JP2013207100A - Thin-film transistor - Google Patents

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智弥 岸
Shinya Morita
晋也 森田
Toshihiro Kugimiya
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin-film transistor including an oxide semiconductor layer that has excellent switching characteristics and excellent stress resistance, especially has a small threshold-voltage change value before and after application of stress and excellent stability.SOLUTION: A thin-film transistor includes, on a substrate, at least a gate electrode, a gate insulating film, an oxide semiconductor layer, a source-drain electrode, and a protective film. The oxide semiconductor layer is a stack having a first oxide semiconductor layer composed of at least one kind of element selected from a group consisting of In, Zn, and Sn, and a second oxide semiconductor layer containing at least one element selected from a group consisting of In, Zn and Sn and at least one kind of element selected from Hf, Ge, and Nb. The second oxide semiconductor layer is formed between the first oxide semiconductor layer and the gate insulating film and/or between the first oxide semiconductor layer and the protective film.

Description

本発明は、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどの表示装置に用いられる薄膜トランジスタ(TFT)に関するものである。   The present invention relates to a thin film transistor (TFT) used in a display device such as a liquid crystal display or an organic EL display.

アモルファス(非晶質)酸化物半導体は、汎用のアモルファスシリコン(a−Si)に比べて高いキャリア移動度(電界効果移動度とも呼ばれる。以下、単に「移動度」と呼ぶ場合がある。)を有し、光学バンドギャップが大きく、低温で成膜できるため、大型・高解像度・高速駆動が要求される次世代ディスプレイや、耐熱性の低い樹脂基板などへの適用が期待されている。   Amorphous (amorphous) oxide semiconductors have higher carrier mobility (also referred to as field-effect mobility, hereinafter sometimes referred to simply as “mobility”) compared to general-purpose amorphous silicon (a-Si). In addition, since it has a large optical band gap and can be formed at a low temperature, it is expected to be applied to next-generation displays that require large size, high resolution, and high-speed driving, and resin substrates with low heat resistance.

酸化物半導体のなかでも特に、インジウム、ガリウム、亜鉛、および酸素からなるアモルファス酸化物半導体(In−Ga−Zn−O、以下「IGZO」と呼ぶ場合がある。)やインジウム、亜鉛、錫、および酸素からなるアモルファス酸化物半導体(In−Zn−Sn−O、以下「IZTO」と呼ぶ場合がある。)は、非常に高いキャリア移動度を有するため、好ましく用いられている。例えば非特許文献1および2には、In:Ga:Zn=1.1:1.1:0.9(原子%比)の酸化物半導体薄膜を薄膜トランジスタ(TFT)の半導体層(活性層)に用いたものが開示されている。また、特許文献1には、In、Zn、Sn、Gaなどの元素と、Moと、を含み、アモルファス酸化物中の全金属原子数に対するMoの原子組成比率が0.1〜5原子%のアモルファス酸化物が開示されており、実施例には、IGZOにMoを添加した活性層を用いたTFTが開示されている。   Among oxide semiconductors, amorphous oxide semiconductors composed of indium, gallium, zinc, and oxygen (In-Ga-Zn-O, hereinafter sometimes referred to as "IGZO"), indium, zinc, tin, and An amorphous oxide semiconductor made of oxygen (In—Zn—Sn—O, hereinafter sometimes referred to as “IZTO”) has a very high carrier mobility, and thus is preferably used. For example, in Non-Patent Documents 1 and 2, an oxide semiconductor thin film of In: Ga: Zn = 1.1: 1.1: 0.9 (atomic% ratio) is used as a semiconductor layer (active layer) of a thin film transistor (TFT). What was used is disclosed. Patent Document 1 includes an element such as In, Zn, Sn, and Ga, and Mo, and the atomic composition ratio of Mo with respect to the total number of metal atoms in the amorphous oxide is 0.1 to 5 atomic%. An amorphous oxide is disclosed, and an example discloses a TFT using an active layer in which Mo is added to IGZO.

酸化物半導体を薄膜トランジスタの半導体層として用いる場合、キャリア濃度(移動度)が高いだけでなく、TFTのスイッチング特性(トランジスタ特性、TFT特性)に優れていることが要求される。具体的には、(1)オン電流(ゲート電極とドレイン電極に正電圧をかけたときの最大ドレイン電流)が高く、(2)オフ電流(ゲート電極に負電圧を、ドレイン電圧に正電圧を夫々かけたときのドレイン電流)が低く、(3)S値(Subthreshold Swing、サブスレッショルド スィング、ドレイン電流を1桁あげるのに必要なゲート電圧)が低く、(4)しきい値(ドレイン電極に正電圧をかけ、ゲート電圧に正負いずれかの電圧をかけたときにドレイン電流が流れ始める電圧であり、しきい値電圧とも呼ばれる)が時間的に変化せず安定であり(基板面内で均一であることを意味する)、且つ、(5)移動度が高いこと、などが要求される。   In the case of using an oxide semiconductor as a semiconductor layer of a thin film transistor, not only has a high carrier concentration (mobility) but also excellent switching characteristics (transistor characteristics and TFT characteristics) of the TFT are required. Specifically, (1) the on-current (the maximum drain current when a positive voltage is applied to the gate electrode and the drain electrode) is high, and (2) the off-current (a negative voltage is applied to the gate electrode and a positive voltage is applied to the drain voltage). (3) S value (Subthreshold Swing, subthreshold swing, gate voltage required to increase the drain current by one digit) is low, and (4) threshold value (on drain electrode) When a positive voltage is applied and a positive or negative voltage is applied to the gate voltage, the drain current begins to flow, also called the threshold voltage, and is stable over time (uniform across the substrate) And (5) high mobility is required.

更に、上記酸化物半導体層を用いたTFTは、電圧印加や光照射などのストレスに対する耐性(ストレス耐性)に優れていることが要求される。例えば、ゲート電極に電圧を印加し続けたときや、光吸収が始まる青色帯を照射し続けたときに、薄膜トランジスタのゲート絶縁膜と半導体層界面にチャージがトラップされ、しきい値電圧がシフトするといったスイッチング特性が変化することが指摘されている。また液晶パネル駆動の際や、ゲート電極に負バイアスをかけて画素を点灯させる際などに液晶セルから漏れた光がTFTに照射されるが、この光がTFTにストレスを与えて特性劣化の原因となる。実際に薄膜トランジスタを使用する際、電圧印加によるストレスによりスイッチング特性が変化すると、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどの表示装置自体の信頼性低下を招く。例えば有機ELディスプレイの場合、スイッチング特性が変化すると、有機EL素子を発光させるのに数μA以上の電流を流す必要がある。したがってストレス耐性の向上(ストレス印加前後の変化量が少ないこと)が切望されている。   Further, a TFT using the oxide semiconductor layer is required to have excellent resistance to stress (stress resistance) such as voltage application or light irradiation. For example, when a voltage is continuously applied to the gate electrode or a blue band where light absorption starts is continued, a charge is trapped at the interface between the gate insulating film and the semiconductor layer of the thin film transistor, and the threshold voltage is shifted. It has been pointed out that the switching characteristics change. In addition, when the liquid crystal panel is driven or when the pixel is turned on by applying a negative bias to the gate electrode, light leaked from the liquid crystal cell is irradiated to the TFT. This light stresses the TFT and causes deterioration of characteristics. It becomes. When a thin film transistor is actually used, if the switching characteristics change due to stress due to voltage application, the reliability of the display device itself such as a liquid crystal display or an organic EL display is lowered. For example, in the case of an organic EL display, when the switching characteristics change, it is necessary to pass a current of several μA or more to cause the organic EL element to emit light. Therefore, improvement of stress tolerance (the amount of change before and after stress application is small) is eagerly desired.

たとえば、有機ELディスプレイでは有機EL素子を発光させる間、駆動TFTのゲート電極に正電圧が印加され続けることになるが、電圧印加によりゲート絶縁膜と半導体層界面に電荷がトラップされ、しきい値電圧が変化することが問題となっている。また、有機EL素子を発光させるのに数μA以上の電流を流す必要があり、高移動度かつ高安定なトランジスタ素子が必要とされている。   For example, in an organic EL display, a positive voltage continues to be applied to the gate electrode of the driving TFT while the organic EL element emits light. However, charges are trapped at the interface between the gate insulating film and the semiconductor layer by the voltage application, and the threshold value The problem is that the voltage changes. Further, it is necessary to pass a current of several μA or more in order to cause the organic EL element to emit light, and a transistor element having high mobility and high stability is required.

上記の電圧印加や光照射などのストレスによるTFT特性の劣化は、ストレス印加中に半導体そのものや半導体とゲート絶縁膜との界面に欠陥が形成されることに起因する。ゲート絶縁膜として、SiO2、Al23、HfO2といった絶縁体が一般的によく使用されるが、半導体層と絶縁膜との界面は異種材料の接触するところであり、特に欠陥が形成されやすいものと考えられている。ストレス耐性を向上させるためには、特にこの酸化物半導体層と絶縁膜との界面の取り扱いが非常に重要と考えられる。 The deterioration of TFT characteristics due to stress such as voltage application or light irradiation is caused by defects formed at the semiconductor itself or at the interface between the semiconductor and the gate insulating film during stress application. Insulators such as SiO 2 , Al 2 O 3 , and HfO 2 are generally used as the gate insulating film, but the interface between the semiconductor layer and the insulating film is where different materials are in contact, and defects are particularly formed. It is considered easy. In order to improve stress resistance, it is considered that handling of the interface between the oxide semiconductor layer and the insulating film is particularly important.

上記課題を解決するために、例えば特許文献2にはゲート絶縁膜にIn−M−Zn(M=Ga,Al,Fe,Sn,Mg,Cu,Ge,Siのうち少なくとも1種を含む)からなるアモルファス酸化物を用いることで、結晶粒界による欠陥を抑制し安定性を向上させる方法が開示されている。しかし、この文献による方法を用いるとゲート絶縁膜に酸素欠陥を形成しやすいInを含むため、ゲート絶縁膜と半導体層との界面の欠陥が増加し、安定性が低下する可能性がある。   In order to solve the above problem, for example, Patent Document 2 discloses that the gate insulating film includes In-M-Zn (including at least one of M = Ga, Al, Fe, Sn, Mg, Cu, Ge, and Si). There is disclosed a method for improving stability by suppressing defects due to grain boundaries by using an amorphous oxide. However, when the method according to this document is used, since the gate insulating film contains In which easily forms oxygen defects, defects at the interface between the gate insulating film and the semiconductor layer increase, and stability may be lowered.

