WO2010032431A1 - 結晶質酸化インジウム半導体膜を有する薄膜トランジスタ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a thin film transistor having a semiconductor film made of crystalline indium oxide containing indium oxide as a main component and containing a positive trivalent metal oxide.
- silicon-based semiconductor films dominate the switching elements that drive the above display devices. This is because, in addition to the stability and workability of the silicon-based thin film, the switching speed is fast.
- This silicon-based thin film is generally produced by a chemical vapor deposition method (CVD method).
- the switching speed is relatively slow, and there is a problem that an image cannot be displayed when displaying a high-speed moving image or the like.
- the switching speed is relatively fast, but a high temperature of 800 ° C. or higher, heating with a laser, etc. are necessary for crystallization. Cost.
- the silicon-based thin film has excellent performance as a voltage element, a change in the characteristics with time is a problem when a current is passed.
- Sputtering targets composed of indium oxide, gallium oxide, and zinc oxide, as well as zinc oxide and oxide as materials for obtaining a transparent semiconductor film that is more stable than a silicon-based thin film and has a light transmittance equivalent to that of an ITO film.
- a transparent semiconductor thin film made of magnesium has been proposed (for example, Patent Document 1).
- a transparent semiconductor film made of indium oxide, gallium oxide and zinc oxide, or zinc oxide and magnesium oxide has a very fast etching property with a weak acid.
- the metal thin film on the transparent semiconductor film may be etched at the same time. It was inappropriate.
- Patent Document 2 describes an indium oxide semiconductor film having a bixbyite structure in which a positive divalent metal oxide is contained in indium oxide. Attempts have been made to reduce the carrier concentration by including a positive divalent metal oxide. However, in the case of a positive divalent metal oxide, an impurity order may be formed in the band gap of the energy band structure of the bixbite structure, which may reduce the mobility.
- An object of the present invention is to provide a thin film transistor having an indium oxide-based semiconductor film capable of selectively etching only a metal thin film on the semiconductor film.
- a thin film transistor having a crystalline indium oxide semiconductor film containing indium oxide as a main component and containing a positive trivalent metal oxide can be provided.
- the positive trivalent metal oxide is boron oxide, aluminum oxide, gallium oxide, scandium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, praseodymium oxide, neodymium oxide, samarium oxide, europium oxide, gadolinium oxide, terbium oxide, dyspronium oxide, oxide 2.
- the ratio [M / (M + In): atomic ratio] of the metal element (M) to the total amount of the indium element (In) of the indium oxide and the metal element (M) of the positive trivalent metal oxide is 0.0001 to 3.
- the present invention by using a semiconductor film formed by adding a positive trivalent metal oxide to indium oxide, only the metal thin film on the semiconductor film can be selectively etched. In addition, a high-performance thin film transistor can be obtained.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a thin film transistor manufactured in Example 1.
- FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a thin film transistor manufactured in Example 3.
- FIG. 6 is a diagram showing an output curve of a thin film transistor manufactured in Example 3.
- FIG. 6 is a diagram showing a transfer curve of a thin film transistor manufactured in Example 3.
- a thin film transistor (TFT) of the present invention is characterized by having a crystalline indium oxide semiconductor film containing indium oxide as a main component and containing a positive trivalent metal oxide.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a thin film transistor of the present invention.
- the thin film transistor 1 has a gate electrode 20 sandwiched between a substrate 10 and an insulating film 30, and a semiconductor film 40 is stacked on the gate insulating film 30 as an active layer. Further, a source electrode 50 and a drain electrode 52 are provided so as to cover the vicinity of the end of the semiconductor film 40.
- a channel portion 60 is formed in a portion surrounded by the semiconductor film 40, the source electrode 50 and the drain electrode 52.
- the thin film transistor of the present invention is not limited to a channel etch type thin film transistor, and an element configuration known in this technical field can be adopted.
- an etch stopper type thin film transistor may be used.
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of the thin film transistor of the present invention.
- the thin film transistor 2 is an etch stopper type thin film transistor.
- the thin film transistor 2 has the same configuration as the thin film transistor 1 described above except that an etch stopper 70 is formed so as to cover the channel portion 60.
- a source electrode 50 and a drain electrode 52 are provided so as to cover the vicinity of the end of the semiconductor film 40 and the vicinity of the end of the etch stopper 70.
- a crystalline indium oxide semiconductor film containing indium oxide as a main component and containing a positive trivalent metal oxide is used for the semiconductor film 40.
- the etching of the semiconductor film can be suppressed when the source electrode 50 and the drain electrode 52 are etched.
