專利名稱：薄膜晶體管及其制造方法和顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜晶體管及其制造方法。此外，涉及具備所述薄膜晶體管的顯示裝置。
背景技術(shù)：
近年來，生產(chǎn)了將采用氫化非晶硅膜的薄膜晶體管(下面稱為"TFT"(Thin Film Transistor))作為開關(guān)(switching)元件來使用的有源矩陣(active matrix)型液晶顯示裝置。對于氫化非晶硅膜來說，在較低的溫度(200°C ~ 350'C )下能夠在大面積的襯底上均勻地堆疊這一點上，與主要采用玻璃的液晶顯示裝置的工藝整合性較好。
作為采用氫化非晶硅膜的TFT結(jié)構(gòu)，具有交錯(stagger)結(jié)構(gòu)和共面(coplanar)結(jié)構(gòu)。對于交錯結(jié)構(gòu)來說，柵電極與源電極/漏電極的相對位置夾著氫化非晶硅膜而在兩側(cè)對峙，對于共面結(jié)構(gòu)來說，柵電極和源電極/漏電極相對于氫化非晶硅膜配置在的相同一側(cè)。此外，還具有柵電極位于氫化非晶硅膜的上層的頂柵(top gate)(正交錯)型和柵電極位于氫化非晶硅膜的下層的底柵(bottom gate)(反交錯)型。
裝栽在液晶顯示裝置上的TFT的最常見的結(jié)構(gòu)是能夠大大減輕背光源(backlight)的光照射的影響的反交錯結(jié)構(gòu)。在圖9中，示出根據(jù)現(xiàn)有例的反交錯型的TFT的示意截面圖。如該圖所示，反交錯型TFTIOO具有絕緣性襯底101、柵電極102、柵極絕緣膜103、作為半導(dǎo)體層的氫化非晶硅膜104和n型非晶硅膜105、源電極106a、漏電極106b、保護絕緣膜107等。
首先，在玻璃襯底等的絕緣性襯底101上，利用蒸鍍等方法形成柵電極形成用的導(dǎo)電膜。并且，經(jīng)由照相制版工序、蝕刻(etching)工序、抗蝕劑(resist)除去工序等，形成所希望的形狀的柵電極102。接下來，在柵電極102以及絕緣性襯底101上依次堆積柵極絕緣膜103、起到半導(dǎo)體層的氫化非晶硅膜104,n型非晶硅膜105。并且，將氫化非晶硅躁104和n型非晶硅膜10:5構(gòu)圖(patterning)為島(island)形狀。
接下來，以覆蓋柵極絕緣膜103、半導(dǎo)體層的方式形成源電極/漏電
4極形成用導(dǎo)電膜。并且，經(jīng)由照相制版工序、蝕刻工序等得到所希望的
形狀的源電極106a和漏電極106b。之后，對TFT100的背溝道(backchannel)部分的n型非晶硅膜105以及氫化非晶硅膜104的一部分進行蝕刻。并且，以覆蓋它們整體的方式形成保護絕緣膜107,從而起到開關(guān)元件作用的TFT完成。
但是，對于TFT的性能來說，受到作為半導(dǎo)體層的非晶硅膜和柵極絕緣膜的界面的缺陷能級影響較大。因此，為了提高TFT的特性，降低該缺陷能級是重要的。該缺陷能級是由于柵極絕緣膜和非晶硅膜的界面狀態(tài)(形態(tài)(morphology))或成膜時的等離子體損傷(plasma damage )等而產(chǎn)生的。
構(gòu)成TFT的柵極絕緣膜多采用硅氮化膜。對于該硅氮化膜來說，與氫化非晶硅膜相同地，采用能夠低溫成膜的等離子體CVD (ChemicalVapor Deposition )法形成的情況較多。因此，在硅氮化膜和氬化非晶硅膜的界面上，在成膜過程中容易產(chǎn)生缺陷能級。由于缺陷能級，TFT的閾值電壓變高，或者導(dǎo)致場效應(yīng)遷移率的降低。并且，在長時間驅(qū)動TFT的情況下，存在如下問題通過缺陷能級在硅氮化膜中注入電子，產(chǎn)生閾值電壓偏移(shift)。此外，由于在硅氮化膜自身中存在電子俘獲能級，所以，如果不采用適當(dāng)?shù)臈l件則會加速TFT閾值電壓偏移(shift)。
為了降低上述缺陷能級，提出了控制柵極絕緣膜的成膜條件或柵極絕緣膜的表面狀態(tài)的方法(專利文獻l、 2)。
在專利文獻l中，作為使柵極絕緣膜和氫化非晶硅膜的界面能級、缺陷等的產(chǎn)生降低的方法，提出了形成柵極絕緣膜之后，在形成半導(dǎo)體層之前在柵極絕緣膜表面上褲加氫等離子體處理的方法。具體地說，將作為柵極絕緣膜原料的Si仏(硅烷)、NH"氨)和N2(氮氣)導(dǎo)入到真空槽中，形成柵極絕緣膜，直到所希望的膜厚。接下來，在柵極絕緣膜成膜結(jié)束(目標(biāo)膜厚)之前，將氫導(dǎo)入到真空槽內(nèi)，并且，停止SiH4、 NH3和
N2的供應(yīng)。并且，對柵極絕緣膜的表面持續(xù)非常弱的氫等離子體的放電，
直到殘留在真空槽內(nèi)的柵極絕緣膜的原料氣體(NH3和N2)不影響半導(dǎo)體層的形成。
在專利文獻2中，為了得到實現(xiàn)較高的場效應(yīng)遷移率的TFT，提出了由第一柵極絕緣膜和第二柵極絕緣膜構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)，該第一柵極絕緣膜在柵電極上由氫含量較少的硅氮化膜構(gòu)成，該第二柵極絕緣膜在第一柵極絕緣膜的上層由氫含量較多的硅氮化膜構(gòu)成。這些柵極絕緣膜采
