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JP2018104772A - Method of manufacturing oxide semiconductor thin film and method of manufacturing thin film transistor - Google Patents

Method of manufacturing oxide semiconductor thin film and method of manufacturing thin film transistor Download PDF

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JP2018104772A
JP2018104772A JP2016253442A JP2016253442A JP2018104772A JP 2018104772 A JP2018104772 A JP 2018104772A JP 2016253442 A JP2016253442 A JP 2016253442A JP 2016253442 A JP2016253442 A JP 2016253442A JP 2018104772 A JP2018104772 A JP 2018104772A
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JP2016253442A
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中山 徳行
Noriyuki Nakayama
徳行 中山
文彦 松村
Fumihiko Matsumura
文彦 松村
真菜 白木
Mana Shiraki
真菜 白木
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Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Abstract

【課題】高いキャリア移動度を示し且つ結晶粒径が1μm未満である結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の酸化物半導体薄膜の製造方法は、希ガスと酸素の総圧力に対する酸素分圧が1.0×10−3Pa以上3.0×10−2Pa以下、系内の全てのガスの総圧力に対する水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下で、Ga/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下の酸化物を含むターゲットを用いスパッタリング法により、結晶質でない第1酸化物薄膜を成膜した後、酸素分圧が3.0×10−2Pa超2.0×10−1Pa以下、水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下で、Ga/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下の酸化物を含むターゲットを用いスパッタリング法により、第1酸化物薄膜上に結晶質でない第2酸化物薄膜を成膜し熱処理する。【選択図】図1A method for producing a crystalline oxide semiconductor thin film which exhibits high carrier mobility and a crystal grain size of less than 1 μm is provided. The method of manufacturing an oxide semiconductor thin film according to the present invention has an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −3 Pa or more and 3.0 × 10 −2 Pa or less with respect to a total pressure of a rare gas and oxygen, A target including an oxide having a moisture pressure with respect to a total gas pressure of 2.0 × 10 −3 Pa to 5.0 × 10 −1 Pa and a Ga / (In + Ga) atomic ratio of 0.15 to 0.30. After forming a non-crystalline first oxide thin film by sputtering, the oxygen partial pressure is more than 3.0 × 10 −2 Pa and not more than 2.0 × 10 −1 Pa, and the water pressure is 2.0 × 10 −3 Pa. It is not crystalline on the first oxide thin film by a sputtering method using a target containing an oxide having a Ga / (In + Ga) atomic ratio of 0.15 or more and 0.30 or less at a ratio of 5.0 × 10 −1 Pa or less. A second oxide thin film is formed and heat-treated. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、酸化物半導体薄膜の製造方法及び薄膜トランジスタの製造方法に関する。より詳しくは、インジウム、ガリウム及び水素を含有し、高いキャリア移動度を示す結晶質の酸化物半導体薄膜であって、結晶粒径の粗大化を抑制せしめた酸化物半導体薄膜及びそれを用いた面内均一性に優れる薄膜トランジスタの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing an oxide semiconductor thin film and a method for manufacturing a thin film transistor. More specifically, a crystalline oxide semiconductor thin film containing indium, gallium, and hydrogen and exhibiting high carrier mobility, and an oxide semiconductor thin film in which coarsening of crystal grain size is suppressed, and a surface using the same The present invention relates to a method for manufacturing a thin film transistor excellent in internal uniformity.

薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor、以下、「TFT」と言う。)は、電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor、以下、「FET」と言う。)の1種である。TFTは、基本構成として、ゲート端子、ソース端子、及び、ドレイン端子を備えた3端子素子であり、基板上に成膜した半導体薄膜を、電子又はホールがキャリアとして移動するチャネル層として用い、ゲート端子に電圧を印加して、チャネル層に流れる電流を制御し、ソース端子とドレイン端子間の電流をスイッチングする機能を有するアクティブ素子である。   A thin film transistor (hereinafter referred to as “TFT”) is one type of a field effect transistor (hereinafter referred to as “FET”). A TFT is a three-terminal element having a gate terminal, a source terminal, and a drain terminal as a basic configuration, and a semiconductor thin film formed on a substrate is used as a channel layer in which electrons or holes move as carriers. This is an active element having a function of switching a current between a source terminal and a drain terminal by applying a voltage to a terminal to control a current flowing in a channel layer.

TFTは、現在、最も多く実用化されている電子デバイスであり、その代表的な用途として液晶駆動用TFTが挙げられる。この液晶駆動用TFTの多くは、電子がキャリアとして移動するn型のチャネル層を用いている。現在、n型のチャネル層として最も広く使用されているのは、低温ポリシリコン薄膜又はアモルファスシリコン薄膜である。   The TFT is an electronic device that is currently most practically used, and a typical application is a TFT for driving a liquid crystal. Many of the liquid crystal driving TFTs use an n-type channel layer in which electrons move as carriers. At present, the most widely used n-type channel layer is a low-temperature polysilicon thin film or an amorphous silicon thin film.

しかしながら、近年、液晶の高精細化が進むのに伴い、液晶駆動用TFTには高速駆動が求められるようになっている。TFTの駆動速度は、チャネル層の電子の移動度に依存する。したがって、高速駆動を実現するためには、電子の移動度がアモルファスシリコンの移動度より高い半導体薄膜をチャネル層に用いる必要がある。低温ポリシリコンは、電子の移動度は十分高いが、大型ガラス基板へ形成した場合に面内均一性が低く歩留まりが低く、又はアモルファスシリコンと比較して製造工程が多く、設備投資が必要である等の理由から、高いコスト等の課題がある。   In recent years, however, liquid crystal drive TFTs are required to be driven at a high speed as the definition of liquid crystals increases. The driving speed of the TFT depends on the electron mobility of the channel layer. Therefore, in order to realize high-speed driving, it is necessary to use a semiconductor thin film whose electron mobility is higher than that of amorphous silicon for the channel layer. Low-temperature polysilicon has a sufficiently high electron mobility, but when formed on a large glass substrate, the in-plane uniformity is low and the yield is low, or the manufacturing process is larger than amorphous silicon and requires capital investment. For these reasons, there are problems such as high costs.

このような状況に対して、特許文献1では、気相成膜法で成膜され、In、Ga、Zn及びOの元素から構成される透明非晶質酸化物薄膜であって、該酸化物の組成は、結晶化したときの組成がInGaO(ZnO)(mは6未満の自然数)であり、不純物イオンを添加することなしに、キャリア移動度(キャリア電子移動度ともいう)が1cm−1sec−1超、且つキャリア濃度(キャリア電子濃度ともいう)が1016cm−3以下である半絶縁性であることを特徴とする透明半絶縁性非晶質酸化物薄膜、ならびに、この透明半絶縁性非晶質酸化物薄膜をチャネル層としたことを特徴とする薄膜トランジスタが提案されている。 With respect to such a situation, Patent Document 1 discloses a transparent amorphous oxide thin film formed by vapor phase film formation and composed of elements of In, Ga, Zn, and O, and the oxide The composition of the composition is InGaO 3 (ZnO) m (m is a natural number of less than 6) when crystallized, and the carrier mobility (also referred to as carrier electron mobility) is 1 cm without adding impurity ions. A transparent semi-insulating amorphous oxide thin film characterized by having a semi-insulating property that exceeds 2 V −1 sec −1 and has a carrier concentration (also referred to as carrier electron concentration) of 10 16 cm −3 or less, and A thin film transistor characterized in that this transparent semi-insulating amorphous oxide thin film is used as a channel layer has been proposed.

しかし、特許文献1で提案された、スパッタ法、パルスレーザー蒸着法のいずれかの気相成膜法で成膜され、In、Ga、Zn及びOの元素から構成される透明非晶質酸化物薄膜(a−IGZO膜)は、概ね1〜10cm−1sec−1の範囲のキャリア移動度にとどまるため、TFTのチャネル層として形成した場合にキャリア移動度が不足することが指摘されていた。 However, the transparent amorphous oxide formed by vapor phase deposition method of either sputtering method or pulse laser deposition method proposed in Patent Document 1 and composed of elements of In, Ga, Zn and O It has been pointed out that a thin film (a-IGZO film) has a carrier mobility in the range of approximately 1 to 10 cm 2 V −1 sec −1 , so that the carrier mobility is insufficient when formed as a TFT channel layer. It was.

キャリア移動度の不足を解決するために、a−IGZO以外の材料の検討がなされている。例えば、特許文献2では、ガリウムが酸化インジウムに固溶していて、原子数比Ga/(Ga+In)が0.001〜0.12であり、全金属原子に対するインジウムとガリウムの含有率が80原子%以上であり、Inのビックスバイト構造を有する酸化物薄膜を用いることを特徴とする薄膜トランジスタが提案されている。 In order to solve the shortage of carrier mobility, materials other than a-IGZO have been studied. For example, in Patent Document 2, gallium is dissolved in indium oxide, the atomic ratio Ga / (Ga + In) is 0.001 to 0.12, and the content ratio of indium and gallium with respect to all metal atoms is 80 atoms. %, And a thin film transistor characterized by using an oxide thin film having an In 2 O 3 bixbyite structure has been proposed.

特許文献2においては、特許文献1よりもインジウム含有量を高め、且つInのビックスバイト構造に結晶化させることでキャリア移動度を高めているが、キャリア濃度が2.0×1018cm−3を超えている実施例が散見され、TFTチャネル層に適用する酸化物半導体薄膜としては高いことが課題として残されている。 In Patent Document 2, the indium content is higher than that in Patent Document 1, and the carrier mobility is increased by crystallizing the In 2 O 3 bixbite structure. However, the carrier concentration is 2.0 × 10 18. There are some examples exceeding cm −3, and the problem remains that the oxide semiconductor thin film applied to the TFT channel layer is high.

特許文献3では、薄膜トランジスタのチャネル層となる酸化物層と絶縁層からなる積層構造であって、酸化物層を構成する材料は、実質的にビックスバイト構造からなるGaをドープした酸化インジウムであり、酸化物層のキャリア濃度が1018/cm以下、平均結晶粒径が1μm以上であり、酸化物層の結晶が、絶縁層の表面に柱状に配置していることを特徴とする積層構造が提案されている。特に、薄膜堆積時に水を導入し、微結晶の生成を抑制することによって、酸化物薄膜(酸化物層)は、加熱処理工程において基板側から柱状に成長することが開示されており、柱状に結晶が配置した酸化物薄膜は、酸素欠損が少ないため、キャリア濃度を1018/cm以下に制御することができるとされている。また、このような酸化物薄膜の平均結晶粒径は1μm以上となり、1〜27μmであることが好ましいことが報告されている。 In Patent Document 3, a laminated structure composed of an oxide layer and an insulating layer serving as a channel layer of a thin film transistor, and a material constituting the oxide layer is indium oxide doped with Ga substantially having a bixbite structure. The oxide layer has a carrier concentration of 10 18 / cm 3 or less, an average crystal grain size of 1 μm or more, and the oxide layer crystals are arranged in a columnar shape on the surface of the insulating layer. Has been proposed. In particular, it is disclosed that an oxide thin film (oxide layer) grows in a columnar shape from the substrate side in a heat treatment process by introducing water during thin film deposition and suppressing the formation of microcrystals. An oxide thin film in which crystals are arranged has few oxygen vacancies, so that the carrier concentration can be controlled to 10 18 / cm 3 or less. Further, it has been reported that the average crystal grain size of such an oxide thin film is 1 μm or more, preferably 1 to 27 μm.

