專(zhuān)利名稱(chēng)：鋁合金薄膜及靶材和使用它的薄膜形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁合金薄膜、用于形成鋁合金薄膜的濺射靶材及鋁合金薄膜的形成方法，更具體地說(shuō)，涉及構(gòu)成液晶顯示器的薄膜布線、電極及半導(dǎo)體集成電路布線等的耐熱性、低電阻鋁合金薄膜，還涉及能夠用于形成上述鋁合金薄膜的濺射靶材及上述鋁合金薄膜的形成方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，計(jì)算機(jī)顯示裝置及筆記本電腦中使用的液晶顯示器屏幕越來(lái)越大，清晰度越來(lái)越高。最近，在液晶顯示器領(lǐng)域中，薄膜晶體管(Thin Film Transistor、TFT)的液晶顯示器的需求不斷增加，隨之對(duì)液晶顯示器要求的特性也日益嚴(yán)格。特別是隨著液晶顯示器實(shí)現(xiàn)大屏幕及高清晰度，更需要電阻率低(10μΩcm以下)的布線材料。即，該需求是為了防止在布線越來(lái)越長(zhǎng)和越來(lái)越細(xì)時(shí)出現(xiàn)信號(hào)延遲而提出來(lái)的。
到目前為止，液晶顯示器的布線材料采用的是Ta、Cr、Ti等或它們的合金等高熔點(diǎn)材料。但是，由于高熔點(diǎn)材料的電阻率過(guò)高，因此不能用于上述大屏幕、高清晰度的液晶顯示器的布線。
在這樣的情況下，純鋁的電阻率為3μΩcm左右，非常低，而且布線加工容易，因此其作為布線材料的應(yīng)用受到矚目。但是，純鋁的熔點(diǎn)為660℃，比較低，因此存在耐熱性低的問(wèn)題。
通過(guò)濺射在基板形成鋁薄膜進(jìn)行布線加工后用CVD法形成絕緣膜時(shí)鋁會(huì)受到300～400℃的強(qiáng)熱。這時(shí)鋁膜表面會(huì)出現(xiàn)稱(chēng)為小丘(hillock)的瘤狀突起。該小丘會(huì)穿破絕緣層，導(dǎo)致與上面的層的短路，或者會(huì)引起相鄰布線間的短路，成為問(wèn)題的原因。
因此，各公司開(kāi)發(fā)了添加了其它元素的鋁合金并普遍使用。已知用這種合金化方法，能在相當(dāng)程度上抑制小丘。在迄今使用的Al-Ti等鋁合金薄膜中控制Ti等的添加量，確實(shí)抑制了小丘。
但是，添加其它元素會(huì)同時(shí)使電阻率也上升至10μΩcm以上。由于這樣選定的添加元素的種類(lèi)及添加量會(huì)大大影響鋁合金薄膜的特性，因此希望有一種在保持低電阻的同時(shí)具有耐熱性、并能抑制小丘的鋁合金薄膜。
本發(fā)明的目的在于提供一種即使經(jīng)300～400℃的熱處理后也不會(huì)產(chǎn)生小丘、電阻率小于7μΩcm的耐熱性及低電阻的鋁合金薄膜。另外，本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供能夠用于形成上述鋁合金薄膜的濺射靶材。本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提供上述鋁合金薄膜的形成方法。
發(fā)明的公開(kāi)為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明者進(jìn)行了深入的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用Al-C-Mg系作為鋁合金薄膜的合金組成，將碳及鎂的含量控制在特定范圍內(nèi)，可達(dá)到上述目的，此外，用特定組成的Al-C-Mg系材料作為靶材，可達(dá)到上述目的，再有，用濺射方法形成鋁合金薄膜時(shí)，最好將基板溫度控制在特定溫度，從而可達(dá)到上述目的，并由此完成了本發(fā)明。
