JP4805648B2 - 半導体薄膜及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体デバイスに係り、特に結晶薄膜によって形成された半導体素子及びその半導体素子の表示装置等への応用に関する。
近年、表示装置の発展は目覚ましく、液晶表示装置やＥＬ表示装置等、種々の表示装置がパソコン等のＯＡ機器、薄型テレビジョン受像器等に活発に導入されている。さて、これら表示装置は、いずれも表示素子を透明導電膜で挟み込んだサンドイッチ構造を基本的な構造として有している。
そして、これら表示装置を駆動するスイッチング素子としては、小型化等の観点から、薄膜を用いた素子が広く用いられている。
この薄膜は、スイッチング素子の性能、製造工程に大きな影響を与えるので、従来からその組成や製造方法等、種々の技術的検討が行われている。
従来の薄膜
現在、表示装置を駆動させるスイッチング素子としては、シリコン系の半導体膜を用いた素子が主流を占めている。それは、シリコン系薄膜の安定性、加工性の良さの他、スイッチング速度が速い等、種々の性能が良好なためである。このシリコン系薄膜は、一般に化学蒸気析出法（ＣＶＤ）法により製造されている。
また、シリコン系薄膜よりも安定性に優れるものとして、透明半導体薄膜が提案されている。このような半導体薄膜は、例えば下記特許文献１に記載されている。
特開２００４−１１９５２５号公報
しかしながら、シリコン系薄膜は、それが非晶質の場合、スイッチング速度が比較的遅く、高速な動画などを表示する場合はその動きに追従できない場合があるという難点を有している。
一方、結晶質のシリコン系薄膜の場合には、スイッチング速度は比較的速いが、結晶化を図る際に８００℃以上の高温や、レーザーによる加熱などが必要であり、製造に対して多大なエネルギーと多くの工程数を要するという問題がある。
また、シリコン系の薄膜は、電圧素子としての性能は優れているものの、電流を流した場合、その特性の経時変化が問題となる場合があることが知られている。
近年、シリコン系薄膜よりも安定性に優れるものとして、透明半導体薄膜が注目されている（上記特許文献１参照）。この特許文献１によれば、特許文献１に記載の透明半導体薄膜は、ＩＴＯ膜と同等の光透過率を有すると記載されている。
また、特許文献１には、この透明半導体薄膜を得るための好適な材料のターゲットとして、酸化インジウムと酸化ガリウムからなるスパッタリングターゲット、酸化亜鉛からなるスパッタリングターゲット、酸化亜鉛と酸化マグネシウムからなるターゲット、等種々のターゲットが挙げられている。また、特許文献１には、これらのスパッタリングターゲットを用いて半導体薄膜を製造する方法も記載されている。
しかしながら、これら
・酸化インジウムと酸化ガリウム
・酸化亜鉛
・酸化亜鉛と酸化マグネシウム
からなる透明半導体膜は、移動度が、高くても１０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ程度であり、アモルファスＳｉに比べれば大きいものの、ポリＳｉ（ポリシリコン）に比べれば非常に小さい値であった。また、加熱等により移動度が変化し半導体の動作不良を起こしたり、光が半導体層に入射した場合誤作動したりする場合があった。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、酸化インジウムを主成分とし、酸化セリウムを添加した酸化物により、光による誤作動がない透明酸化物半導体又はその製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、加熱等による薄膜の比抵抗の変化なく安定する透明酸化物半導体又はその製造方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は、薄膜の移動度が高い透明酸化物半導体及びその製造方法を提供することである。
（１）上記課題を解決するために、本発明の半導体薄膜は、酸化インジウムと酸化セリウムとを含有し、結晶質からなる半導体薄膜であって、比抵抗が１０＋１〜１０＋８Ωｃｍであることを特徴とする半導体薄膜である。
ここで、前記半導体薄膜の比抵抗が１０＋１Ωｃｍ未満であると、導電性が向上しすぎてしまい、半導体としての性能が発揮されずにかえって漏れ電流の大きな素子になる可能性がある。
また、比抵抗が１０＋８Ωｃｍ超では、絶縁性が強すぎて、半導体として作動しなくなる恐れがある。
