JP5777777B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本明細書で開示する発明は、結晶性を有する薄膜半導体を用いた半導体装置の作製方法
に関する。特に、プレーナー型薄膜トランジスタの作製方法に関する。
最近、安価なガラス基板上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製する技術が急速に発達
してきている。その理由は、アクティブマトリクス型液晶表示装置の需要が高まったこと
にある。
アクティブマトリクス型液晶表示装置は、マトリクス状に配置された数百万個もの各画
素のそれぞれにＴＦＴを配置し、各画素電極に出入りする電荷をＴＦＴのスイッチング機
能により制御するものである。
そのため、１個のＴＦＴが動作しなければ、それに接続された画素電極は表示素子とし
ての機能を失うことになる。これは、いわゆる点欠陥の原因となる。
例えば、ノーマリブラックの液晶表示装置であれば、白色表示した時に点欠陥が黒点と
して現れ、非常に外観を害する。
また、この画素電極表示用ＴＦＴを駆動する回路（周辺駆動回路と呼ばれる）を、同じ
ガラス基板上にＴＦＴで集積化することが求められている。
この場合、駆動用ＴＦＴが動作しなければ、そのＴＦＴから駆動電圧を印加されるＴＦ
Ｔは全てスイッチング素子として機能しなくなる。これは、いわゆる線欠陥の原因となり
、液晶表示装置として致命的な障害となる。
従って、アクティブマトリクス型液晶表示装置は、数百万個ものＴＦＴが長期的に正常
、かつ、安定した動作を維持しうるものでなくてはならない。
しかしながら、点欠陥や線欠陥を完全に排除するのは極めて困難であるのが現状である
。その原因の１つとして、コンタクト不良がある。
コンタクト不良とは、配線電極とＴＦＴとの電気的な接続箇所（以後、コンタクトと呼
ぶ）が、接続不良を起こした時に生じる動作不良のことである。特に、プレーナー型ＴＦ
Ｔでは配線電極とＴＦＴとが、細い開孔穴（コンタクトホール）を介して電気的接続を取
るため、コンタクト不良は重大な問題となっている。
コンタクト不良は半導体素子特性の早期劣化の主原因であり、大電流が流れる場合や高
温動作において特に劣化が加速される。従って、コンタクトの信頼性が半導体素子の信頼
性を決めるとまで言われている。
一般的に、アクティブマトリクス型液晶表示装置における画素表示領域の場合、ゲイト
電極はそのまま画素表示領域外へ引き出されるためコンタクトが存在しない。即ち、画素
電極とのコンタクトが、液晶表示装置の信頼性にとって非常に重要である。
また、周辺駆動回路の場合は、数十万〜数百万個のコンタクトが存在する。特にゲイト
電極のコンタクトがあること、大電流動作に伴う温度上昇があることは、コンタクトに対
して画素表示領域以上の信頼性が要求されることを意味する。
コンタクト不良の原因は、大別して３つを挙げられる。その１つとしては、配線電極を
形成する導電性膜と、ＴＦＴのソース／ドレインを形成する半導体膜とが、オーミック接
合により接触していないことが挙げられる。
これは、接合面に絶縁性の被膜、例えば金属酸化物等が形成されたりすることによる。
また、半導体膜表面近傍の状態（不純物濃度、欠陥準位密度、清浄度等）が、コンタクト
の性能を大きく左右する。
２つめの原因としては、配線電極を形成する導電性膜のカバレッジが悪く、コンタクト
ホール内で断線していることを挙げられる。
この場合、配線電極の成膜方法や成膜条件によって改善を図る必要がある。
また、３つめの原因としては、コンタクトホールの断面形状に起因する配線電極の断線
が挙げられる。コンタクトホールの断面形状は、コンタクト部に覆われた絶縁物（ＳｉＮ
、ＳｉＯ2 等）のエッチング条件に強く依存する。
カバレッジの良好なコンタクトを形成するためには、連続的に変化する緩やかな断面形
