KR0171673B1 - 전자소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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야스히꼬 가사마
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Abstract

(목적) 본 발명은 절연내압이 종래 보다도 양호한 전자소자와, 고내압 절연막을 높은 수율로 안정되게 얻어지는 전자소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
(구성) 적어도 표면이 절연성인 기체의 해당 표면에 도전성의 배선패턴이 형성되어 있고, 상기 기체 및 상기 배선패턴의 일부 또는 전부를 피복하여 절연층이 형성되어 있는 전자소자에 있어서, 상기 절연층은 적어도 상기 패턴의 스탭부 부근의 산소함유량이 10atom%이하의 질화규소막으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 또, 상기 절연층은 플라즈마 CVD법에 의하여, 성막온도 T(℃), 이온 플럭스 I(A), 성막속도 V(nm/min)로 했을 때, Tg-651(I/V)+390, 150T350 (단, 이온 플럭스는 60×60 cm2당의 전류량(A)을 나타낸다)의 관계를 충족시키는 조건으로 성막하는 것을 특징으로 한다.

Description

전자소자 및 그 제조방법
제1도는 실시예에 있어서 제조한 TFT를 나타낸 평면도.
제2도는 제1도의 ①-①' 단면도.
제3도는 질화규소 절연막의 절연내압과 이온 플럭스(I)/성막속도(V)와의 관계를 나타낸 그래프.
제4도는 고내압 절연막이 얻어지는 성막조건을 나타낸 그래프.
제5도는 스탭부의 TEM상과 산소함유량의 분포를 나타낸 모식도.
제6도는 스탭부의 산소함유량과 절연내압의 관계를 나타낸 그래프.
제7도는 종래예에 관한 TFT를 나타낸 평면도.
제8도는 제7도의 ①-①' 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 채널부 3 : 절연막
3a : 게이트 절연막 3b : 교차부의 층간절연막
5 : 기판 7 : 투명전극(ITO 전극)
9 : 게이트전극 10 : 게이트배선
11 : 소오스전극 12 : 소오스배선
13 : 드레인전극 15 : a-Si
17 : n+-a-Si 18 : 드레인배선
본 발명은 전자소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 절연성 기체(基體)의 표면에 배선패턴이 형성되어 있고 그 표면을 덮는 질화규소 절연막이 형성되어 있는 전자소자에 관한 것이다.
전자소자에 대한 관련기술에 대하여, 제7도에 나타낸 바와 같이 액티브 매트릭스 액정표시소자의 구동에 사용되는 박막 트랜지스터(이하 TFT라함)를 예로 들어 설명하기로 한다.
제8도는 제7도 ①-①' 단면도로서 TFT 부분은 개념적으로만 표시되어 있다. 또한 제8도는 개념적으로 도시된 것으로서 그 치수 등은 실제의 소자와는 전혀 다르게 도시되어 있다.
제8도에 있어 참조번호 9는 기판(5)상에 패터닝된 게이트 전극(배선패턴)이고 10은 게이트 배선(배선패턴)이다. 3은 절연막으로서 그중 3a가 게이트절연막이며 3b가 배선 교차부의 층간 절연막이다.
11은 소오스 전극, 12는 소오스 배선, 13은 드레인 전극이다.
이 게이트 절연막(3a)이나 TFT 어레이의 다층 금속배선의 교차부의 절연막(3b)으로서는 질화규소 박막이 많이 사용되고 있다.
이 질화규소 박막의 조성으로서는 규소:질소의 원자비가 약 3:4이고 막질의 안정화를 위해서는 미량의 수소가 포함되어 있는 것이 바람직하다고 알려져 있다. 이와 같은 절연막은 주로 플라즈마 CVD법(화학기상증착법)으로 성막되어 있다. 원료가스로서는 보통 실란-질소계, 실란 -암모니아 -질소계, 실란 - 암모니아 -수소계, 실란 - 질소 - 수소계, 또, 실란 - 암모니아 - 질소 - 수소계가 사용된다.
