JP2919306B2 - 低抵抗タンタル薄膜の製造方法及び低抵抗タンタル配線並びに電極 - Google Patents

低抵抗タンタル薄膜の製造方法及び低抵抗タンタル配線並びに電極

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は液晶表示装置や電子装置
等の駆動用配線や電極に用いられるタンタル薄膜に関
し、特に低抵抗タンタル薄膜の構造及びその製造方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】近時、特にアクティブマトリックス液晶
表示装置のスイッチング素子であるＭＩＭ（Metal-Insu
lator-Metal：金属−絶縁膜−金属）素子やＴＦＴ（薄
膜トランジスタ）素子の駆動用配線や電極材料としてタ
ンタルＴａが広く用いられてきた。これはタンタルが陽
極酸化可能であり、陽極酸化により形成される酸化膜
（Ｔａ2Ｏ5膜）が極めて絶縁性に優れていること、及び
タンタルが薬品耐性（耐食性）等に優れ、更に上記素子
の製造プロセスへの適合性が高いといった長所を有して
いることによる。
【０００３】しかしながら、タンタルを通常のスパッタ
リング法にて絶縁基板上に成膜するとその比抵抗が170
〜220μΩcmと高くなる。
【０００４】放電ガス中に窒素等の不純物ガスを混ぜて
も、比抵抗は通常約60μΩcmまでしか下がらない。特に
液晶表示装置では大画面化、高精細化していく上で、そ
の駆動用配線材料の低抵抗化が一つの重要な課題であ
り、前述したタンタル薄膜の比抵抗をより一層下げる必
要がある。
【０００５】低抵抗のタンタル薄膜を得るための従来技
術として、タンタル薄膜の下に窒化タンタル薄膜を敷き
積層膜にする方法が知られている。例えば特開平3-2933
29号公報や特開平5-48097号公報、特開平5-289091号公
報にはこの種の技術が開示されている。
【０００６】その中で低抵抗のタンタル薄膜を得るため
には、下地膜の窒化タンタル薄膜の膜厚と窒素濃度が重
要とされている。上記特開平5-289091号公報には、絶縁
基板上に電極を配置した電極基板において、該電極とし
て窒化タンタル膜からなる下地膜上に結晶構造が体心立
方構造であるタンタル膜を積層した構造が開示され、窒
化タンタルからなる下地膜の膜厚が10オングストローム
〜1000オングストローム（1nm〜100nm）、その窒素濃度
は７atm％以上13atm％以下または33atm％以上が適当と
されており、このとき上層のタンタル薄膜の比抵抗が25
μΩcmになることが記載されている。
【０００７】また、特開平3-293329号公報には、窒化タ
ンタル薄膜（下地層）の膜厚は300オングストローム（3
0nm）程度以下でよく、スパッタ条件を最適化すると50
オングストローム（5nm）以上でよいこと、窒化濃度は4
0atm％以上で上層のタンタル薄膜の比抵抗が30μΩcmに
なることが記載されている。但し、窒素濃度について
は、スパッタ装置やスパッタ条件等によって左右される
ため上記数値には必ずしも限定されないことが記載され
ている。
【０００８】一方、特開平5-48097号公報には、窒化タ
ンタル薄膜の膜厚は数10オングストローム〜数100オン
グストロームで、得られるタンタル薄膜の比抵抗は約20
μΩcmであることが記載されている（但し、同公報には
窒素濃度についての記述はない）。
【０００９】ここで、窒化タンタル薄膜上のタンタル薄
膜の比抵抗が下がる理由については、前述の特開平5-48
097号公報で、上層のタンタル薄膜がエピタキシャル成
長によ り下層の窒化タンタル薄膜と同じα相（体心立
方格子構造）になり、かつ不純物を含まないためである
との説明がなされている。
【００１０】なお、基板との密着性を向上させる目的
で、同様に窒化タンタル薄膜とタンタル薄膜を積層する
技術が、例えば特開平3-52264号公報や特開平6-194677
号公報に開示されている。
【００１１】特に特開平3-52264号公報には、タンタル
膜からなるゲート電極の絶縁性基板に対する付着力を増
大させるため、下地層である窒化タンタル薄膜の膜厚を
100オングストローム〜2000オングストローム（10nm〜2
00nm）とし、窒素濃度を0.5％〜10％（但し、atm％かwt
％かは不明）にすることが記載されている。
【００１２】さらに、特開平6-194677号公報では、窒化
タンタル薄膜の窒素濃度を10atm％以上とし、窒化タン
タル薄膜及びタンタル薄膜成膜時の単位ターゲット面積
当たりのスパッタパワーを4.0Ｗ／cm2以下として基板温
度の上昇を抑制することが記載されている。
【００１３】また、窒化タンタル薄膜の製造方法として
は、窒化タンタルの合金ターゲットを用いたスパッタリ
ングによる方法やアルゴンと窒素の混合ガスを用いた反
応性スパッタリングによる方法が、前述の特開平5-2890
91号公報や特開平6-194677号公報（窒化ニオブ薄膜の例
で説明）に記載されている。その他の上記公報でも一般
にスパッタリングにより、上層の窒化タンタル薄膜も連
続的に成膜するという方法が記載されている。
【００１４】そして、特に上記特開平3-293329号公報に
は、スパッタリング以外にタンタル薄膜のプラズマ窒化
または熱窒化により形成してもよいことが記載されてい
る。
【００１５】さらに、一般に、高融点金属窒化膜の形成
方法の従来技術として、例えば特開昭59-55016号公報に
は、バリヤメタルとして有用な金属窒化膜の形成方法と
して、高融点金属を高周波電力を用いたスパッタリング
法により半導体基板上に成膜する方法が記載されてい
る。すなわち、同公報には、直流放電によるスパッタリ
ングよりも高周波放電によるスパッタリングの方が高融
点金属窒化膜の比抵抗が下がること、スパッタリング時
のガス圧力は低圧になるほど高融点金属窒化膜の比抵抗
が下がること、及びその圧力は５mTorr〜10mTorr（約0.
