引言

鎢材料具有抗電子遷移能力強(qiáng)、電阻率低、高溫穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱及導(dǎo)電性能優(yōu)良等特性，是集成電路芯片制備過程中一類重要的基礎(chǔ)材料。 鎢材料主要以薄膜的形式應(yīng)用在半導(dǎo)體器件中， 被用作高傳導(dǎo)性的互連金屬、金屬層間的通孔、垂直接觸的接觸孔中的填充物（W plug，鎢插塞）以及硅和鋁間的隔離層[1-2]。 鎢薄膜的制備技術(shù)主要包括物理氣相沉積（PVD，主要指濺射沉積）和化學(xué)氣相沉積（CVD）。 由于 CVD 制備薄膜的階梯覆蓋能力強(qiáng)，可以很好地填充通孔， 因此主要應(yīng)用在接觸孔鎢插塞的制備工藝中。 與 CVD 工藝相比，PVD 工藝沉積的鎢薄膜具有純度高、致密性好、膜層厚度更均勻、電阻率更低的優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于制備集成電路的擴(kuò)散阻擋層、黏結(jié)層和存儲(chǔ)器的柵極組件。 PVD 技術(shù)具有沉積速率高、污染少、操作過程簡便等特點(diǎn)，越來越引起人們的重視。

靶材是 PVD 濺射沉積薄膜的原材料。世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)協(xié)會(huì)（World Semiconductor Trade Statistics，WSTS）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[3]，2016 年全球?yàn)R射靶材市場容量達(dá) 113.6 億美元，預(yù)計(jì) 2020 年全球?yàn)R射靶材市場規(guī)模將超過 163 億美元。 全球靶材應(yīng)用領(lǐng)域中，雖然半導(dǎo)體行業(yè)用濺射靶材的消耗量只占 10 %，但是由于半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)于靶材性能要求的高標(biāo)準(zhǔn)，使得半導(dǎo)體領(lǐng)域用靶材的制備技術(shù)難以突破[4]。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展， 集成電路中的晶體管和線寬的尺寸越來越小。 芯片制程工藝已經(jīng)從130nm提升至 7nm，更高端的芯片制程工藝也時(shí)有報(bào)道。 為了滿足現(xiàn)代芯片高精度、小尺寸的需求，對(duì)電極和連接器件的布線金屬薄膜的性能要求越來越高，這就對(duì)濺射靶材的性能提出了更高的要求。本文主要對(duì)集成電路用鎢濺射靶材的性能要求、 制備技術(shù)進(jìn)行綜述，并對(duì)鎢靶材的發(fā)展做出預(yù)測(cè)。

1、集成電路用鎢靶材的性能要求

集成電路芯片制造領(lǐng)域用鎢濺射靶材對(duì)材料的純度、致密性、晶粒尺寸及均勻性、織構(gòu)等方面均具有嚴(yán)格的要求。

1.1純度

高純度甚至超高純度靶材是高端集成電路半導(dǎo)體芯片的必備材料。 鎢靶材的純度決定了鎢薄膜的純度，一般來講，其純度需≥99.999 %（5N）[5]。 鎢靶材中的雜質(zhì)會(huì)在濺射沉積過程中進(jìn)入鎢薄膜， 薄純度的降低將導(dǎo)致其電阻率的增加， 同時(shí)會(huì)造成薄膜均勻性不佳等問題， 最終對(duì)器件的良品率造成不利的影響。 Glebovsky[6-7]研究表明，鎢靶材中堿金屬（Na，K，Li）含量過高，會(huì)直接影響鎢薄膜的電遷移性能。而且，堿金屬離子擴(kuò)散進(jìn)入二氧化硅絕緣層會(huì)成為可動(dòng)離子，將增加?xùn)艠O絕緣材料泄露的風(fēng)險(xiǎn)，降低器件的可靠性， 通常靶材的堿金屬含量應(yīng)控制在0.1×10^-6 以內(nèi)[8]。 此外，氧含量對(duì)鎢薄膜性能具有至關(guān)重要的影響， 氧含量過高容易導(dǎo)致薄膜沉積過程中形成微粒和液滴，造成薄膜缺陷和電路短路，從而引起器件的失效[9]；同時(shí)，鎢薄膜中的氧含量過高也會(huì)增加薄膜的電阻率，從而影響信號(hào)的傳輸速率[10]。

