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JP5677711B2 - 高性能金属酸化物及び金属酸窒化物薄膜トランジスタを作るためのゲート誘電体の処理 - Google Patents

高性能金属酸化物及び金属酸窒化物薄膜トランジスタを作るためのゲート誘電体の処理 Download PDF

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Description

発明の背景
（発明の分野）
本発明の実施形態は、概して、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作る方法に関する。
（関連技術の説明）
現在、ＴＦＴアレイへの関心は特に高く、なぜなら、これらの装置はコンピュータ及びテレビのフラットパネルにしばしば使用される種類のアクティブマトリックス液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）で使用できるからである。ＬＣＤには、バックライト照明用の発光ダイオード（ＬＥＤ）も含まれるかもしれない。更に、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）は、アクティブマトリックスディスプレイに使用されてきており、これらのＯＬＥＤは、ディスプレイの動作を記述するためにＴＦＴが必要である。
アモルファスシリコンで作られたＴＦＴは、フラットパネルディスプレイ産業の主要なコンポーネントとなった。残念ながら、アモルファスシリコンには、低い移動度などの制約がある。ＯＬＥＤに必要とされる移動度は、アモルファスシリコンで得られる移動度よりも少なくとも１０倍高い。更に、ＯＬＥＤディスプレイは電流駆動型デバイスであるので、Ｖｔｈシフトに対してより敏感である。高電流又は高バイアス電圧下のいずれかにおけるアモルファスシリコンＴＦＴのＶｔｈシフトは、取り組むべき課題である。他方、ポリシリコンは、アモルファスシリコンよりも高い移動度を有している。ポリシリコンは結晶であり、低い局所的不均一性をもたらす。ポリシリコン膜を作るために複雑なアニーリング処理を必要とするため、アモルファスシリコンとは対照的に、ポリシリコンを使用して大面積ディスプレイを作るのは、より困難であり、又はよりコストが掛かる。アモルファスシリコンの制約のため、ＯＬＥＤの進歩は遅かった。
近年、酸化亜鉛をアクティブチャネル層として使用する透明なＴＦＴが作られた。酸化亜鉛は、ガラスやプラスチックなどの様々な基板上に比較的低い析出温度で結晶性材料として成長させることができる合成半導体である。
従って、高移動度をもつアモルファスアクティブチャネルを有するＴＦＴに対する技術の必要性がある。
本発明は、概して、ＴＦＴ及びそれらを製造するための方法を含む。ＴＦＴのゲート誘電体層は、ＴＦＴの閾値電圧に影響するかもしれない。アクティブチャネル材料を堆積する前にゲート誘電体層を処理することによって、閾値電圧は改善するかもしれない。ゲート誘電体を処理する１つの方法は、Ｎ２Ｏガスにゲート誘電体層を曝露することを含む。ゲート誘電体を処理する別の方法は、Ｎ２Ｏプラズマにゲート誘電体層を曝露することを含む。シリコンベースのＴＦＴ用にはゲート誘電体として実用的ではないが、酸化珪素も金属酸化物ＴＦＴで使用すると、閾値電圧を改善するかもしれない。ゲート誘電体を処理する、及び／又は、酸化珪素を使用することによって、ＴＦＴのサブスレショルドスロープ及び閾値電圧は改善されるかもしれない。
一実施形態では、ＴＦＴ製造方法を開示している。この方法は、ゲート電極及び基板の上にゲート誘電体層を堆積するステップと、処理のためにＮ２Ｏプラズマ又は他のプラズマにゲート誘電体層を曝露するステップと、ゲート誘電体層の上に半導体層を堆積するステップと、半導体層の上に導電層を堆積するステップと、ソース及びドレイン電極及びアクティブチャネルを画定するために導電層及び半導体層をエッチングするステップとを含む。半導体層は、酸素を含み、更に、亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム、スズ、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される１以上の元素を含むか、又は半導体層は、窒素と酸素とを含み、更に、亜鉛、インジウム、スズ、ガリウム、カドミウム、及びそれらの組み合わせから選択される１以上の元素を含む。アクティブチャネルは、半導体層の一部である。
