简介概要

芯片用钽阻挡层材料织构控制技术研究

来源期刊：稀有金属2018年第12期

论文作者：钟景明何季麟汪凯李兆博焦红忠王莉

文章页码：1273 - 1280

关键词：钽靶材;织构控制;钽阻挡层材料;芯片;

摘要：对半导体芯片技术的不同技术阶段和发展趋势进行了梳理,总结分析了芯片用钽阻挡层制备材料——钽靶材的技术现状和发展趋势;指出了在由8英寸晶圆用的8英寸钽靶材发展到目前最先进的12英寸晶圆用的12英寸钽靶材时,其织构要求发生的变化和织构控制的难点;论述了本研究小组通过对织构控制的关键工艺(锻造和轧制工艺)进行的实验,引入1000～1400℃加工变形温度,采用剧烈塑性变形(SPD)锻造和不对称轧制(WR)轧制技术,使用电子背散射衍射(EBSD)进行织构表征,使钽靶材的织构分布梯度减小,{100}织构组分比例提高,最终形成了2次热SPD锻造和WR轧制的钽靶材织构控制关键技术,而其中WR轧制技术起到决定性作用;通过本研究,攻克了12英寸钽靶材织构控制难题,得到了满足12英寸晶圆用的12英寸钽靶材,对推动12英寸钽靶材的产业化起到了有力的技术支持。

网络首发时间: 2018-03-19 17:08

稀有金属 2018,42(12),1273-1280 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy17120044

芯片用钽阻挡层材料织构控制技术研究

钟景明何季麟汪凯李兆博焦红忠王莉

西北稀有金属材料研究院稀有金属特种材料国家重点实验室

国家钽铌特种材料工程技术研究中心

摘要：

对半导体芯片技术的不同技术阶段和发展趋势进行了梳理, 总结分析了芯片用钽阻挡层制备材料——钽靶材的技术现状和发展趋势;指出了在由8英寸晶圆用的8英寸钽靶材发展到目前最先进的12英寸晶圆用的12英寸钽靶材时, 其织构要求发生的变化和织构控制的难点;论述了本研究小组通过对织构控制的关键工艺 (锻造和轧制工艺) 进行的实验, 引入1000～1400℃加工变形温度, 采用剧烈塑性变形 (SPD) 锻造和不对称轧制 (WR) 轧制技术, 使用电子背散射衍射 (EBSD) 进行织构表征, 使钽靶材的织构分布梯度减小, {100}织构组分比例提高, 最终形成了2次热SPD锻造和WR轧制的钽靶材织构控制关键技术, 而其中WR轧制技术起到决定性作用;通过本研究, 攻克了12英寸钽靶材织构控制难题, 得到了满足12英寸晶圆用的12英寸钽靶材, 对推动12英寸钽靶材的产业化起到了有力的技术支持。

关键词：

钽靶材;织构控制;钽阻挡层材料;芯片;

中图分类号： TN40;TG306

作者简介：钟景明 (1963-) , 男, 江西宜春人, 博士, 研究方向:铍及铍合金、金属及氧化物溅射靶材;E-mail:zhongjm@cnmnc.com;;*汪凯, 高级工程师;电话:18095210662;E-mail:wangk@cnmnc.com;

收稿日期：2017-12-29

基金：国家02重大科技专项项目 (2009ZX02031) 资助;

Texture Control of Tantalum Barrier Layer Used for Chips

Zhong Jingming He Jilin Wang Kai Li Zhaobo Jiao Hongzhong Wang Li

NRMMI State Key Laboratory of Special Rare Metal Materials

National Engineering Research Center of Special Material Tantalum and Niobium

Abstract：

The different technical stage and development tendency of semiconductor chip technology were stated, and preparation material of tantalum barrier layer-technical state and development tendency of tantalum target were summarized and analyzed. It also pointed out the texture requirement changes and texture controlling difficulties during the development of 8 inch tantalum target used for 8 inch chip to current most advanced 12 inch tantalum target used for 12 inch chip. The article discussed the experiment which was conducted through the key process of texture control——forging and rolling. Introducing 1000 ～ 1400 ℃ plastic deformation temperature, employing severe plastic deformation ( SPD) forging and WR rolling technique, and using electron backscatter diffraction ( EBSD) for characterization texture to decrease texture gradient and increase the content of { 100} texture component of tantalum target, finally it was achieved the key technique of tantalum target texture control by 2 times hot SPD forging and WR rolling, in which WR rolling technique played a decisive role. Through this research, tantalum target texture controlling difficulty was solved. 12 inch tantalum target used for 12 inch chip was produced successfully, and it played a technical support for promoting the development of tantalum target material industry.

