(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金成分として、０．５〜１５ａｔｏｍ％のＭｇと０．０１〜５ａｔｏｍ％のＮｄ、Ｓｃ、Ｙのうちの１種または２種以上と、残部としてＡｌ及び不可避的不純物とから成ることを特徴とする薄膜アルミニウム合金。
【請求項２】
前記合金成分として、０．５〜１５ａｔｏｍ％のＭｇと０．０１〜５ａｔｏｍ％のＳｃと、残部としてＡｌ及び不可避的不純物とから成ることを特徴とする請求項１記載の薄膜アルミニウム合金。
【請求項３】
前記薄膜アルミニウム合金は、２５℃〜５００℃の温度範囲でアニール処理を行ったときのビッカース硬度が３０Ｈｖ以下であると共に絶対値表示の膜応力が３０Ｋｇ／ｍｍ２以下であり、前記硬度と前記膜応力とが、前記アニール処理温度範囲に亘って所定の硬度範囲と膜応力範囲とに分布して、アニール処理温度に対してそれぞれ略一定であることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜アルミニウム合金。
【請求項４】
前記合金成分を含むＡｌ及び不可避的不純物をスパッタリング法により基板上に成膜して成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の薄膜アルミニウム合金。
【請求項５】
前記薄膜アルミニウム合金は、超塑性変形特性を備えて成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の薄膜アルミニウム合金。
【請求項６】
半導体素子用または液晶ディスプレイ用の電極若しくは配線材として用いられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の薄膜アルミニウム合金。
【請求項７】
合金成分として、０．５〜１５ａｔｏｍ％のＭｇと０．０１〜５ａｔｏｍ％のＮｄ、Ｓｃ、Ｙのうちの１種または２種以上と、残部としてＡｌ及び不可避的不純物とから成る薄膜アルミニウム合金を形成するためのスパッタリングターゲット。
【請求項８】
前記合金成分として、０．５〜１５ａｔｏｍ％のＭｇと０．０１〜５ａｔｏｍ％のＳｃと、残部としてＡｌ及び不可避的不純物とから成ることを特徴とする請求項７記載のスパッタリングターゲット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶ディスプレイ等の平面型ディスプレイ回路や半導体集積回路の導電性薄膜材料として用いられる薄膜アルミニウム合金及び該薄膜アルミニウム合金の形成用スパッタリングターゲットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子用や液晶ディスプレイ用の薄膜状の電極や配線材等として、従来、アルミニウム系合金や銅系合金が用いられている。このうち銅系合金は、酸化膜との密着性や耐食性が不充分であることや、プラズマエッチングが難しいことから、専ら特定用途のデバイスに用いられ、通常はアルミニウム系合金が用いられる。このようなアルミニウム材には、低比抵抗化及び耐ヒロック性が要求されている。このうち低比抵抗化の要求は、半導体素子はもちろんのこと近年の液晶ディスプレイ分野における大型化や配線幅の高精細化の傾向が加速されることに伴い、信号遅延を防止することを目的とするものである。また、他方の耐ヒロック性は、低比抵抗値を有する電極・配線材料としてアルミニウム合金を用いる場合に、電極・配線材膜の形成後の加熱処理（アニール処理）において、Ａｌが元来耐熱性が低いことに起因して、このアルミニウム合金内の内部応力により生じる膜表面上の微小突起（ヒロック）の形成を防止する目的で要求されるものである。
【０００３】
この種の耐ヒロック性を有するアルミニウム系合金として、例えば、特許２７３３００６号により、Ａｌに対して合金成分としてＮｄ、Ｇｄ及びＤｙから選ばれた少なくとも１種を１．０ａｔｏｍ％超〜１５ａｔｏｍ％含有させたアルミニウム合金が知られている。すなわち、液晶ディスプレイ用基板上に形成されるアルミニウム系の電極材は、デバイス製造工程上不可避である加熱処理（アニール処理）を経ることによりヒロックが発生するので、このものでは、固溶効果による耐熱性の向上を目的として、ＡｌにＮｄ等を添加したアルミニウム合金を形成している。
【０００４】
