铝合金薄膜及靶材和使用它的薄膜形成方法

摘要

本发明的目的是提供一种即使经过300～400℃热处理后也无小丘发生且电阻率在7μΩcm以下的耐热性、低电阻铝合金薄膜及能够形成具有上述特性的铝合金薄膜的溅射靶材。本发明的铝合金薄膜的特征在于,含有作为合金成分的铝、碳及镁,以碳的原子百分率为Yat%、镁的原子百分率为Xat%,则碳及镁的含量为由式X=0.61、X=8、Y=2、Y=－0.13X+1.3所包围范围内的量,余量为铝及不可避免的杂质。另外,本发明的用于形成铝合金薄膜的溅射靶材的特征在于,构成靶材的成分为铝、碳、镁及不可避免的杂质,碳及镁的量为由上述各式所包围范围内的量,余量为铝及不可避免的杂质。

说明书

                        技术领域

本发明涉及铝合金薄膜、用于形成铝合金薄膜的溅射靶材及铝合金薄膜的形成方法，更具体地说，涉及构成液晶显示器的薄膜布线、电极及半导体集成电路布线等的耐热性、低电阻铝合金薄膜，还涉及能够用于形成上述铝合金薄膜的溅射靶材及上述铝合金薄膜的形成方法。

                          背景技术

近年来，计算机显示装置及笔记本电脑中使用的液晶显示器屏幕越来越大，清晰度越来越高。最近，在液晶显示器领域中，薄膜晶体管(Thin Film Transistor、TFT)的液晶显示器的需求不断增加，随之对液晶显示器要求的特性也日益严格。特别是随着液晶显示器实现大屏幕及高清晰度，更需要电阻率低(10μΩcm以下)的布线材料。即，该需求是为了防止在布线越来越长和越来越细时出现信号延迟而提出来的。

到目前为止，液晶显示器的布线材料采用的是Ta、Cr、Ti等或它们的合金等高熔点材料。但是，由于高熔点材料的电阻率过高，因此不能用于上述大屏幕、高清晰度的液晶显示器的布线。

在这样的情况下，纯铝的电阻率为3μΩcm左右，非常低，而且布线加工容易，因此其作为布线材料的应用受到瞩目。但是，纯铝的熔点为660℃，比较低，因此存在耐热性低的问题。

通过溅射在基板形成铝薄膜进行布线加工后用CVD法形成绝缘膜时铝会受到300～400℃的强热。这时铝膜表面会出现称为小丘(hillock)的瘤状突起。该小丘会穿破绝缘层，导致与上面的层的短路，或者会引起相邻布线间的短路，成为问题的原因。

因此，各公司开发了添加了其它元素的铝合金并普遍使用。已知用这种合金化方法，能在相当程度上抑制小丘。在迄今使用的Al-Ti等铝合金薄膜中控制Ti等的添加量，确实抑制了小丘。

但是，添加其它元素会同时使电阻率也上升至10μΩcm以上。由于这样选定的添加元素的种类及添加量会大大影响铝合金薄膜的特性，因此希望有一种在保持低电阻的同时具有耐热性、并能抑制小丘的铝合金薄膜。

本发明的目的在于提供一种即使经300～400℃的热处理后也不会产生小丘、电阻率小于7μΩcm的耐热性及低电阻的铝合金薄膜。另外，本发明的另一个目的在于提供能够用于形成上述铝合金薄膜的溅射靶材。本发明的又一个目的在于提供上述铝合金薄膜的形成方法。

发明的公开

为了达到上述目的，本发明者进行了深入的研究，结果发现，采用Al-C-Mg系作为铝合金薄膜的合金组成，将碳及镁的含量控制在特定范围内，可达到上述目的，此外，用特定组成的Al-C-Mg系材料作为靶材，可达到上述目的，再有，用溅射方法形成铝合金薄膜时，最好将基板温度控制在特定温度，从而可达到上述目的，并由此完成了本发明。