67pa〜約1.33pa）の範囲が適当であること等が記載され
ている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者等は、詳細な実験に基づき、窒化タンタル薄膜の成膜
を反応性スパッタリングで行なった場合、前述した従来
のタンタル薄膜の製造方法では必ずしも上層のタンタル
薄膜の比抵抗を下げることができないという問題点があ
ることを解明した。即ち、従来のように下層の窒化タン
タル薄膜の膜厚と窒素濃度を制御するだけでは不十分
で、窒化タンタル薄膜成膜時の反応性スパッタリングの
ガス圧力を制御する必要があることが判明された（この
点については後述する）。
【００１７】また、窒化タンタル合金ターゲットを用い
た直接スパッタリングによる窒化タンタル薄膜の製造方
法は、ターゲットの製造が困難であり、パーティクルが
多いといった問題の他に、さらにターゲット中の窒素成
分が薄膜の形成過程で揮発したり、あるいは窒化タンタ
ル合金ターゲットを用いた場合には軽元素の窒素の散乱
効果が大きくなるため、スパッタリング条件やターゲッ
トの使用状況によって成膜中の窒素濃度が変動し、上層
のタンタル薄膜の比抵抗が安定しないという問題点があ
る。
【００１８】さらにまた、タンタル薄膜のプラズマ窒化
や熱窒化による窒化タンタル薄膜の製造方法では、製造
工程数が増える、熱窒化は一般に基板が熱に耐えられな
いといった問題の他に、そもそも高抵抗のβ相（正方格
子構造）のタンタル薄膜をプラズマ窒化や熱窒化しても
後述する所望の格子面間隔を持つ結晶配向の窒化タンタ
ル薄膜を得ることは困難であり、従って上層の窒化タン
タル薄膜の比抵抗を十分下げることができないという問
題点がある。
【００１９】従って、本発明の目的は、上記問題点を解
消し、タンタル／窒化タンタル積層膜において、比抵抗
が十分低く安定したタンタル薄膜の製造方法を提供する
と共に、それを用いた低抵抗タンタル配線並びに電極を
提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、絶縁基板上に窒化タンタル膜とタンタル
膜とを順次スパッタリングにより積層して形成する低抵
抗タンタル薄膜の製造方法において、前記窒化タンタル
膜を反応性スパッタリングにより成膜し、その際、ガス
圧力を所定値以下に制御することにより、前記成膜され
た窒化タンタル膜が所定の結晶構造の結晶質を含み、上
層の前記タンタル膜及び下層の前記窒化タンタル膜の比
抵抗をともに下げるようにした、ことを特徴とする。本
発明においては、前記窒化タンタル膜を反応性スパッタ
リングにより成膜する。
【００２１】また、本発明においては、前記成膜された
窒化タンタル膜が所定構造の結晶質を含む。
【００２２】さらに、本発明においては、好ましくは、
前記ガス圧力を略0.5pa以下とすることを特徴とする。
【００２３】そして、本発明は、好ましい態様として、
絶縁基板上に窒化タンタル膜とタンタル膜とをこの順に
スパッタリングにより成膜して形成される低抵抗タンタ
ル薄膜の製造方法において、下地層の前記窒化タンタル
膜の成膜時における反応性スパッタリングのガス圧力
を、前記窒化タンタル膜が六方格子型結晶構造を有する
結晶質を含み、該結晶質の格子面間隔が、前記窒化タン
タル膜の上層に形成される体心立方格子型構造の結晶構
造を含む前記タンタル膜の格子面間隔と近い値（好まし
くは22nm〜26nm）をとるように、所定のガス圧力に制御
することを特徴とする低抵抗タンタル薄膜の製造方法を
提供する。
【００２４】また、本発明は、絶縁基板上に窒化タンタ
ル膜とタンタル膜がこの順に積層してなる低抵抗タンタ
ル配線乃至電極において、前記窒化タンタル膜が六方格
子型結晶構造を含むことを特徴とする低抵抗タンタル配
線乃至電極を提供する。
【００２５】本発明においては、好ましくは、前記窒化
タンタル膜が組成式ＴａＮx（但し、組成比ｘ＝１）か
らなり、Ｘ線回折における結晶配向が（110）の結晶を
含むこ とを特徴とする。
【００２６】本発明においては、好ましくは、前記窒化
タンタル膜が、組成式ＴａＮx（但し、組成比ｘ＝0.8）
からなり、Ｘ線回折における結晶配向が（100）の結晶
を有するようにしてもよい。
【００２７】本発明においては、好ましくは、前記窒化
タンタル膜は組成式ＴａＮx（但し、組成比ｘ＝0.5）と
され、Ｘ線回折における結晶配向が（101）の結晶を有
するようにしてもよい。
【００２８】本発明においては、好ましくは、前記窒化
タンタル膜は組成式ＴａＮx（但し、組成比ｘ＝0.43）
とされ、Ｘ線回折における結晶配向が（111）の結晶を
有する ようにしてもよい。
【００２９】本発明においては、好ましくは、組成式Ｔ
ａＮxの前記窒化タンタル膜が、組成比ｘ＝１で結晶配
向が（110）の結晶、組成比ｘ＝0.8で結晶配向が（10
0）の結晶、組成比ｘ＝0.5で結晶配向が（101）の結
晶、組成比ｘ＝0.43で結晶配向が（111）の結晶のう
ち、少なくとも２つの結晶を混在して含むようにしても
よい。
【００３０】
【作用】本発明によれば、タンタル／窒化タンタル積層
膜において、下層の窒化タンタル成膜時のガス圧力を好
ましくは0.5pa以下にて反応性スパッタリングにより製
造するようにしたことにより、窒化タンタル（下地層）
を安定した結晶質（六方格子構造）にすることができ