前記半導体薄膜の比抵抗の好ましい値は、１０＋１〜１０＋７Ωｃｍである。より好ましくは、比抵抗が１０＋２〜１０＋６Ωｃｍである。
（２）また、本発明は、前記半導体薄膜中の原子比（各々の原子の数の比）が、Ｃｅ／（Ｃｅ＋Ｉｎ）=０．００５〜０．１であることを特徴とする（１）記載の半導体薄膜である。
なお、Ｃｅ／（Ｃｅ＋Ｉｎ）の式は、各々の原子の数の比、すなわち、全体組成に対するセリウム原子の原子比を表す式である。この式中のＣｅはセリウムの原子の数、Ｉｎはインジウムの原子の数を表す。
（３）また、本発明は、前記半導体薄膜中のセリウム原子比が、Ｃｅ／（Ｃｅ＋Ｉｎ）=０．０１〜０．０５であることを特徴とする（１）又は（２）記載の半導体薄膜である。
ここで、前記半導体薄膜中の原子比が、Ｃｅ／（Ｃｅ＋Ｉｎ）=０．００５未満では、前記半導体薄膜の比抵抗を上記範囲に安定して制御することが困難となる。また、前記半導体薄膜中の原子比がＣｅ／（Ｃｅ＋Ｉｎ）=０．１超では、前記半導体薄膜の比抵抗を上記範囲に安定して制御することが困難となり、移動度が低下する場合がある。
なお、前記半導体薄膜中のセリウム原子比のより好ましい数値範囲は、Ｃｅ／（Ｃｅ＋Ｉｎ）=０．０１〜０．０５である。
なお、本発明の薄膜に第三成分を添加することも好ましい。ここで、第三成分とは、インジウム、セリウムに続く第三番目の成分という意味である。
第三成分としては、正三価の金属酸化物が好ましい。正三価の金属酸化物の代表例としては、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、の酸化物が挙げられる。また、Ｎｄ、Ｓｍなどの正三価ランタノイド系元素などを選択するのも好適である。
第三成分としての正三価の金属酸化物の添加量は、性能に影響しない量であれば問題ないが、好ましくは、第三成分の原子比、すなわち「第三成分／（Ｃｅ＋Ｉｎ＋第三成分」の式の値が、０．０１から０．１の範囲である。より好ましくは、この原子比が０．０１から０．０５である。
この第三成分の原子比が０．１超では、薄膜が結晶化しない場合や加熱時に比抵抗が安定化しない場合等がある。
（４）また、本発明は、前記半導体薄膜が酸化インジウムのビックスバイト型結晶であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の半導体薄膜である。
半導体薄膜は、非晶質でも半導体として動作はするが、移動度が小さいのでスイッチング速度が遅くなる可能性がある。そのため、半導体薄膜は結晶質であることが好ましい。この場合、この結晶質はビックスバイト型構造が好ましい。
また、この場合、Ｘ線回析によって、結晶ピークの（２２２）ピーク、（４００）ピークの有無によって結晶質であるか非晶質であるかを判定できる。
（５）また、本発明は、酸化インジウム及び酸化セリウムとを含有するターゲットを用いて、物理成膜法により薄膜を製造する方法において、成膜中の雰囲気中の酸素濃度が５ｖｏｌ．％超にて薄膜を成膜することを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法である。
ここで、酸素濃度が５ｖｏｌ．％を超える濃度下にて成膜をすることが好ましい。酸素濃度が５ｖｏｌ．％以下の場合は、得られる半導体薄膜の導電性が向上しすぎてしまい、半導体として動作しなくなる場合がある。
（６）また、本発明は、上記成膜中の雰囲気中の酸素濃度が１０ｖｏｌ．％〜３０ｖｏｌ．％の範囲内であることを特徴とする上記（５）記載の半導体薄膜の製造方法である。
（７）また、本発明は、上記成膜中の雰囲気中の酸素濃度が１０ｖｏｌ．％〜２０ｖｏｌ．％の範囲内であることを特徴とする（５）又は（６）記載の半導体薄膜の製造方法である。
ここで、酸素濃度が３０ｖｏｌ．％超では、スパッタ時のプラズマが安定しなかったり、異常放電を起こす場合がある。酸素濃度のより好ましい数値範囲は１０ｖｏｌ．％〜２０ｖｏｌ．％の範囲である。
このような数値範囲に設定することによって、酸素濃度の値を制御して酸化物半導体中のキャリア密度を１０＋１８／ｃｍ３未満に調整できる。また、移動度は、１０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ超となり、半導体薄膜として好適である。より好ましくは、前記酸化物半導体中のキャリア密度を１０＋１７／ｃｍ３未満、移動度は、１０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ超にするとよい。
