JP2005277235A - 多層薄膜、薄膜検査方法および薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検査用サンプルを必要とせず、製品そのものを薄膜検査できる。
【解決手段】 デバイス形成領域外に第１薄膜１３と第２薄膜１５とを堆積し、第２薄膜１５にマスクを介してドライエッチングにより検査穴１７を形成し、この状態で第２薄膜１５をマスクとして検査穴１７に対応する第１薄膜１３をウエットエッチングする。これにより、第１薄膜１３に生じたサイドエッチング量を光学顕微鏡で観察することにより、第１薄膜１３のサイドエッチング量を測定して、第１薄膜１３と第２薄膜１５との密着性を評価する。これにより、第１、第２薄膜１３、１５の検査用サンプルを別に製作する必要がなく、製品と同じものを直接検査することができるので、第１薄膜１３と第２薄膜１５との密着性を正確に知ることができる。
【選択図】図６

Description

この発明は、多層薄膜、薄膜検査方法および薄膜形成方法に関し、特にフォトセンサなどの半導体装置に用いられる多層薄膜、薄膜検査方法および薄膜形成方法に関する。

例えば、フォトセンサの中には、特許文献１に記載されているように、ダブルゲート型のフォトセンサデバイス（光電変換素子）を複数配列し、これらフォトセンサデバイス上に被写体が配置され、被写体に応じて変調する光量を各フォトセンサデバイスの受光部分で受光することにより、被写体に応じた光の明暗の画像が得られ、これにより被写体を読み取るように構成されている。

このようなダブルゲート型のフォトセンサデバイスは、アクリルやガラスなどの透明基板上にボトムゲート電極を設け、このボトムゲート電極を覆う下部ゲート絶縁膜上に半導体層を設け、この半導体層の上面にブロッキング層を設けると共に、その両側にソース電極、ドレイン電極を設け、その上面全体に上部ゲート絶縁膜を設け、この上部ゲート絶縁膜上にＩＴＯなどの透明な金属材料からなるトップゲート電極をボトムゲート電極に対応させて設け、その上面全体にオーバーコート膜を設けた構造になっている。

特開平８−８８３９６号公報

ところで、このようなフォトセンサデバイスにおいては、ＩＴＯなどの透明な金属材料からなるトップゲート電極とこれを覆うオーバーコート膜との密着性を確保する必要があるため、トップゲート電極とオーバーコート膜との密着性を検査する必要がある。このような薄膜の密着性を検査する場合には、従来、スクラップ試験やテープ剥離試験に代表されるように、オーバーコート膜を機械的に引っ掻いたり、引き剥がしたりして行っていることが多い。

しかしながら、このような薄膜検査方法では、機械的に引っ掻いたり、引き剥がしたりしているため、破壊を伴い、使用するデバイスそのものを直接検査することができず、デバイスとは別に検査用サンプルを製作して間接的に検査しなければならないという問題がある。

この発明が解決しようとする第１の課題は、良好な密着性の多層薄膜を提供することである。
また、この発明の第２の課題は、検査用サンプルを必要とせず、製品そのものを検査することができる薄膜検査方法を提供することである。
また、この発明の第３の課題は、薄膜の密着性を確保することができる薄膜形成方法を提供することである。

請求項１に記載の発明は、透明な金属材料からなる第１薄膜の表面に、圧縮応力が生じる窒化シリコンからなる第２薄膜を堆積されていることを特徴とする多層薄膜である。

請求項２に記載の発明は、デバイス形成領域外に第１薄膜と第２薄膜とを堆積し、前記第１薄膜上に堆積された前記第２薄膜にマスクを介してドライエッチングにより検査穴を形成し、この第２薄膜をマスクとして前記検査穴に対応する前記第１薄膜をウエットエッチングし、このウエットエッチングによる前記第１薄膜のサイドエッチング量を測定して前記第１薄膜と前記第２薄膜との密着性を評価することを特徴とする薄膜検査方法である。

