JP6392061B2 - 電子デバイス、その製造方法、及びその製造装置 - Google Patents
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Description
本発明は、酸化物半導体をチャネルに用いる電子デバイス、その製造方法、及びその製造装置に関する。
近年、液晶ディスプレイでは高精細、大型化、高速応答性を実現する為に、高移動度の薄型トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）が求められている。また、より高輝度で高コントラストなディスプレイ、薄型化されたモバイル端末やフレキシブルディスプレイを実現するために有機ＥＬ（Electrouminescence）素子の利用が進んでいる。有機ＥＬ素子はＴＦＴによって駆動される電流駆動型の素子であり、十分な発光性能を発揮するために、有機ＥＬ素子を駆動するＴＦＴにおいても高移動度を実現する素子が求められてる。ところが、従来からＴＦＴのチャネルの構成材料として主に用いられるアモルファスシリコンの電子移動度はさほど高くなく、有機ＥＬ素子が十分な発光性能を実現するのは困難である。
そこで、高い電子移動度が得られる金属酸化物（酸化物半導体）をチャネルに用いるＴＦＴが提案されている。このようなＴＦＴに用いられる金属酸化物としては、酸化物半導体、例えば、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）及び亜鉛（Ｚｎ）の酸化物からなるＩＧＺＯが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。ＩＧＺＯはアモルファス状態であっても比較的高い電子移動度（例えば、１０ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）以上）を有するため、ＩＧＺＯ等の金属酸化物をＴＦＴのチャネルに用いることが期待されている。
ところで、ＴＦＴではチャネルを外界の水分や大気などのガス等から確実に保護するため、例えば、窒化珪素（ＳｉＮ）膜等からなるパシベーション膜を備える。窒化珪素膜からなるパシベーション膜をプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）で成膜する場合、プラズマ処理に用いる処理ガスによっては、水素ラジカルや水素イオンが水素原子としてパシベーション膜に含まれることがある。パシベーション膜に含まれた水素原子はチャネルへ拡散し、ＩＧＺＯ中の酸素原子を脱離させてＩＧＺＯの特性、例えば、閾値電圧（Ｖｔｈ）を変化させるため、水素原子を含まない処理ガスを用いたプラズマＣＶＤによってパシベーション膜を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
「軽くて薄いシートディスプレイを実現する酸化物半導体ＴＦＴ」, 三浦 健太郎他, 東芝レビューVol. 67 No. 1 (2012)
しかしながら、プラズマＣＶＤにおいてスパッタリングや熱等の影響により、ＩＧＺＯからなるチャネルにおいて酸素原子が欠落し、未結合手（ダングリングボンド）がチャネルに生じることがある。未結合手はキャリア（電子や正孔）をトラップするため、チャネルの電子移動度の低下を引き起こし、ＴＦＴの性能や信頼性を低下させるという問題がある。
本発明の目的は、酸化物半導体の性能の低下を防止すると同時に信頼性の向上を図る ことができる電子デバイス、その製造方法、及びその製造装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の電子デバイスは、酸化物半導体をなす金属酸化物膜と、該金属酸化物膜に隣接する第１の膜と、該第１の膜を挟んで前記金属酸化物膜に対向する第２の膜とを備える電子デバイスにおいて、前記第２の膜が弗素含有膜からなり、前記第１の膜及び前記金属酸化物膜の境界における弗素原子の濃度は、前記金属酸化物膜の前記境界以外の部分における弗素原子の濃度よりも高く且つ前記第２の膜における弗素原子の濃度よりも低く、少なくとも前記第１の膜の前記境界以外の部分における弗素原子の濃度分布は、前記境界に向けて低下する濃度勾配を有することを特徴とする。
上記目的を達成するために、本発明の電子デバイスの製造方法は、酸化物半導体をなす金属酸化物膜と、該金属酸化物膜に隣接する第１の膜と、該第１の膜を挟んで前記金属酸化物膜に対向する第２の膜とを備える電子デバイスの製造方法であって、前記第２の膜を弗素含有膜で構成し、該弗素含有膜から弗素原子を前記金属酸化物膜へ拡散させ、前記第１の膜及び前記金属酸化物膜の境界における前記弗素原子の濃度が、前記金属酸化物膜の前記境界以外の部分における前記弗素原子の濃度よりも高く且つ前記第２の膜における弗素原子の濃度よりも低いことを特徴とする。
上記目的を達成するために、本発明の電子デバイスの製造方法は、酸化物半導体をなす金属酸化物膜と、該金属酸化物膜に他の膜を挟んで隣接する弗素含有膜とを備える電子デバイスの製造方法であって、前記金属酸化物膜にはチャネルが形成され、前記他の膜及び前記弗素含有膜は絶縁膜であり、弗化物のガスと、酸素原子及び窒素原子の少なくともいずれかを含むガスとを用いたＣＶＤによって前記弗素含有膜を形成し、前記弗素含有膜から弗素原子を拡散させることにより、前記他の膜中の弗素原子の濃度分布は、前記他の膜における前記金属酸化物膜との境界以外の部分において前記境界に向けて低下し且つ前記境界において増加する濃度勾配を有するが、前記境界において増加した弗素原子の濃度は前記弗素含有膜における弗素原子の濃度よりも低いことを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明の電子デバイスの製造装置は、酸化物半導体をなす金属酸化物膜と、該金属酸化物膜に他の膜を挟んで隣接する弗素含有膜とを備える電子デバイスの製造装置であって、前記金属酸化物膜にはチャネルが形成され、前記他の膜及び前記弗素含有膜は絶縁膜であり、弗化物のガスと、酸素原子及び窒素原子の少なくともいずれかを含むガスとを用いたＣＶＤによって前記弗素含有膜を形成し、前記弗素含有膜から弗素原子を拡散させることにより、前記他の膜中の弗素原子の濃度分布は、前記他の膜における前記金属酸化物膜との境界以外の部分において前記境界に向けて低下し且つ前記境界において増加する濃度勾配を有するが、前記境界において増加した弗素原子の濃度は前記弗素含有膜における弗素原子の濃度よりも低いことを特徴とする。