状（テーパーと呼ばれる）が望ましい。また、多層層間絶縁膜の場合によく見られる下層
膜のオーバーエッチング（えぐれ）はカバレッジを著しく悪化させる。
本明細書で開示する発明は、配線電極とＴＦＴとの電気的な接続経路となるコンタクト
ホールの断面形状を改善し、コンタクト不良によるＴＦＴの動作不良を低減することを課
題とする。
即ち、コンタクトの信頼性を改善して、デバイスまたは液晶表示装置としての長期信頼
性を改善することを課題とする。また、点欠陥や線欠陥を排除して、製造工程の歩留りの
向上を課題とする。
本明細書で開示する発明の一つは、
陽極酸化可能な材料からなるゲイト電極を有するゲイト部と、
半導体よりなるソース部またはドレイン部と、
を有する薄膜トランジスタの作製工程において、
前記ゲイト部、ソース部およびドレイン部を覆って主成分の同じ絶縁性被膜を少なくと
も二層に積層する工程と、
前記絶縁性被膜をドライエッチングにより開孔せしめるに際し、前記絶縁性被膜の最上
層から最下層に向かって順次傾斜角が小さくなるようにテーパーを形成する工程と、
を有することを特徴とする。
上記発明は、層間絶縁膜とする絶縁性被膜のドライエッチングレートを制御することで
、コンタクトホールの断面形状を最上層から最下層に向かって順次傾斜角が小さくなるよ
うにテーパー化することを特徴とする。なおテーパー角は、図３のαやβで示される確度
で定義される。
前記絶縁性被膜は、層間絶縁膜としての機能を有していれば良いため、酸化珪素膜、窒
化珪素膜、有機性樹脂など様々な材料が使用できる。
この際、ドライエッチングレートを容易に制御できる材料が望ましい。これは、上層の
エッチングレートを、下層のエッチングレートより速くすることで容易に所望のテーパー
を形成できるからである。
また、一般的にはドライエッチングによりコンタクトホールを形成する場合、リアクテ
ィブイオンエッチング法（ＲＩＥ法）が用いられる。
しかし、ＲＩＥ法の欠点はエッチングが終了した時点（エンドポイントと呼ばれる）が
はっきりしないと、コンタクトをとるべき導電性薄膜をも掘り進んでしまうことである。
ＲＩＥ法の場合、エンドポイントの検知はプラズマ発光測定によるのが一般的である。
これは、エッチングの際に生じる特定のラジカルやイオンをモニタリングすることによっ
て行う。
この場合、例えば酸化珪素膜からなるゲイト絶縁膜上に形成された、酸化珪素膜からな
る層間絶縁膜のエッチングは、モニタする発光種が混同されエンドポイントの確認が困難
となる。
上記のことを考慮すると、層間絶縁膜として用いる絶縁性被膜は作製するＴＦＴの構造
を十分考慮して選択する必要がある。
本明細書で開示する他の発明は、
陽極酸化可能な材料からなるゲイト電極を有するゲイト部と、
半導体よりなるソース部またはドレイン部と、
を有する薄膜トランジスタの作製工程において、
前記ゲイト部、ソース部およびドレイン部を覆って絶縁性被膜を形成する工程と、
前記絶縁性被膜をドライエッチング法により開孔せしめる工程と、
前記絶縁性被膜の下面に接する薄膜をエッチングする工程と、
前記工程により形成された開孔穴をライトエッチングする工程と、
を有することを特徴とする。
上記発明は、コンタクトホールをライトエッチングによって拡げることと、コンタクト
ホール上部にテーパーを形成することを特徴とする。
絶縁性被膜の下面に接する薄膜をウェットエッチングすると、等方性エッチングのため
絶縁性被膜の下に回り込んで開孔穴が形成される。
その時、下に回り込んだ部分がえぐれとなり、後に配線電極の断線の原因となる。
本発明によれば、ライトエッチングを行うことで、コンタクトホールの内壁面をえぐれ
た分だけ拡げることができ、えぐれ部分をなくすことができる。
この時、ライトエッチングの際のガス組成比は、コンタクトホールを形成する際のガス
組成比よりもＯ2 添加量を増やしたものとする。
