KR102350155B1 - Oxide semiconductor thin film, thin film transistor and sputtering target - Google Patents

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Abstract

[과제] 본 발명은 제조 비용이 비교적 낮고, 박막 트랜지스터를 형성했을 때의 캐리어 이동도 및 광 스트레스 내성이 높은 산화물 반도체 박막의 제공을 목적으로 한다.
[해결 수단] 본 발명은, 금속 원소를 포함하는 산화물 반도체 박막으로서, 상기 금속 원소가 In, Zn, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대해, In의 원자수가 58atm% 이상 80atm% 이하, Zn의 원자수가 19atm% 이상 41atm% 이하, Fe의 원자수가 0.6atm% 이상 3atm% 이하이다.
[PROBLEMS] An object of the present invention is to provide an oxide semiconductor thin film having a relatively low manufacturing cost and high carrier mobility and light stress resistance when a thin film transistor is formed.
[Solutions] The present invention is an oxide semiconductor thin film containing a metal element, wherein the metal element consists of In, Zn, Fe and unavoidable impurities, and the number of atoms of In relative to the total number of atoms of In, Zn and Fe is The number is 58atm% or more and 80atm% or less, the number of atoms of Zn is 19atm% or more and 41atm% or less, and the number of atoms of Fe is 0.6atm% or more and 3atm% or less.

Description

산화물 반도체 박막, 박막 트랜지스터 및 스퍼터링 타겟{OXIDE SEMICONDUCTOR THIN FILM, THIN FILM TRANSISTOR AND SPUTTERING TARGET}Oxide semiconductor thin film, thin film transistor and sputtering target

본 발명은 산화물 반도체 박막, 박막 트랜지스터 및 스퍼터링 타겟에 관한 것이다.The present invention relates to an oxide semiconductor thin film, a thin film transistor, and a sputtering target.

아몰퍼스 산화물 반도체는, 예를 들면 아몰퍼스 실리콘 반도체에 비해 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor: TFT)를 형성했을 때의 캐리어 이동도가 높다. 또한, 아몰퍼스 산화물 반도체는 광학 밴드 갭이 커서, 가시광의 투과성이 높다. 또, 아몰퍼스 산화물 반도체의 박막은, 아몰퍼스 실리콘 반도체보다도 저온에서 성막할 수 있다. 이들 특징을 살려, 아몰퍼스 산화물 반도체 박막은, 고해상도로 고속 구동할 수 있는 차세대의 대형 디스플레이나, 저온에서의 성막이 요구되는 수지 기판을 이용한 가요성 디스플레이로의 응용이 기대되고 있다.An amorphous oxide semiconductor has high carrier mobility when a thin film transistor (TFT) is formed compared with an amorphous silicon semiconductor, for example. In addition, the amorphous oxide semiconductor has a large optical band gap and high transmittance of visible light. In addition, the thin film of the amorphous oxide semiconductor can be formed at a lower temperature than that of the amorphous silicon semiconductor. Taking advantage of these characteristics, the amorphous oxide semiconductor thin film is expected to be applied to a next-generation large-scale display capable of high-resolution and high-speed driving, and a flexible display using a resin substrate that requires film formation at a low temperature.

이와 같은 아몰퍼스 산화물 반도체 박막으로서는, 인듐, 갈륨, 아연 및 산소를 포함하는 In-Ga-Zn-O(IGZO) 아몰퍼스 산화물 반도체 박막이 공지이다(예를 들면 일본 특허공개 2010-219538호 공보 참조). 아몰퍼스 실리콘 반도체를 이용한 박막 트랜지스터의 캐리어 이동도가 0.5cm2/Vs 정도인 데 비해, 상기 공보에 기재된 IGZO 아몰퍼스 산화물 반도체 박막을 이용한 TFT는, 1cm2/Vs 이상의 이동도를 갖는다.As such an amorphous oxide semiconductor thin film, an In-Ga-Zn-O (IGZO) amorphous oxide semiconductor thin film containing indium, gallium, zinc and oxygen is known (for example, refer to Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-219538). Compared to the carrier mobility of the thin film transistor using the amorphous silicon semiconductor is also 0.5cm 2 / Vs level, IGZO TFT using an amorphous oxide semiconductor thin film described in the above publication has a 1cm 2 / Vs or more mobility.

이동도가 더 향상된 아몰퍼스 산화물 반도체 박막으로서, 인듐, 갈륨, 아연 및 주석을 포함하는 산화물 반도체 박막이나 인듐, 갈륨, 주석 및 산소를 포함하는 산화물 반도체 박막이 공지이다(예를 들면 일본 특허공개 2010-118407호 공보, 일본 특허공개 2013-249537호 공보 참조). 예를 들면 상기 공보에 기재된 In-Ga-Zn-Sn 아몰퍼스 산화물 반도체 박막을 이용한 TFT에서는, 채널 길이 1000μm에서 그의 캐리어 이동도가 20cm2/Vs를 초과한다. 그러나, 채널 길이가 짧은 TFT에서는 캐리어 이동도가 저하되는 경향이 있어, 고속성이 요구되는, 예를 들면 차세대의 대형 디스플레이에 이용하기 위해서는, 단(短)채널 영역에서의 캐리어 이동도가 부족할 우려가 있다.As an amorphous oxide semiconductor thin film with improved mobility, an oxide semiconductor thin film containing indium, gallium, zinc and tin and an oxide semiconductor thin film containing indium, gallium, tin and oxygen are known (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2010- 118407 (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-249537). For example, in the TFT using the In-Ga-Zn-Sn amorphous oxide semiconductor thin film described in the above publication, the carrier mobility exceeds 20 cm 2 /Vs at a channel length of 1000 µm. However, in a TFT with a short channel length, carrier mobility tends to decrease, and there is a concern that carrier mobility in a short channel region is insufficient for use in, for example, next-generation large-sized displays that require high speed. there is

또한, 이들 아몰퍼스 산화물 반도체는, 희소 원소인 갈륨(Ga)을 포함하기 때문에, 비교적 제조 비용이 높다. 이 때문에, Ga를 포함하지 않는 산화물 반도체가 요구되고 있다.Moreover, since these amorphous oxide semiconductors contain gallium (Ga) which is a rare element, manufacturing cost is comparatively high. For this reason, the oxide semiconductor which does not contain Ga is calculated|required.

또, 박막 트랜지스터에 이용되는 아몰퍼스 산화물 반도체 박막을 디스플레이에 이용하기 위해서는, 박막 트랜지스터에 대해서 광의 조사를 행하더라도 계시(繼時)적인 역치 전압의 시프트가 적을 것, 이른바 광 스트레스 내성이 높을 것이 요망되고 있다.In addition, in order to use the amorphous oxide semiconductor thin film used for the thin film transistor for a display, it is desired that the threshold voltage shift in time is small even when light is irradiated to the thin film transistor, that is, the so-called light stress resistance is high. have.

일본 특허공개 2010-219538호 공보Japanese Patent Laid-Open No. 2010-219538 일본 특허공개 2010-118407호 공보Japanese Patent Laid-Open No. 2010-118407 일본 특허공개 2013-249537호 공보Japanese Patent Laid-Open No. 2013-249537

본 발명은, 전술한 바와 같은 사정에 기초하여 이루어진 것으로, 제조 비용이 비교적 낮고, 박막 트랜지스터를 형성했을 때의 캐리어 이동도 및 광 스트레스 내성이 높은 산화물 반도체 박막, 이 산화물 반도체 박막을 이용한 박막 트랜지스터, 및 이 산화물 반도체 박막을 형성하기 위한 스퍼터링 타겟의 제공을 목적으로 한다.The present invention has been made based on the circumstances described above, and the manufacturing cost is relatively low and the carrier mobility and light stress resistance when the thin film transistor is formed are high. An oxide semiconductor thin film, a thin film transistor using the oxide semiconductor thin film; And it aims at provision of the sputtering target for forming this oxide semiconductor thin film.

본 발명자들은, 산화물 반도체 박막에 철(Fe)을 소정량 포함시킴으로써, Ga를 포함하지 않아도 높은 캐리어 이동도와 광 스트레스 내성을 갖는 산화물 반도체 박막이 얻어지는 것을 발견하여, 본 발명을 완성시켰다.The present inventors discovered that an oxide semiconductor thin film which has high carrier mobility and light stress resistance even if it does not contain Ga can be obtained by including iron (Fe) in a predetermined amount in an oxide semiconductor thin film, and completed this invention.

즉, 본 발명의 일 태양에 따른 산화물 반도체 박막은, 금속 원소를 포함하는 산화물 반도체 박막으로서, 상기 금속 원소가 In, Zn, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대해, In의 원자수가 58atm% 이상 80 atm% 이하, Zn의 원자수가 19atm% 이상 41atm% 이하, Fe의 원자수가 0.6atm% 이상 3atm% 이하이다.That is, the oxide semiconductor thin film according to an aspect of the present invention is an oxide semiconductor thin film containing a metal element, wherein the metal element consists of In, Zn, Fe and unavoidable impurities, and the total number of atoms of In, Zn and Fe , the number of atoms of In is 58 atm% or more and 80 atm% or less, the number of atoms of Zn is 19 atm% or more and 41 atm% or less, and the number of atoms of Fe is 0.6 atm% or more and 3 atm% or less.

당해 산화물 반도체 박막은, In 및 Zn의 원자수를 상기 범위 내로 하고, Fe의 원자수를 상기 하한 이상으로 하므로, 높은 광 스트레스 내성을 갖는다. 또한, 당해 산화물 반도체 박막은, Fe의 원자수를 상기 상한 이하로 하므로, 당해 산화물 반도체 박막을 이용하여 박막 트랜지스터를 형성했을 때의 캐리어 이동도를 높일 수 있다. 또, 당해 산화물 반도체 박막은, Ga를 포함할 필요가 없으므로, 제조 비용을 저감할 수 있다.Since the said oxide semiconductor thin film makes the number of atoms of In and Zn into the said range, and makes the number of atoms of Fe more than the said lower limit, it has high light stress resistance. Moreover, since the said oxide semiconductor thin film makes the number of Fe atoms below the said upper limit, carrier mobility at the time of forming a thin film transistor using the said oxide semiconductor thin film can be improved. Moreover, since the said oxide semiconductor thin film does not need to contain Ga, manufacturing cost can be reduced.

당해 산화물 반도체 박막은, 표시 장치에 적합하게 이용된다.The said oxide semiconductor thin film is used suitably for a display apparatus.

본 발명은, 당해 산화물 반도체 박막을 갖는 박막 트랜지스터를 포함한다. 당해 박막 트랜지스터는, 당해 산화물 반도체 박막을 가지므로, 제조 비용이 비교적 낮고, 캐리어 이동도 및 광 스트레스 내성이 높다.The present invention includes a thin film transistor having the oxide semiconductor thin film. Since the said thin film transistor has the said oxide semiconductor thin film, manufacturing cost is comparatively low, and carrier mobility and light stress resistance are high.

