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CuまたはCu合金のCu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Cu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CuまたはCu合金のCu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Cu系合金膜との間に、基板側から順に、窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)層と、CuおよびSiを含むCu−Si拡散層との積層構造を含んでおり、且つ、前記(N、C、F、O)層を構成する窒素、炭素、フッ素、および酸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CuまたはCu合金のCu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Cu系合金膜との間に、基板側から順に、窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)層と、CuおよびSiを含むCu−Si拡散層との積層構造を含んでおり、且つ、前記(N、C、F、O)層を構成する窒素、炭素、フッ素、および酸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CuまたはCu合金のCu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 Transistor、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、電気抵抗率が低く、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合金が汎用されている。ところが、液晶ディスプレイの大型化に伴い、配線のRC遅延(配線を伝わる電気信号が遅れる現象)などの問題が顕在化しており、より低抵抗な配線材料へのニーズが高まっている。そこで、Al系合金に比べて電気抵抗率が小さい純CuまたはCu−NiなどのCu合金(以下、これらをまとめてCu系合金と呼ぶ。)が注目されている。
【0004】
Cu系合金配線膜(Cu系合金膜)とTFTの半導体層との間には、特許文献1〜6に記載されているように、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Cu系合金配線膜を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Cu系合金配線膜中のCu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、Cu系合金配線膜と半導体層とのコンタクト抵抗も増加する場合がある。
【0005】
このようにバリアメタル層は、Cu系合金膜と半導体層との界面におけるCu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、Cu系合金配線膜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、バリアメタル層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、Cu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、バリアメタル層の形成は、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。
【0006】
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、Cu系合金膜と半導体層との界面におけるCu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、半導体層や絶縁体層中にCu系合金膜からCu原子が拡散することを防止するため、半導体層や絶縁体層の上にCrやMoやTaNなどのバリアメタル層を形成してからCu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。
【0007】
よって、表示装置や半導体装置において生じるCu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。
【0008】
このような事情に鑑み、特許文献7〜9には、Cu系合金ではないが純AlまたはAl合金を配線材料として用いた技術であって、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9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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特開平7−66423号公報
【特許文献2】特開2001−196371号公報
【特許文献3】特開2002−353222号公報
【特許文献4】特開2004−133422号公報
【特許文献5】特開2004−212940号公報
【特許文献6】特開2005−166757号公報
【特許文献7】特開2003−273109号公報
【特許文献8】特開2008−3319号公報
【特許文献9】特開2008−10801号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明の目的は、純CuまたはCu合金のCu系合金配線膜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、Cu系合金配線膜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】
【0011】
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CuまたはCu合金のCu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Cu系合金膜との間に、基板側から順に、窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)層と、CuおよびSiを含むCu−Si拡散層との積層構造を含んでおり、且つ、前記(N、C、F、O)層を構成する窒素、炭素、フッ素、および酸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。
【0012】
本発明の好ましい実施形態において、前記Cu−Si拡散層は、前記(N、C、F、O)層、半導体層、および前記Cu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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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は、薄膜トランジスタの半導体層の上に、窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【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、フッ素、および酸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、O)層を形成する工程を含む。
【0020】
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、フッ素、および酸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、O)層を形成する工程を含む。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、純CuまたはCu合金のCu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、Cu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。また、Cu合金の組成を適切に制御することにより半導体層との密着性が高められた配線構造を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【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、本発明の配線構造の工程を説明する概略工程図である。
【図4】図4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5】図5は、本発明の第3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6】図6は、本発明の第3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7】図7は、実施例1において、アモルファスシリコンとCu系合金膜との界面の断面TEM写真である。
【図8】図8は、Cu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9】図9は、電極間距離と電気抵抗の関係を示すグラフである。
【図10】図10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11】図11は、MOSFETの製造工程を説明する工程図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
本発明は、Cu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に関するものである。詳細には、本願出願人によって先に開示された、窒素含有層によるCuとSiの相互拡散防止作用を利用したダイレクトコンタクト技術(後述する。)を基礎とし、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CuおよびSiを含むCu−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Cu−Si拡散層は、(N、C、F、O)含有層、半導体層、およびCu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Cu系合金膜のCuと上記半導体層のSiによって構成されている。
【0024】
以下、本発明に到達した経緯を説明する。
【0025】
上述したように、本願出願人は、Cu系合金膜と半導体層とのダイレクトコンタクト技術として、窒素含有層とCu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既に開示している(特願2007−265810、以下、先願発明と呼ぶ。)。先願発明の技術は、配線材料がCu系合金であること以外は、前述した特許文献9に記載のAl系合金を用いたダイレクトコンタクト技術と実質的に同じである。先願発明において、上記窒素含有層はCu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Cu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。
【0026】
本発明者は、上記の先願発明を開示した後も、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。先願発明に記載の配線構造(窒素含有層を介して半導体層とCu系合金膜が直接接触された構成)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Cu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(TFT特性や、半導体層とCu系合金膜とのコンタクト抵抗)の低下や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)〜(オ)の構成に到達し、本発明を完成した。
【0027】
(ア)本発明の製造方法は、先願発明のように窒素含有層の上に直接Cu系合金膜を成膜するのではなく、図3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、O)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、O)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、先願発明と同様にCu合金膜専用チャンバーに移し変えてCu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Cu−Si拡散層に変化し(後記(イ)で詳述する。)、(N、C、F、O)層が汚染されることによるTFT特性の低下および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Cu系合金膜を直接かつ確実に、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)。
【0028】
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(Cu−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、O)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。
【0029】
(イ)上記の方法によって得られる本発明の配線構造は、先願発明に記載の構造とは異なり、例えば図1Aなどに示すように、(N、C、F、O)層の上に、CuおよびSiを含むCu−Si拡散層が積層された積層構造を有している。このCu−Si拡散層は、(N、C、F、O)層、半導体層、およびCu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Cu系合金膜中のCu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Cu−Si拡散層は、Cu系合金膜のCuと上記半導体層のSiによって構成され、(N、C、F、O)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Cu−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、O)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。
【0030】
参考のため、本発明の方法によって得られるCu−Si拡散層の概要を図7に示す。図7は、後記する実施例1(本発明例)の断面TEM写真(30万倍と150万倍)であり、半導体層(a−Si)とCu系合金膜との間に、連続してCu−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Cu原子の拡散を有効に抑制できるため、半導体層中にはCu原子は検出されなかった。よって、本発明の方法によれば、先願発明と同様に、上記界面におけるCuとSiの相互拡散を防止できることが確認された。
【0031】
(ウ)本発明では、Cu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、O)層を開示している。先願発明では、Cu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、炭素やフッ素や酸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、フッ素、および酸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、O)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、O)層をバリア層として用いている点で、先願発明の技術を更に発展させたものである。
【0032】
(エ)本発明の技術は、Cu系合金膜と半導体層との界面におけるCu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。
【0033】
(オ)またCu系合金膜を特にCu−Mn合金とすることにより、半導体層との密着性も向上することが分かった。周知のようにCuは、薄膜トランジスタの半導体層(アモルファスシリコンまたは多結晶シリコン)との密着性が低く、剥離するという問題がある。例えば、基板の半導体層上にソース−ドレイン電極用配線としてCu配線膜を直接形成すると、半導体層中にCuが拡散して半導体層とCuとの反応層が形成され、この反応層部分からCu膜が剥離するという問題がある。これに対し、Cu−Mn合金を用いると上記の問題を解決することができる。
【0034】
