JP2019197798A - 酸化物半導体層を含む薄膜トランジスタ - Google Patents
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Abstract
Description
[1]基板上に少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体層、ソース・ドレイン電極、および少なくとも1層の保護膜を有する薄膜トランジスタであって、
前記酸化物半導体層を構成する金属元素がIn、Ga、Zn、およびSnを含み、前記酸化物半導体層における全金属元素の合計(In+Ga+Zn+Sn)に対する各金属元素の割合が、
In:30原子%以上45原子%以下、
Ga:5原子%以上20原子%未満、
Zn:30原子%以上60原子%以下、および
Sn:4.0原子%以上9.0原子%未満
であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
[2]前記酸化物半導体層において、全金属元素に占めるGaに対するInの割合(In/Ga)が2.5倍以上であることを特徴とする上記[1]に記載の薄膜トランジスタ。
[3]前記酸化物半導体層において、温度300℃から400℃の範囲における亜鉛の脱離量が、1cm2換算で5×10−11counts以下であることを特徴とする上記[1]または[2]に記載の薄膜トランジスタ。
[4]光誘起電流過渡分光法により、前記酸化物半導体層から検出される信号のピーク温度が85K以下であることを特徴とする上記[1]〜[3]のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタ。
In:30原子%以上45原子%以下、
Ga:5原子%以上20原子%未満、
Zn:30原子%以上60原子%以下、および
Sn:4.0原子%以上9.0原子%未満
である。
In:30原子%以上45原子%以下、
Ga:5原子%以上20原子%未満、
Zn:30原子%以上60原子%以下、および
Sn:4.0原子%以上9.0原子%未満
を満足する。
ただし、In原子数比が大き過ぎると、キャリア密度が増加しすぎてしきい値電圧が低下するなどの問題があるため、その上限を45原子%以下とする。上記In原子数比は、好ましくは43原子%以下、より好ましくは41原子%以下である。
よって、Ga原子数比が大きくなるほど、ソース・ドレイン電極としてのCu電極のエッチング加工に用いられる過酸化水素系エッチング液に対して選択比が大きくなり、ダメージを受けにくくなる。さらに、Ga原子数比が小さすぎると、薄膜トランジスタの光ストレスに対する信頼性が低下するおそれがある。
ただし、Ga原子数比が大き過ぎると、酸化物半導体薄膜の導電性が低下して移動度が低下しやすくなる。また、酸化物半導体層を形成するためのスパッタリングターゲット材の電導度が低下し、直流放電が安定して持続することが困難となる。そのため、Ga原子数比は、20原子%未満とする。上記Ga原子数比は、好ましくは18原子%以下、より好ましくは16原子%以下、更に好ましくは14原子%以下である。
ただし、Zn原子数比が大き過ぎると、ソース・ドレイン電極用エッチング液に対する酸化物半導体薄膜の溶解性が高くなる結果、ウェットエッチング耐性が劣りやすくなる。また、Inが相対的に減少するため電界効果移動度が低下したり、Gaが相対的に減少するため酸化物半導体薄膜の電気的安定性が低下しやすくなることから、その上限を60原子%以下とする。上記Zn原子数比は、好ましくは55原子%以下、より好ましくは50原子%以下、更に好ましくは46原子%以下、より更に好ましくは43原子%以下である。
一方、Sn原子数比が大き過ぎると、酸化物半導体薄膜の有機酸や無機酸のエッチング液に対する耐性が必要以上に高まり、酸化物半導体薄膜自体の加工が困難になる。また、水素拡散の影響を強く受けることで光ストレスに対する信頼性が低下する恐れがある。よって上記Sn原子数比は9.0原子%未満とする。Sn原子数比は、好ましくは8.6原子%以下、より好ましくは8.4原子%以下、更に好ましくは8.2原子%以下である。
酸化物半導体層は、スループット(Throughput)の高いスパッタ法で成膜されるため、通常、膜構造はアモルファスになると考えられている。しかし実際には、膜構造にはアモルファス構造の中にサブミクロン・レベル(ナノレベル)の結晶が分散している。酸化物の上記構造は、酸化物半導体層形成の際に、ガス圧1〜5mTorrの範囲に制御すると共に、保護膜を形成の後、200℃以上の温度で熱処理することにより得ることができる。
