JP5645737B2 - Thin film transistor structure and display device - Google Patents

Thin film transistor structure and display device Download PDF

Info

Publication number
JP5645737B2
JP5645737B2 JP2011082228A JP2011082228A JP5645737B2 JP 5645737 B2 JP5645737 B2 JP 5645737B2 JP 2011082228 A JP2011082228 A JP 2011082228A JP 2011082228 A JP2011082228 A JP 2011082228A JP 5645737 B2 JP5645737 B2 JP 5645737B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
surface layer
oxide semiconductor
ratio
oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2011082228A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2012216729A (en
Inventor
聡 安野
聡 安野
森田 晋也
晋也 森田
綾 三木
綾 三木
釘宮 敏洋
敏洋 釘宮
俊 昊 宋
俊 昊 宋
制 勳 李
制 勳 李
秉 斗 安
秉 斗 安
建 熙 金
建 熙 金
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung Display Co Ltd
Original Assignee
Samsung Display Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung Display Co Ltd filed Critical Samsung Display Co Ltd
Priority to JP2011082228A priority Critical patent/JP5645737B2/en
Publication of JP2012216729A publication Critical patent/JP2012216729A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5645737B2 publication Critical patent/JP5645737B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Description

本発明は、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどの表示装置に用いられる薄膜トランジスタ(TFT)の半導体層用酸化物を備えた薄膜トランジスタ、および表示装置に関するものである。   The present invention relates to a thin film transistor including an oxide for a semiconductor layer of a thin film transistor (TFT) used in a display device such as a liquid crystal display or an organic EL display, and a display device.

アモルファス(非晶質)酸化物半導体は、汎用のアモルファスシリコン(a−Si)に比べて高いキャリア移動度を有し、光学バンドギャップが大きく、低温で成膜できるため、大型・高解像度・高速駆動が要求される次世代ディスプレイや、耐熱性の低い樹脂基板などへの適用が期待されている。   Amorphous (amorphous) oxide semiconductors have high carrier mobility compared to general-purpose amorphous silicon (a-Si), a large optical band gap, and can be deposited at low temperatures, resulting in large size, high resolution, and high speed. It is expected to be applied to next-generation displays that require driving and resin substrates with low heat resistance.

酸化物半導体のなかでも、特にインジウム、ガリウム、亜鉛、および酸素からなるアモルファス酸化物(In−Ga−Zn−O、以下「IGZO」と呼ぶ場合がある。)は、非常に高いキャリア移動度を有するため、好ましく用いられている。例えば非特許文献1および2には、In:Ga:Zn=1.1:1.1:0.9(原子%比)のIGZO半導体薄膜を薄膜トランジスタ(TFT)の半導体層(活性層)に用いたものが開示されている。一方、TFTの更なる高性能化に向けて、IGZOを超える極めて高い移動度を有する酸化物半導体の提供が切望されている。例えば、非特許文献3および4に記載のインジウム、亜鉛、スズ、および酸素からなるアモルファス酸化物(In−Zn−Sn−O、以下「InZTO」と呼ぶ場合がある。)では、IGZOを上回る移動度特性が示されている。   Among oxide semiconductors, an amorphous oxide (In-Ga-Zn-O, hereinafter sometimes referred to as "IGZO") made of indium, gallium, zinc, and oxygen has a very high carrier mobility. Therefore, it is preferably used. For example, Non-Patent Documents 1 and 2 use an IGZO semiconductor thin film of In: Ga: Zn = 1.1: 1.1: 0.9 (atomic% ratio) as a semiconductor layer (active layer) of a thin film transistor (TFT). What has been disclosed. On the other hand, in order to further improve the performance of TFTs, there is an urgent need to provide an oxide semiconductor having extremely high mobility exceeding IGZO. For example, in the amorphous oxide (In-Zn-Sn-O, which may be referred to as “InZTO” hereinafter) composed of indium, zinc, tin, and oxygen described in Non-Patent Documents 3 and 4, the movement is higher than that of IGZO. The degree characteristic is shown.

固体物理、VOL44、P621(2009)Solid Physics, VOL44, P621 (2009) Nature、VOL432、P488(2004)Nature, VOL432, P488 (2004) Applied Physics Letters、Vol.95、072104(2009)Applied Physics Letters, Vol. 95, 072104 (2009) The Proceedings of The 17th International Display Workshops(IDW’10)、AMD5/OLED6−2、p631(2010)The Proceedings of The 17th International Display Works (IDW'10), AMD5 / OLED6-2, p631 (2010) J. Parkら、Appl. Phys. Lett., 1993,053505(2008)J. et al. Park et al., Appl. Phys. Lett. , 1993, 053505 (2008).

酸化物半導体を薄膜トランジスタ(TFT)の半導体層として用いる場合、キャリア濃度が高いだけでなく、TFTのスイッチング特性(トランジスタ特性)に優れていることが要求される。具体的には、移動度が高いことに加えて、(1)オン電流(ゲート電極とドレイン電極に正電圧をかけたときの最大ドレイン電流)が高く、(2)オフ電流(ゲート電極に負電圧を、ドレイン電圧に正電圧を夫々かけたときのドレイン電流)が低く、(3)SS(Subthreshold Swing、サブスレッショルド スィング、ドレイン電流を1桁あげるのに必要なゲート電圧)値が低く、(4)電圧や光照射の負荷を長時間加えた場合に閾値(ドレイン電極に正電圧をかけ、ゲート電圧に正負いずれかの電圧をかけたときにドレイン電流が流れ始める電圧であり、閾値電圧とも呼ばれる)が変化せず安定であり(基板面内で均一であることを意味する)、などが要求される。   In the case where an oxide semiconductor is used as a semiconductor layer of a thin film transistor (TFT), it is required not only to have a high carrier concentration but also to have excellent TFT switching characteristics (transistor characteristics). Specifically, in addition to high mobility, (1) on-current (maximum drain current when a positive voltage is applied to the gate electrode and drain electrode) is high, and (2) off-current (negative on the gate electrode). (3) SS (Subthreshold Swing, subthreshold swing, gate voltage required to increase the drain current by one digit) is low, and (3) The drain current when the positive voltage is applied to the drain voltage is low. 4) When a voltage or light irradiation load is applied for a long time, a threshold value (a voltage at which a positive voltage is applied to the drain electrode and a positive or negative voltage is applied to the gate voltage, the drain current starts to flow. Called) is stable and does not change (meaning that it is uniform within the substrate surface).

更に酸化物半導体を半導体層として用いる場合、TFTの製造過程において酸化物半導体の表面が大きなダメージを受けて酸素の脱離などの欠陥が発生し、閾値電圧の大幅なシフトやスイッチング特性の低下が生じるため、成膜時における酸化物半導体表面のダメージ耐性の向上も要求される。これらのダメージは、例えば、酸化物半導体の上部に保護膜やソース・ドレイン電極などを形成するときに見られる。以下、保護膜形成時に酸化物半導体の表面が被るダメージについて詳しく説明する。   Further, when an oxide semiconductor is used as a semiconductor layer, the surface of the oxide semiconductor is greatly damaged in the TFT manufacturing process, and defects such as oxygen desorption occur, resulting in a significant shift in threshold voltage and a decrease in switching characteristics. For this reason, improvement in damage resistance of the oxide semiconductor surface during film formation is also required. Such damage is seen, for example, when a protective film or source / drain electrodes are formed on the top of an oxide semiconductor. Hereinafter, damage that the surface of the oxide semiconductor suffers when the protective film is formed will be described in detail.

保護膜は、TFT特性を安定して得るために酸化物半導体の表面(上部)に形成されるものである。保護膜としては、一般的にSiOX、SiNX、SiON、AlOXなどの絶縁体酸化物膜が多く用いられる。 The protective film is formed on the surface (upper part) of the oxide semiconductor in order to stably obtain TFT characteristics. In general, an insulator oxide film such as SiO x , SiN x , SiON, or AlO x is often used as the protective film.

上記保護膜の形成には、通常、プラズマCVD法やスパッタリング法などが用いられる。例えばプラズマCVD法によってSiOXの保護膜を形成する方法として、SiH4とN2Oの混合ガスを工業用周波数13.56MHzの高周波プラズマ中で反応させてSiOXを形成し、酸化物半導体膜上に堆積させるなどの方法が行なわれている。 For the formation of the protective film, a plasma CVD method or a sputtering method is usually used. For example, as a method for forming a protective film of SiO x by plasma CVD, a mixed gas of SiH 4 and N 2 O is reacted in high-frequency plasma with an industrial frequency of 13.56 MHz to form SiO x , and an oxide semiconductor film Methods such as depositing on top are performed.

しかし、プラズマCVD法で保護膜を成膜する際、プラズマにより高速化されたラジカルや分子が酸化物半導体の表面に衝突するため、酸化物半導体表面に欠陥(代表的には、後記する酸素の脱離など)が形成されることがある。このような酸化物半導体表面の欠陥は、スパッタリング法を用いたときも同様に見られる。具体的には、プラズマCVDやスパッタリング法による保護膜成膜時に使用するガス成分や、スパッタリングされて高速に加速した分子などが酸化物半導体の表面に衝突し、当該酸化物半導体中の酸素が脱離する現象が発生する。その結果、酸化物半導体層の表面が導通化するなどの問題が生じる。これは、おそらく酸化物半導体表面に生成される酸素欠損が電子ドナーとなるためと推察される。酸素脱離に代表される酸化物半導体表面の欠陥は、酸化物半導体膜中にキャリアを過剰に増加させる原因となり、酸化物膜が導体化してスイッチング特性を示さなくなったり、閾値電圧が大きく負側へシフトしたりするなど、TFT特性に深刻な影響を与える。   However, when a protective film is formed by a plasma CVD method, radicals and molecules accelerated by the plasma collide with the surface of the oxide semiconductor, so that a defect (typically, an oxygen Desorption etc.) may be formed. Such a defect on the surface of the oxide semiconductor is similarly seen when a sputtering method is used. Specifically, gas components used when forming a protective film by plasma CVD or sputtering, or molecules that are sputtered and accelerated at high speed collide with the surface of the oxide semiconductor, and oxygen in the oxide semiconductor is desorbed. The phenomenon of separation occurs. As a result, there arises a problem that the surface of the oxide semiconductor layer becomes conductive. This is probably because oxygen vacancies generated on the surface of the oxide semiconductor become electron donors. Defects on the surface of the oxide semiconductor typified by oxygen desorption cause excessive increase of carriers in the oxide semiconductor film, the oxide film becomes a conductor and does not show switching characteristics, or the threshold voltage is large and negative. The TFT characteristics are seriously affected.