即本發(fā)明的鋁合金薄膜的特征在于，含有作為合金成分的鋁、碳及鎂，以碳的原子百分率為Yat％、鎂的原子百分率為Xat％，則碳及鎂的含量為由下面各式X=0.61X=8Y=2Y=-0.13X+1.3所包圍的范圍內(nèi)的量，余量為鋁及不可避免的雜質(zhì)。
另外，本發(fā)明的鋁合金薄膜形成用濺射靶材的特征在于，構(gòu)成靶材的成分為鋁、碳、鎂及不可避免的雜質(zhì)，碳及鎂的量為由下面各式X=0.61X=8Y=2Y=-0.13X+1.3所包圍的范圍內(nèi)的量，余量為鋁及不可避免的雜質(zhì)。
再有，本發(fā)明的鋁合金薄膜形成方法的特征在于，用上述濺射靶材通過(guò)濺射形成上述鋁合金薄膜時(shí)，在將基板溫度維持在180～400℃的條件下實(shí)施。
圖面的簡(jiǎn)單說(shuō)明

圖1顯示各薄膜組成與小丘發(fā)生狀態(tài)的關(guān)系。圖2是用TEM觀察薄膜結(jié)晶狀態(tài)的照片。圖3是用SEM觀察比較例1的薄膜中有無(wú)小丘發(fā)生的表面照片。圖4是用SEM觀察實(shí)施例3的薄膜中有無(wú)小丘發(fā)生的表面照片。圖5是顯示反射率測(cè)定結(jié)果的圖表。圖6及圖7是用SEM觀察為進(jìn)行干法刻蝕評(píng)價(jià)而形成的微細(xì)電路的照片。
發(fā)明的實(shí)施最佳形態(tài)鋁合金薄膜的耐熱性可以通過(guò)成膜后的熱處理是否引起小丘發(fā)生來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。例如，當(dāng)形成于玻璃基板上的鋁合金薄膜進(jìn)行300～400℃的加熱處理時(shí)，由于鋁合金薄膜的熱膨脹系統(tǒng)比玻璃大約大1個(gè)數(shù)量級(jí)，因此鋁合金薄膜有伸展的傾向，由此受到來(lái)自玻璃基板的壓縮應(yīng)力。在鋁合金薄膜存在大小晶?；旌系那闆r下，一般認(rèn)為小晶粒會(huì)成為晶核，鋁產(chǎn)生遷移，析出，晶粒生長(zhǎng)，由此使應(yīng)力緩和，其結(jié)果，在使該應(yīng)力緩和的點(diǎn)附近發(fā)生小丘。即，可以這樣說(shuō)，小丘生成時(shí)的驅(qū)動(dòng)力是加熱處理時(shí)施加在鋁合金薄膜上的壓縮應(yīng)力，當(dāng)鋁合金薄膜中存在晶核時(shí)，會(huì)引起遷移，生成小丘。
在鋁中添加少量的碳，可使鋁合金薄膜中的晶粒粒徑從總體上變小，形成晶粒整齊的結(jié)晶組織，從而使應(yīng)力均勻分散于整個(gè)鋁合金薄膜。用透射電子顯微鏡(TEM)觀察在相同條件下成膜的純鋁薄膜及Al-C合金薄膜的各結(jié)晶組織，發(fā)現(xiàn)純鋁薄膜中的晶粒大小為0.05-0.3μm左右，不均勻，而Al-C合金薄膜的晶粒大小在0.1μm以下，不均勻性減小。
但是，Al-C合金經(jīng)過(guò)加熱處理后會(huì)出現(xiàn)一些小丘，另外，加熱處理后的膜表面的平滑性變差，同時(shí)還有反射率下降的傾向。由于Al-C合金中的碳基本上不固溶于鋁，因此碳與其它元素相比，使膜的電阻率上升的作用小。但是，含有少量碳的Al-C合金不能完全抑制小丘，而將碳的添加量增加到能完全抑制小丘的程度時(shí)，電阻必然會(huì)上升，這樣，Al-C合金的使用估計(jì)很困難。
