引言(yan)
随(sui)着集(ji)成(cheng)电(dian)路(lu)不断向大(da)规(gui)模甚至(zhi)超(chao)大(da)规(gui)模发展，电(dian)子(zi)元器(qi)件(jian)尺寸越(yue)来(lai)越(yue)向微型(xing)化演变(bian)，芯(xin)片(pian)特征尺(chi)寸(cun)也(ye)逐(zhu)渐缩(suo)小到深亚(ya)微米(mi)和(he)纳(na)米的水平[1]。12英寸、微(wei)纳米(mi)技(ji)术和铜(tong)工艺(yi)被(bei)称为(wei)引导(dao)大(da)规模(mo)集成(cheng)电(dian)路(lu)发(fa)展趋势(shi)的(de)三大(da)浪潮(chao)。传统的6～8寸集(ji)成(cheng)电路工(gong)艺都是主(zhu)要采用(yong)了(le)铝作为金(jin)属(shu)互联材(cai)料，但(dan)是随(sui)着器件特(te)征尺寸(cun)的减(jian)小以(yi)及(ji)硅(gui)片(pian)载体规(gui)格(ge)的(de)增加(jia)和(he)集(ji)成度的(de)提高(gao)，铝布线出(chu)现(xian)了电迁(qian)移严重(zhong)、电(dian)阻率(lv)高等(deng)缺陷[2]，这(zhe)些(xie)缺(que)陷严重时(shi)会(hui)导(dao)致(zhi)电(dian)路板(ban)失(shi)效(xiao)。后来(lai)人(ren)们(men)又(you)采(cai)用(yong)A1-Si、A1-Cu、Al-Si-Cu等(deng)一(yi)系(xi)列(lie)以铝为(wei)基体(ti)的铝(lv)合(he)金，试图解(jie)决上述问题，但没有成(cheng)功。铜及(ji)铜(tong)合(he)金(jin)的出(chu)现(xian)给(gei)硅(gui)芯(xin)片(pian)的互(hu)连材(cai)料带来了(le)巨大(da)的(de)变化，从根(gen)本上解决了(le)上(shang)述(shu)问(wen)题(ti)。它以低(di)电(dian)阻率(lv)、高导电(dian)性和(he)布线(xian)工(gong)艺(yi)步骤少等(deng)优势在(zai)大(da)规模(mo)逻(luo)辑(ji)芯(xin)片(pian)的(de)高(gao)端(duan)应(ying)用上(shang)优势(shi)明显[2-6]。铜(tong)工(gong)艺(yi)与(yu)铝工艺完全不同(tong)。铜(tong)工(gong)艺是(shi)采(cai)用(yong)嵌入(ru)式工(gong)艺得到图形(xing)化(hua)的(de)导(dao)线(xian)。上(shang)下层铜(tong)导(dao)线(xian)之间通过(guo)微通(tong)孔(kong)(via)互(hu)相连(lian)接(jie)，微通(tong)孔(kong)是(shi)通过另(ling)外(wai)一(yi)层光刻(ke)和(he)蚀(shi)刻步骤(zhou)形成(cheng)的。目前(qian)国(guo)际(ji)主流技(ji)术已(yi)从65nm技(ji)术向(xiang)45～28nm转(zhuan)移(yi)。高(gao)纯(chun)铜及(ji)其(qi)合(he)金(jin)作(zuo)为(wei)溅射(she)靶(ba)材在(zai)大(da)规(gui)模(mo)集(ji)成电(dian)路(lu)制造(zao)中主(zhu)要(yao)用(yong)于(yu)包(bao)括接(jie)触、通孔、互连线(xian)、阻挡(dang)层(ceng)等(deng)PVD镀膜(mo)[7]。
1、大(da)规模(mo)集(ji)成电路用(yong)高纯铜(tong)靶(ba)在(zai)互(hu)联(lian)工(gong)艺(yi)中(zhong)的作用(yong)
