WO2010038642A1 - 高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲット、同スパッタリングターゲットの製造方法及び高純度銅又は高純度銅合金スパッタ膜 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a high-purity copper or high-purity copper alloy sputtering target, a method for producing the sputtering target, or a high-purity copper or high-purity copper alloy sputtering film.
- % and ppm used in this specification represent mass% and massppm, respectively.
- the purity represents purity excluding C, O, N, and H which are gas components.
- the generation of such particles has a strong influence due to other causes, and there has been little recognition that fine and minute inclusions present in high-purity copper or high-purity copper alloy targets are the cause.
- the cause of particle generation which has been recognized in the past, was elucidated, and as they were solved, there were other causes of particle generation, and it was recognized that high-quality film formation could not be achieved unless it was resolved. .
- the sputtering target for forming the copper wiring for the current semiconductor is at such a high technical level.
- the technique for forming a copper wiring for a semiconductor is a known technique, but the principle of film formation by sputtering will be briefly described.
- the sputtering method forms a film on the substrate by utilizing the fact that the atoms constituting the target are released into the space by the exchange of momentum when the accelerated charged particles collide with the target surface and are deposited on the opposing substrate. is there.
- the sputtering target is usually a disk-shaped or rectangular plate, and serves as a sputtering source for forming electrodes, gates, elements, insulating films, protective films, etc. of various semiconductor devices on the substrate by sputtering.
- aluminum and aluminum alloy targets, copper and copper alloy targets, refractory metal and alloy targets, metal silicide targets, and the like are used as sputtering targets.
- one of the important ones at present is a copper and copper alloy target for forming a copper wiring that replaces the conventional aluminum wiring.
- protrusions having a size of several ⁇ m to several mm called nodules may be generated in the target erosion portion of sputtering. This causes a problem that particles (cluster-like coarse flying objects) are generated on the substrate due to the impact of charged particles during sputtering.
- the particles directly adhere to the thin film formed on the substrate, or once adhere to and deposit on the peripheral wall or component of the sputtering apparatus, and then peel off again.
- Particle generation is a major problem as the degree of integration and miniaturization of such electronic device circuits progresses.
- the cause of particle generation that has been recognized in the past has been elucidated and many of them have been solved, but there are still points that are not sufficient. Unless this is solved, high-quality film formation cannot be achieved.
- Patent Document 1 describes that the electrolytic solution is cleaned by solvent extraction.
- Patent Document 2 describes that Sb and Bi are removed with a chelate resin.
- Patent Document 3 describes that in copper electrolysis, a diaphragm and glue are added to smooth the electrolytic surface and reduce the uptake of impurities.
- Patent Document 4 describes that in copper electrolysis, anolyte is brought into contact with activated carbon to remove glue.
- Patent Document 5 describes performing re-electrolysis in copper electrolysis.
- Patent Document 6 describes that in copper electrolysis, the surface of an electrode is smoothed by periodic reverse current electrolysis to prevent entrainment of a suspension or electrolyte.
- Patent Document 7 discloses that in copper electrolysis, a polymer additive is added to improve surface properties, and a high-purity copper having a low silver and sulfur content is produced using an electrolyte containing urea. Is described.
- the three metallurgical properties of the target that affect the performance of the sputtering target are: material uniformity (no precipitates, voids, inclusions and other defects), crystal grain size (finer) Grain size is generally preferred over coarser grain size), and texture (texture is related to the strength of a particular crystallographic orientation; “weak” texture is substantially equivalent to crystallographic orientation.
- material uniformity no precipitates, voids, inclusions and other defects
- crystal grain size fin size
- texture texture is related to the strength of a particular crystallographic orientation; “weak” texture is substantially equivalent to crystallographic orientation.
- the target must have few defects such as inclusions in the target. It is described that it is said.
- Patent Document 9 discloses a titanium sputtering target, wherein a titanium target has 100 or less inclusions per 1 cm 2 of a target plane, which are present in a crystal grain boundary portion of titanium constituting the target. Further, inclusions present in the grain boundary portion of titanium are titanium, iron, nickel, chromium, aluminum, silicon, tungsten, molybdenum metal component oxide, nitride, carbide, sulfide, hydride It is described that the compound is a composite compound of one or more combinations and that the oxide is decomposed by heat treatment.
