JP2010222616A - Cu ALLOY FILM FOR WIRING FILM, AND SPUTTERING TARGET MATERIAL FOR FORMING WIRING FILM - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Cu alloy film for reducing resistance in a process temperature region of a wiring film of a flat display device or the like, and a sputtering target material for forming the Cu alloy film. <P>SOLUTION: The Cu alloy film for the wiring film contains B of 0.1-1.0 atom% and further one or more elements selected from Mg, Ti, Zr, Mo, Al, and Si of 0.1-2.0 atom%, and the balance Cu with inevitable impurities as additive elements. The sputtering target material is used for forming the Cu alloy film for the wiring film. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、基板上に薄膜を形成して製造される平面表示装置（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ、以下、ＦＰＤという）等に用いられる配線膜および配線膜形成に用いられるスパッタリングタ−ゲット材に関するものである。   The present invention relates to a wiring film used in a flat display device (Flat Panel Display, hereinafter referred to as FPD) manufactured by forming a thin film on a substrate, and a sputtering target material used for forming the wiring film. .

ガラス基板またはＳｉウェハ−上に薄膜を積層して製造されるＦＰＤとしては、例えば、液晶ディスプレイ（以下、ＬＣＤという）、プラズマディスプレイパネル（以下、ＰＤＰという）、フィールドエミッションディスプレイ（以下、ＦＥＤという）、エレクトロルミネッセンスディスプレイ（以下、ＥＬＤという）、電子ペーパー等の種々の新規製品が活発に研究、開発がされている。   Examples of the FPD manufactured by laminating a thin film on a glass substrate or Si wafer include, for example, a liquid crystal display (hereinafter referred to as LCD), a plasma display panel (hereinafter referred to as PDP), and a field emission display (hereinafter referred to as FED). Various new products such as electroluminescence display (hereinafter referred to as ELD) and electronic paper have been actively researched and developed.

これらのＦＰＤに用いられる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の配線膜としては、ディスプレイの大型化に伴って動画を表示するための高速駆動が必要であり、低抵抗な配線膜としてＡｌおよびＡｌ合金のＡｌ系膜が用いられている。近年は、さらなるディスプレイサイズの大型化、高精細化に伴い、より低抵抗な配線としてＣｕ系の配線が注目されている。   As a wiring film such as a thin film transistor (TFT) used in these FPDs, high-speed driving for displaying a moving image is required as the display is enlarged, and Al and Al alloys of Al and Al alloys are used as a low resistance wiring film. A membrane is used. In recent years, with further increase in display size and definition, Cu-based wiring has attracted attention as a wiring with lower resistance.

Ｃｕは、Ａｌよりも低抵抗で、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションに対する耐性がともに優れていると考えられており、半導体分野の配線膜として既に用いられている。しかしながら、半導体の高集積化に伴い純Ｃｕでは耐エレクトロマイグレーション性や耐ストレスマイグレーション性が不十分であると考えられており、ＣｕにＳｉやＡｌ等の添加元素を加えることでこれらのマイグレーション耐性を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、ＦＰＤ等の電子機器に使用される金属膜として、ＣｕにＭｏを必須の添加元素として０．１〜３．０質量％加えることで耐候性を向上させ、熱安定性に優れた低抵抗率の金属膜が得られることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。 Cu has a lower resistance than Al and is considered to be excellent in both resistance to electromigration and stress migration, and has already been used as a wiring film in the semiconductor field. However, with the high integration of semiconductors, pure Cu is considered to have insufficient electromigration resistance and stress migration resistance, and these migration resistance can be improved by adding additional elements such as Si and Al to Cu. Improvement has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
In addition, as a metal film used in electronic devices such as FPD, the weather resistance is improved by adding 0.1 to 3.0% by mass of Mo as an essential additive element to Cu, and low resistance with excellent thermal stability. It has been proposed that a metal film having a high rate can be obtained (see, for example, Patent Document 2).

