膜形成方法及薄膜晶体管的制作方法与流程

本发明涉及一种在氧化物半导体膜上形成氟化硅氮化膜(sin：f膜)的方法及使用所述方法制作薄膜晶体管的方法。

背景技术：

已知如下膜形成方法：利用使用含有四氟化硅气体(sif4)及氮气(n2)的原料气体的等离子体化学气相沉积(chemicalvapordeposition，cvd)法，在氧化物半导体膜(例如铟镓锌氧化物(indiumgalliumzincoxide，igzo)膜)上直接或介隔其他要素而形成氟化硅氮化膜(sin：f膜)(例如参照专利文献1)。

氟化硅氮化膜具有以下特长：具有稳定的电气绝缘特性，并且与一直以来常被用作绝缘膜的硅氧化膜(sio2)相比更致密，故防止杂质扩散的效果大。

现有技术文献

专利文献

专利文献1日本专利第5454727号公报(段落0050～段落0055、段落0062、段落0065)

技术实现要素：

发明所要解决的问题

关于如上所述的现有的膜形成方法，得知存在以下课题：若在氧化物半导体膜上直接(即，不介隔其他膜等要素。以下相同)形成氟化硅氮化膜，则氧化物半导体膜的电阻大幅度地降低。

可认为其原因在于：氧化物半导体膜中的氧经成膜时的原料气体中所含的氟还原，在氧化物半导体膜中产生氧缺损，在由此所产生的孔隙中捕获电子，所述被捕获的电子成为施体而使电阻大幅度地降低。

若氧化物半导体膜的电阻大幅度地降低，则例如具有所述氧化物半导体膜的薄膜晶体管不显示出作为晶体管的特性。

因此，本发明的一个目的在于提供一种即便在氧化物半导体膜上直接形成氟化硅氮化膜，也可抑制所述氧化物半导体膜的电阻降低的膜形成方法。

另外，本发明的其他目的在于提供一种使用此种膜形成方法的薄膜晶体管的制作方法。

解决问题的技术手段

本发明的膜形成方法的特征在于包括：表面处理步骤，准备在基板上具有氧化物半导体膜的物品，使用氧与氢的混合气体且氢的比例为8％以下(不包括0)的混合气体来生成等离子体，并利用所述等离子体对所述氧化物半导体膜的表面进行处理；成膜步骤，其后利用使用含有四氟化硅气体及氮气的原料气体而生成等离子体的等离子体cvd法，在所述氧化物半导体膜上形成在硅氮化膜中含有氟的氟化硅氮化膜；以及退火步骤，其后对所述基板及所述基板上的膜进行加热。

根据所述膜形成方法，发挥以下作用：通过表面处理步骤而氧及氢适度进入至氧化物半导体膜的表层部中，进而通过退火步骤，进入至所述氧化物半导体膜的表层部中的氧及氢扩散至所述氧化物半导体膜中，使氧化物半导体膜的电阻恢复。结果，即便在氧化物半导体膜上直接形成氟化硅氮化膜，也可抑制所述氧化物半导体膜的电阻降低，并且将所述电阻保持在氧化物半导体膜显示出半导体特性的范围内。

在所述表面处理步骤及所述成膜步骤中，也可使用通过感应耦合而生成等离子体的感应耦合型的等离子体生成方法来生成所述等离子体。

也可使用所述膜形成方法，形成所述氟化硅氮化膜作为构成薄膜晶体管的栅极绝缘膜或保护膜。

发明的效果

根据技术方案1所记载的发明，即便在氧化物半导体膜上直接形成氟化硅氮化膜，也可抑制所述氧化物半导体膜的电阻降低，并且将所述电阻保持在氧化物半导体膜显示出半导体特性的范围内。

根据技术方案2所记载的发明，发挥以下的进一步的效果。即，根据感应耦合型的等离子体生成方法，可使等离子体中产生大的感应电场，故可生成高密度的等离子体，高效率地进行表面处理步骤中的表面处理。且在成膜步骤中，可使四氟化硅气体及氮气高效率地放电分解，高效率地形成氟化硅氮化膜。

根据技术方案3所记载的发明，发挥以下的进一步的效果。即，虽然项部栅极型的薄膜晶体管为氧化物半导体膜与栅极绝缘膜接触的结构，但若使用所述膜形成方法形成所述氟化硅氮化膜作为所述栅极绝缘膜，则所述膜中的si-f键强，不易发生氟分离而扩散至氧化物半导体膜中的情况，故可获得特性稳定性良好的薄膜晶体管。

