(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を含み、酸化物半導体が主成分である半導体層を形成することと、
前記半導体層の前記表面に、酸化ケイ素が主成分であり、かつ、水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下である絶縁体層を原料ガスと酸素含有ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって形成することと、を含み、
前記原料ガスは、シリコンとイソシアネート基とを含み、かつ、水素を含まないガスであり、
前記絶縁体層を形成することは、
前記原料ガスの流量を０．００５ｓｃｃｍ／ｃｍ２以上０．１ｓｃｃｍ／ｃｍ２以下に設定すること、
前記原料ガスと前記酸素含有ガスとを成膜空間に供給して混合ガスを生成すること、
１３．５６ＭＨｚあるいは２７．１２ＭＨｚの周波数を有し、０．０７Ｗ／ｃｍ２以上１．５Ｗ／ｃｍ２以下の大きさを有する高周波電力を前記成膜空間に位置する電極に供給して前記混合ガスからプラズマを生成すること、を含む
半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記半導体層を形成することは、酸化物半導体が主成分である少なくとも１つの半導体層を形成することを含み、前記少なくとも１つの半導体層の主成分が、インジウム（Ｉｎ）と酸素（Ｏ）とを含む酸化物半導体、および、亜鉛（Ｚｎ）と酸素（Ｏ）とを含む酸化物半導体のうちのいずれか１つである
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記半導体層を形成することは、酸化物半導体が主成分である少なくとも１つの半導体層を形成することを含み、前記少なくとも１つの半導体層の主成分が、ＩｎＧａＺｎＯ、ＧａＺｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＩｎＴｉＺｎＯ、ＩｎＡｌＺｎＯ、ＺｎＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＡｌＯ、および、ＺｎＣｕＯから構成される群から選択されるいずれか１つである
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記絶縁体層を形成することは、前記原料ガスとして、Ｓｉ（ＮＣＯ）４、Ｓｉ（ＮＣＯ）３Ｃｌ、Ｓｉ（ＮＣＯ）２Ｃｌ２、および、Ｓｉ（ＮＣＯ）Ｃｌ３から構成される群
から選択されるいずれか１つを用いることを含む
請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記絶縁体層を形成することは、前記酸素含有ガスとして、Ｏ２、Ｏ３、Ｎ２Ｏ、ＣＯ、および、ＣＯ２から構成される群から選択されるいずれか１つを用いることを含む
請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記絶縁体層を形成することは、
前記原料ガスとしてテトライソシアネートシランガスを用いること、および、
前記テトライソシアネートシランガスの流量に対する前記電極に供給する前記高周波電力の比を１７Ｗ／ｓｃｃｍ以上に設定すること、を含む
請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
表面を含み、酸化物半導体が主成分である半導体層を形成することと、
前記半導体層の前記表面に、酸化ケイ素が主成分であり、かつ、水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下である絶縁体層を原料ガスと酸素含有ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって形成することと、を含み、
前記原料ガスはテトライソシアネートシランガスであり、
前記絶縁体層を形成することは、
前記原料ガスと前記酸素含有ガスとを前記絶縁体層を形成するための成膜空間に供給して混合ガスを生成すること、
前記成膜空間に位置する電極に電力を供給して前記混合ガスからプラズマを生成することと、
前記テトライソシアネートシランガスの流量に対する前記電極に供給する前記電力の比を１７Ｗ／ｓｃｃｍ以上に設定すること、を含む
半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物半導体を主成分とする半導体層を備える半導体装置の製造方法、および、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化物半導体を主成分とする半導体層を備える薄膜トランジスタとして、ゲート電極を覆うゲート絶縁体層上に形成された半導体層と、半導体層上に形成された絶縁体層とを備える構成が知られている。絶縁体層と、絶縁体層によって覆われていない半導体層の部分には金属層が形成されている。この金属層からソース電極とドレイン電極とを形成するときに、絶縁体層はエッチングストッパ層として機能する。こうした絶縁体層は、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層である（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１６９３９７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、酸化ケイ素層は、プラズマＣＶＤ法を用いて形成されることがある。酸化ケイ素層を形成するときには、シラン（ＳｉＨ４）およびテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）のいずれかが、酸化ケイ素層の原料として用いられることが多い。これらの材料は水素を含むため、半導体層上に形成された酸化ケイ素層も水素を含む。酸化ケイ素層中の水素は、酸化ケイ素層と半導体層との界面において半導体層に向けて拡散し、半導体層を還元することによって、半導体層中に酸素の欠損を生じさせる。こうした半導体層での酸素の欠損は、半導体層を含む薄膜トランジスタの特性、ひいては薄膜トランジスタを備える半導体装置の特性を不安定化させるため、特性のより安定した半導体装置を製造する方法が求められている。【０００５】
