JP2008060419A

JP2008060419A - 薄膜トランジスタの製法

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Publication number: JP2008060419A
Application number: JP2006236828A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hirao; 孝平尾; Mamoru Furuta; 守古田; Hiroshi Furuta; 寛古田; Tokiyoshi Matsuda; 時宜松田; Takahiro Hiramatsu; 孝浩平松
Original assignee: Casio Computer Co Ltd; Kochi Prefecture Sangyo Shinko Center
Current assignee: Casio Computer Co Ltd; Kochi Prefecture Sangyo Shinko Center
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-08-31
Also published as: JP5128792B2

Abstract

【課題】酸化物半導体薄膜層上に絶縁膜を形成した積層構造において、該酸化物半導体薄膜表面の構成元素の脱離や還元による欠陥の増大を抑制する。それにより、リーク電流の増大等の弊害を抑制することができる薄膜トランジスタの製法を提供することを解決課題とする。加えて、酸化物半導体薄膜層とゲート絶縁膜の界面特性を良好にする。それにより、リーク電流がさらに抑制された、信頼性に優れた薄膜トランジスタの製法を提供することも解決課題とする。
【解決手段】基板上に酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層を形成する工程と、該酸化物半導体薄膜層上に第一絶縁膜を形成する工程と、該第一絶縁膜上に第二絶縁膜を形成する工程を有する薄膜トランジスタの製法において、前記第二絶縁膜を成膜する前に、第一絶縁膜を酸化することを特徴とする薄膜トランジスタの製法である。
【選択図】図３

Description

本発明は、薄膜トランジスタ（以下、TFTと略）の製法に係り、より詳しくは、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層を有する薄膜トランジスタの製法に関する。

酸化亜鉛あるいは酸化マグネシウム亜鉛等の酸化物が優れた半導体(活性層)の性質を示すことは古くから知られており、近年薄膜トランジスタ、発光デバイス、透明導電膜等の電子デバイス応用を目指し、これらの化合物を用いた半導体薄膜層の研究開発が活発化している。
酸化亜鉛や酸化マグネシウム亜鉛を半導体薄膜層として用いたTFTは、従来液晶ディスプレイに主に用いられているアモルファスシリコン(a−Si：H)を半導体薄膜層として用いたアモルファスシリコンTFTに比較して電子移動度が大きく、優れたTFT特性を有し、また、室温付近の低温でも多結晶薄膜が得られることで高い移動度が期待できる等の利点もあり、積極的な開発が進められている。

酸化亜鉛を酸化物半導体薄膜層として用いたTFT(酸化亜鉛TFT)としては、トップゲート型（下記特許文献１参照）及びボトムゲート型の構造が報告されている。

トップゲート型構造の一例としては、基板上より順にソース・ドレイン電極、酸化物半導体薄膜層、ゲート絶縁膜、ゲート電極を積層して形成される構造を例示することができる。
ボトムゲート型構造の一例としては、基板上より順にゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体薄膜層、保護絶縁膜、ソース・ドレイン電極を積層して形成される構造を例示することができる。

しかしながら、トップゲート型の薄膜トランジスタの場合、酸化物半導体薄膜層の上部をチャネル部として用いるため、酸化物半導体薄膜層上へのゲート絶縁膜の成膜時に発生する熱やプラズマ雰囲気に、チャネル部が曝されるという問題が生じる。
特に、酸化物半導体薄膜層の主成分である酸化亜鉛は耐熱性が充分でないため、ゲート絶縁膜の成膜に伴う熱履歴により、酸化物半導体薄膜層表面（チャネル部）近傍からの構成元素である亜鉛や酸素の脱離が生じる。酸化物半導体薄膜から、その構成元素である亜鉛や酸素が脱離することで、欠陥が生じ、膜質を低下させる。
また、ゲート絶縁膜成膜時には、熱工程を経ると同時に、酸化物半導体表面がプラズマ雰囲気に曝される。該プラズマは高エネルギー粒子を含むため、酸化物半導体表面にダメージを誘起する。さらに、該プラズマが水素や水酸基といった還元性雰囲気の場合には、酸化物半導体表面を還元し、酸素欠損を引き起こし、欠陥となり、さらに膜質を低下させる。
これらの欠陥は電気的には浅い不純物準位を形成し、酸化物半導体薄膜層の低抵抗化を引き起こす。そのため、酸化亜鉛をトップゲート型の薄膜トランジスタの活性層に用いた場合、ゲート電圧を印加しなくてもドレイン電流が流れるノーマリーオン型すなわちデプレッション型の動作となり、欠陥準位の増大とともに、しきい電圧が小さくなり、リーク電流が増大する。
また、欠陥は活性層となる酸化亜鉛中のキャリアのトラップとなり、薄膜トランジスタの電子移動度の低下を引き起こす。
さらに、ゲート絶縁膜を有機金属等を原料ガスとするプラズマ化学気相成長法にて、例えば２００℃以下といった低温域で成膜した場合等、膜中に炭素が取り込まれることとなるが、当該炭素はゲート絶縁膜の膜質を低下させる要因となり、リーク電流の増大や信頼性の悪化といった課題を生じる。

