JP3494720B2 - 半導体装置及びその作製方法、ならびにアクティブマトリクス型の液晶ディスプレー及びイメージセンサー - Google Patents
半導体装置及びその作製方法、ならびにアクティブマトリクス型の液晶ディスプレー及びイメージセンサーInfo
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Description
の液晶ディスプレーやイメージセンサーに用いられる薄
膜トランジスタ(一般にTFTと称される)を有する半
導体回路、半導体装置の作製方法に関する。
術が開発され、液晶ディスプレーやイメエージンサー等
に応用されている。このような技術において問題となっ
たのは層間のショートであった。絶縁基板上に形成され
るTFTも従来の半導体集積回路と良く似た技術を用い
るのであるが、以下の点で異なり、それが、層間のショ
ートという問題をもたらすものと推定される。。
除去することが難しく、成膜ダスト等の塵が基板に付着
しやすいという点である。基板に付着した塵をそのまま
にして層間絶縁物を成膜すると、後に塵が剥がれた際に
ピンホールとなり、層間の絶縁性を弱める。第2は、基
板の耐熱性の問題から、半導体集積回路において良く用
いられるようなリンガラス(PSG)のリフロー技術が
用いることができず、また、層間絶縁物の成膜方法もプ
ラズマCVD法等に限られるため、段差被覆性が悪く、
また、成膜時にダスト等が発生しやすいという問題があ
った。段差被覆性が悪いと、層間絶縁物にクラック等が
発生しやすく、層間ショートの要因となる。
明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、配線層
間の絶縁性を向上させることを目的とする。本発明で
は、下層の金属配線と上層の別の金属配線、半導体被
膜、その他導電性被膜との間の層間絶縁物に発生するピ
ンホール、クラック等を塞ぐことにより絶縁性を高め、
上記の目的を成就するものである。
下層の金属配線を陽極酸化可能な材料で構成し、その上
に層間絶縁物を形成した後、絶縁基板と負極となる電極
とを適当な電解溶液中に設置し、金属配線に正、前記負
電極に負の電圧を印加することによって、いわゆるバリ
ヤ型の陽極酸化と同じ処理(以下、この処理を陽極酸化
処理と称する)を施したのち、上層の金属配線、半導体
被膜、導電性被膜等を形成する。すなわち、層間絶縁物
にピンホール、クラック等が生じて、下層の金属配線が
露出していたとしても、上記の処理によって、露出面の
金属表面が酸化されることにより、絶縁性の被膜とする
ことができるのである。
ルミニウム、タンタル、チタンを主成分とする材料で構
成されていることが望ましい。特に、配線材料としてア
ルミニウムを用いる場合には、スカンジウム(Sc)、
ジルコニウム(Zr)等が適量添加されていると、ヒロ
ック(アルミニウム結晶の異常成長による膜表面や側面
での突起の発生)を防止するうえで効果がある。一方、
通常、ヒロック防止に使用される珪素を添加することは
好ましくなかった。これは、珪素添加のアルミニウムで
は良好な陽極酸化物が得られないことに起因するものと
推定される。本発明においては、下層の金属配線の全て
が層間絶縁物で被覆されている必要はない。本発明の目
的が配線間のショートを防止するものであることを考え
ると、配線間のショートの起こりうる場所、すなわち、
上層配線と下層配線の交差する部分のみに層間絶縁物が
形成されていればよい。
活性層の上には層間絶縁物を設けなくても、活性層上で
はゲイト電極・配線と上層の配線が交差することがない
ので、問題はない。そして、このような場合には、下層
の金属配線(この場合はゲイト電極・配線である)はそ
の表面が露出されたまま電解溶液に浸されるので、通常
