W/Ti合金靶材及其制备技术
北京有色金属研究总院矿物资源与冶金材料研究所,北京有色金属研究总院矿物资源与冶金材料研究所,北京有色金属研究总院矿物资源与冶金材料研究所,北京化工大学教育部超重力研究中心,北京有色金属研究总院矿物资源与冶金材料研究所 北京100088,北京化工大学教育部超重力研究中心,北京100029,北京100088,北京100088,北京100029,北京100088,北京化工大学教育部超重力研究中心,北京100029
摘 要:
介绍了W/Ti合金扩散阻挡层在集成电路布线技术中的作用及应用情况。阐述了W/Ti合金靶材的特性参数-相对密度、微观结构、金属纯度, 与W/Ti合金薄膜性能之间的关系, 指出高密度、高纯度、富Ti相含量少的合金靶材是制备优良W/Ti合金扩散阻挡层薄膜的基本条件。介绍了制备W/Ti合金靶材的3种方法-真空热压、惰性气体热压、热等静压, 并概述了不同方法制备的靶材性能上的差异, 给出制备高性能W/Ti合金靶材的工艺条件。
关键词:
中图分类号: TN405
收稿日期:2005-04-20
基金:国家自然科学基金 (50501003) 资助项目;
Tungsten-Titanium Targets and Manufacturing Technology
Abstract:
The application of tungsten-titanium diffusion barrier layer in the integrated circuit was presented.The relationship between tungsten-titanium sputtering target characteristics, density, microstructure, metal purity and film performance, was reviewed.Target material with high density, high purity, low content of Ti rich β phase is a fundamental reqirement to produce films with good quality.Hot press and hot isostatic press methods used to fabricate tungsten-titanium sputtering targets were introduced.Properties of W-Ti sputter targets made by different methods were summarized.
Keyword:
sputtering target;diffusion barrier layers;hot press;
Received: 2005-04-20
目前集成电路布线技术主要有传统的Al布线和新兴的Cu布线两种, 但Al和Cu向介质层Si或SiO2中扩散速度很快, 它们进入Si或SiO2中会充当深能级主杂质的角色, 使得器件的性能大幅度下降, 因此必须采取有效措施阻止该扩散, 即在介质层和布线金属之间引入一层扩散阻挡层
北京有色金属研究总院从20世纪90年代初期开始研发各种溅射靶材, 并承担了中国科技部的国家攻关项目“先进光学镀膜材料用高纯稀土、 稀有金属及其化合物的制备技术研究 (2004DFBA0003) ”, 对高熔点金属 (W, Ta) 及合金 (W-Ti, TeFeCo, DyFeCo) 靶材进行制备技术开发。 本文主要概述W/Ti合金靶材性能参数及其制备方法。
1 W/Ti合金扩散阻挡层概述
应用在集成电路中的扩散阻挡层按其起作用的机制可分为: 稳定型、 反应型、 填充型3种
下面以W/Ti阻挡层在Al布线技术中的应用为例介绍其起作用机制。 纯W/Ti是反应型扩散阻挡层, 它和Al发生下列反应
Ti+3Al→ TiAl3 (400 ℃)
W+12Al→ WAl12 (450~500 ℃)
该反应相当缓慢, 所以只要W/Ti足够厚, 未反应层将保持接触稳定性, 然而晶界扩散效应使纯W/Ti阻挡能力在450~500 ℃, 30 min退火条件下失效
图1 W/Ti合金扩散阻挡层示意图 B-W/Ti合金; A-Al或Cu; C-Si或SiO2
Fig.1 Sketch of tungsten-titanium diffusion barrier layers
2 W/Ti合金靶材性能参数
影响W/Ti合金薄膜性能的因素很多, 包括薄膜的碱金属含量、 薄膜成分组成、 薄膜电阻率和电迁移以及粒子污染等, 但目前, 制约W/Ti合金薄膜性能的主要因素是粒子污染 (可用薄膜粒子数即单位面积薄膜上的颗粒个数来衡量)
2.1 相对密度
金属粉末通过热压烧结成块状靶材后, 往往会呈现出多孔结构。 靶材的孔隙率可以通过计算靶材相对密度大小来确定的, 相对密度越大孔隙率越小。 W/Ti合金靶材的相对密度根据机械混和原则计算, 公式如下:
理论密度=100/ (wt%W/ρw+wt%Ti/ρTi)
相对密度=真实密度/理论密度
其中: wt%W, wt%Ti-W和Ti的质量百分比; ρw, ρTi-W和Ti的密度
Udler D等
2.2 微观结构
W/Ti合金靶材是W和Ti互溶形成的固溶体结构。 由W/Ti合金相图看出在不同的组成和温度下, W/Ti合金将呈现复杂的相态结构, 如图3所示