請求項３に記載の発明は、前記デバイス形成領域にはダブルゲート構造の光電変換素子が形成され、この光電変換素子の上部にオーバーコート膜が設けられ、このオーバーコート膜の下面に前記金属材料からなるトップゲート電極が設けられ、
前記デバイス形成領域外の前記第１薄膜は前記トップゲート電極と同じ条件で形成され、この第１薄膜上の前記第２薄膜は前記オーバーコート膜と同じ条件で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の薄膜検査方法である。

請求項４に記載の発明は、金属材料からなる第１薄膜の表面に第２薄膜をプラズマＣＶＤ法で堆積させるときに、その堆積雰囲気の圧力を、前記第２薄膜に圧縮応力が生じるような圧力にすることを特徴とする薄膜形成方法である。

請求項５に記載の発明は、金属材料からなる第１薄膜の表面に酸化処理としてＯ2プラズマ処理を行い、この後、前記第１薄膜の表面に第２薄膜を堆積することを特徴とする薄膜形成方法である。

請求項６に記載の発明は、前記第１薄膜はダブルゲート構造の光電変換素子における前記金属材料からなるトップゲート電極であり、前記第２薄膜は前記トップゲート電極を覆う絶縁膜からなるオーバーコート膜であることを特徴とする請求項４または５に記載の薄膜成形方法である。

請求項１に記載の発明によれば、金属材料からなる第１薄膜の表面に堆積されている第２薄膜が圧縮応力が生じるこよによって第１薄膜との密着性を向上することができる。

請求項２に記載の発明によれば、デバイス形成領域外に第１薄膜と第２薄膜とを堆積し、第１薄膜上に堆積された第２薄膜にドライエッチングにより検査穴を形成すると、このときに第１薄膜と第２薄膜との密着性が悪いと、第１、第２薄膜の界面に微妙な隙間が生じやすい。この状態で、第２薄膜をマスクとして検査穴に対応する第１薄膜をウエットエッチングすると、第１薄膜と第２薄膜との密着性が悪い場合には、隙間にエッチング液が浸入して第１薄膜にサイドエッチング量が多く生じ、逆に密着性が良い場合にはサイドエッチング量が少ない。この第１薄膜のサイドエッチング量を測定して第１薄膜と第２薄膜との密着性を評価することができる。これにより、第１、第２薄膜の検査用サンプルを別に製作する必要がなく、製品と同じものを直接検査することができ、このため第１薄膜と第２薄膜との密着性を正確に知ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、デバイス形成領域にダブルゲート構造の光電変換素子が形成され、この光電変換素子の上部にオーバーコート膜が設けられ、このオーバーコート膜の下面に金属材料からなるトップゲート電極が設けられ、デバイス形成領域外の第１薄膜がトップゲート電極と同じ条件で形成され、この第１薄膜上の第２薄膜がオーバーコート膜と同じ条件で形成されていることにより、デバイス形成領域外に形成された第１薄膜と第２薄膜との密着性を検査することで、光電変換素子を損傷することなく、光電変換素子のトップゲート電極とオーバーコート膜との密着性を正確に知ることができ、これにより製品の品質を保証することができる。

請求項４に記載の発明によれば、金属材料からなる第１薄膜の表面に第２薄膜をプラズマＣＶＤ法で堆積させるときに、その堆積雰囲気の圧力を、前記第２薄膜に圧縮応力が生じるような圧力にすることにより、薄膜検査時における第１薄膜のサイドエッチング量を少なくすることができ、これにより第１薄膜と第２薄膜との密着性を確保することができ、第１薄膜と第２薄膜との接合強度を高めることができる。この場合、雰囲気中の圧力は、第２薄膜の圧縮応力が−４０〜−２００ＭＰａの範囲にすることが望ましい。

請求項５に記載の発明によれば、金属材料からなる第１薄膜の表面に酸化処理としてＯ2プラズマ処理を行い、この後、第１薄膜の表面に第２薄膜を堆積することにより、薄膜検査時における第１薄膜のサイドエッチング量を少なくすることができ、これにより第１薄膜と第２薄膜との密着性を確保することができ、第１薄膜と第２薄膜との接合強度を高めることができる。

