JP4650656B2 - Thin film semiconductor device manufacturing method and display device manufacturing method - Google Patents

Thin film semiconductor device manufacturing method and display device manufacturing method Download PDF

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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に薄膜トランジスタを設けてなる薄膜半導体装置の製造方法および薄膜トランジスタに有機ＥＬ素子を接続させてなる表示装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜トランジスタ（thin film transistor）を用いた駆動回路を有する表示装置においては、画像表示の高精彩化が進展の進展に伴い、駆動回路を構成する薄膜トランジスタのさらなる微細化が要求されている。
【０００３】
ところで、薄膜トランジスタを備えた薄膜半導体装置においては、薄膜トランジスタのシリコン薄膜層に接続させるプラグ材料として、加工が容易であり、かつシリコンとの安定したコンタクトが実現できることを理由として、アルミニウム合金系の材料が用いられてきた。しかし、アルミニウムとシリコンとの反応性が非常に高いため、プラグ形成の際には、コンタクト部分に幅広のＡｌ−Ｓｉ反応層が形成されることになる。このため、形成されるＡｌ−Ｓｉ反応層の幅よりもシリコン薄膜層におけるソース・ドレイン幅が広くなるように、薄膜トランジスタを設計する必要があり、これが薄膜トランジスタの微細化を制限する要因になっていた。
【０００４】
また、接続孔の底部に露出させたシリコン薄膜層表面の自然酸化膜の制御も困難であり、自然酸化膜が厚い部分ではコンタクト抵抗が大きく、一方、自然酸化膜が薄い部分では過剰なＡｌ−Ｓｉ反応が発生することになる。このため、コンタクト抵抗を一定の値にすることが著しく困難であった。
【０００５】
そこで、チタンやチタン系合金などのチタン系材料や、これらのチタン系材料の窒化物をバリアメタルとして用いることで、シリコン薄膜層内へのアルミニウムの拡散およびＡｌ−Ｓｉ反応層の拡大を防止する技術が提案され、実施されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、バリアメタルとしてチタン系材料を用いた場合には、チタン自体が水素を著しく吸蔵する物質である。このため、シリコン薄膜層中の水素がチタン系合金からなるバリアメタルに吸収されてシリコン薄膜層中の水素が消失し、薄膜トランジスタの電流（Ｉｄｓ）特性を著しく劣化させると行った問題が発生する。
【０００７】
特に、有機ＥＬ素子の駆動回路に薄膜トランジスタを用いた表示装置においては、発光素子である有機ＥＬ素子が電流駆動であるため、薄膜トランジスタのＩｄｓが劣化すると、有機ＥＬ素子の輝度が低下し、安定した表示を行うことができなくなる。
【０００８】
また、バリアメタルとしてチタン系材料の窒化物を用いる場合には、先ず、チタン系材料膜を形成し、このチタン系材料膜を窒素ガス雰囲気中において熱処理することによって窒化させている。ところが、この熱処理の際には、チタン系材料膜の窒化とともに、シリコン薄膜層中の水素がチタン系材料膜に吸収されてしまう。このため、チタン系材料をバリアメタルとして用いる場合と同様の問題が生じる。
【０００９】
これを防止する方法として、反応性スパッタのような成膜方法によってチタン系材料の窒化物を直接成膜する方法もあるが、このような方法では均一な膜質の窒化物膜を得ることは著しく困難である。
【００１０】
そこで、本発明は、安定した特性の薄膜トランジスタを得ることが可能な薄膜半導体装置の製造方法、およびこの方法を適用することで安定した表示が可能な有機ＥＬ素子を有する表示装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の薄膜半導体装置の製造方法は、次のように行うことを特徴としている。先ず、基板上に形成された薄膜トランジスタを覆う絶縁膜に、当該薄膜トランジスタのシリコン薄膜層に達成する接続孔を形成し、当該接続孔の内壁を覆う状態で前記絶縁膜上にチタン系材料膜を成膜する。その後、窒素ガス雰囲気中において熱処理を施すことによって、チタン系材料膜を表面側から窒化させて窒化膜を形成する。そして、特にこの際、窒素ガス雰囲気中に水素ガスを添加する。以上の後、窒化膜上に配線材料膜を成膜する。
【００１２】
また本発明は、上述した工程を行い、さらに配線材料および窒化膜さらにはチタン系材料膜をパターニングしてなる配線に接続させて、有機ＥＬ素子を形成する表示装置の製造方法でもある。
【００１３】
以上のような製造方法によれば、窒素ガス雰囲気中における熱処理によってチタン系材料膜を窒化させる際に、窒素ガス雰囲気中に水素ガスを添加することにより、熱処理雰囲気中からチタン系材料膜に対して水素が供給される。このため、この熱処理の際に、シリコン薄膜層からチタン系材料膜への水素の吸い上げを抑えることができる。したがって、チタン系材料膜を窒化させたバリアメタルを備えた薄膜半導体装置において、薄膜トランジスタのシリコン薄膜層中における水素濃度が確保され、薄膜トランジスタのＩｄｓ特性が良好に保たれる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の製造方法を適用した実施の形態を、図面に基づいてその工程順に詳細に説明する。尚、以下の実施形態においては、薄膜半導体装置の製造方法を説明し、これに引き続いて表示装置の製造方法を説明する。
