JP2015057518A - 窒素ガスを用いた亜鉛ターゲットの反応性スパッタにより形成される薄膜半導体材料 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は概して、低温及び高温両方の温度条件下で窒素含有ガスを用いた亜
鉛スパッタリングターゲットの反応性スパッタにより形成される、高移動度の薄膜半導体
材料に関する。
半導体層の電子移動度は、デバイスの速度及びデバイスを流れる電流に極めて大きな影
響を与える。電子移動度が高ければ高いほど同じ電圧下でのデバイスの速度は速くなり、
ソース・ドレイン間の電流は高くなる。近年、液晶ディスプレイ(LCD)、有機発光ダ
イオード(OLED)ディスプレイ及び量子ドットディスプレイを駆動するためのバック
プレーン用の電界効果型薄膜トランジスタ(TFT)や太陽電池パネルを組み立てるため
の半導体層には、アモルファスシリコン及びポリシリコンが採用されている。アモルファ
スシリコンは、約1cm2/Vsの電子移動度を有し得る。低温ポリシリコンは、50c
m2/Vsを越える電子移動度を有し得るが、その電子移動度を達成するにはレーザーア
ニーリング等の複雑な工程段階を必要とする。従って、50cm2/Vsより高い電子移
動度を備えたポリシリコンを製造するコストは極めて高く、大面積基板への利用には適し
ていない。
ャネルが半導体材料により形成されている。ゲート電極への電圧供給がない限り、ソース
電極とドレイン電極との間に電圧が加えられても、ソース電極とドレイン電極との間に電
流は流れない。ゲート電極に電圧をかけるにつれ、半導体層内部の可動電子が、ゲート誘
電体層と半導体層との間の界面に極めて近い領域に蓄積される。半導体層は導電性となり
、ソース電極とドレイン電極との間の電圧が低くても、電極がソース・ドレイン電極間を
スムーズに流れる。半導体材料の高い移動度は、半導体中の可動電子がゲート電極によっ
て作り出される電界により敏感であることを示しており、半導体チャネルの導電性はより
高くなる。ゲート端子及びソース端子に印加される電圧の影響を受ける、半導体チャネル
を流れる電流は、半導体材料によって決定される。半導体材料の移動度が高ければ高いほ
ど、FETに電流を流すのに必要な電圧が少なくなる。
ベーションを利用することがある。アモルファスシリコンは、最高約350℃での化学気
相蒸着(CVD)により堆積することができる。水素パッシベーションによりアモルファ
スシリコンは望ましい移動度を達成することができるものの、ゲート電極電圧下及びデバ
イスそれ自体により生じる比較的高い温度下では時間と共にTFTのしきい電圧が変化す
る等、不安定となる可能性がある。
キシブル基板の上でも十分に高い移動度を有する安定した半導体材料が当該分野において
必要とされている。
。スパッタリングターゲットは亜鉛を含んでいてよく、アルミニウム又はその他の金属で
ドープしてもよい。亜鉛ターゲットは、窒素含有ガス及び酸素含有ガスをチャンバに導入
することにより反応的にスパッタすることができる。窒素含有ガスの量は、典型的で酸化
亜鉛に特徴的なピーク(XRDでの測定による酸化亜鉛(002)ピーク等)を有さない
膜構造によって求めることができる。窒素含有ガスの流量は、膜がアモルファス(すなわ
ち、XRDで測定した場合にはっきりとしたピークがない)となる又は窒化亜鉛若しくは
酸窒化亜鉛の弱いピークを有するものとなるように選択される。窒素含有ガスの流量は、
酸素含有ガスの流量よりはるかに大きくなり得る。酸素含有ガスの量は、膜構造の転換点
に基づいたものであってよい。酸素含有ガスの量は、XRDによる測定で酸化亜鉛(00
2)のピークを出現させるのに必要な量より少なくなるように選択される。工程を簡略化
するために、酸素含有ガスの流量を、窒素含有ガスを使用しない堆積で得られた測定値に
基づいて膜透過率、DC電圧変化又は膜導電性から求めることもできるが、これは膜透過
率、DC電圧変化又は膜導電性が膜構造に関係してるからである。形成した膜をアモルフ
ァス構造又はあるレベルの結晶構造に調整してもよい。反応性スパッタは、室温前後から
数百度にのぼる温度で行われる。堆積後、半導体膜をアニールすることにより、膜の移動
度を更に改善してもよい。
亜鉛のピークを示さないことがある。一実施形態において、膜はZn3N2のピークを有
さない。別の実施形態においては、XRDによる測定でZn3N2のピークが1つ以上存
在する。膜は、亜鉛、酸素、窒素及び膜にドープさせるその他の金属種(アルミニウム等
)を含み得る。膜は、XPSで測定した場合、窒化物又は亜硝酸塩の結合を有し得る。膜
は、約400nm〜約1000nmの光吸収端及び約3.1eV〜約1.2eVのバンド
ギャップを有し得る。半導体膜は膜構造に基づいて形成されることから、半導体膜を異な
る処理温度、異なる電力下で異なる製品プラットフォームさえ用いて形成してもよい。
鉛ターゲットを配置し、酸素含有ガス及び窒素含有ガスを含むスパッタリングガスをチャ
ンバに流し、ターゲットにバイアスを印加し、亜鉛、酸素及び窒素を含む半導体層を基板
上に堆積することを含む。
ガスを、亜鉛を含む金属ターゲットを有するスパッタリングチャンバに流し、亜鉛、酸素