用由N2、 SiH4和NH3構(gòu)成的原料氣體，由等離子體CVD法形成。記載了在氫含有量少的第 一柵極絕緣膜中，使NH3和SiH4的流量比(NH3/SiH4)為4以下，在氫含有量多的第二柵極絕緣膜中，NH3和SiH4的流量比(NIVSiH4)為4以上的情況。
專利文獻1 特開平05-335335號公報
專利文獻2 特開平07-162001號公報
根據(jù)上述專利文獻1的方法，記載了通過將柵極絕緣膜表面保持在化學(xué)活性狀態(tài)，從而能夠減少界面能級或缺陷的產(chǎn)生的情況。但是，這樣的效果是暫時的，例如，在持續(xù)30000秒以上的長時間驅(qū)動TFT的情況下，效果并不充分，閾值電壓偏移較大，所以更談不上可靠性高。此外，在過量地進行上述氫等離子體處理的情況下，存在如下問題導(dǎo)致柵極絕緣膜和氫化非晶硅膜的粘合性惡化，在制造工序中產(chǎn)生氫化非晶半導(dǎo)體104和柵極絕緣膜103的剝離等。
特別是，近年來液晶顯示裝置應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)設(shè)備的范圍擴大，其使用環(huán)境溫度擴展到-20。C ~ 8CTC。在高溫環(huán)境下，閾值電壓偏移進一步地加速，所以存在TFT工作的可靠性更容易下降的情況。因此，期望可靠性較高的TFT。
根據(jù)上迷專利文獻2的方法，記栽了如下情況在與半導(dǎo)體層接觸的第二柵極絕緣膜中，如上所述，使NH3和SiH4的流量比(NH3/SiH4)為4以上。但是，本發(fā)明人反復(fù)實驗的結(jié)果是，發(fā)現(xiàn)當(dāng)NH3和SiRt的流量比(NH3/SiR0大時，硅氮化膜的內(nèi)部應(yīng)力從壓縮應(yīng)力變?yōu)槔鞈?yīng)力，在通常良好的100-500Mpa的壓縮應(yīng)力以外。
在適當(dāng)?shù)臈l件下成膜的氫化非晶硅的應(yīng)力為約200-600Mpa的壓縮應(yīng)力。當(dāng)硅氮化膜變成拉伸應(yīng)力時，由于各層的變形方向相反，從而產(chǎn)生缺陷，并且擔(dān)心TFT的場效應(yīng)遷移率的降低或閾值電壓的上升。此外，成為拉伸應(yīng)力的硅氮化膜的相對介電常數(shù)大大降低。因此，為了將硅氮化膜的電容保持恒定，不得不將硅氮化膜的厚度變薄，成為成品率降低的原因。
并且，隨著近年來的顯示裝置的大型化，玻璃襯底面積變大成以米為單位的四方形，存在襯底整體的變形量非常大的傾向。特別是，在襯底周邊，硅氮化膜和非晶硅膜的界面容易產(chǎn)生剝離。因此，保持各層的
6應(yīng)力平衡(balance)是非常重要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上迷背景而進行的，其目的是提供一種良好地保持特性、可靠性較高的薄膜晶體管及其制造方法和搭栽該薄膜晶體管的顯示裝置。
本發(fā)明的薄膜晶體管的制造方法具備在襯底上形成柵電極的工序、在所述柵電極上形成柵極絕緣膜的工序、在所述柵極絕緣膜的正上方形成氫化非晶硅膜的工序，所述柵極絕緣膜至少具備與所述氫化非晶硅膜接觸的第一區(qū)域和與該第一區(qū)域相比位于下層的第二區(qū)域，所述第一區(qū)域以及第二區(qū)域使用由NH3、 N2、 SiH4構(gòu)成的原料氣體、和H2或由hb與He構(gòu)成的氣體形成，所述第 一 區(qū)域是以所述NH3和所述SiH4的流量比(NHb/SiH4)為11以上且'14以下的方式形成的，所述第二區(qū)域是以所述NH3和所述SiH4的流量比(NH3/SiH4)為4以下的方式形成的。
本發(fā)明的薄膜晶體管具備在所述柵電極上形成的柵極絕緣膜、在所述柵極絕緣膜的正上方形成的氫化非晶硅膜，所迷柵極絕緣膜至少具備與所述氫化非晶硅膜接觸的第一區(qū)域和與該第一區(qū)域相比位于下層的第二區(qū)域，所述第一區(qū)域以及第二區(qū)域由硅氮化膜構(gòu)成，所述第一區(qū)域的硅氮化膜的氮和硅的組成比(N/Si)為1.3以上且1.5以下，所述第二區(qū)域的硅氮化膜的氮和硅的組成比(N/Si)為1.0以下。
根據(jù)本發(fā)明，具有如下優(yōu)良的效果能夠提供良好地保持特性并且可靠性較高的薄膜晶體管及其制造方法和搭栽該薄膜晶體管的顯示裝置。


，
圖1是實施方式1的TFT的示意截面圖。
圖2是將針對NH3/SiH4流量比的硅氮化膜的應(yīng)力值進行繪圖后的圖。
圖3是將針對NH3/SiH4流量比的硅氮化膜的組成比(N/Si)進行繪圖后的圖。
圖4是相對于硅氮化膜的組成比(N/Si)將閾值電壓偏移量進行繪圖后的圖。
7圖5是相對于硅氮化膜的組成比(N/Si)將Si-H鍵、N-H鍵、閾值電 壓進行繪圖后的圖。
圖6(a)-(c)是示出實施方式1的TFT的制造工序的截面圖。 圖7是示出實施例以及比較例的TFT的測量值的表。 圖8是實施方式2的TFT的示意截面圖。 圖9是現(xiàn)有例的TFT的示意截面圖。
圖IO是將針對NH3/SiH4流量比的硅氮化膜的應(yīng)力值進行繪圖后的圖。
具體實施例方式
下面，說明對本發(fā)明進行應(yīng)用的實施方式的一例。并且，只要與本 發(fā)明的宗旨一致，其他的實施方式當(dāng)然也屬于本發(fā)明的范疇。此外，以 后的圖中的各構(gòu)件的尺寸.(size)或比例是為了便于說明的，并不限定于此。
