JP5528734B2 - 電子素子及びその製造方法、表示装置、並びにセンサー - Google Patents
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Description
一方、近年、電子機器の小型化、軽量化および低消費電力化が進む中で、特にディスプレイ(表示装置)の分野においては、半導体層の材料として、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、及び亜鉛(Zn)を含む酸化物(IGZO)が注目されている。
IGZO(IGZO膜)は、低温で樹脂基板上に成膜することが可能であるため、フレキシブルディスプレイをはじめとする様々なアプリケーションへの展開が期待されている。
また、前記IGZO膜は、アルカリ性のエッチング液によってもエッチングされることが報告されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、前記IGZO膜をTFT等の電子素子として用いる場合、IGZO膜上に、直接又は他の膜を介して金属膜を形成し、形成された金属膜をフォトリソグラフィ及びエッチングによりパターニングすることが行われる。この場合、前記金属膜をエッチングする際に、下地膜であるIGZO膜が膜減りし易い傾向がある。このIGZO膜の膜減りにより、電子素子の素子特性(例えば、TFTのトランジスタ特性)が劣化する場合がある。
ここで、金属膜としては、例えば、モリブデン(Mo)やタングステン(W)等の高融点金属膜が選択される(例えば、特許文献2参照)。
上記報告によれば、Mo膜をウェットエッチングによりパターニングした場合、及び、Mo膜をドライエッチングによりパターニングした場合、のいずれにおいても、下地膜であるIGZO膜がエッチングされているが、ドライエッチングによりパターニングした場合の方がIGZO膜の膜減りは少ない。
具体的には、上記報告では、ウェットエッチングの場合、Moのエッチングレート(エッチング速度)が100〜150Å/sec、IGZOのエッチングレートが10〜30Å/sec、エッチング選択比〔Moのエッチングレート/IGZOのエッチングレート〕が5〜10となっている。また、上記報告では、ドライエッチングの場合、Moのエッチングレートが30〜40Å/sec、IGZOのエッチングレートが2〜3Å/sec、エッチング選択比〔Moのエッチングレート/IGZOのエッチングレート〕が10〜20となっている。
また、ドライエッチングの場合、IGZO膜が高密度のプラズマに晒されるため、IGZO膜の抵抗が低くなる(キャリアが増加する)傾向があり、素子特性(例えば、トランジスタ特性)が劣化する場合がある。例えば、実験的に、IGZO膜にArプラズマを照射すると、プラズマ照射時間が増えるにつれ、IGZO膜の抵抗が下がることが報告されている(例えば、非特許文献2参照)。この原因は、Arプラズマ中に生じるAr+イオンがIGZO内の酸素欠陥を増やし、その結果、抵抗が低下(キャリアが増加)したものと考えられる。一般的に、プラズマダメージと呼称されるのは、ほとんどがこの現象である。また、プラズマエネルギーを増大させると、酸素、In、Ga、又はZnの含有量が変化し、素子特性の劣化を招く恐れがある。
以上のように、IGZO膜上の金属をドライエッチングによりパターニングする方法は、コストや製造適性の面で課題が多い。
しかしながら、リフトオフ法は、(1)原理的にゴミが発生し易く、歩留まりの低下を招きやすい、(2)レジストパターン断面を逆テーパー状に形成する必要があり、レジストパターン形状の制御が難しい、(3)Mo膜が、レジストパターンの逆テーパー部分の一部(本来成膜されるべきでない部分)に回りこんで成膜されることがあり、本来直線状に形成されるべきパターンエッジに湾曲が生じやすい(即ち、直線状に形成できない)、等の製造上の問題がある。
Mo膜用のエッチング液としては、一般に、リン酸及び硝酸の混合系エッチング液が用いられている。このリン酸及び硝酸の混合系エッチング液は、例えば、関東化学(株)より「Moエッチング液」として市販されている。
また、Mo膜は、過酸化水素水によりエッチングされる旨も報告されている(例えば、非特許文献3、4参照)。
また、W膜も、過酸化水素水によりエッチングされる旨が報告されている(例えば、非特許文献5参照)。
特に、ウェットエッチングでは、予め設定した時間分のエッチング処理が終了しても、基板上に残存したエッチング液により下地膜(前記酸化物半導体膜)がエッチングされ続けること、等を考慮すると、エッチング選択比〔前記金属膜のエッチングレート/前記酸化物半導体膜のエッチングレート〕は極力大きいことが好ましい。
即ち、本発明の目的は、W及びMoの少なくとも1種を含む金属膜をウェットエッチングする際、下地膜である、In、Ga、及びZnを含む酸化物半導体膜の膜減りを抑制でき、該膜減りによる素子特性の劣化を抑制できる電子素子の製造方法を提供することである。
また、本発明の目的は、In、Ga、及びZnを含む酸化物半導体膜の膜減りが抑制され、素子特性に優れた電子素子を提供することである。
また、本発明の目的は、素子特性に優れた電子素子を備え、表示品質に優れた表示装置を提供することである。
また、本発明の目的は、素子特性に優れた電子素子を備え、感度が高いセンサーを提供することである。
