JP5701539B2 - 酸化物半導体薄膜およびその製造方法、並びに薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタを備えた装置 - Google Patents
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Description
一方、Znを含まないIn-Ga-O系薄膜は、特許文献6〜8等において、透明導電膜として用いられている例が挙げられている。具体的には、特許文献6では、比較的In組成比が高いIn-Ga-O系薄膜を透明導電膜として用いる例が挙げられおり、特許文献7、8では比較的In組成比が低い(Ga組成比が高い)In-Ga-O系薄膜を、金属膜と積層させたものを透明導電膜として用いる例が挙げられている。
また、現在、耐熱性の低い樹脂基板上に薄膜トランジスタ(TFT)を形成したフレキシブルTFTのニーズが高まっていることから、成膜後に電気特性改善のために行われるポストアニール処理としては、樹脂基板等が耐えうる300℃以下の比較的低いアニール温度で特性改善を達成することが求められている。また、デバイスの大面積化の要請もあり、大面積において特性の均一なTFTの形成が可能となるように、大面積に均一な電気特性を有する酸化物半導体膜が求められている。
非晶質膜であれば大面積にわたって均一な膜を形成し易く、多結晶のような粒界が存在しないため素子特性のバラツキを抑えることが容易である。
前記酸化物半導体層が非晶質であるかどうかは、X線回折測定により確認することが出来る。即ちX線回折測定により、結晶構造を示す明確なピークが検出されなかった場合は、その酸化物半導体層は非晶質であると判断することが出来る。
前記活性層が、本発明の酸化物半導体薄膜からなるものであることを特徴とするものである。
前記酸化物半導体薄膜に100℃以上、300℃以下の熱処理を施す熱処理工程とを含むことを特徴とする。
「酸化性雰囲気」とは、酸素、オゾン、酸素ラジカル等を含む雰囲気を意味する。
なお、本明細書において、成膜工程とは、薄膜形成後に膜の抵抗率を制御するために必要に応じて膜に施す処理を含めるものとし、前記成膜条件とは膜形成時の条件と該必要に応じて膜に施す処理の条件を含むものとする。
また、本発明の組成範囲の酸化物半導体薄膜を用いることで、アニール時に起こる低抵抗化を抑えることができ、アニール後の電気特性を設計しやすい。アニール時の低抵抗化を抑制することができるので、アニール温度の面内バラツキに伴う電気特性の面内バラツキを抑えることができる。面内バラツキを抑制することができるので大面積デバイスに好適である。
低温アニールで面内バラツキの少ないデバイスを得ることができるので、製造コストを抑制することができると共に、耐熱性の低い樹脂基板等への形成も可能となり、フレキシブルデバイスへの応用が容易となる。
本発明の酸化物半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタは大面積に均一な特性を有するものとすることができる。
本発明の酸化物半導体薄膜は、In、GaおよびOを主たる構成元素とし、そのIn,Gaの組成比が3/4≦Ga/(In+Ga)≦9/10であり、かつ、室温(20℃)での抵抗率が1Ωcm以上、1×106Ωcm以下であることを特徴とするIGO膜である。すなわち、本発明は、抵抗率が低く導電膜として利用されるIGO膜を含まない。また、本発明の酸化物半導体薄膜を主たる構成元素としてZnを含まない点でIGZO膜とは異なる。
成膜工程において、In,Gaの組成比が3/4≦Ga/(In+Ga)≦9/10のIGO膜をスパッタを用いて成膜する方法としては、成膜した膜中のIn,Ga組成比が3/4≦Ga/(In+Ga)≦9/10となるような複合酸化物ターゲットの単独スパッタであってもよく、In、Gaまたはこれらの酸化物若しくはこれらの複合酸化物ターゲットを組み合わせて用いた共スパッタであってもよい。
また、成膜中の基板温度は基板に応じて任意に選択してもよいが、フレキシブル基板を用いる場合には基板温度はより室温に近いことが好ましい。
