JP6240703B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Description
置全般を指し、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。
、その多くに用いられているトランジスタは、ガラス基板上にて、アモルファスシリコン
や多結晶シリコンなどのシリコン半導体によって構成されている。
ている。
であるIn−Ga−Zn−O系金属酸化物があり、それらを用いてトランジスタを作製し
、表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる技術が開示されている(特許文献1乃
至特許文献3参照)。
イナス方向に変動してしまい、ゲート電極に電圧が印加されていない状態(Vgs=0V
)においても、ドレイン電流が流れる(ノーマリーオン)という問題がある。
することを課題の一とする。
層に、水素含有量が低く、且つフッ素を含有する絶縁層を用いる。該ゲート絶縁層に、該
絶縁層を用いることで、該ゲート絶縁層から放出される水素量が低減すると共に、酸化物
半導体層内に存在する水素を脱離させることができるため、酸化物半導体層内の水素含有
量を低減させることができる。
しくは5×1020atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1019atoms
/cm3以下であり、且つフッ素濃度が、1×1020atoms/cm3以上、好まし
くは1×1021atoms/cm3以上である絶縁層を用いる。
と、酸化物半導体層と接して設けられるソース電極層及びドレイン電極層と、ゲート電極
層と酸化物半導体層の間に設けられるゲート絶縁層とを有し、ゲート絶縁層の水素濃度が
6×1020atoms/cm3未満、好ましくは5×1020atoms/cm3以下
、さらに好ましくは5×1019atoms/cm3以下であり、ゲート絶縁層のフッ素
濃度が、1×1020atoms/cm3以上、好ましくは1×1021atoms/c
m3以上とする半導体装置である。
重畳するボトムゲート構造を有する半導体装置である。
化酸化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、又は酸化タンタルなどの酸化物絶
縁層とすることである。
ート電極層を覆う第1のゲート絶縁層と、前記第1のゲート絶縁層を覆い、且つ前記酸化
物半導体層と接する第2のゲート絶縁層というようにゲート絶縁層を二層にしてもよい。
その際、第2のゲート絶縁層は、酸化物半導体層と接しているため、水素含有量が低く、
且つフッ素を含有しているゲート絶縁層とすることで、第2のゲート絶縁層から放出され
る水素量が低減すると共に、酸化物半導体層内に存在する水素を脱離させることができる
ため、酸化物半導体層内の水素含有量を低減させることができる。
層を覆う第1のゲート絶縁層と、第1のゲート絶縁層を覆い、且つ前記酸化物半導体層と
接する第2のゲート絶縁層とし、第2のゲート絶縁層における水素濃度は6×1020a
toms/cm3未満、好ましくは5×1020atoms/cm3以下、さらに好まし
くは5×1019atoms/cm3以下であり、第2のゲート絶縁層におけるフッ素濃
度は1×1020atoms/cm3以上、好ましくは1×1021atoms/cm3
以上とすることである。なお、第1のゲート絶縁層におけるフッ素濃度は、1×1020
atoms/cm3未満とすることが好ましい。
化物半導体層に接して設けられる絶縁層を有してもよい。該絶縁層は、ゲート絶縁層と同
様に水素含有量が低く、フッ素を含有していることで、該絶縁層から放出される水素量が
低減すると共に、酸化物半導体層内に存在する水素を脱離させることができるため、酸化
物半導体層内の水素含有量を低減させることができる。
縁層の水素濃度が、6×1020atoms/cm3未満、好ましくは5×1020at
oms/cm3以下、さらに好ましくは5×1019atoms/cm3以下であり、フ
ッ素濃度が、1×1020atoms/cm3以上、好ましくは1×1021atoms
/cm3以上とする半導体装置である。
縁層が好ましく、該酸化物絶縁層としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化
シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、又は酸化タンタルである。
。
は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及
び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発
明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面
を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通し
て用いる。また、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さな
い場合がある。また、便宜上、絶縁層は上面図には表さない場合がある。なお、各図面に
おいて示す各構成の、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されて表記し
ている場合がある。従って、必ずしもそのスケールに限定されない。
には入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」
の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置について図1を用いて説明する。
なお、本実施の形態では該半導体装置の例をトランジスタとして説明する。
、図1(A)の一点鎖線A1−B1間における断面図である。トランジスタ100は、基
板102上に下地絶縁層104と、ゲート電極層106と、ゲート絶縁層108と、チャ
ネル領域を形成する酸化物半導体層110と、ソース電極層112a及びドレイン電極層
