JP5743064B2 - 薄膜トランジスタおよびその製造方法、並びに表示装置 - Google Patents
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Description
本発明は、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；Thin Film Transistor）およびその製造方法、並びにこの薄膜トランジスタを備えた表示装置に関する。
亜鉛(Ｚｎ)，インジウム（Ｉｎ），ガリウム（Ｇａ），スズ（Ｓｎ），アルミニウム（Ａｌ）またはチタン（Ｔｉ）の酸化物あるいはこれらの混合物の酸化物で構成された酸化物半導体は、優れた半導体特性を示すことが知られている。そのため近年ではアクティブマトリクス型ディスプレイの駆動素子として、ＴＦＴへの応用が盛んに研究されている。このような酸化物半導体をＴＦＴに用いた場合、液晶ディスプレイなどに一般的に使用される非晶質（アモルファス）シリコンを用いたＴＦＴと比較して、電子移動度は１０倍以上となり、更に、良好なオフ特性をも示すことがわかっている。また、室温付近程度の低温でも高い移動度が期待でき、酸化物半導体を用いたＴＦＴは、大画面、高精細および高フレームレートの液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ向けの応用が渇望されている。
酸化物半導体を用いたＴＦＴでは、ボトムゲート型およびトップゲート型の構造を有するＴＦＴがこれまでに報告されている（例えば、特許文献１，特許文献２，非特許文献１および非特許文献２）。ボトムゲート型の構造の一例としては、基板側より順にゲート電極およびゲート絶縁膜を設け、その上面を被覆するように酸化物半導体の薄膜層を形成した構造が知られている。この構造は、現在事業化されている非晶質シリコンをチャネルとして用いたボトムゲート型のＴＦＴ構造と類似している。このため、既存の非晶質シリコンによるＴＦＴの製造プロセスを転用し易く、酸化物半導体を利用したＴＦＴにおいても、ボトムゲート型の構造が多く用いられている。
Cetin Kilic、他１名，"n-type doping of oxides by hydrogen"，Applied Physics Letters，２００２年７月１日，vol.８１，No１，p７３−７５
Hsing-Hung Hsieh，他１１名，"A 2.4-in. AMOLED with IGZO TFTs and Inverted OLED Devices" ，SID2010 ，２０１０年，１１．２，p１４０−１４３
しかしながら、このような酸化物半導体を用いたＴＦＴでは、チャネルとしての機能を有する酸化物半導体を島状に成形する際にフォトレジストが付着することにより、ＴＦＴ特性の劣化が生じる虞がある。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、酸化物半導体をチャネル層に用い、良好なＴＦＴ特性を得ることの可能な薄膜トランジスタおよびその製造方法、並びにこの薄膜トランジスタを備えた表示装置を提供することにある。
本発明による第１の薄膜トランジスタの製造方法は、ゲート電極上にゲート絶縁膜を間にして酸化物半導体からなるチャネル層およびチャネル層を覆うと共に導電性材料から
なるチャネル保護膜を形成した後、チャネル保護膜に接するよう一対のソース・ドレイン電極を形成する工程と、チャネル保護膜のソース・ドレイン電極間の領域を導電性材料と結晶酸化物半導体との選択性を利用したエッチングにより除去する工程とを含み、チャネル層を、ゲート絶縁膜上に結晶酸化物半導体膜を成膜して形成するものである。
なるチャネル保護膜を形成した後、チャネル保護膜に接するよう一対のソース・ドレイン電極を形成する工程と、チャネル保護膜のソース・ドレイン電極間の領域を導電性材料と結晶酸化物半導体との選択性を利用したエッチングにより除去する工程とを含み、チャネル層を、ゲート絶縁膜上に結晶酸化物半導体膜を成膜して形成するものである。
本発明による第２の薄膜トランジスタの製造方法は、酸化物半導体からなるチャネル層およびチャネル層を覆うと共に導電性材料からなるチャネル保護膜を形成する工程と、チャネル保護膜を導電性材料と結晶酸化物半導体との選択性を利用したエッチングにより除去する工程と、ゲート絶縁膜を間にして前記チャネル層上にゲート電極およびチャネル層に接する一対のソース・ドレイン電極を形成する工程とを含み、チャネル層を、結晶酸化物半導体膜を成膜して形成するものである。
本発明の薄膜トランジスタの製造方法では、酸化物半導体を成形して、即ち、フォトリソグラフィーおよびエッチング工程によりチャネル層を形成する際に、酸化物半導体膜が導電性膜（即ちチャネル保護膜）に覆われているため、フォトレジストによる化学物質の付着等からチャネル層（酸化物半導体膜）が保護される。更に、チャネル層が結晶酸化物半導体からなるため、チャネル保護膜をエッチングする工程において、チャネル層とチャネル保護膜との間の選択的なエッチングが容易となる。
本発明による薄膜トランジスタは、ゲート電極と、ゲート電極上にゲート絶縁膜を介して設けられた、結晶酸化物半導体よりなるチャネル層と、導電性膜により構成され、チャネル層に接すると共に互いに電気的に分離された一対のチャネル保護膜と、それぞれチャネル保護膜を介してチャネル層に電気的に接続された一対のソース・ドレイン電極とを備えたものである。
また、本発明による表示装置は、画素トランジスタとして、上記本発明の薄膜トランジスタを備えたものであり、当該薄膜トランジスタによって画素が駆動され、画像表示がなされる。
本発明の薄膜トランジスタおよびその製造方法、並びにこの薄膜トランジスタを備えた表示装置によれば、酸化物半導体を成形してチャネル層を形成する際に、酸化物半導体膜が導電性膜（チャネル保護膜）に覆うようにしたため、チャネル層（酸化物半導体膜）の成形工程において当該チャネル層がフォトレジストにより化学汚染等から保護され、薄膜トランジスタの伝達特性の劣化が抑制される。よって、良好なＴＦＴ特性を有し、信頼性の向上した薄膜トランジスタを製造することが可能となる。更に、チャネル層を結晶酸化物半導体により形成するようにしたため、チャネル層とチャネル保護膜との間の選択的なエッチングを容易に行うことができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（ボトムゲート型薄膜トランジスタの例）