これは、えぐれ部分をなくすと同時にコンタクトホールの開孔領域を形成するレジスト
マスクを後退させ、コンタクトホールのへり（本明細書では、コンタクトホール入口の外
枠をへりと呼ぶこととする）の角を丸くするためである。
即ち、このライトエッチングにより、なだらかな曲線に沿って落ち込むような断面形状
のコンタクトホールが得られる。従って、配線電極のカバレッジは極めて良好なものとな
る。
本発明によれば、層間絶縁膜を二層以上の多層構造とし、下層よりも上層のエッチング
レートを速くしたため、層間絶縁膜の最上層から最下層に向かって、順次傾斜角が小さく
なるようにテーパーを形成することができる。
また、ライトエッチングを行うことで、図２（Ｂ）の円内のようなゲイト絶縁膜１０３
や陽極酸化膜１０７のえぐれ部分を無くすことができる。さらに、コンタクトホールの上
部断面形状も改善することができる。
以上の効果により、コンタクトホールの断面形状が大きく改善され、ＴＦＴ作製の歩留
りおよび配線コンタクトの信頼性が向上する。
また、それに伴いデバイスまたは表示システムの長期信頼性を向上させることができる
。
薄膜トランジスタの作製工程を示す図。 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。 コンタクトホールの断面形状を示す図。 コンタクトホールの断面形状を示す図。 ドライエッチング時のエンドポイントを示す図。 発明を利用したＩＣプロセスを示す図。 発明を利用したＩＣプロセスを示す図。 発明を利用したＩＣプロセスを示す図。
本発明を利用した薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の作製工程例を図１に示す。
まず、酸化珪素膜などの絶縁膜を表面に有したガラス基板１０１を用意する。その上に
、図示しない５００Åの厚さの非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法や減圧熱ＣＶＤ法により
形成し、適当な結晶化方法により結晶化する。この結晶化は加熱によっても、レーザー光
の照射によっても良い。
次に、前記非晶質珪素膜を結晶化して得られた結晶性珪素膜をパターニングして、活性
層を構成する島状の半導体層１０２を形成する。
その上に、後にゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜１０３を１２００Åの厚さに形
成する。この酸化珪素膜１０３の形成方法は、プラズマＣＶＤ法や減圧熱ＣＶＤ法によれ
ば良い。
次に、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする材料からなる膜１０４を４００
０Åの厚さに形成する。このアルミニウム膜１０４は、後にゲイト電極として機能する。
勿論、アルミニウムの他に陽極酸化可能な材料、例えば、タンタル、ニオブ等を用いても
構わない。
次に、電解溶液中でアルミニウム膜１０４を陽極として、陽極酸化を行う。電解溶液と
しては、３％の酒石酸のエチレングリコール溶液をアンモニア水で中和して、ＰＨ＝６．
９２に調整したものを使用する。また、白金を陰極として化成電流５ｍＡ、到達電圧１０
Ｖとして処理する。
こうして形成される緻密な陽極酸化膜１０５は、後にフォトレジストとの密着性を高め
る効果がある。また、電圧印加時間を制御することで陽極酸化膜１０５の厚さを制御でき
る。（図１（Ａ））
こうして、図１（Ａ）の状態が得られたら、アルミニウム膜１０４をパターニングして
、図示しないゲイト電極を形成する。
次に、２度目の陽極酸化を行い、多孔質の陽極酸化膜１０６を形成する。電解溶液は３
％のシュウ酸水溶液とし、白金を陰極として化成電流２〜３ｍＡ、到達電圧８Ｖとして処
理する。
この時陽極酸化は基板に対して平行な方向に進行する。また、電圧印加時間を制御する
