(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室内に基板を配置し、真空雰囲気にした状態でスパッタガスを導入してＡｌを含むターゲットをスパッタし、前記基板上に配線膜用のアルミニウム薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、
前記基板上に前記アルミニウム薄膜を成長させる前に、前記真空槽内に還元性ガスと前記スパッタガスを導入しながら前記ターゲットがスパッタされる最小の高周波電力よりも小さい高周波電力を前記ターゲットに印加し、前記ターゲット表面にプラズマを生成する前処理工程を設けたことを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】
前記前処理工程では、２５０Ｗ以下の高周波電力を印加することを特徴とする請求項１記載の薄膜形成方法。
【請求項３】
前記還元性ガスには、水素ガスを用いることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の薄膜形成方法。
【請求項４】
前記基板上にＴｉ膜を成膜した後に、前記アルミニウム薄膜を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項薄膜形成方法。
【請求項５】
前記アルミニウム薄膜は、ガラス基板又はシリコン基板上に形成することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶等の表示素子や半導体素子に用いられるＡｌ薄膜或いはＡｌを主成分とする合金薄膜から成る薄膜配線の製造方法にかかり、特に、薄膜配線のヒロックの発生量を少なくする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体素子では、薄膜配線の材料として純粋なＡｌ、或いはＡｌを主成分とする合金が一般的に用いられている。一方、薄膜トランジスタ(以下ＴＦＴと称す)を駆動素子として用いる液晶表示装置(以下ＬＣＤと称す)では、薄膜配線の材料としてＣｒやＭｏ等が用いられてきた。
【０００３】
しかしながら、ＣｒやＭｏ等は抵抗が比較的高いため、ＬＣＤの大型化や高精細化が要求されるとともに、薄膜配線の抵抗成分による信号遅延や画素への書き込み不足という問題が顕著になってきた。
【０００４】
そこでＣｒやＭｏ等に代えて、より低抵抗なＡｌ或いはＡｌを主成分とする合金を薄膜配線の材料に用いようとする試みがなされている。
ところで、半導体素子やＴＦＴで用いられるＡｌ或いはＡｌを主成分とする薄膜(本明細書では、Ａｌを主成分とする薄膜をＡｌ薄膜と呼ぶ。)は、一般的に直流(ＤＣ)マグネトロンスパッタ法で製造されているが、ガラス基板やＳｉウエハー基板上にＡｌ薄膜を形成し、薄膜配線を構成させた場合、その後のプロセスにおける熱処理の際に、Ａｌ薄膜配線上にヒロック(突起物)が発生してしまい、Ａｌ薄膜配線上の絶縁膜を突き破ると、絶縁膜上に形成された上層の薄膜配線と短絡してしまうという問題が生じていた。
【０００５】
このようなヒロックの発生を防止するために、Ｃｕ、ＳｉやＴｉ、Ｔａ、Ｎｄ、Ｍｏ、Ｚｒ等の高融点金属をＡｌ薄膜配線の材料に添加しておく方法があるが、その効果を高めるため、高融点金属の添加量を増加させると、薄膜配線の抵抗値が大きくなってしまうという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の技術の課題を解決するために創作されたもので、その目的は、Ａｌ薄膜配線の抵抗値を増加させずにヒロックの発生量を少なくすることができる技術を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
図１(ａ)，(ｂ)に、スパッタ法を用いて形成したＡｌ薄膜配線１０、２０の結晶粒の状態を示す。符号１１a〜１１c，２１a〜２１fは、Ａｌ薄膜配線１０、２０を構成する結晶粒を示している。
【０００８】
