JP2020087961A - Laminate structure and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層構造体及び積層構造体の製造方法に関する。 The present invention relates to a laminated structure and a method for manufacturing the laminated structure.
薄膜トランジスタに用いられる活性層においては、アモルファスシリコンの代替として、IGZO(In−Ga−Zn−Oxide)が注目されている(例えば、特許文献1参照)。IGZOは、アモルファスシリコンと比較して導電率が大きく、IGZOを用いることによりデバイス構造が簡素になるという利点がある。 In the active layer used for the thin film transistor, IGZO (In-Ga-Zn-Oxide) has attracted attention as a substitute for amorphous silicon (see, for example, Patent Document 1). IGZO has a larger conductivity than amorphous silicon, and the use of IGZO has the advantage of simplifying the device structure.
このようなIGZOを利用した薄膜トランジスタの製造工程では、IGZOで構成された活性層、ゲート絶縁膜及びゲート電極を有する積層構造体が形成された後、積層構造体には、活性層に電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極が形成される。さらに、積層構造体においては、活性層を保護層で被覆する場合がある。 In the process of manufacturing a thin film transistor using IGZO, a laminated structure having an active layer, a gate insulating film and a gate electrode made of IGZO is formed, and then the laminated structure is electrically connected to the active layer. A source electrode and a drain electrode to be connected are formed. Further, in the laminated structure, the active layer may be covered with a protective layer.
上記の積層構造体では、活性層を形成した後、活性層上に堆積される層を形成する際に、活性層の表面が薬液、プラズマ中の反応種に必然的に晒される場合がある。このような場合、活性層の反応種に対する耐性が弱いと、活性層が反応種に晒された後には活性層が劣化しやすい。 In the above laminated structure, after forming the active layer, the surface of the active layer may be inevitably exposed to the chemicals or the reactive species in the plasma when forming the layer to be deposited on the active layer. In such a case, if the resistance of the active layer to the reactive species is weak, the active layer is likely to deteriorate after the active layer is exposed to the reactive species.
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、活性層が劣化しにくく、信頼性の高い積層構造体及び積層構造体の製造方法を提供することにある。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a highly reliable laminated structure and a method for manufacturing the laminated structure, in which the active layer is less likely to deteriorate.
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る積層構造体は、導電層と、In−Ga−Zn−O系材料を有する酸化物半導体層と、上記導電層と上記酸化物半導体層との間に設けられた絶縁膜と、上記酸化物半導体層に電気的に接続され、チタンを有する、第1電極及び第2電極と、を具備する。上記絶縁膜とは反対側の上記酸化物半導体層の表層部は、上記第1電極及び上記第2電極が接続されていない第1領域においてチタン酸化物を有する。
このような積層構造体によれば、酸化物半導体層が劣化しにくく、信頼性の高い積層構造体が形成される。
In order to achieve the above object, a stacked structure according to one embodiment of the present invention includes a conductive layer, an oxide semiconductor layer including an In—Ga—Zn—O-based material, the conductive layer, and the oxide semiconductor layer. And an insulating film provided between the first and second electrodes, the first electrode and the second electrode being electrically connected to the oxide semiconductor layer and having titanium. The surface layer portion of the oxide semiconductor layer on the side opposite to the insulating film has titanium oxide in the first region where the first electrode and the second electrode are not connected.
According to such a laminated structure, the oxide semiconductor layer is less likely to deteriorate, and a highly reliable laminated structure is formed.
上記の積層構造体において、上記表層部は、上記第1電極及び上記第2電極が接続されている第2領域においてチタン酸化物を有してもよい。
このような積層構造体によれば、酸化物半導体層の表層部にチタン酸化物が形成されているので、酸化物半導体層が劣化しにくく、信頼性の高い積層構造体が形成される。
In the above laminated structure, the surface layer portion may include titanium oxide in a second region to which the first electrode and the second electrode are connected.
According to such a laminated structure, since titanium oxide is formed in the surface layer portion of the oxide semiconductor layer, the oxide semiconductor layer is less likely to deteriorate and a highly reliable laminated structure is formed.
上記の積層構造体において、上記チタン酸化物は、結晶性を有してもよい。
このような積層構造体によれば、酸化物半導体層の表層部に結晶性のチタン酸化物が形成されているので、酸化物半導体層が劣化しにくく、信頼性の高い積層構造体が形成される。
In the above laminated structure, the titanium oxide may have crystallinity.
According to such a laminated structure, since the crystalline titanium oxide is formed in the surface layer portion of the oxide semiconductor layer, the oxide semiconductor layer is less likely to deteriorate and a highly reliable laminated structure is formed. It
上記の積層構造体において、上記酸化物半導体層は、非晶質性を有してもよい。
このような積層構造体によれば、酸化物半導体層が非晶質であるため、適性な移動度が確保され、信頼性の高い積層構造体が形成される。
In the above stacked structure, the oxide semiconductor layer may have an amorphous property.
According to such a laminated structure, since the oxide semiconductor layer is amorphous, appropriate mobility is ensured and a highly reliable laminated structure is formed.
