JPH08250494A - 配線材料、金属配線層の形成方法 - Google Patents
配線材料、金属配線層の形成方法Info
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Abstract
例では5μΩ・cm程度と極めて低く、かつ、高温にお
いてヒロック・ピンホール等の欠陥が発生しない配線材
料であって、陽極酸化法によって強固な酸化膜を形成可
能なものを得ること。 【構成】その組成式がAlx(MyN1-y)1-xで表され、
Mは希土類元素群から選択された少なくとも一の元素で
あり、NはNb,Zr,Taのいずれかから選択された
少なくとも一の元素であり、x=98〜99.5原子
%、y=0.1〜0.9を具備する組成を有する合金で
あって、爾後の熱処理によってAlと上記NまたはMで
表される元素との金属間化合物をマトリクス中に析出さ
せた。また、このほかにNbをAlに対して0.5〜
2.0原子%添加した合金でも同様の目的を達成可能で
ある。熱処理温度はいずれも250〜450℃の範囲が
望ましい。
Description
子機器装置用の電極配線材料に係わる。特に、高熱安定
性でヒロックやピンホール等の欠陥が少なく、高耐蝕性
で低抵抗の電極配線材料に係わる。また、陽極酸化によ
ってその表面に酸化膜を形成することによって耐電圧の
高いゲート絶縁膜を得ることができる電極配線材料に係
わる。
線材料には従来Cu,Al,Mo,Ta,W等の純金属やAl-Cu,Al-Cu
-Si,Al-Pd等の合金材料材料が用いられている。一方最
近特に薄型ディスプレーとして注目されている液晶デイ
スプレーの電極材料では、大画面による大面積配線、高
精細による高集積化配線、高温度工程によるアレー制作
等々従来材料よりも異なるより優れた特性が要求されて
いる。図1に薄膜トランジスター(TFT)による液晶
ディスプレーのアレーの一画素部の概略図を示す。一つ
の画素開口部1に表示電極2、ゲート線3、ゲート電極
3A、データ線4、ドレイン電極4A、ソース電極5、
TFTアクテイブ素子6が配設されている。ゲート線3
の信号によって、TFTがonになると、データ線4の
電位がソース電極5を介して接続された画素電極2に等
しくなる。その結果、画素電極2の紙面方向上部に封入
された液晶が配向し、その画素が表示状態になる。ここ
で、本願発明が対象とする液晶デイスプレーのアレーの
電極配線材料は、ゲート線3、ゲート電極3A、データ
線4、ドレイン電極4A、ソース電極5に使用される。
性としてはまず電気抵抗が小さいことである。電気抵抗
が大きいと特に液晶デイスプレーの大型化に当たって、
信号の遅延、発熱等の様々な問題を生じる。このため液
晶デイスプレーの配線材料には電気抵抗の低い純Alが
用いられてきた。純Alはエッチング特性に優れ、基板
との密着性の観点からも好適な材料である。しかし、純
Alは融点が低く、配線膜形成後のCVDプロセスにお
ける加熱工程によってヒロックと呼ばれる欠陥を生じや
すいという欠点があった。この加熱処理は通常400℃
程度でなされるものであるが、この工程後に配線材料を
観察するとその表面に微少な突起やピンホールなどの陥
落欠陥が観察されることがある。このような微少な突起
等の欠陥をヒロックというが、これが生じると配線材料
層の平滑性が失われ、配線材料層上に後工程による酸化
膜等を形成することができなくなるため、ヒロックの発
生は液晶デイスプレーの製造工程上極めて大きな問題と
なる。ヒロックの発生のメカニズムは確定されていない
が、加熱による薄膜と基板との線膨張係数の差によって
薄膜に圧縮方向の応力が作用すると、この圧縮応力を駆
動力として粒界に沿ってAl原子が移動することによっ
て発生すると考えられている。
料を使用すれば粒界に沿っての原子の拡散が起こりにく
いためヒロックの発生は防止できる。しかし、これらの
高融点材料はおしなべて比抵抗が50μΩ・cm以上と
高く(Alは4μΩ・cm程度である)、配線材料とし
ての電気的な特性が好ましくない。特に、このような高
抵抗の材料は液晶デイスプレーの大型化に沿わないもの
である。
の開発が試みられてきた。古くは、Al−Cu,Al−
Cu−Siなどであり、最近ではAl−Ta,Al−Z
rが報告されているが、依然として300℃以上の高温
