JP2013064185A - Ｉｇｚｏ膜の形成方法及び薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】成膜レートを落とすことなく成膜可能で、薄膜トランジスタを構成した場合に所望のＴＦＴ特性を示すＩＧＺＯからなる半導体層を形成することができる技術を提供する。
【解決手段】本発明は、成膜対象物上にＩＧＺＯ膜を形成する方法であって、酸素ガスの分圧が０．１Ｐａ以下の真空中でスパッタリングによって当該成膜対象物上にＩＧＺＯ膜を形成する成膜工程（Ｐ２、Ｐ３）と、酸素ガス及び窒素ガスを含む雰囲気中で当該ＩＧＺＯ膜に対してアニール処理を行うアニール処理工程（Ｐ５、Ｐ６）とを有する。
【選択図】 図２
Description
本発明は、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に用いるＩＧＺＯ膜の形成技術に関する。
近年、例えば薄膜トランジスタに用いられるアモルファスシリコンの代替手段として、ＩＧＺＯ（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏｘｉｄｅ）が注目されている。
ＩＧＺＯは、アモルファスシリコンと比較して導電率が１桁ほど大きく、またデバイス構造も簡素になることから、将来性が期待されている。
一般に、ＩＧＺＯ膜を形成する場合には、ＩＧＺＯからなるターゲットを用い、スパッタリングによって成膜を行うが、プロセス中の酸素欠損を補うために酸素ガスを導入する必要がある。
ＩＧＺＯは、アモルファスシリコンと比較して導電率が１桁ほど大きく、またデバイス構造も簡素になることから、将来性が期待されている。
一般に、ＩＧＺＯ膜を形成する場合には、ＩＧＺＯからなるターゲットを用い、スパッタリングによって成膜を行うが、プロセス中の酸素欠損を補うために酸素ガスを導入する必要がある。
しかし、成膜中に酸素ガスを導入すると、図５に示すように、酸素ガスの分圧が大きくなるに伴い成膜レートが下がり、生産効率が落ちてしまうという問題がある。
その一方、成膜中に酸素ガスを導入しないと、キャリア密度が大きくなることから薄膜トランジスタを構成した場合にオフ電流が下がらず、図６に示すように、ＴＦＴ特性を示さないという問題がある。
その一方、成膜中に酸素ガスを導入しないと、キャリア密度が大きくなることから薄膜トランジスタを構成した場合にオフ電流が下がらず、図６に示すように、ＴＦＴ特性を示さないという問題がある。
さらに、ＩＧＺＯ膜の成膜後においてアニール処理を行う必要があるが、減圧下でアニール処理を行うと、ＩＧＺＯ膜から酸素が抜けてしまい薄膜トランジスタを構成した場合にオフ電流が上がってしまうため（図７参照）、大気雰囲気でアニール処理を行う必要がある。
本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、成膜レートを落とすことなく成膜可能で、薄膜トランジスタを構成した場合に所望のＴＦＴ特性を示すＩＧＺＯ半導体層を形成可能な技術を提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明は、成膜対象物上にＩＧＺＯ膜を形成する方法であって、酸素ガスの分圧が０．１Ｐａ以下の真空中でスパッタリングによって当該成膜対象物上にＩＧＺＯ膜を形成する成膜工程と、酸素ガス並びに不活性ガス又は希ガスを含む雰囲気中で前記ＩＧＺＯ膜に対してアニール処理を行うアニール処理工程とを有するものである。
本発明では、前記アニール処理工程を大気圧下で行う場合にも効果的である。
本発明では、前記アニール処理工程を真空中で行う場合にも効果的である。
また、本発明は、上述したいずれかの方法によって成膜対象物上にＩＧＺＯからなる半導体層を形成した後、当該成膜対象物上にソース電極及びドレイン電極を形成する工程を有する薄膜トランジスタの製造方法である。
本発明では、前記アニール処理工程を大気圧下で行う場合にも効果的である。
本発明では、前記アニール処理工程を真空中で行う場合にも効果的である。
また、本発明は、上述したいずれかの方法によって成膜対象物上にＩＧＺＯからなる半導体層を形成した後、当該成膜対象物上にソース電極及びドレイン電極を形成する工程を有する薄膜トランジスタの製造方法である。
