JPH10335334A - 半導体装置及びその製造方法、並びに液晶装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 欠陥が少なく信頼性の高い半導体装置を提供
する。 【解決手段】 本発明は基板上に形成される半導体装置
に関わり、絶縁膜直上に金属配線を形成する場合、剥
離、断線等の問題点を金属に不純物として窒素を含有さ
せることによって解決し、信頼性の高い半導体装置を形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に形成され
る半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術によるの半導体装置の一部の断
面図を図１に示す。基板１０１上に積層構造を持つ電
極、或は配線１０３、及び１０４が絶縁膜１０２の直上
に形成されている。絶縁膜１０２はここでは二酸化珪素
である。また１０４は少なくとも窒素を不純物として含
むタンタルからなり、その下層の１０３は酸化タンタル
である。これら全体を二酸化珪素等の絶縁膜１０５で覆
ってある。先出の積層構造を持つ電極、或は配線の内の
１０４の主成分はタンタルであり、通常のスパッタ等に
よる形成技術では、所謂β相と呼ばれる相となる。この
場合、内部応力は圧縮方向であり非常に大きい値を示す
と共に、絶縁膜との密着性は悪い。そのため絶縁膜上に
タンタルを主成分とする金属配線を形成しようとした場
合、パターニング前にタンタルを主成分とする金属膜が
剥離してしまう事、或は金属膜の状態では剥離してこな
くてもパターニング後に剥離してしまう。この問題を解
決するにあたり、図１に示すように密着層として酸化タ
ンタル層１０３を設ける。このようにすると、パターニ
ング前の金属薄膜の状態で剥離してくる事もなければ、
もちろんのことパターニング後に剥離してくる事も無く
なる。更に熱工程を経ても剥離することもないのであ
る。

【０００３】しかしながら酸化タンタル１０３を配線１
０４の下層に設けた場合、以下に述べるような問題を抱
える事になる。絶縁基板上に形成された薄膜トランジス
タを例に挙げ問題点を説明する。図２にその素子部の断
面図を示す。この図では、ゲート電極は密着層である酸
化タンタル２０７とタンタルを主成分とする金属２０８
から構成されている。タンタルという金属の物性、特に
耐薬品、耐熱、不純物打ち込みにおけるマスク性から、
ゲート電極としてある。この場合、実質上ゲート電極と
して機能するのはタンタルを主成分とする金属２０４で
ある。この図を見ても分かる通り、ゲート絶縁膜として
機能するのは、酸化タンタル層２０７を含めた絶縁膜、
そしてここでは二酸化珪素２０６である。このため完成
した薄膜トランジスタの電気特性を左右するのはこのゲ
ート絶縁膜として機能する二酸化珪素２０６と酸化タン
タル２０７に他ならない。ここで二酸化珪素膜はプラズ
マＣＶＤ法等の手法がある。これらの手法によって非晶
質シリコン、或は多結晶シリコンの能動層２０３、２０
４、２０５上に絶縁膜２０６を形成する。ところで実際
の製品に於いて、成膜された二酸化シリコンの膜厚、及
び膜質を確認する場合には非接触、非破壊で確認しなけ
ればならない。この時有効な方法としては分光エリプソ
メトリーがある。非晶質シリコン、或は多結晶シリコン
上の二酸化珪素の場合、屈折率が二酸化珪素の方が小さ
いため測定が容易であり、従って正確な測定値を求める
ことが可能である。ところが、この二酸化珪素２０６上
に形成される酸化タンタル層２０７の膜厚、及び膜質
は、同様の分光エリプソメトリーで測定することは難し
い。なぜなら酸化タンタルの屈折率が二酸化シリコンよ
り大きい事、また膜厚を決定するのに効果的な赤外光は
充分下層まで届くが、膜質を決定するのに効果的な紫外
光は吸収が大きく情報量として僅かなものになってしま
う事、などの理由がある。また酸化タンタルは半導体の
性質を持つとはいってもシート抵抗などは、測定するこ
とは難しい。これらの理由から密着層として酸化タンタ
ル層を設ける図２の様な場合、ゲート絶縁膜の膜質を一
定に維持することができるとは言い難い。

