JP5327651B2 - 電子部品用薄膜配線および薄膜配線形成用スパッタリングターゲット材 - Google Patents

電子部品用薄膜配線および薄膜配線形成用スパッタリングターゲット材 Download PDF

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Description

本発明は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等の平面表示装置、薄膜センサー等の電子部品の電気配線・電極に用いられる電子部品用薄膜配線および薄膜配線形成用スパッタリングターゲット材に関するものである。
ガラス等の基板上に薄膜デバイスを作製するＴＦＴ液晶ディスプレイ、薄膜センサーやセラミックス基板上に素子を形成する際に用いる電気配線膜・電極等には、従来から耐食性、耐熱性、基板との密着性に優れる高融点金属の純Ｃｒ膜、純Ｔａ膜、純Ｔｉ膜等の純金属膜またはそれらの合金膜が用いられている。
さらに、最近、液晶ディスプレイ等の平面表示装置分野では、表示装置の大型化、高精細化に伴って信号の遅延を防止するために配線膜・電極膜を低抵抗化する要求がある。
このような低抵抗化の要求に対して、より低抵抗な高融点金属としてＭｏを主成分とした配線膜が検討されている。本出願人も、耐食性、耐熱性や基板との密着性に優れた低抵抗なＭｏ合金膜としてＭｏに３〜５０原子％のＮｂを添加したＭｏ合金膜を提案している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１９０２１２号公報
上述の特許文献１で提案されるＭｏＮｂ合金の薄膜配線は、ターゲット材を使用したスパッタリング法によって基板上に成膜されるものであるが、本出願人は、成膜する基板が１ｍ２程度の大面積の基板となった場合に、成膜後の基板に大きな反りが発生する場合があることを確認した。
本発明の目的は、大型の基板への成膜においても、基板に反りが発生しない低抵抗で耐熱性、耐食性、基板との密着性に優れた新規なＭｏ合金の電子部品用薄膜配線および薄膜配線を形成するためのスパッタリングターゲット材を提供することである。
本発明者は、上記の課題に関して種々検討した結果、ＭｏＮｂ合金のスパッタリング膜には、引張応力が付与され易いことを知見し、この引張応力の緩和には、Ｗの適量添加が効果的であることを見出し本発明に到達した。
すなわち、本発明は、基板上に金属膜を形成した薄膜配線において、前記金属膜はＭｏと添加元素の総量を１００原子％とした時、該添加元素としてＮｂを２〜１５原子％、Ｗを２〜２０原子％、Ｎｂ＋Ｗで３０原子％以下含有し、残部Ｍｏおよび不可避的不純物でなる電子部品用薄膜配線である。
また、好ましくは、比抵抗が３０μΩｃｍ以下である電子部品用薄膜配線である。また、好ましくは、膜厚が１００ｎｍ〜４００ｎｍである電子部品用薄膜配線である。
また、本発明は、Ｍｏと添加元素の総量を１００原子％とした時、該添加元素としてＮｂを２〜１５原子％、Ｗを２〜２０原子％、Ｎｂ＋Ｗで３０原子％以下含有し、残部Ｍｏおよび不可避的不純物でなる薄膜配線形成用スパッタリングターゲット材である。
本発明のＭｏ合金膜を選択することで、低抵抗で、耐熱性、耐食性および基板との密着性に優れ、大型基板に対する反りの発生を抑制することが可能となるので、電子部品用薄膜配線として欠くことのできない技術となる。
本発明の重要な特徴は、Ｍｏに対して、ＮｂとＷとを適量添加することで、低抵抗で、耐熱性、耐食性、基板への密着性に優れるとともに、スパッタリング成膜した際に引張応力を緩和して、Ｍｏ合金薄膜を成膜した基板の反りの発生を抑制することが可能となる点にある。
本発明において、添加元素としてＮｂを２〜１５原子％、Ｗを２〜２０原子％、Ｎｂ＋Ｗで３０原子％以下含有することとした理由を以下に説明する。
