半導体装置の作製方法
【課題】半導体装置を高速駆動させること、又は半導体装置の信頼性を向上させることを目的とする。
【解決手段】絶縁性を有する基板上にゲート電極を形成し、前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成する半導体装置の作製方法であり、前記ゲート絶縁膜を、高密度プラズマを用いた成膜処理により形成する。それにより、ゲート絶縁膜の未結合手を低減し、ゲート絶縁膜と酸化物半導体との界面を良質化する。
【解決手段】絶縁性を有する基板上にゲート電極を形成し、前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成する半導体装置の作製方法であり、前記ゲート絶縁膜を、高密度プラズマを用いた成膜処理により形成する。それにより、ゲート絶縁膜の未結合手を低減し、ゲート絶縁膜と酸化物半導体との界面を良質化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体装置及びその作製方法に関する。特に、酸化物半導体を用いた半導体装置及びその作製方法に関する。また、半導体装置を製造するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁表面上に形成される半導体膜を用いた薄膜トランジスタは、半導体装置にとって必要不可欠な半導体素子である。薄膜トランジスタの製造には基板の耐熱温度という制約があるため、比較的低温での成膜が可能なアモルファスシリコン、レーザ光または触媒元素を用いた結晶化により得られるポリシリコンなどを活性層に有する薄膜トランジスタが、半導体表示装置に用いられるトランジスタの主流となっている。
【０００３】
近年では、ポリシリコンによって得られる高い電子移動度と、アモルファスシリコンによって得られる均一な素子特性とを兼ね備えた新たな半導体材料として、酸化物半導体と呼ばれる、半導体特性を示す金属酸化物に注目が集まっている。金属酸化物は様々な用途に用いられており、例えば、よく知られた金属酸化物である酸化インジウムは、液晶表示装置などで透明電極材料として用いられている。半導体特性を示す金属酸化物としては、例えば、酸化タングステン、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛などがあり、このような半導体特性を示す金属酸化物をチャネル形成領域に用いる薄膜トランジスタが、既に知られている（特許文献１及び特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体装置に用いられるトランジスタは、オン電流、オフ電流、及び電子移動度等のトランジスタ特性が良好であることが望まれる。特性の良好なトランジスタを用いることで、半導体装置をより高速に駆動させることができる。またトランジスタの劣化やバラツキを防止して信頼性を向上することで、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０００６】
そこで、高速駆動が可能な半導体装置及びその作製方法を提供することを目的の一とする。また、信頼性の高い半導体装置及びその作製方法を提供することを目的の一とする。
【０００７】
また、新規なＣＶＤ装置を提供することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、トランジスタのチャネル形成領域に用いられる酸化物半導体を高純度化すると共に、これに接するゲート絶縁膜の高品質化を図ることを要旨とする。すなわち、不純物を除去することによりｉ型化又は実質的にｉ型化された酸化物半導体（高純度化された酸化物半導体）は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感であるため、ゲート絶縁膜及びゲート絶縁膜の状態と酸化物半導体膜の界面状態を良好に保つ必要がある。
【０００９】
酸化物半導体の高純度化を図るには、酸化物半導体中に含まれることによってドナーとなりｎ型化の要因になる水素を、酸化物半導体から除去する必要がある。そして、水素が抜けた欠損部分に酸素を供給すること、及び水素を除去する際に同時に失われてしまう酸素を供給することにより、酸化物半導体膜を高純度化する。
【００１０】
さらに、高純度化された酸化物半導体膜に接するゲート絶縁膜は、欠陥の少ない緻密化された絶縁膜とする。
【００１１】
ここで欠陥は、ゲート絶縁膜中の未結合手などである。そして、この未結合手などを低減することで、酸化物半導体とゲート絶縁膜との界面特性が良好になり、トランジスタ特性が向上する。
【００１２】
そこで、ゲート絶縁膜の未結合手を低減する手法として、高密度プラズマを用いた成膜処理によりゲート絶縁膜を形成することを考えた。
【００１３】
高密度プラズマを用いることで、ゲート絶縁膜に対するプラズマダメージが低減され、欠陥が大幅に低減されたゲート絶縁膜が形成される。
【００１４】
本発明の一態様は、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、プラズマの着火用ガスを前記誘電体板に向けて噴出してプラズマを発生させ、前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の作製方法である。
【００１５】
また、本発明の別の一態様は、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、第１のガス管から、プラズマの着火用ガスを前記誘電体板に向けて噴出してプラズマを発生させ、前記第１のガス管と交差して配置された第２のガス管から、前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の作製方法である。
【００１６】
また、本発明の別の一態様は、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、プラズマの着火用ガスを前記基板に向けて噴出してプラズマを発生させ、前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の作製方法である。
【００１７】
また、本発明の別の一態様は、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、前記誘電体板に並行にして配置された部材から、プラズマの着火用ガスを前記基板に向けて噴出してプラズマを発生させ、前記部材と交差して配置されたガス管から、前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の作製方法である。
【発明の効果】
【００１８】
高密度プラズマＣＶＤ装置を用いて、ゲート絶縁膜を形成することで、酸化物半導体膜とゲート絶縁膜との界面特性を向上させることができる。
【００１９】
界面特性を向上させることで、オン電流、オフ電流、電子移動度、及び信頼性等のトランジスタ特性が良好になり、半導体装置の高速動作が可能、且つ信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】半導体装置の断面図。
【図２】製造装置の上面図。
【図３】製造装置の断面図。
【図４】フローチャート。
【図５】製造装置の断面図。
【図６】半導体装置の断面図。
【図７】半導体装置の断面図。
【図８】半導体装置の断面図。
【図９】電子機器の例。
【図１０】トランジスタの特性を示す図。
【図１１】トランジスタの特性を示す図。
【図１２】酸化物半導体を用いたボトムゲート型の薄膜トランジスタの縦断面図。
【図１３】図１２に示すＡ−Ａ’断面におけるエネルギーバンド図（模式図）。
【図１４】（Ａ）ゲート（Ｇ１）に正の電位（＋ＶＧ）が印加された状態を示し、（Ｂ）ゲート（Ｇ１）に負の電位（−ＶＧ）が印加された状態示す図。
【図１５】真空準位と金属の仕事関数（φＭ）、酸化物半導体の電子親和力（χ）の関係を示す図。
【図１６】製造装置の平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００２２】
（実施の形態１）
チャネルエッチ構造のボトムゲート型の薄膜トランジスタを例に挙げ、半導体装置の作製方法について図１を用いて説明する。
【００２３】
図１（Ａ）に示すように、基板１００上にゲート電極１０１を形成する。基板１００は、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、若しくはアルミノシリケートガラスなど、フュージョン法やフロート法で作製される無アルカリガラス基板、セラミック基板の他、本作製工程の処理温度に耐えうる耐熱性を有するプラスチック基板等を用いることができる。また、ステンレス合金などの金属基板の表面に絶縁層を設けた基板を適用しても良い。基板１００の大きさは、３２０ｍｍ×４００ｍｍ、３７０ｍｍ×４７０ｍｍ、５５０ｍｍ×６５０ｍｍ、６００ｍｍ×７２０ｍｍ、６８０ｍｍ×８８０ｍｍ、７３０ｍｍ×９２０ｍｍ、１０００ｍｍ×１２００ｍｍ、１１００ｍｍ×１２５０ｍｍ、１１５０ｍｍ×１３００ｍｍ、１５００ｍｍ×１８００ｍｍ、１９００ｍｍ×２２００ｍｍ、２１６０ｍｍ×２４６０ｍｍ、２４００ｍｍ×２８００ｍｍ、又は２８５０ｍｍ×３０５０ｍｍ等を用いることができる。
【００２４】
基板１００とゲート電極１０１の間に、下地膜となる絶縁膜を形成しておいても良い。下地膜として、例えば、酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜のいずれか１つを単層で、或いは複数を積層させて用いることができる。特に、下地膜に、バリア性の高い絶縁膜、例えば窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などを用いることで、水分、または水素などの雰囲気中の不純物、或いは基板１００内に含まれるアルカリ金属、重金属などの不純物が、酸化物半導体膜内、ゲート絶縁膜内、酸化物半導体膜とゲート絶縁膜等との界面，或いは該界面の近傍に入り込むのを防ぐことができる。
【００２５】
なお、本明細書において酸化窒化物とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い物質であり、また、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い物質をいう。例えば、酸化窒化珪素とは、酸素が５０原子％以上７０原子％以下、窒素が０．５原子％以上１５原子％以下、珪素が２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の範囲で含まれる物質とすることができる。また、窒化酸化珪素とは、酸素が５原子％以上３０原子％以下、窒素が２０原子％以上５５原子％以下、珪素が２５原子％以上３５原子％以下、水素が１０原子％以上３０原子％以下の範囲で含まれる物質とすることができる。但し、上記組成の範囲は、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて測定した場合のものである。また、構成元素の含有比率は、その合計が１００原子％を超えない値をとる。
【００２６】
ゲート電極１０１の材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料を用いた導電膜、或いはこれら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる。なお、後の工程において行われる加熱処理の温度に耐えうるのであれば、上記金属材料としてアルミニウム、銅を用いることも出来る。アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等を用いることができる。
【００２７】
例えば、二層の積層構造を有するゲート電極１０１として、アルミニウム膜上にモリブデン膜が積層された二層の積層構造、または銅膜上にモリブデン膜を積層した二層構造、または銅膜上に窒化チタン膜若しくは窒化タンタル膜を積層した二層構造、窒化チタン膜とモリブデン膜とを積層した二層構造とすることが好ましい。３層の積層構造を有するゲート電極１０１としては、アルミニウム膜、アルミニウムとシリコンの合金膜、アルミニウムとチタンの合金膜またはアルミニウムとネオジムの合金膜を中間層とし、タングステン膜、窒化タングステン膜、窒化チタン膜またはチタン膜を上下層として積層した構造とすることが好ましい。
【００２８】
また、ゲート電極１０１に酸化インジウム、酸化インジウム酸化スズ合金、酸化インジウム酸化亜鉛合金、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、または酸化亜鉛ガリウム等の透光性を有する酸化物導電膜を用いることで、画素部の開口率を向上させることができる。
【００２９】
ゲート電極１０１の膜厚は、１０ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍとする。本実施の形態では、タングステンターゲットを用いたスパッタ法により１５０ｎｍのゲート電極用の導電膜を形成した後、該導電膜をエッチングにより所望の形状に加工（パターニング）することで、ゲート電極１０１を形成する。
【００３０】
次いで、ゲート電極１０１上に、ゲート絶縁膜１０２を形成する。
【００３１】
ゲート絶縁膜１０２は、高密度プラズマを用いた成膜処理により形成することが好ましい。高密度なプラズマの発生により、ゲート絶縁膜１０２におけるプラズマダメージを少なくできる。したがって、ゲート絶縁膜１０２中の未結合手を低減し、欠陥を低減することが可能となり、この後形成される酸化物半導体との界面を極めて良好にすることができる。
【００３２】
ゲート絶縁膜１０２を形成する材料としては、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、または窒化酸化珪素膜を単層で又は積層させて形成することができる。例えば、成膜ガスとして、シラン及び一酸化窒素を用いて酸化窒化珪素膜を成膜する。ゲート絶縁膜１０２の膜厚は、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とし、積層の場合は、例えば、膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の第１のゲート絶縁膜と、第１のゲート絶縁膜上に膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の第２のゲート絶縁膜の積層とする。
