浅谈集成电路用金属溅射靶材研究现状.pdf

第 卷 第 期有色金属加工 年 月 :./.浅谈集成电路用金属溅射靶材研究现状居炎鹏李心然(河南东微电子材料有限公司河南 郑州)收稿日期:作者简介:居炎鹏()男 硕士 主要研究方向为集成电路用溅射靶材摘 要:文章介绍了集成电路用金属靶材的技术要求和制备工艺并对金属溅射靶材发展趋势进行了预测和展望关键词:集成电路金属溅射靶材晶粒尺寸晶面取向发展趋势中图分类号:文献标识码:文章编号:()集成电路产业属于高端制造业是信息技术领域的核心产业事关国民经济发展和国家战略安全地位已经成为一个国家综合国力的重要标志之一 集成电路是一种微小电子设备或元件如各类晶体管、电阻器及电容器等均是通过电极导线连接或是通过介质材料隔离以实现特定的功能而用于电极导线或介质材料部分是通过磁控溅射镀膜方法制得这种磁控溅射方法就需要对应的高纯金属溅射靶材作为溅射源 溅射靶材是磁控溅射法制备集成电路薄膜的主要关键原材料对集成电路市场及整个产业的发展具有决定性影响它随着集成电路逻辑、存储、封装以及高性能、低功耗的新器件发展已成为热点研究材料 集成电路用金属溅射靶材有铝、铜、钛、钽、钴、镍、钨、钼、铂、金、银、钌等主要用于制备晶圆导电层、阻挡层以及金属栅极等 各类金属靶材于不同技术节点之内搭配使用如集成电路中重要的逻辑芯片铝靶主要用作 以上技术节点的布线材料钛靶作为其配套的阻挡层材料铜靶主要用于 以下钽靶与之配套作为阻挡层材料 溅射镀膜工艺起源于国外对金属溅射靶材产品性能要求高专业应用性强长期以来靶材产业集中在美、日少数几家公司如日本日矿金属各种靶材加工能力居全球首位与东曹、霍尼韦尔、普莱克斯三家公司共同瓜分了全球 以上市场份额 我国最早进入集成电路用金属靶材研究制备厂商主要代表有江丰电子和有研亿金国内外主要供应商见表 表 国内外主要集成电路用溅射靶材供应商简介序号公司名称国家主要靶材介绍日矿金属日本金属靶材加工综合实力居全球第一可批量供应纯度 之间靶材占据了全球 的靶材市场份额 钽靶和铜靶以及存储器用钨靶的市场占有率居全球第一东曹日本铝靶材与美国的普莱克斯公司共同平分了全球市场 存储器用钨靶材市场占有率居全球第二霍尼韦尔美国高纯钛靶材加工能力和市场占有率全球第一铜靶材全球第二普莱克斯美国铝靶材与东曹公司共同平分了全球市场 钛靶材市场占有率居全球第二钽靶材和铜靶材的全球市场份额也较大 拥有超细晶铜靶和铝靶加工能力世泰科德国几乎垄断了全球半导体用钽靶材的供应江丰电子中国靶材包括高纯钽、钛、铝以及钨钛等供货给台积电、海力士、中芯国际、联华电子等厂商 另外高纯铜原料及靶材生产工艺已经成熟有研亿金中国国内研发最早、实力最强、销售规模最大的靶材制造企业之一 纯铜、镍、钴以及金、银等贵金属提纯技术处于国际领先水平成为台积电的第二家高纯钴溅射靶材合格供应商 有色金属加工第 卷 技术要求.纯度金属溅射靶材的纯度与溅射镀膜的纯度息息相关高纯度乃至超高纯度的金属材料是生产高纯金属靶材的基础 金属靶材若杂质含量高在溅射时会影响辉光放电还会导致薄膜电阻率的增加从而影响薄膜均匀性甚至会造成集成电路短路 集成电路产业的 金 属 靶 材 纯 度 通 常 达 ()甚 至()以上除了总杂质含量要求低之外还要严格控制个别杂质元素的不利影响 如碱金属(、等)易在绝缘层中形成可移动性离子降低器件性能放射性元素(、等)会释放射线造成元器件产生软击穿过渡族金属(、等)会产生界面漏电及氧元素增加卤素(等)离子会腐蚀电路气体元素(、等)损伤膜的稳定性成为膜电阻增大的原因 如何持续降低金属靶材中杂质元素的含量提升金属靶材的纯度是目前金属靶材制备技术发展的焦点金属提纯通常使用化学提纯和物理提纯两种方式 化学提纯主要分为湿法提纯与火法提纯通过电解、热分解等方式析出主金属如高纯、等都是通过电解法制备的物理提纯则是通过蒸发结晶、电迁移、真空熔融法等步骤提纯得到主金属高熔点金属如、等可采用真空电子束或电弧熔炼制备其他金属如、等可以用真空感应熔炼制备 需要获得超高纯金属常用提纯方案为纯化(初步提纯)、超纯化(再提纯)到化学物理提纯(最终提高纯度)两大步金属提纯核心技术多掌握在欧美日等企业中尤其是日矿金属冶炼提纯能力世界一流可批量供应纯度于 的金属靶材其中铜靶材能提纯高达 级别拥有行业最高的技术水平 我国有研亿金以电解精炼法和区域精炼法制备的铜稳定纯度达最高能达 成为我国屈指可数实现 超高纯铜批量生产的企业 目前纯铝方面德国、挪威和俄罗斯等多采用三层液电解精炼生产高纯铝如挪威海德鲁公司以.