鎳鉑合金濺射靶材在半導(dǎo)體制造中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

王一晴，郭俊梅，管偉明，聞 明，譚志龍，張俊敏，王傳軍

(昆明貴金屬研究所，昆明 650106)

鎳鉑合金濺射靶材在半導(dǎo)體制造中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

王一晴，郭俊梅，管偉明，聞 明*，譚志龍，張俊敏，王傳軍

(昆明貴金屬研究所，昆明 650106)

鎳鉑合金靶材廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)。通過(guò)磁控濺射，鎳鉑合金靶材在硅器件表面沉積并反應(yīng)生成鎳鉑硅化物薄膜，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體接觸及互連。對(duì)鎳鉑硅化物在肖特基二極管制造和半導(dǎo)體集成電路中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，綜述了鎳鉑合金結(jié)構(gòu)與性質(zhì)悁究成果及制備方法，提出了鎳鉑合金靶材高純化、提高磁透率和控制晶粒度的發(fā)展趨勢(shì)。

金屬材料；鎳鉑合金薄膜；鎳鉑硅化物；濺射靶材；半導(dǎo)體；發(fā)展趨勢(shì)

金屬硅化物具有優(yōu)異的高溫抗氧化性以及良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造中作為優(yōu)良的接觸材料[1-2]。隨著金屬硅化物的不斷發(fā)展，主導(dǎo)的硅化物已從鈦、鈷硅化物逐步發(fā)展到低電阻、低耗硅量以及低形成溫度的鎳硅化物。研究表明，高溫下NiSi相易轉(zhuǎn)化成NiSi2穩(wěn)定相，導(dǎo)致界面粗糙，電阻升高[3]。添加一定量的鉑能提高NiSi的高溫穩(wěn)定性，改善NiSi界面形貌，使之適應(yīng)于精密的接觸與互連工藝[4-5]。

目前制備鎳鉑硅化物薄膜的主流方法是首先在半導(dǎo)體襯底的硅區(qū)域形成離子注入層，再在其上制備一層硅外延層，隨后采用磁控濺射法在硅外延層的表面濺射一層NiPt薄膜，最后通過(guò)退火處理形成鎳鉑硅化物薄膜。

1 鎳鉑硅化物薄膜在半導(dǎo)體制造中的應(yīng)用

1.1 在肖特基二極管制造中的應(yīng)用

鎳鉑硅化物薄膜在半導(dǎo)體器件中的一個(gè)典型應(yīng)用就是肖特基二極管。肖特基二極管是一種利用金屬與N型半導(dǎo)體接觸形成勢(shì)壘，從而具有整流特性的金屬-半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源、變頻器、驅(qū)動(dòng)器等電路中。隨著肖特基二極管工藝不斷發(fā)展，金屬硅化物-硅接觸已取代了傳統(tǒng)的金屬-硅接觸，避免了表面缺陷與沾污，降低了表面態(tài)的影響，提高了器件的正向特性、反向耐壓、反向能量沖擊、耐高溫、抗靜電、抗燒毀能力[6]。鎳鉑硅化物是目前較為理想的肖特基勢(shì)壘接觸材料，一方面鎳鉑合金作為勢(shì)壘金屬，具有良好的高溫穩(wěn)定性；另一方面可以通過(guò)合金成分配比的改變實(shí)現(xiàn)勢(shì)壘高低的調(diào)整。圖1為一種肖特基二極管芯片示意圖，其中勢(shì)壘層3的厚度大約為80 nm[7]。勢(shì)壘層的制備方法是通過(guò)磁控濺射在N型硅半導(dǎo)體襯底上濺射鎳鉑合金層，并且460～480℃范圍內(nèi)真空退火30 min左右形成NiPtSi-Si勢(shì)壘層。通常還需要濺射N(xiāo)iV、TiW等擴(kuò)散阻擋層，阻擋金屬間的互擴(kuò)散，提高器件的抗疲勞性能。

圖1 一種肖特基勢(shì)壘芯片示意圖[7]Fig.1 A Schottky barrier chip schematic diagram: 1). Protective rings; 2). Oxide layers; 3). NiPtSi-Si barrier layers; 4)～5). Diffusion barrier layers; 6)～9). Metal electrodes; 10). N type silicon semiconductor substrate

