JP2008251809A - 薄膜トランジスタ製造方法、液晶表示装置製造方法 - Google Patents

Abstract

【要 約】
【課題】ガラス基板から剥離しないゲート電極を形成する。
【解決手段】本発明では、酸素を含有する銅又は銅を主成分とした薄膜である第一の層３２をガラス基板１１の表面に形成し、第一の層３２の表面に、酸素を含有しない銅又は銅を主成分とした薄膜をから成る第二の層３３を形成し、第一の層３２と第二の層３３の二層構造の銅を主成分とする配線膜１３を形成しており、銅を主成分とする配線膜１３を窒素プラズマで処理した後、その表面に窒化ケイ素薄膜（例えばゲート絶縁膜１４）を形成している。窒化ケイ素薄膜を形成する際のシランガスの影響が、ガラス基板１１の界面に及ばないので、銅を主成分とする配線膜１３から成るゲート電極１５や蓄積容量電極１２がガラス基板１１から剥離しない。
【選択図】図２

Description

本発明は、薄膜トランジスタを製造する技術分野に係り、特に、ガラス基板と密着する銅配線膜表面に、窒化ケイ素薄膜を形成する技術に関する。

近年では、トランジスタの高速化のために、現状のアルミ系ゲート電極を、低抵抗の金属のゲート電極に変更したいという要望があり、低抵抗の金属としては銅が有望視されている。
液晶表示装置の薄膜トランジスタでは、ゲート電極はガラス基板表面に密着して配置されるが、純銅の薄膜はガラス基板に対する接着力が弱く、剥離してしまうという問題がある。

他方、酸素を含有する銅薄膜は、ガラス基板に対して接着力は強いものの、抵抗値が大きいため、酸素含有銅薄膜をゲート電極に採用するメリットが少ない。
そこで、銅配線膜を、ガラス基板と密着する下層部分は酸素を含有する銅薄膜で構成させ、その上には、酸素を含有しない銅薄膜を形成し、この二層構造の銅配線膜によってゲート電極や蓄積容量電極を構成させる試みがなされている。
特開平２００１−１９６３７１号公報

しかし、銅を主成分とする配線膜の形成直後の状態では、銅を主成分とする配線膜はガラス電極から剥離しないのに、薄膜トランジスタを構成させると、ゲート電極や蓄積容量電極が剥離するという問題が生じており、解決が望まれている。

本発明の発明者等が、ゲート電極や蓄積容量電極の剥離状況を調査したところ、二層構造の銅を主成分とする配線膜を形成した直後の状態では、銅を主成分とする配線膜はガラス電極から剥離しないが、その後、銅を主成分とする配線膜をパターニングしてゲート電極や蓄積容量電極を形成し、それらの表面に窒化ケイ素薄膜を形成すると、ゲート電極や蓄積容量電極は、ガラス基板との界面で剥離するという事実が確認された。

窒化ケイ素薄膜は、ＣＶＤ室内に窒素ガスとアンモニアガスとシランガスとが混合された窒化ケイ素膜用原料ガスの雰囲気を形成し、窒化ケイ素膜用原料ガスのプラズマを発生させるプラズマＣＶＤ法によって形成しており、窒化ケイ素膜用原料ガス中の成分ガスがプラズマで分解され、成膜対象物表面上で反応し、窒化ケイ素薄膜が形成される。このような工程から、原料ガス中の成分ガスが剥離に影響していることが考えられる。

そこで、ガラス基板上に形成された二層構造の銅を主成分とする配線膜を真空雰囲気中に配置し、窒素ガスを導入し、１２０Ｐａの圧力雰囲気中で加熱し、銅を主成分とする配線膜を昇温させた後、
(１) そのまま剥離試験を行った。
(２) 窒素ガスとアンモニアガスの混合ガス(１２０Ｐａ、Ｎ₂：５００sccm、ＮＨ₃：３００sccm)に曝した後、剥離試験を行った。
(３) 窒素ガスとシランガスの混合ガス(１２０Ｐａ、Ｎ₂：５００sccm、ＳｉＨ₄：２０sccm)に曝した後、剥離試験を行った。
(４) 窒素ガスとアンモニアガスとシランガスの混合ガス(１２０Ｐａ、Ｎ₂：５００sccm、ＮＨ₃：３００sccm、ＳｉＨ₄：２０sccm)に曝した後剥離試験を行なった。

