TWI470100B

TWI470100B - Aluminum alloy sputtering target

Info

Publication number: TWI470100B
Application number: TW99137240A
Authority: TW
Inventors: Toshiaki Takagi; Katsushi Matsumoto; Yuki Iwasaki; Hidetada Makino
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Kobelco Res Inst Inc
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2015-01-21
Also published as: TW201126001A; JP5457794B2; JP2011094216A; CN102051504A

Description

鋁基合金濺鍍靶

本發明有關可用於形成於液晶顯示器等平板顯示器所使用的配線膜和電極膜之鋁基合金濺鍍靶。以下，以液晶顯示器為中心進行說明，但其宗旨並不是將本發明的用途限定於此。

作為半導體裝置之一的液晶顯示器(LCD：Liquid Crystal Display)，與使用以往顯示設備的布朗管相比，能夠實現薄型化、輕量化、低耗電化，而且有可獲得高解析度之優點，因此最近成為作為顯示設備之主流。在此種LCD中，主要使用組裝有成為像素開關的薄膜電晶體(TFT：Thin Film Transistor)的TFT液晶。

對於構成作為該TFT的一部分而使用的薄膜狀電極和與之相連的配線的金屬薄膜，要求有各種特性，特別是隨著近年的LCD的大型化或高精細化的動向，用於防止信號延遲的低配線電阻化正成為重要的特性。

作為這種低配線電阻的金屬薄膜材料，可以舉出純鋁。但是，由於純鋁的耐熱性不充分，所以就使用純鋁的金屬薄膜而言，若在LCD的製造階段的絕緣膜成膜步驟等中經受200～400℃左右的熱過程，則由於基板與薄膜的熱膨脹係數差異引起的壓縮應力成為驅動力，而有表面發生被稱為突起(hillock)的微小凹凸，有引起配線間短路、斷線的情況。

因此，至今為止，為了解決該突起發生的問題而公開有各種技術，例如在日本專利第2733006號公報中揭示一種半導體用電極，其由含有Nd等稀土元素1.0～15原子%的Al合金構成。另外，在日本專利第2727967號公報中揭示一種配線膜及電極膜，其由含有Fe、稀土元素等1.0～10原子%的Al基合金所形成。此外，日本專利第4009165號公報中揭示一種Al基合金薄膜，其含有0.1～3.0原子%的Fe、0.5～3.0原子%的Si。但是，這些文獻所揭示的Al基合金，因為合金元素的含有率高，所以隨著液晶面板的大型化，存在無法對應於進一步低配線電阻化(特別是熱處理後的配線電阻的降低化)的情況。

另一方面，在日本特開2007-63621號公報中，揭示一種Al合金濺鍍靶，作為用於形成薄膜電極及薄膜配線等的Al合金濺鍍靶，其含有Fe、Si分別為0.001～0.01質量%，以及含有Cu為0.0001～0.01質量%，平均結晶粒徑為5mm以下。使用此種濺鍍靶得到的金屬薄膜，與上述日本專利第2733006號公報、日本專利第2727967號公報、日本專利第4009165號公報所述的金屬薄膜相比，合金元素量較少，因此能夠降低配線電阻，另一方面，會有因降低合金元素量而使突起抗性降低的情況。另外，為了減小結晶粒徑(5mm以下)，抑制濺鍍時飛濺的發生，除了Fe及Si以外，還要以Cu為必須成分。

此外，在日本專利第3410278號公報中，記載作為濺鍍時飛濺的發生抑制技術，在含有Ti、zr、Cr等高熔點金屬的Al基合金濺鍍靶中，硬度較低(Hv25)者可抑制飛濺。

本發明係鑒於上述情況而完成者，其目的在於提供一種含有Fe和Si的鋁基合金濺鍍靶，其可用於形成低配線電阻(經受300℃左右的熱過程後的配線電阻為3.7μΩcm以下)和突起抗性優異的金屬薄膜，較好可進一步抑制濺鍍時的飛濺發生。

