配线结构、其制造方法、以及光学设备的制作方法

专利名称：配线结构、其制造方法、以及光学设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及分层的配线结构、其制造方法、以及光学设备。
(2)背景技术有机EL(OLED有机发光二极管)器件具有类似于发光二极管的作用，采用电流驱动有机EL(OLED有机发光二极管)器件的显示器用于替代CRT或LCD已经引起了人们的关注。
在有机EL显示器的光学元件中，用作电源线的配线必须具有非常高的可靠性；特别是，它必须是低电阻的以及能防止毛刺/小丘、电迁移和应力迁移。为了能降低电阻，使用诸如铝之类的低电阻金属作为配线的材料。
在诸如铝之类的低电阻金属制成的配线上可以形成一层由诸如钼之类的耐熔性金属制成的保护层，以提高防止毛刺/小丘的能力。此外，采用含有至少一种镧系元素(例如，钕)的铝合金作为配线材料，可以改善防止电迁移。
用于有机EL中的配线必须具有非常低的电阻，以避免电压降。然而，当使用含有钕的铝合金作为配线材料时，配线会呈现出比单纯的铝所制成的配线高的电阻率。此外，形成由钼制成的保护层也会导致较高的电阻率。
此外，当采用耐熔-温度金属制成的保护层来覆盖低电阻金属制成的配线时，在这些层之间的粘附度将变差，且接触电阻也会不希望地增加。特别是，当耐熔性金属的晶格类型不同于低电阻金属的晶格类型时，这些层就不能相互匹配，从而引起分层。当在非晶形基片上形成配线时，各层都呈现出无规则的晶体取向，使得可更严重地降低层间的粘附度。
(3)发明内容本发明是鉴于上述情况而作出的，并且本发明的一个目的是提供一种具有降低电阻的高可靠性配线。本发明的另一个目的是提供一种具有提高电迁移阻力的配线。本发明的另一个目的是提供一种具有提高的应力迁移阻力的配线。本发明还有一个目的是提供一种具有改善的耐用性的配线。本发明还有一个目的是提高在制造配线的方法中的成品率。
根据本发明，提供了一种采用含有钕的铝合金制成的分层的配线结构，在该结构中，合金的晶体的平均颗粒尺寸为16.9nm或稍大些。这里的晶体的平均颗粒尺寸是通过合金中各个晶粒的总的尺寸除以晶粒的总数而计算出的数值平均颗粒尺寸。
晶体的数值平均颗粒尺寸可以约为16.9nm或稍大些，该尺寸是铝中的电子的平均自由程，以降低晶粒边界中的电子扩散概率，并因此降低配线的电阻率。
晶体的数值平均颗粒尺寸可以为30nm或稍大些。具有三倍程或更多倍程的电子平均自由程的晶体的数值平均晶粒尺寸可以进一步降低配线的电阻率。
根据本发明，提供了一种采用含有钕的铝合金制成的分层的配线结构，在该结构中，合金中总的晶体的90％是晶粒尺寸为30nm或稍大些的晶体。晶体的颗粒尺寸可以大于电子平均自由程，以降低配线的电阻率。
镧系元素可以是钕(Nd)。合金中的钕的含量推荐为1％原子百分数或更多，最好是2％原子百分数或更多，以提高电迁移阻力。另一方面，所推荐的上限为10％原子百分数，最好是5％原子百分数，以提高电迁移阻力而同时保持配线的低电阻率。于是，配线的结构就变得非常可靠。
根据本发明，提供了包括一电路和连接至该电路的上述分层的配线结构的光学设备，所述电路包括电流驱动光学元件。这里，光学元件可以是有机EL元件。包括光学元件的电路可以是有机EL元件本身，或除了有机EL元件以外另外还包括薄膜晶体管(TFT)，用于驱动有机EL元件。当电路包括TFT时，分层的配线结构可以与TFT相连接。
光学设备可以具有多个电路，并且分层的配线结构可以与多个电路相连接，使之作为电源线使用，用于向各个电路供电。这里，光学设备可以是有源矩阵型显示器。大的电流会流过用于向各个电路供电的电源线，这将特别在接点处易于引起迁移。根据本发明的分层的配线结构具有较高的迁移阻力和较高的可靠性。因此，它可以用作光学设备的电源线，以从一接点向各个电路持续地和均匀地供电。于是，可以防止提供给各个电路电压的泄漏，允许带有减少亮度非均匀性的稳定显示器。
分层的配线结构可以与电流驱动光学元件相连接。当把如上述配置的分层的配线结构应用于电流驱动光学元件时，该分层的配线结构是有用的。
根据本发明，提供了一种制造分层的配线结构的方法。该方法包括通过采用铝合金作为目标进行喷镀，把含有钕的铝合金沉积在加热到50℃至150℃(两者都包括在内)的基片的上表面，其中喷镀处理是在将基片和目标保持在0.18/(M1/2×d)Pa或更低的减压压力下进行的，其中M是目标金属的原子重量以及d是基片和目标之间的距离。这里所采用的术语“原子重量”是指在目标金属为合金时在主要成分金属中的平均原子重量或最小原子重量。该方法允许晶体的数值平均颗粒尺寸可大于电子的平均自由程，从而提供具有减少电阻的分层的配线结构。在基片和分层的配线结构之间可以存在介入层。
在沉积了分层的配线结构之后，分层的配线结构可以从喷镀处理期间基片的加热温度加热到450℃(两者都包括在内)。这种加热可以进一步减少分层的配线结构的电阻。
