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CN112055888A - Cu合金靶材、配线膜、半导体装置、液晶显示装置 - Google Patents

Cu合金靶材、配线膜、半导体装置、液晶显示装置 Download PDF

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CN112055888A
CN112055888A CN202080001031.2A CN202080001031A CN112055888A CN 112055888 A CN112055888 A CN 112055888A CN 202080001031 A CN202080001031 A CN 202080001031A CN 112055888 A CN112055888 A CN 112055888A
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CN
China
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film
less
alloy
electrode layer
range
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Application number
CN202080001031.2A
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Inventor
高泽悟
中台保夫
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Ulvac Inc
Original Assignee
Ulvac Inc
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Publication date
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Abstract

在由玻璃或树脂的任意一者或两者构成的基板(31)的表面，通过在Cu中含有添加金属而得到的密合膜用合金来制作Cu合金靶材，通过溅镀来形成密合膜(37)。添加金属含有0.5at%以上且6at%以下的Mg、1at%以上且15at%以下的Al和0.5at%以上且10at%以下的Si中的任意两种以上的金属。密合膜(37)与基板(31)之间的密合力强，不会发生剥离。

Description

Cu合金靶材、配线膜、半导体装置、液晶显示装置
技术领域
本发明涉及用于微小的半导体器件的配线膜(布线膜)的领域，特别是涉及与基板接触的电极层或配线膜的技术领域。
背景技术
平板显示器(Flat Panel Display，FPD)或薄膜太阳能电池等近年来制造的电气产品需要在较宽的基板上均匀地配置晶体管，因此，使用可在大面积基板上形成均匀特性的半导体层的非晶硅(包括氢化非晶硅)等。
非晶硅可在低温下形成，不会对其他材料产生不良影响，但具有移动度低的缺点，可低温形成且可在大面积基板上形成高移动度的薄膜的氧化物半导体受到关注。
而且，近年来，除高移动度的氧化物半导体以外，还谋求在半导体集成电路或FPD中的晶体管的电极层或配线膜中使用低电阻的铜薄膜，来在大面积的FPD中进行亮度均匀的显示。
另外，近年来，对液晶显示装置要求可弯曲的挠性，因此，寻求在树脂基板上形成液晶显示装置的配线膜的技术。
然而，铜薄膜与玻璃、氧化物、化合物半导体、树脂等的密合性差，另外，作为铜薄膜的构成物质的铜原子在半导体中或氧化物薄膜中扩散，有时会成为可靠性下降的原因。
特别是，由于配线膜或栅极电极层被形成于基板上，但因铜薄膜与玻璃或树脂的密合性差，故担心配线膜或栅极电极层从玻璃基板或树脂基板上剥离。
因此，在铜薄膜与基板之间设有使铜配线与基板之间的附着强度增大的TiN膜或W膜等密合膜，但存在着成本升高的问题。