【００１５】
先ず、図１（１）に示すように、石英ガラス、透明性結晶化ガラス等の絶縁性を有する基板１上に、第１絶縁膜２を介してシリコン薄膜層３を形成する。この際、先ず、高密度プラズマＣＶＤ法等の低温プロセスにより、第１絶縁膜２上にポリシリコン膜またはアモルファスシリコン膜等のシリコン薄膜を、４０ｎｍ程度の膜厚で形成する。次いで、このシリコン薄膜上に、リソグラフィー法によってレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクに用いたエッチングによってシリコン薄膜をパターニングする。これによって、所望の形状のシリコン薄膜３を得る。尚、このシリコン薄膜層３は、アモルファスシリコンやポリシリコンからなるものに限定されることはなく、公知の方法によって形成される単結晶シリコン膜であっても良い。また、以降の工程におけるパターニングは、例えば上述したレジストパターンをマスクに用いたエッチングによることとする。
【００１６】
次に、プラズマＣＶＤ法などにより、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とを順次積層し、これによってシリコン薄膜層３を覆う状態で、第１絶縁膜２上に第２絶縁膜４を形成する。この第２絶縁膜４は、薄膜トランジスタのゲート絶縁膜となる。
【００１７】
その後、第２絶縁膜４上に、シリコン薄膜層３に積層させる状態で、ゲート電極５を形成する。この際、例えば、モリブデン／タンタル（Ｍｏ／Ｔａ）合金等の金属材料からなる導電膜を、厚さ３００から４００ｎｍ程度にスパッタ成膜し、この導電膜をパターニングすることによって、ゲート電極５を形成する。
【００１８】
その後、このゲート電極５を覆う状態で、第２絶縁膜４上に第３絶縁膜７を形成する。次いで、第３絶縁膜７および第２絶縁膜４に、ゲート電極５脇のシリコン薄膜層３部分をそれぞれ露出させる状態で、接続孔８を形成する。
【００１９】
次に、イオン注入法などの接続孔８からの不純物拡散によって、接続孔８の底部のシリコン膜膜層３にソース・ドレイン領域３ａを形成する。これにより、基板１上に、トップゲート型の薄膜トランジスタ６が形成される。尚、この接続孔８を形成した状態においては、接続孔８の底面を構成するシリコン薄膜層３のソース・ドレイン領域３ａ表面に自然酸化膜９が形成された状態となる。
【００２０】
以上の後、図１（２）に示すように、接続孔８の内壁を凹状態で、チタン系材料膜１１を形成する。このチタン系材料膜１１は、チタンや、チタンに対して他の金属を添加してなるチタン系合金からなり、ここではチタン膜からなることとする。このチタン系材料膜１１の成膜は、膜厚および膜質の面内均一性に優れたスパッタ法によって行われることとする。また、このチタン系材料膜１１の膜厚は、バリアメタルとして必要とされる耐熱性、バリアメタルとしての加工性、およびここで必要とされる薄膜トランジスタ６のトランジスタ特性によって適宜選択されるが、ここでは一例として５０ｎｍに設定されることとする。
【００２１】
そして次の図２（１）を用いて説明する工程が、本発明に特有の工程となる。
すなわち、ここでは、前述の工程で形成したチタン系材料膜１１に対して、窒素ガス（Ｎ2）雰囲気中において熱処理を施す。この際、窒素ガス雰囲気に対して水素ガス（Ｈ2）を添加して熱処理を行うこととする。そして、チタン系材料膜１１の表面層を窒化させて窒化膜１２を形成する。またこの熱処理によって、接続孔８の底部においては、チタン系材料膜１１とその下層のシリコン薄膜層３とを反応させ、チタン系材料膜１１の下層部分をシリサイド化させてシリサイド膜１３を形成する。
【００２２】
上記熱処理においては、水素ガスの濃度が３atms％〜５atms％の範囲になるように、窒素ガス雰囲気中に水素ガスを添加する。この際、例えば、基板１が配置された熱処理炉内の窒素ガス雰囲気中に、上記濃度範囲で水素ガスが添加されるように、熱処理炉内の窒素ガスおよび水素ガスの供給量を調整しながら熱処理を行うこととする。
【００２３】
また、熱処理を施す際には、窒素ガス雰囲気を２５℃／分よりも速い昇温速度で熱処理温度に昇温する。このような昇温速度の範囲で窒素ガス雰囲気の急速加熱を行うことによって、シリコン薄膜層３からチタン系材料膜１１への水素の吸蔵速度よりも、チタン系材料膜１１のシリサイド化速度が速くなるように熱処理を進める。またこの際、基板１への熱処理の影響を考慮した場合、昇温速度を８０℃／分以下とすることが好ましい。さらに、この際の熱処理温度は、２５０℃〜４２０℃の範囲、好ましくは３５０℃付近に設定されることとする。熱処理温度を２５０℃以上とすることで、チタン系材料膜１１におけるチタンの窒化を十分に進めることが可能になる。また、熱処理温度を４２０℃以下とすることで、薄膜トランジスタ６の特性および基板１への影響を排除した熱処理を行うことができる。
【００２４】
また、所定の熱処理温度に達してからの熱処理時間は、チタン系材料膜１１の膜厚と熱処理温度とによって適宜選択されることとする。この際、接続孔８の底部に位置するチタン系材料膜１１部分において、その上層を窒化させて窒化膜１２を形成する一方その下層をシリサイド化してシリサイド膜１３を形成し、この部分にチタン系材料膜１１部分が残らない程度に十分な熱処理時間が設定されることが好ましい。このような一例として、成膜されたチタン系材料膜１１の膜厚が５０ｎｍであり、熱処理温度を３５０℃に設定した場合には、熱処理時間は６０分に設定される。
【００２５】
