CN100507068C - 铝合金薄膜和具有该薄膜的配线电路以及形成此薄膜的靶材 - Google Patents

铝合金薄膜和具有该薄膜的配线电路以及形成此薄膜的靶材 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种具有与ITO膜同等水平的电极电位、不存在硅扩散、电阻率低、耐热性优异的铝合金薄膜。本发明的含碳铝合金薄膜的特征是，含有0.5～7.0at%的选自镍、钴、铁的至少一种以上的元素和0.1～3.0at%的碳，余分为铝。更好的是本发明的铝合金薄膜中还含有0.5～2.0at%的硅。

Description

铝合金薄膜和具有该薄膜的配线电路以及形成此薄膜的靶材
技术领域
本发明涉及铝合金薄膜和该铝合金薄膜成形用溅射靶材，尤其是涉及构成液晶显示器的薄膜配线、电极、半导体集成电路的配线等的高耐热性、低电阻的铝合金薄膜，以及适合该铝合金薄膜成形用的溅射靶材。
背景技术
近年来，液晶显示器以笔记本电脑的显示装置为代表大量使用以取代所谓的阴极射线管(CRT)，其液晶显示的大画面化、高精细化的进展惊人。因此，在液晶显示器领域，薄膜晶体管(以下简称为TFT)型的液晶显示器需要正在增加，对其液晶显示的特长要求也更为严格。特别是，随着液晶显示的大画面化、高精细化，要求电阻率低的配线材料。这种电阻率的特性要求是为了防止在进行配线的长线化与细线化时出现信号延迟。
目前，作为液晶显示的配线材料，虽然可以使用钽、铬、钛和它们的合金等高熔点材料，但因为这样的高熔点材料电阻率过高，所以不一定适合于大画面化、高精细化的液晶显示配线。为此，由于电阻率低、配线加工容易，铝作为配线材料受到关注。然而，由于铝的熔点较低为660℃，所以存在耐热性方面的问题。即，通过溅射在基板上形成铝膜并进行配线加工后，用CVD法形成绝缘膜时，对经过配线加工的铝薄膜进行300～400℃的加热，但此时在铝膜表面会产生被称为毛刺的疙瘩状突起。
该毛刺突破绝缘层，引起它与上一层短路以及相邻配线间的短路，成为不良状况的原因。因此，含有其他元素、可抑制毛刺产生的铝合金正在大量开发。例如，铝—钛等的铝合金薄膜，通过控制钛等元素的含量，能有效地抑制毛刺的产生。但是，如果添加前述高熔点材料的元素，则电阻率将提高。
因此，本发明者开发了含有碳和锰的铝合金薄膜(参照特开2000-336447号公报)。该含碳和锰的铝合金薄膜，由于能显著降低毛刺的产生机率，且具有非常低的电阻率特性，所以作为构成TFT的薄膜是非常合适的。
可是，构成作为液晶显示器的切换元件的TFT时，作为具有代表性的透明电极的ITO(氧化铟锡，Indium Tin Oxide)膜与铝合金薄膜之间有必要进行电阻接合。如果使铝或铝合金薄膜直接接合于ITO膜上，则在接合界面铝会被氧化，ITO膜则被还原，这样接合电阻就会完全改变。这是因为铝或铝合金薄膜与ITO膜之间的电极电位不同而出现的电化学反应导致的现象。因此，电阻接合时，在ITO膜与铝合金薄膜之间需夹入钼等高熔点材料作为阻挡层，即，通常形成铝合金薄膜/钼/ITO的叠层结构。这种叠层结构，由于关系到生产成本的增加，因此，目前希望能够获得具有改善TFT结构的特性的铝合金薄膜。
发明内容
本发明是在上述背景下完成的发明，其目的是提供能直接与ITO膜进行电阻接合、可防止硅与铝的相互扩散、电阻率低、耐热性优异的铝合金薄膜。另外，本发明还提供了可形成具有上述特性的铝合金薄膜的合适的溅射靶材。
本发明者对含碳铝合金中含有的各种元素进行了研究，结果发现，如果铝合金薄膜的合金组成如下所述，则可达到上述目的，从而完成了本发明。
本发明的含碳铝合金薄膜的特征是，含有0.5～7.0at％的选自镍、钴、铁的至少一种以上的元素、0.1～3.0at％的碳，余分为铝。
据本发明者研究发现，如果铝中含有镍、钴、铁中的至少一种以上的元素，则该铝合金薄膜的电极电位与ITO膜处于同等水平。而且，如果含有这些元素和碳，则能防止毛刺的出现，能形成电阻率小的铝合金薄膜。又，该所谓“电极电位”是指在某反应物的氧化还原反应中，其氧化速度与还原速度处于同等平衡状态下的电位，即所谓平衡电位或自然电位，在本说明书中是指自然电位。该自然电位是指测定系统处于不通电状态，即某反应物处于浸渍于水溶液的自然状态时相对于参比电极的电位。