また同様の問題は、ソース−ドレイン電極を保護するために形成される保護膜においてもみられる。すなわち、保護膜には上記SiO2といった絶縁体が一般的によく使用されているため、半導体層と保護膜との界面は異種材料の接触による欠陥が形成されやすく、上記絶縁膜と同様に界面の欠陥増加に伴う安定性が低下する可能性がある。 A similar problem is also observed in a protective film formed to protect the source-drain electrodes. That is, since the insulator such as SiO 2 is generally used for the protective film, the interface between the semiconductor layer and the protective film is liable to form defects due to the contact of different materials, and the interface is the same as the insulating film. There is a possibility that the stability associated with the increase in defects will decrease.

特開2009−164393号公報JP 2009-164393 A 特開2007−73701号公報JP 2007-73701 A

固体物理、VOL44、P621(2009)Solid Physics, VOL44, P621 (2009) Nature、VOL432、P488(2004)Nature, VOL432, P488 (2004)

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化物半導体層を備えた薄膜トランジスタのスイッチング特性およびストレス耐性が良好であり、特にストレス印加前後のしきい値電圧変化量が小さく安定性に優れた薄膜トランジスタを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to have good switching characteristics and stress resistance of a thin film transistor including an oxide semiconductor layer, and in particular, a threshold voltage change amount before and after stress application is small. An object of the present invention is to provide a thin film transistor having excellent stability.

上記課題を解決することのできた本発明に係る薄膜トランジスタは、基板上に少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体層、ソース−ドレイン電極、ソース−ドレイン電極を保護する保護膜を有する薄膜トランジスタであって、前記酸化物半導体層は、In、ZnおよびSnよりなる群から選択される少なくとも一種の元素(Z群元素)から構成される第1の酸化物半導体層と、In、ZnおよびSnよりなる群から選択される少なくとも一種の元素(X群元素)と、Hf、GeおよびNbよりなる群から選択される少なくとも一種の元素(Y群元素)を含む第2の酸化物半導体層と、を有する積層体であると共に、前記第2の酸化物半導体層は、前記第1の酸化物半導体層と前記ゲート絶縁膜との間、および/または前記第1の酸化物半導体層と前記保護膜との間に形成されていることに要旨を有する。   A thin film transistor according to the present invention that can solve the above-described problems has a gate electrode, a gate insulating film, and an oxide semiconductor layer, a source-drain electrode, and a protective film for protecting the source-drain electrode on a substrate. The oxide semiconductor layer includes a first oxide semiconductor layer composed of at least one element (Z group element) selected from the group consisting of In, Zn, and Sn; and In, Zn, and Sn. A second oxide semiconductor layer containing at least one element selected from the group consisting of (X group element) and at least one element selected from the group consisting of Hf, Ge and Nb (Y group element); And the second oxide semiconductor layer is between the first oxide semiconductor layer and the gate insulating film, and / or It includes the features that are formed between the protective film and the first oxide semiconductor layer.

本発明を実施するにあたっては、前記酸化物半導体層が、前記第1の酸化物半導体層と前記第2の酸化物半導体層との2層構造であって、前記第2の酸化物半導体層は、前記ゲート絶縁膜と接触していることや、前記酸化物半導体層が、前記第1の酸化物半導体層と前記第2の酸化物半導体層との2層構造であって、前記第2の酸化物半導体層は、前記保護膜と接触していること、あるいは前記酸化物半導体層は、前記第1の酸化物半導体層の両面に形成された前記第2の酸化物半導体層との3層構造であって、前記第2の酸化物半導体層の一方は、前記ゲート絶縁膜と接触していると共に、前記第2の酸化物半導体層の他方は、前記保護膜と接触していることも好ましい実施態様である。   In carrying out the present invention, the oxide semiconductor layer has a two-layer structure of the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer, and the second oxide semiconductor layer includes: The oxide semiconductor layer is in contact with the gate insulating film, and the oxide semiconductor layer has a two-layer structure of the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer. The oxide semiconductor layer is in contact with the protective film, or the oxide semiconductor layer has three layers including the second oxide semiconductor layer formed on both surfaces of the first oxide semiconductor layer. In the structure, one of the second oxide semiconductor layers is in contact with the gate insulating film, and the other of the second oxide semiconductor layers is in contact with the protective film. This is a preferred embodiment.

本発明を実施するにあたっては、前記第2の酸化物半導体層の厚さが0.5〜10nmであることが好ましい。   In practicing the present invention, the thickness of the second oxide semiconductor layer is preferably 0.5 to 10 nm.

また本発明には、上記薄膜トランジスタを備えた表示装置も含まれる。   The present invention also includes a display device including the thin film transistor.

本発明の薄膜トランジスタは、スイッチング特性及びストレス耐性に優れ、特にストレス印加前後のしきい値電圧変化が小さいため、TFT特性およびストレス耐性に優れた薄膜トランジスタを提供することができた。したがって本発明の薄膜トランジスタを備えた表示装置は電気的安定性に優れている。   Since the thin film transistor of the present invention is excellent in switching characteristics and stress resistance, and particularly has a small threshold voltage change before and after stress application, a thin film transistor excellent in TFT characteristics and stress resistance can be provided. Therefore, the display device including the thin film transistor of the present invention is excellent in electrical stability.

図1は、本発明に用いられる酸化物半導体層として第1の酸化物半導体層(上側)と第2の酸化物半導体層の積層体(下側)を備えた薄膜トランジスタを説明するための概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a thin film transistor including a stacked body (lower side) of a first oxide semiconductor layer (upper side) and a second oxide semiconductor layer as an oxide semiconductor layer used in the present invention. FIG. 図2は、本発明に用いられる酸化物半導体層として第1の酸化物半導体層(下側)と第2の酸化物半導体層の積層体(上側)を備えた薄膜トランジスタを説明するための概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a thin film transistor including a stacked body (upper side) of a first oxide semiconductor layer (lower side) and a second oxide semiconductor layer as an oxide semiconductor layer used in the present invention. FIG. 図3は、本発明に用いられる酸化物半導体層として第1の酸化物半導体層(中央)、第2の酸化物半導体層の積層体(上側)、第2の酸化物半導体層(下側)を備えた薄膜トランジスタを説明するための概略断面図(エッチングストッパー層なし)である。FIG. 3 shows a first oxide semiconductor layer (center), a stack of second oxide semiconductor layers (upper side), and a second oxide semiconductor layer (lower side) as oxide semiconductor layers used in the present invention. It is a schematic sectional drawing for demonstrating the thin-film transistor provided with (etching stopper layer is not provided). 図4は、本発明に用いられる酸化物半導体層として第1の酸化物半導体層(中央)、第2の酸化物半導体層の積層体(上側)、第2の酸化物半導体層(下側)を備えた薄膜トランジスタを説明するための概略断面図(エッチングストッパー層9あり)である。FIG. 4 illustrates a first oxide semiconductor layer (center), a stack of second oxide semiconductor layers (upper side), and a second oxide semiconductor layer (lower side) as oxide semiconductor layers used in the present invention. 1 is a schematic cross-sectional view (with an etching stopper layer 9) for explaining a thin film transistor including 図5は、酸化物半導体層としてIZTOを用いた従来例No.1における、ストレス印加時間としきい値電圧(Vth)の変化を示す図である。5 shows a conventional example No. 1 using IZTO as an oxide semiconductor layer. 2 is a diagram showing changes in stress application time and threshold voltage (Vth) in FIG. 図6は、酸化物半導体層として第1の酸化物半導体層(IZTO:上側)と第2の酸化物半導体層(IZTO+Nb:下側)の積層構造を用いた実施例No.2における、ストレス印加時間としきい値電圧(Vth)の変化を示す図である。6 shows an example No. 1 using a stacked structure of a first oxide semiconductor layer (IZTO: upper side) and a second oxide semiconductor layer (IZTO + Nb: lower side) as an oxide semiconductor layer. 2 is a diagram showing changes in stress application time and threshold voltage (Vth) in FIG. 図7は、酸化物半導体層として第1の酸化物半導体層(IZTO:上側)と第2の酸化物半導体層(IZTO+Nb:下側)の積層構造を用いた実施例No.3における、ストレス印加時間としきい値電圧(Vth)の変化を示す図である。FIG. 7 shows an example in which a stacked structure of a first oxide semiconductor layer (IZTO: upper side) and a second oxide semiconductor layer (IZTO + Nb: lower side) is used as the oxide semiconductor layer. 3 is a diagram showing changes in stress application time and threshold voltage (Vth) in FIG. 図8は、酸化物半導体層として第1の酸化物半導体層(IZTO:下側)と第2の酸化物半導体層(IZTO+Nb:上側)の積層構造を用いた実施例No.4における、ストレス印加時間としきい値電圧(Vth)の変化を示す図である。FIG. 8 shows an example in which a stacked structure of a first oxide semiconductor layer (IZTO: lower side) and a second oxide semiconductor layer (IZTO + Nb: upper side) is used as the oxide semiconductor layer. 4 is a diagram showing changes in stress application time and threshold voltage (Vth) in FIG. 図9は、酸化物半導体層として第1の酸化物半導体層(IZTO:中央)と第2の酸化物半導体層(IZTO+Nb:上側)、第2の酸化物半導体層(IZTO+Nb:下側)の積層構造を用いた実施例No.5における、ストレス印加時間としきい値電圧(Vth)の変化を示す図である。FIG. 9 illustrates a stack of a first oxide semiconductor layer (IZTO: center), a second oxide semiconductor layer (IZTO + Nb: upper side), and a second oxide semiconductor layer (IZTO + Nb: lower side) as oxide semiconductor layers. Example No. using the structure 5 is a diagram showing changes in stress application time and threshold voltage (Vth) in FIG. 図10は、酸化物半導体層として第1の酸化物半導体層(IZTO:上側)と第2の酸化物半導体層(IZTO+Ge:下側)の積層構造を用いた実施例No.6における、ストレス印加時間としきい値電圧(Vth)の変化を示す図である。FIG. 10 shows an example in which a stacked structure of a first oxide semiconductor layer (IZTO: upper side) and a second oxide semiconductor layer (IZTO + Ge: lower side) is used as the oxide semiconductor layer. 6 is a diagram showing changes in stress application time and threshold voltage (Vth) in FIG. 図11は、酸化物半導体層として第1の酸化物半導体層(IZTO:上側)と第2の酸化物半導体層(IZTO+Hf:下側)の積層構造を用いた実施例No.7における、ストレス印加時間としきい値電圧(Vth)の変化を示す図である。FIG. 11 shows an example in which a stacked structure of a first oxide semiconductor layer (IZTO: upper side) and a second oxide semiconductor layer (IZTO + Hf: lower side) is used as the oxide semiconductor layer. 7 is a diagram showing changes in stress application time and threshold voltage (Vth) in FIG.

