(57)【要約】【課題】  ＩＴＯ膜と同程度の電極電位を有し、シリコンが拡散することなく、比抵抗が低く、耐熱性に優れたアルミニウム合金薄膜を形成することに好適なターゲット材の製造方法を提供する。【解決手段】  透明電極材料またはシリコンを含む半導体材料と、ニッケル、コバルト、鉄のうち少なくとも１種以上の元素を０．５〜７．０ａｔ％と、炭素を０．１〜３．０ａｔ％と、残部をアルミニウムとする組成であり、その自然電位が−６５０ｍＶ〜−１０００ｍＶのアルミニウム合金薄膜により形成されたアルミニウム合金配線材料とを、直接接合した素子構造を形成するために用いるアルミニウム合金薄膜形成用のターゲット材の製造方法であって、予めアルミニウム−炭素合金を生成し、当該アルミニウム−炭素合金のインゴットと、アルミニウムと、ニッケル、コバルト、鉄のうち少なくとも１種以上とを混合して再溶解して鋳造する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明電極材料またはシリコンを含む半導体材料と、
ニッケル、コバルト、鉄のうち少なくとも１種以上の元素を０．５〜７．０ａｔ％と、炭素を０．１〜３．０ａｔ％と、残部をアルミニウムとする組成であり、その自然電位が−６５０ｍＶ〜−１０００ｍＶのアルミニウム合金薄膜により形成されたアルミニウム合金配線材料とを、
直接接合した素子構造を形成するために用いるアルミニウム合金薄膜形成用のターゲット材の製造方法であって、
予めアルミニウム−炭素合金を生成し、
当該アルミニウム−炭素合金のインゴットと、アルミニウムと、ニッケル、コバルト、鉄のうち少なくとも１種以上とを混合して再溶解して鋳造することを特徴とするターゲット材の製造方法。
【請求項２】
再溶解時にシリコンを更に加える請求項１に記載のターゲット材の製造方法。
【請求項３】
アルミニウム−炭素合金の生成方法は、カーボンルツボにアルミニウムを投入し、加熱溶解するものである請求項１又は請求項２に記載のターゲット材の製造方法。
【請求項４】
再溶解処理は、カーボンルツボにより行うものである請求項１〜請求項３に記載のターゲット材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はターゲット材の製造方法に関するものであり、特に、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高耐熱性・低抵抗のアルミニウム合金配線材料を形成する際に好適なアルミニウム合金系のスパッタリングターゲット材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶ディスプレーは、ノートパソコンのようなコンピューターの表示装置を代表的な使用例として、いわゆるブラウン管（ＣＲＴ）の代替として多く使用されてきており、その液晶ディスプレーの大画面化、高精細化の進展はめざましいものがある。そのため、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、以下、ＴＦＴと略称する）タイプの液晶ディスプレーの需要が増加しており、その液晶ディスプレーに対する要求特性も一段と厳しくなっている。特に、液晶ディスプレーの大画面化、高精細化に伴い、比抵抗の低い配線材料が要求されている。この比抵抗の特性要求は、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ためである。
【０００３】
これまで液晶ディスプレーの配線材料としては、タンタル、クロム、チタンやそれら合金等の高融点材料が使われてきたが、このような高融点材料は比抵抗が高すぎるために、大画面化、高精細化した液晶ディスプレーの配線には好適とはいえない。そのため、比抵抗が低く、配線加工が容易なことから、アルミニウムが配線材料として注目されている。しかし、アルミニウムは融点が６６０℃と比較的低いことから、耐熱性の点で問題となる。つまり、スパッタリングにより基板上にアルミニウム膜を形成して配線加工した後、ＣＶＤ法により絶縁膜を形成する際、配線加工したアルミニウム薄膜に３００〜４００℃の熱が加わるが、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を生じるのである。
