Leitfaden für Sputtertargets: Schlüsselmaterialien für integrierte Schaltungen
Hochreine Sputtertargets Bezeichnet hauptsächlich metallische oder nichtmetallische Targets mit einer Reinheit von 99,9 % bis 99,9999 % (3N bis 6N), die im PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition) zur Herstellung elektronischer Bauteile verwendet werden. Sie sind essenzielle Materialien für die Fertigung von integrierten Schaltkreisen, Flachbildschirmen, Photovoltaik-Solarzellen und anderen elektronischen Schichten.
Die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) ist ein Verfahren, bei dem Ionen aus einer Ionenquelle im Vakuum beschleunigt werden, um einen Hochgeschwindigkeits-Ionenstrahl zu erzeugen, der auf die Oberfläche eines Zielmaterials trifft. Der Energieaustausch zwischen den einfallenden Ionen und den Atomen auf der Zieloberfläche führt dazu, dass Atome aus dem Festkörper herausgelöst und auf einem Substrat abgeschieden werden. Dies macht PVD zu einer der wichtigsten Technologien zur Herstellung von Dünnschichtmaterialien.
Die Herstellung integrierter Schaltkreise stellt höchste Anforderungen an die Reinheit der Zielmaterialien, die Kontrolle von Verunreinigungen und Defekten, die Gleichmäßigkeit von Korngröße und -orientierung sowie die Präzision der Verarbeitung; sie zählt zu den technisch anspruchsvollsten Anwendungen von Zielmaterialien. Die Entwicklung der Zielmaterialtechnologie ist eng mit den Fortschritten in der Technologie integrierter Schaltkreise verknüpft.
Da die Technologie zur Herstellung integrierter Schaltungen ständig Fortschritte macht, hängt die Verbesserung der Chip-Performance zunehmend von der Entwicklung der Materialtechnologie und der Systemintegrationstechnologie ab, was zur kontinuierlichen Entwicklung verschiedener hochreiner Metalle, neuartiger Legierungen und funktionaler Verbindungsschichten führt.
Die Anwendung dieser neuen Materialien spielt eine entscheidende Rolle bei der Herstellung integrierter Schaltungen mit höheren Betriebsgeschwindigkeiten, verbesserten Leistungseigenschaften und geringerem Stromverbrauch. Aktuell werden für die Herstellung integrierter Schaltungen hauptsächlich Aluminium-, Titan-, Kupfer-, Tantal- und deren Legierungen sowie Kobalt-, Nickel- und weitere Materialien verwendet. Legierungsziels und Edelmetallziele, unter anderem.
- Zielmaterialien aus Aluminium (Al) und seinen Legierungen
Hochreines Aluminium (Al) und seine Legierungsmaterialien haben folgende Hauptanwendungen: Bei Prozessen mit Technologieknoten größer als 0,13µm werden sie vornehmlich in den Backend-Metallverbindungsprozessen der Herstellung integrierter Schaltungen eingesetzt; bei den beiden planaren CMOS-Prozessen mit Technologieknoten von 45 nm und 28 nm dienen sie als Austrittsarbeitsmaterialien in High-k-Metallgate-Prozessen und passen die Schwellenspannung der Bauelemente an; Bei allen Technologieknoten können sie als Aluminiumpads (Al-Pads) in der obersten Metallschicht eingesetzt werden und stellen über diese Pads Metallverbindungen zu externen Schaltkreisen her. Je nach Anwendungsanforderungen umfassen die Zielmaterialien für Aluminium und seine Legierungen hauptsächlich Varianten wie 5N bis 5N5 (99,999 % bis 99,9995 %) reines Aluminium, Al-0,5 % Cu, Al-1 % Si und Al-1 % Si-0,5 % Cu. Darüber hinaus werden Aluminium und seine Legierungen auch in Chip-Packaging-Prozessen verwendet, darunter 5N und 5N5 reines Aluminium, Al-0,5 % Cu und Al-4 % Cu.
