KR20070039914A

KR20070039914A - 구리 합금으로 제조되는 도선을 위한 재료

Info

Publication number: KR20070039914A
Application number: KR1020077000235A
Authority: KR
Inventors: 미카엘 오'설리반; 페터 빌하르티츠; 게르하르트 라이히트프리트
Original assignee: 플란제 에스이
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2007-04-13
Also published as: CN1985014A; JP2008506040A; AT7491U1; WO2006005095A1; CN1985014B

Abstract

본 발명은 Cu > 90 At.%인 구리 합금으로 제조된 도선을 위한 재료를 포함하며, 여기서 재료는 Ca, Sr, Ba, Sc, Y, 란타니드(lanthanides), Cr, Ti, Zr, Hf, Si을 포함하는 그룹으로부터 선택된 0.5 내지 10 At.%의 하나 또는 그 이상의 원소와; Mg, V, Nb, Ta, Mo, W, Ag, Au, Fe, B 을 포함하는 그룹으로부터 선택된 0 내지 5 At.%의 하나 또는 그 이상의 원소를 포함한다. 이러한 재료는 낮은 전기저항, 유리 기판에 대한 우수한 접합, 산화에 대한 충분한 저항 및 낮은 전자이동률을 갖는다.

구리, 도선, 유리 기판, 스퍼터링 타깃

Description

구리 합금으로 제조되는 도선을 위한 재료{MATERIAL FOR CONDUCTOR TRACKS MADE OF COPPER ALLOY}

본 발명은 Cu > 90 At.%인 구리 합금으로 제조된 도선을 위한 재료에 대한 것이고 이러한 재료의 증착을 위한 스퍼터링 타깃(sputtering target)에 대한 것이다.

도선 시스템(conductor line system)은 마이크로 전자 장치의 기본 부품을 나타내고 기판에 적용되는 하나 또는 그 이상의 도선들을 포함하며, 물리 기상 증착(PVD) 또는 화학 기상 증착(CVD)과 같은 다양한 코팅 공정이 사용될 수 있다. 예를 들어 박막 트랜지스터 액정 표시 장치(TFT-LCD)를 위한 게이트 전극(gate electrode)과 같이 도선을 위해 선택된 재료의 전기전도율에 부가되는 요구는 증가하는데, 이는 필요한 반응 시간이 점점 더 짧아지며 마이크로 전자 장치가 점점 더 커지기 때문이다. 따라서, 예를 들어 알루미늄 또는 내화 금속(refractory metal) 및 그 합금과 같이 충분하게 높은 전기전도율을 갖는 재료만이 도선을 위해 사용된다.

구리는 전기전도율 및 재료 비용의 관점에서 이상적인 재료이다. 하지만, 유리에 증착될 때에 구리는 조악한 층 접합(layer bonding)을 갖는다. 또한, 산화에 대한 저항이 부적합하다. 게다가, 구리는 전자이동(electromigration)에 대한 낮은 저항을 갖는다. 전자이동은 전기장이 무지향성 열확산(nondirectional thermal diffusion)에 중첩될 때 발생하며, 전자의 유동 방향으로 재료의 네트 유동(net flow)을 야기한다. 또 다른 문제점은 주변 박막으로 확산하는 구리의 높은 비율이다. 합금이 사용된다면, 전도율이 가능한 한 최소로 손상되는 것이 중요하다. 게다가, 층 재료는 에칭될 수 없는 어떠한 마이크로 구조 성분을 포함하지 않는 것이 중요한데, 이는 이러한 성분은 무결점 전자 부품을 제조하는 것을 더욱 어렵게 하기 때문이다. 이것은 합금의 선택을 매우 제한한다. 초고밀도집적체(ULSI structure)를 위해 구리 합금을 사용하려는 수많은 시도가 있어왔다. 예를 들어, 미국 특허 공보 US-A 5,023,698호는 Al, Be, Cr, Fe, Mg, Ni, Si, Sn 및 Zn을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 구리 합금을 개시하고 있다. Cr 함량은 0.01 내지 0.3 중량%로 제한되고 Si 함량은 0.01 내지 0.2 중량%로 제한된다.

미국 특허 공보 US-A 5,077,005호는 In, Cd, Sb, Bi, Ti, Ag, Sn, Pb 및 Zr을 0.0003 내지 0.01 중량%의 양으로 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 구리 합금을 다시 개시하고 있다. 하지만, 이들 합금 중 어느 것도 산화에 대한 충분한 저항과 전자이동에 대한 저항과 함께 유리 기판으로의 충분한 접착을 갖지 못한다.