本発明によれば、第１の膜及び金属酸化物膜の境界における弗素原子の濃度が金属酸化物膜の境界以外の部分における弗素原子の濃度よりも高く、少なくとも第１の膜の境界以外の部分における弗素原子の濃度分布は、境界に向けて低下する濃度勾配を有する。金属酸化物から酸素原子が欠落して生じる未結合手は第１の膜及び金属酸化物膜の境界に多く存在するが、第１の膜及び金属酸化物膜の境界における弗素原子の濃度が金属酸化物膜の境界以外の部分における弗素原子の濃度よりも高いため、境界には多くの弗素原子が存在し、多くの弗素原子によって多くの未結合手が終端される。これにより、未結合手に起因する欠陥の発生を抑制することができ、もって、酸化物半導体の性能の低下を防止すると同時に信頼性の向上を図ることができる。
さらに、本発明によれば、金属酸化物膜に直接又は他の膜を挟んで隣接する弗素含有膜が、弗化物のガスと、酸素原子及び窒素原子の少なくともいずれかを含むガスとを用いたＣＶＤによって形成されるので、弗素含有膜は弗素原子を確実に含む。これにより、弗素含有膜から弗素原子が金属酸化物膜へ拡散し、金属酸化物膜に存在する未結合手を弗素原子によって終端することができる。その結果、未結合手に起因する欠陥の発生を抑制することができ、もって、酸化物半導体の性能の低下を防止すると同時に信頼性の向上を図ることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、一般的な電子デバイスとしてのボトムゲート型の酸化物薄型トランジスタ（ＴＦＴ）の構成を概略的に示す部分断面図である。
図１において、基板１１上に形成されるＴＦＴ１０は、基板１１上に形成されたゲート電極１２と、ゲート電極１２を覆うゲート絶縁膜１３と、ゲート絶縁膜１３上に形成され且つＩＧＺＯからなる酸化物半導体層１５と、酸化物半導体層１５の一部に形成されるチャネル１４と、チャネル１４を覆うエッチストップ膜１７と、ソース電極１８と、ドレイン電極１９と、エッチストップ膜１７、ソース電極１８やドレイン電極１９を覆うパシベーション膜２０とを備える。
ところで、本発明に先立ち、発明者等は水素原子を含まないパシベーション膜を用いた場合におけるＴＦＴの初期特性値への影響を確認すべく、多量の水素原子を含むパシベーション膜としての水素含有窒化珪素（ＳｉＮ：Ｈ）膜、少量の水素原子を含むパシベーション膜としての酸化珪素（ＳｉＯ２）膜、及び含まれる水素原子が極めて少なくて実質的に水素原子を含まない弗素含有窒化珪素（ＳｉＮ：Ｆ）膜を用いたＴＦＴの初期特性値を測定した。なお、これらのＴＦＴのチャネルはＩＧＺＯからなり、測定された初期特性値は以下の表１に示された。
表１に示すように、水素含有窒化珪素膜を用いたＴＦＴは動作しなかったため、いずれの初期特性値も測定が不可能であった。これは、水素含有窒化珪素膜に含まれた多量の水素原子がチャネルへ拡散し、チャネルを構成するＩＧＺＯ中の酸素原子を脱離させたためだと考えられた。一方、パシベーション膜に酸化珪素膜を用いたＴＦＴ（以下、「酸化珪素膜ＴＦＴ」という。）及びパシベーション膜に弗素含有窒化珪素膜を用いたＴＦＴ（以下、「弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴ」という。）のいずれも動作したため、各初期特性値を測定することができたが、例えば、電子移動度は酸化珪素膜ＴＦＴよりも弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴの方が高く、スイッチング性能を示すＳ値は酸化珪素膜ＴＦＴよりも弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴの方が小さく、ヒステリシス電圧変化量（ΔＶＨ）は酸化珪素膜ＴＦＴよりも弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴの方が小さい。すなわち、酸化珪素膜ＴＦＴの各初期特性値よりも弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴの各初期特性値の方が良好な値を示した。又、閾値電圧変化量（ΔＶｔｈ）の絶対値は酸化珪素膜ＴＦＴよりも弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴの方が小さくなった。すなわち、酸化珪素膜ＴＦＴの信頼性よりも弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴの信頼性が改善される結果が得られた。
また、光を、酸化珪素膜ＴＦＴ及び弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴのそれぞれに照射してこれらのＴＦＴを駆動させたときの光エネルギーに対するＴＦＴの各初期特性値の変化の様子を確認し、確認結果を図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）に示した。なお、図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）において、酸化珪素膜ＴＦＴ及び弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴをそれぞれ「ＳｉＯ２」及び「ＳｉＮ：Ｆ」で示す。
