含钼靶材的制作方法
【专利说明】
[0001] 优先权要求
[0002] 本申请要求美国专利申请US 12/827, 550 (于2010年6月30日申请）的权益，该 专利通过引用而全文包括在本申请中。
技术领域
[0003] 本发明一般涉及溅射靶材、制造溅射靶材的方法、使用所述靶材制造含钼薄膜的 方法（如那些用于制造平面显示器（如薄膜晶体管-液晶显示器）和光伏电池的薄膜）、由 所述靶材制造的薄膜及包括所述薄膜的产品。
【背景技术】
[0004] 溅射沉积是半导体和光电工业中使用的各种制造工艺中用于生产金属层的一种 技术。随着半导体和光电工业的进展，需要满足一个或多个电气要求、耐久性要求和加工性 要求的溅射靶材。例如，需要加工更容易、价格更便宜、生产的薄膜更均匀的溅射靶材。此 外，随着显示器尺寸增大，性能方面即使是温和的改进，其经济益处也被放大。溅射靶材成 分稍做变化，可能导致性能发生重大变化。此外，靶材的制造方式不同可能也会使组成相同 的靶材具有不同的性能。
[0005] 采用金属，如钼等制造的溅射靶材及其制造方法和其在平面显示器中的用途 在Butzer等于2005年9月1日公开的美国专利US 7,336,336B2和美国专利申请US 2005/0189401A1中进行了说明，以上专利通过引用而全文包括在本申请中。
[0006] 含钼和钛的溅射靶材、其制造方法及其在平面显示器中的用途在Gaydos等 于2008年12月25日公开的美国专利US 7, 336, 824B2和美国专利申请公开US 2008/0314737A1 号，Gaydos 等于 2007 年 4 月 26 日公开的 2007/0089984A1 及 Nitta 等于 2007年11月1日公开的2007/0251820A1中进行了描述，以上专利通过引用而全文包括在 本申请中。
[0007] 含钼和第二金属的溅射靶材在Chao等于2004年12月30日公开的美国专利申 请公开 2004/0263055A1，Lee 等于 2007 年 5 月 31 日公开的 2007/0122649A1，及 Inoue 等于2005年10月20日公开的2005/0230244A1，Cho等于2008年3月27日公开的 2008/0073674Al，Iwasaki 等于 2005 年 9 月 1 日公开的 2005/0191202A1 中进行了描述，以 上专利通过引用而全文包括在本申请中。在许多器件的生产中，薄膜产品通常是逐层制造， 通过一个或多个材料脱除步骤（如蚀刻）来脱除一层或多层。为了使材料选择广泛，以增 强设计选择，能够选择性地控制薄膜蚀刻率（即通过蚀刻脱除材料的速率）是颇有吸引力 的。例如，通过选择合适的溅射靶材而能够实现某些蚀刻速率是颇有吸引力的。可能要求 溅射靶材沉积层的蚀刻速率与其它一层或多层的蚀刻速率相容（如蚀刻速率相同或相差 小于大约25% )和/或与其它一层或多层的蚀刻速率不同（如相差大约25%或更高）。
[0008] 例如，对于某些应用来说，仍然需要一种由其制造的沉积层的蚀刻率相对较高的 溅射靶材，如在铁氰化物溶液中的蚀刻速率大于由50%原子钼和50%原子钛组成的溅射 靶材沉积层的蚀刻速率。人们还需要用于制造具有以下一种特性或以下特性任意组合的沉 积层的溅射靶材：对基材具有强粘附性、良好的阻隔性能、放置在含硅层和含铜层之间时能 够减少或防止形成铜硅化合物（如硅化铜）或具有相对较低的电阻（大约60 μ Ω · cm或 更小）。此外，人们需要具有以上一种或多种特性的溅射靶材，所述靶材是由能够采用乳制 步骤加工成溅射靶材的非均质材料制备。
【发明内容】
[0009] 令人吃惊地是，采用包括钼（Mo)、选自由铌（Nb)和钒（V)组成的群组的第二金属 元素和选自由钛、钒、铌、铬及钽组成的群组的第三金属元素，其中第三金属元素与第二金 属元素不同的溅射靶材可以满足上述一个或多个要求。本发明涉及此类组合物及其制造的 溅射靶材，以及由其制造的薄膜产品，及相关方法。
[0010] 本发明的一个方面是一种用于制造溅射靶材和/或用于制造生产溅射靶材的坯 料的方法，包括一个将含大约50原子％或更多的钼的第一粉末、含大约50原子％或更多选 自由铌和钒组成的群组的第二金属元素，及含大约50原子％或更多选自由钛、钒、铌、铬和 钽组成的群组的第三金属元素（其中第三金属元素与第二金属元素不同）进行混合的步 骤。
