CN101285165A - Tft lcd电极薄膜制备所用的靶材及靶材和电极薄膜制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TFT LCD有源矩阵电极薄膜制备所用的靶材，其中靶材为Al－RE的合金、Al－Ni的合金或者Al－Ni－RE合金，靶材中合金元素的含量在1at％－10at％。本发明同时公开了TFT LCD有源矩阵电极薄膜制备所用靶材的制备方法和TFT LCD有源矩阵电极薄膜的制备方法。本发明用资源丰富Ni以及RE替代资源稀缺高价格的Nd，制备二元合金靶材，能够降低靶材及电极薄膜的制造成本。本发明电极薄膜的制备方法中通过磁控溅射方法使合金元素能够固溶其中，能够提高Al合金薄膜的热稳定性。本发明电极薄膜的制备方法中，在退火过程将使全部或者部分固溶态的合金元素以金属间化合物的形式沉淀于晶粒之间，能够降低合金薄膜的电阻率和提高其热稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件电极的制备所用的靶材及其制造方法，以及利用该靶材制造电极的方法，特别涉及薄膜晶体管液晶显示器(以下称TFT LCD)有源矩阵电极制备所用的靶材及其制造方法，以及利用该靶材制造电极的方法。
背景技术
目前薄膜晶体管液晶显示器(TFT LCD)向大尺寸和高清晰度的发展趋势要求具有很低电阻率的金属电极薄膜作为栅极和源漏电极。例如对于10英寸以上的TFT LCD，电极的电阻率需要小于20μΩcm。同时大规模集成电路制备中基板已经不足以提供足够的面积来沉积IC需要的互连线。因此多层金属互连线成为IC制造中必需要采用的技术。特别是对于具有复杂功能的IC，如微处理器就要求具有4-5层的金属层实现IC器件之间的互连。因此从电阻率的角度考虑，Au、Cu和Al是最合适做IC及TFT中电极或者互连线材料的金属。但是对于Au而言，它和基板的结合力不良，另外它的刻蚀特性不好，还有就是价格太高的原因，限制了它的广泛使用；Cu由于它和基板的结合力微弱和不良的抗腐蚀能力也限制了它的使用。金属Al不仅有好的电阻率，良好的刻蚀特性和与基板的结合力，而且Al的地球含量丰富，容易得到，因此得到大量的应用。
但是Al的最大缺点就是热稳定性差。这种不稳定性表现为由Al制备的金属电极薄膜的表面上在后续的热处理过程中(150-400℃)出现被称为小丘的很小的突起。由于电极薄膜一般作为底层，而且当刻蚀形成图形后，电极或者互连线的宽度变得很细时，这种小丘的尺寸相对于金属线变得很大。如果在其上面沉积其它薄膜，小丘就会刺穿上面的绝缘薄膜形成短路，另外在形成小丘的地方也会引起的断路。
为了在Al薄膜表面抑止小丘的形成，目前采用的方法由两种。第一种方法就是在Al金属层上面形成一层熔点很高的金属薄膜，如难熔金属薄膜；另外一种方法就是在Al中添加其它元素形成合金，使用该合金形成电极薄膜。目前对于TFT电极中使用最多的就是AlNd作为导电层，Mo作为底层和顶层覆盖在其上的方法。但是AlNd的价格很高，由于作为合金元素Nd稀土元素，在地壳中的含量很低，而且提纯不容易实现。因此，寻找合适的Al合金取代AlNd就变得非常重要。
发明内容
本发明目的就是针对现有技术AlNd的价格很高和不易提纯等缺陷，利用提纯Nd的原料-混和稀土RE(RE＝La，Ce，Pr，Nd)替代Nd实现Al合金的低价格，同时添加金属Ni增加其抗腐蚀和氧化能力，即提供合适Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE合金来取代AlNd靶材，并且用该制备半导体器件中的电极薄膜。
本发明的另外一个目的就是提供制备一种制备半导体薄膜电极的方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种TFT LCD有源矩阵电极薄膜制备所用的靶材，其中所述靶材为Al-RE的合金、Al-Ni的合金或者Al-Ni-RE合金。
上述方案中，所述靶材中合金元素的含量在1at％-10at％。
为了实现上述目的，本发明同时提供一种TFT LCD有源矩阵电极薄膜制备所用靶材的制备方法：
首先，提供一基体；
接着，将混合充分的Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE合金粉末，加热使之完全熔化以后，将喷射工作气体通过雾化喷嘴将熔化的合金雾化成小液滴并在气流的带动下以一定的速度向冷却并旋转的基体快速运动并在所述基体表面获得具有一定密度的坯体；