112bと、チャネル領域を形成する酸化物半導体層110とソース電極層112a及び
ドレイン電極層112bとを覆う絶縁層114と、を含む。
ト電極層106に重畳して設けられるボトムゲート構造のトランジスタである。さらに、
トランジスタ100は、ソース電極層112a及びドレイン電極層112bが、酸化物半
導体層110の上面一部と接して設けられるトップコンタクト構造である。また、ボトム
ゲート構造のトランジスタには、トップコンタクト型の他にソース電極層及びドレイン電
極層が、チャネル領域を形成する半導体層の下面一部と接して形成されるボトムコンタク
ト構造がある。本発明の一態様は、トップコンタクト構造及びボトムコンタクト構造を含
むものであるが、本実施の形態では、トップコンタクト構造を例に説明する。
が接する構造となる。それゆえ、トランジスタ100の作製工程において、ゲート絶縁層
108に水素が多く存在する場合、酸化物半導体層110に水素が拡散することで酸化物
半導体層110内の水素含有量が増加する。そして、酸化物半導体層110内の水素含有
量が増加することで、酸化物半導体層110内にキャリアが増加する。そのため、トラン
ジスタ100のしきい値電圧(Vth)は、マイナス方向に変動してしまい、ゲート電極
に電圧が印加されていない状態(Vgs=0V)においても、ドレイン電流が流れる(ノ
ーマリーオン)ため、電気特性が不良なトランジスタとなる。
110を加熱処理する方法がある。しかし、トランジスタの作製工程を増やすほど、コス
トがかかり、歩留まりを悪くする可能性があるため好ましくない。
atoms/cm3未満、好ましくは5×1020atoms/cm3以下、さらに好ま
しくは5×1019atoms/cm3以下とすることで、ゲート絶縁層108から放出
される水素量が低減するため、酸化物半導体層110へ水素の拡散が抑制される。さらに
、酸化物半導体層110と接するゲート絶縁層108のフッ素濃度を1×1020ato
ms/cm3以上、好ましくは1×1021atoms/cm3以上とすることで、酸化
物半導体層110内に存在する水素を脱離させることができるため、酸化物半導体層11
0内の水素含有量を低減させることができる。
フッ素濃度であるゲート絶縁層とすることで、トランジスタの作製工程を増やさずに、良
好な電気特性を有するトランジスタを得ることができる。
を覆う絶縁層114は、酸化物半導体層110の上面一部と接している。それゆえ、絶縁
層114の水素濃度を6×1020atoms/cm3未満、好ましくは5×1020a
toms/cm3以下、さらに好ましくは5×1019atoms/cm3以下とし、フ
ッ素濃度を1×1020atoms/cm3以上、好ましくは1×1021atoms/
cm3以上としてもよい。絶縁層114を上記水素濃度とすることで、絶縁層114から
放出される水素量が低減するため、酸化物半導体層110へ水素の拡散が抑制される。さ
らに、絶縁層114を上記フッ素濃度とすることで、酸化物半導体層110内に存在する
水素を脱離させることができるため、酸化物半導体層110内の水素含有量を低減させる
ことができる。
ば、基板102として、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、若しくはサファイア基
板などの絶縁性基板、シリコンなどの半導体材料でなる半導体基板、金属若しくはステン
レスなどの導電体でなる導電性基板などを用いることができる。また、プラスチック基板
も適宜用いることができる。
場合には、歪点が730℃以上のものを用いるとよい。例えば、アルミノシリケートガラ
ス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられ
ている。ホウ酸と比較して酸化バリウム(BaO)を多く含ませることで、より実用的な
耐熱ガラスが得られる。このため、ホウ酸より酸化バリウムを多く含むガラス基板を用い
ることが好ましい。
タの作製工程におけるエッチング工程によって、基板がエッチングされることを防ぐ。下
地絶縁層104の厚さに限定はないが、上記理由より、下地絶縁層104の厚さは50n
m以上とすることが好ましい。なお、ボトムゲート構造のトランジスタであれば、のちに
形成するゲート絶縁層108は上述した下地絶縁層104としての機能を有するため、下
地絶縁層104を設けない構成としてもよい。
層又は積層として設けられている。
材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウ
ム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料、又はこれら金属の窒化物を用
いて、単層で又は積層の導電膜で形成される。なお、後の工程において行われる加熱処理
の温度に耐えうるのであれば、上記金属材料としてアルミニウム又は銅を用いることもで
きる。アルミニウム又は銅は、耐熱性及び腐食性の問題を回避するために、高融点金属材
料と組み合わせて用いるとよい。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム
、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等を用いることができる。
れた二層構造、又は銅膜上にモリブデン膜が積層された二層構造、又は銅膜上に窒化チタ
ン膜若しくは窒化タンタル膜が積層された二層構造、窒化チタン膜とモリブデン膜とが積
層された二層構造が好ましい。さらに、積層のゲート電極層106として、アルミニウム
膜、アルミニウムとシリコンの合金膜、アルミニウムとチタンの合金膜又はアルミニウム
とネオジムの合金膜を中間層とし、タングステン膜、窒化タングステン膜、窒化チタン膜
又はチタン膜を上下層として積層された三層構造とすることが好ましい。
ム亜鉛、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸化窒化亜鉛アルミニウム、又は酸化亜鉛ガ
リウム等の透光性を有する酸化物導電膜、もしくは多結晶シリコンを用いることができる
。
合物からなる導電膜の電気抵抗や、作製工程にかかる時間を考慮し、適宜決めることがで