【０００４】そこでこのタンタルを主成分とする金属中
に窒素を添加することが考えられた。一例として、基板
上に形成された薄膜トランジスタの素子の断面図を図３
に示す。この場合、図２で説明したのと同様に、ゲート
電極はタンタルを主成分とする金属であるが、密着層は
省略され、タンタルを主成分とする金属３０７だけから
なる。このときゲート電極３０７のタンタル以外の成分
は窒素である。タンタル薄膜を形成する際に、窒素を僅
かに添加することで、一部は所謂α相となる。これによ
ってタンタルは延性を示すようになる。この様な場合
は、図３の如く密着層を省略しても、剥離という問題か
らはかなりの部分で開放されるが、やはり大きなパター
ンに於いては剥離してくる事がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】絶縁膜上に形成された
タンタルを主成分とする電極、或は配線に於いて、パタ
ーンの長さ、大きさなどに依らず、しかも酸化物の密着
層を介さずに配置する事は非常に難しい。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、これらの問
題点を鑑みて、設計、及び製造工程に依らず、信頼性の
高い配線を絶縁膜上に形成する、即ち絶縁膜上に酸化物
の密着層を介さずにタンタルを主成分とする金属からな
る電極、或は配線を配置することを可能とするものであ
る。

【０００７】即ち、 本発明の半導体装置は、基板上に
形成される半導体装置に於いてゲート電極及び、少なく
ともゲート電極と同層に形成されている配線は、少なく
とも２層以上の積層構造を持つことを特徴とする。

【０００８】また、積層構造を持つ該配線は、タンタル
を主成分とする金属から成ることを特徴とする。

【０００９】また、本発明の半導体装置は、基板上に形
成される半導体装置に於いてゲート電極及び、少なくと
もゲート電極と同層に形成されている配線は、少なくと
も２層以上の積層構造を持ち、絶縁体の直上に形成され
てなることを特徴とする。

【００１０】また該絶縁体は二酸化珪素であることを特
徴とする。

【００１１】または該絶縁体は窒化珪素であることを特
徴とする。

【００１２】積層構造を持つ該配線は、タンタルを主成
分とする金属から成ることを特徴とする。

【００１３】本発明の半導体装置は、該配線は複数層の
積層構造からなり、前記複数層はタンタルを主成分と
し、タンタル以外の不純物量は、上層になるほど少ない
ことを特徴とする。

【００１４】このような構成によれば、配線の下層はタ
ンタル以外の不純物を含めることにより、配線直下の膜
との密着性を高めることができ、さらに上層はタンタル
以外の不純物を少なくするため、配線の抵抗を下げるこ
とができる。

【００１５】また、タンタルに含まれる不純物は少なく
とも窒素である事を特徴とする。このような構成によれ
ば、タンタルに窒素を含むことにより、配線直下の絶縁
膜との密着性を向上させることができる。

【００１６】本発明の半導体装置の製造方法は、基板上
に、チャネル領域と、チャネル領域に対してゲート絶縁
膜を介して対向配置された第１と第２ゲート電極とを有
する半導体装置であって、前記第１ゲート電極はタンタ
ル薄膜中における窒素含有量が１０ atm ppm以上であ
り、５０００atm ppm以下である窒化タンタルからな
り、前記第１ゲート電極の上に第２ゲート電極が積層さ
れてなることを特徴とする。

【００１７】このような構成によれば、窒素の含有量が
５０００atm ppm以下であるため、第１ゲート電極が基
板から剥離したりあるいは断線を防ぐことができ、ま
た、窒素含有量が１０atm pm以上であるため、強い内部
応力によるそり等の問題を防ぐことができる。

【００１８】また本発明の半導体装置の製造方法は、
基板上に、チャネル領域と、チャネル領域に対してゲー
ト絶縁膜を介して対向配置された第１と第２ゲート電極
とを有する半導体装置の製造方法であって、アルゴンと
窒素とを４：１以上、８：１以下の割合で含む混合ガス
雰囲気で前記ゲート絶縁膜上に窒化タンタルからなる第
１ゲート電極を形成する工程と、前記第１ゲート電極上
にタンタルからなる第２ゲート電極を形成する工程とを
有することを特徴とする。

