JP2015181163A - 酸化物半導体膜の作製方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板上に酸素を意図的に含ませない雰囲気で酸化物半導体膜を形成し、酸素を含む雰囲気で熱処理をして、酸化物半導体膜を結晶化させ酸化物半導体膜を作製する。また、基板上に、ゲート電極を形成し、ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に酸素を意図的に含ませない雰囲気で酸化物半導体膜を形成し、酸素を含む雰囲気での第1の熱処理をして、酸化物半導体を結晶化させ、結晶化した酸化物半導体膜上にソース電極およびドレイン電極を形成し、結晶化した酸化物半導体膜、ソース電極及びドレイン電極上に酸素原子を含む絶縁膜を形成し、結晶化した酸化物半導体膜を第2の熱処理により酸化させトランジスタを作製する。
【選択図】図3
Description
に関する。
されており、その多くに用いられているトランジスタは、ガラス基板上にて、アモルファ
スシリコンや多結晶シリコンなどのシリコン半導体によって形成されている。
作製し、電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば、酸化物半
導体として一元系金属酸化物である酸化亜鉛や、ホモロガス化合物であるIn−Ga−Z
n−O系酸化物を用いてトランジスタを作製し、表示装置の画素のスイッチング素子など
に用いる技術が、特許文献1および特許文献2で開示されている。
半導体が用いられている。アモルファス酸化物半導体を用いたトランジスタは、アモルフ
ァスシリコンを用いたトランジスタより高い電界効果移動度が得られる。しかし、高機能
デバイスに応用するためには、さらに高い電界効果移動度が得られる結晶性の高い酸化物
半導体が求められており、さまざまな結晶化技術の研究開発がなされている(特許文献3
および特許文献4を参照。)。
理が必要とされる。しかし、酸化物半導体は原子の結合エネルギーが大きな材料であるた
め、融点は2000℃以上と高く、結晶性の高い酸化物半導体膜を形成することは困難で
あった。
題の一とする。また、該酸化物半導体膜を用いた高い電界効果移動度を有するトランジス
タの作製方法を提供することを課題の一とする。
酸化物半導体膜を形成したのち、酸素を含むガス雰囲気中で酸化物半導体膜に熱処理をし
、酸化物半導体膜を結晶化させることである。
素の異なる酸化物半導体、同じ構成元素であっても組成比の異なる酸化物半導体を積層し
た酸化物半導体膜にも適用できる。
り第1の酸化物半導体膜を結晶化させ、結晶化した第1の酸化物半導体膜の上に酸素を意
図的に含ませない雰囲気で第2の酸化物半導体を形成したのち、酸素を含むガス雰囲気中
で第2の熱処理をし、第2の酸化物半導体膜を結晶化させることである。
半導体膜を形成し、第1の熱処理により第1の酸化物半導体膜を結晶化させ、結晶化した
第1の酸化物半導体膜上に第2の酸化物半導体膜を、酸素を意図的に含ませない雰囲気で
形成したのち、酸素を含むガス雰囲気中で第2の熱処理をし、第2の酸化物半導体膜を結
晶化させることである。
よび第2の温度で加熱する熱処理をし、第1の温度で第1の酸化物半導体膜を結晶化させ
、第2の温度で第2の酸化物半導体膜を結晶化させることができる。
て、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に
代表される一元系酸化物半導体、およびIn−Sn−Ga−Zn−O系酸化物半導体、I
n−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、In−Zn−O系酸化物半導
体、Sn−Zn−O系酸化物半導体、Al−Zn−O系酸化物半導体などに代表される多
元系酸化物半導体を適用することができる。
半導体膜が酸素欠損する雰囲気」である。
結晶として結晶化が生じる。
せない雰囲気で、酸化物半導体膜を形成する際は、窒素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス
、アルゴンガス、キセノンガスまたはクリプトンガス雰囲気で形成することである。
せない雰囲気で形成した酸化物半導体膜は、酸素を含むガス雰囲気中で熱処理することで
基板面に対してc軸配向しながら結晶化する。
せない雰囲気で形成した酸化物半導体膜を、酸素を含むガス雰囲気中で熱処理して結晶化
させることで、結晶化した酸化物半導体膜のキャリア密度は1×1014/cm3未満で
ある。
とで、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製することができる。
を有するトランジスタを作製することができる。
は入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の
用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
本実施の形態では、結晶性の高い酸化物半導体膜の作製方法について説明する。また、本
実施の形態で記す結晶化方法は一元系酸化物半導体だけではなく、全ての多元系酸化物半
導体にも適用することができる。
特に限定されない。ガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウ
ケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられる。なお、B2O
3よりBaOを多く含むガラス基板を用いることが好ましい。
ラミック基板、サファイア基板等の絶縁体からなる基板を用いても良く、他にも形成する
酸化物半導体膜の格子定数に近い単結晶基板なども用いることができる。また、石英基板
や結晶化ガラスだけではなく、プラスチック等の有機基板、または、シリコンウェハ等の
半導体基板の表面や金属材料よりなる導電性の基板の表面に絶縁性の膜を形成したものを
用いることもできる。
系酸化物半導体および、全ての多元系酸化物半導体であり、一元系酸化物半導体としては
、In−O系、Sn−O系、Zn−O系等の酸化物半導体が挙げられ、多元系酸化物半導
体としては、In−Sn−Ga−Zn−O系、In−Ga−Zn−O系、In−Sn−Z
n−O系、In−Al−Zn−O系、Sn−Ga−Zn−O系、Al−Ga−Zn−O系
、Sn−Al−Zn−O系、In−Zn−O系、Sn−Zn−O系、Al−Zn−O系等
の酸化物半導体が挙げられる。
ガス(代表的にはアルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトン)雰囲気または、
窒素雰囲気で行うのが良い。
ム蒸着法(EB蒸着法)、分子線エピタキシー法(MBE法)、反応堆積エピタキシー法
(RDE法)、レーザアブレーション法などを挙げることができる。なお、真空蒸着法、
電子ビーム蒸着法(EB蒸着法)で行う際は、10−4Pa以下の高真空状態で行うこと
で、所望の酸化物半導体膜を形成することができる。
良いが、基板を加熱しながら酸化物半導体を形成することで、基板からの熱エネルギーを
結晶格子の形成に利用できるため好ましい。また、形成する際の基板加熱は高温のほうが
より好ましい。
るため600℃以上で熱処理を行う。この熱処理は、大気中もしくは酸素を含むガス雰囲
気中で行う必要がある。ここでは該結晶化として、大気雰囲気下で1時間の熱処理を行う
。
は熱輻射によって、基板を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、熱処理装置として
、電気炉や、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、L
RTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)装置等のRTA(Ra
pid Thermal Anneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、
ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ
、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射に
より、基板を加熱する装置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装
置である。また、エキシマレーザ等のレーザ照射による熱処理も行うことができる。
させる前の酸化物半導体膜が、酸素を意図的に含ませない雰囲気で形成された酸化物半導
体膜であるために得られた結果である。
素欠損した酸化物半導体膜を形成し、その後に熱処理を行うことで結晶化が促進される。
体膜中で酸素欠損が生じ、酸化物半導体膜の原子密度は低下し、隙間の多い構造となると
推測される。そして、隙間の多い構造の酸化物半導体膜を熱処理すると、酸化物半導体の
構成原子は、基板面を動きやすくなるため、結晶格子が形成されやすくなり、結晶化が促
進されるものと推測される。
酸素が酸化物半導体膜に供給され、該酸化物半導体膜の酸素欠損を補填する。このことは
、視覚的にも確認される。酸素欠損が少なく、バンドギャップの広い酸化物半導体膜は無
色透明であるが、酸素を意図的に含ませない雰囲気で形成した酸化物半導体膜は可視光を
吸収し褐色となる。褐色の酸化物半導体膜は、酸素を含むガス雰囲気で熱処理を行うこと
で本来の透明な酸化物半導体膜となる。
ら、酸素を意図的に含ませない雰囲気で形成した酸化物半導体膜は、基板に対してc軸配
向しながら結晶化することを示すX線回折ピークが観測される。さらに、ホール効果測定
やCV測定法(Capacitance Voltage法)を用いることにより、キャ
リア密度が1×1014/cm3未満であることが確認できる。これより、結晶性の高い
酸化物半導体膜が得られたことを確認することができる。
本明細書中に示す酸化物半導体膜中のキャリア密度は、酸化物半導体膜を用いたMOSキ
ャパシタを作製し、当該MOSキャパシタのCV測定(Capacitance Vol
tage Measurement)の結果(CV特性)を評価することで求めることが
可能である。キャリア密度の測定は、次の(1)−(3)の手順で行う。(1)MOSキ
ャパシタのゲート電圧Vgと、容量Cとの関係をプロットしたC−V特性を取得する。(
2)当該C−V特性からゲート電圧Vgと、(1/C)2との関係を表すグラフを取得し
、当該グラフにおいて弱反転領域での(1/C)2の微分値を求める。(3)得られた微
