JP7187322B2 - 結晶質酸化物半導体薄膜、積層体の製造方法、薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタの製造方法、電子機器、車載用表示装置 - Google Patents
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Description
特許文献9には、酸化インジウム、酸化ガリウム及び酸化サマリウムを含有するスパッタリングターゲットや半導体膜を用いた薄膜トランジスタに関する技術が開示されている。
しかしながら、結晶質薄膜は、TFT製造の各工程における様々な熱負荷、酸化負荷、還元負荷等によりキャリヤー密度が変動してしまう。即ち、結晶質酸化物半導体薄膜は、未だキャリヤー密度が変動するという課題を抱えており、TFT特性の変動を抑え込めていない。
[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み、バンドギャップが3.90eV以上である、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、[1]に記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
[3].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、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、[1]から[3]のいずれか1つ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て5原子%超20原子%以下である、[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、ガリウム、及びランタノイド元素からなる群から選択される1種以上の元素である、[4]又は[5]に記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
[7].キャリヤー密度が5×1017cm-3以上である、[1]から[6]いずれか1つに記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
[8].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、アルゴン及び酸素からなる群から選択される1種以上の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半導体薄膜を成膜する工程、
前記酸化物半導体薄膜に対して酸化雰囲気での加熱処理を行わずに、前記酸化物半導体薄膜の上に保護膜を形成する工程、及び
前記酸化物半導体薄膜及び前記保護膜を含む積層体に加熱処理を施す工程
を含む[1]から[7]のいずれか1つに記載の結晶質酸化物半導体薄膜を含む積層体の製造方法。
[9].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、[8]に記載の積層体の製造方法。
[10].前記スパッタリングターゲットが、ガリウム、及びランタノイド元素からなる群から選択される1種以上の金属元素を含有する、[8]又は[9]に記載の積層体の製造方法。
[11].前記加熱処理を施す工程の加熱処理温度が250℃以上500℃以下である、[8]から[10]のいずれか1つに記載の積層体の製造方法。
[12].前記加熱処理を施す工程において、150℃から250℃までの昇温速度が20℃/分以下である、[8]から[11]のいずれか1つに記載の積層体の製造方法。
[13].前記加熱処理を施す工程の加熱時間が0.1時間以上5時間以下である、[8]から[12]のいずれか1つに記載の積層体の製造方法。
[14].
[1]から[7]のいずれか1つに記載の結晶質酸化物半導体薄膜を含む酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の一方の面に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜に設けられ、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記酸化物半導体層と対向するゲート電極と
前記酸化物半導体層に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、
を備える薄膜トランジスタ。
[15].飽和移動度が100cm2/V・sec以上である、[14]に記載の薄膜トランジスタ。
[16].ドレイン電圧に0.1V印加した場合のソース・ドレイン電極間の電流Id及びゲート電圧Vgから伝達特性Id-Vgのグラフを作成し、前記Id-Vgグラフから得られた電界効果移動度μからVg-μグラフを作成した場合、Vg=Vth(閾値電圧)+5の電界効果移動度が50cm2/Vs以上であり、Vg=VthからVth+20の間の平均電界効果移動度がVg=VthからVth+20の間の最大電界効果移動度の50%以上である、[14]又は[15]に記載の薄膜トランジスタ。
[17].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、アルゴン及び酸素からなる群から選択される1種以上の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半導体層を成膜する工程、