の陽極酸化が起こる。そして、ゲイト電極の側面と上面
には陽極酸化物が形成されるのである。特に側面の陽極
酸化物は、特開平5−267667に開示されているよ
うな、オフセット領域を有する構造を形成する上で有効
である。本発明においては、下層の金属配線はゲイト配
線のように、その下層のいかなる配線・導電材料からも
電気的に絶縁されている配線であるとより好ましい。こ
のような場合には、陽極酸化処理において、他の電流通
路を通じて、電流リークが無いからである。
状態で、層間絶縁物が形成されているとしよう。N型珪
素上にも、また、金属配線上にも層間絶縁物には同様に
ピンホールが存在するはずである。このような状態で
は、金属配線を陽極酸化処理するつもりでも、多くの電
流はN型珪素に流れてしまう。そして、N型珪素は陽極
酸化されない(より正確には絶縁性の高い被膜が得られ
ない)ので、N型珪素のピンホールを通じて、電流が流
れる一方である。当然、金属配線上のピンホールは塞が
れない。本発明はトップゲイト型TFTでも、ボトムゲ
イト型TFTでも同様に実施できる。特に、後者の場合
には、下層配線をゲイト電極・配線とすれば、層間絶縁
物はゲイト絶縁膜をも兼ねることとなる。
金属配線501を覆って、層間絶縁物502を形成する
と、塵や段差被覆性に起因する多くのピンホールやクラ
ック503が発生する。この状態で上層の配線を形成す
ればこれらのピンホールやクラックによって上層の配線
と下層の配線の間でショートが発生する。(図5
(A)) これに対し、本発明の陽極酸化処理を実施すると、これ
らのピンホールの部分の金属は陽極酸化されて、絶縁性
の高い酸化物504が形成される。ただし、金属配線5
01と接していない部分のピンホールはそのままである
が、この部分のピンホールが上下ショートに関係するこ
とはないので、全く問題はない。(図5(B))
ピンホールの中に陽極酸化物504が存在するので、上
層配線505が下層配線501に接触することがないの
で、層間ショートは発生しない。(図5(C)) 絶縁性はピンホールに形成される陽極酸化物504の厚
さに依存し、それは陽極酸化処理の最高電圧に依存す
る。すなわち、最高電圧が高いほど絶縁性が良好とな
る。ただし、高い電圧を印加すると素子が絶縁破壊を起
こしてしまうこともあり、素子構造に応じて印加する電
圧を決定しなければならない。一般には、100V以上
とすると十分な絶縁性が得られるが、それ以下でも構わ
ない。
型TFTにおいても同様に陽極酸化処理をほどこすこと
が提案されている。その様子を図6に示す。通常の場
合、絶縁表面601上に下層の金属配線602、603
を形成する。配線602はゲイト電極でもある。そし
て、この配線を陽極酸化することにより、その表面に適
切な厚さの陽極酸化物被膜604、605を形成する。
(図6(A)) その後、ゲイト絶縁膜兼層間絶縁物606を形成する。
(図6(B)) そして、以後、活性層607、エッチングストッパー6
08、ソース/ドレイン609、透明導電材料等による
上層配線610、611を形成する。下層配線603と
上層配線611の交差する部分612に注目すれば、配
線間に層間絶縁物606に加えて、絶縁性の高い陽極酸
化物605も存在するので、該部分における絶縁性は著
しく向上させることができる。
していた。第1はゲイト絶縁膜に金属酸化物(陽極酸化
物)層が含まれるため、TFTの特性が概して悪いとい
うことである。この点に関しては、電界効果移動度の低
い非晶質珪素TFTではさほど問題とならなかったが、
より電界効果移動度の高い結晶性珪素TFTでは、非常
に不利であった。
ホールを開孔して、下層配線603と上層配線611を
接続させようとしても、陽極酸化物605が障害となっ