確かに、欠陥の少ない柱状結晶の酸化物薄膜であれば1018/cm以下のキャリア濃度にすることが可能だが、TFTの基板面内ばらつきの観点から平均結晶粒径が1μm以上になることはむしろ好ましくない。量産されるTFTの酸化物半導体層の形状は、長さが数〜十数μm、幅が数〜十数μmであるため、平均結晶粒径が1μm以上である場合には、半導体特性を低下させる結晶粒界が半導体層1辺あたり数個程度しか存在しない場合がある。結晶粒界の個数によって半導体特性が影響を容易に受けることになり、例えば大面積のガラス基板面内において均一に多数のTFTを形成することが困難になる。 Certainly, if it is a columnar crystal oxide thin film with few defects, the carrier concentration can be 10 18 / cm 3 or less, but the average crystal grain size should be 1 μm or more from the viewpoint of variation in the TFT substrate surface. Is rather undesirable. The shape of the oxide semiconductor layer of a mass-produced TFT is several to several tens of μm in length and several to several tens of μm in width. Therefore, when the average crystal grain size is 1 μm or more, the semiconductor characteristics are deteriorated. There may be only a few crystal grain boundaries to be formed per side of the semiconductor layer. The semiconductor characteristics are easily influenced by the number of crystal grain boundaries, and for example, it becomes difficult to form a large number of TFTs uniformly in a large-area glass substrate surface.

また、特許文献4では、特許文献2の高キャリア濃度を解決するため、系内の水分圧が3×10−4〜5×10−2Paの条件下で、スパッタリングターゲットをDCスパッタリングして成膜体を成膜し、成膜体を結晶化する酸化物半導体の成膜方法が提案されている。 Further, in Patent Document 4, in order to solve the high carrier concentration of Patent Document 2, the sputtering target is formed by DC sputtering under a condition where the water pressure in the system is 3 × 10 −4 to 5 × 10 −2 Pa. A method for forming an oxide semiconductor in which a film body is formed and the film body is crystallized has been proposed.

特許文献4に記載されている成膜方法は、特許文献3の製膜方法と殆ど同じである。特に、特許文献4において唯一Gaをドープした酸化インジウムの実施例、すなわちIn:Ga=95:5に関する実施例14と、特許文献3のGa/(In+Ga)=0.058に関する実施例9は、成膜方法だけでなくスパッタリングターゲットの組成も殆ど同じである。したがって、特許文献4においても、特許文献3と同様に、平均結晶粒径1μm以上の粗大な結晶粒によって、大面積基板において均一にTFTを製造できない。 The film forming method described in Patent Document 4 is almost the same as the film forming method disclosed in Patent Document 3. In particular, in Patent Document 4, the only example of indium oxide doped with Ga, that is, Example 14 related to In 2 O 3 : Ga 2 O 3 = 95: 5, and Ga / (In + Ga) = 0.058 in Patent Document 3. In Example 9, the composition of the sputtering target as well as the film forming method is almost the same. Therefore, in Patent Document 4, as in Patent Document 3, TFTs cannot be manufactured uniformly on a large-area substrate with coarse crystal grains having an average crystal grain size of 1 μm or more.

特開2010−219538号公報JP 2010-219538 A WO2010/032422号公報WO2010 / 032422 特開2013−16866号公報JP 2013-16866 A 特開2011−222557号公報JP 2011-222557 A

A.Takagi,K.Nomura,H.Ohta,H.Yanagi,T. Kamiya,M.Hirano,and H.Hosono,Thin Solid Films 486,38(2005).A. Takagi, K .; Nomura, H .; Ohta, H .; Yanagi, T .; Kamiya, M .; Hirano, and H.M. Hosono, Thin Solid Films 486, 38 (2005).

本発明は、高いキャリア移動度を示し且つ結晶粒径が1μm未満である結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a method for producing a crystalline oxide semiconductor thin film that exhibits high carrier mobility and a crystal grain size of less than 1 μm.

本発明者らは、所定のターゲットを用い、所定の雰囲気下における2段階のスパッタリング法によって酸化物半導体薄膜を成膜することで、インジウム、ガリウム及び水素を含有し、平均結晶粒径が1μm未満である結晶質の酸化物半導体薄膜が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的に、本発明は、以下のものを提供する。   The inventors of the present invention formed an oxide semiconductor thin film by a two-stage sputtering method in a predetermined atmosphere using a predetermined target, and contained indium, gallium and hydrogen, and an average crystal grain size of less than 1 μm The inventors have found that a crystalline oxide semiconductor thin film can be obtained, and have completed the present invention. Specifically, the present invention provides the following.

(1)本発明の第1の発明は、希ガスと酸素の総圧力に対する酸素分圧が1.0×10−3Pa以上3.0×10−2Pa以下、系内の全てのガスの総圧力に対する水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気下で、インジウム及びガリウムを含有し、該ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下である酸化物を含むターゲットを用いてスパッタリング法によって、結晶質でない第1酸化物薄膜を成膜する第1成膜工程と、希ガスと酸素の総圧力に対する酸素分圧が3.0×10−2Pa超2.0×10−1Pa以下、系内の全てのガスの総圧力に対する水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気下で、インジウム及びガリウムを含有し、該ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下である酸化物を含む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酸化物薄膜上に、結晶質でない第2酸化物薄膜を成膜し、積層薄膜を形成する第2成膜工程と、前記積層薄膜を熱処理する熱処理工程とを含む酸化物半導体薄膜の製造方法である。 (1) In the first invention of the present invention, the oxygen partial pressure relative to the total pressure of the rare gas and oxygen is 1.0 × 10 −3 Pa or more and 3.0 × 10 −2 Pa or less, and all gases in the system In an atmosphere where the water pressure relative to the total pressure is 2.0 × 10 −3 Pa or more and 5.0 × 10 −1 Pa or less, indium and gallium are contained, and the gallium content is Ga / (In + Ga) atomic ratio. A first film forming step of forming a non-crystalline first oxide thin film by a sputtering method using a target containing an oxide of 0.15 or more and 0.30 or less, and a total pressure of a rare gas and oxygen The oxygen partial pressure is more than 3.0 × 10 −2 Pa and 2.0 × 10 −1 Pa or less, and the water pressure with respect to the total pressure of all gases in the system is 2.0 × 10 −3 Pa or more and 5.0 × 10. -1 Pa under the following atmosphere containing indium and gallium, the A second non-crystalline material is formed on the first oxide thin film by a sputtering method using a target containing an oxide having a Ga / (In + Ga) atomic ratio of 0.15 or more and 0.30 or less. An oxide semiconductor thin film manufacturing method including a second film forming step of forming an oxide thin film to form a laminated thin film, and a heat treatment step of heat-treating the laminated thin film.

(2)本発明の第2の発明は、第1の発明において、前記熱処理工程を酸素含有雰囲気下で行う酸化物半導体薄膜の製造方法である。   (2) The second invention of the present invention is the method for manufacturing an oxide semiconductor thin film according to the first invention, wherein the heat treatment step is performed in an oxygen-containing atmosphere.

(3)本発明の第3の発明は、希ガスと酸素の総圧力に対する酸素分圧が1.0×10−3Pa以上3.0×10−2Pa以下、系内の全てのガスの総圧力に対する水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気下で、インジウム及びガリウムを含有し、該ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下である酸化物を含むターゲットを用いてスパッタリング法によって第1酸化物薄膜を成膜する第1成膜工程と、希ガスと酸素の総圧力に対する酸素分圧が3.0×10−2Pa超2.0×10−1Pa以下、系内の全てのガスの総圧力に対する水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気下で、インジウム及びガリウムを含有し、該ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下である酸化物を含む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酸化物薄膜上に、第2酸化物薄膜を成膜し、積層薄膜を形成する第2成膜工程と、前記積層薄膜を熱処理する熱処理工程とを含む薄膜トランジスタの製造方法である。 (3) In the third invention of the present invention, the partial pressure of oxygen with respect to the total pressure of the rare gas and oxygen is 1.0 × 10 −3 Pa or more and 3.0 × 10 −2 Pa or less. In an atmosphere where the water pressure relative to the total pressure is 2.0 × 10 −3 Pa or more and 5.0 × 10 −1 Pa or less, indium and gallium are contained, and the gallium content is Ga / (In + Ga) atomic ratio. A first film forming step of forming a first oxide thin film by a sputtering method using a target including an oxide of 0.15 or more and 0.30 or less, and an oxygen partial pressure with respect to a total pressure of a rare gas and oxygen is More than 3.0 × 10 −2 Pa 2.0 × 10 −1 Pa or less, moisture pressure with respect to the total pressure of all gases in the system is 2.0 × 10 −3 Pa or more and 5.0 × 10 −1 Pa or less. Containing indium and gallium under the atmosphere of A second oxide thin film is formed on the first oxide thin film by a sputtering method using a target containing an oxide having a Ga / (In + Ga) atomic ratio of 0.15 or more and 0.30 or less. A method of manufacturing a thin film transistor including a second film forming step for forming a laminated thin film and a heat treatment step for heat-treating the laminated thin film.

本発明によれば、高いキャリア移動度を示し且つ結晶粒径が1μm未満である結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法を提供することができる。このような酸化物半導体薄膜を半導体層に適用したTFTは、大面積基板において均一に安定動作する。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the crystalline oxide semiconductor thin film which shows high carrier mobility and whose crystal grain diameter is less than 1 micrometer can be provided. A TFT in which such an oxide semiconductor thin film is applied to a semiconductor layer operates uniformly and stably on a large-area substrate.

実施例1の酸化物半導体薄膜の表面の透過型電子顕微鏡(TEM)像である。2 is a transmission electron microscope (TEM) image of the surface of the oxide semiconductor thin film of Example 1. FIG. 実施例1の酸化物半導体薄膜の断面のTEM像である。2 is a TEM image of a cross section of the oxide semiconductor thin film of Example 1. FIG.

以下、本発明の具体的な実施形態(以下、「本実施の形態」という)について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において適宜変更を加えて実施することができる。   Hereinafter, a specific embodiment of the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, It can implement by adding a change suitably within the range of the objective of this invention.

1.酸化物半導体薄膜
(1)金属組成
本実施の形態に係る酸化物半導体薄膜は、特に限定されないが、例えば、結晶質であり、インジウム、ガリウム及び水素を含有し、ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で、0.15以上0.30以下である。
1. Oxide Semiconductor Thin Film (1) Metal Composition Although the oxide semiconductor thin film according to this embodiment is not particularly limited, for example, it is crystalline and contains indium, gallium, and hydrogen, and the gallium content is Ga / ( In + Ga) atomic ratio is 0.15 or more and 0.30 or less.

本発明の酸化物半導体薄膜のガリウム含有量は、特に限定されないが、例えば、Ga/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下である。ガリウムは酸素との結合力が強く、本発明の結晶質の酸化物半導体薄膜の酸素欠損量を低減させる効果がある。ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上であることにより、この効果を十分に得ることができる。また、結晶粒径が1μm未満の結晶質の酸化物半導体薄膜を得ることができる。一方、0.30以下であることにより、酸化物半導体薄膜が、10cm−1sec−1以上のキャリア移動度を示すことができる。 Although the gallium content of the oxide semiconductor thin film of the present invention is not particularly limited, for example, the Ga / (In + Ga) atomic ratio is 0.15 or more and 0.30 or less. Gallium has a strong bonding force with oxygen and has an effect of reducing the amount of oxygen vacancies in the crystalline oxide semiconductor thin film of the present invention. This effect can be sufficiently obtained when the gallium content is 0.15 or more in terms of the Ga / (In + Ga) atomic ratio. In addition, a crystalline oxide semiconductor thin film having a crystal grain size of less than 1 μm can be obtained. On the other hand, by being 0.30 or less, the oxide semiconductor thin film can exhibit carrier mobility of 10 cm 2 V −1 sec −1 or more.