きる。例えば、10nm〜500nmで形成すればよい。
08は、酸化物半導体層110と接するため、ゲート絶縁層108の水素濃度を6×10
20atoms/cm3未満、好ましくは5×1020atoms/cm3以下、さらに
好ましくは5×1019atoms/cm3以下とし、且つフッ素濃度を1×1020a
toms/cm3以上、好ましくは1×1021atoms/cm3以上とする。
酸化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、又は酸化タンタルなどを材料とした
酸化物絶縁層を用いて、単層又は積層で設ける。また、ゲート絶縁層108の厚さは、絶
縁耐圧、及びトランジスタの作製工程を考慮して、適宜決めることができる。例えば、ゲ
ート絶縁層108の厚さは、1nm以上300nm以下、より好ましくは5nm以上50
nm以下とするとよい。
hemical Vapor Deposition)法で設けた酸化シリコン層とする
ことができる。
給し、プラズマエネルギーを援用して、膜を形成する方法である。
誘導結合型高周波プラズマCVD装置、マイクロ波発生源であるマグネトロン及び誘電体
を有し、マイクロ波を用いてプラズマを発生させるマイクロ波プラズマCVD装置(電子
サイクロトロン共鳴プラズマCVD装置)その他、ヘリコン波プラズマCVD装置などが
あり、本明細書中のプラズマCVD法においては、グロー放電プラズマを膜形成に利用す
るCVD装置を適宜用いることができる。また、プラズマCVD法は、基板を加熱しなが
ら行うことができる。
る。
ためのガスについて、水素や水の含有量が低いN2O又はO2とし、プラズマの広がりを
考慮してアルゴンなどその他に添加するガスにおいても、水素や水の含有量が低いガスを
用いる。
応室内に残留している又は反応室の内壁に吸着している水素や水などの不純物を除去した
のち、反応室の内壁を加熱しながら、上記ガスを用いて形成する。このようにすることで
、水素濃度が6×1020atoms/cm3未満、好ましくは5×1020atoms
/cm3以下、さらに好ましくは5×1019atoms/cm3以下であり、フッ素濃
度が1×1020atoms/cm3以上、好ましくは1×1021atoms/cm3
以上である酸化シリコン層をプラズマCVD法で形成することができる。
するフッ素により、ゲート電極層106をエッチングする可能性があるが、ゲート絶縁層
108を二層とすることで、これを防ぐことができる。その際、ゲート電極層106と接
する第1のゲート絶縁層は、フッ素濃度が1×1020atoms/cm3未満であるよ
うな、フッ素含有量の低い絶縁層とする。そして、酸化物半導体層110と接する第2の
ゲート絶縁層は、SiF4ガスを用いた酸化シリコン層のような、フッ素濃度が1×10
20atoms/cm3以上、好ましくは1×1021atoms/cm3以上である絶
縁層とする。第1のゲート絶縁層の水素濃度は、特に限定はないが、第2のゲート絶縁層
の水素濃度は、酸化物半導体層110と接することを考慮してできるだけ低いことが好ま
しい。例えば、第2のゲート絶縁層の水素濃度は6×1020atoms/cm3未満、
好ましくは5×1020atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1019ato
ms/cm3以下とすることが好ましい。該水素濃度とすることで酸化物半導体層110
に水素が拡散することを抑制できる。さらに、第1のゲート絶縁層は、第2のゲート絶縁
層(例えば、上記のようにSiF4ガスを用いた酸化シリコン層)を形成する際に、消失
しない厚さで形成する。なお、第1のゲート絶縁層には、ゲート絶縁層108で例示した
酸化物絶縁層を用いることができる。
いる。また、酸化物半導体層110の厚さは、10nm〜300nm、好ましくは20n
m〜100nmとする。
化物を材料として用いた非単結晶膜より設けられ、InMO3(ZnO)m(m>0)で
表記される構造とする。なお、Mは、ガリウム(Ga)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)
、マンガン(Mn)若しくはコバルト(Co)から選ばれた一の金属元素又は複数の金属
元素を示す。例えばMとして、Gaの場合があることの他、GaとNi又はGaとFeな
ど、Ga以外の上記金属元素が含まれる場合がある。また、該金属酸化物において、Mと
して含まれる金属元素の他に、不純物元素としてFe、Niその他の遷移金属元素、又は
該遷移金属の酸化物が含まれているものがある。そして、酸化物半導体層110として設
けられる該金属酸化物をスパッタリング法で形成する場合、金属酸化物ターゲット中の金
属酸化物の相対密度は80%以上、好ましくは95%以上、さらに好ましくは99.9%
以上とする相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いる。
元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O系金属酸化物、In−Sn−Zn−O系金属
酸化物、In−Al−Zn−O系金属酸化物、Sn−Ga−Zn−O系金属酸化物、Al
−Ga−Zn−O系金属酸化物、Sn−Al−Zn−O系金属酸化物や、二元系金属酸化
物であるIn−Zn−O系金属酸化物、Sn−Zn−O系金属酸化物、Al−Zn−O系
金属酸化物、Zn−Mg−O系金属酸化物、Sn−Mg−O系金属酸化物、In−Mg−
O系金属酸化物や、In−O系金属酸化物、Sn−O系金属酸化物、Zn−O系金属酸化
物などを用いて形成することができる。ここで、例えば、In−Ga−Zn−O系金属酸
化物とは、少なくともInとGaとZnとを含む酸化物であり、その組成比に特に制限は
ない。また、InとGaとZn以外の元素を含んでもよい。また、酸化物半導体層110
に酸化シリコンを含んでもよい。
半導体層110上に設けられている。なお、ソース電極層112a及びドレイン電極層1
12bは、ゲート電極層106で例示した材料を用いて形成すればよい。ソース電極層1
12a及びドレイン電極層112bの厚さについても、ゲート電極層106の説明をもと