国际(ji)上(shang)铜(tong)布线(xian)工(gong)艺(yi)都(dou)采(cai)用(yong)的(de)是“大(da)马(ma)士革(ge)”(Damascene)结构的镶嵌工(gong)艺(yi)。该(gai)技(ji)术(shu)是先(xian)在(zai)介质(zhi)层(ceng)材(cai)料(liao)中刻(ke)槽，然(ran)后沉淀阻挡(dang)层(ceng)以及铜籽(zi)层(ceng)，接着(zhe)沉淀铜，最后(hou)使用(yong)CMP技术把多余(yu)的(de)铜以(yi)及阻挡(dang)层材(cai)料去(qu)除。铜(tong)布线(xian)过程(cheng)包(bao)括(kuo)阻(zu)挡(dang)层(ceng)与种子(zi)层(ceng)的(de)沉(chen)积(ji)和(he)铜(tong)的电化(hua)学镀(du)[1]。目(mu)前(qian)，阻(zu)挡(dang)层及种子层(ceng)的(de)沉积(ji)主要(yao)是利(li)用(yong)PVD工艺(yi)进行，相(xiang)应的(de)溅射铜靶(ba)材的要求为：晶粒(li)尺(chi)寸小(xiao)于(yu)50μm，纯(chun)度(du)99.9999wt％(6N)以(yi)上(shang)，晶(jing)粒取(qu)向(xiang)有严(yan)格(ge)的要求。铜互(hu)联工(gong)艺(yi)大(da)幅(fu)度(du)提高(gao)了芯(xin)片的(de)集(ji)成度，器件(jian)密度(du)和时(shi)钟频率(lv)以及降(jiang)低(di)了(le)能量(liang)的消(xiao)耗(hao)，特别(bie)是在逻(luo)辑控(kong)制(zhi)芯片的高(gao)端(duan)应(ying)用(yong)(90nm及(ji)以(yi)下)方面(mian)优势(shi)非(fei)常(chang)明显(xian)。
2、大规模(mo)集(ji)成电路用(yong)高(gao)纯(chun)铜靶(ba)材(cai)的(de)分类
从(cong)目(mu)前(qian)的相(xiang)关资料可知(zhi)[8-1]，大(da)规(gui)模集成(cheng)电路用(yong)高(gao)纯铜靶(ba)材主要分(fen)为：高(gao)纯铜(tong)靶材(cai)和(he)高(gao)纯铜(tong)合(he)金靶(ba)材(cai)两(liang)大(da)类，其(qi)中铜(tong)的纯(chun)度都要(yao)满足大(da)于(yu)99.9999wt％(6N)。90～45nm之间主(zhu)要(yao)以(yi)高(gao)纯(chun)铜(tong)靶材(cai)为主，但(dan)是对于布(bu)线宽(kuan)度为(wei)45nm及以(yi)下(xia)，纵横(heng)尺(chi)寸(cun)比超过8的超(chao)精细布线，种子层(ceng)(Seed)厚(hou)度(du)变(bian)为90nm以(yi)下的(de)极薄膜(mo)，用6N超高(gao)纯铜(tong)靶(ba)形(xing)成(cheng)种(zhong)子层的(de)场合(he)，就(jiu)会(hui)产(chan)生凝(ning)聚，不(bu)能(neng)形成良(liang)好(hao)的种(zhong)子层(ceng)，而且(qie)电迁(qian)移(yi)问(wen)题也愈显(xian)严重。因此(ci)，研究(jiu)者(zhe)引(yin)入铜(tong)合金靶材(cai)来(lai)抑制电迁移，提高(gao)铜种子层(ceng)的(de)稳(wen)定性和均匀性(xing)，同(tong)时(shi)避(bi)免(mian)电镀期(qi)间(jian)出(chu)现凝(ning)聚(ju)物的(de)现(xian)象(xiang)[8]。
