คู่มือการเลือกเป้าหมายการสปัตเตอร์: วัสดุสำคัญสำหรับวงจรรวม
เป้าสปัตเตอร์ความบริสุทธิ์สูง โดยหลักแล้วหมายถึงเป้าหมายที่เป็นโลหะหรืออโลหะที่มีความบริสุทธิ์ 99.9% ถึง 99.9999% (3N ถึง 6N) ซึ่งใช้ในกระบวนการการเคลือบด้วยไอระเหยทางกายภาพ (PVD) สำหรับการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ วัสดุเหล่านี้เป็นวัสดุที่จำเป็นสำหรับการผลิตชิปวงจรรวม จอแสดงผลแบบแบน เซลล์แสงอาทิตย์ และฟิล์มอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ
การตกตะกอนไอระเหยทางกายภาพ (Physical Vapor Deposition หรือ PVD) เป็นเทคนิคที่ใช้ไอออนที่สร้างขึ้นจากแหล่งกำเนิดไอออน ซึ่งถูกเร่งความเร็วในสุญญากาศเพื่อสร้างลำแสงไอออนความเร็วสูงที่พุ่งชนพื้นผิวของวัสดุเป้าหมาย การแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างไอออนที่เข้ามาและอะตอมบนพื้นผิวเป้าหมายทำให้เกิดการปลดปล่อยอะตอมออกจากของแข็งและตกตะกอนลงบนพื้นผิวของวัสดุรองรับ ทำให้เทคโนโลยีนี้เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีหลักสำหรับการเตรียมวัสดุฟิล์มบาง
กระบวนการผลิตวงจรรวมกำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับความบริสุทธิ์ของวัสดุเป้าหมาย การควบคุมสิ่งเจือปนและข้อบกพร่อง ความสม่ำเสมอของขนาดและทิศทางของเกรน ตลอดจนความแม่นยำในการประมวลผล ซึ่งจัดอยู่ในอันดับความต้องการทางเทคนิคสูงสุดในบรรดาการใช้งานวัสดุเป้าหมายทั้งหมด การพัฒนาเทคโนโลยีวัสดุเป้าหมายมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับความก้าวหน้าในเทคโนโลยีฟิล์มวงจรรวม
เนื่องจากเทคโนโลยีการผลิตวงจรรวมมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง การปรับปรุงประสิทธิภาพของชิปจึงขึ้นอยู่กับการพัฒนาเทคโนโลยีวัสดุและเทคโนโลยีการบูรณาการระบบมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาอย่างต่อเนื่องของโลหะบริสุทธิ์สูง โลหะผสมชนิดใหม่ และฟิล์มสารประกอบที่มีคุณสมบัติเฉพาะต่างๆ
การประยุกต์ใช้วัสดุใหม่เหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการผลิตอุปกรณ์วงจรรวมที่มีความเร็วในการทำงานสูงขึ้น คุณลักษณะด้านประสิทธิภาพที่แข็งแกร่งขึ้น และการใช้พลังงานต่ำลง ปัจจุบัน วัสดุเป้าหมายที่ใช้ในการผลิตวงจรรวมส่วนใหญ่ ได้แก่ อะลูมิเนียม ไทเทเนียม ทองแดง แทนทาลัมและโลหะผสมของพวกมัน รวมถึงโคบอลต์ นิกเกล และ เป้าหมายโลหะผสมรวมถึงเป้าหมายที่เป็นโลหะมีค่าและเป้าหมายอื่นๆ อีกมากมาย
- อะลูมิเนียม (Al) และโลหะผสมของอะลูมิเนียมเป็นวัสดุเป้าหมาย
อะลูมิเนียม (Al) บริสุทธิ์สูงและโลหะผสมของอะลูมิเนียมมีแอปพลิเคชันหลักดังต่อไปนี้: ในกระบวนการผลิตที่ระดับเทคโนโลยีมากกว่า 0.13 ไมโครเมตร ส่วนใหญ่จะใช้ในกระบวนการเชื่อมต่อโลหะด้านหลังของการผลิตวงจรรวม และในกระบวนการผลิต CMOS แบบระนาบสองแบบที่ระดับเทคโนโลยี 45 นาโนเมตรและ 28 นาโนเมตร จะทำหน้าที่เป็นวัสดุฟังก์ชันงานในกระบวนการเกตโลหะค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง เพื่อปรับแรงดันเกณฑ์ของอุปกรณ์ ในทุกระดับเทคโนโลยี สามารถนำอลูมิเนียมและโลหะผสมมาใช้เป็นแผ่นอลูมิเนียม (Al Pad) ในชั้นบนสุดของโลหะ เพื่อสร้างการเชื่อมต่อโลหะกับวงจรภายนอกผ่านแผ่นอลูมิเนียม โดยขึ้นอยู่กับความต้องการใช้งานที่แตกต่างกัน วัสดุเป้าหมายของอลูมิเนียมและโลหะผสมส่วนใหญ่ได้แก่ อลูมิเนียมบริสุทธิ์ 5N ถึง 5N5 (99.999% ถึง 99.9995%), อลูมิเนียมผสมทองแดง 0.5%, อลูมิเนียมผสมซิลิคอน 1% และอลูมิเนียมผสมซิลิคอน 1% และทองแดง 0.5% นอกจากนี้ วัสดุเป้าหมายของอลูมิเนียมและโลหะผสมยังถูกนำไปใช้ในกระบวนการบรรจุชิปด้วย เช่น อลูมิเนียมบริสุทธิ์ 5N และ 5N5, อลูมิเนียมผสมทองแดง 0.5% และอลูมิเนียมผสมทองแดง 4%
- วัสดุเป้าหมายคือไทเทเนียม (Ti)
เป้าหมายไทเทเนียม (Ti) ที่มีความบริสุทธิ์สูง วัสดุเหล่านี้ใช้สำหรับการสปัตเตอร์แบบ PVD เพื่อสร้างฟิล์มบางโลหะไทเทเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง ในกระบวนการผลิตที่ระดับเทคโนโลยีสูงกว่า 0.25 µm ไทเทเนียมมักจะถูกสปัตเตอร์โดยใช้เทคโนโลยี PVD แบบ SIP (Self Ionized Plasma) ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ เทคโนโลยี PVD แบบ IMP (Ionized Metal Plasma) จึงถูกนำมาใช้เป็นหลักในกระบวนการผลิตที่ระดับเทคโนโลยี 0.18 µm และต่ำกว่า ไทเทเนียมมีคุณสมบัติที่ดีในการครอบคลุมพื้นผิวและอัตราการตกตะกอน จึงถูกนำมาใช้เป็นหลักในการเชื่อมต่อระดับทั่วโลกในส่วนแบ็กเอนด์ ซึ่งส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อโลหะอะลูมิเนียมที่ระดับเทคโนโลยีสูงกว่า 0.13 µm รวมถึงการเชื่อมต่อเฉพาะจุดสำหรับรูสัมผัสในกระบวนการผลิตต่างๆ ไทเทเนียมและฟิล์มไนไตรด์ของมันถูกนำมารวมกันเพื่อทำหน้าที่เป็นชั้นกั้นการเชื่อมต่อโลหะ ในกระบวนการผลิตที่ระดับเทคโนโลยี 45 นาโนเมตรและต่ำกว่า ไนไตรด์โลหะไทเทเนียมยังสามารถทำหน้าที่เป็นวัสดุมาสก์แข็งในกระบวนการผลิตการเชื่อมต่อโลหะทองแดงในส่วนแบ็กเอนด์ ทำให้สามารถควบคุมโครงสร้างละเอียดของรูเชื่อมต่อและร่องได้อย่างดี ในกระบวนการผลิตที่มีความละเอียดสูงกว่า 0.25 ไมโครเมตร ไทเทเนียมสามารถสร้างซิลิไซด์ (TiSi) ผ่านเทคโนโลยี PVD สำหรับการใช้งานแบบจัดเรียงตัวเองในบริเวณแหล่งกำเนิด-ระบายและบริเวณเกต ซึ่งช่วยลดความต้านทานการสัมผัสได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ วัสดุเป้าหมายไทเทเนียมยังถูกนำมาใช้ในกระบวนการบรรจุภัณฑ์ชิป โดยทั่วไปความบริสุทธิ์ของวัสดุเป้าหมายไทเทเนียมจะอยู่ในช่วง 4N5 ถึง 5N (99.995% ถึง 99.999%)
- ทองแดง (Cu) และโลหะผสมของทองแดงเป็นวัสดุเป้าหมาย
