JP2011040593A - 半導体装置ならびに半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒロックに対して４００℃程度の耐熱性を有するＮｄ添加量２ａｔ％のＡｌＮｄ層を塩素系ガスでプラズマエッチングする場合、フェンスと呼ばれる反応生成物が堆積した領域が生じる。フェンスの存在により、ＡｌＮｄ層をゲート電極としてＴＦＴを形成した場合、ゲート電極脇に電気的に不安定な領域ができることから、ＴＦＴの電気的特性が不安定になる場合があるという課題がある。
【解決手段】ＡｌＮｄ層２０３を層厚０．４５μｍ以上０．８μｍ以下、Ｎｄの含有量を０．５ａｔ％以上１．０ａｔ％以下に形成した。この条件範囲であれば、塩素ガスを主としたプラズマエッチングを行ってもフェンスの発生が抑えられる。また、基板温度を５００℃まで上げられることから、層間絶縁層２１１として信頼性が高い酸化シリコン層をＡｌＮｄ層２０３にヒロックを発生させることなく形成することができ、信頼性が高いＴＦＴ２２０を提供することが可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体装置ならびに半導体装置の製造方法に関する。

アルミニウム（以下Ａｌとも記載する）にネオジム（以下Ｎｄとも記載する）を添加した合金（以下、ＡｌＮｄとも記載する）は、熱処理時に発生するヒロック（微細な突起状欠陥）の発生が、純Ａｌを用いた場合と比べて抑えられる。非特許文献１に示されるように、Ｎｄを２ａｔ％程度添加することで４００℃１時間の熱処理に対してもヒロックの発生が抑えられる。Ｎｄを用いた場合、２ａｔ％程度と添加量が少なくてもヒロックの発生を抑えられることから、他の物質を加えてヒロックを抑制した場合と比べ、合金散乱による抵抗率上昇を最低限に抑えることができる。

ＡｌＮｄ層を用いて例えばゲート電極やその他の配線構造を作り、当該ＡｌＮｄ層を埋め込むべく層間絶縁層を形成する場合には、プラズマＣＶＤ（化学気相堆積）法等、低い基板温度で形成する場合においても、３００℃程度の基板温度を必要とし、ＡｌＮｄ層はこの基板温度に耐えうるもので構成される必要がある。

２ａｔ％程度のＮｄを含むＡｌＮｄ層はこの工程に耐える耐熱性を有している。そのため、液晶パネル等の配線材料として好適に用いられている。２ａｔ％程度のＮｄを含むＡｌＮｄをエッチングする工程では、特許文献２に示すように、主にウェットエッチングが用いられている。

近年、ディスプレイパネルに求められてきている高精細化に対応するため、ウェットエッチング法で得られる寸法精度では不足となり、寸法精度が高いドライエッチング法が研究されてきている。そして、ドライエッチング法の中でも、エッチング反応種を基板に対して方向性を揃えて照射可能なプラズマエッチング法が好適な方法として活用されてきている。ドライエッチングで実用的なエッチングが行えるのは、Ｎｄの含有量が１ａｔ％以下程度の場合に限られる。そのため、特許文献１に示される（特に段落００７８）ように、Ｍｏを用いた積層構造を用いてヒロックの発生を抑えることで耐熱性を向上させる技術が用いられている。

特開２００４−５５８４２号公報 特開２００４−３５６６１６号公報

神戸製鋼技報／Ｖｏｌ．５２．Ｎｏ．２（Ｓｅｐ．２００２）・２頁−１１頁

２ａｔ％程度のＮｄを含むＡｌＮｄに対し塩素ガス主体のプラズマエッチングを行うと、レジストマスクとの選択比が取れず（例えば０．２：ＡｌＮｄを１削ると、レジストマスクは５削られる）、甚だしい場合にはエッチング途中でレジストマスクが消失し、パターン形成そのものが出来なくなる。そのため、非特許文献１に示すように、三塩化硼素ガスを添加し、ＡｌＮｄとレジストマスクとの選択比を向上させる方法が研究されているが、この場合エッチングにより得られたパターン側面にフェンスと呼ばれる反応生成物が堆積した領域が生じる。これは、三塩化硼素ガスの流量比を多くした条件を用いてプラズマエッチングを行う場合に頻発する。