以下、本発明を詳細に説明する。上述したように、本発明は先願発明の改良技術であり、先願発明を特徴付ける窒素含有層については前述した特許文献9に詳述しており、積層構造の一部や製造方法の一部は特許文献9と重複している。本明細書では、特許文献9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9を参照すれば良い。
【0035】
まず、図1A〜図1C、図2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CuまたはCu合金のCu系合金膜とを備えた配線構造であって、半導体層とCu系合金膜との間に、基板側から順に、窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)層と、CuおよびSiを含むCu−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Cu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、O)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2に示すように、基板側から順に、半導体層、(N、C、F、O)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。
【0036】
そして繰り返し述べるように、先願発明との対比において本発明の特徴部分は、(N、C、F、O)層の上にCu−Si拡散層を有しているところにある。このCu−Si拡散層は、例えば、(N、C、F、O)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)。このようなCu−Si拡散層は、(N、C、F、O)層、半導体層、およびCu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。
【0037】
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3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1〜2を、半導体層の代表例としてMOSFETの実施形態3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。
【0038】
また、以下では、説明の便宜上、(N、C、F、O)層の上に成膜された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、O)層を大気から保護し得るCu−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とを区別するため、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。
【0039】
(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、O)層とCu−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、Cu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、O)層を形成した後、第2の半導体層、次いでCu系合金層を形成し、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。
【0040】
第1の実施形態において、配線構造を構成する(N、C、F、O)層は、窒素、炭素、フッ素、および酸素のいずれかの元素を含有している。この(N、C、F、O)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、Cu系合金と半導体層との界面におけるCu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、酸素は半導体層のSiと結合し、Si窒化物、Si炭化物、Siフッ化物、Si酸化物を主に含有している。ここで、Si窒化物、Si炭化物、およびSiフッ化物は更に酸素を含有していてもよく、例えばSi窒化物は酸素を更に含有するSiの酸窒化物の複合化合物も含み得る。Siの酸窒化物などの酸素含有複合化合物は、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。
【0041】
ここで、(N、C、F、O)層に含まれる窒素原子、炭素原子、フッ素原子、酸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9および先願発明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、O)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、炭素原子、フッ素原子、酸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、O)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。
【0042】
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。同様の観点から、酸素含有層の酸素も上記と同様に、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(O1)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。
【0043】
(N、C、F、O)層は、Si−N結合、Si−C結合、Si−F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0.2mm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。さらに、Si−O結合のSiとOとの距離(原子間隔)は約0.13nmであり、実質的には0.15nm以上が好ましく、0.2nm以上がより好ましい。酸素含有層の酸素の面密度の上限は1×1016cm-2であることがより好ましい。
【0044】
前述した(N、C、F、O)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。
【0045】
なお、(N、C、F、O)層が、Oを除く(N、C、F)層であって、且つ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、O)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。
【0046】
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、O)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。
【0047】
(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。
【0048】
(N、C、F、O)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、O)層は、Cu系合金層と半導体層との界面におけるCu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、O)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、O)層の厚さを上記範囲内に制御することにより、(N、C、F、O)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、O)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、O)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。
【0049】
(N、C、F、O)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、O)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、O)層の深さ方向の元素(N、C、F、O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。
【0050】
上記の(N、C、F、O)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、酸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9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9を参照すれば良い。
【0051】
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、酸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;酸素(O2)のほか、酸素原子を含む酸化ガス(例えば、O3など)などの酸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。
【0052】
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、酸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、酸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、酸化物などを形成することができる。
【0053】
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。
【0054】
酸素については上記方法の他に、半導体層表面のUV照射を行うと、反応性の高いオゾンが発生して半導体表面を酸化させるため、半導体層に酸素を供給することができる。また、半導体表面について過酸化水素水、硝酸等の酸浸漬処理を行っても酸素を供給可能である。
【0055】
(N、C、F、O)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。
【0056】
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。
【0057】
また、ガス組成に関しては、(ア)窒素、炭素、フッ素、および酸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、酸素含有ガスなど)を用いて(N、C、F、O)層を形成しても良いし、または(イ)窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)層を形成しても良いし、または(ウ)窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)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。
【0058】
上記(イ)において、窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)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、O)ガス/半導体原料ガス)は、好ましくは0.10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、バリア層の絶縁性が上昇し、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、O)ガスが少なすぎるとCu−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、O)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、O)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。
【0059】
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。
【0060】
次に、本発明に用いられるCu系合金膜について説明する。Cu系合金膜は、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。
【0061】
本発明に用いられるCu系合金膜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純Cu膜をそのまま用いることができる。
【0062】
あるいは、先願発明に記載されているように、配線材料として、Ni,Zn,Mg,Mn,Ir,Ge,Nb,Cr,および希土類元素からなる群(グループX)から選択される少なくとも一種の元素を含有するCu−X合金膜を用いても良い。
【0063】
ここで、グループXに属する元素の含有量は、おおむね、0.01原子%以上3原子%以下の範囲内であることが好ましい。グループXに属する元素の含有量が0.01原子%未満では、所望の効果が得られない。一方、3原子%を超えると、Cu−X合金薄膜の電気抵抗率が極端に高くなって画素の応答速度が遅くなり、消費電力が増大してディスプレイとしての品位が低下し、実用に供し得なくなる。グループXに属する元素の含有量は、0.05原子%以上2.0原子%以下であることが好ましい。
【0064】
上記グループXの元素のうち、特にMnを含有するCu−Mn合金膜は半導体層(Cu−Si拡散層に変化する半導体層も含む趣旨であり、よって第1の半導体層と第2の半導体層の両方を含む)との密着性に優れるという効果を更に奏する点で非常に有用である。密着性を高める観点からはCu−Mn合金中のMn量をできるだけ多くすればよいが、上記したCu−Mn合金薄膜の電気抵抗率との関係でMn量の上限を適宜調整すれば良い。またMn量はCu−Mn合金膜の厚さとの関係で適切に制御することが好ましい。
【0065】
上記Cu系合金膜の厚さは、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。
【0066】
また、Cu−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、Cu−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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
以上、図1Aの実施形態について詳述した。
【0070】
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ア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、ア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、Cu系合金層を順次形成しても、所望とするCu−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。
【0071】
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。
【0072】
(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、O)層、第1の半導体層を有している例である。詳細には、図2に示すように、TFT用基板の上に第1の半導体層、(N、C、F、O)層、第1の半導体層を有し、その上に直接、(N、C、F、O)層とCu−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、Cu系合金層が形成された構造を有している。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。
【0073】
(本発明の第3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、O)層とCu−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、Cu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6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Cu系合金膜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Cu系合金膜/Cu−Si拡散層/窒素含有層/単結晶Siの構造が形成される。
【0074】
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1〜第2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。
【0075】
図11の各工程図を参照しながら、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を作製するプロセスを説明する。以下ではポリシリコンを用いた例を説明するが、これに限定する趣旨ではない。
