JP2005217088A - 基板上の配線および配線形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、配線遅延の低減を実現するための配線およびその配線の形成方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 配線１０は絶縁基板１２の上に形成されたものである。配線１０は、絶縁基板１２の上面に形成された窒素を含有する第１金属化合物膜１４と、第１金属化合物膜１４の上面に形成された銅層１６と、を含む。さらに、銅層１６の上面には窒素を含有する第２金属化合物膜１８が形成されている。第１金属化合物膜１４および第２金属化合物膜１８が窒素を含有しているため、銅層１６との境界面で合金層ができにくく、エッチングが制御しやすくなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶ディスプレイなどに使用するアレイ基板などの配線および配線形成方法に関するものである。

現在、液晶ディスプレイなどの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る。各配線を形成するために、純粋なＡｌまたはＭｏ／Ａｌ−ａｌｌｏｙを積層し、燐酸／硝酸／酢酸系のエッチング溶液を用いて配線の断面をテーパー形状に加工する方法が主流となっている。

近年の液晶ディスプレイの高精細化・大画面化に伴い、配線遅延の問題が顕在化している。配線遅延は、図５に示すように、アレイ基板５０の配線３０ａ，３０ｂに入力されたパルスの角が丸まってしまう現象である。配線遅延は、配線３０ａ，３０ｂの抵抗や、配線３０ａ，３０ｂの相互間に発生する容量が原因となる。

配線遅延を低減するための１つの方法として、配線３０ａ，３０ｂの抵抗を低くすることが考えられる。配線３０ａ，３０ｂの抵抗を低くするためには、配線３０ａ，３０ｂの断面積を大きくすることが考えられる。液晶ディスプレイの開口率を低下させないためには、配線３０ａ，３０ｂを厚くして、配線抵抗を低くすることが必要である。

しかし、配線３０ａ，３０ｂの厚みを厚くしてしまうと、配線への絶縁膜のカバレ−ジが悪化してしまう。絶縁膜の薄い箇所で所望の絶縁性が確保されなくなってしまう。したがって、アレイ基板が所望の動作をせず、歩留まりが低下してしまう。

配線抵抗を小さくするためには、低抵抗材料を使用することも考えられる。低抵抗材料としてはＣｕが考えられる。しかし、Ｃｕを使用した場合の大きな課題として、（ａ）Ｃｕ拡散に対する抑止方法の確立、（ｂ）基板との密着性の改善、（ｃ）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（ａ）および（ｂ）のために、配線の構造として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をガラス基板への密着層として使用している。しかし、Ｃｕの上下の膜とＣｕのエッチング速度が異なる。エッチングを他段階で制御しなくてはならず、生産性や、上部金属材料及びＣｕの形状制御性に問題があった。

上記（ｃ）のために、Ｃｕ単層であれば過流酸アンモニウムなどにより簡単にエッチングできる。しかし、図６のように配線の断面をテーパー形状とできず、配線の側面が基板に対して切り立ってしまうため、Ｃｕ上に形成する膜のカバレージの悪化が懸念される。

特許文献１に、エッチング溶液としてぺルオキソ−硫酸−水素カリウムとフッ酸の混合液、あるいはぺルオキソ硫酸塩（ＫＨＳＯ_５，ＮａＨＳＯ_５，Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_８，（ＮＨ_４）_２Ｓ_２Ｏ_８）とフッ化アンモニウムの混合液などが開示されている。また、配線構造としてもＣｕ／ＴｉもしくはＴｉ合金（ＴｉもしくはＴｉ合金膜はＣｕの下層）の二重積層構造が開示されている。

しかし、特許文献１の配線構造であれば、ＴｉもしくはＴｉ合金膜はＣｕの下層となっているため、Ｃｕ拡散が発生する欠点がある。周知のようにＣｕ拡散により所望の絶縁性が確保されないおそれがある。

Ｍｏ／Ｃｕ／ＭｏまたはＣｕ／Ｍｏ構造になるように燐酸／硝酸／酢酸系のエッチング溶液によるテーパーエッチングも考えられる。しかし、硝酸量の変化に対して上層Ｍｏのエッチングは進行速度が遅く、最後までエッチングをおこなったとき、Ｃｕのサイドエッチングが進行してしまう。図７の配線３０ように、上層Ｍｏ３８が銅層３６のひさしのようになってしまう。