根据本发明，提供了一种包括含有钕的铝合金制成的分层的配线结构的显示设备，其中合金晶体的数值平均颗粒尺寸为16.9nm或更大。晶体的数值平均颗粒尺寸可至少是电子的自由平均行程，以减少电子在晶粒边界的扩散概率，并因此以减少配线的电阻率。
显示装置可包括光学元件和光学元件的驱动晶体管。分层的配线结构可以与光学元件或驱动晶体管相连接。当将如上配置的分层的配线结构应用于向例如显示设备中的光学元件或驱动晶体管提供电流的配线时，采用上述方法配置的分层的配线结构就非常有用。
根据本发明，提供了一种分层的配线结构，它包括含有铝、铜或银的金属制成的配线层以及含有构成配线层的金属和与配线层相邻的耐熔性金属的中间相制成的合金层。构成配线层的金属可以是诸如铝、铜或银之类的金属元素，或含有1％至99％的铝、铜或银的合金。构成配线层的金属可具有比耐熔性金属低的电阻率。在下文中，将构成配线层的金属称为“低电阻金属”。
当两种具有不同晶体结构的金属可以形成固溶体时，对于这些晶体结构的优先区域取决于特定的合金。在这些金属中，有时会产生合成区域，该区域被认为是呈现不同于任一种成份金属的晶体结构的中间相。呈现出特别低的金属性的中间相称为金属间化合物，而呈现出明显的金属性的中间相就称为次固溶体。在金属间化合物中，金属成分的原子数的比率是一个相对简单的整数，并且晶体晶格的原子位置是固定的。
中间相可以是金属间化合物。一般来说，金属间化合物呈现出共价键特性，从而由脆度和小扩散系数表征，而同时又具有大的电阻。由于金属间化合物是硬的，因此分层的配线结构可以采用合金层作为覆盖着配线层和/或在配线层下的金属间化合物，以使配线层免受外部应力的影响，从而提高应力迁移阻力。
根据本发明，提供了一种包括由含有铝、铜或银的低电阻金属制成的配线层；耐熔性金属制成的保护层；以及由在邻近配线层和保护层之间含有低电阻金属和耐熔性金属的中间相制成的合金层的分层的配线结构。在配线层和保护层之间所形成的合金层可以防止配线层的金属扩散到保护层，从而对减小迁移十分有效。另外，在配线和保护层之间形成的合金层可以提高这些层间的粘附度。配线层和保护层之间的粘附度的提高也就减小了层间的接触电阻。此外，由于金属间化合物能够防止扩散，所以当中间相是金属间化合物时，可避免在耐熔性金属和低电阻金属之间的合金层的形成。从而，可以形成薄的以及均匀的合金层。
根据本发明，提供了一种由含有铝、铜或银的低电阻金属制成的配线层；耐熔性金属制成的保护层；以及在邻近配线层和保护层之间且低电阻金属和耐熔性金属的成份是逐渐变化的合金层构成的分层的配线结构。这类在配线层和保护层之间的合金层可以提高这些层间的粘附度。合金层并不局限于上述低电阻金属和耐熔性金属的成份是逐渐变化的合金层，但合金层的金属成份可以是非连续变化的。
耐熔性金属的例子包括那些6A族的元素，例如，钼(Mo)、铬(Cr)、和钨(W)；或者5A族的元素，例如，钛(Ta)、钒(V)、和铌(Nb)。这类保护层可以提高分层的配线结构防毛刺和小丘的能力。特别是，6A族的元素具有降低的对低电阻金属中扩散的特征。
耐熔性金属的例子包括那些包括诸如钼、铬、钨、钛、钒、或铌之类的金属，这些金属的晶格类型是体心立方结构(bcc)。低电阻金属的例子包括那些包括诸如铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铑(Rh)、铱(Ir)、镍(Ni)，铂(Pt)和钯(Pd)之类的金属，这些金属的晶格类型是面心立方结构(fcc)。如上所述，可以在具有不同晶格类型的金属之间形成合金层，以提高在这些金属层间的粘附度，进而提高在制造分层的配线结构的方法中的成品率。上述所提及的晶格图形就是在教科书中以室温来普遍阐明讨论的晶格图形。
耐熔性金属最好含有钼。因为钼能呈现出与基片良好的粘附度，它可以提高配线的整体粘附度，因此有利于成品率的提高。此外，钼具有在制造过程中容易处理的特征。
低电阻金属可以含有铝。铝是高活性金属。因此，当配线采用含有铝的低电阻金属制成时，在配线层和耐熔性金属之间就容易形成中间相。
配线层还可以含有钕，中间相还可以含有钕。此外，配线层和中间相可以含有镧系元素。在配线层中钕的含量推荐是1％原子百分数或更多，最佳是2％原子百分数或更多，以提高电迁移阻力。另一方面，上限推荐是10％原子百分数，最好是5％百分数，以提高电迁移的阻力，同时保持配线层的低电阻率。呈现出基本等效于钕化学特性的其它镧系元素也同样有效。