[0011] 本发明的另一个方面涉及一种溅射靶材和/或用于制造溅射靶材的坯料，包括： 占溅射靶材原子总数大约40原子％或更高的钼；占溅射靶材原子总数大约1原子％或更 高的第二金属元素，其中第二金属元素选自由铌和钒组成的群组；及占溅射靶材原子总数 大约1原子％或更高的第三金属元素，其中第三金属元素选自由钽、铬、钒、铌和钛组成的 群组，第三金属元素与第二金属元素不同；因此，所述溅射靶材可用于制造包括合金的沉积 膜，所述合金包括钼、第二金属元素和第三金属元素。
[0012] 本发明的另一个方面涉及溅射靶材和/或用于制造溅射靶材的坯料，包括占溅射 靶材总体积至少大约40体积％的第一相，其中所述第一相包括至少大约50原子％第一金 属元素（因此可以称为富第一金属元素），其中所述第一金属元素是钼；占溅射靶材总体积 大约1至大约40体积％的第二相，其中所述第二相包括至少大约50原子％的第二金属元 素（因此可以称为富第二金属元素），其中所述第二金属元素是铌或钒，及占溅射靶材总体 积大约1至大约40体积％的第三相，其中所述第三相包括至少大约50原子％的第三金属 元素（因此可以称为富第三金属元素），其中所述第三金属元素选自由钛、钒、铌、铬和钽所 组成的群组，其中所述第三金属元素与第二金属元素不同，因此，所述溅射靶材可用于制造 包括合金的沉积膜，所述合金包括钼、第二金属元素和第三金属元素。应该了解的是，在本 申请的教导中，第二金属元素可由钒和铌的组合代替。还应该了解的是，在本申请的教导 中，第三金属元素可由选自由钛、钒、铌、铬和钽组成的群组的两种或三种金属元素组合代 替，只要该组合与第二金属元素不同。
[0013] 本发明的另一个方面涉及一种薄膜（如溅射沉积膜），包括大约50原子％或更多 的钼，大约〇. 5原子％或更多选自由铌和钒组成的群组的第二金属元素，及大约0. 5原子％ 或更多选自由钛、钒、铌、铬和钽组成的群组的第三金属元素，其中第三金属元素与第二金 属元素不同。举例来说，一种所述薄膜可能有大约50原子％至大约90原子％钼，大约5原 子％至大约30原子％第二金属元素（如银或银），及大约5原子％至大约30原子％第三金 属元素。根据本申请的蚀刻速率教导，所述薄膜具有相对较高的蚀刻速率。
[0014] 本发明的另一个方面涉及包括由本申请所述溅射靶材沉积的薄膜的多层结构。
[0015] 本发明的另一个方面涉及一种利用本申请所述溅射靶材在基材上沉积薄膜的方 法。
[0016] 本发明的溅射靶材用于沉积通常具有较高蚀刻速率的薄膜方面较为有利。例如， 所述沉积薄膜在25°C的铁氰化物溶液中的蚀刻速率是大约lOOnm/min或更高，优选是大约 150nm/min或更高，更优选是大约200nm/min或更高，甚至更优选是大约225nm/min或更高， 甚至更优选是大约300nm/min或更高，及最优选是大约400nm/min或更高。所述派射祀材可 用于沉积具有下述特点的薄膜：对基材具有较强的粘附性；良好的阻隔性能；当放置在含 硅层和含铜层之间时基本上可以避免形成硅化铜；电阻率低；或这些特点的任意组合。有 利的是，所述溅射靶材可由，例如，能够通过一种或多种热机械变形操作变形的材料形成。 例如，所述溅射材料可由能够乳制（如通过一个或多个乳制操作）的材料制造，优选没有裂 纹，从而可以高效地生产较大的溅射靶材。还可以通过将几个单独预成型的结构（如坯料） 连接来制作较大的靶材，如在相邻预成型结构之间有粉末或没有粉末时，通过热等静压加 工操作扩散粘结。
【附图说明】
[0017] 图1是包括钼、铌和钽的溅射靶材采用二次电子成像的说明性扫描电子显微照 片。溅射靶材优选包括含50原子％或更多钼的富钼相、含50原子％或更多铌的富铌相及 含50原子％或更多钽的富钽相。
[0018] 图2是包括钼、铌和钽的溅射靶材采用背散射电子成像的说明性扫描电子显微照 片。溅射靶材优选包括富钼相、富钽相和富铌相。
[0019] 图3A是包括钼、铌和钽的溅射靶材采用背散射电子成像的说明性扫描电子显微 照片。如图3A所示，所述溅射靶材优选包括富钼相。
[0020] 图3B是说明性能量色散X-射线光谱图，表明了图3A溅射靶材一个区域的 0-20keV能量的X-射线频率分布。如图3B所示，所述溅射靶材可包括一基本上全部（如大 约90原子％或更高，优选大约95原子％或更高，更优选大约98原子％或更高）是钼的一 相。
[0021] 图4A是包括钼、铌和钽的溅射靶材采用背散射电子成像的说明性扫描电子显微 照片。如图4A所示，所述溅射靶材优选包括富铌相。
[0022] 图4B是说明性能量色散X-射线光谱图，表明了图4A溅射靶材一个区域的 0-20keV能量的X-射线频率分布。图4B说明了所述溅射靶材可包括一基本上全部（如大 约90原子％或更高，优选大约95原子％或更高，更优选大约98原子％或更高）是铌的一 相。
[0023] 图5A是包括钼、铌和钽的溅射靶材采用背散射电子成像得到的说明性扫描电子 显微照片。如图5A所示，所述溅射靶材优选包括富钽相。
[0024] 图5B是说明性能量色散X-射线光谱图，表明了图5A溅射靶材一个区域的 0-20keV能量的X-射线频率分布。图5B说明了所述溅射靶材可包括一基本上全部（如大 约90原子％或更高，优选大约95原子％或更高，更优选大约98原子％或更高）是钽的一 相。
[0025] 图6A是包括钼、铌和钽的溅射靶材采用背散射电子成像得到的说明性扫描电子 显微照片。如图6A所示，所述溅射靶材可任选包括一基本上或甚至全部由铌和钼合金组成 的一相，如包括大约10原子％或更多铌和大约10原子％或更多钼的一相。例如，合金中 铌和钼的总浓度是大约80原子％或更高，优选是大约90原子％或更高，优选是大约95原 子％或更高，更优选是大约98原子％或更高。
[0026] 图6B是说明性能量色散X-射线光谱图，表明了图6A溅射靶材一个区域的 0-20keV能量的X-射线频率分布。图6B表明溅射靶材可具有包括钼和铌的一相。
[0027] 图7A是包括钼、铌和钽的溅射靶材采用背散射电子成像得到的说明性扫描电子 显微照片。如图7A所示，所述溅射靶材可任选包括一基本上或甚至全部由钽和钼合金组成 的一相，如包括大约10原子％或更多铌和大约10原子％或更多钼的一相。例如，合金中 钽和钼的总浓度是大约80原子％或更高，优选是大约90原子％或更高，优选是大约95原 子％或更高，更优选是大约98原子％或更高。
[0028] 图7B是说明性能量色散X-射线光谱图，表明了图7A溅射靶材一个区域的 0-20keV能量的X-射线频率分布。图7B表明溅射靶材可具有包括钼和钽的一相。
[0029] 图8A和8B是沉积在基材上的溅射薄膜表面采用二次电子成像得到的说明性扫描 电子显微照片。所述薄膜由包括富钼相、富铌相和富钽相的溅射靶材溅射。所述沉积薄膜 优选包括含钼、铌和钽的合金相。
[0030] 图9是沉积在基材上的溅射薄膜横截面的说明性扫描电子显微照片。所述薄膜由 包括富钼相、富铌相和富钽相的溅射靶材溅射。所述沉积薄膜优选包括含钼、铌和钽的合金 相。沉积薄膜可具有柱状形态，如图9所示的形态。
[0031] 图IOAUOB和IOC是包括硅基材、含钼、铌和钽的第一溅射层及第二铜溅射层的多 层结构的说明性俄歇谱图（Auger Spectra)。该谱图说明了在大约350°C退火大约30分钟 前（图10A)和后（图10B)Cu、Si、Ta、Nb和Mo的组成与深度的关系。图IOC是各层之间 界面区域退火前后浓度分布的重叠示意图。
[0032] 图11是包括基材层、含钼层和导电层的说明性多层结构图。所述含钼层优选由包 括富钼相、富铌相和富钽相的溅射靶材沉积。
【具体实施方式】
[0033] 详细说明
[0034] 本发明在其各个方面利用独特的材料组合，得到一种颇有吸引力的溅射靶材，用 于制造一种或多种包括薄膜层（如薄膜阻隔层）、连接层或其它层的器件（如平面显示 器）。采用本发明溅射靶材制造的沉积层具有令人吃惊的低电阻率、与基材良好的粘附性和 /或优异的阻隔性能组合。正如本发明所教导的那样，可以定制溅射靶材，以提供相对较高 的蚀刻速率（如在铁氰化物溶液中）。
[0035] 本发明的溅射靶材采用三种或多种不同元素来实现要求的性能特性。合适的溅射 靶材包括但不限于含三种金属元素、四种金属元素，或五种或五种以上金属元素的材料或 基本上由三种金属元素、四种金属元素，或五种或五种以上金属元素组成的材料。例如，溅 射靶材可包括钼（即Mo)和两种或多种（如两种、三种或多种元素）选自由钛（即Ti)、钒 (即V)、铬（即Cr)、钽（即Ta)和铌（即Nb)组成的群组的其它元素，其中至少一种其它元 素是铌或钒。优选的溅射靶材包括Mo、Ti、V、Cr、Ta和Nb，其总浓度是溅射靶材原子总数的 大约60原子％或更高，更优选是大约80原子％或更高，甚至更优选是大约95原子％或更 高，甚至更优选是大约99原子％或更高，最优选是大约99. 5原子％或更高。由本发明溅射 靶材制造的沉积层可包括三元材料和/或四元材料，但是，并不受此限制。
[0036] 溅射靶材可用于生产（如沉积）具有至少一个含钼层（如阻隔层）的薄膜，所述 含钼层包括钼（如浓度至少是含钼层原子总数的50原子％ )、第二金属元素和第三金属元 素。沉积层可包含比溅射靶材更少的相。采用溅射靶材制造的示例沉积层可包含一相或两 相，而用于制备它们的溅射