でのヒロックの発生率、電気抵抗の両面で十分なもので
はない。
に示す。ガラス基板、および、その上のアンダーコート
部分上に形成された配線材料部分を透明電極、アモルフ
ァスシリコン沿う、ソース/ドレイン電極から絶縁する
ためにゲート絶縁膜を形成し、TFT動作時の絶縁破壊
を防止する。このゲート絶縁膜はシリコン酸化物、ある
いは、シリコン窒化物から構成され、配線材料部分上に
積層される。しかし、このような多層からなる酸化物
層、窒化物層を形成することは工程的にも複雑であり、
また、形成された層に欠陥が含まれると絶縁破壊の原因
となる。
の問題に対処するためにゲート電極に使用される電極配
線材料を直接陽極酸化によって酸化し、緻密な酸化膜を
形成することによって上述した絶縁膜を代替することが
望ましい。この方法によれば、従来数工程で行っていた
絶縁膜の形成工程を一工程で行うことができるし、陽極
酸化法は緻密な酸化膜を得るのに適した方法だからであ
る。配線材料として純Alを用いるとこのようなことが
可能となる。純Alは陽極酸化によって非常に緻密な酸
化膜を形成できる。しかし、純Alによればヒロックの
発生という問題があることは述べた。
料、特に液晶デイスプレーに使用される電極配線材料と
して、高熱安定性を有しヒロック等の欠陥の発生が少な
く、電気抵抗の低く、かつ、陽極酸化によって容易に緻
密な絶縁膜が形成できる配線材料を提供することを目的
とする。
組成式が実質的にAlx(MyN1-y)1-xで表され、Mは
希土類元素群から選択された少なくとも一の元素であ
り、NはNb,Zr,Taのいずれかから選択された少
なくとも一の元素であり、x=98〜99.5原子%、
好ましくはy=0.1〜0.9を具備する組成を有する
合金を爾後の熱処理によってAlと上記希土類元素の金
属間化合物をマトリクス中に析出させたものによって達
成できる。
2.0原子%のNbを添加した合金を爾後の熱処理によ
ってAlと上記希土類元素の金属間化合物をマトリクス
中に析出させたものによっても達成できる。これらの場
合の熱処理の温度はいずれも250〜450℃の範囲が
望ましく、得られる配線材料の電気抵抗は10μΩ・c
m以下、好適な実施例では5μΩ・cm程度である。な
お、金属精練上不可避的な不純物の混入は本願発明の権
利範囲の射程外に出るものではない。
元素を加えて上記特性を満たすものである。一般的には
Alに添加元素を加えると電気抵抗は著しい増大を示
す。特に添加元素がAl地に固溶している場合はこの傾
向が大きい。従って、微量の添加で耐熱性を改善しヒロ
ック等の欠陥を防止できる元素を探求するとともに、固
溶状態にある溶質添加元素を熱処理によってAlの金属
間化合物の形で析出させ電気抵抗の低減を試みた。
Dy,Ho,Er等の希土類金属元素を添加して、その
一部をNb,Zr,Taなどの高融点金属元素で置換す
ることが好適であることが判明した。これらの希土類元
素と高融点金属元素のうちの少なくとも一種類ずつをA
lに対して合計0.5〜2.0原子%添加し、その後、
300〜450℃の範囲で熱処理を行うことによって溶
質原子をAlとの金属間化合物として析出させる。それ
により、ヒロック・ピンホール等の欠陥の少ない、電気
抵抗の小さい極めて優れた液晶デイスプレー用の配線材
料を得ることができた。このように本願発明では配線材
料を熱処理することが必須の条件であるが、それはマト
リクス中に固溶している溶質原子をAlとの金属間化合
物の形でマトリクス中に析出させ、マトリクス中の固溶
原子濃度を減少させることによって電気抵抗を低減する
とともに、析出した金属間化合物が高温における原子の
移動を拘束しヒロック等欠陥の発生を阻止するためであ
る。従って、熱処理の温度はあくまでも目安の条件に過
ぎず、マトリクス中に金属間化合物が析出することが重
要である。従って、熱処理の温度としては上述した温度
よりも高い500℃くらいまでは所期の目的を達成する
ことができるが、それ以上の温度になると粒子の粗大化
が起こったり、配線材料中に過度の熱応力が発生した
り、かえってヒロック等の欠陥が発生しやすくなるので
するので望ましくない。
上の高温でヒロック等の欠陥の発生がほとんどなく、ま
た、電気抵抗は4〜6μΩ・cmであり、純Alと同等