る。特に、本発明においては、窒化タンタルの結晶質の
格子面間隔が、低抵抗である体心立方格子構造のタンタ
ルの格子面間隔と近い値（好ましくは22nm〜26nm）をと
るため、上層のタンタルがエピタキシャル成長して常に
体心立方格子構造となる。この結果上層のタンタルの比
抵抗と下層の窒化タンタルの比抵抗を同時に下げること
ができ、低比抵抗のタンタル／窒化タンタル積層膜並び
に配線、電極を安定して形成することができる。
【００３１】また、本発明に係るタンタル／窒化タンタ
ル積層膜を液晶表示装置のスイッチング素子等に用いる
ことにより、素子の電極間に形成するタンタル酸化膜の
結晶性が均一になり欠陥を低減できるため、酸化膜の絶
縁性を高めることができる。
【００３２】さらに、本発明によれば、駆動配線の電極
両端で信号到達時間に差を生じることがなく均一な表示
が安定して得られ、素子や装置の品質を向上することが
できる。
【００３３】
【実施例】図面を参照して本発明を実施例に即して以下
に説明する。
【００３４】
【実施例１】図１は、本発明の一実施例に従い製造され
たＭＩＭ素子の製造工程を工程順に説明するための図で
ある。
【００３５】合成樹脂等の透明な絶縁基板11上にまず反
応性スパッタリングにより窒化タンタル薄膜12を膜厚30
0オングストローム（30nm）成膜した後、通常のスパッ
タリングにより連続してタンタル薄膜13を膜厚3000オン
グストローム（300nm）成膜する。この工程について詳
しく説明する。
【００３６】図８は、バッチ式のスパッタリング装置の
構成を説明するための模式図である。図８を参照して、
バッチ式のスパッタリング装置は、ゲートバルブ61で区
切られたロードロックチャンバー62とプロセスチャンバ
ー63の２室から構成され、各チャンバーはそれぞれ真空
ポンプ64で排気されている。
【００３７】プロセスチャンバー63の真空度はガス導入
前では５×10-4pa以下になっている。カソードは３基あ
り、何れもタンタルターゲットが設置されている。
【００３８】基板11は、まずロードロックチャンバー62
からプロセスチャンバー63のヒート部65に搬送され、ヒ
ーター66により100℃程度に加熱される。
【００３９】次に、プロセスチャンバー63にアルゴン
（Ａｒ）ガスと窒素（Ｎ2）ガスを導入する。流量比は
窒素を50％（例えばアルゴン、窒素各80sccm）とし、圧
力が0.5pa以下になるように流量または真空ポンプのバ
ルブの位置を調整する。
【００４０】直流電源66aにより、タンタルターゲット6
7aに所定の電圧を印加し、アルゴンガス及び窒素ガスを
放電させる。すると、タンタルターゲット67aの表面で
ターゲット表面が窒化され、イオン化されたガス分子に
より窒化タンタルがスパッタリングされ、所望の速度で
搬送されてきた基板11の表面に被着される。このように
して窒化タンタル薄膜を300オングストローム成膜する
（図１（Ａ）の12参照）。
【００４１】一旦プロセスチャンバー63を排気した後、
今度はアルゴンガスのみ導入し、0.5pa程度の圧力にな
るように流量を調整する。この間、基板11は、タンタル
ターゲット67aと67bの間で待機される。
【００４２】直流電源66bまたは66cによりタンタルター
ゲット67bまたは67cに所定の電圧を印加し、アルゴンガ
スを放電させる。
【００４３】すると、イオン化されたアルゴン分子によ
りタンタルがスパッタリングされ、所定の速度で搬送さ
れてきた基板11の表面に被着される。成膜はタンタルタ
ーゲット67bと67cで半分ずつ行なってもよい。
【００４４】このようにしてタンタル薄膜13を3000オン
グストローム成膜する（図１（Ａ）の13参照）。後述す
るように窒化タンタル薄膜12の成膜時のガス圧力を0.5p
a以下にしたことにより、窒化タンタル薄膜の格子面間
隔が体心立方格子構造のタンタルの格子面間隔と近い値
をとるため、上層のタンタル薄膜13がエピタキシャル成
長して体心立方格子構造となり、低抵抗のタンタル薄膜
13が得られる。この結果タンタル／窒化タンタル積層膜
も低抵抗となる。
【００４５】図９は、枚葉式のスパッタリング装置の構
成を説明するための模式図である。図９を参照して、ゲ
ートバルブ61で区切られたロードロックチャンバー62と
ヒートチャンバー65′とスパッタチャンバー68a、68bと
トランスファーチャンバー69の５室から構成され、各々
のチャンバーはそれぞれ真空ポンプ64で排気されてい
る。ロードロックチャンバー62以外の各チャンバーの真
空度は１×10-4pa以下とされている。また、スパッタチ
ャンバー68a、68bにはタンタルターゲットが設置されて
いる。
【００４６】基板11は、まずロードロックチャンバー62
からトランスファーチャンバー69を経てヒートチャンバ
ー65′に搬送され、ヒーター66により100℃程度に加熱
される。
【００４７】次に、再びトランスファーチャンバー69を
経て、アルゴンガスと窒素ガスが導入された第１のスパ
ッタチャンバー68aを経て、アルゴンガスと窒素ガスの
流量比は窒素を12.5％（例えばアルゴン160sccm、窒素2
0sccm）とし、圧力が0.5pa以下になるように流量または
真空ポンプのバルブの位置を調整する。
【００４８】直流電源66aによりタンタルターゲット67a
に所定の電圧を印加し、アルゴンガス及び窒素ガスを所