別の実施形態では、ＴＦＴの製造方法を開示している。この方法は、ゲート電極及び基板の上に窒化珪素層を堆積するステップと、窒化珪素層の上に酸化珪素層を堆積するステップと、酸化珪素層の上に半導体層を堆積するステップと、半導体層の上に導電層を堆積するステップと、ソース及びドレイン電極及びアクティブチャネルを画定するために導電層をエッチングするステップとを含む。半導体層は、酸素を含み、更に、亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム、スズ、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される１以上の元素を含むか、又は半導体層は、窒素と酸素とを含み、更に、亜鉛、インジウム、スズ、ガリウム、カドミウム、及びそれらの組み合わせから選択される１以上の元素を含む。アクティブチャネルは、半導体層の一部である。
別の実施形態では、ＴＦＴの製造方法を開示している。この方法は、ゲート電極及び基板の上に酸化珪素層を堆積するステップと、酸化珪素層の上に半導体層を堆積するステップと、半導体層の上に導電層を堆積するステップと、ソース及びドレイン電極及びアクティブチャネルを画定するために導電層をエッチングするステップとを含む。半導体層は、酸素を含み、更に、亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム、スズ、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される１以上の元素を含むか、又は半導体層は、窒素と酸素とを含み、更に、亜鉛、インジウム、スズ、ガリウム、カドミウム、及びそれらの組み合わせから選択される１以上の元素を含む。アクティブチャネルは、半導体層の一部を露出する。
別の実施形態では、ＴＦＴを開示している。このＴＦＴは、ゲート電極及び基板の上に配置された酸化珪素層と、酸化珪素層の上に配置された半導体層と、半導体層の上に配置されたソース及びドレイン電極とを含む。半導体層は、酸素を含み、更に、亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム、スズ、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される１以上の元素を含むか、又は半導体層は、窒素と酸素とを含み、更に、亜鉛、インジウム、スズ、ガリウム、カドミウム、及びそれらの組み合わせから選択される１以上の元素を含む。ソース及びドレイン電極は、半導体層の一部を露出するために、互いに空間を隔てている。
本発明の上述した構成を詳細に理解することができるように、上記に簡単に要約した本発明のより具体的な説明を実施形態を参照して行う。実施形態のいくつかは添付図面に示されている。しかしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態を示しているに過ぎず、従ってこの範囲を制限していると解釈されるべきではなく、本発明は他の等しく有効な実施形態を含み得ることに留意すべきである。
〜 様々な製造段階における本発明の一実施形態に係るＴＦＴ１００の概略断面図である。 本発明の別の実施形態に係るＴＦＴ２００の概略断面図である。 本発明の一実施形態に係るアクティブレイヤ材料の堆積前にゲート誘電体層をプラズマ処理に曝露する効果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るゲート誘電体層の析出温度の効果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るアクティブレイヤ材料の堆積前におけるＮＨ３によるプラズマ処理及びゲート誘電体層のアニーリングの効果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るアクティブレイヤ材料の堆積前におけるゲート誘電体層へのＮ２Ｏプラズマ処理の効果を示すグラフである。 〜 本発明の一実施形態に係るアクティブレイヤ材料の堆積前におけるゲート誘電体層のＮ２Ｏ曝露及びＮ２Ｏプラズマ処理の効果を示すグラフである。 〜 本発明の一実施形態に係るアクティブレイヤ材料の堆積前におけるゲート誘電体層のＮ２Ｏ曝露温度及びＮ２Ｏプラズマ処理温度の効果を示すグラフである。
理解を促進するために、図面に共通する同一の要素を示す際には可能な限り同一の参照番号を使用している。一実施形態に開示される要素を特定の引用なしに他の実施形態に有益に組み込んでもよいと理解される。
詳細な説明