【００３３】
また、基板側から酸化珪素膜または酸化窒化珪素膜と、窒化珪素膜または窒化酸化珪素膜との順に積層して形成することができる。また、基板側から窒化珪素膜または窒化酸化珪素膜と、酸化珪素膜または酸化窒化珪素膜と、窒化珪素膜または窒化酸化珪素膜との順に積層して形成することができる。
【００３４】
本実施の形態では、ゲート絶縁膜１０２は、高密度プラズマとして２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤにより膜厚１００ｎｍの酸化窒化珪素膜を形成した。なお、本明細書において、マイクロ波とは３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの周波数域を指す。
【００３５】
なお、酸化物半導体膜をスパッタ法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁膜１０２の表面に付着しているゴミを除去することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを用いてもよい。また、アルゴン雰囲気に酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気に塩素、四フッ化炭素などを加えた雰囲気で行ってもよい。
【００３６】
酸化物半導体膜としては、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｏ膜、Ｚｎ−Ｏ膜などの酸化物半導体膜を用いることができる。また、上記酸化物半導体膜にＳｉＯ２を含んでもよい。
【００３７】
また、酸化物半導体膜は、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及びＣｏなどがある。ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される構造の酸化物半導体膜のうち、ＭとしてＧａを含む構造の酸化物半導体を、上記したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体とよび、その薄膜をＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ非単結晶膜ともよぶこととする。
【００３８】
酸化物半導体膜の膜厚は、１０ｎｍ〜３００ｎｍ、好ましくは２０ｎｍ〜１００ｎｍとする。本実施の形態では、酸化物半導体膜としてＩｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、及びＺｎ（亜鉛）を含む金属酸化物ターゲット（モル数比がＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１、又はＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２）を用いたスパッタ法により得られる、膜厚３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜を用いる。本実施の形態では、ＤＣスパッタ法を用い、アルゴンの流量３０ｓｃｃｍとし、酸素の流量１５ｓｃｃｍとし、基板温度は室温とする。
【００３９】
次いで、図１（Ａ）に示すように、酸化物半導体膜をエッチングなどにより所望の形状に加工（パターニング）し、ゲート電極１０１と重なる位置において、ゲート絶縁膜１０２上に島状の酸化物半導体膜１０３を形成する。
【００４０】
次いで、不活性ガス雰囲気（窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等）下において、酸化物半導体膜１０３に加熱処理を施しても良い。酸化物半導体膜１０３に加熱処理を施すことで、水分、水素が脱離した酸化物半導体膜１０４が形成される。具体的には、不活性ガス雰囲気（窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等）下において、５００℃以上７５０℃以下（若しくはガラス基板の歪点以下の温度）で１分間以上１０分間以下程度、好ましくは６００℃、３分間以上６分間以下程度のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）処理で行うことができる。ＲＴＡ法を用いれば、短時間に脱水化または脱水素化が行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。なお、上記加熱処理は、島状の酸化物半導体膜１０３形成後のタイミングに限らず、島状の酸化物半導体膜１０３形成前の酸化物半導体膜に対して行っても良い。また、上記加熱処理を、酸化物半導体膜１０４形成後に複数回行っても良い。
【００４１】
島状の酸化物半導体膜１０４は、上記加熱処理によって、酸化物半導体に含まれる水素を低減し、水素の抜けた欠損部及び酸素欠損部に酸素を導入することで、キャリア濃度を低減し、好ましくは１×１０１４／ｃｍ３未満にすることができる。エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である酸化物半導体において、ドナーを形成する水素等の不純物を極力低減することで、真性キャリア濃度をシリコンの１．４５×１０１０／ｃｍ３以下であって、フェルミディラックの分布則に従えば、１０−７／ｃｍ３程度にまで低減することができる。
【００４２】
本実施の形態では、窒素雰囲気下において、６００℃、基板温度が上記設定温度に達した状態で６分間、加熱処理を行う。加熱処理は、電気炉を用いた加熱方法、加熱した気体を用いるＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）法またはランプ光を用いるＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）法などの瞬間加熱方法などを用いることができる。例えば、電気炉を用いて加熱処理を行う場合、昇温特性を０．１℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下、降温特性を０．１℃／ｍｉｎ以上１５℃／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。
【００４３】
なお、加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水分、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【００４４】
或いは、窒素または希ガスなどの不活性雰囲気に代えて、大気圧下の露点がマイナス６０℃以下の、水分含有量が少ない空気下において、加熱処理を行うようにしても良い。
【００４５】
不活性ガス雰囲気下における加熱処理後の、島状の酸化物半導体膜１０４は、非晶質であることが好ましいが、一部結晶化していても良い。
【００４６】
次いで、図１（Ｃ）に示すように、島状の酸化物半導体膜１０４上に、ソース電極ドレイン電極用の導電膜１０５を形成する。導電膜１０５は、電気陰性度が低い材料が好ましく、アルミニウム、マグネシウム等をスパッタ法により形成すればよい。また、酸化物半導体との接触抵抗が低いチタン、タングステン又はモリブデン等を、酸化物半導体膜１０４と導電膜１０５との間に、スパッタ法により形成してもよい。また、導電膜１０５の酸化を防ぐために、導電膜１０５上にチタン、タングステン又はモリブデン等をスパッタ法により形成してもよい。適宜組み合わせることで、二層又は三層構造の導電膜を形成する。
【００４７】
なお、導電膜１０５の膜厚は、１００ｎｍ〜５００ｎｍとすればよい。
【００４８】
次いで、図１（Ｄ）に示すように、エッチング等により導電膜１０５を所望の形状に加工（パターニング）することで、ソース電極１０６、ドレイン電極１０７を形成する。
【００４９】
上記パターニングによりソース電極１０６とドレイン電極１０７を形成する際に、島状の酸化物半導体膜１０４の露出した部分が一部エッチングされることで、溝部（凹部）を有する島状の酸化物半導体膜１０８が形成される。
【００５０】
なお、図１（Ｅ）に示すように、ソース電極１０６、ドレイン電極１０７を形成した後は、ソース電極１０６、ドレイン電極１０７及び酸化物半導体膜１０８を覆うように絶縁膜１０９を形成する。
【００５１】
絶縁膜１０９として、スパッタ法で形成された膜厚２００ｎｍの酸化珪素膜を形成する。絶縁膜１０９は、積層構造することも可能である。
【００５２】
ここで、本実施の形態のように酸化物半導体膜中に含まれる水素などの不純物を極力除去し、酸化物半導体膜を高純度化すると共に、これに接するゲート絶縁膜との界面特性を良好にすることが、トランジスタの特性にどのように影響を与えるかを以下に説明する。
【００５３】
図１２は、上記のようにして作製された薄膜トランジスタの断面図を示す。ゲート電極（Ｇ１）上にゲート絶縁膜（ＧＩ）を介して酸化物半導体膜（ＯＳ）が設けられ、その上にソース電極（Ｓ）及びドレイン電極（Ｄ）が設けられている。図１２では、更にバックゲート電極（Ｇ２）を設けているが、バックゲート電極（Ｇ２）は設けなくてもよい。
【００５４】
図１３は、図１２に示すＡ−Ａ’におけるエネルギーバンド図（模式図）を示す。図１３（Ａ）はソースとドレインの間の電圧を等電位（ＶＤ＝０Ｖ）とした場合を示し、図１３（Ｂ）はソースに対しドレインに正の電位（ＶＤ＞０）を加えた場合を示す。なお、図１３（Ｂ）において、破線はゲートに電圧を印加しない場合（ＶＧ＝０）、実線はゲートに正の電圧（ＶＧ＞０）を印加した場合を示す。ゲートに電圧を印加しない場合は高いポテンシャル障壁のために電極から酸化物半導体側へキャリア（電子）が注入されず、電流を流さないオフ状態を示す。一方、ゲートに正の電圧を印加するとポテンシャル障壁が低下し、電流を流すオン状態を示す。
【００５５】
図１４は、図１２におけるＢ−Ｂ’におけるエネルギーバンド図（模式図）である。図１４（Ａ）はゲート（Ｇ１）に正の電位（＋ＶＧ）が印加された状態であり、ソースとドレインとの間にキャリア（電子）が流れるオン状態を示している。また、図１４（Ｂ）は、ゲート（Ｇ１）に負の電位（−ＶＧ）が印加された状態であり、オフ状態（少数キャリアは流れない）である場合を示す。
【００５６】
図１５は、真空準位と金属の仕事関数（φＭ）、酸化物半導体の電子親和力（χ）の関係を示す。
【００５７】
常温において金属中の電子は縮退しており、フェルミ準位は伝導帯内に位置する。一方、従来の酸化物半導体は一般にｎ型であり、その場合のフェルミ準位（ＥＦ）は、バンドギャップ中央に位置する真性フェルミ準位（Ｅｉ）から離れて、伝導帯寄りに位置している。なお、酸化物半導体において水素の一部はドナーとなりｎ型化する一つの要因であることが知られている。
【００５８】
これに対して本発明に係る酸化物半導体は、ｎ型不純物である水素を酸化物半導体から除去し、酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することにより真性（ｉ型）とし、又は真性型とせんとしたものである。すなわち、不純物を添加してｉ型化するのでなく、水素や水等の不純物を極力除去したことにより、高純度化されたｉ型（真性半導体）又はそれに近づけることを特徴としている。そうすることにより、フェルミ準位（ＥＦ）は真性フェルミ準位（Ｅｉ）と同じレベルにまですることができる。
【００５９】
酸化物半導体膜（ＯＳ）から水素を除去する構成の一つとして、電気陰性度が水素よりも低い金属をソース電極（Ｓ）またはドレイン電極（Ｄ）用の導電膜に用いてもよい。ｎ型不純物である水素を酸化物半導体から除去して酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないようにすることで、高純度化することができる。
【００６０】
また別の構成の一つとして、酸化物半導体膜（ＯＳ）の酸素濃度を高めてもよい。酸化物半導体の主成分である酸素の濃度を高めることで、不純物である水素を除去し、高純度化することができる。また加熱処理を行い、酸化物半導体膜（ＯＳ）から水素を除去することも効果的である。
【００６１】
また別の構成の一つとして、酸化物半導体膜（ＯＳ）上に、絶縁膜１２００として酸素濃度が高い酸化膜を形成してもよい。絶縁膜１２００から酸素が供給され、酸化物半導体膜（ＯＳ）の酸素濃度を高めることができる。また、絶縁膜１２００中の酸素によって、酸化物半導体膜（ＯＳ）中の水素を引き抜く効果も奏する。絶縁膜１２００の酸素濃度を、酸化物半導体膜（ＯＳ）の酸素濃度より高くすればよい。また、ゲート絶縁膜（ＧＩ）が酸素を含んでいる場合、絶縁膜１２００の酸素濃度を、ゲート絶縁膜（ＧＩ）の酸素濃度より高くすることでも、絶縁膜１２００に効率よく水素を引き抜くことができる。なお絶縁膜１２００は、スパッタ法により形成するとよい。
【００６２】
これらの構成を適宜組み合わせてもよい。このように、酸化物半導体から水素を極力除去することで、酸化物半導体を高純度化することが可能となる。水素濃度は、ＳＩＭＳの測定結果で５×１０１９／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、更に好ましくは５×１０１７／ｃｍ３以下とすればよい。
【００６３】
酸化物半導体のバンドギャップ（Ｅｇ）が３．１５ｅＶである場合、電子親和力（χ）は４．３ｅＶと言われている。ソース電極及びドレイン電極を構成するチタン（Ｔｉ）仕事関数は、酸化物半導体の電子親和力（χ）とほぼ等しい。この場合、金属−酸化物半導体界面において、電子に対してショットキー型の障壁は形成されない。
【００６４】
すなわち、金属の仕事関数（φＭ）と酸化物半導体の電子親和力（χ）が等しい場合、両者が接触すると図１３（Ａ）で示すようなエネルギーバンド図（模式図）が示される。
【００６５】
図１３（Ｂ）において黒丸（●）は電子を示し、ドレインに正の電位が印加されると、電子はバリア（ｈ）をこえて酸化物半導体に注入され、ドレインに向かって流れる。この場合、バリア（ｈ）の高さは、ゲート電圧とドレイン電圧に依存して変化するが、正のドレイン電圧が印加された場合には、電圧印加のない図１３（Ａ）のバリアの高さすなわちバンドギャップ（Ｅｇ）の１／２よりもバリアの高さ（ｈ）は小さい値となる。
【００６６】