본 발명의 목적은 구리를 기초로 하는 도선을 위한 재료를 제공하는 것이며, 또한 낮은 전기 저항, 유리 기판에 대한 우수한 접착, 산화에 대한 우수한 저항 및 낮은 전자이동률(electromigration rate)과 같은 다양한 요구 조건을 충족시키는 이러한 재료의 증착을 위한 스퍼터링 타깃을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이것은 특허청구범위 제1항에 따른 도선을 위한 재료에 의해 달성된다. 재료는 Ca, Sr, Ba, Sc, Y, 란타니드(lanthanides), Ti, Zr, Hf, Cr 및 Si을 포함하는 그룹으로부터 선택된 0.5 내지 10 At.%의 하나 또는 그 이상의 원소를 포함한다. 이들 원소들은 표시된 농도 범위에서 유리 기판에 증착되는 층의 접착 강도와 산화에 대한 저항이 모두 증가함이 발견되었다. 원소(Cr, Si, Ti)들의 경우에는 보다 낮은 농도에서는 어떠한 개선도 발생하지 않는다. 구리 함량이 90 At.%를 초과하며 합금 원소들은 구리에 용융되지 않으므로, 전기전도율은 현재 사용되는 Al 및 내화 금속 합금의 전기전도율 이상인 것이 보장된다. Mg, V, Nb, Ta, Mo, W, Ag, Au, Fe 및 B을 포함하는 그룹으로부터 선택된 0 내지 5 At.%의 하나 또는 그 이상의 원소의 합금에 대한 첨가는 층 접합에 실질적으로 영향을 미치지는 않으나 낮은 온도에서 산화에 대한 저항을 더욱 증가시킨다. 게다가, 본 발명에 따른 합금은 제2 상(second phase)의 석출 분율(precipitated fractions)을 가지며, 이로써 전자이동에 대한 저항이 충분히 높도록 보장한다. 이러한 제2 상은 증착 공정 중에 또는 열처리 중에 가능한 한 빨리 형성될 수 있으며, 이후의 플라즈마 화학 기상 증착(PECVD) 공정 중에 발생한다.

만일 재료가 Sc, Y, 란타니드(lanthanides), Cr 및 Si을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 0.5 내지 10 At.%, 특히 1 내지 7 At.%의 하나 또는 그 이상의 원소를 포함한다면, 최적의 층 접합과 산화에 대한 저항은 달성된다. 층 접합과 산화의 관점에서의 훌륭한 결과는 Sc, Y, 란타니드(lanthanides)를 포함하는 그룹으로부터 선택된 0.5 내지 5 At.%의 하나 또는 그 이상의 원소가 0.5 내지 5 At.%의 Cr 및/또는 Si과 조합하여 사용되는 경우에 달성되며, 특히 우수한 결과는 Sc, Y, 란타니드(lanthanides)를 포함하는 그룹으로부터 선택된 1 내지 4 At.%의 하나 또는 그 이상의 원소가 0.5 내지 3 At.%의 Cr와 조합하여 사용되는 경우에 달성된다. 산화에 대한 추가적인 개량은 0.1 내지 3 At.%의 Mg, Ag 및/또는 Au을 합금에 첨가함으로써 달성될 수 있다.

층 재료와 실질적으로 동일한 화학 조성을 갖는 스퍼터링 타깃은 상기 층을 제조하는 데 사용된다. 본 발명에 따른 스퍼터링 타깃은 분말야금 공정에 의해 제조되는 것이 바람직하며, 이 경우에 사용될 수 있는 압밀화 기법(consolidation technique)은 압착/소결 기법(pressing/sintering technique), 열간 압착 기법(hot-pressing technique), 열간 정수압 압착 기법(hot isostatic pressing technique)뿐만 아니라 용침 기법(infiltration technique)을 포함한다. 게다가, 예를 들어 압연, 압출 또는 단조와 같은 이후의 변형 단계를 채택하는 것이 바람직하다고 입증되었다.

결정립도(grain size)는 500 ㎛ 미만인 것이 바람직하다. 변형 기법에 의해 제조되는 스퍼터링 타깃의 경우에, 결정립도가 200 ㎛ 미만인 것이 바람직하며 압연 또는 압출 제품의 경우에는 측정이 마이크로 단면의 가로로 취해지거나, 또는 단조 제품의 경우에는 측정이 재료의 유동 방향에 대해 가로로 취해진다. 게다가, 스퍼터링 타깃의 밀도는 바람직하게는 이론 밀도의 97%를 초과하고, 더욱 바람직하게는 이론 밀도의 98.5%를 초과하며, 변형 스퍼터링 타깃의 경우에는 이론 밀도의 99.8%를 초과한다. 본 발명은 아래의 실시예를 참조로 하여 더욱 자세하게 설명된다.

