WO2011030582A1 - 酸化物半導体、薄膜トランジスタ及び表示装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、電気特性に優れた薄膜トランジスタを実現可能な酸化物半導体と、その酸化物半導体で形成されたチャネル層を有する薄膜トランジスタと、その薄膜トランジスタを備える表示装置とを提供する。本発明の酸化物半導体は、薄膜トランジスタ用の酸化物半導体であって、上記酸化物半導体は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＯを構成原子として含む酸化物半導体である。
Description
本発明は、酸化物半導体、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴとも言う。）及び表示装置に関する。より詳しくは、ＴＦＴに好適な酸化物半導体と、その酸化物半導体で形成されたチャネル層を有するＴＦＴと、そのＴＦＴを備える表示装置に関するものである。
ＴＦＴは、液晶表示装置等の表示装置用のアクティブマトリクス基板に広く使用されている。一般的に、ＴＦＴのチャネル層には、多結晶シリコン、アモルファスシリコン等のシリコン系材料が用いられている。半導体化合物は、ＴＦＴの電気特性の向上が可能であることから、シリコン系材料に代わる次世代材料として開発が進められている。
ＴＦＴのチャネル層に使用される半導体化合物として、例えば、特許文献１、２には、Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎを含む酸化物半導体が開示されている。また、特許文献３には、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｉ及びＧｅの少なくとも一種を含み、かつ、抵抗値が１０８Ω・ｍのアモルファス性の酸化物半導体が開示されている。更に、特許文献４には、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｎの少なくとも１つを含む酸化物半導体が開示されている。また、特許文献４には、Ｉｎ、Ｚｎ及びＯと、Ｇａ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｉ及びＧｅからなる群より選択される少なくとも１つとを含み、かつ、伝導率が１０－３Ｓ／ｃｍ以上、１０－７Ｓ／ｃｍ以下のアモルファス性の酸化物半導体が開示されている。
特許文献５には、酸化亜鉛と酸化インジウムを含有する非晶質膜からなる半導体薄膜であって、キャリア密度が１０＋１７ｃｍ－３以下、ホール移動度が２ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上、エネルギーバンドギャップが２．４ｅＶ以上である半導体薄膜が開示されており、その好ましい組成として、Ｚｎ／（Ｚｎ＋Ｉｎ）＝０．５１～０．８０であることが開示されている。また、特許文献６には、約０．７５≦ｘ／ｙ≦約３．１５、約０．５５≦ｙ／ｚ≦約１．７０の条件を満たすｘ（Ｇａ２Ｏ３）・ｙ（Ｉｎ２Ｏ３）・ｚ（ＺｎＯ）でチャネル層が構成された半導体装置が開示されている。
酸化物半導体の特性は、その原子組成比率（以下、「組成」とも言う。）によって変化する。したがって、酸化物半導体を用いてＴＦＴのチャネル層を形成する場合、酸化物半導体の組成によっては、ＴＦＴの電気特性が不安定になる場合があった。このように、ＴＦＴ用の酸化物半導体は、組成の最適化に関して、未だ改善の余地があった。
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、電気特性に優れたＴＦＴを実現可能な酸化物半導体と、その酸化物半導体で形成されたチャネル層を有するＴＦＴと、そのＴＦＴを備える表示装置とを提供することを目的とするものである。
本発明者らは、電気特性に優れたＴＦＴを実現可能な酸化物半導体について種々検討したところ、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｚｎ（亜鉛）及びＯ（酸素）を構成原子として含む酸化物半導体に着目した。そして、この酸化物半導体におけるＩｎ、Ａｌ及びＺｎのそれぞれの組成比を調整することにより、電気特性に優れたＴＦＴを実現できることを見いだし、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。
すなわち、本発明は、ＴＦＴ用の酸化物半導体であって、上記酸化物半導体は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＯを構成原子として含むものである。上記酸化物半導体に含まれるＡｌの原子組成比率は、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．５を満たすことが好ましい。
