文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了金屬淀積工藝的四種關(guān)鍵技術(shù)。

金屬淀積工藝的核心類型與技術(shù)原理

在集成電路制造中，金屬淀積工藝是形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)（如互連線、柵電極、接觸塞）的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括蒸發(fā)、濺射、金屬化學(xué)氣相淀積（金屬 CVD）和銅電鍍四種技術(shù)。其中，蒸發(fā)與濺射屬于物理過程，金屬 CVD 與銅電鍍雖為化學(xué)過程，但因與金屬薄膜制備高度關(guān)聯(lián)，常被納入金屬淀積工藝體系一同分析。

蒸發(fā)工藝

蒸發(fā)是金屬薄膜淀積中最基礎(chǔ)的工藝之一，其核心流程為：將待淀積的金屬塊（如鋁、金等）放入專用坩堝，在真空系統(tǒng)中對(duì)金屬塊進(jìn)行加熱，使金屬達(dá)到蒸發(fā)狀態(tài)并轉(zhuǎn)化為氣態(tài)原子；隨后，這些金屬蒸氣流在運(yùn)動(dòng)過程中遇到溫度較低的襯底（如硅片），便以固體形式凝結(jié)并沉積在襯底表面，最終形成金屬薄膜。

為實(shí)現(xiàn)金屬蒸發(fā)，需將待沉積金屬加熱至極高溫度，確保金屬原子獲得足夠能量脫離金屬表面的束縛。同時(shí)，蒸發(fā)過程必須在真空腔體中進(jìn)行，這是因?yàn)檎婵窄h(huán)境能大幅增加金屬蒸氣的平均自由程，使氣態(tài)金屬原子可沿直線運(yùn)動(dòng)，減少與其他氣體分子的碰撞，從而更高效地沉積到襯底表面。

根據(jù)加熱熱源的差異，蒸發(fā)工藝主要分為電阻加熱蒸發(fā)與電子束蒸發(fā)兩類，其設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。普通電阻加熱方式存在明顯缺陷：加熱過程中坩堝材料易與金屬發(fā)生反應(yīng)，引入雜質(zhì)污染（尤其是鈉離子污染），且難以實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)金屬（如鎢、鉬）的沉積。而電子束蒸發(fā)裝置中，待加熱的金屬塊被放置在惰性材料制成的坩堝內(nèi)，通過高能電子束直接轟擊金屬塊實(shí)現(xiàn)加熱 —— 這種方式避免了金屬與坩堝壁的直接反應(yīng)，有效減少了雜質(zhì)引入，因此可制備出高純度的金屬薄膜。

不過，蒸發(fā)工藝也存在顯著局限性：一是臺(tái)階覆蓋能力差，無法在深寬比大于 1 的溝槽或通孔結(jié)構(gòu)中形成連續(xù)薄膜；二是難以精準(zhǔn)控制合金組分，不適合淀積合金薄膜。正因如此，在超大規(guī)模集成電路（ULSI）制造中，蒸發(fā)工藝已逐漸被濺射工藝取代。

圖1電阻加熱蒸發(fā)與電子束蒸發(fā)

濺射工藝

濺射工藝的原理可類比為 “高速物體撞擊固體引發(fā)顆粒飛濺”—— 例如汽車飛馳過泥坑濺起泥水、子彈撞擊墻面產(chǎn)生碎屑。在半導(dǎo)體濺射工藝中，首先通過等離子體技術(shù)產(chǎn)生高能粒子，這些粒子經(jīng)加速后撞擊高純度的金屬靶材（如圖 2 所示），將靶材中的金屬原子撞擊出來；被撞擊出的金屬原子在真空環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，最終沉積到硅片表面形成金屬薄膜。

圖2 等離子體碰撞金屬靶材示意圖

濺射工藝具備多方面優(yōu)勢(shì)，使其成為當(dāng)前主流的物理氣相淀積（PVD）技術(shù)：①沉積的金屬薄膜質(zhì)量更高，具有更優(yōu)的臺(tái)階覆蓋能力和間隙填充能力，可適配復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)；②能實(shí)現(xiàn)難熔金屬（如鎢、鈦、鉭）的淀積，滿足高性能器件的需求；③具備精準(zhǔn)控制合金組分的能力，可淀積各類合金薄膜且能保持合金組分不變；④適用于大直徑晶圓（直徑 200mm 及以上）的批量加工，薄膜均勻性優(yōu)異；⑤易于實(shí)現(xiàn)多腔室集成，在淀積金屬前可直接對(duì)硅片表面進(jìn)行清潔處理，去除表面沾污與自然氧化層，簡化工藝流程。濺射與蒸發(fā)兩種物理氣相淀積工藝的性能差異，可參考相關(guān)性能對(duì)比數(shù)據(jù)。

