JP2009015101A - Array substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液晶表示パネル等に用いられるアレイ基板に関するものであり、特に、コンタクトホールにおける電極の構成の改良に関する。 The present invention relates to an array substrate used for a liquid crystal display panel or the like, and more particularly to an improvement in the configuration of electrodes in a contact hole.
例えば液晶表示パネルにおいては、アレイ基板と対向基板により液晶セルが構成され、アレイ基板上に形成されたスイッチング素子(画素駆動用の薄膜トランジスタ)及びこれを駆動する駆動回路によって液晶の駆動を行うことで、画像表示が行われる。この場合、1画素の液晶を駆動するのに1つの薄膜トランジスタが必要であり、多結晶シリコン(ポリシリコン)をチャンネル層に使用した多結晶薄膜トランジスタをガラス基板上に形成する技術が開発されている。プロセス技術の進歩により、低いプロセス温度でガラス基板上に高性能な多結晶薄膜トランジスタを形成することが可能になっている。 For example, in a liquid crystal display panel, a liquid crystal cell is composed of an array substrate and a counter substrate, and the liquid crystal is driven by a switching element (a thin film transistor for pixel driving) formed on the array substrate and a drive circuit for driving the switching element. Image display is performed. In this case, one thin film transistor is required to drive the liquid crystal of one pixel, and a technique for forming a polycrystalline thin film transistor using polycrystalline silicon (polysilicon) as a channel layer on a glass substrate has been developed. Advances in process technology have made it possible to form high performance polycrystalline thin film transistors on glass substrates at low process temperatures.
多結晶シリコン膜を用いた液晶表示パネルの製造においては、前記画素駆動用の薄膜トランジスタとともに、ドライバー回路や電源回路等、駆動回路を構成する薄膜トランジスタをアレイ基板上に作り込むことが行われており、例えば外付け集積回路(IC)として設置していた駆動回路についても、アレイ基板の周辺領域(額縁領域)に作り込むようになってきている。この場合、液晶表示パネルの周囲に配線形成等のために必要となる額縁領域の狭小化が大きな課題となる。アレイ基板において回路内蔵を行おうとすると、必要な薄膜トランジスタの個数や配線数が多くなるため、額縁領域の幅を大きくせざるを得ない。 In the manufacture of a liquid crystal display panel using a polycrystalline silicon film, a thin film transistor constituting a driving circuit, such as a driver circuit and a power supply circuit, is formed on an array substrate together with the thin film transistor for driving a pixel. For example, drive circuits that have been installed as external integrated circuits (ICs) are also being built in the peripheral area (frame area) of the array substrate. In this case, the narrowing of the frame area necessary for forming the wiring around the liquid crystal display panel is a big problem. If the circuit is built in the array substrate, the number of necessary thin film transistors and the number of wirings are increased, and thus the width of the frame region must be increased.
そこで、前述の額縁領域の狭小化の要求に応えることを目的に、例えばプロセス技術においてはウエットエッチングからドライエッチングへの移行が進められ、エッチング変換差を小さくすることで微細化を実現している。配線の微細化を進めることができれば、額縁領域を狭小化する上で有利である。 Therefore, for the purpose of meeting the above-mentioned demand for narrowing the frame region, for example, in the process technology, the shift from wet etching to dry etching is advanced, and the miniaturization is realized by reducing the etching conversion difference. . If the miniaturization of the wiring can be promoted, it is advantageous for narrowing the frame region.
ただし、配線の微細化に伴って低抵抗配線が必要になり、配線幅が微細になる代わりに配線膜厚が厚くなる傾向にあり、額縁領域のさらなる狭小化の妨げになっている。配線膜厚が厚くなると、その分、ドライエッチングにおいてもエッチング変換差が次第に大きくなるからである。 However, with the miniaturization of wiring, low resistance wiring is required, and the wiring film thickness tends to increase instead of reducing the wiring width, which hinders further narrowing of the frame region. This is because as the wiring film thickness increases, the etching conversion difference gradually increases in dry etching.