て不便が生じることである。すなわち、陽極酸化物のエ
ッチングが非常に難しいということがある。陽極酸化物
のエッチングにはドライエッチングを用いることはほと
んど不可能で、大抵、ウェットエッチングが用いられ
る。しかし、エッチングレートが通常のゲイト絶縁膜の
材料として用いられる酸化珪素や窒化珪素に比較して遅
いとか、別のエッチャントを使用しなければならない、
というような問題があった。このため、工程数や処理装
置が余分に必要となった。
た場合には、陽極酸化物605は酸化アルミニウムとな
る。酸化アルミニウムのエッチャントとしては、クロム
酸が有効であるが、これは廃液として流出した場合、有
害な六価クロムとなるので、使用は差し控えることが望
まれる。この第2の問題は、ボトムゲイト型TFTのみ
ならず、層間絶縁性を向上させるために下層配線表面を
陽極酸化する場合全てに共通する問題であった。
の問題を解決する上で有効である。第1の問題に関して
は、本発明ではゲイト電極の表面全体が陽極酸化される
ということがないので、TFTの特性に及ぼす陽極酸化
物の影響は極めて限られる。また、第2の問題に関して
は、下層配線の表面全体が陽極酸化物で被覆されている
のではないので、コンタクトホールの開孔には、ドライ
エッチング法を用いることもできるし、ウェトエッチン
グ法でも、実質的に層間絶縁物のエッチングだけでよい
ので、工程が簡単である。また、有害な薬品を使用する
必要もない。
1(A)に示すようにガラス基板(バリウム硼珪酸ガラ
ス、本実施例ではコーニング7059)101上に下地
膜として酸化珪素膜102を3000Åの厚さにスパッ
タ法またはプラズマCVD法で成膜した。次に燐をドー
プしてN型の導電型とした多結晶もしくは微結晶の珪素
膜を3000Åの厚さにプラズマCVD法または減圧熱
CVD法で成膜し、これをエッチングして、島状領域1
03を形成した。これはTFTのソース/ドレインとな
るものである。
VD法で厚さ300Åの非晶質珪素膜を形成し、これを
エッチングして、島状領域104を形成した。本実施例
では島状領域104はソース/ドレイン103を覆うよ
うに配置せしめた。この島状領域104はTFTの活性
層となる。(図1(A)) 次にゲイト絶縁膜として窒化珪素膜105をプラズマC
VD法により、3000Åの厚さに成膜した。そして、
アルミニウムの膜をスパッタ法で5000Åの厚さに成
膜した。アルミニウム膜には0.1〜0.5重量%のス
カンジウム(Sc)、あるいは0.2〜4原子%のジル
コニウム(Zr)を含有せしめると、ヒロックの発生を
抑制でき、また、ピンホールの封鎖にも有効であった。
そして、アルミニウム膜をエッチングしてTFTのゲイ
ト電極106、ゲイト配線107、108を形成した。
(図1(B))
絶縁物として厚さ4000Åの酸化珪素膜109を形成
したが、酸化珪素膜にはさまざまな理由からピンホール
やクラック110が発生した。(図1(C)) そこで、陽極酸化処理により、これらのピンホールやク
ラック110を塞いだ。まず、5%の酒石酸が含まれ、
アンモニアによってpH=6.9〜7.1に調整された
エチレングルコール溶液中に基板101と負電極として
白金電極を設置した。そして、基板101上の配線10
6〜108に正の、負電極に負の電圧を印加した。その
電位差は、1〜10V/分で上昇させた。本実施例で
は、最高電圧は120Vまで上昇させた。この結果、ピ
ンホールやクラック110の部分のアルミニウム配線の
表面が陽極酸化されて塞がれた。ただし、配線106〜
108に接していないピンホールはそのまま残存した
が、これは層間ショートの原因とならない。(図1
(D))
105にコンタクトホールを形成し、通常の配線形成技
術によって、アルミニウムの金属配線111、112を