分値を、キャリア密度Ndを表す以下の式(1)に代入する。なお、式(1)において、
eは電気素量、ε0は真空の誘電率、εは酸化物半導体の比誘電率である。
以上の手順により、酸化物半導体膜中のキャリア密度を求めることができる。
実施の形態1で示した結晶性の高い酸化物半導体膜の作製方法は、単層の酸化物半導体膜
だけではなく、2層以上積層した酸化物半導体膜にも適用することができる。
(D)を用いて説明する。
物半導体膜102を形成したのち、第1の酸化物半導体膜102に熱処理をすることで、
図1(B)に示すように、結晶化した第1の酸化物半導体膜121を形成する。次に、図
1(C)に示すように、結晶化した第1の酸化物半導体膜121と接するように酸素を意
図的に含ませない雰囲気で第2の酸化物半導体膜103を形成したのち、酸素を含むガス
雰囲気中で熱処理することで、図1(D)に示すように、結晶化した第1の酸化物半導体
膜121上に積層した第2の酸化物半導体膜103を結晶化させ、結晶性の高い第2の酸
化物半導体膜104を得ることができる。
晶化させることができるため、第2の酸化物半導体膜103にIn−Ga−Zn−O系酸
化物半導体膜など結晶化しにくいとされる多元系の酸化物半導体膜を用いた場合でも、第
2の酸化物半導体膜103を容易に結晶化させることができる。例えば、第1の酸化物半
導体膜102をZn−O系の酸化物半導体膜とし、第2の酸化物半導体膜103をIn−
Ga−Zn−O系酸化物半導体膜とすることができる。なお、第1の酸化物半導体膜10
2を、第2の酸化物半導体膜103と結晶構造が同じであり、且つ格子定数が近い酸化物
半導体とすることが好ましい。
半導体膜、または同じ構成元素であっても組成比の異なる酸化物半導体膜とすることがで
きる。なお、第1の酸化物半導体膜102と第2の酸化物半導体膜103は、構成元素お
よび組成比が同じである酸化物半導体同士であっても良い。これは、一の酸化物半導体膜
を、第1の酸化物半導体膜102と第2の酸化物半導体膜103として、2回に分けて形
成してもよいということである。
のと同様のものを用いることができる。
できる。第1の酸化物半導体膜102を結晶化しやすいZn−O系の酸化物半導体などに
するとよいが、In−Ga−Zn−O系の酸化物半導体膜などの結晶化しにくい多元系酸
化物半導体膜であっても、形成する膜厚を、容易に結晶化できる程度に薄くすることで第
1の酸化物半導体膜として用いることができる。該膜厚として具体的には10nm未満が
好ましい。
真空蒸着法、電子ビーム蒸着法(EB蒸着法)、分子線エピタキシー法(MBE法)、反
応堆積エピタキシー法(RDE法)、レーザアブレーション法などを挙げることができる
。例えば、スパッタリング法であれば、酸素を含む雰囲気で成膜してもよいし、希ガス(
代表的にはアルゴン)雰囲気または、窒素雰囲気のような酸素を意図的に含ませない雰囲
気で形成する。
加熱せずに行っても良いが、基板を加熱しながら第1の酸化物半導体膜102を形成する
ほうが、基板からの熱エネルギーを結晶格子の配列に利用できるため好ましい。また、形
成時の基板加熱は高温で行うほうが好ましい。
、結晶化させるため600℃以上で熱処理をする。本熱処理は、不活性ガス雰囲気でも可
能であるが、大気中もしくは酸素を含むガス雰囲気中で行うのが好ましく、ここでは大気
雰囲気下で1時間の熱処理を行う。この工程により、結晶化した第1の酸化物半導体膜1
21を得ることができる。なお、基板を加熱しながら形成した第1の酸化物半導体膜10
2が、第2の酸化物半導体膜103の結晶化の種結晶として機能する程度に結晶化してい
れば、本熱処理は省略することができる。
ができる。
成する。第2の酸化物半導体膜103は酸素を意図的に含ませない雰囲気で成膜する。ま
た、第2の酸化物半導体膜103として、In−Ga−Zn−O系酸化物半導体膜などの
結晶化しにくい多元系酸化物半導体を用いてもよい。
造を有するもので、さらには格子定数が近いものとするほうが第2の酸化物半導体膜10
3を容易に結晶化させることができるため好ましい。
の形態1で示した方法で行うことができる。また、第2の酸化物半導体膜103を形成す
る際も、基板を加熱しながら行ってもよいし、基板を加熱せずに行っても良いが、基板を
加熱しながら第2の酸化物半導体膜103を形成するほうが、基板からの熱エネルギーを
結晶格子の配列に利用できるため好ましい。また、基板加熱は高温で行うほうがより良い
。
3に熱処理をして、第2の酸化物半導体膜103の結晶化を行う。特に本実施の形態では
、結晶化させるため600℃以上で熱処理をする。この熱処理は、大気中もしくは酸素を
含むガス雰囲気中で行うのが好ましく、ここでは大気雰囲気下で1時間の熱処理を行う。
ができる。
4を得ることができる。
3を、酸素を意図的に含ませない雰囲気で形成すること、すなわち、結晶化した第1の酸
化物半導体膜121の上に、酸素欠損した第2の酸化物半導体膜103を形成し、その後
に熱処理を行うと、第2の酸化物半導体膜103の結晶化が促進される。
酸化物半導体膜103を形成すると、形成された第2の酸化物半導体膜103は、その膜
中で酸素欠損が生じ、酸化物半導体膜の原子密度は低下し、隙間の多い構造となると推測
される。そして、隙間の多い構造の酸化物半導体膜を熱処理すると、酸化物半導体膜の構
