配線構造、薄膜トランジスタ基板およびその製造方法、並びに表示装置
【課題】純AlまたはAl合金のAl系合金配線と半導体層との間のバリアメタル層を省略することが可能なダイレクトコンタクト技術であって、幅広いプロセスマージンの範囲においてAl系合金配線を半導体層に直接かつ確実に接続することができる技術を提供する。
【解決手段】本発明の配線構造は、基板の上に、基板側から順に、半導体層と、純AlまたはAl合金のAl系合金膜とを備えた配線構造であって、前記半導体層と前記Al系合金膜との間に、基板側から順に、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有する(N、C、F)層と、AlおよびSiを含むAl−Si拡散層との積層構造を含んでおり、且つ、前記(N、C、F)層を構成する窒素、炭素、およびフッ素のいずれかの元素は、前記半導体層のSiと結合している。
【解決手段】本発明の配線構造は、基板の上に、基板側から順に、半導体層と、純AlまたはAl合金のAl系合金膜とを備えた配線構造であって、前記半導体層と前記Al系合金膜との間に、基板側から順に、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有する(N、C、F)層と、AlおよびSiを含むAl−Si拡散層との積層構造を含んでおり、且つ、前記(N、C、F)層を構成する窒素、炭素、およびフッ素のいずれかの元素は、前記半導体層のSiと結合している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイなどのフラットパネルディスプレイ(表示装置);ULSI(超大規模集積回路)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FET(電界効果型トランジスタ)、ダイオードなどの半導体装置に適用可能な配線構造;薄膜トランジスタ基板およびその製造方法、並びに表示装置に関し、特に、純AlまたはAl合金のAl系合金膜を配線材料として含む新規な配線構造に関するものである。
【背景技術】
【0002】
液晶ディスプレイなどのアクティブマトリクス型液晶表示装置は、薄膜トランジスタ(Thin Film Transitor、以下、TFTと呼ぶ。)をスイッチング素子とし、透明画素電極と、ゲート配線およびソース・ドレイン配線等の配線部と、アモルファスシリコン(a−Si)や多結晶シリコン(p−Si)などの半導体層を備えたTFT基板と、TFT基板に対して所定の間隔をおいて対向配置され共通電極を備えた対向基板と、TFT基板と対向基板との間に充填された液晶層から構成されている。
【0003】
TFT基板において、ゲート配線やソース・ドレイン配線などの配線材料には、比抵抗が低く、加工が容易であるなどの理由により、純AlやAl−NdなどのAl合金(以下、これらをまとめてAl系合金と呼ぶ。)が汎用されている。Al系合金配線(Al系合金膜)とTFTの半導体層との間には、特許文献1などに代表されるように、Mo、Cr、Ti、Wなどの高融点金属からなるバリアメタル層が通常設けられている。バリアメタル層を介さずにAl系合金配線をTFTの半導体層と直接接触させると、その後の工程(例えば、TFTの上に形成する絶縁層の成膜工程や、シンタリングやアニーリングなどの熱工程)における熱履歴によってAl系合金配線中のAlが半導体層中に拡散し、TFT特性が低下するからである。具体的には、TFTを流れる電流(スイッチオフ時のオフ電流、およびスイッチオン時のオン電流)などが悪影響を受け、オフ電流の増加やオン電流の低下を招くほか、スイッチング速度(スイッチオンの電気信号に対する応答性)も低下する。また、Al系合金配線と半導体層とのコンタクト抵抗も上昇する場合がある。
【0004】
このようにバリアメタル層は、Al系合金膜と半導体層との界面におけるAlとSiとの相互拡散を抑制するのに有効であるが、バリアメタル層を形成するためには、Al系合金配線形成用の成膜装置に加え、バリアメタル形成用の成膜装置が別途必要になる。具体的には、バリアメタル形成用の成膜チャンバーをそれぞれ余分に装備した成膜装置(代表的には、複数の成膜チャンバーがトランスファーチャンバーに接続されたクラスタツール)を用いなければならず、製造コストの上昇や生産性の低下を招く。また、バリアメタル層として用いられる金属と、Al系合金とは、薬液を用いたウェットエッチングなどの加工工程での加工速度が異なるため、加工工程における横方向の加工寸法を制御することが極めて困難となる。したがって、バリア層の形成は、成膜の観点だけでなく加工の観点でも工程の複雑化を招き、製造コストの上昇や生産性の低下をもたらす。
【0005】
上記では、表示装置の代表例として液晶表示装置を例に挙げて説明したが、上述した、Al系合金膜と半導体層との界面におけるAlとSiとの相互拡散に起因する問題は、表示装置に限らず、LSIやFETなどの半導体装置においても見られる。例えば半導体装置の代表例であるLSIを製造するには、半導体層とAl系合金膜との界面で生じるスパイクの発生を防止するため、半導体層の上にCrやMoなどのバリアメタル層を形成してからAl系合金膜を成膜しているが、半導体装置の分野においても、工程の簡略化やコストの低減化が求められている。
【0006】
よって、表示装置や半導体装置において生じるAlとSiとの相互拡散に起因する問題を、従来のようにバリアメタル層を設けなくても回避し得る技術の提供が望まれている。
【0007】
このような事情に鑑み、例えば特許文献2〜4には、バリアメタル層の形成を省略でき、ソース−ドレイン電極などに使用されるAl系合金配線を半導体層と直接接触し得るダイレクトコンタクト技術が提案されている。このうち、特許文献4は、本願出願人によって開示されたものであり、窒素含有層とAl系合金膜とからなる材料であって、窒素含有層のN(窒素)が半導体層のSiと結合している配線構造を開示している。この窒素含有層はAlとSiの相互拡散を防止するためのバリア層として作用していると考えられ、従来のようにMoなどのバリアメタル層を形成しなくても優れたTFT特性が得られることを実証している。また、この窒素含有層は、半導体層を形成した後であってAl系合金膜を成膜する前に、プラズマ窒化などの窒化処理によって簡便に作製できるため、バリアメタル形成用の特別な成膜装置は不要である、といった利点もある。
【特許文献1】特開2000−199912号公報
【特許文献2】特開2003−273109号公報
【特許文献3】特開2008−3319号公報
【特許文献4】特開2008−10801号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明の目的は、純AlまたはAl合金のAl系合金配線と半導体層との間のバリアメタル層を省略することが可能なダイレクトコンタクト技術であって、幅広いプロセスマージンの範囲において、Al系合金配線を半導体層に直接かつ確実に接続することができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決することのできた本発明の配線構造は、基板の上に、基板側から順に、半導体層と、純AlまたはAl合金のAl系合金膜とを備えた配線構造であって、前記半導体層と前記Al系合金膜との間に、基板側から順に、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有する(N、C、F)層と、AlおよびSiを含むAl−Si拡散層との積層構造を含んでおり、且つ、前記(N、C、F)層を構成する窒素、炭素、およびフッ素のいずれかの元素は、前記半導体層のSiと結合しているところに要旨を有している。
【0010】
本発明の好ましい実施形態において、前記(N、C、F)層と前記Al−Si拡散層との間に、Alを実質的に含有しない半導体層を含んでいる。
【0011】
本発明の好ましい実施形態において、前記Al−Si拡散層は、前記(N、C、F)層、前記半導体層、および前記Al系合金膜をこの順序で形成した後、熱履歴を加えることによって得られるものである。
【0012】
本発明の好ましい実施形態において、前記半導体層は、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンからなる。
【0013】
本発明には、上記のいずれかの配線構造を備えた薄膜トランジスタ基板や、当該薄膜トランジスタ基板を備えた表示装置も包含される。
【0014】
本発明の好ましい実施形態において、上記の配線構造は、表示装置または半導体装置に用いられる。
【0015】
上記課題を解決することのできた本発明に係る薄膜トランジスタ基板の製造方法は、薄膜トランジスタの半導体層の上に、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有する(N、C、F)層を形成する第1の工程と、次いで、半導体層を形成する第2の工程とを、この順序で含むところに要旨を有している。
【0016】
本発明の好ましい実施形態において、前記第1の工程は、半導体層形成装置を用いて行なわれる。
【0017】
本発明の好ましい実施形態において、前記第1の工程と前記第2の工程は、同じ半導体層形成用チャンバー内で連続して行なわれる。
【0018】
本発明の好ましい実施形態において、前記第1の工程は、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガスを用いて(N、C、F)層を形成する工程を含む。
【0019】
本発明の好ましい実施形態において、前記第1の工程は、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガスと、半導体層形成に用いられる原料ガスとの混合ガスを用いて(N、C、F)層を形成する工程を含む。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、純AlまたはAl合金のAl系合金膜を半導体層と直接接触することが可能なダイレクトコンタクト技術であって、TFT特性や、Al系合金膜と半導体層とのコンタクト抵抗に優れているだけでなく、生産性も良好であり、プロセスマージンが更に拡大された技術を提供することができた。具体的には、各種プロセス条件のばらつき(装置性能のばらつき、不安定性、予期せぬ汚染、制御しにくい汚染など)の影響を受け難く、また極端に厳しい条件管理も不要であり、プロセス条件の制約を受け難い技術を提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
本発明は、特許文献4のダイレクトコンタクト技術を、プロセスマージンの拡大に向けて更に改良発展させたものである。詳細には、本発明は、特許文献4によって開示された窒素含有層によるAlとSiの相互拡散防止作用を基礎とするものであって、当該窒素含有層の上に、この窒素含有層を大気から保護するカバー層としての役割を担うAlおよびSiを含むAl−Si拡散層が積層された積層構造を含む配線構造としたところに特徴がある。このAl−Si拡散層は、(N、C、F)含有層、半導体層、およびAl系合金膜を順次形成した後、TFTの製造工程で加えられる約150℃以上の熱履歴によって形成されるものであり、上記Al系合金膜のAlと上記半導体層のSiによって構成されている。
【0022】
はじめに、本発明に到達した経緯を説明する。
【0023】
本発明者は、上記の特許文献4を開示した後も、主に、生産性向上といった観点から更に検討を重ねてきた。前述したように特許文献4のダイレクトコンタクト技術は、窒素含有層を介して半導体層とAl系合金膜が直接接触された構成からなり、この窒素含有層がSiとAlとの相互拡散を防止し得るバリア層として機能すると考えられる。上記の構造を得るためには、まず、プラズマCVD装置(真空下)などの半導体層形成用チャンバー内で半導体層および窒素含有層を形成し、次いで、スパッタリング法などでAl系合金膜を成膜するために専用のチャンバー(真空下)に移し変えて実施される。本発明者の検討結果によれば、上記の移し変えの際、窒素含有層の表面が大気に触れるなどして過度に汚染されると、電気的特性に悪影響を及ぼし、TFT特性の低下および半導体層とAl合金膜とのコンタクト抵抗の上昇、またはこれらのバラツキなどの問題を招くことが判明した。そこで、これらの問題を回避するために検討を重ねた結果、下記(ア)〜(エ)の構成に到達し、本発明を完成した。
【0024】
(ア)本発明の製造方法は、特許文献4のように窒素含有層の上に直接Al系合金膜を成膜するのではなく、図5の概略工程図に示すように、窒素含有層などに代表される(N、C、F)層を形成した後、同じチャンバー内で引続き連続して、当該(N、C、F)層の上に半導体層を更に成膜したところに特徴がある。この方法を行なってから、次いで、特許文献4と同様にAl合金膜専用チャンバーに移し変えてAl系合金膜を成膜し、その後は公知の方法でTFTを製造すると、上記の半導体層は、その後の熱履歴によってAl−Si拡散層に変化し(後記(イ)で詳述する。)、(N、C、F)層が汚染されることによるTFT特性の低下とコンタクト抵抗の上昇、またはこれらのバラツキといった問題が解消されること、その結果、TFTの半導体層とAl系合金膜を直接かつ確実に接続し得、良好な電気的特性を有するダイレクトコンタクト技術を提供できることが分かった(後記する実施例を参照)。
【0025】
本発明において半導体層を使用したのは、主に、成膜工程の簡略化を考慮したためである。これにより、TFT用基板の上に半導体層(Al−Si拡散層に変化する半導体層ではなく、TFT用基板の上に形成される半導体層である。)、(N、C、F)層、半導体層を成膜するという一連の工程を、すべて、同じチャンバー内で連続して行なうことができるため、大気に曝される恐れはない。
【0026】
(イ)上記の方法によって得られる本発明の配線構造は、特許文献4の構造とは異なり、例えば図1Aなどに示すように、(N、C、F)層の上に、AlおよびSiを含むAl−Si拡散層が積層された積層構造を有している。このAl−Si拡散層は、(N、C、F)層、半導体層、およびAl系合金膜を順次形成した後、TFTの製造工程で加えられる熱履歴によって形成されるものであり、おおむね150℃以上(好ましくは180℃以上)の熱処理によってAl系合金膜中のAlが半導体層中のSiに拡散し、得られる。このようにして得られるAl−Si拡散層は、Al系合金膜のAlと上記半導体層のSiによって構成され、(N、C、F)層を大気から保護するカバー層としての役割を有している。このAl−Si拡散層は、後記する実施例1および図1Aなどに示すように、(N、C、F)層の上に直接形成されていても良いが、これに限定されない。例えば、後記する実施例2および図2に示すように、(N、C、F)層とAl−Si拡散層の間に、Alを実質的に含有しない半導体層(実質的にSiのみからなる半導体層)を有していてもよい。後者の態様は、半導体層のSiとAl系合金膜のAlとの相互拡散が充分進行しない条件で製造したときに生成するものである。具体的には、例えば、(N、C、F)層の上に形成される半導体層の成膜条件の制御(例えば、成膜時間を長くして半導体層を厚く成膜する)、半導体層の上に形成されるAl系合金膜の組成の調整(例えば、AlとSiの相互拡散をし難い遷移金属などを用いる)などによって得られる。
【0027】
参考のため、本発明の方法によって得られるAl−Si拡散層の概要を図9に示す。図9は、後記する実施例1(本発明例)の断面TEM写真(30万倍)であり、半導体層(a−Si)とAl系合金膜との間に、連続してAl−Si拡散層の薄い層(ここでは約10nm)が形成されている。本発明例によれば、半導体層中へのAl原子の拡散を有効に抑制できるため、半導体層中にはAl原子は検出されなかった。よって、本発明の方法によれば、特許文献4と同様に、上記界面におけるAlとSiの相互拡散を防止できることが確認された。
【0028】
(ウ)本発明では、AlとSiの相互拡散防止作用を有するバリア層として(N、C、F)層を開示している。前述した特許文献4では、AlとSiの相互拡散を防止するバリア層として窒素含有層のみを開示したが、その後の本発明者の研究により、上記の作用は窒素含有層に限らず、炭素およびフッ素を含有する層も同様の作用を発揮し得ること、より詳細には、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有する(N、C、F)層はすべて、窒素含有層と実質的に同様の結果が得られることを実験により確認している。このように本発明では、(N、C、F)層をバリア層として用いている点で、特許文献4の技術を更に発展させたものである。
【0029】
(エ)本発明の技術は、Al系合金膜と半導体層との界面におけるAlとSiの相互拡散防止技術として極めて有用であり、液晶表示装置などの表示装置に限らず、LSIやFETなどの半導体層装置にも適用可能であることも分かった(後記する実施例を参照)。
【0030】
以下、本発明を詳細に説明する。上述したように、本発明は特許文献4の改良技術であり、積層構造の一部や製造方法の一部は重複している。本明細書では、特許文献4との相違点を特に重点的に説明することにし、重複部分の詳細な説明(例えば、窒素含有層の形成方法など)は行なわずに要約する場合がある。重複部分の詳細は、特許文献4を参照すれば良い。
【0031】
まず、図1A〜図1C、図2〜図4を参照しながら、本発明の配線構造およびその製造方法について説明する。本発明の配線構造は、基板の上に、基板側から順に、半導体層と、純AlまたはAl合金のAl系合金膜とを備えた配線構造であって、半導体層とAl系合金膜との間に、基板側から順に、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有する(N、C、F)層と、AlおよびSiを含むAl−Si拡散層との積層構造を含んでいる。このような積層構造は、半導体層とAl系合金膜との間に少なくとも設けられていれば良く、例えば、図1A〜図1C、および図2に示すように半導体層の上に直接、上記の積層構造を有していても良い。すなわち、本発明の配線構造において、上記(N、C、F)層は複数有していても良い。ただし、これに限定されず、例えば、図3および図4に示すように、基板側から順に、半導体層、(N、C、F)層、半導体層を有し、その上に、上記の積層構造を有する実施形態も本発明の範囲に包含される。本発明は、これらの実施形態に限定されない。なお、上記の図および後記する図では、(N、C、F)層の代わりにその代表層である「窒素含有層」を記載しているが、これは好ましい態様であって、これに限定する趣旨ではない。
【0032】
そして繰り返し述べるように、特許文献4との対比において本発明の特徴部分は、(N、C、F)層の上にAl−Si拡散層を有しているところにある。このAl−Si拡散層は、(N、C、F)層の上に直接(直上)、有していても良い(実施例1および図1Aを参照)し、Alを実質的に含有しない半導体層(すなわち、実質的にSiのみからなる半導体層)を介して形成されていても良い(実施例2および図2を参照)。いずれの実施形態も本発明の範囲に包含される。このようなAl−Si拡散層は、(N、C、F)層、半導体層、およびAl系合金膜をこの順序で形成した後、約150℃以上の熱履歴を加えることによって得られるものである。
【0033】
以下、図面を参照しながら本発明に係る配線構造の第1〜第5の実施形態を詳しく説明する。以下では、本発明の積層構造が適用される表示装置の代表例としてTFTの実施形態1〜4を、半導体層の代表例としてMOSFETの実施形態5を用いて説明するが、これらに限定する趣旨ではない。また、半導体層の種類は、アモルファスシリコンおよび多結晶シリコンのいずれであっても良い。
【0034】
なお、配線構造の製造工程を説明するに当たり、「半導体層」の用語を繰り返し用いるが、(N、C、F)層の上に成膜される半導体層であってその後の熱履歴によって最終的に当該(N、C、F)層を大気から保護し得るAl−Si拡散層に変化し得る半導体層と、TFT用基板の上に直接形成される半導体層などであって(N、C、F)層の保護作用を有しない半導体とは、作用効果が相違することから、以下では、説明の便宜上、前者の保護層として作用し得る半導体層を「第2の半導体層」と呼び、後者の半導体層を「第1の半導体層」と呼ぶ場合がある。後記する実施例2および図2に示すように、TFTの製造条件によっては、第2の半導体層はすべてAl−Si拡散層に変化せず、残存することがある。
【0035】
(本発明の第1の実施形態)
本発明に係るTFTの第1の実施形態を図1Aに示す。図1Aは、TFT用基板の上に第1の半導体層を有し、その上に直接、(N、C、F)層とAl−Si拡散層とからなる2層の積層構造を有しており、その上に直接、Al系合金層が形成された構造を有している。図1Aの構造は、(N、C、F)層を形成した後、第2の半導体層を形成し、その後に約150℃以上の熱履歴を加えることによって得られ、例えば、後記する実施例1の方法によって得られる。
【0036】
第1の実施形態において、配線構造を構成する(N、C、F)層は、窒素、炭素、およびフッ素のいずれかの元素を含有している。この(N、C、F)層は、半導体層の表面全体をほぼ覆うように形成されているため、Al系合金と半導体層との界面におけるAlとSiとの相互拡散を防止するためのバリアとして有効に作用する。好ましくは窒素含有層である。詳細には、上記層を構成する窒素、炭素、フッ素は半導体層のSiと結合し、Si窒化物、Si炭化物、Siフッ化物を主に含有している。これら以外に、酸素を含有するSiの酸窒化物の化合物も含み得る。Siの酸窒化物などは、例えば、窒素含有層の形成過程などで不可避的に導入される酸素(O)と結合して得られる。
【0037】
ここで、(N、C、F)層に含まれる窒素原子、炭素原子、フッ素原子の面密度の合計は、半導体層材料(代表的にはSi)の有効ボンドの面密度と同じか、該有効ボンドの面密度よりも高い面密度を有していることが好ましい。特許文献4において詳述したように、金属配線材料と半導体材料との相互拡散を防止するためには、半導体層の表面を窒素含有層などの(N、C、F)層で覆う必要がある。この場合、半導体層表面に存在する未結合手(ダングリングボンド)は、上記層を構成する各元素と結合していることが好ましい。「有効ボンド」とは、窒素原子の立体障害も考慮したうえで、半導体層表面に配置し得る結合手を意味し、「有効ボンドの面密度」とは、半導体層の表面全体を(N、C、F)層で覆ったときの面密度を意味する。有効ボンドの面密度は、半導体材料の種類などによって異なるが、例えば、シリコンの場合、結晶の面方位によっても若干相違するが、おおむね、1014cm-2〜2×1016cm-2の範囲内にある。
