集成电路用高纯金属材料及高性能溅射靶材

　　作者：何金江 贺昕 熊晓东 王兴权 廖赞 来源：《新材料产业》2015 年第 09 期

　　集成电路产业作为电子信息产业的核心，是关系国民经济和社会发展的具有基础性和先导 性的战略性产业，一直受到国家的高度重视。2014 年是我国集成电路产业发展历程中具有里 程碑意义的一年，国务院发布了《国家集成电路产业发展推进纲要》并设立国家集成电路产业 投资基金，对于集成电路产业的扶植力度空前加强，整个产业将迎来蕞快的发展阶段。在可以 预见的未来，集成电路产业将成为支撑自主可控信息产业的核心力量和推动“两化”深度融合的 重要基础。目前，我国集成电路产业规模位居世界前列，已经形成了芯片设计、制造、封装测 试及支撑配套业共同发展的较为完善的产业链格局。

　　自 2008 年以来，我国相继启动的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”、“极大 规模集成电路制造装备及成套工艺”等国家科技重大专项的实施，奠定了集成电路产业的技术 基础，同时在关键装备、材料产业领域实现突破。材料是集成电路核心技术的物质基础，从晶 圆制造、芯片封装，再到产品封装等都需要电子材料产业的支撑。高纯金属溅射靶材作为电子 材料的重要组成部分，已渗透到电子信息产业的各个领域，是集成电路中物理气相沉积 （PVD）工艺所需的关键支撑材料，应用于各种功能薄膜的制备[1]。

　　随着技术的不断进步和产业的升级，集成电路产业对各种高纯金属材料及溅射靶材的需求 量将越来越大，为高端有色金属材料产业的发展提供了机遇。集成电路溅射靶材及溅射薄膜在 靶材纯度、组织性能控制以及靶材组件整体品质一致性等方面均具有严格的要求[2]。全球集 成电路用溅射靶材的主要研制生产企业集中在美国、日本及德国等地，这些国家的靶材企业从 金属材料的高纯化制备到靶材制造生产具备了完备的技术垂直整合能力，控制着全球高端电子 制造用靶材的主要市场。国内有色金属品种齐全，原材料和加工已具备一定基础，为发展新材 料奠定了基础，但关键新材料开发滞后于战略性新兴产业发展需求，迫切需要提升有色金属的 高纯化、精细化深加工技术，实现材料的高附加值及高效利用。高纯金属靶材产业的发展壮大 不仅能极大地带动我国上游传统有色金属材料产业结构升级，更能促进下游电子制造产业的技 术进步和稳定快速发展。

　　本文在集成电路制造用高纯金属靶材的应用需求分析基础上，论述了高纯金属和靶材制备 加工的核心关键技术和共性基础技术，并介绍以北京有色金属研究总院下属有研亿金新材料有 限公司（以下简称“有研亿金”）为代表的国内高纯金属材料产业的研究开发进展。

　　二、集成电路中高纯金属靶材的应用

　　集成电路产业经过 50 多年的发展，对芯片的高密度、薄型化、微型化需求日益迫切，制 造环节目前仍在遵循“摩尔定律”向前发展，同时也在向“超越摩尔定律”方向扩展[2]。在前道晶 圆制造方面，芯片特征尺寸不断缩小，从深亚微米到纳米，一直向微细加工的物理极限进军， 目前全球 28nm 及以下工艺成为主流，极限达到 7nm；同时晶圆尺寸不断扩大，以进一步提升 效率、降低成本，12 英寸（300mm）生产线mm）发展。在后道封装方 面，从早期的双列直插封装（DIP）、焊球阵列封装（BGA）等传统封装发展到晶圆级芯片封 装（WLCSP）、系统级封装（SIP）等先进封装。伴随后摩尔时代的到来，硅通孔（TSV）技 术突破传统平面封装的概念，三维芯片（3D IC）使得电子产品持续朝向小型化、高效能、高 整合、低功耗及低成本方向发展。目前我国在晶圆制造方面已经实现 28nm 技术量产，正在向 20～14nm 技术进军；先进封装技术与国外先进技术接近，TSV 技术是目前的热点。