前記酸化物半導体層に対して酸化雰囲気での加熱処理を行わずに、前記酸化物半導体層の上に保護絶縁膜を形成する工程、及び
前記酸化物半導体層及び前記保護絶縁膜を含む積層体に加熱処理を施す工程
を含む[14]から[16]のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
[18].[14]から[16]のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタを用いた電子機器。
[19].[14]から[16]のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタを用いた車載用表示装置。
本発明の一態様におけ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み、バンドギャップが3.90eV以上である。
単一の結晶方位を有する表面結晶粒子を含む結晶質酸化物半導体薄膜は、結晶が安定であり、TFT製造工程における様々な負荷(例えば、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低減することができる。そのような結晶質酸化物半導体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。
酸化インジウム(In2O3)薄膜表面の結晶解析法としてEBSD測定による方位基準を図1に示す。
平均結晶粒径は、結晶質酸化物半導体薄膜の中央部(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状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、結晶質酸化物半導体薄膜のサイズや、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。結晶質酸化物半導体薄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、結晶粒子は、通常、1μm以上20μm以下程度の粒径を有しているが、特に10μmを超える結晶は、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。
放射状の結晶が増えると、TFT製造工程での様々な負荷(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のが難しくなる場合があり、飽和移動度が小さくなる場合がある。
ファセット状でない結晶形態としては、放射状の結晶の他、アモルファス状又は微細な結晶等が挙げられる。本発明の一態様における結晶質酸化物半導体薄膜において、ファセット状の結晶粒子が占める部分以外の部分は、通常、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。
本発明の一態様による結晶質酸化物半導体薄膜は、本質的に、インジウム元素及びインジウム元素以外の正三価の金属元素からなってもよい。この場合、不可避不純物を含んでもよい。
なお、不可避不純物とは、意図的に添加しない元素であって、原料や製造工程で混入する元素を意味する。以下の説明でも同様である。不可避不純物の例としては、アルカリ金属、及びアルカリ土類金属(Li、Na、K、Rb、Mg、Ca、Sr、Ba等など)が挙げられ、10ppm以下、好ましくは1ppm以下、更に好ましくは100ppb以下が良い。不純物濃度は、ICPやSIMSにより測定できる。また、アルカリ金属やアルカリ土類金属の他に、水素や窒素、及びハロゲン原子を含む場合も有る。この場合、SIMSによる測定で5ppm以下、好ましくは1ppm以下、更に好ましくは100ppb以下が良い。
本発明の一態様による結晶質酸化物半導体薄膜は、インジウム元素及びインジウム元素以外の正三価の金属元素のみからなってもよい。
正四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正四価の金属元素の合計量を意味する。
また、本発明の一態様による結晶質酸化物半導体薄膜は、好ましくは移動度が50cm2/V・sec以上であり、より好ましくは60cm2/V・sec以上である。
本発明に係る結晶質酸化物半導体薄膜は、例えば、結晶質酸化物半導体薄膜と保護膜を含む積層体の一部として製造することができる。
当該積層体の製造方法としては、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からなる群から選択される1種以上の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半導体薄膜を成膜する工程、前記酸化物半導体薄膜に対して酸化雰囲気での加熱処理を行わずに、前記酸化物半導体薄膜の上に保護膜を形成する工程、及び前記酸化物半導体薄膜及び前記保護膜を含む積層体に加熱処理を施す工程を含む製造方法が挙げられる。
以下、各工程について説明する。
本工程では、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からなる群から選択される1種以上の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半導体薄膜を成膜する(例えば図11A参照)。
