0. 引言
銅具有低電阻率和優(yōu)異的抗電遷移能力，已成為目前超超大規(guī)模集成電路技術(shù)（ULSI）中主流的互連材料[1-3]。銅互連薄膜因具有取代鋁基互連材料的應(yīng)用潛力而引起了廣泛關(guān)注。目前，主要通過電沉積[4-5]、化學(xué)氣相沉積（CVD）[6]、脈沖激光沉積（PLD）[7]和磁控濺射[8-9]等方法制備銅薄膜。其中，磁控濺射由于其沉積速率快、阻尼率低、重復(fù)性和穩(wěn)定性高等[10]優(yōu)點(diǎn)，成為銅薄膜沉積的常用方法。
在影響薄膜質(zhì)量的諸多因素中，磁控濺射靶材的微觀結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵作用，濺射沉積后的退火工藝也是關(guān)鍵影響因素[11-12]。集成電路技術(shù)的快速發(fā)展使得薄膜材料的需求量日益增長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)濺射靶材的性能也提出了更嚴(yán)格的要求。WANG等[13]通過對(duì)比不同晶粒結(jié)構(gòu)銅靶的濺射性能，發(fā)現(xiàn)微粒靶具有相對(duì)均勻、密集的濺射蝕刻形態(tài)。目前，在集成電路互連材料領(lǐng)域，有關(guān)銅材料的研究主要集中在銅或銅薄膜單一方面，少有銅靶材與銅薄膜關(guān)聯(lián)性的報(bào)道。為此，作者以純銅為原料，采用真空感應(yīng)熔煉、均勻化退火、鍛造、溫軋和退火工藝制備純銅靶材，研究了溫軋態(tài)和退火態(tài)純銅靶材的微觀結(jié)構(gòu)和性能；采用磁控濺射工藝制備銅薄膜，并對(duì)銅薄膜進(jìn)行退火，研究了沉積態(tài)和退火態(tài)薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能，分析了靶材結(jié)構(gòu)和性能對(duì)薄膜微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響，以期為銅靶材的制備和薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化提供試驗(yàn)參考。
1. 試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)原料為純度大于99.99%的純銅，采用真空感應(yīng)熔煉方法制備純銅鑄錠；對(duì)鑄錠進(jìn)行750 ℃×4 h的均勻化退火以消除鑄錠的組織和成分偏析，然后進(jìn)行鍛造；對(duì)鍛件進(jìn)行縱橫交替的溫軋，根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)此前的研究工作[14]，結(jié)合不同溫度下銅的再結(jié)晶程度，確定溫軋溫度為500 ℃，參考最佳加工窗口的應(yīng)變速率范圍，根據(jù)S. Ekelund公式[15]，結(jié)合每道次15%的壓下量，選擇軋制速度為6 mm·min?1，軋制總變形量為75%；在400，500，600，700 ℃不同溫度下退火1 h，水冷。
使用電火花線切割機(jī)在溫軋態(tài)和退火態(tài)純銅試樣表面和中心切割出尺寸為10 mm×5 mm×5 mm的試樣，經(jīng)打磨、拋光，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％三氯化鐵溶液腐蝕后，采用Smart Proof 5型共聚焦光學(xué)顯微鏡觀察表面和中心的顯微組織，利用Image J軟件的手動(dòng)統(tǒng)計(jì)法得到平均晶粒尺寸。采用SmartLab TM9kW型X射線衍射儀（XRD）獲得純銅試樣表面和中心的XRD譜，采用銅靶，Kα射線，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，掃描范圍為0°~90°，步長(zhǎng)為0.02°，采用晶面織構(gòu)系數(shù)表征（hkl）晶面擇優(yōu)取向的程度[16]，計(jì)算公式為
 |
(1) |
式中：TC(hkl)為（hkl）晶面織構(gòu)系數(shù)，晶面為純銅的（111）、（200）、（220）和（311）晶面；n為衍射峰個(gè)數(shù)，取4；I（hkl）和I0（hkl）分別為試樣和標(biāo)準(zhǔn)銅粉末（hkl）晶面的衍射峰相對(duì)強(qiáng)度[17]，I0（111）=100，I0（200）=46，I0（220）=20，I0（311）=17。
