JP5218810B2 - 薄膜トランジスター - Google Patents

Description

この発明は、アモルファスシリコン膜とドレイン電極膜との間にバリア膜が形成されており、さらにアモルファスシリコン膜とソース電極の間にバリア膜が形成される薄膜トランジスターであって、前記バリア膜は炭化ケイ素からなる薄膜トランジスターに関するものである。

アクティブマトリックス方式で駆動する薄膜トランジスターを用いたフラットパネルディスプレイとして、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、無機ＥＬディスプレイなどが知られている。これら薄膜トランジスターを用いたフラットパネルディスプレイにはガラス基板表面に格子状に金属膜からなる配線が密着形成されており、この金属膜からなる格子状配線の交差点に薄膜トランジスターが設けられている。
この薄膜トランジスターは、図７の断面概略説明図に示されるように、ガラス基板１の表面に金属膜からなるゲート電極膜２が形成されており、このゲート電極膜２およびガラス基板１の上に窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３が形成されており、さらに窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３の上にアモルファスＳｉ膜４が形成されており、このアモルファスＳｉ膜４の上にいずれもバリア膜７を介して純銅からなるドレイン電極膜５およびソース電極膜６が形成されており、さらに前記アモルファスＳｉ膜４、ドレイン電極膜５およびソース電極膜６の全面を覆うように窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３´が形成された積層膜構造を有している。
かかる積層膜構造を有する薄膜トランジスターを作製するには、まず、図８の断面図に示されるような、ガラス基板１の表面に純銅からなるゲート電極膜２を形成し、このゲート電極膜２およびガラス基板１の上に窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３を形成し、さらに窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３の上にアモルファスＳｉ膜４を形成し、このアモルファスＳｉ膜４の上にバリア膜７を形成し、前記窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３およびバリア膜７の全面を被覆するように純銅膜８を形成して積層体９を作製する。
次いで前記積層体９のバリア膜７および純銅膜８を写真製版（フォトリソ）により湿式エッチングすることによってバリア膜７および純銅膜８に覆われていたアモルファスＳｉ膜４の一部を露出させ、バリア膜７、ドレイン電極膜５およびソース電極膜６を形成することにより図９の断面図に示される従来の薄膜トランジスター中間体１０を作製し、その後、従来の薄膜トランジスター中間体１０の全面に窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３´を３００℃前後で化学蒸着することにより図７の断面図に示される従来の薄膜トランジスターを作製する。図７〜９に図示されてはいないが、ドレイン電極膜５およびソース電極膜６の密着性を高めるためにドレイン電極膜５およびソース電極膜６の下地層として酸素を含む銅膜（酸素含有銅膜）を形成することも知られている。
前記窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３´は一般に３００℃前後で化学蒸着することにより成膜されるので、窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３´の成膜時に前記アモルファスＳｉ膜４のＳｉが純銅からなるドレイン電極膜５およびソース電極膜６に拡散し、そのためにドレイン電極膜５およびソース電極膜６の比抵抗が大きく上昇する。
この窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３´の化学蒸着時にアモルファスＳｉ膜４のＳｉがドレイン電極膜５およびソース電極膜６に拡散してドレイン電極膜５およびソース電極膜６の比抵抗が上昇するのを阻止するために、アモルファスＳｉ膜４とドレイン電極膜５の間およびアモルファスＳｉ膜４とソース電極膜６の間にバリア膜７を形成する。このバリア膜７として通常ＭｏもしくはＭｏ合金膜またはＴｉもしくはＴｉ合金膜が使用されており、このバリア膜７はその後薄膜トランジスターが加熱されるようなことがあってもアモルファスＳｉ膜４のＳｉがドレイン電極膜５およびソース電極膜６に拡散してドレイン電極膜５およびソース電極膜６の比抵抗が上昇するのを阻止する作用も果たす（特許文献１参照）。
特開２００４−１６３９０１号公報