なお、本発明の酸化物半導体は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＯを構成原子として含むものであるが、本質的にＡｌ、Ｉｎ及びＺｎのみからなるものであることが好ましい。これにより、電気特性に優れたＴＦＴをより容易に実現することができる。Ａｌ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＯのみからなる酸化物半導体層とは、酸化物半導体の全重量に対して、Ａｌ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＯ以外の構成原子の含有量が０．１重量％未満のものをいう。酸化物半導体の組成は、オージェ電子分光法（ＡＥＳ：Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）等で確認できる。
本発明の酸化物半導体において、Ａｌの原子組成比率を大きく、Ｉｎの原子組成比率を小さくすると、酸化物半導体の移動度が低下する。酸化物半導体の移動度が０．１ｃｍ２／Ｖｓ未満の場合には、ＴＦＴとして表示装置に使用することが難しくなる。したがって、上記酸化物半導体に含まれるＡｌの原子組成比率は、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．５を満たすことが好ましい。
本発明の酸化物半導体は、その成分組成比を（Ｉｎ）ａ（Ｓｉ）ｂ（Ｚｎ）ｃ（Ｏ）ｄと定義したときに、ｄ≧（３ａ／２＋３ｂ／２＋ｃ）×０．５５を満たすことが望ましい。これにより、ＴＦＴの電気特性の向上、特にオフ電流の低減が可能となる。また、ｄ≦（３ａ／２＋３ｂ／２＋ｃ）×０．９５を満たすことが望ましい。これにより、ＴＦＴの電気特性の向上、特にオン電流の向上が可能となる。
本発明はまた、本発明の酸化物半導体で形成されたチャネル層を有するＴＦＴでもある。上述したように、本発明の酸化物半導体でＴＦＴのチャネル層を形成することにより、ＴＦＴの電気特性を向上させることができる。
本発明はまた、本発明のＴＦＴを備える表示装置でもある。上述したように、本発明のＴＦＴは、優れた電気特性を有することから、表示装置の表示品位を高めることができる。本発明の表示装置としては、例えば、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置、無機ＥＬ表示装置、電気泳動表示装置、プラズマディスプレイ表示装置、電界放出ディスプレイ表示装置等のＴＦＴアレイ基板を備える各種の表示装置が挙げられる。
上述した各形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜組み合わされてもよい。
本発明の酸化物半導体、ＴＦＴ及び表示装置によれば、電気特性に優れたＴＦＴを実現可能な酸化物半導体と、その酸化物半導体で形成されたチャネル層を有するＴＦＴと、そのＴＦＴを備える表示装置とを提供することができる。
以下に実施形態を掲げ、本発明を図面を参照して更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。なお、以下に示す図においては、角括弧（ブラケット）内に単位を記載している。
実施形態１
実施形態１の液晶表示装置は、アクティブマトリクス基板及び対向基板を備える。アクティブマトリクス基板上には、酸化物半導体をチャネル層として用いたＴＦＴが複数配置されている。対向基板上には、赤、緑、青のカラーフィルタが配置されている。アクティブマトリクス基板及び対向基板は、シール材によって貼り合わされており、両基板の間には、液晶が充填されている。以下、図を参照して、実施形態１の液晶表示装置の製造工程について説明する。
実施形態１の液晶表示装置は、アクティブマトリクス基板及び対向基板を備える。アクティブマトリクス基板上には、酸化物半導体をチャネル層として用いたＴＦＴが複数配置されている。対向基板上には、赤、緑、青のカラーフィルタが配置されている。アクティブマトリクス基板及び対向基板は、シール材によって貼り合わされており、両基板の間には、液晶が充填されている。以下、図を参照して、実施形態１の液晶表示装置の製造工程について説明する。
（アクティブマトリクス基板の製造工程）
図１（ａ）～（ｅ）は、実施形態１の液晶表示装置が備えるアクティブマトリクス基板の製造工程を示すフロー図である。
図１（ａ）～（ｅ）は、実施形態１の液晶表示装置が備えるアクティブマトリクス基板の製造工程を示すフロー図である。
図１（ａ）を参照して、走査配線層１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃが積層された構造を有する走査配線１０２の形成方法について説明する。
まず、スパッタ法を用いて、走査配線層１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃの材料を順番にガラス基板１０１上に堆積させ、積層膜を形成する。その後、この積層膜をウェットエッチング工程及びレジスト剥離工程を含むフォトリソグラフィ法を用いてパターニングすることにより、走査配線層１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃが積層された構造を有する走査配線１０２を形成することができる。走査配線層１０２ａ、１０２ｃの材料としては、例えば、Ｔｉを用いることができる。走査配線層１０２ａ、１０２ｃの膜厚は、例えば３０～１５０ｎｍ程度にする。また、走査配線層１０２ｂの材料としては、例えば、Ａｌを用いることができる。走査配線層１０２ｂの膜厚は、例えば２００～５００ｎｍ程度にする。本実施形態において、走査配線１０２は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉで構成された積層構造を有する。この走査配線１０２の一部が、ＴＦＴのゲート電極として機能する。