本発明は、概して、ＴＦＴ及びそれらを製造するための方法を含む。ＴＦＴのゲート誘電体層は、ＴＦＴの閾値電圧に影響するかもしれない。アクティブチャネル材料を堆積する前にゲート誘電体層を処理することによって、閾値電圧は改善するかもしれない。ゲート誘電体を処理する１つの方法は、摂氏２００度より高い温度でＮ２Ｏガスにゲート誘電体層を曝露するステップを含む。ゲート誘電体を処理する別の方法は、Ｎ２Ｏプラズマにゲート誘電体層を曝露するステップを含む。シリコンベースのＴＦＴ用にはゲート誘電体として実用的ではないが、酸化珪素も金属酸化物ＴＦＴで使用すると、閾値電圧を改善するかもしれない。ゲート誘電体を処理する、及び／又は、酸化珪素を使用することによって、ＴＦＴの閾値電圧は改善されるかもしれない。ドーピングを通してアモルファス材料として酸化亜鉛ベースの半導体を作ることができる。従って、それは粒子構造の結果と考えられる不均一性の問題を回避するだろう。ボトムゲート型ＴＦＴ構造を使用することによって、酸化亜鉛ベースの半導体などのアモルファス半導体は、現在のディスプレイ製造プロセスでより容易に実行される。
図１Ａ〜１Ｆは、様々な製造段階における本発明の一実施形態に係るＴＦＴ１００の概略断面図である。ＴＦＴは基板１０２を含んでもよい。一実施形態では、基板１０２はガラスを含んでもよい。別の実施形態では、基板１０２はポリマーを含んでもよい。別の実施形態では、基板１０２はプラスチックを含んでもよい。更に別の実施形態では、基板１０２は金属を含んでもよい。
基板上に、ゲート電極１０４を形成してもよい。ゲート電極１０４は、ＴＦＴ内で荷電粒子の動きを制御する導電層を含んでもよい。ゲート電極１０４は、アルミニウム、タングステン、クロム、タンタル、又はそれらの組み合わせなどの金属を含んでもよい。ゲート電極１０４は、スパッタリング、リソグラフィー、及びエッチングを含む従来の堆積技術を使用して形成してもよい。ゲート電極１０４は、基板１０２上に導電層を堆積させる被覆（ブランケット）によって形成してもよい。導電層はスパッタリングによって堆積してもよい。その後、フォトレジスト層を導電層の上に堆積してもよい。フォトレジスト層は、マスクを形成するためにパターニングしてもよい。ゲート電極１０４は、基板１０２の上にゲート電極１０４を残すために導電層のマスクされていない部分をエッチングで取り除くことによって形成してもよい。
ゲート電極１０４の上に、ゲート誘電体層１０６を堆積してもよい。ゲート誘電体層１０６は、ＴＦＴのサブスレッショルドスイング又はスロープ及び閾値電圧に影響する。シリコンベースのＴＦＴ（即ち、アモルファスシリコンなどのシリコンベースの半導体を有するＴＦＴ）において、酸化珪素は非常に正のＶｔｈと低い移動度を有したＴＦＴをもたらすので、ゲート誘電体層１０６は酸化珪素を含むことができない。しかしながら、金属酸化物ＴＦＴに対して、酸化珪素が有効なゲート誘電体層１０６として機能するかもしれないことが発見された。酸化珪素の中の酸素は、金属酸化物層を効果的に変化させたり又は相互作用する可能性は無いので、ＴＦＴが動作しない可能性は無い。一実施形態では、ゲート誘電体層１０６は窒化珪素を含んでもよい。別の実施形態では、ゲート誘電体層１０６は酸化珪素を含んでもよい。別の実施形態では、ゲート誘電体層１０６は二酸化珪素を含んでもよい。別の実施形態では、ゲート誘電体層１０６は酸窒化珪素を含んでもよい。別の実施形態では、ゲート誘電体層１０６はＡｌ２Ｏ３を含んでもよい。ゲート誘電体層１０６は、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）を含むよく知られた堆積技術で堆積してもよい。一実施形態では、ゲート誘電体層１０６は物理的気相成長法（ＰＶＤ）によって堆積してもよい。
ゲート誘電体層１０６が堆積された後に、ゲート誘電体層１０６を処理してもよい。ゲート誘電体層１０６を処理する様々な技術を以下で詳細に議論する。技術のうちの１つは、ゲート誘電体層１０６の表面をパッシベーションするために、ゲート誘電体層１０６をプラズマ１０８に曝露することを含む。
ゲート誘電体層１０６を処理した後に、半導体層１１０をその上に堆積してもよい。半導体層１１０は、最終的なＴＦＴ構造にアクティブチャネルを含む材料となるだろう。半導体層１１０は、酸素を含み、更に、亜鉛、ガリウム、カドミウム、インジウム、スズ、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される１以上の元素を含んでもよく、又は、窒素と酸素とを含み、更に、亜鉛、インジウム、スズ、ガリウム、カドミウム、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される１以上の元素を含んでもよい。一実施形態では、半導体層１１０は、酸素、窒素、及び、満ちたｓ軌道及び満ちたｄ軌道を有する１以上の元素を含んでもよい。別の実施形態では、半導体層１１０は、酸素、窒素、及び満ちたｆ軌道を有する１以上の元素を含んでもよい。別の実施形態では、半導体層１１０は、酸素、窒素、及び１以上の２価の元素を含んでもよい。別の実施形態では、半導体層１１０は、酸素、窒素、及び１以上の３価の元素を含んでもよい。別の実施形態では、半導体層は、酸素、窒素、及び１以上の４価の元素を含んでもよい。