上層Ｍｏを省略すれば図８に示すような銅層４６のテーパーエッチングも可能だが、下層Ｍｏをエッチングしているときに、銅層４６のサイドエッチングが進行する。また、Ｃｕ拡散への対策がなされていない。さらには、サイドエッチング量が数ミクロンにも及ぶため、削り過ぎ等の細線の困難さや線幅の均一性の問題があり生産への適用は難しい。

特開２００１−５９１９１号公報（段落番号００２３〜００３１）

そこで本発明は、配線遅延の低減を実現するための配線およびその配線の形成方法を提供することを目的とする。

本発明に係る配線の要旨は、絶縁基板の表面に形成された配線であって、前記絶縁基板上面に形成された窒素を含有する第１金属化合物膜と、前記第１金属化合物膜の上面に形成された銅または銅合金層と、前記銅または銅合金層の上面に形成された窒素を含有する第２金属化合物膜と、を含む。

前記第１金属化合物膜がＴｉＮまたはＭｏＮを含み、第２金属化合物膜がＴｉＮを含む。

配線の断面はテーパー形状である。

前記絶縁基板の表面に透明絶縁層を有し、該透明絶縁層の上面に前記第１金属化合物膜が形成されている。

本発明に係る配線形成方法の要旨は、絶縁基板の表面に配線を形成するための方法であって、前記絶縁基板を準備するステップと、前記絶縁基板上面に窒素を含有する第１金属化合物膜を形成するステップと、前記第１金属化合物膜の上面に銅銅または銅合金層を形成するステップと、前記銅層の上面に窒素を含有する第２金属化合物膜を形成するステップと、エッチングによって、前記第１金属化合物膜、銅層、および、第２金属化合物膜の複数層を有する配線を形成するステップと、を含む。

前記第１金属化合物膜を形成するステップおよび第２金属化合物膜を形成するステップが、Ｎ_２／（Ａｒ+Ｎ_２）の流量比を１．５／１５０〜３０／１５０ｓｃｃｍで反応性スパッタリングをおこなうステップを含む。

前記第１金属化合物膜を形成するステップがＴｉＮまたはＭｏＮを形成するステップを含み、第２金属化合物膜を形成するステップがＴｉＮを形成するステップを含む。

前記配線を形成するステップが、配線の断面をテーパー形状にエッチングするステップを含む。

前記第１金属化合物膜を形成するステップの前に、前記絶縁基板上面に透明絶縁膜を形成するステップを含む。

前記配線を形成するステップは、過硫酸アンモニウムおよびフッ酸を含有するエッチング溶液を使用してエッチングをおこなうことを含む。

本発明によると、銅層の上層または下層が窒化された金属化合物膜であるため、層同士の境界付近で合金層ができにくい構造になっている。したがって、エッチング速度が遅い層が非常に薄くなっている。銅層のサイドエッチングが進行しても、他の層もエッチングがスムーズに進行するため、配線の断面をテーパー形状にすることができる。

第１金属化合物膜及び第２金属化合物膜のスパッタリング方法を制御することによって、エッチングによる残渣の発生を抑制でき、かつ、第１金属化合物膜の挿入によって銅層を絶縁基板に密着させることができる。

本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。本発明の配線は、例えば液晶ディスプレイのアレイ基板に敷設されるものである。

図１に示すように、配線１０は絶縁基板１２の上に形成されたものである。配線１０は、絶縁基板１２の上面に形成された窒素を含有する第１金属化合物膜１４と、第１金属化合物膜１４の上面に形成された銅層１６と、を含む。さらに、銅層１６の上面には窒素を含有する第２金属化合物膜１８が形成されている。