【0038】
具体的には、例えば、窒素含有層がSi窒化物を主に含有している場合、およびSi窒化物を主に含有し、Siの酸窒化物を更に含有している場合のいずれにおいても、窒素含有層の窒素は、半導体層と接触する界面において、1014cm-2以上2×1016cm-2以下の面密度(N1)を有していることが好ましい。所望のTFT特性などを確保するためには、窒素含有層の窒素の面密度の下限は、2×1014cm-2がより好ましく、4×1014cm-2がさらにより好ましい。同様に炭素含有層の炭素は、半導体層と接触する界面において、1014cm-2以上2×1016cm-2以下の面密度(C1)を有していることが好ましく、2×1014cm-2以上がより好ましく、4×1014cm-2以上がさらにより好ましい。また、フッ素含有層のフッ素も上記と同様に、半導体層と接触する界面において、1014cm-2以上2×1016cm-2以下の面密度(F1)を有していることが好ましく、2×1014cm-2以上がより好ましく、4×1014cm-2以上がさらにより好ましい。
【0039】
(N、C、F)層は、Si−N結合、Si−C結合、Si−O結合を含む層を少なくとも一層以上有していればよい。ここで、Si−N結合のSiとNとの距離(原子間隔)は約0.18nmであり、実質的には0.2nm以上が好ましく、0.3nm以上がより好ましい。ただし、窒素含有層の窒素の面密度(N1)が高くなり過ぎると、窒素含有層に含まれる絶縁性のSi窒化物も多くなり、電気抵抗が上昇し、TFT性能が劣化する。窒素含有層の窒素の面密度の上限は、1×1016cm-2であることがより好ましい。同様の観点から、Si−C結合のSiとCとの距離(原子間隔)は約0.19nmであり、実質的には0.2nm以上が好ましく、0.3nm以上がより好ましい。また、炭素含有層の炭素の面密度の上限は、1×1016cm-2であることがより好ましい。同様の観点から、Si−F結合のSiとFとの距離(原子間隔)は約0.16nmであり、実質的には0.18nm以上が好ましく、0.25nm以上がより好ましい。また、フッ素含有層のフッ素の面密度の上限は、1×1016cm-2であることがより好ましい。
【0040】
なお、(N、C、F)層が、Siの酸窒化物などのように酸素含有化合物を含む場合(例えば、Si窒化物のほかにSiの酸化物を更に含有している場合)、上記層を構成する各元素の面密度の合計は上記要件を満足していると共に、各元素の面密度(N1、C1、F1)と酸素の面密度(O1)との比の合計[(N1+C1+F1)/O1]は1.0以上であることが好ましく、これにより、TFT特性が一層高められる。Siの窒化物などの窒素含有化合物や、Siの酸窒化物などの酸素含有化合物は、本来、絶縁物であるが、(N、C、F)層の厚さは、後記するように、おおむね、0.18nm以上5nm以下と極めて薄いため、電気抵抗を低く抑えられる。
【0041】
本発明者の実験結果によれば、TFT特性は[(N1+C1+F1)/O1]の比によって影響を受け、より優れたTFT特性を得るためには、[(N1+C1+F1)/O1]の比を1.0以上と大きくすれば良いことが判明した。[(N1+C1+F1)/O1]の比が大きくなると、(N、C、F)層中の抵抗成分が少なくなるため、良好なトランジスタ特性が得られると考えられる。[(N1+C1+F1)/O1]の比は大きい程よく、例えば、1.05以上であることがより好ましく、1.1以上であることが更に好ましい。
【0042】
[(N1+C1+F1)/O1]の比は、例えば、プラズマ窒化法を用いて窒素含有層を形成するに当たり、プラズマのガス圧力やガス組成、処理温度などのプラズマ発生条件を適切に制御することによって調節することができる。
【0043】
前述した(N、C、F)層の窒素の面密度(N1)、炭素の面密度(C1)、フッ素の面密度(F1)、酸素の面密度(O1)は、例えば、RBS(Rutherford Backscattering Spectrometry、ラザフォード後方散乱分光)法を用いて算出することができる。
【0044】
(N、C、F)層の厚さは、おおむね、0.18nm以上5nm以下の範囲内であることが好ましい。前述したように、(N、C、F)層は、Al系合金層と半導体層との界面におけるAlとSiとの相互拡散を防止するためのバリア層として有用であるが、(N、C、F)層は絶縁体となり易いため、厚くなり過ぎると電気抵抗が極度に高くなるほか、TFT性能が劣化する。(N、C、F)層の厚さを上記範囲内に制御することにより、(N、C、F)層の形成による電気抵抗の上昇を、TFT性能に悪影響を及ぼさない範囲内に抑えられる。(N、C、F)層の厚さは、おおむね、3nm以下であることがより好ましく、2nm以下がさらに好ましく、1nm以下であることがさらにより好ましい。(N、C、F)層の厚さは、種々の物理分析手法によって求めることができ、例えば、前述のRBS法のほか、XPS(X線光電子分光分析)法、SIMS(二次イオン質量分析)法、GD−OES(高周波グロー放電発光分光分析)法などを利用することができる。
【0045】
(N、C、F)層を構成する各元素の原子数とSi原子数との比の最大値は、0.5以上1.5以下の範囲内であることが好ましい。これにより、TFT特性を劣化させることなく、(N、C、F)層によるバリア作用を有効に発揮させることができる。上記の比の最大値は、0.6以上であることがより好ましく、0.7以上であることがさらに好ましい。上記の比は、例えば、プラズマ照射時間をおおむね5秒間から10分間の範囲内に制御することによって調節することができる。上記の比は、(N、C、F)層の深さ方向の元素(N、C、F、およびSi)をRBS法によって分析することによって算出される。
【0046】
上記の(N、C、F)層を形成するためには、半導体層を形成した後、窒素、炭素、フッ素の少なくともいずれかを半導体層表面に供給すれば良い。具体的には、これらのいずれかを含有するプラズマを利用して上記の層を形成することができる。あるいは、特許文献4に記載したように、窒素含有層を、熱窒化法やアミノ化法を用いて形成しても良い。熱窒化法やアミノ化法の詳細は特許文献4を参照すれば良い。
【0047】
以下、プラズマを利用する方法について詳細に説明する。プラズマは、窒素、炭素、フッ素の少なくともいずれかを含有するガスを用いることができる。利用可能なガスとしては、N2、NH3、N2O、NOなどの窒素含有ガス;NF3などの窒素・フッ素含有ガス;CO、CO2、炭化水素系ガス(例えばCH4、C2H4、C2H2など)などの炭素含有ガス;炭化フッ素系ガス(例えばCF4、C4F8など)、CHF3などの炭素・フッ素含有ガスなどが挙げられる。これらのガスを単独または混合ガスとして利用することができる。
【0048】
また、上記のガスを含有するプラズマ源から窒素、炭素、フッ素の少なくともいずれかを半導体層表面に供給する方法としては、例えば、プラズマ源の近傍に半導体層を設置させて行う方法が挙げられる。ここで、プラズマ源と半導体層との距離は、プラズマ種、プラズマ発生のパワー、圧力、温度などの各種パラメータに応じて適宜設定すればよいが、一般的にはプラズマに接触した状態から数cm〜10cmの距離を利用できる。このようなプラズマ近傍では、高いエネルギーを有した原子が存在しており、この高エネルギーによって半導体層表面に窒素、炭素、フッ素などを供給することで、半導体表面に窒化物、炭化物、フッ化物などを形成することができる。
【0049】
上記方法のほかに、例えば、イオン注入法を利用しても良い。この方法によれば、電界によってイオンが加速され長距離の移動が可能なため、プラズマ源と半導体層との距離を任意に設定することができる。この方法は、専用のイオン注入装置を用いることによって実現可能であるが、プラズマイオン注入法が好ましく用いられる。プラズマイオン注入法は、プラズマ近傍に設置された半導体層に負の高電圧パルスを印加することによってイオン注入を一様に行なう技術である。
【0050】
(N、C、F)層を形成するに当たっては、製造工程の簡略化や処理時間の短縮化などの観点から、上記層の形成に用いる装置やチャンバー、温度やガス組成を、以下のように制御して行なうことが好ましい。
【0051】
まず、装置は、製造工程の簡略化のため、半導体層形成装置と同一装置で行うことが好ましく、同一装置の同一チャンバーで行うことがより好ましい。これにより、装置間もしくは装置内で、処理対象のワークが余分に移動する必要がなくなる。温度に関しては、半導体層の成膜温度と実質的に同じ温度(約±10℃の範囲を含み得る。)で行うことが好ましく、これにより、温度変動に伴う調節時間を省略することができる。
【0052】
また、ガス組成に関しては、(ア)窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガス(前述した窒素含有ガス、炭素含有ガス、フッ素含有ガスなど)を用いて(N、C、F)層を形成しても良いし、または(イ)窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガスと、半導体層形成に用いられる原料ガスとの混合ガスを用いて(N、C、F)層を形成しても良いし、または(ウ)窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガスと、還元性ガスとの混合ガスを用いて(N、C、F)層を形成しても良い。例えば、窒素含有層を形成する場合、上記(ア)のように少なくとも窒素を含有する窒素含有ガス(N2、NH3、NF3など)のみを用いて行っても良いが、上記(イ)のように、窒素含有ガスと、半導体層形成に用いられる原料ガス(SiH4)との混合ガスであることが好ましい。窒素含有ガスのみを用いて窒素含有層を形成すると、半導体層の形成後、チャンバー内をパージするために、使用した半導体層形成用ガスを全て一旦排除する必要があるが、上記のように混合ガスの条件下で行なえば、ガスを排除する必要はなくなるため、処理時間を短縮できる。
【0053】
上記(イ)において、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガス(以下「(N、C、F)ガス」と略称する、特に窒素含有ガス)と、半導体層形成に用いられる原料ガス(以下「半導体原料ガス」と略称する)との流量比((N、C、F)ガス/半導体原料ガス)は、好ましくは0.1以上15以下に制御することが好ましく、これにより、上記処理時間の短縮効果が有効に発揮されるほか、TFT特性(オン電流・オフ電流)の低下やコンタクト抵抗の上昇を防止できる。(N、C、F)ガスが少なすぎるとAl−Siとの相互拡散防止効果が有効に発揮されず、逆に(N、C、F)ガスが多すぎると該薄膜層内の結合が不安定となる。((N、C、F)ガス/半導体原料ガス)のより好ましい流量比は、0.3以上10以下であり、さらに好ましい流量比は0.5以上7以下である。
【0054】
あるいは、ガス組成は、上記(ウ)のように、前述した窒素含有ガスと、還元性元素含有ガスとの混合ガスであることが好ましく、これにより、半導体層の酸化が一層有効に抑えられる。還元性元素としては、例えば、NH3やH2などが挙げられる。このうち、NH3は、還元作用を有するだけでなく窒素含有ガスとしても作用するため、単独で用いることもできるが、H2と混合して用いることもできる。
【0055】
次に、本発明に用いられるAl系合金について説明する。Al系合金は、例えば、スパッタリング法によって形成すれば良い。本発明では、単一のスパッタリングターゲットおよび単一のスパッタリングガスを用いて形成できる。
【0056】
本発明に用いられるAl系合金の種類は特に限定されず、TFT特性などの電気的特性に悪影響を及ぼさない限り、ソース・ドレイン配線などの配線材料として通常使用されるもの、例えば、純Alや、合金成分として、例えば、Si、Cu,希土類元素(代表的には、NdやYなど)を含有するAl合金などのように、従来汎用されているAl材料を用いることができる。
【0057】
また、本発明では、特許文献4に記載したように、Niを好ましくは6原子%以下(より好ましくは5原子%以下)の範囲で含有するAl−Ni合金:Al−Ni合金中に、以下に記載の第三成分(グループX1またはグループX2に属する元素)を更に含有するAl−Ni−X1合金/Al−Ni−X2合金/Al−Ni−X1−X2合金を用いることもできる。後者のAl−Ni−X1合金などを用いる場合には、Niの下限を0.05原子%(好ましくは、0.1原子%)とすることが好ましい。ここで、「グループX1」は、Ti,V,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,およびWよりなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、好ましくは0.1原子%以上1.0原子%以下の範囲内で、より好ましくは0.2原子%以上0.8原子%以下の範囲内で含んでいてもよい。これらの元素は、単独で添加しても良く、2種以上を併用してもよい。2種以上の元素を添加するときは、各元素の合計の含有量が上記範囲を満足すればよい。また、「グループX2」は、Mg,Cr,Mn,Ru,Rh,Pd,Ir,Pt,La,Gd,Tb,Dy,Nd,Y,Co,およびFeよりなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、好ましくは0.1原子%以上2.0原子%以下の範囲内で、より好ましくは、0.3原子%以上1.8原子%以下の範囲内で含んでいてもよい。これらの元素は、単独で添加しても良く、2種以上を併用してもよい。2種以上の元素を添加するときは、各元素の合計の含有量が上記範囲を満足すればよい。本発明では、グループX1とグループX2に属する元素の両方を含むAl−Ni−X1−X2合金を用いることもできる。
【0058】
このように、上記グループX1,X2に属する元素は、いずれも、耐熱性とAl−Ni−X1合金薄膜/Al−Ni−X2合金薄膜の電気抵抗率との観点から選択したものであるが、耐熱性に対するメカニズムは、上記グループX1とグループX2との間で、若干相違している。即ち、グループX1に属する元素は、上記グループX2に属する元素に較べると、金属間化合物の析出が遅れる分だけ耐熱性を高める効果がより高いと考えられ、よって添加量を相対的に少なく抑えても十分な耐熱性改善効果が得られる。
【0059】
本発明に用いられるAl系合金としては、上記のほかに、Ni,Ag,Zn,CoのグループX3から選択される少なくとも1種と、上記X3と金属間化合物を形成することのできるグループX4(Cu,Ge,Si,Mg,In,Sn,B)から選択される少なくとも1種を含んでいても良い。このAl系合金は、最大径150nm以下のX3−X4もしくはAl−X3−X4で示される金属間化合物が形成されている。好ましくは、Al−(Ni,Co)−(Cu、Ge)合金である。更に、上記のAl系合金は、La,Nd,Gd,DyのグループX5から選択される少なくとも1種の耐熱性向上元素を含有していてもよい。
【0060】
上記Al系合金層の厚さは、必要とされるTFT特性などに応じて適宜調整することができるが、概ね、10nm〜1μmであることが好ましく、より好ましくは30nm〜800nm、更に好ましくは50nm〜600nmである。
【0061】
また、Al−Si拡散層の厚さも、上記と同様、必要とされるTFT特性などに応じて適宜調整することができるが、概ね、0.2nm以上200nm以下の範囲内であることが好ましい。詳細には、Al−Si原子1層分に相当する厚さ(約0.2nm程度)よりも厚ければよく、TFT製造の観点からはできるだけ薄いほうが良いという趣旨に基づき、上限を約200nm程度にした。
【0062】
本発明に用いられる半導体層は、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンであることが好ましい。なお、半導体層がP、As、Sb、Bなどのような半導体分野で汎用されている不純物(ドーパント)を含んでいる場合には、その原子濃度は、合計で1019cm-3以上が好ましく、これにより、コンタクト抵抗をより低減することができる。また、上記の原子濃度が約1015cm-3以下でありドーパントを含まない場合においても、コンタクト抵抗を大きく増加させることなく、良好なTFT特性を得ることができる。この場合は、ドーピングガスを用いないため、コストや製造工程を省略できるといったメリットが得られる。
【0063】
上記半導体層の好ましい厚さは、シリコン原子層にほぼ相当する0.2nm〜1μmである。より好ましい半導体層の厚さは、0.5nm〜500nmであり、さらに好ましくは、1nm〜300nmである。
【0064】
以上、図1Aの実施形態について詳述した。
【0065】
なお、図1Aの実施形態は、TFT用基板の上に形成される第1の半導体層の構成によって図1Bおよび図1Cの両方を包含し得る。このうち図1Bにおける第1の半導体層は、基板側から順に、P、As、Sb、Bなどの不純物を含有しないノンドープトアモルファスシリコン膜(a−Si−H)と、上記の不純物を含有するドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜(n+a−Si−H)から構成されており、例えば、後記する実施例1の方法によって得られる。一方、図1Cにおける第1の半導体層は、低抵抗アモルファスシリコン膜(n+a−Si−H)を含まず、ノンドープトアモルファスシリコン膜(a−Si−H)のみから構成されている。図1Cのように、低抵抗アモルファスシリコン膜(n+a−Si−H)を有しない第1の半導体層の上に直接、窒素含有層、第2の半導体層、Al系合金層を順次形成しても、所望とするAl−Si拡散層が得られることを実験によって確認している(後記する実施例を参照)。本発明の方法によれば、リンなどの不純物をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜(n+a−Si−H)をわざわざ形成しなくても良い点で、成膜工程をより簡略化できるといった利点がある。
【0066】
なお、図には示していないが、窒素含有層の上に形成される第2の半導体層は、後記する実施例1に示すように、Pなどの不純物を含有する低抵抗アモルファスシリコン膜のみから構成されていても良いし、あるいは、ノンドープトアモルファスシリコン膜と上記の低抵抗アモルファスシリコン膜から構成されていても良いし、いずれの態様も包含し得る。低抵抗アモルファスシリコン膜は、例えば、SiH4、PH3を原料としたプラズマCVDを行うことによって形成される。
【0067】
(本発明の第2の実施形態)
本発明に係るTFTの第2の実施形態は、上述した第1の実施形態におけるAl−Si拡散層の変形例であり、図2に示すように3層の積層構造を有する例である。詳細には、AlとSiの相互拡散が窒素含有層まで進行しない条件でTFTを製造したために、Alを実質的に含有しない第2の半導体層(すなわち、実質的にSiのみからなる半導体層)と、(N、C、F)層と、Al−Si拡散層とからなる3層の積層構造を有するものであり、このような形態も本発明の範囲に包含される。ここで、「Alを実質的に含有しない」とは、後記する測定方法によってAlの元素分析を行ったときに、Alの濃度がおおむね、0.01原子%以下であるものを意味する。
【0068】
図2の構造は、例えば、後記する実施例2の方法によって得られる。実施例2では、上記の3層構造を得るために、(N、C、F)層の上に第2の半導体層を成膜する時間を長くして当該第2の半導体層の厚さを厚くしたが、当該第2の半導体層の厚さは、半導体層へのAl原子の拡散距離との関係でAl原子の拡散距離より厚い範囲に制御すればよい。上記の3層構造を得る方法はこれに限定されず、例えば、Ta、Nb、Hf、Ti、Vなどの遷移金属を含むAl系合金を使用しても良く、これにより、AlとSiの相互拡散が抑制される。
【0069】
(本発明の第3の実施形態)
本発明に係るTFTの第3の実施形態は、上述した第1の実施形態における2層の積層構造を構成する窒素含有層と、TFT用基板の間に、第1の半導体層、(N、C、F)層、第1の半導体層を有している例である。詳細には、図3に示すように、TFT用基板の上に第1の半導体層、(N、C、F)層、第1の半導体層を有し、その上に直接、(N、C、F)層とAl−Si拡散層とからなる2層の積層構造を有しており、その上に直接、Al系合金層が形成された構造を有している。図3の構造は、例えば、後記する実施例3の方法によって得られる。
【0070】
(本発明の第4の実施形態)
本発明に係るTFTの第4の実施形態は、上述した第2の実施形態における3層の積層構造を構成する窒素含有層と、TFT用基板の間に、第1の半導体層、(N、C、F)層、第1の半導体層を有している例である。詳細には、図4に示すように、TFT用基板の上に第1の半導体層、(N、C、F)層、第1の半導体層を有し、その上に直接、Alを実質的に含有しない第2の半導体層と(N、C、F)層とAl−Si拡散層とからなる3層の積層構造を有しており、その上に直接、Al系合金層が形成された構造を有している。図4の構造は、例えば、後記する実施例4の方法によって得られる。
【0071】
(本発明の第5の実施形態)
本発明に係るMOSFETの第1の実施形態を図5に示す。図5は、単結晶Siの上に直接、(N、C、F)層とAl−Si拡散層とからなる2層の積層構造を有しており、その上に直接、Al系合金層が形成された構造を有している。このような構造は図8に示す工程により形成される。すなわち、イオン注入法などにより窒素を単結晶Si基板中に打ち込む。このとき、注入された窒素はある深さ(飛程と呼ばれる)を中心にほぼガウス分布の深さ方向分布を有する。注入された窒素のダメージによりSiの一部はアモルファス化する。次にAl系合金をスパッタとメッキにより成膜し、その後アニールなどの熱処理を施すことでAl系合金層/Al−Si拡散層/窒素含有層/単結晶Siの構造が形成される。図5の構造は、例えば、後記する実施例5の方法によって得られる。
【0072】
上記の実施形態は、前述したTFTの第1の実施形態と同じ配線構造を有している。MOSFETの実施形態は上記に限定されず、例えば、前述したTFTの第2〜第4の実施形態と実質的に同じ構造を採用することができる。