的原铝为原料先用三层液电解法提纯到.后通过偏析法提纯至 我国已引进三层液电解精炼法和偏析熔炼法生产高纯铝成为世界第二大高纯铝生产国 高纯钛作为常用的阻挡层薄膜材料之一常用方法有克劳尔法、熔盐电解法、碘化法等国际上只有美国霍尼韦尔和日本住友钛等几家用熔盐电解法制备高纯钛 国内生产高纯钛常用传统碘化法但是生产效率低容易受到来自反应容器的污染 日本住友钛发明一种新的碘化法以四碘化钛为原料制备 的高纯钛 江丰电子通过真空电子束熔炼等工艺获得高纯度、极低氧超高纯钛材(.)彻底打破了美日等国长期垄断的局面 国内主要生产企业见表 表 国内主要高纯金属生产企业情况高纯金属企业高纯金属发展情况高纯铝江丰电子年产 电子级超高纯铝生产项目建成新疆众和年产能 万 至 高纯铝包头铝业年产能 万 以上高纯铝天山铝业偏析法生产年产能 万 以上高纯铝高纯铜有研亿金超高纯铜最高能达 宁波建锡实现了 高纯铜的批量生产宁波微泰年产 纯度大于 的超高纯铜高纯钽江丰电子实现年产 高纯钽粉产能东方钽业国内最大的钽生产基地掌握 高纯钽生产技术同创普润年产 高纯钽材料产能高纯钛宁波创润年产 高纯钛材料有研亿金拥有 高纯钛生产技术高纯钼江丰电子拥有年产 平板显示器用高纯钼产能计划金钼股份拥有 高纯钼生产技术.晶粒尺寸及晶面取向晶粒尺寸的大小直接影响着溅射速率晶粒越细小的金属靶材溅射速率越快并且晶粒尺寸越均匀沉积的薄膜厚度分布也比较均匀 用于集成电路的金属靶材的晶粒尺寸通常在 以下甚至更小因为溅射时晶界处的原子比晶粒内的原子更容易剥离刻蚀细晶粒的晶界更多故细小晶粒的金属靶材有利于提高溅射薄膜的沉积效率普莱克斯公司提供超细晶铝合金靶材晶粒尺寸可控制至.同样提供的 铜靶材晶粒尺寸可控制在 以内 霍尼韦尔公司通过等通道角挤压()技术可控制金属靶材晶粒尺寸至.第 期有色金属加工并保持良好的均匀性 江丰电子提供的 钨靶材晶粒尺寸虽然最细粒度能达到 但与国际先进水平相差较远 晶面取向分布也对溅射薄膜均匀性有显著影响晶面取向越均匀一致的金属靶材溅射沉积薄膜的均匀性和质量也越好 控制晶面取向就是控制靶材溅射面上的原子排列方向相同通常在溅射时原子会倾向于沿着最紧密排列方向优先溅射 但是完全保证晶面取向趋于最紧密排列方向是非常困难因此要求靶材的溅射面晶面有利于溅射薄膜方向分布且均匀一致才能获得优质沉积薄膜尤其是充填集成电路中含有高深宽比沟槽的薄膜表现特别明显如铝靶材晶面取向为时有利于溅射薄膜的质量钌靶材最佳晶面是()、()、()公司能生产出整个厚度方向都是织构的钽靶 虽然我国对各种金属靶材的细晶粒尺寸和有利于溅射的晶面取向研究有了一定进展但控制工艺不成熟织构不稳定.致密度金属溅射靶材致密度反映出靶材孔隙率的高低致密度低的孔隙含量高孔隙内壁也会吸附一些杂质元素这些杂质元素难以消除 致密度低的金属靶材在溅射时产生不均匀冲蚀和增大薄膜应力造成晶界取向差进而增加了薄膜的电阻率增加器件功耗为了获得高致密度(.)的金属溅射靶材可以选择改进靶材制备工艺对于粉末冶金法通过提高原料纯度并采用热等静压、等离子烧结、微波烧结等技术来提高靶材致密度对于熔炼工艺可通过磁场搅拌并减少冒口、轧制或锻造成型等方法来提高金属靶材致密度有研亿金的发明专利是用多道次小变形热轧致密化钨靶表面充当热等静压包套进行无包套烧结制备出致密度.以上的细晶粒钨靶材 江丰电子的发明专利以钼粉依次经过退火、冷压和热压烧结得到钼坯然后放入包套中经热等静压拼接后得到致密度大于.