(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体膜が積層されており、前記酸化物半導体膜の幅方向の両外側にソース領域とドレイン領域が形成されると共に、前記ソース領域とドレイン領域とに挟まれた領域にチャネル領域が形成され、前記ソース領域にソース電極が、前記ドレイン領域にドレイン電極が接続されている薄膜トランジスタであって、
前記ゲート絶縁膜にフッ素が含有されていると共に、
前記チャネル領域の長さＬに対する幅Ｗの割合（Ｗ／Ｌ）が０．８以下であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記ゲート絶縁膜のフッ素の含有比率が１〜２５ａｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記ゲート絶縁膜が、フッ素化シリコン窒化物から構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記ゲート絶縁膜の水素含有比率が、１ａｔ％以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項５】
前記酸化物半導体膜が、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｗ−Ｚｎ−Ｏ系のいずれかのアモルファス酸化物により構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項６】
基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体膜を積層し、前記酸化物半導体膜の幅方向の両外側にソース領域とドレイン領域を形成すると共に、前記ソース領域とドレイン領域とに挟まれた領域にチャネル領域を形成し、前記ソース領域にソース電極を、前記ドレイン領域にドレイン電極を接続する薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記ゲート絶縁膜として、フッ素が含有されているゲート絶縁膜を形成し、
前記チャネル領域の長さＬに対する幅Ｗの割合（Ｗ／Ｌ）が０．８以下になるように、前記酸化物半導体膜に前記ソース領域と前記ドレイン領域を形成することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記ゲート絶縁膜として、４フッ化珪素と窒素の混合ガスを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法を用いてフッ素化シリコン窒化物からなるゲート絶縁膜を形成することを特徴とする請求項６に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項８】
前記プラズマＣＶＤ法として誘導結合型のプラズマＣＶＤ法を用いることを特徴とする請求項７に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項９】
前記酸化物半導体膜に前記ソース領域と前記ドレイン領域を形成した後、窒素と酸素とが含有された雰囲気中でアニール処理を施すことを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
前記アニール処理を１５０〜４５０℃で、０．５〜２時間行うことを特徴とする請求項９に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタで構成された回路を有していることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はチャネル領域に酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタとその製造方法および前記薄膜トランジスタを有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶表示装置、発光表示装置、電気泳動式表示装置などの表示装置において、画素密度の増加に対する要請が強い一方で、消費電力の低減に対する要請も強くなっており、このような状況下、従来の単純マトリクス型の表示装置に替えてアクティブマトリクス型の表示装置が提案されている。
【０００３】
即ち、アクティブマトリクス型の表示装置は、表示画素（または１ドット）毎にスイッチング素子を設けているため、画素密度が増加しても低電圧で駆動させることができ好ましい。
【０００４】
このようなアクティブマトリクス型の表示装置のスイッチング素子には、例えば、チャネル領域に酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」ともいう）で構成された回路が、透光性を有する基板上に形成された半導体装置が用いられている（例えば、特許文献１〜３）。
【０００５】
