JP5920967B2 - IGZO film forming method and thin film transistor manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に用いるＩＧＺＯ膜の形成技術に関する。 The present invention relates to a technology for forming an IGZO film used for, for example, a thin film transistor (TFT).
近年、例えば薄膜トランジスタに用いられるアモルファスシリコンの代替手段として、ＩＧＺＯ（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏｘｉｄｅ）が注目されている。
ＩＧＺＯは、アモルファスシリコンと比較して導電率が１桁ほど大きく、またデバイス構造も簡素になることから、将来性が期待されている。
一般に、ＩＧＺＯ膜を形成する場合には、ＩＧＺＯからなるターゲットを用い、スパッタリングによって成膜を行うが、プロセス中の酸素欠損を補うために酸素ガスを導入する必要がある。
In recent years, for example, IGZO (In—Ga—Zn—Oxide) has attracted attention as an alternative to amorphous silicon used in thin film transistors.
IGZO is expected to be promising because it has a conductivity that is an order of magnitude higher than that of amorphous silicon and the device structure is simplified.
In general, when forming an IGZO film, a target made of IGZO is used to form a film by sputtering, but it is necessary to introduce oxygen gas to compensate for oxygen vacancies in the process.
しかし、成膜中に酸素ガスを導入すると、図５に示すように、酸素ガスの分圧が大きくなるに伴い成膜レートが下がり、生産効率が落ちてしまうという問題がある。
その一方、成膜中に酸素ガスを導入しないと、キャリア密度が大きくなることから薄膜トランジスタを構成した場合にオフ電流が下がらず、図６に示すように、ＴＦＴ特性を示さないという問題がある。
However, when oxygen gas is introduced during film formation, as shown in FIG. 5, as the partial pressure of oxygen gas increases, there is a problem that the film formation rate decreases and production efficiency decreases.
On the other hand, if oxygen gas is not introduced during film formation, the carrier density increases, so that when the thin film transistor is formed, the off-current does not decrease, and there is a problem that TFT characteristics are not exhibited as shown in FIG.
さらに、ＩＧＺＯ膜の成膜後においてアニール処理を行う必要があるが、減圧下でアニール処理を行うと、ＩＧＺＯ膜から酸素が抜けてしまい薄膜トランジスタを構成した場合にオフ電流が上がってしまうため（図７参照）、大気雰囲気でアニール処理を行う必要がある。 Furthermore, it is necessary to perform an annealing process after forming the IGZO film. However, if the annealing process is performed under a reduced pressure, oxygen is released from the IGZO film, and the off-current increases when a thin film transistor is formed (see FIG. 7), it is necessary to perform the annealing process in an air atmosphere.
本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、成膜レートを落とすことなく成膜可能で、薄膜トランジスタを構成した場合に所望のＴＦＴ特性を示すＩＧＺＯ半導体層を形成可能な技術を提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to form a desired TFT when a thin film transistor can be formed without reducing the film formation rate. The object is to provide a technology capable of forming an IGZO semiconductor layer exhibiting characteristics.
上記目的を達成するためになされた本発明は、成膜対象物上にＩＧＺＯ膜を形成する方法であって、酸素ガスの分圧が０Ｐａ以上０．１Ｐａ以下の真空中でスパッタリングによって当該成膜対象物上にＩＧＺＯ膜を形成する成膜工程と、酸素ガス並びに不活性ガス又は希ガスを含む雰囲気中で前記ＩＧＺＯ膜に対してアニール処理を行うアニール処理工程とを有し、前記アニール処理工程における圧力が１０Ｐａ以上１００００Ｐａ以下であって、前記酸素ガスの分圧が、比率で０．２より大きく１．０未満であるものである。
また、本発明は、上述した方法によって成膜対象物上にＩＧＺＯからなる半導体層を形成した後、当該成膜対象物上にソース電極及びドレイン電極を形成する工程を有する薄膜トランジスタの製造方法である。
The present invention made to achieve the above object is a method of forming an IGZO film on an object to be formed, wherein the film is formed by sputtering in a vacuum with an oxygen gas partial pressure of 0 Pa to 0.1 Pa. A film forming step of forming an IGZO film on the object, and an annealing step of annealing the IGZO film in an atmosphere containing an oxygen gas and an inert gas or a rare gas, and the annealing step pressure a at 10Pa or more 10000Pa less in the partial pressure of the oxygen gas, but is less than greater than 0.2 1.0 ratio.