及び窒素を含む半導体層を基板上にスパッタ堆積することを含む。
において、亜鉛を含み且つ約5cm2/Vsを越える移動度を有する半導体膜を開示する
。別の実施形態において、X線回折を用いた測定でZn3N2の第1のピーク(2θで約
31.5°、考えられ得る(222)結晶方位を有する)とZn3N2の第2のピーク(
2θで約39°、考えられ得る(411)結晶方位を有する)を有する半導体膜を開示す
る。図3Fに示されるように、その他のZn3N2ピーク(2θで約36.7°、考えら
れ得る(400)結晶方位を有する)が観察されることもある。
体的な説明を実施形態を参照して行う。実施形態の一部は添付図面に図示されている。し
かしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態しか図示しておらず、本発明はその他
の同等に効果的な実施形態も含み得ることから、本発明の範囲を限定すると解釈されない
ことに留意すべきである。
表した。一実施形態において開示の要素は、特に記載することなく、他の実施形態で便宜
上利用可能である。
む。スパッタリングターゲットは亜鉛を含み得る。一実施形態において、ターゲットは、
純度99.990原子百分率以上、好ましくは99.995原子百分率以上で亜鉛を含む
。別の実施形態において、ターゲットは、1種以上のドープ金属でドープされた亜鉛を含
む。例えば、ターゲットは、約1原子百分率〜約20原子百分率のアルミニウムでドープ
された亜鉛を含む。亜鉛ターゲットは、窒素含有ガス、酸素含有ガス及びアルゴンをチャ
ンバに導入することにより、反応的にスパッタすることができる。窒素含有ガスの量は、
酸素含有ガスの量及びアルゴンガスの量より著しく多くてよい。酸素含有ガスの量は、窒
素含有ガスを使用しない堆積から得た測定値に基づく膜構造の転換点、膜透過率、DC電
圧変化又は膜導電性を踏まえたものであってよい。反応性スパッタは、室温前後から最高
数百度の基板温度で行うことができる。堆積後、半導体膜をアニールすることにより、膜
の移動度を更に改善してもよい。以下ではターゲットバイアスをDCと記載しているが、
ACバイアスも同様に使用し得ると理解すべきである。
VDチャンバ(カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社の子会社であ
るAKT社から入手可能な4300PVDチャンバ等)において実践してもよいが、本方
法により形成される半導体膜はその膜構造及び組成によって決定されることから、本発明
の反応性スパッタ法は、大面積円形基板を処理するように構成されたシステム及びその他
の製造業者によって製造されたシステム(ロール・ツー・ロールプロセスプラットフォー
ムを含む)を含む、その他のシステム構成でも有用であると理解すべきである。本発明を
以下ではPVDによる堆積として説明しているが、化学気相蒸着(CVD)、原子層堆積
(ALD)又はスピンオン法を含むその他の方法を利用して本発明の膜を堆積してもよい
と理解すべきである。
バ100は、真空ポンプ114により排気される。チャンバ100において、基板102
はターゲット104の反対側に配置される。基板は、チャンバ100内のサセプタ106
上に配置される。サセプタ106は、アクチュエータ112により、矢印Aで図示される
ように上昇及び下降させられる。サセプタ106を上昇させることにより基板102を処
理位置にまで持ち上げ、下降させることにより基板102をチャンバ100から取り出す
ことことができる。サセプタ106が下降位置にある場合、昇降ピン108により基板1
02をサセプタ106より上に持ち上げる。接地ストラップ110は、処理中、サセプタ
106を接地する。処理中、サセプタ106を上昇させることにより、均一な堆積を促す
。
ーゲット104は、大面積スパッタリングターゲット104を含む。別の実施形態におい
て、ターゲット104は複数のタイルを含む。更に別の実施形態において、ターゲット1
04は複数のターゲットストリップを含む。更に別の実施形態において、ターゲット10
4は1つ以上の円筒状の回転ターゲットを含む。ターゲット104は、接着層(図示せず
)によりバッキングプレート116に接着される。1つ以上のマグネトロン118を、バ
ッキングプレート116の背後に配置する。マグネトロン118はバッキングプレート1
16全体を、直線運動又は二次元経路でもって走査する。チャンバ壁は、暗部シールド1
20及びチャンバシールド122により堆積から保護される。
04と基板102との間に配置する。一実施形態において、アノード124は、アーク溶
射したアルミニウムで被覆されたビードブラストステンレススチールである。一実施形態
において、アノード124の一端は、ブラケット130によりチャンバ壁に取り付けられ
る。アノード124がターゲット104とは反対に帯電することにより、荷電イオンが、
典型的には接地電位にあるチャンバ壁ではなくターゲットに引き付けられる。アノード1
24をターゲット104と基板102との間に設置することによりプラズマがより均一と
なり、堆積が促進される。剥落を軽減するために、冷却液を1つ以上のアノード124に
流してもよい。アノード124の膨張及び収縮の程度を軽減することにより、アノード1
