JP4610080B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜トランジスタやLSIを形成するのに必要な絶縁膜材料をプラズマCVD(化学気相成長)法により作製する方法に関する。本発明の好適な利用分野として、画素部と駆動回路を同一の基板に設けたアクティブマトリクス型の半導体装置があり、具体的には、エレクトロルミネッセンス(Electro Luminescence)が得られる発光素子を基板上に作り込んで形成された装置(以下、発光装置という)や液晶表示装置等があり、また、これらを表示部に搭載した電気器具がある。
【0002】
尚、本明細書において半導体装置とは半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。
【0003】
【従来の技術】
近年、ガラスや石英等の絶縁表面上に半導体膜を用いた薄膜トランジスタ(以下、TFTと記す)を形成し、このTFTを有する半導体装置、例えばTFTを画素の駆動に用いる液晶表示装置や発光装置等が開発されている。
【0004】
なお、TFT及び半導体装置の作製において、ゲート絶縁膜や多層配線における配線同士を絶縁する層間絶縁膜といった膜を形成するために酸化シリコン膜、窒化シリコン膜又は酸化窒化シリコン膜といった珪素を有する絶縁膜が用いられる。なお、これらの材料が用いられる理由は、活性層を形成する非晶質シリコン膜または結晶質シリコン膜との良好な界面を形成する場合において、シリコンを主成分の一つとする絶縁膜で形成することが適していると理解されているためである。
【0005】
また、これらの膜の形成においては、通常プラズマCVD法や減圧CVD法が用いられている。なお、プラズマCVD法は原料ガスをグロー放電分解し、プラズマ化することによりラジカル(ここでは化学的活性種を意味する)を形成し、基板上に堆積させて膜を形成するという技術であり、通常400℃以下の低温における成膜を可能としている。
【0006】
また、プラズマCVD法においては、直流グロー放電プラズマや低周波放電プラズマが知られているが、現在では、MHz程度の高い周波数の電圧を印加する高周波(典型的には13.56MHz)放電プラズマが主流となっている。
【0007】
具体的にゲート絶縁膜は、TFTのゲート電極と活性層の間を電気的に絶縁するために形成されるものであり、MOS構造において重要な役割を果たし、電気的特性や信頼性、安定性に大きく影響する。
【0008】
また、LSIの分野に於いては、熱酸化法により形成された熱酸化膜が多く用いられており、デバイス寸法の縮小化に伴い4nm程度まで薄膜化が進んでいる。
【0009】
その他にも保護膜としての機能を有するパッシベーション膜や層間絶縁膜といった膜の形成に酸化珪素や窒化珪素といった珪素を含む絶縁膜が用いられている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような絶縁膜を形成する上で、特に膜厚の薄い膜の形成においては、膜厚を制御する上で成膜速度の低速化が重要となる。なお、成膜速度に関しては、成膜された膜の膜質特性と密接な関係を有していることが知られている。
【0011】
一般的な特徴としては、成膜速度の速いものは、形成される膜が不完全性を有する傾向がある。これは、成膜に関与するラジカルや分子などが熱力学的により安定な配列を見いだす時間が関係していると考えられている。なお、不完全性を有する膜は、多くの場合において膜中の密度が低く、素子の特性に悪影響を与えることが知られている。
【0012】
以上のことから、絶縁膜の薄膜化及び膜質特性向上のためには、成膜速度の低速化が要求される。しかしながら、プラズマCVD法により絶縁膜を形成する際には、その成膜速度が速いために膜厚の制御が難しいという問題がある。
【0013】
ここで、図10、13にプラズマCVD法により絶縁膜を形成した際の結果を示す。図10は、絶縁膜の成膜速度を示すものであり、成膜時における高周波電力(RF電力)と成膜速度との関係を示しており、また評価に用いた膜の成膜条件は、表1に示すとおりである。なお、ここでは、高周波電力(RF電力)をプラズマCVD装置のカソードに連続的に印加することによりプラズマを発生させた。
【0014】
【表1】
【0015】
図10に示すようにRF電力の低下に伴い、成膜速度は低下する。つまり、成膜速度の低速化の方法としては、RF電力を抑えることで対処することができるものと思われる。しかし、成膜速度と共に膜質特性の評価に利用されるエッチング速度については、図11に示すように成膜速度とは反対に、RF電力の低下に対して速度が増加する傾向が見られた。
【0016】
なお、エッチング速度は、その膜の緻密性を示し、小さければ小さいほど良質な膜であるということができることから、膜質特性が低下していることを意味する。つまり、RF電力を低下させることにより見かけ上の成膜速度の低速化を図っても、実際に材料ガスが充分に反応していないため膜質特性低下の問題が生じることを示している。
【0017】
そこで、本発明はこのように単に成膜速度を低下させてもその他の膜質特性が低下してしまうという問題点を解決する手段を提供することを目的とし、膜厚が薄い場合においても膜厚の制御を可能にすると共に膜質特性の低下を招くことなく絶縁膜を形成し、さらにこれを用いた半導体装置の作製方法を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、プラズマCVD法による絶縁膜の形成において、プラズマを発生させるための高周波電力を周期的なパルス発振で供給することにより断続的にプラズマを発生させ、成膜速度を制御すると共に膜質特性の向上を図る。
【0019】
本発明におけるプラズマCVD装置は、平行平板型のCVD装置であり、カソードに印加する高周波電圧を連続的ではなくパルス状に(間欠的に)制御するパルス発振を用いて絶縁膜を形成する。
【0020】
通常、プラズマCVD法を用いて成膜を行う場合において、材料となるガス(材料ガス)をプラズマが発生する空間中で分解すると様々なラジカルやイオンが生成される。プラズマの発生が定常的に持続する場合には、その存在比率は一定の割合を保っている。
【0021】
しかし、パルス発振のように高周波電力の供給がオフになり、プラズマが発生しない時間が存在する場合には、ラジカルが供給されない。このように堆積表面にラジカルが供給されない期間を設けることで、それまでに供給されたラジカルが堆積表面で分子間の結合をより強固にするための時間を得ることができる。その結果、より安定した分子間結合を有する(堆積)膜を形成することができるので、膜特性を向上させることができ、良質な絶縁膜を形成することができる。
【0022】
つまり、膜質特性向上のためには、パルス発振において、高周波電力が印加される時間(オン時間)を調節することが必要となる。なお、本明細書中において、パルス発振周波数の1周期に高周波電力が印加される時間(オン時間)の割合をデューティー比とし、このデューティー比を調整することにより、絶縁膜の堆積過程におけるラジカルが堆積する際に形成する分子間の結合をより強固なものにすることができる。なお、本明細書中では、パルス発振によりカソードに印加される高周波電力を制御して、CVD法により成膜を行うことをパルスプラズマCVD法と呼ぶことにする。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、以下に説明する。図1は、本発明を実施する上で、高周波電力の印加の様子とそれに伴い発生するラジカルの関係を示すものである。
【0024】
図1(A)には、高周波電力がカソードに連続的に印加される連続発振の様子を示している。高周波電力がカソードに印加されているところをONで示しており、印加されていないところをOFFで示している。なお、これらを本明細書中では、それぞれON時間、OFF時間と呼ぶ。また、ON時間では、常に高周波電力が印加されており、常にプラズマが発生している。
【0025】
次に図1(B)には、高周波電力がカソードに断続的に印加される、すなわちパルス発振の様子を示している。図1(A)と同様に高周波電力がカソードに印加されているところをONで示しており、印加されていないところをOFFで示している。なお、パルス発振では、ON時間とOFF時間が交互になっており、これに伴いプラズマの発生も断続的に行われている。
【0026】
すなわち、高周波電力がカソードに印加されると様々なラジカルが発生し、成膜表面に堆積される。しかし、高周波電力の印加が遮断される(オフ時間になる)とラジカルが発生しなくなる。そして、この時、それまで堆積されたラジカルが分子間の結合をより強固なものにする。
【0027】
