JP2013175555A

JP2013175555A - 電界効果型薄膜トランジスタの製造方法及び酸化物半導体膜の形成方法

Info

Publication number: JP2013175555A
Application number: JP2012038621A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Goto; 哲也後藤; Akihiko Hiroe; 昭彦廣江
Original assignee: Tohoku University NUC; Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tohoku University NUC; Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-09-05

Abstract

【課題】キャリア移動度が劣化しない電界効果型薄膜トランジスタの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の電界効果型薄膜トランジスタの製造方法では、ガラス基板１０１上に、マグネトロンスパッタによりＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜１０４からなる半導体層を形成し、半導体層形成の前または後にゲート電極１０２、ゲート絶縁膜１０３、ソース電極１０５、ドレイン電極１０６を設ける電界効果型薄膜トランジスタの製造方法において、ＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜１０４をマグネトロンスパッタで形成する際に、クリプトン（Ｋｒ）を含む雰囲気およびキセノン（Ｘｅ）を含む雰囲気のいずれか一方の雰囲気で成膜する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、電界効果型薄膜トランジスタの製造方法及び酸化物半導体膜の形成方法に関する。

液晶ディスプレイ等のディスプレイデバイスにおいて、アモルファスＩＧＺＯ（ＩｎＧａＺｎＯ_ｘ）系薄膜に代表されるような、酸化物半導体薄膜トランジスタが注目されている。アモルファスＩＧＺＯ薄膜トランジスタは、容易にそのキャリア移動度が１０ｃｍ^２／Ｖｓ以上のものを実現でき、それまで広く用いられているアモルファスシリコン薄膜トランジスタのキャリア移動度が１ｃｍ^２／Ｖｓ以下程度であるのに対し、大きな優位性を持っている。

当初、アモルファスＩＧＺＯ薄膜トランジスタは、パルスレーザー堆積により形成されていたが、生産性等の観点から実用化に向けてはマグネトロンスパッタで主に生成されるようになってきている。

具体的には、ＩＧＺＯ薄膜を、マグネトロンスパッタにて成膜して薄膜トランジスタを作製し、移動度６〜２０ｃｍ^２／Ｖｓを実現している。成膜の際には、基板温度を１４０℃にして成膜したり、もしくはアモルファスＩＧＺＯ膜を基板温度を室温として成膜した後に酸素雰囲気や大気雰囲気、もしくは不活性ガス雰囲気で２００℃から４００℃程度の間の温度で熱処理をしたりして、移動度を制御している。

一般的に、４００℃程度以下の温度領域であれば、高温で成膜もしくは成膜後に熱処理を加えることで移動度の高い薄膜トランジスタが作成できることが知られている。スパッタリング時に用いるガスは、不活性な希ガスであるアルゴンガスかもしくはアルゴンガスに酸素ガスを数％から数１０％程度添加して行っている（非特許文献１〜４）。

Yabuta H, Sano M, Abe K, Aiba T, Den T, Kumomi H,Nomura K, Kamiya T and Hosono H 2006 , "High-mobility thin-film transistor with amorphous InGaZnO4 channel fabricated by room temperature rf-magnetron sputtering"Appl. Phys. Lett. 89 p112123 Woong-Sun Kim et al, "An investigation of contact resistance between metal electrodes and amorphous gallium-indium-zinc oxide (a-GIZO) thin-film transistors", Thin Solid Films 518 (2010) p6357-6360. Jaewook Jeong, Yongtaek Hong, Jae Kyeong Jeong, Jin-Seong Park, and Yeon-Gon Mo, "MOSFET-Like Behavior of a-InGaZnO Thin-Film Transistors With Plasma-Exposed Source-Drain Bulk Region", JOURNAL OF DISPLAY TECHNOLOGY, VOL. 5, NO. 12, DECEMBER 2009, p495-500. Y.-K. Moon, S. Lee, W.-S. Kim, B.-W. Kang, C.-O. Jeong, D.-H. Lee, J.-W. Park, "Improvement in the bias stability of amorphous indium gallium zincoxide thin-film transistors using an O2 plasma-treated insulator", Appl.Phys. Lett. 95 (2009), p013507.