即本发明的铝合金薄膜的特征在于，含有作为合金成分的铝、碳及镁，以碳的原子百分率为Yat％、镁的原子百分率为Xat％，则碳及镁的含量为由下面各式：

X=0.61

X=8

Y=2

Y=-0.13X+1.3所包围的范围内的量，余量为铝及不可避免的杂质。

另外，本发明的铝合金薄膜形成用溅射靶材的特征在于，构成靶材的成分为铝、碳、镁及不可避免的杂质，碳及镁的量为由下面各式：

X=0.61

X=8

Y=2

Y=-0.13X+1.3所包围的范围内的量，余量为铝及不可避免的杂质。

再有，本发明的铝合金薄膜形成方法的特征在于，用上述溅射靶材通过溅射形成上述铝合金薄膜时，在将基板温度维持在180～400℃的条件下实施。

                  图面的简单说明

图1显示各薄膜组成与小丘发生状态的关系。图2是用TEM观察薄膜结晶状态的照片。图3是用SEM观察比较例1的薄膜中有无小丘发生的表面照片。图4是用SEM观察实施例3的薄膜中有无小丘发生的表面照片。图5是显示反射率测定结果的图表。图6及图7是用SEM观察为进行干法刻蚀评价而形成的微细电路的照片。

                      发明的实施最佳形态

铝合金薄膜的耐热性可以通过成膜后的热处理是否引起小丘发生来进行评价。例如，当形成于玻璃基板上的铝合金薄膜进行300～400℃的加热处理时，由于铝合金薄膜的热膨胀系统比玻璃大约大1个数量级，因此铝合金薄膜有伸展的倾向，由此受到来自玻璃基板的压缩应力。在铝合金薄膜存在大小晶粒混合的情况下，一般认为小晶粒会成为晶核，铝产生迁移，析出，晶粒生长，由此使应力缓和，其结果，在使该应力缓和的点附近发生小丘。即，可以这样说，小丘生成时的驱动力是加热处理时施加在铝合金薄膜上的压缩应力，当铝合金薄膜中存在晶核时，会引起迁移，生成小丘。

在铝中添加少量的碳，可使铝合金薄膜中的晶粒粒径从总体上变小，形成晶粒整齐的结晶组织，从而使应力均匀分散于整个铝合金薄膜。用透射电子显微镜(TEM)观察在相同条件下成膜的纯铝薄膜及Al-C合金薄膜的各结晶组织，发现纯铝薄膜中的晶粒大小为0.05-0.3μm左右，不均匀，而Al-C合金薄膜的晶粒大小在0.1μm以下，不均匀性减小。

但是，Al-C合金经过加热处理后会出现一些小丘，另外，加热处理后的膜表面的平滑性变差，同时还有反射率下降的倾向。由于Al-C合金中的碳基本上不固溶于铝，因此碳与其它元素相比，使膜的电阻率上升的作用小。但是，含有少量碳的Al-C合金不能完全抑制小丘，而将碳的添加量增加到能完全抑制小丘的程度时，电阻必然会上升，这样，Al-C合金的使用估计很困难。

然而，在Al-C合金中添加镁，却能够防止加热处理后出现小丘，保持良好的表面平滑性，而且可以维持较低的电阻率。

通过形成Al-C-Mg合金，可使电阻率在7μΩcm以下，具有耐热性，并可抑制小丘发生。另外，由于汽车用的Al-Mg合金等具有耐腐蚀性，因此也可以期望本发明的合金薄膜的布线的耐腐蚀性会有提高。

在Al-C-Mg合金中，碳含量超过2at％时，或镁含量超过8at％时，由于合金薄膜的电阻率有超过7μΩcm的倾向，因此并不理想。另外，碳及镁的含量满足下式

Y＜-0.13+1.3量时，由于在400℃热处理后有发生小丘的倾向，因此也不理想。

此外，在合金中添加C时，若考虑以MgC₂的形态添加，则当镁的含量小于0.61at％时，镁的添加效果不明显，而且合金的制作估计也很困难。

因此，本发明的铝合金薄膜含有作为合金成分的铝、碳及镁，碳及镁的含量为由下面各式

X=0.61

X=8

Y=2

Y=-0.13X+1.3包围范围内的量，余量为铝及不可避免的杂质。即，若将Y轴作为碳含量，将X轴作为镁含量，则碳及镁的含量为图1中由直线Y=-0.13X+1.3、直线X=0.61、直线X=8及直线Y=2所包围的范围内的量。由这些式子所包围的范围还包括各直线上的数值。