【0076】
まず、単結晶p型Si基板上にゲート絶縁膜を、熱酸化などによって形成する(図11a)。続いて、CVDなどにより、Pドープしたポリシリコンを成膜する(図11b)。その後リソグラフィにより、レジストをパターニングする(図11c)。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する(図11d)。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11e)。次に、層間絶縁膜をCVDなどにより成膜する(図11f)。リソグラフィによりパターニングし(図11g)、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膜(Cu系合金膜)を接続させるためのコンタクトホールが形成される(図11h)。続いて、前述した図6に示した工程を経てCu系合金膜/Cu−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。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(図11i)。次に、Cu系合金膜をスパッタとメッキにより成膜し(図11j)、CMP(Chemical Mechanical Polish)を行うことにより配線パターンに加工する。最後にアニールを行うと、Cu−Si拡散層を有するMOSFETが得られる(図11k)。
【実施例】
【0077】
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。
【0078】
(1)表1に示す実験群について
表1に示す、実施例1〜6、比較例1、および従来例1では、TFT特性などを簡易に測定するため、図4の各工程図に従って作製した図4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。
【0079】
(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Cu−0.3原子%Niを用いた。
【0080】
図4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。
【0081】
まず、ガラス基板上に、スパッタリング法で膜厚200nm程度のCu合金薄膜(Cu−0.3原子%Ni)を形成した(図4a)。スパッタリングの成膜温度は室温とした。このCu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4b)後、レジストをマスクとしてCu系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4c)。
【0082】
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4d)。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[α−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[α−Si(n)]を順次成膜した(図4e、図4f)。この低抵抗アモルファスシリコン膜[α−Si(n)]は、SiH4、PH3を原料としたプラズマCVDを行なうことによって形成した。プラズマCVDの成膜温度は320℃とした。
【0083】
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4g)。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67Pa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。
【0084】
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[α−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4h)。
【0085】
次いで、その上に、スパッタリング法を用いて膜厚約300nmのCu系合金膜(Cu−0.3原子%Ni)を成膜した(図4i)。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Cu系合金膜をエッチングすることにより、図4j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[α−Si(n)]をすべて除去し(図4k)、窒素含有層とCu系合金膜との間にCu−Si拡散層を有するTFTを形成した(図4l)。Cu−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0086】
(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Cu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。
【0087】
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。
【0088】
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3.7×10-13A、オン電流は1.6×10-6Aであった。比較のため、従来例として、純Cuの薄膜とMoのバリアメタル層とからなる従来のソース−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1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。
【0089】
以上の結果より、実施例1のTFTは、バリアメタル層を介在させた従来例1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膜とCu系合金膜1との相互拡散は生じないことが確認された。
【0090】
(SiとCuの相互拡散の評価)
アニール後のアモルファスシリコン膜とCu系合金膜との界面を断面TEM観察(倍率30万倍と150万倍)し、SiとCu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7に示す。図7に示すように、300℃の熱処理によりCu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Cu−Si拡散層を形成し、Cu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Cu−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Cu元素は殆ど検出されず、Cu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。
【0091】
(コンタクト抵抗の測定)
Cu系合金膜と半導体層(アモルファスシリコン膜)とのコンタクト抵抗を調べるため、図8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。
【0092】
はじめに、図8を用いてTLM素子の作製方法を説明し、次いで図9および図10を用いてTLM法の測定原理を説明する。
【0093】
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8a)。このプラズマに印加したRFパワー密度は約0.3W/cm2、成膜温度は320℃、ガス圧力は67Paとした。
【0094】
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8a)。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Cu系合金膜(Cu−0.3原子%Ni)を成膜した(図8b)。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8c)、レジストをマスクとしてCu系合金膜をエッチングすることにより、図8d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8e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8f)。最後に、300℃にて30分の熱処理を施し、Cu−Si拡散層を形成した(図8g)。
【0095】
次に、図9および図10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10(a)は、前述した図8gの配線構造を模式的に示す断面図であり、図10(b)は、図8gの上面図である。図10(a)では、Cu−Si拡散層は省略している。
【0096】
まず、前述した図8g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9のグラフを得た。図9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10(b)に示すように電極幅を示す。
【0097】
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。
【0098】
(半導体層とCu系合金膜との界面の元素面密度の測定)
実施例1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、実施例1のN原子面密度(N1)は6.8×1015/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。
【0099】
(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Cu−0.3原子%Niを用いた。
【0100】
前述した実施例1において、図4h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2のTFTを作製した。
【0101】
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膜とCu系合金膜との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行なった。その結果、Cu原子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、Cu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)。
【0102】
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3.3×10-13A、オン電流は1.7×10-6Aであった。よって、実施例2のTFTは、従来例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。
【0103】
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2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。
【0104】
(実施例3)
実施例3は、前述した実施形態5の配線構造(図1C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Cu−0.3原子%Niを用いた。
【0105】
前述した実施例1において、図4e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。
【0106】
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、アニール後のノンドープアモルファスシリコンとCu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、Cu原子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、Cu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)。
【0107】
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4.2×10-13A、オン電流は1.6×10-6Aであった(表1を参照)。よって、実施例3のTFTは、従来例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。
【0108】
更に、実施例3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、ノンドープ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していることが分かった。
【0109】
(実施例4)
実施例4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Cuを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例4のTFTを作製した。
【0110】
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。
【0111】
(実施例5)
実施例5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Cu−0.1原子%Geを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例5のTFTを作製した。
【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。
【0113】
(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Cu−0.5原子%Mn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。
【0114】
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。
【0115】
表1より、実施例4〜6のTFTは、いずれも、従来例1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。
【0116】
(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、実施例1と同じCu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。
【0117】
このようにして得られた比較例1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を測定した。これらの結果を表1に示す。
【0118】
表1より、比較例1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。
【0119】
更に、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Cu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Cu系合金膜中やアモルファスシリコン膜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膜中へのCuの拡散やCu系合金膜中へのSiの拡散が確認された。
【0120】
【表1】
【0121】
(2)表2に示す実験群について
表2に示す実験群(実施例11〜22、および比較例11〜18)は全て、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する例である。ここでは、ソース−ドレイン電極を構成する配線材料として、表2に示す純Cu(表2のNo.6〜10)またはCu合金(表2のNo.1〜5、No.11〜20)を用いたときの夫々について、窒素ガス/半導体原料ガスの混合ガスの流量比を表2に示す範囲で種々変化させて窒素含有層を形成したときにおける、TFT特性およびコンタクト抵抗に及ぼす影響を調べた。
【0122】
(実施例11)
実施例11は、前述した実施例1において、窒素ガスの代わりに窒素ガス/半導体原料ガスの混合ガス(流量比0.3)を用いて窒素含有層を形成した例である。
【0123】
まず、実施例1と同様にして、ガラス基板上に、Cu合金薄膜(Cu−0.3原子%Ni)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、ア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([第1の低抵抗a−Si(n)]を順次成膜した。
【0124】
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、N2:10sccm(窒素ガス/半導体原料ガスの流量比=0.3)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。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。