以上のようにしてチタン系材料膜１１の熱処理を行い、その上層に窒化膜１２を形成した後、図２（２）に示すように、このチタン系材料膜１１の表面層に形成された窒化膜１２を介して薄膜トランジスタ６のソース・ドレイン領域３ａに接続された配線１５を形成する。この配線１５は、例えば、窒化膜１２上にアルミニウム膜を成膜し、このアルミニウム膜と窒化膜１２および窒化チタン系材料膜１１とをパターニングすることによって形成される。
【００２６】
以上によって、薄膜トランジスタ６とこれに接続させた配線１５を形成して薄膜半導体装置を得る。
【００２７】
この薄膜半導体装置は、例えば表示装置の駆動回路として用いられる。図３には、このような薄膜半導体装置で構成された駆動回路を有する表示装置の断面図を示す。この表示装置は、有機ＥＬ素子を発光素子として用いたものである。この表示装置の製造は、以上説明した薄膜半導体装置の製造工程に引き続き、次のような工程を行う。
【００２８】
先ず、上述の図１および図２を用いて説明した工程によって薄膜半導体装置を形成した後、この基板１上に平坦化絶縁膜３１を形成し、この平坦化絶縁膜３１に、配線１５に達する接続孔３２を形成する。
【００２９】
その後、平坦化絶縁膜３１上に、接続孔３２を介して配線１５に接続された下部電極３３を陽極（または陰極）として形成する。尚、ここで形成する表示装置が基板１側から表示光を取り出す透過型である場合には、この下部電極３３は透明材料によって形成されることとする。
【００３０】
次に、この下部電極３３の周縁を覆う絶縁膜３４をパターン形成する。また、この絶縁膜３４上には、ここでの図示を省略した補助配線をパターン形成しても良い。
【００３１】
その後、絶縁膜３４から露出した下部電極３３上に、下部電極３３の露出面を完全に覆う状態で有機ＥＬ層３６をパターン形成する。この有機ＥＬ層３６は、少なくとも有機発光層を含む複数の有機層からなり、基板１の上方に配置したマスク（図示省略）上からの蒸着によって、絶縁膜３４の開口部に形成される。
【００３２】
以上の後、有機ＥＬ層３６および絶縁膜３４を覆う状態で、また補助電極を形成した場合にはこの補助電極に接続させた状態で、ベタ膜状の上部電極３７を陰極として成膜する。尚、下部電極３３が陰極として形成されている場合には、この上部電極３７は陽極として形成されることとする。さらに、ここで形成する表示装置が基板１と反対側から表示光を取り出す上面発光型である場合には、この上部電極３７は透明材料によって形成されることとする。
【００３３】
以上のようにして、陽極（下部電極３３）と陰極（上部電極３７）との間に有機ＥＬ層３６を挟持してなる有機ＥＬ素子３８を、薄膜トランジスタ６が形成された基板１上に形成する。そして、この有機ＥＬ素子３８を覆う状態で、上部電極３７上に封止層３９を形成し、薄膜トランジスタ６に接続された有機ＥＬ素子３８を有する表示装置を完成させる。
【００３４】
以上説明した製造方法によれば、図２（１）を用いて説明した窒素ガス雰囲気中における熱処理によってチタン系材料膜１１を窒化させる際に、窒素ガス雰囲気中に水素ガスを添加することにより、熱処理雰囲気中からチタン系材料膜１１に対して水素が供給される。このため、この熱処理の際に、シリコン薄膜層３からチタン系材料膜１１への水素の吸い上げを抑えることができる。したがって、薄膜トランジスタ６のシリコン薄膜層３中における水素濃度が確保され、薄膜トランジスタ６の電流特性（Ｉｄｓ特性）が良好に保たれる。
【００３５】
この結果、バリアメタルとして窒化膜を設けることで、シリコン薄膜層３と配線１５のアルミニウムとの反応を抑えて微細化を達成し、かつシリコン薄膜層３と配線１５との間の安定したコンタクト抵抗を確保しつつも、Ｉｄｓ特性に優れた薄膜トランジスタを有する薄膜半導体装置を得ることとが可能になる。
【００３６】
図４は、窒化膜１２を形成する工程における水素ガスの添加量と、形成された薄膜トランジスタのＩｄｓとの関係を示すグラフである。尚、ここでは、水素ガスが添加された窒素ガス雰囲気を、急速加熱（昇温速度を５０℃／分）した場合と、徐々に加熱（昇温速度を２℃／分）した場合とに関して、水素ガスの添加量とＩｄｓとの関係を示した。また、Ｉｄｓは、バリアメタルを設けずに形成した薄膜トランジスタのＩｄｓに対する相対比として示した。
【００３７】
このグラフに示すように、水素添加量が３atms％〜５atms％の範囲では、窒素ガス雰囲気の昇温速度によらず、バリアメタルなしの薄膜トランジスタの５割〜１０割程度にＩｄｓを保たれることが確認された。また、この水素添加量の範囲では、窒素ガス雰囲気の昇温速度が高い方が、Ｉｄｓが高い薄膜トランジスタが得られることが確認された。
【００３８】
また、引き続き図３を用いて説明したように、薄膜トランジスタ６に接続させる状態で有機ＥＬ素子３８を形成することで、この有機ＥＬ素子３８はＩｄｓが高い値に保たれた薄膜トランジスタ６によって電流駆動されることになり、Ｉｄｓの劣化による輝度の低下を防止することができる。
【００３９】
この結果、ある程度の輝度を確保しつつも、上述したように薄膜トランジスタの微細化によって画素サイズの微細化を達成でき、高精細な表示が可能な表示装置を得ることができる。
【００４０】
尚、上述した実施形態においては、薄膜トランジスタがトップゲート型である場合を説明した。しかし、本発明の薄膜半導体装置の製造方法および表示装置の製造方法は、薄膜トランジスタがボトムゲート型である場合にも同様に適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の薄膜半導体装置の製造方法によれば、薄膜トランジスタを構成するシリコン薄膜層上のチタン系材料膜を窒化させて窒化膜を形成する際に、窒素ガス雰囲気中に水素ガスを添加する構成をとしたことで、チタン系材料膜へのシリコン薄膜層からの水素の吸蔵を防止して、シリコン薄膜層中における水素濃度を確保し、薄膜トランジスタの電流特性（Ｉｄｓ特性）を良好に保つことができる。この結果、チタン系材料膜を窒化させた窒化膜をバリアメタルとして備えつつも、Ｉｄｓ特性に優れた薄膜トランジスタを有する薄膜半導体装置を得ることとが可能になる。この半導体装置は、バリアメタルとして窒化膜が設けられたものであるため、シリコン薄膜層とこれに接続される配線材料（アルミニウム）との反応が抑えられて微細化を達成することができ、かつ配線とシリコン薄膜層との安定したコンタクト抵抗を確保することができる。
【００４２】
また本発明の表示装置の製造方法によれば、上述のようにして形成されたＩｄｓ特性に優れた薄膜トランジスタに対して、有機ＥＬ素子を接続させることで、薄膜トランジスタのＩｄｓの劣化による有機ＥＬ素子の輝度の低下を防止することができる。この結果、ある程度の輝度を確保しつつも、薄膜トランジスタの微細化によって画素サイズの微細化を達成でき、高精細な表示が可能な表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態における薄膜半導体装置の製造を示す断面工程図（その１）である。
【図２】実施形態における薄膜半導体装置の製造を示す断面工程図（その２）である。
【図３】実施形態における薄膜半導体装置を備えた表示装置の製造を説明するための断面図である。
【図４】熱処理における水素ガスの添加量と薄膜トランジスタのＩｄｓとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…基板、３…シリコン薄膜層、４…第２絶縁膜、６…薄膜トランジスタ、７…第３絶縁膜、８…接続孔、１１…チタン系材料膜、１２…窒化膜、１５…配線、３８…有機ＥＬ素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a thin film semiconductor device in which a thin film transistor is provided on a substrate, and a method for manufacturing a display device in which an organic EL element is connected to the thin film transistor.
[0002]
[Prior art]
In a display device having a drive circuit using a thin film transistor, with the progress of high-definition image display, further miniaturization of the thin film transistor constituting the drive circuit is required.
[0003]
By the way, in a thin film semiconductor device provided with a thin film transistor, an aluminum alloy material is used as a plug material to be connected to the silicon thin film layer of the thin film transistor because it is easy to process and can realize a stable contact with silicon. Has been used. However, since the reactivity between aluminum and silicon is very high, a wide Al—Si reaction layer is formed at the contact portion when the plug is formed. For this reason, it is necessary to design the thin film transistor so that the source / drain width in the silicon thin film layer is wider than the width of the Al-Si reaction layer to be formed, which has been a factor limiting the miniaturization of the thin film transistor. .
[0004]
In addition, it is difficult to control the natural oxide film on the surface of the silicon thin film layer exposed at the bottom of the connection hole, and the contact resistance is large in the portion where the natural oxide film is thick, while the excess Al− in the portion where the natural oxide film is thin. Si reaction occurs. For this reason, it has been extremely difficult to make the contact resistance constant.