本発明の場合、酸素ガスの分圧が０．１Ｐａ以下の真空中でスパッタリングによって当該成膜対象物上にＩＧＺＯ膜を形成することによって、酸素ガスの分圧の低い領域でスパッタリングを行うことができるので、成膜レートを落とすことなくＩＧＺＯ膜を形成できる。
また、このＩＧＺＯ膜に対し、酸素ガス並びに不活性ガス又は希ガスを含む雰囲気中でアニール処理を行うことから、ＩＧＺＯ膜中に酸素原子が十分に残った状態でアニール処理を終了することができ、薄膜トランジスタを構成した場合に所望のＴＦＴ特性を示す半導体層を形成することができる。
また、このＩＧＺＯ膜に対し、酸素ガス並びに不活性ガス又は希ガスを含む雰囲気中でアニール処理を行うことから、ＩＧＺＯ膜中に酸素原子が十分に残った状態でアニール処理を終了することができ、薄膜トランジスタを構成した場合に所望のＴＦＴ特性を示す半導体層を形成することができる。
本発明によれば、成膜レートを落とすことなく成膜可能で、薄膜トランジスタを構成した場合に所望のＴＦＴ特性を示すＩＧＺＯ半導体層を形成することができる。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明が適用される薄膜トランジスタの要部断面図である。
図１に示すように、この薄膜トランジスタ１は、例えばガラス基板２上に設けられるもので、ガラス基板２上に例えばＳiＯXからなる第１の絶縁層３が形成され、この第１の絶縁層３上にゲート電極４が形成されている。
図１は、本発明が適用される薄膜トランジスタの要部断面図である。
図１に示すように、この薄膜トランジスタ１は、例えばガラス基板２上に設けられるもので、ガラス基板２上に例えばＳiＯXからなる第１の絶縁層３が形成され、この第１の絶縁層３上にゲート電極４が形成されている。
そして、このゲート電極４を覆うように、例えばＳiＯXからなる第２の絶縁層５が形成され、この第２の絶縁層５上のゲート電極４の上方の位置に、ＩＧＺＯからなる半導体層６が形成されている。
さらに、第２の絶縁層５及び半導体層６上には、ゲート電極４を挟む位置に、ソース電極７とドレイン電極８がそれぞれ形成されている。
さらに、第２の絶縁層５及び半導体層６上には、ゲート電極４を挟む位置に、ソース電極７とドレイン電極８がそれぞれ形成されている。
図２は、本発明に係る成膜方法の例を示す流れ図である。
本例においては、まず、図示しない成膜室内に成膜対象物（図示せず）を搬入し、プロセス１（Ｐ１で表す。以下同様）に示すように、成膜室内の真空排気を行う（例えば、５×１０-4Ｐａ程度）。
この成膜室内には、公知のスパッタリング機構が設けられ、また、ＩＧＺＯからなるターゲットが配置されている。
本例においては、まず、図示しない成膜室内に成膜対象物（図示せず）を搬入し、プロセス１（Ｐ１で表す。以下同様）に示すように、成膜室内の真空排気を行う（例えば、５×１０-4Ｐａ程度）。
この成膜室内には、公知のスパッタリング機構が設けられ、また、ＩＧＺＯからなるターゲットが配置されている。
次いで、成膜室内にＡｒガスを導入して例えば０．６７Ｐａ程度の圧力にした後、プロセス２に示すように、成膜室内にＯ2ガスを導入し、成膜室内におけるＯ2ガスの分圧が０．１Ｐａ以下となるように調整する。
なお、本発明の場合、Ｏ2ガスの分圧の下限は０であっても、所望の効果が得られることが確認されている。
なお、本発明の場合、Ｏ2ガスの分圧の下限は０であっても、所望の効果が得られることが確認されている。
そして、この状態で成膜室内のスパッタリング機構を動作させ、プロセス３に示すように、成膜対象物上にスパッタリングによってＩＧＺＯ膜を形成する。
その後、成膜対象物を図示しないアニール処理室内に搬入する。
その後、成膜対象物を図示しないアニール処理室内に搬入する。
次に、プロセス５に示すように、アニール処理室内にＯ2ガス並びに不活性ガス又は希ガスを導入し、アニール処理室の圧力を大気圧に調整する。
本発明の場合、不活性ガスの種類は特に限定されることはないが、ＩＧＺＯと反応させない観点からは、窒素（Ｎ2）ガスを用いることが好ましい。なお、希ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスも使用することができる。
本発明の場合、不活性ガスの種類は特に限定されることはないが、ＩＧＺＯと反応させない観点からは、窒素（Ｎ2）ガスを用いることが好ましい。なお、希ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスも使用することができる。
