JP5966840B2 - 酸化物半導体薄膜および薄膜トランジスタ - Google Patents
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Description
(1)インジウムとタングステンの酸化物を主成分とする酸化物半導体薄膜における、タングステン含有量をW/In原子数比で0.005〜0.12とする、あるいは、インジウムとタングステンと亜鉛の酸化物を主成分とする酸化物半導体薄膜における、タングステン含有量をW/In原子数比で0.005〜0.12、および、亜鉛含有量をZn/In原子数比で0.001〜0.05とすること、
(2)いずれの酸化物半導体薄膜も、アニール処理を施すことによって、ビックスバイト型構造のIn2O3相のみによって構成される結晶質の薄膜とすること、
(3)いずれの酸化物半導体薄膜の膜厚も15〜200nmの範囲に制御すること、
により、得られた酸化物結晶質薄膜が、1cm2/Vsecより高いキャリア移動度、1018/cm3以下という低いキャリア濃度を示し、薄膜トランジスタ(TFT)のチャネル層材料としての酸化物半導体薄膜に好適であるとの知見を得て、本発明を完成したものである。
(a)組成
本発明のインジウムとタングステンを含有する酸化物からなる結晶質の酸化物半導体薄膜は、タングステン含有量が、W/In原子数比で0.005〜0.12に制御されることにより、キャリア濃度が1×1018cm−3以下で、かつ、キャリア移動度が1cm2/Vsecを超え、さらには3cm2/Vsec以上という良好なキャリア特性を示す。さらに低いキャリア濃度および高いキャリア移動度を示すためには、好ましくはタングステン含有量を、W/In原子数比で0.01〜0.05とすることが好ましく、0.015〜0.035とすることがより好ましい。
本発明の酸化物半導体薄膜は、結晶質であって、実質的にビックスバイト型構造のIn2O3相のみによって構成される。ビックスバイト型構造のIn2O3相では、InとOからなるInO6八面体構造が形成されている。隣り合うInO6八面体構造が稜共有しているため、In−In間の距離が短くなり、キャリアとなる電子の軌道の重なりが大きくなり、キャリア移動度が向上する。本発明の酸化物半導体薄膜は、ビックスバイト型構造のIn2O3相以外の結晶相を実質的に含まない。ただし、InO6八面体構造が稜共有する結晶相をわずかに含む場合、酸化物半導体薄膜の特性(キャリア濃度およびキャリア移動度)が本発明の範囲に含まれる限り、In2O3相以外の結晶相を実質的に含まず、ビックスバイト型構造のIn2O3相のみによって構成される薄膜であると評価することができ、このような薄膜も本発明に含まれるものとする。
本発明の酸化物半導体薄膜の膜厚は、好ましくは15〜200nm、より好ましくは30〜150nm、さらに好ましくは40〜100nmの範囲に制御される。
本発明の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体のターゲットやタブレットを用いて、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの適用可能な公知の成膜技術により、基板上に形成される。原材料となる酸化物焼結体の金属元素組成比は、本発明の酸化物半導体薄膜の金属元素組成比と同じである。すなわち、インジウムとタングステンを含有する酸化物焼結体では、そのタングステン含有量を、W/In原子数比で0.005〜0.12、好ましくは0.01〜0.05、より好ましくは0.015〜0.035とする。同様に、インジウムとタングステンと亜鉛からなる酸化物焼結体では、そのタングステン含有量を、W/In原子数比で0.005〜0.12、好ましくは0.01〜0.05、より好ましくは0.015〜0.035とし、亜鉛の含有量を、Zn/In原子数比で0.05以下、好ましくは0.003〜0.03、より好ましくは0.005〜0.02とする。
本発明の薄膜トランジスタ(TFT)は、上記の通り、チャネル層材料に、インジウムとタングステンを含有する酸化物からなる酸化物半導体薄膜、ならびに、インジウムと亜鉛とタングステンを含有する酸化物からなる酸化物半導体薄膜を適用している点に特徴がある。TFTの構造は限定されないが、たとえば、図1に示した構成のTFT素子を例示することができる。
それぞれの実施例および比較例により得られた酸化物焼結体の端材に対して、X線回折装置(フィリップス社製、X´PertPRO MPD)を用いて、粉末X線回折法による生成相の同定を行った。
それぞれの実施例および比較例により得られた酸化物半導体薄膜の組成を、ICP発光分光法によって測定した。また、酸化物半導体薄膜の膜厚を、表面形状測定装置(ケーエルエー・テンコール社製)で測定し、この結果と成膜時間から成膜速度を算出した。さらに、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度および比抵抗を、ホール効果測定装置(株式会社東陽テクニカ製)によって測定し、それらの値からそのキャリア移動度を算出した。酸化物半導体薄膜の生成相の同定は、上記と同様に、X線回折測定によって行った。
TFT素子の特性評価は、半導体パラメータアナライザ(ケースレー社製、4200SCS)を用いて、TFT素子動作を確認するとともに、on/off比、電界効果移動度を測定することにより行った。
(実施例1)
インジウムとタングステンを酸化物として含有する酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、酸化物半導体薄膜の成膜を実施した。このとき使用した酸化物焼結体は、そのタングステン含有量がW/In原子数比で0.035であり、In2O3相のみによって構成されていた。
実施例1と同様にして得られた非晶質の酸化物半導体薄膜を、大気中、300℃、30分間の条件でアニール処理して、酸化物半導体薄膜を得た。X線回折測定の結果、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質であり、In2O3(222)を主ピークとしていることが確認された。また、酸化物半導体薄膜の結晶粒径は58nm、キャリア濃度は2.1×1017cm−3、キャリア移動度は9.2cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.02に変更した以外は条件を変えず、実施例1と同様のスパッタリング成膜条件で酸化物半導体薄膜を作製した。得られた酸化物半導体薄膜の組成は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じであることが確認された。また、X線回折測定の結果、非晶質であることが確認された。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.015に変更した以外は条件を変えず、実施例1と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は50nm、キャリア濃度は7.8×1016cm−3、キャリア移動度は20.2cm2/Vsecであった。
