JP6753969B2 - 酸化物半導体薄膜、薄膜トランジスタおよびスパッタリングターゲット - Google Patents
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Description
また、本発明の目的は、上記酸化物半導体薄膜からなる酸化物半導体層を含み、高い電界効果移動度を維持することができる薄膜トランジスタ、および上記酸化物半導体層を形成するためのスパッタリングターゲットを提供することにある。
[1] 第1の酸化物半導体層と、第2の酸化物半導体層とを有し、
前記第1の酸化物半導体層および前記第2の酸化物半導体層は、それぞれ金属元素としてIn、Ga、ZnおよびSnと、Oとを含み、
前記第1の酸化物半導体層における前記In、Ga、ZnおよびSnの合計に対する各金属元素の原子数比が、
0.05≦In/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.25
0.20≦Ga/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.20≦Zn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.05≦Sn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.15
を満足し、
前記第2の酸化物半導体層における前記In、Ga、ZnおよびSnの合計に対する各金属元素の原子数比が、
0.20≦In/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.05≦Ga/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.25
0.15≦Zn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.01≦Sn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.20
を満足する酸化物半導体薄膜。
[2] 前記第1の酸化物半導体層において、InおよびSnの合計に対するInの原子数比が、
0.30≦In/(In+Sn)≦0.75
を満足する上記[1]に記載の酸化物半導体薄膜。
[3] 基板上にゲート電極、ゲート絶縁膜、上記[1]または[2]に記載の酸化物半導体薄膜からなる酸化物半導体層、ソース・ドレイン電極および保護膜をこの順序で有することを特徴とする薄膜トランジスタ。
[4] 前記ソース・ドレイン電極がCuまたはCu合金からなることを特徴とする上記[3]に記載の薄膜トランジスタ。
[5] 上記[3]又は[4]に記載の薄膜トランジスタにおける前記第1の酸化物半導体層を形成するためのスパッタリングターゲットであって、
金属元素としてIn、Ga、ZnおよびSnと、Oとを含み、
前記In、Ga、ZnおよびSnの合計に対する各金属元素の原子数比が、
0.05≦In/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.25
0.20≦Ga/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.20≦Zn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.05≦Sn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.15
を満足するスパッタリングターゲット。
また、本発明によれば、上記酸化物半導体薄膜からなる酸化物半導体層を含み、高い電界効果移動度を維持することができる薄膜トランジスタ、および上記酸化物半導体層を形成するためのスパッタリングターゲットを提供することができる。
第1の酸化物半導体層における、上記In、Ga、ZnおよびSnの合計に対する各金属元素の原子数比が、
0.05≦In/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.25
0.20≦Ga/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.20≦Zn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.05≦Sn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.15
を満足する。
〔0.05≦In/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.25〕
Inは、電気伝導性の向上に寄与する元素である。In原子数比が大きくなるほど、すなわち、全金属元素に占めるIn量が多くなるほど酸化物半導体薄膜の導電性が向上するため、本実施形態の酸化物半導体薄膜を薄膜トランジスタの酸化物半導体層(チャネル層)とした場合に、薄膜トランジスタの電界効果移動度は増加する。
Gaは、酸素欠損の低減およびキャリア密度の制御に寄与する元素である。Ga原子数比が大きくなるほど、すなわち、全金属元素に占めるGa量が多くなるほど、酸化物半導体薄膜の電気的安定性が向上し、本実施形態の酸化物半導体薄膜を薄膜トランジスタの酸化物半導体層(チャネル層)とした場合に、薄膜トランジスタのキャリアの過剰発生を抑制する効果を発揮する。また、Gaは過酸化水素系のCuエッチング液によるエッチングを阻害する元素でもある。よって、Ga原子数比が大きくなるほど、ソース・ドレイン電極としてのCu電極のエッチング加工に用いられる過酸化水素系エッチング液に対して選択比が大きくなり、ダメージを受けにくくなる。
Znは、他の金属元素ほど薄膜トランジスタ特性に対して敏感ではないが、Zn原子数比が大きくなるほど、すなわち、全金属元素に占めるZn量が多くなるほど、アモルファス化しやすくなるため、本実施形態の酸化物半導体薄膜からなる第1の酸化物半導体層を有する薄膜トランジスタを製造する際に、有機酸や無機酸のエッチング液によりエッチングされやすくなる。
Snは、酸系の薬液によるエッチングを阻害する元素である。このため、Sn原子数比が大きくなるほど、すなわち、全金属元素に占めるSn量が多くなるほど、本実施形態の酸化物半導体薄膜からなる第1の酸化物半導体層のパターニングに用いる有機酸や無機酸のエッチング液によるエッチング加工は困難となる。しかしながら、Snが添加された酸化物半導体は水素拡散によってキャリア密度の増加が見られ、電界効果移動度が増加し、また、Sn添加量が適度であれば薄膜トランジスタの光ストレスに対する信頼性が向上する。