本発明は、半導体装置の特性を安定化させることを可能とした半導体装置の製造方法、および、半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様は半導体装置の製造方法である。この方法は、表面を含み、酸化物半導体が主成分である半導体層を形成することと、前記半導体層の前記表面に、酸化ケイ素が主成分であり、かつ、水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下である絶縁体層を形成することと、を含む。【０００７】
別の態様は半導体装置である。半導体装置は、表面を含み、酸化物半導体が主成分である半導体層と、前記半導体層の前記表面に位置する絶縁体層であって、酸化ケイ素が主成分であり、水素原子の濃度が１０２１個／ｃｍ３以下である前記絶縁体層と、を備える。【０００８】
本願発明者らは、半導体層と、半導体層上に位置する絶縁体層とを含む半導体装置について鋭意研究するなかで、以下のことを見出した。すなわち、酸化ケイ素を主成分とする絶縁体層において、水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下であることによって、水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３よりも大きいときに対して、半導体層において生じる酸素の欠損が顕著に抑えられ、これにより半導体装置の特性が安定化することを見出した。この点で、上記構成によれば、水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下である絶縁体層を形成するため、半導体装置の特性を安定化させることができる。【０００９】
上記半導体装置の製造方法において、前記半導体層を形成することは、酸化物半導体が主成分である少なくとも１つの半導体層を形成することを含み得る。この場合、前記少なくとも１つの半導体層の主成分は、インジウム（Ｉｎ）と酸素（Ｏ）とを含む酸化物半導体、および、亜鉛（Ｚｎ）と酸素（Ｏ）とを含む酸化物半導体のうちのいずれか１つであり得る。例えば、前記少なくとも１つの半導体層の主成分は、ＩｎＧａＺｎＯ、ＧａＺｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＩｎＴｉＺｎＯ、ＩｎＡｌＺｎＯ、ＺｎＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＡｌＯ、および、ＺｎＣｕＯから構成される群から選択されるいずれか１つであり得る。【００１０】
従って、上記半導体装置において、前記半導体層は、酸化物半導体が主成分である少なくとも１つの半導体層を含み得る。この場合、前記少なくとも１つの半導体層の主成分は、インジウム（Ｉｎ）と酸素（Ｏ）とを含む酸化物半導体、および、亜鉛（Ｚｎ）と酸素（Ｏ）とを含む酸化物半導体のうちのいずれか１つであり得る。例えば、前記少なくとも１つの半導体層の主成分は、ＩｎＧａＺｎＯ、ＧａＺｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＩｎＴｉＺｎＯ、ＩｎＡｌＺｎＯ、ＺｎＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＡｌＯ、および、ＺｎＣｕＯから構成される群から選択されるいずれか１つであり得る。【００１１】
上記構成によれば、半導体層の主成分が、上記群から選択されるいずれか１つの酸化物半導体であるときに、半導体装置の特性を安定化させることができる。
上記半導体装置の製造方法において、前記絶縁体層を形成することは、原料ガスと酸素含有ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって前記絶縁体層を形成することを含み得る。この場合、前記原料ガスは、シリコンとイソシアネート基とを含み、かつ、水素を含まないガスであることが好ましい。【００１２】
上記構成によれば、絶縁体層の原料である原料ガスが水素を含まないため、絶縁体層における水素原子の濃度が、１×１０２１個／ｃｍ３以下になる確実性が高まる。
上記半導体装置の製造方法において、前記絶縁体層を形成することは、前記原料ガスとして、Ｓｉ（ＮＣＯ）４、Ｓｉ（ＮＣＯ）３Ｃｌ、Ｓｉ（ＮＣＯ）２Ｃｌ２、および、Ｓｉ（ＮＣＯ）Ｃｌ３から構成される群から選択されるいずれか１つを用いることを含み得る。【００１３】
上記半導体装置の製造方法において、前記絶縁体層を形成することは、前記酸素含有ガスとして、Ｏ２、Ｏ３、Ｎ２Ｏ、ＣＯ、および、ＣＯ２から構成される群から選択されるいずれか１つを用いることを含み得る。【００１４】
上記半導体装置の製造方法において、前記絶縁体層を形成することは、前記原料ガスと前記酸素含有ガスとを前記絶縁体層を形成するための成膜空間に供給して混合ガスを生成することと、前記成膜空間に位置する電極に電力を供給して前記混合ガスからプラズマを生成することと、を含むことが好ましい。【００１５】
上記構成によれば、プラズマが生成された当初から、原料ガスから生成された活性種が酸素ガスから生成された活性種によって酸化される。
