JP7462438B2 - 酸化物半導体薄膜及びそれを用いた薄膜トランジスタ、並びにそれらを形成するためのスパッタリングターゲット - Google Patents
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Description
また、薄膜トランジスタのサイズに応じて適切にドレイン電流を制御する観点から、ディスプレイ等の実際のデバイスを設計する際に、薄膜トランジスタのチャネルサイズの変化に対するドレイン電流の変化の線形性が高いことが求められる。
更に、薄膜トランジスタを製造する際に、酸化物半導体薄膜がエッチング液に対して高い耐性を示すことも求められる。
Inと、Gaと、Znと、Snと、Oとを含有し、
In、Ga、Zn及びSnの含有量の合計に対して、In含有量の割合が45~65原子%、Ga含有量の割合が5~16原子%、Zn含有量の割合が10~40原子%、Sn含有量の割合が3~10原子%である、
酸化物半導体薄膜である。
Inと、Gaと、Znと、Snとを含有し、
In、Ga、Zn及びSnの含有量の合計に対して、In含有量の割合が45~65原子%、Ga含有量の割合が5~16原子%、Zn含有量の割合が10~40原子%、Sn含有量の割合が3~10原子%である、
スパッタリングターゲットである。
以下、本発明の実施形態に係る酸化物半導体薄膜及び薄膜トランジスタの詳細を説明する。
本発明の実施形態に係る酸化物半導体薄膜は、
Inと、Gaと、Znと、Snと、Oとを含有し、
In、Ga、Zn及びSnの含有量の合計に対して、In含有量の割合(以下、「In原子数比」と呼ぶことがある)が45~65原子%、Ga含有量の割合(以下、「Ga原子数比」と呼ぶことがある)が5~16原子%、Zn含有量の割合(以下、「Zn原子数比」と呼ぶことがある)が10~40原子%、Sn含有量の割合(以下、「Sn原子数比」と呼ぶことがある)が3~10原子%である。
上記作用を有効に発揮させるには、In原子数比は、45原子%以上とする必要があり、好ましくは50原子%以上である。但し、In原子数比が大き過ぎると、酸化物半導体薄膜の抵抗が低下して導電率が高くなり過ぎ、薄膜トランジスタとして動作しなくなる。そのため、In原子数比は、65原子%以下とする必要があり、好ましくは60原子%以下、より好ましくは55原子%以下である。
Ga原子数比が5原子%未満であると、エッチング耐性が低下し、また、ストレス耐性が劣化するため、上記作用を有効に発揮させるには、Gaは5原子%以上とする必要がある。Ga原子数比は、好ましくは8原子%以上、より好ましくは10原子%以上である。但し、Ga原子数比が大き過ぎると、酸化物半導体薄膜のキャリア密度が低くなり、移動度が低下する。また、酸化物半導体層を形成するためのスパッタリングターゲット材の電導度が低下し、直流放電が安定して持続することが困難となる。そのため、Ga原子数比は、16原子%以下とする必要があり、好ましくは15原子%以下、より好ましくは12原子%以下である。
上記作用を有効に発揮させるには、Sn原子数比は、3原子%以上とする必要があり、好ましくは5原子%以上、より好ましくは6原子%以上である。一方、Sn原子数比が大き過ぎると、酸化物半導体薄膜の有機酸及び/又は無機酸のエッチング液に対する耐性が必要以上に高まり、酸化物半導体薄膜のエッチング加工が困難になる。また、Sn原子数比が大き過ぎると、水素拡散の影響を強く受けることで、チャネルサイズの変化に対するドレイン電流の変化の線形性が低下する恐れがある。そのため、Sn原子数比は、10原子%以下とする必要があり、好ましくは8原子%以下、より好ましくは7原子%以下である。
また、Sn含有量に対するZn含有量の割合を2.4超とすることにより、酸化物半導体薄膜の導電性を低い状態とすることがより容易となるため、後述する電流経路の変更又は実効的なチャネルサイズの変動を抑制することがより容易となる。
Sn含有量に対するZn含有量の割合は、より好ましくは3.0以上、更に好ましくは4.0以上であり、より好ましくは7.0以下、更に好ましくは5.5以下である。
保護膜形成後のポストアニール処理において、ポストアニール処理を行う前後でのシート抵抗の変化は大きい方が好ましい。例えば、290℃でポストアニール処理を行った酸化物半導体層のシート抵抗と、250℃でポストアニール処理を行った場合の酸化物半導体層のシート抵抗との比較において、(290℃のポストアニール処理後の酸化物半導体層のシート抵抗)/(250℃のポストアニール処理後の酸化物半導体層のシート抵抗)は0.6未満又は1.6超であることが好ましい。
ポストアニール処理前の酸素関連欠陥等の有無にも依存するが、保護膜形成後、ポストアニール処理を行う前の酸化物半導体層のキャリア密度Dに対するポストアニール処理を行った後の酸化物半導体層のキャリア密度D’の比(D’/D)は、好ましくは1.5以下、より好ましくは1.0以下である。例えば、ポストアニール処理後の酸化物半導体薄膜のキャリア密度は、好ましくは1×1019/cm3未満であり、より高い電界効果移動度を得る観点から、より好ましくは5×1016/cm3以上である。
本発明の実施形態に係る酸化物半導体薄膜(酸化物半導体層)は、その製造方法は特に限定されず、従来と同様の方法及び条件で製造することができ、例えば、スパッタリング法等により製造することができる。
続いてスパッタリング法等によりソース・ドレイン電極を形成してパターニングを行った後、CVD法等により保護膜を成膜する。保護膜の成膜においても加熱がなされる。CVD法により保護膜を形成する場合、成膜時間を調整することにより、膜厚を変えることができる。バックチャネルエッチ型の場合には、回復アニールを行った後、再度保護膜の成膜を行う。その後、コンタクトホールのエッチングを行い、ポストアニール処理(熱処理)をすることで薄膜トランジスタを得ることができる。