그러나, 이와 같은 질화규소 절연막을 게이트 절연막(3a)이나 다층배선의 교차부의 층간절연막(3b)으로 사용하는, TFT로 대표되는 전자소자에서는 게이트전극(9), 게이트 배선(10)과, 절연막을 끼고 형성되어 있는 배선(소오스배선 12, 소오스전극 11등)과의 사이에서 전기적 단락이 생기는 경우가 있다. 특히 집적도가 높거나 면적이 넓은 기판에 있어서는 단락의 확률이 대단히 높아진다. 이러한 단락은 최종제품의 사용중에 발생할 수도 있고 제조과정에서 발생할 수도 있다. 최종제품의 경우에 있어서는 제품의 신뢰성의 저하를 초래한다는 결점이 있으며, 제조공정의 경우에 있어서는 수율의 저하를 초래한다는 결점이 있다. 예를 들어, 소오스 배선(12)등을 형성한 후에 접촉홀 형성 등을 위하여 포토레지스트 공정이 행해지나, 그 공정중에 소오스배선(12)과 게이트배선(10) 또는 게이트전극(9)과의 사이에서 절연파괴가 생기는 일이 있다.
이러한 결점은 절연막중에 핀홀이 존재함에 기인하는 것이라는 생각에 의거하여, 일본국 특개 소58-190042호 공보에서는 논 도우프의 아몰퍼스 실리콘층(15)을 게이트 배선(10)과 소오스배선(12)과의 교차부에 적층하는, 소위 다층절연막 구조를 채용함으로써 상기 결점의 해결을 도모하려고 하고 있다. 그러나 이러한 기술은 애당초 절연층이 일층구조가 아니고 필수적으로 다층절연막 구조이기 때문에 필연적으로 제조공정이 복잡해진다.
그러므로, 일층 절연구조이더라도 절연특성이 뛰어나고 또한 용이하게 제조가능한 TFT로 대표되는 전자소자가 요망된다.
특히, 현재 전자소자는 가혹한 환경하에서 사용되는 빈도가 높기 때문에 절연막의 절연내압을 6 MV/cm이상 보유시키는 것이 필요하다. 또, 전자소자의 미세화라는 관점에서 볼 때 절연막의 막두께는 500 nm이하, 바람직하게는 200 nm∼400 nm로 억제하는 것이 요망된다. 따라서, 200nm 정도의 얇은 막두께이더라도 6 MV/cm이상의 절연내압을 가지는 절연막을 가지는 소자가 요망된다.
그러나 현재까지는 이러한 요청에 따를 수 있는 전자소자가 개발되어 있지 않다.
본 발명은 절연내압이 종래 보다도 매우 양호한 전자소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본원 발명은 이러한 절연막을 높은 수율로 안정하게 얻을 수 있는 전자소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전자소자는, 적어도 표면이 절연성인 기체의 표면에 도전성 배선패턴이 형성되어 있고 또한 상기 기체 및 상기 배선패턴의 일부 또는 전부를 덮는 절연층이 형성되어 있는 전자소자에 있어서, 상기 절연층은 적어도 상기 패턴의 스탭부 부근의 산소함유량이 10 atom%이하인 질화규소막으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전자소자의 제조방법은, 적어도 표면이 절연성인 기체의 표면에 도전성 배선패턴이 형성되어 있고, 상기 기체 및 상기 배선패턴의 일부 또는 전부가 질화규소 절연층으로 덮인 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 질화규소 절연층을 성막온도 T(℃),이온플럭스 I(A), 성막속도 V(nm/min)로 했을 때,
T-651(I/V) +390
150T350
(단, 이온플럭스는 60×60cm2당의 전류량(A)을 나타낸다)의 관계식을 만족시키는 조건으로 성막하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 종래의 전자소자에 대한 기본적인 재평가를 행하는 중에서 발견한 사실에 의거하여 완성한 것이다.
