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双大马士革工艺是一种先进的铜互连技术，用于制造集成电路中的互连线。与传统的单大马士革工艺相比，双大马士革工艺通过同时形成通孔和沟槽，显著提高了互连线的密度和性能。本文将详细解析双大马士革工艺的各个步骤，并探讨其中涉及的介质层、阻挡层及其制作方法。
一、工艺步骤详解
1.通孔的形成
双大马士革工艺的第一步是在介质层上形成通孔。介质层通常选择具有低介电常数和高机械强度的材料，如SiCOH（硅酸盐碳氢化合物）。以下是该步骤的详细过程：
沉积光刻胶
首先，在介质层上沉积一层光刻胶（Resist）。光刻胶是一种对光敏感的聚合物，能够在光照下发生化学反应。
光刻工艺
使用光刻机对光刻胶进行曝光和显影，形成掩模图形。这一步的目的是定义出后续刻蚀过程中通孔的位置和形状。
干法刻蚀
通过干法刻蚀（如反应离子刻蚀）手段，将未被光刻胶保护的介质层部分刻蚀掉，形成通孔。干法刻蚀具有高精度和高分辨率的优点，能够确保通孔的形状和尺寸符合设计要求。
2.制作沟槽所需的图形
完成通孔的刻蚀后，下一步是制作沟槽所需的图形。这一步骤涉及去除原光刻胶、旋涂抗反射层以及重新涂布光刻胶等过程：
去除原光刻胶
使用化学溶剂或等离子体去胶机去除原光刻胶，为后续的旋涂抗反射层做准备。
旋涂抗反射层
旋涂一层抗反射层以减少光刻过程中的反射和干涉效应。抗反射层能够显著提高光刻图形的分辨率和对比度。
填充通孔
将通孔填满，通常使用一种临时填充材料（如光刻胶或其他聚合物），以防止在后续涂布光刻胶时通孔被堵塞。
涂布光刻胶
再次涂布一层光刻胶，并使用光刻工艺制作开槽所需的光刻胶图形。这一步骤的目的是定义出后续刻蚀过程中沟槽的位置和形状。
3.开沟槽
完成光刻胶图形的制作后，下一步是进行沟槽的刻蚀：
去除抗反射层
首先，使用干法刻蚀技术去除光刻胶图形以外的抗反射层部分。
刻蚀介质层
继续使用干法刻蚀技术，将未被光刻胶和抗反射层保护的介质层部分刻蚀掉，形成沟槽。这一过程需要精确控制刻蚀深度和侧壁角度，以确保沟槽的形状和尺寸符合设计要求。
去除光刻胶
最后，使用化学溶剂或等离子体去胶机去除光刻胶和抗反射层，暴露出最终的通孔和沟槽结构。
4.沉积种子层
在刻蚀好的沟槽和通孔内沉积种子层是双大马士革工艺的关键步骤之一。种子层不仅为后续的电镀工艺提供导电通路，还能够增强铜与介质层之间的附着力。以下是沉积种子层的详细过程：
清洁表面
在沉积种子层之前，需要对晶圆表面进行彻底的清洁处理，以去除任何残留的杂质和污染物。
沉积阻挡层
首先，使用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）技术在沟槽和通孔内沉积一层阻挡层。阻挡层通常选择钽（Ta）或氮化钽（TaN），因为它们具有优异的抗扩散性能和良好的导电性。阻挡层的主要作用是防止铜原子在后续的电镀和CMP过程中扩散到介质层中。
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沉积铜种子层
在阻挡层上沉积一层铜种子层。铜种子层可以使用PVD或CVD技术沉积，也可以使用电镀技术在较低的电流下初步沉积一层薄铜层。铜种子层为后续的电镀工艺提供了必要的导电通路。
5.电镀铜
电镀铜是双大马士革工艺中的核心步骤之一，它负责将铜填充到通孔和沟槽中。以下是电镀铜的详细过程：
准备电镀液
将含有铜离子的电镀液倒入电镀槽中，并加入适量的添加剂以调节电镀液的性能和镀层的质量。
施加电流
将晶圆作为阴极浸入电镀液中，并施加适当的电流。在电流的作用下，电镀液中的铜离子被还原成铜原子并沉积在晶圆表面的铜种子层上。
填充铜
随着电镀过程的进行，铜逐渐填充到通孔和沟槽中。电镀过程中需要精确控制电流密度、电镀时间和电镀液的温度等参数，以确保铜的均匀沉积和完全填充。
停止电镀
当铜完全填满通孔和沟槽并达到所需的厚度时，停止电镀过程。此时，晶圆表面会有一层过量的铜需要去除。
6.CMP抛光与后续处理
完成电镀铜后，最后一步是使用化学机械抛光（CMP）技术去除晶圆表面多余的铜和种子层。CMP抛光不仅能够确保铜互连线的平整度，还能够去除任何可能存在的缺陷和污染物。以下是CMP抛光的详细过程：
准备抛光垫和抛光液
选择合适的抛光垫和抛光液。抛光垫通常是由多孔材料制成的，而抛光液则含有磨料和化学添加剂。
施加压力
将晶圆固定在抛光机的旋转盘上，并施加适当的压力。同时，使抛光垫和抛光液以一定的速度旋转和流动。
抛光过程
在抛光过程中，磨料与晶圆表面发生摩擦，将多余的铜和种子层逐渐去除。同时，化学添加剂与晶圆表面发生化学反应，进一步加速抛光过程。