特開平６−１７７１１７号公報JP-A-6-177117 特開２００４−９１９０７号公報JP 2004-91907 A

特許文献１で提案されているＣｕ合金膜は、半導体分野でＳｉウェハ−上にデバイスを形成する場合に、純Ｃｕに比べて、より高いエレクトロマイグレーション性、ストレスマイグレーション性を有する有用なＣｕ合金膜である。また、特許文献２に提案されているＣｕ合金は耐候性や熱安定性に優れた有用なＣｕ合金である。しかし、本発明者の検討によれば、提案されているＣｕ合金膜をガラス基板上に形成した場合には、製造プロセス中の加熱処理を行っても、十分に抵抗値が下がらないことを確認した。
最も一般的なＦＰＤである、駆動素子にアモルファスシリコン-ＴＦＴを用いる液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）では透明なガラス基板上にデバイスを形成し、その製造工程中の加熱温度は２５０〜３５０℃程度であり、今後さらに低温化すると予想されている。このため、２００〜２５０℃程度の製造プロセス温度域による加熱処理により低抵抗化を実現できるＦＰＤに最適なＣｕ合金配線膜が要望されている。 The Cu alloy film proposed in Patent Document 1 is a useful Cu alloy film having higher electromigration properties and stress migration properties than pure Cu when a device is formed on a Si wafer in the semiconductor field. It is. The Cu alloy proposed in Patent Document 2 is a useful Cu alloy having excellent weather resistance and thermal stability. However, according to the inventor's study, when the proposed Cu alloy film is formed on a glass substrate, it is confirmed that the resistance value does not sufficiently decrease even if the heat treatment during the manufacturing process is performed. did.
In the liquid crystal display (LCD) using amorphous silicon-TFT as a driving element, which is the most common FPD, a device is formed on a transparent glass substrate, and the heating temperature during the manufacturing process is about 250 to 350 ° C., It is expected that the temperature will be further lowered in the future. For this reason, there is a demand for a Cu alloy wiring film optimal for an FPD that can realize low resistance by heat treatment in a manufacturing process temperature range of about 200 to 250 ° C.

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、ＦＰＤ等の配線膜のプロセス温度域での低抵抗化が可能であるＣｕ合金膜とそのＣｕ合金膜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。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a Cu alloy film capable of reducing resistance in the process temperature range of a wiring film such as FPD and a sputtering target material for forming the Cu alloy film. It is.

本発明者は、上記の課題を解決すべく、鋭意検討を行った結果、Ｃｕ合金膜として、Ｃｕに適量のＢとＢと化合物を発現する元素を適量添加することで加熱処理後により低抵抗化を実現できることを見出し本発明に到達した。
すなわち、本発明は、添加元素としてＢを０．１〜１．０原子％、さらにＭｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｓｉから選択される１種または２種以上の元素を０．１〜２．０原子％含み、残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなる配線膜用Ｃｕ合金膜である。
また、本発明は、添加元素としてＢを０．１〜１．０原子％、さらにＭｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｓｉから選択される１種または２種以上の元素を０．１〜２．０原子％含み、残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなる配線形成用スパッタリングターゲット材である。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has added a suitable amount of B and an element that expresses B and a compound to Cu as a Cu alloy film, thereby lowering resistance after heat treatment. As a result, the present invention has been found.
That is, according to the present invention, B is added as an additive element in an amount of 0.1 to 1.0 atomic%, and one or more elements selected from Mg, Ti, Zr, Mo, Al, and Si are added in an amount of 0.1 to 0.1%. It is a Cu alloy film for a wiring film containing 2.0 atomic% and comprising the remainder Cu and inevitable impurities.
Further, in the present invention, B is added as an additive element in an amount of 0.1 to 1.0 atomic%, and one or more elements selected from Mg, Ti, Zr, Mo, Al, and Si are added in an amount of 0.1 to 0.1%. It is a sputtering target material for wiring formation containing 2.0 atomic% and comprising the balance Cu and inevitable impurities.

