JPWO2019087784A1 - Thin film transistor and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

本発明の一形態に係る薄膜トランジスタの製造方法は、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。A manufacturing method of a thin film transistor according to one embodiment of the present invention includes forming an active layer over a substrate. A source region and a drain region are formed so as to be electrically connected to the active layer. A first metal oxide layer made of silicon oxide is formed on the surface of the active layer by plasma CVD. A second metal oxide layer made of aluminum oxide is formed on the surface of the first metal oxide layer by ALD. A gate electrode is formed on the surface of the second metal oxide layer.

Description

本発明は、多層構造のゲート絶縁膜を有する薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a thin film transistor having a multi-layered gate insulating film and a method for manufacturing the same.

LTPS薄膜トランジスタ(Low Temperature Poly Silicon TFT)は、移動度が高く、有機EL表示装置や液晶表示装置に用いられる。例えば特許文献1には、LTPSを活性層に使用した薄膜トランジスタが開示されている。   LTPS thin film transistors (Low Temperature Poly Silicon TFTs) have high mobility and are used in organic EL display devices and liquid crystal display devices. For example, Patent Document 1 discloses a thin film transistor using LTPS as an active layer.

特開2010−98149号公報JP 2010-98149 A

通常、ポリシリコンを使用した薄膜トランジスタは、ポリシリコン上にゲート絶縁膜、ゲート電極の順に作製する。しかしながら、ゲート絶縁膜の被覆率が悪いと、凹凸のあるポリシリコン上にゲート絶縁膜が均一に成膜されない。そのため、ゲート電極とポリシリコンとの間にリーク電流が流れてしまい、画像にムラが出る等の表示装置上の問題が発生する。   Usually, a thin film transistor using polysilicon is formed on a polysilicon in the order of a gate insulating film and a gate electrode. However, when the coverage of the gate insulating film is poor, the gate insulating film is not uniformly formed on the uneven polysilicon. For this reason, a leak current flows between the gate electrode and the polysilicon, causing problems on the display device such as unevenness in the image.

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、被覆率が高くトランジスタ特性に優れる薄膜トランジスタ及びその製造方法を提供することにある。   In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide a thin film transistor having a high coverage and excellent transistor characteristics and a method for manufacturing the same.

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る薄膜トランジスタの製造方法は、
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。
In order to achieve the above object, a method for manufacturing a thin film transistor according to an embodiment of the present invention includes:
Forming an active layer on the substrate.
A source region and a drain region are formed so as to be electrically connected to the active layer.
A first metal oxide layer made of silicon oxide is formed on the surface of the active layer by plasma CVD.
A second metal oxide layer made of aluminum oxide is formed on the surface of the first metal oxide layer by ALD.
A gate electrode is formed on the surface of the second metal oxide layer.

上記製造方法においては、ゲート絶縁膜として、第1及び第2の金属酸化物層が順に形成される。第2の金属酸化物層がALDで成膜された酸化アルミニウム膜で構成されるので、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高い被覆率が得られる。これにより、ゲート電極と活性層との間のリーク電流を効果的に防ぐことができ、良好な閾値電圧制御が可能な薄膜トランジスタを製造することが可能となる。   In the manufacturing method, the first and second metal oxide layers are sequentially formed as the gate insulating film. Since the second metal oxide layer is composed of an aluminum oxide film formed by ALD, a high coverage can be obtained as compared with a gate insulating film made of a silicon oxide single film formed by plasma CVD. As a result, a leakage current between the gate electrode and the active layer can be effectively prevented, and a thin film transistor capable of good threshold voltage control can be manufactured.

また、このようにゲート絶縁膜を多層に形成することで、酸化ケイ素単膜によるゲート絶縁膜と比べて見かけの誘電率が高くなる。これにより、活性層の電荷移動度が改善される。   Further, by forming the gate insulating film in multiple layers in this way, the apparent dielectric constant becomes higher than that of the gate insulating film made of a single silicon oxide film. This improves the charge mobility of the active layer.

上記第1の金属酸化物層と上記第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、上記中間層をアニール処理する工程とをさらに含んでいてもよい。   The method may further include a step of forming a hydrogen-rich intermediate layer between the first metal oxide layer and the second metal oxide layer, and a step of annealing the intermediate layer.

この製造方法によれば、水素リッチな中間層に含まれる多量の水素原子が、アニールによって、活性層と第1の金属酸化物層との界面に移動する。多量の水素原子は、当該界面に存在するダングリングボンドを終端して、界面準位密度を低下させる。これにより、ゲート電極と活性層との間のリーク電流を防ぎ、良好なスイッチング特性を有する薄膜トランジスタを製造することが可能となる。   According to this manufacturing method, a large amount of hydrogen atoms contained in the hydrogen-rich intermediate layer moves to the interface between the active layer and the first metal oxide layer by annealing. A large amount of hydrogen atoms terminates dangling bonds existing at the interface and lowers the interface state density. As a result, a leakage current between the gate electrode and the active layer can be prevented, and a thin film transistor having good switching characteristics can be manufactured.

また、この製造方法によれば、第2の金属酸化物層がバリア層として働き、第1の金属酸化物層及び中間層に含まれる水素原子が、アニールによって、活性層と第1の金属酸化物層との界面に移動し易くなる。これにより、当該界面の欠陥修復効果を高めることが可能となる。   Further, according to this manufacturing method, the second metal oxide layer functions as a barrier layer, and hydrogen atoms contained in the first metal oxide layer and the intermediate layer are annealed to form the active layer and the first metal oxide layer. It becomes easy to move to the interface with the physical layer. Thereby, it becomes possible to improve the defect repair effect of the interface.

上記第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、上記中間層を形成してもよい。   The intermediate layer may be formed by performing hydrogen plasma treatment on the first metal oxide layer.

上記第1及び第2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、上記中間層を形成してもよい。   The intermediate layer may be formed by forming a silicon nitride or silicon oxynitride layer between the first and second metal oxide layers.

上記第1の金属酸化物層を形成する工程と、上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てもよい。このように、基板処理を同チャンバ内で行うことにより、基板の入れ替えに伴う基板表面の汚染を防ぐことが可能となる。また、基板入れ替えの手間や機器のコストを削減することが可能となる。   The step of forming the first metal oxide layer and the step of forming the silicon nitride or silicon oxynitride layer may be performed in the same chamber. Thus, by performing the substrate processing in the same chamber, it becomes possible to prevent the contamination of the substrate surface accompanying the replacement of the substrate. Further, it is possible to reduce the labor for replacing the board and the cost of the equipment.

上記第1の金属酸化物層を形成する工程と、上記第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てもよい。
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。
The step of forming the first metal oxide layer and the step of forming the second metal oxide layer may be performed continuously in a vacuum atmosphere.
Thus, it is possible to prevent contamination of the substrate surface by gas or air by making the substrate processing consistent in vacuum.

本発明の一形態に係る薄膜トランジスタは、ゲート電極と、活性層と、ソース領域及びドレイン領域と、ゲート絶縁膜とを具備する。
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。
A thin film transistor according to one embodiment of the present invention includes a gate electrode, an active layer, a source region and a drain region, and a gate insulating film.
The active layer is made of polysilicon.
The source region and the drain region are electrically connected to the active layer.
The gate insulating film includes a first metal oxide layer and a second metal oxide layer.
The first metal oxide layer is made of silicon oxide and is disposed between the gate electrode and the active layer.
The second metal oxide layer is made of aluminum oxide and is disposed between the first metal oxide layer and the gate electrode.

上記ゲート絶縁膜は、上記第1の金属酸化物層と上記第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んでいてもよい。   The gate insulating film may further include an intermediate layer containing silicon nitride between the first metal oxide layer and the second metal oxide layer.

上記ゲート絶縁膜は、上記第1の金属酸化物層と上記第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んでいてもよい。   The gate insulating film may further include an intermediate layer containing silicon oxynitride between the first metal oxide layer and the second metal oxide layer.

上記中間層の厚みは、3nm以上10nm以下であってもよい。
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。
The thickness of the intermediate layer may be 3 nm or more and 10 nm or less.
Since the intermediate layer functions only as a hydrogen atom supply source, a sufficient amount of hydrogen can be supplied to the interface with a thickness of 3 nm to 10 nm.

以上述べたように、本発明によれば、被覆率が高くトランジスタ特性に優れるゲート絶縁膜を有する薄膜トランジスタ及びその製造方法を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a thin film transistor having a gate insulating film with high coverage and excellent transistor characteristics, and a method for manufacturing the same.

本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the thin-film transistor which concerns on one Embodiment of this invention. 上記薄膜トランジスタの製造方法を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining the manufacturing method of the said thin-film transistor. 上記薄膜トランジスタの製造方法を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining the manufacturing method of the said thin-film transistor. 本発明の一形態に係る薄膜トランジスタの製造に用いられるプラズマCVD装置の概略図である。It is the schematic of the plasma CVD apparatus used for manufacture of the thin-film transistor which concerns on one form of this invention. 本発明の一形態に係る薄膜トランジスタの製造に用いられるALD装置の概略図である。1 is a schematic view of an ALD apparatus used for manufacturing a thin film transistor according to an embodiment of the present invention. 上記薄膜トランジスタの製造方法を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining the manufacturing method of the said thin-film transistor. 上記薄膜トランジスタの製造方法を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining the manufacturing method of the said thin-film transistor. 上記薄膜トランジスタの製造方法を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining the manufacturing method of the said thin-film transistor. 各金属酸化物薄膜のフラットバンド電圧を示す一実験結果である。It is one experimental result which shows the flat band voltage of each metal oxide thin film. Al薄膜のCVカーブを示す一実験結果である。It is an experimental result showing a CV curve of the al 2 O 3 thin film. TEOS−SiOとAlとの二層構造の薄膜のCVカーブを示す一実験結果である。Is an experimental result showing a thin film of CV curves of a two-layer structure of the TEOS-SiO x and Al 2 O 3. 上記薄膜トランジスタの第1の金属酸化物層の膜厚とフラットバンド電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness of the 1st metal oxide layer of the said thin-film transistor, and a flat band voltage. 上記薄膜トランジスタの第1の金属酸化物層の膜厚とヒステリシス特性との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness of the 1st metal oxide layer of the said thin-film transistor, and a hysteresis characteristic. 上記薄膜トランジスタの第1の金属酸化物層の膜厚と界面準位密度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness of the 1st metal oxide layer of the said thin-film transistor, and an interface state density. 本発明の第2の実施形態に係る薄膜トランジスタの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the thin-film transistor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 上記薄膜トランジスタの中間層の膜厚と界面準位密度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness of the intermediate | middle layer of the said thin-film transistor, and an interface state density. 本発明の第3の実施形態に係る薄膜トランジスタの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the thin-film transistor concerning the 3rd Embodiment of this invention.