上記半導体装置の製造方法において、前記絶縁体層を形成することは、原料ガスとしてテトライソシアネートシランガスを用いること、および、前記テトライソシアネートシランガスの流量に対する前記電極に供給する前記電力の比を１７Ｗ／ｓｃｃｍ以上に設定することを含むことが好ましい。【００１６】
本願発明者らは、半導体装置の製造方法について鋭意研究するなかで、以下のことを見出した。すなわち、テトライソシアネートシランガスと酸素ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって絶縁体層を形成するときには、テトライソシアネートシランガスの流量に対して、電極に供給する電力の比が、１７Ｗ／ｓｃｃｍ以上であるときに、絶縁体層に含まれる水素原子の濃度が、１×１０２１個／ｃｍ３以下になる確実性が高まることを見出した。この点で、上記構成によれば、水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下である絶縁体層を形成する確実性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】半導体装置の製造方法における一実施形態において半導体層の形成に用いられる装置の一例であるスパッタ装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】絶縁体層の形成に用いられる装置の一例であるプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示すブロック図。
【図３】薄膜トランジスタの一実施形態における半導体装置の断面構造を示す断面図。
【図４】試験例において得た積層体の断面構造を示す断面図。
【図５】高周波電力と絶縁体層における水素原子の濃度との関係を示すグラフ。
【図６】高周波電力と絶縁体層における炭素原子の濃度との関係を示すグラフ。
【図７】高周波電力と絶縁体層における窒素原子の濃度との関係を示すグラフ。
【図８】高周波電力と絶縁体層における屈折率との関係を示すグラフ。
【図９】高周波電力と絶縁体層における膜ストレスとの関係を示すグラフ。
【図１０】絶縁体層における水素原子の濃度とキャリア濃度との関係を示すグラフ。
【図１１】実施例１の薄膜トランジスタにおける電圧‐電流特性を示すグラフ。
【図１２】比較例１の薄膜トランジスタにおける電圧‐電流特性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１から図１２を参照して、半導体装置の製造方法、および、半導体装置の一実施形態を説明する。以下では、半導体装置の製造方法、薄膜トランジスタの構成、試験例、および、実施例を順に説明する。
【００１９】
［半導体装置の製造方法］
図１および図２を参照して、半導体装置の製造方法を説明する。
半導体装置の製造方法は、半導体層を形成することと、絶縁体層を形成することとを含む。半導体層を形成することは、表面を含み、酸化物半導体が主成分である半導体層を形成することを含む。絶縁体層を形成することは、半導体層の表面に、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が主成分であり、かつ、水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下である絶縁体層を形成することを含む。
【００２０】
こうした方法によれば、水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下である絶縁体層を形成するため、半導体装置の特性を安定化させることができる。
以下では、図１を参照して、半導体層の形成に用いられる装置の一例であるスパッタ装置の構成を説明し、図２を参照して、絶縁体層の形成に用いられる装置の一例であるプラズマＣＶＤ装置の構成を説明する。なお、スパッタ装置以外の装置を用いて上述した酸化物半導体が主成分である半導体層を形成してもよい。また、プラズマＣＶＤ装置以外の装置を用いて絶縁体層を形成してもよい。
【００２１】
図１が示すように、スパッタ装置１０は、半導体層を形成するための成膜空間を区画する真空槽１１を備え、真空槽１１の内部には、半導体層が成膜される成膜対象Ｓを支持する支持部１２が位置している。支持部１２は、例えば、成膜対象Ｓを支持するステージである。
【００２２】
真空槽１１のなかで、支持部１２と対向する位置には、半導体層を形成するためのカソード１３が位置している。カソード１３は、ターゲット１３ａとバッキングプレート１３ｂとを含んでいる。ターゲット１３ａの主成分は酸化物半導体であり、酸化物半導体は、ＩｎＧａＺｎＯ（ＩＧＺＯ）、ＧａＺｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＩｎＴｉＺｎＯ、ＩｎＡｌＺｎＯ、ＺｎＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＡｌＯ、および、ＺｎＣｕＯから構成される群から選択されるいずれか１つであることが好ましい。ターゲット１３ａのうち、９０質量％以上が、酸化物半導体である。
【００２３】
なお、半導体層を形成することは、上述した酸化物半導体の群から選択されるいずれか１つを主成分とする１つの半導体層を形成してもよいし、２つ以上の半導体層を形成してもよい。すなわち、半導体層を形成することは、酸化物半導体を主成分とする少なくとも１つの半導体層を形成することを含み得る。この場合、各半導体層は、ＩｎＧａＺｎＯ、ＧａＺｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＩｎＴｉＺｎＯ、ＩｎＡｌＺｎＯ、ＺｎＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＡｌＯ、および、ＺｎＣｕＯから構成される群から選択されるいずれか１つを主成分として含む。即ち、半導体層の主成分は、インジウム（Ｉｎ）と酸素（Ｏ）とを含む酸化物半導体、および、亜鉛（Ｚｎ）と酸素（Ｏ）とを含む酸化物半導体のうちのいずれか１つとすることができる。