実施例4と同様にして得られた非晶質の酸化物半導体薄膜を、大気中、300℃、30分間の条件でアニール処理して、結晶質の酸化物半導体薄膜を得た。X線回折測定の結果、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質であり、In2O3(222)を主ピークとしていることが確認された。また、酸化物半導体薄膜の結晶粒径は59nm、キャリア濃度は1.6×1017cm−3、キャリア移動度は8.7cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.01に変更した以外は条件を変えず、実施例1と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は55nm、キャリア濃度は9.7×1016cm−3、キャリア移動度は11.2cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.05に変更した以外は条件を変えず、実施例1と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は55nm、キャリア濃度は4.9×1016cm−3、キャリア移動度は10.4cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.005に変更した以外は条件を変えず、実施例1と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は53nm、キャリア濃度は1.3×1017cm−3、キャリア移動度は8.1cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.07に変更した以外は条件を変えず、実施例1と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は56nm、キャリア濃度は4.0×1016cm−3、キャリア移動度は8.5cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.12に変更した以外は条件を変えず、実施例1と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成であり、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は55nm、キャリア濃度は4.8×1016cm−3、キャリア移動度は3.9cm2/Vsecであった。
酸化物半導体薄膜の膜厚を15nmに変更した以外は条件を変えず、実施例1と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は10nm、キャリア濃度は9.6×1016cm−3、キャリア移動度は13.2cm2/Vsecであった。
酸化物半導体薄膜の膜厚を200nmに変更した以外は条件を変えず、実施例1と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は62nm、キャリア濃度は5.0×1016cm−3、キャリア移動度は18.8cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.001に変更した以外は条件を変えず、実施例1と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしていた。結晶粒径は53nm、キャリア濃度は2.3×1018cm−3、キャリア移動度は7.6cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.2に変更した以外は条件を変えず、実施例1と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしていた。結晶粒径は55nm、キャリア濃度は3.5×1016cm−3、キャリア移動度は0.8cm2/Vsecであった。
(実施例13)
タングステン含有量がW/In原子数比で0.035、亜鉛含有量がZn/In原子数比で0.01であり、In2O3相のみによって構成される、インジウムと亜鉛とタングステンを酸化物として含有する酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いた以外は、実施例1と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は53nm、キャリア濃度は4.1×1016cm−3、キャリア移動度は16.1cm2/Vsecであった。
実施例13と同様にして得られた非晶質の酸化物半導体薄膜を、大気中、300℃、30分間の条件でアニール処理して、結晶質の酸化物半導体薄膜を得た。X線回折測定の結果、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質であり、In2O3(222)を主ピークとしていることが確認された。また、酸化物半導体薄膜の結晶粒径は57nm、キャリア濃度は1.3×1017cm−3、キャリア移動度は11.5cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.015、亜鉛含有量をZn/In原子数比で0.005に変更した以外は条件を変えず、実施例13と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は50nm、キャリア濃度は6.2×1016cm−3、キャリア移動度は19.1cm2/Vsecであった。
実施例15と同様にして得られた非晶質の酸化物半導体薄膜を、大気中、300℃、30分間の条件でアニール処理して、結晶質の酸化物半導体薄膜を得た。X線回折測定の結果、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質であり、In2O3(222)を主ピークとしていることが確認された。また、酸化物半導体薄膜の結晶粒径は55nm、キャリア濃度は1.1×1017cm−3、キャリア移動度は12.4cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.015、亜鉛含有量をZn/In原子数比で0.02に変更した以外は条件を変えず、実施例13と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は51nm、キャリア濃度は5.4×1016cm−3、キャリア移動度は16.0cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.02、亜鉛含有量をZn/In原子数比で0.01に変更した以外は条件を変えず、実施例13と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は54nm、キャリア濃度は5.2×1016cm−3、キャリア移動度は21.1cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.01、亜鉛含有量をZn/In原子数比で0.003に変更した以外は条件を変えず、実施例13と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は54nm、キャリア濃度は8.2×1016cm−3、キャリア移動度は13.3cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.05、亜鉛含有量をZn/In原子数比で0.03に変更した以外は条件を変えず、実施例13と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は55nm、キャリア濃度は3.4×1016cm−3、キャリア移動度は12.0cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.005、亜鉛含有量をZn/In原子数比で0.001に変更した以外は条件を変えず、実施例13と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は53nm、キャリア濃度は1.2×1017cm−3、キャリア移動度は8.4cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.07、亜鉛含有量をZn/In原子数比で0.05に変更した以外は条件を変えず、実施例13と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は56nm、キャリア濃度は2.7×1016cm−3、キャリア移動度は8.8cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.12、亜鉛含有量をZn/In原子数比で0.02に変更した以外は条件を変えず、実施例13と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は55nm、キャリア濃度は3.1×1016cm−3、キャリア移動度は3.0cm2/Vsecであった。
酸化物半導体薄膜の膜厚を15nmに変更した以外は条件を変えず、実施例13と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、In2O3(222)を主ピークとしており、結晶粒径は11nm、キャリア濃度は4.1×1016cm−3、キャリア移動度は11.8cm2/Vsecであった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.035、亜鉛含有量をZn/In原子数比で0.08に変更した以外は条件を変えず、実施例13と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。ただし、アニール処理後のX線回折測定の結果、酸化物半導体薄膜は結晶化していないことが確認された。このため、酸化物半導体薄膜のホール効果測定は実施しなかった。
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をW/In原子数比で0.11、亜鉛含有量をZn/In原子数比で0.08に変更した以外は条件を変えず、実施例13と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。ただし、アニール処理後のX線回折測定の結果、酸化物半導体薄膜は結晶化していないことが確認された。このため、酸化物半導体薄膜のホール効果測定は実施しなかった。
(実施例25)
インジウムとタングステンを酸化物として含有する酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、厚さ300nmの熱酸化によってSiO2膜が形成されたSi基板のSiO2膜上に、厚さが50nmとなるように酸化物半導体薄膜の成膜を実施した。このとき使用した酸化物焼結体は、そのタングステン含有量がW/In原子数比で0.035であり、In2O3相のみによって構成されていた。また、このときの酸化物半導体薄膜の成膜条件は、実施例1と同様にした。
スパッタリングターゲットとして、インジウムと亜鉛とタングステンを含有する酸化物焼結体を使用して、チャンネル層を形成したこと以外は、実施例25と同様にして、酸化物半導体薄膜の成膜を行った。なお、このとき使用した酸化物焼結体は、実施例13と同様に、タングステン含有量がW/In原子数比で0.035、亜鉛含有量がZn/In原子数比で0.01であった。
2 ゲート絶縁層
3 チャネル層
4 ソース電極
5 ドレイン電極
Claims (11)
- インジウムとタングステンを含有する酸化物からなり、
タングステン含有量が、W/In原子数比で0.005〜0.12であり、
結晶質で、ビックスバイト型構造のIn2O3相によってのみ構成されており、かつ、
キャリア濃度が1×1018cm−3以下で、キャリア移動度が1cm2/Vsecより高い、
ことを特徴とする、酸化物半導体薄膜。 - インジウムと亜鉛とタングステンを含有する酸化物からなり、
タングステン含有量が、W/In原子数比で0.005〜0.12であり、
亜鉛含有量が、Zn/In原子数比で0.05以下であり、
結晶質で、ビックスバイト型構造のIn2O3相によってのみ構成されており、かつ、
キャリア濃度が1×1018cm−3以下で、キャリア移動度1cm2/Vsecより高い、
ことを特徴とする、酸化物半導体薄膜。 - タングステン含有量が、W/In原子数比で0.01〜0.05である、請求項1に記載の酸化物半導体薄膜。
- タングステン含有量が、W/In原子数比で0.01〜0.05であり、かつ、亜鉛含有量が、Zn/In原子数比で0.003〜0.03である、請求項2に記載の酸化物半導体薄膜。
- 膜厚が15〜200nmである、請求項1または2に記載の酸化物半導体薄膜。
- 膜厚が40〜100nmである、請求項1または2に記載の酸化物半導体薄膜。
- 結晶粒径が10nm以上である、請求項1または2に記載の酸化物半導体薄膜。
- キャリア移動度が3cm2/Vsec以上である、請求項1または2に記載の酸化物半導体薄膜。
- キャリア移動度が10cm2/Vsec以上である、請求項1または2に記載の酸化物半導体薄膜。
- キャリア濃度が1×1016〜1×1017cm−3の範囲にある、請求項1または2に記載の酸化物半導体薄膜。
- ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、チャネル層およびゲート絶縁層を備える薄膜トランジスタにおいて、前記チャネル層が、請求項1または2に記載の酸化物半導体薄膜により構成されていることを特徴とする、薄膜トランジスタ。
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