ここで、マグネトロンスパッタでアモルファスＩＧＺＯ薄膜を成膜する際、アルゴンガス雰囲気、もしくはアルゴンガスと酸素ガスの混合雰囲気でプラズマを励起する必要があるが、その際に発生するアルゴンイオンが成膜基板に照射され、そのダメージによりアモルファスＩＧＺＯ薄膜のキャリア移動度が劣化してしまうという問題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、キャリア移動度が劣化しない電界効果型薄膜トランジスタの製造方法を提供することにある。

上記した課題を解決するため、本発明によれば、基板上に、マグネトロンスパッタによりＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜からなる半導体層を形成し、該半導体層形成の前または後にゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極を設ける電界効果型薄膜トランジスタの製造方法において、前記ＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜をマグネトロンスパッタで形成する際に、クリプトン（Ｋｒ）を含む雰囲気およびキセノン（Ｘｅ）を含む雰囲気のいずれか一方の雰囲気で成膜することを特徴とする電界効果型薄膜トランジスタの製造方法が得られる。

また、本発明によれば、基板上に、ゲート電極を設け、前記基板および前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を設け、前記ゲート絶縁膜上にマグネトロンスパッタによりＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜からなる半導体層を形成し、前記半導体層にソース電極と、ドレイン電極とを設ける電界効果型薄膜トランジスタの製造方法において、前記ＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜をマグネトロンスパッタで形成する際に、クリプトン（Ｋｒ）を含む雰囲気およびキセノン（Ｘｅ）を含む雰囲気のいずれか一方の雰囲気で成膜することを特徴とする電界効果型薄膜トランジスタの製造方法が得られる。

さらに、本発明によれば、ＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜をマグネトロンスパッタで形成する際に、クリプトン（Ｋｒ）と酸素（Ｏ_２）を混合した雰囲気、もしくはキセノン（Ｘｅ）と酸素（Ｏ_２）を混合した雰囲気のいずれか一方の雰囲気で成膜することを特徴とする酸化物半導体膜の形成方法が得られる。

本発明によれば、キャリア移動度が劣化しないアモルファスＩＧＺＯ薄膜トランジスタを低温で形成することが可能となる。

本発明の一実施例による薄膜トランジスタ１００の概略断面図である。本発明の一実施例による薄膜トランジスタ１００の製造の手順を示す図である。本発明の一実施例による薄膜トランジスタ１００の製造の手順を示す図である。本発明の一実施例による薄膜トランジスタ１００の製造の手順を示す図である。本発明の一実施例による薄膜トランジスタ１００の製造の手順を示す図である。本発明の一実施例による薄膜トランジスタ１００の製造の手順を示す図である。本発明の一実施例による薄膜トランジスタ１００の製造の手順を示す図である。本発明の一実施例による薄膜トランジスタ１００の製造の手順を示す図である。本発明の一実施例による薄膜トランジスタ１００の製造の手順を示す図である。本発明の一実施例による薄膜トランジスタ１００の製造の手順を示すフロー図である。

以下、図面を参照して本発明に好適な実施例を詳細に説明する。

まず、図１を参照して本実施例に係る電界効果型薄膜トランジスタとしての薄膜トランジスタ１００の概略構成について説明する。

図１はボトムゲート型のアモルファスＩＧＺＯ薄膜トランジスタ１００の概略断面図である。図１において、１０１はガラス基板、１０２はゲート電極、１０３はゲート絶縁膜、１０４は半導体層としてのアモルファスＩＧＺＯ薄膜（酸化物薄膜）、１０５、１０６はそれぞれソース電極、ドレイン電極である。

より具体的には、ガラス基板１０１上にゲート電極１０２が設けられ、ガラス基板１０１およびゲート電極１０２上に、ゲート電極１０２を覆うようにゲート絶縁膜１０３が設けられている。さらに、ゲート絶縁膜１０３上には、ゲート電極１０２の上方に位置するようにアモルファスＩＧＺＯ薄膜１０４が設けられ、アモルファスＩＧＺＯ薄膜１０４の両端およびゲート絶縁膜１０３の一部を覆うようにして、ソース電極１０５、およびドレイン電極１０６が設けられている。

次に、薄膜トランジスタ１００の製造方法について、図２〜図１０を参照して説明する。

まず、図２に示すように、ガラス基板１０１にゲート電極１０２となるアルミニウムをスパッタリングにより成膜し、それを図３に示すように、レジスト塗布、露光、現像を行うことでレジストパターン１１０を形成した。その後、図４に示すように、形成したレジストパターン１１０をマスクにアルミニウムをエッチングし、さらにレジストを除去することで、図５に示すように示すようにゲート電極１０２を形成した（図１０のＳ１）。エッチングは、例えばリン酸、硝酸、酢酸の混合液によるウェットエッチングでも塩素プラズマ等を用いたドライエッチングでも良い。