このとき酸化物半導体に注入された電子は、図１４（Ａ）で示すように酸化物半導体中を流れる。また、図１４（Ｂ）において、ゲート電極（Ｇ１）に負の電位（逆バイアス）が印加されると、少数キャリアであるホールは実質的にゼロであるため、電流は限りなくゼロに近い値となる。
【００６７】
このように酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することにより真性（ｉ型）とし、又は実質的に真性型とすることで、ゲート絶縁膜との界面特性が顕在化するため、バルクの特性と分離して考える必要がある。
【００６８】
そのためゲート絶縁膜は、酸化物半導体と良好な界面を形成する構成として、本発明の一態様に係る高密度プラズマで作製される絶縁膜を用いることが好ましい。
【００６９】
酸化物半導体を高純度化しつつ、酸化物半導体とゲート絶縁膜との界面を良好なものとすることにより、薄膜トランジスタの特性としてチャネル幅Ｗが１×１０４μｍでチャネル長が３μｍの素子であっても、オフ電流が１０−１３Ａ以下であり、サブスレッショルドスイング値（Ｓ値）が０．１Ｖ／ｄｅｃ．（ゲート絶縁膜厚１００ｎｍ）が十分に期待される。
【００７０】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【００７１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、高密度プラズマを用いる構成の一例として、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成及びゲート絶縁膜の具体的な成膜処理について、その一例を図２及び図３を用いて説明する。
【００７２】
マイクロ波プラズマ装置の一例の上面図を図２に示す。共通室１１２０は、ロード・アンロード（Ｌ／ＵＬ）室１１１０、１１１５、及び反応室（１）１１１１〜反応室（４）１１１４とゲート弁１１２２〜１１２７を介して連結されている。基板１１３０は、ロード・アンロード（Ｌ／ＵＬ）室１１１０、１１１５のカセット１１２８、１１２９に装填され、共通室１１２０の搬送手段１１２１により各反応室に搬送される。
【００７３】
なお、図２に示すマイクロ波プラズマＣＶＤ装置には、ロード・アンロード（Ｌ／ＵＬ）室が複数設けられているが、一つでもよい。また、高密度プラズマＣＶＤ装置に予備室を設けてもよい。予備室で基板を予備加熱することで、各反応室において成膜までの加熱時間を短縮することが可能であるため、スループットを向上させることができる。
【００７４】
図３は、ゲート絶縁膜を形成するマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応室の構成を詳細に説明するものである。
【００７５】
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応室には、処理容器１８０、処理容器１８０内に設けられ基板１１３０を配置するための支持台１８１、処理容器１８０内のガスを排気するための真空ポンプに接続する排気口１８３、プラズマ発生用のマイクロ波を供給するマイクロ波発生装置１８４、マイクロ波供給部からマイクロ波を処理容器１８０に導入する導波管１８５、導波管１８５に接し且つ開口部１８７ａを有する天板１８７、取り付け具１８８で天板１８７に設けられた複数の誘電体板１８６が設けられる。基板１１３０と誘電体板１８６とは対向して設けられている。また真空ポンプには、低真空排気用のドライポンプと高真空排気用のターボ分子ポンプとを用いることができる。なお、本実施の形態において、基板１１３０の大きさは６００ｍｍ×７２０ｍｍのものを用いる。ただし基板の大きさは限定されない。
【００７６】
また、基板１１３０及び誘電体板１８６の間に非原料ガスを流すガス管１９７、及び原料ガスを流すガス管１９８が設けられる。非原料ガスを流すガス管１９７は、バルブ１９５及び質量流量コントローラ１９３を介して非原料ガス供給源１９１に接続される。また、原料ガスを流すガス管１９８は、バルブ１９６及び質量流量コントローラ１９４を介して原料ガス供給源１９２に接続される。
【００７７】
また、支持台１８１に温度制御部１９９を設けることによって、基板１１３０の温度を制御することも可能である。また、支持台１８１に高周波電源を接続し、高周波電源から出力された交流の電力により、支持台１８１に所定のバイアス電圧を印加する構成としてもよい。なお、マイクロ波発生装置１８４は処理容器１８０の外に設けることが好ましい。
【００７８】
マイクロ波発生装置１８４はマイクロ波を供給する。なお、マイクロ波発生装置１８４を複数有することで、安定な大面積のプラズマを生成することが可能である。このため、一辺が６００ｍｍを超える基板、特に一辺が１０００ｍｍを超える大面積基板においても、均一性の高い膜を成膜する事が可能であり、且つ成膜速度を高めることができる。
【００７９】
処理容器１８０、及び天板１８７は、表面がアルミナ、酸化珪素、フッ素樹脂のいずれかの絶縁膜で覆われた金属、例えばアルミニウムを含む合金で形成される。また、取り付け具１８８は金属、例えばアルミニウムを含む合金で形成される。
【００８０】
誘電体板１８６は、天板１８７の開口部に密着するように設けられる。マイクロ波発生装置１８４で発生したマイクロ波が導波管１８５及び天板１８７の開口部１８７ａを経て、誘電体板１８６に伝播し、誘電体板１８６を透過して処理容器内に放出される。
【００８１】
処理容器内に放出されたマイクロ波の電界エネルギーにより、非原料ガスがプラズマ化する。当該プラズマ２００は、誘電体板１８６表面でより密度が高いため、基板１１３０へのダメージを低減することができる。
【００８２】
また、誘電体板１８６を複数設けることで、均一な大面積のプラズマの発生及び維持が可能である。誘電体板１８６は、サファイア、石英ガラス、アルミナ、酸化珪素、窒化珪素等のセラミックスで形成される。
【００８３】
なお、誘電体板１８６は、プラズマ２００発生側に窪み１８９が形成されてもよい。当該窪み１８９により、安定したプラズマを生成することができる。更に、誘電体板１８６を複数設けることで、一辺が６００ｍｍを超える基板、特に一辺が１０００ｍｍを超える大面積基板においても、均一性の高い膜を成膜する事が可能であり、且つ成膜速度を高めることができる。
【００８４】
ガス管１９７、１９８は、上側の非原料ガスを流す複数のガス管１９７と、下側の原料ガスを流す複数のガス管１９８が交差して設けられており、非原料ガスを流すガス管１９７の吹出し口が誘電体板１８６側に設けられ、原料ガスを流すガス管１９８の吹出し口が基板１１３０側に設けられる。複数のガス管１９７と複数のガス管１９８とを交差して設けることにより、それぞれのガス管の間隔を狭く配置することができ、吹出し口の間隔を狭くすることができるため、基板１１３０上に均一な成膜が可能となる。特に大型の基板を用いる際に有効である。
【００８５】
非原料ガスが誘電体板１８６に向けて噴出されることにより、誘電体板１８６表面での成膜を回避しつつプラズマ２００を発生させることができる。また、原料ガスが基板１１３０に向けて噴出されることにより、基板１１３０により近い位置で原料ガスを噴出すことが可能であり、成膜速度を高めることが可能である。ただし、原料ガスの一部を上側のガス管１９７に流すことも可能である。
【００８６】
ガス管１９７、１９８は、アルミナ、窒化アルミニウム等のセラミックスで形成される。セラミックスはマイクロ波の透過率が高いため、ガス管１９７、１９８をセラミックスで形成することで、誘電体板１８６の直下にガス管を設けても、電界の乱れが生じずプラズマの分布を均一にすることができる。
【００８７】
以下に、ゲート絶縁膜１０２の成膜処理について説明する。
【００８８】
まず、図４のステップＳ１７０から成膜処理を開始し、ステップＳ１７１にて、基板１１３０の温度を制御する。基板１１３０は室温若しくは温度制御部１９９により１００℃〜５５０℃に加熱する。
【００８９】
ステップＳ１７２にて処理容器１８０内を真空にし、プラズマ着火用ガスとして、ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガスのいずれか一種以上を導入する。なお、希ガスと共に、酸素を処理容器１８０内に導入することで、プラズマの着火を容易とすることができる。なお、基板１１３０と誘電体板１８６との間隔は、１０ｍｍ〜２００ｍｍ（好ましくは１１０ｍｍ〜１６０ｍｍ）程度である。
【００９０】
次に、ステップＳ１７３にて、処理容器１８０内の圧力を所定の圧力にする。処理容器内の圧力は１〜２００Ｐａ、好ましくは１〜１００Ｐａ、さらに好ましくは１〜４０Ｐａとする。
【００９１】
次に、ステップＳ１７４にて、マイクロ波発生装置１８４の電源をオンにし、マイクロ波発生装置１８４から導波管１８５にマイクロ波を供給し、処理容器１８０内でプラズマを生成する。マイクロ波発生装置の出力は５００〜６０００Ｗ、好ましくは４０００〜６０００Ｗとする。マイクロ波の導入によりプラズマの励起を行うと、低電子温度（０．７ｅＶ以上３ｅＶ以下、好ましくは０．７ｅＶ以上１．５ｅＶ以下）で高電子密度（１×１０１１〜１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）のプラズマを生成することができる。
【００９２】
次に、ステップＳ１７５にて、ガス管１９８から原料ガスを処理容器１８０内に導入する。具体的には、酸素の供給を停止し、原料ガスとして、一酸化二窒素、希ガス、及び水素化珪素またはハロゲン化珪素を導入することで、基板１１３０上に酸化窒化珪素膜を形成することができる。
【００９３】
次に、ステップＳ１７６にて、原料ガスの供給を停止し、処理容器内の圧力を低下し、マイクロ波発生装置の電源をオフにして、ステップＳ１７７で成膜プロセスを終了する。
【００９４】
上記酸化窒化珪素膜の成膜処理方法において、基板温度を３００〜３５０℃、水素化珪素またはハロゲン化珪素に対する一酸化二窒素の流量比を１０倍以上３００倍以下、好ましくは５０倍以上２００倍以下とすることで耐圧の高い酸化窒化珪素膜を形成することができる。また、パワーが５ｋＷのマイクロ波発生装置を２〜６台用い、処理容器内の圧力を１０〜１００Ｐａ、好ましくは１０〜５０Ｐａとし、基板１１３０及び誘電体板１８６の間隔を１１０ｍｍ以上１６０ｍｍ以下とすることで、酸化窒化珪素膜の耐圧を高めることができる。
【００９５】
図１６は、導波管１８５の構成の一例を示す平面図である。導波管１８５は天板１８７と平行に延びており、複数の導波管１８５が平行に配設されている。誘電体板１８６は天板１８７にマトリクス状に配設されている。導波管１８５と天板１８７に形成される開口部１８７ａは誘電体板１８６の位置に合わせて設けられている。被処理基板の面積が大きい場合には（例えば、７３０ｍｍ×９２０ｍｍのガラス基板、又は一辺が１ｍを超えるサイズのガラス基板が適用される場合）、導波管１８５を複数に分割してマイクロ波を供給することが好ましい。図１６では、導波管１８５の端部において分岐導波管を用いて複数に分割されたマイクロ波を供給する構成する場合を示している。分岐導波管の先にはマイクロ波電源が接続される。マイクロ波電源を複数台用いることで、被処理基板の面積が大きくなった場合にもプラズマの均一性を保つことができる。
【００９６】
本実施の形態では、ゲート絶縁膜として、酸化窒化珪素膜を形成したが、窒化珪素膜を形成することもできる。その場合は、原料ガスとしてシラン及び窒素を用いることができる。
【００９７】
図１０に、本実施の形態で示したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置によりゲート絶縁膜を形成した薄膜トランジスタの特性（図１０（Ａ））と、従来のプラズマＣＶＤ装置によりゲート絶縁膜を形成した薄膜トランジスタの特性（図１０（Ｂ））と、を比較したものを示す。
【００９８】
両者を比較すると、特にゲートＢＴ（ｂｉａｓ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）試験において、従来法（図１０（Ｂ））ではしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト量が±１．０を超えているのに対し、本実施の形態（図１０（Ａ））ではシフト量が全て±１．０未満に低減されており、信頼性が大きく向上している。ここでゲートＢＴ試験は、しきい値電圧（Ｖｔｈ）等のシフト量からトランジスタの信頼性を評価するものである。シフト量が小さいほどトランジスタの動作が安定であり、信頼性が高いと評価される。
【００９９】
更に、しきい値電圧（Ｖｔｈ）において、従来法（図１０（Ｂ））ではノーマリーオンとなり、且つ基板面内のバラツキが±４．２Ｖも生じているのに対し、本実施の形態（図１０（Ａ））ではノーマリオフになり、且つ基板面内のバラツキも±１．０Ｖと大幅に低減されている。
【０１００】
以上のように、ゲート絶縁膜をマイクロ波プラズマＣＶＤ装置で形成することで、ゲート絶縁膜中の未結合手が低減されゲート絶縁膜と酸化物半導体との界面を良好することができるため、作製された薄膜トランジスタの特性を向上させることができる。
【０１０１】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１０２】
（実施の形態３）
本実施の形態では、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成について、実施の形態２とは異なる一例を図５を用いて説明する。
【０１０３】
実施の形態２では、図３のように、下側のガス管１９８から噴出された原料ガスが、上側のガス管１９７から噴出された非原料ガスによって吹き上げられる。吹き上げられた原料ガスは、誘電体板１８６等に粉や膜として堆積する。そして堆積した粉や膜は、時間の経過とともに基板１１３０に落下しパーティクルの原因となる可能性がある。本実施の形態では、パーティクルを低減する構成について説明する。
【０１０４】
図５に示す反応室は、図３における上側のガス管１９７の代わりに、誘電体板１８６に並行して設けられた複数の部材３００（梁とも呼ぶ）を有している。そして、部材３００は、ガスの吹出し口が基板１１３０側に設けられており、非原料ガスを噴出する。また、基板１１３０と誘電体板１８６との間に設けられたガス管１９８は、ガスの吹出し口が基板１１３０側に設けられており、原料ガスを噴出する。すなわち、ガス管１９８と部材３００とは、共に基板１１３０側にガスを噴出する構成である。
【０１０５】