당해 박막 트랜지스터의 광 조사에 의한 역치 전압 시프트로서는, 5V 이하가 바람직하다. 상기 역치 전압 시프트를 상기 상한 이하로 함으로써, 박막 트랜지스터의 성능 안정성을 높일 수 있다.As a threshold voltage shift by light irradiation of the said thin film transistor, 5 V or less is preferable. By carrying out the said threshold voltage shift below the said upper limit, the performance stability of a thin film transistor can be improved.

당해 박막 트랜지스터의 캐리어 이동도로서는, 32cm2/Vs 이상이 바람직하다. 상기 캐리어 이동도를 상기 하한 이상으로 함으로써, 고속성이 요구되는, 예를 들면 차세대의 대형 디스플레이에 적합하게 이용할 수 있다.The carrier mobility of the thin film transistor is preferably 32 cm 2 /Vs or more. By making the said carrier mobility more than the said lower limit, it can utilize suitably for the large-size display of the next generation, for example in which high speed is calculated|required.

또한, 본 발명의 다른 일 태양에 따른 스퍼터링 타겟은, 금속 원소를 포함하는 산화물 반도체 박막의 형성에 이용되는 스퍼터링 타겟으로서, 상기 금속 원소가 In, Zn, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대해, In의 원자수가 58atm% 이상 80atm% 이하, Zn의 원자수가 19atm% 이상 41atm% 이하, Fe의 원자수가 0.6atm% 이상 3atm% 이하이다.In addition, the sputtering target according to another aspect of the present invention is a sputtering target used for the formation of an oxide semiconductor thin film containing a metal element, wherein the metal element consists of In, Zn, Fe and unavoidable impurities, In, With respect to the total number of atoms of Zn and Fe, the number of atoms of In is 58 atm% or more and 80 atm% or less, the number of atoms of Zn is 19 atm% or more and 41 atm% or less, and the number of atoms of Fe is 0.6 atm% or more and 3 atm% or less.

당해 스퍼터링 타겟은 원자수가 상기 범위 내인 In, Zn 및 Fe를 포함하므로, 당해 스퍼터링 타겟을 이용하여 산화물 반도체 박막을 성막함으로써, 제조 비용이 비교적 낮고, 캐리어 이동도 및 광 스트레스 내성이 높은 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다.Since the sputtering target contains In, Zn, and Fe whose atomic number is within the above range, by forming an oxide semiconductor thin film using the sputtering target, the manufacturing cost is relatively low, and the carrier mobility and light stress resistance are high. can do.

여기에서, 「캐리어 이동도」란, 박막 트랜지스터의 포화 영역에서의 전계 효과 이동도를 나타내고, 「전계 효과 이동도」란, 게이트 전압 Vg[V], 역치 전압 Vth[V], 드레인 전류 Id[A], 채널 길이 L[m], 채널 폭 W[m], 게이트 절연막의 용량 Cox[F]로 할 때, 박막 트랜지스터의 전류-전압 특성의 포화 영역(Vg>Vd-Vth)에 있어서, 이하의 식(1)에 나타내는 μFE[m2/Vs]에 의해 구해지는 값을 가리킨다.Here, the "carrier mobility" represents the field effect mobility in the saturation region of the thin film transistor, and the "field effect mobility" means the gate voltage Vg[V], the threshold voltage Vth[V], and the drain current Id[ A], the channel length L [m], the channel width W [m], and the capacitance C ox [F] of the gate insulating film, in the saturation region of the current-voltage characteristic of the thin film transistor (Vg>Vd-Vth), It points out the value calculated|required by mu FE [m 2 /Vs] shown in the following formula (1).

Figure 112020050271168-pat00001
Figure 112020050271168-pat00001

한편, 박막 트랜지스터의 「역치 전압」이란, 트랜지스터의 드레인 전류가 10-9A가 되는 게이트 전압을 가리킨다.On the other hand, the "threshold voltage" of the thin film transistor refers to the gate voltage at which the drain current of the transistor becomes 10 -9 A.

또한, 「광 조사에 의한 역치 전압 시프트」란, 기판 온도 60℃에서, 박막 트랜지스터의 소스-드레인 간에 10V, 게이트-소스 간에 -10V의 전압 조건으로, 박막 트랜지스터에 백색 LED를 2시간 조사했을 때의 조사 전후의 역치 전압의 차의 절대치를 가리킨다.In addition, "threshold voltage shift by light irradiation" means when a white LED is irradiated to a thin film transistor for 2 hours at a substrate temperature of 60°C, under a voltage condition of 10 V between the source and drain of the thin film transistor and -10 V between the gate and source. indicates the absolute value of the difference in threshold voltage before and after irradiation of

이상 설명한 바와 같이, 당해 산화물 반도체 박막을 이용한 박막 트랜지스터는, 제조 비용이 비교적 낮고, 캐리어 이동도 및 광 스트레스 내성이 높다. 또한, 당해 스퍼터링 타겟을 이용함으로써, 제조 비용이 비교적 낮고, 캐리어 이동도 및 광 스트레스 내성이 높은 산화물 반도체 박막을 형성할 수 있다.As described above, the thin film transistor using the oxide semiconductor thin film has a relatively low manufacturing cost and high carrier mobility and light stress resistance. Moreover, by using the said sputtering target, manufacturing cost is comparatively low, and the oxide semiconductor thin film with high carrier mobility and light stress resistance can be formed.

도 1은 기판 표면에 형성된 본 발명의 일 실시형태의 박막 트랜지스터를 나타내는 모식적 단면도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic sectional drawing which shows the thin film transistor of one Embodiment of this invention formed in the substrate surface.

이하, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 적절히 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described in detail, referring drawings suitably.

[박막 트랜지스터][Thin Film Transistor]

도 1에 나타내는 당해 박막 트랜지스터는, 예를 들면 차세대의 대형 디스플레이나 가요성 디스플레이 등의 표시 장치의 제조에 이용할 수 있다. 당해 박막 트랜지스터는, 기판(X)의 표면에 형성된 보텀 게이트형의 트랜지스터이다. 당해 박막 트랜지스터는, 게이트 전극(1), 게이트 절연막(2), 산화물 반도체 박막(3), ESL(Etch Stop Layer) 보호막(4), 소스 및 드레인 전극(5), 패시베이션 절연막(6), 및 도전막(7)을 갖는다.The said thin film transistor shown in FIG. 1 can be used for manufacture of display apparatuses, such as a next-generation large-size display and a flexible display, for example. The thin film transistor is a bottom gate transistor formed on the surface of the substrate X. The thin film transistor includes a gate electrode 1, a gate insulating film 2, an oxide semiconductor thin film 3, an ESL (Etch Stop Layer) protective film 4, source and drain electrodes 5, a passivation insulating film 6, and It has a conductive film (7).

(기판)(Board)

기판(X)으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 표시 장치에 이용되는 기판을 들 수 있다. 이와 같은 기판(X)으로서는, 유리 기판이나 실리콘 수지 기판 등의 투명 기판을 들 수 있다. 상기 유리 기판에 이용되는 유리로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 무알칼리 유리, 고변형점 유리, 소다 라임 유리 등을 들 수 있다. 또한, 기판(X)으로서 스테인리스 박막 등의 금속 기판, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름 등의 수지 기판을 이용할 수도 있다.Although it does not specifically limit as the board|substrate X, For example, the board|substrate used for a display apparatus is mentioned. Transparent substrates, such as a glass substrate and a silicone resin substrate, are mentioned as such a board|substrate X. It does not specifically limit as glass used for the said glass substrate, For example, alkali-free glass, high strain-point glass, soda-lime glass, etc. are mentioned. In addition, as the substrate X, a metal substrate such as a stainless thin film or a resin substrate such as a polyethylene terephthalate (PET) film may be used.

기판(X)의 평균 두께는, 가공성의 관점에서 0.3mm 이상 1.0mm 이하가 바람직하다. 또한, 기판(X)의 크기 및 형상은, 사용되는 표시 장치 등의 크기나 형상에 따라서 적절히 결정된다. 여기에서, 「평균 두께」란, 임의의 10점의 두께를 측정하여, 그들로부터 산출되는 평균치를 가리킨다.As for the average thickness of the board|substrate X, 0.3 mm or more and 1.0 mm or less are preferable from a viewpoint of workability. In addition, the size and shape of the board|substrate X are suitably determined according to the size and shape of the display apparatus etc. used. Here, the "average thickness" measures the thickness of 10 arbitrary points, and points out the average value computed from them.

(게이트 전극)(gate electrode)

게이트 전극(1)은, 기판(X)의 표면에 형성되고, 도전성을 갖는다. 게이트 전극(1)을 구성하는 박막으로서는, 특별히 한정되지 않지만, Al 합금이나 Al 합금의 표면에 Mo, Cu, Ti 등의 박막이나 합금막을 적층한 것을 이용할 수 있다.The gate electrode 1 is formed on the surface of the substrate X and has conductivity. Although it does not specifically limit as a thin film which comprises the gate electrode 1, What laminated|stacked thin films, such as Mo, Cu, Ti, or an alloy film, on the surface of Al alloy or Al alloy can be used.

게이트 전극(1)의 평균 두께의 하한으로서는, 50nm가 바람직하고, 170nm가 보다 바람직하다. 한편, 게이트 전극(1)의 평균 두께의 상한으로서는, 500nm가 바람직하고, 400nm가 보다 바람직하다. 게이트 전극(1)의 평균 두께가 상기 하한 미만이면, 게이트 전극(1)의 저항이 크기 때문에, 게이트 전극(1)에서의 전력 소비가 증대될 우려나 단선이 발생하기 쉬워질 우려가 있다. 반대로, 게이트 전극(1)의 평균 두께가 상기 상한을 초과하면, 게이트 전극(1)의 표면측에 적층되는 게이트 절연막(2) 등의 평탄화가 곤란해져, 당해 박막 트랜지스터의 특성이 악화될 우려가 있다.As a lower limit of the average thickness of the gate electrode 1, 50 nm is preferable and 170 nm is more preferable. On the other hand, as an upper limit of the average thickness of the gate electrode 1, 500 nm is preferable and 400 nm is more preferable. When the average thickness of the gate electrode 1 is less than the above lower limit, since the resistance of the gate electrode 1 is large, there is a fear that power consumption in the gate electrode 1 may increase or disconnection may easily occur. Conversely, if the average thickness of the gate electrode 1 exceeds the upper limit, planarization of the gate insulating film 2 or the like laminated on the surface side of the gate electrode 1 becomes difficult, and there is a risk that the characteristics of the thin film transistor may be deteriorated. have.

한편, 게이트 절연막(2)의 커버리지를 좋게 하기 위해, 게이트 전극(1)의 두께 방향의 단면은, 기판(X)을 향해 확장하는 테이퍼상으로 하면 된다. 테이퍼 각도로서는, 30° 이상 40° 이하가 바람직하다.On the other hand, in order to improve the coverage of the gate insulating film 2 , the cross section in the thickness direction of the gate electrode 1 may have a tapered shape extending toward the substrate X . As a taper angle, 30 degrees or more and 40 degrees or less are preferable.