【０００４】
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や、隣同士の配線間でのショートを引き起こし、不良の原因となる。そこで、他の元素を含有することで、ヒロックを抑制したアルミニウム合金が多く開発されている。例えば、アルミニウム−チタン等のアルミニウム合金薄膜は、チタン等の元素含有量をコントロールすることによって、ヒロックを確実に抑制できる。しかしながら、前述のような高融点材料の元素を添加すると、比抵抗が高くなる。
【０００５】
このようなことから、本発明者らは、炭素とマンガンとを含有したアルミニウム合金薄膜を開発した（特開２０００−３３６４４７公報参照）。この炭素とマンガンとを含有したアルミニウム合金薄膜は、ヒロックの発生が著しく低減され、非常に低い比抵抗特性を有したもので、ＴＦＴを構成する薄膜として非常に好適なものである。
【０００６】
ところで、液晶ディスプレーのスイッチング素子としてＴＦＴを構成する場合、透明電極として代表的なＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜とアルミニウム合金薄膜とをオーミック接合する必要がある。アルミニウム又はアルミニウム合金薄膜を、直接ＩＴＯ膜上に接合すると、接合界面においてアルミニウムが酸化し、ＩＴＯ膜は還元することになり、接合抵抗が変化してしまう。これは、アルミニウム又はアルミニウム合金薄膜とＩＴＯ膜との電極電位が相違するために生じる電気化学的な反応による現象であることが知られている。そのために、オーミック接合する際にはＩＴＯ膜とアルミニウム合金薄膜との間に、モリブデンのような高融点材料をバリア層として介在させ、即ち、アルミニウム合金薄膜／モリブデン／ＩＴＯという積層構造を形成することが通常行われている。このような積層構造は、生産コストの増加に繋がるため、ＴＦＴの構成を改善できる特性を有したアルミニウム合金薄膜が求められているのが現状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上のような事情を背景になされたものであり、ＩＴＯ膜に直接オーミック接合が可能となり、シリコンとアルミニウムの相互拡散が防止され、比抵抗が低く、耐熱性に優れたアルミニウム合金配線材料を形成するのに好適なスパッタリングターゲット材の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、透明電極材料またはシリコンを含む半導体材料と、ニッケル、コバルト、鉄のうち少なくとも１種以上の元素を０．５〜７．０ａｔ％と、炭素を０．１〜３．０ａｔ％と、残部をアルミニウムとする組成であり、その自然電位が−６５０ｍＶ〜−１０００ｍＶのアルミニウム合金薄膜により形成されたアルミニウム合金配線材料とを、直接接合した素子構造を形成するために用いるアルミニウム合金薄膜形成用のターゲット材の製造方法であって、予めアルミニウム−炭素合金を生成し、当該アルミニウム−炭素合金のインゴットと、アルミニウムと、ニッケル、コバルト、鉄のうち少なくとも１種以上とを混合して再溶解して鋳造するものである。
【０００９】
本発明に係るターゲット材の製造方法では、再溶解時にシリコンを更に加えることができる。また、アルミニウム−炭素合金の生成方法は、カーボンルツボにアルミニウムを投入し、加熱溶解することが望ましい。そして、再溶解処理は、カーボンルツボにより行うようにすることが望ましいものである。
【００１０】
本発明のターゲット材の製造方法では、スパッタリングにより形成されるアルミニウム合金薄膜の組成が、ニッケル、コバルト、鉄のうち少なくとも１種以上の元素を０．５〜７．０ａｔ％と、炭素を０．１〜３．０ａｔ％と、残部がアルミニウムとなるようにするものである。
【００１１】
