JP2020004913A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の特性を安定化させることを可能とした半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】第１絶縁体層３２を形成することは、シリコンとイソシアネート基とを含む第１原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、シリコン酸化物を主成分とする第１絶縁体層３２を形成することである。半導体層３１の一部を露出させることは、半導体層３１におけるソース領域３１Ｓとドレイン領域３１Ｄとを第１絶縁体層３２から露出させることである。第２絶縁体層３５を形成することは、シリコンと水素とを含む第２原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、シリコン酸化物を主成分とする第２絶縁体層３５を形成することである。【選択図】図１１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

酸化物半導体を主成分とする半導体層を備える薄膜トランジスタとして、トップゲート型の薄膜トランジスタが知られている。トップゲート型の薄膜トランジスタは、例えば、基板と、基板上に形成された半導体層と、半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを備えている。また、トップゲート型の薄膜トランジスタは、ソース電極とドレイン電極とを備え、各電極は、半導体層に接続されている。ゲート絶縁膜には、シリコン酸化物によって形成された層が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１０−１６１３３９号公報

ところで、ゲート絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法を用いて形成されることがある。ゲート絶縁膜を形成するときには、シラン（ＳｉＨ_４）およびテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）のいずれかが、ゲート絶縁膜の原料として用いられることが多い。これらの材料は水素を含むため、半導体層上に形成されたゲート絶縁膜も水素を含む。ゲート絶縁膜中の水素は、ゲート絶縁膜と半導体層との界面において半導体層に向けて拡散し、半導体層を還元することによって、半導体層中に酸素の欠損を生じさせる。こうした半導体層での酸素の欠損は、半導体層を含む薄膜トランジスタの特性、ひいては薄膜トランジスタを備える半導体装置の特性を不安定化させるため、特性のより安定した半導体装置を製造する方法が求められている。

本発明は、半導体装置の特性を安定化させることを可能とした半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための半導体装置の製造方法は、酸化物半導体を主成分とする半導体層を形成することと、前記半導体層の少なくとも一部を覆う第１絶縁体層を形成することと、前記第１絶縁体層から前記半導体層の一部を露出させることと、前記半導体層および前記第１絶縁体層の全体を覆う第２絶縁体層を形成することと、を含む。前記第１絶縁体層を形成することは、シリコンとイソシアネート基とを含み、かつ、水素を含まない第１原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、シリコン酸化物を主成分とする前記第１絶縁体層を形成することである。前記半導体層の一部を露出させることは、前記半導体層におけるソース領域とドレイン領域とを前記第１絶縁体層から露出させることである。前記第２絶縁体層を形成することは、シリコンと水素とを含む第２原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、シリコン酸化物を主成分とする前記第２絶縁体層を形成することである。

上記構成によれば、第１絶縁体層を形成するときに、水素を含まない第１原料ガスを用いて第１絶縁体層を形成することによって、半導体層のなかで、第１絶縁体層に接する部分に第１絶縁体層から水素が拡散することが抑えられる。一方で、第２絶縁体層を形成するときには、水素を含む第２原料ガスを用いるため、ソース領域およびドレイン領域において水素を含む活性種に由来する水素の拡散が生じる。これにより、半導体層のなかで、第１絶縁体層に覆われた部分であるチャンネル領域では水素の拡散による酸素欠損が抑えられる一方で、ソース領域およびドレイン領域は、水素の拡散によって低抵抗化される。結果として、半導体装置における特性を安定化させることができる。

上記半導体装置の製造方法において、前記半導体装置の製造方法は、前記ソース領域と前記ドレイン領域とを前記第１絶縁体層から露出させた後、かつ、前記第２絶縁体層を形成する前に、前記ソース領域と前記ドレイン領域とを、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス、Ｈ_２ガス、および、Ｎ_２ガスから構成される群から選択される少なくとも１つから生成したプラズマに曝すことをさらに含んでもよい。

上記構成によれば、ソース領域とドレイン領域とをプラズマに曝すことによって、ソース領域およびドレイン領域の各々を低抵抗化することができる。

上記半導体装置の製造方法において、前記第１絶縁体層を形成することは、前記半導体層の全体を覆うように前記第１絶縁体層を形成することであり、前記半導体層の一部を露出させることは、前記第１絶縁体層をエッチングすることによって、前記ソース領域と前記ドレイン領域とを前記第１絶縁体層から露出させることである。

上記構成によれば、第１絶縁体層のエッチングによってソース領域とドレイン領域とが第１絶縁体層から露出されるまでの間は、半導体層の全体が第１絶縁体層によって覆われているため、半導体層が第１絶縁体層によって保護される。

上記半導体装置の製造方法において、前記第１原料ガスは、Ｓｉ（ＮＣＯ）_４、Ｓｉ（ＮＣＯ）_３Ｃｌ、Ｓｉ（ＮＣＯ）_２Ｃｌ_２、および、Ｓｉ（ＮＣＯ）Ｃｌ_３から構成される群から選択されるいずれか１つであり、前記第２原料ガスは、Ｓｉ_ｎＨ_２ｎ＋２ガス（ｎ＝１〜４）、ＳｉＨ_ｎＣｌ_４−ｎガス（ｎ＝１〜３）、ＳｉＨ_ｎ（Ｃ_ｍＨ_２ｍ＋１）_４−ｎガス（ｎ＝０〜３、ｍ＝１〜４）、および、ＳｉＨ_ｎ（ＯＣ_ｍＨ_２ｍ＋１）_４−ｎガス（ｎ＝０〜３、ｍ＝１〜４）から構成される群から選択されるいずれか１つであってもよい。

