JPH1092813A - 陽極酸化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 陽極酸化物の膜表面の平坦化し、薬品、レー
ザー照射等に対する耐性を向上させる。 【解決手段】 金属薄膜と陰極電極との間の電圧が、特
定の電圧値に到達するまでの間に、陽極酸化速度を一定
以上にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本明細書に開示する発明は半
導体素子、液晶電気光学装置等でＡｌ電極上に陽極酸化
膜を形成する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置の電極、配線等を構成
する金属間を絶縁する方法として、金属表面に陽極酸化
工程によって高抵抗を有する陽極酸化物を形成し、各構
成物間のリークやショートとの発生を防止する方法が多
く採られていた。

【０００３】このほか、電界効果型トランジスタでゲイ
トＡｌ電極上に陽極酸化膜を形成することで、この陽極
酸化膜の膜厚がそのままオフセットゲイト領域の長さに
なる。詳細は特開平４−３６０５８０に示される。

【０００４】従来に陽極酸化の方法はまず、基板上に形
成されたＡｌ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｓｉ等よりなる金属配線に
対し、直流電源の陽極を接続し、白金等よりなる陰極電
極を直流電極の陰極に接続し、金属配線及び陰極電極を
陽極酸化液中に浸し、両者間に直流電圧を印加して、陽
極酸化が行われていた。

【０００５】このとき、陽極・陰極間に流れる電流、電
圧を次のように変化させるのが一般的であった。図１に
示すように、従来は、まず任意の期間電流値が一定とな
るようにした（定電流状態（Ａ））。すると、金属配線
上に陽極酸化膜が形成されはじめ、膜厚が厚くなるに従
って、金属配線の抵抗値が高くなるため、電圧値Ｃが次
第に増加する。次に、任意の電圧値に到達したところ
で、今度は電圧を一定となるように制御方法を切り替え
ると、（定電圧状態（Ｂ））、電流量Ｄが下がり始め、
数〜数十分間その電圧値を維持し、その後陽極酸化工程
を終了させていた。

【０００６】即ち、陽極酸化工程においては、形成され
る陽極酸化膜は高い抵抗を有する膜であるため、定電流
状態にしておくと、そのときの電圧値は形成されている
陽極酸化膜の膜厚に比例するため、電圧値を見て膜厚を
制御できる。ところが、定電流状態では膜厚は制御でき
るが、形成された酸化膜は膜厚、膜質が充分でなく、電
極間にも相当の電流が流れる。

【０００７】そこで、今度は電圧を一定にして酸化を進
めていくことで、酸化膜の膜厚、膜質が充分に均質化さ
れ、次第に電流値が低下していき、最終的には定電流状
態の終了時の電圧値に比較して１０分の１程度になる。
このように良好な絶縁性を有する陽極酸化膜を得るため
に、定電流状態から、定電圧状態に移行する構成を従来
はとっていた。

【０００８】陽極酸化物は、使用する電解液により性質
が異なり、特に中性電解液を陽極酸化液として用いた場
合、バリア型と呼ばれるきわめて緻密な組成を有し、ピ
ンホールの発生も少ないため、電極、配線間の絶縁物と
して広く利用されていた。

【０００９】ところが、このような方法で形成された陽
極酸化膜の表面は、その後の工程で荒れ、耐性がないた
め、この陽極酸化膜を絶縁膜として利用した薄膜トラン
ジスタは信頼性に欠けていた。

【００１０】通常、エッチングのため、Ａｌ電極上面、
側面に陽極酸化膜作製後、多孔質な陽極酸化膜を除去す
るためにアルミ混酸を使用する。また、活性層にはゲイ
トＡｌ電極をマスクとしてドーピング、レーザー活性化
処理が行われる。さらにレジストを剥離した後には酸素
プラズマ処理が行われる。このとき陽極酸化膜はアルミ
混酸、ドーピング、レーザー、酸素プラズマに晒され
る。