上記の積層構造体において、上記第1電極及び上記第2電極が接続されていない上記第1領域を覆う絶縁層をさらに具備してもよい。
このような積層構造体によれば、酸化物半導体層が絶縁層によって保護される。また、酸化物半導体層は、絶縁層形成時に活性水素に対する耐性を備えていることから、酸化物半導体層が絶縁層によって被覆されたとしても、酸化物半導体層には酸素欠損が発生しにくい。
The laminated structure may further include an insulating layer that covers the first region to which the first electrode and the second electrode are not connected.
According to such a laminated structure, the oxide semiconductor layer is protected by the insulating layer. Further, since the oxide semiconductor layer has resistance to active hydrogen when the insulating layer is formed, oxygen vacancies are unlikely to occur in the oxide semiconductor layer even when the oxide semiconductor layer is covered with the insulating layer.
上記の積層構造体において、上記導電層は、ゲート電極として機能し、上記酸化物半導体層は、活性層として機能し、上記絶縁膜は、ゲート絶縁膜として機能し、上記第1電極は、ソース電極として機能し、上記第2電極は、ドレイン電極として機能して、薄膜トラジスタが構成されてもよい。
このような積層構造体によれば、薄膜トラジスタに適用される。
In the above stacked structure, the conductive layer functions as a gate electrode, the oxide semiconductor layer functions as an active layer, the insulating film functions as a gate insulating film, and the first electrode is a source. The second electrode may function as an electrode, and the second electrode may function as a drain electrode to form a thin film transistor.
Such a laminated structure is applied to a thin film transistor.
上記の積層構造体において、上記絶縁層は、上記薄膜トラジスタの保護層として機能してもよい。
このような積層構造体によれば、絶縁層が薄膜トラジスタの保護層に適用される。
In the above laminated structure, the insulating layer may function as a protective layer of the thin film transistor.
According to such a laminated structure, the insulating layer is applied to the protective layer of the thin film transistor.
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る積層構造体の製造方法においては、基板の上に、導電層がパターニングされる。上記基板及び上記導電層の上に、絶縁膜が形成される。上記導電層の上に、上記絶縁膜を介して、In−Ga−Zn−O系材料を有する酸化物半導体層がパターニングされる。上記絶縁膜及び上記酸化物半導体層の上に、チタンを有する電極層が形成される。上記電極層及び上記酸化物半導体層が加熱処理される。上記電極層をエッチングを利用しパターニングして、上記酸化物半導体層に電気的に接続された、第1電極及び第2電極が形成される。
このような積層構造体の製造方法によれば、酸化物半導体層が劣化しにくく、信頼性の高い積層構造体が形成される。
To achieve the above object, in the method for manufacturing a laminated structure according to an aspect of the present invention, a conductive layer is patterned on the substrate. An insulating film is formed on the substrate and the conductive layer. An oxide semiconductor layer including an In—Ga—Zn—O-based material is patterned on the conductive layer with the insulating film interposed therebetween. An electrode layer containing titanium is formed over the insulating film and the oxide semiconductor layer. The electrode layer and the oxide semiconductor layer are heat-treated. The electrode layer is patterned by etching to form a first electrode and a second electrode electrically connected to the oxide semiconductor layer.
According to such a method for manufacturing a laminated structure, the oxide semiconductor layer is less likely to deteriorate and a highly reliable laminated structure is formed.
上記の積層構造体の製造方法においては、上記加熱処理を200℃以上400℃以下の温度で行ってもよい。
このような積層構造体の製造方法によれば、加熱処理によって、酸化物半導体層に耐性の高い表層部が形成される。
In the method for manufacturing a laminated structure described above, the heat treatment may be performed at a temperature of 200° C. or higher and 400° C. or lower.
According to such a method for manufacturing a laminated structure, a surface layer portion having high resistance is formed in the oxide semiconductor layer by the heat treatment.
上記の積層構造体の製造方法において、上記第1電極及び上記第2電極が接続されていない上記酸化物半導体層の領域に、化学的気相成長法により絶縁層を形成してもよい。
このような積層構造体の製造方法によれば、酸化物半導体層は、絶縁層形成時に活性水素に対する耐性を備えていることから、酸化物半導体層が絶縁層によって被覆されたとしても、酸化物半導体層には酸素欠損が発生しにくい。
In the above method for manufacturing a laminated structure, an insulating layer may be formed by a chemical vapor deposition method in a region of the oxide semiconductor layer where the first electrode and the second electrode are not connected.
According to such a method for manufacturing a laminated structure, since the oxide semiconductor layer has resistance to active hydrogen when the insulating layer is formed, even if the oxide semiconductor layer is covered with the insulating layer, the oxide semiconductor layer is not affected. Oxygen deficiency is unlikely to occur in the semiconductor layer.