【0125】
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[第2の低抵抗a−Si(n)]を再度10nm成膜した。以後、実施例1と同様にして、窒素含有層とCu系合金膜との間にCu−Si拡散層を有する実施例11のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは約5nmであり、Cu−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0126】
(TFT特性の評価)
このようにして得られた実施例11のTFTに対し、実施例1と同様にして実施例11のオフ電流およびオン電流を測定した。その結果は表2に示すとおりであり、実施例11のTFTは、前述した従来例のTFTと同等の良好なTFT特性を有することがわかった。
【0127】
(コンタクト抵抗の測定)
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、N2:10sccm[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2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。
【0128】
(実施例12)
実施例12は、前述した実施例11において、窒素ガス/半導体原料ガスの流量比を3.3に変えた例である。
【0129】
詳細には、前述した実施例11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、N2:100sccm[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11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11と同様、約5nmであった。
【0130】
このようにして得られた実施例12のTFTに対し、実施例11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膜とCu系合金膜との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、SiとCuの相互拡散を評価した。その結果、Cu原子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11と同様に、Cu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、Cu−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0131】
また、実施例11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。その結果は表2に示すとおりであり、実施例12のTFTは、従来例のTFTと同等の良好なTFT特性を有することが分かった。
【0132】
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11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、N2:100sccm[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11と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表2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。
【0133】
(実施例13)
実施例13は、前述した実施例11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。
【0134】
詳細には、前述した実施例11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11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実施例11と同様、約5nmであった。
【0135】
このようにして得られた実施例13のTFTに対し、実施例11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膜とCu系合金膜との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、CuとSiの相互拡散を評価した。その結果、Cu原子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11と同様に、Cu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、Cu−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0136】
また、実施例11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。その結果は表2に示すとおりであり、実施例13のTFTは、従来例のTFTと同等の良好な特性を有することがわかった。
【0137】
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11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11と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表2に示すとおりであり、実施例13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。
【0138】
(比較例11)
比較例11は、前述した実施例11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。
【0139】
詳細には、前述した実施例11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11と同様にして比較例11のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは、約5nmであった。
【0140】
このようにして得られた比較例11のTFTに対し、実施例11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膜とCu系合金膜との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、CuとSiの相互拡散を評価した。その結果、Cu原子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11と同様に、Cu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、Cu−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0141】
また、実施例11と同様にして比較例11のオフ電流およびオン電流を測定した。その結果は表2に示すとおりであり、比較例11のTFTは、従来例に比べて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。
【0142】
更に、比較例11のコンタクト抵抗を調べるため、前述した実施例11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11と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表2に示すとおりであり、コンタクト抵抗が上昇した。
【0143】
(比較例12)
比較例12は、前述した実施例11において、窒素ガス/半導体原料ガスの流量比を0.07に変えた例である。
【0144】
詳細には、前述した実施例11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11と同様にして比較例12のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは、約4nmであった。
【0145】
このようにして得られた比較例12のTFTに対し、実施例11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膜とCu系合金膜との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、CuとSiの相互拡散を評価した。その結果、Cu系合金膜中やアモルファスシリコン膜中にボイドが観察され、CuとSiの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Cuの拡散やCu系合金膜へのSiの拡散が確認された。
【0146】
また、実施例11と同様にして比較例12のオフ電流およびオン電流を測定した。その結果は表2に示すとおりであり、比較例12のTFTは、従来例に比べて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。
【0147】
(実施例14〜16、および比較例13〜14)
実施例14〜16、および比較例13〜14はそれぞれ、前述した実施例11〜13、および比較例11〜12のそれぞれにおいて、ソース−ドレイン電極を構成する配線材料として、Cu−0.3原子%Niの代わりに純Cuを用いたこと以外は、各例と同様にしてTFTを作製した例である(表2を参照)。例えば実施例14と実施例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例であり、比較例13と比較例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例である。これらのTFT特性およびコンタクト抵抗の結果を表2に示す。
【0148】
表2より、本発明の要件を満足する実施例14〜16は、いずれも良好なTFT特性およびコンタクト抵抗が得られるのに対し、比較例13〜14はTFT特性が低下した。
【0149】
(実施例17〜19、および比較例15〜16)
実施例17〜19、および比較例15〜16はそれぞれ、前述した実施例11〜13、および比較例11〜12のそれぞれにおいて、ソース−ドレイン電極を構成する配線材料として、Cu−0.3原子%Niの代わりにCu−0.5原子%Mnを用いたこと以外は、各例と同様にしてTFTを作製した例である(表2を参照)。例えば実施例17と実施例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例であり、比較例15と比較例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例である。これらのTFT特性およびコンタクト抵抗の結果を表2に示す。
【0150】
表2より、本発明の要件を満足する実施例17〜19は、いずれも良好なTFT特性およびコンタクト抵抗が得られるのに対し、比較例15〜16はTFT特性が低下した。
【0151】
(実施例20〜22、および比較例17〜18)
実施例20〜22、および比較例17〜18はそれぞれ、前述した実施例11〜13、および比較例11〜12のそれぞれにおいて、ソース−ドレイン電極を構成する配線材料として、Cu−0.3原子%Niの代わりにCu−0.1原子%Geを用いたこと以外は、各例と同様にしてTFTを作製した例である(表2を参照)。例えば実施例20と実施例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例であり、比較例17と比較例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例である。これらのTFT特性およびコンタクト抵抗の結果を表2に示す。
【0152】
表2より、本発明の要件を満足する実施例20〜22は、いずれも良好なTFT特性およびコンタクト抵抗が得られるのに対し、比較例17〜18はTFT特性が低下した。
【0153】
【表2】
【0154】
(3)表3に示す実験群について
表3に示す実施例23〜26では、純CuまたはCu合金のCu合金膜とCu−Si拡散層との密着性を測定した。まず、ガラス基板上にプラズマCVD法により、不純物(P)をドーピングした低抵抗のn+a−Si:Hを成膜した(膜厚:約200nm)。続いて、同一のプラズマCVD装置内で窒素ガスのみを供給してプラズマを発生させ、低抵抗n+a−Si:H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。このプラズマに印加したRFパワー密度は約0.3W/cm2、成膜温度は320℃、ガス圧力は67Paとした。
【0155】
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n+a−Si:Hを成膜した(膜厚:10nm)。さらにスパッタ法により純CuまたはCu−Mn合金を蒸着し(膜厚はいずれも300nm)、窒素雰囲気下、270℃で30分間のアニールを行った。その結果、上記のn+a−Si:H膜はCu−Si拡散層に変化した。
【0156】
成膜した純CuまたはCu合金のCu合金膜の表面に、カッターナイフで1mm間隔の碁盤目状の切り込みを入れた。次いで、住友3M製黒色ポリエステルテープ(製品番号8422B)を上記成膜表面上にしっかりと貼り付け、上記テープの引き剥がし角度が60°になるように保持しつつ、上記テープを一挙に引き剥がして、上記テープにより剥離した碁盤目の区画数をカウントし、全区画との比率(膜剥離率)を求めた。この結果を表3に示す。
【0157】
【表3】
【0158】
純Cuを用いた実施例23は、剥離率が9%であったのに対し、Mnを含有するCu−Mn合金(実施例24〜26)では密着性が高められた(剥離率は5%以下に抑えられた)。Mnの含有率の増加に伴って密着性がより良好になる傾向が見られ、Cu−6at%Mn合金では剥離率は0%であった。よって、Cu−Mn合金膜の使用により半導体層との密着性が改善されることが分かった。
【0159】
なお、上述した実験群ではすべて、ガラス基板の直上にCu系合金膜を形成したが、ガラス基板の直上に形成される配線膜の種類をこれに限定する趣旨ではない。本発明の配線構造は、半導体層とCu系合金膜との積層構造に特徴部分があるのであって、それ以外の構造は、本発明の作用を損なわない限り、特に限定されないからである。よって、ガラス基板の直上に形成される配線膜としては、上記のようにCu系合金膜を用いても良いし、あるいは、例えば、純AlやAl合金のAl系合金膜を用いても良い。
【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CuまたはCu合金のCu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 Transistor、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、電気抵抗率が低く、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合金が汎用されている。ところが、液晶ディスプレイの大型化に伴い、配線のRC遅延(配線を伝わる電気信号が遅れる現象)などの問題が顕在化しており、より低抵抗な配線材料へのニーズが高まっている。そこで、Al系合金に比べて電気抵抗率が小さい純CuまたはCu−NiなどのCu合金(以下、これらをまとめてCu系合金と呼ぶ。)が注目されている。
【0004】
Cu系合金配線膜(Cu系合金膜)とTFTの半導体層との間には、特許文献1〜6に記載されているように、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Cu系合金配線膜を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Cu系合金配線膜中のCu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、Cu系合金配線膜と半導体層とのコンタクト抵抗も増加する場合がある。
【0005】
このようにバリアメタル層は、Cu系合金膜と半導体層との界面におけるCu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、Cu系合金配線膜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、バリアメタル層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、Cu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、バリアメタル層の形成は、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。
【0006】
