JPH05183162A - 傾斜機能材料薄膜及び薄膜トランジスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 下層配線と上層配線間の短絡を効果的に防止
した多層配線を持つ半導体装置を得ること。 【構成】 シリコンと酸素と窒素を成分とする絶縁体薄
膜３を、酸素と窒素成分に関して、厚さ方向に互いに逆
の傾向の濃度勾配をもつ傾斜機能材料薄膜とし、薄膜ト
ランジスタのゲート絶縁層３や他の半導体装置の絶縁層
に用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置において一
般的に使用される傾斜機能材料薄膜と、それを応用した
薄膜トランジスタに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置においては絶縁体また
は誘電体薄膜として、酸化シリコン、窒化シリコンもし
くはそれらの積層膜が最も多く使用されてきた。表示パ
ネルに応用される薄膜トランジスタにおいても、プラズ
マＣＶＤ装置によって大面積に渡って形成される上記絶
縁体薄膜が、ゲート絶縁体層やパシベーション層として
よく用いられてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来一
般に薄膜トランジスタ等の素子を形成した半導体装置は
二層以上の多層配線を行うことが多い。特にスイッチン
グ用トランジスタをマトリクス状に設けたアクティブマ
トリクス型液晶表示装置の場合には、Ｘ方向及びＹ方向
の配線が必須となり、しかも大画面を得るためには信号
遅延を少なくするため可能な限り低抵抗の配線が必要と
され、時として膜厚が大きくなる。信号遅延を少なくす
るため下層の配線にアルミニウムを用いる場合には、上
層と下層配線を電気的に絶縁するため、下層のアルミニ
ウム配線上に絶縁層を何らかの手段で形成した後、上層
となる配線を形成しなければならない。しかしながら、
下層のアルミニウム配線段差部に対する絶縁層のステッ
プ・カバレージが悪い場合、特に膜厚が厚く段差が大き
い場合、段差部の絶縁層のクラックにより上層と下層配
線間で短絡するという課題を有していた。

【０００４】本発明はかかる従来の半導体装置の課題に
鑑み、多層配線を有する半導体装置の短絡を防止し、歩
留まりの高い信頼性に優れた半導体装置を得るため、ス
テップ・カバレージに優れた傾斜機能材料薄膜とそれを
用いた薄膜トランジスタを提供することを目的とするも
のである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、シリコンと酸
素および窒素を主成分とする絶縁体薄膜であって、薄膜
の厚さ方向に対し酸素と窒素が互いに逆方向の濃度勾配
を持つ傾斜機能材料薄膜である。

【０００６】また、本発明は、絶縁基板と、その絶縁基
板上に導電材料を選択的に被着して形成してなる第一の
導電層と、絶縁基板表面の露出面及び第一の導電層を覆
う絶縁体層と、絶縁体層上の特定領域を覆う半導体層
と、半導体層と一部重なり合う一対の第二の導電層と、
第二の一対の導電層の一方と電気的に接触する第三の導
電層を少なくとも有する薄膜トランジスタにおいて、第
一の導電層を覆う絶縁体層が上記傾斜機能材料薄膜であ
って、半導体層と接触する側のその窒素濃度が高い薄膜
トランジスタである。

【０００７】

【作用】本発明の傾斜機能材料薄膜は、その傾斜成分分
布によって、その下地段差部に対するステップ・カバレ
ージが優れているため、多層配線を有する半導体装置の
下層および上層配線間の短絡を防止し、歩留まりの高い
信頼性に優れた半導体装置を製造できる。たとえば、液
晶表示パネルに応用される薄膜トランジスターアレイの
ゲート絶縁体層に用い、そのゲート・ソース短絡を効果
的に防止できる。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の傾斜機能材料薄膜の一実施例
を用いた液晶ディスプレイ等に応用される透光性基板上
の薄膜トランジスタの断面図を示したものである。

【０００９】図１において、基板１上にアルミニウムの
熱やストレス等によるマイグレーションやヒロックを防
止させるため不純物として、例えばシリコンを０．５〜
２％程度含んだアルミニウムを２００ｎｍの膜厚に、ス
パッタ法や電子ビーム蒸着を用いて全面に形成し、そし
て、通常のフォトリソグラフィー法を用いて、所望のゲ
ート電極パターン２を形成した。このときエッチング液
として濃度６０％の硝酸、酢酸、水、濃度８５％の燐酸
を体積比にてそれぞれ、１、２、１、１６の割合で混合
したエッチング液を用いてアルミニウムをエッチングし
たが、最後にフォトレジストを除去すると、図１に示す
ようにテーパー角を持たない急峻な段差が形成された。
この急峻な段差が通常ゲート・ソース短絡の原因となり
得る。