また、例えば、特開２０００−２３５９６１号公報では、Ａｌを主成分とし、副成分たる金属元素としてＺｒ、Ｈｆ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ中から選ばれた少なくとも１種の元素の含有量を０．５〜１．５ａｔｏｍ％とし、Ａｌと合金を形成する半導体系元素としてＳｉ、Ｇｅ中から選ばれた少なくとも１種の元素の含有量を０．５〜１．５ａｔｏｍ％として成るアルミニウム合金を用いて導電性薄膜を形成している。このものでは、結晶粒界に偏析させてヒロックの発生を防止する目的で金属元素を含有させ、Ａｌと合金を形成させてヒロックの発生を防止する目的で半導体系元素を含有させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来のものはいずれも、Ａｌに他の元素を添加する際に得られる固溶効果や偏析効果で強化することによりアルミニウム合金の耐熱性を向上させている。この場合、上記の固溶効果や偏析効果は同時に比抵抗値の増大も招くため、アルミニウム合金に対する材料にアニール処理を行っている。このようにすることにより、Ａｌに固溶していた元素が析出し、比抵抗値増大の要因たる固溶状態の元素の総固溶量が減少するので比抵抗値が低下するのである。
ところが、上記のようなアニール処理による比抵抗値の低下は、アニール処理時の温度に依存するため、特に比較的低温度（略３５０℃以下）のアニール処理条件では、所望の低抵抗値を有するアルミニウム合金を得られないことがある。さらに、加熱処理時の温度に依存して比抵抗値が変動するため、温度環境にかかわらず比抵抗値を所定範囲に収束させることが困難である。
【０００６】
また、固溶効果や偏析効果を得るために添加する元素の含有量が多いと、このようなアルミニウム合金から成る電極膜形成用スパッタリングターゲットを用いて成膜された膜の硬度が高くなる傾向にある。このような硬度の増大もアニール処理による添加元素の析出により抑制し得るものであるが、上記の比抵抗値の場合と同様にアニール処理時の温度に依存して硬度が変動するため、硬度を所定範囲に収束させることが困難である。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑み、アニール処理温度にかかわらず、常に安定した低い値の比抵抗を維持しながらヒロックの発生が抑制される薄膜アルミニウム合金及びこの薄膜アルミニウム合金を形成するために用いるスパッタリングターゲットを提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の薄膜アルミニウム合金は、２５℃〜５００℃の温度範囲でアニール処理を行ったときのビッカース硬度が３０Ｈｖ以下であると共に絶対値表示の膜応力が３０ｋｇ／ｍｍ2以下であり、前記硬度と前記膜応力とが、前記アニール処理温度範囲に亘って所定の硬度範囲と膜応力範囲とに分布する物性を有するものとした。このものでは、本来アニール処理温度に依存して変動する前記硬度値と前記応力値とが、前記アニール処理温度範囲に亘って僅少な変動幅で分布してアニール処理温度への依存性が近似的に無視できるようになり、両者ともアニール処理温度に対しておおむね一定であると見なすことができる。そして、残留応力（膜応力）が小さく低い硬度の薄膜を形成するのでヒロックの発生を抑制でき、Ａｌが元来有する低い値の比抵抗も維持できる。
【０００９】
なお、膜応力値が負数のときは圧縮応力として、正数のときは引張応力として膜応力を表すものとする。
【００１０】
この場合、本発明の薄膜アルミニウム合金は、合金成分として、０．５〜１５ａｔｏｍ％のＭｇと０．０１〜５ａｔｏｍ％のＮｄ、Ｓｃ、Ｙのうちの１種または２種以上と、残部としてＡｌ及び不可避的不純物とから成るものとする。Ｍｇは、アルミニウム合金中の結晶核として添加され核発生密度を増大させるものであり、一方のＮｄ、Ｓｃ、Ｙの元素群は、上記合金中の結晶粒界に偏析して結晶粒の粗大化を防止するものである。このように、上記元素をそれぞれ添加することにより、アニール処理の際にアルミニウム合金内の微細組織が維持されて、上記のように残留応力が僅少に留まり、低い硬度と低い値の比抵抗とを維持しながらヒロックの発生が抑制されるのである。
【００１１】