而且，作为栅极绝缘膜的所述氟化硅氮化膜具有稳定的电气绝缘特性，故就所述观点而言，也可获得特性稳定性良好的薄膜晶体管。

根据技术方案4所记载的发明，发挥以下的进一步的效果。即，虽然底部栅极型的薄膜晶体管为氧化物半导体膜与保护膜接触的结构，但若使用所述膜形成方法形成所述氟化硅氮化膜作为所述保护膜，则所述膜中的si-f键强，不易发生氟分离而扩散至氧化物半导体膜中的情况，故可获得特性稳定性良好的薄膜晶体管。

而且，作为保护膜的所述氟化硅氮化膜致密，防止水蒸气自大气向氧化物半导体膜中扩散的效果大，故就所述观点而言，也可获得特性稳定性良好的薄膜晶体管。

附图说明

图1为表示本发明的膜形成方法的一实施形态的步骤图。

图2为表示实施感应耦合型的等离子体生成方法的等离子体处理装置的一例的概略剖面图。

图3为表示在基板上的氧化物半导体膜上形成了氟化硅氮化膜的试样的一例的概略剖面图。

图4为将表1的测定结果制成图表而成的图。

图5为表示顶部栅极型的薄膜晶体管的一例的概略剖面图。

图6为表示底部栅极型的薄膜晶体管的一例的概略剖面图。

具体实施方式

(1)膜形成方法

在图1中示出本发明的膜形成方法的一实施形态的步骤。

所述膜形成方法包括表面处理步骤40、其后的成膜步骤42及其后的退火步骤44。

表面处理步骤40为准备在基板上具有氧化物半导体膜的物品，使用氧(o2)与氢(h2)的混合气体(o2+h2)且氢的比例(h2/(o2+h2))为8％以下(不包括0)的混合气体来生成包含氧及氢的等离子体，并利用所述等离子体对所述氧化物半导体膜的表面进行处理的步骤。

基板例如为半导体基板、玻璃基板、树脂基板等，但不限于此。

基板上的氧化物半导体膜例如为igzo(in-ga-zn-o)膜、itzo(in-sn-zn-o)膜、iwzo(in-w-zn-o)膜、izo(in-zn-o)膜、ito(in-sn-o)膜等，但不限于此。氧化物半导体膜可直接形成在基板的表面上，也可介隔其他膜等而形成在基板的表面上。

等离子体的处理时间并无特别限定，例如设定为60秒以下。若如此设定，则处理时间短，故可提高产量(throughput)。

成膜步骤42为利用使用含有四氟化硅气体(sif4)及氮气(n2)的原料气体而生成等离子体的等离子体cvd法，在所述氧化物半导体膜上形成在硅氮化膜中含有氟的氟化硅氮化膜(sin：f膜)的步骤。

所述成膜步骤42例如也可通过以下方式进行：在与实施所述表面处理步骤40的装置(例如等离子体处理装置)相同的装置中，继所述表面处理步骤40之后，不使等离子体消灭而将导入气体由所述混合气体切换为原料气体。若如此设定，则可节省使等离子体消灭后再次产生等离子体的劳力，故可缩短处理时间而提高产量。

退火步骤44为对所述基板及所述基板上的膜进行加热(即退火)的步骤。

所述退火步骤44无需在真空环境中进行，例如只要在大气中进行即可。另外，例如也可将大气导入至构成所述等离子体处理装置的真空容器内，在所述真空容器内进行。所述退火步骤44中的基板等的加热温度例如只要设定为150℃～350℃的范围即可。加热时间例如只要设定为30分钟～60分钟左右即可。

根据所述膜形成方法，即便在氧化物半导体膜上直接形成氟化硅氮化膜，也可抑制所述氧化物半导体膜的电阻降低，并且将所述电阻保持在氧化物半导体膜显示出半导体特性的范围内。可认为所述情况是由以下作用所致。

即，通过所述表面处理步骤，氧及氢适度进入至氧化物半导体膜的表层部中。所述氧发挥补偿膜形成步骤中产生的氧化物半导体膜中的氧缺损的作用。所述氢发挥使氧化物半导体膜中的缺陷终止(terminate)的作用。进而通过所述退火步骤，进入至所述氧化物半导体膜的表层部中的氧及氢扩散至所述氧化物半导体膜中，发挥使氧化物半导体膜的电阻恢复的作用。结果，即便在氧化物半导体膜上直接形成氟化硅氮化膜，也可抑制所述氧化物半导体膜的电阻降低，并且将所述电阻保持在氧化物半导体膜显示出半导体特性的范围内。