上記半導体装置の製造方法において、前記半導体層は、酸化物半導体が主成分である少なくとも１つの層を含み、前記層の主成分は、ＩｎとＯとを含む酸化物半導体、ＧａとＯとを含む酸化物半導体、および、ＺｎとＯとを含む酸化物半導体から構成される群から選択されるいずれか１つであってもよい。

上記半導体装置の製造方法において、前記層の主成分は、ＩｎＧａＺｎＯ、ＧａＺｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＩｎＴｉＺｎＯ、ＩｎＡｌＺｎＯ、ＺｎＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＡｌＯ、ＺｎＣｕＯ、および、ＩｎＳｎＺｎＯから構成される群から選択されるいずれか１つであってもよい。

半導体装置の製造方法における一実施形態において半導体層の形成に用いられる装置の一例であるスパッタ装置の概略構成を示すブロック図。 第１絶縁体層および第２絶縁体層の形成に用いられる装置の一例であるプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示すブロック図。 半導体装置の製造方法を説明するための工程図。 半導体装置の製造方法を説明するための工程図。 半導体装置の製造方法を説明するための工程図。 半導体装置の製造方法を説明するための工程図。 半導体装置の製造方法を説明するための工程図。 半導体装置の製造方法を説明するための工程図。 半導体装置の製造方法を説明するための工程図。 半導体装置の製造方法を説明するための工程図。 半導体装置の製造方法を説明するための工程図。 試験例１の薄膜トランジスタにおけるＩｄ‐Ｖｇ特性を示すグラフ。 試験例２の薄膜トランジスタにおけるＩｄ‐Ｖｇ特性を示すグラフ。 試験例３の薄膜トランジスタにおけるＩｄ‐Ｖｇ特性を示すグラフ。

図１から図１４を参照して、半導体装置の製造方法における一実施形態を説明する。以下では、半導体装置の製造方法に用いられるスパッタ装置の構成、ＣＶＤ装置の構成、半導体装置の製造方法、および、試験例を順に説明する。

［スパッタ装置の構成］
図１を参照してスパッタ装置の構成を説明する。
図１が示すように、スパッタ装置１０は、半導体層を形成するための成膜空間を区画する真空槽１１を備えている。真空槽１１の内部には、半導体層が成膜される成膜対象Ｓを支持する支持部１２が位置している。支持部１２は、例えば、成膜対象Ｓを支持するステージである。

真空槽１１のなかで、支持部１２と対向する位置には、半導体層を形成するためのカソード１３が位置している。カソード１３は、ターゲット１３ａとバッキングプレート１３ｂとを含んでいる。ターゲット１３ａの主成分は酸化物半導体である。酸化物半導体は、ＩｎとＯとを含む酸化物半導体、ＧａとＯとを含む酸化物半導体、および、ＺｎとＯとを含む酸化物半導体から構成される群から選択されるいずれか１つであることが好ましい。また、酸化物半導体は、ＩｎＧａＺｎＯ（ＩＧＺＯ）、ＧａＺｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＩｎＴｉＺｎＯ、ＩｎＡｌＺｎＯ、ＺｎＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＡｌＯ、ＺｎＣｕＯ、および、ＩｎＳｎＺｎＯから構成される群から選択されるいずれか１つであることが好ましい。ターゲット１３ａのうち、９０質量％以上が、酸化物半導体である。なお、半導体層は、上述した酸化物半導体の群から選択されるいずれか１つを主成分とする１つの層のみから構成されてもよいし、２つ以上の層から構成されてもよい。

バッキングプレート１３ｂは、金属製である。バッキングプレート１３ｂを形成するための材料は、例えば銅である。バッキングプレート１３ｂには、上述したターゲット１３ａが固定されている。なお、カソード１３の全体が真空槽１１内に位置していなくてもよく、少なくともターゲット１３ａの被スパッタ面が真空槽１１内に露出していればよい。

スパッタ装置１０は、ターゲット電源１４を備えている。ターゲット電源１４は、バッキングプレート１３ｂに接続されている。ターゲット電源１４がバッキングプレート１３ｂに電圧を印加することによって、バッキングプレート１３ｂを介してターゲット１３ａに電圧が印加される。

スパッタ装置１０は、排気部１５とスパッタガス供給部１６とをさらに備えている。排気部１５は、真空槽１１が区画する成膜空間を所定の圧力にまで減圧する。排気部１５は、例えばポンプとバルブとを含んでいる。スパッタガス供給部１６は、ターゲット１３ａをスパッタするためのプラズマの生成に用いられるスパッタガスを真空槽１１内に供給する。スパッタガス供給部１６は、例えば、スパッタガスを所定の流量で供給するマスフローコントローラーである。スパッタガス供給部１６は、スパッタ装置１０の外部に位置するボンベに接続している。スパッタガス供給部１６の供給するスパッタガスは、例えばアルゴンガスなどの希ガスであってもよいし、酸素ガスなどの酸素含有ガスであってもよい。

スパッタ装置１０では、成膜対象Ｓが支持部１２に配置されると、排気部１５が所定の圧力にまで成膜空間を減圧する。次いで、スパッタガス供給部１６がスパッタガスを真空槽１１内に供給した後、ターゲット電源１４が、バッキングプレート１３ｂを介してターゲット１３ａに電圧を印加する。これにより、ターゲット１３ａにおける被スパッタ面の周りにプラズマが生成される。プラズマ中の正イオンがターゲット１３ａに向けて飛行することによって、ターゲット１３ａの被スパッタ面がスパッタされる。結果として、成膜対象Ｓの成膜面に酸化物半導体を主成分とする半導体層が形成される。

