JP2017103462A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Abstract
Description
グターゲットを用いて製造された、酸化物半導体を用いる半導体装置の作製方法に関する
。
置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
主にアモルファスシリコン、または多結晶シリコンなどの半導体材料を用いて作製される
。アモルファスシリコンを用いたトランジスタは、電界効果移動度が低いもののガラス基
板の大面積化に対応することができ、一方、多結晶シリコンを用いたトランジスタは、電
界効果移動度が高いもののレーザアニールなどの結晶化工程が必要であり、ガラス基板の
大面積化には必ずしも適応しないといった特性を有している。
スタを電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば、半導体材料
として酸化亜鉛、In−Ga−Zn系酸化物半導体を用いてトランジスタを作製し、画像
表示装置のスイッチング素子などに用いる技術が特許文献1及び特許文献2で開示されて
いる。
モルファスシリコンを用いたトランジスタよりも高い電界効果移動度が得られている。酸
化物半導体膜はスパッタリング法などによって比較的低温で膜形成が可能であり、多結晶
シリコンを用いたトランジスタよりも製造工程が簡単である。
成し、液晶ディスプレイ、エレクトロルミネセンスディスプレイ(ELディスプレイとも
いう)または電子ペーパーなどの表示装置への応用が期待されている。
えない。例えば、酸化物半導体膜を用いたトランジスタには、制御された閾値電圧、速い
動作速度、そして十分な信頼性が求められている。
とする。また、その酸化物半導体膜を用いた信頼性の高い半導体素子を作製する方法を提
供することを課題の一とする。
に影響される。また、酸化物半導体膜に含まれるキャリアは、酸化物半導体膜に含まれる
不純物により発生する。例えば、成膜された酸化物半導体膜に含まれるH2Oに代表され
る水素原子を含む化合物や、アルカリ金属を含む化合物、もしくはアルカリ土類金属を含
む化合物等の不純物は、酸化物半導体膜のキャリア密度を高める。
る不純物、例えば、H2Oに代表される水素原子を含む化合物、アルカリ金属を含む化合
物、もしくはアルカリ土類金属を含む化合物等の不純物を排除すればよい。具体的には、
成膜に用いるスパッタリングターゲットの中の不純物であるアルカリ金属、アルカリ土類
金属、及び水素を排除することにより得られる新規なスパッタリングターゲットを用いれ
ば、これらの不純物の含有量の少ない酸化物半導体膜を成膜することができる。
グターゲットであって、亜鉛、アルミニウム、ガリウム、インジウム、またはスズから選
ばれた少なくとも一の酸化物の焼結体を含み、SIMSにおける焼結体の含有アルカリ金
属濃度が5×1016cm−3以下であることを特徴とする。さらに、SIMSにおける
その焼結体の含有水素濃度が1×1019cm−3以下、好ましくは1×1018cm−
3以下、さらに好ましくは1×1016cm−3未満であることを特徴とする。
下、好ましくは1×1016cm−3以下、さらに好ましくは1×1015cm−3以下
とする。また、SIMSにおけるLi(リチウム)の濃度が5×1015cm−3以下、
好ましくは1×1015cm−3以下とする。また、SIMSにおけるK(カリウム)の
濃度が5×1015cm−3以下、好ましくは1×1015cm−3以下とする。
も問題がなく、ナトリウムのようなアルカリ金属が多量に含まれる廉価なソーダ石灰ガラ
スも使えると指摘されている(神谷、野村、細野、「アモルファス酸化物半導体の物性と
デバイス開発の現状」、アグネ技術センター、固体物理、2009年9月号、Vol.4
4、p.621−633)。しかし、このような指摘は適切でない。
悪性の不純物であり、少ないほうがよい。特にアルカリ金属のうち、Naは酸化物半導体
層に接する絶縁膜が酸化物であった場合、その中に拡散し、Na+となる。また、酸化物
半導体層内において、金属と酸素の結合を分断し、あるいは結合中に割り込む。その結果
、トランジスタ特性の劣化(例えば、ノーマリオン化(しきい値の負へのシフト)、移動
