JP4982620B1 - 電界効果型トランジスタの製造方法、並びに、電界効果型トランジスタ、表示装置、イメージセンサ及びx線センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ゲート電極14上に配置されたゲート絶縁層16上に、第一の酸化物半導体膜24を成膜する第一工程と、第一の酸化物半導体膜24とカチオン組成が異なり、且つ第一の酸化物半導体膜24より低い電気伝導度を有する第二の酸化物半導体膜26を成膜する第二工程と、酸化性雰囲気の下300℃超で熱処理する第三工程と、第一の酸化物半導体膜24とカチオン組成が異なり、且つ第一の酸化物半導体膜24より低い電気伝導度を有する第三の酸化物半導体膜28を成膜する第四工程と、酸化性雰囲気の下300℃超で熱処理する第五工程と、第三の酸化物半導体膜28上に、ソース電極20及びドレイン電極22を形成する電極形成工程と、を有している。
【選択図】図2
Description
<1>ゲート電極上に配置されたゲート絶縁層上に、第一の酸化物半導体膜を成膜する第一工程と、前記第一工程後に、前記第一の酸化物半導体膜上に、前記第一の酸化物半導体膜とカチオン組成が異なり、且つ前記第一の酸化物半導体膜より低い電気伝導度を有する第二の酸化物半導体膜を成膜する第二工程と、前記第二工程後に、酸化性雰囲気の下300℃超で熱処理する第三工程と、前記第三工程後に、前記第二の酸化物半導体膜上に、前記第一の酸化物半導体膜とカチオン組成が異なり、且つ前記第一の酸化物半導体膜より低い電気伝導度を有する第三の酸化物半導体膜を成膜する第四工程と、前記第四工程後に、酸化性雰囲気の下で熱処理する第五工程と、前記第四工程と前記第五工程の間又は前記第五工程後に、前記第三の酸化物半導体膜上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する電極形成工程と、を有する電界効果型トランジスタの製造方法。
なお、上記第三工程の熱処理は複数回行うことも含む。
<2>前記第一の酸化物半導体膜と、前記第二の酸化物半導体膜は、それぞれIn、Ga及びZnのうちの少なくとも1種を含み、前記第二工程と前記第三工程の際に、前記第二の酸化物半導体膜の厚みをZ(nm)とし、前記第三工程での熱処理温度をT(℃)とし、前記第二の酸化物半導体膜及び前記第一の酸化物半導体膜中への酸素の拡散距離をL(nm)としたとき、0<Z<L=8×10−6×T3−0.0092×T2+3.6×T−468±0.1の関係式を満たすように前記第二の酸化物半導体膜の厚みと前記熱処理温度を調整する、<1>に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<3>前記第二工程と前記第三工程の際に、Z≦L−3.0の関係式を満たすように前記第二の酸化物半導体膜の厚みと前記熱処理温度を調整する、<2>に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<4>前記第二工程と前記第三工程の際に、L−15.0≦Zの関係式を満たすように前記第二の酸化物半導体膜の厚みと前記熱処理温度を調整する、<2>又は<3>に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<5>前記第二工程と前記第三工程の際に、L−11.0≦Z≦L−8.0の関係式を満たすように前記第二の酸化物半導体膜の厚みと前記熱処理温度を調整する、<2>〜<4>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<6>前記第四工程では、前記第三の酸化物半導体膜のカチオン組成比が、前記第二の酸化物半導体膜のカチオン組成比と同じになるように成膜する、<1>〜<5>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<7>前記第二工程と前記第四工程の際、前記第二の酸化物半導体膜と前記第三の酸化物半導体膜の厚みの合計が10nm超70nm未満となるように調整する、<1>〜<6>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<8>前記第三の酸化物半導体膜は、In、Ga及びZnのうちの少なくとも1種を含む、<1>〜<7>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<9>前記第一の酸化物半導体膜はInを含み、前記第一の酸化物半導体膜のIn組成比率が、前記第二の酸化物半導体膜のIn組成比率よりも高い、<8>に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<10>前記第二の酸化物半導体膜はGaを含み、前記第二の酸化物半導体膜のGa組成比率が前記第一の酸化物半導体膜のGa組成比率よりも高い、<8>又は<9>に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<11>前記第一の酸化物半導体膜と、前記第二の酸化物半導体膜と、前記第三の酸化物半導体膜は、それぞれ非晶質である、<8>〜<10>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<12>前記第三工程及び前記第五工程での熱処理温度を600℃未満に調整する、<8>〜<11>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<13>前記第一工程では、前記第一の酸化物半導体膜の厚みが10nm未満となるように成膜する、<1>〜<12>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<14>前記第一の酸化物半導体膜の組成は、In(a)Ga(b)Zn(c)O(d)(a,b,c,d>0)で表される、<1>〜<13>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<15>前記第一の酸化物半導体膜の組成は、c≦3/5,b>0,b≧3a/7−3/14,b≧9a/5−53/50,b≦−8a/5+33/25,b≦91a/74−17/40(但しa+b+c=1とする)で表される範囲内の組成である、<14>に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<16>前記第一の酸化物半導体膜の組成は、b≦17a/23−28/115,b≧3a/37,b≧9a/5−53/50,b≦1/5(但しa+b+c=1とする)で表される範囲内の組成である、<15>に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<17>前記第一の酸化物半導体膜の組成は、b≦7a/13−11/65,b≧3a/37,b≦−2a+11/10(但しa+b+c=1とする)で表される範囲内の組成である、<16>に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<18>前記第一の酸化物半導体膜の組成は、In(x)Zn(1−x)O(y)(y>0,0<x<1)で表される、<1>〜<13>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<19>前記第一の酸化物半導体膜の組成は、0.4≦x≦0.75で表される範囲内の組成である、<18>に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<20>前記第一の酸化物半導体膜の組成は、0.4≦x≦0.5で表される範囲内の組成である、<19>に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<21>前記第二の酸化物半導体膜の組成は、In(e)Ga(f)Zn(g)O(h)(e,f,g,h>0)で表される、<1>〜<20>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<22>前記第二の酸化物半導体膜の組成は、0.250<f/(e+f)≦0.875で表される範囲内の組成である、<21>に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<23>前記第一工程と前記第二工程と前記第四工程では、それぞれプラズマを発生する成膜法を用いて成膜する、<1>〜<22>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<24>前記五工程は、前記電極形成工程後に行う、<1>〜<23>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<25>ゲート電極上にゲート絶縁層を有し、前記ゲート絶縁層上に、電子が走行するチャネル積層膜が構成され、前記チャネル積層膜上に、ソース電極、及びドレイン電極が形成されるボトムゲート型でトップコンタクト型の電界効果型トランジスタにおいて、前記チャネル積層膜がそれぞれIn、Ga、Znを含む酸化物半導体層であり、前記ゲート絶縁膜側から、第一、第二、第三の酸化物半導体膜で構成され、前記第一の酸化物半導体膜におけるIn含有率が前記第二、第三の酸化物半導体膜よりも高く且つ、前記第二の酸化物半導体層における格子欠陥密度が、前記第三の酸化物半導体層の格子欠陥密度に対して少ない電界効果型トランジスタ。