Keyword：

tantalum target; texture control; material of tantalum barrier layer; chips;

Received： 2017-12-29

随着半导体芯片技术的迅猛发展, 集成电路从10μm制程包含有2300万个晶体管开始, 到现在90, 65, 45, 32及22 nm线宽工艺包含有22.6亿个晶体管, 晶圆直径从2英寸到现在的12英寸, 其集成度愈来愈高, 对所用材料也提出了更高标准的要求。到了130 nm制程后, 与低介电系数介质相结合的铜互连技术逐步代替铝互连, 钽靶材作为用于制备防止Cu原子向Si扩散的阻挡层薄膜材料被引入半导体行业。

初期, 在130, 90 nm等制程所用的钽靶材, 采用冷塑性加工工艺, 其内部组织主要技术水平为:晶粒尺寸75μm以内, 再结晶织构组分以{111}//ND为主;此时的靶材存在从表层到中心层有很强的{111}织构梯度。但是, 由于130, 90 nm制程配线宽度较宽, 钽阻挡层薄膜的厚度变化对整个薄膜的电性能影响不是很明显, 钽靶材溅射时, 由织构组分和织构分布梯度引起的溅射速率变换在一定范围内是可以接受的。

但当集成电路芯片制造技术进入到65, 45 nm制程, 甚至更先进的32, 28, 22, 14 nm制程也已进入量产或处于研发中时, 配线宽度也变的愈来愈窄, 这时钽阻挡层薄膜厚度的变化将对整个薄膜的电性能影响很明显, 这就对钽阻挡层薄膜厚度的变化要进行更严苛的控制, 对应于钽靶材, 就要求钽靶材织构组分比例更合理、织构组分分布更均匀, 对钽靶材的内部组织织构有了新的、更均匀的要求;根据对行业的了解, 一般来说, 有的溅射机台要求钽靶材具有“{100}, {111}织构组分比例在20%~35%, {110}织构组分比例尽量少”的组织, 有的溅射机台要求钽靶材具有“{111}织构占优”的组织, 有的溅射机台要求钽靶材具有“{100}织构占优”的组织;而此时的130, 90 nm制程的钽靶材内部组织, 无法适应65, 45 nm及以下芯片线宽制造工艺的要求。

此外, 由于钽的特性, 采用常规冷塑性加工工艺, 最易启动的滑移系为{110}<111> ^[1] , 因此产品中非常容易形成{111}织构, 且厚度方向分布梯度大;因此采用常规冷塑性加工工艺, 无法实现钽靶材新的织构要求, 需要开发新的加工方法。为了制备目前最先进的12英寸钽靶材, 本研究小组进行了一系列织构控制技术研究, 采用热塑性加工方法, 引入剧烈塑性变形 (severe plastic deformation, SPD) 技术, 改善织构分布均匀性;采用不对称轧制 (简称WR) 技术, 调整织构类型, 突破了12英寸钽靶材技术难题, 制备出了符合目前最先进的12英寸晶圆使用要求的钽靶材。本研究主要对控制钽靶材织构的关键工艺 (锻造和轧制工艺) 进行研究, 并通过试验结果对比分析, 来确定合理的锻造与轧制工艺。

1 实验

1.1 锻造实验

实验采用1200 kW电子束炉熔炼的纯度为99.99%、规格为Φ200 mm高纯钽铸锭, 依据12英寸钽靶材规格进行试验。按照表1方案进行锻造加工, 完成热处理, 随后采用SEM和EBSD测量分析织构。具体工艺路线为:钽铸锭 (Φ200×H90mm) →锻造1→酸洗→中间热处理→锻造2→酸洗→中间热处理→取样检测织构。

1.2 轧制实验

用锻造实验中1^#和3^#方案的锻造坯料, 使用Φ1000 mm×1250 mm二辊轧机, 进行轧制实验, 完成热处理后, 采用SEM和EBSD测量分析织构。工艺路线:钽锻坯 (Φ170 mm×H120 mm) →轧制→酸洗→成品热处理→取样检测织构;轧制方案见表2。

