集成电路互连线用高纯铜靶材及相关问题研究

材料与器件櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶Materials and DevicesDOI ：10.3969/j.issn.1003－353x.2011.11.003基金项目：国家科技重大专项资助项目（2011ZX02705－004）集成电路互连线用高纯铜靶材及相关问题研究高岩1，2，王欣平1，2，何金江1，2，董亭义1，2，蒋宇辉1，2，江轩1，2（1.北京有色金属研究总院，北京100088； 2.有研亿金新材料股份有限公司，北京102200）摘要：随着半导体技术的发展，芯片特征尺寸缩小到深亚微米和纳米时，铜互连技术在集成电路的设计和制造中成为主流技术，从而对高纯铜靶材的要求越来越高。

从靶材制造的角度利用材料学的知识对铜靶材的晶体结构、纯度、致密度、微观组织及焊接性能等方面作了分析，并且较全面地分析了可能影响靶材溅射性能的很多关键因素，从而为靶材供应商和集成电路制造商对于铜靶材的了解搭建了桥梁，为进一步开发超大尺寸的高纯铜靶材打下基础。

关键词：集成电路IC ；互连线；焊接强度；铜靶材；溅射中图分类号：TG146.11文献标识码：A文章编号：1003－353X （2011）11－0826－05Research on Copper Sputtering Targets in ULSI and Related ProblemsGao Yan 1，2，Wang Xinping 1，2，He Jinjiang 1，2，Dong Tingyi 1，2，Jiang Yuhui 1，2，Jiang Xuan 1，2（1.General Research Institute for Non-Ferrous Metals ，Beijing 100088，China ；2.GRIKIN Advanced Materials Co．，Ltd．，Beijing 102200，China ）Abstract ：With the development of semiconductor technology ，the dimension of CMOS chip reduces into micrometer and nanometer．The technology of copper interconnection is the mainstream technology ，so the requests of the copper target are more and more rigor．From the point of view of the target in manufacture ，crystal structure ，purity ，compact ability ，microstructure and bonding of copper target capability are analyzed ，using the knowledge of material．The key factors influenced the performances of target sputtering are analyzed．A bridge between the copper target provider and the factory of CMOS chip is put up ，and the base for the next generation copper targets is built．Key words ：integrated circuit （IC ）；interconnection ；solder strength ；copper target ；sputter EEACC ：05300引言随着集成电路特征尺寸的不断减小，互连线的RC 延时成为影响电路速度的主要问题。

因此，寻找电阻率较低的导电材料和介电常数较低的介质材料成为超大规模集成电路工艺的一大发展方向。

因此铜材料成为替代铝材料的最优选择。

铜布线与铝布线相比有如下优点：铜的电阻率比铝低；铜导电性好，易冷却，在较大温度范围内保持好的可靠性；铜与低介电常数（k ≤3）材料的结合要比铝与SiO 2（k =4）的结合好，它能减少IC 布线的层数；铜布线能提高IC 芯片的速度，在逻辑IC 中速度可提高4倍；铜布线工艺步骤少，能降低成本，一般铜布线制造成本是铝布线的70% 80%等。

因此，铜布线替代铝布线是一种发展趋势［1］。

目前，世界上生产130nm 逻辑器件的公司大多数使用的是铜互连工艺，所淀积的铜质量的好坏直接关系到铜电阻率的大小以及抗电迁移性能的好坏。

因此如何在高宽比越来越大的深亚微米刻槽中高岩等：櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶集成电路互连线用高纯铜靶材及相关问题研究淀积出空洞和裂缝较少且晶粒较小的金属铜是铜靶材的研究重点。

1高纯铜靶材的物理特性铜为面心立方晶格，晶胞是一个立方体，在立方体的8个顶角和6个面的中心各有一个原子，晶格常数a =b =c ，棱边夹角α=β=γ=90ʎ（图1）。

在面心立方晶体中，最可能发生滑移的晶面为｛111｝晶面，这种晶面共有四组，每个晶面上有3个密集方向，因此共有12个滑移系，滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性越好［2］。

因此，铜具有很好的塑性，在制备高纯铜靶材的过程中，充分利用高纯铜的良好塑性进行三向锻造，通过大塑性变形来细化晶粒。

但由于铜具有面心立方结构，其层错能较低，约为0.04J /m 2，完全再结晶后形成典型的退火孪晶组织，在退火过程中极易出现大量孪晶。

由于孪晶的点阵与基体点阵呈错位关系，该位置的原子在磁控溅射时极易被打出，造成靶材表面出现“尖端”，导致放电起弧。

因此，通过合理的塑性变形和热处理制度，最大限度地减少孪晶的存在，是高纯铜靶材制造的关键。

图1铜面心立方晶体结构示意图Fig.1Structure diagram of the Cu face-centeredcubic （FCC ）crystals2高纯铜靶材在铜互连工艺中的作用现在国际上的铜布线技术都采用称为“大马士革”（Damascene ）结构的镶嵌工艺。