【００１１】これらの工程の前後の陽極酸化膜の膜厚を
測定したところ、工程後に膜厚が減少しており、陽極酸
化膜がダメージを受けていることが分かった。膜減りは
電極間の絶縁性を低下させる。

【００１２】さらに、上記の処理後、本来陽極酸化膜に
よって被覆されている電極材料の表面が突出してしまう
現象も見られた。

【００１３】これは、レーザー処理時における加熱（レ
ーザー光の照射によりアルミニウムは瞬間的に加熱され
る）により、アルミニウムの異常成長が発生し、ヒロッ
クと呼ばれる突起物が形成されたためである。

【００１４】上記のヒロックが発生すると、酸化膜が絶
縁膜としての機能を果たせず、ショート発生を回避する
のは困難となる。この結果、薄膜トランジスタが動作不
能となってしまう。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本明細書に開示する発
明は、金属薄膜の表面に陽極酸化法により形成された陽
極酸化膜について、工程数を増やすことなく表面を平坦
化することで、薬品、物理的エネルギーの曝露に対する
膜の耐性を向上させ、信頼性に優れた薄膜トランジスタ
を作製する方法を提案するものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本明細書に開示する発明
は、基板上の金属薄膜が、陽極酸化液を介して陰極電極
と電気的に接続され、前記金属薄膜を陽極として、前記
金属薄膜と前記陰極電極との間に直流電流を流す際に、
前記金属薄膜と前記陰極電極との間の電圧が、特定の電
圧値に到達するまでの間に、陽極酸化速度を５Ｖ／ｍｉ
ｎ以上とすること、を特徴とする陽極酸化方法である。

【００１７】

【発明の実施の形態】上記構成を採用することのより、
陽極酸化工程における膜表面の平坦性を確保できる。そ
して、陽極酸化工程途中における膜表面に生じた穴への
薬液の浸透を防止することができる。

【００１８】この結果、膜厚が不均一な部分への応力集
中を緩和することができ、電極材料の応力による陽極酸
化膜の破損を防止できる。例えば、ヒロックの発生によ
る応力の集中より、陽極酸化膜が破損してしまうことを
防止することができる。

【００１９】また、陽極酸化膜の表面の平坦性を向上さ
せることで、レジストの密着性が向上する。このこと
は、工程途中でのレジスト剥離を防止することに効果が
ある。

【００２０】特に電極側面の陽極酸化膜に対するレジス
トマスクのカバレッジが向上し、不要なエッチング溶液
の回り込み等を防止することができる。

【００２１】

【実施例】

〔実施例１〕本実施例では、Ａｌ電極上の陽極酸化膜の
性質に影響を与える２つの要因である酸化速度、熱アニ
ールの効果を示す。

【００２２】本発明者らの経験的な知見によれば、酸化
速度を速くしていくと膜質がより緻密になる傾向が見ら
れる。そこでこの点に着目し、本実施例では陽極酸化膜
の膜質を決定する酸化速度について、２通りの速度で処
理し、膜質の比較をした。

【００２３】また、陽極酸化膜の緻密化を促進すると思
われる熱アニール温度についても４種類の温度で処理
し、膜質の比較をした。

【００２４】なお、本実施例では陽極酸化膜の性質のみ
に注目しており、通常の薄膜トランジスタの構成要素で
ある活性層、ゲイト絶縁膜は省略した。しかし、エッチ
ング、レーザー、ドーピング、酸素プラズマ処理等の工
程は、通常の薄膜トランジスタ作製工程を維持したまま
行っている。

【００２５】本実施例では、基板１０１にコーニング＃
１７３７ガラスを用いる。またその大きさは１２７ｍｍ
×１２７ｍｍとする。

【００２６】まず、前記基板上に０．２ｗｔ％のスカン
ジウムを含有したＡｌ膜１０２を４０００Å形成する
（図２（Ａ））。スカンジウムは加熱処理の際にＡｌ表
面に発生するヒロックやウィスカーといった突起物を抑
える効果を持つ。