本発明者らの研究によると、ニッケル、コバルト、鉄のうち少なくとも１種以上も元素をアルミニウムに含有させると、そのアルミニウム合金薄膜の電極電位がＩＴＯ膜と同レベルになることを見出した。そして、これら元素と、炭素が含有されていると、ヒロックの発生も防止でき、比抵抗の小さいアルミニウム合金薄膜を形成できることを突き止めたのである。尚、この「電極電位」とは、ある反応物の酸化還元反応において、その酸化速度と還元速度とが等しくて平衡する際の電位、いわゆる平衡電位、或いは自然電位のことをいうものであるが、本明細書では自然電位を意味するものである。この自然電位は、測定系に通電していない状態、即ち、ある反応物が水溶液中に浸漬した際の自然状態での参照電極に対して示す電位のこというものである。
【００１２】
本発明により製造されたターゲット材をスパッタリングして形成したアルミニウム合金薄膜によれば、ＩＴＯ膜とオーミック接合する際に、モリブデンのような高融点材料をバリア層として設けることなく、ＩＴＯ膜に直接接合することが可能となり、ＴＦＴの製造工程を簡略でき、生産コストの低減を図ることが可能となる。また、本発明のアルミニウム合金薄膜は、耐熱性に優れ、比抵抗も小さいため、大型化、或いは高精細化の液晶ディスプレーに好適な配線を形成することが可能となる。
【００１３】
本発明のターゲット材の製造方法では、ニッケル、コバルト、鉄のいずれか一種の元素を含有してもよく、これらの中で２種以上含有するようにしてターゲット材を製造してもよい。但し、製造したターゲット材により形成されるアルミニウム合金薄膜は、ニッケル、コバルト、鉄のいずれか一種の元素を０．５〜７．０ａｔ％の範囲で含有しているようにすることが、好適な特性を実現できものである。ターゲット材で形成されるアルミニウム合金薄膜における含有量が０．５ａｔ％未満であると、アルミニウム合金薄膜の電極電位がＩＴＯ膜のそれと大きく相違してしまうため、ＩＴＯ膜にアルミニウム合金薄膜を直接接合できなくなり、薄膜の耐熱性が低下する。また、７．０ａｔ％を越えると、基板温度２００℃でアルミニウム合金薄膜を成膜しても、真空中３００℃、１時間の熱処理後において、比抵抗値が２０μΩｃｍを越えてしまい、液晶ディスプレー用途として、実用的な配線材料でなくなる。
【００１４】
本発明者らの研究によると、本発明の製造方法により得られたターゲット材で形成されるアルミニウム合金薄膜では、アルミニウム−炭素にニッケルのみを含有させる場合、０．５〜５ａｔ％の範囲がより好ましい。この範囲であると、低い比抵抗性と、良好な耐熱性とを有した薄膜となるので、大画面化、或いは高精細化の液晶ディスプレーにおける配線材料として非常に好適なものとなる。同様な理由により、アルミニウム−炭素にコバルト、或いは鉄のみを含有させる場合は、２．０〜５．０ａｔ％の範囲がより好ましいものである。
【００１５】
そして、本発明の製造方法により得られたターゲット材で形成されるアルミニウム合金薄膜に含有される炭素は、０．１〜３．０ａｔ％の含有量であることが良好な特性を実現できる。炭素の含有量が、０．１ａｔ％未満であると、ヒロックの発生を抑制する効果が無くなり、３．０ａｔ％を越えると、比抵抗値が大きくなり、液晶ディスプレーに実用的な配線を形成できなくなる。
【００１６】
また、本発明の製造方法においてシリコンを添加したターゲット材で形成される本発明のアルミニウム合金薄膜の場合、０．５〜２．０ａｔ％のシリコンを更に含むようにすることが望ましい。シリコンにアルミニウム合金薄膜を直接接合する場合、接合界面においてアルミニウムとシリコンとが相互拡散を生じることが知られている（参考文献「ＶＬＳＩの薄膜技術」、出版社：丸善（株）、1986年刊行）。そこで、アルミニウム合金薄膜に予めシリコンを含有させておくと、アルミニウムとシリコンとの相互拡散が効果的に防止することが可能となる。このシリコンの含有量は、０．５ａｔ％未満であると、接合界面における相互拡散を防止する効果が低下してしまい、２．０ａｔ％を越えると、ウェットエッチングする際に、シリコン又はシリコン析出物がエッチング残査となるため好ましくない。
【００１７】
