JP5458102B2 - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents
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Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る薄膜トランジスタの構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は模式的平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図1に表したように、本発明の第1の実施形態に係る薄膜トランジスタ10は、ゲート電極110と、ゲート電極110に対向して設けられた半導体層130と、ゲート電極110と半導体層130との間に設けられたゲート絶縁膜120と、半導体層130に電気的に接続され、互いに離間したソース電極181及びドレイン電極182と、を備える。
ゲート電極110とゲート絶縁膜120と半導体層130とは、Z軸方向に積層されている。
チャネル保護層140には、シリコン酸化膜を用いることができる。
図2は、本発明の第1の実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
なお、これらの図において左側の部分は、薄膜トランジスタ10が形成されるTFT領域TFRに対応し、右側の部分は、薄膜トランジスタ10のゲート電極110に接続された配線の接続部115が形成される接続部領域CPRに対応する。
この加工においては、フォトリソグラフィが用いられ、また、エッチングには、例えば、燐酸、酢酸及び硝酸の混酸が用いられる。
図3は、本発明の第1の実施形態に係る薄膜トランジスタの特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図(a)〜(i)は、それぞれ、図2(c)に関して説明したアニール処理を施さなかった条件、並びに、アニール処理のアニール温度Taが、250℃、280℃、300℃、320℃、340℃、360℃、380℃及び400℃である条件の薄膜トランジスタの電圧−電流特性を例示している。これらの図の横軸はゲート電圧Vgであり、縦軸はドレイン電流Idである。
このように、アニール温度Taが300℃以上において、ヒステリシスのない良好な電圧−電流特性が得られる。
すなわち、同図(a)は、移動度μとアニール温度Taとの関係を表し、同図(b)は、しきい値電圧Vthとアニール温度Taとの関係を表している。これらの図の横軸はアニール温度Taであり、同図(a)の縦軸は移動度μであり、同図(b)の縦軸はしきい値電圧Vthである。
すなわち、アニール温度Taが300以上になると、急激に移動度μが上昇する。
すなわち、移動度μは、アニール温度Taが280℃から300℃に上昇したときに、不連続的に急激に上昇している。そして、しきい値電圧Vthは、アニール温度Taが250℃から280℃に上昇したときに、不連続的に急激に低下している。
一方、第1温度帯TR1は、比較例に相当する。ここで、第1温度帯TR1であるアニール温度Taが250℃の場合を、比較例に係る薄膜トランジスタ19とする。
すなわち、同図(a)は、上記のアニール温度Taが360℃である薄膜トランジスタ10aの半導体層130のTEM像である。また、同図(b)は、同図(a)の像のうちでフーリエ変換される領域A1及び領域B1を表している。同図(c)は、同図(a)の像のうちの領域A1及び領域B1をそれぞれフーリエ変換して得られたフーリエ変換像A1f及びフーリエ変換像B1fを表している。なお、同図(c)においては、図の見易さのために、フーリエ変換像A1f及びフーリエ変換像B1fの表示位置は、それぞれの基となるTEM像の領域A1及び領域B1とは異なる位置に配置されている。
すなわち、同図(a)及び(b)は、それぞれ、図5(c)に例示したフーリエ変換像A1f及びフーリエ変換像B1fを拡大して表示した像である。
