JP2018060858A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子および半導体素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor element and a method for manufacturing a semiconductor element.
近年、絶縁基板上にソース、ドレインおよびゲート等の各電極、ならびにゲート絶縁層、チャネル層などを成膜することにより構成された薄膜トランジスタ等の半導体素子が注目されている。そのような半導体素子は、例えば、電気光学装置のような各種電子デバイス等に適用することができる。 2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor elements such as thin film transistors that are formed by forming electrodes such as a source, a drain, and a gate, a gate insulating layer, a channel layer, and the like on an insulating substrate have attracted attention. Such a semiconductor element can be applied to various electronic devices such as an electro-optical device.
一般に、n型チャネル層は電子密度が低く、ソース/ドレイン電極として用いられる金属を直接接触させた場合には、接触電気抵抗が大きくなってしまうため、チャネル層とソース/ドレイン電極の間にはコンタクト層と呼ばれる電子密度の高い層が設けられることが多い。同様に、p型チャネル層は正孔密度が低いので、コンタクト層として正孔密度の高い層が設けられる。これらのコンタクト層を形成するためには、イオン注入法など、高価な設備を用いる必要がある。コンタクト層には、正のゲートバイアス下でチャネル層内に誘起される電子起因の電流(以下、オン電流という)が低減せず、負のゲートバイアス下でチャネル層内に誘起される正孔起因の電流(以下、オフ電流という)が低減されることが求められる。 In general, an n-type channel layer has a low electron density, and when a metal used as a source / drain electrode is brought into direct contact, the contact electric resistance increases, so that there is a gap between the channel layer and the source / drain electrode. A layer having a high electron density called a contact layer is often provided. Similarly, since the p-type channel layer has a low hole density, a layer having a high hole density is provided as a contact layer. In order to form these contact layers, it is necessary to use expensive equipment such as an ion implantation method. The contact layer does not reduce the current caused by electrons induced in the channel layer under a positive gate bias (hereinafter referred to as on-current), but is caused by holes induced in the channel layer under a negative gate bias. Current (hereinafter referred to as off-state current) is required to be reduced.
現在、液晶ディスプレイのバックプレーンとして利用されている水素化アモルファスシリコンTFT(a−Si:H−TFT)においては、コンタクト層として、リンなどの5族元素をドープし電子密度を高めたn+−a−Si:Hが使用されている。 Currently, hydrogenated amorphous silicon TFT, which is used as a back plane of a liquid crystal display: In (a-Si H-TFT) , as a contact layer, n + with enhanced doped electron density group V element such as phosphorus - a-Si: H is used.
また、特許文献1には、接触電気抵抗を小さくするためにコンタクト層としてカルシウム原子およびアルミニウム原子を含む非晶質酸化物のエレクトライドの薄膜を用いた半導体素子が提案されている。
Further,
非特許文献1、2には、チャネル層としてシリコン系薄膜を使用した半導体素子において、コンタクト層としてエレクトライドの薄膜を用いることにより、オフ電流が低減されることが示されている。
半導体素子を作製するためには、所定の膜を成膜後、フォトリソ工程、エッチング工程により所望の形状にパターニングする必要がある。エッチングは大きく2種類に分類され、1つは気体と被パターニング膜との反応を利用するドライエッチング、もう1つは液体と被パターニング膜との反応を利用するウェットエッチングである。生産性を考慮するとウェットエッチングが好ましい。 In order to manufacture a semiconductor element, it is necessary to form a predetermined film and then pattern it into a desired shape by a photolithography process and an etching process. Etching is roughly classified into two types, one is dry etching that uses the reaction between the gas and the film to be patterned, and the other is wet etching that uses the reaction between the liquid and the film to be patterned. Considering productivity, wet etching is preferable.
しかし、コンタクト層としてn+−a−Si:Hが使用される場合、n+−a−Si:Hは難溶解性材料であるため、ウェットエッチングをするためには硝酸、フッ酸などを含むエッチング液が必要となる。そのようなエッチング液はガラス基板などのn+−a−Si:H以外の部材も溶解してしまうという問題がある。 However, when n + -a-Si: H is used as the contact layer, since n + -a-Si: H is a hardly soluble material, nitric acid and hydrofluoric acid are included for wet etching. Etching solution is required. Such an etching solution has a problem that members other than n + -a-Si: H such as a glass substrate also dissolve.
また、コンタクト層としてエレクトライドの薄膜が使用される場合、エレクトライドの薄膜は耐酸性が低いため、ウェットエッチングを行う際に所望の形状よりも多くエッチングされてしまうおそれがある。 In addition, when an electride thin film is used as the contact layer, the electride thin film has low acid resistance, and thus may be etched more than desired in wet etching.
本発明は、接触電気抵抗を小さくでき、オン電流が低減せずオフ電流が低減され、かつ、耐酸性が高い半導体素子、およびその製造方法を提供する。 The present invention provides a semiconductor element that can reduce the contact electrical resistance, reduce the on-current without reducing the on-current, and has high acid resistance, and a method for manufacturing the same.
本発明の半導体素子は、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、およびチャネル層を有する半導体素子であって、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の片方または双方と前記チャネル層との間に、酸化物基準のモル百分率表示でZnOを50〜95%含む酸化物薄膜を有することを特徴とする。
The semiconductor element of the present invention is a semiconductor element having a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, and a channel layer,
Between the one or both of the source electrode and the drain electrode and the channel layer, an oxide thin film containing 50 to 95% ZnO in terms of oxide-based molar percentage is provided.
本発明の半導体素子の製造方法は、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、およびチャネル層を有する半導体素子の製造方法であって、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の片方または双方と前記チャネル層との間に、酸化物基準のモル百分率表示で50〜95%のZnOを含有する酸化物薄膜を形成するステップ(a)
を有することを特徴とする。
A method for manufacturing a semiconductor element of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor element having a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, and a channel layer,
Forming an oxide thin film containing 50 to 95% ZnO in terms of oxide-based mole percentage between one or both of the source electrode and the drain electrode and the channel layer (a)
It is characterized by having.
