JP7382608B1 - 固定電荷発現方法、薄膜トランジスタの製造方法及び薄膜トランジスタ - Google Patents
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Abstract
Description
このようにすれば、イオン注入による欠陥を金属膜内に分布させながらも、絶縁膜内に多く分布させることができるので、絶縁膜内に固定電荷を効率よく発現させることができる。
このようにすれば、絶縁膜内に形成される欠陥の分布をより多くでき、絶縁膜の固定電荷密度を大きくすることができる。
また、閾値電圧を制御する固定電荷層をバックチャネル側に設けているので、第1絶縁膜内の注入イオンの分布に起因するリーク電流の発生を抑制でき、安定した薄膜トランジスタを製造することが可能となる。
このような第2絶縁膜を形成することで、金属膜からチャネル層への不純物の拡散を防止することができ、より安定した特性の薄膜トランジスタを製造することができる。
このようにすれば、第2絶縁膜が、酸化物半導体であるチャネル層の下部への酸素供給源として機能するため、より安定した特性の薄膜トランジスタを製造することができる。
このようにすれば、固定電荷層からチャネル層へ効率よく電界を付与することができるようになる。
このような薄膜トランジスタであれば、上記した固定電荷発現方法及び薄膜トランジスタの製造方法と同様の作用効果を奏することができる。
本実施形態の薄膜トランジスタ100は所謂トップゲート型のTFTであり、酸化物半導体をチャネルに用いたものである。具体的には図1に示すように、基板1と、固定電荷層2と、チャネル層(活性層)3と、ゲート絶縁層4と、ゲート電極層5と、絶縁層6と、ソース電極7及びドレイン電極8とを有しており、基板1側からこの順に積層されている。以下、各部について詳述する。
基板1は光を透過できるような任意の材料から構成されており、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)、アクリル、ポリイミド等のプラスチック(合成樹脂)やガラス等によって構成されてよい。
固定電荷層2は、正の固定電荷を有するものである。本実施形態の固定電荷層2は、複数の膜が積層されて構成されたものであり、具体的には、第1絶縁膜21と、金属膜22と、第2絶縁膜23とが基板1側から順に積層されたものである。
チャネル層3は、ゲート電圧の印加により、ソース電極7とドレイン電極8間にチャネルを形成し、電流を通過させるものである。チャネル層3は、酸化物半導体からなり、例えばIn、Ga、Zn、Sn、Al、Ti等から選択される少なくとも1種の元素の酸化物を主成分として含んでいる。チャネル層3を構成する材料の具体例としては、例えば、In2O3を主構成要素とする酸化物材料、In-Ga-Zn-O(IGZO)、In-Al-Mg-O、In-Al-Zn-O又はIn-Hf-Zn-O等が挙げられる。このチャネル層3は例えば非晶質(アモルファス)の酸化物半導体膜により構成されている。本実施形態のチャネル層3は単層構造であるが、これに限らず、組成や結晶性が互いに異なる複数の層を重ねて構成した積層構造であってもよい。チャネル層3の厚みは、例えば30nm以上100nm以下が好ましく、30nm以上50nm以下がより好ましい。
ゲート絶縁層4は、チャネル層3、ソース領域層S及びドレイン領域層Dの表面を覆うように形成されている。このゲート絶縁層4は、高い絶縁性を有する酸化膜、窒化膜、酸窒化膜等の任意の絶縁材料から構成されている。ゲート絶縁層4は、例えば、SiOx、SiNx、SiON、Al2O3、Y2O3、Ta2O5、Hf2等から選択される1つ以上の酸化物を含む絶縁膜であってよい。ゲート絶縁層4は、これらの導電性膜を単層構造又は2層以上の積層構造としたものであってよい。
ゲート電極層5は、薄膜トランジスタ100に印加されるゲート電圧によってチャネル層3中のキャリア密度を制御するものである。ゲート電極層5は、ゲート絶縁層4の表面において、チャネル層3の真上に位置するように形成されている。より具体的にゲート電極層5は、層内方向(積層方向に直交する方向)に沿ったその両端面の位置が、チャネル層3の両端面の位置と揃うようにして形成されている。このゲート電極層5は、高い導電性を有する任意の金属材料から構成されており、例えばSi、Al、Mo、Cr、Ta、Ti、Pt、Au、Ag等から選択される1種以上の金属から構成されてよく、Al合金、Ag合金、Mo合金、Ti合金等の合金により構成されてよい。