すなわち、同図(a)は、上記のアニール温度Taが400℃である薄膜トランジスタ10bの半導体層130のTEM像である。また、同図(b)は、同図(a)の像のうちでフーリエ変換される領域C1及び領域D1を表している。同図(c)は、同図(a)の像のうちの領域C1及び領域D1をそれぞれフーリエ変換して得られたフーリエ変換像C1f及びフーリエ変換像D1fを表している。なお、同図(c)においては、図の見やすさのために、フーリエ変換像C1f及びフーリエ変換像D1fの表示位置は、それぞれの基となる像の領域C1及び領域D1とは異なる位置に配置されている。また、同図(d)は、同図(a)によって観察された微細粒を、図を見易くするために、実線で示したものである。
すなわち、同図(a)及び(b)は、それぞれ、図7(c)に例示したフーリエ変換像C1f及びフーリエ変換像D1fを拡大して表示した像である。
そして、アニール温度Taが高い場合(第2温度帯TR2及び第3温度帯TR3)においては、InGaZnO膜130aの結晶が成長し、InGaZnO膜130aは、粒径が1.5nm以上の微細粒133を含むようになる。
図9は、本発明の第1の実施形態に係る薄膜トランジスタの特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、本実施形態に係る薄膜トランジスタ10a、及び、比較例の薄膜トランジスタ19における高温動作寿命試験の結果を例示している。この高温動作寿命試験は、バイアス・温度ストレス試験であり、80℃の温度で、薄膜トランジスタにVg=15V及びVd=0Vの電圧ストレスを印加し続けた時の、薄膜トランジスタのしきい値電圧Vthの初期値からのシフト量(しきい値電圧シフトΔVth)が評価された。同図の横軸は、バイアス印加の経過時間t1であり、縦軸は、しきい値電圧シフト量ΔVthである。
図10は、薄膜トランジスタにおける半導体層の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(a)、(b)及び(c)は、それぞれ、上記の薄膜トランジスタ10a、10b及び19における半導体層130の構成をモデル的に例示している。また、同図(d)は、別の比較例の薄膜トランジスタ19aのおける半導体層130の構成をモデル的に例示している。
すなわち、同図(b)は模式的平面図であり、同図(a)は同図(b)のB−B’線断面図である。
図11に表したように、本実施形態に係る別の薄膜トランジスタ11も、ゲート電極110と、ゲート電極110に対向して設けられた半導体層130と、ゲート電極110と半導体層130との間に設けられたゲート絶縁膜120と、半導体層130に電気的に接続され、互いに離間したソース電極181及びドレイン電極182と、を備える。
なお、同図において左側の部分は、TFT領域TFRに対応し、右側の部分は、接続部領域CPRに対応する。
そして、フォトリソグラフィとエッチングによって、InGaZnO膜130aを所定のパターン形状に加工する。なお、エッチング液としては、希釈したシュウ酸を用いることができる。
そして、チャネル保護層140が設けられる場合には、チャネル保護層140は、半導体層130のゲート電極110とは反対の側に設けられる。
ただし、本発明はこれに限らず、トップゲート構造でも良い。
本実施形態に係る薄膜トランジスタは、トップゲート構造を有する。
図13は、本発明の第2の実施形態に係る別の薄膜トランジスタの構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は模式的平面図であり、同図(a)は同図(b)のB−B’線断面図である。
図13に表したように、本発明の第2の実施形態に係る薄膜トランジスタ12も、ゲート電極110と、ゲート電極110に対向して設けられた半導体層130と、ゲート電極110と半導体層130との間に設けられたゲート絶縁膜120と、半導体層130に電気的に接続され、互いに離間したソース電極181及びドレイン電極182と、を備える。
なお、この場合の基板105も、半導体層130が設けられる部分の表面が、絶縁性である。
なお、同図において左側の部分は、TFT領域TFRに対応し、右側の部分は、接続部領域CPRに対応する。
この時、ゲート絶縁膜120の電気的安定性を向上させ、TFTのゲート電圧ストレス耐性を上げるために、ゲート絶縁膜120となるSiO2膜120aの成膜温度をできるだけ高温にすることが望ましいが、InGaZnO膜130aは高温に曝すことによって、表面の酸素の脱離が生じ低抵抗化するので、SiO2膜120aの成膜の際には、成膜チャンバーのN2Oプラズマ中で基板温度の昇温を行い、N2Oプラズマ中にSiH4ガスを徐々に供給する方法が有効である。特に、SiO2膜120aの成膜の初期においては、SiH4/N2Oのガス流量比を1/100以下に設定することで、SiO2の成膜温度を350℃まで上げても、InGaZnO膜130aの低抵抗化を防ぐことができ、信頼性の高いゲート絶縁膜120を成膜することが可能になる。
