Cu 合金スパッタリングターゲットの開発
高澤悟＊1・中台保夫＊2・新田純一＊2・石橋暁＊1・清田淳也＊1Development of Cu alloy Sputtering Target＊1

Satoru TAKASAWA ・Yasuo NAKADAI＊2・Junichi NITTA＊2・Satoru ISHIBASHI＊1・Junya KIYOTA＊1＊1

Institute for Super Materials, ULVAC, 10-2 Misawa, Tomisato, Chiba, 286-0225, Japan＊2
Materials Division, ULVAC, 10-1 Misawa, Tomisato, Chiba, 286-0225, Japan

We have developed Cu alloy films with good adhesion to glass and resin substrates. For flat panel display (FPD)
applications, particularly wiring material of the next generation high definition TV, high thermal resistance is required.
Compared with Cu/Ti and Cu/Mo films commonly used as thin film transistor (TFT) wiring metal, our newly developed Cu
alloy exhibits higher thermal resistance characteristics. In addition, for printed circuit board (PCB) applications, new Cu
alloy film contributes to cost reduction by simplifying etching process comparing with Cu/Ti film as general wiring material.

1．はじめにCu-Mg-Al ターゲットを用いた Cu 配線プロセスは下地ガラスとの良好な密着特性を有する 5）．今後，FPD 分

近年，FPD 分野における TV 向けのディスプレイで野においては，4K・8K に向け配線のさらなる低抵抗化は，画面の大型化とともにハイビジョンを超える高精細のため Cu 層の厚膜化が必須となる．Cu 厚膜化は成膜化の方向で開発が進められている ．現在は Full HD の時間の増加に伴い基板温度の上昇が懸念される．そこで画素数（1920×1080）に対して 4 倍（3840×2160）とな

今回，4K・8K 用低抵抗配線に向けた Cu-Mg-Al 合金プる『4K Panel』が主流になりつつあり，さらに今後はロセスの検討を行った．

1）

16 倍（7680×4320 画素）の『8K Panel』への対応が進

また一方，高密度実装分野においては，Cu 合金膜にむと予測される．8K は究極の 2 次元映像システムであ要求される特性は下地ガラスエポキシ樹脂への高い密着り，これまでにない実物感やあたかもその場にいるかの性が求められる．さらに Wet エッチング特性として Cuような臨場感・没入感を体験することができるという ．

系薬液に可溶であればシード層の一括エッチングが可能

一方，電子機器の実装分野においては，近年スマートとなり工程削減によるコストダウンが期待される．今フォンやタブレット PC 等のモバイル情報端末の急速な回，材料検討の結果，樹脂への良好な密着特性を示し，

2）

普及とともに，これら電子機器の小型化・高機能化の進Cu 系 Wet エッチング液にも可溶な Cu-Al-X 系合金を開展は著しく半導体チップの高密度実装技術への要求が高発した．

まっている．これに対応しチップを実装するパッケージ

2．高精細 TV 向け TFT 配線に要求される特性基板であるプリント配線板 PCB（Print Circuit Board）の高密度化・薄型化ニーズが高まっている ．
3）

一般的に低抵抗配線材料として用いられている Cu 膜

Figure 1 より従来の FullHD では Gate 配線幅は約40 μm 幅 と な る が よ り 高 精 細 の 4K に な る と 約 10〜は密着層として Ti や Mo 等の高融点金属材料との積層構造で用いられる．これは Pure Cu の問題点として下20 μm の狭幅化となり，デバイス設計として TFT 配線

地 Glass や樹脂基板に対して密着特性が乏しいためであ幅は微細化される．配線の微細化は配線抵抗の上昇となる．しかし，Ti は Cu/Ti 積層膜の一括 Wet エッチングり信号遅延へ影響する．その対策として低抵抗材料へのが困難であるという問題が，Mo は Cu/Mo 積層膜にお変更や配線膜の厚膜化により対応している．高精細 TV

いてガルバニック腐食によるエッチング不良を及ぼす問向け Gate 配線膜に要求される特性を以下に示す．

題があり，それぞれ後工程のエッチングで対策が必要と低抵抗なりコストアップの一因となっている．

下地 Glass および酸化物層との密着性

著者らは，下地との界面に Cu 合金酸化層を酸素混合耐熱性スパッタリングにて形成することにより，良好な密着特・Cu 厚膜化による成膜中の基板温度上昇性及びバリア特性が得られることを報告してきた 4）．

・後工程における熱負荷
その他＊1（株）アルバック美沢 10-2）＊2（株）アルバック里市美沢 10-1）

超材料研究所（〒 286-0225

千葉県富里市マテリアル事業部（〒 286-0225

・Wet Etching 特性
・ITO との電気的コンタクト特性

千葉県富・表面平坦性（ヒロック耐性）
5Figure 1

2.1

Figure 2

Cross section TEM-EDX of Cu/Cu-Mg-Al/glass.

Figure 3

EDX Profile of Cu/Cu-Mg-Al/glass.

Figure 4

Sheet resistance after vacuum annealing (Cu/Ti,Cu/Mo, Cu/Cu-Mg-Al).