絶縁層6は、ゲート電極層5と、ソース電極7及びドレイン電極8との間を絶縁するものであり、例えばフッ素を含有するシリコン酸化膜などにより構成される。絶縁層6は、ゲート電極層5の全面(上面及び側面)と、ゲート絶縁層4の表面を覆うように形成されている。
ソース電極7及びドレイン電極8は、チャネル層3の表面を部分的に覆うように、互いに離間して形成されている。ソース電極7及びドレイン電極8は、ゲート電極層5と同様に、電極として機能するように高い導電性を有する材料から構成されている。ソース電極7及びドレイン電極8は、単一の材料からなる単層構造でよく、互いに異なる材料からなる複数の層を重ねた積層構造であってもよい。ソース電極7及びドレイン電極8は、絶縁層6及びゲート絶縁層4を積層方向に沿って貫通するコンタクトホールHを介して、ソース領域層S及びドレイン領域層Dにそれぞれ電気的に接続されている。
そして本実施形態の薄膜トランジスタ100では、第1絶縁膜21内における金属膜22との界面近傍に、イオン注入を行うことにより形成された(発現された)正の固定電荷が存在している。
(A)イオン注入によるイオンの平均飛程Rpが、金属膜22の厚みdMよりも大きい(Rp>dM)
(B)イオン注入によるイオンの平均飛程Rpが、金属膜の厚みdMと第1絶縁膜21の厚みdiの和よりも小さい(dM+di>Rp)
(C)イオンの平均飛程Rpとその標準偏差ΔRpの和が、金属膜22の厚みdMと第1絶縁膜21の厚みdiの和よりも小さい(dM+di>Rp+ΔRp)
次に、上述した構造の薄膜トランジスタ100の製造方法を、図3を参照して説明する。本実施形態の薄膜トランジスタ100の製造方法は、固定電荷層形成工程と、チャネル層形成工程と、ゲート絶縁層形成工程と、ゲート電極形成工程と、ソース領域/ドレイン領域形成工程と、絶縁層形成工程と、ソース電極/ドレイン電極形成工程とを含んでいる。以下、各工程について説明する。
基板1上に固定電荷層2を形成する。この工程は、第1絶縁膜形成工程と、金属膜形成工程と、第1イオン注入工程と、第2絶縁膜形成工程とを順に含む。
まず基板1上に、シリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜等の第1絶縁膜21を形成する。この第1絶縁膜21は、例えばプラズマCVD法等の既知の方法により、基板1の表面の全面を覆うように形成される。
次に第1絶縁膜21の表面に金属膜22を形成する。金属膜22は、例えば真空蒸着等の既知の方法により、第1絶縁膜21の表面の全面を覆うように形成される。
次に、図3の(a)に示すように、形成した金属膜22を介して第1絶縁膜21に対してイオン注入を行う。イオン注入は既知のイオン注入法により行ってよい。このイオン注入工程は、積層方向から視て第1絶縁膜21の全面に対してイオンを注入するように行われる。注入するイオン種は、例えばO、N、C等の原子イオン、O2、N2、C2等の分子イオン、Ar等の希ガスイオンであるが、これに限らない。イオンエネルギーは、例えば5keV~30keVであるがこれに限らない。またイオン注入量(ドーズ量)は、例えば1×1013iоns/cm2~1×1015iоns/cm2であるが、これに限らない。イオンエネルギー及びイオン注入量は、イオンの平均飛程Rp及びその標準偏差ΔRpが上記した条件(A)及び(B)を満たすように、好ましくはさらに条件(C)を満たすように設定される。これにより、第1絶縁膜21内に正の固定電荷が形成される。
第1イオン注入工程後、図3の(b)に示すように、例えばシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の積層膜、シリコン酸窒化膜又は酸化アルミニウム膜等の第2絶縁膜23を金属膜22上に形成する。第2絶縁膜23は、真空蒸着法等の既知の方法により金属膜22の全面を覆うように形成されてよい。
次に、固定電荷層2上(具体的には第2絶縁膜23上)にチャネル層3を形成する。このチャネル層3は、既知の方法により形成してよい。例えばプラズマを用いて、InGaZnO等の導電性酸化物焼結体をターゲットとしてスパッタリングすることにより、第2絶縁膜23の全面を覆うようにチャネル層3を形成してよい。なおこれに限らず、他の方法により、酸化物半導体からなるチャネル層3を形成してもよい。