成原子は、基板面を動きやすくなるため、結晶格子が形成されやすくなり、結晶化が促進
されるものと推測される。
酸素が酸化物半導体膜に供給され、該酸化物半導体膜の酸素欠損を補填する。このことは
、視覚的にも確認される。酸素欠損が少なく、バンドギャップの広い酸化物半導体膜は無
色透明であるが、酸素を意図的に含ませない雰囲気で形成した酸化物半導体膜は可視光を
吸収し褐色となる。褐色の酸化物半導体膜は、酸素を含むガス雰囲気で熱処理を行うこと
で本来の透明な酸化物半導体膜となる。
。X線回折結果から、結晶性の高い第2の酸化物半導体膜104は、基板面に対してc軸
配向しながら結晶化することを示すX線回折ピークが得られる。さらに、ホール効果測定
やCV測定法(Capacitance Voltage法)の結果より、キャリア密度
が1×1014/cm3未満であることが確認できる。
酸化物半導体膜のみが結晶化すると記載してある。しかし、結晶化した第1の酸化物半導
体膜121に非晶質な領域が含まれている場合は、第2の酸化物半導体膜に熱処理をして
結晶化させる工程で、第1の酸化物半導体膜はさらに結晶化され、それに引き続いて第2
の酸化物半導体膜が結晶化される。例えば、酸素を含む雰囲気にて形成され、結晶化させ
た第1の酸化物半導体膜は、酸素を意図的に含ませない雰囲気で第2の酸化物半導体膜を
形成し、その後、酸素を含む雰囲気で熱処理を行うことで、第1の酸化物半導体膜の結晶
性も向上させることができる。ゆえに、本発明の一態様には、第1の酸化物半導体膜およ
び第2の酸化物半導体膜が結晶化される構成を含む。
した後に、第1の温度および第2の温度で加熱する熱処理で、第1の酸化物半導体膜およ
び第2の酸化物半導体膜を結晶化させることができる。その際、第1の酸化物半導体膜は
、第2の酸化物半導体膜より結晶化しやすい酸化物半導体膜とすることが必要である。例
えば、第1の酸化物半導体膜は、第2の酸化物半導体膜より低い温度で結晶化する酸化物
半導体膜である。
が、積層した酸化物半導体膜はこれに限らず、2層以上積層した酸化物半導体膜について
も、該積層した酸化物半導体膜のうち少なくとも1層を、酸素を意図的に含ませない雰囲
気で形成し、且つ、酸素を含む雰囲気で熱処理を行うことで、該積層した酸化物半導体膜
を結晶化させることができる。
どと適宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、実施の形態1および実施の形態2で説明した酸化物半導体膜を含むト
ランジスタの作製方法について、図2を用いて説明する。
こで示すトランジスタ110は、逆スタガ型トランジスタである。
工程を説明する。
処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板105として
ガラス基板を用いる場合、歪み点が730℃以上のものを用いることが好ましい。ガラス
基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホ
ウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられる。なお、酸化ホウ素(B2O3)と比較し
て酸化バリウム(BaO)を多く含ませることで、より実用的な耐熱ガラスが得られる。
このため、酸化ホウ素より酸化バリウムを多く含むガラス基板を用いることが好ましい。
また、上記のガラス基板に代えて、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの絶
縁体でなる基板を用いることができる。他にも、結晶化ガラスなどを用いることができる
。さらには、シリコンウェハ等の半導体基板の表面や金属材料よりなる導電性の基板の表
面に絶縁性の膜を形成したものを用いることもできる。本実施の形態では基板105とし
てガラス基板を用いる。
層には、基板105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、酸化窒化シリコン膜などから選ばれた一または複数
の膜により形成することができる。
よびエッチング工程により形成される。該導電膜としては、モリブデン、チタン、クロム
、タンタル、タングステン、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形成することができる。さらに、リン等の不
純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体を用いてもよい。その構造
は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。また、該導電膜としてアルミニウ
ムまたは銅を用いる場合は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と
組み合わせて用いると良い。なお、該導電膜の形成にはスパッタリング法、真空蒸着法、
またはCVD法などを用いることができる。
形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用し
ないため、製造コストを低減できる。なお、ゲート電極111の端部をテーパ形状とする
と、後に形成されるゲート絶縁膜107の被覆性が向上するため好ましい。フォトリソグ