<1> 基板上に、In、Ga、及びZnを含む酸化物半導体膜と、W及びMoの少なくとも1種を含む金属膜と、をこの順に有する膜付き基板を用意する工程と、
前記膜付き基板の前記金属膜を、過酸化水素を主成分とするエッチング液として、溶媒を除いた全成分中における過酸化水素の含有量が80質量%以上であるエッチング液により、エッチング選択比〔前記金属膜のエッチングレート/前記酸化物半導体膜のエッチングレート〕が100以上の条件でウェットエッチングする工程と、
を有する電子素子の製造方法である。
<2> 前記エッチング液は、過酸化水素の濃度が25質量%以上45質量%以下の過酸化水素水である<1>に記載の電子素子の製造方法である。
<3> 前記基板が、樹脂基板である<1>又は<2>に記載の電子素子の製造方法である。
<4> 前記酸化物半導体膜が、アモルファス酸化物半導体膜である<1>〜<3>のいずれか1つに記載の電子素子の製造方法である。
(In2−XGaX)O3・(ZnO)m … 一般式(I)
〔一般式(I)中、Xは2未満であり、mは正の整数である。〕
<7> 薄膜トランジスタである<6>に記載の電子素子である。
<8> <6>又は<7>に記載の電子素子を備えた表示装置である。
<9> <6>又は<7>に記載の電子素子を備えたセンサーである。
また、本発明によれば、In、Ga、及びZnを含む酸化物半導体膜の膜減りが抑制され、素子特性に優れた電子素子を提供することができる。
また、本発明によれば、素子特性に優れた電子素子を備え、表示品質に優れた表示装置を提供することができる。
また、本発明によれば、素子特性に優れた電子素子を備え、感度が高いセンサーを提供することができる。
本発明の電子素子の製造方法は、基板上に、In、Ga、及びZnを含む酸化物半導体膜(以下、「IGZO膜」ともいう)と、W及びMoの少なくとも1種を含む金属膜と、をこの順に有する膜付き基板を用意する工程と、前記膜付き基板の前記金属膜を、過酸化水素を主成分とするエッチング液により、エッチング選択比〔前記金属膜のエッチングレート/前記酸化物半導体膜のエッチングレート〕が100以上の条件でウェットエッチングする工程(以下、「エッチング工程」ともいう)と、を有する。
また、本発明の電子素子は、上記本発明の電子素子の製造方法により製造されたものである。
また、本発明の電子素子の製造方法は、ドライエッチングを用いずに金属膜をパターニングできるため、ドライエッチングによるIGZO膜の劣化(例えば、抵抗低下、等)を抑制でき、素子特性の劣化を抑制できる。
更に、本発明の電子素子の製造方法は、ドライエッチングを用いずに金属膜をパターニングできるため低コストであり、また、大面積の基板に電子素子を製造できる。
この点に関し、本発明の電子素子の製造方法では、過酸化水素を主成分とするエッチング液により、IGZO膜中の酸素欠陥を、O、OH、H等でターミネートすることができるので、IGZO膜中のキャリアを減少させることができ、前記IGZO膜の抵抗低下を抑制できる。このため、IGZO膜の抵抗低下による素子特性劣化(例えば、薄膜トランジスタにおけるオフ電流の上昇)を抑制できる。
本発明の電子素子の製造方法は、基板上に、In、Ga、及びZnを含む酸化物半導体膜と、W及びMoの少なくとも1種を含む金属膜と、をこの順に有する膜付き基板を用意する工程を有する。
本発明の電子素子の製造方法では、予め準備された膜付き基板を用いてもよいし、電子素子の作製の度に膜付き基板を作製し(即ち、基板上に、IGZO膜と、前記金属膜と、をこの順に形成して膜付き基板を作製し)、作製された膜付き基板を用いてもよい。
前記膜付き基板は、IGZO膜及び前記金属膜以外にも、必要に応じ、その他の膜を有していてもよい。その他の膜としては、例えば、薄膜トランジスタ(TFT)の構成要素である、ゲート電極やゲート絶縁膜等である。
本発明における基板としては特に限定はなく、例えば、YSZ(ジルコニア安定化イットリウム)、ガラス等の無機基板;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)等の合成樹脂等の樹脂基板(以下、これらの樹脂基板を「プラスチック基板」ともいう);等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、樹脂基板が好ましい。
なお、一般的に、樹脂基板は耐熱性に乏しいため、樹脂基板上に電子素子を作製する場合には、電子素子の製造過程におけるプロセス温度を、好ましくは200℃以下、より好ましくは150℃以下にする。
この点に関し、本発明の電子素子は、半導体層として低温成膜(例えば、スパッタによる成膜)が可能なIGZO膜を用いるため、電子素子の製造過程におけるプロセス温度を200℃以下とすることができる。
従って、例えば、本発明の電子素子として樹脂基板上にTFTを形成することができ、得られたTFT基板を用いてフレキシブルディスプレイを作製することができる。
前記樹脂基板は、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。
前記厚みが50μm以上であると、基板自体の平坦性がより向上する。
また、前記厚みが500μm以下であると、基板自体の可撓性がより向上し、フレキシブルディスプレイ用基板としての使用がより容易となる。