本発明は、ＦＰＤ製造時のプロセス中の低温加熱処理により低抵抗化するＣｕ合金膜を実現できるために、今後、低抵抗化が必要な大型液晶ＴＶや電子ペ−パ−等のＦＰＤ用配線膜としてきわめて有効なものとなる。また、本発明の配線膜用Ｃｕ合金膜を形成する場合、ターゲット材を用いたスパッタリングが最適である。   Since the present invention can realize a Cu alloy film whose resistance is reduced by low-temperature heat treatment during the process of manufacturing FPD, wiring for FPD such as large liquid crystal TVs and electronic papers which need to be reduced in the future. It becomes extremely effective as a film. Moreover, when forming the Cu alloy film for wiring films of the present invention, sputtering using a target material is optimal.

本発明の重要な特徴は、ＦＰＤ用の配線膜に要求される低抵抗化を実現する配線膜を得るための最適な合金構成として、ＣｕにＢを添加し、さらにＢと化合物を発現する元素を複合添加したＣｕ合金を見いだしたところにある。   An important feature of the present invention is that, as an optimum alloy structure for obtaining a wiring film that achieves the low resistance required for the wiring film for FPD, an element that adds B to Cu and further expresses B and a compound A Cu alloy with a composite added is found.

以下に本発明の配線膜用Ｃｕ合金膜で、添加元素にＢとＢと化合物を発現する元素であるＭｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｓｉを選定した理由およびその添加量を選定した理由を説明する。
まず、ＣｕにＢを添加する効果は、Ｃｕ合金膜をスパッタ成膜した後に、３５０℃の温度で加熱処理をした場合でも、抵抗値を成膜時に比べて格段に低下する点にある。その効果が得られる理由は明確ではないが、ＢはＣｕとの固溶域がほとんどなく、Ｂは軽元素であるために、低い加熱温度でもＣｕのマトリクスから粒界や膜表面に吐出されるためと考えられる。
また、上記の効果は０．１原子％以上のＢ添加で明確となり、１．０原子％を超えてＢを添加すると加熱後に抵抗値を得難くなるためＢの添加量としては、０．１〜１．０原子％としている。 The reason for selecting Mg, Ti, Zr, Mo, Al, and Si, which are elements that express B, B, and compounds as additive elements, and the reason for selecting the addition amount in the Cu alloy film for wiring films of the present invention below Will be explained.
First, the effect of adding B to Cu is that the resistance value is remarkably reduced even when heat treatment is performed at a temperature of 350 ° C. after the Cu alloy film is formed by sputtering. The reason why the effect is obtained is not clear, but since B has almost no solid solution region with Cu and B is a light element, it is discharged from the Cu matrix to the grain boundaries and the film surface even at a low heating temperature. This is probably because of this.
Further, the above effect is clarified by adding 0.1 atomic% or more of B. When adding more than 1.0 atomic%, it becomes difficult to obtain a resistance value after heating. ˜1.0 atomic%.

さらに、Ｃｕに対してＢと化合物を発現する元素を０．１〜２．０原子％添加することで、従来のＣｕ合金の持つ効果を維持したまま、加熱後の抵抗値を低減することが可能となる。その理由は明確ではないが、加熱処理によってＢとＢと化合物を発現する元素とが結合し、Ｃｕのマトリクスから吐出されるためと考えられる。なお、以上の効果は０．１原子％から現れるが、２．０原子％を超えて添加すると抵抗値が増加し、加熱後も低い抵抗値を得難くなるため添加量としては、０．１〜２．０原子％としている。   Furthermore, by adding 0.1 to 2.0 atomic% of an element that expresses B and a compound with respect to Cu, the resistance value after heating can be reduced while maintaining the effect of the conventional Cu alloy. It becomes possible. Although the reason is not clear, it is considered that B, B, and an element that expresses a compound are combined by heat treatment and discharged from a Cu matrix. The above effect appears from 0.1 atomic%. However, if the addition exceeds 2.0 atomic%, the resistance value increases, and it becomes difficult to obtain a low resistance value even after heating. It is set to -2.0 atomic%.

