配線構造
【課題】有機ＥＬディスプレイや液晶ディスプレイなどの表示装置において、酸化物半導体層と、例えばソース電極やドレイン電極を構成する金属膜との安定した界面の形成が可能である配線構造を提供する。
【解決手段】基板の上に、基板側から順に、薄膜トランジスタの半導体層と、金属配線膜とを有しており、半導体層と金属配線膜との間にバリア層を有する配線構造であって、半導体層は酸化物半導体からなり、バリア層はＴｉ酸化膜から構成されており、且つ、Ｔｉ酸化膜は半導体層と直接接続している。
【解決手段】基板の上に、基板側から順に、薄膜トランジスタの半導体層と、金属配線膜とを有しており、半導体層と金属配線膜との間にバリア層を有する配線構造であって、半導体層は酸化物半導体からなり、バリア層はＴｉ酸化膜から構成されており、且つ、Ｔｉ酸化膜は半導体層と直接接続している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置などのフラットパネルディスプレイに用いられる配線構造であって、半導体層として酸化物半導体を有する配線構造に有用な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置などに代表される表示装置の配線材料には、加工性に優れ、電気抵抗も比較的低いアルミニウム（Ａｌ）合金膜が汎用されている。最近では、表示装置の大型化および高画質化に適用可能な表示装置用配線材料として、Ａｌよりも低抵抗である銅（Ｃｕ）が注目されている。Ａｌの電気抵抗率は２．５×１０-6Ω・ｃｍであるのに対し、Ｃｕの電気抵抗率は１．６×１０-6Ω・ｃｍと低い。
【０００３】
一方、表示装置に用いられる半導体層として、酸化物半導体が注目されている。酸化物半導体は、汎用のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）に比べて高いキャリア移動度を有し、光学バンドギャップが大きく、低温で成膜できるため、大型・高解像度・高速駆動が要求される次世代ディスプレイや、耐熱性の低い樹脂基板などへの適用が期待されている。
【０００４】
酸化物半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、ＺｎおよびＳｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含んでおり、例えば、Ｉｎ含有酸化物半導体（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏなど）が代表的に挙げられる。あるいは、希少金属であるＩｎを含まず材料コストを低減でき、大量生産に適した酸化物半導体として、Ｚｎ含有酸化物半導体（Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、Ｇａ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏなど）も提案されている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１６３９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、例えばボトムゲート型のＴＦＴの半導体層として酸化物半導体を用い、当該酸化物半導体と直接接続するようにしてソース電極やドレイン電極の配線材料としてＣｕ膜を用いると、酸化物半導体層にＣｕが拡散し、ＴＦＴ特性が劣化するといった問題がある。そのため、酸化物半導体とＣｕ膜との間に、酸化物半導体へのＣｕの拡散を防止するバリアメタルの適用が必要となるが、バリアメタル用金属として使用されているＴｉなどを用いると、熱処理後に下地の酸化物半導体と酸化還元反応を起こし、酸化物半導体の組成ずれを起こし、ＴＦＴ特性に悪影響を及ぼすと共に、Ｃｕ膜が剥離するという問題がある。
【０００７】
上記の問題は、Ｃｕに限らず、配線材料としてＡｌ膜を用いたときも同様に見られるものである。
【０００８】
本発明はこの様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、有機ＥＬディスプレイや液晶ディスプレイなどの表示装置において、酸化物半導体層と、例えばソース電極やドレイン電極を構成する金属膜との安定した界面の形成が可能である配線構造、および当該配線構造を備えた上記表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決し得た本発明の配線構造は、基板の上に、基板側から順に、薄膜トランジスタの半導体層と、金属配線膜とを有しており、前記半導体層と前記金属配線膜との間にバリア層を有する配線構造であって、前記半導体層は酸化物半導体からなり、前記バリア層はＴｉ酸化膜から構成されており、且つ、前記Ｔｉ酸化膜は前記半導体層と直接接続しているところに要旨を有するものである。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態において、前記Ｔｉ酸化膜はＴｉＯｘ（ｘは１．０以上２．０以下）から構成されるものである。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態において、前記金属配線膜は、単層または積層の構造を有しており、前記金属配線膜が単層の構造を有する場合、前記金属配線膜は、基板側から順に、純Ａｌ膜、９０原子％以上のＡｌを含むＡｌ合金膜、純Ｃｕ膜、または９０原子％以上のＣｕを含むＣｕ合金膜から構成され、前記金属配線膜が積層の構造を有する場合、前記金属配線膜は、基板側から順に、純Ｔｉ膜若しくは５０原子％以上のＴｉを含むＴｉ合金膜と、純Ａｌ膜若しくは９０原子％以上のＡｌを含むＡｌ合金膜；または、純Ｔｉ膜若しくは５０原子％以上のＴｉを含むＴｉ合金膜と、純Ｃｕ膜若しくは９０原子％以上のＣｕを含むＣｕ合金膜から構成されるものである。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態において、前記酸化物半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、ＺｎおよびＳｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む酸化物から構成されるものである。
【００１３】
本発明には、上記のいずれかに記載の配線構造を備えた表示装置も包含される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、酸化物半導体層を備えた配線構造において、配線材料を構成する金属の酸化物半導体への拡散を有効に抑制するためのバリア層として、Ｔｉ金属に代わってＴｉ酸化物を用いているため、安定したＴＦＴ特性が得られ、品質が一層高められた表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明に係る配線構造の構成を模式的に示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の酸化物半導体層と金属配線膜との界面の断面ＴＥＭ写真である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、従来の酸化物半導体層と金属配線膜との界面の断面ＴＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明者らは、ソース電極やドレイン電極などの電極用金属配線膜と酸化物半導体層（基板側からみて、酸化物半導体層が下、金属配線膜が上に配置されている）との安定した界面を形成させるため、種々検討を重ねてきた。その結果、下地となる酸化物半導体層と金属配線膜との間にＴｉ酸化膜を介在させると、酸化物半導体との酸化還元反応を抑制するとともに、金属配線膜を構成する金属の酸化物半導体への拡散及び酸化物半導体を構成する元素の金属配線膜への拡散が抑えられ、所期の目的を達成できることを見出し、本発明を完成した。