本発明は、接触電気抵抗を小さくでき、オン電流が低減せずオフ電流が低減され、かつ、耐酸性が高い半導体素子を実現した。また、そのような半導体素子を製造する方法を実現した。 The present invention realizes a semiconductor element that can reduce the contact electric resistance, reduce the on-current without reducing the on-current, and has high acid resistance. In addition, a method for manufacturing such a semiconductor device has been realized.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について詳しく説明する。以下本明細書において数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Hereinafter, in the present specification, “˜” indicating a numerical range is used in the sense of including the numerical values described before and after the numerical value as a lower limit value and an upper limit value.
まず、本発明の一実施形態に係る半導体素子について説明する。 First, a semiconductor element according to an embodiment of the present invention will be described.
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体素子100を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a
図1に示すように、半導体素子100は、基板110と、チャネル層105と、ソース電極120と、ドレイン電極122と、ゲート電極124と、ゲート絶縁層130を有する。
As shown in FIG. 1, the
ゲート電極124は、基板110の上部に配置される。ゲート電極124の上部には、ゲート絶縁層130を介して、チャネル層105が配置される。ソース電極120およびドレイン電極122は、チャネル層105の上部に配置される。
The
ソース電極120およびドレイン電極122の片方または双方とチャネル層105との間には、酸化物薄膜150が配置されている。ソース電極120とチャネル層105の間に、第1の酸化物薄膜150aが配置され、ドレイン電極122とチャネル層105の間に、第2の酸化物薄膜150bが配置されている。第1の酸化物薄膜150aおよび第2の酸化物薄膜150bの一方は、省略されてもよい。
An oxide
図1に示した半導体素子100は、いわゆるボトムゲート構造−トップコンタクト方式で構成されている。この例では、ゲート電極124は、チャネル層105の下側に配置され(ボトムゲート構造)、ソース電極120およびドレイン電極122は、チャネル層105の上側に配置されている(トップコンタクト方式)。しかし、半導体素子を構成する各部材の配置構造は、これに限定されない。トップゲート構造−ボトムコンタクト方式であってもよく、ボトムゲート構造−トップコンタクト方式であってもよく、ボトムゲート構造−ボトムコンタクト方式であってもよい。
The
ここで、半導体素子100を構成する各部材について説明する。
Here, each member which comprises the
本実施形態において、基板110の材質は、ガラス基板からなる。しかし、これに限定されない。セラミック基板、プラスチック基板、および樹脂基板等の絶縁基板であってもよい。
In the present embodiment, the material of the
ゲート電極124は、Al金属とMo金属の2層構造である。しかし、導電性を有する限り特に限定されない。Al金属を成膜した後にMo金属を成膜することにより、Al金属が劣化しにくく、ゲート電極124の耐久性がよい。また、Mo金属のみの単層構造と比べて導電性がよい。ゲート電極124は、例えば、Al、Ag、Au、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、およびWから選ばれた元素、またはこれらの元素を成分とする金属もしくは合金であってもよい。ゲート電極124は、例えば、ITO、アンチモン酸化物(Sb2O3)、ジルコニウム酸化物(ZrO2)、スズ酸化物(SnO2)、亜鉛酸化物(ZnO)、IZO(Indium Zinc Oxide)、AZO(ZnO−Al2O3:アルミニウムがドーピングされた亜鉛酸化物)、GZO(ZnO−Ga2O3:ガリウムがドーピングされた亜鉛酸化物)、NbドープTiO2、TaドープTiO2、およびIWZO(In2O3−WO3−ZnO:三酸化タングステンおよび酸化亜鉛がドーピングされたインジウム酸化物)等の金属酸化物材料で構成されてもよい。また、ゲート電極124は、可視光を透過する程度に薄くした金属を用いて、透明電極としてもよい。また、ゲート電極124は、単層であってもよく、複数の金属、合金または金属酸化物材料等による2以上の層から構成されてもよい。
The
ゲート絶縁層130は、酸化ケイ素である。しかし、これに限定されない。窒化ケイ素、窒素を含む酸化ケイ素および酸素を含む窒化ケイ素などの無機絶縁材料や、アクリルやポリイミドなどの有機絶縁材料で構成されてもよい。
The
あるいは、ゲート絶縁層130は、珪素と酸素との結合で骨格構造が構成され、置換基として少なくとも水素を含む有機基(例えばアルキル基、アリール基)、フルオロ基を有する材料、いわゆるシロキサン系の材料で構成されてもよい。また、ゲート絶縁層130は、単層であっても、2以上の層から構成されてもよい。
Alternatively, the
チャネル層105のは、シリコン系半導体のアモルファスシリコン(a−Si:H)である。しかし、これに限定されない。例えば、シリコンやゲルマニウムなどのIV族半導体および有機半導体など、一般的な半導体材料で構成されてもよい。また、結晶質の半導体に限らず、非晶質半導体(アモルファス半導体)でもよく、非晶質と結晶質とを含む状態であってもよい。
The
シリコン系半導体としては、アモルファスシリコン(a−Si:H)、低温ポリシリコン(LTPS)等が挙げられる。 Examples of the silicon-based semiconductor include amorphous silicon (a-Si: H), low-temperature polysilicon (LTPS), and the like.