在高(gao)纯(chun)铜中加入一(yi)种(zhong)或(huo)多(duo)种(zhong)合金(jin)元素(su)能(neng)够更好(hao)地控制高纯(chun)铜靶(ba)材(cai)的(de)晶粒(li)尺寸，同(tong)时(shi)也能够保证铜靶(ba)材晶(jing)粒尺寸的(de)均(jun)匀(yun)性，提高靶(ba)材本(ben)身的(de)强度和(he)稳(wen)定(ding)性。但是(shi)，由于(yu)合金(jin)元(yuan)素的存(cun)在影(ying)响铜的(de)电阻率(lv)，所以(yi)通常(chang)将(jiang)靶(ba)材内合金化(hua)元(yuan)素的总(zong)量(liang)限(xian)制为小(xiao)于(yu)10wt％。对(dui)于有(you)特(te)定(ding)用处的铜(tong)薄膜和内(nei)部连线(xian)，需要与高纯(chun)铜(tong)相(xiang)匹(pi)配的电(dian)阻率(lv)，将(jiang)合金化的量(liang)限(xian)制为(wei)不(bu)大于3wt％。目(mu)前(qian)主(zhu)要的(de)铜(tong)合金靶材为(wei)Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Mn和(he)Cu三(san)元(yuan)及(ji)多元(yuan)合(he)金靶(ba)材(cai)。与纯(chun)铜相(xiang)比(bi)，采(cai)用合金化的(de)方(fang)式(shi)可(ke)以(yi)降低(di)电迁(qian)移(yi)、应(ying)力(li)迁(qian)移、腐(fu)蚀(shi)和(he)氧化性等一(yi)些副(fu)作用，同时(shi)在(zai)含铜(tong)导(dao)电材料(liao)中(zhong)仍保持低(di)的总电(dian)阻(zu)。
3、大(da)规模集成电(dian)路用高纯铜(tong)合(he)金靶材
3.1高纯cu-Al和(he)cu-sn合金(jin)靶(ba)材
铜的电(dian)迁移(yi)特(te)性虽然(ran)比铝有(you)所(suo)改善(shan)，但是仍然(ran)不(bu)能令人满(man)意。在铜中掺(can)入少(shao)量合金(jin)元素，如铝、锡(xi)等，可(ke)进一步改善其电(dian)迁(qian)移(yi)特(te)性(xing)。铝元素在集(ji)成电路(lu)工(gong)艺中(zhong)早(zao)已广泛使(shi)用，该技(ji)术(shu)简(jian)单(dan)，便于(yu)引入(ru)铜(tong)互连(lian)工艺(yi)中。锡(xi)能(neng)够得到最(zui)佳(jia)的电(dian)迁(qian)移(yi)特(te)性(xing)，因(yin)此(ci)，铜铝合金(jin)和(he)铜(tong)锡(xi)合金的(de)淀(dian)积(ji)是(shi)目(mu)前基于铜(tong)金(jin)属互连领(ling)域的(de)一(yi)个研究(jiu)重点(dian)。但(dan)是引入合金元素通常会(hui)导致(zhi)金属电(dian)阻率(lv)的(de)提高(gao)。例(li)如(ru)，铜中掺(can)入(ru)锡，其电阻率(lv)提(ti)高系数高达(da)2.88μΩ.cm-1/％，线性范围是(shi)2.69％。因此(ci)，合金元素的(de)浓(nong)度要(yao)适中(zhong)，一般(ban)应低于(yu)1％[15]。
铜种(zhong)层(ceng)变为(wei)厚(hou)度(du)90nm以下的极(ji)薄(bao)膜(mo)时，6N纯铜(tong)靶材在(zai)溅射成(cheng)种(zhong)子层时极易(yi)产(chan)生(sheng)凝(ning)聚(ju)，不(bu)能形(xing)成(cheng)良好(hao)的种(zhong)子(zi)层，因(yin)此多个专(zhuan)利[16-18]在高(gao)纯铜中加入(ru)0.5wt％～4wt％的(de)Al或(huo)Sn来防止(zhi)这(zhe)种情(qing)况(kuang)。