上記剥離試験の結果、シランガスを含有する(３)と(４)の場合に、剥離が発生することが判明した。その原因は、シランガスに含まれる水素が、銅を主成分とする配線膜のガラス基板と接触する部分から酸素を脱離させている点にあると推測される。
そうだとすると、シランガスの影響が、ゲート電極や蓄積容量電極のガラス基板と密着した部分にまで及ばないようにすればよいと考えられる。

上記課題を解決するため、本発明は、ガラス基板に密着して配置されたゲート電極と、前記ゲート電極の表面に配置され、窒化ケイ素薄膜から成るゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたチャネル半導体層と、前記チャネル半導体層とそれぞれ接触するドレイン半導体層とソース半導体層とを有する薄膜トランジスタを製造する薄膜トランジスタ製造方法であって、前記ガラス基板表面に銅を主成分とする配線膜を形成した後、パターニングし、パターニングされた前記銅を主成分とする配線膜の一部を前記ゲート電極とし、前記ゲート電極の表面が露出する前記ガラス基板を成膜装置内に搬入し、前記成膜装置内で窒素ガスのプラズマを形成し、前記ゲート電極の表面を前記窒素ガスのプラズマに曝して表面処理を行なった後、前記成膜装置内に、シリコンと水素の化合物ガスを含む窒化ケイ素膜用原料ガスのプラズマを形成し、前記ゲート電極の表面に前記窒化ケイ素薄膜を成長させる薄膜トランジスタ製造方法である。
また、本発明は、前記銅を主成分とする配線膜は、少なくとも前記ガラス基板と密着する部分には酸素を含有する薄膜トランジスタ製造方法である。
また、本発明は、ガラス基板と、前記ガラス基板上に配置された薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタのソース半導体層又はドレイン半導体層のいずれか一方に接続された透明電極と、前記透明電極上に配置された対向電極と、前記透明電極と前記対向電極の間に位置する液晶とを有する液晶表示素子を製造する液晶表示装置製造方法であって、前記薄膜トランジスタを、上記のいずれかの薄膜トランジスタ製造方法で製造する液晶表示装置製造方法である。

本発明の薄膜トランジスタ製造方法では、窒素ガスプラズマによる表面処理でゲート電極や蓄積容量電極の表面を改質し、シランガスの影響をガラス基板との界面に及ぼさないようにしており、それにより、ゲート電極等の銅を主成分とする配線膜の剥離が防止されている。

銅を主成分とする配線膜が基板もしくは下地膜から剥離しない薄膜トランジスタが得られる。

本発明方法を図面を用いて説明する。
図３の符号１はスパッタリング装置であり、スパッタ室２の内部に銅を主成分とするターゲット５が配置されている。
スパッタ室２には真空排気系９とガス導入系８が接続されており、真空排気系９によってスパッタ室２内部を真空排気し、真空雰囲気を形成しておき、成膜対象のガラス基板をスパッタ室２内部に搬入する。
同図符号１１は、スパッタ室２の内部に搬入されたガラス基板を示している。

次に、ガス導入系８からスパッタリングガス(ここではアルゴン等の希ガス)と酸素ガスを導入し、スパッタ電源６より銅を主成分とするターゲット５に電圧を印加し、スパッタリングガスと酸素ガスのプラズマを生成し、銅を主成分とするターゲット５をスパッタリングし、ガラス基板１１の表面に酸素を含有し、銅を主成分とする薄膜から成る第一の層を形成する。

次いで、酸素ガスの導入を停止し、スパッタリングガスのプラズマによって銅を主成分とするターゲット５をスパッタリングし、酸素ガスを含有しない銅を主成分とする第二の層を形成すると、二層構造の配線膜が得られる。
一層目と二層目は、同じ銅を主成分としたターゲット５をスパッタして形成してもよいし、異なる銅を主成分としたターゲットをスパッタして形成してもよい。