［プラズマＣＶＤ装置の構成］
図２を参照してプラズマＣＶＤ装置の構成を説明する。以下では、第１絶縁体層を形成するために用いられるプラズマＣＶＤ装置の構成を説明する。なお、第２絶縁体層を形成するために用いられるプラズマＣＶＤ装置は、第１絶縁体層を形成するためのプラズマＣＶＤ装置と比べて、貯蔵部に貯蔵される成膜材料が異なるのみである。そのため、第１絶縁体層を形成するためのプラズマＣＶＤ装置の構成を説明し、第２絶縁体層を形成するために用いられるプラズマＣＶＤ装置の構成の詳しい説明を省略する。

図２が示すように、プラズマＣＶＤ装置２０は、第１絶縁体層を形成するための成膜空間を区画する真空槽２１を備えている。真空槽２１の内部には、半導体層３１が形成された成膜対象Ｓを支持する支持部２２が位置している。支持部２２は、例えば、半導体層３１と成膜対象Ｓとの積層体を支持するステージである。

真空槽２１のなかで、支持部２２と対向する位置には、拡散部２３が位置している。拡散部２３は、第１絶縁体層を形成するためのガスを真空槽２１内に拡散する機能を有している。拡散部２３は、例えば金属製のシャワープレートである。拡散部２３は、プラズマＣＶＤ装置２０が備える電極の一例でもある。

プラズマＣＶＤ装置２０は排気部２４を備え、排気部２４は、真空槽２１が区画する成膜空間を所定の圧力にまで減圧する。排気部２４は、スパッタ装置１０の排気部１５と同様、例えばポンプとバルブとを含んでいる。

プラズマＣＶＤ装置２０は、成膜ガス供給ユニット２５、酸素含有ガス供給部２６、加熱部２７、および、高周波電源２８をさらに備えている。成膜ガス供給ユニット２５は、恒温槽２５ａ、貯蔵部２５ｂ、および、成膜ガス供給部２５ｃを含んでいる。恒温槽２５ａは、貯蔵部２５ｂおよび成膜ガス供給部２５ｃを収容する収容空間を区画し、収容空間の温度を所定の温度に保つ。貯蔵部２５ｂは、液体状の成膜材料Ｍを貯蔵している。貯蔵部２５ｂ内では、成膜材料Ｍが気液平衡の状態である。成膜ガス供給部２５ｃは真空槽２１に接続され、気化した成膜材料Ｍを所定の流量で真空槽２１内に供給するマスフローコントローラーである。

成膜材料Ｍは、例えばテトライソシアネートシラン（Ｓｉ（ＮＣＯ）_４：ＴＩＣＳ）である。プラズマＣＶＤ装置２０は、ＴＩＣＳと酸素とを用いたプラズマＣＶＤ法によってシリコン酸化物（ＳｉＯ_ｘ）を主成分とする第１絶縁体層を形成する。第１絶縁体層の原料であるＴＩＣＳが水素を含まないため、第１絶縁体層における水素原子の濃度が、１×１０^２１個／ｃｍ^３以下の値になりやすい。

なお、成膜材料Ｍには、ＴＩＣＳに限らず、シリコン（Ｓｉ）とイソシアネート基（ＮＣＯ）とを含み、かつ、水素を含まない材料を用いることができる。成膜材料Ｍには、例えば、Ｓｉ（ＮＣＯ）_３Ｃｌ、Ｓｉ（ＮＣＯ）_２Ｃｌ_２、および、Ｓｉ（ＮＣＯ）Ｃｌ_３のいずれかを用いることができる。プラズマＣＶＤ装置２０では、成膜材料Ｍが気化したガスである第１原料ガスが真空槽２１に供給される。

酸素含有ガス供給部２６は、加熱部２７を介して真空槽２１に接続されている。酸素含有ガス供給部２６は、例えば酸素ガス（Ｏ_２）を所定の流量で真空槽２１に供給するマスフローコントローラーである。酸素含有ガス供給部２６は、プラズマＣＶＤ装置２０の外部に位置するボンベに接続されている。加熱部２７は、酸素含有ガス供給部２６から出力されたＯ_２ガスを所定の温度に加熱する。加熱部２７は、例えば５０℃以上２００℃以下の温度にＯ_２ガスを加熱する。

なお、酸素含有ガス供給部２６は、Ｏ_２ガスに限らず、Ｏ_３ガス、Ｎ_２Ｏガス、ＣＯガス、および、ＣＯ_２ガスのいずれか１つを酸素含有ガスとして供給してもよい。また、酸素含有ガス供給部２６から供給される酸素含有ガスは、不活性ガスによって希釈された状態で真空槽２１に供給されてもよい。不活性ガスには、例えば、Ｎ_２ガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、および、Ｘｅガスなどを用いることができる。

高周波電源２８は拡散部２３に接続している。高周波電源２８が拡散部２３に電力を供給すると、真空槽２１のなかにおける拡散部２３の周りに、ＴＩＣＳとＯ_２ガスとから構成される混合ガスから、プラズマが生成される。高周波電源２８は、例えば１３．５６ＭＨｚあるいは２７.１２ＭＨｚの周波数を有した高周波電力を拡散部２３に供給する。