定時間放電させ、窒化タンタル薄膜を300オングストロ
ーム（30nm）成膜する（図１（Ａ）の12参照）。
【００４９】再びトランスファーチャンバー69を経て、
今度はアルゴンガスのみ導入された第２のスパッタチャ
ンバー68bに基板11を搬送する。
【００５０】直流電源66bによりタンタルターゲット67b
に所定の電圧を印加し、アルゴンガスを所定時間放電さ
せ、タンタル薄膜を3000オングストローム（300nm）成
膜する（図１（Ａ）の13参照）。
【００５１】また、スパッタチャンバー68bに異なる種
類のターゲットを設置しているような場合は、スパッタ
チャンバー68aのタンタルターゲット67aだけで次のよう
にしてタンタル／窒化タンタル積層膜を形成することが
できる。
【００５２】即ち、上述した場合と同様にして窒化タン
タル薄膜を300オングストローム成膜した後、基板11を
ロードロックチャンバー62に回収する。これを処理枚数
繰り返す。この間ロードロックチャンバー62は真空保持
されている。
【００５３】次に、スパッタチャンバー68aを十分排気
した後、今度はアルゴンガスのみ導入し、直流電源66a
によりタンタルターゲット67aに所定の電圧を印加し、
窒化したタンタルターゲット67aの表面を空スパッタリ
ングしてクリーニングする。
【００５４】基板11を再びヒートチャンバー65′に搬送
し、100℃程度に加熱した後、スパッタチャンバー68aに
搬送する。
【００５５】そして、直流電源66aによりタンタルター
ゲット67aに所定の電圧を印加し、アルゴンガスを所定
時間放電させ、タンタル薄膜を3000オングストローム
（300nm）成膜する。
【００５６】その後、基板11をロードロックチャンバー
62に回収し、これを処理枚数繰り返す。
【００５７】この方法はスループットは落ちるがターゲ
ットを１個で済ますことができるという利点がある。
【００５８】このように窒化タンタル薄膜成膜時のガス
圧力を0.5pa以下にしたことにより、低抵抗のタンタル
薄膜が得られる。これは、後述するように窒化タンタル
薄膜の格子面間隔が体心立方格子構造のタンタル格子面
間隔と近い値（好ましくは22nm〜26nm）をとり、上層の
タンタル薄膜がエピタキシャル成長して体心立方格子構
造となったためである。この結果、タンタル／窒化タン
タル積層膜も低抵抗となる。
【００５９】上記の実施例では、直流電源による直流ス
パッタリングを例に説明したが、これは高周波電源によ
る高周波スパッタリングとしてもよい。高周波スパッタ
リングの場合、窒化タンタル薄膜の比抵抗がさらに下が
ることから、タンタル／窒化タンタル積層膜の比抵抗も
それに応じて下がる。
【００６０】なお、窒化タンタル薄膜の膜厚と窒素濃度
については、本発明者等の実験によれば、膜厚は300オ
ングストローム（30nm）以上、窒素濃度は５atm％程度
以上であれば20〜30μΩcm程度の低抵抗のタンタル薄膜
が得られることが判明した。
【００６１】以上のようにして、低抵抗のタンタル／窒
化タンタル積層膜が安定して形成される。
【００６２】次に、フォトリソグラフィー工程を通して
所定の形状にパターニングし、窒化タンタル薄膜12とタ
ンタル薄膜13が積層してなる低抵抗の信号配線14を形成
する（図１（Ａ）参照）。
【００６３】信号配線14の表面を陽極酸化して1000オン
グストローム（100nm）程度の厚さのタンタル酸化物
（Ｔａ2Ｏ5）15を形成する。このとき、信号配線14の厚
さは2500オングストローム程度（250nm）に減少する。
【００６４】ＩＴＯ（インジウム錫酸化膜）等の透明導
電膜を800オングストローム（80nm）成膜し、フォトリ
ソグラフィー工程を通してパターニングし、画素電極16
を形成する。ここで、タンタル酸化物15は絶縁性の高い
良好な絶縁膜となっている（図１（Ｂ）参照）。
【００６５】最後にチタン膜を1500オングストローム
（150nm）成膜し、フォトリソグラフィー工程を通して
所定の形状にパターニングし、上部電極17を形成する
（図１（Ｃ）参照）。
【００６６】以上のようにして製造されたＭＩＭ素子を
液晶表示装置のスイッチング素子として用いることによ
り、信号配線電極両端で信号到達時間に差を生じること
がなく、均一な表示が安定して得られる。
【００６７】
【実施例２】図２及び図３は、本発明の第２の実施例を
説明するための図であり、本発明をＴＦＴ素子に適用し
た場合の、チャネルエッチ型のＴＦＴ素子の製造方法を
工程順に説明するための図である。
【００６８】ガラス等の透明な絶縁基板11上に、まず反
応性スパッタリングにより窒化タンタル薄膜を300オン
グストローム（30nm）成膜した後、通常のスパッタリン
グにより連続してタンタル薄膜を3000オングストローム
（300nm）成膜する。その際、スパッタリングの方法は
前記第１実施例で説明した方法に従うものとするが、本
実施例では、タンタル薄膜の比抵抗をさらに下げるため
にスパッタリング前の基板加熱温度を約200℃にする。
【００６９】次に、フォトリソグラフィー工程を通して
所定の形状にパターニングし、窒化タンタル薄膜12とタ
ンタル薄膜13が積層してなる低抵抗のゲート配線（図示
せず）とゲート電極21を形成する（図２（Ａ）参照）。
【００７０】ゲート配線（不図示）とゲート電極21の表
面を陽極酸化して1000オングストローム（100nm）程度
