JP6505804B2 - Thin film transistor - Google Patents
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Description
本発明は、チャネル層として酸化物半導体層を有する薄膜トランジスタ(TFT;Thin Film Transistor)に関する。 The present invention relates to a thin film transistor (TFT) having an oxide semiconductor layer as a channel layer.
電界効果トランジスタ(FET)は、半導体メモリ集積回路の単位電子素子、高周波信号増幅素子、液晶駆動用素子等として広く用いられている。薄膜トランジスタ(TFT)は、電界効果トランジスタの一種である。近年における画像表示装置のめざましい発展に伴い、このTFTは、各種の画像表示装置において、スイッチング素子として、多用されている。各種の画像表示装置には、液晶画像表示装置(LCD)、有機エレクトロルミネッセンス画像表示装置等がある。 A field effect transistor (FET) is widely used as a unit electronic element of a semiconductor memory integrated circuit, a high frequency signal amplification element, an element for driving a liquid crystal, and the like. Thin film transistors (TFTs) are a type of field effect transistor. With the remarkable development of image display devices in recent years, this TFT is widely used as a switching element in various image display devices. Various image display devices include a liquid crystal image display (LCD), an organic electroluminescence image display, and the like.
ディスプレイの代表であるLCDは、中小型パネル分野やTV用途の大型映像表示パネル分野で主流を占めている。一方で、有機EL画像表示装置は、高精彩の点でLCDより優れるため、今後の展開が期待されている。
LCDは動画解像度の改善や三次元ディスプレイの普及に伴い、フレームレートの高速化が進んでいる。高フレームレート駆動は動画解像度向上に有効であり、更なるフレームレートの高速化が求められている。映像表示用装置の展望として、大画面、高精細、高フレームレート駆動がキーワードとなっており、この実現に必要な性能がTFTに求められている。例えば、大画面化による画素容量の増大、高精細化による走査線数の増大、フレームレートの増大に伴い、TFTには高い電界効果移動度(以下、移動度ということがある。)が要求されている。
LCDs, which are representative of displays, occupy the mainstream in the small-sized panel field and the large-sized image display panel field for TVs. On the other hand, since the organic EL image display device is superior to the LCD in terms of high definition, future development is expected.
With the improvement of moving picture resolution and the spread of three-dimensional displays, LCDs have been increased in frame rate. High frame rate driving is effective for improving moving picture resolution, and further speeding up of the frame rate is required. A large screen, high definition, and high frame rate driving are the keywords as a perspective of the image display device, and the performance required for this realization is required of the TFT. For example, with an increase in pixel capacity due to an increase in screen size, an increase in the number of scanning lines due to high definition, and an increase in frame rate, TFTs are required to have high field effect mobility (hereinafter sometimes referred to as mobility). ing.
従来のLCDで使用されている、a−Si:H(水素化アモルファスシリコン)TFTの移動度は、最高で2cm2/Vs程度である。しかし、映像表示ディスプレイに求められる大画面、高精細、高フレームレート駆動には、この程度の移動度では、対応できなくなりつつある。 The mobility of the a-Si: H (hydrogenated amorphous silicon) TFT used in the conventional LCD is about 2 cm 2 / Vs at the maximum. However, the large screen, high definition, and high frame rate driving required for a video display can not be coped with this degree of mobility.
加えて、有機ELは電流駆動素子であり、画面の輝度向上にはドライブTFTの電流値増大が求められるため、有機EL画像表示装置には、高移動度TFTが不可欠である。また、有機EL画像表示装置の駆動に使用されるTFTには、高移動度に加えて、電流ストレスに対する信頼性が要求される。現状では、移動度と信頼性の両方を満たすTFT材料の候補として、低温poly−Si(LTPS)が挙げられている。しかしながら、レーザー結晶化時の使用ビーム長の関係で実現できる画面サイズが制限されることや、レーザー光のショット間ばらつきによって生じるTFT特性の面内不均一性も問題となっている。 In addition, since the organic EL is a current drive element and an increase in the current value of the drive TFT is required to improve the brightness of the screen, a high mobility TFT is essential for the organic EL image display device. In addition to the high mobility, the TFT used for driving the organic EL image display device is also required to have reliability against current stress. At present, low temperature poly-Si (LTPS) is mentioned as a candidate for a TFT material satisfying both mobility and reliability. However, there is a problem that the screen size that can be realized is limited by the relationship of the used beam length at the time of laser crystallization, and the in-plane nonuniformity of the TFT characteristics caused by the inter-shot variation of laser light.