本発明者らは、In、ZnおよびSnよりなる群から選択される少なくとも一種の元素(以下、「Z群元素」と呼ぶ場合がある。)を含む酸化物(以下、「IZTO」で代表させる場合がある。)をTFTの活性層(第1の酸化物半導体層)に用いたときのTFT特性およびストレス耐性を向上させるため、種々検討を重ねてきた。その結果、第1の酸化物半導体層とゲート絶縁膜との間、および/または第1の酸化物半導体層とソース−ドレイン電極を保護する保護膜(以下、「保護膜」と呼ぶ場合がある。)との間に、In、ZnおよびSnよりなる群から選択される少なくとも一種の元素(以下、「X群元素」と呼ぶ場合がある。)と、Hf、GeおよびNbよりなる群から選択される少なくとも一種の元素(以下、「Y群元素」と呼ぶ場合がある。)を含む酸化物半導体層(第2の酸化物半導体層)を介在させれば所期の目的が達成されることを見出し、本発明を完成した。   The present inventors represent an oxide (hereinafter referred to as “IZTO”) containing at least one element selected from the group consisting of In, Zn, and Sn (hereinafter sometimes referred to as “Z group element”). In order to improve TFT characteristics and stress resistance when a TFT active layer (first oxide semiconductor layer) is used, various studies have been made. As a result, a protective film that protects the first oxide semiconductor layer and the gate insulating film and / or the first oxide semiconductor layer and the source-drain electrode (hereinafter, referred to as “protective film” in some cases). And at least one element selected from the group consisting of In, Zn and Sn (hereinafter sometimes referred to as “X group element”) and a group consisting of Hf, Ge and Nb. The intended purpose is achieved by interposing an oxide semiconductor layer (second oxide semiconductor layer) containing at least one kind of element (hereinafter sometimes referred to as “Y group element”). The present invention has been completed.

X群元素とY群元素を含む第2の酸化物半導体層を、ゲート絶縁膜と第1の酸化物半導体層の間、および/または保護膜と第1の酸化物半導体層の間に備えたTFTは、特許文献1に記載のMoや、Y群元素以外の元素を用いた場合に比べ、TFT特性およびストレス耐性に優れていることが分かった。   A second oxide semiconductor layer containing an X group element and a Y group element is provided between the gate insulating film and the first oxide semiconductor layer and / or between the protective film and the first oxide semiconductor layer. It has been found that the TFT is superior in TFT characteristics and stress resistance as compared with the case where Mo described in Patent Document 1 or an element other than the Y group element is used.

本発明に用いられる第1の酸化物半導体層は、表示装置に用いられる酸化物半導体層であれば特に限定されず、公知のものを用いることができる。そして本発明では、第1の酸化物半導体層とゲート絶縁膜および/または保護膜との間に第2の酸化物半導体層を介在させると共に、第2の酸化物半導体層の組成を特定したところに特徴がある。   The first oxide semiconductor layer used in the present invention is not particularly limited as long as it is an oxide semiconductor layer used in a display device, and a known one can be used. In the present invention, the second oxide semiconductor layer is interposed between the first oxide semiconductor layer and the gate insulating film and / or the protective film, and the composition of the second oxide semiconductor layer is specified. There is a feature.

まず、本発明の第1の酸化物半導体層を構成する母材成分である金属(Z群元素:In、Zn、Sn)について説明する。   First, the metal (Z group element: In, Zn, Sn) which is a base material component constituting the first oxide semiconductor layer of the present invention will be described.

酸化物半導体のなかでもIn、Zn、およびSnよりなる群から選択される少なくとも一種から構成されるアモルファス酸化物半導体は、汎用のアモルファスシリコン(a−Si)に比べて高いキャリア移動度を有し、光学バンドギャップが大きく、低温で成膜できる。Z群元素は、単独で添加してもよいし、二種以上を併用してもよい。   Among oxide semiconductors, an amorphous oxide semiconductor composed of at least one selected from the group consisting of In, Zn, and Sn has higher carrier mobility than general-purpose amorphous silicon (a-Si). The optical band gap is large, and the film can be formed at a low temperature. A Z group element may be added independently and may use 2 or more types together.

上記金属(In、Zn、Sn)を含む酸化物半導体としては、表示装置に用いられるものであれば特に限定されず、ZnO、AlドープZnO、In−Zn−O(IZO)、In−Sn−O(ITO)、Zn−Sn−O(ZTO)、In−Zn−Sn−O(IZTO)などの酸化物半導体が用いられる。   The oxide semiconductor containing the metal (In, Zn, Sn) is not particularly limited as long as it is used for a display device. ZnO, Al-doped ZnO, In—Zn—O (IZO), In—Sn— An oxide semiconductor such as O (ITO), Zn—Sn—O (ZTO), or In—Zn—Sn—O (IZTO) is used.

上記金属(In、Zn、Sn)について、各金属間の比率は、これら金属を含む酸化物がアモルファス相を有し、且つ、半導体特性を示す範囲であれば特に限定されない。   About the said metal (In, Zn, Sn), the ratio between each metal will not be specifically limited if the oxide containing these metals has an amorphous phase, and is a range which shows a semiconductor characteristic.

具体的にはZnについて、全金属に占めるZnの比率は80原子%以下であることが好ましい。Znの比率が80原子%を超えると酸化物半導体膜が結晶化し、粒界捕獲準位が発生するためキャリア移動度が低下したり、ウェットエッチングによる加工が困難になるなど、トランジスタ作製に弊害が生じる。より好ましくはZn比率が70原子%以下であることがよい。また、Znの下限は、アモルファス構造にすることなどを考慮すると、全金属に占めるZnの比率を20原子%以上とすることが好ましく、30原子%以上とすることがより好ましい。   Specifically, with respect to Zn, the proportion of Zn in all metals is preferably 80 atomic% or less. When the Zn ratio exceeds 80 atomic%, the oxide semiconductor film is crystallized and a grain boundary trap level is generated, so that carrier mobility is reduced and processing by wet etching becomes difficult, which causes adverse effects on transistor fabrication. Arise. More preferably, the Zn ratio is 70 atomic% or less. The lower limit of Zn is preferably 20 atomic% or more, more preferably 30 atomic% or more, considering that an amorphous structure is taken into consideration.

Zn以外の上記金属(In、Sn)は、Znが上記範囲内に制御され、且つ、各金属元素の比率(原子%比)が後記範囲を満足するように適宜制御すれば良い。具体的には、Inは移動度を高める元素であり、有効に効果を発揮するためには全金属に占めるInの比率を好ましくは10原子%以上、より好ましくは25原子%以上とする。一方、Inの比率が高くなりすぎると、ストレス耐性が低下したり、導体化(スイッチングしなくなる状態)し易くなるため、好ましくは70原子%以下である。またSnは、全金属に占めるSn比が大きくなると、移動度は高くなるが、S値やVth値が増加してTFT特性が低下し、ストレス耐性が低下する傾向にあるため、全金属に占めるSnの比率を好ましくは50原子%以下とする。   The metals other than Zn (In, Sn) may be appropriately controlled so that Zn is controlled within the above range and the ratio of each metal element (atomic% ratio) satisfies the range described later. Specifically, In is an element that enhances mobility, and in order to exhibit an effective effect, the ratio of In to all metals is preferably 10 atomic% or more, more preferably 25 atomic% or more. On the other hand, if the In ratio becomes too high, stress resistance is lowered and it becomes easy to make a conductor (a state in which switching is not performed). In addition, Sn increases in mobility as the Sn ratio in all metals increases, but the S value and Vth value increase to reduce TFT characteristics and stress resistance. The ratio of Sn is preferably 50 atomic% or less.

次に第2の酸化物半導体層について説明する。上述したとおり、本発明では、ゲート絶縁膜および/または保護膜と第1の酸化物半導体層の間に、TFT特性およびストレス向上に有用なX群元素と、Y群元素とを含む第2の酸化物半導体層を用いたところに最大の特徴がある。   Next, the second oxide semiconductor layer is described. As described above, in the present invention, the second group containing the X group element and the Y group element useful for improving TFT characteristics and stress between the gate insulating film and / or the protective film and the first oxide semiconductor layer. The greatest feature is that an oxide semiconductor layer is used.

本発明における第2の酸化物半導体層は、In、ZnおよびSnよりなる群から選択される少なくとも一種の元素(X群元素)と、Hf、GeおよびNbよりなる群から選択される少なくとも一種の元素(Y群元素)を含むものである。X群元素は、単独で添加しても良いし、二種以上を併用してもよい。また、Y群元素も、単独で添加しても良いし、二種以上を併用してもよい。   The second oxide semiconductor layer in the present invention includes at least one element selected from the group consisting of In, Zn and Sn (group X element) and at least one selected from the group consisting of Hf, Ge and Nb. It contains an element (Y group element). X group element may be added independently and may use 2 or more types together. Moreover, a Y group element may also be added independently and may use 2 or more types together.

第2の酸化物半導体層を構成するX群元素についても、上記第1の酸化物半導体層と同様、高いキャリア移動度を有し、光学バンドギャップが大きく、低温で成膜できることが望ましいことから、第2の酸化物半導体層を構成する主要な元素であるX群元素は、In、Zn、及びSnよりなる群から選択される少なくとも一種の元素とする。更に本発明の第2の酸化物半導体層を構成する母材成分である各金属元素間(X群元素:In、Zn、Sn)の比率についても上記第1の酸化物半導体層(Z群元素)と同じく、これら金属を含む酸化物がアモルファス相を有し、且つ、半導体特性を示す範囲であれば特に限定されず、上記Z群元素と同様の範囲内で適宜設定することができる。   The X group element constituting the second oxide semiconductor layer also has a high carrier mobility, a large optical band gap, and can be formed at a low temperature, like the first oxide semiconductor layer. The X group element that is a main element constituting the second oxide semiconductor layer is at least one element selected from the group consisting of In, Zn, and Sn. Further, the ratio of each metal element (X group element: In, Zn, Sn) which is a base material component constituting the second oxide semiconductor layer of the present invention is also the first oxide semiconductor layer (Z group element). As long as the oxide containing these metals has an amorphous phase and exhibits semiconductor characteristics, it is not particularly limited, and can be appropriately set within the same range as the Z group element.

