JP2012074622A - アモルファス酸化物半導体の成膜方法および薄膜トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタ法を用いてＩｎＧａＺｎＯ、ＩｎＷＯなどからなるアモルファス酸化物半導体を形成する場合でも、アモルファス性や膜の平坦性を向上させることができるアモルファス酸化物半導体の成膜方法を提供する。
【解決手段】スパッタ法を用いて基板上にアモルファス酸化物半導体を形成するにあたり、基板を冷却しながら成膜を行う。また、成膜時の基板冷却温度は、−１２０℃〜−２０℃の範囲であることが好ましい。さらに、成膜するアモルファス酸化物半導体としてはＩｎＧａＺｎＯ、ＩｎＷＯ、ＩｎＷＺｎＯまたはＩｎＷＳｎＯが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、スパッタ法を用いて基板上にアモルファス酸化物半導体を形成するためのアモルファス酸化物半導体の成膜方法および薄膜トランジスタに関するものである。

アモルファス酸化物半導体、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ、ＩｎＷＯ、ＩｎＷＳｎＯ、ＩｎＷＺｎＯ、などからなるアモルファス酸化物半導体は、低温での成膜が可能なことから、ＬＣＤ、ＯＬＥＤ、Ｅ−Ｐａｐｅｒ、といったフレキシブルディスプレイ等に用いる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）用の半導体材料として、有望視されている。

これらのアモルファス酸化物半導体材料の特性（特に移動度）を向上させるには、アモルファス性を向上させて膜中の元素の配列を均一にすることが必要であるが、アモルファス性の向上には従来は材料の組成を変化させる必要があった。この点で、結晶性材料の結晶性を向上させるには、基板加熱を行いながらスパッタ成膜を行う手法が広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、スパッタ法でアモルファス性を向上させる技術は今まで知られていなかった。

特開２００２−２９６６０９号公報

本発明の目的は上述した問題点を解消して、スパッタ法を用いてＩｎＧａＺｎＯ、ＩｎＷＯなどからなるアモルファス酸化物半導体を形成する場合でも、アモルファス性や膜の平坦性を向上させることができるアモルファス酸化物半導体の成膜方法および薄膜トランジスタを提供しようとするものである。

本発明のアモルファス酸化物半導体の成膜方法は、スパッタ法を用いて基板上にアモルファス酸化物半導体を形成するにあたり、前記基板を冷却しながら成膜を行うことを特徴とするものである。

また、本発明のアモルファス酸化物半導体の成膜方法の好適例としては、前記基板の冷却温度が、−１２０℃〜−２０℃の範囲であること、前記アモルファス酸化物半導体が、ＩｎＧａＺｎＯ、ＩｎＷＯ、ＩｎＷＺｎＯ、または、ＩｎＷＳｎＯであること、がある。

さらに、本発明の薄膜トランジスタは、上述したアモルファス酸化物半導体の成膜方法により形成したアモルファス酸化物半導体を用いたことを特徴とするものである。

本発明のアモルファス酸化物半導体の成膜方法によれば、スパッタ法を用いてスパッタ法を用いて例えばＩｎＧａＺｎＯ、ＩｎＷＯなどからなるアモルファス酸化物半導体を形成する場合に、基板を冷却しながら成膜を行うことによって、移動度が高く、均一で、平坦性の高いアモルファス酸化物膜を形成することができ、デバイスを形成する際に有利である。

本発明のアモルファス酸化物半導体の成膜方法における成膜工程の一例を説明するためのフローチャートである。 結晶性半導体の構造の一例を説明するための模式図である。 アモルファス性半導体の構造の一例を説明するための模式図である。 基板を冷却しないで成膜したアモルファス性半導体の構造の一例を説明するための模式図である。 基板を冷却しながら成膜したアモルファス性半導体の構造の一例を説明するための模式図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の成膜方法で形成したアモルファス酸化物半導体を透明電極として好適に用いることのできる情報表示用パネルの一例を説明するための図である。

