JP2005091543A

JP2005091543A - 薄膜配線層

Info

Publication number: JP2005091543A
Application number: JP2003322454A
Authority: JP
Inventors: Hideo Murata; 英夫村田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-09-16
Also published as: JP4470147B2

Abstract

【課題】平面表示装置用の配線層として有効な耐熱性と耐湿性とを確保できる薄膜配線層を提供する。
【解決手段】基板上に形成される薄膜配線層であって、ＣｕまたはＡｇを主成分とする主導体層と該主導体層を覆う被覆層からなり、該被覆層は、（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ）から選択される１種または２種以上の添加元素を７〜１５原子％含有し、残部が実質的にＮｉからなる合金層でなる薄膜配線層である。
主導体層としてＡｇを主成分とする場合は、被覆層は（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）から選択することが好ましく、主導体層としてＣｕを主成分とする場合は、被覆層は（Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ）から選択することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に薄膜を形成して製造される平面表示装置（ＦｌａｔＰａｎｅｌＤｉｓｐｌｅｙ、以下、ＦＰＤという）等に用いられる薄膜配線層に関するものである。

例えば、ガラス基板またはＳｉウェハ−上に薄膜を積層して製造されるＦＰＤには液晶ディスプレイ（以下、ＬＣＤという）、プラズマディスプレイパネル（以下、ＰＤＰという）、フィールドエミッションディスプレイ（以下、ＦＥＤという）、エレクトロルミネッセンスディスプレイ（以下、ＥＬＤという）、電子ペーパー等種々の新規製品が活発に研究、開発がされている。

ＦＰＤの導電膜には、透明導電膜である酸化物のＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide）や、より高精細な表示の必要な場合にはＩＴＯより低抵抗であり基板との密着性、耐熱性、優れる高融点金属であるＣｒやＴａおよびその合金膜が用いられている。また、さらに低抵抗が要求される場合には、これらの高融点金属膜とＡｌやＡｌ合金とを積層した薄膜配線層が用いられている。
この中で、Ｃｒ膜は耐食性、耐熱性に優れ、薬液を用いたウェットエッチングが可能であり、ガラス基板やＳｉウェハ−等の基板に対する密着性が高く、薄膜材料として特に有益な材料である。そのためＣｒは、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕやこれらに添加元素を加えた合金等の下地層や上覆層等の被覆層として用いることが可能である。しかし、近年では、Ｃｒ膜は平面表示素子を製造する際や廃棄、再生する場合に六価Ｃｒを含んだ廃液が発生する等の問題があり、地球規模の環境保全のために、使用を削減する必要がある。

このため、Ｃｒに変わる信頼性の高い材料の開発が望まれている。Ｃｒを代替する材料として抵抗値が同等以下の材料としてＭｏ合金が提案されている。
ＭｏはＣｒと同様に高融点材料であるために耐熱性は高く、平面表示装置用のガラス基板やＳｉウェハ−等との密着性も良好である。さらに、ウェットエッチングが可能という利点も有する。なお、純Ｍｏではなく、Ｍｏ合金が提案されているのは、Ｍｏは腐食されやすい金属であるため、ウェットエッチング時のＡｌ等の主配線層とのエッチング速度差を緩和することと、フッ素系ガス、及び塩素系ガスといったドライエッチングガスに対する耐性を改善するためであり、具体的な添加元素としては、Ｃｒ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ等が提案されている。（特許文献１、２、３等参照）
特開２０００−２８４３２６号公報特開２００１−２４２４８３号公報特開２００１−３５０１５９号公報

上記のＭｏ合金の適用は、Ｍｏによるウェットエッチング性と耐熱性の確保により、信頼性の高い配線層を得ることができ、平面表示装置の薄膜配線層として有効である。
ところで、液晶表示装置等の平面表示装置の製造においては、環境雰囲気、特に湿度に対する耐性も重要な特性となってきている。これは、湿度の影響で膜が変質すること、簡単に言えば酸化により錆びてしまうという現象により、電気的な接点として特性（コンタクト性）の劣化が起こるというものである。
本発明者は、Ｍｏ合金の耐湿性を検討したが、Ｍｏベースであるため、著しい耐湿性の改善には至らなかった。

本発明の目的は、特に耐熱性の確保と、耐湿性を改善できる新規の薄膜配線層を提供することにある。

本発明者は、検討の結果、Ｍｏをベースとするのではなく、Ｎｉをベースとして、特定の添加元素を使用することで、上記目的を達成することができることを見いだした。
すなわち本発明は、基板上に形成される薄膜配線層であって、基板上に形成される薄膜配線層であって、Ａｇ又はＣｕを主成分とする主導体層と該主導体層を覆う被覆層からなり、該被覆層は、（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ）から選択される１種または２種以上の添加元素を３〜１５原子％含有し、残部が実質的にＮｉからなる合金層である薄膜配線層である。

本発明において、主導体層をＡｇを主成分とする層とするとき、被覆層における添加元素を（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）から選択される１種または２種以上の添加元素とすることが望ましい。

また、主導体層をＣｕを主成分とする層とするとき被覆層における添加元素を（Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ）から選択される１種または２種以上の添加元素とすることが望ましい。