(게이트 절연막)(Gate Insulation Film)

게이트 절연막(2)은, 게이트 전극(1)을 덮도록 기판(X)의 표면측에 적층된다. 게이트 절연막(2)을 구성하는 박막으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산질화막, Al2O3이나 Y2O3 등의 금속 산화물막 등을 들 수 있다. 또한, 게이트 절연막(2)은, 이들 박막의 단층 구조여도 되고, 2종 이상의 박막을 적층한 다층 구조여도 된다.The gate insulating film 2 is laminated|stacked on the surface side of the board|substrate X so that the gate electrode 1 may be covered. As the thin film constituting the gate insulating film 2 is not particularly limited, but may be a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, such as Al 2 O 3 or Y 2 O 3 such as a metal oxide film. In addition, the gate insulating film 2 may have a single-layer structure of these thin films, or a multilayer structure in which two or more types of thin films are laminated|stacked may be sufficient as it.

게이트 절연막(2)의 형상은 게이트 전극(1)이 피복되는 한 한정되지 않고, 예를 들면 게이트 절연막(2)이 기판(X) 전면을 덮어도 된다.The shape of the gate insulating film 2 is not limited as long as the gate electrode 1 is covered, and for example, the gate insulating film 2 may cover the entire surface of the substrate X.

게이트 절연막(2)의 평균 두께의 하한으로서는, 50nm가 바람직하고, 100nm가 보다 바람직하다. 또한, 게이트 절연막(2)의 평균 두께의 상한으로서는, 300nm가 바람직하고, 250nm가 보다 바람직하다. 게이트 절연막(2)의 평균 두께가 상기 하한 미만이면, 게이트 절연막(2)의 내압이 부족하여, 게이트 전압의 인가에 의해 게이트 절연막(2)이 브레이크 다운될 우려가 있다. 반대로, 게이트 절연막(2)의 평균 두께가 상기 상한을 초과하면, 게이트 전극(1)과 당해 산화물 반도체 박막(3) 사이에 형성되는 캐패시터의 용량이 부족하여, 드레인 전류가 불충분해질 우려가 있다. 한편, 게이트 절연막(2)이 다층 구조인 경우, 「게이트 절연막의 평균 두께」란, 그 합계의 평균 두께를 가리킨다.As a lower limit of the average thickness of the gate insulating film 2, 50 nm is preferable and 100 nm is more preferable. Moreover, as an upper limit of the average thickness of the gate insulating film 2, 300 nm is preferable and 250 nm is more preferable. When the average thickness of the gate insulating film 2 is less than the lower limit, the withstand voltage of the gate insulating film 2 is insufficient, and there is a risk that the gate insulating film 2 may be broken down by application of the gate voltage. Conversely, when the average thickness of the gate insulating film 2 exceeds the above upper limit, the capacitance of the capacitor formed between the gate electrode 1 and the oxide semiconductor thin film 3 becomes insufficient, and there is a fear that the drain current becomes insufficient. On the other hand, when the gate insulating film 2 has a multilayer structure, the "average thickness of the gate insulating film" refers to the average thickness of the total.

(산화물 반도체 박막)(Oxide semiconductor thin film)

당해 산화물 반도체 박막(3)은 그 자체가 본 발명의 다른 실시형태이다. 당해 산화물 반도체 박막(3)은 금속 원소를 포함한다. 당해 산화물 반도체 박막(3)에서는, 상기 금속 원소가 In, Zn, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 즉, 당해 산화물 반도체 박막(3)은, 실질적으로 In, Zn, Fe 이외의 금속 원소를 포함하지 않는다.The oxide semiconductor thin film 3 itself is another embodiment of the present invention. The oxide semiconductor thin film 3 contains a metal element. In the oxide semiconductor thin film 3, the metal element consists of In, Zn, Fe and unavoidable impurities. That is, the said oxide semiconductor thin film 3 does not contain metal elements other than In, Zn, and Fe substantially.

In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대한 In의 원자수의 하한으로서는, 58atm%이며, 60atm%가 보다 바람직하고, 65atm%가 더 바람직하다. 한편, 상기 In의 원자수의 상한으로서는, 80atm%이며, 75atm%가 보다 바람직하고, 69atm%가 더 바람직하다. 상기 In의 원자수가 상기 하한 미만이면, 당해 박막 트랜지스터의 캐리어 이동도가 저하될 우려가 있다. 반대로, 상기 In의 원자수가 상기 상한을 초과하면, 당해 산화물 반도체 박막(3)의 리크 전류가 증대되거나, 역치 전압이 마이너스측으로 시프트되거나 하기 때문에, 당해 산화물 반도체 박막(3)이 도체화될 우려가 있다.The lower limit of the number of atoms of In with respect to the total number of atoms of In, Zn and Fe is 58 atm%, more preferably 60 atm%, and still more preferably 65 atm%. On the other hand, the upper limit of the number of atoms of In is 80 atm%, more preferably 75 atm%, and still more preferably 69 atm%. When the number of atoms of In is less than the lower limit, the carrier mobility of the thin film transistor may decrease. Conversely, when the number of atoms of In exceeds the upper limit, the leakage current of the oxide semiconductor thin film 3 increases or the threshold voltage shifts to the negative side, so there is a risk that the oxide semiconductor thin film 3 becomes conductive. have.

In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대한 Zn의 원자수의 하한으로서는, 19atm%이며, 24atm%가 보다 바람직하고, 30atm%가 더 바람직하다. 한편, 상기 Zn의 원자수의 상한으로서는, 41atm%이며, 39atm%가 보다 바람직하고, 34atm%가 더 바람직하다. 상기 Zn의 원자수가 상기 하한 미만이면, 다른 금속 원자수가 상대적으로 많아지기 때문에, 도체화될 우려가 있다. 반대로, 상기 Zn의 원자수가 상기 상한을 초과하면, 캐리어 농도가 억제되어, 당해 박막 트랜지스터의 캐리어 이동도가 저하될 우려가 있다.The lower limit of the number of atoms of Zn with respect to the total number of atoms of In, Zn and Fe is 19 atm%, more preferably 24 atm%, and still more preferably 30 atm%. On the other hand, the upper limit of the number of atoms of Zn is 41 atm%, more preferably 39 atm%, and still more preferably 34 atm%. When the number of atoms of Zn is less than the lower limit, the number of atoms of other metals is relatively large, so that there is a fear of becoming a conductor. Conversely, when the number of atoms of Zn exceeds the upper limit, the carrier concentration is suppressed, and there is a fear that the carrier mobility of the thin film transistor is lowered.

In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대한 Fe의 원자수의 하한으로서는, 0.6atm%이며, 0.8atm%가 보다 바람직하고, 0.9atm%가 더 바람직하다. 한편, 상기 Fe의 원자수의 상한으로서는, 3atm%이며, 2atm%가 보다 바람직하고, 1.5atm%가 더 바람직하다. 상기 Fe의 원자수가 상기 하한 미만이면, 광 조사에 의한 역치 전압 시프트가 커질 우려가 있다. 반대로, 상기 Fe의 원자수가 상기 상한을 초과하면, 캐리어 농도가 억제되어, 당해 박막 트랜지스터의 캐리어 이동도가 저하될 우려가 있다.The lower limit of the number of atoms of Fe with respect to the total number of atoms of In, Zn, and Fe is 0.6 atm%, more preferably 0.8 atm%, and still more preferably 0.9 atm%. On the other hand, the upper limit of the number of atoms of Fe is 3 atm%, more preferably 2 atm%, and still more preferably 1.5 atm%. There exists a possibility that the threshold voltage shift by light irradiation may become large that the number of atoms of the said Fe is less than the said minimum. Conversely, when the number of atoms of Fe exceeds the upper limit, the carrier concentration is suppressed and there is a fear that the carrier mobility of the thin film transistor is lowered.

Fe의 원자수에 대한 In의 원자수의 비(In/Fe)의 하한으로서는, 25가 바람직하고, 50이 보다 바람직하고, 55가 더 바람직하다. 한편, In/Fe의 상한으로서는, 100이 바람직하고, 80이 보다 바람직하고, 60이 더 바람직하다. In/Fe가 상기 하한 미만이면, 캐리어 이동도가 저하되는 경우가 있다. 반대로, In/Fe가 상기 상한을 초과하면, 당해 박막 트랜지스터의 S값(Subthreshold Swing값, 후술)이 커지는 경우가 있다.As a lower limit of the ratio (In/Fe) of the number of atoms of In to the number of atoms of Fe, 25 is preferable, 50 is more preferable, and 55 is still more preferable. On the other hand, as an upper limit of In/Fe, 100 is preferable, 80 is more preferable, and 60 is still more preferable. If In/Fe is less than the said lower limit, carrier mobility may fall. Conversely, when In/Fe exceeds the upper limit, the S value (Subthreshold Swing value, described later) of the thin film transistor may increase.

당해 산화물 반도체 박막(3)의 평면시 형상으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 당해 박막 트랜지스터의 채널 길이 및 채널 폭의 제어성의 관점에서, 게이트 전극(1)과 마찬가지의 형상이 바람직하다. 당해 산화물 반도체 박막(3)의 평면시의 크기로서는, 당해 박막 트랜지스터의 채널 길이 및 채널 폭을 확보할 수 있는 크기이면 된다.Although it does not specifically limit as a planar shape shape of the said oxide semiconductor thin film 3, From a viewpoint of the controllability of the channel length and channel width of the said thin film transistor, the shape similar to the gate electrode 1 is preferable. The size of the oxide semiconductor thin film 3 in plan view may be any size capable of ensuring the channel length and channel width of the thin film transistor.

또한, 당해 산화물 반도체 박막(3)의 평면시의 크기는, 당해 산화물 반도체 박막(3)을 게이트 전극(1)의 직상에 확실히 배설(配設)시키기 위해, 게이트 전극(1)의 평면시의 크기보다 작은 것이 바람직하다. 당해 산화물 반도체 박막(3)과 게이트 전극(1)의 채널 방향 및 채널 폭 방향의 변의 길이의 차의 하한으로서는, 2nm가 바람직하고, 4nm가 보다 바람직하다. 한편, 상기 변의 길이의 차의 상한으로서는, 10nm가 바람직하고, 8nm가 보다 바람직하다. 상기 변의 길이의 차가 상기 하한 미만이면, 패터닝의 어긋남 등에 의해 당해 산화물 반도체 박막(3)의 일부가 게이트 전극(1)의 직상으로부터 벗어나고, 그 결과 당해 산화물 반도체 박막(3)의 평탄성이 악화되어, 당해 박막 트랜지스터의 특성이 악화될 우려가 있다. 반대로, 상기 변의 길이의 차가 상기 상한을 초과하면, 당해 박막 트랜지스터가 불필요하게 커질 우려가 있다.In addition, the size of the oxide semiconductor thin film 3 in plan view is the size of the gate electrode 1 in plan view in order to ensure that the oxide semiconductor thin film 3 is disposed directly above the gate electrode 1 . It is preferably smaller than the size. The lower limit of the difference between the lengths of the sides of the oxide semiconductor thin film 3 and the gate electrode 1 in the channel direction and the channel width direction is preferably 2 nm, more preferably 4 nm. On the other hand, as an upper limit of the difference in the length of the said side, 10 nm is preferable and 8 nm is more preferable. If the difference in the lengths of the sides is less than the lower limit, a part of the oxide semiconductor thin film 3 deviates from directly above the gate electrode 1 due to patterning shift or the like, and as a result, the flatness of the oxide semiconductor thin film 3 deteriorates, There exists a possibility that the characteristic of the said thin film transistor may deteriorate. Conversely, when the difference in the lengths of the sides exceeds the upper limit, there is a fear that the thin film transistor becomes unnecessarily large.

