JP6289693B2 - 結晶質酸化物半導体薄膜、結晶質酸化物半導体薄膜の製造方法及び薄膜トランジスタ - Google Patents
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Description
また、特許文献6及び7では、In−Al系のスパッタリングターゲットが報告されている。
非晶質酸化物半導体のキャリヤーは、酸素欠損により発生する電子により構成されることになる。
1.酸化インジウムを主成分とし、単一の結晶方位を有する表面結晶粒子を含むことを特徴とする結晶質酸化物半導体薄膜。
2.電子線後方散乱解析法で観察したときに、表面の結晶状態がファセット状である結晶粒子が観察されることを特徴とする、1に記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
3.前記表面の結晶状態がファセット状である結晶粒子が占める面積が50%以上であることを特徴とする、1又は2に記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
4.インジウム元素以外の正三価の金属元素からなる群から選択される1種以上の元素を含むことを特徴とする、1〜3のいずれかに記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
5.前記インジウム元素以外の正三価の金属元素の含有量が、前記結晶質酸化物半導体薄膜中の全金属分に対し、8原子%超17原子%以下であることを特徴とする、4に記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
6.前記インジウム元素以外の正三価の金属元素が、アルミニウム、ガリウム、イットリウム及びランタノイド系元素からなる群から選択される1種又は2種以上であることを特徴とする、4又は5に記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
7.さらに、正四価の金属元素からなる群から選択される1種以上の元素を含むことを特徴とする、1〜6のいずれかに記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
8.前記正四価の金属元素の含有量が、前記結晶質酸化物半導体薄膜中の全金属分に対し、0.01原子%以上1原子%以下であることを特徴とする、7に記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
9.前記正四価の金属元素が、スズ、ジルコニウム及びセリウムからなる群から選択される1種以上であることを特徴とする、7又は8に記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
10.バンドギャップが、3.6eV以上であることを特徴とする、1〜9のいずれかに記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
11.酸化インジウムを主成分とするスパッタリングターゲットを用い、不純物ガスを実質的に含まないアルゴン及び酸素の混合ガスをスパッタガスとして用いてスパッタリングにより酸化物薄膜を成膜する工程、及び
得られた酸化物薄膜を加熱する工程
を含むことを特徴とする、1〜10のいずれかに記載の結晶質酸化物半導体薄膜の製造方法。
12.前記スパッタガス中の不純物ガスの割合が、0.1体積%以下であることを特徴とする、11に記載の結晶質酸化物半導体薄膜の製造方法。
13.前記スパッタリングターゲットが、アルミニウム、ガリウム、イットリウム及びランタノイド系元素からなる群から選択される1種以上の元素を含有することを特徴とする、11又は12に記載の結晶質酸化物半導体薄膜の製造方法。
14.前記加熱温度が、250℃以上500℃以下であることを特徴とする、11〜13のいずれかに記載の結晶質酸化物半導体薄膜の製造方法。
15.前記加熱する工程において、150℃から250℃までの昇温速度が、20℃/分以下であることを特徴とする、11〜14のいずれかに記載の結晶質酸化物半導体薄膜の製造方法。
16.前記加熱時間が、0.1時間以上5時間以下であることを特徴とする、11〜14のいずれかに記載の結晶質酸化物半導体薄膜の製造方法。
17.ソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、保護絶縁膜と、酸化物半導体層と、を有し、
前記酸化物半導体層は、ゲート絶縁膜と保護絶縁膜の間に位置し、1〜10のいずれかに記載の結晶質酸化物半導体薄膜からなることを特徴とする薄膜トランジスタ。