[0005]
Therefore, by using titanium-based materials such as titanium and titanium-based alloys and nitrides of these titanium-based materials as barrier metals, aluminum diffusion into the silicon thin film layer and expansion of the Al-Si reaction layer can be prevented. Technology has been proposed and implemented.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a titanium-based material is used as the barrier metal, titanium itself is a substance that remarkably occludes hydrogen. For this reason, when the hydrogen in the silicon thin film layer is absorbed by the barrier metal made of a titanium alloy, the hydrogen in the silicon thin film layer disappears, and the current (Ids) characteristics of the thin film transistor are remarkably deteriorated.
[0007]
In particular, in a display device using a thin film transistor in a drive circuit of an organic EL element, since the organic EL element as a light emitting element is current driven, when the Ids of the thin film transistor deteriorates, the luminance of the organic EL element decreases and is stabilized. The display cannot be performed.
[0008]
When a nitride of titanium material is used as the barrier metal, first, a titanium material film is formed, and this titanium material film is nitrided by heat treatment in a nitrogen gas atmosphere. However, during this heat treatment, hydrogen in the silicon thin film layer is absorbed by the titanium-based material film as the titanium-based material film is nitrided. For this reason, the problem similar to the case where a titanium-type material is used as a barrier metal arises.
[0009]
As a method for preventing this, there is a method of directly forming a nitride of a titanium material by a film forming method such as reactive sputtering, but it is extremely difficult to obtain a nitride film having a uniform film quality by such a method. Have difficulty.
[0010]
Accordingly, the present invention provides a method for manufacturing a thin film semiconductor device capable of obtaining a thin film transistor having stable characteristics, and a method for manufacturing a display device having an organic EL element capable of stable display by applying this method. The purpose is to do.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method for manufacturing a thin film semiconductor device of the present invention is characterized by being performed as follows. First, a connection hole achieved in the silicon thin film layer of the thin film transistor is formed in the insulating film covering the thin film transistor formed on the substrate, and a titanium-based material film is formed on the insulating film in a state of covering the inner wall of the connection hole. Film. Thereafter, by performing heat treatment in a nitrogen gas atmosphere, the titanium-based material film is nitrided from the surface side to form a nitride film. In particular, hydrogen gas is added to the nitrogen gas atmosphere at this time. After the above, a wiring material film is formed on the nitride film.
[0012]
The present invention is also a method for manufacturing a display device in which an organic EL element is formed by performing the above-described steps and further connecting a wiring material, a nitride film, and further a titanium-based material film to a wiring formed by patterning.
[0013]
According to the manufacturing method as described above, when the titanium-based material film is nitrided by the heat treatment in the nitrogen gas atmosphere, by adding hydrogen gas to the nitrogen gas atmosphere, the titanium-based material film is removed from the heat-treated atmosphere. Then hydrogen is supplied. For this reason, it is possible to suppress the absorption of hydrogen from the silicon thin film layer to the titanium-based material film during the heat treatment. Therefore, in the thin film semiconductor device including the barrier metal obtained by nitriding the titanium-based material film, the hydrogen concentration in the silicon thin film layer of the thin film transistor is ensured, and the Ids characteristic of the thin film transistor is kept good.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments to which the manufacturing method of the present invention is applied will be described in detail in the order of the steps based on the drawings. In the following embodiments, a method of manufacturing a thin film semiconductor device will be described, and subsequently, a method of manufacturing a display device will be described.
[0015]
First, as shown in FIG. 1A, a silicon thin film layer 3 is formed on a substrate 1 having an insulating property such as quartz glass or transparent crystallized glass with a first insulating film 2 interposed therebetween. At this time, first, a silicon thin film such as a polysilicon film or an amorphous silicon film is formed to a thickness of about 40 nm on the first insulating film 2 by a low temperature process such as a high density plasma CVD method. Next, a resist pattern is formed on the silicon thin film by lithography, and the silicon thin film is patterned by etching using the resist pattern as a mask. Thereby, the silicon thin film 3 having a desired shape is obtained. The silicon thin film layer 3 is not limited to one made of amorphous silicon or polysilicon, and may be a single crystal silicon film formed by a known method. The patterning in the subsequent steps is performed by etching using, for example, the above-described resist pattern as a mask.
[0016]
Next, a silicon nitride film and a silicon oxide film are sequentially stacked by a plasma CVD method or the like, and thereby a second insulating film 4 is formed on the first insulating film 2 so as to cover the silicon thin film layer 3. The second insulating film 4 becomes a gate insulating film of the thin film transistor.
[0017]
Thereafter, a gate electrode 5 is formed on the second insulating film 4 so as to be laminated on the silicon thin film layer 3. At this time, for example, a conductive film made of a metal material such as molybdenum / tantalum (Mo / Ta) alloy is formed by sputtering to a thickness of about 300 to 400 nm, and the conductive film is patterned to form the gate electrode 5. To do.
[0018]
Thereafter, a third insulating film 7 is formed on the second insulating film 4 so as to cover the gate electrode 5. Next, a connection hole 8 is formed in the third insulating film 7 and the second insulating film 4 in a state where the silicon thin film layer 3 portion beside the gate electrode 5 is exposed.