の厚さのタンタル酸化物15を形成し、第１のゲート絶縁
膜とする。このとき、ゲート配線とゲート電極21の厚さ
は2500オングストローム（250nm）程度に減少する。
【００７１】第２のゲート絶縁膜としてプラズマ化学気
相成長法により窒化シリコン膜22を3000オングストロー
ム（300nm）成膜し、連続して真性半導体層とリンをド
ープしたｎ型半導体層をそれぞれ2700オングストローム
（270nm）と300オングストローム（30nm）成膜する。
【００７２】フォトリソグラフィー工程を通してパター
ニングし、ゲート電極21上に島状の半導体層（真性半導
体層23とｎ型半導体層24）を形成する（図２（Ｂ）参
照）。
【００７３】反応性スパッタリング法により窒化タンタ
ル薄膜を300オングストローム（30nm）、通常のスパッ
タリング法によりタンタル薄膜を1500オングストローム
（150nm）連続成膜する。
【００７４】スパッタリングの方法は前記第１実施例で
説明した方法に従うが、ここでもスパッタリング前の基
板加熱温度は200℃程度とする。
【００７５】フォトリソグラフィー工程を通して所定の
形状にパターニングし、窒化タンタル薄膜12′とタンタ
ル薄膜13′が積層してなる低抵抗のドレイン配線（図示
せず）とソース電極25、ドレイン電極26を形成する（図
３（Ｃ）参照）。
【００７６】ＩＴＯ等の透明導電膜を500オングストロ
ーム（50nm）成膜した後、フォトリソグラフィー工程を
通してパターニングし、画素電極16を形成する。
【００７７】最後にソース、ドレイン電極25、26をマス
クにして、両電極間のｎ型半導体層をエッチングしてチ
ャネル部27を形成する（図３（Ｄ）参照）。
【００７８】ここではチャネルエッチ型のＴＦＴ素子の
例で説明したが、チャネル保護型のＴＦＴ素子や順スタ
ガ型のＴＦＴ素子にも本発明を適用することができるこ
とは勿論である。
【００７９】以上のようにして製造されたＴＦＴ素子を
液晶表示装置のスイッチング素子として用いることによ
り、低抵抗のゲート配線を安定に形成できるのでゲート
配線電極両端で信号到達時間に差を生じることがなく、
均一な表示が安定して得られる。
【００８０】
【実施例３】図４は本発明の第３の実施例として、本発
明に係る製造方法を適用して製造されたタンタル薄膜コ
ンデンサの断面を示す図である。図４を参照して本実施
例を以下に説明する。
【００８１】アルミナ基板31上に、反応性スパッタリン
グにより窒化タンタル薄膜を1000オングストローム（10
0nm）、通常のスパッタリングによりタンタル薄膜を200
0オングストローム（200nm）連続成膜する。スパッタリ
ングの方法は前記第１実施例で説明した方法に従うもの
とする。
【００８２】次に、フォトリソグラフィー工程を通して
所定の形状にパターニングし、下部電極32を形成する。
さらに、フォトリソグラフィー工程を通してタンタル薄
膜13″上層部の一部を陽極酸化して誘電体となるタンタ
ル酸化膜15′を厚さ5000オングストローム（500nm）程
度形成する。
【００８３】スパッタリング法によりニッケル−クロム
（Ｎｉ−Ｃｒ）合金膜を200オングストローム（20nm）
成膜し、フォトリソグラフィー工程を通してパターニン
グし、上部電極部分と下部電極端子部分にニッケル−ク
ロム層33を形成する。
【００８４】さらに、フォトリソグラフィー工程を通し
て、ニッケル−クロム層33上にメッキにより金（Ａｕ）
層34を4000オングストローム（400nm）形成して、金層
／ニッケル−クロム層の２層膜からなる上部電極35と下
部電極端子36を形成する。
【００８５】このように、誘電体に低抵抗のタンタル薄
膜を陽極酸化したタンタル酸化膜を用いることにより、
体心立方格子構造の結晶成長が均一になってタンタル酸
化膜中の欠陥を低減できるため、漏れ電流が少なく高耐
圧のコンデンサが安定して得られる。
【００８６】最後に本発明に係る実施例の作用効果を説
明するための実験データについて説明する。
【００８７】図５（Ａ）に、下層の窒化タンタル薄膜成
膜時のガス圧力と窒化タンタル薄膜及び上層のタンタル
薄膜の比抵抗の関係を表わす実験データの一例を示す。
図５（Ｂ）に、窒化タンタル薄膜成膜時のガス圧力と成
膜中の窒素濃度の関係を表わす実験データの一例を示
す。ここでは、アルゴンガスと窒素ガスを同流量流して
直流放電による反応性スパッタリングを行なった場合の
例を示している。
【００８８】また、図５（Ａ）の窒化タンタル薄膜単層
膜の膜厚は4000オングストローム（400nm）、タンタル
／窒化タンタル積層膜の下層の窒化タンタル薄膜の膜厚
は300オングストローム（30nm）、上層のタンタル薄膜
の膜厚は3000オングストローム（300nm）の場合の実験
データであり、タンタル薄膜の成膜は各々同一条件で行
なっている。
【００８９】図５から判るように、窒化タンタル薄膜中
の窒素濃度はその成膜時のガス圧力によらずほぼ50atm
％で一定であるが、上層のタンタル薄膜の比抵抗は下層
の窒化タンタル薄膜の成膜時のガス圧力に大きく依存
し、その圧力が0.5pa以下では25〜30μΩcmとされてい
るが、圧力が0.7Pa以上では130〜150μΩcmとなりタン
タル薄膜単層膜の比抵抗と同じ位大きな値になってしま
う。
【００９０】また、下層の窒化タンタル薄膜の比抵抗と
