JP3973838B2 - アルミニウム含有膜のスパッタ蒸着において水素及び酸素ガスを利用する方法及びそれによって得られるアルミニウム含有膜 - Google Patents
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Description
【０００１】
技術分野
本発明は概してシリコンウェハを初めとする半導体基板上へのアルミニウム含有膜のスパッタ蒸着法に関する。より詳しくは本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金の蒸着の間に、アルゴンと共に水素ガスを使用するか、アルゴンと共に水素ガスと酸素ガスとの混合気を使用するかして、ヒロック形成に抵抗性のアルミニウム含有膜を形成する方法に関する。
【０００２】
背景技術
薄膜構造は、集積回路（「ＩＣｓ」）及びアクティブマトリックス液晶表示装置（「ＡＭＬＣＤｓ」）に使用される回路の構成要素の中でも、顕著なものとなりつつある。薄膜構造を利用する多くの用途において、そのような構造内に存在する金属ライン（ゲートラインとデータライン）の抵抗が低いことは、性能を高めるために重要である。例えばＡＭＬＣＤｓに関して、金属ラインの抵抗が低いと、ＲＣ遅延が最小となるため、スクリーンの再生速度が速くなる。クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）を初めとする高融点金属の抵抗は、高性能のＡＭＬＣＤｓ又はＩＣｓに利用するには高すぎる。その上、高融点金属は非高融点金属よりも価格が高い。低い抵抗性と価格の観点からすれば、アルミニウム（Ａｌ）が望ましい金属である。さらに、アルミニウムはその外表面上に、アルミニウムを周囲の攻撃から保護する酸化膜を形成し、シリコン及びシリコン化合物に良好に付着するため都合がよい。
【０００３】
アルミニウム膜はたいていスパッタ蒸着を利用して半導体基板に施される。スパッタ蒸着は一般に真空チャンバ内で行われ、同チャンバ内にはアルミニウムを初めとする所望の膜材料の固体スラブ（「ターゲット」と称される）が据え付けられ、基板が配置される。アルゴンガスが真空チャンバ内に導入され、ターゲットと基板との間に電界を印加し、プラズマを発生させる。プラズマにおいて、ガスはその電荷及び印加された電界に従ってイオン化されると共に、ターゲットに向かって加速される。アルゴン原子はターゲットに向かって加速するため、ターゲットと衝突した際にターゲット表面から原子及び／又は分子を打ち払う又は「放出させる」のに十分な運動量を得る。原子及び／又は分子をターゲットから放出させた後、アルゴンイオン、放出された原子／分子、アルゴン原子、及びスパッタプロセスにより生じた電子は、半導体基板上で停止する前に、ターゲットの前でプラズマ領域を形成する。半導体基板は通常、真空チャンバ内でターゲットの下かターゲットと平行に配置される。しかしながら、放出された原子及び／又は分子は、プラズマ領域の形成に寄与することなく真空チャンバ内で散乱し、従って半導体基板上に蒸着しないこともある。この問題は、ターゲットの後部及び周囲に磁石を利用する「マグネトロンスパッタリングシステム」を用いて少なくとも部分的に解決される。このような磁石により、放出された物質がプラズマ領域に閉じ込められる。このマグネトロンスパッタリングシステムは、他のスパッタリングシステムよりも、真空チャンバ内で必要とされる圧力が低いという利点も有する。真空チャンバ内が低圧であると、蒸着させた膜がより滑らかになる。マグネトロンスパッタリングシステムによれば、ターゲットを低温にでき、アルミニウム及びアルミニウム合金を初めとする低融点材料のスパッタリングが助長される。
【０００４】
アルミニウム膜は薄膜構造に使用するのに大きな利点を有するが、アルミニウムには「ヒロック」と呼ばれる欠陥を形成するという望ましくない傾向がある。ヒロックは、金属膜にかかる圧縮応力の状態に応じて発生し、結果的に金属膜表面から突出する突出部である。
【０００５】
アルミニウム薄膜においてヒロックがとりわけ重大な問題である理由は、２つ存在する。第１にアルミニウムの熱膨張係数（約２３．５×１０ −６ ／℃）は典型的なシリコン半導体基板の熱膨張係数（約２．５×１０ −６ ／℃）のほぼ１０倍である。半導体装置の異なる段階のプロセスの間半導体基板を加熱すると、半導体基板に強く付着したアルミニウム薄膜は、半導体基板の拡張によって許容される以上に拡張しようとする。アルミニウム膜が膨張できないと、膨張応力を緩和するためにヒロックが形成される。第２の要因は、アルミニウムの融点（約６６０℃）が低く、従ってアルミニウム膜の空格子拡散速度が大きいことに関する。ヒロックの成長は空格子拡散機構の結果として起こる。空格子拡散は膨張応力により生じる空格子濃度勾配の結果として起こる。更に、アルミニウムの拡散速度は温度上昇に伴って非常に急速に増大する。したがって、ヒロック成長は、アルミニウムグレインを通るヒロック部位とグレインの境界線に沿ったヒロック部位の両方から離れた空格子拡散プロセスによる、アルミニウム膜における圧縮応力を緩和する機構として説明することが可能である。この機構によりしばしば抵抗が上がり、開回路が生じうる。
【０００６】
膜構造の製造におけるヒロックに関連する問題は、多平面の薄膜構造に起こる。このような構造では、上に重なっている金属ラインを分離する誘電体層をヒロックが貫通するか、又はヒロックにより誘導体層に孔が開いた場合、ヒロックによる平面内短絡が起こる。この平面内短絡により、ＩＣまたはＡＭＬＣＤが破損する可能性がある。このような短絡が起こった構造を図１７に示す。
【０００７】
図１７は薄膜構造２００内のヒロック２０２を示す。薄膜構造２００は、パターン化アルミニウム層２０６が上部に配置されたシリコンウェハを初めとする半導体基板２０４を有する。二酸化ケイ素又は窒化ケイ素の層を初めとする下部誘電体層２０８は半導体基板２０４及びパターン化アルミニウム層２０６の上に配置される。下部誘電体層２０８は、パターン化アルミニウム層２０６と、下部誘電体層２０８上に配置された活性層２１０との間の絶縁層として機能する。金属ライン２１２は活性層２１０上にパターン形成され、上部誘電体層２１４が金属ライン２１２及び活性層２１０の上に配置される。ヒロック２０２は下部誘電体層２０８及び活性層２１０を貫通するように示され、金属ライン２１２について短絡させる。
【０００８】
ヒロック形成の問題を解消するために、タンタル、コバルト、ニッケル等を初めとする、アルミニウムの溶解性を制限する元素の添加（これは、ヒロック形成を減小させるだけで、除去はできない）、アルミニウムの上部又は下部へのタングステン層又はチタン層の堆積（これには、更なる処理工程が必要とされる）、１以上のチタン層によるアルミニウム膜の積層（これにより膜の抵抗率が増大する）、アルミニウムではなく、タングステン又はモリブデンを初めとするヒロック抵抗性高融点金属膜の利用（上述のように、これらの高融点金属は費用効果の点で劣り、高性能ＩＣｓ及びＡＭＬＣＤｓに使用するには抵抗率が高すぎる）を含めて、多くの技術が試行された。
【０００９】
特にＡＭＬＣＤｓに関して、より詳しくは薄膜トランジスタ液晶表示装置（「ＴＦＴ−ＬＣＤｓ」）に関して、消費者は大きなスクリーン、高い解像度、及び高いコントラストを必要としている。ＴＦＴ−ＬＣＤｓはこのような消費者の要求に応じて開発されたので、金属ラインの抵抗率が低く、ヒロック形成に対する抵抗が大きいことは重要になっている。
【００１０】
それゆえ、安価で商業的に利用可能な広く実施されている半導体装置製造技術及び装置を用いて、複雑な処理工程を必要とせずに、ヒロック形成に抵抗するアルミニウム含有物質や、ヒロックが概ね存在しないアルミニウム含有膜の膜を半導体基板上に形成する技術を創り出すことは有効であろう。
【００１１】
発明の開示
本発明は、半導体基板上にアルミニウム又はアルミニウム合金をスパッタ蒸着する間に、水素ガス又は水素ガスと酸素ガスとの混合気を、アルゴンガスと共にスパッタ蒸着真空チャンバ内に導入する方法と、それによって得られるアルミニウム含有膜とに関する。半導体基板には、ガラス、石英、酸化アルミニウム、シリコン、酸化物、プラスチック等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。
【００１２】
