AT7491U1 - Werkstoff für leitbahnen aus kupferlegierung - Google Patents

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AT7491U1 AT0050104U AT501202004U AT7491U1 AT 7491 U1 AT7491 U1 AT 7491U1 AT 0050104 U AT0050104 U AT 0050104U AT 501202004 U AT501202004 U AT 501202004U AT 7491 U1 AT7491 U1 AT 7491U1
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Abstract

Die Erfindung umfasst einen Werkstoff für Leitbahnen aus einer Kupferlegierung mit Cu > 90 At.%, wobei dieser 0,5 bis 10 At.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Lanthanide, Cr, Ti, Zr, Hf, Si; sowie 0 bis 5 At.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Mg, V, Nb, Ta, Mo, W, Ag, Au, Fe, B enthält. Dieser Werkstoff weist einen niedrigen elektrischer Widerstand, eine gute Haftung auf dem Glas-Substrat, eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit sowie eine niedrige Elektromigrationsrate auf.

Description

AT 007 491 U1
Die Erfindung bezieht sich auf einen Werkstoff für Leitbahnen aus einer Kupferlegierung mit Cu > 90 At.% und einem Sputtertarget zur Abscheidung dieses Werkstoffes.
Leitbahnsysteme stellen ein Grundelement eines mikroelektronischen Bauelementes dar und bestehen aus einer oder mehreren auf das Substrat aufgebrachten Leitbahnen, wobei verschiede-5 ne Beschichtungsverfahren wie PVD oder CVD zur Anwendung kommen. Die Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit des für die Leitbahn gewählten Werkstoffes steigen, wie beispielsweise im Falle von Gate Elektroden für TFT-LCDs, da die geforderten Ansprechzeiten kürzer und die mikroelektronischen Bauelemente größer werden. Daher kommen für Leitbahnen nur Werkstoffe mit ausreichend hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie z.B. Aluminium oder Refraktärmetalle und 10 deren Legierungen zur Anwendung.
Vom Standpunkt der elektrischen Leitfähigkeit und Materialkosten betrachtet ist Kupfer ein idealer Werkstoff. Kupfer, auf Glas abgeschieden, weist jedoch eine schlechte Schichthaftung auf. Zudem ist die Oxidationsbeständigkeit unzureichend. Weiters weist Kupfer einen niedrigen Widerstand gegenüber Elektromigration auf. 15 Elektromigration tritt auf, wenn ein elektrisches Feld einer ungerichteten thermischen Diffusion überlagert ist, wodurch es zu einem Netto-Materialfluss in Richtung des Elektronenflusses kommt. Ein weiteres Problem stellt die hohe Diffusionsrate von Kupfer in umgebende Dünnschichten dar.
Bei Verwendung von Legierungen ist es wichtig, dass die Leitfähigkeit möglichst geringfügig beeinträchtigt wird. Weiters ist entscheidend, dass der Schichtwerkstoff keine nicht ätzbaren Gefü-20 gebestandteile enthält, da dadurch ebenfalls die Herstellung von fehlerfreien elektronischen Komponenten stark erschwert wird. Auch das schränkt die Legierungsauswahl ein.
Es gibt viele Ansätze Kupferlegierungen für ULSI Strukturen zu verwenden.
So beschreibt die US 5,023,698 A eine Cu-Legierung, die zumindest ein Element aus der Gruppe AI, Be, Cr, Fe, Mg, Ni, Si, Sn und Zn enthält. Der Cr-Gehalt ist mit 0,01 bis 0,3 Gew.%, der 25 Si-Gehalt mit 0,01 bis 0,2 Gew.% begrenzt.
Die US 5,077,005 A offenbart wiederum eine Kupferlegierung, die zumindest ein Element aus der Gruppe In, Cd, Sb, Bi, Ti, Ag, Sn, Pb, Zr mit einem Gehalt von 0,0003 bis 0,01 Gew.% enthält. Jedoch keine dieser Legierungen weist eine ausreichende Adhäsion mit dem Glassubstrat, verbunden mit ausreichender Oxidationsbeständigkeit und Resistenz gegenüber Elektromigration auf. 30 Ziel dieser Erfindung ist ein Werkstoff für Leitbahnen auf Kupferbasis und ein Sputtertarget zur Abscheidung desselben, der das breit gefächerte Anforderungsprofil, wie niedriger elektrischer Widerstand, gute Haftung auf dem Glas-Substrat, gute Oxidationsbeständigkeit und niedrige Elektromigrationsrate erfüllt.
Erfindungsgemäß wird dies durch einen Werkstoff für Leitbahnen gemäß Anspruch 1 gelöst. 35 Der Werkstoff enthält 0,5 bis 10 At.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Lanthanide, Ti, Zr, Hf, Cr und Si. Es hat sich gezeigt, dass diese Elemente im angegebenen Konzentrationsbereich sowohl die Haftfestigkeit, der auf dem Glassubstrat abgeschiedenen Schicht, als auch die Oxidationsbeständigkeit erhöhen. Dies ist auch bei Elementen der Fall (Cr, Si, Ti), die bei niedrigerer Konzentration zu keiner Verbesserung führen. Da der Cu-Gehalt 40 > 90 At.% beträgt und zudem die Legierungselemente keine Löslichkeit im Cu aufweisen ist ge währleistet, dass die elektrische Leitfähigkeit über der von derzeit eingesetzten AI- und Reffaktär-metalllegierungen liegt.