<26>ゲート電極上にゲート絶縁層を有し、前記ゲート絶縁層上に、電子が走行するチャネル積層膜が構成され、前記チャネル積層膜上に、ソース電極、及びドレイン電極が形成されるボトムゲート型でトップコンタクト型の電界効果型トランジスタにおいて、前記チャネル積層膜がそれぞれIn、Ga、Znを含む酸化物半導体層であり、前記ゲート絶縁膜側から、第一、第二、第三の酸化物半導体膜で構成され、前記第一の酸化物半導体膜におけるIn含有率が前記第二、第三の酸化物半導体膜よりも高く、且つ、前記第二の酸化物半導体層中の酸素含有密度が、前記第三の酸化物半導体層の酸素含有密度に対して多くなっている電界効果型トランジスタ。
<27><1>〜<24>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法により製造された電界効果型トランジスタを備えたことを特徴とする表示装置。
<28>基板と、前記基板上に配置され、<1>〜<24>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法により製造された電界効果型トランジスタと、前記電界効果型トランジスタ上で、前記電界効果型トランジスタに電気的に接続されている有機電界発光素子と、を備え、前記有機電界発光素子から発せられる光が、前記基板側から取り出されるボトムエミッション型の表示装置。
<29><1>〜<24>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法により製造された電界効果型トランジスタを備えたことを特徴とするイメージセンサ。
<30><1>〜<24>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタの製造方法により製造された電界効果型トランジスタを備えたことを特徴とするX線センサ。
まず、電界効果型トランジスタの製造方法を説明する前に、当該製造方法によって作製される電界効果型トランジスタの構成について概略を説明する。
本発明の実施形態に係る電界効果型トランジスタは、薄膜トランジスタ:TFTであって、少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁層、酸化物半導体層、ソース電極及びドレイン電極を有し、ゲート電極に電圧を印加して、酸化物半導体層に流れる電流を制御し、ソース電極とドレイン電極間の電流をスイッチングする機能を有するアクテイブ素子である。
以上説明した電界効果型トランジスタの製造方法は、ゲート電極14上に配置されたゲート絶縁層16上に、第一の酸化物半導体膜24を成膜する第一工程と、前記第一の酸化物半導体膜24上に、前記第一の酸化物半導体膜24とカチオン組成が異なり、且つ前記第一の酸化物半導体膜24より低い電気伝導度を有する第二の酸化物半導体膜26を成膜する第二工程と、前記第二工程後に、酸化性雰囲気の下300℃超で熱処理する第三工程と、前記第三工程後に、前記第二の酸化物半導体膜26上に、前記第一の酸化物半導体膜24とカチオン組成が異なり、且つ前記第一の酸化物半導体膜24より低い電気伝導度を有する第三の酸化物半導体膜28を成膜する第四工程と、前記第四工程後に、酸化性雰囲気の下で熱処理する第五工程と、前記第四工程と前記第五工程の間又は前記第五工程後に、前記第三の酸化物半導体膜28上に、ソース電極20及びドレイン電極22を形成する電極形成工程と、を有している。
そして、このような製造方法によれば、第二工程での第二の酸化物半導体膜26を成膜した後に第三工程の熱処理を行うことによって、第一の酸化物半導体膜24と第二の酸化物半導体膜26との界面欠陥を酸素拡散により補償することで、光照射時のΔVthを改善することができ、仮に、第三工程によって酸化性雰囲気から界面まで酸素拡散が到達しない場合においても、第三工程を行わない場合と比較して第二の酸化物半導体膜26のバルク中欠陥を低減させることが出来るため、もってTFT特性を安定化することができる。
なお、「電気伝導度」とは、物質の電気伝導のしやすさを表す物性値であり、物質のキャリア濃度n、電気素量をe、キャリア移動度μとするとdrudeモデルを仮定した場合、物質の電気伝導度σは以下の式で表される。
σ=neμ
第一の酸化物半導体膜24、第二の酸化物半導体膜26、又は第三の酸化物半導体膜28がn型半導体である時はキャリアは電子であり、キャリア濃度とは電子キャリア濃度を、キャリア移動度とは電子移動度を示す。同様に第一の酸化物半導体膜24、第二の酸化物半導体膜26、又は第三の酸化物半導体膜28がp型半導体ではキャリアは正孔であり、キャリア濃度とは、正孔キャリア濃度を、キャリア移動度とは正孔移動度を示す。尚、物質のキャリア濃度とキャリア移動度は、ホール測定により求めることができる。
電気伝導度の求め方は、厚みが分かっている膜のシート抵抗を測定することにより、膜の電気伝導度を求めることができる。半導体の電気伝導度は温度より変化するが、本文記載の電気伝導度は、室温(20℃)での電気伝導度を示す。
以上のような電界効果型トランジスタの製造方法について、以下図2を用いながら具体的に説明する。
まず、図2(A)に示すように、TFT10を形成するための基板12を用意した後、 基板12の一方の主面上に、ゲート電極14を形成する。
基板12の形状、構造、大きさ等については特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。基板の構造は単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。基板12としては、例えば、ガラスやYSZ(イットリウム安定化ジルコニウム)等の無機材料、樹脂や樹脂複合材料等からなる基板を用いることができる。中でも軽量である点、可撓性を有する点から樹脂あるいは樹脂複合材料からなる基板が好ましい。具体的には、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、アリルジグリコールカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンズアゾール、ポリフェニレンサルファイド、ポリシクロオレフィン、ノルボルネン樹脂、ポリクロロトリフルオロエチレン等のフッ素樹脂、液晶ポリマー、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アイオノマー樹脂、シアネート樹脂、架橋フマル酸ジエステル、環状ポリオレフィン、芳香族エーテル、マレイミドーオレフィン、セルロース、エピスルフィド化合物等の合成樹脂からなる基板、既述の合成樹脂等と酸化珪素粒子との複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等と金属ナノ粒子、無機酸化物ナノ粒子もしくは無機窒化物ナノ粒子等との複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等とカーボン繊維もしくはカーボンナノチューブとの複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等とガラスフェレーク、ガラスファイバーもしくはガラスビーズとの複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等と粘土鉱物もしくは雲母派生結晶構造を有する粒子との複合プラスチック材料からなる基板、薄いガラスと既述のいずれかの合成樹脂との間に少なくとも1回の接合界面を有する積層プラスチック基板、無機層と有機層(既述の合成樹脂)を交互に積層することで、少なくとも1回以上の接合界面を有するバリア性能を有する複合材料からなる基板、ステンレス基板またはステンレスと異種金属とを積層した金属多層基板、アルミニウム基板または表面に酸化処理(例えば陽極酸化処理)を施すことで表面の絶縁性を向上させた酸化皮膜付きのアルミニウム基板等を用いることができる。
なお、樹脂基板としては、耐熱性、寸法安定性、耐溶剤性、電気絶縁性、加工性、低通気性、および低吸湿性等に優れていることが好ましい。樹脂基板は、水分や酸素の透過を防止するためのガスバリア層や、樹脂基板の平坦性や下部電極との密着性を向上するためのアンダーコート層等を備えていてもよい。
ゲート電極14を構成する導電膜は、高い導電性を有するものを用いることが好ましく、例えばAl,Mo,Cr,Ta,Ti,Au,Au等の金属、Al−Nd、Ag合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の金属酸化物導電膜等を単層または2層以上の積層構造として用いることができる。
ゲート電極14を形成した後は、図2(B)に示すように、当該ゲート電極14上及び基板12の露出面上にゲート絶縁層16を形成する。