즉, 질화규소 절연막에 관하여 높은 절연내압이 안정되게 얻어지지 않는 이유로서 종래에는 주로 배선패턴의 스탭부에 있어서의 국소적인 막의 결함·결손등에 의한 것으로 생각되어 왔으나, 이와 달리, 본 발명자는 새로이 막중산소함유량 특히 스탭부 주변의 산소함유량이 절연내압에 크게 영향을 주는 것으로 보기 시작했다.
절연내압과 막중산소함유량과의 관계는 종래에는 전혀 고려되어 있지 않았으며, 특히 스탭부 주변에 고농도의 산소를 포함하는 영역이 형성된다는 사실 및 이 고농도 산소영역이 절연내압을 저하시키는 원인이 된다는 사실은 전혀 알려져 있지 않았다.
현재, 스탭부 주변에서 산소가 고농도로 포함되는 이유 및 이것이 절연내압을 저하시키는 이유에 대해서는 명백하지 않으나, 산소함유량을 10atom% 이하로 함으로써 절연내압을 6MV/cm이상의 고내압의 절연막으로 할 수가 있어, 고특성이며 신뢰성이 높은 전자소자를 제공하는 것이 가능하게 된다. 또한 고내압으로 하는 것이 용이하기 때문에 설계의 자유도가 증가하여, TFT뿐만 아니라 광범위한 전자소자에 응용할 수 있다.
한편, 스탭부 주변의 산소함유량이 적은 질화규소 절연막은 플라즈마 CVD법의 성막온도 T(℃), 이온플럭스 I(A) 및 성막속도 V(nm/min)를 적정화함으로써 얻을 수가 있다.
즉, 이상의 3개의 파라미터를 다음식으로 나타내는 범위로 설정하여 성막함으로써 높은 절연내압을 갖는 질화규소 절연막이 형성된다.
T-651(I/V) + 390
여기서, 이온플럭스(I)는 특원 평2-252847호에 기재된 대로이고,
I=Pwrf/Vpp
Pwrf : RF 전극에 입력되는 전력
Vpp : RF 전극에 인가되는 고주파 전위의 최대치 및 최소치의 차(피이크 ·투 ·피이크 치)
로 정의되는 양이다. 본 발명에 있어서 이온 플럭스는 RF 전극의 크기 60×60cm2로 규격화 되어 있다.
이러한 조건으로 성막하면 이온이 효과적으로 막퇴적에 기여하여 스탭 주변의 산소함유량이 적은 질화규소가 얻어지는 것으로 생각된다.
또한, 성막온도가 350℃를 초과하면 기판이 변형되거나 전자소자에 다른 제조공정에서 성막한 막 등이 응력왜곡에 의한 균열이 발생하거나 하는 경우가 있기 때문에 성막온도는 350℃이하가 좋다. 또, 150℃보다 낮은 온도에서는 고내압의 성형에 요구되는 이온플럭스량이 대단히 커지고 또는 성막속도를 작게하지 않으면 안되어 장치상의 문제 및 생산성에 문제가 생기기 때문에, 성막온도는 150℃이상이 좋다.
이하에 본 발명의 구성을 실시형태예와 함께 설명한다.
[전자소자]
본 발명에서 대상으로 하는 전자소자는 적어도 표면이 절연성인 기체의 상기 표면에 도전성의 배선패턴이 형성되어 있고, 상기 기체 및 상기 배선패턴의 일부 또는 전부를 피복하여 질화규소 절연막이 형성되어 있는 전자소자이다.
이러한 전자소자로서는 예를 들면, TFT소자, 용량소자, 발광소자, 광센서, 태양전지 등을 들 수 있다.
