(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金成分としてアルミニウム、炭素及びマグネシウムを含み、炭素及びマグネシウムの含有量が、炭素の原子百分率をＹａｔ％、マグネシウムの原子百分率をＸａｔ％として、式
Ｘ＝０．６１
Ｘ＝８
Ｙ＝２
Ｙ＝−０．１３Ｘ＋１．３
の各式により囲まれた範囲に含まれる量であり、残部がアルミニウム及び不可避の不純物からなることを特徴とする配線用アルミニウム合金薄膜。
【請求項２】
ターゲット材を構成する成分がアルミニウム、炭素、マグネシウム及び不可避の不純物であり、炭素及びマグネシウムの量が、炭素の原子百分率をＹａｔ％、マグネシウムの原子百分率をＸａｔ％として、式
Ｘ＝０．６１
Ｘ＝８
Ｙ＝２
Ｙ＝−０．１３Ｘ＋１．３
の各式により囲まれた範囲に含まれる量であり、残部がアルミニウム及び不可避の不純物からなることを特徴とする配線用アルミニウム合金薄膜形成のためのスパッタリングターゲット材。
【請求項３】
請求項２に記載のスパッタリングターゲット材を用いてスパッタリングにより請求項１記載のアルミニウム合金薄膜を形成する際に、基板温度を１８０〜４００℃に維持しながら実施することを特徴とする配線用アルミニウム合金薄膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明はアルミニウム合金薄膜、アルミニウム合金薄膜形成用スパッタリングターゲット材、及びアルミニウム合金薄膜の形成方法に関し、より詳しくは、液晶ディスプレーの薄膜配線、電極、半導体集積回路の配線等を構成する耐熱性・低抵抗アルミニウム合金薄膜、そのようなアルミニウム合金薄膜を形成するのに使用できるスパッタリングターゲット材、及びそのようなアルミニウム合金薄膜の形成方法に関する。
背景技術
近年、コンピューターの表示装置やノートパソコンに使用されている液晶ディスプレーはますます大画面化、高精細化してきている。最近、液晶ディスプレーの分野では薄膜トランジスター（Thin Film Transistor、ＴＦＴ）の液晶ディスプレーの需要が増加し、それに伴い液晶ディスプレーに対する要求特性も厳しくなってきている。特に、液晶ディスプレーの大画面化、高精細化に伴い比抵抗の低い（１０μΩｃｍ以下の）配線材料が要求されている。即ち、この要求は、配線の長線化及び細線化を行った際に生じる信号遅延の発生を防止することからきているのである。
これまで液晶ディスプレーの配線材料として、Ｔａ、Ｃｒ、Ｔｉ等やそれらの合金等の高融点材料が使われてきた。しかし、高融点材料は比抵抗が高すぎるために上記のような大画面化、高精細化した液晶ディスプレーの配線には使えなくなってきている。
このような状況下で、比抵抗が３μΩｃｍ程度と非常に低く、配線加工が容易であることから、配線材料として純アルミニウムが注目されている．しかし、純アルミニウムは融点が６６０℃と比較的低いことから、耐熱性が低い点で問題となる。
スパッタリングにより基板上にアルミニウムの薄膜を形成して配線加工した後に、ＣＶＤ法により絶縁膜を形成する際には、アルミニウムに３００〜４００℃の熱がかかる。この時にアルミニウム膜の表面にヒロックと呼ばれるコブ状の突起が発生する。このヒロックは絶縁層を突き破って上の層とのショートを引き起こしたり、隣同士の配線の間でショートを引き起こし、不良の原因となる。
そのため、他の元素を添加したアルミニウム合金が各社で開発され、一般に使用されてきている。このように合金化することによりヒロックをかなり抑制できることが知られており、これまで使用されてきたＡｌ−Ｔｉ等のアルミニウム合金薄膜では、確かにＴｉ等の添加量をコントロールすることによってヒロックが抑制されている。
