JP2016026389A - 薄膜トランジスタの半導体層用酸化物およびスパッタリングターゲット、並びに薄膜トランジスタ - Google Patents
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Abstract
Description
に正電圧または負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、しきい値電圧が大幅に変化(シフト)するが、これにより、TFTの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。特にしきい値電圧のシフトは、TFTを備えた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ため、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。
前記X群の元素としてAlを含むとき、Al/(In+Ga+Zn+Al)×100=0.1〜10原子%であり;
前記X群の元素としてSiを含むとき、Si/(In+Ga+Zn+Si)×100=0.1〜15原子%であり;
前記X群の元素としてNiを含むとき、Ni/(In+Ga+Zn+Ni)×100=0.1〜5原子%であり;
前記X群の元素としてGeを含むとき、Ge/(In+Ga+Zn+Ge)×100=0.1〜10原子%であり;
前記X群の元素としてSnを含むとき、Sn/(In+Ga+Zn+Sn)×100=0.1〜15原子%であり;
前記X群の元素としてHfを含むとき、Hf/(In+Ga+Zn+Hf)×100=0.1〜10原子%であり;
前記X群の元素としてTaを含むとき、Ta/(In+Ga+Zn+Ta)×100=0.1〜10原子%であり;
前記X群の元素としてWを含むとき、W/(In+Ga+Zn+W)×100=0.1〜10原子%である。
る。
ころに要旨を有するものである。
前記X群の元素としてSiを含むとき、Si/(In+Ga+Zn+Si)×100=0.1〜15原子%であり、
前記X群の元素としてNiを含むとき、Ni/(In+Ga+Zn+Ni)×100=0.1〜5原子%であり、
前記X群の元素としてGeを含むとき、Ge/(In+Ga+Zn+Ge)×100=0.1〜10原子%であり、
前記X群の元素としてSnを含むとき、Sn/(In+Ga+Zn+Sn)×100=0.1〜15原子%であり、
前記X群の元素としてHfを含むとき、Hf/(In+Ga+Zn+Hf)×100=0.1〜10原子%であり、
前記X群の元素としてTaを含むとき、Ta/(In+Ga+Zn+Ta)×100=0.1〜10原子%であり、
前記X群の元素としてWを含むとき、W/(In+Ga+Zn+W)×100=0.1〜10原子%である。
+Ga+Zn)に占めるInの好ましい比率は、おおむね10原子%以上70原子%以下であり、更に好ましくは25原子%以上である。また、上記金属(In+Ga+Zn)に占めるGaの好ましい比率は、おおむね25原子%以上70原子%以下である。
の元素としてSnを含むとき、Sn/(In+Ga+Zn+Sn)×100=0.1〜15原子%であることが好ましく;上記X群の元素としてHfを含むとき、Hf/(In+Ga+Zn+Hf)×100=0.1〜10原子%であることが好ましく;上記X群の元素としてTaを含むとき、Ta/(In+Ga+Zn+Ta)×100=0.1〜10原子%であることが好ましく;上記X群の元素としてWを含むとき、W/(In+Ga+Zn+W)×100=0.1〜10原子%であることが好ましい。
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、基板温度などを適切に制御することが好ましい。例えば成膜時のガス圧を低くするとスパッタ原子同士の散乱がなくなって緻密(高密度)な膜を成膜できると考えられるため、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にて2.0W/cm2以上に設
定することが推奨される。成膜時の基板温度も高い程良く、おおむね室温〜200℃の範囲内に制御することが推奨される。
化物半導体層の密度が高くなると膜中の欠陥が減少して膜質が向上し、また原子間距離が小さくなるため、TFT素子の電界効果移動度が大きく増加し、電気伝導性も高くなり、光照射に対するストレスへの安定性が向上する。上記酸化物半導体層の密度は高い程良く、より好ましくは5.9g/cm3以上であり、更に好ましくは6.0g/cm3以上である。なお、酸化物半導体層の密度は、後記する実施例に記載の方法によって測定したものである。
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。例えば図1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であっても良い。
J. Parkら、Appl. Phys. Lett., 1993,053505(2008)
前述した方法に基づき、図1に示す薄膜トランジスタ(TFT)を作製し、TFT特性およびストレス耐性を評価した。
0nm)を順次成膜した。ゲート電極は純Ti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。
基板温度:室温
ガス圧:5mTorr
酸素分圧:O2/(Ar+O2)=2%
膜厚:50〜150nm
使用ターゲットサイズ:φ4インチ×5mm
m)の積層膜(合計膜厚400nm)を用いた。上記SiO2およびSiNの形成は、サ
ムコ製「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、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Si
H4、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。
トランジスタ特性の測定はAgilent Technology社製「4156C」の半導体パラメータアナライザーを使用した。詳細な測定条件は以下のとおりである。
ソース電圧 :0V
ドレイン電圧:10V
ゲート電圧 :−30〜30V(測定間隔:1V)
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:3時間
を参照)。
化しなかったが、図3に示すようにしきい値電圧が大きく変化しており、0時間(ストレスなし)〜3時間(ストレス印加)におけるしきい値電圧シフト量は−6.2Vであった(表1を参照)。