有機半導体としては、例えば、多環芳香族化合物、共役二重結合化合物、マクロ環化合物、金属フタロシアニン錯体、電荷移動錯体、縮合環テトラカルボン酸ジイミド類、オリゴチオフェン類、フラーレン類、カーボンナノチューブ、などが挙げられる。例えばポリピロール、ポリチオフェン、ポリ(3−アルキルチオフェン)、ポリチエニレンビニレン、ポリ(p−フェニレンビニレン)、ポリアニリン、ポリジアセチレン、ポリアズレン、ポリピレン、ポリカルバゾール、ポリセレノフェン、ポリフラン、ポリ(p−フェニレン)、ポリインドール、ポリビリダジン、ナフタセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、ピレン、クリセン、ペリレン、コロネン、テリレン、オバレン、クオテリレン、トリフェノジオキサジン、トリフェノジリアジン、ヘキサセン−6,15−キノン、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレンスルフィド、ポリビニレンスルフィド、ポリビニルピリジン、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、アントラセンテトラカルボン酸ジイミド、C60、C70、C76、C78、C84、およびこれらの誘導体を用いることができる。また、これらの具体例としては、一般的にP型半導体とされるペンタセン、テトラセン、α−セキシチオフェン(6T)、銅フタロシアニン、ビス(1,2,5−チアジアゾロ)−p−キノビス(1,3−ジチオール)、ルブレン、ポリ(2,5−チエニレンビニレン)(略称:PTV)、ポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)(略称:P3HT)、(ポリ[(9,9−ジオクチルフルオレニル−2,7−ジイル)−co−ビチオフェン])(略称:F8T2)等がある。また、一般にN型半導体とされる7,7,8,8,−テトラシアノキノジメタン(略称:TCNQ)ペリレン−3,4,9,10−テトラカルボン酸二無水物(略称:PTCDA)、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物(略称:NTCDA)、N,N'−ジオクチル−3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸ジイミド(略称:PTCDI−C8H)、銅(II)1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25−フキサデカフルオロ−29H,31H−フタロシアニン(略称:F16CuPc)、3',4'−ジブチル−5,5''−ビス(ジシアノメチレン)−5,5''−ジヒドロ−2,2':5',2''−テルチオフェン)(略称: DCMT)等がある。なお、有機半導体においてP型やN型の特性は、その物質固有のものではなく、キャリアを注入する電極との関係や注入の際の電界の強度に依存する。 Examples of organic semiconductors include polycyclic aromatic compounds, conjugated double bond compounds, macrocyclic compounds, metal phthalocyanine complexes, charge transfer complexes, condensed ring tetracarboxylic acid diimides, oligothiophenes, fullerenes, carbon nanotubes, etc. Is mentioned. For example, polypyrrole, polythiophene, poly (3-alkylthiophene), polythienylene vinylene, poly (p-phenylene vinylene), polyaniline, polydiacetylene, polyazulene, polypyrene, polycarbazole, polyselenophene, polyfuran, poly (p-phenylene) , Polyindole, polybilidazine, naphthacene, tetracene, pentacene, hexacene, heptacene, pyrene, chrysene, perylene, coronene, terylene, ovalene, quaterylene, triphenodioxazine, triphenodiliadine, hexacene-6,15-quinone, polyvinylcarbazole, polyphenylene Sulfide, polyvinylene sulfide, polyvinyl pyridine, naphthalene tetracarboxylic acid diimide, anthracene tetracarboxylic acid diimide, C6 , C70, C76, C78, C84, and can be used derivatives thereof. Specific examples thereof include pentacene, tetracene, α-sexithiophene (6T), copper phthalocyanine, bis (1,2,5-thiadiazolo) -p-quinobis (1), which are generally P-type semiconductors. , 3-dithiol), rubrene, poly (2,5-thienylenevinylene) (abbreviation: PTV), poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (abbreviation: P3HT), (poly [(9,9 -Dioctylfluorenyl-2,7-diyl) -co-bithiophene]) (abbreviation: F8T2). In addition, 7,7,8,8, -tetracyanoquinodimethane (abbreviation: TCNQ) perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic dianhydride (abbreviation: PTCDA), which is generally an N-type semiconductor, 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride (abbreviation: NTCDA), N, N′-dioctyl-3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid diimide (abbreviation: PTCDI-C8H), copper (II) 1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-Foxadecafluoro-29H, 31H-phthalocyanine (abbreviation: F16CuPc) 3 ′, 4′-dibutyl-5,5 ″ -bis (dicyanomethylene) -5,5 ″ -dihydro-2,2 ′: 5 ′, 2 ″ -terthiophene) (abbreviation: DCMT), etc. There is. Note that the P-type and N-type characteristics of an organic semiconductor are not unique to the substance, but depend on the relationship with the electrode into which carriers are injected and the strength of the electric field at the time of injection.