このようなＡｌ薄膜配線１０、２０が形成された後は、更にその表面上に層間絶縁膜や上層の薄膜配線が形成されるが、Ａｌ薄膜配線１０、２０の熱膨張係数と、下地となる基板の熱膨張係数とには差があるため、Ａｌ薄膜配線１０、２０を形成した後のプロセス中の熱処理により、低温状態と高温状態とが繰り返されると、Ａｌ薄膜配線１０、２０内に圧縮応力が発生し、その際、結晶粒１１a〜１１c、２１a〜２１fの粒界に沿ってＡｌ原子が移動し、粒界の交点でヒロックが形成されてしまう。
【０００９】
このとき、図１(ａ)に示すように、結晶粒１１a〜１１cの粒径が大きいＡｌ薄膜配線１０では、粒界の総面積や粒界の交点が少ないため、ヒロックが発生しにくいのに対し、図１(ｂ)に示すように、結晶粒２１a〜２１fが小さいＡｌ薄膜配線２０では、粒界の総面積が大きく、また粒界の交点２２a〜２２dが多数存在するため、それだけヒロックが発生しやすくなる。
【００１０】
また、ヒロックによる短絡の発生は、結晶粒の大きさだけで決まるものではなく、結晶粒の配向性にも影響されることが知られており、Ａｌ薄膜配線の結晶粒が均一であれば、結晶粒が不均一な場合に比べて、Ａｌ薄膜配線内に局所的に大きな圧縮応力が発生することが少ないため、ヒロックが生じた場合でもそのサイズは小さい。従って、ヒロックが層間絶縁膜を突き破ることがなく、短絡が発生しにくくなる。
【００１１】
本発明の発明者等は、これらの結晶粒径、結晶粒の配向性にはスパッタ成膜の際の残留ガスや、ターゲット表面や基板表面に吸着するガスが大きく影響することを見いだした。
【００１２】
特に、酸素や水などの酸化性のガスがターゲット表面や基板表面に吸着した状態でスパッタリングが行われると、Ａｌ膜の結晶粒界に酸化膜が形成されてしまって結晶粒の成長が妨げられてしまい、また、配向性も不均一になると考えられる。
【００１３】
本発明は、上記知見に基づいて創作されたものであり、請求項１記載の発明は、処理室内に基板を配置し、真空雰囲気にした状態でスパッタガスを導入してＡｌを含むターゲットをスパッタし、前記基板上に配線膜用のアルミニウム薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、前記基板上に前記アルミニウム薄膜を成長させる前に、前記真空槽内に還元性ガスと前記スパッタガスを導入しながら前記ターゲットがスパッタされる最小の高周波電力よりも小さい高周波電力を前記ターゲットに印加し、前記ターゲット表面にプラズマを生成する前処理工程を設けたことを特徴とする薄膜形成方法である。
請求項２記載の発明は、前記前処理工程では、２５０Ｗ以下の高周波電力を印加することを特徴とする請求項１記載の薄膜形成方法である。
請求項３記載の発明は、前記還元性ガスには、水素ガスを用いることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の薄膜形成方法である。
請求項４記載の発明は、前記基板上にＴｉ膜を成膜した後に、前記アルミニウム薄膜を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項薄膜形成方法。
請求項５記載の発明は、前記アルミニウム薄膜は、ガラス基板又はシリコン基板上に形成することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の薄膜形成方法である。
【００１４】
このように構成することにより、薄膜を成長させる以前にプラズマを発生させて基板表面やターゲット表面をクリーニングすることができ(本明細書ではこのことをプラズマクリーニングと称する。)、基板表面やターゲット表面から吸着ガスを除去することができる。
【００１５】
従って、特に酸化性ガスなどのガスが基板表面やターゲット表面に吸着して、結晶粒界に酸化膜が形成されることを抑制することができ、結晶粒径が大きく配向性のそろった膜を得ることができる。その結果、熱処理工程後でもＡｌ膜上でのヒロックの発生を大幅に低減することができる。
【００１６】
ところで、ターゲットに供給する高周波電力の大きさによっては、プラズマクリーニング時にターゲットがスパッタされ、成膜が開始されてしまう。このときには基板表面やターゲット表面から吸着ガスが除去される前に、成膜が開始されてしまうので、基板上に部分的に酸化したＡｌ膜が成膜されてしまい、その後直流電圧印加によって形成されるＡｌ薄膜の結晶性が劣化してしまう。
