JPWO2023162849A5 - 酸化物半導体薄膜積層体及びその製造方法、薄膜半導体装置及びその製造方法、及びスパッタリングターゲット及びその製造方法 - Google Patents
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Description
図２には、この結果を示す。この結果、バンドギャップが３．４ｅＶ以下の範囲は、０．３２≦Ｉｎ＜１．０、０＜Ｍｇ≦０．４６、０＜Ｓｎ≦０．６７であった。
ここで、バンドギャップが３．４ｅＶ以下が好ましいとしたのは、良好なＴＦＴ特性を得るためには下層と上層のＥｇ差が重要であり、Ｅｇが３．４ｅＶより大きくなって活性層との差が大きすぎると、半導体同士の接合時に下層である活性層側へ上層の電子が流入し、活性層側のフェルミ準位がコンダクションバンド近傍に移動してしまうという不具合が発生する虞があるからである。この場合、電子がコンダクションバンドへ励起される確率が上がり、ＴＦＴの閾値電圧がマイナス方向にシフトし、良好なＴＦＴ特性が得られないという問題が生じる。
ここで、バンドギャップが３．４ｅＶ以下が好ましいとしたのは、良好なＴＦＴ特性を得るためには下層と上層のＥｇ差が重要であり、Ｅｇが３．４ｅＶより大きくなって活性層との差が大きすぎると、半導体同士の接合時に下層である活性層側へ上層の電子が流入し、活性層側のフェルミ準位がコンダクションバンド近傍に移動してしまうという不具合が発生する虞があるからである。この場合、電子がコンダクションバンドへ励起される確率が上がり、ＴＦＴの閾値電圧がマイナス方向にシフトし、良好なＴＦＴ特性が得られないという問題が生じる。
造粒粉末は、１００ＭＰａ以上の圧力で成形される。これにより相対密度が９７％以上の焼結体を得ることができる。成形圧力が１００ＭＰａ未満の場合、成形体が壊れやすく、ハンドリングが困難であり、焼結体の相対密度が低下する。
図１０は、この製造例１の薄膜トランジスタ（積層）構造のように本発明の酸化物半導体薄膜からなるキャップ層１４を有する場合（積層）と、キャップ層１４を設けない場合（単層：比較製造例１）とにおいて、Ｖｔｈを比較したものである。
この結果、本発明のキャップ層１４を設けた積層構造（製造例１）の場合、設けない場合（単層；比較製造例１）と閾値電圧Ｖｔｈはほぼ同一であり、キャップ層１４を設けることによるＶｔｈのシフトは生じなかった。
また、比較製造例１の単層構造の場合の活性層のバンドギャップＥｇは２．７ｅＶであるのに対し、製造例１のキャップ層１４を設けた積層構造の場合のキャップ層のバンドギャップＥｇは、３．１ｅＶであり、Ｅｇの差が０．４ｅＶであった。
この結果、本発明のキャップ層１４を設けた積層構造（製造例１）の場合、設けない場合（単層；比較製造例１）と閾値電圧Ｖｔｈはほぼ同一であり、キャップ層１４を設けることによるＶｔｈのシフトは生じなかった。
また、比較製造例１の単層構造の場合の活性層のバンドギャップＥｇは２．７ｅＶであるのに対し、製造例１のキャップ層１４を設けた積層構造の場合のキャップ層のバンドギャップＥｇは、３．１ｅＶであり、Ｅｇの差が０．４ｅＶであった。
図１１は、積層構造のキャップ層として、ＩＧＺＯの異組成を用いた以外は図６と同じにした比較製造例２の薄膜トランジスタでは、従来のＩＧＺＯ異組成のキャップ層を設けた場合（積層；比較製造例２）と、設けない場合（単層；比較製造例１）とにおいて、閾値電圧Ｖｔｈを比較したものである。
この結果、比較製造例２の薄膜トランジスタ（積層）は、比較製造例１の単層と比較してＶｔｈが大きくシフトすることがわかった。
また、比較製造例１の単層構造の場合の活性層のバンドギャップＥｇは２．７ｅＶであるのに対し、比較製造例２のキャップ層を設けた積層構造の場合のキャップ層のバンドギャップＥｇは３．４ｅＶであり、本発明の酸化物半導体薄膜をキャップ層１４とした場合と比較してバンドギャップＥｇの差が０．７であった。