熱処理工程(ポストアニール処理工程)は、100℃以上、300℃以下で行う。薄膜を形成する基板として、樹脂基板等の耐熱性の低い可撓性基板を用いる場合には、100℃以上、200℃以下とすることが好ましい。熱処理時間に特に限定はないが、膜温度が均一になるのに要する時間等を考慮し、少なくとも10分以上保持することが好ましい。
アニール処理中の雰囲気は不活性雰囲気、または酸化性雰囲気とすることが好ましい。還元性雰囲気中でアニール処理を行うと、酸化物半導体中の酸素が抜け、余剰キャリアが発生し、電気特性バラツキが起こりやすい。またアニール処理雰囲気の湿度が極めて高い場合には膜中に水分が取り込まれ易く、電気特性バラツキが起こり易くなるため、湿度は50%以下で行うことが好ましい。
さらに、Znは比較的低温でのアニール時に膜中から脱離してしまうことが知られている。すなわち、Znを含む組成の場合、アニール条件(温度、雰囲気、時間)の少しの違いによって生成される膜の組成比が異なってしまい、再現性が悪くなるが、本発明の組成ではその問題もなくなる。
さらに、成膜後に高温で熱処理する手法は、製造コストが向上するばかりではなく、基板や電極材料、絶縁膜材料の材料選択の幅を著しく低下させる。特に近年注目が集まっている樹脂基板上に酸化物TFTを形成したフレキシブルデバイスを得るには、樹脂基板の耐熱性が低いため、200℃以上の熱処理は困難となる。
また、これらの効果により必然的に歩留まりも向上し、生産コストの低減にも繋がる。
図1(A)から(D)は、本発明の第1〜第4の実施形態の薄膜トランジスタ1〜4の構成を模式的に示す断面図である。図1(A)〜(D)の各薄膜トランジスタにおいて、共通の要素には同一の符号を付している。
図1(A)〜(D)に示す実施形態は、ゲート、ソース、ドレイン電極の、酸化物半導体層に対する配置が異なるが、同一符号を付与されている各要素の機能は同一であり、同様の材料を適応することができる。
薄膜トランジスタ1を形成するための基板11の形状、構造、大きさ等については特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。基板の構造は単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。
中でも軽量である点、可撓性を有する点から樹脂あるいは樹脂複合材料からなる基板が好ましい。具体的には、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、アリルジグリコールカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンズアゾール、ポリフェニレンサルファイド、ポリシクロオレフィン、ノルボルネン樹脂、ポリクロロトリフルオロエチレン等のフッ素樹脂、液晶ポリマー、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アイオノマー樹脂、シアネート樹脂、架橋フマル酸ジエステル、環状ポリオレフィン、芳香族エーテル、マレイミドーオレフィン、セルロース、エピスルフィド化合物等の合成樹脂からなる基板、既述の合成樹脂等と酸化珪素粒子との複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等と金属ナノ粒子、無機酸化物ナノ粒子もしくは無機窒化物ナノ粒子等との複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等とカーボン繊維もしくはカーボンナノチューブとの複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等とガラスフェレーク、ガラスファイバーもしくはガラスビーズとの複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等と粘土鉱物もしくは雲母派生結晶構造を有する粒子との複合プラスチック材料からなる基板、薄いガラスと既述のいずれかの合成樹脂との間に少なくとも1回の接合界面を有する積層プラスチック基板、無機層と有機層(既述の合成樹脂)を交互に積層することで、少なくとも1回以上の接合界面を有するバリア性能を有する複合材料からなる基板、ステンレス基板またはステンレスと異種金属とを積層した金属多層基板、アルミニウム基板または表面に酸化処理(例えば陽極酸化処理)を施すことで表面の絶縁性を向上させた酸化皮膜付きのアルミニウム基板等を用いることができる。