0.30≦In/(In+Sn)≦0.75
であることが好ましい。
0.75≦Ga/(Ga+Sn)≦0.99
であることが好ましい。
次に、本実施形態の薄膜トランジスタについて更に詳細に説明する。
以下、図面を参照しながら、本発明の薄膜トランジスタの実施形態について更に詳細に説明する。ただし、これらは好ましい実施形態の例を示すものに過ぎず、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。
また、ゲート絶縁膜3としては、例えば、SiOx膜とSiNx膜を連続成膜した積層型のゲート絶縁膜としてもよい。SiNx膜はSiOx膜に比べて成膜レートが早く、誘電率も高いので、このような積層型のゲート絶縁膜であれば総膜厚を薄くすることができる。
なお、ソース・ドレイン電極5の種類は特に限定されず、汎用されているものを用いることができる。例えばゲート電極2と同様Al、Mo、Cu、Tiなどの金属又は合金を用いても良い。これらの中でも、電気抵抗率の低い点で有利なことからCu又はCu合金を用いることが好ましい。
J.Parkら、Appl.Phys.Lett.,93,053505(2008)
[In1]≦[In2]、
[Ga1]≧[Ga2]、
を満足することが好ましい。
0.20≦In/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.05≦Ga/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.25
0.15≦Zn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.01≦Sn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.20
を満足することが、酸化物半導体層全体として、より高い電界効果移動度を実現する上で好ましい。
本実施形態は、上記薄膜トランジスタにおける第1の酸化物半導体層4Aを形成するためのスパッタリングターゲットにも関する。スパッタリングターゲットとしては、前述した元素を含み、所望の酸化物半導体層と同一組成のスパッタリングターゲットを用いることが好ましく、これにより、組成ズレが少なく、所望の成分組成の酸化物半導体層を形成できる。
前記In、Ga、ZnおよびSnの合計に対する各金属元素の原子数比が、
0.05≦In/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.25
0.20≦Ga/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.20≦Zn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.05≦Sn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.15
を満足するものである。
第1の酸化物半導体層4Aと第2の酸化物半導体層4Bとを有する薄膜トランジスタを下記手順により作製した。
図2に示すように、まず、ガラス基板1(コーニング社製イーグルXG、直径100nm×厚さ0.7mm)上に、ゲート電極2としてMo薄膜(膜厚100nm)を成膜し、フォトリソグラフィーによりゲート電極2の形状にパターニングを行った。つづいてゲート絶縁膜3としてSiOx膜(膜厚250nm)を成膜した。上記ゲート電極2は、Moスパッタリングターゲットを使用し、スパッタリング法により成膜した。また、ゲート絶縁膜3は、プラズマCVD法を用いて成膜した。ゲート電極2およびゲート絶縁膜3の成膜条件を以下に示す。
成膜温度:室温
成膜パワー:300W
キャリアガス:Ar
ガス圧:2mTorr
(ゲート絶縁膜の成膜条件)
キャリアガス:SiH4とN2Oの混合ガス
成膜パワー:300W
成膜温度:320℃
基板温度:室温
ガス圧:1mTorr
酸素分圧:100×O2/(Ar+O2)=4%
キャリアガス:SiH4およびN2Oの混合ガス
成膜パワー:100W
成膜温度:230℃
(SiN膜の成膜条件)
キャリアガス:NH3、N2およびN2Oの混合ガス
成膜パワー:100W
成膜温度:150℃
最後に、窒素雰囲気下にて250℃で30分間のポストアニール処理を実施した。以上の手順により、薄膜トランジスタを製造した。
酸化物半導体層4A(膜厚40nm)として、Snを含有せず、組成がIn:Ga:Zn=1:2:1である酸化物半導体薄膜を用いた以外は実施例と同様にして、比較例1の薄膜トランジスタを製造した。
[比較例2]
酸化物半導体層4A(膜厚40nm)として、Snを含有せず、組成がIn:Ga:Zn=1:3:3である酸化物半導体薄膜を用いた以外は実施例と同様にして、比較例2の薄膜トランジスタを製造した。
[比較例3]
酸化物半導体層4Aを形成しない、すなわち、上記第2の酸化物半導体層4Bのみを形成した以外は実施例と同様にして、比較例3の薄膜トランジスタを製造した。
トランジスタ特性(ドレイン電流−ゲート電圧特性、Id−Vg特性)の測定は、Agilent Technologies社製「HP4156C」の半導体パラメータアナライザーを使用した。
ソース電圧:0V
ドレイン電圧:10V
ゲート電圧:−30〜30V(測定間隔:0.25V)
基板温度:室温
電界効果移動度(μFE)は、TFT特性から、Vg>Vd−Vthである飽和領域にて導出した。飽和領域では、Vgをゲート電圧、Vdをドレイン電圧、Idをドレイン電流、L、WをそれぞれTFT素子のチャネル長、チャネル幅、Ciをゲート絶縁膜の静電容量、μFEを電界効果移動度とした。μFEは以下の式から導出される。
しきい値電圧(Vth)とは、トランジスタがオフ状態(ドレイン電流の低い状態)からオン状態(ドレイン電流の高い状態)に移行する際のゲート電圧の値である。本実施例では、薄膜トランジスタのドレイン電流が10−9Aとなるときのゲート電圧をしきい値電圧と定義し、各薄膜トランジスタのしきい値電圧(V)を測定した。
S値は、ドレイン電流を1桁上昇させるのに必要なゲート電圧の変化量の最小値であり、S値を測定することにより、TFTのスイッチングの切れの尺度を評価することができる。本実施例では、S値が0.5(V/decade)以下であるものを、良好な特性であると判断した。
本実施例では、ゲート電極に正バイアスをかけ続けるストレス印加試験を2時間行い、ストレス印加試験前後のしきい値電圧(Vth)の変動値(しきい値電圧シフト量:ΔVth)をTFT特性におけるストレス耐性の指標とした。