24からの材料の剥落が軽減される。小型の基板、それに伴って処理チャンバが小型の場
合は、接地経路としては、また均一なプラズマ分布をもたらすにはチャンバ壁で十分なた
め、処理空間全体に及ぶアノード124は必要ない。
ゲット104と基板102との間に、1本以上のガス導入管126もチャンバ100を横
断してわたされる。小型の基板、それに伴って処理チャンバが小型の場合は、慣用のガス
導入手段でも均一なガス分配が可能なことから、処理空間全体に及ぶガス導入管126は
必要ない。ガス導入管126は、スパッタリングガスをパスパネル132から導入する。
ガス導入管126を、1つ以上の継手128でアノード124に連結してもよい。継手1
28を熱伝導性材料で形成することにより、ガス導入管126を伝導的に冷却してもよい
。加えて、継手128も電導性とすることにより、ガス導入管126を接地させ、アノー
ドとして機能させてもよい。
いて基板の反対側に配置することを含む。亜鉛スパッタリングターゲットは、実質的に、
亜鉛又は亜鉛とドープ元素とを含む。使用し得る適切なドーパントには、Al、Sn、G
a、Ca、Si、Ti、Cu、Ge、In、Ni、Mn、Cr、V、Mg、SixNy、
AlxOy及びSiCが含まれる。一実施形態において、ドーパントはアルミニウムを含
む。その一方で、基板は、プラスチック、紙、ポリマー、ガラス、ステンレススチール及
びこれらの組み合わせを含む。基板がプラスチックの場合、反応性スパッタは約180℃
未満の温度で行われる。
により、亜鉛ターゲットを反応的にスパッタする。スパッタ中、B2H6、CO2、CH
4及びこれらの組み合わせ等の追加の添加物もチャンバに供給することができる。一実施
形態において、窒素含有ガスはN2を含む。別の実施形態において、窒素含有ガスはN2
O、NH3又はこれらの組み合わせを含む。一実施形態において、酸素含有ガスはO2を
含む。別の実施形態において、酸素含有ガスはN2Oを含む。窒素含有ガスの窒素及び酸
素含有ガスの酸素がスパッタリングターゲットの亜鉛と反応することにより、亜鉛、酸素
及び窒素を含む半導体材料が基板上に形成される。一実施形態において、窒素含有ガス及
び酸素含有ガスは、N2O及びN2等のガスの組み合わせを含む。
酸化亜鉛を形成するには不十分な酸素量となるように酸素量を選択する。亜鉛の酸化の程
度は透過率に影響する。例えば、亜鉛を完全に酸化させると、透過率が約80%を超えて
しまう。望ましい酸素流量を求めるための1つのやり方は、窒素ガスを使用せずにアルゴ
ンガスと酸素ガスを用いて反応性スパッタ法を行うことである。異なる酸素流量で実験を
行い、可視波長における光透過率を測定する。望ましい酸素流量は、膜が、達成し得る最
高透明度を獲得する直前のものである。表1は、様々な酸素流量でもって反応的にスパッ
タ堆積された酸化亜鉛の光透過率を示す。一実施形態において、好ましい最高透過率は8
0%である。その他の実施形態において、ガラスによる吸収又は光の緩衝が含まれるなら
、最高透過率は80%にならない。異なるDCターゲット電力、異なる基板温度又はN2
O等の異なる酸素含有ガスさえ使用する場合、実験は有用である。
は低量の条件下で反応性スパッタ行うことにより酸化亜鉛を形成し、次にシート抵抗を測
定することである。約100オーム/スクエア〜1.0x107オーム/スクエアのシー
ト抵抗を生じさせる酸素流量が望ましい酸素流量である。
ある。図2A〜2Eは、酸素ガス流量の関数として亜鉛及び酸化亜鉛のピークの形成を示
す膜についてのXRDグラフである。図2A〜2Eに示される各膜は、アルゴン流量60
0sccm/m3、1000W及び様々な酸素流量で堆積された。
す。様々な強度を有する亜鉛ピークが幾つか生じた。亜鉛(002)ピークが2θ(すな
わち、入射X線と回折計の検出装置との間の角度)で約35.5〜37、強度約625カ
ウントで示されている。亜鉛(100)ピークは、約38〜40、強度約450カウント
で示されている。亜鉛(101)ピークは、約42.5〜44、強度約1050カウント
で示されている。亜鉛(102)ピークは、約53〜55、強度約325カウントで示さ
れている。亜鉛(103)ピークは、約69.5〜70、強度約300で示されている。
亜鉛(110)ピークは、約70〜71、強度約275カウントで示されている。亜鉛(
002):亜鉛(100):亜鉛(101):亜鉛(102):亜鉛(103):亜鉛(
110)のピーク高さ比は、約2.27:1.64:3.82:1.182:1.091
:1である。全てのピークは、相を同定するためのInternational Cen
ter for Diffraction Data(ICDD)PDF2データベース
(2004年改訂)を用いて標識される。
るように低下する。亜鉛(002)ピークは約500カウントに低下する。亜鉛(100
)ピークは約375カウントに低下する。亜鉛(101)ピークは約750カウントに低
下する。亜鉛(102)ピークは約250カウントに低下する。亜鉛(110)ピークは
約225カウントに低下し、亜鉛(103)ピークは存在しない。亜鉛(002):亜鉛
(100):亜鉛(101):亜鉛(102):亜鉛(110)のピーク高さ比は約2.