本発明におけるIn、Ga、及びZnを含む酸化物半導体膜(IGZO膜)は、基板上に、直接又は他の層を介して設けられた膜であり、電子素子における半導体層(活性層)として好適に用いられる膜である。
また、前記IGZO膜は、パターニングされていない膜(いわゆるベタ膜)であってもよいし、例えば島状(アイランド状)にパターニングされた膜であってもよい。
本発明におけるIGZO膜としては、例えば、特開2006−165529号公報等に開示されている公知のIGZO膜を用いることができる。
前記IGZO膜は、パターニング(エッチング)の容易性の観点、プロセス温度の低温化の観点、表面ラフネスの向上の観点等から、アモルファス(非晶質)であることが好ましい。
前記IGZO膜が、アモルファス(非晶質)であるかどうかは、X線回折により確認することができる。即ち、X線回折により、結晶構造を示す明確なピークを検出できなかった場合に、アモルファスであると判断することができる。
ここで、膜厚は、触針式表面形状測定により求めることができる。後述の金属膜やその他の膜の膜厚も同様である。
前記Xとしては、素子特性の点や、前記エッチング選択比を100以上に調整し易い点から、0.5以上1.5以下が好ましく、0.8以上1.2以下がより好ましい。
前記mとしては、素子特性の点や、前記エッチング選択比を100以上に調整し易い点から、3以下の整数が好ましく、2以下の整数がより好ましく、1が特に好ましい。
下記一般式(I)で表される化合物としては、InGaZnO4が最も好ましい。
IGZO膜の組成比は、RBS(ラザフォード後方散乱)分析法、XRF(蛍光X線分析)等により求めることができる。
スパッタの形態としては、アルゴン(Ar)と、酸素(O2)と、を導入しながら行う反応性スパッタの形態が好適である。
このとき、Ar流量は、50〜150sccmが好ましい。
また、O2流量は、0.5〜5.0sccmが好ましい。
また、流量比〔Ar流量/O2流量〕は、10〜200が好ましい(例えば、Ar流量が100sccmであるときは、O2流量は0.5〜10sccmが好ましい)。
到達真空度(ガス非導入時)は、4×10−6Pa〜8×10−6Paが好ましく、5×10−6Pa〜7×10−6Paがより好ましい。
成膜圧力(ガス導入時)としては、0.1Pa〜5.0Paが好ましく、0.1Pa〜1.0Paがより好ましい。
成膜温度(基板温度)は、15℃〜40℃が好ましく、15℃〜30℃がより好ましい。
例えば、本発明において「1sccm」は、1013.25hPa(1気圧)、0℃における気体の流量が、1cc/minに相当することをいう。
共スパッタの形態とすることにより、組成比(モル比)の調整をより容易に行うことができる。
共スパッタの際、IGZOターゲット及びZnOターゲットには、DC電源又はRF電源により電力を供給することができる。また、Ga2O3ターゲットには、RF電源により電力を供給することができる。
IGZOターゲットへの投入電力(RF)は、例えば、100W〜300W(例えば、150W〜250W)とすることができる。
ZnOターゲットへの投入電力(DC)は、例えば、2W〜10W(例えば、2W〜6W)とすることができる。
Ga2O3ターゲットへの投入電力(RF)は、例えば、40W〜100W(例えば、60W〜80W)とすることができる。
本発明におけるW及びMoの少なくとも1種を含む金属膜は、前記IGZO膜上に、直接又は他の層を介して設けられた膜である。
本発明における金属膜は、W及びMoの少なくとも1種を含む限り特に限定はなく、W膜又はMo膜であってもよいし、Mo−W膜等の合金膜であってもよい。更には、W及びMoの少なくとも1種と、その他の金属からなる合金膜(例えば、Mo−Nb膜等のMo合金膜)であってもよい。
中でも、前記エッチング選択比を100以上に調整し易い点からは、Mo膜又はMo合金膜が好ましく、Mo膜が特に好ましい。
例えば、本発明の電子素子がボトムゲート型TFTである場合には、前記金属膜はソース電極及びドレイン電極である。
到達真空度(ガス非導入時)は、4×10−6Pa〜8×10−6Paが好ましく、5×10−6Pa〜7×10−6Paがより好ましい。
成膜圧力(ガス導入時)は、0.1Pa〜5.0Paが好ましく、0.1Pa〜0.5Paがより好ましい。
成膜温度(基板温度)は、150℃以下が好ましく、20℃〜40℃がより好ましい。
本発明におけるエッチング工程は、前記膜付き基板の前記金属膜を、過酸化水素を主成分とするエッチング液を用い、エッチング選択比〔前記金属膜のエッチングレート/前記酸化物半導体膜のエッチングレート〕が100以上の条件でウェットエッチングする工程である。
本発明では、前記「エッチング選択比〔前記金属膜のエッチングレート/前記酸化物半導体膜のエッチングレート〕」を、単に「エッチング選択比」と略称することがある。
エッチング工程の具体的形態としては、前記金属膜上に予めフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成しておき、該レジストパターンをエッチングマスクとして金属膜をエッチングする形態が好適である。
エッチングレートは、分光エリプソメータ及び触針式膜厚計を用いて算出する。
エッチング選択比を100以上に調整し易い観点から、エッチング液の温度は、15℃〜40℃が好ましく、15℃〜30℃がより好ましい。
