随着人工智能（AI）、第五代移动通信（5G）、物联网（IoT）等信息技术的迅速发展，集成电路的重要性更加凸显，而硅晶圆、光刻胶、金属互连材料、绝缘材料、高纯金属靶材以及用于先进封装的材料等对集成电路制造业发展与创新起着支撑作用的上游相关材料，也成为了热点研究材料。比如高纯金属溅射靶材作为集成电路金属化工艺中采用物理气相沉积方法制备薄膜的关键材料，在集成电路前道晶圆制造、后道封装的金属化工艺中有着广泛应用，不过由于各制程的要求不尽相同，对于靶材的应用也存在差异。本篇文章我们就来聊一聊高纯金属靶材在集成电路中的应用。

来源：长沙鑫康新材料

溅射靶材的应用要求

溅射靶材是在集成电路制作过程中用于溅射沉积的必不可少的材料。在一定的真空环境下，利用荷能粒子轰击溅射靶材表面，粒子和靶材原子会发生动能交换，使靶材表面溅射出粒子并沉积在基底表面形成的薄膜，而这层薄膜的性能对于构建集成电路中的各种组件至关重要，因此集成电路用的溅射靶材在纯度、致密度、晶粒尺寸及取向、表面质量等方面有着一套严格的要求：

溅射原理（来源：Semi Connect）

（1）纯度：

金属溅射靶材的纯度与溅射镀膜的纯度息息相关，杂质含量高的靶材可能会影响溅射过程中的辉光放电，且易在溅射薄膜上形成微粒，而使得溅射过程不稳定，薄膜沉积不均匀，导致局部区域性能存在差异，甚至还会造成互连线短路或断路，因此高纯度乃至超高纯度的金属材料是生产高纯金属靶材的基础。集成电路用贵金属靶材的纯度一般要求在5N (99.999%）甚至6N(99.9999%）以上。除此之外，集成电路用金属靶材还需要对碱金属(K、Na、Li等)、放射性元素（U、Th等）、过渡族金属(Fe、Ni、Cr等)、卤素（Cl等）离子、气体元素（C、O、N等）等至少40个杂质元素的含量进行分析，避免个别杂质元素的不利影响。

（2）晶粒尺寸及取向

晶粒尺寸直接影响溅射速度。溅射时晶界处的原子比晶粒内的原子更容易剥离刻蚀，而细晶粒的晶界要更多，因此晶粒越细小的金属靶材，溅射速率越快，并且晶粒尺寸越均匀，沉积的薄膜厚度分布也比较均匀。通常，用于集成电路的金属靶材的晶粒尺寸在100 μm以下。

晶粒取向同样也会影响溅射沉积速率。通常在溅射时原子会倾向于沿着最紧密排列方向优先溅射， 因此为了提高溅射镀膜速率， 需要尽可能调整靶材结构使具有一定的晶体取向。例如，铝靶材最佳晶面取向为{200}，而钌靶材最佳晶面是(112)、(002)、(004)。

（3）致密度

致密度低的靶材拥有较多的孔隙接口，孔隙内壁也会吸附一些难以消除的杂质元素，而使溅射时发生不正常放电，影响薄膜性能。

（4）表面质量

靶材表面的尖端或凸起会存在尖端效应，在溅射过程中击穿介质放电，因此需要保证良好的平面度、直线度以及粗糙度。

不同金属溅射靶材在集成电路中的应用

靶材的种类繁多，每一种都有其独特的化学和物理属性，目前，集成电路所用金属材料包括铝(Al)、铜(Cu)、钛(Ti)、 钽(Ta)、镍(Ni)、钨(W)等。

1.铜、铝及其合金靶材

铝和铜都是集成电路中主要的互连线材料，其中铝的价格较低，主要用于90 nm技术节点以上。而铜的导电性和热导性较为出色，常常用于90nm技术节点以下高端集成电路，不仅可以降低延迟、提高运算效率，还能提高集成电路的可靠性。

铝互连和铜互连（来源：泛林集团 ）

但值得注意的是，纯铝、纯铜会产生“电迁移”等问题，掺杂Cu、Si等元素的铝合金以及Al、Mn等元素的铜合金成为互连工艺的重要发展方向，以改善半导体结构漏电现象，同时有效控制金属互连线之间的接触电阻。

2.钛及其合金靶材

钛靶材具有良好的抗腐蚀性及黏附性，常用于溅射沉积纯钛膜或反应溅射沉积具有高密度的Ti N膜，主要用作8英寸晶圆130、180nm技术节点的阻挡层，防止铝等在高温下扩散，导致器件物理失效。除此之外，还可用于钨塞的底线层及黏附层、钛硅化物接触层及抗反射层等

3.钽及其合金靶材

钽是一种过渡族稀有难熔金属，具有较高的熔点、密度、抗腐蚀性以及优异的延展能力，可防止铜向硅基底扩散，因此常在90nm技术节点以下的高端集成电路中用作铜互连的扩散阻挡层。此外近年来，钽还被用于制备高介电栅介质层的氧化物薄膜，有助于进一步缩小晶体管的关键尺寸、有效改善晶体管的驱动能力。

氮化钽作为阻挡层的铜互连结构（来源：网络）

4.钴、镍铂靶材

钴、镍铂具有优异的铁磁性和良好的导电性，通过溅射制备薄膜再反应生成钴、镍的硅化物，用于集成电路源极、漏极、栅极等与金属之间的接触。一般来说，钴靶材用于130～90 nm逻辑器件工艺。而镍铂靶材则用于65～20 nm逻辑器件工艺。而由于对存储器工艺的要求往往要低于逻辑器件，钴、镍铂靶材也可用于1Xnm存储工艺中。

5.钨及其合金靶材

钨及钨硅合金具有电导率高、电子迁移抗力高、高温稳定性优良、与硅衬底接触良好的特点，成为了65～1X nm技术节点的存储芯片制造的关键材料，在金属栅中用于制备高纯钨/氮化钨金属堆垛膜层及硅化钨栅极层。

参考文献：

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