高純度アルゴンや高純度酸素は、純度99体積%以上が好ましく、99.9体積%以上がより好ましく、さらに好ましくは99.99体積%以上である。
ガリウム原子のイオン半径は0.62×10-10mであり、ランタノイド元素の例として例えばサマリウムの原子半径は0.96×10-10mであり、In原子のイオン半径0.80×10-10mとは異なるため、酸化物半導体薄膜の形成時に結晶化を阻害することができる。
スパッタリングターゲットがガリウム元素及びランタノイド元素(例えばサマリウム元素)を含有することにより、水等の不純物を導入することなしに成膜時にアモルファスの酸化物半導体薄膜を得ることができ、後述する加熱工程により、ファセット状の結晶を成長させることができる。
次に、得られた酸化物半導体薄膜に対して酸化雰囲気での加熱処理を行わずに、酸化物半導体薄膜の上に保護膜を形成する(例えば図11B参照)。
「酸化雰囲気での加熱処理を行わずに」とは、酸化物半導体薄膜の成膜から保護膜の形成までの間に、酸素分子が存在する雰囲気(例えば、大気雰囲気)での独立した加熱処理工程(加熱処理温度は、例えば250以上350℃以下)を含まないことを意味する。ここで、酸素分子が全く含まれない雰囲気に加え、酸素分子が実質的に含まれない雰囲気(例えば、10-1Pa以下の大気雰囲気)での加熱処理は、酸化反応が実質的に起きないため「酸化雰囲気での加熱処理」に該当しない。
例えば、化学蒸着法(CVD)により保護膜を成膜する場合に行う基板加熱は、酸素分子が実質的に含まれない雰囲気で行われるため、「酸化雰囲気での加熱処理」に該当しない。
保護膜を形成する前に加熱処理を行わないことにより、加熱処理を行う場合と比べて、酸化物半導体薄膜のキャリャー濃度が大きくなる。キャリヤー濃度が大きくなるとBurstein-Moss効果により、バンドギャップが大きくなり、3.90eV以上にできる。
保護膜の成膜方法としては、例えば、CVDやスパッタリング法、塗布法等が挙げられる。
次に、酸化物半導体薄膜の上に保護膜を形成した積層体の加熱処理を行う。
加熱処理の温度は、250℃以上500℃以下が好ましく、280℃以上470℃以下がより好ましく、300℃以上450℃以下がさらに好ましい。250℃以上であれば、結晶化しない又は微結晶が生成するといったことがなく、酸化物半導体薄膜が問題なくファセット状に結晶化する。500℃以下であれば、基板の耐熱性に問題が生じることがなく、経済性にも優れる。
「加熱時間」とは、250℃に達してから、250℃未満になるまでの時間をいう。
20℃/分超の昇温速度で加熱するとファセット状ではなく放射状の結晶形態になる場合があり、多数の格子欠陥が生成するため、TFT製造工程での様々な負荷(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低減するのが難しくなる場合がある。また、TFTとしたときの飽和移動度が小さくなる場合がある。
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、上記の昇温速度で250℃まで昇温するのが好ましい。150℃以上250℃以下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が得られる。
本発明の一態様におけ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、を有する。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、上述した本発明の一態様による結晶質酸化物半導体薄膜を含む。
本発明の一態様におけるTFTは、本発明の一態様における積層体の製造方法を採用することにより製造することができる。即ち、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からなる群から選択される1種以上の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半導体層を成膜する工程、酸化物半導体層に対して酸化雰囲気での加熱処理を行わずに、酸化物半導体層の上に保護絶縁膜を形成する工程、及び酸化物半導体層及び前記保護絶縁膜を含む積層体に加熱処理を施す工程を含む製造方法である。
各条件等については上述した通りである。本発明の一態様における積層体の製造方法による「酸化物半導体薄膜」が上記「酸化物半導体層」に対応し、「保護層」が上記「保護絶縁膜」に対応する。
ソース電極・ドレイン電極、ゲート電極、ゲート絶縁膜は公知の材料及び形成方法により形成することができる。
なお、飽和移動度は、ドレイン電圧を20V印加した場合の伝達特性から求められる。具体的に、伝達特性Id-Vg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、飽和領域の式により飽和移動度を求めることにより、算出できる。電流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。
図3に示すように、薄膜トランジスタ100は、シリコンウエハ20、ゲート絶縁膜30、酸化物半導体薄膜40、ソース電極50、ドレイン電極60、および層間絶縁膜70、70Aを備える。