以上述べたように、本発明によれば、信頼性の高い積層構造体及び積層構造体の製造方法が提供される。 As described above, according to the present invention, a highly reliable laminated structure and a method for manufacturing a laminated structure are provided.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。各図面には、XYZ軸座標が導入される場合がある。また、同一の部材または同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その部材を説明した後には適宜説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. XYZ axis coordinates may be introduced into each drawing. In addition, the same members or members having the same function are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be appropriately omitted after the description of the members.
図1(a)は、本実施形態に係る積層構造体の模式的断面図である。図1(b)は、図1(a)の枠1pで囲まれた部分の模式的断面図である。
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the laminated structure according to this embodiment. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the portion surrounded by the
図1(a)に示す積層構造体1は、導電層13、絶縁膜12、酸化物半導体層11、第1電極16S、第2電極16D、及び絶縁層15を具備する。積層構造体1は、例えば、ボトムゲート型の薄膜トランジスタに適用される。
The
基板10は、積層構造体1の下地である。基板10は、絶縁性基板であり、例えば、ガラス基板である。
The
導電層13は、基板10上にパターニングされている。導電層13は、Mo膜、Ti膜、または、これらの合金膜であることが好ましい。導電層13の厚みは、例えば、数100nmに設定される。
The
絶縁膜12は、導電層13と酸化物半導体層11との間に設けられる。絶縁膜12は、例えば、2層構造の絶縁膜である。絶縁膜12は、酸化物半導体層11側(または、絶縁層15側)にシリコン酸化膜を有し、導電層13側(または、基板10側)にシリコン窒化膜を有する。
The insulating
酸化物半導体層11は、絶縁膜12を介して導電層13に対向する。酸化物半導体層11は、非晶質層111と、表層部110とを有する。酸化物半導体層11の厚みは、15nm以上100nm以下である。表層部110の厚みは、10nm以上40nm以下である。
The
非晶質層111は、酸化物半導体層11の殆どの厚みを占めるベース層であり、In−Ga−Zn−O系材料を有する。In、Ga、及びZnの原子比は、1:1:1である。ここで、非晶質とは、完全に非晶質、または結晶性成分よりも非晶質成分のほうが多いことを意味し、結晶とは、完全に結晶、または非晶質成分よりも結晶性成分のほうが多いことを意味する。
The
ここで、非晶質層111の代わりに、結晶性のIn−Ga−Zn−O系材料を酸化物半導体層11のベース層とすると、酸化物半導体層11の移動度が非晶質層111に比べて低くなるので好ましくない。
Here, when a crystalline In—Ga—Zn—O-based material is used as the base layer of the
表層部110は、非晶質層111と絶縁層15との間、非晶質層111と第1電極16Sとの間、及び非晶質層111と第2電極16Dとの間に設けられる。表層部110は、非晶質層111の表面の一部が転じて形成された表面層である。
The
表層部110は、第1領域11aと、第2領域11bとを有する。第1領域11aは、絶縁膜12とは反対側であって、第1電極16S及び第2電極16Dが接続されていない領域である。第2領域11bは、第1電極16S及び第2電極16Dが接続されている領域である。
The
表層部110は、積層構造を有する。例えば、図1(b)の例では、表層部110は2層構造となり、第1表層部110aと、第2表層部110bとを有する。第1表層部110aの厚みは、6nm以上20nm以下である。第2表層部110bの厚みは、4nm以上20nm以下である。
The
第1表層部110aは、In及びZnがともにリッチのIn−Ga−Zn−O系材料を有し、結晶性の層である。換言すれば、第1表層部110aは、In−Ga−Zn−O系材料を有する、結晶性の酸素欠乏層である。第2表層部110bは、チタン酸化物結晶を有する層である。本実施形態の各層における結晶性または非晶質性は、TEM等から確認される。また、本実施形態の各層における成分は、EDX等から確認される。TEM像及び成分分析については、後述する。また、In−Ga−Zn−O系材料は、IGZO系材料として表記される場合がある。
The first
第1電極16S及び第2電極16Dのそれぞれは、絶縁層15を貫通し、酸化物半導体層11に電気的に接続される。第1電極16S及び第2電極16Dのそれぞれは、酸化物半導体層11の側面と、この側面に連なる酸化物半導体層11の上面の一部に接している。第1電極16Sは、例えば、酸化物半導体層11の表面に接するTi層を有し、Ti層の上に、Cu層またはAl層が形成されてもよい。第2電極16Dの構成は、第1電極16Sと同じである。
Each of the
絶縁層15は、第1電極16S及び第2電極16Dが接続されていない、酸化物半導体層11の第1領域11a及び絶縁膜12を覆う。
The insulating
積層構造体1において、導電層13がゲート電極として機能し、酸化物半導体層11が活性層として機能し、絶縁膜12がゲート絶縁膜として機能し、第1電極16Sがソース電極として機能し、第2電極16Dは、ドレイン電極として機能し、絶縁層15が保護層として機能した場合、積層構造体1は、薄膜トラジスタとして機能する。
In the
次に、積層構造体1の製造プロセスについて説明する。
Next, a manufacturing process of the
図2は、積層構造体の製造工程の一例を示すフロー図である。
図3(a)〜図4(b)は、フロー図を具体的に説明した積層構造体の製造工程を示す模式的断面図である。
FIG. 2 is a flow chart showing an example of the manufacturing process of the laminated structure.