まず、スパッタ法を用いて、走査配線層１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃの材料を順番にガラス基板１０１上に堆積させ、積層膜を形成する。その後、この積層膜をウェットエッチング工程及びレジスト剥離工程を含むフォトリソグラフィ法を用いてパターニングすることにより、走査配線層１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃが積層された構造を有する走査配線１０２を形成することができる。走査配線層１０２ａ、１０２ｃの材料としては、例えば、Ｔｉを用いることができる。走査配線層１０２ａ、１０２ｃの膜厚は、例えば３０～１５０ｎｍ程度にする。また、走査配線層１０２ｂの材料としては、例えば、Ａｌを用いることができる。走査配線層１０２ｂの膜厚は、例えば２００～５００ｎｍ程度にする。本実施形態において、走査配線１０２は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉで構成された積層構造を有する。この走査配線１０２の一部が、ＴＦＴのゲート電極として機能する。
次に、図１（ｂ）を参照して、絶縁層１０３及び酸化物半導体層１０４の形成方法について説明する。
まず、ＣＶＤ法を用いて、ガラス基板１０１及び走査配線１０２を覆うように絶縁層１０３を形成する。絶縁層１０３としては、例えば、ＳｉＮｘ層を使用することができる。絶縁層１０３の膜厚は、例えば２００～５００ｎｍ程度にする。この絶縁層１０３の一部が、ＴＦＴのゲート絶縁膜として機能する。その後、スパッタ法を用いて、酸化物半導体層１０４の材料を堆積させ、膜形成を行ってから、この膜をウェットエッチング工程及びレジスト剥離工程を含むフォトリソグラフィ法を用いてパターニングすることにより、酸化物半導体層１０４を形成することができる。この酸化物半導体層１０４の一部が、ＴＦＴのチャネル層として機能する。本実施形態では、酸化物半導体層１０４として、Ｉｎ、Ａｌ、Ｚｎ及びＯを含んだ酸化物半導体膜（ＩＡＺＯ膜）を使用する。酸化物半導体層１０４の膜厚は、例えば１０～３００ｎｍ程度にする。
まず、ＣＶＤ法を用いて、ガラス基板１０１及び走査配線１０２を覆うように絶縁層１０３を形成する。絶縁層１０３としては、例えば、ＳｉＮｘ層を使用することができる。絶縁層１０３の膜厚は、例えば２００～５００ｎｍ程度にする。この絶縁層１０３の一部が、ＴＦＴのゲート絶縁膜として機能する。その後、スパッタ法を用いて、酸化物半導体層１０４の材料を堆積させ、膜形成を行ってから、この膜をウェットエッチング工程及びレジスト剥離工程を含むフォトリソグラフィ法を用いてパターニングすることにより、酸化物半導体層１０４を形成することができる。この酸化物半導体層１０４の一部が、ＴＦＴのチャネル層として機能する。本実施形態では、酸化物半導体層１０４として、Ｉｎ、Ａｌ、Ｚｎ及びＯを含んだ酸化物半導体膜（ＩＡＺＯ膜）を使用する。酸化物半導体層１０４の膜厚は、例えば１０～３００ｎｍ程度にする。
次に、図１（ｃ）を参照して、信号配線層１０６ａ、１０６ｂが積層された構造を有する信号配線１０６、及び、ドレイン電極層１０７ａ、１０７ｂが積層された構造を有するドレイン電極１０７の形成方法について説明する。なお、ここでは、信号配線１０６及びドレイン電極１０７の材料が同一の場合について説明するが、信号配線１０６及びドレイン電極１０７の材料は異なっていてもよい。
まず、スパッタ法を用いて、信号配線層１０６ａ及びドレイン電極層１０７ａの材料を堆積させた後、その上に、信号配線層１０６ｂ及びドレイン電極層１０７ｂの材料を堆積させ、積層膜を形成する。その後、この積層膜をドライエッチング工程及びレジスト剥離工程を含むフォトリソグラフィ法を用いてパターニングすることにより、信号配線層１０６ａ、１０６ｂが積層された構造を有する信号配線１０６と、ドレイン電極層１０７ａ、１０７ｂが積層された構造を有するドレイン電極１０７とを形成することができる。この信号配線１０６の一部が、ＴＦＴのソース電極として機能する。信号配線層１０６ａ及びドレイン電極層１０７ａの材料としては、例えば、Ｔｉを用いることができる。信号配線層１０６ａ及びドレイン電極層１０７ａの膜厚は、例えば３０～１５０ｎｍ程度にする。また、信号配線層１０６ｂ及びドレイン電極層１０７ｂの材料としては、例えば、Ａｌを用いることができる。信号配線層１０６ｂ及びドレイン電極層１０７ｂの膜厚は、例えば５０～４００ｎｍ程度にする。本実施形態において、信号配線１０６及びドレイン電極１０７は、Ａｌ／Ｔｉで構成された積層構造を有する。ここまでの工程により、ゲート電極、ゲート絶縁膜、チャネル層、ソース電極及びドレイン電極１０７を備えるＴＦＴが形成される。