形成した。アルミニウムにはシリコンやタングステンを
1〜5原子%混入させてもよかった。特にゲイト配線1
07に対するコンタクトホール113は、実質的に層間
絶縁物109のエッチングのみでよかったので容易に形
成できた。また、ピンホールが塞がれた結果、ゲイト配
線108と配線112の交差部114における層間ショ
ートもなかった。(図1(E)) 以上によって基本的な回路が形成できた。その後、さら
に上層の配線や層間絶縁物、透明導電性被膜等を形成し
てもよい。
示す。まず図2(A)に示すようにガラス基板(アルミ
ナ珪酸ガラス、本実施例ではコーニング1737)20
1上に下地膜として酸化珪素膜202を2000Åの厚
さにスパッタ法またはプラズマCVD法で成膜した。次
に燐をドープしてN型の導電型とした非晶質珪素膜を3
000Åの厚さにプラズマCVD法または減圧熱CVD
法で成膜し、これをエッチングして、島状領域203を
形成した。これはTFTのソース/ドレインとなるもの
である。
VD法で厚さ500Åの非晶質珪素膜204を形成し
た。そして、珪素膜を500〜650℃、例えば、55
0℃で4時間の熱アニールをおこなうことにより、結晶
化させた。熱アニールに際しては、特開平6−2441
04に示されるように、ニッケル、コバルト、パラジウ
ム、鉄、白金等の金属元素を微量添加すると、これらの
金属の触媒作用によりより低温、短時間で結晶化が進行
する。次にゲイト絶縁膜として酸化珪素膜205をプラ
ズマCVD法により、3000Åの厚さに成膜した。そ
して、アルミニウムの膜をスパッタ法で5000Åの厚
さに成膜した。アルミニウム膜には0.1〜0.5重量
%のスカンジウム(Sc)、あるいは0.2〜4原子%
のジルコニウム(Zr)を含有せしめるとよい。(図2
(A))
縁膜205、珪素膜204をエッチングして、ゲイト電
極209、ゲイト絶縁膜208、活性層207、ゲイト
配線210、211を形成した。本実施例の構造のTF
Tは、実施例1のものと同様、順スタガー型であるが、
活性層のエッチングとゲイト電極のエッチングが同時に
おこなわれるので、その分だけ工程を削減できる。さら
に、プラズマCVD法によって、層間絶縁物として厚さ
3000Åの酸化珪素膜212を形成したが、酸化珪素
膜にはさまざまな理由からピンホールやクラック213
が発生した。特に、本実施例では層間絶縁物が実施例1
よりも薄く、かつ、下層の配線の段差がゲイト絶縁膜の
分だけ厚いため、段差被覆性に問題があり、配線側面の
クラックが目立った。(図2(B))
より、これらのピンホールやクラック213を塞いだ。
本実施例では最高電圧は150Vまで上昇させた。この
結果、ピンホールやクラック213の部分のアルミニウ
ム配線の表面が陽極酸化されて塞がれた。ただし、配線
209〜211に接していないピンホールはそのまま残
存したが、これは層間ショートの原因とならない。(図
2(C))
ールを形成し、通常の配線形成技術によって、アルミニ
ウムの金属配線214、215を形成した。アルミニウ
ムにはシリコンやタングステンを1〜5原子%混入させ
てもよかった。ゲイト配線210に対するコンタクトホ
ール216は、実質的に層間絶縁物212のエッチング
のみでよかったので容易に形成できた。また、ピンホー
ルが塞がれた結果、ゲイト配線211と配線215の交
差部217における層間ショートもなかった。(図2
(D)) 以上によって基本的な回路が形成できた。本実施例の順
スタガーTFTの構造は通常のものと異なるので、その
層構造を図2(E)に示す。その後、さらに上層の配線
や層間絶縁物、透明導電性被膜等を形成してもよい。
示す。まず図3(A)に示すようにガラス基板(バリウ
ム硼珪酸ガラス、本実施例ではコーニング7059)3