上記した本発明に係るターゲット材の製造方法により形成されたアルミニウム合金薄膜は、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形成する場合の配線材料として非常に好適なものである。ＴＦＴを構成する際には、モリブデンのような高融点材料のバリア層を形成することなく、ＩＴＯ膜に上に直接的に本発明に係るアルミニウム合金薄膜を形成して、オーミック接合することが可能となるからである。そして、ＴＦＴを形成した場合、アルミニウム合金とシリコンとの相互拡散を防止することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によれば、ＩＴＯ膜と同レベルの自然電位を有するアルミニウム合金薄膜を形成できるターゲット材を得られるので、ＩＴＯ膜に直接オーミック接合が可能となり、シリコンとアルミニウムとの相互拡散を防止し、比抵抗も小さく、耐熱性に優れた素子の形成が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の好ましい実施形態について、実施例及び比較例に基づき説明する。表１には、実施例１Ａ〜１４Ａ及び比較例１、２について、膜組成、膜比抵抗値、ヒロック発生状態調査の結果を一覧にして示している。
【００２０】
表１に示す実施例１Ａ〜１４Ａの各組成の薄膜は、次のようにして製造したターゲット材を用いて成膜した。
【００２１】
まず、カーボンルツボ（純度９９．９％）に、純度９９．９９％のアルミニウムを投入して、１７９０℃で加熱してアルミニウムを溶解した。このカーボンルツボによるアルミニウムの溶解は、アルゴンガス雰囲気中で雰囲気圧力は大気圧として行った。この溶解温度で約５分間保持し、カーボンルツボ内にアルミニウム−炭素合金を生成した後、その溶湯を炭素鋳型に投入して、放置することにより自然冷却して鋳造した。
【００２２】
この炭素鋳型に鋳造したアルミニウム−炭素合金の鋳塊を取り出して分析したところ、炭素含有量は０．９７ｗｔ％となっていた。この鋳造して得られた炭素濃度０．９７ｗｔ％のアルミニウム−炭素合金に、純度９９．９９％のアルミニウムとニッケルとを所定量加えて、再溶解用のカーボンルツボに投入し、８００℃に加熱して再溶解し、約１分間撹拌を行った。この再溶解も、アルゴンガス雰囲気中で、雰囲気圧力は大気圧にして行った。撹拌後、溶湯を銅水冷鋳型に鋳込むことにより、所定形状のターゲット材を得た。このターゲット材を分析した結果、炭素含有量１．０ａｔ％、ニッケル含有量２．１ａｔ％であるアルミニウム−炭素−ニッケル合金となっていることが確認された。最終的なターゲット材の大きさは、φ１００ｍｍ×厚さ６ｍｍとした。
【００２３】
このターゲット材を用い、下記の薄膜形成条件でスパッタリングを行い得られた薄膜を分析したところ、ニッケル１．９ａｔ％−炭素０．８ａｔ％−残部アルミニウム（実施例５）となっていた。
【００２４】
薄膜形成条件は、基板として厚さ０．８ｍｍのコーニング社製♯１７３７ガラス板を用い、投入電力３．０Ｗａｔｔ／ｃｍ２、アルゴンガス流量２０ｃｃｍ、アルゴン圧力２．５ｍＴｏｒｒで、マグネトロン・スパッタリング装置により、成膜時間約１５０ｓｅｃで、該ガラス板上に約３０００Å程度（約０．３μｍ）の厚みの薄膜を形成した。基板温度は、１００℃又は２００℃とした。
【００２５】
上述した製法により各組成のターゲット材を作製し、各組成のターゲット材を用いて上記薄膜作成条件により成膜することにより、表１に記載する各実施例の薄膜を形成した。表１に示す各薄膜の膜組成は、ニッケル、コバルト、鉄、シリコンに関してはＩＣＰ発光分析（誘導結合プラズマ発光分光分析法）を利用し、炭素は炭素分析装置により定量した。また、各薄膜の比抵抗は、４端子抵抗測定装置により測定（測定電流１００ｍＡ）した。この比抵抗は、スパッタリング直後（ａｓ−ｄｏｐｅ）と、各薄膜付きガラス板を真空中で３００℃、３５０℃、４００℃の３水準でそれぞれ１時間熱処理を行い、各熱処理後の膜比抵抗とを測定した。その結果は表１に示す通りであった。
【００２６】