この理由は、酸化物半導体層中に水素が侵入してOH基が形成されると、効果的にチャネル層の酸素関連欠陥や不安定な水素関連欠陥が抑制され、安定なメタル−酸素の結合を形成することによると考えられている。なお、酸化物半導体層中のOH基の密度は、ポストアニールによって有効に制御することができる。
保護膜としては、シリコン酸化膜(SiOx膜)、SiNx膜、Al2O3やY2O3等の酸化物、これらの積層膜等が挙げられるが、保護膜が2層以上である場合には、1層目と2層目以降とは異なる成分の膜であることが好ましい。これらはCVD(Chemical Vapor Deposition)法などの従来公知の方法で形成することができる。中でも、SiNx膜を含むことが、酸化物半導体層のシート抵抗を一定範囲内で制御しやすくなることから好ましい。
厚みも特に限定されないが、ゲート電極は厚さが100〜500μmであることが電気抵抗の点から好ましく、ソース・ドレイン電極は厚さが100〜400μmであることが電気抵抗の点から好ましい。これら電極の製造方法も従来公知の方法を採用できる。
ゲート絶縁膜は通常用いられる方法により形成することができるが、例えばCVD法等が挙げられる。ゲート絶縁膜は厚さが50〜300μmであることが薄膜トランジスタの静電容量の点から好ましい。ゲート絶縁膜が2層以上の積層膜である場合には、合計の膜厚が上記範囲であることが好ましい。
本発明に係る薄膜トランジスタは、エッチストップ(ESL)型やバックチャネルエッチ(BCE)型に限らず、従来と同様の方法及び条件にて製造することができる。TFTの製造方法の一例を以下に記載するが、これらに限定されない。
基板上にスパッタリング法等によりゲート電極を形成し、パターニングを行った後、CVD法等によりゲート絶縁膜を成膜する。パターニングは通常の方法で行うことができる。また、ゲート絶縁膜の成膜において加熱される。次いで、スパッタリング法等により酸化物半導体層を成膜し、パターニングを行う。その後、プレアニール処理を行い、必要に応じてエッチストッパー層の成膜とパターニングを行う。
[薄膜トランジスタの製造]
図1を参照して薄膜トランジスタの製造方法を以下に示す。ガラス製の基板1(イーグル社製 商品名Eagle2000、直径4インチ、厚さ0.7mm)上に、ゲート電極2としてMo膜を250nm成膜し、その上にゲート絶縁膜3として、プラズマCVD法により、厚さ250nmの酸化シリコン(SiOx)膜を以下の条件で成膜した。
成膜パワー密度:0.96W/cm2
成膜温度:320℃
成膜時のガス圧:133Pa
成膜法:DC(直流)スパッタリング法
装置:株式会社アルバック製 CS200
成膜温度:室温
ガス圧:1mTorr
キャリアガス:Ar
酸素分圧:100×O2/(Ar+O2)=4体積%
成膜パワー密度:2.55W/cm2
上記純Mo膜の成膜条件を下記に示す。
投入パワー:DC300W(成膜パワー密度:3.8W/cm2)
キャリアガス:Ar
ガス圧:2mTorr
基板温度:室温
成膜パワー密度:0.32W/cm2
成膜温度:150℃
成膜時のガス圧:133Pa
その後、ポストアニールとして、窒素雰囲気で250℃、30分の熱処理を行うことで、No.1〜No.5の薄膜トランジスタをそれぞれ得た。
表1に示す組成を有する酸化物半導体層を有する薄膜トランジスタを用いてドレイン電流(Id)−ゲート電圧(Vg)特性を測定した。Id−Vg特性は、ゲート電圧、ソース−ドレイン電極の電圧を以下のように設定し、プローバーおよび半導体パラメータアナライザ(Keithley 4200SCS)を用いて測定を行った。
ソース電圧:0V
ドレイン電圧:10V
測定温度:室温
次に、それぞれの組成を有する酸化物半導体層を有する薄膜トランジスタを用い、以下のようにしてストレス耐性(ΔVth@NBTIS)の評価を行った。ストレス耐性は、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て評価した。ストレス印加条件は以下のとおりである。
ソース/ドレイン電圧:10V
基板温度:60℃
光ストレス条件
ストレス印加時間:2時間
光強度:25000NIT
光源:白色LED
ここでΔVthは、しきい値電圧のシフト量を示し、(ストレス印加2時間後におけるVth)−(ストレス印加ゼロ時間におけるVth)である。