に適宜選択すればよい。
12a、ドレイン電極層112b、及び酸化物半導体層110を覆って設けられている。
きる。酸化物半導体層110の上面一部と接するため、ゲート絶縁層108と同様の酸化
シリコン層を用いることで、絶縁層114から放出される水素量が低減すると共に、酸化
物半導体層110内に存在する水素を脱離させることができるため、酸化物半導体層11
0内の水素含有量を低減させることができる。
層を形成する際に生じるフッ素により、ソース電極層112a及びドレイン電極層112
bがエッチングされる可能性を考慮して、適宜決めればよい。
酸化シリコン層を以下のようなスパッタリング法で形成すればよい。具体的には、Siタ
ーゲット又はSiO2ターゲットなどを用いて形成する。好ましくは、SiO2ターゲッ
ト、より好ましくは、SiO2ターゲットに含まれる水酸基濃度が1000ppm以下、
又はSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)で
測定した水素濃度が3.5×1019atoms/cm3以下であるSiO2ターゲット
を用いる。さらに、形成する際に供給するガスは、アルゴン等の希ガス、及び酸素とする
。そして、形成する際に供給するガスは、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が
濃度ppm程度、濃度ppb程度まで除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
素を含有した絶縁層を用いることで、酸化物半導体層110内に存在する水素を脱離させ
る効果について、量子化学計算により説明する。
法(Density Functional Theory:DFT)を用いている。密
度汎関数法では、交換相関相互作用を電子密度で表現された一電子ポテンシャルの汎関数
で近似しているため、計算は高速かつ高精度である。本実施の形態では、混合汎関数であ
るB3LYPを用いて、交換と相関エネルギーに係る各パラメータの重みを規定する。
いたtriple split valence基底系の基底関数である6−311Gと
する。この基底関数により、水素原子であれば、1s〜3sの軌道が考慮され、酸素原子
であれば、1s〜4s、2p〜4pの軌道が考慮される。さらに、計算精度向上のために
、分極基底系として、水素原子にはp関数を、水素原子以外にはd関数を加える。そして
、量子化学計算プログラムには、コンフレックス株式会社製のGaussian 09を
用いる。
原子と結合して、下記構造式(α−1)、及び構造式(α−2)であると仮定している。
下記構造式(α−1)、及び構造式(α−2)では、配位結合は考慮せず、イオン結合の
みを考慮している。本実施の形態における酸化物半導体層110は、上記したIn(イン
ジウム)、Ga(ガリウム)、及びZn(亜鉛)を含む金属酸化物(酸化物半導体)とし
ているが、下記構造式(α−1)、及び構造式(α−2)で示す金属原子は、Ga(ガリ
ウム)としている。
び(式2)に示した水素を引き抜く反応がある。
分子を形成し、(式2)では、フッ素ラジカルが、ガリウム原子と結合している水素原子
と反応してHF(フッ化水素)分子を形成する。なお、(式1)及び(式2)における「
・」は、ラジカルを表す。
す簡易的なクラスターモデルを用いて行い、上記反応についての活性化エネルギーを算出
し、反応の起こりやすさを評価している。
グラムを図3に示す。
無限遠に離れている状態である。また、図3に示したエネルギーダイアグラムでは、始状
態(1)のエネルギーを基準とする。中間体(2)では、フッ素ラジカルがガリウム原子
へ接近して、Ga−O結合が切断し、水酸基ラジカルが生成し、Ga−F結合が形成され
る。この反応により、中間体(2)のポテンシャルエネルギーが−1.67eVとなる。
中間体(3)では、水酸基ラジカルの水素原子が、フッ素原子により引き抜かれ、HF分
子を生成する。中間体(2)及び中間体(3)のポテンシャルエネルギー差である活性化
エネルギーは、0.61eVと算出される。中間体(4)では、酸素ラジカルとHF分子
が相互作用しており、終状態(5)では、HF分子は、一点破線で囲まれた生成物に対し
て無限遠に離れている状態である。
合が切断し、Ga−F結合が形成されることは、Ga−O結合の結合エネルギーが4.3
7eVであり、Ga−F結合の結合エネルギーが5.31eVであることに起因している
。ここでのGa−O結合の結合エネルギーとは、ガリウム原子に水酸基が結合している状
態(図4(A)参照)のポテンシャルエネルギーと、水酸基ラジカルが、無限遠に離れて
いる状態(図4(B)参照)のポテンシャルエネルギーの差を算出した値である。ここで
のGa−F結合の結合エネルギーとは、ガリウム原子にフッ素が結合している状態(図4
(C)参照)のポテンシャルエネルギーと、フッ素ラジカルが、無限遠に離れている状態
(図4(D)参照)のポテンシャルエネルギー差を算出した値である。
状態(5)のエネルギー差から、発熱反応であることがわかる。それゆえ、水素を引き抜
く反応が容易に進行するといえる。
イアグラムを図5に示す。
無限遠に離れている状態である。また、図5に示したエネルギーダイアグラムでは、始状
態(1)のエネルギーを基準としている。中間体(2)では、フッ素ラジカルがガリウム
原子へ接近して、Ga−H結合が切断し、水素ラジカルが生成し、Ga−F結合を形成す
る。この反応により、中間体(2)のポテンシャルエネルギーが−1.99eVとなる。
遷移状態(3)では、水素ラジカルがフッ素原子と結合して、HF分子を形成する。中間
体(2)及び中間体(3)のポテンシャルエネルギー差である活性化エネルギーは0.4
5eVと算出される。中間体(4)では、ガリウム原子に結合している酸素原子とHF分
子が相互作用しており、終状態(5)では、HF分子は、一点破線で囲まれた生成物に対
して無限遠に離れている状態である。
Ga−H結合が切れて、Ga−F結合が形成されることは、(式1)で説明した理由と同
様にGa−F結合のほうが、Ga−H結合よりも結合エネルギーの観点から、安定である
ことに起因している。
