JP2014075465A - 半導体素子製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】銅を主成分とする電極層と亜鉛を含有する酸化物半導体層との間の密着性を高め、かつ酸化物半導体層に還元を発生させない半導体素子製造方法を提供する。
【解決手段】
亜鉛を含有する酸化物半導体層１４の表面に密着して密着層１６を形成し、密着層１６の表面に密着して銅を主成分とする電極層１７を形成する半導体素子製造方法であって、密着層１６を形成するときには、処理対象物１０の表面に酸化物半導体層１４を露出させ、大気圧より低い圧力の希ガスの雰囲気中で、酸素を３原子％以上含有する酸化銅ターゲットをスパッタして、酸化物半導体層１４の表面に密着して酸化銅からなる密着層１６を形成する。酸素を３原子％以上含有する酸化銅ターゲットをスパッタして密着層１６を形成することにより、密着層１６が酸化物半導体層１４を還元することはなく、かつ電極層１７と酸化物半導体層１４との間の密着性が向上する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体素子製造方法に係り、特に亜鉛を含有する酸化物半導体層と銅を主成分とする電極層とを有する半導体素子の製造方法に関する。

現在、ＩＧＺＯ等の亜鉛を含有する酸化物半導体は、電気特性、光透過性に優れ、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の用途に注目されている。
ＴＦＴのソース／ドレイン電極には、Ａｌよりも抵抗率の小さいＣｕを用いることが想定されるが、Ｃｕ層は酸化物半導体層に対して密着性が悪いという問題があった。
そこで、従来では、Ｃｕ層と酸化物半導体層との間にＴｉ、Ｍｏ等の金属膜を配置して、密着性を上げることが行われていた（例えば、特許文献１（段落０００５）、特許文献２（段落０００５）参照）。

しかし、Ｔｉ、Ｍｏ等の金属は活性な金属であるため、酸化物半導体層の酸素と反応が起こり、Ｔｉ、Ｍｏ等の酸化物を生成すると同時に酸化物半導体層の還元を引き起こす。
Ｔｉ、Ｍｏ等の酸化物が生成されると、抵抗率が高くなるという問題があった。また、酸化物半導体層が還元されると、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ等の金属が生成され、生成されたＩｎ、Ｇａ、Ｚｎ等の金属がＣｕ層に拡散してしまうという問題があった。

特開２００９−２８０８３４号公報 特開２０１０−５０２８４１号公報

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、銅を主成分とする電極層と亜鉛を含有する酸化物半導体層との間の密着性を高め、かつ酸化物半導体層に還元を発生させない半導体素子製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、亜鉛を含有する酸化物半導体層の表面に密着して密着層を形成し、前記密着層の表面に密着して銅を主成分とする電極層を形成する半導体素子製造方法であって、前記密着層を形成するときには、処理対象物の表面に前記酸化物半導体層を露出させ、大気圧より低い圧力の希ガスの雰囲気中で、酸素を３原子％以上含有する酸化銅ターゲットをスパッタして、前記酸化物半導体層の表面に密着して酸化銅からなる前記密着層を形成する半導体素子製造方法である。
本発明は半導体素子製造方法であって、前記酸化物半導体層はＩＧＺＯからなる半導体素子製造方法である。
本発明は半導体素子製造方法であって、前記酸化銅ターゲットの酸素含有量は４０原子％以下である半導体素子製造方法である。
本発明は半導体素子製造方法であって、前記酸化銅ターゲットは、Ｃａと、Ｍｇと、Ａｌと、Ｔｉと、Ｚｒとからなる添加金属群のうちいずれか一種類の添加金属を０．５原子％以上含有する半導体素子製造方法である。
本発明は半導体素子製造方法であって、前記電極層を形成した後、前記処理対象物を加熱しながら、前記電極層上に保護層を形成する半導体素子製造方法である。

なお、本発明で「主成分」とは含有量が５０原子％以上の成分を指す。

酸素を３原子％以上含有する酸化銅ターゲットをスパッタして、酸化物半導体層に密着して密着層を形成し、密着層に密着して電極層を形成するため、密着層が酸化物半導体層を還元することはなく、かつ電極層と酸化物半導体層との間の密着性が向上する。

