集成电路制造用溅射靶材的应用及发展趋势1

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1、集成电路制造用溅射靶材的应用及发展趋势在半导体集成电路制造工艺过程中以具有较低电阻率的铜导体薄膜代替铝膜布线工艺;在平面显示器产业中,各种不同的显示器(如LCD、PDP、OLED及FED等)的同步发展,以期有朝一日能大量取代体积大而笨重的阴极射线管显示器(CRT),作为电脑及计算机的显示器;在信息存储产业中,磁介质记录机的存储容量不断增加,新的光碟式记录体又不断推陈出新。这些都对所需溅射靶材的质量提出了越来越高的要求,在需求数量方面也是逐渐增加。据统计1998年全球使用了大约2690t重的各类溅射靶材,溅射出了317×1000000m²的薄膜;而到了1999年全球增加到使用了

2、2880t重的各类溅射靶材,溅射制作出了363×106m2的薄膜。从我国近几年来电子信息产业的迅速发展情况来看,6～12英寸集成电路的生产线、光盘生产线及LCD、PDP显示器生产线均有大量合资或独资企业出现。我国已逐渐成为了世界上薄膜溅射靶材的最大需求地区之一,这一巨大市场也必然受到世界上各大溅射靶材制造厂家的极大关注。希望我们国内的有关研究机构和靶材制造企业,对此也给予足够的重视,积极针对不同产业使用的溅射靶材进行相关的技术开发,逐步建立自主性的高级金属电子材料的制造产业。集成电路产业集成电路用靶材在全球靶材市场占较大份额，其溅射产品主要包括电极互连线膜、阻挡层薄膜、接触薄

3、膜、光盘掩膜、电容器电极膜、电阻薄膜等。其中薄膜电阻器是薄膜昆合集成电路中用量最多的元件，而电阻薄膜用靶材中Ni—cr合金的用量很大。一般来说，集成电路用溅射靶材的晶粒尺寸必须控制在100μm以下，甚至其结晶取向也须控制，而在靶材的化学纯度方面，对于0．35μm线宽工艺，要求靶材的化学纯度为4N5(99．995％)以上，0．25μm线宽工艺，溅射靶材的化学纯度则必须在5N(99．999％)，甚至6N(99．9999％)以上。集成电路产业在半导体或微电子相关产业中,经常使用的溅射靶材如表1所示。与其他产业相比,集成电路产业对于溅射靶及溅射薄膜的需求是最高乃至最苛刻的。例如,对于

4、溅射所淀积薄膜的厚度均匀性的要求,通常为3倍的厚度分布标准偏差(standarddeviation)应小于5%;另外,随着半导体布线宽度的不断减小,对于镀膜的夹杂物(inclusion)及缺陷(defect)的要求也愈来愈高。这些对镀膜质量的严格要求反映到溅射靶时,即为溅射靶材料的微观结构及化学纯度应符合相应工艺要求。一般来说,溅射靶材的晶粒尺寸必须控制在100Lm以下,甚至其结晶结构的趋向性也必须受到控制,而在靶材的化学纯度方面,对于0.35Lm线宽工艺,要求靶材的化学纯度在4N5(99.995%)以上,0.25Lm线宽工艺,溅射靶材的化学纯度则必须在5N(99.999%)

5、,甚至6N(99.9999%)以上。而随着晶片尺寸逐渐增大(8～12英寸),相对来说所使用的溅射靶材尺寸也将随之增大。此外,除上述对溅射靶材在纯度与微观组织的要求外,靶材的形状也必须能满足溅射设备生产厂的需求(AppliedMaterials,Varian,Anelva及Ulvac等)。在微电子产业(包括半导体集成电路、混合IC、薄膜电阻、薄膜电容等产业)中使用溅射靶材总量统计和需求预测如表2所示。集成电路制造用溅射靶材类型在集成电路制造过程中,溅射靶材用于制备互连线薄膜和阻挡层薄膜。目前集成电路制造用得最多的互连线材料是Al及Al合金,相应的阻挡层金属是Ti或WTi。随着集

6、成电路技术进入甚大规模集成电路(ULSI)时代,当器件特征尺寸缩小到深亚微米以下时,由于铝线的抗电迁移和抗应力迁移能力较差,易形成布线空洞,造成电路失效,使铝金属互连的可靠性成为严重的问题,采用金属铜布线成为发展方向。铜与铝相比较,具有更高的抗电迁移能力及更低的电阻率,这意味着互连线在具有同等甚至更强电流承载能力的同时可以做得更小、更密集。此外,还可以将铜布线做得更薄,从而减小相邻互连线之间的互相干扰。低电阻还意味着提高了芯片速度。目前世界上几乎每个生产130nm逻辑器件的公司都在使用铜工艺。铜互连采用的阻挡层金属材料为Ta。近10年来,中国电子信息产品制造业以3倍于GDP增

7、长的速度高速发展[1],集成电路作为信息产品的核心,也保持着稳定的增长。集成电路晶圆制造的基本操作可以分为4大类:薄膜制作、光刻、掺杂和热处理[2～3]。随着集成规模的逐步扩大、器件特征尺寸的降低,线宽的减小和连线层数增加,金属薄膜的制备已成为影响IC发展的关键因素之一。目前金属薄膜的制备方法有:物理气相沉积PVD、化学气相沉积CVD和电镀等。世界上主要的集成电路制造用溅射靶材的生产厂家有:TosohSMD,Honeywell,Paxair(MRC),Nikko,Cabot。主要生产溅射系统的厂家有:A