(實施方式1)
圖1示出實施方式1的TFT50的結(jié)構(gòu)的示意截面圖。TFT50是反交 錯型，利用溝道蝕刻(CE(channel etch)制造。
如圖l所示，TFT50具有絕緣性襯底1、柵電極2、柵極絕緣膜3、 作為半導(dǎo)體層的氫化非晶硅膜4和n型非晶硅膜5、源電極6a、漏電極 6b、保護絕緣膜7等。
絕緣性襯底1采用玻璃襯底或石英襯底等具有透過性的襯底。在絕 緣性襯底1上形成有柵電極2。柵極絕緣膜3以覆蓋柵電極2的方式形 成在其上層。氬化非晶硅膜4形成在柵極絕緣膜3的正上方，并且，至 少其一部分與柵電極2隔著柵極絕緣膜3對向配置。
n型非晶硅膜5形成在氫化非晶硅膜4的上層。n型非晶硅膜5起 到如下作用將氫化非晶硅膜4和源電極/漏電極電連接。氫化非晶硅膜 4是未添加雜質(zhì)的純的半導(dǎo)體、即所謂的本征半導(dǎo)體。作為n型非晶硅 膜5 ，是n型半導(dǎo)體，使用在a-Si中微量摻雜(doping)有P(磷(phosphorous)) 的n+a-Si(n+非晶石圭(amorphous silicon))月莫等。
源電極6a以及漏電極6b形成在n型非晶硅膜5上。保護絕緣膜7 以覆蓋溝道區(qū)域3a、源電極6a、漏電極6b的方式形成(參考圖1)。作為 保護絕緣膜7，能夠使用SiNx、 SiOy等或它們的混合物以及層疊物。
8源電極6a以及漏電極6b隔著柵極絕緣膜3、氫化非晶硅膜4和n 型非晶硅膜5，與至少一部分的柵電極2對向配置。即，為了作為TFT 進行工作，薄膜晶體管區(qū)羋存在于柵電極2上，成為容易受到對柵電極 施加電壓時的電場的影響的狀態(tài)。
在源電極6a和漏電極6b之間施加電壓的情況下，施加在柵電極2 上的電壓超過某閾值時，在氬化非晶硅膜4的源極、漏極間形成溝道， 通過該溝道流過電流。即，起到開關(guān)元件的作用。
在將TFT50搭栽到液晶顯示裝置上的情況下，在保護絕緣膜7上形 成接觸孔，并且，形成像素電極。通過TFT50連接漏電極6b和像素電 極，并且供給用于驅(qū)動液晶的電位，從而能夠顯示所希望的圖像。
本實施方式1的柵極絕緣膜3由硅膜氮化形成。但是，對于硅氮化 膜來說，將膜厚方向分割為兩個區(qū)域，分別由不同組成的硅氮化膜構(gòu)成。 將柵極絕緣膜3的與氫化非晶硅膜4接觸的區(qū)域作為第一區(qū)域11，將配 置在第一區(qū)域11的下層的區(qū)域作為第二區(qū)域12。
構(gòu)成柵極絕緣膜3的.第一區(qū)域11的硅氮化膜的氮和硅的組成比 (N/Si)為1.3以上且1.5 .以下。此外，構(gòu)成柵極絕緣膜3的第二區(qū)域12 的硅氮化膜的氮和硅的組成比(N/Si)優(yōu)選為1.0以下。其理由后述。
對于第一區(qū)域11和第二區(qū)域12來說，分別單獨成膜時的膜的應(yīng)力 值為500Mpa以下，并且，應(yīng)力方向在分別單獨地成膜時成為壓縮應(yīng)力。
第一區(qū)域11和第二區(qū)域12合起來的膜厚即柵極絕緣膜3的膜厚優(yōu) 選為300nm以上且400nm以下。當(dāng)小于300nm時，4旦心由于成膜時混 入的雜質(zhì)導(dǎo)致絕緣耐性下降并使成品率降低。此外，當(dāng)超過400nm時，
絕緣膜的電容變小，所以，TFT的導(dǎo)通電流下降，擔(dān)心不能得到所希望 的特性。第一區(qū)域11的膜厚優(yōu)選為30nm以下。這是因為，當(dāng)?shù)谝粎^(qū)域 11的膜厚超過30nm時，從第二區(qū)域12提供的氫不能充分地提供到第 一區(qū)域11和氫化非晶硅膜4的界面。此外，從提高TFT的可靠性的觀 點來看，第一區(qū)域11的膜厚優(yōu)選為10nm以上。
采用上述結(jié)構(gòu)的柵極絕緣膜3，由此，能夠提供良好地保持特性且 可靠性高的薄膜晶體管。以下，對其理由進行說明。
如在現(xiàn)有例中所說明的那樣，能夠使用NH3、 SiH4和N2的氣體(以 下，也將這些氣體稱為"原料氣體")，利用等離子體CVD法進行成膜， 從而得到構(gòu)成柵極絕緣膜的硅氮化膜。在圖10中，示出了當(dāng)N2的流量恒定時，使NH3和SiH4的流量比變化來形成硅氮化膜的情況下的硅氮 化膜的應(yīng)力值的曲線圖。由該圖可知，隨著NH3和SiH4的流量比 (NH3/SiH4)變大，應(yīng)力值變大。特別是，當(dāng)NH3和SiH4的流量比(NH3/SiR0 超過6時，變成拉伸應(yīng)力。即，翹曲方向反轉(zhuǎn)。
通常，由等離子體CVD法形成的良好的絕緣膜成為壓縮應(yīng)力。成 為拉伸應(yīng)力時，其膜質(zhì)成為疏松的狀態(tài)。當(dāng)膜質(zhì)變疏松時，引起絕緣耐 性的下降、相對介電常數(shù)的下降以及機械強度的下降。絕緣耐性的下降 或機械強度的下降導(dǎo)致成品率的下降，相對介電常數(shù)的下降導(dǎo)致TFT的 導(dǎo)通電流的下降。