【００２７】次に、電解溶液中でＡｌ膜を陽極として陽
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。到達電圧は１０
Ｖ、定電流時の電圧上昇速度は１Ｖ／ｍｉｎとした（図
２（Ｂ））。本工程によりＡｌ膜上に緻密な陽極酸化膜
１０３が形成され、この陽極酸化膜の成長膜厚は１４０
Åであった。

【００２８】次に、レジストを成膜後、マスクを用いて
所定の形状に公知の方法でパターニングした。その後、
エッチングを行った（図２（Ｃ））。エッチングは陽極
酸化膜１０３を除去するためにはアルミ混酸を、Ａｌ電
極１０２のエッチングはドライエッチングにより行っ
た。

【００２９】次に電解溶液中でパターニングしたＡｌ膜
を陽極として陽極酸化を行う。電解溶液としては、３％
のシュウ酸水溶液をｐＨ＝１．９に調整したものを使用
する。定電圧時間は８０分で、レジストを剥離した。本
工程によりＡｌ電極側面に多孔質な陽極酸化膜１０４が
形成され、成長膜厚は１００００Åであった（図２
（Ｄ））。

【００３０】次に、再び３％の酒石酸溶液中で陽極酸化
を行った（図２（Ｅ））。到達電圧１２０Ｖとして陽極
酸化速度を１Ｖ／ｍｉｎ、５Ｖ／ｍｉｎの２通りで行っ
た。

【００３１】前記試料の表面状態を走査型電子顕微鏡
（ＳＥＭ）で観察した（図３）。この結果によれば、図
３（Ａ）に示すように、陽極酸化速度１Ｖ／ｍｉｎの膜
表面は多数の穴（黒色に見える部分）が多数観察され
る。しかし、図３（Ｂ）に示す、５Ｖ／ｍｉｎの条件の
膜においては、その穴の数が少ない。

【００３２】この傾向はこの工程後の熱アニール条件に
対しては特に差は見られなかった。膜耐性に関し、酸化
速度は優位な因子である。

【００３３】ここで、上記結果について考察する。陽極
酸化工程においては電極（但し工程が進行すると陽極酸
化膜）表面が常に電解液に接触している。緻密な膜を形
成する場合の陽極酸化工程では、電解液に有機物（エチ
レングリコール）が含有されているものを使用する。こ
れらが膜内に取り込まれると膜中の不純物となってしま
うが、酸化速度が遅いとこのような不純物を取込む確率
が高くなってしまう。酸化速度が遅い場合の膜質の悪化
は、この不純物の影響が現れているものと思われる。

【００３４】次に上記試料に対し熱アニールを６０分行
った。このときのアニール温度は１００、２００、３０
０、４５０℃とした。

【００３５】更に各処理条件の試料に対し、ゲイト絶縁
膜エッチング工程としてＣＨＦ３ガスによるドライエッ
チング処理を行い、酸素プラズマ処理後、陽極酸化膜の
エッチングを行い、酸素プラズマ処理を４分行った後、
アルミ混酸で陽極酸化膜を除去した。その後再び酸素プ
ラズマ処理を４分行った（図２（Ｆ））。

【００３６】これによれば、処理条件と表面状態の関係
は表面観察（図３）の場合と基本的には一致している。
ただし、酸化速度の速いものでもパターニング（図２
（Ｇ））、ドーピング（図２（Ｈ））、レーザー（図２
（Ｉ））、レジスト剥離（図２（Ｊ））、酸素プラズマ
処理等の物理的な影響を与える工程を経ると、小さい穴
が出始める。この段階ではアニール温度の高い方が穴の
発生が抑制されている。

【００３７】上記の結果をみると、膜の緻密化には酸化
速度が大きく寄与するが、熱アニールにより膜質がより
緻密になって、物理的な影響への耐性を向上したものと
思われる。

