JP2012191131A - 電界効果型トランジスタ、表示装置、センサ及び電界効果型トランジスタの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ゲート絶縁膜22と、活性層としてSn,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする酸化物半導体層14と、ゲート絶縁膜22と酸化物半導体層14との間に配置され、酸化物半導体層14よりも抵抗率が高い酸化物中間層16と、を有する。
【選択図】図1
Description
<1>ゲート絶縁膜と、活性層としてSn,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする酸化物半導体層と、前記ゲート絶縁膜と前記酸化物半導体層との間に配置され、前記酸化物半導体層よりも抵抗率が高い酸化物中間層と、を有する電界効果型トランジスタ。
<2> 前記酸化物中間層は、In,Ga,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする、<1>に記載の電界効果型トランジスタ。
<3>前記酸化物中間層は、In,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする、<2>に記載の電界効果型トランジスタ。
<4>前記酸化物半導体層は、Sn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする、<1>〜<3>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタ。
<5>前記酸化物半導体層の元素組成比をSn:Ga:Zn=a:b:cとした場合、前記元素組成比が、a+b=2、且つ1≦a≦2、且つ1≦c≦11/2、且つc≧−7b/4+11/4を満たす、<1>〜<4>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタ。
<6>前記酸化物半導体層は、非晶質である、請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。
<7>前記酸化物半導体層の抵抗率は、1Ωcm以上1×106Ωcm以下である、<1>〜<6>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタ。
<8>前記酸化物中間層の膜厚は、1nm以上50nm以下である、<1>〜<7>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタ。
<12>Sn,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とし、前記構成元素の元素組成比をSn:Ga:Zn=a:b:cとした場合、前記元素組成比が、a+b=2、且つ1≦a≦2、且つ1≦c≦11/2、且つc≧−7b/4+11/4を満たす酸化物半導体層を基板上に成膜する第一の工程と、前記酸化物半導体層上にIn,Ga,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする酸化物中間層を成膜する第二の工程と、前記酸化物中間層上にゲート絶縁膜を形成する第三の工程と、前記第二の工程後又は前記第三の工程後に、100℃以上300℃未満の熱処理を施す第四の工程と、を有する電界効果型トランジスタの製造方法。
<13>前記酸化物半導体層及び前記酸化物中間層は、スパッタリングで成膜する、<11>又は<12>に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
本発明の実施形態に係る電界効果型トランジスタの製造方法について、TFTを一例に挙げて具体的に説明する。
本発明の実施形態に係るTFTは、ゲート電極、ゲート絶縁膜、活性層、ソース電極及びドレイン電極を有し、ゲート電極に電圧を印加して、活性層に流れる電流を制御し、ソース電極とドレイン電極間の電流をスイッチングする機能を有するアクテイブ素子である。そして、本発明の実施形態に係るTFTではさらに、ゲート絶縁膜と活性層との間に酸化物中間層が配置されている。
なお、トップゲート型とは、ゲート絶縁膜の上側にゲート電極が配置され、ゲート絶縁膜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、ゲート絶縁膜の下側にゲート電極が配置され、ゲート絶縁膜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。
−基板−
まず、TFT10を形成するための基板12を用意する。基板12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12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。
基板12の材質としては特に限定はなく、例えばガラス、YSZ(イットリウム安定化ジルコニウム)等の無機基板、樹脂基板や、その複合材料等を用いることが出来る。中でも軽量である点、可撓性を有する点から樹脂基板やその複合材料が好ましい。具体的には、ポリブチレンテレフタレート、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、ポリブチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、アリルジグリコールカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンズアゾール、ポリフェニレンサルファイド、ポリシクロオレフィン、ノルボルネン樹脂、ポリクロロトリフルオロエチレン等のフッ素樹脂、液晶ポリマー、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アイオノマー樹脂、シアネート樹脂、架橋フマル酸ジエステル、環状ポリオレフィン、芳香族エーテル、マレイミドーオレフィン、セルロース、エピスルフィド化合物等の合成樹脂基板、酸化珪素粒子との複合プラスチック材料、金属ナノ粒子、無機酸化物ナノ粒子、無機窒化物ナノ粒子等との複合プラスチック材料、カーボン繊維、カーボンナノチューブとの複合プラスチック材料、ガラスフェレーク、ガラスファイバー、ガラスビーズとの複合プラスチック材料、粘土鉱物や雲母派生結晶構造を有する粒子との複合プラスチック材料、薄いガラスと上記単独有機材料との間に少なくとも1回の接合界面を有する積層プラスチック材料、無機層と有機層を交互に積層することで、少なくとも1回以上の接合界面を有するバリア性能を有する複合材料、ステンレス基板或いはステンレスと異種金属を積層した金属多層基板、アルミニウム基板或いは表面に酸化処理(例えば陽極酸化処理)を施すことで表面の絶縁性を向上させた酸化皮膜付きのアルミニウム基板等を用いることが出来る。