Also, the present invention is formed by forming a semiconductor layer of IGZO on the film-forming target by way described above, the manufacture of thin film transistor having a step of forming a source electrode and a drain electrode on the film-forming target on Is the method.
本発明の場合、酸素ガスの分圧が０Ｐａ以上０．１Ｐａ以下の真空中でスパッタリングによって当該成膜対象物上にＩＧＺＯ膜を形成することによって、酸素ガスの分圧の低い領域でスパッタリングを行うことができるので、成膜レートを落とすことなくＩＧＺＯ膜を形成できる。
また、このＩＧＺＯ膜に対し、分圧が比率で０．２より大きい酸素ガス並びに不活性ガス又は希ガスを含む雰囲気中でアニール処理を行うことから、ＩＧＺＯ膜中に酸素原子が十分に残った状態でアニール処理を終了することができ、薄膜トランジスタを構成した場合に所望のＴＦＴ特性を示す半導体層を形成することができる。
In the case of the present invention, sputtering is performed in a region where the partial pressure of oxygen gas is low by forming an IGZO film on the film formation target by sputtering in a vacuum with a partial pressure of oxygen gas of 0 Pa or more and 0.1 Pa or less. Therefore, the IGZO film can be formed without reducing the film formation rate.
In addition, since this IGZO film is annealed in an atmosphere containing an oxygen gas and an inert gas or a rare gas with a partial pressure greater than 0.2, oxygen atoms remain sufficiently in the IGZO film. In this state, the annealing treatment can be finished, and when a thin film transistor is formed, a semiconductor layer exhibiting desired TFT characteristics can be formed.
本発明によれば、成膜レートを落とすことなく成膜可能で、薄膜トランジスタを構成した場合に所望のＴＦＴ特性を示すＩＧＺＯ半導体層を形成することができる。 According to the present invention, it is possible to form an IGZO semiconductor layer that can form a film without decreasing the film formation rate and exhibits desired TFT characteristics when a thin film transistor is formed.
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明が適用される薄膜トランジスタの要部断面図である。
図１に示すように、この薄膜トランジスタ１は、例えばガラス基板２上に設けられるもので、ガラス基板２上に例えばＳiＯXからなる第１の絶縁層３が形成され、この第１の絶縁層３上にゲート電極４が形成されている。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a thin film transistor to which the present invention is applied.
As shown in FIG. 1, the
そして、このゲート電極４を覆うように、例えばＳiＯXからなる第２の絶縁層５が形成され、この第２の絶縁層５上のゲート電極４の上方の位置に、ＩＧＺＯからなる半導体層６が形成されている。
さらに、第２の絶縁層５及び半導体層６上には、ゲート電極４を挟む位置に、ソース電極７とドレイン電極８がそれぞれ形成されている。
Then, a second
Further, a
図２は、本発明に係る成膜方法の例を示す流れ図である。
本例においては、まず、図示しない成膜室内に成膜対象物（図示せず）を搬入し、プロセス１（Ｐ１で表す。以下同様）に示すように、成膜室内の真空排気を行う（例えば、５×１０-4Ｐａ程度）。
この成膜室内には、公知のスパッタリング機構が設けられ、また、ＩＧＺＯからなるターゲットが配置されている。
FIG. 2 is a flowchart showing an example of a film forming method according to the present invention.
In this example, first, a film formation target (not shown) is carried into a film formation chamber (not shown), and vacuum evacuation is performed in the film formation chamber as shown in Process 1 (represented by P1, the same applies hereinafter) ( For example, about 5 × 10 −4 Pa).
A known sputtering mechanism is provided in the film forming chamber, and a target made of IGZO is disposed.
次いで、成膜室内にＡｒガスを導入して例えば０．６７Ｐａ程度の圧力にした後、プロセス２に示すように、成膜室内にＯ2ガスを導入し、成膜室内におけるＯ2ガスの分圧が０．１Ｐａ以下となるように調整する。
なお、本発明の場合、Ｏ2ガスの分圧の下限は０であっても、所望の効果が得られることが確認されている。
Then, after the pressure of about by introducing Ar gas for example 0.67Pa in a deposition chamber, as shown in
In the present invention, it has been confirmed that the desired effect can be obtained even if the lower limit of the partial pressure of O 2 gas is zero.
そして、この状態で成膜室内のスパッタリング機構を動作させ、プロセス３に示すように、成膜対象物上にスパッタリングによってＩＧＺＯ膜を形成する。
その後、成膜対象物を図示しないアニール処理室内に搬入する。
In this state, the sputtering mechanism in the film formation chamber is operated to form an IGZO film on the film formation target by sputtering as shown in Process 3.
