JP4264397B2

JP4264397B2 - フラットパネルディスプレイ用Ａｇ基合金配線電極膜およびＡｇ基合金スパッタリングターゲット、並びにフラットパネルディスプレイ

Info

Publication number: JP4264397B2
Application number: JP2004257632A
Authority: JP
Inventors: 勝寿高木; 勝文富久; 敏洋釘宮; 淳一中井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2024-09-03
Also published as: JP2006070345A

Description

本発明は、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ：Flat Panel Display）用の配線膜または電極膜、及びその配線膜または電極膜をスパッタリング法で成膜する時に用いるスパッタリングターゲット、並びにその配線膜または電極膜を備えたＦＰＤに関するものである。

ＴＶやＰＣ、その他の各種産業機器の平面表示装置として挙げられる液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display、具体例としてはアモルファスＳｉＴＦＴＬＣＤやポリＳｉＴＦＴＬＣＤ）や、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ：Field Emission Display ）、エレクトロルミネッセンスディスプレイ（ＥＬＤ：Electro Luminescence Display、具体例としては有機ＥＬＤや無機ＥＬＤ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ：Plasma Display Panel）等は、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ：Flat Panel Display）と総称される。

このＦＰＤの表面画素の駆動形式として、アクティヴ型（薄膜トランジスタ駆動）とパッシヴ型の２種類がある。

上記アクティヴ型のＦＰＤは、図１に例示する様に、反射電極膜１を備えた多数の表示画素を有する。また図１に示す様に、各々の表面画素はこれを駆動させるための薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）２を備えている。このＴＦＴ２に電流を供給するための２種の配線膜３、５が、各表示画素の周りに縦横に配置されており、一方の配線膜（ここではアドレス配線膜と呼ぶ）３は、ゲート電極膜４を介してＴＦＴ２に接続され、他方の配線膜（ここではデータ配線膜とよぶ）５は、ソース電極膜６を介してＴＦＴ２に接続され、ＴＦＴ２からドレイン電極膜７を介して反射電極膜１に接続される。

一方、パッシヴ型のＦＰＤでは、アクティヴ型にあるＴＦＴは存在せず、図２に略示するように、上下に格子状に配置される配線膜または電極膜に電圧を印加することによって画素を表示させる。

上記各膜にはそれぞれ要求特性があり、前記反射電極膜１として、本発明者らは、純Ａｇとほぼ同等レベルの高い反射率のものを得るべく、ＢｉおよびＳｂよりなる群から選ばれた１種または２種の元素を合計量で０．０１〜４原子％含有させたＡｇ基合金からなる反射膜を提案している（例えば特許文献１）。

また前記配線膜（アドレス配線膜及びデータ配線膜）３、５並びに前記電極膜（ゲート電極膜、ソース電極膜、ドレイン電極膜）４、６、７（本発明ではこれらをまとめて配線電極膜と呼ぶ）は、前記反射電極膜１とは異なる特性が要求され、具体的には低電気抵抗率、および製造工程における高温加熱に耐えうる高耐熱性が要求されるが、近年のＦＰＤの大画面化、高精細化、多様化に伴い該電気抵抗率、高耐熱性の要求レベルが高まっている。以下、配線電極膜の上記要求特性について詳述する。

まず、低電気抵抗率について説明する。大型テレビを例とするＦＰＤの大画面化・高精細化に伴い、配線電極膜の線長が長くなるか線幅が狭くなる傾向にあるが、この様に線長が長くなるかまたは線幅が狭くなると、配線電極部分の電気抵抗が増加して電気信号遅延の問題が生じる。電気信号遅延を抑制するには、電気抵抗率のより低い配線電極膜材料を使用することが好ましい。しかし電気抵抗率の達成レベルをこれまでよりも更に低い値、例えば３．０μΩｃｍ以下（３００℃加熱処理後に得られる値）に設定すると、従来より使用されてきたＡｌ系材料ではこの低電気抵抗率の実現が不可能となることから、低電気抵抗率を達成できるＡｇ系材料が注目されている。