なお、結晶化の方法としては、酸素が存在する下で、加熱あるいはランプ光、レーザー光などを照射することによってエネルギーを与える方法が好ましい。
（８）また、本発明は、酸化インジウム及び酸化セリウムを含有するターゲットを用いて、物理成膜法によって薄膜を製造する方法にて、成膜中の基板温度を１５０℃以上の温度にて成膜することを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法である。
（９）またさらに、本発明は、酸化インジウム及び酸化セリウムを含有するターゲットを用いて、物理成膜法によって薄膜を製造する方法にて、成膜後の基板を２００℃以上の温度で加熱することを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法である。
以上説明したように、本発明で得られた透明酸化物半導体は、熱安定性に優れた半導体領域の比抵抗を維持し、高透明、高移動度の透明酸化物半導体が得ることができる。
また、本発明によれば、薄膜製造時の酸素濃度を制御することによって、容易に上記透明酸化物半導体を得ることが可能となる。
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づき説明する。
（１）透明酸化物半導体の製造準備（ターゲットの作成）
まず、ターゲットサンプル１を作成する。
酸化インジウムと酸化セリウムとの粉末（平均粒子径１μｍ以下）を、Ｃｅ／（Ｉｎ＋Ｃｅ）のモル比が０．０１になるように、湿式ボールミル容器内に収容し、７２時間にわたって混合粉砕した。
次に、このようにして得られた粉砕物を造粒してから、直径４インチ、厚さ５ｍｍの寸法にプレス成形した。これを焼成炉に収容した後、１４００℃の温度で、３６時間加熱焼成し、ターゲットを作成した。
なお、Ｃｅ／（Ｉｎ＋Ｃｅ）は原子数比であるが、この値は本実施の形態では上記モル比と等しい。
同様の手法で、酸化インジウムと酸化セリウムとの組成を変化させて、ターゲットサンプル２〜ターゲットサンプル８を作成した。
図１に示すように、サンプル１は、酸化インジウムと酸化セリウムとのモル比が０．０１のターゲットである。
また、サンプル２は、酸化インジウムと酸化セリウムとのモル比が０．０３のターゲットである。
また、サンプル３は、酸化インジウムと酸化セリウムとのモル比が０．０５のターゲットである。
また、サンプル４は、酸化インジウムと酸化セリウムとのモル比が０．１のターゲットである。
また、サンプル５は、酸化インジウムと酸化セリウムとのモル比が０．０２であるが、さらに第三成分として酸化サマリウムが添加されている。この酸化サマリウムの添加量は、Ｓｍ／（Ｉｎ＋Ｃｅ＋Ｓｍ）で表されるモル比が０．０１になる量とした。
また、サンプル６は、酸化インジウムと酸化セリウムとのモル比が０．０２であるが、さらに第三成分として酸化ガリウムが添加されている。この酸化ガリウムの添加量は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｃｅ＋Ｇａ）で表されるモル比が０．０１になる量とした。
また、サンプル７は、酸化インジウムと酸化セリウムとのモル比が０のターゲットである。すなわち、全て酸化インジウムである。
また、サンプル８は、酸化インジウムと酸化セリウムとのモル比が０．５のターゲットである。
以上、ターゲットサンプル１〜ターゲットサンプル８の合計８種を作成した。
（２）透明酸化物半導体薄膜の製造
次に、 スパッタリング装置に、上記（１）で得たターゲットを装着する。そして、一旦、真空度１０−４Ｐａまで真空に引いた後、アルゴンガス及び酸素を導入して０．３Ｐａに調整する。次に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、パワー１００Wを加えて、試料上に２００ｎｍの薄膜を製造した。その薄膜の製造条件、及び、薄膜の測定値を図２の表に示す。また、結晶化の有無の測定方法については、Ｘ線回析法によって行う。
まず、実施例の説明を行う。
図２に示すように、実施例１は、サンプル１のターゲットを使用した薄膜である。酸素分圧が１０％であり、成膜温度を２００℃で成膜した。その結果、比抵抗が１０＋２Ωｃｍの薄膜が得られた。この薄膜の波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８５％であり、また、結晶化されている。３００℃で１時間加熱後は、比抵抗が１０＋２Ωｃｍで加熱前と変化がなかった。また、加熱前と同様に結晶化した状態であるが、結晶ピークは鋭くなり、結晶性が向上している。
