MEMS工艺中粘附层如何选择?

2024-10-21 传感知识丨美思编辑部

薄膜粘附性直接影响产品的性能和寿命,提高薄膜粘附性是薄膜工艺重点要考虑的问题。

图 不同金属在不同膜层上的粘附力定性示意图

图 不同金属在不同膜层上的粘附力定性示意图

粘附力一般只存在于金属和介质层或金属与聚合物之间,在实际MEMS加工中,通常要在其中的界面处淀积一层粘附层提高附着力。

大部分金属材料可以直接附着在硅上; 金、铜、铂与二氧化硅、氮化硅和聚酰亚胺的附着力较差。这里有人会问什么样的材料可以作为粘附层使用呢?目前可以使用的黏附层材料为Ti、Cr和TiW。这几种材料可以作为粘附层使用是因为,它们更容易氧化,淀积过程中下表面氧化与下层介质层或聚合物层形成共价键,形成晶格匹配,从而提高粘附力。

Al在硅、二氧化硅、氮化硅和聚酰亚胺粘附力都是好的,为什么不能用作粘附层?第一,是因为Al存在电迁移和热迁移,薄层Al容易迁移到其它膜层造成孔洞,带来可靠性问题;第二,Al和其氧化物是双性,酸和碱都可以对它们造成腐蚀,对工艺限制增多。

图 CMOS工艺TiW作为Al的黏附层

图 CMOS工艺TiW作为Al的黏附层

Ti、Cr和TiW经常用作非常薄(5-20nm)的粘附层,用于对硅、二氧化硅和氮化硅粘附性较差的金属。那Ti、Cr和TiW这三种可以任意选择吗?答案是否定的。在MEMS工艺中,对于Ti和Cr的选择,主要考虑的是膜层之间的匹配。例如,在后续需要用到HF、BOE或氨水+双氧水的腐蚀,就不能采用Ti作为粘附层。再例如,在需要调控应力,需要比较Cr(σ≈1000MPa)和Ti(σ≈500MPa)对整体芯片膜层结构的影响。另外,在玻璃和石英衬底上使用Cr做粘附层效果更好。TiW比Ti,除了更好的粘附性,还具有耐高温、耐腐蚀性和扩散系数低的特性,在CMOS工艺中Al作为重布线使用,TiW既作为粘附层,也是阻挡层。

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