JP2005217087A

JP2005217087A - 銅拡散を防止可能なアレイ基板及びその製造方法

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Publication number: JP2005217087A
Application number: JP2004020676A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Yoshimura; 裕介吉村; Satokazu Fujimoto; 聡和藤本; Toshiaki Arai; 俊明荒井
Original assignee: Chi Mei Electronics Corp
Current assignee: Chi Mei Optoelectronics Corp
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: TW200538800A; TWI305585B; JP4394466B2

Abstract

【課題】本発明のアレイ基板は、単純なエッチング工程で、基板との密着性が高くかつ抵抗値が低く、Ｃｕの拡散防止効果の高いアレイ構造を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のアレイ基板は、基板と、基板上に形成された、金属または金属窒化膜からなる密着層と、密着層の上に形成されたテーパ状の銅配線と、テーパ状の銅配線の上部及び側部を被覆して積層された、金属または金属窒化膜からなる拡散防止層と、を含み、拡散防止層及び密着層は、前記銅配線中の銅の拡散を防止する。金属または金属窒化膜は、Ｍｏ，ＭｏＮ、ＴｉＮで形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示パネル等に使用されるアレイ基板及びその製造方法に関するものである。

液晶表示パネルは、対向したアレイ基板とカラーフィルター基板間に液晶が封止されて形成される。近年主流であるアクティブマトリクス型液晶表示パネルでは、アレイ基板上にはゲート線及びシグナル線が交差して、それぞれ平行に配線される。また、両者の交差部には、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が配置される。

現在、アレイ基板のゲート線及びシグナル線はＡｌ又はＡｌ合金を主成分とする金属で形成することが一般的であり、Ｍｏ／Ａｌ−ａｌｌｏｙ、または純粋なＡｌを燐酸／硝酸／酢酸系のエッチャントを用いてテーパー形状に加工する方法が主流となっている。

近年、パネルの高精細化・大画面化に伴い、配線の抵抗及び寄生容量が増大し、配線遅延の問題が顕在化している。配線遅延の問題を低減するには配線抵抗を低くすることが有効である。しかし、現状では開口率を低下させないためには配線膜厚を厚くするしかなく、ＣＶＤ絶縁膜の被覆の悪化に伴う歩留まり低下が問題となっている。

更なる低抵抗材料であるＣｕを用いた配線材料の実現が待たれているが、大きな課題として、１）Ｃｕ拡散に対する抑止方法の確立、２）基板との密着性の改善、３）順テーパーとなるパターニング方法の確立、などがあげられる。

上記１）の抑止方法は、例えばＴＦＴを構成するアモルファスＳｉ中にＣｕが拡散して当該半導体の性能を劣化させることを防止する等のために必要である。又上記２）の基板との密着性とは、例えばガラス基板と配線のコアメタルであるＣｕとの密着性をいう。

また、上記従来のＭｏ／Ａｌ−ａｌｌｏｙと異なり配線のコアメタルにＣｕを用いると、ＭｏよりもＣｕの方がエッチング速度が速いため、配線パターンの断面は図６のように上部Ｍｏ層が庇状に切り立ちやすい。そのため後の絶縁層等で配線を被覆する際の被覆度が低下し、製品不良の原因ともなる。従って上記３）の順テーパーとなるパターニング方法の確立が必要となる。

特許文献１に、Ｗ、Ｒｅ、あるいはその両方とＮｉとの合金層をＣｕの上層に形成することで、Ｃｕの拡散を抑制する方法が開示されている。しかし、メッキにより上記合金層を形成させる手法をとるため、数百Å程度の薄膜で、かつ表面粗さの小さい薄膜の形成はむずかしく、以降の液晶ディスプレイ製造工程との整合性に問題がある。

Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａのような三層構造が既に考案されている。上層のＴａをコンタクトメタル兼Ｃｕの拡散抑止膜として、下層のＴａをガラスへの密着層として使用している。しかし、ＴａとＣｕのエッチングがドライ−ウエット−ドライの多段階のエッチングとなり、生産性や配線形状に課題が残る。

特開２００３−３５３２２２号公報（[２３]〜[３１]）

そこで本発明は、単純なエッチング工程で、基板との密着性が高くかつ抵抗値が低く、Ｃｕの拡散防止効果の高いアレイ構造を提供することを目的とする。

本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板は、基板と、前記基板の上に形成された銅配線と、前記銅配線の上部及び側部を被覆して積層された、金属または金属窒化膜からなる拡散防止層と、を含み、前記拡散防止層は、前記銅配線中の銅の拡散を防止する。

