JP2015154078A - ゲート絶縁層の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＴＦＴ（薄膜トランジスター）の安定性と静電気防止性能を両立させるゲート絶縁層の製造方法を提供する。【解決手段】化学気相成長法を利用して、Ｃｕゲートの上に窒化ケイ素層と酸化ケイ素層を順に蒸着することによって、窒化ケイ素層と酸化ケイ素層が順に積層されたゲート絶縁層を得る工程を含む。窒化ケイ素層は酸素を効果的に遮断してＣｕゲートの酸化を防ぎ、酸化ケイ素層は水素を効果的に遮断してアクティブ半導体層の還元を防止する【選択図】なし
Description
本発明は、半導体分野に関し、特に、ゲート絶縁層（ｇａｔｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を製造する方法に関する。
現在、ＬＣＤ、ＯＬＥＤなどのフラットパネルディスプレイ（ｆｌａｔ ｐａｎｅｌ ｄｉｓｐｌａｙ）は、主にアクティブマトリックス（Ａｃｔｉｖｅ ｍａｔｒｉｘ）駆動モードを用い、駆動回路部分の薄膜トランジスター（ＴＦＴ）をスイッチング素子とすることで画素電極に信号を出力する。薄膜トランジスターの性能は、ディスプレイ装置の品質を決定する重要な要素であって、信頼性を向上させ、ディスプレイ装置の不良率を効果的に減少できるように、高い降伏（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）電圧、低い漏洩電流を有することが求められている。
通常、トランジスターは、絶縁基板、ゲート、ゲート絶縁層、アクティブ半導体層、およびソース電極／ドレイン電極層を有するが、ここで、ゲート絶縁層は、ゲートとアクティブ半導体層との間に位置して、ＴＦＴの安定性、及び静電気防止に非常に重要な役割を果たす。大型サイズ、高い解像度、高周波数の駆動は、フラットパネルディスプレイの主な発展趨勢であり、そのため、ＴＦＴの移動度（ｍｏｂｉｌｉｔｙ）の向上とメタルワイヤーインピーダンスの減少に対する要求も高まっている。現在、非晶質シリコン（Ａ−Ｓｉ）の代わりにＩＧＺＯをＴＦＴのアクティブ半導体層として用いる方法がよく用いられ、移動度を約１ｃｍ２／（Ｖ・Ｓ）から約１０ｃｍ２／（Ｖ・Ｓ）に向上させる。これと共に、Ａｌの代わりにＣｕをゲートとして用いる。ここで、Ｃｕの抵抗値は、約２μΩであり、Ａｌの抵抗値は、約３〜３．５μΩである。しかしながら、上記のような方法も、依然として問題点が存在する。即ち、ＩＧＺＯ層は、水素の影響をよく受け、水素によってＩＧＺＯ層の電気的性能に変化が生じ、ひいては、アクティブ層が半導体から導体に変化することもありうる。また、ゲートＣｕは、酸素の影響をよく受け、酸素によってＣｕが酸化されてゲート自身の機能がなくなってしまう。
現在、大部分の薄膜トランジスターは、酸化ケイ素層をゲート絶縁層として用いるが、Ｃｕが酸化ケイ素と直接反応してＣｕＳｉｘＯｙを形成して、抵抗が増大される。なお、酸化ケイ素は、窒化ケイ素に比べて誘電定数が比較的小さく、静電気放電防止性能が相対的弱く、漏洩電流が比較的高く、基板内のアルカリ金属イオンに対する遮断効果も比較的弱くて、ＴＦＴの性能に影響を与えやすい。
従って、現在、上記のような問題を解決し、ＴＦＴの安定性と静電気防止性能を両立させるゲート絶縁層の製造方法が求められている。
本発明は、上記のような問題を解決するために、窒化ケイ素層と酸化ケイ素層が順に積層されたゲート絶縁層を形成することによって、ゲートとアクティブ半導体層を効果的に保護し、薄膜トランジスターの性能を向上させる。
本発明の別の局面と利点は、下記の説明で部分的に記載され、下記の説明で部分的に明らかになるか、本発明の実践によって習得できるでしょう。
本発明は、ゲート絶縁層の製造方法を提供し、当該ゲート絶縁層の製造方法は、化学気相成長法を利用して、Ｃｕゲートの上に窒化ケイ素層と酸化ケイ素層を順に蒸着することによって、上記窒化ケイ素層と上記酸化ケイ素層が順に積層されたゲート絶縁層を得る工程を含む。
本発明の方法の実施形態において、上記窒化ケイ素層を蒸着する温度は、４２０〜４５０℃であり、上記酸化ケイ素層を蒸着する温度は、４２０〜４５０℃である。
