JP2011243631A - 電子デバイスの製造方法、薄膜トランジスタ、電気光学装置及びセンサー - Google Patents
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Abstract
【解決手段】大気と遮断された真空成膜室内で、基板上に酸素不定比性のある酸化物を含有する第1層を成膜する第1成膜工程と、前記第1層上に前記第1層と同一材料又は異なる材料からなる第2層を成膜する第2成膜工程と、前記第1成膜工程後前記第2成膜工程前までの間、前記第1層を、前記真空成膜室を含む大気と遮断された室内で、前記第1成膜工程における前記真空成膜室内の酸素分圧よりも高い酸素分圧下に保持する分圧制御工程と、を有する。
【選択図】図2
Description
このため、当該界面の欠陥を低減する取り組みもいくつか報告されている。代表例として薄膜トランジスタにおける報告例を以下に挙げる。
また、プラズマ照射は使用法や使用条件により、かえって対象物にダメージを与えて対象物中に欠陥を増大させてしまい、予期せぬ抵抗値の変化や、活性層の低抵抗化によってスイッチ特性が喪失することが報告されている(非特許文献3,非特許文献4)。従って、プラズマ照射処理による欠陥制御は、高度な専門知識とノウハウを必要とし、成膜手法としてプロセスマージンを広くするという観点からも好ましくない。
<1>大気と遮断された真空成膜室内で、基板上に酸素不定比性のある酸化物を含有する第1層を成膜する第1成膜工程と、前記第1層上に前記第1層と同一材料又は異なる材料からなる第2層を成膜する第2成膜工程と、前記第1成膜工程後前記第2成膜工程前までの間、前記第1層を、前記真空成膜室を含む大気と遮断された室内で、前記第1成膜工程における前記真空成膜室内の酸素分圧よりも高い酸素分圧下に保持する分圧制御工程と、を有する電子デバイスの製造方法。
<2>前記分圧制御工程では、前記第1成膜工程後前記第2成膜工程前までの間の酸素分圧を、前記第1成膜工程における酸素分圧に比べ、2.1×10-3Pa以上高くした、<1>に記載の電子デバイスの製造方法。
<3>前記真空成膜室は、第1真空成膜室及び前記第1真空成膜室と搬送室を介して接続される第2真空成膜室を含み、前記第1成膜工程では、前記第1真空成膜室で前記第1層を成膜し、前記第2成膜工程では、前記第2真空成膜室で前記第2層を成膜し、前記分圧制御工程では、前記第1真空成膜室内、前記搬送室内、及び前記第2真空成膜室内の酸素分圧を、前記第1成膜工程における前記第1真空成膜室内の酸素分圧よりも高くする、<1>又は<2>に記載の電子デバイスの製造方法。
<4>前記第1成膜工程及び前記第2成膜工程では、前記真空成膜室と、前記真空成膜室内に配置され、ターゲットを保持するターゲットホルダと、前記ターゲットホルダと向き合って配置され、前記基板を保持する基板ホルダと、前記ターゲットホルダと前記基板との間にプラズマ空間を生成するプラズマ生成部とを備えたスパッタ装置により成膜し、前記第1成膜工程及び前記第2成膜工程を同一の前記真空成膜室内で行う場合には、前記第1成膜工程後前記第2成膜工程前までの間、前記分圧制御工程を行うと共に、前記同一の真空成膜室内において前記ターゲットホルダと前記基板との間にシャッターを配置する、<1>又は<2>に記載の電子デバイスの製造方法。
<5>前記第1層は、導体、半導体又は絶縁体である、<1>〜<4>の何れか1つに記載の電子デバイスの製造方法。
<6>前記第1層は、In,Ga,Zn及びSnのうち少なくとも1種類の元素を含有する半導体層である、<5>に記載の電子デバイスの製造方法。
<7>前記第1層は、InxGayZnzOδ(x,y,z,δ>0)を含有する半導体層である、<6>に記載の電子デバイスの製造方法。
<8>前記基板は、可撓性を有し、前記第1層及び前記第2層は非晶質である、<7>に記載の電子デバイスの製造方法。
<9>前記第1成膜工程では、半導体からなる前記第1層を成膜し、前記第2成膜工程では、絶縁体からなる前記第2層を成膜する、<1>〜<8>の何れか1つに記載の電子デバイスの製造方法。