本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板は、基板と、前記基板上に形成された、金属または金属窒化膜からなる密着層と、前記基板の上に形成された銅配線と、前記銅配線の上部及び側部を被覆して積層された、金属または金属窒化膜からなる拡散防止層と、を含んでもよい。尚、上記銅配線は、当該銅配線の上部及び側部を拡散防止層で被覆するため、断面がテーパ状であることが好ましい。

尚、本明細書において銅配線とは、銅又は銅を主成分として含む配線を言い、当該銅配線を被覆する上記拡散防止層及び／又は密着層等を含めて、配線という。また、当該配線中、銅配線の層は以下でコアメタルともよばれる。

本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板は、前記拡散防止層は、アモルファス様の構造を有する窒化チタン又は窒化モリブデンであり得る。

本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板は、前記密着層は、アモルファス様の構造を有する窒化チタン又は窒化モリブデンであってよい。

本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板の製造方法は、基板を準備するステップと、前記基板上を、金属または金属窒化膜からなる密着層で被覆するステップと、前記密着層の上に銅配線を形成するステップと、前記密着層及び該密着層上に形成した銅配線を、金属または金属窒化膜からなる拡散防止層で被覆するステップと、前記拡散防止層が前記銅配線上にのみ残るようにパターニングするステップと、を含む。

本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板の製造方法は、前記パターニングするステップが、前記拡散防止層上にレジストを塗布するステップと、前記基板の裏面から前記銅配線をマスクとして前記レジストを露光するステップと、前記レジストを現像し、前記銅配線上にレジストパターンを形成するするステップと、前記レジストパターンから露出した前記拡散防止層をエッチングするステップと、を含み得る。

本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板の製造方法は、前記拡散防止層をエッチングするステップの後、続けて前記密着層をエッチングするステップを含んでもよい。

本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板の製造方法は、前記拡散防止層、または、該拡散防止層及び前記密着層は、アモルファス様の構造を有する窒化チタンであり得る。

本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板の製造方法は、前記金属窒化膜からなる密着層で被覆するステップ及び／又は金属窒化膜からなる拡散防止層で被覆するステップは、全スパッタリングガス流量に対する窒素ガスの流量比が５〜３０パーセントである反応性スパッタを行なうステップを含み得る。

本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板の製造方法は、前記拡散防止層、または、該拡散防止層及び前記密着層は、アモルファス様の構造を有する窒化モリブデンであってよい。

本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板の製造方法は、前記金属または金属窒化膜からなる密着層で被覆するステップ及び／又は金属または金属窒化膜からなる拡散防止層で被覆するステップは、全スパッタリングガス流量に対する窒素ガスの流量比が３０パーセント以下である反応性スパッタを行なうステップを含み得る。尚、上記全スパッタリングガス流量に対する窒素ガスの流量比が０パーセントで反応性スパッタを行なう場合は、本明細書において上記拡散防止層及び密着層は、アモルファス様の構造を有する単体のモリブデンで形成されるものと定義する。

配線のコアメタルの比抵抗が大幅に改善された。また、配線を積層構造とした場合でもシート抵抗はおよそ半減した。従って、低抵抗化による配線遅延の低減により、大型高精細化への対応や開口率の改善等を見込むことができる。

本発明の実施形態を図１を用いて説明する。本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板は、銅配線の形成されたプリント基板、特に液晶表示パネル、有機ＥＬパネル等に用いられるものである。

図１（ａ）に示すように、本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板１０は、基板１２と、基板１２上に形成された金属または金属窒化膜からなる密着層１４と、密着層の上に形成された銅配線１６と、銅配線１６の上部及び側部を被覆して積層された金属または金属窒化膜からなる拡散防止層１８と、を含む。

また他の実施形態として、図１（ｂ）に示すように、本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板５０は、基板５２と、基板５２上に形成された金属または金属窒化膜からなる密着層５４と、密着層５４の上に形成された銅配線５６と、銅配線５６の上部を被覆して積層された拡散防止膜５８と、から構成されてもよい。

上記基板１２又は５２には、光を透過させるガラス等を用いる。以下基板１２又は５２はガラス基板１２又は５２とする。

銅配線１６又は５６の下部、上部、もしくはその両方に、スパッタ等の成膜方法により金属膜または金属窒化膜である密着層１４又は５４、拡散防止層１８又は５８を成膜する。密着層１４又は５４は基板１２又は５２への、拡散防止層１８又は５８は後工程で成膜される絶縁膜もしくはその成膜装置、主としてＣＶＤ装置への拡散・汚染防止膜として使用する。