【００１７】
本発明の発明者等は、圧力０．３ＰａのＡｒガス雰囲気で、Ａｌからなる面積３４００ｃｍ2のターゲットに、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を５０Ｗ〜５００Ｗの範囲の所定値で供給してプラズマを発生させ、Ａｌの析出速度を測定した。
この測定結果を図２のグラフに示す。図２において横軸は高周波電力、縦軸はＡｌの析出速度である。
【００１８】
図２のグラフから、高周波電力が２５０Ｗ以下では、Ａｌの析出速度は０Å／minであってターゲット３が全くスパッタされていないが、３００Ｗで約３Å／minになり、３００Ｗ以上になるとＡｌの析出速度はさらに増加することがわかる。
【００１９】
以上により、本発明では、前記前処理工程では、２５０Ｗ以下の高周波電力を印加することにより、ターゲットがスパッタされることなくプラズマを発生させることができる。
【００２０】
さらに、前記前処理工程では、前記スパッタガス中に、還元性ガスを添加してもよい。
【００２１】
このように構成することにより、プラズマクリーニング中に、酸化性ガスのガス分子がプラズマのみでは除去しきれずに残存しても、還元性ガスで還元することができるので、ターゲットや基板の表面に吸着する酸化性ガスの量をさらに少なくすることができる。
【００２２】
また、Ａｌ薄膜に加えられる圧縮応力を緩和するために、先ず基板表面にＡｌ薄膜の熱膨張係数に近い金属薄膜を形成し、その金属薄膜上にＡｌ薄膜を形成すると、結晶粒径やその配向性を一層向上させることができる。
【００２３】
従って、前記基板上にＴｉ薄膜を形成した後、該Ｔｉ薄膜上に前記薄膜を形成するとよい。
【００２４】
なお、基板がガラス基板又はシリコン基板である場合に、特に有用である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図３(ａ)を参照し、符号１は本発明の薄膜形成方法に用いられるスパッタ成膜装置である。このスパッタ成膜装置１は、真空排気可能なチャンバー２を有しており、該チャンバー２の底部には載置台４が設けられ、天井側には面積が３４００ｃｍ2のターゲット３が設けられている。
【００２６】
チャンバー２には、ガス導入口６と排気口７とが設けられており、ガス導入口６は不図示のガス導入系に接続され、排気口７は不図示の真空ポンプに接続されている。
【００２７】
チャンバー２の外部には、直流電源８と高周波電源９とが設けられている。ターゲット３には、直流電源８が直接接続されるとともに、ＲＦフィルタ１３を介して高周波電源９が接続されている。
【００２８】
このようなスパッタ成膜装置１を用い、基板(３００×４００×１．１mmのコーニング社製＃７０５９ガラス基板)５上に直接Ａｌ薄膜を成膜する場合について以下で説明する。
【００２９】
まず、予め不図示の真空ポンプによってチャンバー２内を真空排気した後、その真空状態を維持したまま、ガラス表面が露出した基板５をチャンバー２内に搬入し、成膜面をターゲット３に向け、載置台４上に載置した。
【００３０】
次に、チャンバー２内に、スパッタガス(Ａｒガス)をガス導入口６から導入し、チャンバー２内部が０．３Ｐａの圧力で安定したところで高周波電源９を起動して、１３．５６ＭＨｚ、５０Ｗの高周波電力をターゲット３に供給し、チャンバー２内にプラズマを発生させた。
【００３１】
高周波電力の供給開始から２０秒後に供給を停止した後に、引き続いてターゲット３に直流電圧を印加して、ＤＣマグネトロンスパッタ法によりスパッタした。スパッタの際は、基板５の温度が１００℃になるようにし、その状態で基板５表面にＡｌ薄膜を形成した。
【００３２】
Ａｌ薄膜の膜厚が３０００Åに達したところで、直流電圧の印加及びスパッタガスの導入を終了させ、基板５をチャンバー２外に搬出した。
基板５の断面図を図３(ｂ)に示す。基板５表面にはＡｌ薄膜５aが直接形成されている。
【００３３】