しかし、バリア膜７としてＭｏ膜もしくはＭｏ合金膜またはＴｉもしくはＴｉ合金膜を使用すると、Ｍｏ、Ｔｉまたはこれらの合金膜からなるバリア膜７と純銅膜８とは異なる金属で構成されており、かかる異なる金属が接触している複合金属膜を湿式エッチングすると湿式エッチングする際に局部電池が形成され、バリア膜７とドレイン電極膜５の接触端部およびバリア膜とソース電極膜６の接触端部が優先的にエッチングされ、図９の一部拡大図である図１０に示されるように、バリア膜７とドレイン電極膜５の接触端部およびバリア膜７とソース電極膜６の接触端部に深い凹部１１が生成し、この凹部１１はバリア膜７とドレイン電極膜５の境界およびバリア膜７とソース電極膜６の境界に沿って奥深く形成されるので、湿式エッチング中に凹部１１に湿式エッチング液が浸透し、湿式エッチング中に凹部１１に浸透した湿式エッチング液は洗浄し乾燥しても排出されず、湿式エッチング液が凹部１１から排出されない状態で窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３´を３００℃前後で化学蒸着すると、化学蒸着中に湿式エッチング液が蒸発し、窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３´に膨らみが生じて窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３´の一部の密着性が低下したりするために薄膜トランジスター不良の原因となる。

そこで、本発明者等は、前記湿式エッチング中の凹部の生成を防止して薄膜トランジスターを作製すべく研究を行った。その結果、
（イ）炭化ケイ素膜は、バリア膜として従来から知られているＭｏ膜もしくはＭｏ合金膜またはＴｉもしくはＴｉ合金膜と同等のバリア効果を有し、この炭化ケイ素膜の上に、純銅膜、または微量炭素含有銅膜および純銅膜からなる複合導電膜を被覆した積層体を作製し、この積層体を湿式エッチングして得られた薄膜トランジスター中間体には図１０に示されるような凹部が生成することがない、
（ロ）また、前記炭化ケイ素膜上に純銅膜を形成したのち湿式エッチングして得られた薄膜トランジスター中間体の上に窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３´を３００℃前後で化学蒸着しても、炭化ケイ素膜がバリア効果を発揮し、化学蒸着中にアモルファスＳｉ膜のＳｉがドレイン電極膜およびソース電極膜にまで拡散し到達してドレイン電極膜およびソース電極膜の比抵抗を増加させることはない、
（ハ）さらに、前記炭化ケイ素膜は、従来のＭｏ膜もしくはＭｏ合金膜またはＴｉもしくはＴｉ合金膜と同等のバリア性を有するので、その後に薄膜トランジスターが加熱されるようなことがあってもアモルファスＳｉ膜のＳｉがドレイン電極膜およびソース電極膜に拡散してドレイン電極膜およびソース電極膜の比抵抗を増加させることはない、
（ニ）前記バリア膜として作用する炭化ケイ素膜は、炭素：１５原子％以上であり、その厚さは１〜１５ｎｍの範囲内にあることが好ましい、などの研究結果が得られたのである。

この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
（１）ガラス基板の上にゲート電極膜を形成し、前記ガラス基板およびゲート電極膜の上に窒化珪素膜を形成し、前記窒化珪素膜の上にアモルファスＳｉ膜を形成し、前記アモルファスＳｉ膜の上に、炭化ケイ素膜で構成されたバリア膜を介して純銅からなるドレイン電極膜およびソース電極膜を形成し、前記アモルファスＳｉ膜の上のバリア膜、ドレイン電極膜およびソース電極膜の上に窒化珪素膜を被覆形成してなる薄膜トランジスターにおいて、前記バリア膜と前記ドレイン電極膜との間および該バリア膜と前記ソース電極膜との間に微量の炭素を含む微量炭素含有銅膜が形成されている薄膜トランジスター、
（２）前記バリア膜は、炭素：１５原子％以上を含む炭化ケイ素膜である前記（１）に記載の薄膜トランジスター、
（３）前記バリア膜は、厚さ：１〜１５ｎｍの範囲内にある炭化ケイ素膜である前記（１）または（２）に記載の薄膜トランジスター、に特徴を有するものである。