図１(ａ)は、ガラス基板１１上に、ゲート電極となる銅を主成分とする配線膜１３が形成された状態を示している。
前記の配線膜１３は、図５に示すように、ガラス基板１１と第二の層３３の間に、酸素を含有し、ガラス基板１１に対する附着力が大きい第一の層３２が配置されているので、第一の銅を主成分とする配線膜１３の抵抗値は小さく、ガラス基板１１に対する付着力は大きい。
なお、銅を主成分とするターゲット５は純銅のターゲットの他、純銅に、ＭｇやＮｉやＺｒやＴｉ等の添加金属が含有されたターゲットを用いることができる。

次に、第一の銅を主成分とする配線膜１３を写真工程、エッチング工程によってパターニングすると、図１(ｂ)に示すように、パターニングされた第一の銅を主成分とする配線膜１３によって、ガラス基板１１上に、ゲート電極１５と蓄積容量電極１２が形成される。
同図符号１０は、ガラス基板１１上にゲート電極１５と蓄積容量電極１２が露出する処理対象物を示している。

次に、図４に示したプラズマＣＶＤ装置３０を用い、下記に記載するように、処理対象物１０表面にゲート絶縁膜とチャネル半導体層とドレイン半導体層及びソース半導体層を形成する。
このプラズマＣＶＤ装置３０を説明すると、該プラズマＣＶＤ装置３０はＣＶＤ室３１を有しており、ＣＶＤ室３１の内部の天井にはシャワーヘッド３４が配置され、底壁には、シャワーヘッド３４と対向する位置に、基板電極３５が配置されている。

ＣＶＤ室３１には真空排気系３９が接続されており、ＣＶＤ室３１内部を真空排気し、真空雰囲気を形成しておき、ゲート電極１５と蓄積容量電極１２の表面が露出する処理対象物１０をＣＶＤ３１室の内部に搬入し、処理対象物１０の表面のうち、ゲート電極１５と蓄積容量電極１２が形成された面をシャワーヘッド３４に向けて基板電極３５上に配置する。

シャワーヘッド３４は原料ガス導入系３８に接続されており、基板電極３５又はシャワーヘッド３４の一方は高周波電源３７に接続され、他方は接地電位に接続されている。ここでは基板電極３５が高周波電源３７に接続され、シャワーヘッド３４が接地電位に接続されている。

シャワーヘッド３４は、基板電極３５に面する位置に、多数の噴出口（ここでは不図示）が形成されており、原料ガス導入系３８からシャワーヘッド３４内部に窒素ガスを導入すると、噴出口からＣＶＤ室３１の内部に窒素ガスが噴出される。

ＣＶＤ室３１の内部が所定圧力で安定した後、シャワーヘッド３４と基板電極３５の間に高周波電圧を印加し、処理対象物１０の表面上に窒素ガスプラズマを形成すると、処理対象物１０の表面に露出するゲート電極１５と蓄積容量電極１２(及び他の第一の銅を主成分とする配線膜１３)が窒素ガスプラズマに曝され、表面処理が行なわれる。

次いで、シャワーヘッド３４に、窒素ガスとシランガス(ＳｉＨ₄)とアンモニアガスとを含有する窒化ケイ素膜用原料ガスを導入し、シャワーヘッド３４の噴出口からＣＶＤ室３１内に窒化ケイ素膜用原料ガスを導入し、シャワーヘッド３４と基板電極３５の間に高周波電圧を印加し、処理対象物１０の表面上に窒化ケイ素膜用原料ガスのプラズマを形成すると、図１(ｃ)に示すように、表面処理がされたゲート電極１５と蓄積容量電極１２(及び他の第一の銅を主成分とする配線膜１３)の表面に窒化ケイ素薄膜(ＳｉＮ_x)から成るゲート絶縁膜１４が形成される。