集成電路用鎢濺射靶材的氧含量應(yīng)控制在≤100×10^-6，針對(duì)部分更高端的應(yīng)用， 靶材中的氧含量應(yīng)≤20×10^-6[11]。 因此，半導(dǎo)體行業(yè)的不斷發(fā)展對(duì)靶材提出了越來越高的要求， 需要我們持續(xù)降低靶材中雜質(zhì)元素的含量，提升靶材的純度。

1.2相對(duì)密度

集成電路用濺射靶材的致密性越高越好，一般來講，半導(dǎo)體行業(yè)要求鎢靶材的真實(shí)密度≥19.15g/cm³，相對(duì)密度≥99.5 %[8]。 但是，通過傳統(tǒng)粉末冶金工藝制備的鎢靶材呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，難以得到相對(duì)密度高的板坯。靶材中的孔洞在濺射過程中會(huì)產(chǎn)生不均勻沖蝕現(xiàn)象，這是濺射過程中發(fā)生微粒現(xiàn)象的主要原因[12]。

薄膜中的微粒越多，器件的良品率越低。 Chi-Fung Lo等[13]研究表明，具有較低相對(duì)密度的鎢靶材，不僅在濺射時(shí)容易形成微粒， 而且會(huì)引起薄膜電阻率升高等問題，進(jìn)而影響鎢薄膜的性能，具體來說，鎢靶材致密性低會(huì)導(dǎo)致濺射的薄膜呈薄片狀， 從而增大了薄膜應(yīng)力，造成晶界取向差，進(jìn)而增加了薄膜的電阻率。 此外，鎢靶材的相對(duì)密度越高，薄膜的沉積速率越快，從而提升靶材濺射效率。 因此，獲得致密性優(yōu)良的鎢靶材是濺射沉積得到具有低電阻率鎢薄膜的重要前提。

1.3晶粒

細(xì)晶靶材的濺射沉積速率及成膜均勻性均優(yōu)于粗晶靶材，因此鍍膜設(shè)備商通常偏愛細(xì)晶靶材。對(duì)高純鎢材料（≥99.999%）而言，細(xì)晶鎢靶材的制備難度極大， 這是因?yàn)楦呒兘饘賰?nèi)沒有可以阻止晶粒長大的第二相粒子， 同時(shí)高純金屬在相變時(shí)形核核心數(shù)量少，形核率低，導(dǎo)致晶粒難以細(xì)化[14]。 因此，集成電路用高純鎢靶材的晶粒度要求通常需≤100 μm。

除晶粒尺寸外，提升靶材中晶粒均勻性同樣重要，其直接影響濺射效率和沉積薄膜的均勻性， 而晶粒尺寸的均勻性需從徑向和軸向兩個(gè)維度來進(jìn)行評(píng)價(jià)。

因此，減小靶材晶粒尺寸、同時(shí)提升晶粒尺寸的均勻性，是靶材制備領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向。

1.4織構(gòu)

鎢靶材的織構(gòu)（多晶體的晶粒取向分布規(guī)律）對(duì)濺射薄膜的影響往往被人們所忽視， 它對(duì)濺射沉積而成的薄膜厚度均勻性具有顯著的影響。Takafumi[15]研究表明，用作集成電路柵極材料的鎢薄膜，其厚度的差異將影響柵極電阻率的穩(wěn)定性， 從而影響晶體管的性能，最終降低集成電路的良品率。 目前，濺射得到鎢薄膜的厚度變化僅能控制在3%左右， 為了進(jìn)一步提升芯片的集成度、運(yùn)行速度和可靠性，對(duì)鎢薄膜的厚度均勻性提出了更高的要求（≤1 %）[16]。鎢靶材是多晶結(jié)構(gòu)， 其濺射沉積得到薄膜厚度的均勻性與靶材單個(gè)晶體的取向分布有很大的關(guān)系。因此，應(yīng)保證鎢靶材厚度方向上的織構(gòu)在整個(gè)靶材濺射生命周期內(nèi)的均勻性。此外，為了確保鎢靶材織構(gòu)批次間的穩(wěn)定性，產(chǎn)品一旦被客戶驗(yàn)證通過，其制備工藝隨之固定，并且不可輕易更改。