ことで多孔質の陽極酸化膜１０６の長さを制御できる。
さらに、専用の剥離液でフォトレジストを除去した後、３度目の陽極酸化を行い、図１
（Ｂ）の状態を得る。
この時、電解溶液は３％の酒石酸のエチレングリコール溶液をアンモニア水で中和して
、ＰＨ＝６．９２に調整したものを使用する。そして、白金を陰極として化成電流５〜６
ｍＡ、到達電圧１００Ｖとして処理する。
この際形成される陽極酸化膜１０７は、非常に緻密、かつ、強固である。そのため、ド
−ピング工程などの後工程で生じるダメージからゲイト電極１０８を保護する効果を持つ
。
また、強固な陽極酸化膜１０７はエッチングされにくいため、コンタクトホール開孔の
際にエッチング時間が長くなる問題がある。そのため、１０００Å以下の厚さにするのが
望ましい。
次いで、イオンドーピング法により、島状の半導体層１０２に不純物を注入する。例え
ば、Ｎチャネル型ＴＦＴを作製するならば、不純物としてＰ（リン）を用いれば良い。
まず、図１（Ｂ）の状態で１度目のイオンドーピングを行う。なお、Ｐ（リン）の注入
は加速電圧６０〜９０ｋＶ、ドーズ量0.2 〜5 ×１０15原子／ｃｍ2 で行う。本実施例で
は、加速電圧８０ｋＶ、ドーズ量１×１０15原子／ｃｍ2 とする。
すると、ゲイト電極１０８、多孔質の陽極酸化膜１０６がマスクとなり、後にソース／
ドレインとなる領域１０９、１１０が自己整合的に形成される。
次に、図１（Ｃ）に示す様に、多孔質の陽極酸化膜１０６を除去して、２度目のドーピ
ングを行う。なお、２度目のＰ（リン）の注入は加速電圧６０〜９０ｋＶ、ドーズ量0.1
〜5 ×１０15原子／ｃｍ2 で行う。
本実施例では、加速電圧８０ｋＶ、ドーズ量１×１０15原子／ｃｍ2 とする。
すると、ゲイト電極１０８がマスクとなり、ソース領域１０９、ドレイン領域１１０と
比較して不純物濃度の低い、低濃度不純物領域１１１、１１２が自己整合的に形成される
。
同時に、ゲイト電極１０８の直下は不純物が全く注入されないため、ＴＦＴのチャネル
として機能する領域１１３が自己整合的に形成される。
このようにして形成される低濃度不純物領域（またはＬＤＤ領域）１１２は、チャネル
領域１１３とドレイン領域１１０との間に高電界が形成されるのを抑制する効果を持つ。
次に、ＫｒＦエキシマレ−ザ−光の照射及び熱アニ−ルを行う。本実施例では、レ−ザ
−光のエネルギ−密度は250 〜300mJ/cm2 とし、熱アニ−ルは300 〜450 ℃１hrで行う。
この工程により、イオンド−ピング工程で損傷を受けた、島状の半導体層１０２の結晶
性を改善することができる。
次に、図１（Ｄ）に示す様に、２層構造で構成される層間絶縁膜１１４、１１５をプラ
ズマＣＶＤ法により形成する。本実施例では、この層間絶縁膜１１４、１１５はそれぞれ
組成比の異なる窒化珪素膜からなる。
この際、２層目層間絶縁膜１１５には、１層目層間絶縁膜１１４よりもドライエッチン
グレートが速い性質を有するような組成比の窒化珪素膜を用いる。例えば、成膜ガスの圧
力や成膜温度を高くしたり、ＲＦパワーを下げたりする事で、エッチングレートが速い膜
を形成することができる。
具体的には、１層目の成膜温度を２５０℃とし、２層目の成膜温度を３５０℃とすると
、２層目のドライエッチングレートは１層目の２倍程に速くなる。また、１層目の成膜ガ
ス圧力を0.3torr とし、２層目の成膜ガス圧力を0.7torr とする。このようにすると、２
層目のドライエッチングレートは１層目の1.5 倍程に速くなる。
これは、図３に示すコンタクトホールの形状において、２層目層間絶縁膜１１５の傾斜
角βよりも１層目層間絶縁膜１１４の傾斜角αの方が小さくなるようにするために必要な
要素である。
また、１層目と２層目の層間絶縁膜の合計膜厚が、ゲイト電極１０８の膜厚の１〜３倍
となるようにする。これは、層間絶縁膜のカバレッジを良くすることで層間絶縁膜を介す