度の低下等)をもたらす。加えて、特性のばらつきの原因ともなる。このような問題は、
特に酸化物半導体層中の水素の濃度が十分に低い場合において顕著となる。したがって、
酸化物半導体層中の水素の濃度が5×1019cm−3以下、特に5×1018cm−3
以下である場合には、アルカリ金属の濃度を上記の値にすることが強く求められる。
度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Sp
ectroscopy)による測定値を用いる。なお、SIMS分析は、その原理上、試
料表面近傍や、材質が異なる膜との積層界面近傍のデータを正確に得ることが困難である
ことが知られている。そこで、膜中における不純物濃度の厚さ方向の分布を、SIMSで
分析する場合、不純物濃度は、対象となる膜の存在する範囲において、極端な変動が無く
、ほぼ一定の強度が得られる領域における最低値を採用する。また、測定の対象となる膜
の厚さが小さい場合、隣接する膜中の不純物濃度の影響を受けて、ほぼ一定の強度の得ら
れる領域を見いだせない場合がある。この場合、当該膜の存在する領域における、最低値
を、不純物濃度として採用する。
が少ないスパッタリングターゲットを提供することが可能である。また、そのスパッタリ
ングターゲットを用い、不純物の低減された酸化物半導体膜を成膜することが可能である
。また、不純物の含有量が少ない酸化物半導体膜を用いた信頼性の高い半導体素子を作製
する方法を提供することができる。
以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれ
ば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈さ
れるものではない。
本実施の形態では、本発明の一態様であるスパッタリングターゲットの製造方法について
図1を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係るスパッタリングターゲットの製造
方法の一例を示すフローチャートである。
l、Snなど)をそれぞれ蒸留、昇華、または再結晶を繰り返して精製する(S101)
。その後、それぞれ精製した金属を粉末状に加工する。なお、スパッタリングターゲット
の材料として、GaやSiを用いる場合は、ゾーンメルト法や、チョクラルスキー法を使
って単結晶を得た後、粉末状に加工する。そして、これら各スパッタリングターゲット材
料を高純度の酸素雰囲気下で焼成して酸化させる(S102)。そして得られた各酸化物
粉末の秤量を適宜行い、秤量した各酸化物粉末を混合する(S103)。
99999%)以上、(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)
の純度とする。
するものとし、例えば、In2O3、Ga2O3、及びZnOを、組成比として、In2
O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1[mol数比]となるように秤量する。
は、In−Ga−Zn系酸化物半導体用スパッタリングターゲットに限られるものではな
く、他にも、In−Sn−Ga−Zn系酸化物半導体用スパッタリングターゲット、In
−Sn−Zn系酸化物半導体用スパッタリングターゲット、In−Al−Zn系酸化物半
導体用スパッタリングターゲット、Sn−Ga−Zn系酸化物半導体用スパッタリングタ
ーゲット、Al−Ga−Zn系酸化物半導体用スパッタリングターゲット、Sn−Al−
Zn系酸化物半導体用スパッタリングターゲット、In−Zn系酸化物半導体用スパッタ
リングターゲット、Sn−Zn系酸化物半導体用スパッタリングターゲット、Al−Zn
系酸化物半導体用スパッタリングターゲット、In系酸化物半導体用スパッタリングター
ゲット、Sn系酸化物半導体用スパッタリングターゲット、Zn系酸化物半導体用スパッ
タリングターゲットなどが挙げられる。
)。スパッタリングターゲット材料を焼成することにより、スパッタリングターゲットに
水素や水分やハイドロカーボン等が混入することを防ぐことが出来る。焼成は、不活性ガ
