新型超高纯CuMn合金溅射靶材的微观组织表征

2021-10-30王少平姚力军钟伟华

世界有色金属 2021年10期

王少平，姚力军，钟伟华，杨辉

（1. 浙江大学，材料科学与工程学院，浙江杭州 310000；2.宁波江丰电子材料股份有限公司，浙江宁波 315400）

当前，先进制程超大规模集成电路制备工艺中广泛采用Cu互连线，其典型的互连结构为Cu/Ta/TaN/SiO2。其中，Ta/TaN为扩散阻挡层，阻止Cu与Si之间的互相扩散。随着芯片的集成度与日俱增，特别是技术节点发展至7nm及以下，Ta/TaN阻挡层的厚度必须足够薄以实现高集成度芯片的功能性。当阻挡层厚度过薄时，其基本的“阻挡”效应退化，Cu与Si之间互相扩散的风险大大增加，导致电迁移（Electromigration，EM）寿命急剧降低。因此，在先进制程中（技术节点40/55nm及以下），CuMn合金因为其自扩散效应（Self-forming diffusion barrier），逐渐取代纯Cu和CuAl合金，应用于种子层。

业界超高纯CuMn溅射靶材被美国霍尼韦尔公司垄断。其独创的ECAE（Equal Channel Angular Extrusion，等径角挤压）技术提高了PVD成膜质量。ECAE技术成本高昂，技术壁垒高，无法在工业界实现大规模应用。PVD成膜质量取决于溅射靶材的组织、织构均匀性，而溅射过程的稳定性则取决于靶材的强度，即靶材抵御弯曲变形的能力。据此，我们提出了一种新型的CuMn合金靶材设计方法。本文对该新型CuMn合金溅射靶材的显微组织和织构进行了研究，并进一步探讨了其溅射过程的稳定性。

1 实验材料和方法

1.1 材料制备

本研究选取Cu-0.8at.%Mn成分合金。采用电子级超高纯Cu和Mn原材料进行真空熔炼铸造。铸锭经反复锻伸、热处理后，进一步交叉轧制，得到最终样品尺寸Φ450mm×30mm。

1.2 表征方法

采用扫描电子显微镜（SU3500，日本Hitachi公司）及其附带的电子背散射衍射（EBSD，英国Oxford公司）对CuMn合金的显微组织和织构进行分析。采用日本Mitutoyo维氏硬度试验机进行CuMn合金的显微硬度测试，测量载荷为200g，加载时间为20s。

2 结果分析与讨论

2.1 轧制态CuMn合金的纯度

芯片用电子级CuMn合金的纯度要求达到99.9999%（6N）以上。如表所示，CuMn合金总的不纯物含量低于1ppm，整体纯度达到99.9999%，符合芯片级CuMn合金纯度基本要求，主要不纯物为Ag。

表1 变形态CuMn合金中痕量元素GDMS分析结果

2.2 轧制态CuMn合金的显微组织

溅射靶材的显微组织直接影响了PVD镀膜时的溅射速率及成膜厚度均匀性，是靶材制备中关键工艺之一。理论上，不同晶面的原子溅射速率存在差异。对于面心立方金属（CuMn为面心立方结构）而言，（111）晶面溅射速率最快，（100）晶面次之，（110）晶面溅射速率最慢。这主要归因于不同晶面原子致密度差异。（111）、（100）和（110）晶面原子致密度依次为90.7%、78.5%和55.5%。晶面原子致密度越高，PVD溅射时氩原子轰击出的靶材原子更多，溅射速率更快。（111）晶面溅射速率过快，不利于芯片集成电路中高深宽比沟槽填充的均匀性，进而影响到后续电性测试。（100）和（110）晶面占比占优，保证了靶材溅射时具有合适的溅射速率，有助于高深宽比沟槽的均匀填充。

2.3 轧制态CuMn合金的织构

图1（a）和（b）分别为CuMn合金轧制面极图和反极图。如图1（a）所示，{100}极图上观察到Brass型织构特征（{110}<112>），而{111}极图表现出相对较强的Cube型织构（{100}<001>），最大极密度为4.73。反极图（图1（b））亦表现出Brass和Cube混合织构，最大极密度为2.60。Cube织构为典型的再结晶织构，而Brass织构为轧制织构。所研究CuMn合金交叉轧制前经再结晶退火；后续交叉轧制过程中，随着塑性应变累积，再结晶Cube织构逐渐向Brass织构转变。

图1 变形态CuMn合金轧制面（ND方向）（a）极图（b）反极图

相较于Cube织构，轧制态Brass织构具有更高的Tylor系数，意味着其塑性变形更困难，即材料具有更高的变形抗力。完全再结晶态CuMn合金的维氏硬度仅为80HV，而轧制态的维氏硬度达到148HV，强度提高了85%。如此高强度能够确保CuMn靶材在溅射过程中具有足够的抵抗变形的能力，确保溅射过程的稳定性。