　　靶材材料与技术的发展与集成电路以及相关薄膜技术的发展息息相关。随着微细化制程技 术日新月异，芯片性能的提升更大程度上依赖于材料技术和系统集成技术的发展，各种高纯单 质金属、新型合金及化合物功能薄膜不断得以开发[1-3]，这些新材料的出现，允许制造具有更 高运转速度、增强的性能特征和更低功耗的集成电路器件。目前，集成电路所用有色金属材料 包括铝（Al）、铜（Cu）、钛（Ti）、钽（Ta）、镍（Ni）、钨（W）、钼（Mo）、钒 （V）、锰（Mn）、金（Au）、银（Ag）、铂（Pt）、钯（Pd）、钌（Ru）等，由于这些金 属及其合金在电学、磁学、热学、光学、化学等方面的特性，广泛应用于高性能功能薄膜的制 备，表 1 汇总了集成电路用主要靶材材料及相关用途。目前，全球主要集成电路 PVD 溅射设 备公司包括 Applied Materials、Novellus、Ulvac、Aviza、Anelva 和我国的北方微电子公司等， 它们与 Intel、IBM、TSMC 等微电子巨头等一起不断推进薄膜制备和新材料技术的发展[4-5]， 对配套溅射靶材提出了越来越高的要求，具体体现在材料纯度越来越高，成分越来越多元化， 微观组织结构越来越精细，同时尺寸也越来越大，可靠性要求越来越高。

　　在晶圆制造方面，早期互连工艺采用的互连线材料以 Al 及其合金为主，对应的阻挡层材 料为 W、Ti、WTi 等；当特征尺寸缩小到深亚微米和纳米时，互连线 RC 延迟和电迁移引起的 可靠性问题成为影响芯片性能的主要因素，由于铜具有更高的抗电迁移能力及更低的电阻率， 在 130nm 节点以后铜互连的大马士革工艺成为主流，图 1 是典型的铜互连结构示意图，采用 的互连线材料以 Cu 为主，对应的阻挡层材料为 Ta；随着 45nm 及以下工艺的发展，纯铜的电 迁移问题愈显严重，掺杂 Al、Mn 等元素的铜合金成为互连工艺的重要发展方向[6-7]，特别是 CuMn 合金，能够有效抑制电迁移、提高铜种子层的稳定性和均匀性，是 28nm 及以下主要的 互连材料，同时由于铜工艺中通孔的横向尺寸及界面积大大缩小，扩散阻挡层变得极薄，传统 的 Ta 扩散阻挡层材料已经不能满足需要，未来采用 Ru/Ta、Ru/Ti 等复合扩散阻挡层将在铜互 连工艺中逐步得到应用[8]。除互连工艺外，Ti、钴（Co）、Ni-Pt 等高纯金属/合金靶材还用于 源、漏和栅极与金属电极之间的硅化物接触层的制作，为了迎合不断缩小的线宽尺寸，金属硅 化物工艺在不停地完善，从钛、钴逐步发展到以镍为主的硅化物，NiPt 合金是制作 65nm 节点 以下低电阻和高热稳定性接触的蕞佳选择[9]。此外，自 45nm 节点引入高 K-金属栅极后，采 用 Ti、Ta、TiAl 等金属代替多晶硅制作栅极材料也是靶材的重要应用。在先进封装方面，随 着芯片 I/O 数量增加对封装技术提出了不断提高封装密度和封装效率的要求；同时，现代电子 产品越来越复杂的功能、体积的轻、薄、短、小，也对封装技术提出了不断减小体积和重量的 要求。“一代芯片需要一代封装”，利用凸点下金属层（UBM）、重新布线层（RDL）、硅穿 孔（TSV）等技术，采用金属薄膜材料进行芯片间互连，实现 WLCSP、SIP、3D IC 等高密度 封装集成[2]。图 2 是典型的 TSV 三维封装示意图。通常，UBM 主要的材料体系包括 WTi/ Au， Ti/ Ni（V）/Ag， AlCu/Ni（V）/ Cu 等，RDL 通常采用的材料是 AlCu/ Ti/Cu/Ni（V） 等，TSV 填孔阻挡层/种子层材料主要是 Ti/Cu，WTi/Cu 或 Ta/Cu 等。

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