- the carrier density of the semiconductor film can be reduced, and the semiconductor film can be less than 2 ⁇ 10 +17 cm ⁇ 3 at a temperature near room temperature, so that excellent thin film transistor characteristics are exhibited.
- the carrier density at temperatures near room temperature is preferably less than 10 +17 cm ⁇ 3 . If the carrier density is 2 ⁇ 10 +17 cm ⁇ 3 or more, the TFT may not be driven. Even when the TFT is driven, it may be normally on, the threshold voltage may be negatively increased, or the On-Off value may be small.
- mainly composed of indium oxide means that the content (atomic ratio) of In element in all metal elements forming the semiconductor film is more than 90%. Since the content of In element is more than 90%, the mobility of the TFT can be increased.
- a “crystalline film” is a film in which a crystal peak can be confirmed by X-ray diffraction. By making the semiconductor film a crystallized film, the durability of the TFT can be increased.
- the crystalline film may be any of a single crystal film, an epitaxial film, and a polycrystalline film, and is preferably an epitaxial film and a polycrystalline film because industrial production is easy and the area can be increased. A polycrystalline film is preferred.
- the polycrystalline film is preferably made of nanocrystals.
- the average crystal grain size determined from X-ray diffraction using Scherrer's equation is usually 500 nm or less, preferably 300 nm or less, more preferably 150 nm or less, and even more preferably 80 nm or less. If it is larger than 500 nm, there is a possibility that variation when the transistor is miniaturized becomes large.
- the positive trivalent metal oxide contained in the semiconductor film is boron oxide, aluminum oxide, gallium oxide, scandium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, praseodymium oxide, neodymium oxide, oxidation
- One or more oxides selected from samarium, europium oxide, gadolinium oxide, terbium oxide, dyspronium oxide, fornium oxide, erbium oxide, thulium oxide, ytterbium oxide and lutetium oxide are preferred. These oxides have a strong bonding force with oxygen, and the amount of oxygen vacancies in the polycrystalline indium oxide thin film can be reduced.
- Oxygen vacancies are thought to occur frequently at grain boundaries, and the above metal oxide is different from the ionic radius of indium. Because of the strong bonding force, oxygen vacancies can be suppressed from occurring at the crystal grain boundaries. As a result, the carrier density at a temperature near room temperature can be controlled to be less than 10 +17 cm ⁇ 3 .
- aluminum oxide, gallium oxide, yttrium oxide, ytterbium oxide, erbium oxide, holmium oxide, dyspronium oxide, and samarium oxide are preferable, and gallium oxide, yttrium oxide, and ytterbium oxide are more preferable.
- the positive trivalent metal oxide is preferably dissolved in indium oxide, but it is not necessary that all of them are dissolved.
- the ratio [M / (M + In): atomic ratio of metal element (M) to the total amount of indium element (In) of indium oxide of the semiconductor film and metal element (M) of the positive trivalent metal oxide. ] is preferably 0.0001 to 0.1. If the atomic ratio is less than 0.0001, the amount of the metal element (M) to be added is small and the effect of reducing oxygen vacancies is small, so the carrier density may be 2 ⁇ 10 +17 cm ⁇ 3 or more. On the other hand, if it exceeds 0.1, the crystallinity of the semiconductor film is lowered, the amount of oxygen vacancies is increased, the carrier density may be 2 ⁇ 10 +17 cm ⁇ 3 or more, and the TFT characteristics may not be operated.
- the ratio [M / (M + In)] of the metal element (M) is more preferably 0.0005 to 0.05, and particularly preferably 0.001 to 0.05.
- the ratio of the metal element (M) can be obtained by measuring the abundance of each element by ICP (Inductively Coupled Plasma) measurement.
- the metal element (M) ratio can be implemented, for example, by adjusting the amount of each element in the sputtering target used when forming the semiconductor film.
- the composition of the semiconductor film substantially matches the composition of the sputtering target.
- the substrate can be used for the substrate, gate electrode, gate insulating film, source / drain electrode, and the like, and are not particularly limited.
- a metal thin film such as Al, Cu, or Au can be used for each electrode, and an oxide thin film such as a silicon oxide film or a hafnium oxide film can be used for the gate insulating film.
- the manufacturing method of the present invention includes a film forming step of forming a semiconductor film containing indium oxide and a positive trivalent metal oxide, a step of oxidizing the semiconductor film, and / or a step of crystallizing.
- components such as a gate electrode, a gate insulating film, and a source / drain electrode can be formed by a known method.
- a gate electrode made of a metal thin film such as Al, Cu, or Au is formed on a substrate, and an oxide thin film made of a silicon oxide film, a hafnium oxide film, or the like is formed thereon as a gate insulating film.
