高耐熱性鋁合金配線材料和靶材的製作方法
2023-05-09 19:11:21 2
專利名稱：高耐熱性鋁合金配線材料和靶材的製作方法
技術領域：
本發明涉及構成液晶顯示器的薄膜配線、電極、半導體集成電路的配線等的鋁合金配線材料，尤其涉及適用於進行500℃以上的高溫熱處理的低溫加工的多晶矽薄膜電晶體(Polycrystalline-Silicon Thin Film Transistors)的、高耐熱和低電阻特性良好的鋁合金配線材料。
背景技術：
近年來，液晶顯示器作為替代陰極射線顯像管(CRT)的顯示裝置被廣泛使用，較為典型的有像筆記本電腦和行動電話這樣的電子設備，液晶顯示器的大畫面化、高清晰化有非常顯著的進步。而且，在液晶顯示器的領域中，對薄膜電晶體(Thin Film Transistor，以下簡稱TFT)類液晶顯示器的需求激增，對於該類液晶顯示器的特性的要求也更加嚴格。尤其，隨著液晶顯示器的大畫面化、高清晰化，需要電阻率低的配線材料。該電阻率特性的要求是為了在進行配線的長線化和細線化時防止發生信號延遲。
作為該類液晶顯示器的驅動結構之一，已知有有源矩陣驅動元件，該有源元件有所謂非晶質矽TFT(Amorphous Silicon Thin Film Transistors)和多晶矽TFT。非晶質矽TFT被用於採用所謂TAB方式(帶式自動接合法，Tape AutomatedBonding)的相對大畫面的液晶顯示器，雖然在基於非晶質矽的電子遷移率、處理速度方面存在限制，但具有能夠廉價地製造的優點。此外，多晶矽TFT被用於採用所謂COF(薄膜覆晶，Chip on Film)方式的相對小型畫面的液晶顯示器，由於由多晶矽構成，所以與非晶質矽相比可以具有近100倍的電子遷移率，適用於高清晰·高開口率化、高品質·高畫質，被用於行動電話和PDA(PersonalDigital(Data)Assistants)等小型畫面。
另外，發現最近的液晶顯示器的顯示面積不斷增大的趨勢明顯，在作為行動電話和PDA等個人信息終端的電子設備中，這種傾向也很明顯。因此，需要在多晶矽TFT中應對大畫面化的技術。
一直以來，在多晶矽TFT中，已知使用進行近1000℃熱處理的石英基板的高溫加工TFT和使用進行450℃～600℃熱處理的玻璃基板的低溫加工TFT這2種類型。而且，像行動電話和PDA這樣的要求低價格的電子設備中，大多採用使用廉價的玻璃基板的低溫加工多晶矽TFT，關於該低溫加工多晶矽TFT，對於用於它的配線材料先要解決如下的課題。
在低溫加工多晶矽TFT中，由於進行450℃～600℃的高溫下的熱處理，所以其配線材料必須具備高耐熱特性，因此主要使用Mo、Ta、Cr等高熔點配線材料。這類Mo等高熔點配線材料對於450℃～600℃的熱處理也能實現穩定的耐熱特性(非專利文獻1)。
非專利文獻1松本正一著，《液晶顯示器技術》，產業圖書株式會社發行，2001年6月18日第三次印刷，P.115-118然而，Mo、Ta、Cr等高熔點配線材料雖然高耐熱特性良好，但具有配線材料本身具有的電阻值較大的性質。但是，在面積小的小型畫面中，配線狹窄且配線距離短，所以即使是高電阻值的高熔點配線材料，信號延遲沒有達到影響實際使用的程度。可是，若顯示畫面增大，則由於配線距離變長，所以使用電阻率高的配線材料時，可能產生信號延遲，成為多晶矽TFT大畫面化的障礙。
發明的揭示發明所要解決課題本發明是在基於上述情況的背景下完成的，提供可以適應多晶矽TFT這樣的高溫下的熱處理、且滿足低電阻率特性的配線材料，更具體地，其目的在於提供適用於進行500℃以上的高溫熱處理的低溫加工的多晶矽薄膜電晶體的、具備高耐熱和低電阻率特性的鋁合金配線材料及形成它的靶材。
