JP6703186B2 - 薄膜トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
基板上に活性層を形成することを含む。
ソース領域及びドレイン領域が、上記活性層と電気的に接続可能に形成される。
上記活性層の表面に、酸化ケイ素で構成される第1の金属酸化物層がプラズマCVDで形成される。
上記第1の金属酸化物層の表面に、酸化アルミニウムで構成される第2の金属酸化物層がALDで形成される。
上記第2の金属酸化物層の表面に、ゲート電極が形成される。
このように、基板処理を真空一貫とすることで、ガスや空気による基板表面の汚染を防ぐことが可能となる。
上記活性層はポリシリコンで構成される。
上記ソース領域及びドレイン領域は、上記活性層と電気的に接続される。
上記ゲート絶縁膜は、第1の金属酸化物層と、第2の金属酸化物層とを含む。
上記第1の金属酸化物層は、酸化ケイ素で構成され、上記ゲート電極と上記活性層との間に配置される。
上記第2の金属酸化物層は、酸化アルミニウムで構成され、上記第1の金属酸化物層と上記ゲート電極との間に配置される。
中間層は水素原子の供給源としてのみ働くため、3nm以上10nm以下の厚みで十分な量の水素を界面に供給することが可能となる。
LTPSに用いられるゲート絶縁膜には、一般的に、TEOS−SiOXが用いられている。TEOS−SiOXに用いられるゲート絶縁膜は、SiH4−SiOで作成されたゲート絶縁膜に比べ、薄膜トランジスタ特性が優れている。具体的には、TEOS−SiOXではフラットバンド電圧が理想値に近く、薄膜トランジスタの閾値電圧制御が比較的容易である、薄膜トランジスタ特性の長期安定性に優れる、界面の欠陥準位密度が小さい、等という特長がある。
表示装置の画素部分の開口率を上げるため、また画素以外の周辺回路の消費電力を下げるためには、動作電圧を下げる必要がある。これらの対策を行うためには、薄膜トランジスタの移動度を大きくする必要があり、そのためにはゲート絶縁膜の薄膜化が必要である。しかし、ゲート絶縁膜の薄膜化はリーク電流の増加を招くことから、ゲート絶縁膜の薄膜化には限界がある。
凹凸に対する被覆率に優れた絶縁膜成膜技術として、原子層堆積法(ALD)が知られている。これは、2種類以上の原料ガスを順番に基板表面に供給し、原子層制御された薄膜を形成する手法である。ALDは、原料を基板表面に供給した際に、一分子層で吸着・反応が自己停止する機能を用いており、これにより基板の凹凸に対する付き回りが非常に優れ、被覆率としてはほぼ100%である絶縁膜の形成方法である。
図1は、本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタ1の概略断面図である。
本実施形態に係る薄膜トランジスタ1は、活性層11と、ソース領域14S及びドレイン領域14Dと、ゲート絶縁膜12と、ゲート電極13とを有する。
活性層11は、基板10上の絶縁膜(例えばシリコン酸化膜)10aに形成されたポリシリコンからなり、薄膜トランジスタ1のチャネル層として機能する。基板10は、典型的には透明なガラス基板であるが、シリコン基板等の半導体基板やプラスチックフィルム等の樹脂基板でもよい。活性層11は、後述するように、基板10上に形成されたアモルファスシリコンをアニール処理によって結晶化させることで形成される。活性層11の厚みは特に限定されず、例えば、40nm〜50nmである。
ソース領域14S及びドレイン領域14Dは、活性層11を挟むように相互に離間して形成される。ソース領域14S及びドレイン領域14Dは、後述するように、例えば、活性層11を構成するポリシリコン膜に不純物イオンを注入することで形成される。
ゲート絶縁膜12は、活性層11とゲート電極13との間に配置され、これらの間を電気的に絶縁するとともに、ゲート電極12に印加された電圧により、活性層11内に電荷の反転した層(反転層)を形成する機能を有する。ゲート絶縁膜12は、第1の金属酸化物層12Aと、第2の金属酸化物層12Bとを有する。
ゲート電極13は、ゲート絶縁膜12の上に形成された導電膜からなる。ゲート電極13は、典型的には、Al,Mo,Cu,Ti等の金属単層膜あるいは金属多層膜で構成され、例えばスパッタリング法によって形成される。ゲート電極13の厚みは特に限定されず、例えば、200nm〜300nmである。