まず、スパッタ法を用いて、信号配線層１０６ａ及びドレイン電極層１０７ａの材料を堆積させた後、その上に、信号配線層１０６ｂ及びドレイン電極層１０７ｂの材料を堆積させ、積層膜を形成する。その後、この積層膜をドライエッチング工程及びレジスト剥離工程を含むフォトリソグラフィ法を用いてパターニングすることにより、信号配線層１０６ａ、１０６ｂが積層された構造を有する信号配線１０６と、ドレイン電極層１０７ａ、１０７ｂが積層された構造を有するドレイン電極１０７とを形成することができる。この信号配線１０６の一部が、ＴＦＴのソース電極として機能する。信号配線層１０６ａ及びドレイン電極層１０７ａの材料としては、例えば、Ｔｉを用いることができる。信号配線層１０６ａ及びドレイン電極層１０７ａの膜厚は、例えば３０～１５０ｎｍ程度にする。また、信号配線層１０６ｂ及びドレイン電極層１０７ｂの材料としては、例えば、Ａｌを用いることができる。信号配線層１０６ｂ及びドレイン電極層１０７ｂの膜厚は、例えば５０～４００ｎｍ程度にする。本実施形態において、信号配線１０６及びドレイン電極１０７は、Ａｌ／Ｔｉで構成された積層構造を有する。ここまでの工程により、ゲート電極、ゲート絶縁膜、チャネル層、ソース電極及びドレイン電極１０７を備えるＴＦＴが形成される。
次に、図１（ｄ）を参照して、保護層１０８及び層間絶縁膜１０９の形成方法について説明する。
まず、ＣＶＤ法又はスパッタ法を用いて、保護層１０８の材料を堆積させた後、その上に層間絶縁膜１０９の材料を堆積させ、積層膜を形成する。その後、この積層膜をドライエッチング工程及びレジスト剥離工程を含むフォトリソグラフィ法を用いてパターニングすることにより、保護層１０８及び層間絶縁膜１０９を形成することができる。保護層１０８としては、例えば、ＳｉＯｘ層を使用することができる。保護層１０８の膜厚は、例えば５０～３００ｎｍ程度にする。また、層間絶縁膜１０９の材料としては、例えば、感光性樹脂を使用することができる。
まず、ＣＶＤ法又はスパッタ法を用いて、保護層１０８の材料を堆積させた後、その上に層間絶縁膜１０９の材料を堆積させ、積層膜を形成する。その後、この積層膜をドライエッチング工程及びレジスト剥離工程を含むフォトリソグラフィ法を用いてパターニングすることにより、保護層１０８及び層間絶縁膜１０９を形成することができる。保護層１０８としては、例えば、ＳｉＯｘ層を使用することができる。保護層１０８の膜厚は、例えば５０～３００ｎｍ程度にする。また、層間絶縁膜１０９の材料としては、例えば、感光性樹脂を使用することができる。
次に、図１（ｅ）を参照して、画素電極１１０の形成方法について説明する。
まず、スパッタ法により、画素電極１１０の材料を堆積させ、膜形成を行う。その後、この膜をウェットエッチング工程及びレジスト剥離工程を含むフォトリソグラフィ法によってパターニングすることで、画素電極１１０を形成することができる。画素電極１１０の材料としては、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）を使用することができる。画素電極１１０の膜厚は、例えば５０～２００ｎｍ程度にする。
まず、スパッタ法により、画素電極１１０の材料を堆積させ、膜形成を行う。その後、この膜をウェットエッチング工程及びレジスト剥離工程を含むフォトリソグラフィ法によってパターニングすることで、画素電極１１０を形成することができる。画素電極１１０の材料としては、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）を使用することができる。画素電極１１０の膜厚は、例えば５０～２００ｎｍ程度にする。
以上、図１（ａ）～（ｅ）を参照して説明した工程を経て、実施形態１の液晶表示装置が備えるアクティブマトリクス基板を作製することができる。
（対向基板の製造工程）
次に、本実施形態の液晶表示装置が備える対向基板の製造方法について説明する。図２（ａ）～（ｃ）は、実施形態１の液晶表示装置が備える対向基板の製造工程を示すフロー図である。
次に、本実施形態の液晶表示装置が備える対向基板の製造方法について説明する。図２（ａ）～（ｃ）は、実施形態１の液晶表示装置が備える対向基板の製造工程を示すフロー図である。
はじめに、図２（ａ）を参照して、ブラックマトリクス（ＢＭ）２０２、赤色のカラーフィルタ２０３Ｒ、緑色のカラーフィルタ２０３Ｇ、青色のカラーフィルタ２０３Ｂの形成方法について説明する。
ＢＭ２０２、並びに、赤色、緑色及び青色のカラーフィルタ２０３Ｒ、２０３Ｇ、２０３Ｂは、フォトリソグラフィ法を用いて、顔料を含む感光性樹脂をパターニングすることにより、形成することができる。形成する順番としては、ＢＭ２０２をガラス基板２０１上に形成してから、ＢＭ２０２で区画された領域に、赤色のカラーフィルタ２０３Ｒ、緑色のカラーフィルタ２０３Ｇ、及び、青色のカラーフィルタ２０３Ｂを順次形成すればよい。このようにして、それぞれ、赤色のカラーフィルタ２０３Ｒ、緑色のカラーフィルタ２０３Ｇ、及び、青色のカラーフィルタ２０３Ｂをガラス基板２０１上に配置することができる。
ＢＭ２０２、並びに、赤色、緑色及び青色のカラーフィルタ２０３Ｒ、２０３Ｇ、２０３Ｂは、フォトリソグラフィ法を用いて、顔料を含む感光性樹脂をパターニングすることにより、形成することができる。形成する順番としては、ＢＭ２０２をガラス基板２０１上に形成してから、ＢＭ２０２で区画された領域に、赤色のカラーフィルタ２０３Ｒ、緑色のカラーフィルタ２０３Ｇ、及び、青色のカラーフィルタ２０３Ｂを順次形成すればよい。このようにして、それぞれ、赤色のカラーフィルタ２０３Ｒ、緑色のカラーフィルタ２０３Ｇ、及び、青色のカラーフィルタ２０３Ｂをガラス基板２０１上に配置することができる。