【００３８】また、各処理工程後の陽極酸化膜の膜厚を
測定した。各処理による膜厚の減少はＧＩエッチング、
及びアルミ混酸によるポーラス除去工程後に顕著であっ
た。これら２つの工程でアルミナはダメージを受けやす
くなっており、本実施例に示すような膜質の差異は陽極
酸化膜の耐性を大きく左右するものである。

【００３９】〔実施例２〕本実施例では、陽極酸化法に
よりＡｌ電極上にＡｌ₂ Ｏ₃ による絶縁膜を形成する場
合に、実施例１により求めた条件で処理した場合のＴＦ
Ｔ基板の作製工程を示す。図４に作製工程を説明するた
めの図を示す。

【００４０】本実施例では、基板２０１にコーニング＃
１７３７ガラスを用いる。またその大きさは１２７ｍｍ
×１２７ｍｍとする。

【００４１】まず、下地膜２０２としてＳｉＯ₂ をプラ
ズマＣＶＤ法やＬＰＣＶＤ法により２０００Å成膜す
る。次に非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法やＬＰＣＶＤ
法によって１００〜１５００Å形成する。ここでは１０
００Åの厚さに成膜する。

【００４２】次にこの非晶質珪素膜を加熱またはレーザ
ーアニール、もしくは両者を併用するなどの手段により
結晶化する。また結晶化の際、結晶化を促進する金属元
素を添加すると効果的である。

【００４３】結晶化が終了したら、得られた図示しない
結晶性珪素膜をパターニング後に活性層を構成する島状
半導体層２０３を形成する。

【００４４】島状半導体層２０３を形成したら、後にゲ
イト絶縁膜として機能する酸化珪素膜２０４を１２００
Åの厚さに成膜する。もちろん、酸化珪素膜や窒化珪素
膜であってもよい。

【００４５】次に、導電性被膜を２０００〜２５００Å
の厚さに成膜する。本実施例では、０．２ｗｔ％のＳｃ
を含有したＡｌ膜を用いる。Ｓｃは加熱処理の際にＡｌ
表面に発生するヒロックやウィスカーといった突起物を
抑える効果を持つ。

【００４６】次に、電解溶液中でＡｌ膜を陽極とし、白
金を陰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。

【００４７】また、白金を陰極として化成電流５ｍＡ、
到達電圧１０Ｖとして処理する。本工程によりＡｌ膜上
に緻密な陽極酸化膜２０８が形成され、この陽極酸化膜
の成長膜厚は１４０Åであった。

【００４８】次に、レジスト２１０を成膜後、マスクを
用いて所定の形状に公知の方法でパターニングした。そ
の後、エッチングを行った。エッチングは陽極酸化膜を
除去するためにはアルミ混酸を、Ａｌ電極のエッチング
はドライエッチングにより行った。こうしてゲイト電極
２０５、２０６及び配線２０７を作製した。

【００４９】次に電解溶液中でパターニングしたＡｌ膜
を陽極として陽極酸化を行う。電解溶液としては、３％
のシュウ酸水溶液をｐＨ＝１．９に調整したものを使用
する。定電圧時間は８０分で、レジストを剥離した。本
工程によりＡｌ電極側面に多孔質な陽極酸化膜２０９が
形成され、成長膜厚は１００００Åであった。こうして
図４（Ａ）の状態が得られる。

【００５０】次に、再び３％の酒石酸溶液中で陽極酸化
を行った。到達電圧１２０Ｖとして陽極酸化速度を５Ｖ
／ｍｉｎで行った。陽極酸化膜の表面は穴等が見られず
平坦であった。