01上に下地膜として酸化珪素膜302を3000Åの
厚さにスパッタ法またはプラズマCVD法で成膜した。
そして、タンタルの膜をスパッタ法で3000Åの厚さ
に成膜し、これをエッチングしてTFTのゲイト電極3
03、ゲイト配線304、305を形成した。
窒化珪素膜306をプラズマCVD法により成膜した。
この段階ではゲイト絶縁膜に多数のピンホール、クラッ
ク307が存在した。(図3(A)) そこで、陽極酸化処理により、これらのピンホールやク
ラック307を塞いだ。まず、5%の酒石酸アンモニウ
ム(pH=6.9〜7.1)のエチレングルコール溶液
中に基板301と負電極として白金電極を設置した。そ
して、基板301上の配線303〜305に正の、負電
極に負の電圧を印加した。その電位差は、1〜10V/
分で上昇させた。本実施例では、最高電圧は60Vまで
上昇させた。この結果、ピンホールやクラック110の
部分のアルミニウム配線の表面が陽極酸化されて塞がれ
た。(図3(B))
膜308と、厚さ3000Åの窒化珪素膜を連続的にプ
ラズマCVD法で成膜した。そして、窒化珪素膜をエッ
チングしてエッチングストッパー309を形成した。エ
ッチングストッパーの形成には、公知の裏面照射による
ゲイト電極に対して自己整合的に形成する方法を用いて
もよい。(図3(C)) 次に燐をドープしてN型の導電型とした微結晶の珪素膜
を3000Åの厚さにプラズマCVD法で成膜し、これ
と、先に成膜された非晶質珪素膜308をエッチングし
て、ソース/ドレイン311を形成した。(図3
(D))
6をエッチングして、ゲイト配線304にコンタクトホ
ールを形成した。そして、スパッタリング法によって、
ITO(インディウム錫酸化物)膜を1000Åの厚さ
に形成し、これをエッチングして、配線312、313
を形成した。ゲイト配線304に対するコンタクトホー
ル314は、実質的にゲイト絶縁膜306のエッチング
のみでよかったので容易に形成できた。また、ピンホー
ルが塞がれた結果、ゲイト配線305と配線313の交
差部315における層間ショートもなかった。(図3
(E))
示す。まず図4(A)に示すようにガラス基板(アルミ
ナ珪酸ガラス、本実施例ではコーニング1737)40
1上に下地膜として厚さ2000Åの酸化珪素膜402
と、厚さ500Åの島状の結晶性珪素領域403を形成
した。さらに、ゲイト絶縁膜として、厚さ1200Åの
酸化珪素膜404を、また、ゲイト電極405、ゲイト
配線406、407を形成した。ゲイト電極・配線は、
アルミニウムに0.3重量%のスカンジウムを添加した
ものを用いた。(図4(A)) 次に層間絶縁物として厚さ4000Åの窒化珪素膜40
8をプラズマCVD法により成膜した。この層間絶縁物
はTFTに大気中の水分等が侵入するのを防止するパッ
シベーション膜としての機能を有する。この段階では層
間絶縁物には多数のピンホール、クラック409が存在
した。(図4(B))
を除去し、ゲイト電極405を露出させた。このエッチ
ングにおいては、窒化珪素と酸化珪素、アルミニウムの
選択比の高い三塩化フッ素(ClF3 )や一塩化フッ素
(ClF)を用いればよい。すなわち、フォトジレスト
でパターニングされた基板を室温〜150℃に保ち、上
記気体の雰囲気に放置することによりエッチングがおこ
なわれる。上記ガスは窒化珪素に対するエッチング速度
は酸化珪素の10倍程度であり、また、アルミニウムに
対しては表面の約1000Åがフッ化されるもののエッ
チングされないという特徴を有する。反応終了後は基板
を水洗することにより、フッ化アルミニウム被膜は溶解
し、金属アルミニウム表面が得られる。(図4(C))
410に存在するピンホールやクラックを塞いだ。ま
ず、5%の酒石酸アンモニウム(pH=6.9〜7.