なお、部材３００の吹出し口は、装置内部のガス管、バルブ１９５及び質量流量コントローラ１９３を介して非原料ガス供給源１９１に接続される。また、原料ガスを流すガス管１９８は、バルブ１９６及び質量流量コントローラ１９４を介して原料ガス供給源１９２に接続されている。ただし、原料ガスの一部を部材３００から噴出される構成とすることも可能である。
【０１０６】
また、ガス管１９８は、吹出し口を有する部材３００と交差する方向に配置されていることが好ましい。図５のように、複数のガス管１９８と複数の部材３００とを交差して設けることで、部材３００の間隔及びガス管１９８の間隔を狭く配置することができ、吹出し口の間隔を狭くすることができるため、基板１１３０上に均一な成膜が可能である。特に大型基板を用いた際に有効である。また部材３００の吹出し口が、ガス管１９８と重ならない構成とすることは有効である。重なることで、部材３００から噴出されたガスが吹き上げられる可能性があるためである。
【０１０７】
本実施の形態のように、原料ガスに加えて、非原料ガスを基板１１３０側に吹出す構成とすることで、原料ガスの吹き上げを防止し、パーティクルの発生を減少することが可能となる。特に、シランに対する一酸化窒素の流量比が大きい時は、パーティクルが発生し易いため、本実施の形態の構成とすることは極めて有効である。
【０１０８】
本実施の形態の構成を用いることで、実施の形態２で示したような薄膜トランジスタの特性が得られることに加え、歩留まりを大幅に向上することができる。
【０１０９】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１１０】
（実施の形態４）
本実施の形態では、チャネルエッチ構造のボトムゲート型の薄膜トランジスタについて、実施の形態１とは別の一例を図６を用いて示す。
【０１１１】
薄膜トランジスタは、絶縁性を有する基板１００上に、ゲート電極１０１、ゲート絶縁膜１０２、酸化物半導体膜１０８、ソース電極１０６及びドレイン電極１０７、絶縁膜１０９、バックゲート電極６０１、及び絶縁膜６０２を順次形成することで作製される。
【０１１２】
ゲート絶縁膜１０２を形成するために、実施の形態２、３で示したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いることができる。ゲート絶縁膜１０２の未結合手を低減し、酸化物半導体膜１０８とゲート絶縁膜１０２の界面を良好にすることができる。
【０１１３】
バックゲート電極６０１は、絶縁膜１０９上に導電膜を形成した後、該導電膜をパターニングすることで、酸化物半導体膜１０８と重なる位置に形成される。バックゲート電極６０１は、ゲート電極１０１、或いはソース電極１０６及びドレイン電極１０７と同様の材料、構造を用いて形成することが可能である。
【０１１４】
バックゲート電極６０１の膜厚は、１０ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍとする。本実施の形態では、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜が積層された構造を有する導電膜を形成する。そして、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成し、エッチングにより不要な部分を除去して、該導電膜を所望の形状に加工（パターニング）することで、バックゲート電極６０１を形成する。
【０１１５】
絶縁膜６０２は、雰囲気中の水分、水素、酸素などがトランジスタの特性に影響を与えるのを防ぐことができる、バリア性の高い材料を用いるのが望ましい。例えば、バリア性の高い絶縁膜として、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などを、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により単層で又は積層させて形成することができる。バリア性の効果を得るには、絶縁膜６０２は、例えば厚さ１５ｎｍ〜４００ｎｍの膜厚で形成することが好ましい。
【０１１６】
なお、バックゲート電極６０１は、電気的に絶縁しているフローティングの状態であっても良いし、電位が与えられる状態であっても良い。後者の場合、バックゲート電極６０１には、ゲート電極１０１と同じ高さの電位が与えられていても良いし、グラウンドなどの固定電位が与えられていても良い。バックゲート電極６０１に与える電位の高さを制御することで、トランジスタのしきい値電圧を制御し、基板面内のしきい値電圧のバラツキを低減することができる。
【０１１７】
図１１に、バックゲート電極を形成した場合と、形成しない場合との薄膜トランジスタの特性の比較を示す。
【０１１８】
図１１（Ａ）は本実施の形態のようにバックゲート電極を形成した場合であり、図１１（Ｂ）は実施の形態１のようにバックゲート電極を形成しない場合（図１０（Ａ）と同一）である。
【０１１９】
両者を比較すると、バックゲート電極を設けた場合（図１１（Ａ））基板面内のしきい値電圧（Ｖｔｈ）のバラツキが±０．５Ｖと大きく低減している。したがって、バックゲート電極を形成することにより、薄膜トランジスタの特性を更に向上させることが可能である。
【０１２０】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１２１】
（実施の形態５）
本実施の形態では、チャネル保護構造のボトムゲート型の薄膜トランジスタについて、図７を用いて説明する。
【０１２２】
図７にチャネル保護構造のボトムゲート型の薄膜トランジスタの断面構造の一例を示す。
【０１２３】
薄膜トランジスタは、絶縁性を有する基板１００上に、ゲート電極１０１、ゲート絶縁膜１０２、酸化物半導体膜１０４、チャネル保護膜７０１、ソース電極１０６及びドレイン電極１０７、絶縁膜１０９を順次形成することで作製される。
【０１２４】
チャネル保護膜７０１は、酸化物半導体膜１０４上に、酸化物半導体膜１０４のチャネル形成領域となる部分と重なるように形成される。チャネル保護膜７０１を設けることによって、酸化物半導体膜１０４のチャネル形成領域となる部分に対する、後の工程時におけるダメージ（エッチング時のプラズマやエッチング剤による膜減りなど）を防ぐことができる。従って薄膜トランジスタの信頼性を向上させることができる。
【０１２５】
チャネル保護膜７０１には、酸素を含む無機材料（酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素など）を用いることができる。
【０１２６】
ここで、ゲート絶縁膜１０２を形成するために、実施の形態２、３で示したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いることができる。ゲート絶縁膜１０２の未結合手を低減し、酸化物半導体膜１０４とゲート絶縁膜１０２の界面を良好にすることができる。
【０１２７】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１２８】
（実施の形態６）
本実施の形態では、トップゲート型の薄膜トランジスタについて、図８を用いて説明する。
【０１２９】
図８にトップゲート型の薄膜トランジスタの断面構造の一例を示す。
【０１３０】
薄膜トランジスタは、絶縁表面を有する基板８００上に、絶縁膜８０１、酸化物半導体膜８０２、ソース電極８０３及びドレイン電極８０４、ゲート絶縁膜８０５、ゲート電極８０６を順次形成することで作製される。
【０１３１】
そして、ゲート絶縁膜８０５を形成するために、実施の形態２、３で示したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いることができる。ゲート絶縁膜８０５の未結合手を低減し、酸化物半導体膜８０２とゲート絶縁膜８０５との界面を良好にすることができる。
【０１３２】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１３３】
（実施の形態７）
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置として、周波数が１ＧＨｚ以下のマイクロ波を用いることは有効である。
【０１３４】
周波数が１ＧＨｚ以下のマイクロ波を用いることで、ガスの種類を変更又は圧力を広範囲に変更しても、反応室内でのプラズマの均一性を維持することが可能である。周波数としては、９１５ＭＨｚとすることが好ましい。
【０１３５】
そして、実施の形態３で示したように、反応室内に原料ガスの粉や膜が堆積しないような構造にしておくことで、ガスの種類を変更するだけで異なる膜の連続成膜が可能となる。したがって、本実施の形態の構成と実施の形態３の構成とを合わせて用いることは、極めて有効である。
【０１３６】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１３７】
（実施の形態８）
本実施の形態では、ゲート絶縁膜について、他の実施の形態と異なる構成について示す。ゲート絶縁膜以外の構造及び作製方法については、他の実施の形態の構成を用いることができる。
【０１３８】
ゲート絶縁膜は、厚膜化することでリーク電流を低減し、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【０１３９】
しかし、実施の形態１で示したゲート絶縁膜の材料は、厚膜化によりチャネル容量を確保できない可能性がある。
【０１４０】
そこで、本実施の形態では、ゲート絶縁膜として、マイクロ波プラズマＣＶＤにより形成した第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜より誘電率の高い第２の絶縁膜との積層構造を用いる。
【０１４１】
このとき、酸化物半導体膜と接する絶縁膜は、マイクロ波プラズマＣＶＤにより形成した第１の絶縁膜を用いることで、界面を良質化する。一方酸化物半導体と接しない第２の絶縁膜は、第１の絶縁膜より誘電率の高く、且つ膜厚が厚い絶縁膜を用いることで、リーク電流を低減しつつ、チャネル容量を確保することが可能となる。
【０１４２】
誘電率が高い絶縁膜として、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、又はランタン（Ｌａ）等を含む酸化膜、窒化膜、酸化窒化膜、又は窒化酸化膜等を用いることができる。例えば、酸化ハフニウム等をスパッタ法により形成すればよい。第２の絶縁膜をスパッタ法で形成しても、第２の絶縁膜と酸化物半導体との間は第１の絶縁膜が形成されるため、酸化物半導体との界面は良質化される。
【０１４３】
本実施の形態のゲート絶縁膜は、図１、図６又は図７のようなボトムゲート型に用いてもよく、図８のようなトップゲート型に用いてもよい。
【０１４４】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１４５】
（実施の形態９）
本実施の形態では、電子機器の一例について説明する。
【０１４６】
図９（Ａ）は電子ペーパー（電子書籍ともいう）の一例である。図９（Ｂ）は表示装置の一例である。図９（Ｃ）は可撓性を有する表示装置の一例である。図９（Ｄ）は携帯型ゲーム機の一例である。図９（Ｅ）は携帯電話の一例である。
【０１４７】
図９に示す電子機器において、本体７００１〜７００５に設けられた表示部７０１１〜７０１５に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる。なお、本発明の一態様に係る半導体装置は、表示部を有さない電子機器にも用いることができる。
【０１４８】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０１４９】
１００ 基板
１０１ ゲート電極
１０２ ゲート絶縁膜
１０３ 酸化物半導体膜
１０４ 酸化物半導体膜
１０５ 導電膜
１０６ ソース電極
１０７ ドレイン電極
１０８ 酸化物半導体膜
１０９ 絶縁膜
Ｓ１７０〜Ｓ１７７ ステップ
１８０ 処理容器
１８１ 支持台
１８３ 排気口
１８４ マイクロ波発生装置
１８５ 導波管
１８６ 誘電体板
１８７ 天板
１８７ａ 開口部
１８８ 取り付け具
１８９ 窪み
１９１、１９２ ガス供給源
１９３、１９４ 質量流量コントローラ
１９５、１９６ バルブ
１９７、１９８ ガス管
１９９ 温度制御部
２００ プラズマ
３００ 部材
６０１ バックゲート電極
６０２ 絶縁膜
７０１ チャネル保護膜
８００ 基板
８０１ 絶縁膜
８０２ 酸化物半導体膜
８０３ ソース電極
８０４ ドレイン電極
８０５ ゲート絶縁膜
８０６ ゲート電極
１１１０、１１１５ Ｌ／ＵＬ室
１１１１〜１１１４ 反応室
１１２０ 共通室
１１２１ 搬送手段
１１２２〜１１２７ ゲート弁
１１２８、１１２９ カセット
１１３０ 基板
１２００ 絶縁膜
７００１〜７００５ 本体
７０１１〜７０１５ 表示部
【技術分野】
【０００１】
半導体装置及びその作製方法に関する。特に、酸化物半導体を用いた半導体装置及びその作製方法に関する。また、半導体装置を製造するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁表面上に形成される半導体膜を用いた薄膜トランジスタは、半導体装置にとって必要不可欠な半導体素子である。薄膜トランジスタの製造には基板の耐熱温度という制約があるため、比較的低温での成膜が可能なアモルファスシリコン、レーザ光または触媒元素を用いた結晶化により得られるポリシリコンなどを活性層に有する薄膜トランジスタが、半導体表示装置に用いられるトランジスタの主流となっている。
【０００３】
近年では、ポリシリコンによって得られる高い電子移動度と、アモルファスシリコンによって得られる均一な素子特性とを兼ね備えた新たな半導体材料として、酸化物半導体と呼ばれる、半導体特性を示す金属酸化物に注目が集まっている。金属酸化物は様々な用途に用いられており、例えば、よく知られた金属酸化物である酸化インジウムは、液晶表示装置などで透明電極材料として用いられている。半導体特性を示す金属酸化物としては、例えば、酸化タングステン、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛などがあり、このような半導体特性を示す金属酸化物をチャネル形成領域に用いる薄膜トランジスタが、既に知られている（特許文献１及び特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体装置に用いられるトランジスタは、オン電流、オフ電流、及び電子移動度等のトランジスタ特性が良好であることが望まれる。特性の良好なトランジスタを用いることで、半導体装置をより高速に駆動させることができる。またトランジスタの劣化やバラツキを防止して信頼性を向上することで、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０００６】
