JP5478963B2 - 電子素子及び電子素子の製造方法 - Google Patents
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Description
リーク電流抑制の方法としては、第1の電極の端部断面のテーパー角をリーク電流抑制可能な程度の角度に調整する方法が挙げられる。これは、第1の電極の端部断面のテーパー角を可能なかぎり小さくなるように調整することによって、第1の電極と絶縁膜との密着性を向上させて、第1の電極の端部付近における絶縁膜に空洞やクラックが生じることを抑制し、リーク電流を抑制しようとする方法である。
しかし、第1の電極をMoから構成した場合には、第1の電極の端部断面のテーパー角を、リーク電流抑制可能な程度の角度にまで調整することは難しい。また、第1の電極をMoから構成した場合には、絶縁膜の成膜方法によっては、該第1の電極のテーパー部に対する絶縁膜の被覆性の低下が激しく、該端部付近における絶縁膜に空洞やクラックが生じて、その結果としてリーク電流がさらに増大する場合がある。
リーク電流抑制のための他の方法として、特許文献2には、絶縁膜をSiO2から構成された層とSiNから構成された層との2層構成とすることが開示されている。しかしながら、特許文献2の技術では、リーク電流抑制のために絶縁膜の層構成を変える(2層構成とする)必要があることから、構成や製造工程の複雑化を招く場合がある。
請求項1に係る発明は、基板上に設けられ、Mo−Nb合金から構成された、端部断面のテーパー角が50°未満であり、表面粗さRaが0.6nm以下である第1の電極と、前記第1の電極上に配置された絶縁膜と、前記第1の電極に対して少なくとも前記絶縁膜を介して配置された第2の電極と、を備えた電子素子である。
請求項3に係る発明は、前記酸化物半導体が、In、Zn、及びGaよりなる群より選ばれる少なくとも1種を含む非晶質酸化物である請求項2に記載の電子素子である。
一方、本発明者らは、導電性低下の理由から、電極の構成材料として用いる事は従来考えられていなかったNbをあえて用い、第1の電極を、Mo−Nb合金から構成することによって、リーク電流の抑制された電子素子が提供されることを見いだした。
このため、Mo−Nb合金におけるNbの含有率は、第1の電極の「電極」としての機能を損なわず、且つリーク電流の抑制されるテーパー角が実現される含有率であればよく、用途に応じて適宜調整すればよい。
このスパッタリング法による成膜は、CVD(Chemical Vapor Deposition)等の成膜法に比べて直進性が高い(成膜方向が直線的である)。このため、スパッタリング法によって絶縁膜の成膜を行なうと、第1の電極の端部断面のテーパー角が大きくなるほど、第1の電極に対する絶縁膜の被覆性が顕著に低下し、第1の電極の端部付近における絶縁膜に空洞やクラックが生じやすくなる。その結果として、リーク電流が増大する傾向にある。しかし、本発明の電子素子では、上記第1の電極の端部断面のテーパー角を、リーク電流が顕著に抑制される程度の角度にまで小さくすることができる。このため、この第1の電極上に設けられる絶縁膜を、スパッタリング法によって成膜した場合であっても、リーク電流の発生が効果的に抑制される。
図1に示すように、第1の電極12のテーパー角θは、第1の電極12の側面と、該第1の電極12における基板10との接触面と、の成す角度である。詳細には、テーパー角とは、第1の電極12における上端Pと下端Qとを結ぶ直線P−Qと、第1の電極12の基板10との接触面に相当する直線と、の成す角度(図1中のθ)である。この下端Qとは、第1の電極12の基板10との接触面と、第1の電極12の側面と、の境界線を示している。また、上端Pとは、第1の電極12の該接触面に対向する側の面と、第1の電極12の側面と、の境界線を示している。
図2及び図3においても、第1の電極12のテーパー角θは、第1の電極12における上端Pと下端Qとを結ぶ直線P−Q(図2及び図3では一点鎖線で図示)と、第1の電極12の基板10との接触面に相当する直線と、の成す角度である。
次に、電子素子の構成材料について具体的に説明する。
