JP6928884B2 - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1に開示されるような、スパッタリングガスとして高濃度の酸素ガスを用いるスパッタ法においてスパッタ率を向上させるためには、ターゲットに印加するバイアス電圧を大きくする必要がある。しかしその場合には、ターゲットに衝突するイオンのエネルギーが大きくなり、衝突時にターゲットである金属酸化物から酸素が脱離する。そのため、ターゲットの材料組成と基板に形成される膜の組成とが異なってしまい、膜質が悪化するおそれがある。
またターゲットに印加するバイアス電圧が小さいので、酸素が脱離していないスパッタ粒子が基板に到達することになる。その結果、スパッタリングガスとしてアルゴンガスのみを供給してスパッタリングを行うことができるので、アルゴンガスに加えて酸素ガスを供給する場合に比べて成膜速度を速くすることができる。
さらに、スパッタリングガスとしてアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを供給する第2成膜工程を有することにより、膜中酸素量が大きい酸化物半導体層を形成することができる。その結果、酸化物半導体層の酸素欠乏を防止することができ、電気的特性に優れた薄膜トランジスタを製造することができる。
このような構成であれば、第2成膜工程におけるスパッタリングガス中の酸素ガス濃度が小さくなり、ターゲットの表面近傍に生成されるプラズマの密度をより大きくすることができ、成膜速度をさらに向上することができる。
このような構成であれば、酸化物半導体層を形成する工程において、成膜速度が大きい第1成膜工程を実施する割合を高くすることができ、酸化物半導体層全体の平均成膜速度を大きくすることができ、生産性がさらに向上することができる。
このような構成であれば、ターゲットに印加するバイアス電圧がより小さいので、ターゲットに衝突するイオンのエネルギーがより小さくなる。その結果、イオンの衝突時に、ターゲットである金属酸化物からの酸素の脱離量をより低減することができ、より優れた膜質の酸化物半導体層を形成することができる。
このような構成であれば、第1半導体層の上に、膜中酸素量が大きい第2半導体層を設けることができる。そのため、後工程である熱処理工程等において、第1半導体層からの酸素の脱離を抑制することができる。その結果、第1半導体層の酸素欠乏を抑制することができ、より電気的特性に優れた薄膜トランジスタを製造することができる。
このような構成であれば、膜中酸素量が大きい第2半導体層の間に第1半導体層を配置することができる。そのため、後工程である熱処理工程等において、第1半導体層からの酸素の脱離を抑制することができる。さらには、第2半導体層は、第1半導体層の上面側および下面側の両方から、第1半導体層に酸素を供給することができる。その結果、その結果、第1半導体層の酸素欠乏を抑制することができ、より電気的特性に優れた薄膜トランジスタを製造することができる。
このような構成であれば、成膜速度をより向上することができる。スパッタリング時の圧力をより低くすることで平均自由工程が長くなるため、スパッタ粒子が輸送中に拡散されずに基板に付着し、成膜速度をより向上することができる。そのためスパッタリングは3.1Pa以下の圧力下で行うことが好ましい。一方で圧力が0.5Pa未満であると、プラズマを生成維持できないおそれがある。よって、上記範囲が適切となる。
このようなスパッタリング装置を用いることにより、アンテナに供給する高周波電圧とターゲットのバイアス電圧との設定を独立して行うことができるので、バイアス電圧をプラズマの生成とは独立してプラズマ中のイオンをターゲットに引き込んでスパッタさせる程度の低電圧に設定することができる。そのため、スパッタリング時にターゲットに印加する負のバイアス電圧を−1kV以上の小さな値に設定することが可能になる。
2 ・・・基板
3 ・・・ゲート電極
4 ・・・ゲート絶縁層
5 ・・・酸化物半導体層
5a ・・・第1半導体層
5b ・・・第2半導体層
6 ・・・ソース電極
7 ・・・ドレイン電極
8 ・・・保護膜
100・・・スパッタリング装置
W ・・・基板
P ・・・プラズマ
T ・・・ターゲット
20 ・・・真空容器
30 ・・・基板保持部
40 ・・・ターゲット保持部
50 ・・・アンテナ
51 ・・・導体要素
52 ・・・絶縁要素
53 ・・・容量素子
まず、本発明の実施形態の製造方法により得られる薄膜トランジスタ1の構成について説明する。