酸化物半導体膜の組成等、その他の条件の好ましい範囲については前述の通りである。
IGZO膜の膜減り量を更に抑制する観点からは、前記エッチング選択比は、500以上が好ましく、1000以上がより好ましく、5000以上であることが更に好ましく、10000以上であることが特に好ましい。
本発明におけるエッチング液は、必要に応じ、過酸化水素以外の他の成分を含んでいてもよい。但し、前記エッチング選択比をより大きくする観点からは、本発明におけるエッチング液は、溶媒としての水と、溶質としての過酸化水素と、からなる過酸化水素水が好ましい。
ここで、主成分とは、エッチング液から水等の溶媒を除いた全成分のうち、最も含有量が多い成分を指す。具体的には、前記溶媒を除いた全成分中における、過酸化水素の含有量は、80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましく、95質量%以上であることが特に好ましい。
本発明の電子素子の製造方法は、必要に応じ上記以外のその他の工程を有していてもよい。
その他の工程としては、絶縁膜等のその他の膜を形成する工程や、電子素子としてTFTを形成する場合における各工程(ゲート電極形成工程、ゲート絶縁膜形成工程、保護膜形成工程、層間絶縁膜形成工程、コンタクトホール形成工程、画素電極形成工程、等)等が挙げられる。
本発明の電子素子の具体的形態としては、例えば、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor;以下、「TFT」ともいう)が好適である。
本発明の電子素子がTFTである場合、該TFTは、半導体層(活性層)としてのIGZO膜と、ソース電極及びドレイン電極としての前記金属膜(前記ウェットエッチングによりパターニングされた前記金属膜)と、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、を少なくとも有して構成される。更に、必要に応じ、層間絶縁膜や画素電極を有していてもよい。
以下、本発明の電子素子及びその製造方法の具体的な実施形態について説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されることはない。
図1は、本発明の一実施形態である、薄膜トランジスタ(TFT)の製造方法の一例を示す工程図である。
まず、TFTを形成するための基板10を用意する(図1(A))。
基板10の形状、構造、大きさ等については特に制限はなく、目的等に応じて適宜選択することができる。基板10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10上にゲート電極12を形成する(図1(B))。
ゲート電極12は、導電性及び耐熱性(500℃以上)を有するものを用い、例えば、Al、Mo、Cr、Ta、Ti、Au、Ag等の金属、Al−Nd、APC((株)フルヤ金属製のAg合金)等の合金、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できる。
成膜後、フォトリソグラフィ法及びエッチングによって所定の形状にパターニングを行う。このとき、ゲート電極12及びゲート配線(不図示)を同時にパターニングすることが好ましい。
基板10上にゲート電極12を形成した後、ゲート絶縁膜14を形成する(図1(C))。
ゲート絶縁膜14は、絶縁性及び耐熱性(500℃以上)を有するものとし、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。
ゲート絶縁膜14を形成した後、前述のIGZO膜16を成膜する(図1(D))。
次いで、IGZO膜16をパターニングして活性層18を形成する(図1(E))。ここで、活性層18は、基板10の法線方向からみたときに、ゲート電極12に対して重なり部を有するような、例えば島状(アイランド状)のパターンに形成する。
IGZO膜16のパターニングは、フォトリソグラフィ法とエッチング法により行うことができる。具体的には、ゲート絶縁膜14上に成膜したIGZO膜16を、活性層18として残存させる部分にフォトリソグラフィによってレジストパターン形成し、塩酸、硝酸、希硫酸、又は、燐酸、硝酸、及び酢酸の混合液(Alエッチング液;関東化学(株)製)等の酸溶液によりエッチングすることにより活性層18を形成する。例えば、燐酸、硝酸、及び酢酸を含む水溶液を用いれば、IGZO膜16の露出部分を確実に除去することができるため好ましい。
次に、活性層18及びゲート絶縁膜14の上にソース・ドレイン電極20A,20Bを形成するための金属膜を形成する。
金属膜としては、前述のW及びMoの少なくとも1種を含む金属膜を用いる。
前記金属膜の膜厚は、成膜性、エッチングによるパターニング性、導電性(低抵抗化)などを考慮すると、10nm以上1000nm以下とすることが好ましい。
ここで、ソース・ドレイン電極20A,20Bは、基板10の法線方向からみたときに、ゲート電極12及び活性層18に対して重なり部を有するように形成する。
ここでは、金属膜を残留させる部分にフォトリソグラフィ法によってレジストパターンを形成し、前述の過酸化水素を主成分とするエッチング液を用いてウェットエッチングを行い、ソース・ドレイン電極を形成する。この際、ソース・ドレイン電極及びこれらの電極に接続する配線(データ配線など)を同時にパターニングすることが好ましい。