FIG. 3A to FIG. 4B are schematic cross-sectional views showing the manufacturing process of the laminated structure for which the flow diagram is specifically described.
例えば、基板10の上に、導電層13がパターニングされる(ステップS10)。導電層13は、例えば、スパッタリング法により基板10上に形成された後、ウェットエッチングでパターニングされる。
For example, the
次に、基板10及び導電層13の上に、絶縁膜12が例えば、プラズマCVD法等の化学的気相成長法により形成される(ステップS20)。
Next, the insulating
次に、導電層13の上に、絶縁膜12を介して、非晶質層111からなる酸化物半導体層がパターニングされる(ステップS30)。非晶質層111は、In−Ga−Zn−O系材料を有する。例えば、非晶質層111は、酸素雰囲気下でスパッタリング法によって成膜された後、ウェットエッチングでパターニングされる。スパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法であってもよい。
Next, the oxide semiconductor layer made of the
非晶質層111のスパッタリング成膜中には、基板10の温度が50℃以上200℃以下に設定され、一例として、100℃に設定される。また、スパッタリングガスとしては、Ar(アルゴン)が用いられる。スパッタリングガスには、5%以上50%分圧の酸素が含有してもよい。また、非晶質層111をパターニングした後には、非晶質層111を活性化するために、必要に応じて、非晶質層111を大気中で300℃以上500℃以下の温度(例えば、400℃)、0.5時間以上2時間以下で加熱処理が施されてもよい。ここまでの積層体の状態が図3(a)に示されている。
During the sputtering film formation of the
次に、絶縁膜12、及び非晶質層111からなる酸化物半導体層の上に、チタンを有する電極層16が形成される(ステップS40)。電極層16は、非晶質層111の上面及び側面を覆うように形成される。電極層16は、例えば、スパッタリング法によって成膜される。スパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法であってもよい。ここまでの積層体の状態が図3(b)に示されている。
Next, the
次に、電極層16と、非晶質層111からなる酸化物半導体層とが200℃以上400℃以下の温度(例えば、300℃)、0.5時間以上2時間以下(例えば、1時間)で加熱処理(ポストベーキング)される(ステップS50)。これにより、非晶質層111からなる酸化物半導体層の一部に表層部110が形成されて、絶縁膜12の上に、表層部110と、非晶質層111とを有する酸化物半導体層11とが形成される。表層部110は、非晶質層111と電極層16との間に位置する。また、ポストベーキングを上記の温度範囲で実行することにより、非晶質層111は、非晶質状態を維持する。
Next, the
また、この加熱処理においては、電極層16から非晶質層111にチタンが拡散して、チタンと非晶質層111に含まれる酸素とが結合する。これにより、表層部110が結晶性のチタン酸化物層を含むことになる。すなわち、第1表層部110a及び第2表層部110bを有する表層部110が非晶質層111の上面と側面とに形成される。ここまでの積層体の状態が図4(a)に示されている。
Further, in this heat treatment, titanium is diffused from the
次に、電極層16がウェットエッチングによりパターニングされて、酸化物半導体層11に電気的に接続された、第1電極16S及び第2電極16Dが形成される(ステップS60)。ここまでの積層体の状態が図4(b)に示されている。
Next, the
この後、第1電極16S及び第2電極16Dが接続されていない酸化物半導体層11の領域に、例えば、プラズマCVD法等の化学的気相成長法により絶縁層15が形成される(ステップS70)。これにより、積層構造体1が形成される。積層構造体1は、図1(a)に示されている。
After that, the insulating
図5(a)〜図5(c)は、本実施形態の効果の一例を示す模式的断面図である。 FIG. 5A to FIG. 5C are schematic cross-sectional views showing an example of the effects of this embodiment.