次に、図２（ｂ）を参照して、対向電極２０４の形成方法について説明する。
まず、スパッタ法により、対向電極２０４の材料を堆積させ、膜形成を行う。その後、この膜をウェットエッチング工程及びレジスト剥離工程を含むフォトリソグラフィ法によってパターニングすることで、対向電極２０４を形成することができる。対向電極２０４の材料としては、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）が挙げられる。対向電極２０４の膜厚は、例えば５０～２００ｎｍ程度にする。
まず、スパッタ法により、対向電極２０４の材料を堆積させ、膜形成を行う。その後、この膜をウェットエッチング工程及びレジスト剥離工程を含むフォトリソグラフィ法によってパターニングすることで、対向電極２０４を形成することができる。対向電極２０４の材料としては、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）が挙げられる。対向電極２０４の膜厚は、例えば５０～２００ｎｍ程度にする。
次に、図２（ｃ）を参照して、フォトスペーサ２０５の形成方法について説明する。
フォトスペーサ２０５は、フォトリソグラフィ法を用いて、感光性樹脂をパターニングすることにより、形成することができる。
フォトスペーサ２０５は、フォトリソグラフィ法を用いて、感光性樹脂をパターニングすることにより、形成することができる。
以上、図２（ａ）～（ｃ）を参照して説明した工程を経て、実施形態１の液晶表示装置が備える対向基板を作製することができる。
（パネル作製工程）
ここからは、上述した工程により作製したアクティブマトリクス基板及び対向基板を貼り合わせる工程と、液晶の封入工程とについて説明する。
まず、アクティブマトリクス基板及び対向基板のそれぞれの表面に、印刷法により、配向膜を形成する。配向膜の材料としては、例えば、ポリイミド樹脂を使用することができる。
ここからは、上述した工程により作製したアクティブマトリクス基板及び対向基板を貼り合わせる工程と、液晶の封入工程とについて説明する。
まず、アクティブマトリクス基板及び対向基板のそれぞれの表面に、印刷法により、配向膜を形成する。配向膜の材料としては、例えば、ポリイミド樹脂を使用することができる。
次に、アクティブマトリクス基板及び対向基板のいずれかに対して、印刷法により、シール材を配置してから、液晶を滴下する。その後、アクティブマトリクス基板及び対向基板を貼り合わせる。
次に、ダイシングにより、上述の工程で貼り合わせた基板を分断する。このようにして、本実施形態の液晶表示装置が備える液晶表示パネルを作製することができる。
その後、上述の工程で作製した液晶表示パネルに対して、駆動装置等の一般的な部材を実装することにより、本実施形態の液晶表示装置を作製することができる。
なお、上述の工程では、走査配線がＴｉ／Ａｌ／Ｔｉで構成された積層構造を有する場合について説明したが、走査配線は、Ｃｕ／Ｔｉで構成された積層構造を有していてもよい。同様に、ドレイン電極も、Ｃｕ／Ｔｉで構成された積層構造を有していてもよい。
また、ＢＭ２０２、赤色のカラーフィルタ２０３Ｒ、緑色のカラーフィルタ２０３Ｇ、及び、青色のカラーフィルタ２０３Ｂは、対向基板に形成せず、アクティブマトリクス基板に形成してもよい。
更に、本発明の表示装置は、液晶表示装置に限定されず、液晶表示装置以外の表示装置に適用することもできる。
実施形態２
本実施形態では、ＴＦＴのチャネル層を保護するための層（チャネル保護層）が設けられる。図３（ａ）～（ｅ）は、実施形態２の液晶表示装置が備えるアクティブマトリクス基板の製造工程を示すフロー図である。以下、チャネル保護層を備えるアクティブマトリクス基板の製造工程について説明する。
本実施形態では、ＴＦＴのチャネル層を保護するための層（チャネル保護層）が設けられる。図３（ａ）～（ｅ）は、実施形態２の液晶表示装置が備えるアクティブマトリクス基板の製造工程を示すフロー図である。以下、チャネル保護層を備えるアクティブマトリクス基板の製造工程について説明する。
まず、図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照して説明した方法により、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、ガラス基板１０１上に、走査配線１０２、絶縁層１０３及び酸化物半導体層１０４を形成する。その後、スパッタ法により、チャネル保護層１２１の材料を堆積させ、膜形成を行った後、その膜をドライエッチング工程及びレジスト剥離工程を含むフォトリソグラフィ法を用いてパターニングする。このようにして、図３（ｂ）に示すように、チャネル保護層１２１を形成することができる。チャネル保護層１２１の材料としては、例えば、ＳｉＯ２を使用することができる。チャネル保護層１２１の膜厚は、例えば２０～５００ｎｍ程度にする。