Das Zulegieren von 0 bis 5 At.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Mg, V, Nb, Ta, Mo, W, Ag, Au, Fe, B hat im wesentlichen keinen Einfluss auf die Schichthaftung, erhöht jedoch 45 zusätzlich die Niedertemperatur-Oxidationsbeständigkeit. Die erfindungsgemäßen Legierungen weisen zudem ausgeschiedene Anteile einer zweiten Phase auf, wodurch der Widerstand gegenüber Elektromigration in ausreichendem Maß gegeben ist. Die Bildung dieser zweiten Phase kann bereits beim Abscheideprozess selbst oder im Zuge einer Temperbehandlung, wie dies bei einer nachfolgenden PE-CVD Abscheidung der Fall ist, erfolgen. 50 Ein Optimum in Hinblick auf Schichthaftung und Oxidationsbeständigkeit wird erreicht, wenn der Werkstoff 0,5 bis 10 At.%, insbesondere 1 bis 7 At.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Sc, Y, Lanthanide, Cr und Si enthält. Ausgezeichnete Ergebnisse in Hinblick auf Schichthaftung und Oxidation werden auch erreicht, wenn 0,5 bis 5 At.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Sc, Y, Lanthanide in Kombination mit 0,5 bis 5 At.% Cr und / oder Si zur Verwen-55 düng kommen, mit insbesondere sehr gute Ergebnisse bei 1 bis 4 At.% eines oder mehrerer 2 AT 007 491 U1
Elemente aus der Gruppe Sc, Y, Lanthanide in Kombination mit 0,5 bis 3 At.% Cr.
Durch Zulegieren von 0,1 bis 3 At.% Mg, Ag und / oder Au kann eine zusätzliche Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit erreicht werden.
Zur Herstellung dieser Schicht kommen Sputtertargets zum Einsatz, die im Wesentlichen die 5 gleiche chemische Zusammensetzung wie der Schichtwerkstoff aufweisen. Bevorzugt werden die erfindungsgemäßen Sputtertargets mittels pulvermetallurgischer Verfahrenstechniken hergestellt, wobei als Konsolidierungstechniken sowohl Press-/Sintertechniken, Heißpresstechniken, heißisostatische Presstechniken als auch Infiltrationstechniken zur Anwendung kommen können. Weiters erweist sich auch ein nachfolgender Umformschritt, beispielsweise durch Walzen, Strangpressen 10 oder Planschmieden als vorteilhaft. Es ist weiters vorteilhaft, wenn die Korngröße bei < 500 pm liegt. Bei mittels Umformtechniken hergestellten Sputtertargets liegt die vorteilhafte Korngröße bei < 200 pm und bezieht sich bei gewalzten oder stranggepressten Produkten auf eine Messung im Querschliff, bei geschmiedeten Produkten auf eine entsprechende Messung quer zur Fließrichtung des Werkstoffes. 15 Weiters liegt die Dichte der Sputtertargets vorteilhaft bei > 97%, bevorzugt bei > 98,5%, bei umgeformten Sputtertargets bei > 99,8% der theoretischen Dichte. Im folgenden Beispiel wird die Erfindung näher erläutert.
Beispiel: 20 Kupferpulver mit einer Korngröße von 130 pm wurde mit den jeweiligen Legierungspulvern in einem Diffusionsmischer vermengt. Nach Füllen der Pulvermischung in einen Behälter aus nichtlegiertem Stahl und einer Entgasungsbehandlung wurde der Behälter evakuiert und gasdicht verschlossen. Die Heißkompaktierung erfolge in einer HIP-Anlage bei einer Temperatur 100 bis 200°C unter der jeweiligen Solidustemperatur der sich bildenden Kupferlegierung und 2000 bar. Die 25 Dichte lag bei allen Legierungsvarianten bei > 98 % der theoretischen Dichte, die Korngröße unter 500 pm. Aus den gehipten Blöcken wurden Sputtertarget mit der Dimension 300 x 150 x 10 mm3 und Oxidationsproben mit der Dimension 50 x 50 x 2 mm3 durch mechanische Bearbeitung hergestellt. Mittels Magnetronsputtern wurden in weiterer Folge auf einem Glassubstrat (LCD-Glas) Schichten mit einer Dicke von 0,5 pm abgeschieden, deren Haftung mittels Klebeband-Test quali-30 tativ ermittelt und bewertet (1. Haftung deutlich besser als bei Rein Cu, 2. Haftung besser als bei Rein Cu, 3. Haftung wie bei Rein Cu) wurde. Das Oxidationsverhalten wurde bei einer Temperatur von 200°C und einer Prüfzeit von 1000 h an Luft bestimmt, wobei den Proben die Bewertung C (Gewichtzunahme >0,2 mg/cm2), B (Gewichtzunahme 0,2 mg/cm2 bis 0,1 mg/cm2) und A (Gewichtzunahme < 0,1 mg/cm2) zugeordnet wurde. Die Probennummern 1 bis 23 stellen erfindungs-35 gemäße Versuche, die Probennummern 24 bis 26 Stand der Technik Versuche dar. Die Ergebnisse sind in nachfolgender Versuchsmatrix zusammengefasst. 40 45 50
Nr. Erfindungsgemäße Werkstoffe Legierungszusatz in At.% Oxidations verhalten Haft verhalten Sc Y La Ce Nd Cr Ti Si Ca Mg Ag Ta Mo Fe 1 2 B 1 2 2 B 1 3 2 B 1 4 2 B 1 5 2 B 1 6 2 B 2 7 2 B 2 8 2 B 2 9 2 B 1 3 55