このＴＦＴの酸化物半導体としては、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）あるいは、一般式ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍで示されるＩｎーＧａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体が用いられている。チャネル領域にこれらの酸化物半導体が用いられたＴＦＴは、アモルファスシリコンを用いた従来のトランジスタに比べて高い電界効果移動度を得ることができるため、動作速度が速く、アクティブマトリクス型の表示装置のスイッチング素子として好ましい。
【０００６】
具体的には、アモルファスシリコンを用いた従来のトランジスタでは電界効果移動度が通常０．５ｃｍ２／Ｖｓ程度に留まっていたのに対して、酸化物半導体を用いたＴＦＴでは１０〜２０ｃｍ２／Ｖｓというはるかに大きな電界効果移動度が得られている。
【０００７】
また、これらの酸化物半導体は、スパッタ法などで活性層を形成することができるため、ＬＴＰＳ（Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｐｏｌｙ−ｓｉｌｉｃｏｎ：低温ポリシリコン液晶）やアモルファスシリコンに比べて形成が容易である。
【０００８】
これらのため、チャネル領域に酸化物半導体を用いたＴＦＴが基板上に形成された半導体装置は、液晶表示素子、有機ＥＬ表示素子、電子ペーパー、その他の電子デバイスや光デバイス等の広い分野への応用が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】ＷＯ２０１２／０７７１６３
【特許文献２】特開２０１３−１４９７８８号公報
【特許文献３】特開２０１５−０１８８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、近年では表示装置の大型化が進んでおり、この表示装置の大型化に伴い、上記した１０〜２０ｃｍ２／Ｖｓという電界効果移動度では十分とは言えず、電界効果移動度がさらに優れたＴＦＴが望まれている。
【００１１】
具体的には、近年では家庭用のテレビジョンにおいても、表示画面の対角寸法が４０〜５０インチという大型の表示装置が普及し始めており、このような大型の表示装置の普及は今後さらに加速すると予想されている。
【００１２】
前記したように、チャネル領域に酸化物半導体を用いたＴＦＴは、アモルファスシリコンを用いたＴＦＴに比べて１０倍以上という優れた電界効果移動度が得られるため、大型の表示装置の画素のスイッチング素子として好適である。
【００１３】
そして、次世代表示装置として近年検討されているスーパーハイビジョン以上に使用されるスイッチング素子の場合には、２０ｃｍ２／Ｖｓを超える電界効果移動度が求められている。
【００１４】
このため、近年では、大型の表示装置を目指して、従来のＴＦＴの限界であった２０ｃｍ２／Ｖｓを超えるような電界効果移動度を発揮してトランジスタの電流能力が十分に向上されたＴＦＴの提供が望まれている。
【００１５】
そこで、本発明は、電界効果移動度が２０ｃｍ２／Ｖｓを超えて動作速度が速い薄膜トランジスタとその製造方法および前記薄膜トランジスタを有する半導体装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者は、電界効果移動度が２０ｃｍ２／Ｖｓを超えるような動作速度が速いＴＦＴを実現するために、ＴＦＴを構成する各部材の材料について種々の実験と検討を行った。
【００１７】
その結果、従来よりＴＦＴを製造する際、ゲート絶縁膜の上に酸化物半導体の膜を積層させて、その一部をチャネル領域として形成しているが、このときゲート絶縁膜にフッ素が含有されていると、チャネル領域における電界効果移動度が大きく向上することが分かった。
【００１８】
このような電界効果移動度の向上は、ゲート絶縁膜に含有されたフッ素が酸化物半導体膜に向かって拡散移動する際、酸化物半導体膜とゲート絶縁膜との界面に存在する未結合手や、Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｏ、Ｇａ−Ｏなどの結合が弱い箇所にフッ素が結合して終端することにより引き起こされたものと考えられる。
【００１９】
即ち、未結合手や結合が弱い箇所があると、酸化物半導体とゲート絶縁膜との界面における界面準位密度が低下せず、酸化物半導体のキャリアを散乱させてキャリア移動度、即ち、電界効果移動度の向上を妨げる要因になるが、これらにフッ素を結合させて終端させることにより界面準位密度を低下させることができ、電界効果移動度が向上したと考えられる。
【００２０】
そして、さらに検討を進めたところ、上記したゲート絶縁膜にフッ素が含有されたＴＦＴにおいては、チャネル領域の長さ（Ｌ）に対する幅（Ｗ）の割合（Ｗ／Ｌ）が電界効果移動度と大きく関係しており、Ｗ／Ｌが小さくなるに従って電界効果移動度が急激に上昇することが分かった。
【００２１】
即ち、従来のＴＦＴにおいてもＷ／Ｌが小さくなると電界効果移動度が上昇することは分かっていたが、ゲート絶縁膜にフッ素が含有されている場合にはこの電界効果移動度の上昇の程度が従来よりも顕著になることが分かった。
【００２２】
これらの知見に基づいて本発明者がさらに実験と検討を行ったところ、フッ素が含有されているゲート絶縁膜を用い、Ｗ／Ｌを８未満とした場合には、従来のＴＦＴでは得られなかった２０ｃｍ２／Ｖｓを超える高い電界効果移動度が発揮されることが分かった。
【００２３】