一方、ボトムゲート型の薄膜トランジスタにおいても、酸化物半導体薄膜層上に保護絶縁膜を成膜する際、トップゲート型の薄膜トランジスタと同様の理由で、酸化物半導体薄膜層及び保護絶縁膜自体に欠陥が生じ、膜質が低下する。また、保護絶縁膜に炭素が含まれることによっても、保護絶縁膜の膜質が低下する。それにより、酸化物半導体薄膜層と第一保護絶縁膜の界面特性が悪化する。該界面はチャネルと反対面で、バックチャネルにあたる部分であるが、バックチャネルの界面特性の悪化によってもリーク電流の増大といった問題が生じる。

特開２００３−２９８０６２号公報

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、酸化物半導体薄膜層上に絶縁膜を形成した積層構造において、該酸化物半導体薄膜表面の構成元素の脱離や還元による欠陥の増大を抑制する。それにより、リーク電流の増大等の弊害を抑制することができる薄膜トランジスタの製法を提供することを解決課題とする。
加えて、酸化物半導体薄膜層とゲート絶縁膜の界面特性を良好にする。それにより、リーク電流がさらに抑制された、信頼性に優れた薄膜トランジスタの製法を提供することも解決課題とする。

請求項１に係る発明は、基板上に酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層を形成する工程と、該酸化物半導体薄膜層上に第一絶縁膜を形成する工程と、該第一絶縁膜上に第二絶縁膜を形成する工程を有する薄膜トランジスタの製法において、前記第二絶縁膜を成膜する前に、第一絶縁膜を酸化することを特徴とする薄膜トランジスタの製法に関する。

請求項２に係る発明は、前記第一絶縁膜を前記酸化物半導体薄膜層の上側表面のみを被覆するようにパターン形成し、その後、該第一絶縁膜及び該酸化物半導体薄膜層を酸化することを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタの製法に関する。

請求項３に係る発明は、前記第一絶縁膜が炭素を含むことを特徴する請求項１又は２記載の薄膜トランジスタの製法に関する。

請求項４に係る発明は、前記第一絶縁膜が酸素を構成元素に含む化合物からなることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の薄膜トランジスタの製法に関する。

請求項５に係る発明は、前記第一絶縁膜が酸素を構成元素に含まない化合物からなることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の薄膜トランジスタの製法に関する。

請求項６に係る発明は、前記第一絶縁膜の酸化を、少なくとも酸素を構成元素として含むプラズマに第一絶縁膜を暴露させることにより行うことを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載の薄膜トランジスタの製法に関する。

請求項７に係る発明は、前記酸化物半導体薄膜層の形成と前記第一絶縁膜の形成を、真空中で連続して行うことを特徴とする請求項１乃至６いずれか記載の薄膜トランジスタの製法に関する。

請求項１に係る発明によれば、第二絶縁膜を成膜する前に、第一絶縁膜を酸化することにより、第一絶縁膜とともに第一絶縁膜に被覆された酸化物半導体薄膜層も酸化することができる。そのため、トップゲート型の薄膜トランジスタにおいて、第一絶縁膜の成膜に伴う熱処理により生じた酸化物半導体薄膜層中の欠陥が減少し、酸化物半導体薄膜層の低抵抗化、導電率の減少を抑制することができる。そのため、低しきい電圧で、リーク電流の抑制された電子移動度の高い薄膜トランジスタとなる。
また、酸化物半導体薄膜層中の欠陥が減少することにより、酸化物半導体薄膜層の膜質も向上する。加えて、第一絶縁膜を酸化することで、第一絶縁膜中の欠陥準位も減少するので、第一絶縁膜の膜質も向上する。そのため、酸化物半導体薄膜層との界面特性が向上し、リーク電流がさらに抑制された薄膜トランジスタとなる。
また、ボトムゲート型の薄膜トランジスタでも、酸化物半導体薄膜層のバックチャネル側において、欠陥の減少に伴う第一絶縁膜との界面特性の向上が起こり、リーク電流の抑制といった効果を十分に奏することができる。

請求項２に係る発明によれば、第一絶縁膜を酸化物半導体薄膜層の上側表面のみを被覆するようにパターン形成し、その後、該第一絶縁膜を酸化することにより、酸化物半導体薄膜層側面を酸化することができる。そのため、酸化物半導体薄膜層中の欠陥をより減少させることができ、リーク電流をさらに抑制することができる。

請求項３に係る発明によれば、第一絶縁膜が炭素を含む場合、第一絶縁膜を酸化することで、炭素と酸素が結合する。それにより、炭素が酸素と共に第一絶縁膜から脱離し、炭素の含有量の少ない良好な第一絶縁膜を形成することができる。そのため、第一絶縁膜の膜質を向上させることができ、第一絶縁膜と酸化物半導体薄膜層の界面が良好なものとなる。

請求項４に係る発明によれば、第一絶縁膜が酸素を構成元素に含む化合物からなる場合、第一絶縁膜に存在する酸素欠損等の欠陥を酸化処理により補い、それにより欠陥準位が減少する。そのため、第一絶縁膜の膜質が向上すると同時に、酸化物半導体薄膜層との界面が良好なものとなる。