ラフィ工程を用いる場合は、レジストマスクを後退させつつエッチングすることでテーパ
形状とすることができる。
プラズマCVD法やスパッタリング法などを用いて形成することができる。また、酸化シ
リコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウ
ム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハ
フニウム膜、酸化タンタル膜、または酸化ガリウム膜などから選ばれた一または複数の膜
により単層または積層として形成することができる。本実施の形態では、ゲート絶縁膜1
07として、酸化シリコン膜をスパッタリング法にて形成する。なお、該スパッタリング
法で酸化シリコンを形成する際は、基板を加熱しながら行うこともできる。
ゲート絶縁膜107を形成する前処理として、ゲート電極111が形成された基板105
を予備加熱し、基板105に吸着している水素、水分などの不純物を脱離させることが好
ましい。また、予備加熱室に設ける排気手段は、後述する吸着型の真空ポンプとすること
が好ましい。また、該予備加熱は、ソース電極115aおよびドレイン電極115bまで
形成した基板105に対して行っても良い。なお、この予備加熱の処理は省略することも
できる。
上30nm以下の酸化物半導体膜129を形成する。
元系酸化物半導体および多元系酸化物半導体を形成することができる。なお、本実施の形
態では、スパッタリング法を用いてIn−Ga−Zn−O系の酸化物半導体を形成する。
組成比がIn2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1[mol数比]である酸化物ター
ゲットを用いることができる。また、このターゲットの材料および組成に限定されず、例
えば、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:2[mol数比]、またはIn2O3
:Ga2O3:ZnO=1:1:4[mol数比]の組成比を有する酸化物ターゲットを
用いてもよい。
物ターゲットを用いるスパッタリング法により形成することとする。
さらに好ましくは99.9%以上とする。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いる
。
ンに代表されるような希ガスのみのガス雰囲気とする。具体的には、例えば、水素、水、
水酸基、水素化物などの不純物が、濃度1ppm以下(望ましくは濃度10ppb以下)
にまで除去された高純度ガス雰囲気を用いるのが好適である。
保持し、基板105の温度が100℃以上550℃未満、好ましくは200℃以上400
℃以下となるように基板105を加熱してもよいし、基板105の温度を室温(15℃以
上35℃以下)としてもよい。さらに、処理室内の水分を除去しつつ、水素や水などが除
去された高純度ガスを導入し、上記ターゲットを用いて酸化物半導体膜129を形成する
ことが好ましい。基板105を加熱しながら酸化物半導体膜129を形成することにより
、酸化物半導体膜に含まれる不純物を低減することができる。また、スパッタによる損傷
を軽減することができる。なお、処理室内の水素や水分を除去するためには、吸着型の真
空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブ
リメーションポンプなどを用いることができる。また、ターボポンプにコールドトラップ
を加えたものを用いてもよい。クライオポンプなどを用いて排気することで、処理室から
水素や水などを除去することができるため、酸化物半導体膜129中の不純物濃度を低減
できる。
離が60mm、圧力が0.4Pa、直流(DC)電力が0.5kW、雰囲気がアルゴン(
アルゴン100%)雰囲気の条件である。なお、パルス直流(DC)電源を用いると、パ
ーティクルを低減でき、膜厚分布も均一となるため好ましい。酸化物半導体膜129の厚
さは、1nm以上50nm以下、好ましくは1nm以上30nm以下、より好ましくは1
nm以上10nm以下とする。酸化物半導体膜129をこの厚さで形成することにより、
微細化に伴う短チャネル効果を抑制することが可能である。ただし、適用する酸化物半導
体材料や、半導体装置の用途などにより適切な厚さは異なるため、用いる材料や用途など
に応じて、酸化物半導体膜129の厚さは、適宜選択することもできる。
導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁膜107の表面に付着して
いるパーティクルを除去することで、ゲート絶縁膜107と酸化物半導体膜129との界
面における抵抗を低減することができる。逆スパッタとは、アルゴン雰囲気下で基板にR
F電源を用いて電圧を印加し基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。
なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを用いてもよい。また、アルゴン雰囲
気に酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行っても良い。さらに、アルゴン雰囲気に塩
素、四フッ化炭素などを加えた雰囲気で行っても良い。なお、上記実施の形態で説明した