このとき、SiO2膜171の成膜温度を例えば230℃とすることで、電極用ホール181hとゲート電極110との間の領域181r、及び、電極用ホール182hとゲート電極110との間の領域182r、の電気抵抗を下げることができる。なお、このときのTEOSと酸素のガス比は、7:500である。
なお、SiH4とN2Oを用いたPE−CVD法でSiO2膜171を堆積しても良い。その際のSiH4とN2Oのガス比は、例えば5:300である。
本発明の第3の実施の形態は、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型表示装置である。以下、一例として、第1の実施形態に係る薄膜トランジスタ10を用いたアクティブマトリクス型液晶表示装置について説明する。
すなわち、図15(a)は、本実施形態に係るアクティブマトリクス型表示装置30の2つの画素の構成を例示する模式的平面図であり、図15(b)は、図15(a)のC−C’線断面図である。なお、図15(b)は、図15(a)よりも拡大して図示されている。
すなわち、アクティブマトリクス基板106(基板105)の主面105a上に、薄膜トランジスタ10と、走査線210と、信号線220と、画素電極190と、が設けられ、アクティブマトリクス基板106に対向して、対向電極310を有する対向基板305が設置され、画素電極190と対向電極310との間に、液晶層301が設けられる。
なお、上記において、ソース電極181とドレイン電極182とは互いに入れ替えても良い。
図16に表したように、本発明の第3の実施形態に係るアクティブマトリクス型表示装置30の1つの要素においては、光学素子300となる液晶層301は、画素電極190と対向電極310とに挟まれた電気的負荷であり、それが、補助容量電極240で形成される補助容量Csと並列に接続される。そして、これらは、薄膜トランジスタ10を介して信号線220と接続され、走査線210によって薄膜トランジスタ10のゲート電極110を、順次オン・オフし、所望の電荷を液晶層301に書き込み、アクティブマトリクス型表示装置30は表示を行う。
すなわち、図17(a)は、本実施形態に係る別のアクティブマトリクス型表示装置30aの要部の構成を例示する模式的平面図であり、図17(b)は、図17(a)のD−D’線断面図である。
図17(a)及び(b)に表したように、アクティブマトリクス型表示装置30aも、薄膜トランジスタ13と、走査線210と、信号線220と、画素電極190と、光学素子300(この場合は液晶層301)と、を備える。
なお、同図において左側の部分は、TFT領域TFRに対応し、右側の部分は、接続部領域CPRに対応し、中央部分は、画素電極190が形成される画素領域PPRに対応する。
なお、本具体例では、InGaZnO膜130aとソース電極181及びドレイン電極182が接した状態でアニールが行われるため、アニール温度は、微細粒133の形成が可能な低めの温度に設定されている。また、ソース電極181及びドレイン電極182に用いられる材料がTi、Al及びTiの場合は、TiがInGaZnO膜130aから酸素を奪い易いため、ソース電極181及びドレイン電極182に用いられる材料は、Mo、Al及びMoの構成の方が望ましい。
すなわち、図19(a)は、本実施形態に係る別のアクティブマトリクス型表示装置30bの赤色の画素の構成を例示する模式的平面図であり、図19(b)は、図19(a)のE−E’線断面図である。
すなわち、同図は、着色層330として、緑色着色層330G、青色着色層330B及び赤色着色層330Rがこの順番で形成される場合の各工程における着色層330の状態を例示している。同図(a)は、緑色着色層330Gの形成後の状態に対応し、同図(b)は、青色着色層330Bの形成後の状態に対応し、同図(c)は、赤色着色層330Rの形成後の状態に対応している。
緑色画素配列192G、青色画素配列192B及び赤色画素配列192Rのそれぞれに、緑色画素191G、青色画素191B及び赤色画素191Rが設けられる。
