JP2019102793A - 酸化物半導体薄膜、薄膜トランジスタ及びスパッタリングターゲット - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の酸化物半導体薄膜は、In、Zn及びFeを含み、In、Zn及びFeの合計原子数に対し、Inの原子数が20atm%以上89atm%以下、Znの原子数が10atm%以上79atm%以下、Feの原子数が0.2atm%以上2atm%以下である。本発明は、当該酸化物半導体薄膜を有する薄膜トランジスタを含む。当該薄膜トランジスタの光照射による閾値電圧シフトとしては、2V以下が好ましい。当該薄膜トランジスタのキャリア移動度としては、20cm2/Vs以上が好ましい。
【選択図】図1
Description
図1に示す当該薄膜トランジスタは、例えば次世代の大型ディスプレイや可撓性ディスプレイ等の表示装置の製造に用いることができる。当該薄膜トランジスタは、基板Xの表面に形成されたボトムゲート型のトランジスタである。当該薄膜トランジスタは、ゲート電極1、ゲート絶縁膜2、酸化物半導体薄膜3、ESL(Etch Stop Layer)保護膜4、ソース及びドレイン電極5、パッシベーション絶縁膜6、並びに導電膜7を有する。
基板Xとしては、特に限定されないが、例えば表示装置に用いられる基板を挙げることができる。このような基板Xとしては、ガラス基板やシリコーン樹脂基板等の透明基板を挙げることができる。上記ガラス基板に用いられるガラスとしては、特に限定されず、例えば無アルカリガラス、高歪点ガラス、ソーダライムガラス等を挙げることができる。また、基板Xとしてステンレス薄膜等の金属基板、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等の樹脂基板を用いることもできる。
ゲート電極1は、基板Xの表面に形成され、導電性を有する。ゲート電極1を構成する薄膜としては、特に限定されないが、Al合金やAl合金の表面にMo、Cu、Tiなどの薄膜や合金膜を積層したものを用いることができる。
ゲート絶縁膜2は、ゲート電極1を覆うように基板Xの表面側に積層される。ゲート絶縁膜2を構成する薄膜としては、特に限定されないが、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、Al2O3やY2O3等の金属酸化物膜などが挙げられる。また、ゲート絶縁膜2は、これら薄膜の単層構造であってもよく、2種以上の薄膜を積層した多層構造であってもよい。
当該酸化物半導体薄膜3は、それ自体が本発明の別の実施形態である。当該酸化物半導体薄膜3は、In、Zn、Feを含む。当該酸化物半導体薄膜3は、金属元素としてIn、Zn、Fe以外に不可避的不純物を含む。すなわち、当該酸化物半導体薄膜3は、実質的にIn、Zn、Fe以外の金属元素を含まない。
ESL保護膜4は、ソース及びドレイン電極5をエッチングにより形成する際に当該酸化物半導体薄膜3が損傷を受けて当該薄膜トランジスタの特性が低下することを抑止する保護膜である。ESL保護膜4を構成する薄膜としては、特に限定されないが、シリコン酸化膜が好適に用いられる。
ソース及びドレイン電極5は、ゲート絶縁膜2及びESL保護膜4の一部を覆うと共に、当該薄膜トランジスタのチャネルの両端で当該酸化物半導体薄膜3と電気的に接続する。このソース電極5a及びドレイン電極5bの間には、ゲート電極1及びソース電極5a間の電圧並びにソース電極5a及びドレイン電極5b間の電圧に応じて、当該薄膜トランジスタのドレイン電流が流れる。
パッシベーション絶縁膜6は、ゲート電極1、ゲート絶縁膜2、当該酸化物半導体薄膜3、ESL保護膜4、ソース電極5a及びドレイン電極5bを覆い、当該薄膜トランジスタの特性が劣化することを防ぐ。パッシベーション絶縁膜6を構成する薄膜としては、特に限定されないが、水素の含有量により比較的シート抵抗の制御が容易であるシリコン窒化膜が好適に用いられる。また、シート抵抗の制御性をさらに高めるためにパッシベーション絶縁膜6は、例えばシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との2層構造としてもよい。