図７は、基板上に形成されたＡｌＮｄパターン側面に反応生成物が付着した状態を示すＳＥＭ写真である。これは、ヒドロキシルアミン系の溶剤に可溶であることから、ＡｌＮｄがスパッタされて再付着したものではなく、ＡｌやＮｄの塩化物や酸化物が堆積されたものと推測されている。フェンスの存在により、ＡｌＮｄ層をゲート電極や配線層に用いた場合、ゲート電極脇や配線層脇に電気的に不安定な領域ができることから、ＴＦＴの電気的特性が不安定になるおそれがある。また、フェンス内には活性の高い塩素ガスや酸素が含まれるため、ＡｌＮｄ層を用いたゲート電極や他の配線層を徐々に腐蝕し、信頼性を低下させるという課題がある。

また、三塩化硼素ガスの流量比を多くすることで、プラズマエッチング装置内に反応生成物（たとえば酸化硼素）が付着する。頻繁にプラズマエッチング装置のクリーニングを行う必要が生じ、量産性が低下するという課題がある。

また、Ｍｏ層でＡｌＮｄ層を挟む構造を作るためには製造工程が長くなるため、量産性が低下するという課題がある。さらに、多層構造を備える配線のエッチングはプロセス余裕が小さく、Ｍｏの雪庇（Ｍｏが庇のように張り出してしまう現象）などの発生が生じ、歩留まりを落としてしまうという課題がある。

以上のように、ドライエッチングを可能とし、かつ単層構造で５００℃程度の熱処理に耐える配線層を得ることは困難であることが知られている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。なお、「上」とは、基板内部からネオジムが添加されたアルミニウム合金層側に向かう方向と定義する。

［適用例１］本適用例にかかる金属配線層を備える半導体装置であって、前記金属配線層の少なくとも一部にネオジムを０．５ａｔ％以上１．０ａｔ％以下の含有量で含むアルミニウム合金層を用い、かつ前記アルミニウム合金層の厚さが０．４５μｍ以上０．８μｍ以下の厚さを備えることを特徴とする。

これによれば、ネオジムの含有量を１．０ａｔ％以下としたことでフェンスの発生を防止し、エッチング装置内壁への堆積物付着を抑えられる塩素ガスを主成分としたプラズマエッチングを行うことで得られたアルミニウム合金層を備えることが可能となる。また、ネオジムの含有量を０．５ａｔ％以上とし、かつ層厚を０．４５μｍ以上とすることでアルミニウム合金層を５００℃で熱処理した場合にもヒロックの発生が抑えられたアルミニウム合金層を備えることが可能となる。

ヒロックの発生が抑えられる機構については明確には把握できていないが、ネオジムの総量が増えることにより、ヒロックの発生が抑えられている、もしくはアルミニウム合金層を厚く堆積することで応力緩和によりヒロックの発生が抑えられているものと推定している。また、０．８μｍ以下の厚さを備えることで、アルミニウム合金層のプラズマエッチングを実用的な時間で行うことが可能となる。また、アルミニウム合金層内に発生する内部応力が低減されることから、アルミニウム合金層の信頼性を確保することが可能となる。

［適用例２］本適用例にかかる金属配線層を備える半導体装置の製造方法であって、ネオジムを０．５ａｔ％以上１．０ａｔ％以下の含有量で含み、０．４５μｍ以上０．８μｍ以下の厚さを備えるアルミニウム合金層を用い、塩素を含む雰囲気でプラズマエッチングを行う工程と、３００℃以上５００℃以下の熱処理を行う工程と、を備えることを特徴とする。

これによれば、ネオジムが添加されたアルミニウム合金層の熱処理に伴うヒロックの発生を抑えることが可能となる。ヒロックの発生が抑えられる機構については明確には把握できていないが、ネオジムの総量が増えることにより、ヒロックの発生が抑えられている、もしくはアルミニウム合金層を厚く堆積することで応力緩和によりヒロックの発生が抑えられているものと推定している。