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、Cu系合金膜と半導体層との界面におけるCu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、半導体層や絶縁体層中にCu系合金膜からCu原子が拡散することを防止するため、半導体層や絶縁体層の上にCrやMoやTaNなどのバリアメタル層を形成してからCu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。
【0007】
よって、表示装置や半導体装置において生じるCu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。
【0008】
このような事情に鑑み、特許文献7〜9には、Cu系合金ではないが純AlまたはAl合金を配線材料として用いた技術であって、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9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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特開平7−66423号公報
【特許文献2】特開2001−196371号公報
【特許文献3】特開2002−353222号公報
【特許文献4】特開2004−133422号公報
【特許文献5】特開2004−212940号公報
【特許文献6】特開2005−166757号公報
【特許文献7】特開2003−273109号公報
【特許文献8】特開2008−3319号公報
【特許文献9】特開2008−10801号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明の目的は、純CuまたはCu合金のCu系合金配線膜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、Cu系合金配線膜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】
【0011】
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CuまたはCu合金のCu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Cu系合金膜との間に、基板側から順に、窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)層と、CuおよびSiを含むCu−Si拡散層との積層構造を含んでおり、且つ、前記(N、C、F、O)層を構成する窒素、炭素、フッ素、および酸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。
【0012】
本発明の好ましい実施形態において、前記Cu−Si拡散層は、前記(N、C、F、O)層、半導体層、および前記Cu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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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は、薄膜トランジスタの半導体層の上に、窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【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、フッ素、および酸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、O)層を形成する工程を含む。
【0020】
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、フッ素、および酸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、O)層を形成する工程を含む。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、純CuまたはCu合金のCu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、Cu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。また、Cu合金の組成を適切に制御することにより半導体層との密着性が高められた配線構造を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【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、本発明の配線構造の工程を説明する概略工程図である。
【図4】図4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5】図5は、本発明の第3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6】図6は、本発明の第3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7】図7は、実施例1において、アモルファスシリコンとCu系合金膜との界面の断面TEM写真である。
【図8】図8は、Cu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9】図9は、電極間距離と電気抵抗の関係を示すグラフである。
【図10】図10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11】図11は、MOSFETの製造工程を説明する工程図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
本発明は、Cu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に関するものである。詳細には、本願出願人によって先に開示された、窒素含有層によるCuとSiの相互拡散防止作用を利用したダイレクトコンタクト技術(後述する。)を基礎とし、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CuおよびSiを含むCu−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Cu−Si拡散層は、(N、C、F、O)含有層、半導体層、およびCu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Cu系合金膜のCuと上記半導体層のSiによって構成されている。
【0024】
以下、本発明に到達した経緯を説明する。
【0025】
上述したように、本願出願人は、Cu系合金膜と半導体層とのダイレクトコンタクト技術として、窒素含有層とCu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既に開示している(特願2007−265810、以下、先願発明と呼ぶ。)。先願発明の技術は、配線材料がCu系合金であること以外は、前述した特許文献9に記載のAl系合金を用いたダイレクトコンタクト技術と実質的に同じである。先願発明において、上記窒素含有層はCu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Cu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。
【0026】
本発明者は、上記の先願発明を開示した後も、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。先願発明に記載の配線構造(窒素含有層を介して半導体層とCu系合金膜が直接接触された構成)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Cu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(TFT特性や、半導体層とCu系合金膜とのコンタクト抵抗)の低下や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)〜(オ)の構成に到達し、本発明を完成した。
【0027】
(ア)本発明の製造方法は、先願発明のように窒素含有層の上に直接Cu系合金膜を成膜するのではなく、図3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、O)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、O)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、先願発明と同様にCu合金膜専用チャンバーに移し変えてCu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Cu−Si拡散層に変化し(後記(イ)で詳述する。)、(N、C、F、O)層が汚染されることによるTFT特性の低下および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Cu系合金膜を直接かつ確実に、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)。
【0028】
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(Cu−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、O)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。
【0029】
(イ)上記の方法によって得られる本発明の配線構造は、先願発明に記載の構造とは異なり、例えば図1Aなどに示すように、(N、C、F、O)層の上に、CuおよびSiを含むCu−Si拡散層が積層された積層構造を有している。このCu−Si拡散層は、(N、C、F、O)層、半導体層、およびCu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Cu系合金膜中のCu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Cu−Si拡散層は、Cu系合金膜のCuと上記半導体層のSiによって構成され、(N、C、F、O)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Cu−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、O)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。
【0030】
参考のため、本発明の方法によって得られるCu−Si拡散層の概要を図7に示す。図7は、後記する実施例1(本発明例)の断面TEM写真(30万倍と150万倍)であり、半導体層(a−Si)とCu系合金膜との間に、連続してCu−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Cu原子の拡散を有効に抑制できるため、半導体層中にはCu原子は検出されなかった。よって、本発明の方法によれば、先願発明と同様に、上記界面におけるCuとSiの相互拡散を防止できることが確認された。
【0031】
(ウ)本発明では、Cu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、O)層を開示している。先願発明では、Cu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、炭素やフッ素や酸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、フッ素、および酸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、O)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、O)層をバリア層として用いている点で、先願発明の技術を更に発展させたものである。
【0032】
(エ)本発明の技術は、Cu系合金膜と半導体層との界面におけるCu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。
【0033】
(オ)またCu系合金膜を特にCu−Mn合金とすることにより、半導体層との密着性も向上することが分かった。周知のようにCuは、薄膜トランジスタの半導体層(アモルファスシリコンまたは多結晶シリコン)との密着性が低く、剥離するという問題がある。例えば、基板の半導体層上にソース−ドレイン電極用配線としてCu配線膜を直接形成すると、半導体層中にCuが拡散して半導体層とCuとの反応層が形成され、この反応層部分からCu膜が剥離するという問題がある。これに対し、Cu−Mn合金を用いると上記の問題を解決することができる。
【0034】
以下、本発明を詳細に説明する。上述したように、本発明は先願発明の改良技術であり、先願発明を特徴付ける窒素含有層については前述した特許文献9に詳述しており、積層構造の一部や製造方法の一部は特許文献9と重複している。本明細書では、特許文献9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9を参照すれば良い。
【0035】
まず、図1A〜図1C、図2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CuまたはCu合金のCu系合金膜とを備えた配線構造であって、半導体層とCu系合金膜との間に、基板側から順に、窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)層と、CuおよびSiを含むCu−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Cu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、O)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2に示すように、基板側から順に、半導体層、(N、C、F、O)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。
【0036】
そして繰り返し述べるように、先願発明との対比において本発明の特徴部分は、(N、C、F、O)層の上にCu−Si拡散層を有しているところにある。このCu−Si拡散層は、例えば、(N、C、F、O)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)。このようなCu−Si拡散層は、(N、C、F、O)層、半導体層、およびCu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。
【0037】
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3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1〜2を、半導体層の代表例としてMOSFETの実施形態3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。
【0038】
また、以下では、説明の便宜上、(N、C、F、O)層の上に成膜された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、O)層を大気から保護し得るCu−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とを区別するため、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。
【0039】
(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、O)層とCu−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、Cu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、O)層を形成した後、第2の半導体層、次いでCu系合金層を形成し、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。
【0040】