本発明の第１の方法は、標準的なスパッタ蒸着チャンバを用いて、好ましくはマグネトロンスパッタ蒸着チャンバを用いて、約１〜約４キロワットまでの出力レベルの直流電力を陰極（この場合アルミニウムターゲット）及び陽極（平面パネル表示装置基板−すなわちソーダ石灰ガラス）の間に加えてプラズマを形成する（チャンバを真空に排気した後で）方法に関する。チャンバは、チャンバに流れ込む適当量のアルゴンガス及び水素ガスにより、約０．１３〜約０．３３Ｐａ（約１．０〜約２．５ミリトル）の圧力に保たれる。アルゴンガスは好ましくは約５０〜約９０標準立方センチメートル毎分（「ｓｃｃｍ」）の速度で与えられる。水素ガスは約９０〜約６００ｓｃｃｍの速度で与えられることが好ましい。アルゴンガス対水素ガスの比は約１：１〜約１：６であることが好ましい。水素／アルゴン比が高い膜ほど滑らかなテクスチャを示す。蒸着プロセスは室温で行われる（すなわち約２２℃）。
【００１３】
この方法によって得られるアルミニウム含有膜は、酸化アルミニウム（Ａｌ ２ Ｏ ３ ）として約１〜５％酸素（原子）の平均酸素含量を有し、残りがアルミニウムである。記載したプロセスパラメータ下で形成したアルミニウム含有膜は、純粋アルミニウム金属と同様ではあるがわずかに濃い色を示す。
【００１４】
本発明の第２の方法は、標準的なスパッタ蒸着チャンバを用いて、好ましくはマグネトロンスパッタ蒸着チャンバを用いて、約１〜約４キロワットまでの出力レベルの直流電力を陰極（この場合アルミニウムターゲット）及び陽極（平面パネル表示装置基板−すなわちソーダ石灰ガラス）の間に加えてプラズマを形成する（チャンバを真空に排気した後で）方法に関する。チャンバは、チャンバに流れ込む適当量のアルゴンガス、水素ガス、及び酸素ガスにより、約０．０７〜約０．３３Ｐａ（約０．５〜約２．５ミリトル）の圧力に保たれる。アルゴンガスは好ましくは約２５〜約９０標準立方センチメートル毎分（「ｓｃｃｍ」）の速度で与えられる。水素ガスは約５０〜約４００ｓｃｃｍの速度で与えられることが好ましい。酸素ガスは約０．２５〜約２ｓｃｃｍの速度で与えられることが好ましい（好ましくは大気流で）。アルゴンガス対水素ガスの比は約１：１〜約１：６であることが好ましい。水素／アルゴン比が高い膜ほど滑らかなテクスチャを示す。蒸着プロセスは室温で行われる（すなわち約２２℃）。
【００１５】
この方法によって得られるアルミニウム含有膜は、酸化アルミニウム（Ａｌ ２ Ｏ ３ ）として約１２〜３０％酸素（原子）の平均酸素含量を有し、残りがアルミニウムである。アルミニウム含有膜は記載したプロセスパラメータ下で形成した場合に黄橙色を示す。
【００１６】
これら両方法によって得られるアルミニウム含有膜の顕著な特徴は、熱応力を受けた後でさえヒロックが生じないことである。これらのアルミニウム含有膜を形成する正確な機構及び／又は化学的機構については完全には理解されていないが、水素ガスが酸素をアルミニウム含有膜へと運搬する触媒のように機能すると思われる。第１の方法に関して、酸素ガスは真空チャンバを排気した後で残っている真空チャンバ内の残留空気に由来するものである。第２の方法に関して、酸素ガスは当然、蒸着中に導入される。残留酸素ガス量又は真空チャンバ内に導入される酸素ガスの流量は、アルゴンガス及び水素ガスの流量と比較して小さいが、蒸着させたアルミニウム含有膜に存在する酸素の割合は比較的大きい。発明者らによる実験において、酸素ガスを同様な流量で真空チャンバに導入し、水素ガスは導入しなかった（すなわち、酸素ガスとアルゴンのみを導入した）。基板上に蒸着された、得られた膜は、測定可能量（Ｘ線光電子分光による）の酸素の割合を含有しなかった。
【００１７】
上述のように酸素は、酸化アルミニウムの形でアルミニウム含有蒸着膜に存在する。しかしながら、酸化アルミニウムは絶縁体である。非常に低い抵抗を必要とする膜中に絶縁化合物（膜の抵抗を増加する）が生じることは、直感に反する。しかしながら、酸化アルミニウムの形成は、アルミニウム含有膜内のアルミニウムグレインの導電マトリックスに干渉しないことが見出された。したがって、アルミニウム含有膜の抵抗率は驚くほどに低い。実際、第２の方法で形成されたアルミニウム含有膜に関して、抵抗率はほぼ６〜１０マイクロオームｃｍ程度である。このことは、酸化アルミニウムが約１２〜３０％（原子）の範囲内に存在するという事実に照らすと特に特筆に値する。アルミニウム含有膜のグレインサイズは約４００〜約６００オングストローム（Å）である。
【００１８】
ヒロックがほとんど存在せず、抵抗率が低い（すなわち導電性が高い）ということの他に、得られたアルミニウム含有膜は粗さが小さく、残留応力が小さく、機械的強さが良好であるという（純粋アルミニウムと比較した簡単なひっかき硬度試験又はひっかき抵抗が高さを示す指標と考えられる低圧縮応力（約−５×１０ ７ 〜−１×１０ ８ Ｎ／ｍ ２ （約−５×１０ ８ 〜−１×１０ ９ ダイン／ｃｍ ２ ））により決定）、更なる望ましい性質を有する。アルミニウム含有膜の測定によって、アニール前後の粗さが純粋アルミニウムに比べて小さいことが示された（アニール前は約６００−１０００Å、アニール後は約４００−５５０Å）。粗さが小さいことにより応力の移動が防止され、応力によるボイドの発生が防止され、従ってヒロックの形成が防止される。その上、粗さが小さいことにより、他の薄膜との接触が良好となり、その後の処理工程の許容範囲が広がる。その理由は、膜の粗さが小さいと、その上に配置された膜の層における山や谷の変化が小さくなり、拡散反射率が小さくなってフォトリソグラフィーが容易となり、ＡＭＬＣＤｓの製造中にアルミニウムをクラッディングする必要がなく（粗アルミニウムは、電子工学的性能に影響を与える［すなわち、静電容量が高いか又は可変］電荷を補足する）、エッチングがより一様になる。
【００１９】
本発明のプロセスによって得られたアルミニウム含有膜の機械的強さは、従来のようにスパッタ蒸着されたアルミニウム及びその合金の薄膜よりも大きい。機械的強さが大きいと、得られたアルミニウム含有膜はエレクトロマイグレーション及び応力によって生じるボイドの両方に対して抵抗性を有する。
【００２０】
このような性質の組合せは、アルミニウム及び現在知られているアルミニウム合金の薄膜の組合せよりもすぐれている。このような性質により、本発明のアルミニウム含有膜は電子デバイスの接続に好適となる。このような性質は光学、電子工学、保護コーティング、及び装飾的用途に関する薄膜にも望ましい。
【００２１】
本明細書は、本発明とみなすものを示すと共に明確に請求する、特許請求の範囲で締めくくられているが、本発明の利点は、添付の図面と共に以下の発明の説明を読めばより容易に確認されるであろう。
【００２２】
発明を実施するための最良の形態
本発明の方法は、好ましくは、以下のプロセスパラメータの範囲内で従来のマグネトロンスパッタ蒸着を利用することに関する。
【００２３】
【００２４】
マグネトロンスパッタ蒸着の操作には、概して、陰極（この場合アルミニウムターゲット）と陽極（基板）との間に直流電力を与えて、プラズマを形成する方法が含まれる。チャンバは上述の圧力範囲内と、適切なアルゴンガス及び水素ガスの混合範囲内とに保たれる。この方法によって得られたアルミニウム含有膜は微量の酸素〜約１２％の酸素（原子）を酸化アルミニウム（Ａｌ ２ Ｏ ３ ）の形で含有し、その残りはアルミニウムである。
【００２５】
主なヒロック防止機構はシステム内に水素が存在することであると考えられている。その理由は、酸素が全く存在しない場合や酸素が実質的に存在しない（現在の装置及び技術によって測定不能な微量しか存在しない）場合でも、ヒロックが生じないアルミニウム含有膜が得られることが明らかにされたためである。また、膜中に酸素が存在することにより、アルミニウム含有膜が滑らかになる（粗さが小さい）とも考えられている。その理由は、粗さが一般に、膜中の酸素含量の増加に伴って減小するためである。
【００２６】
