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JP2019024058A - Oxide semiconductor thin film and method for manufacturing thin-film transistor - Google Patents

Oxide semiconductor thin film and method for manufacturing thin-film transistor Download PDF

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JP2019024058A JP2017143064A JP2017143064A JP2019024058A JP 2019024058 A JP2019024058 A JP 2019024058A JP 2017143064 A JP2017143064 A JP 2017143064A JP 2017143064 A JP2017143064 A JP 2017143064A JP 2019024058 A JP2019024058 A JP 2019024058A
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oxide semiconductor
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film
oxide
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中山 徳行
Noriyuki Nakayama
徳行 中山
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Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Abstract

【課題】従来の結晶質の酸化物半導体薄膜とは異なる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せしめた酸化物半導体薄膜の製造方法を提供する。【解決手段】系内の水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気にて、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用いて、基板の表面にスパッタリング法によって酸化物薄膜を成膜する成膜工程と、系内の温度22℃で測定した相対湿度が5%以上かつ酸素濃度が30%以上の雰囲気にて酸化物薄膜をインジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜となるように熱処理する熱処理工程と、を含む、結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法である。【選択図】図1An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an oxide semiconductor thin film in which the carrier concentration is reduced while maintaining a high carrier mobility different from that of a conventional crystalline oxide semiconductor thin film. An oxide sintered body containing indium and gallium as oxides in an atmosphere having a water pressure in the system of 2.0 × 10 −3 Pa to 5.0 × 10 −1 Pa. Using a target, a film forming step of forming an oxide thin film on the surface of the substrate by sputtering, and an atmosphere in which the relative humidity measured at a temperature of 22 ° C. in the system is 5% or more and the oxygen concentration is 30% or more A heat treatment step of heat-treating the oxide thin film to form a crystalline oxide semiconductor thin film containing indium and gallium as oxides and further containing hydrogen. It is a manufacturing method. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法に関し、より詳しくは、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有させ、さらに水素を含有させることにより、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せしめた結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a crystalline oxide semiconductor thin film, and more particularly, by containing indium and gallium as oxides and further containing hydrogen, the carrier is maintained while maintaining high carrier mobility. The present invention relates to a method for manufacturing a crystalline oxide semiconductor thin film with reduced concentration.

薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor、TFT)は、電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor、以下FET)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、基板の表面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 (Thin Film Transistor, TFT) is one type of 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 the surface of a substrate is used as a channel layer in which electrons or holes move as carriers. The active element has a function of switching a current between a source terminal and a drain terminal by applying a voltage to a gate 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がある。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。n型のチャネル層として、現在、最も広く使われているのは、低温ポリシリコン薄膜又は非晶質シリコン薄膜である。   The TFT is the most widely used electronic device at present, and a typical application is a TFT for driving a liquid crystal. Many liquid crystal driving TFTs use an n-type channel layer in which electrons move as carriers. Currently, the most widely used n-type channel layer is a low-temperature polysilicon thin film or an amorphous silicon thin film.

しかし、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きている。TFTの駆動速度は、チャネル層の電子の移動度に依存する。高速駆動を実現するためには、電子の移動度が少なくとも非晶質シリコンのそれ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、電子の移動度が十分高いが、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い、あるいは非晶質シリコンと比較して工程が多く、設備投資が必要などの理由から、コストが高い、などの課題がある。   In recent years, however, liquid crystal drive TFTs are required to be driven at high speed as the definition of liquid crystals increases. The driving speed of the TFT depends on the electron mobility of the channel layer. 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 sufficiently high electron mobility, but when formed on a large glass substrate, in-plane uniformity is low and yield is low, or there are many processes compared to amorphous silicon, and capital investment is required. For this reason, 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、該酸化物薄膜の組成は、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、かつキャリア濃度(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、及び、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 thin film is InGaO 3 (ZnO) m (m is a natural number of less than 6) when crystallized, and carrier mobility (also referred to as carrier electron mobility) is added without adding impurity ions. A transparent semi-insulating amorphous oxide thin film characterized by being semi-insulating and having a carrier concentration (also referred to as carrier electron concentration) of 10 16 cm −3 or less, exceeding 1 cm 2 V −1 sec −1 ; A thin film transistor characterized by using the transparent semi-insulating amorphous oxide thin film 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1cm−1sec−1以上10cm−1sec−1以下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 Since the thin film (a-IGZO film) stays in the carrier mobility in the range of approximately 1 cm 2 V −1 sec −1 to 10 cm 2 V −1 sec −1 , the carrier mobility when formed as a TFT channel layer. It was pointed out that there was a shortage.

キャリア移動度の不足を解決するために、他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以上0.12以下であり、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半導体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。特許文献1と比較して、特許文献2では、インジウム含有量を高めることでキャリア移動度を高めるとともに、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濃度の増加を抑えているが、TFTチャネル層に適用した場合には結晶粒界がTFT特性ばらつきの原因となる点が課題として残されていた。さらに、特許文献2には、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やや高いことも課題として残されていた。 In order to solve the shortage of carrier mobility, other materials have been studied. For example, in Patent Document 2, gallium is dissolved in indium oxide, the atomic ratio Ga / (Ga + In) is 0.001 or more and 0.12 or less, and the content ratio of indium and gallium with respect to all metal atoms is 80. There has been proposed a thin film transistor characterized by using an oxide semiconductor thin film having an atomic percent or more and an In 2 O 3 bixbyite structure. Compared with Patent Document 1, Patent Document 2 increases carrier mobility by increasing the indium content and suppresses increase in carrier concentration by crystallizing into a bixbite structure of In 2 O 3 . When applied to the TFT channel layer, the problem remains that the crystal grain boundary causes variations in TFT characteristics. Further, in Patent Document 2, there are some examples in which the carrier concentration exceeds 2.0 × 10 18 cm −3, and it is left as a problem that the oxide semiconductor thin film applied to the TFT channel layer is slightly high. It was.

特許文献3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3.0×10−4Pa以上5.0×10−2Pa以下で、スパッタリングターゲットを用いてDCスパッタリングして成膜体を成膜し、前記成膜体を結晶化する酸化物半導体薄膜の製造方法が提案されている。また、特許文献4には、酸化物半導体膜に含有される水素元素の含有量が、酸化物半導体薄膜を形成する全元素に対して、0.1原子%以上5原子%以下であ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。しかしながら、いずれについても結晶膜の酸化物半導体薄膜に関する発明であるため、結晶質以外の酸化物半導体薄膜に及ぼす水素等の影響についての知見は得られていなかった。また、依然として、TFT特性において重要な面内ばらつきの原因となる結晶粒界の課題は残されていた。 In Patent Document 3, in order to solve the high carrier concentration of Patent Document 2, DC sputtering is performed using a sputtering target at a moisture pressure in the system of 3.0 × 10 −4 Pa to 5.0 × 10 −2 Pa. There has been proposed a method of manufacturing an oxide semiconductor thin film by forming a film formation body and crystallizing the film formation body. Patent Document 4 states that the content of hydrogen element contained in the oxide semiconductor film is 0.1 atomic% or more and 5 atomic% or less with respect to all elements forming the oxide semiconductor thin film. A characteristic thin film transistor has been proposed. However, since both are inventions related to an oxide semiconductor thin film of a crystalline film, knowledge about the influence of hydrogen or the like on an oxide semiconductor thin film other than a crystal has not been obtained. In addition, there still remains a problem of crystal grain boundaries that cause important in-plane variations in TFT characteristics.

特開2010−219538号公報JP 2010-219538 A WO2010/032422号公報WO2010 / 032422 特開2011−222557号公報JP 2011-222557 A WO2010/047077号公報WO2010 / 047077

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)

本発明の目的は、結晶質の酸化物半導体薄膜に、さらに水素を含有させることによって、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せしめた酸化物半導体薄膜の製造方法を提供することにある。特に、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜を得るための製造方法であって、特許文献2〜4の結晶質の酸化物半導体薄膜とは異なる結晶質の酸化物半導体薄膜を製造することができる、好適な製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method for producing an oxide semiconductor thin film in which carrier concentration is reduced while maintaining high carrier mobility by further containing hydrogen in a crystalline oxide semiconductor thin film. is there. In particular, a manufacturing method for obtaining a crystalline oxide semiconductor thin film containing indium and gallium as oxides, and further containing hydrogen, comprising the crystalline oxide semiconductor thin films of Patent Documents 2 to 4 Another object of the present invention is to provide a suitable manufacturing method capable of manufacturing a crystalline oxide semiconductor thin film different from the above.

本発明者等は、上記課題を解決するために、鋭意検討を行った結果、結晶質の酸化物半導体薄膜に、適量の水素を含有させることによって、キャリア移動度10cm−1sec−1以上を維持したまま、半導体として十分低いキャリア濃度が得られることを確認し、上記の酸化物半導体薄膜を得るための製造方法を新たに見出した。 As a result of intensive studies to solve the above-described problems, the present inventors have incorporated a suitable amount of hydrogen into a crystalline oxide semiconductor thin film, whereby carrier mobility is 10 cm 2 V −1 sec −1. While maintaining the above, it was confirmed that a sufficiently low carrier concentration was obtained as a semiconductor, and a manufacturing method for obtaining the oxide semiconductor thin film was newly found.