22:1.67:3.33:1.11:1である。
5カウントに低下した亜鉛(101)ピークを除いて、全ての亜鉛ピークが消失する。図
2Dに示されるように、酸素ガスを150sccm/m3で供給すると亜鉛ピークは完全
に消失するが、酸化亜鉛(002)ピークが約33.5〜35、強度約950カウントで
現れる。酸素流量を200sccm/m3にまで上げると、図2Eに示されるように、酸
化亜鉛(002)ピークの強度が約1000カウントにまで上昇する。
であるが、これは150sccm/m3で強い酸化亜鉛ピークが現れるからである。酸素
の流量はチャンバのサイズに比例すると理解すべきである。即ち、チャンバのサイズが上
がると酸素流量も上昇する。同様に、チャンバのサイズが下がると酸素流量も低下する。
の一実施形態による、様々な窒素ガス流量での半導体膜の形成を示すためのXRDグラフ
である。図3A〜3Fに示される各膜は、アルゴン流量600sccm/m3、2000
W、酸素流量100sccm/m3及び様々な窒素流量で堆積された。
約37の、約575カウントの強度を有する酸化亜鉛(101)及び亜鉛(002)のピ
ーク、約38〜40の、約380カウントの強度を有する亜鉛(100)のピーク、約4
2.5〜44の、約700カウントの強度を有する亜鉛(101)のピークを含む幾つか
の強いピークが現れている。約35.5〜37の、約390カウントの強度を有する酸化
亜鉛(002)、約53〜55の、約275カウントの強度を有する亜鉛(102)、約
69.5〜70の、約225カウントの強度を有する亜鉛(103)の小さいピーク及び
約70〜71の、約225カウントの強度を有する亜鉛(110)のピークも存在する。
酸化亜鉛(101):亜鉛(002):亜鉛(100):亜鉛(101):酸化亜鉛(0
02):亜鉛(102):亜鉛(103):亜鉛(110)のピーク高さ比は、約2.5
5:2.55:1.24:3.11:1.73:1.22:1:1である。
ように、亜鉛及び酸化亜鉛のピークが、酸化亜鉛がもはや存在しなくなるほど大幅に低下
した。窒素流量を500sccm/m3でにまで上げると、図3Cに示されるように、亜
鉛及び酸化亜鉛のピークの全てが低下して、膜はアモルファス構造となる。
新しいピークが現れる。第1のピークZn3N2(222)は、約31〜33、強度約2
050カウントで形成された。第2のピークZn3N2(411)は、約35〜42、強
度約1850カウントで形成された。Zn3N2(222):Zn3N2(411)のピ
ーク高さ比は約1.11:1である。窒素ガス流量を1250sccm/m3にまで上げ
ると、図3Eに示されるように、Zn3N2(222)ピークは約2500カウントにま
で強まり、Zn3N2(411)のピークは約2600カウントにまで強まる。Zn3N
2(222):Zn3N2(411)のピーク高さ比は約0.96:1である。窒素流量
を2500sccm/m3にまで上げると、図3Fに示されるように、Zn3N2(22
2)ピーク及びZn3N2(411)ピークが約2350カウントと2050カウントに
それぞれ減弱するが、新しいピークZn3N2(400)が、約36〜37.5、強度約
1700カウントで現れる。Zn3N2(222):Zn3N2(411):Zn3N2
(400)のピーク高さ比は、約1.38:1.21:1である。
るが、これは300sccm/m3で酸化亜鉛ピークが大きく低下し、実質的に酸化亜鉛
が膜中に存在しないからである。窒素の流量はチャンバのサイズに比例すると理解すべき
である。即ち、チャンバのサイズが上がると窒素流量も上昇する。同様に、チャンバのサ
イズが下がると窒素流量も低下する。
体膜は、約2:1を越える窒素:酸素流量比で堆積されることになる。一実施形態におい
て、窒素:酸素の流量比は10:1〜約50:1である。更に別の実施形態において、窒
素:酸素の流量比は20:1である。
の流量よりもはるかに多くなる。堆積される半導体材料は、アモルファスシリコンより高
い移動度を有する。表2は、本発明の一実施形態による、窒素ガス流量の関数としての移
動度を示す。
5cm2/Vs未満であった。酸素流量25sccm/m3の条件下で堆積された膜は、
窒素流量1500sccm/m3で約8cm2/Vsの移動度を有し、窒素流量2500
sccm/m3で約15cm2/Vsの移動度を有していた。酸素流量200sccm/
m3の条件下で堆積された膜は、窒素流量1500sccm/m3で約1cm2/Vsの