次に、酸化膜、窒化膜、酸窒化膜等の任意の絶縁材料から構成されるゲート絶縁層4をチャネル層3上に形成する。ここでは、例えばプラズマCVD法等の既知の方法により、チャネル層3の全面を覆うようにゲート絶縁層4を形成する。
次に、ゲート絶縁層4上にゲート電極層5を形成する。ゲート電極層5は、真空蒸着法等の既知の方法により形成されてよい。
次に、図3の(c)に示すように、チャネル層3を挟むようにソース領域層S及びドレイン領域層Dを形成する。この工程は、レジストパターニング工程と、エッチング工程と、第2イオン注入工程とを含む。
まず、ゲート電極層5
上にフォトレジストRを塗布し、露光及び現像を行う。このフォトレジストRは、ゲート電極層5上において、最終的にチャネル層3となる部位の直上にのみ選択的に残る。
次に、ゲート電極層5におけるフォトレジストRで保護されていない部分をエッチングにより除去し、ゲート電極層5のパターニングを行う。
次に、ゲート絶縁層4を介して、チャネル層3におけるゲート電極層5の外側の領域にイオン注入を行い、チャネル層3の両外側にソース領域層Sとドレイン領域層Dとを形成する。このイオン注入工程では、積層したフォトレジストR及びゲート電極層5をマスクとして行われる。なお、当該工程のイオン注入は既知の任意の方法により行われてよい。
第2イオン注入工程の後、図3の(d)に示すように、フォトレジストRを除去してから絶縁層6を形成する。絶縁層6は、ゲート絶縁層4及びゲート電極層5の表面の全面を覆うようにして形成される。絶縁層6は、例えばプラズマCVD法等の任意の方法により形成されてよい。
その後、図3の(e)に示すように、ゲート絶縁層4上にソース電極7及びドレイン電極8を形成する。ソース電極7およびドレイン電極8の形成は、例えば、RFマグネトロンスパッタリング等を用いた既知の方法により形成することができる。このソース電極7及びドレイン電極8は、エッチング等により積層方向に形成したコンタクトホールHを介して、ソース領域層S及びドレイン領域層Dにそれぞれ接続させる。
このようにした本実施形態の薄膜トランジスタ100の製造方法によれば、金属膜22を介して第1絶縁膜21にイオン注入するようにしているので、イオン注入により生成される欠陥の全てを第1絶縁膜21に分布させることなく金属膜22内にも分布させることができ、第1絶縁膜21内における欠陥による膜質の低下を小さくできる。そしてイオン注入を行う際の金属膜22の厚みや注入イオンの飛程を調整して、第1絶縁膜21内に形成される欠陥分布を調整することで、第1絶縁膜21内に正の固定電荷を発現させるとともに、その固定電荷密度を容易に調整することができる。しかも、第1絶縁膜21の全体の膜質を変化させるのではなく、イオン注入により表層部分だけの膜質を変化させるようにしているので、第1絶縁膜21の本来の絶縁特性をほぼ維持した状態で、部分的な機能の付加を行うことができる。
例えば前記実施形態では固定電荷発現方法の一例として薄膜トランジスタ100の製造方法を例示したがこれに限らない。他の実施形態では、薄膜トランジスタ以外の他の半導体デバイスの製造方法において本発明の固定電荷発現方法が用いられてもよい。
イオン注入時における金属層の厚み及びイオン注入量と、固定電荷密度との関係性を実験により評価した。
この実施例では、図5に示すように、シリコン基板上に熱酸化シリコン膜と金属層を積層した評価サンプル(金属層有サンプル)と、シリコン基板上に熱酸化シリコン膜のみを積層した評価サンプル(金属層無サンプル)の2種類の評価サンプルを準備した。各評価サンプルにおいて、シリコン基板は、n型であり、比抵抗1~10Ωcmのものを用いた。また各評価サンプルにおいて、熱酸化シリコン膜の膜厚は100nmとした。また金属層有サンプルでは、金属層として、膜厚約10nmのAl-Si合金膜を形成した。
そして準備した各評価サンプルに対して、イオン注入量と注入するイオン種を変えてイオン注入を行った。イオン注入量(ドーズ量)は1×1013iоns/cm2~1×1015iоns/cm2とした。また、金属層有サンプルへの注入イオン種はN+とし、金属層無サンプルへの注入イオン種は、N+、O+、Ar+とした。またいずれの評価サンプルも、注入するイオンエネルギーを10keVとした。なお、注入イオン(N+,O+、Ar+)のイオンエネルギーと注入深さとの関係をシミュレーションソフト(SRIM2013)を用いて計算した結果を図6に示す。このシミュレーションでは、イオン注入の対象を、Si基板上に酸化シリコン膜(膜厚100nm)とし、注入イオンのエネルギーを5~30keVとしている。