本発明の第1は、系内の水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気にて、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用いて、基板の表面にスパッタリング法によって酸化物薄膜を成膜する成膜工程と、系内の温度22℃で測定した相対湿度が5%以上かつ酸素濃度が30%以上の雰囲気にて、前記酸化物薄膜をインジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜となるように熱処理する熱処理工程と、を含む、結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法である。 The first of the present invention is an oxide containing indium and gallium as oxides in an atmosphere having a moisture pressure in the system of 2.0 × 10 −3 Pa to 5.0 × 10 −1 Pa. A film forming step of forming an oxide thin film on the surface of the substrate by a sputtering method using a target made of a sintered body, a relative humidity measured at 22 ° C. in the system is 5% or more, and an oxygen concentration is 30%. A heat treatment step of heat-treating the oxide thin film so as to become a crystalline oxide semiconductor thin film containing indium and gallium as oxides and further containing hydrogen in the above atmosphere. Is a method for producing a high quality oxide semiconductor thin film.

本発明の第2は、第1の発明において前記熱処理工程における前記相対湿度が10%以上とする、酸化物半導体薄膜の製造方法である。   2nd of this invention is a manufacturing method of an oxide semiconductor thin film which makes the said relative humidity 10% or more in the said heat processing process in 1st invention.

本発明の第3は、第1又は2の発明において前記熱処理工程における前記酸素濃度が100%とする、酸化物半導体薄膜の製造方法である。   3rd of this invention is a manufacturing method of an oxide semiconductor thin film which makes the said oxygen concentration in the said heat processing process 100% in 1st or 2nd invention.

本発明の第4は、第1から3のいずれかの発明において前記成膜工程における前記ターゲットの前記酸化物焼結体における前記ガリウムの含有量がGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下とする、酸化物半導体薄膜の製造方法である。   According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the gallium content in the oxide sintered body of the target in the film forming step is 0.15 in terms of Ga / (In + Ga) atomic ratio. The manufacturing method of the oxide semiconductor thin film is set to 0.30 or less.

本発明の第5は、第1から3のいずれかの発明において前記成膜工程にて用いる前記ターゲットにおいて、前記酸化物焼結体における前記ガリウムの含有量をGa/(In+Ga)原子数比で0.17以上0.30以下とする、酸化物半導体薄膜の製造方法である。   According to a fifth aspect of the present invention, in the target used in the film formation step according to any one of the first to third aspects, the gallium content in the oxide sintered body is expressed by a Ga / (In + Ga) atomic ratio. The manufacturing method of an oxide semiconductor thin film is 0.17 or more and 0.30 or less.

本発明の第6は、第1から5のいずれかの発明に記載の製造方法により結晶質の酸化物半導体薄膜を製造する工程を含む、前記酸化物半導体薄膜をチャネル層として備えた薄膜トランジスタの製造方法である。   6th of this invention is a manufacturing of the thin-film transistor provided with the said oxide semiconductor thin film as a channel layer including the process of manufacturing a crystalline oxide semiconductor thin film with the manufacturing method in any one of 1-5 Is the method.

本発明の製造方法によって製造された酸化物半導体薄膜は、水素を含有した結晶質の酸化物半導体薄膜の膜深さ方向に均一に水素を含有されるとともに、酸化物半導体薄膜の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。これより、酸化物半導体薄膜をチャネル層として適用される薄膜トランジスタ(TFT)は安定的に動作するため、本発明の結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法は工業的に極めて有用である。   The oxide semiconductor thin film manufactured by the manufacturing method of the present invention contains hydrogen uniformly in the depth direction of the crystalline oxide semiconductor thin film containing hydrogen, and has a high carrier mobility of the oxide semiconductor thin film. The carrier concentration can be reduced while maintaining the above. Accordingly, since a thin film transistor (TFT) to which an oxide semiconductor thin film is applied as a channel layer operates stably, the method for producing a crystalline oxide semiconductor thin film of the present invention is extremely useful industrially.

本発明の一実施形態である実施例1の酸化物半導体薄膜のX線回折測定におけるX線回折測定結果を表した図である。It is a figure showing the X-ray-diffraction measurement result in the X-ray-diffraction measurement of the oxide semiconductor thin film of Example 1 which is one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態である実施例13の酸化物半導体薄膜の二次イオン質量分析による膜深さ方向の水素濃度の変化を表した図である。It is a figure showing the change of the hydrogen concentration of the film depth direction by the secondary ion mass spectrometry of the oxide semiconductor thin film of Example 13 which is one Embodiment of this invention.

以下に、本発明の結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法及びそれを用いた薄膜トランジスタ(TFT)の製造方法について詳細に説明する。本発明は、下記の記載に限定されるものではなく、本発明の目的を奏するものである限り、適宜変更を加え実施することができる。   Below, the manufacturing method of the crystalline oxide semiconductor thin film of this invention and the manufacturing method of a thin-film transistor (TFT) using the same are demonstrated in detail. The present invention is not limited to the following description, and can be implemented with appropriate modifications as long as the object of the present invention is achieved.

1.酸化物半導体薄膜
(1)金属組成
本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜は、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜である。結晶質とは、一般的に結晶構造からなりX線回折測定におけるX線回折測定結果において、結晶構造に基づく面指数に対応した明瞭な回折ピークが見られる状態をいう。一般に構成原子の配列に結晶構造のような長距離規則性を持たない固体状態のことを指す非晶質や、一般的に結晶粒径が小さい(1nm以上100nm以下程度)結晶成分と、非晶質成分との混合相を形成している状態の微結晶とは異なる。
1. Oxide Semiconductor Thin Film (1) Metal Composition The oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention is a crystalline oxide semiconductor thin film containing indium and gallium as oxides and further containing hydrogen. . The term “crystalline” generally refers to a state in which a clear diffraction peak corresponding to a plane index based on a crystal structure is observed in an X-ray diffraction measurement result in an X-ray diffraction measurement, which is composed of a crystal structure. In general, the arrangement of constituent atoms is amorphous, which indicates a solid state that does not have long-range regularity such as a crystal structure, generally a crystal component having a small crystal grain size (1 nm to 100 nm or less), and an amorphous It differs from the microcrystal in the state which forms the mixed phase with a quality component.

なお、結晶質の酸化物半導体薄膜は、例えば、X線回折測定におけるX線回折測定結果において、結晶構造に基づく面指数に対応した明瞭な回折ピークが見られるだけでなく、断面組織のTEM−EDX測定の電子線回折図において、その結晶構造に基づく面指数に対応した回折スポットが形成されていることから同定することができる。これに対して、非結晶の酸化物半導体薄膜は、例えば、X線回折測定におけるX線回折測定結果において、結晶構造に基づく面指数に対応した明瞭な回折ピークが見られず、かつ、断面組織のTEM−EDX測定の電子線回折図において、ハローあるいはスポットが若干残存するハローが形成される。微結晶の酸化物半導体薄膜は、例えば、X線回折測定におけるX線回折測定結果において、明瞭な回折ピークが見られず、かつ、断面組織のTEM−EDX測定の電子線回折図において、スポットとリングの組み合わせからなる回折パターンが形成される。   Note that, in the crystalline oxide semiconductor thin film, for example, in the X-ray diffraction measurement result in the X-ray diffraction measurement, not only a clear diffraction peak corresponding to the plane index based on the crystal structure is seen, but also the TEM- In the electron beam diffraction diagram of EDX measurement, it can be identified from the fact that diffraction spots corresponding to the plane index based on the crystal structure are formed. On the other hand, the amorphous oxide semiconductor thin film does not show a clear diffraction peak corresponding to the plane index based on the crystal structure in the X-ray diffraction measurement result in the X-ray diffraction measurement, and has a cross-sectional structure. In the TEM-EDX measurement electron diffraction pattern, a halo or a halo in which some spots remain is formed. The microcrystalline oxide semiconductor thin film has, for example, no clear diffraction peak in the X-ray diffraction measurement result in the X-ray diffraction measurement, and in the electron diffraction pattern of the TEM-EDX measurement of the cross-sectional structure, A diffraction pattern consisting of a combination of rings is formed.

本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜のガリウムの含有量は、Ga/(In+Ga)原子数比で下限としては、0.15以上であることが好ましく、0.17以上であることがより好ましく、0.20超であることが更に好ましい。上限としては、0.30以下であることが好ましく、0.25以下であることがより好ましく、0.23以下であることが更に好ましい。ガリウムは酸素との結合力が強く、本発明の製造方法によって得られる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以上の場合には、この効果を十分に得ることができる。一方、0.30以下の場合、酸化物半導体薄膜として十分高い10cm−1sec−1以上のキャリア移動度を得ることができる。 The lower limit of the gallium content in the oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention is preferably 0.15 or more, and more preferably 0.17 or more, as a Ga / (In + Ga) atomic ratio. More preferably, it is more preferably more than 0.20. As an upper limit, it is preferable that it is 0.30 or less, it is more preferable that it is 0.25 or less, and it is still more preferable that it is 0.23 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 obtained by the manufacturing method of the present invention. When the gallium content is 0.15 or more in terms of Ga / (In + Ga) atomic ratio, this effect can be sufficiently obtained. On the other hand, in the case of 0.30 or less, carrier mobility of 10 cm 2 V −1 sec −1 or more that is sufficiently high as an oxide semiconductor thin film can be obtained.