第一の銅を主成分とする配線膜１３はシランガスに曝されるが、第一の銅を主成分とする配線膜１３は、窒素ガスプラズマによる表面処理が行われているので、シランガスの影響は、第一の銅を主成分とする配線膜１３とガラス基板１１との界面まで到達せず、第一の銅を主成分とする配線膜１３で構成されたゲート電極１５や蓄積容量電極１２等の電極や配線はガラス基板１１から剥離しない。

なお、表面処理を行った後、窒化ケイ素膜用原料ガスのプラズマを形成する際、一旦電圧印加を停止し、窒素プラズマを消滅させ、次いで、窒素ガスとシランガスとアンモニアガスから成る窒化ケイ素膜用原料ガスを導入し、圧力が安定するごく短時間だけ待った後、電圧を印加して窒化ケイ素膜用原料ガスのプラズマを形成してもよいし、表面処理の電圧印加を停止せず、プラズマを維持しながら導入している窒素ガスにシランガスとアンモニアガスを加え、窒素ガスプラズマを窒化ケイ素膜用原料ガスのプラズマに変え、プラズマを消滅させずに表面処理からゲート絶縁膜１４の成膜工程に移行してもよい。
上記のようにゲート絶縁膜１４が形成された後、電圧印加と窒化ケイ素膜用原料ガスの導入を停止し、プラズマを消滅させ、窒化ケイ素膜用原料ガスを真空排気する。

ＣＶＤ室３１内から窒化ケイ素膜用原料ガスが真空排気された後、シャワーヘッド３４にチャネル用原料ガスを導入し、噴出口からＣＶＤ室３１内に噴出させる。
ＣＶＤ室３１が所定圧力で安定したところで、シャワーヘッド３４と基板電極３５の間に高周波電圧を印加し、処理対象物１０上にチャネル用原料ガスのプラズマを形成すると、図１(ｄ)に示すように、ゲート絶縁膜１４の表面に、アモルファスシリコンから成るチャネル半導体層１６が形成される。

所定膜厚のチャネル半導体層１６が形成された後、一旦電圧印加とチャネル用原料ガスの導入を停止し、チャネル用原料ガスのプラズマを消滅させ、ＣＶＤ室３１内部のチャネル用原料ガスを真空排気によって除去する。

次いで、オーミック層を形成するために必要な不純物ガスとシランガスとから成るオーミック層用原料ガスをシャワーヘッド３４に導入し、噴出口からＣＶＤ室３１内に噴出させる。

ＣＶＤ室３１が所定圧力で安定したところで、シャワーヘッド３４と基板電極３５の間に高周波電圧を印加し、オーミック層用原料ガスのプラズマを形成すると、図１(ｅ)に示すように、チャネル半導体層１６の表面に、オーミック層１７が形成される。
所定膜厚のオーミック層１７が形成された後、電圧印加とオーミック層用原料ガスの導入を停止し、プラズマを消滅させ、オーミック層用原料ガスを真空排気する。

次いで、オーミック層１７が形成された処理対象物１０をＣＶＤ装置３０から搬出し、図３に示したようなスパッタ室２内に搬入し、上記と同じ構造の銅を主成分とする配線膜を形成し、図２（ｆ)に示すように、オーミック層１７上に、ソース又はドレイン電極となる第二の銅を主成分とする配線膜２３を形成する。この第二の銅を主成分とする配線膜２３も、第一の銅を主成分とする配線膜１３と同じ二層構造である。

次に、第二の銅を主成分とする配線膜２３と、オーミック層１７と、チャネル半導体層１６を写真工程とエッチング工程によってパターニングし、図２(ｇ)に示すように、ゲート電極１５の真上と両側位置ではチャネル半導体層１６を残す。

チャネル半導体層１６上のオーミック層１７と第二の銅を主成分とする配線膜２３は、ゲート電極１５の中央の真上位置ではオーミック層１７と第二の銅を主成分とする配線膜２３の両方を除去し、ゲート電極１５の両側位置ではオーミック層１７とその表面上の第二の銅を主成分とする配線膜２３の両方を残すと、オーミック層１７のゲート電極１５の両側の位置の部分がドレイン半導体層２６とソース半導体層２５となり、第二の銅を主成分とする配線膜２３のドレイン半導体層２６とソース半導体層２５上の部分が、それぞれドレイン電極２２とソース電極２１となり、薄膜トランジスタ２０が形成される。

