JP4620185B2 - 高純度銅及び電解による高純度銅の製造方法 - Google Patents
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Description
このため、高純度銅中に存在する微量の介在物については、問題視することはなく、これらを除去又は低減する検討は行なわれていなかった。また、ガス成分を極力制限した場合でも、それに起因する介在物がどのような形態で存在するかについて、特に関心をもつことはなかった。
また、半導体デバイス用の高純度銅製スパッタリングターゲットとした場合、スパッタリングによる薄膜を形成する工程で、ターゲット表面上の突起物(ノジュール)の発生があり、かつ異常放電による突起物(ノジュール)の破裂等によるパーティクルの発生が生ずる。パーティクル発生は、半導体デバイスの不良率を劣化させる原因となる。
しかし、従来認識されていたパーティクルの発生原因やボンデイングワイヤの破断の原因が解明され、それらが解決するにしたがって、他にもパーティクル発生原因が存在し、それを解決しない限り、高品質の成膜または破断の少ないボンデイングワイヤが得られないという認識に至った。
換言すれば、現在の半導体用の銅配線を形成するためのスパッタリングターゲットあるいはボンデイングワイヤは、このような高度の技術レベルにあると言える。そして、本願発明の高純度銅は、上記スパッタリング用ターゲット又はボンデイングワイヤに使用するだけでなく、高純度銅を使用する材料には全て適用できることは容易に理解されるであろう。
スパッタリング法は加速された荷電粒子がターゲット表面に衝突する時に運動量の交換によりターゲットを構成する原子が空間に放出されて対向する基板に堆積することを利用して基板上に皮膜を形成するものである。
スパッタリングターゲットは通常円盤状または矩形の板であり、スパッタリングにより各種半導体デバイスの電極、ゲート、素子、絶縁膜、保護膜等を基板上に形成するためのスパッタ源となる。
一般に、スパッタリングターゲットとしては、アルミニウム及びアルミニウム合金ターゲット、銅及び銅合金ターゲット、高融点金属及び合金ターゲット、金属シリサイドターゲット等が使用されている。
一方、スパッタリングによる成膜に際し、スパッタリングのターゲットエロージョン部にノジュールと呼ばれる数μmから数mmの大きさの突起物を生じることがある。そしてこれがスパッタ中に荷電粒子の衝撃により、はじけて基板上にパーティクル(クラスター状の粗大飛来物)を発生するという問題がある。
LSI半導体デバイスが高集積度化し、配線幅が0.25μm以下と微細化されつつある最近の状況下では、特に上記ノジュールからのパーティクル発生が重大な問題としてとらえられるようになった。
上記の通り、従来認識されていたパーティクルの発生原因やボンデイングワイヤの破断の原因が解明され、その多くは解決されているが、依然として十分でない点がある。それを解決しない限り、高品質の成膜または破断の少ないボンデイングワイヤが得られない。
特許文献1には、溶媒抽出で電解液を清浄化することが記載されている。
特許文献2には、キレート樹脂でSb、Bi除去することが記載されている。
特許文献3には、銅電解において、隔膜とニカワを添加し、電解面を平滑にして不純物の取込みを低減することが記載されている。
特許文献4には、銅電解において、アノライトを、活性炭と接触させてニカワを除去することが記載されている。
特許文献5には、銅電解において、再電解を実施することが記載されている。
特許文献6には、銅電解において、周期的逆電流電解で電極表面を平滑化して、懸濁物や電解液の巻き込みを防止することが記載されている。
特許文献7には、銅電解において、表面性状を改善するために高分子添加剤を添加すること及び尿素を含有する電解液を使用して、銀、硫黄含有量の少ない高純度銅を製造することが記載されている。
1)純度が6N以上の高純度銅であって、P、S、O、Cの各成分の含有量がそれぞれ1ppm以下であり、該銅に含有する粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物が10,000個/g以下であることを特徴とする高純度銅
2)上記銅に含有する粒径0.5μm以上20μm以下の炭素又は炭化物からなる介在物が5,000個/g以下であることを特徴とする上記1)記載の高純度銅、を提供する。