1)と終状態(5)のエネルギー差から、発熱反応であることがわかる。それゆえ、水素
を引き抜く反応が容易に進行するといえる。
フッ素を含有した絶縁層を用いることで、酸化物半導体層110内に存在する水素を脱離
させることができる。
ここで、トランジスタ100の具体的な作製方法について図6を用いて説明する。
記に記載したものを用いることができ、本実施の形態では、基板102にガラス基板を用
いる。下地絶縁層104は、プラズマCVD法でも形成することができるが、本半導体装
置の作製方法では、ターゲットをSiO2とし、形成する際の供給するガスをアルゴン等
の希ガス及び、酸素として、RFスパッタリング法で酸化シリコン層を200nm形成す
る。
導体装置の作製方法では、チタンターゲットを用いたDCスパッタリング法で厚さ150
nmのチタン膜を形成する。その後、第1のフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程
を行い、厚さ150nmのゲート電極層106を形成する。
もよい。なお、素子の微細化という観点からはドライエッチングを用いるのが好適である
。エッチングガスやエッチング液については被エッチング材料に応じて適宜選択する。
06上には、後の工程で酸化物半導体膜、ソース電極層及びドレイン電極層となる導電膜
を形成するので、段差の箇所における配線切れ防止のためである。ゲート電極層106の
側面をテーパ形状とするためにはレジストマスクを後退させつつエッチングを行えばよい
。
る。プラズマCVD装置内の反応室の内壁を加熱して、反応室の内壁から不純物を放出さ
せる。その後、反応室内に残留している又は反応室の内壁から放出させた不純物を、三フ
ッ化窒素(NF3)などのフッ素化合物を用いたプラズマクリーニングで除去する。また
、本実施の形態では、高周波電源を用いた容量結合型プラズマCVD装置を用いる。
して、好ましくは100℃以上125℃以下とすることがよく、少なくとも30分以上、
好ましくは60分以上行うことがよい。また、ここでの加熱工程は、排気しながら行うこ
とも可能である。
クリーニングを行う反応室にて、プラズマ生成を行い、クリーニングをする方法について
例示するが、クリーニングを行う反応室の外部にて、あらかじめプラズマ生成を行い、該
生成したプラズマを反応室に供給して、クリーニングをするリモートプラズマクリーニン
グであってもよい。
程からなり、具体的なプラズマクリーニング条件としては、三フッ化窒素(NF3)を4
00sccm〜2000sccmの流量で反応室内に供給し、反応室内の圧力を10Pa
〜200Paに調整し、電極間隔は、15mm〜60mmに調整し、13.56MHz〜
60MHzの高周波電源にて500W〜2000Wの電力(単位電極面積あたりの電力(
パワー密度)としては1W/cm2〜4W/cm2)を出力することでプラズマを生成し
、5分〜10分の間処理することがよい。より好ましいプラズマクリーニング条件として
は、三フッ化窒素(NF3)を600sccmの流量で反応室内に供給し、反応室内の圧
力は70Pa程度とし、電極間隔は50mmに調整し、60MHzの高周波電源にて90
0W(パワー密度に換算すると約1.8W/cm2)を7分間出力することである。
を、添加ガスとしてアルゴンを、反応室に供給し、プラズマエネルギーを援用して、酸化
シリコン膜を200nm形成する。また、ゲート絶縁層108を2層とする場合は、ゲー
ト電極層106と接する第1のゲート絶縁層に、堆積性ガスとしてSiH4を用いた酸化
シリコン膜を150nm形成し、酸化物半導体層110と接する第2のゲート絶縁層に、
堆積性ガスとしてSiF4ガスを用いた酸化シリコン膜を50nm形成すればよい。
体膜は、ゲート絶縁層108と接して形成されるため、ゲート絶縁層108に含有してい
るフッ素が、酸化物半導体膜中に存在する水素を脱離させる。本実施の形態では、スパッ
タリング法を用いるが、真空蒸着法、パルスレーザ堆積法、CVD法などを用いて形成し
てもよい。
製方法では、In(インジウム)、Ga(ガリウム)、及びZn(亜鉛)を含む酸化物半
導体ターゲット(モル数比がIn2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1、又はIn2
O3:Ga2O3:ZnO=1:1:2)を用いたスパッタリング法により得られる、厚
さ50nmのIn−Ga−Zn−O系非単結晶膜を用いる。さらに、本半導体装置の作製
方法では、DCスパッタリング法を用い、アルゴンの流量30sccmとし、酸素の流量
15sccmとし、基板温度は室温(15℃から35℃)とする。
ラズマを発生させる逆スパッタリングを行うことが好ましい。逆スパッタリングとは、ア
ルゴン雰囲気下で基板側にRF電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成し
て表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを用い
てもよい。また、アルゴン雰囲気に酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよい
。また、アルゴン雰囲気に塩素、四フッ化炭素などを加えた雰囲気で行ってもよい。
持し、基板の温度が100℃以上550℃未満、好ましくは200℃以上400℃以下と
なるように基板を熱する。又は、酸化物半導体膜を形成する際の基板の温度は、室温(1
5℃から35℃)としてもよい。そして、処理室内の水分を除去しつつ、水素や水などが
除去されたスパッタリングガスを導入し、酸化物半導体ターゲットを用いて酸化物半導体
膜を形成する。基板を熱しながら酸化物半導体膜を形成することにより、酸化物半導体膜
に含まれる不純物を低減することができる。また、スパッタによる損傷を軽減することが
できる。処理室内の水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好まし
い。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどを用い
ることができる。また、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを用いてもよい。