酸化物薄膜を表2に記載の組成とした以外は、実施例1と同様にして図1に示す薄膜トランジスタ(TFT)を作製した。
トランジスタ特性の測定はAgilent Technology株式会社製「4156C」の半導体パラメータアナライザーを使用した。詳細な測定条件は以下のとおりである。
ソース電圧 :0V
ドレイン電圧:10V
ゲート電圧 :−30→30V→−30V(測定間隔:0.25V)
測定温度 :60℃
本実施例では、液晶及び有機ELディスプレイ等の表示装置のパネル駆動時の環境を模擬して、ゲート電圧を変化させながら、光を照射しなかった場合(暗状態:ストレス印加なし)と光を照射した場合(明状態:ストレス印加)のTFT特性、しきい値電圧、及びSS値(V/dec)を調べた。ストレス印加条件は以下の通りである。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。具体的な測定方法は、ゲート電圧を下記のように変化させて、光を照射しなかった場合(暗状態)と光を照射した場合(明状態)におけるId−Vg特性のヒステリシスの有無を調べた。
ゲート電圧:−30→30V→−30V(測定間隔:0.25V)
基板温度 :60℃
光照射ストレス
波長 :400nm
照度(TFTに照射される光の強度):6.5μW/cm2
光源:OPTOSUPPLY社製青色LED電球(LED電球に印加する電流を調整することで、光強度を調整)
元素=Ni)は、本発明で規定するX群元素を所定範囲で含む酸化物半導体を用いた例であり(IGZOはいずれもIn:Ga:Zn=2:2:1)、No.1に比べてしきい値電圧シフト量の絶対値が小さくなっており、且つSS値も小さくなっていた。このうち、No.2のTFT特性の結果を図14に示す。
本実施例では、表1のNo.6に対応する組成の酸化物(InGaZnO−5原子%Si、In:Ga:Zn=2:2:1)を用い、スパッタリング成膜時のガス圧を1mTorrまたは5mTorrに制御して得られた酸化物膜(膜厚100nm)の密度を測定すると共に、前述した実施例1と同様にして作成したTFTについて、移動度およびストレス試験(光照射+負バイアスを印加)後のしきい値電圧の変化量(ΔVth)を調べた。膜密度の測定法方は以下のとおりである。
酸化物膜の密度は、XRR(X線反射率法)を用いて測定した。詳細な測定条件は以下のとおりである。
・ターゲット:Cu(線源:Kα線)
・ターゲット出力:45kV−200mA
・測定試料の作製
ガラス基板上に各組成の酸化物を下記スパッタリング条件で成膜した(膜厚100nm)後、前述した実施例1のTFT製造過程におけるプレアニール処理を模擬して、当該プレアニール処理と同じ熱処理を施したしたものを使用
スパッタガス圧:1mTorrまたは5mTorr
酸素分圧:O2/(Ar+O2)=2%
成膜パワー密度:DC2.55W/cm2
熱処理:大気雰囲気にて350℃で1時間
密度は5.92g/cm3であったのに対し、ガス圧=1mTorrのとき(No.1)
の膜密度は6.11g/cm3であり、より高い密度が得られた。また、膜密度の上昇に
伴い、電界効果移動度が向上し、さらにストレス試験によるしきい値電圧シフト量ΔVthの絶対値も減少した。
2 ゲート電極
3 ゲート絶縁膜
4 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
Claims (6)
- 薄膜トランジスタの半導体層に用いられる酸化物であって、
前記酸化物は、In、Ga、およびZnよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と;Al、Si、Ni、Ge、Sn、Hf、Ta、およびWよりなるX群から選択される少なくとも一種の元素と、を含むことを特徴とする薄膜トランジスタの半導体層用酸化物。 - 前記X群の元素としてAlを含むとき、Al/(In+Ga+Zn+Al)×100=0.1〜10原子%であり、
前記X群の元素としてSiを含むとき、Si/(In+Ga+Zn+Si)×100=0.1〜15原子%であり、
前記X群の元素としてNiを含むとき、Ni/(In+Ga+Zn+Ni)×100=0.1〜5原子%であり、
前記X群の元素としてGeを含むとき、Ge/(In+Ga+Zn+Ge)×100=0.1〜10原子%であり、
前記X群の元素としてSnを含むとき、Sn/(In+Ga+Zn+Sn)×100=0.1〜15原子%であり、
前記X群の元素としてHfを含むとき、Hf/(In+Ga+Zn+Hf)×100=0.1〜10原子%であり、
前記X群の元素としてTaを含むとき、Ta/(In+Ga+Zn+Ta)×100=0.1〜10原子%であり、
前記X群の元素としてWを含むとき、W/(In+Ga+Zn+W)×100=0.1〜10原子%である請求項1に記載の酸化物。 - 請求項1または2に記載の酸化物を薄膜トランジスタの半導体層として備えた薄膜トランジスタ。
- 前記半導体層の密度は5.8g/cm3以上である請求項3に記載の薄膜トランジスタ
。 - 請求項1または2に記載の酸化物を形成するためのスパッタリングターゲットであって、In、Ga、およびZnよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と;Al、Si、Ni、Ge、Sn、Hf、Ta、およびWよりなるX群から選択される少なくとも一種の元素と、を含むことを特徴とするスパッタリングターゲット。
- 前記X群の元素としてAlを含むとき、Al/(In+Ga+Zn+Al)×100=0.1〜10原子%であり、
前記X群の元素としてSiを含むとき、Si/(In+Ga+Zn+Si)×100=0.1〜15原子%であり、
前記X群の元素としてNiを含むとき、Ni/(In+Ga+Zn+Ni)×100=0.1〜5原子%であり、
前記X群の元素としてGeを含むとき、Ge/(In+Ga+Zn+Ge)×100=0.1〜10原子%であり、
前記X群の元素としてSnを含むとき、Sn/(In+Ga+Zn+Sn)×100=0.1〜15原子%であり、
前記X群の元素としてHfを含むとき、Hf/(In+Ga+Zn+Hf)×100=0.1〜10原子%であり、
前記X群の元素としてTaを含むとき、Ta/(In+Ga+Zn+Ta)×100=0.1〜10原子%であり、
前記X群の元素としてWを含むとき、W/(In+Ga+Zn+W)×100=0.1〜10原子%である請求項5に記載のスパッタリングターゲット。
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