然后，将坯体进行初步整形及进行热等静压致密化；
最后，经过机械加工到最终尺寸。
为了实现上述目的，本发明同时提供另一种TFT LCD有源矩阵电极薄膜制备所用靶材的制备方法：
首先，提同一基体；
接着，将混合充分的Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE合金粉末，加热使之完全熔化以后，经过搅拌均匀化以后将合金液体到入预热到一定温度的型腔中，使之冷凝到室温以后，从型腔中取出；
最后，经过或不经过锻造，进行机械加工到最终尺寸。
为了实现上述目的，本发明同时还提供一种TFT LCD有源矩阵电极薄膜的制备方法，其中包括：
用直流磁控溅射Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE多元复合靶材的方法在基体上沉积得到电极薄膜。
上述方案中，可以在用直流磁控溅射Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE多元复合靶材的方法在基体上沉积得到电极薄膜之前，在基体上沉积一层难熔金属，接着用直流磁控溅射Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE多元复合靶材沉积一层Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE作为导电层，形成二层结构电极薄膜。也可在形成前述二层结构电极薄膜后，再在导电层薄膜层上面沉积一层难熔金属，形成一种三层结构。且前述电极薄膜的制作后，接着在150-400℃温度范围内对沉积在基体上的电极薄膜进行退火热处理，使得合金元素以金属间化合物的形式沉淀下来。
本发明相对于现有技术由于用资源丰富Ni以及RE替资源稀缺高价格的Nd，制备二元合金靶材，降低了靶材及电极薄膜的制造成本。
另外，作为半导体器件要求的Al合金电极是由如上所述的磁控溅射的方法沉积的，对于通过磁控溅射方法沉积的薄膜，合金元素能够固溶其中，起到固溶强化作用，因此和通过其它方法制备的Al合金薄膜相比热稳定性得到了提高。
此外，根据本发明制备的Al合金，合金元素都处于固溶态，随后进行的退火过程将使全部或者部分固溶态的合金元素以金属间化合物的形式沉淀于晶粒之间，合金薄膜的电阻率就会降低，因此在合金薄膜沉积完成后利用热处理过程，合金薄膜能够满足低电阻率和高热稳定性的要求。
下面结合说明书附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是Al-RE合金中含有不同含量的RE时合金薄膜的电阻率在不同退火温度下的变化；
图2是Al-Ni-RE合金中含有不同含量的RE时合金薄膜的电阻率在不同退火温度下的变化；
图3是Al-RE合金中含有不同含量的RE时合金薄膜的小丘密度在400℃退火温度下的变化；
图4是Al-Ni-RE合金中含有不同含量的RE时合金薄膜的小丘密度在400℃退火温度下的变化。
具体实施方式
本发明提供一种制作电极薄膜新的靶材，其创新点在于利用提纯Nd的混和稀土RE(RE＝La，Ce，Pr，Nd)替代Nd实现Al合金的低价格，同时添加金属Ni增加其抗腐蚀和氧化能力。即提供合适Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE合金来取代AlNd制备二元合金靶材，从而降低了靶材及电极薄膜的制造成本。本发明提供的Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE合金，合金元素的含量在1at％-10at％的范围。
本发明同时提供一种制作薄膜新靶材的方法。用感应或电阻炉加热经过混合充分的Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE合金粉末，使之完全熔化以后，将喷射工作气体(一般用Ar或N2)通过雾化喷嘴将熔化的合金雾化成小液滴并在气流的带动下以一定的速度向冷却并旋转的基体快速运动并在基体表面获得具有一定密度的坯体(一般密度为理论密度的95％左右)。将坯体进行初步整形，然后进行热等静压致密化，然后通过锻造、机械加工成最终的形状。