ＩＣＰエッチング装置の構成を示す外略図。 （ａ）〜（ｃ）は、プラズマエッチング工程を行うパターンとして、典型的な例となるゲート電極の形成を行う工程を示す工程断面図。 本実施形態のエッチング条件でＩＣＰエッチング装置を用いてプラズマエッチングを行った場合の断面ＳＥＭ写真。 第１の実施形態で示したプラズマエッチング法を用いて形成したＴＦＴの断面図。 ＥＣＲプラズマエッチング装置の概略図。 ＨＷＰエッチング装置の概略図。 基板上に形成されたＡｌＮｄパターン側面に反応生成物が付着した状態を示すＳＥＭ写真。

（第１の実施形態：半導体装置の製造方法）
（プラズマエッチング装置の構成）
以下、半導体装置としてのＡｌＮｄ配線層を形成するためのプラズマエッチング装置の構成について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態にかかるプラズマエッチング装置として好適に用いられるＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング装置の構成を示す外略図である。ＩＣＰエッチング装置１００は、基板２００を搬送する搬送系１０１、ゲートバルブ１０２、処理室１０３、対向電極１０４、基板支持部１０５、結合コンデンサー１０６、ＡＣバイアス電源１０７、アンテナ１０８、ガス供給系１０９、ガス排気系１１０、ＲＦ電源１１１、予備排気系１１２、予備排気室１１３を含み、基板２００を処理する。

搬送系１０１は、基板２００を大気中から、処理室１０３へと搬送する機能を有している。ゲートバルブ１０２は、大気と処理室１０３との間を気密封止し、基板２００を処理室１０３から挿入／排出する場合に開放される。予備排気室１１３は、基板２００を大気中から搬送した際に入る大気を予備排気系１１２より排出し、処理室１０３への大気の混入を抑制する機能を果たしている。

アンテナ１０８は、処理室１０３内で、ガス供給系１０９から供給されるエッチングガスを励起し、誘導結合によりプラズマを発生させる機能を有している。そして、ガス供給系１０９は、図示せぬガス流量コントローラーから供給されるエッチングガスを処理室１０３に導入する機能を有している。ガス排気系１１０は、図示せぬターボ分子ポンプや圧力制御機構により、処理室１０３内の圧力を制御している。

ＲＦ電源１１１は、１３．５６ＭＨｚの高周波電力をアンテナ１０８に供給することで、処理室１０３内でのプラズマを発生、維持するためのエネルギーを供給している。

ＡＣバイアス電源１０７は、結合コンデンサー１０６を介して、対向電極１０４と基板２００との間にＤＣバイアスを発生させ、異方性エッチングのアスペクト比や、プラズマ中からのイオンの引き込みによるエッチング（イオンボンバードメント）状態の制御を行っている。結合コンデンサー１０６は、ＡＣバイアス電源１０７からの高周波電力を受けて、プラズマ中に発生するＤＣ電位を保持する機能を有している。

図中、アンテナ１０８として２ターンの構成を有するものを用いているが、これは１ターン型のものや、多ターン型のものを用いても良い。また、ここではＩＣＰエッチング装置について説明したが、これはＥＣＲ（電子サイクロトロンスピン共鳴）プラズマエッチング装置や、ＨＷＰ（ヘリコン波励起プラズマ）エッチング装置等、プラズマ励起エネルギーとプラズマ引き込みエネルギーとを独立して扱えるプラズマエッチング装置を用いても良い。また、図１において、対向電極１０４は省略可能であり、プラズマと基板２００との間にバイアス電力を供給するようにしても良い。

次にＥＣＲプラズマエッチング装置の概要について説明する。図５は、ＥＣＲプラズマエッチング装置の概略図である。給排気系や搬送系は省略している。石英窓から入射されたマイクロ波により励起されたプラズマは、磁石からの磁気と協働して電子サイクロトロン共鳴を起こし、高効率なプラズマを発生する。プラズマは、ＡＣバイアス電源との間に挿入された、直流成分を遮るためのコンデンサーを介して処理室内に配置された基板にＡＣバイアスが与えられる。このＡＣバイアスにより、プラズマ内にＤＣ電位が発生し（電子とイオンとの速度差により生じている）、基板のエッチング状態を制御している。即ち、プラズマを生成する電力と、プラズマを引き込む電力とは、独立して制御されている。