당해 산화물 반도체 박막(3)의 평균 두께는, 예를 들면 20nm 이상 60nm 이하로 할 수 있다.The average thickness of the oxide semiconductor thin film 3 can be, for example, 20 nm or more and 60 nm or less.

한편, 소스 및 드레인 전극(5)의 커버리지를 좋게 하기 위해, 당해 산화물 반도체 박막(3)의 두께 방향의 단면은, 기판(X)을 향해 확장하는 테이퍼상으로 하면 된다. 테이퍼 각도로서는, 30° 이상 40° 이하가 바람직하다.On the other hand, in order to improve the coverage of the source and drain electrodes 5 , the cross section in the thickness direction of the oxide semiconductor thin film 3 may have a tapered shape extending toward the substrate X . As a taper angle, 30 degrees or more and 40 degrees or less are preferable.

당해 산화물 반도체 박막(3)의 캐리어 농도의 하한으로서는, 1×1012cm-3이 바람직하고, 1×1013cm-3이 보다 바람직하고, 1×1014cm-3이 더 바람직하다. 한편, 상기 캐리어 농도의 상한으로서는, 1×1020cm-3이 바람직하고, 1×1019cm-3이 보다 바람직하고, 1×1018cm-3이 더 바람직하다. 상기 캐리어 농도가 상기 하한 미만이면, 당해 박막 트랜지스터의 드레인 전류가 부족할 우려가 있다. 반대로, 상기 캐리어 농도가 상기 상한을 초과하면, 당해 산화물 반도체 박막(3)의 내부를 완전히 공핍화하는 것이 곤란해지기 때문에, 스위칭 소자로서 기능하지 않을 우려가 있다.Art oxide as the lower limit of the carrier concentration of the semiconductor thin film (3), 1 × 10 12 cm -3 is preferable, and more preferably 1 × 10 13 cm -3, and more preferably, 1 × 10 14 cm -3. On the other hand, as the upper limit of the carrier concentration, 1×10 20 cm -3 is preferable, 1×10 19 cm -3 is more preferable, and 1×10 18 cm -3 is still more preferable. When the carrier concentration is less than the lower limit, the drain current of the thin film transistor may be insufficient. Conversely, since it becomes difficult to completely deplete the inside of the said oxide semiconductor thin film 3 when the said carrier concentration exceeds the said upper limit, there exists a possibility that it may not function as a switching element.

당해 산화물 반도체 박막(3)의 홀 이동도의 하한으로서는, 32cm2/Vs가 바람직하고, 35cm2/Vs가 보다 바람직하고, 38cm2/Vs가 더 바람직하다. 상기 홀 이동도가 상기 하한 미만이면, 당해 박막 트랜지스터의 스위칭 특성이 저하될 우려가 있다. 한편, 상기 홀 이동도의 상한은, 특별히 한정되지 않는다. 「홀 이동도」란, 홀 효과 측정에 의해 얻어지는 캐리어 이동도를 가리킨다.As the lower limit of the art oxide hole mobility of the semiconductor thin film 3 is also, 32cm 2 / Vs is preferably, 35cm 2 / Vs is more preferable and, more preferably 38cm 2 / Vs. If the hole mobility is less than the lower limit, the switching characteristics of the thin film transistor may be deteriorated. In addition, the upper limit of the said hole mobility is not specifically limited. "Hall mobility" refers to carrier mobility obtained by Hall effect measurement.

(ESL 보호막)(ESL protective film)

ESL 보호막(4)은, 소스 및 드레인 전극(5)을 에칭에 의해 형성할 때에 당해 산화물 반도체 박막(3)이 손상을 받아 당해 박막 트랜지스터의 특성이 저하되는 것을 억지하는 보호막이다. ESL 보호막(4)을 구성하는 박막으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 실리콘 산화막이 적합하게 이용된다.The ESL protective film 4 is a protective film that prevents the oxide semiconductor thin film 3 from being damaged and the characteristics of the thin film transistor from being deteriorated when the source and drain electrodes 5 are formed by etching. Although it does not specifically limit as a thin film which comprises the ESL protective film 4, A silicon oxide film is used suitably.

(소스 및 드레인 전극)(source and drain electrodes)

소스 및 드레인 전극(5)을 구성하는 박막으로서는, 도전성을 갖는 한 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 게이트 전극(1)과 마찬가지의 박막을 이용할 수 있다.The thin film constituting the source and drain electrodes 5 is not particularly limited as long as it has conductivity, and, for example, a thin film similar to that of the gate electrode 1 can be used.

소스 및 드레인 전극(5)의 평균 두께의 하한으로서는, 100nm가 바람직하고, 150nm가 보다 바람직하다. 한편, 소스 및 드레인 전극(5)의 평균 두께의 상한으로서는, 400nm가 바람직하고, 300nm가 보다 바람직하다. 소스 및 드레인 전극(5)의 평균 두께가 상기 하한 미만이면, 소스 및 드레인 전극(5)의 저항이 크기 때문에, 소스 및 드레인 전극(5)에서의 전력 소비가 증대될 우려나 단선이 발생하기 쉬워질 우려가 있다. 반대로, 소스 및 드레인 전극(5)의 평균 두께가 상기 상한을 초과하면, 패시베이션 절연막(6)의 평탄화가 곤란해져, 도전막(7)에 의한 배선이 곤란해질 우려가 있다.As a lower limit of the average thickness of the source and drain electrodes 5, 100 nm is preferable and 150 nm is more preferable. On the other hand, as an upper limit of the average thickness of the source and drain electrodes 5, 400 nm is preferable and 300 nm is more preferable. When the average thickness of the source and drain electrodes 5 is less than the above lower limit, since the resistance of the source and drain electrodes 5 is large, there is a risk of increased power consumption in the source and drain electrodes 5 or disconnection easily occurs. There is a risk of quality. Conversely, when the average thickness of the source and drain electrodes 5 exceeds the upper limit, planarization of the passivation insulating film 6 becomes difficult, and there is a fear that wiring by the conductive film 7 becomes difficult.

(패시베이션 절연막)(Passivation Insulation Film)

패시베이션 절연막(6)은, 게이트 전극(1), 게이트 절연막(2), 당해 산화물 반도체 박막(3), ESL 보호막(4), 소스 전극(5a) 및 드레인 전극(5b)을 덮어, 당해 박막 트랜지스터의 특성이 열화하는 것을 막는다. 패시베이션 절연막(6)을 구성하는 박막으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 수소의 함유량에 의해 비교적 시트 저항의 제어가 용이한 실리콘 질화막이 적합하게 이용된다. 또한, 시트 저항의 제어성을 더 높이기 위해서 패시베이션 절연막(6)은, 예를 들면 실리콘 산화막과 실리콘 질화막의 2층 구조로 해도 된다.The passivation insulating film 6 covers the gate electrode 1 , the gate insulating film 2 , the oxide semiconductor thin film 3 , the ESL protective film 4 , the source electrode 5a and the drain electrode 5b , and the thin film transistor to prevent deterioration of its properties. Although it does not specifically limit as a thin film which comprises the passivation insulating film 6, A silicon nitride film whose sheet resistance is comparatively easy to control by hydrogen content is used suitably. Further, in order to further improve the controllability of the sheet resistance, the passivation insulating film 6 may have a two-layer structure of, for example, a silicon oxide film and a silicon nitride film.

패시베이션 절연막(6)의 평균 두께의 하한으로서는, 100nm가 바람직하고, 250nm가 보다 바람직하다. 한편, 패시베이션 절연막(6)의 평균 두께의 상한으로서는, 500nm가 바람직하고, 300nm가 보다 바람직하다. 패시베이션 절연막(6)의 평균 두께가 상기 하한 미만이면, 당해 박막 트랜지스터의 특성의 열화 방지 효과가 부족할 우려가 있다. 반대로, 패시베이션 절연막(6)의 평균 두께가 상기 상한을 초과하면, 패시베이션 절연막(6)이 불필요하게 두꺼워져, 당해 박막 트랜지스터의 제조 비용의 상승이나 생산 효율의 저하가 발생할 우려가 있다. 한편, 패시베이션 절연막(6)이 다층 구조인 경우, 「패시베이션 절연막의 평균 두께」란, 그 합계의 평균 두께를 가리킨다.As a lower limit of the average thickness of the passivation insulating film 6, 100 nm is preferable and 250 nm is more preferable. On the other hand, as an upper limit of the average thickness of the passivation insulating film 6, 500 nm is preferable and 300 nm is more preferable. When the average thickness of the passivation insulating film 6 is less than the said lower limit, there exists a possibility that the deterioration prevention effect of the characteristic of the said thin film transistor may run short. Conversely, when the average thickness of the passivation insulating film 6 exceeds the above upper limit, the passivation insulating film 6 becomes unnecessarily thick, and there is a fear that an increase in the manufacturing cost of the thin film transistor or a decrease in production efficiency may occur. On the other hand, when the passivation insulating film 6 has a multilayer structure, the "average thickness of the passivation insulating film" refers to the average thickness of the total.

(도전막)(conductive film)

도전막(7)은, 패시베이션 절연막(6)에 뚫린 콘택트 홀(8)을 통하여 드레인 전극(5b)에 접속된다. 이 도전막(7)에 의해 당해 박막 트랜지스터로부터 드레인 전류를 취득하는 배선이 구성된다.The conductive film 7 is connected to the drain electrode 5b through a contact hole 8 drilled in the passivation insulating film 6 . A wiring for acquiring a drain current from the thin film transistor is constituted by the conductive film 7 .

도전막(7)으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 디스플레이로의 응용에 적합한 투명 도전막이 바람직하다. 이와 같은 투명 도전막으로서는, ITO막, ZnO막 등을 들 수 있다.Although it does not specifically limit as the conductive film 7, A transparent conductive film suitable for application to a display is preferable. As such a transparent conductive film, an ITO film, a ZnO film, etc. are mentioned.

도전막(7)이 드레인 전극(5b)과 접속하는 위치로서는, 드레인 전극(5b)이 게이트 절연막(2)과 접하는 위치이고, 게이트 전극(1)의 직상은 아닌 위치가 바람직하다. 도전막(7)을 이와 같은 위치에서 드레인 전극(5b)과 접속함으로써, 도전막(7)과 드레인 전극(5b)의 접속 부분의 평탄성이 높아지기 때문에, 접촉 저항의 증대를 억지할 수 있다.The position where the conductive film 7 connects to the drain electrode 5b is preferably a position where the drain electrode 5b contacts the gate insulating film 2 and not directly above the gate electrode 1 . By connecting the conductive film 7 to the drain electrode 5b at such a position, the flatness of the connection portion between the conductive film 7 and the drain electrode 5b is increased, so that an increase in the contact resistance can be suppressed.