さらに、上記の実験において、チャネル領域のＷ／Ｌが０．８以下の場合にはさらに急激に電界効果移動度が上昇して、従来のＴＦＴでは予想もできなかった５０ｃｍ２／Ｖｓを超える電界効果移動度が得られることが分かった。
【００２４】
請求項１に記載の発明は以上の知見に基づいたものであり、
基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体膜が積層されており、前記酸化物半導体膜の幅方向の両外側にソース領域とドレイン領域が形成されると共に、前記ソース領域とドレイン領域とに挟まれた領域にチャネル領域が形成され、前記ソース領域にソース電極が、前記ドレイン領域にドレイン電極が接続されている薄膜トランジスタであって、
前記ゲート絶縁膜にフッ素が含有されていると共に、
前記チャネル領域の長さＬに対する幅Ｗの割合（Ｗ／Ｌ）が０．８以下であることを特徴とする薄膜トランジスタである。
【００２６】
次に、本発明者は上記したゲート絶縁膜におけるフッ素の好ましい含有比率について検討した。その結果、フッ素の含有比率が１ａｔ％以上であれば、十分な量のフッ素を酸化物半導体膜に拡散移動させることができ好ましいことが分かった。一方、２５ａｔ％を超えると、ゲート絶縁膜の密度低下、絶縁性低下といった膜特性の悪化を招く恐れがあることが分かった。
【００２７】
請求項２に記載の発明は以上の知見に基づいたものであり、
前記ゲート絶縁膜のフッ素の含有比率が１〜２５ａｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタである。
【００２８】
そして、このようにフッ素が含有されたゲート絶縁膜としては、フッ素化シリコン窒化物が好ましいことが分かった。
【００２９】
即ち、請求項３に記載の発明は
前記ゲート絶縁膜が、フッ素化シリコン窒化物から構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄膜トランジスタである。
【００３０】
また、ゲート絶縁膜に水素が含有されていると、水素が酸化物半導体膜に向かって拡散移動し、水素がキャリアとなって電流が流れるようになるため、製造後のＴＦＴの電気特性の変動を招いて信頼性を低下させる恐れがある。実験の結果、ゲート絶縁膜における好ましい水素含有比率は１ａｔ％以下であることが分かった。
【００３１】
即ち、請求項４に記載の発明は
前記ゲート絶縁膜の水素含有比率が、１ａｔ％以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタである。
【００３２】
また、ＴＦＴの電流能力を向上させるという観点から、酸化物半導体膜はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｗ−Ｚｎ−Ｏ系のいずれかの酸化物半導体であることが好ましく、アモルファス酸化物で構成されているとより好ましい。
【００３３】
即ち、請求項５に記載の発明は
前記酸化物半導体膜が、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｗ−Ｚｎ−Ｏ系のいずれかのアモルファス酸化物により構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタである。
【００３４】
本発明者は、次いで、上記したＴＦＴの具体的な製造方法について検討を行い、その結果、以下のことが分かった。
【００３５】
上記したように、本発明のＴＦＴにおいては、フッ素が含有されているゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜から酸化物半導体膜に向かってフッ素を拡散移動させていると共に、チャネル領域のＷ／Ｌを８未満にすることにより、ＴＦＴの電界効果移動度を従来よりも向上させている。
【００３６】
そして、ゲート絶縁膜から酸化物半導体膜に向かってフッ素を拡散移動させた場合、Ｚｎ−ＦやＩｎ−Ｆなどの結合が生じると考えられるが、このような結合は結合エネルギーが高く、電界ストレスなどによって結合が切れることがないため、信頼性の高いＴＦＴを製造することに貢献することができることが分かった。
【００３７】
請求項６に記載の発明は、上記の知見に基づいたものであり、
基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体膜を積層し、前記酸化物半導体膜の幅方向の両外側にソース領域とドレイン領域を形成すると共に、前記ソース領域とドレイン領域とに挟まれた領域にチャネル領域を形成し、前記ソース領域にソース電極を、前記ドレイン領域にドレイン電極を接続する薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記ゲート絶縁膜として、フッ素が含有されているゲート絶縁膜を形成し、
前記チャネル領域の長さＬに対する幅Ｗの割合（Ｗ／Ｌ）が０．８以下になるように、前記酸化物半導体膜に前記ソース領域と前記ドレイン領域を形成することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法である。
【００３８】