ゲート絶縁膜12及びゲート電極13の上には、層間絶縁膜15が形成されている。層間絶縁膜15は、電極間の絶縁を保つためのものである。層間絶縁膜15は、電気絶縁性材料で構成され、典型的には、酸化ケイ素、窒化珪素等で構成される。層間絶縁膜15の厚みは特に限定されず、例えば、200nm〜500nmである。
次に、以上のように構成される本実施形態の薄膜トランジスタ1の製造方法について説明する。図2〜8は、薄膜トランジスタ1の製造方法を説明する各工程の断面図および成膜装置の概略断面図である。
まず、図2に示すように、基板10上に絶縁膜10a及びアモルファスシリコン膜Aを形成する。絶縁膜10aは、典型的にはシリコン酸化膜で構成されるが、勿論他の材料で構成されてもよく、また必要に応じて省略されてもよい。アモルファスシリコン膜Aの原料は、特に限定されず、例えばプラズマCVDによる形成であれば、原料ガスとしてシラン(SiH4)やジシラン(Si2H6)等のケイ素化合物を用いることができる。
次に、基板10上に形成されたアモルファスシリコン膜Aを結晶化するために熱処理が施される。その後、所定形状にパターニングされることにより、ポリシリコンからなる活性層11が形成される。
第1の金属酸化物層12Aは、活性層11の表面を被覆するように基板10上に形成される。第1の金属酸化物層12Aは、プラズマCVDによって形成される。プラズマCVD装置は特に限定されず、本実施形態では図4に概略的に示すプラズマCVD装置100が用いられる。
TEOS流量:360[sccm]
O2流量:16000[sccm]
プロセス圧力:175[Pa]
RF周波数:27.12[MHz]
RF電力:4000[W]
ヒータ温度:350[℃]
第2の金属酸化物層12Bは、第1の金属酸化物層12Aを被覆するように形成される。第2の金属酸化物層12Bは、ALDによって形成される。ALD装置は特に限定されず、本実施形態では図5に概略的に示すALD装置200が用いられる。
次に、図6に示すように、第2の金属酸化物層12Bの上にゲート電極13を形成する。
続いて、図7に示すように、ソース領域14S及びドレイン領域14Dがそれぞれ形成される。
次に、図8に示すように、ゲート電極13及び第2の金属酸化物層12Bを覆うように層間絶縁膜15を形成する。
本実施形態において、ゲート絶縁膜12は、第1の金属酸化物層12Aと第2の金属酸化物層12Bとの積層膜で構成される。第2の金属酸化物層12BがALDで成膜された酸化アルミニウム層で構成されるので、プラズマCVDで成膜される酸化ケイ素単膜によるゲート絶縁膜と比べて、活性層11に対する高い被覆率が得られる。
また、図13より、第1の金属酸化物層12A(TEOS−SiOx)の膜厚が20nm以上80nm以下のとき、アニール後においてはヒステリシス特性がほとんど発生していないことが確認される。
なお、第1の金属酸化物層12Aが0nmの時、ヒステリシス特性が発生していることが確認される。これは、上述したサンプル1に実質的に相当するものである。
図15は、本発明の第2の実施形態に係る薄膜トランジスタ2の概略断面図である。以下、第1の実施形態と異なる構成について主に説明し、上述の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略又は簡略化する。
SiH4流量:500[sccm]
NH3流量:5000[sccm]
N2流量:7000[sccm]
プロセス圧力:200[Pa]
RF周波数:27.12[MHz]
RF電力:4000[W]
ヒータ温度:350[℃]
実験に用いた各薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の構造は、第1の金属酸化物層12A(膜厚80nm)のみの構造、第2の金属酸化物層12B(膜厚80nm)のみの構造、第1の金属酸化物層12A(膜厚50nm)と第2の金属酸化物層12B(膜厚50nm)との二層構造、及び第1の金属酸化物層12A(膜厚50nm)と第2の金属酸化物層12B(膜厚50nm)との間に中間層12C(膜厚3nm)が配置された三層構造とした。界面準位密度の測定は、成膜直後及びアニール処理(500℃)後にそれぞれ行った。