然而，若表面处理步骤中的混合气体中的氢的比例超过8％，则即便经过退火步骤，氧化物半导体膜的电阻也几乎不恢复。可认为其原因在于：膜中的氢变得过剩，过剩氢成为施体而使电阻降低。

关于所述作用效果，以下将参照实施例加以进一步说明。

在所述表面处理步骤40及成膜步骤42中，也可使用通过感应耦合而生成等离子体的感应耦合型的等离子体生成方法来生成所述等离子体。将实施感应耦合型的等离子体生成方法的等离子体处理装置的一例示于图2中。

所述等离子体处理装置具有利用真空排气装置12进行真空排气、且经由气体导入口14导入气体16的真空容器10，在其内部设有基板固持器18，所述基板固持器18保持具有所述氧化物半导体膜4的基板2。也可如所述例那样，自偏压电源20对基板固持器18施加偏压电压(例如负的偏压电压)。

在所述例中，在真空容器10内的基板固持器18的上方，以沿着基板固持器18的表面的方式而配置有直线状的高频天线24。所述高频天线24的两端部附近分别贯穿真空容器10的相对向的壁面上设置的两个开口部22，在各开口部22设有绝缘物(例如绝缘凸缘)26。在所述例中，高频天线24的位于真空容器10内的部分是由绝缘盖层28所覆盖。再者，在绝缘物26与真空容器10之间及高频天线24与绝缘物26之间设有真空密封用的衬垫(例如o环)，但省略这些衬垫的图示。

在高频天线24中，自高频电源30经由匹配电路32而流动高频电流ir。高频电流ir的频率例如为通常的13.56mhz，但不限于此。

在所述等离子体处理装置中，通过在高频天线24中流动高频电流ir，而在高频天线24的周围产生高频磁场，由此在与高频电流ir相反的方向上产生感应电场。通过所述感应电场，在真空容器10内，电子经加速而使高频天线24附近的气体16电离，在高频天线24的附近产生等离子体(即感应耦合型的等离子体)34。如此产生等离子体34的方法被称为感应耦合型的等离子体生成方法。所述等离子体34扩散至基板2的附近，可利用所述等离子体34对基板2上的氧化物半导体膜4实施所需的处理。

即，通过使用上文所述的氧与氢的混合气体作为气体16，可利用感应耦合型的等离子体生成方法来生成等离子体34，并利用所述等离子体34对氧化物半导体膜4的表面进行处理。即，可实施上文所述的表面处理步骤40。而且，根据感应耦合型的等离子体生成方法，可使等离子体34中产生大的感应电场，故可生成高密度的等离子体34，高效率地进行表面处理步骤40中的表面处理。

另外，通过使用上文所述的含有四氟化硅气体及氮气的原料气体作为气体16，可利用感应耦合型的等离子体生成方法来生成等离子体34，并通过利用所述等离子体34的等离子体cvd法在氧化物半导体膜4上形成上文所述的氟化硅氮化膜。即，可实施上文所述的成膜步骤42。而且，四氟化硅气体及氮气虽然与一直以来常使用的硅烷(sih4)及氨(nh3)相比更不易放电分解，但根据感应耦合型的等离子体生成方法，可使等离子体34中产生大的感应电场，故可在成膜步骤42中使四氟化硅气体及氮气高效率地放电分解。结果，可生成高密度的等离子体34，高效率地形成氟化硅氮化膜。

[实施例]

如图3所示，将在玻璃基板2上形成有厚度50nm的igzo膜作为氧化物半导体膜4的物品，配置在图2所示的等离子体处理装置内，导入氧(o2)与氢(h2)的混合气体(氢的比例如下)作为气体，利用感应耦合型的等离子体生成方法而生成等离子体，将igzo膜的表面暴露在等离子体下而进行表面处理。即，实施表面处理步骤。此时的处理条件如下。

混合气体中的氢的比例(h2/(o2+h2))∶0％、5.7％、9.1％或23.1％

处理时间：60秒

真空容器内压力：4pa

其后，在所述等离子体处理装置中将气体切换为包含四氟化硅气体(sif4)及氮气(n2)的原料气体(两气体的比如下)，利用感应耦合型的等离子体生成方法来生成等离子体，通过利用所述等离子体的等离子体cvd法，在igzo膜上形成氟化硅氮化膜(sin：f膜)6。即，实施成膜步骤。由此获得图3所示的试样。此时的成膜条件如下。

