金属淀积工艺的核心类型与技术原理

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文介绍了金属淀积工艺的四种关键技术。  

金属淀积工艺的核心类型与技术原理

在集成电路制造中，金属淀积工艺是形成导电结构（如互连线、栅电极、接触塞）的关键环节，主要包括蒸发、溅射、金属化学气相淀积（金属 CVD）和铜电镀四种技术。其中，蒸发与溅射属于物理过程，金属 CVD 与铜电镀虽为化学过程，但因与金属薄膜制备高度关联，常被纳入金属淀积工艺体系一同分析。

蒸发工艺

蒸发是金属薄膜淀积中最基础的工艺之一，其核心流程为：将待淀积的金属块（如铝、金等）放入专用坩埚，在真空系统中对金属块进行加热，使金属达到蒸发状态并转化为气态原子；随后，这些金属蒸气流在运动过程中遇到温度较低的衬底（如硅片），便以固体形式凝结并沉积在衬底表面，最终形成金属薄膜。

为实现金属蒸发，需将待沉积金属加热至极高温度，确保金属原子获得足够能量脱离金属表面的束缚。同时，蒸发过程必须在真空腔体中进行，这是因为真空环境能大幅增加金属蒸气的平均自由程，使气态金属原子可沿直线运动，减少与其他气体分子的碰撞，从而更高效地沉积到衬底表面。

根据加热热源的差异，蒸发工艺主要分为电阻加热蒸发与电子束蒸发两类，其设备结构如图 1 所示。普通电阻加热方式存在明显缺陷：加热过程中坩埚材料易与金属发生反应，引入杂质污染（尤其是钠离子污染），且难以实现高熔点金属（如钨、钼）的沉积。而电子束蒸发装置中，待加热的金属块被放置在惰性材料制成的坩埚内，通过高能电子束直接轰击金属块实现加热 —— 这种方式避免了金属与坩埚壁的直接反应，有效减少了杂质引入，因此可制备出高纯度的金属薄膜。

不过，蒸发工艺也存在显著局限性：一是台阶覆盖能力差，无法在深宽比大于 1 的沟槽或通孔结构中形成连续薄膜；二是难以精准控制合金组分，不适合淀积合金薄膜。正因如此，在超大规模集成电路（ULSI）制造中，蒸发工艺已逐渐被溅射工艺取代。

图1 电阻加热蒸发与电子束蒸发

溅射工艺

溅射工艺的原理可类比为 “高速物体撞击固体引发颗粒飞溅”—— 例如汽车飞驰过泥坑溅起泥水、子弹撞击墙面产生碎屑。在半导体溅射工艺中，首先通过等离子体技术产生高能粒子，这些粒子经加速后撞击高纯度的金属靶材（如图 2 所示），将靶材中的金属原子撞击出来；被撞击出的金属原子在真空环境中运动，最终沉积到硅片表面形成金属薄膜。

图2 等离子体碰撞金属靶材示意图

溅射工艺具备多方面优势，使其成为当前主流的物理气相淀积（PVD）技术：①沉积的金属薄膜质量更高，具有更优的台阶覆盖能力和间隙填充能力，可适配复杂的器件结构；②能实现难熔金属（如钨、钛、钽）的淀积，满足高性能器件的需求；③具备精准控制合金组分的能力，可淀积各类合金薄膜且能保持合金组分不变；④适用于大直径晶圆（直径 200mm 及以上）的批量加工，薄膜均匀性优异；⑤易于实现多腔室集成，在淀积金属前可直接对硅片表面进行清洁处理，去除表面沾污与自然氧化层，简化工艺流程。溅射与蒸发两种物理气相淀积工艺的性能差异，可参考相关性能对比数据。

在溅射工艺中，通常选用氩气作为溅射气体（即撞击靶材的 “粒子源”），主要原因有两点：一是氩气原子量较大且化学性质稳定（惰性气体），既能提供足够的撞击能量，又可避免与靶材或淀积的金属薄膜发生化学反应；二是氩气在自然界中含量相对较高（虽低于氮气与氧气，但在稀有气体中排名靠前），成本较低，适合工业化量产。

溅射工艺的具体机制可分为以下步骤：高能电子撞击中性氩原子，使氩原子外层电子发生电离，产生带正电的氩离子；带正电的氩离子在等离子体中受到阴极靶材负电位的强烈吸引，在辉光放电区域被加速并获得动能；当高速运动的氩离子撞击靶材表面时，将自身动量传递给靶材原子，撞击出一个或多个金属原子（这一过程称为 “溅射”）；被撞击出的金属原子在真空腔体中运动，最终沉积到硅片表面；工艺过程中产生的副产物（如残余气体分子、靶材碎屑）则通过真空泵抽离腔体。需注意的是，入射氩离子的能量需严格控制 —— 既要足够大以撞击出金属原子，又不能过大导致离子渗透到靶材内部，影响靶材利用率与薄膜纯度，典型溅射离子的能量范围为 500~5000eV。

溅射速率主要取决于 “溅射产额”（即每个入射离子撞击靶材后，从靶材表面喷射出的金属原子数量），而溅射产额受多种因素影响：轰击离子的质量与能量、离子的入射角、靶材的化学组分及几何形状（如靶材厚度、表面平整度）。

目前主流的溅射系统主要分为三类：射频溅射系统、磁控溅射系统、离子化金属等离子体（IMP）系统。

射频（RF）溅射系统通过射频场激发产生等离子体，常用射频频率为 13.56MHz。该系统的主要缺点是溅射产额较低，导致金属薄膜的淀积速率偏慢，因此应用范围受到限制，仅在特定场景（如绝缘靶材溅射）中使用。