そこで、保護膜形成時における酸化物半導体表面の欠陥(ダメージ)に伴うTFT特性の低下を防止するため、非特許文献5には、保護膜を形成する直前にN2Oプラズマを酸化物半導体表面に照射し、酸化物半導体表面を予め、過剰酸化させる方法が提案されている。しかし、この方法は、N2Oプラズマ処理条件(投入電力、時間、基板温度など)の調整が難しいうえ、保護膜の成膜条件や酸化物半導体薄膜の膜質、更には酸化物半導体の膜質ごとにN2Oプラズマ処理条件が変わるため、チューニングが非常に困難であるという問題を抱えている。また、プロセスマージンも広くないため、大型の基板でTFTを作製する際、基板面内に不均一な分布(面内バラツキ)が生じたり、バッチごとに特性が変化するなどして歩留まりが低下する恐れがある。更に上記方法では、保護膜形成前にN2Oプラズマ処理工程を追加する必要があるため、N2Oプラズマ処理用チャンバーの新規設置、生産性の低下、生産コストの増加などといった問題もある。 Therefore, in order to prevent deterioration of TFT characteristics due to defects (damage) on the surface of the oxide semiconductor during the formation of the protective film, Non-Patent Document 5 discloses that N 2 O plasma is applied to the surface of the oxide semiconductor immediately before the protective film is formed. Has been proposed in which the surface of the oxide semiconductor is excessively oxidized in advance. However, in this method, it is difficult to adjust the N 2 O plasma processing conditions (input power, time, substrate temperature, etc.) and the film forming conditions of the protective film, the film quality of the oxide semiconductor thin film, and the film quality of the oxide semiconductor However, since the N 2 O plasma treatment conditions change, tuning is very difficult. In addition, since the process margin is not wide, when manufacturing TFTs with a large substrate, the yield decreases due to non-uniform distribution (in-plane variation) in the substrate surface or characteristics changing from batch to batch. There is a fear. Furthermore, in the above method, since it is necessary to add an N 2 O plasma processing step before forming the protective film, there are problems such as newly installing a chamber for N 2 O plasma processing, a decrease in productivity, and an increase in production cost.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化物半導体上の保護膜形成時などにおける酸化物半導体表面の欠陥(ダメージ)に伴うTFT特性の劣化を、簡易に且つ確実に低減することができ、製造コストの低減化、生産性および歩留まりの向上を実現できる新規な技術を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to easily and reliably prevent deterioration of TFT characteristics due to defects (damage) on the surface of an oxide semiconductor when a protective film is formed on the oxide semiconductor. It is an object of the present invention to provide a novel technique that can reduce the manufacturing cost, improve the productivity, and improve the yield.

上記課題を解決することのできた本発明の薄膜トランジスタ構造は、薄膜トランジスタの半導体層に用いられ、In、Zn、およびSnの金属元素を含むIn−Zn−Sn酸化物と;前記In−Zn−Sn酸化物の上部に表面層と、を有しており、保護膜形成前の表面層をX線光電子分光法(XPS)で検出し、酸素の1s電子(O1s)に帰属するピークエネルギーの強度をピーク分離によって求めたとき、下記式(1)の関係を満足するところに要旨を有するものである。
B/(A+B)≧0.33 ・・・ (1)
式中、
Aは、金属元素と結合するO1sのピークエネルギーの強度であり、
Bは、Cおよび/またはHの非金属元素と結合するO1sのピークエネルギーの
強度を意味する。
The thin film transistor structure of the present invention that has solved the above problems is used for a semiconductor layer of a thin film transistor, and includes an In—Zn—Sn oxide containing a metal element of In, Zn, and Sn; and the In—Zn—Sn oxidation. The surface layer is formed on the top of the object, and the surface layer before forming the protective film is detected by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and the peak energy intensity attributed to 1s electrons (O1s) of oxygen is peaked. When obtained by separation, it has a gist where it satisfies the relationship of the following formula (1).
B / (A + B) ≧ 0.33 (1)
Where
A is the intensity of the peak energy of O1s bonded to the metal element,
B means the intensity of the peak energy of O1s bonded to the nonmetallic element of C and / or H.

本発明の好ましい実施形態において、前記In−Zn−Sn酸化物に含まれるZnおよびSnの含有量(原子%)をそれぞれ、[Zn]および[Sn]としたとき、[Zn]/([Zn]+[Sn])の比は0.6以上である。   In a preferred embodiment of the present invention, when the Zn and Sn contents (atomic%) contained in the In—Zn—Sn oxide are [Zn] and [Sn], respectively, [Zn] / ([Zn ] + [Sn]) is 0.6 or more.

本発明の好ましい実施形態において、前記In−Zn−Sn酸化物に含まれるInの含有量(原子%)を[In]としたとき、[Zn]/([Zn]+[Sn]+[In])の比は0.83以下である。   In a preferred embodiment of the present invention, when the In content (atomic%) in the In—Zn—Sn oxide is [In], [Zn] / ([Zn] + [Sn] + [In ]) Is 0.83 or less.

本発明の好ましい実施形態において、前記In−Zn−Sn酸化物に含まれるIn、Zn、およびSnの含有量(原子%)をそれぞれ、[In]、[Zn]、[Sn]としたとき、[In]/([In]+[Zn]+[Sn])の比は0.05以上、0.3以下である。   In a preferred embodiment of the present invention, when the contents (atomic%) of In, Zn, and Sn contained in the In—Zn—Sn oxide are [In], [Zn], and [Sn], respectively. The ratio of [In] / ([In] + [Zn] + [Sn]) is 0.05 or more and 0.3 or less.

本発明の好ましい実施形態において、前記表面層の厚さは10nm以下である。   In a preferred embodiment of the present invention, the surface layer has a thickness of 10 nm or less.

本発明には、上記のいずれかに記載の薄膜トランジスタ構造を備えた表示装置も包含される。   The present invention includes a display device including any of the thin film transistor structures described above.

本発明によれば、TFTの製造過程において酸化物半導体の上部に保護膜やソース−ドレイン電極などを形成したときに生じる酸化物半導体表面の欠陥(ダメージ)に伴うTFT特性の劣化を低減することが可能な、InZTO半導体を備えたTFTを提供することができた。詳細には、酸化物半導体の形成後、保護したいプロセスの直前(例えば保護膜やソース−ドレイン電極などを形成する直前)に、当該酸化物半導体表面を例えば所定時間加熱保持するなどの簡易処理を行なうだけで、上記ダメージを有効に防止できる所定の表面層(In、Zn、Snのほか、O、C、およびHを更に含む)を簡便に作製することができた。本発明の薄膜トランジスタを用いれば、酸化物半導体表面のダメージが低減されるため、TFTのスイッチング特性(TFT特性)に優れ、安定で信頼性の高い表示装置が得られる。また、従来のように保護膜形成前の前処理(N2Oプラズマ処理など)を行なったとしてもN2Oプラズマ照射による基板面内のバラツキを低減可能である。 According to the present invention, degradation of TFT characteristics due to defects (damage) on the surface of an oxide semiconductor that occurs when a protective film, a source-drain electrode, or the like is formed on the top of an oxide semiconductor during the manufacturing process of the TFT is reduced. It was possible to provide a TFT including an InZTO semiconductor. Specifically, after the oxide semiconductor is formed, a simple process such as heating and holding the surface of the oxide semiconductor for a predetermined time, for example, immediately before a process to be protected (for example, immediately before forming a protective film, a source-drain electrode, or the like) is performed. A predetermined surface layer (which further contains O, C, and H in addition to In, Zn, and Sn) that can effectively prevent the above damage could be easily produced simply by carrying out the above process. When the thin film transistor of the present invention is used, damage to the surface of the oxide semiconductor is reduced, so that a display device that is excellent in TFT switching characteristics (TFT characteristics), stable and highly reliable can be obtained. Further, even if a pretreatment (N 2 O plasma treatment or the like) before forming a protective film is performed as in the prior art, variations in the substrate surface due to N 2 O plasma irradiation can be reduced.

図1は、実施形態の製造過程における薄膜トランジスタの構成を説明するための概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of a thin film transistor in the manufacturing process of the embodiment. 図2は、[Zn]/([Zn]+[Sn])の比が異なるInZTO膜を有する各試料についてXPSを行なった結果(O1sのピークエネルギーの強度AおよびB)を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the results (O1s peak energy intensities A and B) of XPS for each sample having InZTO films with different [Zn] / ([Zn] + [Sn]) ratios. 図3は、[Zn]/([Zn]+[Sn])の比が0.75のInZTO膜を有する試料について、O1s光電子の取出し角度を変化させて表面層形成前後のXPSを行なった結果を示す図である。FIG. 3 shows the result of performing XPS before and after the surface layer formation on the sample having an InZTO film with a ratio of [Zn] / ([Zn] + [Sn]) of 0.75 by changing the O1s photoelectron extraction angle. FIG. 図4Aは、[Zn]/([Zn]+[Sn])の比が0.5または0.6のInZTO膜を有する各試料について、表面層の有無によって保護膜形成後のTFT特性がどのように変化するかを示す図である。FIG. 4A shows the TFT characteristics after forming a protective film depending on the presence or absence of a surface layer for each sample having an InZTO film with a ratio of [Zn] / ([Zn] + [Sn]) of 0.5 or 0.6. It is a figure which shows how it changes. 図4Bは、[Zn]/([Zn]+[Sn])の比が0.75または0.8のInZTO膜を有する各試料について、表面層の有無によって保護膜形成後のTFT特性がどのように変化するかを示す図である。FIG. 4B shows the TFT characteristics after formation of the protective film for each sample having an InZTO film with a ratio of [Zn] / ([Zn] + [Sn]) of 0.75 or 0.8 depending on the presence or absence of a surface layer. It is a figure which shows how it changes.

本発明者らは、In、Zn、およびSnを含むIn−Zn−Sn酸化物(以下、「InZTO」で代表させる場合がある。)をTFTの活性層(半導体層)に用いたとき、酸化物半導体の上部に保護膜やソース−ドレイン電極などを形成したときに生じる酸化物半導体表面の欠陥(ダメージ)に伴うTFT特性の劣化を、簡易且つ確実に低減できる技術を提供するため、検討を重ねてきた。その結果、TFTの製造過程において、InZTOの上部に、所定の表面層、具体的には、In、Zn、およびSnの金属元素と、O、C、Hの非金属元素とを含み、保護膜形成前の表面層をX線光電子分光法(X−ray Photoelectron Spectroscopy、XPS)で検出し、酸素の1s電子(O1s)に帰属するピークエネルギーの強度をピーク分離によって求めたとき、下記式(1)の関係を表面層を設ければ所期の目的が達成されることを見出した。このような表面層は、例えば、InZTOの形成後、保護したいプロセスの直前(例えば保護膜やソース−ドレイン電極などを形成する直前)に、当該InZTOの表面を適切な雰囲気下で加熱保持したり、適切な溶剤を塗布するなどの簡易処理によって形成されるものであり、好ましくは、当該表面層の下に配置されるInZTOに含まれる金属元素の組成を適切に制御することによって、表面層形成による上記作用が有効に発揮されることを見出し、本発明を完成した。   When the present inventors used an In—Zn—Sn oxide containing In, Zn, and Sn (hereinafter sometimes represented by “InZTO”) as an active layer (semiconductor layer) of a TFT, In order to provide a technology that can easily and reliably reduce degradation of TFT characteristics due to defects (damage) on the surface of an oxide semiconductor that occurs when a protective film, source-drain electrodes, etc. are formed on top of a physical semiconductor. It has been repeated. As a result, in the manufacturing process of the TFT, a protective film containing a predetermined surface layer, specifically, a metal element of In, Zn, and Sn and a non-metal element of O, C, and H is formed on the top of InZTO. When the surface layer before formation was detected by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and the intensity of peak energy attributed to 1s electrons (O1s) of oxygen was determined by peak separation, the following formula (1 It was found that the intended purpose can be achieved if a surface layer is provided. Such a surface layer is formed by, for example, heating and holding the surface of InZTO in an appropriate atmosphere immediately after forming InZTO and immediately before a process to be protected (for example, immediately before forming a protective film, a source-drain electrode, or the like). The surface layer is formed by appropriately controlling the composition of the metal element contained in InZTO disposed under the surface layer, preferably by a simple process such as applying an appropriate solvent. As a result, the present invention has been completed.

以下、本発明について詳しく説明する。   The present invention will be described in detail below.

本発明の薄膜トランジスタ構造は、基板側から順に、(A)In−Zn−Sn酸化物と、(B)表面層と、を有している。本発明の特徴部分は、所定の要件を満足する(B)を設けたところにある。   The thin film transistor structure of the present invention includes (A) In—Zn—Sn oxide and (B) a surface layer in order from the substrate side. The characteristic part of the present invention is that (B) satisfying a predetermined requirement is provided.