照射される光のエネルギーが変化したとき、Ｓ値の変化に関しては図２（Ａ）に示すように、閾値電圧変化量（ΔＶｔｈ）に関しては図２（Ｂ）に示すように、ヒステリシス電圧変化量（Δ（ΔＶＨ））に関しては図２（Ｃ）に示すように、いずれの初期特性値に関しても、２．７ｅＶ以上の領域において酸化珪素膜ＴＦＴよりも弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴの方が特性値の変化が小さいことが確認された。すなわち、初期特性に関して酸化珪素膜ＴＦＴよりも弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴの方が優れていることが確認された。また、ＩＧＺＯのバンドギャップは３〜３．２ｅＶである一方、弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴでは３〜３．２ｅＶにおいても特性値の変化が小さいことから、バンドギャップの要因となる深い欠陥準位が低減されたことが分かり、また、その結果、弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴにおいて信頼性が改善されたことが推察された。
さらに、酸化珪素膜（パシベーション膜）の形成後に酸化珪素膜ＴＦＴへ３５０℃の熱処理を施し、弗素含有窒化珪素膜（パシベーション膜）の形成後に弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴへ３５０℃の熱処理を施した後、各ＴＦＴにおいて特性値を測定して各ＴＦＴの信頼性を確認し、確認結果を図３（Ａ）乃至図３（Ｄ）に示した。
図３は、酸化珪素膜及び弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴへ熱処理を施した後（以下、「熱処理後」という。）のＰＢＴＳ試験の結果を示し、図３（Ａ）は熱処理後の酸化珪素膜ＴＦＴにおけるゲート電圧及びドレイン電流の関係の時間的変化を示し、図３（Ｂ）は熱処理後の弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴにおけるゲート電圧及びドレイン電流の関係の時間的変化を示す。各図中において各シンボルは各経過時間におけるゲート電圧及びドレイン電流の測定値を示す。具体的には、シンボル無しの実線は初期状態の測定値を示し、「◇」は１００秒経過後の測定値を示し、「○」は１０００秒経過後の測定値を示し、「△」は５０００秒経過後の測定値を示し、シンボル無し破線は１００００秒経過後の測定値を示す。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）では負荷時間が経過するに従い、ゲート電圧及びドレイン電流の関係が各図中の矢印方向に移動する。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）より、熱処理後の酸化珪素膜ＴＦＴよりも熱処理後の弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴの方が、ゲート電圧及びドレイン電流の関係の時間的変化が少なく、ドレイン電流が安定して流れることが分かった。
図３（Ｃ）は熱処理後の酸化珪素膜ＴＦＴにおける負荷時間に対する閾値電圧変化量の変化の度合いを示し、図３（Ｄ）は熱処理後の弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴにおける負荷時間に対する閾値電圧変化量の変化の度合いを示す。各図中において各シンボルは測定時の温度を示し、「◇」は室温であり、「○」は５０℃であり、「△」は７５℃であり、「□」は１００℃である。図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）より、熱処理後の酸化珪素膜ＴＦＴよりも熱処理後の弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴの方が負荷時間に対する閾値電圧変化量の変化が少なく、閾値電圧が安定していることが分かった。すなわち、信頼性に関しても酸化珪素膜ＴＦＴよりも弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴの方が優れていることが確認された。
初期特性や信頼性に関して酸化珪素膜ＴＦＴよりも弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴの方が優れていることの理由として、本発明者等は弗素含有窒化珪素膜ＴＦＴのパシベーション膜に含まれる弗素原子の存在に注目し、以下のメカニズムを推察した。
ＴＦＴ１０において、チャネル１４を構成するＩＧＺＯ膜上に、例えば、酸化珪素からなるエッチストップ膜１７をプラズマＣＶＤによって形成する際、ＩＧＺＯ膜が陽イオン等によってスパッタされ、又は熱の影響により、ＩＧＺＯ膜から酸素原子が放出されて亜鉛原子等の未結合手が、主にＩＧＺＯ膜の表面近傍、すなわち、エッチストップ膜１７及びチャネル１４の境界近傍において生じる。未結合手はＴＦＴの動作時においてチャネル１４内のキャリアをトラップし、ＴＦＴ１０の初期特性や信頼性を悪化させる。
これに対して、パシベーション膜２０が弗素原子（図４中「Ｆ」で示す。）を含有すると、ＴＦＴ１０の形成後、図４に示すように、パシベーション膜２０に含有される弗素原子がエッチストップ膜１７を介してチャネル１４へ拡散し、エッチストップ膜１７及びチャネル１４の境界近傍において生じた未結合手を終端する。これにより、チャネル１４内におけるキャリアのトラップを抑制し、ＴＦＴ１０の初期特性を改善する。また、亜鉛原子及び弗素原子の結合エネルギーは、亜鉛原子及び酸素原子の結合エネルギーよりも高い（前者は３６４ｋＪ／ｍｏｌ、後者は２８４ｋＪ／ｍｏｌ）ため、弗素原子によって終端された未結合手は安定し、再度弗素原子を放出して未結合手に戻ることがない。これにより、チャネル１４の信頼性を改善し、引いては、ＴＦＴ１０の信頼性を改善する。
また、本発明者等は、図４に示すＴＦＴを模した構造を有する分析用サンプル（図５）を作成し、パシベーション膜２０に含有される弗素原子を積極的にチャネル１４へ拡散させるために、パシベーション膜２０が弗素含有窒化珪素膜から構成される分析用サンプルの形成後に当該分析用サンプルへ熱処理を施し、その後、分析用サンプルにおける弗素原子の分布を二次イオン質量分析法（SIMS： Secondary Ion Mass Spectrometry）によって測定した。