【００２４】
バッキングプレート１３ｂは金属製であり、バッキングプレート１３ｂの形成材料は、例えば銅である。バッキングプレート１３ｂには、上述したターゲット１３ａが固定されている。なお、カソード１３の全体が真空槽１１内に位置していなくてもよく、少なくともターゲット１３ａの被スパッタ面が真空槽１１内に露出していればよい。
【００２５】
スパッタ装置１０はターゲット電源１４を備え、ターゲット電源１４はバッキングプレート１３ｂに接続している。ターゲット電源１４がバッキングプレート１３ｂに電圧を印加することによって、バッキングプレート１３ｂを介してターゲット１３ａに電圧が印加される。
【００２６】
スパッタ装置１０は、排気部１５とスパッタガス供給部１６とをさらに備えている。排気部１５は、真空槽１１が区画する成膜空間を所定の圧力にまで減圧する。排気部１５は、例えばポンプとバルブとを含んでいる。スパッタガス供給部１６は、ターゲット１３ａをスパッタするためのプラズマの生成に用いられるスパッタガスを真空槽１１内に供給する。スパッタガス供給部１６は、例えば、スパッタガスを所定の流量で供給するマスフローコントローラーであり、スパッタ装置１０の外部に位置するボンベに接続している。スパッタガス供給部１６の供給するスパッタガスは、例えばアルゴンガスなどの希ガスであってもよいし、酸素ガスなどの酸素含有ガスであってもよい。
【００２７】
スパッタ装置１０では、成膜対象Ｓが支持部１２に配置されると、排気部１５が所定の圧力にまで成膜空間を減圧する。次いで、スパッタガス供給部１６がスパッタガスを真空槽１１内に供給した後、ターゲット電源１４が、バッキングプレート１３ｂを介してターゲット１３ａに電圧を印加する。これにより、ターゲット１３ａにおける被スパッタ面の周りにプラズマが生成される。プラズマ中の正イオンがターゲット１３ａに向けて飛行することによって、ターゲット１３ａの被スパッタ面がスパッタされる。結果として、成膜対象Ｓの成膜面に酸化物半導体を主成分とする半導体層が形成される。
【００２８】
図２が示すように、プラズマＣＶＤ装置２０は、絶縁体層を形成するための成膜空間を区画する真空槽２１を備え、真空槽２１の内部には、半導体層３１が形成された成膜対象Ｓを支持する支持部２２が位置している。支持部２２は、例えば、半導体層３１と成膜対象Ｓとの積層体を支持するステージである。
【００２９】
真空槽２１内において、支持部２２と対向する位置には、拡散部２３が位置している。拡散部２３は、絶縁体層を形成するためのガスを真空槽２１内に拡散する機能を有している。拡散部２３は、例えば金属製のシャワープレートである。拡散部２３は、プラズマＣＶＤ装置２０が備える電極の一例でもある。
【００３０】
プラズマＣＶＤ装置２０は排気部２４を備え、排気部２４は、真空槽２１が区画する成膜空間を所定の圧力にまで減圧する。排気部２４は、スパッタ装置１０の排気部１５と同様、例えばポンプとバルブとを含んでいる。
【００３１】
プラズマＣＶＤ装置２０は、成膜ガス供給ユニット２５、酸素含有ガス供給部２６、加熱部２７、および、高周波電源２８をさらに備えている。成膜ガス供給ユニット２５は、恒温槽２５ａ、貯蔵部２５ｂ、および、成膜ガス供給部２５ｃを含んでいる。恒温槽２５ａは、貯蔵部２５ｂおよび成膜ガス供給部２５ｃを収容する収容空間を区画し、収容空間の温度を所定の温度に保つ。貯蔵部２５ｂは、液体状の成膜材料Ｍを貯蔵している。貯蔵部２５ｂ内では、成膜材料Ｍが気液平衡の状態である。成膜ガス供給部２５ｃは真空槽２１に接続され、気化した成膜材料Ｍを所定の流量で真空槽２１内に供給するマスフローコントローラーである。成膜ガス供給部２５ｃは、例えば０．００５ｓｃｃｍ／ｃｍ２以上０．１ｓｃｃｍ／ｃｍ２以下の流量で、成膜材料Ｍのガスを真空槽２１に供給する。
【００３２】
成膜材料Ｍは、例えばテトライソシアネートシラン（Ｓｉ（ＮＣＯ）４：ＴＩＣＳ）であり、プラズマＣＶＤ装置２０は、テトライソシアネートシランと酸素とを用いたプラズマＣＶＤ法によって絶縁体層を形成する。絶縁体層の原料であるテトライソシアネートシランが水素を含まないため、絶縁体層における水素原子の濃度が、１×１０２１個／ｃｍ３以下になる確実性が高まる。
【００３３】
なお、成膜材料Ｍには、Ｓｉ（ＮＣＯ）４に限らず、シリコン（Ｓｉ）とイソシアネート基（ＮＣＯ）とを含み、かつ、水素を含まない材料を用いることができる。成膜材料Ｍには、例えば、Ｓｉ（ＮＣＯ）３Ｃｌ、Ｓｉ（ＮＣＯ）２Ｃｌ２、および、Ｓｉ（ＮＣＯ）Ｃｌ３のいずれかを用いることができる。プラズマＣＶＤ装置２０では、成膜材料Ｍが気化したガスである原料ガスが真空槽２１に供給される。すなわち、絶縁体層を形成することでは、原料ガスとして、Ｓｉ（ＮＣＯ）４、Ｓｉ（ＮＣＯ）３Ｃｌ、Ｓｉ（ＮＣＯ）２Ｃｌ２、および、Ｓｉ（ＮＣＯ）Ｃｌ３から構成される群から選択されるいずれか１つを用いることができる。
【００３４】
酸素含有ガス供給部２６は、加熱部２７を介して真空槽２１に接続されている。酸素含有ガス供給部２６は、例えば酸素ガス（Ｏ２）を所定の流量で真空槽２１に供給するマスフローコントローラーであり、プラズマＣＶＤ装置２０の外部に位置するボンベに接続されている。加熱部２７は、酸素含有ガス供給部２６から出力された酸素ガスを所定の温度に加熱する。加熱部２７は、例えば５０℃以上２００℃以下の温度に酸素ガスを加熱する。
【００３５】
なお、酸素含有ガス供給部２６は、Ｏ２に限らず、Ｏ３、Ｎ２Ｏ、ＣＯ、および、ＣＯ２のいずれか１つを酸素含有ガスとして供給してもよい。すなわち、絶縁体層を形成することは、酸素含有ガスとして、Ｏ２、Ｏ３、Ｎ２Ｏ、ＣＯ、および、ＣＯ２から構成される群から選択されるいずれか１つを用いることを含み得る。