解決課題的方法為了解決上述課題，本發明人對以往提出的鋁合金配線材料(參考專利文獻1)認真研究後，結果發現了具備500℃以上的高溫耐熱特性、低電阻率的鋁合金組成，想到了本發明。
專利文獻1日本專利特開2003-089864號公報一般認為，使用鋁合金的配線材料在300℃的熱處理下具有10μΩcm以下的良好的電阻率特性，但400℃以上的高溫熱處理下的使用非常困難。尤其，在500℃以上的高溫熱處理的情況下，鋁合金配線材料中可能無法避免小丘(熱處理引起的產生於配線表面的瘤狀突起)的產生，存在在進行500℃以上的高溫熱處理的TFT用途的配線材料中儘可能不採用鋁合金的背景。但是，本發明人對提出的鋁合金(專利文獻1)的組成進一步研究發現，如果對含有鎳、鈷、碳的鋁合金調整這3種元素的含量，可以實現具備500℃以上的高耐熱性，300℃的熱處理中電阻率值10μΩcm以下。
本發明是含有鎳、鈷、碳的鋁合金配線材料，其特徵在於，假設鎳含量的原子百分比為X at％，鈷含量的原子百分比為Y at％，碳含量的原子百分比為Z at％，則滿足0.5at％≤X≤3.0at％、4.0at％≤X+Y≤7.0at％、0.1at％≤Z≤0.5at％的條件，其餘由鋁構成。
本發明所述的高耐熱性鋁合金配線材料，首先通過使鋁中含有微量的碳，使鋁合金中的鋁結晶粒徑整體上變得精細，緩解產生小丘的熱處理時對於配線材料的壓縮應力。進而，通過使其含有鎳和鈷，進一步實現耐熱特性的提高。
鎳通過自200℃附近從鋁合金中析出Al3Ni相緩解作為產生小丘的原因的壓縮應力，使鋁合金自身的耐熱特性進一步提高。該鎳產生的析出相，在更高溫度下，例如升溫至400℃附近時，Al3Ni相過度析出，開始產生Al3Ni相的凝集，由於該現象確認鋁合金配線材料表面產生與小丘相同的突起。為了防止這樣的400℃附近的Al3Ni相的過度析出，本發明所述的鋁合金配線材料中含有鈷。如果預先與鎳一起含有鈷，則可以防止在400℃附近開始產生的Al3Ni相的過度析出和它的凝集，能夠進一步實現在高溫區的耐熱特性。通過這樣的鎳和鈷的共同作用，本發明所述的鋁合金配線材料在500℃以上的高溫熱處理下也不產生小丘。
本發明所述的鋁合金配線材料中，假設鎳含量的原子百分比為X at％，鈷含量的原子百分比為Y at％，碳含量的原子百分比為Z at％，則鎳滿足0.5at％≤X≤3.0at％，鎳和鈷的總量滿足4.0at％≤X+Y≤7.0at％。若鎳含量不到0.5at％，則耐熱性的提高不夠；若超過3.0at％，則與鈷含量可能無法平衡，電阻率也可能變大。此外，若鎳和鈷的總量不到4.0at％，則無法適應500℃、1小時的高溫熱處理，很可能產生小丘；若超過7.0at％，則電阻率值變大，無法滿足10μΩcm以下的電阻率特性。而且，若碳不到0.1at％，則碳產生的結晶粒精細化的效果降低，變得容易產生小丘；若超過0.5at％，則相比結晶粒精細化的效果，與含有的鎳和鈷一起使電阻率變大的影響更強。
此外，根據本發明人的研究，上述組成的範圍內，鎳、鈷、碳的含量進一步滿足1.5at％≤X≤2.5at％、2.0at％≤Y≤5.0at％、0.1at％≤Z≤0.3at％的條件的情況下，發現可以得到具備550℃、1小時的高耐熱性、300℃的熱處理後的電阻率約5μΩcm的高耐熱性鋁合金配線材料。