電子素子に用いられる基板(図1〜図3中では基板10)としては特に限定はなく、例えば、ガラス、YSZ(ジルコニア安定化イットリウム)等の無機基板;ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート(PEN)等のポリエステル、ポリスチレン、ポリカーボネート、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、ポリイミド、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)等の有機材料が挙げられる。基板を構成する材料として、上記有機材料を用いる場合には、耐熱性、寸法安定性、耐溶剤性、電気絶縁性、加工性、低通気性、又は低吸湿性等に優れた材料を選択することが好ましい。
なお、「可撓性」とは、外力をかけて曲げるときの曲げやすさ(たわみやすさ)の程度をいい、小さい外力で容易に曲げられるほど可撓性が大きいことを意味する。
上述のように、本発明の電子素子は、コンデンサや、電界効果型トランジスタとして用いられる。本発明の電子素子がボトムゲート型の電界効果型トランジスタである場合には、第1の電極は、該電界効果型トランジスタのゲート電極とされる。本発明の電子素子がコンデンサである場合には、第1の電極は、コンデンサを構成する一対の電極の内の基板側に設けられた電極とされる。
なお、第1の電極をMo単体で構成した場合には、第1の電極の端部断面のテーパー角をリーク電流が顕著に抑制される程度の角度にまで調整することは困難であり、具体的には、50°未満にまで調整することは困難である。
また、第1の電極を構成するMo−Nbが非晶質であることによって、第1の電極の下面と基板との密着性が良好となる。このため、例えば、第1の電極をMo単体で構成したときには密着性の低さから用いることが困難であった基板を用いた場合であっても、第1の電極との良好な密着性が得られる。また、基板として、上述のように可撓性を有する基板を用いた場合であっても、基板と第1の電極との密着性に優れるため、電子素子を屈曲させた場合であっても第1の電極にクラックが発生することが抑制される。
これらの中でも、プロセスの容易性の理由から、エッチングによる加工が望ましく、中でも、プロセスの容易性の理由から、ウェットエッチングによる加工が望ましい。
また、このNbの含有率を調整する方法以外にも、Mo−Nb合金による金属膜の成膜後、フォトエッチング法によって第1の電極を加工するときのエッチング条件を調整する方法を用いても良い。
ドライエッチングの場合は、エッチングガスに酸素を混ぜることにより、エッチングによりレジストパターンを後退させながら上記金属膜をエッチングできるので、第1の電極のテーパー角が、リーク電流の抑制される理想的なテーパー角に容易に調整される。
上記第1の電極上に設けられる絶縁膜としては、SiO2、SiNx、SiON、Al2O3、Y2O3、Ta2O5、HfO2等の絶縁体、又はそれらの化合物を少なくとも二つ以上含む混晶化合物が用いられる。また、ポリイミドのような高分子絶縁体も絶縁膜として用いられる。
絶縁膜はリーク電流を減らすため、また電圧耐性を上げる為に、ある程度膜厚を厚くする必要がある。しかし、絶縁膜の膜厚を厚くすると、電子素子を電界効果型トランジスタとして用いた場合には、この電界効果型トランジスタの駆動電圧の上昇を招く結果となる。その為、絶縁膜の膜厚は、上記範囲内とすることが好ましい。
ここで、上述のように、スパッタリング法による成膜方法は、直進性の強い成膜であるため、成膜時に細部にまで回り込むような成膜を行なうことが困難である。このため、第1の電極の端部断面のテーパー角が大きいほど、第1の電極の端部付近における絶縁膜に空洞やクラックが生じやすくなり、その結果として、リーク電流が増大する。従来では、この第1の電極をMoから構成しており、Mo単体で構成された第1の電極では、端部断面のテーパー角をリーク電流の生じない程度にまで小さくすることは困難であった。具体的には、Mo単体で構成された第1の電極では、端部断面のテーパー角を50°未満とすることは困難であった。
本発明における絶縁膜の形態の一例としては、例えば、基板上の第1の電極上の領域(電圧印加用の端子部を除く)及び第1の電極以外の領域に渡って全面に設けられた形態が挙げられる。前記端子部においては、絶縁膜が形成されず、第1の電極が露出されている。この第1電極の露出領域は、例えば、フォトエッチング法、リフトオフ法、シャドウマスク法等により絶縁膜を形成(加工)する際に設けることができる。
上述のように、本発明の電子素子は、コンデンサ(キャパシタ)や、電界効果型トランジスタとして用いられる。本発明の電子素子がコンデンサである場合には、第2の電極は、コンデンサを構成する一対の電極の内の絶縁膜を介して上記第1の電極に対向配置された電極とされる。また、本発明の電子素子が、例えば、ボトムゲート型の電界効果型トランジスタである場合には、第2の電極は、該電界効果型トランジスタのソース電極及びドレイン電極とされる。