請求項５に係る発明によれば、第一絶縁膜が酸素を構成元素に含まない化合物からなる場合、第一絶縁膜に存在する未結合手等の欠陥を酸化処理により酸素で補償し、欠陥準位が減少する。そのため、第一絶縁膜の膜質が向上すると同時に、酸化物半導体薄膜層との界面が良好なものとなる。

請求項６に係る発明によれば、第一ゲート絶縁膜の酸化を構成元素として少なくとも酸素を含むプラズマに暴露することで行うことにより、広範囲に亘り、第一ゲート絶縁膜及び第一ゲート絶縁膜に被膜された酸化物半導体薄膜層を酸化することができる。

請求項７に係る発明によれば、酸化物半導体薄膜層の形成と第一絶縁膜の形成を、真空中で連続して行うことにより酸化物半導体薄膜層と第一絶縁膜の界面特性がさらに良好となり、よりリーク電流を抑制することができる。

本発明の第一実施例に係る薄膜トランジスタについて、図１に基づいて以下に説明する。
なお、本発明に係る薄膜トランジスタは該実施例の構造によって、何ら限定されるものではない。

本発明の第一実施例に係る薄膜トランジスタ１００は、基板１、一対のソース・ドレイン電極２、酸化物半導体薄膜層３、第一ゲート絶縁膜４、コンタクト部５ａ、第二ゲート絶縁膜６、一対のソース・ドレイン外部電極２ａ、ゲート電極７、表示電極８を有しており、図１に示すように、これら各構成を積層して形成されている。

薄膜トランジスタ１００は、図１に示す通り、ガラス（SiO₂とAl₂O₃を主成分とする無アルカリガラス）からなる基板１上に形成されている。
基板１の材料は、ガラスに限定されず、プラスチックや金属箔に絶縁体をコーティングしたもの等、絶縁体であれば使用可能である。

基板１上には、一対のソース・ドレイン電極２が積層されている。この一対のソース・ドレイン電極２は、基板１上面に間隙を有して配置されている。
ソース・ドレイン電極２は、例えば、インジウムスズ酸化物(ITO)、n＋ZnO等の導電性酸化物、金属、もしくは前記導電性酸化物により少なくとも一部を被覆された金属により形成される。

酸化物半導体薄膜層３は、基板１とソース・ドレイン電極２上に積層されている。
酸化物半導体薄膜層３は、一対のソース・ドレイン電極２の電極間にチャネルを形成するように配置されており、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体から形成されている。ここで、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体とは、真性の酸化亜鉛の他、Li、Na、N、C等のp型ドーパント及びB、Al、Ga、In等のn型ドーパントがドーピングされた酸化亜鉛およびMg、Be、In、Sn等がドーピングされた酸化亜鉛を含む。
なお、酸化物半導体薄膜層３は、各ソース・ドレイン電極２上に形成されている部分の厚さが、一対のソース・ドレイン電極２間に形成された部分よりも薄く図示されているが、これは単なる図示の都合であって、実際には、両者の厚さはほぼ同一である。

第一ゲート絶縁膜４は、酸化物半導体薄膜層３の上側表面のみを被覆するように形成されている。この第一ゲート絶縁膜４は、ゲート絶縁膜の一部として設けられ、酸化物半導体薄膜層３を製造工程でのレジスト剥離液から保護する保護膜としての役割をも果たすものである。

また第一ゲート絶縁膜４は、第二ゲート絶縁膜６の成膜前に酸化される。これにより、第一ゲート絶縁膜４だけでなく酸化物半導体薄膜層３も酸化することができる。酸化物半導体薄膜層３を酸化することにより、酸化物半導体薄膜層中の欠陥が減少し、酸化物半導体薄膜層の低抵抗化を抑制することができる。そのため、リーク電流の抑制された薄膜トランジスタとなる。また、欠陥が減少することにより、キャリア濃度が増加し、高移動度の薄膜トランジスタとなる。

また、第一ゲート絶縁膜４が酸素を含む化合物で構成されている場合、第一ゲート絶縁膜４には酸素欠損等の欠陥が存在する。この時、第一ゲート絶縁膜４を酸化することで、第一ゲート絶縁膜中の欠陥が酸素により補償され、欠陥準位が減少する。それにより、膜質が向上する。酸素を含む化合物としては、酸化珪素、酸窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム等が挙げられる。
また、第一ゲート絶縁膜４が酸素を含まない化合物で構成されている場合、第一ゲート絶縁膜４には未結合手等の欠陥が存在する。当該欠陥は酸素欠損ではないが、第一ゲート絶縁膜４を酸化することで、欠陥を酸素で補償し、欠陥準位が減少する。それにより、膜質が向上する。酸素を含まない化合物としては窒化珪素等が挙げられる。