上層のタンタル薄膜の比抵抗は窒化タンタル薄膜成膜時
のガス圧力に対して同じ傾向を示している。
【００９１】ここで、ガス圧力に対する窒化タンタル薄
膜の急激な変化は、前述した特開昭59-55016号公報のデ
ータ（窒化チタンの例でガス圧力が低くなるにつれ比抵
抗が単調に減少）とは矛盾しており、窒化チタンとは明
らかに現象が異なっている。
【００９２】即ち、以下に説明するように、窒化タンタ
ルの場合の比抵抗の変化は結晶構造の変化（ガス圧力を
下げると非晶質から結晶質に変化する）によるものであ
るが、窒化チタンの場合の比抵抗の変化は膜のモフォロ
ジーの変化（ガス圧力を下げると結晶粒が大きくなり、
粒界に大気中の酸素が取り込まれにくくなる）によるも
のであるからである。
【００９３】上記の公報ではその他の金属（高融点金
属）窒化膜と同様の結果が得られることは当然であると
しているが、比抵抗が変化する理由についての物理的な
説明がなされておらず、かつチタンとタンタルは結晶構
造も異なる（常温では前者は六方格子構造、後者は体心
立方格子構造）ため、窒化チタンの例から窒化タンタル
の例を容易に類推することはできない。
【００９４】次に、図６（Ａ）に、図５（Ａ）、図５
（Ｂ）で示した窒化タンタル薄膜のＸ線回折（線源はCo
-Kα線）のデータの一例を示す。
【００９５】図６（Ａ）を参照して、窒化タンタル薄膜
成膜時のガス圧力が0.3paの場合は六方格子の窒化タン
タルの（110）ピークが明確に現われているのに対し
て、ガス圧力が0.7pa、1.3paの場合は六方格子の（11
0）ピークが明確に現われていないことがわかる。
【００９６】次に、図６（Ｂ）に図５（Ａ）に示したタ
ンタル／窒化タンタル積層膜の上層のタンタル薄膜のＸ
線回折（線源はCo-Kα線）のデータの一例を示す。
【００９７】図６（Ｂ）を参照して、下層の窒化タンタ
ル薄膜成膜時のガス圧力が0.3paの場合はやはり体心立
方格子のタンタルの（110）ピークが明確に現われてい
るのに対して、ガス圧力が0.7pa、1.3paの場合は体心立
方格子の（110）ピーク以外に正方格子の（200）ピーク
が明確に表われていることがわかる。
【００９８】次に、図７（Ｃ）に、アルゴンガスと窒素
ガスの全圧力を0.3paに保ち、アルゴンガスに対する窒
素ガスの割合を１％〜25％に減らした場合の窒化タンタ
ル薄膜のＸ線回折（線源はCo-Kα線）のデータの一例を
示す。
【００９９】図７（Ｃ）を参照して、窒化タンタル薄膜
の窒素濃度が１％程度と低い場合は正方格子のタンタル
の（200）ピークが主であるのに対し、窒素濃度が５％
及び10％程度の場合は六方格子の窒化タンタルの（10
1）ピークもしくは（111）ピークが顕著になることがわ
かった。（101）ピークと（111）ピークは後述するよう
に格子面間隔が全く同じであることから、同じ位置に表
われ両者を分離することはできない。
【０１００】次に、図７（Ｄ）に図７（Ｃ）に示した窒
化タンタル薄膜を下地膜としたタンタル／窒化タンタル
積層膜の上層のタンタル薄膜のＸ線回折（線源はCo-Kα
線）のデータの一例を示す。
【０１０１】ここで、窒化タンタル薄膜の膜厚は300オ
ングストローム（30nm）、タンタル薄膜の膜厚は3000オ
ングストローム（300nm）とされ、タンタル薄膜の成膜
は各々同一条件で行なっている。
【０１０２】窒化タンタル薄膜の窒素濃度が１％程度の
場合は正方格子のタンタルの（200）ピークと体心立方
格子のタンタルの（110）ピークの両方が表われている
のに対 し、窒素濃度が５％及び10％程度の場合は体心
立方格子の（110）ピークのみ表 われていることがわか
る。
【０１０３】上記実験結果の考察を以下に記載する。
【０１０４】まず、図６（Ａ）の結果から窒化タンタル
薄膜の成膜時のガス圧力を下げていくと結晶構造が非晶
質（明確なＸ線回折ピークが表われていない）から結晶
質（明確なＸ線回折ピークが表われる）に変化すること
がわかる。
【０１０５】これは図５（Ａ）の窒化タンタル薄膜の比
抵抗が急激に変化することに対応している。
【０１０６】また、図６（Ｂ）の結果からタンタル／窒
化タンタル積層膜において、下層の窒化タンタル薄膜成
膜時のガス圧力を下げていくと上層のタンタル薄膜の結
晶構造が高抵抗相（β相）の正方格子構造から低抵抗相
（α相）の体心立方格子構造に変化し、かつ図５
（Ａ）、図６（Ａ）の結果から、この変化が下層の窒化
タンタル薄膜の結晶構造の変化に起因していることがわ
かる。
【０１０７】次に、図６（Ａ）〜図７（Ｄ）の結果か
ら、体心立方格子構造のタンタル薄膜を得るためには、
下層の窒化タンタル薄膜はＸ線回折において少なくとも
六方格子構造の（110）面または（101）面、（111）面
に配向しなければならないことがわかる。
【０１０８】この事実は前述した特開平5-48097号公報
での上層のタンタル薄膜がエピタキシャル成長により下
層の窒化タンタル薄膜と同じα相（体心立方格子構造）
となるという記載と矛盾する。
【０１０９】従って、この事実は以下のように説明しな
ければならない。すなわち、下層の窒化タンタル薄膜の
結晶構造が六方格子構造で、その面間隔が体心立方格子
構造のタンタルの（110）面の面間隔と近い値をとるよ
うな面配向をとれば、上層のタンタル薄膜はエピタキシ
ャル成長して低抵抗相（α相）の体心立方構造となると