なお、Ｂと化合物を形成する元素としては、２族のＭｇ、Ｃａ、３族のＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、４族のＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、５族のＶ、Ｎｂ、Ｔａ、６族のＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、７族のＭｎ、８族のＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、９族のＡｇ、１１属のＡｌ、１２属のＳｉ等の種々の元素が存在する。これらの元素の中では特に、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｓｉが入手のしやすさから望ましい元素である。   The elements that form a compound with B include Group 2 Mg, Ca, Group 3 Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Group 4 Ti, Zr. , Hf, Group V, Nb, Ta, Group 6 Cr, Mo, W, Group 7 Mn, Group 8 Fe, Co, Ni, Ru, Group 9 Ag, Group 11 Al, Group 12 There are various elements such as Si. Among these elements, Mg, Ti, Zr, Mo, and Si are particularly desirable elements because of their availability.

また、本発明の配線膜用Ｃｕ合金膜を形成する場合には、Ｃｕ合金膜と同じ組成を有する配線膜形成用スパッタリングターゲット材を用いたスパッタリングが最適である。スパッタリング法では、ターゲット材とほぼ同組成の膜が形成できるためであり、本発明のＣｕ合金膜を安定に形成することが可能となる。   Moreover, when forming the Cu alloy film for wiring films of the present invention, sputtering using a wiring film forming sputtering target material having the same composition as the Cu alloy film is optimal. This is because sputtering can form a film having almost the same composition as the target material, and the Cu alloy film of the present invention can be formed stably.

ターゲット材の製造方法については種々あるが、一般にターゲット材に要求される高純度、均一組織、高密度等を達成できるものであれば良い。例えば、真空溶解法により所定の組成に調整した溶湯を金属製の鋳型に鋳込み、さらにその後、鍛造、圧延等の塑性加工により板状に加工し、機械加工により所定の形状のターゲットに仕上げることで製造できる。また、さらに均一な組織を得るために粉末焼結法、またはスプレ−フォ−ミング法（液滴堆積法）等で急冷凝固したインゴットを用いてもよい。   There are various methods for producing the target material, and any method can be used as long as it can achieve the high purity, uniform structure, high density, and the like generally required for the target material. For example, a molten metal adjusted to a predetermined composition by a vacuum melting method is cast into a metal mold, and then processed into a plate shape by plastic processing such as forging and rolling, and finished to a target having a predetermined shape by machining. Can be manufactured. In order to obtain a more uniform structure, an ingot rapidly solidified by a powder sintering method or a spray forming method (droplet deposition method) may be used.

なお、本発明のＣｕ合金膜および配線膜形成用スパッタリングターゲット材は、添加元素以外の成分元素はＣｕおよび不可避的不純物としている。すなわち、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、炭素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、炭素は各々５０ｐｐｍ以下であり、ガス成分を除いた純度として９９．９％以上であることが望ましい。   In the sputtering target material for forming a Cu alloy film and a wiring film of the present invention, component elements other than additive elements are Cu and inevitable impurities. That is, inevitable impurities such as oxygen, nitrogen, and carbon, which are gas components, may be included as long as the effects of the present invention are not impaired. For example, oxygen, nitrogen, and carbon in the gas components are each 50 ppm or less, and the purity excluding the gas components is preferably 99.9% or more.