この場合、Ｏ2ガスと不活性ガス又は希ガスの分圧は、Ｏ2ガス／不活性ガス又は希ガスの比率で０．２より大きく１．０未満であることが好ましく、より好ましくは、０．３以上０．８以下である。
特に不活性ガスとして、Ｎ2ガスを用いた場合には、Ｏ2ガス／（Ｎ2ガス＋Ｏ2ガス）の比率で０．２より大きく１．０未満であることが好ましく、より好ましくは、０．３以上０．８以下である。
Ｏ2ガスの比率が０．２以下であると、薄膜トランジスタを構成した場合にオフ電流の値が所望の値より大きくなり、他方、１．０以上であると、オン電流の値が所望の値より小さくなる。
特に不活性ガスとして、Ｎ2ガスを用いた場合には、Ｏ2ガス／（Ｎ2ガス＋Ｏ2ガス）の比率で０．２より大きく１．０未満であることが好ましく、より好ましくは、０．３以上０．８以下である。
Ｏ2ガスの比率が０．２以下であると、薄膜トランジスタを構成した場合にオフ電流の値が所望の値より大きくなり、他方、１．０以上であると、オン電流の値が所望の値より小さくなる。
一方、本発明の場合、アニール処理の温度は特に限定されることはないが、初期のアニール処理の効果が得られ、かつ、ＩＧＺＯ膜を結晶化させない観点からは、１５０℃以上６００℃以下であることが好ましく、より好ましくは、２００℃以上４５０℃以下である。
そして、プロセス６に示すように、大気圧の雰囲気下でアニール処理を行う。なお、アニール処理の時間は、１５分〜６０分程度である。
以上のアニール処理により、目的とするＩＧＺＯ膜が得られる。
以上のアニール処理により、目的とするＩＧＺＯ膜が得られる。
図３は、本発明に係る成膜方法の他の例を示す流れ図である。
本例においては、図２に示す例のプロセス１〜３と同一のプロセスを行う。
すなわち、成膜室内の真空排気を行い、成膜室内にＡｒガスを導入して例えば０．６７Ｐａ程度の圧力にした後、成膜室内にＯ2ガスを導入し、成膜室内におけるＯ2ガスの分圧が０．１Ｐａ以下となるように調整する。
本例においては、図２に示す例のプロセス１〜３と同一のプロセスを行う。
すなわち、成膜室内の真空排気を行い、成膜室内にＡｒガスを導入して例えば０．６７Ｐａ程度の圧力にした後、成膜室内にＯ2ガスを導入し、成膜室内におけるＯ2ガスの分圧が０．１Ｐａ以下となるように調整する。
そして、この状態で成膜室内のスパッタリング機構を動作させ、成膜対象物上にスパッタリングによってＩＧＺＯ膜を形成する。
その後、成膜対象物を図示しないアニール処理室内に搬入し、アニール処理室の真空排気を行う（例えば、１×１０-3Ｐａ程度）。
その後、成膜対象物を図示しないアニール処理室内に搬入し、アニール処理室の真空排気を行う（例えば、１×１０-3Ｐａ程度）。
次に、プロセス５に示すように、アニール処理室内にＯ2ガス並びに不活性ガス又は希ガスを導入する。
そして、アニール処理室の圧力を、１０Ｐａ以上１００００Ｐａ以下、より好ましくは、１００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下に調整する。
そして、アニール処理室の圧力を、１０Ｐａ以上１００００Ｐａ以下、より好ましくは、１００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下に調整する。
本発明の場合、不活性ガスの種類は特に限定されることはないが、ＩＧＺＯと反応させない観点からは、窒素（Ｎ2）ガスを用いることが好ましい。なお、希ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスも使用することができる。
この場合、Ｏ2ガスと不活性ガス又は希ガスの分圧は、Ｏ2ガス／不活性ガス又は希ガスの比率で０．２より大きく１．０未満であることが好ましく、より好ましくは、０．３以上０．８以下である。
特に不活性ガスとして、Ｎ2ガスを用いた場合には、Ｏ2ガス／（Ｎ2ガス＋Ｏ2ガス）の比率で０．２より大きく１．０未満であることが好ましく、より好ましくは、０．３以上０．８以下である。
Ｏ2ガスの比率が０．２以下であると、薄膜トランジスタを構成した場合にオフ電流の値が所望の値より大きくなり、他方、１．０以上であると、オン電流の値が所望の値より小さくなる。
特に不活性ガスとして、Ｎ2ガスを用いた場合には、Ｏ2ガス／（Ｎ2ガス＋Ｏ2ガス）の比率で０．２より大きく１．０未満であることが好ましく、より好ましくは、０．３以上０．８以下である。