3)電解により高純度銅を製造する方法において、陰極と陽極との間に隔壁を設け、陽極側の電解槽から抜き出した電解液又は追加電解液を陰極側の電解槽へ供給する際に、陰極側の電解槽へ電解液を供給する直前に活性炭フィルターに通した後、陰極側の電解槽へ電解液を供給して電解を行うことを特徴とする電解による高純度銅の製造方法
4)電解により、純度を6N以上、P、S、O、Cの各成分の含有量を1ppm以下、粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物を10,000個/g以下とすることを特徴とする上記3)記載の電解による高純度銅の製造方法
5)銅に含有する粒径0.5μm以上20μm以下の炭素又は炭化物からなる介在物を5,000個/g以下とすることを特徴とする上記3)記載の電解による高純度銅の製造方法、を提供する。
また、非金属介在物、特にSの混入の原因となる硫酸系の電解液は使わず、硝酸系または塩酸系の電解液とした。しかしながら、このようにしても不純物であるP、S、O、Cの多量の混入が認められた。したがって、この不純物増加の原因は電解液自体以外に原因を求める必要がある。
さらに電解液に含まれるP、S、Oは、CuP、CuS、CuOの浮遊物として存在し、これらの浮遊物が電解においてカソードで銅中に巻き込まれることがあり、これらが汚染の主な原因であることも分かった。
以上から、電解液に添加物を加えないことが重要であり、さらにカソードとアノードを隔膜で仕切ると共に、電解液をカソードに供給する直前に、活性炭のフィルターを通し、有機物と浮遊物の除去をおこなうことが必要であり、これが介在物の低減に有効であることが分かった。
本願発明で「非金属介在物」と称するのは、この銅組織の中に存在する固形物を意味する。そして、一旦これらが含まれると、溶解プロセスでは十分に取り除くことはできない。この中で、炭素又は炭素を成分とする炭化物が、特に有害である。さらに、ボンデイングワイヤになったときあるいは半導体製造プロセスに入ると、除去することは極めて困難となる。
そして、これらの不純物はボンデイングワイヤあるいは半導体装置の中で欠陥の原因となり、微細化に伴ってさらに大きな問題となる。
これは、配管やポンプを使用すること自体が汚染源となるからである。これらは、何気ないプロセスのように見えるが、本発明のように、少量かつ微細な非金属介在物の混入による特性悪化を防止するためには、このような電解プロセスにおいても、細心の注意が必要となる。
本発明の高純度銅は、これらの出発材料を原料とするものであるが、これをさらに純度が6N以上の高純度銅とし、かつP、S、O、Cの各成分の含有量がそれぞれ1ppm以下、そして該銅に含有する粒径0.5μm以上の非金属介在物を10,000個/g以下とするものである。
この測定方法を具体的に説明すると、5gをサンプリングし、介在物が溶解しないように、ゆっくりと200ccの酸で溶解し、さらにこれを500ccになるように、純水で稀釈し、この10ccを取り、前記液中パーティクルカウンターで測定するものである。例えば、介在物の個数が800個/ccの場合では、10ccの中には0.1gのサンプルが測定されることになるので、介在物は8000個/gとなる。
なお、この非金属介在物又は炭素若しくは炭化物の炭素系介在物の個数について、前記の通り、液中パーティクルカウンターで測定したものであるが、同様の個数の測定が可能であれば、他の手段を用いることは、特に問題とはならないことは容易に理解されるであろう。
また、本願発明は銅に含有する粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物を10,000個/g以下とするものであるが、この非金属介在物の量が問題であり、これが10,000個/g以下を超えると、例えば細線化されたボンデイングワイヤの中で異物となり、その異物を起点として、破断が起こり易くなる。
また、ターゲット中にこの非金属介在物が存在すると、ターゲットのエロージョンに際して突起状の異物となり、その突起状異物に異常放電が発生し易くなる。これが、スパッタリングの際のパーティクル発生の原因となる。
しかしながら、高純度銅のボンデイングワイヤの切断発生の低減や機械的強度の再現性向上、あるいは高純度銅ターゲットをスパッタリングして形成した半導体デバイス配線の不良率を低減させるためには重要である。これは最新の技術として、重要であることの認識を持つことが必要である。