また、半導体層１１０は、ドーパントを含んでもよい。使用可能な適当なドーパントは、Ａｌ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｇ、ＳｉｘＮｙ、ＡｌｘＯｙ、ＳｉＣを含む。一実施形態では、ドーパントはアルミニウムを含む。別の実施形態では、ドーパントはスズを含む。
半導体層１１０の例は以下を含む：ＺｎＯｘＮｙ、ＳｎＯｘＮｙ、ＩｎＯｘＮｙ、ＣｄＯｘＮｙ、ＧａＯｘＮｙ、ＺｎＳｎＯｘＮｙ、ＺｎＩｎＯｘＮｙ、ＺｎＣｄＯｘＮｙ、ＺｎＧａＯｘＮｙ、ＳｎＩｎＯｘＮｙ、ＳｎＣｄＯｘＮｙ、ＳｎＧａＯｘＮｙ、ＩｎＣｄＯｘＮｙ、ＩｎＧａＯｘＮｙ、ＣｄＧａＯｘＮｙ、ＺｎＳｎＩｎＯｘＮｙ、ＺｎＳｎＣｄＯｘＮｙ、ＺｎＳｎＧａＯｘＮｙ、ＺｎＩｎＣｄＯｘＮｙ、ＺｎＩｎＧａＯｘＮｙ、ＺｎＣｄＧａＯｘＮｙ、ＳｎＩｎＣｄＯｘＮｙ、ＳｎＩｎＧａＯｘＮｙ、ＳｎＣｄＧａＯｘＮｙ、ＩｎＣｄＧａＯｘＮｙ、ＺｎＳｎＩｎＣｄＯｘＮｙ、ＺｎＳｎＩｎＧａＯｘＮｙ、ＺｎＩｎＣｄＧａＯｘＮｙ、及びＳｎＩｎＣｄＧａＯｘＮｙ。半導体層１１０の例は以下のドープされた材料を含む：ＺｎＯｘＮｙ：Ａｌ、ＺｎＯｘＮｙ：Ｓｎ、ＳｎＯｘＮｙ：Ａｌ、ＩｎＯｘＮｙ：Ａｌ、ＩｎＯｘＮｙ：Ｓｎ、ＣｄＯｘＮｙ：Ａｌ、ＣｄＯｘＮｙ：Ｓｎ、ＧａＯｘＮｙ：Ａｌ、ＧａＯｘＮｙ：Ｓｎ、ＺｎＳｎＯｘＮｙ：Ａｌ、ＺｎＩｎＯｘＮｙ：Ａｌ、ＺｎＩｎＯｘＮｙ：Ｓｎ、ＺｎＣｄＯｘＮｙ：Ａｌ、ＺｎＣｄＯｘＮｙ：Ｓｎ、ＺｎＧａＯｘＮｙ：Ａｌ、ＺｎＧａＯｘＮｙ：Ｓｎ、ＳｎＩｎＯｘＮｙ：Ａｌ、ＳｎＣｄＯｘＮｙ：Ａｌ、ＳｎＧａＯｘＮｙ：Ａｌ、ＩｎＣｄＯｘＮｙ：Ａｌ、ＩｎＣｄＯｘＮｙ：Ｓｎ、ＩｎＧａＯｘＮｙ：Ａｌ、ＩｎＧａＯｘＮｙ：Ｓｎ、ＣｄＧａＯｘＮｙ：Ａｌ、ＣｄＧａＯｘＮｙ：Ｓｎ、ＺｎＳｎＩｎＯｘＮｙ：Ａｌ、ＺｎＳｎＣｄＯｘＮｙ：Ａｌ、ＺｎＳｎＧａＯｘＮｙ：Ａｌ、ＺｎＩｎＣｄＯｘＮｙ：Ａｌ、ＺｎＩｎＣｄＯｘＮｙ：Ｓｎ、ＺｎＩｎＧａＯｘＮｙ：Ａｌ、ＺｎＩｎＧａＯｘＮｙ：Ｓｎ、ＺｎＣｄＧａＯｘＮｙ：Ａｌ、ＺｎＣｄＧａＯｘＮｙ：Ｓｎ、ＳｎＩｎＣｄＯｘＮｙ：Ａｌ、ＳｎＩｎＧａＯｘＮｙ：Ａｌ、ＳｎＣｄＧａＯｘＮｙ：Ａｌ、ＩｎＣｄＧａＯｘＮｙ：Ａｌ、ＩｎＣｄＧａＯｘＮｙ：Ｓｎ、ＺｎＳｎＩｎＣｄＯｘＮｙ：Ａｌ、ＺｎＳｎＩｎＧａＯｘＮｙ：Ａｌ、ＺｎＩｎＣｄＧａＯｘＮｙ：Ａｌ、ＺｎＩｎＣｄＧａＯｘＮｙ：Ｓｎ、及びＳｎＩｎＣｄＧａＯｘＮｙ：Ａｌ。
半導体層１１０は、スパッタリングによって堆積してもよい。一実施形態では、スパッタリングターゲットは、亜鉛、ガリウム、スズ、カドミウム、インジウム、又はそれらの組み合わせなどの金属を含む。スパッタリングターゲットは、ドーパントを更に含んでもよい。反応性スパッタリングによって半導体層１１０を堆積するために、酸素含有ガス及び窒素含有ガスがチャンバ内に導入される。一実施形態では、窒素含有ガスは、Ｎ２を含む。別の実施形態では、窒素含有ガスは、Ｎ２Ｏ、ＮＨ３、又はそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、酸素含有ガスは、Ｏ２を含む。別の実施形態では、酸素含有ガスは、Ｎ２Ｏを含む。窒素含有ガスの窒素と酸素含有ガスの酸素は、金属、酸素、窒素、及び任意にドーパントを基板上に含む半導体材料を形成するために、スパッタリングターゲットからの金属と反応する。一実施形態では、窒素含有ガスと酸素含有ガスは、別々のガスである。別の実施形態では、窒素含有ガスと酸素含有ガスは、同じガスを含む。また、スパッタリングの間、Ｂ２Ｈ６、ＣＯ２、ＣＯ、ＣＨ４、及びそれらの組み合わせなどの追加添加物をチャンバに提供してもよい。
半導体層１１０を堆積した後に、導電層１１２を堆積してもよい。一実施形態では、導電層１１２は、アルミニウム、タングステン、モリブデン、クロム、タンタル、及びそれらの組み合わせなどの金属を含んでもよい。導電層１１２は、ＰＶＤを使用することによって堆積してもよい。