また、例えば、有機材料を用いてプラズマ化学気相成長法にて、２００℃以下といった低温域で第一ゲート絶縁膜を成膜した場合、有機材料の乖離が十分に行われない。そのため、第一ゲート絶縁膜４に不純物である炭素が取り込まれ、第一ゲート絶縁膜の膜質が悪化する。しかしながら、第一ゲート絶縁膜４を酸化することによって、炭素と酸素が結合し、ゲート絶縁膜から脱離する。それにより、不純物である炭素の少ない絶縁膜となり、良質なゲート絶縁膜となる。

上記したように、ゲート絶縁膜４の膜質が向上し、加えて、酸化物半導体薄膜層３も欠陥の減少により膜質が向上する。そのため、酸化物半導体薄膜層３と第一ゲート絶縁膜４との界面特性が向上し、リーク電流の抑制された信頼性の高い薄膜トランジスタとなる。
第一ゲート絶縁膜４の厚みは、酸化処理によって酸化物半導体薄膜層３の上表面まで酸化できる程度の薄い膜厚である必要がある。酸化物半導体薄膜層表面まで酸化されなければ、酸化物半導体薄膜層表面の欠陥が減少せず、本発明の効果が半減するからである。具体的な膜厚は、酸化処理の方法にもよるが、酸素を構成元素として含むプラズマで暴露することによって酸化処理を行う場合、100Å程度が好ましい。

第二ゲート絶縁膜６は、一対のソース・ドレイン電極２、酸化物半導体薄膜層３側面及び第一ゲート絶縁膜４の表面全面を被覆するように積層されている。このように、第二ゲート絶縁膜６が積層されることにより、酸化物半導体薄膜層３表面を第一ゲート絶縁膜４にて、側面を第二ゲート絶縁膜６にて完全に被覆することができる。
第二ゲート絶縁膜６の厚みは、例えば、200〜400nmに形成され、好ましくは、約300nmに形成される。

第二ゲート絶縁膜６は、酸化珪素（SiOx）膜、酸窒化珪素（SiON）膜、窒化珪素（SiNx）膜あるいは窒化珪素（SiNx）に酸素もしくは酸素を構成元素に含む化合物を用いて酸素をドーピングした膜により形成される。この第二ゲート絶縁膜６としては、酸化珪素化合物（SiOx）や酸窒化珪素（SiON）に比較して誘電率の大きい、SiNxに酸素あるいは酸素を構成元素として含む化合物、例えばN₂O、を用いて酸素をドーピングした膜が好ましく用いられる。これにより、誘電率が高く、酸化物半導体薄膜層の保護の観点からも優れた薄膜トランジスタとなるからである。
第一ゲート絶縁膜４及び第二ゲート絶縁膜６は、例えばプラズマ化学気相成長（PCVD)法により形成される。

一対のソース・ドレイン外部電極２ａはそれぞれ対応したソース・ドレイン電極２とコンタクト部５ａを介して接続される。

ゲート電極７は、第二ゲート絶縁膜６上に形成されている。このゲート電極７は、薄膜トランジスタに印加するゲート電圧により酸化物半導体薄膜層３中の電子密度を制御する役割を果たすものである。
ゲート電極７はCr、Tiに例示される金属膜からなる。

表示電極８は、液晶ディスプレイに用いる液晶に薄膜トランジスタを介して電圧を印加するために形成される。この電極は可視光に対する高い透過率が要求されるため、インジウムスズ酸化物(ITO)などを用いた酸化物導電性薄膜が形成される。なお、図１では、省略されているが、表示電極８は第二ゲート絶縁膜６上をゲート電極７と逆方向に延出されている。

本発明の第一実施例に係る薄膜トランジスタ（TFT）の製造方法について、図２及び図３に基づいて以下に説明する。但し、図２及び３は、スペースの関係で二つの図面に分かれているが、連続した工程を示している。

まず、図２（１）に示される如く、基板１上全面にマグネトロンスパッタリング法等により、Ti、Cr等の金属薄膜を例えば100nmの厚みで形成した後、この薄膜に、フォトリソグラフィー法を用いて一対のソース・ドレイン電極２を形成する。

図２（２）に示す如く、基板１および一対のソース・ドレイン電極２上の全面に酸化物半導体薄膜層３として、酸化亜鉛を主成分とする半導体薄膜、好適には真性酸化亜鉛を例えば50〜100nm程度の膜厚で形成する。

図２（３）に示される如く、酸化物半導体薄膜層３上に第一ゲート絶縁膜４を形成する。このとき、酸化物半導体薄膜層３及び第一ゲート絶縁膜４の形成を真空中で連続して行うことが好ましい。これにより、酸化物半導体薄膜層３と第一ゲート絶縁膜４の界面特性を良好に維持することができるからである。

図２（４）に示される如く、前記第一ゲート絶縁膜４上にフォトレジストをコーティングし、パターニングされたフォトレジスト４ａを形成し、このフォトレジスト４aをマスクとして、前記第一ゲート絶縁膜４をSF₆等のガスを用いてドライエッチングし、次いで0．2％HNO₃溶液にて酸化物半導体薄膜層３に対しウェットエッチングを行う。