本發明所述的鋁合金配線材料如上所述，具備500℃以上的高耐熱性，且電阻率值低，所以非常適合作為以往不採用的構成低溫加工多晶矽TFT的配線材料。尤其，在用多晶矽TFT製造比以往大的畫面的液晶顯示器時，若是本發明所述的鋁合金配線材料則由於電阻率小，所以也不會有配線的長距離化產生的信號延遲。
為了得到上述的本發明所述的鋁合金配線材料，較好是採用假設鎳含量的原子百分比為Xat％，鈷含量的原子百分比為Yat％，碳含量的原子百分比為Zat％，則滿足0.5at％≤X≤3.0at％、4.0at％≤X+Y≤7.0at％、0.1at％≤Z≤0.5at％的條件，其餘由鋁構成的靶材。另外，如果是具備550℃、1小時的高耐熱性、300℃的熱處理後的電阻率約5μΩcm的高耐熱性鋁合金配線材料，則較好是採用鎳、鈷、碳的含量滿足1.5at％≤X≤2.5at％、2.0at％≤Y≤5.0at％、0.1at％≤Z≤0.3at％的靶材。若使用這樣的組成的靶材，雖然也受成膜條件的一些影響，但仍可以通過濺鍍法容易地形成與靶材基本相同組成的鋁合金薄膜。
附圖的簡單說明[
圖1]鎳和鈷的總含量與電阻率值的關係的示意圖。
鈷的含量與電阻率值的關係的示意圖。
實施例3，5，6中熱處理溫度與電阻率值的關係的示意圖。
比較例6的as-depo狀態的SEM觀察照片。
比較例6的350℃×1小時的熱處理後的SEM觀察照片。
比較例6的400℃×1小時的熱處理後的SEM觀察照片。
比較例6的450℃×1小時的熱處理後的SEM觀察照片。
比較例6的500℃×1小時的熱處理後的SEM觀察照片。
實施例8的as-depo狀態的SEM觀察照片。
實施例8的350℃×1小時的熱處理後的SEM觀察照片。
實施例8的400℃×1小時的熱處理後的SEM觀察照片。
實施例8的450℃×1小時的熱處理後的SEM觀察照片。
實施例8的500℃×1小時的熱處理後的SEM觀察照片。
鎳和鈷的有效含量的範圍的示意圖。
實施發明的最佳方式對實施本發明的最佳方式基於實施例和比較例進行說明。
首先，對本發明所述的鋁合金配線材料的製造方法進行說明。本實施方式中的鋁合金配線材料，基於以用以下說明的製造工藝得到的靶材形成的鋁合金薄膜進行評價。
首先，將純度99.99％的鋁投入石墨坩堝(純度99.9％)，在1600～2500℃的溫度範圍內加熱，熔解鋁。該石墨坩堝的鋁熔解在氬氣氣氛(大氣壓)中進行。以該熔解溫度保持約5分鐘，在石墨坩堝內生成鋁-碳合金後，將該熔融液投入石墨鑄型中，通過放置自然冷卻進行鑄造。
取出在該石墨鑄型中鑄造的鋁-碳合金鑄塊，加入指定量的鎳和鈷，投入再熔解用的石墨坩堝中，通過在800～900℃加熱再熔解，攪拌約1分鐘。該再熔解也在氬氣氣氛中、氣氛壓力為大氣壓的條件下進行。攪拌後，通過將熔融液注入水冷銅鑄型中，得到指定形狀的鋁合金鑄塊。接著，對該鑄塊進行壓延加工，加工成指定的形狀，得到靶材。最終的靶材的大小為φ8英寸(約200mm)×厚6mm。通過上述的製造方法製作各種組成的靶材，以下面的濺射條件形成各實施例、比較例的作為鋁合金配線材料的鋁合金薄膜，評價其特性。
形成薄膜的濺射條件為，使用厚0.8mm的コ一ニング公司制#1737玻璃板作為基板、功率密度3瓦/cm2、氬氣流量100ccm、氬氣壓力0.5Pa，通過葉片式磁控濺射裝置，以約60秒的成膜時間，在該玻璃板上形成厚約2000(約0.2μm)的薄膜。基板溫度為100～200℃。
電阻率特性首先，對本發明所述的鋁合金配線材料的電阻率特性的調查結果進行說明。在表1中，匯總表示了實施例1～4和比較例1～4的膜組成、電阻率值的測定結果。