【実施例】
【0073】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限されず、上記・下記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【0074】
以下の実施例1〜14、比較例1、および従来例では、TFT特性などを簡易に測定するため、図6の各工程図に従って作製した図6lのTFTに対し、300℃で30分間のアニールを行った。このアニール条件は、TFT基板の製造工程で、熱履歴が最大となるSi窒化膜(保護膜)の成膜工程の加熱処理を想定して設定されたものである。本実施例に供したTFTは、現実のTFT基板のように種々の成膜工程が施されて完成されたものではないが、上記のアニールを行ったTFTは、実際のTFT基板のTFT特性をほぼ反映していると考えられる。
【0075】
(実施例1)
実施例1は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料としてAl−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%Laを用いた。
【0076】
図6の各工程図を参照しながら、実施例1の製造方法を説明する。
【0077】
まず、ガラス基板上に、スパッタリング法で膜厚200nm程度のAl合金薄膜(Al−2.0原子%Nd)を形成した(図6a)。スパッタリングの成膜温度は室温とした。このAl合金薄膜上にフォトリソグラフィによりレジストをパターニングした(図6b)後、レジストをマスクとしてAl合金薄膜をエッチングすることにより、ゲート電極を形成した(図6c)。
【0078】
次いで、プラズマCVD法により、膜厚約200nmの窒化シリコン膜(SiN)を形成し、ゲート絶縁膜とした(図6d)。プラズマCVD法の成膜温度は約350℃とした。さらに、プラズマCVD法を用いて、膜厚約200nmのノンドープアモルファスシリコン膜[a−Si(i)]、および膜厚約40nmの不純物(P)をドーピングした低抵抗アモルファスシリコン膜[a−Si(n)]を順次成膜した(図6e、図6f)。この低抵抗アモルファスシリコン膜[a−Si(n)]は、SiH4、PH3原料としたプラズマCVDを行なうことによって形成した。
【0079】
続いて、同一のプラズマCVD装置の同一チャンバー内にて、窒素ガスのみを供給してプラズマを発生させ、上記の低抵抗アモルファスシリコン膜の表面を窒素プラズマにて30秒間処理し、窒素含有層を形成した(図6g)。このプラズマに印加した高周波(RF)パワー密度は約0.3W/cm2、成膜温度は320℃、ガス圧力は133Paとした。表面をRBS法およびXPS法で分析した結果、厚さ約5nmの窒素含有層が形成されていることが確認された。
【0080】
その後、CVD装置から取り出すことなく連続して、不純物(P)をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜[a−Si(n)]を再度成膜した。このとき、低抵抗のアモルファスシリコン膜の膜厚は約10nmとした(図6h)。
【0081】
次いで、その上に、スパッタリング法を用いて膜厚約300nmのAl系合金膜(Al−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%La)を成膜した(図6i)。スパッタリングの成膜温度は室温とした。次に、フォトリソグラフィによりレジストをパターニングした後、レジストをマスクとして上記のAl系合金膜をエッチングすることにより、図6jに示す様にソース電極とドレイン電極を形成した。更に、ソース電極とドレイン電極をマスクとして、ドライエッチングにより低抵抗のアモルファスシリコン膜[a−Si(n)]をすべて除去し、窒素含有層とAl系合金膜との間にAl−Si拡散層を有するTFTを形成した(図6k、図6l)。Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0082】
(TFT特性の評価)
上記のTFTを用い、TFTのドレイン電流−ゲート電圧のスイッチング特性を調べた。これによっても、SiとAlとの相互拡散を間接的に評価することができる。ここでは、TFTのスイッチングのオフ時に流れるリーク電流(ゲート電圧に負電圧を印加したときのドレイン電流値、オフ電流)と、TFTのスイッチングのオン時に流れるオン電流とを以下のようにして測定した。
【0083】
ゲート長(L)10μm、ゲート幅(W)100μm、W/Lの比が10のTFTを用い、ドレイン電流およびゲート電圧を測定した。測定時のドレイン電圧は10Vとした。オフ電流はゲート電圧(−3V)を印加したときの電流と定義し、オン電流はゲート電圧が20Vとなるときの電圧と定義した。
【0084】
詳細には、実施例1のTFTに対し、300℃で30分間のアニールを行なった後、オフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.4×10-13A、オン電流は1.7×10-6Aであった。比較のため、純Alの薄膜とMoのバリアメタル層とからなる従来例のソース−ドレイン電極を用いて上記と同様にしてTFTを作製し、TFT特性を測定した。その結果、従来例のオフ電流は4.0×10-13A、オン電流は1.6×10-6Aであった。これらの結果を表1に示す。
【0085】
以上の結果より、実施例1のTFTは、バリアメタルを介在させた従来例のTFTと同程度の優れたTFT特性が得られており、アモルファスシリコンとAl系合金膜1との相互拡散は生じないことが確認された。
【0086】
(SiとAlの相互拡散の評価)
アニール後のアモルファスシリコンとAl系合金膜との界面を断面TEM観察(倍率30万倍)し、SiとAlとの相互拡散の挙動を評価した。上記界面の断面TEM像を図9に示す。図9に示すように、300℃の熱処理によりAlはその下に存在する低抵抗アモルファスシリコン膜中まで拡散してAl−Si拡散層を形成し、Al系合金膜との間に明瞭な界面層が観察された。よって、実施例1によれば、アモルファスシリコン膜の上に窒素含有層とAl−Si拡散層からなる積層構造が形成されることが確認された。更に、EDX法で半定量分析を行った結果、低抵抗アモルファスシリコン膜中にはAl元素は殆ど検出されず、Alの拡散は低抵抗アモルファスシリコン膜の上層で阻止されていることが分かった。
【0087】
(コンタクト抵抗の測定)
Al系合金膜と半導体層(アモルファスシリコン)とのコンタクト抵抗を調べるため、図10の各工程図に従ってTLM法(Transfer Length Method)によりTLM素子を形成した。
【0088】
はじめに、図10を用いてTLM素子の作製方法を説明し、次いで図11および図12を用いてTLM法の測定原理を説明する。
【0089】
まず、ガラス基板上に、プラズマCVD法により、膜厚約200nmの不純物(P)をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜1を膜厚約200nmで成膜した。続いて、同一のプラズマCVD装置内にて、窒素ガスのみを供給してプラズマを発生させ、低抵抗アモルファスシリコン膜1の表面を窒素プラズマにて30秒間処理し、窒素含有層を形成した(図10a)。このプラズマに印加したRFパワー密度は約0.3W/cm2とした。
【0090】
次いで、CVD装置から取り出すことなく連続して、再び不純物(P)をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜2を成膜した(図10a)。低抵抗のアモルファスシリコン膜2の膜厚は10nmとした。その上に膜厚約300nmのAl系合金膜(Al−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%La)を成膜した(図10b)。フォトリソグラフィによりレジストをパターニングした後(図10c)、レジストをマスクとしてAl系合金をエッチングすることにより、図10dに示す様な複数の電極を形成した。ここでは、各電極間の距離を種々変化させた。更に、再びドライエッチングを行い、フォトリソグラフィによりレジストをパターニングした。このとき、図10eに示す様に全ての電極パターンをレジストで覆った。これをマスクとして電極パターンの外周部の低抵抗アモルファスシリコン膜を除去した(図10f)。最後に、300℃にて30分の熱処理を施し、Al−Si拡散層を形成した(図10g)。
【0091】
次に、図11および図12を参照しながら、TLM法によるコンタクト抵抗の測定原理を説明する。図12(a)は、前述した図10gの配線構造を模式的に示す断面図であり、図12(b)は、図10gの上面図である。図12(a)では、Al−Si拡散層は省略している。
【0092】
まず、前述した図10gの配線構造において、複数の電極間における電流電圧特性を測定し、各電極間の抵抗値を求めた。こうして得られた各電極間の抵抗値を縦軸とし、電極間距離(トランスファー長、L)を横軸としてプロットし、図11のグラフを得た。図11のグラフにおいて、y切片の値は、コンタクト抵抗Rcの2倍の値(2Rc)に、x切片の値は、実効的なコンタクト長(LT:transfer length、トランスファー長)に、それぞれ相当する。以上から、コンタクト抵抗率ρcは下式にて表される。
ρc=Rc*LT*Z
上式中、Zは、図12(b)に示すように電極幅を示す。
【0093】
これらの結果を表1に示す。表1より、実施例1のTFTは良好なコンタクト抵抗を有していることが分かる。
【0094】
(半導体層とAl系合金膜との界面の元素面密度の測定)
実施例1および従来例について、窒素原子の面密度(N1)および酸素原子の面密度(O1)を、神戸製鋼所製高分解能RBS分析装置「HRSB500」を用いて測定した。その結果、従来例のN原子面密度(N1)は検出限界以下、O原子面密度(O1)は4.1×1015/cm2であったのに対し、実施例1のN原子面密度(N1)は6.3×1015/cm2、O原子面密度(O1)は検出限界以下であり、良好なTFT特性を有することが確認された。
【0095】
(実施例2)
実施例2は、前述した実施形態2の配線構造(図2を参照)を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として実施例1と同じAl−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%Laを用いた。
【0096】
前述した実施例1において、図6hの低抵抗アモルファスシリコン膜の膜厚を200nmとしたこと以外は実施例1と同様にして実施例2のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは実施例1と同様、約5nmである。
【0097】
このようにして得られた実施例2のTFTに対し、実施例1と同様、300℃で30分のアニールを施し、アニール後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行なった。その結果、Al元素はアモルファスシリコン膜の上層約80〜100nmまで拡散しており(すなわち、Al−Si拡散層の厚さは約80〜100nm)が、それより深い領域まで拡散しているAl元素は極めて僅かであり、ほぼ100nmより深部では初期のアモルファスシリコン膜の状態が維持されていると判断された(図には示さず)。
【0098】
また、実施例1と同様にして実施例2のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.8×10-13A、オン電流は1.7×10-6Aであった(表1を参照)。よって、実施例2のTFTは、比較例1のTFTと同等の良好なTFT特性が得られることが分かった。
【0099】
更に、実施例2のコンタクト抵抗を調べるため、前述した実施例1において、低抵抗アモルファスシリコン膜200nmを成膜したこと以外は実施例1と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表1に示すとおりであり、実施例2のTFTは良好なコンタクト抵抗を有していることが分かった。
【0100】
(実施例3)
実施例3は、前述した実施形態3の配線構造(図3を参照)を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として実施例1と同じAl−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%Laを用いた。
【0101】
前述した実施例1において、図6hの低抵抗アモルファスシリコン膜を成膜した後、CVD装置から取り出すことなく連続して、再度窒素プラズマにて30秒間処理し、不純物(P)をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜を10nm成膜した工程を追加したこと以外は、実施例1と同様にして実施例3のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは実施例1と同様、約5nmであった。
【0102】
このようにして得られた実施例3のTFTに対し、実施例1と同様、300℃で30分のアニールを施し、アニール後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行なった。その結果、Al元素はアモルファスシリコン膜中にはほとんど検出されず、実施例1と同様に、Alの拡散は、アモルファスシリコン膜の上層で阻止されていることが分かった(図には示さず)。なお、Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0103】
また、実施例1と同様にして実施例3のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.2×10-13A、オン電流は1.7×10-6Aであった。よって、実施例3のTFTは、比較例1のTFTと同等の良好なTFT特性が得られることが分かった。
【0104】
更に、前述した実施例1において、低抵抗アモルファスシリコン膜10nmを成膜した後、再度窒素プラズマ処理を行い、低抵抗のアモルファスシリコン膜10nmを成膜したこと以外は実施例1と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表1に示すとおりであり、実施例3のTFTは良好なコンタクト抵抗を有することが確認された。
【0105】
(実施例4)
実施例4は、前述した実施形態4の配線構造(図4を参照)を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として実施例1と同じAl−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%Laを用いた。
【0106】
前述した実施例1において、図6hの低抵抗アモルファスシリコン膜を成膜した後、CVD装置から取り出すことなく連続して、再度窒素プラズマにて30秒間処理し、不純物(P)をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜を200nm成膜した工程を追加したこと以外は、実施例1と同様にして実施例4のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは、実施例1と同様、約5nmであった。
【0107】
このようにして得られた実施例4のTFTに対し、実施例1と同様、300℃で30分のアニールを施し、アニール後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行なった。その結果、Al元素はアモルファスシリコン膜の上層約80〜100nmまで拡散していた(すなわち、Al−Si拡散層の厚さは約80〜100nm)が、ほぼ100nmよりも深い領域まで拡散しているAl元素は極めて僅かであり、ほぼ100nmより深部では初期のアモルファスシリコン膜3の状態を保っていると判断された(図には示さず)。
【0108】
また、実施例1と同様にして実施例4のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.3×10-13A、オン電流は1.6×10-6Aであった(表1を参照)。よって、実施例4のTFTは、従来例のTFTと同等の良好なTFT特性が得られることが分かった。
【0109】
更に、前述した実施例1において、低抵抗アモルファスシリコン膜10nmに続いて再度窒素プラズマ処理を行った後、低抵抗のアモルファスシリコン膜200nmとAl系合金膜300nmを成膜したこと以外は実施例1と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果を表1に示す。表1に示すように実施例4のTFTは良好なコンタクト抵抗を有している。
【0110】
(実施例5)
実施例5は、前述した実施形態5の配線構造(図7を参照)を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として実施例1と同じAl−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%Laを用いた。
【0111】
前述した実施例1において、図6eに示すノンドープアモルファスシリコン膜を成膜した後、CVD装置から取り出すことなく連続して、再度窒素プラズマにて30秒間処理した。続いて、CVD装置から取り出すことなく連続して、不純物(P)をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜[a−Si(n)]を成膜した。このとき、低抵抗のアモルファスシリコン膜の膜厚は約10nmとした。以後、実施例1と同様にして実施例5のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは、実施例1と同様、約5nmであった。
【0112】
このようにして得られた実施例5のTFTに対し、実施例1と同様、300℃で30分のアニールを施し、アニール後のノンドープアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行なった。その結果、Al元素はノンドープアモルファスシリコン膜にはほとんど検出されず、実施例1と同様に、Alの拡散は、ノンドープアモルファスシリコン膜の上層で阻止されていることが分かった(図には示さず)。なお、Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0113】
また、実施例1と同様にして実施例5のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.3×10-13A、オン電流は1.6×10-6Aであった(表1を参照)。よって、実施例5のTFTは、従来例のTFTと同等の良好なTFT特性が得られることが分かった。
【0114】
(実施例6)
実施例6は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する本発明例であり、前述した実施例1において、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として純Alを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例6のTFTを作製した。
【0115】
このようにして得られた実施例6のTFTに対し、実施例1と同様にしてオフ電流およびオン電流、更にコンタクト抵抗を測定した。これらの結果を表1に示す。
【0116】
(実施例7)
実施例7は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する本発明例であり、前述した実施例1において、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料としてAl−0.2原子%Ni−0.35原子%Laを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例7のTFTを作製した。
【0117】
このようにして得られた実施例7のTFTに対し、実施例1と同様にしてオフ電流およびオン電流、更にはコンタクト抵抗を測定した。これらの結果を表1に示す。
【0118】
(実施例8)
実施例8は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する本発明例であり、前述した実施例1において、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料としてAl−2原子%Ni−0.35原子%Laを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例8のTFTを作製した。
【0119】
このようにして得られた実施例8のTFTに対し、実施例1と同様にしてオフ電流およびオン電流、更にはコンタクト抵抗を測定した。これらの結果を表1に示す。
【0120】
(実施例9)
実施例9は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する本発明例であり、前述した実施例1において、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料としてAl−3原子%Ni−0.6原子%Ndを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例9のTFTを作製した。
【0121】
このようにして得られた実施例9のTFTに対し、実施例1と同様にしてオフ電流およびオン電流、更にはコンタクト抵抗を測定した。これらの結果を表1に示す。
【0122】
表1より、実施例6〜9のTFTは、いずれも、従来例のTFTと同等の良好なTFT特性およびコンタクト抵抗が得られることが分かった。
【0123】
上述した実施例1〜9では、窒素ガスのみを用いて窒素含有層を形成したが、以下の実施例10〜14では、窒素ガスと半導体原料ガスの混合ガスを用いて窒素含有層を形成した。これらの実施例では、上記混合ガスの流量比を変えて実験を行なった。
【0124】
(実施例10)