つまり、連続発振を用いたプラズマCVD法による成膜の場合には、このように堆積されたラジカルが安定な分子間結合を形成するために必要な時間をとることができないために良質な膜を形成することは困難である。しかし、高周波電力を印加する時間(本発明に於いてはデューティー比)を適切に選ぶことにより成膜に用いるラジカルの分子間結合をより安定なものにすることができる。
【0028】
なお、本発明の絶縁膜の形成においては、シラン(SiH4)、ジシラン(Si2H6)、TEOS(tetraethylorthosilicate)といった珪素を含むシラン系の材料の他、NO、NO2、N2Oといった酸化窒素等の材料ガスやO2、N2、NH3が用いられる。
【0029】
そこで、パルス発振によるプラズマCVD法を用いて、絶縁膜を形成した場合、成膜時のデューティー比に伴う成膜速度、エッチング速度及び膜厚の均一性について測定した結果を図2〜4に示す。なお、ここでの絶縁膜の成膜条件は、表2に示すとおりである。
【0030】
【表2】
【0031】
なお、RF発振周波数とは、高周波電源から送られる高周波電力の周波数のことをいい、パルス周波数とは、RF発振周波数をパルスに変調したときの周波数のことをいう。
【0032】
図2〜4によれば、デューティー比が20〜70%の範囲にあるとき成膜速度が、40〜200nm/min、エッチング速度が、300〜350nm/min、また膜厚の均一性が±1%となる膜を得ることができる。つまり、デューティー比が、この20〜70%の範囲外になるとパルス放電により得られる効果は低下してしまう。特に70%以上になるとラジカルの選択性が悪くなり、エッチング速度は変調しない連続発振(デューティー比:100%)と同程度になる。
【0033】
なお、膜厚の均一性については、図12に連続発振の際の結果を示し、図4にパルス発振の場合における結果を示している。両者を比較すると、パルス発振で成膜した場合に均一性が悪くなることはなく、連続発振の場合との差が無いことが示される。
【0034】
また、連続発振の場合とパルス発振の場合について、成膜した膜の応力についても測定を行ったが、連続発振で成膜した膜の応力が、−1.21e9であるのに対して、デューティー比が20〜70%の時の応力は−1.3e9〜−1.1e9dyne/cm2の範囲にあり、いずれの場合も応力に影響はなかった。
【0035】
なお、本発明は、上記方法により形成された絶縁膜について図2〜4に示すようにデューティー比と成膜速度、エッチング速度及び膜厚の均一性について一定の関係が見いだされたことによるものである。
【0036】
なお、本発明におけるプラズマCVD装置は、平行平板型のCVD装置であり、カソードに印加する高周波電圧を連続的ではなくパルス状に(間欠的に)印加するパルス発振を用いて絶縁膜を形成する。なお、パルス発振は、RF発振周波数が1〜120MHz、好ましくは10〜60MHzの高周波電力を、1〜10kHzのパルス周波数に変調し、デューティー比が20〜70%の範囲になるように制御してカソードに供給することにより形成する。
【0037】
なお、上記で説明したパルス発振プラズマCVD法により絶縁膜を形成する際、その成膜圧力は60〜330Paが好ましく、基板電極間の距離(d)は、10〜50mmとするのが良い。
【0038】
なお、本発明により形成される絶縁膜には、酸化珪素(SiO2)、窒化珪素(SiN)、酸化窒化珪素(SiON)、酸化窒化水素化珪素(SiONH)といった絶縁膜が含まれるが、これらの絶縁膜を形成する材料としては、SiH4、Si2H6、TEOS(テトラエトキシオルトシリケート)といった珪素を含むシラン系の材料や、NO2、N2O、NH3といった窒素、酸素及び水素を含む化合物等が用いられる。
【0039】
また、絶縁膜をパルス発振プラズマCVD法により成膜した後、水素雰囲気中または窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で加熱(アニール)することにより、優れた絶縁膜を得ることができる。
【0040】
【実施例】
〔実施例1〕
本実施例では、本発明を利用して絶縁膜を作製する方法について説明する。
【0041】
図5は枚葉式のプラズマCVD装置の一例であり、搬送室301には、基板303を搬送するための搬送機構302が設けられている。また、搬送室301は減圧雰囲気になっており、ロードロック室(305、307)、前処理室309、成膜室310、後処理室311とは、ゲート(304a〜304e)を介して連結されている。
【0042】
各処理室への基板の受け渡しは、ゲートを開けた際に搬送機構302によって行われる。また、搬送室301を減圧するには、ドライポンプ、メカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ(磁気浮上型)もしくはクライオポンプなどの排気ポンプを用いることが可能であるが、より高純度に高真空状態を得るためには磁気浮上型のターボ分子ポンプが好ましい。
【0043】
また、ロードロック室(305、307)において、基板のロード、アンロードが行われる。また、基板は、ロードロック室(305、307)に備えられているカセット(306、308)から未処理の基板が取り出され、処理後の基板が再び収納される。
【0044】
まず、搬送機構302によりカセット(306、308)から基板303が取り出され、成膜室310または前処理室309に搬送される。前処理室309では主に基板の予備加熱等を行う。次に成膜室310では、プラズマCVD法により窒化珪素膜や酸化珪素膜などの絶縁膜の形成を行い、後処理室311では、成膜した絶縁膜を水素または窒素等の不活性ガス雰囲気下で加熱処理を行う。
【0045】
次に図6において、図5に示したプラズマCVD法により成膜を行う成膜室310の構成を詳細に説明する。成膜室401は、高周波電源405が接続する陰極(カソード)402、陽極(アノード)403が設けられた平行平板型である。陰極402はシャワー板となっていて、ガス供給手段406からの反応ガスは、このシャワー板を通して成膜室401中に供給される。陽極403にはシーズヒーターなどによる加熱手段が設けられ、基板415が設置されている。ガス供給系の詳細は割愛するが、N2、SiH4、N2Oなどが充填されたシリンダー414、ガスの流量を制御するマスフローコントローラー412、ストップバルブ413などから構成されている。
【0046】
排気手段407は、ゲートバルブ408、自動圧力制御弁409、ターボ分子ポンプ(または複合分子ポンプ)410、ドライポンプ411から成っている。なお、ターボ分子ポンプ(または複合分子ポンプ)410、ドライポンプ411は潤滑油を使用しないもので、油の拡散による成膜室内の汚染を完全に無くしている。
【0047】
排気速度は、成膜室の容積13Lの成膜室に対し、一段目に排気速度300L/秒のターボ分子ポンプ、二段目に排気速度40m3/hrのドライポンプを設け、排気系側から有機物の蒸気が逆拡散してくるのを防ぐと共に、成膜室の到達真空度を高め、非晶質半導体膜の形成時に不純物元素が膜中に取り込まれることを極力防いでいる。
【0048】
成膜室401を減圧した後で、基板415を成膜室401に搬入し、加熱して基板温度を約400℃にする。なお、成膜室401に搬入する前に、前処理室で基板を予め加熱しておいてもよい。
【0049】
さらに、絶縁膜を成膜する前にプラズマクリーニング処理を行うと効果的である。また、プラズマクリーニング処理は、水素を200sccm導入し、圧力20Pa、高周波電力密度0.2W/cm2でプラズマを生成して2分間処理する。或いは、H2を100sccmと酸素を100sccm導入して、圧力40Paで同様にプラズマ処理しても良い。また、N2Oと水素を導入して圧力10〜70Pa、高周波電力密度0.1〜0.5W/cm2で数分間処理してもよい。基板温度は300〜450℃、好ましくは400℃とする。この段階で、基板415の表面をプラズマクリーニング処理することで、成膜表面に存在する汚染物質を取り除くことができる。
【0050】
つぎに、成膜室401にSiH4とN2Oを導入した。なお、本実施例においては、SiH4を27sccm、N2Oを900sccm導入した。そして、高周波電源405により平行平板型の電極のうちカソード402に高周波電力を印加して、電極間にプラズマを発生させた。なお、この時の高周波電力(RF電力)は、50Wであり、RF発振周波数は、13.56MHzである。
【0051】
また、高周波電源405は、高周波パルス変調が可能な高周波信号発生器及び高周波信号増幅器を有するパルス変調器416と接続されている。そして、パルス変調器416により変調された周波数(パルス周波数)で陽極に高周波電力が印加される。
【0052】