另外，铜薄膜难以进行干式蚀刻，通常是通过湿式蚀刻法来成型，但无法使用相同的蚀刻液来蚀刻铜薄膜和TiN膜或W膜等密合膜。因此，无法通过一次蚀刻工序来蚀刻铜薄膜与密合膜的两层结构的层合膜，而寻求具有密合性、并且可与铜薄膜通过相同的蚀刻液进行蚀刻的密合膜。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：H6-177117号公报；
专利文献2：日本特开2002-294437号公报。
发明内容
发明所要解决的课题
本发明是为了解决上述以往技术的问题而创作的发明，其目的在于提供：与玻璃基板、树脂基板或半导体层的密合性高的配线膜和用于形成该配线膜的的Cu合金靶材。
用于解决课题的手段
本发明涉及Cu合金靶材，其是配置在溅镀装置上而被溅镀的Cu合金靶材，由含有Cu和添加金属的密合膜用合金构成，当以上述密合膜用合金的原子数为100at%时，上述添加金属含有由0.5at%以上且6at%以下的范围的Mg、1at%以上且15at%以下的范围的Al和0.5at%以上且10at%以下的范围的Si构成的三种金属中的任意两种以上的金属。
本发明涉及Cu合金靶材，其中，上述密合膜用合金的C含量为50ppm以下、O含量为100ppm以下。
本发明涉及Cu合金靶材，该Cu合金靶材的维氏硬度为50Hv以上且120Hv以下的范围。
本发明涉及配线膜，该配线膜具有由含有Cu和添加金属的密合膜用合金构成的密合膜，其中，当以上述密合膜用合金的原子数为100at%时，上述添加金属含有由0.5at%以上且6at%以下的范围的Mg、1at%以上且15at%以下的范围的Al和0.5at%以上且10at%以下的范围的Si构成的三种金属中的任意两种以上的金属。
本发明涉及配线膜，其中，上述密合膜用合金的C含量为50ppm以下、O含量为100ppm以下。
本发明涉及半导体装置，该半导体装置具有：半导体层；与上述半导体层接触而配置的栅极绝缘膜；以及隔着上述栅极绝缘膜而与上述半导体层相对向的栅极电极层；在上述半导体层中，在与上述栅极电极层相对向的部分设有通道区域，在上述通道区域的两侧设有源极区域和漏极区域，源极电极层和漏极电极层分别与上述源极区域和上述漏极区域接触，其中，上述栅极电极层具有：与由玻璃或树脂中的任意一者或两者构成的基板接触的密合膜；以及与上述密合膜接触的铜薄膜；上述密合膜由含有Cu和添加金属的密合膜用合金构成，当以上述密合膜用合金的原子数为100at%时，上述添加金属含有由0.5at%以上且6at%以下的范围的Mg、1at%以上且15at%以下的范围的Al和0.5at%以上且10at%以下的范围的Si构成的三种金属中的任意两种以上的金属。
本发明涉及半导体装置，其中，上述密合膜用合金的C含量为50ppm以下、O含量为100ppm以下。
本发明涉及液晶显示装置，该液晶显示装置具有：由玻璃或树脂中的任意一者或两者构成的基板；设在上述基板表面的配线膜；配置在上述基板上的像素电极层；配置在上述像素电极层上的液晶；以及配置在上述液晶上的上部电极层；上述像素电极层与上述配线膜进行电性连接，其中，上述配线膜具有与上述基板接触的密合膜，上述密合膜由含有Cu和添加金属的密合膜用合金构成，当以上述密合膜用合金的原子数为100at%时，上述添加金属含有由0.5at%以上且6at%以下的范围的Mg、1at%以上且15at%以下的范围的Al和0.5at%以上且10at%以下的范围的Si构成的三种金属中的任意两种以上的金属。
本发明涉及液晶显示装置，其中，上述密合膜用合金的C含量为50ppm以下、O含量为100ppm以下。
发明效果
由于本发明的密合膜和铜薄膜可使用相同的蚀刻液进行蚀刻，所以本发明的栅极电极层或配线膜可通过一次蚀刻工序来制作图案。
由于密合膜与玻璃基板、树脂基板之间的密合性高，所以形成于它们的表面的电极层或配线膜不会剥离。
Cu合金靶材的翘曲会变少。
附图说明
[图1] 是用于说明本发明的一个例子的晶体管和本发明的一个例子的液晶显示装置的截面(剖面)图。
[图2] (a)～(c)是用于说明本发明的一个例子的晶体管和本发明的一个例子的液晶显示装置的制造工序的截面图(1)。