＜本発明のアモルファス酸化物半導体の成膜方法について＞
図１は本発明のアモルファス酸化物半導体の成膜方法における成膜工程の一例を説明するためのフローチャートである。図１のフローチャートに従って本発明のアモルファス酸化物半導体の成膜方法の一例を説明すると、まず、チャンバー内に基板および成膜しようとする酸化物半導体材料のターゲットをセットする。本発明で用いる酸化物半導体材料としては、ＩｎＧａＺｎＯやＩｎＷＯなどの酸化物半導体を好適に用いることができる。

次に、基板を冷却する。冷却温度は、−１２０℃〜−２０℃の範囲であることが好ましい。ここで、冷却温度が−１２０℃未満であると、冷却時間や再加熱時間が長く、生産性がおとる場合があり、冷却温度が−２０℃を超えると、冷却の効果が得られない場合があるためである。次に、チャンバー内の圧力を所定の圧力にするとともにチャンバー内に所定量比のアルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスを導入し、スパッタリングを行う。これにより、基板上にターゲット材料のアモルファス酸化物半導体を形成することができる。

なお、使用する成膜装置は特に限定するものではなく、基板の冷却それも０℃以下の冷却が可能な構成であれば、従来から公知の成膜装置を用いることができる。

＜結晶性半導体およびアモルファス性半導体について＞
本発明の対象となるアモルファス性半導体および結晶性半導体について、図面を参照して説明する。

図２は結晶性半導体の構造の一例を説明するための模式図である。図２に示す例において、結晶性半導体の構造は微視的に見ると「結晶子（１）」の集まりから構成されている。結晶子１の中は完全に原子が配列した単結晶の状態である。結晶子１の中では電流は流れやすい。従って、この結晶子１のサイズが大きいほど、結晶全体としては電流が流れやすくなる。また、結晶子１と結晶子１との隙間が結晶粒界２となる。ここでは電流が流れにくい為、結晶粒界２の数が少ないほど、結晶全体としては電流が流れやすくなる。そのため、結晶性半導体において、移動度を向上させる為には、基板を加熱しながら成膜し、結晶子１のサイズを大きくする（言い換えると、結晶粒界２を少なくする）ことが重要である。

図３はアモルファス性半導体の構造の一例を説明するための模式図である。図３に示す例において、アモルファス性半導体の構造は微視的に見ると配列がランダムであり、明確な結晶子のような構造はない。特にＩｎを含むアモルファス酸化物半導体では、原子が配列していなくても隣り合う原子の軌道の重なりが十分あるために、アモルファスの状態でも電子が動きやすいことが分かっている。アモルファス性半導体の場合、明確な結晶子はないが、凝集力があるためにランダム性にもばらつきが現れる。凝集力が強くなると明瞭ではないが粒界も現れる。そのため、アモルファス性半導体において、移動度を向上させる為には、出来る限り一様な「ランダム性」を与えることが重要である。つまり、成膜時の原子の凝集力を出来る限り低減させることが効果的である。

＜アモルファス性半導体の成膜における基板冷却の作用について＞
本発明においては、アモルファス性半導体のスパッタ成膜時に基板を冷却することにより、ターゲットからの基板に飛翔した粒子の運動エネルギーを出来る限り下げ、その結果、凝集力が低減しマイグレーションを抑制することができる。

図４に示すように、基板を冷却しないで成膜したアモルファス性半導体の構造は、原子の凝集力のためにある程度の「塊」が存在する。その結果、ランダム性にもバラツキが現れ、電流が流れにくい領域が存在する。このランダム性のばらつきは表面の平坦性として評価することが出来る。そのため、図４に示すように、基板を冷却しないで成膜したアモルファス性半導体の表面の平坦性はそれほど良くない。これに対し、図５に示すように、基板を冷却しながら成膜したアモルファス性半導体の構造は、原子の凝集力が低減した為に、一様なランダム性のある膜となる。膜表面の平坦性も向上する。