このような状況から、変換差の生じないメッキ法を採用し、低抵抗材料であるCuを用いた低抵抗配線技術が液晶表示パネルの分野においても注目されている。例えば特許文献1においては、絶縁基体内に埋め込まれることなく絶縁基体上に設けられた金属拡散防止膜と、金属拡散防止膜上に設けられた金属シード層と、金属シード層上に設けられた金属配線層とからなる3層構造を有する配線が提案されており、液晶表示装置への適用例が開示されている。
Under such circumstances, a low-resistance wiring technique using a plating method that does not cause a conversion difference and using Cu, which is a low-resistance material, has attracted attention in the field of liquid crystal display panels. For example, in
銅(Cu)を用いた微細配線の形成方法としては、いわゆるダマシン法が知られているが、CMPのための研磨停止膜の形成や、配線を埋め込むための溝を形成するエッチング工程等が必要である。前記特許文献1記載の発明のようにメッキ法を採用することで、これらの工程が不要となり、工程数の削減が可能である。
しかしながら、例えばコンタクトホール内部にソース電極やドレイン電極をメッキ法により形成する場合、いわゆるボイドの発生により抵抗値が上昇するという問題がある。特に、アスペクト比が大きなコンタクトホールにおいて顕著である。コンタクトホール内部においては、内壁全体に形成されたCuシード層から等方的にCuが析出し、それが原因でボイドが発生するものと推測される。 However, for example, when a source electrode or a drain electrode is formed in a contact hole by a plating method, there is a problem that a resistance value increases due to generation of a so-called void. This is particularly noticeable in contact holes having a large aspect ratio. Inside the contact hole, it is presumed that Cu isotropically precipitates from the Cu seed layer formed on the entire inner wall, thereby causing voids.
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、ボイドの発生を抑制することが可能で、抵抗値の上昇を抑えることが可能な配線構造を提供し、額縁領域の狭小化が可能で、配線の信頼性に優れたアレイ基板を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of such conventional circumstances, and provides a wiring structure capable of suppressing the generation of voids and suppressing an increase in resistance value. An object of the present invention is to provide an array substrate that can be narrowed and has excellent wiring reliability.
前述の目的を達成するために、本発明のアレイ基板は、表示部に薄膜トランジスタが形成されてなるアレイ基板であって、前記薄膜トランジスタのソース及びドレインにコンタクトホールを介してCuメッキ層が電極として接続されており、バリアメタル層上にCuシード層が形成され、前記コンタクトホールのアスペクト比が1以上であり、前記コンタクトホール部の層間絶縁膜がCu拡散防止能を有する膜を含む絶縁膜で構成され、且つ、前記コンタクトホールにおいて、底部近傍にのみCuシード層が形成されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an array substrate of the present invention is an array substrate in which a thin film transistor is formed in a display unit, and a Cu plating layer is connected as an electrode to the source and drain of the thin film transistor through a contact hole. A Cu seed layer is formed on the barrier metal layer, the contact hole has an aspect ratio of 1 or more, and the interlayer insulating film of the contact hole portion is composed of an insulating film including a film having Cu diffusion preventing ability In addition, a Cu seed layer is formed only in the vicinity of the bottom of the contact hole.
コンタクトホールの底部近傍にのみCuシード層を形成した場合、Cuメッキ層の析出は、Cuシード層を形成した部分(すなわちコンタクトホールの底部)から始まり、コンタクトホール内部を次第に埋めていく形で進行する。したがって、等方的に成長した場合のように析出したCuが互いに衝突することがなく、ボイドの発生が回避される。 When the Cu seed layer is formed only near the bottom of the contact hole, the deposition of the Cu plating layer starts from the portion where the Cu seed layer is formed (that is, the bottom of the contact hole) and gradually fills the inside of the contact hole. To do. Therefore, the deposited Cu does not collide with each other as in the case of isotropic growth, and generation of voids is avoided.
