JP2022147359A - Film formation method for silicon oxynitride film and manufacturing method for thin film transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリコン酸窒化膜の成膜方法及び当該成膜方法を用いた薄膜トランジスタの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for forming a silicon oxynitride film and a method for manufacturing a thin film transistor using the film forming method.
近年、In-Ga-Zn-O系(IGZO)の酸化物半導体を半導体層(チャネル層)に用いた薄膜トランジスタの開発が活発に行われている。このような薄膜トランジスタとしては、フッ素含有酸化シリコン膜からなる保護層やゲート絶縁層等の絶縁層を酸化物半導体に隣接させるように形成するものが知られている。例えば、特許文献1には、SiCl4ガスとSiF4ガスと酸素ガスとをプロセスガスとして用いたプラズマCVD法により、フッ素含有酸化シリコン膜からなる絶縁層を酸化物半導体の上に形成するものが記載されている。 In recent years, thin film transistors using an In--Ga--Zn--O-based (IGZO) oxide semiconductor for a semiconductor layer (channel layer) have been actively developed. As such a thin film transistor, a thin film transistor is known in which a protective layer made of a silicon oxide film containing fluorine and an insulating layer such as a gate insulating layer are formed so as to be adjacent to an oxide semiconductor. For example, in Patent Document 1, an insulating layer made of a fluorine-containing silicon oxide film is formed on an oxide semiconductor by a plasma CVD method using SiCl 4 gas, SiF 4 gas, and oxygen gas as process gases. Have been described.
しかしながら、特許文献1に開示される製造方法は、比較的高価なSiCl4ガスをプロセスガスとして用いるため製造コストが高くつくという問題がある。そこでプロセスガスとして高価なSiCl4を用いず、SiF4ガスと酸素ガスのみを用いて絶縁層を成膜することにより製造コストを低減することも考えられるが、この場合には、酸化物半導体上への酸窒化シリコン膜の成膜が不安定になる(すなわち膜付きが悪い)という問題がある。 However, the manufacturing method disclosed in Patent Document 1 has the problem of high manufacturing costs because it uses relatively expensive SiCl 4 gas as the process gas. Therefore, it is conceivable to reduce the manufacturing cost by forming an insulating layer using only SiF 4 gas and oxygen gas without using expensive SiCl 4 as a process gas. There is a problem that the formation of the silicon oxynitride film on the substrate becomes unstable (that is, the film adhesion is poor).
本発明は上記した課題を一挙に解決すべくなされたものであり、酸化物半導体の上に酸窒化シリコン膜を成膜する成膜方法において、低コスト化を図るとともに、成膜安定性を向上させることを主たる課題とするものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems at once, and in a film formation method for forming a silicon oxynitride film on an oxide semiconductor, the cost is reduced and the film formation stability is improved. The main task is to
すなわち本発明の成膜方法は、酸化物半導体の上に酸窒化シリコン膜を成膜する成膜方法であって、前記酸窒化シリコン膜を、SiF4ガス、窒素ガス、酸素ガス及び水素ガスをプロセスガスとして供給して行うプラズマCVD法により成膜し、前記供給するプロセスガスにおいて、窒素ガスと酸素ガスの合計流量に対する窒素ガスの流量の割合が93%以上であることを特徴とする。
このような成膜方法であれば、プラズマCVD法におけるプロセスガスとして、高価なSiCl4を用いることなく比較的な安価なガスを用いるので、材料コストを低減できる。さらに、プロセスガスとして供給する窒素ガスと酸素ガスの合計流量に対する窒素ガスの流量の割合を93%以上とし、その割合を非常に高くすることにより、絶縁性の良好な酸窒化シリコン膜を酸化物半導体上に安定して成膜することができる。これにより歩留まりが向上し、製造コストをより一層低減させることができる。
That is, the film forming method of the present invention is a film forming method for forming a silicon oxynitride film on an oxide semiconductor. It is characterized in that the film is formed by a plasma CVD method by supplying a process gas, and in the supplied process gas, the ratio of the flow rate of nitrogen gas to the total flow rate of nitrogen gas and oxygen gas is 93% or more.
With such a film forming method, a relatively inexpensive gas is used as the process gas in the plasma CVD method without using expensive SiCl 4 , so material costs can be reduced. Further, the ratio of the flow rate of nitrogen gas to the total flow rate of nitrogen gas and oxygen gas supplied as process gases is set to 93% or more. A film can be stably formed on a semiconductor. As a result, the yield can be improved and the manufacturing cost can be further reduced.