【００１７】
以下、図１を参照しながら、本発明に係る配線構造の実施形態を説明する。図１および後記する配線構造の製造方法は、本発明の好ましい実施形態の一例を示すものであり、これに限定する趣旨ではない。例えば図１には、ボトムゲート型構造のＴＦＴを示しているがこれに限定されず、酸化物半導体層の上にゲート絶縁膜とゲート電極を順に備えるトップゲート型のＴＦＴであっても良い。
【００１８】
図１に示すように本発明の配線構造は、基板１上にゲート電極２およびゲート絶縁膜３が形成され、その上に酸化物半導体層４が形成されている。酸化物半導体層４上にはソース・ドレイン電極５が形成され、その上に保護膜（絶縁膜）６が形成され、コンタクトホール７を介して透明導電膜８がソース・ドレイン電極５に電気的に接続されている。
【００１９】
そして本発明に係る配線構造の特徴部分は、ソース・ドレイン電極５と酸化物半導体層４との間に、従来のＴｉなどに代わり、Ｔｉ酸化膜９を有するところにある。図１に示すように、Ｔｉ酸化膜９は酸化物半導体層４と直接接続されている。Ｔｉ酸化膜９は、ソース・ドレイン電極形成以降の熱履歴(保護層形成など)による下地酸化物半導体層との還元反応を抑制し、またバリア層としての作用（半導体層への金属の拡散及びソース・ドレイン電極への半導体の拡散を防止し得る作用）を有する。
【００２０】
Ｔｉ酸化膜９はＴｉ酸化物を含んでいる。本発明に用いられるＴｉ酸化物の組成は、ＴｉＯｘで表わすことができ、ｘは１．０以上２．０以下であることが好ましい。より好ましいｘは１．５以上であり、更に好ましくは２．０である。Ｔｉ酸化物は、ＴｉとＯのみから構成されていても良いし、本発明の作用を損なわない範囲でＴｉ以外の金属（例えば、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎ）を更に含んでいても良い。
【００２１】
バリア効果を十分発揮させるにはＴｉ酸化膜９の膜厚をおおむね、１０ｎｍ以上とすることが好ましい。より好ましくは２０ｎｍ以上、更に好ましくは３０ｎｍ以上である。一方、膜厚が厚すぎると、微細加工性が悪くなるため、その上限を５０ｎｍとすることが好ましく、より好ましくは４０ｎｍである。
【００２２】
本発明の配線構造は、バリア層としてＴｉ酸化膜９を介在させたところに特徴があり、上記配線構造を構成する他の要件については特に限定されず、配線構造に通常用いられるものを適宜選択することができる。例えばソース・ドレイン電極５を構成する金属は、電気抵抗などの観点を考慮し、純Ａｌ膜若しくは９０原子％以上のＡｌを含むＡｌ合金膜、または純Ｃｕ膜若しくは９０原子％以上のＣｕを含むＣｕ合金膜が好ましく用いられる。これらは単層で用いることもできるし、あるいは、積層構造［基板側から順に、（ア）純Ｔｉ膜若しくは５０原子％以上のＴｉを含むＴｉ合金膜と、純Ａｌ膜若しくは９０原子％以上のＡｌを含むＡｌ合金膜との積層構造；または、（イ）純Ｔｉ膜若しくは５０原子％以上のＴｉを含むＴｉ合金膜と、純Ｃｕ膜若しくは９０原子％以上のＣｕを含むＣｕ合金膜との積層構造］とすることもできる。
【００２３】
ここで「純Ａｌ」とは、特性改善を意図した第三元素を含まず、不可避的不純物のみを含むＡｌを意味する。また「Ａｌ合金」とは、おおむね、９０原子％以上のＡｌを含み、残部は、Ａｌ以外の合金元素および不可避的不純物である。ここで「Ａｌ以外の合金元素」としては、電気抵抗が低い合金元素が挙げられ、具体的には、例えば、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｄ、Ｌａなどが挙げられる。これらの合金元素を含むＡｌ合金は、添加量、膜厚などを調節して、電気抵抗率が５．０×１０-6Ω・ｃｍ以下に抑制されていることが好ましい。
【００２４】
また「純Ｃｕ」とは、特性改善を意図した第三元素を含まず、不可避的不純物のみを含むＣｕを意味する。また「Ｃｕ合金」とは、おおむね、９０原子％以上のＣｕを含み、残部は、Ｃｕ以外の合金元素および不可避的不純物である。ここで「Ｃｕ以外の合金元素」としては、電気抵抗が低い合金元素が挙げられ、具体的には、例えば、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられる。これらの合金元素を含むＣｕ合金は、添加量、膜厚などを調節して、電気抵抗率が４．０×１０-6Ω・ｃｍ以下に抑制されていることが好ましい。
【００２５】
また「純Ｔｉ」とは、特性改善を意図した第三元素を含まず、不可避的不純物のみを含むＴｉを意味する。また「Ｔｉ合金」とは、おおむね、５０原子％以上のＴｉを含み、残部は、Ｔｉ以外の合金元素および不可避的不純物である。ここで「Ｔｉ以外の合金元素」としては、微細加工性などに悪影響を及ぼさない合金元素が挙げられ、具体的には、例えば、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎなどが挙げられる。
【００２６】
酸化物半導体層４を構成する酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、ＺｎおよびＳｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む酸化物であることが好ましい。具体的には、例えば、Ｉｎ含有酸化物半導体（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏなど）、Ｉｎを含まないＺｎ含有酸化物半導体（ＺｎＯ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、Ｇａ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏなど）などが挙げられる。これらの組成比は特に限定されず、通常用いられる範囲のものを用いることができる。
【００２７】
基板１は、表示装置に通常用いられるものであれば特に限定されず、例えば、無アルカリガラス基板、高歪点ガラス基板、ソーダライムガラス基板などの透明基板のほか、Ｓｉ基板、ステンレスなどの薄い金属板；ＰＥＴフィルムなどの樹脂基板が挙げられる。
【００２８】
ゲート電極２に用いられる金属材料も、表示装置に通常用いられるものであれば特に限定されず、電気抵抗率の低いＡｌやＣｕの金属、またはこれらの合金が挙げられる。具体的には、前述したソース・ドレイン電極５に用いられる金属材料（純ＡｌまたはＡｌ合金、純ＣｕまたはＣｕ合金）などが好ましく用いられる。ゲート電極２およびソース・ドレイン電極５は、同じ金属材料から構成されていても良い。
【００２９】
ゲート絶縁膜３および保護膜（絶縁膜）６も、表示装置に通常用いられるものであれば特に限定されず、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などが代表的に例示される。そのほか、Ａｌ2Ｏ3やＹ2Ｏ3などの酸化物や、これらを積層したものを用いることもできる。
【００３０】
透明導電膜８に用いられる材料も、表示装置に通常用いられるものであれば特に限定されず、例えばＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯなどの酸化物導電体が挙げられる。
【００３１】
次に、上記配線材料を製造するための好ましい実施形態の方法を記載するが、本発明はこれに限定する趣旨ではない。
【００３２】
まず、基板１上にゲート電極２およびゲート絶縁膜３を形成する。上記方法は特に限定されず、表示装置に通常用いられる方法を採用することができ、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などが挙げられる。
【００３３】
次いで、酸化物半導体層４を形成する。酸化物半導体層４は、当該半導体層４と同組成のスパッタリングターゲットを用いたＤＣスパッタリング法またはＲＦスパッタリング法によって成膜することが好ましい。
【００３４】