【００３６】
また、酸素含有ガス供給部２６から供給される酸素含有ガスは、不活性ガスによって希釈された状態で真空槽２１に供給されてもよい。不活性ガスには、例えば、Ｎ２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、または、Ｘｅなどを用いることができる。
【００３７】
高周波電源２８は拡散部２３に接続し、高周波電源２８が拡散部２３に電力を供給すると、真空槽２１内の拡散部２３の周りに、テトライソシアネートシランガスと酸素ガスとから構成される混合ガスから、プラズマが生成される。高周波電源２８は、例えば１３．５６ＭＨｚあるいは２７．１２ＭＨｚの周波数を有した高周波電力を、０．０７Ｗ／ｃｍ２以上１．５Ｗ／ｃｍ２以下の大きさで、拡散部２３に供給する。
【００３８】
絶縁体層を形成するとき、テトライソシアネートシランガスの流量に対する電力の比は、１７Ｗ／ｓｃｃｍ以上であることが好ましい。これにより、水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下である絶縁体層を形成する確実性が高まる。
【００３９】
プラズマＣＶＤ装置２０では、半導体層３１が積層された成膜対象Ｓが支持部２２に配置されると、排気部２４が所定の圧力にまで真空槽２１内を減圧する。次いで、成膜ガス供給部２５ｃがテトライソシアネートシランガスを真空槽２１に供給し、かつ、酸素含有ガス供給部２６が酸素ガスを真空槽２１に供給した後、高周波電源２８が拡散部２３に電力を供給する。これにより、拡散部２３の周りに、上述した混合ガスからプラズマが生成される。そして、プラズマ中の活性種が半導体層３１上に到達することによって、半導体層３１上に酸化ケイ素が主成分である絶縁体層が形成される。
【００４０】
このように、一実施形態では、絶縁体層を形成することは、テトライソシアネートシランガスと酸素ガスとを絶縁体層を形成するための成膜空間に供給して混合ガスを生成することと、成膜空間に位置する電極の一例である拡散部２３に電力を供給して混合ガスからプラズマを生成することとを含み得る。このような実施形態では、プラズマが生成された当初から、テトライソシアネートシランガスから生成された活性種が酸素ガスから生成された活性種によって酸化される。
【００４１】
［薄膜トランジスタの構成］
図３を参照して半導体装置の構成を説明する。
図３が示すように、半導体装置の一例である薄膜トランジスタ３０は、半導体層３１と絶縁体層３２とを備えている。半導体層３１は表面３１ｓを含み、かつ、半導体層３１において、酸化物半導体が主成分である。半導体層３１では、上述したターゲット１３ａと同様、９０質量％以上が酸化物半導体である。
【００４２】
絶縁体層３２は、半導体層３１の表面３１ｓに位置し、絶縁体層３２において、酸化ケイ素が主成分であり、水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下である。絶縁体層３２は、半導体層３１の表面３１ｓと、半導体層３１によって覆われていないゲート絶縁体層３５の部分とを覆っている。
【００４３】
本実施形態では、半導体層３１として単一の半導体層から形成される例を説明しているが、半導体層３１は、少なくとも１つの半導体層を含むことができる。すなわち、半導体層３１は、２層以上の複数の半導体層から構成されてもよい。各半導体層の主成分は、ＩｎＧａＺｎＯ、ＧａＺｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＩｎＴｉＺｎＯ、ＩｎＡｌＺｎＯ、ＺｎＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＡｌＯ、および、ＺｎＣｕＯから構成される群から選択されるいずれか１つであることが好ましい。
【００４４】
薄膜トランジスタ３０は上述した成膜対象Ｓを含み、成膜対象Ｓは、基板３３、ゲート電極３４、および、ゲート絶縁体層３５から構成されている。ゲート電極３４は、基板３３の表面の一部に位置し、ゲート絶縁体層３５は、ゲート電極３４の全体と、ゲート電極３４によって覆われていない基板２２の表面とを覆っている。基板３３は、例えば各種の樹脂から形成された樹脂基板、および、ガラス基板のいずれかであればよく、ゲート電極３４の形成材料には、例えばモリブデンなどを用いることができる。ゲート絶縁体層３５には、例えば酸化ケイ素層、または、酸化ケイ素層と窒化シリコン層との積層体などを用いることができる。
【００４５】
半導体層３１は、ゲート絶縁体層３５の表面のうち、薄膜トランジスタ３０を構成する各層の積み重なる方向において、ゲート電極３４と重なるように位置している。薄膜トランジスタ３０は、ソース電極３６およびドレイン電極３７をさらに備え、ソース電極３６およびドレイン電極３７は、薄膜トランジスタ３０の断面に沿う配列方向（図３の左右方向）において、所定の間隔を空けて並んでいる。ソース電極３６は、絶縁体層３２の一部を覆い、ドレイン電極３７は、絶縁体層３２における他の一部を覆っている。ソース電極３６およびドレイン電極３７の各々は、絶縁体層３２に形成されたコンタクトホールを介して半導体層３１と電気的に接続している。ソース電極３６の形成材料、および、ドレイン電極３７の形成材料には、例えばモリブデン、または、アルミニウムなどを用いることができる。
【００４６】
薄膜トランジスタ３０は保護膜３８をさらに備え、保護膜３８は、ソース電極３６およびドレイン電極３７の両方から露出する絶縁体層３２の部分とともに、ソース電極３６およびドレイン電極３７を覆っている。保護膜３８の形成材料には、例えば酸化ケイ素などを用いることができる。
【００４７】
［試験例］
図４から図１２を参照して、試験例を説明する。
［積層体の構成］