本実施形態の薄膜トランジスタ1は、所謂ボトムゲート構造の薄膜トランジスタであり、図1に示すように、基板2と、ゲート電極3と、ゲート絶縁層4と、酸化物半導体層5と、ソース電極6およびドレイン電極7と、保護膜8とを有し、基板2側からこの順に設けられている。
本実施形態では、酸化物半導体層5全体の膜厚に対する第1半導体層5aの膜厚が、50%以上になるように構成されている。すなわち、第1半導体層5aの膜厚が第2半導体層5bの膜厚よりも大きくなるように構成されている。
次に、図2を用いて、図1の薄膜トランジスタ1の製造方法について説明する。
まず、図2(a)に示すように、例えばガラス基板からなる基板2を準備し、該基板2の表面上に、ゲート電極3を形成する。ゲート電極3の形成は、例えば、DCスパッタリング等の一般的なスパッタリング法によって行ってよい。
次に、図2(b)に示すように、基板2の表面およびゲート電極3を覆うようにゲート絶縁層4を形成する。このようなゲート絶縁層3は、たとえば、プラズマCVD法等の蒸着法により形成することができる。
次に、図2(c)および(d)に示すように、ゲート絶縁層4上にチャネル層としての酸化物半導体層5を形成する。本実施形態の酸化物半導体層5は、図3に示すような、真空排気され且つガスが導入される真空容器20と、真空容器20内において基板を保持する基板保持部30と、真空容器20内において基板と対向してターゲットを保持するターゲット保持部40と、基板保持部30に保持された基板の表面に沿って配列され、プラズマを発生させる複数のアンテナ50と、を備えるスパッタリング装置100を用いて形成することができる。
本実施形態の酸化物半導体層5を形成する工程は、スパッタリングガスとしてアルゴンガスのみを供給してスパッタリングを行う第1成膜工程と、スパッタリングガスとしてアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを供給してスパッタリングを行う第2成膜工程とを含むことを特徴としている。第1成膜工程と第2成膜工程では、共通して、酸化物半導体5の原料となるInGaZnO等の導電性酸化物焼結体をターゲットとし、ターゲット保持部40に準備したターゲットを配置し、基板保持部30に基板2を配置する。
まず、ゲート絶縁層4上に第1半導体層5aを形成する。
具体的には、真空容器20を3×10−6Torr以下に真空排気した後、50〜200sccmのアルゴンガスをスパッタリングガスとして導入しつつ、真空容器内2の圧力を0.5〜3.1Paとなるように調整する。そして複数のアンテナ50に1〜10kWの高周波電力を供給し、誘導結合型のプラズマを生成・維持する。ターゲットに直流電圧パルスを印加して、ターゲットのスパッタリングを行う。ターゲットに印加する電圧は−1kV以上の負電圧とし、好ましくは−600V以上の負電圧とする。
これにより、図2(c)に示すように、ゲート絶縁層4上に第1半導体層5aを形成する。
第1半導体層5aを形成した後、図2(d)に示すように、第1半導体層5a上に第2半導体層5bを形成する。
具体的には、第1半導体層の成膜を完了した後、50〜200sccmのアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスをスパッタリングガスとして導入しつつ、真空容器内2の圧力を0.5〜3.1Paとなるように調整する。そして複数のアンテナ50に1〜10kWの高周波電力を供給し、誘導結合型のプラズマを生成・維持する。ターゲットに直流電圧パルスを印加して、ターゲットのスパッタリングを行う。ターゲットに印加する電圧は−1kV以上の負電圧とし、好ましくは−600V以上の負電圧とする。
第2成膜工程においては、混合ガスにおける酸素ガスの濃度が5%以下であることが好ましい。酸素ガス濃度がこのような範囲であれば、成膜速度をより向上することができる。
次に、図2(e)に示すように、酸化物半導体層5上にソース電極6およびドレイン電極7を形成する。ソース電極6およびドレイン電極7の形成は、例えば、DCスパッタリングにより形成することができる。具体的には、まず、酸化物半導体層5上にレジストを塗布、露光、現像した後、レジストが形成されていない酸化物半導体層5上にDCスパッタリング法によって金属層からなるソース電極5およびドレイン電極6を形成する。そして、酸化物半導体層5上のレジストを剥離することによって、図2(e)に示すように、ソース電極6およびドレイン電極7が形成される。