<10>前記第1成膜工程の前に、前記真空成膜室内で前記基板上に酸素不定比性のある酸化物を含有する第3層を成膜する成膜工程を含み、前記第1成膜工程では、前記基板上に前記第3層を介して前記第1層を成膜し、かつ、前記第3層の成膜工程後前記第1成膜工程前までの間、前記第3層を、前記第3層の成膜工程における前記真空成膜室内の酸素分圧よりも高い酸素分圧下に保持する、<1>〜<9>の何れか1つに記載の電子デバイスの製造方法。
<11><1>〜<10>の何れか1つに記載の電子デバイスの製造方法を用いて、前記第1層として活性層を成膜して作製された、薄膜トランジスタ。
<12><11>に記載の薄膜トランジスタを備えた、電気光学装置。
<13><11>に記載の薄膜トランジスタを備えた、センサー。
図1は、本発明の第1実施形態に係る電子デバイスの製造方法の製造手順を示す図である。
−基板の用意−
本発明の第1実施形態に係る電子デバイスの製造方法は、まず図1(A)に示すように基板10を用意する。基板10は、後述するプロセスが全て低温(例えば200℃以下)で行うことが可能なため、可撓性のある樹脂基板等の耐熱性の低い基板も使用でき、幅広い種類の基板を用途に応じて適宜選択できる。
次に、図1(B)に示すように、大気と遮断された真空成膜室内で、基板10上に酸素不定比性のある酸化物を含有する第1層12を成膜する第1成膜工程を行う。
なお、上記真空成膜室の「真空」とは、成膜室内の真空到達度が、10−8Pa以上10−1以下Paである場合をいう。また、「酸化物を含有」とは、第1層12を構成する構成成分のうち全部又は一部が、酸化物である場合の両方を意味する。
第1層12が導体である場合には、Al,Sc,Ti,Mn,Fe,Ga,Y,In,Sn,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Mg,Ca,Ni,Zn,Sr及びBaからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有することが好ましい。
第1層12が半導体である場合には、第1層12がAl,Sc,Ti,Mn,Fe,Ga,Y,In,Sn,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Mg,Ca,Ni,Zn,Sr及びBaからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有することが好ましく、In,Ga,Zn及びSnのうち少なくとも1種類の元素を含有することがより好ましく、InxGayZnzOδ(x,y,z,δ>0)を含有することが更に好ましい。
なお、第1層12が非晶質であるかどうかは、X線回折測定により確認することが出来る。即ちX線回折測定により、結晶構造を示す明確なピークが検出されなかった場合は、第1層12は非晶質であると判断することが出来る。
ここで、第1成膜工程中の真空成膜室内の酸素分圧は、特に限定されないが、例えば1.0×10-1Pa以下1.0×10-4Pa以上である。
次に、図1(C)に示すように、大気と遮断された真空成膜室内で、第1層12上に当該第1層12と同一材料又は異なる材料からなる第2層14を成膜する第2成膜工程を行う。
なお、大気と遮断された搬送室によって接続された2つ以上の真空成膜室内で成膜を行う場合とは、例えば、第1成膜工程では、第1真空成膜室内で第1層12を成膜し、第1層12が積層された基板10を搬送室を介して第2真空成膜室に搬送し、第2成膜工程では、第2真空成膜室内で第1層12上に第2層14を成膜する場合が挙げられる。
単一の真空成膜室内にて全ての成膜工程を行った場合には、基板10の搬送工程に付随するコストの削減や、成膜工程の時間短縮が期待できる。一方で、大気と遮断された搬送室によって接続された2つ以上の真空成膜室内で成膜を行う場合は、例えば一つの真空成膜室内において必ず特定材料の成膜のみを行うことによって、不純物の混入を防ぎ膜特性の向上が期待できる。
図2は、本発明の第1実施形態に係る電子デバイスの製造方法における各工程中の基板10周囲の酸素分圧の状態を示した図である。