Planar image of TFT wiring of Full HD and 4K.

低抵抗

ディスプレイの大型化とともに TFT 配線は Al 系配線（比抵抗：3〜5 μΩcm）に替わりより低抵抗な Cu 配線（2 μΩcm）が主流となっている．Cu 配線の密着層は一般的に Ti，Mo，Mo 合金が用いられ，Pure Cu 層 / 密着層 /Glass の積層構造となる．高精細 TV の場合，Cu層の膜厚を約 2 倍厚くすることにより低抵抗化へ対応している．
2.2

下地 Glass および酸化物層との密着性

Cu-Mg-Al 合金は下地 Glass や酸化物層の酸素含有下地基板に対して良好な密着性を有する．Figure 2 に Cu/Cu-Mg-Al/Glass の as depo. 膜 に お け る 断 面 TEM-EDX像 を 示 す．Figure 3 に 同 サ ン プ ル の EDX Proﬁle を 示す．これらより，Cu-Mg-Al 合金膜と Glass 界面に Mgと Al の析出が認められる．これは合金添加物の Mg やAl が膜界面に析出し，下地基板の酸素と反応した酸化物層が形成していると考えられる．下地 Glass 等の酸素含有下地基板は共有結合で構成された物質のため，結合相性により密着特性が向上したと考察している．
2.3

耐熱性

低抵抗配線のための Cu 膜の厚膜化は，膜厚に伴い熱負荷は増大する．スパッタリング成膜において，基板には輻射熱や潜熱による熱負荷の影響を受けるため，Cu成膜過程における耐熱性が要求される．

挙動，表面形状の比較を行った．Figure 4 に各種積層膜

また，最近では大画面，高精細ディスプレイ駆動を視の真空アニール（1 Pa，350〜500℃，30 min.）処理後の野に，バックプレーン技術として高移動度半導体等の開抵抗結果を示す．Cu/Ti において 400℃以上で as depo.

発が進められている．近年注目されている酸化物系半導よりも抵抗上昇し，Cu/Mo，Cu/Cu-Mg-Al は 500℃ア

体では，高移動度化，安定性のため高温アニール処理がニールにおいても抵抗劣化は示していない．これは Cu必要な技術である 6）．また，Si 系半導体では部分的に結と Ti は熱負荷で金属間化合物を形成する材料 8）である晶化を目的とした局所レーザーアニール技術の開発が進ことから，Cu 膜中へ Ti が拡散したと考察している．

められている ．次世代技術において TFT 配線形成後

Figure 5 に各種積層膜の真空アニール後（500℃）に7）おける AFM 像を示す．また，Table 1 に as depo. と真の工程における耐熱性が必要となる．
耐熱性評価のため Cu/Cu-Mg-Al 積層膜，Cu/Ti 積層空アニール後（350℃，500℃）における Ra 値，P-V 値

膜，Cu/Mo 積層膜において，真空アニール前後の抵抗を示す．Cu/Ti はアニール後の AFM 像の表面荒れと Ra
6

Figure 5

AFM Image after 500℃ anneal (Cu/Ti, Cu/Mo, Cu/Cu-Mg-Al).

Table 1Ra and P-V of AFM Data.

は，スパッタ法によるシード層の Cu/Ti 成膜と電解めっきによる Cu 埋め込み工程が不可欠となる．無電解めっき法の場合，めっき前に薬液で下地樹脂の表面粗度を大きくし，アンカー効果により密着性を確保している．
しかし，高密度による微細配線において，高表面粗度により配線の剥離・信号伝送の損失・ビアホール内でのめっき不良が懸念される．一方，スパッタ法の場合，樹脂基板とシード Cu 膜の間に密着層となる金属材料（一般的に Ti）を成膜することで，表面粗度が小さい樹脂基板においても密着特性に優れる 9，10）．

値の増大より，Ti の Cu への拡散による影響が確認できる．Cu/Mo は抵抗劣化無い結果から相互拡散は認めらIC チップの高密度実装には，チップとメイン基板のれないが，AFM 像と P-V 値の増大よりクラックが確認

配線を接続するための中継基板であるインターポーザされた．これは Cu と Mo の熱膨張係数の差が Ti や Cu-（パッケージ基板）が必要となる．Figure 6 にインターMg-Al と比較して大きいためと推測される．Cu-Mg-Al

ポーザの構造と作製工程を示す．インターポーザはコア

は Ti や Mo と比較して，アニールによる表面形状の影基板（銅箔付きガラスエポキシ基板）の両面に，配線の響は小さく，高温での耐熱性が優れていると示唆され絶縁層である樹脂材料（ビルドアップ材）と Cu 配線をる．

交互に 4〜6 層積層することで製作される．本プロセス
を Semi Additive Process（SAP）と呼ぶ．シード層成膜

3．高密度実装向けシード層に要求される特性（スパッタ）→フォトレジストによる配線パターニング→Cu 電解めっき→レジスト除去→不要部分のシード層

従来の PCB 向けシード Cu は無電解めっき法が用いエッチングの順で配線形成するプロセスである．高密度られてきた．最近の高密度化トレンドへの対応のために実装向けシード層かつ密着層に要求される特性を以下にFigure 6

Semi Additive Process Flow for PCB Interposer.