なお、緑色着色層330G、青色着色層330B及び赤色着色層330Rには、それぞれの色を有する着色レジストを用いても良く、また、それぞれの色を有する樹脂層を設け、別のレジストを用いてその樹脂層を所定のパターン形状に加工しても良い。また、薄膜トランジスタの上に設ける遮光層として、黒色レジストを用いても良い。
本発明の第4の実施形態に係るアクティブマトリクス型表示装置は、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタのいずれかを用いたアクティブマトリクス型有機EL(Electro Luminescence)表示装置である。
図21は、本発明の第4の実施形態に係るアクティブマトリクス型表示装置の等価回路を例示する回路図である。
図21(a)及び(b)は、有機ELを用いた2種類のアクティブマトリクス型表示装置60及び61の等価回路の例である。
本発明の第5の実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法は、ゲート電極110と、ゲート電極110に対向して設けられ、ガリウム及び亜鉛の少なくともいずれかと、インジウムと、を含む酸化物を含み、3次元的に分散され、原子の配列に周期性を有する複数の微細粒133を含む半導体層130と、ゲート電極110と半導体層130との間に設けられたゲート絶縁膜120と、半導体層130に電気的に接続され、互いに離間したソース電極181及びドレイン電極182と、を有する薄膜トランジスタの製造方法である。
図22に表したように、本実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法は、ゲート電極110と、ゲート絶縁膜120と、ガリウム及び亜鉛の少なくともいずれかと、インジウムと、を含む酸化物膜(InGaZnO膜130a)と、の積層膜を形成する工程(ステップS110)と、積層膜を320℃以上380℃以下の酸素雰囲気で加熱処理(アニール処理)して、酸化物膜内に、微細粒133を形成する工程(ステップS120)と、酸化物膜に接続されるように、ソース電極181及びドレイン電極182を形成する工程(ステップS130)と、を備える。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
10B…青色画素用薄膜トランジスタ、
10G…緑色画素用薄膜トランジスタ、
10R…赤色画素用薄膜トランジスタ、
30、30a、30b、60、61…アクティブマトリクス型表示装置、
105…基板、
105a…主面、
106…アクティブマトリクス基板、
110…ゲート電極、
110a…Al膜、
110b…Mo膜、
110c…Ti膜、
110d…Al膜、
110e…Ti膜、
115…接続部、
115h…コンタクトホール、
120…ゲート絶縁膜、
120a…SIO2膜、
130…半導体層、
130a…酸化物膜(InGaZnO膜)、
133…微細粒、
134…領域、
135…境界、
136…結晶粒、
140、141…チャネル保護層、
140a、141a…SiO2膜、
141o…画素開口部、
161…Mo膜、
162…Al膜、
163…Mo膜、
164…Ti膜、
165…Al膜、
166…Ti膜、
170…層間絶縁膜、
170h…コンタクトホール、
171…SiO2膜、
175…パッシベーション膜、
175h…開口、
175o…画素開口部、
181…ソース電極、
181h…電極用ホール、
181r…領域、
182…ドレイン領域、
182h…電極用ホール、
182r…領域、
190…画素電極、
190h…コンタクトホール、
191B…青色画素、
191G…緑色画素、
191R…赤色画素、
192B…青色画素配列、
192G…緑色画素配列、
192R…赤色画素配列、
210、210n、210n−1…走査線、
220…信号線、
230…補助容量線、
240…補助容量電極、
300…光学素子、
301…液晶層、
302…有機EL層、
305…対向基板、
310…対向電極、
320…電源線、
330…着色層、
330B…青色着色層、
330G…緑色着色層、
330R…赤色着色層、
A1、B1、C1、D1…フーリエ変換領域、
A1f、B1f、C1f、D1f…フーリエ変換像、
Af0〜Af2、Bf0〜Bf2、Cf0〜Cf4、Df0〜Df6…輝点、
CPR…接続部領域、
Cs…補助容量、
DTr…トランジスタ、
Id…ドレイン電流、
PPR…画素領域、
Ta…アニール温度、
TFR…TFT領域、