図６は、図５に示す分析用サンプルの熱処理後における弗素原子の分布のＳＩＭＳによる測定結果を示すグラフである。図６では、１時間の熱処理が施された場合のＴＦＴにおける弗素原子の分布が破線で示され、３時間の熱処理が施された場合のＴＦＴにおける弗素原子の分布が実線で示される。
図６において、パシベーション膜２０から拡散した弗素原子の数（濃度）は、エッチストップ膜１７からチャネル１４へ向けて減少するが、エッチストップ膜１７及びチャネル１４の境界において一旦極値を呈するように増加する。この結果は上述したメカニズム、すなわち、エッチストップ膜１７及びチャネル１４の境界近傍において生じる未結合手が弗素原子によって終端されることを裏付けるものであり、上記推察したメカニズムは正しいことが確認された。
また、熱処理の時間が長いほど、パシベーション膜２０から拡散する弗素原子の数も多くなるが、図６に示すように、熱処理の時間が長いほど、エッチストップ膜１７及びチャネル１４の境界における弗素原子の数の極値は大きくなるため、エッチストップ膜１７及びチャネル１４の境界近傍において未結合手を終端する弗素原子はパシベーション膜２０から拡散した弗素原子であると考えられた。
すなわち、本発明者等は、弗素含有膜を未結合手が存在するチャネルの近辺に設けて熱処理を行うことにより、弗素含有層から拡散した弗素原子によってチャネルの未結合手を終端できるという知見を得た。本発明は上述した知見に基くものである。
次に、本実施の形態に係る電子デバイスについて説明する。
図７は、本実施の形態に係る電子デバイスとしてのボトムゲート型のＴＦＴの構成を概略的に示す部分断面図である。なお、図７のＴＦＴ２１の構成は、図１のＴＦＴ１０の構成とほぼ同じであるため、以下、相違点を中心に説明する。
図７において、ＴＦＴ２１は、基板１１上に形成されたゲート電極１２と、ゲート絶縁膜１３と、酸化物半導体層１５と、酸化物半導体層の一部に形成されるチャネル１４（金属酸化物膜）と、チャネル１４を含む酸化物半導体層１５を覆い、且つチャネル１４以外の酸化物半導体層１５を部分的に露出させるエッチストップ膜２２（第１の膜）と、ソース電極１８と、ドレイン電極１９と、エッチストップ膜２２、ソース電極１８及びドレイン電極１９を覆うパシベーション膜２３（第２の膜）とを備える。ＴＦＴ２１において、ゲート絶縁膜１３及びエッチストップ膜２２は少量の水素原子を含む酸化珪素膜からなり、パシベーション膜２３は弗素含有窒化珪素膜からなる。なお、ゲート絶縁膜１３及びエッチストップ膜２２に含まれる少量の水素原子は、製造工程において混入を余儀なくされるものであり、本発明が奏する効果には大きな影響を及ぼすものではないが、理想的には含まれないことが好ましい。
図８は、本実施の形態に係る電子デバイスの製造装置としてのプラズマＣＶＤ成膜装置の構成を概略的に示す断面図である。本プラズマＣＶＤ成膜装置は、ＴＦＴ２１におけるパシベーション膜２３を形成する際に好適に用いられる。
図８において、プラズマＣＶＤ成膜装置２４は、例えば、ＴＦＴ２１が形成される基板１１を収容する略筐体形状のチャンバ２５と、該チャンバ２５の底部に配置されて基板１１を上面に載置する載置台２６と、チャンバ２５の外部においてチャンバ２５の内部の載置台２６と対向するように配置されるＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）アンテナ２７と、チャンバ２５の天井部を構成し、載置台２６及びＩＣＰアンテナ２７の間に介在する窓部材２８とを備える。ＩＣＰアンテナ２７と窓部材２８の間にはスペーサー（図示しない）によって一定のギャップが保たれる。
チャンバ２５は排気装置（図示しない）を有し、該排気装置はチャンバ２５を真空引きしてチャンバ２５の内部を減圧する。チャンバ２５の窓部材２８は誘電体からなり、チャンバ２５の内部と外部とを仕切る。
窓部材２８は絶縁部材（図示しない）を介してチャンバ２５の側壁に支持され、窓部材２８とチャンバ２５は直接的に接触せず、電気的に導通しない。また、窓部材２８は少なくとも載置台２６に載置された基板１１の全面を覆うことが可能な大きさを有する。なお、窓部材２８は複数の分割片から構成されてもよい。
チャンバ２５の側壁には３つのガス導入口２９，３０，３１が設けられ、ガス導入口２９はガス導入管３２を介してチャンバ２５の外部に配置されたハロゲン化珪素ガス供給部３３に接続され、ガス導入口３０はガス導入管３４を介してチャンバ２５の外部に配置された窒素含有ガス供給部３５に接続され、ガス導入口３１はガス導入管３６を介してチャンバ２５の外部に配置された希ガス供給部３７に接続される。
ハロゲン化珪素ガス供給部３３はガス導入口２９を介してチャンバ２５の内部へ、水素原子を含まないハロゲン化珪素ガス、例えば、四弗化珪素（ＳｉＦ４）ガスを供給し、窒素含有ガス供給部３５はガス導入口３０を介してチャンバ２５の内部へ、水素原子を含まない窒素含有ガス、例えば、窒素（Ｎ２）ガスを供給し、希ガス供給部３７はガス導入口３１を介してチャンバ２５の内部へ、希ガス、例えば、アルゴンガスを供給する。すなわち、チャンバ２５の内部へは、四弗化珪素ガス及び窒素ガスが混合され、且つ水素を含まない処理ガスが供給される。なお、処理ガスは、四弗化珪素ガスや窒素ガスの他に水素を含まないガスを含んでいてもよい。各ガス導入管３２，３４，３６はマスフローコントローラやバルブ（いずれも図示しない）を有し、ガス導入口２９，３０，３１から供給される各ガスの流量を調整する。
ＩＣＰアンテナ２７は窓部材２８の上面に沿って配置される環状の導線、若しくは、導体板からなり、整合器３８を介して高周波電源３９に接続される。高周波電源３９からの高周波電流はＩＣＰアンテナ２７を流れ、該高周波電流はＩＣＰアンテナ２７に窓部材２８を介してチャンバ２５の内部に磁界を発生させる。該磁界は高周波電流に起因して発生するために時間的（周期的）に変化するが、時間的に変化する磁界は誘導電界を生成し、該誘導電界によって加速された電子がチャンバ２５内に導入されたガスの分子や原子と衝突して誘導結合プラズマが生じる。