本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜は、インジウム及びガリウムを除く元素のうち、特定の正三価の元素を含んでもよい。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、イットリウムがある。本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜にこれらの元素が含まれると、キャリア濃度の低減に寄与するが、キャリア移動度の向上にはほとんど寄与しない。本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜は、上記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。すなわち、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、ルテチウムは含まないことが好ましい。キャリア濃度の低減に寄与せず、キャリア移動度が低下するためである。本明細書において、元素を実質的に含まないとは、金属元素又は半金属元素が意図的に添加されたものでないことを意味する。   The crystalline oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention may contain a specific positive trivalent element among elements other than indium and gallium. Specific positive trivalent elements include boron, aluminum, scandium, and yttrium. When these elements are contained in the crystalline oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention, it contributes to a reduction in carrier concentration, but hardly contributes to an improvement in carrier mobility. It is preferable that the crystalline oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention does not substantially contain a positive trivalent element other than the above. That is, it is preferable that lanthanum, praseodymium, dyspronium, holmium, erbium, ytterbium, and lutetium are not included. This is because the carrier mobility is lowered without contributing to the reduction of the carrier concentration. In the present specification, the phrase “substantially not containing an element” means that a metal element or a metalloid element is not intentionally added.

本発明の製造方法によって得られる結晶質の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、及びセリウムがある。本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜に、これらの元素が含まれると散乱因子として作用するため、結晶質の酸化物半導体薄膜のキャリア移動度が低下してしまう。   The crystalline oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention preferably does not substantially contain a positive tetravalent or higher element. Examples of elements having a positive tetravalent or higher include titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, silicon, germanium, tin, lead, antimony, bismuth, and cerium. When these elements are contained in the oxide semiconductor thin film obtained by the manufacturing method of the present invention, it acts as a scattering factor, so that the carrier mobility of the crystalline oxide semiconductor thin film is lowered.

本発明の製造方法によって得られる結晶質の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、酸化カルシウム、ストロンチウム、バリウム、及び亜鉛がある。本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜に、これらの元素が含まれると、キャリア濃度の低減に多少寄与するものの、散乱因子として作用するため、その効果以上にキャリア移動度が低下してしまう。   It is preferable that the crystalline oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention does not substantially contain a positive divalent element or less. Elements that are less than positive divalent include lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, magnesium, calcium oxide, strontium, barium, and zinc. When these elements are contained in the oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention, although it contributes somewhat to the reduction of the carrier concentration, it acts as a scattering factor, so the carrier mobility is lowered more than the effect. End up.

(2)不可避不純物
本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜に含まれる不可避不純物は、総量が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。本明細書において、不可避不純物とは、意図的に添加していないにもかかわらず、各原料の製造工程等で不可避的に混入する不純物のことである。不純物量が多い場合には、キャリア濃度が高くなる、あるいはキャリア移動度が低下する、などの問題が生じるおそれがある。
(2) Inevitable impurities The total amount of inevitable impurities contained in the oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention is preferably 500 ppm or less, more preferably 300 ppm or less, and further preferably 100 ppm or less. preferable. In the present specification, the inevitable impurities are impurities that are inevitably mixed in the manufacturing process of each raw material even though they are not intentionally added. When the amount of impurities is large, problems such as an increase in carrier concentration or a decrease in carrier mobility may occur.

(3)水素の含有量、膜深さ方向分布及び結合状態
本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜に含有される水素の含有量は、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)などで測定される。例えば、二次イオン質量分析法により測定された、水素の含有量が1.0×1020atoms/cm以上1.0×1022atoms/cm以下であることが好ましく、3.0×1020atoms/cm以上5.0×1021atoms/cm以下であることがより好ましく、5.0×1020atoms/cm以上1.0×1021atoms/cm以下であることがさらに好ましい。
(3) Hydrogen content, film depth direction distribution and bonding state The hydrogen content contained in the crystalline oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention is determined by secondary ion mass spectrometry (SIMS, Measured by Secondary Ion Mass Spectroscopy, Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS), Hydrogen Forward Scattering (HFS), Hydrogen Forward Scattering, etc. For example, the hydrogen content measured by secondary ion mass spectrometry is preferably 1.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more and 1.0 × 10 22 atoms / cm 3 or less, and 3.0 × It is more preferably 10 20 atoms / cm 3 or more and 5.0 × 10 21 atoms / cm 3 or less, and 5.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more and 1.0 × 10 21 atoms / cm 3 or less. Is more preferable.

水素は、結晶質の酸化物半導体薄膜中で酸素の近傍に存在して、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度の低減に寄与すると考えられる。酸化物半導体薄膜中の水素の含有量が1.0×1020atoms/cm以上であることにより、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度が2.0×1018cm−3以下まで低減されるようになるため好ましい。一方、酸化物半導体薄膜中の水素の含有量が、1.0×1022atoms/cm以上であることにより、過剰な水素が散乱因子として作用し、酸化物半導体薄膜のキャリア移動度が10cm−1sec−1未満に低下する可能性を軽減することができるため好ましい。 Hydrogen is considered to be present in the vicinity of oxygen in the crystalline oxide semiconductor thin film and contribute to the reduction of the carrier concentration of the oxide semiconductor thin film. When the hydrogen content in the oxide semiconductor thin film is 1.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more, the carrier concentration of the oxide semiconductor thin film is reduced to 2.0 × 10 18 cm −3 or less. Therefore, it is preferable. On the other hand, when the content of hydrogen in the oxide semiconductor thin film is 1.0 × 10 22 atoms / cm 3 or more, excess hydrogen acts as a scattering factor, and the carrier mobility of the oxide semiconductor thin film is 10 cm. Since it is possible to reduce the possibility of lowering to less than 2 V −1 sec −1, it is preferable.

本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜においては、含有する水素の膜深さ方向の分布がなるべく均一であるほうがよい。均一であるとは、基板近傍の平均水素濃度に対する薄膜表面近傍の平均水素濃度の比が0.50〜1.20の範囲内であることを指す。この比が0.80〜1.10の範囲内であればなおよい。   In the crystalline oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention, it is preferable that the distribution of hydrogen contained in the film depth direction is as uniform as possible. “Uniform” means that the ratio of the average hydrogen concentration in the vicinity of the thin film surface to the average hydrogen concentration in the vicinity of the substrate is in the range of 0.50 to 1.20. It is even better if this ratio is in the range of 0.80 to 1.10.

本明細書における薄膜表面近傍の平均水素濃度とは、酸化物半導体薄膜の表面近傍において、表面の影響を受けない境界データを起点として、SIMSによる膜深さの正の方向に10nmまでの間のランダムの5点以上の水素濃度の平均値を意味する。本明細書における基板近傍の平均水素濃度とは、基板と酸化物半導体薄膜の界面近傍において、基板の影響を受けない境界データを起点として、SIMSによる膜深さの負の方向に10nmまでの間のランダムの5点以上の水素濃度の平均値を意味する。なお、SIMSによる膜深さの正の方向は膜表面から基板へと向かう方向であり、負の方向とはその反対の方向を指す。   The average hydrogen concentration in the vicinity of the surface of the thin film in this specification is a boundary between the surface of the oxide semiconductor thin film and the boundary data that is not affected by the surface, starting from boundary data up to 10 nm in the positive direction of the film depth by SIMS. It means the average value of hydrogen concentration at 5 or more random points. In the present specification, the average hydrogen concentration in the vicinity of the substrate refers to the boundary data that is not affected by the substrate in the vicinity of the interface between the substrate and the oxide semiconductor thin film, and is from 10 nm in the negative direction of the film depth by SIMS. Mean the average value of 5 or more random hydrogen concentrations. Note that the positive direction of the film depth by SIMS is the direction from the film surface to the substrate, and the negative direction indicates the opposite direction.

ここで、酸化物半導体薄膜の表面近傍において、表面の影響を受けない境界データは、SIMSの測定結果を解析すれば明らかである。例えば、図2のSIMSの測定結果において、酸化物半導体薄膜の表面近傍において、表面の影響を受けない境界データとは、平均水素濃度が1.0×1021〜1.0×1022atoms/cm超の範囲で大幅に変化する膜深さ0〜3.9nmの範囲と、おおよそ1.0×1021atoms/cmで一定となっている膜深さ3.9nm超の範囲の境界となっている。一方、基板と酸化物半導体薄膜の界面近傍において、基板の影響を受けない境界データについても同様であり、平均水素濃度が1.0×1021〜3.7×1021atoms/cmの範囲で大幅に変化する膜深さ149nm以上の範囲と、平均水素濃度がおおよそ一定となっている膜深さ149nm未満の範囲の境界となっている149nmのデータである。これらの境界データを起点として、基板近傍の平均水素濃度又は薄膜表面近傍の平均水素濃度をそれぞれ求めることができる。 Here, boundary data that is not influenced by the surface in the vicinity of the surface of the oxide semiconductor thin film is apparent by analyzing the SIMS measurement results. For example, in the SIMS measurement result of FIG. 2, the boundary data that is not affected by the surface in the vicinity of the surface of the oxide semiconductor thin film is the average hydrogen concentration of 1.0 × 10 21 to 1.0 × 10 22 atoms / and the range of film depth 0~3.9nm varying greatly in the range of cm 3 greater, film depth 3.9nm greater range boundary of which is constant at approximately 1.0 × 10 21 atoms / cm 3 It has become. On the other hand, in the vicinity of the interface between the substrate and the oxide semiconductor thin film, the same applies to the boundary data that is not affected by the substrate, and the average hydrogen concentration is in the range of 1.0 × 10 21 to 3.7 × 10 21 atoms / cm 3 . This is data of 149 nm, which is a boundary between the range of the film depth of 149 nm or more, which greatly changes in, and the range of the film depth of less than 149 nm where the average hydrogen concentration is approximately constant. From these boundary data, the average hydrogen concentration in the vicinity of the substrate or the average hydrogen concentration in the vicinity of the thin film surface can be obtained, respectively.