次に、図６に示すように、ゲート絶縁膜１０３となるシリコン酸化膜薄膜１００ｎｍをプラズマＣＶＤにより成膜した（図１０のＳ２）。ゲート絶縁膜の種類は、ＳｉＯ_２に限るものではなく、例えばシリコン窒化膜をプラズマＣＶＤで成膜しても良いし、Ａｌ_２Ｏ_３をスパッタリングにより成膜しても良い。また、膜厚も１００ｎｍに限られるものではない。

次に、図７に示すように、アモルファスＩＧＺＯ薄膜１０４を５０ｎｍの厚さにマグネトロンスパッタにより成膜した（図１０のＳ３）。マグネトロンスパッタ装置としては、例えば本出願人らが先に発明した回転式マグネトロンスパッタ装置（例えばＰＣＴ国際公開番号ＷＯ２００７／０４３４７６号公報参照）を好適に用いることができる。

本実施例では、アモルファスＩＧＺＯ薄膜１０４をスパッタ形成したあと、レジストパターニングを行い、そのレジストパターンをマスクにアモルファスＩＧＺＯ薄膜をエッチングすることで、図８に示すようなアイランドパターン（孤立パターン）を形成した。ＩＧＺＯ薄膜のエッチング方法は、リン酸等のウェットエッチングでも良いし、あるいはアモルファスＩＧＺＯ薄膜１０４を成膜した後にＳｉＯ_２等の保護膜を連続して成膜し、その保護膜をレジストパターニングの後にドライエッチング等でパターニングし、形成された保護膜のパターンをマスクとしてアモルファスＩＧＺＯ薄膜１０４をリン酸等のウェットエッチングを行うことでパターニングしても良い。

次にスパッタリングによりアルミニウムを成膜し、レジストパターニングとアルミニウムのエッチングを行うことで、図９に示すように、ソース電極１０５及びドレイン電極１０６として、アルミニウムの配線パターンを形成した（図１０のＳ４）。こうして、図１に示す薄膜トランジスタ１００を得た。

ここで、マグネトロンスパッタによりアモルファスＩＧＺＯ薄膜１０４を形成する際に、使用するガスとして、実施例としてのＫｒ／Ｏ_２、Ｘｅ／Ｏ_２、および比較例としてのＡｒ／Ｏ_２の三種類のガスを用いてそれぞれ成膜を行った。

全ての場合において、酸素分圧は８％、トータル圧力は５ｍＴｏｒｒ（０．６７Ｐａ）、ガスの総流量は標準状態換算で４００ｍｌ／分である。ＩＧＺＯターゲットにはＤＣ電力を３Ｗ／ｃｍ^２印加して成膜した。成膜レートはおよそ２００ｎｍ／分であり、時間を調節して５０ｎｍの膜厚の薄膜を形成した。酸素分圧が少ないと形成される薄膜は導体に近い挙動を示し、一方酸素分圧が多すぎると絶縁体に近い挙動を示すことが知られており、薄膜トランジスタとして良好な動作をするためには適切な酸素分圧に設定することが重要である。最適な酸素分圧は、用いるマグネトロンスパッタ装置のガスの導入方法やガス圧力、さらにはプラズマ励起電力によって変動するが、本実施例で用いたマグネトロンスパッタ装置では、酸素分圧が２％〜１５％の領域で良好なトランジスタ動作をすることを確認しており、その最適酸素分圧領域については、スパッタ時のガス種Ａｒ／Ｏ_２、Ｋｒ／Ｏ_２、Ｘｅ／Ｏ_２で大きな違いは無かった。アルミニウムの配線パターンを形成した後に熱処理炉を用いて、酸素１００％雰囲気（酸素導入流量１リットル／分）で熱処理を行った。熱処理温度は２００℃と３００℃とし、熱処理後にキャリア移動度を評価した。

表１にキャリア移動度の評価結果を示す。それぞれのガス種について、熱処理温度が２００℃の場合と３００℃の場合の規格化キャリア移動度を表している。規格化キャリア移動度とは、ここでは、ガス種がＡｒ／Ｏ_２で、熱処理温度が２００℃の場合のキャリア移動度を１．０として規格化した値で定義した。