本発明の成膜方法により酸化物半導体膜上に酸窒化シリコン膜を安定して成膜できる理由については未だ不明な点もあるが、現在までに得られている知見を基に、本発明者らが考えるメカニズムについて説明する。すなわち、本発明の成膜方法では、プロセスガスとして供給する窒素ガスと酸素ガスの合計流量に対する窒素ガスの流量の割合を93%以上とすることにより、酸素ガス(結合エネルギー:5.16eV)より結合エネルギーが大きく、分解されにくいSi-F(結合エネルギー:5.72eV)の分解が促進され、シリコン原子を起点とした酸窒化シリコン膜の成膜が進みやすくなると考えられる。また、酸素ガスは電気陰性度が高く、フッ素(F)を含むガスの添加ガスとして作用し、基板の最表面がエッチングされやすくなると考えられる。CVDプロセスにおいては、成膜およびエッチングの両表面反応が並行して進行するが、窒素ガスの比率を高めることによって相対的にエッチングが進みにくくなるため、絶縁性の良好な酸窒化シリコン膜を酸化物半導体上に安定して成膜することができると考えられる。なお、このメカニズムについての説明は本発明の技術的範囲を制限することを目的とするものではないことに留意されたい。 Although there are still some unclear points as to why a silicon oxynitride film can be stably formed on an oxide semiconductor film by the film forming method of the present invention, the inventors of the present invention have I will explain the mechanism considered by them. That is, in the film forming method of the present invention, the ratio of the flow rate of nitrogen gas to the total flow rate of nitrogen gas and oxygen gas supplied as process gases is 93% or more, so that oxygen gas (binding energy: 5.16 eV) It is believed that the decomposition of Si—F (bond energy: 5.72 eV), which has a large bond energy and is difficult to decompose, is promoted, and the formation of a silicon oxynitride film starting from silicon atoms is facilitated. In addition, oxygen gas has a high electronegativity and acts as an additive gas for gas containing fluorine (F), which is thought to facilitate etching of the outermost surface of the substrate. In the CVD process, both surface reactions of film formation and etching progress in parallel, but since etching becomes relatively difficult by increasing the ratio of nitrogen gas, the silicon oxynitride film, which has good insulating properties, is oxidized. Therefore, it is thought that the film can be stably formed on the material semiconductor. Note that the description of this mechanism is not intended to limit the technical scope of the present invention.
また前記成膜方法は、前記供給するプロセスガスにおいて、窒素ガスと酸素ガスの合計流量に対する窒素ガスの流量の割合が96%以上であることが好ましい。
このようにすれば、酸窒化シリコン膜の絶縁性能をより一層向上することができる。
Further, in the film forming method, it is preferable that, in the supplied process gas, the ratio of the flow rate of nitrogen gas to the total flow rate of nitrogen gas and oxygen gas is 96% or more.
By doing so, the insulating performance of the silicon oxynitride film can be further improved.
また前記成膜方法により成膜される酸窒化シリコン膜の具体的態様として、リーク電流密度が1×10-5A/cm2以下であり、絶縁破壊電界強度(最大電界強度)が3MV/cm以上のものが挙げられる。 Further, as a specific embodiment of the silicon oxynitride film formed by the film forming method, the leakage current density is 1×10 −5 A/cm 2 or less, and the dielectric breakdown electric field strength (maximum electric field strength) is 3 MV/cm. The above are mentioned.
本発明の成膜方法の効果をより顕著に奏する前記酸化物半導体の具体的態様として、In-Ga-Zn-Oにより構成されているものが挙げられる。 As a specific embodiment of the oxide semiconductor that exhibits the effect of the film forming method of the present invention more remarkably, one made of In--Ga--Zn--O can be mentioned.
また本発明の成膜方法の効果をより顕著に奏する態様としては、プラズマCVD法による前記酸窒化シリコン膜の成膜を300℃以下で行うものが挙げられる。
このような低温であれば、本発明の成膜方法を、樹脂等の融点が低い基板を用いた薄膜トランジスタの製造に利用することができる。本発明の成膜方法を用いれば、このような低温処理においても良好な絶縁性能を発揮する絶縁層を備える薄膜トランジスタを製造できる。
In addition, as a mode in which the effect of the film forming method of the present invention is exhibited more remarkably, there is a case in which the silicon oxynitride film is formed by plasma CVD at a temperature of 300° C. or lower.
At such a low temperature, the film forming method of the present invention can be used to manufacture a thin film transistor using a substrate having a low melting point such as a resin. By using the film forming method of the present invention, it is possible to manufacture a thin film transistor having an insulating layer exhibiting good insulating performance even in such a low-temperature treatment.