そして、ヒロックの発生状態については、上記した３水準の熱処理を行った各膜の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて１０００倍、５０００倍及び１５０００倍で観察し、どの倍率においてもヒロックが観察されなかった場合を○、どれかの倍率でヒロックの発生が確認されたものを×として、表１に記載している。
【００２７】
【表１】
2005054273.tif 000002
【００２８】
表１を見ると判るように、比較例である純アルミニウム膜、及びアルミニウム−炭素合金薄膜では、比抵抗値は低いものの、全ての熱処理条件でヒロックの発生が確認された。一方、アルミニウム−炭素にニッケルを含有させたアルミニウム合金薄膜（実施例１Ａ〜９Ａ）では、スパッタ直後で１０μΩｃｍを越えるものが幾つか見られたが、熱処理後は全て１０μΩｃｍ未満で、配線材料としての特性を有することが判った。また、ヒロックの発生についてみると、３００℃の熱処理では、全く確認されず、３５０℃、４００℃でもヒロックを生じないものがあることが判明した。
【００２９】
そして、ニッケル以外にコバルト（実施例１１Ａ，１２Ａ）、鉄（実施例１３Ａ、１４Ａ）を含有させたアルミニウム合金薄膜については、スパッタ直後の比抵抗値が若干高いものの、配線材料として実用的な比抵抗値を有しており、ヒロックの発生は少なく、ニッケルと同様に耐熱性に優れていることが確認された。
【００３０】
続いて、スパッタリングの際の基板温度を２００℃としてアルミニウム合金薄膜を形成した場合の結果について説明する。表２に各実施例１Ｂ〜１４Ｂと比較例１Ｂ、２Ｂの結果を示す。この表２に示した各薄膜の形成は、基板温度を２００℃とした以外は、全て表１の場合と同じ条件である。また、比抵抗測定、ヒロック発生状態の観察についても、上記と同様であるので説明を省略する。
【００３１】
【表２】
2005054273.tif 000003
【００３２】
表２を見ると判るように、基板温度を２００℃にしても、比較例１Ｂの純アルミニウム膜、及び比較例２Ｂのアルミニウム−炭素合金薄膜では、比抵抗値は低いものの、全ての熱処理条件でヒロックの発生が確認された。一方、アルミニウム−炭素にニッケルを含有させたアルミニウム合金薄膜（実施例１Ｂ〜９Ｂ）では、スパッタ直後、熱処理後の全てにおいて１０μΩｃｍ未満の比抵抗であることが判った。また、ヒロックの発生状態も、基板温度１００℃の場合に比べ、更に良好な薄膜となることが判明した。
【００３３】
また、ニッケル以外のコバルト（実施例１１Ｂ，１２Ｂ）、鉄（実施例１３Ｂ、１４Ｂ）の場合についても、基板温度２００℃の場合であると、１００℃の時よりも比抵抗値が低くなり、ヒロックの発生も全く確認されなかった。
【００３４】
次ぎに、各薄膜の自然電位を測定した結果について説明する。所定の厚み（０．３μｍ）の薄膜を、表３に示す各組成でそれぞれガラス基板上に形成し、そのガラス基板を切り出すことで電位測定サンプルとした。そして、１ｃｍ２に相当する面積を露出するように電位測定サンプル表面をマスキングして、測定用電極を形成した。自然電位は、３．５％塩化ナトリウム水溶液（液温２７℃）を用い、参照電極は銀／塩化銀を使用して測定した。また、オーミック接合の相手方となるＩＴＯ膜は、Ｉｎ２Ｏ３−１０wt％ＳｎＯ２の組成のものを使用した。
【００３５】
【表３】
2005054273.tif 000004
【００３６】
表３に示すように、ＩＴＯ膜の自然電位は、−１０００ｍＶ程度であった。そして、純アルミニウム薄膜では約−１５５０ｍＶであり、アルミニウム−炭素合金薄膜では−１４００〜−１５００ｍＶであることが確認された。このことから、比較例１、比較例２、２−１、２−２の薄膜をＩＴＯ膜上に直接接合した場合、電位差が大きいため、アルミニウムが酸化し、ＩＴＯ膜は還元する傾向となり、接合抵抗が変化する。
【００３７】
一方、ニッケル、コバルト、鉄を含有させたアルミニウム−炭素合金の薄膜では、自然電位はおおよそ−６５０〜−１０００ｍＶの範囲内にあり、ＩＴＯ膜の自然電位と同じ程度であった。このことから、アルミニウム−炭素合金に、ニッケル、コバルト、鉄を所定量含有するものであれば、ＩＴＯ膜に直接オーミック接合しても、接合界面での電気化学反応が生じにくく、接合抵抗の変化も生じなかった。