プラズマＣＶＤ成膜装置２４では、誘導結合プラズマによってチャンバ２５の内部へ供給された四弗化珪素ガスや窒素ガスからプラズマを生成し、ＣＶＤによって弗素含有窒化珪素膜を形成することにより、パシベーション膜２３を形成する。このとき、四弗化珪素ガスや窒素ガスのいずれにも水素原子が含まれないため、パシベーション膜２３を形成する弗素含有窒化珪素膜は処理ガスに起因する水素原子を含まない。
なお、基板１１の搬送時に当該基板１１に吸着していた微量の水分や、排気装置で十分に除去し切れなかった水分等の処理ガス以外の環境要因による水分がチャンバ２５内に存在するため、当該水分に起因する水素原子がパシベーション膜２３を形成する弗素含有窒化珪素膜に極めて少ない量で含まれることがある。すなわち、水素原子を含まない処理ガスを用いることによってパシベーション膜２３中に含まれる水素原子の量を極力抑える（水素原子の存在を抑制する）ことはできるものの、パシベーション膜２３には依然として極めて少ない量の水素原子が含まれる。このとき、形成される弗素含有窒化珪素膜の主成分は窒化珪素であり、窒化珪素中に四弗化珪素ガスが分解して生じた弗素原子が分散して含有されるが、このような場合においても、弗素原子の濃度を水素原子の濃度よりも高くすることにより、本発明を実現することができる。また、本実施の形態においてパシベーション膜２３の形成の際に添加ガスとして、或いは、パシベーション膜２３の形成の前後に他の処理として例えば四弗化炭素ガス等の導入を行うことがあるため、チャンバ２５内においてプラズマ化された四弗化炭素ガスから発生した微量の炭素原子がパッシベーション膜２３に含まれて一部に炭化窒化珪素を構成することがある。しかしながら、このような微量の炭化窒化珪素は本発明の効果を阻害するものではないため、パッシベーション膜２３は全体として実質的に弗素含有窒化珪素膜に該当すると言える。すなわち、本実施の形態に係る弗素含有窒化珪素膜は、このような炭素等を含む不純物を微量に含む弗素含有窒化珪素膜を排除するものではない。このような弗素含有窒化珪素膜に関する考え方は、後述のパッシベーション膜が弗素含有酸化珪素膜、弗素含有酸窒化珪素膜、その他の素材に該当する場合においても同様に適用される。
四弗化珪素ガスにおける硅素原子及び弗素原子の結合や窒素ガスにおける窒素原子同士の結合は結合エネルギーが高い（前者は５９５ｋＪ／ｍｏｌ、後者は９４５ｋＪ／ｍｏｌ）いためプラズマ化することは容易ではないが、ＩＣＰアンテナ２７を用いて生じる誘導結合プラズマは密度が非常に高いため、結合エネルギーが高い結合を有する四弗化珪素ガスや窒素ガスからプラズマを生成することができる。
希ガス供給部３７が供給するアルゴンガス等の希ガスは、窒化珪素膜を直接構成する材料ガスではないが、窒化珪素膜を直接構成する材料ガスである四弗化珪素ガス及び窒素ガスを適度な濃度に調整し、さらに、誘導結合プラズマを生成するための放電を容易に行えるようにする等、ＣＶＤにおいて補助的な役割を果たす。
また、プラズマＣＶＤ成膜装置２４は、さらにコントローラ４０を備え、該コントローラ４０はプラズマＣＶＤ成膜装置２４の各構成要素の動作を制御する。
なお、ハロゲン化珪素ガス供給部３３が供給する水素原子を含まないハロゲン化珪素ガスは、四弗化珪素ガスに限られず、他のハロゲン化珪素ガス、例えば、塩化珪素（ＳｉＣｌ４）であってもよく、窒素含有ガス供給部３５が供給する窒素含有ガスは、窒素ガスに限られず、他の窒素含有ガスでもよい。
次に、本実施の形態に係る電子デバイスの製造方法としてのＴＦＴ２１の製造方法につて説明する。
図９は、図７におけるＴＦＴの製造方法の一部を示す工程図である。
まず、金属（例えば、銅（Ｃｕ）／モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／チタンやモリブデン（Ｍｏ）／アルミニウム／モリブデン）のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）による成膜、フォトレジストを所定のパターンに現像するフォトリソグラフィ、現像されたフォトレジストを用いたエッチング及びフォトレジストの剥離を通じ、基板１１上において所定の幅を有するゲート電極１２を形成する。
次いで、ＣＶＤによってゲート電極１２を覆うように酸化珪素膜からなるゲート絶縁膜１３を形成し、さらに、ＰＶＤによってチャネル１４を構成するＩＧＺＯ膜を形成する。その後、プラズマＣＶＤによってＩＧＺＯ膜を覆うように酸化珪素膜からなるエッチストップ膜２２を形成する。このとき、陽イオン等のスパッタリングにより、ＩＧＺＯ膜から酸素原子が放出されて亜鉛原子等の未結合手が、主にエッチストップ膜２２及びＩＧＺＯ膜（チャネル１４）の境界近傍において生じる。
さらに、エッチストップ膜２２を部分的に除去してＩＧＺＯ膜を部分的に露出させる。
次いで、ＩＧＺＯ膜の露出する部分にそれぞれに接するソース電極１８やドレイン電極１９をＰＶＤによって形成し（図９（Ａ））、その後、プラズマＣＶＤ成膜装置２４において、四弗化珪素ガス、窒素ガス及びアルゴンガスを用い、ＣＶＤによって弗素含有窒化珪素膜からなるパシベーション膜２３を形成する（図９（Ｂ））。
次いで、ＴＦＴ２１へ熱処理、例えば、基板１１を３時間に亘って３５０℃まで加熱し続ける熱処理を施す。このとき、パシベーション膜２３に含有される弗素原子に熱エネルギーが付与され、弗素原子（図中「Ｆ」で示す。）はエッチストップ膜２２を介してチャネル１４へと拡散する（図９（Ｃ））。チャネル１４へ拡散した弗素原子は当該チャネル１４に存在する未結合手を終端する。その後、本処理を終了する。なお、パシベーション膜２３の形成時にエッチストップ膜２２へ弗素原子が導入され、エッチストップ膜２２に導入された弗素原子が熱処理によってチャネル１４へと拡散する場合もあるが、パシベーション膜２３からエッチストップ膜２２を介してチャネル１４へ弗素原子が拡散する場合においても、エッチストップ膜２２から直接チャネル１４へ弗素原子が拡散する場合においても、本発明が奏する効果は変わらない。