考えられる。
【０１１０】ＡＳＴＭカードを検索すると、窒化タンタ
ルにはＴａＮ、ＴａＮ0.8、Ｔａ2Ｎ、Ｔａ6Ｎ2.57の４
種の形態があり、それぞれの結晶構造と体心立方格子の
タンタルの（110）面の面間隔に近い値を持つ格子面は
下記の表のようになっていること がわかる。
【０１１１】
【表１】
【０１１２】反応性スパッタリングにより形成された窒
化タンタル薄膜はその窒素濃度に応じて、ＴａＮ（Ｔａ
Ｎxと表した場合、ｘ＝１）、ＴａＮ0.8（ＴａＮxと表
した場合、ｘ＝0.8）、Ｔａ2Ｎ（ＴａＮxと表した場
合、ｘ＝0.5）、Ｔａ6Ｎ2.57（ＴａＮxと表した場合、
ｘ＝0.43）の４つの形態のいずれかもしくはこれらが混
在した形になる。
【０１１３】例えば、図６（Ａ）の場合には、ＴａＮの
形態であり、図７（Ｃ）の場合にはＴａ6Ｎ2.57もしく
はＴａ2Ｎの形態またはこれらが混在している形態が窒
化タンタル膜中に存在すると考えられる。
【０１１４】以上から、タンタル／窒化タンタル積層膜
において、下層の窒化タンタル薄膜（ＴａＮx）の構造
が、六方格子を含む結晶質でその窒素濃度とＸ線回折に
おける結晶配向がそれぞれｘ＝１で（110）の結晶、ｘ
＝0.8で（100）の結晶、ｘ＝0.5で（101）の結晶、また
はｘ＝0.43で（111）の結晶、もしくはこれらのうち少
なくとも２つの結晶が混在するようにすれば、前述した
理由により、上層のタンタル薄膜が低抵抗相（α相）の
体心立方格子構造を容易にとることができることがわか
った。逆にこれを満たさない窒化タンタル膜において
は、上層のタンタル薄膜は高抵抗相（β相）の正方格子
構造となる。
【０１１５】そして、窒化タンタル薄膜が上記の構造を
とるためには、その膜厚と窒素濃度を制御した上で（例
えば膜厚は300オングストローム（30nm）以上、窒素濃
度は10atm％以上）かつ成膜時の反応性スパッタリング
のガス圧力を0.5pa以下で行なう必要がある。これによ
り比抵抗20〜30μΩcmの低抵抗タンタル薄膜が安定して
得られる。
【０１１６】この理由はまだ必ずしも明確ではないが、
定性的には次のように推察される。即ち、成膜時のガス
圧力が低いと放電ガスイオンの平均自由工程が長くな
り、スパッタリングされた窒化タンタル分子はガスイオ
ンによる散乱を受けにくく高エネルギーで基板に被着さ
れる。従って、基板に付着した窒化タンタル分子は高い
移動度を持ち、原子の再配列が起き易いために結晶化す
る。逆に成膜時のガス圧力が高いと基板に付着した窒化
タンタル分子の移動度が小さく、きれいな結晶成長が阻
害されると考えられる。
【０１１７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明はタンタル
／窒化タンタル積層膜において、下地層の窒化タンタル
成膜時のガス圧力を0.5pa以下で反応性スパッタリング
により製造するようにしたことにより、下層の窒化タン
タルが安定した結晶質（六方格子構造）にすることがで
きる。そして、本発明においては、その格子面間隔が低
抵抗である体心立方格子構造のタンタルの格子面間隔と
近い値をとるため、上層のタンタルがエピタキシャル成
長して常に体心立方格子構造となる。この結果上層のタ
ンタルの比抵抗と下層の窒化タンタルの比抵抗を同時に
下げることができ、低比抵抗のタンタル／窒化タンタル
積層膜並びに配線、電極を安定して形成することができ
る。
【０１１８】また、本発明に係るタンタル／窒化タンタ
ル積層膜を液晶表示装置のスイッチング素子等に用いる
ことにより、素子の電極間に形成するタンタル酸化膜の
結晶性が均一になり欠陥を低減できるため、酸化膜の絶
縁性を高めることができる。
【０１１９】さらに、駆動配線の電極両端で信号到達時
間に差を生じることがなく均一な表示が安定して得ら
れ、素子や装置の品質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を説明する図であり、本
発明をＭＩＭ素子の製造に適用した場合の製造工程を工
程順に説明するための断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例を説明する図であり、本
発明をＴＦＴ素子の製造に適用した場合の製造工程を工
程順に説明するための断面図である。
【図３】本発明の第２の実施例を説明する図であり、本
発明をＴＦＴ素子の製造に適用した場合の製造工程を工
程順に説明するための断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例を説明する図であり、本
発明を適用して製造されたタンタル薄膜コンデンサを説
明するための断面図である。
【図５】（Ａ）は、窒化タンタル成膜時のガス圧力と窒
化タンタル薄膜の比抵抗（黒丸）並びにタンタル／窒化
タンタル積層構造でのタンタル薄膜の比抵抗（白丸）の
関係を示すグラフである。（Ｂ）は、窒化タンタル成膜
時のガス圧力と窒化タンタル成膜中の窒素含有量の関係
を示すグラフである。
【図６】（Ａ）は、窒化タンタル成膜時のガス圧力を変
えた時の窒化タンタル薄膜のＸ線回折パターンを表わす
グラフである。（Ｂ）は、窒化タンタル成膜時のガス圧
力を変えた時のタンタル／窒化タンタル積層膜のＸ線回
折パターンを表わすグラフである。
【図７】（Ｃ）は、窒化タンタル成膜時の窒素ガス流量