なお、本実施例では、13.56MHzのRF発振周波数を1Hzのパルス周波数に変調し、さらにデューティー比を30%として高周波電力をパルス発振として陰極に供給して、パルスプラズマCVD法による成膜を行う。このとき、成膜室401内の圧力を160Pa、電極基板間距離を20mmとした。なお、基板の温度は、325℃に保たれている。
【0053】
また、本実施例における成膜時間は、1分47秒間成膜であった。デューティー比が30%であることから、この時のオン時間は32secである。
【0054】
以上により、成膜室405において絶縁膜の形成が行われる。なお、デューティー比30%で成膜を行うと、成膜速度80nm/min、エッチング速度300nm/min、膜厚の均一性±1%という良質の膜が得られた。
【0055】
また、図8は、プラズマCVD装置のカソードに印加される13.56MHzの高周波電力の波形をオシロスコープで観測した写真である。図8(A)は、デューティー比20%でパルス発振を行った場合であり、図8(B)は、デューティー比50%でパルス発振を行った場合の写真である。このように、本発明では高周波電力が印加されるオン時間と、印加されないオフ時間が交互に繰り返される状況の下で絶縁膜の形成を行っている。このような電力の供給によりパルスプラズマCVD法が行われている。
【0056】
なお、TFTの形成に用いる絶縁膜として、本発明を用いて形成される絶縁膜を用いればよく、それ以外は、公知の技術を用いてTFTを形成すればよい。
【0057】
〔実施例2〕
本実施例では、本発明を用いたTFT構造の例を図7により説明する。図7(A)はトップゲート型のTFTである。701は基板であり、702は下地となる絶縁膜(以下、下地膜という)である。基板701としては透光性基板、代表的にはガラス基板、石英基板、ガラスセラミックス基板、又は結晶化ガラス基板を用いることができる。但し、作製プロセス中の最高処理温度に耐えるものでなくてはならない。
【0058】
また、下地膜702は特に可動イオンを含む基板や導電性を有する基板を用いる場合に有効であるが、石英基板には設けなくても構わない。なお、ここで形成する下地膜702は、基板701からの不純物の拡散を防ぐ目的で形成されるものなので、より薄い膜が好ましい。そのため薄膜化の際の膜厚制御が可能である本発明の珪素(シリコン)を含む絶縁膜を用いることは非常に有効である。なお、この絶縁膜の作製方法については、実施例1を参照すればよい。
【0059】
703はトップゲート型のTFTであり、pチャネル型TFTである。なお、図7(A)には、pチャネル型のTFTを示すが、pチャネル型TFTとnチャネル型TFTとによってCMOS回路を構成することもできる。
【0060】
TFT703は、ソース領域704、ドレイン領域705、低濃度不純物領域706及びチャネル形成領域707を含む活性層と、ゲート絶縁膜708と、ゲート電極709を有している。
【0061】
ゲート絶縁膜708は、珪素を含む絶縁膜で形成される。なお、本実施例に於いて形成されるゲート絶縁膜708の膜厚は、50〜200nmであるため、本発明のパルスプラズマCVD法により絶縁膜を形成した。なお、この時の成膜条件は、SiH4の流量を4sccm、N2Oの流量を500sccmにし、基板温度を400℃、成膜圧力を40Pa、基板電極間距離を20mmとし、13.56MHzのRF発振周波数を1kHzのパルス周波数に変調して陰極に印加した。
【0062】
また、ゲート電極709の後に形成される層間絶縁膜がアクリルやポリイミドといった有機樹脂で形成される場合には、酸化珪素や窒化珪素といった無機材料により形成された第1層間絶縁膜710と有機樹脂により形成された第2層間絶縁膜711との積層構造を形成させるのが望ましい。
【0063】
例えば、はじめに第1層間絶縁膜710として酸化珪素や窒化珪素といった無機材料の絶縁膜を30〜200nmの膜厚で形成した後、有機材料からなる絶縁膜を1〜2μmの膜厚に形成するというような積層構造の層間絶縁膜を形成する場合に、無機材料の絶縁膜を本発明の絶縁膜で形成することは有効である。
【0064】
この場合には、SiH4の流量を27sccm、N2Oの流量を900sccmにし、基板温度を360℃、成膜圧力を160Pa、基板電極間距離を20mmとし、13.56MHzのRF発振周波数を1Hzのパルス周波数に変調して陰極に印加する。また、この時のデューティー比は20〜70%であるが、好ましくは30〜50%とするのが良い。
【0065】
第2層間絶縁膜711形成後は、ソース704及びドレイン705と電気的に接続されるソース配線712並びにドレイン配線713がそれぞれ形成される。
【0066】
なお、本実施例に於いてゲート電極709はシングルゲート構造となっているが、ダブルゲート構造であっても良い。
【0067】
次に、図7(B)はボトムゲート型のTFTである。721は基板である。基板721としては透光性基板、代表的にはガラス基板、石英基板、ガラスセラミックス基板、又は結晶化ガラス基板を用いることができる。但し、作製プロセス中の最高処理温度に耐えるものでなくてはならない。
【0068】
なお、基板721上に形成された723はボトムゲート型のTFTであり、pチャネル型TFTである。なお、図7(B)には、pチャネル型のTFTを示すが、pチャネル型TFTとnチャネル型TFTとによってCMOS回路を構成することもできる。
【0069】
TFT723は、ゲート電極724とゲート絶縁膜725と、ソース領域726、ドレイン領域727、低濃度不純物領域728及びチャネル形成領域729を含む活性層と、チャネル保護膜730を有している。
【0070】
ゲート絶縁膜725は、珪素を含む絶縁膜で形成される。なお、本実施例に於いて形成されるゲート絶縁膜725の膜厚は、50〜200nmであるため、トップゲートの場合と同様に本発明の絶縁膜を用いることが有効である。また、チャネル形成領域729の上に形成されるチャネル保護膜730、層間絶縁膜の一部の形成にも本発明の絶縁膜を用いることは可能である。
【0071】
層間絶縁膜732形成後は、ソース726及びドレイン727と電気的に接続されるソース配線733並びにドレイン配線734がそれぞれ形成される。
【0072】
なお、本実施例の構成は、実施例1の構成と自由に組み合わせて用いることができる。
【0073】
〔実施例3〕
本発明の半導体装置の1つである液晶表示装置の作製方法の一例について、図13〜図16を用いて説明する。ここでは、画素部の画素TFTおよび保持容量と、画素部の周辺に設けられるソース信号線駆動回路及びゲート信号線駆動回路のTFTを同時に作製する方法について、工程に従って詳細に説明する。
【0074】
図13(A)において、基板501にはコーニング社の#7059ガラスや#1737ガラスなどに代表されるバリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板や石英基板などを用いる。ガラス基板を用いる場合には、ガラス歪み点よりも10〜20℃程度低い温度であらかじめ熱処理しておいても良い。そして、基板501のTFTを形成する表面に、基板501からの不純物拡散を防ぐために、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜などの絶縁膜から成る下地膜502を形成する。例えば、デューティー比20〜70%(好ましくは、30〜50%)のパルスプラズマCVD法でSiH4、NH3、N2Oから作製される酸化窒化シリコン膜502aを20〜200nm(好ましくは50〜100nm)、同様にSiH4、N2Oから作製される酸化窒化水素化シリコン膜502bを50〜200nm(好ましくは100〜150nm)の厚さに積層して形成する。ここでは下地膜502を2層構造として示したが、前記絶縁膜の単層膜または2層以上積層させて形成しても良い。
【0075】
酸化窒化シリコン膜502aは平行平板型のパルスプラズマCVD法を用いて形成する。酸化窒化シリコン膜502aは、SiH4を10sccm、NH3を100sccm、N2Oを20sccmとして成膜室に導入し、基板温度325℃、成膜圧力160Pa、RF電力50W、RF発振周波数60MHzとした。なお、ここでは、60MHzのRF発振周波数を1Hzのパルス周波数に変調し、デューティー比を20〜70%(好ましくは30〜50%)として成膜した。
【0076】
一方、酸化窒化水素化シリコン膜502bは、SiH4を5sccm、N2Oを120sccm、H2を125sccmとして成膜室に導入し、基板温度400℃、成膜圧力20Pa、RF電力50W、RF発振周波数60MHzの条件下で形成した。なお、ここでも同様に1Hzのパルス周波数に変調し、デューティー比を20〜70%(好ましくは30〜50%)として成膜した。これらの膜は、基板温度を変化させ、反応ガスの切り替えのみで連続して形成することができる。