２．変形例（ボトムゲート型薄膜トランジスタ；チャネル保護膜がソース・ドレイン電極の一層を構成する例）
３．第２の実施の形態（トップゲート型薄膜トランジスタの例）
１．第１の実施の形態（ボトムゲート型薄膜トランジスタの例）
２．変形例（ボトムゲート型薄膜トランジスタ；チャネル保護膜がソース・ドレイン電極の一層を構成する例）
３．第２の実施の形態（トップゲート型薄膜トランジスタの例）
〔第１の実施の形態〕
図１は本発明の第１の実施の形態に係るボトムゲート型（逆スタガ型）の薄膜トランジ
スタ１の断面構成を表すものである。薄膜トランジスタ１は、液晶ディスプレイや有機Ｅ
Ｌディスプレイなどの駆動素子として用いられるものである。この薄膜トランジスタ１は、
例えば、基板１０上にゲート電極１１，ゲート絶縁膜１２，結晶酸化物半導体からなる
チャネル層１３がこの順に積層されたものであり、チャネル層１３上にはチャネル保護膜
１４Ａ，１４Ｂが設けられている。ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂはそれぞれチャ
ネル保護膜１４Ａ，１４Ｂを介してチャネル層１３に接続されている。ソース・ドレイン
電極１５Ａ，１５Ｂ上には基板１０の全面にわたって保護膜１６が形成されている。
図１は本発明の第１の実施の形態に係るボトムゲート型（逆スタガ型）の薄膜トランジ
スタ１の断面構成を表すものである。薄膜トランジスタ１は、液晶ディスプレイや有機Ｅ
Ｌディスプレイなどの駆動素子として用いられるものである。この薄膜トランジスタ１は、
例えば、基板１０上にゲート電極１１，ゲート絶縁膜１２，結晶酸化物半導体からなる
チャネル層１３がこの順に積層されたものであり、チャネル層１３上にはチャネル保護膜
１４Ａ，１４Ｂが設けられている。ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂはそれぞれチャ
ネル保護膜１４Ａ，１４Ｂを介してチャネル層１３に接続されている。ソース・ドレイン
電極１５Ａ，１５Ｂ上には基板１０の全面にわたって保護膜１６が形成されている。
基板１０は、ガラス基板やプラスチックフィルムなどにより構成されている。プラスチック材料としては、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）などが挙げられる。本実施の形態の薄膜トランジスタ１では、後述のスパッタリング法において、基板１０を加熱することなくチャネル層１３を成膜するため、安価なプラスチックフィルムを用いることができる。
ゲート電極１１は、薄膜トランジスタ１にゲート電圧を印加し、このゲート電圧によりチャネル層１３中のキャリア密度を制御する役割を有するものである。ゲート電極１１は基板１０上の選択的な領域に設けられ、例えば厚みが１０ｎｍ〜５００ｎｍであり、白金（Ｐｔ），チタン（Ｔｉ），ルテニウム（Ｒｕ），モリブデン（Ｍｏ），銅（Ｃｕ），タングステン（Ｗ），ニッケル（Ｎｉ），アルミニウム（Ａｌ）およびタンタル（Ｔａ）等の金属単体または合金により構成されている。
ゲート絶縁膜１２は、例えば、厚みが５０ｎｍ〜１μｍであり、シリコン酸化膜，シリコン窒化膜，シリコン酸窒化膜，ハフニウム酸化膜，アルミニウム酸化膜，タンタル酸化膜，ジルコニウム酸化膜，ハフニウム酸窒化膜，アルミニウム酸窒化膜，タンタル酸窒化膜およびジルコニウム酸窒化膜のうちの少なくとも１つを含む絶縁膜により形成される。このゲート絶縁膜１２は単層構造としてもよく、または２種類以上の積層構造としてしてもよい。ゲート絶縁膜１２を２種類以上の積層構造とした場合、チャネル層１３との界面特性を改善したり、外気からチャネル層１３への不純物の混入を抑制したりすることが可能である。
結晶酸化物半導体からなるチャネル層１３はゲート絶縁膜１２上に島状に設けられ、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂ間のゲート電極１１に対向する位置にチャネル領域１３Ｃが形成されるようになっている。このチャネル層１３は、後述のように酸化物半導体膜１３Ａ（図２（Ｃ））を成形したものであり、例えばインジウム，ガリウム，亜鉛，スズ，アルミニウムおよびチタンのうちの少なくとも１種の元素の酸化物を主成分として含んでいる。例えば、ＩＧＯ（Indium-Gallium-Oxide），ＩＺＯ（Indium-Zinc-Oxide），ＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide）あるいはＺｎＯ（Zinc-Oxide）等により構成され、例えば２０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の膜厚を有している。
チャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂはそれぞれ、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂとチャネル層１３との間に配置されている。これらチャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂは導電性膜１４（図２（Ｃ））を成形したものである。また、チャネル領域１３Ｃ上のチャネル保護膜１４Ａとチャネル保護膜１４Ｂとの間には間隙１４Ｃが設けられており、両者は電気的に分離されている。即ち、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂはそれぞれチャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂを介してチャネル層１３に電気的に接続されている。
チャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂは例えばモリブデン，チタン，マンガン（Ｍｎ），銅またはこれらの酸化物，窒化物あるいは酸窒化物からなる導電性の材料により構成されることが望ましい。モリブデン，チタン，マンガンおよび銅は、チャネル層１３と良好な密着性を示す。これにより、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂと、チャネル層１３との間のコンタクト抵抗を低減することができ、また、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂに用いる金属材料の選択の幅を広げることが可能となる。
チャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂに非晶質の酸化物半導体材料を用いても、結晶酸化物半導体からなるチャネル層１３とは選択的なエッチングが可能である。このようなチャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂは例えば同程度、すなわち２０ｎｍ〜１００ｎｍ程度あるいはそれ以上の厚みを有する。
ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂは、例えばモリブデン，アルミニウム，銅，チタン，ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）またはこれらの合金からなる金属膜の単層膜あるいは２種以上のこれらの金属膜よりなる積層膜である。例えば、モリブデン、アルミニウム、モリブデンの順に５０ｎｍ、１μｍ、５０ｎｍの膜厚で積層した３層膜にすると、チャネル層１３の電気特性を安定して保持することができる。
保護膜１６は、例えば酸化アルミニウム膜，酸化窒化アルミニウム膜，シリコン酸化膜，シリコン窒化膜，酸化チタン膜または酸化窒化チタン膜などからなる薄膜により構成され、水分の吸着および酸素の透過などによるチャネル層１３の電気特性の変化を抑え、薄膜トランジスタ１の電気特性を安定化する機能を有する。
この薄膜トランジスタ１は、例えば次のようにして製造することができる。
図２および図３は、薄膜トランジスタ１の製造方法を工程順に表したものである。まず、基板１０の全面に例えばスパッタリング法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学気相成長）法を用いて、ゲート電極１１となる金属膜を形成する。次いで、図２（Ａ）に示したように、基板１０に形成した金属膜を、例えばフォトリソグラフィーおよびエッチング法を用いてパターニングすることにより、ゲート電極１１を形成する。
続いて、図２（Ｂ）に示したように、基板１０およびゲート電極１１の全面に、例えばプラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法により、例えばシリコン窒化膜およびシリコン酸化膜よりなるゲート絶縁膜１２を形成する。
具体的には、原料ガスとしてシラン，アンモニア，窒素などのガスを用いたプラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜を形成し、原料ガスとしてシラン，一酸化二窒素を含むガスなどを用いたプラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を形成する。
ゲート絶縁膜１２を形成した後、このゲート絶縁膜１２上に、図２（Ｃ）に示したように、チャネル層１３（図１）を構成する材料よりなる酸化物半導体膜１３Ａ、およびチャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂ（図１）を構成する材料よりなる導電性膜１４を、この順に成膜する。
例えば酸化物半導体膜１３Ａが、酸化インジウムを主として亜鉛やガリウムを含んだ半導体材料により構成される場合には次のようにして成膜を行う。即ち、酸化インジウムと酸化亜鉛や酸化ガリウムのセラミックをターゲットとしたＤＣ（Direct Current;直流）スパッタリング法，ＲＦ（Radio Frequency；高周波）スパッタリング法またはＡＣ（Alternating Current；交流）スパッタリング法を用いると共に、アルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ2）との混合ガスによるプラズマ放電によって、基板１０およびゲート絶縁膜１２上に酸化物半導体膜１３Ａを形成する。なお、アルゴンおよび酸素ガスの導入は、プラズマ放電前に、真空容器内を真空度が１×１０-4Ｐａ以下になるまで排気した後に行う。このとき、ＤＣ，ＲＦまたはＡＣのパワー，アルゴンに対する酸素濃度または水蒸気濃度およびスパッタ背圧のいずれかのうち少なくとも一つを変化させることで、酸化物半導体材料中の金属元素の組成比率や結晶性を制御することが可能となる。
次いで、例えばモリブデンからなる導電性膜１４をスパッタリング法により形成する。このように導電性膜１４は、酸化物半導体膜１３Ａと同様の方法により容易に形成することができる。
次いで、導電性膜１４および酸化物半導体膜１３Ａを、例えばフォトリソグラフィーおよびエッチングの工程を経て、図３（Ａ）に示したようにゲート電極１１およびその近傍に対向する領域を含むよう島状に成形する。結晶酸化物半導体により酸化物半導体膜１３Ａを成膜した場合は、これによりチャネル保護膜１４Ｄに覆われたチャネル層１３が形成される。本実施の形態では、導電性膜１４および酸化物半導体膜１３Ａを同時に成形するため、チャネル層１３およびチャネル保護膜１４Ｄは、厚み以外が同一形状、つまり同一位置に端部が形成される。このとき導電性膜１４（チャネル保護膜１４Ｄ）に覆われているため、酸化物半導体膜１３Ａ（チャネル層１３）はフォトレジストによる化学物質の付着等から保護される。
図２（Ｃ）に示した結晶状態の酸化物半導体膜１３Ａに代えて、図４（Ａ）に示したように非晶質状態の酸化物半導体膜１３Ｂを成膜してもよい。非晶質状態の酸化物半導体膜１３Ｂは結晶状態の酸化物半導体１３Ａと比較すると、エッチング耐性が低いため、導電性膜１４および酸化物半導体膜１３Ｂを成形する際（図４（Ｂ））のエッチング方法の選択が容易となる。導電性膜１４および酸化物半導体膜１３Ｂを成形して、チャネル保護膜１４Ｄおよび酸化物半導体膜１３Ｃとした後、例えば、レーザ光Ｌの照射，ヒーター等による加熱あるいは雰囲気ガスによる加熱等の熱処理により非晶質状態の酸化物半導体から結晶状態の酸化物半導体への変換、即ち相転移を行う（図４（Ｃ））。非晶質酸化物半導体から結晶酸化物半導体への変換は、後述の金属膜１５Ｃの成膜（図３（Ｂ））前に行うことが好ましい。相転移させるための熱処理による金属膜１５Ｃの劣化を防ぐことができるためである。非晶質酸化物半導体から結晶酸化物半導体への相転移によりチャネル層１３が形成される（図３（Ａ））。一方、結晶状態の酸化物半導体膜１３Ａを成膜した場合は、このような相転移の工程が不要であり、工程数の削減を図ることができる。