本発明の方法の別の実施形態において、上記窒化ケイ素層を蒸着する原料ガスは、モノシラン（ｍｏｎｏｓｉｌａｎｅ）とアンモニアガスであり、上記酸化ケイ素層を蒸着する原料ガスは、モノシランと亜酸化窒素（Ｎｉｔｒｏｕｓ Ｏｘｉｄｅ）である。
本発明の方法の別の実施形態において、上記モノシランと上記アンモニアガスの流量比は、１：１乃至１：３である。
本発明の方法の別の実施形態において、上記モノシランと上記亜酸化窒素の流量比は、１：１乃至１：３である。
本発明の方法の別の実施形態において、上記方法は、上記窒化ケイ素層を蒸着する前に、窒素ガスを流入させる工程をさらに含む。
本発明の方法の別の実施形態において、上記方法は、上記窒素ガスを流入させる前に、水素ガスを流入させる工程をさらに含む。
本発明の方法の別の実施形態において、上記水素ガスの流量は、５０００〜８０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、５〜１０秒であり、上記窒素ガスの流量は、５０００〜８０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、５〜１０秒である。
本発明の方法の別の実施形態において、上記方法は、窒化ケイ素層を蒸着した後に、脱水素処理を行う工程をさらに含み、上記脱水素処理は、上記窒化ケイ素層を４５０〜５５０℃の温度で３０〜５０分加熱することで行われる。
本発明の方法の別の実施形態において、上記方法は、上記酸化ケイ素層の上にアクティブ半導体層を蒸着する工程をさらに含む。
本発明の方法によってゲート絶縁層を製造すると、Ｃｕゲートとアクティブ半導体層を効果的に保護することができ、蒸着形成された窒化ケイ素層は、酸素を効果的に遮断してＣｕの酸化を防止することができ、蒸着形成された酸化ケイ素層は、水素を効果的に遮断してアクティブ半導体層の還元を防止することができる。なお、上記窒化ケイ素層と酸化ケイ素層とが順に積層されてなるゲート絶縁層は、ガラス基板内のアルカリ金属イオンを効果的に遮断して静電気放電（ＥＳＤ）防止性能を向上させ、漏洩電流を減少させ、等価静電容量（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）を向上させることができる。
以下、具体的な実施例によって本発明の技術的解決策をさらに詳細に説明する。本発明の保護範囲は、下記の実施例によって限定されず、このような実施例は、ただ例示的な目的で列挙されるものであって、本発明を限定する如何なる意図もない。
本発明は、ゲート絶縁層の製造方法を提供し、上記方法は、化学気相成長法を利用して、Ｃｕゲートの上に窒化ケイ素層と酸化ケイ素層を順に蒸着して、上記窒化ケイ素層と上記酸化ケイ素層とが順に積層されたゲート絶縁層を得る工程を含む。
本発明の窒化ケイ素層と酸化ケイ素層は、いずれも化学気相成長法（ＣＶＤ）によって形成され、低圧化学気相成長法、熱気相蒸着法、プラズマ強化化学気相成長法などが用いられる。
本発明は、高温ＣＶＤによって、窒化ケイ素層と酸化ケイ素層とを蒸着し、蒸着温度は、いずれも４２０〜４５０℃であることが好ましい。上記温度は、水素を効果的に除去することができ、蒸着された窒化ケイ素層と酸化ケイ素層の膜質が比較的緻密であり、誘電定数も比較的高くなる。
窒化ケイ素層を形成する原料ガスについて、窒素原料ガスとして、ＮＨ３、ＮＨ２Ｈ２Ｎ、Ｎ２などを用いることができ、ＮＨ３を用いることが好ましく、珪素原料ガスとしては、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨ３Ｃｌ３、ＳｉＦ４などを用いることができ、ＳｉＨ４を用いることが好ましい。ＳｉＨ４とＮＨ３の流量比を１：１以上にして、熱効果の不足による損失を補償するとともに、蒸着された窒化ケイ素層におけるＮ−Ｈ結合の含有量を減少させることによって、誘電定数を向上させる。ＳｉＨ４とＮＨ３の流量比は、１：１乃至１：３であることが好ましい。実際の工程においては、ＳｉＨ４の質量％が５％であるＳｉＨ４とＮ２の混合ガスを用いる。