7示す．
下地ガラスエポキシ樹脂との密着性
Wet エッチング特性3.1

下地ガラスエポキシ樹脂との密着性

ガラスエポキシ樹脂は Glass Filler にエポキシ樹脂を染み込ませた材料である．絶縁性，難燃性，寸法安定性，材料強度に優れる特長を有する．今回著者らが検討したガラスエポキシ樹脂膜は Ajinomoto Build-up Film を用いた．Cu 合金の添加元素として，ガラスおよび樹脂に対する密着性向上を目的に Al と X 元素を選択した．
評価手順を以下に示す．
基板前加熱（130℃，30 min.）→ Ion gun 処理（熱酸化膜換算 3 nm Etching）→スパッタリング（Cu/Ti，Cu/Cu-Al-X 合金）

Figure 7

Peel strength of Cu/Ti and Cu/Cu-Al-X.

Table 2

Wet Etching Rate of Cu-Al-X and E-plated Cu.

→Cu 電解めっき（30 μm）→After Anneal（180 ℃，30 min.，1 hr.Air）→Peel 測定（1）→After HAST
（130℃，85％，100 hr.）→Peel 測定（2）4．まとめ後工程を想定した After anneal 処理および耐環境試験の加速試験とて HAST 処理を実施した．Figure 7 より
Cu/Cu-Al-X 合金は 180℃アニール後および HAST 後に

高精細 TV 向け配線および電子部品向け高密度実装配おいても Cu/Ti と同等以上の高い Peel 強度を得た．

線として新しい Cu 合金ターゲットを開発した．高精細TV 向けでは，将来的にデバイスの技術革新にも対応で3.2

Wet エッチング特性きる高い耐熱性かつ低抵抗を有する配線プロセスとしてCu/Ti プロセスの場合，Cu と Ti の 2 液エッチングに期待できる．また，高密度実装向けでは今後の応用デバより対応している．一般的に Ti エッチング液は H2O2＋イスの拡大に対し，低コスト化への配線プロセスとして無アルカリ薬液が使用されているが，液安定性が低い問貢献できる．

題があるため，薬液寿命が短いおよび廃液処理の頻度が高いことによる生産コストのアップが懸念される．そこ

文

献でエッチング浴の長寿命化のため，より安定性を高めた

1）別井圭一ら；「情報ディスプレイ技術の研究動向」
情報映像メディア学会誌 Vol.71，2（2017）223

薬液の開発も進められている 11）．

2）鹿 喰 善 明；
「スーパーハイビジョンの研究開発」

一方，Cu/Cu 合金プロセスの場合，Cu 系の 1 液エッNHK 技研 R&D，137（2013）4チングでの対応が可能となり，工程削減および生産コストの低下を期待できる．ただし，上述した通り SAP で

3）中村吉宏ら；「半導体実装基板の歩みと今後の技術の Wet エッチング工程では Cu めっきが露出した状態で動向」日立化成テクニカルレポート，No.55（2013）

不要なシード層を除去するため，シード層と Cu めっき25のエッチング選択比が求められる．

4）S. Takasawa, et al.; Lower Resistivity Wiring Process

今回，エッチング液としては H2O2 系薬液を使用し，for TFT Source/Drain Electrodes by Oxygen-mixture

Cu-Al-X 合金単膜と Cu めっき膜のエッチング速度を比Sputtering of Cu-Ca Alloy SID2009, P-59（2009）較した．Table 2 より，Cu-Al-X 合金の方が Cu めっき膜

5）白井雅紀ら；「TFT 向け Cu 配線プロセス−新 Cuより高いエッチング速度が得られた．本結果より，Cu-合 金 に よ り 水 素 プ ラ ズ マ 耐 性 が 改 善 」ULVAC

Al-X 合金をシード層兼密着層として用いた SAP への対

TECHNICAL JOURNAL, No.71（2009）24

応が期待できる．

6）J. Kim, et al.;

NBIS-Stable Oxide Thin-Film

Transmistors Using Ultra-Wide bandgap Amorphous
Oxide Semiconductor SID 2016 Dig., 69-4（2016）951
7）S. Utsugi, et al.; Novel LTPS Technology for Large
8

Substrate SID 2016 Dig., 67-1（2016）91510）Tetsushi Fujinaga; Advanced Seed Layer of Cu

8）吉武道子ら；「Cu 膜 /Ti 基板における薄膜中の拡散

Wiring for Printed Circuit Board with Sputtering
Method IEEE 65th ECTC（2015）352

挙動」日本金属学会誌，Vol.55，No.7（1991）
773
9）眞瀬江里子ら；「プリント基板製造用スパッタリン11）関高宏；「ファインパターンに対応したプリント配グ 装 置 SMV-500F」
ULVAC TECHNICAL JOURNAL,

線板用表面処理液の概況」表面技術，Vol.68，No.9

No.77（2013）
1（2017）5039