本発明の配線層は、耐熱性を確保しつつ、耐湿性をも改善できるため、特に高速駆動が必要で薄膜の特性の変化を嫌う平面表示装置用のＴＦＴの配線層として極めて有効なものとなる。

本発明の重要な特徴は、主導体層と該主導体層を覆う被覆層からなる構造の配線層に従来適用されていたＭｏ合金層に代えてＮｉ合金層を適用したことにある。
以下本発明に適用するＮｉ合金層について説明する。

Ｎｉは、電極電位が高く酸化されにくいためＭｏに比べて著しく優れた耐湿性を確保することができる。この点が本発明の最も重要な特徴である。
また、Ｎｉは被覆層として、1400℃近辺の融点を持つため、Ａｌを主成分とする主導体層の耐熱性をある程度確保することができる。

なお、純Ｎｉでは、耐熱性の点では高融点金属であるＭｏに劣るため、加熱時の膜の変質を抑えるための添加元素の使用が有効である。本発明では、耐熱性改善のために、Ｎｉに（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ）から選択される１種または２種以上の添加元素を３〜１５原子％含有させる。

本発明において、添加元素が３原子％未満では、耐熱性改善に対する効果が少なく、１５原子％を超えると逆にエッチング加工出来なくなってしまうためである。
本発明において上記添加元素としては、好ましくは、５原子％〜１０原子％、より好ましくは７原子％〜１０原子％とする。
なお、配線層形成にスパッタリング法を使用する場合には、被覆層と同組成のターゲットが必要となるが、Ｎｉは磁性体であり、マグネトロンスパッタリングの効率が悪いという問題がある。本発明の添加元素は磁性を低減する効果もあり、磁性を低減もしくは消失することは、製造効率に対する利点にもなる。磁性を消失するという観点からは、添加元素としては７原子％以上が望ましい。
また、上記添加元素は、Ｎｉの抵抗値を上げてしまう元素であるが、本発明のように主導体層を有する構造を採用することは、基本的な導電性については主導体層により確保できるという利点がある。

主導体層を、Ａｇを主成分とする層とするとき、被覆層における添加元素を（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）から選択される１種または２種以上の添加元素とすることが望ましい。
これらの添加元素は、Ａｇと化合物を生成し易く、主導体層と被覆層との密着性を向上できる。

また、主導体層をＣｕを主成分とする層とするとき被覆層における添加元素を（Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ）から選択される１種または２種以上の添加元素とすることが望ましい。
これらの添加元素は、Ｃｕに固溶しないか、表面化合物形成しやすい元素であり、主導体層と被覆層が過度に拡散してしまうのを防止する効果が高いものである。

また、Ｎｉへの添加元素の中でＶ，Ｎｂ，Ｔａは、Ｍｏ、Ｗの５Ａ族元素に比べて添加による抵抗率の上昇が少なく、Ｔｉ等の３Ａ族よりも、Ｎｉに対する固溶域が広く、耐熱性をより高めることができるためである。また、Ｖの添加では、酸化雰囲気で酸化の進行が止まらないため、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの中では、Ｎｂ,Ｔａが望ましく、コストの面からはＮｂが好ましい。
また、Ｍｏ、Ｗは、上述した添加元素のうち最も固溶域が広く、薄膜組織を微細にする効果が最も高い。そのため、添加元素として、少なくともＮｂを１〜７原子％含有し、かつＭｏおよび／またはＷをＮｂとの合計で３〜１０原子％含有することで、Ｎｂのエッチング性を高める効果と、Ｍｏおよび／またはＷによる膜微細化によるパターン精度向上効果を両立できる。

本発明の薄膜配線層を形成する基板は、特に限定されるものではなく、シリコン基板、Ａｌ基板、ガラス基板、樹脂基板等に適用できる。特にガラス基板上に形成する配線層とする場合、密着性を高める効果により、特に好適である。本発明の薄膜配線層における、主導電層および被覆層は、各層と実質同一の組成を有するタ−ゲット材を用いたスパッタリング法により成形することができる。

また、本発明における被覆層としての典型的な形態は、図１に示すように基板１上に形成した被覆層としての下地層４と、下地層４上に形成した主導体層２と、さらに主導体層上に形成した被覆層としてのカバー層３でなるものである。なお、基板１と主導体層２の間に設ける下地層を省略しても良い。
しかし、本発明のＮｉ合金膜は各種基板との密着性にも優れるため、主配線層の下地膜として使用することができるのである。ＡｇやＣｕは従来のＡｌやＣｒ等に比較して、ガラス基板、Ｓｉウェハ−との密着性の低い膜である。このため、Ｎｉ合金膜を下地膜とすることでＡｇやＣｕ膜の密着性を改善することで、信頼性の向上を図ることが可能である。