酸化ケイ素層を形成する原料ガスについて、酸素原料ガスとしては、Ｎ２Ｏ、Ｏ２、Ｏ３などを用いることができ、Ｎ２Ｏを用いることが好ましく、珪素原料ガスとしては、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨ３Ｃｌ３、ＳｉＦ４などを用いることができ、ＳｉＨ４を用いることが好ましい。ＳｉＨ４とＮ２Ｏの流量比を１：１以上にして、熱効果の不足による損失を補償するとともに、蒸着された窒化ケイ素層におけるＮ−Ｈ結合の含有量を減少させることで、誘電定数を向上させる。ＳｉＨ４とＮ２Ｏの流量比は、１：１乃至１：３であることが好ましい。実際の工程においては、ＳｉＨ４の質量％が５％であるＳｉＨ４とＮ２の混合ガスを用いる。
ゲート絶縁層が厚すぎる場合、薄膜トランジスターの臨界電圧を増大させるため、ゲート絶縁層全体の厚さは、一定の範囲に制御する必要がある。ここで、窒化ケイ素膜の厚さを５００Å以上にして、十分な誘電性能とアルカリ金属イオンに対する遮断性能を確保し、窒化ケイ素膜の厚さは、５００〜７００Åであることが好ましく、酸化ケイ素膜の厚さは、１５００Å以下であって、１３００〜１５００Åであることが好ましい。
なお、窒化ケイ素層を蒸着する前に、出力が０のときに、真空チャンバーにＮ２を流入させてもよい。流入されるＮ２の流量は、５０００〜８０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、５〜１０秒であり、Ｎ２を流入させることで、Ｃｕゲートが均一に熱を受けるようにし、チャンバー内の温度を低くし、ＣｕＳｉｘの生成を防止することができる。
Ｎ２を流入させる前に、出力が０のときに、真空チャンバーにＨ２を流入させてもよい。流入されるＨ２の流量は、５０００〜８０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、５〜１０秒であり、Ｈ２を流入させることで、酸化されたＣｕを還元させることができ、Ｃｕゲートが均一に熱を受けるようにし、チャンバー内の温度を低くすることができる。
Ｈ２とＮ２を流入させた後に、真空チャンバーに対して真空排気処理を行ってから窒化ケイ素層を蒸着するべきである。
また、窒化ケイ素層を蒸着した後に、まず窒化ケイ素層に対して脱水素処理を行ってから酸化ケイ素層を蒸着して、後続のアニール（ａｎｎｅａｌｉｎｇ）工程時に水素の拡散による酸化ケイ素層の破壊を減少させてもよい。脱水素処理は、４５０〜５５０℃の温度で窒化ケイ素層を３０乃至５０分加熱することによって行うことが好ましい。脱水素処理は、真空度に対する要求が低い一方、高温で比較的長い間持続しなければならないため、蒸着チャンバーとは別途のチャンバーで行って、真空チャンバーに対する占用を減少させることが好ましい。
本発明の方法は、酸化ケイ素層の上にアクティブ半導体層を蒸着する工程をさらに含む。アクティブ半導体層としては、ＩＧＺＯ、及び多結晶シリコンなどの移動度が比較的高い金属酸化物、または半導体を用い、ＩＧＺＯを用いることが好ましい。
別途の限定がない限り、本発明で用いられる用語は、当業者にとって通常的に理解される意味を表す。
以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。
実施例
実施例１
Ｃｕゲートを真空チャンバーに入れ、出力が０のときに、前後にＨ２とＮ２を流入させる。ここで、Ｈ２の流量は、５０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、１０秒であり、Ｎ２の流量は、５０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、１０秒である。その後、真空排気処理を行う。
実施例
実施例１
Ｃｕゲートを真空チャンバーに入れ、出力が０のときに、前後にＨ２とＮ２を流入させる。ここで、Ｈ２の流量は、５０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、１０秒であり、Ｎ２の流量は、５０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、１０秒である。その後、真空排気処理を行う。
真空チャンバーにおいて、プラズマ強化化学気相成長法を利用し、Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｐｌａｓｍａ ８０Ｐｌｕｓシステムで、Ｃｕゲートの表面に厚さが５００Åである窒化ケイ素層を蒸着する。原料ガスは、ＳｉＨ４とＮ２の混合ガス、及びＮＨ３である。ＳｉＨ４とＮ２の混合ガスの流量は、４００ｓｃｃｍであり、ＳｉＨ４の質量％は、５％であり、ＮＨ３の流量は、２０ｓｃｃｍである。具体的な蒸着工程のパラメータは、表１を参照することができる。