実施例10は図1Aを参照とする配線構造を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として実施例1と同じAl−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%Laを用いた。
【0125】
まず、実施例1と同様にしてガラス基板上に、Al合金薄膜(Al−2.0原子%Nd)のゲート電極を形成した後、窒化シリコン膜(SiN)のゲート絶縁膜、ノンドープアモルファスシリコン膜[a−Si(i)]、および不純物(P)をドーピングした低抵抗アモルファスシリコン膜[a−Si(n)、以下、第1の低抵抗a−Si(n)と呼ぶ場合がある。]を順次成膜した。
【0126】
続いて、同一のプラズマCVD装置の同一チャンバー内にて、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:100sccm(窒素ガス/半導体原料ガスの流量比=3.3)を供給してプラズマを10秒間発生させ、窒素含有層を形成した。このプラズマに印加した高周波(RF)パワー密度は約0.06W/ccm2、成膜温度は350℃、ガス圧力は67Paとした。ここで、sccmは、standard cubic cm per minute(cm3/分)で、0℃において、1013hPaに換算した場合の流量を表す単位である。表面をRBS法およびXPS法で分析した結果、厚さ約5nmの窒素含有層が形成されていることが確認された。
【0127】
その後、実施例1と同様にして不純物(P)をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜[a−Si(n)、以下、第2の低抵抗a−Si(n)と呼ぶ場合がある。]を再度10nm成膜した。以後、実施例1と同様にして実施例10のTFTを作製した。
【0128】
(TFT特性の評価)
このようにして得られた実施例10のTFTに対し、実施例1と同様にして実施例10のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.2×10-13A、オン電流は1.7×10-6Aであった(表1参照)。よって、実施例10のTFTは、従来例のTFTと同等の良好なTFT特性が得られることがわかった。
【0129】
(SiとAlの相互拡散の評価)
実施例10のTFTに対し、実施例1と同様にして、300℃で30分のアニール処理後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、SiとAlの相互拡散を評価した。その結果、Al元素はアモルファスシリコン膜中には殆ど検出されず、実施例1と同様に、Alの拡散は、アモルファスシリコン膜の上層で阻止されていることがわかった。なお、Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0130】
(コンタクト抵抗の測定)
更に、実施例10のコンタクト抵抗を調べるため、前述した実施例1と同様、TLM法によりTLM素子を形成して調べた。詳細には、実施例1において、図10に示すTLM素子の窒素含有層形成条件(組成ガスおよびガスの流量比)を、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:100sccm[窒素ガス(100sccm)/半導体原料ガス(30sccm+0.2sccm)の流量比=3.3]としたこと以外は、実施例1と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表1に示すとおりであり、実施例10のTFTは良好なコンタクト抵抗を有することが確認された。
【0131】
(実施例11)
実施例11は、前述した実施例10において、窒素ガス/半導体原料ガスの流量比を0.3に変えた例である。
【0132】
詳細には、前述した実施例10において、窒素含有層形成条件であるガス流量を、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:10sccm[窒素ガス(10sccm)/半導体原料ガス(30sccm+0.2sccm)の流量比=0.3]としたこと以外は、実施例10と同様にして実施例11のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは実施例10と同様、約5nmであった。
【0133】
このようにして得られた実施例11のTFTに対し、実施例1と同様にして、300℃で30分のアニール処理後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、SiとAlの相互拡散を評価した。その結果、Al元素はアモルファスシリコン膜中には殆ど検出されず、実施例1と同様に、Alの拡散は、アモルファスシリコン膜の上層で阻止されていることがわかった。なお、Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0134】
また、実施例10と同様にして実施例11のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.2×10-13A、オン電流は1.8×10-6Aであった(表1参照)。よって、実施例11のTFTは、従来例のTFTと同等の良好なTFT特性が得られることがわかった。
【0135】
更に、実施例11のコンタクト抵抗を調べるため、前述した実施例10において、窒素含有層形成条件であるガス流量を、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:10sccm[窒素ガス(10sccm)/半導体原料ガス(30sccm+0.2sccm)の流量比=0.3]としたこと以外は、実施例10と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表1に示すとおりであり、実施例11のTFTは良好なコンタクト抵抗を有することが確認された。
【0136】
(実施例12)
実施例12は、前述した実施例10において、窒素ガス/半導体原料ガスの流量比を9.9に変えた例である。
【0137】
詳細には、前述した実施例10において、窒素含有層形成条件であるガス流量を、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:300sccm[窒素ガス(300sccm)/半導体原料ガス(30sccm+0.2sccm)の流量比=9.9]としたこと以外は、実施例10と同様にして実施例12のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは実施例10と同様、約5nmであった。
【0138】
このようにして得られた実施例12のTFTに対し、実施例1と同様にして、300℃で30分のアニール処理後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、SiとAlの相互拡散を評価した。その結果、Al元素はアモルファスシリコン膜中には殆ど検出されず、実施例1と同様に、Alの拡散は、アモルファスシリコン膜の上層で阻止されていることがわかった。なお、Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0139】
また、実施例10と同様にして実施例12のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.4×10-13A、オン電流は1.5×10-6Aであった(表1参照)。よって、実施例12のTFTは、従来例のTFTと同等の良好なTFT特性が得られることがわかった。
【0140】
更に、実施例12のコンタクト抵抗を調べるため、前述した実施例10において、窒素含有層形成条件であるガス流量を、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:300sccm[窒素ガス(300sccm)/半導体原料ガス(30sccm+0.2sccm)の流量比=9.9]としたこと以外は、実施例10と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表1に示すとおりであり、実施例12のTFTは良好なコンタクト抵抗を有することが確認された。
【0141】
(実施例13)
実施例13は、前述した実施例10において、窒素ガス/半導体原料ガスの流量比を19.9に変えた例である。
【0142】
前述した実施例10において、窒素含有層形成条件であるガス流量を、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:600sccm[窒素ガス(600sccm)/半導体原料ガス(30sccm+0.2sccm)の流量比==19.9]としたこと以外は、実施例10と同様にして実施例13のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは、約5nmであった。
【0143】
このようにして得られた実施例13のTFTに対し、実施例1と同様、300℃で30分のアニール処理後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、SiとAlの相互拡散を評価した。その結果、Al元素はアモルファスシリコン膜中には殆ど検出されず、実施例1と同様に、Alの拡散は、アモルファスシリコン膜の上層で阻止されていることがわかった。なお、Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0144】
また、実施例10と同様にして実施例13のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.3×10-13A、オン電流は4.0×10-7Aであった(表1参照)。よって、実施例13のTFTは、従来例に比べ、TFT特性が著しく低下しており、TFTとして機能しないことが分かった。
【0145】
更に、実施例13のコンタクト抵抗を調べるため、前述した実施例10において、窒素含有層形成条件であるガス流量を、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:600sccm(窒素ガス/半導体原料ガスの流量比=19.9)としたこと以外は、実施例10と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表1に示すとおりであり、コンタクト抵抗が上昇した。
【0146】
(実施例14)
実施例6は図1Aを参照とする配線構造を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として実施例10と同じAl−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%Laを用いた。
【0147】
前述した実施例10において、窒素含有層形成条件であるガス流量を、半導体層形成ガスであるSiH4:150sccm、PH3:1sccm、N2:10sccm[窒素ガス(10sccm)/半導体原料ガス(150sccm+1sccm)の流量比=0.07]としたこと以外は、実施例10と同様にして実施例14のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは、約5nmであった。
【0148】
このようにして得られた実施例14のTFTに対し、実施例1と同様、300℃で30分のアニール処理後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、SiとAlの相互拡散を評価した。その結果、Al系合金中やアモルファスシリコン中にボイドが観察され、顕著な相互拡散が生じたことが確認された。また、EDXによる半定量分析からも、アモルファスシリコン膜中へのAlの拡散やAl系合金膜中へのSiの拡散が確認された。
【0149】
また、実施例10と同様にして実施例14のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は2.3×10-11A、オン電流は1.3×10-6Aであった(表1参照)。よって、実施例14のTFTは、従来例に比べ、TFT特性が著しく低下しており、TFTとして機能しないことが分かった。
【0150】
(比較例1)
比較例1は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)において、窒素含有層を有しない比較例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として、前述した実施例1と同じAl系合金を用いた。詳細には、前述した実施例1において、窒素含有層を形成する工程を行なわなかったこと以外は実施例1と同様にして比較例1のTFTを作製した。
【0151】
このようにして得られた比較例1のTFTに対し、実施例1よりも低い200℃の温度で30分のアニールを施し、アニール後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行なった。その結果、200℃の低温処理を行なったにもかかわらずAl系合金中やアモルファスシリコン中にボイドが観察され、顕著な相互拡散が生じたことが確認された(図には示さず)。また、EDXによる半定量分析からも、アモルファスシリコン中へのAlの拡散やAl系合金中へのSiの拡散が確認された。
【0152】
また、実施例1と同様にして比較例1のオフ電流およびオン電流を測定した。その結果、オフ電流は3.5×10-9A、オン電流は4.4×10-7Aであった(表1を参照)。以上の結果から、窒素含有層を有しない比較例1では、従来例に比べ、TFT特性が著しく低下しており、TFTとして機能しないことが分かった。
【0153】
また、比較例1のコンタクト抵抗を測定したところ、表1に示すとおりであり、コンタクト抵抗が低下した。
【0154】
【表1】
【0155】
(実施例15)
実施例15は、実施形態5に係るLSIの配線構造(図7を参照)を有する本発明例であり、配線材料として純Alを用いた。
【0156】
図13の各工程図を参照しながら、実施例15のMOSFET(Metal−oxide−semiconductor field effect transistor)の製造方法を説明する。ここでは、単結晶p型Si基板上に局所酸化(LCOS:Local oxydation of Si)法により素子分離パターンの形成を行い、素子の活性領域(局所酸化されていない領域)にMOSFETを作製した。
【0157】
まず、単結晶p型Si基板上にゲート絶縁膜を熱酸化により形成した(図13a)。ゲート絶縁膜の膜厚は5nmとした。続いて、熱CVDにより、Pドープしたポリシリコンを300nmの厚みで形成した(図13b)。その後リソグラフィにより、レジストをパターニングした(図13c)。このレジストをマスクとしてドライエッチングによりポリシリコンをエッチングした(図13d)。続いてイオン注入によりAsを基板に打ち込み、活性化アニールを施すことでソース−ドレイン領域を形成した(図13e)。次に、層間絶縁膜をCVDにより600nm成膜した(図13f)。リソグラフィによりパターニングし(図13g)、ドライエッチングを施すことによりソース−ドレイン領域に金属配線(純Al)を接続させるためのコンタクトホールを形成した(図13h)。続いてイオン注入法などによりAsを基板に打ち込み、活性化アニールを施すことでソース−ドレイン領域を形成する(図13e)。次に、層間絶縁膜をCVDなどにより成膜する(図13f)。リソグラフィによりパターニングし(図13g)、ドライエッチングを施すと、ソース−ドレイン領域に金属配線(Al系合金)を接続させるためのコンタクトホールが形成される(図13h)。続いて、前述した図8に示した工程を経てAl系合金層/Al−Si拡散層/窒素含有層/単結晶Siの構造が形成される。すなわち、イオン注入法などにより窒素を基板に打ち込む。このとき、注入された窒素はある深さ(飛程と呼ばれる)を中心に、ほぼガウス分布の深さ方向分布を有する。本実施例では、イオンエネルギー10keVにて打ち込み、その飛程を深さ約10nmに調整した。また、Si基板の表面から約15nmまでの深さにおいて、注入された窒素のダメージによりSiはアモルファス化した(図13i)。窒素含有層の厚さは約5nmであった。次に純Alを成膜し(図13j)、リソグラフィおよびエッチングにより配線パターンに加工した。最後に400℃にて30分間アニールを行い、Al−Si拡散層を形成した(図13k)。Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0158】
次に、このようにして獲られた実施例15のMOSFETについて、ドレイン電流−ゲート電圧のスイッチング特性を測定した。具体的には、オフ電流(ゲート電圧に負電圧を印可したときのドレイン電流)とMOSFETがオンした際のオン電流を指標として用いた。ゲート長L=0.15μm、ゲート幅W=10μmのMOSFETにおいて、ドレイン電流−ゲート電圧特性を測定した。測定時のドレイン電圧は1.5Vとした。オフ電流はゲート電圧が−0.5Vの時の電流値、オン電流はゲート電圧が1.5Vのときの電流値と定義した。
【0159】
上記のMOSFETについてオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は測定限界の10−14A以下であり、またオン電流は2.3mAであった。比較のため、(1)窒素のイオン注入を行わずに上記ソース−ドレイン電極のSiと純Alとを直接接触させた比較例のMOSFET、および(2)Siと純Alとの間にバリアメタルとしてTiNを介在させた従来のMOSFETを上記と同様にして作製し、これらの特性を評価した。その結果、上記(1)のオフ電流は2×10-9A、オン電流は1.3mAであり、上記(2)のオフ電流は測定限界の10-14A以下、オン電流は2.2mAであった。
【0160】
以上の結果より、実施例15のMOSFETは、バリアメタルを介在させた従来のMOSFETと同程度の優れたTFT特性が得られており、SiとAlとの相互拡散は生じないことが示唆された。
【図面の簡単な説明】
【0161】
【図1A】図1Aは、本発明の第1の実施形態に係るTFTの構成を示す概略断面説明図である。
【図1B】図1Bは、本発明の第1の実施形態に係るTFTの構成を示す概略断面説明図である。
【図1C】図1Cは、本発明の第1の実施形態に係るTFTの構成を示す概略断面説明図である。
【図2】図2は、本発明の第2の実施形態に係るTFTの構成を示す概略断面説明図である。
【図3】図3は、本発明の第3の実施形態に係るTFTの構成を示す概略断面説明図である。
【図4】図4は、本発明の第4の実施形態に係るTFTの構成を示す概略断面説明図である。
【図5】図5は、本発明の配線構造の工程を説明する概略工程図である。
【図6】図6は、本発明の配線構造の各工程を説明する工程図である。
【図7】図7は、本発明の第5の実施形態に係るLSIの構成を示す概略断面説明図である。
【図8】図8は、本発明の第5の実施形態に係る配線構造の各工程を説明する工程図である。
【図9】図9は、実施例1において、アモルファスシリコンとAl系合金膜との界面の断面TEM写真である。
【図10】図10は、Al系合金膜と半導体層(アモルファスシリコン)とのコンタクト抵抗を調べるために作成したTLM素子の工程を説明する工程図である。
【図11】図11は、電極間距離と電気抵抗の関係を示すグラフである。
【図12】図12は、TLM素子によるコンタクト抵抗の測定原理を説明する図である。
【図13】図13は、実施例15の配線構造を製造する工程を説明する工程図である。
【技術分野】
【0001】
本発明は、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイなどのフラットパネルディスプレイ(表示装置);ULSI(超大規模集積回路)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FET(電界効果型トランジスタ)、ダイオードなどの半導体装置に適用可能な配線構造;薄膜トランジスタ基板およびその製造方法、並びに表示装置に関し、特に、純AlまたはAl合金のAl系合金膜を配線材料として含む新規な配線構造に関するものである。
【背景技術】
【0002】
液晶ディスプレイなどのアクティブマトリクス型液晶表示装置は、薄膜トランジスタ(Thin Film Transitor、以下、TFTと呼ぶ。)をスイッチング素子とし、透明画素電極と、ゲート配線およびソース・ドレイン配線等の配線部と、アモルファスシリコン(a−Si)や多結晶シリコン(p−Si)などの半導体層を備えたTFT基板と、TFT基板に対して所定の間隔をおいて対向配置され共通電極を備えた対向基板と、TFT基板と対向基板との間に充填された液晶層から構成されている。
【0003】
TFT基板において、ゲート配線やソース・ドレイン配線などの配線材料には、比抵抗が低く、加工が容易であるなどの理由により、純AlやAl−NdなどのAl合金(以下、これらをまとめてAl系合金と呼ぶ。)が汎用されている。Al系合金配線(Al系合金膜)とTFTの半導体層との間には、特許文献1などに代表されるように、Mo、Cr、Ti、Wなどの高融点金属からなるバリアメタル層が通常設けられている。バリアメタル層を介さずにAl系合金配線をTFTの半導体層と直接接触させると、その後の工程(例えば、TFTの上に形成する絶縁層の成膜工程や、シンタリングやアニーリングなどの熱工程)における熱履歴によってAl系合金配線中のAlが半導体層中に拡散し、TFT特性が低下するからである。具体的には、TFTを流れる電流(スイッチオフ時のオフ電流、およびスイッチオン時のオン電流)などが悪影響を受け、オフ電流の増加やオン電流の低下を招くほか、スイッチング速度(スイッチオンの電気信号に対する応答性)も低下する。また、Al系合金配線と半導体層とのコンタクト抵抗も上昇する場合がある。
【0004】