また本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、In-Ga-Zn-Oからなる酸化物半導体をチャネル層とする薄膜トランジスタの製造方法であって、スパッタリングにより前記酸化物半導体を形成する半導体層形成工程と、前記した成膜方法により前記酸化物半導体の上に酸窒化シリコン膜から成る絶縁層を成膜する絶縁層形成工程とを有することを特徴とする。
このような薄膜トランジスタの製造方法によれば、前記した本発明の成膜方法と同様の作用効果を奏することができる。
Further, a method for manufacturing a thin film transistor according to the present invention is a method for manufacturing a thin film transistor having an oxide semiconductor made of In--Ga--Zn--O as a channel layer, comprising: a semiconductor layer forming step of forming the oxide semiconductor by sputtering; and an insulating layer forming step of forming an insulating layer made of a silicon oxynitride film on the oxide semiconductor by the film forming method described above.
According to such a method for manufacturing a thin film transistor, it is possible to obtain the same effect as the film forming method of the present invention described above.
このように構成した本発明によれば、酸化物半導体の上に酸窒化シリコン膜を成膜する成膜方法において、低コスト化を図るとともに、成膜安定性を向上させることができる。 According to the present invention configured as described above, in a film forming method for forming a silicon oxynitride film on an oxide semiconductor, cost reduction can be achieved and film forming stability can be improved.
以下に、本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタ及びその製造方法について説明する。 A thin film transistor and a method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described below.
<1.薄膜トランジスタ>
本実施形態の薄膜トランジスタ1は所謂ボトムゲート型の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2と、ゲート電極3と、ゲート絶縁層4と、半導体層5と、ソース電極6及びドレイン電極7と、保護層8とを有しており、基板2側からこの順に形成されている。なおこの実施形態では、保護層8が特許請求の範囲でいう“絶縁層”に相当する。以下、各部について詳述する。
<1. Thin film transistor>
The thin film transistor 1 of this embodiment is a so-called bottom gate type TFT, and uses an oxide semiconductor for the channel. Specifically, as shown in FIG. 1, it has a
基板2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)等の樹脂材料やガラス材料によって構成されてよい。
The
ゲート電極3は、薄膜トランジスタ1に印加されるゲート電圧によって半導体層5中のキャリア密度を制御するものである。このゲート電極3は、高い導電性を有する任意の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い。また、Al-Nd、Ag合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)、In-Ga-Zn-O(IGZO)等の金属酸化物の導電性膜から構成されてよい。ゲート電極3は、これらの導電性膜の単層構造又は2層以上の積層構造から構成されてもよい。
The
ゲート絶縁層4は高い絶縁性を有する任意の絶縁材料から構成されており、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。
The
半導体層(チャネル層)5は、ソース電極6とドレイン電極7間を流れる電流を通過させるものである。本実施形態の半導体層5は、酸化物半導体からなるものであり、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。半導体層5を構成する材料の具体例としては、例えば、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。この半導体層5は非晶質(アモルファス)の酸化物半導体膜により構成されている。本実施形態の半導体層5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。
The semiconductor layer (channel layer) 5 passes the current flowing between the
ソース電極6及びドレイン電極7は、半導体層5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6及びドレイン電極7は、ゲート電極3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6及びドレイン電極7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。
The
保護層(パッシベーション層)8は、ソース電極6とドレイン電極7の間から露出する半導体層5の表面(チャネル領域)を覆って保護するものであり、絶縁性の材料により構成されたものである。保護層8は、少なくとも半導体層5の表面に接触して設けられている。本実施形態の保護層8は、ソース電極6及びドレイン電極7の表面を更に覆うように設けられている。
The protective layer (passivation layer) 8 covers and protects the surface (channel region) of the
具体的にこの保護層8は、フッ素含有酸窒化シリコン膜(SiON:F)により構成されている。このフッ素含有酸窒化シリコン膜は、リーク電流密度が1×10-5A/cm2以下であり、絶縁破壊電界強度が3MV/cm以上のものであることが好ましく、リーク電流密度が1×10-7A/cm2以下であり、絶縁破壊電界強度が8MV/cm以上のものであることがより好ましい。
Specifically, the
なお保護層8の上には、例えばフッ素含有シリコン酸化膜(SiN:F)、フッ素含有シリコン酸化膜(SiO:F)、シリコン窒化膜(SiNx)、シリコン酸化膜(SiOx)等からなる第2の保護層が、必要に応じて更に設けられてもよい。
On the
<2.薄膜トランジスタの製造方法>
次に、上述した構造の薄膜トランジスタ1の製造方法を、図2を参照して説明する。
本実施形態の薄膜トランジスタ1の製造方法は、ゲート電極形成工程、ゲート絶縁層形成工程、半導体層形成工程、ソース・ドレイン電極形成工程、プラズマ処理工程及び保護層形成工程を含む。なおこの実施形態では、保護層形成工程が特許請求の範囲でいう“絶縁層形成工程”に相当する。以下、各工程について説明する。
<2. Method for manufacturing a thin film transistor>
Next, a method for manufacturing the thin film transistor 1 having the structure described above will be described with reference to FIG.