【0077】
このようにして作製した酸化窒化シリコン膜502aは、密度が9.28×1022/cm3であり、フッ化水素アンモニウム(NH4HF2)を7.13%とフッ化アンモニウム(NH4F)を15.4%含む混合溶液(ステラケミファ社製、商品名LAL500)の20℃におけるエッチング速度が約63nm/minと遅く、緻密で硬い膜である。このような膜を下地膜に用いると、この上に形成する半導体層にガラス基板からのアルカリ金属元素が拡散するのを防ぐのに有効である。
【0078】
次に、25〜80nm(好ましくは30〜60nm)の厚さで非晶質構造を有する非晶質半導体層503aを、プラズマCVD法やスパッタ法などの方法で形成する。非晶質構造を有する半導体膜には、非晶質半導体層や微結晶半導体膜があり、非晶質シリコンゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を適用しても良い。プラズマCVD法で非晶質半導体層503aとして非晶質シリコン膜を形成する場合には、下地膜502と非晶質半導体層503aとは両者を連続形成することも可能である。例えば、前述のように酸化窒化シリコン膜502aと酸化窒化水素化シリコン膜502bをパルスプラズマCVD法で連続して成膜後、反応ガスをSiH4、N2O、H2からSiH4とH2或いはSiH4のみに切り替えれば、一旦大気雰囲気に晒すことなく連続形成できる。その結果、酸化窒化水素化シリコン膜502bの表面の汚染を防ぐことが可能となり、作製するTFTの特性バラツキやしきい値電圧の変動を低減させることができる。
【0079】
そして、結晶化の工程を行い非晶質半導体層503aから結晶質半導体層503bを作製する。その方法としてレーザーアニール法や熱アニール法(固相成長法)、またはラピットサーマルアニール法(RTA法)を適用することができる。前述のようなガラス基板や耐熱性の劣るプラスチック基板を用いる場合には、特にレーザーアニール法を適用することが好ましい。RTA法では、赤外線ランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどを光源に用いる。或いは特開平7−130652号公報で開示された技術に従って、触媒元素を用いる結晶化法で結晶質半導体層503bを形成することもできる。結晶化の工程ではまず、非晶質半導体層が含有する水素を放出させておくことが好ましく、400〜500℃で1時間程度の熱処理を行い含有する水素量を5atom%以下にしてから結晶化させると膜表面の荒れを防ぐことができるので良い。
【0080】
また、プラズマCVD法で非晶質シリコン膜の形成工程において、反応ガスにSiH4とアルゴン(Ar)を用い、成膜時の基板温度を400〜450℃として形成すると、非晶質シリコン膜の含有水素濃度を5atomic%以下にすることもできる。このような場合において水素を放出させるための熱処理は不要となる。
【0081】
結晶化をレーザーアニール法にて行う場合には、パルス発振型または連続発振型のエキシマレーザーやアルゴンレーザーをその光源とする。パルス発振型のエキシマレーザーを用いる場合には、レーザー光を線状に加工してレーザーアニールを行う。レーザーアニール条件は実施者が適宣選択するものであるが、例えば、レーザーパルス発振周波数30Hzとし、レーザーエネルギー密度を100〜500mJ/cm2(代表的には300〜400mJ/cm2)とする。そして線状ビームを基板全面に渡って照射し、この時の線状ビームの重ね合わせ率(オーバーラップ率)を80〜98%として行う。このようにして図13(B)に示すように結晶質半導体層503bを得ることができる。
【0082】
そして、結晶質半導体層503b上に第1のフォトマスク(PM1)を用い、フォトリソグラフィーの技術を用いてレジストパターンを形成し、ドライエッチングによって結晶質半導体層を島状に分割し、図13(C)に示すように島状半導体層504〜508を形成する。結晶質シリコン膜のドライエッチングにはCF4とO2の混合ガスを用いる。
【0083】
このような島状半導体層に対し、TFTのしきい値電圧(Vth)を制御する目的でp型を付与する不純物元素を1×1016〜5×1017atoms/cm3程度の濃度で島状半導体層の全面に添加しても良い。半導体に対してp型を付与する不純物元素には、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)など周期律表第13族の元素が知られている。その方法として、イオン注入法やイオンドープ法(或いはイオンシャワードーピング法)を用いることができるが、大面積基板を処理するにはイオンドープ法が適している。イオンドープ法ではジボラン(B2H6)をソースガスとして用いホウ素(B)を添加する。このような不純物元素の注入は必ずしも必要でなく省略しても差し支えないが、特にnチャネル型TFTのしきい値電圧を所定の範囲内に収めるために好適に用いる手法である。
【0084】
ゲート絶縁膜509は、プラズマCVD法またはスパッタ法を用いて成膜することが可能であるが、本実施例では、パルスプラズマCVD法を用いて、膜厚を40〜150nmとしてシリコンを含む絶縁膜で形成する。本実施例では、120nmの厚さで酸化窒化シリコン膜から形成する。この時、高周波電力をパルス発振で供給するためには、13.56MHzのRF発振周波数を1Hzのパルス周波数に変調し、デューティー比を20〜70%(好ましくは30〜50%)にしてパルスプラズマCVD法を行う。なお、この時SiH4とN2Oを材料ガスとして用い、反応圧力40Pa、基板温度400℃、基板電極間距離を20mmとし、高周波(13.56MHz)電力密度0.09〜1.0W/cm2で放電させて形成することができる。
【0085】
なお、上記の条件で成膜した膜は、デューティー比が20〜70%のとき、成膜速度が25〜38nm/minであり、エッチング速度は90〜115nm/minであった。勿論、ゲート絶縁膜はこのような酸化窒化シリコン膜に限定されるものでなく、他のシリコンを含む絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。
【0086】
例えば、酸化シリコン膜を用いる場合には、プラズマCVD法で、TEOS(Tetraethyl Orthosilicate)とO2とを混合し、反応圧力40Pa、基板温度300〜400℃とし、高周波(13.56MHz)電力密度0.09〜1.0W/cm2で放電させて形成することができる。このようにして作製された酸化シリコン膜は、その後400〜500℃の熱アニールによりゲート絶縁膜として良好な特性を得ることができる。(図13(C))
【0087】
そして、図13(D)に示すように、第1の形状のゲート絶縁膜509上にゲート電極を形成するための耐熱性導電層511を200〜400nm(好ましくは250〜350nm)の厚さで形成する。耐熱性導電層511は単層で形成しても良いし、必要に応じて二層あるいは三層といった複数の層から成る積層構造としても良い。耐熱性導電層にはTa、Ti、Wから選ばれた元素、または前記元素を成分とする合金か、前記元素を組み合わせた合金膜が含まれる。これらの耐熱性導電層はスパッタ法やCVD法で形成されるものであり、低抵抗化を図るために含有する不純物濃度を低減させることが好ましく、特に酸素濃度に関しては30ppm以下とすると良い。本実施例ではW膜を300nmの厚さで形成する。W膜はWをターゲットとしてスパッタ法で形成しても良いし、6フッ化タングステン(WF6)を用いて熱CVD法で形成することもできる。いずれにしてもゲート電極として使用するためには低抵抗化を図る必要があり、W膜の抵抗率は20μΩcm以下にすることが望ましい。W膜は結晶粒を大きくすることで低抵抗率化を図ることができるが、W中に酸素などの不純物元素が多い場合には結晶化が阻害され高抵抗化する。このことより、スパッタ法による場合、純度99.9999%のWターゲットを用い、さらに成膜時に気相中からの不純物の混入がないように十分配慮してW膜を形成することにより、抵抗率9〜20μΩcmを実現することができる。
【0088】