本發明包括以下的形態。

(1)一種鋁基合金濺鍍靶，其含有Fe為0.0010～0.4質量%及Si為0.0010～0.50質量%。

(2)根據(1)所述的鋁基合金濺鍍靶，其硬度Hv為26以上。

(3)根據(1)所述的鋁基合金濺鍍靶，其含有0.0005～0.05質量%的Ti及0.0001～0.01質量%的B中的至少一方。

(4)根據(2)所述的鋁基合金濺鍍靶，其含有0.0005～0.05質量%的Ti及0.0001～0.01質量%的B中的至少一方。

(5)根據(1)～(4)中任一項所述的鋁基合金濺鍍靶，其含有從Mn、Cr、Mo和Nb中選出的至少一種元素0.001～0.1質量%。

(6)一種鋁基合金濺鍍靶，其含有Fe為0.0010～0.4質量%，Si為0.0010～0.50質量%，從Mn、Cr、Mo和Nb中選出的至少一種元素為0～0.1質量%，Ti為0～0.05質量%，B為0～0.01質量%，剩餘部分為A1和不可避免的雜質。

(7)根據(6)所述的鋁基合金濺鍍靶，其硬度Hv為26以上。

(8)根據(6)所述的鋁基合金濺鍍靶，其中Ti的含量為0.0005～0.05質量%。

(9)根據(7)所述的鋁基合金濺鍍靶，其中Ti的含量為0.0005～0.05質量%。

(10)根據(6)所述的鋁基合金濺鍍靶，其中B的含量為0.0001～0.01質量%。

(11)根據(7)所述的鋁基合金濺鍍靶，其中B的含量為0.0001～0.01質量%。

(12)根據(8)所述的鋁基合金濺鍍靶，其中B的含量為0.0001～0.01質量%。

(13)根據(9)所述的鋁基合金濺鍍靶，其中B的含量為0.0001～0.01質量%。

(14)根據(6)～(13)中任一項所述的鋁基合金濺鍍靶，其中從Mn、Cr、Mo和Nb中選出的至少一種元素的含量為0.001～0.1質量%。

[發明效果]

本發明的鋁基合金濺鍍靶，因為適度調整了合金元素(Fe、Si等)的含量，所以能夠形成兼具有優異的低配線電阻(經受300℃左右的熱過程後的配線電阻為3.7μΩcm以下)和突起抗性的金屬薄膜。另外，藉由使鋁基合金濺鍍靶的硬度(Hv)為26以上，可抑制濺鍍時之飛濺發生。

本發明的鋁基合金濺鍍靶(以下有時簡稱為“濺鍍靶”)，其特徵在於，含有Fe為0.0010～0.4質量%及Si為0.0010～0.50質量%。

若將本發明的濺鍍靶的組成與前述的日本專利第4009165號公報相比，則就日本專利第4009165號公報中Si的下限為0.5原子%(≒0.52質量%)這一點而言，與Si的含有率的上限為0.50質量%以下的本發明有所不同。如以下詳述，根據本發明人等的研究結果可知，藉由將Fe及Si控制在本發明規定的範圍內，所得到的靶可提供尤其在熱處理後的配線電阻可進一步降低，並且兼具有優異的突起抗性之金屬薄膜。另外，若將本發明該靶的組成與前述日本特開2007-63621號公報相比，在日本特開2007-63621號公報中將Fe、Si的上限均極力降低化為0.01質量%、並且大致同程度地添加Cu，在這一點上與不添加Cu的本發明不同。另外，在日本特開2007-63621號公報中，藉由Fe、Si及Cu的微量添加而使結晶粒徑微細化，特別可抑制濺鍍時之飛濺發生，但根據本發明人等的研究可知，即使不添加Cu，藉由較好地適當控制靶的硬度(Hv≧26)，亦可有效地抑制飛濺發生。即，在日本特開2007-63621號公報中，並未確立如本發明之含有極微量的Fe及Si的靶中之可有效抑制飛濺發生的硬度(Hv)。

在本發明的靶中，將合金元素(Fe及Si)的含量與歷來公知的靶相比有所降低或調整，由此不僅能夠實現所得到的金屬薄膜的低配線電阻化，而且能夠提高突起抗性，雖然其機制尚不明確，但推測為如下。