【００１９】このような構成によれば、１ゲート電極が
窒化タンタルにより形成されているため、第１ゲート電
極の膜はがれを防ぐことができる。また、ゲート絶縁膜
と第１ゲート電極との密着性及び第１ゲート電極とその
上に形成される第２ゲート電極との密着性を良くするこ
とが可能である。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下実施の形態に基づいて本発明
を詳しく説明する。

【００２１】図４は基板上に形成した薄膜トランジスタ
のゲート電極、及びゲート電極と同層に形成された配線
について本発明を適用したものの素子部分の断面図であ
る。基板４０１上に二酸化珪素からなる下地膜４０２が
２０００Å程度形成されている。二酸化珪素の成膜方法
にはスパッタ法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等、種
々の成膜方法があり、それぞれに特徴を持つが、目的に
合った膜質がえられる方法を選択すればよい。ここでは
ＴＥＯＳと酸素を用いたプラズマＣＶＤ法により下地膜
を形成した。この直上に多結晶シリコンからなる能動層
４０３、４０４、４０５が形成されている。多結晶シリ
コンの形成方法は、固相成長法、レーザーアニール法等
があるが、レーザーアニール法が一般的となっている。
この実施例では、非晶質シリコンを５００Å程度減圧Ｃ
ＶＤ法によって成膜した上に、１５０乃至４００ｍＪ／
ｃｍ^２の強度の照射し、多結晶シリコン膜としたものを
用いた。多結晶シリコン膜を所定のパターンにエッチン
グし、基板全体を覆うべくゲート絶縁膜となる二酸化珪
素膜４０６を形成する。ここでも下地膜と同様にＴＥＯ
Ｓと酸素を用いプラズマＣＶＤ法を適用し、５００乃至
１５００Åの膜厚の二酸化珪素膜を形成する。この膜厚
は求むべきトランジスタの電気特性により膜厚を決定す
れば良い。ここでは１２００Åとした。この直上にゲー
ト電極４０７を形成する。ゲート電極は、不純物の打ち
込みに於いてマスク性があり、耐薬品性に優れ、耐熱性
の高いタンタルを主成分とする金属を用いる。少なくと
もパターン形成直後では不純物として窒素を含むタンタ
ルからなる密着層とその上層のタンタルから構成されて
いる。従来技術でも述べたように、タンタルは通常のス
パッタ法ではβ相となり、内部応力が大きく、絶縁膜と
の密着性も悪いため、絶縁膜から剥離してしまう。これ
を回避するため不純物として窒素を含むタンタルを持ち
いれは、ある程度は防ぐことができる。このときタンタ
ル中に含まれる窒素量と剥離、及びその加工性について
表したものが図５に示す表である。ここではアルゴンガ
スを用いたスパッタ法による場合のものである。アルゴ
ンガス流量は８０ＳＣＣＭに固定し、スパッタガス圧は
７ｍＴｏｒｒに固定した時のものである。窒素はアルゴ
ンガス中に添加するもので、タンタルはこの混合ガス中
でスパッタされることになる。これによればタンタルは
不純物として窒素をより多く含むことで絶縁膜からの剥
離はなくなるが、加工性に劣る。そこで図５の表に示す
条件に於いて、窒素量を１０乃至１５ＳＣＣＭ添加した
雰囲気で形成したタンタル膜を密着層に適用し、その上
にタンタル膜を形成した。密着層は１００乃至は１００
０Åであり、その上のタンタル層は２０００乃至８００
０Åである。生産性とトランジスタ特性を考慮すると、
密着層は５００Å程度、タンタル層は４０００Å程度が
好ましい。ここでは生産性を重視し２層構造としたが、
３層、或は４層としても良い。その場合、上層となるに
従ってタンタルに含まれる窒素量は減少するように形成
する必要がある。

【００２２】また、ゲート電極を２層構造とした場合、
第１ゲート電極はタンタル薄膜中における窒素含有量が
１０ atm ppm以上で、５０００atm ppm以下である窒化
タンタルで構成することが好ましい。第１ゲート電極中
の窒素の含有量が５０００atm ppm以下であれば、第１
ゲート電極が基板から剥離したり、あるいは断線を引き
起こすといった問題を防ぐことができ、また、窒素含有
量が１０atm pm以下であれば、強い内部応力によるそり
等の問題を防ぐことができる。