[LTPS−TFTの概要]
LTPSに用いられるゲート絶縁膜には、一般的に、TEOS−SiOが用いられている。TEOS−SiOに用いられるゲート絶縁膜は、SiH−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−SiO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。
[Outline of LTPS-TFT]
Generally, TEOS-SiO X is used for a gate insulating film used for LTPS. A gate insulating film used for TEOS-SiO X has excellent thin film transistor characteristics as compared with a gate insulating film made of SiH 4 —SiO. Specifically, in TEOS-SiO X , the flat band voltage is close to the ideal value, the threshold voltage control of the thin film transistor is relatively easy, the long-term stability of the thin film transistor characteristics is excellent, the defect level density at the interface is small, etc. There is a feature.

ところが、TEOS−SiO膜は、デバイスパターンに対する良好な被覆率が得られにくいという問題がある。トップゲート型のLTPS−TFTの膜構造は、活性層としてのポリシリコン上にゲート絶縁膜及びゲート電極が順に形成される。凹凸のあるポリシリコン上に形成されるゲート絶縁膜の被覆率が悪いと、ゲート絶縁膜が均一に成膜されずに、ゲート電極とポリシリコンとの間にリーク電流が流れてしまい、画像にムラが発生してしまう等の表示装置上の問題となってしまう。
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。
However, the TEOS-SiO X film has a problem that it is difficult to obtain a good coverage with respect to the device pattern. In the film structure of the top gate type LTPS-TFT, a gate insulating film and a gate electrode are sequentially formed on polysilicon as an active layer. If the coverage of the gate insulating film formed on the uneven polysilicon is poor, the gate insulating film is not uniformly formed, and a leak current flows between the gate electrode and the polysilicon. This causes problems on the display device such as unevenness.
In order to increase the aperture ratio of the pixel portion of the display device and to reduce the power consumption of peripheral circuits other than the pixel, it is necessary to reduce the operating voltage. In order to take these measures, it is necessary to increase the mobility of the thin film transistor. For this purpose, it is necessary to reduce the thickness of the gate insulating film. However, since the thinning of the gate insulating film causes an increase in leakage current, there is a limit to the thinning of the gate insulating film.

そこで近年、トランジスタ特性に優れ、かつ、凹凸に対する被覆率に優れたゲート絶縁膜特性が、表示装置の特性改善に必要な技術として注目されている。
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。
Therefore, in recent years, a gate insulating film characteristic that is excellent in transistor characteristics and excellent in coverage with respect to unevenness has attracted attention as a technique necessary for improving the characteristics of display devices.
An atomic layer deposition method (ALD) is known as a technique for forming an insulating film having an excellent coverage with respect to unevenness. In this method, two or more kinds of source gases are sequentially supplied to the substrate surface to form an atomic layer controlled thin film. ALD uses a function that self-stops the adsorption and reaction in a single molecular layer when the raw material is supplied to the substrate surface. This makes it very easy to handle irregularities on the substrate, and the coverage is almost 100%. This is a method for forming an insulating film.

ところが、ALD技術で成膜されたAl薄膜についてCV(容量−電圧)特性を評価すると、後述するように、フラットバンド電圧がプラス側に大きくシフトする傾向がある。CVカーブ測定時の開始電圧がプラスの時とマイナスの時とでフラットバンド電圧に違いが生じるような、ヒステリシスが発生すると、トランジスタ特性の閾値電圧が不安定になり、このままではゲート絶縁膜としては使用することができない。However, when the CV (capacitance-voltage) characteristics of the Al 2 O 3 thin film formed by the ALD technique are evaluated, the flat band voltage tends to greatly shift to the plus side, as will be described later. When hysteresis occurs that causes a difference in the flat band voltage between when the starting voltage during CV curve measurement is positive and when it is negative, the threshold voltage of the transistor characteristics becomes unstable. Cannot be used.

以上の問題を解決するため、本実施形態においては、ゲート絶縁膜の構造及び作製法を工夫することで、CVカーブのヒステリシス特性を抑えつつ、ポリシリコンの被覆率を高め、良好なトランジスタ特性を得るようにしている。   In order to solve the above problems, in the present embodiment, the gate insulating film structure and the manufacturing method are devised to suppress the hysteresis characteristics of the CV curve, while increasing the coverage of polysilicon, thereby providing good transistor characteristics. Trying to get.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

<第1の実施形態>
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。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a thin film transistor 1 according to an embodiment of the present invention.

[薄膜トランジスタの構成]
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。
[Configuration of thin film transistor]
The thin film transistor 1 according to the present embodiment includes an active layer 11, a source region 14 </ b> S and a drain region 14 </ b> D, a gate insulating film 12, and a gate electrode 13.

薄膜トランジスタ1は、基板10上に形成された活性層11、ソース領域14S及びドレイン領域14Dを被覆するようにゲート絶縁膜12が形成され、ゲート絶縁膜12上にゲート電極13が形成された、トップゲート型の薄膜トランジスタで構成される。   The thin film transistor 1 includes a gate insulating film 12 formed so as to cover the active layer 11, the source region 14S and the drain region 14D formed on the substrate 10, and a gate electrode 13 formed on the gate insulating film 12. A gate type thin film transistor is used.

以下、薄膜トランジスタ1の各部の構成について説明する。   Hereinafter, the configuration of each part of the thin film transistor 1 will be described.

(活性層)
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。
(Active layer)
The active layer 11 is made of polysilicon formed on an insulating film (eg, silicon oxide film) 10 a on the substrate 10 and functions as a channel layer of the thin film transistor 1. The substrate 10 is typically a transparent glass substrate, but may be a semiconductor substrate such as a silicon substrate or a resin substrate such as a plastic film. As will be described later, the active layer 11 is formed by crystallizing amorphous silicon formed on the substrate 10 by annealing. The thickness of the active layer 11 is not specifically limited, For example, it is 40 nm-50 nm.

(ソース領域及びドレイン領域)
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。
(Source region and drain region)
The source region 14S and the drain region 14D are formed so as to be separated from each other so as to sandwich the active layer 11. As will be described later, the source region 14S and the drain region 14D are formed, for example, by implanting impurity ions into a polysilicon film constituting the active layer 11.

(ゲート絶縁膜)
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。
(Gate insulation film)
The gate insulating film 12 is disposed between the active layer 11 and the gate electrode 13 and electrically insulates between them, and the charge is inverted in the active layer 11 by the voltage applied to the gate electrode 12. It has a function of forming a layer (inversion layer). The gate insulating film 12 includes a first metal oxide layer 12A and a second metal oxide layer 12B.

第1の金属酸化物層12Aは、活性層11と、ソース領域14S及びドレイン領域14Dとを被覆するように、基板10上に形成される。   The first metal oxide layer 12A is formed on the substrate 10 so as to cover the active layer 11, the source region 14S, and the drain region 14D.

第1の金属酸化物層12Aは、酸化ケイ素(SiO)で構成され、本実施形態では、シラン(SiH)やTEOSを成膜材料として形成された酸化ケイ素で構成される。これにより、薄膜トランジスタ1は、閾値電圧制御が比較的容易となり、トランジスタ特性の長期安定性に優れる、界面準位密度が小さい、等の優れた特性を得ることができる。第1の金属酸化物層12Aの厚みは、例えば、10nm〜120nmとすることができる。The first metal oxide layer 12A is made of silicon oxide (SiO x ). In the present embodiment, the first metal oxide layer 12A is made of silicon oxide formed using silane (SiH 4 ) or TEOS as a film forming material. Thereby, the thin film transistor 1 can relatively easily control the threshold voltage, and can obtain excellent characteristics such as excellent long-term stability of transistor characteristics and low interface state density. The thickness of the first metal oxide layer 12A can be, for example, 10 nm to 120 nm.

第1の金属酸化物層12Aの形成方法としては、後述するようにプラズマCVD(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition)が用いられる。プラズマCVDの原料ガスとしては、例えば、シラン(SiH)、テトラエトキシシラン(TEOS)等のケイ素化合物を用いることができる。本実施形態では、プラズマCVDの原料ガスとして、TEOS及び酸素(O)が用いられる。As a method of forming the first metal oxide layer 12A, plasma CVD (Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition) is used as will be described later. As a source gas for plasma CVD, for example, a silicon compound such as silane (SiH 4 ) or tetraethoxysilane (TEOS) can be used. In this embodiment, TEOS and oxygen (O 2 ) are used as a source gas for plasma CVD.