[图3] (a)～(c)是用于说明本发明的一个例子的晶体管和本发明的一个例子的液晶显示装置的制造工序的截面图(2)。
[图4] (a)、(b)是用于说明本发明的一个例子的晶体管和本发明的一个例子的液晶显示装置的制造工序的截面图(3)。
[图5] 是用于说明本发明的一个例子的晶体管和本发明的一个例子的液晶显示装置的制造工序的截面图(4)。
[图6] 是用于说明翘曲量的图。
[图7] 是溅镀装置的一个例子。
具体实施方式
图1的符号2是本发明的实施例的液晶显示装置，在液晶显示装置2的内部一同显示有本发明的第一个例子的晶体管11的截面图和液晶显示部12。
若对该晶体管11进行说明，则该晶体管11在由玻璃或树脂中的任意一者或两者构成的基板31的表面配置有细长的栅极电极层32，在栅极电极层32上至少遍及宽度方向(横向)地配置有由Si氧化物(SiOx)构成的栅极绝缘膜33。在构成该基板31的材料中，在树脂中含有玻璃纤维，其结果，还包含以由树脂和玻璃构成的材料形成的基板。
在栅极绝缘膜33上，以超出栅极绝缘膜33的宽度方向两端的外侧的长度配置有半导体层34，在半导体层34上，位于较栅极电极层32更靠外侧且栅极电极层32的宽度方向两端上，并且在使栅极绝缘膜33位于其间的彼此相对向的位置，形成有源极电极层51和漏极电极层52。源极电极层51和漏极电极层52与半导体层34接触。
在源极电极层51与漏极电极层52之间设有凹部55，通过该凹部55将源极电极层51和漏极电极层52进行电性分离，以可在源极电极层51与漏极电极层52之间施加不同的电压的方式构成。
在源极电极层51上、漏极电极层52上和其间的凹部55上形成有保护膜41。
在该晶体管11中，若以在源极电极层51和漏极电极层52之间施加了电压的状态对栅极电极层32施加栅极电压，且在半导体层34内的隔着栅极绝缘膜33而与栅极电极层32相对向的部分形成低电阻的通道层，则在半导体层34中源极电极层51所接触的部分和漏极电极层52所接触的部分通过通道层而被连接，其结果，源极电极层51和漏极电极层52进行电性连接，而使晶体管11导通。
这里，源极区域71、漏极区域72和通道区域73的半导体的极性相同，通道层的极性与通道区域73的极性为相同极性。
但是，本发明还包括：源极区域71的极性和漏极区域72的极性不同于通道区域73的极性，而通道层的极性与源极区域71的极性和漏极区域72的极性成为相同极性的情形。
若停止施加栅极电压，则通道层(或低电阻层)消失，源极电极层51与漏极电极层52之间形成高电阻，而发生电性分离。
在液晶显示部12配置有像素电极82，在像素电极82上配置有液晶83。上部电极81位于液晶83上，若在像素电极82和上部电极81之间施加电压，则通过液晶83的光的偏振性发生变更，偏振滤光器(未图示)的透光性得到控制。
像素电极82与源极电极层51或漏极电极层52进行电性连接，通过使晶体管11导通/截止，进行对像素电极82的电压施加的开始/结束。
这里，像素电极82由与漏极电极层52连接的透明导电层42的一部分构成。透明导电层42由ITO构成。
在透明导电层42的下方配置有配线膜30。
该配线膜30和栅极电极层32由密合膜37和形成于密合膜37上的以铜为主要成分的铜薄膜38(以超过50at%的含量含有铜的薄膜)构成，所述密合膜37由本发明的密合膜用合金构成，密合膜37与基板31接触，而铜薄膜38不与基板31接触。
对该晶体管11的制造工序进行说明。
在该晶体管11的制造工序中，首先，将成膜对象物的基板31搬入溅镀装置内。图7的符号80显示该溅镀装置。
溅镀装置80具有真空槽89，真空槽89的内部通过真空排气装置86进行真空排气。
在真空槽89的内部配置有第一阴极电极86a、第二阴极电极86b。在第一阴极电极86a上设有由密合膜用合金构成的Cu合金靶材88a，在第二阴极电极86b上设有纯铜靶材88b。从气体源87向真空槽89的内部导入由Ar气等稀有气体构成的溅镀气体，通过第一溅镀电源85a对第一阴极电极86a施加溅镀电压而溅镀Cu合金靶材88a，如图2(a)所示，在基板31上形成密合膜37。