圖2 勢(shì)壘高度與Ni-Pt合金薄膜中Pt含量的關(guān)系[8]Fig.2 Relationship between the barrier height and the content of Pt in the Ni-Pt film[8]

由于肖特基勢(shì)壘對(duì)界面元素的敏感依賴性，界面成分的分布變化將會(huì)對(duì)肖特基勢(shì)壘高度產(chǎn)生影響。例如，Thomas等人[8]發(fā)現(xiàn)NiPtSi-nSi勢(shì)壘高度介于NiSi-nSi(勢(shì)壘高度0.65 eV)與PtSi-nSi(勢(shì)壘高度0.85 eV)之間，且NiPtSi-nSi勢(shì)壘高度ΦB隨Ni-Pt合金薄膜中Pt含量的增加而增加，并推斷勢(shì)壘高度ΦB很可能與界面Pt含量有關(guān)(如圖2所示)，其中Pt含量的誤差棒對(duì)應(yīng)根據(jù)相應(yīng)沉積參數(shù)與成分分布計(jì)算出的薄膜中的鉑含量差異。Xu[9-10]等通過(guò)理論計(jì)算證明了鎳鉑合金表層鉑原子濃度將顯著影響其功函數(shù)，因此隨界面Pt含量的增加，合金功函數(shù)增加，導(dǎo)致勢(shì)壘高度增加。

人們通過(guò)對(duì)鎳鉑合金成分配比的調(diào)整，控制勢(shì)壘層的勢(shì)壘高度，開(kāi)發(fā)了一系列不同勢(shì)壘高度的肖特基二極管，如低勢(shì)壘高度的肖特基二極管，可應(yīng)用于低激勵(lì)混頻器，同時(shí)也是熱成像系統(tǒng)的最主要器件[11]。

1.2 在半導(dǎo)體集成電路中的應(yīng)用

鎳鉑硅化物還廣泛用于超大規(guī)模集成電路(VLSI)微電子器件中源、漏、柵極與金屬電極間的接觸[12-13]。目前，Ni-5%Pt(摩爾分?jǐn)?shù))已成功應(yīng)用于65 nm技術(shù)，Ni-10%Pt(摩爾分?jǐn)?shù))應(yīng)用于45 nm技術(shù)。隨著半導(dǎo)體器件線寬的進(jìn)一步減少，很有可能需要進(jìn)一步提高鎳鉑合金中的Pt含量來(lái)制備N(xiāo)iPtSi接觸薄膜，其原因主要是合金中Pt含量的增加能夠提高薄膜的高溫穩(wěn)定性并且改善界面形貌、減少侵占缺陷[14]。通常磁控濺射于相應(yīng)硅器件表面的鎳鉑合金薄膜層厚度僅10 nm左右，形成鎳鉑硅化物所采用的方法為一步或多步快速熱處理，溫度范圍為400～600℃，時(shí)間30～60 s。

近年來(lái)，人們采用原子探針層析技術(shù)(APT)，研究不同 Pt含量鎳鉑合金薄膜經(jīng)快速熱處理后的相形成以及Pt原子分布情況[15-16]。硅化過(guò)程采用不同處理工藝，界面處可能形成 θ-Ni2Si、NiSi以及δ-Ni2Si相，Pt原子在其中的固溶度依次遞減。尤其是Pt原子由于在δ-Ni2Si相中固溶度較小而產(chǎn)生偏析集中在上表面，只有少部分在下表面(即與硅接觸內(nèi)表面)。其中向下表面即 NiPtSi/Si內(nèi)表面偏析的Pt原子有利于消除侵占缺陷，而在上表面則會(huì)造成NiPtSi薄膜的阻抗增加[17]，有研究在半導(dǎo)體襯底摻雜 As、B、S、In等，通過(guò)元素偏析降低肖特基勢(shì)壘從而降低接觸電阻[16,18-19]。而為了減小鎳鉑硅化物整體的阻抗，IBM的專(zhuān)利采用兩步驟制造NiPtSi薄膜：第一步濺射沉積 Pt含量較高的鎳鉑合金薄膜，第二步濺射沉積Pt含量較低的鎳鉑合金薄膜甚至不含Pt的純鎳薄膜。這樣形成的鎳鉑硅化物薄膜上表面的Pt含量低，有助于減小鎳鉑硅化物整體的阻抗；而下表面的Pt含量高，利于減少或消除侵占缺陷[20]。因此在新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)里，有可能依次采用不同 Pt含量的鎳鉑合金濺射靶材來(lái)制備具有梯度結(jié)構(gòu)的鎳鉑硅化物接觸薄膜。