ゲート絶縁層16の形成では、まず例えば印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、CVD、プラズマCVD法等の化学的方式等の中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って絶縁膜を成膜する。成膜後、必要に応じて、フォトリソグラフィー及びエッチング法又はリフトオフ法等によって所定の形状にパターンニングを行い、絶縁膜からゲート絶縁層16を形成する。
ゲート絶縁層16を構成する絶縁膜は、高い絶縁性を有するものが好ましく、例えばSiO2,SiNx,SiON,Al2O3,Y2O3,Ta2O5,HfO2等の絶縁膜、又はこれらの化合物を少なくとも二つ以上含む絶縁膜としてもよい。
なお、ゲート絶縁層16は、リーク電流の低下及び電圧耐性の向上のための厚みを有する必要がある一方、ゲート絶縁層の厚みが大きすぎると駆動電圧の上昇を招いてしまう。 ゲート絶縁層16の厚みは、その材質にもよるが、10nm以上10μm以下が好ましく、50nm以上1000nm以下がより好ましく、100nm以上400nm以下が特に好ましい。
ゲート絶縁層16を形成した後は、図2(C)に示すように、当該ゲート絶縁層16上に酸化物半導体層18の一部としての第一の酸化物半導体膜24を成膜する第一工程を行う。
この第一工程では、例えば印刷方式やコーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法やスパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、CVDやプラズマCVD法等の化学的方式等の中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って第一の酸化物半導体膜24を成膜する。これらの中でも、膜厚の制御がし易いという観点から、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、CVD又はプラズマCVD法等の気相成膜法を用いるのが好ましい。気相成膜法の中でも、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法(PLD法)がより好ましい。さらに、量産性の観点から、スパッタリング法がさらに好ましい。例えば、RFマグネトロンスパッタリング蒸着法により、真空度及び酸素流量を制御して成膜される。また第一の酸化物半導体膜24として例えばIGZOを成膜する場合には、所望のカチオン組成になるように調整した複合酸化物ターゲットを用いても良いし、In2O3,Ga2O3,ZnOの3元共スパッタを用いても良い。
酸化物半導体は、非晶質又は結晶質のいずれであってもよいが、好ましくは、非晶質酸化物半導体が用いられる。半導体膜を酸化物半導体により構成すれば、非晶質シリコンの半導体膜に比べて電荷の移動度がはるかに高く、低電圧で駆動させることができる。また、酸化物半導体を用いれば、通常、シリコンよりも光透過性が高い半導体膜を形成することができる。また、酸化物半導体、特に非晶質酸化物半導体は、低温(例えば室温)で均一に成膜が可能であるため、プラスチックのような可撓性のある樹脂基板を用いるときに特に有利となる。
酸化物半導体の構成材料としては、従来公知のものが包含され、例えばIn,Ti,Nb,Sn,Zn,Gd,Cd,Zr,Y,La,Ta等の遷移金属の酸化物の他、SrTiO3,CaTiO3,ZnO・Rh2O3,CuGaO2,SrCu2O2等の酸化物等が挙げられる。
このように、第一の酸化物半導体膜24に用いられる酸化物半導体は、特に限定されることはないが、In、Sn、Zn、Ga及びCdのうち少なくとも1種を含む酸化物が好ましく、In、Sn、Zn及びGaのうち少なくとも1種を含む酸化物がより好ましく、In、Ga及びZnのうちの少なくとも1種を含む酸化物(例えばIn−O系)がさらに好ましい。
特に、第一の酸化物半導体膜24はInを含み、第一の酸化物半導体膜24のIn組成比率が、第二の酸化物半導体膜26のIn組成比率よりも高いことが好ましい。In組成比率を高くすることで相対的に電子親和力が増大する傾向が得られ、第一の酸化物半導体膜24に伝導キャリアが集中しやすくなるからである。また、In含有率を増大させた方が伝導キャリア濃度を増大させることが容易になるため、高いキャリア移動度を得やすくなるからである。
さらに、In、Ga及びZnのうちの少なくとも2種を含む酸化物(例えばIn−Zn−O系、In−Ga−O系、Ga−Zn−O系)が好ましく、In、Ga及びZnを全て含む酸化物がより好ましい。すなわち、第一の酸化物半導体膜24の組成は、In(a)Ga(b)Zn(c)O(d)(a,b,c,d>0)で表されることが好ましい。その際、第一の酸化物半導体膜24の組成が、c≦3/5,b>0, b≧3a/7−3/14,b≧9a/5−53/50,b≦−8a/5+33/25,b≦91a/74−17/40(但しa+b+c=1とする)で表される範囲内の組成であることが好ましい。この組成範囲内であれば、TFT10形成後に20cm2/Vs超の電界効果移動度が得られるからである。また後述する第三工程での熱処理温度や第二の酸化物半導体膜26の膜厚にもよるが閾値電圧VthがVth>0となるからである。
さらにその際、第一の酸化物半導体膜24の組成は、b≦17a/23−28/115,b≧3a/37,b≧9a/5−53/50,b≦1/5(但しa+b+c=1とする)で表される範囲内の組成であることが好ましい。この組成範囲内であれば、TFT10形成後に30cm2/Vs超の電界効果移動度が得られるからである。
さらにまたその際、第一の酸化物半導体膜24の組成は、b≦7a/13−11/65,b≧3a/37,b≦−2a+11/10(但しa+b+c=1とする)で表される範囲内の組成であることが好ましい。この組成範囲内であれば、TFT10形成後に30cm2/Vs超の電界効果移動度とノーマリーオフ(ゲート電圧:Vg=0でのドレイン電流:Idが10−9A以下)が両立できるからである。
また、In、Ga及びZnのうちの2種のみを含む酸化物の場合、第一の酸化物半導体膜24の組成は、In(x)Zn(1−x)O(y)(y>0,0<x<1)で表されることが好ましい。その際、第一の酸化物半導体膜24の組成は、0.4≦x≦0.75で表される範囲内の組成であることが好ましい。この組成範囲内であれば、TFT10形成後に30cm2/Vs以上の電界効果移動度が得られるからである。さらにその際、第一の酸化物半導体膜24の組成は、0.4≦x≦0.5で表される範囲内の組成であることが好ましい。この組成範囲内であれば、TFT10形成後に30cm2/Vs以上の電界効果移動度とノーマリーオフ(ゲート電圧:Vg=0でのドレイン電流:Idが10−9A以下)が両立できるからである。
第一工程後は、図2(D)に示すように、第一の酸化物半導体膜24上に、当該第一の酸化物半導体膜24とカチオン組成が異なり、且つ第一の酸化物半導体膜24より低い電気伝導度を有する第二の酸化物半導体膜26を成膜する第二工程を行う。
ただし、第二の酸化物半導体膜26はGaを含み、当該第二の酸化物半導体膜26のGa組成比率が第一の酸化物半導体膜24のGa組成比率よりも高いことが好ましい。Ga組成比率を大きくすることで相対的に電子親和力が減少する傾向が得られ、第一の酸化物半導体膜24に伝導キャリアが集中しやすくなるからである。また、Ga含有率を増大させることで、バックチャネル側の伝導キャリアの寄与を減少させることが可能であるため、オフ電流が低減しやすくなるからである。
特に、第二の酸化物半導体膜26の組成は、In(e)Ga(f)Zn(g)O(h)(e,f,g,h>0)で表されることが好ましい。その際、第二の酸化物半導体膜26の組成は、0.250<f/(e+f)≦0.875で表される範囲内の組成であることが好ましい。f/(e+f)≦0.250の場合には、第2の領域の電子親和力が相対的に大きくなるため、第二の酸化物半導体膜26にも伝導パスが形成されたり、第二の酸化物半導体膜24に過剰な伝導キャリアを誘起しやすくなる。第二の酸化物半導体膜26において、f/(e+f)>0.250の範囲であれば第一の酸化物半導体膜24と比較して電子親和力が小さくなるためにキャリア濃度が相対的に低くなる。そのためゲート電圧を負に印加した場合に第二の酸化物半導体膜26がピンチオフしやすく、結果ソース・ドレイン電極20,22と第一の酸化物半導体膜24が切り離されるため、オフ電流が低減する効果が期待できる。一方で、f/(e+f)≦0.875であると、ソース・ドレイン電極20,22と第二の酸化物半導体膜26の間のコンタクト抵抗が高くなることを抑制できる。従って、第二の酸化物半導体膜26の組成範囲は、上述したように0.250<f/(e+f)≦0.875であることが好ましい。
