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

什么是銅互連？

芯片的金屬互連是指在芯片內部，用于連接晶體管、電容、電阻等之間的金屬導線，確保芯片電信號傳輸。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電性和抗電遷移特性，現在一般用銅作為集成電路的互聯金屬。

芯片互連指的是集成電路上，不同的部件之間進行電連接的金屬連接。這些導線使得芯片內部的成千上萬乃至上億的晶體管之間可以進行信號傳輸。簡單來說，就像幾個水庫，相互獨立。通過挖溝渠的方式，將水庫之間導通，來實現水流（電流）的流動。如果沒有互連，芯片內部就像一個斷路。

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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，將預先準備好的材料緊密地鑲嵌到雕刻出的凹槽中，完成鑲嵌后，表面可能會有些不平整。工匠會仔細打磨，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性化合物。對于許多材料，干法刻蝕會形成容易從表面蒸發的反應產物，這些產物會迅速擴散出去而不會再次沉積在晶圓表面。但是，銅與常見的刻蝕氣體反應生成的化合物往往是非揮發性的，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。通常是一個低介電常數的材料，以減少電容和信號延遲。

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

銅沉積：在孔和槽中沉積銅。通常是通過電鍍技術完成的。

化學機械拋光：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物質，生成物會附在晶圓表面，生成物的再沉積了影響下方Cu的刻蝕速率和均勻性，甚至導致Cu刻蝕的停止。

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

2Al+3Cl2→2AlCl3 鎢刻蝕:

W+Cl2→WCl6 鈦刻蝕:

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

Cu與Cl2或F自由基的反應式為：

Cu+Cl2→CuCl2或CuCl

Cu+F*→CuF2



CuF2,CuCl，CuCl2的物化性質？

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：在常溫下，CuF?，CuCl，CuCl2均是固態物質。

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

熔點：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，因為濕法刻蝕銅在納米尺度上難以實現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，在大多數芯片制程中只能使用雙大馬士革工藝進行Cu互連。

2，當線寬較大時，可以用濕法刻蝕來除去Cu。濕法刻蝕是使用液體化學品來去除材料的過程，對于銅這樣的金屬，需要使用特定的化學溶液進行去除。對于大面積的銅層，如電鍍銅的種子層或較粗的銅線路，濕法刻蝕是一個有效且經濟的選擇。



3，Cu層較薄時，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，因為它的速率較慢+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發生物理剝離，但是IBE設備的成本相對較高，且處理速率比化學刻蝕方法慢很多。

審核編輯：劉清