その後、図１（ｃ）～（ｅ）を参照して説明した方法により、図３（ｃ）～（ｅ）に示した工程を行うことで、チャネル保護膜１２１を備えるアクティブマトリクス基板を作製することができる。このように、チャネル保護層１２１を設けることにより、酸化物半導体層１０４が製造工程中に受けるダメージを低減することができ、また、ＴＦＴの信頼性を高めることができる。また、製造工程中における酸化物半導体層１０４からの酸素の脱離を抑制することができる。
実施形態２の液晶表示装置は、チャネル保護層１２１を備える点以外は、実施形態１の液晶表示装置と同様の構成を有するものであることから、対向基板の製造工程以降の説明については省略する。
（ＴＦＴ特性の組成比依存性）
Ｉｎ、Ａｌ、Ｚｎ及びＯを含む酸化物半導体において、Ａｌの原子組成比率が大きくなり、Ｉｎの原子組成比率が小さくなると、移動度が低下する傾向にある。図４に、Ａｌ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＯを含む酸化物半導体の組成と移動度との関係を示している。ＴＦＴが充分な電気特性を発揮するためには、移動度が０．１ｃｍ２／Ｖｓ以上であることが望ましい。複数の試験結果から、酸化物半導体に含まれるＡｌの原子組成比率が、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．５を満たす場合、酸化物半導体の移動度が０．１ｃｍ２／Ｖｓ以上になることが分かった。また、酸化物半導体に含まれるＡｌの原子量組成比がＡｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．５を満たすとき、酸化物半導体の抵抗率は、１０３Ω・ｃｍ以上であった。より望ましくは、酸化物半導体に含まれるＡｌの原子組成比率が０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．５を満たすことである。
Ｉｎ、Ａｌ、Ｚｎ及びＯを含む酸化物半導体において、Ａｌの原子組成比率が大きくなり、Ｉｎの原子組成比率が小さくなると、移動度が低下する傾向にある。図４に、Ａｌ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＯを含む酸化物半導体の組成と移動度との関係を示している。ＴＦＴが充分な電気特性を発揮するためには、移動度が０．１ｃｍ２／Ｖｓ以上であることが望ましい。複数の試験結果から、酸化物半導体に含まれるＡｌの原子組成比率が、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．５を満たす場合、酸化物半導体の移動度が０．１ｃｍ２／Ｖｓ以上になることが分かった。また、酸化物半導体に含まれるＡｌの原子量組成比がＡｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．５を満たすとき、酸化物半導体の抵抗率は、１０３Ω・ｃｍ以上であった。より望ましくは、酸化物半導体に含まれるＡｌの原子組成比率が０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．５を満たすことである。
移動度が０．１ｃｍ２／Ｖｓ以上あれば、電子ペーパー等の駆動周波数の低い表示装置等の電子デバイスには十分適用可能である。しかしながら、液晶ディスプレイ等の動画表示を目的とした表示装置を作製するには、実際には典型的なａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）ＴＦＴの移動度（０．５ｃｍ２／Ｖｓ程度）を超えることが要求される。それには、本発明の酸化物半導体中のＡｌの原子組成比率を０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．３５とすればよいことがわかった。
典型的なマイクロクリスタルシリコンＴＦＴの移動度（２．０ｃｍ２／Ｖｓ程度）を超える移動度を実現することができれば、ゲートドライバやソースドライバ等の駆動回路の一部を表示装置に内蔵することにより、表示装置のコストを低減することができる。そのためには、本発明の酸化物半導体中のＡｌの原子組成比率を０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．２５とすればよいことがわかった。
典型的な低分子型有機ＥＬに求められるＴＦＴの移動度（５．０ｃｍ２／Ｖｓ程度）を超える移動度を実現することができれば、低分子型有機ＥＬディスプレイを作製することができる。そのためには、本発明の酸化物半導体中のＡｌの原子組成比率を０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．１２とすればよいことがわかった。
典型的な高分子型有機ＥＬに求められるＴＦＴの移動度（１０．０ｃｍ２／Ｖｓ程度）を超える移動度を実現することができれば、高分子型有機ＥＬディスプレイを作製することができる。そのためには、本発明の酸化物半導体中のＡｌの原子組成比率を０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．１とすればよいことがわかった。