18.飽和移動度が30cm2/V・sec以上である、17に記載の薄膜トランジスタ。
19.ドレイン電圧0.1Vにおいて、線形領域での電界効果移動度の方法で求めたVg−μカーブより、Vg=Vth+5の移動度が10cm2/Vs以上であり、Vg=VthからVth+20の平均移動度がその範囲の最大移動度の50%以上であることを特徴とする17又は18に記載の薄膜トランジスタ。
20.17〜19のいずれかに記載の薄膜トランジスタを用いた電気機器又は車両。
本発明に係る結晶質酸化物半導体薄膜は、酸化インジウムを主成分とし、単一の結晶方位を有する表面結晶粒子を含むことを特徴とする。
単一の結晶方位を有する表面結晶粒子を含む結晶質薄膜は、結晶が安定であり、TFT製造工程での様々な熱負荷、酸化負荷、還元負荷等によるキャリヤー密度の変動を抑え込むことができる。当該結晶質薄膜をチャネル層とする薄膜トランジスタは高い飽和移動度を達成できる。
尚、粒径は、EBSDにより表面形態を確認しフェレー径(結晶に外接する長方形の短辺とする)を計測することにより求める。
平均結晶粒径は、膜の中央部(対角線の交点)を中心とした枠内で観察されるファセット結晶の粒径を測定し、その平均値を相加平均にて算出したものである。枠のサイズは、通常5μm×5μmであるが、膜のサイズや、粒径のサイズにより適宜調整する。枠内のファセット状結晶の数は、5個以上である。5個に満たない場合は、枠のサイズを拡大して観察を行う。膜全体を観察しても5個未満の場合は、計測可能な結晶を計測することにより算出する。放射状の結晶形態の場合、粒径としては、通常1μm〜20μm程度の粒径を有しているが、特に10μmを超える結晶では、その粒径内は単一な結晶方位を示さず、中心部や結晶端部より放射状に結晶方位が変化する結晶を有している。
ファセット状でない結晶形態としては、放射状の結晶形態の他、アモルファス状もしくは微細な結晶粒等が挙げられる。上記ファセット状の結晶状態の粒子が占める面積以外の部分は、これらの形態の粒子が占めている。
インジウム元素以外の正三価の金属元素の含有量は、前記結晶質酸化物半導体薄膜中の全金属分に対し、8原子%超17原子%以下であることが好ましく、10原子%超から15原子%以下であることがより好ましい。ここで、インジウム元素以外の正三価の金属元素の含有量とは、結晶質酸化物半導体薄膜に含まれるインジウム元素以外の正三価の金属元素の合計量を意味する。
また、ガリウムは、結晶化した酸化インジウムの格子定数を小さくする効果が有り、TFTの移動度を向上する効果があると考えられるという理由で好ましい。
10原子%<Al<15原子%
8原子%<Ga<15原子%
8原子%<Y<15原子%
8原子%<ランタノイド系元素<15原子%
アルミニウム、イットリウム、ガリウム及びランタノイド系元素のうちの2種以上を用いる場合は、上述したように、合計量が8原子%超〜17原子%以下の範囲となるようにするのが良い。
本発明に係る結晶質酸化物半導体薄膜の製造方法は、
酸化インジウムを主成分とするスパッタリングターゲットを用い、不純物ガスを実質的に含まないアルゴン及び酸素の混合ガスをスパッタガスとして用いてスパッタリングにより酸化物薄膜を成膜する工程、及び
得られた酸化物薄膜を加熱する工程を含むことを特徴とする。
酸化インジウムを主成分とするスパッタリングターゲットを用い、実質的に不純物を含まない高純度アルゴン及び高純度酸素の混合ガスをスパッタガスとして用いてスパッタリングにより成膜して得られる薄膜はアモルファス(非晶質)酸化物薄膜である。これを加熱することによって結晶化させて、表面結晶が単一な結晶方位を有する、好ましくはファセット状の結晶状態である結晶質酸化物半導体薄膜を得る。
250℃以上の温度の炉に直接基板を投入することはせずに、150℃以下の炉に基板を投入し、上記の好ましい昇温速度で、250℃まで昇温するのが好ましい。150℃〜250℃の間の昇温速度を上記範囲とすることにより、より好ましいファセット状の結晶形態が得られる。
本発明に係る薄膜トランジスタ(TFT)は、ソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、保護絶縁膜と、酸化物半導体層と、を有し、
前記酸化物半導体層は、ゲート絶縁膜と保護絶縁膜の間に位置し、前記本発明に係る結晶質酸化物半導体薄膜からなることを特徴とする。
また、前記本発明に係る結晶質酸化物半導体薄膜及び結晶質酸化物半導体薄膜の製造方法により製造される結晶質酸化物半導体薄膜は、その一方の面に、インジウム金属やITO、IZOなどのオーミック電極を配置し、他方の面に、モリブデン、チタンなどの金属や炭化物、シリサイドなどのショットキー電極を配置することにより、ショットキーバリヤーダイオードを構成することもできる。