図１０は、図９のＴＦＴの製造方法によって製造されたＴＦＴにおける弗素原子の分布の様子を模式的に示すグラフである。通常、図１０に示す弗素原子の分布の様子はＳＩＭＳによって確認することができる。
図１０に示すように、弗素原子の濃度は、パシベーション膜２３においてチャネル１４へ向けてやや低下するものの、ほぼ一定であるが、エッチストップ膜２２においてパシベーション膜２３からチャネル１４へ向けて明確に低下するように傾斜し、エッチストップ膜２２及びチャネル１４の境界（以下、「チャネル境界」という。）において一旦極値を呈するように増加した後、チャネル１４の境界以外の部分においてほぼ一定となる。ここで、チャネル境界における弗素原子の濃度は、当該境界近傍に生じる未結合手を弗素原子が終端するため、チャネル１４におけるチャネル境界以外の部分よりも高い。また、チャネル１４へパシベーション膜２３から弗素原子が拡散するが、パシベーション膜２３の弗素原子の濃度は、チャネル１４の弗素原子の濃度、特に、チャネル１４におけるチャネル境界以外の部分の弗素原子の濃度よりも高い。なお、本実施の形態において「チャネル境界」は、厚みを持たない理想的な「境界」を意味せず、境界面から一定深度の範囲の厚みを持つ層としての境界を意味する。一定深度の範囲は、例えば、未結合手の数の分布において急激に存在数が減る深さによって定義することができ、存在数の臨界値の定め方によって若干の違いはあるものの、「チャネル境界」と「チャネル境界以外」の位置的な比較において、一定深度の範囲は明瞭に区別されるため、本実施の形態において「チャネル境界」と「チャネル境界以外」が示す位置は不明瞭とならない。
本実施の形態によれば、弗素含有窒化珪素膜からなるパシベーション膜２３から弗素原子がチャネル１４へ拡散し、チャネル１４においてチャネル境界における弗素原子の濃度がチャネル境界以外の部分における弗素原子の濃度よりも高くなるため、チャネル境界には多くの弗素原子が存在し、多くの弗素原子によってチャネル境界の近傍に生じる多くの未結合手が終端される。これにより、チャネル１４における電子移動度の低下を抑制し、もって、ＴＦＴ２１の性能の低下を防止すると同時に信頼性の向上を図ることができる。
上述した本実施の形態では、パシベーション膜２３が、四弗化珪素ガスや窒素ガスを用いたＣＶＤによって形成されるので、パシベーション膜２３は弗素原子を確実に含有する。これにより、パシベーション膜２３からの弗素原子によってチャネル１４に存在する未結合手を確実に終端することができる。
また、上述した本実施の形態では、パシベーション膜２３の形成の際、ＣＶＤに用いられるいずれのガス（四弗化珪素ガス、窒素ガスやアルゴンガス）も水素原子を含まないので、チャネル１４に水素原子が拡散することがなく、もって、チャネル１４からの酸素原子の脱離を防止し、ＴＦＴ２１の性能の低下を確実に防止することができる。
上述した本実施の形態では、パシベーション膜２３が直接チャネル１４に隣接することなく、エッチストップ膜２２を介してチャネル１４に対向するが、このとき、エッチストップ膜２２はパシベーション膜２３からチャネル１４への急激な弗素原子の拡散を抑制し、チャネル１４のチャネル境界において弗素原子が偏在するのを防止し、各未結合手を均等に終端することができる。また、エッチストップ膜２２を時間あたりに通過する弗素原子の数は限られているため、例えば、熱処理の時間を調整することにより、エッチストップ膜２２を通過する弗素原子の数を制御してチャネル１４における未結合手の終端の度合いを制御することができる。
以上、本発明について、実施の形態を用いて説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上述したＴＦＴ２１では、パシベーション膜２３が弗素含有窒化珪素膜によって構成されたが、パシベーション膜２３は弗素含有酸化珪素（ＳｉＯ：Ｆ）膜や弗素含有酸窒化珪素（ＳｉＯＮ：Ｆ）膜によって構成されてもよい。なお、プラズマＣＶＤ成膜装置２４において前者を形成する際、ＣＶＤにおいて四弗化珪素ガス、酸素（Ｏ２）ガス及び亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）ガスの少なくとも一方、並びにアルゴンガス等の希ガスが用いられ、後者を形成する際、ＣＶＤにおいて四弗化珪素ガス、窒素ガス、酸素ガス及び亜酸化窒素ガスの少なくとも一方、並びにアルゴンガス等の希ガスが用いられる。なお、アルゴン等の希ガスは、放電の開始を容易にし、ガス濃度を調整する効果をもたらすが、本発明の効果を得るためには必ずしも用いなくてもよい。
上述したＴＦＴ２１では、パシベーション膜２３のみから弗素原子が拡散したが、エッチストップ膜２２及びゲート絶縁膜１３が、例えば、弗素含有酸化珪素膜や弗素含有窒化珪素膜によって構成され、パシベーション膜２３からだけでなくエッチストップ膜２２やゲート絶縁膜１３からもチャネル１４へ向けて弗素原子が拡散してもよい。
上述したＴＦＴ２１では、チャネル１４がＩＧＺＯによって構成されたが、チャネル１４を構成する元素はＩＧＺＯに限られず、例えば、ＩＴＺＯ、ＺｎＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯ等の少なくとも酸化亜鉛を構成元素として含有する酸化物半導体や、ＩＧＯ等の他の金属酸化物によって構成されてもよい。
また、本発明が適用されるＴＦＴの構成は図７のＴＦＴ２１の構成に限られない。例えば、図１１に示すように、図７のＴＦＴ２１に比してエッチストップ膜２２が省略され、１層のパシベーション膜２３の代わりに２層のパシベーション膜４１，４２を備えるＴＦＴ４３に本発明を適用してもよい。この場合、２層のパシベーション膜４１，４２の少なくとも一方が、弗素含有窒化珪素膜、弗素含有酸化珪素膜や弗素含有酸窒化珪素によって構成され、２層のパシベーション膜４１，４２の少なくとも一方からチャネル１４へ弗素原子が拡散する。
