隨著人工智能（AI）、第五代移動通信（5G）、物聯網（IoT）等信息技術的迅速發展，集成電路的重要性更加凸顯，而硅晶圓、光刻膠、金屬互連材料、絕緣材料、高純金屬靶材以及用于先進封裝的材料等對集成電路制造業發展與創新起著支撐作用的上游相關材料，也成為了熱點研究材料。比如高純金屬濺射靶材作為集成電路金屬化工藝中采用物理氣相沉積方法制備薄膜的關鍵材料，在集成電路前道晶圓制造、后道封裝的金屬化工藝中有著廣泛應用，不過由于各制程的要求不盡相同，對于靶材的應用也存在差異。本篇文章我們就來聊一聊高純金屬靶材在集成電路中的應用。

來源：長沙鑫康新材料

濺射靶材的應用要求

濺射靶材是在集成電路制作過程中用于濺射沉積的必不可少的材料。在一定的真空環境下，利用荷能粒子轟擊濺射靶材表面，粒子和靶材原子會發生動能交換，使靶材表面濺射出粒子并沉積在基底表面形成的薄膜，而這層薄膜的性能對于構建集成電路中的各種組件至關重要，因此集成電路用的濺射靶材在純度、致密度、晶粒尺寸及取向、表面質量等方面有著一套嚴格的要求：

濺射原理（來源：Semi Connect）

（1）純度：

金屬濺射靶材的純度與濺射鍍膜的純度息息相關，雜質含量高的靶材可能會影響濺射過程中的輝光放電，且易在濺射薄膜上形成微粒，而使得濺射過程不穩定，薄膜沉積不均勻，導致局部區域性能存在差異，甚至還會造成互連線短路或斷路，因此高純度乃至超高純度的金屬材料是生產高純金屬靶材的基礎。集成電路用貴金屬靶材的純度一般要求在5N (99.999%）甚至6N(99.9999%）以上。除此之外，集成電路用金屬靶材還需要對堿金屬(K、Na、Li等)、放射性元素（U、Th等）、過渡族金屬(Fe、Ni、Cr等)、鹵素（Cl等）離子、氣體元素（C、O、N等）等至少40個雜質元素的含量進行分析，避免個別雜質元素的不利影響。

（2）晶粒尺寸及取向

晶粒尺寸直接影響濺射速度。濺射時晶界處的原子比晶粒內的原子更容易剝離刻蝕，而細晶粒的晶界要更多，因此晶粒越細小的金屬靶材，濺射速率越快，并且晶粒尺寸越均勻，沉積的薄膜厚度分布也比較均勻。通常，用于集成電路的金屬靶材的晶粒尺寸在100 μm以下。

晶粒取向同樣也會影響濺射沉積速率。通常在濺射時原子會傾向于沿著最緊密排列方向優先濺射， 因此為了提高濺射鍍膜速率， 需要盡可能調整靶材結構使具有一定的晶體取向。例如，鋁靶材最佳晶面取向為{200}，而釕靶材最佳晶面是(112)、(002)、(004)。

（3）致密度

致密度低的靶材擁有較多的孔隙接口，孔隙內壁也會吸附一些難以消除的雜質元素，而使濺射時發生不正常放電，影響薄膜性能。

（4）表面質量

靶材表面的尖端或凸起會存在尖端效應，在濺射過程中擊穿介質放電，因此需要保證良好的平面度、直線度以及粗糙度。

不同金屬濺射靶材在集成電路中的應用

靶材的種類繁多，每一種都有其獨特的化學和物理屬性，目前，集成電路所用金屬材料包括鋁(Al)、銅(Cu)、鈦(Ti)、 鉭(Ta)、鎳(Ni)、鎢(W)等。

1.銅、鋁及其合金靶材

鋁和銅都是集成電路中主要的互連線材料，其中鋁的價格較低，主要用于90 nm技術節點以上。而銅的導電性和熱導性較為出色，常常用于90nm技術節點以下高端集成電路，不僅可以降低延遲、提高運算效率，還能提高集成電路的可靠性。

鋁互連和銅互連（來源：泛林集團 ）

但值得注意的是，純鋁、純銅會產生“電遷移”等問題，摻雜Cu、Si等元素的鋁合金以及Al、Mn等元素的銅合金成為互連工藝的重要發展方向，以改善半導體結構漏電現象，同時有效控制金屬互連線之間的接觸電阻。

2.鈦及其合金靶材

鈦靶材具有良好的抗腐蝕性及黏附性，常用于濺射沉積純鈦膜或反應濺射沉積具有高密度的Ti N膜，主要用作8英寸晶圓130、180nm技術節點的阻擋層，防止鋁等在高溫下擴散，導致器件物理失效。除此之外，還可用于鎢塞的底線層及黏附層、鈦硅化物接觸層及抗反射層等

3.鉭及其合金靶材

鉭是一種過渡族稀有難熔金屬，具有較高的熔點、密度、抗腐蝕性以及優異的延展能力，可防止銅向硅基底擴散，因此常在90nm技術節點以下的高端集成電路中用作銅互連的擴散阻擋層。此外近年來，鉭還被用于制備高介電柵介質層的氧化物薄膜，有助于進一步縮小晶體管的關鍵尺寸、有效改善晶體管的驅動能力。

氮化鉭作為阻擋層的銅互連結構（來源：網絡）

4.鈷、鎳鉑靶材

鈷、鎳鉑具有優異的鐵磁性和良好的導電性，通過濺射制備薄膜再反應生成鈷、鎳的硅化物，用于集成電路源極、漏極、柵極等與金屬之間的接觸。一般來說，鈷靶材用于130～90 nm邏輯器件工藝。而鎳鉑靶材則用于65～20 nm邏輯器件工藝。而由于對存儲器工藝的要求往往要低于邏輯器件，鈷、鎳鉑靶材也可用于1Xnm存儲工藝中。

5.鎢及其合金靶材

鎢及鎢硅合金具有電導率高、電子遷移抗力高、高溫穩定性優良、與硅襯底接觸良好的特點，成為了65～1X nm技術節點的存儲芯片制造的關鍵材料，在金屬柵中用于制備高純鎢/氮化鎢金屬堆垛膜層及硅化鎢柵極層。

參考文獻：

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