JP2015144321A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Abstract
Description
される半導体装置に関する。例えば、半導体素子として酸化物半導体を含んで構成される
能動素子が例示され、該能動素子を用いた表示装置が例示される。
タが用いられて来たが、トランジスタを作製するために、シリコン半導体に代わる材料と
して酸化物半導体が注目されている。例えば、アクティブマトリクス型の表示装置におけ
るトランジスタの活性層として、In、Ga及びZnを含む非晶質酸化物を用い、該非晶
質酸化物の電子キャリア濃度を1018/cm3未満としたものが開示されている(特許
文献1参照)。
一つは特性の安定性であり、可視光及び紫外光を照射することで電気特性が変化すること
が指摘されている。
本来透光性を有するものである。しかしながら、強い光を照射した際に膜が劣化(光劣化
と呼ぶ)する性質を有していることが知られている。
する方法は何ら示されていないため、新材料と期待されつつも実用化が遅れる原因となっ
ている。
体を用いたトランジスタに照射されることで、例えば、光励起によりトランジスタのオフ
状態でリーク電流が生じて表示品位の低下を招く恐れや、光劣化を引き起こす恐れがある
。また、金属酸化物でなる酸化物半導体の単膜は、約10μAの光電流値を有しているこ
とが知られている。
することを課題とする。
電子及び正孔のキャリア密度、Jn、Jpは電子と正孔の電流値、Gn、Gpは電子と正
孔の生成(Generation)確率、Rn、Rpは再結合(Recombinati
on)確率を表す。正孔キャリア数を熱平衡状態の正孔キャリア数p0と熱平衡状態にな
い正孔キャリア数Δpに分ける。正孔のキャリア密度は、式3で表すことができる。
て価電子帯の電子が伝導帯へ遷移し、正孔の生成が起きる。その生成確率をG0pとする
と、再結合確率は以下の式4に表される。ここでτpは生成された正孔の緩和時間を表す
。
視出来るとすると、連続方程式は以下の式5になる。
が考えられるが、基本的には直接再結合と間接再結合(SRH型再結合)の2つが挙げら
れる。
とができず、再結合が起きにくいトラップも存在する。このトラップを”safe”トラ
ップと呼ぶことにする。
遷移を示す模式図を示す。
、”safe”トラップに捉えられた正孔の一部は熱により価電子帯に遷移することで、
電気伝導に寄与することができる。”safe”トラップが存在する半導体の光応答は、
二種類のモードを示す事になる。
用いることによって、光劣化が最小限に抑えられ、電気特性が安定したトランジスタを実
現する。なお、光応答の二種類のモードを示す酸化物半導体層は、1pA以上、好ましく
は10pA以上10nA以下の光電流値を有している。また、25℃における酸化物半導
体層は、光照射後100秒後の光電流値が400aA/μm以上0.1pA/μm以下で
あり、光劣化が最小限に抑えられる。
平均時間τ1が十分大きい場合、光電流の時間変化の結果において、急速に立ち下がる部
分とゆっくり下がる部分があることから確認できる。
ップに捉えられ終わった時刻)以降の電流式は以下の式9に表される。なお、τ2はキャ
リアが”safe”トラップに滞在する平均時間を表す。
fe”トラップに滞在する平均時間τ2から、トラップ準位を見積もることは、欠陥を評
価することにも繋がる。このτ1、τ2を用いた評価方法を光応答欠陥評価法、略してP
DEM(Photoresponse Defect Evaluation Meth
od)とも呼ぶ。
い信頼性を有する。
以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれ
ば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈さ
れるものではない。
本実施の形態では、実際に酸化物半導体を用いたTEGを作製し、そのTEGを用いて6
00秒間の光(輝度17000cd/cm2)を照射した前後の光応答性を測定した結果
を元に、光応答性のグラフ(光電流時間依存性グラフ)を作成する。
cm、In−Ga−Zn−O膜の厚い部分の膜厚は50nm、In−Ga−Zn−O膜の
薄い部分の膜厚は25nmである。このTEGの断面構造を図7(B)に示す。図7(B
)において、ガラス基板101上に、In−Ga−Zn−O膜102を形成し、In−G
a−Zn−O膜102上に第1の電極103、及び第2の電極104を設けている。この
第1の電極103、及び第2の電極104の上面形状を図7(A)に示している。第1の