表1所示的各薄膜組成中，對鎳、鈷用ICP發光分析(電感耦合等離子發光光譜分析法)，對碳用碳分析裝置進行定量。此外，電阻率值通過4端子電阻測定裝置測定(測定電流100mA)。該電阻率值分別對濺鍍剛完成時(以下簡稱as-depo，表和附圖也一樣)和各覆薄膜的玻璃板在真空中進行300℃、1小時熱處理後的值進行測定。其結果如表1所示。
圖1中表示以表1的鈷和鎳的總含量與300℃熱處理後的電阻率值所作的圖。此外，圖2中表示以鈷的含量與as-depo和300℃熱處理後的電阻率值所作的圖。圖1和圖2的各標繪點中，例如將實施例1的結果在圖中記作「實1」。此外，圖2中塗黑的標繪點為as-depo的電阻率值，空心的標繪點表示300℃熱處理後的電阻率值。
由圖1可知，隨著鎳和鈷的總含量的增加，300℃熱處理後的電阻率值也同比增加。從該圖1可知，為了使300℃熱處理後的電阻率值在10μΩcm以下，鎳和鈷的總含量必須在7.0at％以下。
此外，根據圖2中as-depo的電阻率值的標繪結果中，發現各實施例的鎳含量並無規律，但as-depo的電阻率值隨著鈷含量的增加而增加。這推測是由於鈷本身的電阻值大引起的。另一方面，300℃熱處理後的電阻率值中，發現與各實施例的鑽含量無關，都實現了10μΩcm以下的電阻率特性。由該結果可以推知，鈷與鎳和碳一起固溶於鋁合金中時，雖然電阻率值有隨著鈷含量的增加而上升的趨勢，但若因熱處理鋁-鎳-鈷合金相開始析出，則合金基體變成富鋁的相，所以電阻率下降到10μΩcm以下。
接著，對關於電阻率值與熱處理溫度(退火溫度)的關係的調查結果進行說明。圖3中，表示對於實施例2～4在200℃～500℃的各溫度(間隔50℃)下進行1小時的熱處理後的電阻率值進行測定的結果。由該結果可知，實施例2～4即使進行300℃以上的熱處理電阻率值也都在10μΩcm以下。
耐熱特性接著，對進行耐熱特性的評價後的結果進行說明。
耐熱性評價通過對各溫度下進行1小時熱處理後的膜表面用掃描式電子顯微鏡(1萬倍SEM)進行觀察，考察小丘的產生狀況來進行。圖4～圖13中，表示進行小丘觀察的典型的SEM照片。圖4～圖8表示組成為Al-3.0at％Ni-0.1at％C(表2比較例6)的情況，圖9～圖13表示組成為Al-2.1at％Ni-2.9at％Co-0.21at％C(表2實施例8)的情況。
由圖4～圖8可知，不含鈷的鋁合金薄膜在進行450℃、500℃的熱處理後，表面產生白色的突起物。350℃(圖5)和400℃(圖6)的熱處理的情況下，表面發現白色斑點狀的區域，但沒有形成為突起物。圖5和圖6中所見的斑點狀的區域為Al3Ni的析出相，圖7和圖8中所見的白色突起物是析出的Al3Ni相凝集後在表面形成的。在圖8的表面可以看到與白色突起物相反的像酒窩那樣的凹陷部，推測這是Al3Ni相凝集後其周邊體積發生減小而形成的。另一方面，實施例8中，350℃(圖10)、400℃(圖11)的熱處理中沒有發現任何變化。此外，450℃(圖12)、500℃(圖13)的熱處理中，雖然發現白色斑點狀的Al3Ni相，但沒有形成突起物。
表2中示出了對於各組成的薄膜進行各溫度的熱處理、對其表面進行SEM觀察、考察有無產生小丘的結果。表2中，產生小丘的記作×，完全沒有小丘產生的記作○。另外，沒有發現有小丘產生，但因Al3Ni相的凝集在表面發現像酒窩那樣的凹陷部的記作△。在該評價中，產生的小丘除了鋁本身的突起，還包括圖7和圖8所示的凝集的Al3Ni相的突起物。