酸素充填率が大きくなるとキャリア濃度が低下するため移動度が低下する傾向にある。上述したように、ＴＦＴが十分な電気特性を発揮するためには移動度が０．１ｃｍ２／Ｖｓ以上であることが望ましく、そのためには、図５に示すように、酸化物半導体の原子組成比率を（Ｉｎ）ａ（Ｓｉ）ｂ（Ｚｎ）ｃ（Ｏ）ｄと定義したときに、Ｏの原子組成比率が、ｄ≦（３ａ／２＋３ｂ／２＋ｃ）×０．９５を満たすことが望ましい。
酸素充填率が小さくなるとキャリア濃度が増加するためオフ電流が増加する傾向にある。ＴＦＴが十分な電気特性を発揮するためにはオフ電流は１．０×１０－１１Ａ以下であることが望ましく、そのためには、図６に示すように、酸化物半導体の原子組成比率を（Ｉｎ）ａ（Ｓｉ）ｂ（Ｚｎ）ｃ（Ｏ）ｄと定義したときに、Ｏの原子組成比率が、ｄ≧（３ａ／２＋３ｂ／２＋ｃ）×０．５５を満たすことが望ましい。なお、「オフ電流」とは、走査配線に－１０Ｖの電圧を印加した時の信号配線とドレイン電極との間を流れる電流値である。
酸化物半導体材料としてＡｌを用いると、酸素原子が引き抜かれにくくなるため、オフ電流を低減することができ、良好なＴＦＴ特性を得ることができる。但し、Ａｌの成分比が大きくなりすぎると酸素濃度が高くなりＡｌ２Ｏ３が絶縁膜であることからも分かるように、移動度が低下するため、チャネル層として用いることが困難となる。なお、酸化物半導体から酸素が引き抜かれる要因としては、製造プロセス中のドライエッチング、ＣＶＤ成膜時のプラズマの影響が考えられる。酸素濃度の増減によりキャリアとしての電子濃度が増減するため移動度及びオフ電流が変化することになる。
図７は、エッチングレートのＺｎ成分比率依存性、すなわち酸化物半導体のＺｎ成分比率とエッチング速度の関係を示すグラフであり、エッチャントにシュウ酸を用い、室温（Ｒ．Ｔ.）で測定したものである。なお、エッチャントが異なったり、温度が異なる場合にエッチレートは変わるが、Ｚｎの成分比率が高くなるとエッチングされやすくなるという傾向は変わらない。図７に示すように、Ｚｎの成分比率によって、ウェットエッチング時のエッチレートが変わっている。エッチレートが速すぎると、膜厚にもよるがエッチング時間が短くなりすぎて、特に装置で処理する場合は制御できなくなるおそれがある。逆に、エッチレートが遅すぎると、エッチング時間が長くなりすぎるため、特に生産を考えた場合は処理能力という点で問題になる。上記理由により、エッチレートを３００～１０００Å／ｍｉｎ程度にするために、酸化物半導体に含まれるＺｎの原子組成比率は０．０４≦Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．１５を満たすことが好ましい。
（酸化物半導体の組成の確認方法）
酸化物半導体の組成を確認する方法としては、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）等が挙げられる。本実施形態では、ＡＥＳ分析装置（ＪＥＯＬ社製、型番ＪＡＭＰ－９５００Ｆ）を用いて、酸化物半導体層１０４の表面から深さ約２０ｎｍの位置における構成原子の組成を確認した。ＡＥＳ分析の測定条件は、電子線照射条件：５ｋＶ、５ｎＡ、試料：７５ｄｅｇ傾斜、中和条件：Ａｒイオン１０ｅＶ、１μＡ、検出器エネルギー分解能：ｄＥ／Ｅ＝０．３５％、検出エネルギーステップ：１．０ｅＶとし、Ａｌ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＯの各構成原子について検出ピークを求めた。
酸化物半導体の組成を確認する方法としては、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）等が挙げられる。本実施形態では、ＡＥＳ分析装置（ＪＥＯＬ社製、型番ＪＡＭＰ－９５００Ｆ）を用いて、酸化物半導体層１０４の表面から深さ約２０ｎｍの位置における構成原子の組成を確認した。ＡＥＳ分析の測定条件は、電子線照射条件：５ｋＶ、５ｎＡ、試料：７５ｄｅｇ傾斜、中和条件：Ａｒイオン１０ｅＶ、１μＡ、検出器エネルギー分解能：ｄＥ／Ｅ＝０．３５％、検出エネルギーステップ：１．０ｅＶとし、Ａｌ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＯの各構成原子について検出ピークを求めた。
ここで、ＡＥＳ分析の原理について説明する。ＡＥＳ分析は、試料測定箇所に電子ビームを照射し、表面から放出されるオージェ電子の運動エネルギーと検出強度からスペクトルを得るものである。スペクトルのピーク位置や形状は元素固有のものであるため、ピーク位置や形状から元素を特定し、スペクトルの強度（振幅）から材料中の元素濃度を算出することで元素分析を行う。更に、スペクトルのピーク位置や形状は、原子の結合状態についても固有のものであるため、各元素の化学結合状態（酸化状態等）の分析も可能である。
オージェ電子は、検出される膨大な電子量の中のごく一部分であるために、低周波成分のバックグランドにより検出量の精度が影響を受ける。そこで、一般的に行われるように、スペクトルを微分して低周波成分のバックグランドを除去した上で、各元素のピーク強度から各元素固有の感度係数（装置付属の純元素の値を使用）を用いて組成比を算出した。