ในกระบวนการเชื่อมต่อวงจรรวมขนาดใหญ่ เนื่องจากเทคโนโลยีการผลิตมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ความต้านทานต่อการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนและความสามารถในการเคลื่อนย้ายความเค้นที่อ่อนแอของสายอลูมิเนียมจึงทำให้เกิดข้อบกพร่องของช่องว่างในสายไฟได้ง่าย ส่งผลให้วงจรทำงานล้มเหลว เพื่อปรับปรุงการนำไฟฟ้าและความน่าเชื่อถือของการเชื่อมต่อโลหะอลูมิเนียม ทองแดงจึงค่อยๆ ถูกนำมาใช้แทนอลูมิเนียมเป็นวัสดุเชื่อมต่อโลหะ โดยเริ่มจากเทคโนโลยีขนาด 0.13 ไมโครเมตร การเปลี่ยนแปลงนี้ช่วยให้สามารถสร้างอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กลงและมีความหนาแน่นมากขึ้น และสายทองแดงก็สามารถทำให้บางลงเพื่อลดการรบกวนของอิมพีแดนซ์ระหว่างการเชื่อมต่อ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความยากลำบากในการกัดทองแดง จึงมีการใช้กระบวนการฝังตัวสำหรับการเชื่อมต่อทองแดง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเทคโนโลยี Damascene กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการสปัตเตอร์ชั้นกั้นการแพร่กระจายและชั้นเมล็ดทองแดงภายในร่องที่กัด ตามด้วยการเติมร่องด้วยทองแดงผ่านการชุบด้วยไฟฟ้า และสุดท้ายคือการปรับพื้นผิวให้เรียบผ่านการขัดเงา CMP การสปัตเตอร์ชั้นเมล็ดทองแดงนั้นต้องการเป้าหมายโลหะทองแดงที่มีความบริสุทธิ์สูง เนื่องจากความกว้างของเส้นลวดในวงจรรวมมีความละเอียดมากขึ้น เพื่อลดการปนเปื้อนของโลหะที่เกิดจากการแพร่ของอะตอมทองแดง จึงมีการเลือกใช้เป้าหมายโลหะผสมทองแดงที่มีอะลูมิเนียม (0.11% โดยน้ำหนัก Al) และแมงกานีส (0.5-10% โดยน้ำหนัก Mn) ในปริมาณเล็กน้อยตามการออกแบบผลิตภัณฑ์และข้อกำหนดของกระบวนการ นอกจากนี้ ยังจำเป็นต้องใช้ทองแดงที่มีฟอสฟอรัส (CuP) เป็นขั้วบวกสำหรับทองแดงที่เคลือบด้วยไฟฟ้า โดยทั่วไปแล้ว ความบริสุทธิ์ของเป้าหมายทองแดงที่มีความบริสุทธิ์สูงจะต้องอยู่ที่ 6N (99.9999%) หรือสูงกว่า ในขณะที่ปริมาณฟอสฟอรัสในขั้วบวก CuP จะต้องอยู่ในช่วง 400 ถึง 650 ppm
- วัสดุเป้าหมายคือทังสเตน (W) และโลหะผสม
ทังสเตน (W) บริสุทธิ์สูง โลหะถูกนำมาใช้เป็นหลักในกระบวนการสร้างรูสัมผัสของอุปกรณ์ลอจิกและชิปหน่วยความจำ เมื่อความกว้างของเส้นค่อนข้างมาก สามารถใช้กระบวนการสปัตเตอร์แบบ PVD ในการเตรียมได้ ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างรวดเร็ว นับตั้งแต่เทคโนโลยีระดับ 0.25 µm กระบวนการผลิตอุปกรณ์ลอจิกได้นำเทคโนโลยี CVD มาใช้เต็มรูปแบบแล้ว เนื่องจากมีความสามารถในการเติมที่สูงกว่า อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานหน่วยความจำบางประเภท ความต้องการความเร็วในการทำงานไม่สำคัญเท่ากับอุปกรณ์ลอจิก และความกว้างของรูสัมผัสมีแนวโน้มที่จะใหญ่กว่า ดังนั้นจึงยังคงใช้เทคนิคการสปัตเตอร์แบบ PVD โดยใช้วัสดุเป้าหมาย W ที่มีความบริสุทธิ์สูงในการเติมฟิล์มรูสัมผัส แต่เนื่องจากหน่วยความจำสามมิติยังคงต้องการการเชื่อมต่อที่สูงขึ้น เทคโนโลยีการเติมรูสัมผัสอาจเปลี่ยนไปใช้กระบวนการตกตะกอนแบบ CVD ในอนาคต วัสดุเป้าหมายโลหะผสมทังสเตน-ไทเทเนียม (W-10wt%Ti) สามารถใช้สำหรับชั้นกั้นบรรจุภัณฑ์ในขั้นตอนต่อไปได้ ทังสเตนซิลิโคน (WSi) โลหะผสมสามารถใช้เป็นชั้นกั้นประตูในโครงสร้างแบบเรียงซ้อนของเกตหน่วยความจำได้ โดยทั่วไปความบริสุทธิ์ของวัสดุเป้าหมาย W และโลหะผสม W จะสูงกว่า 5N (99.999%)