合金层的厚度推荐为1nm或以上，最好是10nm或以上，以提高配线层和保护层之间的粘附度。另一方面，上限推荐为50nm，最好是15nm。金属间化合物具有差的导电性。因此，当该层较厚时，垂直电阻，即接触电阻就增加了。当通过界面反应形成金属间化合物时，减小了低电阻金属的薄膜厚度，导致配线电阻中的增加。此外，当脆性的金属间化合物形成较厚的厚度时，配线就会有裂纹，从而会引起断裂。必须在耐熔性金属和低电阻金属之间以薄膜方式形成金属间化合物。合金层所形成的薄膜厚度推荐为1nm或以上，最好是10nm，以及推荐是50nm或以下，最好是15nm或以下，以解决上述问题，用于有利地提高应力迁移阻力、电迁移阻力以及粘附度。从而，可以提高分层的配线结构的可靠性。
分层的配线结构可以与电流驱动的光学元件相连接。当应用于电流驱动光学元件时，如上述配置的分层的配线结构是有用的。
根据本发明，提供了一种包括含有电流驱动光学元件的电路和与该电路相连接的上述分层的配线结构的光学设备。这里，光学元件可以是有机EL元件。包括光学元件的电路可以是有机EL元件本身，或可以包括，除了有机EL元件以外，用于驱动有机EL元件的薄膜晶体管(TFT)。当电路包括TFT时，分层的配线结构可以与TFT相连接。
光学设备可以包括多个电路，并且分层的配线结构可以与多个电路相连接，使得其用作为向各个电路供电的电源线。这里，光学设备可以是有源矩阵型显示器。根据本发明的分层的配线结构具有较低的接触电阻和较高的可靠性。因此，它可以用作显示器的电源线，以避免提供给各个电路的电压的泄漏，允许具有减小亮度中的非均匀性的稳定显示。
根据本发明，提供了一种制造分层的配线结构的方法，它包括通过利用含有钼的耐熔性金属作为目标进行喷镀，在加热到50℃至150℃(两者都包括在内)的基片的上表面形成保护层，以及在将基片加热到50℃至150℃(两者都包括在内)的同时通过利用含有铝、铜或银的低电阻金属作为目标进行喷镀，在保护层上形成配线层，其中，保护层的形成和配线层的形成是在0.18/(M1/2×d)Pa或更低的减压条件下进行的，其中M是目标金属的原子重量，或者当目标金属是合金时，M是化合物金属的原子重量的原子百分数的平均值或主要成份金属的最小原子重量，而d是指基片和目标之间的距离；并且配线层的形成是在基片未暴露于空气的条件下进行的。根据该方法，中间相可以在保护层和配线层之间形成，以便始终一致地产生分层的配线结构。此外，在保护层和配线层之间的粘附度可以得到提高，并且采用该制造分层的配线结构方法的成品率可以得到提高。这里可以在基片和保护层之间设置一介入层。
该方法还包括在形成了配线层之后，将分层的配线结构的温度从喷镀过程期间的基片的加热温度加热到450℃。这样的加热可以减小分层的配线结构的电阻。
根据本发明，还提供了一种制造分层的配线结构的方法，它包括通过利用含有铝、铜或银的低电阻金属作为目标进行喷镀，在加热到50℃至150℃的基片的上表面形成配线层，以及在将基片加热到50℃至150℃的同时，通过利用含有钼的耐熔性金属作为目标进行喷镀，在配线层上形成保护层，其中，保护层的形成和配线层的形成是在0.18/(M1/2×d)Pa或更低的减压条件下进行的，其中的M是目标金属的原子重量，当目标金属是合金时，它是化合物金属的原子重量的原子百分数的平均值或主要成份金属的最小原子重量，而d是指基片和目标之间的距离；并且配线层的形成是在基片未暴露于空气的条件下进行的。根据该方法，中间相可以在保护层和配线层之间形成，以便始终一致地产生分层的配线结构。此外，在保护层和配线层之间的粘附度可以得到提高，并且采用该制造分层的配线结构方法的成品率可以得到提高。这里可以在基片和保护层之间设置一介入层。
该方法还包括在形成了保护层之后，将分层的配线结构的温度从喷镀过程中的基片的加热温度加热到450℃。这样的加热可以减小分层的配线结构的电阻。
根据本发明，还提供了一种制造分层的配线结构的方法，它包括通过利用含有铝、铜或银的低电阻金属作为目标进行喷镀，在基片的上表面形成配线层，以及通过利用含有钼的耐熔性金属作为目标进行喷镀，在配线层上形成保护层，使得所形成的保护层能与配线层相接触，其中，保护层的形成和配线层的形成是在基本等效的由P×M1/2表示的颗粒碰撞参数的条件下进行的，其中P是喷镀压力，M是指目标金属的原子重量，或当目标金属为合金时，则是化合物金属的原子重量的原子百分数的平均值或主要成份金属的最小原子重量，而d是指基片和目标之间的距离。这里所使用的术语“原子重量”是指当目标金属是合金时在主要成份金属中的平均原子重量或最小原子重量。基本等效的条件是，例如，颗粒碰撞参数比为0.9至1.1的那些条件。
从而，配线层和保护层可以在基本等效的颗粒碰撞参数的条件下采用喷镀的方法来制成，以便始终一致地产生介入层。
本发明还涉及了上述元件的任何适当组合，作为有效方面，并且在本发明中所描述的方法和/或装置是可以变化的。
(4)


图1是说明有机EL显示器中一个象素的平面图。
图2A显示了图1所说明的象素沿线A-A的剖面图。
图2B显示了图1所说明的象素沿线B-B的剖面图。
图3是具有多层结构的配线的剖面图。
图4显示了驱动电源线的剖面图(透射电子显微镜(TEM)照片)。