铜(tong)种(zhong)层(ceng)的(de)均匀形成(cheng)很重要，在(zai)基(ji)础层凝(ning)聚的场合，由电(dian)镀形(xing)成(cheng)铜膜(mo)时，就不(bu)能形成均(jun)匀的(de)膜。例如，在(zai)布(bu)线中会形(xing)成空(kong)隙、断线等情(qing)况(kuang)。即使没(mei)有残留(liu)上述(shu)空(kong)隙(xi)等(deng)缺(que)陷，由(you)于(yu)该(gai)部分形(xing)成了(le)不(bu)均匀(yun)的(de)铜电沉积组织(zhi)，因而(er)也(ye)会(hui)产生(sheng)电迁移(yi)抗性(xing)降(jiang)低(di)的问题。为(wei)了解决该问(wen)题(ti)，在铜电(dian)镀时(shi)形(xing)成稳(wen)定均匀的种(zhong)层很(hen)重(zhong)要(yao)，而为(wei)形(xing)成(cheng)溅(jian)射(she)成膜(mo)特(te)性好的种层(ceng)，铜中(zhong)加(jia)入0.5wt％～4wt％的(de)Al或(huo)Sn元(yuan)素(su)非常有(you)效(xiao)(表1)。
在制(zhi)备高纯(chun)Cu-Al和Cu-Sn合金(jin)靶材过程中(zhong)关(guan)键是(shi)制备(bei)低含(han)量(liang)的Cu-Al和(he)Cu-Sn合(he)金铸(zhu)锭(ding)，由(you)于Al和Sn的(de)含(han)量比(bi)较(jiao)低，极(ji)易在(zai)铸(zhu)造(zao)过(guo)程中(zhong)产(chan)生合(he)金元素的分布(bu)不(bu)均(jun)匀(yun)和(he)成分(fen)偏析(xi)，导致(zhi)溅(jian)射(she)过程(cheng)出现(xian)质量(liang)问题(ti)。通常(chang)在(zai)铸(zhu)造过(guo)程中(zhong)通过高速搅拌和(he)电(dian)磁搅(jiao)拌等多种方(fang)法(fa)保证(zheng)微量元素(su)的(de)均匀(yun)性，也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)过后(hou)续(xu)的合(he)适(shi)热(re)处(chu)理温度和时间(jian)保(bao)证元素的(de)均匀性。Al和Sn元素(su)的(de)加入(ru)有(you)两(liang)种方式：一种是单质高(gao)纯Al或(huo)Sn的直接加(jia)入(ru)；另(ling)一种是(shi)先(xian)制备出高(gao)纯(chun)Cu-Al和Cu-Sn中间合金(jin)，然(ran)后(hou)加入熔(rong)炼炉。由于Al、Sn和高(gao)纯(chun)铜的(de)熔点相(xiang)差(cha)较大，为了(le)保(bao)证(zheng)成分的均匀性，通常采(cai)用(yong)中(zhong)间(jian)合金(jin)的(de)加入方(fang)式(shi)。
3.2高纯(chun)Cu-Mn合(he)金(jin)靶(ba)材
高(gao)纯Cu-Mn合金靶材(cai)也(ye)是(shi)即将(jiang)被(bei)广(guang)泛(fan)采(cai)用(yong)的12寸集成电路(lu)靶(ba)材(cai)，Koike等(deng)[18]指出(chu)Cu-Mn合金主要(yao)用(yong)来(lai)制作(zuo)铜(tong)种子(zi)层(ceng)；在(zai)高(gao)纯(chun)铜(tong)中(zhong)添(tian)加(jia)少(shao)量的(de)Mn元素(su)，由(you)于Cu和(he)Mn原(yuan)子(zi)的扩散(san)速度不(bu)同(tong)，Mn会(hui)在(zai)Cu和(he)Si基(ji)片(pian)之间形成自(zi)扩散(san)层，防止溅射材料与硅基片的反(fan)应，同时(shi)优(you)化(hua)生(sheng)产过程(cheng)[19]。