本発明によれば、コンタクトホールに形成されるCuメッキ層において、ボイドの発生による抵抗値の上昇を招くことがない。したがって、本発明のアレイ基板においては、信頼性の高い配線形成が可能であり、また配線を微細化することも可能であるので、額縁領域の狭小化を実現することも可能である。 According to the present invention, the Cu plating layer formed in the contact hole does not cause an increase in resistance due to the generation of voids. Therefore, in the array substrate of the present invention, highly reliable wiring can be formed, and the wiring can be miniaturized, so that the frame region can be narrowed.
以下、本発明を適用したアレイ基板の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of an array substrate to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
本実施形態のアレイ基板は、液晶表示パネルに使用されるものである。液晶表示パネルは、図1に示すように、アレイ基板1と対向基板2を備えて構成され、これらアレイ基板1と対向基板2の間の液晶層をアレイ基板1上にマトリックス状に形成された薄膜トランジスタ(画素トランジスタ)をスイッチング素子として駆動することで、画像の表示が行われる。
The array substrate of this embodiment is used for a liquid crystal display panel. As shown in FIG. 1, the liquid crystal display panel includes an
ここで、表示領域Hにおいては、アレイ基板1に各画素に対応して画素電極がマトリクス状に形成されるとともに、画素電極の行方向に沿って走査線が形成され、列方向に沿って信号線が形成されている。さらに、各走査線と信号線の交差位置に前記画素トランジスタが形成されている。
Here, in the display area H, pixel electrodes are formed on the
一方、アレイ基板1の周辺領域(液晶表示パネルの額縁領域)には、アレイ基板1に配列形成される信号線に駆動信号を供給する信号線駆動回路3や、走査線に駆動信号を供給する走査線駆動回路4等の駆動回路が形成されている。これら駆動回路は、複数の薄膜トランジスタ(駆動トランジスタ)と、これら薄膜トランジスタ接続される配線等から構成されている。
On the other hand, in the peripheral area of the array substrate 1 (the frame area of the liquid crystal display panel), a signal
図2は、液晶表示パネルに形成された薄膜トランジスタの概略断面図である。薄膜トランジスタは、例えばポリシリコンを活性層としてアレイ基板1上に直接形成されている。すなわち、前記薄膜トランジスタは、ガラス基板11上にアンダーコート層12を介して多結晶半導体層(ポリシリコン層)13を形成し、当該多結晶半導体層13を活性層(チャネル層)として利用することにより構成されている。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a thin film transistor formed on a liquid crystal display panel. The thin film transistor is formed directly on the
ガラス基板11上には、前記の通りアンダーコート層12が形成されるが、これはガラス基板11の表面の傷や穴等を塞いで平坦化すること、ガラス基板11に含まれる不純物の多結晶半導体層13への拡散を防止すること等を目的に形成されている。このアンダーコート層12は、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等を成膜することにより形成されるが、例えば、熱処理により流動化する流動化樹脂からなる平坦化層と、不純物の拡散を防止する被覆層とからなる積層構造とすることも可能である。あるいは、前記ガラス基板11が平坦化に優れ、含まれる不純物も少ない場合には、前記アンダーコート層12を省略することも可能である。
The
前記アンダーコート層12上に形成される多結晶半導体層13は、例えばプラズマCVD法により成膜された非晶質シリコン(a−Si)をアニールした後、レーザ照射等によって多結晶化することにより形成されるものである。この多結晶半導体層13は、エッチング等により島状に素子分離され、個々の薄膜トランジスタのチャネルとして形成されている。また、前記多結晶半導体層13には、不純物注入によりソース領域13A,及びドレイン領域13Bが形成され、さらに、前記多結晶半導体層13のチャネル上には、ゲート絶縁膜14を介してゲート電極15が形成されている。
The
さらに、前記ガラス基板11には、これら薄膜トランジスタと他の回路とを結ぶ配線が形成されている。具体的には、前記薄膜トランジスタにおいて、配線17が、層間絶縁膜16に形成したコンタクトホール18を介して、薄膜トランジスタのソース領域13A,あるいはドレイン領域13Bと接続されている。層間絶縁膜16は、Cu拡散防止能を有する絶縁膜(例えばSiN膜)である。