2 鎳鉑合金結(jié)構(gòu)與性質(zhì)研究

對(duì)鎳鉑合金結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究，是制備高質(zhì)量鎳鉑合金靶材的基礎(chǔ)。鎳和鉑能以任何混合比例形成穩(wěn)定的面心立方結(jié)構(gòu)固溶體，而且在相應(yīng)成分、溫度范圍內(nèi)存在類(lèi)似于Cu-Au體系相似的有序無(wú)序轉(zhuǎn)變，Ni-Pt體系相晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表1所示，鎳鉑合金相圖如圖3所示[21]。

表1 Ni-Pt晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)[21]Tab.1 Ni-Pt crystal structure data[21]

圖3 鎳鉑相圖[21]Fig.3 NiPt phase diagram[21]

滿足一定原子配比的鎳鉑合金在相應(yīng)臨界溫度以下形成L12Ni3Pt、L10NiPt、L12NiPt3三種有序相，前兩者的臨界溫度分別是580、645℃。然而完全有序需要在較低溫度下長(zhǎng)時(shí)間退火處理才能得到(等原子比鎳鉑合金在610℃退火54天或者在更低溫度400℃退火長(zhǎng)達(dá)135天才能獲得完全有序)[22]，通過(guò)理論計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)研究，研究者們還對(duì)鎳鉑合金的熱穩(wěn)定性、有序轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)、有序參數(shù)等進(jìn)行了研究[22-25]。

關(guān)于鎳鉑合金的磁學(xué)性質(zhì)的研究，也是一直以來(lái)人們不斷爭(zhēng)論研究的熱點(diǎn)，且對(duì)鎳鉑靶材的質(zhì)量有著重要意義。Ni與Pt同屬過(guò)渡族金屬，其中Ni表現(xiàn)為鐵磁性，Pt表現(xiàn)為順磁性，Ni-Pt合金的磁性源于未被電子填滿的Ni 3d與Pt 5d電子軌道相互作用，合金中Ni的磁矩十分脆弱，易受近鄰原子影響，面心立方結(jié)構(gòu)中1個(gè)Ni原子近鄰至少得有6個(gè)Ni原子才能維持其磁性，因此隨Pt含量的增加，Ni-Pt合金磁性減弱，由鐵磁性向順磁性轉(zhuǎn)變，磁性轉(zhuǎn)變的臨界成分約為42.5%Ni(摩爾分?jǐn)?shù))，然而在臨界成分附近如等原子比鎳鉑合金，決定其磁性的主要因素為晶體結(jié)構(gòu)。研究表明，無(wú)序狀態(tài)的鎳鉑合金呈鐵磁性，而有序狀態(tài)的L10NiPt呈順磁性[26]，這是由于L10NiPt相發(fā)生四方畸變使Ni原子之間間距增大，導(dǎo)致局域磁矩消失。另外，在0%～31%Pt(摩爾分?jǐn)?shù))范圍內(nèi)，隨著含量的增加，居里轉(zhuǎn)變溫度滿足Tc=354.3-9.413XPt線性降低[27]。

3 鎳鉑合金靶材的制備方法

靶材制備方法主要為熔煉法和粉末冶金法[28]，鎳鉑合金靶材的傳統(tǒng)制備的方法是粉末冶金法，將高純Ni粉與Pt粉燒結(jié)成合金塊體再進(jìn)行后續(xù)加工，此方法相比于熔煉法可使鎳鉑合金獲得更好的可加工性，但致密度難以滿足要求并且制備過(guò)程中易混入雜質(zhì)，尤其是氣體雜質(zhì)混入將引起濺射過(guò)程中異常放電現(xiàn)象[29]。目前通常使用真空熔煉法來(lái)制備鎳鉑合金靶材，真空熔煉法包括真空感應(yīng)熔煉和真空電子束熔煉等方法，為了獲得雜質(zhì)含量低(尤其氣體成分)、高致密且成分均勻的合金鑄錠，熔煉后的鑄錠需要一次或多次精煉，以真空電子束熔煉為例，熔體中飽和蒸氣壓較高的雜質(zhì)元素如 Cu、Mg、Al等被迅速揮發(fā)到氣相中并被抽真空帶到爐體外，在反復(fù)精煉中逐漸達(dá)到提純的目的。同時(shí)，精煉也避免了氣體在鑄錠凝固初期形核，并在隨后連續(xù)冷卻過(guò)程中長(zhǎng)大而形成疏松、氣孔、縮孔等鑄造缺陷[30]。真空熔煉所獲得的鑄錠還需要進(jìn)一步塑性加工、熱處理和機(jī)械加工，與銅背板焊合，經(jīng)超聲檢測(cè)、清洗真空包裝等步驟，才能獲得合格的靶材產(chǎn)品，具體流程如圖4所示。