- a semiconductor film made of an indium oxide film containing a positive trivalent metal oxide is formed only on a necessary portion by mounting a metal mask thereon. Thereafter, a source / drain electrode is formed in a necessary portion using a metal mask, whereby a thin film transistor can be manufactured.
- the semiconductor film can be formed by sputtering, ion plating, vapor deposition, or the like.
- the sputtering method is preferable.
- a method using a sintered target of a complex oxide is preferable.
- a composite oxide sintered target obtained by adding a positive trivalent metal oxide to indium oxide is preferable.
- the composite oxide sintered target can be manufactured by a method known in this technical field.
- the sputtering conditions can be appropriately adjusted according to the target to be used, the thickness of the semiconductor film, and the like.
- As the sputtering method an RF sputtering method, a DC sputtering method, or an AC sputtering method can be used.
- the DC sputtering method and the AC sputtering method are preferable because the film forming speed is high.
- a step of oxidizing the thin film and / or a step of crystallizing the thin film are performed.
- a lamp annealing device, a laser annealing device, a hot air heating device, a contact heating device, or the like can be used in the presence of oxygen.
- the semiconductor film is preferably heat-treated in the presence of oxygen at 150 to 450 ° C. for 0.5 to 1200 minutes. If it is less than 150 ° C., the semiconductor film may not be sufficiently crystallized, and if it exceeds 450 ° C., the substrate and the semiconductor film may be damaged.
- the heat treatment temperature is more preferably 180 ° C. to 350 ° C., and particularly preferably 200 ° C. to 300 ° C. Also, if the heat treatment time is less than 0.5 minutes, the heat treatment time is too short and the crystallization of the film may be insufficient, and if it exceeds 1200 minutes, it takes too much time and is not productive.
- the heat treatment time is more preferably 1 minute to 600 minutes, and particularly preferably 5 minutes to 60 minutes.
- the crystallization and / or oxidation treatment of the semiconductor film may be performed immediately after the formation of the semiconductor film, or may be performed after the formation of other components such as source / drain electrodes.
- the manufacturing method of the present invention is particularly suitable for a manufacturing method of a channel etch type thin film transistor. Since the semiconductor film of the present invention is crystalline, an etching process using photolithography can be adopted as a method for forming the source / drain electrodes and the channel portion from a metal thin film such as Al. That is, the etching solution for removing the metal thin film can selectively etch the metal thin film without etching the semiconductor film. An etch stopper type thin film transistor manufacturing method may also be used.
- Sputtering was carried out at room temperature with a sputtering power of 100 W while evacuating until the back pressure reached 5 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa, adjusting the pressure to 0.2 Pa while flowing argon 9.5 sccm and oxygen 0.5 sccm. It was.
- the substrate was heat-treated at 300 ° C. for 30 minutes in air in a hot air heating furnace. Thereafter, a molybdenum metal film was formed to 300 nm on the semiconductor film 40 and the gate insulating film 30. A resist was applied to the molybdenum metal film, and prebaked at 80 ° C. for 15 minutes.
- the resist film was irradiated with UV light (light intensity: 300 mJ / cm 2 ) through a mask, and then developed with 3 wt% tetramethylammonium hydroxide (TMAH). After washing with pure water, the resist film was post-baked at 130 ° C. for 15 minutes to form a resist pattern having a desired source / drain electrode shape.
- the substrate with a resist pattern was treated with a mixed acid of phosphoric acid / acetic acid / nitric acid to etch the molybdenum metal film, thereby forming the source electrode 50 and the drain electrode 52. Thereafter, it was washed with pure water, dried by air blowing, and a thin film transistor (the gap (L) between the source and drain electrodes of the channel portion 60 was 200 ⁇ m and the width (W) was 500 ⁇ m) was produced.
- the gap (L) between the source and drain electrodes of the channel portion 60 was 200 ⁇ m and the width (W) was 500 ⁇ m
- the field effect mobility of the thin film transistor is 4.5cm 2 / V ⁇ sec, On -Off ratio was 10 8, it was a thin film transistor showing a normally-off characteristics. The output characteristics showed a clear pinch-off.
- the shift voltage (Vth) after applying 20V voltage to the gate electrode for 100 minutes was 0.2V.
- Field effect mobility of the thin film transistor is 1.2cm 2 / V ⁇ sec, On -Off ratio is 10 7, was a thin film transistor showing a normally-off characteristics. The output characteristics showed a clear pinch-off.
- the semiconductor film was crystalline. A peak of the bixbite structure of indium oxide was observed.