磁控溅射系统是当前应用最广泛的溅射设备，其核心设计是在靶材的周围及后方设置磁场装置，通过磁场俘获并限制电子在靶材前方区域运动。这种设计能显著增加离子在靶材表面的轰击频率，产生更多二次电子，进而提高等离子体的电离速率（相当于增加了 “撞击粒子” 的数量）；更多的离子会对靶材产生更频繁的溅射，最终大幅提升金属薄膜的淀积速率。磁控溅射系统的结构如图 3 所示。

图3 磁控溅射系统的结构示意图

为在接触孔或通孔的底部与侧壁获得更均匀的薄膜覆盖，可采用 “准直溅射” 技术（如图 4 所示）。该技术通过在靶材与硅片之间添加准直器（一种带有密集小孔的金属板），使从靶材溅射出来的、倾斜角度较大的金属原子被阻挡并沉积在准直器上，仅允许沿直线方向、倾斜角度较小的金属原子通过准直器，最终沉积到接触孔或通孔的底部。准直溅射的优势在于能减少金属在接触孔 / 通孔侧壁的过度沉积，确保底部覆盖均匀，但会略微降低整体淀积速率。

图4 “准直溅射” 技术示意图

离子化金属等离子体（IMP）系统则主要用于解决高深宽比结构的金属填充问题。随着芯片特征尺寸不断缩小，传统溅射工艺在高深宽比的通孔或狭窄沟槽中难以实现均匀覆盖，此时可采用 IMP 工艺。该工艺的核心原理是：在 20~40mTorr 的射频等离子体环境中，将溅射产生的金属原子进一步电离为金属离子；在硅片上施加负偏置电压，利用正负电荷的吸引力，使带正电的金属离子沿垂直方向向硅片上的通孔或沟槽底部运动，从而实现高深宽比结构的有效填充。

金属化学气相淀积（金属 CVD）

化学气相淀积（CVD）技术因具备优异的台阶覆盖能力与高深宽比接触孔填充能力，在部分金属薄膜的淀积中也得到了广泛应用。目前工业界常用的金属 CVD 工艺主要包括钨 CVD 与铜 CVD，分别用于制备钨塞与铜种子层。

钨 CVD 工艺的核心应用是沉积 “钨塞”—— 在集成电路的接触孔或通孔中填充钨，实现不同金属层之间的导电连接。通过钨 CVD 工艺制备的钨塞，不仅具有良好的台阶覆盖能力与间隙填充能力，还具备优异的抗电迁移特性（可减少电流导致的金属原子迁移，延长器件寿命）。钨的淀积过程主要通过六氟化钨（WF₆）与氢气（H₂）的化学反应实现，其化学方程式如下：

在淀积钨薄膜之前，通常需要预先沉积两层过渡薄膜 —— 钛膜与氮化钛膜。其中，钛膜的主要作用是降低钨与硅衬底之间的接触电阻，同时提高钨薄膜与衬底的黏附性能，一般通过溅射工艺沉积；氮化钛膜则作为阻挡层，防止钨原子与硅衬底发生扩散反应（避免形成硅化钨，影响器件性能），通常也采用 CVD 工艺沉积。

铜 CVD 工艺则主要用于制备铜电镀前的 “种子层”。在铜电镀工艺中，必须先在硅片表面淀积一层连续的铜种子层 —— 种子层需满足无针孔、无空洞且台阶覆盖均匀的要求，否则后续电镀过程中易产生空洞或镀层脱落。铜 CVD 工艺能精准满足这些要求，其核心流程是：选择合适的铜源前驱物（如二甲基铜（I）三氟乙酰丙酮酸盐），通过氢气还原前驱物中的铜离子，在硅片表面沉积形成连续的铜种子层。

铜电镀工艺

在高性能芯片的互连结构中，金属铜因电阻率低（优于传统铝）、抗电迁移性能好，已成为主流的互连材料。而铜的大规模淀积主要采用电化学电镀（ECP）技术 —— 这是一种源于传统工业镀膜的工艺，具有流程简单、成本低廉、可通过增大电流提高沉积速率等显著优势。

铜电镀工艺的核心原理是：在电场作用下，利用湿法化学品将靶材中的铜离子转移到硅片表面并还原为金属铜。典型的铜电镀系统主要由四部分组成：铜靶材（作为阳极）、待镀硅片（作为阴极）、电镀液、脉冲直流电流源。其中，电镀液的主要成分是硫酸铜、硫酸与去离子水，硫酸铜提供铜离子，硫酸则用于调节溶液导电性与 pH 值。

铜电镀的具体过程如图 5 所示，其技术原理可分为以下步骤：将表面具有导电层（铜种子层）的硅片沉浸在硫酸铜电镀液中，使硅片与电源阴极相连；将固体铜块沉浸在电镀液中，与电源阳极相连；接通脉冲直流电源后，电镀液中产生电流，阳极的铜块发生氧化反应，转化为铜离子（Cu²⁺）进入电镀液；在电场作用下，电镀液中的铜离子向阴极的硅片定向移动；到达硅片表面后，铜离子与阴极提供的电子发生还原反应，生成金属铜原子并沉积在硅片表面（尤其是接触孔、沟槽等结构中）；随着反应持续进行，最终形成厚度均匀的铜镀层。其主要电极反应式如下：

阳极反应（铜氧化）：

铜电镀工艺的关键优势在于能实现高深宽比沟槽的 “无缝填充”，且镀层电阻率低、表面平整度高，非常适合先进工艺节点中铜互连的制备。

图5 铜电镀的具体过程

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