酸化物半導体薄膜40はチャネル層であり、ゲート絶縁膜30上に設けられる。酸化物半導体薄膜40は本発明の一態様に係る結晶質酸化物半導体薄膜が用いられる。
層間絶縁膜70は、ソース電極50およびドレイン電極60と、酸化物半導体薄膜40の間の接触部分以外の導通を遮断する絶縁膜である。
層間絶縁膜70Aは、ソース電極50およびドレイン電極60と、酸化物半導体薄膜40の間の接触部分以外の導通を遮断する絶縁膜である。層間絶縁膜70Aは、ソース電極50とドレイン電極60の間の導通を遮断する絶縁膜でもある。層間絶縁膜70Aは、チャネル層保護層でもある。
例えば、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)、ZnO、およびSnO2等の透明電極や、Al、Ag、Cu、Cr、Ni、Mo、Au、Ti、およびTa等の金属電極、またはこれらを含む合金の金属電極や積層電極を用いることができる。
また、図3および図4において、ガラス等の基板上にゲート電極を形成してもよい。
on-off比は106以上、1012以下が好ましく、107以上、1011以下がより好ましく、108以上、1010以下がさらに好ましい。on-off比が106以上であると、液晶ディスプレイの駆動ができる。on-off比が1012以下であると、コントラストの大きな有機ELの駆動ができる。また、オフ電流を10-12A以下にでき、CMOSイメージセンサーの転送トランジスタやリセットトランジスタに用いた場合、画像の保持時間を長くしたり、感度を向上させたりできる。
Off電流値は、10-10A以下が好ましく、10-11A以下がより好ましく、10-12A以下がさらに好ましい。Off電流値が10-10A以下であると、コントラストの大きな有機ELの駆動ができる。また、CMOSイメージセンサーの転送トランジスタやリセットトランジスタに用いた場合、画像の保持時間を長くしたり、感度を向上させたりできる。
薄膜トランジスタの半導体層に用いられる、本発明の一態様に係る非晶質酸化物半導体薄膜の欠陥密度が、5.0×1016cm-3以下が好ましく、1.0×1016cm-3以下がより好ましい。欠陥密度の減少により、薄膜トランジスタの移動度がさらに高くなり、光照射時の安定性、熱に対する安定性が高くなり、TFTが安定して作動するようになる。
本発明の一態様に係る酸化物半導体薄膜は、量子トンネル電界効果トランジスタ(FET)に用いることもできる。
量子トンネル電界効果トランジスタ501は、p型半導体層503、n型半導体層507、ゲート絶縁膜509、ゲート電極511、ソース電極513、およびドレイン電極515を備える。
ソース電極513は、p型半導体層503上に設けられる。ドレイン電極515はn型半導体層507上に設けられる。
p型半導体層503は、p型のIV族半導体層であり、ここではp型シリコン層である。
n型半導体層507は、ここでは本発明の一態様に係るイメージセンサーに用いた、n型の酸化物半導体薄膜である。ソース電極513およびドレイン電極515は導電膜である。
量子トンネル電界効果トランジスタ501Aの構成は、量子トンネル電界効果トランジスタ501と同様であるが、p型半導体層503とn型半導体層507の間に酸化シリコン層505が形成されている点が異なる。酸化シリコン層が有ることにより、オフ電流を小さくすることが出来る。
酸化シリコン層505の厚みは、10nm以下であるのが好ましい。10nm以下とすることにより、トンネル電流が流れなかったり、形成されるエネルギー障壁が形成しにくかったり障壁高さが変化したりするのを防止でき、トンネリング電流が低下したり、変化したりするのを防げる。好ましくは、8nm以下、より好ましくは5nm以下、更に好ましくは3nm以下、更により好ましくは1nm以下である。
図7にp型半導体層503とn型半導体層507の間に酸化シリコン層505が形成された部分のTEM写真を示す。
まず、図8Aに示すように、p型半導体層503上に絶縁膜505Aを形成し、絶縁膜505Aの一部をエッチング等で開口してコンタクトホール505Bを形成する。
次に、図8Bに示すように、p型半導体層503および絶縁膜505A上にn型半導体層507を形成する。この際、コンタクトホール505Bを介してp型半導体層503とn型半導体層507を接続する。
次に、図8Dに示すように、絶縁膜505A、n型半導体層507、ゲート絶縁膜509およびゲート電極511を覆うように、層間絶縁膜519を設ける。
さらに、図8Eに示すように、n型半導体層507上のゲート絶縁膜509および層間絶縁膜519の一部を開口してコンタクトホール519Bを形成し、コンタクトホール519Bにドレイン電極515を形成する。
以上の手順で量子トンネル電界効果トランジスタ501を製造できる。
本発明の一態様に係る薄膜トランジスタは、車載用表示装置等の表示装置及び固体撮像素子等に好適に用いることができる。
以下、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタを表示装置および固体撮像素子に用いる場合について、説明する。
図9Aは、本発明の一態様の表示装置の上面図である。図9Bは、本発明の一態様の表示装置の画素部に、液晶素子を適用する場合の画素部の回路を説明するための回路図である。また、図9Cは、本発明の一態様の表示装置の画素部に、有機EL素子を適用する場合の画素部の回路を説明するための回路図である。
以上が本発明の一態様に係る薄膜トランジスタを表示装置に用いる場合の説明である。