第2の金属酸化物層12Bは、第1の金属酸化物層12Aの上に形成される。第2の金属酸化物層12Bは、酸化アルミニウム(Al)で構成される。第2の金属酸化物層12Bの形成方法としては、ALD(Atomic Layer Deposition)が用いられる。ALDの原料ガスとしては、種々のアルミニウム化合物を用いることができ、本実施形態では、トリメチルアルミニウム(TMA)が用いられる。また、ALDの反応ガスとしては、酸素、オゾン(O)等の酸化ガスを用いることができ、本実施形態では、水蒸気(HO)が用いられる。また、ALDのパージガスとしては、特に限定されず、本実施形態では、窒素(N)が用いられる。The second metal oxide layer 12B is formed on the first metal oxide layer 12A. The second metal oxide layer 12B is made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ). As a method of forming the second metal oxide layer 12B, ALD (Atomic Layer Deposition) is used. As an ALD source gas, various aluminum compounds can be used. In this embodiment, trimethylaluminum (TMA) is used. In addition, an oxidizing gas such as oxygen or ozone (O 3 ) can be used as a reaction gas for ALD, and in this embodiment, water vapor (H 2 O) is used. The purge gas for ALD is not particularly limited, and nitrogen (N 2 ) is used in this embodiment.

ALDは段差被覆性及び膜厚制御性に優れており、ALDによって作製されたAl層は、優れた被覆率を有し、リーク電流を効果的に防ぐことが可能となる。その反面、Al薄膜の単一層でゲート絶縁膜を構成した場合、フラットバンド電圧が正方向にシフトする傾向があり、これによりヒステリシス特性が発生し、当該ヒステリシス特性の大きさによっては、薄膜トランジスタの閾値電圧が不安定になるおそれがある。ALD is excellent in step coverage and film thickness controllability, and the Al 2 O 3 layer produced by ALD has an excellent coverage and can effectively prevent leakage current. On the other hand, when the gate insulating film is composed of a single layer of Al 2 O 3 thin film, the flat band voltage tends to shift in the positive direction, thereby generating a hysteresis characteristic, and depending on the magnitude of the hysteresis characteristic, The threshold voltage of the thin film transistor may become unstable.

本実施形態では、ゲート絶縁膜12が、TEOS−SiOで構成される第1の金属酸化物層12Aと、Alで構成される第2の金属酸化物層12Bとが順に積層した二層構造となっている。この構造により、Al層に起因するヒステリシス特性を抑え、かつ優れた被覆率を得ることが可能となる。これにより、薄膜トランジスタ1は、リーク電流を防ぎつつ良好な閾値電圧制御が可能となる。In the present embodiment, the gate insulating film 12 is formed by sequentially laminating a first metal oxide layer 12A composed of TEOS-SiO x and a second metal oxide layer 12B composed of Al 2 O 3 . It has a two-layer structure. With this structure, it is possible to suppress the hysteresis characteristic due to the Al 2 O 3 layer and obtain an excellent coverage. Thereby, the thin film transistor 1 can perform good threshold voltage control while preventing leakage current.

第2の金属酸化物層12Bの厚みは、例えば、10nm〜120nmとすることができる。これにより、ヒステリシス特性を抑えつつ優れた被覆率を得ることが可能となる。   The thickness of the second metal oxide layer 12B can be, for example, 10 nm to 120 nm. This makes it possible to obtain an excellent coverage while suppressing the hysteresis characteristics.

ゲート絶縁膜12の厚み(第1の金属酸化物層12Aの厚みと第2の金属酸化物層12Bの厚みの和)を、合計130nm以内とすることで、薄膜トランジスタ1の小型化を図りつつ、上記の各効果を得ることが可能となる。   By making the thickness of the gate insulating film 12 (the sum of the thickness of the first metal oxide layer 12A and the thickness of the second metal oxide layer 12B) within a total of 130 nm, the thin film transistor 1 can be reduced in size. Each of the above effects can be obtained.

(ゲート電極)
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。
(Gate electrode)
The gate electrode 13 is made of a conductive film formed on the gate insulating film 12. The gate electrode 13 is typically composed of a metal single layer film or a metal multilayer film of Al, Mo, Cu, Ti or the like, and is formed by, for example, a sputtering method. The thickness of the gate electrode 13 is not specifically limited, For example, it is 200 nm-300 nm.

(その他)
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。
(Other)
An interlayer insulating film 15 is formed on the gate insulating film 12 and the gate electrode 13. The interlayer insulating film 15 is for maintaining insulation between the electrodes. The interlayer insulating film 15 is made of an electrically insulating material, and is typically made of silicon oxide, silicon nitride, or the like. The thickness of the interlayer insulation film 15 is not specifically limited, For example, it is 200 nm-500 nm.

薄膜トランジスタ1は、ソース電極16S及びドレイン電極16Dをさらに有する。ソース電極16S及びドレイン電極16Dは、層間絶縁膜15及びゲート絶縁膜12を貫通し、ソース領域14S及びドレイン領域14Dにそれぞれ電気的に接続される。ソース電極16S及びドレイン電極16Dは、ソース領域14S及びドレイン領域14Dを、図示しない周辺回路へ接続するための引出し電極として構成される。   The thin film transistor 1 further includes a source electrode 16S and a drain electrode 16D. The source electrode 16S and the drain electrode 16D penetrate the interlayer insulating film 15 and the gate insulating film 12, and are electrically connected to the source region 14S and the drain region 14D, respectively. The source electrode 16S and the drain electrode 16D are configured as extraction electrodes for connecting the source region 14S and the drain region 14D to a peripheral circuit (not shown).

[薄膜トランジスタの製造方法]
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。
[Thin Film Transistor Manufacturing Method]
Next, a method for manufacturing the thin film transistor 1 of the present embodiment configured as described above will be described. 2 to 8 are cross-sectional views of each process and a schematic cross-sectional view of the film forming apparatus for explaining the method of manufacturing the thin film transistor 1.

(ゲート電極の形成)
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(SiH)やジシラン(Si)等のケイ素化合物を用いることができる。
(Formation of gate electrode)
First, as shown in FIG. 2, an insulating film 10 a and an amorphous silicon film A are formed on the substrate 10. The insulating film 10a is typically composed of a silicon oxide film, but of course may be composed of other materials and may be omitted as necessary. The raw material of the amorphous silicon film A is not particularly limited. For example, if formed by plasma CVD, a silicon compound such as silane (SiH 4 ) or disilane (Si 2 H 6 ) can be used as a raw material gas.

(ゲート絶縁膜の形成)
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。
(Formation of gate insulating film)
Next, heat treatment is performed to crystallize the amorphous silicon film A formed on the substrate 10. Thereafter, the active layer 11 made of polysilicon is formed by patterning into a predetermined shape.

続いて、図3に示すように、活性層11の表面を被覆するように基板10上にゲート絶縁膜12が形成される。ゲート絶縁膜12の形成工程は、第1の金属酸化物層12Aを形成するステップと、第2の金属酸化物層12Bを形成するステップとを有する。   Subsequently, as shown in FIG. 3, a gate insulating film 12 is formed on the substrate 10 so as to cover the surface of the active layer 11. The formation process of the gate insulating film 12 includes a step of forming the first metal oxide layer 12A and a step of forming the second metal oxide layer 12B.

〔第1の金属酸化物層の形成工程〕
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。
[Step of forming first metal oxide layer]
The first metal oxide layer 12 </ b> A is formed on the substrate 10 so as to cover the surface of the active layer 11. The first metal oxide layer 12A is formed by plasma CVD. The plasma CVD apparatus is not particularly limited, and in this embodiment, a plasma CVD apparatus 100 schematically shown in FIG. 4 is used.

プラズマCVD装置100は、真空チャンバ110と、真空チャンバ110内部に設置された基板支持用のステージ111とを備える。ステージ111は、内部にヒータ112を有する。真空チャンバ110の内部には、ヒータステージ111と対向する位置に高周波電極113が配置されている。高周波電極113は、シャワーヘッド114を有し、シャワーヘッド114にはガス導入系から導入されたガスを均一に拡散させるためのガス拡散板115及びガスを噴出する複数の噴出孔116が設けられている。真空チャンバ110には、真空排気系120、高周波電源を有する電力供給系130、コントローラ140及び図示しないガス導入系が接続されている。コントローラ140は、ヒータ112、電力供給系130、真空排気系120及びガス導入系をそれぞれ制御する。   The plasma CVD apparatus 100 includes a vacuum chamber 110 and a substrate support stage 111 installed in the vacuum chamber 110. The stage 111 has a heater 112 inside. Inside the vacuum chamber 110, a high frequency electrode 113 is disposed at a position facing the heater stage 111. The high-frequency electrode 113 has a shower head 114. The shower head 114 is provided with a gas diffusion plate 115 for uniformly diffusing the gas introduced from the gas introduction system and a plurality of ejection holes 116 for ejecting the gas. Yes. A vacuum exhaust system 120, a power supply system 130 having a high frequency power source, a controller 140, and a gas introduction system (not shown) are connected to the vacuum chamber 110. The controller 140 controls the heater 112, the power supply system 130, the vacuum exhaust system 120, and the gas introduction system.

本実施形態では、プラズマCVDの原料ガス(CVDガス)として、TEOS及びOが用いられる。TEOSとOとの流量比は、特に限定されず、例えば、O/TEOS=50とすることができる。In the present embodiment, TEOS and O 2 are used as a source gas (CVD gas) for plasma CVD. The flow rate ratio between TEOS and O 2 is not particularly limited, and can be, for example, O 2 / TEOS = 50.

成膜条件は特に限定されず、例えばガラス基板サイズ730mm×920mmの時は、以下の条件で実施される。
TEOS流量:360[sccm]
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[℃]
The film formation conditions are not particularly limited. For example, when the glass substrate size is 730 mm × 920 mm, the film formation is performed under the following conditions.
TEOS flow rate: 360 [sccm]
O 2 flow rate: 16000 [sccm]
Process pressure: 175 [Pa]
RF frequency: 27.12 [MHz]
RF power: 4000 [W]
Heater temperature: 350 [° C]

〔第2の金属酸化物層の形成〕
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。
[Formation of second metal oxide layer]
The second metal oxide layer 12B is formed so as to cover the first metal oxide layer 12A. The second metal oxide layer 12B is formed by ALD. The ALD apparatus is not particularly limited, and an ALD apparatus 200 schematically shown in FIG. 5 is used in this embodiment.