第1の実施形態において、配線構造を構成する(N、C、F、O)層は、窒素、炭素、フッ素、および酸素のいずれかの元素を含有している。この(N、C、F、O)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、Cu系合金と半導体層との界面におけるCu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、酸素は半導体層のSiと結合し、Si窒化物、Si炭化物、Siフッ化物、Si酸化物を主に含有している。ここで、Si窒化物、Si炭化物、およびSiフッ化物は更に酸素を含有していてもよく、例えばSi窒化物は酸素を更に含有するSiの酸窒化物の複合化合物も含み得る。Siの酸窒化物などの酸素含有複合化合物は、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。
【0041】
ここで、(N、C、F、O)層に含まれる窒素原子、炭素原子、フッ素原子、酸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9および先願発明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、O)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、炭素原子、フッ素原子、酸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、O)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。
【0042】
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。同様の観点から、酸素含有層の酸素も上記と同様に、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(O1)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。
【0043】
(N、C、F、O)層は、Si−N結合、Si−C結合、Si−F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0.2mm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。さらに、Si−O結合のSiとOとの距離(原子間隔)は約0.13nmであり、実質的には0.15nm以上が好ましく、0.2nm以上がより好ましい。酸素含有層の酸素の面密度の上限は1×1016cm-2であることがより好ましい。
【0044】
前述した(N、C、F、O)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。
【0045】
なお、(N、C、F、O)層が、Oを除く(N、C、F)層であって、且つ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、O)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。
【0046】
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、O)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。
【0047】
(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。
【0048】
(N、C、F、O)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、O)層は、Cu系合金層と半導体層との界面におけるCu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、O)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、O)層の厚さを上記範囲内に制御することにより、(N、C、F、O)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、O)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、O)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。
【0049】
(N、C、F、O)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、O)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、O)層の深さ方向の元素(N、C、F、O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。
【0050】
上記の(N、C、F、O)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、酸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9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9を参照すれば良い。
【0051】
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、酸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;酸素(O2)のほか、酸素原子を含む酸化ガス(例えば、O3など)などの酸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。
【0052】
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、酸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、酸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、酸化物などを形成することができる。
【0053】
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。
【0054】
酸素については上記方法の他に、半導体層表面のUV照射を行うと、反応性の高いオゾンが発生して半導体表面を酸化させるため、半導体層に酸素を供給することができる。また、半導体表面について過酸化水素水、硝酸等の酸浸漬処理を行っても酸素を供給可能である。
【0055】
(N、C、F、O)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。
【0056】
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。
【0057】
また、ガス組成に関しては、(ア)窒素、炭素、フッ素、および酸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、酸素含有ガスなど)を用いて(N、C、F、O)層を形成しても良いし、または(イ)窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)層を形成しても良いし、または(ウ)窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)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。
【0058】
上記(イ)において、窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)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、O)ガス/半導体原料ガス)は、好ましくは0.10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、バリア層の絶縁性が上昇し、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、O)ガスが少なすぎるとCu−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、O)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、O)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。
【0059】
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。
【0060】
次に、本発明に用いられるCu系合金膜について説明する。Cu系合金膜は、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。
【0061】
本発明に用いられるCu系合金膜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純Cu膜をそのまま用いることができる。
【0062】
あるいは、先願発明に記載されているように、配線材料として、Ni,Zn,Mg,Mn,Ir,Ge,Nb,Cr,および希土類元素からなる群(グループX)から選択される少なくとも一種の元素を含有するCu−X合金膜を用いても良い。
【0063】
ここで、グループXに属する元素の含有量は、おおむね、0.01原子%以上3原子%以下の範囲内であることが好ましい。グループXに属する元素の含有量が0.01原子%未満では、所望の効果が得られない。一方、3原子%を超えると、Cu−X合金薄膜の電気抵抗率が極端に高くなって画素の応答速度が遅くなり、消費電力が増大してディスプレイとしての品位が低下し、実用に供し得なくなる。グループXに属する元素の含有量は、0.05原子%以上2.0原子%以下であることが好ましい。
【0064】
上記グループXの元素のうち、特にMnを含有するCu−Mn合金膜は半導体層(Cu−Si拡散層に変化する半導体層も含む趣旨であり、よって第1の半導体層と第2の半導体層の両方を含む)との密着性に優れるという効果を更に奏する点で非常に有用である。密着性を高める観点からはCu−Mn合金中のMn量をできるだけ多くすればよいが、上記したCu−Mn合金薄膜の電気抵抗率との関係でMn量の上限を適宜調整すれば良い。またMn量はCu−Mn合金膜の厚さとの関係で適切に制御することが好ましい。
【0065】
上記Cu系合金膜の厚さは、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。
【0066】
また、Cu−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、Cu−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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
以上、図1Aの実施形態について詳述した。
【0070】
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ア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、ア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、Cu系合金層を順次形成しても、所望とするCu−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。
【0071】
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。
【0072】
(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、O)層、第1の半導体層を有している例である。詳細には、図2に示すように、TFT用基板の上に第1の半導体層、(N、C、F、O)層、第1の半導体層を有し、その上に直接、(N、C、F、O)層とCu−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、Cu系合金層が形成された構造を有している。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。
【0073】
(本発明の第3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、O)層とCu−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、Cu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6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Cu系合金膜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Cu系合金膜/Cu−Si拡散層/窒素含有層/単結晶Siの構造が形成される。
【0074】
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1〜第2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。
【0075】
図11の各工程図を参照しながら、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を作製するプロセスを説明する。以下ではポリシリコンを用いた例を説明するが、これに限定する趣旨ではない。
【0076】
まず、単結晶p型Si基板上にゲート絶縁膜を、熱酸化などによって形成する(図11a)。続いて、CVDなどにより、Pドープしたポリシリコンを成膜する(図11b)。その後リソグラフィにより、レジストをパターニングする(図11c)。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する(図11d)。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11e)。次に、層間絶縁膜をCVDなどにより成膜する(図11f)。リソグラフィによりパターニングし(図11g)、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膜(Cu系合金膜)を接続させるためのコンタクトホールが形成される(図11h)。続いて、前述した図6に示した工程を経てCu系合金膜/Cu−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。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(図11i)。次に、Cu系合金膜をスパッタとメッキにより成膜し(図11j)、CMP(Chemical Mechanical Polish)を行うことにより配線パターンに加工する。最後にアニールを行うと、Cu−Si拡散層を有するMOSFETが得られる(図11k)。
【実施例】
【0077】
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。
【0078】
(1)表1に示す実験群について
表1に示す、実施例1〜6、比較例1、および従来例1では、TFT特性などを簡易に測定するため、図4の各工程図に従って作製した図4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。
【0079】
(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Cu−0.3原子%Niを用いた。
【0080】
図4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。
【0081】
まず、ガラス基板上に、スパッタリング法で膜厚200nm程度のCu合金薄膜(Cu−0.3原子%Ni)を形成した(図4a)。スパッタリングの成膜温度は室温とした。このCu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4b)後、レジストをマスクとしてCu系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4c)。
【0082】
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4d)。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[α−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[α−Si(n)]を順次成膜した(図4e、図4f)。この低抵抗アモルファスシリコン膜[α−Si(n)]は、SiH4、PH3を原料としたプラズマCVDを行なうことによって形成した。プラズマCVDの成膜温度は320℃とした。
【0083】
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4g)。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67Pa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。