次に、酸化物半導体層４をウェットエッチングした後、パターニングする。パターニングの直後に、酸化物半導体層４の膜質改善のために熱処理（プレアニール）を行うことが好ましく、これにより、トランジスタ特性のオン電流および電界効果移動度が上昇し、トランジスタ性能が向上するようになる。プレアニール条件としては、例えば、大気あるいは酸素雰囲気にて、約２５０〜４００℃で約１〜２時間の熱処理が挙げられる。
【００３５】
プレアニールの後、本発明の特徴部分であるＴｉ酸化膜９、およびソース・ドレイン電極５を形成する。具体的には、例えばマグネトロンスパッタリング法によってＴｉ酸化膜９、およびソース・ドレイン電極５を構成する金属膜（例えば純Ｔｉと純Ｃｕ膜の積層）を成膜した後、リフトオフ法によってソース・ドレイン電極５を形成することができる。あるいは、上記のようにリフトオフ法によってソース・ドレイン電極５を形成するのではなく、予め、所定のＴｉ酸化膜、純Ｔｉ膜、純Ｃｕ膜を順次、スパッタリング法によって形成した後、パターニングによってソース・ドレイン電極５を形成する方法もあるが、この方法では、ソース・ドレイン電極５のエッチングの際に酸化物半導体層４にダメージが入るため、トランジスタ特性が低下する。そこで、このような問題を回避するために、酸化物半導体層４の上に予め、ＳｉＯ2などの保護膜をＣＶＤ法などによって形成した後、ソース・ドレイン電極５を形成し、パターニングする方法などを行なっても良い。
【００３６】
次に、酸化物半導体層４の上に保護膜（絶縁膜）６を、例えばＣＶＤ法によって成膜する。酸化物半導体膜４の表面は、ＣＶＤによるプラズマダメージによって容易に導通化してしまう（おそらく酸化物半導体表面に生成される酸素欠損が電子ドナーとなるためと推察される。）ため、保護膜６の成膜前にＮ2Ｏプラズマ照射を行うことが好ましい。Ｎ2Ｏプラズマの照射条件は、下記文献に記載の条件を採用することが好ましい。
Ｊ． Ｐａｒｋら、Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， １９９３，０５３５０５（２００８）
【００３７】
次に、常法に基づき、コンタクトホール７を介して透明導電膜８をソース・ドレイン電極５に電気的に接続することによって本発明の配線構造が得られる。
【実施例】
【００３８】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限されず、前・後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。
【００３９】
実施例１
本実施例では、以下の方法によって作製した試料を用い、酸化物半導体とＴｉ酸化膜との密着性、および金属配線膜中への酸化物半導体構成元素の拡散を測定した。
【００４０】
（密着性試験用の試料の作製）
まず、ガラス基板（コーニング社製イーグルＸＧ、直径１００ｍｍ×厚さ０．７ｍｍ）上にゲート絶縁膜ＳｉＯ2（２００ｎｍ）を成膜した。ゲート絶縁膜はプラズマＣＶＤ法を用い、キャリアガス：ＳｉＨ4とＮ2Ｏの混合ガス、成膜パワー：１００Ｗ、成膜温度：３００℃にて成膜した。
【００４１】
次に、上記のゲート絶縁膜上に、表１〜表４に示す種々の酸化物半導体層を、スパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法によって成膜した。スパッタリング条件は以下の通りであり、ターゲットの組成は所望の半導体層が得られるように調整されたものを用いた。
【００４２】
ターゲット：Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＧＺＯ）
Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＺＴＯ）
Ｇａ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＧＺＴＯ）
Ｉｎ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＺＴＯ）
基板温度：室温
ガス圧：５ｍＴｏｒｒ
酸素分圧：Ｏ2／（Ａｒ＋Ｏ2）＝４％
膜厚：５０ｎｍ
【００４３】
次に、膜質を向上させるためプレアニール処理を行った。プレアニールは、大気圧下にて、３５０℃で１時間行なった。
【００４４】
次に、上記の酸化物半導体膜上に、表１〜表４に示す種々の組成および膜厚のＴｉ酸化膜（ＴｉＯｘ、膜厚：３０ｎｍ）、純Ｔｉ膜（膜厚：２０ｎｍ）、および純Ｃｕの金属配線膜（膜厚：２５０ｎｍ）を、ＤＣマグネトロンスパッタリング法で成膜した。本実施例では、金属配線膜として、純Ｔｉと純Ｃｕの積層膜を用いた。詳細には、Ｔｉ酸化膜をＤＣ反応性スパッタリング法により成膜し、続いて純ＴｉをＤＣスパッタリング法により成膜し、最後に純Ｃｕ膜をＤＣスパッタリング法により成膜した。
【００４５】
ここで、Ｔｉ酸化膜のＤＣ反応性スパッタリング条件は以下の通りである。
基板温度：室温
雰囲気：Ａｒ＋Ｏ2
ガス圧：２ｍＴｏｒｒ
【００４６】
また、純Ｔｉ膜および純Ｃｕ膜のＤＣスパッタリング条件は、以下の通りである。
ターゲット：純Ｔｉターゲット（純Ｔｉ膜の場合）
純Ｃｕターゲット（純Ｃｕ膜の場合）
成膜温度：室温
キャリアガス：Ａｒ
ガス圧：２ｍＴｏｒｒ
【００４７】
上記Ｔｉ酸化膜（ＴｉＯｘ）の組成比は、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）測定によって調べた。詳細には、Ｔｉ酸化膜のＴｉ２ｐのＸＰＳスペクトルのピーク位置及びＴｉ２ｐとＯ１ｓの面積比により調べた。
【００４８】
（酸化物半導体との密着性試験）
上記のようにして得られた各試料に対して３５０℃で３０分間熱処理を行い、熱処理後の各試料と酸化物半導体との密着性（詳細には、ＴｉＯｘと酸化物半導体との密着性）を、ＪＩＳ規格のテープ剥離テストに基づき、テープによる剥離試験で評価した。
【００４９】
詳細には、各試料の表面（純Ｃｕ膜側）にカッターナイフで１ｍｍ間隔の碁盤目状の切り込み（５×５の升目の切り込み）を入れた。次いで、ＵＬＴＲＡ ＴＡＰＥ社製黒色ポリエステルテープ（商品名：ウルトラテープ＃６５７０）を上記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なかった碁盤目の区画数をカウントし、全区画との比率（膜残存率）を求めた。測定は３回行い、３回の平均値を各試料の膜残存率とした。
【００５０】
本実施例では、上記のようにして算出した膜残存率が９０％以上のものを○、９０％未満のものを×と判定し、○を合格（酸化物半導体層との密着性良好）とした。
【００５１】
（Ｃｕ膜中への酸化物半導体層構成元素の拡散の有無）
上記各試料に対し、Ｃｕ膜中への酸化物半導体層構成元素の拡散の有無を、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）法を用いて確認した。実験条件は、一次イオン条件Ｏ2+、１ｋｅＶで行なった。拡散の判断基準は、Ｃｕ膜中に酸化物半導体層構成元素（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｓｎ）の拡散を起こさないＣｕ／Ｍｏ／酸化物半導体層の構造をリファレンスとして用い、このリファレンス構造におけるＣｕ膜中の酸化物半導体層構成元素（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｓｎ）のピーク強度に対し、当該ピーク強度の５倍以上の強度を持つものを、酸化物半導体層構成元素の拡散有り（不合格）と判断し、５倍未満の強度を持つものを、拡散無し（合格）と判断した。
【００５２】
これらの結果を表１〜表４にまとめて示す。
【００５３】
【表１】
【００５４】
【表２】
【００５５】
【表３Ａ】
【００５６】
【表３Ｂ】
【００５７】
【表３Ｃ】
【００５８】
【表４Ａ】
【００５９】
【表４Ｂ】
【００６０】
【表４Ｃ】
【００６１】