[0019]
Next, source / drain regions 3 a are formed in the silicon film layer 3 at the bottom of the connection hole 8 by impurity diffusion from the connection hole 8 such as ion implantation. As a result, a top gate type thin film transistor 6 is formed on the substrate 1. In the state where the connection hole 8 is formed, a natural oxide film 9 is formed on the surface of the source / drain region 3a of the silicon thin film layer 3 constituting the bottom surface of the connection hole 8.
[0020]
After the above, as shown in FIG. 1 (2), the titanium-based material film 11 is formed with the inner wall of the connection hole 8 in a concave state. The titanium-based material film 11 is made of titanium or a titanium-based alloy obtained by adding another metal to titanium. Here, the titanium-based material film 11 is made of a titanium film. The titanium-based material film 11 is formed by a sputtering method excellent in in-plane uniformity of film thickness and film quality. The thickness of the titanium-based material film 11 is appropriately selected depending on the heat resistance required as a barrier metal, the processability as a barrier metal, and the transistor characteristics of the thin film transistor 6 required here. Then, as an example, it is set to 50 nm.
[0021]
The process described with reference to FIG. 2A is a process specific to the present invention.
That is, here, the titanium-based material film 11 formed in the above-described process is subjected to heat treatment in a nitrogen gas (N 2 ) atmosphere. At this time, heat treatment is performed by adding hydrogen gas (H 2 ) to the nitrogen gas atmosphere. Then, the nitride layer 12 is formed by nitriding the surface layer of the titanium-based material film 11. Further, by this heat treatment, at the bottom of the connection hole 8, the titanium-based material film 11 reacts with the silicon thin-film layer 3 underneath, and the lower layer portion of the titanium-based material film 11 is silicided to form the silicide film 13. .
[0022]
In the heat treatment, hydrogen gas is added to the nitrogen gas atmosphere so that the concentration of hydrogen gas is in the range of 3 atms% to 5 atms%. At this time, for example, while adjusting the supply amounts of the nitrogen gas and the hydrogen gas in the heat treatment furnace so that the hydrogen gas is added in the above concentration range in the nitrogen gas atmosphere in the heat treatment furnace in which the substrate 1 is disposed. Heat treatment will be performed.
[0023]
Further, when the heat treatment is performed, the temperature of the nitrogen gas atmosphere is raised to the heat treatment temperature at a temperature rise rate faster than 25 ° C./min. By performing rapid heating of the nitrogen gas atmosphere in such a temperature increase rate range, the silicidation rate of the titanium-based material film 11 is faster than the hydrogen storage rate from the silicon thin film layer 3 to the titanium-based material film 11. Heat treatment is carried out so that At this time, when the influence of the heat treatment on the substrate 1 is taken into consideration, it is preferable that the rate of temperature rise is 80 ° C./min or less. Further, the heat treatment temperature at this time is set in the range of 250 ° C. to 420 ° C., preferably around 350 ° C. By setting the heat treatment temperature to 250 ° C. or higher, titanium nitriding in the titanium-based material film 11 can be sufficiently advanced. In addition, when the heat treatment temperature is set to 420 ° C. or lower, heat treatment can be performed while eliminating the influence on the characteristics of the thin film transistor 6 and the substrate 1.
[0024]
The heat treatment time after reaching a predetermined heat treatment temperature is appropriately selected depending on the thickness of the titanium-based material film 11 and the heat treatment temperature. At this time, in the titanium-based material film 11 portion located at the bottom of the connection hole 8, the upper layer is nitrided to form the nitride film 12, while the lower layer is silicided to form the silicide film 13, and the titanium-based material film is formed in this portion. It is preferable to set a sufficient heat treatment time so that the material film 11 does not remain. As an example of this, when the thickness of the formed titanium-based material film 11 is 50 nm and the heat treatment temperature is set to 350 ° C., the heat treatment time is set to 60 minutes.
[0025]
After the heat treatment of the titanium-based material film 11 is performed as described above and the nitride film 12 is formed thereon, as shown in FIG. 2B, the nitride formed on the surface layer of the titanium-based material film 11 is formed. A wiring 15 connected to the source / drain region 3a of the thin film transistor 6 through the film 12 is formed. For example, the wiring 15 is formed by forming an aluminum film on the nitride film 12 and patterning the aluminum film, the nitride film 12, and the titanium nitride-based material film 11.
[0026]
As described above, the thin film transistor 6 and the wiring 15 connected thereto are formed to obtain a thin film semiconductor device.
[0027]
This thin film semiconductor device is used, for example, as a drive circuit for a display device. FIG. 3 shows a cross-sectional view of a display device having a drive circuit constituted by such a thin film semiconductor device. This display device uses an organic EL element as a light emitting element. In manufacturing the display device, the following process is performed following the manufacturing process of the thin film semiconductor device described above.
[0028]
First, after the thin film semiconductor device is formed by the process described with reference to FIGS. 1 and 2, the planarization insulating film 31 is formed on the substrate 1 and reaches the wiring 15 in the planarization insulating film 31. A connection hole 32 is formed.