도전막(7)의 평균 배선폭의 하한으로서는, 5μm가 바람직하고, 10μm가 보다 바람직하다. 한편, 도전막(7)의 평균 배선폭의 상한으로서는, 50μm가 바람직하고, 30μm가 보다 바람직하다.As a lower limit of the average wiring width of the conductive film 7, 5 micrometers is preferable and 10 micrometers is more preferable. On the other hand, as an upper limit of the average wiring width of the conductive film 7, 50 micrometers is preferable and 30 micrometers is more preferable.

도전막(7)의 평균 두께의 하한으로서는, 50nm가 바람직하고, 80nm가 보다 바람직하다. 한편, 도전막(7)의 평균 두께의 상한으로서는, 200nm가 바람직하고, 150nm가 보다 바람직하다.As a lower limit of the average thickness of the conductive film 7, 50 nm is preferable and 80 nm is more preferable. On the other hand, as an upper limit of the average thickness of the conductive film 7, 200 nm is preferable and 150 nm is more preferable.

(박막 트랜지스터의 특성)(Characteristics of thin film transistors)

당해 박막 트랜지스터의 캐리어 이동도(전자 이동도)의 하한으로서는, 32cm2/Vs가 바람직하고, 35cm2/Vs가 보다 바람직하고, 38cm2/Vs가 더 바람직하다. 당해 박막 트랜지스터의 캐리어 이동도가 상기 하한 미만이면, 당해 박막 트랜지스터의 스위칭 특성이 저하될 우려가 있다. 한편, 당해 박막 트랜지스터의 캐리어 이동도의 상한으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 통상 당해 박막 트랜지스터의 캐리어 이동도는 100cm2/Vs 이하이다.As the lower limit of the carrier mobility (electron mobility) of such a thin film transistor, 32cm 2 / Vs is preferably, 35cm 2 / Vs is more preferable and, more preferably 38cm 2 / Vs. There exists a possibility that the switching characteristic of the said thin film transistor may fall that the carrier mobility of the said thin film transistor is less than the said minimum. In addition, although it does not specifically limit as an upper limit of the carrier mobility of the said thin film transistor, Usually, the carrier mobility of the said thin film transistor is 100 cm<2> /Vs or less.

당해 박막 트랜지스터의 역치 전압의 하한으로서는, -1V가 바람직하고, 0V가 보다 바람직하다. 한편, 당해 박막 트랜지스터의 역치 전압의 상한으로서는, 3V가 바람직하고, 2V가 보다 바람직하다. 당해 박막 트랜지스터의 역치 전압이 상기 하한 미만이면, 게이트 전극(1)에 전압을 인가하지 않는 스위칭 소자로서의 오프 상태에서의 리크 전류가 커져, 당해 박막 트랜지스터의 대기 전력이 지나치게 커질 우려가 있다. 반대로, 당해 박막 트랜지스터의 역치 전압이 상기 상한을 초과하면, 게이트 전극(1)에 전압을 인가한 스위칭 소자로서의 온 상태에서의 드레인 전류가 부족할 우려가 있다.As a lower limit of the threshold voltage of the said thin film transistor, -1V is preferable and 0V is more preferable. On the other hand, as an upper limit of the threshold voltage of the said thin film transistor, 3V is preferable and 2V is more preferable. When the threshold voltage of the said thin film transistor is less than the said lower limit, the leakage current in the OFF state as a switching element which does not apply a voltage to the gate electrode 1 may become large, and there exists a possibility that the standby power of the said thin film transistor may become large too much. Conversely, when the threshold voltage of the thin film transistor exceeds the above upper limit, there is a fear that the drain current in the ON state as a switching element in which a voltage is applied to the gate electrode 1 may become insufficient.

당해 박막 트랜지스터의 광 조사에 의한 역치 전압 시프트의 상한으로서는, 5V가 바람직하고, 3V가 보다 바람직하고, 2V가 더 바람직하다. 상기 역치 전압 시프트가 상기 상한을 초과하면, 당해 박막 트랜지스터를 표시 장치에 이용한 경우, 당해 박막 트랜지스터의 성능이 안정되지 않아, 필요한 스위칭 특성이 얻어지지 않을 우려가 있다. 상기 역치 전압 시프트의 하한으로서는, 0V, 즉 상기 역치 전압 시프트가 발생하지 않는 것이 바람직하다.As an upper limit of the threshold voltage shift by light irradiation of the said thin film transistor, 5V is preferable, 3V is more preferable, and 2V is still more preferable. When the said threshold voltage shift exceeds the said upper limit, when the said thin-film transistor is used for a display device, the performance of the said thin-film transistor is not stable, and there exists a possibility that the required switching characteristic may not be acquired. As a lower limit of the said threshold voltage shift, it is preferable that 0V, ie, the said threshold voltage shift, does not generate|occur|produce.

당해 박막 트랜지스터의 S값(Subthreshold Swing값)의 상한으로서는, 0.7V가 바람직하고, 0.5V가 보다 바람직하다. 당해 박막 트랜지스터의 S값이 상기 상한을 초과하면, 당해 박막 트랜지스터의 스위칭에 시간을 필요로 할 우려가 있다. 한편, 당해 박막 트랜지스터의 S값의 하한으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 통상 당해 박막 트랜지스터의 S값은 0.2V 이상이다. 여기에서, 박막 트랜지스터의 「S값」이란, 드레인 전류를 한자릿수 상승시키는 데 필요한 게이트 전압의 변화량의 최소치를 가리킨다.As an upper limit of the S value (Subthreshold Swing value) of the said thin film transistor, 0.7V is preferable and 0.5V is more preferable. When the S value of the said thin film transistor exceeds the said upper limit, there exists a possibility that switching of the said thin film transistor may require time. In addition, although it does not specifically limit as a lower limit of the S value of the said thin film transistor, Usually, S value of the said thin film transistor is 0.2V or more. Here, the "S value" of the thin film transistor refers to the minimum value of the amount of change in the gate voltage required to increase the drain current by one digit.

[박막 트랜지스터의 제조 방법][Manufacturing method of thin film transistor]

당해 박막 트랜지스터는, 예를 들면 게이트 전극 성막 공정, 게이트 절연막 성막 공정, 산화물 반도체 박막 성막 공정, ESL 보호막 성막 공정, 소스 및 드레인 전극 성막 공정, 패시베이션 절연막 성막 공정, 도전막 성막 공정 및 포스트 어닐링 처리 공정을 구비하는 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.The thin film transistor is, for example, a gate electrode film forming process, a gate insulating film forming process, an oxide semiconductor thin film forming process, an ESL protective film forming process, a source and drain electrode film forming process, a passivation insulating film forming process, a conductive film forming process, and a post annealing process. It can be manufactured by a manufacturing method comprising

<게이트 전극 성막 공정><Gate electrode film forming process>

게이트 전극 성막 공정에서는, 기판(X)의 표면에 게이트 전극(1)을 성막한다.In the gate electrode film-forming process, the gate electrode 1 is formed into a film on the surface of the board|substrate X. As shown in FIG.

구체적으로는, 우선 기판(X)의 표면에 공지의 방법, 예를 들면 스퍼터링법에 의해 도전막을 원하는 막 두께가 되도록 적층한다. 스퍼터링법에 의해 도전막을 적층할 때의 조건으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 기판 온도 20℃ 이상 50℃ 이하, 성막 파워 밀도 3W/cm2 이상 4W/cm2 이하, 압력 0.1Pa 이상 0.4Pa 이하, 캐리어 가스 Ar의 조건으로 할 수 있다.Specifically, first, a conductive film is laminated on the surface of the substrate X by a known method, for example, a sputtering method to a desired film thickness. The conditions at the time of the conductive laminated film by a sputtering method is not particularly limited, for example, a substrate temperature of 20 ℃ 50 ℃ or less, the deposition power density of 3W / cm 2 more than 4W / cm 2 or less, or more pressure 0.1Pa 0.4Pa Hereinafter, it can be set as the conditions of carrier gas Ar.

다음으로, 이 도전막을 패터닝하는 것에 의해, 게이트 전극(1)을 형성한다. 패터닝의 방법으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 포토리소그래피를 행한 후에, 웨트 에칭을 행하는 방법을 이용할 수 있다. 이때, 게이트 절연막(2)의 커버리지가 좋아지도록, 게이트 전극(1)의 단면을 기판(X)을 향해 확장하는 테이퍼상으로 에칭하면 된다.Next, the gate electrode 1 is formed by patterning this conductive film. Although it does not specifically limit as a method of patterning, For example, after performing photolithography, the method of performing wet etching can be used. At this time, the end face of the gate electrode 1 may be etched in a tapered shape extending toward the substrate X so that the coverage of the gate insulating film 2 is improved.

<게이트 절연막 성막 공정><Gate Insulation Film Formation Process>

게이트 절연막 성막 공정에서는, 게이트 전극(1)을 덮도록 기판(X)의 표면측에 게이트 절연막(2)을 성막한다.In the gate insulating film forming step, the gate insulating film 2 is formed on the surface side of the substrate X so as to cover the gate electrode 1 .

구체적으로는, 우선 기판(X)의 표면측에 공지의 방법, 예를 들면 각종 CVD법에 의해 절연막을 원하는 막 두께가 되도록 적층한다. 예를 들면 플라즈마 CVD법에 의해 실리콘 산화막을 적층하는 경우이면, 기판 온도 300℃ 이상 400℃ 이하, 성막 파워 밀도 0.7W/cm2 이상 1.3W/cm2 이하, 압력 100Pa 이상 300Pa 이하의 조건으로 하고, 원료 가스로서 N2O와 SiH4의 혼합 가스를 이용하여 행할 수 있다.Specifically, first, an insulating film is laminated to a desired film thickness on the surface side of the substrate X by a known method, for example, various CVD methods. For example, in the case of laminating a silicon oxide film by plasma CVD, the substrate temperature is 300°C or more and 400°C or less, the film-forming power density is 0.7W/cm 2 or more and 1.3W/cm 2 or less, and the pressure is 100Pa or more and 300Pa or less. , by using a mixed gas of N 2 O and SiH 4 as the source gas.

<산화물 반도체 박막 성막 공정><Oxide semiconductor thin film formation process>

산화물 반도체 박막 성막 공정에서는, 게이트 절연막(2)의 표면에서, 또한 게이트 전극(1)의 직상에 당해 산화물 반도체 박막(3)을 성막한다. 구체적으로는, 기판(X)의 표면에 산화물 반도체층을 적층한 후, 이 산화물 반도체층을 패터닝하는 것에 의해, 당해 산화물 반도체 박막(3)을 형성한다.In the oxide semiconductor thin film forming step, the oxide semiconductor thin film 3 is formed on the surface of the gate insulating film 2 and directly on the gate electrode 1 . Specifically, after laminating an oxide semiconductor layer on the surface of the substrate X, the oxide semiconductor layer is patterned to form the oxide semiconductor thin film 3 .