또, 기체는 적어도 표면이 절연성이면 좋고, 그 자신이 절연성인 기체(예를 들면, 유리등의 세라믹 기판)을 그대로 사용해도 좋으며, 도전성기체,반도체 기판의 표면상에 절연막(예틀 들면, SiO2막, Si3N4등)을 형성한 것을 사용해도 좋다. 전자소자의 종류에 따라 적절히 선택하면 된다.
도전성의 배선패턴으로서는 상기 재료는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, Cr, Al, Cu,그외의 금속 또는 합금이 적절히 사용된다. 또, 배선 패턴의 선폭은 게이트 전극에서는 10㎛이하가 바람직하고, 7㎛이하가 더욱 바람직하며, 5㎛가 가장 바람직하다. 두께는 재료의 도전율에 따라 변하나, Cr의 경우 100∼200nm가 바람직하다. 이 범위로 하면 TFT 어레이상의 배향막 표면의 단차를 작게할 수가 있어, LCD 표시성능의 개선을 도모할 수가 있다.
[배선패턴 스탭부의 각도]
본 발명에 따르면, 배선패턴이 기판표면과 이루는 접촉각도 θ를 60°~ 90°로 하더라도 높은 절연특성이 얻어진다.
배선패턴의 접촉각도를 60° 미만으로 하여 질화규소 절연막을 피복하면, 전극간의 절연내압은 양호해지나, 전극의 선폭 또는 두께의 어느 한쪽을 필요 이상으로 크게 취하지 않을 수 없게 된다. 혹은, 전극 또는 배선의 발열등을 방지하기 위해서는 소정이상의 단면적의 확보가 필요하나, 60° 미만의 접촉각도를 붙였을 경우에는 깎인 부분을 보충하기 위하여 선폭을 넓게 하거나 두께를 두껍게 하지 않을 수 없기 때문이다.
전극의 선폭 또는 두께의 어느 하나를 필요이상으로 크게 취하는 것은 소자의 미세화라는 요청에 역행된다. 특히 액정 표시소자의 구동에 사용되는 TFT의 경우에는 외부광이 전극(배선)에 의하여 차폐되는 면적을 작게하기 위하여 선폭을 7㎛이하로 하는 것이 요망되는 바, 결국 이러한 요청에 역행하는 것이 된다.
이 때문에 60° 이상으로 하는 것이 필요하나 종래에는 60° 이상이 되면 절연특성의 악화가 현저해진다고 하는 문제가 있었던 바, 본 발명은 이러한 문제를 해결한다.
또한 60° 이상으로 제어하는데 있어 예를 들면, 습식에칭, 건식에칭으로 이방성 에칭을 행하면 좋다.
[절연층 막두께]
본 발명에 있어서, 전자소자의 고집적화 및 고속동작의 관점에서 볼때 절연막의 두께는 500nm이하인 것이 바람직하고, 200-400nm가 더욱 바람직하다. 본 발명은 200nm라는 얇은 경우라도 6 MV/cm이상의 절연내압을 나타낼 수 있다는 것에 큰 특징이 있다.
이하에 본 발명의 실시예를 들어 상세히 설명하나, 본 발명의 범위는 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예는 TFT를 사용한 액티브 매트릭스 액정표시소자에 있어서 TFT의 다층금속 배선의 교차부에 본 발명을 적용한 예를 나타낸다.
본 실시예에 있어서의 TFT는 역 스태거 구조이며, 제1도 및 제2도에 의거하여 실시예를 설명한다.
유리 기판(코닝 #7059)(5)의 표면에 ITO를 성막한 후 패터닝을 행하여, 화소전극이 되는 투명 전극(ITO 전극)(7)을 형성했다.
다음에는 Cr막을 두께 100nm로 성막하고 이어서 레지스트의 도포·현상한 후, 에칭에 의하여 선폭 5㎛의 게이트 배선(10)과 선폭 7㎛의 게이트 전극(9)을 형성하였다.