[0029]
Thereafter, the lower electrode 33 connected to the wiring 15 through the connection hole 32 is formed on the planarization insulating film 31 as an anode (or a cathode). When the display device formed here is a transmissive type that extracts display light from the substrate 1, the lower electrode 33 is formed of a transparent material.
[0030]
Next, an insulating film 34 covering the periphery of the lower electrode 33 is formed by patterning. In addition, on the insulating film 34, an auxiliary wiring (not shown) may be formed in a pattern.
[0031]
Thereafter, the organic EL layer 36 is patterned on the lower electrode 33 exposed from the insulating film 34 so as to completely cover the exposed surface of the lower electrode 33. The organic EL layer 36 includes a plurality of organic layers including at least an organic light emitting layer, and is formed in the opening of the insulating film 34 by vapor deposition from a mask (not shown) disposed above the substrate 1.
[0032]
After the above, a solid film-like upper electrode 37 is formed as a cathode in a state of covering the organic EL layer 36 and the insulating film 34, or in a state of being connected to the auxiliary electrode when the auxiliary electrode is formed. In the case where the lower electrode 33 is formed as a cathode, the upper electrode 37 is formed as an anode. Furthermore, when the display device formed here is a top emission type that takes out display light from the side opposite to the substrate 1, the upper electrode 37 is formed of a transparent material.
[0033]
As described above, the organic EL element 38 in which the organic EL layer 36 is sandwiched between the anode (lower electrode 33) and the cathode (upper electrode 37) is formed on the substrate 1 on which the thin film transistor 6 is formed. . Then, a sealing layer 39 is formed on the upper electrode 37 so as to cover the organic EL element 38, and a display device having the organic EL element 38 connected to the thin film transistor 6 is completed.
[0034]
According to the manufacturing method described above, when the titanium-based material film 11 is nitrided by the heat treatment in the nitrogen gas atmosphere described with reference to FIG. 2A, by adding hydrogen gas to the nitrogen gas atmosphere, Hydrogen is supplied to the titanium-based material film 11 from the heat treatment atmosphere. For this reason, it is possible to suppress the absorption of hydrogen from the silicon thin film layer 3 to the titanium-based material film 11 during this heat treatment. Therefore, the hydrogen concentration in the silicon thin film layer 3 of the thin film transistor 6 is ensured, and the current characteristic (Ids characteristic) of the thin film transistor 6 is kept good.
[0035]
As a result, by providing the nitride film as the barrier metal, the reaction between the silicon thin film layer 3 and the aluminum of the wiring 15 is suppressed, miniaturization is achieved, and the stable contact resistance between the silicon thin film layer 3 and the wiring 15 is achieved. It is possible to obtain a thin film semiconductor device having a thin film transistor with excellent Ids characteristics while securing the above.
[0036]
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the amount of hydrogen gas added in the step of forming the nitride film 12 and the Ids of the formed thin film transistor. In addition, here, when the nitrogen gas atmosphere to which hydrogen gas is added is rapidly heated (temperature increase rate is 50 ° C./min) and gradually heated (temperature increase rate is 2 ° C./min), The relationship between the amount of hydrogen gas added and Ids is shown. Further, Ids is shown as a relative ratio with respect to Ids of a thin film transistor formed without providing a barrier metal.
[0037]
As shown in this graph, when the hydrogen addition amount is in the range of 3 atms% to 5 atms%, Ids can be maintained at about 50% to 10% of the thin film transistor without barrier metal regardless of the temperature rising rate in the nitrogen gas atmosphere. Was confirmed. In addition, it was confirmed that a thin film transistor having a higher Ids can be obtained when the rate of temperature increase in the nitrogen gas atmosphere is higher in the range of the hydrogen addition amount.
[0038]
Further, as described with reference to FIG. 3, by forming the organic EL element 38 in a state of being connected to the thin film transistor 6, the organic EL element 38 is driven by the thin film transistor 6 whose Ids is maintained at a high value. Thus, a decrease in luminance due to the degradation of Ids can be prevented.
[0039]
As a result, the pixel size can be reduced by thinning the thin film transistor as described above while securing a certain level of luminance, and a display device capable of high-definition display can be obtained.
[0040]
In the above-described embodiment, the case where the thin film transistor is a top gate type has been described. However, the method for manufacturing a thin film semiconductor device and the method for manufacturing a display device of the present invention can be similarly applied to the case where the thin film transistor is a bottom gate type, and the same effect can be obtained.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the method of manufacturing a thin film semiconductor device of the present invention, when a nitride film is formed by nitriding a titanium-based material film on a silicon thin film layer constituting a thin film transistor, hydrogen is introduced into a nitrogen gas atmosphere. By adopting a configuration in which a gas is added, the storage of hydrogen from the silicon thin film layer into the titanium-based material film is prevented, the hydrogen concentration in the silicon thin film layer is ensured, and the current characteristics (Ids characteristics) of the thin film transistor are improved. Can keep good. As a result, it is possible to obtain a thin film semiconductor device having a thin film transistor having excellent Ids characteristics while including a nitride film obtained by nitriding a titanium-based material film as a barrier metal. Since this semiconductor device is provided with a nitride film as a barrier metal, the reaction between the silicon thin film layer and the wiring material (aluminum) connected thereto can be suppressed, and miniaturization can be achieved. A stable contact resistance between the wiring and the silicon thin film layer can be ensured.
