本文主要介绍铜互连优势、大马士革工艺流程，以及化学机械平坦化原理与局限。

大马士革工艺与化学机械平坦化

不断缩小晶体管尺寸并提升器件性能的需求，推动了集成电路互连形成过程中的材料与工艺变化。传统上，铝一直被用于形成集成电路互连。该工艺涉及按照已图形化光刻胶所定义的图形，对整片沉积的铝进行减法刻蚀。然而，尺寸缩放和性能提升需求推动互连材料从铝转向铜。

引入铜来形成互连的主要动机，是铜相对于铝所具有的优势。下表给出了铝与铜性能的比较。

表 1：铝与铜性能比较

表 1 显示，铜的电阻率远低于铝。较低的电阻率会转化为更低的线电阻，而线电阻降低又会转化为更小的电阻电容延迟。更小的电阻电容延迟意味着器件速度性能提高。其次，随着电阻率降低，焦耳热也会降低。

焦耳热：

Q = J²ρ

因此，随着电阻率 ρ 降低，Q 也会降低。这意味着，在相同焦耳热水平下，可以使用更大的电流密度 J。更大的电流密度意味着可以采用更小面积，也就是说，可以进一步缩小器件尺寸。第三，铜的活化能高于铝。电迁移是一项关键可靠性问题，其在很大程度上取决于金属的活化能。电迁移平均失效时间与金属活化能 EA 的指数项成正比。

平均失效时间 = A(J⁻ⁿ)e^(Ea/kT)

由于铜的活化能高于铝，因此铜对电迁移失效具有更强抵抗能力。

使用铜作为互连也存在一些挑战。铜很难用传统刻蚀技术进行刻蚀。铜在刻蚀过程中不会产生挥发性副产物。例如，当使用氯气刻蚀铜时，会形成不易蒸发的氯化物。氯化物分子会附着在表面，并阻止下方铜继续被刻蚀。铜的另一个问题是，它会快速扩散进入氧化物和硅中，从而导致结尖峰和短路。与铝不同，铜在空气中会快速氧化，并且不会形成保护性氧化层。因此，铜的抗腐蚀和抗氧化能力较弱。

为应对这些挑战，IBM 引入了一种独特的加成加工技术，用于形成铜集成电路互连，通常称为大马士革工艺。大马士革这一名称源自 Damascus，即现代 Syria 的首都。大马士革工艺让人联想到中世纪以来 Middle East 使用的金属镶嵌技术。

在大马士革工艺中，铜并不是通过刻蚀去除，而是使用化学机械平坦化技术进行平坦化。其次，为防止铜污染氧化物或硅，在铜沉积之前会先沉积阻挡层。通常，钽、氮化钽或氮化钛会被用作阻挡层。

大马士革工艺是一种加成工艺。首先沉积介电材料，然后按照已定义的光刻胶图形对介电材料进行刻蚀。接下来沉积阻挡层，以防止结尖峰。之后，在表面上共形沉积一层很薄的铜种子层。种子层非常重要，因为没有种子层，铜就无法通过电化学方式沉积。沉积种子层之后，对结构进行铜电镀。最后一步是将多余铜平坦化。

大马士革工艺的一种变体是双大马士革工艺。在这一工艺中，先在介电材料中刻蚀孔和沟槽，以形成通孔和金属线，之后再通过单一步骤沉积铜。在双大马士革工艺中，形成介电材料中通孔所需的孔需要一次光刻和刻蚀步骤，形成金属线所需的沟槽还需要另一次光刻和刻蚀步骤。这两个光刻和刻蚀步骤可以按任意顺序执行，也就是说，可以先形成通孔再形成沟槽，也可以先形成沟槽再形成通孔。

trench first then trench

via first then trench

化学机械平坦化是“通过化学力与机械力的结合来平滑晶圆表面的工艺”。使用化学刻蚀与自由磨料抛光相结合的主要原因在于，单独机械研磨会对晶圆表面造成过多损伤，而单独化学刻蚀又不能带来良好的表面平坦化效果。该工艺通常用于去除氧化硅、多晶硅和金属表面，并提供平整表面。

化学机械平坦化涉及多个组成部分。首先是抛光盘，它是一个旋转基座，用于承载其上方所有部件。类似海绵的磨料抛光垫覆盖在抛光盘上，并随抛光盘一起旋转，以对晶圆表面进行机械抛光。晶圆载具由保持环、背衬膜、载具外壳和背压真空组成。晶圆通过保持环倒置固定在背衬膜上。保持环将晶圆保持在正确的水平位置，以实现均匀抛光。随后，抛光垫和晶圆载具以相反方向旋转，同时含有磨料和反应性化学品的浆料从下方流过。

化学机械平坦化通过在晶圆背面施加由背压真空提供的载荷力来实现。当压力施加到晶圆上时，较高的表面会被抛光掉，从而使表面层变平。此外，多数化学反应是各向同性的，并且会以不同速度刻蚀不同晶面。化学机械平坦化同时包含化学效应和机械效应。系统温度、背压、旋转速度和浆料流量等变量，对平坦化质量起着重要作用。典型工艺条件包括：温度为 10 °C 至 70 °C，背压为 2 psi 至 7 psi，转速为 20 rpm 至 80 rpm，浆料流量为 100 mL/min 至 200 mL/min。氧化硅层的典型去除速率约为 2800 Å/min，金属的典型去除速率约为 3500 Å/min。

化学机械平坦化的优势包括良好的选择性、降低光刻胶厚度变化、提高光刻工艺分辨率、改善后续层沉积的台阶覆盖能力，以及支持多层互连。化学机械平坦化不会鼓励研磨式整体去除，这意味着它只会抛光被选择的材料，并在非选择层处停止抛光，而其他平坦化技术可能会以相同速率去除不同材料。此外，由于化学机械平坦化会平滑表面层，因此能够降低光刻胶厚度变化。任何较高表面都会被抛光掉，以使表面层变平。

化学机械平坦化对多层芯片至关重要。良好的平坦化会改善后续层沉积的台阶覆盖，例如铜或铝金属沉积，从而最大化表面层之间的互连。这将促进多层芯片更快、更可靠，因为层与层之间的不良连接会被尽量减少。化学机械平坦化还通过降低焦深来提高光刻工艺分辨率。为了将光刻光束投射到晶圆表面，晶圆表面的粗糙度必须小于晶圆焦深的一半。平滑表面层会降低焦深需求，从而提高光刻分辨率。

不过，化学机械平坦化也存在一些限制。由于局部平坦化效应，凹陷和侵蚀会发生，即晶圆某些区域比其他区域抛光得更快。凹陷会形成类似井状的形貌。化学机械平坦化还会受到应力开裂、划伤以及浆料化学品腐蚀攻击的影响。晶圆非常薄弱，因此，对晶圆施加过高压力会导致应力开裂或表面划伤。化学机械平坦化工艺也耗时且成本较高。

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