一方、耐熱性導電層511にTa膜を用いる場合には、同様にスパッタ法で形成することが可能である。Ta膜はスパッタガスにArを用いる。また、スパッタ時のガス中に適量のXeやKrを加えておくと、形成する膜の内部応力を緩和して膜の剥離を防止することができる。α相のTa膜の抵抗率は20μΩcm程度でありゲート電極に使用することができるが、β相のTa膜の抵抗率は180μΩcm程度でありゲート電極とするには不向きであった。TaN膜はα相に近い結晶構造を持つので、Ta膜の下地にTaN膜を形成すればα相のTa膜が容易に得られる。また、図示しないが、耐熱性導電層511の下に2〜20nm程度の厚さでリン(P)をドープしたシリコン膜を形成しておくことは有効である。これにより、その上に形成される導電膜の密着性向上と酸化防止を図ると同時に、耐熱性導電層511が微量に含有するアルカリ金属元素が第1の形状のゲート絶縁膜509に拡散するのを防ぐことができる。いずれにしても、耐熱性導電層511は抵抗率を10〜50μΩcmの範囲ですることが好ましい。
【0089】
次に、第2のフォトマスク(PM2)を用い、フォトリソグラフィーの技術を使用してレジストによるマスク512〜517を形成する。そして、第1のエッチング処理を行う。本実施例ではICPエッチング装置を用い、エッチング用ガスにCl2とCF4を用い、1Paの圧力で3.2W/cm2のRF(13.56MHz)電力を投入してプラズマを形成して行う。基板側(試料ステージ)にも224mW/cm2のRF(13.56MHz)電力を投入し、これにより実質的に負の自己バイアス電圧が印加される。この条件でW膜のエッチング速度は約100nm/minである。第1のエッチング処理はこのエッチング速度を基にW膜がちょうどエッチングされる時間を推定し、それよりもエッチング時間を20%増加させた時間をエッチング時間とした。
【0090】
第1のエッチング処理により第1のテーパー形状を有する導電層518〜523が形成される。導電層518〜523のテーパー部の角度は15〜30°となるように形成される。残渣を残すことなくエッチングするためには、10〜20%程度の割合でエッチング時間を増加させるオーバーエッチングを施すものとする。W膜に対する酸化窒化シリコン膜(第1の形状のゲート絶縁膜509)の選択比は2〜4(代表的には3)であるので、オーバーエッチング処理により、酸化窒化シリコン膜が露出した面は20〜50nm程度エッチングされ第1のテーパー形状を有する導電層518〜523の端部近傍にテーパー形状が形成された第2の形状のゲート絶縁膜580が形成される。
【0091】
そして、第1のドーピング処理を行い一導電型の不純物元素を島状半導体層に添加する。ここでは、n型を付与する不純物元素添加の工程を行う。第1の形状の導電層を形成したマスク512〜517をそのまま残し、第1のテーパー形状を有する導電層518〜523をマスクとして自己整合的にn型を付与する不純物元素をイオンドープ法で添加する。n型を付与する不純物元素をゲート電極の端部におけるテーパー部と第2の形状のゲート絶縁膜580とを通して、その下に位置する半導体層に達するように添加するためにドーズ量を1×1013〜5×1014atoms/cm2とし、加速電圧を80〜160keVとして行う。n型を付与する不純物元素として15族に属する元素、典型的にはリン(P)または砒素(As)を用いるが、ここではリン(P)を用いた。このようなイオンドープ法により第1の不純物領域524〜528には1×1020〜1×1021atomic/cm3の濃度範囲でn型を付与する不純物元素が添加され、テーパー部の下方に形成される第2の不純物領域(A)529〜533には同領域内で必ずしも均一ではないが1×1017〜1×1020atomic/cm3の濃度範囲でn型を付与する不純物元素が添加される。(図14(A))
【0092】
この工程において、第2の不純物領域(A)529〜533において、少なくとも第1の形状の導電層518〜523と重なった部分に含まれるn型を付与する不純物元素の濃度変化は、テーパー部の膜厚変化を反映する。即ち、第2の不純物領域(A)529〜533へ添加されるリン(P)の濃度は、第1の形状の導電層518〜523に重なる領域において、該導電層の端部から内側に向かって徐々に濃度が低くなる。これはテーパー部の膜厚の差によって、半導体層に達するリン(P)の濃度が変化するためである。
【0093】
次に、図14(B)に示すように第2のエッチング処理を行う。エッチング処理も同様にICPエッチング装置により行い、エッチングガスにCF4とCl2の混合ガスを用い、RF電力3.2W/cm2(13.56MHz)、バイアス電力45mW/cm2(13.56MHz)、圧力1.0Paでエッチングを行う。この条件で形成される第2の形状を有する導電層540〜545が形成される。その端部にはテーパー部が形成され、該端部から内側にむかって徐々に厚さが増加するテーパー形状となる。第1のエッチング処理と比較して基板側に印加するバイアス電力を低くした分等方性エッチングの割合が多くなり、テーパー部の角度は30〜60°となる。マスク512〜517はエッチングされて端部が削れ、マスク534〜539となる。また、第2の形状のゲート絶縁膜580の表面が40nm程度エッチングされ、新たに第3の形状のゲート絶縁膜570が形成される。
【0094】
そして、第1のドーピング処理よりもドーズ量を下げ高加速電圧の条件でn型を付与する不純物元素をドーピングする。例えば、加速電圧を70〜120keVとし、1×1013/cm2のドーズ量で行い、第2の形状を有する導電層540〜545と重なる領域の不純物濃度を1×1016〜1×1018atoms/cm3となるようにする。このようにして、第2の不純物領域(B)546〜550を形成する。
【0095】
そして、pチャネル型TFTを形成する島状半導体層504、506に一導電型とは逆の導電型の不純物領域556、557を形成する。この場合も第2の形状の導電層540、542をマスクとしてp型を付与する不純物元素を添加し、自己整合的に不純物領域を形成する。このとき、nチャネル型TFTを形成する島状半導体層505、507、508は、第3のフォトマスク(PM3)を用いてレジストのマスク551〜553を形成し全面を被覆しておく。ここで形成される不純物領域556、557はジボラン(B2H6)を用いたイオンドープ法で形成する。不純物領域556、557のp型を付与する不純物元素の濃度は、2×1020〜2×1021atoms/cm3となるようにする。
【0096】
しかしながら、この不純物領域556、557は詳細にはn型を付与する不純物元素を含有する3つの領域に分けて見ることができる。第3の不純物領域556a、557aは1×1020〜1×1021atoms/cm3の濃度でn型を付与する不純物元素を含み、第4の不純物領域(A)556b、557bは1×1017〜1×1020atoms/cm3の濃度でn型を付与する不純物元素を含み、第4の不純物領域(B)556c、557cは1×1016〜5×1018atoms/cm3の濃度でn型を付与する不純物元素を含んでいる。しかし、これらの不純物領域556b、556c、557b、557cのp型を付与する不純物元素の濃度を1×1019atoms/cm3以上となるようにし、第3の不純物領域556a、557aにおいては、p型を付与する不純物元素の濃度をn型を付与する不純物元素の濃度の1.5から3倍となるようにすることにより、第3の不純物領域でpチャネル型TFTのソース領域およびドレイン領域として機能するために何ら問題は生じない。また、第4の不純物領域(B)556c、557cは一部が第2のテーパー形状を有する導電層540または542と一部が重なって形成される。
【0097】
その後、図15(A)に示すように、第2の形状を有する導電層540〜545およびゲート絶縁膜570上に第1の層間絶縁膜558を形成する。第1の層間絶縁膜558は酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、またはこれらを組み合わせた積層膜で形成すれば良い。いずれにしても第1の層間絶縁膜558は無機絶縁物材料から形成する。なお、第1の層間絶縁膜558の膜厚は30〜200nmとする。
【0098】
本実施例では、第1の層間絶縁膜をパルスプラズマCVD法を用いて形成することができる。なお、この時のデューティー比は、20〜70%であり、好ましくは、30〜50%とするのがよい。第1の層間絶縁膜558として酸化シリコン膜を用いる場合には、TEOSとO2とを混合し、反応圧力40Pa、基板温度300〜400℃とし、高周波(13.56MHz)電力密度0.09〜1.0W/cm2で放電させて形成することができる。
【0099】
また、第1の層間絶縁膜558として酸化窒化シリコン膜を用いる場合には、SiH4、N2O、NH3から作製される酸化窒化シリコン膜、またはSiH4、N2Oから作製される酸化窒化シリコン膜で形成すれば良い。
【0100】
この場合の成膜条件は反応圧力20〜200Pa、基板温度300〜400℃とし、RF周波数10〜60MHzで、高周波電力密度0.09〜1.0W/cm2で形成することができる。また、第1の層間絶縁膜558としてSiH4、N2O、H2から作製される酸化窒化水素化シリコン膜を適用しても良い。窒化シリコン膜も同様にSiH4、NH3から作製することが可能である。
