钽溅射靶材的应用、属性和发展趋势

1 钽溅射靶材的应用、属性和发展趋势

一、 前言

由于钽具有形成薄氧化物的能力，且生成的氧化膜具有保护作用，因此钽作为基础材料被广泛应用于电解质电容器制造过程中。钽在微电子领域最初是应用在分立薄膜电容器的构成中。蒸发法是钽沉积早期使用的方法，但是在上个世纪六十年代末出现的物理气相沉积法(PVD)如溅射镀膜法取代蒸发法成为一种薄膜沉积比较好的方法。物理气相沉积法是将电离的氩原子通过电磁力学的方式去撞击一个被称为靶材的材料源，从而撞击出金属靶材原子；然后撞击出的靶材原子会沉积在所需镀膜的基层上形成一层薄膜。在这种磁控溅射过程中，磁力场可通过聚集二级电子的方式来增加离子密度；这里二级电子具有增加溅射沉积速率并被束缚在等离子体区域内，且在低压下维持不变的特点(见图1)。本文从热喷墨打印头、铜电镀以及硅通孔技术三个方面讨论了钽在微电子领域中的应用。另外也讨论一下铜电镀在液晶面板中的应用。

图1 磁控溅射：采用电磁力学的方式用电离 图2 热喷墨打印头(来自HP) Ar(+)原子撞掉靶材原子。靶材原子沉积 在基层上。施加的磁场通过聚集二级电 子来增加离子密度 二、热喷墨打印头 热喷墨打印头可用于薄膜集成电路的制造过程中，这对钽和以钽为基质的溅射靶材的使用提供了一个很好的促进作用。在集成电路的制造过程中，使用一个薄膜

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2 电阻器在能量密度接近1.28E9 watts/m 2的条件下快速加热油墨的薄膜层，于是油墨中一些非常小的部分就被蒸发形成一种扩展的气泡，这种气泡实际上就是喷射出的油墨小液滴(见图2)。在这里，薄膜电阻器选择的是TaAl 型。由于高温油墨会使部分喷墨打印设备发生汽蚀现象，因此钽抗汽蚀薄膜的使用可以起到保护油墨设施的作用。

三、铜电镀

钽薄膜在集成电路制造过程中优势明显，并且在钽薄膜使用过程中有一个大的进展是铜电镀技术在其中的应用。光致抗蚀掩膜和等离子蚀刻技术不能用来形成铜，因为铜不能在低温等离子蚀刻条件下形成所需的挥发成分。通常情况下铜电镀使用的是镶嵌工艺，这里氮化硅绝缘层和放置导体的开放的沟槽(通道)形成在一起(见图

3)。由于铜具有高的导电性，因此阻挡膜必须能完全地隔离铜。但是如果阻挡膜过

厚，又会失去铜互连的这种高传导性优势。

图3 铜电镀所使用的镶嵌工艺，这里氮化 图4 SIP Ta(N)/SIP Cu 阶梯覆盖率的 硅绝缘层和放置导体的开放的沟槽形 TEM 截面(注：SIP -系统级封装) 成在一起，沟槽里的导电体紧接着是 阻挡膜和铜电镀层(来自IBM) 在以上所描述的铜电镀方案中，阻挡膜的沉积必须具有好的阶梯覆盖率，并且要在通道/沟槽空隙处减少突出，这一点很重要。为了达到这个目的，一些OEM 厂商要具备相应的PVD 设备。此类设备是利用薄片偏置通过电离方式来控制电离金属

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的方向，而且电离离子的方向会通过薄片的顶部和底部引起材料的再溅射。通过源设计和射频功率的使用，电离离子可以获得方向溅射。通过常规的平面钽溅射靶材或者空心阴极磁控靶材可以获得所需要的阶梯覆盖率，而且靶的内表面会发生溅射现象。

在替代0.10µm 铜集成电路方面，钽和钽氮化物PVD 阻挡膜已经显示出一些益处，这其中就包括良好的铜扩散性以及与电介质和铜之间良好的粘合性。由于纯钽与氟会发生反应，因此相对于氟，氮化钽是一种扩散性很好的阻挡膜。通过降低介电常数，氮化钽电介质将有助于小型化。最终，钽相对于铜扮演一个结核层的角色，这对集成电路的可靠性非常关键。因此先进PVD 设备对TaTaN 阻挡层结构的形成是必要的。另外，溅射材料的再沉积也要减至最小，这对于维持低颗粒水平至关重要。在电介质和铜界面上，氮浓度是能够被调整的。图4透射电镜(TEM)图片中显示的是Ta(N)阶梯覆盖率。 PVD 设备可以用来沉积铜互连，并且沉积出来的铜互连具有高的纵横比阶梯覆盖率。通过PVD 设备的掺杂作用可以减小颗粒和提高生产量，其中钽靶材冶金工艺能极大影响溅射靶的性能。从本质上讲溅射靶材应该具有一个一致、均匀的晶体结构，这种结构可以减少不同组织的面积(也称为纹理条带)，并且在结构方面会有一个渐次的改变(也称为结构级差)。由于所熔化的金属坯段是>3N5的电子级纯钽，其中坯段的微小结构中会含有由少量的大颗粒，因此电子束的使用会影响到所要获得的均匀一致结晶结构的复杂程度。这种结晶结构结合起来组成钽的立方体结构，此结构可以限制一些缺陷，但是要生成这种均匀一致且具有的纹理条带和变化率的钽微观结构还是很困难的。幸运的是钽靶材冶金技术已经取得了长足的进步，现在的冶金技术制成的靶材能更容易的生成纹理条带和变化率(见图5)。在现有的钽溅射靶材中，有一种被称为AdvanTage™(Praxair 的商标)品牌的，这种靶材可以形成均匀的微观结构且具有纹理条带。这种结构存在着相互影响，且这种影响始终通过薄膜特性中的寿命溅射性能和改进后的早期寿命稳定性来施加(见图6)。当靶材接近它的使用寿命时，AdvanTage 钽溅射靶材允许靶材在没有偏移出规范情况下继续可以获得完整的靶材寿命。在图7中，常规工艺生产出的靶材显示出所形成的薄膜均匀一致性差的缺点，而使用AdvanTage 钽溅射靶材生成的钽氮/钽薄膜却始终保持着

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4 均匀一致的薄膜。

图5 钽溅射靶材纹理条带改进前后 图6 电子背散射衍射(EBSD)成像

的对比图示 中的彩色编码定向说明纹理条 带的程度 图7 用于TaN/Ta 双分子层薄膜的钽300mm SIP Rs 均匀性比较。 AdvanTage 钽溅射靶材显示出在整个靶材寿命期间薄膜的均匀一致性

四、硅通孔(TSV)技术 铜电镀技术一个正在开发的应用是硅通孔(TSV)3D 集成。芯片3D 集成的目的是为了制造出运行速度更快、价格更便宜、体积更小的半导体设备。目前3D 集成多是通过将电路和元件的微型化而制造出的，其中使用了引线键合和倒装芯片集成技术。引线键合可导致电感损失，从而削弱芯片的性能。那么有一种改善的方法，就是使用硅通孔技术。从本质上讲两种或更多垂直集成芯片是通过垂直互联运转的方式连接在一起，这种运转功能类似IC 元件。通过元件的无引线边界几何焊接方式

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