【００１０】本実施例では、シリコンを添加したアルミ
ニウムを用いたが、純アルミニウムや銅、白金、パラジ
ウム、チタン等を添加したアルミニウムも用いることも
できる。

【００１１】次に、図１に示すように、ゲート絶縁層と
なる本発明の４００ｎｍの膜厚の傾斜機能材料薄膜３と
半導体活性層となるアモルファスシリコン（ａ-Ｓｉ）
４とエッチングストッパとなる窒化シリコン（Ｓｉ
Ｎ_x）５をプラズマＣＶＤ法により連続堆積し、エッチ
ングストッパのＳｉＮ_x５を島状に加工した。傾斜機能
材料薄膜３については後で詳しく説明する。

【００１２】そして、図１に示すようにａ-Ｓｉと金属
とのオーミック接触を確保するため、ｎ型不純物として
リンをドープしたアモルファスシリコン（ｎ⁺-ａ-Ｓ
ｉ）６及びソース・ドレインとなる金属薄膜として例え
ばチタン（Ｔｉ）を堆積した。

【００１３】そして、図示はしないがゲート電極を取り
出すための開口部を設けた後、ソース・ドレインのレジ
ストパターンとエッチングストッパのＳｉＮ_xをマスク
としてＴｉ、ｎ⁺-ａ-Ｓｉ、ａ-Ｓｉを一括エッチングし
て、図１に示すようにソース電極７とドレイン電極８を
形成した。

【００１４】最後に、図１に示すように透明電極として
例えばＩＴＯ９をドレイン電極８に電気的に接触するよ
う選択的に被着形成して薄膜トランジスタを完成した。

【００１５】尚、本実施例では、ソース・ドレイン電極
材料としてＴｉを用いたが、ソース・ドレイン電極材料
としてはモリブデンシリサイドのような金属珪化物、あ
るいはアルミニウム、クロム、モリブデン、タンタル、
ニッケル、ニッケル−クロム合金などのような金属材料
を用いることも可能である。

【００１６】透明電極形成には、透明電極形成工程は必
ずしも薄膜トランジスタ製造工程の最後である必要はな
く、初期の工程で形成し、絶縁層に開口部を設けてドレ
イン電極と電気的に接触させてもよい。

【００１７】以下、前記ゲート絶縁層の傾斜機能材料薄
膜３について説明する。上記薄膜トランジスタにおいて
はゲート電極２側がＳｉＯ_x組成、半導体層４側がＳｉ
Ｎ_x組成、それらの中間の厚み部分がＳｉＯ_xＮ_yの組成
になっている。そして、酸素成分濃度が下地のゲート電
極２側から半導体４側に向かって連続的に減少してい
き、逆に窒素成分濃度は半導体４側から下地のゲート電
極２側に向かって連続的に減少している。かかる傾斜機
能薄膜は原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ₄）と亜酸化窒
素（Ｎ₂Ｏ）と窒素ガス（Ｎ₂）を用いたプラズマＣＶＤ
製膜装置によって、製膜中シランのガス濃度（分圧）を
一定にし、亜酸化窒素と窒素ガスの濃度は製膜時間と共
に互いに逆方向に相対的に変化させて製膜することによ
り得ることが出来た。これらガスの製膜中の時間的濃度
変化チャートを図２に示した。

【００１８】図２に示したように、製膜時間の最初と最
後の部分の短い時間帯をそれぞれ亜酸化窒素とシランの
み、窒素とシランのみとし、下地側の傾斜機能材料薄膜
３の表面近傍が完全にＳｉＯ_xの組成、半導体４側のそ
れが完全にＳｉＮ_x組成になるように工夫した。このこ
とは、ゲート絶縁膜と互いに接する薄膜との間の望まれ
る界面特性によって決めたものであり、全く逆の組成分
布を持った薄膜もデバイスの必要に応じ容易に作成し得
る。本発明において作成した代表的な傾斜機能材料薄膜
のオージェ分析によって測定した厚み方向の組成プロフ
ァイルを図３に示した。酸素と窒素成分が薄膜の厚さ方
向に沿ってなだらかに連続的に変化していることが判
る。この事が傾斜機能材料の組成的な特徴である。