次に、本発明者は、このようにフッ素が含有されているゲート絶縁膜を形成する適切な方法について検討した結果、プラズマＣＶＤ法を用いてゲート絶縁膜を形成する際の原料ガスとして４フッ化珪素（ＳｉＦ４）と窒素（Ｎ２）の混合ガスを用いることが好ましいことが分かった。
【００３９】
即ち、従来よりプラズマＣＶＤ法を用いてゲート絶縁膜を形成する際には、原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）とアンモニア（ＮＨ４）と窒素（Ｎ２）の混合ガスを用いていたが、シラン（ＳｉＨ４）は水素を有しているため、形成後のゲート絶縁膜に水素（Ｈ）が混入してしまい、ゲート絶縁膜の水素が酸化物半導体膜に向かって拡散移動する。この場合、拡散移動する水素がキャリアとなって電流が流れるようになるため、製造後のＴＦＴの電気特性の変動を招いて信頼性を低下させる恐れがある。
【００４０】
これに対して、４フッ化珪素（ＳｉＦ４）と窒素（Ｎ２）の混合ガスは水素を含有していないため、形成後のゲート絶縁膜に水素（Ｈ）が混入するようなことがなく、ゲート絶縁膜の水素含有率を１ａｔ％以下にすることができる。この結果、製造後のＴＦＴの電気特性が変動するようなことが発生せず、高い信頼性のＴＦＴを提供することができる。
【００４１】
しかし、上記した４フッ化珪素と窒素の混合ガスは、従来の原料ガス、即ち、シラン（ＳｉＨ４）とアンモニア（ＮＨ４）と窒素（Ｎ２）の混合ガスに比べて放電分解しにくいという特徴を有しているため、このような４フッ化珪素と窒素の混合ガスを効率良く放電分解することができるプラズマＣＶＤ法について検討したところ、誘電結合型のプラズマＣＶＤ法が好ましいことが分かった。
【００４２】
即ち、誘電結合型のプラズマＣＶＤ法は、大きな誘導電界をプラズマ中に発生させることができるため、４フッ化珪素と窒素を効率良く放電分解させることができる。この結果、フッ素が含有されたゲート絶縁膜として、フッ素化シリコン窒化物からなるゲート絶縁膜を効率良く形成することがことできる。
【００４３】
請求項７、８に記載の発明は上記の知見に基づいたものであり、請求項７に記載の発明は、
前記ゲート絶縁膜として、４フッ化珪素と窒素の混合ガスを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法を用いてフッ素化シリコン窒化物からなるゲート絶縁膜を形成することを特徴とする請求項６に記載の薄膜トランジスタの製造方法である。
【００４４】
請求項８に記載の発明は、
前記プラズマＣＶＤ法として誘導結合型のプラズマＣＶＤ法を用いることを特徴とする請求項７に記載の薄膜トランジスタの製造方法である。
【００４５】
上記したＴＦＴの製造方法について、本発明者がさらに検討を行った結果、ゲート絶縁膜の上に酸化物半導体膜を積層させた後に、窒素と酸素とが含有された雰囲気中でアニール処理を行うと、ゲート絶縁膜から酸化物半導体膜に向ってフッ素が拡散移動しやすいことが分かった。このため、フッ素が含有されているゲート絶縁膜を形成する場合には、酸化物半導体膜にソース領域とドレイン領域を形成した後にアニール処理を行うことが好ましい。
【００４６】
即ち、請求項９に記載の発明は、
前記酸化物半導体膜に前記ソース領域と前記ドレイン領域を形成した後、窒素と酸素とが含有された雰囲気中でアニール処理を施すことを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法である。
【００４７】
上記したアニール処理は、ゲート絶縁膜に含有されるフッ素を確実かつ十分に酸化物半導体膜に拡散移動させるという観点から、１５０〜４５０℃の処理温度で０．５〜２時間行うことが好ましい。
【００４８】
請求項１０に記載の発明は、
前記アニール処理を１５０〜４５０℃で、０．５〜２時間行うことを特徴とする請求項９に記載の薄膜トランジスタの製造方法である。
【００４９】
そして、上記した薄膜トランジスタで構成された回路を有している半導体装置は、優れた電界効果移動度を発揮して、高い解像度を提供することができるため、大型の画面表示装置のスイッチング素子として好ましく適用することができ、特に４０インチ以上の大型の表示装置に好ましく用いることができる。
【００５０】
即ち、請求項１１に記載の発明は、
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタで構成された回路を有していることを特徴とする半導体装置である。
【発明の効果】
【００５１】
本発明によれば、電界効果移動度が２０ｃｍ２／Ｖｓを超える薄膜トランジスタとその製造方法および前記薄膜トランジスタを有する半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施の形態に係るＴＦＴの製造方法の概略を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るＴＦＴのゲート電極および酸化物半導体膜を基板側から見た図である。
【図３】本発明の一実施の形態において使用されるプラズマＣＶＤ装置を説明する図である。
【図４】電界効果移動度と、チャネル領域の長さＬに対する幅Ｗの割合（Ｗ／Ｌ）との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