また、前記ウェットエッチングでは、過酸化水素により、IGZO膜中の酸素欠陥を、O、OH、H等でターミネートすることができるので、IGZO膜中のキャリアを減少させることができ、前記IGZO膜の抵抗低下を抑制できる。
このため、IGZO膜の抵抗低下によるオフ電流の上昇を抑制できる。
以上により、前記ウェットエッチングにより、形成されるTFTのオンオフ比〔オン電流/オフ電流〕が向上し、トランジスタ特性(素子特性)が向上する。
ソース・ドレイン電極20A,20B及び配線を形成した後、保護膜22を形成する(図1(G))。
保護膜22を形成する材料としては、MgO、SiO、SiO2、Al2O3、GeO、NiO、CaO、BaO、Fe2O3、Y2O3、又はTiO2等の金属酸化物、SiNx、SiNxOy等の金属窒化物、MgF2、LiF、AlF3、又はCaF2等の金属フッ化物、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート、ポリイミド、ポリウレア、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリジクロロジフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレンとジクロロジフルオロエチレンとの共重合体、テトラフルオロエチレンと少なくとも1種のコモノマーとを含むモノマー混合物を共重合させて得られる共重合体、共重合主鎖に環状構造を有する含フッ素共重合体、吸水率1%以上の吸水性物質、吸水率0.1%以下の防湿性物質等が挙げられる。
保護膜22の厚みはその材質等にもよるが、通常は50〜1000nmである。
表示装置(液晶表示装置や有機EL表示装置等)用のTFTとする場合には、保護膜22の形成に次いで、保護膜22にフォトリソグラフィ及びエッチングによりコンタクトホール24を形成した後、画素電極26等を形成する(図1(H))。
例えば、酸化インジウム錫(ITO)をスパッタリングにより成膜した後、フォトリソグラフィ法及びエッチングによりパターニングを行うことにより、画素電極26をパターン形成することができるとともに、コンタクトホール24を通じて画素電極26をドレイン電極20Bと接続させることができる。
例えば、本発明はボトムゲート型のTFTの製造に限定されず、例えば、図2に示すような構成のトップゲート型のTFTを製造する場合にも適用することできる。この場合、基板10上にIGZO膜を形成して活性層18にパターン加工を行った後、スパッタ、レジストパターン形成、及び前述のウェットエッチングにより、ソース・ドレイン電極20A,20Bを形成し、その後、ゲート絶縁膜14及びゲート電極12を順次形成すればよい。
更に、本発明の電子素子は、樹脂基板を用いた低温プロセスで作製可能なデバイス(例えば、フレキシブルディスプレイ等)、X線センサー等の各種センサー、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)、アクチュエータ、内視鏡(カプセル内視鏡を含む)、医療分野に用いる形状記憶金属を用いたカテーテル、超音波探触子(MEMS型含)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。
本発明の表示装置又はセンサーは、前述の本発明の電子素子を備えて構成される。
表示装置の例としては、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、等が好適である。
センサーの例としては、CCD(Charge Coupled Device)又はCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等のイメージセンサーや、X線センサー等が好適である。
本発明の表示装置は、IGZO膜の膜減りが抑制され、素子特性に優れた本発明の電子素子を備えるため、表示品質に優れる。
本発明のセンサーは、IGZO膜の膜減りが抑制され、素子特性に優れた本発明の電子素子を備えるため、高感度である。
図3に示すように、液晶表示装置200は、互いに平行な複数のゲート配線210と、該ゲート配線210と交差する、互いに平行なデータ配線220と、を備えている。ここで、ゲート配線210とデータ配線220とは電気的に絶縁されている。ゲート配線210とデータ配線220との交差部付近には、薄膜トランジスタ(TFT)230が備えられている。
薄膜トランジスタ230のゲート電極は、ゲート配線210に接続されており、薄膜トランジスタ230のソース電極は、データ配線220に接続されている。また、薄膜トランジスタ230のドレイン電極は、画素電極に接続されており、該画素電極と図示しない対向電極との間には液晶250が保持されている。更に、該画素電極は、接地された対向電極とともにコンデンサ240を構成している。
前記薄膜トランジスタ230は、IGZO膜を用いて形成された半導体層の膜減りが抑制されており、優れたトランジスタ特性を示すため、液晶表示装置200の表示品質を向上させる。
また、本発明によると、半導体層として低温(例えば、200℃以下)での成膜が可能なIGZO膜を用いて薄膜トランジスタ230を作製することができるため、基板として樹脂基板(プラスチック基板)を用いることができる。
