CN107849689A - 靶材 - Google Patents

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Abstract

提供用以抑制溅射时栅极电极的污染，且形成获得稳定的薄膜晶体管特性的栅极电极的靶材。本发明是一种如下的靶材，其是含有合计50原子％以下的选自由W、Nb、Ta、Ni、Ti、Cr所组成的群组的一种或两种以上的元素M，剩余部分包含Mo及不可避免的杂质的靶材，不可避免的杂质之一的K为0.4质量ppm～20.0质量ppm，且优选为含有10原子％～50原子％的W作为所述元素M。

Description

靶材
技术领域
本发明涉及一种在溅射等物理蒸镀技术中使用的靶材。
背景技术
近年来，在作为平面显示装置的一种的薄膜晶体管(thin-film transistor，TFT)型液晶显示器等中采用多晶硅TFT，所述多晶硅TFT在栅极电极上所形成的栅极绝缘膜上形成有电子迁移率大的多晶硅膜(polysilicon film)。在所述多晶硅TFT的制造中，例如需要450℃以上的高温活化热处理等高温制程，因此为了在栅极电极中并不产生变形或熔融而要求高温特性或耐蚀性等优异的材料。而且，在栅极电极的材质中应用Mo或Mo合金等高熔点材料。
作为包含所述高熔点材料的栅极电极，例如如专利文献1所示那样提出一种MoW合金，其在Mo中以8原子％以上、不足20原子％的比例添加有W，而且也存在用以形成所述栅极电极的靶材的揭示。在专利文献1中有所揭示的包含MoW合金的栅极电极即使对于450℃以上的高温活化热处理，也不变形或熔融，并未形成异常析出(hillock)，除此以外耐蚀性比包含纯Mo的栅极电极更优异，在这些方面而言是有用的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利再表2012/067030号公报
发明内容
发明所要解决的问题
根据本发明人的研究，可确认在采用栅极电极的多晶硅TFT中，半导体的阈值电压产生变化，在规定电压范围内的交换(switching)变困难等，存在无法获得稳定的TFT特性的情况，所述栅极电极是使用专利文献1中所揭示的包含MoW合金的靶材而形成者。
而且，本发明人确认若将包含MoW合金的靶材配置于溅射装置的腔室内，将腔室内调整为规定真空度后进行溅射，则存在腔室内被污染的情况。而且确认伴随着所述腔室内污染的问题，存在钾(potassium，K)掺入至所得的膜、也即栅极电极中的情况。
本发明的目的是鉴于所述问题，提供抑制溅射时的膜污染，且可形成获得稳定的TFT特性的栅极电极的靶材。
解决问题的技术手段
本发明人发现在为了形成多晶硅TFT的栅极电极而使用包含纯Mo或Mo合金的靶材的情况下，需要将靶材中所含的K的含量控制为适当的范围，从而达成本发明。
也即，本发明的靶材是含有合计50原子％以下的选自由W、Nb、Ta、Ni、Ti、Cr所组成的群组的一种或两种以上的元素M，剩余部分包含Mo及不可避免的杂质的靶材，所述不可避免的杂质之一的K为0.4质量ppm～20.0质量ppm。
而且，优选为所述元素M为W，含有10原子％～50原子％的所述W。
发明的效果
通过使用本发明的靶材，可抑制溅射时的膜污染，且可形成获得稳定的TFT特性的栅极电极，成为在平面显示装置的制造中有用的技术。
附图说明
图1是薄膜晶体管(thin-film transistor，TFT)结构的概略图。
图2是本发明例4中的表示TFT特性的电压与电流的关系图。
图3是比较例中的表示TFT特性的电压与电流的关系图。
具体实施方式
本发明人确认若将各种Mo系靶材配置于溅射装置的腔室内，将腔室内调整为规定的真空度后进行溅射，则存在腔室内被污染，且所得的膜、也即栅极电极也被污染的情况。
而且，本发明人使用各种Mo系靶材，关于形成有栅极电极的多晶硅TFT的特性而进行了调查，结果确认存在半导体的阈值电压产生变化，在规定的电压范围内交换变困难，无法获得稳定的TFT特性的情况。而且确认这些问题是由于靶材中所含的K的含量而诱发的。
本发明的靶材将作为不可避免的杂质元素之一而含有的K的含量设为0.4质量ppm～20.0质量ppm。在靶材中所含的K的含量多于20.0质量ppm的情况下，若在溅射装置的腔室内配置靶材，将腔室内调整为规定的真空度后进行溅射，则K飞散于腔室内，造成腔室内被污染。其结果，所获得的栅极电极也被污染。而且，所述K所造成的污染的问题还诱发在以后的利用其他靶材而形成的膜也被污染的问题。进而，若腔室内被K污染，则为了对腔室内进行清扫，因此变得需要很大的工作量。