しかしながら、他の元素を添加すると、同時に比抵抗も１０μΩｃｍ超に上がってしまう。このように選定した添加元素の種類及び添加量がアルミニウム合金薄膜の特性を大きく左右することになるので、低抵抗のままで耐熱性があり、ヒロックを抑えることのできるアルミニウム合金薄膜が望まれている。
本発明は３００〜４００℃での熱処理後にもヒロックの発生が無く、比抵抗が７μΩｃｍ以下となる耐熱性・低抵抗アルミニウム合金薄膜を提供することを課題としている。また、本発明は上記のようなアルミニウム合金薄膜を形成するのに使用できるスパッタリングターゲット材を提供することを課題としている。更に、本発明は上記のようなアルミニウム合金薄膜の形成方法を提供することを課題としている。
発明の開示
本発明者等は上記の課題を達成するために鋭意検討した結果、アルミニウム合金薄膜の合金組成をＡｌ−Ｃ−Ｍｇ系とし、炭素及びマグネシウムの含有量を特定の範囲内にすることにより上記の課題が達成されること、またターゲット材として特定組成のＡｌ−Ｃ−Ｍｇ系材料を用いることにより上記の課題が達成されること、更にスパッタリングによりアルミニウム合金薄膜を形成する際に好ましくは基板の温度を特定温度にすることにより上記の課題が達成されることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明のアルミニウム合金薄膜は、合金成分としてアルミニウム、炭素及びマグネシウムを含み、炭素及びマグネシウムの含有量が、炭素の原子百分率をＹａｔ％、マグネシウムの原子百分率をＸａｔ％として、式
Ｘ＝０．６１
Ｘ＝８
Ｙ＝２
Ｙ＝−０．１３Ｘ＋１．３
の各式により囲まれた範囲に含まれる量であり、残部がアルミニウム及び不可避の不純物からなることを特徴とする。
また、本発明のアルミニウム合金薄膜形成用スパッタリングターゲット材は、ターゲット材を構成する成分がアルミニウム、炭素、マグネシウム及び不可避の不純物であり、炭素及びマグネシウムの量が、式
Ｘ＝０．６１
Ｘ＝８
Ｙ＝２
Ｙ＝−０．１３Ｘ＋１．３
の各式により囲まれた範囲に含まれる量であり、残部がアルミニウム及び不可避の不純物からなることを特徴とする。
更に、本発明のアルミニウム合金薄膜の形成方法は、上記のスパッタリングターゲット材を用いてスパッタリングにより上記のアルミニウム合金薄膜を形成する際に、基板の温度を１８０〜４００℃に維持しながら実施することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
図１は、各薄膜組成とヒロックの発生状態との関係を示した図である。図２は、ＴＥＭによる薄膜結晶状態を観察した写真である。図３は、比較例１の薄膜におけるヒロック発生有無をＳＥＭにより観察した表面写真である。図４は、実施例３の薄膜におけるヒロック発生有無をＳＥＭにより観察した表面写真である。図５は、反射率測定を行った結果を示すグラフである。図６及び図７は、ドライエッチング評価のために形成した微細回路をＳＥＭ観察した写真である。
発明を実施するための最良の形態
アルミニウム合金薄膜の耐熱性は成膜後の熱処理によってヒロックが発生するか否かによって評価できる。例えば、ガラス基板上に形成されたアルミニウム合金薄膜が３００〜４００℃の熱プロセスを通った際に、アルミニウム合金はガラスより熱膨張係数が約一桁大きいため、アルミニウム合金薄膜は伸びようとするので、ガラス基板から圧縮応力を受ける。大小の結晶粒が混在するアルミニウム合金薄膜の場合には、小さな結晶粒が核となりアルミニウムがマイグレーションを起こし、析出、粒成長することにより応力を緩和し、その結果としてその応力を緩和した点付近にヒロックを発生させると、一般的に考えられている。つまり、ヒロックが生成する際の駆動力は熱プロセス時にアルミニウム合金薄膜にかかる圧縮応力であり、アルミニウム合金薄膜中に核結晶がある場合にマイグレーションを起こしてヒロックは生成すると言える。