第二工程後は、図2(E)に示すように、酸化性雰囲気の下300℃超で熱処理する第三工程を行う。第三工程を行う理由は、上述した通り、光照射時のTFT特性を安定化するためである。なお、熱処理温度を300℃超としたのは、酸化性雰囲気中の酸素又は第二の酸化物半導体膜26中の酸素が300℃超から第二の酸化物半導体膜26や第一の酸化物半導体膜24への拡散が生じるため、酸素拡散による第一の酸化物半導体膜24の界面欠陥や第一の酸化物半導体膜24及び第二の酸化物半導体膜26のバルク欠陥を低減するためには、300℃超の温度での熱処理が必要となるからである。また、この第三工程の熱処理は、複数回繰り返してもよい。
ここで、第二工程と第三工程の際に、第二の酸化物半導体膜26の厚みをZ(nm)とし、第三工程での熱処理温度をT(℃)とし、さらに酸素の拡散距離をL(nm)としたとき、0<Z<L=8×10−6×T3−0.0092×T2+3.6×T−468±0.1の関係式を満たすように第二の酸化物半導体膜26の厚みと上記熱処理温度を調整することが好ましい。このように、第二の酸化物半導体膜26の厚みZと熱処理温度Tの調整を行った上で第三工程の熱処理をすることによって、酸化性雰囲気中の酸素を第二の酸化物半導体膜26を介して第一の酸化物半導体膜24の界面内部にまで確実に供給することができるため、第二工程の成膜によって成膜ダメージを受けた第一の酸化物半導体膜24の表面欠陥を十分に補填でき、光照射時のTFT特性を改善することができる。このTFT特性については具体的には実施例で説明するが、酸化性雰囲気中の酸素を第二の酸化物半導体膜26を介して第一の酸化物半導体膜24の界面内部にまで供給すると、第一の酸化物半導体膜24と第二の酸化物半導体膜26との界面に、光照射時に誘起された電子−正孔対のうち正孔がトラップされ難いため、Vg−Id特性が2段階の立ち上がりを示めさないようにすることができる。
一方で、第二工程と第三工程の際に、L−15.0≦Zの関係式を満たすように第二の酸化物半導体膜26の厚みと熱処理温度を調整することが好ましい。第三工程での熱処理によって、第一の酸化物半導体膜24の奥深くまで酸素欠陥を補填して電界効果移動度が低減してしまうことを抑制するためである。
さらに、第二工程と第三工程の際に、L−11.0≦Z≦L−8.0の関係式を満たすように第二の酸化物半導体膜26の厚みと熱処理温度を調整することが好ましい。この範囲内であるとTFT10の電界効果移動度が急激に上昇するからである。なお、この電界効果移動度は、光照射前であっても光照射後であっても特に変化はしない。
また、酸化性雰囲気中の酸素分圧についても特に限定されないが、光照射時のΔVthをより改善する観点から実質的に100%であることが好ましい。また、初期特性において、Vthがマイナスへシフトする可能性がある事(酸素欠損による余剰キャリアの発生を抑制するという観点)を考慮すると酸化性雰囲気中の酸素分圧は全体の5%以上であることが好ましい。
第三工程後は、図2(F)に示すように、第二の酸化物半導体膜26上に、第一の酸化物半導体膜24とカチオン組成が異なり、且つ第一の酸化物半導体膜24より低い電気伝導度を有する第三の酸化物半導体膜28を成膜する第四工程を行う。
この第四工程では、第二工程と同様の成膜法を用いることができる。ただし、第一工程と第二工程と第四工程では、それぞれプラズマを発生する成膜法を用いて成膜することが好ましい。この成膜法であると第一の酸化物半導体膜24の表面が第二の酸化物半導体膜26の成膜によりダメージを受け易いので、本実施形態の製造方法に適している。また、成膜速度が速く、また均一性の高い膜が形成可能である場合が多く、低コスト且つ大面積の酸化物半導体膜を提供できる。
ただし、第四工程では、第三の酸化物半導体膜28のカチオン組成比が、第二の酸化物半導体膜26のカチオン組成比と同じになるように成膜することが好ましい。第三の酸化物半導体膜28のカチオン組成比は第一の酸化物半導体膜24、第二の酸化物半導体膜26よりも電子親和力が小さければ問題ないが、第二の酸化物半導体膜26と電子物性に大きな不整合があるときに界面でのパラレル伝導を引き起こしたりすることを抑制するためである。また、製造面から考えても、3種類のカチオン組成の酸化物半導体膜を積層する場合と比較して、第二の酸化物半導体膜26と第三の酸化物半導体膜28に同じ酸化物半導体膜を用いた場合の方が低コストである。
また、第一の酸化物半導体膜24と、第二の酸化物半導体膜26と、第三の酸化物半導体膜28は、それぞれ非晶質であることが好ましい。これらの膜が非晶質であれば、400℃以下の低温で成膜することが可能である他、結晶粒界が存在せず、均一性の高い膜が得られるからである。第一の酸化物半導体膜24と、第二の酸化物半導体膜26と、第三の酸化物半導体膜28が非晶質であるかどうかは、X線回折測定により確認することができる。すなわち、X線回折測定により、結晶構造を示す明確なピークが検出されなかった場合は、その膜は非晶質であると判断することができる。
また、酸化物半導体層18の各膜のキャリア濃度(及び電気伝導度)の制御は、組成変調によって行う他、成膜時の酸素分圧制御によっても行うことができる。
酸素濃度の制御は、具体的には第一の酸化物半導体膜24、第二の酸化物半導体膜26における成膜時の酸素分圧をそれぞれ制御することによって行う事が出来る。成膜時の酸素分圧を高めれば、キャリア濃度を低減させることが出来、それに伴ってオフ電流の低減が期待できる。一方、成膜時の酸素分圧を低くすれば、キャリア濃度を増大させることが出来、それに伴って電界効果移動度の増大が期待できる。また、例えば第一の酸化物半導体膜24の成膜後に酸素ラジカルやオゾンを照射する処理を施すことによっても膜の酸化を促進し、第一の酸化物半導体膜24中の酸素欠損量を低減させる事が可能である。
また、酸化物半導体層18のZnの一部を、よりバンドギャップの広がる元素イオンをドーピングすることによって、光学バンドギャップ増大に伴う光照射安定性を付与することが出来る。具体的には、Mgをドーピングすることにより膜のバンドギャップを大きくすることが可能である。例えば、第一の酸化物半導体膜24、第二の酸化物半導体膜26、第三の酸化物半導体膜28の各領域にMgをドープすることで、In、Ga、Znのみの組成比を制御した系に比べて、積層膜のバンドプロファイルを保ったままバンドギャップの増大が可能である。
そして、有機ELに用いられる青色発光層はλ=450nm程度にピークを持つブロードな発光を示すことから、仮にIGZO膜の光学バンドギャップが比較的狭く、その領域に光学吸収を持つ場合には、トランジスタの閾値シフトが起こってしまうという問題が生じる。従って、特に有機EL駆動用に用いられるTFTとしては、酸化物半導体層18に用いる材料のバンドギャップが、より大きいことが好ましい。
また、第一の酸化物半導体膜24等のキャリア密度はカチオンドーピングによっても任意に制御することができる。キャリア密度を増やしたい際には、相対的に価数の大きなカチオンになりやすい材料(例えばTi、Zr、Hf、Ta等)をドーピングすればよい。但し、価数の大きいカチオンをドーピングする場合は、酸化物半導体膜の構成元素数が増えるため、成膜プロセスの単純化、低コスト化の面で不利であることから、酸素濃度(酸素欠損量)により、キャリア密度を制御することが好ましい。
第四工程後は、図2(G)に示すように、酸化性雰囲気の下で熱処理する第五工程を行う。
第五工程での熱処理温度は、第三工程と同様に、カチオンの相互拡散の理由から600℃未満に調整することが好ましい。また、第三工程と同様に、酸素拡散を引き起こすという観点から300℃超であることが好ましく、光照射安定性を高めるという観点(例えば|ΔVth|≦0.1V)から、415℃以上であることがより好ましい。
第四工程と第五工程の間又は第五工程後は、図2(H)に示すように、第三の酸化物半導体膜28上に、ソース電極20及びドレイン電極22を形成する電極形成工程を行う。ただし、オーミックコンタクト形成の観点から、電極形成工程後に第五工程の熱処理を行うことが好ましい。電極形成工程では、まず例えば印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、CVD、プラズマCVD法等の化学的方式等の中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って導電膜を成膜する。これらの中でも、膜厚の制御がし易いという観点から、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、CVD又はプラズマCVD法等の気相成膜法を用いるのが好ましい。気相成膜法の中でも、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法(PLD法)がより好ましい。さらに、量産性の観点から、スパッタリング法がさらに好ましい。成膜後、必要に応じて、フォトリソグラフィー及びエッチング法又はリフトオフ法等によって所定の形状にパターンニングを行い、導電膜からソース・ドレイン電極20,22を形成する。この際、ソース・ドレイン電極20,22に接続する配線を同時にパターンニングすることが好ましい。