在濺射工藝中，通常選用氬氣作為濺射氣體（即撞擊靶材的 “粒子源”），主要原因有兩點(diǎn)：一是氬氣原子量較大且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定（惰性氣體），既能提供足夠的撞擊能量，又可避免與靶材或淀積的金屬薄膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；二是氬氣在自然界中含量相對(duì)較高（雖低于氮?dú)馀c氧氣，但在稀有氣體中排名靠前），成本較低，適合工業(yè)化量產(chǎn)。

濺射工藝的具體機(jī)制可分為以下步驟：高能電子撞擊中性氬原子，使氬原子外層電子發(fā)生電離，產(chǎn)生帶正電的氬離子；帶正電的氬離子在等離子體中受到陰極靶材負(fù)電位的強(qiáng)烈吸引，在輝光放電區(qū)域被加速并獲得動(dòng)能；當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的氬離子撞擊靶材表面時(shí)，將自身動(dòng)量傳遞給靶材原子，撞擊出一個(gè)或多個(gè)金屬原子（這一過程稱為 “濺射”）；被撞擊出的金屬原子在真空腔體中運(yùn)動(dòng)，最終沉積到硅片表面；工藝過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物（如殘余氣體分子、靶材碎屑）則通過真空泵抽離腔體。需注意的是，入射氬離子的能量需嚴(yán)格控制 —— 既要足夠大以撞擊出金屬原子，又不能過大導(dǎo)致離子滲透到靶材內(nèi)部，影響靶材利用率與薄膜純度，典型濺射離子的能量范圍為 500~5000eV。

濺射速率主要取決于 “濺射產(chǎn)額”（即每個(gè)入射離子撞擊靶材后，從靶材表面噴射出的金屬原子數(shù)量），而濺射產(chǎn)額受多種因素影響：轟擊離子的質(zhì)量與能量、離子的入射角、靶材的化學(xué)組分及幾何形狀（如靶材厚度、表面平整度）。

目前主流的濺射系統(tǒng)主要分為三類：射頻濺射系統(tǒng)、磁控濺射系統(tǒng)、離子化金屬等離子體（IMP）系統(tǒng)。

射頻（RF）濺射系統(tǒng)通過射頻場激發(fā)產(chǎn)生等離子體，常用射頻頻率為 13.56MHz。該系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是濺射產(chǎn)額較低，導(dǎo)致金屬薄膜的淀積速率偏慢，因此應(yīng)用范圍受到限制，僅在特定場景（如絕緣靶材濺射）中使用。

磁控濺射系統(tǒng)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的濺射設(shè)備，其核心設(shè)計(jì)是在靶材的周圍及后方設(shè)置磁場裝置，通過磁場俘獲并限制電子在靶材前方區(qū)域運(yùn)動(dòng)。這種設(shè)計(jì)能顯著增加離子在靶材表面的轟擊頻率，產(chǎn)生更多二次電子，進(jìn)而提高等離子體的電離速率（相當(dāng)于增加了 “撞擊粒子” 的數(shù)量）；更多的離子會(huì)對(duì)靶材產(chǎn)生更頻繁的濺射，最終大幅提升金屬薄膜的淀積速率。磁控濺射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖3磁控濺射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

為在接觸孔或通孔的底部與側(cè)壁獲得更均勻的薄膜覆蓋，可采用 “準(zhǔn)直濺射” 技術(shù)（如圖 4 所示）。該技術(shù)通過在靶材與硅片之間添加準(zhǔn)直器（一種帶有密集小孔的金屬板），使從靶材濺射出來的、傾斜角度較大的金屬原子被阻擋并沉積在準(zhǔn)直器上，僅允許沿直線方向、傾斜角度較小的金屬原子通過準(zhǔn)直器，最終沉積到接觸孔或通孔的底部。準(zhǔn)直濺射的優(yōu)勢(shì)在于能減少金屬在接觸孔 / 通孔側(cè)壁的過度沉積，確保底部覆蓋均勻，但會(huì)略微降低整體淀積速率。

圖4“準(zhǔn)直濺射” 技術(shù)示意圖

離子化金屬等離子體（IMP）系統(tǒng)則主要用于解決高深寬比結(jié)構(gòu)的金屬填充問題。隨著芯片特征尺寸不斷縮小，傳統(tǒng)濺射工藝在高深寬比的通孔或狹窄溝槽中難以實(shí)現(xiàn)均勻覆蓋，此時(shí)可采用 IMP 工藝。該工藝的核心原理是：在 20~40mTorr 的射頻等離子體環(huán)境中，將濺射產(chǎn)生的金屬原子進(jìn)一步電離為金屬離子；在硅片上施加負(fù)偏置電壓，利用正負(fù)電荷的吸引力，使帶正電的金屬離子沿垂直方向向硅片上的通孔或溝槽底部運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高深寬比結(jié)構(gòu)的有效填充。