Thereafter, the film formation target is carried into an annealing chamber (not shown).
次に、プロセス５に示すように、アニール処理室内にＯ2ガス並びに不活性ガス又は希ガスを導入し、アニール処理室の圧力を大気圧に調整する。
本発明の場合、不活性ガスの種類は特に限定されることはないが、ＩＧＺＯと反応させない観点からは、窒素（Ｎ2）ガスを用いることが好ましい。なお、希ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスも使用することができる。
Next, as shown in
In the present invention, the type of the inert gas is not particularly limited, but it is preferable to use nitrogen (N 2 ) gas from the viewpoint of not reacting with IGZO. Note that argon (Ar) gas, which is a rare gas, can also be used.
この場合、Ｏ2ガスと不活性ガス又は希ガスの分圧は、Ｏ2ガス／（不活性ガス又は希ガスとＯ 2 ガスの和）の比率で０．２より大きく１．０未満であることが好ましく、より好ましくは、０．３以上０．８以下である。
特に不活性ガスとして、Ｎ2ガスを用いた場合には、Ｏ2ガス／（Ｎ2ガス＋Ｏ2ガス）の比率で０．２より大きく１．０未満であることが好ましく、より好ましくは、０．３以上０．８以下である。
Ｏ2ガスの比率が０．２以下であると、薄膜トランジスタを構成した場合にオフ電流の値が所望の値より大きくなり、他方、１．０以上であると、オン電流の値が所望の値より小さくなる。
In this case, the partial pressure of O 2 gas and an inert gas or a noble gas, is less than 1.0 greater than 0.2 at a ratio of O 2 gas / (the sum of inert gas or rare gas and O 2 gas) Preferably, it is 0.3 or more and 0.8 or less.
In particular, when N 2 gas is used as the inert gas, the ratio of O 2 gas / (N 2 gas + O 2 gas) is preferably greater than 0.2 and less than 1.0, more preferably It is 0.3 or more and 0.8 or less.
When the O 2 gas ratio is 0.2 or less, the off-current value becomes larger than a desired value when the thin film transistor is configured. On the other hand, when the O 2 gas ratio is 1.0 or more, the on-current value becomes a desired value. Smaller.
一方、本発明の場合、アニール処理の温度は特に限定されることはないが、初期のアニール処理の効果が得られ、かつ、ＩＧＺＯ膜を結晶化させない観点からは、１５０℃以上６００℃以下であることが好ましく、より好ましくは、２００℃以上４５０℃以下である。 On the other hand, in the case of the present invention, the temperature of the annealing treatment is not particularly limited, but from the viewpoint of obtaining the effect of the initial annealing treatment and not crystallizing the IGZO film, the temperature is from 150 ° C. to 600 ° C. It is preferable that there is, more preferably, 200 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.
そして、プロセス６に示すように、大気圧の雰囲気下でアニール処理を行う。なお、アニール処理の時間は、１５分〜６０分程度である。
以上のアニール処理により、目的とするＩＧＺＯ膜が得られる。
Then, as shown in process 6, annealing is performed under an atmospheric pressure atmosphere. Note that the annealing time is about 15 to 60 minutes.
The target IGZO film is obtained by the above annealing treatment.
図３は、本発明に係る成膜方法の他の例を示す流れ図である。
本例においては、図２に示す例のプロセス１〜３と同一のプロセスを行う。
すなわち、成膜室内の真空排気を行い、成膜室内にＡｒガスを導入して例えば０．６７Ｐａ程度の圧力にした後、成膜室内にＯ2ガスを導入し、成膜室内におけるＯ2ガスの分圧が０．１Ｐａ以下となるように調整する。
FIG. 3 is a flowchart showing another example of the film forming method according to the present invention.
In this example, the same processes as the
That is, after evacuating the film forming chamber and introducing Ar gas into the film forming chamber to a pressure of about 0.67 Pa, for example, O 2 gas is introduced into the film forming chamber and the O 2 gas in the film forming chamber is introduced. The partial pressure is adjusted to 0.1 Pa or less.
そして、この状態で成膜室内のスパッタリング機構を動作させ、成膜対象物上にスパッタリングによってＩＧＺＯ膜を形成する。
その後、成膜対象物を図示しないアニール処理室内に搬入し、アニール処理室の真空排気を行う（例えば、１×１０-3Ｐａ程度）。
In this state, the sputtering mechanism in the deposition chamber is operated to form an IGZO film on the deposition target by sputtering.