圖4 鎳鉑合金靶材制備方法流程圖Fig.4 Preparation method flow chart of NiPt alloy target

為了獲得高質(zhì)量的鎳鉑合金靶材，除了純度、致密度滿足要求之外，組織均勻、晶粒尺寸及晶粒取向也是影響最終鍍膜質(zhì)量的關(guān)鍵因素。鎳鉑合金靶材微觀組織結(jié)構(gòu)主要由塑性加工與熱處理相結(jié)合的手段來(lái)控制。通常先將鎳鉑合金鑄錠熱鍛成塊或者采用熱軋的方式消除鑄態(tài)組織，達(dá)到減小變形抗力并且達(dá)到細(xì)化晶粒的效果，再采用多次冷軋與真空熱處理相結(jié)合的方式來(lái)控制合金微觀組織結(jié)構(gòu)。鎳鉑合金靶材最終平均晶粒尺寸可控制在 20～200 μm之間，晶粒取向隨機(jī)分布[31]。

4 鎳鉑合金靶材發(fā)展趨勢(shì)

超高純、高利用率與良好的濺射沉積均勻性是高質(zhì)量靶材所追求的優(yōu)良特性，因此在靶材基本制備方法的基礎(chǔ)上，需要不斷優(yōu)化工藝提高靶材質(zhì)量，具體地，從高純化、提高磁透率(PTF)以及組織結(jié)構(gòu)控制等方面提高靶材質(zhì)量，將成為鎳鉑合金靶材制備工藝的發(fā)展趨勢(shì)。

4.1 高純化

半導(dǎo)體用濺射靶材對(duì)質(zhì)量要求非常高，尤其是對(duì)靶材化學(xué)純度的控制，原因是雜質(zhì)的存在將嚴(yán)重影響靶材及相應(yīng)薄膜的質(zhì)量，引起濺射時(shí)異常放電等現(xiàn)象[32]。目前，國(guó)內(nèi)外鎳鉑合金靶材在純度方面的差距顯著，國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的鎳鉑合金靶材能達(dá)到4N級(jí)，而日本相關(guān)靶材廠家制備的鎳鉑靶可以達(dá)到5N以上。

4.2 提高磁透率

提高鎳鉑合金磁透率(PTF)對(duì)提高靶材利用率有著重要意義。鎳含量較高的鎳鉑合金靶材具有較強(qiáng)的磁性，磁控濺射時(shí)磁場(chǎng)很容易被靶材所分流，從而減少穿越至表面的磁力線，使起輝或維持放電相對(duì)困難，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致比如沉積膜厚不均勻等問(wèn)題，雖然減少靶材厚度(一般＜3 mm)可以提高磁透率，但靶材的使用壽命短、利用率低。提高磁透率的方法主要有添加合金元素、改變靶材外形設(shè)計(jì)或者在濺射時(shí)使操作溫度高于靶材的居里溫度等。

4.3 組織結(jié)構(gòu)控制

靶材的組織結(jié)構(gòu)控制也與濺射沉積均勻性有密切關(guān)系[33]。通常濺射靶材晶粒尺寸需要控制在200 μm以下，而且晶粒尺寸越細(xì)小均勻，濺射鍍膜的厚度分布越均勻，濺射速率也越快。另外，晶體織構(gòu)控制對(duì)于濺射靶材十分重要，不同處理工藝的靶材有著不同的織構(gòu)，對(duì)于鎳以及一些面心立方金屬，＜200>取向的織構(gòu)對(duì)于均勻鍍膜與延長(zhǎng)靶材壽命十分有利，而大量＜111>以及＜113>取向織構(gòu)的存在卻十分不利，原因很可能是大量＜111>、＜113>取向織構(gòu)的存在，將導(dǎo)致磁力線分流而不是垂直于工件與靶材空間，此時(shí)即使靶材具有較高的磁透率（>45%)和細(xì)小的晶粒尺寸（＜100 μm），其鍍膜均勻性以及靶材壽命都難以滿足需要[34]。鎳鉑合金靶材的晶體織構(gòu)以及織構(gòu)控制工藝研究并未有文獻(xiàn)和專(zhuān)利報(bào)道，鎳鉑合金靶材的晶體織構(gòu)與靶材濺射性能的關(guān)聯(lián)性研究以及織構(gòu)控制等方面將是成為鎳鉑合金濺射靶材新的研發(fā)趨勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