＜本発明を好適に適用できる情報表示用パネルおよび薄膜トランジスタについて＞
まず、本発明の成膜方法で形成したアモルファス酸化物半導体を透明電極として好適に用いることのできる情報表示用パネルの例として、帯電性粒子を含んだ粒子群を表示媒体として用いる情報表示用パネルの一例について説明する。上記情報表示用パネルでは、対向する２枚の基板間の空間に封入した表示媒体に電界が付与される。付与された電界方向に沿って、表示媒体が電界による力やクーロン力などによって引き寄せられ、表示媒体が電界方向の変化によって移動することにより、画像等の情報表示がなされる。従って、表示媒体が、均一に移動し、かつ、繰り返し表示情報を書き換える時あるいは表示情報を継続して表示する時の安定性を維持できるように、表示パネルを設計する必要がある。ここで、表示媒体を構成する粒子にかかる力は、粒子同士のクーロン力により引き付けあう力の他に、電極や基板との電気鏡像力、分子間力、液架橋力、重力などが考えられる。

図６（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の成膜方法で形成したアモルファス酸化物半導体を透明電極として好適に用いることのできる情報表示用パネルの一例を説明するための図である。図６（ａ）、（ｂ）に示す例では、少なくとも光学的反射率および帯電性を有する粒子を含んだ粒子群として構成した少なくとも２種類の表示媒体（ここでは負帯電性白色粒子１３Ｗａを含んだ粒子群として構成した白色表示媒体１３Ｗと正帯電性黒色粒子１３Ｂａを含んだ粒子群として構成した黒色表示媒体１３Ｂを示す）を、隔壁１４で形成された各セル１７において、背面側の透明なパネル基板１１に設けた透明電極１５（ストライプ電極）と観察側の透明なパネル基板１２に設けた透明電極１６（ストライプ電極）とが対向直交交差して形成する画素電極対の間に電圧を印加することにより発生する電界に応じて、基板１１、１２と垂直に移動させる。そして、図６（ａ）に示すように白色表示媒体１３Ｗを観察者に視認させて白色の表示を、あるいは、図６（ｂ）に示すように黒色表示媒体１３Ｂを観察者に視認させて黒色の表示を、白黒のドットでマトリックス表示している。なお、図６（ａ）、（ｂ）において、手前にある隔壁は省略している。また、１８は接着剤である。さらに、ここではセルと画素（ドット）とが１対１に対応する例を示しているが、セルと画素とを対応させない構成にしてもよい。また、ここではセル空間を空気で満たしているが、その他の気体でも真空でもよい。また、絶縁液体で満たしてもよい。

また、本発明の成膜方法で形成したアモルファス酸化物半導体を、ＬＣＤ、ＯＬＥＤ、Ｅ−Ｐａｐｅｒ、といったフレキシブルディスプレイ等に用いる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）として好適に用いることができる。

以下、本発明のアモルファス酸化物半導体の成膜方法に従った実施例および本発明のアモルファス酸化物半導体の成膜方法に従わない比較例について、実際の例について実験例１および実験例２により説明する。

（実験例１）
＜実施例１〜４＞
以下の条件でアモルファス酸化物半導体ＩｎＧａＺｎＯを形成した。
・ターゲット：ＩｎＧａＺｎＯセラミックスターゲット
（７５ｍｍφ、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１ ａｔｍ％）
・成膜時の圧力：０．５Ｐａ
・成膜時のガス流量：Ａｒ／Ｏ_２＝９５／５ ｓｃｃｍ
・成膜時の基板温度：−１２０℃、−７０℃、−５０℃、−２０℃（それぞれを実施例１ 〜４とする）
・膜厚：３０ｎｍ
・基板：石英基板（ホール測定用）、
酸化膜付きシリコンウェハー（酸化膜厚み３００ｎｍ、ＡＦＭ評価用）

＜比較例１＞
実施例１〜４と同様の条件であるが、基板の冷却を行わないで試料作製を行った。

＜評価＞
この様にして形成した、実施例１〜４および比較例１のアモルファス酸化物半導体ＩｎＧａＺｎＯ膜のそれぞれに対し、電気特性（ホール移動度）を東陽テクニカ社製ホール測定装置ＲｅａｌＴｅｓｔ８３００で測定した。また、ＳＩＩ社製ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により、表面の平坦性Ｒａを求めた。結果を以下の表１に示す。