- the carrier concentration determined by hole measurement was 8 ⁇ 10 +16 / cm 3 .
- Example 2 Thin film transistor characteristics similar to those of Example 2 were obtained with respect to the thin film transistor manufactured in the same manner as in Example 1 except that a sputtering target added with thulium oxide, ytterbium oxide, and lutetium oxide was used. Further, in the XRD measurement result of each semiconductor film, a peak due to the bixbite of indium oxide was observed. The carrier concentration determined by Hall measurement was 10 +17 / cm 3 or less. The composition of the sputtering target used and the characteristics of the obtained thin film transistor are shown.
- the field-effect mobility 8.2cm 2 / V ⁇ sec, On -Off ratio was 10 5
- the output characteristics showed a clear pinch-off.
- Aluminum oxide: Al / (Al + In) 0.005
- the field-effect mobility 6.2cm 2 / V ⁇ sec, On -Off ratio was 10 5
- the output characteristics showed a clear pinch-off.
- Scandium oxide: Sc / (Sc + In) 0.02
- the field-effect mobility 4.2cm 2 / V ⁇ sec, On -Off ratio is 10 6
- the output characteristics showed a clear pinch-off.
- the output characteristics showed a clear pinch-off.
- Lanthanum oxide: La / (La + In) 0.02
- the field effect mobility was 5.1 cm 2 / V ⁇ sec
- the On-Off ratio was 10 6
- the thin film transistor exhibited normally-off characteristics.
- the output characteristics showed a clear pinch-off.
- Neodymium oxide: Nd / (Nd + In) 0.01
- the field effect mobility was 8.4 cm 2 / V ⁇ sec
- the On-Off ratio was 10 6
- the thin film transistor exhibited normally-off characteristics.
- the output characteristics showed a clear pinch-off.
- Samarium oxide: Sm / (Sm + In) 0.05
- the field-effect mobility 7.6cm 2 / V ⁇ sec, On -Off ratio is 10 7 was a thin film transistor showing a normally-off characteristics.
- the output characteristics showed a clear pinch-off.
- Europium oxide: Eu / (Eu + In) 0.03
- On -Off ratio 10 7
- the field-effect mobility 6.7cm 2 / V ⁇ sec, On -Off ratio is 10 7
- the output characteristics showed a clear pinch-off.
- Terbium oxide: Tb / (Tb + In) 0.005
- the field-effect mobility 3.3cm 2 / V ⁇ sec, On -Off ratio 10 7
- the output characteristics showed a clear pinch-off.
- the field-effect mobility 14.7cm 2 / V ⁇ sec, On -Off ratio is 10 7
- the output characteristics showed a clear pinch-off.
- Erbium oxide: Er / (Er + In) 0.01
- the output characteristics showed a clear pinch-off.
- Thulium oxide: Tm / (Tm + In) 0.02
- the field-effect mobility 8.3cm 2 / V ⁇ sec, On -Off ratio 10 7, was a thin film transistor showing a normally-off characteristics.
- the resist film was irradiated with UV light (light intensity: 300 mJ / cm 2 ) through a mask, and then developed with 3 wt% tetramethylammonium hydroxide (TMAH). After washing with pure water, the resist film was post-baked at 130 ° C. for 15 minutes, and a pattern was formed in a portion to become the channel portion 60.
- An etch stopper 70 was formed by dry etching with CF 4 . The resist was stripped with a resist stripper, washed with water, and dried by air blow. Thereafter, a molybdenum metal film having a thickness of 300 nm was formed on the semiconductor film 40, the etch stopper 70, and the thermal oxide film 30.
- a resist was applied to the molybdenum metal film, and prebaked at 80 ° C. for 15 minutes. Thereafter, the resist film was irradiated with UV light (light intensity: 300 mJ / cm 2 ) through a mask, and then developed with 3 wt% tetramethylammonium hydroxide (TMAH). After washing with pure water, the resist film was post-baked at 130 ° C. for 15 minutes to form a resist pattern in the shape of the source electrode 50 and the drain electrode 52.
- the molybdenum metal film was etched by treating the substrate with a resist pattern with a mixed acid of phosphoric acid, acetic acid and nitric acid.
- the semiconductor film 40 is not crystallized and can be etched simultaneously with the molybdenum metal film by treating with a mixed acid of phosphoric acid, acetic acid and nitric acid.
- the channel portion 60 is protected by the etch stopper 70, and the semiconductor film 40 is not etched.
- the semiconductor film is crystallized. Therefore, it cannot be etched by a treatment with a mixed acid of phosphoric acid, acetic acid and nitric acid.