高純度電解Ｎｉに、高純度金属原料のＮｂ、Ｗを所定の重量加えて、真空誘導溶解炉にて溶解して、厚み５０ｍｍ、幅２００ｍｍ、高さ３００ｍｍの金属製鋳型に鋳造して表１に示す組成のインゴットを作製した。その後１１５０℃で固溶体化処理を行った後、塑性加工により板状にし、さらに機械加工を施して所定のサイズとして、種々組成のターゲット材を作製した。そのタ−ゲット材をマグネトロンスパッタ装置に取り付けて、アルゴン圧力０．５Ｐａ、投入電力は５００Ｗで、０．７ｍｍ（ｔ）×１００ｍｍ×１００ｍｍのコーニング社製１７３７ガラス基板上に膜厚１００ｎｍのＮｉ合金膜を形成した試料を作製した。
また、比較例として同様にして、Ｍｏ−８原子％Ｎｂ、Ｍｏ−１０原子％Ｗのターゲットを作製して、同様の膜サンプルを得た。

本発明の基本的な耐湿性試験は、温度８５℃、相対湿度８５％の環境下に２４０時間放置する試験により行なった。結果を表１に示す。
その結果Ｍｏ系の比較例は、いずれも紫色の明確な変色が確認されたが、Ｎｉ系合金は変色もなく、耐湿性にすぐれることを確認した。

以下、表２に示す合金組成の薄膜サンプルを実施例１と同様に作製し、膜サンプルを得た。なお、評価はマグネトロンスパッタ装置を使用したため、ターゲットとしての磁性が消える７原子％以上の添加元素合計量がターゲットの使用効率が良好なものとなることを確認している。
また、表２に示すサンプルにおいては、表１と同様の耐湿性試験を行ったが、純Ｎｉを含むすべてのサンプルにおいて、変色等は認められず、良好な耐湿性を有することが確認された。

以下、抵抗特性、耐熱性を測定した結果を示す。
ここで、抵抗特性は、形成したＮｉ合金膜の膜特性としては導電性に関与する比抵抗値（μΩｃｍ）を、４端子薄膜抵抗率計（三菱油化製、ＭＣＰ−Ｔ４００）を用いて測定した。
耐熱性試験としては、各試料をクリーンオーブン中で温度３００℃、１時間の大気加熱を行った。

表２に示すように、純Ｎｉでは比抵抗は低いが、耐熱性試験後膜表面に白点が生ずる。本発明のＮｉ合金膜では添加量が増加すると比抵抗値は増加するが、膜表面の白点等の発生が抑制されることがわかる。しかし、各添加元素量が１５原子％よる多くなると比抵抗値は１００μΩｃｍを超えるため導電膜としては望ましくはない。なお、白点とは部分的な膜の粒成長や酸化等により膜表面の盛り上がった部分であり、白点が生じるとＦＰＤの次工程での電気的や光学的な欠陥につながるため、発生しないことが望ましい。

表３に示すＡｇまたはＣｕを主成分とする主導体層を２００ｎｍとし、Ｎｉ合金膜を被覆層（カバー層３、下地層４）として、図１の構成を持つ配線層を得た。
得られた配線層に対して、実施例１、実施例２と同様にして耐熱性、耐湿性の評価を行った。また、密着性の評価方法として、膜表面に２ｍｍ間隔で碁盤の目状に切れ目を入れた後、膜表面にメンディングテープ８１０（スコッチ製）を貼り、斜め４５°に引き剥がし、膜の剥がれ状況を確認した。その結果を表３に示す。Ｎｉ合金下地膜の厚みは５０ｎｍ、カバ−膜の膜厚は３０ｎｍとした。基板材質は上述のガラス基板、表面に熱酸化を施したＳｉウェハー、さらに樹脂基板としてポリカーボネイト基板を用いた。結果を表３に示す。

表３に示すように、ＡｇやＣｕを主体とする層のみでは、抵抗値は低いが耐湿性評価で変質が生じたり、耐熱性評価で変色が起こるとともに、基板との密着性が劣り膜の剥離が起こることがわかる。それに対して本発明のＮｉ合金膜を被覆層とすることで、抵抗値は上昇するが、耐湿性、耐熱性、あるいは基板との密着性を大きく改善することが可能となることがわかる。

以上のように、本発明によれば、高い信頼性が要求される平面表示装置用の導電膜として最適である。また、特に樹脂を導電膜上に形成する有機ＥＬディスプレイ用の薄膜配線層としても好適であるとともに、高い信頼性が要求される車載用等の移動機器用平面表示装置用の薄膜配線層として用いることが期待される。

本発明における配線層としての典型的な形態の一例を示す図である。

符号の説明

１：基板、２：主導体層、３：カバー層、４：下地層

Claims

基板上に形成される薄膜配線層であって、Ａｇ又はＣｕを主成分とする主導体層と該主導体層を覆う被覆層からなり、該被覆層は、（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ）から選択される１種または２種以上の添加元素を３〜１５原子％含有し、残部が実質的にＮｉからなる合金層であることを特徴とする薄膜配線層。
主導体層をＡｇを主成分とする層とし、被覆層における添加元素を（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）から選択される１種または２種以上の添加元素とすることを特徴とする請求項１に記載の薄膜配線層。
主導体層をＣｕを主成分とする層とし、被覆層における添加元素を（Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ）から選択される１種または２種以上の添加元素とすることを特徴とする請求項１に記載の薄膜配線層。