2、集成電路用鎢靶材的制備技術(shù)

由于鎢材料熔點(diǎn)高和脆性大， 鎢靶材的整個(gè)制備工藝流程主要沿用傳統(tǒng)的粉末冶金工藝。 如圖 1所示，從鎢粉到靶材，需要進(jìn)行兩次致密化處理。 第一次致密化不論是通過冷等靜壓 （CIP） 還是熱壓（HP）工藝，其制備得到坯體的致密度均偏低，所以通常需要進(jìn)行二次致密化來提升其相對(duì)密度。目前，最常見的二次致密化工藝是熱等靜壓（HIP）和熱軋（Hot Rolling）[17-20]。 得到高致密度的鎢板后，需進(jìn)行切割及表面處理， 然后再和導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能優(yōu)良且具有一定強(qiáng)度的背板綁定[21]，進(jìn)而通過超聲無損探傷（C-SCAN）進(jìn)行焊合率的檢驗(yàn)（≥95 %），最后通過精密加工，無塵清洗、包裝后達(dá)到電子級(jí)要求，成為合格的靶材產(chǎn)品。

為了制備致密度高、 晶粒均勻且氧含量低的鎢板，國內(nèi)外研究者[22-30]采用不同的熱機(jī)械處理工藝進(jìn)行鎢板材的制備， 其中主要為以熱等靜壓和熱軋為主流的二次致密化工藝， 下面將逐一介紹這兩種工藝及其組合。

2.1熱等靜壓（HIP）工藝

熱等靜壓工藝是指在鎢靶材致密化工序中引入熱等靜壓技術(shù)。 熱等靜壓技術(shù)是一種不同于傳統(tǒng)無壓或者熱壓致密化的工藝技術(shù)，產(chǎn)品在致密化時(shí)，被施以各向同等的壓力，在高溫高壓的共同作用下，產(chǎn)品得到致密化，從而得到致密性高、組織結(jié)構(gòu)均勻的靶材產(chǎn)品。

美國 Praxair 公司的 Lo 等[22]采用 HIP 工藝進(jìn)行鎢板的制備。 選用粒徑＜10 μm 的鎢粉，工藝溫度1 400 ℃，保溫時(shí)間 7 h，壓力 276 MPa。 選用包套材料的熔點(diǎn)需高于熱等靜壓的工藝溫度， 常用的包套材料包括鈦、 鐵等。 作者采用該工藝得到了氧含量≤300×10-6 且相對(duì)密度達(dá) 97 %的鎢板， 此外，通過細(xì)化鎢粉的粒徑，可進(jìn)一步提升鎢板的相對(duì)密度。但是，如果板坯的直徑超過厚度 3 倍以上，則需要在HIP 工藝前加入 CIP 工藝，以確保鎢板的致密度。

為了進(jìn)一步提升鎢濺射靶材的致密性， 研究者在熱等靜壓之前，先對(duì)生坯進(jìn)行一次致密化，一次致密化工藝主要包括冷等靜壓、真空常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)等，進(jìn)而再采用熱等靜壓技術(shù)對(duì)坯體進(jìn)行二次致密化，這種方法有助于得到相對(duì)密度≥99 %的鎢靶材。

