JP2011049297A - Method of manufacturing thin film transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は薄膜トランジスタの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a thin film transistor.
現在、一般的な平面薄型画像表示装置(Flat Panel Display;FPD)は非晶質シリコンや多結晶シリコンを活性層に用いた電界効果トランジスタのアクティブマトリックスにより駆動されている。 At present, a general flat panel display (FPD) is driven by an active matrix of a field effect transistor using amorphous silicon or polycrystalline silicon as an active layer.
一方、FPDのさらなる薄型化、軽量化、耐破損性の向上を求めて、ガラス基板の替わりに可撓性基板を用いる試みが近年なされている。 On the other hand, in recent years, attempts have been made to use a flexible substrate instead of a glass substrate in order to further reduce the thickness, weight, and breakage resistance of an FPD.
しかし、上述のシリコン薄膜を用いるトランジスタの製造は、比較的高温の熱工程を要し、一般的に耐熱性の低い可撓性基板上に直接形成することは困難である。 However, the manufacture of the above-described transistor using a silicon thin film requires a relatively high temperature thermal process and is generally difficult to form directly on a flexible substrate having low heat resistance.
そこで、低温形成が可能な酸化物半導体を活性層とした薄膜トランジスタの開発が活発に行われている(特許文献1)。 Thus, development of a thin film transistor using an oxide semiconductor that can be formed at a low temperature as an active layer has been actively performed (Patent Document 1).
そして、上述の酸化物半導体を活性層とした薄膜トランジスタのゲート絶縁層としては、例えばマグネトロンスパッタ法で形成した酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム等の単膜またはそれらを積層した膜が用いられている(特許文献2)。 As the gate insulating layer of the thin film transistor using the above-described oxide semiconductor as an active layer, for example, a single film of silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide or the like formed by magnetron sputtering or a film in which these films are stacked is used. (Patent Document 2).
しかしマグネトロンスパッタ法で成膜したゲート絶縁層は、基板との密着性が低いため、基板からゲート絶縁膜が剥がれやすく、信頼性の高い薄膜トランジスタが得られないという問題があった。 However, since the gate insulating layer formed by the magnetron sputtering method has low adhesion to the substrate, there is a problem that the gate insulating film is easily peeled off from the substrate and a highly reliable thin film transistor cannot be obtained.
そこで本発明では、上記のような要求を解決するため、基板との密着性が高いゲート絶縁層を設けることにより信頼性の高い電界効果トランジスタを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly reliable field effect transistor by providing a gate insulating layer having high adhesion to a substrate in order to solve the above-described requirements.
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、請求項1の係る発明は絶縁基板上に少なくともゲート電極、ゲート絶縁層、酸化物を含む半導体層、ソース電極およびドレイン電極が設けられ、前記ゲート絶縁層は前記絶縁基板と接触する下部ゲート絶縁層と、該下部ゲート絶縁層の上に形成された一層以上の上部ゲート絶縁層を積層してなる薄膜トランジスタの製造方法であって、前記下部ゲート絶縁層がイオンビームスパッタ法により成膜され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。 The present invention has been made to achieve the above object, and the invention according to claim 1 is provided with at least a gate electrode, a gate insulating layer, a semiconductor layer containing an oxide, a source electrode and a drain electrode on an insulating substrate. The gate insulating layer is a method of manufacturing a thin film transistor comprising a lower gate insulating layer in contact with the insulating substrate and one or more upper gate insulating layers formed on the lower gate insulating layer. A method of manufacturing a thin film transistor, wherein the lower gate insulating layer is formed by ion beam sputtering.
請求項2の係る発明は前記下部ゲート絶縁層の少なくとも一層が、酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンオキシナイトライド、酸化アルミニウムのいずれか1種の化合物を含むことを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタの製造方法である。 The invention according to claim 2 is characterized in that at least one layer of the lower gate insulating layer contains any one compound of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, and aluminum oxide. It is a manufacturing method of a thin film transistor.
請求項3の係る発明は前記上部ゲート絶縁層の少なくとも一層がマグネトロンスパッタ法により成膜されることを特徴とする請求項1乃至2に記載の薄膜トランジスタの製造方法である。 The invention according to claim 3 is the method of manufacturing a thin film transistor according to claim 1 or 2, wherein at least one of the upper gate insulating layers is formed by magnetron sputtering.