図４を参照して試験例の積層体４０の構成を説明する。
【００４８】
試験例では、絶縁体層が含む水素原子が半導体層に与える影響を評価するために、図４を参照して以下に説明する積層体４０を用いた。
図４が示すように、積層体４０は、ガラス基板４１と、ガラス基板４１の表面の一部に位置する半導体層４２と、絶縁体層４３とを備えている。絶縁体層４３は、半導体層４２の表面の一部と、半導体層４２に覆われていないガラス基板４１の表面上とに位置している。絶縁体層４３は、半導体層４２の表面上に位置する第１部分４３Ａと、積層体４０の断面に沿う配列方向（図４の左右方向）において、第１部分４３Ａを挟む第２部分４３Ｂおよび第３部分４３Ｃを備えている。
【００４９】
配列方向において、第１部分４３Ａと第２部分４３Ｂとの間には、第１電極層４４Ａが位置し、第１電極層４４Ａは、半導体層４２の一部、第１部分４３Ａの一部、および、第２部分４３Ｂの一部を覆っている。配列方向において、第１部分４３Ａと第３部分４３Ｃとの間には、第２電極層４４Ｂが位置し、第２電極層４４Ｂは、半導体層４２の一部、第１部分４３Ａの一部、および、第３部分４３Ｃの一部を覆っている。
【００５０】
なお、半導体層４２の主成分はＩＧＺＯであり、絶縁体層４３の主成分はＳｉＯ２である。半導体層４２の厚さは５０ｎｍであり、絶縁体層４３の厚さは１００ｎｍである。第１電極層４４Ａの形成材料、および、第２電極層４４Ｂの形成材料は、Ｍｏである。
【００５１】
積層体４０を形成するときには、まず、ガラス基板４１の表面に半導体層を形成し、マスクを介してその半導体層をエッチングすることによって、半導体層４２を形成する。次いで、半導体層４２の表面における全体、および、半導体層４２に覆われていないガラス基板４１の表面上に、プラズマＣＶＤ法によって絶縁体層を形成する。そして、マスクを介してその絶縁体層をエッチングすることによって、第１部分４３Ａ、第２部分４３Ｂ、および、第３部分４３Ｃを有した絶縁体層４３を形成する。その後、半導体層４２、絶縁体層４３の第１部分４３Ａ、第２部分４３Ｂ、および、第３部分４３Ｃを覆うように金属層を形成する。次いで、マスクを介して金属層をエッチングすることによって、第１電極層４４Ａと第２電極層４４Ｂとを形成する。
【００５２】
［成膜条件］
積層体４０の半導体層４２と絶縁体層４３とを以下の条件で形成した。
［半導体層］
・ターゲット                  ＩｎＧａＺｎＯ
・スパッタガス                アルゴンガス／酸素ガス
・スパッタガスの流量          ８０ｓｃｃｍ／６ｓｃｃｍ
・成膜空間の圧力              ０．３Ｐａ
・ターゲットに印加される電力  ２４０Ｗ
・ターゲットの面積            ８１ｃｍ２（直径４インチ）
［絶縁体層］
・成膜ガス                    テトライソシアネートシラン（ＴＩＣＳ）
・成膜ガスの流量              ５５ｓｃｃｍ
・酸素ガスの流量              ２５００ｓｃｃｍ
・成膜空間の圧力              １７５Ｐａ
・高周波電力                  ４００Ｗ以上４０００Ｗ以下
・電極の面積                  ２７００ｃｍ２
［評価］
［各原子の濃度］
絶縁体層を形成するときに、高周波電力の値を４００Ｗ以上４０００Ｗ以下の間で変更することによって、絶縁体層を形成するときにおける高周波電力の値が互いに異なる複数の積層体を得た。そして、各積層体が備える絶縁体層において、水素原子の濃度（個／ｃｍ３）、炭素原子の濃度（個／ｃｍ３）、および、酸素原子の濃度（個／ｃｍ３）をそれぞれ測定した。各原子の濃度の測定には、二次イオン質量分析装置（ＡＤＥＰＴ１０１０、アルバック・ファイ（株）製）を用いた。
【００５３】
図５が示すように、絶縁体層４３を形成するときの高周波電力が大きくなるほど、絶縁体層４３における水素原子の濃度は小さくなることが認められた。例えば、絶縁体層４３における水素原子の濃度は、高周波電力が４００Ｗであるとき１×１０２２個／ｃｍ３であり、高周波電力が８００Ｗであるとき３×１０２１個／ｃｍ３であり、高周波電力が１０００Ｗであるとき９×１０２０個／ｃｍ３であり、高周波電力が１６００Ｗであるとき２×１０２０個／ｃｍ３であることが認められた。また、水素原子の濃度は、高周波電力が３０００Ｗであるとき９×１０１９個／ｃｍ３であり、高周波電力が４０００Ｗであるとき５×１０１９個／ｃｍ３であることが認められた。
【００５４】
上述したように、成膜ガスの流量は５５ｓｃｃｍであるため、高周波電力が４００Ｗであるとき、高周波電力に対する成膜ガスの流量の比は７Ｗ／ｓｃｃｍであり、高周波電力が８００Ｗであるとき、高周波電力に対する成膜ガスの流量の比は１５Ｗ／ｓｃｃｍである。また、高周波電力が１０００Ｗであるとき、高周波電力に対する成膜ガスの流量の比は１８Ｗ／ｓｃｃｍであり、高周波電力が１６００Ｗであるとき、高周波電力に対する成膜ガスの流量の比は２９Ｗ／ｓｃｃｍである。高周波電力が３０００Ｗであるとき、高周波電力に対する成膜ガスの流量の比は５５Ｗ／ｓｃｃｍであり、高周波電力が４０００Ｗであるとき、高周波電力に対する成膜ガスの流量の比は７２Ｗ／ｓｃｃｍである。つまり、水素原子の濃度の測定結果によれば、高周波電力に対する成膜ガスの流量の比が１７Ｗ／ｓｃｃｍ以上であれば、絶縁体層における水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下である確実性が高まることが認められた。
【００５５】
また、成膜ガスとしてテトラエトキシシランガス（ＴＥＯＳ）を用いて絶縁体層を形成したとき、絶縁体層における水素原子の濃度は、４×１０２１個／ｃｍ３であり、成膜ガスとしてシランガス（ＳｉＨ４）を用いて絶縁体層を形成したとき、絶縁体層４３における水素原子の濃度は、２×１０２１個／ｃｍ３であることが認められた。ＴＥＯＳガス、および、ＳｉＨ４ガスの各々を用いたときの成膜条件は以下のように設定した。