導電膜7は、パッシベーション絶縁膜6に開けられたコンタクトホール8を介してドレイン電極5bに接続される。この導電膜7により当該薄膜トランジスタからドレイン電流を取得する配線が構成される。
当該薄膜トランジスタのキャリア移動度(電子移動度)の下限としては、20cm2/Vsが好ましく、23cm2/Vsがより好ましく、30cm2/Vsがさらに好ましい。当該薄膜トランジスタのキャリア移動度が上記下限未満であると、当該薄膜トランジスタのスイッチング特性が低下するおそれがある。一方、当該薄膜トランジスタのキャリア移動度の上限としては、特に限定されないが、通常当該薄膜トランジスタのキャリア移動度は100cm2/Vs以下である。
当該薄膜トランジスタは、例えばゲート電極成膜工程、ゲート絶縁膜成膜工程、酸化物半導体薄膜成膜工程、ESL保護膜成膜工程、ソース及びドレイン電極成膜工程、パッシベーション絶縁膜成膜工程、導電膜成膜工程及びポストアニール処理工程を備える製造方法により製造することができる。
ゲート電極成膜工程では、基板Xの表面にゲート電極1を成膜する。
ゲート絶縁膜成膜工程では、ゲート電極1を覆うように基板Xの表面側にゲート絶縁膜2を成膜する。
酸化物半導体薄膜成膜工程では、ゲート絶縁膜2の表面で、かつゲート電極1の直上に当該酸化物半導体薄膜3を成膜する。具体的には、基板Xの表面に酸化物半導体層を積層した後、この酸化物半導体層をパターニングすることにより、当該酸化物半導体薄膜3を形成する。
具体的には、まず例えば公知のスパッタリング装置を用いて、スパッタリング法により基板Xの表面に酸化物半導体層を積層する。スパッタリング法を用いることで、その成分や膜厚の面内均一性に優れた酸化物半導体層を容易に形成することができる。
次に、この酸化物半導体層をパターニングすることにより、当該酸化物半導体薄膜3を形成する。酸化物半導体薄層のパターニングの方法としては、特に限定されないが、例えばフォトリソグラフィを行った後に、ウエットエッチングを行う方法を用いることができる。
ESL保護膜成膜工程では、当該酸化物半導体薄膜3の表面でソース及びドレイン電極5が形成されない部分にESL保護膜4を成膜する。
ソース及びドレイン電極成膜工程では、当該薄膜トランジスタのチャネル両端で当該酸化物半導体薄膜3と電気的に接続するソース電極5a及びドレイン電極5bを成膜する。
パッシベーション絶縁膜成膜工程では、当該薄膜トランジスタを覆うパッシベーション絶縁膜6を成膜する。
導電膜成膜工程では、コンタクトホール8を介してドレイン電極5bに電気的に接続する導電膜7を成膜する。
ポストアニール処理工程は、最終の熱処理を行う工程である。この熱処理により当該酸化物半導体薄膜3とゲート絶縁膜2との界面や、当該酸化物半導体薄膜3とESL保護膜4との界面に形成されたトラップ準位の密度を低減できる。これにより当該薄膜トランジスタの光照射による閾値電圧シフトを低減できる。
当該酸化物半導体薄膜3は、In、Zn及びFeの合計原子数に対し、Inの原子数を20atm%以上89atm%以下、Znの原子数を10atm%以上79atm%以下とし、Feの原子数を0.2atm%以上とするので、高い光ストレス耐性を有する。また、当該酸化物半導体薄膜3は、Feの原子数が2atm%以下とするので、当該酸化物半導体薄膜3を用いて薄膜トランジスタを形成した際のキャリア移動度が高い。さらに、当該酸化物半導体薄膜3は、Gaを含む必要がないので、製造コストを低減できる。
本発明の酸化物半導体薄膜、薄膜トランジスタ及びスパッタリングターゲットは、上記実施形態に限定されるものではない。