移動度を有し、窒素流量2500sccm/m3で約10cm2/Vsの移動度を有して
いた。酸素流量250sccm/m3での条件下で堆積された膜は、窒素流量500sc
cm/m3で約5cm2/Vsの移動度を有し、窒素流量1500sccm/m3で約2
cm2/Vsの移動度を有し、窒素流量2500sccm/m3で約12cm2/Vsの
移動度を有する。
が、酸素流量25sccm/m3以下で堆積された膜及び酸素流量200sccm/m3
以上で堆積された膜より著しく上昇した。加えて、酸素流量50sccm/m3〜150
sccm/m3で堆積された膜は、アモルファスシリコンよりはるかに高い移動度を有す
る。窒素流量1000sccm/m3〜2500sccm/m3では、殆どの場合、膜の
移動度は22cm2/Vsより高かった。約1cm2/Vsの移動度を有するアモルファ
スシリコンと比較すると、亜鉛、酸素及び窒素を含有する半導体膜は移動度が大きく改善
されている。このため、約10:1〜約50:1の窒素:酸素ガス流量比では、アモルフ
ァスシリコンの移動度の20倍、ポリシリコンの移動度の2倍を越える移動度を有する半
導体膜が得られる。表は特定の窒素ガス流量及び酸素ガス流量を示しているが、酸素ガス
及び窒素ガスの流量はチャンバのサイズに相対的なものであることから、異なるチャンバ
のサイズに合わせて流量を変えることが可能であると理解すべきである。
ア濃度及び抵抗率を示す。約10:1〜約50:1の窒素ガス:酸素ガス流量比の場合、
亜鉛、酸素及び窒素を含む半導体層のシート抵抗は、約100オーム/スクエア〜約10
000オーム/スクエアとなる。窒素流量及び酸素流量の両方が上昇すると、電子キャリ
ア濃度が低下する。この結果、抵抗率が上昇する。
。表4は、本発明の一実施形態による、アニーリング後の窒素ガス流量の関数としての移
動度を示す。アニーリング後、移動度は90cm2/Vsを越える。アニーリングは、窒
素雰囲気中で約400℃にて約5分間行われる。
表5は、1.0重量%のアルミニウム又は1.5重量%のアルミニウムがドープされた亜
鉛スパッタリングターゲットを反応的にスパッタする場合の、様々な窒素流量での移動度
、シート抵抗、キャリア濃度及び抵抗率を示す。
5℃で亜鉛スパッタリングターゲットをスパッタした場合の、様々な窒素流量での移動度
、シート抵抗、キャリア濃度及び抵抗率を示す。表6から見て取れるように、反応性スパ
ッタにより、アモルファスシリコン及びポリシリコンより高い移動度を有する半導体膜が
、室温に近い温度を含む、400℃よりはるかに低い温度で効果的に形成される。従って
、アニーリングをしなくとも、半導体膜はアモルファスシリコンよりも高い移動度を有す
る。
印加する電力はターゲットの面積に比例すると理解すべきである。従って、一般に、約1
0W/cm2〜約100W/cm2の電力値で望ましい結果が得られる。表7は、窒素ガ
ス流量が1500sccm/m3及び2500sccm/m3の場合の、印加したDC電
力が移動度、キャリア濃度及び抵抗率に与える影響を示す。約1000W〜2000Wの
電力レベルでは、アモルファスシリコンよりはるかに高い移動度を有する半導体膜が形成
される。
体材料(ZnNxOy等)を含む。一実施形態においては、三元化合物半導体材料にドー
プを施す(ZnNxOy:Al等)。三元半導体化合物は、高い電子移動度及び高い電子
キャリア密度を有する酸化亜鉛とは対照的に、室温で堆積された場合に高い移動度及び低
い電子キャリア密度を有する。一実施形態において、三元化合物は、30cm2/Vcm
より高い移動度及び1.0e+19#/ccより低い電子キャリア密度を有する。膜を約
400℃でアニールすると、膜の結晶方位及び組成を変えることなく、膜の移動度が10
0cm2/Vsより高く上昇し、電子キャリア密度は1.0e+18#/ccより低くな
る。たとえ膜がアモルファス化合物であったり配向が不十分な結晶化合物であっても、三
元化合物では高い移動度と低い電子密度が得られる。
は、典型的には約3.2eVのバンドギャップを有する。その一方で、亜鉛、窒素及び酸
素を有する三元化合物は、約3.1eV〜約1.2eVのバンドギャップを有する。窒素
対酸素流量比、電力密度、圧力、アニーリング及び堆積温度等の堆積パラメータを変化さ
せることにより、バンドギャップを調節することができる。バンドギャップが低いことか