図5(a)〜図5(c)には、酸化物半導体層11に接続される第1電極16Sと第2電極16Dとが形成される様子が示されている。第1電極16Sと第2電極16Dとは、薬液50により電極層16がウェットエッチングされて形成される。薬液50は、例えば、Al層に対しては、燐硝酢酸系エッチャント(燐酸73%、硝酸3%、酢酸7%、水17%、関東化学株式会社製)が用いられ、Cu層に対しては、硫硝酢酸系エッチャント(硫酸20%未満、硝酸10%未満、酢酸30%未満、水40%以上、関東化学株式会社製)が用いられ、Ti層に対しては、硝酸-フッ化物系エッチャント(硝酸5%未満)、KSMF−240(関東化学製)が用いられる。
5A to 5C show how the
例えば、図5(a)には、電極層16の上に、マスク層40が形成された状態が示されている。図5(a)に示すように、マスク層40から露出した電極層16の表面の一部が薬液50によりウェットエッチングされ始めている。
For example, FIG. 5A shows a state in which the
続けて、図5(b)に示すように、電極層16のウェットエッチングが進行すると、絶縁膜12よりも酸化物半導体層11が先に電極層16から露出する。これは、酸化物半導体層11の表面を確実にエッチングするために、該表面に対して10%程度のオーバーエッチングを行うからである。
Subsequently, as shown in FIG. 5B, when the wet etching of the
この後、図5(c)に示すように、電極層16のウェットエッチングが進行すると、電極層16が分離し、第1電極16Sと第2電極16Dとが形成される。但し、第1電極16Sと第2電極16Dとが形成されるまで、酸化物半導体層11の表面は、薬液50に晒されることになる。
Thereafter, as shown in FIG. 5C, when the wet etching of the
このような場合でも、酸化物半導体層11の表面には、薬液50に対する耐性が高いチタン酸化物結晶が設けられているため、酸化物半導体層11の薬液50に対する耐性が高くなっている。つまり、酸化物半導体層11のウェットエッチング速度に対する電極層16のウェットエッチング速度(選択比)は、大きく向上する。
Even in such a case, since the titanium oxide crystal having high resistance to the
図6は、本実施形態の効果の別の一例を示す模式的断面図である。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another example of the effect of this embodiment.
図6には、第1電極16S及び第2電極16Dが形成された後に、プラズマCVD法で絶縁層15を形成し始める様子が示されている。プラズマCVDでは、シラン系のガスが原料ガスとして用いられるため、プラズマ51中に水素イオン、水素ラジカル等の活性水素が存在する。この場合、酸化物半導体層11の表面は、絶縁層15が堆積するまで、プラズマ51に含まれる活性水素に晒されることになる。
FIG. 6 shows a state in which the formation of the insulating
このような場合でも、酸化物半導体層11の表面は、活性水素に対する耐性が高いチタン酸化物結晶が形成されているため、酸化物半導体層11の耐還元性が高くなっている。つまり、非晶質層111において酸素欠損が生じにくくなる。
Even in such a case, the titanium oxide crystal having high resistance to active hydrogen is formed on the surface of the
このように、酸化物半導体層11が形成された後に製造プロセスが続けられても、酸化物半導体層11の耐薬液性及び耐還元性が高くなっているため、酸化物半導体層11は、本来の特性を維持する。また、酸化物半導体層11の耐薬液性、耐還元性が高くなっているため、ウェットエッチング工程、プラズマCVD工程におけるプロセスマージンが拡大する。
As described above, even if the manufacturing process is continued after the
図7(a)〜図7(c)は、比較例の製造工程を示す模式的断面図である。 7A to 7C are schematic cross-sectional views showing the manufacturing process of the comparative example.
例えば、比較例では、図7(a)に示すように、非晶質層111及び絶縁膜12の上に、絶縁層15が形成される。次に、図7(b)に示すように、絶縁層15中に、第1電極16S及び第2電極16Dを形成するための孔部16hが形成される。次に、図7(c)に示すように、孔部16h内に第1電極16Sと第2電極16Dとが形成される。
For example, in the comparative example, as shown in FIG. 7A, the insulating
しかし、このような製造工程を経た場合、非晶質層111の上に、絶縁層15が形成されるため、非晶質層111の表面に表層部110が形成されない。従って、非晶質層111がプラズマ51に含まれる活性水素に晒されると、活性水素の還元作用によって、非晶質層111に酸素欠損が生じやすくなる。これにより、比較例では、非晶質層111の半導体としての特性が劣化する場合がある。
However, after such a manufacturing process, since the insulating
図8(a)は、電極と酸化物半導体層との界面付近の元素濃度プロファイルを示す図である。図8(b)は、電極と酸化物半導体層との界面付近のTEM像である。図8(a)では、元素濃度の例として、Ti(チタン)と酸素(O)との濃度プロファイルが示されている。図8(a)の横軸は、サンプル表面からの深さを表し、縦軸は、濃度の規格化値である。各層の結晶性の判断は、TEMの電子回折図形から確認されている。また、各層の成分は、EDX分析から確認されている。 FIG. 8A is a diagram showing an element concentration profile near the interface between the electrode and the oxide semiconductor layer. FIG. 8B is a TEM image near the interface between the electrode and the oxide semiconductor layer. FIG. 8A shows a concentration profile of Ti (titanium) and oxygen (O) as an example of element concentration. The horizontal axis of FIG. 8A represents the depth from the sample surface, and the vertical axis represents the normalized value of the concentration. The judgment of the crystallinity of each layer has been confirmed from the electron diffraction pattern of TEM. The components of each layer have been confirmed by EDX analysis.