を変え、成膜中の窒素含有量を変えた時の窒化タンタル
薄膜のＸ線回折パターンを表わすグラフである。（Ｄ）
は、窒化タンタル成膜時の窒素ガス流量を変え、成膜中
の窒素含有量を変えた時のタンタル／窒化タンタル薄膜
のＸ線回折パターンを表わすグラフである。
【図８】本発明の各実施例に用いられるバッチ式スパッ
タリング装置の構成概念を示す図である。
【図９】本発明の各実施例に用いた枚葉式スパッタリン
グ装置の構成概念を示す図である。
【符号の説明】
11 絶縁基板 12、12′、12″ 窒化タンタル薄膜 13、13′、13″ タンタル薄膜 14 信号配線 15、15′ タンタル酸化膜 16 画素電極 17、35 上部電極 21 ゲート電極 22 窒化シリコン膜 23 真性半導体層 24 ｎ型半導体層 25 ソース電極 26 ドレイン電極 27 チャネル部 31 アルミナ基板 32 下部電極 33 ニッケル−クロム層 34 金層 36 下部電極端子 61 ゲートバルブ 62 ロードロックチャンバー 63 プロセスチャンバー 64 真空ポンプ 65 ヒート部 65′ ヒートチャンバー 66a、66b、66c 直流電源 67a、67b、67c タンタルターゲット 68a、68b スパッタチャンバー 69 トランスファーチャンバー
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｂ 13/00 ５０３ Ｈ０１Ｂ 13/00 ５０３Ｚ Ｈ０１Ｌ 21/285 Ｈ０１Ｌ 21/285 Ｓ ３０１ ３０１Ｒ 21/3205 21/88 Ｍ (72)発明者 平川 英司 島根県安来市安来町2107−２ 日立金属 株式会社 冶金研究所内 (56)参考文献 特開 昭55−100979（ＪＰ，Ａ) 特表 平５−507115（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C23C 14/34 C23C 14/06

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】絶縁基板上に窒化タンタル膜とタンタル膜
    とを順次スパッタリングにより積層して形成する低抵抗
    タンタル薄膜の製造方法において、 前記窒化タンタル膜を反応性スパッタリングにより成膜
    し、成膜時のガス圧力を所定値以下に制御することによ
    り、前記成膜された窒化タンタル膜が所定の結晶構造の
    結晶質を含み、上層の前記タンタル膜及び下層の前記窒
    化タンタル膜の比抵抗をともに下げるようにした、こと
    を特徴とする低抵抗タンタル薄膜の製造方法。
  2. 【請求項２】前記ガス圧力を0.5pa以下とすることを特
    徴とする請求項１記載の低抵抗タンタル薄膜の製造方
    法。
  3. 【請求項３】絶縁基板上に窒化タンタル膜とタンタル膜
    とをこの順にスパッタリングにより成膜して形成される
    低抵抗タンタル薄膜の製造方法において、 下地層の前記窒化タンタル膜の成膜時における反応性ス
    パッタリングのガス圧力を、前記窒化タンタル膜が六方
    格子型結晶構造を有する結晶質を含み、該結晶質の格子
    面間隔が、前記窒化タンタル膜の上層に形成される体心
    立方格子型構造の結晶構造を含む前記タンタル膜の格子
    面間隔と近い値をとるように、所定のガス圧力に制御す
    ることを特徴とする低抵抗タンタル薄膜の製造方法。
  4. 【請求項４】絶縁基板上に窒化タンタル膜とタンタル膜
    がこの順に積層してなる低抵抗タンタル配線乃至電極に
    おいて、 前記窒化タンタル膜が六方格子型結晶構造を含むことを
    特徴とする低抵抗タンタル配線乃至電極。
  5. 【請求項５】前記窒化タンタル膜が組成式ＴａＮx（但
    し、組成比ｘ＝１）からなり、Ｘ線回折における結晶配
    向が（110）であることを特徴とする請求項４記載の低
    抵抗タンタル配線乃至電極。
  6. 【請求項６】前記窒化タンタル膜が、組成式ＴａＮ
    x（但し、組成比ｘ＝0.8）からなり、Ｘ線回折における
    結晶配向が（100）の結晶を含むことを特徴とする請求
    項４記載の低抵抗タンタル配線乃至電極。
  7. 【請求項７】前記窒化タンタル膜が、組成式ＴａＮ
    x（但し、組成比ｘ＝0.5）からなり、Ｘ線回折における
    結晶配向が（101）の結晶を含むことを特徴とする請求
    項４記載の低抵抗タンタル配線乃至電極。
  8. 【請求項８】前記窒化タンタル膜が組成式ＴａＮx（但
    し、組成比ｘ＝0.43）からなり、Ｘ線回折における結晶
    配向が（111）の結晶を含むことを特徴とする請求項４
    記載の低抵抗タンタル配線乃至電極。
  9. 【請求項９】組成式ＴａＮxの前記窒化タンタル膜が、
    組成比ｘ＝１で結晶配向が（110）の結晶、組成比ｘ＝
    0.8で結晶配向が（100）の結晶、組成比ｘ＝0.5で結晶
    配向が（101）の結晶、組成比ｘ＝0.43で結晶配向が（1
    11）の結晶のうち、少なくとも２つの結晶を混在して含
    むことを特徴とする請求項４記載の低抵抗タンタル配線
    乃至電極。
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