詳細には本発明の薄膜トランジスタ構造は、(A)薄膜トランジスタの半導体層に用いられ、In、Zn、およびSnの金属元素を含むIn−Zn−Sn酸化物と、前記In−Zn−Sn酸化物の上部に(B)表面層を有しており、保護膜形成前の表面層をX線光電子分光法(XPS)で検出し、酸素の1s電子(O1s)に帰属するピークエネルギーの強度をピーク分離によって求めたとき、酸素の1s電子(O1s)に帰属するピークエネルギーの強度が、下記式(1)の関係を満足するところに特徴がある。
B/(A+B)≧0.33 ・・・ (1)
式中、
Aは、金属元素と結合するO1sのピークエネルギーの強度であり、
Bは、Cおよび/またはHの非金属元素と結合するO1sのピークエネルギーの
強度を意味する。
Specifically, the thin film transistor structure of the present invention includes (A) an In—Zn—Sn oxide containing a metal element of In, Zn, and Sn, which is used for a semiconductor layer of a thin film transistor, and the In—Zn—Sn oxide. It has (B) surface layer in the upper part, the surface layer before protective film formation is detected by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and the peak energy intensity attributed to 1s electrons (O1s) of oxygen is separated into peaks The peak energy intensity attributed to 1s electrons (O1s) of oxygen satisfies the relationship of the following formula (1).
B / (A + B) ≧ 0.33 (1)
Where
A is the intensity of the peak energy of O1s bonded to the metal element,
B means the intensity of the peak energy of O1s bonded to the nonmetallic element of C and / or H.

本明細書では、In−Zn−Sn酸化物に含まれるIn、Zn、およびSnの含有量(原子%)をそれぞれ、[In]、[Zn]および[Sn]とする。また、[Zn]/([Zn]+[Sn])で表わされるZn比を単に「Zn比」と呼び、一方、全金属元素中に含まれるZnの比([Zn]/([Zn]+[Sn]+[In])の比)を特に「全金属元素中のZn比」と呼び、両者を区別する場合がある。また、全金属元素中に含まれるInの比([In]/([Zn]+[Sn]+[In])の比)を特に「全金属元素中のIn比」と呼ぶ場合がある。   In this specification, the contents (atomic%) of In, Zn, and Sn contained in the In—Zn—Sn oxide are [In], [Zn], and [Sn], respectively. The Zn ratio represented by [Zn] / ([Zn] + [Sn]) is simply referred to as “Zn ratio”, while the ratio of Zn contained in all metal elements ([Zn] / ([Zn] + [Sn] + [In])) is particularly referred to as “Zn ratio in all metal elements”, which may be distinguished from each other. In addition, the ratio of In contained in all metal elements ([In] / ([Zn] + [Sn] + [In]) ratio) may be particularly referred to as “In ratio in all metal elements”.

また、本明細書において「酸化物半導体表面のダメージ耐性に優れる」とは、TFTの製造過程において、酸化物半導体の上部に保護膜やソース−ドレイン電極などを形成したときに生じる酸化物半導体表面の欠陥(ダメージ)に伴うTFT特性の低下が抑制され、保護膜などの形成後も良好なTFT特性(スイッチング特性)を有することを意味する。ここで「良好なTFT特性を有する」とは、閾値電圧、移動度、およびSS値を後記する実施例に記載の方法で測定したとき、良好な特性を有するものを意味する。   Further, in this specification, “excellent damage resistance of the oxide semiconductor surface” means that the surface of the oxide semiconductor generated when a protective film, a source-drain electrode, or the like is formed on the top of the oxide semiconductor in the TFT manufacturing process. This means that the TFT characteristics are prevented from deteriorating due to the defects (damage), and the TFT characteristics (switching characteristics) are good even after the protective film or the like is formed. Here, “having good TFT characteristics” means having good characteristics when the threshold voltage, mobility, and SS value are measured by the method described in Examples described later.

以下、各要件について詳しく説明する。   Hereinafter, each requirement will be described in detail.

(A)In−Zn−Sn酸化物について
上記In−Zn−Sn酸化物は、トランジスタの半導体層に用いられ、In、Zn、およびSnの金属元素を含むものである。上記In−Zn−Sn酸化物を構成する金属元素(In、Zn、Sn)について、各金属間の比率は、これら金属を含む酸化物がアモルファス相を有し、且つ、半導体特性を示す範囲であれば特に限定されないが、所定の表面層を形成するためには、各金属元素の組成比が適切に制御されていることが好ましい。
(A) About In—Zn—Sn Oxide The In—Zn—Sn oxide is used for a semiconductor layer of a transistor and contains a metal element of In, Zn, and Sn. Regarding the metal elements (In, Zn, Sn) constituting the In-Zn-Sn oxide, the ratio between the metals is within a range in which the oxide containing these metals has an amorphous phase and exhibits semiconductor characteristics. Although there is no particular limitation as long as it is present, it is preferable that the composition ratio of each metal element is appropriately controlled in order to form a predetermined surface layer.

すなわち、本発明者らは、InZTOを構成する金属元素が、TFT特性や酸化物半導体表面のダメージなどに対してどのような影響を及ぼすかについて詳細な検討を行なった。その結果、(ア)Zn比は、成膜時に酸化物半導体表面が被るダメージなどを緩和し、酸化物半導体表面のダメージ耐性向上に有用な表面層(詳細は後述する。)の形成に大きく寄与していること、(イ)一方、全金属元素中のZn比が多くなると、エッチングレートが速くなり、ウェットエッチングの制御が困難になることが判明した。また、(ウ)Inは移動度の向上に寄与する元素であるが、多量に添加するとスイッチング特性が著しく低下し、この低下を防ぐために酸素分圧を高くするとスパッタレートが低下するなどの問題が生じることから、TFT特性とスパッタレートの両方を良好に発揮させるためには、全金属元素中のIn比を適切に制御することが有効であることが判明した。   That is, the present inventors have conducted detailed studies on how the metal elements constituting InZTO affect the TFT characteristics, the oxide semiconductor surface damage, and the like. As a result, (a) the Zn ratio greatly contributes to the formation of a surface layer (details will be described later) useful for improving the damage resistance of the oxide semiconductor surface by mitigating the damage and the like that the oxide semiconductor surface suffers during film formation. (B) On the other hand, it has been found that when the Zn ratio in all the metal elements increases, the etching rate increases and control of wet etching becomes difficult. In addition, (c) In is an element that contributes to improving the mobility. However, if added in a large amount, the switching characteristics are remarkably reduced. To prevent this decrease, there is a problem that the sputtering rate is reduced if the oxygen partial pressure is increased. Thus, it has been found that it is effective to appropriately control the In ratio in all the metal elements in order to satisfactorily exhibit both the TFT characteristics and the sputtering rate.

まず、[Zn]/([Zn]+[Sn])の比(Zn比)は0.6以上であることが好ましい。これにより、所望の表面層が形成されるため、酸化物半導体表面のダメージ耐性が向上し、良好なTFT特性が得られる。より好ましいZn比は0.63以上であり、更に好ましくは0.65以上である。なお、Zn比の上限は、後記する全金属元素中のZn比との関係で適切に制御することが好ましい。   First, the ratio (Zn ratio) of [Zn] / ([Zn] + [Sn]) is preferably 0.6 or more. Thereby, since a desired surface layer is formed, the damage resistance of the oxide semiconductor surface is improved, and good TFT characteristics are obtained. A more preferable Zn ratio is 0.63 or more, and further preferably 0.65 or more. In addition, it is preferable to control appropriately the upper limit of Zn ratio by relationship with Zn ratio in all the metal elements mentioned later.

また、[Zn]/([Zn]+[Sn]+[In])の比(全金属元素中のZn比)は0.83以下であることが好ましい。これにより、良好なウェットエッチング性が得られる。ウェットエッチング性の観点からすれば、全金属元素中のZn比は小さい程良く、例えば、0.8以下であることがより好ましく、0.75以下であることが更に好ましい。なお、全金属元素中のZn比の下限は、上述したZn比との関係で適切に制御することが好ましい。   The ratio of [Zn] / ([Zn] + [Sn] + [In]) (Zn ratio in all metal elements) is preferably 0.83 or less. Thereby, good wet etching property is obtained. From the viewpoint of wet etching property, the smaller the Zn ratio in all metal elements, the better. For example, it is more preferably 0.8 or less, and further preferably 0.75 or less. In addition, it is preferable to control appropriately the minimum of Zn ratio in all the metal elements in relation to Zn ratio mentioned above.

また、[In]/([In]+[Zn]+[Sn])の比(全金属元素中のIn比)は0.05以上、0.3以下であることが好ましい。Inは移動度の向上に寄与する元素であり、全金属元素中の好ましいIn比を0.05以上とすることにより、高い移動度を確保できる。全金属元素中のより好ましいIn比は0.1以上であり、更に好ましくは0.15以上である。しかしながら、全金属元素中のIn比が高くなると、閾値電圧が大きな負の値となるため、酸素分圧を高くして閾値電圧を高める必要があるが、酸素分圧の増加につれ、スパッタレートは低下する。TFTがスイッチングし、しかも高いスパッタレートを確保するためには、全金属元素中のIn比を0.3以下とすることが好ましい。全金属元素中のIn比は、より好ましくは0.28以下であり、更に好ましくは0.25以下である。   The ratio [In] / ([In] + [Zn] + [Sn]) (In ratio in all metal elements) is preferably 0.05 or more and 0.3 or less. In is an element that contributes to the improvement of mobility, and high mobility can be secured by setting the preferable In ratio in all metal elements to 0.05 or more. A more preferable In ratio in all metal elements is 0.1 or more, and further preferably 0.15 or more. However, when the In ratio in all metal elements increases, the threshold voltage becomes a large negative value. Therefore, it is necessary to increase the oxygen partial pressure to increase the threshold voltage. However, as the oxygen partial pressure increases, the sputtering rate is increased. descend. In order to switch the TFT and secure a high sputter rate, it is preferable that the In ratio in all metal elements is 0.3 or less. The In ratio in all metal elements is more preferably 0.28 or less, and still more preferably 0.25 or less.

(B)表面層について
表面層は、前述したInZTOの表面(最表面)に形成されている。上記InZTO(厚さはおおむね、30〜200nm)に対し、表面層の厚さは、おおむね、10nm以下であることが好ましい。表面層の厚さが10nmを超えると、例えばソース−ドレイン電極と半導体間のコンタクト抵抗が上昇するなどの問題が生じる。なお、表面層形成による上記作用を有効に発揮させるためには、表面層の厚さを1nm以上とすることが好ましい。表面層の厚さは、1nm以上5nm以下であることがより好ましい。
(B) About surface layer The surface layer is formed in the surface (outermost surface) of InZTO mentioned above. The thickness of the surface layer is preferably about 10 nm or less with respect to the InZTO (thickness is about 30 to 200 nm). When the thickness of the surface layer exceeds 10 nm, problems such as an increase in contact resistance between the source-drain electrode and the semiconductor occur. In order to effectively exhibit the above-described action by forming the surface layer, the thickness of the surface layer is preferably 1 nm or more. The thickness of the surface layer is more preferably 1 nm or more and 5 nm or less.

上記表面層は、保護膜形成前の表面層をX線光電子分光法(XPS)で検出し、酸素の1s電子(O1s)に帰属するピークエネルギーの強度をピーク分離によって求めたとき、下記式(1)の関係を満足するものである。
B/(A+B)≧0.33 ・・・ (1)
式中、
Aは、金属元素と結合するO1sのピークエネルギーの強度であり、
Bは、Cおよび/またはHの非金属元素と結合するO1sのピークエネルギーの
強度を意味する。
When the surface layer is detected by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and the peak energy intensity attributed to 1s electrons (O1s) of oxygen is determined by peak separation, It satisfies the relationship 1).
B / (A + B) ≧ 0.33 (1)
Where
A is the intensity of the peak energy of O1s bonded to the metal element,
B means the intensity of the peak energy of O1s bonded to the nonmetallic element of C and / or H.