ソース電極１１４、ドレイン電極１１６、及びアクティブチャネル１１８は、導電層１１２を堆積した後に、導電層１１２の一部をエッチングで除去することによって画定してもよい。半導体層１１０の一部もエッチングによって除去してもよい。図示されていないが、導電層を堆積する前に、エッチストップ層を半導体層１１０の上に堆積してもよい。エッチストップ層は、エッチングの間、過度のプラズマ曝露からアクティブチャネル１１８を保護するために機能する。
図２は、本発明の別の実施形態に係るＴＦＴ２００の概略断面図である。ＴＦＴ２００は、基板２０２の上に配置されたゲート電極２０４を含む。ソース電極２１２、ドレイン電極２１４、アクティブチャネル２１６、及び半導体層２１０も存在する。多層ゲート誘電体が存在する。ゲート誘電体は、第１ゲート誘電体層２０６及び第２ゲート誘電体層２０８を有してもよい。一実施形態では、第１ゲート誘電体層２０６は、窒化珪素を含んでもよい。一実施形態では、第２ゲート誘電体層２０８は、酸化珪素を含んでもよい。上述のように、酸化珪素はシリコンベースのＴＦＴで使用可能ではないが、金属酸化物ＴＦＴでは有益かもしれない。
表１は、ゲート誘電体層上で実行される処理を除いて実質的に同じいくつかのＴＦＴの比較を示す。各実施例において、ゲート誘電体層は窒化珪素である。
Figure 0005677711
窒化珪素のゲート誘電体層を備えて作られたＴＦＴは、未処置のままであった。ゲート誘電体層の堆積後に、ゲート誘電体層を大気に曝露させずに、半導体層をその上に堆積した。ＴＦＴの移動度は９．７８ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、サブスレショルドスロープは２Ｖ／ｄｅｃであった。
窒化珪素のゲート誘電体層と、その上に酸化珪素の層を堆積したＴＦＴが作られた。ゲート誘電体層の更なる処理は行わなかった。酸化珪素層の堆積後に、ゲート誘電体層又は酸化珪素を大気に曝露させずに、半導体層をその上に堆積した。ＴＦＴの移動度は７．６５ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、サブスレショルドスロープは１．４８Ｖ／ｄｅｃであった。
窒化珪素のゲート誘電体を備えたＴＦＴが作られ、Ｎ２Ｏのプラズマに曝露された。ゲート誘電体層を大気に曝露させず、半導体層をその上に堆積した。ＴＦＴの移動度は７．８４ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、サブスレショルドスロープは１．４２Ｖ／ｄｅｃであった。
窒化珪素のゲート誘電体を備えたＴＦＴが作られ、ＰＨ３のプラズマに曝露された。ゲート誘電体層を大気に曝露させず、半導体層をその上に堆積した。ＴＦＴの移動度は１ｃｍ２／Ｖ−ｓ未満であり、サブスレショルドスロープは４Ｖ／ｄｅｃを超えていた。
窒化珪素のゲート誘電体を備えたＴＦＴが作られ、ＮＨ３のプラズマに曝露された。ゲート誘電体層を大気に曝露させず、半導体層をその上に堆積した。ＴＦＴの移動度は６．２８ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、サブスレショルドスロープは２．３４Ｖ／ｄｅｃであった。
窒化珪素のゲート誘電体を備えたＴＦＴが作られ、Ｈ２のプラズマに曝露された。ゲート誘電体層を大気に曝露させず、半導体層をその上に堆積した。ＴＦＴの移動度は２．５ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、サブスレショルドスロープは２．８Ｖ／ｄｅｃであった。
窒化珪素のゲート誘電体を備えたＴＦＴが作られ、アルゴンのプラズマに曝露された。ゲート誘電体層を大気に曝露させず、半導体層をその上に堆積した。ＴＦＴの移動度は２．９ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、サブスレショルドスロープは２．８Ｖ／ｄｅｃであった。
窒化珪素のゲート誘電体を備えたＴＦＴが作られ、大気に曝露された。その後、半導体層を窒化珪素の上に堆積した。ＴＦＴの移動度は６．２ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、サブスレショルドスロープは１．８４Ｖ／ｄｅｃであった。
窒化珪素のゲート誘電体を備えたＴＦＴが作られ、Ｎ２のプラズマに曝露された。ゲート誘電体層を大気に曝露させず、半導体層をその上に堆積した。ＴＦＴの移動度は２．９ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、サブスレショルドスロープは２．８Ｖ／ｄｅｃであった。