希ガスの雰囲気中で酸化銅ターゲットをスパッタして密着層を形成するため、密着層の酸素含有量を正確に制御でき、必要な量の酸素を密着層に確実に含有させることができる。そのため、酸化物半導体層の還元を確実に防ぐことができ、かつ電極層と酸化物半導体層との間の密着性を確実に向上させることができる。
希ガスの雰囲気中でスパッタして密着層を形成するため、大面積の処理対象物に対して酸素含有量が面内で均一な密着層を形成することができる。

本発明で用いる処理対象物の一例の内部構成図 密着膜形成工程を説明するための図 電極膜形成工程を説明するための図 電極膜と密着膜のエッチングを説明するための図 保護膜形成工程を説明するための図 本発明で用いるスパッタ装置の一例の内部構成図

本発明の半導体素子製造方法を説明する。
（処理対象物の構造）
図１は本発明で用いる処理対象物１０の一例の内部構成図である。

本実施形態では、処理対象物１０は、ガラス基板１１と、ガラス基板１１上に配置されたゲート電極１２と、ゲート電極１２上にゲート電極１２の表面を覆って配置されたゲート絶縁層１３と、ゲート絶縁層１３上に配置された亜鉛を含有する酸化物半導体層１４とを有している。

酸化物半導体層１４はここではＩＧＺＯ（ＩｎＧａＺｎＯ_x）から成っている。
酸化物半導体層１４の表面のうち、一部分はエッチング液に溶解しないストッパー層１５で覆われており、他の部分は処理対象物１０の表面に露出している。
なお、本発明で用いる処理対象物１０は、酸化物半導体層１４が表面に露出している限りでは、上記構成に限定されるものではない。

（スパッタ装置の構造）
本発明で用いるスパッタ装置の構造を説明する。図６はスパッタ装置３０の一例の内部構成図である。

スパッタ装置３０は、真空槽３１と、真空槽３１内に配置された酸化銅ターゲット３５ａと銅ターゲット３５ｂとを有している。
酸化銅ターゲット３５ａは、ここでは酸素を３原子％以上含有する酸化銅から成る。
酸化銅ターゲット３５ａは、３原子％以上の酸素に加えて、Ｃａと、Ｍｇと、Ａｌと、Ｔｉと、Ｚｒとからなる添加金属群のうちいずれか一種類の添加金属を０．５原子％以上含有してもよい。

また、酸化銅ターゲット３５ａは、２原子％以上のＭｇと、８原子％以上のＡｌと、１原子％以上の酸素とを含有する酸化銅合金から成っていてもよい。
酸化銅ターゲット３５ａの酸素含有量は４０原子％以下が好ましい。４０原子％より大きい酸素含有量では、酸化銅ターゲット３５ａの作成が困難であり、かつ酸化銅ターゲット３５ａ（及び形成される膜）が絶縁物に近づくという不都合がある。

銅ターゲット３５ｂは、銅を主成分とする純銅又は銅化合物から成り、その酸素含有量は酸化銅ターゲット３５ａの酸素含有量より小さくされている。
酸化銅ターゲット３５ａと銅ターゲット３５ｂにはそれぞれ電源装置３６ａ、３６ｂが電気的に接続され、酸化銅ターゲット３５ａと銅ターゲット３５ｂにそれぞれ個別に電圧が印加されるようになっている。

真空槽３１は接地電位に置かれている。
真空槽３１には、真空槽３１内を真空排気する真空排気部３２と、真空槽３１内にスパッタガスである希ガスを供給するスパッタガス供給部３３とがそれぞれ接続されている。

（密着層形成工程）
真空排気部３２により真空槽３１内を真空排気し、真空雰囲気を形成する。以後、真空排気部３２による真空排気を継続して、真空槽３１内の真空雰囲気を維持する。

真空槽３１内の真空雰囲気を維持しながら、処理対象物１０を真空槽３１内に搬入し、酸化銅ターゲット３５ａの表面と対面する位置に配置して、処理対象物１０の表面に露出する酸化物半導体層１４を酸化銅ターゲット３５ａの表面と対面させる。