一般已知，鋁基合金的低配線電阻化係由如下兩點所引起：

(1)在成膜過程(150～180℃附近)中過飽和固溶的合金元素在後步驟中的析出、及

(2)由於晶粒生長造成的粒徑粗大化般膜組織的變化；其中，特別是(1)的固溶元素的析出(處於固溶狀態的元素的總固溶量降低)的影響較大。

另外亦已知，在突起抑制中，需要在成膜過程(150～180℃附近)中有一定量以上的固溶元素在晶粒內維持固溶狀態。

因此，為了得到兼有低配線電阻和高突起抗性的金屬薄膜，需要在成膜過程(150～180℃附近)維持一定量以上的固溶元素的固溶狀態，並且在LCD製造階段的絕緣膜的成膜等步驟等(200～400℃)中促進固溶元素的析出。

於是，本發明人等發現，在鋁基合金中作為合金元素的Fe在220～250℃析出，且Si具有抑制晶粒生長的效果，而且藉由併用Fe及Si作為合金元素，即使在低溫域成膜也能夠降低配線電阻(參照日本專利第4009165號公報)。原因是由於，合金元素的析出雖然有固溶後的原子擴散至晶界的體擴散過程和通過晶界而在晶界三相點等凝集的過程，但在低溫域(200℃附近)特別是體擴散速度會受到控制。因此，這是因為，藉由抑制晶粒生長，使固溶元素擴散至晶界的距離減小，使合金元素快速析出之故。

另一方面，本發明人等進一步進行研究時發現，藉由併用Fe及Si，有導致突起抗性降低的情況。這推測是由於Fe與Si發生反應形成FeSi系複合物，並在成膜過程中析出，無法維持一定量以上的固溶元素的固溶狀態。

根據以上內容認為，在本發明中，藉由使鋁基合金中Si的含有率降低至比日本專利第4009165號公報更低，使與Si反應而在成膜過程中析出的Fe量降低，能夠維持固溶元素的固溶狀態，可抑制突起抗性的惡化。另外，由於供於析出的Fe量減少，所以即便減少添加的Fe量也可以確保一定量以上的固溶Fe量。為此，可以整體降低鋁基合金中的合金元素量，能在維持優異突起抗性的情況下，實現低配線電阻化。

以下，對於特徵為含有Si為0.0010~0.50質量%和Fe為0.0010~0.4質量%的本發明的鋁基合金濺鍍靶，進行詳細的說明。又，合金元素的含有率分別是指相對於鋁基合金濺鍍靶的含有率。

(合金元素)

本發明的靶中所含的Si，如上所述，具有抑制晶粒生長、促進其他固溶元素(Fe、後述的Mn等)的析出的作用，而藉由使Si的含有率為0.0010~0.50質量%，可有效地發揮上述作用。另外，其能夠防止Fe形成FeSi系複合物後析出。

在Si的含有率低於0.0010質量%時，即使經過絕緣膜的成膜等後步驟中的熱過程，仍無法促進固溶元素的析出，會有所得到的金屬薄膜的配線電阻降低的情況。另外，金屬薄膜中的固溶成分量變得過少，在成膜過程中無法維持一定量以上固溶元素的固溶狀態，反而有使突起抗性降低的情況。另一方面，若Si的含有率超過0.50質量%，則促進了與Si併用的Fe析出，無法在成膜過程中維持一定量以上的固溶元素的固溶狀態，有金屬薄膜的突起抗性降低的情況。另外，會有金屬薄膜中的合金成分量增多，會有導致配線電阻上升的情況。Si的含有率較佳為0.01質量%以上(更佳為0.03質量%以上)，較佳為0.25質量%以下(更好為0.1質量%以下)。可任意組合上述含有率的上限和下限而成為Si的含有率的範圍。

本發明的靶所含的Fe，如上所述，可在成膜過程中維持固溶狀態，因此使所得的金屬薄膜的突起抗性提高。另外，其在220~250℃析出，隨之亦促進晶粒的生長，由此亦有助於低配線電阻化。藉由使Fe的含有率為0.0010~0.4質量%，可有效地發揮上述作用。