ガリウム含有量としては、特に限定されないが、Ga/(In+Ga)原子数比で0.17以上であることが好ましく、0.20超であることがより好ましい。また、ガリウム含有量としては、0.25以下であることが好ましく、0.23以下であることがより好ましい。   The gallium content is not particularly limited, but the Ga / (In + Ga) atomic ratio is preferably 0.17 or more, more preferably more than 0.20. Moreover, as gallium content, it is preferable that it is 0.25 or less, and it is more preferable that it is 0.23 or less.

酸化物半導体薄膜は、インジウム及びガリウム以外の元素として、特定の正三価の元素を含有することができる。特定の正三価の元素としては、ホウ素、アルミニウム、スカンジウム、イットリウムが挙げられる。これらの元素が、酸化物半導体薄膜に含有されると、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度を低減させることができる。なお、キャリア移動度の向上にはほとんど寄与しない。   The oxide semiconductor thin film can contain a specific positive trivalent element as an element other than indium and gallium. Specific positive trivalent elements include boron, aluminum, scandium, and yttrium. When these elements are contained in the oxide semiconductor thin film, the carrier concentration of the oxide semiconductor thin film can be reduced. Note that it hardly contributes to improvement of carrier mobility.

酸化物半導体薄膜は、上述した特定の正三価の元素以外の正三価の元素を実質的に含まないことが好ましい。特定の正三価の元素以外の正三価の元素としては、ランタン、プラセオジウム、ジスプロニウム、ホルミウム、エルビウム、イッテリビウム、及びルテチウムが挙げられる。これらの元素は、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度の低減に寄与しないだけでなく、キャリア移動度を低下させるおそれがある。なお、「実質的に含まない」とは、後述するように、不可避的に不純物として含むことについては排除しないことを意味する。   The oxide semiconductor thin film preferably does not substantially contain a positive trivalent element other than the specific positive trivalent element described above. Examples of positive trivalent elements other than specific positive trivalent elements include lanthanum, praseodymium, dyspronium, holmium, erbium, ytterbium, and lutetium. These elements not only do not contribute to the reduction of the carrier concentration of the oxide semiconductor thin film, but also may reduce the carrier mobility. Note that “substantially free” means that it is unavoidable to inevitably contain impurities as described later.

酸化物半導体薄膜は、正四価以上の元素を実質的に含まないことが好ましい。正四価以上の元素としては、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛、アンチモン、ビスマス、及びセリウムが挙げられる。酸化物半導体薄膜に、このような元素が含まれると散乱因子として作用するため、キャリア移動度が低下してしまうおそれがある。   The oxide semiconductor thin film preferably does not substantially contain a positive tetravalent or higher element. Examples of the positive tetravalent element or more include titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, silicon, germanium, tin, lead, antimony, bismuth, and cerium. When such an element is contained in the oxide semiconductor thin film, it acts as a scattering factor, so that carrier mobility may be reduced.

酸化物半導体薄膜は、正二価以下の元素を実質的に含まないことが好ましい。正二価以下の元素としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、及び亜鉛が挙げられる。酸化物半導体に、このような元素は、キャリア濃度の低減に多少寄与する一方で、散乱因子として作用してキャリア移動を低下させるおそれがあり、全体としてキャリア移動度が低下してしまうおそれがある。   It is preferable that the oxide semiconductor thin film does not substantially contain a positive divalent element or less. Examples of elements having a positive divalent value or less include lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, magnesium, calcium, strontium, barium, and zinc. While such an element contributes to the reduction of the carrier concentration to the oxide semiconductor, it may act as a scattering factor to reduce the carrier movement, and the carrier mobility may be lowered as a whole. .

酸化物半導体薄膜の組成としては、特に限定されるものではないが、例えば、インジウム、ガリウム、水素及び酸素からなるか、インジウム、ガリウム、水素、酸素及び不可避的不純物からなることが好ましい。   The composition of the oxide semiconductor thin film is not particularly limited. For example, it is preferably made of indium, gallium, hydrogen and oxygen, or made of indium, gallium, hydrogen, oxygen and unavoidable impurities.

(2)不可避不純物
酸化物半導体薄膜は不可避的不純物を含有することができる。不可避不純物の含有量としては、特に限定されないが、例えば、500ppm以下であることが好ましく、300ppm以下であることがより好ましく、100ppm以下であることがさらに好ましい。不純物量が多い場合には、キャリア濃度の上昇やキャリア移動度の低下等の問題が生じるおそれがある。
(2) Inevitable impurities The oxide semiconductor thin film can contain inevitable impurities. The content of inevitable impurities is not particularly limited, but for example, it is preferably 500 ppm or less, more preferably 300 ppm or less, and further preferably 100 ppm or less. When the amount of impurities is large, problems such as an increase in carrier concentration and a decrease in carrier mobility may occur.

(3)水素濃度
酸化物半導体薄膜に含有される水素の濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectroscopy)、ラザフォード後方散乱分析法(RBS、Rutherford Backscattering Spectrometry)法、水素前方散乱分析法(HFS:Hydrogen Forward Scattering)等で測定することができる。水素濃度としては、例えば、SIMSによる分析による値が、1×1020〜1×1022atoms/cmであることが好ましく、3×1020〜5×1021atoms/cmであることがより好ましく、5×1020〜1×1021atoms/cmであることがさらに好ましい。水素は、酸化物半導体薄膜中で酸素の近傍に存在して、キャリア濃度低減に寄与すると考えられる。水素濃度が1×1020atoms/cm以上であることにより、キャリア濃度を2×1018cm−3以下まで十分に低減させることができる。一方、水素濃度が、1×1022atoms/cm以下であることにより、過剰な水素が散乱因子として作用するのを防止し、キャリア移動度の低下を防止し、10cm−1sec−1以上に維持することができる。
(3) Hydrogen concentration The concentration of hydrogen contained in the oxide semiconductor thin film is determined by secondary ion mass spectrometry (SIMS), Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS, Rutherford Backscattering Spectrometry), or hydrogen forward scattering. It can be measured by an analysis method (HFS: Hydrogen Forward Scattering) or the like. As the hydrogen concentration, for example, a value obtained by SIMS analysis is preferably 1 × 10 20 to 1 × 10 22 atoms / cm 3 , and preferably 3 × 10 20 to 5 × 10 21 atoms / cm 3. More preferably, it is 5 * 10 < 20 > -1 * 10 < 21 > atoms / cm < 3 >. It is considered that hydrogen exists in the vicinity of oxygen in the oxide semiconductor thin film and contributes to a reduction in carrier concentration. When the hydrogen concentration is 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more, the carrier concentration can be sufficiently reduced to 2 × 10 18 cm −3 or less. On the other hand, when the hydrogen concentration is 1 × 10 22 atoms / cm 3 or less, it is possible to prevent excessive hydrogen from acting as a scattering factor, to prevent a decrease in carrier mobility, and 10 cm 2 V −1 sec −. One or more can be maintained.

(4)膜質及び膜組織
酸化物半導体薄膜は結晶質である。酸化物半導体薄膜の結晶構造はビックスバイト構造であることが好ましい。酸化物半導体薄膜の結晶構造は、X線回折測定における回折ピーク又は電子顕微鏡観察における薄膜組織確認や面指数に対応した回折スポット(電子線回折図)等によって確認することができる。
(4) Film quality and film structure The oxide semiconductor thin film is crystalline. The crystal structure of the oxide semiconductor thin film is preferably a bixbite structure. The crystal structure of the oxide semiconductor thin film can be confirmed by a diffraction peak in X-ray diffraction measurement, a thin film structure confirmation in electron microscope observation, a diffraction spot (electron diffraction pattern) corresponding to a plane index, or the like.

酸化物半導体薄膜の結晶粒径は、特に限定されないが、例えば、1μm未満である。一般に、量産採用されるTFTの酸化物半導体層のチャネル長は、数μm〜十数μm程度である。よって、結晶粒径を1μm未満とすることで、チャネル長に対して10個程度以上の結晶粒界が安定して存在することができる。これにより、結晶粒界によるキャリア散乱が及ぼす移動度低下への影響を平均化することが可能になり、大型基板にも均一にTFTを製造することができる。一方、特許文献3の加熱結晶化後の酸化物半導体薄膜(酸化物層)中の平均結晶粒径は、1〜27μmである。特許文献3においては、このように結晶粒が成長する理由として、薄膜堆積時に水を導入し微結晶の生成を抑制した膜は、加熱処理工程において基板側から柱状に結晶が成長し、加熱結晶化工程において膜中の微結晶により結晶成長が阻害されないため、水導入していない薄膜と比較して結晶粒径が大きくなることが記載されている。したがって、特許文献3の技術では、原子数比でGa/(Ga+In)が0.01以上0.09以下のGaをドープした酸化インジウム薄膜を、水を導入して堆積した後、加熱処理によって結晶化させると、その結晶粒径は必然的に1μm以上になる。詳細は後述するが、本発明においては、従来技術に比べ、ガリウム含有量をさらに高めて、さらに成膜時の酸素分圧を高めることで、適量の水を導入しても、インジウム、ガリウム、酸素及び水素を含む酸化物半導体薄膜の結晶粒径が1μm未満に抑制可能である。   The crystal grain size of the oxide semiconductor thin film is not particularly limited, but is, for example, less than 1 μm. In general, the channel length of an oxide semiconductor layer of a TFT that is mass-produced is about several μm to several tens of μm. Therefore, by setting the crystal grain size to less than 1 μm, about 10 or more crystal grain boundaries can exist stably with respect to the channel length. Thereby, it becomes possible to average the influence of the carrier scattering by the crystal grain boundary on the mobility reduction, and the TFT can be manufactured even on a large substrate. On the other hand, the average crystal grain size in the oxide semiconductor thin film (oxide layer) after the heat crystallization of Patent Document 3 is 1 to 27 μm. In Patent Document 3, the reason why crystal grains grow in this way is that, in a film in which water is introduced during thin film deposition to suppress the formation of microcrystals, crystals grow in a columnar shape from the substrate side in the heat treatment step, and the heated crystals It is described that the crystal grain size becomes larger than that of a thin film not introduced with water because crystal growth is not inhibited by microcrystals in the film in the crystallization step. Therefore, in the technique of Patent Document 3, an indium oxide thin film doped with Ga having an atomic ratio of Ga / (Ga + In) of 0.01 or more and 0.09 or less is deposited by introducing water, and then crystallized by heat treatment. The crystal grain size inevitably becomes 1 μm or more. Although details will be described later, in the present invention, the gallium content is further increased as compared with the prior art, and the oxygen partial pressure during film formation is further increased, so that even if an appropriate amount of water is introduced, indium, gallium, The crystal grain size of the oxide semiconductor thin film containing oxygen and hydrogen can be suppressed to less than 1 μm.

なお、「結晶粒径」とは、透過型電子顕微鏡(TEM)により観察して得られた画像から、交差法により粒径測定を行った平均粒径であり、50〜100個の結晶粒の平均値とする。   The “crystal grain size” is an average grain size obtained by measuring the grain size by an intersection method from an image obtained by observation with a transmission electron microscope (TEM), and includes 50 to 100 crystal grains. Average value.