アルミニウムに少量の炭素を添加することによりアルミニウム合金薄膜中の結晶粒径が全体的に小さくなり、結晶粒の揃った結晶組織となるので、応力がアルミニウム合金薄膜全体に均一に分散するようになる。同じ条件下で成膜した純アルミニウム薄膜及びＡｌ−Ｃ合金薄膜の各々の結晶組織を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察したところ、純アルミニウム薄膜中の結晶粒の大きさは０．０５〜０．３μｍ程度でバラツキがあったが、Ａｌ−Ｃ合金薄膜の結晶粒の大きさは０．１μｍ以下でバラツキが小さくなっていることが分かった。
しかし、Ａｌ−Ｃ合金では熱プロセス後に若干ヒロックが発生し、また、熱プロセス後の膜表面の平滑性が悪くなると同時に反射率も低下する傾向がある。Ａｌ−Ｃ合金では炭素はアルミニウムにほとんど固溶しないので、炭素は他の元素に比べると膜の比抵抗を上げる作用が少ない。しかし、少量の炭素を含有するＡｌ−Ｃ合金ではヒロックは完全に抑制することはできず、ヒロックを完全に抑制するほど炭素を添加した場合には抵抗の上昇が考えれらるのでＡｌ−Ｃ合金の使用は難しいと考えられる。
ところが、Ａｌ−Ｃ合金にマグネシウムを添加することにより、熱プロセス後のヒロックの発生を防止でき、表面平滑性を良好に保つことができ、しかも比抵抗を低く維持することができる。
Ａｌ−Ｃ−Ｍｇ合金とすることにより比抵抗が７μΩｃｍ以下で、耐熱性を有し、ヒロックの発生を抑制することができる。また、自動車用に使用されているＡｌ−Ｍｇ合金等は耐食性であることから、本発明の合金薄膜は配線の耐食性が向上することも期待できる。
Ａｌ−Ｃ−Ｍｇ合金において、炭素含有量が２ａｔ％を越える場合、或いはマグネシウム含有量が８ａｔ％を越える場合には、合金薄膜の比抵抗が７μΩｃｍを超える傾向があるので好ましくない。また、炭素及びマグネシウムの含有量が式
Ｙ＜−０．１３Ｘ＋１．３
となる量の場合には４００℃熱処理後にヒロックが発生する傾向があるので好ましくない。
また、合金内にＣを添加する場合、ＭｇＣ2の形態で添加することを考慮すると、マグネシウムの含有量が０．６１ａｔ％未満であるが、マグネシウムの添加効果が不十分になるとともに、合金の作製も困難になると思われる。
従って、本発明のアルミニウム合金薄膜は、合金成分としてアルミニウム、炭素及びマグネシウムを含み、炭素及びマグネシウムの含有量が式
Ｘ＝０．６１
Ｘ＝８
Ｙ＝２
Ｙ＝−０．１３Ｘ＋１．３
各式により囲まれた範囲に含まれる量であり、残部がアルミニウム及び不可避の不純物からなるものである。つまり、炭素の含有量をＹ軸にとり、マグネシウムの含有量をＸ軸にとると、炭素及びマグネシウムの含有量が、図１において直線Ｙ＝−０．１３Ｘ＋１．３と、直線Ｘ＝０．６１と、直線Ｘ＝８と、直線Ｙ＝２とによって囲まれた範囲内となる量である。なお、これらの式により囲まれた範囲には各直線上の値も含むものである。
そして、本発明のアルミニウム合金薄膜形成用スパッタリングターゲット材は、スパッタリングにより上記のようなアルミニウム合金薄膜を形成することのできるものであり、ターゲット材を構成する成分がアルミニウム、炭素、マグネシウム及び不可避の不純物であり、炭素及びマグネシウムの量が式
Ｘ＝０．６１
Ｘ＝８
Ｙ＝２
Ｙ＝−０．１３Ｘ＋１．３
各式により囲まれた範囲に含まれる量であり、残部がアルミニウム及び不可避の不純物からなるものである。
上記のターゲット材の形状、構成については特には限定されず、スパッタリング法の方式、スパッタ装置の形式等に応じてそれぞれに適した任意の形状、構成にすることができる。例えば、構成については、合金、均質混合物、チップの埋め込み等を採用することができる。