続きの工程を図３を用いて説明する。
図３（１）は酸化物半導体薄膜層３のウェットエッチング後にフォトレジスト４ａを除去した断面図を示しており、酸化物半導体薄膜層３と同一形状の第一ゲート絶縁膜４を有するTFT活性層領域が形成されている。第一ゲート絶縁膜４は、酸化物半導体薄膜層３との界面形成に加えて、活性領域をパターン形成する時の酸化物半導体薄膜層を保護する役目も同時に果たしている。すなわち、活性層パターニング後のフォトレジスト４ａを剥離する場合に使用するレジスト剥離液が酸化物半導体薄膜層３表面に接すると、薄膜表面や結晶粒界をエッチングで荒らしてしまうが、第一ゲート絶縁膜４が酸化物半導体薄膜層３表面に存在することで、フォトリソグラフィー工程におけるレジスト剥離液といった各種薬液に対する保護絶縁膜としての機能を果たし、酸化物半導体薄膜層３の表面あれを防ぐことができる。

酸化物半導体薄膜層３及び第一ゲート絶縁膜４のパターン形成後、第一ゲート絶縁膜４を酸化する。当該酸化は、構成元素に酸素を含むプラズマに第一ゲート絶縁膜４を暴露させることで行うことが好ましい。それにより、広範囲に亘り、第一ゲート絶縁膜４及び第一ゲート絶縁膜４に被膜された酸化物半導体薄膜層３を酸化することができるからである。当該プラズマは、酸素（O_２）或いは亜酸化窒素（N_２O）といった酸化性ガスを用いて発生させることができる。
第一ゲート絶縁膜４の成膜時には熱工程を伴う。酸化物半導体薄膜層の主成分である酸化亜鉛は耐熱性が充分でないため、当該熱処理により、酸化物半導体薄膜層表面（チャネル部）近傍からの構成元素である亜鉛や酸素の脱離が生じる。そのため、酸化物半導体薄膜層３に欠陥が生じ、膜質が低下する。
また、第一ゲート絶縁膜４の成膜時には、熱工程を経ると同時に、酸化物半導体表面がプラズマ雰囲気に曝される。該プラズマが水素や水酸基といった還元性雰囲気の場合には、酸化物半導体表面を還元するので、酸素欠損を引き起こし、欠陥となり、膜質が低下する。当該酸化処理は上記ゲート絶縁膜４の成膜による欠陥の影響を緩和するために行われる。以下、当該酸化処理の効果について詳しく述べる。
上記したように、ゲート絶縁膜４の成膜に伴い、酸化物半導体薄膜層中の亜鉛や酸素が脱離し、欠陥が形成される。当該欠陥は電気的に浅い不純物準位を形成するため、酸化物半導体薄膜層の低抵抗化を引き起こす。そのため、薄膜トランジスタはノーマリーオン型すなわちデプレッション型の動作となり、欠陥の増大とともに、しきい電圧が小さくなり、リーク電流が増大することとなる。
また、当該欠陥は活性層となる酸化亜鉛中のキャリアのトラップとなり、薄膜トランジスタの電子移動度の低下を引き起こす。
そこで、第一ゲート絶縁膜４を成膜後、第一ゲート絶縁膜とともに酸化物半導体薄膜層３も酸化することで、酸素が欠陥を補償し、欠陥が減少するので、欠陥による上記影響を抑えることができる。それにより、リーク電流の抑制された高移動度の薄膜トランジスタとなる。
また、酸化物半導体薄膜層中の欠陥が減少することにより、酸化物半導体薄膜層の膜質も向上する。

加えて、第一ゲート絶縁膜４自体にも酸素欠損や未結合手といった欠陥が存在するが、酸化処理を行うことで、第一ゲート絶縁膜中の欠陥準位も減少する。それにより、第一ゲート絶縁膜の膜質も向上し、第一ゲート絶縁膜４と酸化物半導体薄膜層３の界面特性が良好となる。以下、欠陥準位が減少する過程を、ゲート絶縁膜を構成する化合物が酸素を含む場合と、含まない場合に分けて、説明する。
第一ゲート絶縁膜４が酸素を含む化合物で構成されている場合、第一ゲート絶縁膜４中には酸素欠損等の欠陥が存在する。この時、第一ゲート絶縁膜４を酸化することにより、酸素が補充され、欠陥準位が減少する。
また、第一ゲート絶縁膜４が酸素を含まない化合物で構成されている場合、未結合手等の欠陥が存在する。当該欠陥は酸素欠損ではないが、第一ゲート絶縁膜４を酸化することで、酸素が当該欠陥を補償し、欠陥準位が減少する。