なお、また、フォトダイオード3002に本発明の酸化物半導体膜を用いても良く、転送トランジスタ3004、リセットトランジスタ3006に用いられる酸化物半導体膜と同じ材料を用いてよい。
以上が、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタを固体撮像素子に用いる場合の説明である。
<TFTの製造>
以下の工程により薄膜トランジスタを製造した。
(1)酸化物半導体層の成膜
酸化インジウム92質量%(インジウム元素90.4原子%)、酸化ガリウム5質量%(ガリウム元素7.3原子%)、酸化サマリウム3質量%(サマリウム元素2.3原子%)の割合の原料混合物から得られたスパッタリングターゲットを用いて、熱酸化膜(ゲート絶縁膜)付きのシリコンウエハー(ゲート電極)上に、メタルマスクを介して、スパッタリングによって50nmの酸化物半導体薄膜(酸化物半導体層)を形成した。成膜条件は表1に示す通りである。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(不純物ガス濃度:0.01体積%)を用いた。
得られた酸化物半導体層上に、メタルマスクを用いてチタン金属をスパッタ成膜し、ソース電極及びドレイン電極を設けた。
酸化物半導体層及びソース・ドレイン電極の上に、化学蒸着法(CVD)により、基板温度300℃で、膜厚100nmのSiO2膜(保護絶縁膜(層間絶縁膜))を形成した。具体的に、雰囲気を10-3Paまで減圧し、昇温速度20℃/分で基板温度(300℃)までの昇温し、その後、成膜用ガス(SiH4/N2、N2O、N2ガス)を圧力66Paで流しながらSiO2膜を成膜した。
その後、酸化物半導体層を結晶化させるために表1に示す条件で加熱処理を行い、TFTを完成した。なお、当該加熱処理の昇温速度は10℃/分とした。
(1)ホール効果測定
まず、図11Aに示すように、ガラス基板(日本電気硝子株式会社製「ABC-G」)上に、<TFTの製造>における「(1)酸化物半導体層の成膜」と同様にして、厚さ50nmの酸化物半導体薄膜を成膜した。酸化物半導体薄膜を成膜した基板を1cm角の正方形に切り出して、その4角に、金(Au)を2mm×2mm以下程度の大きさ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好にし、ホール効果測定用サンプルとした。
結果を表1に示す。
<TFTの製造>における「(1)酸化物半導体層の成膜」と同様にして酸化物半導体薄膜を形成し、「(4)加熱処理」と同様にして加熱処理を行った。加熱処理前後の酸化物半導体薄膜の結晶性をX線回折(XRD)測定によって評価したところ、加熱処理前はアモルファスであり、加熱処理後は結晶質(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、酸化物半導体薄膜表面のファセット状結晶粒子の占める割合は95%超であり、ファセット状結晶粒子以外の粒子は、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。ファセット状結晶粒子の占める割合は、EBSDで得られた酸化物半導体薄膜の表面画像から、単一色で表されている結晶粒子をファセット状結晶粒子と判断し、当該表面画像に占めるファセット状結晶粒子の面積を求めることで算出した。
結果を表1に示す。
石英基板上に、<TFTの製造>における「(1)酸化物半導体薄膜の成膜」と同様にして酸化物半導体薄膜を形成し、「(3)加熱処理」と同様にして加熱処理を行った。島津製作所製自記分光光度計「UV-3100PC」を用いて、得られた酸化物半導体薄膜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、縦軸の透過率を下記式(1)に変換した後、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値を算出してバンドギャップとした。結果を表1に示す。
(αhν)2・・・(1)
(式(1)中、αは吸収係数、hはプランク定数、vは振動数を示す。)
<TFTの製造>で得られたTFTについて下記評価を行った。結果を表1に示す。
(1)飽和移動度
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、各ゲート電圧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。Gmは∂(Id)/∂(Vg)によって表され、Vgは-15から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。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、「(1)飽和移動度」で得られた伝達特性のグラフより、Id=10-9AでのVgと定義した。
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)を求めた。
以上の結果を表1の「TFTの特性」に示す。
線形領域での電界効果移動度μ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。Gmは∂(Id)/∂(Vg)によって表される。Vgは-15から20Vまで印加し、その範囲での最大移動度を電界効果移動度と定義する。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。