表１〜表４は、酸化物半導体の組成が相違しており、表１はＩＧＺＯ、表２はＺＴＯ、表３はＧＺＴＯ、表４はＩＺＴＯをそれぞれ用いたときの結果である。表１において、「ＩＧＺＯの組成比」の欄におけるＩｎ、Ｇａ、Ｚｎの各比率は、ＩＧＺＯを構成するＩｎ：Ｇａ：Ｚｎの組成比（原子％比）を意味する。
【００６２】
また各表において、「Ｔｉ酸化膜（ＴｉＯｘ）＝−」（例えば表１のＮｏ．１など）とは、金属配線膜として純Ｔｉ膜（膜厚５０ｎｍ）のみ用いＴｉ酸化膜（ＴｉＯｘ）を用いなかった例であり、従来例に相当するものである。
【００６３】
これらの表より、いずれの組成の酸化物半導体を用いた場合であっても、本発明で規定する、Ｔｉ酸化膜（ＴｉＯｘ）をバリア層として用いると、Ｃｕ膜中への酸化物半導体層構成元素の拡散を抑えられ、バリア層と酸化物半導体との密着性も良好であった。よって、バリア層を含む金属膜（ＴｉＯｘ／純Ｔｉ／純Ｃｕ）の剥離は生じなかった。これに対し、純Ｔｉ膜のみを用いたものは、酸化物半導体層構成元素の拡散を抑制できず、密着性も低下した。
【００６４】
また、バリア層として用いられるＴｉ酸化物（ＴｉＯｘ）の組成について、酸素の比率（ｘ）が本発明の好ましい範囲を外れるものは、純Ｔｉ膜を用いたときと同様の問題（酸化物半導体層構成元素の拡散、密着性低下）が生じた。
【００６５】
上記では、金属配線膜として、純Ｔｉと純Ｃｕとの積層膜を用いたときの結果を示しているが、それ以外の態様（純Ｔｉと純Ａｌとの積層膜、純ＴｉとＣｕ合金との積層膜、純ＴｉとＡｌ合金との積層膜のほか、純Ｃｕのみ、純Ａｌのみ、Ｃｕ合金のみ、Ａｌ合金のみの単層膜）を用いたときも、上記と同様の結果が得られることを実験により確認している。
【００６６】
実施例２
本実施例では、以下の方法によって作製した試料を用い、酸化物半導体層と金属配線膜との界面を断面ＴＥＭ観察した。
【００６７】
（断面ＴＥＭ観察用の試料の作製）
まず、ガラス基板（コーニング社製イーグルＸＧ、直径１００ｍｍ×厚さ０．７ｍｍ）上にゲート絶縁膜ＳｉＯ2（２００ｎｍ）を成膜した。ゲート絶縁膜はプラズマＣＶＤ法を用い、キャリアガス：ＳｉＨ4とＮ2Ｏの混合ガス、成膜パワー：１００Ｗ、成膜温度：３００℃にて成膜した。
【００６８】
次に、上記のゲート絶縁膜上に、酸化物半導体層を、スパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法によって成膜した。スパッタリング条件は以下の通りであり、ターゲットの組成は所望の半導体層が得られるように調整されたものを用いた。
【００６９】
ターゲット：Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＧＺＯ）
Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎの組成比（原子％比）＝２：２：１
基板温度：室温
ガス圧：５ｍＴｏｒｒ
酸素分圧：Ｏ2／（Ａｒ＋Ｏ2）＝４％
膜厚：５０ｎｍ
【００７０】
次に、膜質を向上させるためプレアニール処理を行った。プレアニールは、大気圧下にて、３５０℃で１時間行なった。
【００７１】
次に、上記の酸化物半導体膜上に、Ｔｉ酸化膜（ＴｉＯｘ：ｘ＝２．０、膜厚：３０ｎｍ）および純Ｃｕの金属配線膜（膜厚：２５０ｎｍ）を、ＤＣマグネトロンスパッタリング法で成膜した。詳細には、Ｔｉ酸化膜をＤＣ反応性スパッタリング法により成膜し、続いて純Ｃｕ膜をＤＣスパッタリング法により成膜した。
【００７２】
また、従来例として、純Ｔｉ膜（膜厚：５０ｎｍ）と純Ｃｕ膜（膜厚：２５０ｎｍ）の金属配線膜を順次、ＤＣスパッタリング法により成膜した。
【００７３】
ここで、Ｔｉ酸化膜のＤＣ反応性スパッタリング条件は以下の通りである。
基板温度：室温
雰囲気：Ａｒ＋Ｏ2
ガス圧：２ｍＴｏｒｒ
【００７４】
また、純Ｔｉ膜および純Ｃｕ膜のＤＣスパッタリング条件は、以下の通りである。
ターゲット：純Ｔｉターゲット（純Ｔｉ膜の場合）
純Ｃｕターゲット（純Ｃｕ膜の場合）
成膜温度：室温
キャリアガス：Ａｒ
ガス圧：２ｍＴｏｒｒ
【００７５】
上記Ｔｉ酸化膜（ＴｉＯｘ）の組成比は、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）測定によって調べ、ｘ＝２．０（ＴｉＯ２）であることを確認した。詳細にはＴｉ酸化膜のＴｉ２ｐのＸＰＳスペクトルのピーク位置及びＴｉ２ｐとＯ１ｓの面積比により調べた。
【００７６】
（酸化物半導体層と金属配線膜の界面の評価）
上記のようにして得られた各試料に対して３５０℃で３０分間熱処理を行い、熱処理後の各試料の断面を観察した。断面の観察には、電界放射型透過電子顕微鏡ＨＦ−２０００（日立製作所製）を用いた。
【００７７】
詳細には、熱処理後の酸化物半導体層（ＩＧＺＯ）とＴｉ酸化膜、金属配線膜（純Ｃｕ）との界面を断面ＴＥＭ観察（倍率９０万倍）し、界面の状態を評価した。上記界面の断面ＴＥＭ像を図２Ａに示す。図２Ａに示すように、３５０℃熱処理を行っても、ＴｉＯ２／ＩＧＺＯ界面では酸化還元反応が発生せず、良好なバリア層（ＴｉＯ２）を形成し、純ＣｕのＩＧＺＯへの拡散、及びＩＧＺＯの純Ｃｕへの拡散が抑えられた。よって、Ｔｉ酸化膜を介在させると、酸化物半導体層と金属配線膜の相互拡散が抑制され、安定したＴＦＴ特性が得られ、品質が一層高められた表示装置を提供することが可能となる。
【００７８】
一方、熱処理後の酸化物半導体層（ＩＧＺＯ）と純Ｔｉ膜と純Ｃｕ膜の金属配線膜との界面を断面ＴＥＭ観察（倍率９０万倍）し、界面の状態を評価した。上記界面の断面ＴＥＭ像を図２Ｂに示す。図２Ｂに示すように、３５０℃の熱処理により、Ｔｉはその下に存在するＩＧＺＯとの界面で酸化還元反応が発生してＴｉＯｘを形成し、純ＴｉとＩＧＺＯの間に酸化還元反応層が観察された。よって、酸化物半導体層と金属配線膜の間にＴｉを用いると、熱処理後に下地の酸化物半導体と酸化還元反応を起こして組成ずれ（ＴｉＯｘ）が生じ、ＴＦＴ特性に悪影響を及ぼす原因となることがわかった。
【符号の説明】
【００７９】
１ 基板
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁膜
４ 酸化物半導体層
５ ソース・ドレイン電極
６ 保護膜（絶縁膜）
７ コンタクトホール
８ 透明導電膜
９ Ｔｉ酸化膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置などのフラットパネルディスプレイに用いられる配線構造であって、半導体層として酸化物半導体を有する配線構造に有用な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置などに代表される表示装置の配線材料には、加工性に優れ、電気抵抗も比較的低いアルミニウム（Ａｌ）合金膜が汎用されている。最近では、表示装置の大型化および高画質化に適用可能な表示装置用配線材料として、Ａｌよりも低抵抗である銅（Ｃｕ）が注目されている。Ａｌの電気抵抗率は２．５×１０-6Ω・ｃｍであるのに対し、Ｃｕの電気抵抗率は１．６×１０-6Ω・ｃｍと低い。
【０００３】
一方、表示装置に用いられる半導体層として、酸化物半導体が注目されている。酸化物半導体は、汎用のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）に比べて高いキャリア移動度を有し、光学バンドギャップが大きく、低温で成膜できるため、大型・高解像度・高速駆動が要求される次世代ディスプレイや、耐熱性の低い樹脂基板などへの適用が期待されている。
【０００４】