XPSは、X線照射により放出される光電子のエネルギー分布を測定し、試料表面(数nm程度の深さ)の元素の種類・存在量・化学結合などを非破壊的に検出できる方法として知られている。本発明者らの実験結果によれば、保護膜形成前の表面層をXPSで検出したときの酸素(O)の結合状態は、酸化物半導体表面のダメージ耐性と密接な相関関係を有していることが判明した。詳細には、酸素の1s電子(O1s光電子)に帰属するピークエネルギー(O1s)について、InZTOの金属成分と結合するO1s光電子のピークエネルギーAと、表面層の非金属成分と結合するO1s光電子のピークエネルギーBと、で表わされるQ値[B/(A+B)]は、酸化物半導体表面のダメージ耐性向上に極めて有用な指標となり得ることが、本発明者らによる数多くの基礎実験によって明らかになった。   XPS is known as a method that can measure the energy distribution of photoelectrons emitted by X-ray irradiation and detect the type, abundance, chemical bonding, etc. of the elements on the sample surface (depth of several nanometers) nondestructively. ing. According to the experiment results of the present inventors, the bonding state of oxygen (O) when the surface layer before the protective film formation is detected by XPS has a close correlation with the damage resistance of the oxide semiconductor surface. Turned out to be. Specifically, with respect to the peak energy (O1s) attributed to the oxygen 1s electron (O1s photoelectron), the peak energy A of the O1s photoelectron combined with the metal component of InZTO and the peak of the O1s photoelectron combined with the nonmetallic component of the surface layer. Numerous basic experiments by the present inventors have revealed that the energy B and the Q value [B / (A + B)] represented by can be an extremely useful index for improving the damage resistance of the oxide semiconductor surface. .

上式(1)において、Aは、保護膜形成前の表面層を構成する金属元素と結合するO1sのピークエネルギーの強度である。金属元素と結合するO1sには、金属元素のみと結合するもの[例えば、金属元素の酸化物(酸化In、酸化Zn、酸化Sn)]が含まれる。よって、金属元素とO以外の非金属元素(C、Hなど)と結合するもの[例えば、金属元素の水酸化物(水酸化In、水酸化Zn、水酸化Sn)など]は、後記するBに含まれる。上記Aは、おおむね、530eV近傍に検出されるものである。厳密な検出位置は、金属元素との結合状態やXPSの測定条件などによっても相違するが、おおむね、530eV±0.5eVの範囲内である。   In the above formula (1), A is the intensity of the peak energy of O1s combined with the metal element constituting the surface layer before forming the protective film. O1s bonded to a metal element includes those bonded only to the metal element [for example, an oxide of metal element (oxidized In, Zn oxide, Sn oxide)]. Therefore, a metal element and a non-metal element other than O (C, H, etc.) [for example, a metal element hydroxide (In hydroxide, Zn hydroxide, Sn hydroxide), etc.] will be described later. include. The above A is detected approximately in the vicinity of 530 eV. The exact detection position differs depending on the bonding state with the metal element, the XPS measurement conditions, and the like, but is generally within the range of 530 eV ± 0.5 eV.

また、Bは、保護膜形成前の表面層に含まれる非金属元素と結合するO1sのピークエネルギーの強度である。上記非金属元素は、Oと、Cおよび/またはHを含む。詳細には、表面層には、O、C、Hの全てが含まれていても良いし、あるいは、OとCまたはOとHが含まれていても良い。例えばCO、COH、COOH、OHなどが例示される。更にBには、金属元素とO以外の非金属元素(C、Hなど)と結合するもの[例えば、金属元素の水酸化物(水酸化In、水酸化Zn、水酸化Sn)など]も含まれる。非金属元素と結合するO1sには、金属元素のみと結合するものは含まれず、これは、前述したAに含まれる。上記Bは、おおむね、531.5eV近傍に検出されるものである。厳密な検出位置は、金属元素との結合状態やXPSの測定条件などによっても相違するが、おおむね、531.5eV±0.5eVの範囲内である。   B is the intensity of the peak energy of O1s bonded to the nonmetallic element contained in the surface layer before forming the protective film. The nonmetallic element includes O and C and / or H. Specifically, the surface layer may contain all of O, C, and H, or may contain O and C or O and H. For example, CO, COH, COOH, OH and the like are exemplified. In addition, B includes a metal element and a non-metal element other than O (such as C and H) [for example, metal element hydroxide (In hydroxide, Zn hydroxide, Sn hydroxide, etc.)] It is. O1s bonded to nonmetallic elements does not include those bonded only to metallic elements, and this is included in A described above. The above B is generally detected in the vicinity of 531.5 eV. The exact detection position varies depending on the bonding state with the metal element, the XPS measurement conditions, and the like, but is generally within the range of 531.5 eV ± 0.5 eV.

繰り返し述べるように、上式(1)で表わされる「B/(A+B)」の比(Q値)は、酸化物半導体表面のダメージ耐性の向上と密接に関連するパラメータとして、本発明者らによる数多くの基礎実験によって導き出されたものである。Q値は0.33以上であれば、上記特性が向上することが実証された(後記する実施例を参照)。Q値は大きい程良く、例えば0.35以上であることが好ましく、0.4以上であることがより好ましい。しかしながら、Q値が高くなると、例えばソース−ドレインと半導体間のコンタクト抵抗が上昇するなどの問題が生じるため、2.5以下とすることが好ましい。より好ましいQ値は2.3以下であり、更に好ましくは2.0以下である。   As described repeatedly, the ratio (Q value) of “B / (A + B)” expressed by the above formula (1) is a parameter closely related to the improvement of damage resistance on the surface of the oxide semiconductor. It was derived from many basic experiments. It has been demonstrated that the above characteristics are improved when the Q value is 0.33 or more (see Examples described later). The higher the Q value, the better, for example, preferably 0.35 or more, and more preferably 0.4 or more. However, when the Q value is increased, problems such as an increase in contact resistance between the source and drain and the semiconductor occur. The Q value is more preferably 2.3 or less, and even more preferably 2.0 or less.

ここで、本発明で用いられるXPSの測定条件は以下の通りである。
X線源:Al Kα(1486.6eV)
光電子の取り出し角:45°
Here, the measurement conditions of XPS used in the present invention are as follows.
X-ray source: Al Kα (1486.6 eV)
Photoelectron extraction angle: 45 °

上記Q値の決定に当たり、大きな影響を及ぼすのは、上述したX線源の種類と光電子取り出し角の二つである。光電子の取り出し角が小さくなる程、最表面近傍に存在する光電子のエネルギー分布が、より多く検出されるため、Q値は光電子取り出し角によって大きく変化する。なお、Q値の測定に当たり、光電子の取り出し角は45°とするが、厳密に45°とする必要はなく、45°±10°の範囲内であれば許容される。   The determination of the Q value has two major influences: the type of X-ray source and the photoelectron extraction angle. As the photoelectron take-off angle becomes smaller, the energy distribution of photoelectrons existing in the vicinity of the outermost surface is detected more, so that the Q value changes greatly depending on the photoelectron take-out angle. In measuring the Q value, the photoelectron take-off angle is 45 °, but it is not strictly required to be 45 °, and is acceptable within a range of 45 ° ± 10 °.

上記Q値は、測定装置などによる影響は殆ど受けない。後記する実施例では、測定装置として、ULVAC PHI社製のQuantera SXMを用いたが、本発明では、これに限定する趣旨ではなく、他の検出装置を用いたときであっても、Q値を0.33以上とすることにより、酸化物半導体表面のダメージ耐性が向上する。   The Q value is hardly affected by the measuring device or the like. In the examples to be described later, Quantera SXM manufactured by ULVAC PHI was used as a measurement device. However, the present invention is not limited to this, and the Q value is obtained even when another detection device is used. By setting it to 0.33 or more, damage resistance of the oxide semiconductor surface is improved.

尚、上記表面層は、(A)InZTOに由来するIn、Zn、およびSnの金属元素の他に、O、C、Hの非金属元素を更に含んでいるものとなる。この非金属元素は、表面層の形成過程(詳細は後述する。)において(A)InZTOの最表面に導入されるものである。ここで、上記非金属元素は、少なくともOを含むと共に、CおよびHについては、いずれか一方が含まれていれば良い。また、表面層中の金属元素の組成は、前述した(A)InZTOの好ましい組成と、一致していても良いし、若干異なっていても良い。表面層の形成条件によって表面層中の金属元素の比率は、若干変動し得るからである。   The surface layer further contains (A) nonmetallic elements of O, C, and H in addition to the metallic elements of In, Zn, and Sn derived from InZTO. This nonmetallic element is introduced into the outermost surface of (A) InZTO in the process of forming the surface layer (details will be described later). Here, the non-metallic element includes at least O, and any one of C and H may be included. Further, the composition of the metal element in the surface layer may be the same as or slightly different from the preferred composition of (A) InZTO described above. This is because the ratio of the metal element in the surface layer may slightly vary depending on the formation conditions of the surface layer.

このような表面層をInZTOの表面に設ければ、保護膜形成時やソース・ドレイン電極形成時などのプラズマなどによるダメージが低減されるため、酸化物半導体表面のダメージ耐性が向上する。すなわち、プラズマCVD法やスパッタリング法で保護膜などを成膜する際、プラズマにより高速化されたラジカルや分子が酸化物半導体表面に衝突することにより、表面に酸素欠陥が形成され、TFT特性の劣化を招く。本発明では、好ましくは適切な組成比で構成されるInZTOをTFTの半導体層に用いることにより、表面に所望の表面層(母材成分である金属Zn、Sn、Inに加えてO、C、Hから構成される)を形成することができ、プラズマなどのダメージにより形成される酸化物表面の酸素欠陥を抑制することができる。   When such a surface layer is provided on the surface of InZTO, damage due to plasma or the like during formation of a protective film or source / drain electrodes is reduced, so that damage resistance of the oxide semiconductor surface is improved. That is, when a protective film or the like is formed by plasma CVD or sputtering, radicals and molecules accelerated by plasma collide with the surface of the oxide semiconductor, so that oxygen defects are formed on the surface and TFT characteristics deteriorate. Invite. In the present invention, by using InZTO preferably having an appropriate composition ratio for the semiconductor layer of the TFT, a desired surface layer (in addition to the base metal components Zn, Sn, In, O, C, H) and oxygen defects on the oxide surface formed by damage such as plasma can be suppressed.

上記表面層を形成するには、酸化物半導体を形成した後、保護したいプロセスの直前(例えば保護膜やソース−ドレイン電極などを形成する直前)に、当該酸化物半導体の表面を、適切な雰囲気(温度、湿度などを制御)で所定の時間保持したり、適切な溶剤を塗布するなどの処理を行なう。本発明では、従来のように保護膜形成前の前処理(N2Oプラズマ処理など)を行なったとしてもN2Oプラズマ照射による基板面内のバラツキを低減可能である。 In order to form the surface layer, after forming the oxide semiconductor, immediately before the process to be protected (for example, immediately before forming a protective film, a source-drain electrode, or the like), the surface of the oxide semiconductor is subjected to an appropriate atmosphere. (Temperature, humidity, etc.) are held for a predetermined time or an appropriate solvent is applied. In the present invention, variation in the substrate surface due to N 2 O plasma irradiation can be reduced even if a pre-treatment (N 2 O plasma treatment or the like) before forming a protective film is performed as in the prior art.