TR1〜TR3…第1〜第3温度帯、
Tr1〜Tr4…第1〜第4トランジスタ、
Vd…ドレイン電圧、
Vg…ゲート電圧、
Vth…しきい値電圧
Claims (6)
- ゲート電極と、
前記ゲート電極に対向して設けられ、ガリウム及び亜鉛の少なくともいずれかと、インジウムと、を含む酸化物を含む半導体層と、
前記ゲート電極と前記半導体層との間に設けられたゲート絶縁膜と、
前記半導体層に電気的に接続され、互いに離間したソース電極及びドレイン電極と、
を有する薄膜トランジスタの製造方法であって、
基板の主面に前記ゲート電極を形成し、前記ゲート電極の上にシリコン酸化膜からなる前記ゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜の上にガリウム及び亜鉛の少なくともいずれかと、インジウムと、を含む酸化物膜を形成し、前記酸化物膜の上に、シリコン酸化膜からなるチャネル保護層を形成し、前記酸化物膜が、前記チャネル保護層で覆われる構成を形成して、前記ゲート電極と、前記ゲート絶縁膜と、前記酸化物膜と、前記チャネル保護層と、の積層膜を形成する工程と、
前記積層膜をアニール炉で320℃以上380℃以下で加熱処理して、前記酸化物膜中に、3次元的に均一に分散され、原子の配列に周期性を有する複数の微細粒を形成する工程と、
前記複数の微細粒を形成する工程の後に、前記酸化物膜に接続されるように、前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成する工程と、
を備え、
前記複数の微細粒を形成する工程は、前記酸化物膜の下面が前記ゲート絶縁膜で覆われた状態であり、前記酸化物膜の上面が前記チャネル保護層で覆われた状態で実施され、
前記複数の微細粒のうちの粒径が2ナノメートル以上の前記微細粒の粒径の平均値は、3.5ナノメートル以下であることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記微細粒を形成する工程は、窒素雰囲気下で行われることを特徴とする請求項1記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、前記ゲート絶縁膜の表面を平坦化する工程を含むことを特徴とする請求項1記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- ゲート電極と、
前記ゲート電極に対向して設けられ、ガリウム及び亜鉛の少なくともいずれかと、インジウムと、を含む酸化物を含む半導体層と、
前記ゲート電極と前記半導体層との間に設けられたゲート絶縁膜と、
前記半導体層に電気的に接続され、互いに離間したソース電極及びドレイン電極と、
を有する薄膜トランジスタの製造方法であって、
基板の主面に、ガリウム及び亜鉛の少なくともいずれかと、インジウムと、を含む酸化物膜を形成し、前記酸化物膜の上に、シリコン酸化膜からなる前記ゲート絶縁膜を形成して、前記酸化物膜が、前記ゲート絶縁膜に覆われる構成を形成し、前記ゲート絶縁膜の上に前記ゲート電極を形成して、前記酸化物膜と、前記ゲート絶縁膜と、前記ゲート電極と、の積層膜を形成する工程と、
前記積層膜をアニール炉で320℃以上380℃以下で加熱処理して、前記酸化物膜中に、3次元的に均一に分散され、原子の配列に周期性を有する複数の微細粒を形成する工程と、
前記複数の微細粒を形成する工程の後に、前記酸化物膜に接続されるように、前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成する工程と、
を備え、
前記複数の微細粒を形成する工程は、前記酸化物膜が、前記ゲート絶縁膜で覆われた状態で実施され、
前記複数の微細粒のうちの粒径が2ナノメートル以上の前記微細粒の粒径の平均値は、3.5ナノメートル以下であることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記微細粒を形成する工程は、窒素雰囲気下で行われることを特徴とする請求項4記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、前記ゲート絶縁膜の表面を平坦化する工程を含むことを特徴とする請求項4記載の薄膜トランジスタの製造方法。
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