钼靶材 制备工艺金属靶材主要的制备工艺分为熔融铸造法和粉末冶金法两种 熔融铸造法优点是靶材杂质含量低密度高能制备大型靶材缺点是需要热处理进行处理难以做到成分均匀化 粉末冶金法优点是靶材成分均匀可节约成本尤其对高熔点金属用粉末冶金方法有优势缺点是密度低杂质含量高铜、铝等低熔点或塑性较好的靶材(金、银、铂等)主要通过熔炼和热加工工艺方法 为了控制良好的晶粒尺寸和晶面取向在熔炼后再配合轧制或锻造等塑性加工进一步优化 作为互联线用铜和铝靶材通过冷变形、热处理等工艺处理后更有利于膜层的质量 金、银、铂及合金靶材制备优先通过真空熔炼得到低气孔率、组织均匀的高品质铸锭后经过大于变形量加工和再结晶退火进行调整和控制晶粒和晶向 高熔点金属靶材(钨、钼、钌等)和脆性较大的合金靶材(钨钛、等)通过粉末冶金工艺来控制微观品质 主要工艺流程为混粉(或雾化)、成形、致密化烧结、机加工等其中成形有冷压成形和热压成形烧结方法有热压烧结、真空热压烧结、热等静压烧结、放电等离子体烧结等 用粉末冶金工艺制备出高纯或超高纯的金属靶材要求首选用高纯、超高纯的金属粉末并在采取快速成形和烧结方法来避免混入其他杂质后还对制备过程中接触工具、设备、气氛都有极高的要求以保证金属靶材的纯度要求 未来的发展趋势预测随着大规模、超大规模集成电路()技术发展趋势集成度越来越高特征尺寸越来越小对金属溅射靶材要求越来越严格 另外伴随 人工智能芯片浪潮下云计算、智能汽车、智能机器人等人工智能产业快速发展推动了金属靶材市场需求将持续增长笔者预计未来金属溅射靶材的发展趋势如下:()靶材的纯度进一步提升()集成电路超度集成化特征尺寸缩小化更细小微米及纳米工艺的需求所需的金属靶材纯度不断攀升()金属靶材大尺寸化晶圆尺寸越大可利用效率越高目前逐步向 发展大尺寸晶圆要求金属靶材也朝着大尺寸方向发展()进一步减小靶材晶粒尺寸提高组织均匀性晶粒细小且组织均匀是获得高性能集成电路关键技术之一在极大集成电路中将会有更多的高深宽比沟槽需要溅射薄膜填充均匀细小的晶粒能使沟槽填充薄膜更均匀 结语我国对金属靶材的各方面研究有了较大突破但与国际先进金属靶材企业相比还有很大差距 国内靶材制造商已经制备出满足集成电路要求的金属溅射靶材但高端、高品质靶材缺口还需要依靠国外进口来解决 在靶材技术和市场被垄断和我国金属靶材市场已成为世界靶材最大需求地区之一的背景下(下转第 页)第 期有色金属加工究.兰州理工大学.陈天赐李元东李明等.浇注温度对固液轧制/板材复合界面的影响.特种铸造及有色合金():.:./.毛红奎郭冰鑫樊宗义等.热浸 对/复合界面固液成型组织与力学性能的影响.中国有色金属学报():.李春晓./双金属复合材料的制备与性能研究.华北理工大学.郭睿何汉军曾大新等.液液复合制备灰铸铁球墨铸铁双材料铸件的工艺研究.铸造():.张卫文郑小平黄强等./梯度复合铝合金的界面特征.特种铸造及有色合金():.蒋会学张海涛秦克等.直接水冷半连续铸造制备/铝合金三层复合锭(英文).():.():.梁春晖./复层材料制备技术与界面表征.大连理工大学./(.):/.:(上接第 页)我国集成电路用金属靶材研究和制造面临着机遇和挑战在解决金属靶材制备技术上创新不足、专业人才匮乏、上下产业链沟通不及时、靶材产品验证周期长等问题后继续加大金属溅射靶材基础研究加强国际合作交流加强靶材上下游企业的联动加大科技人才培养解决关键设备国产化共同实现我国金属溅射靶材产业的高水平发展以此推动我国社会经济可持续发展和巩固国家安全战略地位参考文献 何金江吕保国贾 倩等.集成电路用高纯金属溅射靶材发展研究.中国工程科学():.贾国斌冯寅楠贾英.磁控溅射用难熔金属靶材制作、应用与发展.金属功能材料():.许彦亭郭俊梅王传军等.贵金属溅射靶材的研究进展.机械工程材料():.何金江贺 昕熊晓东等.集成电路用高纯金属材料及高性能溅射靶材制备研究进展.新材料产业():.林冰涛王 娜杨明珲等.钼靶材溅射沉积效果差异原因分析.粉末冶金工业():.罗俊峰.稀贵金属在磁记录靶材中的应用.中国科技信息():.().:.原范明枪田聪明松坂律也等.溅射靶材:.何金红贾 倩等.一种高纯高致密细晶低氧钨靶材的制备方法:.姚力军潘 杰等.一种大尺寸、高致密度钼靶材的制备方法:.(.):.: