JP4913267B2 - 配線層、半導体装置、半導体装置を有する液晶表示装置 - Google Patents

配線層、半導体装置、半導体装置を有する液晶表示装置 Download PDF

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Description

本発明は、微小な半導体デバイスに使用される配線膜の分野に係り、特に、酸化物薄膜に接触する配線層の技術分野に関する。
FPD(フラットパネルディスプレイ)や薄膜太陽電池等、近年製造される電気製品は広い基板上にトランジスタを一様に配置する必要があり、そのため、大面積基板に均一な特性の半導体層を形成できる(水素化)アモルファスシリコン等が用いられている。
アモルファスシリコンは低温で形成することができ、他の材料に悪影響を与えないが、移動度が低いという欠点があり、低温形成で高移動度の薄膜が大面積基板に形成できる酸化物半導体が注目されている。
他方、近年では半導体集積回路やFPD中のトランジスタの電極、配線に、低抵抗の銅薄膜が用いられるようになっており、デジタル信号の伝達速度を速めたり、電力損失の低減による消費電力の低減が図られている。
しかしながら半導体集積回路内の配線層を銅薄膜で形成すると、銅薄膜は酸化物との密着性が悪く、また、銅薄膜の構成物質である銅原子は半導体や酸化物中に拡散し易いという欠点がある。
従って、酸化物薄膜上の銅配線は、剥離や銅拡散が大きな問題となる。
その対策として、銅薄膜と、銅薄膜と接触する酸化物薄膜との間に、拡散に対するバリア性を向上させ、銅薄膜の付着強度を増大させるバリア膜を設けることができる。バリア膜には、例えば、TiN膜やW膜等がある。
しかし、銅薄膜はドライエッチングが難しく、一般的にウェットエッチング法が用いられているが、銅薄膜のエッチング液とバリア膜のエッチング液とは異なるため、従来技術のバリア膜を用いると、バリア膜と銅薄膜の二層構造の配線層をエッチング液を変えて別々にエッチングする必要が生じる。
そのため、バリア性、密着性を有し、一回のエッチングでパターニングできる配線層が求められている。
特開2009− 99847号公報 特開2007−250982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、酸化物薄膜への付着力が強く、酸化物薄膜中に銅原子が拡散しない配線膜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、酸化物薄膜上に配置され、パターニングされた配線層であって、前記配線層は、前記酸化物薄膜と接触する高密着性バリア膜と、前記高密着性バリア膜上に配置された銅薄膜とを有し、前記高密着性バリア膜は、銅と、マグネシウムと、アルミニウムとを含有し、銅と、マグネシウムと、アルミニウムとの合計原子数を100at%としたとき、マグネシウムは0.5at%以上5at%以下、アルミニウムは5at%以上15at%以下の範囲の含有率にされた配線層である。
また、本発明は、上記配線層と、半導体層と、前記半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を間にして前記半導体層と対向するゲート電極膜とを有し、前記半導体層には、前記ゲート電極膜と対向する部分にチャネル領域が設けられ、前記チャネル領域の両側にソース領域とドレイン領域とが設けられ、前記ゲート絶縁膜は前記酸化物薄膜で構成され、前記配線層は、前記高密着性バリア膜を前記ゲート絶縁膜に接触して配置された半導体装置である。
そして本発明は、この半導体装置を有し、また、ガラス基板と、前記ガラス基板上に形成された画素電極層と、前記画素電極層上に位置する液晶と、前記液晶上に位置する上部電極層とを有し、ソース電極層またはドレイン電極層のいずれか一方は前記配線層によって前記画素電極層に接続され、前記半導体装置によって前記画素電極層と前記上部電極層との間に印加する電圧が切り替えられ、前記画素電極層と前記上部電極層との間に液晶を有する液晶表示装置である。
また、本発明は、上記配線層から成るソース電極層とドレイン電極層と、半導体層と、前記半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を間にして前記半導体層と対向するゲート電極膜とを有し、前記半導体層には、前記ゲート電極膜と対向する部分にチャネル領域が設けられ、前記チャネル領域の両側にソース領域とドレイン領域とが設けられ、前記ソース電極層と前記ドレイン電極層は前記ソース領域と前記ドレイン領域にそれぞれ接触され、前記ソース電極層と前記ドレイン電極層上には前記酸化物薄膜が配置された半導体装置であって、前記配線層は、前記高密着性バリア膜を前記酸化物薄膜に接触して配置された半導体装置である。
そして本発明は、この半導体装置を有し、また、ガラス基板と、前記ガラス基板上に形成された画素電極層と、前記画素電極層上に位置する液晶と、前記液晶上に位置する上部電極層とを有し、前記ソース電極層または前記ドレイン電極層のいずれか一方は前記配線層によって前記画素電極層に接続され、前記半導体装置によって前記画素電極層と前記上部電極層との間に印加する電圧が切り替えられ、前記画素電極層と前記上部電極層との間に液晶を有する液晶表示装置である。
酸化物薄膜は、半導体装置や液晶表示装置内で層間絶縁層やゲート絶縁層に用いられており、本発明の配線層は、酸化物薄膜に対する付着力が強く、銅原子も拡散しないので、層間絶縁膜上やゲート絶縁膜上や、それらに形成した接続孔内に配置することができる。
銅薄膜と高密着性バリア膜は同じエッチング液でエッチングすることができるので、配線層を一回のエッチングでパターニングすることができる。
(a)〜(c):本発明の第一例のトランジスタの製造工程を説明するための工程図(1) (a)〜(c):本発明の第一例のトランジスタの製造工程を説明するための工程図(2) (a)、(b):本発明の第一例のトランジスタの製造工程を説明するための工程図(3) 本発明の第一例のトランジスタの製造工程を説明するための工程図(4) 本発明の第一例のトランジスタと、そのトランジスタを有する液晶表示装置を説明するための図 本発明の配線層の他の例を説明するための模式的な斜視図
13、13’……トランジスタ
31……ガラス基板
32……ゲート電極膜
33……ゲート絶縁膜
34……半導体層
37……高密着性バリア膜
38……銅薄膜
43……接続孔
61……層間絶縁層
71……ソース領域
72……ドレイン領域
73……チャネル領域
81……上部電極層
82……画素電極層
83……液晶
<トランジスタ>
図5は、本発明の第一例の液晶表示装置であり、本発明の第一例のトランジスタ13の断面図が、液晶表示部14と共に示されている。
図5を参照し、このトランジスタ13は、ガラス基板31上に部分的に半導体層34が形成されており、半導体層34上と、半導体層34間に露出するガラス基板31上とにゲート絶縁膜33が形成されている。この半導体層34には、単結晶シリコン、ポリシリコン、アモルファスシリコン、化合物半導体の他、IGZO膜、InGaZnO膜、ZnO膜、SnO2膜等の酸化物半導体も含まれる。
各半導体層34の両端部には、それぞれソース領域71とドレイン領域72とが形成されており、ソース領域71とドレイン領域72の間は、後述する接続層が形成されるチャネル領域73が配置されている。
半導体層34上では、ゲート絶縁膜33は、ソース領域71とチャネル領域73とドレイン領域72との間に亘って配置されている。
そのゲート絶縁膜33のうちのチャネル領域73上の部分には、少なくとも両端部がそれぞれソース領域71の上とドレイン領域72の上に位置するゲート電極膜32が配置されており、ゲート絶縁膜33上には、ゲート電極膜32を覆うように、酸化物から成る薄膜である層間絶縁層61が配置されている。