真空排気された真空槽３１内に、スパッタガス供給部３３から希ガス（例えばＡｒガス）を供給し、真空槽３１内に酸素ガスは導入せず、大気圧より低い圧力の希ガスの雰囲気を形成する。希ガスの雰囲気には酸素ガスは含まれない。以後、希ガスの供給を継続し、大気圧より低い圧力の希ガスの雰囲気を維持する。

酸化銅ターゲット３５ａに電圧を印加して、酸化銅ターゲット３５ａの表面上にプラズマを生成する。酸化銅ターゲット３５ａが真空槽３１に対して負の電位に置かれているときに、プラズマ中のイオンは酸化銅ターゲット３５ａの表面に入射してスパッタし、酸化銅ターゲット３５ａの表面から酸化銅ターゲット３５ａを構成する粒子であるスパッタ粒子が放出される。

放出されたスパッタ粒子は、希ガスの雰囲気中を飛行して、処理対象物１０の表面に到達し、図２を参照し、処理対象物１０の表面に露出する酸化物半導体層１４の表面に密着して酸化銅から成る密着層１６が形成される。

本発明では、酸素ガスを含有しない希ガスの雰囲気中でスパッタを行っており、スパッタ粒子が飛行中に酸化されることなく処理対象物１０の表面に到達し、密着層１６の酸素含有量は酸化銅ターゲット３５ａの酸素含有量と同一になる。そのため、酸素ガスの雰囲気中でスパッタを行う場合よりも、密着層１６の酸素含有量を正確に制御することができる。

また、仮に酸素ガスの雰囲気中でスパッタを行うと、酸素ガスの導入孔に近い位置ほど酸素ガスの分圧が高くなり、特に処理対象物１０の表面積が大きい場合には、密着層１６の酸素含有量には面内でムラが生じてしまうが、本発明ではスパッタ粒子が飛行中に酸化されることはなく処理対象物１０の表面に到達するため、処理対象物１０の表面積が大きくても、密着層１６の酸素含有量を面内で一様にすることができる。

また、密着層１６に添加金属を含有させる場合には、仮に蒸発源から添加金属の蒸気を放出させながら、添加金属を含まない酸化銅ターゲットをスパッタして酸化銅合金の薄膜を形成すると、薄膜中の添加金属含有量を正確に制御することが困難であり、また蒸発源に近い位置ほど添加金属蒸気の分圧が高くなり、薄膜の添加金属含有量には面内でムラが生じてしまうが、本発明では添加金属を含有する酸化銅ターゲットをスパッタして酸化銅合金の薄膜である密着層１６を形成しており、密着層１６の添加金属含有量を正確に制御でき、かつ処理対象物１０の表面積が大きくても、密着層１６の添加金属含有量を面内で一様にすることができる。

密着層１６は後述する電極層１７より酸素含有量が大きく、酸化物半導体層１４に対して電極層１７よりも高い密着性を有している。
所望の厚みの密着層１６を形成した後、酸化銅ターゲット３５ａへの電圧の印加を停止し、酸化銅ターゲット３５ａの表面上のプラズマを消失させる。

（電極層形成工程）
次いで、処理対象物１０を銅ターゲット３５ｂの表面と対面する位置に配置して、処理対象物１０の表面に露出する密着層１６を銅ターゲット３５ｂの表面と対面させる。

真空槽３１内の希ガスの雰囲気を維持しながら、銅ターゲット３５ｂに電圧を印加して、銅ターゲット３５ｂの表面上でプラズマを生成する。銅ターゲット３５ｂが真空槽３１に対して負の電位に置かれているときに、プラズマ中のイオンは銅ターゲット３５ｂの表面に入射して、銅ターゲット３５ｂの表面をスパッタし、図３を参照し、処理対象物１０の表面に露出する密着層１６の表面に密着して銅を主成分とする電極層１７が形成される。

銅ターゲット３５ｂは、酸化銅ターゲット３５ａより酸素含有量が小さく、電極層１７は密着層１６より酸素含有量が小さくなる。そのため、電極層１７は密着層１６より抵抗率が小さくなる。