ス雰囲気(窒素または希ガス雰囲気)下、真空中または高圧雰囲気中で行うことができ、
さらに機械的な圧力を加えながら行ってもよい。焼成法としては、常圧焼成法、加圧焼成
法等を適宜用いることができる。また、加圧焼成法としては、ホットプレス法、熱間等方
加圧(HIP;Hot Isostatic Pressing)法、放電プラズマ焼結
法、又は衝撃法を適用することが好ましい。焼成の最高温度はスパッタリングターゲット
材料の焼結温度により選択するが、1000℃〜2000℃程度とするのが好ましく、1
200℃〜1500℃とするのがより好ましい。また、最高温度の保持時間は、スパッタ
リングターゲット材料により選択するが、0.5時間〜3時間とするのが好ましい。
00%以下、より好ましくは95%以上99.9%以下とするのが好ましい。
トに成形するための機械加工を施す(S105)。加工手段としては、例えば機械的研磨
、化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing C
MP)、またはこれらの併用等を用いることができる。
ってもよい。ただし、洗浄として水や有機溶媒に浸漬させた超音波洗浄、流水洗浄等によ
ってスパッタリングターゲットを洗浄する場合、その後にターゲット中及び表面の含水素
濃度が充分低減するための加熱処理を行うことが好ましい。
性ガス雰囲気(窒素または希ガス雰囲気)中で行うのが好ましく、加熱処理の温度は、ス
パッタリングターゲット材料によって異なるが、スパッタリングターゲット材料が変性し
ない温度とする。具体的には、150℃以上であって750℃以下、好ましくは425℃
以上であって750℃以下とする。また、加熱時間は、具体的には0.5時間以上、好ま
しくは1時間以上とする。なお、加熱処理は、真空中または高圧雰囲気中で行ってもよい
。
る(S107)。バッキングプレートは、スパッタリングターゲット材料の冷却とスパッ
タ電極としての役割をもつため、熱伝導性および導電性に優れた銅を用いることが好まし
い。また、銅以外にも、チタン、銅合金、ステンレス合金等を用いることも可能である。
ターゲットを分割して一枚のバッキングプレートにボンディングしてもよい。図2(A)
(B)にスパッタリングターゲットを分割して一枚のバッキングプレートに貼り付ける(
ボンディング)する例を示す。
ングターゲット851a、851b、851c、851dと4分割して貼り付ける例であ
る。また、図2(B)はより多数にスパッタリングターゲットを分割した例であり、バッ
キングプレート850にスパッタリングターゲット852をスパッタリングターゲット8
52a、852b、852c、852d、852e、852f、852g、852h、8
52iと9分割して貼り付けている。なお、スパッタリングターゲットの分割数及びター
ゲット形状は図2(A)(B)に限定されない。スパッタリングターゲットを分割すると
バッキングプレートに貼り付ける際のスパッタリングターゲットの反りを緩和することが
できる。このような分割したスパッタリングターゲットは、大面積基板に成膜する場合、
それに伴って大型化するスパッタリングターゲットに特に好適に用いることができる。も
ちろん、一枚のバッキングプレートに一枚のスパッタリングターゲットを貼り付けてもよ
い。
物の再混入を防止するため、高純度の酸素ガス、高純度のN2Oガス、又は超乾燥エア(
露点が−40℃以下、好ましくは−60℃以下)雰囲気で搬送、保存等するのが好ましい
。または、ステンレス合金等の透水性の低い材料で形成された保護材で覆ってもよく、ま
たその保護材とターゲットの間隙に上述のガスを導入しても良い。酸素ガスまたはN2O
ガスには、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、酸素ガスまたはN2Oガ
スの純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以
上、(即ち酸素ガスまたはN2Oガス中の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1
ppm以下)とすることが好ましい。
の形態で示すスパッタリングターゲットは、製造工程において、それぞれ精製した高純度