The method of manufacturing the thin film transistor 1 of this embodiment includes a gate electrode forming process, a gate insulating layer forming process, a semiconductor layer forming process, a source/drain electrode forming process, a plasma treatment process, and a protective layer forming process. In this embodiment, the protective layer forming step corresponds to the "insulating layer forming step" in the claims. Each step will be described below.
(1)ゲート電極形成工程
まず図2の(a)に示すように、例えばPET等の樹脂材料からなる基板2を準備し、基板2の表面にゲート電極3を形成する。ゲート電極3の形成方法は特に制限されず、例えば真空蒸着法等の既知の方法により形成してよい。
(1) Gate Electrode Forming Step First, as shown in FIG. The method of forming the
(2)ゲート絶縁層形成工程
次に、図2の(b)に示すように、基板2及びゲート電極3の表面を覆うようにゲート絶縁層4を形成する。ゲート絶縁層4の形成方法は特に限定されず、既知の方法により形成してよい。
(2) Gate Insulating Layer Forming Step Next, as shown in FIG. 2B, the
(3)半導体層形成工程
次に、図2の(c)に示すように、ゲート絶縁層4上に半導体層5を形成する。この半導体層5は、既知の方法により形成してよい。例えば、誘導結合型のプラズマを用いて、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半導体層5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半導体層5を形成してもよい。
(3) Semiconductor Layer Forming Step Next, as shown in FIG. 2C, the
(4)ソース・ドレイン電極形成工程
次に、図2の(d)に示すように、半導体層5上にソース電極6及びドレイン電極7を形成する。ソース電極6およびドレイン電極7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。ソース電極6及びドレイン電極7は、半導体層5の表面上で互いに離間し、半導体層5の表面の一部を露出させるように形成される。
(4) Source/Drain Electrode Forming Step Next, as shown in FIG. 2D, the
(5)プラズマ処理工程
ここで、半導体層5の表面に保護層8を形成する前に、半導体層5の表面に対してプラズマ処理(成膜前処理)を行ってもよい。具体的にこのプラズマ処理は、図3に例示するような誘導結合型のプラズマ処理装置100を用いて行ってよい。具体的にプラズマ処理装置100は、真空排気され且つプロセスガスGが導入される処理室10が内側に形成された真空容器20と、処理室10の外部に設けられたアンテナ30と、アンテナ30に高周波(13.56MHz)を印加する高周波電源40とを備えている。高周波電源40からアンテナ30に高周波を印加すると、アンテナ30から発生した高周波磁場が処理室10内に形成されることで誘導電界が発生し、これにより誘導結合型のプラズマPが生成される。
(5) Plasma Treatment Step Here, before forming the
具体的にこの工程では、少なくとも窒素ガスと酸素ガスとをプロセスガスとして処理室10内に供給し、この状態でアンテナ30に高周波を印加して誘導結合型のプラズマを生じさせる。ここで供給するプロセスガスは、窒素ガスと酸素ガスの合計流量に対する窒素ガスの流量の割合(N2/N2+O2)が、70%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましく、90%以上であることがさらに好ましい。窒素ガスの流量割合が大きいほど、後で形成する保護層8中の固定電荷密度を小さくできるので好ましい。またこの工程は、基板温度を150℃以上300℃以下の低温で行うことが好ましい。プラズマ処理を行う処理時間は特に限定されないが、保護層8中の固定電荷密度をより小さくする観点から15秒以上45秒以下が好ましい。その他、RFパワー、成膜時圧力、プロセスガスの絶対量等は適宜設定されてよい。なお、処理室10内に供給される各ガスの流量は、ガス流路に設けたマスフローコントローラにより制御される。すなわち、ここでいう「流量」とは、マスフローコント―ラ等の流量制御機器における設定値を意味する(他の工程でも同じである。)。
Specifically, in this step, at least nitrogen gas and oxygen gas are supplied as process gases into the
(6)保護層形成工程
プラズマ処理工程の後、図2の(e)に示すように、ソース電極6及びドレイン電極7の間から露出する半導体層5の表面を覆うように保護層8を形成する。この保護層8の形成は、例えば前記したプラズマ処理装置(以下、プラズマCVD装置ともいう)100を用いてプラズマCVD法(化学気相成長法)を用いて行われる。ここでは、プラズマ処理工程においてプラズマCVD装置100の処理室10内に生成したプラズマを維持した状態で保護層形成工程に移行するようにしている。
(6) Protective Layer Forming Step After the plasma treatment step, a
具体的にこの保護層形成工程では、プロセスガスとして、SiF4(四フッ化シリコン)ガス、窒素ガス、酸素ガス及び水素ガスを処理室10内に供給し、この状態でアンテナ30に高周波を印加して誘導結合型のプラズマを生じさせる。ここで本実施形態では、供給するプロセスガスにおいて、窒素ガスと酸素ガスの合計流量に対する窒素ガスの流量の割合(N2/N2+O2)が93%以上であり、96%以上であることが好ましい。また当該割合の上限は特に限らないが100%であることが好ましい。なお、流量割合が100%である場合、処理室10内に意図的に供給する酸素ガスの流量は0ccmとなるが、この場合でも、プロセスガス中には酸素ガスが不可避的に含まれており、そのためフッ素含有シリコン酸窒化膜を成膜することができる。またこの工程は、基板温度を150℃以上300℃以下の低温で行うことが好ましい。その他、RFパワー、成膜時圧力、プロセスガスの絶対量等は適宜設定されてよい。