次に高耐熱性について説明する。ＦＰＤの種類として、従来のアモルファスＳｉＴＦＴＬＣＤに加え、近年では、低温ポリＳｉＴＦＴＬＣＤやＦＥＤ等の新型ＦＰＤが登場し、ＦＰＤの多様化が進んでいる。これら新型ＦＰＤを製造する場合、形成された配線電極膜は、その後の製造工程で高温加熱を受け、例えば、低温ポリＳｉＴＦＴＬＣＤの場合には、ポリＳｉの活性化処理時に真空下で４５０〜５００℃の加熱を一回受け、またＦＥＤの場合には、ガラス封着時に大気下で４５０〜５００℃の加熱を複数回受ける。

よって新型ＦＰＤを構成する配線電極膜には、従来のアモルファスＳｉＴＦＴＬＣＤでは要求されなかった高耐熱性も上記低電気抵抗性と共に要求されるが、従来使用されてきたＡｌ系材料やＣｕ系材料は酸化され易く耐熱性に劣るため、酸化し難いＡｇ系材料が、高耐熱性を確保する観点からも注目されている。

この様に低電気抵抗率および高耐熱性を併せて達成し得るＡｇ系材料とこれを用いた配線電極膜が種々提案されている。例えば特許文献２、３には、Ａｇを主成分とし、合金元素としてＡｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ等の合金元素を添加することで、低電気抵抗性や耐熱性の確保を図った配線用薄膜が開示されている。また特許文献４には、Ａｇ、Ｃｕの少なくとも１種を主成分とする合金からなる合金膜とシリサイド膜との積層構造とすることで低電気抵抗率を確保した配線用薄膜が示されており、特許文献５には、Ａｇ、Ｃｕの少なくとも１種を主成分とする合金からなる合金膜と、該合金の窒化物からなる窒化物膜とを積層した配線用薄膜とすれば低電気抵抗率を達成できる旨開示されている。
特開２００４−１２６４９７号公報特開２００３−２９３０５４号公報特開２００４−２９２９号公報特開２００４−７６０７９号公報特開２００４−７６０８０号公報

上述の通り、ＦＰＤの中でも特にＦＥＤを製造する場合には、形成された配線電極膜が、後工程であるガラス封着時に大気中で高温に何度も曝されるが、本件の様なＡｇ基合金薄膜の場合、特に加熱によるＡｇの凝集を抑制する必要があることから、複数回の大気中高温加熱に対する耐熱性として「耐凝集性」に優れていることが重要となる。

しかし上記特許文献２〜５の技術では、低電気抵抗率や真空下での高耐熱性の確保は達成できるものの、低電気抵抗率を維持したまま上記耐凝集性までは確保し得ない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、高耐凝集性および低電気抵抗率を兼備したフラットパネルディスプレイ用Ａｇ基合金配線電極膜、および該配線電極膜の成膜に用いられるＡｇ基合金スパッタリングターゲット、並びに該Ａｇ基合金配線電極膜の備わったフラットパネルディスプレイを提供することにある。

本発明に係るＡｇ基合金配線電極膜は、フラットパネルディスプレイ用の配線電極膜であって、Ｂｉを０．０１〜１．５ａｔ％含有し、残部実質的にＡｇからなるところに特徴を有する。

上記Ａｇ基合金配線電極膜として、更にＣｕ、Ａｕ及びＰｄよりなる群から選択される１種以上を合計で０．１〜１．５ａｔ％含有させたものは、より優れた耐食性を示すので好ましい。

本発明は、上記フラットパネルディスプレイ用Ａｇ基合金配線電極膜の成膜に用いられるスパッタリングターゲットも規定するものであって、該スパッタリングターゲットは、Ｂｉを０．１〜９ａｔ％含有し、残部実質的にＡｇからなるところに特徴を有する。