次に、オーブンにより、基板５を大気圧・窒素ガス雰囲気下で加熱し、３５０℃１時間の熱処理を行った。そのＡｌ薄膜５aの表面をＳＥＭ(Scanning electron microscope：走査型電子顕微鏡)で観察し、ヒロックの個数をカウントした。
【００３４】
なお、熱処理の温度を３５０℃にしたのは、ＴＦＴのゲートバスラインを形成した後に、ゲート絶縁膜を成膜するためのＣＶＤ法が、同温度で行われることによる。
【００３５】
その後、他の条件は上記条件と変えずに、高周波電力を５０Ｗ〜５００Ｗの範囲の所定値にして、基板５上に３０００ÅのＡｌ薄膜５aを形成した後、上記と同じ条件で熱処理をし、ヒロックの個数をカウントした。
ヒロック密度と高周波電力との関係を図４のグラフに示す。図４で横軸は高周波電力、縦軸はヒロック密度である。
【００３６】
このグラフから、ターゲット３の面積が３４００ｃｍ2でスパッタ雰囲気が０．３Ｐａの場合は、高周波電力が５０Ｗ〜２００Ｗの範囲でヒロック密度を０．０１個／μｍ2以下(１５０Ｗで最小値をとる)まで小さくすることができることがわかる。
【００３７】
なお、上述のＡｌ薄膜５aの比抵抗は、５０Ｗ〜２００Ｗの範囲の高周波電力を供給したかぎりでは高くならず、３．１μΩcmという比較的低い比抵抗値を得ることができた。このように、抵抗値を上昇させることなくヒロックの発生量を少なくすることができる。
【００３８】
上述のＡｌ薄膜５aの形成においては、スパッタガスとしてＡｒガスのみを用いたが、以下に説明するように、スパッタガスに水素ガスなどの還元性ガスを添加してプラズマクリーニングを行うと、ヒロックの発生量をさらに少なくすることができる。
【００３９】
供給する高周波電力を１５０Ｗに固定し、Ａｒガスに、１×１０-4〜２×１０-2Ｐａの範囲内の所定値の水素ガスを添加して、プラズマクリーニングを行った後にターゲット３をスパッタして、基板５上に直接Ａｌ薄膜を成膜し、上記実施例と同様の熱処理を行い、ヒロックの個数をカウントした。
【００４０】
図５のグラフに、その測定結果を示す。図５で横軸は添加された水素ガスの分圧（以下でこの分圧を水素添加分圧と称する。）、縦軸はヒロック密度である。このグラフより、水素添加分圧が増加するとともに、ヒロック密度が小さくなり、Ａｒガスのみでプラズマを発生させた場合に比してさらにヒロックの発生量を少なくできることがわかる。特に、水素添加分圧が１×１０-4〜５×１０-3Ｐａの範囲内ではヒロック密度は０個／μｍ2であり、ヒロックの発生は全くみられなかった。
【００４１】
これは、還元性ガスである水素ガス雰囲気でプラズマを発生させると、プラズマによって除去し得なかった水や酸素などの酸化性ガスのガス分子が水素ガスで還元されるので、ターゲット３や基板５の表面にこれらの酸化性ガスが付着することを防止する効果が強まったためであると考えられる。
【００４２】
以上説明したように、Ａｌ薄膜５aを基板５上に直接形成する場合には、Ａｌ薄膜５aの成長の開始前にプラズマクリーニングを行うことで、ヒロックの発生量を少なくできることがわかったが、基板５上にＴｉ膜を成膜し、その後Ａｌ薄膜を形成すると、ヒロックの発生量をさらに少なくすることができる。以下でこの場合について説明する。
【００４３】
まず、スパッタガスとしてＡｒを用いて、０．３Ｐａの圧力下で、予めスパッタ法により基板５上に膜厚５００ÅのＴｉ薄膜を形成した後、チャンバー２内を真空排気して真空状態を維持した状態で基板５をチャンバー２内に搬入し、Ａｒガスをガス導入口６から導入し、チャンバー２内部が０．３Ｐａの圧力で安定したところで１３．５６ＭＨｚ、５０Ｗの高周波電力をターゲット３に供給し、チャンバー２内にプラズマを発生させた。
【００４４】
供給開始から２０秒後に高周波電力の供給を止め、引き続いてターゲット３に直流電圧を印加してスパッタし、Ｔｉ薄膜表面にＡｌ薄膜を形成した。
その後Ａｌ薄膜の膜厚が３０００Åに達したところで、直流電圧の印加及びスパッタガスの導入を終了させ、基板５をチャンバー２外に搬出した。
【００４５】
そのときの基板５の断面図を図３(ｃ)に示す。基板５表面にはＴｉ膜５b、Ａｌ薄膜５aが順次形成されている。