クライオポンプなどを用いて排気することで、処理室から水素や水などを除去することが
できるため、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低減できる。その後、第2のフォトリソグ
ラフィ工程及びエッチング工程を行い、島状に加工された酸化物半導体層109を形成す
る。
ルゴン等)下、或いは大気圧下の露点がマイナス60℃以下の、水分含有量が少ない空気
下において、酸化物半導体層109に加熱処理を施しても良い。具体的には、大気雰囲気
下において、100℃以上400℃以下で、10分間以上、好ましくは350℃、60分
間の加熱処理で行うことである。酸化物半導体層109に加熱処理を施すことで、水分、
水素が脱離した酸化物半導体層110が形成される。この際においても、ゲート絶縁層1
08に含有しているフッ素が、酸化物半導体膜内に存在する水素を脱離させる。さらに、
ゲート絶縁層108から、酸化物半導体層110の欠陥に酸素が供給される。
いて、500℃以上750℃以下(又はガラス基板の歪点以下の温度)で1分間以上10
分間以下程度、好ましくは600℃、3分間以上6分間以下程度のRTA(Rapid
Thermal Anneal)処理で行うことができる。なお、RTA法を用いれば、
短時間に脱水化又は脱水素化が行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理する
ことができる。加熱処理においては、不活性ガスは、窒素、又はヘリウム、ネオン、アル
ゴン等の希ガスに、水分、水素などが含まれないことが好ましい。又は、加熱処理装置に
導入する窒素、もしくはヘリウム、ネオン、又はアルゴン等の希ガスの純度を、6N(9
9.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち不純物濃度
を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
、島状の酸化物半導体層109を形成する前の酸化物半導体膜に対して行ってもよい。ま
た、上記加熱処理は、複数回行ってもよい。
℃に達した状態で60分間、加熱処理を行う。加熱処理は、電気炉を用いた加熱方法、加
熱した気体を用いるGRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)法
又はランプ光を用いるLRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal
)法などの瞬間加熱方法などを用いることができる。例えば、電気炉を用いて加熱処理を
行う場合、昇温特性を0.1℃/min以上20℃/min以下、降温特性を0.1℃/
min以上15℃/min以下とすることが好ましい。
とが好ましいが、一部結晶化していてもよい。
て、プラズマ処理を施しても良い。プラズマ処理をすることで、酸化物半導体層110の
欠陥に酸素を供給することができる。
リソグラフィ工程及びエッチング工程を行い、ソース電極層112a、ドレイン電極層1
12bを形成する。該導電膜は、ゲート電極層106と同様のものとすることができる。
本半導体装置の作製方法では、チタンターゲットを用いたスパッタリング法で厚さ150
nmのチタン膜を形成し、第3のフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、ソ
ース電極層112a、ドレイン電極層112bを形成した。
と同様にして、絶縁層114を形成する。なお、本実施の形態では、絶縁層114として
厚さ50nmの酸化シリコン層を形成した。
気下、又は不活性ガス雰囲気(窒素、もしくはヘリウム、ネオン、又はアルゴン等)下に
おいて行う。好ましくは200℃以上400℃以下で行うこととし、本実施の形態では、
大気雰囲気下で350℃、1時間の加熱処理を行う。ここまでの工程を経て得られた構成
を図6(D)に示す。
有したゲート絶縁層を用いることで、該ゲート絶縁層から酸化物半導体層に水素が拡散す
ることを抑制でき、該酸化物半導体層内に存在する水素を脱離させ、該酸化物半導体層の
水素含有量を低減させることができる。したがって、本実施の形態に示す半導体装置は良
好な電気特性を有する半導体装置である。
合わせることができる。
上記実施の形態で説明したトランジスタを作製し、該トランジスタを画素部、さらには
駆動回路に用いて表示機能を有する半導体装置(表示装置ともいう)を作製することがで
きる。また、トランジスタを用いた駆動回路の一部又は全体を、画素部と同じ基板上に一
体形成し、システムオンパネルを形成することができる。また、上記実施の形態で記載し
た酸化物半導体材料を用いたトランジスタで、メモリセルを含んだ半導体装置を作製する
こともできる。
光素子(発光表示素子ともいう)を用いることができる。発光素子は、電流又は電圧によ
って輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機EL(Electr
o Luminescence)、有機EL等が含まれる。また、電子インクなど、電気
的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
ラを含むIC等を実装した状態にあるモジュールとを含む。さらに、該表示装置を作製す
る過程における、表示素子が完成する前の一形態に相当する素子基板に関し、該素子基板
は、電流を表示素子に供給するための手段を複数の各画素に備える。素子基板は、具体的
には、表示素子の画素電極のみが形成された状態であっても良いし、画素電極となる導電
膜を形成した後であって、エッチングして画素電極を形成する前の状態であっても良いし
、あらゆる形態があてはまる。
光源(照明装置含む)を指す。また、コネクター、例えばFPC(Flexible p
rinted circuit)もしくはTAB(Tape Automated Bo
nding)テープもしくはTCP(Tape Carrier Package)が取
り付けられたモジュール、TABテープやTCPの先にプリント配線板が設けられたモジ