本発明のスパッタ蒸着システムは通常微量の酸素を有すると考えられる。この微量の酸素は、たとえアルミニウム膜中に存在する酸素が非常に少量で現在の分析装置では検出できなくても、水素の存在下でアルミニウム含有膜に導入される。この微量の酸素は２つの可能な原因に由来する。すなわち、チャンバの排気が不完全であるか、アルゴン又は水素ガス供給装置に微量の酸素が本来から混ざっているかの少なくともいずれかである。第１の原因である、チャンバの不完全な排気は、いかなる真空も完全な真空ではないという事実に起因する。システムには、浄化ガスであれ大気ガスであれ、真空排気がたとえ極端であっても、残留ガスも若干存在する。第２の原因は、微量ガスが本来から、本発明に使用するアルゴン及び水素を初めとする工業グレードのガスに混在することによる。使用するアルゴンガスに対する酸素不純物含量の内訳は１ｐｐであり、水素ガスは３ｐｐｍである。したがって、アルゴン及び水素をシステムに導入する流量が大きいと、微量酸素が多く存在するようになり、それがガス流から除去され、アルミニウム含有膜に組み込まれる。それゆえ、現在の装置では酸素が０．１％よりも少ない量しか存在しない場合、アルミニウム含量膜中の酸素含量を測定することはできないが、０．１％よりも少ない微量の酸素がアルミニウム含有膜に組み込まれ得る。
【００２７】
実施例１
半導体基板上にアルミニウム膜コーティングのコントロールサンプルを、アルミニウムターゲットからソーダ石灰ガラス基板上へアルミニウムを堆積させるＫｕｒｄｘ−ＤＣスパッタリングシステムを用いて、従来技術のプロセス（すなわち、水素ガスが存在しない）を例にして形成した。
【００２８】
基板をスパッタリングシステムのロードロックチャンバに装填し、０．６７Ｐａ（約５×１０ −３ トル）に排気した。ロードロックを開いて、メイン蒸着チャンバを約１０ −５ Ｐａ（約１０ −７ トル）まで排気した後、基板をスパッタリングプロセスのためにメイン蒸着チャンバ内へ移動した。排気を抑え、特定ガスをメイン蒸着チャンバ内に運搬した。コントロール蒸着において、アルゴンガスをスパッタリングプロセスに使用した。所定量のアルゴンガスをメイン蒸着チャンバに安定化させ（約５分）、約２キロワットの直流電力を陰極（この場合アルミニウムターゲット）及び陽極（基板）の間に加えて、上述のようにプラズマを形成した。約８〜１０分間で、プラズマの前部に基板を移動させ、約１８００オングストロームの厚さを有するアルミニウム含有膜を形成した。
【００２９】
表１に、スパッタリング装置の操作パラメータ及びこのプロセスによって形成されたアルミニウム膜の特性を表す。
【表１】
特性パラメータ及び性質の測定値は以下のように求めた。厚さ−Ｓｔｙｌｕｓ Ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ及び走査型電子顕微鏡、応力−レーザ走査を用いたＴｅｎｃｏｒ ＦＬＸ、粗さ−原子間力顕微鏡、抵抗率−二点プローブ、グレインサイズ−走査型電子顕微鏡、ヒロック密度−走査型電子顕微鏡。
【００３０】
図１は、アニール前のプロセスパラメータ下で製造したアルミニウム膜の表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図２は、アニール後のプロセスパラメータ下で製造したアルミニウム含有膜の表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図１及び図２は共に、アニール前後の実質的なヒロック形成（アルミニウム膜表面上の離散した突出部）を示す。
【００３１】
実施例２
半導体基板上のアルミニウム膜コーティングの２つのテストサンプル（テストサンプル１及びテストサンプル２）を本発明の方法を用いて形成した。また、これらの２つのテストサンプルは、アルミニウムターゲットをソーダ石灰ガラス基板上に配置するＫｕｒｄｅｘ−ＤＣスパッタリングシステムを用いても形成した。
【００３２】
スパッタリングシステムの操作手順は本質的には、メイン蒸着チャンバ内に排気したガスにアルゴンと水素が含まれているほかは、上述したようにコントロールサンプルと同様である。その上、蒸着中のメイン蒸着チャンバの圧力と、アルミニウム含有膜の厚さは、各テストサンプルに対するコントロールサンプル圧力から変化させた。
【００３３】
表２には、スパッタリング装置の操作パラメータと、本発明のプロセスによって形成した２つのアルミニウム膜の特性を示す。
【表２】
図３は、アニール前のテストサンプル１の表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図４は、アニール後のテストサンプル１の表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図５は、アニール前のテストサンプル２の表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図６は、アニール後のテストサンプル２の表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図３−６に見られるように、アニールを行っても行わなくても、いずれのサンプルにもヒロックは形成されなかった。
【００３４】
実施例３ 多くのアルミニウム含有膜をＡｒ／Ｈ ２ 比を変えて形成し、膜内の酸素含量に対して種々のシステム圧力を測定した。電力は２ＫＷに一定に保った。酸素含量をＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）により測定した。測定値の結果を表３に示す。
【００３５】
【表３】
サンプル３（Ａｒ／Ｈ２（ｓｃｃｍ）＝５０／９０、圧力＝１６９Ｐａ（１．２７ミリトル）に対するＸＰＳ深さ分布を図７に示す。図７は膜の深さの端から端までの酸素含量が平均で約３％（原子）であることを示す。
【００３６】
図８は４つのアルミニウム含有膜サンプルの粗さを示す。図８に一般に示すように、スパッタ蒸着チャンバに運搬される水素ガスの量が多ければ多いほど（すなわちＡｒ／Ｈ ２ 比−Ｘ軸が低いほど）、アルミニウム含有膜は滑らかである（すなわち粗さ−Ｙ軸が小さい）。グラフ中の「軽い揺れ」は実験誤差であるか又はシステムに導入されたアルゴン量の差違の結果であるか、又はサンプル３に対するシステム圧の相違によるものであることに注意する。
【００３７】
本発明の別法には、好ましくは、以下のプロセスパラメータの範囲内で従来のマグネトロンスパッタ蒸着チャンバを利用することも含まれる。
【００３８】
【００３９】
マグネトロンスパッタ蒸着チャンバの操作には、一般に、陰極（この場合アルミニウムターゲット）と陽極（基板）との間に直流電圧を与えてプラズマを形成する工程が含まれる。チャンバは上述の圧力の範囲に保たれ、適切なアルゴンガス、水素ガス、及び酸素ガスの混合気がチャンバに運搬される。この方法により得られるアルミニウム含有膜は酸化アルミニウム（Ａｌ ２ Ｏ ３ ）の形で約１２〜約３０％（原子）の酸素を有し、その残りはアルミニウムである。
【００４０】
実施例４
半導体基板上のアルミニウム膜コーティングの２つのテストサンプル（テストサンプル１及びテストサンプル２）を本発明の方法を用いて形成した。また、これらの２つのテストサンプルは、アルミニウムターゲットをソーダ石灰ガラス基板上に配置するＫｕｒｄｅｘ−ＤＣスパッタリングシステムを用いても形成した。
【００４１】
スパッタリングシステムの操作手順は本質的には、メイン蒸着チャンバ内に排気したガスにアルゴン、水素、及び酸素が含まれているほかは、上述したようにコントロールサンプルと同様である。その上、蒸着中のメイン蒸着チャンバの圧力と、アルミニウム含有膜の厚さは、各テストサンプルに対するコントロールサンプル圧力から変化させた。
【００４２】
表４には、スパッタリング装置の操作パラメータと、本発明のプロセスによって形成した２つのアルミニウム膜の特性を示す。
【表４】
図９は、アニール前のテストサンプル１の表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図１０は、アニール後のテストサンプル１の表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図１１は、アニール前のテストサンプル２の表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図１２は、アニール後のテストサンプル２の表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図９−１２に見られるように、アニールを行っても行わなくても、いずれのサンプルにもヒロックは形成されなかった。
【００４３】