ゲート電圧:+20V
ソース・ドレイン電圧:0.1V
基板温度:60℃
ストレス印加時間:2時間
比較例3は、酸化物半導体層4Aを形成せず、第2の酸化物半導体層4Bのみを形成したものであり、電界効果移動度は優れているものの、エッチング液に第2の酸化物半導体が曝されるため、第2の酸化物半導体層がダメージを受けてS値が高い値となった。
2 ゲート電極
3 ゲート絶縁膜
4 酸化物半導体層
4A 第1の酸化物半導体層
4B 第2の酸化物半導体層
5 ソース・ドレイン電極
6 保護膜
7 コンタクトホール
8 透明導電膜
Claims (6)
- 第1の酸化物半導体層と、第2の酸化物半導体層とを有し、
前記第1の酸化物半導体層および前記第2の酸化物半導体層は、それぞれ金属元素としてIn、Ga、ZnおよびSnと、Oとを含み、
前記第1の酸化物半導体層における前記In、Ga、ZnおよびSnの合計に対する各金属元素の原子数比が、
0.05≦In/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.10
0.20≦Ga/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.20≦Zn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.07≦Sn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.15
を満足し、
前記第2の酸化物半導体層における前記In、Ga、ZnおよびSnの合計に対する各金属元素の原子数比が、
0.20≦In/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.05≦Ga/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.25
0.15≦Zn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.01≦Sn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.20
を満足し、
前記第1の酸化物半導体層において、InおよびSnの合計に対するInの原子数比が、
0.30≦In/(In+Sn)≦(101/152)
を満足する酸化物半導体薄膜。 - 第1の酸化物半導体層と、第2の酸化物半導体層とを有し、
前記第1の酸化物半導体層および前記第2の酸化物半導体層は、それぞれ金属元素としてIn、Ga、ZnおよびSnと、Oとを含み、
前記第1の酸化物半導体層における前記In、Ga、ZnおよびSnの合計に対する各金属元素の原子数比が、
0.05≦In/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.10
0.20≦Ga/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.20≦Zn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.07≦Sn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.15
を満足し、
前記第2の酸化物半導体層における前記In、Ga、ZnおよびSnの合計に対する各金属元素の原子数比が、
0.20≦In/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.05≦Ga/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.25
0.15≦Zn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.01≦Sn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.20
を満足し、
前記第1の酸化物半導体層において、InおよびSnの合計に対するInの原子数比が、
0.30≦In/(In+Sn)≦0.60
を満足する酸化物半導体薄膜。 - 基板上にゲート電極、ゲート絶縁膜、請求項1又は2に記載の酸化物半導体薄膜からなる酸化物半導体層、ソース・ドレイン電極および保護膜をこの順序で有する薄膜トランジスタ。
- 前記ソース・ドレイン電極がCuまたはCu合金からなる請求項3に記載の薄膜トランジスタ。
- 請求項3又は4に記載の薄膜トランジスタにおける前記第1の酸化物半導体層を形成するためのスパッタリングターゲットであって、
金属元素としてIn、Ga、ZnおよびSnと、Oとを含み、
前記In、Ga、ZnおよびSnの合計に対する各金属元素の原子数比が、
0.05≦In/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.10
0.20≦Ga/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.20≦Zn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.07≦Sn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.15
を満足し、
InおよびSnの合計に対するInの原子数比が、
0.30≦In/(In+Sn)≦(101/152)
を満足するスパッタリングターゲット。 - 請求項3又は4に記載の薄膜トランジスタにおける前記第1の酸化物半導体層を形成するためのスパッタリングターゲットであって、
金属元素としてIn、Ga、ZnおよびSnと、Oとを含み、
前記In、Ga、ZnおよびSnの合計に対する各金属元素の原子数比が、
0.05≦In/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.10
0.20≦Ga/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.20≦Zn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.60
0.07≦Sn/(In+Ga+Zn+Sn)≦0.15
を満足し、
InおよびSnの合計に対するInの原子数比が、
0.30≦In/(In+Sn)≦0.60
を満足するスパッタリングターゲット。
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