Fe的含有率低於0.0010質量%時，在成膜過程中無法確保一定量的固溶元素，有所得金屬薄膜的突起抗性降低的情況。若Fe的含有率超過0.4質量%，則金屬薄膜中的合金元素量變多，因此存在配線電阻並未降低的情況。Fe的含有率較佳為0.01質量%以上(更好為0.05質量%以上)，較佳為0.38質量%以下(更好為0.35質量%以下)。可任意組合上述含有率的上限和下限而成為Fe的含有率範圍。

如上所述，本發明的靶，與日本專利第4009165號公報相比，使作為合金成分的Si和Fe的添加量整體降低，由於降低合金薄膜中的合金成分量，因此可實現配線電阻的進一步降低。

本發明的靶，作為合金元素，除了上述的Si和Fe以外，亦可含有從由Mn、Cr、Mo和Nb所成組群中選出的至少一種元素(以下有時簡稱為“M元素”)。這些元素可以單獨使用，也可組合兩種以上使用。M元素與Fe同樣，能夠使金屬薄膜的突起抗性提高。另外，由於其在低溫下的擴散快，所以在成膜步驟時容易析出，利用成膜時(或成膜後)的熱處理，可促進配線電阻的降低。進而，因為向Al的固溶限度小，所以即使固溶元素(M元素)殘存在金屬薄膜中，也很難對配線電阻上升作出貢獻。

M元素的含有率(單獨使用時為單獨量，含有兩種以上時為其總量)較佳為0.1質量%以下(更佳為0.03質量%以下，進一步較佳為0.01質量%以下)。M元素的含有率超過0.1質量%時，金屬薄膜中的合金成分量變多，有可能導致配線電阻的上升。對M元素的含有率的下限並未特別限定，但為了有效發揮上述作用，較佳為0.001質量%以上(更佳為0.002質量%以上)。可以任意組合上述含有率的上限和下限而成為M元素的含有率範圍。

本發明的靶，亦可含有Ti及B作為合金元素。由此，能夠防止靶製造時在鑄造步驟中的裂紋，可實現鑄造組織的微細化。Ti的含有率較佳為0.0005質量%以上(更佳為0.002質量%以上)，較佳為0.05質量%以下(更佳為0.03質量%以下)。可任意組合上述含有率的上限和下限而成為Ti的含有率範圍。另外，B的含有率較佳為0.0001質量%以上(更佳為0.0004質量%以上)，較佳為0.01質量%以下(更佳為0.006質量%以下)。可任意組合上述含有率的上限和下限而成為B的含有率範圍。

本發明的靶係規定量含有Si和Fe而剩餘部分為Al和不可避免雜質的Al基合金、或以規定量含有Si和Fe以及M元素而剩餘部分為Al和不可避免雜質的Al基合金，或者以規定量含有Si和Fe和M元素此外亦含有規定量Ti及/或B而剩餘部分為Al和不可避免雜質的Al基合金。作為不可避免的雜質，可以舉出0.02質量%以下的Mg、0.03質量%以下的Zn。

(硬度)

本發明的靶較佳硬度(Hv)為26以上。由此，能夠抑制濺鍍時的飛濺。

一般已知在靶中的雜質(合金元素等)量為0.01質量%以上時容易發生飛濺，但根據本發明的含有Fe和Si的鋁基合金靶，發現藉由使靶的硬度(Hv)為26以上，即使靶中的雜質量在0.01質量%以上，亦可抑制濺鍍時的飛濺。如此，雖然硬度(Hv)為26以上時可抑制飛濺的機制尚不明確，但推測其有可能與Mo-W合金一樣是受到機械加工後的表面粗糙度的影響。

本發明的靶的硬度(Hv)更佳為28以上。另外，對硬度(Hv)的上限並無特別限定，但在添加元素量少的低合金系統中，使硬度(Hv)超過60在技術上有困難。較佳的上限為50(更佳為40)。

(濺鍍靶的製造方法)

本發明靶的製造方法並無特別限定，例如可以舉出噴射成形(spray forming)法、熔融鑄造法等，但為了製作尤其是硬度(Hv)為26以上的靶，且為降低製造成本，較佳以熔融鑄造法製作。