請求項4の係る発明は前記上部ゲート絶縁層の少なくとも一層がCVD法により成膜されることを特徴とする請求項1乃至2に記載の薄膜トランジスタの製造方法である。 According to a fourth aspect of the present invention, in the thin film transistor manufacturing method according to the first or second aspect, at least one of the upper gate insulating layers is formed by a CVD method.
請求項5の係る発明は前記上部ゲート絶縁層の少なくとも一層が塗布法により成膜されることを特徴とする請求項1乃至2に記載の薄膜トランジスタの製造方法である。 The invention according to claim 5 is the method of manufacturing a thin film transistor according to claim 1 or 2, wherein at least one of the upper gate insulating layers is formed by a coating method.
請求項6の係る発明は前記上部ゲート絶縁層の少なくとも一層が、酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンオキシナイトライド、酸化アルミニウムのいずれか1種の化合物を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。 The invention according to claim 6 is characterized in that at least one of the upper gate insulating layers contains any one compound of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, and aluminum oxide. The manufacturing method of the thin-film transistor in any one.
請求項7の係る発明は前記上部ゲート絶縁層の少なくとも一層が、ポリアクリレート、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ポリイミド、ポリエステル、エポキシ、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコールのいずれか1種の化合物を含む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。 The invention according to claim 7 is characterized in that at least one layer of the upper gate insulating layer contains any one compound of polyacrylate, polyvinyl alcohol, polystyrene, polyimide, polyester, epoxy, polyvinyl phenol, and polyvinyl alcohol. It is a manufacturing method of the thin-film transistor of Claim 6.
請求項8の係る発明は前記下部ゲート絶縁層の膜厚が10nm以上200nm以下であることを特徴とする請求項1乃至7に記載の薄膜トランジスタの製造方法である。 The invention according to claim 8 is the method for manufacturing a thin film transistor according to any one of claims 1 to 7, wherein the film thickness of the lower gate insulating layer is 10 nm or more and 200 nm or less.
請求項9の係る発明は前記酸化物を含む半導体層がInとGaとZnのうち少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項1乃至8に記載の薄膜トランジスタの製造方法である。 The invention according to claim 9 is the method of manufacturing a thin film transistor according to any one of claims 1 to 8, wherein the semiconductor layer containing an oxide contains at least one of In, Ga, and Zn.
請求項10の係る発明は前記絶縁基板が可撓性基板であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法である。
The invention according to
本発明の薄膜トランジスタの製造方法によれば、基板から絶縁層が剥離しにくく、かつ良好なトランジスタ特性を示す、信頼性の高い薄膜トランジスタを製造することが可能となる。イオンビームスパッタ法を用いて成膜した膜はマグネトロンスパッタ法等を用いた膜と比較して、絶縁基板、特に可撓性基板に対して高い密着性を示す。よって絶縁基板上に少なくともゲート電極、ゲート絶縁層、酸化物を含む半導体層、ソース電極およびドレイン電極が設けられ、該ゲート絶縁層が絶縁基板と接触する下部ゲート絶縁層と、該下部ゲート絶縁層の上に積層された少なくとも一層以上の上部ゲート絶縁層からなる薄膜トランジスタにおいて、該下部ゲート絶縁層がイオンビームスパッタ法により成膜されることにより基板からゲート絶縁層が剥離しにくい薄膜トランジスタを得ることができる。 According to the method for manufacturing a thin film transistor of the present invention, it is possible to manufacture a highly reliable thin film transistor in which an insulating layer is hardly peeled off from a substrate and exhibits good transistor characteristics. A film formed using the ion beam sputtering method exhibits higher adhesion to an insulating substrate, particularly a flexible substrate, than a film formed using a magnetron sputtering method or the like. Accordingly, at least a gate electrode, a gate insulating layer, a semiconductor layer containing an oxide, a source electrode and a drain electrode are provided over the insulating substrate, the lower gate insulating layer in contact with the insulating substrate, and the lower gate insulating layer A thin film transistor including at least one upper gate insulating layer stacked on the substrate can be obtained by forming the lower gate insulating layer by ion beam sputtering so that the gate insulating layer does not easily peel from the substrate. it can.