- Patent Document 10 and Patent Document 11 by setting the number of inclusions per unit area to 40 pieces / cm 2 or less and the maximum length of inclusions to 20 ⁇ m or less for all the aluminum and aluminum alloy targets. Splash can be reduced, and reducing inclusions in the sputtering target is particularly important for suppressing particles and splash generation, and reducing inclusions by filtering molten metal with a ceramic filter Is described.
- the oxygen content in the target is 100 ppm or less
- the carbon content is 150 ppm or less
- the nitrogen is 50 ppm or less
- the sulfur content is 200 ppm or less
- the indication number of flat bottom hole 0.5 mm diameter or more is 0.014 / cm 2 or less, and further dissolved by electron beam melting or vacuum induction skull melting.
- High purity copper having a target oxygen content of 100 ppm or less, a carbon content of 150 ppm or less, a nitrogen content of 50 ppm or less, and a sulfur content of 200 ppm or less, characterized by using a cast high purity copper or copper alloy ingot Or copper alloy sputtering machine Although a method for producing a get is described, inclusions large enough to be detected by ultrasonic flaw detection are not observed with the current high-purity copper target.
- Patent Document 13 oxygen, nitrogen, and carbon as gas components contained in a copper alloy sputtering target cause inclusion by forming inclusions at crystal grain boundaries, and in particular, sudden generation of particles during sputtering life. Therefore, it is desirable to reduce as much as possible. It is described that the inevitable impurities excluding gas components are 10 wtppm or less.
- Japanese Patent Laid-Open No. 11-106842 JP 2000-107596 A Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-297583 JP-A 64-55394 Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-152291 JP-A-64-8289 JP 2005-307343 A Publication 2004-513228 Japanese Unexamined Patent Publication No. H5-214519 Japanese Patent Laid-Open No. 9-25564 Japanese Patent Laid-Open No. 11-315373 JP 2000-239836 Republished WO2004 / 083482
- Non-metallic inclusions are also present in high purity copper targets such as 7N with a purity of 6N or higher.
- oxide-based nonmetallic inclusions such as alumina and magnesia have been considered harmful impurities. These should naturally be reduced, but it is clear that carbon-based inclusions rather than these oxide-based inclusions have a particularly adverse effect on the copper wiring process of semiconductor devices (especially 0.18 ⁇ m or less). It became. It enters as a particle in a film formed by sputtering a target containing these non-metallic inclusions.
- oxide inclusions are easy to remove by CMP (Chemical Mechanical Polishing) in the process of forming the wiring after film formation, but these carbon inclusions (especially graphite) are chemically stable. Therefore, it tends to remain without being removed, and once contained in the film, it becomes troublesome.
- CMP Chemical Mechanical Polishing
- membrane formed by sputtering occurred frequently, in the target structure
- As a result of analysis using a liquid particle counter about 60,000 non-metallic inclusions having a particle size of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less were detected.
- this high-purity copper target was electrolytically etched and the protruding inclusions appearing on the surface were analyzed by FIB-AES, it was found that about half of the inclusions were carbon inclusions.
- Such non-metallic inclusions or carbon or carbide carbon-based inclusions are measured with a “light scattering type automatic particle counter for liquid” (manufactured by Kyushu Lion Co., Ltd.).
- This measuring method is to select the particle size in the liquid and measure the particle concentration and the number of particles, and is also called “particle counter in liquid”, and is based on JIS B 9925 (hereinafter referred to as “the particle counter in liquid”).
- the particle counter in liquid This measurement is called “in-liquid particle counter”.
- This measurement method will be explained in detail. 5 g is sampled, slowly dissolved with 200 cc of acid so that inclusions do not dissolve, and further diluted with pure water to 500 cc, And measuring with the particle counter in liquid.
- the number of inclusions is 800 / cc
- a sample of 0.1 g is analyzed in 10 cc, so the number of inclusions is 8000 / g.