図2に示すように、図1(B)に示す工程と図1(C)に示す工程までの間、すなわち第1成膜工程後第2成膜工程前までの間は、真空成膜室を含む大気と遮断された室内で、第1層12を、第1成膜工程における真空成膜室内の酸素分圧よりも高い酸素分圧下に保持する分圧制御工程を行う。
実際、第1成膜工程及び第2成膜工程に使用する成膜装置の種類によっては、第2成膜工程の直前に、第2成膜工程で使用する酸素分圧に切り替えるための時間が必要で、第1成膜工程後第2成膜工程前までの間でも、第2成膜工程で使用する酸素分圧と同じ酸素分圧になっている時間(例えば2〜5秒)が存在する場合がある。このような場合において、第2成膜工程で使用する酸素分圧が、第1成膜工程で使用する酸素分圧以下であると、第1成膜工程後第2成膜工程前までの間のうち、第2成膜工程直前の一期間は、第1層12を、第1成膜工程における真空成膜室内の酸素分圧よりも高い酸素分圧下に保持することにはならないが、第1成膜工程後第2成膜工程前までの間のうち、少なくともその他の期間は、第1層12を、第1成膜工程における真空成膜室内の酸素分圧よりも高い酸素分圧下に保持できる。無論、上記切り替え時間の必要がない成膜装置を用いれば、上述のように第1成膜工程直後第2成膜工程直前までの間、第1層12を、第1成膜工程における真空成膜室内の酸素分圧よりも高い酸素分圧下に保持することも可能である。
第2成膜工程後は、第1層12及び第2層14が積層された基板10を、真空成膜室から大気中に取り出す。この結果、図3に示すような、電子デバイス20を得ることができる。
これらの電子デバイスの中で電気光学装置とは、電気的作用によって発光するあるいは外部からの光の状態を変化させる電気光学素子を備えた装置一般をいい、自ら光を発するものと外部からの光の通過を制御するもの双方を含む。例えば、電気光学素子として、液晶素子、電気泳動粒子が分散した分散媒体を有する電気泳動素子、EL(エレクトロルミネッセンス)素子、電界の印加により発生した電子を発光板に当てて発光させる電子放出素子を備えたアクティブマトリクス型の表示装置等をいう。
ここで、第1成膜工程後第2成膜工程前までの間、基板10を例えば第1成膜工程と同じ酸素分圧下のまま保持していると、第1層12の表面から酸素の一部が抜け出し、そのまま第2成膜工程を行うと、第1層12の表面(第1層12と第2層14との界面)からは酸素の出入りが抑制され、第1層12の表面から一部の酸素が抜け出した状態、すなわち酸素欠損量が大きい状態で第1層12表面の酸素含有量がほぼ固定されてしまう。
従って、第1層12と第2層14との界面の欠陥としての酸素欠損を低減した電子デバイス20を得ることができる。
そして、このような製造方法の場合、プラズマ照射処理に比べ、特別な機構と高度な知識を必要としないため、簡便に第1層12と第2層14との界面の欠陥を低減した電子デバイス20を得ることが可能となる。また、プラズマ照射処理に比べ、プラズマを直接第1層12表面に照射しないため、当該第1層12表面にプラズマダメージを与えることを抑制でき、プラズマダメージによる第1層12と第2層14との界面の欠陥を低減することができる。
また、第1層12をアニールする場合に比べ、第1層や第2層の材料にもよるが、例えば非晶質IGZO等を第1層12及び第2層14の材料とする場合、低温で(例えば200℃以下のプロセス温度)で製造方法の全工程を実施することが可能となる。従って、基板10として、可撓性のある樹脂基板等の耐熱性の低い基板も使用でき、幅広い種類の基板を用途に応じて適宜選択できる。
本発明の第1実施形態に係る電子デバイス20の製造方法では、以上の工程の他に様々な工程を適宜追加することが可能である。
例えば、第1成膜工程の前に、真空成膜室内で基板10上に酸素不定比性のある酸化物を含有する第3層(不図示)を成膜する成膜工程を追加することができ、この場合には、第1成膜工程で、基板10上に第3層を介して第1層12を成膜し、かつ、第3層の成膜工程後第1成膜工程前までの間、第3層を、第3層の成膜工程における真空成膜室内の酸素分圧よりも高い酸素分圧下に保持する。
