JP5584436B2 - 薄膜トランジスタ基板の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明に係るTFTの第1の実施形態を図1Aに示す。図1Aは、TFT用基板の上に第1の半導体層を有し、その上に直接、(N、C、F、O)層とCu−Si拡散層とからなる2層の積層構造を有しており、その上に直接、Cu系合金層が形成された構造を有している。図1Aの構造は、(N、C、F、O)層を形成した後、第2の半導体層、次いでCu系合金層を形成し、その後に約150℃以上の熱履歴を加えることによって得られ、例えば、後記する実施例1の方法によって得られる。
本発明に係るTFTの第2の実施形態は、上述した第1の実施形態における2層の積層構造を構成する窒素含有層と、TFT用基板の間に、第1の半導体層、(N、C、F、O)層、第1の半導体層を有している例である。詳細には、図2に示すように、TFT用基板の上に第1の半導体層、(N、C、F、O)層、第1の半導体層を有し、その上に直接、(N、C、F、O)層とCu−Si拡散層とからなる2層の積層構造を有しており、その上に直接、Cu系合金層が形成された構造を有している。図2の構造は、例えば、後記する実施例2の方法によって得られる。
本発明に係るMOSFETの第1の実施形態を図5に示す。図5は、単結晶Siの上に直接、(N、C、F、O)層とCu−Si拡散層とからなる2層の積層構造を有しており、その上に直接、Cu系合金層が形成された構造を有している。このような構造は図6に示す工程により形成される。すなわち、イオン注入法などにより窒素を単結晶Si基板中に打ち込む。このとき、注入された窒素はある深さ(飛程と呼ばれる)を中心にほぼガウス分布の深さ方向分布を有する。注入された窒素のダメージによりSiの一部はアモルファス化する。次にCu系合金膜をスパッタとメッキにより成膜し、その後アニールなどの熱処理を施すことでCu系合金膜/Cu−Si拡散層/窒素含有層/単結晶Siの構造が形成される。
表1に示す、実施例1〜6、比較例1、および従来例1では、TFT特性などを簡易に測定するため、図4の各工程図に従って作製した図4のTFTに対し、300℃で30分間のアニールを行った。このアニール条件は、TFT基板の製造工程で、熱履歴が最大となるSi窒化膜(保護膜)の成膜工程の加熱処理を想定して設定されたものである。本実施例に供したTFTは、現実のTFT基板のように種々の成膜工程が施されて完成されたものではないが、上記のアニールを行ったTFTは、実際のTFT基板のTFT特性をほぼ反映していると考えられる。
実施例1は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料としてCu−0.3原子%Niを用いた。
上記のTFTを用い、TFTのドレイン電流−ゲート電圧のスイッチング特性を調べた。これによっても、SiとCuとの相互拡散を間接的に評価することができる。ここでは、TFTのスイッチングのオフ時に流れるリーク電流(ゲート電圧に負電圧を印加したときのドレイン電流値、オフ電流)と、TFTのスイッチングのオン時に流れるオン電流とを以下のようにして測定した。
アニール後のアモルファスシリコン膜とCu系合金膜との界面を断面TEM観察(倍率30万倍と150万倍)し、SiとCuとの相互拡散の挙動を評価した。上記界面の断面TEM像を図7に示す。図7に示すように、300℃の熱処理によりCuはその下に存在する低抵抗アモルファスシリコン膜中まで拡散してCu−Si拡散層を形成し、Cu系合金膜との間に明瞭な界面層が観察された。よって、実施例1によれば、アモルファスシリコン膜の上に窒素含有層とCu−Si拡散層からなる積層構造が形成されることが確認された。更に、EDX法で半定量分析を行った結果、低抵抗アモルファスシリコン膜中にはCu元素は殆ど検出されず、Cuの拡散は低抵抗アモルファスシリコン膜の上層で阻止されていることが分かった。
Cu系合金膜と半導体層(アモルファスシリコン膜)とのコンタクト抵抗を調べるため、図8の各工程図に従ってTLM法(Transfer Length Method)によりTLM素子を形成した。
ρc=Rc*LT*Z
上式中、Zは、図10(b)に示すように電極幅を示す。
実施例1について、窒素原子の面密度(N1)および酸素原子の面密度(O1)を、神戸製鋼所製高分解能RBS分析装置「HRSB500」を用いて測定した。その結果、実施例1のN原子面密度(N1)は6.8×1015/cm2、O原子面密度(O1)は検出限界以下であり、良好なTFT特性を有することが確認された。
実施例2は、前述した実施形態2の配線構造(図2を参照)を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として実施例1と同じCu−0.3原子%Niを用いた。
実施例3は、前述した実施形態5の配線構造(図1Cを参照)を有する本発明例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として実施例1と同じCu−0.3原子%Niを用いた。
実施例4は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する本発明例であり、前述した実施例1において、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として純Cuを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例4のTFTを作製した。
実施例5は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する本発明例であり、前述した実施例1において、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料としてCu−0.1原子%Geを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例5のTFTを作製した。
実施例6は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する本発明例であり、前述した実施例1において、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料としてCu−0.5原子%Mnを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例6のTFTを作製した。
比較例1は、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)において、窒素含有層を有しない比較例であり、ソース・ドレイン電極を構成する配線材料として、実施例1と同じCu系合金を用いた。詳細には、前述した実施例1において、窒素含有層を形成する工程を行なわなかったこと以外は実施例1と同様にして比較例1のTFTを作製した。