もっとも、本発明の酸化物半導体層は第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層との積層体であり、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層が一体として半導体機能を有することから、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層とでキャリア移動度や光学バンドギャップ等が同等であることが信頼性確保の観点からは望ましい。したがって第2の酸化物半導体層に含まれるX群元素の種類及び各元素間の比率は、第1の酸化物半導体層に含まれるZ群元素の種類及び各元素間の比率と同じであることが望ましい。   However, the oxide semiconductor layer of the present invention is a stacked body of a first oxide semiconductor layer and a second oxide semiconductor layer, and the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer are integrated. Since it has a semiconductor function, it is desirable from the viewpoint of ensuring reliability that the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer have the same carrier mobility, optical band gap, and the like. Therefore, the type of the X group element included in the second oxide semiconductor layer and the ratio between the elements are the same as the type of the Z group element included in the first oxide semiconductor layer and the ratio between the elements. Is desirable.

本発明では第1の酸化物半導体層とゲート絶縁膜および/または保護膜との間に第2の酸化物半導体層を介在させることにより、移動度やストレス耐性などが向上する。第2の酸化物半導体層を第1の酸化物半導体層とゲート絶縁膜および/または保護膜との界面に介在させることで、界面における欠陥を低減し、構造を安定化する効果があると推察される。   In the present invention, mobility, stress resistance, and the like are improved by interposing the second oxide semiconductor layer between the first oxide semiconductor layer and the gate insulating film and / or the protective film. It is inferred that by interposing the second oxide semiconductor layer at the interface between the first oxide semiconductor layer and the gate insulating film and / or the protective film, defects at the interface are reduced and the structure is stabilized. Is done.

すなわち、第1の酸化物半導体層を構成するZ群元素(In、Zn、Sn)は酸素との結合が弱いため、第1の酸化物半導体層を直接ゲート絶縁膜や保護膜と接触させる構造とした場合、ゲート絶縁膜や保護膜はSiO2などの絶縁体で構成されているため、酸化物半導体層と絶縁膜、酸化物半導体層と保護膜との界面は異種材料の接触に起因して、第1の酸化物半導体層界面に酸素欠陥による捕獲準位を形成しやすい。このような捕獲準位は薄膜トランジスタの移動度を低下させたり、安定性を低下させる原因となっている。 That is, since the Z group element (In, Zn, Sn) constituting the first oxide semiconductor layer has a weak bond with oxygen, the first oxide semiconductor layer is in direct contact with the gate insulating film or the protective film. In this case, since the gate insulating film and the protective film are made of an insulator such as SiO 2 , the interface between the oxide semiconductor layer and the insulating film, and the interface between the oxide semiconductor layer and the protective film is caused by contact of different materials. Thus, trap levels due to oxygen defects are easily formed at the interface of the first oxide semiconductor layer. Such a trap level causes a decrease in mobility of the thin film transistor and a decrease in stability.

そこで本発明では、第1の酸化物半導体層とゲート絶縁膜および/または保護膜との界面に安定な酸化物を形成する元素(Y群元素)を含む第2の酸化物半導体層を介在させることで、ゲート絶縁膜および/または保護膜と第1の酸化物半導体層界面の欠陥密度を低減させている。もっとも、上記安定な酸化物を形成可能な元素であっても、半導体層のバルク移動度やキャリア密度を低下させたり、或いは薄膜トランジスタ特性を大きく劣化させるような元素は用いることはできない。   Therefore, in the present invention, the second oxide semiconductor layer containing an element (Y group element) that forms a stable oxide is interposed at the interface between the first oxide semiconductor layer and the gate insulating film and / or the protective film. Thus, the defect density at the interface between the gate insulating film and / or the protective film and the first oxide semiconductor layer is reduced. However, even an element capable of forming the above stable oxide cannot use an element that lowers the bulk mobility and carrier density of the semiconductor layer or greatly deteriorates the thin film transistor characteristics.

本発明ではY群元素として、Hf、GeおよびNbよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を使用することができる。これら元素は、酸化物生成自由エネルギーがIn、Zn、Snよりも低く、しかも酸素と強く結合し、安定な酸化物を形成する元素であると共に、本発明で好ましく規定する範囲(全金属原子中、0.5〜8.0原子%)で添加しても移動度をほとんど低下させずに安定性の向上を図る上で有効な元素である。Y群元素は、酸化物半導体中で拡散して界面にヒロックを形成せず、またS軌道が伝導電子となって酸化物中で局在電子状態を形成しない性質を有する。これら元素は単独で添加しても良いし、二種以上を併用しても良い。好ましくはGeおよび/またはNbであり、より好ましくはNbである。   In the present invention, at least one element selected from the group consisting of Hf, Ge, and Nb can be used as the Y group element. These elements are elements that have lower oxide free energy of formation than In, Zn, and Sn, and are strongly bonded to oxygen to form a stable oxide, and are within the range preferably defined in the present invention (in all metal atoms). , 0.5 to 8.0 atomic%), it is an element effective in improving stability without substantially reducing mobility. The Y group element has the property that it does not diffuse in the oxide semiconductor to form hillocks at the interface, and the S orbitals become conduction electrons and do not form a localized electronic state in the oxide. These elements may be added alone or in combination of two or more. Preferably it is Ge and / or Nb, More preferably, it is Nb.

上記Y群元素の添加による特性向上の詳細なメカニズムは不明であるが、Y群元素は他の元素と比べて、酸化物半導体中で余剰電子の原因となる酸素欠損の発生を抑制する効果があると推察される。Y群元素の添加により酸素欠損が低減されて、第1の酸化物半導体層の界面における欠陥が抑制されることにより、酸化物が安定な構造を有し、電圧や光などのストレスに対する耐性が向上するものと考えられる。   Although the detailed mechanism of the characteristic improvement by the addition of the Y group element is unknown, the Y group element has an effect of suppressing the generation of oxygen vacancies that cause surplus electrons in the oxide semiconductor as compared with other elements. It is assumed that there is. Oxygen deficiency is reduced by the addition of the Y group element, and defects at the interface of the first oxide semiconductor layer are suppressed, so that the oxide has a stable structure and is resistant to stress such as voltage and light. It is thought to improve.

第2の酸化物半導体層を構成する全金属(X群元素およびY群元素)の合計含有量に対するY群元素の好ましい合計含有量([Y群元素/(X群元素+Y群元素)])は、キャリア密度や半導体の安定性などを考慮して決定すれば良い。Y群元素の合計含有量の比率(単独で含むときは単独の比率であり、二種以上を含むときは合計の比率である)の下限は、Y群元素の合計含有量が少なすぎると、酸素欠損の発生抑制効果が十分に得られないことから、好ましくは0.5原子%以上とすることが望ましい。一方、Y群元素の合計含有量が多すぎると、半導体中のキャリア密度が低下するため、オン電流が減少してしまうことから、好ましくは8.0原子%以下がよく、より好ましくは7.5原子%以下、更に好ましくは5.0原子%以下、更により好ましくは3.0原子%以下であることが望ましい。   Preferred total content of Y group element with respect to the total content of all metals (X group element and Y group element) constituting the second oxide semiconductor layer ([Y group element / (X group element + Y group element)]) May be determined in consideration of carrier density and semiconductor stability. When the total content of the Y group elements is too small, the lower limit of the ratio of the total content of the Y group elements (which is a single ratio when including alone, or the total ratio when including two or more) is too small. Since the effect of suppressing the occurrence of oxygen vacancies cannot be obtained sufficiently, it is preferably 0.5 atomic% or more. On the other hand, if the total content of the Y group elements is too large, the carrier density in the semiconductor is decreased, and the on-current is decreased. Therefore, the content is preferably 8.0 atomic% or less, more preferably 7. It is desirable that the content be 5 atomic percent or less, more preferably 5.0 atomic percent or less, and still more preferably 3.0 atomic percent or less.

上記第2の酸化物半導体層の好ましい組成としては、例えば以下のものが挙げられる。   Examples of a preferable composition of the second oxide semiconductor layer include the following.

(ア)In−Zn−X群元素−O:X群元素を除く金属元素(In、Zn)におけるIn、Znの好ましい比(原子%比)は、例えばIn:Zn=2:1〜1:1である。   (A) In-Zn-X group element-O: A preferable ratio (atomic% ratio) of In and Zn in metal elements (In, Zn) excluding the X group element is, for example, In: Zn = 2: 1 to 1: 1.

(イ)Zn−Sn−X群元素−O:X群元素を除く金属元素(Zn、Sn)におけるZn、Snの好ましい比(原子%比)は、例えばZn:Sn=2:1〜1:1である。   (A) A preferred ratio (atomic% ratio) of Zn and Sn in the metal elements (Zn, Sn) excluding the Zn—Sn—X group element-O: X group element is, for example, Zn: Sn = 2: 1 to 1: 1.

(ウ)In−Zn−Sn−X群元素−O:X群元素を除く金属元素(In、Zn、Sn)におけるIn、Zn、Snの好ましい比(原子%比)は、おおむねIn:Zn:Sn=1:2:1である。   (C) In—Zn—Sn—X group element —O: The preferred ratio (atomic% ratio) of In, Zn, and Sn in metal elements (In, Zn, Sn) excluding the X group element is generally In: Zn: Sn = 1: 2: 1.

本発明の酸化物半導体層を構成する第1の酸化物半導体層の厚さは、特に限定されないが、第1の酸化物半導体層の厚さが薄すぎると基板面内の特性(移動度、S値、VthなどのTFT特性)にばらつきが生じるおそれがあるため、好ましくは10nm以上、より好ましくは30nm以上とすることが望ましい。一方、第1の酸化物半導体層の厚さが厚すぎると成膜に時間を要して生産コストが増加することがあるため、好ましくは200nm以下、より好ましく80nm以下とすることが望ましい。   The thickness of the first oxide semiconductor layer constituting the oxide semiconductor layer of the present invention is not particularly limited. However, if the thickness of the first oxide semiconductor layer is too thin, characteristics (mobility, Since TFT characteristics such as S value and Vth may vary, it is preferably 10 nm or more, more preferably 30 nm or more. On the other hand, if the thickness of the first oxide semiconductor layer is too thick, it may take time to form a film and the production cost may increase. Therefore, the thickness is preferably 200 nm or less, more preferably 80 nm or less.