- the semiconductor film in order to perform simultaneous etching with the molybdenum metal film, the semiconductor film may be etched with aqua regia composed of hydrochloric acid / nitric acid / water, a hydrochloric acid aqueous solution containing ferric chloride, an HBr aqueous solution, or the like. Since a strong acid is used, the heat treatment is preferably performed in the final step.
- FIG. 5 shows the relationship between the drain voltage (Vds) and the same current (Ids) when the gate voltage (Vgs) is changed from -5V to 25V.
- the white circle line is a curve obtained by raising the drain current to the gate voltage by a power of 1/2
- the black circle line is 4 is a curve showing a drain current with respect to a gate voltage.
- XE-Y means X ⁇ 10 ⁇ Y .
- 5.0E-06 is 5.0 ⁇ 10 ⁇ 6 .
- Comparative Example 1 A thin film transistor was fabricated in the same manner as in Example 1 except that a target made of indium oxide-gallium oxide-zinc oxide was used as the sputtering target.
- TFT characteristics could not be measured.
- Comparative Example 2 A thin film transistor was fabricated in the same manner as in Example 1 except that a target made of indium oxide-gallium oxide was used as the sputtering target.
- TFT characteristics could not be measured.
- the thin film transistor of the present invention can be suitably used for sensors such as display panels, RFID tags, X-ray detector panels, fingerprint sensors, and photosensors.
- the thin film transistor manufacturing method of the present invention is particularly suitable for a channel etch type thin film transistor manufacturing method.
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Abstract
Description
また、特許文献2に酸化インジウムに正2価の金属酸化物を含有させたビックスバイト構造を有する酸化インジウム半導体膜が記載されている。正2価の金属酸化物を含有させることにより、キャリヤー濃度を低減する試みがなされている。しかしながら、正2価の金属酸化物の場合、ビックスバイト構造のエネルギーバンド構造のバンドギャップ内に不純物順位を形成することがあり、これが、移動度を低下させる場合がある。
本発明によれば、以下の薄膜トランジスタ等を提供することができる。
1.酸化インジウムを主成分とし、正3価の金属酸化物を含有する結晶質酸化インジウム半導体膜を有する薄膜トランジスタ。
2.前記正3価の金属酸化物が、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロニウム、酸化ホルニウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテリビウム及び酸化ルテチウムから選択される1種又は2種以上の酸化物である1に記載の薄膜トランジスタ。
3.前記酸化インジウムのインジウム元素(In)と前記正3価の金属酸化物の金属元素(M)の合計量に対する金属元素(M)の比率[M/(M+In):原子比]が0.0001~0.1である1又は2に記載の薄膜トランジスタ。
4.酸化インジウム、及び正3価の金属酸化物を含有する半導体膜を成膜する成膜工程と、前記半導体膜を酸化処理する工程、及び/又は前記半導体膜を結晶化する工程を含む、1~3のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
5.前記半導体膜を酸素の存在下に、150~450℃で0.5~1200分間熱処理する4に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
6.チャンネルエッチ型の薄膜トランジスタの製造方法である4又は5に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