この発明の薄膜トランジスターは、下記の如き方法により作製することができる。まず、図１の断面図に示されるように、ガラス基板１の表面に純銅からなるゲート電極膜２を形成し、このゲート電極膜２およびガラス基板１の上に窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３を形成し、さらに窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３の上にアモルファスＳｉ膜４を形成して第１積層体１３を作製する。
次に、この第１積層体１３のアモルファスＳｉ膜４の上に、図２の断面図に示されるように、炭化ケイ素膜１２を形成して第２積層体１４を作製する。この炭化ケイ素膜１２は、図１の第１積層体１３を基板としスパッタ装置内に載置し、スパッタ装置内の雰囲気をメタンガスなどの炭化水素ガスを含む不活性ガス雰囲気となるように保持しながら空スパッタすることによりアモルファスＳｉ膜４と反応させてアモルファスＳｉ膜４の表面に形成する。
次に、第２積層体１４の上に、図３の断面図に示されるように、炭素を微量含む微量炭素含有銅膜１５を成膜して第３積層体１６を作製する。この微量炭素含有銅膜１５は、純銅製のターゲットを用い、図２の第２積層体１４を基板としスパッタ装置内に載置し、雰囲気をメタンガスなどの炭化水素ガスを含む不活性ガス雰囲気となるように保持しながらスパッタすることにより形成することができる。この微量炭素含有銅膜１５は純銅膜の炭化ケイ素膜１２に対する密着性および窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３に対する密着性を一層向上させるために有効であるので微量炭素含有銅膜１５を形成することが一層好ましい。しかし、この微量炭素含有銅膜１５は形成しなくても炭化ケイ素膜１２を有するだけでアモルファスＳｉ膜のＳｉがドレイン電極膜およびソース電極膜に拡散してドレイン電極膜およびソース電極膜の比抵抗を増加させるのを阻止することができる。したがって、微量炭素含有銅膜１５が形成されないものもこの発明の範囲に含まれる。
さらに、図４に示されるように、第３積層体１６の上に純銅膜８を形成して第４積層体１７を作製する。この純銅膜８は純銅製のターゲットを用い、図３の第３積層体１６を基板としてスパッタ装置内に載置し、不活性ガス雰囲気中においてスパッタすることにより形成することができる。
このようにして得られた第４積層体１７の微量炭素含有銅膜１５および純銅膜８に覆われていたアモルファスＳｉ膜４上の炭化ケイ素膜１２の一部を露出させ、ドレイン電極膜５およびソース電極膜６を形成することにより図５の断面図に示される薄膜トランジスター中間体１８を作製する。炭化ケイ素膜１２の一部を露出させて前記ドレイン電極膜５およびソース電極膜６を形成するには微量炭素含有銅膜１５および純銅膜８を写真製版（フォトリソ）により湿式エッチングすることによって作製することができる。この薄膜トランジスター中間体１８の上にさらに窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３´を成膜することによりこの発明の薄膜トランジスター１９を作製することができる。この窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３´の成膜は、従来と同様にして窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜３´を３００℃前後で化学蒸着することにより達成される。前記炭化ケイ素膜１２は、その後、薄膜トランジスターが加熱されるようなことがあっても優れたバリア性を発揮してアモルファスＳｉ膜４のＳｉがドレイン電極膜５およびソース電極膜６に拡散するのを阻止し、ドレイン電極膜５およびソース電極膜６の比抵抗を増大させることはない。

この発明の薄膜トランジスターのバリア膜として形成される炭化ケイ素膜１２に含まれる炭素および膜厚を前述のごとく限定した理由を説明する。

（ａ）炭化ケイ素膜の炭素量：
炭化ケイ素膜に含まれる炭素量が１５原子％未満であるとアモルファスＳｉ膜のＳｉの拡散を十分に阻止することができないので好ましくない。したがって、この発明の薄膜トランジスターにおいて形成される微量炭素含有銅膜に含まれる酸素は１５原子％以上（好ましくは２０〜６６原子％）に定めた。

（ｂ）炭化ケイ素膜の厚さ：
炭化ケイ素膜の厚さは１ｎｍ未満では薄過ぎてアモルファスＳｉ膜のＳｉがドレイン電極膜およびソース電極膜に拡散することを阻止することができないので好ましくなく、一方、１５ｎｍを越えて厚くしても格別の効果が得られない。したがって、微量炭素含有銅膜の厚さを１〜１５ｎｍに定めた。