本发明的铝合金薄膜与ITO膜进行电阻接合时，未设置钼等高熔点材料作为阻挡层就能直接接合于ITO膜，这样使TFT的制造工序简化，并使生产成本降低。还有，本发明的铝合金薄膜，因为耐热性优异、电阻率也小，所以可在大型化或高精细化的液晶显示器中形成最合适的配线。
本发明的铝合金薄膜中可含有镍、钴、铁中的任一种元素，也可含有其中的两种以上的元素。但是，其含量只有在0.5～7.0at％的范围内，才能实现其特性。含量如果不足0.5at％，由于铝合金薄膜的电极电位与ITO膜有很大不同，所以铝合金薄膜不能直接接合于ITO膜，这样薄膜的耐热性下降。又，如果超过7.0at％，则铝合金薄膜即使在基板温度200℃时成膜，于真空中300℃进行1小时的热处理后，其电阻率值也要超过20μΩcm，用于液晶显示器时并不能成为具有实用性的配线材料。
据本发明者研究，本发明的铝合金薄膜的铝—碳基材中只含有镍时，其含量的较好范围是0.5～5at％。在此范围内，由于可成为具有低电阻率性和良好耐热性的薄膜，所以非常适宜作为大画面化或高精细化的液晶显示器中的配线材料使用。根据同样理由，铝—碳基材中仅含有钴或铁时，其含量的较好范围是2.0～5.0at％。
此外，本发明的铝合金薄膜中如果含有0.1～3.0at％的碳，则能实现良好的特性。碳的含量如果不足0.1at％，则没有抑制毛刺产的效果；如果超过3.0at％，则电阻率值增大，不能形成可实际用于液晶显示器的配线。
又，本发明的铝合金薄膜中最好还含有0.5～2.0at％的硅。已知道当铝合金薄膜直接接合于硅时，在接合界面铝与硅间会产生相互扩散(参考文献《VLSI的薄膜技术》，出版社：丸善株式会社，1986年发行)。因此，如果预先使铝合金薄膜中含有硅，则能有效地防止铝与硅之间的相互扩散。硅的含量如果不足0.5at％，则在接合界面防止相互扩散的效果不佳；如果超过2.0at％，则进行湿式蚀刻时，因为硅或硅析出物会形成蚀刻残渣，所以也不好。
上述本发明的铝合金薄膜作为形成液晶显示器的薄膜配线、电极、半导体集成电路的配线等的配线材料是非常合适的。在构成TFT时，不形成钼等高熔点材料的阻挡层，在ITO膜上直接形成本发明的铝合金薄膜进行电阻接合。而且，形成TFT时，能够防止铝合金与硅之间的相互扩散。
在形成上述本发明的铝合金薄膜时，最好采用含有0.5～7.0at％的选自镍、钴、铁的至少一种以上的元素和0.1～3.0at％的碳、余分为铝的铝合金薄膜成形用靶材，更好是采用还含有0.5～2.0at％的硅的靶材。如果采用上述组成的靶材，且成膜条件也相近，则通过溅射可以容易地形成与靶材组成相同的薄膜。
本发明的铝合金薄膜的形成，虽然最好采用具有上述组成的靶材，但并不限于这样的预先含有全部必要元素的单体靶材。例如，也可以采用在铝—碳合金靶材的表面埋入了镍、铁、钴的金属屑这样的复合靶材，还可以采用在纯铝靶材的表面埋入了碳粒和镍等金属屑的复合靶材。只要能形成本发明的铝合金薄膜的组成范围内的薄膜即可，然后再考虑到溅射装置和条件等选择最合适的靶材。
具体实施方式
根据实施例和比较例对本发明的较好实施方式进行说明。
表1所示为实施例1A～14A以及比较例1、2的膜组成、膜的电阻率值、毛刺产生情况的调查结果一览表。
表1中的实施例1A～14A的各组成的薄膜采用以下制得的靶材成膜。
首先，在碳坩埚(纯度为99.9％)内装入纯度为99.99％的铝，加热到1600～2500℃的温度范围内使铝熔融。碳坩埚中的铝熔融在氩氛围气中以大气压作为氛围气压力进行。于熔融温度保持约5分钟，在碳坩埚内生成铝—碳合金后，将其熔体浇入碳质铸型中，放置自然冷却铸造而得。
从上述碳质铸型中取出所铸得的铝—碳合金铸块，再按规定量加入纯度99.99％的铝和镍，一起投入再熔融用碳坩埚内，加热到800℃再熔融，进行约1分钟时间的搅拌。此再熔融处理也在氩氛围气中以大气压作为氛围气进行。搅拌后，将熔体浇入铜水冷铸型内，获得规定形状的靶材。最终的靶材大小为φ100mm×厚6mm。