然后，在该例中，从气体源87向真空槽89的内部导入由稀有气体构成的同种溅镀气体，而溅镀纯铜靶材88b，在密合膜37上形成铜薄膜38。
将形成有密合膜37和铜薄膜38的基板31移动到真空槽89的外部。
在形成密合膜37和铜薄膜38时，由于氧气没有导入到溅镀环境中，所以密合膜37或铜薄膜38中不含氧化铜，而形成低电阻的密合膜37和铜薄膜38。
形成铜薄膜38后，可在所期望的环境中加热至400℃左右进行退火。
接下来，如图2(b)所示，在铜薄膜38上配置已制作图案的抗蚀剂膜39，将形成有密合膜37和铜薄膜38的基板31浸在可蚀刻铜薄膜38和密合膜37两者的蚀刻液中，使暴露在抗蚀剂膜39间的铜薄膜38和在铜薄膜38的蚀刻后暴露的密合膜37与相同的蚀刻液接触，蚀刻去除与蚀刻液接触的部分。图2(c)显示蚀刻去除后的状态。
可将形成有密合膜37和铜薄膜38的基板31浸在可蚀刻纯铜的纯铜蚀刻液中，蚀刻去除暴露在设于抗蚀剂膜39的开口底面的铜薄膜38，然后，浸在可蚀刻密合膜用合金的密合膜用蚀刻液中，蚀刻去除密合膜37。
在该例中，铜薄膜38和密合膜37被部分地去除，通过剩余部分在基板31上形成栅极电极层32和配线膜30。
接下来，若制作图案并形成栅极电极层32和配线膜30，则除栅极电极层32和配线膜30所处位置的部分以外，暴露出基板31的表面，去除抗蚀剂膜39后，如图3(a)所示，在基板31的表面、栅极电极层32的表面和配线膜30的表面形成由SiO2、SiNx等绝缘性材料构成的栅极绝缘膜33。该栅极绝缘膜33根据需要制作图案。
接下来，在栅极绝缘膜33上形成由半导体材料(例如Si半导体或氧化物半导体)构成的薄膜，制作图案，如图3(b)所示，在栅极绝缘膜33上形成已制作图案的半导体层34。
然后，至少在半导体层34的表面形成金属薄膜。将该金属薄膜制作图案，如图3(c)所示，形成源极电极层51和漏极电极层52。在半导体层34中，与源极电极层51接触的部分称为源极区域71，与漏极电极层52接触的部分称为漏极区域72。源极电极层51和漏极电极层52配置在半导体层34中栅极电极层32的宽度方向两端上、且相对于栅极电极层32的端部来隔着栅极绝缘膜33而相对向的位置。然后，如图4(a)所示，形成由SiNx或SiO2等绝缘膜构成的保护膜41。
接下来，如图4(b)所示，在保护膜41和栅极绝缘膜33上形成通孔(via hole)或接触孔等连接孔43，使漏极电极层52、源极电极层51或配线膜30等所具有的铜薄膜38的表面暴露在连接孔43的底面，在该状态下形成透明导电层，制作图案。图5的符号42显示已制作图案的透明导电层。
然后，通过后面的工序配置液晶83和上部电极81，得到图1所示的液晶显示装置2，则晶体管11处于可工作的状态。
通道区域73是半导体层34的源极区域71与漏极区域72之间的区域，栅极电极层32位于至少夹持着栅极绝缘膜33而与通道区域73相对向的位置。晶体管11由栅极绝缘膜33、栅极/源极/漏极电极层32、51、52和半导体层34而如此般地构成。
需要说明的是，半导体层34包含IGZO(InGaZnO)等氧化物半导体或由Si构成的非晶半导体、多晶半导体、单晶半导体等各种半导体。
在半导体层34由IGZO构成的情况下，还可由上述配线膜30来构成源极电极层51和漏极电极层52，使配线膜30中的密合膜37与半导体层34接触，在密合膜上形成铜薄膜38，使密合膜37与IGZO接触。
另外，在上述实施例中，虽然密合膜37与铜薄膜38的层合膜被用于配线膜30或栅极电极层32，但在MOS晶体管的源极电极层51或漏极电极层52与基板31接触的情况下，还可由密合膜37与铜薄膜38的层合膜来构成源极电极层或漏极电极层。
实施例1
制作以铜(Cu)为主要成分、并含有添加金属的密合膜用合金，制作了由密合膜用合金构成的Cu合金靶材。
密合膜用合金由含有Cu和添加金属的密合膜用合金构成，当以密合膜用合金的原子数为100at%时，添加金属含有由0.5at%以上且6at%以下的范围的Mg、1at%以上且15at%以下的范围的Al和0.5at%以上且10at%以下的范围的Si构成的三种金属中的任意两种以上的金属。