(5)膜厚
酸化物半導体薄膜の膜厚としては、特に限定されないが、例えば、10nm以上であることが好ましく、30nm以上であることがより好ましく、50nm以上であることがさらに好ましい。一方、膜厚としては、特に限定されず、例えばフレキシビリティを必要とするデバイスのTFTチャネル層として適用する場合等には、1000nm以下であることが好ましく、500nm以下がより好ましく、300nm以下であることがさらに好ましい。1000nm以下であることにより、デバイスを曲げた場合にも薄膜トランジスタ(TFT)のチャネル層として必要な特性が維持することができる。製造工程におけるスループットや性能ばらつきの少なさ等を考慮すれば、総じて、30〜300nmが好ましい。
(5) Film thickness Although it does not specifically limit as a film thickness of an oxide semiconductor thin film, For example, it is preferable that it is 10 nm or more, it is more preferable that it is 30 nm or more, and it is further more preferable that it is 50 nm or more. On the other hand, the film thickness is not particularly limited. For example, when applied as a TFT channel layer of a device requiring flexibility, it is preferably 1000 nm or less, more preferably 500 nm or less, and 300 nm or less. More preferably. When the thickness is 1000 nm or less, characteristics necessary as a channel layer of a thin film transistor (TFT) can be maintained even when the device is bent. In consideration of the throughput in the manufacturing process and the small variation in performance, the overall thickness is preferably 30 to 300 nm.

(6)キャリア濃度・キャリア移動度
キャリア濃度としては、特に限定されないが、例えば、2.0×1018cm−3以下であることが好ましく、1.0×1018cm−3以下であることがより好ましく、8.0×1017cm−3以下であることがさらに好ましく、8.0×1016cm−3以下であることが特に好ましい。キャリア濃度が2.0×1018cm−3以下であることにより、当該酸化物半導体薄膜を用いて構成したTFTがノーマリーオフを示すようになる。非特許文献1に記載のインジウム、ガリウム及び亜鉛からなる非晶質の酸化物半導体薄膜に代表されるように、インジウムを多く含む非晶質の酸化物半導体薄膜は、キャリア濃度が4×1018cm−3以上で縮退状態となるため、これをチャネル層に適用したTFTはノーマリーオフを示さなくなるおそれがある。
(6) Carrier concentration / carrier mobility The carrier concentration is not particularly limited, but is preferably 2.0 × 10 18 cm −3 or less, for example, 1.0 × 10 18 cm −3 or less. Is more preferably 8.0 × 10 17 cm −3 or less, and particularly preferably 8.0 × 10 16 cm −3 or less. When the carrier concentration is 2.0 × 10 18 cm −3 or less, a TFT formed using the oxide semiconductor thin film exhibits normally-off. As represented by the amorphous oxide semiconductor thin film composed of indium, gallium, and zinc described in Non-Patent Document 1, the amorphous oxide semiconductor thin film containing a large amount of indium has a carrier concentration of 4 × 10 18. Since it is in a degenerated state at cm −3 or more, there is a possibility that a TFT in which this is applied to the channel layer does not show normally-off.

キャリア移動度としては、特に限定されないが、例えば、10cm−1sec−1以上が好ましく、15cm−1sec−1以上であることがより好ましい。 The carrier mobility, but are not limited to, for example, preferably 10cm 2 V -1 sec -1 or more, and more preferably 15cm 2 V -1 sec -1 or more.

2.酸化物半導体薄膜の製造方法
酸化物半導体薄膜の製造方法は、希ガスと酸素の総圧力に対する酸素分圧が1.0×10−3Pa以上3.0×10−2Pa以下、系内の全てのガスの総圧力に対する水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気下で、インジウム及びガリウムを含有し、ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下である酸化物を含むターゲットを用いてスパッタリング法によって、結晶質でない第1酸化物薄膜を成膜する第1成膜工程と、希ガスと酸素の総圧力に対する酸素分圧が3.0×10−2Pa超2.0×10−1Pa以下、系内の全てのガスの総圧力に対する水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気下で、インジウム及びガリウムを含有し、ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下である酸化物を含むターゲットを用いてスパッタリング法によって、第1酸化物薄膜上に、結晶質でない第2酸化物薄膜を成膜し、積層薄膜を形成する第2成膜工程と、積層薄膜を熱処理する熱処理工程とを含む。
2. Manufacturing method of oxide semiconductor thin film The manufacturing method of the oxide semiconductor thin film is such that the oxygen partial pressure with respect to the total pressure of the rare gas and oxygen is 1.0 × 10 −3 Pa or more and 3.0 × 10 −2 Pa or less. In an atmosphere where the water pressure with respect to the total pressure of all gases is 2.0 × 10 −3 Pa or more and 5.0 × 10 −1 Pa or less, indium and gallium are contained, and the gallium content is Ga / (In + Ga). A first film formation step of forming a non-crystalline first oxide thin film by a sputtering method using a target including an oxide having an atomic ratio of 0.15 to 0.30; 4. The oxygen partial pressure with respect to the total pressure is more than 3.0 × 10 −2 Pa and 2.0 × 10 −1 Pa or less, and the water pressure with respect to the total pressure of all the gases in the system is 2.0 × 10 −3 Pa or more. 0 × 10 -1 Pa under the following atmosphere, indium On the first oxide thin film by a sputtering method using a target containing an oxide containing gallium and an gallium content of 0.15 or more and 0.30 or less in a Ga / (In + Ga) atomic ratio. It includes a second film forming step of forming a non-crystalline second oxide thin film to form a laminated thin film, and a heat treatment step of heat-treating the laminated thin film.

このように、第1の成膜工程と第2の成膜工程の2段階のスパッタリング法によって成膜するとともに、第1の成膜工程における酸素分圧を、第2の成膜工程における酸素分圧に比べて低くすることより、平均結晶粒径が1μm未満の酸化物半導体薄膜を得ることができる。   As described above, the film is formed by the two-stage sputtering method of the first film formation process and the second film formation process, and the oxygen partial pressure in the first film formation process is changed to the oxygen content in the second film formation process. By making it lower than the pressure, an oxide semiconductor thin film having an average crystal grain size of less than 1 μm can be obtained.

2−1.第1成膜工程
第1製膜工程は、希ガスと酸素の総圧力に対する酸素分圧が1.0×10−3Pa以上3.0×10−2Pa以下、系内の全てのガスの総圧力に対する水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気下で、インジウム及びガリウムを含有し、ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下である酸化物を含むターゲットを用いてスパッタリング法によって、結晶質でない第1酸化物薄膜を成膜する工程である。
2-1. 1st film-forming process The 1st film-forming process has an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −3 Pa or more and 3.0 × 10 −2 Pa or less relative to the total pressure of rare gas and oxygen, In an atmosphere where the water pressure relative to the total pressure is 2.0 × 10 −3 Pa or more and 5.0 × 10 −1 Pa or less, indium and gallium are contained, and the gallium content is Ga / (In + Ga) atomic ratio. In this step, a non-crystalline first oxide thin film is formed by a sputtering method using a target including an oxide of 0.15 or more and 0.30 or less.

(1)スパッタリング法
スパッタリング法としては、特に限定されず、例えば、直流スパッタリング法、周波数1MHz以下の交流スパッタリング及びパルススパッタリングを用いることができる。その中でも、工業的な観点から、直流スパッタリング法が好ましい。なお、RFスパッタリングの適用も可能だが、無指向性であるため、大型基板への均一成膜の条件確立には困難が伴うこともある。
(1) Sputtering method The sputtering method is not particularly limited, and for example, a direct current sputtering method, alternating current sputtering with a frequency of 1 MHz or less, and pulse sputtering can be used. Among these, DC sputtering is preferable from an industrial viewpoint. Although RF sputtering can be applied, since it is non-directional, it may be difficult to establish conditions for uniform film formation on a large substrate.

(2)スパッタリングガス条件
スパッタリング成膜の雰囲気ガスを構成するガス種としては、特に限定されないが、例えば、希ガス、酸素及び水を含む雰囲気であることが好ましい。希ガスとしては、アルゴンであることが好ましい。また、水はスパッタリング装置チャンバー内に水蒸気として導入されることが好ましい。
(2) Sputtering gas conditions Although it does not specifically limit as a gas seed | species which comprises the atmospheric gas of sputtering film-forming, For example, it is preferable that it is an atmosphere containing a noble gas, oxygen, and water. The rare gas is preferably argon. Moreover, it is preferable that water is introduced into the sputtering apparatus chamber as water vapor.

これらの雰囲気ガスの総圧力としては、特に限定されないが、例えば、0.1Pa以上3.0Pa以下の範囲であることが好ましく、0.2Pa以上0.8Pa以下であることがより好ましく、0.3Pa以上0.7Pa以下の範囲であることがさらに好ましい。   The total pressure of these atmospheric gases is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.1 Pa or more and 3.0 Pa or less, more preferably 0.2 Pa or more and 0.8 Pa or less. More preferably, it is in the range of 3 Pa or more and 0.7 Pa or less.

(3)酸素分圧
第1成膜工程においては、スパッタリングを行う系内の雰囲気ガスのうち、希ガスと酸素の総圧力に対する酸素分圧を1.0×10−3Pa以上3.0×10−2Pa以下に制御する。また、酸素分圧としては、例えば、5.0×10−3Pa以上2.0×10−2Pa以下に制御することが好ましい。酸素分圧が1.0×10−3Pa以上であることにより、熱処理後のキャリア濃度が2.0×1018cm−3以下であり、且つ平均結晶粒径が1μm未満の酸化物半導体薄膜を得ることができる。一方、酸素分圧が3.0×10−2Pa以下であることにより、ボトムゲート型TFTのゲート絶縁膜近傍の半導体層のチャネル領域が、熱処理後も過剰な酸素が残留することで極めて高抵抗化し、当該TFTが正常にON動作しないという問題を防止することができる。
(3) Oxygen partial pressure In the first film forming step, the oxygen partial pressure with respect to the total pressure of the rare gas and oxygen in the atmospheric gas in the system for sputtering is 1.0 × 10 −3 Pa or more and 3.0 ×. Control to 10 −2 Pa or less. Moreover, as oxygen partial pressure, it is preferable to control to 5.0 * 10 < -3 > Pa or more and 2.0 * 10 <-2 > Pa or less, for example. Oxygen partial pressure is 1.0 × 10 −3 Pa or more, so that the oxide semiconductor thin film has a carrier concentration after heat treatment of 2.0 × 10 18 cm −3 or less and an average crystal grain size of less than 1 μm. Can be obtained. On the other hand, when the oxygen partial pressure is 3.0 × 10 −2 Pa or less, the channel region of the semiconductor layer in the vicinity of the gate insulating film of the bottom-gate TFT has an extremely high oxygen residue after the heat treatment. The resistance can be prevented, and the problem that the TFT does not normally turn on can be prevented.