ソース・ドレイン電極20,22を構成する導電膜は、高い導電性を有するものを用い、例えばAl,Mo,Cr,Ta,Ti,Au,Au等の金属、Al−Nd、Ag合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の金属酸化物導電膜等を用いて形成することが出来る。ソース・ドレイン電極20,22としてはこれらの導電膜を単層構造又は2層以上の積層構造として用いることが出来る。
前記チャネル積層膜がそれぞれIn、Ga、Znを含む酸化物半導体層であり、前記ゲート絶縁膜側から、第一、第二、第三の酸化物半導体膜で構成され、前記第一の酸化物半導体膜におけるIn含有率が前記第二、第三の酸化物半導体膜よりも高く且つ、前記第二の酸化物半導体層における格子欠陥密度が、前記第三の酸化物半導体層の格子欠陥密度に対して少ない電界効果型トランジスタであるものと考えられる。
また、本発明の実施形態に係る電界効果型トランジスタの製造方法を用いて作製したTFT10は、ゲート電極上にゲート絶縁層を有し、前記ゲート絶縁層上に、電子が走行するチャネル積層膜が構成され、前記チャネル積層膜上に、ソース電極、及びドレイン電極が形成されるボトムゲート型でトップコンタクト型の電界効果型トランジスタにおいて、前記チャネル積層膜がそれぞれIn、Ga、Znを含む酸化物半導体層であり、前記ゲート絶縁膜側から、第一、第二、第三の酸化物半導体膜で構成され、前記第一の酸化物半導体膜におけるIn含有率が前記第二、第三の酸化物半導体膜よりも高く、且つ、前記第二の酸化物半導体層中の酸素含有密度が、前記第三の酸化物半導体層の酸素含有密度に対して多くなっている電界効果型(薄膜)トランジスタであると考えられる。
なお、格子欠陥とは、熱的に安定な原子位置からのズレの程度や、酸素空孔、あるいはInの原子数+Gaの原子数≒2×Znの原子数の式を満たす金属元素組成の相関からのズレの程度を意味する。また、酸素含有密度はそれぞれの酸化物半導体層における、単位体積あたりの酸素含有量を意味する。
ここで、図2の第三工程に着目する。本発明の実施形態に係る電界効果型トランジスタの製造方法を用いて作製したTFT10は、第三工程によって、第二の酸化物半導体膜26中に酸素拡散が起こる事は18Oアニールによる酸素侵入の結果から明らかである(実施例参照)。本発明によって酸素拡散が起こる300℃超での熱処理(第三工程)を行ったTFTでは全て光照射特性が向上する結果が得られている。これは第二の酸化物半導体膜26が(望ましくは第一,第二酸化物半導体膜の界面と共に)外部酸化性雰囲気下の酸素拡散によって欠陥補償されているためである。熱処理条件下で酸素拡散が起こるために、アモルファス構造ではあるもの、このような酸素拡散熱処理は格子原子の熱的安定な位置への再配列を促す。そのため、本実施形態によって得られたTFT10は第二の酸化物半導体膜26における格子欠陥密度が第三の酸化物半導体28よりも小さくなると考えられる。また当然ではあるが、第二の酸化物半導体膜26は、第三工程での外部酸化性雰囲気からの酸素拡散が起こっており、第三の酸化物半導体膜28と比較して酸素含有密度が増大するものと考えられる。したがって本実施形態の製造方法によって得られる光照射特性が向上したTFT10は、上記の様な特徴を有していると想定される。
なお、格子欠陥密度に関しては、太陽電池セル等の欠陥分析にて使用される、DLCP法(欠陥密度の深さ方向分析)等によって第一,第二,第三の酸化物半導体膜の格子欠陥密度を評価することが可能である。また、酸素含有密度差を検出する方法としてSIMS分析が挙げられる。
なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかであり、例えば上述の複数の実施形態は、適宜、組み合わせて実施可能である。また、以下の変形例同士を、適宜、組み合わせてもよい。
以上で説明した本実施形態にて製造される電界効果型トランジスタの用途には特に限定はないが、例えば電気光学装置(例えば液晶表示装置、有機EL(Electro Luminescence)表示装置、無機EL表示装置等の表示装置、等)における駆動素子、特に大面積デバイスに用いる場合に好適である。
更に実施形態の電界効果型トランジスタは、樹脂基板を用いた低温プロセスで作製可能なデバイスに特に好適であり(例えばフレキシブルディスプレイ等)、X線センサなどの各種センサ、MEMS(Micro Electro Mechanical System)等、種々の電子デバイスにおける駆動素子(駆動回路)として、好適に用いられるものである。
本実施形態の電気光学装置又はセンサは、前述の電界効果型トランジスタ(TFT10)を備えて構成される。
電気光学装置の例としては、表示装置(例えば液晶表示装置、有機EL表示装置、無機EL表示装置、等)がある。
センサの例としては、CCD(Charge Coupled Device)又はCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等のイメージセンサや、X線センサ等が好適である。
本実施形態のTFTを用いた電気光学装置およびセンサは、いずれも特性の面内均一性が高い。なお、ここで言う「特性」とは、電気光学装置(表示装置)の場合には表示特性、センサの場合には感度特性である。
以下、本実施形態によって製造される電界効果型トランジスタを備えた電気光学装置又はセンサの代表例として、液晶表示装置、有機EL表示装置、X線センサについて説明する。
図3に、本発明の電気光学装置の一実施形態の液晶表示装置について、その一部分の概略断面図を示し、図4にその電気配線の概略構成図を示す。
図5に、本発明の電気光学装置の一実施形態のアクティブマトリックス方式の有機EL表示装置について、その一部分の概略断面図を示し、図6に電気配線の概略構成図を示す。
図7に、本発明のセンサの一実施形態であるX線センサについて、その一部分の概略断面図を示し、図8にその電気配線の概略構成図を示す。
X線変換層304はアモルファスセレンからなる層であり、TFT10およびキャパシタ310を覆うように設けられている。
上部電極306はX線変換層304上に設けられており、X線変換層304に接している。
第二の酸化物半導体膜の成膜から第三の酸化物半導体膜の成膜までの間に熱処理工程(第三工程)を導入することで、光照射特性がどのように変化するのか、以下のようなボトムゲート・トップコンタクト型のTFTを実施例1〜3のTFT及び比較例1のTFTとして作製し、光照射時のTFT特性を評価することで検証した。
まず、実施例1に係るTFTを以下のような製造方法を用いて作製した。
図9(A)は実施例及び比較例のTFTの平面図であり、図9(B)は図9(A)に示すTFTのA−A線矢視断面図である。
基板502上に形成する酸化物半導体層505は、上述の通り、第一の酸化物半導体膜506と、第二の酸化物半導体膜507と、第三の酸化物半導体膜508とに分けたが、各膜間で大気中に暴露することなく連続して成膜を行った。各膜のスパッタは、第一〜第三の酸化物半導体膜506〜508においてはIn2O3ターゲット、Ga2O3ターゲット、ZnOターゲットを用いた3元共スパッタを用いて行った。各領域の膜厚調整は成膜時間の調整にて行った。
具体的に、まず基板502の熱酸化膜504上に第一の酸化物半導体膜506を5nmスパッタ成膜した(第一工程)。第一の酸化物半導体膜506は、In(a)Ga(b)Zn(c)O(d),(a>0,b>0,c>0,d>0,a+b+c=1)としたとき組成比がa:b:c=0.617:0.050:0.333のIGZO膜とした。この成膜の際、ターゲット投入電力(W)は、In2O3:Ga2O3:ZnO=47.3:23.1:14.0とした。
また、他のスパッタ条件は、次のようにした。
成膜圧力;4.4×10−1Pa
成膜温度;室温
酸素分圧/アルゴン分圧;0.067
その後、第三工程として酸素分圧100%の酸化性雰囲気の下450℃で熱処理を行った。なお、酸素分圧100%の酸化性雰囲気は、ガスボンベからフローしたものであり、雰囲気全体に含まれる水分含有量が露点温度換算で−36℃以下(絶対湿度0.21g/m−3以下)のものである。
熱処理の後、第三の酸化物半導体膜508として、第二の酸化物半導体膜507と同じ組成のIGZO膜を45nm成膜した(第四工程)。なお、第二の酸化物半導体膜507及び第三の酸化物半導体膜508のスパッタ条件は以下の通りである。
成膜圧力;4.4×10−1Pa
成膜温度;室温
酸素分圧/アルゴン分圧;0.067
In2O3、Ga2O3、ZnOターゲットの投入電力比;19.3:70.0:14.5
電極層形成後は、酸化性雰囲気(=大気雰囲気)の下450℃で熱処理を行った(第五工程)。なお、大気雰囲気とは、酸素分圧が21%であり、雰囲気全体に含まれる水分含有量が露点温度換算で16℃(絶対湿度13.6g/m−3)のものである。
以上により、チャネル長180μm、チャネル幅1mmの実施例1に係るボトムゲート型のTFTを得た。
実施例2に係るTFTは、熱処理工程すなわち第三工程と第五工程の熱処理雰囲気以外はTFT1と同様の製造方法を用いた。具体的に、第三工程では熱処理雰囲気として大気雰囲気を用い、第五工程では熱処理雰囲気として酸素分圧100%の酸化性雰囲気を用いて、実施例2に係るTFTを得た。