なお、Ｍｇの元素の含有量（組成比）が、０．５ａｔｏｍ％未満であるとき、または、Ｎｄ、Ｓｃ、Ｙの元素群のうち１種または２種以上の元素の含有量（組成比）が、０．０１ａｔｏｍ％未満であるときは、ヒロック発生数が多すぎて実用的でない。また、Ｍｇの元素の含有量（組成比）が、１５ａｔｏｍ％を超えるとき、または、Ｎｄ、Ｓｃ、Ｙのうちの１種または２種以上の元素の含有量（組成比）が、５ａｔｏｍ％を超えるときは、硬度や比抵抗値が高くなるなどの問題がある。
【００１２】
さらに、これらの薄膜アルミニウム合金は、その合金成分を含むＡｌ及び不可避的不純物をスパッタリング法により基板上に成膜することが可能である。なお、通常、スパッタリング成膜後の薄膜はアニール処理して使用されるが、本発明の薄膜アルミニウム合金はアニール処理温度に対する依存性がほとんどないため、上記のようなスパッタリング後のアニール処理は必ずしも必要でなく、薄膜の形成工程の簡素化を実現できる。（アニール効果が得られる温度範囲が低温方向にシフトしており、低温、例えば２５℃程度の室温でも、高温でも同様なアニール効果が期待できる。）
ところで、上記のような耐ヒロック性を有する薄膜アルミニウム合金は、超塑性変形、即ち、合金中の各微細結晶が互いに隣接して形成する結晶粒界が、合金内部の応力集中を緩和する変形過程で無数の粒界すべりを発生する現象を発現していると考えられるので、これに伴い超塑性変形特性を備えている。本発明の薄膜アルミニウム合金はその膜厚が数ミクロン以下であるうえに、場合によっては基板上に形成されるため、通常は物質の巨大伸びとして示される超塑性変形を直接測定できない。このため、超塑性変形特性として硬度特性や膜応力（内部残留応力）特性を測定し、薄膜アルミニウム合金が超塑性変形特性を備えることを間接的に把握した。なお、上記した室温で得られるアニール効果も超塑性変形特性が要因となる。
【００１３】
また、これらのようにして得られる薄膜アルミニウム合金は、低比抵抗値を有しながらヒロック数の発生を抑制し得るので、半導体素子用または液晶ディスプレイ用の電極若しくは配線材として用いるのに好適である。
【００１４】
さらに、このような薄膜アルミニウム合金をスパッタリング法で形成するためのスパッタリングターゲットを、アルミニウム合金の結晶核発生密度を増大させるための元素（Ｍｇ）として０．５〜１５ａｔｏｍ％、及び、該合金の結晶粒の粗大化を防止するための元素群（Ｎｄ、Ｓｃ、Ｙ）から選ばれた少なくとも１種の元素として０．０１〜５ａｔｏｍ％含有すると共に、残部をＡｌ及び不可避的不純物としたアルミニウム合金で構成する。そして、このターゲットを使用し、スパッタリングにより成膜された薄膜は、アニール処理を行った場合、低い値の比抵抗が維持されると共に、低い硬度を有し、ヒロックの発生が抑制される。
【００１５】
なお、ターゲットの組成とこのターゲットをスパッタリングして得られる薄膜の組成は必ずしも一致せず、スパッタリング条件に左右されるものである。
【００１６】
また、このようなスパッタリング法においては、ターゲットから飛来して基板上に固着した、結晶核発生を促進する元素（Ｍｇ）による結晶粒の成長と、同じくターゲットから基板上に飛着した、結晶粒の粗大化を防止する元素（Ｎｄ、Ｓｃ、Ｙのうちの１種以上）による粒径成長の抑制とが並行して進行する結果、得られる結晶は微細構造を維持し、無数の結晶粒界により互いに隣接する構造となっている。即ち、スパッタリング法で薄膜が形成される際の環境は、無数の粒界すべりを発生メカニズムとする超塑性変形が発現される環境と同一のものであり、スパッタリング法を採用することは、本発明のアルミニウム合金が超塑性変形特性を備える大きな要因になると言える。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の、薄膜アルミニウム合金を形成するスパッタリングターゲットを以下の方法にて作成する。即ち、初めにＭｇ金属を０．５〜１５ａｔｏｍ％含有し、Ｎｄ、Ｓｃ、Ｙの元素群から選ばれた１種または２種以上の金属を０．０１〜５ａｔｏｍ％含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物となるような組成割合の合金材料を真空誘導溶解炉を用い、アルゴン雰囲気中で溶解した後に造塊する。次に、このようにして得られた金属塊（インゴット）を通常の熱間加工変形した後に、切削加工によりスパッタリングターゲット形状に成形する。
【００１８】