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。
μm以上であると、基板自体の平坦性がより向上する。基板の厚みが500μm以下であると、基板自体の可撓性がより向上し、フレキシブルデバイス用基板としての使用がより容易となる。なお、基板を構成する材料によって、十分な平坦性および可撓性を有する厚みは異なるため、基板材料に応じてその厚みを設定する必要があるが、概ねその範囲は50μm−500μmの範囲となる。
活性層12として、本発明の酸化物半導体薄膜(以下、酸化物半導体層12という。)を備える。すなわち、酸化物半導体層12は、In,Gaの組成比が3/4≦Ga/(In+Ga)≦9/10、かつ室温(20℃)での抵抗率が、1Ωcm以上、1×106Ωcm以下であるIGO膜である。
酸化物半導体層12の成膜は、既述の通りスパッタ等により行うことができる。
ソース電極13およびドレイン電極14はいずれも高い導電性を有するものであれば特に制限なく、例えばAl、Mo、Cr、Ta、Ti、Au、Ag等の金属、Al−Nd、Ag合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の金属酸化物導電膜等を、単層または2層以上の積層構造として用いることができる。
ゲート絶縁膜15としては、高い絶縁性を有するものが好ましく、例えばSiO2、SiNx、SiON、Al2O3、Y2O3、Ta2O5、HfO2等の絶縁膜、またはこれらの化合物を少なくとも2つ以上含む絶縁膜等から構成することができる。
ゲート電極16としては、高い導電性を有するものであれば特に制限なく、例えばAl、Mo、Cr、Ta、Ti、Au、Ag等の金属、Al−Nd、Ag合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の金属酸化物導電膜等を、単層または2層以上の積層構造として用いることができる。
図1(A)に示すトップゲート−トップコンタクト型の薄膜トランジスタ1の製造方法について簡単に説明する。
次いで酸化物半導体層12をパターンニングする。パターンニングはフォトリソグラフィーおよびエッチングにより行うことができる。具体的には、残存させる部分にフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、塩酸、硝酸、希硫酸、または燐酸、硝酸および酢酸の混合液等の酸溶液によりエッチングすることによりパターンを形成する。
なお、酸化物半導体層12上には、ソース、ドレイン電極エッチング時に酸化物半導体層を保護するための保護膜を形成しておいてもよい。保護膜は酸化物半導体層と連続で成膜してもよいし、酸化物半導体層のパターニング後に形成してもよい。
次いで金属膜をエッチングまたはリフトオフ法により所定の形状にパターンニングし、ソース電極13およびドレイン電極14を形成する。この際、ソース・ドレイン電極13、14およびこれらの電極(図示せず)に接続する配線を同時にパターンニングすることが好ましい。
ゲート電極パターンニング後に熱処理(ポストアニール処理)を施す。ポストアニール処理は酸化物半導体層12の成膜後であれば、特に手順は限定せず、酸化物半導体成膜直後に行ってもよいし、電極、絶縁膜の成膜、パターンニングが全て終わった後に行ってもよい。なお、このポストアニール工程は、既述の酸化物半導体膜の製造における熱処理工程に他ならない。
図2に、本発明の表示装置の一実施形態である液晶表示装置について、その一部分の概略断面図を示し、図3にその電気配線の概略構成図を示す。
図4に、本発明のセンサーの一実施形態であるX線センサーについて、その一部分の概略断面図を示し、図5にその電気配線の概略構成図を示す。
X線変換層72はアモルファスセレンからなる層であり、薄膜トランジスタ1およびキャパシタ70を覆うように設けられている。
上部電極73はX線変換層72上に設けられており、X線変換層72に接している。
In、Ga組成比の異なる酸化物半導体薄膜(IGO膜もしくはIGZO膜)のアニール温度と電気特性の関係について、以下のような試料を作製し、評価を行った。