- the number of non-metallic inclusions or carbon or carbide carbon-based inclusions was measured with a liquid particle counter as described above. It will be readily understood that the use of is not particularly problematic.
- This carbon-based inclusion was thought to be mainly mixed from graphite used as a crucible when VIM or the like was melted in a vacuum, but the graphite crucible was made of a material having a higher density than before, or Even if it is oriented, and even if the crucible surface is coated with amorphous carbon, a sustained effect is not obtained, and on the contrary, many inclusions may suddenly be mixed.
- the present inventors have obtained the following knowledge. That is, by reducing the abundance of non-metallic inclusions having a particle size of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less present in high purity copper and high purity copper alloys as much as possible, by reducing carbon inclusions, The knowledge that the defective rate of the semiconductor device wiring formed by sputtering a pure copper alloy target can be reduced was obtained.
- the present invention is 1) a high-purity copper or high-purity copper alloy sputtering target having a purity of 6N or more and a P, S, O, or C content of 1 ppm or less, High-purity copper or high-purity copper alloy sputtering target characterized in that nonmetallic inclusions having a diameter of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less are 30,000 / g or less 2) Nonmetal having a particle diameter of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
- Inclusions comprising carbon or carbide having a particle size of 0.5 to 20 ⁇ m.
- the present invention also provides: 5) High purity with purity of 6N or more, content of each component of P, S, O, C is 1 ppm or less, and nonmetallic inclusions having a particle size of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less are 30,000 / g or less.
- this raw material is melted by a cold crucible melting method or a vacuum arc remelting method, and the purity is 6N or more, the carbon content is 1 ppm or less, and the particle size is 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
- Method for producing high-purity copper alloy sputtering target 9 The high purity according to any one of 5) to 8) above, wherein the proportion of carbon or carbide in the non-metallic inclusions is 50% or less.
- a method for producing a copper or high purity copper alloy sputtering target is provided.
- the present invention also provides: 10) High-purity copper or high-purity copper alloy sputtered film characterized in that the number of particles of carbon or carbide having a particle diameter of 0.05 ⁇ m or more is 10 particles / in 2 or less 11) Carbon having a particle diameter of 0.05 ⁇ m or more or The high-purity copper or high-purity copper alloy sputtered film according to 10), wherein the number of carbide particles is 5 / square inch or less, 12) Provided is a semiconductor device having the high-purity copper or high-purity copper alloy sputtered film according to 10) or 11) as a copper wiring.
- P, S, O, and C are particularly problematic as impurities that cause inclusions. Since these elements have extremely low solubility in copper, most of them are inclusions in copper. In particular, in purifying copper of the present invention, it is a taboo to add organic additives such as glue and polymer that have been conventionally used for smoothing and the like. This is because these additions increase the presence of P, S, O, and C. In addition, a sulfuric acid electrolyte solution that causes contamination of non-metallic inclusions, particularly S, was not used, but a nitric acid or hydrochloric acid electrolyte solution was used. However, even in this way, a large amount of impurities P, S, O, and C was observed. Therefore, it is necessary to determine the cause of the increase in impurities in addition to the electrolyte solution itself.
- the impurity is an organic substance
- electrolytic copper containing a high concentration of several ppm or more of organic substance is dissolved by high-frequency dissolution to further increase the purity
- carbon formed by decomposition of the organic substance in the dissolved copper (C) will be mixed as it is or as a carbide. From the above, it is important not to add any additives to the electrolyte.
- the cathode and anode are separated by a diaphragm, and immediately before supplying the electrolyte to the cathode, an activated carbon filter is passed to remove organic substances and suspended solids. It was necessary to do this, and this proved to be effective in reducing inclusions.
- the impurities include SiO 2 , C, Al 2 O 3 , CuP, CuS, and CuO.
- CuP, CuS, and CuO are copper compounds that hardly dissolve in Cu, and C-based solids (graphite and carbides). ), SiO 2 , Al 2 O 3 exist as dust, and these exist as solids in the copper structure.