図8(a)に示す濃度プロファイルでは、深さ方向(横軸)において、チタン濃度が略均一になった領域と、酸素濃度が略均一になった領域が観測されている。チタン濃度が略均一になった領域は、第1電極16Sに対応し、酸素濃度が略均一になった領域は、IGZO層で構成された非晶質層111に対応すると考えられる。
In the concentration profile shown in FIG. 8A, a region where the titanium concentration is substantially uniform and a region where the oxygen concentration is substantially uniform are observed in the depth direction (horizontal axis). It is considered that the region where the titanium concentration is substantially uniform corresponds to the
また、第1電極16Sと非晶質層111との間には、非晶質層111の側に非晶質層111よりも酸素が欠損した領域があることが分かる。この領域は、非晶質層111に隣接することから、酸素欠乏層である第1表層部110aに対応すると考えられる。
Further, it can be seen that a region in which oxygen is deficient in the
一方、第1電極16Sと第1表層部110aとの間には、チタン濃度が第1電極16Sよりも低くはなるものの、チタン濃度が盛り上がり、さらに、酸素濃度においては、非晶質層111よりも高くなくなる領域がある。チタン酸化物の化学量論比において、2個の酸素がチタンに結びついていることを考慮すると、この領域は、第2表層部110bに対応すると考えられる。
On the other hand, between the
図8(b)に示すTEM像の最下層は、非晶質のIGZO層で構成された非晶質層111であり、TEM像の最上層は、Tiで構成された第1電極16Sに対応する。非晶質層111と第1電極16Sとに間には、2つの層があることが観察される。TEM像と濃度プロファイルとを対応させると、2つの層の非晶質層111の側には、結晶性の酸素欠乏のIGZO層で構成された第1表層部110aが形成されていることが分かる。
The bottom layer of the TEM image shown in FIG. 8B is an
TEM像観察から第1表層部110aには、非晶質層111と比較して所々に縞状のパターンが見え、IGZO層が結晶化していることが分かる。また、TEM像と濃度プロファイルとを対応させると、第1表層部110aと第1電極16Sとに間には、結晶性のチタン酸化物を含む第2表層部110bが形成されていることが分かる。換言すれば、図8(a)、(b)の結果から、表層部110がチタン酸化物を含むことが確認されている。
From the TEM image observation, it can be seen that a striped pattern is seen in some places in the first
TFT(Thin Film Transistor)の活性層として、表層部110を持たない比較例用のサンプルと、表層部110を持った実施例用のサンプルの2つを準備した。
As a TFT (Thin Film Transistor) active layer, two samples were prepared: a sample for a comparative example having no
図9(a)〜図9(d)は、比較例のサンプルを製造する製造工程の一部を示す模式的断面図である。図10(a)〜図10(d)は、実施例のサンプルを製造する製造工程の一部を示す模式的断面図である。 9A to 9D are schematic cross-sectional views showing a part of the manufacturing process for manufacturing the sample of the comparative example. 10A to 10D are schematic cross-sectional views showing a part of the manufacturing process for manufacturing the sample of the example.
比較例では、IGZOからなる非晶質層111及び絶縁膜12の上に、レジストパターン60が形成される(図9(a))。レジストパターン60には、第1電極16S及び第2電極16Dを形成するための孔部16hが形成される。次に、孔部16hを埋め込むように、レジストパターン60上に、チタンからなる電極層16が形成される(図9(b))。次に、リフトオフによって、レジストパターン60が取り除かれ、孔部16h内に埋め込んだ第1電極16S及び第2電極16Dが残される(図9(c))。次に、プラズマCVDによって、非晶質層111及び絶縁膜12の上に、絶縁膜15が形成される(図9(d))。
In the comparative example, a resist
比較例では、非晶質層111の表面が露出したとき(図9(c))、非晶質層111の表面に表層部110が形成されていないため、非晶質層111が直接的にプラズマガスに晒されることになる。
In the comparative example, when the surface of the
一方、実施例では、IGZOからなる非晶質層111及び絶縁膜12の上に、チタンからなる電極層16が形成される(図10(a)。次に、電極層16及び非晶質層111が300℃、1時間でポストベーキングされる。これにより、非晶質層111の表面の一部が表層部110となった酸化物半導体層11が形成される(図10(b))。次に、マスク40から露出した電極層16が硝酸-フッ化物系エッチャント(硝酸5%未満)、KSMF−240(関東化学製)によりパターニングされる。これにより、第1電極16S及び第2電極16Dが形成される(図10(c))。次に、酸化物半導体層11及び絶縁膜12の上にプラズマCVD法により絶縁層15が形成される(図10(d))。
On the other hand, in the example, the
比較例、実施例で共通するプロセス条件は、以下の通りである。
非晶質層111のスパッタ条件;
ターゲット:IGZO(金属組成比:1:1:1(化学量論比))
放電電力:1〜5W/cm2、例えば、3W/cm2
基板温度:室温〜200℃、例えば、100℃
絶縁膜15のCVD条件;
原料ガス:SiH4、O2、N2O
放電電力:0.1〜1W/cm2、例えば、0.6W/cm2
基板温度:100℃〜300℃、例えば、200℃
The process conditions common to the comparative example and the example are as follows.
Sputtering conditions for the
Target: IGZO (metal composition ratio: 1:1:1 (stoichiometric ratio))
Discharge power: 1 to 5 W/cm 2 , for example, 3 W/cm 2.