またＣｕ、Ａｕ及びＰｄよりなる群から選択される１種以上を更に含む上記Ａｇ基合金配線電極膜の成膜に用いられるスパッタリングターゲットとして、上記Ｂｉに加えて更にＣｕ、Ａｕ及びＰｄよりなる群から選択される１種以上を合計で０．１〜１．５ａｔ％含有するＡｇ基合金スパッタリングターゲットが好ましく使用される。

また本発明には、上記配線電極膜を備えたところに特徴を有するフラットパネルディスプレイも含まれる。

本発明のＦＰＤ用Ａｇ基合金配線電極膜は、高耐凝集性と低電気抵抗率を備えているため、ＦＰＤの性能と信頼性を格段に高めることができる。また、本発明のＡｇ基合金スパッタリングターゲットは、前記Ａｇ基合金配線電極膜の成膜に好適に使用され、これを用いて成膜されたＡｇ基合金配線電極膜は、合金組成、合金元素分布および膜厚の膜面内均一性に優れているため、配線電極膜として優れた特性を発現し、結果として高性能かつ高信頼性を発揮する本発明のＦＰＤが得られる。また本発明のＦＰＤは、前記の優れた耐凝集性と低電気抵抗率を示すＦＰＤ用Ａｇ基合金配線電極膜を備えているため、高性能かつ高信頼性を発揮し得る。尚、本発明のＡｇ基合金配線電極膜は、アクティヴ型ＦＰＤにもパッシヴ型ＦＰＤにも好適に使用できるものである。

本発明者らは、既にフラットパネルディスプレイの表示画素を駆動させるための薄膜トランジスタに接続される配線電極膜であって、Ｎｄを０．１〜１．５ａｔ％含有し、残部実質的にＡｇからなるＡｇ基合金で形成された低電気抵抗率、高耐熱性および高微細加工性を示すフラットパネルディスプレイ用Ａｇ基合金配線電極膜を提案している（特願２００３−４０５４７６号）。

しかし該技術では、大気中５００℃で３０分間の加熱を繰り返し３回行なう程度の耐熱性は確保できるものの、更に厳しい条件、例えば５００℃で３０分間の加熱を繰り返し５回行う場合には、Ａｇの凝集が起こり特性が劣化するなど更に繰り返される大気中の高温加熱に対しては耐熱性（耐凝集性）が十分とはいえなかった。

そこで本発明者らは、ＦＰＤ用の配線電極膜に必要な上記高耐凝集性と低電気抵抗率を兼備したフラットパネルディスプレイ用Ａｇ基合金薄膜を得るべく、種々の合金元素をＡｇに添加して調べたところ、特定量範囲のＢｉ添加が非常に有効であることを見出し本発明を完成した。

即ち、Ａｇ基合金配線電極膜として、Ｂｉを０．０１ａｔ％以上含有し、残部Ａｇおよび不純物からなるＡｇ基合金で形成されたものとすれば、高温加熱を複数回行なった場合でもＡｇがほとんど凝集せず、優れた耐凝集性を発揮することが分かった。好ましくはＢｉを０．１ａｔ％以上、より好ましくは０．２ａｔ％以上含有させるのがよい。一方、Ｂｉ量が過剰であると、ＦＥＤ用配線電極膜に要求される低電気抵抗率を達成できないので、本発明ではＢｉ量を１．５ａｔ％以下の範囲で含有させることとした。好ましくは１．０ａｔ％以下、より好ましくは０．７ａｔ％以下である。

Ｂｉ含有による上記効果について詳細に解明したわけではないが、次の様な現象が生じていると考えられる。即ち、本発明のＡｇ−Ｂｉ合金薄膜の成膜時に、薄膜の表面にＢｉ₂Ｏ₃層が形成されて大気とＡｇ-Ｂｉ合金膜との接触が遮断されることによって、優れた耐凝集性を確保でき、更にその後の大気中での高温加熱によって、このＢｉ₂Ｏ₃表面層が更に酸化されて緻密になり、大気とＡｇ-Ｂｉ合金層との接触が十分に遮断されることで、その後に複数回の高温加熱を受けた場合でも、Ａｇ凝集による特性の劣化を防ぐことができるものと考えられる。