而且，若在溅射时K的飞散增加，则栅极电极中的K量的变动变大，TFT特性的变动也变大。而且，在靶材中所含的K的含量比20.0质量ppm多的情况下，栅极电极中所含的K也大体上变得比20.0质量ppm多。因此，半导体的阈值电压产生变化，变得难以进行规定电压范围的交换，造成TFT特性不稳定。推测其原因在于：栅极电极中所含的K由于扩散现象而扩散至栅极绝缘膜中或多晶硅膜中。
因此，在本发明中，将靶材中所含的K设为20.0质量ppm以下。而且，本发明的靶材优选为将K设为18.0质量ppm以下，更优选为14.0质量ppm以下。
此处，作为靶材的制造中所使用的原料粉末的市售的Mo粉末，含有40.0质量ppm左右的K，即使欲通过热等静压的密闭空间对其进行加压烧结而获得靶材，也难以使K减低。因此，为了获得本发明的靶材，优选的是预先以原料粉末的状态使K减低至20.0质量ppm以下。此处，作为使原料粉末中的K减低的方法，例如优选为应用二段还原法。由此，除了K的减低效果以外，还可避免成为Mo粉末的原料的MoO3的挥发。
而且，作为使原料粉末中的K减低的其他方法，也可在将原料粉末填充于容器中而进行加压烧结之前、也即在原料粉末的状态下，应用减压脱气法。减压脱气的条件优选的是在加热温度为600℃～1000℃的范围中，比大气压(101.3kPa)低的减压下进行脱气。
本发明的靶材通过将K的含量设为20.0质量ppm以下，可在形成栅极电极时抑制溅射装置的腔室内的污染，防止所获得的栅极电极的污染，且可确保稳定的TFT特性。另一方面，使靶材中的K过度减低会带来制造成本的上升。而且，现实是即使采用所述二段还原法或减压脱气法，也难以使原料粉末中的K变得比0.4质量ppm少。因此，在本发明中，将靶材中所含的K设为0.4质量ppm以上。而且，本发明的靶材所含的K优选为2.5质量ppm以上，更优选为3.0质量ppm以上。
本发明的靶材包含Mo合金，所述Mo合金是在Mo中含有合计50原子％以下的选自由W、Nb、Ta、Ni、Ti、Cr所组成的群组的一种或两种以上的元素M，剩余部分为不可避免的杂质。若自在形成栅极电极的制程的简便性、作为栅极电极的性能这两个方面中优异的观点考虑，则优选的是使用含有10原子％～50原子％的W而作为元素M的MoW合金。
以下，对制造本发明的靶材的步骤的一例加以说明。
在本发明中，可对所述中所说明的原料粉末进行加压烧结而获得靶材。加压烧结例如可应用热等静压或热压，优选的是在烧结温度为800℃～2000℃、压力为10MPa～200MPa、1小时～20小时的条件下进行。
这些条件的选择依赖于所欲获得的靶材的组成、尺寸、加压烧结设备等。例如热等静压容易应用低温高压的条件，热压容易应用高温低压的条件。在本发明中，优选的是使用可获得大型靶材的热等静压。
通过将烧结温度设为800℃以上，可促进烧结，可获得致密的靶材。另一方面，通过将烧结温度设为2000℃以下，可抑制烧结体的晶体成长，可均一地获得微细的组织。
而且，通过将加压力设为10MPa以上，可促进烧结，可获得致密的靶材。另一方面，通过将加压力设为200MPa以下，可使用通用的加压烧结装置。
而且，通过将烧结时间设为1小时以上，可促进烧结，可获得致密的靶材。另一方面，通过将烧结时间设为20小时以下，可并不阻碍制造效率地获得致密的靶材。
本发明中的相对密度是指根据阿基米德定律而测定的容积密度除以理论密度的值乘以100而所得的值，所述理论密度是通过根据本发明的靶材的组成比而获得的质量比所算出的元素单质的加权平均而获得。
若靶材的相对密度变得低于95.0％，则靶材中所存在的空隙增加，变得容易以所述空隙为基点而在溅射步骤中产生成为异常放电的原因的团块(nodule)。因此，本发明的靶材的相对密度优选为95.0％以上。而且，相对密度更优选为99.0％以上。
[实施例]
首先，利用十字旋转混合机将Mo粉末与W粉末以原子％成为85％Mo-15％W的方式加以混合而准备混合粉末。此时，成为本发明例1的靶材的混合粉末使用以原子吸光分析法对K含量进行测定而得的值为5.0质量ppm的混合粉末。而且，成为本发明例2～本发明例6的靶材的混合粉末使用K含量分别为6.0质量ppm、7.0质量ppm、8.0质量ppm、9.0质量ppm、14.0质量ppm的混合粉末。另一方面，成为比较例的靶材的混合粉末使用K含量为20.0质量ppm的混合粉末。
其次，将所述准备的各混合粉末分别填充至软钢制的加压容器中，焊接具有脱气口的上盖而进行密封。