本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜に含有される水素は、ビックスバイト構造の酸化インジウム相において、水素原子又は水素イオンと、酸素イオンと、が結合したOHとして存在するものがほとんどである。OHは、本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜中に、特定の格子位置あるいは格子間位置に存在する。特に、OHについては、飛行時間型のSIMS測定(TOF−SIMS、Time of Flight−Secondary Ion Mass Spectroscopy)によって確認することができる。これに対して、水素がインジウム及び/又はガリウムとビックスバイト構造以外の異相を形成することは好ましくない。 Hydrogen contained in the crystalline oxide semiconductor thin film obtained by the manufacturing method of the present invention exists as OH in which a hydrogen atom or a hydrogen ion and an oxygen ion are combined in an indium oxide phase having a bixbyite structure. Most are things. OH is present at a specific lattice position or interstitial position in the crystalline oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention. In particular, OH can be confirmed by time-of-flight SIMS measurement (TOF-SIMS, Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectroscopy). On the other hand, it is not preferable that hydrogen forms a different phase other than the bixbite structure with indium and / or gallium.

(4)膜質
本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜は、結晶質の酸化物半導体薄膜である。一般に、結晶からなる結晶膜はX線回折測定において結晶構造に基づく面指数に対応した明確な回折ピークを示すが、非晶質からなる非晶質膜及び微結晶からなる微結晶膜では明確な回折ピークを示さない。微結晶膜であっても、その回折パターンには、結晶膜のピークが出現する回折角度において、回折ピークと明確に認識できない膨らみ程度しか確認できない。また、透過型電子顕微鏡(以下、TEMと表記することがある。)で観察した各薄膜の断面組織のTEM写真像を比較すると、結晶膜には結晶粒界が確認されるが、非晶質膜はもちろん、微結晶膜にも明確な結晶粒界は確認されない。電子線回折像では、結晶膜の場合には、面指数に対応した回折スポットが確認されるが、非晶質膜及び微結晶膜の場合には、ハロー、スポットが若干残存するハロー、あるいはスポットとリングの組み合わせからなる回折パターンしか確認されない。
(4) Film quality The oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention is a crystalline oxide semiconductor thin film. In general, a crystal film made of a crystal shows a clear diffraction peak corresponding to a plane index based on the crystal structure in X-ray diffraction measurement, but is clear in an amorphous film made of amorphous and a microcrystal film made of microcrystal. Does not show diffraction peaks. Even in the case of a microcrystalline film, only a bulge level that cannot be clearly recognized as a diffraction peak can be confirmed in the diffraction pattern at the diffraction angle at which the peak of the crystal film appears. In addition, when a TEM image of the cross-sectional structure of each thin film observed with a transmission electron microscope (hereinafter sometimes referred to as TEM) is compared, a crystal grain boundary is confirmed in the crystalline film. Clear crystal grain boundaries are not confirmed not only in the film but also in the microcrystalline film. In the case of a crystalline film, a diffraction spot corresponding to the plane index is confirmed in the electron diffraction image. However, in the case of an amorphous film and a microcrystalline film, a halo, a halo with a slight remaining spot, or a spot is observed. Only a diffraction pattern consisting of a ring combination is confirmed.

(5)膜厚
本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜の膜厚は、下限を10nm以上とすることが好ましく、30nm以上であればより好ましく、50nm以上であればなお一層好ましい。一方、上限については特に制限はないが、例えばフレキシビリティを必要とするデバイスの薄膜トランジスタ(TFT)のチャネル層として適用する場合などは、1000nm以下であることが好ましく、500nm以下がより好ましく、300nm以下であればなお一層好ましい。1000nmを超えるとデバイスを曲げた場合に薄膜トランジスタ(TFT)のチャネル層として必要な特性が維持できない場合がある。総じて、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などを考慮すれば、30nm以上300nm以下が好適であるといえる。
(5) Film thickness The film thickness of the crystalline oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention is preferably 10 nm or more as the lower limit, more preferably 30 nm or more, and even more preferably 50 nm or more. preferable. On the other hand, the upper limit is not particularly limited. For example, when applied as a channel layer of a thin film transistor (TFT) of a device that requires flexibility, it is preferably 1000 nm or less, more preferably 500 nm or less, and 300 nm or less. If so, it is even more preferable. If the thickness exceeds 1000 nm, characteristics required as a channel layer of a thin film transistor (TFT) may not be maintained when the device is bent. In general, it can be said that a thickness of 30 nm or more and 300 nm or less is suitable in consideration of the throughput in the manufacturing process and the small variation in performance.

(6)キャリア濃度・キャリア移動度
本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜は、キャリア濃度2.0×1018cm−3以下、より好ましくはキャリア濃度1.0×1018cm−3以下、特に好ましくは8.0×1017cm−3以下を示し、5.0×1017cm−3以下であれば一層好ましい。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4.0×1018cm−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薄膜トランジスタ(TFT)はノーマリーオフを示さなくなる。したがって、本発明に係る結晶質の酸化物半導体薄膜は、上記の薄膜トランジスタ(TFT)がノーマリーオフを示す範囲にキャリア濃度が制御されるため都合がよい。また、キャリア移動度は10cm−1sec−1以上を示し、より好ましくはキャリア移動度15cm−1sec−1以上を示し、20cm−1sec−1以上を示せばなお一層好ましい。
(6) Carrier concentration / carrier mobility The oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention has a carrier concentration of 2.0 × 10 18 cm −3 or less, more preferably a carrier concentration of 1.0 × 10 18 cm −3. Hereinafter, it is particularly preferably 8.0 × 10 17 cm −3 or less, and more preferably 5.0 × 10 17 cm −3 or less. As represented by the amorphous oxide semiconductor thin film made of indium, gallium, and zinc described in Non-Patent Document 1, an amorphous oxide semiconductor thin film containing a large amount of indium has a carrier concentration of 4.0. Since it is in a degenerate state at × 10 18 cm −3 or more, a thin film transistor (TFT) in which this is applied to the channel layer does not show normally-off. Therefore, the crystalline oxide semiconductor thin film according to the present invention is convenient because the carrier concentration is controlled in a range in which the above-described thin film transistor (TFT) shows normally-off. Further, the carrier mobility is 10 cm 2 V −1 sec −1 or more, more preferably the carrier mobility is 15 cm 2 V −1 sec −1 or more, and 20 cm 2 V −1 sec −1 or more is further shown. preferable.

2.酸化物半導体薄膜の製造方法
本発明の酸化物半導体薄膜の製造方法は、系内の水分圧が所定の圧力である雰囲気下にて、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用いて基板の表面にスパッタリング法によって酸化物薄膜を成膜する成膜工程と、基板の表面に形成された酸化物薄膜を、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜となるように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。
2. Manufacturing method of oxide semiconductor thin film The manufacturing method of an oxide semiconductor thin film according to the present invention includes an oxide baking containing indium and gallium as oxides in an atmosphere in which the moisture pressure in the system is a predetermined pressure. A film forming process for forming an oxide thin film on the surface of a substrate by a sputtering method using a target composed of a combination, and an oxide thin film formed on the surface of the substrate containing indium and gallium as oxides And a heat treatment step of heat-treating to form a crystalline oxide semiconductor thin film containing hydrogen.

以下、本発明の酸化物半導体薄膜の製造方法の好ましい一実施形態について説明する。   Hereinafter, a preferred embodiment of the method for producing an oxide semiconductor thin film of the present invention will be described.

2−1.成膜工程
本発明の製造方法における成膜工程は、所定範囲の水分圧の雰囲気にて、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用い、基板の表面にスパッタリング法により酸化物薄膜を成膜する工程である。なお、「酸化物薄膜」との語は、酸化物半導体薄膜の前駆物質である薄膜として、その「酸化物半導体薄膜」と区別するために用いているのであり、半導体としての性質を有しないことを意味するものではない。
2-1. Film Forming Process The film forming process in the manufacturing method of the present invention uses a target made of an oxide sintered body containing indium and gallium as oxides in an atmosphere having a moisture pressure within a predetermined range, and the surface of the substrate. In this step, an oxide thin film is formed by sputtering. Note that the term “oxide thin film” is used as a thin film that is a precursor of an oxide semiconductor thin film to distinguish it from the “oxide semiconductor thin film” and does not have properties as a semiconductor. Does not mean.

(1)スパッタリング法
好ましいスパッタリング法としては、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が挙げられる。特に、これらのうち、工業的な観点から、直流スパッタリング法が特に好ましい。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、大型ガラス基板への均一成膜の条件の確立には困難が伴うことから敢えて選択する必要はない。
(1) Sputtering method Preferred sputtering methods include DC sputtering, AC sputtering with a frequency of 1 MHz or less, and pulse sputtering. Of these, the DC sputtering method is particularly preferable from the industrial viewpoint. Although RF sputtering can be applied, since it is non-directional, it is not necessary to select it because it is difficult to establish conditions for uniform film formation on a large glass substrate.