(4)水分圧
成膜工程においては、スパッタリングを行う系内の雰囲気ガスのうち、系内の全てのガスの総圧力に対する水分圧を2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下に制御する。また、水分圧としては、例えば、5.0×10−2Pa以上2.0×10−1Pa以下に制御することが好ましい。水分圧が2×10−3Pa以上であることにより、酸化物半導体薄膜に取り込まれる水の成分である水素又は水酸基の量を増加させることができ、キャリア濃度の低減効果を十分に得ることができる。一方で、水分圧が5.0×10−1Pa以下であることにより、キャリア濃度の増加及びキャリア移動度の低下を抑制することができる。水分圧の増加にともない、水素又は水酸基がドナー又は散乱因子として振る舞うおそれがある。
(4) Moisture pressure In the film forming step, the moisture pressure with respect to the total pressure of all the gases in the system among the atmosphere gases in the system to be sputtered is 2.0 × 10 −3 Pa or more and 5.0 × 10 Control to 1 Pa or less. Moreover, as a water pressure, it is preferable to control to 5.0 * 10 <-2 > Pa or more and 2.0 * 10 < -1 > Pa or less, for example. When the water pressure is 2 × 10 −3 Pa or more, the amount of hydrogen or hydroxyl which is a component of water taken into the oxide semiconductor thin film can be increased, and a sufficient carrier concentration reduction effect can be obtained. it can. On the other hand, when the water pressure is 5.0 × 10 −1 Pa or less, an increase in carrier concentration and a decrease in carrier mobility can be suppressed. As the water pressure increases, hydrogen or a hydroxyl group may behave as a donor or a scattering factor.

系内への水の導入方法としては、特に限定されないが、例えば、スパッタリング装置チャンバー内では水蒸気として導入されることが好ましい。   The method for introducing water into the system is not particularly limited. For example, it is preferably introduced as water vapor in the sputtering apparatus chamber.

なお、酸化物半導体薄膜への水素添加には、上記工程において、系内の水素分圧の制御で代用することも考えられる。しかし、その他の成膜条件、特に最適な酸素分圧が変化することが想定される。また、防爆仕様の製造工程が必要になる等安全確保のためコストが高くなる。したがって、水分圧による制御が好ましい。   Note that hydrogen can be added to the oxide semiconductor thin film by substituting control of the hydrogen partial pressure in the system in the above process. However, it is assumed that other film forming conditions, particularly the optimum oxygen partial pressure, change. In addition, the cost is increased to ensure safety, such as the need for an explosion-proof manufacturing process. Therefore, control by moisture pressure is preferable.

なお、上述したとおり、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度及びキャリア移動度を最適化するだけでなく、結晶粒径を1μm未満に制御するためには、酸素分圧及び水分圧をいずれも上述の範囲に制御する必要がある。例えば、酸素分圧が低すぎる場合、水分圧を高めてもキャリア濃度を低減することができないおそれがあり、また、結晶粒径が1μmを超えてしまうおそれもある。   Note that, as described above, in addition to optimizing the carrier concentration and carrier mobility of the oxide semiconductor thin film, in order to control the crystal grain size to be less than 1 μm, both the oxygen partial pressure and the water pressure are within the above ranges. Need to control. For example, if the oxygen partial pressure is too low, the carrier concentration may not be reduced even if the moisture pressure is increased, and the crystal grain size may exceed 1 μm.

(5)基板
成膜に用いる基板としては、特に限定されないが、例えば、アルカリガラス、無アルカリガラス、石英ガラス等の無機材料、又はポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルニトリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルフェノール等の有機材料を用いることができる。また、そのような材料の上に酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム等の無機材料、又はPMA、フッ素系ポリマー等の有機材料をさらに形成した基板を用いることができる。
(5) Substrate The substrate used for film formation is not particularly limited. For example, inorganic materials such as alkali glass, alkali-free glass, and quartz glass, or polycarbonate, polyarylate, polyethersulfone, polyethernitrile, polyethylene terephthalate, Organic materials such as polyvinylphenol can be used. In addition, a substrate in which an inorganic material such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxide, tantalum oxide, or hafnium or an organic material such as PMA or a fluorine-based polymer is further formed over such a material is used. Can do.

基板の形状としては、特に限定されないが、板、シート、又はフィルム等の形状のものを用いることができる。   Although it does not specifically limit as a shape of a board | substrate, The thing of shapes, such as a board, a sheet | seat, or a film, can be used.

(6)基板温度
スパッタリング成膜の基板温度としては、特に限定されないが、例えば、室温〜300℃であることが好ましく、100〜300℃であることがより好ましい。ただし、基板温度100℃未満において、酸素分圧を2.4×10−2以上とすると、膜中に過剰な酸素が取り込まれてしまう場合がある。過剰な酸素は、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度低減の阻害又は膜面内ばらつき等の原因となるおそれがある。大面積のガラス基板面内において一段と均一に多数のTFTを形成するためには、平均結晶粒径を1μm未満とすること以外に、膜中の酸素及び水素濃度の均一性等の観点から、基板温度を200℃以上とすることがさらに好ましい。このため、上述したように、酸化物半導体薄膜の好ましいガリウム含有量は、Ga/(In+Ga)原子数比で0.20超0.23以下である。
(6) Substrate temperature Although it does not specifically limit as substrate temperature of sputtering film-forming, For example, it is preferable that it is room temperature-300 degreeC, and it is more preferable that it is 100-300 degreeC. However, if the substrate temperature is less than 100 ° C. and the oxygen partial pressure is 2.4 × 10 −2 or more, excessive oxygen may be taken into the film. Excessive oxygen may cause a decrease in carrier concentration of the oxide semiconductor thin film or cause in-plane variation. In order to form a large number of TFTs more uniformly in the surface of a large-area glass substrate, in addition to making the average crystal grain size less than 1 μm, the substrate can be used from the viewpoint of uniformity of oxygen and hydrogen concentrations in the film. More preferably, the temperature is 200 ° C. or higher. Therefore, as described above, the preferable gallium content of the oxide semiconductor thin film is more than 0.20 and not more than 0.23 in terms of the Ga / (In + Ga) atomic ratio.

(7)T−S間距離
ターゲットと基板間の距離(T−S間距離)としては、特に限定されないが、例えば、10mm以上であることが好ましく、20mm以上であることがより好ましく、30mm以上であることがさらに好ましい。一方で、T−S間距離としては、150mm以下であることが好ましく、110mm以下であることがより好ましく、80mm以下であることがさらに好ましい。T−S間距離が10mm以上であることにより、成膜される薄膜がプラズマによるダメージを受けることを抑制することができる。T−S間距離が150mm以下であることにより、成膜速度が低下することを防止することができ、工業的な実用性を高めることができる。
(7) T-S distance The distance between the target and the substrate (T-S distance) is not particularly limited. For example, it is preferably 10 mm or more, more preferably 20 mm or more, and 30 mm or more. More preferably. On the other hand, the T-S distance is preferably 150 mm or less, more preferably 110 mm or less, and even more preferably 80 mm or less. When the distance between T and S is 10 mm or more, the thin film to be formed can be prevented from being damaged by plasma. When the T-S distance is 150 mm or less, it is possible to prevent the film formation rate from being lowered, and industrial practicality can be improved.

(8)ターゲット
ターゲットは、インジウム及びガリウムを含有し、ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下である酸化物を含む。ターゲットとしては、特に限定されないが、例えば、酸化物焼結体ターゲットを用いることが好ましく、インジウム、ガリウム及び酸素からなる酸化物焼結体ターゲット、又はインジウム、ガリウム、酸素及び不可避的不純物からなる酸化物焼結体ターゲットを用いることがより好ましい。さらに、例えば、正三価元素のホウ素、アルミニウム、スカンジウム及びイットリウムのうち少なくとも1種以上が添加された酸化物焼結体ターゲットを用いることもできる。
(8) Target The target contains indium and gallium, and includes an oxide having a gallium content of 0.15 or more and 0.30 or less in a Ga / (In + Ga) atomic ratio. The target is not particularly limited. For example, it is preferable to use an oxide sintered target, and an oxide sintered target composed of indium, gallium, and oxygen, or an oxide composed of indium, gallium, oxygen, and inevitable impurities. It is more preferable to use a sintered compact target. Furthermore, for example, an oxide sintered body target to which at least one of the positive trivalent elements boron, aluminum, scandium, and yttrium is added may be used.

また、酸化物焼結体ターゲットとしては、特に限定されないが、例えば、少なくともビックスバイト型構造のIn相を含有することが好ましく、さらにIn相以外の生成相としてβ−Ga型構造のGaInO相、又はβ−Ga型構造のGaInO相と(Ga,In)相によって構成されることがより好ましい。 Further, the oxide sintered body target is not particularly limited, but for example, it is preferable to contain at least an In 2 O 3 phase having a bixbite structure, and β-Ga as a generated phase other than the In 2 O 3 phase. GaInO 3-phase 2 O 3 -type structure, or beta-Ga 2 O 3 -type structure GaInO 3 phase and the (Ga, an in) is more preferably constructed by 2 O 3 phase.

ターゲット中のガリウム含有量としては、特に限定されないが、Ga/(In+Ga)原子数比で0.17以上であることが好ましく、0.20超であることがより好ましい。また、ガリウム含有量としては、0.25以下であることが好ましく、0.23以下であることがより好ましい。   The gallium content in the target is not particularly limited, but is preferably 0.17 or more and more preferably more than 0.20 in terms of the Ga / (In + Ga) atomic ratio. Moreover, as gallium content, it is preferable that it is 0.25 or less, and it is more preferable that it is 0.23 or less.

酸化物焼結体ターゲットの密度としては、特に限定されないが、例えば、6.3g/cm以上であることが好ましい。密度が6.3g/cm以上であることにより、量産使用時のノジュール発生を防止することができる。 Although it does not specifically limit as a density of an oxide sintered compact target, For example, it is preferable that it is 6.3 g / cm < 3 > or more. When the density is 6.3 g / cm 3 or more, generation of nodules during mass production can be prevented.

直流スパッタリング成膜により成膜を行う場合、良好な導電性が必要であるため、酸化物焼結体ターゲットは酸素含有雰囲気で焼結されることが好ましく、酸素雰囲気で焼結されることがより好ましい。   When film formation is performed by direct current sputtering film formation, good conductivity is required, so the oxide sintered compact target is preferably sintered in an oxygen-containing atmosphere, and more preferably in an oxygen atmosphere. preferable.

(9)膜厚
第1成膜工程において成膜される酸化物薄膜の膜厚としては、特に限定されないが、例えば、10nm以上であることが好ましく、20nm以上であることがより好ましい。一方で、膜厚としては、例えば、1000nm以下であることが好ましい。膜厚が1000nm以下であることにより、膜厚が10nm以上1000nm以下であることにより、加熱処理後の酸化物半導体薄膜の平均結晶粒径がより微細になり得る。
(9) Film thickness Although it does not specifically limit as a film thickness of the oxide thin film formed in a 1st film-forming process, For example, it is preferable that it is 10 nm or more, and it is more preferable that it is 20 nm or more. On the other hand, the film thickness is preferably 1000 nm or less, for example. When the film thickness is 1000 nm or less, when the film thickness is 10 nm or more and 1000 nm or less, the average crystal grain size of the oxide semiconductor thin film after the heat treatment can be made finer.

2−2.第2成膜工程
希ガスと酸素の総圧力に対する酸素分圧が3.0×10−2Pa超2.0×10−1Pa以下、系内の全てのガスの総圧力に対する水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気下で、インジウム及びガリウムを含有し、ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下である酸化物を含むターゲットを用いてスパッタリング法によって、第1酸化物薄膜上に、結晶質でない第2酸化物薄膜を成膜し、積層薄膜を形成する工程である。
2-2. Second film forming step The oxygen partial pressure with respect to the total pressure of the rare gas and oxygen is more than 3.0 × 10 −2 Pa and not more than 2.0 × 10 −1 Pa, and the water pressure with respect to the total pressure of all the gases in the system is 2 In an atmosphere of 0.0 × 10 −3 Pa to 5.0 × 10 −1 Pa, indium and gallium are contained, and the content of gallium is 0.15 or more and 0.30 in terms of Ga / (In + Ga) atomic ratio. This is a step of forming a laminated thin film by depositing a non-crystalline second oxide thin film on the first oxide thin film by sputtering using a target containing an oxide as described below.