利用FEI Versa 3D型掃描電鏡的電子背散射衍射（EBSD）模式表征溫軋退火態(tài)純銅表面與中心的微觀結(jié)構(gòu)和晶體取向，利用反極圖（IPF）和取向分布函數(shù)（ODF）對(duì)銅的晶體取向進(jìn)行測(cè)量和分析。采用HXD-1000TMC/LCD型維氏硬度計(jì)測(cè)純銅試樣表面與中心位置的硬度，載荷為1 N，保載時(shí)間為10 s，測(cè)5次取平均值。
以溫軋態(tài)和退火態(tài)純銅為靶材，采用JGP-450B型直流磁控濺射儀制備純銅薄膜。先用無水乙醇和去離子水清洗靶材，去除表面油污與固體雜質(zhì)；對(duì)靶材進(jìn)行5 min的預(yù)濺射，以去除靶材表面的氧化層；選用P（100）型單面拋光硅片為襯底，在室溫下抽真空至本底真空度為1×10?3 Pa，通入氬氣，使濺射室工作壓力保持在4.5 Pa；在150 W功率下濺射30 min，得到沉積態(tài)純銅薄膜。對(duì)2種靶材制備的沉積態(tài)薄膜進(jìn)行高真空退火，真空度為8×10?4 Pa，然后充N2氣體保護(hù)，保持壓力略小于大氣壓力，退火溫度為300，400，500 ℃，退火時(shí)間為1 h。
采用SmartLab TM9kW型X射線衍射儀對(duì)沉積態(tài)和退火態(tài)純銅薄膜的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用銅靶，Kα射線，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，掃描范圍為0°~90°，步長(zhǎng)為0.02°。采用AFM Park XE7型原子力顯微鏡對(duì)純銅薄膜的表面形貌進(jìn)行表征，采用非接觸模式，掃描面積為1 μm×1 μm。采用SZT 2C型四點(diǎn)探針測(cè)試儀測(cè)純銅薄膜的電阻率，測(cè)試電壓和電流分別為2 V和100 μA。
2. 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 純銅靶材的微觀結(jié)構(gòu)和硬度
由圖1可以看出，溫軋態(tài)純銅靶材表面和中心的組織差異較大，晶粒尺寸分布不均勻。表面組織中還存在因軋制而拉長(zhǎng)的未完全回復(fù)的纖維狀組織，而中心組織則由部分粗化的亞晶和部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成的細(xì)小等軸晶組成，晶界不明顯。
由圖2可以看出，不同溫度退火態(tài)純銅靶材表面和中心的組織相似。400 ℃退火后溫軋態(tài)純銅靶材組織中部分晶粒發(fā)生再結(jié)晶及長(zhǎng)大，大尺寸和細(xì)小晶粒分化更加明顯，晶粒尺寸整體仍呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)；500 ℃退火后部分細(xì)小晶粒長(zhǎng)大，晶粒平均尺寸變大，晶粒分布變得相對(duì)均勻；隨著退火溫度升高至600 ℃時(shí)，晶粒尺寸進(jìn)一步均勻化，細(xì)小晶粒幾乎消失，形成等軸晶形貌，平均晶粒尺寸約為39.30 μm；當(dāng)退火溫度繼續(xù)升高到700 ℃時(shí)，晶粒明顯長(zhǎng)大，平均晶粒尺寸增加到53.64 μm。
由圖3可以看出，不同溫度退火處理后純銅靶材表面的衍射峰相對(duì)強(qiáng)度與溫軋態(tài)相比未出現(xiàn)明顯變化。溫軋態(tài)靶材表面和中心存在衍射強(qiáng)度分布不均勻的現(xiàn)象，而退火可以緩解晶面的擇優(yōu)取向，改善靶材微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性。由表1可知，溫軋態(tài)和不同溫度退火態(tài)純銅靶材表面均呈現(xiàn)出較高程度的（111）晶面擇優(yōu)取向，而中心則均呈現(xiàn)出較高的（220）晶面擇優(yōu)取向。IC（111）/IC（220）代表了（111）晶面的相對(duì)擇優(yōu)取向趨勢(shì)，IC（111）/IC（220）越大，說明（111）晶面取向相對(duì)越強(qiáng)。600 ℃退火態(tài)純銅靶材表面的（111）晶面取向最強(qiáng)，且中心（111）晶面取向也大于溫軋態(tài)純銅靶材。