溅镀密合膜用合金而形成的密合膜与基板的密合性根据密合膜用合金中所含的碳原子(C)和氧原子(O)的含量而发生大幅变化。含有50ppm以下的C，含有100ppm以下的O。
＜评价内容＞
测定了由密合膜用合金制作的Cu合金靶材的维氏硬度、加工性、硬度分布和膜厚分布。
维氏硬度为50Hv以上且120Hv以下的范围的测定值视为合格品。
若进行合金化则会变硬，机械加工性恶化，另外，在机械加工时发生变形。溅镀速率也容易下降。将不包含在50Hv以上且120Hv以下的范围的测定值评价为不合格品。
加工性是根据将1m×1m×20mmt的密合膜用合金板通过铣削加工削去5mm的厚度而得到的Cu合金靶材的翘曲量进行了评价。图6的符号10为进行铣削加工而得到的Cu合金靶材，符号s为该Cu合金靶材10的翘曲量。翘曲量s为1mm以上时评价为不合格品。
关于硬度分布，对由密合膜用合金制作的Cu合金靶材表面的多处进行硬度测定，通过下式由该测定结果中的硬度最大值(Max)和硬度最小值(Min)算出，硬度分布为15%以上的Cu合金靶材评价为不合格品。
硬度分布=(硬度最大值－硬度最小值)/(硬度最大值+硬度最小值)
关于溅镀速率，溅镀由密合膜用合金制作的Cu合金靶材，在形成与Cu合金靶材相同面积的薄膜时，测定薄膜面内的膜厚最大值和膜厚最小值，由下式算出膜厚分布，膜厚分布为5%以上的Cu合金靶材评价为不合格品。
膜厚分布=(膜厚最大值－膜厚最小值)/(膜厚最大值+膜厚最小值)
另外，溅镀由密合膜用合金制作的Cu合金靶材，在玻璃制基板、环氧树脂制基板和聚酰亚胺树脂制基板的表面分别形成密合膜，将密合膜切割成1cm×1cm的正方形，形成100个由密合膜小片构成的格，在各格上粘贴上粘接胶带，从基板上剥离粘接胶带时，在基板与格之间即使有1个剥离的情形也评价为不合格品(胶带试验的100个格评价)。
(1) Cu-Mg-Al
制作含有0.5、2、6或8at%的镁原子(Mg)、并含有0、1、2、8、10、15、20at%的铝原子(Al)作为添加金属的密合膜用合金，评价了制成Cu合金靶材时的各测定项目。该评价结果、C含量和O含量见下述表1～表4。○显示合格品，×显示不合格品。
表1～表4中还包含制作不含Mg、Al和Si的Cu的Cu合金靶材时的测定值。表5以下也为相同。
Cu-0.5at% Mg-Al
[表1]
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Cu-2at% Mg-Al
[表2]
Figure DEST_PATH_IMAGE004
Cu-6at% Mg-Al
[表3]
Figure DEST_PATH_IMAGE006
Cu-8at% Mg-Al
[表4]
Figure DEST_PATH_IMAGE008
(2) Cu-Al-Si
制作含有1、5、10、15或20at%的Al、并含有0.5、1、2、5、10或15at%的硅原子(Si)作为添加金属的密合膜用合金，评价了制成Cu合金靶材时的各测定项目。该评价结果、C含量和O含量见下述表5～表9。○显示合格品，×显示不合格品。
Cu-1at% Al-Si
[表5]
Figure DEST_PATH_IMAGE010
Cu-5at%Al-Si
[表6]
Figure DEST_PATH_IMAGE012
Cu-10at%Al-Si
[表7]
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Cu-15at%Al-Si
[表8]
Figure DEST_PATH_IMAGE016
Cu-20at%Al-Si
[表9]
Figure DEST_PATH_IMAGE018
(3) Cu-Mg-Al-Si
制作含有1at%的Mg、含有2at%的Al、并含有1或3at%的Si作为添加金属的密合膜用合金、以及含有2或6at%的Mg、含有2或8at%的Al、并含有2、5或10at%的Si作为添加金属的密合膜用合金，评价了制成Cu合金靶材时的各测定项目。该评价结果、C含量和O含量见下述表10。○显示合格品，×显示不合格品。
[表10]