更詳細而言，本發明的靶在一般熔融鑄造後，可經過如下順序步驟而製造：均熱步驟；粗熱軋步驟；精熱軋步驟；(根據需要進行的捲取步驟、捲開步驟、拉伸步驟)、切斷步驟、(根據需要進行的冷加工步驟)、靶加工步驟。另外，為了確保規定的硬度(Hv)，在上述各步驟中，較好進行軋製溫度的低溫化、捲取溫度的低溫化、拉伸量的調整、冷加工時的冷軋率的調整。藉由進行根據上述需要而進行的步驟或控制的一個或適宜組合兩個以上，可製作硬度(Hv)為26以上的靶。特別是在本發明中具有軋製溫度、捲取溫度比以往(大致500℃以上)較低溫化之特徵。且，本發明的靶與日本特開2007-63621號公報有所不同，可省略切斷後的退火步驟。以下，對於本發明所採用的較佳製造方法，對每道步驟進行詳細說明。

(熔融鑄造工序)

熔融鑄造步驟並無特別限定，可適宜採用濺鍍靶的製造中通常所使用的步驟。例如作為鑄造方法，具有代表性的可以舉出DC(半連續)鑄造、薄板連續鑄造(雙輥式、帶式鑄造式、普羅佩兹()式、塊體澆鑄式等)等。

(均熱步驟)

在均熱步驟中，為了確保硬度，較好使均熱溫度為350～500℃左右，更佳上限為450℃。另外，均熱時間較好控制在1～8小時左右。

(粗熱軋步驟)

進行上述的均熱後，進行粗熱軋。為了確保硬度，較好使粗熱軋開始溫度為350～500℃左右，更佳使上限為450℃。另外，較佳將總壓下率控制在50～95%左右。

(精熱軋步驟)

在本發明中，在粗熱軋步驟之後進行精熱軋。為了確保硬度，較好使精熱軋開始溫度為200～500℃左右，更佳使上限為400℃。另外，較好將總壓下率控制在50～90%左右。

(捲取步驟、捲開步驟)

在本發明中，在精熱軋之後，也可以根據需要進行捲取和捲開作業。捲取溫度較佳為200～450℃左右，更佳使上限為400℃。

(拉伸步驟)

在本發明中，在精熱軋之後(或者捲取步驟和捲開步驟之後)，亦可根據需要進行拉伸。拉伸在室溫下進行即可。另外加工率較好為1%以上。

(冷加工步驟)

在本發明中，將經過上述步驟所得之靶切斷成適度大小後，為了確保硬度，亦可根據需要進行冷加工。加工率較好控制在5～50%。

[實施例]

以下，基於實施例詳細闡述本發明。但是，下述實施例並不限制本發明，在不脫離前後述宗旨的範圍內進行變更實施全部包含在本發明的技術範圍內。

首先，以下對實驗例中使用的評價方法進行說明。

(硬度)

濺鍍靶的硬度(維氏硬度：Hv)使用維氏硬度計(明石製作所股份有限公司製，AVK-G2)進行測定。

(突起抗性)

使用濺鍍靶，對於Si晶片基板(尺寸：直徑100.0mm×厚0.50mm)，利用島津製作所股份有限公司製“濺鍍系統HSR-542S”的濺鍍裝置，進行DC磁控管濺鍍。濺鍍條件如下。

背壓：3.0×10^-6 Torr以下

Ar氣壓：2.25×10^-3 Torr

Ar氣流量：30sccm，濺鍍功率：150W

極間距離：51.6mm

基板溫度：室溫

在所得到的薄膜表面上，利用光微影法形成正型光致抗蝕劑(酚醛系樹脂：東京應化工業製的TSMR-8900，厚1.0μm，線寬10μm的線和間隙)後，在CVD裝置內的減壓氮氣氛圍(壓力1Pa)中，進行以270℃保持15分鐘或以320℃保持30分鐘的熱處理。