(C)保護膜
保護膜は、TFT特性を安定して確保するために酸化物半導の表面(上部)に形成されるものである。本発明に用いられる保護膜の種類は特に限定されず、表示装置に通常用いられるものを用いることができるが、例えば、SiOx、SiNx、SiONなどを用いることが好ましい。
(C) Protective film The protective film is formed on the surface (upper part) of the oxide semiconductor in order to ensure the TFT characteristics stably. The type of the protective film used in the present invention is not particularly limited, and those commonly used in display devices can be used. For example, it is preferable to use SiOx, SiNx, SiON, or the like.

以上、本発明の薄膜トランジスタについて説明した。   The thin film transistor of the present invention has been described above.

本発明に用いられる酸化物(InZTO)は、スパッタリング法にてスパッタリングターゲット(以下「ターゲット」ということがある。)を用いて成膜されるものである。塗布法などの化学的成膜法によって酸化物を形成することもできるが、スパッタリング法によれば、成分や膜厚の膜面内均一性に優れた薄膜を容易に形成することができる。   The oxide (InZTO) used in the present invention is formed by sputtering using a sputtering target (hereinafter also referred to as “target”). Although an oxide can be formed by a chemical film formation method such as a coating method, a thin film excellent in in-plane uniformity of components and film thickness can be easily formed by a sputtering method.

スパッタリング法に用いられるターゲットとして、前述した元素を含み、所望の酸化物と同一組成のスパッタリングターゲットを用いることが好ましく、これにより、組成ズレの恐れがなく、所望の成分組成の薄膜を形成することができる。   As a target used in the sputtering method, it is preferable to use a sputtering target containing the above-mentioned elements and having the same composition as the desired oxide, thereby forming a thin film having a desired component composition without fear of composition deviation. Can do.

あるいは、組成の異なる二つのターゲットを同時放電するコスパッタ法(Co−Sputter法)を用いても成膜しても良く、放電の際にそれぞれのターゲットにかかる投入電力密度を調整することで、所望の組成の酸化物半導体膜を成膜することができる。例えば、In23、ZnO、SnO2などのターゲットまたはそれらの混合物のターゲットを同時放電させることによって、InZTO膜を得ることができる。 Alternatively, a film may be formed using a co-sputtering method (Co-Sputter method) in which two targets having different compositions are discharged at the same time, and the desired power density can be adjusted by adjusting the input power density applied to each target at the time of discharging. An oxide semiconductor film having the composition can be formed. For example, an InZTO film can be obtained by simultaneously discharging a target such as In 2 O 3 , ZnO, SnO 2 or a mixture thereof.

上記ターゲットは、例えば粉末焼結法方法によって製造することができる。   The target can be manufactured by, for example, a powder sintering method.

上記ターゲットを用いてスパッタリングするに当たっては、基板温度を室温とし、全雰囲気ガスに対する酸素の添加量(酸素分圧)を適切に制御して行なうことが好ましい。酸素量は、例えば、スパッタリング成膜時におけるプロセスガス中の酸素添加量を調整することにより制御することができる。   Sputtering using the above target is preferably performed by setting the substrate temperature to room temperature and appropriately controlling the amount of oxygen (oxygen partial pressure) added to the total atmospheric gas. The amount of oxygen can be controlled, for example, by adjusting the amount of oxygen added in the process gas during sputtering film formation.

具体的には、スパッタリング装置の構成やターゲット組成などに応じて適切に制御すれば良いが、スパッタリング時の酸素分圧は、おおむね、酸化物半導体のキャリア密度が1015〜1016cm-3となるように酸素量を制御することが好ましい。後記する実施例における酸素添加量は、添加流量比でO2/(Ar+O2)=2%とした。 Specifically, it may be appropriately controlled according to the configuration of the sputtering apparatus, the target composition, and the like, but the oxygen partial pressure during sputtering is approximately 10 15 to 10 16 cm −3 of the carrier density of the oxide semiconductor. It is preferable to control the oxygen amount. In the examples described later, the oxygen addition amount was O 2 / (Ar + O 2 ) = 2% in terms of the addition flow rate ratio.

上記のようにして成膜される酸化物の好ましい膜厚は30nm以上200nm以下であり、より好ましくは30nm以上150nm以下である。   A preferable thickness of the oxide formed as described above is 30 nm to 200 nm, and more preferably 30 nm to 150 nm.

本発明には、上記酸化物をTFTの半導体層として備えたTFTも包含される。TFTは、基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、上記酸化物の半導体層、ソース電極、ドレイン電極を少なくとも有していれば良く、その構成は通常用いられるものであれば特に限定されない。   The present invention includes a TFT including the above oxide as a semiconductor layer of the TFT. The TFT is not particularly limited as long as it has at least a gate electrode, a gate insulating film, the above-described oxide semiconductor layer, a source electrode, and a drain electrode on a substrate.

以下、図1を参照しながら、上記TFTの製造方法の実施形態を説明する。図1に示すTFTは、下記実施形態の製造過程におけるTFTの構成(積層順序)を示すものであって、最終的に得られるTFTの層構成を正しく反映したものではない。図1には、表面層9の上に保護膜6が成膜された構成を示しているが、表面層9は、その後の熱履歴などにより、図1に示す位置関係に存在しない場合もあり得る。   Hereinafter, an embodiment of the TFT manufacturing method will be described with reference to FIG. The TFT shown in FIG. 1 shows the TFT configuration (stacking order) in the manufacturing process of the following embodiment, and does not correctly reflect the layer configuration of the TFT finally obtained. Although FIG. 1 shows a configuration in which the protective film 6 is formed on the surface layer 9, the surface layer 9 may not exist in the positional relationship shown in FIG. 1 due to subsequent thermal history or the like. obtain.

図1および以下の製造方法は、本発明の好ましい実施形態の一例を示すものであり、これに限定する趣旨ではない。例えば以下では、保護膜形成によるダメージ低減を狙って、酸化物半導体を形成した後、保護膜形成の直前に表面層を形成する方法を示しているが、本発明はこれに限定する趣旨ではなく、目的によって表面層形成の時期を適宜変更することができる。例えばソース−ドレイン電極の形成によるダメージ低減を図る場合には、酸化物半導体を形成した後、ソース−ドレイン電極形成の直前に表面層を形成することが好ましく、その後、ソース−ドレイン電極および保護膜を順次形成すれば良い。また図1には、ボトムゲート型構造のTFTを示しているがこれに限定されず、酸化物半導体層の上にゲート絶縁膜とゲート電極を順に備えるトップゲート型のTFTであっても良い。   1 and the following manufacturing method show an example of a preferred embodiment of the present invention, and are not intended to limit the present invention. For example, in the following, a method for forming a surface layer immediately after the formation of the oxide film after forming the oxide semiconductor with the aim of reducing damage due to the formation of the protective film is shown, but the present invention is not limited to this. The time for forming the surface layer can be appropriately changed depending on the purpose. For example, when reducing damage due to the formation of the source-drain electrodes, it is preferable to form a surface layer immediately after the formation of the oxide semiconductor and immediately before the formation of the source-drain electrodes, and then the source-drain electrodes and the protective film May be formed sequentially. 1 illustrates a bottom-gate TFT, the present invention is not limited thereto, and a top-gate TFT including a gate insulating film and a gate electrode in this order over an oxide semiconductor layer may be used.

図1に示すように、基板1上にゲート電極2およびゲート絶縁膜3が形成され、その上に酸化物半導体層4が形成されている。酸化物半導体層4上にはソース・ドレイン電極5が形成され、その上に保護膜(絶縁膜)6が形成され、コンタクトホール7を介して透明導電膜8がドレイン電極5に電気的に接続されている。   As shown in FIG. 1, a gate electrode 2 and a gate insulating film 3 are formed on a substrate 1, and an oxide semiconductor layer 4 is formed thereon. A source / drain electrode 5 is formed on the oxide semiconductor layer 4, a protective film (insulating film) 6 is formed thereon, and the transparent conductive film 8 is electrically connected to the drain electrode 5 through the contact hole 7. Has been.

基板1上にゲート電極2およびゲート絶縁膜3が形成する方法は特に限定されず、通常用いられる方法を採用することができる。また、ゲート電極およびゲート絶縁膜3の種類も特に限定されず、汎用されているものを用いることができる。例えばゲート電極2として、電気抵抗率の低いAlやCuの金属、これらの合金を好ましく用いることができる。また、ゲート絶縁膜3としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などが代表的に例示される。そのほか、Al23やY23などの金属酸化物や、これらを積層したものを用いることもできる。 The method for forming the gate electrode 2 and the gate insulating film 3 on the substrate 1 is not particularly limited, and a commonly used method can be employed. Further, the types of the gate electrode and the gate insulating film 3 are not particularly limited, and those commonly used can be used. For example, as the gate electrode 2, an Al or Cu metal having a low electrical resistivity or an alloy thereof can be preferably used. The gate insulating film 3 is typically exemplified by a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, and the like. In addition, a metal oxide such as Al 2 O 3 or Y 2 O 3 or a laminate of these can be used.

次いで酸化物半導体層4を形成する。酸化物半導体層4は、上述したように、薄膜と同組成のスパッタリングターゲットを用いたDCスパッタリング法またはRFスパッタリング法により成膜することが好ましい。あるいは、コスパッタ法により成膜しても良い。   Next, the oxide semiconductor layer 4 is formed. As described above, the oxide semiconductor layer 4 is preferably formed by a DC sputtering method or an RF sputtering method using a sputtering target having the same composition as the thin film. Alternatively, the film may be formed by co-sputtering.

次に、酸化物半導体層4をウェットエッチングした後、パターニングする。パターニングの直後に、酸化物半導体層4の膜質改善のために熱処理(プレアニール)を行うことが好ましく、これにより、トランジスタ特性のオン電流および電界効果移動度が上昇し、トランジスタ性能が向上するようになる。   Next, the oxide semiconductor layer 4 is subjected to wet etching and then patterned. Immediately after the patterning, it is preferable to perform heat treatment (pre-annealing) for improving the film quality of the oxide semiconductor layer 4 so that the on-state current and field-effect mobility of the transistor characteristics are increased and the transistor performance is improved. Become.

プレアニールの後、ソース・ドレイン電極5を形成する。ソース・ドレイン電極5の種類は特に限定されず、汎用されているものを用いることができる。例えばゲート電極2と同様Al、Ti、Cuなどの金属または合金を用いても良いし、後記する実施例のように純Moを用いても良い。   After pre-annealing, source / drain electrodes 5 are formed. The type of the source / drain electrode 5 is not particularly limited, and a commonly used one can be used. For example, a metal or an alloy such as Al, Ti, or Cu may be used similarly to the gate electrode 2, or pure Mo may be used as in the examples described later.

ソース・ドレイン電極5の形成方法としては、例えばマグネトロンスパッタリング法によって金属薄膜を成膜した後、リフトオフ法によって形成することができる。あるいは、上記のようにリフトオフ法によって電極を形成するのではなく、予め所定の金属薄膜をスパッタリング法によって形成した後、パターニングによって電極を形成する方法もあるが、この方法では、電極のエッチングの際に酸化物半導体層にダメージが入るため、トランジスタ特性が低下する。そこで、このような問題を回避するために酸化物半導体層の上に予め保護膜を形成した後、電極を形成し、パターニングする方法も採用されており、後記する実施例では、この方法を採用した。   As a method for forming the source / drain electrodes 5, for example, a metal thin film can be formed by a magnetron sputtering method and then formed by a lift-off method. Alternatively, instead of forming the electrode by the lift-off method as described above, there is a method in which a predetermined metal thin film is formed in advance by a sputtering method and then the electrode is formed by patterning. In this method, the electrode is etched. Since the oxide semiconductor layer is damaged, transistor characteristics are deteriorated. Therefore, in order to avoid such a problem, a method of forming a protective film on the oxide semiconductor layer in advance and then forming an electrode and patterning is also employed, and this method is employed in the examples described later. did.