また、第一ゲート絶縁膜４に炭素が含まれる場合、炭素が不純物となり、第一ゲート絶縁膜の膜質が悪化する。しかしながら、第一ゲート絶縁膜４を酸化することによって、炭素と酸素が結合し、ゲート絶縁膜から脱離する。それにより、不純物である炭素が減少し、良質なゲート絶縁膜となる。これにより、さらにリーク電流が抑制された信頼性に優れた薄膜トランジスタとなる。
第一ゲート絶縁膜４に炭素が含まれる場合として、例えば、有機シリコンや有機アルミニウム等の有機金属を原料として、プラズマ化学気相成長法にて、２００℃以下といった低温域でゲート絶縁膜４を成膜する場合が考えられる。有機金属は低温域では乖離が十分に行われず、膜中に炭素を含むこととなる。有機シリコンとしては、テトラエトキシシラン(TEOS)、テトラメチルシラン(TMS)、ジメチルジメトキシシラン(DMDMOS)、テトラメトキシシラン(TMOS)、テトラエチルシラン(TES)、オクトメチルサイクロテトラシロキサン(OMCTS)、テトラプロポキシシラン(TPOS)、テトラメチルサイクロテトラシロキサン(TMCTS)、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)等が挙げられ、有機アルミニウムとしては、テトラメチルアルミニウム(TMA)、テトラエチルアルミ二ウム(TEA)等が挙げられる。
なお、当該酸化処理は酸化物半導体薄膜層と第一ゲート絶縁膜のパターン形成前に行ってもよいが、パターン形成後に行うことによって、酸化物半導体薄膜層側面も酸化することができる。それにより、酸化物半導体薄膜層の側面付近の欠陥をより抑えることができ、リーク電流をさらに抑制することができる。

第一ゲート絶縁膜４の酸化処理後、図３（２）に示す如く、基板１、ソース・ドレイン電極２、酸化物半導体薄膜層３、および第一ゲート絶縁膜４上全面に第二ゲート絶縁膜６を形成し、その後フォトリソグラフィー法を用いて一対のソース・ドレイン電極２上にコンタクトホール５を開口する。この場合、第二ゲート絶縁膜６は第一ゲート絶縁膜４（界面制御型絶縁膜）と同様の条件で、プラズマ化学気相成長（PCVD）法を用いて形成することが望ましい。

最後に図３（３）に示す如く、第二ゲート絶縁膜６上にCr、Tiといった金属膜からなるゲート電極７を形成し、ゲート電極７と同一材料にて一対のソース・ドレイン外部電極２ａをコンタクト部５aを介してそれぞれに対応したソース・ドレイン電極２と接続するよう形成する。その後、インジウムスズ酸化物(ITO)等からなる表示電極８を形成することでTFTアレイが完成する。

次いで、本発明の第二実施例に係る薄膜トランジスタの構造について図４を用いて以下説明する。第二実施例の構造は、液晶ディスプレイの駆動素子として現在事業化されているボトムゲート型アモルファスシリコンTFTの構造と類似しており、該アモルファスシリコンTFTの製造のプロセスを応用できるので、新たな設備投資を削減して酸化亜鉛TFTの事業化を図れる点で有効である。

図４は本発明の第二実施例に係る薄膜トランジスタ１０１の構造を示す断面図である。薄膜トランジスタ１０１は、基板９、ゲート電極１０、ゲート絶縁膜１１、酸化物半導体薄膜層１２、第一保護絶縁膜１３、第二保護絶縁膜１４、一対のソース・ドレイン電極１５、オーバーコート絶縁膜１６を有してなり、図４に示すように、上記の各構成を積層して形成されている。

薄膜トランジスタ１０１は、図４に示す通り、基板９上に形成される。
基板９上には、ゲート電極１０が形成されている。

ゲート絶縁膜１１は、ゲート電極１０を被覆するように基板９上の全面に積層されている。
酸化物半導体薄膜層１２は、ゲート電極１０を横断してゲート絶縁膜１１の一部を被覆するように形成されている。酸化物半導体薄膜層１２は酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体から形成されている。

第一保護絶縁膜１３は、酸化物半導体薄膜層１２の上面を被覆するように積層されている。第一保護絶縁膜１３は、酸化亜鉛からなる酸化物半導体薄膜層１２を損傷及び還元脱離から保護するために設けられるが、製造工程において酸化物半導体薄膜層１２をレジスト剥離液から保護する保護絶縁膜としての役割も果たしている。

また第一保護絶縁膜１３は、第二保護絶縁膜１４の成膜前に酸化される。これにより、第一保護絶縁膜１３だけでなく酸化物半導体薄膜層１２も酸化することができる。酸化物半導体薄膜層１２及び第一保護絶縁膜１３が酸化されることにより、欠陥が減少し、膜質が向上する。それにより、酸化物半導体薄膜層１２と第一保護絶縁膜１３との界面（バックチャネルにあたる部分）の特性が向上し、リーク電流の抑制された薄膜トランジスタとなる。また、例えば、有機材料を用いてプラズマ化学気相成長法にて、２００℃以下といった低温域で第一保護絶縁膜１３を成膜した場合等、第一保護絶縁膜１３に炭素が含有されることとなるが、第一保護絶縁膜１３が酸化されることにより、炭素が酸素と結合し、脱離する。それにより、第一保護絶縁膜の膜厚がより向上し、リーク電流がさらに抑制される。
第一保護絶縁膜１３の厚みは、酸化処理によって酸化物半導体薄膜層１２の上表面まで酸化できる程度の薄い膜厚である必要がある。酸化物半導体薄膜層表面まで酸化されなければ、酸化物半導体薄膜層表面の欠陥が減少せず、本発明の効果が半減するからである。具体的な膜厚としては、酸化処理の方法にもよるが、酸素を構成元素として含むプラズマで暴露することによって酸化処理を行う場合、100Å程度が好ましい。