本発明でＮｂを添加元素として含有するのは、Ｍｏと合金化することで耐食性を改善する効果を有するためである。この耐食性の改善効果は、２原子％から現れ、添加量の増加とともに耐食性は向上するが、比抵抗が上昇するため過度の添加は望ましくない。特に、薄膜配線として使用する上では、比抵抗を３０μΩｃｍ程度に安定的に制御しなければならないため、添加量の上限は１５原子％が望ましい。より好ましくは１０原子％以下である。
Ｍｏは元来、低抵抗性や密着性を実用上兼ね備えた元素であるが、耐食性に劣るとともに、大型の基板にスパッタリング成膜した際に引張応力が付加されやすい。
ＭｏにＮｂのみを添加しても、Ｍｏのスパッタ膜に付与される引張応力の緩和には効果が少ない。そこで、引張応力を緩和するためにＷを添加する。上記のＭｏＮｂ合金膜の引張応力を緩和する効果はＷを２原子％以上で添加することで明確となる。引張応力の緩和はＷの添加量の増加に伴い膜応力が引張側から圧縮側に推移することで顕著になるがＷの添加量が２０原子％を超えると圧縮応力が増加し密着性が低下するので、２０原子％以下とすることが望ましい。
本発明の電子部品用薄膜配線は、比抵抗が低いことが望ましい。そのためにＮｂおよびＷの添加の総量を３０原子％以下とする。配線における比抵抗の増加は薄膜デバイスの信号遅延を起こし性能低下をまねくため、極力低いことが望ましく、実用的な比抵抗としては、３０μΩｃｍ以下であることが望ましい。Ｍｏに対して、Ｎｂ、Ｗを添加し合金化することで比抵抗が増加する本発明のＭｏ合金薄膜の場合には、比抵抗の低減には、Ｎｂ、Ｗの添加量の最適化が最も重要であり、安定的に３０μΩｃｍ以下の薄膜配線を実現するためには、ＮｂおよびＷの添加量の総量を２０原子％以下とすることがより好ましい。
本発明の電子部品用薄膜配線において、Ｍｏは密着性や低抵抗性を実用上兼ね備えた元素であるため必須元素であるとともに上述したＮｂ、Ｗ以外の残部を占めるベースとなる元素である。それ故、残部はできるだけ不可避的不純物含有量が少ないことが望まれるが、本発明の作用を損なわない範囲で、ガス成分である酸素、窒素や炭素、遷移金属であるＦｅ、Ｃｕ、半金族のＡｌ，Ｓｉ等の不可避的不純物を含んでもよい。例えば、ガス成分の酸素、窒素は各々１０００質量ｐｐｍ以下、炭素は２００質量ｐｐｍ以下、Ｆｅ、Ｃｕは２００質量ｐｐｍ以下、Ａｌ、Ｓｉは１００質量ｐｐｍ以下等であり、ガス成分を除いた純度として９９．９％以上であれば良い。
本発明の電子部品用薄膜配線では、上記の構成により、低抵抗で、耐熱性、耐食性および基板との密着性に優れる従来のＭｏＮｂ合金と同等以上の特性を確保しつつ、従来のＭｏＮｂ合金の問題であった引張応力を緩和することができる。このためＭｏ合金薄膜を成膜した基板の反りの発生を抑制することが可能となるという効果を有し、電子部品用薄膜配線として好適である。
本発明の電子部品用薄膜配線は、安定した電気抵抗を得るために膜厚としては１００〜４００ｎｍとすることが好ましい。膜厚が１００ｎｍ未満であると、膜が薄いために電子の表面散乱影響で電気抵抗が上昇してしまうとともに、膜の表面形態が変化し易くなる。一方、膜厚が４００ｎｍを超えると、比抵抗を低くすることが可能であるが、膜を形成する際に時間が掛かり、生産性が低下する。
また、本発明の電子部品用薄膜配線を形成する場合、ターゲット材を用いたスパッタリングが最適である。スパッタリング法としては、薄膜配線の組成と同一のＭｏ合金ターゲット材を使用して成膜する方法、ＭｏＮｂ合金ターゲット材とＭｏＷ合金ターゲット材を使用してコスパッタリングによって成膜する方法等が適用できる。スパッタリングの条件設定の簡易さや、所望組成の配線薄膜を得やすいという点からは、薄膜配線の組成と同一のＭｏ合金ターゲット材を使用してスパッタリング成膜することが望ましい。
また、低抵抗なＭｏ合金膜を得るには、スパッタリング時の成膜条件はＡｒガス圧を０．５Ｐａ以下、電力密度を５Ｗ/ｃｍ２以上、基板加熱温度を１５０℃以上とすることが望ましい。