また、各元素のピーク強度や形状は、化学結合状態が大きく変わると変化するため、組成比を高い精度で求めるには感度係数も補正することが望ましい。そこで組成比算出に際して、ラザフォード後方散乱分析（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）及び粒子励起Ｘ線分析（ＰＩＸＥ：Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｘ－ｒａｙ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を行い、得られた値を用いて各元素の感度係数を補正した。
上述した実施形態における各形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜組み合わされてもよい。
なお、本願は、２００９年９月１１日に出願された日本国特許出願２００９－２１０７１２号を基礎として、パリ条約ないし移行する国における法規に基づく優先権を主張するものである。該出願の内容は、その全体が本願中に参照として組み込まれている。
１０１、２０１：ガラス基板
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ：走査配線層
１０２：走査配線
１０３：絶縁層
１０４：酸化物半導体層
１０６ａ、１０６ｂ：信号配線層
１０６：信号配線
１０７ａ、１０７ｂ：ドレイン電極層
１０７：ドレイン電極
１０８：保護層
１０９：層間絶縁膜
１１０：画素電極
１２１：チャネル保護層
２０２：ブラックマトリクス（ＢＭ）
２０３Ｒ、２０３Ｇ、２０３Ｂ：カラーフィルタ（ＣＦ）
２０４：対向電極
２０５：フォトスペーサ
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ：走査配線層
１０２：走査配線
１０３：絶縁層
１０４：酸化物半導体層
１０６ａ、１０６ｂ：信号配線層
１０６：信号配線
１０７ａ、１０７ｂ：ドレイン電極層
１０７：ドレイン電極
１０８：保護層
１０９：層間絶縁膜
１１０：画素電極
１２１：チャネル保護層
２０２：ブラックマトリクス（ＢＭ）
２０３Ｒ、２０３Ｇ、２０３Ｂ：カラーフィルタ（ＣＦ）
２０４：対向電極
２０５：フォトスペーサ
Claims (12)
- 薄膜トランジスタ用の酸化物半導体であって、
該酸化物半導体は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＯを構成原子として含むことを特徴とする酸化物半導体。 - 前記酸化物半導体に含まれるＡｌの原子組成比率は、０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．５を満たすことを特徴とする請求項１記載の酸化物半導体。
- 前記酸化物半導体に含まれるＡｌの原子組成比率は、０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．３５を満たすことを特徴とする請求項１記載の酸化物半導体。
- 前記酸化物半導体に含まれるＡｌの原子組成比率は、０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．２５を満たすことを特徴とする請求項１記載の酸化物半導体。
- 前記酸化物半導体に含まれるＡｌの原子組成比率は、０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．１２を満たすことを特徴とする請求項１記載の酸化物半導体。
- 前記酸化物半導体に含まれるＡｌの原子組成比率は、０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．１を満たすことを特徴とする請求項１記載の酸化物半導体。
- 前記酸化物半導体に含まれるＺｎの原子組成比率が０．０４≦Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｚｎ）≦０．１５を満たすことを特徴とする請求項１記載の酸化物半導体。
- 前記酸化物半導体の原子組成比率を（Ｉｎ）ａ（Ｓｉ）ｂ（Ｚｎ）ｃ（Ｏ）ｄと定義したときに、
該酸化物半導体に含まれるＯの原子組成比率は、ｄ≦（３ａ／２＋３ｂ／２＋ｃ）×０．９５を満たすことを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の酸化物半導体。 - 前記酸化物半導体の原子組成比率を（Ｉｎ）ａ（Ｓｉ）ｂ（Ｚｎ）ｃ（Ｏ）ｄと定義したときに、
該酸化物半導体に含まれるＯの原子組成比率は、ｄ≧（３ａ／２＋３ｂ／２＋ｃ）×０．５５を満たすことを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の酸化物半導体。 - 前記酸化物半導体の抵抗率は、１０３Ω・ｃｍ以上を満たすことを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載の酸化物半導体。
- 請求項１～１０のいずれかに記載の酸化物半導体で形成されたチャネル層を有することを特徴とする薄膜トランジスタ。
- 請求項１１記載の薄膜トランジスタを備えることを特徴とする表示装置。
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