また本発明の配線電極膜は、Ｂｉ₂Ｏ₃表面層／Ａｇ-Ｂｉ合金膜の二層構造からなり、上記の通り薄膜の表面にＢｉ₂Ｏ₃層が形成されることで極薄い表面層にＢｉが濃化し、通電部にあたる薄膜内層部のＡｇ-Ｂｉ合金膜のＢｉ量が減少することにより、純Ａｇに近い優れた導電性（低電気抵抗率）を併せて確保することができるものと考えられる。

前記Ｂｉに加えて、Ｃｕ、ＡｕおよびＰｄよりなる群から選択される１種以上の元素を更に含有させれば、耐食性（化学的安定性）を更に向上させることができるので好ましい。また該元素を含有させることで、塩素イオン等のハロゲンイオンを含む環境下において、Ａｇのハロゲン化反応と該反応を起点とするＡｇの凝集をより一層抑制できるので好ましい。

この様な効果を十分に発揮させるには、Ｃｕ、ＡｕおよびＰｄよりなる群から選択される１種以上の元素を、合計で０．１ａｔ％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．２ａｔ％以上、更に好ましくは０．３ａｔ％以上である。一方、これらの元素が過剰に含まれていると、ＦＰＤ用（特にＦＥＤ用）配線電極膜に要求される低電気抵抗率を確保できない。よってＣｕ、ＡｕおよびＰｄよりなる群から選択される１種以上の元素を含有させる場合でも、合計で１．５ａｔ％以下に抑えることが好ましい。より好ましくは１．２ａｔ％以下、更に好ましくは１．０ａｔ％以下に抑える。

尚、上記「残部実質的にＡｇ」とは、不可避的不純物元素として、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）をそれぞれ１００ｐｐｍ以下含みうることを意味する。

本発明のＦＰＤ用Ａｇ基合金配線電極膜は、真空蒸着法やイオンプレーティング法、スパッタリング法などによって基板上に成膜することで得られるが、これらの薄膜形成方法の中でもスパッタリング法での成膜が推奨される。スパッタリング法により成膜されたＡｇ基合金配線電極膜は、他の方法で成膜された薄膜と比べて、合金組成、合金元素分布および膜厚の膜面内均一性に優れており、得られた配線電極膜が優れた特性（高耐凝集性、低電気抵抗率）を良好に発揮することで、高性能かつ高信頼性のＦＰＤの生産が可能となるからである。

本発明では、Ｂｉを０．０１〜１．５ａｔ％含有する上記ＦＰＤ用Ａｇ基合金配線電極膜の成膜に用いるＡｇ基合金スパッタリングターゲットとして、Ｂｉを０．１〜９ａｔ％含有し、残部実質的にＡｇからなるもの（Ｃｕ、ＡｕおよびＰｄよりなる群から選択される１種以上の元素を更に含む上記ＦＰＤ用Ａｇ基合金配線電極膜の成膜用としては、更にＣｕ、Ａｕ及びＰｄよりなる群から選択される１種以上を合計で０．１〜１．５ａｔ％含有するＡｇ基合金スパッタリングターゲット）も規定する。

上記の様に、形成する薄膜よりもＢｉ含有量の多いターゲットを該薄膜の形成に用いるのは、Ｂｉを含有するＡｇ基合金からなるスパッタリングターゲットを用いてスパッタリング法により薄膜を形成すると、得られる薄膜中のＢｉ含有量がスパッタリングターゲット中のＢｉ含有量の数％〜数十％程度でしかないことが認められているためである。この様な現象が生じる原因としては、ＡｇとＢｉの融点の差が大きいために成膜中に基板上からＢｉが再蒸発すること、Ａｇのスパッタ率がＢｉのスパッタ率に比べて大きいためにＢｉがスパッタされにくいこと、ＢｉがＡｇに比べて酸化されやすいためにスパッタリングターゲット表面でＢｉのみが酸化されてスパッタされないことなどが考えられる。

