MEMS工艺中粘附层如何选择？

MEMS工艺中粘附层如何选择？

在MEMS（微机电系统）工艺中，薄膜的粘附性直接影响产品的性能和寿命。如何选择合适的粘附层材料，是薄膜工艺中需要重点考虑的问题。本文将详细介绍不同金属在不同膜层上的粘附力，并探讨Ti、Cr和TiW等常用粘附层材料的选择依据。

图 不同金属在不同膜层上的粘附力定性示意图

粘附力的基本原理

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，通常需要在这些界面处淀积一层粘附层以提高附着力。

大部分金属材料可以直接附着在硅上，但金、铜、铂与二氧化硅、氮化硅和聚酰亚胺的附着力较差。那么，什么样的材料可以作为粘附层使用呢？

常用粘附层材料

目前可以使用的粘附层材料为Ti（钛）、Cr（铬）和TiW（钛钨合金）。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（铝）在硅、二氧化硅、氮化硅和聚酰亚胺上的粘附力都是好的，但为什么不能用作粘附层呢？原因有二：第一，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

Ti、Cr和TiW的选择依据

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。那么，这三种材料是否可以任意选择呢？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（氢氟酸）、BOE（缓冲氧化物刻蚀液）或氨水+双氧水的腐蚀时，就不能采用Ti作为粘附层。再例如，在需要调控应力时，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具有更好的粘附性，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作为重布线使用时，TiW既作为粘附层，也是阻挡层。