ら、三元化合物は、光起電装置及びその他の電子デバイスに有用である。極めて高い処理
温度(600℃等)で、三元化合物の膜をp型又はn型の半導体材料に転化してもよい。
化合物の構造及び化学組成を根本的に変化させることなく、アニーリング又はプラズマ処
理に微調整を加えてもよい。微調整することにより、化合物の特性を、その化合物を使用
するデバイスの性能要件に合わせることができる。
しくはソーラーパネルにおける化合物層又はセンサデバイスにおける化合物層として有用
である。三元化合物は非常に安定している。以下の表8は、酸化ケイ素層及びガラス基板
の上に堆積された、本発明の三元化合物を有する構造体の原子組成を示す。三元化合物は
、アルミニウムをドープした亜鉛スパッタリングターゲットを用いて、酸素、アルゴン及
び窒素の雰囲気中でスパッタ堆積された。表8は、1:12:30の酸素:アルゴン:窒
素流量比及び50℃で堆積された構造体の原子組成の結果を示す。表9は、堆積から1週
間後の同じ膜を示す。表10は、堆積から2週間後の同じ膜を示す。
ムの膜として堆積された。天然のパッシベーション層が、三元化合物層の上に深さ約25
オングストロームで形成される。その後、層は約62原子百分率〜約71原子百分率の亜
鉛濃度、約18原子百分率〜約26原子百分率の酸素濃度、約4.0原子百分率〜約6.
1原子百分率の窒化物濃度及び約2.7原子百分率〜約4.7原子百分率の亜硝酸塩濃度
を2週間にわたって維持した。
11、12及び13はそれぞれ、表8、9及び10のアニールした三元化合物の組成を示
す。
パッシベーション層が深さ約25オングストロームで形成されることを示す。三元化合物
層は、約825オングストローム〜約850オングストロームの厚さを有し、約62原子
百分率〜約68原子百分率の亜鉛濃度、約18原子百分率〜約25原子百分率の酸素濃度
、約5.0原子百分率〜約6.3原子百分率の窒化物濃度及び3.0原子百分率〜約4.
9原子百分率の亜硝酸塩濃度も2週間にわたって有する。
する。表14、15及び16はそれぞれ、1:12:50の酸素:アルゴン:窒素流量比
、50℃での堆積時及び堆積から1週間後の三元化合物の組成を示す。
ション層が深さ約25オングストロームで形成される。三元化合物層は、約700オング
ストローム〜約750オングストロームの厚さを有し、また約65原子百分率〜約70原
子百分率の亜鉛濃度、約17原子百分率〜約20原子百分率の酸素濃度、約5.7原子百
分率〜約6.4原子百分率の窒化物濃度及び約3.4原子百分率〜約5.1原子百分率の
亜硝酸塩濃度を1週間後に有する。2週間後、亜鉛濃度は約55原子百分率〜約68原子
百分率に変化し、酸素濃度は約17原子百分率〜約42原子百分率に変化し、窒化物濃度
は約0.4原子百分率〜約6.4原子百分率に変化し、亜硝酸塩濃度は約0.2原子百分
率〜約4.5原子百分率に変化する。
17、18及び19はそれぞれ、表14、15及び16のアニールした三元化合物の組成
を示す。
ション層が深さ約25オングストローム〜約50オングストロームで形成される。2週間
後、三元化合物層は約700オングストローム〜約725オングストロームの厚さを有し
、また約65原子百分率〜約72原子百分率の亜鉛濃度、約16原子百分率〜約20原子
百分率の酸素濃度、約5.6原子百分率〜約6.6原子百分率の窒化物濃度及び約3.8
原子百分率〜約5.6原子百分率の亜硝酸塩濃度も有する。
窒化ケイ素、酸化ケイ素、炭化ケイ素又はその他の有機パッシベーション層等の別の層に
よってパッシベートされる。上の表は、高い窒素ガス流量で形成された三元化合物層が、
パッシベーション層をその上に堆積しなくても少なくとも2週間も持つことを示す。一実
施形態において、アニールすることなく高い窒素ガス流量で形成した三元化合物層は、パ
ッシベーション層をその上に堆積しなくても3週間も持つ。別の実施形態において、高い
窒素ガス流量と400℃のアニーリングにより形成された三元化合物層は、パッシベーシ
ョン層をその上に堆積しなくても4週間も持つ。
硝酸塩の両方について、ピークがX線光電子分光法(XPS)測定で見られる。亜硝酸塩
ピークは、約399〜約404eVの結合エネルギー、強度約5500〜約12000で
存在し、窒化物ピークは約393〜約396eV、強度約5500〜約12000で存在
する。XPSで測定した窒化物ピークの亜硝酸塩ピークに対する比は、約3:5〜約5:
3の範囲内におさまる。窒化物(N2O)のピークは、膜の酸素及び窒素を膜のものとは
異なる化学的な状態にする、試料のスパッタに負うところのアーチファクトである。
m〜約1000nmに等しい。このため、三元化合物は光の可視域をカバーするに十分な
低さのバンドギャップを有しており、太陽光線の利用に有用である。バンドギャップエネ
ルギーを、供給する酸素の量に応じて微調整してもよい。より多い量の酸素を供給するこ
とにより、バンドギャップは増大する。酸素流量へのバンドギャップの依存性は、大きな
流量状況において窒素流量とはほぼ無関係である。堆積中、三元化合物膜についてのバン
ドギャップエネルギーを傾斜型にして膜全体のバンドギャップを微調整してもよい。例え
ば、三元化合物層の表面近くのバンドギャップエネルギーを高くし、次に三元化合物層の
厚さ全体のバンドギャップエネルギーを調節するのが望ましい。アルゴン及び窒素の供給
量に対してバランスのとれた酸素量を制御することにより、堆積中、三元化合物のバンド
ギャップエネルギー分布を制御する。
を反応性スパッタすることにより、アモルファスシリコンより大きい移動度を有する安定
した半導体膜が形成される。本願に記載の半導体膜は、反応性スパッタ以外のその他の方
法で形成してもよいと理解すべきである。
なく本発明のその他及び更に別の実施形態を創作することができ、本発明の範囲は以下の
特許請求の範囲に基づいて定められる。
Claims (58)
- スパッタリングチャンバに亜鉛ターゲットを配置し、
酸素含有ガス及び窒素含有ガスを含むスパッタリングガスをチャンバに流し、
ターゲットにバイアスを印加し、
亜鉛、酸素及び窒素を含むアモルファス酸窒化物半導体層を基板上に堆積することを含むスパッタリング方法。 - 酸素含有ガス及び窒素含有ガスを、10:1〜100:1の窒素含有ガス:酸素含有ガスの流量比でチャンバに流す請求項1記載の方法。
- 流量比が20:1である請求項2記載の方法。
- 堆積された半導体層をアニールすることを更に含む請求項1記載の方法。
- 亜鉛がアルミニウムでドープされる請求項4記載の方法。
- 酸素含有ガスが酸素であり、窒素含有ガスが窒素である請求項1記載の方法。
- 窒素含有ガス及び酸素含有ガスが、N2OとN2との組み合わせを含む請求項1記載の方法。
- 堆積を25℃〜50℃の温度範囲内で行う請求項1記載の方法。
- 亜鉛を含む金属ターゲットを有するスパッタリングチャンバに、窒素含有ガス及び酸素含有ガスを流し、
亜鉛、酸素及び窒素を含むアモルファス酸窒化物半導体層を基板上にスパッタ堆積することを含むスパッタリング方法。 - 亜鉛、酸素及び窒素を含むアモルファス酸窒化物半導体膜。
- 100オーム/スクエア〜1x107オーム/スクエアのシート抵抗を含み、0.001〜30Ωcmの抵抗率を含み、30cm2/Vsを越える移動度を含み、80%にのぼる透過率を含み、3.1eV〜1.2eVの傾斜バンドギャップエネルギーを含み、XPSの測定で窒化物ピーク及び亜硝酸塩ピークを含み、XPSで403eVの結合エネルギー及び2.7原子百分率〜5.6原子百分率の濃度を有する亜硝酸塩ピークを含み、XPSで395eVの結合エネルギー及び4.0原子百分率〜6.6原子百分率の濃度を有する窒化物ピークを含む請求項10記載のアモルファス酸窒化物半導体膜。
- 亜鉛を含み、5cm2/Vsを越える移動度を有するアモルファス酸窒化物半導体膜。
- 酸素及び窒素と、
結晶方位(222)及び(411)のZn3N2結晶を更に含み、3.0eV未満のバンドギャップエネルギーを含み、XPSの測定で窒化物ピーク及び亜硝酸塩ピークを含み、2.7原子百分率〜5.6原子百分率の亜硝酸塩濃度を含み、4.0原子百分率〜6.6原子百分率の窒化物濃度を含み、アモルファスであり、XRD測定ではっきりとしたピークを有さない請求項12記載のアモルファス酸窒化物半導体膜。 - X線回折で測定すると、Zn3N2の第1のピークと、Zn3N2の第2のピークを有するアモルファス酸窒化物半導体膜。
- 第1のピークが結晶方位(222)のZn3N2結晶を含み、第2のピークが結晶方位(411)のZn3N2結晶を含み、第1のピークと第2のピークの比が1.11:1であり、第1のピークが31〜33に在り、第2のピークが35〜42.5に在り、膜が3.0eV未満のバンドギャップエネルギーを含み、2.7原子百分率〜5.6原子百分率の亜硝酸塩濃度を含み、4.0原子百分率〜6.6原子百分率の窒化物濃度を含む請求項14記載のアモルファス酸窒化物半導体膜。