上述のように、本発明の実施形態に係る酸化物半導体薄膜(酸化物半導体層)は、その製造方法は特に限定されないが、スパッタリング法により製造する場合、酸化物半導体薄膜(酸化物半導体層)と同じ金属元素を同じ原子数比で含む、本発明の実施形態に係るスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。これにより、スパッタリングターゲットと酸化物半導体薄膜(酸化物半導体層)との間の組成のズレが少なく、所望の成分組成の酸化物半導体薄膜(酸化物半導体層)を形成することができる。
Inと、Gaと、Znと、Snとを含有し、
In、Ga、Zn及びSnの含有量の合計に対して、In含有量の割合が45~65原子%、Ga含有量の割合が5~16原子%、Zn含有量の割合が10~40原子%、Sn含有量の割合が3~10原子%である。
以下のようにして、図1及び2に示される薄膜トランジスタを作製した。図1は、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタの概略的平面図であり、図2は、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタの概略的断面図である。
キャリアガス:SiH4とN2Oとの混合ガス
成膜パワー密度:0.96W/cm2
成膜温度:320℃
成膜時のガス圧:200Pa
成膜法:DCスパッタリング法
装置:株式会社アルバック製 CS200
成膜温度:室温
ガス圧:1mTorr
キャリアガス:Ar
酸素分圧:100×O2/(Ar+O2)=4体積%
成膜パワー密度:2.55W/cm2
投入パワー:DC300W(成膜パワー密度:3.8W/cm2)
キャリアガス:Ar
ガス圧:2mTorr
成膜パワー密度:0.32W/cm2
成膜温度:150℃
成膜時のガス圧:133Pa
表1に示す組成を有する酸化物半導体層4を有する薄膜トランジスタを用いて、ドレイン電流(Id)-ゲート電圧(Vg)特性を測定した。具体的には、Id-Vg特性は、ゲート電圧、ソース・ドレイン電極の電圧を以下のように設定し、プローバー及び半導体パラメータアナライザ(Keithley 4200SCS)を用いて測定を行った。
ソース電圧:0V
ドレイン電圧:10V
測定温度:室温
PAN系エッチング液(燐酸:硝酸:酢酸:水=70:1.9:10:12(体積比)の混酸)に対する酸化物半導体薄膜のエッチング性を評価するため、上述と同様にしてスパッタリング法により、ガラス基板上に酸化物半導体薄膜のみを形成した。
KLA-TENCOR社製「α-STEP」を用いて、エッチング前の酸化物半導体層の厚さを測定した。次に、PAN系エッチング液を用いて、室温でエッチングを行った。浸漬時間については、測定精度を考慮し、50nm以上エッチングされる時間とした。エッチング後の酸化物半導体層の厚さを測定し、下記の式でエッチング速度を算出した。
エッチング速度[nm/min]=(エッチング前の酸化物半導体層の厚さ-エッチング後の酸化物半導体層の膜さ)/(PAN系エッチング液への浸漬時間)
エッチング速度が30nm/min以下のものを、PANエッチング耐性が良好である(○)と判定した。
2 ゲート電極
3 ゲート絶縁膜
4 酸化物半導体層
5 ソース・ドレイン電極
6 保護膜
7 エッチストッパー層
Claims (9)
- Inと、Gaと、Znと、Snと、Oとを含有し、
In、Ga、Zn及びSnの含有量の合計に対して、In含有量の割合が45~65原子%、Ga含有量の割合が5~16原子%、Zn含有量の割合が10~40原子%、Sn含有量の割合が3~8原子%である、
酸化物半導体薄膜。 - In含有量の前記割合が50~60原子%である請求項1に記載の酸化物半導体薄膜。
- Sn含有量の前記割合が5~8原子%である請求項1又は2に記載の酸化物半導体薄膜。
- アモルファス構造、又は少なくとも一部が結晶化されたアモルファス構造である請求項1~3のいずれか1項に記載の酸化物半導体薄膜。
- 請求項1~4のいずれか1項に記載の酸化物半導体薄膜を酸化物半導体層として含む薄膜トランジスタ。
- 基板と、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、前記酸化物半導体層と、ソース・ドレイン電極と、保護膜とをこの順で含む請求項5に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記酸化物半導体層の直上にエッチストッパー層を含むエッチストップ型である請求項5又は6に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記酸化物半導体層の直上にエッチストッパー層を含まないバックチャネルエッチ型である請求項5又は6に記載の薄膜トランジスタ。
- 請求項1から4のいずれか1項に記載の酸化物半導体薄膜、又は請求項5~8のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタに含まれる前記酸化物半導体薄膜を形成するためのスパッタリングターゲットであって、
Inと、Gaと、Znと、Snとを含有し、
In、Ga、Zn及びSnの含有量の合計に対して、In含有量の割合が45~65原子%、Ga含有量の割合が5~16原子%、Zn含有量の割合が10~40原子%、Sn含有量の割合が3~8原子%である、
スパッタリングターゲット。
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