ShojiAoki等(deng)[18]比较了(le)不(bu)同(tong)Mn含(han)量(0.6wt％～30wt％)的(de)高纯铜(tong)靶材产生(sheng)颗(ke)粒的(de)情(qing)况(kuang)。Cu-Mn合(he)金主(zhu)要适用于溅射(she)种子层(ceng)(表(biao)2)。
2014年霍尼韦(wei)尔(er)采用等径(jing)角(jiao)塑性(xing)(ECAE)技(ji)术制(zhi)备(bei)了新型铜锰(meng)溅射靶(ba)材。ECAE技术最初是(shi)为Al及(ji)Al合金靶材研发(fa)的生(sheng)产工艺(yi)。通(tong)过该(gai)工艺(yi)使得铜(tong)靶材具(ju)有(you)超细的(de)晶粒尺寸(cun)，材料(liao)更加均(jun)匀(yun)，硬(ying)度更高(gao)，杂(za)质(zhi)更少。新型(xing)ECAE铜锰(meng)合金靶(ba)材(cai)晶粒尺寸是(shi)亚(ya)微米(mi)，远小(xiao)于普(pu)通(tong)靶(ba)材的尺寸50肚(du)m。超细(xi)晶(jing)粒(li)尺寸(cun)能够有(you)效(xiao)避(bi)免(mian)半导体生产商(shang)在采用普(pu)通(tong)带背板(ban)设计(ji)靶材时碰到的(de)溅射电压(ya)突(tu)然降低(di)问题。靶(ba)材(cai)硬度增加可以采用单(dan)体(ti)设(she)计(ji)，不(bu)需(xu)要背(bei)板(ban)支撑(cheng)，这样靶材的(de)使用寿(shou)命(ming)延(yan)长(zhang)了一倍(bei)，提高了(le)靶(ba)材(cai)利(li)用(yong)率以及(ji)溅射工艺的(de)生(sheng)产效率，降(jiang)低(di)了(le)企业(ye)成(cheng)本。
3.3三(san)元(yuan)或(huo)多(duo)元Cu合金靶(ba)材(cai)
通(tong)过(guo)熔铸的方(fang)法(fa)在高纯(chun)铜中加(jia)入Ag、Al、Ca、Fe、Ga、Mn、Ni、Pt、Sb、Sc、Sn、Ta、Ti、W、Zn和(he)Zr等元素中的至少(shao)两种，可以制备(bei)三(san)元(yuan)或多元(yuan)铜(tong)合(he)金(jin)靶(ba)材[20-23]。
与二(er)元合金相比(bi)，采用(yong)三(san)元(yuan)或(huo)者多元(yuan)合金(jin)能够(gou)解决很(hen)多(duo)具体(ti)问题且具(ju)有(you)灵(ling)活(huo)性。利用多(duo)元合金元素(su)的(de)不(bu)同物(wu)理化(hua)学特性，在(zai)溅(jian)射镀(du)膜过(guo)程(cheng)中起(qi)到特殊(shu)的(de)效果(guo)。例如(ru)，当向(xiang)高(gao)纯铜(tong)中添加(jia)特定元(yuan)素(su)时，可(ke)降低(di)电迁移(yi)，而其(qi)他(ta)元素(su)可以降(jiang)低(di)腐蚀性。因此(ci)，当(dang)形(xing)成(cheng)二(er)元合金时(shi)，该(gai)合金一(yi)般适(shi)合用来降低(di)电迁(qian)移或降(jiang)低(di)腐(fu)蚀(shi)，但很少二(er)者(zhe)兼顾(gu)。然(ran)而(er)，采用三元或(huo)多元(yuan)合(he)金可(ke)使电迁(qian)移(yi)和腐蚀都得到(dao)解(jie)决(jue)，因而能(neng)够(gou)根(gen)据不(bu)同(tong)的技(ji)术要求和特(te)点(dian)来设(she)计(ji)合金靶(ba)材的(de)产品(pin)种类(lei)，这(zhe)些组合能够(gou)解(jie)决很多(duo)方面(mian)的问(wen)题。