からその2倍程度に抑えることができる。電気抵抗に関
していえば、従来知られてきたヒロックの発生を抑えた
配線材料は最も優れたものでも8μΩ・cm程度であ
り、純Alの3倍近いものであったから(Al−Ta
系)、本願発明は公知の材料に比べて極めて特性の良好
なものであることが一目瞭然である。
も電気抵抗が低く、ヒロックの発生は抑えることができ
る。しかし、高融点金属元素を添加しないと耐酸化性が
十分ではなく、また、耐食性も良好ではない。従って、
第2の添加元素としてNb,Zr,Taなどの元素を添
加する必要が生じる。
形成された陽極酸化膜の耐電圧が著しく増大することを
発見した。つまり、高融点金属元素の添加は陽極酸化膜
を緻密化し、その絶縁破壊特性を向上させるものと考え
られる。従って、こうして得られた配線材料を陽極酸化
することによって配線後、複層の絶縁膜を形成していた
液晶デイスプレーの工程を短縮することが可能である。
また、耐食性についてもこれらの元素を加えることによ
って改善効果があることが判明した。そして、これらの
元素の添加量をバランスのよいものとすることによって
ヒロックの発生率、電気抵抗等、希土類元素を添加した
合金の有している望ましい特性を維持しつつも、耐食性
・耐酸化性を向上させることができることがわかった。
lxM1−x(Mは希土類元素群から選択された少なく
とも一の元素、x=98〜99.5原子%)で表され、
前記希土類元素の一部をNb,Zr,Taのいずれかか
ら選択された少なくとも一の元素で置換したものとも記
述できる。
ることなく同等の効果を得ることができないかを検討し
た。その結果、Al−Nb合金系でも同様に電気抵抗が
低く、ヒロックの発生率が低く、かつ、陽極酸化によっ
て強固な絶縁膜が形成可能な合金を得ることができるこ
とを発見した。このときのNbの添加量は0.5〜2.
0原子%であり、希土類元素を添加した3元系の合金の
場合と同様に、250℃以上の熱処理を施すものであ
る。以下、これらのついて詳細を実験データとともに開
示する。
Nb,Taから選択した1元素を所定の膜組成になるよ
うに混合した合金やAl板の上に上記元素のチップを配
設した複合ターゲットを用いることにより蒸着法やスパ
ッタ法で厚さ約300nmのAl合金薄膜を作成した。
表1に作成したAl合金薄膜の350℃、1時間真空中
熱処理後の比抵抗とヒロック発生個数の有無、さらに該
合金膜を陽極酸化した膜の耐電圧を示す。表には比較の
ためAl単体元素薄膜および添加元素の合計量が2原子
%よりも多く、0.5%よりも少ない合金膜の結果も示して
ある。
薄膜は高い熱安定性と欠陥の極めて少ない高信頼性で抵
抗が極めて低い液晶デイスプレーTFT電極配線材料と
して最適な合金であることが分かる。表から明らかなよ
うに、組成式Alx(MyN1-y)1-xを有する合金におい
て、x=0.5〜2原子%で良好な結果が得られ、xが
これよりも小さくなるとヒロックの発生が増大し、ま
た、xがこれよりも大きくなると電気抵抗が増大する。
耐電圧は広い組成の範囲で大きな変化は観察されず、好
適な実施例では純Alの有する耐電圧と比較して15%
以内の低下にとどまっている。x=2.5と添加元素を
多くすると劣化する傾向がある。
の比に関しては広い範囲で良好な特性を得ることができ
る。希土類元素の方が多い場合、あるいは、高融点金属
元素の方が多い場合のいずれでも上述した適切なxの範
囲内で良好な特性を実現できる。ただ、希土類元素のみ
では陽極酸化性、あるいは、耐食性がさほど良好ではな
いことがわかっており、高融点金属元素が極端に少ない
と問題が生じる可能性はある。これに対して、希土類元
素が極端に少ない場合は、次の実施例に示すようにAl
−Nb2元系のものが良好な特性を示すことから考えれ
ば、大きな問題を生じない可能性が高い。なお、表1に
は希土類元素としてY,Nd,Gdしか示していない
が、La,Pr,Sm,Dy,Ho,Er等の他の希土
類元素でも同様の効果が期待できる。希土類元素、特
に、ランタノイド群に属する一群の元素はその最外殻電
子、次外殻電子の数が等しく化学的性質が相互に極めて
類似しており、実際、Alとの2元系においてはいずれ
も同様な効果を耐ヒロック特性等に対して有することが
確認されている(本出願人による同日出願、出願人整理
番号JA995017)。