このため、本発明によれば、表示品質に優れフレキシブルな液晶表示装置や、表示品質に優れフレキシブルなEL表示装置(有機EL表示装置又は無機EL表示装置)を提供できる。
図4に示すように、X線センサー300は、基板310上に形成されたTFT320及びキャパシタ330と、キャパシタ330上に形成された電荷収集用電極350と、X線変換層360と、上層電極370と、を備えて構成される。
図4中のTFT320は、図2に示したTFTと同様のトップゲート型のTFTであるが、本発明のセンサーはトップゲート型に限定されることはなく、ボトムゲート型のTFTであってもよい。
TFT320上には、パッシベーション膜340が設けられている。
キャパシタ330は、キャパシタ用下部電極とキャパシタ用上部電極とで絶縁膜314を挟んだ構造となっている。前記キャパシタ用下部電極は、TFT320のソース・ドレイン電極と同一の材料であり、該ソース・ドレイン電極と同時にパターニングされて形成されている。前記キャパシタ用上部電極は、絶縁膜314に設けられたコンタクトホールを介し、TFT320のソース電極及びドレイン電極のいずれか一方と接続されている。
電荷収集用電極350は、キャパシタ330におけるキャパシタ用上部電極上に設けられており、該キャパシタ用上部電極に接している。
X線変換層360はアモルファス・セレンからなる層であり、TFT320及びキャパシタ330を覆うように設けられている。
上層電極370は、X線変換層360上に設けられており、X線変換層360に接している。
TFT320は、IGZO膜を用いて形成された半導体層の膜減りが抑制されており、優れたトランジスタ特性を示すため、X線センサー300の感度を向上させる。
≪エッチングレートの測定≫
実施例1として、IGZO膜、Mo膜、W膜、Al膜(参考用)、ITO膜(参考用)のそれぞれの、過酸化水素水に対するエッチングレート(nm/min)を測定した。
まず、シリコンウエハ(以下、「成膜基板」や「基板」ともいう)上に、IGZO膜、Mo膜、W膜、Al膜、ITO膜をそれぞれ形成した。
IGZO膜は、組成比(モル比)がIn:Ga:Zn=1:1:1である単相のIGZO焼結体ターゲット(密度6.3g/cm3)、Ga2O3ターゲット、及びZnOターゲット、の3種のターゲットを用い、共スパッタで、組成比(モル比)がIn:Ga:Zn=1:1:1となるように成膜した。
成膜されたIGZO膜の組成比(モル比)を、蛍光X線分析装置(XRF)にて測定し、In:Ga:Zn=1:1:1であることを確認した。
更に、酸素も含めた組成比(モル比)としては、In:Ga:Zn:O=1:1:1:4であった。
以下、得られたIGZO膜を、「IGZO膜(In:Ga:Zn=1:1:1)」と証することがある。
また、IGZO膜の膜厚は50nmとした。膜厚の調整は、成膜時間の調整により行った(後述のMo膜も同様である)。
また、得られたIGZO膜のキャリア密度を、ACホール測定システム(東陽テクニカ製;RESITEST8300)を用いて測定したところ、2×1016個/cm3であった。
また、得られたIGZO膜についてX線回折を行ったところ、結晶構造を示す明確なピークは検出されず、該IGZO膜がアモルファス膜(非晶質膜)であることが確認された。
この理由は、組成比(モル比)がIn:Ga:Zn=1:1:1である単相のIGZOターゲットのみを用いてスパッタによりIGZO膜を成膜すると、IGZO膜の組成は、In:Ga:Zn=1:0.8〜0.9:0.65〜0.75となり、IGZOターゲットと同じ組成にはならないためである。これは、各元素(In、Ga、Zn)のスパッタ率が異なることによるものである。
そこで、本実施例のIGZO膜のスパッタは、Ga量及びZn量を補うために、上記IGZOターゲットとともにGa2O3ターゲット及びZnターゲットを用いる共スパッタとした。
具体的には、図5の概念図に示すように、スパッタ装置の成膜室100において、IGZOターゲット、Ga2O3ターゲット及びZnOターゲットのそれぞれを、基板10に対し対向配置させ、基板10を回転させながら(図5中、実線の矢印参照)、各ターゲットにより共スパッタ(Co-sputter)を行った(図5中、破線の矢印参照)。
本実施例では、IGZOターゲット及びGa2O3ターゲットにはRF電源から電力を投入し、ZnOターゲットには、DC電源から電力を投入した。但し、本発明はこの形態に限定されることはない。例えば、IGZOターゲットにはDC電源から電力を投入してもよく、ZnOターゲットにはRF電源から電力を投入してもよい。
IGZO膜スパッタ条件の詳細を以下に示す。
・到達真空度(ガス非導入時): 6×10−6Pa
・成膜圧力(ガス導入時): 4.07×10−1Pa
・成膜温度: 室温(基板温度23〜25℃)
・Ar流量: 100sccm
・O2流量: 0.9sccm
・基板回転速度: 25rpm
・投入電力: IGZOターゲット…RF200W、Ga2O3ターゲット…RF69W、ZnOターゲット…DC4W
下記条件のスパッタにより、シリコンウエハ上に膜厚100nmのMo膜を成膜した。
・ターゲット:4インチのMoターゲット(純度4N)
・スパッタ方式: DCマグネトロンスパッタ
・到達真空度(ガス非導入時): 6×10−6Pa
・成膜圧力(ガス導入時): 4.1×10−1Pa
・成膜温度: 室温(基板温度23〜25℃)
・Ar流量: 100sccm