上記ターゲットの製造方法までは限定されず、溶解・鋳造法や粉末焼結法、スプレイフォーミン法などのいずれの方法でも製造できる。しかしその中でも特に真空溶解・鋳造法で製造することが推奨される。該方法で製造すれば、他の方法で製造した場合と比較して、窒素や酸素などの不純物成分の少ないターゲットが得られ、該スパッタリングターゲットを用いて成膜された配線電極膜は、優れた特性（高耐凝集性、低電気抵抗率）を効果的に発揮し、高性能かつ高信頼性のＦＰＤの生産が可能となるからである。

本発明のＦＰＤは、本発明のＡｇ基合金配線電極膜を備えるＦＰＤであり、該Ａｇ基合金配線電極膜が備わっていることにより格段に優れた性能と信頼性を実現することが可能となる。尚、本発明のＦＰＤは、本発明のＦＰＤ用Ａｇ基合金配線電極膜を備えていればよく、その他のＦＰＤとしての構成は特に限定されず、ＦＰＤ分野において公知のあらゆる構成を採用することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

（１）評価用薄膜の作製
次の要領で評価用薄膜を作製した。ターゲットとして純Ａｇスパッタリングターゲット（サイズφ１０１．６ｍｍ×ｔ５ｍｍ）か、純Ａｇスパッタリングターゲット上に合金元素のチップ（サイズ５ｍｍ×５ｍｍ×ｔ１ｍｍ）を所定数配置した複合スパッタリングターゲット（サイズφ１０１．６ｍｍ×ｔ５ｍｍ）、またはＡｇ基合金スパッタリングターゲット（サイズφ１０１．６ｍｍ×ｔ５ｍｍ）のいずれかを用い、スパッタリング装置〔(株) 島津製作所製HSM-552〕を使用して、ＤＣマグネトロンスパッタリング法（背圧：０．２７×１０^-3Ｐａ以下，Ａｒガス圧：０．２７Ｐａ，Ａｒガス流量：３０ｓｃｃｍ，スパッタパワー：ＤＣ２００Ｗ，極間距離：５２ｍｍ，基板温度：１５０℃）で、ガラス基板（Ｃｏｒｎｉｎｇ社製♯１７３７，直径：５０．８ｍｍ，厚さ：０．７ｍｍ）上に、表１または表２に示す目標膜厚３００ｎｍの純Ａｇ薄膜またはＡｇ基合金薄膜を成膜した。これらの評価用薄膜のうち、純Ａｇ薄膜（試料Ｎｏ．１）を除くＡｇ基合金薄膜（試料Ｎｏ．２〜１５）の組成は、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分析法またはＩＣＰ質量分析法で調べた。この様にして得られた評価用薄膜の耐凝集性と電気抵抗率を下記の通り評価した。

（２）耐凝集性の評価
本発明では、耐凝集性を「加熱処理により生じるＡｇの凝集が抑制され、該凝集に起因する表面粗さ（平均粗さRa）の増加が抑制される性能」と定義し、以下の要領で測定した表面粗さの増加量によって耐凝集性を評価した。まず、走査型プローブ顕微鏡（Digital Instruments社製Nanoscope IIIa）を用いて、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）観察モードにより、評価用薄膜の表面粗さを測定した。次に、これらの評価用薄膜に対し、下記の条件で加熱処理を行った。
・雰囲気：大気中（１条件）
・加熱温度：４５０℃，５００℃，５５０℃（３条件）
・加熱時間：０．５ｈ（１条件）
・加熱繰り返し回数：１，２，３，４，５回（５条件）
（以上、合計１５条件）

そして、加熱処理後の評価用薄膜の表面粗さを上記と同様の方法で測定し、加熱処理による表面粗さの増加量［ (加熱処理後の表面粗さ)−(加熱処理前の表面粗さ) ］を算出した。表面粗さの増加量が１．０ｎｍ以下のものを耐凝集性に優れている（○）と評価し、１．０ｎｍを超えるものを耐凝集性に劣っている（×）と評価した。この大気中の加熱処理に対する耐凝集性の評価結果を表１に示す。