其次，以10000倍的電子顯微鏡(SEM)確認在條紋圖案(stripe pattern)表面部分和圖案的橫截面部分(側面部)發生的突起(半球狀的突起物)數量，並且以光學顯微鏡以物鏡50倍、目鏡10倍的倍率，利用諾馬斯基透鏡(Normarski lens)進行的微分干涉，測量視野內的突起個數，求得突起密度(單位面積中的突起數量)。

突起抗性的判定標準為，突起密度低於3.0×10⁹ 個/m² 時為◎，(3.0～9.0)×10⁹ 個/m² 時為○，超過9.0×10⁹ 個/m² 時為×。

(配線電阻)

以與上述突起抗性測量用試樣的製作法同樣的方法，加工成線寬100μm的條紋圖案形狀後，藉由濕蝕刻而加工成線寬100μm、線長10mm的配線電阻測量用圖案狀。濕蝕刻使用H₃ PO₄ :HNO₃ :H₂ O=75:5:20的混合液。為了對其施加熱過程，在前述蝕刻處理後，在與突起測量相同的CVD裝置內的減壓氮氣氛圍(壓力1Pa)中，對上述薄膜進行以270℃保持15分鐘或以320℃保持30分鐘的熱處理。其後，利用四探針法在室溫下測量比電阻值。

(飛濺)

測量以上述條件進行濺鍍時發生的飛濺(初期飛濺)的個數。

一片濺鍍靶形成16片薄膜。因此，濺鍍進行81(秒)×16(片)=1296秒。

使用顆粒計數器(TOPCON股份有限公司製：晶片表面檢查裝置WM-3)，計測在上述薄膜的表面確認到的顆粒位置座標、尺寸(平均粒徑)及個數。此處，尺寸為3μm以上者視為顆粒。其後對該薄膜表面進行光學顯微鏡觀察(倍率：1000倍)，形狀為半球形者視為飛濺，計測單位面積中的飛濺個數。

詳細而言，一邊更換Si晶片基板，一邊使對上述一片薄膜進行上述濺鍍步驟，連續進行，在16片薄膜中同樣地進行此步驟，將飛濺的個數的平均值作為“初期飛濺的發生數”。本實驗例中，如此得到的初期飛濺的發生數為20個/cm² 以下者評價為○，21個/cm² 以上者評價為×。

(實驗例1～11)

準備表1所示的各種鋁基合金(剩餘部分為Al和不可避免的雜質)，利用DC鑄造法鑄造厚500mm的鑄錠後，以450℃進行2小時均熱處理，接著以450℃、90%壓下量進行粗熱軋，接著以400℃、70%壓下量進行精熱軋，以350℃捲取成卷。其後捲開，以拉伸機進行3%加工，切斷後製作成濺鍍靶(軋製板)。且，在實驗例6中進行冷加工。此時，壓下率控制在20%。

使用所得到的濺鍍靶，根據上述方法，評價硬度和飛濺。另外，評價作為金屬薄膜時的突起抗性和配線電阻。評價結果顯示於表1。

根據該結果可知，含有Fe為0.0010～0.4質量%及Si為0.0010～0.50質量%的本發明的靶，即使在270℃或320℃的任意一種熱處理後，突起抗性也優異，配線電阻低，濺鍍時的飛濺發生也降低(實驗例1～6)。特別是作為合金成分進而含有M元素的靶，可知突起抗性更優異(實驗例4～6)。相對於此，可知在Fe及Si的含有率過低的靶中，突起抗性降低(實驗例7)。另外，可知Fe或Si的任意一種的含有率處於本發明的範圍外時，配線電阻變高(實驗例8～10)。另外可知，M元素的含有率處於本發明的範圍外時，配線電阻也變高(實驗例11)。

參照特定的實施方式對於本申請案進行了詳細的說明，但本技術領域者應該明瞭在不脫離本發明的精神和範圍的情況下可實施各種變更和修改。

本申請基於2009年10月30日申請的日本專利申請(特願2009-251398)，其內容在此作為參照援引。

Claims

一種鋁基合金濺鍍靶，其係含有Fe為0.0010~0.4質量%、Si為0.0010~0.50質量%及Mn為0.001~0.1質量%。
如申請專利範圍第1項之鋁基合金濺鍍靶，其硬度Hv為26以上。