【００５１】次に、アルミ混酸により多孔質な陽極酸化
膜を除去し、Ａｌ電極の周囲に緻密な陽極酸化膜２１１
のみに被覆された状態が得られた（図４（Ｂ））。

【００５２】その後、イオンドーピング法（プラズマド
ーピング法とも言う）によって、各島状シリコン膜中
に、公知のＣＭＯＳ技術、自己整合不純物中注入技術を
用いて、不純物イオン（燐、硼素）を注入した。ドーピ
ングガスとしてはフォスフィン（ＰＨ₃ ）及びジボラン
（Ｂ₂ Ｈ₆ ）を用いた。ドーズ量は、２〜８×１０¹⁵ｃ
ｍ^-2とした。この結果、Ｎ型不純物（燐）領域２１２及
びＰ型不純物（硼素）領域２１３が形成された。

【００５３】さらに、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２
４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を照射して、上記不
純物領域の導入によって結晶性の劣化した部分の結晶性
を改善させた。レーザーのエネルギー密度は１５０〜４
００ｍＪ／ｃｍ² 、好ましくは２００〜２５０ｍＪ／ｃ
ｍ² であった。こうしてＮ型不純物領域及びＰ型の不純
物領域が活性された。これらの領域のシート抵抗は２０
０〜８００Ω／□であった（図４（Ｃ））。

【００５４】その後、ゲイト電極及び配線を分断して、
回路に必要な長さにした。そして、全面に層間絶縁物２
１４として、ＴＥＯＳを原料として、これと酸素とのプ
ラズマＣＶＤ法、もしくはオゾンとの減圧ＣＶＤ法ある
いは常圧ＣＶＤ法によって酸化珪素膜を厚さ３０００〜
１００００Å、例えば、６０００Å形成した。この際に
フッ素を六フッ化二炭素（Ｃ₂ Ｆ₆ ）を用いて反応させ
て酸化珪素中に添加するとステップカバレッジが改善で
きる。基板温度は１５０〜４００℃、好ましくは２００
〜３００℃とした。更にスパッタ法によってＩＴＯ被膜
を堆積し、これをパターニングして、図示しない画素電
極とした。そして、前記層間絶縁膜及び配線の陽極酸化
物をエッチングして、コンタクトホール２１５を形成し
た。

【００５５】その後、層間絶縁物とゲイト絶縁膜をエッ
チングして、ＴＦＴのソース／ドレインにコンタクトホ
ールを形成した。このコンタクトホール形成の際に、同
時に陽極酸化膜をもエッチングしてゲイト電極へもコン
タクトホールが形成されている。

【００５６】そして、窒化チタンとＡｌの多層膜の配線
２１６、２１７、２１８を形成した。配線は図示しない
画素電極に接続させた。また、ゲイト電極には先に形成
されたコンタクトホールを介して、配線が接続した。最
後に水素中で２００〜３００℃で０．１〜２時間アニー
ルして、シリコンの水素化を完了した。このようにし
て、ＴＦＴ回路が完成した（図４（Ｅ））。

【００５７】本実施例の作製方法により、ｏｆｆ電流の
低い良好な特性のＴＦＴを作製することができた。本実
施例のＴＦＴを液晶材料の駆動素子として液晶パネルに
使用することで、良好な表示特性を実現することができ
た。

【００５８】〔実施例３〕本実施例では実施例２とは異
なる構造のＴＦＴを作製する場合の例について説明す
る。具体的には逆スタガ型ＴＦＴを作製する例を示す。

【００５９】図５（Ａ）において、ガラス基板５０１上
に下地膜５０２を形成後、導電性被膜５０３を成膜す
る。本実施例では、導電性被膜に０．２ｗｔ％のＳｃを
含有したＡｌ膜を用いた。

【００６０】次に、電解溶液中でＡｌ膜を陽極とし、白
金を陰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。
本工程によりＡｌ膜上に緻密な陽極酸化膜５０４が形成
される。

【００６１】次に、図示しないレジストを成膜後、マス
クを用いて所定の形状に公知の方法でパターニングをし
た。その後、エッチングを行い、ゲイト電極５０５を得
た。そして、レジストを剥離後、再び３％の酒石酸溶液
中で陽極酸化を行い、緻密な陽極酸化膜５０６を得た。
到達電圧１２０Ｖとして陽極酸化速度を５Ｖ／ｍｉｎで
行った。この陽極酸化膜５０６の表面は穴など見られず
平坦であった。こうして、図５（Ｂ）を得た。