上記実施例に示されるように、ゲート誘電体層の処理は、サブスレショルドスロープ及び移動度に影響するかもしれない。窒化珪素層の上の追加酸化珪素層は、良好な移動度及び非常に良好なサブスレショルドスロープを有するＴＦＴを生み出した。更に、Ｎ２Ｏプラズマ処理は、良好な移動度及び非常に良好なサブスレショルドスロープを有するＴＦＴを生み出した。酸化珪素ＴＦＴに対する移動度及びＮ２Ｏプラズマは両者とも未処理のままのＴＦＴを下回ったが、サブスレショルドスロープはかなりより良好であった。逆に、アルゴンプラズマ、Ｈ２プラズマ、ＮＨ３プラズマ、又はＮ２プラズマによる処理は、サブスレショルドスロープをはるかに悪化させる。従って、ゲート誘電体層上で実行される処理の種類は、ＴＦＴの性能に影響する。Ｎ２Ｏプラズマ中の酸素が窒化珪素を減少させるか、又は珪素窒素結合を切断して表面を不動態化させると信じられている。
図３は、本発明の一実施形態に係るアクティブレイヤ材料の堆積前にゲート誘電体層をプラズマ処理に曝露する効果を示すグラフである。未処理、Ｎ２Ｏプラズマ曝露、Ｎ２Ｏプラズマに続いてＨ２プラズマ曝露、及びＮ２Ｏプラズマに続いてＮＨ３プラズマ曝露の、４つの別々の結果が図３に示されている。上記実施例に示されるように、Ｈ２プラズマかＮＨ３プラズマのいずれか単独によるゲート誘電体層の処理は良好な結果を示さないが、Ｎ２Ｏプラズマの後にＨ２プラズマかＮＨ３プラズマのいずれかにゲート誘電体層を曝露することによって、単独のＮ２Ｏプラズマ処理に匹敵するサブスレショルドスロープを生み出すことが可能である。
追加的なゲート誘電体処理も模索されてきた。例えば、ゲート誘電体層をプラズマ無しのＮ２Ｏガスに曝露した後に、Ｎ２Ｏプラズマに曝露してもよい。
図４Ａは、本発明の一実施形態に係るゲート誘電体層の析出温度の効果を示すグラフである。図４Ａに示されるように、摂氏３５０度で堆積した窒化珪素ゲート誘電体層又は摂氏４００度で堆積しアニール処理した酸化珪素ゲート誘電体層と比較して、摂氏２００度で堆積した窒化珪素ゲート誘電体層は、より正のＶｔｈを有する。しかしながら、酸化珪素ＴＦＴは、より小さいサブスレショルドスロープを有する。
図４Ｂは、本発明の一実施形態に係るゲート誘電体層をＮＨ３に曝露する効果を示すグラフである。図４Ｂに示されるように、摂氏３５０度で堆積しＮＨ３に曝露した窒化珪素ゲート誘電体層と比較して、摂氏２００度で堆積しＮＨ３に曝露した窒化珪素ゲート誘電体層は、より正のＶｔｈ及びより低いサブスレショルドスロープを有する。
図５は、本発明の一実施形態に係るアクティブレイヤ材料の堆積前のゲート誘電体層へのＮ２Ｏプラズマ処理の効果を示すグラフである。表２は、図５に示された３つのＴＦＴに対する移動度及びサブスレショルドスロープ値を示す。
Figure 0005677711
図５のＴＦＴにおいて、夫々は摂氏２００度で窒化珪素ゲート誘電体層を堆積した。ＴＦＴ２は、半導体層を堆積する前にＮ２Ｏプラズマによってゲート誘電体層を処理して作られた。ＴＦＴ２は、半導体層の堆積前にＮ２Ｏプラズマで処理しなかったＴＦＴ１及び３と比較して、より高い移動度及びより低いサブスレショルドスロープを有していた。非プラズマ処理ＴＦＴ間の違いは、ＴＦＴ３は４ヶ月経過していたことである。
図６Ａ及び６Ｂは、本発明の一実施形態に係るアクティブレイヤ材料の堆積前に、ゲート誘電体層をＮ２Ｏに曝露し、Ｎ２Ｏプラズマ処理した効果を示すグラフである。表３は、図６Ａ及び６Ｂに示される４つの基板に対するサブスレショルドスロープ及び飽和移動度を示す。
Figure 0005677711
Ｎ２Ｏ処理は、堆積したゲート誘電体層をＮ２Ｏガスに曝露するステップを含んでいた。Ｎ２Ｏ洗浄は、堆積したゲート誘電体層をＮ２Ｏプラズマに曝露するステップを含んでいた。Ｎ２Ｏ洗浄は、Ｎ２Ｏ処理よりも強力な効果を有する。しかしながら、Ｎ２Ｏは、Iｏｆｆを低下させる。Ｎ２Ｏ洗浄及びＮ２Ｏは共にサブスレショルドスロープを低下させた。しかしながら、Ｎ２Ｏ洗浄とＮ２Ｏ処理の両方を行うと、サブスレショルドスロープは更に低下した。Ｎ２Ｏ洗浄とＮ２Ｏ処理の両方を行うと、飽和移動度もかなり減少した。表３に示されるように、Ｎ２Ｏ洗浄が実行されると、未処理又はＮ２Ｏ処理と比較して、Ｖｇは１０Ｖｄｓではるかに高い。
図７Ａ及び７Ｂは、本発明の一実施形態に係るアクティブレイヤ材料を堆積する前の、ゲート誘電体層のＮ２Ｏ曝露温度及びＮ２Ｏプラズマ処理温度の効果を示すグラフである。 図７Ａは摂氏２００度で実行され、Ｎ２Ｏガス及び／又はＮ２Ｏプラズマへの曝露の結果を示す。図７Ｂは摂氏３００度で実行され、Ｎ２Ｏガス及び／又はＮ２Ｏプラズマへの曝露の結果を示す。ゲート誘電体がＮ２Ｏガスに曝露された状況において、Ｎ２Ｏプラズマ処理が最初に行われる。Ｎ２Ｏガスの曝露は、サブスレショルドスロープにほとんど影響を与えなかった。