Specifically, in this protective layer forming step, SiF 4 (silicon tetrafluoride) gas, nitrogen gas, oxygen gas, and hydrogen gas are supplied as process gases into the
必要に応じて、保護層8の上に、例えばフッ素含有シリコン酸化膜(SiN:F)、フッ素含有シリコン酸化膜(SiO:F)、シリコン窒化膜(SiNx)、シリコン酸化膜(SiOx)等からなる第2の保護層を成膜してもよい。この保護層の成膜は、保護層8と同様に、プラズマCVD装置100を用いて行うことができる。
If necessary, on the
(7)熱処理工程
必要に応じて酸素を含む大気圧下の雰囲気中で熱処理を行ってもよい。熱処理における炉内温度は特に限定されず、例えば150℃以上300℃以下である。また熱処理時間は特に限定されず、例えば1時間以上3時間以下である。
(7) Heat Treatment Step If necessary, heat treatment may be performed in an atmosphere containing oxygen under atmospheric pressure. The furnace temperature in the heat treatment is not particularly limited, and is, for example, 150° C. or higher and 300° C. or lower. The heat treatment time is not particularly limited, and is, for example, 1 hour or more and 3 hours or less.
以上により、本実施形態の薄膜トランジスタ1を得ることができる。 As described above, the thin film transistor 1 of the present embodiment can be obtained.
<3.本実施形態の効果>
このように構成した本実施形態の薄膜トランジスタ1の製造方法であれば、保護層形成工程において、プロセスガスとして、高価なSiCl4を用いることなく比較的な安価なガスを用いてプラズマCVD法により保護層8を形成するので、材料コストを低減できる。そしてさらに、プロセスガスとして供給する窒素ガスと酸素ガスの合計流量に対する窒素ガスの流量の割合を93%以上とし、その割合を非常に高くしているので、絶縁性の良好な酸窒化シリコン膜から成る保護層8を酸化物半導体から成る半導体層5上に安定して成膜することができる。これにより歩留まりが向上し、製造コストをより一層低減させることができる。
<3. Effect of the present embodiment>
According to the manufacturing method of the thin film transistor 1 of the present embodiment configured as described above, in the protective layer forming step, the plasma CVD method is used to protect the thin film transistor 1 by using a relatively inexpensive gas as a process gas without using expensive SiCl 4 . Forming the
<4.その他の変形実施形態>
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
<4. Other modified embodiments>
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiments.
前記実施形態の薄膜トランジスタ1は、ゲート電極3、ゲート絶縁層4及び半導体層5が基板2側から順に積層されたボトムゲート型のものであったがこれに限らない。他の実施形態では、図4に示すように、薄膜トランジスタ1は、半導体層5、ゲート絶縁層4、及びゲート電極3が基板2側から順に積層されたトップゲート型のものであってもよい。この場合には、半導体層5上に積層されるゲート絶縁層4が特許請求の範囲でいう“絶縁層”に相当する。この場合、ゲート絶縁層4はフッ素含有酸窒化シリコン膜(SiON:F)により構成されており、リーク電流密度が1×10-5A/cm2以下であり、絶縁破壊電界強度が3MV/cm以上のものであることが好ましく、リーク電流密度が1×10-7A/cm2以下であり、絶縁破壊電界強度が8MV/cm以上のものであることがより好ましい。
The thin film transistor 1 of the above-described embodiment is a bottom gate type in which the
また薄膜トランジスタ1がトップゲート型である場合、その製造方法は、前記した半導体層形成工程、ソース・ドレイン電極形成工程、プラズマ処理工程、ゲート絶縁層形成工程及びゲート電極形成工程をこの順に行うことで行われる。この場合には、ゲート絶縁層形成工程が特許請求の範囲でいう“絶縁層形成工程”に相当する。
そのためこの実施形態では、ゲート絶縁層形成工程は、SiF4(四フッ化ケイ素)ガス、窒素ガス、酸素ガス及び水素ガスをプロセスガスとして用いて、プラズマCVD法により行われる。具体的な方法は、前記した保護層形成工程と同様である。
When the thin-film transistor 1 is of the top-gate type, the manufacturing method is to perform the semiconductor layer forming step, the source/drain electrode forming step, the plasma processing step, the gate insulating layer forming step, and the gate electrode forming step in this order. done. In this case, the gate insulating layer forming step corresponds to the "insulating layer forming step" in the claims.