Ti的熔点是1670 ℃, 在室温下, Ti为密排六方晶格的α相, 当温度升高到885 ℃时, Ti发生同素异形转变, 变为体心立方晶格的β相; W的熔点是3407 ℃, 从室温到其熔点时均为β相; Ti含量在10%~20%之间, 在一定温度范围内W/Ti合金由β1 (Ti, W) 和β2 (Ti, W) 两相组成, β1 (Ti, W) 是指富Ti固溶体, β2 (Ti, W) 指富W固溶体。
Dunlop J等
2.3 金属纯度
目前国外大型公司能生产高纯度的W/Ti合金靶材, 例如MRC公司生产的ULTRA, ULTRA 2, ECLIPSE 3种W/Ti合金靶材, 如表1所示。
研究表明W/Ti合金靶材金属纯度越高, 溅射镀膜后薄膜粒子数越少
图2 靶材相对密度与粒子数的关系
Fig.2 Relationship between target density and particle counts
图3 W/Ti合金相图
Fig.3 Tungsten-titanium phase diagram
图4 粒子数与β1 (Ti, W) 相含量的关系
Fig.4 Relationship between particle counts and content of β1 (Ti, W) phase
表1 MRC生产的W/Ti合金靶材的金属纯度与密度
Table 1Metallic impurities and density of targets manufactured by MRC
W/Ti合金靶材 |
ULTRA | ULTRA2 | ECLIPSE |
金属纯度/% |
99.99 | 99.995 | 99.9975 |
最小相对密度/% |
95 | 97 | 97 |
3 W/Ti合金靶材的制备方法
金属合金制备通常采用熔炼法。 但是W/Ti合金靶材的制备却不适于采用该方法, 原因有两个: 一, W的熔点高达3407 ℃, 目前的设备很难达到如此高温; 二, W和Ti蒸汽压相差太大, 采用熔炼法很难控制合金成分组成。 目前, 制备W/Ti合金靶材的方法主要有热压法和热等静压法, 其中热压法包括真空热压法和惰性气体热压法
3.1 真空热压法
真空热压技术能在较低温度下制备非常致密的材料, 并且材料具有组织均匀、 强度高等优点
3.2 惰性气体热压法
与真空热压工艺类似, 只是模具周围的环境不同, 惰性气体热压法通入惰性气体。 这两种方法都可以避免混合物料与空气或其它杂质接触而被污染, 它们的加压方式都是通过刚性模具来传递压力。 Snowman A等
3.3 热等静压法
热等静压 (HIP) 是一项有前景的技术, 为粉料的致密化提供了最有效的方法
图5 W/Ti靶材电镜照片
Fig.5 Optical micrographs of W/Ti target materials
热等静压法 (a) 775 ℃; (b) 1000 ℃; (c) 1550 ℃
Waterman E等
图6 碱金属 (K, Na, Li) 含量与电迁移的关系 [16]
Fig.6 Relationship between alkali (K, Na, Li) content and electron shift
表2 靶材特性参数与工艺条件 [21]
Table 2 Target properties and manufacturing condition
靶材 |
A | B | C | D | E |
压力/MPa |
30 | 100 | 100 | 100 | 100 |
温度/℃ |
775 | 1000 | 1180 | 1550 | 1180 |
密度/ (g·cm-1) |
14.48 | 14.52 | 14.37 | 14.08 | 14.23 |
β1 (Ti, W) 含量/% |
0 | 17 | 32 | 100 | 32 |
粒子密度/ (particles·cm-1) |
0.07 | 0.33 | 0.38 | 0.83 | 0.35 |
表3 3种制备技术工艺条件区别
Table 3Difference of manufacturing conditions among three manufacturing techniques
制备方法 |
加压方式 | 压力 | 温度 |
真空热压 |
单向 | 低 | 高 |
惰性气体热压 |
单向 | 低 | 高 |
热等静压 |
气体压力 | 高 | 低 |
Wickersham C E等
4 结 语
由高密度、 β1 (Ti, W) 相含量少及高金属纯度的W/Ti合金靶材制得的扩散阻挡层, 可以有效地阻止布线金属 (Al或Cu) 向Si或SiO2中扩散, 从而提高器件稳定性, 推动半导体工业的发展。 目前, 我院已制备出高密度、 β1 (Ti, W) 相含量相对较少的W/Ti合金靶材, 该靶材的相对密度已达到国际水平, 但β1 (Ti, W) 相含量与国外还有差距。 下一步工作是对β1 (Ti, W) 相产生的机制继续进行研究, β1 (Ti, W) 相的产生为一扩散过程, 只要控制W向Ti中扩散就可以降低β1 (Ti, W) 相含量, 作者试图通过热力学和动力学模拟计算, 来确定一个最佳的过程温度, 从而降低靶材β1 (Ti, W) 相含量。
参考文献
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