金屬化學(xué)氣相淀積（金屬 CVD）

化學(xué)氣相淀積（CVD）技術(shù)因具備優(yōu)異的臺(tái)階覆蓋能力與高深寬比接觸孔填充能力，在部分金屬薄膜的淀積中也得到了廣泛應(yīng)用。目前工業(yè)界常用的金屬 CVD 工藝主要包括鎢 CVD 與銅 CVD，分別用于制備鎢塞與銅種子層。

鎢 CVD 工藝的核心應(yīng)用是沉積 “鎢塞”—— 在集成電路的接觸孔或通孔中填充鎢，實(shí)現(xiàn)不同金屬層之間的導(dǎo)電連接。通過鎢 CVD 工藝制備的鎢塞，不僅具有良好的臺(tái)階覆蓋能力與間隙填充能力，還具備優(yōu)異的抗電遷移特性（可減少電流導(dǎo)致的金屬原子遷移，延長器件壽命）。鎢的淀積過程主要通過六氟化鎢（WF?）與氫氣（H?）的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，其化學(xué)方程式如下：

在淀積鎢薄膜之前，通常需要預(yù)先沉積兩層過渡薄膜 —— 鈦膜與氮化鈦膜。其中，鈦膜的主要作用是降低鎢與硅襯底之間的接觸電阻，同時(shí)提高鎢薄膜與襯底的黏附性能，一般通過濺射工藝沉積；氮化鈦膜則作為阻擋層，防止鎢原子與硅襯底發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)（避免形成硅化鎢，影響器件性能），通常也采用 CVD 工藝沉積。

銅 CVD 工藝則主要用于制備銅電鍍前的 “種子層”。在銅電鍍工藝中，必須先在硅片表面淀積一層連續(xù)的銅種子層 —— 種子層需滿足無針孔、無空洞且臺(tái)階覆蓋均勻的要求，否則后續(xù)電鍍過程中易產(chǎn)生空洞或鍍層脫落。銅 CVD 工藝能精準(zhǔn)滿足這些要求，其核心流程是：選擇合適的銅源前驅(qū)物（如二甲基銅（I）三氟乙酰丙酮酸鹽），通過氫氣還原前驅(qū)物中的銅離子，在硅片表面沉積形成連續(xù)的銅種子層。

銅電鍍工藝

在高性能芯片的互連結(jié)構(gòu)中，金屬銅因電阻率低（優(yōu)于傳統(tǒng)鋁）、抗電遷移性能好，已成為主流的互連材料。而銅的大規(guī)模淀積主要采用電化學(xué)電鍍（ECP）技術(shù) —— 這是一種源于傳統(tǒng)工業(yè)鍍膜的工藝，具有流程簡單、成本低廉、可通過增大電流提高沉積速率等顯著優(yōu)勢(shì)。

銅電鍍工藝的核心原理是：在電場作用下，利用濕法化學(xué)品將靶材中的銅離子轉(zhuǎn)移到硅片表面并還原為金屬銅。典型的銅電鍍系統(tǒng)主要由四部分組成：銅靶材（作為陽極）、待鍍硅片（作為陰極）、電鍍液、脈沖直流電流源。其中，電鍍液的主要成分是硫酸銅、硫酸與去離子水，硫酸銅提供銅離子，硫酸則用于調(diào)節(jié)溶液導(dǎo)電性與 pH 值。

銅電鍍的具體過程如圖 5 所示，其技術(shù)原理可分為以下步驟：將表面具有導(dǎo)電層（銅種子層）的硅片沉浸在硫酸銅電鍍液中，使硅片與電源陰極相連；將固體銅塊沉浸在電鍍液中，與電源陽極相連；接通脈沖直流電源后，電鍍液中產(chǎn)生電流，陽極的銅塊發(fā)生氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為銅離子（Cu2?）進(jìn)入電鍍液；在電場作用下，電鍍液中的銅離子向陰極的硅片定向移動(dòng)；到達(dá)硅片表面后，銅離子與陰極提供的電子發(fā)生還原反應(yīng)，生成金屬銅原子并沉積在硅片表面（尤其是接觸孔、溝槽等結(jié)構(gòu)中）；隨著反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，最終形成厚度均勻的銅鍍層。其主要電極反應(yīng)式如下：

陽極反應(yīng)（銅氧化）：

銅電鍍工藝的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于能實(shí)現(xiàn)高深寬比溝槽的 “無縫填充”，且鍍層電阻率低、表面平整度高，非常適合先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)中銅互連的制備。

圖5銅電鍍的具體過程

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