さらに、上記のスパッタリングターゲットを、通常のＤＣマグネトロンスパッタ装置に装着し、通常のスパッタリング条件にてシリコンウェハ上に薄膜アルミニウム合金として成膜した。
【００１９】
その後、上記工程により得られた、成膜基板を真空中で２５℃〜５００℃の温度範囲内の所定温度にて３０分間保持した後に徐冷して、薄膜アルミニウム合金を得た。
【００２０】
このようにして得られる薄膜アルミニウム合金は、下記[実施例]にて詳細するように、比抵抗値、硬度及びヒロック発生数が低い値に留まり、且つ、アニール温度に対してこれら比抵抗値、硬度及びヒロック発生数の変動が少ない、即ち、アニール処理温度の影響が軽微である、という物性を有するものである。そして、このことは、スパッタリング法の際に、基板とターゲットとの間に発生するプラズマによる熱輻射を受けて基板表面の温度がある程度上昇することも考慮すれば、本発明の薄膜アルミニウム合金は、アニール処理を必要とせずに常温でのスパッタリング成膜工程により形成しても、優れた耐ヒロック性等の物性を有し得ることを示す。
【００２１】
したがって、上記薄膜アルミニウム合金は、半導体素子や液晶ディスプレイに用いる電極・配線材として好適である。
【００２２】
また、上記したようにスパッタリング法による基板上の薄膜形成の環境は、微細構造を維持して成長した結晶が無数の結晶粒界を構成するという観点で超塑性変形の発現のための環境とよく一致しており、このようにして得られた薄膜アルミニウム合金は低硬度と耐ヒロック性を有し、さらに残留応力としての膜応力が低い値に留まっていることと相俟って、超塑性変形を経て形成されたと考えて良い。
【００２３】
【実施例】
[実施例１]３．３ａｔｏｍ％のＭｇ金属と０．１２ａｔｏｍ％のＳｃ金属と残部としてＡｌ金属とから成る合金材料を用意し、真空誘導溶解炉を用いてアルゴン雰囲気中で溶解し、その後に得られるインゴットを熱間加工変形し、切削加工によりスパッタリングターゲットとして成形する。このときのターゲットの寸法は、直径２５０ｍｍ及び厚さ１５ｍｍである。この寸法は本発明の実施に際して制限されるものではない。
【００２４】
さらに、上記のスパッタリングターゲットを、ＤＣマグネトロンスパッタ装置（株式会社アルバック製「セラウスＺ―１０００」スパッタ装置）に装着し、シリコンウェハ上に薄膜アルミニウム合金として成膜した。このときのスパッタリング条件は、スパッタリング電力として約９Ｗ／ｃｍ2、アルゴン濃度として３×１０-3Ｔｏｒｒ、膜厚として３０００Å（３０００〜１００００Å）、成膜時の基板温度として室温乃至１００℃、及び、シリコンウェハ寸法として直径６インチとした。このスパッタリング条件は、通常のものであり、本発明により限定されるものではない。
【００２５】
その後、上記工程により得られた、成膜基板を真空中で２５℃〜５００℃の温度範囲内の所定温度にて３０分間保持した後に徐冷して、薄膜アルミニウム合金を得た。
【００２６】
なお、本実施例のスパッタリング条件では、得られた薄膜アルミニウム合金の組成は、ターゲットの組成とほぼ等しかった。
【００２７】
[比較例１]合金材料をＡｌのみとした以外は[実施例１]と同様にしてスパッタリングターゲットを形成して、このターゲットと組成がほぼ等しい薄膜アルミニウム合金を得た。
【００２８】
[比較例２] 合金材料の組成を、２ａｔｏｍ％のＮｄ金属と残部としてのＡｌ金属とから成るようにした以外は[実施例１]と同様にしてスパッタリングターゲットを形成して、このターゲットと組成がほぼ等しい薄膜アルミニウム合金を得た。
【００２９】
所定のアニール処理温度を変更した場合の[実施例１]及び[比較例１]、[比較例２]の各薄膜アルミニウム合金の硬度をマイクロビッカース装置により測定したところ、下記[表１]及び[図１]に示す測定結果が得られた。
【００３０】
【表１】
0004783525.tif 000002
【００３１】
[表１]及び[図１]から明らかなように、本発明の薄膜アルミニウム合金はアニール処理温度に大きく依存せずに低水準の硬度を維持している。即ち、［実施例１］において、２５℃〜５００℃における硬度の平均値（線形近似法による、以下本実施例において同じ）が７．１Ｈｖであるのに対し変動幅（最小値と最大値との差）は２．２Ｈｖであり、特に、２００℃〜５００℃においては、硬度の平均値が６．８Ｈｖであるのに対して変動幅が０．９Ｈｖであり、変動幅が著しく低下して、アニール処理温度に対して硬度が一定であると見なすことができる。これと比較して、［比較例１］及び［比較例２］の合金では、２００℃〜４００℃のアニール処理温度範囲の前後で硬度値が大きく変動して、これらの合金の硬度は、アニール処理温度に対する依存性が大きいことを示している。