の材料を用いることで不純物の含有量の少ないものとすることができる。また、当該ター
ゲットを用いて作製された酸化物半導体膜が含有する不純物の濃度も低減することができ
る。
(窒素または希ガス雰囲気)下で行うことが好ましい。
性ガス雰囲気(窒素または希ガス雰囲気)下で行うことで、スパッタリングターゲットに
水素や水分やアルカリ金属等が付着することを防ぐことができる。
ゲット材料中に残存している水素を除去するために脱水素処理を行うことが好ましい。脱
水素処理としては成膜チャンバー内を減圧下で200℃〜600℃に加熱する方法や、加
熱しながら窒素や不活性ガスの導入と排気を繰り返す方法等がある。
−10Pa・m3/秒以下とし、特に排気手段としてクライオポンプを用いて水の不純物
としての混入を減らし、逆流防止も図ることが好ましい。
装置を用いてトランジスタを作製する例を図3を用いて説明する。トランジスタを作製す
る工程においても、スパッタ装置で成膜された酸化物半導体膜に対して、H2Oに代表さ
れる水素原子を含む化合物や、アルカリ金属を含む化合物、もしくはアルカリ土類金属を
含む化合物等の不純物が混入しないようにすることが好ましい。
工程、及びエッチング工程によりゲート電極層112を形成する。
施の形態では下地膜101を設ける。下地膜101は、基板100からの不純物元素(N
aなど)の拡散を防止する機能があり、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン、
酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ガリウムアルミニウム(Gax
Al2−xO3+y(xは0以上2以下、yは0より大きく、1未満))から選ばれた膜
で形成することができる。下地膜101を設けることによって、後に形成する酸化物半導
体膜に基板100からの不純物元素(Naなど)が拡散されることをブロックできる。ま
た、該下地膜は単層に限らず、上記の複数の膜の積層であっても良い。
層102を形成する(図3(A)参照)。ゲート絶縁層102の形成時も、アルカリ金属
を含む化合物、もしくはアルカリ土類金属を含む化合物等の不純物が混入しないようにす
ることが好ましく、下地膜101の成膜後、大気にふれることなくゲート絶縁層102を
形成する。
02上に膜厚1nm以上10nm以下の第1の酸化物半導体膜をスパッタリング法により
形成する。本実施の形態では、酸化物半導体用ターゲット(In−Ga−Zn系酸化物半
導体用ターゲット(In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:2[mol数比])を用
いて、基板とターゲットの間との距離を170mm、基板温度250℃、圧力0.4Pa
、直流(DC)電源0.5kW、酸素のみ、アルゴンのみ、又はアルゴン及び酸素雰囲気
下で膜厚5nmの第1の酸化物半導体膜を成膜する。酸化物半導体用ターゲットは、酸化
亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、または酸化スズから選ばれた
少なくとも一の酸化物の焼結体を含み、SIMSにおける前記焼結体の含有アルカリ金属
濃度が5×1016cm−3以下とする。また、前記焼結体は、SIMSにおけるNaの
濃度が5×1016cm−3以下、好ましくは1×1016cm−3以下、さらに好まし
くは1×1015cm−3以下とする。また、前記焼結体は、SIMSにおけるLiの濃
度が5×1015cm−3以下、好ましくは1×1015cm−3以下とする。また、前
記焼結体は、SIMSにおけるKの濃度が5×1015cm−3以下、好ましくは1×1
015cm−3以下とする。
囲気を窒素、または乾燥空気とし、第1の加熱処理を行う。第1の加熱処理の温度は、4
00℃以上750℃以下とする。また、第1の加熱処理の加熱時間は1分以上24時間以
下とする。第1の加熱処理によって第1の結晶性酸化物半導体膜108aを形成する(図
3(B)参照)。
08a上に10nmよりも厚い第2の酸化物半導体膜をスパッタリング法により形成する
。本実施の形態では、酸化物半導体用ターゲット(In−Ga−Zn系酸化物半導体用タ
