JP3938437B2 - 薄膜形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶等の表示素子や半導体素子に用いられるAl薄膜或いはAlを主成分とする合金薄膜から成る薄膜配線の製造方法にかかり、特に、薄膜配線のヒロックの発生量を少なくする技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、半導体素子では、薄膜配線の材料として純粋なAl、或いはAlを主成分とする合金が一般的に用いられている。一方、薄膜トランジスタ(以下TFTと称す)を駆動素子として用いる液晶表示装置(以下LCDと称す)では、薄膜配線の材料としてCrやMo等が用いられてきた。
【0003】
しかしながら、CrやMo等は抵抗が比較的高いため、LCDの大型化や高精細化が要求されるとともに、薄膜配線の抵抗成分による信号遅延や画素への書き込み不足という問題が顕著になってきた。
【0004】
そこでCrやMo等に代えて、より低抵抗なAl或いはAlを主成分とする合金を薄膜配線の材料に用いようとする試みがなされている。
ところで、半導体素子やTFTで用いられるAl或いはAlを主成分とする薄膜(本明細書では、Alを主成分とする薄膜をAl薄膜と呼ぶ。)は、一般的に直流(DC)マグネトロンスパッタ法で製造されているが、ガラス基板やSiウエハー基板上にAl薄膜を形成し、薄膜配線を構成させた場合、その後のプロセスにおける熱処理の際に、Al薄膜配線上にヒロック(突起物)が発生してしまい、Al薄膜配線上の絶縁膜を突き破ると、絶縁膜上に形成された上層の薄膜配線と短絡してしまうという問題が生じていた。
【0005】
このようなヒロックの発生を防止するために、Cu、SiやTi、Ta、Nd、Mo、Zr等の高融点金属をAl薄膜配線の材料に添加しておく方法があるが、その効果を高めるため、高融点金属の添加量を増加させると、薄膜配線の抵抗値が大きくなってしまうという問題がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の技術の課題を解決するために創作されたもので、その目的は、Al薄膜配線の抵抗値を増加させずにヒロックの発生量を少なくすることができる技術を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
図1(a),(b)に、スパッタ法を用いて形成したAl薄膜配線10、20の結晶粒の状態を示す。符号11a〜11c,21a〜21fは、Al薄膜配線10、20を構成する結晶粒を示している。
【0008】
このようなAl薄膜配線10、20が形成された後は、更にその表面上に層間絶縁膜や上層の薄膜配線が形成されるが、Al薄膜配線10、20の熱膨張係数と、下地となる基板の熱膨張係数とには差があるため、Al薄膜配線10、20を形成した後のプロセス中の熱処理により、低温状態と高温状態とが繰り返されると、Al薄膜配線10、20内に圧縮応力が発生し、その際、結晶粒11a〜11c、21a〜21fの粒界に沿ってAl原子が移動し、粒界の交点でヒロックが形成されてしまう。
【0009】
このとき、図1(a)に示すように、結晶粒11a〜11cの粒径が大きいAl薄膜配線10では、粒界の総面積や粒界の交点が少ないため、ヒロックが発生しにくいのに対し、図1(b)に示すように、結晶粒21a〜21fが小さいAl薄膜配線20では、粒界の総面積が大きく、また粒界の交点22a〜22dが多数存在するため、それだけヒロックが発生しやすくなる。
【0010】
また、ヒロックによる短絡の発生は、結晶粒の大きさだけで決まるものではなく、結晶粒の配向性にも影響されることが知られており、Al薄膜配線の結晶粒が均一であれば、結晶粒が不均一な場合に比べて、Al薄膜配線内に局所的に大きな圧縮応力が発生することが少ないため、ヒロックが生じた場合でもそのサイズは小さい。従って、ヒロックが層間絶縁膜を突き破ることがなく、短絡が発生しにくくなる。
【0011】
本発明の発明者等は、これらの結晶粒径、結晶粒の配向性にはスパッタ成膜の際の残留ガスや、ターゲット表面や基板表面に吸着するガスが大きく影響することを見いだした。
【0012】
特に、酸素や水などの酸化性のガスがターゲット表面や基板表面に吸着した状態でスパッタリングが行われると、Al膜の結晶粒界に酸化膜が形成されてしまって結晶粒の成長が妨げられてしまい、また、配向性も不均一になると考えられる。
【0013】
本発明は、上記知見に基づいて創作されたものであり、請求項1記載の発明は、処理室内に基板を配置し、真空雰囲気にした状態でスパッタガスを導入してAlを含むターゲットをスパッタし、前記基板上に配線膜用のアルミニウム薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、前記基板上に前記アルミニウム薄膜を成長させる前に、前記真空槽内に還元性ガスと前記スパッタガスを導入しながら前記ターゲットがスパッタされる最小の高周波電力よりも小さい高周波電力を前記ターゲットに印加し、前記ターゲット表面にプラズマを生成する前処理工程を設けたことを特徴とする薄膜形成方法である。