酸化物半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、ＺｎおよびＳｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含んでおり、例えば、Ｉｎ含有酸化物半導体（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏなど）が代表的に挙げられる。あるいは、希少金属であるＩｎを含まず材料コストを低減でき、大量生産に適した酸化物半導体として、Ｚｎ含有酸化物半導体（Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、Ｇａ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏなど）も提案されている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１６３９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、例えばボトムゲート型のＴＦＴの半導体層として酸化物半導体を用い、当該酸化物半導体と直接接続するようにしてソース電極やドレイン電極の配線材料としてＣｕ膜を用いると、酸化物半導体層にＣｕが拡散し、ＴＦＴ特性が劣化するといった問題がある。そのため、酸化物半導体とＣｕ膜との間に、酸化物半導体へのＣｕの拡散を防止するバリアメタルの適用が必要となるが、バリアメタル用金属として使用されているＴｉなどを用いると、熱処理後に下地の酸化物半導体と酸化還元反応を起こし、酸化物半導体の組成ずれを起こし、ＴＦＴ特性に悪影響を及ぼすと共に、Ｃｕ膜が剥離するという問題がある。
【０００７】
上記の問題は、Ｃｕに限らず、配線材料としてＡｌ膜を用いたときも同様に見られるものである。
【０００８】
本発明はこの様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、有機ＥＬディスプレイや液晶ディスプレイなどの表示装置において、酸化物半導体層と、例えばソース電極やドレイン電極を構成する金属膜との安定した界面の形成が可能である配線構造、および当該配線構造を備えた上記表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決し得た本発明の配線構造は、基板の上に、基板側から順に、薄膜トランジスタの半導体層と、金属配線膜とを有しており、前記半導体層と前記金属配線膜との間にバリア層を有する配線構造であって、前記半導体層は酸化物半導体からなり、前記バリア層はＴｉ酸化膜から構成されており、且つ、前記Ｔｉ酸化膜は前記半導体層と直接接続しているところに要旨を有するものである。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態において、前記Ｔｉ酸化膜はＴｉＯｘ（ｘは１．０以上２．０以下）から構成されるものである。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態において、前記金属配線膜は、単層または積層の構造を有しており、前記金属配線膜が単層の構造を有する場合、前記金属配線膜は、基板側から順に、純Ａｌ膜、９０原子％以上のＡｌを含むＡｌ合金膜、純Ｃｕ膜、または９０原子％以上のＣｕを含むＣｕ合金膜から構成され、前記金属配線膜が積層の構造を有する場合、前記金属配線膜は、基板側から順に、純Ｔｉ膜若しくは５０原子％以上のＴｉを含むＴｉ合金膜と、純Ａｌ膜若しくは９０原子％以上のＡｌを含むＡｌ合金膜；または、純Ｔｉ膜若しくは５０原子％以上のＴｉを含むＴｉ合金膜と、純Ｃｕ膜若しくは９０原子％以上のＣｕを含むＣｕ合金膜から構成されるものである。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態において、前記酸化物半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、ＺｎおよびＳｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む酸化物から構成されるものである。
【００１３】
本発明には、上記のいずれかに記載の配線構造を備えた表示装置も包含される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、酸化物半導体層を備えた配線構造において、配線材料を構成する金属の酸化物半導体への拡散を有効に抑制するためのバリア層として、Ｔｉ金属に代わってＴｉ酸化物を用いているため、安定したＴＦＴ特性が得られ、品質が一層高められた表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明に係る配線構造の構成を模式的に示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の酸化物半導体層と金属配線膜との界面の断面ＴＥＭ写真である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、従来の酸化物半導体層と金属配線膜との界面の断面ＴＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明者らは、ソース電極やドレイン電極などの電極用金属配線膜と酸化物半導体層（基板側からみて、酸化物半導体層が下、金属配線膜が上に配置されている）との安定した界面を形成させるため、種々検討を重ねてきた。その結果、下地となる酸化物半導体層と金属配線膜との間にＴｉ酸化膜を介在させると、酸化物半導体との酸化還元反応を抑制するとともに、金属配線膜を構成する金属の酸化物半導体への拡散及び酸化物半導体を構成する元素の金属配線膜への拡散が抑えられ、所期の目的を達成できることを見出し、本発明を完成した。
【００１７】
以下、図１を参照しながら、本発明に係る配線構造の実施形態を説明する。図１および後記する配線構造の製造方法は、本発明の好ましい実施形態の一例を示すものであり、これに限定する趣旨ではない。例えば図１には、ボトムゲート型構造のＴＦＴを示しているがこれに限定されず、酸化物半導体層の上にゲート絶縁膜とゲート電極を順に備えるトップゲート型のＴＦＴであっても良い。
【００１８】
図１に示すように本発明の配線構造は、基板１上にゲート電極２およびゲート絶縁膜３が形成され、その上に酸化物半導体層４が形成されている。酸化物半導体層４上にはソース・ドレイン電極５が形成され、その上に保護膜（絶縁膜）６が形成され、コンタクトホール７を介して透明導電膜８がソース・ドレイン電極５に電気的に接続されている。
【００１９】
そして本発明に係る配線構造の特徴部分は、ソース・ドレイン電極５と酸化物半導体層４との間に、従来のＴｉなどに代わり、Ｔｉ酸化膜９を有するところにある。図１に示すように、Ｔｉ酸化膜９は酸化物半導体層４と直接接続されている。Ｔｉ酸化膜９は、ソース・ドレイン電極形成以降の熱履歴(保護層形成など)による下地酸化物半導体層との還元反応を抑制し、またバリア層としての作用（半導体層への金属の拡散及びソース・ドレイン電極への半導体の拡散を防止し得る作用）を有する。
【００２０】
Ｔｉ酸化膜９はＴｉ酸化物を含んでいる。本発明に用いられるＴｉ酸化物の組成は、ＴｉＯｘで表わすことができ、ｘは１．０以上２．０以下であることが好ましい。より好ましいｘは１．５以上であり、更に好ましくは２．０である。Ｔｉ酸化物は、ＴｉとＯのみから構成されていても良いし、本発明の作用を損なわない範囲でＴｉ以外の金属（例えば、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎ）を更に含んでいても良い。
【００２１】
バリア効果を十分発揮させるにはＴｉ酸化膜９の膜厚をおおむね、１０ｎｍ以上とすることが好ましい。より好ましくは２０ｎｍ以上、更に好ましくは３０ｎｍ以上である。一方、膜厚が厚すぎると、微細加工性が悪くなるため、その上限を５０ｎｍとすることが好ましく、より好ましくは４０ｎｍである。
【００２２】
本発明の配線構造は、バリア層としてＴｉ酸化膜９を介在させたところに特徴があり、上記配線構造を構成する他の要件については特に限定されず、配線構造に通常用いられるものを適宜選択することができる。例えばソース・ドレイン電極５を構成する金属は、電気抵抗などの観点を考慮し、純Ａｌ膜若しくは９０原子％以上のＡｌを含むＡｌ合金膜、または純Ｃｕ膜若しくは９０原子％以上のＣｕを含むＣｕ合金膜が好ましく用いられる。これらは単層で用いることもできるし、あるいは、積層構造［基板側から順に、（ア）純Ｔｉ膜若しくは５０原子％以上のＴｉを含むＴｉ合金膜と、純Ａｌ膜若しくは９０原子％以上のＡｌを含むＡｌ合金膜との積層構造；または、（イ）純Ｔｉ膜若しくは５０原子％以上のＴｉを含むＴｉ合金膜と、純Ｃｕ膜若しくは９０原子％以上のＣｕを含むＣｕ合金膜との積層構造］とすることもできる。
