JP2009044194A - 多層メタル線を有する薄膜構造 - Google Patents

Abstract

【課題】メタル層の抵抗率を小さくすることなくメタル層におけるヒロックを阻止することができる薄膜構造を提供する。
【解決手段】薄膜構造５０は、基板５２と、ベースメタル層５４及びバリアメタル層５６の複数の交互層とを備え、複数の層は、ベースメタルの各層が最大温度に対する臨界厚みよりも薄くかつバリアメタル層５６がベースメタル層５４の二つの層の間に挿入されるように、基板５２上に支持され、メタル層の抵抗率を小さくすることなくメタル層におけるヒロックを阻止する。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般にヒロックの形成を阻止するために設計された多層メタル線に関し、特に、高性能薄膜構造に用いられるヒロック・フリー多層メタル線に関する。

薄膜構造を用いている多くのアプリケーション（例えば、集積回路（ICs)、アクティブマトリクス液晶ディスプレイ(AMLCDs)等）において、それらの構造におけるメタル線の低抵抗率は、高性能に対して重要である。メタル線における低抵抗率は、例えば、AMLCDsに対するより速い画面リフレッシュ速度に変換する、ＲＣ遅延を最小にする。クロミウム(Cr)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、及びタングステン(W) のような、超硬合金は、高性能ディスプレイにおける使用に対してあまりにも高い抵抗を有する。加えて、標準メタル線としての超硬合金のコストは、他の非超硬合金よりも大きい。低抵抗及びコストの視点から、アルミニウムが望ましい線メタルである。

アルミニウムは、しかしながら、ある一定の被着条件下で、“ヒロックス(hillocks)”と呼ばれる、欠陥を形成する不利な傾向を有する。これらの欠陥は、基板に並行でかつそれから離れてアルミニウムの側面上に形成する突起によって特徴付けられる。突起がアルミニウムの上に横たわっている複数の層を通って“パンチ(punch) ”しうる（穴をあけうる）ので、ヒロックスは、しばしばＩＣまたはアクディブマトリクスの正確な動作に対して致命的である。これらの理由により、製造工程中にヒロックスの形成を阻止するために多くの試みがなされている。

第１のこれらの技術は、アルミニウム・メタル上に個別メタル（タンタルのような）キャッピング層(capping layer) を採り入れる。この技術は、製造工程におけるヒロックスの形成を制御するためには成功であると考えられていた。しかしながら、一つの欠点は、キャッピング・メタルをパターン化するために個別マスキング製造工程が必要であることである − さもなければ、全プレート上に延伸している、キャッピング・メタル層は、ショートの原因になるであろう。これは、そのような電気的ショートを回避するためにパターン化される必要がない絶縁キャッピング層とは対照的である。このキャッピング・メタルに対する追加のマスキング段階は、製造及び製品の総コストに加えられる。

この技術に対する別の欠点は、合成キャップド構造のより大きな線幅である。
キャッピングがヒロックスの形成を成功裏に回避するためには、キャッピング層は、全側面上でアルミニウムを正確に突合わせなければならない。キャッピング・メタルの位置合せ(registration)が正確に行われなかったならば、ヒロックスが形成することが知られている。フォトリソグフィの現在の誤差許容範囲で、キャッピング・メタルの追加の厚みは、全線幅のかなり大きな割合いを消費する。キャッピング・メタルは、一般にアルミニウムのような良好な導体ではないでので、キャップドメタル線の抵抗率は、同じ幅のアルミニウムの線に対するよりも大きい。

第２の技術は、陽極工程により酸化層でメタルをキャップする。一つのそのような試みは、ＳＩＤ９３ダイジェストの４６７頁に示されたシマダ（島田）等による論文：“Ｐ−６：ＴＦＴゲート線用低抵抗率タンタル膜”に記載されている。シマダ等は、ＳｉＮ_X の層によって追加的にキャップされるタンタル上のタンタル酸化層の陽極成長を記載している。

アルミニウム上に酸化アルミニウムの層を成長させるために同じ陽極工程が用いられていた。そのような酸化物に伴う問題は、プア・インシュレーアであると同時にヒロック(hillock) 形成のプア・サプレッサであるとそれらが一般に考えられていることである。それを通ってヒロックスが突起しうる、小さな欠陥（“ピンホールズ”）が酸化層に形成されうることが報告されている。陽極酸化物の使用に伴う別の欠点は、陽極工程が可能的に汚染されている電解溶液の使用を一般に必要としかつ同時に全ての線上で陽極成長を達成するために全てのパターン化された線を接続する手段を必要とすることである。