次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
まず、以下に述べる方法でＣｕ合金タ−ゲット材を製造した。
Ｃｕに各種の添加元素を加えたＣｕ合金膜の目標組成と実質的に同一となるように原料を配合し真空溶解炉にて溶解した後、鋳造することでＣｕ合金インゴットを作製した。次にＣｕ合金インゴットを機械加工により直径１００ｍｍ、厚さ５ｍｍのスパッタリングターゲット材を作製した。
比較例として同一寸法の純Ｃｕターゲットも同様の方法によりに作製した。
上記で作製した種々の組成のターゲット材を用いてスパッタリング法により、寸法１００×１００ｍｍの平滑なガラス基板上に、膜厚２００ｎｍの純Ｃｕ膜およびＣｕ合金膜を形成し、４探針法により比抵抗を測定した。測定結果を表１に示す。 Next, specific examples of the present invention will be described.
First, a Cu alloy target material was manufactured by the method described below.
A Cu alloy ingot was prepared by casting the raw materials so as to be substantially the same as the target composition of the Cu alloy film obtained by adding various additive elements to Cu, melting in a vacuum melting furnace, and casting. Next, a sputtering target material having a diameter of 100 mm and a thickness of 5 mm was produced by machining a Cu alloy ingot.
As a comparative example, a pure Cu target having the same dimensions was produced by the same method.
A pure Cu film and a Cu alloy film having a film thickness of 200 nm are formed on a smooth glass substrate having a size of 100 × 100 mm by sputtering using the target materials having various compositions prepared as described above. Resistance was measured. The measurement results are shown in Table 1.

また、上記で形成した純Ｃｕ膜およびＣｕ合金膜を２５×５０ｍｍの大きさに切断し、１×１０^−１Ｐａ以上に減圧した真空雰囲気で、加熱温度を１５０℃、２５０℃、３５０℃として、それぞれ1時間の加熱処理を施した後に比抵抗を測定した。その結果を表１に合わせて示す。 Moreover, the pure Cu film | membrane and Cu alloy film | membrane which were formed above are cut | disconnected to the magnitude | size of 25 * 50 mm, and heating temperature shall be 150 degreeC, 250 degreeC, and 350 degreeC in the vacuum atmosphere which pressure-reduced to 1 * 10 < ^-1 > Pa or more. The specific resistance was measured after each heat treatment for 1 hour. The results are also shown in Table 1.

表１に示すように、純Ｃｕは抵抗値は低いが、加熱処理後に結晶粒の成長とともにボイドが発生した。また、Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金では加熱処理後の比抵抗が４μΩcmを超えており、充分な低抵抗化が図れていない。それに対して、本発明のＣｕ−Ｍｇ−Ｂ、Ｃｕ−Ｔｉ−Ｂ、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｂ、Ｃｕ−Ａｌ−Ｂ、Ｃｕ−Ｓｉ−Ｂ合金では加熱処理後に比抵抗が４μΩcm未満に低下させることが可能であることがわかる。   As shown in Table 1, although pure Cu has a low resistance value, voids were generated along with the growth of crystal grains after the heat treatment. In addition, the specific resistance after heat treatment exceeds 4 μΩcm for Cu—Ti alloy, Cu—Mo alloy, and Cu—Al alloy, and the resistance cannot be sufficiently lowered. On the other hand, in the Cu-Mg-B, Cu-Ti-B, Cu-Mo-B, Cu-Al-B, and Cu-Si-B alloys of the present invention, the specific resistance should be lowered to less than 4 μΩcm after the heat treatment. It is understood that is possible.

Claims (2)

添加元素としてＢを０．１〜１．０原子％、さらにＭｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｓｉから選択される１種または２種以上の元素を０．１〜２．０原子％含み残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする配線膜用Ｃｕ合金膜。   As an additive element, 0.1 to 1.0 atomic percent of B, and further 0.1 to 2.0 atomic percent of one or more elements selected from Mg, Ti, Zr, Mo, Al, and Si A Cu alloy film for a wiring film comprising the remaining Cu and inevitable impurities. 添加元素としてＢを０．１〜１．０原子％、さらにＭｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｓｉから選択される１種または２種以上の元素を０．１〜２．０原子％含み残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする配線膜形成用スパッタリングターゲット材。   As an additive element, 0.1 to 1.0 atomic% of B, and 0.1 to 2.0 atomic% of one or more elements selected from Mg, Ti, Zr, Mo, Al, and Si A sputtering target material for forming a wiring film, comprising the remainder Cu and inevitable impurities.