また、酸化物半導体層１４の表面に密着して密着層１６が形成され、電極層１７は密着層１６の表面に密着して形成されており、電極層１７が酸化物半導体層１４の表面に直接密着して形成される場合よりも、電極層１７と酸化物半導体層１４との間の密着性が向上している。

所望の厚みの電極層１７を形成した後、銅ターゲット３５ｂへの電圧の印加を停止し、銅ターゲット３５ｂの表面上のプラズマを消失させる。
真空槽３１内の真空雰囲気を維持しながら、処理対象物１０を真空槽３１の外側に搬出する。

なお、上記説明では同一の真空槽３１内で密着層１６と電極層１７とを順に形成したが、密着層１６を形成した後、別のスパッタ装置の真空槽内に処理対象物１０を移動させて電極層１７を形成してもよい。

本実施形態では、電極層１７の表面に所定の形状の開口を有するレジスト層（不図示）を形成し、レジスト層の開口から電極層１７の表面を部分的に露出させ、その表面に銅用のエッチング液（例えば硝酸を含む混酸）を接触させる。

電極層１７と密着層１６とは銅を含有するので、エッチング液に溶解し、図４に示すように、レジスト層の開口から露出する部分が膜厚方向にエッチングされて、ストッパー層１５の表面が部分的に露出される。電極層１７と密着層１６とから成る積層膜は二分され、ソース電極１８ａとドレイン電極１８ｂとが形成される。

酸化物半導体層１４のＩＧＺＯは酸に溶解する性質があるが、酸化物半導体層１４の表面はストッパー層１５で遮蔽されて露出されておらず、酸化物半導体層１４がエッチング液でエッチングされることはない。
ソース電極１８ａとドレイン電極１８ｂとを形成した後、電極層１７の表面からレジスト層を除去する。

（保護層形成工程）
処理対象物１０を不図示のＣＶＤ装置の真空排気された真空槽内に搬入し、処理対象物１０を加熱しながら、真空槽内に原料ガスと反応ガスとを導入し、プラズマを生成し、処理対象物１０の電極層１７が露出する表面上で化学反応させて、図５を参照し、電極層１７上に電極層１７の表面を覆って保護層１９を形成し、半導体素子１を製造する。例えば、処理対象物１０を２００℃以上に加熱しながら、ＳｉＨ₄ガスとＯ₂ガスとを真空槽内に導入して、電極層１７の表面を覆ってＳｉＯ_x膜からなる保護層１９を形成する。

密着層１６に含まれるＣｕはＴｉやＭｏに比べて還元性が低く、かつ本発明による密着層１６は酸素を３原子％以上含有する酸化銅ターゲットをスパッタして形成され、酸素を確実に含有しており、そのため、加熱されても密着層１６が酸化物半導体層１４を還元することはなく、酸化物半導体層１４と密着層１６との界面に金属（ここでＩｎ、Ｇａ、Ｚｎ金属）が生成されることはない。

従って、酸化物半導体層１４が還元されて変質し、その電気特性や光透過性が劣化したり、界面に生成した金属が電極層１７に拡散して、電極層１７の抵抗率が増大するという問題は生じない。
密着層１６は希ガスの雰囲気中でスパッタして形成され、密着層１６の酸素含有量は面内で一様であり、処理対象物１０の表面積が大きくても、面内で一様に、上記問題は起こらない。

なお、ここでは酸化物半導体層１４としてＩＧＺＯが用いられたが、本発明の酸化物半導体層１４はＩＧＺＯに限定されず、亜鉛を含有する他の酸化物半導体も含まれる。
半導体素子１のソース電極１８ａとドレイン電極１８ｂとの間に電圧を印加し、ゲート電極１２に電圧を印加すると、ゲート電極１２に印加する電圧の大きさに応じてソース電極１８ａとドレイン電極１８ｂとの間に流れる電流量が増減される。

ガラス基板上にＩＧＺＯ層が配置された試験基板を大気圧より低い圧力の希ガスの雰囲気中に配置し、酸化銅ターゲットをスパッタして、ＩＧＺＯ膜の表面に密着して酸化銅層を５００Åの厚みで形成し、次いで純銅からなる銅ターゲットをスパッタして酸化銅層の表面に密着してＣｕ層を３０００Åの厚みで形成した。