本発明のアルミニウム合金薄膜の形成方法においては、上記のようなスパッタリングターゲット材を用いてスパッタリングにより上記のアルミニウム合金薄膜を形成する際に、基板の温度を１８０〜４００℃に維持しながら実施する。基板温度が１８０℃よりも低い場合には、後の熱プロセス時にヒロックが発生する傾向があるので好ましくない。基板温度の上限については、基板及び薄膜に悪影響を及ぼさない範囲で高温によっても可能であるが、エネルギー効率、操業環境、装置の耐久性を考慮すると、好ましくは１８０〜３５０℃程度、より好ましくは１８０〜３００℃程度で実施する。
このような基板温度でスパッタリングを実施することにより、成膜後の熱プロセス時に薄膜にかかる圧縮応力を極力小さくしてヒロックの発生を抑制することができるだけでなく、３００〜４００℃での熱プロセス後の膜比抵抗を低下させることも可能である。また、ａｓ−ｄｅｐｏ（スパッタリング直後）の状態で比抵抗が７μΩｃｍ以下となっているため、熱プロセス後に成膜する箇所に使用される場合にも低抵抗配線材料として使用できる。なお、純アルミニウム薄膜の場合でも、基板温度を上げることによってヒロックの発生を低減させることができるが、完全には抑制できない。
本発明のアルミニウム合金薄膜はａｓ−ｄｅｐｏ後、或いは熱プロセス後の膜表面の平滑性が著しく高い。これは添加元素により薄膜の結晶粒の粗成長が抑制されていることによるものと思われる。このように、ａｓ−ｄｅｐｏ後、或いは熱プロセス後の膜表面の平滑性が著しく高いので、その結果として膜の光反射率が非常に高く、このことは、これまでのアルミニウム合金薄膜とは異なる性質といえる。近年、バックライトを使用しない反射型液晶パネルが登場してきているが、これには、光反射率の高い電極薄膜が必須不可欠であることから、本発明のアルミニウム合金薄膜はこれら反射電極としての用途にも充分使用できる。
実施例
以下に実施例及び比較例に基づいて本発明を具体的に説明する。表１には、実施例１〜６及び比較例１〜１５について、膜組成、基板温度、比抵抗値、ヒロック発生調査の結果を一覧にして示している。
表１に示す純アルミニウム薄膜又は種々の組成の合金薄膜形成は、スパッタリングターゲット材として表１に記載の膜組成と同一組成のターゲットと、基板として表１に示す温度に維持した厚さ１．１ｍｍのコーニング社製＃１７３７ガラス板とを用いて、投入電力３Ｗａｔｔ／ｃｍ2、スパッタ圧力３３３．２５×１０-3Ｐａ（２．５ｍＴｏｒｒ）で、ＤＣマグネトロン・スパッタリング法により行い、該ガラス板上に３０００Å程度の膜厚を形成した。得られた薄膜の膜組成、及びスパッタリング直後（ａｓ−ｄｏｐｅ）の膜の比抵抗は表１に示す通りであった（表ｌに示す各実施例及び比較例の膜厚はすべて３０００Å程度に形成したものである）。
また、それらの薄膜付きガラス板を真空中で３００℃及び４００℃の２水準でそれぞれ１時間熱処理をおこなった。熱処理後の膜の比抵抗は表１に示す通りであり、ヒロックの発生状態は表１及び図１に示す通りであった。
ヒロックの発生状態については、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて５００倍及び５０００倍の両方で観察し、どちらの倍率においてもヒロックが観察されなかった場合に限り、ヒロックの発生なし（ヒロックフリー）とした。また薄膜の比抵抗については４端子抵抗測定装置により測定した。
炭素濃度の分析は、炭素分析用ガス弁析装置により行った。炭素測定用サンプルは、基板に上記方法と同様の条件にて、膜厚１０μｍ程度まで成膜し、その薄膜を基板から剥離させるものを使用した。また、マグネシウム濃度についてはＩＣＰ発光分析（誘導結合プラズマ発光分光分析法）によりアルミニウム合金薄膜中のマグネシウム濃度を定量した。