液晶ディスプレイなどに本発明を適用するのであれば、絶縁基板１２はガラスなどの透明基板である。

第１金属化合物膜１４はＴｉまたはＭｏを主体とする金属であって、ＴｉＮまたはＭｏＮを含む。この第１金属化合物膜１４は、銅層１６を絶縁基板１２の上に密着させる効果がある。また、第１金属化合物膜１４は窒素を含有しているため、第１金属化合物膜１４と銅層１６との境界面で、第１金属化合物膜１４と銅層１６の材料による合金ができにくい。境界面付近に形成される合金層が薄くなるため、エッチング速度が遅い領域を少なくすることができる。したがって、境界付近に形成された合金層をエッチングしている間、所定以上に銅層１６のサイドエッチングが進行することはない。合金層の厚みは約１０００Å以下で、例えば約１００Åである。

銅層１６は、純粋な銅以外に銅を主体とした銅合金を含む。配線１０に銅を使用することによって、配線抵抗を低くする。配線抵抗を低くしたことによって、配線遅延が低減される効果がある。例えば、銅層１６の厚みが３０００Åであるときに２．２×１０^−６Ω・ｃｍの抵抗値を示した。なお、銅層１６の代わりに従来のＡｌＮｄを使用した場合、４．８×１０^−６Ω・ｃｍの抵抗値を示した。

第２金属化合物膜１８はＴｉＮを含む。また、銅層１６との境界がＴｉＮであるならば、第２金属化合物膜１８の他の部分はＴｉであってもよい。第２金属化合物膜１８は、Ｃｕ拡散を防止する効果を有する。また、窒素を含有するため、第１金属化合物膜１４と同様に、境界付近に合金ができにくくなる。したがって、エッチング速度が遅い領域が少なくなり、合金層をエッチングしている間、所定以上に銅層１６のサイドエッチングが進行することはない。合金層の厚みは約１０００Å以下で、例えば約１００Åである。

以上の構成にすることによって、絶縁基板１２に直接銅層１６を形成するよりも銅層１６の密着性がよくなる。また、第２金属化合物膜１８によってＣｕ拡散を防止できる。銅層１６によってシート抵抗が従来と比べて半減できるため、配線遅延を低減できる。さらに、第１金属化合物膜１４および第２金属化合物膜１８と銅層１６との境界の合金層が薄くなり、エッチングがしやすく、配線１０の断面をテーパー形状にすることができる。

また、絶縁基板１２の上面に透明絶縁層２０を有し、透明絶縁層２０の上面に第１金属化合物膜１４が形成されていてもよい。透明絶縁層２０としては、ＳｉＮｘ、ＴｉＯｘ、有機ポリマーなどである。透明絶縁層２０はエッチング溶液によって絶縁基板１２の表面がエッチングされてしまうのを防止する。すなわち、透明絶縁層２０はエッチングストッパーの働きをする。

配線１０を形成は材料を順次積層した後、周知のパターニング方法により形成する。本発明は、パターニングにおけるエッチングに用いるエッチング溶液は、過硫酸アンモニウム及びフッ酸の混合液を使用する。エッチング溶液のｐＨは、約２〜３以下である。過硫酸アンモニウムの濃度は１０ｇ／ｌ以上であり、好ましくは７．５ｇ／５００ｍｌ以上である。エッチング溶液におけるフッ酸の濃度は０．２％以上である。なお、ＨＣｌの濃度は０％である。

エッチング溶液を上記のよな構成とする理由を説明する。アレイ基板の生産性の観点から銅層１６のエッチングに対して第１金属化合物膜１４および第２金属化合物膜１８のエッチング速度は約１２０秒以下、例えば３０〜１２０秒程度が要求される。従って５．０ｍｇ／５００ｍｌ以上の過硫酸アンモニウム濃度が要求される。図２に過硫酸アンモニウムとエッチング速度の関係を示す。図２より、３０〜４０Å／ｓｅｃ程度でエッチングをおこなうためには、過硫酸アンモニウムの濃度は１０ｇ／ｌ以上であり、好ましくは７．５ｇ／５００ｍｌ前後が最適である。

図３には、過硫酸アンモニウム濃度を５．０ｇ及び７．５ｇ／５００ｍｌに固定してフッ酸濃度（ＨＦ濃度）を変化させ、Ｃｕ及びＴｉのエッチングレートを示す。ＣｕエッチングレートはＨＦ濃度によらず一定であり、一方でＴｉのエッチングレートはＨＦ濃度が高くなるほど速くなる。ＴｉのエッチングレートがＣｕのエッチングレートを超える５０ｍｌ／５００ｍｌ以上の領域において、ＴｉＮ／Ｃｕ／ＴｉＮのテーパーエッチングが実現する。なお、Ｃｕのエッチングレートが速い領域では上層Ｔｉが庇になる。