ように、酸化物半導体膜を形成する際は、アルゴン雰囲気で行うことが好ましい。ここま
での工程を図2(A)に示す。
膜130を形成する。酸化物半導体膜129を結晶化させるために600℃以上で熱処理
をする。この熱処理は、酸化物半導体膜129の酸素欠損に酸素を補填させながら結晶化
させるため、大気中もしくは酸素を含むガス雰囲気中で行うのが好ましく、ここでは大気
雰囲気下で650℃、1時間の熱処理を行う。
の不純物(例えば、水素、水および水酸基など)を除去することができる。つまり、結晶
性の高い酸化物半導体膜130の水素濃度は、第1の熱処理によって低減し、結晶性の高
い酸化物半導体膜130のバンドギャップ中のドナー準位または欠陥準位を低減すること
ができる。
輻射によって、熱処理をする装置であればよい。例えば、熱処理装置は、電気炉や、GR
TA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp
Rapid Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Ther
mal Anneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、
メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウム
ランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、熱処理をす
る装置である。GRTA装置は、高温のガスにより、熱処理をする装置である。また、エ
キシマレーザ等のレーザ照射により、熱処理をすることができる。上記熱処理工程により
、結晶性の高い酸化物半導体膜130を得ることができる。この工程を図2(B)に示す
。
型に限りなく近い酸化物半導体膜130を形成する。さらに、トランジスタにi型(真性
半導体)またはi型に限りなく近い酸化物半導体膜130を用いることで、該トランジス
タを特性の優れたトランジスタとすることができる。
さらに、第1の熱処理は、一回に限らず複数回行っても良い。
単層の酸化物半導体膜130としているが、トランジスタのチャネル領域に用いる酸化物
半導体膜は、実施の形態2で説明した結晶化した積層の酸化物半導体膜とすることができ
る。
より島状の酸化物半導体膜131に加工する。なお、該フォトリソグラフィ工程に用いる
レジストマスクは、インクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェッ
ト法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
膜130の加工と同時に行うことができる。
もよく、両方を用いてもよい。例えば、酸化物半導体膜130のウェットエッチングに用
いるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸とを混合させた溶液、アンモニア過水(3
1重量%過酸化水素水:28重量%アンモニア水:水=5:2:2(体積比))などを用
いることができる。また、ITO07N(関東化学社製)を用いてもよい。
ソース電極およびドレイン電極上に絶縁膜を形成した後、などのタイミングにおいて行う
ことができる。
aおよびドレイン電極115b(同時に形成できる配線を含む)となる導電膜を形成する
。ソース電極115aおよびドレイン電極115bに用いる導電膜としては、ゲート電極
111で説明したものを用いることができる。本実施の形態では導電膜としてチタン膜を
用いる。
チングを行ってソース電極115aおよびドレイン電極115bを形成した後、レジスト
マスクを除去する(図2(C)参照。)。
ーザ光やArFレーザ光を用いるとよい。なお、トランジスタのチャネル長は、ソース電
極層とドレイン電極層の間隔によって決定される。このため、チャネル長が25nm未満
のトランジスタの作製に用いるマスク形成時の露光には、数nm〜数10nmと波長の短
い超紫外線(Extreme Ultraviolet)を用いるのが望ましい。超紫外
線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、トランジスタのチャネル長を
、10nm以上1000nm(1μm)以下とすることも可能であり、回路の動作速度を
高めることが可能である。また、微細化によって、半導体装置の消費電力を低減すること
も可能である。
階調マスクによって形成されたレジストマスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。
多階調マスクを用いて形成されたレジストマスクは異なる厚さの領域を有し、エッチング
を行うことでさらに形状を変形することができるため、異なるパターンに加工するための
複数のエッチング工程に用いることができる。よって、一枚の多階調マスクによって、少
なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを形成することができる
。これにより、露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も
削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