次に、必要に応じて、図2(f)に示すように、形成された酸化物半導体層5、ソース電極6およびドレイン電極7の上面を覆うように、例えばプラズマCVD法を用いて保護膜を形成する。
最後に、酸素を含む大気圧下の雰囲気中で熱処理を行う。熱処理における炉内温度は150〜300℃が好ましい。また熱処理時間は1〜3時間が好ましい。
以上により、本実施形態の薄膜トランジスタ1を得ることができる。
次に、上述した製造方法における“酸化物半導体層5の形成”で使用するスパッタリング装置100について説明する。
上述した“酸化物半導体層5の形成”の工程ではスパッタリング装置100を使用することにより、アンテナに供給する高周波電圧とターゲットのバイアス電圧との設定を独立して行うことができる。そのため、バイアス電圧をプラズマの生成とは独立してプラズマ中のイオンをターゲットに引き込んでスパッタさせる程度の低電圧に設定することができ、そのため、スパッタリング時にターゲットに印加する負のバイアス電圧を−1kV以上の小さな値に設定することが可能になる。
以下に、スパッタリング装置100の構成について説明する。
このように、金属パイプ51及び絶縁パイプ52の間のシール、及び、金属パイプ51と各電極53A、53Bとの電気的接触が、雄ねじ部51a及び雌ねじ部52aの締結と共に行われるので、組み立て作業が非常に簡便となる。
本実施形態のスパッタリング装置100において、ターゲットバイアス電圧(V)と成膜速度(nm/min)との関係を評価した。なお、使用したターゲットTは、IGZO1114であり、サイズは、150×1000mmである。アンテナ間距離(ピッチ幅)は、200mmである。ターゲット−基板間距離は、125mmである。基板Wのサイズは、320×400mmである。
本実施形態のスパッタリング装置100を用いて、真空容器内にアルゴンガスとともに酸素ガスを供給した場合の成膜速度を評価した。なお、使用したターゲットTは、IGZO1114であり、サイズは、150×1000mmである。アンテナ間距離(ピッチ幅)は、200mmである。ターゲット−基板間距離は、125mmである。基板Wのサイズは、320×400mmである。
本実施形態のスパッタリング装置100を用いて形成したIGZO膜(本発明によるIGZO膜)の酸素結合状態をX線光電子分光分析装置(XPS分析装置(株式会社島津製作所 KRATOS AXIS‐ULTRA))を用いて分析した。また、比較例として、従来方式のRFマグネトロンスパッタ装置(株式会社エイコー ESS‐300)を用いて形成したIGZO膜(従来例によるIGZO膜)の酸素結合状態を、前記XPS分析装置を用いて分析した。
真空容器20を3×10−6Torr以下に真空排気した後に、100sccmのスパッタ用ガス(Arガスのみ)を導入しつつ真空容器20内の圧力を1.3Paとなるように調整した。複数のアンテナ50に7kWの高周波電力を供給して、誘導結合型のプラズマPを生成・維持した。ターゲットTに−400Vの直流電圧パルス(50kHz、Duty97%)を印加して、ターゲットT(IGZO1114)をスパッタリングして成膜した。
従来例によるIGZO膜:
真空容器を3×10−6Torr以下に真空排気した後に、19.1sccmのスパッタ用ガス(Arガス)及び0.9sccmの酸素ガス(酸素濃度4.5%の混合ガス)を導入しつつ真空容器内の圧力を0.6Paとなるように調整した。カソードに100Wの高周波電力を供給してターゲットT(IGZO1114)をスパッタリングして成膜した。
本実施形態に係る製造方法により作られた薄膜トランジスタの電気的特性を確認するため、以下の要領で負バイアスストレス試験を行った。
低抵抗シリコン基板をゲート電極として使用したボトムゲート構造の薄膜トランジスタを4つ準備した(サンプル1〜4)。いずれのサンプルも、低抵抗シリコン基板のゲート電極の上に、SiO2からなる膜厚100nmのゲート絶縁層を設け、その上にIGZO膜(IGZO1114)からなる酸化物半導体層を設け、その上に、ソース電極、ドレイン電極(Pt:20nm、Mo:80nm)及び保護膜(SiO2)を設けた。
サンプル2〜4では、上述したスパッタリング装置100を用いて酸化物半導体層を形成した。
サンプル2は、ターゲットに−350Vの直流パルス電圧を印加して、高周波アンテナを用いてプラズマ生成を行い、スパッタリングガスとしてアルゴンガスのみを供給して、室温でスパッタリングを行い、厚さ50nmの酸化物半導体層を単層で形成し、最終的に酸素雰囲気で300℃、2時間で熱処理を行った。
サンプル3は、サンプル2と同じ条件により酸化物半導体層を単層で形成し、最終的に酸素雰囲気で250℃、2時間で熱処理を行った。