7.エッチストッパー型の薄膜トランジスタの製造方法である4又は5に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
図1は、本発明の薄膜トランジスタの実施形態を示す概略断面図である。
薄膜トランジスタ1は、基板10及び絶縁膜30の間にゲート電極20を挟持しており、ゲート絶縁膜30上には半導体膜40が活性層として積層されている。さらに、半導体膜40の端部付近を覆うようにしてソース電極50及びドレイン電極52がそれぞれ設けられている。半導体膜40、ソース電極50及びドレイン電極52で囲まれた部分にチャンネル部60を形成している。
尚、図1の薄膜トランジスタ1はいわゆるチャンネルエッチ型薄膜トランジスタである。本発明の薄膜トランジスタは、チャンネルエッチ型薄膜トランジスタに限定されず、本技術分野で公知の素子構成を採用できる。例えば、エッチストッパー型の薄膜トランジスタでもよい。
薄膜トランジスタ2は、エッチストッパー型の薄膜トランジスタである。薄膜トランジスタ2は、チャンネル部60を覆うようにエッチストッパー70が形成されている点を除き、上述した薄膜トランジスタ1と同じ構成である。半導体膜40の端部付近及びエッチストッパー70の端部付近を覆うようにしてソース電極50及びドレイン電極52がそれぞれ設けられている。
室温付近の温度においてのキャリヤー密度は、好ましくは10+17cm-3未満である。キャリヤー密度が2×10+17cm-3以上では、TFTとして駆動しないおそれがある。また、TFTとして駆動したとしてもノーマリーオンになったり、閾値電圧がマイナスに大きくなったり、On-Off値が小さくなる場合がある。
結晶質膜は、単結晶膜、エピタキシャル膜及び多結晶膜のいずれであってもよく、工業生産が容易かつ大面積化が可能であることから、好ましくはエピタキシャル膜及び多結晶膜であり、特に好ましくは多結晶膜である。
上記金属酸化物のうち、特に、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化イットリウム、酸化イッテリビウム、酸化エルビウム、酸化ホルミウム、酸化ジスプロニウム、酸化サマリウムが好ましく、さらに、酸化ガリウム、酸化イットリウム、酸化イッテリビウムが好ましい。
尚、正3価の金属酸化物は、酸化インジウムに固溶している方が望ましいが、全てが固溶している必要はない。
金属元素(M)の比率[M/(M+In)]は、より好ましくは0.0005~0.05であり、特に好ましくは0.001~0.05である。
尚、金属元素(M)の比率は、ICP(Inductively Coupled Plasma)測定により、各元素の存在量を測定することで求めることができる。
また、金属元素(M)比率は、例えば、半導体膜を形成する際に使用するスパッタリングターゲットの各元素の存在量を調整することで実施できる。半導体膜の組成は、スパッタリングターゲットの組成とほぼ一致する。
例えば、各電極にはAl、Cu、Au等の金属薄膜が使用でき、ゲート絶縁膜には、酸化シリコン膜、酸化ハフニウム膜等の酸化物薄膜を使用できる。
本発明の製造方法は、酸化インジウム、及び正3価の金属酸化物を含有する半導体膜を成膜する成膜工程と、半導体膜を酸化処理する工程、及び/又は結晶化する工程を含む。尚、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース・ドレイン電極等の構成部材は、公知の方法により形成できる。
スパッタリングでは、複合酸化物の焼結ターゲットを用いる方法が好ましい。具体的に、酸化インジウムに正3価の金属酸化物を添加した複合酸化物の焼結ターゲットが好ましい。尚、複合酸化物の焼結ターゲットは、本技術分野において公知の方法により製造できる。
スパッタリングの条件は、使用するターゲットや、半導体膜の膜厚等にあわせて適宜調整することができる。スパッタリング方法は、RFスパッタ法、DCスパッタ法、ACスパッタ法が使用できる。中でも、DCスパッタ法、ACスパッタ法が、成膜速度も速く、好ましい。
半導体膜の結晶化及び酸化処理には、酸素の存在下にランプアニ―ル装置、レーザーアニール装置、熱風加熱装置、接触加熱装置等を用いることが出来る。
半導体膜を酸素の存在下に、150~450℃、0.5~1200分の条件で熱処理することが好ましい。150℃未満では、半導体膜が十分に結晶化しない場合があり、450℃超では、基板や半導体膜にダメージを与える場合がある。熱処理温度は、180℃~350℃がさらに好ましく、特に200℃~300℃が好ましい。
また、熱処理時間が0.5分未満では、熱処理時間が短すぎて膜の結晶化が不十分となる場合があり、1200分超では時間が掛かりすぎ生産的ではない。熱処理時間は、1分~600分がさらに好ましく、特に5分~60分が好ましい。
尚、半導体膜の結晶化及び/又は酸化処理は、半導体膜の形成後、すぐに実施してもよく、また、ソース・ドレイン電極等、他の構成部材の形成後に実施してもよい。
(A)薄膜トランジスタの作製
図3に示すチャンネルエッチ型の薄膜トランジスタをフォトレジスト法にて作製した。
200nm厚みの熱酸化膜(SiO2膜)付きの導電性シリコン基板10を使用した。熱酸化膜がゲート絶縁膜30として機能し、導電性シリコン部がゲート電極20として機能する。
ゲート絶縁膜30上に、酸化インジウム-酸化ガリウムからなるターゲット[Ga/(In+Ga)=0.03:原子比)]を用いて、スパッタリング法で40nmの半導体膜40を成膜した。スパッタリングは、背圧が5×10-4Paとなるまで真空排気したあと、アルゴン9.5sccm、酸素0.5sccmを流しながら、圧力を0.2Paに調整し、スパッタパワー100Wにて室温で行った。
半導体膜40の形成後、この基板を熱風加熱炉内で空気中、300℃で30分間熱処理した。
その後、半導体膜40及びゲート絶縁膜30上に、モリブデン金属膜を300nm成膜した。