에칭에 있어서는 습식에칭 또는 건식에칭의 이방성을 제어함으로써 기판(5)과 게이트배선(10) 또는 게이트전극(9)과의 각도를 제어하였다. 본 예에서는 그 각도를 대략 90°으로 했다.
다음에는 플라즈마 CVD법에 의하여 질화규소 절연막이 기판(5) 및 게이트전극(9), 게이트배선(10)을 피복하도록 질화규소막을 형성하였다. 성막은 이하에 나타내는 여러가지 조건에 따라 행하였다. 이 질화규소절연막은 TFT의 게이트 절연막 및 층간절연막이 된다.
[질화규소 절연막의 형성조건]
성막장치 : 아넬버사제 평행평판형 인라인타입)
RF 전극면적 : 60×60cm2
도입가스(sccm)
SiH4: 50
NH3: 150
N2: 500
Ar : 500
압력 : 150pa
기판온도 : 150∼400℃
RF 전력 : 100-500W
여기주파수 : 13.56MHz
막두께 : 200 nm, 300 nm
이어서, 불순물을 첨가하지 않은 아몰퍼스 실리콘으로 이루어진 반도체층(i: a-Si층)(15)을 약 100nm의 두께로 통상적인 방법에 의하여 성막하고, 이어서 동일 챔버내에서 옴접촉층(17)으로서 P를 첨가한 아몰퍼스 실리콘층(n+: a-Si층)을 약 20nm 적층했다.
레지스트 공정후, TFT의 채널부만을 남기고 기타 부분의 아몰퍼스 실리콘막을 습식에칭에 의하여 제거했다. 에칭액은 HF를 포함하는 에칭제에 의하여 행했다. 이때 아몰퍼스 실리콘막을 제거함으로써 노출된 질화규소막 표면은 오버에칭 시간동안 에칭액에 노출되어 있었으므로 약간 에칭된다.
다음에는 레지스트 공정후 투명전극(ITO)(7)에 이르는 접촉홀을 형성했다. 이 접촉홀은 건식에칭에 의하여 형성하였다.
다음에, Cr막을 300nm 성막하고, 패터닝에 의하여 소오스전극(11) 및 소오스배선(12) 및 드레인전극(13) 및 드레인배선(18)을 형성하였다. 또한, 본 실시예에서는 제2도에 나타낸 바와 같이 소오스배선(12)이 게이트배선(10)위를 가로지르도록 설계하였다. 또, 투명 전극(ITO)(7)위의 적절한 위치에 설치한 접촉홀을 거쳐 드레인배선(18)과 투명전극(7)을 접속했다. 또한 이 TFT의 채널길이는 4㎛로 하고 채널폭은 6㎛로 했다.
전술한 여러가지 조건에 따라 제작한 TFT소자에 대하여 절연내압을 측정하고, 이것과 성막조건으로부터 얻어지는 이온 플럭스와 성막속도의 비(I/V)와의 관계를 조사했다. 그 결과를 제3도에 나타낸다. 또한, 절연내압의 측정은 휴렛패커드사의 #4142B를 사용하여 게이트 전극과 드레인 전극과의 사이에 전압을 인가함으로써 행하였다.
제3도에 나타낸 바와 같이, 각 성막온도에 있어서도 I/V의 증가에 따라 내압은 증가하고, 이것을 적당한 값 이상으로 하면 6 MV/cm이상의 내압이 얻어지는 것을 알 수 있다.
제3도의 내압이 6 MV/cm가 되는 점을 성막온도(T)와 I/V에 대하여 플롯(plotting)한 것이 제4도의 직선(1)이다. 제4도의 직선은 기울기가 -651(℃·nm/A·min)이고 절편이 390(℃)인 직선이며, 이 직선의 상방(원점과 반대측)에서 성막하면 내압 6MV/cm이상의 질화규소막이 얻어지는 것을 나타내고 있다.