銅配線１６又は５６を形成する銅の金属中の拡散は、粒界拡散が支配的であると考えられ、発明のアレイ基板１０又は５０では、上記銅の拡散を防止するために、緻密なアモルファス構造を有する拡散防止膜１６又は５６を用いる。窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化モリブデン（ＭｏＮ）などの金属窒化膜が効果的であり、これらの窒素含有量を最適化することにより、微小で緻密なアモルファス構造をもち、かつ比抵抗が他の電極層への接触層として問題とならない程抵抗の低い拡散防止膜１６又は５６を実現することができる。

以下に表１を用いて、本発明のアレイ基板１０において金属膜を被覆する工程を、前工程と後工程に分けて説明する。

本発明のアレイ基板１０の前工程は、（１）ガラス基板１２を準備して洗浄するステップ、（２）基板１０上をＭｏＮ、ＴｉＮ等の金属または金属窒化膜からなる密着層１４で被覆し、更に密着層１４の上を銅層（Ｃｕ）で被覆するステップ、（３）銅層（Ｃｕ）上にレジスト塗布するステップ、（４）レジスト側からマスクをして露光するステップ、（５）現像してレジストパターンを形成するステップ、（６）ＰＡＮ系（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ／Ａｃｅｔｉｃ／Ｎｉｔｒｉｃ；燐酸・酢酸・硝酸）のエッチャントによりウエットエッチングするステップ、（７）レジストを剥離するステップ、を含む。

上記（６）のステップで、エッチングの等方性及びＣｕのレジストへの密着性を利用して、銅配線１６を得ることができる。

尚、上記アレイ基板１０の前工程は、従来のアルミニウム（Ａｌ）等による配線基板を製造する際の製造工程と略同じ工程であり、装置の新規導入は不要である。変更点はスパッタの膜種がＡｌ又はＡｌＮｄからＣｕへ変った点と、配線をエッチングするＰＡＮ系のエッチャントの組成が変った２点である。

次に本発明のアレイ基板１０の後工程を説明する。後工程は、（８）密着層１４及び密着層１４上に形成した銅配線１６を、スパッタによりＭｏＮ、ＴｉＮ等の金属または金属窒化膜からなる拡散防止層１８で被覆するステップ、（９）拡散防止層１８上にレジストを塗布するステップ、（１０）ガラス基板１２の面側から裏面露光し、続いて現像するステップ、（１１）ＰＡＮ系のエッチャントによりウエットエッチングするステップ、（１２）レジストを剥離するステップ、を含む。

図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ上記工程の（８）、（１０）、（１１）における本発明のアレイ基板１０の断面図である。上記工程（１０）でガラス基板１２の面側から裏面露光、現像し、工程（１１）でウエットエッチングすることにより、拡散防止層１８が銅配線１６上にのみ残るようにパターニングすることができる。言い換えると、上部の拡散防止層１８で完全に銅配線１６（Ｃｕ）を被覆するために、裏面露光を用いた工程（１０）によって金属バリア層、即ち拡散防止層１８をパターニングしている。

上記説明の工程により製造された本発明のアレイ基板１０の性質、性能等について、以下実施例に記載する実験を用いて説明する。

チタン（Ｔｉ）及び窒化チタン（ＴｉＮ）について反応性スパッタにおける成膜時の窒素（Ｎ_２）の添加量を変えて、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による構造解析を行なった。窒素を添加せずに成膜したチタンでは，図２（ａ）に示すように柱状の結晶構造が確認された。

次に反応性スパッタにおいて、アルゴン（Ａｒ）ガスに窒素を添加するにつれ結晶構造が変化し、ＡｒガスとＮ_２ガスの比を９５：５とした場合は、図２（ｂ）のように上記柱状の結晶構造がぼやけて見えるようになった。更に窒素を添加して、ＡｒガスとＮ_２ガスの比を７０：３０とすると、図２（ａ）の柱状の結晶構造は消失し、図２（ｃ）のようなアモルファス様の緻密で微細な構造が確認された。

次に、実施例１と同様に反応性スパッタにおける窒素（Ｎ_２）の添加量を変えて、成膜されたチタン（Ｔｉ）及び窒化チタン（ＴｉＮ）の比抵抗及び表面粗さ（Ｒｍｓ）を測定した。

拡散防止層及び密着層としては、上層または下層に形成される電極とのコンタクトのために抵抗が低いこと、上層に形成される層間絶縁膜や半導体層の層間絶縁性、モビリティの維持のために表面粗さが小さいこと、などが要求されるが、図３に示すように、窒化添加量がアルゴン比５〜３０％の領域では充分に低抵抗かつ平坦性の高い膜を実現できた。