また、図１２に示すように、図７のＴＦＴ２１に比してパシベーション膜２３が省略され、１層のエッチストップ膜２２の代わりに２層のエッチストップ膜４４，４５を備えるＴＦＴ４６に本発明を適用してもよい。この場合、２層のエッチストップ膜４４，４５の少なくとも一方が、弗素含有窒化珪素膜、弗素含有酸化珪素膜や弗素含有酸窒化珪素によって構成され、２層のエッチストップ膜４４，４５の少なくとも一方からチャネル１４へ弗素原子が拡散する。なお、拡散の結果、これらの弗素を含有した膜中の弗素原子の濃度分布はＩＧＺＯ膜に向かって濃度が低下するような濃度勾配を呈する。
さらに、図１３に示すように、基板１１上に形成されたゲート電極１２と、ゲート絶縁膜１３と、チャネル１４を含む酸化物半導体層１５と、チャネル１４のみを覆うエッチストップ膜４７と、エッチストップ膜４７、チャネル１４、酸化物半導体層１５を覆うパシベーション膜２３と、該パシベーション膜２３を貫通して酸化物半導体層１５と接するソース電極４８及びドレイン電極４９とを備えるＴＦＴ５０に本発明を適用してもよい。この場合も、エッチストップ膜４７及びパシベーション膜２３の少なくとも一方が、弗素含有窒化珪素膜、弗素含有酸化珪素膜や弗素含有酸窒化珪素によって構成され、エッチストップ膜４７及びパシベーション膜２３の少なくとも一方からチャネル１４へ弗素原子が拡散する。
また、図１４に示すように、図１３のＴＦＴ５０に比して１層のエッチストップ膜４７の代わりに２層のエッチストップ膜５１，５２を備えるＴＦＴ５３に本発明を適用してもよい。この場合、２層のエッチストップ膜５１，５２の少なくとも一方が、弗素含有窒化珪素膜、弗素含有酸化珪素膜や弗素含有酸窒化珪素によって構成され、２層のエッチストップ膜５１，５２の少なくとも一方からチャネル１４へ弗素原子が拡散する。なお、拡散の結果、これらの弗素を含有した膜中の弗素原子の濃度分布はＩＧＺＯ膜に向かって濃度が低下するような濃度勾配を呈する。
さらに、図１５に示すように、基板１１上に直接形成されたＩＧＺＯ膜によって構成されるチャネル５４を含む酸化物半導体層５５と、チャネル５４を覆うゲート絶縁膜５７と、ゲート絶縁膜５７上に形成されるゲート電極５８と、ゲート電極５８、酸化物半導体層５５を覆うパシベーション膜５９と、該パシベーション膜５９を貫通して酸化物半導体層５５と接するソース電極６０及びドレイン電極６１とを備えるＴＦＴ６２に本発明を適用してもよい。この場合、ゲート絶縁膜５７及びパシベーション膜５９の少なくとも一方が、弗素含有窒化珪素膜、弗素含有酸化珪素膜や弗素含有酸窒化珪素によって構成され、ゲート絶縁膜５７及びパシベーション膜５９の少なくとも一方からチャネル５４へ弗素原子が拡散する。なお、拡散の結果、これらの弗素を含有した膜中の弗素原子の濃度分布はＩＧＺＯ膜に向かって濃度が低下するような濃度勾配を呈する。
また、図１６に示すように、図１５のＴＦＴ６２に比して１層のゲート絶縁膜５７の代わりに２層のゲート絶縁膜６３，６４を備えるＴＦＴ６５に本発明を適用してもよい。この場合、２層のゲート絶縁膜６３，６４の少なくとも一方が、弗素含有窒化珪素膜、弗素含有酸化珪素膜や弗素含有酸窒化珪素によって構成され、２層のゲート絶縁膜６３，６４の少なくとも一方からチャネル５４へ弗素原子が拡散する。なお、拡散の結果、これらの弗素を含有した膜中の弗素原子の濃度分布はＩＧＺＯ膜に向かって濃度が低下するような濃度勾配を呈する。
上述した実施の形態では、プラズマＣＶＤ成膜装置において窓部材が誘電体からなる場合について述べたが、本発明を適用可能な電子デバイスの製造装置としては、誘導結合プラズマ装置であればこれに限られない。例えば、電子デバイスの製造装置は、窓部材として単一、若しくは複数の金属部材を用いたもの（例えば、特開２０１２−２２７４２７）や、アンテナとしてソレノイドコイルを用いたものであってもよく、さらには、マイクロ波プラズマ装置等、高密度プラズマを発生させることのできる装置であれば、これらに限られない。
また、本発明の目的は、上述した実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、コンピュータ、例えば、コントローラ４０に供給し、コントローラ４０のＣＰＵが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される。
この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した実施の形態の機能を実現することになり、プログラムコード及びそのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。
また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、ＲＡＭ、ＮＶ−ＲＡＭ、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ）等の光ディスク、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、他のＲＯＭ等の上記プログラムコードを記憶できるものであればよい。或いは、上記プログラムコードは、インターネット、商用ネットワーク、若しくはローカルエリアネットワーク等に接続される不図示の他のコンピュータやデータベース等からダウンロードすることによりコントローラ４０に供給されてもよい。
また、コントローラ４０が読み出したプログラムコードを実行することにより、上述した実施の形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、ＣＰＵ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。
更に、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コントローラ４０に挿入された機能拡張ボードやコントローラ４０に接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。
上記プログラムコードの形態は、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラムコード、ＯＳに供給されるスクリプトデータ等の形態から成ってもよい。