図４（ａ），（ｂ）はＴｉ／Ｃｕ／ＴｉおよびＴｉＮ／Ｃｕ／ＴｉＮ積層を過硫酸アンモニウム／フッ酸混合液によりエッチングしたときの、エッチング時間とエッチング量の関係である。なお、縦軸は配線の各層の相対的な厚みを表し、ドット部分が銅層とその上下の層との境界にできる合金の層を表す。図４（ａ），（ｂ）の比較より、本発明の配線構造である図４（ｂ）の方が、合金層が薄くなっている。

図４（ａ）のＴｉ／Ｃｕ／Ｔｉ構造は従来の配線の構造である。Ｔｉ／Ｃｕ／Ｔｉの場合、上層の拡散防止層としてのＴｉとＣｕの界面に合金層を形成している。その界面の合金層のエッチングレートが非常に遅いため、テーパー形状の制御が困難になる。したがって、図７のようなひさしを持った配線となる。下層の密着層とＣｕの界面にも同様の合金層を形成しているため、その界面でのエッチングレートが遅くなってしまう。

一方で、本発明の配線構造であるＴｉＮ／Ｃｕ／ＴｉＮにおいては、図４（ｂ）のように界面の合金層がほとんどできない。エッチング制御が容易となり、図７のようなひさしはできない。

また、従来の構成であれば最下層の密着層がＴｉとなる。この場合、ＴｉとＣｕが合金層を形成してしまい、ジャストエッチング+２０％オーバーエッチング程度ではエッチング残渣が発生する。

これに対して密着層として、第１金属化合物膜が反応性スッパタリングにより窒化したものであれば、合金層の形成を抑制できる。以下、上述したエッチングを含めて、本発明の配線の製造方法について説明する。

（１）ガラスなどの透明の絶縁基板１２を洗浄などし、所望の材料が積層できるように準備する。

（２）絶縁基板１２の上に窒素を含有する第１金属化合物膜１４を形成する。形成される材料は、ＴｉＮやＭｏＮであり、形成方法はスパッタリングである。膜厚は約１５０Åである。

（３）第１金属化合物膜１４の上面に銅層１６を形成する。この銅層１６には銅合金層を含む。銅層１６の厚みは約３０００Åである。

（４）銅層１６の上面に窒素を含有する第２金属化合物膜１８を形成する。形成される材料はＴｉＮである。膜厚は約５００Åである。

（５）第２金属化合物膜１８の上面にレジストを塗布し、所望の形状のマスクパターンになるように露光・現像をおこなう。

（６）上述のエッチング溶液を使用してエッチングし、第１金属化合物膜１４、銅層１６、および、第２金属化合物膜１８の複数層を有する配線１０を形成する。

（７）第２金属化合物膜１８の上面のレジストを剥離する。

上述のエッチング溶液を使用することによって、エッチング速度を所望の速度にすることができ、図１に示すような断面がテーパー形状の配線１０を形成することができる。

上記（２）および（４）において、第１金属化合物膜１４の形成または第２金属化合物膜１８の形成は、Ｎ_２／（Ａｒ+Ｎ_２）の流量比を１．５／１５０〜３０／１５０ｓｃｃｍにして反応性スパッタリングをおこなう。

上記（２）において、Ｎ_２の流量をＡｒ+Ｎ_２の総流量に対して１．５／１５０ｓｃｃｍ以上にして第１金属化合物膜１４を形成すると、エッチング時に残渣の発生を抑制できる。更に窒化をし、Ｎ_２／（Ａｒ+Ｎ_２）の流量比で３０／１５０ｓｃｃｍ以上にすると、基板への密着性が低下し、テープによるピール試験で膜剥がれを発生するようになる。従って、密着層としての第１金属化合物膜１４の窒化の割合には最適値があり、Ｎ_２／（Ａｒ+Ｎ_２）の流量比で１．５／１５０〜３０／１５０ｓｃｃｍにて残渣がないエッチングと高い密着性を実現する。上記内容を表１にまとめる。