このようにバリアメタル層は、Al系合金膜と半導体層との界面におけるAlとSiとの相互拡散を抑制するのに有効であるが、バリアメタル層を形成するためには、Al系合金配線形成用の成膜装置に加え、バリアメタル形成用の成膜装置が別途必要になる。具体的には、バリアメタル形成用の成膜チャンバーをそれぞれ余分に装備した成膜装置(代表的には、複数の成膜チャンバーがトランスファーチャンバーに接続されたクラスタツール)を用いなければならず、製造コストの上昇や生産性の低下を招く。また、バリアメタル層として用いられる金属と、Al系合金とは、薬液を用いたウェットエッチングなどの加工工程での加工速度が異なるため、加工工程における横方向の加工寸法を制御することが極めて困難となる。したがって、バリア層の形成は、成膜の観点だけでなく加工の観点でも工程の複雑化を招き、製造コストの上昇や生産性の低下をもたらす。
【0005】
上記では、表示装置の代表例として液晶表示装置を例に挙げて説明したが、上述した、Al系合金膜と半導体層との界面におけるAlとSiとの相互拡散に起因する問題は、表示装置に限らず、LSIやFETなどの半導体装置においても見られる。例えば半導体装置の代表例であるLSIを製造するには、半導体層とAl系合金膜との界面で生じるスパイクの発生を防止するため、半導体層の上にCrやMoなどのバリアメタル層を形成してからAl系合金膜を成膜しているが、半導体装置の分野においても、工程の簡略化やコストの低減化が求められている。
【0006】
よって、表示装置や半導体装置において生じるAlとSiとの相互拡散に起因する問題を、従来のようにバリアメタル層を設けなくても回避し得る技術の提供が望まれている。
【0007】
このような事情に鑑み、例えば特許文献2〜4には、バリアメタル層の形成を省略でき、ソース−ドレイン電極などに使用されるAl系合金配線を半導体層と直接接触し得るダイレクトコンタクト技術が提案されている。このうち、特許文献4は、本願出願人によって開示されたものであり、窒素含有層とAl系合金膜とからなる材料であって、窒素含有層のN(窒素)が半導体層のSiと結合している配線構造を開示している。この窒素含有層はAlとSiの相互拡散を防止するためのバリア層として作用していると考えられ、従来のようにMoなどのバリアメタル層を形成しなくても優れたTFT特性が得られることを実証している。また、この窒素含有層は、半導体層を形成した後であってAl系合金膜を成膜する前に、プラズマ窒化などの窒化処理によって簡便に作製できるため、バリアメタル形成用の特別な成膜装置は不要である、といった利点もある。
【特許文献1】特開2000−199912号公報
【特許文献2】特開2003−273109号公報
【特許文献3】特開2008−3319号公報
【特許文献4】特開2008−10801号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明の目的は、純AlまたはAl合金のAl系合金配線と半導体層との間のバリアメタル層を省略することが可能なダイレクトコンタクト技術であって、幅広いプロセスマージンの範囲において、Al系合金配線を半導体層に直接かつ確実に接続することができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決することのできた本発明の配線構造は、基板の上に、基板側から順に、半導体層と、純AlまたはAl合金のAl系合金膜とを備えた配線構造であって、前記半導体層と前記Al系合金膜との間に、基板側から順に、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有する(N、C、F)層と、AlおよびSiを含むAl−Si拡散層との積層構造を含んでおり、且つ、前記(N、C、F)層を構成する窒素、炭素、およびフッ素のいずれかの元素は、前記半導体層のSiと結合しているところに要旨を有している。
【0010】
本発明の好ましい実施形態において、前記(N、C、F)層と前記Al−Si拡散層との間に、Alを実質的に含有しない半導体層を含んでいる。
【0011】
本発明の好ましい実施形態において、前記Al−Si拡散層は、前記(N、C、F)層、前記半導体層、および前記Al系合金膜をこの順序で形成した後、熱履歴を加えることによって得られるものである。
【0012】
本発明の好ましい実施形態において、前記半導体層は、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンからなる。
【0013】
本発明には、上記のいずれかの配線構造を備えた薄膜トランジスタ基板や、当該薄膜トランジスタ基板を備えた表示装置も包含される。
【0014】
本発明の好ましい実施形態において、上記の配線構造は、表示装置または半導体装置に用いられる。
【0015】
上記課題を解決することのできた本発明に係る薄膜トランジスタ基板の製造方法は、薄膜トランジスタの半導体層の上に、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有する(N、C、F)層を形成する第1の工程と、次いで、半導体層を形成する第2の工程とを、この順序で含むところに要旨を有している。
【0016】
本発明の好ましい実施形態において、前記第1の工程は、半導体層形成装置を用いて行なわれる。
【0017】
本発明の好ましい実施形態において、前記第1の工程と前記第2の工程は、同じ半導体層形成用チャンバー内で連続して行なわれる。
【0018】
本発明の好ましい実施形態において、前記第1の工程は、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガスを用いて(N、C、F)層を形成する工程を含む。
【0019】
本発明の好ましい実施形態において、前記第1の工程は、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガスと、半導体層形成に用いられる原料ガスとの混合ガスを用いて(N、C、F)層を形成する工程を含む。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、純AlまたはAl合金のAl系合金膜を半導体層と直接接触することが可能なダイレクトコンタクト技術であって、TFT特性や、Al系合金膜と半導体層とのコンタクト抵抗に優れているだけでなく、生産性も良好であり、プロセスマージンが更に拡大された技術を提供することができた。具体的には、各種プロセス条件のばらつき(装置性能のばらつき、不安定性、予期せぬ汚染、制御しにくい汚染など)の影響を受け難く、また極端に厳しい条件管理も不要であり、プロセス条件の制約を受け難い技術を提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
本発明は、特許文献4のダイレクトコンタクト技術を、プロセスマージンの拡大に向けて更に改良発展させたものである。詳細には、本発明は、特許文献4によって開示された窒素含有層によるAlとSiの相互拡散防止作用を基礎とするものであって、当該窒素含有層の上に、この窒素含有層を大気から保護するカバー層としての役割を担うAlおよびSiを含むAl−Si拡散層が積層された積層構造を含む配線構造としたところに特徴がある。このAl−Si拡散層は、(N、C、F)含有層、半導体層、およびAl系合金膜を順次形成した後、TFTの製造工程で加えられる約150℃以上の熱履歴によって形成されるものであり、上記Al系合金膜のAlと上記半導体層のSiによって構成されている。
【0022】
はじめに、本発明に到達した経緯を説明する。
【0023】
本発明者は、上記の特許文献4を開示した後も、主に、生産性向上といった観点から更に検討を重ねてきた。前述したように特許文献4のダイレクトコンタクト技術は、窒素含有層を介して半導体層とAl系合金膜が直接接触された構成からなり、この窒素含有層がSiとAlとの相互拡散を防止し得るバリア層として機能すると考えられる。上記の構造を得るためには、まず、プラズマCVD装置(真空下)などの半導体層形成用チャンバー内で半導体層および窒素含有層を形成し、次いで、スパッタリング法などでAl系合金膜を成膜するために専用のチャンバー(真空下)に移し変えて実施される。本発明者の検討結果によれば、上記の移し変えの際、窒素含有層の表面が大気に触れるなどして過度に汚染されると、電気的特性に悪影響を及ぼし、TFT特性の低下および半導体層とAl合金膜とのコンタクト抵抗の上昇、またはこれらのバラツキなどの問題を招くことが判明した。そこで、これらの問題を回避するために検討を重ねた結果、下記(ア)〜(エ)の構成に到達し、本発明を完成した。
【0024】
(ア)本発明の製造方法は、特許文献4のように窒素含有層の上に直接Al系合金膜を成膜するのではなく、図5の概略工程図に示すように、窒素含有層などに代表される(N、C、F)層を形成した後、同じチャンバー内で引続き連続して、当該(N、C、F)層の上に半導体層を更に成膜したところに特徴がある。この方法を行なってから、次いで、特許文献4と同様にAl合金膜専用チャンバーに移し変えてAl系合金膜を成膜し、その後は公知の方法でTFTを製造すると、上記の半導体層は、その後の熱履歴によってAl−Si拡散層に変化し(後記(イ)で詳述する。)、(N、C、F)層が汚染されることによるTFT特性の低下とコンタクト抵抗の上昇、またはこれらのバラツキといった問題が解消されること、その結果、TFTの半導体層とAl系合金膜を直接かつ確実に接続し得、良好な電気的特性を有するダイレクトコンタクト技術を提供できることが分かった(後記する実施例を参照)。
【0025】
本発明において半導体層を使用したのは、主に、成膜工程の簡略化を考慮したためである。これにより、TFT用基板の上に半導体層(Al−Si拡散層に変化する半導体層ではなく、TFT用基板の上に形成される半導体層である。)、(N、C、F)層、半導体層を成膜するという一連の工程を、すべて、同じチャンバー内で連続して行なうことができるため、大気に曝される恐れはない。
【0026】
(イ)上記の方法によって得られる本発明の配線構造は、特許文献4の構造とは異なり、例えば図1Aなどに示すように、(N、C、F)層の上に、AlおよびSiを含むAl−Si拡散層が積層された積層構造を有している。このAl−Si拡散層は、(N、C、F)層、半導体層、およびAl系合金膜を順次形成した後、TFTの製造工程で加えられる熱履歴によって形成されるものであり、おおむね150℃以上(好ましくは180℃以上)の熱処理によってAl系合金膜中のAlが半導体層中のSiに拡散し、得られる。このようにして得られるAl−Si拡散層は、Al系合金膜のAlと上記半導体層のSiによって構成され、(N、C、F)層を大気から保護するカバー層としての役割を有している。このAl−Si拡散層は、後記する実施例1および図1Aなどに示すように、(N、C、F)層の上に直接形成されていても良いが、これに限定されない。例えば、後記する実施例2および図2に示すように、(N、C、F)層とAl−Si拡散層の間に、Alを実質的に含有しない半導体層(実質的にSiのみからなる半導体層)を有していてもよい。後者の態様は、半導体層のSiとAl系合金膜のAlとの相互拡散が充分進行しない条件で製造したときに生成するものである。具体的には、例えば、(N、C、F)層の上に形成される半導体層の成膜条件の制御(例えば、成膜時間を長くして半導体層を厚く成膜する)、半導体層の上に形成されるAl系合金膜の組成の調整(例えば、AlとSiの相互拡散をし難い遷移金属などを用いる)などによって得られる。
【0027】
参考のため、本発明の方法によって得られるAl−Si拡散層の概要を図9に示す。図9は、後記する実施例1(本発明例)の断面TEM写真(30万倍)であり、半導体層(a−Si)とAl系合金膜との間に、連続してAl−Si拡散層の薄い層(ここでは約10nm)が形成されている。本発明例によれば、半導体層中へのAl原子の拡散を有効に抑制できるため、半導体層中にはAl原子は検出されなかった。よって、本発明の方法によれば、特許文献4と同様に、上記界面におけるAlとSiの相互拡散を防止できることが確認された。
【0028】
(ウ)本発明では、AlとSiの相互拡散防止作用を有するバリア層として(N、C、F)層を開示している。前述した特許文献4では、AlとSiの相互拡散を防止するバリア層として窒素含有層のみを開示したが、その後の本発明者の研究により、上記の作用は窒素含有層に限らず、炭素およびフッ素を含有する層も同様の作用を発揮し得ること、より詳細には、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有する(N、C、F)層はすべて、窒素含有層と実質的に同様の結果が得られることを実験により確認している。このように本発明では、(N、C、F)層をバリア層として用いている点で、特許文献4の技術を更に発展させたものである。
【0029】
(エ)本発明の技術は、Al系合金膜と半導体層との界面におけるAlとSiの相互拡散防止技術として極めて有用であり、液晶表示装置などの表示装置に限らず、LSIやFETなどの半導体層装置にも適用可能であることも分かった(後記する実施例を参照)。
【0030】
以下、本発明を詳細に説明する。上述したように、本発明は特許文献4の改良技術であり、積層構造の一部や製造方法の一部は重複している。本明細書では、特許文献4との相違点を特に重点的に説明することにし、重複部分の詳細な説明(例えば、窒素含有層の形成方法など)は行なわずに要約する場合がある。重複部分の詳細は、特許文献4を参照すれば良い。
【0031】
まず、図1A〜図1C、図2〜図4を参照しながら、本発明の配線構造およびその製造方法について説明する。本発明の配線構造は、基板の上に、基板側から順に、半導体層と、純AlまたはAl合金のAl系合金膜とを備えた配線構造であって、半導体層とAl系合金膜との間に、基板側から順に、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有する(N、C、F)層と、AlおよびSiを含むAl−Si拡散層との積層構造を含んでいる。このような積層構造は、半導体層とAl系合金膜との間に少なくとも設けられていれば良く、例えば、図1A〜図1C、および図2に示すように半導体層の上に直接、上記の積層構造を有していても良い。すなわち、本発明の配線構造において、上記(N、C、F)層は複数有していても良い。ただし、これに限定されず、例えば、図3および図4に示すように、基板側から順に、半導体層、(N、C、F)層、半導体層を有し、その上に、上記の積層構造を有する実施形態も本発明の範囲に包含される。本発明は、これらの実施形態に限定されない。なお、上記の図および後記する図では、(N、C、F)層の代わりにその代表層である「窒素含有層」を記載しているが、これは好ましい態様であって、これに限定する趣旨ではない。
【0032】
そして繰り返し述べるように、特許文献4との対比において本発明の特徴部分は、(N、C、F)層の上にAl−Si拡散層を有しているところにある。このAl−Si拡散層は、(N、C、F)層の上に直接(直上)、有していても良い(実施例1および図1Aを参照)し、Alを実質的に含有しない半導体層(すなわち、実質的にSiのみからなる半導体層)を介して形成されていても良い(実施例2および図2を参照)。いずれの実施形態も本発明の範囲に包含される。このようなAl−Si拡散層は、(N、C、F)層、半導体層、およびAl系合金膜をこの順序で形成した後、約150℃以上の熱履歴を加えることによって得られるものである。
【0033】
以下、図面を参照しながら本発明に係る配線構造の第1〜第5の実施形態を詳しく説明する。以下では、本発明の積層構造が適用される表示装置の代表例としてTFTの実施形態1〜4を、半導体層の代表例としてMOSFETの実施形態5を用いて説明するが、これらに限定する趣旨ではない。また、半導体層の種類は、アモルファスシリコンおよび多結晶シリコンのいずれであっても良い。
【0034】
なお、配線構造の製造工程を説明するに当たり、「半導体層」の用語を繰り返し用いるが、(N、C、F)層の上に成膜される半導体層であってその後の熱履歴によって最終的に当該(N、C、F)層を大気から保護し得るAl−Si拡散層に変化し得る半導体層と、TFT用基板の上に直接形成される半導体層などであって(N、C、F)層の保護作用を有しない半導体とは、作用効果が相違することから、以下では、説明の便宜上、前者の保護層として作用し得る半導体層を「第2の半導体層」と呼び、後者の半導体層を「第1の半導体層」と呼ぶ場合がある。後記する実施例2および図2に示すように、TFTの製造条件によっては、第2の半導体層はすべてAl−Si拡散層に変化せず、残存することがある。
【0035】
(本発明の第1の実施形態)
本発明に係るTFTの第1の実施形態を図1Aに示す。図1Aは、TFT用基板の上に第1の半導体層を有し、その上に直接、(N、C、F)層とAl−Si拡散層とからなる2層の積層構造を有しており、その上に直接、Al系合金層が形成された構造を有している。図1Aの構造は、(N、C、F)層を形成した後、第2の半導体層を形成し、その後に約150℃以上の熱履歴を加えることによって得られ、例えば、後記する実施例1の方法によって得られる。
【0036】
第1の実施形態において、配線構造を構成する(N、C、F)層は、窒素、炭素、およびフッ素のいずれかの元素を含有している。この(N、C、F)層は、半導体層の表面全体をほぼ覆うように形成されているため、Al系合金と半導体層との界面におけるAlとSiとの相互拡散を防止するためのバリアとして有効に作用する。好ましくは窒素含有層である。詳細には、上記層を構成する窒素、炭素、フッ素は半導体層のSiと結合し、Si窒化物、Si炭化物、Siフッ化物を主に含有している。これら以外に、酸素を含有するSiの酸窒化物の化合物も含み得る。Siの酸窒化物などは、例えば、窒素含有層の形成過程などで不可避的に導入される酸素(O)と結合して得られる。
【0037】
ここで、(N、C、F)層に含まれる窒素原子、炭素原子、フッ素原子の面密度の合計は、半導体層材料(代表的にはSi)の有効ボンドの面密度と同じか、該有効ボンドの面密度よりも高い面密度を有していることが好ましい。特許文献4において詳述したように、金属配線材料と半導体材料との相互拡散を防止するためには、半導体層の表面を窒素含有層などの(N、C、F)層で覆う必要がある。この場合、半導体層表面に存在する未結合手(ダングリングボンド)は、上記層を構成する各元素と結合していることが好ましい。「有効ボンド」とは、窒素原子の立体障害も考慮したうえで、半導体層表面に配置し得る結合手を意味し、「有効ボンドの面密度」とは、半導体層の表面全体を(N、C、F)層で覆ったときの面密度を意味する。有効ボンドの面密度は、半導体材料の種類などによって異なるが、例えば、シリコンの場合、結晶の面方位によっても若干相違するが、おおむね、1014cm-2〜2×1016cm-2の範囲内にある。
【0038】
具体的には、例えば、窒素含有層がSi窒化物を主に含有している場合、およびSi窒化物を主に含有し、Siの酸窒化物を更に含有している場合のいずれにおいても、窒素含有層の窒素は、半導体層と接触する界面において、1014cm-2以上2×1016cm-2以下の面密度(N1)を有していることが好ましい。所望のTFT特性などを確保するためには、窒素含有層の窒素の面密度の下限は、2×1014cm-2がより好ましく、4×1014cm-2がさらにより好ましい。同様に炭素含有層の炭素は、半導体層と接触する界面において、1014cm-2以上2×1016cm-2以下の面密度(C1)を有していることが好ましく、2×1014cm-2以上がより好ましく、4×1014cm-2以上がさらにより好ましい。また、フッ素含有層のフッ素も上記と同様に、半導体層と接触する界面において、1014cm-2以上2×1016cm-2以下の面密度(F1)を有していることが好ましく、2×1014cm-2以上がより好ましく、4×1014cm-2以上がさらにより好ましい。
【0039】
(N、C、F)層は、Si−N結合、Si−C結合、Si−O結合を含む層を少なくとも一層以上有していればよい。ここで、Si−N結合のSiとNとの距離(原子間隔)は約0.18nmであり、実質的には0.2nm以上が好ましく、0.3nm以上がより好ましい。ただし、窒素含有層の窒素の面密度(N1)が高くなり過ぎると、窒素含有層に含まれる絶縁性のSi窒化物も多くなり、電気抵抗が上昇し、TFT性能が劣化する。窒素含有層の窒素の面密度の上限は、1×1016cm-2であることがより好ましい。同様の観点から、Si−C結合のSiとCとの距離(原子間隔)は約0.19nmであり、実質的には0.2nm以上が好ましく、0.3nm以上がより好ましい。また、炭素含有層の炭素の面密度の上限は、1×1016cm-2であることがより好ましい。同様の観点から、Si−F結合のSiとFとの距離(原子間隔)は約0.16nmであり、実質的には0.18nm以上が好ましく、0.25nm以上がより好ましい。また、フッ素含有層のフッ素の面密度の上限は、1×1016cm-2であることがより好ましい。
【0040】
なお、(N、C、F)層が、Siの酸窒化物などのように酸素含有化合物を含む場合(例えば、Si窒化物のほかにSiの酸化物を更に含有している場合)、上記層を構成する各元素の面密度の合計は上記要件を満足していると共に、各元素の面密度(N1、C1、F1)と酸素の面密度(O1)との比の合計[(N1+C1+F1)/O1]は1.0以上であることが好ましく、これにより、TFT特性が一層高められる。Siの窒化物などの窒素含有化合物や、Siの酸窒化物などの酸素含有化合物は、本来、絶縁物であるが、(N、C、F)層の厚さは、後記するように、おおむね、0.18nm以上5nm以下と極めて薄いため、電気抵抗を低く抑えられる。
【0041】
本発明者の実験結果によれば、TFT特性は[(N1+C1+F1)/O1]の比によって影響を受け、より優れたTFT特性を得るためには、[(N1+C1+F1)/O1]の比を1.0以上と大きくすれば良いことが判明した。[(N1+C1+F1)/O1]の比が大きくなると、(N、C、F)層中の抵抗成分が少なくなるため、良好なトランジスタ特性が得られると考えられる。[(N1+C1+F1)/O1]の比は大きい程よく、例えば、1.05以上であることがより好ましく、1.1以上であることが更に好ましい。
【0042】
[(N1+C1+F1)/O1]の比は、例えば、プラズマ窒化法を用いて窒素含有層を形成するに当たり、プラズマのガス圧力やガス組成、処理温度などのプラズマ発生条件を適切に制御することによって調節することができる。
【0043】
前述した(N、C、F)層の窒素の面密度(N1)、炭素の面密度(C1)、フッ素の面密度(F1)、酸素の面密度(O1)は、例えば、RBS(Rutherford Backscattering Spectrometry、ラザフォード後方散乱分光)法を用いて算出することができる。