グの際には、島状の酸化物半導体膜131がエッチングにより分断されることのないよう
に、エッチング条件を最適化することが望まれる。しかしながら、該導電膜のみをエッチ
ングし、島状の酸化物半導体膜131を全くエッチングしないという条件を得ることは難
しく、該導電膜のエッチングの際に、島状の酸化物半導体膜131の一部がエッチングさ
れ溝部(凹部)が形成されることもある。
、ウェットエッチング、ドライエッチングのいずれを用いても良い。なお、素子の微細化
という観点からはドライエッチングを用いるのが好適である。エッチングガスやエッチン
グ液については被エッチング材料に応じて適宜選択することができる。本実施の形態では
、導電膜としてチタン膜を用い、島状の酸化物半導体膜131にはIn−Ga−Zn−O
系酸化物半導体を用いているため、例えばウェットエッチングを適用する場合には、エッ
チャントとしてアンモニア過水(アンモニア、水、過酸化水素水の混合液)を用いること
ができる。
島状の酸化物半導体膜131の表面に付着した水素や水などを除去するのが望ましい。
ドレイン電極115b上に絶縁膜116を形成する。絶縁膜116を形成する際、少なく
とも1nm以上の膜厚とし、絶縁膜116に水や水素等の不純物を混入させないように形
成することが望ましい。絶縁膜116の形成方法の一例として、スパッタリング法を大気
に触れない条件で行うことである。絶縁膜116に水素が含まれると、その水素が島状の
酸化物半導体膜131へ侵入することや、島状の酸化物半導体膜131中の酸素が水素に
よって引き抜かれるなど、島状の酸化物半導体膜131のバックチャネル領域が低抵抗化
(n型化)して、島状の酸化物半導体膜131に寄生チャネル領域が形成されるおそれが
ある。そこで、絶縁膜116には、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニ
ウム膜、または酸化窒化アルミニウム膜など、酸素を含む絶縁膜を用いることが望ましい
。
ング法を用いて、基板の温度を100℃として形成する。なお、基板を加熱しながら形成
することができ、該基板の温度は、室温(25℃)以上300℃以下とすることができる
。酸化シリコン膜の形成は、希ガス(代表的にはアルゴン)雰囲気下、酸素ガス雰囲気下
、または希ガスと酸素ガスの混合ガス雰囲気下において行うことが好ましく、ターゲット
としては、酸化シリコンターゲットまたはシリコンターゲットを用いることができる。さ
らに、酸化シリコン膜を形成する際に用いるガスは、水素や水などの不純物が除去された
高純度ガスであることが望ましい。
れる不純物の濃度を低減するために、スパッタリング法で形成する際には、吸着型の真空
ポンプ(クライオポンプなど)を用いて、処理室内の残留水分を除去しておくことが好ま
しい。
、第1の熱処理と同じ装置を用いることができる。また、加熱温度が高いほど、光照射ま
たはBTストレスが与えられることによるしきい値電圧(Vth)の変化量は抑制される
。しかし、加熱温度を320℃より高くするとオン特性の低下が生じるため、加熱温度は
、200℃以上450℃以下、望ましくは250℃以上350℃以下とする。例えば、窒
素雰囲気下で250℃、1時間の熱処理を行えばよい。第2の熱処理を行うことによって
、トランジスタの電気的特性の変動(ばらつき)を抑えることができる。また、絶縁膜1
16には酸素を含むことから、第1の熱処理と同様に絶縁膜116から酸化物半導体膜1
31へ酸素が供給されることにより、島状の酸化物半導体膜131の酸素欠損を補填する
。
熱処理を酸素雰囲気下にて行うのであれば、第2の熱処理のタイミングはこれに限定され
ない。例えば、第1の熱処理に続けて第2の熱処理を行っても良い。さらに、第1の熱処
理に第2の熱処理を兼ねさせることで、第2の熱処理を省略することもできる。しかし、
第2の熱処理を不活性ガス雰囲気下で行うのであれば、絶縁膜116の形成後に行うこと
が必要である。
の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化し、i型(真性)化またはi型に
限りなく近い酸化物半導体膜とすることができる。
)参照。)。保護絶縁膜106は、水素や水などの、外部からの侵入を防止する。保護絶
縁膜106としては、例えば、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜などを用いることが
できる。形成方法は特に限定されないが、RFスパッタリング法は量産性優れているため
、保護絶縁膜106の形成方法として適している。
時間以上30時間以下の条件で、熱処理を行ってもよい。
、トランジスタ110における電界効果移動度の向上が可能である。
どと適宜組み合わせて用いることができる。
する。
GZOと記述。)を、基板加熱せずにスパッタリング法を用いて形成した。なお、IGZ
Oのターゲット組成はIn2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1[mol数比]であ
り、形成時の印加電圧と印加圧力は0.5kwと0.4Paである。
件5の5通りとした。
(条件1)
アルゴン:酸素=45sccm:0sccm
(条件2)
アルゴン:酸素=35sccm:10sccm
(条件3)