また、樹脂基板は、耐熱性、寸法安定性、耐溶剤性、電気絶縁性、加工性、低通気性、又は低吸湿性等に優れていることが好ましい。前記樹脂基板は、水分や酸素の透過を防止するためのガスバリア層や、樹脂基板の平坦性や下部電極との密着性を向上するためのアンダーコート層等を備えていてもよい。
次に、基板12上に、トランジスタとして主に活性層(領域)となる酸化物半導体層14を形成する。
酸化物半導体層14は、Sn,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする。これらの中でも、電気的安定性という観点から、Sn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とすることが好ましい。なお、「主たる構成元素」とは、酸化物半導体層14の全構成元素に対するSn,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOの合計割合が98%以上であることを意味するものとする。
また、Sn,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする際、その組成比をSn:Ga:Zn=a:b:cとした場合、当該組成比が、a+b=2、且つ1≦a≦2、且つ1≦c≦11/2、且つc≧−7b/4+11/4を満たすことが好ましい。本組成比の材料を用いることで酸化物半導体層14中の水分量が低減されて低温アニール後の水分量のバラツキも抑制される。これにより、当該水分量のバラツキに伴う電気特性バラツキも抑制され、且つ低温アニール時の酸化物半導体層14の低抵抗化も起こらずデバイス設計が容易となる。
なお、本実施形態の抵抗率は、4端子法によって測定(電流源:Keithley社製ソースメジャーユニットSMU237、電圧計:Keithley社製ナノボルトメータ2182Aを使用、一部は2端子法により測定)した値である。
酸化物半導体層14上には、酸化物中間層16を形成する。この酸化物中間層16は、酸化物半導体層14よりも抵抗率が高くされている。このため、酸化物半導体層14に容易にチャネルを形成することが出来る。また、このように、Sn,Zn及びO、又はIn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする酸化物半導体層14と、ゲート絶縁膜22との間に、酸化物半導体層14よりも抵抗率が高い酸化物中間層16を設けることで、設けない場合に比べてオン電流及び移動度を向上させることができる。なお、このような効果は、IGZO膜からなる酸化物半導体層14と酸化物中間層16とを備えたTFTでは発生しない特有の効果である。
酸化物中間層16の上にソース・ドレイン電極18,20を形成するための導電膜を形成する。
ソース・ドレイン電極は高い導電性を有するものを用い、例えばAl,Mo,Cr,Ta,Ti,Au,Au等の金属、Al−Nd、Ag合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の金属酸化物導電膜等を用いて形成することが出来る。ソース・ドレイン電極18,20としてはこれらの導電膜を単層構造又は2層以上の積層構造として用いることが出来る。
成膜する導電膜の膜厚は、成膜性や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500nm以下とすることがより好ましい。
次いで、成膜した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、ソース電極及びドレイン電極18,20を形成する。この際、ソース・ドレイン電極18,20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。
ソース・ドレイン電極18,20及び配線を形成した後、ゲート絶縁膜22を形成する。
ゲート絶縁膜22は、高い絶縁性を有するものが好ましく、例えばSiO2,SiNx,SiON,Al2O3,Y2O3,Ta2O5,HfO2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。ゲート絶縁膜22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。
次に、ゲート絶縁膜22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を行う。
なお、ゲート絶縁膜22は、リーク電流の低下及び電圧耐性の向上のための厚みを有する必要がある一方、ゲート絶縁膜の厚みが大きすぎると駆動電圧の上昇を招いてしまう。 ゲート絶縁膜は材質にもよるが、ゲート絶縁膜の厚みは10nm以上10μm以下が好ましく、50nm以上1000nm以下がより好ましく、100nm以上400nm以下が特に好ましい。
ゲート絶縁膜22を形成した後、ゲート電極24を形成する。
ゲート電極24は、高い導電性を有するものを用い、例えばAl,Mo,Cr,Ta,Ti,Au,Au等の金属、Al−Nd、Ag合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の金属酸化物導電膜等を用いて形成することが出来る。ゲート電極24としては、これらの導電膜を単層構造又は2層以上の積層構造として用いることが出来る。