プラズマＣＶＤ装置２０では、半導体層３１が積層された成膜対象Ｓが支持部２２に配置されると、排気部２４が所定の圧力にまで真空槽２１内を減圧する。次いで、成膜ガス供給部２５ｃがＴＩＣＳを真空槽２１に供給し、かつ、酸素含有ガス供給部２６がＯ_２ガスを真空槽２１に供給した後、高周波電源２８が拡散部２３に電力を供給する。これにより、拡散部２３の周りに、上述した混合ガスからプラズマが生成される。そして、プラズマ中の活性種が半導体層３１上に到達することによって、半導体層３１上にシリコン酸化物（ＳｉＯ_ｘ）を主成分とする第１絶縁体層が形成される。

なお、第２絶縁体層を形成するためのプラズマＣＶＤ装置では、貯蔵部が、上述した成膜材料Ｍに代えて、シリコンと水素とを含む成膜材料を貯蔵している。シリコンと水素とを含む成膜材料には、Ｓｉ_ｎＨ_２ｎ＋２（ｎ＝１〜４）、ＳｉＨ_ｎＣｌ_４−ｎ（ｎ＝１〜３）、ＳｉＨ_ｎ（Ｃ_ｍＨ_２ｍ＋１）_４−ｎ（ｎ＝０〜３、ｍ＝１〜４）、および、ＳｉＨ_ｎ（ＯＣ_ｍＨ_２ｍ＋１）_４−ｎ（ｎ＝０〜３、ｍ＝１〜４）から構成される群から選択されるいずれか１つを挙げることができる。成膜ガス供給ユニットは、原料ガスとしてシリコンと水素とを含む第２原料ガスを供給する。これにより、プラズマＣＶＤ装置は、シリコン酸化物（ＳｉＯ_ｘ）を主成分とする第２絶縁体層を形成する。第２絶縁体層の原料は水素を含むため、第２絶縁体層における水素原子の濃度が、１×１０^２１個／ｃｍ^３よりも高い値になりやすい。

［半導体装置の製造方法］
図３から図１１を参照して、半導体装置の製造方法を説明する。
半導体装置の製造方法は、酸化物半導体を主成分とする半導体層を形成することと、半導体層の少なくとも一部を覆う第１絶縁体層を形成することと、第１絶縁体層から半導体層の一部を露出させることと、半導体層および第１絶縁体層の全体を覆う第２絶縁体層を形成することとを含む。第１絶縁体層を形成することは、シリコンとイソシアネート基とを含む第１原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、シリコン酸化物を主成分とする第１絶縁体層を形成することである。半導体層の一部を露出させることは、半導体層におけるソース領域とドレイン領域とを第１絶縁体層から露出させることである。第２絶縁体層を形成することは、シリコンと水素とを含む第２原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、シリコン酸化物を主成分とする第２絶縁体層を形成することである。以下、図面を参照して、半導体装置の製造方法をより詳しく説明する。

図３が示すように、半導体装置を製造するときには、まず、成膜対象Ｓを準備する。成膜対象Ｓは、ガラス基板Ｓ１と、ガラス基板Ｓ１上に位置するバリア層Ｓ２とを備えている。バリア層Ｓ２は、例えばＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_ｘ、および、ＡｌＯ_ｘから構成される群から選択されるいずれか１つによって形成された層から構成される。なお、成膜対象Ｓは、バリア層Ｓ２を備えなくてもよいし、ガラス基板Ｓ１およびバリア層Ｓ２以外の層を備えてもよい。

次いで、成膜対象Ｓに半導体層３１を形成する。上述したように、半導体層３１は１つの層のみから構成されてもよいし、複数の層から構成されてもよい。半導体層３１を構成する層の主成分は酸化物半導体である。酸化物半導体には、上述した群から選択されるいずれか１つを用いることができる。バリア層Ｓ２のなかで、ガラス基板Ｓ１に接する面とは反対側の面が表面である。半導体層３１は、表面における一部に形成される。

なお、半導体層３１は、例えば以下のように形成される。まず、バリア層Ｓ２の表面における全体に半導体層３１が形成される。次いで、半導体層３１の一部がエッチングによって除去されることによって、半導体層３１は、バリア層Ｓ２の表面における一部のみに位置する。あるいは、半導体層３１は、マスクを用いた成膜によって、バリア層Ｓ２の表面における一部のみに形成されてもよい。

上述したように、半導体層３１は、酸化物半導体が主成分である少なくとも１つの層を含む。半導体層３１が含む層の主成分は、ＩｎとＯとを含む酸化物半導体、ＧａとＯとを含む酸化物半導体、および、ＺｎとＯとを含む酸化物半導体から構成される群から選択されるいずれか１つである。また、半導体層３１が含む層の主成分は、ＩｎＧａＺｎＯ、ＧａＺｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＩｎＴｉＺｎＯ、ＩｎＡｌＺｎＯ、ＺｎＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＡｌＯ、ＺｎＣｕＯ、および、ＩｎＳｎＺｎＯから構成される群から選択されるいずれか１つである。

図４が示すように、第１絶縁体層３２が形成される。第１絶縁体層３２を形成することは、半導体層３１の全体を覆うように第１絶縁体層３２を形成することである。すなわち、第１絶縁体層３２は、半導体層３１の表面における全体、および、半導体層３１の側面を覆う。上述したように、第１絶縁体層３２が形成されるときには、第１原料ガスとして、Ｓｉ（ＮＣＯ）_４、Ｓｉ（ＮＣＯ）_３Ｃｌ、Ｓｉ（ＮＣＯ）_２Ｃｌ_２、および、Ｓｉ（ＮＣＯ）Ｃｌ_３から構成される群から選択されるいずれか１つが用いられる。