加えて、同時にヒロックスを制御する上記方法のいずれも、低抵抗メタル層を製造することの懸念(concern) をアドレスしない。同時に両方の懸念をアドレスするために、ヒロックスの形成に関与している因子（例えば、もっと後の製造段階の温度、メタル層の厚み、等）が考慮されなければならない。本来（本質的に）、アルミニウムのような、メタルは、物理蒸着(physical vapor deposition) （即ち、蒸発及びスパッタリング）によって被着される。アルミニウム被着中の基板の温度は、アルミニウムの所望の特性(desired properties)によって変化されうる。例えば、より高い被着温度では、アルミニウムの抵抗率は、減少しかつその粒子サイズ(grain size)は、増大する。

アルミニウムのパターン化は、標準リソグラフィック工程によって室温（常温）で行われる。パターン化の後、ＳｉＮ（窒化ケイ素）層のような絶縁層は、３００〜３８０°Ｃの範囲における温度で被着される。この高温は、良好な絶縁特性を達成するために一般に必要である。基板（アクティブマトリクス液晶ディスプレイでは通常、ガラスである）とアルミニウムの間の熱膨張係数における不整合により、この再加熱は、アルミニウム・メタルにおける応力(stress)の原因になる。追加の応力は、その成長が数１０分の一マイクロンから数マイクロンの大きさで計測されうる、ヒロックスの形式で除去される。

特開昭６３−１５５７４３号公報 特開昭６３−４３３４９号公報 特開昭６３−２９５４８号公報 特開平３−２２２３３３号公報 特開昭６４−４５１６３号公報

温度とは別に、ヒロックスの成長は、被着メタル層の厚みにも依存する。一般規則として、層の厚みが厚くなると、膜のひずみエネルギーが大きくなり、そしてヒロックスが所与の温度で形成される可能性が高くなる。それゆえに、問題となるメタル層の厚みを縮小することによって所与の温度におけるヒロック形成の量を縮小することが可能である。所与温度に対して、それ以下ではヒロックスが形成されにくい−“臨界”厚みが存在することがよく知られている。

しかしながら、臨界厚み以下にメタル層の厚みを縮小することは、比較的薄いメタル層は、比較的高い抵抗率を有するという、一つの大きな欠点を有する。高性能薄膜構造の目的に対して、薄いメタル層は、一般に受け入れられない。

それゆえに、メタル層の抵抗率を縮小することなくメタル層におけるヒロックスを阻止することが必要である。

本発明は、最大温度を有している製造工程によって構成された薄膜構造であって、基板と、ベースメタル及びバリアメタルの複数の交互層とを備え、複数の層は、ベースメタルの各層が最大温度に対する臨界厚みよりも薄くかつバリアメタルの層がベースメタルのあらゆる二つの層の間に挿入されるように、基板上に支持される薄膜構造によって達成される。

本発明では、ベースメタルは、アルミニウムを含むように構成してもよい。

本発明では、ベースメタルは、アルミニウム及びアルミニウム合金を含んでいる一群から選択されるように構成してもよい。

（作用）
本発明は、ベースメタルとバリアメタルの交互層を備えている新規の多層構造である。ベースメタルは、所与の層において、それを越えるとヒロックスが所与の温度に対して形成されやすい、ヒロック形成に対するその臨界厚みよりも少ない厚みに被着される。ベースメタルの各そのような層の間に、バリアメタルの層が挿入される。バリアメタルの介在層(intervening layer) は、ベースメタルを互いに隔離すべく作用する。各層は、臨界厚み下であるので、ヒロックスが形成されない。

本発明の薄膜構造は、最大温度を有している製造工程によって構成された薄膜構造であって、基板と、ベースメタル及びバリアメタルの複数の交互層とを備え、複数の層は、ベースメタルの各層が最大温度に対する臨界厚みよりも薄くかつバリアメタルの層がベースメタルのあらゆる二つの層の間に挿入されるように、基板上に支持されるので、高性能薄膜構造に対して低抵抗メタル線を生成することである。また、線の抵抗率は、メタル層の断面に反比例するので、本発明の多層構造では、ヒロックスの形成を阻止すると同時に、ベースメタルの単一層よりも大きいベースメタルの総断面を提供する。更に、本発明のバリアメタルは、ベースメタル上に層をなし、かつベースメタルをキャッピングしないので、追加の幅が線に加わらない。即ち、小さな線幅を有することができる。

本発明の目的及び利点は、当業者には、添付した図面に関する以下の詳細の説明から明らかであろう。

以下の記載は、当業者に本発明を作らせかつ使用させるべく現されており、かつ特定のアプリケーション及びその要求事項のコンテキストで提供される。好ましい実施例に対する種々の変更は、当業者にとって容易に理解されるであろうし、ここに規定された一般原理は、添付した特許請求の範囲によって規定された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく他の実施例及びアプリケーションに適用されうる。それゆえに、本発明は、示された実施例に限定されることを企図していないが、しかしここに開示された原理及び特徴で構成された最も広い範囲によるものである。

