文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了金屬淀積工藝的四種關鍵技術。

金屬淀積工藝的核心類型與技術原理

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

蒸發工藝

蒸發是金屬薄膜淀積中最基礎的工藝之一，其核心流程為：將待淀積的金屬塊（如鋁、金等）放入專用坩堝，在真空系統中對金屬塊進行加熱，使金屬達到蒸發狀態并轉化為氣態原子；隨后，這些金屬蒸氣流在運動過程中遇到溫度較低的襯底（如硅片），便以固體形式凝結并沉積在襯底表面，最終形成金屬薄膜。

為實現金屬蒸發，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，蒸發過程必須在真空腔體中進行，這是因為真空環境能大幅增加金屬蒸氣的平均自由程，使氣態金屬原子可沿直線運動，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。

根據加熱熱源的差異，蒸發工藝主要分為電阻加熱蒸發與電子束蒸發兩類，其設備結構如圖 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生反應，引入雜質污染（尤其是鈉離子污染），且難以實現高熔點金屬（如鎢、鉬）的沉積。而電子束蒸發裝置中，待加熱的金屬塊被放置在惰性材料制成的坩堝內，通過高能電子束直接轟擊金屬塊實現加熱 —— 這種方式避免了金屬與坩堝壁的直接反應，有效減少了雜質引入，因此可制備出高純度的金屬薄膜。

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

圖1電阻加熱蒸發與電子束蒸發

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顆粒飛濺”—— 例如汽車飛馳過泥坑濺起泥水、子彈撞擊墻面產生碎屑。在半導體濺射工藝中，首先通過等離子體技術產生高能粒子，這些粒子經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境中運動，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勢，使其成為當前主流的物理氣相淀積（PVD）技術：①沉積的金屬薄膜質量更高，具有更優的臺階覆蓋能力和間隙填充能力，可適配復雜的器件結構；②能實現難熔金屬（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，薄膜均勻性優異；⑤易于實現多腔室集成，在淀積金屬前可直接對硅片表面進行清潔處理，去除表面沾污與自然氧化層，簡化工藝流程。濺射與蒸發兩種物理氣相淀積工藝的性能差異，可參考相關性能對比數據。

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：一是氬氣原子量較大且化學性質穩定（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生化學反應；二是氬氣在自然界中含量相對較高（雖低于氮氣與氧氣，但在稀有氣體中排名靠前），成本較低，適合工業化量產。

濺射工藝的具體機制可分為以下步驟：高能電子撞擊中性氬原子，使氬原子外層電子發生電離，產生帶正電的氬離子；帶正電的氬離子在等離子體中受到陰極靶材負電位的強烈吸引，在輝光放電區域被加速并獲得動能；當高速運動的氬離子撞擊靶材表面時，將自身動量傳遞給靶材原子，撞擊出一個或多個金屬原子（這一過程稱為 “濺射”）；被撞擊出的金屬原子在真空腔體中運動，最終沉積到硅片表面；工藝過程中產生的副產物（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格控制 —— 既要足夠大以撞擊出金屬原子，又不能過大導致離子滲透到靶材內部，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 “濺射產額”（即每個入射離子撞擊靶材后，從靶材表面噴射出的金屬原子數量），而濺射產額受多種因素影響：轟擊離子的質量與能量、離子的入射角、靶材的化學組分及幾何形狀（如靶材厚度、表面平整度）。

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

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

磁控濺射系統是當前應用最廣泛的濺射設備，其核心設計是在靶材的周圍及后方設置磁場裝置，通過磁場俘獲并限制電子在靶材前方區域運動。這種設計能顯著增加離子在靶材表面的轟擊頻率，產生更多二次電子，進而提高等離子體的電離速率（相當于增加了 “撞擊粒子” 的數量）；更多的離子會對靶材產生更頻繁的濺射，最終大幅提升金屬薄膜的淀積速率。磁控濺射系統的結構如圖 3 所示。

圖3磁控濺射系統的結構示意圖

為在接觸孔或通孔的底部與側壁獲得更均勻的薄膜覆蓋，可采用 “準直濺射” 技術（如圖 4 所示）。該技術通過在靶材與硅片之間添加準直器（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直器，最終沉積到接觸孔或通孔的底部。準直濺射的優勢在于能減少金屬在接觸孔 / 通孔側壁的過度沉積，確保底部覆蓋均勻，但會略微降低整體淀積速率。

圖4“準直濺射” 技術示意圖

離子化金屬等離子體（IMP）系統則主要用于解決高深寬比結構的金屬填充問題。隨著芯片特征尺寸不斷縮小，傳統濺射工藝在高深寬比的通孔或狹窄溝槽中難以實現均勻覆蓋，此時可采用 IMP 工藝。該工藝的核心原理是：在 20~40mTorr 的射頻等離子體環境中，將濺射產生的金屬原子進一步電離為金屬離子；在硅片上施加負偏置電壓，利用正負電荷的吸引力，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動，從而實現高深寬比結構的有效填充。

金屬化學氣相淀積（金屬 CVD）

化學氣相淀積（CVD）技術因具備優異的臺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用。目前工業界常用的金屬 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 工藝的核心應用是沉積 “鎢塞”—— 在集成電路的接觸孔或通孔中填充鎢，實現不同金屬層之間的導電連接。通過鎢 CVD 工藝制備的鎢塞，不僅具有良好的臺階覆蓋能力與間隙填充能力，還具備優異的抗電遷移特性（可減少電流導致的金屬原子遷移，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?）的化學反應實現，其化學方程式如下：

在淀積鎢薄膜之前，通常需要預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生擴散反應（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的銅種子層 —— 種子層需滿足無針孔、無空洞且臺階覆蓋均勻的要求，否則后續電鍍過程中易產生空洞或鍍層脫落。銅 CVD 工藝能精準滿足這些要求，其核心流程是：選擇合適的銅源前驅物（如二甲基銅（I）三氟乙酰丙酮酸鹽），通過氫氣還原前驅物中的銅離子，在硅片表面沉積形成連續的銅種子層。

銅電鍍工藝

在高性能芯片的互連結構中，金屬銅因電阻率低（優于傳統鋁）、抗電遷移性能好，已成為主流的互連材料。而銅的大規模淀積主要采用電化學電鍍（ECP）技術 —— 這是一種源于傳統工業鍍膜的工藝，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勢。

銅電鍍工藝的核心原理是：在電場作用下，利用濕法化學品將靶材中的銅離子轉移到硅片表面并還原為金屬銅。典型的銅電鍍系統主要由四部分組成：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，硫酸則用于調節溶液導電性與 pH 值。

銅電鍍的具體過程如圖 5 所示，其技術原理可分為以下步驟：將表面具有導電層（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，電鍍液中產生電流，陽極的銅塊發生氧化反應，轉化為銅離子（Cu2?）進入電鍍液；在電場作用下，電鍍液中的銅離子向陰極的硅片定向移動；到達硅片表面后，銅離子與陰極提供的電子發生還原反應，生成金屬銅原子并沉積在硅片表面（尤其是接觸孔、溝槽等結構中）；隨著反應持續進行，最終形成厚度均勻的銅鍍層。其主要電極反應式如下：

陽極反應（銅氧化）：

銅電鍍工藝的關鍵優勢在于能實現高深寬比溝槽的 “無縫填充”，且鍍層電阻率低、表面平整度高，非常適合先進工藝節點中銅互連的制備。

圖5銅電鍍的具體過程

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