また、上記（２）の工程の前に、絶縁基板１２の上面に透明絶縁膜２０を形成する工程を含めてもよい。透明絶縁膜２０としてはＳｉＮｘ、ＴｉＯｘ、有機ポリマーなどである。上記（６）の工程において、絶縁基板１２までエッチングされるのを防止する。

本発明の製造方法は、従来と同じ装置を使っており、新たな装置導入の必要性がない。

以上、本発明について実施形態を説明したが本発明は上記の実施形態に限定されることはない。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。

液晶テレビやパソコンディスプレイ、その他の液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイに利用可能である。

本発明の配線の断面を示す図である。 過硫酸アンモニウムとエッチング速度の関係を示す図である。 過硫酸アンモニウム濃度を５．０ｇ及び７．５ｇ／５００ｍｌに固定してフッ酸濃度（ＨＦ濃度）を変化させ、Ｃｕ及びＴｉのエッチングレートを示す図である。 過硫酸アンモニウム／フッ酸混合液によりエッチングしたときの、エッチング時間とエッチング量の関係を示し、（ａ）はＴｉ／Ｃｕ／Ｔｉを積層した場合、（ｂ）はＴｉＮ／Ｃｕ／ＴｉＮを積層した場合である。 配線遅延を示す図である。 配線の断面が切り立ってしまったときの図である。 上層のＭｏがひさし状になったときの図である。 Ｃｕ層のエッチングが進行してしまったときの図である。

符号の説明

１０：配線
１２：絶縁基板
１４：第１金属化合物膜
１６：銅層
１８：第２金属化合物膜
２０：透明絶縁層

Claims (10)

1. 絶縁基板上に形成された配線であって、
   前記絶縁基板上面に形成された窒素を含有する第１金属化合物膜と、
   前記第１金属化合物膜の上面に形成された銅または銅合金層と、
   前記銅または銅合金層の上面に形成された窒素を含有する第２金属化合物膜と、
   を含む配線。
2. 前記第１金属化合物膜がＴｉＮまたはＭｏＮを含み、第２金属化合物膜がＴｉＮを含む請求項１に記載の配線。
3. 配線の断面がテーパー形状である請求項１または２に記載の配線。
4. 前記絶縁基板の表面に透明絶縁層を有し、該透明絶縁層の上面に前記第１金属化合物膜が形成された請求項１乃至３に記載の配線。
5. 絶縁基板上に配線を形成するための方法であって、
   前記絶縁基板を準備するステップと、
   前記絶縁基板上面に窒素を含有する第１金属化合物膜を形成するステップと、
   前記第１金属化合物膜の上面に銅または銅合金層を形成するステップと、
   前記銅または銅合金層の上面に窒素を含有する第２金属化合物膜を形成するステップと、
   エッチングによって、前記第１金属化合物膜、銅層、および、第２金属化合物膜の複数層を有する配線を形成するステップと、
   を含む配線形成方法。
6. 前記第１金属化合物膜を形成するステップおよび第２金属化合物膜を形成するステップが、Ｎ_２／（Ａｒ+Ｎ_２）の流量比を１．５／１５０〜３０／１５０ｓｃｃｍで反応性スパッタリングをおこなうステップを含む請求項５に記載の配線形成方法。
7. 前記第１金属化合物膜を形成するステップがＴｉＮまたはＭｏＮを形成するステップを含み、第２金属化合物膜を形成するステップがＴｉＮを形成するステップを含む請求項５または６に記載の配線形成方法。
8. 前記配線を形成するステップが、配線の断面をテーパー形状にエッチングするステップを含む請求項５乃至７に記載の配線形成方法。
9. 前記第１金属化合物膜を形成するステップの前に、前記絶縁基板上面に透明絶縁膜を形成するステップを含む請求項５乃至８に記載の配線形成方法。
10. 前記配線を形成するステップが、過硫酸アンモニウムおよびフッ酸を含有するエッチング溶液を使用してエッチングをおこなうことを含む請求項５乃至９に記載の配線形成方法。

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