Substrate temperature: room temperature to 200°C, for example, 100°C
CVD conditions for the insulating
Raw material gas: SiH 4 , O 2 , N 2 O
Discharge power: 0.1~1W / cm 2, for example, 0.6 W / cm 2
Substrate temperature: 100°C to 300°C, for example, 200°C
図11(a)は、実施例のV−I曲線を表すグラフである。図11(b)は、比較例のV−I曲線を表すグラフである。ここで、「1」は、ゲート電極を負電位から正電位に変化させた場合のV−I曲線であり、「1r」は、ゲート電極を正電位から負電位に変化させた場合のV−I曲線である。ソース・ドレイン間電圧は、5Vである。 FIG. 11A is a graph showing the VI curve of the example. FIG. 11B is a graph showing the VI curve of the comparative example. Here, “1” is the VI curve when the gate electrode is changed from the negative potential to the positive potential, and “1r” is the V− curve when the gate electrode is changed from the positive potential to the negative potential. It is an I curve. The source-drain voltage is 5V.
図11(a)に示すように、実施例では、トランジスタのオンオフ動作で見られる適性なV−I特性が得られた。すなわち、実施例では、正常にサンプルがオンオフ動作することが分かった。例えば、オン電圧は、−1.4Vである。一方、比較例では、トランジスタ特性を得ることができなかった。ノーマリオン、すなわち酸化物半導体層が導通になることが分かった。 As shown in FIG. 11A, in the example, an appropriate VI characteristic observed in the on/off operation of the transistor was obtained. That is, in the example, it was found that the sample normally turned on and off. For example, the on-voltage is −1.4V. On the other hand, in the comparative example, the transistor characteristics could not be obtained. It was found that normally on, that is, the oxide semiconductor layer was conductive.
表1には、実施例、比較例についての電極(第1電極16S、第2電極16D)の形成後のホール移動度(cm2/V・秒)、電極の形成後のキャリア密度(個/cm3)、絶縁層15の形成後のホール移動度、絶縁層15の形成後のキャリア密度が示されている。
Table 1 shows the hole mobility (cm 2 /V·sec) after formation of the electrodes (
比較例では、電極形成後のホール移動度が9.2cm2/V・秒、キャリア密度が8.8×1013個/cm3であったのに対し、絶縁層を形成した後では、ホール移動度が25.8cm2/V・秒、キャリア密度が7.5×1021個/cm3にまで上昇した。 In the comparative example, the hole mobility after forming the electrode was 9.2 cm 2 /V·sec and the carrier density was 8.8×10 13 pieces/cm 3 , whereas the hole mobility after forming the insulating layer was The mobility was increased to 25.8 cm 2 /V·sec and the carrier density was increased to 7.5×10 21 particles/cm 3 .
これに対し、実施例では、電極形成後のホール移動度が10.1cm2/V・秒、キャリア密度が1.8×1014個/cm3であり、絶縁層を形成した後でも、ホール移動度が12.5cm2/V・秒、キャリア密度が6.9×1016個/cm3に留まった。 On the other hand, in the example, the hole mobility after forming the electrode was 10.1 cm 2 /V·sec and the carrier density was 1.8×10 14 pieces/cm 3 , and even after forming the insulating layer, the holes were formed. The mobility remained at 12.5 cm 2 /V·sec and the carrier density remained at 6.9×10 16 particles/cm 3 .
比較例では、プラズマCVDで絶縁層15を形成する際に、非晶質層111の表面に表層部110が形成されていない。このため、プラズマに含まれる活性水素に非晶質層111が晒されると、活性水素の還元作用によって、非晶質層111に酸素欠損が生じやすく、非晶質層111が半導体から金属性に近づくと考えられる。これは、比較例ではV−I曲線が得られなかったことからも裏付けられる。このように、比較例では、半導体としての特性が劣化する。
In the comparative example, the
これに対し、実施例では、酸化物半導体層11の表面に、結晶性のチタン酸化物が含まれた表層部110が形成されている。このため、絶縁層15を形成する際に、酸化物半導体層11がプラズマに含まれる活性水素に晒されたとしても、表層部110が活性水素の還元作用に対する耐性を有している。これにより、非晶質層111には酸素欠損が生じにくく、非晶質層111が半導体の性質を維持すると考えられる。さらに、電極層16を薬液で加工する際、酸化物半導体層11が薬品に晒されてたとしても、表層部110は耐薬品性も備えている。これは、電極形成後のホール移動度、キャリア密度が比較例と大差ないことから裏付けられる。
On the other hand, in the example, the
これらの結果から、薄膜トランジスタの酸化物半導体層には、IGZO結晶層よりも、ホール移動度がより高い非晶質IGZO層を適用し、酸化物半導体層の一部、例えば、表層部を結晶化した酸化物半導体層11を適用することで、ホール移動度がより高く、耐薬品性、活性水素に対する耐性が高い薄膜トランジスタが形成できることが予測できる。
From these results, an amorphous IGZO layer having higher hole mobility than the IGZO crystal layer is applied to the oxide semiconductor layer of the thin film transistor, and part of the oxide semiconductor layer, for example, the surface layer portion is crystallized. By applying the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。各実施形態は、独立の形態とは限らず、技術的に可能な限り複合することができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments and various changes can be made. Each embodiment is not limited to an independent form, and can be combined as technically possible.