本发明还提供了另一种制作薄膜新靶材的方法。用感应或电阻炉加热，混合充分的Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE合金粉末，使之完全熔化以后，经过搅拌均匀化以后将合金液体到入预热到一定温度的型腔中(可以用金属型模也可以用砂型模)，使之冷凝到室温以后，从型腔中取出，经过或不经过锻造，然后进行机械加工到最终尺寸。
本发明提供电极薄膜的制备方法是用直流磁控溅射Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE多元复合靶材的方法在基板或其他介质上沉积得到电极薄膜。
本发明提供电极薄膜的制备方法也可根据电极薄膜的要求变通为，先在基板或其他介质上沉积一层难熔金属，接着用直流磁控溅射Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE多元复合靶材沉积一层Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE作为导电层，形成二层结构电极薄膜；或者变通为，先在基板或其他介质上沉积一层难熔金属，接着用直流磁控溅射Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE多元复合靶材沉积一层Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE作为导电层，再在导电层薄膜层上面沉积一层难熔金属，形成一种三层结构电极薄膜。
为了获得性能较好的电极薄膜，在完成上述电极薄膜的制作后，接着在150-450℃温度范围内对沉积在基板或其他介质上的电极薄膜进行退火热处理，使得合金元素以金属间化合物的形式沉淀下来，抑止了小丘的大量出现。
作为半导体器件要求的Al合金电极是由如上所述的磁控溅射的方法沉积的。对于通过磁控溅射方法沉积的薄膜，合金元素能够固溶其中，起到固溶强化作用，因此和通过其它方法制备的Al合金薄膜相比热稳定性得到了提高。
根据本发明制备的Al合金，合金元素都处于固溶态。随后进行的退火过程将使全部或者部分固溶态的合金元素以金属间化合物的形式沉淀于晶粒之间，合金薄膜的电阻率就会降低。因此在合金薄膜沉积完成后利用热处理过程，合金薄膜能够满足低电阻率和高热稳定性的要求。
本发明提供的电极薄膜，可以作为半导体器件如IC的互连线或者TFT的栅极或者源漏极等，本发明提供的电极薄膜具有低的电阻率和优良的抗小丘性能，能够满足半导体器件的要求，此外，节省了日益减少的Nd资源，更是降低了沉积电极薄膜用靶材的价格、利用该靶材制作电极薄膜的成本或利用该电极薄膜形成各种半导体器件引线的成本。
下面结合实施例对本发明进行进一步描述。
实施例一
用纯度99.99wt％的Al、Ni或者RE合金粉末进行充分混合后，用感应或电阻炉加热合金，使之完全熔化以后，将喷射工作气体(一般用Ar或N2)通过雾化喷嘴将熔化的合金雾化成小液滴并在气流的带动下以一定的速度向冷却并旋转的基体快速运动并在基体表面获得具有一定密度的坯体(一般密度为理论密度的95％左右)。将坯体进行初步整形，然后进行热等静压致密化，然后通过锻造、机械加工成最终的形状。
实施例二
将纯度99.99wt％的混合充分的Al、Ni和RE合金粉末，用感应或电阻炉加热合金，使之完全熔化以后，经过搅拌均匀化以后将合金液体到入预热到一定温度的型腔中(可以用金属型模也可以用砂型模)，使之冷凝到室温以后，从型腔中取出，经过或不经过锻造，然后进行机械加工到最终尺寸。
实施例三
在0.5mm厚的玻璃上，用直流磁控溅射Al-RE或者Al-Ni-RE多元复合靶材的方法沉积400nm厚的Al合金薄膜。复合靶材制备过程中控制合金元素的含量在1at％-6at％。制备的薄膜在100℃，200℃，300℃，400℃进行退火后冷却至室温用4点法测量其电阻率。接着再测量其小丘密度。用ICP的方法测量薄膜的成份。试验结果如图1-图4所示。
图1是Al-RE合金中含有不同含量的RE时合金薄膜的电阻率在不同退火温度下的变化。退火时间0.5小时，可以发现随RE含量增加电阻率增加。
图2是Al-Ni-RE合金中含有不同含量的RE时合金薄膜的电阻率在不同退火温度下的变化。退火时间0.5小时，可以发现随RE含量增加电阻率增加，而且随Ni的加入电阻率增加。