ーゲット(In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:2[mol数比])を用いて、基
板とターゲットの間との距離を170mm、基板温度400℃、圧力0.4Pa、直流(
DC)電源0.5kW、酸素のみ、アルゴンのみ、又はアルゴン及び酸素雰囲気下で膜厚
25nmの第2の酸化物半導体膜を成膜する。酸化物半導体用ターゲットは、酸化亜鉛、
酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、または酸化スズから選ばれた少なく
とも一の酸化物の焼結体を含み、SIMSにおける前記焼結体の含有アルカリ金属濃度が
5×1016cm−3以下とする。また、前記焼結体は、SIMSにおけるNaの濃度が
5×1016cm−3以下、好ましくは1×1016cm−3以下、さらに好ましくは1
×1015cm−3以下とする。また、前記焼結体は、SIMSにおけるLiの濃度が5
×1015cm−3以下、好ましくは1×1015cm−3以下とする。また、前記焼結
体は、SIMSにおけるKの濃度が5×1015cm−3以下、好ましくは1×1015
cm−3以下とする。
される水素原子を含む化合物や、アルカリ金属を含む化合物、もしくはアルカリ土類金属
を含む化合物等の不純物が混入しないようにすることが好ましく、具体的には、基板とタ
ーゲットの間との距離(TS距離とも呼ぶ)を長くすることによって質量の重い不純物元
素を排気し、成膜中での混入を低減する、または成膜室内を高真空として基板上に付着し
たH2Oなどを膜形成面から再蒸発させる。また、成膜時の基板温度を250℃以上45
0℃以下とすることによって、H2Oに代表される水素原子を含む化合物や、アルカリ金
属を含む化合物、もしくはアルカリ土類金属を含む化合物等の不純物が酸化物半導体膜中
に混入することを防ぐことが好ましい。
囲気を窒素、または乾燥空気とし、第2の加熱処理を行う。第2の加熱処理の温度は、4
00℃以上750℃以下とする。また、第2の加熱処理の加熱時間は1分以上24時間以
下とする。第2の加熱処理によって第2の結晶性酸化物半導体膜108bを形成する(図
3(C)参照)。
らなる酸化物半導体積層を加工して島状の酸化物半導体積層を形成する(図3(D)参照
)。
該酸化物半導体積層をエッチングすることによって行うことができる。上述のマスクは、
フォトリソグラフィなどの方法を用いて形成することができる。または、インクジェット
法などの方法を用いてマスクを形成しても良い。
よい。もちろん、これらを組み合わせて用いてもよい。
される配線を含む)を形成するための導電膜を形成し、当該導電膜を加工して、ソース電
極層104aおよびドレイン電極層104bを形成する。
絶縁膜110a、絶縁膜110bを形成する(図3(E)参照)。絶縁膜110aは、酸
化物絶縁材料を用い、成膜後に第3の加熱処理を行うことが好ましい。第3の加熱処理に
よって、絶縁膜110aから酸化物半導体積層への酸素供給が行われる。第3の加熱処理
の条件は、不活性雰囲気、酸素雰囲気、酸素と窒素の混合雰囲気下で、200℃以上40
0℃、好ましくは250℃以上320℃以下とする。また、第3の加熱処理の加熱時間は
1分以上24時間以下とする。
112、ゲート絶縁層102、チャネル形成領域を含む酸化物半導体積層、ソース電極層
104a、ドレイン電極層104b、絶縁膜110aを含む。酸化物半導体積層を覆って
ソース電極層104a、及びドレイン電極層104bが設けられる。酸化物半導体積層に
おいて、ゲート絶縁層102を介してゲート電極層112と重なる領域の一部がチャネル
形成領域として機能する。
半導体積層を指す)は、SIMSにおけるNaの濃度が5×1016cm−3以下、好ま
しくは1×1016cm−3以下、さらに好ましくは1×1015cm−3以下とする。
また、トランジスタ150のチャネル形成領域を含む半導体層は、SIMSにおけるLi
の濃度が5×1015cm−3以下、好ましくは1×1015cm−3以下とする。また
、トランジスタ150のチャネル形成領域を含む半導体層は、SIMSにおけるKの濃度
が5×1015cm−3以下、好ましくは1×1015cm−3以下とする。