ゲート絶縁膜33と層間絶縁層61とが積層した部分である積層膜のうち、ソース領域71上の位置とドレイン領域72上の位置には、エッチングによって接続孔43a、43bがそれぞれ形成されている。
接続孔43a、43bの底部に露出するソース領域71の表面とドレイン領域72の表面とに接続された状態で、高密着性バリア膜37と銅薄膜38がこの順序で積層して形成され、高密着性バリア膜37と銅薄膜38の二層構造の配線層50a、50bが形成されている。
この配線層50a、50bは、不図示の位置で層間絶縁層61上を引き回されている。
この配線層50a、50bはパターニングされており、高密着性バリア膜37がソース領域71表面と接触した配線層50aはソース電極層であり、ドレイン領域72表面と接触した配線層50bはドレイン電極層であり、ソース電極層とドレイン電極層とは分離され、トランジスタ13が構成されている。
ソース電極層である配線層50aとドレイン電極層である配線層50bに電圧を印加した状態でゲート電極膜32にゲート電圧を印加すると、チャネル領域73内に、チャネル領域73と同じ導電型又は反対の導電型の低抵抗の接続層が形成され、この接続層によってソース領域71とドレイン領域72が接続されトランジスタ13が導通する(ON)。
ゲート電圧の印加を停止すると、ソース領域71とドレイン領域72とを低抵抗で接続する接続層は消滅し、ソース電極層とドレイン電極層との間は遮断される(OFF)。
高密着性バリア膜37は、Cu−Mg−Alから成る導電性薄膜であり、銅薄膜38は全体の原子数を100at%としたとき、50at%を越える含有率で銅を含有する低抵抗な導電性薄膜である。
高密着性バリア膜37は、SiO2等の酸化物薄膜の表面に形成されると、酸化物薄膜に対して付着力が高く、銅薄膜38は密着性バリア膜37に対する付着力が高い。
配線層50a、50bは、層間絶縁層61上を引き回され、層間絶縁層61表面では、高密着性バリア膜37が層間絶縁層61と接触しており、従って、銅薄膜38は、層間絶縁層61から剥離することはない。
また、高密着性バリア膜37は、銅原子に対するバリア機能を有しており、高密着性バリア膜37から酸化物薄膜に銅原子は拡散せず、また、銅薄膜38と層間絶縁層61等の酸化物薄膜との間には高密着性バリア膜37が位置しているから、銅薄膜38中の銅原子の拡散は高密着性バリア膜37によって阻止され、酸化物薄膜中への銅拡散が防止されている。
ゲート絶縁膜33と層間絶縁層61との積層膜に形成された接続孔43a、43bの内部では、接続孔43a、43bの内周面に、ゲート絶縁膜33と層間絶縁層61とがエッチングされて形成された断面がそれぞれ露出されており、ゲート絶縁膜33や、酸化物薄膜である層間絶縁層61の断面には、配線層50a、50bの高密着性バリア膜37が接触し、銅薄膜38が直接接触せず、断面から層間絶縁層61やゲート絶縁膜33内に銅原子が拡散しないようになっている。
ゲート絶縁膜33は、ここでは酸化物薄膜であり、ゲート絶縁膜33のエッチング断面には、配線層50a、50bの高密着性バリア膜37が接触し、銅薄膜38が直接接触しないようになっているが、本発明は、ゲート絶縁膜33が酸化物薄膜でない場合も含まれる。
このように、本発明では、酸化物薄膜の表面や断面には、高密着性バリア膜37を介して銅薄膜38が接触するようになっており、高密着性バリア膜37の高い密着力によって銅薄膜38は酸化物薄膜から剥離せず、また、高密着性バリア膜37のバリア特性によって、銅薄膜38中や高密着性バリア膜37中の銅原子が、酸化物薄膜中に拡散しないようになっている。
<液晶表示部>
次に、液晶表示部14を説明すると、液晶表示部14には、保護膜41上に、ITO等の透明な導電性薄膜から成る画素電極82が配置されており、画素電極82上には液晶83が配置されている。液晶83上には上部電極81が位置しており、画素電極82と上部電極81との間に電圧が印加されると、液晶83を通る光の偏光性が変更され、偏光フィルタでの通過性が制御される。