なものについての熱処理温度と電気抵抗の関係を示す。
ここで、最も上に示されている曲線がAl99(Nd0.7
Zr0.3)1であり、以下、Al98.2(Y0.4Ta0.6)
1.8、Al99(Gd0.5Nb0.5)1であり、最も下の曲線
が純Alである。熱処理温度とともに顕著な電気抵抗の
低下が観察される。熱処理は少なくとも250℃以上で
行うことが必要とされ、好ましくは、300℃〜400
℃の温度で行うことがよい。また、熱処理温度が例えば
500℃というようにあまりにも高くなると、かえっ
て、ヒロックの発生が増大したり、粒の粗大化が起こっ
たりするので望ましくない。
0.7Zr0.3)1を350℃で熱処理したときのX線回折
チャートを示す。熱処理によって熱処理前には存在しな
かったピーク(□印)が出現しており金属間化合物の析
出に対応すると思われる。このように、熱処理によって
電気抵抗が低下する理由はマトリクス中に固溶している
溶質原子(希土類元素、高融点金属元素)が素地のAl
と金属間化合物を形成し、マトリクス中の固溶量が減少
するためである。また、高融点金属であるNbやZr等
もAlと金属間化合物を作りやすい元素である。ヒロッ
クの低下についてもこのミクロ的な内部変化が寄与して
いることは疑いがない。どのような元素を添加しても金
属間化合物が析出するとヒロック改善の傾向があること
は知られている。しかし、従来知られているいずれの添
加元素も希土類金属元素を添加した場合ほどはヒロック
の発生率を劇的に改善するものではない。この点で、ヒ
ロックの防止の機構については金属間化合物の析出のみ
ならず、希土類金属元素固有の性質に基づく何らかの機
構が働いているものと考えられる。
Al板の上に上記元素のチップを配設した複合ターゲッ
トを用いることにより蒸着法やスパッタ法で厚さ約30
0nmのAl合金薄膜を作成した。表2に作成した代表
的なAlNb合金薄膜の350℃、1時間真空中熱処理
後の比抵抗とヒロック発生個数の密度(巾8μmx長さ
1mm)及び陽極酸化した時の膜厚200nmでの耐電
圧を示す。表には比較のためAl単体元素薄膜およびAl
にNbを2原子%よりも多く、0.5原子%よりも少なく
添加した合金膜膜の結果も示してある。
5〜2.0原子%がよい。この範囲でのNbの添加はほ
とんど純Alの良好な耐電圧を低下させないことが特徴
である。Nbが2.5原子%と多くなると、比抵抗の点
から配線材料として採用が難しくなるとともに、耐電圧
の低下の傾向が見られる。また、Nbが0.5原子%未
満の場合は、ヒロックの発生が改善できない。
原子%Nbの350℃、真空中等温熱処理での比抵抗の
変化を示す。Al−Nb合金系においても熱処理温度は
最低250℃、最適には350℃以上であることがわか
る。高温熱処理の時の弊害については実施例1と全く同
様である。
晶デイスプレー内の配線として説明を行っているが、本
願発明に係わる配線材料は(1)電気抵抗が小さく、
(2)高温によってヒロック等の欠陥が生じないという
同様な要求特性を有する他の用途においても使用しうる
ものである。この用途が配線上を絶縁する必要性がある
場合はさらに本願発明の配線材料は適切なものとなる。
従って、例えば半導体のための配線材料などにも適用可
能である。また、本願発明に係わる組成の合金に、例え
ばCr,Ti,Mo,W,Si,Cuなどの従来同種の
配線材料で検討されてきた元素をその電気的特性、ヒロ
ックの発生率に影響しない程度に添加することも本願発
明の目的を達成する上で有効である。これらの元素はそ
の添加量が合計で0.1%を越えない時は本願発明の目
的を達成可能である。
い実施例では5μΩ・cm程度と極めて低く、高温にお
いてヒロック・ピンホール等の欠陥が発生せず、かつ、
陽極酸化によって強固な絶縁皮膜を容易に形成可能な配
線材料を得た。
定の時の熱処理温度と比抵抗の依存性を示す。
の時の熱処理時間と比抵抗の依存性を示す。
ったときにX線回折チャートを示す。
Claims (14)
- 【請求項1】その組成式が実質的にAlxM1-x(Mは希
土類元素群から選択された少なくとも一の元素、x=9
8〜99.5原子%)で表され、前記希土類元素の一部
をNb,Zr,Taのいずれかから選択された少なくと
も一の元素で置換したAl系配線材料であって、250