同様に、第2成膜工程の後に、真空成膜室内で第2層14上に第4層(不図示)を成膜する成膜工程を追加することができる。そして、第2層14が酸素不定比性のある酸化物を含有する場合には、第2層14の成膜工程後第4層の成膜工程前までの間、第2層14を、第2層14の成膜工程における真空成膜室内の酸素分圧よりも高い酸素分圧下に保持する。
このように、3層以上の複数の層構造からなる電子デバイスにおいて、酸素不定比性のある酸化物の層上に所定の層を積層する場合には、本発明の第1実施形態に係る電子デバイスの製造方法を適用することが可能である。
ただし、第1成膜工程後第2成膜工程前までの間に、一旦基板10を大気中に取り出しても、上述のような分圧制御工程は必要である。なぜなら、基板10上に成膜された第1層12の表面は、大気中に取り出すことによって酸素欠損が補償されても、基板10を再度真空成膜室内に入れると、その酸素分圧の低さによって、第1層12表面から酸素が抜けるからでる。したがって、上述の分圧制御工程の「第1成膜工程後第2成膜工程前までの間」とは、第1成膜工程後第2成膜工程前までの間に一旦基板10を大気中に取り出す場合も含むものとする。
また、本第1実施形態では、酸素欠損を有する酸化物について有効である場合を説明したが、過剰酸素を有する酸化物についても有効である。
図4に示すように、スパッタ装置100は、基板10を保持すると共に基板10を所定温度に加熱することができるヒーター102Aを内部に備えた静電チャック等の基板ホルダ102と、プラズマを発生させるプラズマ電極(カソード電極)104と、基板ホルダ102とターゲットホルダであるプラズマ電極104との間に出入自在なシャッター106と、それらを内包する真空成膜室108から概略構成されている。なお、このプラズマ電極104は、ターゲットTを保持するターゲットホルダに相当する。
また、基板ホルダ102とプラズマ電極104とは互いに対向するように離間配置され、プラズマ電極104上に成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットTが装着されるようになっている。プラズマ電極104は高周波電源112に接続されている。
なお、プラズマ電極104と高周波電源112をプラズマ生成部という。また、図4では、基板ホルダ102とプラズマ電極104とは対向、すなわち基板ホルダ102の面とプラズマ電極104の面が平行して互いに向かい合っているが、基板ホルダ102の面とプラズマ電極104の面が平行ではなくある角度を持って向かい合っていても良い。
この結果、プラズマダメージによる第1層12と第2層14との界面の欠陥をより低減することができる。
なお、シャッター106は、ターゲットホルダと基板10との間に一個配置される場合を説明したが、カソード用のシャッターと、基板10用のシャッターが別々にある場合には、より確実にプラズマダメージを防止するという観点から、その両方をターゲットホルダと基板10との間に配置することが好ましい。
次に、第2実施形態では、図3に示す電子デバイス20として薄膜トランジスタを一例に挙げて、電子デバイス20についてより具体的に説明する。
なお、トップゲート型とは、ゲート絶縁層の上側にゲート電極が配置され、ゲート絶縁層の下側に活性層が形成された形態であり、ボトムゲート型とは、ゲート絶縁層の下側にゲート電極が配置され、ゲート絶縁層の上側に活性層が形成された形態である。また、ボトムコンタクト型とは、ソース・ドレイン電極が活性層よりも先に形成されて活性層の下面がソース・ドレイン電極に接触する形態であり、トップコンタクト型とは、活性層がソース・ドレイン電極よりも先に形成されて活性層の上面がソース・ドレイン電極に接触する形態である。
なお、本発明の第2実施形態に係る薄膜トランジスタは、上記以外にも、様々な構成をとることが可能であり、適宜、活性層上に保護層や基板上に絶縁層等を備える構成であってもよい。
−基板の用意−
まず、薄膜トランジスタ200を形成するための基板10を用意する。
基板10の形状、構造、大きさ等については特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することが出来る。基板10の構造は単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。