請求項2記載の発明は、前記前処理工程では、250W以下の高周波電力を印加することを特徴とする請求項1記載の薄膜形成方法である。
請求項3記載の発明は、前記還元性ガスには、水素ガスを用いることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項記載の薄膜形成方法である。
請求項4記載の発明は、前記基板上にTi膜を成膜した後に、前記アルミニウム薄膜を形成することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項薄膜形成方法。
請求項5記載の発明は、前記アルミニウム薄膜は、ガラス基板又はシリコン基板上に形成することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の薄膜形成方法である。
【0014】
このように構成することにより、薄膜を成長させる以前にプラズマを発生させて基板表面やターゲット表面をクリーニングすることができ(本明細書ではこのことをプラズマクリーニングと称する。)、基板表面やターゲット表面から吸着ガスを除去することができる。
【0015】
従って、特に酸化性ガスなどのガスが基板表面やターゲット表面に吸着して、結晶粒界に酸化膜が形成されることを抑制することができ、結晶粒径が大きく配向性のそろった膜を得ることができる。その結果、熱処理工程後でもAl膜上でのヒロックの発生を大幅に低減することができる。
【0016】
ところで、ターゲットに供給する高周波電力の大きさによっては、プラズマクリーニング時にターゲットがスパッタされ、成膜が開始されてしまう。このときには基板表面やターゲット表面から吸着ガスが除去される前に、成膜が開始されてしまうので、基板上に部分的に酸化したAl膜が成膜されてしまい、その後直流電圧印加によって形成されるAl薄膜の結晶性が劣化してしまう。
【0017】
本発明の発明者等は、圧力0.3PaのArガス雰囲気で、Alからなる面積3400cm2のターゲットに、13.56MHzの高周波電力を50W〜500Wの範囲の所定値で供給してプラズマを発生させ、Alの析出速度を測定した。
この測定結果を図2のグラフに示す。図2において横軸は高周波電力、縦軸はAlの析出速度である。
【0018】
図2のグラフから、高周波電力が250W以下では、Alの析出速度は0Å/minであってターゲット3が全くスパッタされていないが、300Wで約3Å/minになり、300W以上になるとAlの析出速度はさらに増加することがわかる。
【0019】
以上により、本発明では、前記前処理工程では、250W以下の高周波電力を印加することにより、ターゲットがスパッタされることなくプラズマを発生させることができる。
【0020】
さらに、前記前処理工程では、前記スパッタガス中に、還元性ガスを添加してもよい。
【0021】
このように構成することにより、プラズマクリーニング中に、酸化性ガスのガス分子がプラズマのみでは除去しきれずに残存しても、還元性ガスで還元することができるので、ターゲットや基板の表面に吸着する酸化性ガスの量をさらに少なくすることができる。
【0022】
また、Al薄膜に加えられる圧縮応力を緩和するために、先ず基板表面にAl薄膜の熱膨張係数に近い金属薄膜を形成し、その金属薄膜上にAl薄膜を形成すると、結晶粒径やその配向性を一層向上させることができる。
【0023】
従って、前記基板上にTi薄膜を形成した後、該Ti薄膜上に前記薄膜を形成するとよい。
【0024】
なお、基板がガラス基板又はシリコン基板である場合に、特に有用である。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図3(a)を参照し、符号1は本発明の薄膜形成方法に用いられるスパッタ成膜装置である。このスパッタ成膜装置1は、真空排気可能なチャンバー2を有しており、該チャンバー2の底部には載置台4が設けられ、天井側には面積が3400cm2のターゲット3が設けられている。
【0026】
チャンバー2には、ガス導入口6と排気口7とが設けられており、ガス導入口6は不図示のガス導入系に接続され、排気口7は不図示の真空ポンプに接続されている。
【0027】
チャンバー2の外部には、直流電源8と高周波電源9とが設けられている。ターゲット3には、直流電源8が直接接続されるとともに、RFフィルタ13を介して高周波電源9が接続されている。
【0028】
このようなスパッタ成膜装置1を用い、基板(300×400×1.1mmのコーニング社製#7059ガラス基板)5上に直接Al薄膜を成膜する場合について以下で説明する。
【0029】
まず、予め不図示の真空ポンプによってチャンバー2内を真空排気した後、その真空状態を維持したまま、ガラス表面が露出した基板5をチャンバー2内に搬入し、成膜面をターゲット3に向け、載置台4上に載置した。
【0030】