以下の工程で図2に示す構造を有する薄膜トランジスタを製造した。
(1)成膜工程
酸化インジウム96重量%(89.8at%):酸化アルミニウム4重量%(10.2at%)の割合に混合されたスパッタリングターゲットを用いて、スパッタリングによって、熱酸化膜(ゲート絶縁膜30)付きのシリコンウエハー(ゲート電極20)上に、メタルマスクを介して50nmの薄膜(酸化物半導体層40)を形成した。スパッタガスとして、高純度アルゴン及び高純度酸素の混合ガス(不純物濃度:0.01体積%)を用い、表1−1に示す成膜条件でスパッタリングを行った。
得られた積層体を大気中にて表1−1に示す温度、時間及び条件で加熱処理した。表1−1中の「半導体膜成膜後の加熱処理条件」における「成膜後の熱処理:時間(分)」は、熱処理温度に達してから降温を開始するまでの時間を意味する。
加熱処理後の半導体薄膜の上に、基板温度350℃で化学蒸着法(CVD)により、SiO2膜(保護絶縁膜;層間絶縁膜70、チャネル部層間絶縁膜70a(ただし、この時点ではコンタクトホールはなく連続した膜である))を形成し、表1−1に示す条件で加熱処理を行った。
加熱処理後のSiO2膜の上に、コンタクトホールを形成し、メタルマスクを用いてソース・ドレイン電極50,60としてモリブデン金属をスパッタ成膜で付けた後、各種熱処理を行って、薄膜トランジスタ(TFT)を完成し、TFTの特性を評価した。
また、酸化物薄膜のみをガラス基板に載せたサンプルも同時に成膜し、表1−1に示す各段階でホール測定を行い、キャリヤー密度の増減を測定した。
・ホール効果測定
TFT製造工程と同様にガラス基板上に厚さ50nmの酸化物半導体膜を成膜し、加熱処理を行った後、1cm角の正方形に切り出して、4角に金(Au)を2mm×2mm以下の大きさ位になるようにメタルマスクを用いてイオンコーターで成膜し、Au金属上にインジウムはんだを乗せて接触を良くしてホール効果測定用サンプルとした。
ガラス基板には、日本電気硝子株式会社製ABC−Gを用いた。
ホール効果測定用サンプルをホール効果・比抵抗測定装置(ResiTest8300型、東陽テクニカ社製)にセットし、室温においてホール効果を評価し、キャリヤー密度及び移動度を求めた。結果を表1−1に示す。
スパッタ後(膜堆積後)の加熱していない膜及び加熱した後の膜の結晶質をX線回折(XRD)測定によって評価したところ、加熱前はアモルファスであり、加熱後は結晶質(ビックスバイト構造)であった。添加された金属原子の固溶置換によりビックスバイト構造の格子定数は変化する場合がある。ビックスバイト構造以外の結晶構造が主成分として析出すると、移動度の低下を招いたりする場合がある。
また、加熱後の膜について、EBSDにより表面形態を確認しフェレー径を計測したところ、平均粒径が2μm以上の、結晶状態がファセット状の結晶粒子が確認された。平均結晶粒径(グレインサイズ)は、2μm以上であった。平均結晶粒径は、膜の中央部(対角線の交点)を中心とした、5μm×5μmの枠内のファセット結晶の粒径を測定し、これらの相加平均値として算出することで求めた。酸化物薄膜表面のファセット状結晶の占める割合は、95%超であり、ファセット状結晶以外の粒子は、結晶状態が放射状の粒子及び粒界に存在する微結晶の粒子であった。結果を表1−1に示す。酸化物薄膜表面のファセット状結晶の占める割合は、EBSDで得られた膜表面画像から、単一色で表されている結晶粒子をファセット状結晶と判断し、EBSDで得られた膜表面画像に占めるファセット状結晶の面積を求めた。
実施例1で得られた結晶質酸化物半導体薄膜のEBSD画像を図1bに示す。
石英基板上に成膜し、半導体膜と同様に熱処理した薄膜資料の透過スペクトルを測定し、横軸の波長をエネルギー(eV)に、縦軸の透過率を
(αhν)2
(ここで、
α:吸収係数
h:プランク定数
v:振動数
である。)
に変換したあと、吸収が立ち上がる部分にフィッティングし、それをベースラインと交わるところのeV値を算出した。
得られたTFTの下記特性について評価を行った。結果を表1−1に示す。
・飽和移動度は、ドレイン電圧に5V印加した場合の伝達特性から求めた。具体的に、伝達特性Id−Vgのグラフを作成し、各Vgのトランスコンダクタンス(Gm)を算出し、線形領域の式により飽和移動度を導いた。尚、Gmは∂(Id)/∂(Vg)によって表され、Vgは−15〜25Vまで印加し、その範囲での最大移動度を飽和移動度と定義した。本発明において特に断らない限り、飽和移動度はこの方法で評価した。上記Idはソース・ドレイン電極間の電流、Vgはソース・ドレイン電極間に電圧Vdを印加したときのゲート電圧である。