【００１９】以上のようにして作成した薄膜トランジス
タ７３７万個（６４０×４８０個からなるトランジスタ
アレイを２４枚作成）のゲート・ソース短絡の欠陥を調
べた。比較のために、ゲート絶縁層としていままでよく
使われてきた４００ｎｍの厚さのＳｉＮ_x絶縁膜、２０
０ｎｍの厚さのＳｉＯ_xと２００ｎｍの厚さのＳｉＮ_xを
積層した絶縁膜を用いた薄膜トタンジスタも各々同数作
成した。絶縁膜はすべてプラズマＣＶＤ法により先に説
明した原料ガスを選んで作成した。これら３種類の薄膜
トランジスタでゲート・ソース短絡の欠陥発生確率を相
対的に比較した結果、４００ｎｍのＳｉＮ_xゲート絶縁
層の場合を１００とすると、ＳｉＯ_xとＳｉＮ_xの積層ゲ
ート絶縁層は６５、本発明の傾斜機能材料ゲート絶縁層
は８の割合であった。この結果から明かなように本発明
の傾斜機能材料薄膜を薄膜トランジスタのゲート絶縁層
に用いることによって、ゲート・ソース短絡の欠陥を従
来より１／８ないし１／１２に低減することが出来た。
この欠陥低減はゲート電極２パターンの段差部に対する
ゲート絶縁層のステップ・カバレージが改善されたため
であり、この効果は、傾斜機能材料薄膜３の組成が少し
ずつ異なった非常に多くの薄膜の積層されたものとみな
し得るためと考えられる。また、本発明の傾斜機能材料
薄膜は別のコンデンサ構造の耐圧試験で、本質的な耐圧
はＳｉＮ_x薄膜とほとんど変わらないが、耐圧の弱い個
所は殆ど見られず、非常に欠陥が少なく均一な性質を有
することが判った。このことも上記非常に多層の積層効
果に基ずくものと考えられる。

【００２０】上記実施例では、薄膜トランジスタを例と
して説明したが、本発明の傾斜機能材料薄膜は他の薄膜
デバイス、たとえばＥＬディスプレイデバイスやバイポ
ーラトランジスタあるいはヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタなど薄膜を利用した素子に対しても、絶縁層とし
て本発明を応用することができる。さらに一般に、本発
明の絶縁体薄膜を用いて、多層配線を有する半導体装置
の下層配線と上層配線の短絡を防止し、歩留まりの高い
信頼性に優れた半導体装置を製造できる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば下
地のパターン段差に対してステップ・カバレージが優れ
た傾斜機能材料薄膜を提供できる。

【００２２】また、この傾斜機能材料薄膜を用いてゲー
ト絶縁体層を形成させ、ゲート・ソース短絡欠陥を効果
的に防止した薄膜トランジスタを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における逆スタガ型の薄膜トランジスタ
の構造断面図である。

【図２】本発明の傾斜機能材料薄膜をプラズマＣＶＤ装
置にて作成する時の原料ガスの各濃度対時間チャートで
ある。

【図３】本発明の傾斜機能材料薄膜のオージェ分析で測
定した厚さ方向の組成の濃度プロファイルである。

【符号の説明】 １ 基板ガラス ２ アルミニウムゲート電極薄膜 ３ ゲート絶縁体層（傾斜機能材料薄膜） ４ ａ-Ｓｉ半導体層 ５ ＳｉＮ_xエッチングストッパ層 ６ ｎ⁺-a-Ｓｉ層 ７ チタンソース電極薄膜 ８ チタンドレン電極薄膜 ９ ＩＴＯ透明電極薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 郁典 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコンと酸素および窒素を主成分とす
   る絶縁体薄膜であって、薄膜の厚さ方向に対し前記酸素
   と窒素が互いに逆方向の濃度勾配を持つことを特徴とす
   る傾斜機能材料薄膜。
2. 【請求項２】 絶縁基板と、その絶縁基板上に導電材料
   を選択的に被着して形成してなる第一の導電層と、前記
   絶縁基板表面の露出面及び前記第一の導電層を覆う絶縁
   体層と、前記絶縁体層上の特定領域を覆う半導体層と、
   前記半導体層と一部重なり合う一対の第二の導電層と、
   前記第二の一対の導電層の一方と電気的に接触する第三
   の導電層を少なくとも有する薄膜トランジスタにおい
   て、前記第一の導電層を覆う絶縁体層が請求項１に記載
   した傾斜機能材料薄膜であって、前記半導体層と接触す
   る側のその窒素濃度が高いことを特徴とする薄膜トラン
   ジスタ。