集成電路產業作為電子信息產業的核心，是關系國民經濟和社會發展的，具有基礎性、先導性和戰略性的產業，是衡量國家科技水平和創新能力的重要標志，受到眾多國家的高度重視，也是發達國家實施技術封鎖的重點。集成電路微細化制程技術日新月異，結構尺寸從微米推向深亞微米，進而邁入納米時代。目前國際主流技術已從14nm技術向10nm、7nm、5nm甚至3nm逐步遞進，代表公司有臺積電、三星、英特爾等。中國目前生產線較為成熟的技術是45nm和28nm，領先技術達到14nm。隨著集成電路線寬世代的發展，對用于沉積芯片互連線的靶材也提出了更高的要求。
先進制程集成電路制備工藝中廣泛采用Ta/TaN擴散阻擋層與Cu互連線搭配使用，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，這對鉭靶材的各項性能，尤其是晶向均勻性提出了極高的要求。鉭的晶向會明顯影響濺射速率，最終影響沉積薄膜厚度的均勻性[1]，研究發現，鉭各織構面濺射速率關系為｛110｝＞｛100｝＞｛111｝。目前行業中主流使用的是軋制鉭靶材，實際濺射使用過程中會遇到大量的因晶向不匹配產生的問題。粉末冶金技術廣泛應用于陶瓷靶材的制備，用于制備鉭靶材的僅國外少數幾家公司，其在某些方面的優越性可能會成為14nm及以下技術節點集成電路用鉭靶材的主要制備技術。文章研究對比了軋制鉭靶材與粉末冶金鉭靶材的晶向和晶粒，為先進制程用鉭靶材的開發提供一些參考。
1、實驗材料和方法
軋制鉭靶材實驗原料采用純度為99.95%以上的高純鉭粉末。高純鉭粉末經300MPa冷等靜壓后形成具有一定致密度的坯料，坯料通過電子束熔煉制成鑄錠，將鑄錠頭尾兩端缺陷部分切除后進行鍛打和軋制，得到最終樣品尺寸φ500mm×8mm。軋制鉭靶材的工藝流程如圖1所示。
粉末冶金鉭靶材實驗原料采用與軋制鉭靶材相同的純度為99.95%以上的高純鉭粉末。高純鉭粉末經300MPa冷等靜壓形成基本的圓形坯料，將坯料用不銹鋼包套密封后置于熱等靜壓設備中燒結，環境壓力200MPa，溫度1300℃，最終得到尺寸同樣為φ500mm×8mm，致密度大于99%的樣品。粉末冶金鉭靶材的工藝流程如圖2所示。
每個靶材按照圖3所示位置各取2個分析樣，分析樣品的尺寸為5mm×5mm×t（厚度約8mm）。將分析樣品的檢測面研磨至沒有明顯劃痕，用H2SO4∶HNO3∶HF=3∶2∶2（體積比）的腐蝕液腐蝕檢測面約30s，腐蝕完成后用水將表面沖洗干凈。采用日立SU3500掃描電子顯微鏡（SEM）搭載牛津NordlysMax3電子背散射衍射儀（EBSD）測試靶材斷面的晶向。其基本原理是利用滿足布拉格衍射條件（2dsinθ=nλ）的背散射電子得到一系列菊池花樣，根據菊池花樣的特點得出晶面間距和晶面之間的夾角，然后從數據庫中查找相關的晶體結構和晶胞參數，最終以不同方向占比以及極圖強度來表征織構[2-3]。另外采用OlympusPME3型倒置式金相顯微鏡觀察微觀晶粒，依據標準GB/T6394—2002，使用直線截點法計算平均晶粒度。
2、實驗結果和分析
樣品EBSD分析結果如圖4所示，不同顏色代表不同晶面取向，對于具有體心立方結構的鉭材料主要比較｛100｝、｛110｝、｛111｝三種晶面的占比。從分析結果圖中可以看到，軋制鉭的整個斷面晶向分布不均勻，取樣位置1和取樣位置2都存在二分之一厚度附近｛111｝偏多的現象。而粉末冶金鉭靶材的晶向則相對比較均勻，取樣位置1和取樣位置2各晶面占比沒有明顯差異。
統計4個分析樣品的晶向占比，結果如表1所示。
從表1的數據可以發現，軋制鉭三種晶向占比相差較大，軋制鉭靶材位置1的｛111｝占比最大為36.7%，｛110｝占比最小僅4.72%，兩者相差31.98%；軋制鉭靶材位置2的｛100｝和｛111｝占比均為26.20%，遠大于｛110｝僅3.80%的占比，差值22.40%。而粉末冶金鉭三種晶向占比差距較小，粉末冶金鉭靶材位置1的｛110｝占比最大為20.3%，｛100｝占比最小為9.40%，相差不足11%；粉末冶金鉭靶材位置2的｛110｝占比最大為16.6%，｛100｝占比最小為11.70%，相差僅4.90%。
每個分析樣各晶向占比如圖5所示，從圖5可以明顯看出粉末冶金鉭靶材的晶向均勻性要遠好于軋制鉭靶材。比較不同分析樣同種晶向的占比，如圖6所示，發現軋制鉭靶材｛100｝和｛111｝明顯占優，都遠高于粉末冶金鉭靶材；而粉末冶金鉭靶材各晶向占比均勻，2個樣都只有｛110｝占比會高于該面不占優的軋制鉭靶材。
統計分析4個分析樣品的平均晶粒，結果如表2和圖7所示。從圖表中可以發現，粉末冶金鉭靶材的晶粒要小于軋制鉭靶材，且粉末冶金鉭靶材兩個分析樣的晶粒差值不到7μm，小于軋制鉭靶材兩個分析樣的差值，這也一定程度上說明粉末冶金鉭靶材晶粒均勻性可能會稍優于軋制鉭靶材。
3、結論
（1）軋制鉭靶材不同取樣位置的晶向差異較大，即便是同一個取樣位置，整個斷面上、中、下的晶向也存在不均勻現象。而粉末冶金鉭靶材不同取樣位置的晶向比較均勻，同一個取樣位置，整個斷面的上、中、下也相對均勻一致。粉末冶金鉭靶材晶向的均勻性要優于軋制鉭靶材。
（2）軋制鉭靶材的晶粒在90~103μm，粉末冶金靶材的晶粒在54~62μm，軋制鉭靶材的晶粒大于粉末冶金鉭靶材。
（3）從晶粒晶向的均勻性來說，粉末冶金鉭靶材要優于軋制鉭靶材，粉末冶金工藝可能會成為14nm及以下技術節點集成電路用鉭靶材的主要制備技術。
參考文獻
［1］Michaluk A C .Correlating discrete orientation and grain size to the sputter deposition properties of tantalum［J］.Journal of Elec-tronic Materials，2002，31（1）：2-9.
［2］毛衛民，楊平，陳冷.材料織構分析原理與檢測技術［M］.北京：冶金工業出版社，2008.
［3］楊平.電子背散射衍射技術及其應用［M］.北京：冶金工業出版社，2007.
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