ALD装置200は、真空チャンバ210と、真空チャンバ210の内部に設置された基板支持用のステージ211とを備える。ステージ211は、内部にヒータ212を有する。真空チャンバ210には、コントローラ220と、図示しないガス導入系及び真空排気系が配置されている。コントローラ220は、ヒータ212、ガス導入系及び真空排気系をそれぞれ制御する。   The ALD apparatus 200 includes a vacuum chamber 210 and a stage 211 for supporting a substrate installed inside the vacuum chamber 210. The stage 211 has a heater 212 inside. In the vacuum chamber 210, a controller 220 and a gas introduction system and a vacuum exhaust system (not shown) are arranged. The controller 220 controls the heater 212, the gas introduction system, and the vacuum exhaust system.

ガス導入系は、原料ガス、反応ガス及びパージガスをそれぞれ独立して、あるいは混合して真空チャンバ210内部に導入することが可能に構成される。本実施形態では、原料ガスとしてTMAガスが、反応ガスとして水蒸気が、パージガスとしてNガスがそれぞれ用いられる。The gas introduction system is configured such that the source gas, the reaction gas, and the purge gas can be introduced into the vacuum chamber 210 independently or mixed. In this embodiment, TMA gas is used as the source gas, water vapor is used as the reaction gas, and N 2 gas is used as the purge gas.

第2の金属酸化物層12Bの形成に際しては、第一の工程として、ガス導入系から原料ガスとしてTMAガスを真空チャンバ210に導入する。真空チャンバ210内に導入されたTMAガスの分子は、基板10の表面に吸着(化学吸着)する。基板10の表面にTMAガスの分子を吸着させた後、ガス導入系からのTMAガスの導入を停止する。   In forming the second metal oxide layer 12B, as a first step, TMA gas is introduced into the vacuum chamber 210 as a source gas from a gas introduction system. The TMA gas molecules introduced into the vacuum chamber 210 are adsorbed (chemically adsorbed) on the surface of the substrate 10. After the TMA gas molecules are adsorbed on the surface of the substrate 10, the introduction of the TMA gas from the gas introduction system is stopped.

被覆条件は、例えばガラス基板サイズ730mm×920mmの時は、基板10の温度を250℃、真空チャンバ210内の圧力を100Pa、TMAガスの導入量を3cc/cycleとすることができる。尚、以降の処理においても、基板10の温度は250℃に設定している。   For example, when the glass substrate size is 730 mm × 920 mm, the coating conditions can be such that the temperature of the substrate 10 is 250 ° C., the pressure in the vacuum chamber 210 is 100 Pa, and the amount of TMA gas introduced is 3 cc / cycle. In the subsequent processing, the temperature of the substrate 10 is set to 250 ° C.

次に、第二の工程として、ガス導入系からパージガスとしてNガスを導入する。パージガスにより真空チャンバ210内の圧力が高まり、原料ガスが押し出される。真空チャンバ210内に拡散していた原料ガスは、排気ポンプにより真空排気される。Next, as a second step, N 2 gas is introduced as a purge gas from the gas introduction system. The pressure in the vacuum chamber 210 is increased by the purge gas, and the source gas is pushed out. The source gas diffused in the vacuum chamber 210 is evacuated by an exhaust pump.

パージ条件は、Nガスの導入時間を1秒、真空チャンバ210内の圧力を100Pa、Nガスの流量を1000sccmとした。The purge conditions were such that the N 2 gas introduction time was 1 second, the pressure in the vacuum chamber 210 was 100 Pa, and the N 2 gas flow rate was 1000 sccm.

次に、第三の工程として、ガス導入系から反応ガスとして水蒸気を導入する。真空チャンバ210に導入された水蒸気は、基板10の表面に付着していたTMAガスの分子と反応してTMAを酸化し、基板10表面に酸化アルミニウム(Al)の薄膜が形成される。反応後、ガス導入系からの反応ガスの導入を停止する。Next, as a third step, water vapor is introduced as a reaction gas from the gas introduction system. The water vapor introduced into the vacuum chamber 210 reacts with TMA gas molecules adhering to the surface of the substrate 10 to oxidize TMA, and a thin film of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is formed on the surface of the substrate 10. . After the reaction, the introduction of the reaction gas from the gas introduction system is stopped.

酸化条件は、真空チャンバ210内の圧力を100Pa、水蒸気の導入量を3cc/cycleとした。   The oxidation conditions were such that the pressure in the vacuum chamber 210 was 100 Pa and the amount of water vapor introduced was 3 cc / cycle.

次に、第四の工程として、ガス導入系からパージガスとしてNガスを導入する。パージガスにより真空チャンバ210内の圧力が高まり、水蒸気が押し出される。真空チャンバ210内に拡散していた水蒸気は、排気ポンプにより真空排気される。Next, as a fourth step, N 2 gas is introduced as a purge gas from the gas introduction system. The pressure in the vacuum chamber 210 is increased by the purge gas, and water vapor is pushed out. The water vapor diffused in the vacuum chamber 210 is evacuated by an exhaust pump.

パージ条件は、Nガスの導入時間を1秒、真空チャンバ210内の圧力を100Pa、Nガスの流量を1000sccmとした。The purge conditions were such that the N 2 gas introduction time was 1 second, the pressure in the vacuum chamber 210 was 100 Pa, and the N 2 gas flow rate was 1000 sccm.

薄膜が所望の厚みとなるまで上記第一〜第四の工程を順に複数サイクル繰り返すことで、Al薄膜からなる第2の金属酸化物層12Bが形成される。By repeating the above first to fourth steps for a plurality of cycles in order until the thin film has a desired thickness, the second metal oxide layer 12B made of the Al 2 O 3 thin film is formed.

(ゲート電極の形成工程)
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。
(Gate electrode formation process)
Next, as shown in FIG. 6, the gate electrode 13 is formed on the second metal oxide layer 12B.

ゲート電極13は、典型的には、アルミニウム、モリブデン、銅、チタン等の金属単層膜又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は、上記金属膜を所定形状にパターニングすることによって形成される。   The gate electrode 13 is typically composed of a metal single layer film or a metal multilayer film such as aluminum, molybdenum, copper, or titanium, and is formed by, for example, a sputtering method. The gate electrode 13 is formed by patterning the metal film into a predetermined shape.

(ソース領域及びドレイン領域の形成工程)
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。
(Process for forming source region and drain region)
Subsequently, as shown in FIG. 7, a source region 14S and a drain region 14D are formed.

ソース領域14S及びドレイン領域14Dの形成方法は特に限定されず、本実施形態では、ゲート電極13をマスクとしたイオン注入技術によって、活性層11を構成するポリシリコン膜の所定領域にソース領域14S及びドレイン領域14Dがそれぞれ形成される。注入される不純物イオン(ドーパント)は、活性層11の導電タイプ(N型、P型)に応じて適宜選択され、典型的には、ボロン(B)やリン(P)が用いられる。   The formation method of the source region 14S and the drain region 14D is not particularly limited. In this embodiment, the source region 14S and the drain region 14D are formed in predetermined regions of the polysilicon film constituting the active layer 11 by an ion implantation technique using the gate electrode 13 as a mask. Drain regions 14D are formed respectively. Impurity ions (dopants) to be implanted are appropriately selected according to the conductivity type (N type, P type) of the active layer 11, and typically boron (B) or phosphorus (P) is used.

(層間絶縁膜及びソース/ドレイン電極の形成工程)
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。
(Process for forming interlayer insulating film and source / drain electrode)
Next, as shown in FIG. 8, an interlayer insulating film 15 is formed so as to cover the gate electrode 13 and the second metal oxide layer 12B.

層間絶縁膜15は、電気絶縁性材料で構成される。典型的には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の酸化膜又は窒化膜、さらにこれらの積層膜等で構成される。層間絶縁膜15は、例えば、CVD法、スパッタリング法によって形成される。   The interlayer insulating film 15 is made of an electrically insulating material. Typically, it is composed of an oxide film or nitride film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film, and a laminated film thereof. The interlayer insulating film 15 is formed by, for example, a CVD method or a sputtering method.

続いて、ソース領域14S及びドレイン領域14Dに到達する開口部D1及びD2が、層間絶縁膜15及びゲート絶縁膜12を貫通するように形成される。開口部D1及びD2の形成方法は、特に限定されず、例えばレーザ加工技術やエッチング法等が用いられる。   Subsequently, openings D1 and D2 reaching the source region 14S and the drain region 14D are formed so as to penetrate the interlayer insulating film 15 and the gate insulating film 12. The formation method of the openings D1 and D2 is not particularly limited, and for example, a laser processing technique or an etching method is used.

その後、開口部D1及びD2を充填する金属膜が層間絶縁膜15の上に形成され、当該金属膜を所定形状にパターニングすることで、ソース電極16S及びドレイン電極16Dが形成される。以上のようにして、図1に示す薄膜トランジスタ1が製造される。   Thereafter, a metal film filling the openings D1 and D2 is formed on the interlayer insulating film 15, and the metal film is patterned into a predetermined shape, thereby forming the source electrode 16S and the drain electrode 16D. As described above, the thin film transistor 1 shown in FIG. 1 is manufactured.

[本実施形態の作用]
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。
[Operation of this embodiment]
In the present embodiment, the gate insulating film 12 is composed of a laminated film of a first metal oxide layer 12A and a second metal oxide layer 12B. Since the second metal oxide layer 12B is composed of an aluminum oxide layer formed by ALD, a higher coverage with respect to the active layer 11 than a gate insulating film made of a silicon oxide single film formed by plasma CVD. Is obtained.