【００５６】
［ＴＥＯＳ］
・成膜ガス                    テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）
・成膜ガスの流量              １００ｓｃｃｍ
・酸素ガスの流量              ５０００ｓｃｃｍ
・成膜空間の圧力              １７５Ｐａ
・高周波電力                  １６００Ｗ
・電極の面積                  ２７００ｃｍ２
［ＳｉＨ４］
・成膜ガス                    シラン（ＳｉＨ４）
・成膜ガスの流量              ７０ｓｃｃｍ
・Ｎ２Ｏガスの流量            ３５００ｓｃｃｍ
・成膜空間の圧力              ２００Ｐａ
・高周波電力                  ８００Ｗ
・電極の面積                  ２７００ｃｍ２
図６が示すように、絶縁体層４３において、絶縁体層４３を形成するときの高周波電力の大きさに対する炭素原子の濃度の依存性は小さいことが認められた。絶縁体層４３における炭素原子の濃度は、高周波電力が４００Ｗであるとき３×１０１９個／ｃｍ３であり、高周波電力が８００Ｗであるとき７×１０１９個／ｃｍ３であり、高周波電力が１０００Ｗであるとき４×１０１９個／ｃｍ３であることが認められた。また、炭素原子の濃度は、高周波電力が１６００Ｗであるとき１×１０１９個／ｃｍ３であり、高周波電力が３０００Ｗであるとき２×１０１９個／ｃｍ３であり、高周波電力が４０００Ｗであるとき２×１０１９個／ｃｍ３であることが認められた。
【００５７】
図７が示すように、絶縁体層４３を形成するときの高周波電力が１６００Ｗ未満であるときには、高周波電力が大きくなるほど絶縁体層４３における窒素原子の濃度は大きくなり、高周波電力が１６００Ｗ以上では、高周波電力の大きさに対する窒素原子の濃度の依存性が小さいことが認められた。例えば、絶縁体層４３における窒素原子の濃度は、高周波電力が４００Ｗであるとき４×１０１９個／ｃｍ３であり、高周波電力が８００Ｗであるとき２×１０２０個／ｃｍ３であり、高周波電力が１０００Ｗであるとき２×１０２０個／ｃｍ３であることが認められた。また、窒素原子の濃度は、高周波電力が１６００Ｗであるとき４×１０２０個／ｃｍ３であり、高周波電力が３０００Ｗであるとき３×１０２０個／ｃｍ３であり、高周波電力が４０００Ｗであるとき３×１０２０個／ｃｍ３であることが認められた。
【００５８】
［屈折率］
各積層体が備える絶縁体層において屈折率を測定した。屈折率の測定には、分光エリプソメーター（Ｍ−２０００Ｖ、ジェー・エー・ウーラム社製）を用いた。
【００５９】
図８が示すように、絶縁体層４３を形成するときの高周波電力が大きくなるほど、絶縁体層４３における屈折率が大きくなることが認められた。例えば、絶縁体層４３における屈折率は、高周波電力が４００Ｗであるとき１．４４６であり、高周波電力が８００Ｗであるとき１．４６１であり、高周波電力が１０００Ｗであるとき１．４６４であることが認められた。また、屈折率は、高周波電力が１６００Ｗであるとき１．４７０であり、高周波電力が３０００Ｗであるとき１．４７３であり、高周波電力が４０００Ｗであるとき１．４７９であることが認められた。
【００６０】
［膜ストレス］
各積層体が備える絶縁体層において膜ストレスを測定した。膜ストレスの測定には、薄膜応力測定装置（ＦＬＸ−２０００−Ａ、東邦テクノロジー（株）製）を用いた。
【００６１】
図９が示すように、絶縁体層４３を形成するときの高周波電力の大きさに関わらず、絶縁体層４３には、圧縮応力が生じることが認められた。また、絶縁体層４３を形成するときの高周波電力が大きくなるほど、絶縁体層４３における圧縮応力の絶対値が大きくなることが認められた。例えば、絶縁体層４３における膜ストレスは、高周波電力が４００Ｗであるとき−３０ＭＰａであり、高周波電力が８００Ｗであるとき−１４０ＭＰａであり、高周波電力が１０００Ｗであるとき−１９６ＭＰａであることが認められた。また、膜ストレスは、高周波電力が１６００Ｗであるとき−２７０ＭＰａであり、高周波電力が３０００Ｗであるとき−３３０ＭＰａであり、高周波電力が４０００Ｗであるとき−３９８ＭＰａであることが認められた。
【００６２】
［キャリア濃度］
各積層体が備える半導体層においてキャリア濃度を測定した。キャリア濃度の測定には、ホール効果測定器（ＨＬ５５００１Ｕ、ナノメトリクス社製）を用いた。
【００６３】
図１０が示すように、絶縁体層４３における水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３よりも大きいときには、半導体層４２におけるキャリアの濃度が１×１０１６個／ｃｍ３よりも大きいことが認められた。これに対して、絶縁体層４３における水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下であるときには、半導体層４２におけるキャリアの濃度が１×１０１３個／ｃｍ３よりも小さいことが認められた。すなわち、絶縁体層４３における水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下であることによって、水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３よりも大きい絶縁体層と比べて、半導体層４２におけるキャリアの濃度が顕著に小さくなることが認められた。絶縁体層４３における水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下であることによって、絶縁体層４３の下層である半導体層４２の還元による酸素の欠損が顕著に抑えられたため、こうした結果が得られたと考えられる。