実施例５ 多くのアルミニウム含有膜をＡｒ／Ｈ ２ 比を変えて形成し、膜内の酸素含量に対して種々のシステム圧力を測定した。酸素ガス流量は約２ｓｃｃｍに一定に保ち、電力は２ＫＷに一定に保った。酸素含量をＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）により測定した。測定値の結果を表５に示す。
【００４４】
【表５】
サンプル４（Ａｒ／Ｈ２（ｓｃｃｍ）＝２５／５０、圧力＝８０．０Ｐａ（０．６０ミリトル）に対するＸＰＳ深さ分布を図１３に示す。図１３は膜の深さの端から端までの酸素含量が平均で約２５〜３０％（原子）まで変化することを示す。
【００４５】
図１４は５つのアルミニウム含有膜サンプルの粗さを示す。図１４に示すように、スパッタ蒸着チャンバに運搬される水素ガスの量が多ければ多いほど（すなわちＡｒ／Ｈ ２ 比−Ｘ軸が低いほど）、アルミニウム含有膜は滑らかである（すなわち粗さ−Ｙ軸が小さい）。
【００４６】
図１５は本発明の方法により製造されたアルミニウム含有膜より形成され得るゲート電極及びソース／ドレイン電極を利用した、薄膜トランジスタ１２０を示す。薄膜トランジスタ１２０は、上部に本発明の方法により製造され得るアルミニウム含有ゲート電極１２４を備えた、基板１２２を有する。アルミニウム含有ゲート電極１２４は絶縁層１２６により被覆されている。チャネル１２８は絶縁層１２６上に、アルミニウム含有ゲート電極１２４をおおって形成され、チャネル１２８の上部にはエッチストップ１３０及びコンタクト１３２が形成される。本発明の方法により製造され得るアルミニウム含有ソース／ドレイン電極１３４は、コンタクト１３２及び絶縁層１２６の上部に形成され、ピクチャセル電極１３６と接触する。アルミニウム含有ソース／ドレイン電極１３４は保護絶縁層１３８によって被覆され、ピクチャセル電極１３６は保護絶縁層１３８によって部分的に被覆される。
【００４７】
図１６は、本発明の方法により製造されたアルミニウム含有膜から形成した列バス１５２及び行バス１５４を利用した、標準的なアクティブマトリックス液晶表示装置のレイアウト１５０の略図である。列バス１５２及び行バス１５４はピクセル領域１５６と電気接続して、アクティブマトリックス液晶表示装置のレイアウト１５０を形成する。
【００４８】
本発明の好ましい実施形態についてこのように詳細に述べてきたが、言うまでもなく、添付の請求の範囲により定義される本発明は、上記の説明に述べた特定の詳細に限定されるわけではなく、本発明の精神及び範囲より逸脱することなく多くの明白な変更を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 アニール前の従来技術の方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図２】 アニール後の従来技術の方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図３】 アニール前の本発明の第１方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図４】 アニール後の本発明の第１方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図５】 アニール前の本発明の第１方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図６】 アニール後の本発明の第１方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図７】 本発明の第１方法によって製造されたアルミニウム含有膜の深さの端から端までの酸素含量を示すＸ線光電子分光のグラフ。
【図８】 本発明の第１方法の変形によって形成された種々のアルミニウム含有膜の粗さの測定値（原子間力顕微鏡による）を示すグラフ。
【図９】 アニール前の本発明の別法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図１０】 アニール後の本発明の別法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図１１】 アニール前の本発明の第２方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図１２】 アニール後の本発明の第２方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図１３】 本発明の第２方法によって製造されたアルミニウム含有膜の深さの端から端までの酸素含量を示すＸ線光電子分光のグラフ。
【図１４】 本発明の第２方法の変形によって形成された種々のアルミニウム含有膜の粗さの測定値（原子間力顕微鏡による）を示すグラフ。
【図１５】 本発明の方法により製造されたアルミニウム含有膜から形成したゲート電極及びソース／ドレイン電極を利用した、薄膜トランジスタを示す側断面図。
【図１６】 本発明の方法により製造されたアルミニウム含有膜から形成した列バス及び行バスを利用した、標準的なアクティブマトリックス液晶表示装置のレイアウトを示す略図。
【図１７】 ヒロック形成により生じた平面内短絡を示す側断面図。
技術分野
本発明は概してシリコンウェハを初めとする半導体基板上へのアルミニウム含有膜のスパッタ蒸着法に関する。より詳しくは本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金の蒸着の間に、アルゴンと共に水素ガスを使用するか、アルゴンと共に水素ガスと酸素ガスとの混合気を使用するかして、ヒロック形成に抵抗性のアルミニウム含有膜を形成する方法に関する。
【０００２】
背景技術
薄膜構造は、集積回路（「ＩＣｓ」）及びアクティブマトリックス液晶表示装置（「ＡＭＬＣＤｓ」）に使用される回路の構成要素の中でも、顕著なものとなりつつある。薄膜構造を利用する多くの用途において、そのような構造内に存在する金属ライン（ゲートラインとデータライン）の抵抗が低いことは、性能を高めるために重要である。例えばＡＭＬＣＤｓに関して、金属ラインの抵抗が低いと、ＲＣ遅延が最小となるため、スクリーンの再生速度が速くなる。クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）を初めとする高融点金属の抵抗は、高性能のＡＭＬＣＤｓ又はＩＣｓに利用するには高すぎる。その上、高融点金属は非高融点金属よりも価格が高い。低い抵抗性と価格の観点からすれば、アルミニウム（Ａｌ）が望ましい金属である。さらに、アルミニウムはその外表面上に、アルミニウムを周囲の攻撃から保護する酸化膜を形成し、シリコン及びシリコン化合物に良好に付着するため都合がよい。
【０００３】
アルミニウム膜はたいていスパッタ蒸着を利用して半導体基板に施される。スパッタ蒸着は一般に真空チャンバ内で行われ、同チャンバ内にはアルミニウムを初めとする所望の膜材料の固体スラブ（「ターゲット」と称される）が据え付けられ、基板が配置される。アルゴンガスが真空チャンバ内に導入され、ターゲットと基板との間に電界を印加し、プラズマを発生させる。プラズマにおいて、ガスはその電荷及び印加された電界に従ってイオン化されると共に、ターゲットに向かって加速される。アルゴン原子はターゲットに向かって加速するため、ターゲットと衝突した際にターゲット表面から原子及び／又は分子を打ち払う又は「放出させる」のに十分な運動量を得る。原子及び／又は分子をターゲットから放出させた後、アルゴンイオン、放出された原子／分子、アルゴン原子、及びスパッタプロセスにより生じた電子は、半導体基板上で停止する前に、ターゲットの前でプラズマ領域を形成する。半導体基板は通常、真空チャンバ内でターゲットの下かターゲットと平行に配置される。しかしながら、放出された原子及び／又は分子は、プラズマ領域の形成に寄与することなく真空チャンバ内で散乱し、従って半導体基板上に蒸着しないこともある。この問題は、ターゲットの後部及び周囲に磁石を利用する「マグネトロンスパッタリングシステム」を用いて少なくとも部分的に解決される。このような磁石により、放出された物質がプラズマ領域に閉じ込められる。このマグネトロンスパッタリングシステムは、他のスパッタリングシステムよりも、真空チャンバ内で必要とされる圧力が低いという利点も有する。真空チャンバ内が低圧であると、蒸着させた膜がより滑らかになる。マグネトロンスパッタリングシステムによれば、ターゲットを低温にでき、アルミニウム及びアルミニウム合金を初めとする低融点材料のスパッタリングが助長される。