ゲート絶縁層の下部ゲート絶縁層または上部ゲート絶縁層の少なくとも一層が、酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンオキシナイトライド、酸化アルミニウムのいずれか1種の化合物を含むことで、十分な絶縁性を呈し、ゲートリーク電流が抑制される。 When at least one of the lower gate insulating layer or the upper gate insulating layer of the gate insulating layer contains any one compound of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, and aluminum oxide, sufficient insulation is exhibited. Gate leakage current is suppressed.
イオンビームスパッタ法による成膜は成膜速度が遅いため、ゲート絶縁層の下部ゲート絶縁層をイオンビームスパッタ法で薄く成膜した後に、マグネトロンスパッタ法等で上記に示したような無機材料からなる上部ゲート絶縁層を高速成膜することは、製造コストを低減させる上で有効である。 Since film formation by ion beam sputtering is slow, the lower gate insulating layer of the gate insulating layer is made thin by ion beam sputtering and then made of an inorganic material as shown above by magnetron sputtering or the like. Forming the upper gate insulating layer at a high speed is effective in reducing the manufacturing cost.
ゲート絶縁層の上部ゲート絶縁層が半導体層と接する場合、イオンビームスパッタ法よりも緻密な膜を成膜することが可能であるCVD法を用いて、半導体に接する前記上部ゲート絶縁層を成膜することは、トランジスタ特性を向上させる上で有効な手段である。 When the upper gate insulating layer of the gate insulating layer is in contact with the semiconductor layer, the upper gate insulating layer in contact with the semiconductor is formed using a CVD method, which can form a denser film than the ion beam sputtering method. This is an effective means for improving the transistor characteristics.
イオンビームスパッタ法による成膜は成膜速度が遅いため、ゲート絶縁層の下部ゲート絶縁層をイオンビームスパッタ法で薄く成膜した後に、真空保持を必要としない塗布法により上部ゲート絶縁層を成膜することは、製造コストを低減させる上で有効である。 Since film formation by ion beam sputtering is slow, the upper gate insulating layer is formed by a coating method that does not require vacuum holding after the lower gate insulating layer of the gate insulating layer is thinly formed by ion beam sputtering. Filming is effective in reducing the manufacturing cost.
または前記上部ゲート絶縁層の少なくとも一層が、ポリアクリレート、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ポリイミド、ポリエステル、エポキシ、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコールのいずれか1種の化合物を含むことで、十分な絶縁性を呈し、ゲートリーク電流が抑制される。 Alternatively, at least one layer of the upper gate insulating layer contains a compound of any one of polyacrylate, polyvinyl alcohol, polystyrene, polyimide, polyester, epoxy, polyvinyl phenol, and polyvinyl alcohol, thereby exhibiting sufficient insulation, and the gate. Leakage current is suppressed.
ゲート絶縁層の下部ゲート絶縁層の膜厚が10nm以上であることで、島状成長を抑制し、基板全体を完全に被覆した膜を形成することができる。またゲート絶縁層の下部ゲート絶縁層の膜厚が200nm以下であることで、膜の応力の増大を抑え、剥がれが生じにくい膜を形成することができる。イオンビームスパッタ法により成膜した膜は、マグネトロンスパッタ法やCVD法で成膜した膜と比較して応力が高いため、厚膜化による膜応力の増大により、膜剥がれが生じることが確認されている。また基板にプラスチック基板等を用いた場合には、厚膜化による膜応力の増大により、基板の反りが発生することが確認されている。 When the thickness of the lower gate insulating layer of the gate insulating layer is 10 nm or more, island-like growth can be suppressed and a film that completely covers the entire substrate can be formed. In addition, when the thickness of the lower gate insulating layer of the gate insulating layer is 200 nm or less, an increase in the stress of the film can be suppressed, and a film that does not easily peel can be formed. Films deposited by ion beam sputtering have higher stress than films deposited by magnetron sputtering or CVD, and it has been confirmed that film peeling occurs due to increased film stress due to increased film thickness. Yes. In addition, when a plastic substrate or the like is used as the substrate, it has been confirmed that the substrate warps due to an increase in film stress due to the increase in film thickness.
さらに、半導体層にIn、Zn、Gaのいずれか一種を含む酸化物を用いることで優れたトランジスタ特性を得ることができる。 Further, excellent transistor characteristics can be obtained by using an oxide containing any one of In, Zn, and Ga for the semiconductor layer.