Claims (15)

  1. 40 45 50 AT 007 491 U1 Nr. Erfindungsgemäße Werkstoffe Legierungszusatz in At.% Oxidations verhalten Haft verhalten Sc Y La Ce Nd Cr Ti Si Ca Mg Ag Ta Mo Fe 10 5 A 1 11 5 A 2 12 5 B 2 13 2 2 A 1 14 2 2 A 1 15 0,5 2 2 A 1 16 2 1 A 2 17 2 1 B 2 18 2 1 B 2 19 2 1 A 2 20 0,5 2 0,5 0,5 A 1 21 0,5 B 2 22 0,5 B 3 23 0,5 B 2 Nr. Stand der Technik Werkstoffe Legierungszusatz in At.% Oxidations verhalten Haft verhalten Sc Y La Ce Nd Cr Ti Si Ca Mg Ag Ta Mo Fe 24 0.3 C 3 25 0,01 C 3 26 0,2 C 3 ANSPRÜCHE: 1. Werkstoff für Leitbahnen aus einer Kupferlegierung mit Cu > 90 At.%, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 0,5 bis 10 At.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Lanthanide, Cr, Ti, Zr, Hf, Si; sowie 0 bis 5 At.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Mg, V, Nb, Ta, Mo, W, Ag, Au, Fe, B enthält.
  2. 2. Werkstoff für Leitbahnen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 0,5 bis 10 At.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Sc, Y, Lanthanide, Cr und Si enthält.
  3. 3. Werkstoff für Leitbahnen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 1 bis 7 At.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Sc, Y, Lanthanide, Cr und Si enthält.
  4. 4. Werkstoff für Leitbahnen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 0,5 bis 5 At.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Sc, Y, Lantha- 4 55 5 AT 007 491 U1 nide und 0,5 bis 5 At.% Cr und / oder Si enthält.
  5. 5. Werkstoff für Leitbahnen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 1 bis 4 At.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Sc, Y, Lanthanide und 0,5 bis 3 At.% Cr enthält.
  6. 6. Werkstoff für Leitbahnen nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 0,1 bis 3 At.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Ag, Au und Mg enthält.
  7. 7. Sputtertarget zur Abscheidung von Leitbahnen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses pulvermetallurgisch hergestellt ist. 10
  8. 8. Sputtertarget zur Abscheidung von Leitbahnen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass dieses durch Sprühkompaktieren hergestellt ist.
  9. 9. Sputtertarget zur Abscheidung von Leitbahnen nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Dichte > 97 % aufweist. 15
  10. 10. Sputtertarget zur Abscheidung von Leitbahnen nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Korngröße < 500 pm aufweist.
  11. 11. Sputtertarget zur Abscheidung von Leitbahnen nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses umgeformt, bevorzugt gewalzt ist.
  12. 12. Sputtertarget zur Abscheidung von Leitbahnen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Dichte > 99,8 % aufweist. 20
  13. 13. Sputtertarget zur Abscheidung von Leitbahnen nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Korngröße < 200 pm aufweist.
  14. 14. Sputtertarget nach einem der Ansprüche 7 bis 13 zur Abscheidung von Leitbahnen für Flachbildschirme. 25
  15. 15. Sputtertarget nach Ansprüche 14 zur Abscheidung von Leitbahnen für LCD TFT Flachbildschirme. KEINE ZEICHNUNG 30 35 40 45 50 5 55
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