Therefore, in this embodiment, the gate insulating layer forming step is performed by plasma CVD using SiF 4 (silicon tetrafluoride) gas, nitrogen gas, oxygen gas and hydrogen gas as process gases. A specific method is the same as the protective layer forming step described above.
前記実施形態では、酸化物半導体層5を形成した後、この上に絶縁層(保護層8)を形成する前に、酸化物半導体層5の表面にプラズマ処理を施していたがこれに限らない。他の実施形態では、酸化物半導体層5の表面にプラズマ処理を行うことなく、その表面に絶縁層(保護層8)を形成してもよい。
In the above embodiment, the surface of the
前記実施形態では、半導体層5は酸化物半導体からなるものであったが、これに限らない。他の実施形態は、半導体層5は、例えばアモルファスSiや多結晶Si等、任意の半導体材料により構成されてもよい。
Although the
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。 In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することが勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples. The present invention is not limited by the following examples, and it is of course possible to carry out the present invention by making appropriate changes within the scope that can be adapted to the spirit of the above and the following. Included in scope.
<実験例1>プロセスガスにおける窒素ガス流量の割合と成膜の安定性との関係性
プラズマCVD法におけるプロセスガス中の窒素ガスと酸素ガスの合計流量に対する窒素ガスの流量の割合(N2/(N2+O2)とも記載する)と、酸化物半導体上への成膜の安定性との関係を評価した。
<Experimental Example 1 > Relationship between nitrogen gas flow rate ratio in process gas and film formation stability The relationship between (also referred to as (N 2 +O 2 )) and the stability of film formation over an oxide semiconductor was evaluated.
具体的にこの実施例では、前記したプラズマCVD装置を用いて、供給するプロセスガスにおけるN2/(N2+O2)を変化させて(0%から100%まで)、シリコン基板とIGZO膜のそれぞれの表面にフッ素含有酸窒化シリコン膜を成膜した。そして、Si基板上の膜厚に対するIGZO膜上の膜厚の比率(以下、膜厚比ともいう)を測定した。 Specifically, in this embodiment, using the plasma CVD apparatus described above, the ratio of N 2 /(N 2 +O 2 ) in the process gas to be supplied is changed (from 0% to 100%), and the silicon substrate and the IGZO film are separated. A fluorine-containing silicon oxynitride film was formed on each surface. Then, the ratio of the film thickness on the IGZO film to the film thickness on the Si substrate (hereinafter also referred to as film thickness ratio) was measured.
具体的に各フッ素含有酸窒化シリコン膜の成膜は、プラズマCVD装置の処理室内に、SiF4、N2、O2及びH2をプロセスガスとして供給し、RFパワー:20kW(0.48W/cm2)、成膜時の圧力:10Pa、設定温度:200℃の条件で行った。ここで、供給する各ガス流量は、SiF4:500sccm、H2:900sccm、N2+O2:3000sccm、となるようにした。そして成膜後のフッ素含有酸窒化シリコン膜の膜厚は、分光エリプソメーター(大塚電子製、FE-5000S)により測定した。測定結果を図5に示す。 Specifically, each fluorine-containing silicon oxynitride film was formed by supplying SiF 4 , N 2 , O 2 and H 2 as process gases into the processing chamber of a plasma CVD apparatus, RF power: 20 kW (0.48 W/ cm 2 ), pressure during film formation: 10 Pa, and set temperature: 200°C. Here, the flow rates of the supplied gases were set to SiF 4 : 500 sccm, H 2 : 900 sccm, and N 2 +O 2 : 3000 sccm. The film thickness of the fluorine-containing silicon oxynitride film after film formation was measured with a spectroscopic ellipsometer (FE-5000S, manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.). The measurement results are shown in FIG.
