟擊晶圓表面，Ar離子與晶圓表面的碰撞使Cu發(fā)生物理剝離，但是IBE設(shè)備的成本相對(duì)較高，且處理速率比化學(xué)刻蝕方法慢很多。

審核編輯：劉清