Ｍｏ−１０Ｎｂ（原子％）とＭｏ−３５Ｗ（原子％）のタ−ゲットを準備し、アネルバ製ＳＰＦ４４０のスパッタリング装置を用いてＭｏ合金薄膜を成膜した。なお、スパッタリングの条件は、Ａｒ圧力０．３Ｐａ、投入電力の総和を７００Ｗと一定とし、表１に示す組成の異なるＭｏ−Ｎｂ−Ｗ薄膜およびＭｏ−Ｎｂ薄膜を直径１０１．６ｍｍのＳｉウェハ−上に厚さ２００ｎｍで成膜した。また、スパッタリングの際には、基板を回転させて膜厚が均一となるように行った。
続いて、成膜したＭｏ合金薄膜の膜応力を薄膜応力測定器ＦＬＸ２３２０（ＫＬＡ−ｔｅｎｃｏｒ）を使用して測定した。測定結果を表１に示す。
また、成膜したＭｏ合金薄膜について、成膜時の比抵抗と純水に５日間浸漬させた耐食試験後の比抵抗を４探針法により測定した。測定結果を表１に示す。
Figure 0005327651
表１からＷの添加量の増加に伴い膜応力が引張（正）から圧縮（負）に推移し、引張応力が低減できることがわかる。
また、本発明例の試料２および３は、成膜時に３０μΩｃｍ以下と低抵抗な薄膜を実現できること、また、耐食試験後にも比抵抗の上昇がなく十分な耐食性を有していることが分かる。
表２に示すＭｏ-ＮｂターゲットとＭｏ-Ｎｂ-Ｗタ−ゲットを作製し、スパッタリング条件として、Ａｒ圧力０．２５Ｐａ、投入電力５００Ｗとすること以外は実施例１と同様にＳｉウェハ−上にＭｏ合金膜を成膜した。成膜後のＭｏ合金薄膜については、実施例１と同様に膜応力を測定した結果を表２に示す。
また、成膜したＭｏ合金薄膜について、実施例１と同様に、成膜時の比抵抗と純水に５日間浸漬させた耐食試験後の比抵抗を４探針法により測定した。測定結果を表２に示す。
Figure 0005327651
表２から、Ｍｏ-Ｎｂ合金にＷを５原子％添加することで膜応力を大幅に低減できること、成膜時に３０μΩｃｍ以下と低抵抗な薄膜を実現できること、また、耐食試験後にも比抵抗の上昇がなく十分な耐食性を有していることがわかる。
表３に示すＭｏターゲット、Ｍｏ-Ｎｂターゲット、Ｍｏ-Ｎｂ-Ｗタ−ゲットを作製し、スパッタリング条件をＡｒ圧力０．３Ｐａ、投入電力７００Ｗとして、直径１０１．６ｍｍのＳｉウェハ−上に厚さ４００ｎｍでＭｏ膜およびＭｏ合金膜を成膜した。成膜後のＭｏ薄膜およびＭｏ合金薄膜については、実施例１と同様に膜応力を測定した結果を表３に示す。
また、上記で成膜したＭｏ合金薄膜について、成膜時の比抵抗と、純水に５日間浸漬させた耐食試験後の比抵抗、温度８５℃・相対湿度８５％の環境に２００時間保持した高温高湿試験後の比抵抗を４探針法により測定した。測定結果を表４に示す。
Figure 0005327651
Figure 0005327651
表３、表４に示すように本発明のＭｏ-Ｎｂ-Ｗ合金膜はタ−ゲット組成と膜組成の差は少なく、Ｍｏ膜やＭｏ−Ｎｂ合金膜より引っ張り応力を低減できることがわかる。また、その膜特性は、Ｍｏ−Ｎｂ合金同様に、Ｍｏより高い耐食性を有するために耐食性試験後および高温高湿試験後も抵抗値の変化が少ないことがわかる。

Claims (4)

  1. 基板上に金属膜を形成した薄膜配線において、前記金属膜はＭｏと添加元素の総量を１００原子％とした時、該添加元素としてＮｂを２〜１５原子％、Ｗを２〜２０原子％、Ｎｂ＋Ｗで３０原子％以下含有し、残部Ｍｏおよび不可避的不純物でなることを特徴とする電子部品用薄膜配線。
  2. 比抵抗が３０μΩｃｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の電子部品用薄膜配線。
  3. 前記金属膜の膜厚が１００ｎｍ〜４００ｎｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の電子部品用薄膜配線。
  4. Ｍｏと添加元素の総量を１００原子％とした時、該添加元素としてＮｂを２〜１５原子％、Ｗを２〜２０原子％、Ｎｂ＋Ｗで３０原子％以下含有し、残部Ｍｏおよび不可避的不純物でなることを特徴とする薄膜配線形成用スパッタリングターゲット材。
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