另外，本发明的用于形成铝合金薄膜的溅射靶材能够通过溅射形成上述铝合金薄膜，构成靶材的成分为铝、碳、镁及不可避免的杂质，碳及镁的量为由下面各式

X=0.61

X=8

Y=2

Y=-0.13+1.3包围范围内的量，余量铝及不可避免的杂质。

对上述靶材的形状及构成无特别限定，可以根据溅射法的方式及溅射装置的形式等采用与之适应的任意形状及构成。例如，对于其构成，可以采用合金、均匀混合物或埋片等。

在本发明的铝合金薄膜的形成方法中，用上述溅射靶材通过溅射形成上述铝合金薄膜时，在使基板温度维持在180～400℃的条件下实施。当基板温度比180℃低时，由于在后面的加热处理中有出现小丘的倾向，因此并不理想。至于基板温度的上限，在不对基板及薄膜产生不良影响的范围内，即使高温也可以，但若考虑到能量效率、操作环境、装置的寿命等，较佳地是在180～350℃左右，更加地是180～300℃左右实施。

以这样的基板温度进行溅射，不仅能够尽量减少成膜后加热处理时施加在薄膜上的压缩应力，抑制小丘的发生，而且还能够降低300～400℃加热处理后的膜电阻率。另外，由于在as-depo(刚溅射之后)状态下电阻率小于7μΩcm，因此即使加热处理后用于成膜的部位时，也可以作为低电阻布线材料使用。此外，当薄膜是纯铝的时，也可以通过提高基板温度来减少小丘的发生，但不能将其完全抑制。

本发明的铝合金薄膜，在as-depo后，或加热处理后，其膜表面的平滑性显著提高。这可能是由于添加元素使薄膜粗晶粒生长的得到抑制的缘故。这样，由于as-depo后或加热处理后的膜表面平滑性显著提高，使得膜的光反射率非常高。这种性质可以说与至今为止的铝合金薄膜是不同的。近年来，推出了不使用背光源的反射型液晶显示器，对于这类显示器，光反射率高的电极薄膜是必不可少的，本发明的铝合金薄膜也可以充分应用于这些反射电极。

                      实施例

下面根据实施例及比较例，具体说明本发明。将就实施例1-6及比较例1-5所作的膜组成、基板温度、电阻率数值、小丘发生的调查结果以一览表的形式示于表1。

表1所示纯铝薄膜或各种组成的合金薄膜的形成方法是，用具有与表1所述膜相同组成的靶作为溅射靶材，用维持在表1所示温度的厚1.1mm的康宁公司生产的#1737玻璃板作为基板，在溅射功率为3 Watt/cm²、溅射压力为333.25×10^-3Pa(2.5mTorr)的条件下用DC磁控管溅射法在该玻璃板上形成厚3000左右的膜。所得薄膜的膜组成及刚刚溅射后(as-dope)的膜的电阻率如表1所示(表1所示各实施例及比较例中的的膜厚都在3000左右)。

然后，将这些带薄膜的玻璃板在真空中以300℃及400℃两种条件分别热处理1小时。热处理后的膜的电阻率如表1所述，小丘发生的状态如表1及图1所示。

关于小丘发生的状态，用扫描电子显微镜(SEM)以500倍及5000倍两种倍率进行观察，只有在用两种倍率都没有观察到小丘时才认定没有发生小丘(无小丘)。另外，薄膜的电阻率用四端电阻测定装置测定。

碳浓度用碳分析用气体分析装置分析。碳测定用试样的制作方法是，在与上述方法同样的条件下在基板上形成厚10μm左右的薄膜，然后将该薄膜从基板剥离作为试样。另外，关于镁浓度，用ICP光谱分析(电感耦合等离子体光谱分析法)定量测定铝合金薄膜中的镁浓度。