该工艺是先在介质层材料中刻槽，然后沉淀阻挡层材料以及铜籽层，接着沉淀铜，最后使用CMP 技术把多余的铜以及阻挡层材料去除。

铜布线的过程包括阻挡层与种子层的沉积和铜的电化学镀。

目前，阻挡层及种子层的沉积主要是利用PVD 工艺。

相应的溅射铜靶材的要求为：纯度99.9999%以上，晶粒尺寸小于50μm ，晶粒取向需要严格控制。

铜的电化学镀（ECP ）工艺采用铜靶作为阳极，纯度99.99%以上，组织致密均匀。

采用铜工艺可以提高芯片的集成度、提高器件密度、提高时钟频率以及降低消耗的能量，在逻辑控制芯片的高端应用上（130nm 及以下）优势明显。

3影响高纯铜靶材性能的主要因素近年来随着微电子产业的迅速发展，硅片尺寸迅速由6英寸（1英寸=25.4mm ）、8英寸进步到12英寸，布线宽度由0.25μm 减小到0.18μm ，0.13μm 甚至0.065μm ；在溅射淀积过程中，对于如此不断扩大的淀积面积，必须提高对成膜面积的薄膜均匀性要求，才能确保如此细小的布线质量。

以前99.995%（4N5）的靶材纯度可满足0.35μm IC 的工艺要求，现在制备0.18μm 线条的靶材纯度则要求在99.9999%（6N ）及以上才行。

目前，中国在高纯金属的提纯工艺方面与国外发达国家相比还有较大差距，特别是在高纯Cu ，Al 和Ti 方面（见表1）。

对于互连线用靶材原料来说，纯度大于99.99%（4N ）都需要采用GDMS （辉光放电质谱法）来检测杂质元素，而国内具有GDMS 设备的研究机构屈指可数。

当靶材内部含有的杂质元素过多时，溅射过程中会在晶圆上形成微粒，这些杂质会导致互连线短路或断路，从而影响薄膜质量［3］。

表1集成电路布线用靶材原料对纯度的要求Tab.1Purity requirements of target metal in ULSI集成电路布线用靶材原料纯度要求产地Cu ≥99.9999%（6N ）日本、美国、中国Al≥99.9995%（5N5）≥99．999%（5N ）日本、挪威、法国、中国Al 合金≥99.9995%（5N5）≥99.999%（5N ）日本、挪威、法国、德国Ta ≥99.99%（4N ）≥99.95%（3N5）中国、德国、美国Ti≥99.999%（5N ）美国、德国、日本高岩等：櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶集成电路互连线用高纯铜靶材及相关问题研究3.1高纯铜靶材的纯度溅射铜膜过程中铜膜的生长经常会受到靶材纯度的影响，靶材的纯度越高，溅射薄膜的性能越好。

因此，应尽可能降低靶材中杂质含量，减少沉积薄膜的污染源，提高薄膜的均匀性。

靶材中夹杂物绝大部分是在电解、熔炼和铸造过程中形成的，不同金属的提纯工艺不同，熔炼和铸造的工艺也不同，导致铸锭中含有超标的杂质元素不同。

对于高纯铜铸锭来说，杂质主要包括：Ag，As，Al，Bi，Fe和Ni等元素。

为了控制高纯铜的纯度，在电解高纯铜时应采用纯度相对较高的铜阳极；在熔炼和铸造过程中，应选用由高纯还原材料制造的坩埚、内浇道、高纯铸模等，并在铸造前彻底清除熔体表面的氧化物和其他熔渣。

通常都是在真空或无氧环境下熔炼和铸造高纯铜铸锭［4］。

关于铜的纯度，一般来说铜的纯度越高，其导电性越好，因此信号的失真就越小。

现在常见的铜质有4种，分别为TPC（电解铜），OFC（无氧铜），LC-OFC（线形结晶无氧铜或结晶无氧铜）及OCC（单晶无氧铜）。

日本矿业生产公司已经研制出了99.999% 99.9999999%超高纯铜（UHPC），并开始工业生产。

UHPC必须在无尘室中仔细处理，所用的水和气体必须干净。

坩埚和铸模材料的选择也必须注意（高纯石墨坩埚）。

为防止氧的污染，铸造材料必须在低温下加工，并需要近净成形，使之具有光滑和干净的表面以及没有裂纹和杂质的晶界，因此在高纯铜的生产过程中，悬浮铸造和定向凝固技术是有用的。

对于集成电路互连线制造用的高纯铜来说，铜的含量至少要达到6N以上，其杂质含量仅相当于4N的1/100。

目前，美国和日本等国均有成熟的6N产品。

对于纯度的另外一个表示方法为RRR，该方法在国际间被广泛使用。

通常，OFC大约是200，而6N铜却可达4000左右。

目前通常见到的主要为4N铜和6N铜，在机械的特性方面，6N铜的抗拉强度、延伸率和硬度都略低于4N铜。