因此，為了避免拉伸應(yīng)力的問題，本發(fā)明人反復(fù)地銳意研究，發(fā)現(xiàn) 除了由NH" SiH4和N2構(gòu)成的原料氣體以外，進一步添加H2氣，從而 能夠解決問題。在圖2中，示出了當(dāng)N2和H2的氣體的流量恒定時，使 NH3和SiH4的流量比(NH3/SiH4)變化從而形成硅氮化膜的情況下的硅氮 化膜的應(yīng)力值的曲線圖。除了添加H2氣以外，實驗條件與上述圖9的 相同。在圖2的例子中，是相對于總流量添加大約40%的H2的情況的 例子。由該圖可知，使NH3/SiH4流量比高，也能夠維持壓縮應(yīng)力。此外， 確認(rèn)了通過使NH3/SiH4流量比變高而成膜的硅氮化膜的膜質(zhì)良好。經(jīng)檢 驗，在構(gòu)成柵極絕緣膜3的硅氮化膜中包含某種程度的氫，所以，即使 添加H2氣也不會對TFT的特性產(chǎn)生問題。
作為添加到原料氣體中的氣體，確認(rèn)除了單獨地添加H2氣以外， 在混合使用H2氣和He氣的情況下也得到相同的效果。經(jīng)檢驗，由于 He是稀有氣體，所以即使添加He氣也不會對TFT的特性帶來影響。并 且，確認(rèn)即4吏添加H2或He，儲存率(depot rate)的下降^^j、，此外，不 會產(chǎn)生膜厚均勻性的惡化。換句話說，H2氣、或者H2和He的混合氣起 到使硅氮化膜的應(yīng)力方向成為壓縮應(yīng)力的氣體的作用。
優(yōu)選H2氣或者Hz和He的混合氣相對于總流量的比例是30%以上 且50%以下。小于30%時，存在沒有充分發(fā)揮應(yīng)力變化的效果的情況。 此外，當(dāng)超過50%時，Si-H鍵開始減少。
并且，在利用等離子體CVD法進行成膜中，作為成膜參數(shù) (parameter),除了氣體流量以外，；能夠舉出成膜時的氣體壓力、RF功率 (power)等。通過調(diào)整這些成膜參數(shù)，能夠使膜質(zhì)變更。但是，通過調(diào)整 成膜參數(shù)，滿足TFT所要求的各特性是困難的。例如，通過降低成膜時的氣體壓力，能夠使得到的膜改變?yōu)閴嚎s應(yīng)力，但是，導(dǎo)致膜的均勻性 惡化，成品率下降。并且，由于儲存率下降，所以導(dǎo)致處理能力下降。
此外，通過提高成膜時的RF功率，能夠使得到的膜改變?yōu)閴嚎s應(yīng)力， 但是，等離子體損傷也同時增加，所以，相反地膜中的缺陷密度增大。 結(jié)果，沒有避免TFT性能的降低。
圖3是相對于形成硅氮化膜時的NH3和SiH4流量比(NH3/SiH4)將所 得到的硅氮化膜的氮和硅'的組成比(N/Si)進行繪圖后的圖。在測定中使 用XPS(7VW《、;/夕:77^r社(ULVAC-PHI. Inc)制ESCA5400)。使H2氣和 N2氣的流量比恒定。由該圖可知，當(dāng)NH3和SiH4的流量比(NH3/SiR0 變大時，組成比(N/Si)變大。即，可知硅氮化膜中的氮濃度變高。
接下來，研究構(gòu)成柵極絕緣膜的硅氮化膜的組成比(N/Si)和閾值電 壓偏移量的關(guān)系。具體地說，制作使構(gòu)成柵極絕緣膜的硅氮化膜的組成 比(N/Si)變更的多個反交錯型TFT,對各TFT的柵電極施加30000秒的 30V的應(yīng)力(stress)電壓，研究之后的閾值電壓偏移量。在圖4中，示出 相對于硅氮化膜的組成比(N/Si)將連續(xù)地施加電壓30000秒之后的閾值 電壓偏移量進行繪圖后的圖。由該圖可知，組成比(N/Si)大的一方，閾 值電壓偏移量全部都變小。這意味著組成比(N/Si)大的一方，能夠抑制 對TFT進行長時間驅(qū)動的情況下的特性的變動，能夠提供可靠性較高的 的TFT。
判明在相對于時間軸計算閾值電壓偏移量的情況下，使組成比(N/Si) 為1.3以上，由此，與現(xiàn)有的晶體管相比，能夠使可靠性提高IO倍以上。 但是，當(dāng)組成比(N/Si)超過1.5時，由同一圖可知，閾值電壓偏移量再一 次轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾印＿@是因為，'當(dāng)硅氮化膜中的氮量成為過剩的狀態(tài)時，與 非晶硅膜的粘合性惡化，在柵極絕緣膜和氫化非晶半導(dǎo)體膜的界面上產(chǎn) 生剝離。因此，在構(gòu)成柵極絕緣膜的硅氮化膜的組成比(N/Si)為1.3以上 且1.5以下的范圍內(nèi)，能夠提高特性以及可靠性較高的TFT。
在圖5中，示出相對于構(gòu)成柵極絕緣膜的硅氮化膜的組成比(N/Si)， 將所得到的硅氮化膜的Si-H鍵(cm")、 N-H鍵(cm")進行繪圖后的圖。此 外，在該圖中，示出制作將所對應(yīng)的每個硅氮化膜的組成比(N/Si)的硅 氮化膜作為柵極絕緣膜時的TFT、并將TFT的閾值電壓值(V)進行繪圖 后的圖。Si-H鍵(cm")、 N-H鍵(cm")的測量由FTIR(傅立葉變換紅外吸 收)測量來進行。
ii由圖5可知，當(dāng)硅氮化膜中的Si-H鍵減少時，閾值電壓上升，TFT 的響應(yīng)特性惡化。對于該TFT的響應(yīng)特性的惡化來說，在將應(yīng)力方向保 持為壓縮方向時也會產(chǎn)生。由圖5可知，Si-H鍵與組成比(N/Si)相關(guān)。
在硅氮化膜的組成比(N/Si)為1.3以上且1.5以下的范圍內(nèi)，閾值電 壓偏移量成為最優(yōu)的范圍，另一方面，閾值電壓值(初始值)為5-6V附 近。通常的薄膜晶體管的閾值電壓是2.5 4V左右，當(dāng)初始的鬮值電壓 較高時，晶體管的導(dǎo)通(ON)特性變差。即，當(dāng)使組成比(N/Si)較大時， 閾值電壓上升，晶體管的斧通(ON)特性惡化。