1.3 织构测量

织构检测时, 采用肖特基场发射扫描电镜 (SEM, ZEISS Supra 55) 进行织构扫描, 采用CHANNEL 5 EBSD分析软件进行织构分析。对坯料进行热处理后, 按照图3方法从锻坯位置取样, 按照图4方法从轧制坯料边缘位置切取, 按照图5方法进行标注, 其中轧面法向为ND向 (其垂面为N面) , 轧向为RD向 (其垂面为R面) , 垂直于轧制方向为TD向 (其垂面为T面) ^[2] , 按照图6方法进行EBSD扫描测试。将所有扫描区域数据进行处理, 晶界角度定义为≤2° ^[3] , 织构定义见图7, 然后将所有扫描区域进行拼接, 形成厚度方向织构分布折线图和IPF图。 (红色代表{100}织构, 绿色代表{110}, 蓝色代表织构{111}织构)

表1 锻造方案Table 1 Forging scheme 下载原图

表1 锻造方案Table 1 Forging scheme

表2 轧制方案Table 2 Rolling scheme 下载原图

表2 轧制方案Table 2 Rolling scheme

图3 2次热SPD锻造后钽靶材取样示意图Fig.3Sampling sketch map for tantalum after 2 times of hot SPD forging

图4 取样示意图Fig.4 Sampling demo

图5 样品标注示意图Fig.5 Marking demo target on sample

图6 样品EBSD扫描测试示意图Fig.6 Demos of sample EBSD scan inspection

图7 织构组分定义Fig.7 Sub-definition of texture component

2 结果与讨论

2.1 锻造工艺对织构的影响

EB熔炼钽铸锭, 因其铸锭纯度高、致密性好等优点, 被广泛用作钽阻挡层材料的原料;但是, 原始EB钽铸锭, 沿其轴向, 存在大的柱状晶, 以直径190 mm钽铸锭为例, 其截面中心柱状晶尺寸可达到60 mm以上, 周围较小的柱状晶尺寸也达到10 mm以上 (图8) ;EB钽铸锭原始晶粒此种分布方式, 给钽阻挡层材料的织构均匀性、组分类型控制, 造成很大困难, 一个大的柱状晶, 虽然可通过冷锻造方法破碎为许多细小的晶粒, 但是其织构取向分布比较接近。从整体上看, 来源于这一原始大柱状晶的许多细晶, 其织构分布很接近, 因此会造成即使钽阻挡层材料晶粒尺寸均匀细小, 但是其织构分布仍然不均匀。

对EB钽铸锭, 采用冷锻造方法时 (锻造方案1) , 由于钽金属的特性, 其晶体原子密排面为{110}, 原子密排方向为<111>, 形成最易启动的滑移系为{110}<111>, 其他滑移系较难启动, 造成钽材料容易形成{111}织构, 组分占比最高可达到70%以上, 且分布梯度大 (图9, 10, 11) , 非常“锋锐”。

图8 钽铸锭断面宏观金相Fig.8Macro metallograph for cross section of tantalum cast ingot

研究小组通过对锻造方法的改变, 来改善织构分布的均匀性和调整织构组分类型。8英寸钽靶材阶段, 采用2次冷锻造方法, 分析其组织晶粒及织构分布, 结果显示组织织构不均, 但可满足使用要求, 因此锻造方案1设计为:将8寸钽靶材锻造工艺应用到12寸钽靶材来进行实验;为了改善组织织构均匀性, 微调织构组分类型, 在方案1基础上, 调整塑性变形温度, 由冷锻造调整为热锻造, 此为锻造方案2, 通过加热钽铸锭, 降低钽铸锭的变形抗力, 增加锻透性, 启动较多的滑移系, 使得钽靶材组织织构更均匀;为了更进一步调整钽靶材织构分布类型, 改善织构分布均匀性, 在方案2基础上, 引入了SPD ^[4] 技术, 此为锻造方案3, 使钽铸锭产生剧烈的塑性大变形 ^[5] , 降低塑性变形过程中的滑移变形比例, 增加剪切变形比例, 提高晶内亚晶变形的比例, 使不同晶粒之间发生转动, 改变晶粒取向 ^[6] (图12~14) 。

图9 冷锻造后钽靶材取样示意图Fig.9 Sampling sketch map for tantalum target after cold forging

图1 0 冷锻造后钽靶材织构组分统计图Fig.10Statistical chart for tantalum target texture component after forging

图1 1 冷锻造后钽靶材织构15度取向图Fig.1115°Orientation figure of tantalum target texture after cold forging