采用此靶材，在下述薄膜成形条件下进行溅射获得薄膜，该薄膜经分析后确认，其组成为镍1.9at％—碳0.8at％—余分为铝(实施例5)。
薄膜成形条件是采用厚度为0.8mm的Corning公司制#1737玻璃板作为基板，投入电力3.0W/cm2、氩气流量20ccm、氩气压力2.5毫托，采用磁控管溅射装置，成膜时间约为150秒，在该玻璃板上形成约3000
Figure C02803266D0007153236QIETU
(约0.3μm)厚度的薄膜。基板温度为100℃或200℃。
由上述制法制得各组成的靶材，由这些靶材在上述薄膜成形条件下成膜，获得表1中所记载的各实施例的薄膜。表1所示的各薄膜的膜组成中，对镍、钴、铁、硅用ICP发光分析(电感耦合等离子发光分光分析法)法定量，碳则由碳分析装置进行定量测定。又，各薄膜的电阻率由4端子电阻测定装置测定(测定电流为100mA)。该电阻率是在溅射后马上测定的(as—dope)。将各附有薄膜的玻璃板于真空中分别以300℃、350℃、400℃三个水平进行1小时的热处理，再测定处理后的各膜的电阻率。其结果如表1所示。
又，对于毛刺的产生状态，用电子扫描显微镜(SEM)以1000倍、5000倍及15000倍的倍率观察上述经过三个水平的热处理的各膜表面，如果在任何倍率都没有观察到毛刺时记为○，在任何倍率都能确认有毛刺产生时记为×，记录于表1中。
表1
Figure C02803266D00091
如表1所见判定，比较例的纯铝膜和铝—碳合金膜虽然电阻率值低，但在所有热处理条件下都有毛刺产生。另一方面，铝—碳中含有镍的铝合金薄膜(实施例1A～9A)，在刚溅射后立即测定的电阻率虽然有几个值超过了10μΩcm，但在热处理后测定全部都不足10μΩcm，所以具有作为配线材料的特性。
又，对于镍以外的含有钴(实施例11A、12A)、铁(实施例13A、14A)的铝合金薄膜，刚溅射后直接测定的电阻率值虽然较高，但可以确认具有作为配线材料的合适的电阻率，毛刺产生较少，且具有与镍同样的耐热性。
然后，对于溅射时基板温度为200℃形成铝合金薄膜时的结果进行一下说明。表2示出了各实施例1B～14B和比较例1B、2B的结果。此表2所示的各薄膜的形成，除了基板温度为200℃以外，全部条件与表1所示情况相同。另外，对于电阻率测定、毛刺产生情况的观察，因为也与上述相同，所以在此省略说明。
表2
Figure C02803266D00101
如表2所见判定，即使基板温度为200℃，比例例1B的纯铝膜和比较例2B的铝—碳合金薄膜虽然电阻率值较低，但可以确认在所有热处理条件下都有毛刺产生。另一方面，在铝—碳中含有镍的铝合金薄膜(实施例1B～9B)，其溅射后马上测定和热处理后测定的电阻率都不足10μΩcm。此外，毛刺产生情况与基板温度为100℃时相比更好，能够形成更好的薄膜。
又，对于镍以外的钴(实施例11B、12B)、铁(实施例13B、14B)的情况，如果基板温度为200℃，则电阻率比100℃时低，且可以确认完全未出现毛刺。
以下，对于各薄膜的自然电位测定结果进行说明。按照表3所示的各种组成，在玻璃基板上形成规定厚度(0.3μm)的薄膜，将此玻璃基板切成小块作为电位测定试样。而且，掩蔽电位测定试样表面，使其露出1cm2的面积，形成测定用电极。自然电位使用3.5％的氯化钠水溶液(液温27℃)，参比电极使用银/氯化银进行测定。此外，作为电阻接合对象的ITO膜使用In2O3—10wt％的SnO2的组合物。
表3
Figure C02803266D00111
如表3所示，ITO膜的自然电位约—1000mV。而且可以确认，纯铝薄膜的自然电位约—1550mV，铝—碳合金薄膜的自然电位为—1400～—1500mV。另一方面，含有镍、钴、铁的铝—碳合金薄膜的自然电位大概在—650～—1000mV的范围内，与ITO膜的自然电位大致相同。