次に、チャンバー2内に、スパッタガス(Arガス)をガス導入口6から導入し、チャンバー2内部が0.3Paの圧力で安定したところで高周波電源9を起動して、13.56MHz、50Wの高周波電力をターゲット3に供給し、チャンバー2内にプラズマを発生させた。
【0031】
高周波電力の供給開始から20秒後に供給を停止した後に、引き続いてターゲット3に直流電圧を印加して、DCマグネトロンスパッタ法によりスパッタした。スパッタの際は、基板5の温度が100℃になるようにし、その状態で基板5表面にAl薄膜を形成した。
【0032】
Al薄膜の膜厚が3000Åに達したところで、直流電圧の印加及びスパッタガスの導入を終了させ、基板5をチャンバー2外に搬出した。
基板5の断面図を図3(b)に示す。基板5表面にはAl薄膜5aが直接形成されている。
【0033】
次に、オーブンにより、基板5を大気圧・窒素ガス雰囲気下で加熱し、350℃1時間の熱処理を行った。そのAl薄膜5aの表面をSEM(Scanning electron microscope:走査型電子顕微鏡)で観察し、ヒロックの個数をカウントした。
【0034】
なお、熱処理の温度を350℃にしたのは、TFTのゲートバスラインを形成した後に、ゲート絶縁膜を成膜するためのCVD法が、同温度で行われることによる。
【0035】
その後、他の条件は上記条件と変えずに、高周波電力を50W〜500Wの範囲の所定値にして、基板5上に3000ÅのAl薄膜5aを形成した後、上記と同じ条件で熱処理をし、ヒロックの個数をカウントした。
ヒロック密度と高周波電力との関係を図4のグラフに示す。図4で横軸は高周波電力、縦軸はヒロック密度である。
【0036】
このグラフから、ターゲット3の面積が3400cm2でスパッタ雰囲気が0.3Paの場合は、高周波電力が50W〜200Wの範囲でヒロック密度を0.01個/μm2以下(150Wで最小値をとる)まで小さくすることができることがわかる。
【0037】
なお、上述のAl薄膜5aの比抵抗は、50W〜200Wの範囲の高周波電力を供給したかぎりでは高くならず、3.1μΩcmという比較的低い比抵抗値を得ることができた。このように、抵抗値を上昇させることなくヒロックの発生量を少なくすることができる。
【0038】
上述のAl薄膜5aの形成においては、スパッタガスとしてArガスのみを用いたが、以下に説明するように、スパッタガスに水素ガスなどの還元性ガスを添加してプラズマクリーニングを行うと、ヒロックの発生量をさらに少なくすることができる。
【0039】
供給する高周波電力を150Wに固定し、Arガスに、1×10-4〜2×10-2Paの範囲内の所定値の水素ガスを添加して、プラズマクリーニングを行った後にターゲット3をスパッタして、基板5上に直接Al薄膜を成膜し、上記実施例と同様の熱処理を行い、ヒロックの個数をカウントした。
【0040】
図5のグラフに、その測定結果を示す。図5で横軸は添加された水素ガスの分圧(以下でこの分圧を水素添加分圧と称する。)、縦軸はヒロック密度である。このグラフより、水素添加分圧が増加するとともに、ヒロック密度が小さくなり、Arガスのみでプラズマを発生させた場合に比してさらにヒロックの発生量を少なくできることがわかる。特に、水素添加分圧が1×10-4〜5×10-3Paの範囲内ではヒロック密度は0個/μm2であり、ヒロックの発生は全くみられなかった。
【0041】
これは、還元性ガスである水素ガス雰囲気でプラズマを発生させると、プラズマによって除去し得なかった水や酸素などの酸化性ガスのガス分子が水素ガスで還元されるので、ターゲット3や基板5の表面にこれらの酸化性ガスが付着することを防止する効果が強まったためであると考えられる。
【0042】
以上説明したように、Al薄膜5aを基板5上に直接形成する場合には、Al薄膜5aの成長の開始前にプラズマクリーニングを行うことで、ヒロックの発生量を少なくできることがわかったが、基板5上にTi膜を成膜し、その後Al薄膜を形成すると、ヒロックの発生量をさらに少なくすることができる。以下でこの場合について説明する。
【0043】
まず、スパッタガスとしてArを用いて、0.3Paの圧力下で、予めスパッタ法により基板5上に膜厚500ÅのTi薄膜を形成した後、チャンバー2内を真空排気して真空状態を維持した状態で基板5をチャンバー2内に搬入し、Arガスをガス導入口6から導入し、チャンバー2内部が0.3Paの圧力で安定したところで13.56MHz、50Wの高周波電力をターゲット3に供給し、チャンバー2内にプラズマを発生させた。
【0044】
供給開始から20秒後に高周波電力の供給を止め、引き続いてターゲット3に直流電圧を印加してスパッタし、Ti薄膜表面にAl薄膜を形成した。
その後Al薄膜の膜厚が3000Åに達したところで、直流電圧の印加及びスパッタガスの導入を終了させ、基板5をチャンバー2外に搬出した。
【0045】
そのときの基板5の断面図を図3(c)に示す。基板5表面にはTi膜5b、Al薄膜5aが順次形成されている。