- the term “non-metallic inclusion” means a solid substance present in the copper structure. And once these are included, they cannot be removed sufficiently by the dissolution process. Among these, carbon or a carbide containing carbon as a component is particularly harmful as described above. These are extremely difficult to remove once entering the semiconductor manufacturing process. These impurities cause defects in the semiconductor device, and become a larger problem with miniaturization.
- a partition wall is provided between the cathode and the anode, and the electrolytic solution extracted from the electrolytic cell (anode box) on the anode side or the additional electrolytic solution is supplied to the electrolytic cell on the cathode side (
- the above is an electrolytic production process for producing high-purity copper, but this makes it possible to obtain the high-purity copper of the present invention for the first time.
- a commercially available high-purity copper material having a level of 5N or less can be used.
- this starting material there are several metal components other than Cu, non-metal components (SiO 2 , Al 2 O 3 etc.), P, S, O, C and their compounds (CuP, CuS, CuO etc.). Contains from ppm to several thousand ppm.
- the high-purity copper of the present invention is made from these starting materials, and this is further made into high-purity copper having a purity of 6N or more, and the contents of each component of P, S, O, and C are respectively It is desirable that nonmetallic inclusions having a particle size of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less contained in the copper be 1 000 ppm / g or less. More preferably, it is 5,000 / g or less.
- Components of P, S, O, and C are all impurities in copper, and these form phosphides, sulfides, carbides, and oxides that do not form a solid solution in copper. There is a risk of forming an object. Therefore, setting these to 1 ppm or less makes it possible to reduce these non-metallic inclusions and improve the properties of high purity copper.
- a target is produced using the high purity copper produced in this way.
- the nonmetallic inclusions having a particle size of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less contained in the high purity copper or high purity copper alloy sputtering target are set to 30,000 / g or less.
- the amount of non-metallic inclusions in the high-purity copper or high-purity copper alloy used as a raw material exceeds 10,000 / g, the non-metallic inclusions are present in the target so as to cause a problem.
- the target is eroded, it becomes a projection-like foreign substance, and abnormal discharge easily occurs in the projection-like foreign substance. This causes generation of particles during sputtering.
- the numerical value of 30,000 / g or less of non-metallic inclusions having a particle size of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less is never a large amount. This is a numerical value that cannot be achieved simply by reducing the content of impurities constituting non-metallic inclusions to 1 ppm or less. More preferably, the number of nonmetallic inclusions having a particle size of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less is 15,000 pieces / g or less.
- the number of nonmetallic inclusions containing carbon or carbide having a particle size of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less is preferably 15,000 pieces / g or less. More preferably, it is 10,000 pieces / g or less, further preferably 5,000 pieces / g or less, and it is desirable that it is 50% or less of the whole nonmetallic inclusions. Since this carbon or carbide is often contaminated by organic substances as described above, the use of organic substances in electrolytic refining must be avoided.
- a sputtering target of a high-purity copper alloy can be manufactured by using the high-purity copper as a basic material and additionally adding an alloy element.
- alloy elements there are no particular restrictions on the alloy elements, but as sputtering targets, for example, commonly added elements such as Al, Ag, B, Cr, Ge, Mg, Mn, Nd, Si, Sn, Ti, and Zr are used as high purity copper. Can be used by containing 10% or less of one or more of them.
- the high purity copper or high purity copper alloy used for the production of the sputtering target of the present invention As a raw material of the high purity copper or high purity copper alloy used for the production of the sputtering target of the present invention, a commercially available high purity copper material and the above alloy component materials can be used, but this raw material itself is an electronic device or the like. It is necessary to reduce as much as possible the content of impurities such as radioactive elements, alkali metals, transition metals, and heavy metals that adversely affect the environment.
- radioactive elements such as U and Th that are impurities affect the MOS effect of radiation
- alkali metals such as Na and K
- alkaline earth metals degrade MOS interface characteristics
- transitions such as Fe, Ni, and Co
- the metal or heavy metal causes generation of interface states and junction leakage, which may cause contamination of the semiconductor device through the copper film.