表1より、試料Ｎｏ．３〜７はＢｉを０．０１ａｔ％以上含んでいるため、いずれの条件で加熱した場合にも耐凝集性に優れていることがわかる。尚、後述する通り、試料Ｎｏ．７はＢｉ量が３．０ａｔ％と過剰であるため、電気抵抗率が高いといった不具合が生じている。

これらに対し、試料Ｎｏ．１はＢｉを添加しておらず、また試料Ｎｏ．２はＢｉ量が０．００５ａｔ％と少ないため、耐凝集性向上効果が過小であることがわかる。

試料Ｎｏ．１３〜１５は、規定量のＢｉと共に、第三元素としてＣｕ、Ａｕ及びＰｄよりなる群から選択される１種以上を添加したものであるが、いずれの条件で加熱した場合にも高耐凝集性を示すことがわかる。これらに対し、試料Ｎｏ．８〜１２は、上記第三元素を添加しているが、Ｂｉが添加されていないため耐凝集性に劣る結果となっている。

（３）電気抵抗率の測定（電気伝導性の評価）
次に、以下の要領で電気抵抗率を測定した。まず日置電機(株)製3226 mΩ Hi TESTERを用いて直流四探針法によりシート抵抗Ｒｓを測定し、次にTENCOR INSTRUMENTS社製alpha-step 250を用いて膜厚tを測定し、これらの結果を基に、電気抵抗率ρ（シート抵抗Ｒｓ×膜厚t）を算出し、この電気抵抗率ρの数値から、いずれの薄膜も加熱処理前は凝集が生じていないことを確認した。

次に、これらの評価用薄膜に対し、大気中で加熱温度：３００℃、加熱時間：０．５ｈの条件で加熱処理を行った。

そして、加熱処理後の評価用薄膜の電気抵抗率を上記と同様の方法で測定し、加熱処理後の電気抵抗率が５μΩｃｍ以下のものを低電気抵抗率を示す（○）と評価し、５μΩｃｍを超えるものを電気抵抗率が高い（×）と評価した。この電気抵抗率の評価結果を表２に示す。

表２より、試料Ｎｏ．３〜６はＢｉ量が規定範囲にあるため、低電気抵抗率を示している。これらに対し、試料Ｎｏ．７はＢｉ量が３．０ａｔ％と規定範囲を超えているため電気抵抗率が高くなっている。また、試料Ｎｏ．２は、Ｂｉ量が０．００５ａｔ％と規定範囲未満であるため、加熱処理により凝集が生じて不連続状態（島状）の薄膜となり、導電性を示さず、電気抵抗率の測定が不可能であった。

アクティヴ型のＦＰＤの表示画素の構造を示す平面説明図である。パッシヴ型のＦＰＤの表示画素の構造を示す斜視説明図である。

Claims

フラットパネルディスプレイ用の配線電極膜であって、Ｂｉを０．０１〜１．５ａｔ％含有し、残部Ａｇおよび不可避的不純物元素からなることを特徴とするフラットパネルディスプレイ用Ａｇ基合金配線電極膜。
更にＣｕ、Ａｕ及びＰｄよりなる群から選択される１種以上を合計で０．１〜１．５ａｔ％含有する請求項１に記載のフラットパネルディスプレイ用Ａｇ基合金配線電極膜。
前記請求項１または請求項２に記載のフラットパネルディスプレイ用Ａｇ基合金配線電極膜の成膜に用いられるスパッタリングターゲットであって、Ｂｉを０．１〜９ａｔ％含有し、残部Ａｇおよび不可避的不純物元素からなることを特徴とするＡｇ基合金スパッタリングターゲット。
更にＣｕ、Ａｕ及びＰｄよりなる群から選択される１種以上を合計で０．１〜１．５ａｔ％含有する請求項３に記載のＡｇ基合金スパッタリングターゲット。
前記請求項１または請求項２に記載のフラットパネルディスプレイ用Ａｇ基合金配線電極膜を用いたものであることを特徴とするフラットパネルディスプレイ。