そこで、高速駆動が可能な半導体装置及びその作製方法を提供することを目的の一とする。また、信頼性の高い半導体装置及びその作製方法を提供することを目的の一とする。
【０００７】
また、新規なＣＶＤ装置を提供することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、トランジスタのチャネル形成領域に用いられる酸化物半導体を高純度化すると共に、これに接するゲート絶縁膜の高品質化を図ることを要旨とする。すなわち、不純物を除去することによりｉ型化又は実質的にｉ型化された酸化物半導体（高純度化された酸化物半導体）は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感であるため、ゲート絶縁膜及びゲート絶縁膜の状態と酸化物半導体膜の界面状態を良好に保つ必要がある。
【０００９】
酸化物半導体の高純度化を図るには、酸化物半導体中に含まれることによってドナーとなりｎ型化の要因になる水素を、酸化物半導体から除去する必要がある。そして、水素が抜けた欠損部分に酸素を供給すること、及び水素を除去する際に同時に失われてしまう酸素を供給することにより、酸化物半導体膜を高純度化する。
【００１０】
さらに、高純度化された酸化物半導体膜に接するゲート絶縁膜は、欠陥の少ない緻密化された絶縁膜とする。
【００１１】
ここで欠陥は、ゲート絶縁膜中の未結合手などである。そして、この未結合手などを低減することで、酸化物半導体とゲート絶縁膜との界面特性が良好になり、トランジスタ特性が向上する。
【００１２】
そこで、ゲート絶縁膜の未結合手を低減する手法として、高密度プラズマを用いた成膜処理によりゲート絶縁膜を形成することを考えた。
【００１３】
高密度プラズマを用いることで、ゲート絶縁膜に対するプラズマダメージが低減され、欠陥が大幅に低減されたゲート絶縁膜が形成される。
【００１４】
本発明の一態様は、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、プラズマの着火用ガスを前記誘電体板に向けて噴出してプラズマを発生させ、前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の作製方法である。
【００１５】
また、本発明の別の一態様は、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、第１のガス管から、プラズマの着火用ガスを前記誘電体板に向けて噴出してプラズマを発生させ、前記第１のガス管と交差して配置された第２のガス管から、前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の作製方法である。
【００１６】
また、本発明の別の一態様は、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、プラズマの着火用ガスを前記基板に向けて噴出してプラズマを発生させ、前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の作製方法である。
【００１７】
また、本発明の別の一態様は、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、前記誘電体板に並行にして配置された部材から、プラズマの着火用ガスを前記基板に向けて噴出してプラズマを発生させ、前記部材と交差して配置されたガス管から、前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の作製方法である。
【発明の効果】
【００１８】
高密度プラズマＣＶＤ装置を用いて、ゲート絶縁膜を形成することで、酸化物半導体膜とゲート絶縁膜との界面特性を向上させることができる。
【００１９】
界面特性を向上させることで、オン電流、オフ電流、電子移動度、及び信頼性等のトランジスタ特性が良好になり、半導体装置の高速動作が可能、且つ信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】半導体装置の断面図。
【図２】製造装置の上面図。
【図３】製造装置の断面図。
【図４】フローチャート。
【図５】製造装置の断面図。
【図６】半導体装置の断面図。
【図７】半導体装置の断面図。
【図８】半導体装置の断面図。
【図９】電子機器の例。
【図１０】トランジスタの特性を示す図。
【図１１】トランジスタの特性を示す図。
【図１２】酸化物半導体を用いたボトムゲート型の薄膜トランジスタの縦断面図。
【図１３】図１２に示すＡ−Ａ’断面におけるエネルギーバンド図（模式図）。
【図１４】（Ａ）ゲート（Ｇ１）に正の電位（＋ＶＧ）が印加された状態を示し、（Ｂ）ゲート（Ｇ１）に負の電位（−ＶＧ）が印加された状態示す図。
【図１５】真空準位と金属の仕事関数（φＭ）、酸化物半導体の電子親和力（χ）の関係を示す図。
【図１６】製造装置の平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００２２】
（実施の形態１）
チャネルエッチ構造のボトムゲート型の薄膜トランジスタを例に挙げ、半導体装置の作製方法について図１を用いて説明する。
【００２３】
図１（Ａ）に示すように、基板１００上にゲート電極１０１を形成する。基板１００は、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、若しくはアルミノシリケートガラスなど、フュージョン法やフロート法で作製される無アルカリガラス基板、セラミック基板の他、本作製工程の処理温度に耐えうる耐熱性を有するプラスチック基板等を用いることができる。また、ステンレス合金などの金属基板の表面に絶縁層を設けた基板を適用しても良い。基板１００の大きさは、３２０ｍｍ×４００ｍｍ、３７０ｍｍ×４７０ｍｍ、５５０ｍｍ×６５０ｍｍ、６００ｍｍ×７２０ｍｍ、６８０ｍｍ×８８０ｍｍ、７３０ｍｍ×９２０ｍｍ、１０００ｍｍ×１２００ｍｍ、１１００ｍｍ×１２５０ｍｍ、１１５０ｍｍ×１３００ｍｍ、１５００ｍｍ×１８００ｍｍ、１９００ｍｍ×２２００ｍｍ、２１６０ｍｍ×２４６０ｍｍ、２４００ｍｍ×２８００ｍｍ、又は２８５０ｍｍ×３０５０ｍｍ等を用いることができる。
【００２４】
基板１００とゲート電極１０１の間に、下地膜となる絶縁膜を形成しておいても良い。下地膜として、例えば、酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜のいずれか１つを単層で、或いは複数を積層させて用いることができる。特に、下地膜に、バリア性の高い絶縁膜、例えば窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などを用いることで、水分、または水素などの雰囲気中の不純物、或いは基板１００内に含まれるアルカリ金属、重金属などの不純物が、酸化物半導体膜内、ゲート絶縁膜内、酸化物半導体膜とゲート絶縁膜等との界面，或いは該界面の近傍に入り込むのを防ぐことができる。
【００２５】
なお、本明細書において酸化窒化物とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い物質であり、また、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い物質をいう。例えば、酸化窒化珪素とは、酸素が５０原子％以上７０原子％以下、窒素が０．５原子％以上１５原子％以下、珪素が２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の範囲で含まれる物質とすることができる。また、窒化酸化珪素とは、酸素が５原子％以上３０原子％以下、窒素が２０原子％以上５５原子％以下、珪素が２５原子％以上３５原子％以下、水素が１０原子％以上３０原子％以下の範囲で含まれる物質とすることができる。但し、上記組成の範囲は、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて測定した場合のものである。また、構成元素の含有比率は、その合計が１００原子％を超えない値をとる。
【００２６】
ゲート電極１０１の材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料を用いた導電膜、或いはこれら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる。なお、後の工程において行われる加熱処理の温度に耐えうるのであれば、上記金属材料としてアルミニウム、銅を用いることも出来る。アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等を用いることができる。
【００２７】
例えば、二層の積層構造を有するゲート電極１０１として、アルミニウム膜上にモリブデン膜が積層された二層の積層構造、または銅膜上にモリブデン膜を積層した二層構造、または銅膜上に窒化チタン膜若しくは窒化タンタル膜を積層した二層構造、窒化チタン膜とモリブデン膜とを積層した二層構造とすることが好ましい。３層の積層構造を有するゲート電極１０１としては、アルミニウム膜、アルミニウムとシリコンの合金膜、アルミニウムとチタンの合金膜またはアルミニウムとネオジムの合金膜を中間層とし、タングステン膜、窒化タングステン膜、窒化チタン膜またはチタン膜を上下層として積層した構造とすることが好ましい。
【００２８】
また、ゲート電極１０１に酸化インジウム、酸化インジウム酸化スズ合金、酸化インジウム酸化亜鉛合金、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、または酸化亜鉛ガリウム等の透光性を有する酸化物導電膜を用いることで、画素部の開口率を向上させることができる。
【００２９】
ゲート電極１０１の膜厚は、１０ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍとする。本実施の形態では、タングステンターゲットを用いたスパッタ法により１５０ｎｍのゲート電極用の導電膜を形成した後、該導電膜をエッチングにより所望の形状に加工（パターニング）することで、ゲート電極１０１を形成する。
【００３０】
次いで、ゲート電極１０１上に、ゲート絶縁膜１０２を形成する。
【００３１】
ゲート絶縁膜１０２は、高密度プラズマを用いた成膜処理により形成することが好ましい。高密度なプラズマの発生により、ゲート絶縁膜１０２におけるプラズマダメージを少なくできる。したがって、ゲート絶縁膜１０２中の未結合手を低減し、欠陥を低減することが可能となり、この後形成される酸化物半導体との界面を極めて良好にすることができる。
【００３２】
ゲート絶縁膜１０２を形成する材料としては、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、または窒化酸化珪素膜を単層で又は積層させて形成することができる。例えば、成膜ガスとして、シラン及び一酸化窒素を用いて酸化窒化珪素膜を成膜する。ゲート絶縁膜１０２の膜厚は、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とし、積層の場合は、例えば、膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の第１のゲート絶縁膜と、第１のゲート絶縁膜上に膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の第２のゲート絶縁膜の積層とする。
【００３３】
また、基板側から酸化珪素膜または酸化窒化珪素膜と、窒化珪素膜または窒化酸化珪素膜との順に積層して形成することができる。また、基板側から窒化珪素膜または窒化酸化珪素膜と、酸化珪素膜または酸化窒化珪素膜と、窒化珪素膜または窒化酸化珪素膜との順に積層して形成することができる。
【００３４】
本実施の形態では、ゲート絶縁膜１０２は、高密度プラズマとして２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤにより膜厚１００ｎｍの酸化窒化珪素膜を形成した。なお、本明細書において、マイクロ波とは３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの周波数域を指す。
【００３５】
なお、酸化物半導体膜をスパッタ法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁膜１０２の表面に付着しているゴミを除去することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを用いてもよい。また、アルゴン雰囲気に酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気に塩素、四フッ化炭素などを加えた雰囲気で行ってもよい。
【００３６】
酸化物半導体膜としては、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｏ膜、Ｚｎ−Ｏ膜などの酸化物半導体膜を用いることができる。また、上記酸化物半導体膜にＳｉＯ２を含んでもよい。
【００３７】
また、酸化物半導体膜は、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及びＣｏなどがある。ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される構造の酸化物半導体膜のうち、ＭとしてＧａを含む構造の酸化物半導体を、上記したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体とよび、その薄膜をＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ非単結晶膜ともよぶこととする。
【００３８】