また第2の酸化物半導体層の厚さも特に限定されないが、第2の酸化物半導体層の厚さが薄すぎると上記第2の酸化物半導体層を形成した効果が十分に発揮されないことがあるため、好ましくは0.5nm以上、より好ましくは1nm以上とすることが望ましい。一方、第2の酸化物半導体層の厚さが厚すぎると移動度が低下する恐れがあるため、好ましくは20nm以下、より好ましくは10nm以下とすることが望ましい。   The thickness of the second oxide semiconductor layer is not particularly limited, but if the thickness of the second oxide semiconductor layer is too thin, the effect of forming the second oxide semiconductor layer may not be sufficiently exhibited. Therefore, it is preferably 0.5 nm or more, and more preferably 1 nm or more. On the other hand, if the thickness of the second oxide semiconductor layer is too large, the mobility may be lowered. Therefore, the thickness is preferably 20 nm or less, more preferably 10 nm or less.

本発明の酸化物半導体層は、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層との積層構造であるが、その構成は特に限定されない。上記したように第1の酸化物半導体層はゲート絶縁膜や保護膜との界面で酸素欠損による捕獲準位を形成しやすく、これが移動度や安定性が低下させる原因となっていることから、第2の酸化物半導体層を第1の酸化物半導体層とゲート絶縁膜および/または保護膜との間に形成することによって、このような問題を解消してTFT特性およびストレス耐性を向上することができる。第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層との積層構造は特に限定されず、所望の構成を採用することができる。したがって、第2の酸化物半導体層は、第1の酸化物半導体層とゲート絶縁膜との間に形成してもよく、具体的には図1に示すように酸化物半導体層は、第1の酸化物半導体層4と第2の酸化物半導体層4’との積層体(2層構造)であって、第2の酸化物半導体層4’は、ゲート絶縁膜3と接触している構成でもよい。または第1の酸化物半導体層と保護膜との間に形成してもよく、具体的には図2に示すように酸化物半導体層は、第1の酸化物半導体層4と第2の酸化物半導体層4’との積層体(2層構造)であって、第2の酸化物半導体層4’は、保護膜6と接触している構成でもよい。あるいは第1の酸化物半導体層とゲート絶縁膜との間と、第1の酸化物半導体層と保護膜との間とに形成してもよく、具体的には図3に示すように酸化物半導体層は、第1の酸化物半導体層4の両面に形成された前記第2の酸化物半導体層(4’、4’’)との3層構造であって、一方の第2の酸化物半導体層4’ ’は、ゲート絶縁膜3と接触していると共に、他方の第2の酸化物半導体層4’は、保護膜6と接触している構成でもよい。   The oxide semiconductor layer of the present invention has a stacked structure of a first oxide semiconductor layer and a second oxide semiconductor layer, but there is no particular limitation on the structure thereof. As described above, the first oxide semiconductor layer easily forms trap levels due to oxygen vacancies at the interface with the gate insulating film and the protective film, which causes a decrease in mobility and stability. By forming the second oxide semiconductor layer between the first oxide semiconductor layer and the gate insulating film and / or the protective film, such problems can be solved and TFT characteristics and stress resistance can be improved. Can do. There is no particular limitation on the stacked structure of the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer, and a desired structure can be employed. Therefore, the second oxide semiconductor layer may be formed between the first oxide semiconductor layer and the gate insulating film. Specifically, as illustrated in FIG. The oxide semiconductor layer 4 and the second oxide semiconductor layer 4 ′ are stacked (two-layer structure), and the second oxide semiconductor layer 4 ′ is in contact with the gate insulating film 3. But you can. Alternatively, it may be formed between the first oxide semiconductor layer and the protective film. Specifically, as illustrated in FIG. 2, the oxide semiconductor layer includes the first oxide semiconductor layer 4 and the second oxide semiconductor layer. The second oxide semiconductor layer 4 ′ may be in contact with the protective film 6 in a stacked body (two-layer structure) with the physical semiconductor layer 4 ′. Alternatively, it may be formed between the first oxide semiconductor layer and the gate insulating film and between the first oxide semiconductor layer and the protective film. Specifically, as shown in FIG. The semiconductor layer has a three-layer structure with the second oxide semiconductor layer (4 ′, 4 ″) formed on both surfaces of the first oxide semiconductor layer 4, and one of the second oxide semiconductor layers The semiconductor layer 4 ′ ′ may be in contact with the gate insulating film 3 and the other second oxide semiconductor layer 4 ′ may be in contact with the protective film 6.

以上、本発明に用いられる酸化物半導体層について説明した。   The oxide semiconductor layer used in the present invention has been described above.

上記第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層は、スパッタリング法にてスパッタリングターゲット(以下「ターゲット」ということがある。)を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法によれば、成分や膜厚の膜面内均一性に優れた薄膜を容易に形成することができる。また、塗布法などの化学的成膜法によって酸化物を形成しても良い。   The first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer are preferably formed using a sputtering target (hereinafter, also referred to as “target”) by a sputtering method. According to the sputtering method, a thin film having excellent in-plane uniformity of components and film thickness can be easily formed. Alternatively, the oxide may be formed by a chemical film formation method such as a coating method.

スパッタリング法に用いられるターゲットとして、前述した元素を含み、所望の酸化物と同一組成のスパッタリングターゲットを用いることが好ましく、これにより、組成ズレが少なく、所望の成分組成の薄膜を形成することができる。具体的には第1の酸化物半導体層を成膜するターゲットとして、In、ZnおよびSnよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む酸化物ターゲットを使用する。   As a target used in the sputtering method, it is preferable to use a sputtering target containing the above-described elements and having the same composition as the desired oxide, whereby a thin film having a desired component composition can be formed with little composition deviation. . Specifically, an oxide target including at least one element selected from the group consisting of In, Zn, and Sn is used as a target for forming the first oxide semiconductor layer.

また、第2の酸化物半導体層を成膜するターゲットとして、In、ZnおよびSnよりなる群から選択される少なくとも一種の元素(X群元素)と、Hf、Ge、およびNbよりなるY群から選択される少なくとも一種の元素(Y群元素)とを含む酸化物ターゲットを用いることができる。   Further, as a target for forming the second oxide semiconductor layer, at least one element selected from the group consisting of In, Zn, and Sn (X group element) and the Y group consisting of Hf, Ge, and Nb are used. An oxide target containing at least one selected element (Y group element) can be used.

第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層はスパッタリング成膜する場合、真空状態を保ったまま連続的に成膜することが望ましい。第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層を成膜する際に大気中に暴露すると、空気中の水分や有機成分が薄膜表面に付着し、コンタミ(品質不良)の原因となるからである。   In the case where the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer are formed by sputtering, it is desirable that the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer be continuously formed while maintaining a vacuum state. When the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer are formed and exposed to the atmosphere, moisture and organic components in the air adhere to the surface of the thin film, causing contamination (quality defects). Because.

また、第2の酸化物半導体層は第1の酸化物半導体層の形成に用いたスパッタリングターゲットを用いることができる。すなわち、第1の酸化物半導体層の形成に用いたスパッタリングターゲットとY群元素のスパッタリングターゲットを同時スパッタ(例えば、チップオンによるコスパッタリング)して、第2の酸化物半導体層を形成しても良い。このように第1の酸化物半導体層に用いたスパッタリングターゲットを利用することによって、第2の酸化物半導体層に含まれるX群元素の種類及び各元素間の比率を、第1の酸化物半導体層に含まれるZ群元素の種類、及び各元素間の比率と同じにすることができる。   For the second oxide semiconductor layer, the sputtering target used for forming the first oxide semiconductor layer can be used. That is, even if the sputtering target used for forming the first oxide semiconductor layer and the sputtering target of the Y group element are simultaneously sputtered (for example, co-sputtering by chip-on), the second oxide semiconductor layer is formed. good. As described above, by using the sputtering target used for the first oxide semiconductor layer, the type of the X group element contained in the second oxide semiconductor layer and the ratio between the elements can be changed. It can be made the same with the kind of Z group element contained in a layer, and the ratio between each element.

上記ターゲットは、例えば粉末焼結法によって製造することができる。   The target can be manufactured by, for example, a powder sintering method.

上記ターゲットを用いてスパッタリングするに当たっては、基板温度をおおむね室温〜200℃の範囲内に制御し、酸素添加量を適切に制御して行うことが好ましい。酸素添加量は、スパッタリング装置の構成やターゲット組成などに応じて適切に制御すればよいが、おおむね半導体キャリア濃度が1015〜1016cm-3となるように酸素量を添加することが好ましい。またスパッタリング成膜時のガス圧、スパッタリングターゲットへの投入パワー、T−S間距離(スパッタリングターゲットと基板との距離)などを適切に制御することが好ましい。例えば成膜時の全ガス圧は、スパッタの放電が安定する程度で低い程良く、おおむね0.5〜5mTorrの範囲内に制御することが好ましく、1〜3mTorrの範囲内であることがより好ましい。また、投入パワーは高い程良く、おおむねDCまたはRFで2.0W/cm2以上に設定することが推奨される。 When sputtering using the above target, it is preferable to control the substrate temperature within the range of room temperature to 200 ° C. and appropriately control the amount of oxygen added. The oxygen addition amount may be appropriately controlled according to the configuration of the sputtering apparatus, the target composition, and the like, but it is preferable to add the oxygen amount so that the semiconductor carrier concentration is approximately 10 15 to 10 16 cm −3 . Further, it is preferable to appropriately control the gas pressure at the time of sputtering film formation, the input power to the sputtering target, the distance between TS (distance between the sputtering target and the substrate), and the like. For example, the total gas pressure at the time of film formation is preferably as low as possible so that sputtering discharge is stabilized, and is preferably controlled within a range of approximately 0.5 to 5 mTorr, and more preferably within a range of 1 to 3 mTorr. . Moreover, the higher the input power, the better, and it is recommended to set the power to approximately 2.0 W / cm 2 or more at DC or RF.

本発明の薄膜トランジスタ(TFT)は、上記酸化物半導体層(第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層の積層構造)を備えていればよく、ゲート絶縁膜を含めて他の構成については特に限定されない。例えば本発明の配線構造はTFTに好適に用いることができる。TFTは、基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、上記酸化物半導体層、ソース電極、ドレイン電極、保護膜を少なくとも有していれば良く、その構成は通常用いられるものであれば特に限定されない。   The thin film transistor (TFT) of the present invention only needs to include the above oxide semiconductor layer (a stacked structure of a first oxide semiconductor layer and a second oxide semiconductor layer), and includes other structures including a gate insulating film. Is not particularly limited. For example, the wiring structure of the present invention can be suitably used for a TFT. The TFT only needs to have at least a gate electrode, a gate insulating film, the above-described oxide semiconductor layer, a source electrode, a drain electrode, and a protective film on the substrate, and the configuration is not particularly limited as long as it is normally used. .