モリブデン金属膜にレジストを塗布し、80℃で15分間プレベークした。その後、マスクを通してUV光(光強度:300mJ/cm2)をレジスト膜に照射し、その後、3wt%のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)にて現像した。純水で洗浄後、レジスト膜を130℃で15分ポストベークし、所望の形状のソース・ドレイン電極形状のレジストパターンを形成した。
レジストパターン付き基板を、燐酸・酢酸・硝酸の混合酸で処理することで、モリブデン金属膜をエッチングし、ソース電極50及びドレイン電極52を形成した。その後、純水で洗浄しエアーブローして乾燥させ、薄膜トランジスタ(チャンネル部60のソース・ドレイン電極間間隙(L)が200μm、幅(W)が500μm)を作製した。
石英ガラス基板上に、上記(A)のスパッタリングと同じ条件にて半導体膜を形成した。その後、熱風加熱炉内で、空気中、300℃で30分間熱処理した。得られた半導体膜のX線回折(XRD)測定をしたところ、酸化インジウムのビックスバイト構造のピークが観察された。これにより、半導体膜が結晶質であることが確認できた。また、ホール測定により求めたキャリヤー濃度は、8×10+16/cm3であった。
尚、半導体膜の熱処理条件を、空気中、450℃で5時間として得た半導体膜について、同じくXRD測定した。300℃にて熱処理したXRDのピーク強度を比較したところ、300℃で得られたピーク強度は、450℃で得られたピーク強度の約95%であった。
スパッタリングターゲットとして、酸化インジウム-酸化イッテリビウムからなるターゲット[Yb/(Yb+In)=0.03:原子比)]を用いた他は、実施例1と同様にして、薄膜トランジスタを作製した。
この薄膜トランジスタの電界効果移動度は1.2cm2/V・sec、On-Off比は107であり、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
また、XRD測定の結果、半導体膜は結晶質性であった。酸化インジウムのビックスバイト構造のピークが観察された。また、ホール測定により求めたキャリヤー濃度は、8×10+16/cm3であった。
使用したスパッタリングターゲットの組成、及び得られた薄膜トランジスタの特性を示す。
電界効果移動度は8.2cm2/V・sec、On-Off比は105であり、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
・酸化アルミニウム:Al/(Al+In)=0.005
電界効果移動度は6.2cm2/V・sec、On-Off比は105であり、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
・酸化スカンジウム:Sc/(Sc+In)=0.02
電界効果移動度は4.2cm2/V・sec、On-Off比は106であり、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
・酸化イットリウム:Y/(Y+In)=0.05
電界効果移動度は6.8cm2/V・sec、On-Off比は107であり、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
・酸化ランタン:La/(La+In)=0.02
電界効果移動度は5.1cm2/V・sec、On-Off比は106であり、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
・酸化ネオジム:Nd/(Nd+In)=0.01
電界効果移動度は8.4cm2/V・sec、On-Off比は106であり、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
・酸化サマリウム:Sm/(Sm+In)=0.05
電界効果移動度は7.6cm2/V・sec、On-Off比は107であり、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
・酸化ユウロピウム:Eu/(Eu+In)=0.03
電界効果移動度は5.3cm2/V・sec、On-Off比は107であり、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
・酸化ガドリニウム:Gd/(Gd+In)=0.03
電界効果移動度は6.7cm2/V・sec、On-Off比は107であり、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
・酸化テルビウム:Tb/(Tb+In)=0.005
電界効果移動度は3.3cm2/V・sec、On-Off比は107であり、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
・酸化ジスプロニウム:Dy/(Dy+In)=0.01
電界効果移動度は14.7cm2/V・sec、On-Off比は107であり、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
・酸化エルビウム:Er/(Er+In)=0.01
電界効果移動度は11.4cm2/V・sec、On-Off比は107であり、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
・酸化ツリウム:Tm/(Tm+In)=0.02
電界効果移動度は8.3cm2/V・sec、On-Off比は107であり、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
・酸化ルテチウム:Lu/(Lu+In)=0.003
電界効果移動度は6.9cm2/V・sec、On-Off比は107であり、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
図4に示すエッチストッパー型の薄膜トランジスタを、フォトレジスト法にて作製した。
熱酸化膜30(SiO2膜)付きの導電性シリコン基板10上に、酸化インジウム-酸化イットリウムからなるターゲット[Y/(In+Y)=0.03:原子比)]を用いて、実施例1と同様にスパッタリング法で40nmの半導体膜40を成膜した。