(산화물 반도체층의 적층)(Lamination of oxide semiconductor layers)

우선, 예를 들면 공지의 스퍼터링 장치를 이용하여, 스퍼터링법에 의해 기판(X)의 표면에 산화물 반도체층을 적층한다. 스퍼터링법을 이용함으로써, 그의 성분이나 막 두께의 면내 균일성이 우수한 산화물 반도체층을 용이하게 형성할 수 있다.First, the oxide semiconductor layer is laminated|stacked on the surface of the board|substrate X by the sputtering method using a well-known sputtering apparatus, for example. By using the sputtering method, an oxide semiconductor layer excellent in the in-plane uniformity of its components and film thickness can be easily formed.

스퍼터링법에 이용하는 스퍼터링 타겟은, 그 자체가 본 발명의 다른 실시형태이다. 즉, 상기 스퍼터링 타겟은, 당해 산화물 반도체 박막(3)의 형성에 이용되는 스퍼터링 타겟으로서, 상기 금속 원소가 In, Zn, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 당해 스퍼터링 타겟으로서는, 구체적으로는, In, Zn 및 Fe를 포함하는 산화물 타겟(IZFO 타겟)을 들 수 있다.The sputtering target used for the sputtering method itself is another embodiment of this invention. That is, the said sputtering target is a sputtering target used for formation of the said oxide semiconductor thin film 3, The said metal element consists of In, Zn, Fe, and an unavoidable impurity. Specific examples of the sputtering target include an oxide target (IZFO target) containing In, Zn, and Fe.

당해 스퍼터링 타겟의 In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대한 In의 원자수의 하한으로서는, 58atm%이며, 60atm%가 보다 바람직하고, 65atm%가 더 바람직하다. 한편, 상기 In의 원자수의 상한으로서는, 80atm%이며, 75atm%가 보다 바람직하고, 69atm%가 더 바람직하다. 또한, In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대한 Zn의 원자수의 하한으로서는, 19atm%이며, 24atm%가 보다 바람직하고, 30atm%가 더 바람직하다. 한편, 상기 Zn의 원자수의 상한으로서는, 41atm%이며, 39atm%가 보다 바람직하고, 34atm%가 더 바람직하다. 또한, In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대한 Fe의 원자수의 하한으로서는, 0.6atm%이며, 0.8atm%가 보다 바람직하고, 0.9atm%가 더 바람직하다. 한편, 상기 Fe의 원자수의 상한으로서는, 3atm%이며, 2atm%가 보다 바람직하고, 1.5atm%가 더 바람직하다. 당해 스퍼터링 타겟을 이용하여 당해 산화물 반도체 박막(3)을 성막함으로써, 제조 비용이 비교적 낮고, 캐리어 이동도 및 광 스트레스 내성이 높은 당해 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다.The lower limit of the number of atoms of In with respect to the total number of atoms of In, Zn, and Fe of the sputtering target is 58 atm%, more preferably 60 atm%, and still more preferably 65 atm%. On the other hand, the upper limit of the number of atoms of In is 80 atm%, more preferably 75 atm%, and still more preferably 69 atm%. The lower limit of the number of atoms of Zn with respect to the total number of atoms of In, Zn and Fe is 19 atm%, more preferably 24 atm%, and still more preferably 30 atm%. On the other hand, the upper limit of the number of atoms of Zn is 41 atm%, more preferably 39 atm%, and still more preferably 34 atm%. Moreover, as a lower limit of the number of atoms of Fe with respect to the total number of atoms of In, Zn, and Fe, it is 0.6 atm%, 0.8 atm% is more preferable, and 0.9 atm% is still more preferable. On the other hand, the upper limit of the number of atoms of Fe is 3 atm%, more preferably 2 atm%, and still more preferably 1.5 atm%. By forming the said oxide semiconductor thin film 3 into a film using the said sputtering target, manufacturing cost is comparatively low, and the said thin film transistor with high carrier mobility and light stress resistance can be manufactured.

당해 스퍼터링 타겟은, 원하는 산화물 반도체층과 동일 조성으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 당해 스퍼터링 타겟의 조성을 원하는 산화물 반도체층과 동일로 함으로써, 형성되는 산화물 반도체층의 조성 어긋남을 억지할 수 있으므로, 원하는 조성을 갖는 산화물 반도체층을 얻기 쉽다.It is preferable that the said sputtering target sets it as the desired oxide semiconductor layer and the same composition. Thus, by making the composition of the said sputtering target the same as that of a desired oxide semiconductor layer, since the composition shift of the oxide semiconductor layer to be formed can be suppressed, it is easy to obtain the oxide semiconductor layer which has a desired composition.

스퍼터링법에 의해 산화물 반도체층을 적층할 때의 조건으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 기판 온도 20℃ 이상 50℃ 이하, 성막 파워 밀도 2W/cm2 이상 3W/cm2 이하, 압력 0.1Pa 이상 0.3Pa 이하, 캐리어 가스 Ar의 조건으로 할 수 있다. 또한, 산소원으로서, 분위기 중에 산소를 함유시키면 된다. 분위기 중의 산소의 함유량으로서는, 3체적% 이상 5체적% 이하로 할 수 있다.Although it does not specifically limit as conditions at the time of laminating|stacking an oxide semiconductor layer by sputtering method, For example, A board|substrate temperature 20 degreeC or more and 50 degrees C or less, film-forming power density 2 W/cm 2 or more 3 W/cm 2 or less, and a pressure of 0.1 Pa or more. It can be set as the conditions of 0.3 Pa or less or carrier gas Ar. Moreover, what is necessary is just to contain oxygen in atmosphere as an oxygen source. As content of oxygen in atmosphere, it can be set as 3 volume% or more and 5 volume% or less.

(패터닝)(patterning)

다음으로, 이 산화물 반도체층을 패터닝하는 것에 의해, 당해 산화물 반도체 박막(3)을 형성한다.Next, the oxide semiconductor thin film 3 is formed by patterning the oxide semiconductor layer.

한편, 패터닝 후에 프리 어닐링 처리를 행하여 당해 산화물 반도체 박막(3)의 트랩 준위의 밀도를 저감해도 된다. 이에 의해 제조되는 박막 트랜지스터의 광 조사에 의한 역치 전압 시프트를 저감할 수 있다.On the other hand, you may perform a pre-annealing process after patterning, and you may reduce the density of the trap level of the said oxide semiconductor thin film 3 . Thereby, the threshold voltage shift by light irradiation of the thin film transistor manufactured by this can be reduced.

프리 어닐링 처리의 온도의 하한으로서는, 300℃가 바람직하고, 350℃가 보다 바람직하다. 한편, 어닐 처리의 온도의 상한으로서는, 450℃가 바람직하고, 400℃가 보다 바람직하다.As a lower limit of the temperature of a pre-annealing process, 300 degreeC is preferable and 350 degreeC is more preferable. On the other hand, as an upper limit of the temperature of an annealing process, 450 degreeC is preferable and 400 degreeC is more preferable.

프리 어닐링 처리의 압력 및 시간의 조건은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 대기압(0.9기압 이상 1.1기압 이하)의 N2 분위기 중에서, 10분 이상 60분 이하의 시간의 조건을 이용할 수 있다.And pressure conditions of the time of the pre-annealing treatment is not particularly limited, for example, in N 2 atmosphere at atmospheric pressure (0.9 atm 1.1 atm or less), it is possible to use the time conditions of 60 minutes or less 10 minutes or more.

<ESL 보호막 성막 공정><ESL protective film forming process>

ESL 보호막 성막 공정에서는, 당해 산화물 반도체 박막(3)의 표면에서 소스 및 드레인 전극(5)이 형성되지 않는 부분에 ESL 보호막(4)을 성막한다.In the ESL protective film forming step, the ESL protective film 4 is formed on the surface of the oxide semiconductor thin film 3 where the source and drain electrodes 5 are not formed.

구체적으로는, 우선 기판(X)의 표면측에 공지의 방법, 예를 들면 각종 CVD법에 의해 절연막을 원하는 막 두께가 되도록 적층한다. 예를 들면 플라즈마 CVD법에 의해 실리콘 산화막을 적층하는 경우이면, 기판 온도 100℃ 이상 300℃ 이하, 성막 파워 밀도 0.2W/cm2 이상 0.5W/cm2 이하, 압력 100Pa 이상 300Pa 이하의 조건으로 하고, 원료 가스로서 N2O와 SiH4의 혼합 가스를 이용하여 행할 수 있다.Specifically, first, an insulating film is laminated to a desired film thickness on the surface side of the substrate X by a known method, for example, various CVD methods. For example, and with a substrate temperature of more than 2 100 ℃ more than 300 ℃ or less, film forming 0.2W / cm power density of 0.5W / cm 2 or less, more than 100Pa pressure condition of 300Pa or less if the case of laminating a silicon oxide film by plasma CVD , by using a mixed gas of N 2 O and SiH 4 as the source gas.

<소스 및 드레인 전극 성막 공정><Source and drain electrode film formation process>

소스 및 드레인 전극 성막 공정에서는, 당해 박막 트랜지스터의 채널 양단에서 당해 산화물 반도체 박막(3)과 전기적으로 접속하는 소스 전극(5a) 및 드레인 전극(5b)을 성막한다.In the source and drain electrode film forming step, a source electrode 5a and a drain electrode 5b that are electrically connected to the oxide semiconductor thin film 3 at both ends of the channel of the thin film transistor are formed.

〔이점〕〔advantage〕

당해 산화물 반도체 박막(3)은, In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대해, In의 원자수를 58atm% 이상 80atm% 이하, Zn의 원자수를 19atm% 이상 41atm% 이하로 하고, Fe의 원자수를 0.6atm% 이상으로 하므로, 높은 광 스트레스 내성을 갖는다. 또한, 당해 산화물 반도체 박막(3)은, Fe의 원자수를 3atm% 이하로 하므로, 당해 산화물 반도체 박막(3)을 이용하여 박막 트랜지스터를 형성했을 때의 캐리어 이동도가 높다. 또, 당해 산화물 반도체 박막(3)은, Ga를 포함할 필요가 없으므로, 제조 비용을 저감할 수 있다.In the oxide semiconductor thin film 3, the number of atoms of In is 58 atm% or more and 80 atm% or less, and the number of atoms of Zn is 19 atm% or more and 41 atm% or less with respect to the total number of atoms of In, Zn and Fe, and Fe atoms Since the number is 0.6 atm% or more, it has high light stress resistance. Moreover, since the said oxide semiconductor thin film 3 makes the number of atoms of Fe 3 atm% or less, carrier mobility at the time of forming a thin film transistor using the said oxide semiconductor thin film 3 is high. Moreover, since the said oxide semiconductor thin film 3 does not need to contain Ga, manufacturing cost can be reduced.

실시예Example

이하, 실시예에 기초하여 본 발명을 상세히 기술하지만, 이 실시예의 기재에 기초하여 본 발명이 한정적으로 해석되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail based on Examples, but the present invention is not to be construed as being limited based on the description of these Examples.