ここで、上述のように、Al薄膜の単一層でゲート絶縁膜が構成される場合、フラットバンド電圧が正方向にシフトする傾向がある。また、ヒステリシス特性が発生しやすい。ヒステリシス特性を有するゲート絶縁膜を薄膜トランジスタに適用すると、薄膜トランジスタの閾値電圧が不安定になるおそれがある。Here, as described above, when the gate insulating film is composed of a single layer of Al 2 O 3 thin film, the flat band voltage tends to shift in the positive direction. In addition, hysteresis characteristics are likely to occur. When a gate insulating film having hysteresis characteristics is applied to a thin film transistor, the threshold voltage of the thin film transistor may be unstable.

発明者らは、ゲート絶縁膜の構成が異なる複数のサンプルをシリコンウェハ上に作製し、これらのフラットバンド電圧及びヒステリシス特性を評価した。   The inventors produced a plurality of samples having different gate insulating film configurations on a silicon wafer, and evaluated their flat band voltage and hysteresis characteristics.

まず、ALDによって成膜されたAl薄膜の単一層からなるゲート絶縁膜を有するサンプル1と、プラズマCVDによって成膜されたTEOS−SiO薄膜の単一層からなるゲート絶縁膜を有するサンプル2とを作製した。本実験例では、成膜装置に図4及び図5にそれぞれ示したプラズマCVD装置100及びALD装置200を用いた。First, a sample 1 having a gate insulating film made of a single layer of Al 2 O 3 thin film formed by ALD and a sample having a gate insulating film made of a single layer of TEOS-SiO x thin film formed by plasma CVD. 2 were produced. In this experimental example, the plasma CVD apparatus 100 and the ALD apparatus 200 shown in FIGS. 4 and 5 were used as the film forming apparatus, respectively.

図9及び表1に、サンプル1,2におけるゲート絶縁膜の膜厚とフラットバンド電圧(Vfb)との関係を示す測定結果を示す。図9中、白抜き菱形記号はAl薄膜を、黒四角はTEOS−SiO薄膜をそれぞれ示す。FIG. 9 and Table 1 show the measurement results showing the relationship between the thickness of the gate insulating film and the flat band voltage (Vfb) in Samples 1 and 2. In FIG. 9, the white diamond symbol indicates an Al 2 O 3 thin film, and the black square indicates a TEOS-SiO x thin film.

Figure 2019087784
Figure 2019087784

図11及び表1より、ゲート絶縁膜がTEOS−SiO薄膜で構成されたサンプル2と比較して、ゲート絶縁膜がAl薄膜で構成されたサンプル1は、フラットバンド電圧が+3V以上と正方向に大きくシフトしていることが確認される。11 and Table 1, sample 1 in which the gate insulating film is composed of an Al 2 O 3 thin film has a flat band voltage of +3 V or more, as compared with sample 2 in which the gate insulating film is composed of a TEOS-SiO x thin film. It is confirmed that there is a large shift in the positive direction.

次に、プラズマCVDによって成膜された厚み50nmのTEOS−SiO薄膜とALDによって成膜された厚み50nmのAl薄膜との積層膜からなるゲート絶縁膜(本実施形態のゲート絶縁膜12の構成に相当)を有するサンプル3を作製し、サンプル1とサンプル3のCVカーブを比較した。図10及び図11に、サンプル1,3のCVカーブ測定結果を示す。Next, a gate insulating film (a gate insulating film according to the present embodiment) composed of a laminated film of a TEOS-SiO x thin film having a thickness of 50 nm formed by plasma CVD and an Al 2 O 3 thin film having a thickness of 50 nm formed by ALD. Sample 3 having a structure equivalent to 12) was prepared, and the CV curves of Sample 1 and Sample 3 were compared. 10 and 11 show the CV curve measurement results of Samples 1 and 3. FIG.

図10より、ゲート絶縁膜がAl薄膜で構成されたサンプル1では、上述のようにフラットバンド電圧がプラスにシフトしている。また、CVカーブ測定時の開始電圧がプラスの時とマイナスの時とでフラットバンド電圧に違いが生じ、ヒステリシス特性が発生していることが確認される。CVカーブにヒステリシス特性が発生するということは、トランジスタ特性の閾値電圧が不安定にあることを意味するため、ゲート絶縁膜としては好ましくない。From FIG. 10, in the sample 1 in which the gate insulating film is composed of an Al 2 O 3 thin film, the flat band voltage is shifted to plus as described above. Further, it is confirmed that the flat band voltage differs between when the start voltage at the time of CV curve measurement is positive and when it is negative, and hysteresis characteristics are generated. The occurrence of hysteresis characteristics in the CV curve means that the threshold voltage of the transistor characteristics is unstable, which is not preferable as a gate insulating film.

一方、図11より、ゲート絶縁膜がTEOS−SiO薄膜の上にAl薄膜を形成したサンプルでは、上記のAl薄膜のみのサンプルのようなヒステリシス特性は発生していないことが確認される。このように、シリコン基板上にTEOS−SiO薄膜とAl薄膜とが順に形成された二層構造の薄膜においては、CVカーブのヒステリシス特性がほとんど発生しなくなることが確認された。On the other hand, as shown in FIG. 11, in the sample in which the gate insulating film formed the Al 2 O 3 thin film on the TEOS-SiO x thin film, the hysteresis characteristics did not occur as in the sample of the above Al 2 O 3 thin film alone. Is confirmed. Thus, it was confirmed that the hysteresis characteristic of the CV curve hardly occurs in the thin film having a two-layer structure in which the TEOS-SiO x thin film and the Al 2 O 3 thin film are sequentially formed on the silicon substrate.

以上の実験結果により、本実施形態の薄膜トランジスタ1においても、ゲート絶縁膜12が、活性層11の上にTEOS−SiOで構成される第1の金属酸化物層12Aと、Alで構成される第2の金属酸化物層12Bとが順に形成された構造となっているため、ヒステリシス特性の発生を抑えることができる。これにより、薄膜トランジスタ1は、良好な閾値電圧制御が可能となる。From the above experimental results, also in the thin film transistor 1 of the present embodiment, the gate insulating film 12 is composed of the first metal oxide layer 12A composed of TEOS-SiO x on the active layer 11 and Al 2 O 3 . Since the structured second metal oxide layer 12B is formed in order, the occurrence of hysteresis characteristics can be suppressed. Thereby, the thin film transistor 1 can perform favorable threshold voltage control.

続いて、本実施形態に係る薄膜トランジスタ1において、第2の金属酸化物層12Bの膜厚を50nmに固定して、第1の金属酸化物層12Aの膜厚を0nm〜80nmとした時におけるフラットバンド電圧Vfb(V)、ヒステリシス(V)及び界面準位密度Dit(eV−1・cm−2)をそれぞれ測定した。上記各測定は、成膜直後及びアニール処理(500℃)後にそれぞれ行った。Subsequently, in the thin film transistor 1 according to the present embodiment, the thickness of the second metal oxide layer 12B is fixed to 50 nm, and the thickness of the first metal oxide layer 12A is 0 nm to 80 nm. Band voltage Vfb (V), hysteresis (V), and interface state density Dit (eV −1 · cm −2 ) were measured. Each of the above measurements was performed immediately after film formation and after annealing (500 ° C.).

図12〜14及び表2に、上記各測定により得られたフラットバンド電圧、ヒステリシス及び界面準位密度をそれぞれ示す。   12 to 14 and Table 2 show the flat band voltage, hysteresis, and interface state density obtained by the above measurements, respectively.

Figure 2019087784
Figure 2019087784

図12より、第1の金属酸化物層12A(TEOS−SiO)の膜厚が20nm以上80nm以下のとき、フラットバンド電圧の絶対値はサンプル2と比較して低く、膜厚が大きくなるに従い、フラットバンド電圧が0に近づくことが確認される。
また、図13より、第1の金属酸化物層12A(TEOS−SiO)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。
From FIG. 12, when the film thickness of the first metal oxide layer 12A (TEOS-SiO x ) is 20 nm or more and 80 nm or less, the absolute value of the flat band voltage is lower than that of the sample 2, and as the film thickness increases. It is confirmed that the flat band voltage approaches 0.
Further, FIG. 13 confirms that when the film thickness of the first metal oxide layer 12A (TEOS-SiO x ) is 20 nm or more and 80 nm or less, almost no hysteresis characteristics are generated after annealing.
In addition, it is confirmed that the hysteresis characteristic is generated when the first metal oxide layer 12A is 0 nm. This substantially corresponds to Sample 1 described above.

さらに、図14より、第1の金属酸化物層12A(TEOS−SiO)の膜厚が20nm以上80nm以下の時について、アニール処理後における界面準位密度が大きく低下していることが確認される。この結果については、次のように考えられる。第1の金属酸化物層12Aは、プラズマCVDにより形成されるため、第1の金属酸化物層12A中に水素原子が含有される。当該水素原子は、アニール処理によって活性層11と第1の金属酸化物層12Aとの界面に移動し、当該界面に存在するダングリングボンドを終端することで、界面準位密度を低下させたものと考えられる。Further, FIG. 14 confirms that the interface state density after the annealing treatment is greatly reduced when the thickness of the first metal oxide layer 12A (TEOS-SiO x ) is 20 nm or more and 80 nm or less. The About this result, it thinks as follows. Since the first metal oxide layer 12A is formed by plasma CVD, hydrogen atoms are contained in the first metal oxide layer 12A. The hydrogen atoms are moved to the interface between the active layer 11 and the first metal oxide layer 12A by the annealing process, and the interface state density is reduced by terminating dangling bonds existing at the interface. it is conceivable that.

以上のように、本実施形態の薄膜トランジスタ1においては、ゲート絶縁膜12がTEOS−SiO薄膜からなる第1の金属酸化物層12AとAl薄膜からなる第2の金属酸化物層12Bとの積層構造を有するため、Alのヒステリシス特性を発生させることなく、優れた閾値電圧制御が確保される。また、活性層11に対して非常に高い被覆率でゲート絶縁膜12を形成することができるため、ゲート電極13と活性層11との間のリーク電流を防いで、良好なスイッチング特性が得られる。As described above, in the thin film transistor 1 of the present embodiment, the gate insulating film 12 includes the first metal oxide layer 12A including the TEOS-SiO x thin film and the second metal oxide layer 12B including the Al 2 O 3 thin film. Therefore, excellent threshold voltage control is ensured without generating the hysteresis characteristics of Al 2 O 3 . In addition, since the gate insulating film 12 can be formed with a very high coverage with respect to the active layer 11, leakage current between the gate electrode 13 and the active layer 11 can be prevented, and good switching characteristics can be obtained. .

さらに本実施形態によれば、活性層11に対するゲート絶縁膜12の良好な被覆率が得られるため、ゲート絶縁膜の薄膜化が可能となる。これにより、薄膜トランジスタの小型化、薄型化を図れるようになるため、表示装置の画素部分の開口率を上昇させることができる。また、薄膜トランジスタの動作電圧を下げることができるため、表示装置の消費電力を低減させることが可能となる。   Furthermore, according to the present embodiment, since a good coverage of the gate insulating film 12 with respect to the active layer 11 can be obtained, the gate insulating film can be thinned. Accordingly, since the thin film transistor can be reduced in size and thickness, the aperture ratio of the pixel portion of the display device can be increased. In addition, since the operating voltage of the thin film transistor can be reduced, power consumption of the display device can be reduced.

<第2の実施形態>
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。
<Second Embodiment>
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of a thin film transistor 2 according to the second embodiment of the present invention. Hereinafter, configurations different from those of the first embodiment will be mainly described, and configurations similar to those of the above-described embodiment will be denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.

本実施形態の薄膜トランジスタ2は、ゲート絶縁膜22の構成が第1の実施形態と異なる。具体的には、ゲート絶縁膜22は、第1の金属酸化物層12Aと第2の金属酸化物層12Bとの間に配置された中間層12Cをさらに有する。   The thin film transistor 2 of this embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the gate insulating film 22. Specifically, the gate insulating film 22 further includes an intermediate layer 12C disposed between the first metal oxide layer 12A and the second metal oxide layer 12B.

中間層12Cは、多量の水素原子を含んだ水素リッチな層であり、例えば、プラズマCVD法で形成された窒化ケイ素(SiN)あるいは酸窒化ケイ素(SiO)から構成される。The intermediate layer 12C is a hydrogen-rich layer containing a large amount of hydrogen atoms, and is made of, for example, silicon nitride (SiN x ) or silicon oxynitride (SiO x N y ) formed by a plasma CVD method.

中間層12Cは、後述するアニール処理により、中間層12C中に含まれる多量の水素原子が活性層11と第1の金属酸化物層12Aとの界面に移動する。多量の水素原子が、当該界面に存在するダングリングボンドを終端し、界面準位密度を低下させる効果が得られる。   In the intermediate layer 12C, a large amount of hydrogen atoms contained in the intermediate layer 12C move to the interface between the active layer 11 and the first metal oxide layer 12A by an annealing process described later. A large amount of hydrogen atoms terminates dangling bonds existing at the interface, and an effect of reducing the interface state density can be obtained.

中間層12Cは、上記のように水素原子をダングリングボンドに供給する機能を有していれば、膜厚は特に限定されず、例えば、3nm以上30nm以下である。   The thickness of the intermediate layer 12C is not particularly limited as long as it has a function of supplying hydrogen atoms to dangling bonds as described above, and is, for example, 3 nm or more and 30 nm or less.

次に、中間層12Cの形成方法について説明する。本実施形態では、ゲート絶縁膜の形成工程において、第1の金属酸化物層の形成工程の後に、中間層の形成工程を有する。なお、活性層の形成工程、ソース領域及びドレイン領域の形成工程、ゲート電極の形成工程、層間絶縁膜の形成工程、ソース電極及びドレイン電極の形成工程については第1の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。   Next, a method for forming the intermediate layer 12C will be described. In this embodiment, in the step of forming the gate insulating film, the step of forming the intermediate layer is included after the step of forming the first metal oxide layer. The active layer formation step, source region and drain region formation step, gate electrode formation step, interlayer insulating film formation step, and source electrode and drain electrode formation step are the same as in the first embodiment. The description is omitted here.

中間層12Cは、第1の金属酸化物層12Aの上に形成される。中間層12Cの形成方法としては、中間層12C中に水素原子が含有される方法であれば特に限定されず、例えば、プラズマCVDが用いられる。本実施形態では、プラズマCVDの原料ガスとして、SiH、NH及びNが用いられ、SiNから構成される中間層12Cが形成される。中間層12Cは成膜後、所定温度(例えば500℃)でアニール処理される。アニール処理は、第2の金属酸化物層12Bの形成前であってもよいし、その形成後であってもよい。ただし、中間層12C中に含まれる水素原子を効率よく活性層11と第1の金属酸化物層12Aとの界面に供給するためには、第2の金属酸化物層12Bの成膜後にアニール処理を実施するのが望ましい。The intermediate layer 12C is formed on the first metal oxide layer 12A. The method for forming the intermediate layer 12C is not particularly limited as long as it contains hydrogen atoms in the intermediate layer 12C. For example, plasma CVD is used. In the present embodiment, SiH 4 , NH 3, and N 2 are used as a plasma CVD source gas, and an intermediate layer 12C composed of SiN x is formed. The intermediate layer 12C is annealed at a predetermined temperature (for example, 500 ° C.) after film formation. The annealing treatment may be performed before or after the formation of the second metal oxide layer 12B. However, in order to efficiently supply hydrogen atoms contained in the intermediate layer 12C to the interface between the active layer 11 and the first metal oxide layer 12A, an annealing process is performed after the formation of the second metal oxide layer 12B. It is desirable to implement.

中間層12Cを形成するプラズマCVD装置としては、特に限定されず、例えば図4を参照して説明したプラズマCVD装置100が採用可能である。   The plasma CVD apparatus for forming the intermediate layer 12C is not particularly limited, and for example, the plasma CVD apparatus 100 described with reference to FIG. 4 can be employed.

中間層12Cの成膜条件は特に限定されず、例えばガラス基板サイズ730mm×920mmの時は、以下の条件で実施される。
SiH流量:500[sccm]
NH流量:5000[sccm]
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[℃]
The film forming conditions for the intermediate layer 12C are not particularly limited. For example, when the glass substrate size is 730 mm × 920 mm, the film is formed under the following conditions.
SiH 4 flow rate: 500 [sccm]
NH 3 flow rate: 5000 [sccm]
N 2 flow rate: 7000 [sccm]
Process pressure: 200 [Pa]
RF frequency: 27.12 [MHz]
RF power: 4000 [W]
Heater temperature: 350 [° C]

本実施形態によれば、上述の第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。本実施形態においては、水素リッチな中間層12Cに含まれる多量の水素原子が、アニール処理によって、活性層11と第1の金属酸化物層12Aとの界面に移動する。多量の水素原子は、当該界面に存在するダングリングボンドを終端して、界面準位密度を低下させる。これにより、ゲート電極13と活性層11との間のリーク電流を防ぎ、良好なスイッチング特性を得ることが可能となる。   According to the present embodiment, it is possible to obtain the same effects as those of the first embodiment described above. In the present embodiment, a large amount of hydrogen atoms contained in the hydrogen-rich intermediate layer 12C moves to the interface between the active layer 11 and the first metal oxide layer 12A by the annealing process. A large amount of hydrogen atoms terminates dangling bonds existing at the interface and lowers the interface state density. As a result, leakage current between the gate electrode 13 and the active layer 11 can be prevented, and good switching characteristics can be obtained.

また、本実施形態によれば、第2の金属酸化物層12Bが水素バリア層として働き、中間層12Cに含まれる水素原子が、アニール処理によって、活性層11と第1の金属酸化物層12Aとの界面に移動し易くなる。これにより、当該界面の欠陥修復効果を高めることが可能となる。   Further, according to the present embodiment, the second metal oxide layer 12B functions as a hydrogen barrier layer, and hydrogen atoms contained in the intermediate layer 12C are annealed by the active layer 11 and the first metal oxide layer 12A. It becomes easy to move to the interface. Thereby, it becomes possible to enhance the defect repair effect of the interface.

本実施形態では、第1の金属酸化物層12Aの形成工程と、中間層12Cの形成工程とは、同一チャンバ内で行われてもよい。これにより、被処理基板の入れ替えに伴う第1の金属酸化物層12A表面の汚染を防ぐことが可能となる。また、基板入れ替えの手間や機器のコストを削減することが可能となる。   In the present embodiment, the step of forming the first metal oxide layer 12A and the step of forming the intermediate layer 12C may be performed in the same chamber. Thereby, it becomes possible to prevent contamination of the surface of the first metal oxide layer 12A due to replacement of the substrate to be processed. Further, it is possible to reduce the labor for replacing the board and the cost of the equipment.