- the total amount of alkali metals and alkaline earth metals is 5 ppm or less
- the total amount of radioactive elements is 1 ppb or less
- the total amount of heavy metals and light metals contained as impurities other than alloy elements is 10 ppm or less.
- the target is usually made by melting and casting the raw material, and then applying plastic processing such as forging and rolling and heat treatment to make the cast material suitable for crystal structure, grain size, etc. It can be produced by finishing to dimensions.
- quality such as crystal orientation of the target can be adjusted by appropriately combining plastic working such as forging and rolling and heat treatment.
- Inclusions in copper and copper alloys are mainly oxides, nitrides, carbides and sulfides, and are generated in the course of melting and casting of raw materials. For this reason, melting and casting are performed in a non-oxidizing atmosphere, preferably in a vacuum in order to efficiently remove the inclusion sources of oxygen, nitrogen and sulfur.
- a melting method in order to avoid carbon and oxygen contamination from the graphite crucible used in conventional high-frequency melting, electron beam melting using a water-cooled copper crucible or vacuum induction skull melting and use of a water-cooled copper mold are suitable. Yes.
- the vacuum arc remelting method it is preferable to use high-purity copper as an electrode, and it is more preferable to use high-purity copper with few inclusions equivalent to the melting raw material.
- the cold crucible melting method it is also effective to add an arc melting function using high-purity copper as an electrode to assist melting.
- an additive element for forming an alloy is added at this melting stage to obtain a target copper alloy.
- the thin film reflects that the impurities and inclusions in the target are reduced, and an equivalent impurity and inclusion level thin film is formed. can get.
- the target material is high-purity copper with a purity of 6N or more, and the contents of each component of P, S, O, and C are each 1 ppm or less, and non-metallic inclusions with a particle size of 0.5 ⁇ m to 20 ⁇ m contained in the copper It is desirable to use high-purity copper having a product of 10,000 pieces / g or less.
- 4N—Cu was used as a raw material anode, and electrolytic purification was performed with a nitric acid-based electrolyte.
- the cathode and the anode were separated by a diaphragm, the Cu ion-containing electrolyte eluted from the anode was extracted, and electrolysis was performed by passing it through an activated carbon filter immediately before putting it into the cathode box.
- electrolysis was performed by passing it through an activated carbon filter immediately before putting it into the cathode box.
- the obtained electrodeposited copper was measured with a particle counter in liquid, 8,000 non-metallic inclusions having a particle diameter of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less were detected.
- all of P, S, O, and C contained in electrodeposited copper were 1 ppm or less.
- the purity of 6N or more is high purity copper
- the content of each component of P, S, O, C is 1 ppm or less
- the particle size contained in the copper is 0.5 ⁇ m or more
- High-purity copper having 10,000 / g or less non-metallic inclusions of 20 ⁇ m or less can be produced.
- the filter is a normal polypropylene filter (filtration accuracy: 0.5 ⁇ m)
- the Cu ion-containing electrolyte eluted from the anode is extracted without using the filter and placed in the cathode box.
- Example 1 The above raw material, in which organic inclusions are further reduced by electrolytic process of pure 6N electrolytic copper, that is, high purity copper having a purity of 6N or more, and the content of each component of P, S, O, and C is 1 ppm each.
- the following was used, and high-purity copper having 8,000 / g non-metallic inclusions having a particle size of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less measured with a particle counter in liquid was used.
- 50 kg of this raw material was cold-crucible melted into an ingot, subjected to homogenization heat treatment, and a sputtering target was manufactured through forging, rolling, and heat treatment steps.
- a well-known method can be used for the process of the homogenization heat processing of a target, forging, rolling, and heat processing.
- the number of nonmetallic inclusions having a particle size of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less was 20,000 / g.
- the number of particles having a particle size of 0.05 ⁇ m or more was 17 particles / square inch.
- the number of carbon-based particles having a particle size of 0.05 ⁇ m or more was as small as 10 particles / square inch, and a good sputtered film could be obtained.