・閾値電圧(Vth)は、伝達特性のグラフよりId=10−9AでのVgと定義した。
・on−off比は、Vg=−10VのIdの値をOff電流値とし、Vg=20VのIdの値をOn電流値として比[On/Off]を決めた。
・線形領域での電界効果移動度は、ドレイン電圧に0.1V印加した場合の伝達特性から求めることが望ましい。具体的に、伝達特性Id−Vgのグラフを作成し、各Vgのトランスコンダクタンス(Gm)を算出し、線形領域の式により電界効果移動度を導く。尚、Gmは∂(Id)/∂(Vg)によって表され、Vgは−15〜20Vまで印加し、特に指定がない場合その範囲での最大移動度を電界効果移動度と定義する。飽和領域の移動度特性を議論することも可能であるが、飽和領域の式が成立するのは一般的にVg<Vdの場合であり、十分に大きなVdを印加しVg依存性を測定する必要があり、素子破壊等に影響する。よって低ゲート電圧下での移動度を議論するにはVdが小さい場合の線形領域(Vg>Vd)の移動度で議論することが望ましい。線形領域での電界効果移動度はこの方法で評価した。上記Idはソース・ドレイン電極間の電流、Vgはソース・ドレイン電極間に電圧Vdを印加したときのゲート電圧である。
上記、線形領域での電界効果移動度の方法で求めたVg−μカーブより、Vg=Vth+5の移動度が10cm2/Vs以上であり、Vg=VthからVth+20の平均移動度が、その範囲の最大移動度の50%以上であるTFTを、高速応答型電界効果トランジスタとした。
ここで平均移動度は、Vg−μグラフより下記式
平均移動度=∫Vth Vth+20μdVg/20
から求められる。
このように、Vg=Vth+5の移動度が10cm2/Vs以上であることから、印加されるゲート電圧が低い場合においても、十分な移動度がえられる。特にシリコン半導体と組み合わせて用いる場合には、シリコン半導体のソース・ドレイン電圧が低い場合に、その電圧が酸化物半導体のゲート電圧として作用するので、低ゲート電圧での高移動度は、重要になる。また、Vg=VthからVth+20の平均移動度が、その範囲の最大移動度の50%以上であることから、電圧を保持するキャパシタ等への電荷の注入を高速で行うことができるようになる。
表1−1〜1−3に示す組成のスパッタリングターゲットを用いて半導体薄膜を成膜し、加熱処理等を行った以外は実施例1と同様にして薄膜トランジスタを製造し、TFTの特性を評価した。
比較例1で得られた結晶質酸化物半導体薄膜のEBSD画像を図1cに示す。
また、実施例1と同様に、酸化物薄膜のみをガラス基板に載せたサンプルについて、表1−1〜1−3に示す各段階でホール測定を行い、キャリヤー密度の増減、バンドギャップを測定した。結果を表1−1〜1−3に示す。
表中の「E+XX」は「1×10+XX」を意味する。
表中の「最大移動度に対する平均移動度比率(%)」は、Vg=VthからVth+20の範囲の最大移動度に対する、当該範囲における平均移動度の割合(%)を示す。
表2に示す組成のスパッタリングターゲットを用いて半導体薄膜を成膜し、加熱処理等を行った以外は実施例1と同様にして薄膜トランジスタを製造し、TFTの特性を評価した。
また、実施例1と同様に、酸化物薄膜のみをガラス基板に載せたサンプルについて、表2に示す各段階でホール測定を行い、キャリヤー密度の増減、バンドギャップを測定した。結果を表2に示す。
尚、表中のスパッタリングターゲットの原子比において、「wt%」で示されている数値は、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化イットリウム及び酸化錫の重量比(仕込み量)を示し、「at%」で示されている数値は、インジウム元素、ガリウム元素、イットリウム元素及びスズ元素の原子比を示す。
表中の「E+XX」は「1×10+XX」を意味する。
表中の「最大移動度に対する平均移動度比率(%)」は、Vg=VthからVth+20の範囲の最大移動度に対する、当該範囲における平均移動度の割合(%)を示す。
表3に示す組成のスパッタリングターゲットを用いて半導体薄膜を成膜し、加熱処理等を行った以外は実施例1と同様にして薄膜トランジスタを製造し、TFTの特性を評価した。
また、実施例1と同様に、酸化物薄膜のみをガラス基板に載せたサンプルについて、表3に示す各段階でホール測定を行い、キャリヤー密度の増減、バンドギャップを測定した。結果を表3に示す。
尚、表中のスパッタリングターゲットの原子比において、「wt%」で示されている数値は、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化サマリウム及び酸化錫の重量比(仕込み量)を示し、「at%」で示されている数値は、インジウム元素、ガリウム元素、サマリウム元素及びスズ元素の原子比を示す。