画素電極82は、ソース電極層である配線層50aやドレイン電極層である配線層50bと電気的に接続されている。図5では、保護膜41には、底面に配線層50bの銅薄膜38が露出する接続孔44が形成されており、画素電極82は、接続孔44を介して、一個のトランジスタ13のドレイン電極層である配線層50bに接続されている。トランジスタ13がON・OFFすることで、画素電極82への電圧印加の開始・終了が行われる。
<製造工程>
このトランジスタ13の製造工程を説明する。
先ず、図1(a)に示されているように、半導体層34が複数個形成されたガラス基板31の表面に、酸化物薄膜(ここではSiO2)から成るゲート絶縁膜33を形成し、半導体層34表面をゲート絶縁膜33で覆う。
次に、同図(b)に示すように、ゲート絶縁膜33の表面に、導電性材料から成るゲート電極用導電性薄膜30を形成する。ゲート電極用導電性薄膜30は、Mo、Ti、W、Taまたはそれらの合金から構成されている。
次に、同図(c)に示すように、ゲート電極用導電性薄膜30をパターニングしてゲート電極用導電性薄膜30の残部から成るゲート電極膜32を形成する。
半導体層34は、離間して配置されたソース領域71とドレイン領域72と、ソース領域71とドレイン領域72とで挟まれたチャネル領域73とを有しており、ゲート電極膜32は、チャネル領域73の上方のゲート絶縁膜33の表面に、ソース領域71の上方とドレイン領域72の上方とに亘って配置されている。
次に、図2(a)に示すように、ゲート電極膜32が形成された基板31の表面に、CVD方法などによって、酸化物薄膜から成る層間絶縁層61を全面成膜する。層間絶縁層61は、ここではSiO2膜であるが、SiONなどの他の酸化物薄膜も本発明に含まれる。
次に、図2(b)に示すように、エッチングにより、層間絶縁層61とゲート絶縁膜33との積層膜のうち、ソース領域71の一部の上方とドレイン領域72の一部の上方との位置に、それぞれ接続孔43a、43bを形成する。
接続孔43a、43bの底面には、半導体層34のソース領域71の表面とドレイン領域72の表面とがそれぞれ露出されており、接続孔43a、43bの側面には、エッチングによって発生したゲート絶縁膜33と層間絶縁層61の断面が露出している。
図2(c)に示すように、この状態で、接続孔43a、43bを有するガラス基板31をスパッタリング装置の真空槽内に搬入し、Cu−Mg−Al合金から成るターゲットをスパッタし、高密着性バリア膜37を全面成膜する。高密着性バリア膜37は、層間絶縁層61表面と側面とゲート絶縁膜33の側面とソース領域71の表面とドレイン領域72の表面とに接触している。
同じ真空槽内には、純銅のターゲットも銅薄膜38の形成用に配置されており、高密着性バリア膜37が所定膜厚に形成された後、Cu−Mg−Al合金から成るターゲットのスパッタリングを終了し、銅薄膜38を形成するターゲットをスパッタリングし、図3(a)に示すように、高密着性バリア膜37の表面に銅薄膜38を全面成膜し、高密着性バリア膜37とその表面の銅薄膜38とから成る配線層50を得る。銅薄膜用のターゲットは、50at%を超える含有率で銅を含有する。
銅薄膜38は、高密着性バリア膜37を介して、層間絶縁層61の表面と側面と、ゲート絶縁膜33の側面と、ソース領域71の表面と、ドレイン領域72の表面とに固定されている。
この配線層50をレジスト膜を使用してエッチングし、図3(b)に示すように、ガラス基板31上に全面成膜された配線層50から、ソース領域71に接続されたソース電極層である配線層50aと、ドレイン領域72に接続されたドレイン電極層である配線層50bとを形成する。高密着性バリア膜37と銅薄膜38は、同じエッチング液によってエッチングされる。