【００２３】
ここで「純Ａｌ」とは、特性改善を意図した第三元素を含まず、不可避的不純物のみを含むＡｌを意味する。また「Ａｌ合金」とは、おおむね、９０原子％以上のＡｌを含み、残部は、Ａｌ以外の合金元素および不可避的不純物である。ここで「Ａｌ以外の合金元素」としては、電気抵抗が低い合金元素が挙げられ、具体的には、例えば、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｄ、Ｌａなどが挙げられる。これらの合金元素を含むＡｌ合金は、添加量、膜厚などを調節して、電気抵抗率が５．０×１０-6Ω・ｃｍ以下に抑制されていることが好ましい。
【００２４】
また「純Ｃｕ」とは、特性改善を意図した第三元素を含まず、不可避的不純物のみを含むＣｕを意味する。また「Ｃｕ合金」とは、おおむね、９０原子％以上のＣｕを含み、残部は、Ｃｕ以外の合金元素および不可避的不純物である。ここで「Ｃｕ以外の合金元素」としては、電気抵抗が低い合金元素が挙げられ、具体的には、例えば、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられる。これらの合金元素を含むＣｕ合金は、添加量、膜厚などを調節して、電気抵抗率が４．０×１０-6Ω・ｃｍ以下に抑制されていることが好ましい。
【００２５】
また「純Ｔｉ」とは、特性改善を意図した第三元素を含まず、不可避的不純物のみを含むＴｉを意味する。また「Ｔｉ合金」とは、おおむね、５０原子％以上のＴｉを含み、残部は、Ｔｉ以外の合金元素および不可避的不純物である。ここで「Ｔｉ以外の合金元素」としては、微細加工性などに悪影響を及ぼさない合金元素が挙げられ、具体的には、例えば、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎなどが挙げられる。
【００２６】
酸化物半導体層４を構成する酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、ＺｎおよびＳｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む酸化物であることが好ましい。具体的には、例えば、Ｉｎ含有酸化物半導体（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏなど）、Ｉｎを含まないＺｎ含有酸化物半導体（ＺｎＯ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、Ｇａ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏなど）などが挙げられる。これらの組成比は特に限定されず、通常用いられる範囲のものを用いることができる。
【００２７】
基板１は、表示装置に通常用いられるものであれば特に限定されず、例えば、無アルカリガラス基板、高歪点ガラス基板、ソーダライムガラス基板などの透明基板のほか、Ｓｉ基板、ステンレスなどの薄い金属板；ＰＥＴフィルムなどの樹脂基板が挙げられる。
【００２８】
ゲート電極２に用いられる金属材料も、表示装置に通常用いられるものであれば特に限定されず、電気抵抗率の低いＡｌやＣｕの金属、またはこれらの合金が挙げられる。具体的には、前述したソース・ドレイン電極５に用いられる金属材料（純ＡｌまたはＡｌ合金、純ＣｕまたはＣｕ合金）などが好ましく用いられる。ゲート電極２およびソース・ドレイン電極５は、同じ金属材料から構成されていても良い。
【００２９】
ゲート絶縁膜３および保護膜（絶縁膜）６も、表示装置に通常用いられるものであれば特に限定されず、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などが代表的に例示される。そのほか、Ａｌ2Ｏ3やＹ2Ｏ3などの酸化物や、これらを積層したものを用いることもできる。
【００３０】
透明導電膜８に用いられる材料も、表示装置に通常用いられるものであれば特に限定されず、例えばＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯなどの酸化物導電体が挙げられる。
【００３１】
次に、上記配線材料を製造するための好ましい実施形態の方法を記載するが、本発明はこれに限定する趣旨ではない。
【００３２】
まず、基板１上にゲート電極２およびゲート絶縁膜３を形成する。上記方法は特に限定されず、表示装置に通常用いられる方法を採用することができ、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などが挙げられる。
【００３３】
次いで、酸化物半導体層４を形成する。酸化物半導体層４は、当該半導体層４と同組成のスパッタリングターゲットを用いたＤＣスパッタリング法またはＲＦスパッタリング法によって成膜することが好ましい。
【００３４】
次に、酸化物半導体層４をウェットエッチングした後、パターニングする。パターニングの直後に、酸化物半導体層４の膜質改善のために熱処理（プレアニール）を行うことが好ましく、これにより、トランジスタ特性のオン電流および電界効果移動度が上昇し、トランジスタ性能が向上するようになる。プレアニール条件としては、例えば、大気あるいは酸素雰囲気にて、約２５０〜４００℃で約１〜２時間の熱処理が挙げられる。
【００３５】
プレアニールの後、本発明の特徴部分であるＴｉ酸化膜９、およびソース・ドレイン電極５を形成する。具体的には、例えばマグネトロンスパッタリング法によってＴｉ酸化膜９、およびソース・ドレイン電極５を構成する金属膜（例えば純Ｔｉと純Ｃｕ膜の積層）を成膜した後、リフトオフ法によってソース・ドレイン電極５を形成することができる。あるいは、上記のようにリフトオフ法によってソース・ドレイン電極５を形成するのではなく、予め、所定のＴｉ酸化膜、純Ｔｉ膜、純Ｃｕ膜を順次、スパッタリング法によって形成した後、パターニングによってソース・ドレイン電極５を形成する方法もあるが、この方法では、ソース・ドレイン電極５のエッチングの際に酸化物半導体層４にダメージが入るため、トランジスタ特性が低下する。そこで、このような問題を回避するために、酸化物半導体層４の上に予め、ＳｉＯ2などの保護膜をＣＶＤ法などによって形成した後、ソース・ドレイン電極５を形成し、パターニングする方法などを行なっても良い。
【００３６】
次に、酸化物半導体層４の上に保護膜（絶縁膜）６を、例えばＣＶＤ法によって成膜する。酸化物半導体膜４の表面は、ＣＶＤによるプラズマダメージによって容易に導通化してしまう（おそらく酸化物半導体表面に生成される酸素欠損が電子ドナーとなるためと推察される。）ため、保護膜６の成膜前にＮ2Ｏプラズマ照射を行うことが好ましい。Ｎ2Ｏプラズマの照射条件は、下記文献に記載の条件を採用することが好ましい。
Ｊ． Ｐａｒｋら、Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， １９９３，０５３５０５（２００８）
【００３７】
次に、常法に基づき、コンタクトホール７を介して透明導電膜８をソース・ドレイン電極５に電気的に接続することによって本発明の配線構造が得られる。
【実施例】
【００３８】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限されず、前・後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。
【００３９】
実施例１
本実施例では、以下の方法によって作製した試料を用い、酸化物半導体とＴｉ酸化膜との密着性、および金属配線膜中への酸化物半導体構成元素の拡散を測定した。