成膜後、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、ゲート電極24を形成する。この際、ゲート電極24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。
ゲート電極24パターンニング後に、ポストアニール処理を施す。ただし、このポストアニール処理は酸化物半導体層14成膜後であれば、特に手順は限定せず、酸化物半導体成膜直後でもよければ電極、絶縁膜の成膜或いはパターンニングが全て終わった後に行ってもよい。
ポストアニールの温度は、電気特性のバラツキを抑えるために100℃以上300℃未満であることが好ましく、可撓性基板を用いる場合を考慮すると、100℃以上200℃以下で行うことがより好ましい。100℃以上であれば、熱処理の効果を十分に発揮させることができる。300℃未満であれば、膜中の酸素欠損量を変化させることなく、TFTの特性を改善することが出来る。200℃以下であれば耐熱性の低い樹脂基板への適用が容易となる。
また、ポストアニール中の雰囲気は不活性雰囲気又は酸化性雰囲気にすることが好ましい。還元性雰囲気中でポストアニールを施すと酸化物半導体層中の酸素が抜け、余剰キャリアが発生し、電気特性バラツキが起こり易い。
さらに、ポストアニール雰囲気の湿度が極めて高い場合には膜中に水分が取り込まれ易く、電気特性のバラツキが起こり易くなるため、室温での相対湿度は50%以下で行うことが好ましい。
さらにまた、ポストアニール時間に特に限定はないが、膜温度が均一になるのに要する時間等を考慮し、少なくとも10分以上保持することが好ましい。
ただし、本発明は、上述したように他の形態及び製造方法のTFTであってもよい。
例えば、ボトムゲート構造では、基板上に形成されたゲート絶縁膜上にIn,Ga,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする酸化物中間層を成膜する第一の工程と、前記酸化物中間層上にSn,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とし、前記構成元素の元素組成比をSn:Ga:Zn=a:b:cとした場合、前記元素組成比が、a+b=2、且つ1≦a≦2、且つ1≦c≦11/2、且つc≧−7b/4+11/4を満たす酸化物半導体層を成膜する第二の工程と、100℃以上300℃未満の熱処理を施す第三の工程と、をこの順に有するTFTの製造方法がある。
以上で説明した本実施形態のTFTの用途には特に限定はないが、例えば電気光学装置(例えば液晶表示装置、有機EL(Electro Luminescence)表示装置、無機EL表示装置等の表示装置、等)における駆動素子、特に大面積デバイスに用いる場合に好適である。
さらに本実施形態のTFTは、樹脂基板を用いた低温プロセスで作製可能なデバイスに特に好適であり(例えばフレキシブルディスプレイ等)、X線センサなどの各種センサ、MEMS(Micro Electro Mechanical System)等、種々の電子デバイスにおける駆動素子(駆動回路)として、好適に用いられるものである。
電気光学装置の例としては、表示装置(例えば液晶表示装置、有機EL表示装置、無機EL表示装置、等)がある。
センサの例としては、CCD(Charge Coupled Device)又はCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等のイメージセンサや、X線センサ等が好適である。
本実施形態の電気光学装置又はセンサは、低い消費電力により良好な特性を示す。ここで言うところの特性とは、電気光学装置(表示装置)の場合には表示特性、センサの場合には感度特性を示す。
以下、本発明によって製造される薄膜トランジスタを備えた電気光学装置又はセンサの代表例として、液晶表示装置、有機EL表示装置、X線センサについて説明する。
図2に、本発明の電気光学装置の一実施形態の液晶表示装置について、その一部分の概略断面図を示し、図3にその電気配線の概略構成図を示す。
また、低温でのアニール処理によって十分な特性を有するTFTを作製することができるため、基板としては樹脂基板(プラスチック基板)を用いることができる。従って、本発明によれば、大面積で均一、安定なフレキシブルな液晶表示装置を提供することができる。
図4に、本発明の電気光学装置の一実施形態のアクティブマトリックス方式の有機EL表示装置について、その一部分の概略断面図を示し、図5に電気配線の概略構成図を示す。
図6に、本発明のセンサの一実施形態であるX線センサについて、その一部分の概略断面図を示し、図7にその電気配線の概略構成図を示す。
X線変換層304はアモルファスセレンからなる層であり、TFT10およびキャパシタ310を覆うように設けられている。
上部電極306はX線変換層304上に設けられており、X線変換層304に接している。
具体的には、熱酸化膜付p型Si基板502上に、成膜時到達真空度:6×10−6Pa及び成膜時圧力:4.4×10−1Paの条件の下、以下表1に示すように、実施例毎にその他の条件を変えて酸化物中間層506を厚み5nmとしてスパッタ成膜した。その後、成膜時到達真空度及び成膜時圧力を同一としたまま連続して酸化物半導体層508としてのSGZO膜を、厚み50nm、縦横幅3mm×4mmとしてスパッタ成膜した。続いて、雰囲気を制御可能な電気炉にて、ポストアニール処理を施した。ポストアニール雰囲気はAr:160sccm、O2:40sccmとし、10℃/minで200℃まで昇温、200℃で10分保持後、炉冷で室温まで冷却を行った。なお、各スパッタ成膜では、メタルマスクを用いてパターン成膜している。また、同じ条件で成膜、ポストアニール処理を施し作製した成膜試料について、広がり抵抗測定を実施し、酸化物半導体層508の抵抗率が、酸化物中間層506の抵抗率よりも低いことを確認した。
以下に、上述した各実施例及び各比較例の製造条件を表1に示す。
以上により、Sn,Gn,Zn及びO(Sn:Ga:Zn=1:1:1であり、Oについては不定比量)を主たる構成元素とする酸化物半導体層508と、ゲート絶縁膜(熱酸化膜504)との間に、酸化物半導体層508よりも抵抗率が高い酸化物中間層506を設けると、設けない場合に比べてオン電流及び移動度が向上していることを見出した。
