大马士革工艺一般指的是铜的大马士革镶嵌工艺（Cu Damascene plating），镶嵌（damascene）一词，衍生自古代Damascus（大马士革）工匠的嵌刻技术，故亦称为大马士革镶嵌技术。此外还有双大马士革工艺（Dual Damascene），都是应用在集成电路互联线路的BEOL制程中。 

由于铝对于二氧化硅有很好的粘附性，早期的集成电路是采用铝金属进行布线互联（通过PVD先沉积铝层，刻蚀出铝图案后淀积二氧化硅介质层，最后再进行化学机械平坦化处理（Chemical-Mechanical Planarization，简称CMP）如下图1所示）。然而，铝和硅在577℃下会发生共熔，容易破坏浅结形成短路；另外，在大规模集成电路里面的铝导线又细又长，经常要承受很高密度的电流，内部的铝容易在在电场作用和热作用下扩散，甚至断开，发生“电迁移”，人们发现，在铝中加入4%的铜可以有效减轻这种电迁移现象。 

随着电路频率上升和尺度的下降，铝布线制程的信号延时增大，需要更高电导率的材料。对于金属铜，其电阻率(1.7 μΩ·cm)比铝(2.8 μΩ·cm)低，能够导致电路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。此外，随着通孔数量增加，铝硅表面的小接触电阻变大，而且铝很难沉积在10：1深宽比的通孔中。

似乎采用铜布线互联使大势所趋了，然而，在硅片上镀铜又有一个致命缺点，其与硅的接触电阻很高，而且铜容易扩散进入硅中，引起器件性能灾难。而且铜无法像铝一样采用传统的气体plasma刻蚀方法，因为铜与等离子体反应的生成物是固态，而不是气态，且刻蚀速度比铝小一个量级。 

因此，人们提出了大马士革镶嵌的方法来形成铜的互联线，随之铜互连技术逐渐取代了铝互联技术。铜的大马士革镶嵌工艺，先是对硅介质进行刻蚀（高纯度的硅有很低的接触电阻，而且容易干法刻蚀），形成孔洞（通孔），然后沉积金属铜（PVD、CVD或电镀），使其填充到这些孔洞中，最后再进行CMP，即可以得到所需的金属图案，如下图2所示。

其中，硅介质表面的阻挡层（barrier layer）一般是TaN，主要起两个作用，一是避免铜扩散到介质层中而引起器件失效；二是可以更好地粘附铜层。

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

Trench first：顾名思义，也就是先刻蚀出沟槽trench，然后刻蚀出via，最后沉积金属Cu（如图3所示）。此法的缺点在于进行via的光刻时，由于此处的光阻（photoresist，PR）较厚，因此曝光（exposure）与显影（development）较为困难。 

Via first：首先刻蚀出via孔洞，然后刻蚀出trench，最后沉积金属Cu（如图4所示）。此法via的光刻制程是在平坦平面上，因此较为容易，操作也较大；但是在之后的沟槽光刻制程时，由于光阻会将via填满，造成在trench蚀刻后，via可能会有有机残余物（residue）的问题。 

Self-aligned：如下图5所示，先在已沉积的介质层上再沉积一层数百埃的薄氮化硅作为阻挡层，然后在阻挡层上蚀刻出via图案，但在此先不往下层的介质层蚀刻下去。接下来沉积第二层介质层，然后进行trench的光刻制程，最后进行干蚀刻，在蚀刻至trench底部时，利用二氧化硅对氮化硅的高蚀刻选择比，以氮化硅作为trench的蚀刻终止层，同时并继续蚀刻下去至via图案完成为止（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。 

简而言之，传统的集成电路多层金属互连是以金属层的干法蚀刻方式来制作金属导线，然后进行介电层的填充。而大马士革工艺技术则是先在介电层上蚀刻金属导线用的图案，然后再填充金属。该技术最主要的特点是不需要进行金属层的干法蚀刻，因此对铜制程来说便极为重要，并且也是目前唯一成熟和已经成功用于IC制造中的铜图形化工艺。

————————————————

联系我们

电话：4000202002; 13327802009

地址：南京市江北新区星火北路11号

官网：www.eleadtech-global.com

邮箱：info@elead-tech.com