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大馬士革鑲嵌

　　鑲嵌(damascene)一詞，衍生自古代的Damascus（大馬士革）工匠之嵌刻技術，故亦稱為大馬士革鑲嵌技術。傳統的積體電路之多層金屬聯結(multilevel interconnection)是以金屬層的乾蝕刻方式來製作金屬導線，然後進行介電層的填充(dielectric gap fill)。而鑲嵌技術則是先在介電層上蝕刻金屬導線用的圖膜，然後再填充金屬。鑲嵌技術最主要的特點是不需要進行金屬層的蝕刻。當金屬導線的材料由鋁轉換成電阻率更低的銅的時候，由於銅的乾蝕刻較為困難，因此鑲嵌技術對銅製程來說便極為重要。

鑲嵌結構一般常見兩種：單鑲嵌結構(single damascene)以及雙鑲嵌結構(dual damascene)。

1.單鑲嵌結構如前所述，僅是把單層金屬導線的製作方式由傳統的（金屬層蝕刻+介電層填充）方式改為鑲嵌方式（介電層蝕刻+金屬填充），較為單純。

而雙鑲嵌結構則是將孔洞(hole)及金屬導線結合一起都用鑲嵌的方式來做。如此只需一道金屬填充的步驟，可簡化製程，不過製程也較為複雜與困難。一般完整的雙鑲嵌製程為，先沉積介電層並以干蝕刻完成雙鑲嵌結構之圖型后，接著需沉積一層擴散阻障層(diffusion barrier)，鋁製程一般是TiN，銅製程則為TaN。然後進行金屬沉積，鋁製程一般為PVD，銅製程則可能為PVD、CVD，或電鍍。最後，再進行CMP（化學機械研磨）即告完成。

2.雙鑲嵌結構若依乾蝕刻方式的不同來分類的話，目前大致上可分為Trench First、Via first及Self-Aligned等三種。

2-1 Trench First

Trench First為最先被大部份公司採用以發展雙鑲嵌結構之方法。此法首先在已沉積之介電層上蝕刻出導線用的溝槽(trench)圖型，然後進行孔洞(hole)之微影製程(lithography)，最後再蝕刻出孔洞圖型。此法之缺點在於進行hole之微影製程時，由於此處的光阻(photoresist)較厚，因此曝光(exposure)與顯影(development)較為困難。

另外，可注意到在兩介電層中間及最底部加了所謂的「蝕刻終止層」(etch stop layer)，一般為氮化矽。底部的蝕刻終止層，其作用是避免在hole蝕刻至底部時，因為過度蝕刻(over etch)而對下層之材料產生嚴重的破壞。而中間的蝕刻終止層，其作用則是使trench之蝕刻深度得以精確控制及一致化。若未加上此一蝕刻終止層的話，由於乾蝕刻之不均勻性(non-uniformity)、微負載效應(microloading effect)及深寬比效應(Aspect Ratio Dependence Etching，ARDE effect)等，會使得trench之深度難以控制及不一致。

除了蝕刻上的考慮之外，氮化矽蝕刻終止層在銅之鑲嵌製程(copper damascene process)上，還具有阻擋銅擴散之功能。但其缺點是會增加導線間(intra-metal)之電容值（注一：氮化矽之介電常數為7～8，而一般之氧化矽為4。注二：亦會增加inter-metal層間電容值）。

2-2 Via First

此法與trench first法不同的是先進行孔洞的蝕刻然後再蝕刻導線用的溝槽圖型。IBM指出此法之主要優點為：由於孔洞之微影製程較溝槽困難，而此法之孔洞的微影製程是在平坦平面上，因此較為容易，process window也較大。

此法的缺點是在之後的trench微影製程時，由於光阻及ARC抗反射層會將孔洞填滿，造成在trench蝕刻後，孔洞可能會有有機殘餘物(residue)的問題。

2-3 Self-Aligned第三種方法為自我對準式(self-aligned)。此法較為複雜，但具有一些優點。

此法首先在已沉積之介電層上再沉積一層數百埃的薄氮化矽作為所謂的硬質罩幕層(hard mask)，然後在硬質罩幕層上蝕刻出孔洞所需之圖型，但在此先不往下層之介電層蝕刻下去。接下來沉積第二層之介電層，然後進行溝槽之微影製程，最後進行乾蝕刻，在蝕刻至溝槽底部時，利用氧化矽對氮化矽之高蝕刻選擇比。以氮化矽作為溝槽之蝕刻終止(etch stop)層，同時並繼續蝕刻下去至大馬士革鑲嵌孔洞圖型完成為止。

此法之優點在於只需一道乾蝕刻步驟，同時溝槽及孔洞之微影製程也由於都是在平坦面上實行而較為容易。不過此法對乾蝕刻之困難度較高。

修改from http://www.wikitw.club/article-1325135-1.html