【0084】
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[α−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4h)。
【0085】
次いで、その上に、スパッタリング法を用いて膜厚約300nmのCu系合金膜(Cu−0.3原子%Ni)を成膜した(図4i)。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Cu系合金膜をエッチングすることにより、図4j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[α−Si(n)]をすべて除去し(図4k)、窒素含有層とCu系合金膜との間にCu−Si拡散層を有するTFTを形成した(図4l)。Cu−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0086】
(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Cu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。
【0087】
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。
【0088】
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3.7×10-13A、オン電流は1.6×10-6Aであった。比較のため、従来例として、純Cuの薄膜とMoのバリアメタル層とからなる従来のソース−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1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。
【0089】
以上の結果より、実施例1のTFTは、バリアメタル層を介在させた従来例1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膜とCu系合金膜1との相互拡散は生じないことが確認された。
【0090】
(SiとCuの相互拡散の評価)
アニール後のアモルファスシリコン膜とCu系合金膜との界面を断面TEM観察(倍率30万倍と150万倍)し、SiとCu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7に示す。図7に示すように、300℃の熱処理によりCu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Cu−Si拡散層を形成し、Cu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Cu−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Cu元素は殆ど検出されず、Cu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。
【0091】
(コンタクト抵抗の測定)
Cu系合金膜と半導体層(アモルファスシリコン膜)とのコンタクト抵抗を調べるため、図8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。
【0092】
はじめに、図8を用いてTLM素子の作製方法を説明し、次いで図9および図10を用いてTLM法の測定原理を説明する。
【0093】
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8a)。このプラズマに印加したRFパワー密度は約0.3W/cm2、成膜温度は320℃、ガス圧力は67Paとした。
【0094】
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8a)。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Cu系合金膜(Cu−0.3原子%Ni)を成膜した(図8b)。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8c)、レジストをマスクとしてCu系合金膜をエッチングすることにより、図8d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8e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8f)。最後に、300℃にて30分の熱処理を施し、Cu−Si拡散層を形成した(図8g)。
【0095】
次に、図9および図10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10(a)は、前述した図8gの配線構造を模式的に示す断面図であり、図10(b)は、図8gの上面図である。図10(a)では、Cu−Si拡散層は省略している。
【0096】
まず、前述した図8g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9のグラフを得た。図9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10(b)に示すように電極幅を示す。
【0097】
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。
【0098】
(半導体層とCu系合金膜との界面の元素面密度の測定)
実施例1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、実施例1のN原子面密度(N1)は6.8×1015/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。
【0099】
(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Cu−0.3原子%Niを用いた。
【0100】
前述した実施例1において、図4h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2のTFTを作製した。
【0101】
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膜とCu系合金膜との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行なった。その結果、Cu原子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、Cu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)。
【0102】
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3.3×10-13A、オン電流は1.7×10-6Aであった。よって、実施例2のTFTは、従来例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。
【0103】
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2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。
【0104】
(実施例3)
実施例3は、前述した実施形態5の配線構造(図1C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Cu−0.3原子%Niを用いた。
【0105】
前述した実施例1において、図4e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。
【0106】
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、アニール後のノンドープアモルファスシリコンとCu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、Cu原子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、Cu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)。
【0107】
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4.2×10-13A、オン電流は1.6×10-6Aであった(表1を参照)。よって、実施例3のTFTは、従来例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。
【0108】
更に、実施例3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、ノンドープ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していることが分かった。
【0109】
(実施例4)
実施例4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Cuを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例4のTFTを作製した。
【0110】
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。
【0111】
(実施例5)
実施例5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Cu−0.1原子%Geを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例5のTFTを作製した。
【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。
【0113】
(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Cu−0.5原子%Mn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。
【0114】
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。
【0115】
表1より、実施例4〜6のTFTは、いずれも、従来例1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。
【0116】
(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、実施例1と同じCu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。
【0117】
このようにして得られた比較例1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を測定した。これらの結果を表1に示す。
【0118】
表1より、比較例1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。
【0119】
更に、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Cu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Cu系合金膜中やアモルファスシリコン膜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膜中へのCuの拡散やCu系合金膜中へのSiの拡散が確認された。
【0120】
【表1】
【0121】
(2)表2に示す実験群について
表2に示す実験群(実施例11〜22、および比較例11〜18)は全て、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する例である。ここでは、ソース−ドレイン電極を構成する配線材料として、表2に示す純Cu(表2のNo.6〜10)またはCu合金(表2のNo.1〜5、No.11〜20)を用いたときの夫々について、窒素ガス/半導体原料ガスの混合ガスの流量比を表2に示す範囲で種々変化させて窒素含有層を形成したときにおける、TFT特性およびコンタクト抵抗に及ぼす影響を調べた。
【0122】
(実施例11)
実施例11は、前述した実施例1において、窒素ガスの代わりに窒素ガス/半導体原料ガスの混合ガス(流量比0.3)を用いて窒素含有層を形成した例である。
【0123】
まず、実施例1と同様にして、ガラス基板上に、Cu合金薄膜(Cu−0.3原子%Ni)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、ア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([第1の低抵抗a−Si(n)]を順次成膜した。
【0124】
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、N2:10sccm(窒素ガス/半導体原料ガスの流量比=0.3)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。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。
【0125】
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[第2の低抵抗a−Si(n)]を再度10nm成膜した。以後、実施例1と同様にして、窒素含有層とCu系合金膜との間にCu−Si拡散層を有する実施例11のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは約5nmであり、Cu−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0126】
(TFT特性の評価)
このようにして得られた実施例11のTFTに対し、実施例1と同様にして実施例11のオフ電流およびオン電流を測定した。その結果は表2に示すとおりであり、実施例11のTFTは、前述した従来例のTFTと同等の良好なTFT特性を有することがわかった。
【0127】
(コンタクト抵抗の測定)
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、N2:10sccm[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2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。
【0128】
(実施例12)
実施例12は、前述した実施例11において、窒素ガス/半導体原料ガスの流量比を3.3に変えた例である。
【0129】
詳細には、前述した実施例11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、N2:100sccm[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11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11と同様、約5nmであった。
【0130】
このようにして得られた実施例12のTFTに対し、実施例11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膜とCu系合金膜との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、SiとCuの相互拡散を評価した。その結果、Cu原子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11と同様に、Cu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、Cu−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0131】
また、実施例11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。その結果は表2に示すとおりであり、実施例12のTFTは、従来例のTFTと同等の良好なTFT特性を有することが分かった。
【0132】
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11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、N2:100sccm[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11と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表2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。