【０００４】
アルミニウム膜は薄膜構造に使用するのに大きな利点を有するが、アルミニウムには「ヒロック」と呼ばれる欠陥を形成するという望ましくない傾向がある。ヒロックは、金属膜にかかる圧縮応力の状態に応じて発生し、結果的に金属膜表面から突出する突出部である。
【０００５】
アルミニウム薄膜においてヒロックがとりわけ重大な問題である理由は、２つ存在する。第１にアルミニウムの熱膨張係数（約２３．５×１０ −６ ／℃）は典型的なシリコン半導体基板の熱膨張係数（約２．５×１０ −６ ／℃）のほぼ１０倍である。半導体装置の異なる段階のプロセスの間半導体基板を加熱すると、半導体基板に強く付着したアルミニウム薄膜は、半導体基板の拡張によって許容される以上に拡張しようとする。アルミニウム膜が膨張できないと、膨張応力を緩和するためにヒロックが形成される。第２の要因は、アルミニウムの融点（約６６０℃）が低く、従ってアルミニウム膜の空格子拡散速度が大きいことに関する。ヒロックの成長は空格子拡散機構の結果として起こる。空格子拡散は膨張応力により生じる空格子濃度勾配の結果として起こる。更に、アルミニウムの拡散速度は温度上昇に伴って非常に急速に増大する。したがって、ヒロック成長は、アルミニウムグレインを通るヒロック部位とグレインの境界線に沿ったヒロック部位の両方から離れた空格子拡散プロセスによる、アルミニウム膜における圧縮応力を緩和する機構として説明することが可能である。この機構によりしばしば抵抗が上がり、開回路が生じうる。
【０００６】
膜構造の製造におけるヒロックに関連する問題は、多平面の薄膜構造に起こる。このような構造では、上に重なっている金属ラインを分離する誘電体層をヒロックが貫通するか、又はヒロックにより誘導体層に孔が開いた場合、ヒロックによる平面内短絡が起こる。この平面内短絡により、ＩＣまたはＡＭＬＣＤが破損する可能性がある。このような短絡が起こった構造を図１７に示す。
【０００７】
図１７は薄膜構造２００内のヒロック２０２を示す。薄膜構造２００は、パターン化アルミニウム層２０６が上部に配置されたシリコンウェハを初めとする半導体基板２０４を有する。二酸化ケイ素又は窒化ケイ素の層を初めとする下部誘電体層２０８は半導体基板２０４及びパターン化アルミニウム層２０６の上に配置される。下部誘電体層２０８は、パターン化アルミニウム層２０６と、下部誘電体層２０８上に配置された活性層２１０との間の絶縁層として機能する。金属ライン２１２は活性層２１０上にパターン形成され、上部誘電体層２１４が金属ライン２１２及び活性層２１０の上に配置される。ヒロック２０２は下部誘電体層２０８及び活性層２１０を貫通するように示され、金属ライン２１２について短絡させる。
【０００８】
ヒロック形成の問題を解消するために、タンタル、コバルト、ニッケル等を初めとする、アルミニウムの溶解性を制限する元素の添加（これは、ヒロック形成を減小させるだけで、除去はできない）、アルミニウムの上部又は下部へのタングステン層又はチタン層の堆積（これには、更なる処理工程が必要とされる）、１以上のチタン層によるアルミニウム膜の積層（これにより膜の抵抗率が増大する）、アルミニウムではなく、タングステン又はモリブデンを初めとするヒロック抵抗性高融点金属膜の利用（上述のように、これらの高融点金属は費用効果の点で劣り、高性能ＩＣｓ及びＡＭＬＣＤｓに使用するには抵抗率が高すぎる）を含めて、多くの技術が試行された。
【０００９】
特にＡＭＬＣＤｓに関して、より詳しくは薄膜トランジスタ液晶表示装置（「ＴＦＴ−ＬＣＤｓ」）に関して、消費者は大きなスクリーン、高い解像度、及び高いコントラストを必要としている。ＴＦＴ−ＬＣＤｓはこのような消費者の要求に応じて開発されたので、金属ラインの抵抗率が低く、ヒロック形成に対する抵抗が大きいことは重要になっている。
【００１０】
それゆえ、安価で商業的に利用可能な広く実施されている半導体装置製造技術及び装置を用いて、複雑な処理工程を必要とせずに、ヒロック形成に抵抗するアルミニウム含有物質や、ヒロックが概ね存在しないアルミニウム含有膜の膜を半導体基板上に形成する技術を創り出すことは有効であろう。
【００１１】
発明の開示
本発明は、半導体基板上にアルミニウム又はアルミニウム合金をスパッタ蒸着する間に、水素ガス又は水素ガスと酸素ガスとの混合気を、アルゴンガスと共にスパッタ蒸着真空チャンバ内に導入する方法と、それによって得られるアルミニウム含有膜とに関する。半導体基板には、ガラス、石英、酸化アルミニウム、シリコン、酸化物、プラスチック等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。
【００１２】
本発明の第１の方法は、標準的なスパッタ蒸着チャンバを用いて、好ましくはマグネトロンスパッタ蒸着チャンバを用いて、約１〜約４キロワットまでの出力レベルの直流電力を陰極（この場合アルミニウムターゲット）及び陽極（平面パネル表示装置基板−すなわちソーダ石灰ガラス）の間に加えてプラズマを形成する（チャンバを真空に排気した後で）方法に関する。チャンバは、チャンバに流れ込む適当量のアルゴンガス及び水素ガスにより、約０．１３〜約０．３３Ｐａ（約１．０〜約２．５ミリトル）の圧力に保たれる。アルゴンガスは好ましくは約５０〜約９０標準立方センチメートル毎分（「ｓｃｃｍ」）の速度で与えられる。水素ガスは約９０〜約６００ｓｃｃｍの速度で与えられることが好ましい。アルゴンガス対水素ガスの比は約１：１〜約１：６であることが好ましい。水素／アルゴン比が高い膜ほど滑らかなテクスチャを示す。蒸着プロセスは室温で行われる（すなわち約２２℃）。
【００１３】
この方法によって得られるアルミニウム含有膜は、酸化アルミニウム（Ａｌ ２ Ｏ ３ ）として約１〜５％酸素（原子）の平均酸素含量を有し、残りがアルミニウムである。記載したプロセスパラメータ下で形成したアルミニウム含有膜は、純粋アルミニウム金属と同様ではあるがわずかに濃い色を示す。
【００１４】
本発明の第２の方法は、標準的なスパッタ蒸着チャンバを用いて、好ましくはマグネトロンスパッタ蒸着チャンバを用いて、約１〜約４キロワットまでの出力レベルの直流電力を陰極（この場合アルミニウムターゲット）及び陽極（平面パネル表示装置基板−すなわちソーダ石灰ガラス）の間に加えてプラズマを形成する（チャンバを真空に排気した後で）方法に関する。チャンバは、チャンバに流れ込む適当量のアルゴンガス、水素ガス、及び酸素ガスにより、約０．０７〜約０．３３Ｐａ（約０．５〜約２．５ミリトル）の圧力に保たれる。アルゴンガスは好ましくは約２５〜約９０標準立方センチメートル毎分（「ｓｃｃｍ」）の速度で与えられる。水素ガスは約５０〜約４００ｓｃｃｍの速度で与えられることが好ましい。酸素ガスは約０．２５〜約２ｓｃｃｍの速度で与えられることが好ましい（好ましくは大気流で）。アルゴンガス対水素ガスの比は約１：１〜約１：６であることが好ましい。水素／アルゴン比が高い膜ほど滑らかなテクスチャを示す。蒸着プロセスは室温で行われる（すなわち約２２℃）。
【００１５】
この方法によって得られるアルミニウム含有膜は、酸化アルミニウム（Ａｌ ２ Ｏ ３ ）として約１２〜３０％酸素（原子）の平均酸素含量を有し、残りがアルミニウムである。アルミニウム含有膜は記載したプロセスパラメータ下で形成した場合に黄橙色を示す。
【００１６】
これら両方法によって得られるアルミニウム含有膜の顕著な特徴は、熱応力を受けた後でさえヒロックが生じないことである。これらのアルミニウム含有膜を形成する正確な機構及び／又は化学的機構については完全には理解されていないが、水素ガスが酸素をアルミニウム含有膜へと運搬する触媒のように機能すると思われる。第１の方法に関して、酸素ガスは真空チャンバを排気した後で残っている真空チャンバ内の残留空気に由来するものである。第２の方法に関して、酸素ガスは当然、蒸着中に導入される。残留酸素ガス量又は真空チャンバ内に導入される酸素ガスの流量は、アルゴンガス及び水素ガスの流量と比較して小さいが、蒸着させたアルミニウム含有膜に存在する酸素の割合は比較的大きい。発明者らによる実験において、酸素ガスを同様な流量で真空チャンバに導入し、水素ガスは導入しなかった（すなわち、酸素ガスとアルゴンのみを導入した）。基板上に蒸着された、得られた膜は、測定可能量（Ｘ線光電子分光による）の酸素の割合を含有しなかった。