この発明の薄膜トランジスターは、アモルファスＳｉ膜の表面に直接炭化ケイ素バリア膜を成膜することができるのでコストがかからないこと、湿式エッチング時にバリア膜とドレイン電極膜およびバリア膜とソース電極膜のそれぞれの接合端部に凹部が形成されることがないことなどから、作製した薄膜トランジスターに不良品発生が極めて少なく、低コストで優れた性能を有するフラットパネルディスプレイを提供することができるなど優れた効果を奏するものである。

実施例
ガラス基板（縦：５０ｍｍ、横：５０ｍｍ、厚さ：０．７ｍｍの寸法を有するコーニング社製１７３７のガラス基板）の上全面にアモルファスＳｉ膜を２００ｎｍの厚さに成膜した。このアモルファスＳｉ膜を２００ｎｍの厚さに成膜したものを基板としてスパッタ装置に設置し、さらに純度：４Ｎの無酸素銅からなる直径6インチのターゲットをスパッタ装置に設置し、スパッタ装置の電源として直流方式を採用し、スパッタ装置の真空容器を到達真空度４×１０^−５Ｐａになるまで真空引きした。次にメタンガスを表１に示す割合で含んだＡｒガスを真空容器内に流し、スパッタ雰囲気圧力を０．６７Ｐａとした後、ターゲットと基板の間に設置したシャッターを閉じたまま出力：６００Ｗで表１に示される時間放電して表１に示される最大炭素含有量および厚さを有する炭化ケイ素膜をアモルファスＳｉ膜の上に成膜した。
なお、炭化ケイ素膜の最大炭素含有量は日本電子（株）製透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に装着された（株）ノーラン社製エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）Ｖｏｙａｇｅｒで測定した。加速電圧は２００ｋＶとした。
また、炭素含有量を炭化ケイ素膜の膜厚方向にＴＥＭに装着されたＥＤＳで測定し、炭素含有量が１５原子％以上の炭化ケイ素膜の厚さを炭化ケイ素膜の厚さとした。
次に、雰囲気をそのまま維持した状態でシャッターを開け、スパッタを続けて前記炭化ケイ素膜の上に幅：２０ｍｍ、長さ：４０ｍｍの寸法を有する厚さ：５０ｎｍの微量炭素含有銅膜を成膜した。
次に酸素の供給を停止し、Ａｒガスのみで０．６７Ｐａの圧力で２５０ｎｍの厚さになるまで無酸素銅膜を成膜することにより前記微量炭素含有銅膜の上に幅：２０ｍｍ、長さ：４０ｍｍの寸法を有する無酸素銅膜を形成し、さらにこの微量炭素含有銅膜および無酸素銅膜に湿式エッチングすることにより縦：１０ｍｍ、横：１０ｍｍの寸法の窓を開け、本発明薄膜トランジスター中間体試験片１〜７および比較薄膜トランジスター中間体試験片１〜２を作製した。

湿式エッチングした本発明薄膜トランジスター中間体試験片１〜７および比較薄膜トランジスター中間体試験片１〜２における微量炭素含有銅膜および無酸素銅膜に縦：１０ｍｍ、横：１０ｍｍの寸法の窓を開け、窓部の湿式エッチングした微量炭素含有銅膜および無酸素銅膜の界面の断面をＴＥＭで５百万倍に拡大し、接触端部に生成する凹部の有無を観察し、その結果を表１に示した。

さらに本発明薄膜トランジスター中間体試験片１〜７および比較薄膜トランジスター中間体試験片１〜２の上に温度：３００℃に保持しながらプラズマＣＶＤにより厚さ：２００ｎｍのＳｉＮｘ絶縁膜を成膜し、このＳｉＮｘ絶縁膜をドライエッチングすることにより剥離した後の無酸素銅膜の比抵抗を４探針法で測定し、その結果を表１に示すことにより炭化ケイ素膜のバリア性を評価した。