続いて、図３（Ｂ）に示したように、例えばスパッタリング法により厚み５０ｎｍ程度のチタン層、厚み１μｍ程度のアルミニウム層または銅層および厚み５０ｎｍ程度のチタン層を順に形成し、３層の積層構造の金属膜１５Ｃを成膜する。チタンは、酸化物半導体材料との間にチタン酸化物（ＴｉＯX）層が生成するため、酸化物半導体材料からなるチャネル層に接して形成することが困難であり、アルミニウムや銅についてもチャネル層への拡散やエッチング選択性の問題を抱えている。チャネル保護膜１４Ｄにより、このような問題が解消されるため、ソース・ドレイン電極に使用可能な金属材料の選択が容易となる。金属膜１５Ｃを形成後、酸化物半導体膜の非晶質状態から結晶状態への相転移を行うことも可能である。
金属膜１５Ｃを成膜した後、図３（Ｃ）に示したように例えばＰＡＮ（Phosphoric-Acetic-Nitric-acid；りん酸，酢酸，硝酸および水を有する混合溶液）系の薬液を用いたウェットエッチングにより、金属膜１５Ｃをパターニングして一対のソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂを形成する。ウェットエッチングに用いる薬液は、例えばチャネル層１３が、耐フッ酸性または耐塩酸性の材料からなるときはフッ酸または塩酸でもよい。
ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂの形成と同時に、または、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂの形成時に使用したフォトレジストをエッチングマスクとして別工程により、チャネル保護膜１４Ｄに図１に示した間隙１４Ｃを設ける。チャネル保護膜１４Ｄを通じて、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂが電気的に接続されることを防止するためである。この工程により、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂとチャネル層１３との間にチャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂがそれぞれ形成される。上記のような方法により間隙１４Ｃを形成することで、チャネル保護膜１４Ａとチャネル保護膜１４Ｂとの対向面と、一対のソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂの対向面との位置が一致する。すなわち、それぞれの対向面が同一面を構成する。
薄膜トランジスタ１では、エッチング耐性の高い結晶酸化物半導体によりチャネル層１３を形成するようにしたため、このチャネル保護膜１４Ｄに間隙１４Ｃを設ける工程において、非晶質酸化物半導体膜よりなるチャネル層の場合と比較してエッチング方法の選択の幅が広くなり、容易にチャネル層とチャネル保護膜との間の選択的なエッチングを行うことができる。
チャネル保護膜１４Ｄが例えばモリブデンからなる場合、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂの形成後に酸化処理を行うと、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂの間のチャネル保護膜１４Ｄがモリブデン酸化物となる。これに常温の水あるいは温水での洗浄を行うか、あるいは有機アミン系の薬液を用いることで、間隙１４Ｃ，チャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂが形成される。また、例えばチャネル層１３が、耐ＰＡＮ性，耐フッ酸性または耐塩酸性の酸化物半導体材料からなる場合には、チャネル保護膜１４ＤにＰＡＮ，フッ酸または塩酸に可溶な材料を用い、ＰＡＮ，フッ酸または塩酸を用いたウェットエッチングにより間隙１４Ｃ，チャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂを形成することができる。例えば、ＰＡＮに可溶なチャネル保護膜１４Ｄの材料としては、モリブデン，アルミニウム，銅、フッ酸に可溶なチャネル保護膜１４Ｄの材料としては、チタン，アルミニウム、塩酸に可溶なチャネル保護膜１４Ｄの材料としては、ＩＴＯが挙げられる。チャネル保護膜１４Ｄが酸化物半導体材料からなる場合についても同様に間隙１４Ｃ，チャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂを形成することができる。ウェットエッチングは、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂの形成と同時に行ってもよく、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂの形成後にソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂの形成時に使用したフォトレジストをエッチングマスクとして行ってもよい。いずれの工程を経ても、チャネル保護膜１４Ｄ（導電性膜１４）を積層させたことで、リソグラフィー工程が追加されることはない。
このように本実施の形態では、酸化物半導体膜１３Ａ，１３Ｂ上に導電性膜１４を形成することにより、チャネル層１３を化学物質の付着等から保護することができる。更に、チャネル層１３を結晶酸化物半導体により形成するようにしたため、チャネル保護膜１４Ｄをソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂ間において電気的に分離する際、チャネル層１３とチャネル保護膜１４Ｄとの間の選択的なエッチングを容易に行うことができる。
また、非晶質酸化物半導体の酸化物半導体膜１３Ｂを形成し、後の工程において非晶質酸化物半導体から結晶酸化物半導体への変換を行う場合、結晶酸化物半導体の酸化物半導体膜１３Ａを形成した場合と比較して酸化物半導体膜１３Ｂおよび導電性膜１４のエッチングが容易となる。
更に、チャネル保護膜１４Ｄには、新たなリソグラフィー工程を追加することなく間隙１４Ｃを設けることができる。加えて、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂの形成と同時に間隙１４Ｃを設ける場合には、エッチング工程も追加することなく薄膜トランジスタ１を作製することが可能である。即ち、成膜方法が容易、かつ特別なパターニングも不要の簡便な方法により伝達特性の劣化を防ぐことができる。
ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂを形成した後は、例えばプラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法により、上述した材料よりなる保護膜１６を形成する。以上により図１に示した薄膜トランジスタ１が完成する。
この薄膜トランジスタ１では、図示しない配線層を通じてゲート電極１１に閾値以上の電圧（ゲート電圧）が印加されると、チャネル層１３のチャネル領域１３Ｃ中に電流（ドレイン電流）が生じる。本実施の形態では、酸化物半導体膜１３Ａ（チャネル層１３）が、チャネル保護膜１４Ｄ（導電性膜１４）により覆われているため、薄膜トランジスタの伝達特性の劣化が抑制され、かつチャネル層１３が結晶酸化物半導体よりなるため、チャネル保護膜１４Ｄに間隙１４Ｃを設ける工程において、容易にチャネル層とチャネル保護膜との間の選択的なエッチングを行うことができる。
ここで、比較例を用いて薄膜トランジスタの伝達特性の劣化がチャネル保護膜により抑制されることを示す。図５（Ａ）は、比較例１に係るバックチャネルエッチ構造の薄膜トランジスタ１０１の断面構造を表したものである。また、図５（Ｂ）は、比較例２に係るエッチストッパー構造の薄膜トランジスタ１０２の断面構造を表したものである。
比較例１の薄膜トランジスタ１０１は、基板１０上にゲート電極１１，ゲート絶縁膜１２，チャネル層１３，ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂが積層された構造を有する。本実施の形態の薄膜トランジスタ１と比較すると、チャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂが設けられていない点において異なる。薄膜トランジスタ１０１では、酸化物半導体膜を島状に成形してチャネル層１３を形成する際にフォトレジストが付着することにより、ＴＦＴ特性の劣化が生じる虞があることが報告されている。
一方、比較例２の薄膜トランジスタ１０２は、薄膜トランジスタ１０１のチャネル層１３上にエッチストッパー層１０４が設けられたものである。このエッチストッパー層１０４により、チャネル層１３を形成する際の特性劣化を抑制することができる。しかし、薄膜トランジスタ１０２は、エッチストッパー層２２を形成するために成膜，フォトリソグラフィーおよびエッチングの工程を行うため薄膜トランジスタ１０１と比較すると工程数が増加してしまう。
図６（Ａ）は、実施例として実際に上述した製造方法によりチャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂを有する薄膜トランジスタ１を作製し、薄膜トランジスタの伝達特性を調べた結果を表したものである。その際、チャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂとしては厚み５０ｎｍのモリブデンからなる膜を用いた。なお、厚み１０ｎｍのモリブデンの場合も同様の結果が得られることを確認している。
一方、比較例１，２に係る薄膜トランジスタ１０１，１０２の伝達特性を調べた結果を図６（Ｂ）および図６（Ｃ）に示した。
図７（Ａ），図７（Ｂ）および図７（Ｃ）には、それぞれ図６（Ａ），図６（Ｂ）および図６（Ｃ）の一部を拡大したものを示した。また、図８に実施例，比較例１および比較例２のＴＦＴの特性パラメータを示した。図８においてＵｆｅは移動度、Ｉｏｎはオン出力電流、Ｖｔｈはしきい値電圧、Ｓ値はサブスレッショルド係数を表す。
図７（Ａ），図７（Ｂ）および図７（Ｃ）からわかるように、比較例１では、実施例や比較例２と比べ基板内で伝達特性のばらつきが見られるのに対し、実施例では比較例２と同程度の伝達特性が保持されている。
図８において、移動度を表すＵｆｅ（ｃｍ2／Ｖｓ）に着目すると、比較例１は、比較例２に対して、Ｕｆｅの値が大きく下がる。一方、実施例は、比較例２と同程度に保たれ、更に、標準偏差σは、比較例２よりも小さい、すなわち基板面内ばらつきが小さいことがわかる。従って、これらの結果から薄膜トランジスタ１では、リソグラフィー工程を増やすことなく簡便な方法により、ＴＦＴ特性（電界効果移動度とその基板面内ばらつき）の劣化を抑制することができることがわかった。
また、エッチストッパー構造の薄膜トランジスタ１０２は、エッチストッパー層１０４の大きさによりトランジスタサイズが決定するため、トランジスタサイズを小さくすることが困難であった。それに対し、薄膜トランジスタ１では、容易にトランジスタサイズを小さくすることができ、寄生容量を低減することも可能となる。
このように本実施の形態では、酸化物半導体膜１３Ａ，１３Ｂを成形してチャネル層１３を形成する際に、酸化物半導体膜１３Ａ，１３Ｂを導電性膜１４（チャネル保護膜１４Ｄ）で覆うことにより、チャネル層１３（酸化物半導体膜１３Ａ，１３Ｂ）にフォトレジストによる化学物質が付着等することがなくなる。従って、得られた薄膜トランジスタ１では、伝達特性の劣化が抑制され、均一・良好なＴＦＴ特性を有するものとなり、信頼性が向上する。
更に、本実施の形態では、チャネル層を結晶酸化物半導体により形成するようにしたため、チャネル層とチャネル保護膜との間の選択的なエッチングを容易に行うことができる。
（変形例）
図９は、本発明の変形例に係る薄膜トランジスタ１Ａの断面構成を表したものである。この薄膜トランジスタ１Ａは、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂが積層構造を有するものであり、チャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂが、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂの積層構造のうちの最もチャネル層１３に近い一層を構成している。チャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂ上には、金属膜１７および金属膜１８が積層されている。すなわち、ソース・ドレイン電極１５Ａは、チャネル保護膜１４Ａ，金属膜１７および金属膜１８の３層構造、ソース・ドレイン電極１５Ｂは、チャネル保護膜１４Ｂ，金属膜１７および金属膜１８の３層構造によりそれぞれ構成されている。