(2)水分圧
本発明の製造方法において、スパッタリング法により酸化物薄膜を成膜する成膜工程では、系内の水分圧を2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気にて制御する。好ましくは2.0×10−2Pa以上2.0×10−1Pa以下であり、5.1×10−2Pa以上1.0×10−1Pa以下の雰囲気にて制御することがより好ましい。系内の水は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。系内の水分圧が2.0×10−3Pa未満の場合、酸化物薄膜に取り込まれる水の成分である水素あるいは水酸基の量が少ないため、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度の低減効果を十分得ることができない。一方、5.0×10−1Paを超える場合には、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度が増大してしまうとともに、酸化物半導体薄膜のキャリア移動度が低下する。水素あるいは水酸基がドナーとして、あるいは散乱因子として振る舞うためと考えられる。なお、酸化物半導体薄膜への水素添加には、本成膜工程において、系内の水分圧での制御ではなく、系内の水素分圧の制御で代用することも可能であるが、防爆仕様の製造工程が必要になるなど安全確保のためコスト高になる可能性があることから、水分圧での制御が好ましい。
(2) Moisture pressure In the production method of the present invention, in the film forming step of forming an oxide thin film by a sputtering method, the moisture pressure in the system is 2.0 × 10 −3 Pa or more and 5.0 × 10 −1 Pa or less. Control by atmosphere. It is preferably 2.0 × 10 −2 Pa to 2.0 × 10 −1 Pa, and more preferably controlled in an atmosphere of 5.1 × 10 −2 Pa to 1.0 × 10 −1 Pa. The water in the system is preferably introduced as water vapor in the sputtering apparatus chamber. When the water pressure in the system is less than 2.0 × 10 −3 Pa, since the amount of hydrogen or hydroxyl as a component of water taken into the oxide thin film is small, the effect of reducing the carrier concentration of the oxide semiconductor thin film is sufficiently obtained. I can't. On the other hand, when it exceeds 5.0 × 10 −1 Pa, the carrier concentration of the oxide semiconductor thin film increases and the carrier mobility of the oxide semiconductor thin film decreases. This is probably because hydrogen or a hydroxyl group behaves as a donor or as a scattering factor. In addition, for hydrogen addition to the oxide semiconductor thin film, it is possible to substitute the control of the hydrogen partial pressure in the system instead of the control of the water pressure in the system in this film forming process. Since the manufacturing process is required and the cost may be increased for ensuring safety, control by moisture pressure is preferable.

(3)その他のガス条件
成膜工程において、スパッタリング法による成膜の雰囲気ガスを構成するガスの種類としては、希ガス、酸素、及び水蒸気が好ましく、特に希ガスはアルゴンであることがより好ましく、水蒸気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より好ましい。これらの雰囲気ガスの全圧力は、0.1Pa以上3.0Pa以下の範囲に制御されることが好ましく、0.2Pa以上0.8Pa以下の範囲がより好ましく、0.3Pa以上0.7Pa以下の範囲であれば一層好ましい。
(3) Other gas conditions In the film forming step, the kind of gas constituting the atmosphere gas for film formation by sputtering is preferably a rare gas, oxygen, and water vapor, and more preferably the rare gas is argon. More preferably, the water vapor is introduced into the sputtering apparatus chamber as water vapor. The total pressure of these atmospheric gases is preferably controlled in the range of 0.1 Pa to 3.0 Pa, more preferably in the range of 0.2 Pa to 0.8 Pa, and 0.3 Pa to 0.7 Pa. If it is a range, it is still more preferable.

系内の雰囲気ガスのうち、系内の水分圧だけでなく、系内の酸素分圧をも制御することが好ましい。系内の酸素分圧の範囲は9.0×10−3Pa以上3.0×10−1Pa以下が好ましく、1.0×10−2Pa以上2.0×10−1Pa以下がより好ましく、2.5×10−2Pa以上9.0×10−2Pa以下がさらに好ましい。酸素分圧が9.0×10−3Paとすることにより、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度を十分に低下させることができる。また、酸化物半導体薄膜の面内のキャリア濃度のばらつきを小さくすることができる。系内の酸素分圧が3.0×10−1Pa以下とすることにより、相対的に雰囲気ガスにおける希ガス、特にアルゴンの比率が上昇するため、成膜速度が上昇し、工業的な実用性が高くなる。 Of the atmospheric gases in the system, it is preferable to control not only the moisture pressure in the system but also the oxygen partial pressure in the system. The range of oxygen partial pressure in the system is preferably 9.0 × 10 −3 Pa to 3.0 × 10 −1 Pa, more preferably 1.0 × 10 −2 Pa to 2.0 × 10 −1 Pa. Preferably, 2.5 × 10 −2 Pa or more and 9.0 × 10 −2 Pa or less is more preferable. By setting the oxygen partial pressure to 9.0 × 10 −3 Pa, the carrier concentration of the oxide semiconductor thin film can be sufficiently reduced. In addition, variation in carrier concentration in the surface of the oxide semiconductor thin film can be reduced. By setting the oxygen partial pressure in the system to 3.0 × 10 −1 Pa or less, the ratio of the rare gas, particularly argon, in the atmospheric gas is relatively increased, so that the film formation rate is increased and industrial practical use is achieved. Increases nature.

本発明の製造方法によって得られる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ためには、系内の酸素分圧と系内の水分圧をうまく組み合わせることが特に好ましい。系内の酸素分圧が低すぎる場合、系内の水分圧を制御しても酸化物半導体薄膜のキャリア濃度の低減が困難となる場合がある。すなわち、系内の酸素分圧を1.0×10−2Pa以上3.0×10−1Pa以下、かつ系内の水分圧を5.0×10−2Pa以上2.0×10−1Pa以下の範囲に制御することが一層好ましく、系内の酸素分圧を5.0×10−2Pa以上2.0×10−1Pa以下、かつ系内の水分圧を5.1×10−2Pa以上7.5×10−1Pa以下の範囲に制御することがより一層好ましい。 In order to optimize the carrier concentration and carrier mobility of the oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention, it is particularly preferable to combine the oxygen partial pressure in the system and the water pressure in the system well. When the oxygen partial pressure in the system is too low, it may be difficult to reduce the carrier concentration of the oxide semiconductor thin film even if the water pressure in the system is controlled. That is, the oxygen partial pressure in the system is 1.0 × 10 −2 Pa to 3.0 × 10 −1 Pa and the water pressure in the system is 5.0 × 10 −2 Pa to 2.0 × 10 −. More preferably, the oxygen partial pressure in the system is 5.0 × 10 −2 Pa or more and 2.0 × 10 −1 Pa or less, and the water pressure in the system is 5.1 ×. It is even more preferable to control the pressure in the range of 10 −2 Pa to 7.5 × 10 −1 Pa.

(4)基板
本成膜工程において、成膜に用いる基板としては、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、又は透明耐熱性樹脂であって、板、シート、あるいはフィルム等の形態のものを使用することができる。また、上記の基板に酸化シリコン、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、あるいは耐熱性を有する有機材料をさらに形成した基材からなる基板であってもよい。
(4) Substrate In this film forming step, the substrate used for film formation is an inorganic material such as alkali glass, non-alkali glass, or quartz glass, or a transparent heat-resistant resin, such as a plate, sheet, or film. Can be used. Further, the substrate may be a substrate made of a base material in which an inorganic material such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxide, tantalum oxide, or hafnium oxide or an organic material having heat resistance is further formed on the above substrate. .

(5)基板温度
本成膜工程において、スパッタリング法による成膜の基板温度は、室温以上300℃以下が好ましいが、基板温度100℃以上300℃以下がより好ましい。基板温度100℃未満で、系内の酸素分圧を2.4×10−2Pa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を阻害する、あるいは酸化物半導体薄膜の面内のキャリア濃度のばらつきが大きいなどの原因となる。一方、基板温度が300℃を超えると、成膜直後の酸化物薄膜が結晶化してしまう場合があり好ましくない。成膜工程において基板上に形成された酸化物薄膜は、非晶質又は微結晶の薄膜であることが好ましい。後述するように、成膜工程の後のエッチング工程において、特にウエットエッチングにより所定のチャネル層形状への微細加工が容易になる。
(5) Substrate temperature In this film formation step, the substrate temperature for film formation by sputtering is preferably room temperature or higher and 300 ° C. or lower, more preferably substrate temperature of 100 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. If the substrate temperature is less than 100 ° C. and the oxygen partial pressure in the system is 2.4 × 10 −2 Pa or more, excessive oxygen may be taken into the film. Excess oxygen causes a decrease in the carrier concentration of the oxide semiconductor thin film, or causes a large variation in the carrier concentration in the surface of the oxide semiconductor thin film. On the other hand, when the substrate temperature exceeds 300 ° C., the oxide thin film immediately after film formation may be crystallized, which is not preferable. The oxide thin film formed on the substrate in the film formation step is preferably an amorphous or microcrystalline thin film. As will be described later, in the etching process after the film forming process, the microfabrication into a predetermined channel layer shape is facilitated particularly by wet etching.

(6)T−S間距離
成膜工程において、スパッタリング法による成膜におけるターゲットと基板間の距離(T−S間距離)は、150mm以下が好ましく、110mm以下がより好ましく、特に好ましくは80mm以下である。T−S間距離が150mmを超える場合、成膜速度が著しく低下してしまい工業的な実用性が乏しくなるおそれがある。T−S間距離を短くすることで成膜速度を高めることができるため工業的な実用性に優れるが、反面、成膜される酸化物薄膜がプラズマによるダメージを受けるおそれがあるため、10mm以上が好ましく、20mm以上がより好ましく、特に好ましくは30mm以上である。
(6) Distance between TS In the film formation step, the distance between the target and the substrate (the distance between TS) in film formation by sputtering is preferably 150 mm or less, more preferably 110 mm or less, and particularly preferably 80 mm or less. It is. When the T-S distance exceeds 150 mm, the film formation rate is remarkably reduced, and industrial practicality may be poor. Although the film formation rate can be increased by shortening the T-S distance, it is excellent in industrial practicality. On the other hand, since the formed oxide thin film may be damaged by plasma, it is 10 mm or more. Is preferably 20 mm or more, and particularly preferably 30 mm or more.