１１ 基板
１３，５７，６３，６４ ゲート絶縁膜
１４ チャネル
１５ 酸化物半導体層
２１，４３，４６ ＴＦＴ
２２，４４，４５，４７，５１，５２ エッチストップ膜
２３，４１，４２，５９ パシベーション膜
２４ プラズマＣＶＤ成膜装置
１３，５７，６３，６４ ゲート絶縁膜
１４ チャネル
１５ 酸化物半導体層
２１，４３，４６ ＴＦＴ
２２，４４，４５，４７，５１，５２ エッチストップ膜
２３，４１，４２，５９ パシベーション膜
２４ プラズマＣＶＤ成膜装置
Claims (14)
- 酸化物半導体をなす金属酸化物膜と、該金属酸化物膜に隣接する第１の膜と、該第１の膜を挟んで前記金属酸化物膜に対向する第２の膜とを備える電子デバイスにおいて、
前記第２の膜が弗素含有膜からなり、
前記第１の膜及び前記金属酸化物膜の境界における弗素原子の濃度は、前記金属酸化物膜の前記境界以外の部分における弗素原子の濃度よりも高く且つ前記第２の膜における弗素原子の濃度よりも低く、少なくとも前記第１の膜の前記境界以外の部分における弗素原子の濃度分布は、前記境界に向けて低下する濃度勾配を有することを特徴とする電子デバイス。 - 前記弗素含有膜の前記弗素原子の濃度は、前記金属酸化物膜の前記境界以外の部分における前記弗素原子の濃度よりも高いことを特徴とする請求項１記載の電子デバイス。
- 前記弗素含有膜は、弗素含有窒化珪素（ＳｉＮ：Ｆ）膜、弗素含有酸化珪素（ＳｉＯ：Ｆ）膜及び弗素含有酸窒化珪素（ＳｉＯＮ：Ｆ）膜のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２記載の電子デバイス。
- 前記第１の膜はエッチストップ膜であり、前記第２の膜はパシベーション膜であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子デバイス。
- 前記金属酸化物膜は、少なくとも酸化亜鉛又はＩＧＯを構成元素として含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子デバイス。
- 酸化物半導体をなす金属酸化物膜と、該金属酸化物膜に隣接する第１の膜と、該第１の膜を挟んで前記金属酸化物膜に対向する第２の膜とを備える電子デバイスの製造方法であって、
前記第２の膜を弗素含有膜で構成し、該弗素含有膜から弗素原子を前記金属酸化物膜へ拡散させ、
前記第１の膜及び前記金属酸化物膜の境界における前記弗素原子の濃度が、前記金属酸化物膜の前記境界以外の部分における前記弗素原子の濃度よりも高く且つ前記第２の膜における弗素原子の濃度よりも低いことを特徴とする電子デバイスの製造方法。 - 酸化物半導体をなす金属酸化物膜と、該金属酸化物膜に他の膜を挟んで隣接する弗素含有膜とを備える電子デバイスの製造方法であって、
前記金属酸化物膜にはチャネルが形成され、前記他の膜及び前記弗素含有膜は絶縁膜であり、
弗化物のガスと、酸素原子及び窒素原子の少なくともいずれかを含むガスとを用いたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって前記弗素含有膜を形成し、
前記弗素含有膜から弗素原子を拡散させることにより、前記他の膜中の弗素原子の濃度分布は、前記他の膜における前記金属酸化物膜との境界以外の部分において前記境界に向けて低下し且つ前記境界において増加する濃度勾配を有するが、前記境界において増加した弗素原子の濃度は前記弗素含有膜における弗素原子の濃度よりも低いことを特徴とする電子デバイスの製造方法。 - 前記ＣＶＤに用いられるいずれのガスも水素原子を含まないことを特徴とする請求項７記載の電子デバイスの製造方法。
- 前記ＣＶＤはＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）、若しくはマイクロ波プラズマ を用いるプラズマ処理装置によって実行されることを特徴とする請求項７又は８記載の電子デバイスの製造方法。
- 前記弗素含有膜は弗素含有窒化珪素（ＳｉＮ：Ｆ）膜からなり、前記ＣＶＤで用いられるガスは、四弗化珪素（ＳｉＦ４）ガス及び窒素（Ｎ２）ガスを含むことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の電子デバイスの製造方法。
- 前記弗素含有膜は弗素含有酸化珪素（ＳｉＯ：Ｆ）膜からなり、前記ＣＶＤで用いられるガスは、四弗化珪素ガス、並びに、酸素（Ｏ２）ガス及び亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）ガスの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の電子デバイスの製造方法。
- 前記弗素含有膜は弗素含有酸窒化珪素（ＳｉＯＮ：Ｆ）膜からなり、前記ＣＶＤで用いられるガスは、四弗化珪素ガス、窒素ガス、並びに、酸素ガス及び亜酸化窒素ガスの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の電子デバイスの製造方法。
- 酸化物半導体をなす金属酸化物膜と、該金属酸化物膜に他の膜を挟んで隣接する弗素含有膜とを備える電子デバイスの製造装置であって、
前記金属酸化物膜にはチャネルが形成され、前記他の膜及び前記弗素含有膜は絶縁膜であり、
弗化物のガスと、酸素原子及び窒素原子の少なくともいずれかを含むガスとを用いたＣＶＤによって前記弗素含有膜を形成し、
前記弗素含有膜から弗素原子を拡散させることにより、前記他の膜中の弗素原子の濃度分布は、前記他の膜における前記金属酸化物膜との境界以外の部分において前記境界に向けて低下し且つ前記境界において増加する濃度勾配を有するが、前記境界において増加した弗素原子の濃度は前記弗素含有膜における弗素原子の濃度よりも低いことを特徴とする電子デバイスの製造装置。 - 前記デバイスの製造装置はＩＣＰ、若しくはマイクロ波プラズマを用いるプラズマ処理装置によって実現されることを特徴とする請求項１３記載の電子デバイスの製造装置。
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