【００２３】上記のゲート電極とともに、ゲート電極と
同層の配線を形成し、これをマスクとして不純物の打ち
込みを行い、ソース、ドレイン領域、４０３、４０５を
形成する。更に全体が配線分離のための層間絶縁膜４０
８で被覆されており、ここにソース、ドレイン領域に接
続するためのコンタクトホールが開口されアルミニウム
合金等の金属により取り出し電極、或は配線、４０９が
形成されている。このアルミニウム合金はここでは、シ
リコンを０．５乃至３％、且つ銅を０．５乃至１％程度
含む合金からなり、膜厚は４０００乃至８０００Åであ
る。そして全体が保護層４１０である、酸化シリコンで
被覆されているものである。

【００２４】ここでは基板上に形成された薄膜トランジ
スタをあげたが、素子のゲート電極、及びゲート電極と
同層に形成される配線のみに適用されるものではない。
必要があれば、ソース、或はドレインの取り出し電極、
或は配線であっても適用可能であるし、シリコン基板上
に形成される半導体装置の一部の配線にも適用可能であ
る。特に工程上大きな熱衝撃が加わる様な場合、また配
線が大きな段差を乗り越えるような場合、配線抵抗より
も耐衝撃等が必要な場合、逆にある程度の配線抵抗が必
要な場合に有効な手段である。

【００２５】上記の構成を具備する半導体装置を液晶装
置に適用した場合について図を用いて説明する。

【００２６】図６は、半導体装置をスイッチング素子と
して記載した液晶装置の構成のブロック図である。図６
において、液晶装置はアクティブマトリクス基板２上
に、データ線及び走査線４で区画形成された画素領域５
を有し、画素を駆動するための薄膜トランジスタ１０
（以下、ＴＦＴ）を介して画像信号が画素電極１２に印
加される。画素電極１２に対して液晶を挟んで対向基板
（図示せず）に形成された対向電極（図示せず）が配置
されて液晶容量６が構成されている。データ線４に対し
ては、シフトレジスタ７１、レベルシフタ７２、ビデオ
ライン７３、アナログスイッチ７４を備えるデータドラ
イバ部７が構成され、走査線４に対しては、シフトレジ
スタ８１及びレベルシフタ８２を備える走査ドライバ部
８が構成されている。なお、画素領域５には、当該ＴＦ
Ｔ１０に接続された走査線に対して隣接する走査線を一
方の電極とする保持容量２５が形成されることもある。
この保持容量２５は走査線とは別に設けた容量線を一方
の電極として構成する場合もある。

【００２７】アクティブマトリクス基板２は、アクティ
ブマトリクス部９だけが構成されたもの、あるいはデー
タドライバ部７も一緒に構成されたもの、あるいは走査
ドライバ部８が一緒に構成されたもの、あるいはデータ
ドライバ部７と走査ドライバ部８の両方とも一緒に構成
されたものがある。

【００２８】図７は、上記アクティブマトリクス基板２
において、画素領域５を示す平面図であり、図８は図７
のＡ−Ａ’断面図である。図７及び図８において、いず
れの画素領域５にも、ＴＦＴ１０が形成されており、各
ＴＦＴ１０は層間絶縁膜４０９のコンタクトホール４１
２を介してデータ線３がソース領域４０３に接続され、
コンタクトホール４１３を介して画素電極１２がドレイ
ン領域４０４に接続されている。ソース領域４０３とド
レイン領域４０４との間にチャネル領域４０５が形成さ
れ、チャネル領域４０５に対してゲート絶縁膜４０６を
介して第１及び第２ゲート電極４０７、４０８とからな
る積層されたゲート電極が対峙されている。第１及び第
２ゲート電極４０７、４０８は走査線４の一部として構
成されている。このようにＴＦＴのゲート電極４０７、
４０８だけでなく走査線４も上記の窒化タンタルとタン
タルとの積層構造を有するため、走査線も膜はがれの問
題がなく、また低抵抗とすることが可能である。

【００２９】

【発明の効果】本発明により次の効果がある。

【００３０】（１）電極、或は配線にタンタルを適用
し、絶縁膜上に直接パターンを形成する場合、剥離する
ことがなくなる。

【００３１】（２）配線の信頼性が向上し、結果的に歩
留まりも向上する。

【００３２】（３）形成する密着層は酸化物でなく導電
性を持つため、ゲート電極として用いた場合には、ゲー
ト絶縁膜として機能するのではなくゲート電極として機
能するので、素子特性は安定でばらつきの少ないものと
なる。