図５が示すように、第１絶縁体層３２の全体にゲート電極３３が形成される。ゲート電極３３を形成するための材料には、例えばモリブデン（Ｍｏ）を挙げることができる。ゲート電極３３は、例えば、図１を参照して先に説明したスパッタ装置１０に準じた装置を用いて形成することができる。

図６が示すように、レジストマスク３４を用いてゲート電極３３をエッチングする。なお、ゲート電極３３をエッチングするときには、まず、ゲート電極３３の全体にフォトレジストを塗布する。次いで、フォトレジストを露光および現像することによって、所定のパターンを有したレジストマスク３４を形成する。そして、レジストマスク３４を用いたドライエッチングによって、ゲート電極３３をエッチングする。

図７が示すように、レジストマスク３４とゲート電極３３とを用いて第１絶縁体層３２をエッチングする。これにより、第１絶縁体層３２の下層である半導体層３１の一部が第１絶縁体層３２から露出する。バリア層Ｓ２の表面と対向する平面視において、半導体層３１のなかで、第１絶縁体層３２を挟む２つの部分のうち、一方がソース領域３１Ｓであり、他方がドレイン領域３１Ｄである。第１絶縁体層３２は、レジストマスク３４とゲート電極３３とを用いたドライエッチングによって、半導体層３１におけるソース領域３１Ｓとドレイン領域３１Ｄとが第１絶縁体層３２から露出するようにエッチングされる。バリア層Ｓ２の表面と対向する平面視において、半導体層３１のなかで、第１絶縁体層３２と重なる部分が、チャンネル領域３１Ｃである。

すなわち、本実施形態において、半導体層３１の一部を露出させることは、第１絶縁体層３２をエッチングすることによって、ソース領域３１Ｓとドレイン領域３１Ｄとを第１絶縁体層３２から露出させることである。これにより、第１絶縁体層３２のエッチングによってソース領域３１Ｓとドレイン領域３１Ｄとが第１絶縁体層３２から露出されるまでの間は、半導体層３１の全体が第１絶縁体層３２によって覆われているため、半導体層３１が第１絶縁体層３２によって保護される。

図８が示すように、ソース領域３１Ｓとドレイン領域３１ＤとをＡｒガスから生成したプラズマＰに曝す。本実施形態における半導体装置の製造方法は、ソース領域３１Ｓとドレイン領域３１Ｄとを第１絶縁体層３２から露出させた後、かつ、第２絶縁体層を形成する前に、ソース領域３１Ｓとドレイン領域３１ＤとをＡｒガスから生成したプラズマＰに曝すことをさらに含む。ソース領域３１Ｓとドレイン領域３１ＤとをＡｒガスから生成したプラズマに曝すことによって、ソース領域３１Ｓおよびドレイン領域３１Ｄの各々を低抵抗化することができる。なお、プラズマＰは、Ａｒガスに限らず、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス、Ｈ_２ガス、および、Ｎ_２ガスから構成される群から選択される少なくとも１つから生成したプラズマであってよい。

なお、本実施形態では、ソース領域３１Ｓとドレイン領域３１ＤとをプラズマＰに曝す前に、ゲート電極３３からレジストマスク３４を除去している。しかしながら、ソース領域３１Ｓとドレイン領域３１ＤとをプラズマＰに曝した後に、ゲート電極３３からレジストマスク３４を除去してもよい。

図９が示すように、第２原料ガスを用いて第２絶縁体層を形成する。第２絶縁体層を形成するときには、上述したように、第２原料ガスとして、Ｓｉ_ｎＨ_２ｎ＋２ガス（ｎ＝１〜４）、ＳｉＨ_ｎＣｌ_４−ｎガス（ｎ＝１〜３）、ＳｉＨ_ｎ（Ｃ_ｍＨ_２ｍ＋１）_４-ｎガス（ｎ＝０〜３、ｍ＝１〜４）、および、ＳｉＨ_ｎ（ＯＣ_ｍＨ_２ｍ＋１）_４-ｎガス（ｎ＝０〜３、ｍ＝１〜４）から構成される群から選択されるいずれか１つを用いることができる。第２原料ガスは水素を含むため、第２絶縁体層を形成するときに生成されたプラズマＰには、水素を含む活性種が含まれる。水素を含む活性種には、水素イオン、および、水素ラジカルを挙げることができる。

そのため、第２絶縁体層が形成されるときには、半導体層３１のなかで、ソース領域３１Ｓおよびドレイン領域３１Ｄが、水素を含む活性種を含むプラズマＰに曝される。これにより、ソース領域３１Ｓおよびドレイン領域３１Ｄの各々における水素原子の濃度を、半導体層３１におけるチャンネル領域３１Ｃにおける水素原子の濃度よりも高くすることができる。

一方で、バリア層Ｓ２の表面と対向する平面視において、半導体層３１のチャンネル領域３１Ｃは、第１絶縁体層３２とゲート電極３３とによって覆われている。そのため、ソース領域３１Ｓとドレイン領域３１Ｄにおいて、水素を含む活性種の拡散が生じる一方で、チャンネル領域３１Ｃにおいて水素を含む活性種が拡散することが抑えられる。これにより、チャンネル領域３１Ｃにおける水素原子の濃度が高まることが抑えられる。

このように、第１絶縁体層３２を形成するときに、水素を含まない第１原料ガスを用いて第１絶縁体層３２を形成することによって、チャンネル領域３１Ｃに第１絶縁体層３２から水素が拡散することが抑えられる。一方で、第２絶縁体層３５を形成するときには、水素を含む第２原料ガスを用いるため、ソース領域３１Ｓおよびドレイン領域３１Ｄにおいて水素を含む活性種に由来する水素の拡散が生じる。これにより、半導体層３１のなかで、チャンネル領域３１Ｃでは水素の拡散による酸素欠損が抑えられる一方で、ソース領域３１Ｓおよびドレイン領域３１Ｄは、水素の拡散によって低抵抗化される。結果として、半導体装置における特性を安定化させることができる。