其次，在450℃的温度下对各加压容器进行真空脱气，在温度为1250℃、压力为145MPa、5小时的条件下进行热等静压处理，获得成为靶材的原材料的烧结体。
自所述所获得的各烧结体，通过机械加工而采集成分分析用试片及相对密度测定用试片，测定K的含量与相对密度。此处，相对密度是根据阿基米德定律而测定的容积密度除以理论密度的值乘以100而所得的值，所述理论密度是通过根据MoW合金靶材的组成比而获得的质量比所算出的元素单质的加权平均而获得。
而且，烧结体中的K含量是利用辉光放电质量分析法(VG科技(V.G.Scientific)公司制造(现赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)公司制造)、型号编号：VG9000)而测定。
将所述中所获得的各烧结体以成为直径180mm×厚度7mm的方式进行机械加工而制作靶材。继而，将这些靶材配置于佳能安内华(CANON ANELVA)股份有限公司制造的直流(Direct Current，DC)磁控溅射装置(型号：C3010)的腔室内，在Ar气压为0.5Pa、投入功率为500W的条件下，在玻璃基板上形成厚度为400nm的MoW合金薄膜。而且，所获得的各MoW合金薄膜的K含量是利用凯梅卡(Cameca)公司制造的IMS-4F而测定。另外，至于MoW合金薄膜的K含量，为了并不受MoW合金薄膜表面及玻璃基板的影响而获得稳定的值，采用自MoW合金薄膜表面起深度为50nm～250nm之间的分析值。
[表1]
根据表1的结果，本发明例的靶材的K含量均为20.0质量ppm以下。而且，使用成为本发明例的靶材而进行溅射测试，结果确认并无腔室内的K所造成的污染，可良好地溅射。而且，根据表1的结果可知：随着靶材的K含量增加，合金薄膜中的K含量也增加。
另一方面，成为本发明的范围外的比较例的靶材的K含量为21.0质量ppm。使用其进行溅射测试，对腔室内进行清扫，结果捕捉到K，确认腔室内被污染。
其次，为了确认由于K而对TFT特性造成的影响，制作图1中所示的简易TFT而实施评价。
首先，利用本发明例4的靶材而在玻璃基板1上形成成为栅极电极2的Mo-W的金属薄膜。其后，利用光致抗蚀剂形成栅极图案的掩模。经由所述掩模进行蚀刻加工，形成厚度为70nm的栅极电极2。
其后，在整个面以100nm的厚度形成成为栅极绝缘膜3的SiO2膜。继而，通过溅射形成包含ZTO(Zn∶Sn＝7∶3)的厚度为30nm的通道层4。
其次，在通道层4上，形成其后成为通道图案的光致抗蚀剂层。此处，为了加工通道区域，在光致抗蚀剂层上描绘通道图案，进行曝光、显影而形成掩模。继而，使用所述掩模而进行蚀刻加工，形成通道区域。
进而，以140nm的厚度形成成为源极电极5及漏极电极6的Mo的金属薄膜，将光致抗蚀剂作为掩模而进行蚀刻加工，形成源极电极5及漏极电极6。进而，利用保护膜进行包覆，制作简易TFT。
而且，也利用与所述同样的方法，使用比较例的靶材，制作形成有栅极电极的简易TFT。
使用所述所制作的各简易TFT而进行TFT电流一电压的特性评价。将利用本发明例4的靶材而形成栅极电极的简易TFT的特性评价结果表示于图2中。图2的横轴是栅极电压(Vg)[V]，纵轴是漏极电流(Id)[A]，自上方起的3根图形是漏极电压(Vd)[V]顺次为0.1V、1V、10V的图形。而且，最下方的图形是表示载体的迁移率(μFE)[cm2/Vs]的图形。
根据图2可知：利用本发明的靶材而形成栅极电极的简易TFT可确认漏极电流的上升，确认其是阈值电压(Vth)[V]的稳定性得到确保的TFT。
另一方面，将利用比较例的靶材而形成栅极电极的简易TFT的特性评价结果表示于图3中。根据图3可知：使用比较例的靶材而形成栅极电极的简易TFT无法测定阈值电压(Vth)[V]。
[符号的说明]
1：玻璃基板
2：栅极电极
3：栅极绝缘膜
4：通道层
5：源极电极
6：漏极电极

Claims (2)

1.一种靶材，其是含有合计50原子％以下的选自由W、Nb、Ta、Ni、Ti、Cr所组成的群组的一种或两种以上的元素M，剩余部分包含Mo及不可避免的杂质的靶材，其特征在于：所述不可避免的杂质之一的K为0.4质量ppm～20.0质量ppm。
2.根据权利要求1所述的靶材，其特征在于：所述元素M为W，且含有10原子％～50原子％的所述W。
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