1)のエチレングルコール溶液中に基板301と負電極
として白金電極を設置した。そして、基板301上の配
線303〜305に正の、負電極に負の電圧を印加し
た。その電位差は、1〜10V/分で上昇させた。本実
施例では、最高電圧は120Vまで上昇させた。この結
果、ピンホールやクラック110の部分のアルミニウム
配線の表面が陽極酸化されて塞がれた。加えて、層間絶
縁物で被覆されていない活性層上のゲイト電極405の
側面および上面には陽極酸化物層411が形成された。
本実施例では2000Åの酸化物層が得られた。その
後、ゲイト電極405およびその側面の陽極酸化物層4
11を用いて自己整合的にN型不純物領域(ソース/ド
レイン)412を形成した。(図4(D))
て、TFTのソース/ドレインにコンタクトホールを形
成した。続いて、層間絶縁物410をエッチングして、
ゲイト配線406にコンタクトホールを形成した。この
コンタクトホールの形成は同時におこなってもよいが、
層間絶縁物410とゲイト絶縁膜404のエッチングが
ほぼ同時に終了するよう、各絶縁膜のエッチングレート
を考慮して膜厚を決定しないと難しい。特に本実施例の
ようにゲイト絶縁膜と層間絶縁物が異なる材質である場
合には、各コンタクトホールは別々に形成するのが好ま
しい。その後、上層の配線413、414、415をア
ルミニウムを主成分とする金属によって形成した。ゲイ
ト配線406に対するコンタクトホール416は、実質
的に層間絶縁物410のエッチングのみでよかったので
容易に形成できた。また、ピンホールが塞がれた結果、
ゲイト配線407と配線415の交差部417における
層間ショートもなかった。(図4(E))
よって配線層間のショートを抑制することができた。ま
た、下層配線に対するコンタクトホールの形成も容易で
あった。このように、本発明は工業上、有益な発明であ
る。
コンタクト部 114 ゲイト配線と上層の金属配線の
交差部
Claims (11)
- 【請求項1】絶縁基板上に半導体被膜を形成し、 前記半導体被膜上にゲイト絶縁膜を形成し、 前記ゲイト絶縁膜上に陽極酸化可能な材料からなるゲイ
ト電極及びゲイト配線を形成し、 前記ゲイト電極及びゲイト配線上に層間絶縁膜を形成
し、前記半導体被膜上の 前記層間絶縁膜を除去し、負電極及び前記絶縁基板を電解溶液中に設置し、前記絶
縁基板上に形成された前記ゲイト電極及び前記ゲイト配
線に正の電圧を、前記負電極に負の電圧を印加すること
によって、前記ゲイト電極及び前記ゲイト配線に対して
陽極酸化を施し、前記ゲイト電極の表面及び前記層間絶
縁膜に形成されたピンホール又はクラックによって露出
されている前記ゲイト配線の表面に絶縁性を有する酸化
膜を同時に形成する半導体装置の作製方法。 - 【請求項2】請求項1において、 前記ゲイト電極及び前記ゲイト配線はアルミニウム、タ
ンタル又はチタンを主成分とした材料からなることを特
徴とする半導体装置の作製方法。 - 【請求項3】請求項1において、 前記ゲイト電極及び前記ゲイト配線はスカンジウム又は
ジルコニウムが添加されたアルミニウムからなることを
特徴とする半導体装置の作製方法。 - 【請求項4】請求項1乃至請求項3のいずれか一におい
て、 前記ゲイト電極及び前記ゲイト配線は、前記ゲイト電極
及び前記ゲイト配線よりも下層に設けられた配線と電気
的に絶縁されていることを特徴とする半導体装置の作製
方法。 - 【請求項5】請求項1乃至4のいずれか一において、 前記絶縁基板はガラス基板であることを特徴とする半導
体装置の作製方法。 - 【請求項6】請求項1乃至5のいずれか一において、 前記層間絶縁膜は窒化珪素膜でなることを特徴とする半
導体装置の作製方法。 - 【請求項7】請求項1乃至6のいずれか一において、 前記半導体被膜は結晶性珪素でなることを特徴とする半
導体装置の作製方法。 - 【請求項8】請求項1乃至請求項7のいずれか一に記載
の作製方法を用いて形成されたことを特徴とする半導体
装置。 - 【請求項9】請求項8において、 前記半導体装置は、薄膜トランジスタであることを特徴
とする半導体装置。 - 【請求項10】請求項9に記載の薄膜トランジスタを用
いたアクティブマトリクス型の液晶ディスプレー。 - 【請求項11】請求項9に記載の薄膜トランジスタを用
いたイメージセンサー。
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