- Example 2 50 kg of the same raw material as in Example 1 was melted by combining cold-crucible melting and vacuum induction melting to obtain an ingot, and homogenized heat treatment was performed in the same manner, and a sputtering target was manufactured through the steps of forging, rolling, and heat treatment.
- this target was measured with a particle counter in liquid, the number of non-metallic inclusions having a particle size of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less was 10,000 pieces / g.
- the protruding inclusions appearing on the surface after electrolytic etching were analyzed by FIB-AES, 30% were carbon-based (including carbon and carbide) inclusions as the main component. That is, the number of carbon inclusions having a particle size of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less was 3000 pieces / g.
- the number of particles having a particle size of 0.05 ⁇ m or more was 8 / square inch.
- carbon particles having a particle diameter of 0.05 ⁇ m or more were as small as 4 particles / square inch, and a good sputtered film could be obtained.
- Example 1 50 kg of the same raw material as in Example 1 is melted by vacuum induction melting using a high-purity, high-density graphite crucible to form an ingot, and in the same manner as in Example, homogenized heat treatment is performed, followed by forging, rolling, and heat treatment steps to obtain a sputtering target. Manufactured.
- the number of nonmetallic inclusions having a particle size of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less was as large as 40,000 pieces / g.
- FIB-AES 80% were inclusions whose main component was carbon.
- the number of carbon inclusions having a particle size of 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less was 30,000 / g or more.
- the number of particles having a particle size of 0.05 ⁇ m or more was 80 / square inch.
- the number of carbon-based particles of 0.05 ⁇ m or more was 60 particles / square inch.
- By controlling the amount it is possible to suppress the generation of particles when sputtering high-purity copper or a high-purity copper target, and it has an excellent effect of reducing the defect rate of semiconductor device wiring. Therefore, high purity copper and copper alloy targets suitable for the formation of copper wiring and the like that can prevent problems such as short circuit and disconnection in a situation where LSI semiconductor devices are highly integrated and the wiring width is reduced to 0.25 ⁇ m or less. Useful for.
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Abstract
Description
このため、高純度銅又は高純度銅合金ターゲット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。
しかし、従来認識されていたパーティクルの発生原因が解明され、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、高品質の成膜ができ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は、このような高度の技術レベルにあると言える。
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、高品質の成膜を達成することができない。
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。
純度6Nあるいはそれ以上の7Nなどの高純度銅ターゲットにおいても非金属介在物が存在する。一般に、アルミナやマグネシアなどの酸化物系の非金属介在物が、害のある不純物と考えられていた。これらは当然低減すべきものであるが、これらの酸化物系介在物よりもむしろ炭素系介在物が、半導体素子の(特に、0.18μm以下の)銅配線プロセスにおいて、特に悪影響を及ぼすことが明らかとなった。これらの非金属介在物を含むターゲットをスパッタリングして形成した膜中にパーティクルとして入り込む。
しかしながら、炭素系介在物(特にグラファイト)は、上記酸化物系介在物とは異なり、悪影響を及ぼす可能性が高い。その理由は、例えばグラファイトがスパッタリングで形成した膜中にパーティクルとして入り込んだとき、電気抵抗が低いので、このパーティクルを含む配線部分を検出することが困難であり、欠陥として認識することができないためと考えられる。したがって、従来はこの炭素系介在物(特にグラファイト)を事前に取り除くという方策をとることがなかった。
また、酸化物系介在物は成膜後の配線を形成する工程で、CMP(ケミカルメカニカルポリシング)により除去することは容易であるが、この炭素系介在物(特にグラファイト)は化学的に安定であるため除去されずに残り易く、一旦膜中に含まれると厄介な存在となる。