表2に示す実験群(実施例11〜22、および比較例11〜18)は全て、前述した実施形態1の配線構造(図1Aを参照)を有する例である。ここでは、ソース−ドレイン電極を構成する配線材料として、表2に示す純Cu(表2のNo.6〜10)またはCu合金(表2のNo.1〜5、No.11〜20)を用いたときの夫々について、窒素ガス/半導体原料ガスの混合ガスの流量比を表2に示す範囲で種々変化させて窒素含有層を形成したときにおける、TFT特性およびコンタクト抵抗に及ぼす影響を調べた。
実施例11は、前述した実施例1において、窒素ガスの代わりに窒素ガス/半導体原料ガスの混合ガス(流量比0.3)を用いて窒素含有層を形成した例である。
このようにして得られた実施例11のTFTに対し、実施例1と同様にして実施例11のオフ電流およびオン電流を測定した。その結果は表2に示すとおりであり、実施例11のTFTは、前述した従来例のTFTと同等の良好なTFT特性を有することがわかった。
更に、実施例11のコンタクト抵抗を調べるため、前述した実施例1と同様、TLM法によりTLM素子を形成して調べた。詳細には、実施例1において、図10に示すTLM素子の窒素含有層形成条件(組成ガスおよびガスの流量比)を、半導体層形成ガスであるSiH4:30sccm、PH3:0.2sccm、N2:10sccm[窒素ガス(10sccm)/半導体原料ガス(30sccm+0.2sccm)の流量比=0.3]としたこと以外は、実施例1と同様にしてコンタクト抵抗を測定した。その結果は表2に示すとおりであり、実施例11のTFTは良好なコンタクト抵抗を有することが確認された。
実施例12は、前述した実施例11において、窒素ガス/半導体原料ガスの流量比を3.3に変えた例である。
実施例13は、前述した実施例11において、窒素ガス/半導体原料ガスの流量比を9.9に変えた例である。
比較例11は、前述した実施例11において、窒素ガス/半導体原料ガスの流量比を19.9に変えた例である。
比較例12は、前述した実施例11において、窒素ガス/半導体原料ガスの流量比を0.07に変えた例である。
実施例14〜16、および比較例13〜14はそれぞれ、前述した実施例11〜13、および比較例11〜12のそれぞれにおいて、ソース−ドレイン電極を構成する配線材料として、Cu−0.3原子%Niの代わりに純Cuを用いたこと以外は、各例と同様にしてTFTを作製した例である(表2を参照)。例えば実施例14と実施例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例であり、比較例13と比較例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例である。これらのTFT特性およびコンタクト抵抗の結果を表2に示す。
実施例17〜19、および比較例15〜16はそれぞれ、前述した実施例11〜13、および比較例11〜12のそれぞれにおいて、ソース−ドレイン電極を構成する配線材料として、Cu−0.3原子%Niの代わりにCu−0.5原子%Mnを用いたこと以外は、各例と同様にしてTFTを作製した例である(表2を参照)。例えば実施例17と実施例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例であり、比較例15と比較例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例である。これらのTFT特性およびコンタクト抵抗の結果を表2に示す。
実施例20〜22、および比較例17〜18はそれぞれ、前述した実施例11〜13、および比較例11〜12のそれぞれにおいて、ソース−ドレイン電極を構成する配線材料として、Cu−0.3原子%Niの代わりにCu−0.1原子%Geを用いたこと以外は、各例と同様にしてTFTを作製した例である(表2を参照)。例えば実施例20と実施例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例であり、比較例17と比較例11とは、配線材料の種類が異なること以外は同じ条件で製造した例である。これらのTFT特性およびコンタクト抵抗の結果を表2に示す。
表3に示す実施例23〜26では、純CuまたはCu合金のCu合金膜とCu−Si拡散層との密着性を測定した。まず、ガラス基板上にプラズマCVD法により、不純物(P)をドーピングした低抵抗のn+a−Si:Hを成膜した(膜厚:約200nm)。続いて、同一のプラズマCVD装置内で窒素ガスのみを供給してプラズマを発生させ、低抵抗n+a−Si:Hの表面を窒素プラズマにて30秒間処理し、窒素含有層を形成した。このプラズマに印加したRFパワー密度は約0.3W/cm2、成膜温度は320℃、ガス圧力は67Paとした。
Claims (7)
- 基板の上に、基板側から順に、
不純物の原子濃度が10 15 cm -3 以下の高抵抗アモルファスシリコン膜および不純物の原子濃度が10 19 cm -3 以上の低抵抗アモルファスシリコン膜、または前記高抵抗アモルファスシリコン膜で構成される第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層の上に、前記第1の半導体層のSiと、窒素、炭素、フッ素、および酸素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素と、から構成される(N、C、F、O)層を形成する第1の工程と、
第2の半導体層、および純CuまたはCu合金のCu系合金を形成した後、300℃で30分の熱処理を含む熱履歴を加えて、CuおよびSiを含むCu−Si拡散層を0.2〜200nmの膜厚で形成する第2の工程とを、この順序で含むことを特徴とする薄膜トランジスタ基板の製造方法。 - 前記第1の工程は、半導体層形成装置を用いて行なわれる請求項1に記載の製造方法。
- 前記第1の工程と前記第2の工程は、同じ半導体層形成用チャンバー内で連続して行なわれる請求項2に記載の製造方法。
- 前記第1の工程は、窒素、炭素、フッ素、および酸素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガスを用いて(N、C、F、O)層を形成する工程を含む請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
- 前記第1の工程は、窒素、炭素、フッ素、および酸素よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有するガスと、半導体層形成に用いられる原料ガスとの混合ガスを用いて(N、C、F、O)層を形成する工程を含む請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
- 前記第1の半導体層は、高抵抗アモルファスシリコン膜および低抵抗アモルファスシリコン膜で構成される請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法。
- 前記第2の半導体層は、不純物の原子濃度が1015cm-3以下の高抵抗アモルファスシリコン膜からなる請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法。
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