引言
随着集成电路不断向大规模甚至超大规模发展，电子元器件尺寸越来越向微型化演变，芯片特征尺寸也逐渐缩小到深亚微米和纳米的水平[1]。12英寸、微纳米技术和铜工艺被称为引导大规模集成电路发展趋势的三大浪潮。传统的6～8寸集成电路工艺都是主要采用了铝作为金属互联材料，但是随着器件特征尺寸的减小以及硅片载体规格的增加和集成度的提高，铝布线出现了电迁移严重、电阻率高等缺陷[2]，这些缺陷严重时会导致电路板失效。后来人们又采用A1-Si、A1-Cu、Al-Si-Cu等一系列以铝为基体的铝合金，试图解决上述问题，但没有成功。铜及铜合金的出现给硅芯片的互连材料带来了巨大的变化，从根本上解决了上述问题。它以低电阻率、高导电性和布线工艺步骤少等优势在大规模逻辑芯片的高端应用上优势明显[2-6]。铜工艺与铝工艺完全不同。铜工艺是采用嵌入式工艺得到图形化的导线。上下层铜导线之间通过微通孔(via)互相连接，微通孔是通过另外一层光刻和蚀刻步骤形成的。目前国际主流技术已从65nm技术向45～28nm转移。高纯铜及其合金作为溅射靶材在大规模集成电路制造中主要用于包括接触、通孔、互连线、阻挡层等PVD镀膜[7]。
1、大规模集成电路用高纯铜靶在互联工艺中的作用
国际上铜布线工艺都采用的是“大马士革”(Damascene)结构的镶嵌工艺。该技术是先在介质层材料中刻槽，然后沉淀阻挡层以及铜籽层，接着沉淀铜，最后使用CMP技术把多余的铜以及阻挡层材料去除。铜布线过程包括阻挡层与种子层的沉积和铜的电化学镀[1]。目前，阻挡层及种子层的沉积主要是利用PVD工艺进行，相应的溅射铜靶材的要求为：晶粒尺寸小于50μm，纯度99.9999wt％(6N)以上，晶粒取向有严格的要求。铜互联工艺大幅度提高了芯片的集成度，器件密度和时钟频率以及降低了能量的消耗，特别是在逻辑控制芯片的高端应用(90nm及以下)方面优势非常明显。
2、大规模集成电路用高纯铜靶材的分类
从目前的相关资料可知[8-1]，大规模集成电路用高纯铜靶材主要分为：高纯铜靶材和高纯铜合金靶材两大类，其中铜的纯度都要满足大于99.9999wt％(6N)。90～45nm之间主要以高纯铜靶材为主，但是对于布线宽度为45nm及以下，纵横尺寸比超过8的超精细布线，种子层(Seed)厚度变为90nm以下的极薄膜，用6N超高纯铜靶形成种子层的场合，就会产生凝聚，不能形成良好的种子层，而且电迁移问题也愈显严重。因此，研究者引入铜合金靶材来抑制电迁移，提高铜种子层的稳定性和均匀性，同时避免电镀期间出现凝聚物的现象[8]。
在高纯铜中加入一种或多种合金元素能够更好地控制高纯铜靶材的晶粒尺寸，同时也能够保证铜靶材晶粒尺寸的均匀性，提高靶材本身的强度和稳定性。但是，由于合金元素的存在影响铜的电阻率，所以通常将靶材内合金化元素的总量限制为小于10wt％。对于有特定用处的铜薄膜和内部连线，需要与高纯铜相匹配的电阻率，将合金化的量限制为不大于3wt％。目前主要的铜合金靶材为Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Mn和Cu三元及多元合金靶材。与纯铜相比，采用合金化的方式可以降低电迁移、应力迁移、腐蚀和氧化性等一些副作用，同时在含铜导电材料中仍保持低的总电阻。
3、大规模集成电路用高纯铜合金靶材
3.1高纯cu-Al和cu-sn合金靶材
铜的电迁移特性虽然比铝有所改善，但是仍然不能令人满意。在铜中掺入少量合金元素，如铝、锡等，可进一步改善其电迁移特性。铝元素在集成电路工艺中早已广泛使用，该技术简单，便于引入铜互连工艺中。锡能够得到最佳的电迁移特性，因此，铜铝合金和铜锡合金的淀积是目前基于铜金属互连领域的一个研究重点。但是引入合金元素通常会导致金属电阻率的提高。例如，铜中掺入锡，其电阻率提高系数高达2.88μΩ.cm-1/％，线性范围是2.69％。因此，合金元素的浓度要适中，一般应低于1％[15]。
铜种层变为厚度90nm以下的极薄膜时，6N纯铜靶材在溅射成种子层时极易产生凝聚，不能形成良好的种子层，因此多个专利[16-18]在高纯铜中加入0.5wt％～4wt％的Al或Sn来防止这种情况。铜种层的均匀形成很重要，在基础层凝聚的场合，由电镀形成铜膜时，就不能形成均匀的膜。例如，在布线中会形成空隙、断线等情况。即使没有残留上述空隙等缺陷，由于该部分形成了不均匀的铜电沉积组织，因而也会产生电迁移抗性降低的问题。为了解决该问题，在铜电镀时形成稳定均匀的种层很重要，而为形成溅射成膜特性好的种层，铜中加入0.5wt％～4wt％的Al或Sn元素非常有效(表1)。