(7)ターゲット
成膜工程において、スパッタリング法による成膜には、インジウム及びガリウムを酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用いる。特に、インジウム及びガリウムを酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用いることが好ましいが、さらに正三価元素のホウ素、アルミニウム、スカンジウム、イットリウムのうち1種以上が添加された酸化物焼結体からなるターゲットを用いてもよい。インジウム及びガリウムを酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットは、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、あるいはβ−Ga型構造のGaInO相と(Ga,In)相によって構成されることが特に好ましい。このような組織を有する酸化物焼結体からなるターゲットの密度は、6.3g/cm以上であることが好ましい。密度が6.3g/cm未満である場合、量産使用時のノジュール発生の原因となる場合がある。また、直流スパッタリング成膜で主に使用されることから、良好な導電性が必要であるため、酸化物焼結体からなる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、特に酸素雰囲気で焼結されることが好ましい。
(7) Target In the film formation step, a target made of an oxide sintered body containing indium and gallium as oxides is used for film formation by sputtering. In particular, it is preferable to use a target made of an oxide sintered body containing indium and gallium as oxides, but further, an oxide firing in which one or more of the positive trivalent elements boron, aluminum, scandium, and yttrium are added. You may use the target which consists of a combination. The target composed of an oxide sintered body containing indium and gallium as an oxide preferably contains at least a bixbite-type In 2 O 3 phase, and β− as a generated phase other than the In 2 O 3 phase. GaInO 3 phase of Ga 2 O 3 type structure, or beta-Ga 2 O 3 -type structure GaInO 3 phase and the (Ga, an in) it is particularly preferably constructed by 2 O 3 phase. The density of the target made of an oxide sintered body having such a structure is preferably 6.3 g / cm 3 or more. If the density is less than 6.3 g / cm 3 , it may cause nodules during mass production. In addition, since it is mainly used in direct current sputtering film formation and requires good conductivity, it is preferable that a target made of an oxide sintered body is sintered in an oxygen-containing atmosphere, particularly in an oxygen atmosphere. It is preferable to be sintered.

インジウム及びガリウムを酸化物として含有する酸化物焼結体又はそのターゲットにおいて、ガリウムの含有量は、Ga/(In+Ga)原子数比で、下限としては0.15以上であることが好ましく、0.17以上であることがより好ましく、0.20超であることが更に好ましい。上限としては0.30以下であることが好ましく、0.25以下であることがより好ましく、0.23以下であることが更に好ましい。酸化物焼結体又はそのターゲットにおけるガリウムの含有量は、本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜のガリウムの含有量と、同一となる。   In the oxide sintered body containing indium and gallium as oxides or a target thereof, the content of gallium is Ga / (In + Ga) atomic ratio, and the lower limit is preferably 0.15 or more. More preferably, it is 17 or more, and further more preferably more than 0.20. The upper limit is preferably 0.30 or less, more preferably 0.25 or less, and still more preferably 0.23 or less. The gallium content in the oxide sintered body or its target is the same as the gallium content in the oxide semiconductor thin film obtained by the production method of the present invention.

2−2.熱処理工程
熱処理工程は、基板の表面に形成された酸化物薄膜を結晶質の酸化物半導体薄膜となるように熱処理する工程である。非平衡プロセスのスパッタリング法による成膜によって得られた酸化物薄膜には、欠陥が過剰に導入される。過剰な欠陥の導入によってイオン(原子)や格子の配列などの薄膜構造の乱れが生じ、これはキャリア濃度の増加やキャリア移動度の低下に帰結する。そこで、この酸化物薄膜を熱処理することによって、酸化物薄膜の過剰な欠陥を減少させるとともに、乱れている酸化物薄膜の構造を回復させ、そしてキャリア濃度及びキャリア移動度を安定化させることができる。更に、熱処理することにより、酸化物薄膜が結晶質の酸化物半導体薄膜に形成される。熱処理することによって、適度なキャリア濃度に制御された高いキャリア移動度である結晶質の酸化物半導体薄膜とすることが可能になる。
2-2. Heat treatment step The heat treatment step is a step of heat-treating the oxide thin film formed on the surface of the substrate so as to become a crystalline oxide semiconductor thin film. Defects are excessively introduced into the oxide thin film obtained by film formation by sputtering in a non-equilibrium process. The introduction of excessive defects causes disturbance of the thin film structure such as ion (atom) and lattice arrangement, which results in an increase in carrier concentration and a decrease in carrier mobility. Therefore, by heat-treating this oxide thin film, excessive defects in the oxide thin film can be reduced, the disordered oxide thin film structure can be recovered, and the carrier concentration and carrier mobility can be stabilized. . Further, the oxide thin film is formed into a crystalline oxide semiconductor thin film by heat treatment. By performing the heat treatment, a crystalline oxide semiconductor thin film having high carrier mobility controlled to an appropriate carrier concentration can be obtained.

(1)熱処理方法
結晶質の酸化物半導体薄膜となるように熱処理する方法としては、一般的ないわゆる抵抗加熱による方法以外に、赤外線加熱やランプ加熱処理方法やレーザー処理方法が挙げられる。具体的な熱処理方法としては、赤外線加熱を利用した急速熱処理法(RTA;Rapid Thermal Annealing)、あるいはランプ加熱による熱処理方法(LA;Lamp Annealing)などが挙げられる。レーザー処理方法としては、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方法が挙げられる。大型ガラス基板への適用を考慮すれば、RTAなどの熱処理が好ましい。
(1) Heat treatment method As a method of heat treatment so as to form a crystalline oxide semiconductor thin film, an infrared heating method, a lamp heat treatment method, or a laser treatment method can be used in addition to a general so-called resistance heating method. Specific heat treatment methods include rapid thermal annealing (RTA) using infrared heating, heat treatment using lamp heating (LA), and the like. Examples of the laser treatment method include a treatment method using an excimer laser or a YAG laser using a wavelength that can be absorbed by the oxide semiconductor. Considering application to a large glass substrate, heat treatment such as RTA is preferable.

(2)熱処理条件
熱処理工程における熱処理温度は、非晶質又は微結晶の酸化物薄膜を結晶化する温度以上であって、かつ基板が変形や損傷しない範囲内で適宜選択することが可能である。具体的には、酸化物薄膜におけるガリウムの含有量によっても異なるが、100℃以上500℃未満が好ましく、100℃以上450℃以下がより好ましい。
(2) Heat treatment conditions The heat treatment temperature in the heat treatment step can be appropriately selected as long as it is equal to or higher than the temperature at which the amorphous or microcrystalline oxide thin film is crystallized and the substrate is not deformed or damaged. . Specifically, although it varies depending on the gallium content in the oxide thin film, it is preferably 100 ° C. or higher and lower than 500 ° C., more preferably 100 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.

熱処理工程における熱処理温度までの昇温速度は特に制限されないが、10℃/分以上が好ましく、50℃/分以上がより好ましく、100℃/分以上が特に好ましい。昇温速度を高めることによって、狙いとする温度に極力限定して熱処理を実施することが可能になる。また、工程におけるスループットを高めることができるという利点もある。熱処理時間は、熱処理温度に保持される時間が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分間以下がより好ましい。   The rate of temperature rise to the heat treatment temperature in the heat treatment step is not particularly limited, but is preferably 10 ° C./min or more, more preferably 50 ° C./min or more, and particularly preferably 100 ° C./min or more. By increasing the rate of temperature increase, it becomes possible to perform the heat treatment while limiting the target temperature as much as possible. There is also an advantage that throughput in the process can be increased. The heat treatment time is preferably 1 minute to 120 minutes, and more preferably 5 minutes to 60 minutes, which is maintained at the heat treatment temperature.

熱処理工程において、熱処理雰囲気としては、酸素含有雰囲気であって酸素濃度が30%以上である。また、酸素濃度が100%(純酸素)の雰囲気であることが好ましい。これらの酸化性雰囲気には水分が含まれることが好ましい。酸化性雰囲気中の水分としては、温度22℃における相対湿度が5%以上とし、10%以上とすることが好ましく、製造条件の安定性を考慮すれば30%以上とすることがより好ましい。なお、酸素濃度は体積比であり、水分の体積比はこれに含まれない。   In the heat treatment step, the heat treatment atmosphere is an oxygen-containing atmosphere with an oxygen concentration of 30% or more. In addition, an atmosphere with an oxygen concentration of 100% (pure oxygen) is preferable. These oxidizing atmospheres preferably contain moisture. The moisture in the oxidizing atmosphere has a relative humidity at a temperature of 22 ° C. of 5% or more, preferably 10% or more, and more preferably 30% or more in consideration of the stability of manufacturing conditions. The oxygen concentration is a volume ratio, and the moisture volume ratio is not included.