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。
【００５４】
１．本実施の形態に係るＴＦＴの構成
（１）概略構成
図１は本実施の形態に係るＴＦＴの製造方法の概略を示す断面図であり、図１（Ａ）はＴＦＴの前駆体となる構造体を示しており、図１（Ｂ）は酸化物半導体膜にソース領域とドレイン領域とが形成された構造体を示しており、図１（Ｃ）は製造後のＴＦＴを示している。また、図２は本実施の形態に係るＴＦＴのゲート電極および酸化物半導体膜を基板側から見た図である。
【００５５】
本実施の形態のＴＦＴは逆スタガ型のＴＦＴであり、図１（Ｃ）に示すように、基板２の表面には、必要に応じて、基板２に含まれる不純物の拡散を防止する拡散防止膜４が予め設けられている。
【００５６】
そして、拡散防止膜４上にゲート電極６が形成され、このゲート電極６を覆うようにゲート絶縁膜８が形成されている。また、ゲート絶縁膜８の上面には酸化物半導体膜１０が形成されている。
【００５７】
図１（Ｃ）および図２に示すように、この酸化物半導体膜１０の幅方向の両外側にはソース領域１８とドレイン領域１９とが形成されており、このソース領域１８とドレイン領域１９とに挟まれた領域にチャネル領域２０が形成されている。
【００５８】
そして、酸化物半導体膜１０の上面には保護膜１２が形成されており、この保護膜１２には、ソース領域１８、ドレイン領域１９と接する位置まで貫通するコンタクトホール２７、２８が形成されている。そして、ソース電極２４がコンタクトホール２７を挿通してソース領域１８に接続され、ドレイン電極２６がコンタクトホール２８を挿通してドレイン領域１９に接続されている。
【００５９】
（２）本実施の形態に係るＴＦＴの特徴
（ａ）ゲート絶縁膜
本実施の形態に係るＴＦＴは、ゲート電極６と酸化物半導体膜１０との間に形成されるゲート絶縁膜８にフッ素が含有されていることを第１の特徴とする。
【００６０】
従来のＴＦＴにおいては、酸化物半導体膜１０とゲート絶縁膜８との界面に未結合手や、Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｏ、Ｇａ−Ｏなどの結合が弱い箇所が存在しているため、界面順位密度が高くなってキャリアを散乱させ、電界効果移動度が低くなる要因となっていた。
【００６１】
これに対して、本実施の形態においては、ゲート絶縁膜８にフッ素が含有されているため、このゲート絶縁膜８のフッ素が酸化物半導体膜１０に向かって拡散移動する際に、酸化物半導体膜１０とゲート絶縁膜８との界面に存在する未結合手や結合が弱い箇所に結合して終端させる。
【００６２】
このようにＺｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｏ、Ｇａ−Ｏなどにフッ素が結合して、Ｚｎ−Ｆ、Ｉｎ−Ｆ、Ｇａ−Ｆが形成されると下記のように結合エネルギーが高くなり安定化するため、酸化物半導体膜１０（チャネル領域２０）の界面順位密度を低下させて電界効果移動度を従来よりも向上させることができる。
【００６３】
（酸素との結合エネルギー）
Ｚｎ−Ｏ＝２８４ｋＪ／ｍｏｌ
Ｉｎ−Ｏ＝３４６ｋＪ／ｍｏｌ
Ｇａ−Ｏ＝３７４ｋＪ／ｍｏｌ
【００６４】
（フッ素との結合エネルギー）
Ｚｎ−Ｆ＝３６４ｋＪ／ｍｏｌ
Ｉｎ−Ｆ＝５３０ｋＪ／ｍｏｌ
Ｇａ−Ｆ＝６２７ｋＪ／ｍｏｌ
【００６５】
（ｂ）チャネル領域の長さＬに対する幅Ｗの割合（Ｗ／Ｌ）
また、本実施の形態に係るＴＦＴは、第２の特徴として図２に示すチャネル領域２０の長さＬに対する幅Ｗの割合（Ｗ／Ｌ）が８未満に設定されている。
【００６６】
詳しくは後述するが、図４は本発明者が本発明に至るまでに行った実験の結果を示すグラフであり、電界効果移動度とチャネル領域の長さＬに対する幅Ｗの割合（Ｗ／Ｌ）との関係を示している。この図４のグラフの横軸はチャネル領域２０の長さＬに対する幅Ｗの割合（Ｗ／Ｌ）、縦軸は電界効果移動度（移動度）を示している。なお、図４において●はゲート絶縁膜８にフッ素が含有されたＴＦＴを示し、◆は従来の熱酸化膜からなるゲート絶縁膜が形成されたＴＦＴを示している。
【００６７】
図４より、ゲート絶縁膜８にフッ素が含有されたＴＦＴの場合、従来のＴＦＴに比べて優れた電界効果移動度を発揮でき、チャネル領域２０のＷ／Ｌが８未満の場合には、従来のＴＦＴでは得ることが難しかった２０ｃｍ２／Ｖｓを超える高い電界効果移動度を得られていることが分かる。
【００６８】
さらに、チャネル領域２０のＷ／Ｌが１未満になるあたりから、Ｗ／Ｌがさらに小さくなるにつれて急激に電界効果移動度が上昇し、チャネル領域２０のＷ／Ｌが０．８以下になると、５０ｃｍ２／Ｖｓという従来のＴＦＴでは予想もできなかった非常に高い電界効果移動度を発揮していることが分かる。
【００６９】
以上のように、本実施の形態に係るＴＦＴは、ゲート電極６と酸化物半導体膜１０との間に形成されるゲート絶縁膜８にフッ素が含有されており、チャネル領域２０の長さＬに対する幅Ｗの割合（Ｗ／Ｌ）が８未満に設定されているため、電界効果移動度が従来よりも大幅に向上している。
【００７０】
そして、このような電界効果移動度に優れたＴＦＴで構成された回路を有する半導体装置は、２０インチ以上の大型サイズの表示装置を作製する場合に、ドライバを別途設けなくても、適切な性能を維持できるため、大型の表示装置に好ましく適用することができる。