                             表1

    膜组成基板温度   (℃)           电阻率(μΩcm)    小丘发生状态   as-depo    300℃    400℃   300℃    400℃比较例1 Al(5N)    200    3.21    3.19    3.19   发生    发生比较例2 Al-0.07C    200    3.55    3.04    3.07   发生    发生比较例3 Al-0.8C    200    4.63    4.49    4.40   发生    发生比较例4 Al-1.7C    200    4.83    5.03    4.73   发生    发生比较例5 Al-2.25Mg    200    4.22    4.10    3.83   发生    发生比较例6 Al-4.77Mg    200    4.85    4.54    6.80   发生    发生比较例7 Al-9.64Mg    200    10.0    8.82    7.06    无    发生比较例8 Al-14.3Mg    200    15.0    14.0    4.95    无    发生比较例9 Al-0.07C-2.3Mg    200    4.20    3.77    3.86   发生    发生比较例10 Al-0.07C-4.8Mg    200    5.12    5.50    6.40    无    发生比较例11 Al-0.07C-9.5Mg    200    9.50    8.53    5.91    无     无比较例12 Al-0.8C-2.3Mg    200    4.80    4.40    4.04    无    发生实施例1 Al-0.8C-4.8Mg    200    6.44    6.43    5.29    无     无比较例13 Al-0.8C-9.5Mg    200    10.0    8.92    5.75    无     无实施例2 Al-1.3C-1.5Mg    200    5.14    5.08    4.83    无     无实施例3 Al-1.3C-2.3Mg    200    5.45    5.01    4.50    无     无实施例4 Al-1.7C-2.3Mg    200    6.59    6.03    5.37    无     无实施例5 Al-1.3C-1.0Mg    200    5.18    4.90    4.44    无     无实施例6 Al-1.7C-1.0Mg    200    5.71    5.34    4.99    无     无比较例14 Al-1.3C-1.5Mg    100    6.26    5.70    4.93   发生    发生比较例15 Al-1.3C-2.3Mg    100    7.36    6.83    5.33    无    发生

下面说明用TEM对薄膜结晶进行观察的结果。图2是用TEM观察具有表1中比较例1及比较例4的组成、在基板温度为100℃的条件下形成的厚0.15μm、在真空中于300℃热处理1小时后的薄膜的结晶状态的照片。图2(a)为比较例1的纯铝薄膜，图2(b)为比较例4的Al-1.7at％C薄膜。由这些照片可知，与Al-1.7at％C薄膜相比，纯铝薄膜的结晶晶粒明显粗大。该纯铝薄膜的晶粒粒径为0.05～0.3μm左右，有变差，粗大，而Al-1.7at％C薄膜晶粒的粒径在0.1μm以下，变差小，非常微细。这表明，用铝中添加了碳的靶形成薄膜，则可使所得薄膜晶粒变得微细。另外，虽没有具体给出TEM观察照片，但已确认，实施例1～6的薄膜也与比较例4相同，呈微细结晶状态。

下面就表1所示结果进行说明。由表1可知，使用实施例1～6的本发明靶材而得到的具有Al-0.8at％C-4.8at％Mg、Al-1.3at％C-1.5at％Mg、Al-1.3at％C-2.3at％Mg、Al-1.7at％C-2.3at％Mg、Al-1.3at％C-1.0at％Mg及Al-1.7at％C-1.0at％Mg组成的本发明铝合金薄膜在300℃热处理后当然不会有小丘发生，在400℃热处理后也未见有小丘发生，其膜电阻率为7μΩcm以下。

采用比较例1的靶材而得到的纯铝薄膜、采用比较例2～4的靶材而得到的Al-C合金薄膜、采用比较例5～6的靶材而得到的镁含量低的Al-Mg合金薄膜及采用比较例9的靶材而得到的碳含量远低于式-0.13X+1.3的值的Al-C-Mg合金薄膜在300℃及400℃的热处理后，都观察到小丘发生。