图5显示了在图4所示剖面中的各个晶体颗粒的边界。
图6A显示了近似于图5所说明边界的椭圆。
图6B显示了放大近似于图6A所说明的椭圆。
图7A显示了在图4的剖面中所说明的晶体的颗粒尺寸。
图7B显示了在图4的剖面中所说明的晶体的颗粒尺寸。
图8A显示了分层的配线结构的剖面(TEM照片)。
图8B显示了图8A的TEM照片，它指示了在第一合金层和配线层之间的边界以及在第二合金层和有着断续线的配线层之间的边界。
图9A是显示在第二合金层附近区域的剖面。
图9B显示了采用能量分散型X射线分光仪测量合金层中金属成份的结果。
图10显示了铝和钼的二元相图。
(5)具体实施方式
现在将基于较佳的实施例来描述本发明，这些实施例并不是用于限制本发明的范围而只是用于解释本发明。在实施例中所讨论的所有的特征和这些特征的组合对于本发明并不是必要的。
根据本实施例的一种分层的配线结构用于有源矩阵型有机EL显示器。图1是说明在该显示器中象素之一的配置结构的平面图。在图1中，仅仅显示了一个象素的结构，但有源矩阵型显示器可具有大量相同的如矩阵所说明的象素，在矩阵中，每个象素都具有一个开关元件。
象素形成在由栅极信号线51和漏极信号线52所环绕的区域内。象素具有作为开关元件的第一TFT 30，和用于驱动有机EL元件的第二TFT 40，以及电容器90。
第一TFT 30包括连接着栅极信号线51的栅极电极11且将栅极信号馈送至该电极，连接着漏极信号线52的漏极电极13d且将漏极信号馈送至该电极，以及通过电容器90的一个电极55连接着第二TFT 40的源极电极13s。
电容器90中的一个电极55是与第一TFT中的源极电极13s集成制型的。电容器90中的另一个电极54是由，例如，铬，所制成的且通过栅极的绝缘薄膜在该电极和电极55之间存储电荷。电容器90保持着施加在第二TFT 40中的栅极电极42上的电压。
第二TFT 40包括连接着第一TFT 30中的源极电极的栅极电极42，连接着有机EL元件60的阳极61的漏极电极43d，以及连接着驱动电源线53的源极电极43s。
图2A显示了沿着图1中A-A线的剖面部分，而图2B则显示了沿着图1中B-B线的剖面部分。如图2A所示，在绝缘的基片10上形成有源层13。绝缘基片10可以由，例如，石英玻璃或无碱玻璃来制成。有源层13可以由多晶硅(p-Si)薄膜制成，多晶硅薄膜是采用激光束照射非晶硅(a-Si)薄膜多晶化产生的。在该图中，说明了上层的栅极结构，但本发明并不局限于特定的结构。有源层13包括在两个沟道13c两边的源极电极13s和漏极电极13d。在该实施例中，源极电极13s和漏极电极13d是采用n类杂质的离子掺杂的，而第一TFT 30是n沟道型器件。
在有源层13的上面形成栅极绝缘薄膜12，随后在该薄膜上形成栅极电极11以及电容器90的一个电极。栅极电极11可以采用耐熔性金属，例如，铬和钼，来制成，且构成如图1所示的栅极信号线51的一部分。
在栅极电极11和栅极绝缘薄膜12的整个表面上形成一个层间绝缘薄膜15，它是由SiN薄膜和SiO2薄膜构成的。在与漏极电极13d相关所形成的接触孔可采用金属(例如，铝)来填充，以形成构成漏极信号线51的一部分的漏极提取电极16。
如图2B所示，在绝缘基片10上形成有源层43。有源层43可以采用与有源层13相同的材料制成。在有源层43中形成沟道43c，且在其两边形成源极电极43s和漏极电极43d。在本实施例中，源极电极43s和漏极电极43d是采用p类杂质离子掺杂的，而第二TFT 40是p沟道型器件。
在有源层43上形成栅极绝缘薄膜12，随后在该薄膜上形成栅极电极42。栅极电极42是由诸如铬和钼之类的耐熔性金属构成。栅极电极42与第一TFT 30中的源极电极13s相连。在有源层43中，通道43c形成在栅极电极42的下面。
在栅极绝缘薄膜12和栅极电极42的整个表面上形成了层间绝缘薄膜15。与源极电极43s相关的接触孔由诸如铝之类的金属填充，以形成驱动电源线53。形成驱动电源线53的方法将在后面描述。
在层间绝缘薄膜15，漏极提取电极16(如图2A所示)和驱动电源线53的整个表面上形成了一个由有机树脂制成的平面化绝缘薄膜17。在平面化绝缘薄膜17上形成有机EL元件60。有机EL元件60具有阳极61、光发射元件层66和阴极67依次沉积的结构。阳极61通过在相对平面化绝缘膜17中的漏极电极43d形成的接触孔与漏极43d连接。在阳极61上形成绝缘薄膜68。绝缘薄膜68的形成是为了防止由于阳极61的厚度产生的台阶使光发射元件层66断裂而导致阴极67与阳极61之间的短路。