【００７１】
２．製造方法
（１）構造体の作製
次に、本実施の形態に係るＴＦＴの製造方法について説明する。まず、ＴＦＴの前駆体となる図１（Ａ）に示すような構造体１４ａを以下の手順に従って作製する。
【００７２】
（ａ）基板の準備
先ず、光を透過できるような材料から構成された基板２を準備する。このような基板２としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、アクリル、ポリイミド等のプラスチック（合成樹脂）やガラスなどが挙げられる。
【００７３】
（ｂ）拡散防止膜の形成
次に、上記した基板２の上面に拡散防止膜４を形成する。拡散防止膜４の形成には、例えば、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法などの方法が用いられる。この拡散防止膜４の構成材料としては、例えば、シリコン窒化膜中にフッ素が含有されたフッ素化シリコン窒化膜などが挙げられる。なお、上記したように、この拡散防止膜はなくてもよく、その場合には、そのまま、次のゲート電極の形成に進む。
【００７４】
（ｃ）ゲート電極の形成
次に、拡散防止膜４の上面にゲート電極６を形成する。ゲート電極６は、例えば、スパッタリング法を用いて膜厚１００〜２００ｎｍになるように形成する。なお、ゲート電極６の材料には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）等から選択された元素またはこれらの元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料などが挙げられる。
【００７５】
（ｄ）ゲート絶縁膜の形成
次に、拡散防止膜４とゲート電極６を覆うようにして、ゲート絶縁膜８を形成する。上記したように、本実施の形態においては、ゲート絶縁膜としてフッ素が含有されたゲート絶縁膜を形成する点において従来と異なる。なお、膜厚としては、５０〜３００ｎｍが好ましい。
【００７６】
このフッ素が含有されたゲート絶縁膜８は、例えば、原料ガスとして４フッ化珪素（ＳｉＦ４）ガスと窒素（Ｎ２）ガスの混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により形成される。これにより、フッ素化シリコン窒化物（ＳｉＮ：Ｆ）を主成分としたゲート絶縁膜８を形成することができる。なお、ゲート絶縁膜のフッ素の含有比率は１〜２５ａｔ％であることが好ましい。
【００７７】
また、原料ガスとして４フッ化珪素ガスと窒素ガスの混合ガスを用いた場合、ゲート絶縁膜８に水素（Ｈ）が混入することが防止されて、水素含有比率が１ａｔ％以下のゲート絶縁膜８を形成できるため、信頼性の高いＴＦＴを製造することができる。なお、４フッ化珪素ガスと窒素ガスの混合ガスを用いる場合には、これらのガスを効率良く放電分解させて高密度プラズマを生成させシリコン酸窒化膜を効率良く形成するという観点から、ゲート絶縁膜８の形成方法としては誘電結合型のプラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。そして、このとき、基板２の温度は、基板２およびゲート絶縁膜８に与えられる熱による悪影響を抑えつつ、特性の良いシリコン酸窒化膜を形成するという観点から１００〜３００℃とすることが好ましい。
【００７８】
上記誘電結合型のプラズマＣＶＤ法において使用されるプラズマＣＶＤ装置について図３に基づいて説明する。
【００７９】
本実施の形態において、このプラズマＣＶＤ装置は、平面導体４４に高周波電源５２から高周波電流を流すことによって発生する誘導電界によってプラズマ５０を生成し、このプラズマ５０を用いて基板３０上に、プラズマＣＶＤ法によって膜形成を行う誘導結合型のプラズマＣＶＤ装置である。
【００８０】
なお、図３における基板３０としては、前記した構造体を構成する基板やその上に所要の膜や電極を形成したものが用いられる。
【００８１】
そして、このプラズマＣＶＤ装置は、例えば、金属製の真空容器３２を備えており、その内部は真空排気装置３４によって真空排気される。
【００８２】
真空容器３２内には、基板３０に施す処理内容に応じた原料ガス３８が、ガス導入管３６を通して導入される。原料ガス３８としては、上記したように、４フッ化珪素（ＳｉＦ４）ガスと窒素（Ｎ２）ガスとの混合ガスが使用され、酸素（Ｏ２）ガスや二酸化窒素（Ｎ２Ｏ）ガスなどの酸素含有ガスと共に導入される。
【００８３】
真空容器３２内には、基板３０を保持するホルダ４０が設けられている。そして、このホルダ４０内には、基板３０を加熱するヒータ４２が設けられている。
【００８４】
真空容器３２内に、より具体的には真空容器３２の天井面３３の内側に、ホルダ４０の基板保持面に対向するように、平面形状が長方形の平面導体４４が設けられている。この平面導体４４の平面形状は、長方形でも良いし、正方形等でも良い。その平面形状を具体的にどのようなものにするかは、例えば、基板３０の平面形状に応じて決めれば良い。
【００８５】