図２に示すように、実施例２は、サンプル２のターゲットを使用した薄膜である。酸素分圧が１０％であり、成膜温度を２００℃で成膜した。その結果、比抵抗が１０＋２Ωｃｍの薄膜が得られた。この薄膜の波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８５％であり、また、結晶化されている。３００℃で１時間加熱後は、比抵抗が１０＋２Ωｃｍで加熱前と変化がなかった。また、加熱前と同様に結晶化した状態であるが、結晶ピークは鋭くなり、結晶性が向上している。
図２に示すように、実施例３は、サンプル３のターゲットを使用した薄膜である。酸素分圧が１０％であり、成膜温度を２００℃で成膜した。その結果、比抵抗が１０＋４Ωｃｍの薄膜が得られた。また、この薄膜の波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８５％であり、また、結晶化されている。３００℃で１時間加熱後は、比抵抗が１０＋４Ωｃｍで加熱前と変化がなかった。また、加熱前と同様に結晶化した状態であるが、結晶ピークは鋭くなり、結晶性が向上している。
図２に示すように、実施例４は、サンプル４のターゲットを使用した薄膜である。酸素分圧が１０％であり、成膜温度を２００℃で成膜した。その結果、比抵抗が１０＋５Ωｃｍの薄膜が得られた。また、この薄膜の波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８５％であり、また、結晶化されている。３００℃で１時間加熱後は、比抵抗が１０＋５Ωｃｍで加熱前と変化がなかった。また、加熱前と同様に結晶化した状態であるが、結晶ピークは鋭くなり、結晶性が向上している。
図２に示すように、実施例５は、サンプル５のターゲットを使用した薄膜である。酸素分圧が１０％であり、成膜温度を２００℃で成膜した。その結果、比抵抗が１０＋６Ωｃｍの薄膜が得られた。また、この薄膜の波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８６％であり、また、結晶化されている。３００℃で１時間加熱後は、比抵抗が１０＋６Ωｃｍで加熱前と変化がなかった。また、加熱前と同様に結晶化した状態であるが、結晶ピークは鋭くなり、結晶性が向上している。
図２に示すように、実施例６は、サンプル６のターゲットを使用した薄膜である。酸素分圧が１０％であり、成膜温度を２００℃で成膜した。その結果、比抵抗が１０＋２Ωｃｍの薄膜が得られた。また、この薄膜の波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８７％であり、また、結晶化されている。３００℃で１時間加熱後は、比抵抗が１０＋２Ωｃｍで加熱前と変化がなかった。また、加熱前と同様に結晶化した状態であり、結晶ピークは鋭くなり、結晶性が向上している。
図２に示すように、実施例７は、サンプル２のターゲットを使用した薄膜である。酸素分圧が２０％であり、成膜温度を２００℃で成膜した。その結果、比抵抗が１０＋２Ωｃｍの薄膜が得られた。また、この膜膜の波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８５％であり、また、結晶化されている。３００℃で１時間加熱後は、比抵抗が１０＋２Ωｃｍで加熱前と変化がなかった。また、加熱前と同様に結晶化した状態であるが、結晶ピークは鋭くなり、結晶性が向上している。
また、図２に示すように、これらの実施例のホール測定により求めたキャリア密度は、全て１０＋１８／ｃｍ３未満であり、且つ、移動度は１０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ超であった。
次に、比較例の説明を行う。
図２に示すように、比較例１は、サンプル２のターゲットを使用した薄膜である。酸素分圧が３％であり、成膜温度を２００℃で成膜した。その結果、比抵抗が１０−２Ωｃｍの薄膜が得られた。また、この薄膜の波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８５％であり、また、結晶化されている。３００℃で１時間加熱後は、比抵抗が１０−２Ωｃｍで加熱前と変化がなかった。また、加熱前と同様に結晶化した状態である。