図5から分かるように、プロセスガス中のN2/(N2+O2)を0%~50%の範囲で行ったものは、膜厚比が0.9未満、あるいは1.1超となり、成膜が不安定であった。
一方で、プロセスガス中のN2/(N2+O2)を93%以上の範囲で行ったもの(93.3%、96.7%、100%)は、膜厚比が0.9以上1.1以下(すなわち、膜厚の差が10%以内)であり、IGZO膜上に安定してフッ素含有酸窒化シリコン膜を成膜できた。
As can be seen from FIG. 5, when the N 2 /(N 2 +O 2 ) in the process gas is in the range of 0% to 50%, the film thickness ratio is less than 0.9 or more than 1.1. Film formation was unstable.
On the other hand, when N 2 /(N 2 +O 2 ) in the process gas is in the range of 93% or more (93.3%, 96.7%, 100%), the film thickness ratio is 0.9 or more. It was 1.1 or less (that is, the film thickness difference was within 10%), and a fluorine-containing silicon oxynitride film could be stably formed on the IGZO film.
<実験例2>プロセスガスにおける窒素ガス流量の割合と成膜レート及び屈折率との関係性
次に、プラズマCVD法におけるプロセスガス中の窒素ガスと酸素ガスの合計流量に対する窒素ガスの流量の割合と、酸化物半導体上へのフッ素含有酸窒化シリコン膜の成膜レート及び屈折率との関係を評価した。
<Experimental Example 2> Relationship between nitrogen gas flow rate ratio in process gas, film formation rate, and refractive index Next, the ratio of the nitrogen gas flow rate to the total flow rate of nitrogen gas and oxygen gas in the process gas in the plasma CVD method. , the deposition rate and the refractive index of the fluorine-containing silicon oxynitride film over the oxide semiconductor.
具体的には、実験例1においてプロセスガス中のN2/(N2+O2)を93%以上(具体的には、93.3%、96.7%、100%)にしてIGZO膜上に成膜を行った3つのサンプルについて、その成膜レートと屈折率とを測定した。具体的に、各サンプルの成膜レートは、分光エリプソメーターにより測定した膜厚を成膜時間で除することで算出した。各サンプルの屈折率も、上記分光エリプソメーターにより測定した。その結果を図6に示す。 Specifically, in Experimental Example 1, the N 2 /(N 2 +O 2 ) in the process gas was set to 93% or more (specifically, 93.3%, 96.7%, 100%) and on the IGZO film The film formation rate and the refractive index were measured for the three samples on which the film was formed. Specifically, the film formation rate of each sample was calculated by dividing the film thickness measured by the spectroscopic ellipsometer by the film formation time. The refractive index of each sample was also measured by the above spectroscopic ellipsometer. The results are shown in FIG.
図6に示すように、プロセスガス中のN2/(N2+O2)を93%以上としても、成膜レートが25nm/min以上であり良好であることが分かった。また、プロセスガス中のN2/(N2+O2)を93%以上の範囲で、窒素ガス流量の増加に伴い屈折率が顕著に増加しており、窒化が急激に進むことが分かった。 As shown in FIG. 6, it was found that even when the N 2 /(N 2 +O 2 ) in the process gas was 93% or more, the film formation rate was 25 nm/min or more, which was favorable. In addition, it was found that the refractive index remarkably increased with an increase in the nitrogen gas flow rate when the N 2 /(N 2 +O 2 ) in the process gas was in the range of 93% or more, and the nitriding progressed rapidly.
<実験例3>プロセスガスにおける窒素ガス流量の割合と絶縁性との関係性
次に、プラズマCVD法におけるプロセスガス中の窒素ガスと酸素ガスの合計流量に対する窒素ガスの流量の割合と、酸化物半導体膜上に成膜したフッ素含有酸窒化シリコン膜の絶縁性との関係を評価した。
<Experimental Example 3> Relationship between nitrogen gas flow rate ratio in process gas and insulation properties The relationship with the insulating property of the fluorine-containing silicon oxynitride film formed on the semiconductor film was evaluated.