對于閾值電壓來說，'iij圖5可知，硅氮化膜的組成比(N/Si)較小的 一方好。當(dāng)使硅氮化膜的紐成比(N/Si)為1以下時，閾值電壓為大約3V， 得到良好的導(dǎo)通(ON)特性。硅氮化膜的組成比(N/Si)為1以下時的Si-H 鍵是大約20 30cm"(參考圖5)。即，隨著硅氮化膜的組成比(N/Si)變小， Si-H鍵增加，并且，閾值電壓變低。對于硅氮化膜中的氫濃度來說，利 用FTIR測量時，看作Si-H鍵和N-H鍵，但是，對于鍵能來說，Si-H鍵 比N-H鍵小，所以Si-H鍵越多，越容易得到進行界面能級的懸空鍵 (dangling bond)封端(終端)的氫。
為了使TFT的特性良好，優(yōu)選為包含很多Si-H鍵的硅氮化膜。Si-H 鍵的含有量多意味著對柵極絕緣膜3和氫化非晶硅膜4的界面的缺陷進 行封端的氫包含很多。另一方面，為了提高TFT的可靠性，優(yōu)選提高硅 氮化膜中的氮濃度。即，優(yōu)選提高硅氮化膜中的氮濃度，并且使Si-H鍵 的含有量較多。但是，實際上，硅氮化膜中的氮濃度和Si-H鍵量處于折 衷(trade-off)的關(guān)系，同時滿足是困難的。
當(dāng)本發(fā)明人反復(fù)進行研究以盡可能地得到良好地保持特性并且可 靠性高的TFT時，發(fā)現(xiàn)柵極絕緣膜3的第一區(qū)域11和第二區(qū)域12以如 下方式構(gòu)成即可。即，在第一區(qū)域ll中，使硅氮化膜的組成比(N/Si)為 1.3以上且1.5以下，使第二區(qū)域12的硅氮化膜的組成比(N/Si)為1.0以 下。并且，構(gòu)成柵極絕緣膜3的第一區(qū)域11、第二區(qū)域12的各硅氮化 膜中，使應(yīng)力方向為壓縮方向，并且，各膜的應(yīng)力值為500MPa以下。
利用構(gòu)成柵極絕緣膜3的第一區(qū)域11,提高TFT的可靠性，并且 利用第二區(qū)域12提供特性良好的TFT。將第二區(qū)域12的氫提供給氫化 非晶硅膜和第一區(qū)域u的界面，提供特性良好的TFT。 TFT的可靠性 不依賴于第一區(qū)域U的膜厚，但是，當(dāng)過厚時，來自第二區(qū)域12的利用擴散進行的氫供給不充分。因此，優(yōu)選第一區(qū)域11的膜厚較薄。經(jīng)
過反復(fù)研究可知，第一區(qū)域11的膜厚更優(yōu)選為30nm以下。此外，從抑 制閾值電壓偏移并且充分地確保TFT的可靠性的觀點來看，優(yōu)選為 10nm以上。
接下來，采用圖6說明如上所述構(gòu)成的TFT50的制造方法。
首先，在絕緣性襯底1上，由DC磁控管濺射(magnetron sputtering) 等形成導(dǎo)電膜。靶(target)采用Cr,靶，在氬(Ar(argon))氣100sccm、壓 力0.14Pa、功率l.Okw、溫度200。C的條件下，形成400nm的導(dǎo)電膜。 對于其膜厚來說，得到滿足器件(device)特性的導(dǎo)電性即可，并且，能夠 根據(jù)所使用的金屬等而改變。作為所使用的金屬，代替Cr,可以為A1、 丁i或者以這些為主要成分為合金或這些金屬的層疊膜。
其中，當(dāng)柵極絕緣膜3的第一區(qū)域11的表面形態(tài)變差時，閾值電 壓或?qū)?ON)特性、場效應(yīng)遷移率降低。由于硅氮化膜的表面形態(tài) 依賴于下層的表面狀態(tài)，所以，包含工藝需要將柵電極2的條件最優(yōu)化。 因此，柵電極2的表面平均粗糙度(Ra)需要成為場效應(yīng)遷移率不產(chǎn)生很 大降低的水平(level)。在本實施方式1中，利用AFM確認(rèn)柵電極的表面 平均粗糙度(Ra)時是2.3nm。
在形成用于形成柵電極2的導(dǎo)電膜之后，在其上層，利用旋涂(spin coat)法涂敷作為感光性樹脂的抗蝕劑。并且，從光掩模(photomask)上對 所涂敷的抗蝕劑進行曝光，使抗蝕劑感光。接下來，對感光后的抗蝕劑 進行顯影，對抗蝕劑進行構(gòu)圖。之后，對所露出的導(dǎo)電膜進行蝕刻，除 去抗獨劑圖案。由此，導(dǎo)電膜被形成為預(yù)定形狀的圖案，形成柵電極、 柵極信號線(未圖示)等。
接下來，在柵電極2等以及絕緣性襯底1上，利用等離子體CVD 法形成柵極絕緣膜3。
對于柵極絕緣膜3的第二區(qū)域12來說，在成膜溫度280。C、高頻功 率密度O.l ~0.3W/cm2、壓力80 ~ 130Pa、成膜氣體使用N2、 SiH4、 NH3、 H2的混合氣體、并且NH3/SiH4流量比1 ~4、 H2的流量相對于總流量為 30~40%的條件下，以膜厚為340~ 380nm的方式成膜。
對于第一區(qū)域11來說，如上所述地與第二區(qū)域12連續(xù)且在不暴露 到大氣中地成膜。作為成膜條件，在成膜溫度280°C 、高頻功率密度0.1 ~ 0.3W/cm2、壓力80~130Pa、成膜吒體使用N2、 SiH4、 NH3、 Hz的混合
13氣體并且NH3/SiH4流量比11 ~ 14、 H2的流量相對于總流量為30~40% 的條件下，以膜厚為10~30nm的方式成膜。
通過上述制造方法，第二區(qū)域12的氮和硅的組成比(N/Si)為0.9以 上且1.0以下。此外，由FTIR導(dǎo)致的Si-H鍵強度為20 30cm",成為 能夠提供充分的氬的膜。此外，第一區(qū)域11的氮和硅的組成比(N/Si)為 1.3以上且1.5以下的范圍。