由表2可知，如比較例5、6那樣不含鈷的鋁合金薄膜，通過450℃以上的熱處理發現產生小丘。此外，如比較例7～11，對於本發明所述的鋁合金配線材料的組成範圍以外的組成，對500℃以上的熱處理，發現產生小丘，或者在表面出現Al3Ni相凝集產生的凹陷。另一方面，對於實施例5～14，即使採用400～500℃的熱處理也沒有產生小丘。而且，對於在500℃的熱處理中沒有發現有小丘產生的各實施例，再實施550℃、1小時的熱處理，進行耐熱特性評價，結果在實施7～10的組成中，完全沒有觀察到有小丘產生。在該耐熱特性評價中，對於鎳和鈷的總含量在7.0at％以上的組成，由圖1所示的結果考慮到電阻率值在10μΩcm以上，認為不是實用的配線材料，沒有包括在評價中。
基於以上所示的表1和表2的結果，研究電阻率值在10μΩcm以下、且具有對於500℃以上的熱處理的高耐熱性特性的鎳和鈷的含量範圍，結果認為是圖14所示的斜線部分的含量範圍。此外，網格部分的區域對應於在550℃的熱處理中也保持高耐熱性的含量範圍。
自然電位測定最後，對本實施例所述鋁合金配線材料的自然電位的測定結果進行說明。在玻璃基板上形成實施例8的組成的薄膜(0.2μm)，通過切取該玻璃基板，將其作為電位測定的樣品。此外，作為對照，將比較例6的組成的薄膜也同樣形成電位測定的樣品。接著，在電位測定樣品表面加掩模，使其露出1cm2的面積，形成測定用電極。自然電位使用3.5％氯化鈉水溶液(液溫27℃)，參比電極使用銀/氯化銀，進行測定。此外，作為歐姆連接的對象的ITO膜使用In2O3-10wt％SnO2的組成。
其結果，ITO膜的自然電位為-820mV左右。進而，確認實施例8為約-960mV，為接近ITO膜的自然電位。另一方面，確認比較例6為-1080mV左右，與實施例8相比，與ITO膜的自然電位相差大。
產業上利用的可能性如上所述，採用本發明，可以得到具有以往的鋁合金配線材料無法實現的500℃以上的高耐熱特性、並實現低電阻率特性的良好的鋁合金配線材料。它是在用進行400℃～650℃的熱處理的低溫加工多晶矽TFT形成較大型的液晶顯示器時，尤其適用的鋁合金配線材料。
權利要求
1.高耐熱性鋁合金配線材料，它是含有鎳、鈷、碳的鋁合金配線材料，其特徵在於，假設鎳含量的原子百分比為X at％，鈷含量的原子百分比為Y at％，碳含量的原子百分比為Z at％，則滿足0.5at％≤X≤3.0at％4.0at％≤X+Y≤7.0at％0.1at％≤Z≤0.5at％的關係，其餘由鋁構成。
2.如權利要求1所述的高耐熱性鋁合金配線材料，其特徵還在於，用於低溫加工的多晶矽薄膜電晶體。
3.用於形成高耐熱性鋁合金配線材料的靶材，它是用於形成含有鎳、鈷、碳的鋁合金配線材料的靶材，其特徵在於，假設鎳含量的原子百分比為X at％，鈷含量的原子百分比為Y at％，碳含量的原子百分比為Z at％，則滿足0.5at％≤X≤3.0at％4.0at％≤X+Y≤7.0at％0.1at％≤Z≤0.5at％的關係，其餘由鋁構成。
全文摘要
本發明的目的在於提供適用於進行500℃以上的高溫熱處理的低溫加工的多晶矽薄膜電晶體的、高耐熱和低電阻率特性良好的鋁合金配線材料及靶材。所述鋁合金配線材料及靶材是含有鎳、鈷、碳的鋁合金配線材料及靶材，其特徵在於，假設鎳含量的原子百分比為Xat％，鈷含量的原子百分比為Yat％，碳含量的原子百分比為Zat％，滿足0.5at％≤X≤3.0at％、4.0at％≤X+Y≤7.0at％、0.1at％≤Z≤0.5at％的關係，其餘由鋁構成。
文檔編號H01L29/66GK1788322SQ200580000338
公開日2006年6月14日 申請日期2005年2月15日 優先權日2004年2月16日
發明者久保田高史, 松浦宜範, 松崎健嗣, 加藤和照 申請人:三井金屬鉱業株式會社