(1)酸素分圧
第2成膜工程においては、スパッタリングを行う系内の雰囲気ガスのうち、希ガスと酸素の総圧力に対する酸素分圧を3.0×10−2Pa超2.0×10−1Pa以下に制御する。また、酸素分圧としては、例えば、3.5×10−2Pa以上1.0×10−1Pa以下に制御することが好ましい。酸素分圧が3.0×10−2Pa以上であることにより、熱処理後の平均結晶粒径が1μm未満である酸化物半導体薄膜を得ることができる。一方、酸素分圧が4.0×10−1Paを以下であることにより、相対的に雰囲気ガス中の希ガスの比率を高め、成膜速度を高くすることにより、工業的な実用性を高めることができる。
(1) Oxygen partial pressure In the second film forming step, the oxygen partial pressure with respect to the total pressure of the rare gas and oxygen in the atmosphere gas in the system for sputtering is set to 3.0 × 10 −2 Pa over 2.0 ×. Control to 10 −1 Pa or less. Moreover, as oxygen partial pressure, it is preferable to control to 3.5 * 10 <-2 > Pa or more and 1.0 * 10 < -1 > Pa or less, for example. When the oxygen partial pressure is 3.0 × 10 −2 Pa or more, an oxide semiconductor thin film having an average crystal grain size after heat treatment of less than 1 μm can be obtained. On the other hand, when the oxygen partial pressure is 4.0 × 10 −1 Pa or less, by increasing the ratio of rare gas in the atmospheric gas and increasing the film formation rate, industrial practicality can be achieved. Can be increased.

(2)膜厚
第2成膜工程において成膜される酸化物薄膜の膜厚としては、特に限定されないが、例えば、20nm以上であることが好ましい。一方で、膜厚としては、例えば、1000nm以下であることが好ましい。膜厚が1000nm以下であることにより、膜厚が20nm以上1000nm以下であることにより、加熱処理後の酸化物半導体薄膜の平均結晶粒径がより微細になり得る。
(2) Film thickness Although it does not specifically limit as a film thickness of the oxide thin film formed in a 2nd film-forming process, For example, it is preferable that it is 20 nm or more. On the other hand, the film thickness is preferably 1000 nm or less, for example. When the film thickness is 1000 nm or less, the average crystal grain size of the oxide semiconductor thin film after the heat treatment can be made finer when the film thickness is 20 nm or more and 1000 nm or less.

(3)その他の条件
第2成膜工程においては、酸素分圧以外の成膜条件(スパッタリング法、スパッタリングガス条件、水分圧、基板、基板温度、T−S間距離、ターゲット等)は、いずれも同様である。
(3) Other conditions In the second film formation step, film formation conditions other than the oxygen partial pressure (sputtering method, sputtering gas conditions, moisture pressure, substrate, substrate temperature, T-S distance, target, etc.) Is the same.

2−3.熱処理工程
非平衡プロセスのスパッタリング成膜によって得られた酸化物薄膜は非晶質又は微結晶からなる。そこで、得られた酸化物薄膜を、熱処理することによって結晶化させる。このような結晶化によって欠陥を大幅に減少させることができるため、適度なキャリア濃度に制御された高移動度の酸化物半導体薄膜とすることができる。
2-3. Heat treatment step An oxide thin film obtained by sputtering film formation in a non-equilibrium process is made of amorphous or microcrystal. Therefore, the obtained oxide thin film is crystallized by heat treatment. Defects can be greatly reduced by such crystallization, so that an oxide semiconductor thin film with high mobility controlled to an appropriate carrier concentration can be obtained.

(1)熱処理方法
構造を安定化させる熱処理の方法としては、加熱処理やレーザー処理を用いることができる。加熱処理法としては、特に制限されないが、具体的には、赤外線加熱を利用した急速熱処理法(RTA:Rapid Thermal Annealing)、又はランプ加熱による熱処理法(LA:Lamp Annealing)等を用いることが好ましい。レーザー処理としては、酸化物半導体が吸収可能な波長を用いたエキシマレーザーやYAGレーザーによる処理等を用いることが好ましい。大型ガラス基板への適用を考慮すれば、RTAなどの熱処理がより好ましい。
(1) Heat treatment method Heat treatment or laser treatment can be used as a heat treatment method for stabilizing the structure. The heat treatment method is not particularly limited, and specifically, it is preferable to use a rapid thermal annealing method (RTA: Rapid Thermal Annealing) using infrared heating or a heat treatment method (LA: Lamp Annealing) using lamp heating. . As the laser treatment, treatment with an excimer laser or a YAG laser using a wavelength that can be absorbed by the oxide semiconductor is preferably used. Considering application to a large glass substrate, heat treatment such as RTA is more preferable.

(2)熱処理条件
熱処理温度としては、基板が変形や損傷しない範囲内であれば特に制限されないが、例えば、100℃以上500℃以下であることが好ましく、100℃以上450℃以下であることがより好ましい。また、フィルム基板を用いる場合には、100℃以上300℃以下であることが好ましく、100℃以上200℃以下であることがより好ましい。中でも、汎用性のあるPETフィルムを使用する場合には、100℃以上150℃以下であることが好ましい。熱処理温度が100℃以上であることにより、成膜後の薄膜を十分に構造安定化することができる。また、熱処理温度が500℃以下であることにより、使用可能な基板が極端に制限されてしまうことを防止できる。
(2) Heat treatment conditions The heat treatment temperature is not particularly limited as long as the substrate is within a range in which the substrate is not deformed or damaged. For example, the heat treatment temperature is preferably 100 ° C or higher and 500 ° C or lower, and preferably 100 ° C or higher and 450 ° C or lower. More preferred. Moreover, when using a film substrate, it is preferable that it is 100 to 300 degreeC, and it is more preferable that it is 100 to 200 degreeC. Especially, when using versatile PET film, it is preferable that it is 100 to 150 degreeC. When the heat treatment temperature is 100 ° C. or higher, the structure of the thin film after film formation can be sufficiently stabilized. Moreover, it can prevent that the board | substrate which can be used will be restrict | limited extremely because heat processing temperature is 500 degrees C or less.

熱処理温度までの昇温速度としては、特に限定されないが、製造工程におけるスループットを高めるという観点から、例えば、10℃/分以上であることが好ましく、50℃/分以上であることがより好ましく、100℃/分以上であることがさらに好ましい。   The rate of temperature increase up to the heat treatment temperature is not particularly limited, but is preferably 10 ° C./min or more, more preferably 50 ° C./min or more, for example, from the viewpoint of increasing the throughput in the manufacturing process. More preferably, it is 100 ° C./min or more.

熱処理時間としては、特に限定されないが、例えば、1分間以上120分間以下であることが好ましく、5分間以上60分間以下であることがより好ましい。熱処理雰囲気としては、特に限定されないが、例えば、酸素含有雰囲気であることが好ましい。酸素含有雰囲気としては、例えば、酸素、オゾン、水蒸気、あるいは窒素酸化物などを含む雰囲気が好ましい。なお、「熱処理時間」とは、熱処理温度に保持される時間をいう。   Although it does not specifically limit as heat processing time, For example, it is preferable that they are 1 minute or more and 120 minutes or less, and it is more preferable that they are 5 minutes or more and 60 minutes or less. The heat treatment atmosphere is not particularly limited, but for example, an oxygen-containing atmosphere is preferable. As the oxygen-containing atmosphere, for example, an atmosphere containing oxygen, ozone, water vapor, or nitrogen oxide is preferable. “Heat treatment time” refers to the time during which the heat treatment temperature is maintained.

なお、上述した好ましい範囲の熱処理温度、熱処理時間、昇温時間及び雰囲気を組み合わせることにより、各々の構成に基づく特有の効果を得ることができる。   In addition, by combining the heat treatment temperature, the heat treatment time, the temperature raising time, and the atmosphere within the preferable ranges described above, a specific effect based on each configuration can be obtained.

(3)エッチング条件
成膜後、熱処理前の非晶質又は微結晶の薄膜は、ウエットエッチングあるいはドライエッチングによって、TFTなどの用途で必要な微細加工を施すことがえきる。通常、結晶化温度未満の温度、例えば室温から300℃までの範囲から適宜基板温度を選択して一旦酸化物薄膜を形成した後、ウエットエッチングによる微細加工を施すことができる。エッチャントとしては、弱酸であれば特に限定されないが、例えば、PAN又は蓚酸を主成分とする弱酸を用いることが好ましい。弱酸としては、より具体的には、関東化学製ITO−06N等を使用することができる。TFTの構成によっては、ドライエッチングを選択することもできる。
(3) Etching conditions The amorphous or microcrystalline thin film after film formation and before heat treatment can be subjected to fine processing necessary for applications such as TFT by wet etching or dry etching. Usually, a substrate temperature is appropriately selected from a temperature lower than the crystallization temperature, for example, a range from room temperature to 300 ° C., and once an oxide thin film is formed, fine processing by wet etching can be performed. The etchant is not particularly limited as long as it is a weak acid. For example, it is preferable to use a weak acid mainly composed of PAN or oxalic acid. More specifically, ITO-06N manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd. can be used as the weak acid. Depending on the configuration of the TFT, dry etching can be selected.

3.薄膜トランジスタ及びその製造方法
本実施の形態に係る薄膜トランジスタは、上述した酸化物半導体薄膜をチャネル層として備える。上述した酸化物半導体薄膜は、チャネル層が高いキャリア移動度を維持したまま、キャリア濃度を低減させることができるため、TFTが安定的に動作する。
3. Thin Film Transistor and Manufacturing Method Thereof A thin film transistor according to this embodiment includes the above-described oxide semiconductor thin film as a channel layer. In the oxide semiconductor thin film described above, the channel concentration can be reduced while the channel layer maintains high carrier mobility, so that the TFT operates stably.

薄膜トランジスタの構成としては、特に限定されないが、例えば、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、チャネル層及びゲート絶縁膜を備える薄膜トランジスタを用いることができる。   The structure of the thin film transistor is not particularly limited. For example, a thin film transistor including a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, a channel layer, and a gate insulating film can be used.

薄膜トランジスタは、従来公知の薄膜トランジスタの製造方法と酸化物半導体薄膜の製造方法とを組み合わせることにより製造することができる。例えば、ゲート電極の表面にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜の表面に上述の酸化物半導体薄膜の製造方法により、酸化物薄膜を成膜、熱処理、エッチングし、パターニングされた酸化物半導体薄膜(チャネル層)を形成し、その後、酸化物半導体薄膜(チャネル層)の表面にパターニングされたソース電極及びドレイン電極を形成する方法を挙げることができる。   The thin film transistor can be manufactured by combining a conventionally known method for manufacturing a thin film transistor and a method for manufacturing an oxide semiconductor thin film. For example, a gate insulating film is formed on the surface of the gate electrode, and the oxide semiconductor thin film is formed on the surface of the gate insulating film by the above-described manufacturing method of the oxide semiconductor thin film, heat-treated, etched, and patterned. Examples include a method of forming a (channel layer) and then forming a patterned source electrode and drain electrode on the surface of the oxide semiconductor thin film (channel layer).