℃〜450℃で熱処理を施したもの。 - 【請求項2】その組成式が実質的にAlx(MyN1-y)
1-xで表され、Mは希土類元素群から選択された少なく
とも一の元素であり、NはNb,Zr,Taのいずれか
から選択された少なくとも一の元素であり、x=98〜
99.5原子%、y=0.1〜0.9を具備する組成を
有する合金を250℃〜450℃で熱処理を施した、A
l系配線材料。 - 【請求項3】その組成式が実質的にAlx(MyN1-y)
1-xで表され、Mは希土類元素群から選択された少なく
とも一の元素であり、NはNb,Zr,Taのいずれか
から選択された少なくとも一の元素であり、x=98〜
99.5原子%、y=0.1〜0.9を具備する組成を
有する合金からなる配線材料であって、爾後の熱処理に
よってAlと上記NまたはMで表される元素との金属間
化合物をマトリクス中に析出させ、その電気抵抗を10
μΩ・cm以下に調製したことを特徴とする配線材料。 - 【請求項4】Alに0.5〜2.0原子%のNbを添加
した合金を250〜450℃で熱処理を施したことを特
徴とする配線材料。 - 【請求項5】Alに0.5〜2.0原子%のNbを添加
した合金からなる配線材料であって、爾後の熱処理によ
ってAlとNbとの金属間化合物をマトリクス中に析出
させ、その電気抵抗を10μΩ・cm以下に調製したこ
とを特徴とする配線材料。 - 【請求項6】請求項1、請求項2、請求項3、請求項
4、請求項5のいずれかの配線材料のうちの少なくとも
一つを含む、液晶デイスプレー装置。 - 【請求項7】金属配線層の形成方法であって、 その組成式が実質的にAlxM1-x(Mは希土類元素群か
ら選択された少なくとも一の元素、x=98〜99.5
原子%)で表され、前記希土類元素の一部をNb,Z
r,Taのいずれかから選択された少なくとも一の元素
で置換した合金の薄膜を基板上に形成し、前記薄膜を2
50℃〜450℃で熱処理することを含む、金属配線層
の形成方法。 - 【請求項8】金属配線層の形成方法であって、 その組成式が実質的にAlx(MyN1-y)1-xで表され、
Mは希土類元素群から選択された少なくとも一の元素で
あり、NはNb,Zr,Taのいずれかから選択された
少なくとも一の元素であり、x=98〜99.5原子
%、y=0.1〜0.9を具備する組成を有する合金の
薄膜を基板上に形成し、上記薄膜を250〜450℃で
熱処理することを含む、金属配線層の形成方法。 - 【請求項9】金属配線層の形成方法であって、 その組成式が実質的にAlx(MyN1-y)1-xで表され、
Mは希土類元素群から選択された少なくとも一の元素で
あり、NはNb,Zr,Taのいずれかから選択された
少なくとも一の元素であり、x=98〜99.5原子
%、y=0.1〜0.9を具備する組成を有する合金の
薄膜を基板上に形成し、上記薄膜を熱処理してAlと上
記希土類元素の金属間化合物をマトリクス中に析出さ
せ、上記配線層の電気抵抗が10μΩ・cm以下に調製
されることを含む、金属配線層の形成方法。 - 【請求項10】金属配線層の形成方法であって、Alに
0.5〜2.0原子%のNbを添加した合金の薄膜を基
板上に形成し、上記薄膜を250〜450℃熱処理する
ことを含む、金属配線層の形成方法。 - 【請求項11】金属配線層の形成方法であって、Alに
0.5〜2.0原子%のNbを添加した合金の薄膜を基
板上に形成し、上記薄膜を熱処理してAlと上記希土類
元素の金属間化合物をマトリクス中に析出させ、上記配
線層の電気抵抗が10μΩ・cm以下に調製されること
を含む、金属配線層の形成方法。 - 【請求項12】上記熱処理後上記金属配線を陽極酸化す
ることを特徴とする、請求項7,8,9,10または1
1の金属配線層の形成方法。 - 【請求項13】上記陽極酸化によって形成された絶縁膜
が純Alの有する耐電圧と比較して15%以内の低下に
とどまることを特徴とする、請求項12の金属配線層の
形成方法。 - 【請求項14】さらに合計0.1原子%未満Cr,T
i,Mo,W,Si,Cuのいずれか一種以上の元素を
添加し、その電気抵抗を10μΩ・cm以下に調製した
ことを特徴とする請求項2または4の配線材料。
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