嵌入法（Damascene process）

　　在大规模集成电路中为了将数亿只晶体管互相连接起来形成各种功能的电路系统，单层互联已经远远不够，必须进行多层互联。层与层之间互联是通过打通层之间的深孔并填充金属导电材料实现的。这些不同层之间的连通孔称为via holes。大规模集成电路制作有一项很重要的工艺就是填充这些连通孔，其英文的名称是Damascene process。嵌入法是Damascene process的意译。嵌入是一种很古老的手工艺制作工艺，它相当于中国景泰蓝工艺中的“掐丝”工艺，即将金或铜线镶嵌到工艺品表面形成各种图案，再以珐琅釉料填充，最后烧制成精美的工艺品。图一是集成电路制作中双重嵌入（dual-Damascene）工艺的示意图。图（a）是未互联前的多层集成电路结构。为了将衬底上的两个晶体管隔层互联，首先用深刻蚀方法形成连通孔如图（b）。然后通过沉积将铜材料填充到连通孔之中如图（c）。最后用化学机械抛光工艺（chemical mechanical polishing,CMP）将表面磨平，以便进行下一道光刻加工工序。所谓双重嵌入工艺是指用一次沉积填充同时完成平面与连通孔的金属互联，而单重嵌入工艺只作深连通孔的金属填充。早期集成电路以铝材料作为互联金属材料。由于铝可以通过干法刻蚀加工，平面互联与连通孔填充可以分别加工，单重嵌入工艺是当时多层互联的主要工艺。随着铜逐渐取代铝成为集成电路金属互联线材料，双重嵌入工艺逐渐占主导地位，因为铜很难通过干法刻蚀形成平面互联图案，二双重嵌入工艺可以一次形成平面互联与连通孔填充，避免了刻蚀铜。

图一：嵌入工艺实现多层金属互联的基本步骤

　 　图二显示了将埋藏多层铜连线的介质层腐蚀清除后所揭示的多层互联结构。可以清楚的看到层与层之间连线通过填充连通孔的导电柱连接起来。铜的沉积可以通过物理方法（如溅射）、化学方法（CVD）或电镀方法。CVD方法沉积速度太慢，溅射方法在孔的入口处速度大于孔内部沉积速度，有可能导致孔腔内还没有完全填充满，但孔的入口已经被封死。这种现象在孔比较深时很容易发生。电镀法成本低，沉积速度快，是一种有效的填充深孔的方法。但电镀法需要预先在表面沉积一层导电膜。沉积导电膜的最有效的方法是CVD,因为CVD能够获得表面均匀覆盖的沉积层[1]。

图二：将介质层腐蚀清除后所揭示的集成电路金属互联结构

参考文献：

[1] 崔铮，《微纳米加工技术及其应用》，高等教育出版社，2013.04,345-347；