上記のようにしてソース・ドレイン電極5を形成した後、その上部(最表面)に所定の表面層9を形成する。表面層9は、例えば適切な雰囲気(大気中、湿度40〜80%などの雰囲気下)で加熱保持(例えば約25〜100℃の温度で約50〜200時間程度保持)したり、あるいは、適切な溶剤を塗布することなどによって形成することができる。   After the source / drain electrode 5 is formed as described above, a predetermined surface layer 9 is formed on the upper portion (outermost surface). The surface layer 9 is heated and held (for example, held at a temperature of about 25 to 100 ° C. for about 50 to 200 hours) in an appropriate atmosphere (in the atmosphere, such as an atmosphere of humidity 40 to 80%), or appropriate It can be formed by applying a suitable solvent.

次に、表面層9の上に保護膜(絶縁膜)6をCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって成膜する。後記する実施例では、非特許文献5に記載されているように保護膜の成膜前にN2Oプラズマ照射を行った。なお、本発明では酸化物半導体層4の上部に表面層9を設けているため、N2Oプラズマ照射による不具合(基板面内のバラツキなど)を低減することができる。 Next, a protective film (insulating film) 6 is formed on the surface layer 9 by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. In Examples described later, as described in Non-Patent Document 5, N 2 O plasma irradiation was performed before the formation of the protective film. Note that in the present invention, since the surface layer 9 is provided on the oxide semiconductor layer 4, defects (such as variations in the substrate surface) due to N 2 O plasma irradiation can be reduced.

次に、常法に基づき、コンタクトホール7を介して透明導電膜8をドレイン電極5に電気的に接続する。透明導電膜およびドレイン電極の種類は特に限定されず、通常用いられるものを使用することができる。ドレイン電極としては、例えば前述したソース・ドレイン電極で例示したものを用いることができる。   Next, based on a conventional method, the transparent conductive film 8 is electrically connected to the drain electrode 5 through the contact hole 7. The types of the transparent conductive film and the drain electrode are not particularly limited, and commonly used ones can be used. As the drain electrode, for example, those exemplified for the source / drain electrodes described above can be used.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限されず、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited by the following examples, and can be implemented with modifications within a range that can meet the purpose described above and below. They are all included in the technical scope of the present invention.

実施例1
本実施例では、[Zn]/([Zn]+[Sn])の比(Zn比)が異なる種々のInZTOを有する試料についてXPSを行なって試料の表面状態を分析したとき、金属元素と結合するO1sのピークエネルギーの強度Aと、非金属元素と結合するO1sのピークエネルギーの強度Bがどのように変化するかを調べた。
Example 1
In this example, when XPS was performed on samples having various InZTOs with different [Zn] / ([Zn] + [Sn]) ratios (Zn ratios) and the surface state of the samples was analyzed, the sample was bonded to metal elements. It was investigated how the intensity A of the peak energy of O1s that changes and the intensity B of the peak energy of O1s that binds to the nonmetallic element change.

まず、ガラス基板(コーニング社製イーグル2000、直径100mm×厚さ0.7mm)上に、図2に示すようにZn比の異なる種々のInZTO薄膜[Zn比=0.5、0.6、0.75、0.8であり、全金属元素中のIn比は全て0.2である]を、スパッタリングターゲットを用いてスパッタリング法によって成膜した。スパッタリング条件の詳細は以下のとおりである。
装置:(株)アルバック製「CS−200」
基板温度:室温
ガス圧:5mTorr
酸素分圧:O2/(Ar+O2)=2%
膜厚:50nm
スパッタリングターゲットとしてφ4インチ×5mmを使用
First, on a glass substrate (Corning Eagle 2000, diameter 100 mm × thickness 0.7 mm), various InZTO thin films having different Zn ratios [Zn ratio = 0.5, 0.6, 0, as shown in FIG. .75, 0.8, and the In ratio in all metal elements is 0.2]] was formed by a sputtering method using a sputtering target. The details of the sputtering conditions are as follows.
Equipment: “CS-200” manufactured by ULVAC, Inc.
Substrate temperature: room temperature Gas pressure: 5 mTorr
Oxygen partial pressure: O 2 / (Ar + O 2 ) = 2%
Film thickness: 50nm
Use φ4 inch x 5mm as sputtering target

上記のようにしてInZTO膜を成膜した後、膜質を向上させるためプレアニール処理を行った。プレアニールは、大気圧下にて、350℃で1時間行なった。   After the InZTO film was formed as described above, a pre-annealing process was performed to improve the film quality. Pre-annealing was performed at 350 ° C. for 1 hour under atmospheric pressure.

更にInZTO膜の最表面に表面層を形成するため、湿度50%の大気中雰囲気にて25℃で200時間保持した。その結果、InZTO膜の最表面に厚さ約2nmの表面層を有する試料が得られた。   Furthermore, in order to form a surface layer on the outermost surface of the InZTO film, it was kept at 25 ° C. for 200 hours in an air atmosphere with a humidity of 50%. As a result, a sample having a surface layer with a thickness of about 2 nm on the outermost surface of the InZTO film was obtained.

このようにして得られた各試料について、InZTO膜中の金属元素の各含有量、およびInZTO膜の最表面に形成された表面層の表面状態を、XPS法によって分析した。これらはいずれも、同じ条件で測定した。測定条件を以下に示す。
X線源:Al Kα(1486.6eV)
光電子取り出し角:45°
装置:ULVAC PHI社製のQuantera SXM
About each sample obtained in this way, each content of the metal element in an InZTO film | membrane and the surface state of the surface layer formed in the outermost surface of an InZTO film | membrane were analyzed by XPS method. All of these were measured under the same conditions. The measurement conditions are shown below.
X-ray source: Al Kα (1486.6 eV)
Photoelectron extraction angle: 45 °
Apparatus: Quantera SXM manufactured by ULVAC PHI

図2に、各試料のO1sのスペクトルをまとめて示す。参考のため、各スペクトルについて、金属元素と結合するO1sのピークエネルギーの位置(Peak A)と、表面層に含まれるCおよび/またはHの非金属元素と結合するO1sのピークエネルギーの位置(Peak B)をそれぞれ示す。   FIG. 2 collectively shows the O1s spectrum of each sample. For reference, for each spectrum, the position of the peak energy of O1s bonded to the metal element (Peak A) and the position of the peak energy of O1s bonded to the nonmetallic element of C and / or H contained in the surface layer (Peak A). B) is shown respectively.

図2に示すように、Zn比=0.6、0.75、0.8の各試料では、530eV近傍にPeak Aが、531.5eV近傍にPeak Bがそれぞれ観察され、所定の表面層が形成されることを確認できた。なお、各ピークの強度はスペクトルのピーク分離によって求めた。各試料のQ値[A/(A+B)]は以下のとおりである。
Zn比=0.6のQ値 :0.33
Zn比=0.75のQ値:0.41
Zn比=0.8のQ値 :0.59
As shown in FIG. 2, Peak A is observed in the vicinity of 530 eV and Peak B is observed in the vicinity of 531.5 eV in each sample with the Zn ratio = 0.6, 0.75, and 0.8, and a predetermined surface layer is formed. It was confirmed that it was formed. The intensity of each peak was determined by spectral peak separation. The Q value [A / (A + B)] of each sample is as follows.
Q value of Zn ratio = 0.6: 0.33
Q value of Zn ratio = 0.75: 0.41
Q value of Zn ratio = 0.8: 0.59

これに対し、Zn比=0.5の試料では、Peak Aは観察されたものの、非金属元素と結合するPeak B(531.5eV近傍)は確認されず、所定の表面層は形成されなかった(このときのQ値=0.26)   In contrast, Peak A was observed in the sample having a Zn ratio of 0.5, but Peak B (near 531.5 eV) bonded to a nonmetallic element was not confirmed, and a predetermined surface layer was not formed. (Q value at this time = 0.26)

上記結果より、所定の表面層を得るためには、Zn比を0.6以上とすることが有用であることが分かる。   From the above results, it can be seen that it is useful to set the Zn ratio to 0.6 or more in order to obtain a predetermined surface layer.

更に、O1sの結合状態が試料からの深さ方向位置によってどのように変化するかを調べるため、Zn比=0.75の上記試料について、光電子の取出し角度を20°、45°、90°での各範囲で変化させたこと以外は前述した条件で、表面層形成前後のXPSを行ない、O1sのスペクトルを調べた。XPSでは、光電子の取り出し角度を変えることによってX線の侵入深さを変えることができるため、表面からの深さ位置の異なる情報を得ることができる。例えば光電子の取出し角度=90°では、試料法線上(真上)からX線を照射しているため、表面から最も深い位置までの情報を得ることができるのに対し、光電子の取出し角度を小さくする程、表面近傍のみの情報を得ることができる。   Further, in order to investigate how the bonding state of O1s changes depending on the position in the depth direction from the sample, the photoelectron extraction angles are set to 20 °, 45 °, and 90 ° for the above sample having a Zn ratio = 0.75. The XPS before and after the formation of the surface layer was performed under the conditions described above except that the change was made in each of the above ranges, and the spectrum of O1s was examined. In XPS, since the penetration depth of X-rays can be changed by changing the taking-out angle of photoelectrons, information with different depth positions from the surface can be obtained. For example, when the photoelectron take-off angle is 90 °, since X-rays are irradiated from the sample normal (directly above), information from the surface to the deepest position can be obtained, while the photoelectron take-off angle is made small. The more the information is obtained, the information only near the surface can be obtained.

これらの結果を図3に示す。   These results are shown in FIG.

図3より、表面層の形成前では、いずれの取り出し角度であっても、強度Bに相当する531.5eV近傍のピークエネルギーの強度は殆ど確認できなかった(すなわち、深さ方向によってO1sの結合状態は変化しなかった)のに対し、表面層の形成後は、20°及び45°の場合において、531.5eV近傍のピークエネルギーの強度が大きくなっていることから、所定の表面層が形成されたことが確認された。なお、各ピークの強度はスペクトルのピーク分離によって求めた。   According to FIG. 3, the intensity of the peak energy in the vicinity of 531.5 eV corresponding to the intensity B was hardly confirmed before the formation of the surface layer (that is, the bonding of O1s depending on the depth direction). On the other hand, after the formation of the surface layer, the intensity of the peak energy in the vicinity of 531.5 eV increases at 20 ° and 45 ° after the surface layer is formed. Was confirmed. The intensity of each peak was determined by spectral peak separation.

参考のため、各取出し角度のQ値[B/(A+B)]を以下に示す。ここには、光電子の取出し角度=90°のQ値も併記しているが、このQ値は実測値を正しく反映しているとは言い難い。前述したように取出し角度=90°では相対的に表面近傍の情報が殆ど得られないため、Peak BがPeak Aに埋もれてしまい、Peak Bを明確に検出することができないからである。しかしながら、以下の結果より、取出し角度が20°と90°とではピーク形状が明瞭に相違することが読み取れることから、InZTOの表面近傍と深部領域とではO1sの結合状態などが相違することや、InZTOの最表面近傍に所定の表面層が存在していることを確認することができた。
光電子の取出し角度=20°のQ値:0.42
光電子の取出し角度=45°のQ値:0.38
光電子の取出し角度=90°のQ値:0.28
For reference, the Q value [B / (A + B)] of each extraction angle is shown below. Here, the Q value of the photoelectron take-off angle = 90 ° is also shown, but it is difficult to say that this Q value correctly reflects the measured value. This is because Peak B is buried in Peak A and Peak B cannot be clearly detected because relatively little information on the vicinity of the surface is relatively obtained at the take-off angle = 90 ° as described above. However, from the following results, it can be read that the peak shape is clearly different between the extraction angle of 20 ° and 90 °, so that the bonding state of O1s is different between the vicinity of the surface of InZTO and the deep region, It was confirmed that a predetermined surface layer was present near the outermost surface of InZTO.
Photoelectron take-off angle = Q value of 20 °: 0.42
Photoelectron take-off angle = Q value of 45 °: 0.38
Photoelectron take-off angle = 90 ° Q factor: 0.28

また、表面層形成後のスペクトルをみると、光電子の取り出し角度が小さいものほど、強度Bに相当する531.5eV近傍のピークエネルギーの強度が大きくなることから、表面層は、InZTO膜(厚さ50nm)の最表面近傍(おおむね、10nm以下)にのみ形成していることが推察される。   Further, when looking at the spectrum after the surface layer is formed, the smaller the photoelectron extraction angle, the greater the intensity of the peak energy in the vicinity of 531.5 eV corresponding to the intensity B. Therefore, the surface layer is composed of an InZTO film (thickness). 50 nm) is presumed to be formed only in the vicinity of the outermost surface (approximately 10 nm or less).