さらに、この高純度銅ターゲットを電解エッチングし、表面に現れる突起状の介在物をFIB-AESで分析したところ、およそ半数は炭素系介在物であることが明らかとなったのである。
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のサンプルが分析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、同様の個数の分析が可能であれば、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。
以上から、有害なP、S、C、O系介在物を低減させた高純度銅及び高純度銅合金を原料として使用し、この原料中の非金属介在物の存在形態を制御すると共に、特に炭素系介在物を減少させ、高純度銅又は高純度銅合金ターゲット自体の純度と組織を向上させることにより、スパッタリング成膜時の半導体デバイス配線の不良率を再現性よく低減することを課題とするものである。
1)純度6N以上、P、S、O、Cの各成分の含有量がそれぞれ1ppm以下である高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲットであって、粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物が30,000個/g以下であることを特徴とする高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲット
2)粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物が15,000個/g以下であることを特徴とする上記1)記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲット
3)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15,000個/g以下であることを特徴とする上記1)記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲット。
4)前記非金属介在物に占める炭素又は炭化物の割合が50%以下であることを特徴とする上記1)~3)のいずれかに記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲット、を提供する。
5)純度が6N以上、P、S、O、Cの各成分の含有量がそれぞれ1ppm以下、粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物が30,000個/g以下である高純度銅又は高純度銅合金の原料を用い、この原料をコールドクルーシブル溶解法又は真空アーク再溶解法により溶解して、純度6N以上、炭素の含有量1ppm以下、粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物を30,000個/g以下とすることを特徴とする高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲットの製造方法
6)上記5)の高純度銅原料を用い、この原料に合金成分を加えて、コールドクルーシブル溶解法又は真空アーク再溶解法により溶解して、純度6N以上、炭素の含有量1ppm以下、粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物を30,000個/g以下とすることを特徴とする高純度銅合金スパッタリングターゲットの製造方法。
7)粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物を15,000個/g以下とすることを特徴とする上記5)又は6)記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲットの製造方法
8)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15,000個/g以下とすることを特徴とする上記5)~7)のいずれかに記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲットの製造方法
9)前記非金属介在物に占める炭素又は炭化物の割合が50%以下であることを特徴とする上記5)~8)のいずれか一項に記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲットの製造方法、を提供する。
10)粒径0.05μm以上の炭素又は炭化物のパーティクル数が10個/平方インチ以下であることを特徴とする高純度銅又は高純度銅合金スパッタ膜
11)粒径0.05μm以上の炭素又は炭化物のパーティクル数が5個/平方インチ以下であることを特徴とする上記10)記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタ膜、
12)上記10)または11)記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタ膜を、銅配線としてもつ半導体デバイス、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、特に有害であるのは上記に述べた通りである。これらは、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、このような電解精製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20μm以下の非金属介在物を10,000個/g以下とすることが望ましい。より好ましくは5,000個/g以下である。
このようにして製造した高純度銅を用いてターゲットを作製する。
本願発明は高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲットに含有する粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物を30,000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、原料となる高純度銅又は高純度銅合金中の非金属介在物が10,000個/gを超えると、ターゲット中にこの非金属介在物が問題になるほど多く存在することとなり、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。
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含有する非金属介在物を15,000個/g以下とすることが望ましいと言える。より好ましくは10,000個/g以下、さらに好ましくは5,000個/g以下とし、非金属介在物全体の50%以下であることが望ましい。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、電解精製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。
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う。
真空アーク再溶解法では、高純度銅を電極とすることが好ましく、溶解原料と同等の介在物の少ない高純度銅を使用することがさらに好ましい。また、コールドクルーシブル溶解法では、溶解を補助するために高純度銅を電極とするアーク溶解機能を付加することも有効である。
銅合金ターゲットとする場合は、合金とするための添加元素を、この溶解の段階で添加し目的の銅合金とする。
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薄膜が得られる。
ターゲット原料については、純度が6N以上の高純度銅で、P、S、O、Cの各成分の含有量がそれぞれ1ppm以下、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以下である高純度銅を使用することが望ましい。