在此，对本实施例的铝合金薄膜与ITO膜的接合电阻评估试验进行说明。在上述薄膜成形条件下，基板温度为100℃，于玻璃基板上使0.3μm厚的铝合金薄膜成膜，由该薄膜形成1×20mm的模型电极。然后，在该铝合金薄膜的模型电极上形成互相垂直的ITO电极模型(1×20mm、厚0.3μm)，制得接合电阻测定用试样。然后，将该接合电阻测定用试样置于250℃的真空中进行1小时的热处理，检测铝合金薄膜电极与ITO膜电极间的接合部分的电阻变化。其结果是，纯铝(5N)与ITO膜的组合，热处理后的接合电阻值为热处理前的接合电阻值的4倍左右。相对于此，在铝—碳合金中含有规定量的镍、钴、铁的薄膜与ITO膜的组合，热处理后的接合电阻值与热处理前没有变化。
最后，对本实施例的铝合金薄膜与硅之间的扩散性评估进行说明。在φ4″的无掺杂硅薄(片)膜上，以上述薄膜成形条件，基板温度为100℃，形成0.1μm厚的铝合金薄膜。然后，将该试样置于250℃的真空中，进行1小时的热处理，热处理后的试样由扫描型俄歇显微镜对各元素从薄膜表面深入的情况进行分析。其结果是，可以确认纯铝(5N)薄膜在铝与硅界面存在相互扩散的现象。相对于此，如果是在铝—碳合金中含有规定量的镍、钴、铁中的任一种元素以及硅的薄膜，则可以判明在铝合金与硅的界面没有出现相互扩散的现象。
综上所述，本发明的铝合金薄膜，因为具有与ITO膜同样水平的自然电位，所以能直接与ITO膜进行电阻接合，可以防止硅与铝间的相互扩散，电阻率也较小，而且耐热性优异。

Claims (10)

1.一种铝合金薄膜，它与作为透明电极膜的氧化铟锡膜直接接合，其特征在于，它包括在基板温度为200℃的条件下溅射而形成的由1.9～3.2原子％的镍、0.3～1.9原子％的碳和余量的铝组成的、自然电位为—97mV～—907mV的铝合金。
2.如权利要求1所述的铝合金薄膜，其特征在于所述铝合金薄膜中的铝合金选自：
a)由2.3原子％的镍、0.3原子％的碳和余量的铝组成的铝合金，所述薄膜的自然电位为-907mV；
b)由3.1原子％的镍、0.3原子％的碳和余量的铝组成的铝合金，所述薄膜的自然电位为-797mV。
3.一种铝合金薄膜，它与作为透明电极膜的氧化铟锡膜直接接合，其特征在于，它包括在基板温度为200℃的条件下溅射而形成的由1.2原子％的镍、0.3原子％的碳和余量的铝组成的、自然电位为—920mV的铝合金。
4.一种铝合金薄膜，它与作为透明电极膜的氧化铟锡膜直接接合，其特征在于，它包括在基板温度为200℃的条件下溅射而形成的由2.8～5.4原子％的钴、1.3原子％的碳和余量的铝组成的、自然电位为—650mV～—674mV的铝合金。
5.一种铝合金薄膜，它与作为透明电极膜的氧化铟锡膜直接接合，其特征在于，它包括在基板温度为200℃的条件下溅射而形成的由2.7～4.6原子％的铁、1.3原子％的碳和余量的铝组成的、自然电位为—800mV～—875mV的铝合金。
6.一种铝合金薄膜，它与作为透明电极膜的氧化铟锡膜直接接合，其特征在于，它包括在基板温度为200℃的条件下溅射而形成的由1.9～3.2原子％的镍、0.3～1.9原子％的碳、0.5～2.0原子％的硅和余量的铝组成的、自然电位为—797mV～—907mV的铝合金。
7.一种铝合金薄膜，它与作为透明电极膜的氧化铟锡膜直接接合，其特征在于，它包括在基板温度为200℃的条件下溅射而形成的由1.2原子％的镍、0.3原子％的碳、0.5～2.0原子％的硅和余量的铝组成的、自然电位为—797mV～—907mV的铝合金。
8.一种铝合金薄膜，它与作为透明电极膜的氧化铟锡膜直接接合，其特征在于，它包括在基板温度为200℃的条件下溅射而形成的由2.8～5.4原子％的钴、1.3原子％的碳、0.5～2.0原子％的硅和余量的铝组成的、自然电位为—650mV～—674mV的铝合金。
9.一种铝合金薄膜，它与作为透明电极膜的氧化铟锡膜直接接合，其特征在于，它包括在基板温度为200℃的条件下溅射而形成的由2.7～4.6原子％的铁、1.3原子％的碳、0.5～2.0原子％的硅和余量的铝组成的、自然电位为—800mV～—875mV的铝合金。
10.一种铝合金薄膜，它与作为透明电极膜的氧化铟锡膜直接接合，其特征在于，它包括在基板温度为200℃的条件下溅射而形成的由54原子％的钴、1.3原子％的碳和余量的铝组成的、自然电位为—646mV的铝合金。
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