特に、炭素又は炭化物からなる介在物の存在は有害なので、粒径0.5μm以上20μm以下の炭素又は炭化物を5,000個/g以下とすることが望ましいと言える。この炭素又は炭化物は、上記の通り、有機物から汚染を受けることが多いので、電解において有機物の使用は避けなければならない。
合金元素としては、特に制限はないが、スパッタリングターゲットとしては、例えば通常添加されるAl、Ag、B、Cr、Ge、Mg、Mn、Nd、Si、Sn、Ti、Zrの元素を高純度銅に一種または二種以上を10%以下含有させて使用することができる。
特に半導体装置では、不純物であるUやTh等の放射性元素は放射線によるMOSへの影響、Na、K等のアルカリ金属、アルカリ土類金属はMOS界面特性の劣化、Fe、Ni、Co等の遷移金属または重金属は界面準位の発生や接合リークを起こし、これらが銅皮膜を通じて半導体装置への汚染となる可能性があるからである。
以上から、アルカリ金属、アルカリ土類金属については総量を5ppm以下、放射性元素の総量を1ppb以下、合金元素以外の不純物として含有する重金属、軽金属の総量を10ppm以下とするのが望ましい。
鍛造や圧延等の塑性加工と熱処理を適切に組み合わせることによりターゲットの結晶方位等の品質の調整を行なうことができる。
銅及び銅合金における介在物は主として酸化物、窒化物、炭化物、硫化物であり、原料の溶解、鋳造の過程で発生する。このため、溶解及び鋳造は非酸化性雰囲気中、好ましくは介在物源である酸素、窒素、硫黄の除去を効率的に行なうために真空中で行い、溶解方法としては従来の高周波溶解時に使用されるグラファイトルツボからの炭素及び酸素の汚染を避けるため、水冷銅ルツボを用いた電子ビーム溶解または真空誘導スカル溶解そして水冷銅モールドの使用が適している。
上記の不純物および介在物を低減させた銅又は銅合金ターゲットを用いてスパッタリングすると、薄膜中にはターゲットの不純物および介在物を低減させたことが反映され、同等の不純物および介在物レベルの半導体デバイス配線及び薄膜を形成することができる。
4N−Cuを原料アノードとし、硝酸系電解液で電解を行なった。その際、カソードとアノードは隔膜で分離させ、アノードから溶出したCuイオン含有電解液を抜き出し、カソードボックスに入れる直前に0.1μm程度の目開きの活性炭フィルターを通すことにより電解を行なった。
得られた電解銅を真空誘導スカル溶解し、得られた高純度銅を液中パーティクルカウンターで測定したところ、粒径0.5μm以上20μm以下の介在物が約4,000個/g検出された。また、電析銅に含まれるP、S、O、Cはいずれも1ppm以下であった。さらに炭素又は炭化物からなる介在物が約600個/gであった。これらは、いずれも本願発明の条件を十分に満たしていた。
最終的には、本発明の高純度銅を利用して、パーティクル発生のないスパッタリングターゲットを製造したり、あるいは、破断しないボンデイングワイヤを製造することを目途とするものであるからである。
実施例1と同じ条件で、フィルターを通常のポリプロピレンフィルター(ろ過精度0.5μm)で行なった。得られた電解銅を真空誘導スカル溶解し、得られた高純度銅を、同様に液中パーティクルカウンターで測定したところ、粒径0.5μm以上20μm以下の介在物は約20,000個/gであった。また、電解銅に含まれるP、S、O、Cは、各々2ppm、6ppm、10ppm、10ppm であった。さらに炭素又は炭化物からなる介在物が約8,400個/gであった。
これらはいずれも、本願発明の条件を満たしていなかった。
実施例1と同じ条件であるが、フィルターを使用せずにアノードから溶出したCuイオン含有電解液を抜き出し、カソードボックスに入れた。
得られた電解銅を真空誘導スカル溶解し、得られた高純度銅を液中パーティクルカウンターで測定したところ、粒径0.5μm以上20μm以下の介在物は約52,000個/gであった。また、電解銅に含まれるP、S、O、Cは、各々4ppm、8ppm、20ppm、20ppmであった。さらに炭素又は炭化物からなる介在物が約25,000個/gであった。これらはいずれも、本願発明の条件を満たしていなかった。
実施例1と同じ条件で、アノードボックスの直後に活性炭フィルターを配置して電解液を通し、配管とポンプを介してカソードボックスに戻した。