ここで、図１を参照すると、ヒロックの形成が、構造１０のような薄膜構造に示されている。複数の特定層を備えている構造１０が示されているが、特定層の選択は、説明を目的としてのみなされたものであり、更に、メタル層におけるヒロック形成の問題は、種々の材料を用いている種々の構造に対しても共通であるということは、理解されるであろう。加えて、構造１０は、製造において薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に似ているが、ヒロック形成の問題は、メタル線クロスオーバ形成、コンデンサ、または層のインテグリティ（一貫性）のブリーチ（裂け目）がオペレーショナル・マルファンクションの原因となりうるあらゆる他の構造に対しても致命的である。

構造１０は、その上にメタル層１４（例えば、アルミニウム）が被着されかつパターン化される基板１２（通常はガラス）を備えている。底部絶縁層１６（ＳｉＮ、等からなる）は、メタル層１４と活性層１８の間の介在絶縁物(intervening insulator) として作用する。頂部絶縁層２０及び他のメタル線２２は、活性層１８の頂上に被着される。図１から分かるように、ヒロック２４は、メタル層１４から形成されかつ複数の層（層１６、１８、２０、及び２２）を通して“パンチ”されて（穴が開けられて）、メタル層１４とメタル層２２の間で“ショート”を生成する。図に示したような、欠陥は、構造の正確な動作に対して致命的でありうる。

ヒロックスは、薄膜構造の動作にそのような破壊的影響を有しうるので、製造工程におけるそれらの成長を制御または阻止するために多くの試みがなされた。図２及び図３は、二つのそのような試みを示す。図２は、両方が基板３２上に被着された、タンタルのような別のメタル層３６による、アルミニウムのようなベースメタル層３４のキャッピングを示す。メタル層３４の表面における微切り上り(slight raise)３８で示されるように、この方法は、ヒロックスの阻止において相対的に成功することが一般に知られている。この特定な方法での一つの欠点は、しかしながら、製造コストの増大である。追加のメタル・キャッピング層は、個別マスキング段階を一般に必要とする。マスキングは、高価な製造段階であることが一般に知られている。

この方法の別の欠点−増大した線幅も図２に示す。メタル層３６はキャッピング層であるので、それは、延伸しかつベースメタル３４の全側面と正確に位置合せされなければならない。ベースメタルとのキャッピング・メタルの側面位置合せは、間隔（ディスタンス）３７と３９の合計に等しい追加の幅を加える。この追加の幅は、現行フォトリソグラフィック方法の誤り許容範囲以下に制限するので、この追加の幅は、総合幅に対してかなりの割合いを加える。加えて、キャッピング・メタルは、通常、ベースメタルよりも高い抵抗率なので、線の抵抗率は、ベースメタルだけからなる同じ幅の線よりも大きい。

図３は、ヒロックスの形成を阻止することの第２の試みを示す。メタル層４４は、基板４２上に被着されかつパターン化される。そして、メタル層の上に、陽極工程（電気メッキに類似する）により酸化層がメタル自体の上に形成される。この方法は、例えば、上記で参照したシマダ（島田）等による論文に記載されているように、タンタル・メタル線上に採り入れられる。

陽極工程自体は製造コストを増加するだけでなく、それは混合した結果と合致する。図３に示すように、小さなヒロックスは、酸化層の表面に発生している欠陥（“ピンホールズ”と称される）において形成しうるということが知られている。ヒロック４８のような、ヒロックスは、キャッピング層としての酸化物の所望の効果を効果的に帳消しにする−そのようなピンホール欠陥を形成することが知られている。

本発明は、ベースメタルとバリアメタルの交互層を備えている新規の多層構造である。ベースメタルは、所与の層において、それを越えるとヒロックスが所与の温度に対して形成される可能性が高い厚みである、ヒロック形成に対するその臨界厚み、よりも少ない厚みに被着される。ベースメタルの各そのような層の間に、バリアメタルの層が挿入される。バリアメタルの介在層(intervening layer) は、ベースメタルを互いに隔離すべく作用する。各層は、臨界厚み下であるので、ヒロックスが形成されない。本発明の一つの利点は、高性能薄膜構造に対する低抵抗メタル線を生成することである。線の抵抗率がメタル層の断面に反比例するので、本発明の多層構造は、ヒロックスの形成を阻止すると同時に、ベースメタルの単一層よりも大きなベースメタルの総断面を提供する。本発明の別の利点は、小さな線幅である。本発明のバリアメタルは、ベースメタル上に層をなし、かつベースメタルをキャッピングしないので、線には追加の幅が加えられない。