次に、基板10上に、ソース・ドレイン電極204,206を形成する。
具体的には、ソース・ドレイン電極204,206となる導電膜を、例えば印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、CVD、プラズマCVD法等の化学的方式等の中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って成膜する。前記導電膜の膜厚は成膜性、エッチングやリフトオフ法によるパターンニング性、導電性等を考慮すると、10nm以上1000nm以下とすることが好ましく、50nm以上100nm以下とすることがより好ましい。次いで前記導電膜をエッチング又はリフトオフ法により所定の形状にパターンニングし、ソース電極・ドレイン電極204,206を形成する。この際、ソース・ドレイン電極204,206及びこれらの電極204,206に接続する配線を同時にパターンニングすることが好ましい。
次に、大気と遮断された真空成膜室内で、基板10上及びソース・ドレイン電極204,206上に、酸素不定比性のある酸化物を含有する第1層12としての活性層208を形成する。
具体的には、まず活性層208となる酸化物半導体膜を成膜する第1成膜工程を行う。この第1成膜工程では、例えば印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、CVD、プラズマCVD法等の化学的方式等の中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って成膜する。次いで前記酸化物半導体膜をエッチング又はリフトオフ法により所定の形状にパターンニングし、活性層208を形成する。
活性層208の構成材料は、上述した第1層12が半導体である場合の材料を適宜選択できる。
次に、第1成膜工程後、後述する第2層14としてのゲート絶縁層210を成膜する第2成膜工程前までの間は、真空成膜室を含む大気と遮断された室内で、第1層12としての活性層208を、第1成膜工程における真空成膜室内の酸素分圧よりも高い酸素分圧下に保持する分圧制御工程を行う。
なお、この分圧制御工程は、上述の酸化物半導体膜のパターニングの間も行われることが好ましい。
次に、活性層208上に、第2層14としてのゲート絶縁層210を形成する。
具体的には、まずゲート絶縁層210となる絶縁膜を成膜する第2成膜工程を行う。この第2成膜工程では、印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、CVD、プラズマCVD法等の化学的方式等の中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って成膜する。成膜した前記絶縁膜はフォトリソグラフィー及びエッチングによって所定の形状にパターンニングし、ゲート絶縁層210を形成する。
ゲート絶縁層210は、高い絶縁性を有するものが好ましい。例えばSiNx、InGaZnO4−δ(δ≧0)、SiON、SiO2、Al2O3、Y2O3、MgO、TiO2、GeO2、Ta2O5、HfO2、Sc2O3、Ga2O3、ZrO2、Ln2O3(ランタノイドの酸化物)等の絶縁膜又はこれらの化合物を少なくとも二つ以上含む絶縁膜としてもよい。
次に、ゲート絶縁層210上にゲート電極212を形成する。
具体的には、ゲート電極212となる導電膜を、例えば印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、CVD、プラズマCVD法等の化学的方式等の中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って成膜する。前記導電膜の膜厚は成膜性、エッチングやリフトオフ法によるパターンニング性、導電性等を考慮すると、10nm以上1000nm以下とすることが好ましく、50nm以上200nm以下とすることがより好ましい。成膜後は、エッチング又はリフトオフ法により所定の形状にパターンニングし、ゲート電極212を形成する。この際、ゲート電極212及びゲート配線を同時にパターンニングすることが好ましい。