阳极61采用的材料的例子包括铟-锡-氧化物(ITO)、二氧化锡(SnO2)和氧化铟(In2O3)。通常，ITO由于它的空穴注入效应和低的表面电阻而被使用。阴极67采用的材料的例子包括含有微量锂的铝合金、镁-铟合金以及镁-银合金。光发射元件层66结构由孔传输层62、光发射层64和电子传输层65依次沉积而成。孔传输层62采用的材料的例子包括4，4’，4”-三氨基甲烷盐酸缓冲液(3-甲基苯基苯基氨基)三苯氨(MTDATA)、N，N’-Di(萘-1-yl)-N、N’-二苯基-对二氨基联苯(NPB)以及N，N’-二苯基-N、N’-di(3-甲基苯基)-1，1’-联二苯-4、4’-二胺(TPD)。光发射层64的材料的例子包括双(苯并喹啉并)(benzoquinolinolato)铍合成物，含有一种喹吖(二)酮(quinacridone)衍生物(双(10-羟基苯[h]喹啉并)铍(bis(10-hydroxybenzo[h]quinolinolato)beryllium)Bebq2)和铝-喹啉(quinolene)合成物(Alq3)。电极传输层65的材料的例子包括Bebq2和Alq3。
形成空穴传输层62、电子传输层65和阴极67，使它们可以被每个象素中的多个有机EL元件60所共享。响应于阳极61把光发射层64形成为岛。
对一个象素，以上结构和材料仅仅是说明性的，而并不限制本发明的范围。例如，第一TFT 30和第二TFT 40可以是n沟道型、p沟道型或者甚至是n沟道和p沟道的组合型。在第一TFT 30中，由漏极电极13d和源极电极13s构成的部分可以分别用响应于施加的电压的源极电极和漏极电极替代。有机EL元件60可具有这样的结构，即其中阳极61、光发射层66和阴极67依次反过来沉积。在层与层之间可以形成介入层。
这里将描述这样配置的一个象素中的有机EL元件光发射的操作。当从栅极信号线51向栅极电极11施加一个栅极信号时，第一TFT 30开启。这样从第一TFT30中的源极电极13s施加的电荷被存贮到电容器90，同时也施加到第二TFT 40的栅极电极42。对有机EL元件60，响应于施加在第二TFT 40中的栅极电极42上的电压的电流是从驱动电源线53馈入的。
在有机EL元件60中，为了产生激发，从阳极61注入的空穴和从阴极67注入的电子在光发射层64的内部重新结合，使构成光发射层64的有机分子激发。在能量发射激发的失活过程中，光发射层64发出光，它通过传输阳极61放电并被认为是有机EL元件60的光发射。
将根据上述说明的有机EL显示器的象素结构来描述本发明的特征。在本发明的一个实施例中，连接到有机EL显示器的每个象素中的TFT的配线，如信号线、扫描线和驱动电源线，是采用低电阻金属制成的并具有多层结构，其中低电阻金属合金的晶体颗粒尺寸大于电子的平均自由程。
图3是具有上述多层结构的配线的截面图。在图中，将使用驱动电源线53作为例子进行描述。驱动电源线53包括在层间绝缘层15上的第一保护层110；在第一保护层110上的配线层112；以及在配线层112上的第二保护层114。在驱动电源线53中，第一合金层116和第二合金层118分别形成在第一保护层110和配线层112之间以及配线层112和第二保护层114之间。
第一保护层110和第二保护层114可以由体心立方(bcc)晶格类型的金属构成。第一保护层110和第二保护层114最好由6A族或5A族元素如铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)构成。在这个实施例中，第一保护层110和第二保护层114是用钼制成的。
配线层112可以由具有不同于第一保护层110或第二保护层114的晶格结构的金属构成。例如，配线112可以由晶体结构为面心立方(fcc)的金属构成。配线层112最好是由铝，或电阻低于铝的铜或银构成。在这个实施例中，配线层112是由铝构成的。
另外，配线层112可以包含一个镧系金属，例如，钕。为了提高配线电迁移阻力，镧系金属可以加入到诸如铝之类的低电阻金属中。在本实施例中，配线层112是由铝-钕合金(Nd-Al)制成的。在本实施例中，钕在铝-钕合金中的含量为2％原子百分数。
第一合金层116和第二合金层118可以由构成耐熔性金属层的金属和构成低电阻金属层的金属的金属间化合物构成。在这个实施例中，第一合金层116和第二合金层118是由铝-钕合金和钼的金属间化合物构成。实例本发明将用具体的例子作为参考进行解释。
在形成SiO2膜作为层间绝缘膜以成为基底之后，在层间绝缘膜中形成接触孔。然后，采用负载-锁(load-lock)(LL)型多腔室沉积装置将分层的配线结构沉积在层间绝缘膜上。该沉积装置含有LL腔室、处理腔室、放置钼目标的第一喷镀腔室和放置铝-钕合金目标的第二喷镀腔室。在铝-钕合金中的钕含量为2％原子百分数。
首先，LL腔室、处理腔室、第一喷镀腔室和第二喷镀腔室被预抽真空至10-3Pa，然后基片从LL腔室输送到处理腔室。打开在处理腔室和第一喷镀腔室间的门阀，基片被传送到第一喷镀腔室，然后加热到100℃。接着，氩气输送到第一喷镀腔室，氩气压力控制为0.23Pa。喷镀中采用以下条件，即功率6.2KW，氩气流率100sccm；来沉积达50nm的由钼制成的第一保护层。TEM(透射电子显微镜)观察结果可作如下解释，结果表明采用这样的沉积，第一保护层和层间绝缘膜有非常好的粘附度。