鎳鉑硅化物作為優(yōu)良的接觸材料廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造中，鎳鉑合金濺射靶材成為保證半導(dǎo)體器件性能和發(fā)展半導(dǎo)體技術(shù)的關(guān)鍵材料，其不斷增長(zhǎng)的需求量為中國(guó)貴金屬靶材制造業(yè)的發(fā)展提供了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1) 不同Pt含量的鎳鉑合金濺射靶材在導(dǎo)體制造工藝中發(fā)揮了重要作用，尤其是通過(guò)鎳鉑合金濺射靶材成分配比調(diào)節(jié)肖特基勢(shì)壘高度以及在新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)里，依次采用不同Pt含量的鎳鉑合金濺射靶材來(lái)制備具有梯度結(jié)構(gòu)的鎳鉑硅化物接觸薄膜從而降低接觸電阻。

2) 滿足一定原子配比的鎳鉑合金在相應(yīng)臨界溫度以下形成L12Ni3Pt、L10NiPt、L12NiPt3三種有序相。Ni-Pt合金磁性隨Pt含量增加由鐵磁性向順磁性轉(zhuǎn)變，磁性轉(zhuǎn)變的臨界成分約為42.5%Ni(摩爾分?jǐn)?shù))。

3) 鎳鉑合金濺射靶材的制備方法主要采用真空熔煉法，并通過(guò)塑性加工與熱處理相結(jié)合的方式來(lái)控制靶材微觀組織結(jié)構(gòu)。針對(duì)不同成分鎳鉑合金的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，濺射靶材制備需要相關(guān)制備方法以及工藝參數(shù)的調(diào)整。

4) 高純化、靶材組織結(jié)構(gòu)控制以及提高磁透率(PTF)將成為鎳鉑合金靶材制備工藝的發(fā)展趨勢(shì)。提高靶材純度到5N以上，晶粒大小均勻且平均晶粒尺寸控制在200 μm以下，是目前鎳鉑靶材工藝優(yōu)化的目標(biāo)，另外，鎳鉑合金靶材的晶體織構(gòu)與靶材濺射性能的關(guān)聯(lián)性研究以及織構(gòu)控制等方面也將是鎳鉑合金濺射靶材新的研發(fā)趨勢(shì)。

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Application and Development Trend of NiPt Alloy Sputtering Target in Semiconductor Manufacturing

WANG Yiqing, GUO Junmei, GUAN Weiming, WEN Ming*, TAN Zhilong, ZHANG Junmin, WANG Chuanjun
(Kunming Institute of Precious Metals, Kunming 650106, China)

NiPt alloy sputtering targets have been extensively used in semiconductor manufacturing industry. NiPt alloy films were deposited in the given silicon device via magnetron sputtering of NiPt target. And then the films reacted with silicon at certain temperature to form NiPt silicide which undertook the contact and interconnection function in semiconductor manufacturing. The application and the research status of NiPt alloy sputtering target were analyzed in detail and the development trend was proposed based on the above analysis.

metal materials; nickel platinum alloy films; nickel platinum silicide; sputtering target; semiconductor; developing trend

TG146.3+3

：A

：1004-0676(2016)03-0087-06

2015-10-16

云南省對(duì)外科技合作計(jì)劃項(xiàng)目(2014IA037)、云南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)、云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2016F3086)。

王一晴，女，碩士研究生，研究方向：稀貴金屬靶材制備及結(jié)構(gòu)研究。E-mail: ynlfwyq@126.com

*通訊作者：聞 明，男，博士，研究員，研究方向：稀貴金屬靶材、薄膜、表面改性。E-mail: wen@ipm.com.cn