下面就确认有无小丘发生的SEM观察照片进行说明。图3所示为将比较例1的纯铝薄膜在300℃热处理后(图3(a))及400℃热处理后(图3(b))放大5000倍观察其薄膜表面而得到的照片。另外，图4所示为将实施例3的Al-1.3at％C-2.3at％Mg薄膜在300℃热处理后(图4(a)及400℃热处理后(图4(b))放大同样倍率所观察到的照片。由图3(a)及(b)可知，无论是经过300℃的热处理还是经过400℃的热处理，纯铝薄膜都会形成瘤状突起，即形成小丘。而实施例3的Al-1.3at％C-2.3at％Mg合金薄膜与热处理的温度无关，完全没有小丘。另外，由图4可知，实施例3的薄膜表面的平滑性非常好。虽没有具体给出SEM观察照片，但已确认，其它实施例的薄膜也具有与实施例3的相同的表面状态。

用比较例7～8的靶材而得到的镁含量高的Al-Mg合金薄膜及用比较例10及12的靶材而得到的碳含量小于式-0.13X+1.3的值的Al-C-Mg合金薄膜在300℃热处理后虽未见有小丘发生，但在400℃热处理后观察到小丘发生。用比较例11及13的靶材而得到的镁含量超过8at％的Al-C-Mg合金薄膜在400℃热处理后虽也未见有小丘发生，但膜电阻率较高。

当基板温度为100℃时(如比较例14及15)，与组成相同的实施例2及3相比，其小丘发生状态恶化，另外热处理后的膜电阻率也增大。即，提高基板温度，可使小丘发生状态及膜电阻率都得到改善。

下面就实施例3的薄膜的反射率测定结果进行说明。为了评价该反射率，将其与比较例1的纯铝薄膜的测定结果进行对比。实施例3及比较例1中的两薄膜均使用as-depo后的薄膜及经过400℃热处理的薄膜。反射率用分光光度计(U-4000，日立制作所产品)测定。受光部分是用积分球、以纯铝蒸镀膜为基准，测定300～800nm的相对反射率。因此，当测定样品的反射率好于基准时，能得到超过100％的测定值。图5是在波长300～800nm区域测定反射率的结果。图5(a)为由比较例1的薄膜得到的结果，图5(b)为由实施例3的薄膜得到的结果。

由图5可以确认，无论是as-depo后还是400℃热处理后，实施例3的薄膜的反射率都增大。例如，550nm的可见光反射率在as-depo后，在实施例3中为100.8％，在比较例1中为86.0％，经过400℃热处理后，在实施例3中为96.4％，在比较例1中为79.8％。由此可知，在550nm可见光区域，实施例3薄膜的反射率与比较例1相比，提高15％左右。另外，作为反射电极使用时，反射光的“颜色”也是重要的因素，与黄色系的颜色相比，蓝白色系的颜色比较适宜。由比较例1的反射率数据可知，短波长一侧的反射率下降。而由实施例3的反射率数据可知，短波长一侧的反射率的下降小于比较例1。因此，可以认为，与比较例1相比，在实际用作反射电极方面，实施例3的薄膜更实用。

最后就实施例3的薄膜的干法刻蚀评价结果进行说明。该干法刻蚀评价采用在玻璃基板上形成的厚0.3μm的实施例3的薄膜。这里进行的干法刻蚀是典型的反应性离子刻蚀，采用氯系气体，在2.67Pa(0.02Torr)及高频功率80W的条件下进行。图6及图7是用SEM观察通过干法刻蚀而形成的线宽7μm、布线间隔5μm的微细电路所得到的照片。由该图6(a)、(b)及图7(c)、(d)可知，实施例3的薄膜的直线部分及弯曲部分都能够形成线条分明的电路。

                        发明效果

本发明的铝合金薄膜，即使经过300～400℃的热处理后，也不会出现小丘，其膜电阻率在7μΩcm以下，是一种耐热性、低电阻的铝合金薄膜。使用本发明的溅射靶材，可形成上述铝合金薄膜。使用本发明的铝合金薄膜形成方法，可制造具有上述优异的耐热性及低电阻的铝合金薄膜。