従来例
実施例で作製したガラス基板（縦：５０ｍｍ、横：５０ｍｍ、厚さ：０．７ｍｍの寸法を有するコーニング社製１７３７のガラス基板）の上のＳｉ薄膜の上にスパッタにより厚さ：５０ｎｍのＭｏ薄膜を成膜し、次いでこのＭｏ薄膜の上に実施例と同じ条件で厚さ：２５０ｎｍの無酸素銅膜を成膜することによりＭｏ薄膜および無酸素銅膜からなる複合膜を有する従来薄膜トランジスター中間体試験片１を作製した。得られた従来薄膜トランジスター中間体試験片１の複合膜を縦：１０ｍｍ、横：１０ｍｍの寸法の窓を開けるように湿式エッチングし、Ｍｏ薄膜および無酸素銅膜の界面の断面をＴＥＭで５百万倍に拡大して観察した結果、複合膜の接触端部に凹部が生成していることがわかり、その結果を表１に示した。
次に、この湿式エッチングした従来薄膜トランジスター中間体試験片１を基板とし、基板を温度：３００℃に保持しながらプラズマＣＶＤを行い、厚さ：２００ｎｍを有するＳｉＮｘ絶縁膜を成膜した。このＳｉＮｘ絶縁膜をドライエッチングすることにより剥離した後の無酸素銅膜の比抵抗を４探針法で測定し、その結果を表１に示すことによりＭｏ膜のバリア性を評価した。

表１に示される結果から、本発明薄膜トランジスター中間体試験片１〜７のＳｉＮｘ絶縁膜の成膜後の無酸素銅膜の比抵抗は、従来薄膜トランジスター中間体試験片１のＳｉＮｘ絶縁膜の成膜後の無酸素銅膜の比抵抗とほぼ同じであることから、炭化ケイ素膜が従来薄膜トランジスター中間体試験片１のＭｏ膜と同等のバリア性を有するが、従来薄膜トランジスター中間体試験片１には湿式エッチングに際して凹部が生成することがわかる。また、この発明の範囲から外れた値の比較薄膜トランジスター中間体試験片１〜２は無酸素銅膜中にＳｉが拡散して比抵抗が上昇することがわかる。

第１積層体の断面概略説明図である。 第２積層体の断面概略説明図である。 第３積層体の断面概略説明図である。 第４積層体の断面概略説明図である。 この発明の薄膜トランジスター中間体の断面概略説明図である。 この発明の薄膜トランジスターの断面概略説明図である。 従来の薄膜トランジスターの要部を説明するための断面概略説明図である。 従来の積層体の要部を説明するための断面概略説明図である。 従来の薄膜トランジスター中間体の断面概略説明図である。 図９の一部拡大断面概略説明図である。

符号の説明

１：ガラス基板、２：ゲート電極、３：ＳｉＮｘ膜、３´：ＳｉＮｘ膜、４：アモルファスＳｉ膜、５：ドレイン電極、６：ソース電極、７：バリア層、８：純銅膜、９：積層体、１０：従来の薄膜トランジスター中間体、１１：凹部、１２：炭化ケイ素膜、１３：第１積層体、１４：第２積層体、１５：微量炭素含有銅膜、１６：第３積層体、１７：第４積層体、１８：この発明の薄膜トランジスター中間体、１９：この発明の薄膜トランジスター

Claims (3)

1. ガラス基板の上にゲート電極膜を形成し、前記ガラス基板およびゲート電極膜の上に窒化珪素膜を形成し、前記窒化珪素膜の上にアモルファスＳｉ膜を形成し、前記アモルファスＳｉ膜の上に、炭化ケイ素膜で構成されたバリア膜を介して純銅からなるドレイン電極膜およびソース電極膜を形成し、前記アモルファスＳｉ膜の上のバリア膜、ドレイン電極膜およびソース電極膜の上に窒化珪素膜を被覆形成してなる薄膜トランジスターにおいて、
   前記バリア膜と前記ドレイン電極膜との間および該バリア膜と前記ソース電極膜との間に微量の炭素を含む微量炭素含有銅膜が形成されていることを特徴とする薄膜トランジスター。
2. 前記バリア膜は、炭素：１５原子％以上を含む炭化ケイ素膜であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスター。
3. 前記バリア膜は、厚さ：１〜１５ｎｍの範囲内にある炭化ケイ素膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜トランジスター。

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