本実施形態に係る薄膜トランジスタ2の特性を評価するため、ゲート絶縁膜の構造を次のように変えて、界面準位密度Dit(eV−1・cm−2)を測定した。
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。
In order to evaluate the characteristics of the thin film transistor 2 according to the present embodiment, the interface state density Dit (eV −1 · cm −2 ) was measured while changing the structure of the gate insulating film as follows.
The structure of the gate insulating film of each thin film transistor used in the experiment is the structure of only the first metal oxide layer 12A (film thickness of 80 nm), the structure of the second metal oxide layer 12B (film thickness of 80 nm), The two-layer structure of the metal oxide layer 12A (film thickness 50 nm) and the second metal oxide layer 12B (film thickness 50 nm), and the first metal oxide layer 12A (film thickness 50 nm) and the second metal A three-layer structure in which an intermediate layer 12C (thickness 3 nm) is disposed between the oxide layer 12B (thickness 50 nm) is employed. The interface state density was measured immediately after film formation and after annealing (500 ° C.).

表3に、上記測定により得られた界面準位密度を示す。   Table 3 shows the interface state density obtained by the above measurement.

Figure 2019087784
Figure 2019087784

表3より、ゲート絶縁膜が単膜である時と比べて、上記二層構造、及び上記三層構造では、アニール処理後の界面準位密度が低く、薄膜トランジスタ特性としては好ましい値となっていることが確認される。ゲート絶縁膜が上記三層構造の時の界面準位密度は、上記二層構造の時よりも低く、より好ましい値となっていることが確認される。これは、中間層12Cに含まれる多量の水素原子が、アニール処理によって活性層11と第1の金属酸化物層12Aとの界面に移動し、ダングリングボンドを終端することで、より一層界面準位密度を低下させたものと考えられる。これにより、薄膜トランジスタ2は、より優れたスイッチング特性を得ることができる。   As shown in Table 3, the two-layer structure and the three-layer structure have a lower interface state density after the annealing process than the case where the gate insulating film is a single film, and are preferable values as thin film transistor characteristics. That is confirmed. It is confirmed that the interface state density when the gate insulating film has the three-layer structure is lower than that in the two-layer structure, and is a more preferable value. This is because a large amount of hydrogen atoms contained in the intermediate layer 12C move to the interface between the active layer 11 and the first metal oxide layer 12A by the annealing process, and terminate the dangling bond, thereby further increasing the interface state. It is thought that the unit density was lowered. Thereby, the thin film transistor 2 can obtain more excellent switching characteristics.

また、この結果には、第2の金属酸化物層12Bが水素バリア層として関与したことも考えられる。具体的には、第2の金属酸化物層12Bが水素バリア層として働き、中間層12Cに含まれる水素原子が、アニール処理によって、活性層11と第1の金属酸化物層12Aとの界面に移動し易くなる。これにより、当該界面の欠陥修復効果を高めることが可能となる。   In addition, it is considered that the second metal oxide layer 12B was involved as a hydrogen barrier layer in this result. Specifically, the second metal oxide layer 12B acts as a hydrogen barrier layer, and hydrogen atoms contained in the intermediate layer 12C are annealed to the interface between the active layer 11 and the first metal oxide layer 12A. It becomes easy to move. Thereby, it becomes possible to enhance the defect repair effect of the interface.

次に、中間層12Cの膜厚について考察する。本実施形態に係る薄膜トランジスタ2において、第1の金属酸化物層12A及び第2の金属酸化物層12Bの膜厚をそれぞれ50nmに固定し、中間層12Cの膜厚を0nm〜30nmとした時について、界面準位密度Dit(eV−1・cm−2)を測定した。Next, the film thickness of the intermediate layer 12C will be considered. In the thin film transistor 2 according to the present embodiment, the thickness of the first metal oxide layer 12A and the second metal oxide layer 12B is fixed to 50 nm, and the thickness of the intermediate layer 12C is set to 0 nm to 30 nm. The interface state density Dit (eV −1 · cm −2 ) was measured.

図16及び表4に、上記測定により得られた界面準位密度を示す。   FIG. 16 and Table 4 show the interface state density obtained by the above measurement.

Figure 2019087784
Figure 2019087784

図16より、中間層12Cは、3nmであっても界面準位密度が低下することが確認される。中間層12Cの膜厚が厚くなると共に、界面準位密度はさらに低下していき、実施例3−3の膜厚10nmで界面準位密度が最低値となることが確認される。一方、中間層12Cの膜厚が10nmを超えてしまうと、界面準位密度は低下しなくなることが確認される。よって、中間層12Cは、3nm以上10nm以下の極薄い膜厚で十分に水素原子を供給する機能を有することが分かる。   From FIG. 16, it is confirmed that the interface layer density of the intermediate layer 12C is lowered even when the thickness is 3 nm. As the film thickness of the intermediate layer 12C increases, the interface state density further decreases, and it is confirmed that the interface state density becomes the minimum value at the film thickness of 10 nm in Example 3-3. On the other hand, when the film thickness of the intermediate layer 12C exceeds 10 nm, it is confirmed that the interface state density does not decrease. Therefore, it can be seen that the intermediate layer 12C has a function of supplying hydrogen atoms sufficiently with an extremely thin film thickness of 3 nm or more and 10 nm or less.

続いて、ゲート絶縁膜の構造を次のように変えた薄膜トランジスタにおいて、薄膜トランジスタ特性(TFT特性)値の測定を行った。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100nm)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(薄膜トランジスタ1)、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10nm)が配置された三層構造(薄膜トランジスタ2)とした。   Subsequently, a thin film transistor characteristic (TFT characteristic) value was measured in a thin film transistor in which the structure of the gate insulating film was changed as follows. The structure of the gate insulating film of each thin film transistor includes a structure of only the first metal oxide layer 12A (film thickness of 100 nm), the first metal oxide layer 12A (film thickness of 50 nm) and the second metal oxide layer 12B ( A two-layer structure (thin film transistor 1) having a thickness of 50 nm) and an intermediate layer 12C (thickness 50 nm) between the first metal oxide layer 12A (thickness 50 nm) and the second metal oxide layer 12B (thickness 50 nm). A three-layer structure (thin film transistor 2) in which a film thickness of 10 nm) is arranged.

TFT特性値としては、移動度(cm/Vs)及びサブスレッショルドスイング値(S値)(V/dec)を測定した。TFT特性の測定は、上記各薄膜トランジスタのアニール処理(500℃)後に行った。As TFT characteristic values, mobility (cm 2 / Vs) and subthreshold swing value (S value) (V / dec) were measured. The TFT characteristics were measured after the annealing process (500 ° C.) of each thin film transistor.

表5に、上記測定により得られた移動度及びS値を示す。   Table 5 shows the mobility and S value obtained by the above measurement.

Figure 2019087784
Figure 2019087784

表5より、ゲート絶縁膜が単層構造である時に比べて、二層構造あるいは三層構造では移動度が向上し、かつS値が小さくなることが確認される。
移動度が向上した理由は、ALDで成膜されたAlの誘電率(約7.5)がTEOS−SiOの誘電率(約4.5)よりも高いため、TEOS−SiO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Al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−SiO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。
From Table 5, it is confirmed that the mobility is improved and the S value is small in the two-layer structure or the three-layer structure as compared with the case where the gate insulating film has a single-layer structure.
Why the mobility is improved is higher than the dielectric constant of Al 2 O 3 deposited by ALD (about 7.5) is the dielectric constant of the TEOS-SiO X (approximately 4.5), TEOS-SiO X This is presumably because the equivalent oxide thickness becomes thinner than that of a single film, and more carriers can be generated at the same voltage. Further, due to the hydrogen barrier effect of Al 2 O 3 formed by ALD, hydrogen in the film terminates not only the interface but also defects in the film, thereby eliminating unnecessary charges in the TEOS-SiO X film, Similarly, it is considered to generate more carriers at the same voltage.

次に、S値が改善した理由については、上述のように第2の金属酸化物層12Bが水素バリア層として機能し、第1の金属酸化物層12A中の水素原子が、活性層−ゲート絶縁膜界面の欠陥を効果的に修復することで界面準位密度が低下することに起因している。
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。
Next, the reason why the S value is improved is that, as described above, the second metal oxide layer 12B functions as a hydrogen barrier layer, and the hydrogen atoms in the first metal oxide layer 12A are activated layer-gate. This is because the interface state density is reduced by effectively repairing defects at the insulating film interface.
In particular, when the gate insulating film has a three-layer structure, since it has the intermediate layer 12C, the interface state density is further reduced by a large amount of hydrogen atoms in the intermediate layer 12C, and the S value becomes a particularly preferable value. Yes.

以上のように、本実施形態によれば、ゲート絶縁膜の良好な被覆率及び均一性が得られるため、TFT特性に優れた薄膜トランジスタを得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, since a good coverage and uniformity of the gate insulating film can be obtained, a thin film transistor having excellent TFT characteristics can be obtained.

<第3の実施形態>
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。
<Third Embodiment>
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a thin film transistor 3 according to the third embodiment of the present invention. Hereinafter, configurations different from those of the first embodiment will be mainly described, and configurations similar to those of the above-described embodiment will be denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.

本実施形態の薄膜トランジスタ3において、ゲート絶縁膜32は、第1の金属酸化物層12Aと第2の金属酸化物層12Bとの間に配置された中間層12Dをさらに有する点で、第1の実施形態と異なる。   In the thin film transistor 3 of the present embodiment, the gate insulating film 32 includes a first intermediate oxide layer 12D disposed between the first metal oxide layer 12A and the second metal oxide layer 12B. Different from the embodiment.

中間層12Dは、多量の水素原子を含んだ水素リッチな層であり、第1の金属酸化物層12Aを水素プラズマ処理することで形成される。中間層12Dは、第2の実施形態の中間層12Cと同様の効果を有する。中間層12Dの厚みは特に限定されず、例えば、3nm以上10nm以下である。   The intermediate layer 12D is a hydrogen-rich layer containing a large amount of hydrogen atoms, and is formed by performing hydrogen plasma treatment on the first metal oxide layer 12A. The intermediate layer 12D has the same effect as the intermediate layer 12C of the second embodiment. The thickness of the intermediate layer 12D is not particularly limited, and is, for example, 3 nm or more and 10 nm or less.