実施例2
本実施例では、本発明で用いられる表面層の有無によって、保護膜形成後のTFT特性がどのように変化するかを、図1に示す薄膜トランジスタ(TFT)を用いて調べた。ここでは、前述した実施例1と同様、[Zn]/([Zn]+[Sn])の比(Zn比)=0.5、0.6、0.75、0.8のInZTO膜(全金属元素中のIn比は、いずれも0.2)を有する各試料を用いて実験を行なった。
Example 2
In this example, how the TFT characteristics after forming the protective film change depending on the presence or absence of the surface layer used in the present invention was examined using the thin film transistor (TFT) shown in FIG. Here, as in Example 1 described above, the [Zn] / ([Zn] + [Sn]) ratio (Zn ratio) = 0.5, 0.6, 0.75, 0.8 InZTO film ( Experiments were conducted using samples having an In ratio of 0.2) in all metal elements.

まず、ガラス基板(コーニング社製イーグル2000、直径100mm×厚さ0.7mm)上に、ゲート電極としてMo薄膜を100nm、およびゲート絶縁膜SiO2(250nm)を順次成膜した。ゲート電極は純Moのスパッタリングターゲットを使用し、DCスパッタ法により、成膜温度:室温、成膜パワー:300W、キャリアガス:Ar、ガス圧:2mTorrにて成膜した。また、ゲート絶縁膜はプラズマCVD法を用い、キャリアガス:SiH4とN2の混合ガス、成膜パワー:100W、成膜温度:300℃にて成膜した。 First, an Mo thin film of 100 nm and a gate insulating film SiO 2 (250 nm) were sequentially formed as a gate electrode on a glass substrate (Corning Eagle 2000, diameter 100 mm × thickness 0.7 mm). As the gate electrode, a pure Mo sputtering target was used, and a film was formed by DC sputtering at a film forming temperature: room temperature, a film forming power: 300 W, a carrier gas: Ar, and a gas pressure: 2 mTorr. The gate insulating film was formed by plasma CVD using a carrier gas: a mixed gas of SiH 4 and N 2 , film formation power: 100 W, and film formation temperature: 300 ° C.

次に、図4Aおよび図4Bに示すように、Zn比が異なる種々の組成のInZTO膜を、スパッタリングターゲット(後記する。)を用いてスパッタリング法によって成膜した。スパッタリングに使用した装置は(株)アルバック製「CS−200」であり、スパッタリング条件は以下のとおりである。
基板温度:室温
ガス圧:5mTorr
酸素分圧:O2/(Ar+O2)=2%
膜厚:50nm
Next, as shown in FIGS. 4A and 4B, InZTO films having various compositions with different Zn ratios were formed by a sputtering method using a sputtering target (described later). The apparatus used for sputtering is “CS-200” manufactured by ULVAC, Inc., and the sputtering conditions are as follows.
Substrate temperature: room temperature Gas pressure: 5 mTorr
Oxygen partial pressure: O 2 / (Ar + O 2 ) = 2%
Film thickness: 50nm

上記のようにして種々のInZTO膜を成膜した後、フォトリソグラフィおよびウェットエッチングによりパターニングを行った。ウェットエッチャント液としては、関東化学製「ITO−07N」を使用し、液温を40℃とした。ウェットエッチング後、目視および光学顕微鏡観察(倍率50倍)により残渣の発生有無を確認したところ、すべてのInZTO膜について、ウェットエッチングによる残渣は見られず、適切にエッチングできたことが確認された。   After various InZTO films were formed as described above, patterning was performed by photolithography and wet etching. As the wet etchant liquid, “ITO-07N” manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd. was used, and the liquid temperature was set to 40 ° C. After the wet etching, the presence or absence of the residue was confirmed by visual observation and optical microscope observation (magnification 50 times). As a result, no residue due to the wet etching was observed in all the InZTO films, and it was confirmed that the etching was appropriately performed.

上記のようにしてInZTO膜をパターニングした後、膜質を向上させるため、プレアニール処理を行なった。プレアニールは、大気圧下にて、350℃で1時間行なった。   After patterning the InZTO film as described above, a pre-annealing process was performed in order to improve the film quality. Pre-annealing was performed at 350 ° C. for 1 hour under atmospheric pressure.

次に、純Moを使用し、リフトオフ法によりソース・ドレイン電極を形成した。具体的にはフォトレジストを用いてパターニングを行った後、Mo薄膜をDCスパッタリング法により成膜(膜厚は100nm)した。ソース・ドレイン電極用Mo薄膜の成膜方法は、前述したゲート電極の場合と同じである。次いで、アセトン中に浸漬し、超音波洗浄器にかけて不要なフォトレジストを除去し、TFTのチャネル長を10μm、チャネル幅を200μmとした。   Next, pure Mo was used to form source / drain electrodes by a lift-off method. Specifically, after patterning using a photoresist, a Mo thin film was formed by DC sputtering (film thickness was 100 nm). The method for forming the Mo thin film for the source / drain electrodes is the same as that for the gate electrode described above. Next, it was immersed in acetone, and unnecessary photoresist was removed by applying an ultrasonic cleaner, so that the channel length of the TFT was 10 μm and the channel width was 200 μm.

次いで、上記InZTO膜の最表面に表面層を形成するため、湿度50%の大気中雰囲気にて25℃で200時間保持した。その結果、InZTO膜の最表面に厚さ約2nmの表面層を有する試料が得られた。   Subsequently, in order to form a surface layer on the outermost surface of the InZTO film, it was kept at 25 ° C. for 200 hours in an air atmosphere with a humidity of 50%. As a result, a sample having a surface layer with a thickness of about 2 nm on the outermost surface of the InZTO film was obtained.

次に、InZTO膜を保護するための保護膜を形成した。保護膜として、SiO2(膜厚200nm)とSiN(膜厚200nm)の積層膜(合計膜厚400nm)を用いた。上記SiO2およびSiNの形成は、サムコ製「PD−220NL」を用い、プラズマCVD法を用いて行なった。本実施例では、N2Oガスによってプラズマ処理を行った後、SiO2、およびSiN膜を順次形成した。SiO2膜の形成にはN2OおよびSiH4の混合ガスを用い、SiN膜の形成にはSiH4、N2、NH3の混合ガスを用いた。いずれの場合も成膜パワーを100W、成膜温度を150℃とした。 Next, a protective film for protecting the InZTO film was formed. As the protective film, a laminated film (total film thickness 400 nm) of SiO 2 (film thickness 200 nm) and SiN (film thickness 200 nm) was used. The formation of SiO 2 and SiN was performed using “PD-220NL” manufactured by Samco and using the plasma CVD method. In this example, after performing plasma treatment with N 2 O gas, SiO 2 and SiN films were sequentially formed. A mixed gas of N 2 O and SiH 4 was used for forming the SiO 2 film, and a mixed gas of SiH 4 , N 2 , and NH 3 was used for forming the SiN film. In any case, the film formation power was 100 W and the film formation temperature was 150 ° C.

次にフォトリソグラフィ、およびドライエッチングにより、保護膜にトランジスタ特性評価用プロービングのためのコンタクトホールを形成した。次に、DCスパッタリング法を用い、キャリアガス:アルゴンおよび酸素ガスの混合ガス、成膜パワー:200W、ガス圧:5mTorrにてITO膜(膜厚80nm)を成膜し、図1のTFTを作製した。   Next, contact holes for probing for transistor characteristic evaluation were formed in the protective film by photolithography and dry etching. Next, an ITO film (film thickness: 80 nm) is formed by DC sputtering using a carrier gas: a mixed gas of argon and oxygen gas, film formation power: 200 W, gas pressure: 5 mTorr, and the TFT of FIG. 1 is manufactured. did.

本実施例では、表面層がTFT特性に及ぼす影響を調べるため、比較のため、上記の表面層形成処理を行なわなかったこと以外は上記と同様にして、図1のTFTを作製した。   In this example, in order to investigate the influence of the surface layer on the TFT characteristics, for the purpose of comparison, the TFT of FIG. 1 was fabricated in the same manner as described above except that the above surface layer formation treatment was not performed.

このようにして得られた各TFTについて、以下の特性を評価した。   The following characteristics were evaluated for each TFT thus obtained.

(1)トランジスタ特性の測定は、National Instruments社製「4156C」の半導体パラメータアナライザーを使用した。詳細な測定条件は以下のとおりである。
ソース電圧 :0V
ドレイン電圧:10V
ゲート電圧 :−30〜30V(測定間隔:0.25V)
(1) For measurement of transistor characteristics, a semiconductor parameter analyzer “4156C” manufactured by National Instruments was used. Detailed measurement conditions are as follows.
Source voltage: 0V
Drain voltage: 10V
Gate voltage: -30 to 30V (measurement interval: 0.25V)

(2)閾値電圧(Vth)
閾値電圧とは、おおまかにいえば、トランジスタがオフ状態(ドレイン電流の低い状態)からオン状態(ドレイン電流の高い状態)に移行する際のゲート電圧の値である。本実施例では、ドレイン電流が、オン電流とオフ電流の間の1nA付近であるときの電圧を閾値電圧と定義し、各TFTの閾値電圧を測定した。
(2) Threshold voltage (Vth)
The threshold voltage is roughly a value of a gate voltage when the transistor shifts from an off state (a state where the drain current is low) to an on state (a state where the drain current is high). In this example, the voltage when the drain current is around 1 nA between the on-current and the off-current is defined as the threshold voltage, and the threshold voltage of each TFT is measured.

(3)S値
S値は、ドレイン電流を一桁増加させるのに必要なゲート電圧の最小値とした。
(3) S value The S value is the minimum value of the gate voltage required to increase the drain current by one digit.

(4)電界効果移動度
電界効果移動度(キャリア移動度)は、TFT特性から、ゲート電圧Vg>Vd−Vthである飽和領域にて導出した。飽和領域では、電界効果移動度μSATは、下式のプロットから導出される。
d=(W/2L)×μ×Ci×(Vg−Vth2
式中、Idはドレイン電流、WはTFT素子のチャネル幅、
LはTFT素子のチャネル長、
μは飽和移動度、Ciはゲート絶縁膜の静電容量、
gはゲート電圧、Vthは閾値電圧である。
(4) Field Effect Mobility Field effect mobility (carrier mobility) was derived from a TFT characteristic in a saturation region where gate voltage V g > V d −V th . In the saturation region, the field effect mobility μ SAT is derived from the following plot.
I d = (W / 2L) × μ × C i × (V g −V th ) 2
Where I d is the drain current, W is the channel width of the TFT element,
L is the channel length of the TFT element,
μ is saturation mobility, C i is the capacitance of the gate insulating film,
V g is a gate voltage, and V th is a threshold voltage.