Thereafter, the film formation target is carried into an annealing chamber (not shown), and the annealing chamber is evacuated (for example, about 1 × 10 −3 Pa).
次に、プロセス５に示すように、アニール処理室内にＯ2ガス並びに不活性ガス又は希ガスを導入する。
そして、アニール処理室の圧力を、１０Ｐａ以上１００００Ｐａ以下、より好ましくは、１００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下に調整する。
Next, as shown in
And the pressure of an annealing chamber is adjusted to 10 Pa or more and 10,000 Pa or less, More preferably, it is 100 Pa or more and 1000 Pa or less.
本発明の場合、不活性ガスの種類は特に限定されることはないが、ＩＧＺＯと反応させない観点からは、窒素（Ｎ2）ガスを用いることが好ましい。なお、希ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスも使用することができる。 In the present invention, the type of the inert gas is not particularly limited, but it is preferable to use nitrogen (N 2 ) gas from the viewpoint of not reacting with IGZO. Note that argon (Ar) gas, which is a rare gas, can also be used.
この場合、Ｏ2ガスと不活性ガス又は希ガスの分圧は、Ｏ2ガス／（不活性ガス又は希ガスとＯ 2 ガスの和）の比率で０．２より大きく１．０未満であることが好ましく、より好ましくは、０．３以上０．８以下である。
特に不活性ガスとして、Ｎ2ガスを用いた場合には、Ｏ2ガス／（Ｎ2ガス＋Ｏ2ガス）の比率で０．２より大きく１．０未満であることが好ましく、より好ましくは、０．３以上０．８以下である。
Ｏ2ガスの比率が０．２以下であると、薄膜トランジスタを構成した場合にオフ電流の値が所望の値より大きくなり、他方、１．０以上であると、オン電流の値が所望の値より小さくなる。
In this case, the partial pressure of O 2 gas and an inert gas or a noble gas, is less than 1.0 greater than 0.2 at a ratio of O 2 gas / (the sum of inert gas or rare gas and O 2 gas) Preferably, it is 0.3 or more and 0.8 or less.
In particular, when N 2 gas is used as the inert gas, the ratio of O 2 gas / (N 2 gas + O 2 gas) is preferably greater than 0.2 and less than 1.0, more preferably It is 0.3 or more and 0.8 or less.
When the O 2 gas ratio is 0.2 or less, the off-current value becomes larger than a desired value when the thin film transistor is configured. On the other hand, when the O 2 gas ratio is 1.0 or more, the on-current value becomes a desired value. Smaller.
一方、本発明の場合、アニール処理の温度は特に限定されることはないが、初期のアニール処理の効果が得られ、かつ、ＩＧＺＯ膜を結晶化させない観点からは、１５０℃以上６００℃以下、より好ましくは、２００℃以上４５０℃以下である。 On the other hand, in the case of the present invention, the temperature of the annealing treatment is not particularly limited, but from the viewpoint of obtaining the effect of the initial annealing treatment and not crystallizing the IGZO film, 150 ° C. or more and 600 ° C. or less, More preferably, it is 200 degreeC or more and 450 degrees C or less.
そして、プロセス６に示すように、減圧雰囲気下でアニール処理を行う。なお、アニール処理の時間は、１５分〜６０分程度である。
以上のアニール処理により、目的とするＩＧＺＯ膜が得られる。
Then, as shown in process 6, annealing is performed in a reduced pressure atmosphere. Note that the annealing time is about 15 to 60 minutes.
The target IGZO film is obtained by the above annealing treatment.
以上述べたように本発明によれば、酸素ガスの分圧が０．１Ｐａ以下の真空中でスパッタリングによって当該成膜対象物上にＩＧＺＯ膜を形成することによって、酸素ガスの分圧の低い領域でスパッタリングを行うことができるので、成膜レートを落とすことなくＩＧＺＯ膜を形成できる。 As described above, according to the present invention, a region having a low partial pressure of oxygen gas is formed by forming an IGZO film on the film formation target by sputtering in a vacuum having a partial pressure of oxygen gas of 0.1 Pa or less. Since sputtering can be performed, an IGZO film can be formed without reducing the film formation rate.