酸化物半導体膜の膜厚は、１０ｎｍ〜３００ｎｍ、好ましくは２０ｎｍ〜１００ｎｍとする。本実施の形態では、酸化物半導体膜としてＩｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、及びＺｎ（亜鉛）を含む金属酸化物ターゲット（モル数比がＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１、又はＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２）を用いたスパッタ法により得られる、膜厚３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜を用いる。本実施の形態では、ＤＣスパッタ法を用い、アルゴンの流量３０ｓｃｃｍとし、酸素の流量１５ｓｃｃｍとし、基板温度は室温とする。
【００３９】
次いで、図１（Ａ）に示すように、酸化物半導体膜をエッチングなどにより所望の形状に加工（パターニング）し、ゲート電極１０１と重なる位置において、ゲート絶縁膜１０２上に島状の酸化物半導体膜１０３を形成する。
【００４０】
次いで、不活性ガス雰囲気（窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等）下において、酸化物半導体膜１０３に加熱処理を施しても良い。酸化物半導体膜１０３に加熱処理を施すことで、水分、水素が脱離した酸化物半導体膜１０４が形成される。具体的には、不活性ガス雰囲気（窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等）下において、５００℃以上７５０℃以下（若しくはガラス基板の歪点以下の温度）で１分間以上１０分間以下程度、好ましくは６００℃、３分間以上６分間以下程度のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）処理で行うことができる。ＲＴＡ法を用いれば、短時間に脱水化または脱水素化が行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。なお、上記加熱処理は、島状の酸化物半導体膜１０３形成後のタイミングに限らず、島状の酸化物半導体膜１０３形成前の酸化物半導体膜に対して行っても良い。また、上記加熱処理を、酸化物半導体膜１０４形成後に複数回行っても良い。
【００４１】
島状の酸化物半導体膜１０４は、上記加熱処理によって、酸化物半導体に含まれる水素を低減し、水素の抜けた欠損部及び酸素欠損部に酸素を導入することで、キャリア濃度を低減し、好ましくは１×１０１４／ｃｍ３未満にすることができる。エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である酸化物半導体において、ドナーを形成する水素等の不純物を極力低減することで、真性キャリア濃度をシリコンの１．４５×１０１０／ｃｍ３以下であって、フェルミディラックの分布則に従えば、１０−７／ｃｍ３程度にまで低減することができる。
【００４２】
本実施の形態では、窒素雰囲気下において、６００℃、基板温度が上記設定温度に達した状態で６分間、加熱処理を行う。加熱処理は、電気炉を用いた加熱方法、加熱した気体を用いるＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）法またはランプ光を用いるＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）法などの瞬間加熱方法などを用いることができる。例えば、電気炉を用いて加熱処理を行う場合、昇温特性を０．１℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下、降温特性を０．１℃／ｍｉｎ以上１５℃／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。
【００４３】
なお、加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水分、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【００４４】
或いは、窒素または希ガスなどの不活性雰囲気に代えて、大気圧下の露点がマイナス６０℃以下の、水分含有量が少ない空気下において、加熱処理を行うようにしても良い。
【００４５】
不活性ガス雰囲気下における加熱処理後の、島状の酸化物半導体膜１０４は、非晶質であることが好ましいが、一部結晶化していても良い。
【００４６】
次いで、図１（Ｃ）に示すように、島状の酸化物半導体膜１０４上に、ソース電極ドレイン電極用の導電膜１０５を形成する。導電膜１０５は、電気陰性度が低い材料が好ましく、アルミニウム、マグネシウム等をスパッタ法により形成すればよい。また、酸化物半導体との接触抵抗が低いチタン、タングステン又はモリブデン等を、酸化物半導体膜１０４と導電膜１０５との間に、スパッタ法により形成してもよい。また、導電膜１０５の酸化を防ぐために、導電膜１０５上にチタン、タングステン又はモリブデン等をスパッタ法により形成してもよい。適宜組み合わせることで、二層又は三層構造の導電膜を形成する。
【００４７】
なお、導電膜１０５の膜厚は、１００ｎｍ〜５００ｎｍとすればよい。
【００４８】
次いで、図１（Ｄ）に示すように、エッチング等により導電膜１０５を所望の形状に加工（パターニング）することで、ソース電極１０６、ドレイン電極１０７を形成する。
【００４９】
上記パターニングによりソース電極１０６とドレイン電極１０７を形成する際に、島状の酸化物半導体膜１０４の露出した部分が一部エッチングされることで、溝部（凹部）を有する島状の酸化物半導体膜１０８が形成される。
【００５０】
なお、図１（Ｅ）に示すように、ソース電極１０６、ドレイン電極１０７を形成した後は、ソース電極１０６、ドレイン電極１０７及び酸化物半導体膜１０８を覆うように絶縁膜１０９を形成する。
【００５１】
絶縁膜１０９として、スパッタ法で形成された膜厚２００ｎｍの酸化珪素膜を形成する。絶縁膜１０９は、積層構造することも可能である。
【００５２】
ここで、本実施の形態のように酸化物半導体膜中に含まれる水素などの不純物を極力除去し、酸化物半導体膜を高純度化すると共に、これに接するゲート絶縁膜との界面特性を良好にすることが、トランジスタの特性にどのように影響を与えるかを以下に説明する。
【００５３】
図１２は、上記のようにして作製された薄膜トランジスタの断面図を示す。ゲート電極（Ｇ１）上にゲート絶縁膜（ＧＩ）を介して酸化物半導体膜（ＯＳ）が設けられ、その上にソース電極（Ｓ）及びドレイン電極（Ｄ）が設けられている。図１２では、更にバックゲート電極（Ｇ２）を設けているが、バックゲート電極（Ｇ２）は設けなくてもよい。
【００５４】
図１３は、図１２に示すＡ−Ａ’におけるエネルギーバンド図（模式図）を示す。図１３（Ａ）はソースとドレインの間の電圧を等電位（ＶＤ＝０Ｖ）とした場合を示し、図１３（Ｂ）はソースに対しドレインに正の電位（ＶＤ＞０）を加えた場合を示す。なお、図１３（Ｂ）において、破線はゲートに電圧を印加しない場合（ＶＧ＝０）、実線はゲートに正の電圧（ＶＧ＞０）を印加した場合を示す。ゲートに電圧を印加しない場合は高いポテンシャル障壁のために電極から酸化物半導体側へキャリア（電子）が注入されず、電流を流さないオフ状態を示す。一方、ゲートに正の電圧を印加するとポテンシャル障壁が低下し、電流を流すオン状態を示す。
【００５５】
図１４は、図１２におけるＢ−Ｂ’におけるエネルギーバンド図（模式図）である。図１４（Ａ）はゲート（Ｇ１）に正の電位（＋ＶＧ）が印加された状態であり、ソースとドレインとの間にキャリア（電子）が流れるオン状態を示している。また、図１４（Ｂ）は、ゲート（Ｇ１）に負の電位（−ＶＧ）が印加された状態であり、オフ状態（少数キャリアは流れない）である場合を示す。
【００５６】
図１５は、真空準位と金属の仕事関数（φＭ）、酸化物半導体の電子親和力（χ）の関係を示す。
【００５７】
常温において金属中の電子は縮退しており、フェルミ準位は伝導帯内に位置する。一方、従来の酸化物半導体は一般にｎ型であり、その場合のフェルミ準位（ＥＦ）は、バンドギャップ中央に位置する真性フェルミ準位（Ｅｉ）から離れて、伝導帯寄りに位置している。なお、酸化物半導体において水素の一部はドナーとなりｎ型化する一つの要因であることが知られている。
【００５８】
これに対して本発明に係る酸化物半導体は、ｎ型不純物である水素を酸化物半導体から除去し、酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することにより真性（ｉ型）とし、又は真性型とせんとしたものである。すなわち、不純物を添加してｉ型化するのでなく、水素や水等の不純物を極力除去したことにより、高純度化されたｉ型（真性半導体）又はそれに近づけることを特徴としている。そうすることにより、フェルミ準位（ＥＦ）は真性フェルミ準位（Ｅｉ）と同じレベルにまですることができる。
【００５９】
酸化物半導体膜（ＯＳ）から水素を除去する構成の一つとして、電気陰性度が水素よりも低い金属をソース電極（Ｓ）またはドレイン電極（Ｄ）用の導電膜に用いてもよい。ｎ型不純物である水素を酸化物半導体から除去して酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないようにすることで、高純度化することができる。
【００６０】
また別の構成の一つとして、酸化物半導体膜（ＯＳ）の酸素濃度を高めてもよい。酸化物半導体の主成分である酸素の濃度を高めることで、不純物である水素を除去し、高純度化することができる。また加熱処理を行い、酸化物半導体膜（ＯＳ）から水素を除去することも効果的である。
【００６１】
また別の構成の一つとして、酸化物半導体膜（ＯＳ）上に、絶縁膜１２００として酸素濃度が高い酸化膜を形成してもよい。絶縁膜１２００から酸素が供給され、酸化物半導体膜（ＯＳ）の酸素濃度を高めることができる。また、絶縁膜１２００中の酸素によって、酸化物半導体膜（ＯＳ）中の水素を引き抜く効果も奏する。絶縁膜１２００の酸素濃度を、酸化物半導体膜（ＯＳ）の酸素濃度より高くすればよい。また、ゲート絶縁膜（ＧＩ）が酸素を含んでいる場合、絶縁膜１２００の酸素濃度を、ゲート絶縁膜（ＧＩ）の酸素濃度より高くすることでも、絶縁膜１２００に効率よく水素を引き抜くことができる。なお絶縁膜１２００は、スパッタ法により形成するとよい。
【００６２】
これらの構成を適宜組み合わせてもよい。このように、酸化物半導体から水素を極力除去することで、酸化物半導体を高純度化することが可能となる。水素濃度は、ＳＩＭＳの測定結果で５×１０１９／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、更に好ましくは５×１０１７／ｃｍ３以下とすればよい。
【００６３】
酸化物半導体のバンドギャップ（Ｅｇ）が３．１５ｅＶである場合、電子親和力（χ）は４．３ｅＶと言われている。ソース電極及びドレイン電極を構成するチタン（Ｔｉ）仕事関数は、酸化物半導体の電子親和力（χ）とほぼ等しい。この場合、金属−酸化物半導体界面において、電子に対してショットキー型の障壁は形成されない。
【００６４】
すなわち、金属の仕事関数（φＭ）と酸化物半導体の電子親和力（χ）が等しい場合、両者が接触すると図１３（Ａ）で示すようなエネルギーバンド図（模式図）が示される。
【００６５】
図１３（Ｂ）において黒丸（●）は電子を示し、ドレインに正の電位が印加されると、電子はバリア（ｈ）をこえて酸化物半導体に注入され、ドレインに向かって流れる。この場合、バリア（ｈ）の高さは、ゲート電圧とドレイン電圧に依存して変化するが、正のドレイン電圧が印加された場合には、電圧印加のない図１３（Ａ）のバリアの高さすなわちバンドギャップ（Ｅｇ）の１／２よりもバリアの高さ（ｈ）は小さい値となる。
【００６６】
このとき酸化物半導体に注入された電子は、図１４（Ａ）で示すように酸化物半導体中を流れる。また、図１４（Ｂ）において、ゲート電極（Ｇ１）に負の電位（逆バイアス）が印加されると、少数キャリアであるホールは実質的にゼロであるため、電流は限りなくゼロに近い値となる。
【００６７】
このように酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することにより真性（ｉ型）とし、又は実質的に真性型とすることで、ゲート絶縁膜との界面特性が顕在化するため、バルクの特性と分離して考える必要がある。
【００６８】
そのためゲート絶縁膜は、酸化物半導体と良好な界面を形成する構成として、本発明の一態様に係る高密度プラズマで作製される絶縁膜を用いることが好ましい。
【００６９】
酸化物半導体を高純度化しつつ、酸化物半導体とゲート絶縁膜との界面を良好なものとすることにより、薄膜トランジスタの特性としてチャネル幅Ｗが１×１０４μｍでチャネル長が３μｍの素子であっても、オフ電流が１０−１３Ａ以下であり、サブスレッショルドスイング値（Ｓ値）が０．１Ｖ／ｄｅｃ．（ゲート絶縁膜厚１００ｎｍ）が十分に期待される。
【００７０】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【００７１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、高密度プラズマを用いる構成の一例として、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成及びゲート絶縁膜の具体的な成膜処理について、その一例を図２及び図３を用いて説明する。
【００７２】
マイクロ波プラズマ装置の一例の上面図を図２に示す。共通室１１２０は、ロード・アンロード（Ｌ／ＵＬ）室１１１０、１１１５、及び反応室（１）１１１１〜反応室（４）１１１４とゲート弁１１２２〜１１２７を介して連結されている。基板１１３０は、ロード・アンロード（Ｌ／ＵＬ）室１１１０、１１１５のカセット１１２８、１１２９に装填され、共通室１１２０の搬送手段１１２１により各反応室に搬送される。
【００７３】
なお、図２に示すマイクロ波プラズマＣＶＤ装置には、ロード・アンロード（Ｌ／ＵＬ）室が複数設けられているが、一つでもよい。また、高密度プラズマＣＶＤ装置に予備室を設けてもよい。予備室で基板を予備加熱することで、各反応室において成膜までの加熱時間を短縮することが可能であるため、スループットを向上させることができる。
【００７４】
図３は、ゲート絶縁膜を形成するマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応室の構成を詳細に説明するものである。