【００１７】
上述のように酸素は、酸化アルミニウムの形でアルミニウム含有蒸着膜に存在する。しかしながら、酸化アルミニウムは絶縁体である。非常に低い抵抗を必要とする膜中に絶縁化合物（膜の抵抗を増加する）が生じることは、直感に反する。しかしながら、酸化アルミニウムの形成は、アルミニウム含有膜内のアルミニウムグレインの導電マトリックスに干渉しないことが見出された。したがって、アルミニウム含有膜の抵抗率は驚くほどに低い。実際、第２の方法で形成されたアルミニウム含有膜に関して、抵抗率はほぼ６〜１０マイクロオームｃｍ程度である。このことは、酸化アルミニウムが約１２〜３０％（原子）の範囲内に存在するという事実に照らすと特に特筆に値する。アルミニウム含有膜のグレインサイズは約４００〜約６００オングストローム（Å）である。
【００１８】
ヒロックがほとんど存在せず、抵抗率が低い（すなわち導電性が高い）ということの他に、得られたアルミニウム含有膜は粗さが小さく、残留応力が小さく、機械的強さが良好であるという（純粋アルミニウムと比較した簡単なひっかき硬度試験又はひっかき抵抗が高さを示す指標と考えられる低圧縮応力（約−５×１０ ７ 〜−１×１０ ８ Ｎ／ｍ ２ （約−５×１０ ８ 〜−１×１０ ９ ダイン／ｃｍ ２ ））により決定）、更なる望ましい性質を有する。アルミニウム含有膜の測定によって、アニール前後の粗さが純粋アルミニウムに比べて小さいことが示された（アニール前は約６００−１０００Å、アニール後は約４００−５５０Å）。粗さが小さいことにより応力の移動が防止され、応力によるボイドの発生が防止され、従ってヒロックの形成が防止される。その上、粗さが小さいことにより、他の薄膜との接触が良好となり、その後の処理工程の許容範囲が広がる。その理由は、膜の粗さが小さいと、その上に配置された膜の層における山や谷の変化が小さくなり、拡散反射率が小さくなってフォトリソグラフィーが容易となり、ＡＭＬＣＤｓの製造中にアルミニウムをクラッディングする必要がなく（粗アルミニウムは、電子工学的性能に影響を与える［すなわち、静電容量が高いか又は可変］電荷を補足する）、エッチングがより一様になる。
【００１９】
本発明のプロセスによって得られたアルミニウム含有膜の機械的強さは、従来のようにスパッタ蒸着されたアルミニウム及びその合金の薄膜よりも大きい。機械的強さが大きいと、得られたアルミニウム含有膜はエレクトロマイグレーション及び応力によって生じるボイドの両方に対して抵抗性を有する。
【００２０】
このような性質の組合せは、アルミニウム及び現在知られているアルミニウム合金の薄膜の組合せよりもすぐれている。このような性質により、本発明のアルミニウム含有膜は電子デバイスの接続に好適となる。このような性質は光学、電子工学、保護コーティング、及び装飾的用途に関する薄膜にも望ましい。
【００２１】
本明細書は、本発明とみなすものを示すと共に明確に請求する、特許請求の範囲で締めくくられているが、本発明の利点は、添付の図面と共に以下の発明の説明を読めばより容易に確認されるであろう。
【００２２】
発明を実施するための最良の形態
本発明の方法は、好ましくは、以下のプロセスパラメータの範囲内で従来のマグネトロンスパッタ蒸着を利用することに関する。
【００２３】
マグネトロンスパッタ蒸着の操作には、概して、陰極（この場合アルミニウムターゲット）と陽極（基板）との間に直流電力を与えて、プラズマを形成する方法が含まれる。チャンバは上述の圧力範囲内と、適切なアルゴンガス及び水素ガスの混合範囲内とに保たれる。この方法によって得られたアルミニウム含有膜は微量の酸素〜約１２％の酸素（原子）を酸化アルミニウム（Ａｌ ２ Ｏ ３ ）の形で含有し、その残りはアルミニウムである。
【００２５】
主なヒロック防止機構はシステム内に水素が存在することであると考えられている。その理由は、酸素が全く存在しない場合や酸素が実質的に存在しない（現在の装置及び技術によって測定不能な微量しか存在しない）場合でも、ヒロックが生じないアルミニウム含有膜が得られることが明らかにされたためである。また、膜中に酸素が存在することにより、アルミニウム含有膜が滑らかになる（粗さが小さい）とも考えられている。その理由は、粗さが一般に、膜中の酸素含量の増加に伴って減小するためである。
【００２６】
本発明のスパッタ蒸着システムは通常微量の酸素を有すると考えられる。この微量の酸素は、たとえアルミニウム膜中に存在する酸素が非常に少量で現在の分析装置では検出できなくても、水素の存在下でアルミニウム含有膜に導入される。この微量の酸素は２つの可能な原因に由来する。すなわち、チャンバの排気が不完全であるか、アルゴン又は水素ガス供給装置に微量の酸素が本来から混ざっているかの少なくともいずれかである。第１の原因である、チャンバの不完全な排気は、いかなる真空も完全な真空ではないという事実に起因する。システムには、浄化ガスであれ大気ガスであれ、真空排気がたとえ極端であっても、残留ガスも若干存在する。第２の原因は、微量ガスが本来から、本発明に使用するアルゴン及び水素を初めとする工業グレードのガスに混在することによる。使用するアルゴンガスに対する酸素不純物含量の内訳は１ｐｐであり、水素ガスは３ｐｐｍである。したがって、アルゴン及び水素をシステムに導入する流量が大きいと、微量酸素が多く存在するようになり、それがガス流から除去され、アルミニウム含有膜に組み込まれる。それゆえ、現在の装置では酸素が０．１％よりも少ない量しか存在しない場合、アルミニウム含量膜中の酸素含量を測定することはできないが、０．１％よりも少ない微量の酸素がアルミニウム含有膜に組み込まれ得る。
【００２７】
実施例１
半導体基板上にアルミニウム膜コーティングのコントロールサンプルを、アルミニウムターゲットからソーダ石灰ガラス基板上へアルミニウムを堆積させるＫｕｒｄｘ−ＤＣスパッタリングシステムを用いて、従来技術のプロセス（すなわち、水素ガスが存在しない）を例にして形成した。
【００２８】
基板をスパッタリングシステムのロードロックチャンバに装填し、０．６７Ｐａ（約５×１０ −３ トル）に排気した。ロードロックを開いて、メイン蒸着チャンバを約１０ −５ Ｐａ（約１０ −７ トル）まで排気した後、基板をスパッタリングプロセスのためにメイン蒸着チャンバ内へ移動した。排気を抑え、特定ガスをメイン蒸着チャンバ内に運搬した。コントロール蒸着において、アルゴンガスをスパッタリングプロセスに使用した。所定量のアルゴンガスをメイン蒸着チャンバに安定化させ（約５分）、約２キロワットの直流電力を陰極（この場合アルミニウムターゲット）及び陽極（基板）の間に加えて、上述のようにプラズマを形成した。約８〜１０分間で、プラズマの前部に基板を移動させ、約１８００オングストロームの厚さを有するアルミニウム含有膜を形成した。
【００２９】
表１に、スパッタリング装置の操作パラメータ及びこのプロセスによって形成されたアルミニウム膜の特性を表す。
【表１】
【００３０】
図１は、アニール前のプロセスパラメータ下で製造したアルミニウム膜の表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図２は、アニール後のプロセスパラメータ下で製造したアルミニウム含有膜の表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図１及び図２は共に、アニール前後の実質的なヒロック形成（アルミニウム膜表面上の離散した突出部）を示す。
【００３１】
実施例２
半導体基板上のアルミニウム膜コーティングの２つのテストサンプル（テストサンプル１及びテストサンプル２）を本発明の方法を用いて形成した。また、これらの２つのテストサンプルは、アルミニウムターゲットをソーダ石灰ガラス基板上に配置するＫｕｒｄｅｘ−ＤＣスパッタリングシステムを用いても形成した。
【００３２】
スパッタリングシステムの操作手順は本質的には、メイン蒸着チャンバ内に排気したガスにアルゴンと水素が含まれているほかは、上述したようにコントロールサンプルと同様である。その上、蒸着中のメイン蒸着チャンバの圧力と、アルミニウム含有膜の厚さは、各テストサンプルに対するコントロールサンプル圧力から変化させた。
【００３３】
表２には、スパッタリング装置の操作パラメータと、本発明のプロセスによって形成した２つのアルミニウム膜の特性を示す。