作製したサンプル1〜4に対して、次の条件により負バイアスストレス試験を行い、ストレス時間(秒)に対する閾値電圧のシフト量(ΔVth(V))を測定した。試験結果を図10に示す。
・ゲート印加電圧:−20V
・ストレス時間:1〜10000s
・ドレイン−ソース間電圧:5.0V
このように構成した本実施形態の薄膜トランジスタの製造方法によれば、ターゲットに印加するバイアス電圧が従来(例えば−1〜−2kV)よりも小さいので、酸素が脱離したスパッタ粒子の生成を抑制することができる。その結果、基板には、ターゲット材料と同じ酸化物状態を維持した膜が形成され、高品質の膜を形成することができる。
またターゲットに印加するバイアス電圧が小さいので、酸素が脱離していないスパッタ粒子が基板に到達することになる。その結果、スパッタリングガスとしてアルゴンガスのみを供給してスパッタリングを行うことができるので、アルゴンガスに加えて酸素ガスを供給する場合に比べて成膜速度を速くすることができる。
さらに、スパッタリングガスとしてアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを供給する第2成膜工程を有することにより、膜中酸素量が大きい酸化物半導体層を形成することができる。その結果、酸化物半導体層の酸素欠乏を防止することができ、電気的特性に優れた薄膜トランジスタを製造することができる。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
Claims (8)
- 基板上に、ゲート電極と、ゲート絶縁層と、酸化物半導体層と、ソース電極と、ドレイン電極とを有する薄膜トランジスタの製造方法であって、
プラズマを用いてターゲットをスパッタリングすることにより、前記ゲート絶縁層の上に酸化物半導体層を形成する工程を含み、
前記酸化物半導体層を形成する工程は、
スパッタリングガスとしてアルゴンガスのみを供給してスパッタリングを行う第1成膜工程と、
スパッタリングガスとしてアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを供給してスパッタリングを行う第2成膜工程とを含み、
前記ターゲットに印加するバイアス電圧が−1kV以上の負電圧である、薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記第2成膜工程において、前記混合ガスにおける前記酸素ガスの濃度が5%以下である、請求項1に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記第1成膜工程により形成される第1半導体層の膜厚が、前記第2成膜工程により形成される第2半導体層の膜厚よりも大きい、請求項1又は2に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記バイアス電圧が−600V以上の負電圧である、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記酸化物半導体層を形成する工程において、前記第1成膜工程を行った後に前記第2成膜工程を行う、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記酸化物半導体層を形成する工程において、前記第2成膜工程を行った後に前記第1成膜工程を行い、その後さらに前記第2成膜工程を行う、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記第1成膜工程および前記第2成膜工程は、0.5Pa以上3.1Pa以下の圧力下で行われる、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記第1成膜工程および前記第2成膜工程は、真空排気され且つガスが導入される真空容器と、前記真空容器内において基板を保持する基板保持部と、前記真空容器内において前記基板と対向して前記ターゲットを保持するターゲット保持部と、前記基板保持部に保持された前記基板の表面に沿って配列され、前記プラズマを発生させる複数のアンテナと、を備えるスパッタリング装置を用いてスパッタリングを行うものである、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
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