采用(yong)三元或(huo)多(duo)元合(he)金的另一个(ge)好(hao)处是(shi)，通(tong)过合(he)金化(hua)使得(de)靶材的强度得到极(ji)大提高，使(shi)得(de)靶材(cai)的(de)寿(shou)命更(geng)长。高(gao)强(qiang)度的靶(ba)材(cai)能(neng)够承受更大(da)的溅射(she)功率(lv)，优(you)化背板材(cai)料(liao)，提(ti)高(gao)靶材(cai)的(de)使用寿(shou)命(ming)和(he)溅射效果。
4、展(zhan)望
大规(gui)模集成(cheng)电(dian)路(lu)的制(zhi)程工(gong)艺趋(qu)向于朝密(mi)集(ji)度愈高的(de)方(fang)向发(fa)展(zhan)。密(mi)度愈(yu)高(gao)的IC电(dian)路设(she)计，意(yi)味(wei)着(zhe)在同(tong)样大小(xiao)面积(ji)的(de)IC中(zhong)，可(ke)以(yi)拥有(you)密(mi)度(du)更(geng)高(gao)、功能更(geng)复杂(za)的电路设(she)计。微(wei)电子技术的(de)发(fa)展(zhan)与进步(bu)，主要是靠(kao)工艺(yi)技(ji)术的不(bu)断改(gai)进(jin)，使得器(qi)件(jian)的特征(zheng)尺(chi)寸不(bu)断缩(suo)小，从(cong)而(er)不断提高集成(cheng)度，降低功耗(hao)，提高器(qi)件(jian)性(xing)能(neng)。芯(xin)片(pian)制造工(gong)艺在180～130nm之问(wen)主要采用的(de)是高(gao)纯铝和(he)铝(lv)合金(jin)靶材；在90～65m之(zhi)间主要采(cai)用(yong)的是(shi)高(gao)纯铜(tong)靶材(cai)；在45～28nm甚至(zhi)是(shi)22nm主(zhu)要采用(yong)的(de)是(shi)高(gao)纯铜铝和铜锰(meng)合金靶(ba)材；然而(er)进入(ru)20nm以(yi)下的(de)高(gao)端(duan)工(gong)艺(yi)后，无论(lun)是(shi)铝、铜及其合(he)金(jin)的(de)表现其(qi)实(shi)都很不理(li)想。而金属(shu)元素(su)钴(gu)在填(tian)满能(neng)力(li)、抗(kang)阻(zu)力(li)、可(ke)靠度三方(fang)面的(de)优势明(ming)显，特(te)别(bie)是在(zai)布(bu)线(xian)宽(kuan)度(du)7nm以下时，钴金属成(cheng)为了新(xin)的王(wang)者(zhe)。但是，目(mu)前(qian)铜及(ji)铜(tong)合(he)金(jin)靶材(cai)仍然(ran)在300mm大规模(mo)集(ji)成电路中大量使(shi)用，特别(bie)是(shi)高端通用(yong)领域(yu)对(dui)高纯铜(tong)合金(jin)靶材的(de)材料纯(chun)度(du)(大于99.99995wt％)、组织均匀性、合金(jin)元素分(fen)布的(de)均匀性(xing)、晶粒尺(chi)寸(cun)以及焊接(jie)强度的要求(qiu)也越(yue)来越(yue)高。目(mu)前(qian)国际(ji)上(shang)能(neng)够(gou)批(pi)量(liang)供(gong)应(ying)这(zhe)类铜合(he)金靶(ba)材的(de)厂家还(hai)只(zhi)有日(ri)本和美(mei)国(guo)的(de)两(liang)家公(gong)司(si)。这也是我国(guo)高(gao)端高(gao)纯铜合金(jin)领(ling)域(yu)生产企(qi)业开发(fa)高附(fu)加值(zhi)新产(chan)品(pin)的(de)一个(ge)重要(yao)方(fang)向(xiang)。
相(xiang)关(guan)链(lian)接