以下、図4(図3の構成にエッチングストッパー層9を設けたもの)を参照しながら、上記TFTの製造方法の実施形態を説明する。図4および以下の製造方法は、本発明の好ましい実施形態の一例を示すものであり、これに限定する趣旨ではない。図4には3層構造(基板側から順に第2の酸化物半導体層4’’、第1の酸化物半導体層4、第2の酸化物半導体層4’の順で積層)の酸化物半導体層を示しているが、これに限定されず、図1、2に示すような2層構造であってもよい。また例えば図1〜4には、ボトムゲート型構造のTFTを示しているがこれに限定されず、酸化物半導体層の上にゲート絶縁膜とゲート電極を順に備えるトップゲート型のTFTであってもよい。トップゲート型TFTにおいても、第1の酸化物半導体層とゲート絶縁膜および/または保護膜との間に第2の酸化物半導体層を介在させればよい。   Hereinafter, an embodiment of the TFT manufacturing method will be described with reference to FIG. 4 (the structure in which the etching stopper layer 9 is provided in the configuration of FIG. 3). FIG. 4 and the following manufacturing method show an example of a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to this. FIG. 4 shows an oxide semiconductor having a three-layer structure (stacked in order of a second oxide semiconductor layer 4 ″, a first oxide semiconductor layer 4, and a second oxide semiconductor layer 4 ′ in this order from the substrate side). Although layers are shown, the present invention is not limited to this, and a two-layer structure as shown in FIGS. In addition, for example, FIGS. 1 to 4 illustrate a bottom gate type TFT, but the present invention is not limited to this. A top gate type TFT including a gate insulating film and a gate electrode on an oxide semiconductor layer in this order. Also good. In the top-gate TFT, the second oxide semiconductor layer may be interposed between the first oxide semiconductor layer and the gate insulating film and / or the protective film.

図4に示すように、基板1上にゲート電極2およびゲート絶縁膜3が形成され、その上に第2の酸化物半導体層4’’、第1の酸化物半導体層4、第2の酸化物半導体層4’が形成されている。第2の酸化物半導体層4’上にはソース−ドレイン電極5が形成され、その上に保護膜(絶縁膜)6が形成され、コンタクトホール7を介して透明導電膜8がドレイン電極5に電気的に接続されている。   As shown in FIG. 4, a gate electrode 2 and a gate insulating film 3 are formed on a substrate 1, and a second oxide semiconductor layer 4 '', a first oxide semiconductor layer 4, and a second oxide are formed thereon. A physical semiconductor layer 4 'is formed. A source-drain electrode 5 is formed on the second oxide semiconductor layer 4 ′, a protective film (insulating film) 6 is formed thereon, and the transparent conductive film 8 is formed on the drain electrode 5 through the contact hole 7. Electrically connected.

基板1上にゲート電極2およびゲート絶縁膜3を形成する方法は特に限定されず、通常用いられる方法を採用することができる。また、ゲート電極2およびゲート絶縁膜3の種類も特に限定されず、汎用されているものを用いることができる。例えばゲート電極2として、電気抵抗率の低いAlやCuの金属、これらの合金を好ましく用いることができる。また、ゲート絶縁膜3としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などが代表的に例示される。そのほか、Al23やY23などの酸化物や、これらを積層したものを用いることもできる。 The method for forming the gate electrode 2 and the gate insulating film 3 on the substrate 1 is not particularly limited, and a commonly used method can be employed. Further, the types of the gate electrode 2 and the gate insulating film 3 are not particularly limited, and those commonly used can be used. For example, as the gate electrode 2, an Al or Cu metal having a low electrical resistivity or an alloy thereof can be preferably used. The gate insulating film 3 is typically exemplified by a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, and the like. In addition, oxides such as Al 2 O 3 and Y 2 O 3 and those obtained by stacking these can also be used.

次いで酸化物半導体層(第2の酸化物半導体層4’’、第1の酸化物半導体層4、第2の酸化物半導体層4’の順)を形成する。第2の酸化物半導体層4’、および第2の酸化物半導体層4’’は、第2の酸化物半導体層を構成するX群元素とY群元素と同組成のスパッタリングターゲットを用いたDCスパッタリング法またはRFスパッタリング法により成膜することができ、あるいは、X群元素のターゲット上にY群元素のチップを積載したコスパッタ法により成膜しても良い。   Next, an oxide semiconductor layer (a second oxide semiconductor layer 4 ″, a first oxide semiconductor layer 4, and a second oxide semiconductor layer 4 ′) is formed. The second oxide semiconductor layer 4 ′ and the second oxide semiconductor layer 4 ″ are formed of a DC using a sputtering target having the same composition as the X group element and the Y group element constituting the second oxide semiconductor layer. The film may be formed by sputtering or RF sputtering, or may be formed by co-sputtering in which a Y group element chip is mounted on an X group element target.

同様に第1の酸化物半導体層4も同組成のスパッタリングターゲットを用いたDCスパッタリング法またはRFスパッタリング法により成膜することができる。第2の酸化物半導体層4’、第1の酸化物半導体層4、第2の酸化物半導体層4’’を順次、真空一環で連続成膜するのが好ましい。   Similarly, the first oxide semiconductor layer 4 can also be formed by a DC sputtering method or an RF sputtering method using a sputtering target having the same composition. It is preferable that the second oxide semiconductor layer 4 ′, the first oxide semiconductor layer 4, and the second oxide semiconductor layer 4 ″ are sequentially formed sequentially in a vacuum.

酸化物半導体層をウェットエッチングした後、パターニングする。パターニングの直後に、酸化物半導体層の膜質改善のために熱処理(プレアニール)を行うことが好ましく、これにより、トランジスタ特性のオン電流および電界効果移動度が上昇し、トランジスタ性能が向上するようになる。プレアニール条件としては、例えば、温度:約250〜400℃、時間:約10分〜1時間などが挙げられる。   The oxide semiconductor layer is subjected to patterning after wet etching. Immediately after patterning, it is preferable to perform heat treatment (pre-annealing) to improve the film quality of the oxide semiconductor layer. This increases the on-state current and field-effect mobility of transistor characteristics, thereby improving transistor performance. . Examples of pre-annealing conditions include temperature: about 250 to 400 ° C., time: about 10 minutes to 1 hour, and the like.

プレアニールの後、エッチストッパー層9を形成しても良い。エッチストッパー層9は一般的にSiO2などの絶縁膜が用いられる。エッチストッパー層9を形成せずに、ソース−ドレイン電極5を形成しても良いが、ソース−ドレイン電極にエッチングを施す際に酸化物半導体層がダメージを受けてトランジスタ特性が低下する恐れがあるため、このような場合は、エッチストッパー層9を形成することが望ましい。 After pre-annealing, an etch stopper layer 9 may be formed. The etch stopper layer 9 is generally made of an insulating film such as SiO 2 . The source / drain electrode 5 may be formed without forming the etch stopper layer 9, but the oxide semiconductor layer may be damaged when the source / drain electrode is etched, and the transistor characteristics may be deteriorated. Therefore, in such a case, it is desirable to form the etch stopper layer 9.

もっとも、製造方法によってはエッチングの際にエッチストッパー層を設けなくても酸化物半導体層にダメージを与えないこともあるため、必要に応じてエッチストッパー層を形成すれば良い。例えばリフトオフ法によってソース−ドレイン電極を加工する場合は半導体層へのダメージがないためエッチストッパー層は必要ない(図3の構成)。   However, depending on the manufacturing method, the oxide semiconductor layer may not be damaged even if the etch stopper layer is not provided at the time of etching. Therefore, the etch stopper layer may be formed as necessary. For example, when the source-drain electrode is processed by the lift-off method, there is no damage to the semiconductor layer, and therefore no etch stopper layer is required (configuration in FIG. 3).

ソース−ドレイン電極5の種類は特に限定されず、汎用されているもの用いることができる。例えばゲート電極と同様AlやCuなどの金属または合金を用いても良いし、後記する実施例のように純Tiを用いても良い。電極の形成はスパッタリング法が広く用いられる。   The kind of the source-drain electrode 5 is not specifically limited, What is used widely can be used. For example, a metal or alloy such as Al or Cu may be used like the gate electrode, or pure Ti may be used as in the examples described later. A sputtering method is widely used for forming the electrodes.

その後、ソース−ドレイン電極5の上に保護膜6をCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって成膜する。CVD法による保護膜6はSiO2やSiN、SiONなどが用いられる。また、スパッタリング法を用いて保護膜6を形成しても良い。酸化物半導体層の表面は、CVDによるプラズマダメージによって容易に導通化してしまうため(おそらく第1の酸化物半導体表面に生成される酸素欠損が電子ドナーとなるためと推察される。)、保護膜6の成膜前にN2Oプラズマ照射を行ってもよい。N2Oプラズマの照射条件は、例えば下記文献に記載の条件を採用すればよい。 Thereafter, a protective film 6 is formed on the source-drain electrode 5 by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. As the protective film 6 by the CVD method, SiO 2 , SiN, SiON or the like is used. Moreover, you may form the protective film 6 using sputtering method. Since the surface of the oxide semiconductor layer is easily rendered conductive by plasma damage due to CVD (probably, oxygen vacancies generated on the surface of the first oxide semiconductor are assumed to be electron donors), and thus the protective film. N 2 O plasma irradiation may be performed before film formation of 6. As the N 2 O plasma irradiation conditions, for example, conditions described in the following documents may be adopted.

J. Parkら、Appl. Phys. Lett., 1993,053505(2008)
次に、常法に基づき、コンタクトホール7を介して透明導電膜8をドレイン電極5に電気的に接続する。透明導電膜およびドレイン電極の種類は特に限定されず、通常用いられるものを使用することができる。ドレイン電極としては、例えば前述したソース−ドレイン電極で例示したものを用いることができる。
J. et al. Park et al., Appl. Phys. Lett. , 1993, 053505 (2008).
Next, based on a conventional method, the transparent conductive film 8 is electrically connected to the drain electrode 5 through the contact hole 7. The types of the transparent conductive film and the drain electrode are not particularly limited, and commonly used ones can be used. As a drain electrode, what was illustrated by the source-drain electrode mentioned above, for example can be used.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited by the following examples, but may be appropriately modified within a range that can meet the purpose described above and below. Of course, it is possible to implement them, and they are all included in the technical scope of the present invention.