表１から明らかなように、ガス種がＡｒ／Ｏ_２の場合においては、熱処理温度を２００℃から３００℃に上昇させた場合、キャリア移動度は１．４倍に増加しているだけだが、ガス種がＫｒ／Ｏ_２、Ｘｅ／Ｏ_２の場合、熱処理温度が２００℃においてもガス種がＡｒ／Ｏ_２の場合と比較してそれぞれ２．５倍、２．２倍にまでキャリア移動度が向上することが分かった。またＡｒガスを用いた場合はトランジスタの閾値電圧が大幅にばらついてしまい量産には適さないが、本発明の方法によればトランジスタの閾値のばらつきを抑えることができるという効果もあることを確認した。

このように、本実施例によれば、ＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜をマグネトロンスパッタで形成する際に、クリプトン（Ｋｒ）を含む雰囲気およびキセノン（Ｘｅ）を含む雰囲気のいずれか一方の雰囲気で成膜することにより、高移動度のアモルファスＩＧＺＯ薄膜トランジスタを低温で形成することが可能であることが分かった。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明の技術的範囲は実施例に限定されない。当業者であれば上記した実施例に基づき各種変形例や改良例に想到するのは当然のことであり、これらも当然に本発明の範囲内の属するものと了解される。

例えば、上記した実施例では、ガス種としてＫｒ／Ｏ_２またはＸｅ／Ｏ_２を用いたが、スパッタ装置構成やターゲットの組成によっては、酸素なしで、すなわちＸｅガスまたはＫｒガスのみの雰囲気でスパッタを行っても同様の効果が得られる。

また、上記の実施例ではボトムゲート型のトランジスタを形成する場合について説明したが、トップゲート型のトランジスタ、すなわち基板上にＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜を設け、その上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を設けた構成についても本発明を適用することができる。いずれの構成でも本発明を用いることによってキャリア移動度が大幅に向上するが、ボトムゲート型のトランジスタの場合の方が、トランジスタの閾値のばらつきを抑える効果がより大きいことが分かっている。

１００薄膜トランジスタ
１０１ガラス基板
１０２ゲート電極
１０３ゲート絶縁膜
１０４アモルファスＩＧＺＯ薄膜
１０５ソース電極
１０６ドレイン電極
１１０レジスト

Claims

基板上に、マグネトロンスパッタによりＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜からなる半導体層を形成し、該半導体層形成の前または後にゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極を設ける電界効果型薄膜トランジスタの製造方法において、
前記ＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜をマグネトロンスパッタで形成する際に、クリプトン（Ｋｒ）を含む雰囲気およびキセノン（Ｘｅ）を含む雰囲気のいずれか一方の雰囲気で成膜することを特徴とする電界効果型薄膜トランジスタの製造方法。
基板上に、ゲート電極を設け、前記基板および前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を設け、前記ゲート絶縁膜上にマグネトロンスパッタによりＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜からなる半導体層を形成し、前記半導体層にソース電極と、ドレイン電極とを設ける電界効果型薄膜トランジスタの製造方法において、
前記ＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜をマグネトロンスパッタで形成する際に、クリプトン（Ｋｒ）を含む雰囲気およびキセノン（Ｘｅ）を含む雰囲気のいずれか一方の雰囲気で成膜することを特徴とする電界効果型薄膜トランジスタの製造方法。
前記雰囲気は、クリプトン（Ｋｒ）と酸素（Ｏ_２）を混合した雰囲気、もしくはキセノン（Ｘｅ）と酸素（Ｏ_２）を混合した雰囲気であることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の電界効果型薄膜トランジスタの製造方法。
前記雰囲気における酸素の分圧は２％〜１５％であることを特徴とする請求項３記載の電界効果型薄膜トランジスタの製造方法。
前記ＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜を成膜した後に、酸素を含む雰囲気中で熱処理することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電界効果型薄膜トランジスタの製造方法。
ＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜をマグネトロンスパッタで形成する際に、クリプトン（Ｋｒ）を含む雰囲気およびキセノン（Ｘｅ）を含む雰囲気のいずれか一方の雰囲気で成膜することを特徴とする酸化物半導体膜の形成方法。
前記雰囲気は、クリプトン（Ｋｒ）と酸素（Ｏ_２）を混合した雰囲気、もしくはキセノン（Ｘｅ）と酸素（Ｏ_２）を混合した雰囲気であることを特徴とする請求項６記載の酸化物半導体膜の形成方法。
前記雰囲気における酸素の分圧は２％〜１５％であることを特徴とする請求項７記載の酸化物半導体膜の形成方法。
前記ＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜を成膜した後に、酸素を含む雰囲気中で熱処理することを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の酸化物半導体膜の形成方法。