図４は、高性能薄膜構造に対して、本発明の原理に従って作られた、多層構造５０を示す。基板５２上に、ベースメタル５４とバリアメタル５６の交互サブ層(alternating sublayers) が被着されている。本発明の一実施例では、ベースメタルは、アルミニウム（Ａｌ）であり、バリアメタルは、超硬合金またはタングステン・タイタニウム（ＴｉＷ）のようなそのある合金を含む。

薄膜構造は、多数の製造段階を含む製造工程によって構築される。各段階は、対応付けられた温度を有する。それゆえに、Ａｌ（アルミニウム）が露出される全製造工程に対する知られた最大温度（maximum temperature）がある。従って、Ａｌ層の各被着がその最大温度に対して決定された臨界厚みよりも薄いということが確保される。バリアメタルは、隣接するＡｌ層を互いに併合することから防止するために用いられる。ＴｉＷ、Ｗ及びＴｉＮ（窒化タイタニウム）は、５５０℃までＡｌに対する許容バリア(acceptable barriers) である。

図４に示した多層構造は、二つよりも多くの数の層を有しうるしかつ所望した特定の順序で開始しうる（例えば、最初にバリアメタルまたは最初にベースメタルのいずれか）ということに注目すべきである。加えて、バリアメタル層の全てが単一のメタルまたは合金で作られることは、重要ではない。本発明の重要な態様は、ベースメタルのあらゆる層が臨界厚みより少ない（薄い）ことでありかつベースメタルのあらゆる二つの隣接する層がある形式のバリアメタルによって分離されていることである。

あらゆる所与の製造条件に対する臨界厚みが当業者に周知であるということも注目すべきである。アルミニウムに対して、この臨界厚みは、特定の製造条件により、約３００〜８００Å（オングストローム）であることが知られている。現在クレームされた構造の製造の追加の議論は、同一出願人による米国特許出願（発明の名称“Thin-Film Structure with Tapered Feature”）に開示される。

ＳｉＯ₂ （二酸化ケイ素）の基板上に６００Å（オングストローム）のＡｌ、１５０Å（オングストローム）のＴｉＷ及び６００Å（オングストローム）のＡｌを備えている３層スパッタ被膜(three layer sputter depositedfilm)は、ヒロック形成なしで一時間の間４００℃に耐えうることが示された。この膜スタックのシート抵抗率は、同じ厚みのＡｌ膜（２％銅を含んでいる）について０．２５オーム／sq.であるのに対し、０．３６オーム／sq.であることが計測された。本発明は、ベースメタルと一群のバリアメタルから選択されたメタルの交互層を備えている新規の多層構造である。ベースメタルは、所与の層において、それを越えるとヒロックスが所与の温度に対して形成される可能性が高い厚みである、ヒロック形成に対するその臨界厚み、よりも少ない厚みに被着される。ベースメタルの各そのような層の間に、バリアメタルの層が挿入される。バリアメタルの介在層は、ベースメタルを互いに分離すべく作用する。それゆえに、臨界厚み以下に各ベースメタル層の実効厚みを維持する。

製造工程中のメタル層におけるヒロックの形成を示す図である。 メタル層におけるヒロックスの成長を制御するための二つの別々な試みの内の一つを示す図である。 メタル層におけるヒロックスの成長を制御するための二つの別々な試みの内の他の一つを示す図である。 本発明の原理に基づいて作られた多層構造を示す図である。

符号の説明

５０ 多層構造
５２ 基板
５４ ベースメタル
５６ バリアメタル

Claims (2)

1. 製造工程によって組み立てられる薄膜構造であって、
   基板と、
   ベースメタル及びバリアメタルの複数の交互層とを備え、
   前記複数の層は、前記基板上に支持され、前記ベースメタルの各層は、アルミニウムで構成され、ヒロック・フリーでありかつ８００Å（オングストローム）以下の厚みを有し、前記バリアメタルの層は、前記ベースメタルの二つの層の間に挿入され、
   前記バリアメタルは、高融点メタル合金を備えている、
   ことを特徴とする薄膜構造。
2. 製造工程によって組み立てられる薄膜構造であって、
   基板と、
   ベースメタル及びバリアメタルの複数の交互層とを備え、
   前記複数の層は、前記基板上に支持され、前記ベースメタルの各層は、アルミニウムで構成され、ヒロック・フリーでありかつ８００Å（オングストローム）以下の厚みを有し、前記バリアメタルの層は、前記ベースメタルの二つの層の間に挿入され、
   前記バリアメタルは、複数のメタルの合金を備え、前記複数のメタルの少なくとも一つは、クロム、モリブデン、タンタル、及びタングステンから構成されている一群から選択される、
   ことを特徴とする薄膜構造。

Images