【0101】
そして、それぞれの濃度で添加されたn型またはp型を付与する不純物元素を活性化する工程を行う。この工程はファーネスアニール炉を用いる熱アニール法で行う。その他に、レーザーアニール法、またはラピッドサーマルアニール法(RTA法)を適用することができる。熱アニール法では酸素濃度が1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下の窒素雰囲気中で400〜700℃、代表的には500〜600℃で行うものであり、本実施例では550℃で4時間の熱処理を行った。また、基板501に耐熱温度が低いプラスチック基板を用いる場合にはレーザーアニール法を適用することが好ましい。
【0102】
活性化の工程に続いて、雰囲気ガスを変化させ、3〜100%の水素を含む雰囲気中で、300〜450℃で1〜12時間の熱処理を行い、島状半導体層を水素化する工程を行う。この工程は熱的に励起された水素により島状半導体層にある1016〜1018/cm3のダングリングボンドを終端する工程である。水素化の他の手段として、プラズマ水素化(プラズマにより励起された水素を用いる)を行っても良い。いずれにしても、島状半導体層504〜508中の欠陥密度を1016/cm3以下とすることが望ましく、そのために水素を0.01〜0.1atomic%程度付与すれば良い。
【0103】
そして、有機樹脂材料からなる第2の層間絶縁膜559を1.0〜2.0μmの平均膜厚で形成する。有機樹脂材料としては、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド、BCB(ベンゾシクロブテン)等を使用することができる。例えば、基板に塗布後、熱重合するタイプのポリイミドを用いる場合には、クリーンオーブンで300℃で焼成して形成する。また、アクリルを用いる場合には、2液性のものを用い、主材と硬化剤を混合した後、スピナーを用いて基板全面に塗布した後、ホットプレートで80℃で60秒の予備加熱を行い、さらにクリーンオーブンで250℃で60分焼成して形成することができる。
【0104】
このように、第2の層間絶縁膜559を有機樹脂材料で形成することにより、表面を良好に平坦化させることができる。また、有機樹脂材料は一般に誘電率が低いので、寄生容量を低減できる。しかし、吸湿性があり保護膜としては適さないので、本実施例のように、第1の層間絶縁膜558として形成した酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜などと組み合わせて用いると良い。
【0105】
なお、次のような場合に本発明のパルスプラズマCVD法を用いることは有効である。
【0106】
具体的には、第1の層間膜を13.56MHzのRF発振周波数を1Hzのパルス周波数に変調して、RF電力50W、基板温度325℃、成膜圧力160Pa、基板電極間距離20mm、SiH4流量27sccm、N2O流量900sccmで200nmの膜厚で成膜を行うと、成膜速度が40〜200nm/minであり、エッチング速度が300〜350nm/minである膜を形成することができる。なお、この膜を形成した後で3〜100%の水素を含む雰囲気中で、300〜450℃で1〜12時間の熱処理を行うと、この膜のエッチング速度は200〜250nm/minとなる。
【0107】
次に、第1の層間膜上に第2の層間膜を形成する。なお、第2の層間膜として、エッチング速度が200〜250nm/minであり400〜500nmの膜厚を有する窒化珪素膜や窒化酸化珪素膜が形成される。なお、第2の層間膜は第1の層間膜を形成したときの条件で、基板温度を400に変えて連続発振のプラズマCVDで形成することにより得ることができる。すなわち、このように異なる成膜条件で作製された積層膜の場合に於いても、両者のエッチング速度をそれぞれ同じにすることができるので、積層膜をエッチングしてコンタクトホールを形成する場合にテーパー角を大きくすることなしに形成することができる。
【0108】
つまり、積層した膜をエッチングする上で、エッチング速度をある一定の範囲にそろえたい場合にも、本発明のパルスプラズマCVDにより形成した膜を用いることは有効である。
【0109】
その後、第4のフォトマスク(PM4)を用い、所定のパターンのレジストマスクを形成し、それぞれの島状半導体層に形成されソース領域またはドレイン領域とする不純物領域に達するコンタクトホールを形成する。コンタクトホールはドライエッチング法で形成する。この場合、エッチングガスにCF4、O2、Heの混合ガスを用い有機樹脂材料から成る第2の層間絶縁膜559をまずエッチングし、その後、続いてエッチングガスをCF4、O2として第1の層間絶縁膜558をエッチングする。さらに、島状半導体層との選択比を高めるために、エッチングガスをCHF3に切り替えて第3の形状のゲート絶縁膜570をエッチングすることによりコンタクトホールを形成することができる。
【0110】
そして、導電性の金属膜をスパッタ法や真空蒸着法で形成し、第5のフォトマスク(PM5)によりレジストマスクパターンを形成し、エッチングによってソース線560〜564とドレイン線565〜568を形成する。画素電極569はドレイン線と一緒に形成される。画素電極571は隣の画素に帰属する画素電極を表している。図示していないが、本実施例ではこの配線を、Ti膜を50〜150nmの厚さで形成し、島状半導体層のソースまたはドレイン領域を形成する不純物領域とコンタクトを形成し、そのTi膜上に重ねてアルミニウム(Al)を300〜400nmの厚さで形成し、さらにその上に透明導電膜を80〜120nmの厚さで形成した。透明導電膜には酸化インジウム酸化亜鉛合金(In2O3―ZnO)、酸化亜鉛(ZnO)も適した材料であり、さらに可視光の透過率や導電率を高めるためにガリウム(Ga)を添加した酸化亜鉛(ZnO:Ga)などを好適に用いることができる。
【0111】
なお、パルスプラズマCVD法により形成された第1の層間絶縁膜は、エッチング速度が300〜350nm/minであるが、これを水素化することによりそのエッチング速度は200〜250nm/minとなる。これにより、第2の層間絶縁膜のコンタクトホールを形成した後に第1の層間絶縁膜をエッチングする際、第2の層間絶縁膜のコンタクトホールの形状に影響を与えることなくことが可能である。
【0112】
こうして5枚のフォトマスクにより、同一の基板上に、駆動回路(ソース信号線駆動回路及びゲート信号線駆動回路)のTFTと、画素部の画素TFTとを有した基板を完成させることができる。駆動回路には第1のpチャネル型TFT600、第1のnチャネル型TFT601、第2のpチャネル型TFT602、第2のnチャネル型TFT603、画素部には画素TFT604、保持容量605が形成されている。本明細書では便宜上このような基板をアクティブマトリクス基板と呼ぶ。
【0113】
第1のpチャネル型TFT600には、第2のテーパー形状を有する導電層がゲート電極620としての機能を有し、島状半導体層504にチャネル形成領域606、ソース領域またはドレイン領域として機能する第3の不純物領域607a、ゲート電極620と重ならないLDD領域を形成する第4の不純物領域(A)607b、一部がゲート電極620と重なるLDD領域を形成する第4の不純物領域(B)607cを有する構造となっている。
【0114】
第1のnチャネル型TFT601には、第2のテーパー形状を有する導電層がゲート電極621としての機能を有し、島状半導体層505にチャネル形成領域608、ソース領域またはドレイン領域として機能する第1の不純物領域609a、ゲート電極621と重ならないLDD領域を形成する第2の不純物領域(A)609b、一部がゲート電極621と重なるLDD領域を形成する第2の不純物領域(B)609cを有する構造となっている。チャネル長2〜7μmに対して、第2の不純物領域(B)609cがゲート電極621と重なる部分の長さは0.1〜0.3μmとする。このLovの長さはゲート電極621の厚さとテーパー部の角度から制御する。nチャネル型TFTにおいてこのようなLDD領域を形成することにより、ドレイン領域近傍に発生する高電界を緩和して、ホットキャリアの発生を防ぎ、TFTの劣化を防止することができる。
【0115】
駆動回路の第2のpチャネル型TFT602は同様に、第2のテーパー形状を有する導電層がゲート電極622としての機能を有し、島状半導体層506にチャネル形成領域610、ソース領域またはドレイン領域として機能する第3の不純物領域611a、ゲート電極622と重ならないLDD領域を形成する第4の不純物領域(A)611b、一部がゲート電極622と重なるLDD領域を形成する第4の不純物領域(B)611cを有する構造となっている。