然而，在Al-C合金中添加鎂，卻能夠防止加熱處理后出現(xiàn)小丘，保持良好的表面平滑性，而且可以維持較低的電阻率。
通過(guò)形成Al-C-Mg合金，可使電阻率在7μΩcm以下，具有耐熱性，并可抑制小丘發(fā)生。另外，由于汽車(chē)用的Al-Mg合金等具有耐腐蝕性，因此也可以期望本發(fā)明的合金薄膜的布線的耐腐蝕性會(huì)有提高。
在Al-C-Mg合金中，碳含量超過(guò)2at％時(shí)，或鎂含量超過(guò)8at％時(shí)，由于合金薄膜的電阻率有超過(guò)7μΩcm的傾向，因此并不理想。另外，碳及鎂的含量滿足下式Y(jié)＜-0.13+1.3量時(shí)，由于在400℃熱處理后有發(fā)生小丘的傾向，因此也不理想。
此外，在合金中添加C時(shí)，若考慮以MgC2的形態(tài)添加，則當(dāng)鎂的含量小于0.61at％時(shí)，鎂的添加效果不明顯，而且合金的制作估計(jì)也很困難。
因此，本發(fā)明的鋁合金薄膜含有作為合金成分的鋁、碳及鎂，碳及鎂的含量為由下面各式X=0.61X=8Y=2Y=-0.13X+1.3包圍范圍內(nèi)的量，余量為鋁及不可避免的雜質(zhì)。即，若將Y軸作為碳含量，將X軸作為鎂含量，則碳及鎂的含量為圖1中由直線Y=-0.13X+1.3、直線X=0.61、直線X=8及直線Y=2所包圍的范圍內(nèi)的量。由這些式子所包圍的范圍還包括各直線上的數(shù)值。
另外，本發(fā)明的用于形成鋁合金薄膜的濺射靶材能夠通過(guò)濺射形成上述鋁合金薄膜，構(gòu)成靶材的成分為鋁、碳、鎂及不可避免的雜質(zhì)，碳及鎂的量為由下面各式X=0.61X=8Y=2Y=-0.13+1.3包圍范圍內(nèi)的量，余量鋁及不可避免的雜質(zhì)。
對(duì)上述靶材的形狀及構(gòu)成無(wú)特別限定，可以根據(jù)濺射法的方式及濺射裝置的形式等采用與之適應(yīng)的任意形狀及構(gòu)成。例如，對(duì)于其構(gòu)成，可以采用合金、均勻混合物或埋片等。
在本發(fā)明的鋁合金薄膜的形成方法中，用上述濺射靶材通過(guò)濺射形成上述鋁合金薄膜時(shí)，在使基板溫度維持在180～400℃的條件下實(shí)施。當(dāng)基板溫度比180℃低時(shí)，由于在后面的加熱處理中有出現(xiàn)小丘的傾向，因此并不理想。至于基板溫度的上限，在不對(duì)基板及薄膜產(chǎn)生不良影響的范圍內(nèi)，即使高溫也可以，但若考慮到能量效率、操作環(huán)境、裝置的壽命等，較佳地是在180～350℃左右，更加地是180～300℃左右實(shí)施。
以這樣的基板溫度進(jìn)行濺射，不僅能夠盡量減少成膜后加熱處理時(shí)施加在薄膜上的壓縮應(yīng)力，抑制小丘的發(fā)生，而且還能夠降低300～400℃加熱處理后的膜電阻率。另外，由于在as-depo(剛濺射之后)狀態(tài)下電阻率小于7μΩcm，因此即使加熱處理后用于成膜的部位時(shí)，也可以作為低電阻布線材料使用。此外，當(dāng)薄膜是純鋁的時(shí)，也可以通過(guò)提高基板溫度來(lái)減少小丘的發(fā)生，但不能將其完全抑制。
本發(fā)明的鋁合金薄膜，在as-depo后，或加熱處理后，其膜表面的平滑性顯著提高。這可能是由于添加元素使薄膜粗晶粒生長(zhǎng)的得到抑制的緣故。這樣，由于as-depo后或加熱處理后的膜表面平滑性顯著提高，使得膜的光反射率非常高。這種性質(zhì)可以說(shuō)與至今為止的鋁合金薄膜是不同的。近年來(lái)，推出了不使用背光源的反射型液晶顯示器，對(duì)于這類(lèi)顯示器，光反射率高的電極薄膜是必不可少的，本發(fā)明的鋁合金薄膜也可以充分應(yīng)用于這些反射電極。