[실시예 1][Example 1]

유리 기판(코닝사제의 「EagleXG」, 직경 6인치, 두께 0.7mm)을 준비하고, 우선 이 유리 기판의 표면에 Mo 박막을 평균 두께가 100nm가 되도록 성막했다. 성막 조건은 기판 온도 25℃(실온), 성막 파워 밀도 3.8W/cm2, 압력 0.266Pa 및 캐리어 가스 Ar로 했다. Mo 박막을 성막 후, 패터닝에 의해 게이트 전극을 형성했다.A glass substrate ("EagleXG" manufactured by Corning Corporation, 6 inches in diameter, 0.7 mm in thickness) was prepared, and first, a Mo thin film was formed on the surface of this glass substrate so that the average thickness might be 100 nm. Film-forming conditions were made into the substrate temperature of 25 degreeC (room temperature), the film-forming power density of 3.8 W/cm<2> , the pressure of 0.266 Pa, and carrier gas Ar. After the Mo thin film was formed, a gate electrode was formed by patterning.

다음으로, 게이트 절연막으로서, 평균 두께 250nm의 실리콘 산화막을 CVD법에 의해 상기 게이트 전극을 덮도록 성막했다. 원료 가스로서는, N2O와 SiH4의 혼합 가스를 이용했다. 성막 조건은 기판 온도 320℃, 성막 파워 밀도 0.96W/cm2 및 압력 133Pa로 했다.Next, as a gate insulating film, a silicon oxide film having an average thickness of 250 nm was formed by CVD to cover the gate electrode. As the raw material gas, a mixed gas of N 2 O and SiH 4 was used. The film formation conditions were a substrate temperature of 320°C, a film formation power density of 0.96 W/cm 2 , and a pressure of 133 Pa.

다음으로, 유리 기판의 표면측에 산화물 반도체층으로서, 평균 두께 40nm의 실질적으로 In, Zn, Fe만을 금속 원소로서 포함하는 산화물 반도체층을 스퍼터링법에 의해 형성했다.Next, an oxide semiconductor layer having an average thickness of 40 nm and substantially containing only In, Zn, and Fe as metal elements as an oxide semiconductor layer was formed on the surface side of the glass substrate by sputtering.

스퍼터링법에는, 종래부터 최적인 조성비를 조사하는 수법으로서 확립되어 있는 수법을 이용했다. 구체적으로는, In2O3과, ZnO와, Fe칩을 장착한 In2O3의 3개의 타겟을 상기 유리 기판의 주위의 상이한 위치에 배치하고, 정지되어 있는 상기 유리 기판에 대해서 스퍼터링을 행함으로써, 산화물 반도체층을 성막했다. 이와 같은 방법에 의하면, 구성 원소가 상이한 3개의 타겟을 유리 기판의 주위의 상이한 위치에 배치하고 있으므로, 유리 기판 상의 위치에 따라 각 타겟으로부터의 거리가 상이하다. 스퍼터링 타겟으로부터 멀어짐에 따라서 그 타겟으로부터 공급되는 원소가 감소하기 때문에, 예를 들면 ZnO 타겟에 가깝고 In2O3 타겟으로부터 먼 위치에서는 In에 비해 Zn이 많아지고, 반대로 In2O3 타겟에 가깝고 ZnO 타겟으로부터 먼 위치에서는 Zn에 비해 In이 많아진다. 즉, 유리 기판 상의 위치에 따라 조성비가 상이한 산화물 반도체층을 얻을 수 있다.For the sputtering method, a method established conventionally as a method of investigating the optimum composition ratio was used. Specifically, three targets of In 2 O 3 , ZnO, and In 2 O 3 equipped with an Fe chip are arranged at different positions around the glass substrate, and sputtering is performed on the stopped glass substrate. By doing so, an oxide semiconductor layer was formed into a film. According to such a method, since three targets from which a structural element differs are arrange|positioned at the different positions around a glass substrate, the distance from each target differs with the position on a glass substrate. Since the element supplied from the target decreases as it moves away from the sputtering target, for example, at a position close to the ZnO target and far from the In 2 O 3 target, Zn increases compared to In, and conversely, close to the In 2 O 3 target and ZnO At a position farther from the target, In is greater than that of Zn. That is, the oxide semiconductor layer from which a composition ratio differs according to the position on a glass substrate can be obtained.

스퍼터링 장치(주식회사 알박제의 「CS200」)를 이용하여, 성막 조건은 기판 온도 25℃(실온), 성막 파워 밀도 2.55W/cm2, 압력 0.133Pa 및 캐리어 가스 Ar로 했다. 또한, 분위기의 산소 함유량은 4체적%로 했다.Using a sputtering apparatus ("CS200" manufactured by Ulbak Co., Ltd.), the film formation conditions were a substrate temperature of 25°C (room temperature), a film formation power density of 2.55 W/cm 2 , a pressure of 0.133 Pa, and a carrier gas Ar. In addition, the oxygen content of the atmosphere was made into 4 volume%.

얻어진 산화물 반도체층을 포토리소그래피 및 웨트 에칭에 의해 패터닝을 행하여, 유리 기판 상의 위치에 따라 조성이 상이한 산화물 반도체 박막을 형성했다. 한편, 웨트 에천트에는, 간토 화학 주식회사제의 「ITO-07N」을 이용했다.The obtained oxide semiconductor layer was patterned by photolithography and wet etching, and the oxide semiconductor thin film from which a composition differs according to the position on a glass substrate was formed. In addition, "ITO-07N" manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd. was used for the wet etchant.

여기에서, 이 산화물 반도체 박막의 막질 개선을 위해 프리 어닐링 처리를 행했다. 한편, 프리 어닐링 처리의 조건은, 대기 분위기(대기압)에서 350℃의 환경하 60분간으로 했다.Here, in order to improve the film quality of this oxide semiconductor thin film, the pre-annealing process was performed. In addition, the conditions of a pre-annealing process were made into 60 minutes in the environment of 350 degreeC in atmospheric atmosphere (atmospheric pressure).

다음으로, 유리 기판의 표면측에 실리콘 산화막을 CVD법에 의해 평균 두께가 100nm가 되도록 성막했다. 원료 가스로서는, N2O와 SiH4의 혼합 가스를 이용했다. 성막 조건은 기판 온도 230℃, 성막 파워 밀도 0.32W/cm2 및 압력 133Pa로 했다. 실리콘 산화막을 성막 후, 패터닝에 의해 ESL 보호막을 형성했다.Next, a silicon oxide film was formed on the surface side of the glass substrate by CVD so that the average thickness might be 100 nm. As the raw material gas, a mixed gas of N 2 O and SiH 4 was used. Film-forming conditions were made into 230 degreeC of board|substrate temperature, film-forming power density 0.32 W/cm<2>, and pressure 133 Pa. After the silicon oxide film was formed, an ESL protective film was formed by patterning.

다음으로, 유리 기판의 표면측에 Mo 박막을 평균 두께가 200nm가 되도록 성막했다. 성막 조건은 기판 온도 25℃(실온), 성막 파워 밀도 3.8W/cm2, 압력 0.266Pa 및 캐리어 가스 Ar로 했다. Mo 박막을 성막 후, 패터닝에 의해 소스 전극 및 드레인 전극을 형성했다.Next, the Mo thin film was formed into a film on the surface side of a glass substrate so that an average thickness might be set to 200 nm. Film-forming conditions were made into the substrate temperature of 25 degreeC (room temperature), the film-forming power density of 3.8 W/cm<2> , the pressure of 0.266 Pa, and carrier gas Ar. After the Mo thin film was formed, a source electrode and a drain electrode were formed by patterning.

다음으로, 유리 기판의 표면측에 실리콘 산화막(평균 두께 100nm)과 실리콘 질화막(평균 두께 150nm)의 2층 구조의 패시베이션 절연막을 CVD법에 의해 형성했다. 원료 가스로서는, 실리콘 산화막의 형성에는 N2O와 SiH4의 혼합 가스를 이용하고, 실리콘 질화막의 형성에는, NH3과 SiH4의 혼합 가스를 이용했다. 성막 조건은 기판 온도 150℃, 성막 파워 밀도 0.32W/cm2 및 압력 133Pa로 했다.Next, a passivation insulating film having a two-layer structure of a silicon oxide film (average thickness of 100 nm) and a silicon nitride film (average thickness of 150 nm) was formed on the surface side of the glass substrate by the CVD method. As the source gas, a mixed gas of N 2 O and SiH 4 was used to form the silicon oxide film, and a mixed gas of NH 3 and SiH 4 was used to form the silicon nitride film. The film formation conditions were a substrate temperature of 150°C, a film formation power density of 0.32 W/cm 2 , and a pressure of 133 Pa.

다음으로, 포토리소그래피 및 드라이 에칭에 의해 콘택트 홀을 형성하고, 드레인 전극에 전기적으로 접속하기 위한 패드를 설치했다. 이 패드에 프로브를 댐으로써 박막 트랜지스터의 전기적인 측정이 행해진다.Next, a contact hole was formed by photolithography and dry etching, and a pad for electrically connecting to the drain electrode was provided. Electrical measurement of the thin film transistor is performed by placing a probe on this pad.

마지막으로, 포스트 어닐링 처리를 행했다. 한편, 포스트 어닐링 처리의 조건은, 대기압의 N2 분위기에서 250℃의 환경하 30분간으로 했다.Finally, a post-annealing process was performed. On the other hand, the conditions of the post-annealing treatment, and in N 2 atmosphere at atmospheric pressure and 30 minutes in the environment of 250 ℃.

이와 같이 해서 실시예 1의 박막 트랜지스터를 얻었다. 한편, 이 박막 트랜지스터의 채널 길이는 20μm, 채널 폭은 200μm로 했다. 또한, 실시예 1의 박막 트랜지스터에서의 산화물 반도체 박막의 조성은 표 1에 나타내는 대로였다.In this way, the thin film transistor of Example 1 was obtained. In addition, the channel length of this thin film transistor was set to 20 micrometers, and the channel width was set to 200 micrometers. In addition, the composition of the oxide semiconductor thin film in the thin film transistor of Example 1 was as shown in Table 1.

[실시예 2∼4, 비교예 1∼5][Examples 2 to 4, Comparative Examples 1 to 5]

이용하는 스퍼터링 타겟의 In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대한 In, Zn 및 Fe의 원자수, 즉 형성되는 산화물 반도체 박막의 In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대한 In, Zn 및 Fe의 원자수를 표 1과 같이 변화시킨 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 해서, 실시예 2∼4 및 비교예 1∼5의 박막 트랜지스터를 얻었다.The number of atoms of In, Zn, and Fe with respect to the total number of atoms of In, Zn and Fe of the sputtering target used, that is, the number of atoms of In, Zn and Fe with respect to the total number of atoms of In, Zn, and Fe of the oxide semiconductor thin film to be formed Except having changed as shown in Table 1, it carried out similarly to Example 1, and obtained the thin film transistors of Examples 2-4 and Comparative Examples 1-5.

[측정 방법][How to measure]

실시예 1∼4 및 비교예 1∼5의 박막 트랜지스터에 대해서, 캐리어 이동도, 역치 전압, 역치 전압 시프트 및 S값의 측정을 행했다.About the thin film transistors of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-5, carrier mobility, threshold voltage, threshold voltage shift, and S value were measured.