表１の結果から、スパッタ成膜時に基板を冷却してアモルファス酸化物半導体ＩｎＧａＺｎＯ膜を形成した実施例１〜４は、スパッタ成膜時に基板を冷却せず室温でアモルファス酸化物半導体ＩｎＧａＺｎＯ膜を形成した比較例１に比べて、ホール移動度および表面平坦性Ｒａともに向上していることがわかる。

（実験例２）
＜実施例１１〜１４＞
実験例１と同様の条件であるが、ターゲットとして酸化物半導体ＩｎＷＯを使用した。
・ターゲット：ＩｎＷＯセラミックスターゲット
（７５ｍｍφ、Ｉｎ：Ｗ＝９５：５ ａｔｍ％）
そして、成膜時の基板温度：−１２０℃、−７０℃、−５０℃、−２０℃を、それぞれ、実施例１１〜１４とした。

＜比較例２＞
実施例１１〜１４と同様の条件であるが、基板の冷却を行わないで試料作製を行った。

＜評価＞
この様にして形成した、実施例１１〜１４および比較例２のアモルファス酸化物半導体ＩｎＷＯ膜のそれぞれに対し、電気特性（ホール移動度）を東陽テクニカ社製ホール測定装置ＲｅａｌＴｅｓｔ８３００で測定した。また、ＳＩＩ社製ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により、表面の平坦性Ｒａを求めた。結果を以下の表２に示す。

表２の結果から、スパッタ成膜時に基板を冷却してアモルファス酸化物半導体ＩｎＷＯ膜を形成した実施例１１〜１４は、スパッタ成膜時に基板を冷却せず室温でアモルファス酸化物半導体ＩｎＷＯ膜を形成した比較例２に比べて、ホール移動度および表面平坦性Ｒａともに向上していることがわかる。

本発明のアモルファス酸化物半導体の成膜方法によれば、移動度が高く、均一で、平坦性の高いアモルファス酸化物膜を形成することができる。そのため、以下に例示する装置の透明電極として好適に使用することができる。すなわち、ノートパソコン、電子手帳、ＰＤＡ(Personal Digital Assistants)と呼ばれる携帯型情報機器、携帯電話、ハンディターミナル等のモバイル機器の表示部、電子書籍、電子新聞等の電子ペーパー、看板、ポスター、黒板（ホワイトボード）等の掲示板、電子卓上計算機、家電製品、自動車用品等の表示部、ポイントカード、ＩＣカード等のカード表示部、電子広告、情報ボード、電子ＰＯＰ(Point Of Presence, Point Of Purchase advertising)、電子値札、電子棚札、電子楽譜、ＲＦ−ＩＤ機器の表示部のほか、ＰＯＳ端末、カーナビゲーション装置、時計など様々な電子機器の表示部に好適に用いられる。他に、リライタブルペーパー（本発明に係る画素サイズの電界形成用画素電極対を有する外部電界形成手段を用いて書換えできるものや、外部の表示書換え手段に接続して情報を書き換えた後、接続を解放しても情報を表示したままにすることができるもの）としても好適に用いられる。

１ 結晶子
２ 結晶粒界
１１、１２ パネル基板
１３Ｗ 白色表示媒体
１３Ｗａ 負帯電性白色粒子
１３Ｂ 黒色表示媒体
１３Ｂａ 正帯電性黒色粒子
１４ 隔壁
１５、１６ 電極
１７ セル
１８ 接着剤

Claims (4)

1. スパッタ法を用いて基板上にアモルファス酸化物半導体を形成するにあたり、前記基板を冷却しながら成膜を行うことを特徴とするアモルファス酸化物半導体の成膜方法。
2. 前記基板の冷却温度が、−１２０℃〜−２０℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のアモルファス酸化物半導体の成膜方法。
3. 前記アモルファス酸化物半導体が、ＩｎＧａＺｎＯ、ＩｎＷＯ、ＩｎＷＺｎＯまたはＩｎＷＳｎＯであることを特徴とする請求項１または２に記載のアモルファス酸化物半導体の成膜方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のアモルファス酸化物半導体の成膜方法により形成したアモルファス酸化物半導体を用いたことを特徴とする薄膜トランジスタ。

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