電極103と第2の電極104の間隔は200μmであり、その間隔と重なるIn−Ga
−Zn−O膜102の領域は、図7(B)に示すように、第1の電極103または第2の
電極104と重なる領域と比べて25nmと薄くなっている。また、In−Ga−Zn−
O膜102が露出しないように絶縁層105が第1の電極103及び第2の電極104上
に設けられている。
製MDBL−CW100)を使用した。この白色LEDのスペクトルを図9に示す。
件振りも行った。3つのサンプルの作製プロセスを以下に示す。
ーゲットを用いたスパッタ法により、ガラス基板(126.6mm×126.6mm)上
に膜厚50nmのIn−Ga−Zn−O膜を成膜する。なお、In−Ga−Zn−O膜の
成膜条件は、成膜温度を室温とし、アルゴン流量を10sccm、酸素流量を5sccm
とし、圧力0.4Pa、電力500Wとする。
たはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれない雰囲気、例え
ば雰囲気の露点が−40℃以下、好ましくは−60℃以下であることが好ましい。または
、加熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を
、6N(99.9999%)以上好ましくは7N(99.99999%)以上(即ち不純
物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
膜厚200nmのアルミニウム膜、膜厚50nmのチタン膜の順に積層して導電膜の積層
を形成する。
チングを行って第1の電極103及び第2の電極104を形成した後、O2アッシングを
行って露呈しているIn−Ga−Zn−O膜の膜厚を部分的に25nmと薄くし、レジス
トマスクを除去する。
の電極104上に膜厚300nmの酸化シリコン膜を成膜する。
択的にエッチングを行って絶縁層105を形成する。その後窒素雰囲気で250℃、1時
間の加熱処理を行う。
分断し、17000cd/cm2の白色光を600秒照射した後、光源をオフにした直後
の時刻を0として測定を行った。図1は光照射後の酸化物半導体層の光応答性を示したグ
ラフである。なお、図1において横軸を時刻、縦軸を電流値としている。また、時刻0に
おいて光源をオフとしている。また、図2は、図1における0〜100secの領域を拡
大したグラフである。
たりの光電流値も換算によって求めた。25℃における酸化物半導体層への光照射後10
0秒後の1μm当たりの光電流値が59.3fA/μmとなっている。
5のサンプルは、In−Ga−Zn−O膜の成膜条件として、成膜温度を室温とし、アル
ゴン流量を10.5sccm、酸素流量を4.5sccmとし、電力100Wとする。な
お、その他の成膜条件や膜厚は同じとする。
5のサンプルは窒素雰囲気下で650℃、1時間の加熱後に酸素および窒素を含む雰囲気
下で450℃、1時間の熱処理を行った。
の測定を行い、第4のサンプルの光応答性の結果をOS膜1と表記し、第5のサンプルの
光応答性の結果をOS膜2として表記して、図3にログスケールで示した。また、170
00cd/cm2の白色光を600秒照射した後、光源をオフにした直後の時刻を0とし
て光照射後の光応答性の結果を図4にリニアースケールで示した。図3及び図4において
、比較例として用いた金属酸化物でなる酸化物半導体の単膜(OS膜1)は、約1μA以
上10μA以下の光電流値を有している。一方、本実施の形態の酸化物半導体の単膜(O
S膜2)は、約10pA以上10nA以下の光電流値を有している。本実施の形態の酸化
物半導体の単膜(OS膜2)は、光応答性において立ち上がりと立ち下がりが急峻であり
、電流値が非常に少ない結果となっている。バンドギャップ以上のエネルギーを持つ35
0nmの光を照射した場合においても同様の傾向が見られている。
ec〜100secの領域を線形とし、フィッティングを行った。また、τ1の見積もり
方法については図5に示す。
sec]付近の急峻性を捉えきれず、真のτ1よりも長めに見積もられている可能性があ
る。表2に各温度における抽出したτ1とτ2を示す。
依存しないとする。何故ならば、τ1とτ2はトラップ密度に依存している為である。一
方で図2より、温度が高いほど電流の減少する割合が減ってくる。これは温度が高いほど
キャリアがトラップから熱励起される確率が上がる為である。
トラップが存在している為である。急峻な緩和時間τ1と緩やかな緩和時間τ2をフィッ
ティングして求めたところ、温度依存性は小さく、この二種類の緩和時間(τ1とτ2)