この結果、比較製造例２の薄膜トランジスタ（積層）は、比較製造例１の単層と比較してＶｔｈが大きくシフトすることがわかった。
また、比較製造例１の単層構造の場合の活性層のバンドギャップＥｇは２．７ｅＶであるのに対し、比較製造例２のキャップ層を設けた積層構造の場合のキャップ層のバンドギャップＥｇは３．４ｅＶであり、本発明の酸化物半導体薄膜をキャップ層１４とした場合と比較してバンドギャップＥｇの差が０．７であった。
Claims (28)
- バンドギャップが３ｅＶ以下の活性層と、この活性層上に積層されたキャップ層とを有する酸化物半導体薄膜積層体であって、
前記キャップ層は、インジウム、マグネシウム、及びスズからなる下記式の酸化物を主成分とする酸化物半導体で構成され、下記式のＸが０．３２以上、０．６５以下、Ｙが０．１７以上、０．４６以下であり、Ｚが０を超え、０．２２以下であり、且つＸ＋Ｙ＋Ｚ＝１となる範囲であり、バンドギャップが、２．５ｅＶ以上３．４ｅＶ以下である、
酸化物半導体薄膜積層体。
ＩｎＸＭｇＹＳｎＺ - 請求項１に記載の酸化物半導体薄膜積層体において、
前記キャップ層は前記活性層と共にパターニングする際のエッチングレートが、前記活性層のエッチングレートに適している
酸化物半導体薄膜積層体。 - 請求項２記載の酸化物半導体薄膜積層体において、
前記キャップ層の硫酸・硝酸系エッチャントまたは酢酸系エッチャントでエッチングした際のエッチングレートが１ｎｍ／ｓｅｃ以上である
酸化物半導体薄膜積層体。 - 請求項１に記載の酸化物半導体薄膜積層体において、
前記キャップ層は、水素アニール処理後の抵抗値が１Ｅ＋２Ω／□以上である
酸化物半導体薄膜積層体。 - 請求項１に記載の酸化物半導体薄膜積層体において、
前記キャップ層を構成する酸化物半導体は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｔａ、Ａｌ、Ｙ及びＭｏから選択される少なくとも１つの元素であるＡ群元素をさらに含有する
酸化物半導体薄膜積層体。 - 請求項５に記載の酸化物半導体薄膜積層体において、
前記キャップ層を構成する酸化物半導体は、Ｓｉが４ａｔ％以下、Ｔｉが６ａｔ％以下、Ｗが６ａｔ％以下、Ｚｒが７ａｔ％以下、Ｎｂが７ａｔ％以下、Ｎｉが７ａｔ％以下、Ｇｅが７ａｔ％以下、Ｔａが８ａｔ％以下、Ａｌが８ａｔ％以下、及びＹが９ａｔ％以下であり、
前記Ａ群元素の含有量が、１０ａｔ％未満である
酸化物半導体薄膜積層体。 - 請求項１に記載の酸化物半導体薄膜積層体において、
前記キャップ層を構成する酸化物半導体は、Ｍｏ、Ｓｂ、Ｈｆ、Ｌａ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃａ及びＳｒから選択される少なくとも１つの元素であるＢ群元素をさらに含有する
酸化物半導体薄膜積層体。 - 請求項７に記載の酸化物半導体薄膜積層体において、
前記キャップ層を構成する酸化物半導体は、Ｍｏが１０ａｔ％以下、Ｓｂが１３ａｔ％以下、Ｈｆが１３ａｔ％以下、Ｌａが１３ａｔ％以下、Ｆｅが２１ａｔ％以下、Ｇａが２７ａｔ％以下、Ｚｎが３８ａｔ％以下、Ｃａが３８ａｔ％以下、Ｓｒが３８ａｔ％以下であり、Ｉｎ、Ｍｇ、及びＳｎ以外の元素の合計含有量は、３８ａｔ％以下である
酸化物半導体薄膜積層体。 - バンドギャップが３ｅＶ以下の活性層を成膜する工程と、
この活性層上にキャップ層を成膜して酸化物半導体薄膜積層体とする工程とを具備し、