表1の結果より、各実施例は、薄膜トランジスタに用いられる酸化物半導体層における各金属元素の組成が本発明に規定の範囲内であり、その結果、電界効果移動度が18.0cm2/Vs以上を満足し、かつ、ストレス印加試験前後のしきい値電圧(Vth)のシフト量(ΔVth)が3.5V以下を満足するものであり、高い電界効果移動度と優れたストレス耐性の両立が図られている。
上記No.1〜No.5の酸化物半導体に対し、昇温脱離ガス分析法(TDS:Thermal Desorption Spectroscopy)による分析を行った。当該TDS分析においては、Znに相当する質量電荷比M/z=64の脱離量を測定した。なお、TDS分析のための試料としてガラス基板上に膜厚40nmの各酸化物半導体層を上記と同様にしてスパッタリング法で形成したものを別途準備した。
[ポストアニール温度の違いによるΔVthへの影響]
上記No.3の酸化物半導体層を有するESL−TFT(薄膜トランジスタ)に対し、250℃でのポストアニールを実施した場合と、300℃でのポストアニールを実施した場合における、ストレス耐性(ΔVth@NBTIS)の評価結果を比較した。ストレス印加試験の条件は上記と同様である。
電界効果移動度(μsat):19.94cm2/Vs
しきい値電圧のシフト量(ΔVth):3.00V
サブスレショルド係数(SS):0.35V/dec
オン電流(Ion):5.6×10−4(A)
しきい値電圧のシフト量(ΔVth):1.75V
サブスレショルド係数(SS):0.29V/dec
オン電流(Ion):7.7×10−4(A)
上記No.3の酸化物半導体薄膜を用いたESL−TFT(薄膜トランジスタ)に対し、250℃でのポストアニールを実施した場合、270℃でのポストアニールを実施した場合、および300℃でのポストアニールを実施した場合における、PITS法(光励起電流減衰スペクトロスコピー:Photoinduced Transient Spectroscopy)による電子状態の評価を行った。なお、PITS法の詳細については、例えば特開2015−179828号公報に記載されている。具体的な測定手順は以下のとおりである。
レーザー波長:375nm
レーザーパルス幅:100ms
測定温度の範囲:80K〜400K(測定間隔:2K)
測定タイムウィンドウtw:20ms、100ms、1000ms
装置:FT−1030 HERA DLTS(Phys Tech社製)
前者は、水素関連欠陥に起因することが知られており、後者は、亜鉛関連欠陥に起因することが知られている(詳細は、Japanese Journal of Applied Physics 56, 03BB02 (2017)を参照)。以上、ポストアニールの高温化によって、酸化物半導体薄膜中におけるこれらの欠陥密度が低減され、ΔVthが改善されたものと推察される。
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
7 コンタクトホール
8 透明導電膜
Claims (4)
- 基板上に少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体層、ソース・ドレイン電極、および少なくとも1層の保護膜を有する薄膜トランジスタであって、
前記酸化物半導体層を構成する金属元素がIn、Ga、Zn、およびSnを含み、前記酸化物半導体層における全金属元素の合計(In+Ga+Zn+Sn)に対する各金属元素の割合が、
In:30原子%以上45原子%以下、
Ga:5原子%以上20原子%未満、
Zn:30原子%以上60原子%以下、および
Sn:4.0原子%以上9.0原子%未満
であることを特徴とする薄膜トランジスタ。 - 前記酸化物半導体層において、全金属元素に占めるGaに対するInの割合(In/Ga)が2.5倍以上であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記酸化物半導体層において、温度300℃から400℃の範囲における亜鉛の脱離量が、1cm2換算で5×10−11counts以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の薄膜トランジスタ。
- 光誘起電流過渡分光法により、前記酸化物半導体層から検出される信号のピーク温度が85K以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
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