請求項５に記載の発明によれば、前記第１薄膜はダブルゲート構造の光電変換素子における金属材料からなるトップゲート電極であり、前記第２薄膜は前記トップゲート電極を覆うオーバーコート膜であることにより、請求項３、４に記載の発明と同様、第１薄膜のトップゲート電極と第２薄膜のオーバーコート膜との密着性を確保することができ、これにより製品の品質を確保することができる。

（実施形態１）
以下、図１〜図８を参照して、この発明をフォトセンサデバイスに適用した実施形態１について説明する。
このフォトセンサデバイスを製造する場合には、まず、図１に示すように、アクリルやガラスなどの透明基板１の上面にＡｌ−Ｔｉなどのアルミ合金からなるボトムゲート電極２を形成し、その表面を陽極酸化してＡｌ2Ｏ3からなる陽極酸化膜３を形成する。

そして、その上面全体に窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる下部ゲート絶縁膜４を堆積させ、この下部ゲート絶縁膜４の上面にイントリンシック−アモルファスシリコン（ｉ−ａ−Ｓｉ）の半導体層５をＣＶＤ法により堆積させる。この後、半導体層５の上面にＳｉＮからなるブロッキング層６をボトムゲート電極２に対応させて形成し、その上面全体にｎ型の不純物を高濃度に混入したアモルファスシリコン膜７をＣＶＤ法により堆積させる。

この状態で、図２に示すように、アモルファスシリコン膜７と半導体層５とをパターニングする。これにより、アモルファスシリコン膜７がブロッキング層６の両側にソース、ドレインとして形成され、また半導体層５はデバイス形成領域分だけ残るように形成される。この後、上面全体にクロム（Ｃｒ）層とＡｌ−Ｔｉなどのアルミ合金層とを順次堆積させてパターニングすることにより、ソース、ドレインのアモルファスシリコン膜７の上面にクロム（Ｃｒ）からなるバリア層８とＡｌ−Ｔｉなどのアルミ合金からなる金属層９とを積層させ、この積層されたバリア層８と金属層９とでソース電極１０ａ、ドレイン電極１０ｂが形成される。

そして、図３に示すように、その上面全体にＳｉＮからなる上部ゲート絶縁膜１１を堆積させ、この上部ゲート絶縁膜１１上にＩＴＯなどの透明な金属膜をスパッタ法により、膜厚が５００Å程度に堆積させてパターニングすることにより、ＩＴＯなどの透明な金属材料からなるトップゲート電極１２をボトムゲート電極２に対応させて形成する。このときには、図３に示すように、トップゲート電極１２となるＩＴＯなどの透明な金属膜をデバイス形成領域外に位置する透明基板１上にまで堆積させて第１薄膜１３として形成する。

この後、その上面全体にＳｉＮからなるオーバーコート膜１４をプラズマＣＶＤ法により膜厚が１μｍ程度に堆積させる。このときにも、オーバーコート膜１４となる膜をデバイス形成領域外まで堆積させて第２薄膜１５として形成する。これにより、デバイス形成領域にフォトセンサデバイスが形成され、デバイス形成領域外に第１薄膜１３と第２薄膜１５とを堆積させた検査部１６が形成される。この場合、フォトセンサデバイスは、ボトムゲート電極２、ソース電極１０ａ、ドレイン電極１０ｂが光を遮断し、これ以外の部分が光を透過するように構成されている。

このように形成されたフォトセンサデバイスを指紋読取装置に用いる場合には、最下部の透明基板１の下面に面光源（図示せず）を配置する。この状態で、フォトセンサデバイスの最上面に指を載せて、面光源を発光させると、その発光した光がボトムゲート電極２、ソース電極１０ａ、ドレイン電極１０ｂを除く部分のフォトセンサデバイスを透過して指に照射され、この照射された光が指で反射され、その反射光が半導体層５に入射する。この場合、特にボトムゲート電極２に対応するトップゲート電極１２がＩＴＯなどの透明な金属材料で形成されているので、指からの反射光を良好に透過させて半導体層５に入射させる。これにより、フォトセンサデバイスで指による反射光を受光することにより、指紋の凹凸に応じた光の明暗画像が得られ、指紋を読み取ることができる。