そして、イオン注入後の各評価サンプルにおける熱酸化シリコン膜の固定電荷密度をC-V法により測定した。なお金属層無サンプルに対しては、熱酸化シリコン膜に接触する電極を形成して行った。その結果を図7に示す。
1 ・・・基板
2 ・・・固定電荷層
21 ・・・第1絶縁膜
22 ・・・金属膜
23 ・・・第2絶縁膜
3 ・・・チャネル層
4 ・・・ゲート絶縁層
5 ・・・ゲート電極層
6 ・・・保護層
7 ・・・ソース電極層
8 ・・・ドレイン電極層
Claims (11)
- 酸化物半導体から成るチャネル層を有する半導体デバイスにおけるバックチャネル側の絶縁膜内に固定電荷を発現させる方法であって、
前記絶縁膜を基板上に成膜した後、当該絶縁膜の表面に金属膜を成膜し、当該金属膜を介して前記絶縁膜にイオン注入を行うことにより前記絶縁膜中に固定電荷を発現させる方法。 - 前記イオン注入によるイオンの平均飛程が、前記金属膜の厚みよりも大きく、かつ前記金属膜の厚みと前記絶縁膜の厚みの和よりも小さい請求項1に記載の固定電荷発現方法。
- 前記イオンの平均飛程とその標準偏差の和が、前記金属膜の厚みと前記絶縁膜の厚みの和よりも小さい請求項2に記載の固定電荷発現方法。
- 前記絶縁膜が、シリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜である請求項1に記載の固定電荷発現方法。
- 前記金属膜が、アルミニウム、アルミニウム合金、モリブデン、モリブデン合金、チタン又はチタン合金から構成されるものである請求項1に記載の固定電荷発現方法。
- 前記イオン注入で注入するイオン種は、O、N、C等の原子イオン、O2、N2、C2等の分子イオン、又はAr等の希ガスイオンから選択される1種以上である請求項1に記載の固定電荷発現方法。
- トップゲート型の薄膜トランジスタの製造方法であって、
固定電荷を有する固定電荷層を基板の表面に形成する工程と、
前記固定電荷層の表面に酸化物半導体からなるチャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層の表面にゲート絶縁層を形成する工程とを含み、
前記固定電荷層を形成する工程が、
前記基板の表面に第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜の表面に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜を介して前記第1絶縁膜にイオン注入を行う工程とを含む薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記固定電荷層を形成する工程が、前記第1絶縁膜にイオン注入を行った後、前記金属膜の表面に第2絶縁膜を形成する工程を含む請求項7に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記第2絶縁膜が、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の積層膜、シリコン酸窒化膜又は酸化アルミニウム膜である請求項8に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記第2絶縁膜の厚みが50nm以上200nm以下である請求項8に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 基板上に、固定電荷を有する固定電荷層と、酸化物半導体から成るチャネル層と、ゲート絶縁層とがこの順に積層されたトップゲート型の薄膜トランジスタであって、
前記固定電荷層が、前記基板上に形成された絶縁膜と、当該絶縁膜の表面に形成された金属膜を備え、
前記絶縁膜及び前記金属膜にイオン注入により添加された元素が分布しており、
前記絶縁膜内における前記元素の分布の最大値が、前記金属膜内における前記元素の分布の平均値より大きい薄膜トランジスタ。
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