130 ㎛의 결정립도를 갖는 구리 분말은 확산 혼합기에서 개별 합금 분말과 혼합된다. 분말 혼합물이 비합금 강(unalloyed steel)으로 제조된 용기로 도입되고 탈가스처리(degassing treatment)가 수행된 이후에, 용기는 비워지고 기밀 방식으로 밀봉된다. 열간가압성형(hot-compacting)은 구리 합금의 고상선 온도보다 100 내지 200℃ 낮은 온도와 2000 bar의 압력으로 열간 정수압 압착 설비에서 수행된다. 모든 합금 변형물에 있어서, 밀도는 이론 밀도의 98%를 초과하며 결정립도는 500 ㎛ 미만이다. 300 × 150 × 10 mm³ 치수를 갖는 스퍼터링 타깃과 50 × 50 × 2 mm³ 치수를 갖는 산화 견본은 열간 정수압 압착된 블록의 외부로 가공된다. 그 후, 0.5 ㎛의 두께를 갖는 층은 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)에 의해 유리 기판(LCD 유리)에 증착되며, 이들 층의 접합은 접착 테이프 시험에 의해 질적으로 결정되며 평가된다(1: 순수 구리에 비해 상당히 나은 접합, 2: 순수 구리에 비해 나은 접합, 3: 순수 구리와 비슷한 접합). 산화 특성은 200℃의 온도와 공기 중에서 1000시간의 시험 시간으로 결정되며, 견본은 C 등급(무게 증가 > 0.2 mg/㎠), B 등급(0.2 mg/㎠ 내지 0.1 mg/㎠의 무게 증가) 및 A 등급(무게 증가 < 0.1 mg/㎠)으로 분류된다. 견본 번호 1 내지 23은 본 발명에 따른 시험을 나타내며, 견본 번호 24 내지 26은 종래 기술 시험을 나타낸다. 결과는 아래의 표에 집계된다.

본 발명은 구리 합금으로 제조되는 도선을 위한 재료에 사용될 수 있다.

Claims

Cu > 90 At.%인 구리 합금으로 제조되는 도선을 위한 재료로서,

상기 재료는 Ca, Sr, Ba, Sc, Y, 란타니드(lanthanides), Cr, Ti, Zr, Hf, Si 로 구성되는 그룹으로부터 선택된 0.5 내지 10 At.%의 하나 또는 그 이상의 원소와; Mg, V, Nb, Ta, Mo, W, Ag, Au, Fe, B 로 구성되는 그룹으로부터 선택된 0 내지 5 At.%의 하나 또는 그 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 구리 합금으로 제조되는 도선을 위한 재료.
제1항에 있어서,

상기 재료는 Sc, Y, 란타니드(lanthanides), Cr 및 Si 로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 0.5 내지 10 At.%의 하나 또는 그 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 구리 합금으로 제조되는 도선을 위한 재료.
제2항에 있어서,

상기 재료는 Sc, Y, 란타니드(lanthanides), Cr 및 Si 로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1 내지 7 At.%의 하나 또는 그 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 구리 합금으로 제조되는 도선을 위한 재료.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 재료는 Sc, Y, 란타니드(lanthanides)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 0.5 내지 5 At.%의 하나 또는 그 이상의 원소와, 0.5 내지 5 At.%의 Cr 및/또는 Si을 포함하는 것을 특징으로 하는 구리 합금으로 제조되는 도선을 위한 재료.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 재료는 Sc, Y, 란타니드(lanthanides)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1 내지 4 At.%의 하나 또는 그 이상의 원소와, 0.5 내지 3 At.%의 Cr을 포함하는 것을 특징으로 하는 구리 합금으로 제조되는 도선을 위한 재료.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 재료는 Ag, Au 및 Mg 로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 0.1 내지 3 At.%의 하나 또는 그 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 구리 합금으로 제조되는 도선을 위한 재료.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 도선의 증착을 위한 스퍼터링 타깃으로서,

상기 타깃은 분말야금에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 도선의 증착을 위한 스퍼터링 타깃.
제7항에 있어서,

스퍼터링 타깃은 용사가압성형(spray-compacting)에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 도선의 증착을 위한 스퍼터링 타깃.
제7항 또는 제8항에 있어서,

스퍼터링 타깃은 97% 보다 큰 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 도선의 증착을 위한 스퍼터링 타깃.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

스퍼터링 타깃은 500 ㎛ 미만의 결정립도를 갖는 것을 특징으로 하는 도선의 증착을 위한 스퍼터링 타깃.
제7항 또는 제8항에 있어서,

스퍼터링 타깃은 바람직하게는 압연에 의하여 변형되는 것을 특징으로 하는 도선의 증착을 위한 스퍼터링 타깃.
제11항에 있어서,

스퍼터링 타깃은 99.8% 보다 큰 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 도선의 증착을 위한 스퍼터링 타깃.
제11항 또는 제12항에 있어서,

스퍼터링 타깃은 200 ㎛ 보다 작은 결정립도를 갖는 것을 특징으로 하는 도선의 증착을 위한 스퍼터링 타깃.
평면 스크린용 도선의 증착을 위한 제7항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따르는 스퍼터링 타깃.
LCD TFT 평면 스크린용 도선의 증착을 위한 제14항에 따르는 스퍼터링 타깃.