[0042]
Further, according to the method for manufacturing a display device of the present invention, the organic EL element is connected to the thin film transistor having excellent Ids characteristics formed as described above. A decrease in luminance can be prevented. As a result, it is possible to obtain a display device that can achieve high-definition display by miniaturizing a thin film transistor while achieving a certain level of luminance and miniaturizing a pixel size.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional process diagram (part 1) illustrating the manufacture of a thin film semiconductor device in an embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional process diagram (part 2) illustrating the manufacture of the thin film semiconductor device in the embodiment;
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the manufacture of the display device including the thin film semiconductor device according to the embodiment.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the amount of hydrogen gas added during heat treatment and the Ids of a thin film transistor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 3 ... Silicon thin film layer, 4 ... 2nd insulating film, 6 ... Thin-film transistor, 7 ... 3rd insulating film, 8 ... Connection hole, 11 ... Titanium-type material film, 12 ... Nitride film, 15 ... Wiring, 38 ... Organic EL device

Claims (5)

基板上に形成された薄膜トランジスタを覆う絶縁膜に、当該薄膜トランジスタのシリコン薄膜層に達成する接続孔を形成し、当該接続孔の内壁を覆う状態で前記絶縁膜上にチタン系材料膜を成膜する工程と、
窒素ガス雰囲気中において熱処理を施すことによって、前記チタン系材料膜を表面側から窒化させて窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜上に配線材料膜を成膜する工程とを行う薄膜半導体装置の製造方法において、
前記窒化膜を形成する工程では、前記窒素ガス雰囲気中に水素ガスを添加する
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。A connection hole achieved in the silicon thin film layer of the thin film transistor is formed in the insulating film covering the thin film transistor formed on the substrate, and a titanium-based material film is formed on the insulating film in a state of covering the inner wall of the connection hole. Process,
Forming a nitride film by nitriding the titanium-based material film from the surface side by performing heat treatment in a nitrogen gas atmosphere; and
In the method of manufacturing a thin film semiconductor device, the step of forming a wiring material film on the nitride film,
In the step of forming the nitride film, hydrogen gas is added to the nitrogen gas atmosphere. 請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
前記熱処理を施す際の窒素ガス雰囲気中には、前記水素ガスが３atms％〜５atms％の割合で添加される
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。In the manufacturing method of the thin film semiconductor device of Claim 1,
The method for manufacturing a thin film semiconductor device, wherein the hydrogen gas is added at a rate of 3 atms% to 5 atms% in a nitrogen gas atmosphere when the heat treatment is performed. 請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
前記熱処理を施す際には、前記窒素ガス雰囲気を２５℃／分よりも速い昇温速度で所定の熱処理温度に昇温する
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。In the manufacturing method of the thin film semiconductor device of Claim 1,
When the heat treatment is performed, the temperature of the nitrogen gas atmosphere is raised to a predetermined heat treatment temperature at a temperature rise rate faster than 25 ° C./min. 請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
前記熱処理は、前記窒素ガス雰囲気を２５０℃〜４２０℃の熱処理温度に昇温して行われる
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。In the manufacturing method of the thin film semiconductor device of Claim 1,
The heat treatment is performed by raising the temperature of the nitrogen gas atmosphere to a heat treatment temperature of 250 ° C. to 420 ° C. 基板上に形成された薄膜トランジスタを覆う絶縁膜に、当該薄膜トランジスタのシリコン薄膜層に達成する接続孔を形成し、当該接続孔の内壁を覆う状態で前記絶縁膜上にチタン系材料膜を成膜する工程と、
窒素ガス雰囲気中において熱処理を施すことによって、前記チタン系材料膜を表面側から窒化させて窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜上に配線材料膜を成膜する工程と、
前記配線材料およびチタン系材料膜をパターニングしてなる配線に接続させて有機ＥＬ素子を形成する工程とを行う表示装置の製造方法において、
前記窒化膜を形成する工程では、前記窒素ガス雰囲気中に水素ガスを添加する
ことを特徴とする表示装置の製造方法。A connection hole achieved in the silicon thin film layer of the thin film transistor is formed in the insulating film covering the thin film transistor formed on the substrate, and a titanium-based material film is formed on the insulating film in a state of covering the inner wall of the connection hole. Process,
Forming a nitride film by nitriding the titanium-based material film from the surface side by performing heat treatment in a nitrogen gas atmosphere; and
Forming a wiring material film on the nitride film;
In a method for manufacturing a display device, the step of forming an organic EL element by connecting the wiring material and the titanium-based material film to a wiring formed by patterning,
In the step of forming the nitride film, hydrogen gas is added to the nitrogen gas atmosphere.
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