ュール、又は表示素子にCOG(Chip On Glass)方式によりIC(集積回
路)が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
上記実施の形態に記載したトランジスタの作製方法で作製したトランジスタからなる表
示装置を、電子インクを駆動させて表示する電子ペーパーに適用することができる。電子
ペーパーは、情報を表示するものであればあらゆる分野の電子機器に用いることが可能で
ある。例えば、電子ペーパーを用いて、電子書籍(電子ブック)、ポスター、デジタルサ
イネージ、PID(Public Information Display)、電車な
どの乗り物の車内広告、クレジットカード等の各種カードにおける表示等に適用すること
ができる。電子機器の一例を図7に示す。
び筐体2703の2つの筐体で構成されている。筐体2701及び筐体2703は、軸部
2711により一体とされており、該軸部2711を軸として開閉動作を行うことができ
る。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
3には表示部2707及び光電変換装置2708が組み込まれている。表示部2705及
び表示部2707は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構
成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部(図7で
は表示部2705)に文章を表示し、左側の表示部(図7では表示部2707)に画像を
表示することができる。
701において、電源2721、操作キー2723、スピーカ2725などを備えている
。操作キー2723により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキー
ボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側
面に、外部接続用端子(イヤホン端子、USB端子、又はACアダプタ及びUSBケーブ
ルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など)、記録媒体挿入部などを備える構成として
もよい。さらに、電子書籍2700は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよ
い。
、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とするこ
とも可能である。
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用するこ
とができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置(テレビ、又はテレビジョン
受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラやデジタルビデオカメ
ラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう
)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機など
がある。
筐体9601に表示部9603が組み込まれている。表示部9603により、映像を表示
することが可能である。また、ここでは、スタンド9605により筐体9601を支持し
た構成を示している。
モコン操作機9610により行うことができる。リモコン操作機9610が備える操作キ
ー9609により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部9603に表示さ
れる映像を操作することができる。また、リモコン操作機9610に、当該リモコン操作
機9610から出力する情報を表示する表示部9607を設ける構成としてもよい。
により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線又は無線に
よる通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)又は双方向(
送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行うことも可能である。
フレーム9700は、筐体9701に表示部9703が組み込まれている。表示部970
3は、各種画像を表示することが可能であり、例えばデジタルカメラなどで撮影した画像
データを表示させることで、通常の写真立てと同様に機能させることができる。
SBケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など)、記録媒体挿入部などを備える
構成とする。これらの構成は、表示部と同一面に組み込まれていてもよいが、側面や裏面
に備えるとデザイン性が向上するため好ましい。例えば、デジタルフォトフレームの記録
媒体挿入部に、デジタルカメラで撮影した画像データを記憶したメモリを挿入して画像デ
ータを取り込み、取り込んだ画像データを表示部9703に表示させることができる。
い。無線により、所望の画像データを取り込み、表示させる構成とすることもできる。
ンジユニットを閉状態として表示部9303を有する上部筐体9301と、キーボード9
304を有する下部筐体9302とを重ねた状態とすることができ、持ち運ぶことが便利
であるとともに、使用者がキーボード入力する場合には、ヒンジユニットを開状態として
、表示部9303を見て入力操作を行うことができる。
バイス9306を有する。また、表示部9303をタッチ入力パネルとすれば、表示部の
一部に触れることで入力操作を行うこともできる。また、下部筐体9302はCPUやハ
ードディスク等の演算機能部を有している。また、下部筐体9302は他の機器、例えば
USBの通信規格に準拠した通信ケーブルが差し込まれる外部接続ポート9305を有し
ている。
307を有しており、広い表示画面を実現することができる。また、収納可能な表示部9
307の画面の向きを使用者は調節できる。また、収納可能な表示部9307をタッチ入
