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
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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、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。
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。
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(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の表面とに接触している。
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。
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。
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。
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。
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。
なお、上記実施例の酸化物薄膜には、例えばSiON膜、SiOC膜、SiOF膜、Al2O3膜、Ta2O5膜、HfO2膜、ZrO2膜等を用いることができる。
Claims (5)
- 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。 - 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。 - 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下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。 - 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、
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。 - 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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