チャネル層105は、仕事関数が3.5eV以上であってもよく、4.0eV以上であってもよい。また、仕事関数は7.0eV以下であってもよく、5.0eV以下であってもよい。
The
チャネル層105は、電子密度が109cm−3以上であってもよく、1015cm−3以上あってもよい。また、電子密度は1019cm−3以下であってもよく、1018cm−3以下であってもよい。
The
ソース電極120およびドレイン電極122は、Mo金属とAl金属の2層構造である。しかし、導電性を有する限り特に限定されない。Mo金属を成膜した後にAl金属を成膜することにより、後述する酸化物薄膜105とMo金属が接触するため、酸化物薄膜105とソース電極120およびドレイン電極122との接触抵抗がAl金属のみの単層構造と比べて小さい。ソース電極120およびドレイン電極122は、例えば、Al、Ag、Cr、Cu、Nb、Nd、Ta、Ti、Mo、およびWから選ばれた元素、またはこれらの元素を成分とする金属もしくは合金であってもよい。また、ウェットエッチングによりパターニングできることが好ましい。
The
本発明の一実施形態に係る半導体素子100は、ソース電極120およびドレイン電極122の片方または双方とチャネル層105との間に、酸化物基準のモル百分率表示で50%〜95%のZnOを含有する酸化物薄膜150を有する。酸化物基準のモル百分率表示で50%〜95%のZnOを含有する酸化物薄膜を有することにより、接触電気抵抗を小さくすることができ、オン電流が低下せずにオフ電流が低減される。また、酸化物薄膜150が適度な耐酸性を有するため、ウェットエッチングを行う際に酸化物薄膜150が所望の形状よりも多くエッチングされにくい。図1の例では、ソース電極120とチャネル層105の間に、第1の酸化物薄膜150aが配置されていることにより、ソース電極120とチャネル層105の界面の接触電気抵抗を小さくすることができる。同様に、ドレイン電極122とチャネル層105の間に、第2の酸化物薄膜150bが配置されていることにより、ドレイン電極122とチャネル層105の界面の接触電気抵抗を小さくすることができる。 オフ電流は、負のゲートバイアス下でチャネル層内に誘起される正孔に由来する電流が原因の1つと考えられる。チャネル層105がシリコンで構成される場合、価電子帯の上端は、真空準位から約5eVであり、チャネル層105がゲルマニウムで構成される場合、価電子帯の上端は、真空準位から約4.5eV程度である。一方、酸化物薄膜150の価電子帯の上端は、真空準位から6〜9eVである。よって、酸化物薄膜150とチャネル層105との界面では、価電子帯の上端で、1〜4eVのエネルギー障壁が生じる。正孔は価電子帯の上端またはその近傍を伝搬するため、チャネル層105から酸化物薄膜150への正孔の輸送が抑制される結果、オフ電流を低減することができる。これを正孔ブロック効果という。
The
本発明の一実施形態に係る半導体素子100は、酸化物薄膜150のZnOの含有量が酸化物基準のモル百分率で50%〜95%である。50%以上であれば、電子密度が高くなり、チャネル層との接触電気抵抗を低くすることができる。ZnOの含有量は酸化物基準のモル百分率で70%以上がより好ましく、75%以上がさらに好ましい。ZnOの含有量が95%以下であれば、酸化物薄膜150の耐酸性が向上し、ウェットエッチングのエッチングレートが制御しやすくなり、酸化物薄膜150を所望の形状に形成しやすい。ZnOの含有量は酸化物基準のモル百分率で90%以下がより好ましく、85%以下がさらに好ましい。
In the
酸化物薄膜150は、酸化物基準のモル百分率でSnO2を5〜50%含むことが好ましい。SnO2の含有量が5%以上であれば、酸化物薄膜150の電子密度が高くなり、チャネル層との接触電気抵抗を低くすることができる。SnO2の含有量は10%以上がより好ましく、15%以上がさらに好ましい。SnO2の含有量が50%以下であれば、ウェットエッチングのエッチングレートが制御しやすくなり、酸化物薄膜150を所望の形状に形成しやすい。SnO2の含有量は33%以下がより好ましく、25%以下がさらに好ましい。
The oxide
また、酸化物薄膜150は、ZnOとSnO2の含有量の合量が酸化物基準のモル百分率表示で55〜100%であることが好ましい。ZnOとSnO2の含有量の合量が55%以上であれば、半導体素子のオン電流が低下しにくい。ZnOとSnO2の含有量の合量は70%以上がより好ましく、80%以上がさらに好ましい。ZnOとSnO2の含有量の合量が95%以下であれば、非晶質になりやすく結晶粒界によるリーク電流がないため、正孔ブロック効果を大きくすることができ、オフ電流が低減される。ZnOとSnO2の含有量の合量は90%以下がより好ましく、85%以下がさらに好ましい。
In addition, the oxide
また、酸化物薄膜150は、酸化物基準のモル百分率表示でZnOの含有量をSnO2の含有量で除した値ZnO/SnO2が0.01〜0.19であることが好ましい。ZnO/SnO2が0.01以上であれば、耐酸性が強くなりすぎず、ウェットエッチングにより酸化物薄膜150を所望の形状に形成することができる。ZnO/SnO2は0.015以上がより好ましく、0.023以上がさらに好ましい。ZnO/SnO2が0.19以下であれば、耐酸性が弱くなりすぎず、ウェットエッチングにより酸化物薄膜150が溶けすぎないため、酸化物薄膜150が所望の形状よりも多くエッチングされにくい。ZnO/SnO2は0.09以下がより好ましく、0.057以下がさらに好ましい。
In addition, the oxide
また、酸化物薄膜150は、酸化物基準のモル百分率でGa2O3を5〜50%含むことが好ましい。Ga2O3の含有量が5%以上であれば、酸化物薄膜150の電子密度が高くなり、チャネル層との接触電気抵抗を低くすることができる。Ga2O3の含有量は10%以上がより好ましく、15%以上がさらに好ましい。Ga2O3の含有量が50%以下であれば、酸化物薄膜をウェットエッチングしやすい。Ga2O3の含有量は33%以下がより好ましく、25%以下がさらに好ましい。
The
また、酸化物薄膜150は、酸化物基準のモル百分率でSiO2とGeO2を合量で5〜50%含むことが好ましい。SiO2とGeO2の合量が5%以上であれば、酸化物薄膜150が非晶質化しやすく、結晶粒界によるリーク電流がないため正孔ブロック効果を大きくすることができ、オフ電流が低減される。SiO2とGeO2の合量は10%以上がより好ましく、15%以上がさらに好ましい。SiO2とGeO2の合量が50%以下であれば、電子密度の高い膜が得られる。SiO2とGeO2の合量は30%以下がより好ましく、20%以下がさらに好ましい。
The
酸化物薄膜150の電気抵抗率は、1×10−1Ωcm〜1×105Ωcmであることが好ましい。酸化物薄膜150の電気抵抗率が1×10−1Ωcm以上であれば、負のゲートバイアス下での正孔の流れが抑制され、オフ電流を小さく抑えることができる。電気抵抗率は1Ωcm以上がより好ましく、10Ωcm以上がさらに好ましい。電気抵抗率が105Ωcm以下であれば、正のゲートバイアス下で電流を十分に流すことができる。電気抵抗率は104Ωcm以下がより好ましく、103Ωcm以下がさらに好ましい。
The electrical resistivity of the oxide
酸化物薄膜150の厚みは、1nm〜500nmであることが好ましい。酸化物薄膜150の厚みが1nm以上であれば、酸化物薄膜150のピンホールが少ない。酸化物薄膜150の厚みは、10nm以上がより好ましく、100nm以上がさらに好ましい。酸化物薄膜150の厚みが500nm以下であれば、例えば、フォトリソグラフィーなどにより高精度にパターニングすることが出来る。酸化物薄膜150の厚みは、400nm以下がより好ましく、300nm以下がさらに好ましい。
The thickness of the oxide
酸化物薄膜150は、Nb2O5、TiO2、Al2O3、Bi2O3、Ta2O5、ZrO2、HfO2から1種類以上を含んでもよい。これらの成分を含むことによって化学的耐久性が向上する。
The oxide
酸化物薄膜150の電子密度は、1×1014cm−3〜1×1020cm−3であることが好ましい。電子密度が1×1014cm−3以上であれば、酸化物薄膜150とチャネル層105との接触抵抗が小さい。電子密度は1×1014cm−3以上がより好ましく、1×1016cm−3以上がさらに好ましい。電子密度が1×1020cm−3以下であれば、酸化物薄膜150がチャネル層105とヘテロ接合を形成し、オフ電流を抑制できる。電子密度は1×1019cm−3以下がより好ましく、1×1018cm−3以下がさらに好ましい。
The electron density of the oxide
次に、本発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法について説明する。ここでは、気相成長法を用いて成膜する。 Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described. Here, the film is formed using a vapor deposition method.