Figure DEST_PATH_IMAGE020
＜结论＞
由表1～表10可知：添加金属只要含有由0.5at%以上且6at%以下的范围的Mg、1at%以上且15at%以下的范围的Al和0.5at%以上且10at%以下的范围的Si构成的三种金属中的任意两种以上的金属即可。
还可知：只要密合膜用合金中的C为50ppm以下的含量、O为100ppm以下的含量即可。
在由这样的密合膜用合金制成Cu合金靶材的情况下，Cu合金靶材的组成与密合膜用合金形成相同的组成，另外，将该Cu合金靶材以稀有气体进行溅镀而形成的薄膜的组成也与密合膜用合金的组成相同。
符号说明
11：晶体管；
30：配线膜；
31：基板；
32：栅极电极层；
33：栅极绝缘膜；
34：半导体层；
37：密合膜；
38：铜薄膜；
43：连接孔；
51：源极电极层；
52：漏极电极层；
71：源极区域；
72：漏极区域；
73：通道区域；
81：上部电极；
82：像素电极；
83：液晶；
88a：Cu合金靶材；
88b：纯铜靶材。

Claims (9)

1. Cu合金靶材，其是配置在溅镀装置上而被溅镀的Cu合金靶材，
由含有Cu和添加金属的密合膜用合金构成，
当以上述密合膜用合金的原子数为100at%时，上述添加金属含有由0.5at%以上且6at%以下的范围的Mg、1at%以上且15at%以下的范围的Al和0.5at%以上且10at%以下的范围的Si构成的三种金属中的任意两种以上的金属。
2.权利要求1所述的Cu合金靶材，其中，上述密合膜用合金的C含量为50ppm以下、O含量为100ppm以下。
3.权利要求1或2中任一项所述的Cu合金靶材，该Cu合金靶材的维氏硬度为50Hv以上且120Hv以下的范围。
4.配线膜，其是具有由含有Cu和添加金属的密合膜用合金构成的密合膜的配线膜，
当以上述密合膜用合金的原子数为100at%时，上述添加金属含有由0.5at%以上且6at%以下的范围的Mg、1at%以上且15at%以下的范围的Al和0.5at%以上且10at%以下的范围的Si构成的三种金属中的任意两种以上的金属。
5.权利要求4所述的配线膜，其中，上述密合膜用合金的C含量为50ppm以下、O含量为100ppm以下。
6.半导体装置，其具有：
半导体层；
与上述半导体层接触而配置的栅极绝缘膜；以及
隔着上述栅极绝缘膜而与上述半导体层相对向的栅极电极层；
上述半导体层中，在与上述栅极电极层相对向的部分设有通道区域，在上述通道区域的两侧设有源极区域和漏极区域，
源极电极层和漏极电极层分别与上述源极区域和上述漏极区域接触，
其中，上述栅极电极层具有：与由玻璃或树脂中的任意一者或两者构成的基板接触的密合膜；以及
与上述密合膜接触的铜薄膜；
上述密合膜由含有Cu和添加金属的密合膜用合金构成，
当以上述密合膜用合金的原子数为100at%时，上述添加金属含有由0.5at%以上且6at%以下的范围的Mg、1at%以上且15at%以下的范围的Al和0.5at%以上且10at%以下的范围的Si构成的三种金属中的任意两种以上的金属。
7.权利要求6所述的半导体装置，其中，上述密合膜用合金的C含量为50ppm以下、O含量为100ppm以下。
8.液晶显示装置，其具有：
由玻璃或树脂中的任意一者或两者构成的基板；
设在上述基板表面的配线膜；
配置在上述基板上的像素电极层；
配置在上述像素电极层上的液晶；以及
配置在上述液晶上的上部电极层；
上述像素电极层与上述配线膜进行电性连接，
其中，上述配线膜具有与上述基板接触的密合膜，
上述密合膜由含有Cu和添加金属的密合膜用合金构成，
当以上述密合膜用合金的原子数为100at%时，上述添加金属含有由0.5at%以上且6at%以下的范围的Mg、1at%以上且15at%以下的范围的Al和0.5at%以上且10at%以下的范围的Si构成的三种金属中的任意两种以上的金属。
9.权利要求8所述的液晶显示装置，其中，上述密合膜用合金的C含量为50ppm以下、O含量为100ppm以下。
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