真空チャンバーにおいて、プラズマ強化化学気相成長法を利用し、Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｐｌａｓｍａ ８０Ｐｌｕｓシステムで、蒸着形成された窒化ケイ素層の上に厚さが１５００Åである酸化ケイ素層を蒸着する。原料ガスは、ＳｉＨ４とＮ２の混合ガス、及びＮ２Ｏである。ＳｉＨ４とＮ２の混合ガスの流量は、４００ｓｃｃｍであり、ＳｉＨ４の質量％は、５％であり、Ｎ２Ｏの流量は、２０ｓｃｃｍである。具体的な蒸着工程のパラメータは、表２を参照することができる。
実施例２
Ｃｕゲートを真空チャンバーに入れ、出力が０のときに、前後にＨ２とＮ２を流入させる。ここで、Ｈ２の流量は、６０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、８秒であり、Ｎ２の流量は、６０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、８秒である。その後、真空排気処理を行う。
Ｃｕゲートを真空チャンバーに入れ、出力が０のときに、前後にＨ２とＮ２を流入させる。ここで、Ｈ２の流量は、６０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、８秒であり、Ｎ２の流量は、６０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、８秒である。その後、真空排気処理を行う。
真空チャンバーにおいて、プラズマ強化化学気相成長法を利用し、Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｐｌａｓｍａ ８０Ｐｌｕｓシステムで、Ｃｕゲートの表面に厚さが６００Åである窒化ケイ素層を蒸着する。原料ガスは、ＳｉＨ４とＮ２の混合ガス、及びＮＨ３である。ＳｉＨ４とＮ２の混合ガスの流量は、４００ｓｃｃｍであり、ＳｉＨ４の質量％は、５％であり、ＮＨ３の流量は、１０ｓｃｃｍである。具体的な蒸着工程のパラメータは、表３を参照することができる。
真空チャンバーにおいて、プラズマ強化化学気相成長法を利用し、Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｐｌａｓｍａ ８０Ｐｌｕｓシステムで、蒸着形成された窒化ケイ素層の上に厚さが１４００Åである酸化ケイ素層を蒸着する。原料ガスは、ＳｉＨ４とＮ２の混合ガス、及びＮ２Ｏである。ＳｉＨ４とＮ２の混合ガスの流量は、４００ｓｃｃｍであり、ＳｉＨ４の質量％は、５％であり、Ｎ２Ｏの流量は、１０ｓｃｃｍである。具体的な蒸着工程のパラメータは、表４を参照することができる。
実施例３
Ｃｕゲートを真空チャンバーに入れ、出力が０のときに、前後にＨ２とＮ２を流入させる。ここで、Ｈ２の流量は、８０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、５秒であり、Ｎ２の流量は、８０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、５秒である。その後、真空排気処理を行う。
Ｃｕゲートを真空チャンバーに入れ、出力が０のときに、前後にＨ２とＮ２を流入させる。ここで、Ｈ２の流量は、８０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、５秒であり、Ｎ２の流量は、８０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、５秒である。その後、真空排気処理を行う。
真空チャンバーにおいて、プラズマ強化化学気相成長法を利用し、Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｐｌａｓｍａ ８０Ｐｌｕｓシステムで、Ｃｕゲートの表面に厚さが７００Åである窒化ケイ素層を蒸着する。原料ガスは、ＳｉＨ４とＮ２の混合ガス、及びＮＨ３である。ＳｉＨ４とＮ２の混合ガスの流量は、６００ｓｃｃｍであり、ＳｉＨ４の質量％は、５％であり、ＮＨ３の流量は、１０ｓｃｃｍである。具体的な蒸着工程のパラメータは、表５を参照することができる。