ゲート電極の表面にゲート絶縁膜を形成する方法としては、例えば、導電性Si基板(ゲート電極)の表面に熱酸化等によってSiO膜(ゲート絶縁膜)を形成する方法や、金属膜、ITO等の導電性酸化物薄膜、導電性窒化物等(ゲート電極)の表面に、CVD法やスパッタリング法等によってSiO膜などの酸化物薄膜やさらに窒素を添加したSiO膜等の窒化物薄膜(ゲート絶縁膜)を形成する方法等を挙げることができる。 As a method of forming a gate insulating film on the surface of the gate electrode, for example, a method of forming a SiO 2 film (gate insulating film) on the surface of a conductive Si substrate (gate electrode) by thermal oxidation, a metal film, ITO conductive oxide thin film and the like, conductive nitride or the like on the surface of the (gate electrode), a nitride film of the SiO 2 film or the like is added an oxide thin film and further nitrogen such as SiO 2 film by a CVD method, a sputtering method, or the like A method of forming (gate insulating film) can be given.

酸化物半導体薄膜(チャネル層)の表面にソース電極及びドレイン電極を成膜する方法としては、例えば、直流マグネトロンスパッタリング法により、Mo、Al、Ta、Ti、Au、Pt等の金属薄膜若しくはこれらの金属の合金薄膜、それら金属の導電性酸化物窒化物薄膜、各種の導電性高分子材料、又は透明TFT向けとしてITO等を成膜する方法を用いることができる。   As a method for forming the source electrode and the drain electrode on the surface of the oxide semiconductor thin film (channel layer), for example, a metal thin film such as Mo, Al, Ta, Ti, Au, Pt or the like is formed by DC magnetron sputtering. Metal alloy thin films, conductive oxide nitride thin films of these metals, various conductive polymer materials, or methods for depositing ITO or the like for transparent TFTs can be used.

酸化物半導体薄膜(チャネル層)の表面にパターニングされたソース電極及びドレイン電極を形成する方法は、例えばフォトリソグラフィ技術などを利用してエッチングをする方法やリフトオフ法等を用いることができる。   As a method for forming the patterned source electrode and drain electrode on the surface of the oxide semiconductor thin film (channel layer), for example, an etching method using a photolithography technique, a lift-off method, or the like can be used.

以下に、本発明の実施例を用いて、さらに詳細に説明するが、本発明は、これら実施例によって限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail using examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
以下に説明するプロセスによって、酸化物半導体薄膜を作製し、評価した。
Example 1
An oxide semiconductor thin film was fabricated and evaluated by the process described below.

<酸化物半導体薄膜の作製>
直流電源、6インチカソード、ガス圧1.3Paまで測定可能な四重極質量分析計(インフィコン製)を備えたロードロック式マグネトロンスパッタリング装置(アルバック製)を用いて直流スパッタリングによる成膜を行った。ターゲットとして、インジウム及びガリウムからなる酸化物焼結体ターゲットを用いた。ターゲットのガリウムの含有量は、Ga/(In+Ga)原子数比で0.20とした。なお、このターゲットは、微量の不可避不純物を含み得るものである。実際の成膜では、10分間のプリスパッタリング後、酸化物薄膜を形成した。以下に成膜条件の詳細を示す。
<Production of oxide semiconductor thin film>
Film formation by direct current sputtering was performed using a load-lock magnetron sputtering apparatus (manufactured by ULVAC) equipped with a direct current power source, a 6 inch cathode, and a quadrupole mass spectrometer (manufactured by INFICON) capable of measuring gas pressure up to 1.3 Pa. . An oxide sintered compact target made of indium and gallium was used as the target. The target gallium content was 0.20 in terms of the Ga / (In + Ga) atomic ratio. This target can contain a trace amount of inevitable impurities. In actual film formation, an oxide thin film was formed after 10 minutes of pre-sputtering. Details of the film forming conditions are shown below.

[第1の成膜工程のスパッタリング条件]
酸素分圧:1.2×10−2Pa
水分圧:6.5×10−2Pa
膜厚10nm
[Sputtering conditions for the first film forming step]
Oxygen partial pressure: 1.2 × 10 −2 Pa
Water pressure: 6.5 × 10 −2 Pa
Film thickness 10nm

[第2の成膜工程のスパッタリング条件]
酸素分圧:6.0×10−2Pa
水分圧:6.5×10−2Pa
膜厚40nm
[Sputtering conditions for the second film formation step]
Oxygen partial pressure: 6.0 × 10 −2 Pa
Water pressure: 6.5 × 10 −2 Pa
Film thickness 40nm

[第1の成膜工程及び第2の成膜工程に共通のスパッタリング条件]
基板温度:200℃
到達真空度:3×10−5Pa未満
ターゲット−基板(T−S)間距離:60mm
スパッタガス全圧:0.6Pa
投入電力:直流(DC)300W
総膜厚:50nm
[Sputtering conditions common to the first film-forming process and the second film-forming process]
Substrate temperature: 200 ° C
Ultimate vacuum: less than 3 × 10 −5 Pa Target-substrate (TS) distance: 60 mm
Sputtering gas total pressure: 0.6Pa
Input power: Direct current (DC) 300W
Total film thickness: 50 nm

続いて、成膜後の酸化物薄膜に、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置を用いて、以下の条件で熱処理を施すことで酸化物半導体薄膜を得た。
[熱処理条件]
熱処理温度:340℃
雰囲気:大気
昇温速度:500℃/分
Subsequently, an oxide semiconductor thin film was obtained by subjecting the oxide thin film after film formation to heat treatment under the following conditions using a RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus.
[Heat treatment conditions]
Heat treatment temperature: 340 ° C
Atmosphere: Air Temperature rising rate: 500 ° C / min

<酸化物半導体薄膜の特性評価>
酸化物薄膜の組成は、ICP発光分光法によって、焼結体ターゲットと同一の組成であることを確認した。酸化物半導体薄膜の膜厚は表面粗さ計(テンコール社製)で測定した。キャリア濃度及び移動度は、ホール効果測定装置(東陽テクニカ製)によって求めた。酸化物半導体薄膜の結晶構造をX線回折測定(フィリップス製)にて確認した。平均結晶粒径は、透過型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製HF−2200)により測定した。表1に結果を示す。
(実施例2〜6、比較例1)
第1の酸化物薄膜と第2の酸化物薄膜の膜厚、第1の成膜工程及び第2の成膜構成の酸素分圧及び水分圧を、表1に示すとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして酸化物半導体薄膜を作製し、評価した。表1にこれらの結果を示す。
<Characteristic evaluation of oxide semiconductor thin film>
The composition of the oxide thin film was confirmed to be the same composition as the sintered compact target by ICP emission spectroscopy. The film thickness of the oxide semiconductor thin film was measured with a surface roughness meter (manufactured by Tencor). The carrier concentration and mobility were determined by a Hall effect measuring device (manufactured by Toyo Technica). The crystal structure of the oxide semiconductor thin film was confirmed by X-ray diffraction measurement (manufactured by Philips). The average crystal grain size was measured with a transmission electron microscope (HF-2200 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation). Table 1 shows the results.
(Examples 2-6, Comparative Example 1)
Except for changing the film thicknesses of the first oxide thin film and the second oxide thin film, the oxygen partial pressure and the water pressure of the first film forming process and the second film forming structure as shown in Table 1, An oxide semiconductor thin film was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows these results.

実施例1〜6においては、第1の成膜工程における酸素分圧を1.0×10−3Pa以上3.0×10−2Pa以下、水分圧を2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下に制御し、且つ第2の成膜工程における酸素分圧を3.0×10−2Pa超2.0×10−1Pa以下、水分圧を2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下に制御し、2段階で成膜を行うことにより、インジウム、ガリウム及び水素を含有する酸化物半導体薄膜が得られた。このような酸化物半導体膜は、熱処理によって結晶化し、単層化した。また、このような酸化物半導体薄膜は、ビックスバイト構造を有し、その結晶粒の平均結晶粒径が1μm未満であった。 In Examples 1 to 6, the oxygen partial pressure in the first film formation step is 1.0 × 10 −3 Pa or more and 3.0 × 10 −2 Pa or less, and the moisture pressure is 2.0 × 10 −3 Pa or more. The oxygen partial pressure in the second film forming step is controlled to 5.0 × 10 −1 Pa or less, the oxygen partial pressure is more than 3.0 × 10 −2 Pa and 2.0 × 10 −1 Pa or less, and the water pressure is 2.0. An oxide semiconductor thin film containing indium, gallium, and hydrogen was obtained by performing film formation in two stages while controlling the pressure from × 10 −3 Pa to 5.0 × 10 −1 Pa. Such an oxide semiconductor film was crystallized by heat treatment to be a single layer. Moreover, such an oxide semiconductor thin film had a bixbite structure, and the average crystal grain size of the crystal grains was less than 1 μm.

これに対して、比較例1においては、1段階で成膜を行うことにより、酸化物半導体薄膜の平均結晶粒径が2.7μmであった。   On the other hand, in Comparative Example 1, the average crystal grain size of the oxide semiconductor thin film was 2.7 μm by performing the film formation in one stage.

(実施例7〜12、比較例3〜4)
第1成膜工程及び第2成膜工程のスパッタリング成膜に用いるターゲットのガリウム含有量をGa/(In+Ga)原子数比で0.15に変更し、それに合せて第1成膜工程及び第2成膜工程の基板温度、及び熱処理工程の熱処理温度を、表1に示すとおりに変更した以外は、実施例2と同様にして酸化物半導体薄膜を作製、評価した。表1にこれらの結果を示す。
(Examples 7-12, Comparative Examples 3-4)
The gallium content of the target used for sputtering film formation in the first film formation process and the second film formation process is changed to 0.15 in terms of the Ga / (In + Ga) atomic ratio, and accordingly, the first film formation process and the second film formation process are performed. An oxide semiconductor thin film was produced and evaluated in the same manner as in Example 2 except that the substrate temperature in the film formation step and the heat treatment temperature in the heat treatment step were changed as shown in Table 1. Table 1 shows these results.

実施例7〜11においては、酸化物半導体薄膜は、ビックスバイト構造を有し、その結晶粒の平均結晶粒径は1μm未満であった。   In Examples 7 to 11, the oxide semiconductor thin film had a bixbite structure, and the average crystal grain size of the crystal grains was less than 1 μm.

実施例12においては、第1成膜工程及び第2酸化物薄膜において、それぞれ異なるターゲットを用いた。具体的には、第1成膜工程におけるGa/(In+Ga)原子数比を0.17としたのに対して、第2成膜工程におけるGa/(In+Ga)原子数比を0.20とした。得られた酸化物半導体薄膜の結晶粒の平均結晶粒径は1μm未満であった。   In Example 12, different targets were used in the first film forming step and the second oxide thin film. Specifically, the Ga / (In + Ga) atom number ratio in the first film forming step was set to 0.17, whereas the Ga / (In + Ga) atom number ratio in the second film forming step was set to 0.20. . The average crystal grain size of the crystal grains of the obtained oxide semiconductor thin film was less than 1 μm.