高周波電源５２から整合回路５４を経由して、かつ給電電極４６および終端電極４８を経由して、平面導体４４の長手方向の一端側の給電端と他端側の終端との間に高周波電力が供給され、それによって平面導体４４に高周波電流が流される。高周波電源５２から出力する高周波電力の周波数は、例えば、一般的な１３．５６ＭＨｚであるが、これに限られるものではない。
【００８６】
給電電極４６および終端電極４８は、絶縁フランジ４９をそれぞれ介して、真空容器３２の天井面３３に取り付けられている。これらの要素の間には、真空シール用のパッキンがそれぞれ設けられている。天井面３３の上部は、この例のように、高周波の漏洩を防止するシールドボックス５６で覆っておくことが好ましい。
【００８７】
上記のようにして平面導体４４に高周波電流を流すことによって、平面導体４４の周囲に高周波磁界が発生し、それによって高周波電流と逆方向に誘導電界が発生する。この誘導電界によって、真空容器３２内において、電子が加速されて平面導体４４の近傍の原料ガス３８を電離させて平面導体４４の近傍にプラズマ５０が発生する。このプラズマ５０は基板３０の近傍まで拡散し、このプラズマ５０によって基板３０上に、プラズマＣＶＤ法による膜形成を行うことができる。
【００８８】
この膜形成方法によれば、原料ガス３８として、上記したように水素を含まないガスを用いるので、水素を含んでいないフッ素化シリコン窒化物（ＳｉＮ：Ｆ）を主成分とした膜を基板３０上に形成することができる。しかも、４フッ化珪素（ＳｉＦ４）ガスおよび窒素（Ｎ２）ガスは、従来から良く用いられているシラン（ＳｉＨ４）およびアンモニア（ＮＨ３）に比べて放電分解させにくいが、誘導結合型のプラズマＣＶＤ法によれば、大きな誘導電界をプラズマ５０中に発生させることができるため、４フッ化珪素（ＳｉＦ４）ガスおよび窒素（Ｎ２）ガスを効率良く放電分解させることができる。その結果、高密度にプラズマ５０を生成して、基板３０上にシリコン酸窒化膜を効率良く形成することができる。
【００８９】
また、基板３０の温度を上記範囲にすることにより、基板３０および膜に与える熱による悪影響を抑えつつ、特性の良いシリコン酸窒化膜を形成することができる。
【００９０】
（ｅ）酸化物半導体膜の形成
次に、上記したゲート絶縁膜８上にスパッタリング法（例えばＲＦスパッタリング法）を用い、２５〜２００ｎｍ、好ましくは３０〜１５０ｎｍの厚みで酸化物半導体膜１０を形成する。ここで形成される酸化物半導体膜１０としては、例えば、Ｉn−Ｇa−Ｚn−Ｏ系のアモルファス酸化物半導体（ａ−ＩＧＺＯ）膜が挙げられるが、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｗ−Ｚｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物半導体であってもよい。
【００９１】
酸化物半導体膜１０の形成の具体的な形成方法としては、先ず、スパッタリング法を用いて所定の厚みの膜を形成し、フォトリソグラフィによりエッチングを行い所望の形状に形成する。なお、このときのエッチングには、例えば、希釈したフッ酸を用いる。
【００９２】
（ｆ）保護膜の形成
次に、形成された酸化物半導体膜１０の上面を覆うように、プラズマＣＶＤ法を用いて保護膜１２を形成する。保護膜１２としては、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）などの電気絶縁性を有している膜が用いられる。なお、このシリコン酸化膜は、例えば、光感光性シロキサンを用いた溶液法によっても形成することができる。
【００９３】
（２）チャネル領域の形成
次に、上記のようにして得られた構造体１４ａの酸化物半導体膜１０のソース領域１８とドレイン領域１９とに挟まれた領域に、図１（Ｂ）に示すようなチャネル領域２０を形成する。
【００９４】
本実施の形態においては、このときに形成されるチャネル領域２０のＷ／Ｌが８未満になるように、予め酸化物半導体膜１０とゲート電極６の形成領域を調整する。
【００９５】
（３）アニール処理
次に、窒素および酸素を含む雰囲気中でアニール処理（ポストアニール）を行う。処理温度は、１５０〜４５０℃、好ましくは２５０〜３５０℃であり、処理時間は、０．５〜２時間、好ましくは１〜１．５時間である。
【００９６】
本実施の形態においては、このアニール処理によってゲート絶縁膜８に含有されたフッ素が酸化物半導体膜１０に向かって拡散移動しやすくなる。そして、拡散移動したフッ素は、酸化物半導体膜１０とゲート絶縁膜８との界面に存在する未結合手や結合が弱い箇所に結合して終端させる。これにより、酸化物半導体膜１０（チャネル領域２０）の電界効果移動度を従来よりも向上させることができる。
【００９７】
（４）電極の形成
次に、従来と同様の手法で、形成後のソース領域１８とドレイン領域１９に電極を接続する。具体的には、図１（Ｃ）に示すように、保護膜１２を貫通するコンタクトホール２７、２８を形成し、それぞれのコンタクトホール２７、２８にソース電極２４、ドレイン電極２６を挿入する。これにより、ソース電極２４とソース領域１８とが接続されると共に、ドレイン電極２６とドレイン領域１９とが接続される。以上のようにして、ＴＦＴ２２ａが製造される。
【実施例】
【００９８】
以下、実施例に基づき、本発明をより具体的に説明する。
【００９９】
１．各試験例