なお、この第2の電極を、第1の電極と同じ材料(Mo−Nb合金)から構成してもよい。
コンデンサ20では、第1の電極22と第2の電極26との間に電圧が印加されると、第1の電極22と第2の電極26とによって挟まれた絶縁膜24の領域に、容量が蓄積される。ここで、上記に説明したように、第1の電極22は、Mo−Nb合金から構成されていることから、第1の電極22と第2の電極26との間のリーク電流が抑制される。
酸化物半導体としては、好ましくはIn、Ga、及びZnよりなる群より選ばれる少なくとも1種若しくはこれらの複合酸化物を含む酸化物半導体が好ましい。特に好ましくは、特開2006−165529号公報等に記載されている非晶質酸化物半導体(IGZO)である。
―電界効果型トランジスタとしての電子素子1の作製−
(ゲート電極としての第1の電極形成)
基板としては、厚さ150μmのPENフイルム(帝人デュポン社製Q65FA)を用意した。この基板上に、スパッタリング法によってMo−Nb合金(Mo:95原子%,Nb:5原子%)から構成された膜厚40nmの金属膜を成膜した。なお、スパッタ条件は、下記に示した。
・スパッタ装置: DCマグネトロンスパッタ装置
・ターゲット:直径4インチMo−Nb合金ターゲット(Mo:95原子%,Nb:5原子%)
・スパッタ電力: DC電源300W
・圧力(ガス導入時): 0.27Pa
・導入ガス及び流量: Ar=58.5sccm
なお、このMo−Nb合金による金属膜のウェットエッチングは、液温31℃で行った。このエッチング速度は、1.21nm/secであった。
次に、前記基板の第1の電極の形成面に、下記条件のスパッタにより膜厚200nmのSiO2膜を形成した。SiO2膜は第1の電極のほぼ全面を覆うように形成したが、シャドウマスクを用いたスパッタにより一部(電圧印加用の端子部)のみ露出させた。
・スパッタ装置: RFマグネトロンスパッタ装置
・ターゲット: フルウチ化学製の直径3インチSiO2ターゲット(純度4N)
・スパッタ電力: RF電源200W
・圧力(ガス導入時): 0.164Pa
・導入ガス及び流量: Ar=40sccm,O2=4.5sccm
上記絶縁層上に、活性層を形成した。活性層の形成は、InGaZnO4の組成を有する多結晶焼結体(直径3インチ)をターゲットとして、下記条件のスパッタにより厚み50nmの活性層を形成した。
・スパッタ装置: RFマグネトロンスパッタ装置
・スパッタ電力: RF電源200W
・圧力(ガス導入時): 0.37Pa
・導入ガス及び流量: Ar=97sccm,O2=1.8sccm
上記活性層上に、スパッタリング法によって、厚さ50nmのMoの金属膜を形成した。なお、スパッタ条件は、下記に示した。
・スパッタ装置: DCマグネトロンスパッタ装置
・ターゲット:直径3インチMoターゲット
・スパッタ電力: DC電源300W
・圧力(ガス導入時): 0.27Pa
・導入ガス及び流量: Ar=58.5sccm
―電界効果型トランジスタとしての電子素子2の作製−
(ゲート電極としての第1の電極形成)
基板としては、厚さ150μmのPENフイルム(帝人デュポン社製Q65FA)を用意した。この基板上に、スパッタリング法によってMo−Nb合金(Mo:95原子%,Nb:5原子%)から構成された膜厚40nmの金属膜を成膜した。なお、スパッタ条件は、下記に示した。
・スパッタ装置: DCマグネトロンスパッタ装置
・ターゲット:直径4インチMo−Nb合金ターゲット(Mo:97原子%,Nb:3原子%)
・スパッタ電力: DC電源300W
・圧力(ガス導入時): 0.27Pa
・導入ガス及び流量: Ar=58.5sccm
―電界効果型トランジスタとしての比較電子素子1の作製−
比較例1では、上記実施例1で作製した電子素子1における第1の電極(ゲート電極)に代えて、Mo単体から構成された第1の電極(ゲート電極)とした以外は、実施例1で作製した電子素子1と同じ条件及び同じ作製方法を用いて、電界効果型トランジスタとしての比較電子素子1を作製した。
実施例1で用いた基板(厚さ150μmのPENフィルム(帝人デュポン社製Q65FA))上に、スパッタリング法によってMo単体から構成された膜厚40nmの金属膜を成膜した。なお、スパッタ条件は、下記に示した。
・スパッタ装置: DCマグネトロンスパッタ装置
・ターゲット:直径4インチMoターゲット
・スパッタ電力: DC電源300W
・圧力(ガス導入時): 0.27Pa