【0044】
(N、C、F)層の厚さは、おおむね、0.18nm以上5nm以下の範囲内であることが好ましい。前述したように、(N、C、F)層は、Al系合金層と半導体層との界面におけるAlとSiとの相互拡散を防止するためのバリア層として有用であるが、(N、C、F)層は絶縁体となり易いため、厚くなり過ぎると電気抵抗が極度に高くなるほか、TFT性能が劣化する。(N、C、F)層の厚さを上記範囲内に制御することにより、(N、C、F)層の形成による電気抵抗の上昇を、TFT性能に悪影響を及ぼさない範囲内に抑えられる。(N、C、F)層の厚さは、おおむね、3nm以下であることがより好ましく、2nm以下がさらに好ましく、1nm以下であることがさらにより好ましい。(N、C、F)層の厚さは、種々の物理分析手法によって求めることができ、例えば、前述のRBS法のほか、XPS(X線光電子分光分析)法、SIMS(二次イオン質量分析)法、GD−OES(高周波グロー放電発光分光分析)法などを利用することができる。
【0045】
(N、C、F)層を構成する各元素の原子数とSi原子数との比の最大値は、0.5以上1.5以下の範囲内であることが好ましい。これにより、TFT特性を劣化させることなく、(N、C、F)層によるバリア作用を有効に発揮させることができる。上記の比の最大値は、0.6以上であることがより好ましく、0.7以上であることがさらに好ましい。上記の比は、例えば、プラズマ照射時間をおおむね5秒間から10分間の範囲内に制御することによって調節することができる。上記の比は、(N、C、F)層の深さ方向の元素(N、C、F、およびSi)をRBS法によって分析することによって算出される。
【0046】
上記の(N、C、F)層を形成するためには、半導体層を形成した後、窒素、炭素、フッ素の少なくともいずれかを半導体層表面に供給すれば良い。具体的には、これらのいずれかを含有するプラズマを利用して上記の層を形成することができる。あるいは、特許文献4に記載したように、窒素含有層を、熱窒化法やアミノ化法を用いて形成しても良い。熱窒化法やアミノ化法の詳細は特許文献4を参照すれば良い。
【0047】
以下、プラズマを利用する方法について詳細に説明する。プラズマは、窒素、炭素、フッ素の少なくともいずれかを含有するガスを用いることができる。利用可能なガスとしては、N2、NH3、N2O、NOなどの窒素含有ガス;NF3などの窒素・フッ素含有ガス;CO、CO2、炭化水素系ガス(例えばCH4、C2H4、C2H2など)などの炭素含有ガス;炭化フッ素系ガス(例えばCF4、C4F8など)、CHF3などの炭素・フッ素含有ガスなどが挙げられる。これらのガスを単独または混合ガスとして利用することができる。
【0048】
また、上記のガスを含有するプラズマ源から窒素、炭素、フッ素の少なくともいずれかを半導体層表面に供給する方法としては、例えば、プラズマ源の近傍に半導体層を設置させて行う方法が挙げられる。ここで、プラズマ源と半導体層との距離は、プラズマ種、プラズマ発生のパワー、圧力、温度などの各種パラメータに応じて適宜設定すればよいが、一般的にはプラズマに接触した状態から数cm〜10cmの距離を利用できる。このようなプラズマ近傍では、高いエネルギーを有した原子が存在しており、この高エネルギーによって半導体層表面に窒素、炭素、フッ素などを供給することで、半導体表面に窒化物、炭化物、フッ化物などを形成することができる。
【0049】
上記方法のほかに、例えば、イオン注入法を利用しても良い。この方法によれば、電界によってイオンが加速され長距離の移動が可能なため、プラズマ源と半導体層との距離を任意に設定することができる。この方法は、専用のイオン注入装置を用いることによって実現可能であるが、プラズマイオン注入法が好ましく用いられる。プラズマイオン注入法は、プラズマ近傍に設置された半導体層に負の高電圧パルスを印加することによってイオン注入を一様に行なう技術である。
【0050】
(N、C、F)層を形成するに当たっては、製造工程の簡略化や処理時間の短縮化などの観点から、上記層の形成に用いる装置やチャンバー、温度やガス組成を、以下のように制御して行なうことが好ましい。
【0051】
まず、装置は、製造工程の簡略化のため、半導体層形成装置と同一装置で行うことが好ましく、同一装置の同一チャンバーで行うことがより好ましい。これにより、装置間もしくは装置内で、処理対象のワークが余分に移動する必要がなくなる。温度に関しては、半導体層の成膜温度と実質的に同じ温度(約±10℃の範囲を含み得る。)で行うことが好ましく、これにより、温度変動に伴う調節時間を省略することができる。
【0052】
また、ガス組成に関しては、(ア)窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガス(前述した窒素含有ガス、炭素含有ガス、フッ素含有ガスなど)を用いて(N、C、F)層を形成しても良いし、または(イ)窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガスと、半導体層形成に用いられる原料ガスとの混合ガスを用いて(N、C、F)層を形成しても良いし、または(ウ)窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガスと、還元性ガスとの混合ガスを用いて(N、C、F)層を形成しても良い。例えば、窒素含有層を形成する場合、上記(ア)のように少なくとも窒素を含有する窒素含有ガス(N2、NH3、NF3など)のみを用いて行っても良いが、上記(イ)のように、窒素含有ガスと、半導体層形成に用いられる原料ガス(SiH4)との混合ガスであることが好ましい。窒素含有ガスのみを用いて窒素含有層を形成すると、半導体層の形成後、チャンバー内をパージするために、使用した半導体層形成用ガスを全て一旦排除する必要があるが、上記のように混合ガスの条件下で行なえば、ガスを排除する必要はなくなるため、処理時間を短縮できる。
【0053】
上記(イ)において、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガス(以下「(N、C、F)ガス」と略称する、特に窒素含有ガス)と、半導体層形成に用いられる原料ガス(以下「半導体原料ガス」と略称する)との流量比((N、C、F)ガス/半導体原料ガス)は、好ましくは0.1以上15以下に制御することが好ましく、これにより、上記処理時間の短縮効果が有効に発揮されるほか、TFT特性(オン電流・オフ電流)の低下やコンタクト抵抗の上昇を防止できる。(N、C、F)ガスが少なすぎるとAl−Siとの相互拡散防止効果が有効に発揮されず、逆に(N、C、F)ガスが多すぎると該薄膜層内の結合が不安定となる。((N、C、F)ガス/半導体原料ガス)のより好ましい流量比は、0.3以上10以下であり、さらに好ましい流量比は0.5以上7以下である。
【0054】
あるいは、ガス組成は、上記(ウ)のように、前述した窒素含有ガスと、還元性元素含有ガスとの混合ガスであることが好ましく、これにより、半導体層の酸化が一層有効に抑えられる。還元性元素としては、例えば、NH3やH2などが挙げられる。このうち、NH3は、還元作用を有するだけでなく窒素含有ガスとしても作用するため、単独で用いることもできるが、H2と混合して用いることもできる。
【0055】
次に、本発明に用いられるAl系合金について説明する。Al系合金は、例えば、スパッタリング法によって形成すれば良い。本発明では、単一のスパッタリングターゲットおよび単一のスパッタリングガスを用いて形成できる。
【0056】
本発明に用いられるAl系合金の種類は特に限定されず、TFT特性などの電気的特性に悪影響を及ぼさない限り、ソース・ドレイン配線などの配線材料として通常使用されるもの、例えば、純Alや、合金成分として、例えば、Si、Cu,希土類元素(代表的には、NdやYなど)を含有するAl合金などのように、従来汎用されているAl材料を用いることができる。
【0057】
また、本発明では、特許文献4に記載したように、Niを好ましくは6原子%以下(より好ましくは5原子%以下)の範囲で含有するAl−Ni合金:Al−Ni合金中に、以下に記載の第三成分(グループX1またはグループX2に属する元素)を更に含有するAl−Ni−X1合金/Al−Ni−X2合金/Al−Ni−X1−X2合金を用いることもできる。後者のAl−Ni−X1合金などを用いる場合には、Niの下限を0.05原子%(好ましくは、0.1原子%)とすることが好ましい。ここで、「グループX1」は、Ti,V,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,およびWよりなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、好ましくは0.1原子%以上1.0原子%以下の範囲内で、より好ましくは0.2原子%以上0.8原子%以下の範囲内で含んでいてもよい。これらの元素は、単独で添加しても良く、2種以上を併用してもよい。2種以上の元素を添加するときは、各元素の合計の含有量が上記範囲を満足すればよい。また、「グループX2」は、Mg,Cr,Mn,Ru,Rh,Pd,Ir,Pt,La,Gd,Tb,Dy,Nd,Y,Co,およびFeよりなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、好ましくは0.1原子%以上2.0原子%以下の範囲内で、より好ましくは、0.3原子%以上1.8原子%以下の範囲内で含んでいてもよい。これらの元素は、単独で添加しても良く、2種以上を併用してもよい。2種以上の元素を添加するときは、各元素の合計の含有量が上記範囲を満足すればよい。本発明では、グループX1とグループX2に属する元素の両方を含むAl−Ni−X1−X2合金を用いることもできる。
【0058】
このように、上記グループX1,X2に属する元素は、いずれも、耐熱性とAl−Ni−X1合金薄膜/Al−Ni−X2合金薄膜の電気抵抗率との観点から選択したものであるが、耐熱性に対するメカニズムは、上記グループX1とグループX2との間で、若干相違している。即ち、グループX1に属する元素は、上記グループX2に属する元素に較べると、金属間化合物の析出が遅れる分だけ耐熱性を高める効果がより高いと考えられ、よって添加量を相対的に少なく抑えても十分な耐熱性改善効果が得られる。
【0059】
本発明に用いられるAl系合金としては、上記のほかに、Ni,Ag,Zn,CoのグループX3から選択される少なくとも1種と、上記X3と金属間化合物を形成することのできるグループX4(Cu,Ge,Si,Mg,In,Sn,B)から選択される少なくとも1種を含んでいても良い。このAl系合金は、最大径150nm以下のX3−X4もしくはAl−X3−X4で示される金属間化合物が形成されている。好ましくは、Al−(Ni,Co)−(Cu、Ge)合金である。更に、上記のAl系合金は、La,Nd,Gd,DyのグループX5から選択される少なくとも1種の耐熱性向上元素を含有していてもよい。
【0060】
上記Al系合金層の厚さは、必要とされるTFT特性などに応じて適宜調整することができるが、概ね、10nm〜1μmであることが好ましく、より好ましくは30nm〜800nm、更に好ましくは50nm〜600nmである。
【0061】
また、Al−Si拡散層の厚さも、上記と同様、必要とされるTFT特性などに応じて適宜調整することができるが、概ね、0.2nm以上200nm以下の範囲内であることが好ましい。詳細には、Al−Si原子1層分に相当する厚さ(約0.2nm程度)よりも厚ければよく、TFT製造の観点からはできるだけ薄いほうが良いという趣旨に基づき、上限を約200nm程度にした。
【0062】
本発明に用いられる半導体層は、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンであることが好ましい。なお、半導体層がP、As、Sb、Bなどのような半導体分野で汎用されている不純物(ドーパント)を含んでいる場合には、その原子濃度は、合計で1019cm-3以上が好ましく、これにより、コンタクト抵抗をより低減することができる。また、上記の原子濃度が約1015cm-3以下でありドーパントを含まない場合においても、コンタクト抵抗を大きく増加させることなく、良好なTFT特性を得ることができる。この場合は、ドーピングガスを用いないため、コストや製造工程を省略できるといったメリットが得られる。
【0063】
上記半導体層の好ましい厚さは、シリコン原子層にほぼ相当する0.2nm〜1μmである。より好ましい半導体層の厚さは、0.5nm〜500nmであり、さらに好ましくは、1nm〜300nmである。
【0064】
以上、図1Aの実施形態について詳述した。
【0065】
なお、図1Aの実施形態は、TFT用基板の上に形成される第1の半導体層の構成によって図1Bおよび図1Cの両方を包含し得る。このうち図1Bにおける第1の半導体層は、基板側から順に、P、As、Sb、Bなどの不純物を含有しないノンドープトアモルファスシリコン膜(a−Si−H)と、上記の不純物を含有するドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜(n+a−Si−H)から構成されており、例えば、後記する実施例1の方法によって得られる。一方、図1Cにおける第1の半導体層は、低抵抗アモルファスシリコン膜(n+a−Si−H)を含まず、ノンドープトアモルファスシリコン膜(a−Si−H)のみから構成されている。図1Cのように、低抵抗アモルファスシリコン膜(n+a−Si−H)を有しない第1の半導体層の上に直接、窒素含有層、第2の半導体層、Al系合金層を順次形成しても、所望とするAl−Si拡散層が得られることを実験によって確認している(後記する実施例を参照)。本発明の方法によれば、リンなどの不純物をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜(n+a−Si−H)をわざわざ形成しなくても良い点で、成膜工程をより簡略化できるといった利点がある。
【0066】
なお、図には示していないが、窒素含有層の上に形成される第2の半導体層は、後記する実施例1に示すように、Pなどの不純物を含有する低抵抗アモルファスシリコン膜のみから構成されていても良いし、あるいは、ノンドープトアモルファスシリコン膜と上記の低抵抗アモルファスシリコン膜から構成されていても良いし、いずれの態様も包含し得る。低抵抗アモルファスシリコン膜は、例えば、SiH4、PH3を原料としたプラズマCVDを行うことによって形成される。
【0067】
(本発明の第2の実施形態)
本発明に係るTFTの第2の実施形態は、上述した第1の実施形態におけるAl−Si拡散層の変形例であり、図2に示すように3層の積層構造を有する例である。詳細には、AlとSiの相互拡散が窒素含有層まで進行しない条件でTFTを製造したために、Alを実質的に含有しない第2の半導体層(すなわち、実質的にSiのみからなる半導体層)と、(N、C、F)層と、Al−Si拡散層とからなる3層の積層構造を有するものであり、このような形態も本発明の範囲に包含される。ここで、「Alを実質的に含有しない」とは、後記する測定方法によってAlの元素分析を行ったときに、Alの濃度がおおむね、0.01原子%以下であるものを意味する。
【0068】
図2の構造は、例えば、後記する実施例2の方法によって得られる。実施例2では、上記の3層構造を得るために、(N、C、F)層の上に第2の半導体層を成膜する時間を長くして当該第2の半導体層の厚さを厚くしたが、当該第2の半導体層の厚さは、半導体層へのAl原子の拡散距離との関係でAl原子の拡散距離より厚い範囲に制御すればよい。上記の3層構造を得る方法はこれに限定されず、例えば、Ta、Nb、Hf、Ti、Vなどの遷移金属を含むAl系合金を使用しても良く、これにより、AlとSiの相互拡散が抑制される。
【0069】
(本発明の第3の実施形態)
本発明に係るTFTの第3の実施形態は、上述した第1の実施形態における2層の積層構造を構成する窒素含有層と、TFT用基板の間に、第1の半導体層、(N、C、F)層、第1の半導体層を有している例である。詳細には、図3に示すように、TFT用基板の上に第1の半導体層、(N、C、F)層、第1の半導体層を有し、その上に直接、(N、C、F)層とAl−Si拡散層とからなる2層の積層構造を有しており、その上に直接、Al系合金層が形成された構造を有している。図3の構造は、例えば、後記する実施例3の方法によって得られる。
【0070】
(本発明の第4の実施形態)
本発明に係るTFTの第4の実施形態は、上述した第2の実施形態における3層の積層構造を構成する窒素含有層と、TFT用基板の間に、第1の半導体層、(N、C、F)層、第1の半導体層を有している例である。詳細には、図4に示すように、TFT用基板の上に第1の半導体層、(N、C、F)層、第1の半導体層を有し、その上に直接、Alを実質的に含有しない第2の半導体層と(N、C、F)層とAl−Si拡散層とからなる3層の積層構造を有しており、その上に直接、Al系合金層が形成された構造を有している。図4の構造は、例えば、後記する実施例4の方法によって得られる。
【0071】
(本発明の第5の実施形態)
本発明に係るMOSFETの第1の実施形態を図5に示す。図5は、単結晶Siの上に直接、(N、C、F)層とAl−Si拡散層とからなる2層の積層構造を有しており、その上に直接、Al系合金層が形成された構造を有している。このような構造は図8に示す工程により形成される。すなわち、イオン注入法などにより窒素を単結晶Si基板中に打ち込む。このとき、注入された窒素はある深さ(飛程と呼ばれる)を中心にほぼガウス分布の深さ方向分布を有する。注入された窒素のダメージによりSiの一部はアモルファス化する。次にAl系合金をスパッタとメッキにより成膜し、その後アニールなどの熱処理を施すことでAl系合金層/Al−Si拡散層/窒素含有層/単結晶Siの構造が形成される。図5の構造は、例えば、後記する実施例5の方法によって得られる。
【0072】
上記の実施形態は、前述したTFTの第1の実施形態と同じ配線構造を有している。MOSFETの実施形態は上記に限定されず、例えば、前述したTFTの第2〜第4の実施形態と実質的に同じ構造を採用することができる。
【実施例】
【0073】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限されず、上記・下記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【0074】
以下の実施例1〜14、比較例1、および従来例では、TFT特性などを簡易に測定するため、図6の各工程図に従って作製した図6lのTFTに対し、300℃で30分間のアニールを行った。このアニール条件は、TFT基板の製造工程で、熱履歴が最大となるSi窒化膜(保護膜)の成膜工程の加熱処理を想定して設定されたものである。本実施例に供したTFTは、現実のTFT基板のように種々の成膜工程が施されて完成されたものではないが、上記のアニールを行ったTFTは、実際のTFT基板のTFT特性をほぼ反映していると考えられる。
【0075】
(実施例1)
実施例1は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料としてAl−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%Laを用いた。
【0076】
図6の各工程図を参照しながら、実施例1の製造方法を説明する。
【0077】
まず、ガラス基板上に、スパッタリング法で膜厚200nm程度のAl合金薄膜(Al−2.0原子%Nd)を形成した(図6a)。スパッタリングの成膜温度は室温とした。このAl合金薄膜上にフォトリソグラフィによりレジストをパターニングした(図6b)後、レジストをマスクとしてAl合金薄膜をエッチングすることにより、ゲート電極を形成した(図6c)。
【0078】
次いで、プラズマCVD法により、膜厚約200nmの窒化シリコン膜(SiN)を形成し、ゲート絶縁膜とした(図6d)。プラズマCVD法の成膜温度は約350℃とした。さらに、プラズマCVD法を用いて、膜厚約200nmのノンドープアモルファスシリコン膜[a−Si(i)]、および膜厚約40nmの不純物(P)をドーピングした低抵抗アモルファスシリコン膜[a−Si(n)]を順次成膜した(図6e、図6f)。この低抵抗アモルファスシリコン膜[a−Si(n)]は、SiH4、PH3原料としたプラズマCVDを行なうことによって形成した。
【0079】
続いて、同一のプラズマCVD装置の同一チャンバー内にて、窒素ガスのみを供給してプラズマを発生させ、上記の低抵抗アモルファスシリコン膜の表面を窒素プラズマにて30秒間処理し、窒素含有層を形成した(図6g)。このプラズマに印加した高周波(RF)パワー密度は約0.3W/cm2、成膜温度は320℃、ガス圧力は133Paとした。表面をRBS法およびXPS法で分析した結果、厚さ約5nmの窒素含有層が形成されていることが確認された。
【0080】
その後、CVD装置から取り出すことなく連続して、不純物(P)をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜[a−Si(n)]を再度成膜した。このとき、低抵抗のアモルファスシリコン膜の膜厚は約10nmとした(図6h)。
【0081】
次いで、その上に、スパッタリング法を用いて膜厚約300nmのAl系合金膜(Al−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%La)を成膜した(図6i)。スパッタリングの成膜温度は室温とした。次に、フォトリソグラフィによりレジストをパターニングした後、レジストをマスクとして上記のAl系合金膜をエッチングすることにより、図6jに示す様にソース電極とドレイン電極を形成した。更に、ソース電極とドレイン電極をマスクとして、ドライエッチングにより低抵抗のアモルファスシリコン膜[a−Si(n)]をすべて除去し、窒素含有層とAl系合金膜との間にAl−Si拡散層を有するTFTを形成した(図6k、図6l)。Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0082】
(TFT特性の評価)