Ｏ2ガスの比率が０．２以下であると、薄膜トランジスタを構成した場合にオフ電流の値が所望の値より大きくなり、他方、１．０以上であると、オン電流の値が所望の値より小さくなる。
一方、本発明の場合、アニール処理の温度は特に限定されることはないが、初期のアニール処理の効果が得られ、かつ、ＩＧＺＯ膜を結晶化させない観点からは、１５０℃以上６００℃以下、より好ましくは、２００℃以上４５０℃以下である。
そして、プロセス６に示すように、減圧雰囲気下でアニール処理を行う。なお、アニール処理の時間は、１５分〜６０分程度である。
以上のアニール処理により、目的とするＩＧＺＯ膜が得られる。
以上のアニール処理により、目的とするＩＧＺＯ膜が得られる。
以上述べたように本発明によれば、酸素ガスの分圧が０．１Ｐａ以下の真空中でスパッタリングによって当該成膜対象物上にＩＧＺＯ膜を形成することによって、酸素ガスの分圧の低い領域でスパッタリングを行うことができるので、成膜レートを落とすことなくＩＧＺＯ膜を形成できる。
また、このＩＧＺＯ膜に対し、酸素ガス並びに不活性ガス又は希ガスを含む雰囲気中でアニール処理を行うことから、ＩＧＺＯ膜中に酸素原子が十分に残った状態でアニール処理を終了することができ、薄膜トランジスタを構成した場合に所望のＴＦＴ特性を示す半導体層を形成することができる。
以下、本発明の実施例を比較例とともに説明する。
図１に示す構成の薄膜トランジスタのＩＧＺＯからなる半導体層を酸素を導入せず形成した。この場合、ＩＧＺＯ膜の厚さは５０ｎｍとした。
そして、Ｏ2ガスとＮ2ガスの分圧を変えてアニール処理を行った。
アニール処理の条件は、温度４００℃、時間は１５分とした。
図１に示す構成の薄膜トランジスタのＩＧＺＯからなる半導体層を酸素を導入せず形成した。この場合、ＩＧＺＯ膜の厚さは５０ｎｍとした。
そして、Ｏ2ガスとＮ2ガスの分圧を変えてアニール処理を行った。
アニール処理の条件は、温度４００℃、時間は１５分とした。
図４は、このアニール処理後のＩＧＺＯ膜を用いた場合のＴＦＴ特性を示すグラフである。
図４に示すように、Ｏ2ガスを導入せずにアニール処理を行った場合には、導電膜が形成され、ＴＦＴ特性を示さなかった。
図４に示すように、Ｏ2ガスを導入せずにアニール処理を行った場合には、導電膜が形成され、ＴＦＴ特性を示さなかった。
一方、Ｏ2ガス／（Ｎ2ガス＋Ｏ2ガス）の比率を０．２とした場合には、ＴＦＴ特性を示したが、オフ電流が所望の値より大きくなった。
他方、Ｏ2ガス／Ｎ2ガスの比率を０．５とした場合には、所望のＴＦＴ特性を示した。
さらに、Ｏ2ガス／（Ｎ2ガス＋Ｏ2ガス）の比率を１．０とした場合には、ＴＦＴ特性を示したが、オン電流が所望の値より小さくなった。
以上より、本発明の効果及びその好ましいＯ2ガスの分圧を確認することができた。
他方、Ｏ2ガス／Ｎ2ガスの比率を０．５とした場合には、所望のＴＦＴ特性を示した。
さらに、Ｏ2ガス／（Ｎ2ガス＋Ｏ2ガス）の比率を１．０とした場合には、ＴＦＴ特性を示したが、オン電流が所望の値より小さくなった。
以上より、本発明の効果及びその好ましいＯ2ガスの分圧を確認することができた。
１…薄膜トランジスタ
２…ガラス基板
３…第１の絶縁層
４…ゲート電極
５…第２の絶縁層
６…半導体層
７…ソース電極
８…ドレイン電極
２…ガラス基板
３…第１の絶縁層
４…ゲート電極
５…第２の絶縁層
６…半導体層
７…ソース電極
８…ドレイン電極
Claims (4)
- 成膜対象物上にＩＧＺＯ膜を形成する方法であって、
酸素ガスの分圧が０．１Ｐａ以下の真空中でスパッタリングによって当該成膜対象物上にＩＧＺＯ膜を形成する成膜工程と、
酸素ガス並びに不活性ガス又は希ガスを含む雰囲気中で前記ＩＧＺＯ膜に対してアニール処理を行うアニール処理工程とを有するＩＧＺＯ膜の形成方法。 - 前記アニール処理工程を大気圧下で行う請求項１記載のＩＧＺＯ膜の形成方法。
- 前記アニール処理工程を減圧下で行う請求項１記載のＩＧＺＯ膜の形成方法。
- 請求項１乃至請求項３記載のいずれか１項の方法によって成膜対象物上にＩＧＺＯからなる半導体層を形成した後、当該成膜対象物上にソース電極及びドレイン電極を形成する工程を有する薄膜トランジスタの製造方法。
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