日本 Nippon Tungsten 公司的 Shibuya 等[23]通過組合 CIP 和 HIP 兩種工藝過程， 進(jìn)行鎢靶材的制備。 首先采用 CIP 工藝壓制鎢粉（粒徑 0.5～4 μm），壓力≥350 MPa，得到鎢生坯；再通過除氣和燒結(jié)工藝（溫度≥1 600 ℃，保溫時(shí)間≥5 h）得到鎢燒結(jié)坯（密度 18.8 g/cm3）；最后采用 HIP 工藝進(jìn)行二次致密化，溫度≥1 900 ℃，壓力≥150 MPa。 最終得到了密度為 19.28 g/cm3 的板坯。 利用這套制備工藝得到的板坯孔隙率低，微觀組織均勻，且晶粒具有各向同性的特征，平均晶粒尺寸僅為 15 μm。

日本 Nikko Materials 公司的 Suzuki[24]結(jié)合 HP和HIP 工藝，進(jìn)行高致密鎢靶材的制備研究。 首先采用HP 工 藝 制 備 燒 結(jié) 坯（溫 度1600 ℃ ， 壓 力≥200 kg/cm²），坯體的相對(duì)密度可達(dá) 93 %；進(jìn)而利用 HIP 工藝進(jìn)行板坯的二次致密化（溫度1700 ℃，壓力≥1000 kg/cm²）， 板坯的相對(duì)密度達(dá)到 99 %以上，平均晶粒尺寸≤100 μm，氧含量≤20×10^-6。

2.2熱軋（Hot Rolling）工藝

軋制屬于金屬變形加工工藝， 而熱軋是指在材料的再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的軋制。一般來講，通過常規(guī)粉末燒結(jié)技術(shù)難以獲得高致密的鎢材料， 熱軋技術(shù)是一種有效地、 可以進(jìn)一步提升鎢燒結(jié)體致密性的方法；此外，通過熱軋，可以有效地調(diào)控基體的顯微結(jié)構(gòu)。

美國 Tosoh 公司的 Ivanov 等[25，30]結(jié)合 HP 和熱軋工藝， 進(jìn)行高致密鎢靶材的制備研究。 首先采用HP 工藝制備得到相對(duì)密度為95%的燒結(jié)坯， 再利用熱軋工藝進(jìn)一步提升鎢板的致密度。 軋制溫度為1 400～1 700 ℃，累計(jì)變形量＞40 %，最終得到相對(duì)密度≥97.5 %的鎢板，板坯的平均晶粒尺寸≤100 μm，氧含量≤100×10^-6。

廈門虹鷺鎢鉬工業(yè)有限公司采用粉末冶金和壓力加工的工藝路線進(jìn)行高純鎢靶材的制備。 虹鷺具備生產(chǎn)純度≥99.999 9 %（6N） 超高純鎢粉的能力，選用超高純鎢粉為原料進(jìn)行鎢靶坯的制備， 得到靶坯的純度可達(dá) 99.999 5 %（5N5）以上，且相對(duì)密度≥99.5 %，氧含量＜10×10^-6，晶粒尺寸≤50 μm（見圖 2），鎢靶材綜合性能達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平。

高純鎢靶材制備技術(shù)的特點(diǎn)總結(jié)如表 1 所示。

采用 HIP 工藝制備鎢靶材，可以有效地控制晶粒的大小，有助于得到晶粒細(xì)小的鎢靶材；該工藝加熱過程均勻，有助于獲得組織結(jié)構(gòu)均勻的鎢靶材，并且晶粒不具有取向性， 因而更容易通過濺射得到一致性好的鎢薄膜；此外 HIP 工藝針對(duì)脆性大的鎢材料有更好的壓縮成型的作用；但是，HIP 工藝需要的熱等靜壓爐和高純包套材料（適用于鎢材料）的價(jià)格異常昂貴，這成為制約 HIP 工藝在靶材制備方面推廣的主要原因。 相對(duì)于 HIP 工藝，熱軋工藝制備得到的鎢靶材具有晶粒大小可控的特性；然而，該工藝步驟多，參數(shù)波動(dòng)因素大，人為操作引起的誤差較大，產(chǎn)品質(zhì)量的一致性不高， 并且軋制容易導(dǎo)致織構(gòu)的取向性；但從另一方面看，可以通過控制軋制工藝來調(diào)整靶材的織構(gòu)取向，獲取具有最優(yōu)織構(gòu)取向的靶材，從而達(dá)到提升鎢靶材濺射性能的目的。