接下來，在第一區(qū)域11的上層連續(xù)地不暴露到大氣中地形成起到 半導(dǎo)體層作用的氫化非晶硅膜4。成膜是在成膜溫度280。C、壓力150-300Pa、高頻功率0.02 ~ 0.06W/cm2、 H2/SiH4流量比3 ~ 5的條件下進行 的。膜厚形成為130-200nm。例如，膜厚形成為150nm。之后，以膜 厚為20 ~ 50nm的方式，連續(xù)地形成摻雜(dope)了磷的n型非晶硅膜4(參 考圖6(a))。
接下來，如圖6(b)所示，經(jīng)由照相制版工序和蝕刻工序，將氫化非 晶硅膜4和n型非晶硅膜5以所希望的形狀形成島圖案(island pattern)。
接下來，形成用于形成源電極6a以及漏電極6b的導(dǎo)電膜。作為導(dǎo) 電膜，例如，是Cr、 Al、 Mo或者以這些為主要成分的合金、或這些金 屬的層疊膜。之后，經(jīng)由對該導(dǎo)電膜進行照相制版工序、蝕刻工序等， 得到所希望的形狀的源電極6a、漏電極6b。并且，利用蝕刻，除去所 露出的n型非晶硅膜5以及位于其下層的氫化非晶硅膜4的 一部分。由 此，形成背溝道(參考圖6(c))。
在本實施方式l中，作為源電4及6a以及漏電才及6b,利用DC磁控 管賊射法形成Cr膜和Al-Si-Cu膜。對各濺射條件來說，在Cr膜中是 Ar氣100sccm、壓力0,14Pa、DC功率1.0kw、溫度200。C，使膜厚為50亂 在Al-Si曙Cu月菱中，在Ar氣100sccm、壓力0.14Pa、 DC功率1.0kw、溫 度80。C的條件下，為300nm的膜厚。
接著，以覆蓋柵極絕緣膜3、溝道區(qū)域3a、源電極6a以及漏電極 6b的方式，利用等離子體CVD法形成保護絕緣膜7。在成膜中，成膜 溫度為280。C、高頻功率密度為0.1 - 0.3W/cm2、壓力為80 ~ 130Pa下， 成膜氣體使用N2、 SiH4、 NH3的混合氣體，膜厚為300nm。
之后，為了緩和制造過程中的各等離子體損傷，在250 300'C的溫 度下進行30-60分鐘熱處理。在該熱處理中，也從柵極絕緣膜3的第 二區(qū)域12向第一區(qū)域11和氬化非晶硅膜4的界面提供氫，降低缺陷。在圖7中，作為本實施方式1的TFT，示出改變第一區(qū)域11以及 第二區(qū)域12的成膜條件所制作的TFT(實施例1 ~7)的TFT特性和可靠 性的研究結(jié)果。此外，也一起示出具有在除上這實施方式1的條件以外 的成膜條件下形成的柵極絕緣膜的TFT(比較例1 ~ 3)的TFT特性和可靠 性的研究結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明，由圖7的表可知，作成具備確?？煽啃缘?第一區(qū)域11和確保特性的第二區(qū)域12的柵極絕緣膜3，由此，得到同 時具備特性以及可靠性這二者的TFT。
對于本實施方式1的TFT50來說，例如，能夠作為TFT陣列(array) 襯底等搭栽在液晶顯示裝置或EL顯示裝置等平面型顯示裝置(平板顯示 器(flat panel display))等顯示裝置上。
根據(jù)本實施方式1,當(dāng)形成柵極絕緣膜3時，除了材料氣體以外， 添加H2氣或者H2氣和He氣，由此，能夠使所形成的柵極絕緣膜的應(yīng) 力方向為壓縮方向。其結(jié)果是，能夠降低氫化非晶硅膜和柵極絕緣膜的 界面的缺陷能級。并且，使用上述結(jié)構(gòu)的具有第一區(qū)域11以及第二區(qū) 域12的柵極絕緣膜3，從而TFT的導(dǎo)通(ON)特性變得良好。此外， 能夠降低TFT的閾值電壓。因此，能夠提供特性較高的TFT。并且，能 夠制造TFT的長時間驅(qū)動導(dǎo)致的閾值電壓偏移量較少的良好的TFT。因 此，能夠提供可靠性較高的TFT。
并且，在本實施方式l中，說明了由將柵極絕緣膜3在膜厚方向分 割為兩個的硅氮化膜構(gòu)成的例子，但是不限于此。若具備與氫化非晶硅 膜4接觸的第一區(qū)域11和位于第一區(qū)域11下層的第二區(qū)域12，則能夠 在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)進行各種改變。例如，可以具備第一區(qū)域 11、第二區(qū)域12以外的組成的硅氮化膜。此外，可以具備硅氮化膜以 外的不同的膜。
此外，各區(qū)域(第一區(qū)域、第二區(qū)域)不需要由單一的組成膜構(gòu)成。 例如，對于第一區(qū)域11未說，若硅氮化膜的氮和硅的組成比(N/Si)在1.3 以上且1.5以下的范圍內(nèi)，則在膜厚方向存在分布也沒有影響。在第一 區(qū)域11以及第二區(qū)域12,可以在膜厚方向逐漸地改變硅氮化膜的氮和 石圭的組成比(N/Si)，單調(diào)地進行變化而成為上述的值也可以。此外，對 反交錯型的結(jié)構(gòu)進行了說明，但是，并不限于此，在正交錯型或共面結(jié) 構(gòu)中也得到本發(fā)明的效果。
(實施方式2)
15接下來，對與上述實施方式不同結(jié)構(gòu)的TFT的一例進行說明。并且， 在下面的說明中，與上述實施方式相同的要素構(gòu)件使用相同的符號，并 且適當(dāng)?shù)厥÷云湔f明。.