Further, the glass substrate 11 is formed with wirings connecting these thin film transistors and other circuits. Specifically, in the thin film transistor, the
ここで、前記配線17は、Cuを無電解メッキすることにより形成されたCuメッキ層により構成され、配線幅の狭小化と低抵抗化を実現している。以下、前記コンタクトホール18における配線17の層構造について説明する。
Here, the
前述の通り、薄膜トランジスタのソース領域13A及びドレイン領域13Bと接続される電極としての配線17を形成するには、前記コンタクトホール18を埋める形でCuメッキ層を形成する必要がある。また、Cuメッキ層を無電解メッキ法により形成する場合、Cuシード層の形成が必要である。Cuメッキ層はCuシード層上に析出形成される。
As described above, in order to form the
本実施形態では、図3に示すように、コンタクトホール18の底部近傍にのみCuシード層17aを形成し、これを起点にCuメッキ層17bを析出形成している。なお、本実施形態においては、バリアメタル層17c上にCuシード層17aを形成しているが、バリアメタル層17cは、多結晶半導体層13へのCuの拡散を防止する機能を有するものである。多結晶半導体層13の表面は前記ゲート絶縁膜14により覆われているが、Siの酸化物等からなるゲート絶縁膜14ではCuの拡散を防止することはできない。そこで前記バリアメタル層17cを介在させることで、Cuがゲート絶縁膜14を透過して多結晶半導体層23へ拡散することを防止している。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, a
前述のようにCuシード層17aをコンタクトホール18の底部近傍にのみ形成したのは、Cuメッキ層17bにおいてボイドが発生するのを防止するためである。例えば図4(a)に示すように、コンタクトホール18の壁面全体にCuシード層17aを形成した場合、図中矢印で示すように、Cuシード層17aから等方的に析出する。そして、等方的に析出したCu同士が衝突し、図4(b)に示すように、Cuメッキ層17bにボイドVが発生する。ボイドVの発生はCuメッキ層17bにより形成される配線17の抵抗値を上昇する要因となる。
The reason why the
これに対して、Cuシード層17aをコンタクトホール18の底部近傍にのみ形成した場合、図5に示すように、コンタクトホール18の底部から順にCuメッキ層17bが成長し、コンタクトホール18を満たす形でCuメッキ層17bが形成される。この時、析出したCu同士が衝突することはなく、ボイドが発生することもない。
On the other hand, when the
前記ボイドの発生は、コンタクトホール18のアスペクト比が大きい場合に顕著である。アスペクト比は、図6に示すように、コンタクトホール18の深さDと開口径Rの比率D/Rであり、この値が1以上である場合に前記層構造(Cuシード層17aをコンタクトホール18の底部近傍にのみ形成した層構造)とすることが有効である。
The generation of the void is remarkable when the aspect ratio of the
以上のような層構造とされた配線17を有するアレイ基板は、次のような工程を経て製造することができる。すなわち、先ず、ガラス基板上の多結晶半導体層(例えば膜厚100nm)を所望のパターンにパターニングした後、SiO2等からなるゲート絶縁膜(例えば膜厚50nm)をCVD法等により形成する。そして、その上にゲート電極となる金属膜(例えば膜厚300nm)をスパッタ法等により形成し、フォトリソグラフィ工程やエッチング工程等を経て、ゲート電極を所定のパターンに形成する。
The array substrate having the
その後、層間絶縁膜(例えば膜厚700nm)をCVD法等により形成する。層間絶縁膜は、SiO2等の酸化膜でもよいが、Cuに対する拡散係数が小さなSiNやSiC等を少なくとも1層形成することが好ましい。層間絶縁膜の形成の後、当該層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する。コンタクトホールのアスペクト比は例えば1以上である。 Thereafter, an interlayer insulating film (for example, a film thickness of 700 nm) is formed by a CVD method or the like. The interlayer insulating film may be an oxide film such as SiO 2 , but it is preferable to form at least one layer of SiN, SiC or the like having a small diffusion coefficient with respect to Cu. After the formation of the interlayer insulating film, a contact hole is formed in the interlayer insulating film. The aspect ratio of the contact hole is, for example, 1 or more.