るリーク電流を防止するためである。
ただし、１層目層間絶縁膜１１４は合計膜厚の１／３以下の膜厚が望ましい。それ以上
では、傾斜角αが大きくなり、後のライトエッチング工程において不都合が生じる。
次に、図２（Ａ）の２０１で示すレジストマスクを形成して、ドライエッチング法によ
りコンタクトホールを形成する。エッチングガスの組成比はＣＦ4:Ｏ2 ＝４０: ６０とな
るようにする。
エッチングはエンドポイントが確認されてから、１５０秒後に終了する。エンドポイン
トは図５の様に、窒素イオンの信号強度が一定になった時間として検出される。１層目で
窒素イオンの信号強度が大きくなるのは、１層目の方が２層目より緻密であることによる
。
この時、ソース／ドレインコンタクト部２０２、２０３では、ゲイト絶縁膜１０３がド
ライエッチングのストッパー膜として働く。また、ゲイト電極部２０４では、陽極酸化膜
１０７がドライエッチングのストッパー膜として働く。
さらに、２層目層間絶縁膜１１５は１層目層間絶縁膜１１４よりもエッチングレートが
速いので、図２（Ａ）に示すようにテーパーが形成される。
次に、バッファーフッ酸を用いてコンタクトホール底面のゲイト絶縁膜１０３をエッチ
ングして、ソース／ドレイン部１０９、１１０コンタクトホールを完成させる。
次いで、クロム酸、酢酸、燐酸、硝酸を混合した組成からなるクロム混酸溶液を用いて
陽極酸化膜１０７をエッチングして、ゲイト電極部２０４のコンタクトホールを完成させ
る。
このように、ゲイト絶縁膜１０３のエッチングを先に行えば、陽極酸化膜１０７は耐バ
ッファーフッ酸性に優れているため、ゲイト電極１０８を保護することができる。また、
クロム混酸溶液はソース領域１０９、ドレイン領域１１０の表面を殆どエッチングしない
。
以上のようにして、図２（Ｂ）の状態が得られる。しかし、バッファーフッ酸やクロム
混酸を用いるようなウェットエッチングは、等方性にエッチングが進行するため、図２（
Ｂ）の円内に示すようなえぐれ部分が形成されてしまう。
そこで、層間絶縁膜をライトエッチングにより後退させて、図２（Ｃ）に示すようにえ
ぐれ部分のない状態とする。この際、１層目層間絶縁膜１１４は傾斜角αが小さいほど容
易に後退する。
このライトエッチングはドライエッチング法により行い、エッチングガスの組成比はＣ
Ｆ4:Ｏ2 ＝２５: ７５となるようにする。この組成比では、窒化珪素と珪素の選択比が１
０以上となるため、ソース領域１０９、ドレイン領域１１０の表面を殆どエッチングしな
い。
また、このライトエッチングはＯ2 添加率の高いガス組成比で行われるため、レジスト
マスク２０１も同時に後退する。そのため、図４の円内に示す様にコンタクトホールのへ
りにおける断面形状は角がエッチングされて曲線となる。
コンタクトホールの形成が終了したら、配線電極２０５、２０６、２０７を形成して、
水素雰囲気中で３５０℃２ｈｒのアニール処理を行う。
以上の工程を経て、図２（Ｄ）に示すような薄膜トランジスタが作製される。
本実施例は、本明細書に開示する発明を単結晶シリコンウエハーを利用したＩＣプロセ
スに利用した場合の例である。具体的には、シリコンウエハーを利用してＭＯＳ型トラン
ジスタを作製する場合の例を示す。
図６〜図８に本実施例の作製工程を示す。まず図６（Ａ）に示すようにＮ型の単結晶シ
リコンウエハー６０１上に熱酸化膜と窒化珪素膜とを積層し、それをパターニングするこ
とにより、熱酸化膜６０２と窒化珪素膜６０３の積層膜でなるパターンを形成する。
次に選択的な熱酸化法により、フィールド酸化膜６０４、６０５を形成する。こうして
図６（Ａ）に示す状態を得る。
次に熱酸化膜６０２と窒化珪素膜６０３を除去し、再度熱酸化法により、熱酸化膜６０
６を形成する。この熱酸化膜６０６は、ゲイト絶縁膜を構成する。
次にゲイト電極６０７を適当な金属材料、またはシリサイド材料、または半導体材料で