次に、Siをターゲットとして、アルゴン:7sccm、酸素3sccm流し、圧力0.5Paにて100nm成膜した。その後、レジストを塗布し、80℃で15分間プレベークした。その後、マスクを通してUV光(光強度:300mJ/cm2)をレジスト膜に照射し、その後、3wt%のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)にて現像した。純水で洗浄後、レジスト膜を130℃で15分ポストベークし、チャンネル部60となる部分にパターンを形成した。CF4によるドライエッチングにより、エッチストッパー70を形成した。レジスト剥離剤にて、レジストを剥離し、水洗し、エアーブローにより乾燥した。
その後、半導体膜40、エッチストッパー70及び熱酸化膜30上に、モリブデン金属膜を300nm成膜した。
モリブデン金属膜にレジストを塗布し、80℃で15分間プレベークした。その後、マスクを通してUV光(光強度:300mJ/cm2)をレジスト膜に照射し、その後、3wt%のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)にて現像した。純水で洗浄後、レジスト膜を130℃で15分ポストベークし、ソース電極50及びドレイン電極52の形状のレジストパターンを形成した。
レジストパターン付き基板を、燐酸・酢酸・硝酸の混合酸で処理することで、モリブデン金属膜をエッチングした。この場合、半導体膜40は結晶化しておらず、燐酸・酢酸・硝酸の混合酸で処理することにより、モリブデン金属膜と同時にエッチングが出来る。また、チャンネル部60は、エッチストッパー70にて保護されており、半導体膜40がエッチングされることはない。
レジストを剥離後、その後、純水で洗浄しエアーブローして乾燥させた。その後、熱風加熱炉内で空気中、300℃で30分間熱処理して、薄膜トランジスタ(チャンネル部60のソース・ドレイン電極間間隙(L)が200μm、幅(W)が500μm)を作製した。
半導体膜は結晶質であった。また、ホール測定により求めたキャリヤー濃度は、6×10+16/cm3であった。
実施例3で作製した薄膜トランジスタの出力曲線を図5に、伝達曲線を図6に示す。図5は、ゲート電圧(Vgs)を-5V~25Vと変更したときの、ドレイン電圧(Vds)と同電流(Ids)の関係を示したものである。図6は、ゲート電圧(Vgs)とドレイン電流(Ids)の関係を示したものであり、白丸からなる線は、ゲート電圧に対するドレイン電流を1/2乗した曲線であり、黒丸からなる線は、ゲート電圧に対するドレイン電流を示す曲線である。
図5及び図6において、「XE-Y」はX×10-Yを意味する。例えば、5.0E-06は5.0×10-6である。
スパッタリングターゲットに、酸化インジウム-酸化ガリウム-酸化亜鉛からなるターゲットを使用した他は、実施例1と同様にして薄膜トランジスタを作製した。スパッタリングターゲットの組成(原子比)は以下の通りである。
In/(In+Ga+Zn)=0.34
Ga/(In+Ga+Zn)=0.33
Zn/(In+Ga+Zn)=0.33
その結果、モリブデン金属膜のエッチングの際に、チャンネル部60の下部の半導体膜40もエッチングされ消失していた。従って、TFT特性は測定できなかった。
スパッタリングターゲットに、酸化インジウム-酸化ガリウムからなるターゲットを使用した他は、実施例1と同様にして薄膜トランジスタを作製した。スパッタリングターゲットの組成(原子比)は以下の通りである。
In/(In+Ga)=0.7
Ga/(In+Ga)=0.3
その結果、モリブデン金属膜のエッチングの際に、チャンネル部60の下部の半導体膜40もエッチングされ消失していた。従って、TFT特性は測定できなかった。
本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、特に、チャンネルエッチ型の薄膜トランジスタの製造方法に適している。
この明細書に記載の文献の内容を全てここに援用する。
Claims (7)
- 酸化インジウムを主成分とし、正3価の金属酸化物を含有する結晶質酸化インジウム半導体膜を有する薄膜トランジスタ。
- 前記正3価の金属酸化物が、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロニウム、酸化ホルニウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテリビウム及び酸化ルテチウムから選択される1種又は2種以上の酸化物である請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記酸化インジウムのインジウム元素(In)と前記正3価の金属酸化物の金属元素(M)の合計量に対する金属元素(M)の比率[M/(M+In):原子比]が0.0001~0.1である請求項1又は2に記載の薄膜トランジスタ。
- 酸化インジウム、及び正3価の金属酸化物を含有する半導体膜を成膜する成膜工程と、
前記半導体膜を酸化処理する工程、及び/又は前記半導体膜を結晶化する工程を含む、
請求項1~3のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記半導体膜を酸素の存在下に、150~450℃で0.5~1200分間熱処理する請求項4に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- チャンネルエッチ型の薄膜トランジスタの製造方法である請求項4又は5に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- エッチストッパー型の薄膜トランジスタの製造方法である請求項4又は5に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
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