（１）フッ素が含有されたゲート絶縁膜を有するＴＦＴ
フッ素が含有されたゲート絶縁膜を有するＴＦＴを、チャネル領域の長さ（Ｌ）に対する幅（Ｗ）の割合（Ｗ／Ｌ）を異ならせて複数作製した。なお、ゲート絶縁膜の形成は以下の条件に設定した誘電結合型のプラズマＣＶＤ法により行った。
【０１００】
使用ガス  組成  ：ＳｉＦ４、Ｎ２
流量比：ＳｉＦ４／Ｎ２＝１／１０
形成圧力        ：４Ｐａ
高周波電力密度  ：１２ｋＷ
【０１０１】
なお、上記により得られたゲート絶縁膜におけるフッ素の含有比率は、いずれも１〜２５ａｔ％であった。一例を表１に示す。
【０１０２】
【表１】
0006004459.tif 000002
【０１０３】
（２）従来のゲート絶縁膜を有するＴＦＴ
従来の熱酸化膜、即ちフッ素を含有していない酸化珪素（ＳｉＯ２）製のゲート絶縁膜を備えたＴＦＴを複数作製し、上記と同様に、各々のＴＦＴにおいてチャネル領域の長さ（Ｌ）に対する幅（Ｗ）の割合（Ｗ／Ｌ）を異ならせた。なお、ゲート絶縁膜（熱酸化膜）としては水素を含んでいない膜を使用した。
【０１０４】
２．電界効果移動度の測定
上記により得られたＴＦＴの電界効果移動度を、半導体パラメータアナライザーにより測定した。
【０１０５】
結果を図４に示す。図４で縦軸は電界効果移動度であり、横軸はチャネル領域の長さ（Ｌ）に対する幅（Ｗ）の割合（Ｗ／Ｌ）である。前記した通り、図４中のプロットの内、●はゲート絶縁膜にフッ素が含まれたＴＦＴを示し、◆は従来の熱酸化膜からなるゲート絶縁膜が形成されたＴＦＴを示している。なお、図４においては、ゲート絶縁膜にフッ素が含まれたＴＦＴにおける測定結果より求められた近似曲線を実線で、また、従来の熱酸化膜からなるゲート絶縁膜が形成されたＴＦＴにおける測定結果より求められた近似曲線を破線で併せて記載している。
【０１０６】
図４より、フッ素を含有するゲート絶縁膜が形成されたＴＦＴでは、従来の熱酸化膜からなるゲート絶縁膜が形成されたＴＦＴに比べて、常に電界効果移動度が高くなることが分かる。このことから、フッ素を含有するゲート絶縁膜を設けることにより、電界効果移動度を従来よりも向上できることが確認できた。
【０１０７】
次に、フッ素を含有するゲート絶縁膜が形成されたＴＦＴでは、チャネル領域のＷ／Ｌが小さくなるに従って電界効果移動度が増大していることが分かる。そして、チャネル領域のＷ／Ｌが８未満となると２０ｃｍ２／Ｖｓ以上の電界効果移動度が得られることが分かる。
【０１０８】
そして、チャネル領域のＷ／Ｌが１を下回るあたりから、電界効果移動度が急激に上昇し始め、０．８以下のときに５０ｃｍ２／Ｖｓ以上という非常に高い電界効果移動度が得られことが分かる。
【０１０９】
以上、本発明を実施の形態に基づき説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【０１１０】
２、３０        基板
４              拡散防止膜
６              ゲート電極
８              ゲート絶縁膜
１０            酸化物半導体膜
１２            保護膜
１４ａ          構造体
１８            ソース領域
１９            ドレイン領域
２０            チャネル領域
２２ａ          ＴＦＴ
２４            ソース電極
２６            ドレイン電極
２７、２８      コンタクトホール
３２            真空容器
３３            （真空容器の）天井面
３４            真空排気装置
３８            原料ガス
４０            ホルダ
４４            平面導体
４６            給電電極
４８            終端電極
４９            絶縁フランジ
５０            プラズマ
５２            高周波電源
５４            整合回路
５６            シールドボックス
Ｗ              チャネル領域の幅
Ｌ              チャネル領域の長さ
【要約】
【課題】電界効果移動度が２０ｃｍ２／Ｖｓを超えて動作速度が速い薄膜トランジスタとその製造方法および前記薄膜トランジスタを有する半導体装置を提供する。
【解決手段】基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体膜が積層されており、酸化物半導体膜の幅方向の両外側にソース領域とドレイン領域が形成されると共に、ソース領域とドレイン領域とに挟まれた領域にチャネル領域が形成され、ソース領域にソース電極が、ドレイン領域にドレイン電極が接続されている薄膜トランジスタであって、ゲート絶縁膜にフッ素が含有されていると共に、チャネル領域の長さＬに対する幅Ｗの割合（Ｗ／Ｌ）が８未満である薄膜トランジスタ。
【選択図】なし【図１】
0006004459.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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