또, 성막온도 400℃에서는 유리 기판의 왜곡이나 게이트전극의 응력 왜곡에 의하여 막에 미소한 균열이 생기는 경우가 있었다. 따라서, 실용상 6 MV/cm의 내압이 얻어지는 것은 제4도에서 직선 (1)과 (2)로 둘러싸이는 영역이 된다.
다음에, 여러가지 내압을 갖는 시료에 대하여 질화규소 절연막중의 산소함유량과 절연내압의 관계를 조사했다. 투과형 전자현미경 및 에너지 분산형 X선 분석계(VG사의 HB501)를 사용하여, 스탭부의 단면 TEM상을 관찰함과 동시에 산소함유량을 측정했다.
일예로서, 내압 0.8MV/cm의 질화규소 절연막의 산소함유량이 제5도의 모식적 단면도에 도시되어 있다. 제5도에 보인 바와 같이, 사선으로 나타낸 스텝부 근방에서는 다른 영역에 비하여 고농도의 산소가 검출되는 것을 알았다. 이 스탭부 근방의 산소함유량과 절연내압과의 관계를 플롯한 것이 제6도이다.
도면에서 명백한 바와 같이, 스탭부 부근의 산소함유량이 10atom%를 초과하면 내압이 6MV/cm로부터 급격히 저하하는 것을 알았다. 반대로, 산소함유량을 10atom%이하로 억제하면 6MV/cm이상의 절연내압이 얻어지는 것을 알았다.
[다른 특성]
본 실시예에 따라 제작한 TFT중에서 내압이 6MV/cm이상인 질화규소 절연막을 가지는 TFT는 아래와 같은 특성을 안정되게 나타내었으며, 장시간 동안 연속사용하더라도 특성이 전혀 저하되지 않았다.
본 발명에 의하면, 절연내압이 6MV/cm이상의 고내압 절연막이 안정되고, 또한 용이하게 형성되기 때문에, 고특성이고 신뢰성이 높은 전자소자를 높은 수율로 제조할 수가 있다.
또, 본 발명의 전자소자는 절연내압이 높고, 또 균일하기 때문에, 설계의 자유도가 증가하여 광범위한 응용이 가능하게 된다.

Claims (6)

  1. 적어도 표면이 절연성인 기체(基體)의 상기 표면에 도전성 배선패턴이 형성되어 있고, 상기 기체 및 상기 배선패턴의 일부 또는 전부를 덮는 절연층이 형성되어 있는 전자소자에 있어서, 상기 절연층은 적어도 상기 배선패턴의 스탭부 부근의 산소함유량이 10atom%이하인 질화규소막으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절연층은 플라즈마 CVD법으로 형성된 것을 특징으로 하는 전자소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절연층의 층두께는 200nm∼400nm인 것을 특징으로 하는 전자소자.
  4. 제1항 내지 3항중 어느 한항에 있어서, 상기 배선패턴의 상기 기체와의 접촉각도 θ는 60°~ 90°인 것을 특징으로 하는 전자소자.
  5. 제1항 내지 제4항중 어느 한항에 있어서, 상기 전자소자는 역 스태거 형의 박막 트랜지스터 이고, 상기 배선패턴은 게이트 배선이며, 상기 질화규소막은 게이트절연막인 것을 특징으로 하는 전자소자.
  6. 적어도 표면이 절연성인 기체의 상기 표면에 도전성 배선패턴이 형성되어 있고, 상기 기체 및 상기 배선패턴의 일부 또는 전부가 질화규소 절연층에 의하여 덮히는 전자소자의 제조방법에 있어서, 상기 절연층을, 플라즈마 CVD법에 의하여, 성막온도 T(℃), 이온플럭스 I(A), 성막속도V(nm/min)라 했을 때
    T-651 (I/V) +390
    150T350
    (단, 이온 플럭스는 60×60cm2당의 전류량(A)을 나타낸다)
    의 관계를 충족시키는 조건으로 성막하는 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조방법.
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