次に、ＨＷＰエッチング装置の概要について説明する。図６は、ＨＷＰエッチング装置の概略図である。給排気系や搬送系は省略している。ＲＦ電源からアンテナに供給された高周波電力は、磁石と協働してヘリコン波を発生させる。ヘリコン波により励起されたプラズマは、ＡＣバイアス電源との間に挿入された、直流成分を遮るためのコンデンサーを介して処理室内に配置された基板にＡＣバイアスが与えられる。このＡＣバイアスにより、プラズマ内にＤＣ電位が発生し（電子とイオンとの速度差により生じている）、基板のエッチング状態を制御している。即ち、プラズマを生成する電力と、プラズマを引き込む電力とは、独立して制御されている。このように、生成する電力とプラズマを引き込む電力とが、独立に制御できるプラズマエッチング装置を用いる場合、以下に示すプラズマエッチング法が適用可能である。

（プラズマエッチング工程）
以下、上記したプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング工程について図面を用いて説明する。プラズマエッチング工程に用いる装置としては、たとえば第１実施形態で説明したＩＣＰエッチング装置や、ＥＣＲプラズマエッチング装置、ＨＷＰエッチング装置等、プラズマ励起エネルギーとプラズマ引き込みエネルギーとを独立して扱えるプラズマエッチングを用いることが好適である。本実施形態では、前述したＩＣＰプラズマエッチング装置を用いた例について説明する。また、以下に示すエッチング条件は一例を示すものであり、このエッチング条件に限定されるものではない。

図４は、半導体装置としてのＴＦＴの一形態を示すものである。以下、図２に示す工程断面図を参照してＴＦＴ２２０を製造するための製造工程について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は、プラズマエッチング工程を行うパターンとして、典型的な例となるゲート電極の形成を行う工程を示す工程断面図である。図２（ａ）は、プラズマエッチングを行う前の状態の工程断面図を示している。図２（ａ）に示されるように、無アルカリガラスを用い、バッファー層として酸化シリコンが堆積された基板２００上には、多結晶シリコン層２０１が島状（同一工程で形成された同一材料からなる層と平面的に見て分離されている状態）に配置されている。そして、多結晶シリコン層２０１上には、ゲート絶縁層２０２として層厚１００ｎｍ程度の酸化シリコン層が形成されている。ゲート絶縁層２０２の厚みは、後述するＴＦＴの耐圧に依存するため、この層厚は一例を示すべく目安として記載している。なお、多結晶シリコン層２０１はＴＦＴ２２０を形成すべく、公知の不純物導入がなされたものを用いても良い。また、ＡｌＮｄ層２０３を加工して得られたゲート電極をマスクとしてイオン注入法等の工程を用いてＴＦＴ２２０の形成を行っても良い。

ゲート絶縁層２０２上には、０．８ａｔ％程度のＮｄが添加されたＡｌＮｄ層２０３が形成されている。ＡｌＮｄ層２０３は、たとえばスパッタ法を用いて形成することができる。ここで、Ｎｄの添加量としては、０．５ａｔ％以上１．０ａｔ％以下であることが好適である。添加量を０．５ａｔ％以上とすることで純アルミニウムと比べ、熱処理を行ってもヒロック（微細な突起状欠陥）の発生を抑制することが可能となる。また、添加量を１．０ａｔ％以下とすることで、フェンスの発生を抑えてプラズマエッチングを行うことが可能となる。

また、層厚は０．４５μｍ以上０．８μｍ以下の値を取ることが好ましい。０．４５μｍ以上の層厚を取ることでアニールなどの熱処理、もしくは真空加熱をともなうＣＶＤ処理などを行ってもヒロックの発生を抑制することが可能となる。また、０．８μｍ以下の層厚を取ることで、プラズマエッチングにかかる時間を抑え、量産性を確保することが可能となる。また、アルミニウム合金層内に発生する内部応力を抑制することが可能となる。