実施例3に係るTFTは、熱処理工程すなわち第三工程と第五工程の熱処理雰囲気以外はTFT1と同様の製造方法を用いた。具体的に、第三工程では酸素分圧100%の酸化性雰囲気を用い、第五工程では熱処理雰囲気として酸素分圧100%の酸化性雰囲気を用いて、実施例3に係るTFTを得た。
比較例1に係るTFTは、熱処理工程すなわち第三工程と第五工程以外はTFT1と同様の製造方法を用いた。具体的に、第三工程は行わず、第五工程では熱処理温度を450℃とし熱処理雰囲気として酸素分圧100%の酸化性雰囲気を用いて、比較例1に係るTFTを得た。
作製した実施例1〜3及び比較例1に係るTFTはVg−Id特性を評価した後、波長可変のモノクロ光を照射することで、光照射に対するTFT特性の安定性を評価した。
TFT特性の評価は、半導体パラメータ・アナライザー4156C(アジレントテクノロジー社製)を用いた。その装置にて、Vg−Id特性の測定は、ドレイン電圧(Vd)を10Vに固定し、ゲート電圧(Vg)を−30V〜+30Vの範囲内で掃引し、各ゲート電圧(Vg)におけるドレイン電流(Id)を測定することにて行った。また電界効果移動度は、ドレイン電圧(Vd)を1Vに固定した状態でゲート電圧(Vg)を−30V〜+30Vの範囲内で掃引して得た、線形領域でのVg−Id特性から線形移動度を算出したものである。
第三工程や第五工程の熱処理にて酸化性雰囲気中の酸素が熱処理温度との関係で、酸化物半導体層のどの程度深くまで拡散していくのか検証した。
実験例1では、基板としてゲート電極を兼ねる熱酸化膜付p型Si基板(1inch角×1mmt、厚み:525μmt、熱酸化膜(SiO2):厚み:100nm)を用意した。
具体的には、レジスト塗布/ベーク、エッチングによる裏面SiO2剥離(BHF使用)、純粋洗浄、レジスト剥離(硫酸過水使用)、純粋洗浄/リンス、N2ブローして作製された熱酸化膜付p型Si基板を用意した。なお、この基板はボロンドープで抵抗率:0.001〜0.0013Ωcmのものである。
この基板上に、背圧:5×10−6Pa、成膜圧力:0.8Pa、Ar:30sccm(5.07×10−2Pa m3/s)、O2:0.25sccm(4.225×10−4Pa m3/s)、DC:50Wの条件の下、IGZO膜(In:Ga:Zn=1:1:1)を厚み50nmとしてDCスパッタにより成膜した。なお、通常ではIGZO膜形成後にフォトリソグラフィー及びエッチングによりパターニングを行うが、本発明の効果をより正確に確認するためフォトリソグラフィー及びエッチングでのIGZO膜界面の汚染やダメージの影響を排除するために、実験例1ではメタルマスクを用いたパターン成膜を行っている。なお、X線回折測定によりこのIGZO膜は非晶質膜であることを確認した。
次に、IGZO膜面上に、ソース電極やドレイン電極は形成せずに、背圧:5×10−6Pa、成膜圧力:0.4Pa、Ar:30sccm(5.07×10−2Pa m3/s)、O2:0.3sccm(5.07×10−4Pa m3/s)、RF:50Wの条件の下、厚み50nmのGa2O3膜からなる保護層をRFスパッタ成膜した。そしてこれらの工程を繰り返して、サンプルを4つ用意した。
用意した4つのサンプルに対して、酸素安定同位体である18Oガス(大陽日酸社の市販18O2ガス)雰囲気の下、300℃、350℃、400℃又は450℃の熱処理温度で加熱処理を行った。酸素安定同位体である18Oは通常の16Oと実質的に同じ拡散長を有し、保護層や活性層へ拡散していくことが予想される。なお、300℃で熱処理したサンプルを実験例1のサンプルとし、350℃で熱処理したサンプルを実験例2のサンプルとし、400℃で熱処理したサンプルを実験例3のサンプルとし、400℃で熱処理したサンプルを実験例4のサンプルと呼称する。
次に、実験例1〜実験例4のサンプルに対して、SIMS分析を行った。SIMS分析では、具体的にSIMS分析装置としてアルバックファイ株式会社の型式:PHI ADEPT1010を用いた。また、分析環境は、一次イオン種:Cs+、一次加速電圧:3.0kV、検出領域:56×56(μm×μm)とした。また、サンプルからの二次イオンは負極性を検出した。
そこで、図15〜図18の分析結果に基づいて、各熱処理温度にて18O/(16O+18O)の強度が見え始める深さ、つまり18O(=16O)の拡散距離L(nm)を求めて、表2にまとめた。
よって、第二の酸化物半導体膜507の厚みをZとし、第三工程の熱処理温度をTとして、第二の酸化物半導体膜507を介して第一の酸化物半導体膜506の界面内部に酸化性雰囲気中の酸素を供給するためには、Z<L=8×10−6×T3−0.0092×T2+3.6×T−468±0.1となるように第二工程と第三工程を調整することが好ましいものと想定できる。
そこで、第三工程の温度を固定して第二の酸化物半導体膜507の厚みZを変化させることで、Z<LのときとZ≧Lのときの効果(TFT特性及び光照射安定性)の違い等を以下の厚み依存性の実験にて確かめた。
−実施例4〜12−
第二の酸化物半導体膜507の厚みZ変調は、第三工程及び第五工程での熱処条件を雰囲気:酸素100%且つ熱処理温度T:450℃に固定して、第二の酸化物半導体膜507の厚みを3〜50nmの間で系統的に変化させることによって行った。具体的に、TFTの構成、組成は実施例1と同様であり、第二の酸化物半導体膜507の厚みZのみ3〜50nmの間で変調した実施例4〜12に係るTFTを作製した。第二の酸化物半導体膜507と第三の酸化物半導体膜508の合計の厚みは50nmであり、実施例4〜11で共通である。なお、実施例12については、第三の酸化物半導体膜508はなく、第三工程、電極形成工程、第五工程の順で作製している。
作製した実施例4〜11に係るTFTはVg−Id特性を評価した後、波長可変のモノクロ光を照射することで、光照射に対するTFT特性の安定性を評価した。なお、評価の方法は、上述した方法と同一である。
ここで、図20〜図24を比較すると、図20及び図21に比べ図22〜図24には、2段階の立ち上がりが確認できた(図中○部分)。具体的に、第二の酸化物半導体膜507の厚みZが、熱処理温度:450℃での酸素拡散距離L:18nm以上である、すなわちZ≧L=8×10−6×T3−0.0092×T2+3.6×T−468±0.1の関係式を満たすような熱処理温度Tと厚みZであると、2段階の立ち上がりが確認できた。
これは第一の酸化物半導体膜506と第二の酸化物半導体膜507との界面欠陥が補償されておらず、また第一の酸化物半導体膜506と第二の酸化物半導体膜507との界面が低抵抗化し、ゲートバイアスを印加していない状態でもチャネルが開いている、事を意味しているものと考えられる。光照射時に誘起された電子-正孔対の内、ホールが界面欠陥にトラップされるため、界面付近のパラレル伝導チャネルのキャリアが増大し、1段階目の立ち上がり部分が(閾値を定義するとすれば)、大きくマイナスシフトしている。メインチャネル(ゲート絶縁膜(熱酸化膜504)/第一の酸化物半導体膜506に存在)付近にはホールトラップの影響が及ばないため、従来通りメインチャネルの立ち上がりから閾値を計算した場合、閾値は改善しているように見えるものと考えられる。
しかしながら、このような2段階立ち上がりを示す実施例10〜12のTFTは比較例1よりかは良いが実用化には不向きであるので、実施例4〜9のTFTの方が好ましい。すなわち、0<Z<L=8×10−6×T3−0.0092×T2+3.6×T−468±0.1の関係式を満たすように第二の酸化物半導体膜506の厚みと第三工程での熱処理温度を調整することが好ましい。このように、第二の酸化物半導体膜26の厚みZと熱処理温度Tの調整を行った上で第三工程の熱処理をすることによって、酸化性雰囲気中の酸素を第二の酸化物半導体膜507を介して第一の酸化物半導体膜506の界面内部にまで確実に供給することができるため、第二工程の成膜によって成膜ダメージを受けた第一の酸化物半導体膜506の表面欠陥を十分に補填でき、光照射時のTFT特性を改善することができる。このTFT特性の改善とは、上述したように初期のVg−Id特性において2段階の立ち上がりを示めさないようにすることができることである。
一方で、第二の酸化物半導体膜507の厚みZが3nm未満となる、すなわち第二工程と第三工程の際に、L−15.0>Zの関係式を満たすように第二の酸化物半導体膜507の厚みと熱処理温度を調整すると、図25に示す傾向から考えると、第三工程の熱処理によって酸化性雰囲気から拡散する酸素が、第二の酸化物半導体膜507を介して伝導キャリアパスである第一の酸化物半導体膜506全体の酸素欠陥を強く補償するため、電界効果移動度が20cm2/Vs以下に低減してしまう虞があることが分かった。これにより、第二工程と第三工程の際に、L−15.0≦Zの関係式を満たすように第二の酸化物半導体膜507の厚みと熱処理温度を調整することが好ましいことを見出した。
