[发明专利]一种超高纯铜靶材及其晶粒取向控制方法

说明书

本发明涉及一种超高纯铜靶材及其晶粒取向控制方法，所述晶粒取向控制方法将超高纯铜铸件依次进行热锻处理、一次热处理、冷锻处理、二次热处理、静压处理以及轧制，得到超高纯铜靶材。本发明所述晶粒取向控制方法将热锻和冷锻相结合，并在冷锻之后加入静压处理，可以有效地控制超高纯铜靶材的晶粒尺寸和晶粒取向，使得超高纯铜靶材的晶粒尺寸≤10μm，晶粒取向为(110)面的晶粒占比为30％‑50％，满足集成电路14nm工艺制程对于晶粒尺寸和晶粒取向的双重要求，保证了溅射过程稳定，溅射膜厚度均匀；而且，本发明所述晶粒取向控制方法的工艺操作简便，无需复杂工艺条件，制备成本较低，适用性广。

技术领域

本发明涉及靶材制备技术领域，具体涉及一种超高纯铜靶材及其晶粒取向控制方法。

背景技术

随着超大规模集成电路的飞速发展，半导体用芯片尺寸已经缩小到纳米级别，使得金属互连线的电阻电容延迟和电迁移现象成为影响芯片性能的主要因素，而传统的铝及铝合金互连线已经不能满足超大规模集成电路工艺制程的需求，因此需要选择具有更高抗电迁移能力和更高电导率的材料，以降低芯片互连线的电阻，提高其运算速度。

铜作为一种常用的金属材料，具有较好的抗电迁移能力和电导率，尤其是超高纯铜(Ultra High Purity Copper，简称UHPC)，其纯度在6N以上，杂质含量在1ppm以下，晶界面积极小，内部的晶格缺陷也很少，抗电迁移能力、电导率、延展性、导热性、抗腐蚀能力等各方面性能更为优异，再结晶温度也较低，使之已广泛应用于45nm技术节点以下超大规模集成电路中的互连材料。

目前，一般采用超高纯铜靶材通过磁控溅射形成超高纯铜互连线。在集成电路金属薄膜的制备工艺中，靶材的晶粒尺寸以及晶粒取向对最终产品的性能有较大的影响，主要表现为：一方面，随着晶粒尺寸的增加，薄膜沉积速率趋于降低，另一方面，晶粒取向也直接影响薄膜沉积速率，超高纯铜晶体结构为面心立方体，其密排面为(111)面，密排方向为(110)面方向，不同晶粒取向的溅射速率不同，(111)面＞(100)面＞(110)面。因此，在合适的晶粒取向以及晶粒尺寸范围内，靶材使用时的等离子体阻抗较低，薄膜沉积速率稳定、薄膜厚度均匀性好。在14nm技术节点以下，为了提高靶材的性能，确保互连线不发生短路，需要严格控制靶材的晶粒尺寸≤10μm，且晶粒取向为(110)面的晶粒占比需达到30％-50％，使靶材均匀地溅射在溅镀基材上。

目前，超高纯铜靶材主要通过热锻、轧制、热处理来控制其溅射性能，但是现阶段的工艺水平只能使得超高纯铜靶材的晶粒尺寸控制在20-30μm，且晶粒取向是随机的，尤其是晶粒取向为(110)面的晶粒占比往往＜30％。例如CN104746020A公开了一种铜合金靶材的加工方法，该方法主要包括：加热炉将高纯铜合金铸锭均匀加热到350-600℃，保温1-3小时；再采用锻造设备对铸锭分别沿X/Y/Z三方向进行热锻，锻后坯料在二辊轧机上进行多道次往复冷轧，道次变形量为8％～20％，总变形量为70％～90％；轧后坯料在热处理炉250～450℃范围，保温2～4小时，得到满足要求的高纯铜合金溅射靶坯。该加工方法靶材晶粒尺寸的控制仍只能达到30μm以下，且晶粒取向是随机的，尤其是晶粒取向为(110)面的晶粒占比往往＜30％，满足集成电路45nm工艺制程的要求，却难以应用于更精细化的集成电路工艺制程，尤其是集成电路14nm工艺制程。

CN112063976A公开了一种超高纯铜靶材及其晶粒控制方法，该方法包括：将超高纯铜铸件进行热锻处理，冷却后进行结晶热处理，随后进行冷锻处理，并再次进行结晶热处理，然后经轧制得到超高纯铜靶材。该方法通过采用热锻和冷锻相结合的处理工艺，并在两次锻造后均进行再结晶，可以有效控制超高纯铜靶材的晶粒尺寸，使得晶粒尺寸能够达到10μm以下，满足14nm工艺节点以下集成电路的溅射镀膜要求，保证溅射过程稳定，溅射膜厚度均匀，但是该方法的晶粒取向是随机的，尤其是晶粒取向为(110)面的晶粒占比往往＜30％，无法满足集成电路14nm工艺制程对于晶粒取向的要求。