次いで、配線形成のためにバリアメタル層とCuシード層をスパッタ法等により形成する。バリアメタル層としては、例えば膜厚30nmのTa層を形成する。Cuシード層は、例えば膜厚30nmのCu層を形成する。バリアメタル層やCuシード層をスパッタ法により形成すると、急峻な角度で形成されたコンタクトホールの側壁にはTaやCuが付着せず、バリアメタル層やCuシード層が形成されない。一方、コンタクトホールの底面は飛来するTaやCuと対向する形になり、バリアメタル層やCuシード層が形成される。その結果、図5に示すような、バリアメタル層やCuシード層がコンタクトホールの底部近傍にのみ形成された構造とすることができる。 Next, a barrier metal layer and a Cu seed layer are formed by sputtering or the like for wiring formation. As the barrier metal layer, for example, a Ta layer with a thickness of 30 nm is formed. As the Cu seed layer, for example, a Cu layer having a thickness of 30 nm is formed. When the barrier metal layer or Cu seed layer is formed by sputtering, Ta or Cu does not adhere to the sidewall of the contact hole formed at a steep angle, and the barrier metal layer or Cu seed layer is not formed. On the other hand, the bottom surface of the contact hole is opposed to flying Ta or Cu, and a barrier metal layer or a Cu seed layer is formed. As a result, a structure in which the barrier metal layer and the Cu seed layer are formed only near the bottom of the contact hole as shown in FIG.
層間絶縁膜上に形成された前記バリアメタル層及びCuシード層は、配線パターンに応じてパターニングする。パターニングは、フォトリソグラフィ工程やエッチング工程等を経て行われる。 The barrier metal layer and the Cu seed layer formed on the interlayer insulating film are patterned according to the wiring pattern. Patterning is performed through a photolithography process, an etching process, and the like.
さらに、フォトリソ技術によってレジスト層を形成し、Cuシード層上の前記レジスト層が形成されていない箇所にメッキ法によりCuメッキ層を形成する。Cuメッキ層のメッキに際しては、Cuを所望の膜厚で析出させ、前記コンタクトホール内にも充填する形でCuメッキ層を形成する。その結果、レジストを剥離することで、配線層及びソース電極、ドレイン電極が形成される。 Further, a resist layer is formed by a photolithography technique, and a Cu plating layer is formed by a plating method at a location on the Cu seed layer where the resist layer is not formed. When plating the Cu plating layer, Cu is deposited in a desired film thickness, and the Cu plating layer is formed so as to fill the contact hole. As a result, the wiring layer, the source electrode, and the drain electrode are formed by removing the resist.
以上により、薄膜トランジスタの形成、及び駆動回路の形成が行われ、その後、通常の手法にしたがってアレイ基板を完成し、これを対向基板と貼り合わせて液晶表示パネルを完成する。 As described above, the thin film transistor and the drive circuit are formed, and then the array substrate is completed according to a normal method, and this is bonded to the counter substrate to complete the liquid crystal display panel.
作製されたアレイ基板においては、コンタクトホールに形成されるCuメッキ層にボイドが発生することがなく、抵抗値の低い信頼性の高い配線形成が可能である。また、低抵抗化しながら配線を微細化することも可能であるので、額縁領域の狭小化を実現することも可能である。 In the fabricated array substrate, voids are not generated in the Cu plating layer formed in the contact hole, and a highly reliable wiring with a low resistance value can be formed. In addition, since the wiring can be miniaturized while reducing the resistance, the frame region can be narrowed.