次に、このようなフォトセンサデバイスにおける最上部のオーバーコート膜１４とトップゲート電極１２との密着性を検査する場合について、図３〜図８を参照して説明する。
この場合には、予め、上部ゲート絶縁膜１１の上面にＩＴＯなどの透明な金属膜をスパッタ法に堆積させるときに、図３に示すように、デバイス形成領域外の透明基板１上にも堆積させて、トップゲート電極１２と同じ条件で第１薄膜１３が形成されている。また、その上面全体にＳｉＮを堆積させてオーバーコート膜１４を形成するときにも、デバイス形成領域外の第１薄膜１３上にオーバーコート膜１４と同じ条件で第２薄膜１５が形成されている。

この状態で、図４および図５に示すように、デバイス形成領域外の第２薄膜１５上にマスク（図示せず）を配置してドライエッチングする。これにより、第２薄膜１５に検査穴１７を形成する。この後、第２薄膜１５をマスクとして第２薄膜１５の検査穴１７に対応する第１薄膜１３を硝酸、塩酸、水の混合液からなるエッチング液を用いてウエットエッチングする。すると、図６および図７に示すように、第１薄膜１３にサイドエッチングが生じる。このウエットエッチングによる第１薄膜１３のサイドエッチング量を測定して、第１薄膜１３と第２薄膜１５との密着性を評価する。

すなわち、第２薄膜１５をドライエッチングによって検査穴１７を形成すると、このときに第１薄膜１３と第２薄膜１５との密着性が悪いと、第１、第２薄膜１３、１４の界面に微妙な隙間が生じやすい。この状態で、第２薄膜１５をマスクとして検査穴１７に対応する第１薄膜１３をウエットエッチングすると、第１薄膜１３と第２薄膜１５との隙間にエッチング液が入り込み、図８（ｂ）に示すように、第１薄膜１３にサイドエッチング量が多く生じる。逆に密着性が良い場合には、図８（ａ）に示すように、第１、第２薄膜１３、１４は強固に密着しているのでサイドエッチング量が少ない。この第１薄膜１３に生じたサイドエッチング量を光学顕微鏡で観察することにより、第１薄膜１３のサイドエッチング量を測定して、第１薄膜１３と第２薄膜１５との密着性を評価することができる。

これにより、デバイス形成領域外の第１薄膜１３がトップゲート電極１２と同じＩＴＯなどの透明な金属膜からなり、この第１薄膜１３上に形成された第２薄膜１５がオーバーコート膜１４と同じ窒化シリコンからなるので、第１薄膜１３と第２薄膜１５との密着性を検査することにより、フォトセンサデバイスを損傷することなく、トップゲート電極１２とオーバーコート膜１４との密着性を評価することができる。このため、第１、第２薄膜１３、１４の検査用サンプルを別に製作する必要がなく、製品と同じものを直接検査することができる。これにより、第１薄膜１３と第２薄膜１５との密着性を評価することで、フォトセンサデバイスのトップゲート電極１２とオーバーコート膜１４との密着性を正確に知ることができ、フォトセンサデバイスの品質を保証することができる。

（実施形態２）
次に、この発明のフォトセンサデバイスの製造方法の実施形態２について図９を用いて説明する。図９は、ＩＴＯ膜上に窒化シリコン膜がプラズマＣＶＤによって成膜される際の圧力に応じて窒化シリコン膜に膜応力を発生させた場合のサイドエッチング量を測定したものであり、横軸は窒化シリコン膜に膜応力であり、縦軸はＩＴＯのサイドエッチングの長さである。なお、図１〜図８に示された実施形態１と同一部分には同一符号を付して説明する。

この実施形態２のフォトセンサデバイスの製造方法は、上部ゲート絶縁膜１１上にＩＴＯなどの透明な金属材料からなるトップゲート電極１２をボトムゲート電極２に対応させて形成し、その上面全体に窒化シリコンからなるオーバーコート膜１４をプラズマＣＶＤ法で堆積するときに、ガス雰囲気中で圧力をかけて堆積し、これ以外は実施形態１と同じ方法で製造する。