また絶縁基板として可撓性基板を用いることで、薄型、軽量、フレキシブルな薄膜トランジスタを提供することが可能となる。 In addition, by using a flexible substrate as the insulating substrate, a thin, lightweight, and flexible thin film transistor can be provided.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。実施の形態において、同一構成要素には同一符号を付け、実施の形態の間において重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the embodiments, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description among the embodiments is omitted.
図1に本発明の薄膜トランジスタの一例を示す。絶縁基板10上に、ゲート電極11、ゲート絶縁層12、半導体層13、ソース電極14、ドレイン電極15が順次形成されたボトムゲート−トップコンタクト型の薄膜トランジスタである。そしてゲート絶縁層12が下部ゲート絶縁層12aと上部ゲート絶縁層12bからなり、絶縁基板に接する下部ゲート絶縁層12aがイオンビームスパッタ法で成膜されることを特徴とする。
FIG. 1 shows an example of a thin film transistor of the present invention. This is a bottom gate-top contact type thin film transistor in which a
図2に本発明の薄膜トランジスタの他の例を示す。絶縁基板10上に、ゲート電極11、ゲート絶縁層1、半導体層13、ソース電極14、ドレイン電極15が順次形成されたボトムゲート−ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタである。そしてゲート絶縁層12が下部ゲート絶縁層12aと上部ゲート絶縁層12bからなり、絶縁基板に接する下部ゲート絶縁層12aがイオンビームスパッタ法で成膜されることを特徴とする。
FIG. 2 shows another example of the thin film transistor of the present invention. This is a bottom gate-bottom contact type thin film transistor in which a
図3に本発明の薄膜トランジスタの他の例を示す。絶縁基板10上に、ソース電極14、ドレイン電極15、半導体層13、ゲート絶縁層12、ゲート電極11、が順次形成されトップゲート−ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタである。そしてゲート絶縁層12が下部ゲート絶縁層12aと上部ゲート絶縁層12bからなり、絶縁基板に接する下部ゲート絶縁層12aがイオンビームスパッタ法で成膜されることを特徴とする。
FIG. 3 shows another example of the thin film transistor of the present invention. A
本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタの構造は、上記に限定されるものではなく、トップゲート−トップコンタクト型などの構造であってもよい。 The structure of the thin film transistor according to the embodiment of the present invention is not limited to the above, and may be a top gate-top contact type structure.
絶縁基板10には、例えばガラスやプラスチック基板を用いることができる。プラスチック基板としては、例えば、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンサルファイド、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート(PEN)、シクロオレフィンポリマー、ポリエーテルサルフェン、トリアセチルセルロース、ポリビニルフルオライドフィルム、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合樹脂、耐候性ポリエチレンテレフタレート、耐候性ポリプロピレン、ガラス繊維強化アクリル樹脂フィルム、ガラス繊維強化ポリカーボネート、透明性ポリイミド、フッ素系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂等を使用することができる。これらの基板は単独で使用することもでき、二種以上を積層した複合基板を使用することもできる。
As the
プラスチック基板等の可撓性基板であれば、薄型、軽量、フレキシブルな薄膜トランジスタを得ることができ好ましい。また、製造工程に乾燥工程等の熱処理を含む場合には、熱安定性の高い石英などのガラス基板の他、プラスチック基板ではPESやPENが好ましい。 A flexible substrate such as a plastic substrate is preferable because a thin, light, and flexible thin film transistor can be obtained. When the manufacturing process includes a heat treatment such as a drying process, PES or PEN is preferable for a plastic substrate in addition to a glass substrate such as quartz having high thermal stability.