真空チャンバーにおいて、プラズマ強化化学気相成長法を利用し、Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｐｌａｓｍａ ８０Ｐｌｕｓシステムで、蒸着形成された窒化ケイ素層の上に厚さが１３００Åである酸化ケイ素層を蒸着する。原料ガスは、ＳｉＨ４とＮ２の混合ガス、及びＮ２Ｏである。ＳｉＨ４とＮ２の混合ガスの流量は、６００ｓｃｃｍであり、ＳｉＨ４の質量％は、５％であり、Ｎ２Ｏの流量は、１０ｓｃｃｍである。具体的な蒸着工程のパラメータは、表６を参照することができる。
上記のように、本発明の方法によって製造されたゲート絶縁層は、ＣｕゲートとＩＧＺＯアクティブ半導体層を効果的に保護することができ、蒸着形成された窒化ケイ素層は、酸素を効果的に遮断して、Ｃｕの酸化を防止することができ、蒸着形成された酸化ケイ素層は、水素を効果的に遮断して、ＩＧＺＯの還元を防止することができる。なお、上記窒化ケイ素層と酸化ケイ素層が順に積層されてなるゲート絶縁層は、ガラス基板内のアルカリ金属イオンを効果的に遮断して、静電気放電（ＥＳＤ）防止性能を強化させ、漏洩電流を減少させ、その等価静電容量（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）は、厚さが同一な酸化ケイ素ゲート絶縁層に比べて、１．７７×１０−６（Ｆ／ｍ２）から２．０２×１０−６（Ｆ／ｍ２）に増加され、約１５％増加される。
当業者は、本発明で記載された実施形態が単に例示的なものであり、本発明の範囲内でその他の様々な差し替え、変更および改良ができることを理解すべきである。したがって、本発明は、上記の実施形態に限定されず、特許請求の範囲のみによって限定される。
Claims (10)
- 化学気相成長法を利用して、Ｃｕゲートの上に窒化ケイ素層と酸化ケイ素層を順に蒸着することによって、前記窒化ケイ素層と前記酸化ケイ素層が順に積層されたゲート絶縁層を得る工程を含むことを特徴とするゲート絶縁層の製造方法。
- 前記窒化ケイ素層を蒸着する温度は、４２０〜４５０℃であり、前記酸化ケイ素層を蒸着する温度は、４２０〜４５０℃であることを特徴とする請求項１に記載のゲート絶縁層の製造方法。
- 前記窒化ケイ素層を蒸着する原料ガスは、モノシラン（ｍｏｎｏｓｉｌａｎｅ）とアンモニアガスであり、前記酸化ケイ素層を蒸着する原料ガスは、モノシランと亜酸化窒素（Ｎｉｔｒｏｕｓ Ｏｘｉｄｅ）であることを特徴とする請求項２に記載のゲート絶縁層の製造方法。
- 前記モノシランと前記アンモニアガスの流量比は、１：１乃至１：３であることを特徴とする請求項３に記載のゲート絶縁層の製造方法。
- 前記モノシランと前記亜酸化窒素の流量比は、１：１乃至１：３であることを特徴とする請求項３または４に記載のゲート絶縁層の製造方法。
- 前記窒化ケイ素層を蒸着する前に、窒素ガスを流入させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のゲート絶縁層の製造方法。
- 前記窒素ガスを流入させる前に、水素ガスを流入させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載のゲート絶縁層の製造方法。
- 前記水素ガスの流量は、５０００〜８０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、５〜１０秒であり、前記窒素ガスの流量は、５０００〜８０００ｓｃｃｍであり、流入時間は、５〜１０秒であることを特徴とする請求項７に記載のゲート絶縁層の製造方法。
- 窒化ケイ素層を蒸着した後に、脱水素処理を行う工程をさらに含み、
前記脱水素処理は、前記窒化ケイ素層を４５０〜５５０℃の温度で３０〜５０分加熱することで行われることを特徴とする請求項７に記載のゲート絶縁層の製造方法。 - 前記酸化ケイ素層の上にアクティブ半導体層を蒸着する工程をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のゲート絶縁層の製造方法。
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