第二保護絶縁膜１４は、第一保護絶縁膜１３の全面及び酸化物半導体薄膜層１２の側面を被覆するように積層されている。
第二保護絶縁膜１４を設けることで、第一保護絶縁膜１３が被覆していない酸化物半導体薄膜層１２の側表面を確実に被覆することができる。

一対のソース・ドレイン電極１５は第一保護絶縁膜１３、第二保護絶縁膜１４に開口したコンタクトホールを介して、酸化物半導体薄膜層１２に接するように互いに間隔を有して形成される。

オーバーコート絶縁膜１６は、薄膜トランジスタ１０１のデバイス保護の目的で設けられ、薄膜トランジスタの全面を被覆するように積層されている。
オーバーコート絶縁膜１６を設けることにより、薄膜トランジスタ１０１のデバイス全体をより確実に保護することができる。

次に、本発明の第二実施例に係るボトムゲート型TFTの製法について、図５に基づいて以下に説明する。

図５（１）に示される如く、基板９上全面に、マグネトロンスパッタリング法等により形成し、フォトリソグラフィーによりゲート電極１０を形成する。

図４（２）に示される如く、ゲート電極１０を被覆するように基板９上の全面にゲート絶縁膜１１を形成する。
このゲート絶縁膜１１の形成方法は、特に限定されないが、大面積基板への成膜が可能なプラズマ化学気相成長（PCVD）法を用いることが好ましい。
ゲート絶縁膜１１の成膜後に、酸素（O₂）あるいは亜酸化窒素（N₂O）といった酸化性ガスを用いたプラズマにより、基板表面を清浄化することが好ましい。特に、酸化性ガスとして酸素を用いた場合は、ArやXe、He、Krといった希ガスを酸素に添加したプラズマを用いることで、酸素ラジカルの発生量が増大し、酸化物半導体薄膜層表面に吸着された有機成分や水分に対するクリーニング効率が増大すると同時に、添加ガスによるスパッタ効果により酸化物半導体薄膜層表面の金属不純物が除去可能となるため、より好ましい。

ゲート絶縁膜１１の形成後、図５（３）に示される如く、ゲート絶縁膜１１の全面に酸化物半導体薄膜層１２を例えば50〜100nm程度の膜厚で形成する。酸化物半導体薄膜層１２としては、酸化亜鉛を主成分とする半導体薄膜、好適には真性酸化亜鉛が用いられる。

酸化物半導体薄膜層１２の形成後、図５（４）に示される如く、酸化物半導体薄膜層１２の全面を被覆する第一保護絶縁膜１３を形成する。このとき、ゲート絶縁膜１１、酸化物半導体薄膜層１２、第一保護絶縁膜１３を真空中にて連続して形成することが好ましい。これにより、各層の界面が良好に維持できるからである。

第一保護絶縁膜１３の形成後、酸化物半導体薄膜層１２及び第一保護絶縁膜１３をチャネルの形状に加工する。形状加工は、酸化物半導体薄膜層１２及び第一保護絶縁膜１３がゲート電極１０の上部を含むゲート絶縁膜の一部を被覆するように施される。この形状加工により、チャネル層としての酸化物半導体薄膜層１２の機能を保ちつつ、第二保護絶縁膜１４によって酸化物半導体薄膜層１２を完全に被覆する構造が実現できる。

具体的には、第一保護絶縁膜１３の上表面にフォトレジストをコーティングし、パターニングされたフォトレジストをマスクとして、第一保護絶縁膜１３をエッチングし、次いでパターニングされた第一保護絶縁膜１３をマスクとして酸化物半導体薄膜層１２に対しウェットエッチングを行う。

酸化物半導体薄膜層１２及び第一保護絶縁膜１３のパターン形成後、第一保護絶縁膜１３を酸化する。当該酸化は、構成元素として酸素を含むプラズマに第一保護絶縁膜１３を暴露させることで行うことが好ましい。それにより、広範囲に亘り、第一保護絶縁膜１３及び第一保護絶縁膜１３に被膜された酸化物半導体薄膜層１２を酸化することができるからである。
第一保護絶縁膜１３を酸化することで、酸化物半導体薄膜層１２も酸化される。それにより、酸化物半導体薄膜層１２及び第一保護絶縁膜１３中の欠陥が減少し、膜質が向上する。そのため、酸化物半導体薄膜層との界面特性が向上する。当該界面はバックチャネルにあたる部分であるが、バックチャネルの特性が向上するので、リーク電流が抑制された薄膜トランジスタとなる。
加えて、例えば、有機材料を用いてプラズマ化学気相成長法にて、２００℃以下といった低温域で第一保護絶縁膜を成膜した場合、第一保護絶縁膜１３中に炭素が含まれ、膜質が悪化するが、酸化処理を行うことにより、炭素が酸素と結合して脱離する。それにより、第一保護絶縁膜１３の膜質が向上し、酸化物半導体薄膜層１２との界面特性の向上により、さらに、リーク電流が抑制される。第一保護絶縁膜中に炭素が含まれる場合としては、有機金属を原料ガスとして成膜した場合が挙げられる。
なお、当該酸化処理は酸化物半導体薄膜層１２と第一保護絶縁膜１３のパターン形成前に行ってもよいが、パターン形成後に行うことによって、酸化物半導体薄膜層１２側面も酸化することができる。それにより、酸化物半導体薄膜層１２の側面付近の欠陥をより抑えることができ、リーク電流をさらに抑制することができる。