図９は、本発明の変形例に係る薄膜トランジスタ１Ａの断面構成を表したものである。この薄膜トランジスタ１Ａは、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂが積層構造を有するものであり、チャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂが、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂの積層構造のうちの最もチャネル層１３に近い一層を構成している。チャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂ上には、金属膜１７および金属膜１８が積層されている。すなわち、ソース・ドレイン電極１５Ａは、チャネル保護膜１４Ａ，金属膜１７および金属膜１８の３層構造、ソース・ドレイン電極１５Ｂは、チャネル保護膜１４Ｂ，金属膜１７および金属膜１８の３層構造によりそれぞれ構成されている。
ボトムゲート型の薄膜トランジスタでは、ソース・ドレイン電極を積層構造により構成することが一般的である。図１０に積層構造のソース・ドレイン電極を有する一般的な薄膜トランジスタ１０３の断面構造を示す。最も半導体層２３に近い金属膜１９は、半導体層２３へ金属が拡散することを抑制し、または、半導体層２３との電気的接合を安定化させる。また、最も半導体層２３に遠い金属膜１８は、金属膜１９と金属膜１８との間の金属膜１７の熱のマイグレーションを抑制し、または、接合する導電体層との電気的接合を安定化させる。このような積層構造の組み合わせとして、例えば、モリブデン，アルミニウムおよびモリブデンの組み合わせや、チタン，アルミニウムおよびチタンの組み合わせが用いられる。
薄膜トランジスタ１Ａでは、チャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂがソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂの一層を構成することにより、リソグラフィー工程やエッチング工程だけでなく成膜工程をも追加せずに良好な伝達特性の薄膜トランジスタを製造することが可能になる。その点を除き、薄膜トランジスタ１Ａは上記第１の実施の形態の薄膜トランジスタ１と同様の構成を有し、その作用および効果も同様である。
薄膜トランジスタ１Ａは、例えば、次のようにして製造することができる。まず、上記第１の実施の形態と同様にして、図２（Ａ）ないし図３（Ａ）に示した工程により、基板１０に、ゲート電極１１，ゲート絶縁膜１２，チャネル層１３およびチャネル保護膜１４Ｄを形成する。例えばチャネル保護膜１４Ｄはモリブデンにより構成する。次いで、チャネル保護膜１４Ｄの上層に例えば、アルミニウム層およびモリブデン層を成膜した後、チャネル保護膜１４Ｄ，アルミニウム層およびモリブデン層のエッチングを同時に行う。これにより、モリブデンからなるチャネル保護膜１４Ａ，１４Ｂ、アルミニウムからなる金属膜１７およびモリブデンからなる金属膜１８によって構成されるソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂが形成される。最後に第１の実施の形態と同様にして、保護膜１６を設け、薄膜トランジスタ１Ａが完成する。
薄膜トランジスタ１Ａでは、酸化物半導体膜１３Ａ上に導電性膜１４を積層しているが、後工程で導電性膜１４はソース・ドレイン電極１５を構成する１層となるため、成膜回数を増やすことなく製造することができる。また、一般的に酸化物半導体膜，ソース電極およびドレイン電極はスパッタリング法で成膜するため、薄膜トランジスタ１Ａでは、酸化物半導体膜１３Ａおよび導電性膜１４は連続スパッタで成膜することが可能である。
〔第２の実施の形態〕
図１１および図１２は、本発明の第２の実施の形態に係るトップゲート型（スタガ型）の薄膜トランジスタ２の製造方法を表したものである。薄膜トランジスタ２では、バッファ層２０を有する基板１０上にゲート電極１１に対向してチャネル領域１３Ｃを有するチャネル層１３，ゲート絶縁膜１２，ゲート電極１１，層間絶縁膜２１およびソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂがこの順に積層されている。なお、この薄膜トランジスタ２では、上記第１の実施の形態と各構成要素同士の配置関係は異なるものの、それぞれの機能および構成材料は同様であるため、便宜上同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
図１１および図１２は、本発明の第２の実施の形態に係るトップゲート型（スタガ型）の薄膜トランジスタ２の製造方法を表したものである。薄膜トランジスタ２では、バッファ層２０を有する基板１０上にゲート電極１１に対向してチャネル領域１３Ｃを有するチャネル層１３，ゲート絶縁膜１２，ゲート電極１１，層間絶縁膜２１およびソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂがこの順に積層されている。なお、この薄膜トランジスタ２では、上記第１の実施の形態と各構成要素同士の配置関係は異なるものの、それぞれの機能および構成材料は同様であるため、便宜上同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
次に、この薄膜トランジスタ２の製造方法を図１１および図１２により説明する。
図１１（Ａ）に示したように、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などから構成されるバッファ層２０を有する基板１０上に、チャネル層１３を構成する材料からなる酸化物半導体膜１３Ａおよび導電性の材料からなる導電性膜１４をこの順に形成する。
次いで、導電性膜１４および酸化物半導体膜１３Ａを例えばフォトリソグラフィーおよびエッチングの工程により図１１（Ｂ）に示したように、島状に成形する。これによりチャネル保護膜１４Ｄに覆われたチャネル層１３が形成される。図４において説明したのと同様に酸化物半導体膜１３Ａに代えて、非晶質の酸化物半導体膜１３Ｂを成膜してもよい（図示せず）。この導電性膜１４および酸化物半導体膜１３Ｂのエッチング後、かつ後述のチャネル保護膜１４Ｄの除去（図１１（Ｃ））前に、非晶質酸化物半導体から結晶酸化物半導体への変換を行い、チャネル層１３を形成することが好ましい。