前記キャップ層は、インジウム、マグネシウム、及びスズからなる下記式の酸化物を主成分とする酸化物半導体で構成され、下記式のＸが０．３２以上、０．６５以下、Ｙが０．１７以上、０．４６以下であり、Ｚが０を超え、０．２２以下であり、且つＸ＋Ｙ＋Ｚ＝１となる範囲であり、バンドギャップが、２．５ｅＶ以上３．４ｅＶ以下である、酸化物半導体薄膜積層体の製造方法。
ＩｎＸＭｇＹＳｎＺ - 請求項９に記載の酸化物半導体薄膜積層体の製造方法において、
前記キャップ層は、インジウム、マグネシウム、及びスズからなる下記式の酸化物を主成分とする酸化物半導体で構成され、下記式のＸが０．３２以上、０．６５以下、Ｙが０．１７以上、０．４６以下であり、Ｚが０を超え、０．２２以下であり、且つＸ＋Ｙ＋Ｚ＝１となる範囲である酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングすることにより成膜される
酸化物半導体薄膜積層体の製造方法。
ＩｎＸＭｇＹＳｎＺ - 請求項９に記載の酸化物半導体薄膜積層体の製造方法において、
前記キャップ層は前記活性層と共にパターニングする際のエッチングレートが、前記活性層のエッチングレートに適している
酸化物半導体薄膜積層体の製造方法。 - 請求項１１記載の酸化物半導体薄膜積層体の製造方法において、
前記キャップ層の硫酸・硝酸系エッチャントまたは酢酸系エッチャントでエッチングした際のエッチングレートが１ｎｍ／ｓｅｃ以上である
酸化物半導体薄膜積層体の製造方法。 - 請求項９に記載の酸化物半導体薄膜積層体の製造方法において、
前記キャップ層は、水素アニール処理後の抵抗値が１Ｅ＋２Ω／□以上である
酸化物半導体薄膜積層体の製造方法。 - 請求項９に記載の酸化物半導体薄膜積層体の製造方法において、
前記キャップ層を構成する酸化物半導体は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｔａ、Ａｌ、Ｙ及びＭｏから選択される少なくとも１つの元素であるＡ群元素をさらに含有する
酸化物半導体薄膜積層体の製造方法。 - 請求項１４に記載の酸化物半導体薄膜積層体の製造方法において、
前記キャップ層を構成する酸化物半導体は、Ｓｉが４ａｔ％以下、Ｔｉが６ａｔ％以下、Ｗが６ａｔ％以下、Ｚｒが７ａｔ％以下、Ｎｂが７ａｔ％以下、Ｎｉが７ａｔ％以下、Ｇｅが７ａｔ％以下、Ｔａが８ａｔ％以下、Ａｌが８ａｔ％以下、及びＹが９ａｔ％以下であり、
前記Ａ群元素の含有量が、１０ａｔ％未満である
酸化物半導体薄膜積層体の製造方法。 - 請求項９に記載の酸化物半導体薄膜積層体の製造方法において、
前記キャップ層を構成する酸化物半導体は、Ｍｏ、Ｓｂ、Ｈｆ、Ｌａ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃａ及びＳｒから選択される少なくとも１つの元素であるＢ群元素をさらに含有する
酸化物半導体薄膜積層体の製造方法。 - 請求項１６に記載の酸化物半導体薄膜積層体の製造方法において、
前記キャップ層を構成する酸化物半導体は、Ｍｏが１０ａｔ％以下、Ｓｂが１３ａｔ％以下、Ｈｆが１３ａｔ％以下、Ｌａが１３ａｔ％以下、Ｆｅが２１ａｔ％以下、Ｇａが２７ａｔ％以下、Ｚｎが３８ａｔ％以下、Ｃａが３８ａｔ％以下、Ｓｒが３８ａｔ％以下であり、Ｉｎ、Ｍｇ、及びＳｎ以外の元素の合計含有量は、３８ａｔ％以下である
酸化物半導体薄膜積層体の製造方法。 - 請求項９～１７の何れか１項に記載の酸化物半導体薄膜積層体の製造方法において、
前記活性層及び前記キャップ層を同時にウェットエッチングする工程を具備する
酸化物半導体薄膜積層体の製造方法。 - 請求項１～８の何れか１項に記載の活性層とキャップ層とを有する酸化物半導体薄膜積層体を具備する
薄膜半導体装置。 - 請求項１９に記載の薄膜半導体装置において、
ゲート電極と、前記ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜とを具備し、
前記活性層は、前記ゲート絶縁膜上に設けられており、
さらに、前記活性層及び前記キャップ層に接続するソース電極及びドレイン電極とを具備する
薄膜半導体装置。 - 請求項２０に記載の薄膜半導体装置の製造方法であって、
ゲート電極の上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜の上に、前記活性層をスパッタリング法で形成し、
前記活性層上に前記キャップ層をスパッタリング法で形成し、
前記活性層及び前記キャップ層の積層体をウェットエッチングによりパターニングし、
パターニングした前記活性層及び前記キャップ層を下地膜とする金属層を形成し、
前記金属層をウェットエッチング法でパターニングすることでソース電極及びドレイン電極を形成する
薄膜半導体装置の製造方法。 - 請求項１～８の何れか１項に記載のキャップ層となる酸化物半導体薄膜を成膜するスパッタリングターゲットであって、
インジウム、マグネシウム、及びスズからなる下記式の酸化物を含む酸化物焼結体で構成され、
下記式のＸが０．３２以上、０．６５以下、Ｙが０．１７以上、０．４６以下であり、Ｚが０を超え、０．２２以下であり、且つＸ＋Ｙ＋Ｚ＝１となる範囲であり、
相対密度が９０％以上であり、比抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ以下である
スパッタリングターゲット。
ＩｎＸＭｇＹＳｎＺ - 請求項２２に記載のスパッタリングターゲットにおいて、
前記酸化物焼結体は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｔａ、Ａｌ、及びＹから選択される少なくとも１つの元素であるＡ群元素をさらに含有する
スパッタリングターゲット。 - 請求項２３に記載のスパッタリングターゲットにおいて、
Ｓｉが４ａｔ％以下、Ｔｉが６ａｔ％以下、Ｗが６ａｔ％以下、Ｚｒが７ａｔ％以下、Ｎｂが７ａｔ％以下、Ｎｉが７ａｔ％以下、Ｇｅが７ａｔ％以下、Ｔａが８ａｔ％以下、Ａｌが８ａｔ％以下、Ｙが９ａｔ％以下であり、
前記Ａ群元素の含有量が、１０ａｔ％未満である
スパッタリングターゲット。 - 請求項２２に記載のスパッタリングターゲットにおいて、
前記酸化物焼結体は、Ｍｏ、Ｓｂ、Ｈｆ、Ｌａ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃａ及びＳｒから選択される少なくとも１つの元素であるＢ群元素をさらに含有する
スパッタリングターゲット。 - 請求項２５に記載のスパッタリングターゲットにおいて、
Ｍｏが１０ａｔ％以下、Ｓｂが１３ａｔ％以下、Ｈｆが１３ａｔ％以下、Ｌａが１３ａｔ％以下、Ｆｅが２１ａｔ％以下、Ｇａが２７ａｔ％以下、Ｚｎが３８ａｔ％以下、Ｃａが３８ａｔ％以下、Ｓｒが３８ａｔ％以下であり、
前記Ｉｎ、Ｍｇ、及びＳｎ以外の元素の合計含有量は、３８ａｔ％以下である
スパッタリングターゲット。 - 酸化インジウム粉末、酸化マグネシウム粉末、及び酸化スズ粉末を混合して成形体を形成し、１１００℃以上１６５０℃以下で前記成形体を焼成して、請求項２２～２６の何れか１項に記載の酸化物焼結体を有するスパッタリングターゲットを製造する
スパッタリングターゲットの製造方法。 - インジウム、マグネシウム、及びスズの酸化物、水酸化物または炭酸塩を混合して１０００℃～１５００℃で仮焼成した前駆体粉末を成形して成形体とし、１１００℃以上１６５０℃以下で前記成形体を焼成して、請求項２２～２６の何れか１項に記載の酸化物焼結体を有するスパッタリングターゲットを製造する
スパッタリングターゲットの製造方法。
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