Ｎ２Ｏがプラズマ処理及びガス曝露のための曝露ガスとして例示されてきたが、酸素含有ガスを有効な均等物としてもよい。例えば、Ｏ２、ＣＯ２、及びそれらの組み合わせは、曝露ガス又はプラズマガスとして利用してもよいと理解される。基板の温度は、およそ室温から摂氏約４００度までの温度に維持してもよい。一実施形態では、室温は摂氏約２５度であるかもしれない。処理ステップは、多数のステップで行ってもよく、各ステップに対して異なる処理ガスを使用してもよい。例えば、Ｎ２Ｏ、Ｏ２、又はＣＯ２などの酸素含有ガスによる初期処理は、第１処理ステップで使用してもよい。そして、第２処理ステップは、Ｈ２、ＰＨ３、及びそれらの組み合わせなどの異なるガスで行ってもよい。一実施形態では、両ステップは、プラズマ曝露を含んでもよい。別の実施形態では、第１ステップはプラズマ処理を含み、第２ステップはプラズマ無しのガス曝露を含んでもよい。別の実施形態では、２ステップを超えて行ってもよい。
ゲート誘電体層の上で酸化珪素層を利用することによって、又は、酸素含有ガスでゲート誘電体層を処理することによって、ＴＦＴに対するサブスレショルドスロープ及び／又は移動度を改善してもよい。
上記は本発明の実施形態を対象としているが、本発明の他の及び更なる実施形態は本発明の基本的範囲を逸脱することなく創作することができ、その範囲は以下の特許請求の範囲に基づいて定められる。

Claims (15)

  1. 薄膜トランジスタの製造方法であって、
    ゲート電極及び基板の上にゲート誘電体層を堆積するステップと、
    前記ゲート誘電体層を酸素含有プラズマに曝露するステップと、
    前記ゲート誘電体層を水素プラズマ又はアンモニアプラズマに曝露するステップと、
    前記ゲート誘電体層の上に酸窒化物半導体層を堆積するステップであって、前記半導体層は、酸素と窒素とを含み、更に、亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム、スズ、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される１以上の元素を含むステップと、
    前記半導体層の上に導電層を堆積するステップと、
    ソース及びドレイン電極及びアクティブチャネルを画定するために前記導電層をエッチングするステップとを含み、前記アクティブチャネルは前記半導体層の一部を露出する方法。
  2. 前記ゲート誘電体層は、窒化珪素、酸化珪素、又は窒化珪素と酸化珪素の二重層を含む請求項１記載の方法。
  3. 前記ゲート誘電体層を水素プラズマ又はアンモニアプラズマに曝露するステップは、前記ゲート誘電体を前記酸素含有プラズマに曝露した後に、前記ゲート誘電体層を水素プラズマに曝露するステップを含む請求項１記載の方法。
  4. 前記半導体層はスパッタリングによって堆積され、前記曝露はゲート誘電体層の堆積と共にインサイチューで実行され、前記酸素含有プラズマはＮ２Ｏを含む請求項１記載の方法。
  5. 薄膜トランジスタの製造方法であって、
    ゲート電極及び基板の上に窒化珪素層を堆積するステップと、
    前記窒化珪素層の上に酸化珪素層を堆積するステップと、
    前記酸化珪素層を酸素含有プラズマに曝露するステップと、
    前記酸化珪素層を水素プラズマ又はアンモニアプラズマに曝露するステップと、
    前記酸化珪素層の上に酸窒化物半導体層を堆積するステップであって、前記半導体層は、酸素と窒素とを含み、更に、亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム、スズ、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される１以上の元素を含むステップと、
    前記半導体層の上に導電層を堆積するステップと、
    ソース及びドレイン電極及びアクティブチャネルを画定するために前記導電層をエッチングするステップとを含み、前記アクティブチャネルは前記半導体層の一部を露出する方法。
  6. 前記酸素含有プラズマは、Ｎ２Ｏプラズマである請求項５記載の方法。
  7. 前記曝露は前記酸化珪素層の堆積と共にインサイチューで行う請求項５記載の方法。
  8. 薄膜トランジスタの製造方法であって、
    ゲート電極及び基板の上に窒化珪素層を堆積するステップと、
    前記窒化珪素層の上に酸化珪素層を堆積するステップと、
    前記酸化珪素層をＮ２Ｏプラズマに曝露するステップと、