次に、図4に示すように、配線層50a、50bの表面や、配線層50a、50bの間に露出する層間絶縁層61等の表面に保護膜41を形成し、図5に示すように、配線層50a又は50b上の保護膜41の部分に接続孔44を形成した後、所望パターンの画素電極82を形成して、画素電極82を配線層50a又は50bに接触させ、画素電極82と配線層50a又は50bとを電気的に接続してリアパネルを構成させる。このリアパネルは、上部電極81を有するフロントパネルと貼合わせてその間に液晶83を封入して、リアパネルのガラス基板31側から液晶83に入射し、透過する光の偏光性を制御できるようにする。
なお、図6では、ガラス基板31上に酸化物薄膜52が形成されており、同図のトランジスタ13’では、金属膜のパターニングによって、ソース電極層又はドレイン電極層等の電極層51に接続された配線層50cや、ゲート電極膜32に接続された配線層50dが形成され、これらの配線層50c、50dは、トランジスタ13’同士の接続やトランジスタ13’とキャパシタンス素子間の接続等、素子間の接続に用いられている。
具体例として配線層50cはデータ線、配線層50dはアドレス線を例示している。
なお、配線層50cは、ソース電極層又はドレイン電極層と一緒に形成してもよい。また、配線層50dはゲート電極層32と一緒に形成してもよい。
配線層50cと配線層50dとは、酸化物薄膜52に接触する高密着性バリア膜と、高密着性バリア膜上に積層された銅薄膜から成り、高密着性バリア膜と銅薄膜は同じエッチング液によって一緒にエッチングされてパターニングされている。
高密着性バリア膜が接触する酸化物薄膜52は、ゲート絶縁膜33や層間絶縁層である場合に限定されるものではなく、酸化物から成る薄膜を広く含んでおり、高密着性バリア膜が酸化物薄膜52に接触しているので、配線層50c、50dの剥離や配線層50c、50dからの酸化物薄膜52への銅拡散はない。
なお、図6のトランジスタ13’はボトムゲート型のトランジスタを示しているが、この型に限定されない。本発明は酸化物薄膜に高密着性バリア膜を介して銅薄膜が形成された配線層を含む。
Cu(銅)を主成分として、Mg(マグネシウム)とAl(アルミニウム)を所望割合で含有させてターゲットを作製し、そのターゲットをスパッタリングし、酸化物薄膜(ここでは、SiO2薄膜)の表面に、ターゲットと同じ組成のCu−Mg−Alから成る高密着性バリア膜を形成し、形成した高密着性バリア膜上に純銅薄膜を形成して、高密着性バリア膜と純銅薄膜とから成る配線層を形成した。
MgとAlの添加割合が異なる高密着性バリア膜の密着性とバリア性について評価した。評価結果を表1に記載する。SiO2から成る酸化物薄膜はガラス基板の表面に形成されている。
Figure 0004913267
表1中の「SiH4系SiO2膜」は、ガラス基板上にSiH4ガスとN2Oガスを原料としてCVD法によって形成したSiO2膜であり、「TEOS系SiO2膜」はTEOSとO2ガスを用いてCVD法によって形成したSiO2膜である。
表1中の「Mg含有量」と「Al含有量」中の数値は、ターゲット又は高密着性バリア膜中のCu原子数とMg原子数とAl原子数との合計個数を100at%としたときの、含有するMg原子数割合(Xat%)及びAl原子数割合(Yat%)を示しており、“−”は含有量がゼロの場合である。
「Target作製可否」の欄は、Cu、Mg、Alの材料がターゲットに成形できた場合を“○”、ターゲットに成形できなかった場合を“×”にした。
「密着性」の欄の評価は、純銅薄膜の表面に粘着テープを貼付し、粘着テープを引き剥がし、粘着テープが、粘着テープと純銅薄膜の界面で剥離した場合を“○”、電極層内部の破壊、又は電極層と絶縁性薄膜や半導体との界面で剥離した場合を“×”とした。
バリア性については、オージェ電子分光分析法によって、高密着性バリア膜と接触した酸化物薄膜(SiO2膜)中へのCu原子の拡散の有無を測定し、Cuが検出されない場合を“○”、検出された場合を“×”とした。