ここで、「気相成長法」とは、物理気相成膜(PVD)法および化学気相成膜(CVD)法を含む、気化された原料を基板上に堆積させる成膜方法を意味する。PVD法には、、真空蒸着法、分子線エピタキシー法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、レーザー堆積(アブレーション)法が含まれる。CVD法には、熱CVD法、光CVD法,プラズマCVD法、常圧CVD(AP−CVD)、減圧CVD(LP−CVD)、有機金属化学気相成長法(MO−CVD)が含まれる。 Here, the “vapor deposition method” means a film deposition method for depositing vaporized raw materials on a substrate, including a physical vapor deposition (PVD) method and a chemical vapor deposition (CVD) method. . The PVD method includes a vacuum deposition method, a molecular beam epitaxy method, a sputtering method, an ion plating method, and a laser deposition (ablation) method. The CVD method includes a thermal CVD method, a photo CVD method, a plasma CVD method, an atmospheric pressure CVD (AP-CVD), a low pressure CVD (LP-CVD), and a metal organic chemical vapor deposition method (MO-CVD).
図2は、本発明の一実施形態に係る半導体素子100を製造する際のフロー図である。図2に示した本発明の一実施形態に係る半導体素子100の製造方法は、
ゲート電極を形成するステップ(ステップS510)と、
チャネル層を形成するステップ(ステップS520)と、
酸化物基準のモル百分率表示で50〜95%のZnOを含有する酸化物薄膜を形成するステップ(ステップS530)と、
ソース電極およびドレイン電極を形成するステップ(ステップS540)と、
を有する。
FIG. 2 is a flowchart for manufacturing the
Forming a gate electrode (step S510);
Forming a channel layer (step S520);
Forming an oxide thin film containing 50-95% ZnO in oxide-based mole percentage display (step S530);
Forming a source electrode and a drain electrode (step S540);
Have
以下、各ステップについて詳細に説明する。なお、以下の説明では、明確化のため、各部材には、図1に示した参照符号を使用する。 Hereinafter, each step will be described in detail. In the following description, the reference numerals shown in FIG. 1 are used for the respective members for the sake of clarity.
(ステップS510)
まず、基板110上に、ゲート電極124が形成される。ゲート電極124の形成には、従来実施されている各種方法が利用できる。例えば、ゲート電極124は、スパッタリング法および蒸着法等により形成されてもよい。ゲート電極124を形成する導電層を成膜後に、膜のフォトリソグラフィー処理およびエッチング処理等を行うことにより、ゲート電極124を形成することができる。
(Step S510)
First, the
(ステップS520)
次に、ゲート電極124を覆うように、ゲート絶縁膜130が形成される。
(Step S520)
Next, a
ゲート絶縁膜130は、ディップ法、スピンコート法、液滴吐出法、キャスト法、スピ
ナー法、印刷法などの塗布法や、CVD法、スパッタリング法などの方法によって成膜してもよい。
The
その後、ゲート絶縁膜130上に、チャネル層105が成膜される。
Thereafter, the
チャネル層105の成膜方法は、特に限定されず、従来実施されている方法で、ゲート絶縁膜130上にチャネル層105を成膜してもよい。チャネル層105がアモルファスシリコン等の非晶質半導体の場合、CVDなどにより、ゲート絶縁膜130上に成膜される。
The method for forming the
成膜されたチャネル層105は、例えば、フォトリソグラフィー処理およびエッチング処理を行うことにより、所望の形状とすることができる。
The formed
(ステップS530)
次に、チャネル層105の上に、酸化物基準のモル百分率表示で50〜95%のZnOを含有する酸化物薄膜150が成膜される。この薄膜は、後に、第1の薄膜150aおよび/または第2の薄膜150bとなる。
(Step S530)
Next, an oxide
酸化物薄膜150の成膜は、
Znを含有するターゲットを準備する工程(S531)と、
前記ターゲットを用いて、気相成長法により、チャネル層上に成膜を行う工程(S532)と、
により行われる。
The formation of the oxide
Preparing a target containing Zn (S531);
A step of forming a film on the channel layer by a vapor phase growth method using the target (S532);
Is done.