    Ｎ２Ｏプラズマに曝露した後で、前記酸化珪素層を酸素プラズマに曝露するステップと、
    前記酸化珪素層の上に酸窒化物半導体層を堆積するステップであって、前記半導体層は、酸素と窒素とを含み、更に、亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム、スズ、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される１以上の元素を含むステップと、
    前記半導体層の上に導電層を堆積するステップと、
    ソース及びドレイン電極及びアクティブチャネルを画定するために前記導電層をエッチングするステップとを含み、前記アクティブチャネルは前記半導体層の一部を露出する方法。
  9. 前記半導体層はスパッタリングによって堆積される請求項５記載の方法。
  10. 薄膜トランジスタの製造方法であって、
    ゲート電極及び基板の上に酸化珪素層を堆積するステップと、
    前記酸化珪素層を酸素含有プラズマに曝露するステップと、
    前記酸化珪素層を水素プラズマ又はアンモニアプラズマに曝露するステップと、
    前記酸化珪素層の上に酸窒化物半導体層を堆積するステップであって、前記半導体層は、酸素と窒素とを含み、更に、亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム、スズ、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される１以上の元素を含むステップと、
    前記半導体層の上に導電層を堆積するステップと、
    ソース及びドレイン電極及びアクティブチャネルを画定するために前記導電層をエッチングするステップとを含み、前記アクティブチャネルは前記半導体層の一部を露出する方法。
  11. 酸素含有プラズマは、Ｎ２Ｏプラズマであり、
    前記酸化珪素層をＮ２Ｏプラズマに曝露した後に、前記酸化珪素層を水素プラズマ又はアンモニアプラズマに曝露するステップであって、前記半導体層はスパッタリングによって堆積されるステップを含む請求項１０記載の方法。
  12. 前記酸素含有プラズマは、Ｎ２Ｏプラズマであり、
    前記酸化珪素層のＮ ２ Ｏプラズマへの前記曝露は前記酸化珪素層の堆積と共にインサイチューで行い、前記半導体層はスパッタリングによって堆積される請求項１０記載の方法。
  13. 薄膜トランジスタの製造方法であって、
    ゲート電極及び基板の上に窒化珪素層を堆積するステップと、
    前記酸化珪素層をＮ２Ｏプラズマに曝露するステップと、
    Ｎ２Ｏプラズマに曝露した後で、前記酸化珪素層を酸素プラズマに曝露するステップであって、前記半導体層はスパッタリングによって堆積されるステップと、
    前記酸化珪素層の上に酸窒化物半導体層を堆積するステップであって、前記半導体層は、酸素と窒素とを含み、更に、亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム、スズ、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される１以上の元素を含むステップと、
    前記半導体層の上に導電層を堆積するステップと、
    ソース及びドレイン電極及びアクティブチャネルを画定するために前記導電層をエッチングするステップとを含み、前記アクティブチャネルは前記半導体層の一部を露出する方法。
  14. 薄膜トランジスタであって、
    ゲート電極及び基板の上に配置された酸化珪素層であって、前記酸化珪素層を酸素含有プラズマに曝露した後に、水素プラズマ又はアンモニアプラズマで処理された酸化珪素層と、
    前記酸化珪素層の上に配置された酸窒化物半導体層とを含み、前記半導体層は、酸素と窒素とを含み、更に、亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム、スズ、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される１以上の元素を含み、
    前記トランジスタは、前記半導体層の上に配置されたソース電極及びドレイン電極を更に含み、前記ソース及びドレイン電極は、前記半導体層の一部を露出させるために互いに空間を隔てているトランジスタ。
  15. 前記ゲート電極及び基板の上、及び前記酸化珪素層の下に配置された窒化珪素層を更に含む請求項１４記載のトランジスタ。
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