すなわち、オーバーコート膜１４を堆積するときには、所定圧力を加えて、オーバーコート膜１４の膜応力が−４０〜−２００ＭＰａとなるように、オーバーコート膜１４の耐久性を考慮して好ましくは−１００〜−１５０ＭＰａとなるようにしてオーバーコート膜１４に圧縮応力を発生させるようにオーバーコート膜１４を堆積させる。圧縮応力とは、オーバーコート膜１４が圧縮荷重を受けて縮もうとする時、これに反発してオーバーコート膜１４内に生じる応力であり、オーバーコート膜１４に生じる膜応力はオーバーコート膜１４を堆積する炉内の圧力に依存する。

図中では引っ張り応力を正値とし圧縮応力を負値としている。なお、この製造方法でも、デバイス形成領域外の透明基板１上にトップゲート電極１２と同じ条件でＩＴＯなどの透明な金属膜からなる第１薄膜１３を形成し、この第１薄膜１３上にオーバーコート膜１４と同じ条件で第２薄膜１５を形成する。図から明らかなようにオーバーコート膜１４に引っ張り応力が大きい程、サイドエッチングの長さが長く、圧縮応力が大きい程、サイドエッチングの長さが短い。

このように、ＩＴＯなどの透明な金属膜からなるトップゲート電極１２上にＳｉＮからなるオーバーコート膜１４の圧縮応力が−４０〜−２００ＭＰａの範囲で、好ましくは−１００〜−１５０ＭＰａとなるような所定の圧力をかけて堆積させると、実施形態１の薄膜検査方法による検査時における第１薄膜１３のサイドエッチング量を少なくすることができる。このため、トップゲート電極１２とオーバーコート膜１４との密着性を確保することができ、トップゲート電極１２とオーバーコート膜１４との接合強度を高めることができる。この場合にも、デバイス形成領域外の第１薄膜１３と第２薄膜１５との密着性を実施形態１の薄膜検査方法によって検査することで、トップゲート電極１２とオーバーコート膜１４との密着性を評価することができる。

（実施形態３）
次に、この発明のフォトセンサデバイスの製造方法の実施形態３について図１０を用いて説明する。図１０は、ＩＴＯ膜上に窒化シリコン膜が成膜される前にＯ2プラズマ処理を行った場合のサイドエッチング量を測定したものであり、横軸はＯ2プラズマ処理時間であり、縦軸はＩＴＯのサイドエッチングの長さである。この場合にも、図１〜図８に示された実施形態１と同一部分に同一符号を付して説明する。

この実施形態３のフォトセンサデバイスの製造方法は、上部ゲート絶縁膜１１上にＩＴＯなどの透明な金属材料からなるトップゲート電極１２をボトムゲート電極２に対応させて形成し、Ｏ2プラズマ処理炉内で酸素の流量を８００sccm、炉内圧力２７Ｐａ、ＲＦパワー２Kw、電極間距離を５５mmとし、温度２０℃／２０℃（基板／電極）でその上面全体に酸化処理としてＯ2プラズマ処理を行い、この後、その上面全体に窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるオーバーコート膜１４を堆積し、これ以外は実施形態１と同じ方法で製造する。

図から明らかなように、ＩＴＯなどの透明な金属材料からなるトップゲート電極１２の上面にＯ2プラズマ処理を１分以上行った後、ＳｉＮからなるオーバーコート膜１４を堆積させることにより、実施形態１の薄膜検査方法による検査時における第１薄膜１３のサイドエッチング量を少なくすることができる。このため、トップゲート電極１２とオーバーコート膜１４との密着性を確保することができ、トップゲート電極１２とオーバーコート膜１４との接合強度を高めることができる。

この場合、Ｏ2プラズマ処理の時間が１分未満で短くなればなるほど、検査時における第１薄膜１３のサイドエッチング量が多くなり、密着性が低下する。また、この場合にも、デバイス形成領域外の透明基板１上にトップゲート電極１２と同じ条件で第１薄膜１３を形成し、この第１薄膜１３上にオーバーコート膜１４と同じ条件で第２薄膜１５を形成することにより、実施形態１と同様、第１薄膜１３と第２薄膜１５との密着性を検査して、トップゲート電極１２とオーバーコート膜１４との密着性を評価することができる。