図１０が示すように、第２絶縁体層３５は、半導体層３１、第１絶縁体層３２、ゲート電極３３の全体を覆うように、バリア層Ｓ２上に形成される。これにより、半導体層３１およびゲート電極３３が、外部から絶縁される。

上述したように、第２絶縁体層３５における水素原子の濃度は、第１絶縁体層３２における水素原子の濃度よりも高い。第２絶縁体層３５における水素原子の濃度は、１×１０^２１個／ｃｍ^３よりも高い一方で、第１絶縁体層３２における水素原子の濃度は、１×１０^２１個／ｃｍ^３以下である。

図１１が示すように、ソース領域３１Ｓにソース電極３６が接続され、ドレイン領域３１Ｄにドレイン電極３７が接続される。これにより、半導体装置の一例である薄膜トランジスタ３０を得ることができる。なお、ソース領域３１Ｓにソース電極３６が接続され、ドレイン領域３１Ｄにドレイン電極３７が接続されるときには、まず、第２絶縁体層３５に、ソース電極３６用の貫通孔３５Ｈと、ドレイン電極３７用の貫通孔３５Ｈとが形成される。貫通孔３５Ｈの形成には、ドライエッチングを用いることができる。

次いで、各貫通孔３５Ｈを埋めるように導電膜を形成した後、導電膜をパターニングすることによって、ソース電極３６とドレイン電極３７とを形成する。導電膜の形成には、図１を用いて先に説明したスパッタ装置を用いることができる。導電膜のエッチングには、例えばドライエッチングを用いることができる。ソース電極３６およびドレイン電極３７を形成するための材料には、例えば、Ｍｏ、および、アルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。

［試験例］
図１２から図１４を参照して、試験例を説明する。
［絶縁体層における水素原子の濃度］
シリコン酸化物を主成分とする絶縁体層の水素濃度に関わる試験例について説明する。

プラズマＣＶＤ装置を用いた以下の成膜条件による成膜によって、試験例の絶縁体層を得た。この際、高周波電力の値を４００Ｗ以上４０００Ｗ以下の間で変更し、絶縁体層の形成時における高周波電力の値が互いに異なる複数の絶縁体層を得た。そして、各試験例の絶縁体層について、水素原子の濃度を測定した。各絶縁体層に対する測定の結果は、表１に示す通りであった。なお、絶縁体層における水素原子の濃度の測定には、二次イオン質量分析機（ADEPT1010、アルバック・ファイ（株）製）を用いた。

［成膜条件］
・成膜材料Ｍ ：ＴＩＣＳ
・成膜材料Ｍの流量 ：５５ｓｃｃｍ
・酸素含有ガス ：Ｏ_２ガス
・酸素含有ガスの流量 ：２５００ｓｃｃｍ
・成膜空間の圧力 ：１７５Ｐａ
・高周波電力 ：４００Ｗ以上４０００Ｗ以下
・拡散部２３における電極面積：２７００ｃｍ^２

また、プラズマＣＶＤ装置を用いた以下の成膜条件による成膜によって、試験例の絶縁体層を得た。この際、成膜材料Ｍとして、ＳｉＨ_４またはＴＥＯＳを用いた。各試験例の絶縁体層について、水素原子の濃度を測定した。各絶縁体層に対する測定の結果は、表２に示す通りであった。

［成膜条件（ＴＥＯＳ）］
・成膜材料Ｍ ：ＴＥＯＳ
・成膜材料Ｍの流量 ：１００ｓｃｃｍ
・酸素含有ガス ：Ｏ_２ガス
・酸素含有ガスの流量 ：５０００ｓｃｃｍ
・成膜空間の圧力 ：１７５Ｐａ
・高周波電力 ：１６００Ｗ
・拡散部２３における電極面積：２７００ｃｍ^２

［成膜条件（ＳｉＨ_４）］
・成膜材料Ｍ ：ＳｉＨ_４
・成膜材料Ｍの流量 ：７０ｓｃｃｍ
・酸素含有ガス ：Ｎ_２Ｏガス
・酸素含有ガスの流量 ：３５００ｓｃｃｍ
・成膜空間の圧力 ：２００Ｐａ
・高周波電力 ：８００Ｗ
・拡散部２３における電極面積：２７００ｃｍ^２

［試験例１］
ガラス基板Ｓ１と、ＳｉＮ_ｘとＳｉＯ_ｘとを積層したバリア層Ｓ２とから構成される成膜対象Ｓを準備し、スパッタ法を用いて半導体層３１であるＩｎＧｎＺｎＯ層を形成した。そして、ＴＩＣＳを用いたプラズマＣＶＤ法によって第１絶縁体層３２を形成し、次いで、第１絶縁体層３２上に、スパッタ法を用いてゲート電極３３としてＭｏ層を形成した。ゲート電極３３上にレジストマスク３４を形成した後に、レジストマスク３４を用いたドライエッチングによって、ゲート電極３３と第１絶縁体層３２とを記載の順にパターニングした。