前述した方法に基づき、構成の異なる複数の酸化物半導体層を有するTFTを作製し、保護膜(絶縁膜)の形成前後のFTF特性を評価した(本実施例ではエッチストッパー層は形成していない)。   Based on the above-described method, a TFT having a plurality of oxide semiconductor layers having different configurations was manufactured, and the FTF characteristics before and after the formation of the protective film (insulating film) were evaluated (in this example, the etch stopper layer was not formed). ).

まず、ガラス基板1(コーニング社製イーグルXG、直径100mm×厚さ0.7mm)上に、ゲート電極2としてMo薄膜を100nm、およびゲート絶縁膜3としてSiO2(200nm)を順次成膜した。ゲート電極2は純Moのスパッタリングターゲットを使用し、DCスパッタ法により、成膜温度:室温、成膜パワー:300W、キャリアガス:Ar、ガス圧:2mTorrにて成膜した。また、ゲート絶縁膜3はプラズマCVD法を用い、キャリアガス:SiH4とN2Oの混合ガス、成膜パワー:100W、成膜温度:300℃にて成膜した。 First, on a glass substrate 1 (Corning Eagle XG, diameter 100 mm × thickness 0.7 mm), a Mo thin film of 100 nm as a gate electrode 2 and SiO 2 (200 nm) as a gate insulating film 3 were sequentially formed. The gate electrode 2 was formed using a pure Mo sputtering target by DC sputtering at a film forming temperature: room temperature, a film forming power: 300 W, a carrier gas: Ar, and a gas pressure: 2 mTorr. The gate insulating film 3 was formed by plasma CVD using a carrier gas: a mixed gas of SiH 4 and N 2 O, a film forming power: 100 W, and a film forming temperature: 300 ° C.

次に、後記する種々の組成および構造の酸化物半導体層を、酸化物半導体層の組成に応じた組成を有する酸化物スパッタリングターゲットを用いて下記条件のスパッタリング法によって成膜した。   Next, oxide semiconductor layers having various compositions and structures described later were formed by a sputtering method under the following conditions using an oxide sputtering target having a composition corresponding to the composition of the oxide semiconductor layer.

具体的には表1中、No.1(従来例)は、上記酸化物半導体層としてアモルファスIZTOの酸化物半導体層(原子比In:Zn:Sn=20:56.7:23.3、膜厚40nm:単層)をゲート絶縁膜3の上に成膜した(第2の酸化物半導体層4’は成膜していない)。No.2、No.3、No.6、No.7は図1の例であり、ゲート絶縁膜3上に第2の酸化物半導体層4’(Nb、Hf又はGeを含むIZTO)を成膜してから第1の酸化物半導体層4(IZTO)を成膜した。No.4は図2の例であり、第1の酸化物半導体層4(IZTO)を成膜してから、第2の酸化物半導体層4’(Nbを含むIZTO)を成膜した。No.5は図3の例であり、第2の酸化物半導体層4’’(Nbを含むIZTO)を成膜してから、第1の酸化物半導体層4(IZTO)を成膜し、続いて第2の酸化物半導体層4’(Nbを含むIZTO)を成膜して3層の積層体とした(図3)。   Specifically, in Table 1, No. 1 (conventional example) is an amorphous IZTO oxide semiconductor layer (atomic ratio In: Zn: Sn = 20: 56.7: 23.3, film thickness: 40 nm: single layer) as a gate insulating film as the oxide semiconductor layer. 3 (the second oxide semiconductor layer 4 ′ is not formed). No. 2, no. 3, no. 6, no. 7 is an example of FIG. 1, and after the second oxide semiconductor layer 4 ′ (IZTO containing Nb, Hf, or Ge) is formed on the gate insulating film 3, the first oxide semiconductor layer 4 (IZTO ) Was formed. No. 4 is an example of FIG. 2, after the first oxide semiconductor layer 4 (IZTO) is formed, the second oxide semiconductor layer 4 ′ (IZTO containing Nb) is formed. No. FIG. 5 shows an example of FIG. 3. After forming the second oxide semiconductor layer 4 ″ (IZTO containing Nb), the first oxide semiconductor layer 4 (IZTO) is formed, and then A second oxide semiconductor layer 4 ′ (IZTO containing Nb) was deposited to form a three-layer stack (FIG. 3).

なお、第1の酸化物半導体層4は、In:Zn:Snの比(原子%比)が、20:56.7:23.3のスパッタリングターゲットを用いた。第2の酸化物半導体層4’(4’’)のX群元素は、上記第1の酸化物半導体層とIn:Zn:Snの比が同じであり、Y群元素としてNb、HfまたはGe(Y群元素は、酸素を除く第2の酸化物半導体層4’を構成する全金属(X群元素+Y群元素)の合計含有量(Y群元素/(X群元素+Y群元素))に対して2原子%)を含むターゲットを用いた。   Note that for the first oxide semiconductor layer 4, a sputtering target having an In: Zn: Sn ratio (atomic% ratio) of 20: 56.7: 23.3 was used. The X group element of the second oxide semiconductor layer 4 ′ (4 ″) has the same ratio of In: Zn: Sn as the first oxide semiconductor layer, and Nb, Hf, or Ge as the Y group element. (Y group element is the total content of all metals (X group element + Y group element) constituting the second oxide semiconductor layer 4 ′ excluding oxygen (Y group element / (X group element + Y group element)). A target containing 2 atomic%) was used.

第1の酸化物半導体層4と第2の酸化物半導体層(4’と4’’)の成膜(No.2〜7)は途中でチャンバーを大気開放せず、連続的に成膜を行った。またこのようにして得られた酸化物半導体層中の金属元素の各含有量は、XPS(X−ray Photoelectron Spectroscopy)法によって分析した。   The first oxide semiconductor layer 4 and the second oxide semiconductor layer (4 ′ and 4 ″) are formed continuously (No. 2 to 7) without the chamber being opened to the atmosphere. went. In addition, each content of the metal element in the oxide semiconductor layer thus obtained was analyzed by an XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) method.

第1の酸化物半導体層及び第2の酸化物半導体層の成膜はいずれもDCスパッタリング法を用いて成膜した。スパッタリングに使用した装置は(株)アルバック社製「CS−200」であり、スパッタリング条件は以下の通りである。
基板温度:室温
ガス圧:1mTorr
酸素分圧:O2/(Ar+O2)×100=4%
The first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer were both formed by DC sputtering. The apparatus used for sputtering is "CS-200" manufactured by ULVAC, Inc., and the sputtering conditions are as follows.
Substrate temperature: room temperature Gas pressure: 1 mTorr
Oxygen partial pressure: O 2 / (Ar + O 2 ) × 100 = 4%

上記のようにして酸化物半導体層を成膜した後、フォトリソグラフィおよびウェットエッチングによりパターニングを行った。ウェットエッチャント液としては、関東化学社製「ITO−07N」を使用した。本実施例では、実験を行ったすべての酸化物半導体層について、ウェットエッチングによる残渣はなく、適切にエッチングできたことを確認している。   After forming the oxide semiconductor layer as described above, patterning was performed by photolithography and wet etching. As the wet etchant solution, “ITO-07N” manufactured by Kanto Chemical Co., Inc. was used. In this example, it was confirmed that there was no residue due to wet etching and that etching was appropriately performed for all the oxide semiconductor layers tested.

酸化物半導体層をパターニングした後、膜質を向上させるためプレアニール処理を行った。プレアニールは、大気雰囲気にて350℃で30分間行なった。   After patterning the oxide semiconductor layer, a pre-annealing process was performed to improve the film quality. Pre-annealing was performed at 350 ° C. for 30 minutes in an air atmosphere.

次に、純Moを使用し、リフトオフ法によりソース−ドレイン電極5を形成した。具体的にはフォトレジストを用いてパターニングを行った後、Mo薄膜をDCスパッタリング法により成膜(膜厚は100nm)した。ソース−ドレイン電極用Mo薄膜の成膜方法は、前述したゲート電極2の場合と同じである。次いで、アセトン液中で超音波洗浄器にかけて不要なフォトレジストを除去し、TFTのチャネル長を10μm、チャネル幅を25μmとした。   Next, pure Mo was used, and the source-drain electrode 5 was formed by the lift-off method. Specifically, after patterning using a photoresist, a Mo thin film was formed by DC sputtering (film thickness was 100 nm). The method for forming the Mo thin film for the source-drain electrode is the same as that for the gate electrode 2 described above. Next, unnecessary photoresist was removed by applying an ultrasonic cleaner in an acetone solution, so that the channel length of the TFT was 10 μm and the channel width was 25 μm.

このようにしてソース−ドレイン電極5を形成した後、その上に、保護膜6を形成した。保護膜6として、SiO2(膜厚100nm)とSiN(膜厚150nm)の積層膜(合計膜厚250nm)を用いた。上記SiO2およびSiNの形成は、サムコ社製「PD−220NL」を用い、プラズマCVD法を用いて行なった。本実施例では、N2Oガスによってプラズマ処理を行った後、SiO2膜、およびSiN膜を順次形成した。SiO2膜の形成にはN2OおよびSiH4の混合ガスを用い、SiN膜の形成にはSiH4、N2、NH3の混合ガスを用いた。いずれの場合も成膜パワーを100W、成膜温度を150℃とした。 After forming the source-drain electrode 5 in this way, a protective film 6 was formed thereon. As the protective film 6, a laminated film (total film thickness 250 nm) of SiO 2 (film thickness 100 nm) and SiN (film thickness 150 nm) was used. The formation of the SiO 2 and SiN was performed using “PD-220NL” manufactured by Samco and using the plasma CVD method. In this example, after the plasma treatment was performed with N 2 O gas, the SiO 2 film and the SiN film were sequentially formed. A mixed gas of N 2 O and SiH 4 was used for forming the SiO 2 film, and a mixed gas of SiH 4 , N 2 , and NH 3 was used for forming the SiN film. In any case, the film formation power was 100 W and the film formation temperature was 150 ° C.

次にフォトリソグラフィ、およびドライエッチングにより、保護膜6にトランジスタ特性評価用プロービングのためのコンタクトホール7を形成した。次に、DCスパッタリング法を用い、キャリアガス:アルゴンおよび酸素ガスの混合ガス、成膜パワー:200W、ガス圧:5mTorrにて透明導電膜8としてITO膜(膜厚80nm)を成膜し、図1のTFTを作製した。   Next, contact holes 7 for probing for transistor characteristic evaluation were formed in the protective film 6 by photolithography and dry etching. Next, an ITO film (film thickness: 80 nm) was formed as the transparent conductive film 8 using a DC sputtering method with a carrier gas: a mixed gas of argon and oxygen gas, a film formation power: 200 W, and a gas pressure: 5 mTorr. 1 TFT was produced.