・投入電力: DC260W
下記条件の蒸着により、シリコンウエハ上に膜厚100nmのW膜を成膜した。
・EB蒸着法
・蒸着材料W純度4N(高純度化学社製)
・到達真空度:2.0×10−4Pa
・成膜レート:20nm/min
下記条件の蒸着により、シリコンウエハ上に膜厚100nmのAl膜を成膜した。
・EB蒸着法
・蒸着材料Al純度4N(高純度化学社製)
・到達真空度:5.0×10−5Pa
・成膜レート:10nm/min
下記条件のスパッタにより、シリコンウエハ上に膜厚100nmのアモルファスITO膜を成膜した。
・ターゲット:4インチのITOターゲット(純度4N、In2O3(90質量%)+SnO2(10質量%)の組成比)
・スパッタ方式: DCマグネトロンスパッタ
・到達真空度(ガス非導入時): 6×10−6Pa
・成膜圧力(ガス導入時): 4.1×10−1Pa
・成膜温度: 室温(基板温度23〜25℃)
・Ar流量: 100sccm
・O2流量: 7.5sccm
・投入電力: DC500W
前記4種の膜それぞれについて、下記エッチング液(液温20〜25℃)に対するエッチングレート(エッチング速度)を算出した。
エッチングレートは、分光エリプソメータ及び触針式膜厚計を用いて算出した。
・H2O2水 ・・・ 関東化学(株)製の過酸化水素水(H2O2を30〜35.5質量%含む水溶液)
・ALE(参考用) ・・・ 関東化学(株)製の混酸アルミエッチング液(リン酸を73質量%、硝酸を3質量%、酢酸を7質量%含む水溶液)
・H2SO4(9.6%)(参考用) ・・・ H2SO4を9.6質量%含む水溶液
表1より、H2O2水におけるエッチング選択比(Moのエッチングレート/IGZOのエッチングレート)は5×104と算出されるが、IGZOのエッチングレートを測定誤差と考えると、前記エッチング選択比は実質的には∞(無限大)である。
同様に、H2O2水におけるエッチング選択比(Wのエッチングレート/IGZOのエッチングレート)も5×104と算出されるが、IGZOのエッチングレートを測定誤差と考えると、前記エッチング選択比は実質的には∞(無限大)である。
ALEにおけるエッチング選択比(Moのエッチングレート/IGZOのエッチングレート)は、1.86であった。また、ALEにおけるエッチング選択比(Wのエッチングレート/IGZOのエッチングレート)は、1.74であった。
なお、本実施例では、混酸アルミエッチング液であるALEを用いたが、Mo専用のエッチング液として市販されている関東化学(株)製「Moエッチング液」についても、成分はALEと同様に、リン酸及び硝酸の混合系である。
従って、「Moエッチング液」を用いた場合にも本実施例と同様の結果となるものと考えられる。
非特許文献1では、Moのエッチングレートが100〜150Å/sec(600〜900nm/min)、IGZOのエッチングレートが10〜30Å/sec(60〜180nm/min)となっている。非特許文献1には、エッチング液の情報は記載されていないが、上記Moのエッチングレート及び上記IGZOのエッチングレートより、エッチング液としては、Mo専用エッチング液(リン酸及び硝酸の混合系エッチング液)を用いていることが容易に推定される。
得られたIGZO膜(In:Ga:Zn=1:0.8〜0.9:0.65〜0.75)のエッチングレートは78nm/minであり、表1に示したIGZO膜(In:Ga:Zn=1:1:1)のエッチングレート155.5nm/minの1/2程度であった。Znの含有量が少ないIGZO膜でエッチングレートが小さくなった理由は、Zn元素が酸によりエッチングされ易いため、と考えられる。
本実施例における2種の組成のIGZO膜のエッチングレートと、非特許文献1のIGZO膜のエッチングレートと、を対比すると大きな差は見られないため、非特許文献1のIGZO膜の組成も、IGZO膜(In:Ga:Zn=1:0.8〜0.9:0.65〜0.75)又はIGZO膜(In:Ga:Zn=1:1:1)に近い組成であることが推定される。
しかしながら、LCD用等の大面積の基板上にTFTを形成する場合には、上記非特許文献1のウェットエッチングではIGZO膜の膜減りが生じるため、エッチング液の濃度ムラやIGZO膜組成のムラの影響により、面内でTFT特性のバラツキが大きくなる場合がある。
そこで、Moのウェットエッチングに、本実施例1で説明したH2O2水を用いることで、IGZO膜の膜減りを実質的にゼロとすることができるため、上記の問題を解決することができる。
≪エッチング性の確認≫
次に、実施例2として、実施例1で用いた過酸化水素水により、Mo膜のエッチング性の確認を行った。
まず、IGZO膜上でのMo膜のエッチング性を確認する前に、事前検討として、熱酸化膜上でのMo膜のエッチング性を確認した。
具体的には、熱酸化膜(SiO2膜)付きシリコンウエハーの熱酸化膜上に、実施例1と同様の条件で膜厚200nmのMo膜を成膜した。ここで、実施例1のMo膜の成膜条件では成膜レート(成膜速度)は10nm/minであるため、成膜時間を20minとしてMo膜を成膜した。
次に、形成されたMo膜上に、フォトレジストを塗布して塗布膜を形成し、形成された塗布膜をプリベーク(120℃)し、プリベーク後の塗布膜に対し、パターン露光、現像、ポストベーク(120℃)をこの順に行って、レジストパターンを形成した。