【表２】
【００３４】
実施例３ 多くのアルミニウム含有膜をＡｒ／Ｈ ２ 比を変えて形成し、膜内の酸素含量に対して種々のシステム圧力を測定した。電力は２ＫＷに一定に保った。酸素含量をＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）により測定した。測定値の結果を表３に示す。
【００３５】
【表３】
【００３６】
図８は４つのアルミニウム含有膜サンプルの粗さを示す。図８に一般に示すように、スパッタ蒸着チャンバに運搬される水素ガスの量が多ければ多いほど（すなわちＡｒ／Ｈ ２ 比−Ｘ軸が低いほど）、アルミニウム含有膜は滑らかである（すなわち粗さ−Ｙ軸が小さい）。グラフ中の「軽い揺れ」は実験誤差であるか又はシステムに導入されたアルゴン量の差違の結果であるか、又はサンプル３に対するシステム圧の相違によるものであることに注意する。
【００３７】
本発明の別法には、好ましくは、以下のプロセスパラメータの範囲内で従来のマグネトロンスパッタ蒸着チャンバを利用することも含まれる。
【００３８】
マグネトロンスパッタ蒸着チャンバの操作には、一般に、陰極（この場合アルミニウムターゲット）と陽極（基板）との間に直流電圧を与えてプラズマを形成する工程が含まれる。チャンバは上述の圧力の範囲に保たれ、適切なアルゴンガス、水素ガス、及び酸素ガスの混合気がチャンバに運搬される。この方法により得られるアルミニウム含有膜は酸化アルミニウム（Ａｌ ２ Ｏ ３ ）の形で約１２〜約３０％（原子）の酸素を有し、その残りはアルミニウムである。
【００４０】
実施例４
半導体基板上のアルミニウム膜コーティングの２つのテストサンプル（テストサンプル１及びテストサンプル２）を本発明の方法を用いて形成した。また、これらの２つのテストサンプルは、アルミニウムターゲットをソーダ石灰ガラス基板上に配置するＫｕｒｄｅｘ−ＤＣスパッタリングシステムを用いても形成した。
【００４１】
スパッタリングシステムの操作手順は本質的には、メイン蒸着チャンバ内に排気したガスにアルゴン、水素、及び酸素が含まれているほかは、上述したようにコントロールサンプルと同様である。その上、蒸着中のメイン蒸着チャンバの圧力と、アルミニウム含有膜の厚さは、各テストサンプルに対するコントロールサンプル圧力から変化させた。
【００４２】
表４には、スパッタリング装置の操作パラメータと、本発明のプロセスによって形成した２つのアルミニウム膜の特性を示す。
【表４】
【００４３】
実施例５ 多くのアルミニウム含有膜をＡｒ／Ｈ ２ 比を変えて形成し、膜内の酸素含量に対して種々のシステム圧力を測定した。酸素ガス流量は約２ｓｃｃｍに一定に保ち、電力は２ＫＷに一定に保った。酸素含量をＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）により測定した。測定値の結果を表５に示す。
【００４４】
【表５】
【００４５】
図１４は５つのアルミニウム含有膜サンプルの粗さを示す。図１４に示すように、スパッタ蒸着チャンバに運搬される水素ガスの量が多ければ多いほど（すなわちＡｒ／Ｈ ２ 比−Ｘ軸が低いほど）、アルミニウム含有膜は滑らかである（すなわち粗さ−Ｙ軸が小さい）。
【００４６】
図１５は本発明の方法により製造されたアルミニウム含有膜より形成され得るゲート電極及びソース／ドレイン電極を利用した、薄膜トランジスタ１２０を示す。薄膜トランジスタ１２０は、上部に本発明の方法により製造され得るアルミニウム含有ゲート電極１２４を備えた、基板１２２を有する。アルミニウム含有ゲート電極１２４は絶縁層１２６により被覆されている。チャネル１２８は絶縁層１２６上に、アルミニウム含有ゲート電極１２４をおおって形成され、チャネル１２８の上部にはエッチストップ１３０及びコンタクト１３２が形成される。本発明の方法により製造され得るアルミニウム含有ソース／ドレイン電極１３４は、コンタクト１３２及び絶縁層１２６の上部に形成され、ピクチャセル電極１３６と接触する。アルミニウム含有ソース／ドレイン電極１３４は保護絶縁層１３８によって被覆され、ピクチャセル電極１３６は保護絶縁層１３８によって部分的に被覆される。
【００４７】
図１６は、本発明の方法により製造されたアルミニウム含有膜から形成した列バス１５２及び行バス１５４を利用した、標準的なアクティブマトリックス液晶表示装置のレイアウト１５０の略図である。列バス１５２及び行バス１５４はピクセル領域１５６と電気接続して、アクティブマトリックス液晶表示装置のレイアウト１５０を形成する。
【００４８】
本発明の好ましい実施形態についてこのように詳細に述べてきたが、言うまでもなく、添付の請求の範囲により定義される本発明は、上記の説明に述べた特定の詳細に限定されるわけではなく、本発明の精神及び範囲より逸脱することなく多くの明白な変更を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 アニール前の従来技術の方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図２】 アニール後の従来技術の方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図３】 アニール前の本発明の第１方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図４】 アニール後の本発明の第１方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図５】 アニール前の本発明の第１方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図６】 アニール後の本発明の第１方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図７】 本発明の第１方法によって製造されたアルミニウム含有膜の深さの端から端までの酸素含量を示すＸ線光電子分光のグラフ。
【図８】 本発明の第１方法の変形によって形成された種々のアルミニウム含有膜の粗さの測定値（原子間力顕微鏡による）を示すグラフ。
【図９】 アニール前の本発明の別法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図１０】 アニール後の本発明の別法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図１１】 アニール前の本発明の第２方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図１２】 アニール後の本発明の第２方法により製造されたアルミニウム薄膜の走査型電子顕微鏡写真。
【図１３】 本発明の第２方法によって製造されたアルミニウム含有膜の深さの端から端までの酸素含量を示すＸ線光電子分光のグラフ。
【図１４】 本発明の第２方法の変形によって形成された種々のアルミニウム含有膜の粗さの測定値（原子間力顕微鏡による）を示すグラフ。
【図１５】 本発明の方法により製造されたアルミニウム含有膜から形成したゲート電極及びソース／ドレイン電極を利用した、薄膜トランジスタを示す側断面図。
【図１６】 本発明の方法により製造されたアルミニウム含有膜から形成した列バス及び行バスを利用した、標準的なアクティブマトリックス液晶表示装置のレイアウトを示す略図。
【図１７】 ヒロック形成により生じた平面内短絡を示す側断面図。
Claims (33)
- 基板を真空蒸着チャンバ内に配置する工程であって、前記工程において真空蒸着チャンバはアルミニウム含有ターゲットを内部に備えることと、
前記真空蒸着チャンバを排気する工程と、
前記アルミニウム含有ターゲットと前記基板との間に電界を与える工程と、
アルゴンガス、水素ガス、及び酸素ガスを前記真空蒸着チャンバ内に導入する工程と、
０．１％（原子）〜３０％（原子）の酸素含量を有するアルミニウムのみからなる、ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜を形成する工程と
から成る、ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜の製造方法。 - 前記真空蒸着チャンバを０．０７Ｐａ〜０．３３Ｐａ（０．５ミリトル〜２．５ミリトル）の圧力に保つ工程を更に含む請求項１に記載の方法。