【表１】0003619192.tif 000002
ここで、ＴＥＭによる薄膜結晶観察を行った結果について説明する。図２には、表１における比較例１の組成と比較例４の組成となるように、膜厚０．１５μｍの薄膜を形成し（基板温度１００℃）、真空中で３００℃、１時間の熱処理を行った後の薄膜結晶状態をＴＥＭにより観察した写真を示している。図２（ａ）が比較例１の純アルミニウム薄膜で、図２（ｂ）が比較例４のＡｌ−１．７ａｔ％Ｃ薄膜を観察したものである。これを見ると判るように、純アルミニウム薄膜の結晶は、Ａｌ−１．７ａｔ％Ｃ薄膜のものと比較して明らかに粗粒となっていた。この純アルミニウム薄膜の結晶粒は、０．０５〜０．３μｍ程度の粒径でかなりバラツキがあり粗粒であったが、Ａｌ−１．７ａｔ％Ｃ薄膜の結晶粒は０．１μｍ以下の粒径で、バラツキが小さく、非常に微細なものとなっていた。このことは、アルミニウムに炭素を添加したターゲットを用いて薄膜を形成すると、得られる薄膜の結晶粒が微細化できることを示している。尚、特にＴＥＭ観察写真は示さないが、実施例１〜６の薄膜も比較例４の場合と同様に、微細な結晶状態であることが確認された。
次ぎに、表１で示す結果について説明する。実施例１〜６の本発明のターゲット材を用いて得られた本発明のアルミニウム合金薄膜であるＡｌ−０．８ａｔ％Ｃ−４．８ａｔ％Ｍｇ、Ａｌ−１．３ａｔ％Ｃ−１．５ａｔ％Ｍｇ、Ａｌ−１．３ａｔ％Ｃ−２．３ａｔ％Ｍｇ、Ａｌ−１．７ａｔ％Ｃ−２．３ａｔ％Ｍｇ、Ａｌ−１．３ａｔ％Ｃ−１．０ａｔ％Ｍｇ及びＡｌ−１．７ａｔ％Ｃ−１．０ａｔ％Ｍｇ組成の薄膜については、３００℃熱処理後は勿論のこと、４００℃熱処理後にもヒロックの発生が見られず、膜比抵抗は７μΩｃｍ以下となっていることがわかる。
比較例１のターゲット材を用いて得られた純アルミニウム薄膜、比較例２〜４のターゲット材を用いて得られたＡｌ−Ｃ合金薄膜、比較例５〜６のターゲット材を用いて得られた低Ｍｇ含有率Ａｌ−Ｍｇ合金薄膜、並びに比較例９のターゲット材を用いて得られた炭素の含有量が式−０．１３Ｘ＋１．３の値よりも極端に少ないＡｌ−Ｃ−Ｍｇ合金薄膜については、３００℃及び４００℃の各々の熱処理においてヒロックの発生が見られた。
このヒロックの発生有無を確認したＳＥＭ観察写真について説明する。図３には、比較例１の純アルミニウム薄膜で、３００℃熱処理後のもの（図３（ａ））と、４００℃の熱処理後のもの（図３（（ｂ））との薄膜表面を５０００倍で観察した写真を示している。また、図４には、実施例３のＡｌ−１．３ａｔ％Ｃ−２．３ａｔ％Ｍｇ薄膜について、３００℃熱処理後のもの（図４（ａ））と４００℃熱処理後のもの（図４（ｂ））とを同倍率で観察した写真を示している。図３（ａ）及び（ｂ）を見ると判るように、純アルミニウム薄膜では、３００℃及び４００℃のどちらの熱処理であっても、コブ上の突起、即ちヒロックが形成されていることが確認された。一方、実施例３のＡｌ−１．３ａｔ％Ｃ−２．３ａｔ％Ｍｇ合金薄膜では、熱処理の温度に関係なく、ヒロックの発生は全く確認されなかった。また、図４で示すように、実施例３の薄膜の表面は非常に平滑性が高いものであることが判明した。尚、特にＳＥＭ観察写真は示さないが、他の実施例の薄膜も実施例３の場合と同様な表面状態であることが確認された。
比較例７〜８のターゲット材を用いて得られた高Ｍｇ含有率Ａｌ−Ｍｇ合金薄膜、並びに比較例１０及び比較例１２のターゲット材を用いて得られた炭素の含有量が式−０．１３Ｘ＋１．３の値よりも少ないＡｌ−Ｃ−Ｍｇ合金薄膜については、３００℃熱処理後にはヒロックの発生が見られなかったが、４００℃熱処理後にヒロックの発生が見られた。比較例１１及び比較例１３のターゲット材を用いて得られたマグネシウム含有量が８ａｔ％を超えるとＡｌ−Ｃ−Ｍｇ合金薄膜については、４００℃熱処理後にもヒロックの発生が見られなかったが、膜比抵抗の高いものであった。