(3)エッチング条件
本発明の製造方法では、成膜工程にて酸化物薄膜を成膜した後、熱処理前の非晶質又は微結晶状態において、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、薄膜トランジスタ(TFT)などの用途で必要な微細加工を施すことができる。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に、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、弱酸であれば概ね使用できるが、PAN又は蓚酸を主成分とする弱酸であることが好ましい。例えば、関東化学製ITO−06Nなどを使用することができる。なお、薄膜トランジスタ(TFT)の構成によっては、ドライエッチングを選択してもよい。
(3) Etching conditions In the manufacturing method of the present invention, after an oxide thin film is formed in the film forming step, a thin film transistor (TFT) or the like is formed by wet etching or dry etching in an amorphous or microcrystalline state before heat treatment. The fine processing required for the application can be applied. 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 can be generally used as long as it is a weak acid, but is preferably a weak acid mainly composed of PAN or oxalic acid. For example, ITO-06N manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd. can be used. Note that dry etching may be selected depending on the structure of the thin film transistor (TFT).

3.薄膜トランジスタ(TFT)及びその製造方法
本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜によれば、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。さらに、この酸化物半導体薄膜をチャネル層として薄膜トランジスタ(TFT)を構成することで、安定的な動作を実現することができる。
3. Thin Film Transistor (TFT) and Manufacturing Method Thereof According to the crystalline oxide semiconductor thin film obtained by the manufacturing method of the present invention, the carrier concentration can be reduced while maintaining high carrier mobility. Furthermore, a stable operation can be realized by forming a thin film transistor (TFT) using the oxide semiconductor thin film as a channel layer.

薄膜トランジスタとしては、本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜をチャネル層として備える構成であれば、特に限定されず、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ものとすることができる。   The thin film transistor is not particularly limited as long as it includes a crystalline oxide semiconductor thin film obtained by the manufacturing method of the present invention as a channel layer. For example, the thin film transistor includes a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, a channel layer, and a gate insulation. A membrane may be provided.

薄膜トランジスタは、従来公知の方法と本発明の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、そのゲート絶縁膜の表面にチャネル層として酸化物半導体薄膜を形成する。具体的には、ゲート絶縁膜の表面に、本発明の酸化物半導体薄膜の製造方法に基づき、酸化物薄膜を成膜した後に、熱処理することによって結晶質の酸化物半導体薄膜とし、エッチングすることによって、パターニングされた酸化物半導体薄膜(チャネル層)を形成する。そして、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ことによって、薄膜トランジスタを製造することができる。   A thin film transistor can be manufactured by combining a conventionally well-known method and the manufacturing method of the oxide semiconductor thin film of this invention. For example, a gate insulating film is formed on the surface of the gate electrode, and an oxide semiconductor thin film is formed as a channel layer on the surface of the gate insulating film. Specifically, after forming an oxide thin film on the surface of the gate insulating film according to the method for manufacturing an oxide semiconductor thin film of the present invention, a heat treatment is performed to obtain a crystalline oxide semiconductor thin film, which is then etched. Thus, a patterned oxide semiconductor thin film (channel layer) is formed. A thin film transistor can be manufactured by 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は、例えば、Si基板(ゲート電極)の表面に熱酸化等によってSiO2膜(ゲート絶縁膜)を形成する方法や、ITO膜(ゲート電極)表面に、高周波マグネトロンスパッタリングによってSiO2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。 The method of forming the gate insulating film on the surface of the gate electrode is, for example, a method of forming a SiO 2 film (gate insulating film) on the surface of the Si substrate (gate electrode) by thermal oxidation or the like, or a surface of the ITO film (gate electrode) In addition, a method of forming a SiO 2 film (gate insulating film) by high-frequency magnetron sputtering can be used.

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は、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などの金属薄膜も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又は窒化物薄膜、あるいは各種の導電性高分子材料、あるいは透明TFT向けとしてITO等を成膜する方法を挙げることができる。   The source electrode and the drain electrode are formed on the surface of the oxide semiconductor thin film (channel layer) by a direct current magnetron sputtering method, such as a metal thin film such as Mo, Al, Ta, Ti, Au, Pt or an alloy of these metals. Examples include thin film, conductive oxide or nitride thin films of these metals, various conductive polymer materials, and methods for forming ITO or the like for transparent TFTs.

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及び評価した。
Example 1
An oxide semiconductor thin film was manufactured 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、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を酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用いた。ターゲットのガリウムの含有量は、表1に記載の含有量(Ga/(In+Ga)原子数比)である。実際の成膜では、10分間のプリスパッタリング後、スパッタリングターゲットの直上、すなわち静止対向位置に基板を搬送して、膜厚50nmの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). As a target, a target composed of an oxide sintered body containing indium and gallium as oxides was used. The target gallium content is the content shown in Table 1 (Ga / (In + Ga) atomic ratio). In actual film formation, after pre-sputtering for 10 minutes, the substrate was transported directly above the sputtering target, that is, to a stationary facing position, to form an oxide thin film having a thickness of 50 nm. Details of the film forming conditions are shown below.

[成膜条件]
基板温度:200℃
到達真空度:3.0×10−5Pa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
酸素分圧:1.2×10−2Pa
水分圧:6.5×10−32Pa
投入電力:直流(DC)300W
[Film formation conditions]
Substrate temperature: 200 ° C
Ultimate vacuum: less than 3.0 × 10 −5 Pa Target-substrate (TS) distance: 60 mm
Sputtering gas total pressure: 0.6Pa
Oxygen partial pressure: 1.2 × 10 −2 Pa
Moisture pressure: 6.5 × 10 −32 Pa
Input power: Direct current (DC) 300W

続いて、成膜後の酸化物薄膜に、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置を用いて、以下の条件で結晶質の酸化物半導体薄膜となるように熱処理を施すことで結晶質の酸化物半導体薄膜を得た。   Subsequently, the oxide oxide thin film after film formation is subjected to heat treatment using an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus so as to become a crystalline oxide semiconductor thin film under the following conditions. Got.

[熱処理条件]
熱処理温度:350℃
雰囲気:酸素(水分を除く)
相対湿度:50%
昇温速度:500℃/分
[Heat treatment conditions]
Heat treatment temperature: 350 ° C
Atmosphere: Oxygen (excluding moisture)
Relative humidity: 50%
Temperature increase rate: 500 ° C / min

<酸化物半導体薄膜の特性評価>
酸化物薄膜及び酸化物半導体薄膜の組成をICP発光分光法によって調べた。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。酸化物半導体薄膜のキャリア濃度及びキャリア移動度は、ホール効果測定装置(東陽テクニカ製)によって求めた。熱処理工程前の酸化物薄膜及び熱処理工程後の酸化物半導体薄膜の膜質の確認は、X線回折測定(フィリップス製)により行った。表1及び表2に結果を示した。なお、熱処理工程前の酸化物薄膜におけるガリウムの含有量と、熱処理工程後の酸化物半導体薄膜におけるガリウムの含有量とは、Ga/(In+Ga)原子数比でいずれも同一であることは確認された。
<Characteristic evaluation of oxide semiconductor thin film>
The composition of the oxide thin film and the oxide semiconductor thin film was examined 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 carrier mobility of the oxide semiconductor thin film were determined by a Hall effect measuring device (manufactured by Toyo Technica). The film quality of the oxide thin film before the heat treatment step and the oxide semiconductor thin film after the heat treatment step were confirmed by X-ray diffraction measurement (manufactured by Philips). Tables 1 and 2 show the results. Note that it is confirmed that the gallium content in the oxide thin film before the heat treatment step and the gallium content in the oxide semiconductor thin film after the heat treatment step are the same in terms of Ga / (In + Ga) atomic ratio. It was.

実施例及び比較例のうち、代表的な酸化物半導体薄膜のSIMS(二次イオン質量分析法、アルバック・ファイ製)による測定を行った。   Among Examples and Comparative Examples, representative oxide semiconductor thin films were measured by SIMS (secondary ion mass spectrometry, manufactured by ULVAC-PHI).

(実施例2〜12、比較例1〜5)
ターゲット、スパッタ条件、及び熱処理条件を、表1に記載の組成を有するインジウム及びガリウムを酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲット及び条件に変更したほかは、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及び表2に、結果をまとめて示した。
(Examples 2 to 12, Comparative Examples 1 to 5)
The target, sputtering conditions, and heat treatment conditions were the same as in Example 1 except that the targets and conditions were made of an oxide sintered body containing indium and gallium having the compositions shown in Table 1 as oxides. An oxide semiconductor thin film was prepared and evaluated. Tables 1 and 2 summarize the results.

Figure 2019024058
Figure 2019024058

Figure 2019024058
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実施例1〜12より、本発明の製造方法によって得られる、インジウム及びガリウムを酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜であって、ガリウムがGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下である酸化物半導体薄膜は、系内の酸素分圧を9.0×10−3Pa以上3.0×10−1Pa以下、かつ系内の水分圧を2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の範囲に制御した雰囲気にてスパッタ法で成膜され、続いて系内の温度22℃で測定した相対湿度が5%以上かつ酸素濃度が30%以上の雰囲気にて熱処理されることにより、キャリア濃度が1.0×1018cm−3未満であり、キャリア移動度が10cm−1sec−1以上を示すことがわかる。 From Examples 1 to 12, a crystalline oxide semiconductor thin film containing indium and gallium as oxides and further containing hydrogen obtained by the production method of the present invention, wherein gallium is a Ga / (In + Ga) atom. The oxide semiconductor thin film having a number ratio of 0.15 or more and 0.30 or less has an oxygen partial pressure in the system of 9.0 × 10 −3 Pa or more and 3.0 × 10 −1 Pa or less and moisture in the system. The film was formed by sputtering in an atmosphere in which the pressure was controlled in the range of 2.0 × 10 −3 Pa to 5.0 × 10 −1 Pa, and the relative humidity measured at a temperature of 22 ° C. in the system was 5 % Or higher and an oxygen concentration of 30% or higher, whereby the carrier concentration is less than 1.0 × 10 18 cm −3 and the carrier mobility is 10 cm 2 V −1 sec −1 or higher. I understand that.

