王少平,姚力軍,鐘偉華,楊 輝
(1. 浙江大學,材料科學與工程學院,浙江 杭州 310000;2.寧波江豐電子材料股份有限公司,浙江 寧波 315400)
當前,先進制程超大規(guī)模集成電路制備工藝中廣泛采用Cu互連線,其典型的互連結構為Cu/Ta/TaN/SiO2。其中,Ta/TaN為擴散阻擋層,阻止Cu與Si之間的互相擴散。隨著芯片的集成度與日俱增,特別是技術節(jié)點發(fā)展至7nm及以下,Ta/TaN阻擋層的厚度必須足夠薄以實現高集成度芯片的功能性。當阻擋層厚度過薄時,其基本的“阻擋”效應退化,Cu與Si之間互相擴散的風險大大增加,導致電遷移(Electromigration,EM)壽命急劇降低。因此,在先進制程中(技術節(jié)點40/55nm及以下),CuMn合金因為其自擴散效應(Self-forming diffusion barrier),逐漸取代純Cu和CuAl合金,應用于種子層。
業(yè)界超高純CuMn濺射靶材被美國霍尼韋爾公司壟斷。其獨創(chuàng)的ECAE(Equal Channel Angular Extrusion,等徑角擠壓)技術提高了PVD成膜質量。ECAE技術成本高昂,技術壁壘高,無法在工業(yè)界實現大規(guī)模應用。PVD成膜質量取決于濺射靶材的組織、織構均勻性,而濺射過程的穩(wěn)定性則取決于靶材的強度,即靶材抵御彎曲變形的能力。據此,我們提出了一種新型的CuMn合金靶材設計方法。本文對該新型CuMn合金濺射靶材的顯微組織和織構進行了研究,并進一步探討了其濺射過程的穩(wěn)定性。
本研究選取Cu-0.8at.%Mn成分合金。采用電子級超高純Cu和Mn原材料進行真空熔煉鑄造。鑄錠經反復鍛伸、熱處理后,進一步交叉軋制,得到最終樣品尺寸Φ450mm×30mm。
采用掃描電子顯微鏡(SU3500,日本Hitachi公司)及其附帶的電子背散射衍射(EBSD,英國Oxford公司)對CuMn合金的顯微組織和織構進行分析。采用日本Mitutoyo維氏硬度試驗機進行CuMn合金的顯微硬度測試,測量載荷為200g,加載時間為20s。
芯片用電子級CuMn合金的純度要求達到99.9999%(6N)以上。如表所示,CuMn合金總的不純物含量低于1ppm,整體純度達到99.9999%,符合芯片級CuMn合金純度基本要求,主要不純物為Ag。
表1 變形態(tài)CuMn合金中痕量元素GDMS分析結果
濺射靶材的顯微組織直接影響了PVD鍍膜時的濺射速率及成膜厚度均勻性,是靶材制備中關鍵工藝之一。理論上,不同晶面的原子濺射速率存在差異。對于面心立方金屬(CuMn為面心立方結構)而言,(111)晶面濺射速率最快,(100)晶面次之,(110)晶面濺射速率最慢。這主要歸因于不同晶面原子致密度差異。(111)、(100)和(110)晶面原子致密度依次為90.7%、78.5%和55.5%。晶面原子致密度越高,PVD濺射時氬原子轟擊出的靶材原子更多,濺射速率更快。(111)晶面濺射速率過快,不利于芯片集成電路中高深寬比溝槽填充的均勻性,進而影響到后續(xù)電性測試。(100)和(110)晶面占比占優(yōu),保證了靶材濺射時具有合適的濺射速率,有助于高深寬比溝槽的均勻填充。
圖1(a)和(b)分別為CuMn合金軋制面極圖和反極圖。如圖1(a)所示,{100}極圖上觀察到Brass型織構特征({110}<112>),而{111}極圖表現出相對較強的Cube型織構({100}<001>),最大極密度為4.73。反極圖(圖1(b))亦表現出Brass和Cube混合織構,最大極密度為2.60。Cube織構為典型的再結晶織構,而Brass織構為軋制織構。所研究CuMn合金交叉軋制前經再結晶退火;后續(xù)交叉軋制過程中,隨著塑性應變累積,再結晶Cube織構逐漸向Brass織構轉變。
圖1 變形態(tài)CuMn合金軋制面(ND方向)(a)極圖(b)反極圖
相較于Cube織構,軋制態(tài)Brass織構具有更高的Tylor系數,意味著其塑性變形更困難,即材料具有更高的變形抗力。完全再結晶態(tài)CuMn合金的維氏硬度僅為80HV,而軋制態(tài)的維氏硬度達到148HV,強度提高了85%。如此高強度能夠確保CuMn靶材在濺射過程中具有足夠的抵抗變形的能力,確保濺射過程的穩(wěn)定性。
采用交叉軋制制備變形態(tài)高純CuMn合金濺射靶材,對其顯微組織、織構和PVD溝槽填充性能進行了研究,結論如下:
(1)變形態(tài)CuMn合金(100)和(110)晶面占優(yōu),小角度晶界占比高達76%,有利于CuMn合金濺射靶材PVD鍍膜的均勻性。
(2)變形態(tài)CuMn合金具有Brass和Cube混合織構,并且正在發(fā)生由Cube向Brass織構的轉變過程。Brass織構顯著提供了CuMn合金的強度,有利于PVD濺射過程的穩(wěn)定性。
(3)該高純CuMn合金濺射靶材表現出良好的溝槽填充性能,臺階覆蓋率達到65%以上。