また、このＩＧＺＯ膜に対し、酸素ガス並びに不活性ガス又は希ガスを含む雰囲気中でアニール処理を行うことから、ＩＧＺＯ膜中に酸素原子が十分に残った状態でアニール処理を終了することができ、薄膜トランジスタを構成した場合に所望のＴＦＴ特性を示す半導体層を形成することができる。 In addition, since the IGZO film is annealed in an atmosphere containing oxygen gas and an inert gas or a rare gas, the annealing process can be terminated with sufficient oxygen atoms remaining in the IGZO film. When a thin film transistor is formed, a semiconductor layer exhibiting desired TFT characteristics can be formed.
以下、本発明の実施例を比較例とともに説明する。
図１に示す構成の薄膜トランジスタのＩＧＺＯからなる半導体層を酸素を導入せず形成した。この場合、ＩＧＺＯ膜の厚さは５０ｎｍとした。
そして、Ｏ2ガスとＮ2ガスの分圧を変えてアニール処理を行った。
アニール処理の条件は、温度４００℃、時間は１５分とした。
Examples of the present invention will be described below together with comparative examples.
A semiconductor layer made of IGZO of the thin film transistor having the structure shown in FIG. 1 was formed without introducing oxygen. In this case, the thickness of the IGZO film was 50 nm.
Then, annealing was performed by changing the partial pressure of O 2 gas and N 2 gas.
The annealing conditions were a temperature of 400 ° C. and a time of 15 minutes.
図４は、このアニール処理後のＩＧＺＯ膜を用いた場合のＴＦＴ特性を示すグラフである。
図４に示すように、Ｏ2ガスを導入せずにアニール処理を行った場合には、導電膜が形成され、ＴＦＴ特性を示さなかった。
FIG. 4 is a graph showing TFT characteristics when the annealed IGZO film is used.
As shown in FIG. 4, when annealing was performed without introducing O 2 gas, a conductive film was formed and TFT characteristics were not exhibited.
一方、Ｏ2ガス／（Ｎ2ガス＋Ｏ2ガス）の比率を０．２とした場合には、ＴＦＴ特性を示したが、オフ電流が所望の値より大きくなった。
他方、Ｏ2ガス／Ｎ2ガスの比率を０．５とした場合には、所望のＴＦＴ特性を示した。
さらに、Ｏ2ガス／（Ｎ2ガス＋Ｏ2ガス）の比率を１．０とした場合には、ＴＦＴ特性を示したが、オン電流が所望の値より小さくなった。
以上より、本発明の効果及びその好ましいＯ2ガスの分圧を確認することができた。
On the other hand, when the ratio of O 2 gas / (N 2 gas + O 2 gas) was 0.2, the TFT characteristics were shown, but the off-current was larger than the desired value.
On the other hand, when the ratio of O 2 gas / N 2 gas was 0.5, desired TFT characteristics were exhibited.
Further, when the ratio of O 2 gas / (N 2 gas + O 2 gas) was 1.0, the TFT characteristics were shown, but the on-current was smaller than the desired value.
From the above, the effect of the present invention and its preferable partial pressure of O 2 gas could be confirmed.
１…薄膜トランジスタ
２…ガラス基板
３…第１の絶縁層
４…ゲート電極
５…第２の絶縁層
６…半導体層
７…ソース電極
８…ドレイン電極
DESCRIPTION OF
Claims (2)
酸素ガスの分圧が０Ｐａ以上０．１Ｐａ以下の真空中でスパッタリングによって当該成膜対象物上にＩＧＺＯ膜を形成する成膜工程と、
酸素ガス並びに不活性ガス又は希ガスを含む雰囲気中で前記ＩＧＺＯ膜に対してアニール処理を行うアニール処理工程とを有し、
前記アニール処理工程における圧力が１０Ｐａ以上１００００Ｐａ以下であって、前記酸素ガスの分圧が、比率で０．２より大きく１．０未満であるＩＧＺＯ膜の形成方法。 A method of forming an IGZO film on a film formation target,
A film forming step of forming an IGZO film on the object to be formed by sputtering in a vacuum at a partial pressure of oxygen gas of 0 Pa or more and 0.1 Pa or less;
An annealing process step of performing an annealing process on the IGZO film in an atmosphere containing oxygen gas and inert gas or rare gas,
A method of forming an IGZO film , wherein the pressure in the annealing treatment step is 10 Pa or more and 10,000 Pa or less, and the partial pressure of the oxygen gas is greater than 0.2 and less than 1.0 in a ratio.
After forming the semiconductor layer of IGZO on the film-forming target by the method of claim 1 wherein, the method of manufacturing the thin film transistor having a step of forming a source electrode and a drain electrode on the film-forming target on.
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