移動度が向上した理由は、ALDで成膜されたAl2O3の誘電率(約7.5)がTEOS−SiOXの誘電率(約4.5)よりも高いため、TEOS−SiOX単膜と比較して、酸化膜換算膜厚が薄くなり、同一電圧においてより多くのキャリアを生成することができるためと考えられる。また、ALDで成膜されたAl2O3の水素バリア効果により、膜中の水素が界面のみならず膜中の欠陥を終端することで、TEOS−SiOX膜中の不要な電荷が無くなり、同様に同一電圧においてより多くのキャリアを生成するためと考えられる。
特に、ゲート絶縁膜が三層構造の時については、中間層12Cを有することから、中間層12C中の多量の水素原子により界面準位密度がさらに低下し、S値が特に好ましい値となっている。
図17は、本発明の第3の実施形態に係る薄膜トランジスタ3の概略断面図である。以下、第1の実施形態と異なる構成について主に説明し、上述の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略又は簡略化する。
H2流量:1000[sccm]
プロセス圧力:200[Pa]
RF周波数:27.12[MHz]
RF電力:500[W]
ヒータ温度:350[℃]
10…基板
11…活性層
12,22,32…ゲート絶縁膜
12A…第1の金属酸化物層
12B…第2の金属酸化物層
12C,12D…中間層
13…ゲート電極
14S…ソース領域
14D…ドレイン領域
Claims (10)
- 基板上に活性層を形成し、
ソース領域及びドレイン領域を、前記活性層と電気的に接続可能に形成し、
前記活性層の表面に、酸化ケイ素で構成される第1の金属酸化物層をプラズマCVDで形成し、
前記第1の金属酸化物層の表面に、酸化アルミニウムで構成される第2の金属酸化物層をALDで形成し、
前記第2の金属酸化物層の表面に、ゲート電極を形成する
薄膜トランジスタの製造方法。 - 請求項1に記載の薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記第1の金属酸化物層と前記第2の金属酸化物層との間に水素リッチな中間層を形成する工程と、
前記中間層をアニール処理する工程と、をさらに含む
薄膜トランジスタの製造方法。 - 請求項2に記載の薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記第1の金属酸化物層を水素プラズマ処理することによって、前記中間層を形成する
薄膜トランジスタの製造方法。 - 請求項2に記載の薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記第1及び第2の金属酸化物層の間に窒化ケイ素又は酸窒化ケイ素の層を形成することによって、前記中間層を形成する
薄膜トランジスタの製造方法。 - 請求項4に記載の薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記第1の金属酸化物層を形成する工程と、前記窒化ケイ素又は酸窒化ケイ素の層を形成する工程とは、同チャンバ内で行われる
薄膜トランジスタの製造方法。 - 請求項1〜5のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記第1の金属酸化物層を形成する工程と、前記第2の金属酸化物層を形成する工程とは、真空雰囲気中で連続して行われる
薄膜トランジスタの製造方法。 - ゲート電極と、
ポリシリコンで構成された活性層と、
前記活性層と電気的に接続されるソース領域及びドレイン領域と、
前記ゲート電極と前記活性層との間に配置され、酸化ケイ素で構成された第1の金属酸化物層と、前記第1の金属酸化物層と前記ゲート電極との間に前記第1の金属酸化物層を被覆するように配置され、酸化アルミニウムのALD膜で構成された第2の金属酸化物層と、を含むゲート絶縁膜と
を具備する薄膜トランジスタ。 - 請求項7に記載の薄膜トランジスタであって、
前記ゲート絶縁膜は、前記第1の金属酸化物層と前記第2の金属酸化物層との間に、窒化ケイ素を含む中間層をさらに含む
薄膜トランジスタ。 - 請求項7に記載の薄膜トランジスタであって、
前記ゲート絶縁膜は、前記第1の金属酸化物層と前記第2の金属酸化物層との間に、酸窒化ケイ素を含む中間層をさらに含む
薄膜トランジスタ。 - 請求項8又は9に記載の薄膜トランジスタであって、
前記中間層の厚みは、3nm以上10nm以下である
薄膜トランジスタ。
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