酸化銅層とＣｕ層とから成る積層膜が形成された試験基板を、そのまま（「ａｓ ｄｅｐｏ．」）、又は真空雰囲気中で３５０℃にアニール処理してから（「３５０℃ ａｎｎｅａｌ」）、下記の条件で「ＩＧＺＯ膜との密着性」と「ＩＧＺＯ膜の還元性有無」とを調べた。

（ＩＧＺＯ膜との密着性）
試験基板の積層膜が形成された表面に、先端が鋭利なカッターで刻みを入れて、１０行×１０列＝１００個のマスを形成し、その表面に粘着テープを貼り付けた後、粘着テープを剥がして、試験基板の表面に残存する膜の個数を調べた。１００個のマスのうち１個も剥離しない場合を「○」とし、１個以上剥離した場合を「×」とした。

（ＩＧＺＯ膜の還元性有無）
試験基板の酸化銅層とＩＧＺＯ層との界面をオージェ電子分光分析法（ＡＥＳ）で分析し、その界面にＩｎ金属が確認されなかった場合を「○」とし、確認された場合を「×」とした。酸化銅層とＩＧＺＯ層との界面にＩｎ金属が確認されることは、ＩＧＺＯ層が酸化銅層によって還元されたことの証拠であると考えられる。

これらの試験結果を、酸化銅ターゲットが添加金属を含有しない場合は、酸化銅ターゲットの酸素含有量の測定値と共に、下記表１に記載し、添加金属を含有する場合は、酸化銅ターゲットの添加金属含有量（「合金添加量」）と酸素含有量の測定値と共に、下記表２、３に記載する。

なお、下記表１〜３の「膜構成」の欄には、「／」の左側にＣｕ層の構成材料、すなわち銅ターゲットの構成材料が記載され、「／」の右側に酸化銅層の構成材料、すなわち酸化銅ターゲットの構成材料が記載されている。

上記試験結果から、希ガスの雰囲気中で酸素含有量が１原子％以上の酸化銅ターゲットをスパッタして、ＩＧＺＯ層の表面に密着して酸化銅層を形成すれば、加熱されても酸化銅層とＩＧＺＯ層との界面にＩｎ金属は生成されず、すなわち酸化銅層はＩＧＺＯ層を還元しないことが分かる。

また、希ガスの雰囲気中で酸素含有量が３原子％以上の酸化銅ターゲット、又は２原子％以上のＭｇと、８原子％以上のＡｌと、１原子％以上の酸素とを含有する酸化銅ターゲットをスパッタしてＩＧＺＯ層の表面に密着した酸化銅層を形成し、酸化銅層の表面に密着したＣｕ層を形成すれば、Ｃｕ層とＩＧＺＯ層との間に良好な密着性を得られることが分かる。

１……半導体素子
１０……処理対象物
１４……酸化物半導体層
１６……密着層
１７……電極層
１９……保護層

Claims (5)

1. 亜鉛を含有する酸化物半導体層の表面に密着して密着層を形成し、前記密着層の表面に密着して銅を主成分とする電極層を形成する半導体素子製造方法であって、
   前記密着層を形成するときには、処理対象物の表面に前記酸化物半導体層を露出させ、大気圧より低い圧力の希ガスの雰囲気中で、酸素を３原子％以上含有する酸化銅ターゲットをスパッタして、前記酸化物半導体層の表面に密着して酸化銅からなる前記密着層を形成する半導体素子製造方法。
2. 前記酸化物半導体層はＩＧＺＯからなる請求項１記載の半導体素子製造方法。
3. 前記酸化銅ターゲットの酸素含有量は４０原子％以下である請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の半導体素子製造方法。
4. 前記酸化銅ターゲットは、Ｃａと、Ｍｇと、Ａｌと、Ｔｉと、Ｚｒとからなる添加金属群のうちいずれか一種類の添加金属を０．５原子％以上含有する請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の半導体素子製造方法。
5. 前記電極層を形成した後、前記処理対象物を加熱しながら、前記電極層上に保護層を形成する請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の半導体素子製造方法。

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