アルゴン:酸素=25sccm:20sccm
(条件4)
アルゴン:酸素=15sccm:30sccm
(条件5)
アルゴン:酸素=5sccm:40sccm
処理を行った。
e法にて測定した。図3に熱処理後のXRDスペクトルのガス流量比依存性を示す。横軸
はX線回折角2θを表し、縦軸はX線回折強度を表している。XRDスペクトルは結晶格
子面からのX線反射強度を表し、スペクトルのピーク強度が大きく半値幅が狭いほど結晶
性が高いことを示す。なお、結晶格子面とX線回折角はそれぞれ対応しており、結晶構造
および結晶格子面が異なれば、XRDスペクトルが現れる位置(回折角2θ)は異なる。
)で形成したIGZO膜のXRDスペクトルでは2θ=28〜32°、42°、47°、
57°付近に鋭いピークが観測されるが、条件2乃至条件5で形成したIGZO膜のXR
Dスペクトルではブロードなピークしか観測されないことが確認された。なお、図3の括
弧書きの数字は入射X線が反射した格子面を表す。これにより条件1のように酸素流量が
0sccmで酸素原子が欠乏する条件では結晶化が進んでいるが、酸素ガスを供給する条
件(条件2乃至条件5)で形成されたIGZO膜は、結晶化が進んでいないと確認できた
。
てc軸配向しながら結晶成長していることが確認された。
ZO膜を大気雰囲気中で熱処理することによって、結晶性の高いIGZO膜を形成するこ
とができる。
て説明する。本実施例では、積層した酸化物半導体膜の結晶性について説明する。
In−Ga−Zn−O系酸化物半導体を、基板加熱せずにスパッタリング法で5nm形成
した。なお、1st−IGZOのターゲット組成はIn2O3:Ga2O3:ZnO=1
:1:1[mol数比]であり、印加電圧と印加圧力は0.5kwと0.4Paである。
また、形成中に供給したガス種および流量はアルゴン:酸素=30sccm:15scc
mとした。
GZO膜を結晶化させた。
ZO膜と記述。)としてIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体を、基板加熱せずにスパッ
タリング法で50nm形成した。また、2nd−IGZO膜を形成する際に供給するガス
種および流量を条件6乃至条件9の4通りとした。2nd−IGZOのターゲットおよび
、印加電圧と印加圧力は1st−IGZO膜の条件と同じである。以後、1st−IGZ
O膜および2nd−IGZO膜を、「積層IGZO膜」と記載する。
アルゴン:酸素=45sccm:0sccm
(条件7)
アルゴン:酸素=35sccm:10sccm
(条件8)
アルゴン:酸素=25sccm:20sccm
(条件9)
アルゴン:酸素=15sccm:30sccm
の熱処理を行った。
e法にて測定した。図4にXRDスペクトルのガス流量比依存性を示す。横軸はX線回折
角2θを表し、縦軸はX線回折強度を表している。XRDスペクトルは結晶格子面からの
X線反射強度を表し、スペクトルのピーク強度が大きく半値幅が狭いほど結晶性が高いこ
とを示す。なお、結晶格子面とX線回折角はそれぞれ対応しており、結晶構造および結晶
格子面が異なれば、XRDスペクトルが現れる位置(回折角2θ)は異なる。
付近に(009)面に対応するピークが観察されることから、これらの積層IGZO膜は
結晶化していると確認された。さらに、酸素流量が0sccmの条件6(アルゴン:酸素
=45sccm:0sccm)で形成した積層IGZO膜のXRDスペクトルは、条件7
乃至条件9で形成した積層IGZO膜のXRDスペクトルのピークよりも強度が高いこと
が確認された。これは酸素流量が0sccmの条件6(アルゴン:酸素=45sccm:
0sccm)で形成したIGZO膜が条件7乃至条件9で形成した積層IGZO膜よりも
結晶性が高いことを示している。
対してc軸配向しながら結晶成長していることが確認された。
した積層IGZO膜を大気雰囲気下で熱処理することによって、結晶性の高い積層IGZ
O膜を形成することができる。また、酸素を含む雰囲気にて形成した1st−IGZO膜
は、酸素を意図的に含ませない雰囲気で2nd−IGZO膜を形成し、その後酸素を含む
雰囲気で熱処理を行うことで、該1st−IGZO膜の結晶性も向上させることができる
。
102 第1の酸化物半導体膜
103 第2の酸化物半導体膜
104 第2の酸化物半導体膜
121 第1の酸化物半導体膜
105 基板
106 保護絶縁膜
107 ゲート絶縁膜
110 トランジスタ
111 ゲート電極
115a ソース電極
115b ドレイン電極
116 絶縁膜
129 酸化物半導体膜
130 酸化物半導体膜
131 酸化物半導体膜
Claims (1)
- 第1の酸化物半導体膜と、第2の酸化物半導体膜との積層構造を有する酸化物半導体膜であって、
前記第1の酸化物半導体膜は、Inと、Gaと、Znと、を有し、
前記第2の酸化物半導体膜は、Inと、Gaと、Znと、を有し、
前記積層構造を有する酸化物半導体膜は、基板上に設けられ、
前記積層構造を有する酸化物半導体膜は、前記基板に対してc軸に配向した領域を有し、かつ、out−of−plane法を用いたX線回折測定において、(009)面のピークのみを示すことを特徴とする積層構造を有する酸化物半導体膜。
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