JP3986178B2

JP3986178B2 - Ａｌ薄膜形成方法

Info

Publication number: JP3986178B2
Application number: JP29124698A
Authority: JP
Inventors: 暁石橋; 淳也清田; 新井　　真; 功杉浦; 肇中村; 隆英堀; 志銘林; 賀文太田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: JP2000124155A

Description

【０００１】
【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を低減させる技術に関する。
【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。
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。
【０００４】
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発生を防止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、Ａｌ薄膜配線を構成する結晶粒が酸化されている場合に、結晶粒の粒径が小さくなり、また、配向性が不均一になることを見出した。従って、結晶粒の酸化を防止すれば、ヒロック発生を防止できることになる。
【００１２】
特に、スパッタの場合は、酸素や水などの酸化性ガスがスパッタ雰囲気内に存在すると、Ａｌ薄膜の結晶粒表面に酸化膜が形成されてしまい、結晶粒の成長が妨げられ、また、配向性も不均一になると考えられる。
【００１３】
本発明は、上記知見に基いて創作されたものであり、Ａｌ薄膜配線を形成するためのＡｌ薄膜を基板上に形成するために、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、Ａｌターゲットをスパッタし、前記基板上に純Ａｌ薄膜を形成するＡｌ薄膜形成方法であって、前記スパッタガス中に還元性ガスを添加し、前記ターゲットをスパッタする際の前記処理室内を、圧力が０．２〜２．０Ｐａの範囲であって、前記還元性ガスの分圧を、５×１０ ^-4 〜５×１０ ^-3 Ｐａの範囲にすることを特徴とするＡｌ薄膜形成方法である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のＡｌ薄膜形成方法であって、前記基板上にＴｉ薄膜を形成した後、該Ｔｉ薄膜上に前記純Ａｌ薄膜を形成することを特徴とするＡｌ薄膜形成方法である。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２のいずれか１項記載のＡｌ薄膜形成方法であって、前記基板には、ガラス基板又はシリコン基板を用いることを特徴とするＡｌ薄膜形成方法である。
【００１４】
【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。
【００１５】
図２(ａ)を参照し、符号１は本発明のＡｌ薄膜形成方法に用いられるスパッタリング装置である。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、天井側にはターゲット３が設けられている。
【００１６】
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。
【００１７】
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は、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、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上に載置する。
【００１８】
次に、チャンバー１内に、スパッタガス(Ａｒガス)と還元性ガス(水素ガス)をガス導入口６から導入し、チャンバー２内部が０．４Ｐａの圧力で安定したところでターゲット３に直流電圧を印加してスパッタした。このときの還元性ガスの分圧は１×１０^-4Ｐａであった。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。
【００１９】
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。
その基板５の断面図を図２(ａ)に示す。基板５表面にＡｌ薄膜５aが直接形成されている。
【００２０】
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(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。
【００２１】
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際のＣＶＤ法における温度条件が３５０℃程度であることによる。
【００２２】
その後、他の条件は上記条件と変えずに、スパッタガスに添加する還元性ガスの圧力を１×１０^-4〜２×１０^-2Ｐａの範囲の所定値にし、基板５上に３０００ÅのＡｌ薄膜５aを形成し、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。
【００２３】
以上の結果、還元性ガスの添加量が２×１０^-3Ｐａのときに、Ａｌ薄膜表面の１μｍ²あたりのヒロックの個数が最も少なくなり(０．００１個)、還元性ガスを添加しない場合の１μｍ²あたりの個数(０．１８個)に比べ、ヒロック密度は大幅に低減された。
【００２４】
ヒロック密度と還元性ガスの添加量との関係を図３のグラフに示す。横軸は添加ガスの分圧、縦軸はヒロック密度である。
このグラフから、スパッタ雰囲気が０．４Ｐａの場合は、添加ガス量が２×１０^-3Ｐａ付近で最小値をとることが分かる。
【００２５】
次に、図２(ｃ)に示すように、スパッタ法により基板５上に膜厚５００ÅのＴｉ薄膜５bを形成した後、上記と同じ条件でターゲット３のスパッタを行い、３０００ÅのＡｌ薄膜５aを形成し、上記と同じ条件で熱処理し、Ｔｉ薄膜５b上のＡｌ薄膜５c表面をＳＥＭによって観察し、ヒロックの個数をカウントした。
【００２６】
還元性ガスの添加量とヒロック密度の関係を図４のグラフに示す。図３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、還元性ガスの添加量が５×１０^-4〜５×１０^-3Ｐａの範囲では、ヒロックの発生は全くみられなかった。
【００２７】
なお、Ａｌ薄膜５a、５cの比抵抗は、水素添加量が１×１０^-4〜２×１０^-2Ｐａの範囲では変化せず、特に、ガラス基板５上に直接形成したＡｌ薄膜５aでは、３．１μΩcmという低い比抵抗値を得ることができた。
【００２８】
上記実施形態では、還元性ガスとして水素ガスを用いたが、本発明はそれに限定されるものではなく、例えばメタンガスやエタンガスなどのような還元性ガスを用いてもよい。
【００２９】
また、上記Ａｌ薄膜５a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が主成分となったＡｌ薄膜に広く効果がある。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効果がある。
【００３０】
上記実施形態では、スパッタガスの圧力を０．４Ｐａ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。
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。
【００３１】
【発明の効果】
Ａｌ薄膜上のヒロック発生を低減することができる。その結果、ヒロックによる短絡が発生しなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)：結晶粒径が大きい場合のＡｌ薄膜配線の平面図
(ｂ)：結晶粒径が小さい場合のＡｌ薄膜配線の平面図
【図２】(ａ)：本発明に用いることができるスパッタ成膜装置の一例
(ｂ)：基板表面に直接Ａｌ薄膜を形成した場合の断面図
(ｃ)：Ｔｉ薄膜上にＡｌ薄膜を形成した場合の断面図
【図３】水素ガスを還元性ガスとし、基板表面にＡｌ薄膜を直接形成した場合の添加量とヒロック密度の関係を示すグラフ
【図４】水素ガスを還元性ガスとし、Ｔｉ薄膜表面にＡｌ薄膜を形成した場合の添加量とヒロック密度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５…基板５a，５c…Ａｌ薄膜５b…Ｔｉ薄膜

Claims

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、Ａｌターゲットをスパッタし、前記基板上に純Ａｌ薄膜を形成するＡｌ薄膜形成方法であって、
前記スパッタガス中に還元性ガスを添加し、前記ターゲットをスパッタする際の前記処理室内を、圧力が０．２〜２．０Ｐａの範囲であって、前記還元性ガスの分圧を、５×１０^-4〜５×１０^-3Ｐａの範囲にすることを特徴とするＡｌ薄膜形成方法。
前記基板上にＴｉ薄膜を形成した後、該Ｔｉ薄膜上に前記純Ａｌ薄膜を形成することを特徴とする請求項１記載のＡｌ薄膜形成方法。
前記基板には、ガラス基板又はシリコン基板を用いることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載のＡｌ薄膜形成方法。