- 反応性スパッタリングによって形成され、亜鉛、酸素、及び窒素の三元化合物を含むアモルファス半導体膜。
- 約100オーム/スクエア〜約1x107オーム/スクエアのシート抵抗を有する請求項16記載の半導体膜。
- 約0.001〜約30Ωcmの抵抗率を有する請求項16記載の半導体膜。
- 約30cm2/Vsを越える移動度を有する請求項16記載の半導体膜。
- 約90cm2/Vsを越える移動度を有する請求項19記載の半導体膜。
- 約80%にのぼる透過率を有する請求項16記載の半導体膜。
- 約3.1eV〜約1.2eVの傾斜バンドギャップエネルギーを有する請求項16記載の半導体膜。
- 化合物がZnNxOyである請求項16記載の半導体膜。
- 化合物はドーパントを含む請求項23記載の半導体膜。
- ドーパントはアルミニウムを含む請求項24記載の半導体膜。
- 約100オーム/スクエア〜約1x107オーム/スクエアのシート抵抗を有する請求項25記載の半導体膜。
- 約0.001〜約30Ωcmの抵抗率を有する請求項23記載の半導体膜。
- 約30cm2/Vsを越える移動度を有する請求項23記載の半導体膜。
- 約90cm2/Vsを越える移動度を有する請求項28記載の半導体膜。
- 約80%にのぼる透過率を有する請求項23記載の半導体膜。
- 約3.1eV〜約1.2eVの傾斜バンドギャップエネルギーを有する請求項23記載の半導体膜。
- スパッタリングチャンバに亜鉛ターゲットを配置し、
酸素含有ガス及び窒素含有ガスを含むスパッタリングガスをチャンバに流し、
ターゲットにバイアスを印加し、
亜鉛、酸素及び窒素を含み、20cm2/Vsを越える移動度を有する半導体層を基板上に堆積することを含み、酸素含有ガス及び窒素含有ガスを、約10:1〜約100:1の窒素含有ガス:酸素含有ガスの流量比でチャンバに流すスパッタリング方法。 - 流量比が約20:1である請求項32記載の方法。
- 堆積された半導体層をアニールすることを更に含む請求項32記載の方法。
- 亜鉛がアルミニウムでドープされる請求項34記載の方法。
- 酸素含有ガスが酸素である請求項32記載の方法。
- 窒素含有ガスが窒素である請求項36記載の方法。
- 基板が約0.04平方メートルを越える表面積を有する請求項32記載の方法。
- 堆積を約25℃〜約50℃の温度範囲内で行う請求項32記載の方法。
- 亜鉛を含む金属ターゲットを有するスパッタリングチャンバに窒素含有ガス及び酸素含有ガスを流し、
ターゲットにバイアスを印加し、
亜鉛、酸素及び窒素を含み、20cm2/Vsを越える移動度を有する半導体層を基板上に堆積することを含み、酸素含有ガス及び窒素含有ガスを、約10:1〜約100:1の窒素含有ガス:酸素含有ガスの流量比でチャンバに流すスパッタリング方法。 - 流量比が約20:1である請求項40記載の方法。
- 堆積された半導体層をアニールすることを更に含む請求項40記載の方法。
- 亜鉛がアルミニウムでドープされる請求項42記載の方法。
- 酸素含有ガスが酸素である請求項40記載の方法。
- 窒素含有ガスが窒素である請求項44記載の方法。
- 基板が約0.04平方メートルを越える表面積を有する請求項40記載の方法。
- 堆積を約25℃〜約50℃の温度範囲内で行う請求項40記載の方法。
- 半導体層は酸窒化物を含む請求項47記載の方法。
- 半導体層は酸窒化物を含む請求項32記載の方法。
- 亜鉛、酸素、及び窒素の三元化合物を含み、約100オーム/スクエア〜約1x105オーム/スクエアのシート抵抗を有する半導体膜であって、三元化合物はZnNxOyとドーパントを含む半導体膜。
- 約0.001〜約30Ωcmの抵抗率を有する請求項50記載の半導体膜。
- 約30cm2/Vsを越える移動度を有する請求項50記載の半導体膜。
- 約90cm2/Vsを越える移動度を有する請求項52記載の半導体膜。
- 約80%にのぼる透過率を有する請求項1記載の半導体膜。
- 約3.1eV〜約1.2eVの傾斜バンドギャップエネルギーを有する請求項1記載の半導体膜。
- ドーパントはアルミニウムを含む請求項50記載の半導体膜。
- 約20cm2/Vsを越える移動度を有する請求項50記載の半導体膜。
- パッシベーション部分を含む請求項50記載の半導体膜。
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