次に、半導体層３１の一部をＡｒガスから生成したプラズマに曝した。そして、ＳｉＨ_４を用いたプラズマＣＶＤ法によって、半導体層３１、第１絶縁体層３２、および、ゲート電極３３の全体を覆うように、第２絶縁体層３５を形成した。第２絶縁体層３５に貫通孔３５Ｈを形成した後に、貫通孔３５Ｈを埋めるようにＭｏ層を形成した。次いで、Ｍｏ層をパターニングすることによって、ソース電極３６とドレイン電極３７とを形成した。これにより、試験例１の薄膜トランジスタ３０を得た。

なお、試験例１では、半導体層３１の厚さを５０ｎｍに設定し、第１絶縁体層３２の厚さを１００ｎｍに設定し、第２絶縁体層の厚さを２００ｎｍに設定した。また、半導体層３１、第１絶縁体層３２、および、第２絶縁体層３５を以下の条件で形成した。

［半導体層３１］
・ターゲット ：ＩｎＧａＺｎＯ
・スパッタガス ：Ａｒガス／Ｏ_２ガス
・スパッタガスの流量 ：８０ｓｃｃｍ／６ｓｃｃｍ
・成膜空間の圧力 ：０．３Ｐａ
・ターゲットに印加される電力：２４０Ｗ
・ターゲットの面積 ：８１ｃｍ^２（直径４インチ）

［第１絶縁体層３２］
・成膜材料Ｍ ：ＴＩＣＳ
・成膜材料Ｍの流量 ：５５ｓｃｃｍ
・酸素含有ガス ：Ｏ_２ガス
・酸素含有ガスの流量 ：２５００ｓｃｃｍ
・成膜空間の圧力 ：１７５Ｐａ
・高周波電力 ：１０００Ｗ
・拡散部２３における電極面積：２７００ｃｍ^２

［第２絶縁体層３５］
・成膜材料Ｍ ：ＳｉＨ_４
・成膜材料Ｍの流量 ：７０ｓｃｃｍ
・酸素含有ガス ：Ｎ_２Ｏガス
・酸素含有ガスの流量 ：３５００ｓｃｃｍ
・成膜空間の圧力 ：２００Ｐａ
・高周波電力 ：８００Ｗ
・拡散部２３における電極面積：２７００ｃｍ^２

［試験例２］
第１絶縁体層３２を形成するときにＳｉＨ_４を用いた以外は、試験例１の薄膜トランジスタ３０を製造したときと同様の方法によって、試験例２の薄膜トランジスタを得た。なお、第１絶縁体層３２を形成するときの条件を、試験例１において第２絶縁体層３５を形成するときと同じ条件に設定した。

［試験例３］
第２絶縁体層３５を形成するときにＴＩＣＳを用いた以外は、試験例１の薄膜トランジスタ３０を製造したときと同様の方法によって、試験例３の薄膜トランジスタを得た。なお、第２絶縁体層３５を形成するときの条件を、試験例１において第１絶縁体層３２を形成するときと同じ条件に設定した。

［測定結果］
試験例１から試験例３の各々の薄膜トランジスタについて、Ｉｄ‐Ｖｇ特性を測定した。試験例１の薄膜トランジスタにおけるＩｄ‐Ｖｇ特性は図１２に示す通りであり、試験例２の薄膜トランジスタにおけるＩｄ‐Ｖｇ特性は図１３に示す通りであり、試験例３の薄膜トランジスタにおけるＩｄ‐Ｖｇ特性は図１４に示す通りであった。ドレイン‐ソース間の電圧（Ｖｄｓ）が５Ｖであり、かつ、ドレイン電流（Ｉｄ）が１×１０^−９Ａであるときを、薄膜トランジスタがオン状態であると定義した。

図１２が示すように、試験例１の薄膜トランジスタでは、ゲート閾値電圧が１Ｖであることが認められた。これに対して、図１３が示すように、試験例２の薄膜トランジスタでは、ゲート電圧の値に関わらずドレイン電流が１×１０^−３Ａ程度であることが認められ、また、図１４が示すように、試験例３の薄膜トランジスタでは、ゲート電圧の値に関わらずドレイン電流が１×１０^−１４Ａと１×１０^−１３Ａとの間の値であることが認められた。

こうした結果から、試験例１の薄膜トランジスタは安定な特性を有すると言える。これに対して、試験例２の薄膜トランジスタは、半導体層の全体が低抵抗であるために、安定な特性を有しないと言える。また、試験例３の薄膜トランジスタは、半導体層の全体が高抵抗であるために、安定な特性を有しないと言える。

以上説明したように、半導体装置の製造方法の一実施形態によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
（１）第１絶縁体層３２を形成するときに、水素を含まない第１原料ガスを用いて第１絶縁体層３２を形成することによって、チャンネル領域３１Ｃに第１絶縁体層３２から水素が拡散することが抑えられる。一方で、第２絶縁体層３５を形成するときには、水素を含む第２原料ガスを用いるため、ソース領域３１Ｓおよびドレイン領域３１Ｄにおいて水素を含む活性種に由来する水素の拡散が生じる。これにより、半導体層３１のなかで、チャンネル領域３１Ｃでは水素の拡散による酸素欠損が抑えられる一方で、ソース領域３１Ｓおよびドレイン領域３１Ｄは、水素の拡散によって低抵抗化される。結果として、半導体装置における特性を安定化させることができる。

（２）ソース領域３１Ｓとドレイン領域３１ＤとをＡｒガスから生成したプラズマに曝すことによって、ソース領域３１Ｓおよびドレイン領域３１Ｄの各々を低抵抗化することができる。

（３）第１絶縁体層３２のエッチングによってソース領域３１Ｓとドレイン領域３１Ｄとが第１絶縁体層３２から露出されるまでの間は、半導体層３１の全体が第１絶縁体層３２によって覆われているため、半導体層３１が第１絶縁体層３２によって保護される。