はトラップ密度に依存している値であるといえる。一方で電流減少比の温度依存性から、
伝導帯や価電子帯近傍に存在する”safe”トラップは非常に浅いトラップであるとい
える。
構造はそれぞれチャネル長(L)50μm、100μm、200μm、500μmとし、
チャネル幅(W)2.09cmとして測定を行った結果を表3に示す。なお、測定温度は
25℃である。また、光照射後の1μm当たりの光電流値も換算によって求め、表3に示
した。チャネル長(L)50μmのTEGにおいて、酸化物半導体層への光照射後100
秒後のチャネル長1μm当たりの光電流値が97.7fA/μmとなっている。また、チ
ャネル長(L)100μmのTEGにおいて、酸化物半導体層への光照射後100秒後の
チャネル長1μm当たりの光電流値が42.5fA/μmとなっている。また、チャネル
長(L)200μmのTEGにおいて、酸化物半導体層への光照射後100秒後のチャネ
ル長1μm当たりの光電流値が13.7fA/μmとなっている。また、チャネル長(L
)500μmのTEGにおいて、酸化物半導体層への光照射後100秒後のチャネル長1
μm当たりの光電流値が413aA/μmとなっている。このように、25℃における酸
化物半導体層は、光照射後100秒後の光電流値が400aA/μm以上0.1pA/μ
m以下であり、光劣化が最小限に抑えられ、この酸化物半導体層を用いることによって電
気特性が安定したトランジスタを実現することができる。
半導体を用いたトランジスタは、光劣化が最小限に抑えられ、安定した電気特性を得るこ
とができる。また、同じ酸化物半導体を用いたトランジスタを画素に配置した液晶表示装
置は、光劣化に対して高い信頼性を有する。
本実施の形態では、本明細書に開示する液晶表示装置に適用できるトランジスタの例を示
す。本明細書に開示する液晶表示装置に適用できるトランジスタの構造は特に限定されず
、例えばトップゲート構造、又はボトムゲート構造のスタガ型及びプレーナ型などを用い
ることができる。また、トランジスタはチャネル形成領域が一つ形成されるシングルゲー
ト構造でも、二つ形成されるダブルゲート構造もしくは三つ形成されるトリプルゲート構
造であっても良い。また、チャネル領域の上下にゲート絶縁層を介して配置された2つの
ゲート電極層を有する、デュアルゲート型でもよい。なお、図8(A)乃至(D)にトラ
ンジスタの断面構造の一例を以下に示す。図8(A)乃至(D)に示すトランジスタは、
半導体として酸化物半導体を用いるものである。酸化物半導体を用いることのメリットは
、比較的簡単かつ低温のプロセスで高い移動度と低いオフ電流が得られることである。
あり、逆スタガ型薄膜トランジスタともいう。
絶縁層402、酸化物半導体層403、ソース電極層405a、及びドレイン電極層40
5bを含む。また、トランジスタ410を覆い、酸化物半導体層403に積層する絶縁層
407が設けられている。絶縁層407上にはさらに保護絶縁層409が形成されている
。
iOX(X>0)や窒化物(窒化チタンを除く)などを用いることができる。特にGaO
Xを用いる場合、バックチャネルの帯電を防止する帯電防止膜として機能させることがで
きる。
)と呼ばれるボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型薄膜トランジスタともいう。
絶縁層402、酸化物半導体層403、酸化物半導体層403のチャネル形成領域を覆う
チャネル保護層として機能する絶縁層427、ソース電極層405a、及びドレイン電極
層405bを含む。また、トランジスタ420を覆い、保護絶縁層409が形成されてい
る。
面を有する基板である基板400上に、ゲート電極層401、ゲート絶縁層402、ソー
ス電極層405a、ドレイン電極層405b、及び酸化物半導体層403を含む。また、
トランジスタ430を覆い、酸化物半導体層403に接する絶縁層407が設けられてい
る。絶縁層407上にはさらに保護絶縁層409が形成されている。
1上に接して設けられ、ゲート絶縁層402上にソース電極層405a、ドレイン電極層
405bが接して設けられている。そして、ゲート絶縁層402、及びソース電極層40
5a、ドレイン電極層405b上に酸化物半導体層403が設けられている。
ある。トランジスタ440は、絶縁表面を有する基板400上に、絶縁層437、酸化物
半導体層403、ソース電極層405a、及びドレイン電極層405b、ゲート絶縁層4
02、ゲート電極層401を含み、ソース電極層405a、ドレイン電極層405bにそ