接着，第一喷镀腔室被抽真空至10-3Pa，然后基片通过处理腔室被传送到第二喷镀腔室。因为处理腔室、第一喷镀腔室和第二喷镀腔室是保持在真空环境中，不用从减压空气环境中移去基片就可沉积下一层。因此，第一保护层的表面可以保持干净和足够活性。
在第二喷镀腔室中，基片被加热到100℃。然后，氩气输送到第二喷镀腔室，氩气压力控制为0.41Pa。喷镀中采用以下条件，功率6.5KW，氩气流率100sccm；来沉积达400nm的由铝-钕合金制成配线层。
再次，第二喷镀腔室被抽真空至10-3Pa，基片通过处理腔室被传送到第一喷镀腔室。在第一喷镀腔室中，基片被加热到100℃。然后，氩气输送到第一喷镀腔室，氩气压力控制为0.23Pa。喷镀中采用以下条件，功率6.2KW，氩气流率100sccm；来沉积达50nm的由钼制成的第二保护层。在本实施例中，第一和第二喷镀腔室中的基片和目标的距离是0.05m。
在形成多层结构后，在350℃加热基片达30分钟。
在上面的例子中，第一和第二喷镀腔室的压力分别是0.23Pa和0.41Pa。在这些喷镀腔室内的压力可以由以下决定。较佳的是，通过增加晶粒尺寸，把诸如高能原子或离子之类的粒子喷镀到基片上，形成稳定的分层的配线结构，并且进一步一致地形成中间相。因此需要喷镀粒子从目标喷镀出来后，不受其它粒子如氩气的碰撞直接到达基片。更具体地说，较好的方法是尽可能的减少由d/λ表示的颗粒碰撞参数，这里d(以“米”表示)是基片和目标之间的距离，λ是粒子的平均自由程。
碰撞的概率是正比于粒子的截面面积和喷镀腔室内的压力P。平均自由程正比于粒子的速度v而反比于碰撞概率。这样，关系可以表示为λ∝v/(P×S)。每个粒子的速度v表示为E＝1/2×mv2，其中m是粒子重量。这里m可以表示为m∝M，其中M是目标金属的原子重量(虽然在目标金属为合金时M可以是合金中主要金属的平均原子重量或最小原子重量)，并且从目标释放的粒子的平均能量与原子或目标的类型无关，恒定为5至10eV。因此，存在这样的关系v∝(1/M)1/2。于是，平均自由程λ可以由λ∝1/(M1/2×P×S)来表示。换句话说，当基片和目标之间的距离d是恒定的时，最好能尽可能地减小在喷镀腔室中的压力。颗粒的截面积可以近似为πr2，其中r是原子的半径。由于在本实施例中所推荐使用金属的原子半径是约为1.25至1.45的常数，所以S也可以表示为常数。
如上所述，平均自由程可以采用λ∝1/(M1/2×P×S)来表示，且可以通过变化各个颗粒的分子量M和喷镀腔室的压力P来控制。换句话说，喷镀腔室的压力最好能低些，且对具有较大分子量M的颗粒来说，喷镀腔室的压力应该低些。
由于上述的颗粒碰撞的参数可以由P×M1/2×d来表示，所以在基片和目标之间距离d的减小可以同样有效。在本实施例中，在基片和目标之间距离d可为0.1m或更小。
在本实施例中，可以选择喷镀腔室中的压力P，使得颗粒碰撞参数P×M1/2×d为0.18或更小。因此，在喷镀腔室中的压力P可以为0.18/(M1/2×d)或更小。于是，具有大的晶体尺寸的分层的配线结构可以始终如一地形成，并且此外，中间相也可以始终如一地形成。在喷镀腔室中的压力P的下限最好为0.1Pa，使得各层都可以始终如一地来沉积。
基片在喷镀过程中的温度可以为50℃至150℃(两者都包括在内)。另外，加热也可以从喷镀过程中的基片温度加热到450℃(两者都包括在内)。
图4显示了上述讨论的驱动电源线53的横截面(TEM照片)。正如在该图中所示，铝-钕合金的晶体颗粒在配线层中形成。
图5显示了在图4所示的截面中的晶体颗粒(晶粒)的边界。参照该图，晶体颗粒接近于椭圆，如图6A所示。在图6B中，近似的椭圆被放大了。图7A和7B显示了在图4所示的截面中的晶体颗粒的尺寸。图7A显示了在颗粒尺寸和它们数量之间的关系，而图7B则采用图形显示了这种关系。每个颗粒的尺寸可以通过计算对应于在图6B中的椭圆的长轴和短轴的平均来确定。在图4的截面中可以观察到少量尺寸小于25nm的颗粒，因此在评估中可以忽略。
正如在图7A和7B中所显示的，大多数的颗粒具有60nm至70nm的尺寸。在这些图中，总共118个放大的椭圆中有112个具有大于30nm的颗粒尺寸，约为95％(112/118×100)。类似地，74个椭圆具有大于60nm地颗粒尺寸，约为62％(74/118×100)。晶体的数值平均颗粒尺寸为69.55nm，这是通过将图6B中所示的椭圆的总的颗粒尺寸(8207.9nm)除以上述所讨论的总的颗粒个数(118)计算得到的。此外，形成了少量小于25nm尺寸的颗粒。换句话说，根据本发明的制造分层的配线结构的方法提供了一种由铝-钕合金的晶体颗粒所构成的分层的配线结构，铝-钕合金具有大于16.9nm的颗粒尺寸，该尺寸是铝中电子的平均自由程。