チャネル層１３を形成した後、図１１（Ｃ）に示したようにチャネル保護膜１４Ｄはエッチングにより除去しておく。
チャネル保護膜１４Ｄを除去した後、基板１０およびチャネル層１３の全面に、例えばプラズマＣＶＤ法によりゲート絶縁材料膜およびゲート電極材料膜を例えばスパッタリング法により形成し、例えばフォトリソグラフィーおよびエッチングによりゲート電極材料膜を成形してチャネル層１３のチャネル領域１３Ｃ上にゲート電極１１を形成する。引き続き、ゲート電極１１をマスクとしてゲート絶縁材料膜をエッチングすることによりゲート絶縁膜１２を形成する。これにより図１２（Ａ）に示したように、チャネル層１３のチャネル領域１３Ｃ上に、ゲート絶縁膜１２およびゲート電極１１がこの順に形成される。なお、ゲート絶縁膜１２およびゲート電極１１は厚み以外が同一形状で形成される。
続いて、基板１０，ゲート電極１１およびチャネル層１３上の全面にわたって例えば、ポリイミドなどの有機絶縁膜，シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜からなる層間絶縁膜２１を形成し、図１２（Ｂ）に示したように層間絶縁膜２１に接続孔を設ける。層間絶縁膜２１に代えて、保護膜１６を用いてもよく、また、層間絶縁膜２１の上層または下層に保護膜１６を設けてもよい。
層間絶縁膜２１に接続孔を設けた後、上記第１の実施の形態と同様にしてソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂおよび保護膜１６を形成する。層間絶縁膜２１に代えて、保護膜１６を用いた場合には、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂ上の保護膜１６を省略することも可能である。以上により図１２（Ｃ）に示したトップゲート型の薄膜トランジスタ２が完成する。
この薄膜トランジスタ２の作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。
＜適用例１＞
図１３は、薄膜トランジスタ１，１Ａおよび薄膜トランジスタ２のいずれかを駆動素子として備えた表示装置の回路構成を表すものである。表示装置９０は、例えば液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどであり、駆動パネル９１上に、マトリクス状に配設された複数の画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂと、これらの画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを駆動するための各種駆動回路とが形成されたものである。画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂはそれぞれ、赤色（Ｒ：Red ），緑色（Ｇ：Green ）および青色（Ｂ：Blue）の色光を発する液晶表示素子や有機ＥＬ素子などである。これら３つの画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを一つのピクセルとして、複数のピクセルにより表示領域１１０が構成されている。駆動パネル９１上には、駆動回路として、例えば映像表示用のドライバである信号線駆動回路１２０および走査線駆動回路１３０と、画素駆動回路１５０とが配設されている。この駆動パネル９１には、図示しない封止パネルが貼り合わせられ、この封止パネルにより画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂおよび上記駆動回路が封止されている。
図１３は、薄膜トランジスタ１，１Ａおよび薄膜トランジスタ２のいずれかを駆動素子として備えた表示装置の回路構成を表すものである。表示装置９０は、例えば液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどであり、駆動パネル９１上に、マトリクス状に配設された複数の画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂと、これらの画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを駆動するための各種駆動回路とが形成されたものである。画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂはそれぞれ、赤色（Ｒ：Red ），緑色（Ｇ：Green ）および青色（Ｂ：Blue）の色光を発する液晶表示素子や有機ＥＬ素子などである。これら３つの画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを一つのピクセルとして、複数のピクセルにより表示領域１１０が構成されている。駆動パネル９１上には、駆動回路として、例えば映像表示用のドライバである信号線駆動回路１２０および走査線駆動回路１３０と、画素駆動回路１５０とが配設されている。この駆動パネル９１には、図示しない封止パネルが貼り合わせられ、この封止パネルにより画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂおよび上記駆動回路が封止されている。
図１４は、画素駆動回路１５０の等価回路図である。画素駆動回路１５０は、上記薄膜トランジスタ１，１Ａおよび薄膜トランジスタ２のいずれかとして、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が配設されたアクティブ型の駆動回路である。トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の間にはキャパシタＣｓが設けられ、第１の電源ライン（Ｖcc）および第２の電源ライン（ＧＮＤ）の間において、画素１０Ｒ（または画素１０Ｇ，１０Ｂ）がトランジスタＴｒ１に直列に接続されている。このような画素駆動回路１５０では、列方向に信号線１２０Ａが複数配置され、行方向に走査線１３０Ａが複数配置されている。各信号線１２０Ａは、信号線駆動回路１２０に接続され、この信号線駆動回路１２０から信号線１２０Ａを介してトランジスタＴｒ２のソース電極に画像信号が供給されるようになっている。各走査線１３０Ａは走査線駆動回路１３０に接続され、この走査線駆動回路１３０から走査線１３０Ａを介してトランジスタＴｒ２のゲート電極に走査信号が順次供給されるようになっている。この表示装置では、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が、上記実施の形態の薄膜トランジスタ１，１Ａまたは薄膜トランジスタ２により構成されているので、均一・良好なＴＦＴ特性の薄膜トランジスタ１，１Ａまたは薄膜トランジスタ２により高品質な表示が可能となる。このような表示装置９０は、例えば次の適用例２〜６に示した電子機器に搭載することができる。