れぞれ配線層436a、配線層436bが接して設けられ電気的に接続している。
物半導体層403に用いる酸化物半導体としては、少なくともIn、Ga、Sn及びZn
から選ばれた一種以上の元素を含有する。例えば、四元系金属酸化物であるIn−Sn−
Ga−Zn−O系酸化物半導体や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O系酸化
物半導体、In−Sn−Zn−O系酸化物半導体、In−Al−Zn−O系酸化物半導体
、Sn−Ga−Zn−O系酸化物半導体、Al−Ga−Zn−O系酸化物半導体、Sn−
Al−Zn−O系酸化物半導体や、二元系金属酸化物であるIn−Zn−O系酸化物半導
体、Sn−Zn−O系酸化物半導体、Al−Zn−O系酸化物半導体、Zn−Mg−O系
酸化物半導体、Sn−Mg−O系酸化物半導体、In−Mg−O系酸化物半導体や、In
−Ga−O系の材料、一元系金属の酸化物であるIn−O系酸化物半導体、Sn−O系酸
化物半導体、Zn−O系酸化物半導体などを用いることができる。また、上記酸化物半導
体にInとGaとZn以外の元素、例えばSiO2を含ませてもよい。
a)、亜鉛(Zn)を有する酸化物半導体、という意味であり、その組成比は問わない。
薄膜を用いることができる。ここで、Mは、Ga、Al、MnおよびCoから選ばれた一
または複数の金属元素を示す。例えばMとして、Ga、Ga及びAl、Ga及びMn、ま
たはGa及びCoなどがある。
成比は、原子数比で、In:Zn=50:1〜1:2(モル数比に換算するとIn2O3
:ZnO=25:1〜1:4)、好ましくはIn:Zn=20:1〜1:1(モル数比に
換算するとIn2O3:ZnO=2:1〜10:1)、さらに好ましくはIn:Zn=1
.5:1〜15:1(モル数比に換算するとIn2O3:ZnO=3:4〜15:2)と
する。例えば、In−Zn−O系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比が
In:Zn:O=X:Y:Zのとき、Z>1.5X+Yとする。
含まない雰囲気下で450℃以上加熱することが好ましく、例えば窒素雰囲気下で650
℃、1時間の後、窒素と酸素を含む雰囲気下で450℃、1時間の加熱処理を行う。なお
、窒素と酸素を含む雰囲気として、超乾燥エア(露点が−40℃以下、好ましくは−60
℃以下)を用いて加熱処理をおこなってもよい。この熱処理によって光劣化を最小限に抑
えられ、電気特性が安定したトランジスタを提供することができる。
オフ状態における電流値(オフ電流値)を低くすることができる。よって、液晶表示装置
の画素部に酸化物半導体層403を用いたトランジスタを用いることで、画像イメージデ
ータ等の電気信号の保持時間を長くすることができ、書き込み間隔も長く設定できる。よ
って、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果
を奏する。
比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。よって、液晶表示装
置の画素部に該トランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。ま
た、酸化物半導体層403を用いたトランジスタは、同一基板上に駆動回路部または画素
部に作り分けて作製することができるため、液晶表示装置の部品点数を削減することがで
きる。
ムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板を用いる。
を基板とゲート電極層の間に設けてもよい。下地膜は、基板からの不純物元素の拡散を防
止する機能があり、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒
化シリコン膜から選ばれた一又は複数の膜による積層構造により形成することができる。
アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合
金材料を用いて、単層でまたは積層して形成することができる。
ン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、酸化アルミニウム層
、窒化アルミニウム層、酸化窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層、又は酸化ハ
フニウム層を単層で又は積層して形成することができる。例えば、第1のゲート絶縁層と
してプラズマCVD法により膜厚50nm以上200nm以下の窒化シリコン層(SiN