・導入ガス及び流量: Ar=58.5sccm
なお、このMo金属膜のウェットエッチングは、液温31℃で行った。このエッチング速度は、2.22nm/secであり、実施例1におけるMo−Nb合金による金属膜に比べてエッチング速度が速かった。
25μmの直線状のIZOパターンであり、実施例1で形成したMo−Nb合金による第1の電極に比べて、エッチングによる配線の細りがみられた。
上記実施例及び比較例で得られた電子素子1及び比較電子素子1について、以下の測定及び評価を行った。測定及び評価の結果を下記表1に示した。
上記で得られた電子素子1及び比較電子素子1を、基板に垂直な平面で切断し、第1の電極の端部の断面を透過型電子顕微鏡(TEM;倍率60000倍)により撮影した。
撮影されたTEM写真を用い、第1の電極の一端部の断面のテーパー角を測定した。測定結果を表1に示した。
ここで、テーパー角は、第1の電極の基板との接触面に相当する直線と、第1の電極の上端と下端とを結ぶ直線と、のなす角度とした。この「上端」及び「下端」については、上記に定義したため省略する。
電子素子1、電子素子2、及び比較電子素子1について、上記の製造工程においてパターニングされた第1の電極上に絶縁層を形成する前に、この第1の電極の上面(基板との接触面に対向する面、以下同じ)における表面粗さRaを測定した。測定結果を表1に示した。
表1に示すように、電子素子1及び電子素子2における第1の電極の上面の表面粗さRaは、比較電子素子1における第1の電極の上面の表面粗さRaの1/2以下の値であった。このため、電子素子1及び電子素子2における第1の電極は、比較電子素子1における第1の電極に比べて、上面側に接して設けられる絶縁膜との密着性の向上が図れるといえる。
(膜応力の測定)
電子素子1、及び比較電子素子1に用いられる第1の電極の膜応力の測定を行った。測定結果を表1に示した。
具体的には、電子素子1に用いられる第1の電極の膜応力の測定は下記方法により算出した。
まず、厚さ150μmのSiウエハー基板の曲率半径を、東朋テクノロジー社製FLX−2320−Sを用いて25℃50%RHの環境下で測定した。
次に、該Siウエハー基板上にスパッタリング法によって、電子素子1における第1の電極の構成材料であるMo−Nb合金から構成された金属膜を成膜し、該Siウエハー基板上に該Mo−Nb合金から構成された金属膜の成膜された積層体の曲率半径を、東朋テクノロジー社製FLX−2320−Sを用いて25℃50%RHの環境下で測定した。そして、該Siウエハー基板の曲率半径と、該積層体(Siウエハー基板上にMo−Nb合金から構成された金属膜の成膜された積層体)の曲率半径と、の差分を、電子素子1に用いられる第1の電極の膜応力として算出した。
そして、該Siウエハー基板上にスパッタリング法によって、比較電子素子1における第1の電極の構成材料であるMo単体から構成された金属膜を成膜し、該Siウエハー基板上に該Mo単体から構成された金属膜の成膜された積層体の曲率半径を、東朋テクノロジー社製FLX−2320−Sを用いて25℃50%RHの環境下で測定した。そして、該Siウエハー基板の曲率半径と、該積層体(Siウエハー基板上にMo単体から構成された金属膜の成膜された積層体)の曲率半径と、の差分を、比較電子素子1に用いられる第1の電極の膜応力として算出した。
電子素子1、及び比較電子素子1について、上記の製造工程においてパターニングされた第1の電極上に絶縁層を形成する前に、基板上に形成された第1の電極について曲げ試験を行った。
曲げ試験としては、電子素子1及び比較電子素子1における、基板上に第1の電極が形成された状態の積層体(10mm×10mm,厚み50nmの試験片)について、基板の曲率半径を1.5cm〜2cmの条件で屈曲を繰り返し行い、1回屈曲を行う毎に、曲げ試験機として三菱化学社製の抵抗率計を用いて、10Vの電圧を印加してから3秒後の抵抗値を測定することで、第1の電極の表面抵抗値を測定した。この屈曲回数と、抵抗値との関係を、図10に示した。また、評価結果を表1に示した。
このように、上記膜応力の測定結果と同様に、この曲げ試験の測定結果についても、電子素子1における第1の電極の基板との密着性が、比較電子素子1における第1の電極の基板との密着性に比べて、高い事を示す結果が得られた。
電子素子1、電子素子2、及び比較電子素子1の各々で形成した第1の電極について、X線回折測定装置(リガク社製)を用いて、スキャン軸2θ/ωの条件でXRD(X線回折)を行なった。この結果、実施例1で作製した電子素子1の第1の電極、及び実施例2で作製した電子素子2の第1の電極のXRD(X線回折)の解析結果としては、図9に示す線図50が得られた。一方、比較例1で作製した比較電子素子1の第1の電極のXRD(X線回折)の解析結果としては、図9に示す線図52が得られた