- Titan (Ti) Zielmaterial
Ziel für hochreines Titan (Ti). Für die PVD-Sputterung hochreiner Titanmetall-Dünnschichten werden verschiedene Materialien verwendet. Bei Technologieknoten oberhalb von 0,25 µm wird Titan üblicherweise mittels SIP-PVD (Selbstionisiertes Plasma) gesputtert. Mit dem Fortschritt der Halbleitertechnologie wird bei Technologieknoten von 0,18 µm und darunter überwiegend die IMP-PVD-Technologie (Ionisiertes Metallplasma) eingesetzt. Aufgrund seiner guten Stufenabdeckung und Abscheidungsrate wird Titan hauptsächlich für die globalen Backend-Verbindungen verwendet, die bei Technologieknoten oberhalb von 0,13 µm vorwiegend Aluminium-Metallverbindungen umfassen, sowie für die lokalen Verbindungen für Kontaktlöcher über verschiedene Technologieknoten hinweg. Titan und seine Nitridschichten werden kombiniert, um als Barriereschichten für Metallverbindungen zu dienen. Bei Technologieknoten von 45 nm und darunter können Titannitride auch als Hartmaskenmaterialien in Backend-Kupfer-Metallverbindungsprozessen eingesetzt werden, wodurch fein kontrollierte Verbindungen und Grabenstrukturen realisiert werden können. Bei Prozessen mit Strukturgrößen über 0,25 µm kann Titan mittels PVD-Technologie Silicide (TiSi) für selbstjustierende Anwendungen in den Source-Drain- und Gate-Bereichen bilden, wodurch der Kontaktwiderstand effektiv reduziert wird. Darüber hinaus werden Titan-Targetmaterialien in Chip-Packaging-Prozessen eingesetzt. Die Reinheit von Titan-Targetmaterialien liegt typischerweise zwischen 4N5 und 5N (99,995 % bis 99,999 %).
- Kupfer (Cu) und seine Legierungszielmaterialien
Bei der Verschaltung von hochintegrierten Schaltungen (LSIs) führt die fortschreitende Miniaturisierung der Technologieknoten aufgrund der geringen Elektromigrationsbeständigkeit und Spannungsmigrationsfähigkeit von Aluminiumdrähten leicht zur Bildung von Drahthohlräumen und damit zum Ausfall der Schaltung. Um die Leitfähigkeit und Zuverlässigkeit von Aluminium-Metallverbindungen zu verbessern, wird Kupfer seit dem 0,13-µm-Technologieknoten zunehmend als Ersatz für Aluminium eingesetzt. Diese Umstellung ermöglicht kleinere und dichtere Bauelemente sowie dünnere Kupferleitungen, wodurch Impedanzinterferenzen zwischen den Verbindungen reduziert werden. Aufgrund der Schwierigkeiten beim Ätzen von Kupfer werden jedoch eingebettete Verfahren, insbesondere die Damaszener-Technologie, für Kupferverbindungen verwendet. Dieses Verfahren beinhaltet das Sputtern einer Diffusionsbarriereschicht und einer Kupferkeimschicht in die geätzten Rillen, gefolgt vom Auffüllen der Rillen mit Kupfer durch Galvanisierung und abschließender Planarisierung durch CMP-Polieren. Für das Sputtern der Kupferkeimschicht werden hochreine Kupfertargets benötigt. Da die Linienbreite integrierter Schaltungen immer kleiner wird, werden zur Reduzierung von Metallverunreinigungen durch Kupferatomdiffusion Kupferlegierungstargets mit Spurenmengen an Aluminium (0,11 Gew.-% Al) und Mangan (0,5–10 Gew.-% Mn) gezielt nach Produktdesign und Prozessanforderungen ausgewählt. Zusätzlich wird phosphorhaltiges Kupfer (CuP) als Anode für elektrochemisch abgeschiedenes Kupfer benötigt. Typischerweise beträgt die Reinheitsanforderung für hochreine Cu-Targets 6N (99,9999 %) oder höher, während der Phosphorgehalt in CuP-Anoden im Bereich von 400 bis 650 ppm liegen muss.
- Wolfram (W) und Legierungszielmaterialien.
Hochreines Wolfram (W) Metall wird hauptsächlich für die Kontaktlochprozesse von Logikbausteinen und Speicherchips verwendet. Bei relativ großer Linienbreite kann das PVD-Sputterverfahren zur Herstellung eingesetzt werden. Dank der rasanten technologischen Fortschritte seit dem 0,25-µm-Technologieknoten werden für die Fertigung von Logikbausteinen vollständig CVD-Verfahren mit höherer Füllleistung eingesetzt. In einigen Speicheranwendungen sind die Anforderungen an die Betriebsgeschwindigkeit jedoch weniger kritisch als bei Logikbausteinen, und die Linienbreite der Kontaktlöcher ist tendenziell größer. Daher wird weiterhin das PVD-Sputterverfahren mit hochreinen Wolfram-Targetmaterialien zum Füllen der Kontaktlochschichten verwendet. Da dreidimensionale Speicher jedoch immer höhere Anforderungen an die Verbindungen stellen, könnte die Kontaktlochfülltechnologie zukünftig ebenfalls auf CVD-Abscheidungsverfahren umgestellt werden. Wolfram-Titan-Legierungs-Targetmaterialien (W-10 Gew.-% Ti) können für nachfolgende Gehäusebarriereschichten verwendet werden. Tungsten-silicon (WSi) Legierungen können als Gate-Barriereschichten in den gestapelten Strukturen von Speichergattern dienen. Die Reinheit von W und W-Legierungs-Targetmaterialien liegt im Allgemeinen über 5N (99,999 %).
