引言

隨著集成電路不斷向大規模甚至超大規模發展，電子元器件尺寸越來越向微型化演變，芯片特征尺寸也逐漸縮小到深亞微米和納米的水平[1]。12英寸、微納米技術和銅工藝被稱為引導大規模集成電路發展趨勢的三大浪潮。傳統的6～8寸集成電路工藝都是主要采用了鋁作為金屬互聯材料，但是隨著器件特征尺寸的減小以及硅片載體規格的增加和集成度的提高，鋁布線出現了電遷移嚴重、電阻率高等缺陷[2]，這些缺陷嚴重時會導致電路板失效。后來人們又采用A1-Si、A1-Cu、Al-Si-Cu等一系列以鋁為基體的鋁合金，試圖解決上述問題，但沒有成功。銅及銅合金的出現給硅芯片的互連材料帶來了巨大的變化，從根本上解決了上述問題。它以低電阻率、高導電性和布線工藝步驟少等優勢在大規模邏輯芯片的高端應用上優勢明顯[2-6]。銅工藝與鋁工藝完全不同。銅工藝是采用嵌入式工藝得到圖形化的導線。上下層銅導線之間通過微通孔(via)互相連接，微通孔是通過另外一層光刻和蝕刻步驟形成的。目前國際主流技術已從65nm技術向45～28nm轉移。高純銅及其合金作為濺射靶材在大規模集成電路制造中主要用于包括接觸、通孔、互連線、阻擋層等PVD鍍膜[7]。

1、大規模集成電路用高純銅靶在互聯工藝中的作用

國際上銅布線工藝都采用的是“大馬士革”(Damascene)結構的鑲嵌工藝。該技術是先在介質層材料中刻槽，然后沉淀阻擋層以及銅籽層，接著沉淀銅，最后使用CMP技術把多余的銅以及阻擋層材料去除。銅布線過程包括阻擋層與種子層的沉積和銅的電化學鍍[1]。目前，阻擋層及種子層的沉積主要是利用PVD工藝進行，相應的濺射銅靶材的要求為：晶粒尺寸小于50μm，純度99.9999wt％(6N)以上，晶粒取向有嚴格的要求。銅互聯工藝大幅度提高了芯片的集成度，器件密度和時鐘頻率以及降低了能量的消耗，特別是在邏輯控制芯片的高端應用(90nm及以下)方面優勢非常明顯。

2、大規模集成電路用高純銅靶材的分類

從目前的相關資料可知[8-1]，大規模集成電路用高純銅靶材主要分為：高純銅靶材和高純銅合金靶材兩大類，其中銅的純度都要滿足大于99.9999wt％(6N)。90～45nm之間主要以高純銅靶材為主，但是對于布線寬度為45nm及以下，縱橫尺寸比超過8的超精細布線，種子層(Seed)厚度變為90nm以下的極薄膜，用6N超高純銅靶形成種子層的場合，就會產生凝聚，不能形成良好的種子層，而且電遷移問題也愈顯嚴重。因此，研究者引入銅合金靶材來抑制電遷移，提高銅種子層的穩定性和均勻性，同時避免電鍍期間出現凝聚物的現象[8]。

在高純銅中加入一種或多種合金元素能夠更好地控制高純銅靶材的晶粒尺寸，同時也能夠保證銅靶材晶粒尺寸的均勻性，提高靶材本身的強度和穩定性。但是，由于合金元素的存在影響銅的電阻率，所以通常將靶材內合金化元素的總量限制為小于10wt％。對于有特定用處的銅薄膜和內部連線，需要與高純銅相匹配的電阻率，將合金化的量限制為不大于3wt％。目前主要的銅合金靶材為Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Mn和Cu三元及多元合金靶材。與純銅相比，采用合金化的方式可以降低電遷移、應力遷移、腐蝕和氧化性等一些副作用，同時在含銅導電材料中仍保持低的總電阻。

3、大規模集成電路用高純銅合金靶材

3.1高純cu-Al和cu-sn合金靶材

銅的電遷移特性雖然比鋁有所改善，但是仍然不能令人滿意。在銅中摻入少量合金元素，如鋁、錫等，可進一步改善其電遷移特性。鋁元素在集成電路工藝中早已廣泛使用，該技術簡單，便于引入銅互連工藝中。錫能夠得到最佳的電遷移特性，因此，銅鋁合金和銅錫合金的淀積是目前基于銅金屬互連領域的一個研究重點。但是引入合金元素通常會導致金屬電阻率的提高。例如，銅中摻入錫，其電阻率提高系數高達2.88μΩ.cm^-1/％，線性范圍是2.69％。因此，合金元素的濃度要適中，一般應低于1％[15]。

銅種層變為厚度90nm以下的極薄膜時，6N純銅靶材在濺射成種子層時極易產生凝聚，不能形成良好的種子層，因此多個專利[16-18]在高純銅中加入0.5wt％～4wt％的Al或Sn來防止這種情況。銅種層的均勻形成很重要，在基礎層凝聚的場合，由電鍍形成銅膜時，就不能形成均勻的膜。例如，在布線中會形成空隙、斷線等情況。即使沒有殘留上述空隙等缺陷，由于該部分形成了不均勻的銅電沉積組織，因而也會產生電遷移抗性降低的問題。為了解決該問題，在銅電鍍時形成穩定均勻的種層很重要，而為形成濺射成膜特性好的種層，銅中加入0.5wt％～4wt％的Al或Sn元素非常有效(表1)。