(ステップS531)
まず、以降の工程S132で使用される成膜用のターゲットが準備される。
(Step S531)
First, a deposition target used in the subsequent step S132 is prepared.
ターゲットは、Znを45〜98%含有することが好ましい。Znは金属でもよいし、酸化物でもよい。相対密度は95%以上が好ましい。形状は平板状でもよいし、円筒型でもよい。 The target preferably contains 45 to 98% of Zn. Zn may be a metal or an oxide. The relative density is preferably 95% or more. The shape may be flat or cylindrical.
得られたターゲットは、次工程で酸化物薄膜150を成膜する際の原料ソースとして使用される。
The obtained target is used as a raw material source when the oxide
(ステップS532)
次に、前述の工程S531において作製されたターゲットを用いて、気相成長法により、チャネル層上に成膜が行われる。
(Step S532)
Next, film formation is performed on the channel layer by a vapor deposition method using the target manufactured in the above-described step S531.
気相成長法の中でも、特に、スパッタリング法が好ましい。スパッタリング法では、大面積領域に、比較的均一に薄膜を成膜することができる。 Of the vapor phase growth methods, the sputtering method is particularly preferable. In the sputtering method, a thin film can be formed relatively uniformly in a large area.
ここでは、DC(直流)スパッタリング法が適用される。しかし、これに限定されず、公知のスパッタリング法を適用できる。高周波スパッタリング法、ヘリコン波スパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、およびマグネトロンスパッタリング法等のいずれでもよい。 Here, a DC (direct current) sputtering method is applied. However, the method is not limited to this, and a known sputtering method can be applied. Any of a high-frequency sputtering method, a helicon wave sputtering method, an ion beam sputtering method, and a magnetron sputtering method may be used.
酸化物薄膜を成膜する際の被成膜基板の温度は、特に限定されず、室温から例えば700℃までの範囲の、いかなる温度を採用してもよい。ただし、蒸着源の輻射熱によって、被成膜基板の温度が「付随的に」上昇する場合はあり得る。例えば、被成膜基板の温度は、200℃以上であってもよく、300℃以上であってもよい。被成膜基板の温度が200℃以上であれば、酸化物薄膜150の電子密度を高くすることができる。被成膜基板の温度が300℃以上であれば、より電子密度を高くすることができる。また、被成膜基板の温度は、500℃以下であってもよく、400℃以下であってもよく、200℃以下であってもよい。被成膜基板の温度が500℃以下であれば、酸化物薄膜150とチャネル層105の間に化学反応が生じにくい。
The temperature of the deposition target substrate when forming the oxide thin film is not particularly limited, and any temperature in the range from room temperature to 700 ° C. may be employed. However, there may be a case where the temperature of the deposition target substrate rises “incidentally” due to the radiant heat of the vapor deposition source. For example, the temperature of the deposition target substrate may be 200 ° C. or higher, or 300 ° C. or higher. When the temperature of the deposition substrate is 200 ° C. or higher, the electron density of the oxide
被成膜基板を「積極的に」加熱しない場合、基板の材料として、例えばガラスやプラスチックのような、700℃を超える高温側で耐熱性が低下する材料を使用することが可能になる。 When the film formation substrate is not “positively” heated, it is possible to use a material whose heat resistance is lowered on the high temperature side exceeding 700 ° C., such as glass or plastic, for example.
スパッタガスは、Ar(アルゴン)およびO2(酸素)を用いた。しかし、これに限定されず、希ガスに微量の酸素源を加えたものであればよい。希ガスとしては、He(ヘリウム)、Ne(ネオン)、Ar(アルゴン)、Kr(クリプトン)、およびXe(キセノン)が挙げられる。酸素源としては、O2(酸素)およびCO2(二酸化炭素)などが挙げられる。このとき、ターゲットが酸化物の場合のスパッタガス中の酸素源としては、O2を用いることがより好ましく、O2の濃度は0.01%〜0.5%が好ましい。ターゲットが金属の場合は、スパッタガス中の酸素源としては、CO2を用いることがより好ましく、CO2の濃度は10%〜60%が好ましい。 Ar (argon) and O 2 (oxygen) were used as the sputtering gas. However, the present invention is not limited to this, and it is sufficient if a trace amount oxygen source is added to a rare gas. Examples of the rare gas include He (helium), Ne (neon), Ar (argon), Kr (krypton), and Xe (xenon). Examples of the oxygen source include O 2 (oxygen) and CO 2 (carbon dioxide). At this time, it is more preferable to use O 2 as the oxygen source in the sputtering gas when the target is an oxide, and the concentration of O 2 is preferably 0.01% to 0.5%. When the target is a metal, it is more preferable to use CO 2 as the oxygen source in the sputtering gas, and the concentration of CO 2 is preferably 10% to 60%.
スパッタガスの圧力(スパッタ装置のチャンバ内の圧力)は0.05Pa〜10Paの範囲が好ましく、0.1Pa〜5Paがより好ましく、0.2Pa〜3Paがさらに好ましい。この範囲であれば、スパッタガスの圧力が低すぎることがないため、プラズマが安定になる。また、スパッタガスの圧力が高すぎることがないため、イオン衝撃が増えることによる基板の温度上昇を抑制することができる。 The pressure of the sputtering gas (pressure in the chamber of the sputtering apparatus) is preferably in the range of 0.05 Pa to 10 Pa, more preferably 0.1 Pa to 5 Pa, and further preferably 0.2 Pa to 3 Pa. If it is this range, since the pressure of sputtering gas will not be too low, plasma will become stable. Further, since the pressure of the sputtering gas is not too high, an increase in the temperature of the substrate due to an increase in ion bombardment can be suppressed.