図6および図7を参照して、電気抵抗測定用試料の作製方法について説明する。図6、7においてそれぞれ(A)は平面図であり、(B)は断面図である。
基板100として、合成石英ガラス基板(コバレントマテリアル社製、品番T-4040、1inch□×1mmt)を用い、この基板100上に酸化物半導体薄膜101を後記各実施例、比較例の条件でスパッタ成膜して作製した。成膜の際にメタルマスクを用い、1inch□基板100上に3mm×9mmのパターン状の酸化物半導体薄膜101を成膜した(図6参照)。
成膜はIn2O3ターゲット、Ga2O3ターゲット、ZnOターゲットを用いた共スパッタ(co-sputter)により行い、組成比の調整は各ターゲットに投入する電力比を変化させることで行った。IGO膜の成膜においては、ZnOターゲットに電力を投入せず、In2O3ターゲット、Ga2O3ターゲットにそれぞれ電力投入して行った。
得られた酸化物半導体薄膜101上に電極102をスパッタにより成膜した。電極102はTiとAuとの積層膜からなるものとした。酸化物半導体薄膜101上に、Tiを10nm成膜後、Auを40nm成膜して電極102とした。電極成膜においてもメタルマスクを用いてパターン成膜を行うことにより、4端子電極を形成した(図7参照)。
実施例1として、以下のスパッタ成膜条件で酸化物半導体薄膜としてIGO膜を成膜した。
カチオン組成比 In:Ga:Zn=0.2:1.8:0
膜厚 50nm
成膜室到達真空度 6×10-6Pa
成膜時圧力 4.4×10-1Pa
Ar流量 30sccm
O2流量 0sccm
実施例2における酸化物半導体薄膜の成膜条件は以下の通りである。
カチオン組成比 In:Ga:Zn=0.5:1.5:0
O2流量 0sccm
比較例1における酸化物半導体薄膜の成膜条件は以下の通りである。
カチオン組成比 In:Ga:Zn=1.0:1.0:0
O2流量 0.15sccm
比較例2における酸化物半導体薄膜の成膜条件は以下の通りである。
カチオン組成比 In:Ga:Zn=0.5:1.5:1.0
O2流量 0.05sccm
比較例3における酸化物半導体薄膜の成膜条件は以下の通りである。
カチオン組成比 In:Ga:Zn=0.75:1.25:0
O2流量 0.05sccm
上記5種の試料(実施例1、2、比較例1〜3)について、雰囲気を制御でき、且つ熱処理をしながら電気抵抗測定が可能な装置にセットし、昇温・降温過程での抵抗率の変化を測定した。チャンバー内の雰囲気はAr 160sccm、O2 40sccmとし、10℃/minで200℃まで昇温、200℃で10分保持後、炉冷で室温まで冷却を行った。
実施例1、2に関しては、昇温・降温過程後に膜の抵抗率は初期値近傍(熱処理工程前の抵抗率をρa、熱処理工程後の抵抗率をρbとしたとき、両抵抗率の関係が0.1ρa≦ρb≦10ρaである。)に戻ることが確認されたのに対して、比較例1、2、3については昇温過程時に急激な低抵抗化が起こり、その後、降温過程においても抵抗率は高くなることはなく、200℃での値を維持しながら戻ってくることが確認された。
本発明の組成範囲のIGO膜を用いたTFT(実施例TFT1,2)を作製し、その特性評価を行った。
実施例TFT1の簡易型TFTは次のようにして作製した(図9参照)。
100nmの熱酸化膜111を表面に備えたp型Si 1inch□基板110上に実施例2の成膜条件にてIGO膜112を50nm、3mm×4mmのパターン成膜を行った。続いて雰囲気を制御可能な電気炉にて、ポストアニール処理を施した。ポストアニール雰囲気はAr 160sccm、O2 40sccmとし、10℃/minで200℃まで昇温、200℃で10分保持後、炉冷で室温まで冷却を行った。
その後、IGZO膜112上にソース・ドレイン電極113をスパッタにより成膜した。ソース・ドレイン電極成膜はメタルマスクを用いたパターン成膜にて作製した。Tiを10nm成膜後、Auを40nm成膜したものをソース・ドレイン電極113とした。ソース・ドレイン電極サイズは各々1mm□とし、電極間距離は0.2mmとした。
IGZO膜を実施例1の成膜条件にて成膜した以外は実施例TFT1と同様にしてTFTを作製した。