特に、実施例1〜5からわかるように、本発明の製造方法によって得られる、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜は、熱処理の雰囲気の相対湿度を5%以上に制御することにより、キャリア濃度が1.0×1018cm−3未満を実現することができる。 In particular, as can be seen from Examples 1 to 5, the crystalline oxide semiconductor thin film containing indium and gallium as oxides and further containing hydrogen obtained by the production method of the present invention is subjected to heat treatment. By controlling the relative humidity of the atmosphere to 5% or more, a carrier concentration of less than 1.0 × 10 18 cm −3 can be realized.

これに対して、比較例2では、熱処理の雰囲気の相対湿度が0%であるため、熱処理によって酸化物半導体薄膜から水素が脱離し、その結果として酸化物半導体薄膜のキャリア濃度が1.0×1018cm−3以上になってしまっている。 On the other hand, in Comparative Example 2, since the relative humidity of the heat treatment atmosphere is 0%, hydrogen is desorbed from the oxide semiconductor thin film by the heat treatment, and as a result, the carrier concentration of the oxide semiconductor thin film is 1.0 ×. It has become 10 18 cm −3 or more.

さらに、比較例1、3では、熱処理工程における雰囲気において、酸素濃度が30%未満であるため、相対湿度を制御しても、熱処理時に酸化物半導体薄膜の酸素欠損が消失せず、その結果として酸化物半導体薄膜のキャリア濃度が1.0×1018cm−3以上になってしまっている。 Further, in Comparative Examples 1 and 3, since the oxygen concentration is less than 30% in the atmosphere in the heat treatment step, even when the relative humidity is controlled, the oxygen deficiency of the oxide semiconductor thin film does not disappear during the heat treatment. The carrier concentration of the oxide semiconductor thin film is 1.0 × 10 18 cm −3 or more.

<X線回折測定、及び断面組織のTEM−EDX測定>
図1に、実施例1の酸化物半導体薄膜のX線回折測定結果を示す。Inのビックスバイト構造の明瞭な回折ピークがみられ、実施例1の酸化物半導体薄膜が結晶質の酸化物半導体薄膜であることが確認された。
<X-ray diffraction measurement and TEM-EDX measurement of cross-sectional structure>
In FIG. 1, the X-ray-diffraction measurement result of the oxide semiconductor thin film of Example 1 is shown. A clear diffraction peak of the In 2 O 3 bixbite structure was observed, confirming that the oxide semiconductor thin film of Example 1 was a crystalline oxide semiconductor thin film.

<SIMSによる膜深さ方向の水素濃度分布の測定>
実施例13として、実施例1と同じ成膜条件及び熱処理条件にて作製し、膜厚を約150nmに厚くした酸化物半導体薄膜について、熱処理前後のSIMSによる膜深さ方向の水素濃度分布を測定した。なお、膜厚を150nmと厚くすることで、膜深さ方向の水素濃度分布の違いを比較しやすいようにしている。
<Measurement of hydrogen concentration distribution in the film depth direction by SIMS>
As Example 13, the hydrogen concentration distribution in the film depth direction was measured by SIMS before and after the heat treatment for an oxide semiconductor thin film manufactured under the same film formation conditions and heat treatment conditions as in Example 1 and having a thickness of about 150 nm. did. Note that by increasing the film thickness to 150 nm, the difference in hydrogen concentration distribution in the film depth direction can be easily compared.

図2に、SIMS測定結果を示す。相対湿度50%の酸素雰囲気で熱処理した実施例13の酸化物半導体薄膜においては、熱処理前後の膜深さ方向の水素濃度分布に変化はないことが確認された。したがって、本発明の製造方法によって、熱処理後も膜深さ方向の水素濃度が均一な酸化物半導体が得られることがわかった。   FIG. 2 shows the SIMS measurement results. In the oxide semiconductor thin film of Example 13 heat-treated in an oxygen atmosphere with a relative humidity of 50%, it was confirmed that there was no change in the hydrogen concentration distribution in the film depth direction before and after the heat treatment. Therefore, it was found that an oxide semiconductor having a uniform hydrogen concentration in the film depth direction can be obtained even after heat treatment by the manufacturing method of the present invention.

<薄膜トランジスタの作製及び動作特性評価>
(実施例14)
次に、薄膜トランジスタ(TFT)を作製し、評価した。すなわち、薄膜トランジスタは、熱酸化によって厚さ100nmのSiO2膜が形成された、厚さ475μm、20mm角の導電性p型Si基板を用いて作製した。ここで、SiO2膜はゲート絶縁膜として機能し、導電性p型Si基板がゲート電極として機能する。
<Production of thin film transistor and evaluation of operating characteristics>
(Example 14)
Next, a thin film transistor (TFT) was fabricated and evaluated. That is, the thin film transistor 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.

具体的には、SiO2膜ゲート絶縁膜上に、実施例1の酸化物薄膜(Ga/(In+Ga)原子数比=0.20)を成膜した。なお、スパッタリング条件は、実施例1に準じた。 Specifically, the oxide thin film (Ga / (In + Ga) atomic ratio = 0.20) of Example 1 was formed on the SiO 2 film gate insulating film. The sputtering conditions were the same as in Example 1.

続いて、成膜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。   Subsequently, patterning was performed on the formed oxide thin film 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、酸化物薄膜に、実施例1に準ずる条件で熱処理を施し、結晶質の酸化物半導体薄膜を得た。これにより、SiO2膜ゲート絶縁膜上に、結晶質の酸化物半導体薄膜からなるチャネル層を形成した。 Next, the oxide thin film was heat-treated under the same conditions as in Example 1 to obtain a crystalline oxide semiconductor thin film. Thus, a channel layer made of a crystalline oxide semiconductor thin film was formed on the SiO 2 film gate insulating film.

そして、チャネル層の表面に、直流マグネトロンスパッタリング法により、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成膜することで薄膜トランジスタを得た。   Then, 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, so that a source electrode and a drain electrode made of an Au / Ti laminated film are formed. Was deposited. Patterning was performed by a lift-off method to form a thin film transistor by forming a source electrode and a drain electrode so as to have a channel length of 20 μm and a channel width of 500 μm.

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。その結果、薄膜トランジスタとしての動作特性を確認することができた。また、得られた薄膜トランジスタは、電界効果移動度が54.2cm−1sec−1、on/off比が2×10、S値が0.27であり、それぞれ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, the operating characteristics as a thin film transistor could be confirmed. In addition, the obtained thin film transistor has a field effect mobility of 54.2 cm 2 V −1 sec −1 , an on / off ratio of 2 × 10 8 , and an S value of 0.27, each showing a good value. Was confirmed.

Claims (6)

系内の水分圧が2.0×10−3Pa以上5.0×10−1Pa以下の雰囲気にて、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用いて、基板の表面にスパッタリング法によって酸化物薄膜を成膜する成膜工程と、
系内の温度22℃で測定した相対湿度が5%以上かつ酸素濃度が30%以上の雰囲気にて、前記酸化物薄膜をインジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜となるように熱処理する熱処理工程と、を含む、結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法。
A target made of an oxide sintered body containing indium and gallium as oxides in an atmosphere having a moisture pressure of 2.0 × 10 −3 Pa to 5.0 × 10 −1 Pa in the system. A film forming step of forming an oxide thin film on the surface of the substrate by a sputtering method;
The oxide thin film contains indium and gallium as oxides, and further contains hydrogen in an atmosphere having a relative humidity of 5% or more and an oxygen concentration of 30% or more measured at a temperature of 22 ° C. in the system. A method for producing a crystalline oxide semiconductor thin film, comprising: a heat treatment step of performing a heat treatment so as to form a crystalline oxide semiconductor thin film.
前記熱処理工程において、前記相対湿度を10%以上とする、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 relative humidity is 10% or more in the heat treatment step. 前記熱処理工程において、前記酸素濃度を100%とする、請求項1又は2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 or 2, wherein the oxygen concentration is set to 100% in the heat treatment step. 前記成膜工程にて用いる前記ターゲットにおいて、前記酸化物焼結体における前記ガリウムの含有量をGa/(In+Ga)原子数比で0.15以上0.30以下とする、請求項1から3のいずれかに記載の酸化物半導体薄膜の製造方法。   The content of the gallium in the oxide sintered body is 0.15 or more and 0.30 or less in a Ga / (In + Ga) atomic ratio in the target used in the film forming step. The manufacturing method of the oxide semiconductor thin film in any one. 前記成膜工程にて用いる前記ターゲットにおいて、前記酸化物焼結体における前記ガリウムの含有量をGa/(In+Ga)原子数比で0.17以上0.30以下とする、請求項1から3のいずれかに記載の酸化物半導体薄膜の製造方法。   The content of the gallium in the oxide sintered body is 0.17 or more and 0.30 or less in a Ga / (In + Ga) atomic ratio in the target used in the film forming step. The manufacturing method of the oxide semiconductor thin film in any one. 請求項1から5のいずれかに記載の製造方法により結晶質の酸化物半導体薄膜を製造する工程を含む、前記酸化物半導体薄膜をチャネル層として備えた薄膜トランジスタの製造方法。   A method for producing a thin film transistor comprising the oxide semiconductor thin film as a channel layer, comprising a step of producing a crystalline oxide semiconductor thin film by the production method according to claim 1.
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