第一保護絶縁膜１３の酸化処理後、図５（５）に示される如く、第一保護絶縁膜１３、酸化物半導体薄膜層１２及びゲート絶縁膜１１の全面を被覆するように第二保護絶縁膜１４を形成する。

第二保護絶縁膜１４の成膜後、図５（６）に示される如く、後述するソース・ドレイン電極１５と酸化物半導体薄膜層１２の接触部分として間隔を有して二つのコンタクトホールを形成する。
該コンタクトホールはフォトリソグラフィーとエッチングにより、第一保護絶縁膜１３及び第二保護絶縁膜１４を貫通して酸化物半導体薄膜層１２の表面に達する部分まで形成する。

コンタクトホールを形成した後、一対のソース・ドレイン電極１５を形成する。
一対のソース・ドレイン電極１５は前記コンタクトホール部をそれぞれ充填して、間隔を有して形成される。

最後に、薄膜トランジスタ上に、オーバーコート絶縁膜１６を形成することで、第二実施例のTFTが完成する。

本発明に係る製法により得られた薄膜トランジスタは、優れた性能を有するものであり、液晶表示装置等の駆動素子として好適に使用可能なものである。

本発明に係る製法により得られる薄膜トランジスタ（TFT）の第一実施例の形態を示す断面図である。本発明に係る薄膜トランジスタ（TFT）の製法の第一実施例の一形態を経時的に示す断面図であり、（１）基板上にソース・ドレイン電極を成形した構造の断面図（２）酸化物半導体薄膜層を被膜した構造の断面図（３）第一ゲート絶縁膜を被覆した構造の断面図（４）フォトレジストを形成した構造の断面図よりなる。本発明に係る薄膜トランジスタ（TFT）の製法の第一実施例の図２の続きの一形態を経時的に示す断面図であり、（１）酸化物半導体薄膜層及び第一ゲート絶縁膜をパターニングした構造の断面図（２）第二ゲート絶縁膜及びコンタクトホールを形成した構造の断面図（３）ゲート電極、コンタクト部、ソース・ドレイン外部電極、表示電極を形成した構造の断面図よりなる。本発明の第二実施例に係る薄膜トランジスタ（TFT）の形態を示す断面図である。本発明の第二実施例に係る薄膜トランジスタ（TFT）の製法の一形態を経時的に示す断面図であり、（１）基板上にゲート電極を形成した構造の断面図（２）ゲート絶縁膜を被膜した構造の断面図（３）酸化物半導体薄膜層を被膜した構造の断面図（４）第一保護絶縁膜を被膜した構造の断面図（５）酸化物半導体薄膜層及び第一保護絶縁膜を形状加工した後、第二保護絶縁膜を形成した構造の断面図（６）ソース・ドレイン電極、オーバーコート絶縁膜を形成した構造の断面図よりなる。

符号の説明

１、９基板
３、１２酸化物半導体薄膜層
４第一ゲート絶縁膜
６第二ゲート絶縁膜
１３第一保護絶縁膜
１４第二保護絶縁膜
１００トップゲート型薄膜トランジスタ
１０１ボトムゲート型薄膜トランジスタ

Claims

基板上に酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層を形成する工程と、該酸化物半導体薄膜層上に第一絶縁膜を形成する工程と、該第一絶縁膜上に第二絶縁膜を形成する工程を有する薄膜トランジスタの製法において、前記第二絶縁膜を成膜する前に、第一絶縁膜を酸化することを特徴とする薄膜トランジスタの製法。
前記第一絶縁膜を前記酸化物半導体薄膜層の上側表面のみを被覆するようにパターン形成し、その後、該第一絶縁膜及び該酸化物半導体薄膜層を酸化することを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタの製法。
前記第一絶縁膜が炭素を含むことを特徴する請求項１又は２記載の薄膜トランジスタの製法。
前記第一絶縁膜が酸素を構成元素に含む化合物からなることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の薄膜トランジスタの製法。
前記第一絶縁膜が酸素を構成元素に含まない化合物からなることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の薄膜トランジスタの製法。
前記第一絶縁膜の酸化を、少なくとも酸素を構成元素として含むプラズマに第一絶縁膜を暴露させることにより行うことを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載の薄膜トランジスタの製法。
前記酸化物半導体薄膜層の形成と前記第一絶縁膜の形成を、真空中で連続して行うことを特徴とする請求項１乃至６いずれか記載の薄膜トランジスタの製法。