y(y>0))を形成し、第1のゲート絶縁層上に第2のゲート絶縁層として膜厚5nm
以上300nm以下の酸化シリコン層(SiOx(x>0))を積層して、合計膜厚20
0nmのゲート絶縁層とする。
、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、Wからから選ばれた元素、または上述した元素を成分
とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜等を用いることができる。また、Al
、Cuなどの金属層の下側又は上側の一方または双方にTi、Mo、Wなどの高融点金属
層を積層させた構成としても良い。また、Al膜に生ずるヒロックやウィスカーの発生を
防止する元素(Si、Nd、Scなど)が添加されているAl材料を用いることで耐熱性
を向上させることが可能となる。
6bのような導電膜も、ソース電極層405a、ドレイン電極層405bと同様な材料を
用いることができる。
層を含む)となる導電膜としては導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸
化物としては酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO
)、酸化インジウム酸化スズ合金(In2O3―SnO2、ITOと略記する)、酸化イ
ンジウム酸化亜鉛合金(In2O3―ZnO)またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリ
コンを含ませたものを用いることができる。
化アルミニウム膜、または酸化窒化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができ
る。
酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。
を形成してもよい。平坦化絶縁膜としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン
、等の有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料(low
−k材料)等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層
させることで、平坦化絶縁膜を形成してもよい。
より、高機能な液晶表示装置を提供することができる。
102 In−Ga−Zn−O膜
103 第1の電極
104 第2の電極
105 絶縁層
400 基板
401 ゲート電極層
402 ゲート絶縁層
403 酸化物半導体層
405a ソース電極層
405b ドレイン電極層
407 絶縁層
409 保護絶縁層
410 トランジスタ
420 トランジスタ
427 絶縁層
430 トランジスタ
436a 配線層
436b 配線層
437 絶縁層
440 トランジスタ
Claims (3)
- 酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層に450℃以上の温度で第1及び第2の加熱処理を行い、
前記酸化物半導体層上に導電膜を形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層及びドレイン電極層を形成し、
前記ソース電極層上及びドレイン電極層上に絶縁層を形成し、
前記第1の加熱処理は、窒素雰囲気下で行い、
前記第2の加熱処理は、窒素と酸素を含む雰囲気下で行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1において、
前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層を形成した後、前記絶縁層を形成する前に、O2アッシングを行って露呈している酸化物半導体層の膜厚を部分的に薄くすることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項1又は2において、
前記酸化物半導体層を形成するときに用いたターゲットは、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1[mol数比]であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
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