以上、DCスパッタリング法を例に、前記酸化物薄膜を成膜する方法について、簡単に説明した。しかしながら、前記酸化物薄膜の成膜方法は、これに限定されるものではなく、前述の2つの工程(工程S131およびS132)を適宜変更する、あるいは各種工程を追加してもよいことは明らかである。 Heretofore, the method for forming the oxide thin film has been briefly described by taking the DC sputtering method as an example. However, the method for forming the oxide thin film is not limited to this, and it is obvious that the above-described two steps (steps S131 and S132) may be appropriately changed or various steps may be added. is there.
このような方法で、パターン化されたチャネル層105の上部に、酸化物薄膜150が成膜される。さらに、連続して、ソース電極120およびドレイン電極122となる導電層が形成される。
In this way, the oxide
(ステップS540)
次に、酸化物薄膜150の上にソース電極120およびドレイン電極122が形成される。ソース電極120およびドレイン電極122は、これらを形成する導電層を成膜後に、膜のフォトリソグラフィー処理およびエッチング処理等を行うことにより、形成することができる。これに限定されず、ソース電極120およびドレイン電極122の形成には、従来実施されている各種方法が利用できる。
(Step S540)
Next, the
ここで、ソース電極120およびドレイン電極122と酸化物薄膜150とは、同じレジストパターンでパターニングされてもよい。エッチング処理は、ウェットエッチングによりソース電極120、ドレイン電極122および酸化物薄膜150を一度にエッチングしてもよいし、ソース電極120、ドレイン電極122および酸化物薄膜150、それぞれでエッチャントを変えて別々にエッチングしてもよい。例えば、リン酸・硝酸・酢酸の混酸でソース電極120およびドレイン電極122をウェットエッチングし、酸化物薄膜150を塩酸やフッ酸でウェットエッチングしてもよい。また、ソース電極120およびドレイン電極122をドライエッチングし、酸化物薄膜150をウェットエッチングしてもよい。この場合、酸化物薄膜150はドライエッチングによるエッチングを防ぐエッチストッパ層として機能するため、ソース電極120およびドレイン電極122をドライエッチングしたときに、チャネル層105はエッチングされにくい。
Here, the
ウェットエッチングはドライエッチングに比べると真空装置などを使用しないため製造プロセスが簡素である。また、チャネル層105はエッチングせず、酸化物薄膜150は所望の形状にエッチングできるエッチング液を選択することにより、チャネル層105がエッチングされないため、チャネル層105が従来に比べ薄くてもよく、結果的に半導体素子100のオン電流を大きくすることができる。このようなエッチング液として、例えば、リン酸、酢酸、硝酸を混合したPAN(Phosphoric−Acetic−Nitric−acid)系エッチング液が挙げられる。さらに、酸化物薄膜150は、酸化物であり正孔ブロック効果があるため、半導体素子100のオフ電流を小さくできる。
Compared with dry etching, wet etching does not use a vacuum apparatus or the like, and thus the manufacturing process is simple. Further, since the
半導体素子100は、パターン化した後に熱処理することが好ましい。熱処理温度は、100℃以上が好ましく、200℃以上がより好ましい。被膜および被成膜基板の耐えられる温度以下とし、700℃以下が好ましい。チャネル層105がa−Si:Hの場合は、a−Si:Hの脱水素を防ぐため、熱処理温度は350℃以下が好ましい。所定の温度における保持時間は、1分〜2時間であってもよく、10分〜1時間であってもよい。雰囲気は、大気、窒素、希ガス、水素のいずれであってもよく、これらの混合ガスであってもよい。パターン化するときなどにチャネル層105や酸化物薄膜150が損傷した場合に、熱処理をすることにより損傷が回復される。
The
以上の工程により、半導体素子100を製造することができる。
The
なお、以上の記載では、図1に示した半導体素子100を例に、本発明による半導体素子を製造する方法の一例について説明した。
In the above description, an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention has been described using the
しかしながら、各ステップの順番はこれに限定されない。すなわち、図2に示した各ステップの順番を変更して半導体素子を製造してもよい。 However, the order of each step is not limited to this. That is, the semiconductor element may be manufactured by changing the order of the steps shown in FIG.
また、本発明の半導体素子に用いられる基板、電極、チャネル層のすべてを透明な材料とすることで透明な半導体素子を製造することができる。 Moreover, a transparent semiconductor element can be manufactured by making all the board | substrates, electrodes, and channel layers used for the semiconductor element of this invention into a transparent material.
以下、実施例をあげて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例に限定されない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
図3は、酸化物薄膜を評価するための積層体300を概略的に示した断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a
ZnOを酸化物基準のモル百分率表示で50〜90%含有する酸化物薄膜330を含む積層体300を作製し、電流電圧特性(I−V特性)を評価した。
A
まず、低抵抗の(4×10−3Ωcm)P型シリコン基板310の上に、半導体薄膜320を厚み50nmとなるようにPECVDにより成膜した。次に、薄膜330を厚み30nmとなるように成膜し、さらにメタルマスクを用いて電極340として2mm四方のMoをスパッタ成膜した。最後に、裏面電極350としてAlを成膜した。半導体薄膜320および薄膜330は表1に示すものであり、例1〜例4の4種類の積層体300を作製した。
First, a semiconductor
P型a−Si:Hは、280℃、133Paの条件下で、反応ガスとしてSiH4、H2、B2H6を用いてPECVDにより成膜された。また、I型a−Si:Hは、280℃、40Paの条件下で、反応ガスとしてSiH4を用いてPECVDにより成膜された。N型a−Si:Hは、280℃、133Paの条件下で、反応ガスとしてSiH4、H2、PH3を用いてPECVDにより成膜された。85mol%ZnO/15mol%SnO2薄膜は、モル百分率表示でZnOを85%、SnO2を15%含むスパッタリングターゲットにより、スパッタ成膜された。 P-type a-Si: H was formed by PECVD under conditions of 280 ° C. and 133 Pa using SiH 4 , H 2 and B 2 H 6 as reaction gases. In addition, I-type a-Si: H was formed by PECVD using SiH 4 as a reaction gas under the conditions of 280 ° C. and 40 Pa. N-type a-Si: H was formed by PECVD under the conditions of 280 ° C. and 133 Pa using SiH 4 , H 2 , and PH 3 as reaction gases. 85mol% ZnO / 15mol% SnO 2 thin film is 85% of ZnO in a molar percentage display, the sputtering target containing SnO 2 15%, was formed by sputtering.