ＡｌＮｄ層２０３上には、テーパー状のパターン形状を備えたフォトレジスト層２３０が形成されている。そして、プラズマエッチングを行う。図２（ｂ）はプラズマエッチング中の構成を示す工程断面図である。プラズマの照射によりフォトレジスト層２３０は後退し、それに伴いＡｌＮｄ層２０３にテーパー形状が転写され、ゲート電極として機能するＡｌＮｄ層２０３が形成される。その後、フォトレジスト層２３０をたとえばアッシング等の処理により除去する。ここまでの工程を終えた工程断面図を図２（ｃ）に示す。

エッチング条件としては、電極間距離（図１に示す対向電極１０４と基板支持部１０５との距離）：１５０ｍｍ、処理室１０３内の圧力：０．６Ｐａ、プラズマ励起出力：２２００Ｗ、プラズマ引き込み出力：３３００Ｗ、プラズマ引き込み周波数：３．０ＭＨｚ、塩素ガス流量：２５０ｓｃｃｍ、プラズマ励起周波数：１３．５６ＭＨｚ、基板２００には４００ｍｍ×５００ｍｍの寸法を有する無アルカリガラスを用いている。図３に示すように、図７で見られたフェンスは無く、ＡｌＮｄ層２０３をプラズマエッチング法で加工することを可能としている。図３は、上記したエッチング条件でガラス基板上に形成したＡｌＮｄ層をエッチングした後のＳＥＭ写真である。

ここで、同様の条件を用いることで、図５に示したＥＣＲプラズマエッチング装置や、図６に示したＨＷＰエッチング装置等、プラズマ励起エネルギーとプラズマ引き込みエネルギーとを独立して扱えるプラズマエッチング装置を用いた場合でも、図３に示すようにフェンス形成を抑えた形状にプラズマエッチングを行うことが可能である。なお、図１に示した対向電極１０４を有さない装置を用いる場合には、上記した電極間距離という記載は無効となる。これは、対向電極を有さない他のプラズマエッチング装置を用いた場合においても同様である。この場合においては、対向電極１０４に代えてプラズマと基板２００との間に、プラズマ引き込みエネルギーが印加されることとなる。すなわち、プラズマと基板との平均距離が等価的な電極間距離となった状態でエッチングが進行する。

図５に示したＥＣＲプラズマエッチング装置や、図６に示したＨＷＰエッチング装置等を用いても、図３に示すように、図７で見られたフェンスを発生させることなく、ＡｌＮｄ層２０３をプラズマエッチング法で加工することが可能である。
次に、層間絶縁層２１１をプラズマＣＶＤ法等を用いて堆積する。この際に、４００℃、好ましくは５００℃程度の基板温度を必要とするが、上記した条件範囲でＡｌＮｄ層２０３を形成することでこの堆積温度に耐え、ヒロックの発生を抑えて堆積することが可能となる。続けて、コンタクトホール２１２やソース側電極２０９、ドレイン側電極２１０等を公知の方法を用いて形成することで図４に示すＴＦＴ２２０が形成される。

（第２の実施形態：半導体装置）
以下、第２の実施形態として、半導体装置としてのＴＦＴについて説明する。本実施形態のＴＦＴは、第１の実施形態で例示したプラズマエッチング法を用いてエッチングしたＡｌＮｄ層２０３をゲート電極として用いることも好適である。図４は、第１の実施形態で例示したプラズマエッチング法を用いて形成したＴＦＴの断面図である。

なお、第１の実施形態で例示したように、ＥＣＲプラズマエッチング装置や、ＨＷＰエッチング装置等、プラズマ励起エネルギーとプラズマ引き込みエネルギーとを独立して扱えるプラズマエッチング装置を用いてＡｌＮｄ層２０３をエッチングしたものを用いても良い。ＴＦＴ２２０は、基板２００、多結晶シリコン層２０１、ゲート絶縁層２０２、ゲート電極としてのＡｌＮｄ層２０３、ソース２０４、ソース側ＬＤＤ２０５、チャネル２０６、ドレイン側ＬＤＤ２０７、ドレイン２０８、ソース側電極２０９、ドレイン側電極２１０、層間絶縁層２１１、コンタクトホール２１２と、を含む。