【0116】
駆動回路の第2のnチャネル型TFT603には、第2のテーパー形状を有する導電層がゲート電極623としての機能を有し、島状半導体層507にチャネル形成領域612、ソース領域またはドレイン領域として機能する第1の不純物領域613a、ゲート電極623と重ならないLDD領域を形成する第2の不純物領域(A)613b、一部がゲート電極623と重なるLDD領域を形成する第2の不純物領域(B)613cを有する構造となっている。第2のnチャネル型TFT601と同様に第2の不純物領域(B)613cがゲート電極623と重なる部分の長さは0.1〜0.3μmとする。
【0117】
駆動回路はシフトレジスタ、バッファ等のロジック回路やアナログスイッチで形成されるサンプリング回路などを有している。図15(B)ではこれらを形成するTFTを一対のソース・ドレイン間に一つのゲート電極を設けたシングルゲートの構造で示したが、複数のゲート電極を一対のソース・ドレイン間に設けたマルチゲート構造としても差し支えない。
【0118】
画素TFT604には、第2のテーパー形状を有する導電層がゲート電極624としての機能を有し、島状半導体層508にチャネル形成領域614a、614b、ソース領域またはドレイン領域として機能する第1の不純物領域615a、617、ゲート電極624と重ならないLDD領域を形成する第2の不純物領域(A)615b、一部がゲート電極624と重なるLDD領域を形成する第2の不純物領域(B)615cを有する構造となっている。第2の不純物領域(B)613cがゲート電極624と重なる部分の長さは0.1〜0.3μmとする。また、第1の不純物領域617から延在し、第2の不純物領域(A)619b、第2の不純物領域(B)619c、導電型を決定する不純物元素が添加されていない領域618を有する半導体層と、第3の形状を有するゲート絶縁膜と同層で形成される絶縁層と、第2のテーパー形状を有する導電層から形成される容量配線625から保持容量605が形成されている。
【0119】
画素TFT604のゲート電極624はゲート絶縁膜570を介してその下の島状半導体層508と交差し、さらに複数の島状半導体層に跨って延在してゲート信号線を兼ねている。保持容量605は、画素TFT604のドレイン領域627から延在する半導体層とゲート絶縁膜570を介して容量配線625が重なる領域で形成されている。この構成において半導体層618には、価電子制御を目的とした不純物元素は添加されていない。
【0120】
以上の様な構成は、画素TFTおよび駆動回路が要求する仕様に応じて各回路を構成するTFTの構造を最適化し、半導体装置の動作性能と信頼性を向上させることを可能としている。さらにゲート電極を、耐熱性を有する導電性材料で形成することによりLDD領域やソース領域およびドレイン領域の活性化を容易としている。さらに、ゲート電極にゲート絶縁膜を介して重なるLDD領域を形成する際に、導電型を制御する目的で添加した不純物元素に濃度勾配を持たせてLDD領域を形成することで、特にドレイン領域近傍における電界緩和効果が高まることが期待できる。
【0121】
アクティブマトリクス型の液晶表示装置の場合、第1のpチャネル型TFT600と第1のnチャネル型TFT601は高速動作を重視するシフトレジスタ、バッファ、レベルシフトなどを形成するのに用いる。図15(B)ではこれらの回路をロジック回路部として表している。第1のnチャネル型TFT601の第2の不純物領域(B)609cはホットキャリア対策を重視した構造となっている。さらに、耐圧を高め動作を安定化させるために、ロジック回路部のTFTを一対のソース・ドレイン間に2つのゲート電極を設けたダブルゲート構造にしても良い。ダブルゲート構造のTFTは本実施例の工程を用いて同様に作製できる。
【0122】
また、アナログスイッチで構成するサンプリング回路には、ロジック回路部と同様な構成の第2のpチャネル型TFT602と第2のnチャネル型TFT603を適用することができる。サンプリング回路はホットキャリア対策と低オフ電流動作が重視されるので、サンプリング回路部の第2のpチャネル型TFT602を、一対のソース領域・ドレイン領域間に3つのゲート電極を設けたトリプルゲート構造にしても良く、このようなTFTは本実施例の工程を用いて同様に作製できる。チャネル長は3〜7μmとして、ゲート電極と重なるLDD領域をLovとしてそのチャネル長方向の長さは0.1〜0.3μmとする。
【0123】
このように、TFTのゲート電極の構成をシングルゲート構造とするか、複数のゲート電極を一対のソース・ドレイン間に設けたマルチゲート構造とするかは、回路の特性に応じて実施者が適宣選択すれば良い。
【0124】
次に、図16(A)に示すように、図15(B)の状態のアクティブマトリクス基板に柱状スペーサから成るスペーサを形成する。スペーサは数μmの粒子を散布して設ける方法でも良いが、ここでは基板全面に樹脂膜を形成した後これをパターニングして形成する方法を採用した。このようなスペーサの材料に限定はないが、例えば、JSR社製のNN700を用い、スピナーで塗布した後、露光と現像処理によって所定のパターンに形成する。さらにクリーンオーブンなどを用いて、150〜200℃で加熱して硬化させる。このようにして作製されるスペーサは露光と現像処理の条件によって形状を異ならせることができるが、好ましくは、スペーサの形状は柱状で頂部が平坦な形状となるようにすると、対向側の基板を合わせたときに液晶パネルとしての機械的な強度を確保することができる。形状は円錐状、角錐状など特別の限定はないが、例えば円錐状としたときに具体的には、高さを1.2〜5μmとし、平均半径を5〜7μm、平均半径と底部の半径との比を1対1.5とする。このとき側面のテーパー角は±15°以下とする。
【0125】
スペーサの配置は任意に決定すれば良いが、好ましくは、図16(A)で示すように、画素部においては画素電極569のコンタクト部631と重ねてその部分を覆うように柱状スペーサ656を形成すると良い。コンタクト部631は平坦性が損なわれこの部分では液晶がうまく配向しなくなるので、このようにしてコンタクト部631にスペーサ用の樹脂を充填する形で柱状スペーサ656を形成することでディスクリネーションなどを防止することができる。また、駆動回路のTFT上にもスペーサ655a〜655eを形成しておく。このスペーサは駆動回路部の全面に渡って形成しても良いし、図16(A)で示すようにソース線およびドレイン線を覆うようにして設けても良い。
【0126】
その後、配向膜657を形成する。通常液晶表示素子の配向膜にはポリイミド樹脂を用いる。配向膜を形成した後、ラビング処理を施して液晶分子がある一定のプレチルト角を持って配向するようにした。画素部に設けた柱状スペーサ656の端部からラビング方向に対してラビングされない領域が2μm以下となるようにした。また、ラビング処理では静電気の発生がしばしば問題となるが、駆動回路のTFT上に形成したスペーサ655a〜655eにより静電気からTFTを保護する効果を得ることができる。また図には示さないが、配向膜657を先に形成してから、スペーサ656、655a〜655eを形成した構成としても良い。
【0127】
対向側の対向基板651には、遮光膜652、透明導電膜653および配向膜654を形成する。遮光膜652はTi膜、Cr膜、Al膜などを150〜300nmの厚さで形成する。そして、画素部と駆動回路が形成されたアクティブマトリクス基板と対向基板とをシール剤658で貼り合わせる。シール剤658にはフィラー(図示せず)が混入されていて、このフィラーとスペーサ656、655a〜655eによって均一な間隔を持って2枚の基板が貼り合わせられる。その後、両基板の間に液晶材料659を注入する。液晶材料には公知の液晶材料を用いれば良い。例えば、TN液晶の他に、電場に対して透過率が連続的に変化する電気光学応答性を示す、無しきい値反強誘電性混合液晶を用いることもできる。この無しきい値反強誘電性混合液晶には、V字型の電気光学応答特性を示すものもある。このようにして図16(B)に示すアクティブマトリクス型液晶表示装置が完成する。
【0128】
本発明の半導体装置の作製方法は、本実施例において説明した作製方法に限定されない。本発明の半導体装置は公知の方法を用いて作製することが可能である。
【0129】
なお、本実施例の構成は、実施例1の成膜方法や実施例2で示したボトムゲート型のTFTと自由に組み合わせて用いることができる。
【0130】
〔実施例4〕