次に、オーブンにより、その基板5を大気圧・窒素ガス雰囲気下で加熱し、350℃、1時間の熱処理を行った。そのAl薄膜5aの表面をSEMで観察し、ヒロックの個数をカウントした。
【0046】
この場合における高周波電力とヒロック密度の関係を図6のグラフに示す。このグラフを図4のグラフと比較すると、ヒロック密度が全体的に少なくなっていることがわかる。特に、高周波電力が100〜200Wの範囲ではヒロック密度は0個/μm2であって、ヒロックの発生は全くみられなかったことがわかる。
【0047】
なお、上述のAl薄膜5a、5cは、純Al薄膜であったが、本発明はそれに限定されるものではなく、Alを主成分とするAl薄膜に広く適用することができる。例えば、Alと、Cu、Si、Ti、Ta、Nd、Mo、Zr等とが合金化したターゲットを用いてAl薄膜を形成する場合にも適用可能である。
【0048】
また、スパッタガスの圧力を0.3Paとしたが、本発明はそれに限定されるものではなく、スパッタガスの圧力を0.2〜2Pa程度の範囲内で上下させてもよい。
【0049】
さらに、基板5にはガラス基板を用いたが、本発明はそれに限られるものではなく、シリコンなどの半導体ウエハーを基板とする場合にも適用することができる。
【0050】
また、スパッタガスに添加する還元性ガスとして水素ガスを用いたが、メタンガスやエタンガスなどの他の還元性ガスを用いてもよい。
また本実験では、プラズマクリーニングとして13.56MHzの高周波を用いたが、本発明のプラズマクリーニングでの周波数は13.56MHzに限定されるものではなく、例えば100kHz程度の中周波を用いても、同様のプラズマクリーニング効果が得られた。
【0051】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、熱処理工程後におけるAl或いはAl合金薄膜上でのヒロックの発生を大幅に低減することができる。その結果、ヒロックによる短絡などの問題を抑止することができ、TFTや半導体の製造工程において、安価で低抵抗なAl配線を信頼性よく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】成膜の際の基板上の結晶粒の状態を示す図で、(a):結晶粒径が大きい場合の結晶粒の状態を示す図 (b):結晶粒径が小さい場合の結晶粒の状態を示す図
【図2】本発明でターゲットに印加される高周波電力とAlの析出速度との関係を示すグラフ
【図3】本発明の実施形態における実験を説明する図で、(a):本実施形態で行った実験に用いたスパッタ成膜装置の構成を説明する断面図 (b):実験によりAl膜が表面に形成されたガラス基板の状態を説明する断面図 (c):実験によりTi膜、Al膜が順次表面に形成されたガラス基板の状態を説明する断面図
【図4】本発明の実施形態でガラス基板上にAl膜のみを形成した場合の、高周波電力とヒロック密度との関係を示すグラフ
【図5】本発明の実施形態でスパッタガスに水素ガスを添加した場合における水素添加量とヒロック密度との関係を示すグラフ
【図6】本発明の実施形態でガラス基板上にTi膜、Al膜を順次形成した場合の、高周波電力とヒロック密度との関係を示すグラフ
【符号の説明】
1…スパッタ成膜装置 2…チャンバー(処理室) 3…ターゲット 4…載置台 5…基板 5a,5c…Al薄膜 5b…Ti膜 10、20…Al薄膜配線 11a,11b,11c,…結晶粒 21a,21b,21c,21d,21e,21f…結晶粒 22a,22b,22c,22d…粒界の交点
Claims (5)
- 処理室内に基板を配置し、真空雰囲気にした状態でスパッタガスを導入してAlを含むターゲットをスパッタし、前記基板上に配線膜用のアルミニウム薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、
前記基板上に前記アルミニウム薄膜を成長させる前に、前記真空槽内に還元性ガスと前記スパッタガスを導入しながら前記ターゲットがスパッタされる最小の高周波電力よりも小さい高周波電力を前記ターゲットに印加し、前記ターゲット表面にプラズマを生成する前処理工程を設けたことを特徴とする薄膜形成方法。 - 前記前処理工程では、250W以下の高周波電力を印加することを特徴とする請求項1記載の薄膜形成方法。
- 前記還元性ガスには、水素ガスを用いることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項記載の薄膜形成方法。
- 前記基板上にTi膜を成膜した後に、前記アルミニウム薄膜を形成することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項薄膜形成方法。
- 前記アルミニウム薄膜は、ガラス基板又はシリコン基板上に形成することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の薄膜形成方法。
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