基板２００上には、多結晶シリコン層２０１を用いたソース２０４、ソース側ＬＤＤ２０５、チャネル２０６、ドレイン側ＬＤＤ２０７、ドレイン２０８、ソース側電極２０９、ドレイン側電極２１０が形成される。ここで、ＡｌＮｄ層２０３のＮｄ濃度を０．５ａｔ％以上１．０ａｔ％以下の値を備えることが好適で、フェンス等の発生を抑えた状態でプラズマエッチングが可能となる。ここでは、０．８ａｔ％としている。また、層厚は０．４５μｍ以上０．８μｍ以下の値を取ることが好ましい。０．４５μｍ以上の層厚を取ることで熱処理を行ってもヒロックの発生を抑制することが可能となる。また、０．８μｍ以下の層厚を取ることで、プラズマエッチングにかかる時間を抑え、量産性を確保することが可能となる。また、アルミニウム合金層内に発生する内部応力を抑制することが可能となる。

ソース２０４とドレイン２０８は、チャネル２０６を通して伝達されるキャリアを供給する機能を有している。ソース２０４とドレイン２０８は、ソース側電極２０９、ドレイン側電極２１０に対してオーム性接触を可能とすべく、例えば５×１０²⁰ｃｍ^-3程度の高い不純物濃度が与えられている。

ソース側ＬＤＤ２０５、ドレイン側ＬＤＤ２０７は、チャネル２０６の端部近傍に配置され、ソース２０４とドレイン２０８と、チャネル２０６との間の不純物濃度を備え、ＡｌＮｄ層２０３（ゲートとして機能する）の端部で生じる電界集中を緩和するために形成されている。

チャネル２０６は、ＡｌＮｄ層２０３（ゲートとして機能する）からゲート絶縁層２０２を介して印加される電界に応じたキャリアを誘起し、ＴＦＴ２２０のコンダクタンスを変調する機能を有している。

ソース側電極２０９はソース２０４と、ドレイン側電極２１０はドレイン２０８と、それぞれコンタクトホール２１２により接続され、図示せぬ外部回路とＴＦＴ２２０とを電気的に接続させる機能を有している。

上記したように、ＡｌＮｄ層２０３のＮｄ濃度を０．５ａｔ％以上１．０ａｔ％以下程度とし、ＡｌＮｄ層２０３の厚さを０．４５μｍ以上０．８μｍ以下とすることで、５００℃程度の熱工程がヒロックを発生させることなく行えるため、層間絶縁層２１１にアクリル樹脂やポリイミド樹脂等の有機層と比べ信頼性が高い酸化シリコン層を用いることが可能となる。酸化シリコン層はプラズマＣＶＤ等を用いて４００℃〜５００℃程度の温度で形成することができる。そのため、信頼性が高いＴＦＴ２２０を提供することが可能となる。

１００…ＩＣＰエッチング装置、１０１…搬送系、１０２…ゲートバルブ、１０３…処理室、１０４…対向電極、１０５…基板支持部、１０６…結合コンデンサー、１０７…ＡＣバイアス電源、１０８…アンテナ、１０９…ガス供給系、１１０…ガス排気系、１１１…ＲＦ電源、１１２…予備排気系、１１３…予備排気室、２００…基板、２０１…多結晶シリコン層、２０２…ゲート絶縁層、２０３…ＡｌＮｄ層、２０４…ソース、２０５…ソース側ＬＤＤ、２０６…チャネル、２０７…ドレイン側ＬＤＤ、２０８…ドレイン、２０９…ソース側電極、２１０…ドレイン側電極、２１１…層間絶縁層、２２０…ＴＦＴ、２３０…フォトレジスト層。

Claims (2)

1. 金属配線層を備える半導体装置であって、
   前記金属配線層の少なくとも一部にネオジムを０．５ａｔ％以上１．０ａｔ％以下の含有量で含むアルミニウム合金層を用い、かつ前記アルミニウム合金層の厚さが０．４５μｍ以上０．８μｍ以下の厚さを備えることを特徴とする半導体装置。
2. 金属配線層を備える半導体装置の製造方法であって、
   ネオジムを０．５ａｔ％以上１．０ａｔ％以下の含有量で含み、０．４５μｍ以上０．８μｍ以下の厚さを備えるアルミニウム合金層を用い、塩素を含む雰囲気でプラズマエッチングを行う工程と、
   ３００℃以上５００℃以下の熱処理を行う工程と、
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。