具体的にこの実施例では、前記したプラズマCVD装置を用いてSi基板上にフッ素含有酸窒化シリコン膜を成膜し、このフッ素含有酸窒化シリコン膜上にアルミニウム電極を形成してサンプルを作成した。ここで、フッ素含有酸窒化シリコン膜を成膜する際に、供給するプロセスガスにおけるN2/(N2+O2)を変化させた3種類(93.3%、96.7%、100%)のサンプルを作成した。また各種類のサンプルは、図7に示すように、RFパワー、成膜時の圧力及び温度、プロセスガス流量等の条件を変えて、合計6つのサンプルを作成した。そして、抵抗加熱真空蒸着法により、成膜面上に約1mmφのAl含有電極を形成し、デジタル超高抵抗/微小電流計(アドバンテスト製、R8340A)によって、膜厚方向における電流電圧測定を行い、I-V曲線を得た。そのI-V曲線から、各サンプルのリーク電流密度(印加電界3MV/cmにおける電流密度)と絶縁破壊電界(リーク電流密度が1×10-5A/cm2となる電界強度)を求めた。その結果を図7に示す。 Specifically, in this example, a fluorine-containing silicon oxynitride film was formed on a Si substrate using the plasma CVD apparatus described above, and an aluminum electrode was formed on this fluorine-containing silicon oxynitride film to prepare a sample. . Here, three types (93.3%, 96.7%, 100%) in which N 2 /(N 2 +O 2 ) in the process gas supplied when forming the fluorine-containing silicon oxynitride film are changed. created a sample of As for each type of sample, as shown in FIG. 7, a total of six samples were prepared by changing conditions such as RF power, pressure and temperature during film formation, and process gas flow rate. Then, an Al-containing electrode with a diameter of about 1 mm was formed on the film formation surface by a resistance heating vacuum deposition method, and current and voltage were measured in the film thickness direction with a digital ultra-high resistance/micro-ammeter (manufactured by Advantest, R8340A). An IV curve was obtained. From the IV curve, the leakage current density (current density at an applied electric field of 3 MV/cm) and dielectric breakdown electric field (electric field strength at which the leakage current density is 1×10 −5 A/cm 2 ) of each sample were obtained. The results are shown in FIG.
図7に示すように、プロセスガス中のN2/(N2+O2)が93%以上であるフッ素含有酸窒化シリコン膜を有するサンプルはいずれも、絶縁破壊電界が3MV/cm以上、かつリーク電流密度が1×10-5A/cm2以下であり、優れた絶縁性が得られることを確認した。特にプロセスガス中のN2/(N2+O2)が96%以上であるフッ素含有酸窒化シリコン膜を有するサンプルは、絶縁破壊電界が8MV/cm以上、かつリーク電流密度が1×10-7A/cm2以下であり、より優れた絶縁性が得られることを確認した。 As shown in FIG. 7, all samples having a fluorine-containing silicon oxynitride film in which the N 2 /(N 2 +O 2 ) in the process gas is 93% or more have a breakdown electric field of 3 MV/cm or more and a leakage current of 3 MV/cm or more. It was confirmed that the current density was 1×10 −5 A/cm 2 or less and excellent insulation was obtained. In particular, a sample having a fluorine-containing silicon oxynitride film in which N 2 /(N 2 +O 2 ) in the process gas is 96% or more has a breakdown electric field of 8 MV/cm or more and a leakage current density of 1×10 −7 . A/cm 2 or less, and it was confirmed that superior insulation can be obtained.
1 ・・・薄膜トランジスタ
2 ・・・基板
3 ・・・ゲート電極
4 ・・・ゲート絶縁層
5 ・・・半導体層
6 ・・・ソース電極
7 ・・・ドレイン電極
8 ・・・保護層
REFERENCE SIGNS LIST 1
Claims (6)
前記酸窒化シリコン膜を、SiF4ガス、窒素ガス、酸素ガス及び水素ガスをプロセスガスとして供給して行うプラズマCVD法により成膜し、
前記供給するプロセスガスにおいて、窒素ガスと酸素ガスの合計流量に対する窒素ガスの流量の割合が93%以上であることを特徴とする成膜方法。 A film formation method for forming a silicon oxynitride film on an oxide semiconductor,
The silicon oxynitride film is formed by a plasma CVD method performed by supplying SiF 4 gas, nitrogen gas, oxygen gas and hydrogen gas as process gases,
A film forming method, wherein, in the process gas to be supplied, the ratio of the flow rate of nitrogen gas to the total flow rate of nitrogen gas and oxygen gas is 93% or more.
スパッタリングにより前記酸化物半導体を形成する半導体層形成工程と、
請求項1~5のいずれか一項に記載の成膜方法により、前記酸化物半導体の上に酸窒化シリコン膜から成る絶縁層を成膜する絶縁層形成工程と、を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 A method for manufacturing a thin film transistor having an oxide semiconductor made of In--Ga--Zn--O as a channel layer,
a semiconductor layer forming step of forming the oxide semiconductor by sputtering;
and an insulating layer forming step of forming an insulating layer made of a silicon oxynitride film on the oxide semiconductor by the film forming method according to any one of claims 1 to 5. A method for manufacturing a thin film transistor.
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