比較例１４及び１５のように、基板温度を１００℃にした場合には、組成が同一の実施例２及び３と比較して、ヒロック発生状態が悪化しており、また熱処理後の膜比抵抗も大きくなっている。即ち、基板温度を高くすることによりヒロック発生状態も膜比抵抗も改善される。
続いて、実施例３の薄膜における反射率測定を行った結果について説明する。この反射率の評価については、比較例１の純アルミニウム薄膜で測定したものと対比して行った。また、実施例３、比較例１の両薄膜とも、ａｓ−ｄｅｐｏ後及び４００℃の熱処理を行ったものの２種類を用いた。反射率の測定は、分光光度計（Ｕ−４０００、日立製作所社製）により行ったものである。受光部には、積分球を使用して、純アルミニウム蒸着膜をリファレンスとし、３００〜８００ｎｍの相対反射率を測定した。従って、リファレンスより測定サンプルの反射率が良好な場合、１００％を超える測定値が得られた。図５は、波長３００〜８００ｎｍの領域で反射率を測定した結果をグラフ化したものである。図５（ａ）が比較例１の薄膜、図５（ｂ）が実施例３の薄膜で得られた結果である。
図５に示すように、ａｓ−ｄｅｐｏ後及び４００℃熱処理後のどちらの場合においても、実施例３の薄膜における反射率が高くなっていることが確認された。ちなみに、５５０ｎｍの可視光の反射率は、ａｓ−ｄｅｐｏ後の場合、実施例３が１００．８％、比較例１が８６．０％であり、４００℃熱処理の場合、実施例３が９６．４％、比較例１が７９．８％であった。従って、５５０ｎｍの可視光領域では、実施例３の薄膜の反射率が、比較例１のものよりも、１５％前後向上していることが判明した。また、反射電極として使用する場合、反射光の「色」も重要な要因であり、黄色系のものより青白色系の色が好適とされている。ここで比較例１の反射率データを見ると、短波長側の反射率が低下している。一方、実施例３の反射率データでは、短波長側の反射率の低下が、比較例１よりも少ない。従って、比較例１よりも実施例３の薄膜を、反射電極として使用する方が実用上好適なものと考えられる。
最後に、実施例３の薄膜についてドライエッチング評価を行った結果について説明する。このドライエッチング評価は、実施例３の薄膜をガラス基板上に、膜厚０．３μｍで形成したものを用いた。ここで行ったドライエッチングは、代表的な反応性イオンエッチングで、その条件は、塩素系ガスを用い、２．６７Ｐａ（０．０２Ｔｏｒｒ）、高周波電力８０Ｗである。図６及び図７は、ドライエッチングにより、線幅７μｍ、配線間隔５μｍの微細回路を形成したものをＳＥＭにより観察した写真を示している。この図６（ａ）、（ｂ）及び図７（ｃ）、（ｄ）を見ると判るように、実施例３の薄膜では、直線部及び湾曲部ともに、非常にシャープな回路を形成できることが判明した。
発明の効果
本発明のアルミニウム合金薄膜は、３００〜４００℃での熱処理後にもヒロックの発生が無く、膜比抵抗が７μΩｃｍ以下となる耐熱性・低抵抗アルミニウム合金薄膜であり、また、本発明のスパッタリングターゲット材を用いることによりこのようなアルミニウム合金薄膜を形成することができ、更に本発明のアルミニウム合金薄膜の形成方法を採用することにより上記のような優れた耐熱性・低抵抗アルミニウム合金薄膜を製造することができる。
【図１】
0003619192.tif 000003
【図２】
0003619192.tif 000004
【図３】
0003619192.tif 000005
【図４】
0003619192.tif 000006
【図５】
0003619192.tif 000007
【図６】
0003619192.tif 000008
【図７】
0003619192.tif 000009