實(shí)施例下面根據(jù)實(shí)施例及比較例，具體說(shuō)明本發(fā)明。將就實(shí)施例1-6及比較例1-5所作的膜組成、基板溫度、電阻率數(shù)值、小丘發(fā)生的調(diào)查結(jié)果以一覽表的形式示于表1。
表1所示純鋁薄膜或各種組成的合金薄膜的形成方法是，用具有與表1所述膜相同組成的靶作為濺射靶材，用維持在表1所示溫度的厚1.1mm的康寧公司生產(chǎn)的#1737玻璃板作為基板，在濺射功率為3 Watt/cm2、濺射壓力為333.25×10-3Pa(2.5mTorr)的條件下用DC磁控管濺射法在該玻璃板上形成厚3000左右的膜。所得薄膜的膜組成及剛剛濺射后(as-dope)的膜的電阻率如表1所示(表1所示各實(shí)施例及比較例中的的膜厚都在3000左右)。
然后，將這些帶薄膜的玻璃板在真空中以300℃及400℃兩種條件分別熱處理1小時(shí)。熱處理后的膜的電阻率如表1所述，小丘發(fā)生的狀態(tài)如表1及圖1所示。
關(guān)于小丘發(fā)生的狀態(tài)，用掃描電子顯微鏡(SEM)以500倍及5000倍兩種倍率進(jìn)行觀察，只有在用兩種倍率都沒(méi)有觀察到小丘時(shí)才認(rèn)定沒(méi)有發(fā)生小丘(無(wú)小丘)。另外，薄膜的電阻率用四端電阻測(cè)定裝置測(cè)定。
碳濃度用碳分析用氣體分析裝置分析。碳測(cè)定用試樣的制作方法是，在與上述方法同樣的條件下在基板上形成厚10μm左右的薄膜，然后將該薄膜從基板剝離作為試樣。另外，關(guān)于鎂濃度，用ICP光譜分析(電感耦合等離子體光譜分析法)定量測(cè)定鋁合金薄膜中的鎂濃度。
表1

下面說(shuō)明用TEM對(duì)薄膜結(jié)晶進(jìn)行觀察的結(jié)果。圖2是用TEM觀察具有表1中比較例1及比較例4的組成、在基板溫度為100℃的條件下形成的厚0.15μm、在真空中于300℃熱處理1小時(shí)后的薄膜的結(jié)晶狀態(tài)的照片。圖2(a)為比較例1的純鋁薄膜，圖2(b)為比較例4的Al-1.7at％C薄膜。由這些照片可知，與Al-1.7at％C薄膜相比，純鋁薄膜的結(jié)晶晶粒明顯粗大。該純鋁薄膜的晶粒粒徑為0.05～0.3μm左右，有變差，粗大，而Al-1.7at％C薄膜晶粒的粒徑在0.1μm以下，變差小，非常微細(xì)。這表明，用鋁中添加了碳的靶形成薄膜，則可使所得薄膜晶粒變得微細(xì)。另外，雖沒(méi)有具體給出TEM觀察照片，但已確認(rèn)，實(shí)施例1～6的薄膜也與比較例4相同，呈微細(xì)結(jié)晶狀態(tài)。
下面就表1所示結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。由表1可知，使用實(shí)施例1～6的本發(fā)明靶材而得到的具有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Al-1.7at％C-1.0at％Mg組成的本發(fā)明鋁合金薄膜在300℃熱處理后當(dāng)然不會(huì)有小丘發(fā)生，在400℃熱處理后也未見(jiàn)有小丘發(fā)生，其膜電阻率為7μΩcm以下。
采用比較例1的靶材而得到的純鋁薄膜、采用比較例2～4的靶材而得到的Al-C合金薄膜、采用比較例5～6的靶材而得到的鎂含量低的Al-Mg合金薄膜及采用比較例9的靶材而得到的碳含量遠(yuǎn)低于式-0.13X+1.3的值的Al-C-Mg合金薄膜在300℃及400℃的熱處理后，都觀察到小丘發(fā)生。