图3是Al-RE合金中含有不同含量的RE时合金薄膜的小丘密度在400℃退火温度下的变化。退火时间0.5小时，小丘密度随RE含量增加而减小。
图4是Al-Ni-RE合金中含有不同含量的RE时合金薄膜的小丘密度在400℃退火温度下的变化。退火时间0.5小时，小丘密度随RE含量增加而减小，掺杂Ni可以抑止小丘的发生。
从图中可以看出，电阻率随合金元素含量的增加而增加，小丘密度则随元素含量的增加而减小。通过400℃的退火，合金薄膜的电阻率都降低到15uΩcm一下。
实施例四
如果制备FTF的栅极，首先在玻璃基板上采用磁控溅射的方法沉积一层Mo、Cr、W等其它难熔金属，接着沉积一层Al-RE或者Al-Ni-RE替代AlNd作为导电层，形成二层结构。或者，首先在玻璃基板上采用磁控溅射的方法沉积一层Mo、Cr、W等其它难熔金属，接着沉积一层Al-RE或者Al-Ni-RE替代AlNd作为导电层，在导电的Al合金薄膜层上面再沉积一层难熔金属形成一种三层结构。最后通过掩模板进行掩模并进行曝光和刻蚀得到栅线或栅电极。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，按照需要可使用不同材料和设备实现之，即可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1、 一种TFT LCD有源矩阵电极薄膜制备所用的靶材，其特征在于：所述靶材为Al-RE的合金、Al-Ni的合金或者Al-Ni-RE合金。
2、 根据权利要求1所述的靶材，其特征在于：所述靶材中合金元素的含量在1at％-10at％。
3、 一种TFT LCD有源矩阵电极薄膜制备所用靶材的制备方法，其特征在于：
首先，提供一基体；
接着，将混合充分的Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE合金粉末，加热使之完全熔化以后，将喷射工作气体通过雾化喷嘴将熔化的合金雾化成小液滴并在气流的带动下以一定的速度向冷却并旋转的基体快速运动并在所述基体表面获得具有一定密度的坯体；
然后，将坯体进行初步整形及进行热等静压致密化；
最后，经过机械加工到最终尺寸。
4、 一种TFT LCD有源矩阵电极薄膜制备所用靶材的制备方法，其特征在于：
首先，提同一基体；
接着，将混合充分的Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE合金粉末，加热使之完全熔化以后，经过搅拌均匀化以后将合金液体到入预热到一定温度的型腔中，使之冷凝到室温以后，从型腔中取出；
最后，进行机械加工得到最终尺寸。
5、 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述进行机械加工得到最终尺寸前经过锻造加工。
6、 一种TFT LCD有源矩阵电极薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
用直流磁控溅射Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE多元复合靶材的方法在基体上沉积得到电极薄膜。
7、 根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：所述用直流磁控溅射Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE多元复合靶材的方法在基体上沉积得到电极薄膜之前，在基体上沉积一层难熔金属，接着用直流磁控溅射Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE多元复合靶材沉积一层Al-RE、Al-Ni或者Al-Ni-RE作为导电层，形成二层结构电极薄膜。
8、 根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：所述形成二层结构电极薄膜后，再在导电层薄膜层上面沉积一层难熔金属，形成一种三层结构。
9、 根据权利要求6-8任一所述的制备方法，其特征在于：完成所述电极薄膜的制作后，接着在150-400℃温度范围内对沉积在基体上的电极薄膜进行退火热处理，使得合金元素以金属间化合物的形式沉淀下来。
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