この高純度銅を製造するために、4N-Cuを原料アノードとし、硝酸系電解液で電解精製を行なった。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。
得られた電析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が8,000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。
なお、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)で行なった場合、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場合、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場合においては、いずれも、目的とする原料の純度を達成することができなかった。この意味で、原料の調整においても、高純度銅を製造することが必要である。
純度6N電解銅をさらに電解プロセスにて有機系介在物を低減させた上記の原料、すなわち、純度が6N以上の高純度銅で、P、S、O、Cの各成分の含有量がそれぞれ1ppm以下であり、液中パーティクルカウンターで測定した粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物が8,000個/gである高純度銅を使用した。
この原料50kgをコールドクルーシブル溶解してインゴットとし、均質化熱処理し、鍛造、圧延、熱処理の工程を経てスパッタリングターゲットを製造した。ターゲットの均質化熱処理、鍛造、圧延、熱処理の工程は、周知の方法を使用することができる。
すなわち粒径0.5μm以上20μm以下の炭素系介在物は8000個/gであった。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であった。この内、粒径0.05μm以上の炭素系パーティクルは10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。
実施例1と同じ原料50kgを、コールドクルーシブル溶解に真空誘導溶解を組み合わせて溶解してインゴットとし、同様に均質化熱処理し、鍛造、圧延、熱処理の工程を経てスパッタリング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10,000個/gであった。
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8個/平方inchであった。この内、粒径0.05μm以上の炭素系パーティクルは4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。
実施例1と同じ原料50kgを、高純度、高密度グラファイトるつぼを用いて真空誘導溶解で溶解しインゴットとし、実施例と同様に、均質化熱処理し、鍛造、圧延、熱処理の工程を経てスパッタリングターゲットを製造した。粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物は40,000個/gと多かった。
これ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80%が、主成分が炭素からなる介在物であった。すなわち、粒径0.5μm以上20μm以下の炭素系介在物は30,000個/g以上であった。
このターゲットを使ってスパッタリングにより300mmウエハ上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80個/平方Inchであった。また、これらをFIB-AESで分析したところ0.05μm以上の炭素系パーティクルは60個/平方inchであった。
したがって、LSI半導体デバイスが高集積度化し配線幅が0.25μm以下と微細化している状況下において、短絡や断線等の問題を防止できる銅配線等の形成に好適な高純度銅及び銅合金ターゲットに有用である。
Claims (12)
- 純度6N以上、P、S、O、Cの各成分の含有量がそれぞれ1ppm以下である高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲットであって、粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物が30,000個/g以下であることを特徴とする高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲット。
- 粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物が15,000個/g以下であることを特徴とする請求項1記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲット。
- 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15,000個/g以下であることを特徴とする請求項1記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲット。
- 前記非金属介在物に占める炭素又は炭化物の割合が50%以下であることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲット。
- 純度が6N以上、P、S、O、Cの各成分の含有量がそれぞれ1ppm以下、粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物が30,000個/g以下である高純度銅原料を用い、この原料をコールドクルーシブル溶解法又は真空アーク再溶解法により溶解して、純度6N以上、炭素の含有量1ppm以下、粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物を30,000個/g以下とすることを特徴とする高純度銅スパッタリングターゲットの製造方法。
- 請求項5の高純度銅原料を用い、この原料に合金成分を加えて、コールドクルーシブル溶解法又は真空アーク再溶解法により溶解して、純度6N以上、炭素の含有量1ppm以下、粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物を30,000個/g以下とすることを特徴とする高純度銅合金スパッタリングターゲットの製造方法。
- 粒径0.5μm以上20μm以下の非金属介在物を15,000個/g以下とすることを特徴とする請求項5又は6記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲットの製造方法。
- 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15,000個/g以下とすることを特徴とする請求項5~7のいずれか一項に記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲットの製造方法。
- 前記非金属介在物に占める炭素又は炭化物の割合が50%以下であることを特徴とする請求項5~8のいずれか一項に記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタリングターゲットの製造方法。
- 粒径0.05μm以上の炭素又は炭化物のパーティクル数が10個/平方インチ以下であることを特徴とする高純度銅又は高純度銅合金スパッタ膜。
- 粒径0.05μm以上の炭素又は炭化物のパーティクル数が5個/平方インチ以下であることを特徴とする請求項10記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタ膜。
- 請求項10または請求項11記載の高純度銅又は高純度銅合金スパッタ膜を、銅配線としてもつ半導体デバイス。
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