このように、電子素子1及び電子素子2における第1の電極のX線回折測定結果によって得られるピークは、比較電子素子1における第1の電極のX線回折測定結果によって得られるピークに比べてブロードであり、より非晶質であることが確認された。
上記で得られた電子素子1、電子素子2、及び比較電子素子1のリーク電流を、アジレントテクノロジー社半導体パラメーターアナライザー4155Cを用いて測定した。
ここで、リーク電流は、第1の電極としてのゲート電極、第2の電極としてのソース電極と、の間に電圧を印加したときに両電極間に流れる電流密度値(A/cm2)とした。その結果、実施例1で作製した電子素子1のリーク電流特性(上記印加電圧とリーク電流との関係を示す線図)としては、図7中の線図60に示される結果が得られた。また、実施例2で作製した電子素子2のリーク電流特性(上記印加電圧とリーク電流との関係を示す線図)としては、図7中の線図62に示される結果が得られた。
一方、比較例1で作製した比較電子素子1のリーク電流特性としては、図7中の線図64に示される結果が得られた。このように、比較電子素子1のリーク電流特性(図7中、線図64)に比べて、電子素子1及び電子素子2のリーク電流特性(図7中、線図60及び線図62)は、大幅なリーク電流の低減が図れていることが確認された。
上記作製した電子素子1、電子素子2、及び比較電子素子1を、半導体パラメーターアナライザー(アジレントテクノロジー社製、4155C)を用いて、第1の電極としてのゲート電極に電圧を印加したときのドレイン電流を測定することによって、ゲート電圧印加時の電流−電圧特性を測定した。その結果、図8に示す結果が得られた。詳細には、電子素子1の電流−電圧特性としては、図8中の線図70によって示される結果となり、電子素子2の電流−電圧特性としては、図8中の線図72によって示される結果となり、比較電子素子1の電流−電圧特性としては、図8中の線図74によって示される結果となった。このため、電子素子1及び電子素子2は、比較電子素子1に比べて、オンオフ比〔オン電流/オフ電流〕の高い良好なトランジスタ特性が得られたといえる。
12、22、32G、42G 第1の電極
20 コンデンサ(電子素子)
24、34、44 絶縁膜
26、36S、36D、46S、46D 第2の電極
30、40 電界効果型トランジスタ(電子素子)
38、48 活性層
P 上端
Q 下端
θ テーパー角
Claims (6)
- 基板上に設けられ、Mo−Nb合金から構成された、端部断面のテーパー角が50°未満であり、表面粗さRaが0.6nm以下である第1の電極と、
前記第1の電極上に配置された絶縁膜と、
前記第1の電極に対して少なくとも前記絶縁膜を介して配置された第2の電極と、
を備えた電子素子。 - 前記第1の電極は、ゲート電極であり、
前記第2の電極は、ソース電極及びドレイン電極であり、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に、酸化物半導体を主成分とする活性層を備えた電界効果型トランジスタである請求項1に記載の電子素子。 - 前記酸化物半導体が、In、Zn、及びGaよりなる群より選ばれる少なくとも1種を含む非晶質酸化物である請求項2に記載の電子素子。
- 前記Mo−Nb合金は非晶質である請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の電子素子。
- 前記基板が可撓性を有する請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の電子素子。
- 基板上に成膜されたMo−Nb合金からなる金属膜をパターニングすることによって、該基板上にMo−Nb合金から構成された、端部断面のテーパー角が50°未満であり、表面粗さRaが0.6nm以下である第1の電極を形成する第1の電極形成工程と、
前記第1の電極形成工程によって形成された前記第1の電極の少なくとも一部を覆う絶縁膜を、スパッタリング法によって形成する絶縁膜形成工程と、
前記第1の電極に対して少なくとも前記絶縁膜を介して配置されるように第2の電極を形成する第2の電極形成工程と、
を備えた電子素子の製造方法。
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