ところで、前述の実施形態においては、ゲート絶縁膜14の膜厚が非常に薄いため、コンタクトホール18の側壁部にバリアメタル層17cが無くても、底部近傍にのみバリアメタル層17cやCuシード層17aが存在すれば、多結晶半導体層13へのCuの拡散を防ぐことができる。
By the way, in the above-described embodiment, since the
これに対して、例えばゲート絶縁膜14の膜厚がある程度厚く設定されている場合、コンタクトホール18内にゲート絶縁膜14の端部が臨み、ここからCuが拡散するおそれが生ずる。このような場合、コンタクトホール18の形状を工夫し、前記バリアメタル層17cがゲート絶縁膜14の端部を覆うように形成することが好ましい。
On the other hand, for example, when the thickness of the
具体的には、図7に示すように、コンタクトホール18の側壁の傾き(テーパ)を2段階とする。すなわち、底部近傍の傾斜面(側壁)の傾斜角度をθ1、上部側壁(開口部側の側壁)の傾斜角度をθ2としたときに、θ1<θ2とする。これにより、傾斜の緩やかな底部近傍の傾斜面にはバリアメタル層17cやCuシード層17aが形成される。傾斜の急峻な上部側壁にはバリアメタル層17cやCuシード層17aは形成されない。前記傾斜角度の緩やかな傾斜面をゲート絶縁膜14上にまで到達するように形成すれば、ゲート絶縁膜14の端部がバリアメタル層17cやCuシード層17aによって覆われ、Cuの拡散が確実に防止される。なお、前記コンタクトホール18の壁面の傾きは、エッチング条件等を調整することで調整可能である。
Specifically, as shown in FIG. 7, the inclination (taper) of the side wall of the
また、コンタクトホール部の層間絶縁膜の一部のみがCu拡散防止能を有する膜で形成されている場合には、バリアメタル層17c及びCuシード層17aが少なくとも前記Cu拡散防止能を有する膜に到達する位置まで形成されていることが好ましい。例えば層間絶縁膜16がCuの拡散係数が小さなSiN膜(Cu拡散防止能を有する膜)とCuの拡散係数が大きいSiO2膜の2層膜により形成されている場合には、前記緩やかな傾斜面の形成高さを調整し、Cuの拡散係数が小さなSiN膜に到達する高さまでバリアメタル層17cやCuシード層17aを形成することが好ましい。図8は、層間絶縁膜16がCuの拡散係数が小さなSiN膜16aとCuの拡散係数が大きいSiO2膜16bの2層膜により形成されている場合を示すものである。本例の場合、緩やかな傾斜面がSiN膜16aに到達する高さまで形成されており、バリアメタル層17cやCuシード層17aがSiN膜に到達する高さまで形成されている。
Further, when only a part of the interlayer insulating film in the contact hole portion is formed of a film having Cu diffusion preventing ability, the
1 アレイ基板、2 対向基板、3 信号線駆動回路、4 走査線駆動回路、11 ガラス基板、12 アンダーコート層、13 多結晶半導体層、14 ゲート絶縁膜、15 ゲート電極、16 層間絶縁膜、17 配線、17a Cuシード層、17b バリアメタル層、17c Cuメッキ層、18 コンタクトホール
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記薄膜トランジスタのソース及びドレインにコンタクトホールを介してCuメッキ層が電極として接続されており、
バリアメタル層上にCuシード層が形成され、
前記コンタクトホールのアスペクト比が1以上であり、
前記コンタクトホール部の層間絶縁膜がCu拡散防止能を有する膜を含む絶縁膜で構成され、
且つ、前記コンタクトホールにおいて、底部近傍にのみCuシード層が形成されていることを特徴とするアレイ基板。 An array substrate in which a thin film transistor is formed in a display unit,
A Cu plating layer is connected as an electrode to the source and drain of the thin film transistor via a contact hole,
Cu seed layer is formed on the barrier metal layer,
The contact hole has an aspect ratio of 1 or more;
The interlayer insulating film of the contact hole portion is composed of an insulating film including a film having Cu diffusion preventing ability,
An array substrate, wherein a Cu seed layer is formed only in the vicinity of the bottom of the contact hole.
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