图1 2 钽靶材锻造组织织构趋势IP图Fig.12 IPF figures for forging structure and texture of tantalum target

图1 3 2次热SPD锻造后钽靶材织构组分统计图Fig.13Statistical chart for tantalum target texture component after 2 times of hot SPD forging

图1 4 2次热SPD锻造后钽靶材织构15°取向图Fig.14 15°Orientation figure of tantalum target texture after 2times of hot SPD forging

通过图12~14可以看出, 方案3的结果明显优于方案1和2, 原因是: (1) 1000~1400℃锻造时, 坯料变形抗力非常低, 变形能更好地深入到坯料内部, 同时, 由于对坯料进行了加热, 使得坯料处在较高的能量状态, 其变形滑移系由常温时的个别滑移系为主变为启动更多的滑移系, 使得变形组织具有更多的织构类型, 保证了热处理后锻坯织构的多样性; (2) 通过引入SPD, 因剧烈的变形使得剪切变形比例增加, 提高了晶内亚晶变形的比例, 使不同晶粒之间转动增加, 最终降低{111}织构组分含量, 增加{100}织构含量, 为后期进一步改善钽靶材的织构状态打好基础。

2.2 轧制工艺对织构的影响

轧制工艺是钽靶材制备过程中织构分布均匀化和织构类型调整的关键。采用常规冷轧方式将导致轧制变形抗力大、轧透性差, 在轧制表层主要为剪切变形, 轧制中性层主要为压缩滑移变形, 从轧制表层到轧制中心层, 存在滑移变形和剪切变形梯度分布, 造成沿轧制厚度方向变形方式不均匀;由于是冷轧, 启动的滑移系主要是{110}<111>, 最终造成钽阻挡层材料沿厚度方向织构分布不均, 轧制中心层主要为{111}织构组分, 轧制表层{111}织构组分偏低。

在8英寸钽靶材轧制工艺基础上, 针对12英寸钽靶材, 本研究通过引入热的WR轧制 ^[7] 方式, 来改善织构分布的均匀性和调整织构组分类型。第一, 调整轧制温度, 由冷轧调整为热轧, 通过加热, 减少轧制变形抗力, 提高轧透性, 启动更多的滑移系;第二, 通过改常规冷轧为WR轧制, 改变轧制变形区的形状和应力状态 ^[8] , 来改变轧制变形区的变形几何系数 ^[9] , 增加剪切变形比例, 以启动更多滑移系, 增加轧透性, 使材料沿轧制厚度方向变形更均匀;最终, 使钽阻挡层材料的织构分布沿厚度方向更均匀, 且减少了{111}织构组分含量, 增加了{100}组分含量 (见表3, 4、图15~17) 。

2.3 热处理工艺对织构的影响

采用不同热处理工艺对钽靶材进行热处理, 取样分析其织构变化, 研究热处理工艺对钽靶材织构的影响。

表3 冷锻造钽靶材常规冷轧后织构组分数据统计Table 3 Texture components statistics of conventional rolled tantalum target processed by cold forging 下载原图

表3 冷锻造钽靶材常规冷轧后织构组分数据统计Table 3 Texture components statistics of conventional rolled tantalum target processed by cold forging

表4 2次热SPD锻造钽靶材WR轧制后织构组分数据统计Table 4Texture statistics of WR rolled tantalum target processed by 2 times of hot SPD forging 下载原图

表4 2次热SPD锻造钽靶材WR轧制后织构组分数据统计Table 4Texture statistics of WR rolled tantalum target processed by 2 times of hot SPD forging

图1 5 冷锻造钽靶材常规冷轧后织构组分统计图和2次热SPD锻造钽靶材WR轧制后织构统计图Fig.15 Statistical chart for conventional rolled tantalum target processed by cold forging (a) and statistical chart for WR rolled tantalum target processed by 2 times of hot SPD forging (b)

图1 6 冷锻造钽靶材常规冷轧后织构15°取向图和2次热SPD锻造钽靶材WR轧制后织构15°取向图Fig.1615°orientation figure of conventional rolled tantalum target processed by cold forging (a) and 15°orienta-tion figure of WR rolled tantalum target processed by2 times of hot SPD forging (b)