本発明のゲート電極11、ソース電極14及びドレイン電極15には、酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化カドミウム(CdO)、酸化インジウムカドミウム(CdIn2O4)、酸化カドミウムスズ(Cd2SnO4)、酸化亜鉛スズ(Zn2SnO4)、酸化インジウム亜鉛(In−Zn−O)等の酸化物材料が好適に用いられる。またこの酸化物材料に不純物をドープすることも導電率を上げるために好ましい。例えば、酸化インジウムにスズやモリブデン、チタンをドープしたもの、酸化スズにアンチモンやフッ素をドープしたもの、酸化亜鉛にインジウム、アルミニウム、ガリウムをドープしたものなどである。この中では特に酸化インジウムにスズをドープした酸化インジウムスズ(通称ITO)が低い抵抗率のために特に好適に用いられる。またAu、Ag、Cu、Cr、Al、Mg、Liなどの低抵抗金属材料も好適に用いられる。また導電性酸化物材料と低抵抗金属材料を複数積層したものも使用できる。この場合、金属材料の酸化や経時劣化を防ぐために導電性酸化物薄膜/金属薄膜/導電性酸化物薄膜の順に積層した3層構造が特に好適に用いられる。またPEDOT(ポリエチレンジオキシチオフェン)等の有機導電性材料も好適に用いることができる。ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極は全て同じ材料であっても構わないし、また全て違う材料であっても構わない。しかし、工程数を減らすためにソース電極とドレイン電極は同一の材料であることがより望ましい。これらの電極は、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)、光CVD法、ホットワイヤーCVD法等で形成される。また上述の導電性材料をインキ状、ペースト状にしたものをスクリーン印刷、凸版印刷、インクジェット法等で塗布し、焼成して形成することもできるが、これらに限定されるものではない。
The
ゲート絶縁層12は下部ゲート絶縁層12aと上部ゲート絶縁層12bで構成される。ゲート絶縁層12の厚さは50nm〜2μmとすることが好ましい。本発明の絶縁基板10と接する下部ゲート絶縁層12aはイオンビームスパッタ法により成膜されることを特徴とする。材料としては、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンオキシナイトライド、酸化アルミニウムのいずれか一種の化合物を含むことが特に好ましい。または酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、酸化ジルコニア、酸化チタンのいずれか1種の化合物を含むことが好ましい。上記、下部ゲート絶縁層12aの抵抗値は1010Ω・cm以上が好ましく、より好ましくは1012Ω・cm以上である。抵抗値が1010Ω・cmより小さいと、ゲート絶縁層全体として十分な絶縁性を呈することができず、ゲートリーク電流が増大するため、良好な素子特性を得ることができない。
The
また下部ゲート絶縁層12aの膜厚は、10nm以上200nm以下が好ましい。10nmより薄いと層状でなく島状になったり、基板の凹凸等により基板全体を完全に被覆することができない恐れがある。また、200nmより厚いと膜の応力が高くなり、膜剥離が生じる、プラスチック基板を用いた場合には基板の反りが発生するという問題がある。
なお、膜厚が10nm以下又は200nm以上であっても、基板全体が被覆され膜剥離や基板の反り等の問題が生じなければ、これを妨げるものではない。
The thickness of the lower
Even if the film thickness is 10 nm or less or 200 nm or more, this does not hinder the entire substrate if it does not cause problems such as film peeling and substrate warpage.
本発明で用いられる薄膜トランジスタの上部ゲート絶縁層12bは単層とすることもでき、複数の層を積層することもできる。上部ゲート絶縁層12bの材料はゲートリーク電流を抑制するための十分な絶縁性を有していれば特に制限はないが、抵抗率が1011Ω・cm以上の材料が好ましく、さらには1014Ω・cm以上であることが好ましい。
The upper
例えば無機材料としては、酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンオキシナイトライド、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、酸化ジルコニア、酸化チタン等を挙げることができ、これらの材料を用いることでゲートリーク電流を抑制するために十分な絶縁性を得ることができる。 Examples of the inorganic material include silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxide, tantalum oxide, yttrium oxide, hafnium oxide, hafnium aluminate, zirconia oxide, and titanium oxide. These materials are used. Thus, sufficient insulation can be obtained to suppress the gate leakage current.
また有機材料としては、PMMA(ポリメチルメタクリレート)等のポリアクリレート、PVA(ポリビニルアルコール)、PS(ポリスチレン)、透明性ポリイミド、ポリエステル、エポキシ、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール等が挙げられ、これらの材料を用いることで、ゲートリーク電流を抑制するために十分な絶縁性を得ることができる。 Examples of organic materials include polyacrylates such as PMMA (polymethyl methacrylate), PVA (polyvinyl alcohol), PS (polystyrene), transparent polyimide, polyester, epoxy, polyvinylphenol, polyvinyl alcohol, and the like. By using it, sufficient insulation can be obtained to suppress the gate leakage current.