なお、Vg-Id特性の測定は、ドレイン電圧(Vd)を5Vに固定し、ゲート電圧(Vg)を-15V〜+40Vの範囲内で変化させ、各ゲート電圧(Vg)におけるドレイン電流(Id)を測定することにより行った。
実施例TFT1は、Off電流は10-11Aオーダーであり、かつOn/Off比は〜106の値が得られ、ノーマリ・オフ型で駆動した。電界効果移動度は3.6cm2/Vsであり、低温形成でかつアモルファスシリコンに比べて十分高い移動度を有する良好なトランジスタ特性を示した。
なお、本実施例で作製したTFTにおいてIGO膜成膜時の酸素分圧を変化させることによって、任意に立ち上がりの位置を調整することが可能である。具体的には成膜時の酸素分圧を低くすることによって、立ち上がりの位置はマイナス方向にシフトし、Vg=0付近で立ち上がるTFTを得ることができる。
また、同様に実施例TFT2に関してもVg=0付近で急峻な立ち上がりを示すTFTが得られた。
Znを含む酸化物半導体膜(IGZO膜)において、Zn組成比が変化した際のTFT特性に与える影響を評価した。
試験例TFT-A、試験例TFT-Bとして、上記検証実験2と同様に簡易TFTを作製した。
酸化物半導体膜として、以下条件で膜を作製した以外は実施例TFT1と同様にして簡易TFTを作製した。
カチオン組成比 In:Ga:Zn=1.0:1.0:1.0
O2流量 0.15sccm
酸化物半導体膜として、以下条件で膜を作製した以外は実施例TFT1と同様にして簡易TFTを作製した。
カチオン組成比 In:Ga:Zn=1.0:1.0:1.3
O2流量 0.15sccm
なお、Vg-Id特性の測定は、ドレイン電圧(Vd)を5Vに固定し、ゲート電圧(Vg)を-15V〜+30Vの範囲内で変化させ、各ゲート電圧(Vg)におけるドレイン電流(Id)を測定することにより行った。
本発明のようにZnを含まないIGOからなる酸化物半導体膜であれば、Zn組成比の変動に伴う電気特性の変動がないため、均一な電気特性の膜の形成がZnを含む場合と比較して容易になることが明らかである。
11 基板
12 活性層(酸化物半導体薄膜)
13 ソース電極
14 ドレイン電極
15 ゲート絶縁膜
16 ゲート電極
Claims (12)
- In、GaおよびOを主たる構成元素とする酸化物半導体薄膜であって、In,Gaの組成比が3/4≦Ga/(In+Ga)≦9/10であり、かつ、抵抗率が1Ωcm以上、1×106Ωcm以下であることを特徴とする酸化物半導体薄膜。
- 非晶質であることを特徴とする請求項1記載の酸化物半導体薄膜。
- 基板上に、活性層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを有する薄膜トランジスタであって、
前記活性層が、請求項1または2記載の酸化物半導体薄膜からなるものであることを特徴とする薄膜トランジスタ。 - 前記基板が可撓性を有するものであることを特徴とする請求項3記載の薄膜トランジスタ。
- 請求項3または4記載の薄膜トランジスタを備えたことを特徴とする表示装置。
- 請求項3または4記載の薄膜トランジスタを備えたことを特徴とするイメージセンサー。
- 請求項3または4記載の薄膜トランジスタを備えたことを特徴とするX線センサー。
- In,Ga,Oを主たる構成元素とし、In,Gaの組成比が3/4≦Ga/(In+Ga)≦9/10である酸化物半導体薄膜をスパッタリング法により成膜する成膜工程と、
前記酸化物半導体薄膜に100℃以上、300℃以下の熱処理を施す熱処理工程とを含むことを特徴とする酸化物半導体薄膜の製造方法。 - 前記熱処理の温度が100℃以上、200℃以下であることを特徴とする請求項8記載の酸化物半導体薄膜の製造方法。
- 前記熱処理を酸化性雰囲気中で行うことを特徴とする請求項8または9記載の酸化物半導体薄膜の製造方法。
- 前記熱処理工程後の前記酸化物半導体薄膜の抵抗率が1Ωcm以上、1×106Ωcm以下となるように、前記成膜工程における成膜条件を設定することを特徴とする請求項8から10いずれか1項記載の酸化物半導体薄膜の製造方法。
- 前記熱処理工程前の前記酸化物半導体薄膜の抵抗率が、該熱処理工程後の抵抗率と同等であることを特徴とする請求項11記載の酸化物半導体薄膜の製造方法。
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