因此这样形成的分层的配线结构在沉积之后立即具有15μΩcm的电阻率，且在350℃加热达30分钟后为4.8μΩcm。
作为一个参考的例子，采用钕含量为2％原子百分数的铝-钕合金作为目标，在基片温度为100℃、第二喷镀腔室的压力为0.70Pa和氩气的流率为200sccm的条件下形成配线。在这种情况下，分层的配线结构在沉积之后立即具有21.5μΩcm的电阻率。该参考例子也指出根据在上述例子中的过程所制成的分层的配线结构中电阻减小了。此外，上述结果也指示出在喷镀腔室的压力P小于0.18/(M1/2×d)的条件下，分层的配线结构中的电阻可以显著地下降，从而意味着在这样的条件下晶体可以具有大的颗粒尺寸。
在上述的实施例中，分层的配线结构具有多层结构，在低电阻金属制成的配线层112上沉积第一合金层116、第一保护层110、第二合金层118和第二保护层114。根据增加晶体尺寸，第一合金层116、第一保护层110、第二合金层118或第二保护层114都不是必需的。
图8A和8B显示了上述的驱动电源线53的另一截面(TEM照片)。如图8A所示，第一和第二合金层基本上均匀地分别形成在第一保护层和配线层之间以及在配线层和第二保护层之间。在图8B中，在第一保护层和配线层之间的边界以及在配线层和第二保护层之间的边界是由虚线指出的。
图9A和9B显示了采用能量分散X射线分光仪(EDS)测量第二合金层中金属成份的结果。图9A显示了接近第二合金层的截面图而图9B显示了在图9A所示的每个位置的金属成份。正如图9B所示，第二合金层区域有80-90％原子百分数的铝含量、7-15％原子百分数的钼含量和1-4％原子百分数的钕含量。
在图8A的TEM照片中，在第一和第二合金层之间有一个清晰的反差。因此，它有力的表示分别在第一和第二合金层中，形成了具有与在合金层上下形成的第一保护层、配线层和第二保护层不同晶体结构的中间相。如果没有形成这样的中间相，与这些合金层中的金属晶体结构相同的晶体结构混合在层与层界面间，就不可能在TEM照片中获得这样好的反差。它也证实了中间相的形成。EDS测量结果表明在中间相区域中，铝、钼和钕同时存在，从而它表明形成了这些金属的中间相的形成，即一种金属间化合物。
图10是一个铝和钼的二元相图(“二元相图第一卷”Thaddeus B.Massalski，美国金属学会)。正如该图所示，铝和铝的金属间化合物可以是，例如，Mo3Al，MoAl，Mo37Al63，Mo3Al8，MoAl4，Mo4Al17，Mo5Al12、Mo5Al5，MoAl6或MoAl12等等。这些结果意味着这些金属间化合物之一在第一合金层116和第二合金层118中形成。此外，在本实施例中，由于配线层112是由铝-钕合金构成的，所以可以形成含有钕的金属间化合物。
这样形成的驱动电源线53在以后用于提高对毛刺/小丘，电迁移和应力迁移的抗力的工艺中显示出好的粘附度。
作为参考的例子，分层的配线结构由上述描述的方法形成，除了在室温(大约23℃)进行沉积而不用加热基底。TEM中的截面观察结果指出分层的配线结构在后续工艺中得到了提高。
作为另一个参考例子，沉积是在第一喷镀腔室的压力约为0.40Pa和第二喷镀腔室的压力约为0.70Pa的条件下进行的。同样地，TEM中的截面观察结果指示出分层的配线结构在后续工艺中得到提高。这些参考例子的结果也证实了根据本实施例形成的分层的配线结构，提高了配线层和保护层之间的粘附度。这些结果也表明当喷镀腔室的压力P为0.18/(M1/2×d)或更低时，中间相可以一致地形成。
虽然本发明已经通过示例性实施例进行描述，但应该理解到本领域的技术人员可以不脱离由所附权利要求定义的本发明的范围而进一步作出很多变化和替代。
权利要求
1.一种分层的配线结构，其特征在于包括配线层，由含有铝、铜和银中的至少一种金属制成；以及，合金层，由含有构成所述配线层的金属和接近配线层的耐熔性金属的中间相所制成。
2.如权利要求1所述的分层的配线结构，其特征在于还包括保护层，由耐熔性金属所制成，其中，合金层形成于所述配线层和所述保护层之间，使得所述合金层接近于所述配线层和所述保护层。
3.如权利要求1所述的分层的配线结构，其特征在于耐熔性金属含有5A族或6A族的元素。
4.如权利要求1所述的分层的配线结构，其特征在于耐熔性金属含有其晶格类型为体心立方(bcc)的金属。
5.如权利要求1所述的分层的配线结构，其特征在于耐熔性金属含有钼。
6.如权利要求1所述的分层的配线结构，其特征在于所述配线层含有钕，以及所述中间相也含有钕。
7.如权利要求1所述的分层的配线结构，其特征在于所述合金层的厚度为1nm至50nm。
8.如权利要求1所述的分层的配线结构，其特征在于所述配线层是由含有镧系元素的铝合金制成的，其中合金晶体的平均颗粒尺寸为16.9nm或以上。
9.如权利要求1所述的分层的配线结构，其特征在于所述配线层是由含有镧系元素的铝合金制成的，其中合金晶体的平均颗粒的尺寸为60nm或以上。
10.如权利要求1所述的分层的配线结构，其特征在于所述配线层是由含有镧系元素的铝合金制成的，其中总的合金晶体的90％或以上具有30nm或以上的颗粒尺寸。
11.如权利要求8所述的分层的配线结构，其特征在于所述镧系元素是钕。
12.一种由含有镧系元素的铝合金制成的配线层，其特征在于合金晶体的平均颗粒尺寸为16.9nm或以上。
13.如权利要求12所述的分层的配线结构，其特征在于所述平均颗粒尺寸为60nm或以上。
14.如权利要求12所述的分层的配线结构，其特征在于构成所述配线层的总的合金晶体的90％或以上具有30nm或以上的颗粒尺寸。
15.如权利要求12所述分层的配线结构，其特征在于所述镧系元素是钕。
16.一种光学设备，包括包含电流驱动光学元件的电路，以及，连接至所述电路的分层的配线结构，其特征在于，所述分层的配线结构包括由含有铝、铜和银中的至少一种金属制成的配线层，以及，由含有构成所述配线层的金属和接近于所述配线层的耐熔性金属的中间相制成的合金层。
17.如权利要求16所述的光学设备，其特征在于在所述分层的配线结构中的所述配线层是由含有镧系元素的铝合金制成的，且合金晶体的平均颗粒尺寸为16.9nm或以上。
18.如权利要求16所述的光学设备，其特征在于包括多个所述电路，其中，所述分层的配线结构连接所述多个电路，作为向每个所述电路供电的电源线。
19.一种光学设备，包括包含电流驱动光学元件的电路，以及，连接至所述电路的分层的配线结构，其特征在于，所述分层的配线结构是由含有镧系元素的铝合金制成，其中，合金晶体的平均颗粒尺寸为16.9nm或以上。
20.如权利要求19所述的光学设备，其特征在于包括多个所述电路，其中，所述分层的配线结构连接所述多个电路，作为向每个所述电路供电的电源线。
21.一种制造分层的配线结构的方法，其特征在于该方法包括通过采用含有铝、铜和银中至少一种金属作为目标进行喷镀，在加热到50℃至150℃的基片的上表面形成配线层，其中，喷镀是在0.18/(M1/2×d)Pa或更低的减压条件下进行的，其中，M是目标金属的原子重量，d是在基片和目标之间的距离。
22.如权利要求21所述的制造分层的配线结构的方法，其特征在于所述配线层是采用含有所述金属和镧系元素的合金作为目标通过喷镀形成的，并且所述喷镀是在喷镀是在0.18/(M1/2×d)Pa或更低的减压条件下进行的，其中，M是合金的成份金属的原子重量的原子百分数的平均值或主要成份金属的最小原子重量，以及d是在基片和目标之间的距离。
23.如权利要求21所述的制造分层的配线结构的方法，其特征在于还包括在形成所述配线层之前，采用含有钼的金属作为目标通过喷镀在加热到50℃至150℃的基片的上表面形成保护层，其中，在形成所述配线层的过程中，所述配线层形成在所述保护层上；所述形成所述保护层和所述形成所述配线层是在0.18/(M1/2×d)Pa或更低的减压条件下进行的，其中，M是目标金属的原子重量，或当目标金属是合金时，则是合金的成份金属的原子重量的原子百分数的平均值或主要成份金属的最小原子重量，以及d是基片和目标之间的距离；以及，所述形成所述配线层是在所述形成所述保护层之后所述基片未暴露于空气的条件下进行的。
24.如权利要求21所述的制造分层的配线结构的方法，其特征在于还包括在形成所述配线层之后，采用含有钼的耐熔性金属作为目标通过喷镀在将基片加热到50℃至150℃的同时在所述配线层上形成保护层，其中，所述形成所述保护层和所述形成所述配线层是在0.18/(M1/2×d)Pa或更低的减压条件下进行的，其中，M是目标金属的原子重量，或当目标金属是合金时，则是合金的成份金属的原子重量的原子百分数的平均值或主要成份金属的最小原子重量，以及d是基片和目标之间的距离；以及，所述形成所述配线层是在所述形成所述保护层之后所述基片未暴露于空气的条件下进行的。
25.如权利要求21所述的制造分层的配线结构的方法，其特征在于在进行了所述喷镀之后，所述分层的配线结构从在喷镀处理过程中所述基片的加热温度加热到450℃。
全文摘要
一种包括由含有铝、铜或银的低电阻金属制成的配线层；和由含有低电阻金属和耐熔性金属的中间相制成的合金层的分层的配线结构。耐熔性金属是钼。还形成了由含有镧系元素的铝合金制成的分层的配线结构，其中合金晶体的数值平均颗粒尺寸为16.9nm或以上。合金晶体的颗粒尺寸可以大于电子的平均自由程，以提供具有降低电阻的分层的配线结构。
文档编号H01L23/532GK1444192SQ0310414
公开日2003年9月24日 申请日期2003年2月12日 优先权日2002年3月7日
发明者曽谷直哉, 鈴木浩司, 宫井良雄 申请人:三洋电机株式会社