上部ゲート絶縁層12bは真空蒸着法、イオンプレーティング法、マグネトロンスパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマCVD、光CVD法、ホットワイヤーCVD法、スピンコート、ディップコート、スクリーン印刷などの方法を用いて形成される。これらの上部ゲート絶縁層12bは膜の成長方向に向けて組成を傾斜したものもまた好適に用いることができる。真空蒸着法、マグネトロンスパッタ法等の比較的高速成膜が可能な真空成膜法や、スピンコート法等の真空保持を必要としない成膜法を用いることで製造コストを低減することが可能となる。また上部ゲート絶縁層12bが半導体と接する場合、CVD法等の緻密な膜が得られる成膜法を用いることで、トランジスタ特性を向上させることが可能となる。
The upper
本発明で用いられる薄膜トランジスタの半導体層13としては、例えば、亜鉛、インジウム、スズ、タングステン、マグネシウム、ガリウムのうち一種類以上の元素を含む酸化物が挙げられる。酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム亜鉛、酸化スズ、酸化タングステン、酸化亜鉛ガリウムインジウム(In―Ga―Zn―O)等公知の材料が挙げられるがこれらに限定されるものではない。これらの材料の構造は単結晶、多結晶、微結晶、結晶/アモルファスの混晶、ナノ結晶散在アモルファス、アモルファスのいずれであってもかまわない。半導体層の膜厚は少なくとも10nm以上が望ましい。10nmより小さいと島状成長により膜中に半導体が形成されていない部分が生じるという問題が起こりうる。
Examples of the
半導体層13はスパッタ法、パルスレーザー堆積法、真空蒸着法、CVD法、ゾルゲル法などの方法を用いて形成されるが、好ましくはスパッタ法、パルスレーザー堆積法、真空蒸着法、CVD法である。スパッタ法ではRFマグネトロンスパッタ法、DCスパッタ法、イオンビームスパッタ法、真空蒸着では加熱蒸着、電子ビーム蒸着、イオンプレーティング法、CVD法ではホットワイヤーCVD法、プラズマCVD法などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。
The
ゲート絶縁層の上部ゲート絶縁層12bの半導体層と接する層と、半導体層13の成膜方法は同一であるとより好ましい。同一チャンバー内で連続成膜を行うことで、優れた素子特性を持ち、信頼性の高い薄膜トランジスタを得ることができる。
More preferably, the method of forming the
以下、本発明を実施例1から6並びに比較例1用いて説明するが、これに限るものではない。 Hereinafter, although this invention is demonstrated using Examples 1-6 and the comparative example 1, it does not restrict to this.
(実施例1)
実施例1では図4に示すような薄膜トランジスタを作製した。
Example 1
In Example 1, a thin film transistor as shown in FIG. 4 was produced.
絶縁基板10としてPEN基材(帝人デュポン社製Q65 厚さ125μm)上に、DCマグネトロンスパッタ装置を用いてITOを100nm成膜し、フォトリソグラフィー法を用いたエッチングによりゲート電極11を形成した。ITO成膜時の投入電力は100W、ガス流量はAr=50SCCM、O2=0.1SCCM、成膜圧力は1.0Paとした。次にイオンビームスパッタ装置を用いてSiNからなる下部ゲート絶縁層12aを50nm成膜した(ターゲットSi、印加電圧3kV、ガス流量N2=20SCCM、成膜圧力0.01Pa)。その後RFマグネトロンスパッタ装置を用いてSiONからなる上部ゲート絶縁層12bを400nm(投入電力は500W、ガス流量Ar=50SCCM、O2=20SCCM、成膜圧力1.0Pa)、In―Ga―Zn―O系酸化物からなる半導体層13を40nm(投入電力100W、ガス流量Ar=100SCCM、O2=2SCCM、成膜圧力1.0Pa)を連続成膜した。各成膜時の基板温度はいずれも室温である。半導体層13をフォトリソグラフィー法を用いてエッチングにより形成した後、メタルマスクを用いたEB(Electron Beam)蒸着によりAlからなるソース電極14とドレイン電極15を膜厚100nmとして形成し、薄膜トランジスタ素子1を得た。ソース/ドレイン電極間の長さは0.2mmであり、ソース/ドレイン電極間の幅は2mmである。また、膜厚は触針式膜厚計(ULVAC製 Dektak6M)で測定した。
A 100 nm ITO film was formed on a PEN substrate (Q65 thickness 125 μm manufactured by Teijin DuPont) as an insulating
作製した薄膜トランジスタ素子1の下部ゲート絶縁層12aと絶縁基板10の間の密着性をクロスカット法で評価した結果、剥離は観察されず、良好な密着性を示した。また、半導体パラメータアナライザ(Keithlay製 SCS4200)を用いて測定した薄膜トランジスタ素子1のトランジスタ特性は、移動度8cm2/Vs、ソース/ドレイン電極間に10Vの電圧が印加されたときのON/OFF比は6桁、ゲート電圧20V時のゲートリーク電流は4.2×10−11Aであり、良好なトランジスタ特性を示すとともに、十分にゲートリーク電流が抑制されていた。