【００４０】
（密着性試験用の試料の作製）
まず、ガラス基板（コーニング社製イーグルＸＧ、直径１００ｍｍ×厚さ０．７ｍｍ）上にゲート絶縁膜ＳｉＯ2（２００ｎｍ）を成膜した。ゲート絶縁膜はプラズマＣＶＤ法を用い、キャリアガス：ＳｉＨ4とＮ2Ｏの混合ガス、成膜パワー：１００Ｗ、成膜温度：３００℃にて成膜した。
【００４１】
次に、上記のゲート絶縁膜上に、表１〜表４に示す種々の酸化物半導体層を、スパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法によって成膜した。スパッタリング条件は以下の通りであり、ターゲットの組成は所望の半導体層が得られるように調整されたものを用いた。
【００４２】
ターゲット：Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＧＺＯ）
Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＺＴＯ）
Ｇａ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＧＺＴＯ）
Ｉｎ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＺＴＯ）
基板温度：室温
ガス圧：５ｍＴｏｒｒ
酸素分圧：Ｏ2／（Ａｒ＋Ｏ2）＝４％
膜厚：５０ｎｍ
【００４３】
次に、膜質を向上させるためプレアニール処理を行った。プレアニールは、大気圧下にて、３５０℃で１時間行なった。
【００４４】
次に、上記の酸化物半導体膜上に、表１〜表４に示す種々の組成および膜厚のＴｉ酸化膜（ＴｉＯｘ、膜厚：３０ｎｍ）、純Ｔｉ膜（膜厚：２０ｎｍ）、および純Ｃｕの金属配線膜（膜厚：２５０ｎｍ）を、ＤＣマグネトロンスパッタリング法で成膜した。本実施例では、金属配線膜として、純Ｔｉと純Ｃｕの積層膜を用いた。詳細には、Ｔｉ酸化膜をＤＣ反応性スパッタリング法により成膜し、続いて純ＴｉをＤＣスパッタリング法により成膜し、最後に純Ｃｕ膜をＤＣスパッタリング法により成膜した。
【００４５】
ここで、Ｔｉ酸化膜のＤＣ反応性スパッタリング条件は以下の通りである。
基板温度：室温
雰囲気：Ａｒ＋Ｏ2
ガス圧：２ｍＴｏｒｒ
【００４６】
また、純Ｔｉ膜および純Ｃｕ膜のＤＣスパッタリング条件は、以下の通りである。
ターゲット：純Ｔｉターゲット（純Ｔｉ膜の場合）
純Ｃｕターゲット（純Ｃｕ膜の場合）
成膜温度：室温
キャリアガス：Ａｒ
ガス圧：２ｍＴｏｒｒ
【００４７】
上記Ｔｉ酸化膜（ＴｉＯｘ）の組成比は、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）測定によって調べた。詳細には、Ｔｉ酸化膜のＴｉ２ｐのＸＰＳスペクトルのピーク位置及びＴｉ２ｐとＯ１ｓの面積比により調べた。
【００４８】
（酸化物半導体との密着性試験）
上記のようにして得られた各試料に対して３５０℃で３０分間熱処理を行い、熱処理後の各試料と酸化物半導体との密着性（詳細には、ＴｉＯｘと酸化物半導体との密着性）を、ＪＩＳ規格のテープ剥離テストに基づき、テープによる剥離試験で評価した。
【００４９】
詳細には、各試料の表面（純Ｃｕ膜側）にカッターナイフで１ｍｍ間隔の碁盤目状の切り込み（５×５の升目の切り込み）を入れた。次いで、ＵＬＴＲＡ ＴＡＰＥ社製黒色ポリエステルテープ（商品名：ウルトラテープ＃６５７０）を上記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なかった碁盤目の区画数をカウントし、全区画との比率（膜残存率）を求めた。測定は３回行い、３回の平均値を各試料の膜残存率とした。
【００５０】
本実施例では、上記のようにして算出した膜残存率が９０％以上のものを○、９０％未満のものを×と判定し、○を合格（酸化物半導体層との密着性良好）とした。
【００５１】
（Ｃｕ膜中への酸化物半導体層構成元素の拡散の有無）
上記各試料に対し、Ｃｕ膜中への酸化物半導体層構成元素の拡散の有無を、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）法を用いて確認した。実験条件は、一次イオン条件Ｏ2+、１ｋｅＶで行なった。拡散の判断基準は、Ｃｕ膜中に酸化物半導体層構成元素（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｓｎ）の拡散を起こさないＣｕ／Ｍｏ／酸化物半導体層の構造をリファレンスとして用い、このリファレンス構造におけるＣｕ膜中の酸化物半導体層構成元素（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｓｎ）のピーク強度に対し、当該ピーク強度の５倍以上の強度を持つものを、酸化物半導体層構成元素の拡散有り（不合格）と判断し、５倍未満の強度を持つものを、拡散無し（合格）と判断した。
【００５２】
これらの結果を表１〜表４にまとめて示す。
【００５３】
【表１】
【００５４】
【表２】
【００５５】
【表３Ａ】
【００５６】
【表３Ｂ】
【００５７】
【表３Ｃ】
【００５８】
【表４Ａ】
【００５９】
【表４Ｂ】
【００６０】
【表４Ｃ】
【００６１】
表１〜表４は、酸化物半導体の組成が相違しており、表１はＩＧＺＯ、表２はＺＴＯ、表３はＧＺＴＯ、表４はＩＺＴＯをそれぞれ用いたときの結果である。表１において、「ＩＧＺＯの組成比」の欄におけるＩｎ、Ｇａ、Ｚｎの各比率は、ＩＧＺＯを構成するＩｎ：Ｇａ：Ｚｎの組成比（原子％比）を意味する。
【００６２】
また各表において、「Ｔｉ酸化膜（ＴｉＯｘ）＝−」（例えば表１のＮｏ．１など）とは、金属配線膜として純Ｔｉ膜（膜厚５０ｎｍ）のみ用いＴｉ酸化膜（ＴｉＯｘ）を用いなかった例であり、従来例に相当するものである。
【００６３】
これらの表より、いずれの組成の酸化物半導体を用いた場合であっても、本発明で規定する、Ｔｉ酸化膜（ＴｉＯｘ）をバリア層として用いると、Ｃｕ膜中への酸化物半導体層構成元素の拡散を抑えられ、バリア層と酸化物半導体との密着性も良好であった。よって、バリア層を含む金属膜（ＴｉＯｘ／純Ｔｉ／純Ｃｕ）の剥離は生じなかった。これに対し、純Ｔｉ膜のみを用いたものは、酸化物半導体層構成元素の拡散を抑制できず、密着性も低下した。
【００６４】
また、バリア層として用いられるＴｉ酸化物（ＴｉＯｘ）の組成について、酸素の比率（ｘ）が本発明の好ましい範囲を外れるものは、純Ｔｉ膜を用いたときと同様の問題（酸化物半導体層構成元素の拡散、密着性低下）が生じた。
【００６５】
上記では、金属配線膜として、純Ｔｉと純Ｃｕとの積層膜を用いたときの結果を示しているが、それ以外の態様（純Ｔｉと純Ａｌとの積層膜、純ＴｉとＣｕ合金との積層膜、純ＴｉとＡｌ合金との積層膜のほか、純Ｃｕのみ、純Ａｌのみ、Ｃｕ合金のみ、Ａｌ合金のみの単層膜）を用いたときも、上記と同様の結果が得られることを実験により確認している。
【００６６】
実施例２
本実施例では、以下の方法によって作製した試料を用い、酸化物半導体層と金属配線膜との界面を断面ＴＥＭ観察した。
【００６７】
（断面ＴＥＭ観察用の試料の作製）
まず、ガラス基板（コーニング社製イーグルＸＧ、直径１００ｍｍ×厚さ０．７ｍｍ）上にゲート絶縁膜ＳｉＯ2（２００ｎｍ）を成膜した。ゲート絶縁膜はプラズマＣＶＤ法を用い、キャリアガス：ＳｉＨ4とＮ2Ｏの混合ガス、成膜パワー：１００Ｗ、成膜温度：３００℃にて成膜した。
【００６８】
次に、上記のゲート絶縁膜上に、酸化物半導体層を、スパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法によって成膜した。スパッタリング条件は以下の通りであり、ターゲットの組成は所望の半導体層が得られるように調整されたものを用いた。
【００６９】
ターゲット：Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＧＺＯ）
Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎの組成比（原子％比）＝２：２：１