この薄膜トランジスタ２０では、ソース半導体層２５とドレイン半導体層２６の間と、ソース電極２１とドレイン電極２２の間は、ゲート電極１５中央の真上に位置する開口１８によって互いに分離されており、ソース電極２１とドレイン電極２２の間にバイアス電圧を印加した状態で、ゲート電極１５にゲート電圧を印加し、チャネル半導体層１６のゲート絶縁膜１４と接触する部分に、チャネルを形成させると、ソース半導体層２５とドレイン半導体層２６が接続され、ソース半導体層２５とドレイン半導体層２６の間に電流が流れる。

なお、ドレイン電極２２とソース電極２１を形成した工程の後工程では、薄膜トランジスタ２０が形成された処理対象物１０表面に、図２(ｈ)に示すように窒化ケイ素薄膜からなる層間絶縁膜２４を形成し、窒化ケイ素薄膜からなる層間絶縁膜２４のドレイン電極２２又はソース電極２１（ここではドレイン電極２２）や、蓄積容量電極１２上を窓開けした後、パターニングした透明導電膜を窒化ケイ素薄膜からなる層間絶縁膜２４上に配置し、図２(ｉ)に示すように、透明導電膜の薄膜トランジスタ２０の側方に形成された部分で画素電極２７を構成する。
画素電極２７はドレイン電極２２に接続されている。ここでは、画素電極２７は、透明導電膜の一部で構成された接続部２８でドレイン電極２２に接続されている。

図６に示すように、画素電極２７上に液晶４１を配置し、ガラス基板４２の表面に対向電極４５が形成されたパネル４０を、対向電極４５が画素電極２７の真上に位置するように配置すると、画素電極２７と対向電極４５に印加する電圧を制御し、液晶４１の光透過率を制御することができる。
図６の符号４は画素電極２７上に液晶４１が配置され、対向電極４５が画素電極２７上に位置するようにパネル４０が配置された状態の液晶表示装置を示している。

なお、上記第二の銅を主成分とする配線膜２３は、ソース半導体層２５やドレイン半導体層２６等のシリコン半導体層と密着しており、酸素を含有しない純銅(及び銅合金)から成る第二の層３３はシリコン半導体層に接着しないため、酸素を含有する第一の層３２が、第二の層３３をシリコン半導体層に接着させている。

従って、ソース電極２１やドレイン電極２２を、シランガスを含有する窒化ケイ素膜用原料ガスに接触させ、窒化ケイ素膜用原料ガスのプラズマによって、ソース電極２１やドレイン電極２２表面に窒化ケイ素薄膜からなる層間絶縁膜２４を形成した場合、剥離が生じる虞がある。

よって、ソース電極２１やドレイン電極２２も、本発明の窒素ガスプラズマによる表面処理を適用し、シランガスの影響が、シリコン半導体層との接触部分に及ばないようにすると剥離の発生を防止することができる。

上記実施例では、窒化ケイ素薄膜を、シランガス(ＳｉＨ₄)と、アンモニアガスと、窒素ガスから成る窒化ケイ素膜用原料ガスの雰囲気をＣＶＤ室内に形成し、窒化ケイ素膜用原料ガスプラズマを形成したが、ジシランガス(Ｓｉ₂Ｈ₆)と、アンモニアガスと、窒素ガスから成る窒化ケイ素膜用原料ガスのプラズマで窒化ケイ素薄膜を形成する場合にも本発明は有効である。

ガラス基板１１上に、第一の層３２と第二の層３３の二層構造の銅を主成分とする配線膜１３を形成し、アンモニアガスプラズマ、水素ガスプラズマ、又は窒素ガスプラズマのいずれかのプラズマに曝し、プラズマ処理を行った後、シランガス(ＳｉＨ₄)と、アンモニアガスと、窒素ガスから成る窒化ケイ素膜用原料ガスのプラズマを形成し、プラズマ処理を行った銅を主成分とする配線膜１３の表面に、窒化ケイ素薄膜を形成し、剥離試験を行った。