- 前記アルゴンガスが、２５標準立方センチメートル毎分〜９０標準立方センチメートル毎分の流量で前記真空蒸着チャンバ内に供給される請求項１に記載の方法。
- 前記水素ガスが、５０標準立方センチメートル毎分〜４００標準立方センチメートル毎分の流量で前記真空蒸着チャンバ内に供給される請求項１に記載の方法。
- 前記酸素ガスが、０．２５標準立方センチメートル毎分〜２標準立方センチメートル毎分の流量で前記真空蒸着チャンバ内に供給される請求項１に記載の方法。
- アルゴンガス対水素ガスの比が１：１〜１：６である請求項１に記載の方法。
- 前記アルミニウム含有ターゲットと前記基板との間に電界を与える工程が、前記アルミニウム含有ターゲットに一方の極性、前記基板に反対の極性の直流電力を与える工程から成る請求項１に記載の方法。
- 前記直流電力が１キロワット〜４キロワットである請求項１に記載の方法。
- ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜より形成された導電性の構成要素を１つ以上備えた半導体装置であって、前記ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜が、０．１％（原子）〜３０％（原子）の酸素含量を有するアルミニウムのみからなる、半導体装置。
- 前記ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜中の前記酸素含量が０．１％（原子）〜１２％（原子）である請求項９に記載の半導体装置。
- 前記ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜中の前記酸素含量が１２％（原子）〜３０％（原子）である請求項９に記載の半導体装置。
- 前記ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜が、水素ガスの存在下で基板上にアルミニウム含有金属をスパッタ蒸着する工程から成る方法によって形成される請求項９に記載の半導体装置。
- 前記ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜が、水素ガス及び酸素ガスの存在下で基板上にアルミニウム含有金属をスパッタ蒸着する工程から成る方法によって形成される請求項９に記載の半導体装置。
- ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜より形成された導電性の構成要素を１つ以上備えた半導体装置であって、前記ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜が、
基板を真空蒸着チャンバ内に配置する工程であって、前記工程において真空蒸着チャンバはアルミニウム含有ターゲットを内部に備えることと、
前記真空蒸着チャンバを排気する工程と、
前記アルミニウム含有ターゲットと前記基板との間に電界を与える工程と、
アルゴンガス、水素ガス、及び酸素ガスを前記真空蒸着チャンバ内に導入する工程と、
０．１％（原子）〜３０％（原子）の酸素含量を有するアルミニウムのみからなる、ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜を形成する工程と
から成る方法によって形成される半導体装置。 - 前記真空蒸着チャンバを０．０７Ｐａ〜０．３３Ｐａ（０．５ミリトル〜２．５ミリトル）の圧力に保つ工程を更に含む請求項１４に記載の半導体装置。
- 前記アルゴンガスが、２５標準立方センチメートル毎分〜９０標準立方センチメートル毎分の流量で前記真空蒸着チャンバ内に供給される請求項１４に記載の半導体装置。
- 前記水素ガスが、５０標準立方センチメートル毎分〜４００標準立方センチメートル毎分の流量で前記真空蒸着チャンバ内に供給される請求項１４に記載の半導体装置。
- 前記酸素ガスが、０．２５標準立方センチメートル毎分〜２標準立方センチメートル毎分の流量で前記真空蒸着チャンバ内に供給される請求項１４に記載の半導体装置。
- ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜より形成された導電性の構成要素を１つ以上備えた平面パネル表示装置であって、前記ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜が、０．１％（原子）〜３０％（原子）の酸素含量を有するアルミニウムのみからなる、平面パネル表示装置。
- 前記ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜中の前記酸素含量が０．１％（原子）〜１２％（原子）である請求項１９に記載の平面パネル表示装置。
- 前記ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜中の前記酸素含量が１２％（原子）〜３０％（原子）である請求項１９に記載の平面パネル表示装置。
- 前記ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜が、水素ガスの存在下で基板上にアルミニウム含有金属をスパッタ蒸着する工程から成る方法によって形成される請求項１９に記載の平面パネル表示装置。
- ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜より形成された導電性の構成要素を１つ以上備えた平面パネル表示装置であって、前記ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜が、
基板を真空蒸着チャンバ内に配置する工程であって、前記工程において真空蒸着チャンバはアルミニウム含有ターゲットを内部に備えることと、
前記真空蒸着チャンバを排気する工程と、
前記アルミニウム含有ターゲットと前記基板との間に電界を与える工程と、
アルゴンガス、水素ガス、及び酸素ガスを前記真空蒸着チャンバ内に導入する工程とから成る方法によって形成される平面パネル表示装置。 - 前記真空蒸着チャンバを０．０７Ｐａ〜０．３３Ｐａ（０．５ミリトル〜２．５ミリトル）の圧力に保つ工程を更に含む請求項２３に記載の平面パネル表示装置。
- 前記アルゴンガスが、２５標準立方センチメートル毎分〜９０標準立方センチメートル毎分の流量で前記真空蒸着チャンバ内に供給される請求項２３に記載の平面パネル表示装置。
- 前記水素ガスが、５０標準立方センチメートル毎分〜４００標準立方センチメートル毎分の流量で前記真空蒸着チャンバ内に供給される請求項２３に記載の平面パネル表示装置。
- 前記酸素ガスが、０．２５標準立方センチメートル毎分〜２標準立方センチメートル毎分の流量で前記真空蒸着チャンバ内に供給される請求項２３に記載の平面パネル表示装置。
- ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜より形成された導電性の構成要素を１つ以上備えた平面パネル表示装置であって、前記ヒロックが存在しないアルミニウム膜が、１２％（原子）〜３０％（原子）の酸素含量を有するアルミニウムのみから成る、平面パネル表示装置。
- 前記ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜が、水素ガス及び酸素ガスの存在下で基板上にアルミニウム金属をスパッタ蒸着する工程から成る方法によって形成される請求項２８に記載の平面パネル表示装置。
- 前記ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜が、水素ガス及び酸素ガスの存在下で基板上にアルミニウム含有金属をスパッタ蒸着する工程から成る方法によって形成される請求項２８に記載の平面パネル表示装置。
- ２０％（原子）〜３０％（原子）（ただし、２０％を除く）の酸素含量を有するアルミニウムのみからなる、ヒロックが存在しないアルミニウム含有膜。
- 前記膜中の前記酸素含量が２０％（原子）〜３０％（原子）である、請求項１に記載のヒロックが存在しないアルミニウム含有膜の製造方法。
- 前記膜中の前記酸素含量が２０％（原子）〜３０％（原子）である、請求項９又は１４に記載の半導体装置。
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