上記のTFTを用い、TFTのドレイン電流−ゲート電圧のスイッチング特性を調べた。これによっても、SiとAlとの相互拡散を間接的に評価することができる。ここでは、TFTのスイッチングのオフ時に流れるリーク電流(ゲート電圧に負電圧を印加したときのドレイン電流値、オフ電流)と、TFTのスイッチングのオン時に流れるオン電流とを以下のようにして測定した。
【0083】
ゲート長(L)10μm、ゲート幅(W)100μm、W/Lの比が10のTFTを用い、ドレイン電流およびゲート電圧を測定した。測定時のドレイン電圧は10Vとした。オフ電流はゲート電圧(−3V)を印加したときの電流と定義し、オン電流はゲート電圧が20Vとなるときの電圧と定義した。
【0084】
詳細には、実施例1のTFTに対し、300℃で30分間のアニールを行なった後、オフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.4×10-13A、オン電流は1.7×10-6Aであった。比較のため、純Alの薄膜とMoのバリアメタル層とからなる従来例のソース−ドレイン電極を用いて上記と同様にしてTFTを作製し、TFT特性を測定した。その結果、従来例のオフ電流は4.0×10-13A、オン電流は1.6×10-6Aであった。これらの結果を表1に示す。
【0085】
以上の結果より、実施例1のTFTは、バリアメタルを介在させた従来例のTFTと同程度の優れたTFT特性が得られており、アモルファスシリコンとAl系合金膜1との相互拡散は生じないことが確認された。
【0086】
(SiとAlの相互拡散の評価)
アニール後のアモルファスシリコンとAl系合金膜との界面を断面TEM観察(倍率30万倍)し、SiとAlとの相互拡散の挙動を評価した。上記界面の断面TEM像を図9に示す。図9に示すように、300℃の熱処理によりAlはその下に存在する低抵抗アモルファスシリコン膜中まで拡散してAl−Si拡散層を形成し、Al系合金膜との間に明瞭な界面層が観察された。よって、実施例1によれば、アモルファスシリコン膜の上に窒素含有層とAl−Si拡散層からなる積層構造が形成されることが確認された。更に、EDX法で半定量分析を行った結果、低抵抗アモルファスシリコン膜中にはAl元素は殆ど検出されず、Alの拡散は低抵抗アモルファスシリコン膜の上層で阻止されていることが分かった。
【0087】
(コンタクト抵抗の測定)
Al系合金膜と半導体層(アモルファスシリコン)とのコンタクト抵抗を調べるため、図10の各工程図に従ってTLM法(Transfer Length Method)によりTLM素子を形成した。
【0088】
はじめに、図10を用いてTLM素子の作製方法を説明し、次いで図11および図12を用いてTLM法の測定原理を説明する。
【0089】
まず、ガラス基板上に、プラズマCVD法により、膜厚約200nmの不純物(P)をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜1を膜厚約200nmで成膜した。続いて、同一のプラズマCVD装置内にて、窒素ガスのみを供給してプラズマを発生させ、低抵抗アモルファスシリコン膜1の表面を窒素プラズマにて30秒間処理し、窒素含有層を形成した(図10a)。このプラズマに印加したRFパワー密度は約0.3W/cm2とした。
【0090】
次いで、CVD装置から取り出すことなく連続して、再び不純物(P)をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜2を成膜した(図10a)。低抵抗のアモルファスシリコン膜2の膜厚は10nmとした。その上に膜厚約300nmのAl系合金膜(Al−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%La)を成膜した(図10b)。フォトリソグラフィによりレジストをパターニングした後(図10c)、レジストをマスクとしてAl系合金をエッチングすることにより、図10dに示す様な複数の電極を形成した。ここでは、各電極間の距離を種々変化させた。更に、再びドライエッチングを行い、フォトリソグラフィによりレジストをパターニングした。このとき、図10eに示す様に全ての電極パターンをレジストで覆った。これをマスクとして電極パターンの外周部の低抵抗アモルファスシリコン膜を除去した(図10f)。最後に、300℃にて30分の熱処理を施し、Al−Si拡散層を形成した(図10g)。
【0091】
次に、図11および図12を参照しながら、TLM法によるコンタクト抵抗の測定原理を説明する。図12(a)は、前述した図10gの配線構造を模式的に示す断面図であり、図12(b)は、図10gの上面図である。図12(a)では、Al−Si拡散層は省略している。
【0092】
まず、前述した図10gの配線構造において、複数の電極間における電流電圧特性を測定し、各電極間の抵抗値を求めた。こうして得られた各電極間の抵抗値を縦軸とし、電極間距離(トランスファー長、L)を横軸としてプロットし、図11のグラフを得た。図11のグラフにおいて、y切片の値は、コンタクト抵抗Rcの2倍の値(2Rc)に、x切片の値は、実効的なコンタクト長(LT:transfer length、トランスファー長)に、それぞれ相当する。以上から、コンタクト抵抗率ρcは下式にて表される。
ρc=Rc*LT*Z
上式中、Zは、図12(b)に示すように電極幅を示す。
【0093】
これらの結果を表1に示す。表1より、実施例1のTFTは良好なコンタクト抵抗を有していることが分かる。
【0094】
(半導体層とAl系合金膜との界面の元素面密度の測定)
実施例1および従来例について、窒素原子の面密度(N1)および酸素原子の面密度(O1)を、神戸製鋼所製高分解能RBS分析装置「HRSB500」を用いて測定した。その結果、従来例のN原子面密度(N1)は検出限界以下、O原子面密度(O1)は4.1×1015/cm2であったのに対し、実施例1のN原子面密度(N1)は6.3×1015/cm2、O原子面密度(O1)は検出限界以下であり、良好なTFT特性を有することが確認された。
【0095】
(実施例2)
実施例2は、前述した実施形態2の配線構造(図2を参照)を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として実施例1と同じAl−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%Laを用いた。
【0096】
前述した実施例1において、図6hの低抵抗アモルファスシリコン膜の膜厚を200nmとしたこと以外は実施例1と同様にして実施例2のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは実施例1と同様、約5nmである。
【0097】
このようにして得られた実施例2のTFTに対し、実施例1と同様、300℃で30分のアニールを施し、アニール後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行なった。その結果、Al元素はアモルファスシリコン膜の上層約80〜100nmまで拡散しており(すなわち、Al−Si拡散層の厚さは約80〜100nm)が、それより深い領域まで拡散しているAl元素は極めて僅かであり、ほぼ100nmより深部では初期のアモルファスシリコン膜の状態が維持されていると判断された(図には示さず)。
【0098】
また、実施例1と同様にして実施例2のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.8×10-13A、オン電流は1.7×10-6Aであった(表1を参照)。よって、実施例2のTFTは、比較例1のTFTと同等の良好なTFT特性が得られることが分かった。
【0099】
更に、実施例2のコンタクト抵抗を調べるため、前述した実施例1において、低抵抗アモルファスシリコン膜200nmを成膜したこと以外は実施例1と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表1に示すとおりであり、実施例2のTFTは良好なコンタクト抵抗を有していることが分かった。
【0100】
(実施例3)
実施例3は、前述した実施形態3の配線構造(図3を参照)を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として実施例1と同じAl−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%Laを用いた。
【0101】
前述した実施例1において、図6hの低抵抗アモルファスシリコン膜を成膜した後、CVD装置から取り出すことなく連続して、再度窒素プラズマにて30秒間処理し、不純物(P)をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜を10nm成膜した工程を追加したこと以外は、実施例1と同様にして実施例3のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは実施例1と同様、約5nmであった。
【0102】
このようにして得られた実施例3のTFTに対し、実施例1と同様、300℃で30分のアニールを施し、アニール後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行なった。その結果、Al元素はアモルファスシリコン膜中にはほとんど検出されず、実施例1と同様に、Alの拡散は、アモルファスシリコン膜の上層で阻止されていることが分かった(図には示さず)。なお、Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0103】
また、実施例1と同様にして実施例3のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.2×10-13A、オン電流は1.7×10-6Aであった。よって、実施例3のTFTは、比較例1のTFTと同等の良好なTFT特性が得られることが分かった。
【0104】
更に、前述した実施例1において、低抵抗アモルファスシリコン膜10nmを成膜した後、再度窒素プラズマ処理を行い、低抵抗のアモルファスシリコン膜10nmを成膜したこと以外は実施例1と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表1に示すとおりであり、実施例3のTFTは良好なコンタクト抵抗を有することが確認された。
【0105】
(実施例4)
実施例4は、前述した実施形態4の配線構造(図4を参照)を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として実施例1と同じAl−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%Laを用いた。
【0106】
前述した実施例1において、図6hの低抵抗アモルファスシリコン膜を成膜した後、CVD装置から取り出すことなく連続して、再度窒素プラズマにて30秒間処理し、不純物(P)をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜を200nm成膜した工程を追加したこと以外は、実施例1と同様にして実施例4のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは、実施例1と同様、約5nmであった。
【0107】
このようにして得られた実施例4のTFTに対し、実施例1と同様、300℃で30分のアニールを施し、アニール後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行なった。その結果、Al元素はアモルファスシリコン膜の上層約80〜100nmまで拡散していた(すなわち、Al−Si拡散層の厚さは約80〜100nm)が、ほぼ100nmよりも深い領域まで拡散しているAl元素は極めて僅かであり、ほぼ100nmより深部では初期のアモルファスシリコン膜3の状態を保っていると判断された(図には示さず)。
【0108】
また、実施例1と同様にして実施例4のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.3×10-13A、オン電流は1.6×10-6Aであった(表1を参照)。よって、実施例4のTFTは、従来例のTFTと同等の良好なTFT特性が得られることが分かった。
【0109】
更に、前述した実施例1において、低抵抗アモルファスシリコン膜10nmに続いて再度窒素プラズマ処理を行った後、低抵抗のアモルファスシリコン膜200nmとAl系合金膜300nmを成膜したこと以外は実施例1と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果を表1に示す。表1に示すように実施例4のTFTは良好なコンタクト抵抗を有している。
【0110】
(実施例5)
実施例5は、前述した実施形態5の配線構造(図7を参照)を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として実施例1と同じAl−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%Laを用いた。
【0111】
前述した実施例1において、図6eに示すノンドープアモルファスシリコン膜を成膜した後、CVD装置から取り出すことなく連続して、再度窒素プラズマにて30秒間処理した。続いて、CVD装置から取り出すことなく連続して、不純物(P)をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜[a−Si(n)]を成膜した。このとき、低抵抗のアモルファスシリコン膜の膜厚は約10nmとした。以後、実施例1と同様にして実施例5のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは、実施例1と同様、約5nmであった。
【0112】
このようにして得られた実施例5のTFTに対し、実施例1と同様、300℃で30分のアニールを施し、アニール後のノンドープアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行なった。その結果、Al元素はノンドープアモルファスシリコン膜にはほとんど検出されず、実施例1と同様に、Alの拡散は、ノンドープアモルファスシリコン膜の上層で阻止されていることが分かった(図には示さず)。なお、Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0113】
また、実施例1と同様にして実施例5のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.3×10-13A、オン電流は1.6×10-6Aであった(表1を参照)。よって、実施例5のTFTは、従来例のTFTと同等の良好なTFT特性が得られることが分かった。
【0114】
(実施例6)
実施例6は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する本発明例であり、前述した実施例1において、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として純Alを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例6のTFTを作製した。
【0115】
このようにして得られた実施例6のTFTに対し、実施例1と同様にしてオフ電流およびオン電流、更にコンタクト抵抗を測定した。これらの結果を表1に示す。
【0116】
(実施例7)
実施例7は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する本発明例であり、前述した実施例1において、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料としてAl−0.2原子%Ni−0.35原子%Laを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例7のTFTを作製した。
【0117】
このようにして得られた実施例7のTFTに対し、実施例1と同様にしてオフ電流およびオン電流、更にはコンタクト抵抗を測定した。これらの結果を表1に示す。
【0118】
(実施例8)
実施例8は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する本発明例であり、前述した実施例1において、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料としてAl−2原子%Ni−0.35原子%Laを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例8のTFTを作製した。
【0119】
このようにして得られた実施例8のTFTに対し、実施例1と同様にしてオフ電流およびオン電流、更にはコンタクト抵抗を測定した。これらの結果を表1に示す。
【0120】
(実施例9)
実施例9は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する本発明例であり、前述した実施例1において、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料としてAl−3原子%Ni−0.6原子%Ndを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例9のTFTを作製した。
【0121】
このようにして得られた実施例9のTFTに対し、実施例1と同様にしてオフ電流およびオン電流、更にはコンタクト抵抗を測定した。これらの結果を表1に示す。
【0122】
表1より、実施例6〜9のTFTは、いずれも、従来例のTFTと同等の良好なTFT特性およびコンタクト抵抗が得られることが分かった。
【0123】
上述した実施例1〜9では、窒素ガスのみを用いて窒素含有層を形成したが、以下の実施例10〜14では、窒素ガスと半導体原料ガスの混合ガスを用いて窒素含有層を形成した。これらの実施例では、上記混合ガスの流量比を変えて実験を行なった。
【0124】
(実施例10)
実施例10は図1Aを参照とする配線構造を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として実施例1と同じAl−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%Laを用いた。
【0125】
まず、実施例1と同様にしてガラス基板上に、Al合金薄膜(Al−2.0原子%Nd)のゲート電極を形成した後、窒化シリコン膜(SiN)のゲート絶縁膜、ノンドープアモルファスシリコン膜[a−Si(i)]、および不純物(P)をドーピングした低抵抗アモルファスシリコン膜[a−Si(n)、以下、第1の低抵抗a−Si(n)と呼ぶ場合がある。]を順次成膜した。
【0126】
続いて、同一のプラズマCVD装置の同一チャンバー内にて、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:100sccm(窒素ガス/半導体原料ガスの流量比=3.3)を供給してプラズマを10秒間発生させ、窒素含有層を形成した。このプラズマに印加した高周波(RF)パワー密度は約0.06W/ccm2、成膜温度は350℃、ガス圧力は67Paとした。ここで、sccmは、standard cubic cm per minute(cm3/分)で、0℃において、1013hPaに換算した場合の流量を表す単位である。表面をRBS法およびXPS法で分析した結果、厚さ約5nmの窒素含有層が形成されていることが確認された。
【0127】
その後、実施例1と同様にして不純物(P)をドーピングした低抵抗のアモルファスシリコン膜[a−Si(n)、以下、第2の低抵抗a−Si(n)と呼ぶ場合がある。]を再度10nm成膜した。以後、実施例1と同様にして実施例10のTFTを作製した。
【0128】
(TFT特性の評価)
このようにして得られた実施例10のTFTに対し、実施例1と同様にして実施例10のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.2×10-13A、オン電流は1.7×10-6Aであった(表1参照)。よって、実施例10のTFTは、従来例のTFTと同等の良好なTFT特性が得られることがわかった。
【0129】
(SiとAlの相互拡散の評価)
実施例10のTFTに対し、実施例1と同様にして、300℃で30分のアニール処理後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、SiとAlの相互拡散を評価した。その結果、Al元素はアモルファスシリコン膜中には殆ど検出されず、実施例1と同様に、Alの拡散は、アモルファスシリコン膜の上層で阻止されていることがわかった。なお、Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0130】
(コンタクト抵抗の測定)
更に、実施例10のコンタクト抵抗を調べるため、前述した実施例1と同様、TLM法によりTLM素子を形成して調べた。詳細には、実施例1において、図10に示すTLM素子の窒素含有層形成条件(組成ガスおよびガスの流量比)を、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:100sccm[窒素ガス(100sccm)/半導体原料ガス(30sccm+0.2sccm)の流量比=3.3]としたこと以外は、実施例1と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表1に示すとおりであり、実施例10のTFTは良好なコンタクト抵抗を有することが確認された。
【0131】
(実施例11)
実施例11は、前述した実施例10において、窒素ガス/半導体原料ガスの流量比を0.3に変えた例である。
【0132】
詳細には、前述した実施例10において、窒素含有層形成条件であるガス流量を、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:10sccm[窒素ガス(10sccm)/半導体原料ガス(30sccm+0.2sccm)の流量比=0.3]としたこと以外は、実施例10と同様にして実施例11のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは実施例10と同様、約5nmであった。