ガラス基板(コーニング社製の「EagleXG」、直径6インチ、厚さ0.7mm)を用意し、まずこのガラス基板の表面にMo薄膜を平均厚さが100nmとなるように成膜した。成膜条件は基板温度25℃(室温)、成膜パワー密度3.8W/cm2、圧力0.266Pa、及びキャリアガスArとした。Mo薄膜を成膜後、パターニングによりゲート電極を形成した。
用いるスパッタリングターゲットのIn、Zn及びFeの合計原子数に対するIn、Zn及びFeの原子数、すなわち形成される酸化物半導体薄膜のIn、Zn及びFeの合計原子数に対するIn、Zn及びFeの原子数、並びにプレアニール及びポストアニールの温度を表1のように変化させた以外は、実施例1と同様にして、実施例2〜15及び比較例1〜7の薄膜トランジスタを得た。
実施例1〜15及び比較例1〜7の薄膜トランジスタに対して、キャリア移動度、閾値電圧、閾値電圧シフト及びS値の測定を行った。
キャリア移動度は、上記静特性の飽和領域での電界効果移動度μFE[m2/Vs]とした。この電界効果移動度μFE[m2/Vs]は、ゲート電圧Vg[V]、閾値電圧Vth[V]、ドレイン電流Id[A]、チャネル長L[m]、チャネル幅W[m]、ゲート絶縁膜の容量Cox[F]とするとき、上記静特性の飽和領域(Vg>Vd−Vth)において、以下の式(3)に示すμFE[m2/Vs]により算出した。結果を表1に示す。
閾値電圧は、トランジスタのドレイン電流が10−9Aとなるゲート電圧を上記薄膜トランジスタの静特性から算出した値とした。結果を表1に示す。
S値は、上記静特性からドレイン電流を1桁上昇させるのに必要なゲート電圧の変化量を算出し、その最小値とした。結果を表1に示す。
閾値電圧シフトは、基板温度60℃で、薄膜トランジスタのソース電圧を0V、ドレイン電圧を10V、ゲート電圧を−10Vに固定し、薄膜トランジスタに白色LED(PHILIPTS社製の「LXHL−PW01」)を2時間照射し、照射前後の閾値電圧の差の絶対値として算出した。この数値が小さいほど光ストレス耐性が高いと言える。結果を表1に示す。
上述の測定結果をもとに、以下の判定基準で総合判定を行った。結果を表1に示す。
A:キャリア移動度が20m2/Vs以上、かつ閾値電圧シフトが2V以下であり、次世代大型ディスプレイや可撓性ディスプレイに好適である。
B:キャリア移動度が20m2/Vs以上、かつ閾値電圧シフトが2V超4V以下であり、次世代大型ディスプレイや可撓性ディスプレイに用いることができる。
C:キャリア移動度が20m2/Vs未満、又は閾値電圧シフトが4V超であり、次世代大型ディスプレイや可撓性ディスプレイに用いることができない。
2 ゲート絶縁膜
3 酸化物半導体薄膜
4 ESL保護膜
5 ソース及びドレイン電極
5a ソース電極
5b ドレイン電極
6 パッシベーション絶縁膜
7 導電膜
8 コンタクトホール
X 基板
Claims (5)
- In、Zn及びFeを含み、
In、Zn及びFeの合計原子数に対し、
Inの原子数が20atm%以上89atm%以下、
Znの原子数が10atm%以上79atm%以下、
Feの原子数が0.2atm%以上2atm%以下
である酸化物半導体薄膜。 - 請求項1に記載の酸化物半導体薄膜を有する薄膜トランジスタ。
- 光照射による閾値電圧シフトが2V以下である請求項2に記載の薄膜トランジスタ。
- キャリア移動度が20cm2/Vs以上である請求項2又は請求項3に記載の薄膜トランジスタ。
- 酸化物半導体薄膜の形成に用いられるスパッタリングターゲットであって、
In、Zn及びFeを含み、
In、Zn及びFeの合計原子数に対し、
Inの原子数が20atm%以上89atm%以下、
Znの原子数が10atm%以上79atm%以下、
Feの原子数が0.2atm%以上2atm%以下
であるスパッタリングターゲット。
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