次に、中間層12Dの形成方法について説明する。本実施形態では、ゲート絶縁膜の形成工程において、第1の金属酸化物層の形成工程の後に、中間層の形成工程を有する。なお、活性層の形成工程、ソース領域及びドレイン領域の形成工程、ゲート電極の形成工程、層間絶縁膜の形成工程、ソース電極及びドレイン電極の形成工程については第1の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。   Next, a method for forming the intermediate layer 12D will be described. In this embodiment, the gate insulating film forming step includes an intermediate layer forming step after the first metal oxide layer forming step. The active layer formation step, source region and drain region formation step, gate electrode formation step, interlayer insulating film formation step, and source electrode and drain electrode formation step are the same as in the first embodiment. The description is omitted here.

中間層12Dは、第1の金属酸化物層12Aの表面を水素プラズマ処理することで形成される。中間層12Dの形成後、所定温度(例えば500℃)でアニール処理される。アニール処理は、第2の金属酸化物層12Bの形成前であってもよいし、その形成後であってもよい。ただし、中間層12D中に含まれる水素原子を効率よく活性層11と第1の金属酸化物層12Aとの界面に供給するためには、第2の金属酸化物層12Bの成膜後にアニール処理を実施するのが望ましい。中間層12Dは、アニール処理後、第1の金属酸化物層12Aに拡散する等して、消失してもよい。   The intermediate layer 12D is formed by performing hydrogen plasma treatment on the surface of the first metal oxide layer 12A. After the formation of the intermediate layer 12D, annealing is performed at a predetermined temperature (for example, 500 ° C.). The annealing treatment may be performed before or after the formation of the second metal oxide layer 12B. However, in order to efficiently supply the hydrogen atoms contained in the intermediate layer 12D to the interface between the active layer 11 and the first metal oxide layer 12A, an annealing process is performed after the formation of the second metal oxide layer 12B. It is desirable to implement. The intermediate layer 12D may disappear by diffusing into the first metal oxide layer 12A after the annealing treatment.

水素プラズマ処理するための装置としては、第1の金属酸化物層12Aの表面を水素プラズマ処理可能なプラズマ装置であれば特に限定されない。また、当該プラズマ装置は、水素プラズマ処理時に、被処理基板側の電極にバイアス電位を印加可能に構成されていてもよい。   The apparatus for performing the hydrogen plasma process is not particularly limited as long as the apparatus can perform the hydrogen plasma process on the surface of the first metal oxide layer 12A. The plasma apparatus may be configured to apply a bias potential to the electrode on the substrate to be processed during the hydrogen plasma process.

成膜条件は特に限定されず、例えばガラス基板サイズ730mm×920mmの時は、以下の条件で実施される。
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[℃]
The film formation conditions are not particularly limited. For example, when the glass substrate size is 730 mm × 920 mm, the film formation is performed under the following conditions.
H 2 flow rate: 1000 [sccm]
Process pressure: 200 [Pa]
RF frequency: 27.12 [MHz]
RF power: 500 [W]
Heater temperature: 350 [° C]

本実施形態においても、上述の第1及び第2の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。   Also in the present embodiment, the same operational effects as those in the first and second embodiments described above can be obtained.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited only to the above-mentioned embodiment, Of course, a various change can be added.

例えば、以上の実施形態に用いられたプラズマCVD装置及びALD装置は、上述の装置に限定されず、他の装置を用いてもよい。   For example, the plasma CVD apparatus and the ALD apparatus used in the above embodiments are not limited to the above-described apparatuses, and other apparatuses may be used.

また、以上の実施形態において、第1の金属酸化物層の形成工程と、第2の金属酸化物層の形成工程とは、枚葉式マルチチャンバシステムあるいはインラインシステムにより行ってもよい。   In the above embodiment, the first metal oxide layer forming step and the second metal oxide layer forming step may be performed by a single wafer multi-chamber system or an in-line system.

上記各工程を枚葉式マルチチャンバシステムにより行う場合は、第1のチャンバ(第1の金属酸化物層形成のためのプラズマCVDチャンバ)で第1の金属酸化物層の形成後、プラズマCVDチャンバから被処理基板を取出し、次の第2のチャンバ(第2の金属酸化物層形成のためのALDチャンバ)に搬送して、基板処理を一枚ずつ行う。   When each of the above steps is performed by a single wafer multi-chamber system, a plasma CVD chamber is formed after the first metal oxide layer is formed in the first chamber (plasma CVD chamber for forming the first metal oxide layer). The substrate to be processed is taken out from the substrate and transferred to the next second chamber (ALD chamber for forming the second metal oxide layer) to perform substrate processing one by one.

あるいは、上記各工程をインラインシステムにより行う場合は、例えば、ウォーキングビームや種々のコンベア等の搬送手段により被処理基板を搬送しながら、搬送方向に区画された第1の処理室(第1の金属酸化物層形成のためのプラズマCVD装置を有する)及び次の第2の処理室(第2の金属酸化物層形成のためのALD装置を有する)でそれぞれ基板処理を行う。   Or when performing each said process by an in-line system, for example, while conveying a to-be-processed substrate by conveyance means, such as a walking beam and various conveyors, the 1st processing chamber (1st metal) divided in the conveyance direction Substrate processing is performed in each of a second processing chamber (having an ALD apparatus for forming a second metal oxide layer) and a next second processing chamber (having a plasma CVD apparatus for forming an oxide layer).

上記の枚葉式マルチチャンバシステムあるいはインラインシステムにおいて、第1の金属酸化物層の形成工程と、第2の金属酸化物層の形成工程とは、真空雰囲気下で連続して行われてもよい。このように、基板処理工程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。   In the single wafer multi-chamber system or the in-line system, the first metal oxide layer forming step and the second metal oxide layer forming step may be continuously performed in a vacuum atmosphere. . Thus, it is possible to prevent contamination of the substrate surface by gas or air by making the substrate processing step consistent in vacuum.

また、以上の実施形態では、トップゲート型(スタガ型)構造の薄膜トランジスタを例として本発明を説明したが、ゲート電極が基板上に配置され、当該ゲート電極の上にゲート絶縁膜を挟んで活性層が配置された、ボトムゲート型(逆スタガ型)構造の薄膜トランジスタであっても本発明は適用可能である。   In the above embodiment, the present invention has been described by taking a top gate type (stagger type) thin film transistor as an example. However, the gate electrode is disposed on the substrate, and the gate insulating film is sandwiched between the gate electrode and the gate electrode. The present invention can be applied even to a thin film transistor having a bottom gate type (reverse stagger type) structure in which layers are arranged.

また、上述した薄膜トランジスタは、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイ等のアクティブマトリクス型表示パネル用のTFTとして用いることができる。これ以外に、上記トランジスタは、各種半導体装置あるいは電子機器のトランジスタ素子として用いることができる。   The thin film transistor described above can be used as a TFT for an active matrix display panel such as a liquid crystal display or an organic EL display. In addition, the transistor can be used as a transistor element in various semiconductor devices or electronic devices.

1,2,3…薄膜トランジスタ
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2, 3 ... Thin-film transistor 10 ... Board | substrate 11 ... Active layer 12, 22, 32 ... Gate insulating film 12A ... 1st metal oxide layer 12B ... 2nd metal oxide layer 12C, 12D ... Intermediate | middle layer 13 ... Gate Electrode 14S ... Source region 14D ... Drain region

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。
Forming an active layer on the substrate;
Forming a source region and a drain region so as to be electrically connected to the active layer;
Forming a first metal oxide layer made of silicon oxide on the surface of the active layer by plasma CVD;
Forming a second metal oxide layer made of aluminum oxide on the surface of the first metal oxide layer by ALD;
A method for manufacturing a thin film transistor, wherein a gate electrode is formed on a surface of the second metal oxide layer.
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。
A method of manufacturing a thin film transistor according to claim 1,
Forming a hydrogen-rich intermediate layer between the first metal oxide layer and the second metal oxide layer;
And a step of annealing the intermediate layer. A method of manufacturing a thin film transistor.
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。
A method of manufacturing a thin film transistor according to claim 2,
A method of manufacturing a thin film transistor, wherein the intermediate layer is formed by performing hydrogen plasma treatment on the first metal oxide layer.
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。
A method of manufacturing a thin film transistor according to claim 2,
A method of manufacturing a thin film transistor, wherein the intermediate layer is formed by forming a silicon nitride or silicon oxynitride layer between the first and second metal oxide layers.
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。
A method of manufacturing a thin film transistor according to claim 4,
The step of forming the first metal oxide layer and the step of forming the silicon nitride or silicon oxynitride layer are performed in the same chamber.
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。
A method of manufacturing a thin film transistor according to any one of claims 1 to 5,
The method of forming a thin film transistor, wherein the step of forming the first metal oxide layer and the step of forming the second metal oxide layer are continuously performed in a vacuum atmosphere.
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配置され、酸化アルミニウムで構成された第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。
A gate electrode;
An active layer made of polysilicon;
A source region and a drain region electrically connected to the active layer;
A first metal oxide layer made of silicon oxide and disposed between the gate electrode and the active layer; an aluminum oxide layer disposed between the first metal oxide layer and the gate electrode; A thin film transistor comprising: a second metal oxide layer comprising: a gate insulating film.
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。
The thin film transistor according to claim 7,
The gate insulating film further includes an intermediate layer including silicon nitride between the first metal oxide layer and the second metal oxide layer.
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。
The thin film transistor according to claim 7,
The gate insulating film further includes an intermediate layer including silicon oxynitride between the first metal oxide layer and the second metal oxide layer.
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。
The thin film transistor according to claim 8 or 9,
The thickness of the intermediate layer is 3 nm or more and 10 nm or less.
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