【0133】
このようにして得られた実施例11のTFTに対し、実施例1と同様にして、300℃で30分のアニール処理後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、SiとAlの相互拡散を評価した。その結果、Al元素はアモルファスシリコン膜中には殆ど検出されず、実施例1と同様に、Alの拡散は、アモルファスシリコン膜の上層で阻止されていることがわかった。なお、Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0134】
また、実施例10と同様にして実施例11のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.2×10-13A、オン電流は1.8×10-6Aであった(表1参照)。よって、実施例11のTFTは、従来例のTFTと同等の良好なTFT特性が得られることがわかった。
【0135】
更に、実施例11のコンタクト抵抗を調べるため、前述した実施例10において、窒素含有層形成条件であるガス流量を、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:10sccm[窒素ガス(10sccm)/半導体原料ガス(30sccm+0.2sccm)の流量比=0.3]としたこと以外は、実施例10と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表1に示すとおりであり、実施例11のTFTは良好なコンタクト抵抗を有することが確認された。
【0136】
(実施例12)
実施例12は、前述した実施例10において、窒素ガス/半導体原料ガスの流量比を9.9に変えた例である。
【0137】
詳細には、前述した実施例10において、窒素含有層形成条件であるガス流量を、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:300sccm[窒素ガス(300sccm)/半導体原料ガス(30sccm+0.2sccm)の流量比=9.9]としたこと以外は、実施例10と同様にして実施例12のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは実施例10と同様、約5nmであった。
【0138】
このようにして得られた実施例12のTFTに対し、実施例1と同様にして、300℃で30分のアニール処理後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、SiとAlの相互拡散を評価した。その結果、Al元素はアモルファスシリコン膜中には殆ど検出されず、実施例1と同様に、Alの拡散は、アモルファスシリコン膜の上層で阻止されていることがわかった。なお、Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0139】
また、実施例10と同様にして実施例12のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.4×10-13A、オン電流は1.5×10-6Aであった(表1参照)。よって、実施例12のTFTは、従来例のTFTと同等の良好なTFT特性が得られることがわかった。
【0140】
更に、実施例12のコンタクト抵抗を調べるため、前述した実施例10において、窒素含有層形成条件であるガス流量を、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:300sccm[窒素ガス(300sccm)/半導体原料ガス(30sccm+0.2sccm)の流量比=9.9]としたこと以外は、実施例10と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表1に示すとおりであり、実施例12のTFTは良好なコンタクト抵抗を有することが確認された。
【0141】
(実施例13)
実施例13は、前述した実施例10において、窒素ガス/半導体原料ガスの流量比を19.9に変えた例である。
【0142】
前述した実施例10において、窒素含有層形成条件であるガス流量を、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:600sccm[窒素ガス(600sccm)/半導体原料ガス(30sccm+0.2sccm)の流量比==19.9]としたこと以外は、実施例10と同様にして実施例13のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは、約5nmであった。
【0143】
このようにして得られた実施例13のTFTに対し、実施例1と同様、300℃で30分のアニール処理後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、SiとAlの相互拡散を評価した。その結果、Al元素はアモルファスシリコン膜中には殆ど検出されず、実施例1と同様に、Alの拡散は、アモルファスシリコン膜の上層で阻止されていることがわかった。なお、Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0144】
また、実施例10と同様にして実施例13のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は3.3×10-13A、オン電流は4.0×10-7Aであった(表1参照)。よって、実施例13のTFTは、従来例に比べ、TFT特性が著しく低下しており、TFTとして機能しないことが分かった。
【0145】
更に、実施例13のコンタクト抵抗を調べるため、前述した実施例10において、窒素含有層形成条件であるガス流量を、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:600sccm(窒素ガス/半導体原料ガスの流量比=19.9)としたこと以外は、実施例10と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表1に示すとおりであり、コンタクト抵抗が上昇した。
【0146】
(実施例14)
実施例6は図1Aを参照とする配線構造を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として実施例10と同じAl−0.6原子%Ni−0.5原子%Cu−0.3原子%Laを用いた。
【0147】
前述した実施例10において、窒素含有層形成条件であるガス流量を、半導体層形成ガスであるSiH4:150sccm、PH3:1sccm、N2:10sccm[窒素ガス(10sccm)/半導体原料ガス(150sccm+1sccm)の流量比=0.07]としたこと以外は、実施例10と同様にして実施例14のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは、約5nmであった。
【0148】
このようにして得られた実施例14のTFTに対し、実施例1と同様、300℃で30分のアニール処理後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、SiとAlの相互拡散を評価した。その結果、Al系合金中やアモルファスシリコン中にボイドが観察され、顕著な相互拡散が生じたことが確認された。また、EDXによる半定量分析からも、アモルファスシリコン膜中へのAlの拡散やAl系合金膜中へのSiの拡散が確認された。
【0149】
また、実施例10と同様にして実施例14のオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は2.3×10-11A、オン電流は1.3×10-6Aであった(表1参照)。よって、実施例14のTFTは、従来例に比べ、TFT特性が著しく低下しており、TFTとして機能しないことが分かった。
【0150】
(比較例1)
比較例1は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)において、窒素含有層を有しない比較例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として、前述した実施例1と同じAl系合金を用いた。詳細には、前述した実施例1において、窒素含有層を形成する工程を行なわなかったこと以外は実施例1と同様にして比較例1のTFTを作製した。
【0151】
このようにして得られた比較例1のTFTに対し、実施例1よりも低い200℃の温度で30分のアニールを施し、アニール後のアモルファスシリコンとAl系合金との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行なった。その結果、200℃の低温処理を行なったにもかかわらずAl系合金中やアモルファスシリコン中にボイドが観察され、顕著な相互拡散が生じたことが確認された(図には示さず)。また、EDXによる半定量分析からも、アモルファスシリコン中へのAlの拡散やAl系合金中へのSiの拡散が確認された。
【0152】
また、実施例1と同様にして比較例1のオフ電流およびオン電流を測定した。その結果、オフ電流は3.5×10-9A、オン電流は4.4×10-7Aであった(表1を参照)。以上の結果から、窒素含有層を有しない比較例1では、従来例に比べ、TFT特性が著しく低下しており、TFTとして機能しないことが分かった。
【0153】
また、比較例1のコンタクト抵抗を測定したところ、表1に示すとおりであり、コンタクト抵抗が低下した。
【0154】
【表1】
【0155】
(実施例15)
実施例15は、実施形態5に係るLSIの配線構造(図7を参照)を有する本発明例であり、配線材料として純Alを用いた。
【0156】
図13の各工程図を参照しながら、実施例15のMOSFET(Metal−oxide−semiconductor field effect transistor)の製造方法を説明する。ここでは、単結晶p型Si基板上に局所酸化(LCOS:Local oxydation of Si)法により素子分離パターンの形成を行い、素子の活性領域(局所酸化されていない領域)にMOSFETを作製した。
【0157】
まず、単結晶p型Si基板上にゲート絶縁膜を熱酸化により形成した(図13a)。ゲート絶縁膜の膜厚は5nmとした。続いて、熱CVDにより、Pドープしたポリシリコンを300nmの厚みで形成した(図13b)。その後リソグラフィにより、レジストをパターニングした(図13c)。このレジストをマスクとしてドライエッチングによりポリシリコンをエッチングした(図13d)。続いてイオン注入によりAsを基板に打ち込み、活性化アニールを施すことでソース−ドレイン領域を形成した(図13e)。次に、層間絶縁膜をCVDにより600nm成膜した(図13f)。リソグラフィによりパターニングし(図13g)、ドライエッチングを施すことによりソース−ドレイン領域に金属配線(純Al)を接続させるためのコンタクトホールを形成した(図13h)。続いてイオン注入法などによりAsを基板に打ち込み、活性化アニールを施すことでソース−ドレイン領域を形成する(図13e)。次に、層間絶縁膜をCVDなどにより成膜する(図13f)。リソグラフィによりパターニングし(図13g)、ドライエッチングを施すと、ソース−ドレイン領域に金属配線(Al系合金)を接続させるためのコンタクトホールが形成される(図13h)。続いて、前述した図8に示した工程を経てAl系合金層/Al−Si拡散層/窒素含有層/単結晶Siの構造が形成される。すなわち、イオン注入法などにより窒素を基板に打ち込む。このとき、注入された窒素はある深さ(飛程と呼ばれる)を中心に、ほぼガウス分布の深さ方向分布を有する。本実施例では、イオンエネルギー10keVにて打ち込み、その飛程を深さ約10nmに調整した。また、Si基板の表面から約15nmまでの深さにおいて、注入された窒素のダメージによりSiはアモルファス化した(図13i)。窒素含有層の厚さは約5nmであった。次に純Alを成膜し(図13j)、リソグラフィおよびエッチングにより配線パターンに加工した。最後に400℃にて30分間アニールを行い、Al−Si拡散層を形成した(図13k)。Al−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0158】
次に、このようにして獲られた実施例15のMOSFETについて、ドレイン電流−ゲート電圧のスイッチング特性を測定した。具体的には、オフ電流(ゲート電圧に負電圧を印可したときのドレイン電流)とMOSFETがオンした際のオン電流を指標として用いた。ゲート長L=0.15μm、ゲート幅W=10μmのMOSFETにおいて、ドレイン電流−ゲート電圧特性を測定した。測定時のドレイン電圧は1.5Vとした。オフ電流はゲート電圧が−0.5Vの時の電流値、オン電流はゲート電圧が1.5Vのときの電流値と定義した。
【0159】
上記のMOSFETについてオフ電流およびオン電流を測定した結果、オフ電流は測定限界の10−14A以下であり、またオン電流は2.3mAであった。比較のため、(1)窒素のイオン注入を行わずに上記ソース−ドレイン電極のSiと純Alとを直接接触させた比較例のMOSFET、および(2)Siと純Alとの間にバリアメタルとしてTiNを介在させた従来のMOSFETを上記と同様にして作製し、これらの特性を評価した。その結果、上記(1)のオフ電流は2×10-9A、オン電流は1.3mAであり、上記(2)のオフ電流は測定限界の10-14A以下、オン電流は2.2mAであった。
【0160】
以上の結果より、実施例15のMOSFETは、バリアメタルを介在させた従来のMOSFETと同程度の優れたTFT特性が得られており、SiとAlとの相互拡散は生じないことが示唆された。
【図面の簡単な説明】
【0161】
【図1A】図1Aは、本発明の第1の実施形態に係るTFTの構成を示す概略断面説明図である。
【図1B】図1Bは、本発明の第1の実施形態に係るTFTの構成を示す概略断面説明図である。
【図1C】図1Cは、本発明の第1の実施形態に係るTFTの構成を示す概略断面説明図である。
【図2】図2は、本発明の第2の実施形態に係るTFTの構成を示す概略断面説明図である。
【図3】図3は、本発明の第3の実施形態に係るTFTの構成を示す概略断面説明図である。
【図4】図4は、本発明の第4の実施形態に係るTFTの構成を示す概略断面説明図である。
【図5】図5は、本発明の配線構造の工程を説明する概略工程図である。
【図6】図6は、本発明の配線構造の各工程を説明する工程図である。
【図7】図7は、本発明の第5の実施形態に係るLSIの構成を示す概略断面説明図である。
【図8】図8は、本発明の第5の実施形態に係る配線構造の各工程を説明する工程図である。
【図9】図9は、実施例1において、アモルファスシリコンとAl系合金膜との界面の断面TEM写真である。
【図10】図10は、Al系合金膜と半導体層(アモルファスシリコン)とのコンタクト抵抗を調べるために作成したTLM素子の工程を説明する工程図である。
【図11】図11は、電極間距離と電気抵抗の関係を示すグラフである。
【図12】図12は、TLM素子によるコンタクト抵抗の測定原理を説明する図である。
【図13】図13は、実施例15の配線構造を製造する工程を説明する工程図である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板の上に、基板側から順に、半導体層と、純AlまたはAl合金のAl系合金膜とを備えた配線構造であって、
前記半導体層と前記Al系合金膜との間に、基板側から順に、
窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有する(N、C、F)層と、AlおよびSiを含むAl−Si拡散層との積層構造を含んでおり、且つ、前記(N、C、F)層を構成する窒素、炭素、およびフッ素のいずれかの元素は、前記半導体層のSiと結合していることを特徴とする配線構造。
【請求項2】
前記(N、C、F)層と前記Al−Si拡散層との間に、Alを実質的に含有しない半導体層を含む請求項1に記載の配線構造。
【請求項3】
前記Al−Si拡散層は、前記(N、C、F)層、前記半導体層、および前記Al系合金膜をこの順序で形成した後、熱履歴を加えることによって得られるものである請求項1または2に記載の配線構造。
【請求項4】
前記半導体層は、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンからなる請求項1〜3のいずれかに記載の配線構造。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれかに記載の配線構造を備えた薄膜トランジスタ基板。
【請求項6】
請求項5に記載の薄膜トランジスタ基板を備えた表示装置。
【請求項7】
表示装置または半導体装置に用いられる請求項1〜4のいずれかに記載の配線構造。
【請求項8】
請求項5に記載の薄膜トランジスタ基板を製造する方法であって、
薄膜トランジスタの半導体層の上に、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有する(N、C、F)層を形成する第1の工程と、次いで、
半導体層を形成する第2の工程とを、この順序で含むことを特徴とする薄膜トランジスタ基板の製造方法。
【請求項9】
前記第1の工程は、半導体層形成装置を用いて行なわれる請求項8に記載の製造方法。
【請求項10】
前記第1の工程と前記第2の工程は、同じ半導体層形成用チャンバー内で連続して行なわれる請求項9に記載の製造方法。
【請求項11】
前記第1の工程は、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガスを用いて(N、C、F)層を形成する工程を含む請求項8〜10のいずれかに記載の製造方法。
【請求項12】
前記第1の工程は、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガスと、半導体層形成に用いられる原料ガスとの混合ガスを用いて(N、C、F)層を形成する工程を含む請求項8〜10のいずれかに記載の製造方法。
【請求項1】
基板の上に、基板側から順に、半導体層と、純AlまたはAl合金のAl系合金膜とを備えた配線構造であって、
前記半導体層と前記Al系合金膜との間に、基板側から順に、
窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有する(N、C、F)層と、AlおよびSiを含むAl−Si拡散層との積層構造を含んでおり、且つ、前記(N、C、F)層を構成する窒素、炭素、およびフッ素のいずれかの元素は、前記半導体層のSiと結合していることを特徴とする配線構造。
【請求項2】
前記(N、C、F)層と前記Al−Si拡散層との間に、Alを実質的に含有しない半導体層を含む請求項1に記載の配線構造。
【請求項3】
前記Al−Si拡散層は、前記(N、C、F)層、前記半導体層、および前記Al系合金膜をこの順序で形成した後、熱履歴を加えることによって得られるものである請求項1または2に記載の配線構造。
【請求項4】
前記半導体層は、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンからなる請求項1〜3のいずれかに記載の配線構造。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれかに記載の配線構造を備えた薄膜トランジスタ基板。
【請求項6】
請求項5に記載の薄膜トランジスタ基板を備えた表示装置。
【請求項7】
表示装置または半導体装置に用いられる請求項1〜4のいずれかに記載の配線構造。
【請求項8】
請求項5に記載の薄膜トランジスタ基板を製造する方法であって、
薄膜トランジスタの半導体層の上に、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有する(N、C、F)層を形成する第1の工程と、次いで、
半導体層を形成する第2の工程とを、この順序で含むことを特徴とする薄膜トランジスタ基板の製造方法。
【請求項9】
前記第1の工程は、半導体層形成装置を用いて行なわれる請求項8に記載の製造方法。
【請求項10】
前記第1の工程と前記第2の工程は、同じ半導体層形成用チャンバー内で連続して行なわれる請求項9に記載の製造方法。
【請求項11】
前記第1の工程は、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガスを用いて(N、C、F)層を形成する工程を含む請求項8〜10のいずれかに記載の製造方法。
【請求項12】
前記第1の工程は、窒素、炭素、およびフッ素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガスと、半導体層形成に用いられる原料ガスとの混合ガスを用いて(N、C、F)層を形成する工程を含む請求項8〜10のいずれかに記載の製造方法。
【図11】
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図12】
【図13】
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図12】
【図13】
【公開番号】特開2009−278057(P2009−278057A)
【公開日】平成21年11月26日(2009.11.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−253840(P2008−253840)
【出願日】平成20年9月30日(2008.9.30)
【出願人】(000001199)株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年11月26日(2009.11.26)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年9月30日(2008.9.30)
【出願人】(000001199)株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Fターム(参考)】
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