【００６４】
［実施例］
［実施例１］
図３を参照して先に説明した構造を有する薄膜トランジスタであって、ゲート電極、ゲート絶縁体層、半導体層、絶縁体層、ソース電極、ドレイン電極、および、保護膜を備える実施例１の薄膜トランジスタを形成した。なお、実施例１の薄膜トランジスタでは、絶縁体層の成膜条件を試験例のなかでＴＩＣＳを用いたときと同じ条件とし、半導体層の成膜条件を試験例と同じ条件とした。ただし、絶縁体層を形成するときの高周波電力を１６００Ｗとした。また、実施例１の薄膜トランジスタでは、ゲート電極、ソース電極、および、ドレイン電極の形成材料をモリブデンとし、ゲート絶縁体層の形成材料を酸化ケイ素とし、保護層の形成材料を酸化ケイ素とした。
【００６５】
［比較例１］
絶縁体層の成膜条件を試験例のなかでＳｉＨ４を用いたときと同じ条件とした以外は、実施例１と同じ方法で比較例１の薄膜トランジスタを形成した。
【００６６】
［評価］
半導体パラメータアナライザ（４１５５Ｃ、アジレント・テクノロジー社製）を用いて、実施例１の薄膜トランジスタ、および、比較例１の薄膜トランジスタの各々におけるトランジスタ特性、すなわち電圧（Ｖｇ）‐電流（Ｉｄ）特性を測定した。トランジスタ特性の測定条件を以下のように設定した。
【００６７】
・ソース電圧                  ０Ｖ
・ドレイン電圧                ５Ｖ
・ゲート電圧                  −１５Ｖから２０Ｖ
・ガラス基板の温度            室温
図１１が示すように、実施例１の薄膜トランジスタでは、閾値電圧が５．３Ｖであり、オン電圧が０．６６Ｖであり、電子移動度が１０．２Ｖ／ｃｍ２・ｃｅｃであり、サブスレッショルドスイング値が０．３１Ｖ／ｄｅｃａｄｅであることが認められた。なお、オン電圧は、ドレイン電流が１０−９Ａ／ｃｍ２であるときのゲート電圧である。このように、実施例１の薄膜トランジスタであれば、すなわち、水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下である絶縁体層を備える薄膜トランジスタであれば、薄膜トランジスタが正常に動作すること、言い換えれば、トランジスタ特性が安定であることが認められた。
【００６８】
これに対して、図１２が示すように、比較例１の薄膜トランジスタであって、水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３よりも大きい絶縁体層を備える薄膜トランジスタは正常に動作しない、言い換えれば、トランジスタ特性が不安定であることが認められた。
【００６９】
以上説明したように、半導体装置の製造方法および半導体装置の一実施形態によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
（１）水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下である絶縁体層３２を形成するため、薄膜トランジスタ３０の特性を安定化させることができる。
【００７０】
（２）絶縁体層３２の原料であるテトライソシアネートシラン（ＴＩＣＳ）が水素を含まないため、絶縁体層３２における水素原子の濃度が、１×１０２１個／ｃｍ３以下になる確実性が高まる。
【００７１】
（３）プラズマが生成された当初から、テトライソシアネートシランガスから生成された活性種が酸素ガスから生成された活性種によって酸化される。
（４）テトライソシアネートシランガスの流量に対して、拡散部２３に供給する電力の比が１７Ｗ／ｓｃｃｍ以上であれば、絶縁体層に含まれる水素原子の濃度が１×１０２１個／ｃｍ３以下になる確実性が高まる。
【００７２】
なお、上述した実施形態は、以下のように適宜変更して実施することができる。
・半導体装置は、上述した薄膜トランジスタ３０に限らず、薄膜トランジスタ３０以外の半導体素子を含んでいてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１０…スパッタ装置、１１，２１…真空槽、１２，２２…支持部、１３…カソード、１３ａ…ターゲット、１３ｂ…バッキングプレート、１４…ターゲット電源、１５，２４…排気部、１６…スパッタガス供給部、２０…プラズマＣＶＤ装置、２３…拡散部、２５…成膜ガス供給ユニット、２５ａ…恒温槽、２５ｂ…貯蔵部、２５ｃ…成膜ガス供給部、２６…酸素含有ガス供給部、２７…加熱部、２８…高周波電源、３０…薄膜トランジスタ、３１，４２…半導体層、３１ｓ…表面、３２，４３…絶縁体層、３３…基板、３４…ゲート電極、３５…ゲート絶縁体層、３６…ソース電極、３７…ドレイン電極、３８…保護膜、４０…積層体、４１…ガラス基板、４３Ａ…第１部分、４３Ｂ…第２部分、４３Ｃ…第３部分、４４Ａ…第１電極層、４４Ｂ…第２電極層、Ｍ…成膜材料、Ｓ…成膜対象。
【図１】
0006763093.tif 000002
【図２】
0006763093.tif 000003
【図３】
0006763093.tif 000004
【図４】
0006763093.tif 000005
【図５】
0006763093.tif 000006
【図６】
0006763093.tif 000007
【図７】
0006763093.tif 000008
【図８】
0006763093.tif 000009
【図９】
0006763093.tif 000010
【図１０】
0006763093.tif 000011
【図１１】
0006763093.tif 000012
【図１２】
0006763093.tif 000013