3、未來的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

根據(jù)超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，芯片制造的要求越來越嚴(yán)格，集成電路的集成度越來越高，特征尺寸越來越小。 PVD 濺射而成鎢薄膜的優(yōu)點(diǎn)（純度高，致密性好，膜層均勻）正好可以匹配集成電路上柵極和布線材料小而精的發(fā)展需求。

但是， 鎢靶材濺射制備的薄膜的電阻率達(dá)到了鎢材料電阻率的 2 倍， 進(jìn)一步降低鎢薄膜的電阻率是芯片制造商提出的重要需求， 也必將會(huì)成為一個(gè)重要的研究方向。

日本 JX Nippon Mining & Metals 公司的 Ohashi[31]和 Kaminaga[32]對(duì)如何降低鎢薄膜的電阻率進(jìn)行了深入的研究， 主要采取的方法是對(duì)鎢靶材基體中的微量元素進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，通過控制碳元素和鉬元素的含量，可以有效地降低鎢薄膜的電阻率。 此外，為了滿足濺射薄膜的均勻性和最大程度減少微粒飛濺， 鎢靶材的微觀組織均勻性是另一個(gè)重要的研究方向。 鎢晶粒在制備過程中異常長大容易降低板材及其晶界的強(qiáng)度，破壞微觀組織均勻性，因此 Suzuki[33-34]和 Ohashi[35]通過調(diào)控鎢基體中的磷元素和鐵元素，可以有效地抑制鎢晶粒的異常生長， 從而成功地降低了鎢靶材的晶粒尺寸， 最終提升了靶材的濺射效率和鎢薄膜的均勻性。

基于以上分析，筆者預(yù)計(jì)未來鎢濺射靶材的發(fā)展趨勢(shì)及目標(biāo)如下：（1）提升靶材純度，≥6N；（2）降低靶材氧含量，≤5×10-6；（3）減小靶材晶粒尺寸，同時(shí)提高其織構(gòu)均勻性；（4）降低沉積鎢薄膜的電阻率。目前具備規(guī)模化生產(chǎn)集成電路用鎢靶材的企業(yè)數(shù)量相對(duì)較少，主要分布在美國和日本，產(chǎn)業(yè)集中度高。 這些跨國集團(tuán)產(chǎn)業(yè)鏈完整，具有包括金屬提純、靶材制造、 濺射鍍膜和終端應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)的規(guī)模化生產(chǎn)能力， 它們?cè)谡莆障冗M(jìn)技術(shù)以后實(shí)施技術(shù)壟斷和封鎖，主導(dǎo)著技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。高純鎢靶材比較成熟的制備工藝主要包括熱等靜壓及熱軋工藝，而一些新技術(shù)，如采用化學(xué)氣相沉積法制備鎢靶材，也時(shí)有報(bào)道，但這些新技術(shù)還存在諸如成本高、產(chǎn)品致密度低、 穩(wěn)定性差、 濺射薄膜電阻率高等不足，阻礙了大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。

中國鎢礦資源儲(chǔ)量高居世界第一， 但是制備集成電路用鎢濺射靶材的技術(shù)水平依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)水平， 相關(guān)產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口。 隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等高端科技的發(fā)展，智能芯片和智能硬件的需求量劇增， 其中海量的數(shù)據(jù)需要大量的存儲(chǔ)設(shè)備，所以高端鎢濺射靶材的研究、制備和國產(chǎn)化變得越來越重要。因此，加強(qiáng)高純靶材制備的機(jī) 理研究，突破國外核心制備技術(shù)壁壘，對(duì)于高端靶材的國產(chǎn)化、 提升行業(yè)的發(fā)展自主性具有十分重要的意義。

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