As a result of evaluating the adhesion between the lower
(実施例2)
図4において下部ゲート絶縁層12aの膜厚を200nm、上部ゲート絶縁層12bの膜厚を250nmとした以外は実施例1と同様に素子を作製し、薄膜トランジスタ素子2を得た。
(Example 2)
In FIG. 4, an element was produced in the same manner as in Example 1 except that the film thickness of the lower
実施例1と同様に密着性を評価した結果、作製した薄膜トランジスタ素子2の下部ゲート絶縁層12aと絶縁基板10の間に剥離は観察されず良好な密着性を示した。半導体パラメータアナライザ(Keithlay製 SCS4200)を用いて測定した薄膜トランジスタ素子2のトランジスタ特性は、移動度6cm2/Vs、ソース/ドレイン電極間に10Vの電圧が印加されたときのON/OFF比は6桁、ゲート電圧20V時のゲートリーク電流は3.5×10−11Aであり、良好なトランジスタ特性を示すとともに、十分にゲートリーク電流が抑制されていた。
As a result of evaluating the adhesiveness in the same manner as in Example 1, no peeling was observed between the lower
(実施例3)
図4において下部ゲート絶縁層12aの膜厚を250nm、上部ゲート絶縁層12bの膜厚を200nmとした以外は実施例1と同様に素子を作製し、薄膜トランジスタ素子3を得た。
(Example 3)
In FIG. 4, an element was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the lower
実施例1と同様に密着性を評価した結果、作製した薄膜トランジスタ素子3の下部ゲート絶縁層12aと絶縁基板10の間に剥離は観察されず良好な密着性を示したが、下部ゲート絶縁層の膜応力による基板の反りが顕著に観察された。半導体パラメータアナライザ(Keithlay製 SCS4200)を用いて測定した薄膜トランジスタ素子3のトランジスタ特性は、移動度7cm2/Vs、ソース/ドレイン電極間に10Vの電圧が印加されたときのON/OFF比は6桁、ゲート電圧20V時のゲートリーク電流は1.1×10−11Aであり、良好なトランジスタ特性を示すとともに、十分にゲートリーク電流が抑制されていた。
As a result of evaluating the adhesiveness in the same manner as in Example 1, no peeling was observed between the lower
(実施例4)
図4において下部ゲート絶縁層12aの膜厚を10nm、上部ゲート絶縁層12bの膜厚を440nmとした以外は実施例1と同様に素子を作製し、薄膜トランジスタ素子4を得た。
Example 4
In FIG. 4, an element was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the lower
実施例1と同様に密着性を評価した結果、作製した薄膜トランジスタ素子4の下部ゲート絶縁層12aと絶縁基板10の間に剥離は観察されず良好な密着性を示した。半導体パラメータアナライザ(Keithlay製 SCS4200)を用いて測定した薄膜トランジスタ素子4のトランジスタ特性は、移動度8cm2/Vs、ソース/ドレイン電極間に10Vの電圧が印加されたときのON/OFF比は6桁、ゲート電圧20V時のゲートリーク電流は4.9×10−11Aであり、良好なトランジスタ特性を示すとともに、十分にゲートリーク電流が抑制されていた。
As a result of evaluating the adhesiveness in the same manner as in Example 1, no peeling was observed between the lower
(実施例5)
図4において上部ゲート絶縁層12bとして平行平板型プラズマCVD装置を用いてSiO2を成膜した以外は実施例1と同様に素子を作製し、薄膜トランジスタ素子5を得た。SiO2は基板温度を120℃とし、ヘキサメチルジシロキサン(50℃)をガス流量5SCCM、O2をガス流量50SCCM流し、投入電力100W、成膜圧力20Paとして成膜した。
(Example 5)
In FIG. 4, an element was produced in the same manner as in Example 1 except that a SiO 2 film was formed as the upper
実施例1と同様に密着性を評価した結果、作製した薄膜トランジスタ素子5の下部ゲート絶縁層12aと絶縁基板10の間に剥離は観察されず良好な密着性を示した。半導体パラメータアナライザ(Keithlay製 SCS4200)を用いて測定した薄膜トランジスタ素子5のトランジスタ特性は、移動度9cm2/Vs、ソース/ドレイン電極間に10Vの電圧が印加されたときのON/OFF比は7桁、ゲート電圧20V時のゲートリーク電流は1.0×10−11Aであり、良好なトランジスタ特性を示すとともに、十分にゲートリーク電流が抑制されていた。