これらの結果を図4Aおよび図4Bに示す。これらの図には、上述した一連の特性について、1回目の測定結果と、2回目の測定結果の両方を併記している。各図に示す2つの特性曲線について、左側の曲線は1回目の測定結果を意味し、右側の曲線は2回目の測定結果を意味している[図4Aの左図(Zn比=0.5)をご参照]。   These results are shown in FIGS. 4A and 4B. In these drawings, both the first measurement result and the second measurement result are shown together for the series of characteristics described above. Regarding the two characteristic curves shown in each figure, the left curve means the first measurement result, and the right curve means the second measurement result [left figure in FIG. 4A (Zn ratio = 0.5). )].

図4Aおよび図4Bの各上図より、表面層を形成せずにInZTO膜の上に保護膜を直接形成した試料では、Zn比にかかわらず、いずれの組成においても、閾値電圧の絶対値が増加してスイッチング特性が低下したり、SS値が増加した。更に、いずれの場合も電流の立ち上がり近傍でハンプ現象が見られたが、これは、TFTの安定性や信頼性の大きな低下をもたらすものである。上記試料について、TFT特性が低下した理由は、保護膜成膜時のプラズマ照射により、酸化物半導体の表面が損傷したためと推察される。   4A and 4B, in the sample in which the protective film is directly formed on the InZTO film without forming the surface layer, the absolute value of the threshold voltage is the same regardless of the Zn ratio. As a result, the switching characteristics deteriorated and the SS value increased. Further, in any case, a hump phenomenon was observed in the vicinity of the rising edge of the current, which causes a great decrease in the stability and reliability of the TFT. The reason why the TFT characteristics of the above sample deteriorated is presumed to be that the surface of the oxide semiconductor was damaged by the plasma irradiation at the time of forming the protective film.

これに対し、所定の表面層をInZTO膜の上に形成した後、保護膜を成膜した試料では、図4Aおよび図4Bの各下図に示すように、閾値電圧の絶対値が減少して良好なスイッチング特性を示している。特に、Zn比が本発明の好ましい範囲(0.6以上)を満足する試料では、前述のハンプ現象も見られなかった。従って、InZTO膜の最表面に表面層を形成することにより、InZTO膜の表面が最もダメージを受け易い保護膜の成膜過程においても、TFT特性の低下を有効に防止できることが分かる。   In contrast, in the sample in which a predetermined surface layer was formed on the InZTO film and then a protective film was formed, the absolute value of the threshold voltage decreased as shown in FIGS. 4A and 4B. Switching characteristics. In particular, the above-described hump phenomenon was not observed in a sample in which the Zn ratio satisfied the preferred range of the present invention (0.6 or more). Therefore, it can be seen that by forming the surface layer on the outermost surface of the InZTO film, the TFT characteristics can be effectively prevented from being deteriorated even in the process of forming the protective film on which the surface of the InZTO film is most easily damaged.

更に、1回目の測定結果と2回目の測定結果を対比すると、所定の表面層をInZTO膜上に成膜した試料では、当該表面積を有しない試料に比べ、ヒステリシスが改善されていることが分かる。よって、この結果からも、所定の表面層の形成により、保護膜形成によるInZTO膜の表面へのダメージを低減できていることが確認された。   Furthermore, when the first measurement result and the second measurement result are compared, it is understood that the hysteresis is improved in the sample in which the predetermined surface layer is formed on the InZTO film as compared with the sample having no surface area. . Therefore, also from this result, it was confirmed that the damage to the surface of the InZTO film due to the formation of the protective film could be reduced by forming the predetermined surface layer.

以上の実験結果より、好ましくは本発明で規定する組成を満足するIn−Zn−Sn酸化物半導体を有し、その上部に所定の表面層を備えた試料を用いれば、保護膜形成時やソース−ドレイン電極形成時における酸化物半導体表面のダメージによる悪影響もなく、高性能なTFT特性が得られることが実証された。   From the above experimental results, it is preferable to use a sample having an In—Zn—Sn oxide semiconductor that satisfies the composition defined in the present invention and having a predetermined surface layer on the In-Zn—Sn oxide semiconductor. -It has been demonstrated that high-performance TFT characteristics can be obtained without adversely affecting the surface of the oxide semiconductor when forming the drain electrode.

1 基板
2 ゲート電極
3 ゲート絶縁膜
4 酸化物半導体層
5 ソース・ドレイン電極
6 保護膜(絶縁膜)
7 コンタクトホール
8 透明導電膜
9 表面層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Gate electrode 3 Gate insulating film 4 Oxide semiconductor layer 5 Source / drain electrode 6 Protective film (insulating film)
7 Contact hole 8 Transparent conductive film 9 Surface layer

Claims (6)

薄膜トランジスタの半導体層に用いられ、In、Zn、およびSnの金属元素を含むIn−Zn−Sn酸化物と;前記In−Zn−Sn酸化物の上部に表面層と、前記表面層の上に保護膜と、を有しており、
前記保護膜形成前の表面層をX線光電子分光法(XPS)で検出し、酸素の1s電子(O1s)に帰属するピークエネルギーの強度をピーク分離によって求めたとき、下記式(1)の関係を満足することを特徴とする薄膜トランジスタ構造。
B/(A+B)≧0.33 ・・・ (1)
式中、
Aは、金属元素と結合するO1sのピークエネルギーの強度であり、
Bは、Cおよび/またはHの非金属元素と結合するO1sのピークエネルギーの
強度を意味する。
An In—Zn—Sn oxide containing a metal element of In, Zn, and Sn used for a semiconductor layer of a thin film transistor; a surface layer on the In—Zn—Sn oxide, and a protection on the surface layer And a membrane ,
When the surface layer before forming the protective film is detected by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and the intensity of peak energy attributed to 1s electrons (O1s) of oxygen is determined by peak separation, the relationship of the following formula (1) A thin film transistor structure characterized by satisfying
B / (A + B) ≧ 0.33 (1)
Where
A is the intensity of the peak energy of O1s bonded to the metal element,
B means the intensity of the peak energy of O1s bonded to the nonmetallic element of C and / or H.
前記In−Zn−Sn酸化物に含まれるZnおよびSnの含有量(原子%)をそれぞれ、[Zn]および[Sn]としたとき、
[Zn]/([Zn]+[Sn])の比は0.6以上である請求項1に記載の薄膜トランジスタ構造。
When the contents (atomic%) of Zn and Sn contained in the In—Zn—Sn oxide are [Zn] and [Sn], respectively.
The thin film transistor structure according to claim 1, wherein a ratio of [Zn] / ([Zn] + [Sn]) is 0.6 or more.
前記In−Zn−Sn酸化物に含まれるInの含有量(原子%)を[In]としたとき、[Zn]/([Zn]+[Sn]+[In])の比は0.83以下である請求項1または2に記載の薄膜トランジスタ構造。   When the In content (atomic%) in the In—Zn—Sn oxide is [In], the ratio of [Zn] / ([Zn] + [Sn] + [In]) is 0.83. The thin film transistor structure according to claim 1 or 2, wherein: 前記In−Zn−Sn酸化物に含まれるIn、Zn、およびSnの含有量(原子%)をそれぞれ、[In]、[Zn]、[Sn]としたとき、
[In]/([In]+[Zn]+[Sn])の比は0.05以上、0.3以下である請求項1〜3のいずれかに記載の薄膜トランジスタ構造。
When the contents (atomic%) of In, Zn, and Sn contained in the In—Zn—Sn oxide are [In], [Zn], and [Sn], respectively.
4. The thin film transistor structure according to claim 1, wherein a ratio of [In] / ([In] + [Zn] + [Sn]) is 0.05 or more and 0.3 or less.
前記表面層の厚さは10nm以下である請求項1〜4のいずれかに記載の薄膜トランジスタ構造。   The thin film transistor structure according to claim 1, wherein the surface layer has a thickness of 10 nm or less. 請求項1〜5のいずれかに記載の薄膜トランジスタ構造を備えた表示装置。   A display device comprising the thin film transistor structure according to claim 1.
JP2011082228A 2011-04-01 2011-04-01 Thin film transistor structure and display device Expired - Fee Related JP5645737B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011082228A JP5645737B2 (en) 2011-04-01 2011-04-01 Thin film transistor structure and display device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011082228A JP5645737B2 (en) 2011-04-01 2011-04-01 Thin film transistor structure and display device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012216729A JP2012216729A (en) 2012-11-08
JP5645737B2 true JP5645737B2 (en) 2014-12-24

Family

ID=47269222

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011082228A Expired - Fee Related JP5645737B2 (en) 2011-04-01 2011-04-01 Thin film transistor structure and display device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5645737B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104885229B (en) * 2012-12-28 2017-08-18 株式会社神户制钢所 Thin film transistor (TFT) and its manufacture method
JP6077978B2 (en) * 2012-12-28 2017-02-08 株式会社神戸製鋼所 Thin film transistor and manufacturing method thereof
JP2014175503A (en) * 2013-03-08 2014-09-22 Kobe Steel Ltd Oxide for semiconductor layer of thin film transistor, thin film transistor, and display apparatus
JP6134980B2 (en) * 2013-07-10 2017-05-31 富士フイルム株式会社 Metal oxide thin film, method for producing the same, and coating solution for forming metal oxide thin film used in the method for producing the same

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7829444B2 (en) * 2004-11-10 2010-11-09 Canon Kabushiki Kaisha Field effect transistor manufacturing method
JP5126730B2 (en) * 2004-11-10 2013-01-23 キヤノン株式会社 Method for manufacturing field effect transistor
JP4977478B2 (en) * 2006-01-21 2012-07-18 三星電子株式会社 ZnO film and method of manufacturing TFT using the same
JP5244331B2 (en) * 2007-03-26 2013-07-24 出光興産株式会社 Amorphous oxide semiconductor thin film, manufacturing method thereof, thin film transistor manufacturing method, field effect transistor, light emitting device, display device, and sputtering target
US8058096B2 (en) * 2007-07-31 2011-11-15 Hewlett Packard Development Company, L.P. Microelectronic device
JP5642967B2 (en) * 2007-11-22 2014-12-17 関東化学株式会社 Etching solution composition
CN102132414B (en) * 2008-08-27 2013-05-22 出光兴产株式会社 Field-effect transistor, method for producing same, and sputtering target
JP5655277B2 (en) * 2009-04-24 2015-01-21 凸版印刷株式会社 Thin film transistor and active matrix display
KR102106460B1 (en) * 2009-07-03 2020-05-04 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Method for manufacturing semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012216729A (en) 2012-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6018551B2 (en) Thin film transistor
JP6043244B2 (en) Thin film transistor
JP5723262B2 (en) Thin film transistor and sputtering target
JP5718072B2 (en) Thin film transistor oxide for semiconductor layer and sputtering target, and thin film transistor
JP5977569B2 (en) THIN FILM TRANSISTOR STRUCTURE, AND THIN FILM TRANSISTOR AND DISPLAY DEVICE HAVING THE STRUCTURE
KR101407402B1 (en) Oxide for semiconductor layer of thin-film transistor, sputtering target, and thin-film transistor
WO2012091126A1 (en) Oxide for semiconductor layer of thin film transistor, sputtering target, and thin-film transistor
TWI508303B (en) An oxide and a sputtering target for a semiconductor layer of a thin film transistor, and a thin film transistor
JP6294428B2 (en) Method for manufacturing oxide for semiconductor layer of thin film transistor, and method for improving characteristics of thin film transistor
KR102124867B1 (en) Oxide for semiconductor layer of thin-film transistor, sputtering target, and thin-film transistor
JP6068232B2 (en) Thin film transistor oxide for semiconductor layer, thin film transistor, display device and sputtering target
JP5645737B2 (en) Thin film transistor structure and display device
JP5856559B2 (en) Method for producing oxide thin film for semiconductor layer of thin film transistor

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120906

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20120906

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20120906

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130809

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20140612

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140624

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140911

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20141028

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20141104

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5645737

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees