JP5995504B2 - 電界効果型トランジスタ及びその製造方法、表示装置、イメージセンサ並びにx線センサ - Google Patents
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Description
<1>酸化物半導体層と、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電界効果型トランジスタであって、前記酸化物半導体層は、In(a)Sn(b)Zn(c)O(d)(a,b,c,d>0,a+b+c=1)を含む第1の領域と、前記第1の領域よりも前記ゲート電極から遠い側に配置されており、In(e)Ga(f)Zn(g)O(h)(e>0,f>0,g>0,h>0,e+f+g=1)を含む第2の領域と、を有する、電界効果型トランジスタ。
<2>前記第1の領域の組成は、c/(a+b+c)≧0.200で表される、前記<1>に記載の電界効果型トランジスタ。
<3>前記第1の領域の組成は、c/(a+b+c)≦0.700で表される、前記<1>又は前記<2>に記載の電界効果型トランジスタ。
<4>前記第1の領域の組成は、c/(a+b+c)≧1/3で表される、前記<1>〜前記<3>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタ。
<5>前記第1の領域の組成は、c/(a+b+c)≧0.400で表される、前記<1>〜前記<4>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタ。
<6>前記第1の領域の組成は、a/(a+b+c)≧1/3で表される、前記<1>〜前記<5>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタ。
<7>前記第1の領域の膜厚は、50nm以下である、前記<1>〜前記<6>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタ。
<8>前記第1の領域の膜厚は、16nm以下である、前記<7>に記載の電界効果型トランジスタ。
<9>前記第1の領域の膜厚は、5nm以上である、前記<1>〜前記<8>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタ。
<10>前記第2の領域の組成は、f/(e+f)≦0.875で表される、前記<1>〜前記<9>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタ。
<11>前記第2の領域の組成は、f/(e+f)>0.250で表される、前記<1>〜前記<10>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタ。
<12>前記第2の領域の膜厚は、10nm超70nm未満である、前記<1>〜前記<11>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタ。
<13>前記酸化物半導体層は非晶質膜である、前記<1>〜前記<12>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタ。
<14>前記第2の領域は、前記第1の領域よりも電気伝導度が低い、前記<1>〜前記<13>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタ。
<15>酸化物半導体層と、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電界効果型トランジスタの製造方法であって、前記酸化物半導体層の成膜工程として、In(a)Sn(b)Zn(c)O(d)(a,b,c,d>0、a+b+c=1)を含む第1の領域を、成膜室内を第1の酸素分圧/アルゴン分圧としてスパッタリング法により成膜する第1成膜工程と、前記第1の領域よりも前記ゲート電極から遠い側に配置され、In(e)Ga(f)Zn(g)O(h)(e,f,g,h>0、e+f+g=1)を含む第2の領域を、前記成膜室内を第2の酸素分圧/アルゴン分圧としてスパッタリング法により成膜する第2成膜工程と、を有する、電界効果型トランジスタの製造方法。
<16>前記第1の酸素分圧/アルゴン分圧が、前記第2の酸素分圧/アルゴン分圧よりも高い、前記<15>に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
<17>前記<1>〜前記<14>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタを備える表示装置。
<18>前記<1>〜前記<14>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタを備えるイメージセンサ。
<19>前記<1>〜前記<14>の何れか1つに記載の電界効果型トランジスタを備えるX線センサ。
本発明の実施形態に係る電界効果型トランジスタについて、TFTを一例に挙げて具体的に説明する。
本発明の実施形態に係るTFTは、ゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体層(活性層)、ソース電極及びドレイン電極を有し、ゲート電極に電圧を印加して、酸化物半導体層に流れる電流を制御し、ソース電極とドレイン電極間の電流をスイッチングする機能を有するアクテイブ素子である。そして、本発明の実施形態に係るTFTではさらに、酸化物半導体層が、膜厚方向に第1の領域と、当該第1の領域よりもゲート電極から遠い側に配置された第2の領域を備えている。なお、本実施形態のTFTにおいては、第1の領域と第2の領域間に電極層等の酸化物半導体層以外の層は挿入されない。
なお、トップゲート構造とは、ゲート絶縁膜の上側にゲート電極が配置され、ゲート絶縁膜の下側に酸化物半導体層が形成された形態であり、ボトムゲート構造とは、ゲート絶縁膜の下側にゲート電極が配置され、ゲート絶縁膜の上側に酸化物半導体層が形成された形態である。また、ボトムコンタクト型とは、ソース・ドレイン電極が酸化物半導体層よりも先に形成されて酸化物半導体層の下面がソース・ドレイン電極に接触する形態であり、トップコンタクト型とは、酸化物半導体層がソース・ドレイン電極よりも先に形成されて酸化物半導体層の上面がソース・ドレイン電極に接触する形態である。
−基板−
TFT40を形成するための基板12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12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。基板12としては、例えば、ガラスやYSZ(イットリウム安定化ジルコニウム)等の無機材料、ポリエチレンテレフタレートやポリエチレンナフタレート等の樹脂、或いは粘土鉱物や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等の樹脂複合材料等からなる基板を用いることができる。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。なお、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。
ゲート電極24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、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22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二つ以上含む絶縁膜等から構成することができる。
酸化物半導体層14は、In(a)Sn(b)Zn(c)O(d)(a,b,c,d>0,a+b+c=1,以降ITZO膜と略す場合がある)を含む第1の領域14Aと、当該第1の領域14Aよりもゲート電極24から遠い側に配置されており、In(e)Ga(f)Zn(g)O(h)(e>0,f>0,g>0,h>0,e+f+g=1,以降IGZO膜と略す場合がある)を含む第2の領域14Bと、を有する。
上記「電気伝導度」とは、物質の電気伝導のしやすさを表す物性値であり、物質のキャリア濃度n、電気素量をe、キャリア移動度μとするとdrudeモデルを仮定した場合、物質の電気伝導度σは以下の式で表される。
σ=neμ
第1の領域14A、又は第2の領域14Bがn型半導体である時キャリアは電子であり、キャリア濃度とは電子キャリア濃度を、キャリア移動度とは電子移動度を示す。同様に第1の領域14A、又は第2の領域14Bがp型半導体ではキャリアは正孔であり、キャリア濃度とは、正孔キャリア濃度を、キャリア移動度とは正孔移動度を示す。尚、物質のキャリア濃度とキャリア移動度は、ホール測定により求めることができる。
電気伝導度の求め方は、厚みが分かっている膜の比抵抗を測定することにより、膜の電気伝導度を求めることができる。半導体の電気伝導度は温度より変化するが、本文記載の電気伝導度は、室温(20℃)での電気伝導度を示す。
なお、第1の領域14A及び第2の領域14Bの組成は、それぞれ単膜としては蛍光X線分析やICP発光分析、積層膜としては例えば二次イオン質量分析(SIMS)を用いる事で認定する事が出来る。
具体的に、第2の領域14Bよりも電気伝導度が高いことで所謂「キャリア走行層」となる第1の領域14AにITZO膜を用いることで20cm2/Vs超の高い移動度が実現できる。なお、第2の領域14Bは、所謂「抵抗層」となる。
また、本実施形態のTFTでは第1の領域14AをITZO膜としているために、例えば第1の領域14AとしてIGZO膜を用いた場合と比較して高い光安定性を両立できる。その要因の一つとして、ITZO膜を用いた場合にはIGZO膜に比べて、極端な組成変調が必要のないIn:Sn:Zn=1.000:1.000:1.000付近の組成においても高移動度化が実現できる事が挙げられる。IGZO膜では極めてIn含有量が高い組成領域でしか高移動度を実現する事は困難であったが、IGZO膜の酸化物半導体においてはIn:Ga:Zn=1.000:1.000:1.000から大きく外れる組成に変調した場合、光安定性が悪化する事が示唆されている。そのため本実施形態においては第1の領域14AとしてITZO膜を用いる事によって高移動度と光安定性を両立する事が可能となっている。
また、第1の領域14Aの組成は、c/(a+b+c)≧1/3で表されることがより好ましい。TFT40の閾値電圧を0Vよりもプラス側により高くすることができるからである。
また、第1の領域14Aの組成は、c/(a+b+c)≧0.400で表されることがさらにより好ましい。c/(a+b+c)≧0.400であると閾値電圧がほぼ飽和するため、Znの組成比率に対する閾値電圧の変動を抑えることができるからである。
さらに、第1の領域14Aの組成は、0.200≦c/(a+b+c)≦0.700であることがより好ましい。波長(λ)420nmの光照射に対する閾値シフト量の絶対値|ΔVth|を0.6V未満に抑えることができるからである。
計算に用いるパラメータによって完全空乏状態を満たす条件は若干異なるものの、特許文献(特開2007-250987)や非特許文献(IEDM08 Digest p.77 (2008))によればNeの値は
例えばtch=5nmとするとおよそNe≦5×1019cm−3以下となっている。後述する実施例の中で最も高いキャリア濃度を有するのは、第1の領域14Aがa:b:c=0.4:0.4:0.2の場合であり、キャリア濃度は5×1018cm−3であった。この場合に完全空乏の条件を満たすのは膜厚が16nm以下となる。
したがって、良好なスイッチング特性と低いオフ電流を実現するためには、第1の領域14Aの膜厚は16nm以下が好ましいことが上記理論式から分かる。
また、第2の領域14Bの組成は、f/(e+f)≦0.875で表されることが好ましい。第2の領域14Bの組成がf/(e+f)≦0.875で表される組成範囲であれば高い移動度を実現しやすくなるからである。一方で、第2の領域14Bの組成をe/(e+f)>0.875とした場合には第2の領域14Bの抵抗値が比較的高くなるためにオーミックコンタクトの確保が困難となり、高い移動度を得る事は困難となり易い。
また、第2の領域14Bの組成は、f/(e+f)>0.250で表されることが好ましい。第2の領域14Bの組成が、f/(e+f)≦0.250であると、第2の領域14Bのキャリア濃度が比較的高い状態であり、第2の領域14Bから第1の領域14Aへのキャリア流入の効果が大きくなるため、Vg−Id特性中にhump効果が生じたり、閾値電圧が大きくマイナス値を取ったりする事がある。そのため、第2の領域14Bの組成はf/(e+f)>0.250で表される事が好ましい。
酸素濃度の制御は、具体的には第1の領域14A及び第2の領域14Bにおける成膜時の酸素分圧をそれぞれ制御することによって行う事が出来る。成膜時の酸素分圧を高めれば、キャリア濃度を低減させることが出来、それに伴ってオフ電流の低減が期待できる。一方、成膜時の酸素分圧を低くすれば、キャリア濃度を増大させることが出来、それに伴って電界効果移動度の増大が期待できる。又、例えば第1の領域14A成膜後に酸素ラジカルやオゾンを照射する処理を施すことによっても膜の酸化を促進し、第1の領域中の酸素欠損量を低減させる事が可能である。
ソース電極18およびドレイン電極20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、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。
次に、本発明の実施形態に係るTFTの製造方法について、代表例として図1(C)に示すボトムゲート構造でトップコンタクト型のTFT40を用いて簡単に説明する。なお、他の形態のTFTの製造方法についても同様に下記の方法を適用することができる。
この酸化物半導体層14の成膜方法は、ゲート電極24と同様の方法を用いることができる。中でも、膜厚の制御がし易いという観点から、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、CVD又はプラズマCVD法等の気相成膜法を用いるのが好ましい。気相成膜法の中でも、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法(PLD法)がより好ましい。さらに、量産性の観点から、スパッタリング法がさらに好ましい。例えば、RFマグネトロンスパッタリング蒸着法により、真空度及び酸素流量を制御して成膜される。なお、スパッタリング法を用いる場合、所望のカチオン組成になるように調整した複合酸化物ターゲットを用いても良いし、3元共スパッタを用いても良い。
第2の領域14Bのコンタクト抵抗を下げるという効果の他、第1の領域14Aの酸素分圧を高める事で、キャリア走行層となり得る第1の領域14Aの酸素に関連する欠陥を少なくすることができるからである。これにより、過剰なキャリアを抑制することができ、高いスイッチング特性が得られる。またIGZOを初めとする酸化物半導体系では、酸素欠陥に起因する深い準位が価電子体直上に存在することが言われている。この深い準位のため光安定性が悪化し得るが、酸素分圧を高めてこの準位を抑制すると、組成ほど大きな効果は無いにせよ光安定性を高める効果が期待できる。また、酸素欠陥を減らす事で、イオン化不純物散乱の効果(ドナーとなっているイオン化した酸素欠陥があると散乱源として働く)を抑制できるため、比較的高い移動度が実現しやすくなるものと考える。
以上の製造方法によれば、第1の領域14AのITZO膜や第2の領域14BのIGZO膜は低温(例えば400℃以下)で成膜が可能なため、基板12も樹脂基板等を用いればTFT40全体としてフレキシブルなTFTデバイスの作製が可能となる。
なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかであり、例えば上述の複数の実施形態は、適宜、組み合わせて実施可能である。
以上で説明した本実施形態のTFTの用途には特に限定はないが、例えば電気光学装置(例えば液晶表示装置、有機EL(Electro Luminescence)表示装置、無機EL表示装置等の表示装置、等)における駆動素子、特に大面積デバイスに用いる場合に好適である。
さらに本実施形態のTFTは、樹脂基板を用いた低温プロセスで作製可能なデバイスに特に好適であり(例えばフレキシブルディスプレイ等)、X線センサなどの各種センサ、MEMS(Micro Electro Mechanical System)等、種々の電子デバイスにおける駆動素子(駆動回路)として、好適に用いられるものである。
電気光学装置の例としては、表示装置(例えば液晶表示装置、有機EL表示装置、無機EL表示装置、等)がある。
センサの例としては、CCD(Charge Coupled Device)又はCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等のイメージセンサや、X線センサ等が好適である。
本実施形態の電気光学装置又はセンサは、低い消費電力により良好な特性を示す。ここで言うところの特性とは、電気光学装置(表示装置)の場合には表示特性、センサの場合には感度特性を示す。
以下、本発明によって製造される電界効果型トランジスタを備えた電気光学装置又はセンサの代表例として、液晶表示装置、有機EL表示装置、X線センサについて説明する。
図2に、本発明の電気光学装置の一実施形態の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、本発明の電気光学装置の一実施形態のアクティブマトリックス方式の有機EL表示装置について、その一部分の概略断面図を示し、図5に電気配線の概略構成図を示す。
図6に、本発明のセンサの一実施形態であるX線センサについて、その一部分の概略断面図を示し、図7にその電気配線の概略構成図を示す。
X線変換層304はアモルファスセレンからなる層であり、TFT10およびキャパシタ310を覆うように設けられている。
上部電極306はX線変換層304上に設けられており、X線変換層304に接している。
−実施例1〜10及び比較例1〜4−
まず、第1の領域の組成依存性について以下のような実施例1〜10及び比較例1〜4に係るボトムゲート構造でトップコンタクト型のTFTを作製することで検証した。
具体的には、熱酸化膜付p型Si基板502上に、以下表2に示すように、実施例及び比較例毎に組成変調を行って酸化物半導体層の第1の領域506を厚み5nmとしてスパッタ成膜した。この成膜条件は、成膜時到達真空度:6×10−6Pa、成膜時圧力:4.4×10−1Pa、成膜温度:室温、酸素分圧/アルゴン分圧:0.067で実施例及び比較例全てにおいて共通にした。なお、比較例1のみは、第1の領域506がITZO膜ではなく、IGZO膜となっている。
なお、各スパッタ成膜では、メタルマスクを用いてパターン成膜しており、酸化物半導体層は各領域間で大気中に暴露することなく連続して成膜を行った。各領域のスパッタは、第1の領域506及び第2の領域508においてはIn2O3ターゲット、SnO2(又はGa2O3)ターゲット、ZnOターゲットを用いた3元共スパッタを用いて行った。各領域の膜厚調整は成膜時間の調整にて行った。
また、実施例1〜10及び比較例1〜4に係る第1の領域506及び第2の領域508と同じ条件で成膜を施し作製した成膜試料について、蛍光X線分析で組成分析することにより、第1の領域506及び第2の領域508のそれぞれが上記の組成となることを確認した。また、X線回折測定により各成膜試料が非晶質膜であることを確認した。
図9は、実施例1〜10及び比較例2〜4における第1の領域506の組成に着目した三元相図を示す図である。なお、比較例1における第1の領域506は、その組成の一部がSnでなくGaなので三元相図に示していない。
また、さらなる比較例5及び比較例6として、酸化物半導体層を50nmのIn(a)Sn(b)Zn(c)O(d)(a=1/3,b=1/3,c=1/3)と(a=2/5,b=2/5,c=1/5)単膜としたTFTもあわせて作製した。なお、比較例5及び比較例6に係るTFTは、酸化物半導体層の構成以外は、上記実施例1に係るTFTと同一の構成である。
作製した上記実施例1〜10および比較例1〜6について、半導体パラメータ・アナライザー4156C(アジレントテクノロジー社製)を用い、トランジスタ特性(Vg−Id特性)および移動度μの測定を行った。測定結果のうち代表的なVg−Id特性を図10に示した。Vg−Id特性の測定は、ドレイン電圧(Vd)を10Vに固定し、ゲート電圧(Vg)を−30V〜+30Vの範囲内で掃引し、各ゲート電圧(Vg)におけるドレイン電流(Id)を測定することにて行った。また、移動度は、ドレイン電圧(Vd)を1Vに固定した状態でゲート電圧(Vg)を−30V〜+30Vの範囲内で掃引して得た、線形領域でのVg−Id特性から線形移動度を算出して記している。
したがって、第1の領域の組成は、0.200≦c/(a+b+c)≦0.700であることがより好ましいことが分かった。
次に、TFT特性に対する第1の領域の膜厚依存性について検討した。
また、第1の領域の膜厚が30nm以下であると、閾値電圧が正の値をとることが見て取れる。したがって、第1の領域の膜厚は、30nm以下であることが好ましいことが分かった。
14 酸化物半導体層
14A 第1の領域
14B 第2の領域
18 ソース電極
20 ドレイン電極
22 ゲート絶縁膜
24 ゲート電極
100 液晶表示装置(表示装置)
200 有機EL表示装置(表示装置)
300 X線センサ(センサ)
504 熱酸化膜(ゲート絶縁膜)
506 第1の領域
508 第2の領域
510 ソース電極
512 ドレイン電極
Claims (19)
- 酸化物半導体層と、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電界効果型トランジスタであって、
前記酸化物半導体層は、
In(a)Sn(b)Zn(c)O(d)(a,b,c,d>0,a+b+c=1)を含む第1の領域と、
前記第1の領域よりも前記ゲート電極から遠い側に配置されており、In(e)Ga(f)Zn(g)O(h)(e>0,f>0,g>0,h>0,e+f+g=1)を含む第2の領域と、を有する、
電界効果型トランジスタ。 - 前記第1の領域の組成は、c/(a+b+c)≧0.200で表される、
請求項1に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記第1の領域の組成は、c/(a+b+c)≦0.700で表される、
請求項1又は請求項2に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記第1の領域の組成は、c/(a+b+c)≧1/3で表される、
請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記第1の領域の組成は、c/(a+b+c)≧0.400で表される、
請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記第1の領域の組成は、a/(a+b+c)≧1/3で表される、
請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記第1の領域の膜厚は、50nm以下である、
請求項1〜請求項6の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記第1の領域の膜厚は、16nm以下である、
請求項7に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記第1の領域の膜厚は、5nm以上である、
請求項1〜請求項8の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記第2の領域の組成は、f/(e+f)≦0.875で表される、
請求項1〜請求項9の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記第2の領域の組成は、f/(e+f)>0.250で表される、
請求項1〜請求項10の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記第2の領域の膜厚は、10nm超70nm未満である、
請求項1〜請求項11の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記酸化物半導体層は非晶質膜である、
請求項1〜請求項12の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 - 前記第2の領域は、前記第1の領域よりも電気伝導度が低い、
請求項1〜請求項13の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 - 酸化物半導体層と、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電界効果型トランジスタの製造方法であって、
前記酸化物半導体層の成膜工程として、
In(a)Sn(b)Zn(c)O(d)(a,b,c,d>0、a+b+c=1)を含む第1の領域を、成膜室内を第1の酸素分圧/アルゴン分圧としてスパッタリング法により成膜する第1成膜工程と、
前記第1の領域よりも前記ゲート電極から遠い側に配置され、In(e)Ga(f)Zn(g)O(h)(e,f,g,h>0、e+f+g=1)を含む第2の領域を、前記成膜室内を第2の酸素分圧/アルゴン分圧としてスパッタリング法により成膜する第2成膜工程と、を有する、
電界効果型トランジスタの製造方法。 - 前記第1の酸素分圧/アルゴン分圧が、前記第2の酸素分圧/アルゴン分圧よりも高い、
請求項15に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 - 請求項1〜請求項14の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタを備える表示装置。
- 請求項1〜請求項14の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタを備えるイメージセンサ。
- 請求項1〜請求項14の何れか1項に記載の電界効果型トランジスタを備えるX線センサ。
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