作製した積層体300を大気中で250℃60分間熱処理し、I−V特性を測定した。
The produced
図4および図5は、I−V特性の測定結果である。例3の電流値は例4と同程度で、例1の電流値は例2よりも1桁程度小さかった。半導体薄膜320がI型a−Si:Hである例3と例4は、本発明の半導体素子100に正のゲート電圧を印加した場合を模擬している。例3と例4の電流値がほぼ同等であるということは、85mol%ZnO/15mol%SnO2薄膜をコンタクト層として配置した半導体素子のオン電流は、n+−a−Si:Hをコンタクト層として配置した半導体素子のオン電流と、チャネル層105の厚さが同じであれば同等になることを意味している。ここで、n+−a−Si:Hをコンタクト層として用いる場合、上述したようにn+−a−Si:Hは難溶解性材料であるため、ウェットエッチングをするためには硝酸、フッ酸などを混合した溶液が必要となり、ガラス基板などのn+−a−Si:H以外の部材も溶解してしまうという問題がある。85mol%ZnO/15mol%SnO2薄膜をコンタクト層として配置した半導体素子は、85mol%ZnO/15mol%SnO2薄膜が難溶解性材料ではなく、ガラス基板などの部材を溶解させずにウェットエッチングできるため、n+−a−Si:Hをコンタクト層として用いる場合よりもチャネル層を薄くすることができ、例3と例4のI−V特性の結果から、n+−a−Si:Hをコンタクト層として用いる場合よりもオン電流が大きくなることがわかる。
4 and 5 are measurement results of IV characteristics. The current value of Example 3 was about the same as Example 4, and the current value of Example 1 was about an order of magnitude smaller than Example 2. Examples 3 and 4 in which the semiconductor
また、半導体薄膜320がP型a−Si:Hである例1と例2は、本発明の半導体素子100に負のゲート電圧を印加した場合を模擬している。例1の電流が例2よりも小さいことから、85mol%ZnO/15mol%SnO2薄膜を本発明の半導体素子100に配置したとき、オフ電流を低減できると考えられる。
Examples 1 and 2 in which the semiconductor
次に、本発明の半導体素子100の耐酸性が高いことを示すために、無アルカリガラス基板上に表2に示す薄膜を成膜し、薄膜のエッチングレートを測定した。
Next, in order to show that the
例5は実施例であり、例6は比較例である。 Example 5 is an example and Example 6 is a comparative example.
例5の85mol%ZnO/15mol%SnO2薄膜は、例6の非晶質C12A7エレクトライド薄膜よりもエッチングレートが遅く、耐酸性が高い。 The 85 mol% ZnO / 15 mol% SnO 2 thin film of Example 5 has a slower etching rate and higher acid resistance than the amorphous C12A7 electride thin film of Example 6.
例6の非晶質エレクトライド薄膜は、エッチングレートが速く耐酸性が低いため、ウェットエッチングを行う際に所望の形状よりも多くエッチングされてしまうおそれがある。 Since the amorphous electride thin film of Example 6 has a high etching rate and low acid resistance, it may be etched more than desired in wet etching.
本発明は、例えば、電気光学素子のような各種電子デバイス等に使用される半導体素子等に適用することができる。例えば、テレビなどのディスプレイ、洗濯機や冷蔵庫などの電化製品、携帯電話やコンピュータなどの情報処理機器などの電子機器に用いることができる。また、本発明の半導体素子は、自動車や各種産業機器などが具備する電子機器にも用いることができる。 The present invention can be applied to, for example, semiconductor elements used in various electronic devices such as electro-optical elements. For example, it can be used for electronic devices such as displays such as televisions, electrical appliances such as washing machines and refrigerators, and information processing devices such as mobile phones and computers. In addition, the semiconductor element of the present invention can be used for electronic devices included in automobiles and various industrial equipment.
100 半導体素子
105 チャネル層
110 基板
120 ソース電極
122 ドレイン電極
124 ゲート電極
130 ゲート絶縁層
150a、150b ZnOを含有する酸化物薄膜
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記ソース電極および前記ドレイン電極の片方または双方と前記チャネル層との間に、酸化物基準のモル百分率表示でZnOを50〜95%含む酸化物薄膜を有することを特徴とする半導体素子。 A semiconductor element having a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, and a channel layer,
A semiconductor element comprising an oxide thin film containing 50 to 95% ZnO in terms of oxide-based mole percentage, between one or both of the source electrode and the drain electrode and the channel layer.
前記ソース電極および前記ドレイン電極の片方または双方と前記チャネル層との間に、酸化物基準のモル百分率表示で50〜95%のZnOを含有する酸化物薄膜を形成するステップ(a)
を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device having a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, and a channel layer, and having the channel layer between the source electrode and the drain electrode,
Forming an oxide thin film containing 50 to 95% ZnO in terms of oxide-based mole percentage between one or both of the source electrode and the drain electrode and the channel layer (a)
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記ゲート電極を形成するステップ(b)と、
前記チャネル層を形成するステップ(c)と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極を形成するステップ(d)と、
を有し、
前記ステップ(c)と前記のステップ(d)の間に、前記ステップ(a)を有する請求項9に記載の半導体素子の製造方法。 further,
Forming the gate electrode (b);
Forming the channel layer (c);
Forming the source electrode and the drain electrode (d);
Have
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the step (a) is provided between the step (c) and the step (d).
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