下面就確認(rèn)有無(wú)小丘發(fā)生的SEM觀察照片進(jìn)行說(shuō)明。圖3所示為將比較例1的純鋁薄膜在300℃熱處理后(圖3(a))及400℃熱處理后(圖3(b))放大5000倍觀察其薄膜表面而得到的照片。另外，圖4所示為將實(shí)施例3的Al-1.3at％C-2.3at％Mg薄膜在300℃熱處理后(圖4(a)及400℃熱處理后(圖4(b))放大同樣倍率所觀察到的照片。由圖3(a)及(b)可知，無(wú)論是經(jīng)過(guò)300℃的熱處理還是經(jīng)過(guò)400℃的熱處理，純鋁薄膜都會(huì)形成瘤狀突起，即形成小丘。而實(shí)施例3的Al-1.3at％C-2.3at％Mg合金薄膜與熱處理的溫度無(wú)關(guān)，完全沒(méi)有小丘。另外，由圖4可知，實(shí)施例3的薄膜表面的平滑性非常好。雖沒(méi)有具體給出SEM觀察照片，但已確認(rèn)，其它實(shí)施例的薄膜也具有與實(shí)施例3的相同的表面狀態(tài)。
用比較例7～8的靶材而得到的鎂含量高的Al-Mg合金薄膜及用比較例10及12的靶材而得到的碳含量小于式-0.13X+1.3的值的Al-C-Mg合金薄膜在300℃熱處理后雖未見(jiàn)有小丘發(fā)生，但在400℃熱處理后觀察到小丘發(fā)生。用比較例11及13的靶材而得到的鎂含量超過(guò)8at％的Al-C-Mg合金薄膜在400℃熱處理后雖也未見(jiàn)有小丘發(fā)生，但膜電阻率較高。
當(dāng)基板溫度為100℃時(shí)(如比較例14及15)，與組成相同的實(shí)施例2及3相比，其小丘發(fā)生狀態(tài)惡化，另外熱處理后的膜電阻率也增大。即，提高基板溫度，可使小丘發(fā)生狀態(tài)及膜電阻率都得到改善。
下面就實(shí)施例3的薄膜的反射率測(cè)定結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。為了評(píng)價(jià)該反射率，將其與比較例1的純鋁薄膜的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)施例3及比較例1中的兩薄膜均使用as-depo后的薄膜及經(jīng)過(guò)400℃熱處理的薄膜。反射率用分光光度計(jì)(U-4000，日立制作所產(chǎn)品)測(cè)定。受光部分是用積分球、以純鋁蒸鍍膜為基準(zhǔn)，測(cè)定300～800nm的相對(duì)反射率。因此，當(dāng)測(cè)定樣品的反射率好于基準(zhǔn)時(shí)，能得到超過(guò)100％的測(cè)定值。圖5是在波長(zhǎng)300～800nm區(qū)域測(cè)定反射率的結(jié)果。圖5(a)為由比較例1的薄膜得到的結(jié)果，圖5(b)為由實(shí)施例3的薄膜得到的結(jié)果。
由圖5可以確認(rèn)，無(wú)論是as-depo后還是400℃熱處理后，實(shí)施例3的薄膜的反射率都增大。例如，550nm的可見(jiàn)光反射率在as-depo后，在實(shí)施例3中為100.8％，在比較例1中為86.0％，經(jīng)過(guò)400℃熱處理后，在實(shí)施例3中為96.4％，在比較例1中為79.8％。由此可知，在550nm可見(jiàn)光區(qū)域，實(shí)施例3薄膜的反射率與比較例1相比，提高15％左右。另外，作為反射電極使用時(shí)，反射光的“顏色”也是重要的因素，與黃色系的顏色相比，藍(lán)白色系的顏色比較適宜。由比較例1的反射率數(shù)據(jù)可知，短波長(zhǎng)一側(cè)的反射率下降。而由實(shí)施例3的反射率數(shù)據(jù)可知，短波長(zhǎng)一側(cè)的反射率的下降小于比較例1。因此，可以認(rèn)為，與比較例1相比，在實(shí)際用作反射電極方面，實(shí)施例3的薄膜更實(shí)用。