在制备高纯Cu-Al和Cu-Sn合金靶材过程中关键是制备低含量的Cu-Al和Cu-Sn合金铸锭，由于Al和Sn的含量比较低，极易在铸造过程中产生合金元素的分布不均匀和成分偏析，导致溅射过程出现质量问题。通常在铸造过程中通过高速搅拌和电磁搅拌等多种方法保证微量元素的均匀性，也可以通过后续的合适热处理温度和时间保证元素的均匀性。Al和Sn元素的加入有两种方式：一种是单质高纯Al或Sn的直接加入；另一种是先制备出高纯Cu-Al和Cu-Sn中间合金，然后加入熔炼炉。由于Al、Sn和高纯铜的熔点相差较大，为了保证成分的均匀性，通常采用中间合金的加入方式。
3.2高纯Cu-Mn合金靶材
高纯Cu-Mn合金靶材也是即将被广泛采用的12寸集成电路靶材，Koike等[18]指出Cu-Mn合金主要用来制作铜种子层；在高纯铜中添加少量的Mn元素，由于Cu和Mn原子的扩散速度不同，Mn会在Cu和Si基片之间形成自扩散层，防止溅射材料与硅基片的反应，同时优化生产过程[19]。
ShojiAoki等[18]比较了不同Mn含量(0.6wt％～30wt％)的高纯铜靶材产生颗粒的情况。Cu-Mn合金主要适用于溅射种子层(表2)。
2014年霍尼韦尔采用等径角塑性(ECAE)技术制备了新型铜锰溅射靶材。ECAE技术最初是为Al及Al合金靶材研发的生产工艺。通过该工艺使得铜靶材具有超细的晶粒尺寸，材料更加均匀，硬度更高，杂质更少。新型ECAE铜锰合金靶材晶粒尺寸是亚微米，远小于普通靶材的尺寸50肚m。超细晶粒尺寸能够有效避免半导体生产商在采用普通带背板设计靶材时碰到的溅射电压突然降低问题。靶材硬度增加可以采用单体设计，不需要背板支撑，这样靶材的使用寿命延长了一倍，提高了靶材利用率以及溅射工艺的生产效率，降低了企业成本。
3.3三元或多元Cu合金靶材
通过熔铸的方法在高纯铜中加入Ag、Al、Ca、Fe、Ga、Mn、Ni、Pt、Sb、Sc、Sn、Ta、Ti、W、Zn和Zr等元素中的至少两种，可以制备三元或多元铜合金靶材[20-23]。
与二元合金相比，采用三元或者多元合金能够解决很多具体问题且具有灵活性。利用多元合金元素的不同物理化学特性，在溅射镀膜过程中起到特殊的效果。例如，当向高纯铜中添加特定元素时，可降低电迁移，而其他元素可以降低腐蚀性。因此，当形成二元合金时，该合金一般适合用来降低电迁移或降低腐蚀，但很少二者兼顾。然而，采用三元或多元合金可使电迁移和腐蚀都得到解决，因而能够根据不同的技术要求和特点来设计合金靶材的产品种类，这些组合能够解决很多方面的问题。
采用三元或多元合金的另一个好处是，通过合金化使得靶材的强度得到极大提高，使得靶材的寿命更长。高强度的靶材能够承受更大的溅射功率，优化背板材料，提高靶材的使用寿命和溅射效果。
4、展望
大规模集成电路的制程工艺趋向于朝密集度愈高的方向发展。密度愈高的IC电路设计，意味着在同样大小面积的IC中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。微电子技术的发展与进步，主要是靠工艺技术的不断改进，使得器件的特征尺寸不断缩小，从而不断提高集成度，降低功耗，提高器件性能。芯片制造工艺在180～130nm之问主要采用的是高纯铝和铝合金靶材；在90～65m之间主要采用的是高纯铜靶材；在45～28nm甚至是22nm主要采用的是高纯铜铝和铜锰合金靶材；然而进入20nm以下的高端工艺后，无论是铝、铜及其合金的表现其实都很不理想。而金属元素钴在填满能力、抗阻力、可靠度三方面的优势明显，特别是在布线宽度7nm以下时，钴金属成为了新的王者。但是，目前铜及铜合金靶材仍然在300mm大规模集成电路中大量使用，特别是高端通用领域对高纯铜合金靶材的材料纯度(大于99.99995wt％)、组织均匀性、合金元素分布的均匀性、晶粒尺寸以及焊接强度的要求也越来越高。目前国际上能够批量供应这类铜合金靶材的厂家还只有日本和美国的两家公司。这也是我国高端高纯铜合金领域生产企业开发高附加值新产品的一个重要方向。
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