剥離試験は、窒化ケイ素薄膜と銅を主成分とする配線膜１３の積層膜に、ナイフで碁盤の目状に切れ目を入れて積層膜の小片を行列状に形成し、その表面に接着テープを貼付し、引き剥がしたときに、接着テープに張り付いてガラス基板１１から剥離しなかった小片の数を数えた。
測定結果を下記表１に示す。２５個の小片全部がガラス基板１１上に残った場合を○、それ以外を×にした。

表中、試料１は、銅ターゲットをスパッタし、第一の層３２を形成したときの、全体の雰囲気に対する酸素ガス濃度(体積％)が３３．３％の場合の銅を主成分とする配線膜１３であり、試料２は、Ｍｇが添加された銅ターゲットをスパッタし、第一の層３２を形成したときの全体の雰囲気に対する酸素ガス濃度が３３．３％の場合の銅を主成分とする配線膜１３である。

試料１は第二の層３３が純銅の銅を主成分とする配線膜１３であり、試料２は第二の層３３がＭｇが添加された銅を主成分とする配線膜１３である。
試料１，２では、窒素ガスプラズマによる表面処理だけが剥離を防止していた。

試料３は全体の雰囲気に対する酸素ガス濃度が６０．０％の場合の銅を主成分とする配線膜１３であり、試料３では、アンモニアガスと水素ガスでプラズマ処理したいずれの場合も剥離が起こった。このことから、酸素ガス濃度を高くしても、窒素ガスでプラズマ処理しないと剥離が起こることが分かる。

（ａ）〜（ｅ）：薄膜トランジスタを製造する工程の前半を説明する断面図 （ｆ）〜（ｉ）：薄膜トランジスタする工程の後半と、その後工程を説明する断面図 スパッタリング装置の断面図 プラズマＣＶＤ装置の断面図 銅を主成分とする配線膜の構造を説明するための断面図 液晶表示装置を説明する断面図

符号の説明

４……液晶表示装置 １１……ガラス基板 １３……第一の銅を主成分とする配線膜 １５……ゲート電極 １４……ゲート絶縁膜 １６……チャネル半導体層 ２０……薄膜トランジスタ ２１……ソース電極 ２２……ドレイン電極 ２５……ソース半導体層 ２６……ドレイン半導体層

Claims (3)

1. ガラス基板に密着して配置されたゲート電極と、
   前記ゲート電極の表面に配置され、窒化ケイ素薄膜から成るゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に配置されたチャネル半導体層と、前記チャネル半導体層とそれぞれ接触するドレイン半導体層とソース半導体層とを有する薄膜トランジスタを製造する薄膜トランジスタ製造方法であって、
   前記ガラス基板表面に銅を主成分とする配線膜を形成した後、パターニングし、パターニングされた前記銅を主成分とする配線膜の一部を前記ゲート電極とし、
   前記ゲート電極の表面が露出する前記ガラス基板を成膜装置内に搬入し、前記成膜装置内で窒素ガスのプラズマを形成し、前記ゲート電極の表面を前記窒素ガスのプラズマに曝して表面処理を行なった後、
   前記成膜装置内に、シリコンと水素の化合物ガスを含む窒化ケイ素膜用原料ガスのプラズマを形成し、前記ゲート電極の表面に前記窒化ケイ素薄膜を成長させる薄膜トランジスタ製造方法。
2. 前記銅を主成分とする配線膜は、少なくとも前記ガラス基板と密着する部分には酸素を含有する請求項１記載の薄膜トランジスタ製造方法。
3. ガラス基板と、
   前記ガラス基板上に配置された薄膜トランジスタと、
   前記薄膜トランジスタのソース半導体層又はドレイン半導体層のいずれか一方に接続された透明電極と、
   前記透明電極上に配置された対向電極と、
   前記透明電極と前記対向電極の間に位置する液晶とを有する液晶表示素子を製造する液晶表示装置製造方法であって、
   前記薄膜トランジスタを、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の薄膜トランジスタ製造方法で製造する液晶表示装置製造方法。

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