ここで、第1層12が酸化物半導体からなる活性層208である場合には、上記[背景技術]の欄で示したものの他(閾値シフトの発生)、第1層12の酸素欠損によって比抵抗、キャリア濃度、キャリア移動度が大きく変化することが知られている(A. Takagi, et al., Thin Solid Films, 486 (2005) 38, H. Hosono, J. Non-cryst Solid, 352 (2006) 851参照)。これは、酸素欠陥によって生じるキャリアが酸化物の伝導機構に支配的であるためである。
具体的には、第1成膜工程後第2成膜工程前までの間、真空成膜室を含む大気と遮断された室内で、第1層12としての活性層208を、第1成膜工程における真空成膜室内の酸素分圧よりも高い酸素分圧下に保持する分圧制御工程を行うことで、活性層208表面の酸素欠損の増大を抑制することが可能である。また、活性層208表面に生じる余剰キャリアの発生を抑制することが可能である。そして、分圧制御工程後は、ゲート絶縁層210となる絶縁膜を成膜すれば、活性層208表面の酸素欠損の増大が低減された状態が維持(酸素含有量が固定)された積層膜が得られる。このように作製した積層膜を備える薄膜トランジスタ200は、活性層208とゲート絶縁層210界面の欠陥準位の増大が抑制されているため、閾値シフト等のデバイス劣化が極めて少ない。また、活性層208表面からの余剰キャリアの発生を抑制しているために、ノーマリーオフの薄膜トランジスタを作製することが容易になる。ノーマリーオフの薄膜トランジスタとは、試料に印加するゲート電圧が0Vの時にオフと成るようなスイッチング素子のことを指し、ノーマリーオンのトランジスタに比べ低消費電力であり、より需要が高い。
本発明の第2実施形態に係る電子デバイスの製造方法は、異なる電気特性を持つ複数の酸化物半導体膜の積層から成る活性層を有する薄膜トランジスタ(特開2007−73701参照)において、当該複数の積層膜を成膜する場合にも有効である。この場合、第1層12及び第2層14共に酸化物半導体膜となる。
具体的には、真空成膜室内において基板上に酸化物半導体膜の成膜する第1成膜工程を行い、第1成膜工程後の該真空成膜室内における酸素分圧を該酸化物半導体膜の成膜時よりも高めた状態にした後(第1層12としての活性層208を、第1成膜工程における真空成膜室内の酸素分圧よりも高い酸素分圧下に保持する)、再び異なる電気特性を示す酸化物半導体膜を成膜すれば、酸化物半導体膜と酸化物半導体膜の界面における酸素欠損の低減が可能である。このような酸化物半導体膜の積層膜を活性層に有する薄膜トランジスタは、本発明の第2実施形態に係る電子デバイスの製造方法を用いずに順次成膜した酸化物半導体膜の積層膜を活性層に有する薄膜トランジスタと比較して、閾値シフト等のデバイス劣化因子及び余剰キャリアの発生を低減し、安定性が高くなる。
そこで、本発明の第2実施形態に係る電子デバイスの製造方法である、該構造体上に、第1層12としてのゲート絶縁層404となる酸化物絶縁体膜を成膜する第1成膜工程を行った後、第2層14としての活性層406となる半導体膜を成膜する第2成膜工程までの間、ゲート絶縁層404を、真空成膜室を含む大気と遮断された室内で、第1成膜工程における真空成膜室内の酸素分圧よりも高い酸素分圧下に保持する分圧制御工程を行うことで、ゲート絶縁層404表面の酸素欠損を低減でき、その後活性層406を構成する半導体膜を成膜することにより、ゲート絶縁層404と活性層406の界面の欠陥準位を低減でき、絶縁耐性が高く、良好な安定性を示す薄膜トランジスタの提供が可能になる。
なお、このような酸化物絶縁体膜からなるゲート絶縁層404は、InGaZnO4−δ(δ≧0)、SiON、SiO2、Al2O3、Y2O3、MgO、TiO2、GeO2、Ta2O5、HfO2、Sc2O3、Ga2O3、ZrO2、Ln2O3(ランタノイドの酸化物)等の絶縁膜又はこれらの化合物を少なくとも二つ以上含む絶縁膜としてもよい。また、この場合、活性層406は、酸化物である必要はなく、例えばアモルファスシリコン、低温多結晶シリコン等のIV族系半導体や、GaAs,GaN,InP,SiCなどの化合物半導体、ダイヤモンド等のカーボン系半導体、金属酸化物半導体又はペンタセン等の有機半導体等の半導体材料を用いることができる。