表1に記載した測定結果から、MgとAlの両方を含有しないと、特に、アニール後の密着性やバリア性が悪く、Mg含有率が0.5at%以上5at%以下であって、Al含有率が5at%以上15at%以下の場合が、密着性とバリア性の両方に優れていることが分かる。従って、本発明の上記各実施例のCu−Mg−Alから成る薄膜である高密着性バリア膜は、Cu原子数とMg原子数とAl原子数の合計個数を100at%としたときに、Mg含有率が0.5at%以上5at%以下であって、Al含有率5at%以上15at%以下である導電性薄膜である。
高密着性バリア膜37上に高密着性バリア膜37と接触して形成される銅薄膜38は全体の原子数を100at%としたとき、50at%を越える含有率で銅を含有する低抵抗な導電性薄膜である。
なお、上記実施例の酸化物薄膜には、例えばSiON膜、SiOC膜、SiOF膜、Al23膜、Ta25膜、HfO2膜、ZrO2膜等を用いることができる。

Claims (5)

  1. 酸化物薄膜上に配置され、
    パターニングされた配線層であって、
    前記配線層は、前記酸化物薄膜と接触する高密着性バリア膜と、前記高密着性バリア膜上に配置された銅薄膜とを有し、
    前記高密着性バリア膜は、銅と、マグネシウムと、アルミニウムとを含有し、銅と、マグネシウムと、アルミニウムとの合計原子数を100at%としたとき、マグネシウムは0.5at%以上5at%以下、アルミニウムは5at%以上15at%以下の範囲の含有率にされた配線層。
  2. 請求項1記載の配線層と、
    半導体層と、
    前記半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜を間にして前記半導体層と対向するゲート電極膜とを有し、
    前記半導体層には、前記ゲート電極膜と対向する部分にチャネル領域が設けられ、前記チャネル領域の両側にソース領域とドレイン領域とが設けられ、
    前記ゲート絶縁膜は前記酸化物薄膜で構成され、前記配線層は、前記高密着性バリア膜を前記ゲート絶縁膜に接触して配置された半導体装置。
  3. 請求項1記載の配線層から成るソース電極層とドレイン電極層と、
    半導体層と、
    前記半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜を間にして前記半導体層と対向するゲート電極膜とを有し、
    前記半導体層には、前記ゲート電極膜と対向する部分にチャネル領域が設けられ、前記チャネル領域の両側にソース領域とドレイン領域とが設けられ、
    前記ソース電極層と前記ドレイン電極層は前記ソース領域と前記ドレイン領域にそれぞれ接触され、
    前記ソース電極層と前記ドレイン電極層には前記酸化物薄膜が配置された半導体装置であって、
    前記配線層は、前記高密着性バリア膜を前記酸化物薄膜に接触して配置された半導体装置。
  4. 請求項2記載の半導体装置と、
    ガラス基板と、前記ガラス基板上に形成された画素電極層と、前記画素電極層上に位置する液晶と、前記液晶上に位置する上部電極層とを有し、
    ース電極層またはドレイン電極層のいずれか一方は前記配線層によって前記画素電極層に接続され、
    前記半導体装置によって前記画素電極層と前記上部電極層との間に印加する電圧が切り替えられ、前記画素電極層と前記上部電極層との間に液晶を有する液晶表示装置。
  5. 請求項3記載の半導体装置と、
    ガラス基板と、前記ガラス基板上に形成された画素電極層と、前記画素電極層上に位置する液晶と、前記液晶上に位置する上部電極層とを有し、
    前記ソース電極層または前記ドレイン電極層のいずれか一方は前記配線層によって前記画素電極層に接続され、
    前記半導体装置によって前記画素電極層と前記上部電極層との間に印加する電圧が切り替えられ、前記画素電極層と前記上部電極層との間に液晶を有する液晶表示装置。
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