1…積層構造体
1p…枠
10…基板
11a…第1領域
11b…第2領域
11…酸化物半導体層
12…絶縁膜
13…導電層
15…絶縁層
16…電極層
16S…第1電極
16D…第2電極
16h…孔部
50…薬液
51…プラズマ
60…レジストパターン
110…表層部
110a…第1表層部
110b…第2表層部
111…非晶質層
DESCRIPTION OF
Claims (10)
In−Ga−Zn−O系材料を有する酸化物半導体層と、
前記導電層と前記酸化物半導体層との間に設けられた絶縁膜と、
前記酸化物半導体層に電気的に接続され、チタンを有する、第1電極及び第2電極と、
を具備し、
前記絶縁膜とは反対側の前記酸化物半導体層の表層部は、前記第1電極及び前記第2電極が接続されていない第1領域においてチタン酸化物を有する
積層構造体。 A conductive layer,
An oxide semiconductor layer having an In-Ga-Zn-O-based material;
An insulating film provided between the conductive layer and the oxide semiconductor layer,
A first electrode and a second electrode electrically connected to the oxide semiconductor layer and having titanium;
Equipped with,
A laminated structure in which a surface layer portion of the oxide semiconductor layer opposite to the insulating film includes titanium oxide in a first region where the first electrode and the second electrode are not connected.
前記表層部は、前記第1電極及び前記第2電極が接続されている第2領域において前記チタン酸化物を有する
積層構造体。 The laminated structure according to claim 1,
A laminated structure in which the surface layer portion includes the titanium oxide in a second region to which the first electrode and the second electrode are connected.
前記チタン酸化物は、結晶性を有する
積層構造体。 The laminated structure according to claim 1 or 2,
The titanium oxide has a crystalline laminated structure.
前記酸化物半導体層は、非晶質性を有する
積層構造体。 The laminated structure according to any one of claims 1 to 3,
The oxide semiconductor layer has a layered structure having an amorphous property.
前記第1電極及び前記第2電極が接続されていない前記第1領域を覆う絶縁層をさらに具備する
積層構造体。 The laminated structure according to any one of claims 1 to 4,
The laminated structure further comprising an insulating layer covering the first region where the first electrode and the second electrode are not connected.
前記導電層は、ゲート電極として機能し、前記酸化物半導体層は、活性層として機能し、前記絶縁膜は、ゲート絶縁膜として機能し、前記第1電極は、ソース電極として機能し、前記第2電極は、ドレイン電極として機能して、薄膜トラジスタが構成される
積層構造体。 The laminated structure according to any one of claims 1 to 5,
The conductive layer functions as a gate electrode, the oxide semiconductor layer functions as an active layer, the insulating film functions as a gate insulating film, the first electrode functions as a source electrode, and the first electrode functions as a source electrode. The two electrodes function as drain electrodes to form a thin film transistor.
前記絶縁層は、前記薄膜トラジスタの保護層として機能する
積層構造体。 The laminated structure according to claim 6,
A laminated structure in which the insulating layer functions as a protective layer of the thin film transistor.
前記基板及び前記導電層の上に、絶縁膜を形成し、
前記導電層の上に、前記絶縁膜を介して、In−Ga−Zn−O系材料を有する酸化物半導体層をパターニングし、
前記絶縁膜及び前記酸化物半導体層の上に、チタンを有する電極層を形成し、
前記電極層及び前記酸化物半導体層を加熱処理し、
前記電極層をエッチングを利用しパターニングして、前記酸化物半導体層に電気的に接続された、第1電極及び第2電極を形成する
積層構造体の製造方法。 Patterning a conductive layer on the substrate,
An insulating film is formed on the substrate and the conductive layer,
Patterning an oxide semiconductor layer having an In-Ga-Zn-O-based material on the conductive layer through the insulating film;
An electrode layer containing titanium is formed on the insulating film and the oxide semiconductor layer,
Heat-treating the electrode layer and the oxide semiconductor layer,
A method for manufacturing a laminated structure, wherein the electrode layer is patterned using etching to form a first electrode and a second electrode electrically connected to the oxide semiconductor layer.
前記加熱処理を200℃以上400℃以下の温度で行う
積層構造体の製造方法。 A method of manufacturing a laminated structure according to claim 8, wherein
A method for manufacturing a laminated structure, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 200° C. or higher and 400° C. or lower.
前記第1電極及び前記第2電極が接続されていない前記酸化物半導体層の領域に、化学的気相成長法により絶縁層を形成する
積層構造体の製造方法。 The method for manufacturing a laminated structure according to claim 8 or 9,
A method for manufacturing a laminated structure, wherein an insulating layer is formed by a chemical vapor deposition method in a region of the oxide semiconductor layer to which the first electrode and the second electrode are not connected.
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