また、酸化物中間層506がない比較例1のTFT、及び酸化物中間層506をSGZOとした実施例2のTFTに比べて、酸化物中間層506をIGZOとした実施例1のTFTは、移動度が格段に向上していることを見出した。
以上により、実施例3では、実施例1,2に比べて酸化物半導体層508の組成比(Zn組成比)を変えているが、この場合でも、Sn,Gn,Zn及びO(Sn:Ga:Zn=1:1:5.5であり、Oについては不定比量)を主たる構成元素とする酸化物半導体層508と、ゲート絶縁膜(熱酸化膜504)との間に、酸化物半導体層508よりも抵抗率が高い酸化物中間層506を設けると、設けない場合に比べてオン電流及び移動度が向上していることを見出した。
以上により、実施例4では、実施例1,2に比べて酸化物半導体層508の組成比を全て変えているが、この場合でも、Sn,Zn及びO(Sn:Ga:Zn=2.0:0:5.5であり、Oについては不定比量)を主たる構成元素とする酸化物半導体層508と、ゲート絶縁膜(熱酸化膜504)との間に、酸化物半導体層508よりも抵抗率が高い酸化物中間層506を設けると、設けない場合に比べてオン電流及び移動度が向上していることを見出した。
以上により、IGZO膜からなる酸化物半導体層508の場合には、SGZO膜からなる酸化物半導体層508の場合と異なり、酸化物中間層506を設けても、設けない場合に比べてオン電流はほぼ変化せず、移動度はむしろ低下することを見出した。
12 基板
14 酸化物半導体層
16 酸化物中間層
22 ゲート絶縁膜
100 液晶表示装置(表示装置)
200 有機EL表示装置(表示装置)
300 X線センサ(センサ)
502 基板
504 熱酸化膜(ゲート絶縁膜)
506 酸化物中間層
508 酸化物半導体層
Claims (13)
- ゲート絶縁膜と、
活性層としてSn,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする酸化物半導体層と、
前記ゲート絶縁膜と前記酸化物半導体層との間に配置され、前記酸化物半導体層よりも抵抗率が高い酸化物中間層と、
を有する電界効果型トランジスタ。 - 前記酸化物中間層は、In,Ga,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする、
請求項1に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記酸化物中間層は、In,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする、
請求項2に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記酸化物半導体層は、Sn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする、
請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記酸化物半導体層の元素組成比をSn:Ga:Zn=a:b:cとした場合、前記元素組成比が、a+b=2、且つ1≦a≦2、且つ1≦c≦11/2、且つc≧−7b/4+11/4を満たす、
請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記酸化物半導体層は、非晶質である、
請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記酸化物半導体層の抵抗率は、1Ωcm以上1×106Ωcm以下である、
請求項1〜請求項6の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記酸化物中間層の膜厚は、1nm以上50nm以下である、
請求項1〜請求項7の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 - 請求項1〜請求項8の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタを備えた表示装置。
- 請求項1〜請求項8の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタを備えたセンサ。
- 基板上に形成されたゲート絶縁膜上にIn,Ga,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする酸化物中間層を成膜する第一の工程と、
前記酸化物中間層上にSn,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とし、前記構成元素の元素組成比をSn:Ga:Zn=a:b:cとした場合、前記元素組成比が、a+b=2、且つ1≦a≦2、且つ1≦c≦11/2、且つc≧−7b/4+11/4を満たす酸化物半導体層を成膜する第二の工程と、
100℃以上300℃未満の熱処理を施す第三の工程と、
をこの順に有する電界効果型トランジスタの製造方法。 - Sn,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とし、前記構成元素の元素組成比をSn:Ga:Zn=a:b:cとした場合、前記元素組成比が、a+b=2、且つ1≦a≦2、且つ1≦c≦11/2、且つc≧−7b/4+11/4を満たす酸化物半導体層を基板上に成膜する第一の工程と、
前記酸化物半導体層上にIn,Ga,Zn及びO、又はSn,Ga,Zn及びOを主たる構成元素とする酸化物中間層を成膜する第二の工程と、
前記酸化物中間層上にゲート絶縁膜を形成する第三の工程と、
前記第二の工程後又は前記第三の工程後に、100℃以上300℃未満の熱処理を施す第四の工程と、
を有する電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記酸化物半導体層及び前記酸化物中間層は、スパッタリングで成膜する、
請求項11又は請求項12に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
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