MSにおける水素の濃度が5×1019cm−3以下、特に5×1018cm−3以下と
することが好ましい。
の結晶性酸化物半導体膜108a、及び第2の結晶性酸化物半導体膜108bの積層とな
る。第1の結晶性酸化物半導体膜108a、及び第2の結晶性酸化物半導体膜108bは
、c軸配向を有している。第1の結晶性酸化物半導体膜108a及び第2の結晶性酸化物
半導体膜108bは、単結晶構造ではなく、非晶質構造でもない構造であり、c軸配向を
有した結晶(C Axis Aligned Crystal; CAACとも呼ぶ)を
含む酸化物を有する。なお、第1の結晶性酸化物半導体膜108a及び第2の結晶性酸化
物半導体膜108bは、一部に結晶粒界を有しており、非晶質構造(アモフルファス構造
)の酸化物半導体膜とは明らかに別材料である。
は、トランジスタに光照射が行われ、またはバイアス−熱ストレス(BT)試験前後にお
いてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減でき、安定した電気的特性を有する。
トップゲート型のトランジスタを作製することもできる。
101 下地膜
102 ゲート絶縁層
104a ソース電極層
104b ドレイン電極層
108a 第1の結晶性酸化物半導体膜
108b 第2の結晶性酸化物半導体膜
110a 絶縁膜
110b 絶縁膜
112 ゲート電極層
150 トランジスタ
850 バッキングプレート
851 スパッタリングターゲット
851a スパッタリングターゲット
851b スパッタリングターゲット
851c スパッタリングターゲット
851d スパッタリングターゲット
852 スパッタリングターゲット
852a スパッタリングターゲット
852b スパッタリングターゲット
852c スパッタリングターゲット
852d スパッタリングターゲット
852e スパッタリングターゲット
852f スパッタリングターゲット
852g スパッタリングターゲット
852h スパッタリングターゲット
852i スパッタリングターゲット
Claims (2)
- スパッタリングターゲットを用いてスパッタリング法によって酸化物半導体膜を形成する工程と、
前記酸化物半導体膜上に接する領域を有するソース電極と、前記酸化物半導体上に接する領域を有するドレイン電極を形成する工程と、
前記酸化物半導体上に接する領域と、前記ソース電極上に接する領域と、前記ドレイン電極上に接する領域とを有する酸化物絶縁膜を形成する工程と、
前記酸化物絶縁膜を形成後、加熱処理を行う工程と、有し、
前記スパッタリングターゲットは、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、または酸化スズから選ばれた少なくとも一の酸化物の焼結体を含み、
SIMSにおける前記焼結体の含有アルカリ金属濃度は、5×1016cm−3以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 第1のスパッタリングターゲットを用いてスパッタリング法によって第1の酸化物半導体膜を形成する工程と、
第2のスパッタリングターゲットを用いてスパッタリング法によって前記第1の酸化物半導体膜上に第2の酸化物半導体膜を形成する工程と、
前記第2の酸化物半導体膜上に接する領域を有するソース電極と、前記第2の酸化物半導体上に接する領域を有するドレイン電極を形成する工程と、
前記第2の酸化物半導体上に接する領域と、前記ソース電極上に接する領域と、前記ドレイン電極上に接する領域とを有する酸化物絶縁膜を形成する工程と、
前記酸化物絶縁膜を形成後、加熱処理を行う工程と、有し、
前記第1のスパッタリングターゲット及び前記第2のスパッタリングターゲットの各々は、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、または酸化スズから選ばれた少なくとも一の酸化物の焼結体を含み、
SIMSにおける前記焼結体の含有アルカリ金属濃度は、5×1016cm−3以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
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