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。よって、線形領域での電界効果移動度はこの方法で評価した。
平均電界効果移動度=∫VthVth+20μdVg/20
Vg=Vth+5(V)の電界効果移動度が10cm2/Vs以上であると、印加されるゲート電圧が低い場合においても十分な電界効果移動度が得られる。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、低ゲート電圧で高い電界効果移動度が得られることは重要になる。また、Vg=VthからVth+20までの平均電界効果移動度が、その範囲の最大電界効果移動度の50%以上であると、電圧を保持するキャパシタ等への電荷の注入を超高速で行うことができる。
以上の結果を表1の「高速応答型TFTとしての特性」に示す。
スパッタリングターゲットとして、酸化インジウム90質量%(インジウム元素88.8at%)、酸化ガリウム5質量%(ガリウム元素7.3at%):酸化サマリウム5質量%(サマリウム元素3.9at%)の原料混合物から得られたスパッタリングターゲットを用いた他は実施例1と同様にしてTFTの製造及び評価、並びに酸化物半導体薄膜の製造及び評価を行った。結果を表1の「TFTの特性」および「高速応答型TFTとしての特性」に示す。
<TFTの製造・評価>
以下の工程により薄膜トランジスタを製造した。
(1)酸化物半導体層の成膜
表1及び2に示す組成を有するスパッタリングターゲットを用い、熱酸化膜(ゲート絶縁膜)付きのシリコンウエハー(ゲート電極)上に、メタルマスクを介して、スパッタリングによって50nmの酸化物半導体薄膜(酸化物半導体層)を形成した。成膜条件は表1及び2に示す通りである。
酸化物半導体層を結晶化させるために表1及び2に示す条件で加熱処理を行った。
加熱処理を行った酸化物半導体層の上に、化学蒸着法(CVD)により、基板温度300℃で、膜厚100nmのSiO2膜(保護絶縁膜(層間絶縁膜))を形成した。具体的な条件は実施例1と同じである。
保護絶縁膜にコンタクトホールを形成し、その保護絶縁膜の上に、メタルマスクを用いてチタン金属をスパッタ成膜し、ソース電極及びドレイン電極を設けた。その後、表1及び2の「保護絶縁膜成膜後の加熱処理条件」による加熱処理を行ってTFTを完成した。
(1)ホール効果測定
まず、図11Aに示すように、ガラス基板(日本電気硝子株式会社製「ABC-G」)上に、<TFTの製造>における「(1)酸化物半導体層の成膜」と同様にして、厚さ50nmの酸化物半導体薄膜を成膜し、実施例1と同様にしてホール効果測定用サンプルとした。当該ホール効果測定用サンプルについて<TFTの製造>における(2)加熱処理と同様にして加熱処理を行い、得られたサンプルについて実施例1と同様にホール効果を評価して、キャリヤー密度及び移動度を求めた。結果を表1および表2の「酸化物半導体薄膜の特性」の「ホール効果測定」の「酸化物半導体薄膜成膜後の加熱処理後」に示す。
<TFTの製造>における「(1)酸化物半導体層の成膜」と同様にして酸化物半導体薄膜を形成し、「(2)加熱処理」と同様にして加熱処理を行った。加熱処理前後の酸化物半導体薄膜の結晶性を実施例1と同様にして評価した。また、加熱処理後の酸化物半導体薄膜について、実施例1と同様にしてEBSDによる評価を行った。
比較例1において、EBSDで得られた酸化物半導体薄膜の表面画像を図2に示す。
石英基板上に、<TFTの製造>における「(1)酸化物半導体薄膜の成膜」と同様にして酸化物半導体薄膜を形成し、「(2)加熱処理」と同様にして加熱処理を行った。得られた酸化物半導体薄膜について実施例1と同様にしてバンドギャップを測定した。
以上、結果を表1及び2に示す。
実施例1と同様にしてTFTを評価した。結果を表1及び2に示す。
表1及び2中の「最大移動度に対する平均移動度比率(%)」は、Vg=Vth(V)からVth+20(V)までの範囲における最大移動度に対する、当該範囲における平均電界効果移動度の比率(%)を示す。
比較例1から比較例4は酸化物半導体層成膜後に加熱処理を行った例であり、バンドギャップが3.90eV未満であった。
3 :バッキングプレート
20 :シリコンウエハ
30 :ゲート絶縁膜
40 :酸化物半導体薄膜
50 :ソース電極
60 :ドレイン電極
70 :層間絶縁膜
70A :層間絶縁膜
70B :層間絶縁膜
100 :薄膜トランジスタ
100A :薄膜トランジスタ
300 :基板
301 :画素部
302 :第1の走査線駆動回路
303 :第2の走査線駆動回路
304 :信号線駆動回路
310 :容量配線
312 :ゲート配線
313 :ゲート配線
314 :ドレイン電極
316 :トランジスタ
317 :トランジスタ
318 :第1の液晶素子
319 :第2の液晶素子
320 :画素部
321 :スイッチング用トランジスタ
322 :駆動用トランジスタ
3002 :フォトダイオード
3004 :転送トランジスタ
3006 :リセットトランジスタ
3008 :増幅トランジスタ
3010 :信号電荷蓄積部
3100 :電源線
3110 :リセット電源線
3120 :垂直出力線
Claims (17)
- 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み、
