[发明专利]一种铝合金溅射靶材及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于溅射靶材技术领域，特别涉及一种含Cu和难熔金属的高纯铝合金溅射靶材及其制备方法。

背景技术

铝电子薄膜由于电阻率较低(室温为2.7μΩ·cm)、易沉积、易刻蚀、工艺成熟等优点，作为电极或者互连线材料广泛应用于集成电路、分立器件以及新型显示等电子信息领域。纯铝工艺由于存在硅铝固态互溶而产生铝尖峰、应力迁移(SM)以及电迁移(EM)等问题，最终导致器件失效和产出率下降。研究表明，通过在铝中添加合金元素，可以解决上述问题。早期，为了消除铝尖峰以及改善铝的抗应力迁移能力，在高纯铝中添加了适量的Si元素，发展出AlSi合金；为了提升铝的抗电迁移能力，在高纯铝中添加了适量的Cu元素，发展出AlCu、AlSiCu合金；随着铝工艺的发展，在铝薄膜外层再制备Ti、Ta、Mo等阻挡层薄膜，使得铝薄膜不与硅基片直接接触，进而在高纯铝中就不需要添加Si，并且Si的存在还会降低铝材料的导电率，所以可以直接用AlCu合金。因此，AlCu合金是目前最常见的导电互连材料。

常规的AlCu合金溅射靶材，铜含量一般为0.5～5wt.％，制备的薄膜材料由于合金元素的固溶强化以及二次相的作用，其组织稳定性随着铜含量的增加得到提升，但是电阻率也明显增加，因此材料的综合性能难以满足要求，特别是电子器件在高温条件下长时间工作时，铝薄膜综合性能难以得到保障。因此，急需开发新的铝合金溅射靶材，进而制备出高性能的铝薄膜材料。

本发明在铝铜合金的基础上，基于集成电路、分立器件和新型显示等领域的特点，选择性地添加几种特定的难熔金属元素，制备出新型高性能铝合金溅射靶材。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝合金溅射靶材及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种铝合金溅射靶材，其特征在于，所述铝合金溅射靶材由难熔金属的一种或一种以上，Al和Cu组成；其中，Cu含量为0.1～4wt％，难熔金属含量为0.05～0.5wt％，余量为Al；所述难熔金属是指熔点高于1650℃的金属。

所述难熔金属为W、Mo、Ta、Hf或Ru。

所述的铝合金溅射靶材的纯度在99.995％以上。

所述铝合金溅射靶材的晶粒均匀，晶粒尺寸在200μm以内。

所述铝合金溅射靶材的制备方法包括如下步骤：

(1)熔炼：采用高纯原材料，根据Al、Cu和难熔金属的成分要求设定投料配比，进行熔炼，得到高纯合金铸锭；

(2)热机械化处理：对高纯合金铸锭依次进行固溶处理和三向锻造；随后通过中间退火处理消除锻造应力；最后进行多道次往复冷轧，道次变形量控制在8-20％，总变形量达到60％以上，轧制后经过最终退火处理得到溅射靶材坯料；

(3)成型加工：将所得的溅射靶材坯料进行机加工，制备出铝合金单体溅射靶材；或将机加工后的单体溅射靶材与背板焊接制备出复合溅射靶材。

熔炼采用的高纯原材料的纯度在99.99％以上。

所述高纯原材料为高纯铜或高纯铜铝合金，高纯铝、高纯难熔金属单质材料。

熔炼方式为真空电磁感应静模浇铸或电磁搅拌半连续铸造。

所述中间退火处理及结晶退火处理的退火温度为200-480℃，退火时间为1-5h。

所述冷轧方式为单向或换向轧制。

本发明提出的铝合金溅射靶材在AlCu合金的基础上添加难熔金属合金元素，通过熔炼、热机械化处理和成型加工等工艺制备而成，具有如下优点：

(1)铝合金材料的薄膜性能优异：采用该铝合金溅射靶材制备的薄膜，由于高稳定性的难熔金属对铝合金薄膜进行了固溶强化，使得其具有良好的抗EM性能，同时薄膜强度得到增加，再结晶温度提升，在高温条件下能保持优异的热稳定性。此外，由于添加的难熔金属元素控制在一定范围内，主要以固溶形式存在于铝基体中，不会与铝形成析出相，因此能够保持电阻率不发生明显改变。

(2)靶材组织性能控制及工艺流程更加便利：首先在熔炼过程中，添加的难熔金属作为高熔点的异质形核剂，能够细化铸锭的晶粒尺寸；同时由于难熔金属的添加，铝合金材料的再结晶温度升高，靶材的微观组织更加容易控制，材料不容易发生异常晶粒长大，加工工艺窗口更宽；此外，合金材料强度的提升，制作可以不需要焊接，直接制备的单体靶材满足溅射要求，减少工艺流程，提高生产效率。

(3)对于集成电路、分立器件和新型显示等应用来说，本发明选用的W、Mo、Ta、Hf、Ru等难熔金属是整个芯片、器件制备中常用的金属元素，不会因为额外的元素添加而造成对工艺过程的污染。