このようにして得られた各TFTについて、以下のようにしてストレス耐性を評価した。   Each TFT thus obtained was evaluated for stress resistance as follows.

ストレス耐性の評価(ストレスとして光照射+負バイアスを印加)
本実施例では、実際のパネル駆動時の環境(ストレス)を模擬して、ゲート電極に負バイアスをかけながら光を照射するストレス印加試験を行った。ストレス印加条件は以下のとおりである。光の波長としては、酸化物半導体のバンドギャップに近く、トランジスタ特性が変動し易い400nm程度を選択した。
ゲート電圧:−20V
基板温度:60℃
光ストレス
波長:400nm
照度(TFTに照射される光の強度):0.1μW/cm2
光源:OPTOSUPPLY社製LED(NDフィルターによって光量を調整)
ストレス印加時間:2時間
Evaluation of stress tolerance (light irradiation + negative bias applied as stress)
In this example, an environment (stress) at the time of actual panel driving was simulated, and a stress application test was performed in which light was irradiated while applying a negative bias to the gate electrode. The stress application conditions are as follows. The wavelength of light was selected to be about 400 nm, which is close to the band gap of an oxide semiconductor and whose transistor characteristics tend to fluctuate.
Gate voltage: -20V
Substrate temperature: 60 ° C
Light stress wavelength: 400nm
Illuminance (intensity of light irradiated to TFT): 0.1 μW / cm 2
Light source: LED manufactured by OPTOSUPPLY (Adjust light quantity with ND filter)
Stress application time: 2 hours

詳細には、ストレス印加前後のしきい値電圧(Vth)を上記の方法に基づき、測定し、その差(ΔVth)を測定した。本発明ではΔVth(絶対値)が表1のNo.1の値(4.0V)以下のものを合格とした。   Specifically, the threshold voltage (Vth) before and after the stress application was measured based on the above method, and the difference (ΔVth) was measured. In the present invention, ΔVth (absolute value) is No. in Table 1. A value of 1 or less (4.0 V) was regarded as acceptable.

ここで、しきい値電圧とは、おおまかにいえば、トランジスタがオフ状態(ドレイン電流の低い状態)からオン状態(ドレイン電流の高い状態)に移行する際のゲート電圧の値である。本実施例では、ドレイン電流が、オン電流とオフ電流の間の1nA付近であるときの電圧をしきい値電圧と定義し、ストレス印加前後のしきい値電圧の変化量(シフト量)を測定した。   Here, the threshold voltage is roughly a value of a gate voltage when the transistor shifts from an off state (a state where the drain current is low) to an on state (a state where the drain current is high). In this embodiment, the voltage when the drain current is in the vicinity of 1 nA between the on-current and off-current is defined as the threshold voltage, and the amount of change (shift amount) of the threshold voltage before and after stress application is measured. did.

キャリア移動度(電界効果移動度)
キャリア移動度は、以下の式を用いて飽和領域にて移動度を算出した。本実施例では、このようにして得られる飽和移動度が表1のNo.1の値(13.85cm2/Vs)の70%以上(9.7cm2/Vs)のものを合格とした。
Carrier mobility (field effect mobility)
Carrier mobility was calculated in the saturation region using the following equation. In this example, the saturation mobility obtained in this way is No. 1 in Table 1. One having a value of 1 (13.85 cm 2 / Vs) of 70% or more (9.7 cm 2 / Vs) was regarded as acceptable.

S値
S値(SS値)は、ドレイン電流を一桁増加させるのに必要なゲート電圧の最小値とした。本実施例では、S値がNo.1の値(0.43V/dec)以下のものを合格とした。
S value The S value (SS value) is the minimum value of the gate voltage required to increase the drain current by one digit. In this embodiment, the S value is No. A value of 1 or less (0.43 V / dec) or less was regarded as acceptable.

図5〜図11は、TFTのしきい値電圧の変化量ΔVthとストレス印加時間の関係を示している。図5はNo.1のTFTのトランジスタ特性を示すが、ゲート電圧を−30Vから30Vに増加させると、0V付近でドレイン電流が増加し始め、スイッチング特性を示していることがわかる。もっともストレス印加開始と共にしきい値電圧Vthは負側にシフトしており、2時間経過後のしきい値電圧の変化量ΔVthは4.0Vであった。これは光照射により生成した正孔がバイアス印加によりゲート絶縁膜と酸化物半導体層との界面に蓄積されたため、しきい値電圧がシフトしたものと考えられる。   5 to 11 show the relationship between the change amount ΔVth of the threshold voltage of the TFT and the stress application time. FIG. The transistor characteristics of TFT No. 1 are shown. It can be seen that when the gate voltage is increased from −30 V to 30 V, the drain current starts to increase around 0 V, indicating the switching characteristics. However, the threshold voltage Vth shifted to the negative side with the start of stress application, and the change amount ΔVth of the threshold voltage after 2 hours was 4.0V. This is probably because the threshold voltage has shifted because holes generated by light irradiation are accumulated at the interface between the gate insulating film and the oxide semiconductor layer by bias application.

一方、No.2〜No.7では、TFTのしきい値電圧変化量ΔVthはNo.1と比較すると変化は小さく、ストレス印加時間2時間で1.25〜3.50であった(図6〜11)。これらの結果から、Y群元素を添加した第2の酸化物半導体層をゲート絶縁膜および/または保護膜と第1の酸化物半導体層との間に介在させることによって、光と負バイアスストレス印加によるTFT特性の変動を抑制する効果があることが確認された。これはY群元素を添加した第2の酸化物半導体層をゲート絶縁膜界面および/または保護膜界面に介在させることにより、ゲート絶縁膜および/または保護膜と酸化物半導体層との界面の結合を安定させ、欠陥が形成されにくい状態になっているものと推測される。   On the other hand, no. 2-No. 7, the threshold voltage change amount ΔVth of the TFT is No. 7. Compared with 1, the change was small, and the stress application time was 2 hours to 1.25 to 3.50 (FIGS. 6 to 11). From these results, it is possible to apply light and negative bias stress by interposing the second oxide semiconductor layer added with the Y group element between the gate insulating film and / or the protective film and the first oxide semiconductor layer. It was confirmed that there is an effect of suppressing fluctuations in TFT characteristics due to. This is because the interface between the gate insulating film and / or the protective film and the oxide semiconductor layer is obtained by interposing the second oxide semiconductor layer to which the Y group element is added at the gate insulating film interface and / or the protective film interface. It is presumed that the defect is stabilized and defects are hardly formed.

1 基板
2 ゲート電極
3 ゲート絶縁膜
4 第1の酸化物半導体層
4’、4’’ 第2の酸化物半導体層
5 ソース−ドレイン電極
6 保護膜(絶縁膜)
7 コンタクトホール
8 透明導電膜
9 エッチングストッパー層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Gate electrode 3 Gate insulating film 4 1st oxide semiconductor layer 4 ', 4''2nd oxide semiconductor layer 5 Source-drain electrode 6 Protective film (insulating film)
7 Contact hole 8 Transparent conductive film 9 Etching stopper layer

Claims (6)

基板上に少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び酸化物半導体層、ソース−ドレイン電極、ソース−ドレイン電極を保護する保護膜を有する薄膜トランジスタであって、
前記酸化物半導体層は、
In、ZnおよびSnよりなる群から選択される少なくとも一種の元素(Z群元素)から構成される第1の酸化物半導体層と、
In、ZnおよびSnよりなる群から選択される少なくとも一種の元素(X群元素)と、Hf、GeおよびNbよりなる群から選択される少なくとも一種の元素(Y群元素)を含む第2の酸化物半導体層と、を有する積層体であると共に、
前記第2の酸化物半導体層は、前記第1の酸化物半導体層と前記ゲート絶縁膜との間、および/または前記第1の酸化物半導体層と前記保護膜との間に形成されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
A thin film transistor having a protective film protecting at least a gate electrode, a gate insulating film, an oxide semiconductor layer, a source-drain electrode, and a source-drain electrode on a substrate;
The oxide semiconductor layer is
A first oxide semiconductor layer composed of at least one element (Z group element) selected from the group consisting of In, Zn, and Sn;
Second oxidation including at least one element selected from the group consisting of In, Zn and Sn (X group element) and at least one element selected from the group consisting of Hf, Ge and Nb (Y group element) And a laminated body having a physical semiconductor layer,
The second oxide semiconductor layer is formed between the first oxide semiconductor layer and the gate insulating film and / or between the first oxide semiconductor layer and the protective film. A thin film transistor.
前記酸化物半導体層は、前記第1の酸化物半導体層と前記第2の酸化物半導体層との2層構造であって、前記第2の酸化物半導体層は、前記ゲート絶縁膜と接触しているものである請求項1に記載の薄膜トランジスタ。   The oxide semiconductor layer has a two-layer structure of the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer, and the second oxide semiconductor layer is in contact with the gate insulating film. The thin film transistor according to claim 1. 前記酸化物半導体層は、前記第1の酸化物半導体層と前記第2の酸化物半導体層との2層構造であって、前記第2の酸化物半導体層は、前記保護膜と接触しているものである請求項1に記載の薄膜トランジスタ。   The oxide semiconductor layer has a two-layer structure of the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer, and the second oxide semiconductor layer is in contact with the protective film. The thin film transistor according to claim 1. 前記酸化物半導体層は、前記第1の酸化物半導体層の両面に形成された前記第2の酸化物半導体層との3層構造であって、前記第2の酸化物半導体層の一方は、前記ゲート絶縁膜と接触していると共に、前記第2の酸化物半導体層の他方は、前記保護膜と接触しているものである請求項1に記載の薄膜トランジスタ。   The oxide semiconductor layer has a three-layer structure with the second oxide semiconductor layer formed on both surfaces of the first oxide semiconductor layer, and one of the second oxide semiconductor layers is The thin film transistor according to claim 1, wherein the thin film transistor is in contact with the gate insulating film and the other of the second oxide semiconductor layers is in contact with the protective film. 前記第2の酸化物半導体層の厚さが0.5〜10nmである請求項1に記載の薄膜トランジスタ。   The thin film transistor according to claim 1, wherein the thickness of the second oxide semiconductor layer is 0.5 to 10 nm. 請求項1〜5のいずれかに記載の薄膜トランジスタを備えた表示装置。   A display device comprising the thin film transistor according to claim 1.
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