次に、形成されたレジストパターンをエッチングマスクとして、実施例1で用いたH2O2水を用い、液温20〜25℃、エッチング時間120秒(Mo膜を十分に除去可能な時間)の条件で、Mo膜のエッチングを行った。
その後、レジストパターンを除去した。
図6は、レジストパターン除去後、シリコンウエハーをMo膜形成面側から観察したときの光学顕微鏡写真である。
図6に示すように、Mo膜のパターンエッジには特に乱れは無く、Mo膜は綺麗にパターニングされていた。
熱酸化膜(SiO2膜)付きシリコンウエハーの熱酸化膜上に、実施例1と同様の条件で、膜厚50nmのIGZO膜(In:Ga:Zn=1:1:1)を成膜した。このとき、IGZO膜は、メタルマスク(シャドウマスク)を用い、パターン状に成膜した。
次に、上記「熱酸化膜上でのMo膜のエッチング性」の項と同様の条件で、Mo膜の成膜、レジストパターン形成、エッチング、レジストパターン除去の各処理を行った。
図7は、レジストパターン除去後、シリコンウエハーをMo膜形成面側から観察したときの光学顕微鏡写真である。
図7に示すように、IGZO膜上のMo膜のパターンエッジにも特に乱れは無く、IGZO膜上においてもMo膜は綺麗にパターニングされていた。
また、膜厚確認の結果、IGZO膜には膜減りが生じていないことが確認された。
次に、実施例3として、既述の薄膜トランジスタの製造方法の一例(図1(A)〜(H))に従って、実際にTFTを作製した。
ここで、基板10としては、厚さ150μmのPENフィルム(ポリエチレンナフタレートフィルム;帝人デュポン社製Q65FA)を用いた。
ここで、ゲート電極12は、膜厚90nmのAl膜をスパッタにより成膜し、ウェットエッチングによりパターニングして形成した。
ゲート絶縁膜14は、膜厚100nmのSiO2膜をスパッタにより成膜して作製した。
IGZO膜16の、活性層18へのパターニングは、ウェットエッチングにより行った。
ソース電極20A及びドレイン電極20Bは、Mo膜を成膜し、該Mo膜をフォトリソグラフィ及びウェットエッチングによりパターニングし、その後レジストパターンを除去することにより形成した。
前記Mo膜は、実施例2のMo膜の成膜条件と同様の条件で、膜厚200nmの膜として成膜した。
前記ウェットエッチングは、実施例1で用いたH2O2水を用い、液温20〜25℃、エッチング時間120秒の条件で行った。
コンタクトホール24は、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成した。該エッチングとしては、今回はドライエッチングを用いた。
画素電極26は、膜厚100nmのAl膜をスパッタにより成膜し、ウェットエッチングによりパターニングして形成した。
また、以上で作製したTFTは、オンオフ比〔オン電流/オフ電流〕が高く、優れたトランジスタ特性を示した。
更に、以上で作製したTFT(TFT付き基板)を一部材として用いることで、表示品質に優れフレキシブルな、液晶表示装置又は有機EL表示装置を作製できる。
12 ゲート電極
14 ゲート絶縁膜
16 IGZO膜
18 半導体層(活性層)
20A ソース電極
20B ドレイン電極
22 保護膜
24 コンタクトホール
26 画素電極
100 成膜室
200 液晶表示装置
210 ゲート配線
220 データ配線
230、320 薄膜トランジスタ(TFT)
250 液晶
300 X線センサー
330 キャパシタ
350 電荷収集用電極
360 X線変換層
370 上層電極
Claims (9)
- 基板上に、In、Ga、及びZnを含む酸化物半導体膜と、W及びMoの少なくとも1種を含む金属膜と、をこの順に有する膜付き基板を用意する工程と、
前記膜付き基板の前記金属膜を、過酸化水素を主成分とするエッチング液として、溶媒を除いた全成分中における過酸化水素の含有量が80質量%以上であるエッチング液を用い、エッチング選択比〔前記金属膜のエッチングレート/前記酸化物半導体膜のエッチングレート〕が100以上の条件でウェットエッチングする工程と、
を有する電子素子の製造方法。 - 前記エッチング液は、過酸化水素の濃度が25質量%以上45質量%以下の過酸化水素水である請求項1に記載の電子素子の製造方法。
- 前記基板が、樹脂基板である請求項1又は請求項2に記載の電子素子の製造方法。
- 前記酸化物半導体膜が、アモルファス酸化物半導体膜である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の電子素子の製造方法。
- 前記酸化物半導体が、下記一般式(I)で表される化合物である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の電子素子の製造方法。
(In2−XGaX)O3・(ZnO)m … 一般式(I)
〔一般式(I)中、Xは2未満であり、mは正の整数である。〕 - 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の電子素子の製造方法によって製造された電子素子。
- 薄膜トランジスタである請求項6に記載の電子素子。
- 請求項6又は請求項7に記載の電子素子を備えた表示装置。
- 請求項6又は請求項7に記載の電子素子を備えたセンサー。
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