【００３３】（４）形成する密着層は酸化物ではないた
め、通常のＤＣスパッタ法が使用できるとともに、スパ
ッタレートは酸化物ほど低下することはなく、生産性を
損なう事がない。

【００３４】（５）（４）と同様に、通常のＤＣスパッ
タ法が使用できるため、大型基板を使用する場合に品質
を維持管理しやすい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の技術による半導体装置における配線部分
の断面図。

【図２】従来の技術による半導体装置における素子部分
の断面図。

【図３】従来の技術による半導体装置における素子部分
の断面図。

【図４】本発明による半導体装置における素子部分の断
面図

【図５】本発明による半導体装置を構成するための条件
の説明図。

【図６】本発明の半導体装置を用いた液晶装置の構成を
示す模式図。

【図７】図６の液晶装置の画素領域を示す平面図。

【図８】図７のＡ−Ａ’断面図。

【符号の説明】

１０１、２０１、３０１、４０１・・・基板 １０２、２０２、３０２、４０２・・・下地膜 ２０３、２０４、３０３、３０４、４０３、４０４・・
ソース・ドレイン領域 ２０５、３０５、４０５・・・チャネル領域 ２０６、３０６、４０６・・・ゲート絶縁膜 １０３、２０７、４０７・・・ゲート電極、或はゲート
電極と同層の配線の密着層 １０４、２０８、３０７、４０８・・・ゲート電極、或
はゲート電極と同層の配線 １０５、２０９、３０８、４０９・・・層間絶縁膜 ２１０、３０９、４１０・・・ソース、ドレイン電極 ４１１・・・保護膜

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成される半導体装置に於いて
   ゲート電極及び、少なくともゲート電極と同層に形成さ
   れている配線は、少なくとも２層以上の積層構造を持つ
   事を特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体装置に於いて、
   積層構造を持つ該配線は、タンタルを主成分とする金属
   から成る事を特徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】 基板上に形成される半導体装置に於いて
   ゲート電極及び、少なくともゲート電極と同層に形成さ
   れている配線は、少なくとも２層以上の積層構造を持
   ち、絶縁体の直上に形成されてなる事を特徴とする半導
   体装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の半導体装置に於いて、
   該絶縁体は二酸化珪素である事を特徴とする半導体装
   置。
5. 【請求項５】 請求項３に記載の半導体装置に於いて、
   該絶縁体は窒化珪素である事を特徴とする半導体装置。
6. 【請求項６】 請求項３に記載の半導体装置に於いて、
   積層構造を持つ該配線は、タンタルを主成分とする金属
   から成る事を特徴とする半導体装置。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の半導体装置に於いて、
   該配線は複数層の積層構造からなり、前記複数層はタン
   タルを主成分とし、タンタル以外の不純物量は、上層に
   なるほど少ないことを特徴とする半導体装置。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の半導体装置に於いて、
   タンタルに含まれる不純物は少なくとも窒素である事を
   特徴とする半導体装置。
9. 【請求項９】 基板上に、チャネル領域と、チャネル領
   域に対してゲート絶縁膜を介して対向配置された第１と
   第２ゲート電極とを有する半導体装置であって、前記第
   １ゲート電極は窒化タンタルからなり、タンタル薄膜中
   における窒素含有量は１０ atm ppm以上、５０００atm
   ppm以下からなり、前記第１ゲート電極の上に第２ゲー
   ト電極が積層されてなることを特徴とする半導体装置。
10. 【請求項１０】請求項１乃至請求項９のいずれか一項記
    載の半導体装置を有する液晶装置。
11. 【請求項１１】 基板上に、チャネル領域と、チャネル
    領域に対してゲート絶縁膜を介して対向配置された第１
    と第２ゲート電極とを有する半導体装置の製造方法であ
    って、 アルゴンと窒素とを４：１以上、８：１以下の割合で含
    む混合ガス雰囲気で前記ゲート絶縁膜上に窒化タンタル
    からなる第１ゲート電極を形成する工程と、 前記ゲート電極上にタンタルからなる第２ゲート電極を
    形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の
    製造方法。