對于本實施方式2的TFT51來說，除了下述的方面以外，基本的結(jié) 構(gòu)以及制造方法與上述實施方式1相同。即，不同之處在于，在上述實 施方式1的TFT50中，將柵極絕緣膜3在膜厚方向分割為兩個區(qū)域(第 一區(qū)域ll,第二區(qū)域12)，相對于此，在本實施方式2的TFT51中，將 柵極絕緣膜3a在膜厚方向分割為三個區(qū)域(第一區(qū)域11,第二區(qū)域12， 第三區(qū)域13)。此外，不同之處在于，在上述實施方式1的柵極絕緣膜3 中，由硅氮化膜構(gòu)成，相對于此，在本實施方式2的柵極絕緣膜3a中， 由硅氮化膜和以TEOS(正硅酸乙酯(Tetraethyl orthosilicate))為主要成分 的氧化膜(下面稱為"TEOS氧化膜")構(gòu)成。
在圖8中示出實施方式2的TFT51的示意性的切斷部截面圖。如該 圖所示，柵極絕緣膜3a被分割為與氫化非晶硅膜4接觸的第 一 區(qū)域U 、 位于第一區(qū)域下層的第二區(qū)域12和位于第二區(qū)域12下層且形成在柵電 極正上方的第三區(qū)域13這三個區(qū)域。
對于柵極絕緣膜3a的第一區(qū)域11來說，與上述實施方式1相同地， 硅氮化膜的氮和硅的組成比(N/Si)為1.3以上且1.5以下。此外，構(gòu)成柵 極絕緣膜3a的第二區(qū)域12的硅氮化膜的氮和硅的組成比(N/Si)為1.0以 下。并且，對冊極絕緣膜3a的第三區(qū)域13由TEOS氧化膜構(gòu)成。
第一區(qū)域11、第二區(qū)域12和第三區(qū)域13合起來的膜厚即柵極絕緣 膜3a的膜厚優(yōu)選為300nm以上且400nm以下。當(dāng)小于300nm時，存在 絕緣耐性由于成膜時混入的異物而下降并且成品率降低的危險。此外， 當(dāng)超過400nm時，絕緣膜的電容變小，所以，TFT的導(dǎo)通電流下降，存 在不能得到所希望的特性的危險。第一區(qū)域ll優(yōu)選為30nm以下。這是 因為，當(dāng)?shù)谝粎^(qū)域11的膜厚超過30nm時，從第二區(qū)域12提供的氬不 能充分地提供到第一區(qū)域U和氫化非晶硅膜4的界面。此外，為了充 分地抑制閾值電壓偏移，優(yōu)選第一區(qū)域11的膜厚為10nm以上。
優(yōu)選第三區(qū)域13的膜厚為25nm以上且100nm以下。作成25nm以 上，由此，能夠充分地降低由柵電極2的凹凸產(chǎn)生的影響。此外，作成 在100nm以下，從而能夠確保不引起TFT的導(dǎo)通電流降低的柵極絕緣 膜電容。如上所述，對于TFT的特性，柵極絕緣膜和氫化非晶硅膜的界面狀 態(tài)是重要的。對該界面狀態(tài)產(chǎn)生影響的因素之一，例舉為柵極絕緣膜的 表面形態(tài)。對于該形態(tài)來說，如以下所述那樣，也受到來自柵電極的影響。
作為柵電極2的材料，通常采用Al、 Cr、 Mo、 Ta、 Ni等金屬。即 便是其他金屬，如果電阻率在5~50pi>cm的范圍內(nèi)，也能夠用作電極 材料。對于柵電極2來說，使用上述金屬材料，通常將Ar作為濺射氣 體，利用DC磁控管濺射法成膜。在該磁控管濺射法中，由反沖Ar氣對 成膜表面產(chǎn)生沖擊，所以存在電極表面形態(tài)惡化的問題。此外，根椐金 屬材料，也存在容易進行結(jié)晶生長的。在使用容易進行結(jié)晶生長的金屬 材料的情況下，其表面形態(tài)依賴于膜厚，膜厚變厚時，電極表面的形態(tài) 惡化。并且，與此相伴，表面的凹凸變大。
當(dāng)柵電極2的表面的凹凸較大時，在形成柵極絕緣膜的情況下，由 于沿著電極表面的凹凸形狀堆積硅氮化膜，所以柵極絕緣膜的表面凹凸 進一步變大。
隨著柵極絕緣膜上的表面凹凸變大，柵極絕緣膜和氫化非晶硅膜的 界面的缺陷密度增加，場效應(yīng)遷移率的降低或閾值電壓增加。因此，為 了解決該問題，本發(fā)明人反復(fù)進行研究發(fā)現(xiàn)，在第三區(qū)域13上配置TEOS 氧化膜，從而能夠改善表面形態(tài)。并且，發(fā)現(xiàn)能夠進一步提高晶體管特性。
對于TEOS氧化膜來說，以TEOS和02為材料氣體，利用等離子 體CVD法進行成膜。利用等離子體被分解的TEOS到達襯底表面之后， 引起脫水縮合反應(yīng)，成為SiOx。與以SiH4為主要成分的絕緣膜相比較， TEOS氣體在襯底表面上具有流動性，所以覆蓋性(coverage)好，能夠使 柵電極表面的凹凸平滑。此外，對于TEOS氧化膜來說，在膜中含有大 量的氫，所以，能夠作為用于將氬提供給柵極絕緣膜3和氫化非晶硅膜 4的界面的氬供給源。
接下來，對如上述那樣構(gòu)成的TFT51的制造方法進行說明。首先， 在絕緣性襯底1上，利用DC磁控管濺射等形成導(dǎo)電膜。靶使用Al合金 靶，在Ar氣100sccm、壓,;力9.1化a、功率l.Okw、溫度100。C的條件下， 形成400nm的導(dǎo)電膜。對'于該膜厚來說，得到滿足器件特性的導(dǎo)電性即 可，并且能夠根據(jù)所使用的金屬等而改變。也可以使用上述實施方式1
17中所使用的Cr等。
利用AFM,對濺射形成400nm的Al合金的情況下的電極表面的平 均粗糙度(Ra)進行測量時，約為6.0nm。此外，最大臺階差Rmax在18 ~ 22nm的范圍內(nèi)。
在得到所希望的形狀的柵電極2之后，將TEOS和02作為材料氣 體，利用等離子體CVD法形成TEOS氧化膜。對于柵極絕緣膜3的第 三區(qū)域13來說，在成膜溫度280 350。C、高頻功率密度0.3 0.9W/cm2、 壓力150~ 200Pa的條件下，使用100~150sccm的TEOS、 4000至 6000sccm的02氣，以膜厚為50nm的方式進行成膜。
接下來，不暴露到大氣中，連續(xù)地形成硅氮化膜的第二區(qū)域12和 第一區(qū)域11。對于柵極絕緣膜3a的第二區(qū)域12來說，在成膜溫度為 280°C、高頻功率密度為0.1 ~0.3W/cm2、壓力為80 130Pa、使用N2、 SiH4、 NH3的材料氣體以及H2氣、并且NIHb/SiH4流量比為1 ~ 4、 &相 對于總流量為30~40%的條件下，以膜厚為250 ~300nm的方式進行成 膜。