基板温度：室温
ガス圧：５ｍＴｏｒｒ
酸素分圧：Ｏ2／（Ａｒ＋Ｏ2）＝４％
膜厚：５０ｎｍ
【００７０】
次に、膜質を向上させるためプレアニール処理を行った。プレアニールは、大気圧下にて、３５０℃で１時間行なった。
【００７１】
次に、上記の酸化物半導体膜上に、Ｔｉ酸化膜（ＴｉＯｘ：ｘ＝２．０、膜厚：３０ｎｍ）および純Ｃｕの金属配線膜（膜厚：２５０ｎｍ）を、ＤＣマグネトロンスパッタリング法で成膜した。詳細には、Ｔｉ酸化膜をＤＣ反応性スパッタリング法により成膜し、続いて純Ｃｕ膜をＤＣスパッタリング法により成膜した。
【００７２】
また、従来例として、純Ｔｉ膜（膜厚：５０ｎｍ）と純Ｃｕ膜（膜厚：２５０ｎｍ）の金属配線膜を順次、ＤＣスパッタリング法により成膜した。
【００７３】
ここで、Ｔｉ酸化膜のＤＣ反応性スパッタリング条件は以下の通りである。
基板温度：室温
雰囲気：Ａｒ＋Ｏ2
ガス圧：２ｍＴｏｒｒ
【００７４】
また、純Ｔｉ膜および純Ｃｕ膜のＤＣスパッタリング条件は、以下の通りである。
ターゲット：純Ｔｉターゲット（純Ｔｉ膜の場合）
純Ｃｕターゲット（純Ｃｕ膜の場合）
成膜温度：室温
キャリアガス：Ａｒ
ガス圧：２ｍＴｏｒｒ
【００７５】
上記Ｔｉ酸化膜（ＴｉＯｘ）の組成比は、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）測定によって調べ、ｘ＝２．０（ＴｉＯ２）であることを確認した。詳細にはＴｉ酸化膜のＴｉ２ｐのＸＰＳスペクトルのピーク位置及びＴｉ２ｐとＯ１ｓの面積比により調べた。
【００７６】
（酸化物半導体層と金属配線膜の界面の評価）
上記のようにして得られた各試料に対して３５０℃で３０分間熱処理を行い、熱処理後の各試料の断面を観察した。断面の観察には、電界放射型透過電子顕微鏡ＨＦ−２０００（日立製作所製）を用いた。
【００７７】
詳細には、熱処理後の酸化物半導体層（ＩＧＺＯ）とＴｉ酸化膜、金属配線膜（純Ｃｕ）との界面を断面ＴＥＭ観察（倍率９０万倍）し、界面の状態を評価した。上記界面の断面ＴＥＭ像を図２Ａに示す。図２Ａに示すように、３５０℃熱処理を行っても、ＴｉＯ２／ＩＧＺＯ界面では酸化還元反応が発生せず、良好なバリア層（ＴｉＯ２）を形成し、純ＣｕのＩＧＺＯへの拡散、及びＩＧＺＯの純Ｃｕへの拡散が抑えられた。よって、Ｔｉ酸化膜を介在させると、酸化物半導体層と金属配線膜の相互拡散が抑制され、安定したＴＦＴ特性が得られ、品質が一層高められた表示装置を提供することが可能となる。
【００７８】
一方、熱処理後の酸化物半導体層（ＩＧＺＯ）と純Ｔｉ膜と純Ｃｕ膜の金属配線膜との界面を断面ＴＥＭ観察（倍率９０万倍）し、界面の状態を評価した。上記界面の断面ＴＥＭ像を図２Ｂに示す。図２Ｂに示すように、３５０℃の熱処理により、Ｔｉはその下に存在するＩＧＺＯとの界面で酸化還元反応が発生してＴｉＯｘを形成し、純ＴｉとＩＧＺＯの間に酸化還元反応層が観察された。よって、酸化物半導体層と金属配線膜の間にＴｉを用いると、熱処理後に下地の酸化物半導体と酸化還元反応を起こして組成ずれ（ＴｉＯｘ）が生じ、ＴＦＴ特性に悪影響を及ぼす原因となることがわかった。
【符号の説明】
【００７９】
１ 基板
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁膜
４ 酸化物半導体層
５ ソース・ドレイン電極
６ 保護膜（絶縁膜）
７ コンタクトホール
８ 透明導電膜
９ Ｔｉ酸化膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に、基板側から順に、薄膜トランジスタの半導体層と、金属配線膜とを有しており、前記半導体層と前記金属配線膜との間にバリア層を有する配線構造であって、
前記半導体層は酸化物半導体からなり、
前記バリア層はＴｉ酸化膜から構成されており、且つ、前記Ｔｉ酸化膜は前記半導体層と直接接続していることを特徴とする配線構造。
【請求項２】
前記Ｔｉ酸化膜はＴｉＯｘ（ｘは１．０以上２．０以下）から構成されるものである請求項１に記載の配線構造。
【請求項３】
前記金属配線膜は、単層または積層の構造を有しており、
前記金属配線膜が単層の構造を有する場合、前記金属配線膜は、基板側から順に、純Ａｌ膜、９０原子％以上のＡｌを含むＡｌ合金膜、純Ｃｕ膜、または９０原子％以上のＣｕを含むＣｕ合金膜から構成され、
前記金属配線膜が積層の構造を有する場合、前記金属配線膜は、基板側から順に、純Ｔｉ膜若しくは５０原子％以上のＴｉを含むＴｉ合金膜と、純Ａｌ膜若しくは９０原子％以上のＡｌを含むＡｌ合金膜；または、純Ｔｉ膜若しくは５０原子％以上のＴｉを含むＴｉ合金膜と、純Ｃｕ膜若しくは９０原子％以上のＣｕを含むＣｕ合金膜から構成さ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】
前記酸化物半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、ＺｎおよびＳｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む酸化物から構成されるものである請求項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表示装置。
【請求項１】
基板の上に、基板側から順に、薄膜トランジスタの半導体層と、金属配線膜とを有しており、前記半導体層と前記金属配線膜との間にバリア層を有する配線構造であって、
前記半導体層は酸化物半導体からなり、
前記バリア層はＴｉ酸化膜から構成されており、且つ、前記Ｔｉ酸化膜は前記半導体層と直接接続していることを特徴とする配線構造。
【請求項２】
前記Ｔｉ酸化膜はＴｉＯｘ（ｘは１．０以上２．０以下）から構成されるものである請求項１に記載の配線構造。
【請求項３】
前記金属配線膜は、単層または積層の構造を有しており、
前記金属配線膜が単層の構造を有する場合、前記金属配線膜は、基板側から順に、純Ａｌ膜、９０原子％以上のＡｌを含むＡｌ合金膜、純Ｃｕ膜、または９０原子％以上のＣｕを含むＣｕ合金膜から構成され、
前記金属配線膜が積層の構造を有する場合、前記金属配線膜は、基板側から順に、純Ｔｉ膜若しくは５０原子％以上のＴｉを含むＴｉ合金膜と、純Ａｌ膜若しくは９０原子％以上のＡｌを含むＡｌ合金膜；または、純Ｔｉ膜若しくは５０原子％以上のＴｉを含むＴｉ合金膜と、純Ｃｕ膜若しくは９０原子％以上のＣｕを含むＣｕ合金膜から構成さ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】
前記酸化物半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、ＺｎおよびＳｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む酸化物から構成されるものである請求項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表示装置。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【公開番号】特開２０１２−９４８５３（Ｐ２０１２−９４８５３Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１５０７１（Ｐ２０１１−２１５０７１）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【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２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【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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