在制備高純Cu-Al和Cu-Sn合金靶材過程中關鍵是制備低含量的Cu-Al和Cu-Sn合金鑄錠，由于Al和Sn的含量比較低，極易在鑄造過程中產生合金元素的分布不均勻和成分偏析，導致濺射過程出現質量問題。通常在鑄造過程中通過高速攪拌和電磁攪拌等多種方法保證微量元素的均勻性，也可以通過后續的合適熱處理溫度和時間保證元素的均勻性。Al和Sn元素的加入有兩種方式：一種是單質高純Al或Sn的直接加入；另一種是先制備出高純Cu-Al和Cu-Sn中間合金，然后加入熔煉爐。由于Al、Sn和高純銅的熔點相差較大，為了保證成分的均勻性，通常采用中間合金的加入方式。

3.2高純Cu-Mn合金靶材

高純Cu-Mn合金靶材也是即將被廣泛采用的12寸集成電路靶材，Koike等[18]指出Cu-Mn合金主要用來制作銅種子層；在高純銅中添加少量的Mn元素，由于Cu和Mn原子的擴散速度不同，Mn會在Cu和Si基片之間形成自擴散層，防止濺射材料與硅基片的反應，同時優化生產過程[19]。

ShojiAoki等[18]比較了不同Mn含量(0.6wt％～30wt％)的高純銅靶材產生顆粒的情況。Cu-Mn合金主要適用于濺射種子層(表2)。

2014年霍尼韋爾采用等徑角塑性(ECAE)技術制備了新型銅錳濺射靶材。ECAE技術最初是為Al及Al合金靶材研發的生產工藝。通過該工藝使得銅靶材具有超細的晶粒尺寸，材料更加均勻，硬度更高，雜質更少。新型ECAE銅錳合金靶材晶粒尺寸是亞微米，遠小于普通靶材的尺寸50肚m。超細晶粒尺寸能夠有效避免半導體生產商在采用普通帶背板設計靶材時碰到的濺射電壓突然降低問題。靶材硬度增加可以采用單體設計，不需要背板支撐，這樣靶材的使用壽命延長了一倍，提高了靶材利用率以及濺射工藝的生產效率，降低了企業成本。

3.3三元或多元Cu合金靶材

通過熔鑄的方法在高純銅中加入Ag、Al、Ca、Fe、Ga、Mn、Ni、Pt、Sb、Sc、Sn、Ta、Ti、W、Zn和Zr等元素中的至少兩種，可以制備三元或多元銅合金靶材[20-23]。

與二元合金相比，采用三元或者多元合金能夠解決很多具體問題且具有靈活性。利用多元合金元素的不同物理化學特性，在濺射鍍膜過程中起到特殊的效果。例如，當向高純銅中添加特定元素時，可降低電遷移，而其他元素可以降低腐蝕性。因此，當形成二元合金時，該合金一般適合用來降低電遷移或降低腐蝕，但很少二者兼顧。然而，采用三元或多元合金可使電遷移和腐蝕都得到解決，因而能夠根據不同的技術要求和特點來設計合金靶材的產品種類，這些組合能夠解決很多方面的問題。

采用三元或多元合金的另一個好處是，通過合金化使得靶材的強度得到極大提高，使得靶材的壽命更長。高強度的靶材能夠承受更大的濺射功率，優化背板材料，提高靶材的使用壽命和濺射效果。

4、展望

大規模集成電路的制程工藝趨向于朝密集度愈高的方向發展。密度愈高的IC電路設計，意味著在同樣大小面積的IC中，可以擁有密度更高、功能更復雜的電路設計。微電子技術的發展與進步，主要是靠工藝技術的不斷改進，使得器件的特征尺寸不斷縮小，從而不斷提高集成度，降低功耗，提高器件性能。芯片制造工藝在180～130nm之問主要采用的是高純鋁和鋁合金靶材；在90～65m之間主要采用的是高純銅靶材；在45～28nm甚至是22nm主要采用的是高純銅鋁和銅錳合金靶材；然而進入20nm以下的高端工藝后，無論是鋁、銅及其合金的表現其實都很不理想。而金屬元素鈷在填滿能力、抗阻力、可靠度三方面的優勢明顯，特別是在布線寬度7nm以下時，鈷金屬成為了新的王者。但是，目前銅及銅合金靶材仍然在300mm大規模集成電路中大量使用，特別是高端通用領域對高純銅合金靶材的材料純度(大于99.99995wt％)、組織均勻性、合金元素分布的均勻性、晶粒尺寸以及焊接強度的要求也越來越高。目前國際上能夠批量供應這類銅合金靶材的廠家還只有日本和美國的兩家公司。這也是我國高端高純銅合金領域生產企業開發高附加值新產品的一個重要方向。

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