本実施例では、本発明の絶縁膜を用いて形成された半導体装置の一例として発光素子を有する発光装置を示し、これらの構造について詳細に説明する。なお、本明細書中では、陰極と陽極の間に発光素子を含む有機化合物層が形成された素子を発光素子とよぶ。また、有機化合物層は、発光層だけでなく、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層および電子注入層といった層を自由に組み合わせて積層することにより形成したものをいう。
【0131】
図9(A)は、基板上にTFTおよび発光素子を形成し、これを封止して作製した発光装置の上面図であり、図9(B)は図9(A)をA−A’で切断した断面図である。点線で示された902aはソース側駆動回路、901は画素部、902bはゲート側駆動回路である。また、914は封止基板、913はシール材であり、封止基板914とシール材913により封止された領域は、空間915になっている。
【0132】
なお、ソース側駆動回路902a及びゲート側駆動回路902bに入力される信号を伝送するための配線(図示せず)により、外部入力端子となるFPC(フレキシブルプリントサーキット)911からビデオ信号やクロック信号を受け取る。なお、ここでは基板上のTFTにFPCが接続された状態を示しているが、FPCを介してIC(集積回路)が直接実装されたモジュールを本明細書中では、発光装置とよぶ。
【0133】
次に、断面構造について図9(B)を用いて説明する。ガラス基板900の上方には画素部901、駆動回路902が形成されており、画素部901は電流制御用TFT903とそのドレインに電気的に接続された画素電極904を含む複数の画素により形成される。また、駆動回路902はnチャネル型トランジスタ905とpチャネル型トランジスタ906とを組み合わせたCMOS回路を用いて形成される。なお、ガラス基板900上には、保護膜として窒化珪素、酸化珪素または酸化窒化珪素といった珪素を含む化合物や炭素膜(具体的にはダイヤモンドライクカーボン膜)916を2〜30nmの厚さに設けると良い。これにより、基板側からの不純物の侵入を防ぐことができる。
【0134】
画素電極904は発光素子の陽極として機能する。また、画素電極904の両端にはバンク907が形成され、画素電極904上には有機化合物層908および陰極909が形成される。陰極909は全画素に共通の配線としても機能し、接続配線910を経由してFPC(フレキシブルプリントサーキット)911に電気的に接続されている。なお、ここではFPCしか図示されていないが、このFPCにはプリント配線基盤(PWB)が取り付けられていても良い。さらに、陰極909上にはパッシベーション膜912が形成されている。
【0135】
次に、シール材913によりガラスからなる封止基板914が貼り合わされる。なお、シール材913としては、できるだけ水分や酸素を透過しない材料であることが望ましく、紫外線硬化樹脂や熱硬化性樹脂を用いるのが好ましい。また、必要に応じて封止基板914と発光素子917との間隔を確保するために樹脂膜からなるスペーサを設けても良い。また、空間915には窒素や希ガス等の不活性ガスが充填されている。
【0136】
さらに、封止基板914の両面には、窒化珪素や酸化珪素といった珪素を含む膜や炭素膜(具体的にはダイヤモンドライクカーボン膜)で形成されるバリア膜(916a、916b)を2〜30nmの厚さに設けておくと良い。バリア膜(916a、916b)を成膜しておくことで、封止された空間に水分や酸素等の不純物の侵入を防ぐことができ、空間915内の発光素子の劣化を防ぐことができる。
【0137】
以上のような構造で発光素子を空間915に封入することにより、発光素子を外部から完全に遮断することができ、外部から侵入する水分や酸素による発光素子の劣化を防ぐことができる。従って、信頼性の高い発光装置を得ることができる。
【0138】
なお、本実施例の構成は、実施例1の成膜方法、実施例2で示したボトムゲート型のTFT及び実施例3で示した作製方法の一部を自由に組み合わせて用いることができる。
【0139】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のパルスプラズマCVD法を用いて絶縁膜を形成することにより、絶縁膜形成時の成膜速度、およびエッチング速度の低速化が可能となり、絶縁膜の薄膜化および膜質特性の向上を実現することができる。なお、本発明により形成された絶縁膜は、今後さらに画素構造等の微細化が進み、薄膜化が要求された際に非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 高周波電力とラジカルの発生について説明する図。
【図2】 絶縁膜のデューティー比に対する成膜速度。
【図3】 絶縁膜のデューティー比に対するエッチング速度。
【図4】 絶縁膜のデューティー比に対する膜厚均一性。
【図5】 本発明に用いるプラズマCVD装置の構成を示す図。
【図6】 本発明に用いるプラズマCVD装置の成膜室の構成を示す図。
【図7】 本発明の絶縁膜を用いたTFTの構造を説明する図。
【図8】 パルス放電プラズマCVD法において、カソードに印加される高周波電力の波形をオシロスコープで観察した写真。
【図9】 本発明の絶縁膜を用いた発光装置の構造を説明する図。
【図10】 絶縁膜のRF電力に対する成膜速度。
【図11】 絶縁膜のRF電力に対するエッチング速度。
【図12】 絶縁膜のRF電力に対する膜厚均一性。
【図13】 半導体装置の作製工程を示す図。
【図14】 半導体装置の作製工程を示す図。
【図15】 半導体装置の作製工程を示す図。
【図16】 半導体装置の作製工程を示す図。
Claims (7)
- 半導体層を形成し、
10〜60MHzの高周波電力を30〜50%のデューティー比でカソードに断続的に印加し、第1の反応ガスである流量が27sccmのSiH 4 及び流量が900sccmのN 2 Oを導入してプラズマを断続的に発生させ、RF電力が50W、基板温度が325℃、成膜圧力が160Pa、基板電極間距離が20mmで、前記半導体層の上に、珪素を含む第1の層間膜を形成し、
前記第1の層間膜に水素を含む雰囲気中で熱処理を行い、エッチングガスとしてCF 4 及びO 2 を用いたときの前記第1の層間膜のエッチング速度を200〜250nm/minとし、
前記第1の層間膜を形成するときの条件で、基板温度を400℃に変えて連続発振のプラズマCVDにより、前記第1の層間膜の上に、エッチングガスとしてCF 4 及びO 2 を用いたときのエッチング速度が200〜250nm/minである第2の層間膜を形成し、
前記第1の層間膜と前記第2の層間膜とに、エッチングガスとしてCF 4 及びO 2 を用いてエッチングを行うことにより、コンタクトホールを形成し、
前記第2の層間膜の上に、前記コンタクトホールを介して前記半導体層と接続される金属膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1において、
10〜60MHzの高周波電力を30〜50%のデューティー比でカソードに断続的に印加し、第2の反応ガスを導入してプラズマを断続的に発生させ、ガラス基板の上に、珪素を含む下地膜を形成し、
前記下地膜の上に、前記半導体層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項2において、
前記第2の反応ガスを第3の反応ガスに切り替えて大気雰囲気に晒すことなく、前記下地膜と前記半導体層とを連続して形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記半導体層を形成し、
前記半導体層の上に、ゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜の上に、ゲート電極を形成し、
前記ゲート電極の上に、前記第1の層間膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1又は請求項2において、
ゲート電極を形成し、
前記ゲート電極の上に、ゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜の上に、前記半導体層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか一において、
前記熱処理は、3〜100%の水素を含む雰囲気中で300〜450℃で1〜12時間行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか一において、
前記高周波電力のパルス周波数が1〜10kHzであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
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