As a result of evaluating the adhesiveness in the same manner as in Example 1, no peeling was observed between the lower
(実施例6)
図4において上部ゲート絶縁層12bとしてポリビニルフェノールをスピンコーターを用いて1000nm成膜し、成膜後180℃で1時間、大気中で熱処理を行った以外は実施例1と同様に素子を作製し、薄膜トランジスタ素子6を得た。
(Example 6)
In FIG. 4, a device was fabricated in the same manner as in Example 1 except that polyvinyl phenol was deposited as an upper
作製した薄膜トランジスタ素子6の下部ゲート絶縁層12aと絶縁基板10の間の密着性をクロスカット法で評価した結果、剥離は観察されず、良好な密着性を示した。また、半導体パラメータアナライザ(Keithlay製 SCS4200)を用いて測定した薄膜トランジスタ素子6のトランジスタ特性は、移動度1cm2/Vs、ソース/ドレイン電極間に10Vの電圧が印加されたときのON/OFF比は3桁、ゲート電圧20V時のゲートリーク電流は4.2×10−9Aであり、良好なトランジスタ特性を示すとともに、十分にゲートリーク電流が抑制されていた。
As a result of evaluating the adhesion between the lower
(比較例1)
図5においてゲート絶縁層12として、SiON(膜厚450nm)をRFマグネトロンスパッタ装置を用いて単層で形成した以外は、実施例1と同様に作製し、薄膜トランジスタ素子7を得た。SiONの成膜条件は、投入電力500W、ガス流量Ar=50SCCM、O2=20SCCM、成膜圧力1.0Paとした。
(Comparative Example 1)
In FIG. 5, a thin film transistor element 7 was obtained in the same manner as in Example 1 except that SiON (film thickness 450 nm) was formed as a single layer using a RF magnetron sputtering apparatus as the
実施例1と同様に密着性を評価した結果、作製した薄膜トランジスタ素子7のゲート絶縁層12と絶縁基板10の間の一部に剥離が観察され、密着不良であることが確認された。このためトランジスタ特性は測定不能であった。
As a result of evaluating the adhesiveness in the same manner as in Example 1, peeling was observed in a part between the
実施例1から6、及び比較例1の薄膜トランジスタのトランジスタ特性を示す表を表1に示した。 Table 1 shows the transistor characteristics of the thin film transistors of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1.
薄膜トランジスタ、特にフレキシブル薄膜トランジスタにおいて、ゲート絶縁層を二層以上の多層構造とし、基板と接触する層をイオンビームスパッタ法で成膜することで、ゲート絶縁層と基板の密着性が強く、基板からゲート絶縁層が剥離しない信頼性の高い薄膜トランジスタを提供することができる。
このような薄膜効果トランジスタは電子ペーパー、LCD、有機ELディスプレイ等のスイッチング素子として利用できる。また特にフレキシブル基材を基板とするフレキシブルディスプレイや、ICカード、ICタグ等にも広く応用することができる。
In a thin film transistor, particularly a flexible thin film transistor, the gate insulating layer has a multilayer structure of two or more layers, and a layer in contact with the substrate is formed by ion beam sputtering. A highly reliable thin film transistor in which an insulating layer is not peeled can be provided.
Such a thin film effect transistor can be used as a switching element for electronic paper, LCD, organic EL display and the like. In particular, the present invention can be widely applied to flexible displays, IC cards, IC tags, etc. using a flexible substrate as a substrate.
10 絶縁基板
11 ゲート電極
12 ゲート絶縁層
12a 下部ゲート絶縁層
12b 上部ゲート絶縁層
13 半導体層
14 ソース電極
15 ドレイン電極
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