実施例３では、バリア性評価として、高温高圧下で絶縁破壊寿命試験を行なった。実験条件は、１５０℃で、円筒型被検物質の面積は１．３４６ｍｍ^２とし、膜厚１５００ÅのＳｉＮ絶縁膜を電極と被検物質間に挟んで行なった。被検物質は銅（Ｃｕ）単体、窒素添加量３０％（Ｎ_２ガスのＡｒガス比３０％）の窒化チタン、リファレンスとして（Ｍｏ）電極を用いた。ＳｉＮ絶縁膜中への銅拡散が大きい場合は絶縁破壊寿命が短くなる。

図４から分かるように、窒素添加量３０％（Ｎ_２ガスのアルゴン比３０％）の窒化チタンはリファレンス（Ｍｏ電極）と同等の性能を示し、充分に拡散防止の効果を持っていることが証明できた。尚、本実施例では、銅単体でも比較的高いバリア性を発揮できる絶縁膜を使用している。

一方で、図示しないが、窒化添加量５％（Ｎ_２ガス比５％）以下の窒化チタンでは拡散防止効果はあまり期待できない結果であった。

最後に、従来のＭｏ／ＡｌＮｄの積層構造と、本発明の一実施形態であるＴｉＮ／Ｃｕ／Ｔｉの積層構造の比抵抗を表２に示す。両構造において、拡散防止層及び電気伝導を担うコアメタルの厚さは、それぞれ５００Åと３０００Åである。また、ＴｉＮ／Ｃｕ／Ｔｉ積層構造の密着層であるＴｉ膜の厚さは１５０Åとした。

表２より、コアメタルがＡｌＮｄの場合は比抵抗が４．８μΩｃｍであったのに対して、Ｃｕの場合は２．２μΩｃｍであった。従って配線のコアメタルの比抵抗が大幅に改善された。

また、配線を積層構造とした場合でもシート抵抗はおよそ半減した。Ｍｏ／ＡｌＮｄの配線の場合はシート抵抗が１５４ｍΩ／口であったのに対し、本発明の積層構造のＴｉＮ／Ｃｕ／ＴｉＮを用いた場合は７３ｍΩ／口であった。

以上本発明に係る銅拡散を防止可能なアレイ基板について、実施例を用いて説明したが、本発明のアレイ基板は上記実施例に限定されない。コアメタルはＣｕを主成分とする金属、拡散防止層及び密着層はＭｏＮ又はＴｉＮのいずれかで形成されればよい。あるいは拡散防止層又は密着層の何れか一方が省略されてもよい。

また、本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板の実施形態は、主としてアレイ基板１０を用いて説明したが、本発明のアレイ基板は上記実施形態に限定されず、上述のアレイ基板５０等他の形態も含み得る。

また本発明の銅拡散を防止可能なアレイ基板の、配線の積層構造における各層の厚さは、上記実施例４に示した厚さに限定されない。各層の厚さは任意であり、あらゆる各層の厚さ比をとる上記積層構造が本発明に含まれ得る。

本発明のアレイ基板５０の製造工程は、上記アレイ基板１０の前工程と略同一である。即ち本発明のアレイ基板１０の前工程（２）において、ＭｏＮ、ＴｉＮ等の金属または金属窒化膜からなる密着層５で被覆し、更に密着層１４の上を銅層（Ｃｕ）で被覆し、この銅層の上に更にＭｏＮ、ＴｉＮ等の金属または金属窒化膜をベタに積層する。その後上記前工程（３）〜（７）の工程を経ることによって、図１（ｂ）に示す本発明のアレイ基板５０を得ることができる。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