なお、上述した実施形態は、以下のように適宜変更して実施することができる。
［プラズマ処理］
・ソース領域３１Ｓとドレイン領域３１ＤとをＡｒガスから生成されたプラズマＰに曝すことを省略してもよい。この場合であっても、第２絶縁体層３５が形成されるときに、第２原料ガスに由来する水素を含む活性種が、ソース領域３１Ｓとドレイン領域３１Ｄとにおいて拡散する。これにより、ソース領域３１Ｓとドレイン領域３１Ｄとを低抵抗化することは可能である。

［第１絶縁体層］
・第１絶縁体層３２のエッチングによって、ソース領域３１Ｓとドレイン領域３１Ｄとが第１絶縁体層３２から露出されなくてもよい。この場合には、第１絶縁体層３２の成膜時にマスクを用いることによって、半導体層３１におけるソース領域３１Ｓとドレイン領域３１Ｄとが第１絶縁体層３２から露出されてもよい。この場合には、半導体層３１上に第１絶縁体層３２を形成することが、第１絶縁体層３２を形成することと、第１絶縁体層３２からソース領域３１Ｓとドレイン領域３１Ｄとを露出させることを含む。

１０…スパッタ装置、１１…真空槽、１２…支持部、１３…カソード、１３ａ…ターゲット、１３ｂ…バッキングプレート、１４…ターゲット電源、１５…排気部、１６…スパッタガス供給部、２０…プラズマＣＶＤ装置、２１…真空槽、２２…支持部、２３…拡散部、２４…排気部、２５…成膜ガス供給ユニット、２５ａ…恒温槽、２５ｂ…貯蔵部、２５ｃ…成膜ガス供給部、２６…酸素含有ガス供給部、２７…加熱部、２８…高周波電源、３０…薄膜トランジスタ、３１…半導体層、３１Ｃ…チャンネル領域、３１Ｄ…ドレイン領域、３１Ｓ…ソース領域、３２…第１絶縁体層、３３…ゲート電極、３４…レジストマスク、３５…第２絶縁体層、３５Ｈ…貫通孔、３６…ソース電極、３７…ドレイン電極、Ｍ…成膜材料、Ｐ…プラズマ、Ｓ…成膜対象、Ｓ１…ガラス基板、Ｓ２…バリア層。

Claims (6)

1. 酸化物半導体を主成分とする半導体層を形成することと、
   前記半導体層の少なくとも一部を覆う第１絶縁体層を形成することと、
   前記第１絶縁体層から前記半導体層の一部を露出させることと、
   前記半導体層および前記第１絶縁体層の全体を覆う第２絶縁体層を形成することと、を含み、
   前記第１絶縁体層を形成することは、シリコンとイソシアネート基とを含み、かつ、水素を含まない第１原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、シリコン酸化物を主成分とする前記第１絶縁体層を形成することであり、
   前記半導体層の一部を露出させることは、前記半導体層におけるソース領域とドレイン領域とを前記第１絶縁体層から露出させることであり、
   前記第２絶縁体層を形成することは、シリコンと水素とを含む第２原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって、シリコン酸化物を主成分とする前記第２絶縁体層を形成することである
   半導体装置の製造方法。
2. 前記半導体装置の製造方法は、
   前記ソース領域と前記ドレイン領域とを前記第１絶縁体層から露出させた後、かつ、前記第２絶縁体層を形成する前に、前記ソース領域と前記ドレイン領域とを、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス、Ｈ_２ガス、および、Ｎ_２ガスから構成される群から選択される少なくとも１つから生成したプラズマに曝すことをさらに含む
   請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第１絶縁体層を形成することは、前記半導体層の全体を覆うように前記第１絶縁体層を形成することであり、
   前記半導体層の一部を露出させることは、前記第１絶縁体層をエッチングすることによって、前記ソース領域と前記ドレイン領域とを前記第１絶縁体層から露出させることである
   請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第１原料ガスは、Ｓｉ（ＮＣＯ）_４、Ｓｉ（ＮＣＯ）_３Ｃｌ、Ｓｉ（ＮＣＯ）_２Ｃｌ_２、および、Ｓｉ（ＮＣＯ）Ｃｌ_３から構成される群から選択されるいずれか１つであり、
   前記第２原料ガスは、Ｓｉ_ｎＨ_２ｎ＋２ガス（ｎ＝１〜４）、ＳｉＨ_ｎＣｌ_４−ｎガス（ｎ＝１〜３）、ＳｉＨ_ｎ（Ｃ_ｍＨ_２ｍ＋１）_４−ｎガス（ｎ＝０〜３、ｍ＝１〜４）、および、ＳｉＨ_ｎ（ＯＣ_ｍＨ_２ｍ＋１）_４−ｎガス（ｎ＝０〜３、ｍ＝１〜４）から構成される群から選択されるいずれか１つである
   請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記半導体層は、酸化物半導体が主成分である少なくとも１つの層を含み、
   前記層の主成分は、ＩｎとＯとを含む酸化物半導体、ＧａとＯとを含む酸化物半導体、および、ＺｎとＯとを含む酸化物半導体から構成される群から選択されるいずれか１つである
   請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記層の主成分は、ＩｎＧａＺｎＯ、ＧａＺｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＩｎＴｉＺｎＯ、ＩｎＡｌＺｎＯ、ＺｎＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＡｌＯ、ＺｎＣｕＯ、および、ＩｎＳｎＺｎＯから構成される群から選択されるいずれか１つである
   請求項５に記載の半導体装置の製造方法。

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