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、前記ファセット状の結晶粒子は、平均結晶粒径が1μm以上であり、
バンドギャップが3.90eV以上であり、
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、結晶質酸化物半導体薄膜。 - 表面の結晶状態が前記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、請求項1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て5原子%超20原子%以下である、請求項1または請求項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が、ガリウム、及びランタノイド元素からなる群から選択される1種以上の元素である、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の結晶質酸化物半導体薄膜。
- キャリヤー密度が5×1017cm-3以上である、請求項1から請求項4のいずれか一項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、アルゴン及び酸素からなる群から選択される1種以上の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半導体薄膜を成膜する工程、
前記酸化物半導体薄膜に対して酸化雰囲気での加熱処理を行わずに、前記酸化物半導体薄膜の上に保護膜を形成する工程、及び
前記酸化物半導体薄膜及び前記保護膜を含む積層体に加熱処理を施す工程
を含む請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の結晶質酸化物半導体薄膜を含む積層体の製造方法。 - 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、請求項6に記載の積層体の製造方法。
- 前記スパッタリングターゲットが、ガリウム、及びランタノイド元素からなる群から選択される1種以上の金属元素を含有する、請求項6又は請求項7に記載の積層体の製造方法。
- 前記加熱処理を施す工程の加熱処理温度が250℃以上500℃以下である、請求項6から請求項8のいずれか一項に記載の積層体の製造方法。
- 前記加熱処理を施す工程において、150℃から250℃までの昇温速度が20℃/分以下である、請求項6から請求項9のいずれか一項に記載の積層体の製造方法。
- 前記加熱処理を施す工程の加熱時間が0.1時間以上5時間以下である、請求項6から請求項10のいずれか一項に記載の積層体の製造方法。
- 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の結晶質酸化物半導体薄膜を含む酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の一方の面に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜に設けられ、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記酸化物半導体層と対向するゲート電極と
前記酸化物半導体層に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、
を備える薄膜トランジスタ。 - 飽和移動度が100cm2/V・sec以上である、請求項12に記載の薄膜トランジスタ。
- ドレイン電圧に0.1V印加した場合のソース・ドレイン電極間の電流Id及びゲート電圧Vgから伝達特性Id-Vgのグラフを作成し、前記Id-Vgグラフから得られた電界効果移動度μからVg-μグラフを作成した場合、Vg=Vth(閾値電圧)+5の電界効果移動度が50cm2/Vs以上であり、Vg=VthからVth+20の間の平均電界効果移動度がVg=VthからVth+20の間の最大電界効果移動度の50%以上である、請求項12又は請求項13に記載の薄膜トランジスタ。
- 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、アルゴン及び酸素からなる群から選択される1種以上の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半導体層を成膜する工程、
前記酸化物半導体層に対して酸化雰囲気での加熱処理を行わずに、前記酸化物半導体層の上に保護絶縁膜を形成する工程、及び
前記酸化物半導体層及び前記保護絶縁膜を含む積層体に加熱処理を施す工程
を含む請求項12から請求項14のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。 - 請求項12から請求項14のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタを用いた電子機器。
- 請求項12から請求項14のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタを用いた車載用表示装置。
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