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JP2003089864A - アルミニウム合金薄膜及びその薄膜を有する配線回路並びにその薄膜を形成するターゲット材 - Google Patents

アルミニウム合金薄膜及びその薄膜を有する配線回路並びにその薄膜を形成するターゲット材

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JP2003089864A
JP2003089864A JP2001283306A JP2001283306A JP2003089864A JP 2003089864 A JP2003089864 A JP 2003089864A JP 2001283306 A JP2001283306 A JP 2001283306A JP 2001283306 A JP2001283306 A JP 2001283306A JP 2003089864 A JP2003089864 A JP 2003089864A
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aluminum alloy
alloy thin
aluminum
carbon
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JP2001283306A
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Takashi Kubota
高史 久保田
Hiroshi Watanabe
渡辺　　弘
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Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Original Assignee
Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
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Priority to PCT/JP2002/009331 priority patent/WO2003029510A1/ja
Priority to CNB028032667A priority patent/CN100507068C/zh
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Abstract

(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提供することを目的とする。 【解決手段】 炭素を含有したアルミニウム合金薄膜に
おいて、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％とを含有し、残部がアルミニウムであるこ
とを特徴するものとした。そして、更に０．５〜２．０
ａｔ％のシリコンを更に含むアルミニウム合金薄膜とし
た。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はアルミニウム合金薄
膜、及びアルミニウム合金薄膜形成用のスパッタリング
ターゲット材に関し、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薄膜、及びそのアルミニウ
ム合金薄膜を形成するのに好適なスパッタリングターゲ
ット材に関する。
【０００２】
【従来の技術】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、ＩＴ
Ｏ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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】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
ルミニウム合金薄膜を提供することを目的とする。ま
た、このような特性を有するアルミニウム合金薄膜を形
成するのに好適なスパッタリングターゲット材を提供す
ることも課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、炭素を含
有するアルミニウム合金に対して様々な元素を含有して
検討した結果、アルミニウム合金薄膜の合金組成を次の
ようにすると、上記課題を達成できることを見出し、本
発明を完成した。
【０００９】本発明は、炭素を含有したアルミニウム合
金薄膜において、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％とを含有し、残部がアルミニウム
であることを特徴するものである。
【００１０】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をいうものである。
【００１１】本発明の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。
【００１２】本発明の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もよい。
但し、その含有量は、０．５〜７．０ａｔ％の範囲が好
適な特性を実現できものである。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ＩＴ
Ｏ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。
【００１３】本発明者らの研究によると、本発明のアル
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。
【００１４】そして、本発明の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。
【００１５】また、本発明のアルミニウム合金薄膜は、
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。
【００１６】上記した本発明に係る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、Ｉ
ＴＯ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。
【００１７】以上で説明した本発明に係るアルミニウム
合金薄膜を形成する場合、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％とを含有し、残部がア
ルミニウムであるアルミニウム合金薄膜形成用のターゲ
ット材を用いることが好ましく、更にシリコンを０．５
〜２．０ａｔ％含有したターゲットを用いることが好ま
しいものである。この組成のターゲット材を用いると、
成膜条件にも左右されるが、ターゲット材組成と同様な
組成の薄膜がスパッタリングにより容易に形成できる。
【００１８】本発明に係るアルミニウム合金薄膜の形成
は、上述した組成を有するターゲット材によることが好
ましいが、このように必要な元素を予め全て含有した状
態の単体ターゲット材に限られるものではない。例え
ば、アルミニウム−炭素合金のターゲット材の表面に、
ニケッル、鉄、コバルトのチップを埋め込んだような複
合ターゲット材を用いてもよく、また、純アルミニウム
のターゲット材表面に、炭素チップ、ニッケル等のチッ
プを埋め込んだ複合ターゲット材を用いてもよい。要
は、本発明に係るアルミニウム合金薄膜の組成範囲内の
薄膜を形成できればよく、スパッタリング装置、条件等
を考慮して、最適なターゲット材を適宜選択すればよい
ものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】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。
【００２０】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。
【００２１】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。
【００２２】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、１６
００〜２５００℃の温度範囲内に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。
【００２３】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、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
ルツボに投入して、８００℃に加熱することで再溶解
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。最終的なターゲット材の大きさ
は、φ１００ｍｍ×厚さ６ｍｍとした。
【００２４】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。
【００２５】薄膜形成条件は、基板として厚さ０．８ｍ
ｍ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２０ｃｃ
ｍ、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２
００℃とした。
【００２６】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１００
ｍＡ）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。
【００２７】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１
５０００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。
【００２８】
【表１】
【００２９】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。
【００３０】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。
【００３１】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。
【００３２】
【表２】
【００３３】表２を見ると判るように、基板温度を２０
０℃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１０μΩｃ
ｍ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。
【００３４】また、ニッケル以外のコバルト（実施例１
１Ｂ，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。
【００３５】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。
【００３６】
【表３】
【００３７】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。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、Ｉ
ＴＯ膜の自然電位と同じ程度であった。
【００３８】ここで、本実施例のアルミニウム合金薄膜
とＩＴＯ膜との接合抵抗評価試験について説明する。上
述した薄膜形成条件で、基板温度１００℃として、ガラ
ス基板上に、０．３μｍ厚のアルミニウム合金薄膜を成
膜し、この薄膜により１×２０ｍｍのパターン電極を形
成した。そして、このアルミニウム合金薄膜のパターン
電極上に、直交する状態となったＩＴＯ電極のパターン
（１×２０ｍｍ、厚さ０．３μｍ）を形成し、接合抵抗
測定用試料を作製した。そして、この接合抵抗測定用試
料を真空中２５０℃で、１時間熱処理を行い、アルミニ
ウム合金薄膜電極とＩＴＯ膜電極との接合部分における
抵抗変化を調べた。その結果、純アルミニウム（５Ｎ）
とＩＴＯ膜との組み合わせでは、熱処理後の接合抵抗値
は、熱処理前の接合抵抗値の約４倍となっていた。これ
に対して、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薄膜とＩＴＯ膜との組み合わ
せであれば、熱処理後の接合抵抗値は熱処理前のそれと
変化しないことが判明した。
【００３９】最後に、本実施例のアルミニウム合金薄膜
とシリコンとの拡散性評価について説明する。φ４”の
ノンドープシリコンウェハーに、上述した薄膜形成条件
で基板温度１００℃として、０．１μｍ厚のアルミニウ
ム合金薄膜を成膜した。そして、この試料を真空中２５
０℃で、１時間熱処理を行い、熱処理後の試料を走査型
オージェ顕微鏡により、薄膜表面側から各元素の深さ方
向分析を行った。その結果、純アルミニウム（５Ｎ）で
は、アルミニウムとシリコンとの界面で相互に拡散して
いることが確認された。これに対して、アルミニウム−
炭素合金に、ニッケル、コバルト、鉄のいずれかと、さ
らにシリコンとを所定量含有する薄膜であると、アルミ
ニウム合金とシリコンとの界面で相互拡散を生じていな
いことが判明した。
【００４０】
【発明の効果】以上のように、本発明のアルミニウム合
金薄膜は、ＩＴＯ膜と同レベルの自然電位を有するの
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、耐熱性に優れたものとなる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/285 Ｈ０１Ｌ 21/285 Ｓ ３０１ ３０１Ｌ 21/3205 21/88 Ｎ Ｆターム(参考） 2H092 HA06 JA24 KB04 MA05 NA28 4K029 AA09 BA23 BD02 CA05 DC04 DC08 4M104 BB02 BB03 BB38 BB39 DD40 HH03 HH16 5F033 HH09 HH10 LL01 LL02 LL09 PP15 VV15 WW04 XX10 XX16

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 炭素を含有したアルミニウム合金薄膜に
    おいて、 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０．１〜３．０ａ
    ｔ％とを含有し、残部がアルミニウムであることを特徴
    するアルミニウム合金薄膜。
  2. 【請求項２】 ０．５〜２．０ａｔ％のシリコンを更に
    含むものである請求項１に記載のアルミニウム合金薄
    膜。
  3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載のアルミニ
    ウム合金薄膜を有する配線回路。
  4. 【請求項４】 炭素を含有したアルミニウム合金薄膜形
    成用のターゲット材において、 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０．１〜３．０ａ
    ｔ％とを含有し、残部がアルミニウムであることを特徴
    するアルミニウム合金薄膜形成用のターゲット材。
  5. 【請求項５】 ０．５〜２．０ａｔ％のシリコンを更に
    含むものである請求項４に記載のアルミニウム合金薄膜
    形成用のターゲット材。
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