なお、上記実施形態１〜３では、第１薄膜１３と第２薄膜１５として、フォトセンサデバイスのトップゲート電極１２とオーバーコート膜１４とに適用した場合について述べたが、これに限らず、第１薄膜がＩＴＯなどの透明な金属材料で、第２薄膜がＳｉＮなどの絶縁材料であれば、他の膜にも適用することができる。この場合、第２薄膜が透明な材料でないときには、光学顕微鏡で第１薄膜のサイドエッチング量を測定する際、最下部の基板が透明基板であれば、下面側から光学顕微鏡で測定すれば良い。

また、上記実施形態１〜３では、半導体デバイスとして、フォトセンサデバイスに適用した場合について述べたが、これに限らず、ＩＴＯなどの透明な金属膜とＳｉＮ膜とを堆積する構造のものであれば、他のデバイスにも適用することができる。

この発明をフォトセンサデバイスに適用した場合の製造過程を示した要部の断面図である。（実施形態１） 図１の後工程を示した要部の断面図である。 図１および図２の工程を経て得られたフォトセンサデバイスを示した要部の断面図である。 図３のデバイス形成領域外に第１、第２薄膜を堆積させて第２薄膜に検査穴を形成した状態を示した要部の拡大断面図である。 図４の平面図である。 図４の検査穴を通して第１薄膜をウエットエッチングした状態の要部の拡大断面図である。 図６の平面図である。 図６および図７の検査状態を示し、（ａ）は第１薄膜のサイドエッチング量が少ない密着性の良い場合を示した平面図、（ｂ）は第１薄膜のサイドエッチング量が多く生じた密着性が悪い場合を示した平面図である。 フォトセンサデバイスの製造プロセスにおける成膜炉内の圧力を制御して窒化シリコン膜に生じる膜応力とサイドエッチング量の関係を示すグラフである。（実施形態２） フォトセンサデバイスの製造プロセスにおけるＯ2プラズマ処理を行った場合のＯ2プラズマ処理時間とサイドエッチング量の関係を示すグラフである。（実施形態３）

符号の説明

１ 透明基板
１２ トップゲート電極
１３ 第１薄膜
１４ オーバーコート膜
１５ 第２薄膜
１６ 検査部
１７ 検査穴

Claims (6)

1. 金属材料からなる第１薄膜の表面に、圧縮応力が生じる第２薄膜を堆積されていることを特徴とする多層薄膜。
2. デバイス形成領域外に第１薄膜と第２薄膜とを堆積し、前記第１薄膜上に堆積された前記第２薄膜にマスクを介してドライエッチングにより検査穴を形成し、この第２薄膜をマスクとして前記検査穴に対応する前記第１薄膜をウエットエッチングし、このウエットエッチングによる前記第１薄膜のサイドエッチング量を測定して、前記第１薄膜と前記第２薄膜との密着性を評価することを特徴とする薄膜検査方法。
3. 前記デバイス形成領域にはダブルゲート構造の光電変換素子が形成され、この光電変換素子の上部にオーバーコート膜が設けられ、このオーバーコート膜の下面に前記金属材料からなるトップゲート電極が設けられ、
   前記デバイス形成領域外の前記第１薄膜は前記トップゲート電極と同じ条件で形成され、この第１薄膜上の前記第２薄膜は前記オーバーコート膜と同じ条件で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の薄膜検査方法。
4. 金属材料からなる第１薄膜の表面に第２薄膜をプラズマＣＶＤ法で堆積させるときに、その堆積雰囲気の圧力を、前記第２薄膜に圧縮応力が生じるような圧力にすることを特徴とする薄膜形成方法。
5. 金属材料からなる第１薄膜の表面に酸化処理としてＯ2プラズマ処理を行い、この後、前記第１薄膜の表面に第２薄膜を堆積することを特徴とする薄膜形成方法。
6. 前記第１薄膜はダブルゲート構造の光電変換素子における前記金属材料からなるトップゲート電極であり、前記第２薄膜は前記トップゲート電極を覆う絶縁膜からなるオーバーコート膜であることを特徴とする請求項４または５に記載の薄膜成形方法。
   

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