図8(A)に示すように、本実施例では、上述した電子デバイスの製造方法を用い、単一の真空成膜室内で基板502上に、以下の表1のような成膜条件でIn,Ga,Zn及びOから成る第1層504、第2層506及び第3層508(複合酸化物半導体(IGZO)の積層膜510)を順次形成し、これら積層膜510に電気特性評価のため4端子電極を蒸着法によって接合したホール素子500を6通り作製した。基板502としては、合成石英ガラス基板(コバレントマテリアル社製、品番T−4040)を用いた。
図9に示すように、これら6通りのホール素子500は、IGZO積層膜510を形成するにあたって、第1層504の成膜工程後第2層506の成膜工程までの間、及び第2層506の成膜工程後第3層508の成膜工程までの間、1分間真空成膜室内の酸素分圧を、以下の1.0×10−7Pa〜2.8×10−2Paの間のある酸素分圧に制御してそれぞれ実施例1〜3又は比較例1〜3の素子として作製している。
表2に、各実施例及び比較例の素子における、非成膜時(第1層504の成膜工程後第2層506の成膜工程までの間、及び第2層506の成膜工程後第3層508の成膜工程までの間)の制御した酸素分圧の値を示す。なお、表2では、この非成膜時の酸素分圧と、第1層504及び第2層506の成膜時の酸素分圧との対比の欄も設けている。
なお、IGZO単独膜602の比抵抗値が、約1.3×10Ω・cmであったことから、IGZO積層膜510の比抵抗値が、IGZO単独膜602の比抵抗値により近い値の範囲の例えば1.3Ω・cm以上1.3×103Ω・cm以下の範囲内(図中のエラーバー)にあることが好ましく、この比抵抗値の下限値に対応する酸素分圧は、4.4×10−3Paよりも多少高い4.7×10−3Paとなる(図中○印)。また、確実性の観点から、実施例1の非成膜時の酸素分圧から成膜時の酸素分圧4.4×10−3Paを差引いた2.1×10−3Pa以上、非成膜時の酸素分圧を成膜時より高くすることが好ましい。
図12によると、非成膜時の真空成膜室内の酸素分圧を成膜時より高めることで積層膜の比抵抗値は、単独膜の比抵抗値とほぼ一致していることがわかる。また、図13によると、非成膜時の真空成膜室内の酸素分圧を成膜時より高めることで、積層膜のキャリア濃度は、単独膜のキャリア濃度とほぼ一致していることがわかる。この事実は、非成膜時の真空成膜室内の酸素分圧を高めることで、IGZO膜界面の酸素欠損がIGZO単独膜の膜中と同程度になり、余剰キャリアの発生を抑制していることを意味している。また、非成膜時の酸素分圧を制御することによる酸素欠損制御手法が、異なる成膜条件で成膜した酸化物半導体の積層膜においても可能な、普遍的な制御技術であることを示している。
図14に示すように、比較例4に対して、実施例6の方が比抵抗値は一桁弱高くなっていることが分かる。また、図15に示すように、比較例4に対して、実施例6の方がキャリア濃度は一桁弱低くなっていることが分かる。これらの結果は、非成膜時の酸素分圧を高めることで、膜組成及び成膜時の酸素分圧を変調した積層膜においても、各IGZO膜界面の酸素欠損の増大による低抵抗化を抑制し、かつ、余剰キャリアの発生を抑制していることを意味している。
また、実施例6の第3層のみの比抵抗値を測定すると、1.4×107Ω・cmであることを確認した。この結果、図14の比抵抗値を考慮すると、実施例6に係るIGZO積層膜は、半導体の層の上に絶縁体の層を有していることになり、このような半導体の層と絶縁体の層の層構成においても半導体の層の余剰キャリアの発生を抑制できることがわかった。
12 第1層
14 第2層
20 電子デバイス
100 スパッタ装置
102 基板ホルダ
104 プラズマ電極(ターゲットホルダ)
106 シャッター
108 真空成膜室
200 薄膜トランジスタ
208 活性層(第1層)
210 ゲート絶縁層(第2層)