得られた電解銅を真空誘導スカル溶解し、得られた高純度銅を液中パーティクルカウンターで測定したところ、粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物は約12,000個/gであった。また、電解銅に含まれるP、S、O、Cは、各々1ppm、4ppm、2ppm、3ppmであった。さらに炭素又は炭化物からなる介在物が約6,500個/gであった。これらの結果は、比較例1又は比較例2よりも、介在物及びP、S、O、Cの不純物は少なかったが、実施例1に比較して多くなった。
これは、単純に配管とポンプを使用しただけに過ぎないにかかわらず、目的として介在物又は不純物の低減化を行うことはできなかった。
次に、このようにして作製した実施例1の高純度銅を溶解し、ターゲットを製造した。
これは、溶解する原料そのものに含まれる非金属介在物が少ないことが起因していると考えられる。したがって、次に説明するように、これをスパッタリングした場合、パーティクルの発生が少ないという結果となった。
このターゲットを使ってスパッタリングにより300mmウエハに銅の薄膜を成膜したところ、粒径0.05μm以上のパーティクルは17個/平方inchと少なく、良好なスパッタ膜を得ることが出来た。
ボンデイングワイヤを製造する場合も、実施例1の高純度銅を溶解し、これをさらに鋳造・鍛造・熱処理・圧延(線引き)工程を経るものである。上記ターゲットを製造する工程と殆ど変わらない。したがって、溶解工程で不純物の混入を防止するためのコールドクルーシブル溶解法を採用することは有効であり、インゴットとする。
この結果、同様にボンデイングワイヤを電解エッチングして表面に現れた突起状の介在物をFIB−AESで分析したところ、全非金属介在物の40%が炭素から構成される介在物(炭素又は炭化物)であり、粒径0.5μm以上20μm以下の炭素系介在物は約4,200個/gであった。
このように少ない非金属介在物の存在は、ボンデイングワイヤの破断を効果的に抑制できる。
上記高純度銅を加工及び熱処理しターゲットを製造した。このターゲットを液中パーティクルカウンターで測定したところ、粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物は約30,000個/g以上であった。
このターゲットの製造の段階では、原料に比例して非金属介在物の増加が認められた。しかも、その量は極めて増加した。これは、溶解する原料そのものに含まれる非金属介在物が多いことが原因と考えられる。
したがって、これをスパッタリングした場合、パーティクルの発生は、比例的に増加するという結果となった。
これも上記と同様に、ターゲットと製造工程が類似しているので、このボンデイングワイヤを液中パーティクルカウンターで測定したところ、同様に粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物は約30,000個/g以上となった。このボンデイングワイヤの製造の段階では、原料に比例して非金属介在物の増加が認められた。しかも、その量は極めて増加した。
したがって、ボンデイングワイヤの破断は、非金属介在物の存在量に比例して増加することになった。
Claims (5)
- 純度が6N以上の高純度銅であって、P、S、O、Cの各成分の含有量がそれぞれ1ppm以下であり、該銅に含有する粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物が10,000個/g以下であることを特徴とする高純度銅。
- 上記銅に含有する粒径0.5μm以上20μm以下の炭素又は炭化物からなる介在物が5,000個/g以下であることを特徴とする請求項1記載の高純度銅。
- 電解により高純度銅を製造する方法において、陰極と陽極との間に隔壁を設け、陽極側の電解槽から抜き出した電解液又は追加電解液を陰極側の電解槽へ供給する際に、陰極側の電解槽へ電解液を供給する直前に活性炭フィルターに通した後、陰極側の電解槽へ電解液を供給して電解を行うことを特徴とする電解による高純度銅の製造方法。
- 電解により、純度を6N以上、P、S、O、Cの各成分の含有量を1ppm以下、粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物を10,000個/g以下とすることを特徴とする請求項3記載の電解による高純度銅の製造方法。
- 銅に含有する粒径0.5μm以上20μm以下の炭素又は炭化物からなる介在物を5,000個/g以下とすることを特徴とする請求項3記載の電解による高純度銅の製造方法。
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