力パネルとすれば、収納可能な表示部の一部に触れることで入力操作を行うこともできる
。
無機発光素子などの発光表示パネルなどの映像表示装置を用いる。
受信して映像を表示部9303又は表示部9307に表示することができる。また、上部
筐体9301と下部筐体9302とを接続するヒンジユニットを閉状態としたまま、表示
部9307をスライドさせて画面全面を露出させ、画面角度を調節して使用者がテレビ放
送を見ることもできる。この場合には、ヒンジユニットを開状態として表示部9303を
表示させることなく、さらにテレビ放送を表示するだけの回路の起動のみを行うため、最
小限の消費電力とすることができ、バッテリー容量の限られている携帯型のコンピュータ
において有用である。
絶縁層など)に適用できる酸化シリコン膜(試料A)を作製し、試料Aに含まれる水素濃
度、及びフッ素濃度について評価した。
製した。
応室内に残留又は吸着している、不純物を含むガスを放出させた。
の圧力は70Pa程度とし、ギャップ間隔は50mmに調整し、60MHzの高周波電源
にて900Wの電力を7分間出力し、反応室内の内壁を115℃に加熱したまま、プラズ
マクリーニングを行い、不純物を含むガスを除去した。なお、本実施例で用いたプラズマ
CVD装置における電極面積は490cm2である。
膜をシリコンウエハ上に、膜厚200nm狙いで形成した。この際、シリコンを含む堆積
性ガスとしてフッ化シラン(SiF4)を6sccmの流量で、添加ガスとして二窒化酸
素(N2O)を1000sccmの流量で、不活性ガスとしてArを1000sccmの
流量で、反応室内に供給し、反応室内の圧力を133Paに調整し、ギャップ間隔は10
mmに調整し、酸化シリコン膜が形成されるシリコンウエハの温度を400℃に調整し、
60MHzの高周波電源にて800Wの出力により、酸化シリコン膜を形成した。
て、縦軸は試料Aに含まれる水素濃度、又はフッ素濃度を表し、横軸は、試料Aの酸化シ
リコン膜表面から基板方向への深さを表している。また、試料Aの水素濃度プロファイル
を実線で示し、試料Aのフッ素濃度プロファイルを破線で示す。試料Aにおいて、横軸1
0nmから120nmを定量範囲とし、横軸200nm以上はシリコンウエハを表してい
る。
cm3以下であり、試料Aのフッ素濃度は、定量範囲において、9.2×1020ato
ms/cm3以上であることが確認された。
され、かつ酸化物半導体層から水素を脱離させることができるフッ素濃度を有する酸化シ
リコン層を形成することができる。本実施例に示した酸化シリコン膜を半導体装置(具体
的にはトランジスタのゲート絶縁層など)に適用することで、良好な電気特性を有する半
導体装置(トランジスタ)を作製することができる。
102 基板
104 下地絶縁層
106 ゲート電極層
108 ゲート絶縁層
109 酸化物半導体層
110 酸化物半導体層
112a ソース電極層
112b ドレイン電極層
114 絶縁層
2700 電子書籍
2701 筐体
2703 筐体
2705 表示部
2706 光電変換装置
2707 表示部
2708 光電変換装置
2711 軸部
2721 電源
2723 操作キー
2725 スピーカ
9301 上部筐体
9302 下部筐体
9303 表示部
9304 キーボード
9305 外部接続ポート
9306 ポインティングデバイス
9307 表示部
9600 テレビジョン装置
9601 筐体
9603 表示部
9605 スタンド
9607 表示部
9609 操作キー
9610 リモコン操作機
9700 デジタルフォトフレーム
9701 筐体
9703 表示部
Claims (6)
- 基板上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に接する酸化物半導体層を形成する工程と、
前記酸化物半導体層を形成後、加熱処理を行って前記酸化物半導体層を脱水化又は脱水素化させる工程と、を有し、
前記絶縁膜は、SiF4を含むガスを用いて形成され、
前記絶縁膜の一部に含まれる水素濃度は、6×1020atoms/cm3未満であり、
前記絶縁膜の一部に含まれるフッ素濃度は、1×1020atoms/cm3以上であり、
前記加熱処理は、露点−60℃以下の空気下において行われることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 基板上に酸化物半導体層を形成する工程と、
前記酸化物半導体層を形成後、第1の加熱処理を行って前記酸化物半導体層を脱水化又は脱水素化させる工程と、
前記第1の加熱処理後、前記酸化物半導体層上に接する領域を有する、ソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成後、前記酸化物半導体層上に接する領域を有する絶縁膜を形成する工程と、を有し、
前記絶縁膜は、SiF4を含むガスを用いて形成され、
前記絶縁膜の一部に含まれる水素濃度は、6×1020atoms/cm3未満であり、
前記絶縁膜の一部に含まれるフッ素濃度は、1×1020atoms/cm3以上であり、
前記第1の加熱処理は、不活性ガス雰囲気下において行われ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、
前記絶縁膜を形成後、第2の加熱処理を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3のいずれか一において、
前記SiF 4 を含むガスは、N2Oを含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1乃至4のいずれか一において、
前記酸化物半導体層は、In、Ga、及びZnを有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5のいずれか一において、
前記酸化物半導体層は、結晶領域を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
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