表中の「E+XX」は「1×10+XX」を意味する。
表中の「最大移動度に対する平均移動度比率(%)」は、Vg=VthからVth+20の範囲の最大移動度に対する、当該範囲における平均移動度の割合(%)を示す。
本願のパリ優先の基礎となる日本出願明細書の内容を全てここに援用する。
Claims (17)
- 酸化インジウムを主成分とし、表面の結晶状態がファセット状である結晶粒子が観察され、かつ
前記ファセット状である結晶粒子の平均結晶粒径が0.5μm以上、10μm以下であることを特徴とする結晶質酸化物半導体薄膜。 - 前記表面の結晶状態がファセット状である結晶粒子が占める面積が50%以上であることを特徴とする、請求項1に記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
- インジウム元素以外の正三価の金属元素からなる群から選択される1種以上の元素を含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
- 前記インジウム元素以外の正三価の金属元素の含有量が、前記結晶質酸化物半導体薄膜中の全金属分に対し、8原子%超17原子%以下であることを特徴とする、請求項3に記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
- 前記インジウム元素以外の正三価の金属元素が、アルミニウム、ガリウム、イットリウム及びランタノイド系元素からなる群から選択される1種又は2種以上であることを特徴とする、請求項3又は4に記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
- さらに、正四価の金属元素からなる群から選択される1種以上の元素を含むことを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
- 前記正四価の金属元素の含有量が、前記結晶質酸化物半導体薄膜中の全金属分に対し、0.01原子%以上1原子%以下であることを特徴とする、請求項6に記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
- 前記正四価の金属元素が、スズ、ジルコニウム及びセリウムからなる群から選択される1種以上であることを特徴とする、請求項6又は7に記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
- バンドギャップが、3.6eV以上であることを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
- 酸化インジウムを主成分とするスパッタリングターゲットを用い、不純物ガスを実質的に含まないアルゴン及び酸素の混合ガスをスパッタガスとして用いてスパッタリングにより酸化物薄膜を成膜する工程、及び
得られた酸化物薄膜を加熱する工程
を含むことを特徴とする、請求項1〜9のいずれかに記載の結晶質酸化物半導体薄膜の製造方法。 - 前記スパッタガス中の不純物ガスの割合が、0.1体積%以下であることを特徴とする、請求項10に記載の結晶質酸化物半導体薄膜の製造方法。
- 前記スパッタリングターゲットが、アルミニウム、ガリウム、イットリウム及びランタノイド系元素からなる群から選択される1種以上の元素を含有することを特徴とする、請求項10又は11に記載の結晶質酸化物半導体薄膜の製造方法。
- 前記加熱する工程において、加熱温度が、250℃以上500℃以下であることを特徴とする、請求項10〜12のいずれかに記載の結晶質酸化物半導体薄膜の製造方法。
- 前記加熱する工程において、150℃から250℃までの昇温速度が、20℃/分以下であることを特徴とする、請求項10〜13のいずれかに記載の結晶質酸化物半導体薄膜の製造方法。
- 前記加熱時間が、0.1時間以上5時間以下であることを特徴とする、請求項10〜14のいずれかに記載の結晶質酸化物半導体薄膜の製造方法。
- ソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、保護絶縁膜と、酸化物半導体層と、を有し、
前記酸化物半導体層は、前記ゲート絶縁膜と前記保護絶縁膜の間に位置し、請求項1〜9のいずれかに記載の結晶質酸化物半導体薄膜からなることを特徴とする薄膜トランジスタ。 - 請求項16に記載の薄膜トランジスタを用いた電気機器又は車両。
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