對于柵極絕緣膜3a的第一區(qū)域11來說，在成膜溫度為280。C、高 頻功率密度為0.1 ~0.3W/cm2、壓力為80~ 130Pa、使用N2、 SiH4、 NH3 的材料氣體以及H2氣、并且NH3/SiH4流量比為11~14、 H2相對于總流 量為30~40%的條件下,,，以膝厚為10~30nm的方式進行成膜。以后的 制造方法與上述實施方式1相同。
對于利用上述制造方法得到的TFT來說，閾值電壓為3.0V，導(dǎo)通 (ON)電流為7.3xl(T7A,對4冊電極施加30V的偏壓(bias) 30000秒之 后的閾值電壓偏移量(增加量)是1.7V，得到特性以及可靠性較高的TFT。
根據(jù)本實施方式2，在柵極絕緣膜3a上設(shè)置由TEOS氧化膜構(gòu)成的 第三區(qū)域13,由此，能夠?qū)艠O絕緣膜表面的平坦性改善為Ra3nm以 下。此外，構(gòu)成第三區(qū)域13 6々TEOS氧化膜和構(gòu)成第二區(qū)域12的硅氮 化膜成為對柵極絕緣膜3a和氫化非晶硅膜4的界面提供氫的供給源， 能夠使閾值電壓變低。此外，使構(gòu)成與氫化非晶硅膜4接觸的柵極絕緣 膜3a的第一區(qū)域11的硅氮化膜的氮和硅的組成比(N/Si)為1.3以上且 1.5以下，由此，能夠提供由長時間驅(qū)動導(dǎo)致的閾值電壓偏移較小的良 好的晶體管。
并且，在本實施方式2中描述了將柵極絕緣膜3在膜厚方向分割為三部分并且在柵電極正上方配置TEOS氧化膜、在其上層配置的區(qū)域上 配置硅氮化膜的例子，但是，在不脫離本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)，能夠進 行各種改變。例如，在本實施方式2中說明了在柵電極的正上方的區(qū)域 (第三區(qū)域13)配置了 TEOS氧化膜的例子，但是，并不限于此，例如， 也可以在由硅氮化膜構(gòu)成的第一區(qū)域11和第二區(qū)域12之間配置TEOS 氧化膜。
附圖標(biāo)記說明l是絕緣性襯底，2是柵電極，3是柵極絕緣膜，4 是氫化非晶硅膜，5是n型非晶硅層，6a是源電極，7b是漏電極，8是 保護絕緣膜，U是第一區(qū)域，12是第二區(qū)域，13是第三區(qū)域，50是TFT。
權(quán)利要求
1. 一種薄膜晶體管的制造方法，其中，具備在襯底上形成柵電極的工序；在所述柵電極上形成柵極絕緣膜的工序；在所述柵極絕緣膜的正上方形成氫化非晶硅膜的工序，所述柵極絕緣膜至少具備與所述氫化非晶硅膜接觸的第一區(qū)域和與該第一區(qū)域相比位于下層的第二區(qū)域，所述第一區(qū)域以及第二區(qū)域使用由NH3、N2、SiH4構(gòu)成的原料氣體、和H2或由H2與He構(gòu)成的氣體形成，所述第一區(qū)域是以所述NH3與所述SiH4的流量比為11以上且14以下的方式形成的，所述第二區(qū)域是以所述NH3與所述SiH4的流量比為4以下的方式形成的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于， 所述柵極絕緣膜還具備與所述第 一 區(qū)域相比位于下層的第三區(qū)域，該第三區(qū)域使用正硅酸乙酯以及氧形成。
3. —種薄膜晶體管，其中，具備在襯底上形成的柵電極；在所述柵電極上形成的柵極絕緣膜；在所述柵極絕緣膜的正上方形成的氫化非晶硅膜，所述柵極絕緣膜至少具備與所述氬化非晶硅膜接觸的第 一 區(qū)域和與該第一區(qū)域相比位于下層的第二區(qū)域，所述第一區(qū)域以及所迷第二區(qū)域由硅氮化膜構(gòu)成， 所述第一區(qū)域的硅氮化膜的氮和硅的組成比為1.3以上且1.5以下， 所述第二區(qū)域的硅氮化膜的氮和硅的組成比為1.0以下。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的薄膜晶體管，其特征在于， 所述第一區(qū)域的膜厚為10nm以上且30nm以下。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3的薄膜晶體管，其特征在于， 所述柵極絕緣膜還具備第三區(qū)域，該第三區(qū)域與所述第 一 區(qū)域相比位于下層，并且主要的層由以正硅酸乙酯為主要成分的氧化膜構(gòu)成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜晶體管，其特征在于， 所述第三區(qū)域的厚度為25nm以上且100nm以下。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3的薄膜晶體管，其特征在于， 所述柵極絕緣膜的膜厚為300nm以上且400nm以下。
8. —種顯示裝置,其中，具備權(quán)利要求3至7的任意一項的薄膜晶體管。
全文摘要
本發(fā)明提供良好地保持特性并且可靠性較高的薄膜晶體管及其制造方法和搭載了該薄膜晶體管的顯示裝置。本發(fā)明一實施方式的薄膜晶體管的制造方法具備在柵電極(2)上形成柵極絕緣膜(3)的工序，柵極絕緣膜(3)至少具備與氫化非晶硅膜(4)接觸的第一區(qū)域(11)和與該第一區(qū)域(11)相比位于下層的第二區(qū)域(12)，第一區(qū)域(11)以及第二區(qū)域(12)使用由NH₃、N₂、SiH₄構(gòu)成的原料氣體、和H₂或由H₂與He構(gòu)成的氣體形成，對于第一區(qū)域(11)來說，使NH₃和SiH₄的流量比(NH₃/SiH₄)為11以上且14以下進行成膜，對于第二區(qū)域(12)來說，使NH₃和SiH₄的流量比(NH₃/SiH₄)為4以下進行成膜。
文檔編號H01L21/336GK101465296SQ200810178050
公開日2009年6月24日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者中川直紀(jì), 內(nèi)田祐介, 大野岳, 小田耕治 申請人:三菱電機株式會社