图1 7 冷锻造钽靶材常规冷轧后极图、反极图和2次热SPD锻造钽靶材WR轧制后极图、反极图Fig.17Pole figure and inverse pole figure of conventional rolled tantalum target processed by cold forging (a) and pole figure and inverse pole figure of WR rolled tantalum target processed by 2 times of hot SPD forg-ing (b)

表5 热处理工艺方案Table 5 Heat treatment process schedule 下载原图

表5 热处理工艺方案Table 5 Heat treatment process schedule

图1 8 不同热处理工艺钽靶材IPF-X图Fig.18IPF-X coloring map of tantalum target for different heat treatment process

(a) 950℃×90 min; (b) 1050℃×90 min; (c) 1100℃×90 min

从分析结果可以看出: (1) 热处理工艺对钽靶材织构组分类型及均匀性均有非常明显的影响; (2) 比较950, 1050, 1100℃可看出, 织构对温度的敏感性, 随着温度升高, {111}组分变化不大, 但{100}组分明显减少;在950℃, 虽然心部{111}偏高, 但整体织构组分{100}高, 而1100℃, 出现不均现象。

2.4 SPD和WR技术对织构的影响

通过实验可看出, 采用以SPD锻造和WR轧制技术为核心的热塑性变形工艺路线制备的钽靶材, 织构组分分布更均匀, {111}锋锐程度大幅降低, 织构组分含量也更趋合理, {111}和{100}含量的接近, 使得靶材在溅射时, 因某一主导织构组分含量的剧烈梯度变换而导致靶材整体溅射速率波动的情形弱化。SPD锻造技术, 使得钽铸锭内的铸晶剧烈变形, 无论是晶粒破碎还是晶粒旋转, 都大幅增加, 因此, 此技术不但促进了晶粒细化均匀, 还使得锻坯的织构分布取向较常规工艺更分散;WR轧制技术, 是继锻造之后晶粒细化、织构分布均匀化的延续, 同时增加了织构组分类型的调整作用, 通过改变轧制方向及轧制变形区的应力状态, 调整压缩变形与剪切变形比例, 改善晶间变形与晶内变形, 促使晶粒旋转, 最终无论是晶粒细化、还是织构分布均匀化、织构组分类型都得到改善 ^[10] 。

通过对图15 (b) 与图13的比较可看出, WR轧制与2次热SPD锻造相比, 钽靶材织构分布均匀性改善明显, {100}含量大幅提高, 其原因是: (1) 2次热SPD锻造通过使钽铸锭产生剧烈的塑性变形, 降低塑性变形过程中的滑移变形比例, 增加剪切变形比例, 使组织变形更均匀, 降低了{111}织构组分含量, 增加{100}织构含量, 但是锻造方法固有的变形不均匀性 ^[11] , 决定了其改变组织均匀性是有限的, 同时, 此方法对织构组分的改善, 也只停留在各织构组分比例均匀性的范围内; (2) 但是, 轧制方法固有的变形均匀性要好于锻造, 决定了其改变组织均匀性程度好于锻造, 而引入WR轧制方法后, 因采用了更合理的轧制道次压下量等轧制参数, 变形更深透更均匀, 使得WR变形均匀性好于常规轧制, 同时, WR轧制对织构组分的改善在于通过引入可控的剪切变形, 使得{111}织构比例受到抑制, 而促进了{100}织构的形成, WR轧制技术可控制织构类型及组分。因此, 2次热SPD锻造和WR轧制是改善钽靶材织构均匀性、提高{100}比例的关键技术, 而其中WR轧制技术起到决定性作用 ^[12] 。

2.5 WR技术分析

通过WR轧制 (图19) , 使得轧制变形区相对坯料中间层变形不对称, 造成不对称轧制, 形成“搓轧区” ^[13] ;在这种轧制方式下, 板材外观坐标下晶体的宏观应变张量为 ^[14] :

式中, ε, -ε为板材沿R向和N向的主应变, Δ为N面上平行于R向的剪切应变;与同步轧制 (金属变形可视为简单压缩 ^[15] , 即Δ为0) 相比, WR轧制方式下, 在“搓轧区”, 金属除了有简单压缩下的主应变ε外, 还有作用于N面、平行于R向的切应变Δ, 总变形为压缩和剪切应变的叠加 ^[16] 。因剪切应变的引入, 使得轧制形变织构的类型和比列与常规同步轧制不同, 最终影响钽靶材的织构类型和分布 ^[17] ;可通过对剪切应变Δ引入量调整来影响最终钽靶材织构类型和比例 ^[18,19] 。