新型超高純CuMn合金濺射靶材的微觀組織表征

王少平，姚力軍，鐘偉華，楊 輝

（1. 浙江大學，材料科學與工程學院，浙江 杭州 310000；2.寧波江豐電子材料股份有限公司，浙江 寧波 315400）

當前，先進制程超大規模集成電路制備工藝中廣泛采用Cu互連線，其典型的互連結構為Cu/Ta/TaN/SiO2。其中，Ta/TaN為擴散阻擋層，阻止Cu與Si之間的互相擴散。隨著芯片的集成度與日俱增，特別是技術節點發展至7nm及以下，Ta/TaN阻擋層的厚度必須足夠薄以實現高集成度芯片的功能性。當阻擋層厚度過薄時，其基本的“阻擋”效應退化，Cu與Si之間互相擴散的風險大大增加，導致電遷移（Electromigration，EM）壽命急劇降低。因此，在先進制程中（技術節點40/55nm及以下），CuMn合金因為其自擴散效應（Self-forming diffusion barrier），逐漸取代純Cu和CuAl合金，應用于種子層。

業界超高純CuMn濺射靶材被美國霍尼韋爾公司壟斷。其獨創的ECAE（Equal Channel Angular Extrusion，等徑角擠壓）技術提高了PVD成膜質量。ECAE技術成本高昂，技術壁壘高，無法在工業界實現大規模應用。PVD成膜質量取決于濺射靶材的組織、織構均勻性，而濺射過程的穩定性則取決于靶材的強度，即靶材抵御彎曲變形的能力。據此，我們提出了一種新型的CuMn合金靶材設計方法。本文對該新型CuMn合金濺射靶材的顯微組織和織構進行了研究，并進一步探討了其濺射過程的穩定性。

1 實驗材料和方法

1.1 材料制備

本研究選取Cu-0.8at.%Mn成分合金。采用電子級超高純Cu和Mn原材料進行真空熔煉鑄造。鑄錠經反復鍛伸、熱處理后，進一步交叉軋制，得到最終樣品尺寸Φ450mm×30mm。

1.2 表征方法

采用掃描電子顯微鏡（SU3500，日本Hitachi公司）及其附帶的電子背散射衍射（EBSD，英國Oxford公司）對CuMn合金的顯微組織和織構進行分析。采用日本Mitutoyo維氏硬度試驗機進行CuMn合金的顯微硬度測試，測量載荷為200g，加載時間為20s。

2 結果分析與討論

2.1 軋制態CuMn合金的純度

芯片用電子級CuMn合金的純度要求達到99.9999%（6N）以上。如表所示，CuMn合金總的不純物含量低于1ppm，整體純度達到99.9999%，符合芯片級CuMn合金純度基本要求，主要不純物為Ag。

表1 變形態CuMn合金中痕量元素GDMS分析結果

2.2 軋制態CuMn合金的顯微組織

濺射靶材的顯微組織直接影響了PVD鍍膜時的濺射速率及成膜厚度均勻性，是靶材制備中關鍵工藝之一。理論上，不同晶面的原子濺射速率存在差異。對于面心立方金屬（CuMn為面心立方結構）而言，（111）晶面濺射速率最快，（100）晶面次之，（110）晶面濺射速率最慢。這主要歸因于不同晶面原子致密度差異。（111）、（100）和（110）晶面原子致密度依次為90.7%、78.5%和55.5%。晶面原子致密度越高，PVD濺射時氬原子轟擊出的靶材原子更多，濺射速率更快。（111）晶面濺射速率過快，不利于芯片集成電路中高深寬比溝槽填充的均勻性，進而影響到后續電性測試。（100）和（110）晶面占比占優，保證了靶材濺射時具有合適的濺射速率，有助于高深寬比溝槽的均勻填充。

2.3 軋制態CuMn合金的織構

圖1（a）和（b）分別為CuMn合金軋制面極圖和反極圖。如圖1（a）所示，{100}極圖上觀察到Brass型織構特征（{110}<112>），而{111}極圖表現出相對較強的Cube型織構（{100}<001>），最大極密度為4.73。反極圖（圖1（b））亦表現出Brass和Cube混合織構，最大極密度為2.60。Cube織構為典型的再結晶織構，而Brass織構為軋制織構。所研究CuMn合金交叉軋制前經再結晶退火；后續交叉軋制過程中，隨著塑性應變累積，再結晶Cube織構逐漸向Brass織構轉變。

圖1 變形態CuMn合金軋制面（ND方向）（a）極圖（b）反極圖

相較于Cube織構，軋制態Brass織構具有更高的Tylor系數，意味著其塑性變形更困難，即材料具有更高的變形抗力。完全再結晶態CuMn合金的維氏硬度僅為80HV，而軋制態的維氏硬度達到148HV，強度提高了85%。如此高強度能夠確保CuMn靶材在濺射過程中具有足夠的抵抗變形的能力，確保濺射過程的穩定性。

3 結論

采用交叉軋制制備變形態高純CuMn合金濺射靶材，對其顯微組織、織構和PVD溝槽填充性能進行了研究，結論如下：

（1）變形態CuMn合金(100)和（110）晶面占優，小角度晶界占比高達76%，有利于CuMn合金濺射靶材PVD鍍膜的均勻性。

（2）變形態CuMn合金具有Brass和Cube混合織構，并且正在發生由Cube向Brass織構的轉變過程。Brass織構顯著提供了CuMn合金的強度，有利于PVD濺射過程的穩定性。

（3）該高純CuMn合金濺射靶材表現出良好的溝槽填充性能，臺階覆蓋率達到65%以上。