【００７５】
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応室には、処理容器１８０、処理容器１８０内に設けられ基板１１３０を配置するための支持台１８１、処理容器１８０内のガスを排気するための真空ポンプに接続する排気口１８３、プラズマ発生用のマイクロ波を供給するマイクロ波発生装置１８４、マイクロ波供給部からマイクロ波を処理容器１８０に導入する導波管１８５、導波管１８５に接し且つ開口部１８７ａを有する天板１８７、取り付け具１８８で天板１８７に設けられた複数の誘電体板１８６が設けられる。基板１１３０と誘電体板１８６とは対向して設けられている。また真空ポンプには、低真空排気用のドライポンプと高真空排気用のターボ分子ポンプとを用いることができる。なお、本実施の形態において、基板１１３０の大きさは６００ｍｍ×７２０ｍｍのものを用いる。ただし基板の大きさは限定されない。
【００７６】
また、基板１１３０及び誘電体板１８６の間に非原料ガスを流すガス管１９７、及び原料ガスを流すガス管１９８が設けられる。非原料ガスを流すガス管１９７は、バルブ１９５及び質量流量コントローラ１９３を介して非原料ガス供給源１９１に接続される。また、原料ガスを流すガス管１９８は、バルブ１９６及び質量流量コントローラ１９４を介して原料ガス供給源１９２に接続される。
【００７７】
また、支持台１８１に温度制御部１９９を設けることによって、基板１１３０の温度を制御することも可能である。また、支持台１８１に高周波電源を接続し、高周波電源から出力された交流の電力により、支持台１８１に所定のバイアス電圧を印加する構成としてもよい。なお、マイクロ波発生装置１８４は処理容器１８０の外に設けることが好ましい。
【００７８】
マイクロ波発生装置１８４はマイクロ波を供給する。なお、マイクロ波発生装置１８４を複数有することで、安定な大面積のプラズマを生成することが可能である。このため、一辺が６００ｍｍを超える基板、特に一辺が１０００ｍｍを超える大面積基板においても、均一性の高い膜を成膜する事が可能であり、且つ成膜速度を高めることができる。
【００７９】
処理容器１８０、及び天板１８７は、表面がアルミナ、酸化珪素、フッ素樹脂のいずれかの絶縁膜で覆われた金属、例えばアルミニウムを含む合金で形成される。また、取り付け具１８８は金属、例えばアルミニウムを含む合金で形成される。
【００８０】
誘電体板１８６は、天板１８７の開口部に密着するように設けられる。マイクロ波発生装置１８４で発生したマイクロ波が導波管１８５及び天板１８７の開口部１８７ａを経て、誘電体板１８６に伝播し、誘電体板１８６を透過して処理容器内に放出される。
【００８１】
処理容器内に放出されたマイクロ波の電界エネルギーにより、非原料ガスがプラズマ化する。当該プラズマ２００は、誘電体板１８６表面でより密度が高いため、基板１１３０へのダメージを低減することができる。
【００８２】
また、誘電体板１８６を複数設けることで、均一な大面積のプラズマの発生及び維持が可能である。誘電体板１８６は、サファイア、石英ガラス、アルミナ、酸化珪素、窒化珪素等のセラミックスで形成される。
【００８３】
なお、誘電体板１８６は、プラズマ２００発生側に窪み１８９が形成されてもよい。当該窪み１８９により、安定したプラズマを生成することができる。更に、誘電体板１８６を複数設けることで、一辺が６００ｍｍを超える基板、特に一辺が１０００ｍｍを超える大面積基板においても、均一性の高い膜を成膜する事が可能であり、且つ成膜速度を高めることができる。
【００８４】
ガス管１９７、１９８は、上側の非原料ガスを流す複数のガス管１９７と、下側の原料ガスを流す複数のガス管１９８が交差して設けられており、非原料ガスを流すガス管１９７の吹出し口が誘電体板１８６側に設けられ、原料ガスを流すガス管１９８の吹出し口が基板１１３０側に設けられる。複数のガス管１９７と複数のガス管１９８とを交差して設けることにより、それぞれのガス管の間隔を狭く配置することができ、吹出し口の間隔を狭くすることができるため、基板１１３０上に均一な成膜が可能となる。特に大型の基板を用いる際に有効である。
【００８５】
非原料ガスが誘電体板１８６に向けて噴出されることにより、誘電体板１８６表面での成膜を回避しつつプラズマ２００を発生させることができる。また、原料ガスが基板１１３０に向けて噴出されることにより、基板１１３０により近い位置で原料ガスを噴出すことが可能であり、成膜速度を高めることが可能である。ただし、原料ガスの一部を上側のガス管１９７に流すことも可能である。
【００８６】
ガス管１９７、１９８は、アルミナ、窒化アルミニウム等のセラミックスで形成される。セラミックスはマイクロ波の透過率が高いため、ガス管１９７、１９８をセラミックスで形成することで、誘電体板１８６の直下にガス管を設けても、電界の乱れが生じずプラズマの分布を均一にすることができる。
【００８７】
以下に、ゲート絶縁膜１０２の成膜処理について説明する。
【００８８】
まず、図４のステップＳ１７０から成膜処理を開始し、ステップＳ１７１にて、基板１１３０の温度を制御する。基板１１３０は室温若しくは温度制御部１９９により１００℃〜５５０℃に加熱する。
【００８９】
ステップＳ１７２にて処理容器１８０内を真空にし、プラズマ着火用ガスとして、ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガスのいずれか一種以上を導入する。なお、希ガスと共に、酸素を処理容器１８０内に導入することで、プラズマの着火を容易とすることができる。なお、基板１１３０と誘電体板１８６との間隔は、１０ｍｍ〜２００ｍｍ（好ましくは１１０ｍｍ〜１６０ｍｍ）程度である。
【００９０】
次に、ステップＳ１７３にて、処理容器１８０内の圧力を所定の圧力にする。処理容器内の圧力は１〜２００Ｐａ、好ましくは１〜１００Ｐａ、さらに好ましくは１〜４０Ｐａとする。
【００９１】
次に、ステップＳ１７４にて、マイクロ波発生装置１８４の電源をオンにし、マイクロ波発生装置１８４から導波管１８５にマイクロ波を供給し、処理容器１８０内でプラズマを生成する。マイクロ波発生装置の出力は５００〜６０００Ｗ、好ましくは４０００〜６０００Ｗとする。マイクロ波の導入によりプラズマの励起を行うと、低電子温度（０．７ｅＶ以上３ｅＶ以下、好ましくは０．７ｅＶ以上１．５ｅＶ以下）で高電子密度（１×１０１１〜１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）のプラズマを生成することができる。
【００９２】
次に、ステップＳ１７５にて、ガス管１９８から原料ガスを処理容器１８０内に導入する。具体的には、酸素の供給を停止し、原料ガスとして、一酸化二窒素、希ガス、及び水素化珪素またはハロゲン化珪素を導入することで、基板１１３０上に酸化窒化珪素膜を形成することができる。
【００９３】
次に、ステップＳ１７６にて、原料ガスの供給を停止し、処理容器内の圧力を低下し、マイクロ波発生装置の電源をオフにして、ステップＳ１７７で成膜プロセスを終了する。
【００９４】
上記酸化窒化珪素膜の成膜処理方法において、基板温度を３００〜３５０℃、水素化珪素またはハロゲン化珪素に対する一酸化二窒素の流量比を１０倍以上３００倍以下、好ましくは５０倍以上２００倍以下とすることで耐圧の高い酸化窒化珪素膜を形成することができる。また、パワーが５ｋＷのマイクロ波発生装置を２〜６台用い、処理容器内の圧力を１０〜１００Ｐａ、好ましくは１０〜５０Ｐａとし、基板１１３０及び誘電体板１８６の間隔を１１０ｍｍ以上１６０ｍｍ以下とすることで、酸化窒化珪素膜の耐圧を高めることができる。
【００９５】
図１６は、導波管１８５の構成の一例を示す平面図である。導波管１８５は天板１８７と平行に延びており、複数の導波管１８５が平行に配設されている。誘電体板１８６は天板１８７にマトリクス状に配設されている。導波管１８５と天板１８７に形成される開口部１８７ａは誘電体板１８６の位置に合わせて設けられている。被処理基板の面積が大きい場合には（例えば、７３０ｍｍ×９２０ｍｍのガラス基板、又は一辺が１ｍを超えるサイズのガラス基板が適用される場合）、導波管１８５を複数に分割してマイクロ波を供給することが好ましい。図１６では、導波管１８５の端部において分岐導波管を用いて複数に分割されたマイクロ波を供給する構成する場合を示している。分岐導波管の先にはマイクロ波電源が接続される。マイクロ波電源を複数台用いることで、被処理基板の面積が大きくなった場合にもプラズマの均一性を保つことができる。
【００９６】
本実施の形態では、ゲート絶縁膜として、酸化窒化珪素膜を形成したが、窒化珪素膜を形成することもできる。その場合は、原料ガスとしてシラン及び窒素を用いることができる。
【００９７】
図１０に、本実施の形態で示したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置によりゲート絶縁膜を形成した薄膜トランジスタの特性（図１０（Ａ））と、従来のプラズマＣＶＤ装置によりゲート絶縁膜を形成した薄膜トランジスタの特性（図１０（Ｂ））と、を比較したものを示す。
【００９８】
両者を比較すると、特にゲートＢＴ（ｂｉａｓ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）試験において、従来法（図１０（Ｂ））ではしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト量が±１．０を超えているのに対し、本実施の形態（図１０（Ａ））ではシフト量が全て±１．０未満に低減されており、信頼性が大きく向上している。ここでゲートＢＴ試験は、しきい値電圧（Ｖｔｈ）等のシフト量からトランジスタの信頼性を評価するものである。シフト量が小さいほどトランジスタの動作が安定であり、信頼性が高いと評価される。
【００９９】
更に、しきい値電圧（Ｖｔｈ）において、従来法（図１０（Ｂ））ではノーマリーオンとなり、且つ基板面内のバラツキが±４．２Ｖも生じているのに対し、本実施の形態（図１０（Ａ））ではノーマリオフになり、且つ基板面内のバラツキも±１．０Ｖと大幅に低減されている。
【０１００】
以上のように、ゲート絶縁膜をマイクロ波プラズマＣＶＤ装置で形成することで、ゲート絶縁膜中の未結合手が低減されゲート絶縁膜と酸化物半導体との界面を良好することができるため、作製された薄膜トランジスタの特性を向上させることができる。
【０１０１】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１０２】
（実施の形態３）
本実施の形態では、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成について、実施の形態２とは異なる一例を図５を用いて説明する。
【０１０３】
実施の形態２では、図３のように、下側のガス管１９８から噴出された原料ガスが、上側のガス管１９７から噴出された非原料ガスによって吹き上げられる。吹き上げられた原料ガスは、誘電体板１８６等に粉や膜として堆積する。そして堆積した粉や膜は、時間の経過とともに基板１１３０に落下しパーティクルの原因となる可能性がある。本実施の形態では、パーティクルを低減する構成について説明する。
【０１０４】
図５に示す反応室は、図３における上側のガス管１９７の代わりに、誘電体板１８６に並行して設けられた複数の部材３００（梁とも呼ぶ）を有している。そして、部材３００は、ガスの吹出し口が基板１１３０側に設けられており、非原料ガスを噴出する。また、基板１１３０と誘電体板１８６との間に設けられたガス管１９８は、ガスの吹出し口が基板１１３０側に設けられており、原料ガスを噴出する。すなわち、ガス管１９８と部材３００とは、共に基板１１３０側にガスを噴出する構成である。
【０１０５】
なお、部材３００の吹出し口は、装置内部のガス管、バルブ１９５及び質量流量コントローラ１９３を介して非原料ガス供給源１９１に接続される。また、原料ガスを流すガス管１９８は、バルブ１９６及び質量流量コントローラ１９４を介して原料ガス供給源１９２に接続されている。ただし、原料ガスの一部を部材３００から噴出される構成とすることも可能である。
【０１０６】
また、ガス管１９８は、吹出し口を有する部材３００と交差する方向に配置されていることが好ましい。図５のように、複数のガス管１９８と複数の部材３００とを交差して設けることで、部材３００の間隔及びガス管１９８の間隔を狭く配置することができ、吹出し口の間隔を狭くすることができるため、基板１１３０上に均一な成膜が可能である。特に大型基板を用いた際に有効である。また部材３００の吹出し口が、ガス管１９８と重ならない構成とすることは有効である。重なることで、部材３００から噴出されたガスが吹き上げられる可能性があるためである。
【０１０７】
本実施の形態のように、原料ガスに加えて、非原料ガスを基板１１３０側に吹出す構成とすることで、原料ガスの吹き上げを防止し、パーティクルの発生を減少することが可能となる。特に、シランに対する一酸化窒素の流量比が大きい時は、パーティクルが発生し易いため、本実施の形態の構成とすることは極めて有効である。
【０１０８】
本実施の形態の構成を用いることで、実施の形態２で示したような薄膜トランジスタの特性が得られることに加え、歩留まりを大幅に向上することができる。
【０１０９】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１１０】
（実施の形態４）
本実施の形態では、チャネルエッチ構造のボトムゲート型の薄膜トランジスタについて、実施の形態１とは別の一例を図６を用いて示す。
【０１１１】
薄膜トランジスタは、絶縁性を有する基板１００上に、ゲート電極１０１、ゲート絶縁膜１０２、酸化物半導体膜１０８、ソース電極１０６及びドレイン電極１０７、絶縁膜１０９、バックゲート電極６０１、及び絶縁膜６０２を順次形成することで作製される。
【０１１２】
ゲート絶縁膜１０２を形成するために、実施の形態２、３で示したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いることができる。ゲート絶縁膜１０２の未結合手を低減し、酸化物半導体膜１０８とゲート絶縁膜１０２の界面を良好にすることができる。
【０１１３】
バックゲート電極６０１は、絶縁膜１０９上に導電膜を形成した後、該導電膜をパターニングすることで、酸化物半導体膜１０８と重なる位置に形成される。バックゲート電極６０１は、ゲート電極１０１、或いはソース電極１０６及びドレイン電極１０７と同様の材料、構造を用いて形成することが可能である。