次に、オーブンにより、その基板５を大気圧・窒素ガス雰囲気下で加熱し、３５０℃、１時間の熱処理を行った。そのＡｌ薄膜５aの表面をＳＥＭで観察し、ヒロックの個数をカウントした。
【００４６】
この場合における高周波電力とヒロック密度の関係を図６のグラフに示す。このグラフを図４のグラフと比較すると、ヒロック密度が全体的に少なくなっていることがわかる。特に、高周波電力が１００〜２００Ｗの範囲ではヒロック密度は０個／μｍ2であって、ヒロックの発生は全くみられなかったことがわかる。
【００４７】
なお、上述のＡｌ薄膜５a、５cは、純Ａｌ薄膜であったが、本発明はそれに限定されるものではなく、Ａｌを主成分とするＡｌ薄膜に広く適用することができる。例えば、Ａｌと、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｄ、Ｍｏ、Ｚｒ等とが合金化したターゲットを用いてＡｌ薄膜を形成する場合にも適用可能である。
【００４８】
また、スパッタガスの圧力を０．３Ｐａとしたが、本発明はそれに限定されるものではなく、スパッタガスの圧力を０．２〜２Ｐａ程度の範囲内で上下させてもよい。
【００４９】
さらに、基板５にはガラス基板を用いたが、本発明はそれに限られるものではなく、シリコンなどの半導体ウエハーを基板とする場合にも適用することができる。
【００５０】
また、スパッタガスに添加する還元性ガスとして水素ガスを用いたが、メタンガスやエタンガスなどの他の還元性ガスを用いてもよい。
また本実験では、プラズマクリーニングとして１３．５６ＭＨｚの高周波を用いたが、本発明のプラズマクリーニングでの周波数は１３．５６ＭＨｚに限定されるものではなく、例えば１００ｋＨｚ程度の中周波を用いても、同様のプラズマクリーニング効果が得られた。
【００５１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、熱処理工程後におけるＡｌ或いはＡｌ合金薄膜上でのヒロックの発生を大幅に低減することができる。その結果、ヒロックによる短絡などの問題を抑止することができ、ＴＦＴや半導体の製造工程において、安価で低抵抗なＡｌ配線を信頼性よく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】成膜の際の基板上の結晶粒の状態を示す図で、（ａ）：結晶粒径が大きい場合の結晶粒の状態を示す図  （ｂ）：結晶粒径が小さい場合の結晶粒の状態を示す図
【図２】本発明でターゲットに印加される高周波電力とＡｌの析出速度との関係を示すグラフ
【図３】本発明の実施形態における実験を説明する図で、（ａ）：本実施形態で行った実験に用いたスパッタ成膜装置の構成を説明する断面図  （ｂ）：実験によりＡｌ膜が表面に形成されたガラス基板の状態を説明する断面図  （ｃ）：実験によりＴｉ膜、Ａｌ膜が順次表面に形成されたガラス基板の状態を説明する断面図
【図４】本発明の実施形態でガラス基板上にＡｌ膜のみを形成した場合の、高周波電力とヒロック密度との関係を示すグラフ
【図５】本発明の実施形態でスパッタガスに水素ガスを添加した場合における水素添加量とヒロック密度との関係を示すグラフ
【図６】本発明の実施形態でガラス基板上にＴｉ膜、Ａｌ膜を順次形成した場合の、高周波電力とヒロック密度との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１…スパッタ成膜装置  ２…チャンバー（処理室）  ３…ターゲット  ４…載置台  ５…基板  ５ａ，５ｃ…Ａｌ薄膜  ５ｂ…Ｔｉ膜  １０、２０…Ａｌ薄膜配線  １１ａ，１１ｂ，１１ｃ，…結晶粒  ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ…結晶粒  ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ…粒界の交点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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