＜適用例２＞
図１５は、テレビジョン装置の外観を表したものである。このテレビジョン装置は、例えば、フロントパネル３１０およびフィルターガラス３２０を含む映像表示画面部３００を有している。
図１５は、テレビジョン装置の外観を表したものである。このテレビジョン装置は、例えば、フロントパネル３１０およびフィルターガラス３２０を含む映像表示画面部３００を有している。
＜適用例３＞
図１６は、デジタルスチルカメラの外観を表したものである。このデジタルスチルカメラは、例えば、フラッシュ用の発光部４１０、表示部４２０、メニュースイッチ４３０およびシャッターボタン４４０を有している。
図１６は、デジタルスチルカメラの外観を表したものである。このデジタルスチルカメラは、例えば、フラッシュ用の発光部４１０、表示部４２０、メニュースイッチ４３０およびシャッターボタン４４０を有している。
＜適用例４＞
図１７は、ノート型パーソナルコンピュータの外観を表したものである。このノート型パーソナルコンピュータは、例えば、本体５１０，文字等の入力操作のためのキーボード５２０および画像を表示する表示部５３０を有している。
図１７は、ノート型パーソナルコンピュータの外観を表したものである。このノート型パーソナルコンピュータは、例えば、本体５１０，文字等の入力操作のためのキーボード５２０および画像を表示する表示部５３０を有している。
＜適用例５＞
図１８は、ビデオカメラの外観を表したものである。このビデオカメラは、例えば、本体部６１０，この本体部６１０の前方側面に設けられた被写体撮影用のレンズ６２０，撮影時のスタート／ストップスイッチ６３０および表示部６４０を有している。
図１８は、ビデオカメラの外観を表したものである。このビデオカメラは、例えば、本体部６１０，この本体部６１０の前方側面に設けられた被写体撮影用のレンズ６２０，撮影時のスタート／ストップスイッチ６３０および表示部６４０を有している。
＜適用例６＞
図１９は、携帯電話機の外観を表したものである。この携帯電話機は、例えば、上側筐体７１０と下側筐体７２０とを連結部（ヒンジ部）７３０で連結したものであり、ディスプレイ７４０，サブディスプレイ７５０，ピクチャーライト７６０およびカメラ７７０を有している。
図１９は、携帯電話機の外観を表したものである。この携帯電話機は、例えば、上側筐体７１０と下側筐体７２０とを連結部（ヒンジ部）７３０で連結したものであり、ディスプレイ７４０，サブディスプレイ７５０，ピクチャーライト７６０およびカメラ７７０を有している。
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態等では、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂが３層からなる場合を例に挙げて説明したが、ソース・ドレイン電極１５Ａ，１５Ｂは単層構造であってもよく、あるいは４層以上を積層した構造であってもよい。
また、例えば、上記実施の形態等において説明した各層の材料および厚み、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。
１，１Ａ，２・・・薄膜トランジスタ、１０・・・基板、１１・・・ゲート電極、１２・・・ゲート絶縁膜、１３・・・チャネル層、１４Ａ，１４Ｂ・・・チャネル保護膜、１５Ａ，１５Ｂ・・・ソース・ドレイン電極、１６・・・保護膜、２０・・・バッファ層、２１・・・層間絶縁膜、９０・・・表示装置、９１・・・駆動パネル、１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ・・・画素、１１０・・・表示領域、１２０・・・信号線駆動回路、１３０・・・走査線駆動回路、１５０・・・画素駆動回路、Ｔｒ１，Ｔｒ２・・・トランジスタ。
Claims (5)
- ゲート電極上にゲート絶縁膜を間にして酸化物半導体からなるチャネル層および前記チャネル層を覆うと共に導電性材料からなるチャネル保護膜を形成した後、前記チャネル保護膜に接するよう一対のソース・ドレイン電極を形成する工程と、
前記チャネル保護膜の前記ソース・ドレイン電極間の領域を前記導電性材料と結晶酸化物半導体との選択性を利用したエッチングにより除去する工程とを含み、
前記チャネル層を、前記ゲート絶縁膜上に結晶酸化物半導体膜を成膜して形成する
薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記ソース・ドレイン電極を形成する工程と、前記チャネル保護膜のエッチングとを同
時に行う
請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記ソース・ドレイン電極は積層構造を有し、前記チャネル保護膜が前記積層構造にお
ける少なくとも一層を兼ねている
請求項２に記載の薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記ソース・ドレイン電極を形成する工程の後に、前記ソース・ドレイン電極の形成時に使用したフォトレジストをエッチングマスクとして、前記チャネル保護膜のエッチングを行う
請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。 - 酸化物半導体からなるチャネル層および前記チャネル層を覆うと共に導電性材料からなるチャネル保護膜を形成する工程と、
前記チャネル保護膜を前記導電性材料と結晶酸化物半導体との選択性を利用したエッチングにより除去する工程と、
ゲート絶縁膜を間にして前記チャネル層上にゲート電極および前記チャネル層に接する一対のソース・ドレイン電極を形成する工程とを含み、
前記チャネル層を、結晶酸化物半導体膜を成膜して形成する
薄膜トランジスタの製造方法。
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