図２に示すように、比較例２は、サンプル２のターゲットを使用した薄膜である。酸素分圧が０％であり、成膜温度を室温で成膜した。その結果、比抵抗が１０−３Ωｃｍの薄膜が得られた。また、この薄膜の波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８５％であり、また、結晶化されていない。３００℃で１時間加熱後は、比抵抗が１０−２Ωｃｍと加熱前より変化している。また、結晶化されていなかった薄膜が、１時間加熱後には結晶化した状態へと変化している。
図２に示すように、比較例３は、サンプル７のターゲットを使用した薄膜である。酸素分圧が０％であり、成膜温度を室温で成膜した。その結果、比抵抗が１０−３Ωｃｍの薄膜が得られた。この薄膜の波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８５％であり、また、結晶化されていない。３００℃で１時間加熱後は、比抵抗が１０−１Ωｃｍと加熱前より変化している。また、結晶化されていなかった薄膜が、１時間加熱後には結晶化した状態へと変化している。
図２に示すように、比較例４は、サンプル８のターゲットを使用した薄膜である。酸素分圧が０％であり、成膜温度を室温で成膜した。その結果、比抵抗が１０−４Ωｃｍの薄膜が得られた。この薄膜の波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８５％であり、また、結晶化されていない。３００℃で１時間加熱後は、比抵抗が１０−２Ωｃｍであり、また、Ｘ線回析により、結晶化されていなかった薄膜が結晶化した状態へと変化していることを確認した。
また、図２に示すように、これらの比較例は、移動度は全て１０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ超であったが、ホール測定により求めたキャリア密度は、全て１０＋１８／ｃｍ３であった。
本実施の形態で作成したターゲットの組成を示す表である。 本実施の形態で作成したターゲットを用いて成膜した薄膜の測定値などを表す表である。

Claims (8)

  1. 酸化インジウムと酸化セリウムとを含有し、結晶質からなる半導体薄膜であって、前記半導体薄膜中のセリウム原子比が、Ｃｅ／（Ｃｅ＋Ｉｎ）＝０．００５〜０．１であり、かつ、前記半導体薄膜の比抵抗が１０＋１〜１０＋８Ωｃｍであることを特徴とする半導体薄膜。
  2. 前記半導体薄膜中のセリウム原子比が、Ｃｅ／（Ｃｅ＋Ｉｎ）＝０．０１〜０．０５であることを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜。
  3. 前記半導体薄膜が、酸化インジウムのビックスバイト型結晶であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の半導体薄膜。
  4. 酸化インジウム及び酸化セリウムとを含有するターゲットを用いて、物理成膜法により薄膜を製造する方法にて、成膜中の雰囲気中の酸素濃度が５ｖｏｌ．％超にて成膜することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
  5. 上記成膜中の雰囲気中の酸素濃度が１０ｖｏｌ．％〜３０ｖｏｌ．％の範囲内において成膜することを特徴とする請求項４記載の半導体薄膜の製造方法。
  6. 上記成膜中の雰囲気中の酸素濃度が１０ｖｏｌ．％〜２０ｖｏｌ．％の範囲内において成膜することを特徴とする請求項４又は５記載の半導体薄膜の製造方法。
  7. 酸化インジウム及び酸化セリウムを含有するターゲットを用いて、物理成膜法によって薄膜を製造する方法にて、成膜中の基板温度を１５０℃以上の温度にて成膜することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
  8. 酸化インジウム及び酸化セリウムを含有するターゲットを用いて、物理成膜法によって薄膜を製造する方法にて、成膜後の基板を２００℃以上の温度で加熱することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
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