【0133】
(実施例13)
実施例13は、前述した実施例11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。
【0134】
詳細には、前述した実施例11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11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実施例11と同様、約5nmであった。
【0135】
このようにして得られた実施例13のTFTに対し、実施例11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膜とCu系合金膜との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、CuとSiの相互拡散を評価した。その結果、Cu原子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11と同様に、Cu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、Cu−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0136】
また、実施例11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。その結果は表2に示すとおりであり、実施例13のTFTは、従来例のTFTと同等の良好な特性を有することがわかった。
【0137】
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11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11と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表2に示すとおりであり、実施例13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。
【0138】
(比較例11)
比較例11は、前述した実施例11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。
【0139】
詳細には、前述した実施例11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11と同様にして比較例11のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは、約5nmであった。
【0140】
このようにして得られた比較例11のTFTに対し、実施例11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膜とCu系合金膜との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、CuとSiの相互拡散を評価した。その結果、Cu原子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11と同様に、Cu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、Cu−Si拡散層の厚さは約10nmであった。
【0141】
また、実施例11と同様にして比較例11のオフ電流およびオン電流を測定した。その結果は表2に示すとおりであり、比較例11のTFTは、従来例に比べて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。
【0142】
更に、比較例11のコンタクト抵抗を調べるため、前述した実施例11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11と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表2に示すとおりであり、コンタクト抵抗が上昇した。
【0143】
(比較例12)
比較例12は、前述した実施例11において、窒素ガス/半導体原料ガスの流量比を0.07に変えた例である。
【0144】
詳細には、前述した実施例11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11と同様にして比較例12のTFTを作製した。窒素含有層の厚さは、約4nmであった。
【0145】
このようにして得られた比較例12のTFTに対し、実施例11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膜とCu系合金膜との界面の断面TEM観察およびEDX分析を行い、CuとSiの相互拡散を評価した。その結果、Cu系合金膜中やアモルファスシリコン膜中にボイドが観察され、CuとSiの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Cuの拡散やCu系合金膜へのSiの拡散が確認された。
【0146】
また、実施例11と同様にして比較例12のオフ電流およびオン電流を測定した。その結果は表2に示すとおりであり、比較例12のTFTは、従来例に比べて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。
【0147】
(実施例14〜16、および比較例13〜14)
実施例14〜16、および比較例13〜14はそれぞれ、前述した実施例11〜13、および比較例11〜12のそれぞれにおいて、ソース−ドレイン電極を構成する配線材料として、Cu−0.3原子%Niの代わりに純Cuを用いたこと以外は、各例と同様にしてTFTを作製した例である(表2を参照)。例えば実施例14と実施例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例であり、比較例13と比較例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例である。これらのTFT特性およびコンタクト抵抗の結果を表2に示す。
【0148】
表2より、本発明の要件を満足する実施例14〜16は、いずれも良好なTFT特性およびコンタクト抵抗が得られるのに対し、比較例13〜14はTFT特性が低下した。
【0149】
(実施例17〜19、および比較例15〜16)
実施例17〜19、および比較例15〜16はそれぞれ、前述した実施例11〜13、および比較例11〜12のそれぞれにおいて、ソース−ドレイン電極を構成する配線材料として、Cu−0.3原子%Niの代わりにCu−0.5原子%Mnを用いたこと以外は、各例と同様にしてTFTを作製した例である(表2を参照)。例えば実施例17と実施例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例であり、比較例15と比較例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例である。これらのTFT特性およびコンタクト抵抗の結果を表2に示す。
【0150】
表2より、本発明の要件を満足する実施例17〜19は、いずれも良好なTFT特性およびコンタクト抵抗が得られるのに対し、比較例15〜16はTFT特性が低下した。
【0151】
(実施例20〜22、および比較例17〜18)
実施例20〜22、および比較例17〜18はそれぞれ、前述した実施例11〜13、および比較例11〜12のそれぞれにおいて、ソース−ドレイン電極を構成する配線材料として、Cu−0.3原子%Niの代わりにCu−0.1原子%Geを用いたこと以外は、各例と同様にしてTFTを作製した例である(表2を参照)。例えば実施例20と実施例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例であり、比較例17と比較例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例である。これらのTFT特性およびコンタクト抵抗の結果を表2に示す。
【0152】
表2より、本発明の要件を満足する実施例20〜22は、いずれも良好なTFT特性およびコンタクト抵抗が得られるのに対し、比較例17〜18はTFT特性が低下した。
【0153】
【表2】
【0154】
(3)表3に示す実験群について
表3に示す実施例23〜26では、純CuまたはCu合金のCu合金膜とCu−Si拡散層との密着性を測定した。まず、ガラス基板上にプラズマCVD法により、不純物(P)をドーピングした低抵抗のn+a−Si:Hを成膜した(膜厚:約200nm)。続いて、同一のプラズマCVD装置内で窒素ガスのみを供給してプラズマを発生させ、低抵抗n+a−Si:H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。このプラズマに印加したRFパワー密度は約0.3W/cm2、成膜温度は320℃、ガス圧力は67Paとした。
【0155】
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n+a−Si:Hを成膜した(膜厚:10nm)。さらにスパッタ法により純CuまたはCu−Mn合金を蒸着し(膜厚はいずれも300nm)、窒素雰囲気下、270℃で30分間のアニールを行った。その結果、上記のn+a−Si:H膜はCu−Si拡散層に変化した。
【0156】
成膜した純CuまたはCu合金のCu合金膜の表面に、カッターナイフで1mm間隔の碁盤目状の切り込みを入れた。次いで、住友3M製黒色ポリエステルテープ(製品番号8422B)を上記成膜表面上にしっかりと貼り付け、上記テープの引き剥がし角度が60°になるように保持しつつ、上記テープを一挙に引き剥がして、上記テープにより剥離した碁盤目の区画数をカウントし、全区画との比率(膜剥離率)を求めた。この結果を表3に示す。
【0157】
【表3】
【0158】
純Cuを用いた実施例23は、剥離率が9%であったのに対し、Mnを含有するCu−Mn合金(実施例24〜26)では密着性が高められた(剥離率は5%以下に抑えられた)。Mnの含有率の増加に伴って密着性がより良好になる傾向が見られ、Cu−6at%Mn合金では剥離率は0%であった。よって、Cu−Mn合金膜の使用により半導体層との密着性が改善されることが分かった。
【0159】
なお、上述した実験群ではすべて、ガラス基板の直上にCu系合金膜を形成したが、ガラス基板の直上に形成される配線膜の種類をこれに限定する趣旨ではない。本発明の配線構造は、半導体層とCu系合金膜との積層構造に特徴部分があるのであって、それ以外の構造は、本発明の作用を損なわない限り、特に限定されないからである。よって、ガラス基板の直上に形成される配線膜としては、上記のようにCu系合金膜を用いても良いし、あるいは、例えば、純AlやAl合金のAl系合金膜を用いても良い。
【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CuまたはCu合金のCu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Cu系合金膜との間に、基板側から順に、
窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)層と、CuおよびSiを含むCu−Si拡散層との積層構造を含んでおり、且つ、前記(N、C、F、O)層を構成する窒素、炭素、フッ素、および酸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Cu−Si拡散層は、前記(N、C、F、O)層、半導体層、および前記Cu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に記載の配線構造。
【請求項3】
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または2に記載の配線構造。
【請求項4】
請求項1〜3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5】
請求項4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6】
表示装置または半導体装置に用いられる請求項1〜3のいずれかに記載の配線構造。
【請求項7】
請求項4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、フッ素、および酸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、O)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8】
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7に記載の製造方法。
【請求項9】
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8に記載の製造方法。
【請求項10】
前記第1の工程は、窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)層を形成する工程を含む請求項7〜9のいずれかに記載の製造方法。
【請求項11】
前記第1の工程は、窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)層を形成する工程を含む請求項7〜9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CuまたはCu合金のCu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Cu系合金膜との間に、基板側から順に、
窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)層と、CuおよびSiを含むCu−Si拡散層との積層構造を含んでおり、且つ、前記(N、C、F、O)層を構成する窒素、炭素、フッ素、および酸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Cu−Si拡散層は、前記(N、C、F、O)層、半導体層、および前記Cu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に記載の配線構造。
【請求項3】
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または2に記載の配線構造。
【請求項4】
請求項1〜3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5】
請求項4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6】
表示装置または半導体装置に用いられる請求項1〜3のいずれかに記載の配線構造。
【請求項7】
請求項4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、フッ素、および酸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、O)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8】
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7に記載の製造方法。
【請求項9】
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8に記載の製造方法。
【請求項10】
前記第1の工程は、窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)層を形成する工程を含む請求項7〜9のいずれかに記載の製造方法。
【請求項11】
前記第1の工程は、窒素、炭素、フッ素、および酸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、O)層を形成する工程を含む請求項7〜9のいずれかに記載の製造方法。
【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11】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2010−245495(P2010−245495A)
【公開日】平成22年10月28日(2010.10.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−158769(P2009−158769)
【出願日】平成21年7月3日(2009.7.3)
【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22年10月28日(2010.10.28)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年7月3日(2009.7.3)
【出願人】(000001199)株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]