さらに、表3及び図25に示す結果から、第二の酸化物半導体膜507の厚みZを7nm以上とした場合、すなわち第二工程と第三工程の際に、L−11.0≦Zの関係式を満たすように第二の酸化物半導体膜507の厚みと熱処理温度を調整した場合、移動度が30cm2/Vs超と良好である。これは伝導キャリアパスである第一の酸化物半導体膜506の欠陥補償量が適度であり、界面の欠陥補償が十分になされ、且つ第一の酸化物半導体膜506中の、キャリア濃度が殆ど低減しないためであると思われる。これにより、第二工程と第三工程の際に、L−11.0≦Zの関係式を満たすように第二の酸化物半導体膜507の厚みと熱処理温度を調整することが好ましいことを見出した。
さらにまた、図25に示す結果から、第二の酸化物半導体膜507の厚みZを7nm以上10nm以下とした場合、すなわち第二工程と第三工程の際に、L−11.0≦Z≦L−8.0の関係式を満たすように第二の酸化物半導体膜507の厚みと熱処理温度を調整した場合、電界効果移動度μが急激に上昇することが分かった。これにより、第二工程と第三工程の際に、L−11.0≦Z≦L−8.0の関係式を満たすように第二の酸化物半導体膜507の厚みと熱処理温度を調整することが好ましいことを見出した。
第五工程の熱処理温度によってどのようにTFT特性・光照射安定性が変化するかを確かめた。
実施例13〜15に係るTFTとして、後述する製造条件以外は実施例7(Z=8nm)と同じTFT構造、組成及び製造方法を用い第五工程の熱処理温度を360℃(実施例13)、415℃(実施例14)、450℃(実施例15)と変えたTFTを作製した。
第三工程は酸素分圧100%の雰囲気下で450℃の温度で熱処理を行い、第五工程も雰囲気は酸素分圧100%の雰囲気を用いた。
実施例13〜15に係るTFTについてTFT特性及び光照射安定性を評価した。評価方法は、上述した方法と同一である(実施例15=実施例7)。
表4は、第5工程の熱処理温度と、TFT特性・光照射安定性についてまとめたものである。
次に、TFTの酸化物半導体層において特定の組成の酸化物半導体膜を積層することによって、高移動度のトランジスタが得られる事を以下のような構成のTFTを作製することで検証した。また、第一の酸化物半導体膜506の組成変調を行い、特定の組成範囲において高移動度が得られる事も確かめた。
まず、実施例7と同様の膜厚条件にて、ボトムゲートでトップコンタクト型のTFTを実施例16〜31(実施例16=実施例7)として作製した。第一の酸化物半導体膜506をIGZO系として組成変調した場合の実施例16〜24の製造条件を表5に示し、第一の酸化物半導体膜506をIZO系として組成変調した場合の実施例25〜31の製造条件を表6に示す。
ここでは、第二の酸化物半導体膜507と第三の酸化物半導体膜508が共通の組成であり実施例7と同じ組成に相当し、以下の表5及び表6の条件を除くその他の製造方法及び条件は実施例7と同様にした。
−評価−
作製した実施例16〜31に係るTFTについて、半導体パラメータ・アナライザー4156C(アジレントテクノロジー社製)を用いて、トランジスタ特性(Vg−Id特性)、移動度μ、オフ電流Ioffの測定を行った。なお、オフ電流は、Vg−Id特性においてVg=0Vにおける電流値で定義した。その他の定義や測定方法については、上述した方法と同一の方法を用いた。
また、In含有量を増大させた実施例22,23,24では高い電界効果移動度は得られるものの、キャリア濃度が過剰な状態になっており、閾値が大きくマイナス側にシフトしている。
さらに、第一の酸化物半導体膜506にIZO系を用いた場合にIn含有率xが0.40≦x≦0.75で表される組成範囲内(実施例25〜29の組成で囲まれる領域)にあれば、電界効果移動度30cm2/Vs以上でVth>0のTFTを作製可能であることが分かる。
さらにまた、In含有率xが0.40≦x≦0.50で表される組成範囲内にあれば、電界効果移動度30cm2/Vs以上でノーマリーオフのTFTを作製可能であることが分かる。
次に、実施例16のTFTと同様の構成において、第一の酸化物半導体膜506の組成を実施例16と同じ組成に固定した上で第二の酸化物半導体膜507と第三の酸化物半導体膜508の組成変調を行う事で、特定の組成範囲において良好な特性が得られるか否か実験した。
実施例32〜37(実施例32=実施例7)に係るTFTとして、実施例7と同様のボトムゲート及びトップコンタクト型のTFTを作製した。これは実施例7の製造方法における、第二の酸化物半導体膜507と第三の酸化物半導体膜508が共通の組成である構成に相当する。第一の酸化物半導体膜506の成膜条件は実施例7と全く同じである。第二の酸化物半導体膜507(Z=8nm)と第三の酸化物半導体膜508の成膜条件は、到達真空度,成膜圧力,成膜温度,酸素/アルゴン分圧は共通で、それぞれ、6×10−6Pa,4.4×10−6Pa,室温、酸素/アルゴン分圧が0.067であり、カチオン組成比を以下の表9の通り変調した。なお、第二の酸化物半導体膜507と第三の酸化物半導体膜508の組成は、In(e)Ga(f)Zn(g)O(h)(e,f,g,h>0)で表される酸化物半導体膜である。
作製した実施例32〜37に係るTFTについて、半導体パラメータ・アナライザー4156C(アジレントテクノロジー社製)を用いて、トランジスタ特性(Vg−Id特性)、移動度μ、閾値電圧Vthの測定を行った。なお、各定義や測定方法については、上述した方法と同一の方法を用いた。
続いて、第二の酸化物半導体膜507及び第三の酸化物半導体膜508の合計厚みがどのようにTFT特性に影響を与えるか検証した。
実施例38〜41に係るTFTは、実施例7と同様のボトムゲートでトップコンタクト型のTFTとして作製した。これらは実施例7における、第二の酸化物半導体膜507及び第三の酸化物半導体膜508が共通の組成である構成に相当する。TFT構造及び、第一の酸化物半導体膜506及び第二の酸化物半導体膜507(第三の酸化物半導体膜508と共通)の組成も実施例7と同じであり、第二の酸化物半導体膜507及び第三の酸化物半導体膜508の厚みの合計(以下、単に厚み合計と略す)だけを10nm,30nm,50nm,70nmと変化させたトランジスタを作製した。
表11は、実施例38〜41に係るTFTの構成とTFT特性をまとめたものである。
続いて、TFT特性における第一の酸化物半導体膜506の厚み依存性について検証した。
実験例43に係るTFTとして、TFT構造と組成は、実施例7と同様で、第一の酸化物半導体膜506の厚みのみを10nmに変更したTFTを作製した。
作製した実施例42(実施例7と同じもの)〜43に係るTFTについて、半導体パラメータ・アナライザー4156C(アジレントテクノロジー社製)を用いて、トランジスタ特性(Vg−Id特性)、移動度μ、閾値電圧Vth、オフ電流Ioffの測定を行った。なお、各定義や測定方法については、上述した方法と同一の方法を用いた。
Ga/(In+Ga)=0.75のIGZO膜とGa/(In+Ga)=0.25のIGZO膜を5層積層した積層膜の断面STEM像を、積層直後(アニール処理前)及び熱処理温度が600℃で処理した後に、それぞれ観察したところ、600℃で熱処理されてもある程度積層構造を維持していることが確認できるものの、異なるカチオン組成の界面で、コントラストがぼけている様子が見て取れた。これは異相の相互拡散が起こり始めている事を示唆しており、第三工程及び第五工程の熱処理における上限温度は600℃以下であることが好ましいことを見出した。
12 基板
14 ゲート電極
16 ゲート絶縁層
18 酸化物半導体層(第一の酸化物半導体膜、第二の酸化物半導体膜、第三の酸化物半導体膜)
20 ソース電極
22 ドレイン電極
24 第一の酸化物半導体膜
26 第二の酸化物半導体膜
28 第三の酸化物半導体膜
100 液晶表示装置(表示層装置)
200 有機EL表示装置
212 有機発光層(有機電界発光素子)
300 X線センサ
502 基板
505 酸化物半導体層(第一の酸化物半導体膜、第二の酸化物半導体膜、第三の酸化物半導体膜)
506 第一の酸化物半導体膜
507 第二の酸化物半導体膜
508 第三の酸化物半導体膜
510 ソース電極
512 ドレイン電極
Claims (30)
- ゲート電極上に配置されたゲート絶縁層上に、第一の酸化物半導体膜を成膜する第一工程と、
前記第一工程後に、前記第一の酸化物半導体膜上に、前記第一の酸化物半導体膜とカチオン組成が異なり、且つ前記第一の酸化物半導体膜より低い電気伝導度を有する第二の酸化物半導体膜を成膜する第二工程と、
前記第二工程後に、酸化性雰囲気の下300℃超で熱処理する第三工程と、
前記第三工程後に、前記第二の酸化物半導体膜上に、前記第一の酸化物半導体膜とカチオン組成が異なり、且つ前記第一の酸化物半導体膜より低い電気伝導度を有する第三の酸化物半導体膜を成膜する第四工程と、
前記第四工程後に、酸化性雰囲気の下で熱処理する第五工程と、
前記第四工程と前記第五工程の間又は前記第五工程後に、前記第三の酸化物半導体膜上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する電極形成工程と、
を有する電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第一の酸化物半導体膜と、前記第二の酸化物半導体膜は、それぞれIn、Ga及びZnのうちの少なくとも1種を含み、