이들 측정 중, 캐리어 이동도, 역치 전압 및 S값의 측정은, 모두 트랜지스터의 박막 트랜지스터의 정특성(Id-Vg 특성)으로부터 산출했다. 상기 정특성의 측정은, 반도체 파라미터 애널라이저(Agilent Technology사제의 「HP4156C」)를 이용하여 행했다. 측정 조건으로서는, 소스 전압을 0V, 드레인 전압을 10V에 고정하고, 게이트 전압을 -30V에서 30V까지 0.25V 간격으로 변화시키는 조건으로 했다. 한편, 측정은 실온(25℃)에서 행했다. 이하에, 상기 정특성으로부터의 캐리어 이동도, 역치 전압 및 S값의 산출 방법을 기재한다.Among these measurements, the measurement of carrier mobility, threshold voltage, and S value were all computed from the positive characteristics (Id-Vg characteristics) of the thin film transistor of the transistor. The measurement of the said static characteristic was performed using the semiconductor parameter analyzer ("HP4156C" manufactured by Agilent Technology). As the measurement conditions, the source voltage was fixed at 0 V, the drain voltage was fixed at 10 V, and the gate voltage was changed from -30 V to 30 V at 0.25 V intervals. In addition, the measurement was performed at room temperature (25 degreeC). Below, the calculation method of carrier mobility, threshold voltage, and S value from the said positive characteristic is described.

<캐리어 이동도><Carrier mobility>

캐리어 이동도는, 상기 정특성의 포화 영역에서의 전계 효과 이동도 μFE[m2/Vs]로 했다. 이 전계 효과 이동도 μFE[m2/Vs]는, 전술한 식(1)에 따라 산출했다. 결과를 표 1에 나타낸다.The carrier mobility was defined as the field-effect mobility μ FE [m 2 /Vs] in the saturated region of the positive characteristics. This field-effect mobility μ FE [m 2 /Vs] was calculated according to the above formula (1). A result is shown in Table 1.

<역치 전압><Threshold voltage>

역치 전압은, 트랜지스터의 드레인 전류가 10-9A가 되는 게이트 전압을 상기 박막 트랜지스터의 정특성으로부터 산출한 값으로 했다. 결과를 표 1에 나타낸다.The threshold voltage was a value calculated from the positive characteristics of the thin film transistor at a gate voltage at which the drain current of the transistor was 10 −9 A. A result is shown in Table 1.

<S값><S value>

S값은, 상기 정특성으로부터 드레인 전류를 한자릿수 상승시키는 데 필요한 게이트 전압의 변화량을 산출하여, 그의 최소치로 했다. 결과를 표 1에 나타낸다.For the S value, the amount of change in the gate voltage required to raise the drain current by one digit was calculated from the above-mentioned positive characteristics, and it was set as the minimum value. A result is shown in Table 1.

<역치 전압 시프트><Threshold voltage shift>

역치 전압 시프트는, 기판 온도 60℃에서, 박막 트랜지스터의 소스 전압을 0V, 드레인 전압을 10V, 게이트 전압을 -10V에 고정하고, 박막 트랜지스터에 백색 LED(PHILIPTS사제의 「LXHL-PW01」)를 2시간 조사하고, 조사 전후의 역치 전압의 차의 절대치로서 산출했다. 이 수치가 작을수록 광 스트레스 내성이 높다고 말할 수 있다. 결과를 표 1에 나타낸다.Threshold voltage shift is performed at a substrate temperature of 60°C, with a source voltage of 0 V, a drain voltage of 10 V, and a gate voltage of -10 V of the thin film transistor, and a white LED (“LXHL-PW01” manufactured by PHILIPTS) is applied to the thin film transistor by 2 Time was investigated, and it computed as the absolute value of the difference of the threshold voltage before and behind irradiation. It can be said that light stress tolerance is so high that this numerical value is small. A result is shown in Table 1.

[판정][Judgment]

전술한 측정 결과를 토대로 이하의 판정 기준으로 종합 판정을 행했다. 결과를 표 1에 나타낸다.Comprehensive judgment was performed on the basis of the above-described measurement results in accordance with the following criteria. A result is shown in Table 1.

A: 캐리어 이동도가 32m2/Vs 이상, 또한 역치 전압 시프트가 5V 이하로, 차세대 대형 디스플레이나 가요성 디스플레이에 적합하다.A: The carrier mobility is 32 m 2 /Vs or more, and the threshold voltage shift is 5 V or less, making it suitable for next-generation large-scale displays and flexible displays.

B: 캐리어 이동도가 32m2/Vs 미만, 또는 역치 전압 시프트가 5V 초과로, 차세대 대형 디스플레이나 가요성 디스플레이에 이용할 수 없다.B: The carrier mobility is less than 32m 2 /Vs, or the threshold voltage shift is more than 5V, so it cannot be used for next-generation large-scale displays or flexible displays.

Figure 112020050271168-pat00002
Figure 112020050271168-pat00002

표 1로부터, 실시예 1∼4의 박막 트랜지스터는, 캐리어 이동도가 높고, 역치 전압 시프트가 작다. 이에 비해, 비교예 1의 박막 트랜지스터는, 산화물 반도체 박막의 In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대한 In의 원자수가 적기 때문에, 캐리어 이동도가 낮다고 생각되어, 스위칭 동작이 뒤떨어진다. 또한, 비교예 2, 3의 박막 트랜지스터는, 산화물 반도체 박막이 Fe를 포함하지 않기 때문에, 역치 전압 시프트가 크다고 생각되어, 광 스트레스 내성이 뒤떨어진다. 비교예 4의 박막 트랜지스터는, 산화물 반도체 박막의 In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대한 Fe의 원자수가 적기 때문에, 역치 전압 시프트가 크다고 생각되어, 광 스트레스 내성이 뒤떨어진다. 비교예 5의 박막 트랜지스터는, Fe의 원자수가 많기 때문에, 캐리어 이동도가 낮다고 생각되어, 스위칭 동작이 뒤떨어진다.From Table 1, the thin film transistors of Examples 1-4 have high carrier mobility and a small threshold voltage shift. On the other hand, since the thin film transistor of Comparative Example 1 has a small number of In atoms relative to the total number of In, Zn and Fe atoms of the oxide semiconductor thin film, it is considered that the carrier mobility is low, and the switching operation is inferior. Moreover, since the oxide semiconductor thin film does not contain Fe, the thin film transistor of Comparative Examples 2 and 3 is considered to have a large threshold voltage shift, and is inferior to light stress resistance. Since the thin film transistor of Comparative Example 4 has a small number of Fe atoms relative to the total number of In, Zn, and Fe atoms of the oxide semiconductor thin film, it is thought that the threshold voltage shift is large, and the light stress resistance is inferior. Since the thin film transistor of Comparative Example 5 has many Fe atoms, it is considered that the carrier mobility is low, and the switching operation is inferior.

이상으로부터, 산화물 반도체 박막의 In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대해, In의 원자수를 58atm% 이상 80atm% 이하, Zn의 원자수를 19atm% 이상 41atm% 이하, Fe의 원자수를 0.6atm% 이상 3atm% 이하로 함으로써, 캐리어 이동도 및 광 스트레스 내성을 높일 수 있는 것을 알 수 있다.From the above, with respect to the total number of atoms of In, Zn and Fe of the oxide semiconductor thin film, the number of atoms of In is 58 atm% or more and 80 atm% or less, the number of atoms of Zn is 19 atm% or more and 41 atm% or less, and the number of atoms of Fe is 0.6 atm % or more and 3 atm% or less, it turns out that carrier mobility and light stress resistance can be improved.

이상 설명한 바와 같이, 당해 산화물 반도체 박막을 이용한 박막 트랜지스터는, 제조 비용이 비교적 낮고, 캐리어 이동도 및 광 스트레스 내성이 높다. 따라서, 당해 박막 트랜지스터는, 고속성이 요구되는, 예를 들면 차세대의 대형 디스플레이에 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 당해 스퍼터링 타겟을 이용함으로써, 제조 비용이 비교적 낮고, 캐리어 이동도 및 광 스트레스 내성이 높은 산화물 반도체 박막을 형성할 수 있다.As described above, the thin film transistor using the oxide semiconductor thin film has a relatively low manufacturing cost and high carrier mobility and light stress resistance. Therefore, the said thin film transistor can be used suitably for the large-size display of the next generation, for example in which high speed is calculated|required. Moreover, by using the said sputtering target, manufacturing cost is comparatively low, and the oxide semiconductor thin film with high carrier mobility and light stress resistance can be formed.

1 게이트 전극
2 게이트 절연막
3 산화물 반도체 박막
4 ESL 보호막
5 소스 및 드레인 전극
5a 소스 전극
5b 드레인 전극
6 패시베이션 절연막
7 도전막
8 콘택트 홀
X 기판
1 gate electrode
2 gate insulating film
3 Oxide semiconductor thin film
4 ESL Shield
5 Source and drain electrodes
5a source electrode
5b drain electrode
6 passivation insulating film
7 conductive film
8 contact hole
X board

Claims (6)

금속 원소를 포함하는 산화물 반도체 박막으로서,
상기 금속 원소가 In, Zn, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대해,
In의 원자수가 58atm% 이상 80atm% 이하,
Zn의 원자수가 19atm% 이상 41atm% 이하,
Fe의 원자수가 0.6atm% 이상 1.5atm% 이하
이고, 표시 장치에 이용되는 산화물 반도체 박막.
As an oxide semiconductor thin film containing a metal element,
The metal element consists of In, Zn, Fe and unavoidable impurities,
For the total number of atoms of In, Zn and Fe,
The number of atoms of In is 58atm% or more and 80atm% or less,
The number of atoms of Zn is 19atm% or more and 41atm% or less;
The number of Fe atoms is 0.6 atm% or more and 1.5 atm% or less
and an oxide semiconductor thin film used in a display device.
제 1 항에 기재된 산화물 반도체 박막을 갖는 박막 트랜지스터.A thin film transistor comprising the oxide semiconductor thin film according to claim 1 . 제 2 항에 있어서,
광 조사에 의한 역치 전압 시프트가 5V 이하인 박막 트랜지스터.
3. The method of claim 2,
A thin film transistor whose threshold voltage shift by light irradiation is 5 V or less.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
캐리어 이동도가 32cm2/Vs 이상인 박막 트랜지스터.
4. The method of claim 2 or 3,
Thin film transistors with carrier mobility of 32 cm 2 /Vs or higher.
금속 원소를 포함하고, 표시 장치에 이용되는 산화물 반도체 박막의 형성에 이용되는 스퍼터링 타겟으로서,
상기 금속 원소가 In, Zn, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
In, Zn 및 Fe의 합계 원자수에 대해,
In의 원자수가 58atm% 이상 80atm% 이하,
Zn의 원자수가 19atm% 이상 41atm% 이하,
Fe의 원자수가 0.6atm% 이상 1.5atm% 이하
인 스퍼터링 타겟.
A sputtering target containing a metal element and used for forming an oxide semiconductor thin film used in a display device, the sputtering target comprising:
The metal element consists of In, Zn, Fe and unavoidable impurities,
For the total number of atoms of In, Zn and Fe,
The number of atoms of In is 58atm% or more and 80atm% or less,
The number of atoms of Zn is 19atm% or more and 41atm% or less;
The number of Fe atoms is 0.6 atm% or more and 1.5 atm% or less
In sputtering target.
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