もって形成する。ゲイト電極６０７を形成したら、ソース／ドレイン領域を形成するため
の不純物のドーピングを行う。
ここでは、Ｐチャネル型のＭＯＳ型トランジスタを作製するためにＢ（ボロン）のドー
ピングをイオン注入法でもって行う。なお、Ｎチャネル型のＭＯＳ型トランジスタを作製
するのであれば、Ｐ（リン）のドーピングを行えばよい。
上記のドーピングの後、加熱処理を行うことにより、注入された不純物の活性化とドー
ピングに際しての半導体層の損傷のアニールを行う。
こうして、図６（Ｂ）のように、Ｐ型を有するソース領域６０８、ドレイン領域６０９
が自己整合的に形成される。
次に層間絶縁膜として窒化珪素膜６１０と６１１を成膜する。ここでも実施例１と同様
な方法により、６１０より６１１の窒化珪素膜の方がエッチングレートが速くなるような
膜質とする。
こうして図６（Ｃ）に示す状態を得る。次に図７（Ａ）に示すように、レジストマスク
６１２を配置し、ドライエッチング法により、コンタクトホール６１３と６１４の形成を
行う。
こうして図７（Ａ）に示す状態を得る。この際、熱酸化膜でなるゲイト絶縁膜６０６が
エッチングストッパーとして機能する。
次にウェットエッチング法を用いて６１５、６１６で示されるコンタクトホールの形成
を行う。
こうして図７（Ｂ）に示す状態を得る。この際、ウェットエッチング法による等方性の
エッチングが進行するので、６１５と６１６のコンタクトホールは、６１３、６１４で示
されるコンタクトホールの底部を広げてしまうようなものとなる。
次にライトドライエッチングにより層間絶縁膜およびレジストマスクを後退させる。こ
こでのドライエッチングは、ＣＦ4 とＯ2 とを混合したものを利用して行う。ここで酸素
を混合させるのは、レジストマスクを後退させるためである。
こうして図８（Ａ）に示すようななだらかな断面形状を有したコンタクトを得ることが
できる。
図８（Ａ）に示す状態を得たら、ソース電極６１９とドレイン電極６２０を形成する。
こうしてＭＯＳ型トランジスタが完成する。
１０１ ガラス基板
１０２ 島状の半導体層
１０３ 酸化珪素膜
１０４ アルミニウム膜
１０５ 緻密な陽極酸化膜
１０６ 多孔質の陽極酸化膜
１０７ 強固な陽極酸化膜
１０８ ゲイト電極
１０９ ソース領域
１１０ ドレイン領域
１１１ 低濃度不純物領域
１１２ 低濃度不純物領域
１１３ チャネル領域
１１４ １層目層間絶縁膜
１１５ ２層目層間絶縁膜
２０１ レジストマスク
２０２ ソースコンタクト部
２０３ ドレインコンタクト部
２０４ ゲイトコンタクト部
２０５ 配線電極
２０６ 配線電極
２０７ 配線電極

Claims (2)

  1. 半導体上に開口部を有する半導体装置であって、
    前記半導体上の第１の層と、
    前記第１の層上の第２の層と、
    前記第２の層上の第３の層と、を有し、
    前記第１の層の前記開口部は、前記第１の層の底面で第１の大きさと、前記第１の層の上面で前記第１の大きさより大きな第２の大きさを有し、
    前記第２の層の前記開口部は、前記第２の層の底面で前記第２の大きさより大きな第３の大きさと、前記第２の層の上面で前記第３の大きさより大きな第４の大きさを有し、
    前記第３の層の前記開口部は、前記第３の層の底面で前記第４の大きさと、前記第３の層の上面で前記第４の大きさより大きな第５の大きさを有し、
    前記第１の層の前記開口部の上面のへりの角は丸みを有し、
    前記第３の層の前記開口部の上面のへりの角は丸みを有することを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記第１の層は、酸化珪素であり、
    前記第２の層は、窒化珪素であることを特徴とする半導体装置。
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