【００３２】
また、所定のアニール処理温度を変更した場合の[実施例１]及び[比較例１]、[比較例２]の各薄膜アルミニウム合金の膜応力を、ψ一定法を用いたＸ線回折装置による膜歪値として測定したところ、下記[表２]及び[図２]に示す測定結果が得られた。
【００３３】
【表２】
0004783525.tif 000003
【００３４】
[表２]及び[図２]から明らかなように、本発明の薄膜アルミニウム合金はアニール処理温度に大きく依存せずに低水準の膜応力（残留応力）を維持している。即ち、［実施例１］において、２５℃〜５００℃における膜応力の平均値が４．７５６ｋｇ／ｍｍ2であるのに対し変動幅（最小値と最大値との差）は１．２００ｋｇ／ｍｍ2であり、特に、２５０℃〜５００℃においては、膜応力の平均値が４．４００ｋｇ／ｍｍ2であるのに対して変動幅が０．５００ｋｇ／ｍｍ2であり、変動幅が著しく低下して、アニール処理温度に対して膜応力が一定であると見なすことができる。これと比較して、［比較例１］及び［比較例２］の合金では、２００℃〜３００℃のアニール処理温度範囲の前後で膜応力値が大きく変動して、これらの合金の膜応力は、アニール処理温度に対する依存性が大きいことを示している。
【００３５】
これは、上記の[表１]及び[図１]の結果と相俟って、内部応力の集中が充分に緩和されたことを示しており、ヒロックの発生が妨げられていることを示している。
【００３６】
また、所定のアニール処理温度を変更した場合の[実施例１]及び[比較例１]、[比較例２]の各薄膜アルミニウム合金の膜表面に発生するヒロック数を、ＳＥＭ（電子顕微鏡）観察により測定したところ、下記[表３]及び[図３]に示す測定結果が得られた。
【００３７】
【表３】
0004783525.tif 000004
【００３８】
[表３]及び[図３]から明らかなように、本発明の薄膜アルミニウム合金は耐ヒロック性が充分であることを示している。
【００３９】
また、所定のアニール処理温度を変更した場合の[実施例１]及び[比較例１]、[比較例２]の各薄膜アルミニウム合金の比抵抗値を、室温において四探針法によるシート抵抗値を測定し、その値と膜厚とから算出したところ、下記[表４]及び[図４]に示す測定結果が得られた。
【００４０】
【表４】
0004783525.tif 000005
【００４１】
[表４]及び[図４]から明らかなように、本発明の薄膜アルミニウム合金は低い値の比抵抗を維持すると共に、アニール処理温度が高いと比抵抗値がさらに低下し、高純度のＡｌの比抵抗値に近い値を示すようになる。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の薄膜アルミニウム合金は、アニール処理温度に大きく依存せずに、低い値の比抵抗と硬度とを維持しながら優れた耐ヒロック性を有する。そして、残留応力としての膜応力値から、この特性は超塑性変形の発現により得られるものとするのが妥当である。さらに、このような薄膜アルミニウム合金を構成する元素を含むスパッタリングターゲットを使用することにより、スパッタリング法により上記薄膜アルミニウム合金を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アニール処理温度（℃）と薄膜アルミニウム合金形成用スパッタリングターゲットの種類に対応するビッカース硬度（Ｈｖ）との関係を示すグラフ。
【図２】アニール処理温度（℃）と薄膜アルミニウム合金形成用スパッタリングターゲットの種類に対応する膜応力（ｋｇ/ｍｍ2）との関係を示すグラフ。
【図３】アニール処理温度（℃）と薄膜アルミニウム合金形成用スパッタリングターゲットの種類に対応する膜表面のヒロック数（ケ/ｍｍ2）との関係を示すグラフ。
【図４】アニール処理温度（℃）と薄膜アルミニウム合金形成用スパッタリングターゲットの種類に対応する比抵抗値（μΩ・ｃｍ）との関係を示すグラフ。
【図１】
0004783525.tif 000006
【図２】
0004783525.tif 000007
【図３】
0004783525.tif 000008
【図４】
0004783525.tif 000009