【００６２】次にゲイト絶縁膜５０７として酸化珪素膜
をプラズマＣＶＤ法により成膜する。これは窒化珪素膜
と酸化珪素膜の多層膜であってもよい。さらに非晶質珪
素膜をプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法により成
膜する。これは、さらに加熱またはレーザー光の照射に
よって、結晶性珪素膜としてもよい。このようにして得
られた非晶質珪素膜（もしくは結晶性珪素膜）をエッチ
ングして、薄膜トランジスタの半導体層（活性層）５０
８を得る。そして、活性層５０８上に窒化珪素膜をパタ
ーニングして形成されるチャネルストッパー（またはエ
ッチングストッパー）５０９を設ける。（図５（Ｃ））

【００６３】図５（Ｃ）の状態を得たら、Ｎ型もしくは
Ｐ型を呈する珪素膜を形成してパターニングを施し、ソ
ース領域５１０およびドレイン領域５１１を形成する。
さらに、ソース配線５１２、ドレイン配線５１３を形成
し、図５（Ｄ）に示す逆スタガ型ＴＦＴが完成する。

【００６４】本実施例では、ソース領域およびドレイン
領域を活性層５０８上に形成したが、イオンドーピング
法など公知の方法により、不純物を活性層中に選択的に
注入し、活性層中にソース領域およびドレイン領域を形
成してもよい。

【００６５】また、本実施例ではチャネルストッパー５
０９を有する逆スタガＴＦＴを作製したが、このチャネ
ルストッパーがない逆スタガ型ＴＦＴなど他の公知のＴ
ＦＴにも本発明を適用することができる。

【００６６】

【発明の効果】本発明により、陽極酸化膜の耐性が向上
し信頼性に優れた半導体素子を作製できた。

【００６７】本明細書においては、主にＡｌと陽極酸化
して得られたＡｌ₂ Ｏ₃ について示したが、本発明はこ
れに限定されるものではなく、例えばＴａとＴａ
₂ Ｏ₅ 、ＴｉとＴｉＯ₂ 、Ｓｉと酸化珪素、またはこれ
らの多層膜に対しても有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 陽極酸化工程における、電極間の電圧、電流
を示す。

【図２】 実施例１に示す電極作製工程を示す。

【図３】 実施例１における陽極酸化法により形成され
た薄膜の写真。

【図４】 実施例２に示す半導体素子の作製方法を示
す。

【図５】 実施例３に示す半導体素子の作製方法を示
す。

【符号の説明】

１０１、２０１ 基板 １０２ Ａｌ−Ｓｃ膜 １０３ 陽極酸化膜（緻密） １０４ 陽極酸化膜（多孔質） ２０２ 酸化珪素膜 ２０３ 島状半導体領域（Ｓｉ） ２０４ ゲイト絶縁膜（酸化珪素） ２０５、２０６ ゲイト電極 ２０７ 配線電極 ２０８、２０９、２１１ 陽極酸化膜 ２１０ レジスト ２１２ Ｎ型不純物領域 ２１３ Ｐ型不純物領域 ２１４ 層間絶縁膜（酸化珪素） ２１５ コンタクトホール ２１６、２１７、２１８ 金属配線（ＴｉＮ／Ａｌ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上の金属薄膜が、陽極酸化液を介し
   て陰極電極と電気的に接続され、前記金属薄膜を陽極と
   して、前記金属薄膜と前記陰極電極との間に直流電流を
   流す際に、 前記金属薄膜と前記陰極電極との間の電圧が、特定の電
   圧値に到達するまでの間に、陽極酸化速度を５Ｖ／ｍｉ
   ｎ以上とすること、を特徴とする陽極酸化方法。