【０１１４】
バックゲート電極６０１の膜厚は、１０ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍとする。本実施の形態では、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜が積層された構造を有する導電膜を形成する。そして、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成し、エッチングにより不要な部分を除去して、該導電膜を所望の形状に加工（パターニング）することで、バックゲート電極６０１を形成する。
【０１１５】
絶縁膜６０２は、雰囲気中の水分、水素、酸素などがトランジスタの特性に影響を与えるのを防ぐことができる、バリア性の高い材料を用いるのが望ましい。例えば、バリア性の高い絶縁膜として、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などを、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により単層で又は積層させて形成することができる。バリア性の効果を得るには、絶縁膜６０２は、例えば厚さ１５ｎｍ〜４００ｎｍの膜厚で形成することが好ましい。
【０１１６】
なお、バックゲート電極６０１は、電気的に絶縁しているフローティングの状態であっても良いし、電位が与えられる状態であっても良い。後者の場合、バックゲート電極６０１には、ゲート電極１０１と同じ高さの電位が与えられていても良いし、グラウンドなどの固定電位が与えられていても良い。バックゲート電極６０１に与える電位の高さを制御することで、トランジスタのしきい値電圧を制御し、基板面内のしきい値電圧のバラツキを低減することができる。
【０１１７】
図１１に、バックゲート電極を形成した場合と、形成しない場合との薄膜トランジスタの特性の比較を示す。
【０１１８】
図１１（Ａ）は本実施の形態のようにバックゲート電極を形成した場合であり、図１１（Ｂ）は実施の形態１のようにバックゲート電極を形成しない場合（図１０（Ａ）と同一）である。
【０１１９】
両者を比較すると、バックゲート電極を設けた場合（図１１（Ａ））基板面内のしきい値電圧（Ｖｔｈ）のバラツキが±０．５Ｖと大きく低減している。したがって、バックゲート電極を形成することにより、薄膜トランジスタの特性を更に向上させることが可能である。
【０１２０】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１２１】
（実施の形態５）
本実施の形態では、チャネル保護構造のボトムゲート型の薄膜トランジスタについて、図７を用いて説明する。
【０１２２】
図７にチャネル保護構造のボトムゲート型の薄膜トランジスタの断面構造の一例を示す。
【０１２３】
薄膜トランジスタは、絶縁性を有する基板１００上に、ゲート電極１０１、ゲート絶縁膜１０２、酸化物半導体膜１０４、チャネル保護膜７０１、ソース電極１０６及びドレイン電極１０７、絶縁膜１０９を順次形成することで作製される。
【０１２４】
チャネル保護膜７０１は、酸化物半導体膜１０４上に、酸化物半導体膜１０４のチャネル形成領域となる部分と重なるように形成される。チャネル保護膜７０１を設けることによって、酸化物半導体膜１０４のチャネル形成領域となる部分に対する、後の工程時におけるダメージ（エッチング時のプラズマやエッチング剤による膜減りなど）を防ぐことができる。従って薄膜トランジスタの信頼性を向上させることができる。
【０１２５】
チャネル保護膜７０１には、酸素を含む無機材料（酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素など）を用いることができる。
【０１２６】
ここで、ゲート絶縁膜１０２を形成するために、実施の形態２、３で示したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いることができる。ゲート絶縁膜１０２の未結合手を低減し、酸化物半導体膜１０４とゲート絶縁膜１０２の界面を良好にすることができる。
【０１２７】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１２８】
（実施の形態６）
本実施の形態では、トップゲート型の薄膜トランジスタについて、図８を用いて説明する。
【０１２９】
図８にトップゲート型の薄膜トランジスタの断面構造の一例を示す。
【０１３０】
薄膜トランジスタは、絶縁表面を有する基板８００上に、絶縁膜８０１、酸化物半導体膜８０２、ソース電極８０３及びドレイン電極８０４、ゲート絶縁膜８０５、ゲート電極８０６を順次形成することで作製される。
【０１３１】
そして、ゲート絶縁膜８０５を形成するために、実施の形態２、３で示したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いることができる。ゲート絶縁膜８０５の未結合手を低減し、酸化物半導体膜８０２とゲート絶縁膜８０５との界面を良好にすることができる。
【０１３２】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１３３】
（実施の形態７）
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置として、周波数が１ＧＨｚ以下のマイクロ波を用いることは有効である。
【０１３４】
周波数が１ＧＨｚ以下のマイクロ波を用いることで、ガスの種類を変更又は圧力を広範囲に変更しても、反応室内でのプラズマの均一性を維持することが可能である。周波数としては、９１５ＭＨｚとすることが好ましい。
【０１３５】
そして、実施の形態３で示したように、反応室内に原料ガスの粉や膜が堆積しないような構造にしておくことで、ガスの種類を変更するだけで異なる膜の連続成膜が可能となる。したがって、本実施の形態の構成と実施の形態３の構成とを合わせて用いることは、極めて有効である。
【０１３６】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１３７】
（実施の形態８）
本実施の形態では、ゲート絶縁膜について、他の実施の形態と異なる構成について示す。ゲート絶縁膜以外の構造及び作製方法については、他の実施の形態の構成を用いることができる。
【０１３８】
ゲート絶縁膜は、厚膜化することでリーク電流を低減し、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【０１３９】
しかし、実施の形態１で示したゲート絶縁膜の材料は、厚膜化によりチャネル容量を確保できない可能性がある。
【０１４０】
そこで、本実施の形態では、ゲート絶縁膜として、マイクロ波プラズマＣＶＤにより形成した第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜より誘電率の高い第２の絶縁膜との積層構造を用いる。
【０１４１】
このとき、酸化物半導体膜と接する絶縁膜は、マイクロ波プラズマＣＶＤにより形成した第１の絶縁膜を用いることで、界面を良質化する。一方酸化物半導体と接しない第２の絶縁膜は、第１の絶縁膜より誘電率の高く、且つ膜厚が厚い絶縁膜を用いることで、リーク電流を低減しつつ、チャネル容量を確保することが可能となる。
【０１４２】
誘電率が高い絶縁膜として、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、又はランタン（Ｌａ）等を含む酸化膜、窒化膜、酸化窒化膜、又は窒化酸化膜等を用いることができる。例えば、酸化ハフニウム等をスパッタ法により形成すればよい。第２の絶縁膜をスパッタ法で形成しても、第２の絶縁膜と酸化物半導体との間は第１の絶縁膜が形成されるため、酸化物半導体との界面は良質化される。
【０１４３】
本実施の形態のゲート絶縁膜は、図１、図６又は図７のようなボトムゲート型に用いてもよく、図８のようなトップゲート型に用いてもよい。
【０１４４】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１４５】
（実施の形態９）
本実施の形態では、電子機器の一例について説明する。
【０１４６】
図９（Ａ）は電子ペーパー（電子書籍ともいう）の一例である。図９（Ｂ）は表示装置の一例である。図９（Ｃ）は可撓性を有する表示装置の一例である。図９（Ｄ）は携帯型ゲーム機の一例である。図９（Ｅ）は携帯電話の一例である。
【０１４７】
図９に示す電子機器において、本体７００１〜７００５に設けられた表示部７０１１〜７０１５に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる。なお、本発明の一態様に係る半導体装置は、表示部を有さない電子機器にも用いることができる。
【０１４８】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０１４９】
１００ 基板
１０１ ゲート電極
１０２ ゲート絶縁膜
１０３ 酸化物半導体膜
１０４ 酸化物半導体膜
１０５ 導電膜
１０６ ソース電極
１０７ ドレイン電極
１０８ 酸化物半導体膜
１０９ 絶縁膜
Ｓ１７０〜Ｓ１７７ ステップ
１８０ 処理容器
１８１ 支持台
１８３ 排気口
１８４ マイクロ波発生装置
１８５ 導波管
１８６ 誘電体板
１８７ 天板
１８７ａ 開口部
１８８ 取り付け具
１８９ 窪み
１９１、１９２ ガス供給源
１９３、１９４ 質量流量コントローラ
１９５、１９６ バルブ
１９７、１９８ ガス管
１９９ 温度制御部
２００ プラズマ
３００ 部材
６０１ バックゲート電極
６０２ 絶縁膜
７０１ チャネル保護膜
８００ 基板
８０１ 絶縁膜
８０２ 酸化物半導体膜
８０３ ソース電極
８０４ ドレイン電極
８０５ ゲート絶縁膜
８０６ ゲート電極
１１１０、１１１５ Ｌ／ＵＬ室
１１１１〜１１１４ 反応室
１１２０ 共通室
１１２１ 搬送手段
１１２２〜１１２７ ゲート弁
１１２８、１１２９ カセット
１１３０ 基板
１２００ 絶縁膜
７００１〜７００５ 本体
７０１１〜７０１５ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、
前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、
プラズマの着火用ガスを前記誘電体板に向けて噴出してプラズマを発生させ、
前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、
前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、
第１のガス管から、プラズマの着火用ガスを前記誘電体板に向けて噴出してプラズマを発生させ、
前記第１のガス管と交差して配置された第２のガス管から、前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、
前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、
プラズマの着火用ガスを前記基板に向けて噴出してプラズマを発生させ、
前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】
ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、
前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、
前記誘電体板に並行にして配置された部材から、プラズマの着火用ガスを前記基板に向けて噴出してプラズマを発生させ、
前記部材と交差して配置されたガス管から、前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１】
ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、
前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、
プラズマの着火用ガスを前記誘電体板に向けて噴出してプラズマを発生させ、
前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、
前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、
第１のガス管から、プラズマの着火用ガスを前記誘電体板に向けて噴出してプラズマを発生させ、
前記第１のガス管と交差して配置された第２のガス管から、前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、
前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、
プラズマの着火用ガスを前記基板に向けて噴出してプラズマを発生させ、
前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】
ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体膜を有し、前記ゲート絶縁膜が高密度プラズマＣＶＤ装置により形成される半導体装置の作製方法であって、
前記高密度プラズマＣＶＤ装置の反応室に設けられた誘電体板に対向して基板を配置し、
前記誘電体板に並行にして配置された部材から、プラズマの着火用ガスを前記基板に向けて噴出してプラズマを発生させ、
前記部材と交差して配置されたガス管から、前記ゲート絶縁膜の原料ガスを前記基板に向けて噴出して前記ゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−１１９７１９（Ｐ２０１１−１１９７１９Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４８１６３（Ｐ２０１０−２４８１６３）
【出願日】平成２２年１１月５日（２０１０．１１．５）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月５日（２０１０．１１．５）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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