これに対して、比較例2においては、1段階で成膜を行うとともに、そのスパッタリング成膜に用いるターゲットのガリウム含有量をGa/(In+Ga)原子数比で0.08とした。なお、成膜条件などは特許文献3に記載の実施例8を参考にした。得られた酸化物半導体薄膜はビックスバイト構造を有していたが、結晶粒の平均結晶粒径が1μm以上であった。   On the other hand, in Comparative Example 2, the film was formed in one stage, and the gallium content of the target used for the sputtering film formation was 0.08 in terms of the Ga / (In + Ga) atomic ratio. In addition, Example 8 described in patent document 3 was referred for the film-forming conditions. The obtained oxide semiconductor thin film had a bixbite structure, but the average crystal grain size of the crystal grains was 1 μm or more.

比較例4においては、第1成膜工程と第2成膜工程のスパッタリング成膜に用いるターゲットのガリウム含有量を、いずれもGa/(In+Ga)原子数比で0.08とした。得られた酸化物半導体薄膜は、ビックスバイト構造を有していたが、比較例2と同様に、結晶粒の平均粒径は1μm以上であった。すなわち、第1の酸化物薄膜のスパッタリング成膜に用いるターゲットのガリウム含有量をGa/(In+Ga)原子数比で0.08とした場合には、酸化物半導体薄膜の平均結晶粒径が1μm以上になることが分かった。   In Comparative Example 4, the gallium content of the target used for sputtering film formation in the first film formation step and the second film formation step was 0.08 in terms of the Ga / (In + Ga) atomic ratio. Although the obtained oxide semiconductor thin film had a bixbite structure, the average grain size of the crystal grains was 1 μm or more as in Comparative Example 2. That is, when the gallium content of the target used for sputtering deposition of the first oxide thin film is 0.08 in terms of the Ga / (In + Ga) atomic ratio, the average crystal grain size of the oxide semiconductor thin film is 1 μm or more. I found out that

比較例3においては、第1成膜工程と第2成膜工程のスパッタリング成膜に用いるターゲットのガリウム含有量をいずれも、Ga/(In+Ga)原子数比で0.35とした。得られた酸化物半導体薄膜は、ビックスバイト構造を有し、結晶粒の平均結晶粒径は1μm未満であったが、高抵抗であったため、ホール効果測定ができなかった。   In Comparative Example 3, the gallium content of the target used for sputtering film formation in the first film formation step and the second film formation step was 0.35 in terms of the Ga / (In + Ga) atomic ratio. The obtained oxide semiconductor thin film had a bixbite structure, and the average crystal grain size of the crystal grains was less than 1 μm, but because of the high resistance, the Hall effect measurement could not be performed.

図1は、実施例1の酸化物半導体薄膜のTEM像である。実施例1では、平均結晶粒径が1μm未満に制御されていることが明らかである。   1 is a TEM image of the oxide semiconductor thin film of Example 1. FIG. In Example 1, it is clear that the average crystal grain size is controlled to be less than 1 μm.

図2(a)、(b)は、実施例1の酸化物半導体薄膜の断面のTEM像である。図2(a)において、コントラストの強い部分(黒色に近い部分)が、一つの結晶粒である。図2(b)において、膜の上部と下部に粒界がないことが確認された。実施例1においては、2段階でスパッタリングを行い2層構造の酸化物薄膜を得ているが、熱処理後には、単層構造の酸化物半導体薄膜が得られることが分かった。   2A and 2B are TEM images of a cross section of the oxide semiconductor thin film of Example 1. FIG. In FIG. 2A, a portion having a strong contrast (portion close to black) is one crystal grain. In FIG. 2B, it was confirmed that there were no grain boundaries at the top and bottom of the film. In Example 1, the oxide thin film having a two-layer structure was obtained by performing sputtering in two stages, but it was found that an oxide semiconductor thin film having a single layer structure was obtained after the heat treatment.

<薄膜トランジスタの作製及び動作特性評価>
次に、以下に説明するプロセスによって、薄膜トランジスタを作製し、評価した。
<Production of thin film transistor and evaluation of operating characteristics>
Next, a thin film transistor was manufactured and evaluated by the process described below.

(実施例13)
熱酸化によって厚さ100nmのSiO膜が形成された、厚さ475μm、20mm角の導電性p型Si基板を用いて薄膜トランジスタ(TFT)を作製した。ここで、SiO膜はゲート絶縁膜、導電性p型Si基板はゲート電極としてそれぞれ機能する。このSiO膜ゲート絶縁膜上に、実施例1と同様の酸化物薄膜(Ga/(In+Ga)原子数比=0.20)を積層成膜した。
(Example 13)
A thin film transistor (TFT) was manufactured using a 475 μm thick, 20 mm square conductive p-type Si substrate on which a 100 nm thick SiO 2 film was formed by thermal oxidation. Here, the SiO 2 film functions as a gate insulating film, and the conductive p-type Si substrate functions as a gate electrode. On the SiO 2 gate insulating film, an oxide thin film (Ga / (In + Ga) atomic ratio = 0.20) similar to that in Example 1 was stacked.

このように積層した酸化物薄膜に対して、レジスト(東京応化工業製OFPR♯800)、エッチャント(関東化学製ITO−06N)を用いて、フォトリソグラフィ法によりパターニングを行った。   The oxide thin film thus laminated was patterned by a photolithography method using a resist (OFPR # 800 manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) and an etchant (ITO-06N manufactured by Kanto Chemical).

次に、直流マグネトロンスパッタリング法により、チャネル層の表面に、厚さ10nmのTi膜と厚さ50nmのAu膜を、この順序で成膜することで、Au/Ti積層膜からなるソース電極及びドレイン電極を成膜した。リフトオフ法によりパターニングを行い、チャネル長20μm、チャネル幅500μmとなるように、ソース電極及びドレイン電極を形成した。   Next, a 10 nm thick Ti film and a 50 nm thick Au film are formed in this order on the surface of the channel layer by direct current magnetron sputtering, thereby forming a source electrode and a drain made of an Au / Ti laminated film. An electrode was formed. Patterning was performed by a lift-off method, and a source electrode and a drain electrode were formed so as to have a channel length of 20 μm and a channel width of 500 μm.

最後に、積層した酸化物薄膜に実施例1と同様の条件で熱処理を施し結晶化及び単層化させた。これにより、結晶質の酸化物半導体薄膜をチャネル層として備える、薄膜トランジスタを得た。   Finally, the laminated oxide thin film was heat-treated under the same conditions as in Example 1 to crystallize and form a single layer. Thereby, a thin film transistor including a crystalline oxide semiconductor thin film as a channel layer was obtained.

薄膜トランジスタの動作特性を、半導体パラメータアナライザ(アジレント製)を用いて評価した。この結果、薄膜トランジスタとしての動作特性が確認できた。実施例13の薄膜トランジスタは、電界効果移動度が48cm−1sec−1、on/off比が6×10、S値が0.29の良好な値を示すことが確認された。 The operating characteristics of the thin film transistor were evaluated using a semiconductor parameter analyzer (manufactured by Agilent). As a result, operation characteristics as a thin film transistor were confirmed. The thin film transistor of Example 13 was confirmed to have a favorable value with a field effect mobility of 48 cm 2 V −1 sec −1 , an on / off ratio of 6 × 10 8 , and an S value of 0.29.

Claims (3)

希ガスと酸素の総圧力に対する酸素分圧が1.0×10−3Pa以上3.0×10−2Pa以下、系内の全てのガスの総圧力に対する水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気下で、インジウム及びガリウムを含有し、該ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下である酸化物を含むターゲットを用いてスパッタリング法によって、結晶質でない第1酸化物薄膜を成膜する第1成膜工程と、
希ガスと酸素の総圧力に対する酸素分圧が3.0×10−2Pa超2.0×10−1Pa以下、系内の全てのガスの総圧力に対する水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気下で、インジウム及びガリウムを含有し、該ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下である酸化物を含む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酸化物薄膜上に、結晶質でない第2酸化物薄膜を成膜し、積層薄膜を形成する第2成膜工程と、
前記積層薄膜を熱処理する熱処理工程とを含む
酸化物半導体薄膜の製造方法。
The oxygen partial pressure with respect to the total pressure of the rare gas and oxygen is 1.0 × 10 −3 Pa to 3.0 × 10 −2 Pa and the water pressure with respect to the total pressure of all the gases in the system is 2.0 × 10 Oxidation containing indium and gallium in an atmosphere of 3 Pa or more and 5.0 × 10 −1 Pa or less, and the gallium content is Ga / (In + Ga) atomic ratio of 0.15 or more and 0.30 or less A first film forming step of forming a non-crystalline first oxide thin film by sputtering using a target including an object,
The oxygen partial pressure with respect to the total pressure of the rare gas and oxygen is more than 3.0 × 10 −2 Pa and not more than 2.0 × 10 −1 Pa, and the water pressure with respect to the total pressure of all the gases in the system is 2.0 × 10 Oxidation containing indium and gallium in an atmosphere of 3 Pa or more and 5.0 × 10 −1 Pa or less, and the gallium content is Ga / (In + Ga) atomic ratio of 0.15 or more and 0.30 or less A second film forming step of forming a laminated thin film by forming a non-crystalline second oxide thin film on the first oxide thin film by a sputtering method using a target including an object;
A method of manufacturing an oxide semiconductor thin film, comprising: a heat treatment step of heat-treating the laminated thin film.
前記熱処理工程を酸素含有雰囲気下で行う
請求項1に記載の酸化物半導体薄膜の製造方法。
The method for manufacturing an oxide semiconductor thin film according to claim 1, wherein the heat treatment step is performed in an oxygen-containing atmosphere.
希ガスと酸素の総圧力に対する酸素分圧が1.0×10−3Pa以上3.0×10−2Pa以下、系内の全てのガスの総圧力に対する水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気下で、インジウム及びガリウムを含有し、該ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下である酸化物を含むターゲットを用いてスパッタリング法によって第1酸化物薄膜を成膜する第1成膜工程と、
希ガスと酸素の総圧力に対する酸素分圧が3.0×10−2Pa超2.0×10−1Pa以下、系内の全てのガスの総圧力に対する水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気下で、インジウム及びガリウムを含有し、該ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下である酸化物を含む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酸化物薄膜上に、第2酸化物薄膜を成膜し、積層薄膜を形成する第2成膜工程と、
前記積層薄膜を熱処理する熱処理工程とを含む
薄膜トランジスタの製造方法。
The oxygen partial pressure with respect to the total pressure of the rare gas and oxygen is 1.0 × 10 −3 Pa to 3.0 × 10 −2 Pa and the water pressure with respect to the total pressure of all the gases in the system is 2.0 × 10 Oxidation containing indium and gallium in an atmosphere of 3 Pa or more and 5.0 × 10 −1 Pa or less, and the gallium content is Ga / (In + Ga) atomic ratio of 0.15 or more and 0.30 or less A first film forming step of forming a first oxide thin film by sputtering using a target including an object,
The oxygen partial pressure with respect to the total pressure of the rare gas and oxygen is more than 3.0 × 10 −2 Pa and not more than 2.0 × 10 −1 Pa, and the water pressure with respect to the total pressure of all the gases in the system is 2.0 × 10 Oxidation containing indium and gallium in an atmosphere of 3 Pa or more and 5.0 × 10 −1 Pa or less, and the gallium content is Ga / (In + Ga) atomic ratio of 0.15 or more and 0.30 or less A second film forming step of forming a laminated thin film by forming a second oxide thin film on the first oxide thin film by a sputtering method using a target including an object;
A method of manufacturing a thin film transistor, comprising: a heat treatment step of heat-treating the laminated thin film.
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