銅配線のなされたプリント基板、特に液晶テレビやパソコンディスプレイ、その他のディスプレイに用いられるアレイ基板すべてに利用可能である。

（ａ）本発明に係る銅拡散を防止可能なアレイ基板の、銅配線が形成された部分の断面図である。（ｂ）本発明に係る銅拡散を防止可能なアレイ基板の他の形態における、銅配線が形成された部分の断面図である。（ａ）反応性スパッタにおいて、窒素（Ｎ_２）を添加しないで成膜した拡散防止層（Ｔｉ）の、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による構造解析写真を表す断面図である、銅配線が形成された部分のアレイ基板の断面図である。（ｂ）反応性スパッタにおいて、ＡｒガスとＮ_２ガスの比を９５：５として成膜した拡散防止層（ＴｉＮ）の、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による構造解析写真である、銅配線が形成された部分のアレイ基板の断面図である。（ｃ）反応性スパッタにおいて、ＡｒガスとＮ_２ガスの比を７０：３０として成膜した拡散防止層（ＴｉＮ）の、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による構造解析写真を表す断面図である、銅配線が形成された部分のアレイ基板の断面図である。ＡｒガスとＮ_２ガスの比を変化させて成膜した拡散防止層（ＴｉＮ及びＴｉ）の、比抵抗及び表面粗さ（Ｒｍｓ）の測定値をプロットしたグラフである。絶縁破壊寿命試験において、被検物質が銅（Ｃｕ）単体、窒化チタン（ＴｉＮ；Ｎ_２ガスのＡｒガス比３０％）、モリブデン（Ｍｏ）電極である場合の、各被検物質の絶縁破壊寿命と各被検物質に印加する電界強度の関係をプロットしたグラフである。（ａ）本発明に係る銅拡散を防止可能なアレイ基板の、製造工程（８）における、銅配線が形成された部分の断面図である。（ｂ）本発明に係る銅拡散を防止可能なアレイ基板の、製造工程（１０）における、銅配線が形成された部分の断面図である。（ｃ）本発明に係る銅拡散を防止可能なアレイ基板の、製造工程（１１）における、銅配線が形成された部分の断面図である。コアメタル上にＭｏを積層した配線パターンの断面図である。

符号の説明

１０、５０：アレイ基板
１２、５２：ガラス基板
１４、５４：密着層
１６、５６：銅配線（コアメタル）
１８、５８：拡散防止層
２０：レジスト層

Claims

基板と、
前記基板の上に形成された銅配線と、
前記銅配線の上部及び側部を被覆して積層された、金属または金属窒化膜からなる拡散防止層と、
を含み、
前記拡散防止層は、前記銅配線中の銅の拡散を防止する、
銅拡散を防止可能なアレイ基板。
基板と、
前記基板上に形成された、金属または金属窒化膜からなる密着層と、
前記密着層の上に形成された銅配線と、
前記銅配線の上部及び側部を被覆して積層された、金属または金属窒化膜からなる拡散防止層と、
を含み、
前記拡散防止層及び／又は前記密着層は、前記銅配線中の銅の拡散を防止する、
銅拡散を防止可能なアレイ基板。
前記拡散防止層は、アモルファス様の構造を有する窒化チタン又は窒化モリブデンである、請求項１又は請求項２に記載の銅拡散を防止可能なアレイ基板。
前記密着層は、アモルファス様の構造を有する窒化チタン又は窒化モリブデンである、請求項２に記載の銅拡散を防止可能なアレイ基板。
基板を準備するステップと、
前記基板上を、金属または金属窒化膜からなる密着層で被覆するステップと、
前記密着層の上に銅配線を形成するステップと、
前記密着層及び該密着層上に形成した銅配線を、金属または金属窒化膜からなる拡散防止層で被覆するステップと、
前記拡散防止層が前記銅配線上にのみ残るようにパターニングするステップと、
を含む、銅拡散を防止可能なアレイ基板の製造方法。
前記パターニングするステップが、
前記拡散防止層上にレジストを塗布するステップと、
前記基板の裏面から前記銅配線をマスクとして前記レジストを露光するステップと、
前記レジストを現像し、前記銅配線上にレジストパターンを形成するするステップと、
前記レジストパターンから露出した前記拡散防止層をエッチングするステップと、
を含む、請求項５に記載の銅拡散を防止可能なアレイ基板の製造方法。
前記拡散防止層をエッチングするステップの後、続けて前記密着層をエッチングするステップを含む、請求項６に記載の銅拡散を防止可能なアレイ基板の製造方法。
前記拡散防止層、または、該拡散防止層及び前記密着層は、アモルファス様の構造を有する窒化チタンである、請求項５乃至請求項７に記載の銅拡散を防止可能なアレイ基板の製造方法。
前記金属窒化膜からなる密着層で被覆するステップ及び／又は金属窒化膜からなる拡散防止層で被覆するステップは、
全スパッタリングガス流量に対する窒素ガスの流量比が５〜３０パーセントである反応性スパッタを行なうステップを含む、請求項８に記載の銅拡散を防止可能なアレイ基板の製造方法。
前記拡散防止層、または、該拡散防止層及び前記密着層は、アモルファス様の構造を有する窒化モリブデンである、請求項５乃至請求項７に記載の銅拡散を防止可能なアレイ基板の製造方法。
前記金属または金属窒化膜からなる密着層で被覆するステップ及び／又は金属または金属窒化膜からなる拡散防止層で被覆するステップは、
全スパッタリングガス流量に対する窒素ガスの流量比が３０パーセント以下である反応性スパッタを行なうステップを含む、
請求項１０に記載の銅拡散を防止可能なアレイ基板の製造方法。