最后就實(shí)施例3的薄膜的干法刻蝕評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。該干法刻蝕評(píng)價(jià)采用在玻璃基板上形成的厚0.3μm的實(shí)施例3的薄膜。這里進(jìn)行的干法刻蝕是典型的反應(yīng)性離子刻蝕，采用氯系氣體，在2.67Pa(0.02Torr)及高頻功率80W的條件下進(jìn)行。圖6及圖7是用SEM觀察通過(guò)干法刻蝕而形成的線寬7μm、布線間隔5μm的微細(xì)電路所得到的照片。由該圖6(a)、(b)及圖7(c)、(d)可知，實(shí)施例3的薄膜的直線部分及彎曲部分都能夠形成線條分明的電路。
發(fā)明效果本發(fā)明的鋁合金薄膜，即使經(jīng)過(guò)300～400℃的熱處理后，也不會(huì)出現(xiàn)小丘，其膜電阻率在7μΩcm以下，是一種耐熱性、低電阻的鋁合金薄膜。使用本發(fā)明的濺射靶材，可形成上述鋁合金薄膜。使用本發(fā)明的鋁合金薄膜形成方法，可制造具有上述優(yōu)異的耐熱性及低電阻的鋁合金薄膜。
權(quán)利要求
1．鋁合金薄膜，其特征在于，含有作為合金成分的鋁、碳及鎂，以碳的原子百分率為Yat％、鎂的原子百分率為Xat％，則碳及鎂的含量為由下面各式X=0.61X=8Y=2Y=-0.13X+1.3所包圍的范圍內(nèi)的量，余量為鋁及不可避免的雜質(zhì)。
2．用于形成鋁合金薄膜的濺射靶材，其特征在于，構(gòu)成靶材的成分為鋁、碳、鎂及不可避免的雜質(zhì)，以碳的原子百分率為Yat％、鎂的原子百分率為Xat％，則碳及鎂的量為由下面各式X=0.61X=8Y=2Y=-0.13X+1.3所包圍的范圍內(nèi)的量，余量為鋁及不可避免的雜質(zhì)。
3．鋁合金薄膜的形成方法，其特征在于，用權(quán)利要求2所述的濺射靶材通過(guò)濺射形成權(quán)利要求1的鋁合金薄膜時(shí)，在將基板溫度維持在180～400℃的條件下實(shí)施。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種即使經(jīng)過(guò)300～400℃熱處理后也無(wú)小丘發(fā)生且電阻率在7μΩcm以下的耐熱性、低電阻鋁合金薄膜及能夠形成具有上述特性的鋁合金薄膜的濺射靶材。本發(fā)明的鋁合金薄膜的特征在于,含有作為合金成分的鋁、碳及鎂,以碳的原子百分率為Yat%、鎂的原子百分率為Xat%,則碳及鎂的含量為由式X=0.61、X=8、Y=2、Y=－0.13X+1.3所包圍范圍內(nèi)的量,余量為鋁及不可避免的雜質(zhì)。另外,本發(fā)明的用于形成鋁合金薄膜的濺射靶材的特征在于,構(gòu)成靶材的成分為鋁、碳、鎂及不可避免的雜質(zhì),碳及鎂的量為由上述各式所包圍范圍內(nèi)的量,余量為鋁及不可避免的雜質(zhì)。
文檔編號(hào)C23C14/14GK1320169SQ00801709
公開(kāi)日2001年10月31日 申請(qǐng)日期2000年8月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月19日
發(fā)明者久保田高史, 渡邊弘 申請(qǐng)人:三井金屬鉱業(yè)株式會(huì)社