300 薄膜トランジスタ
302 活性層(第1層)
308 ゲート絶縁層(第2層)
400 薄膜トランジスタ
404 ゲート絶縁層(第2層又は第1層)
406 活性層(第1層)
500 ホール素子(電子デバイス)
502 基板
504 第1層(第3層)
506 第2層(第1層)
508 第3層(第2層)
600 ホール素子(電子デバイス)
Claims (13)
- 大気と遮断された真空成膜室内で、基板上に酸素不定比性のある酸化物を含有する第1層を成膜する第1成膜工程と、
前記第1層上に前記第1層と同一材料又は異なる材料からなる第2層を成膜する第2成膜工程と、
前記第1成膜工程後前記第2成膜工程前までの間、前記第1層を、前記真空成膜室を含む大気と遮断された室内で、前記第1成膜工程における前記真空成膜室内の酸素分圧よりも高い酸素分圧下に保持する分圧制御工程と、
を有する電子デバイスの製造方法。 - 前記分圧制御工程では、前記第1成膜工程後前記第2成膜工程前までの間の酸素分圧を、前記第1成膜工程における酸素分圧に比べ、2.1×10-3Pa以上高くした、
請求項1に記載の電子デバイスの製造方法。 - 前記真空成膜室は、第1真空成膜室及び前記第1真空成膜室と搬送室を介して接続される第2真空成膜室を含み、
前記第1成膜工程では、前記第1真空成膜室で前記第1層を成膜し、
前記第2成膜工程では、前記第2真空成膜室で前記第2層を成膜し、
前記分圧制御工程では、前記第1真空成膜室内、前記搬送室内、及び前記第2真空成膜室内の酸素分圧を、前記第1成膜工程における前記第1真空成膜室内の酸素分圧よりも高くする、
請求項1又は請求項2に記載の電子デバイスの製造方法。 - 前記第1成膜工程及び前記第2成膜工程では、前記真空成膜室と、前記真空成膜室内に配置され、ターゲットを保持するターゲットホルダと、前記ターゲットホルダと向き合って配置され、前記基板を保持する基板ホルダと、前記ターゲットホルダと前記基板との間にプラズマ空間を生成するプラズマ生成部とを備えたスパッタ装置により成膜し、
前記第1成膜工程及び前記第2成膜工程を同一の前記真空成膜室内で行う場合には、前記第1成膜工程後前記第2成膜工程前までの間、前記分圧制御工程を行うと共に、前記同一の真空成膜室内において前記ターゲットホルダと前記基板との間にシャッターを配置する、
請求項1又は請求項2に記載の電子デバイスの製造方法。 - 前記第1層は、導体、半導体又は絶縁体である、
請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の電子デバイスの製造方法。 - 前記第1層は、In,Ga,Zn及びSnのうち少なくとも1種類の元素を含有する半導体層である、
請求項5に記載の電子デバイスの製造方法。 - 前記第1層は、InxGayZnzOδ(x,y,z,δ>0)を含有する半導体層である、
請求項6に記載の電子デバイスの製造方法。 - 前記基板は、可撓性を有し、前記第1層及び前記第2層は非晶質である、
請求項7に記載の電子デバイスの製造方法。 - 前記第1成膜工程では、半導体からなる前記第1層を成膜し、
前記第2成膜工程では、絶縁体からなる前記第2層を成膜する、
請求項1〜請求項8の何れか1項に記載の電子デバイスの製造方法。 - 前記第1成膜工程の前に、前記真空成膜室内で前記基板上に酸素不定比性のある酸化物を含有する第3層を成膜する成膜工程を含み、
前記第1成膜工程では、前記基板上に前記第3層を介して前記第1層を成膜し、かつ、前記第3層の成膜工程後前記第1成膜工程前までの間、前記第3層を、前記第3層の成膜工程における前記真空成膜室内の酸素分圧よりも高い酸素分圧下に保持する、
請求項1〜請求項9の何れか1項に記載の電子デバイスの製造方法。 - 請求項1〜請求項10の何れか1項に記載の電子デバイスの製造方法を用いて、前記第1層として活性層を成膜して作製された、薄膜トランジスタ。
- 請求項11に記載の薄膜トランジスタを備えた、電気光学装置。
- 請求項11に記載の薄膜トランジスタを備えた、センサー。
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