前記第二工程と前記第三工程の際に、前記第二の酸化物半導体膜の厚みをZ(nm)とし、前記第三工程での熱処理温度をT(℃)とし、前記第二の酸化物半導体膜及び前記第一の酸化物半導体膜中への酸素の拡散距離をL(nm)としたとき、0<Z<L=8×10−6×T3−0.0092×T2+3.6×T−468±0.1の関係式を満たすように前記第二の酸化物半導体膜の厚みと前記熱処理温度を調整する、
請求項1に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第二工程と前記第三工程の際に、Z≦L−3.0の関係式を満たすように前記第二の酸化物半導体膜の厚みと前記熱処理温度を調整する、
請求項2に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第二工程と前記第三工程の際に、L−15.0≦Zの関係式を満たすように前記第二の酸化物半導体膜の厚みと前記熱処理温度を調整する、
請求項2又は請求項3に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第二工程と前記第三工程の際に、L−11.0≦Z≦L−8.0の関係式を満たすように前記第二の酸化物半導体膜の厚みと前記熱処理温度を調整する、
請求項2〜請求項4の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第四工程では、前記第三の酸化物半導体膜のカチオン組成比が、前記第二の酸化物半導体膜のカチオン組成比と同じになるように成膜する、
請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第二工程と前記第四工程の際、前記第二の酸化物半導体膜と前記第三の酸化物半導体膜の厚みの合計が10nm超70nm未満となるように調整する、
請求項1〜請求項6の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第三の酸化物半導体膜は、In、Ga及びZnのうちの少なくとも1種を含む、
請求項1〜請求項7の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第一の酸化物半導体膜はInを含み、前記第一の酸化物半導体膜のIn組成比率が、前記第二の酸化物半導体膜のIn組成比率よりも高い、
請求項8に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第二の酸化物半導体膜はGaを含み、前記第二の酸化物半導体膜のGa組成比率が前記第一の酸化物半導体膜のGa組成比率よりも高い、
請求項8又は請求項9に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第一の酸化物半導体膜と、前記第二の酸化物半導体膜と、前記第三の酸化物半導体膜は、それぞれ非晶質である、
請求項8〜請求項10の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第三工程及び前記第五工程での熱処理温度を600℃未満に調整する、
請求項8〜請求項11の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第一工程では、前記第一の酸化物半導体膜の厚みが10nm未満となるように成膜する、
請求項1〜請求項12の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第一の酸化物半導体膜の組成は、In(a)Ga(b)Zn(c)O(d)(a,b,c,d>0)で表される、
請求項1〜請求項13の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第一の酸化物半導体膜の組成は、c≦3/5,b>0, b≧3a/7−3/14,b≧9a/5−53/50,b≦−8a/5+33/25,b≦91a/74−17/40(但しa+b+c=1とする)で表される範囲内の組成である、
請求項14に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第一の酸化物半導体膜の組成は、b≦17a/23−28/115,b≧3a/37,b≧9a/5−53/50,b≦1/5(但しa+b+c=1とする)で表される範囲内の組成である、
請求項15に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第一の酸化物半導体膜の組成は、b≦7a/13−11/65,b≧3a/37,b≦−2a+11/10(但しa+b+c=1とする)で表される範囲内の組成である、
請求項16に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第一の酸化物半導体膜の組成は、In(x)Zn(1−x)O(y)(y>0,0<x<1)で表される、
請求項1〜請求項13の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第一の酸化物半導体膜の組成は、0.4≦x≦0.75で表される範囲内の組成である、
請求項18に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第一の酸化物半導体膜の組成は、0.4≦x≦0.5で表される範囲内の組成である、
請求項19に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第二の酸化物半導体膜の組成は、In(e)Ga(f)Zn(g)O(h)(e,f,g,h>0)で表される、
請求項1〜請求項20の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第二の酸化物半導体膜の組成は、0.250<f/(e+f)≦0.875で表される範囲内の組成である、
請求項21に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第一工程と前記第二工程と前記第四工程では、それぞれプラズマを発生する成膜法を用いて成膜する、
請求項1〜請求項22の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記五工程は、前記電極形成工程後に行う、
請求項1〜請求項23の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - ゲート電極上にゲート絶縁層を有し、前記ゲート絶縁層上に、電子が走行するチャネル積層膜が構成され、前記チャネル積層膜上に、ソース電極、及びドレイン電極が形成されるボトムゲート型でトップコンタクト型の電界効果型トランジスタにおいて、
前記チャネル積層膜がそれぞれIn、Ga、Znを含む酸化物半導体層であり、前記ゲート絶縁膜側から、第一、第二、第三の酸化物半導体膜で構成され、前記第一の酸化物半導体膜におけるIn含有率が前記第二、第三の酸化物半導体膜よりも高く且つ、前記第二の酸化物半導体層における格子欠陥密度が、前記第三の酸化物半導体層の格子欠陥密度に対して少ない電界効果型トランジスタ。 - ゲート電極上にゲート絶縁層を有し、前記ゲート絶縁層上に、電子が走行するチャネル積層膜が構成され、前記チャネル積層膜上に、ソース電極、及びドレイン電極が形成されるボトムゲート型でトップコンタクト型の電界効果型トランジスタにおいて、
前記チャネル積層膜がそれぞれIn、Ga、Znを含む酸化物半導体層であり、前記ゲート絶縁膜側から、第一、第二、第三の酸化物半導体膜で構成され、前記第一の酸化物半導体膜におけるIn含有率が前記第二、第三の酸化物半導体膜よりも高く、且つ、前記第二の酸化物半導体層中の酸素含有密度が、前記第三の酸化物半導体層の酸素含有密度に対して多くなっている電界効果型トランジスタ。 - 請求項1〜請求項24の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法により製造された電界効果型トランジスタを備えたことを特徴とする表示装置。
- 基板と、
前記基板上に配置され、請求項1〜請求項24の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法により製造された電界効果型トランジスタと、
前記電界効果型トランジスタ上で、前記電界効果型トランジスタに電気的に接続されている有機電界発光素子と、
を備え、前記有機電界発光素子から発せられる光が、前記基板側から取り出されるボトムエミッション型の表示装置。 - 請求項1〜請求項24の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法により製造された電界効果型トランジスタを備えたことを特徴とするイメージセンサ。
- 請求項1〜請求項24の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法により製造された電界効果型トランジスタを備えたことを特徴とするX線センサ。
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