原料气体中的两气体的比···sif4∶n2＝1∶1

真空容器内压力：4pa

sin：f膜的膜厚：100nm

其后，将所述试样取出至大气中，在热板上加热而实施退火处理。即，实施退火步骤。此时的退火条件如下。

加热环境：大气中

加热温度：350℃

加热时间：1小时

对于所述混合气体中的各氢比例，将测定退火前后的igzo膜的片电阻所得的结果示于表1中。另外，将所述表1的测定结果制成图表并示于图4中。

[表1]

igzo膜的最初的(即实施所述处理前的)片电阻为5e+6ω/□，无论为哪一氢比例，退火前的igzo膜的片电阻与最初的片电阻相比均大幅度地降低。可认为其原因在于：在表面处理步骤中进入至igzo膜的表层部中的氧和/或氢在表层部中大量蓄积，这些氧和/或氢成为施体而发挥使igzo膜的片电阻大幅度地降低的作用。

另一方面，关于退火后的igzo膜的片电阻，在氢比例为0％时非常大地增加，在氢比例为5.7％时也相当大地增加，然而在氢比例为9.1％以上时几乎未增加。可认为片电阻增加的原因在于：进入至igzo膜的表层部中的氧及氢通过退火而扩散至igzo膜中，发挥使igzo膜的片电阻恢复的作用。可认为若氢比例为9.1％以上则片电阻几乎未增加的原因在于：igzo膜中的氢变得过剩，过剩氢成为施体而使片电阻降低。

igzo膜之类的氧化物半导体膜在薄膜晶体管等中正常地显示出半导体特性的范围通常是片电阻为1e+5ω/□～1e+8ω/□的范围内。在氢比例为0％时，igzo膜的片电阻稍许超过所述上限1e+8ω/□。另一方面，根据图4可认为，在氢比例为8％时，igzo膜的片电阻成为所述下限1e+5ω/□附近。根据这一情况，可谓混合气体中的氢比例优选为8％以下(不包括0)。

(2)薄膜晶体管的制作方法

继而，对使用如上所述的膜形成方法来制作薄膜晶体管的方法的例子加以说明。

在图5中示出项部栅极型的薄膜晶体管的一例。所述薄膜晶体管50a具有以下结构：在基板52上介隔防扩散膜54而形成有氧化物半导体膜56，在所述氧化物半导体膜56上直接形成有栅极绝缘膜60，在所述栅极绝缘膜60上形成有栅极电极62，在所述例中进一步在所述栅极电极62上形成有保护膜64。氧化物半导体膜56例如为如上所述的igzo膜等氧化物半导体膜。图6所示的薄膜晶体管50b的情况也相同。

在所述例中，在氧化物半导体膜56的左右两侧形成有源极区域57及漏极区域58，在这些区域上分别连接有源极电极66及漏极电极68。然而，有时也代替源极区域57及漏极区域58而在氧化物半导体膜56的左右两侧上部残留通道区域，重叠配置源极电极及漏极电极。图6所示的薄膜晶体管50b的情况也相同。

虽然所述薄膜晶体管50a为氧化物半导体膜56与栅极绝缘膜60接触的结构，但若使用所述膜形成方法形成所述氟化硅氮化膜作为所述栅极绝缘膜60，则所述膜60中的si-f键强，不易发生氟分离而扩散至氧化物半导体膜56中的情况，故可获得特性稳定性良好的薄膜晶体管。

而且，作为栅极绝缘膜60的所述氟化硅氮化膜具有稳定的电气绝缘特性，故就所述观点而言，也可获得特性稳定性良好的薄膜晶体管。

在图6中示出底部栅极型的薄膜晶体管的一例。所述薄膜晶体管50b具有以下结构：在基板52上形成有栅极电极62，在所述栅极电极62上形成有栅极绝缘膜60，在所述栅极绝缘膜60上形成有氧化物半导体膜56，在所述氧化物半导体膜56上直接形成有保护膜64。源极及漏极周围的结构与图5的情形相同。

虽然所述薄膜晶体管50b为氧化物半导体膜56与保护膜64接触的结构，但若使用所述膜形成方法形成所述氟化硅氮化膜作为所述保护膜64，则所述膜64中的si-f键强，不易发生氟分离而扩散至氧化物半导体膜56中的情况，故可获得特性稳定性良好的薄膜晶体管。

而且，作为保护膜64的所述氟化硅氮化膜致密，防止水蒸气自大气向氧化物半导体膜56中扩散的效果大，故就所述观点而言，也可获得特性稳定性良好的薄膜晶体管。

[符号的说明]

2：基板

4：氧化物半导体膜

6：氟化硅氮化膜

16：气体

24：高频天线

30：高频电源

34：等离子体

40：表面处理步骤

42：成膜步骤

44：退火步骤

50a、50b：薄膜晶体管

52：基板

56：氧化物半导体膜

60：栅极绝缘膜

62：栅极电极

64：保护膜