a−Si:H TFTやLTPSに代えて、酸化物半導体を用いたTFTが注目されている。例えば、酸化亜鉛(ZnO)又は酸化インジウムガリウム亜鉛(IGZO)等の酸化物半導体を、活性層(半導体層)に用いたTFTは移動度等において優れた性質を示し、その改良開発が進められている。 Attention is focused on TFTs using oxide semiconductors instead of a-Si: H TFTs or LTPS. For example, a TFT using an oxide semiconductor such as zinc oxide (ZnO) or indium gallium zinc oxide (IGZO) in an active layer (semiconductor layer) exhibits excellent properties in mobility and the like, and its improvement development is advanced There is.
酸化物半導体はイオン性の高い結合で構成されており、結晶質であっても、非晶質であっても、電子移動度の違いが小さいことが特徴である。即ち、非晶質状態でも比較的高い電子移動度が実現できることを特徴とする。また、結晶化した場合にも粒界障壁の影響を受けにくく、面内均一性を必要とする大面積化に適したTFTを作製することが可能である。さらに、価電子帯近傍に酸素欠損由来のギャップ内準位を有するため、電子に比べ正孔がフリーキャリアとなりづらく、このためTFT動作時のオフ電流が10〜15A程度に低減できることが報告されている。また、シリコン系TFTに比べワイドバンドギャップな半導体のため、可視光領域の光安定性においても優位性を有する。さらに、スパッタリング法等を用いることにより室温にて非晶質膜を成膜できるので、PET等の樹脂基板上での酸化物半導体膜トランジスタ形成の研究も行われている。 An oxide semiconductor is formed of a highly ionic bond, and is characterized in that the difference in electron mobility is small whether it is crystalline or amorphous. That is, it is characterized in that relatively high electron mobility can be realized even in an amorphous state. In addition, even when crystallized, it is possible to manufacture a TFT which is not easily affected by the grain boundary barrier and which is suitable for a large area which requires in-plane uniformity. Furthermore, since it has an in-gap state derived from oxygen deficiency near the valence band, holes are less likely to be free carriers than electrons, and it is reported that the off current during TFT operation can be reduced to about 10-15A. There is. In addition, because of the wide band gap semiconductor compared to silicon-based TFTs, they have superiority in the light stability of the visible light region. Furthermore, since an amorphous film can be formed at room temperature by using a sputtering method or the like, researches on forming an oxide semiconductor film transistor on a resin substrate such as PET are also conducted.
酸化物半導体を用いたTFT技術として、例えば、特許文献1では、キャリア濃度が高い酸化物導電性材料として酸化インジウム錫(ITO)等をチャネル層に使用したTFTが開示されている。この文献では、極薄膜(6〜10nm)であるチャネル層の膜厚を均一化すると共に、ゲート絶縁膜の表面を平坦化して界面特性を改善し、リーク電流の低減とサブスレッショルド係数の改善を図っている。 As a TFT technology using an oxide semiconductor, for example, Patent Document 1 discloses a TFT using indium tin oxide (ITO) or the like as a channel layer as an oxide conductive material having a high carrier concentration. In this document, the film thickness of the channel layer which is an extremely thin film (6 to 10 nm) is made uniform, and the surface of the gate insulating film is planarized to improve interface characteristics and reduce leakage current and improve the subthreshold coefficient. I am trying.
特許文献2では、酸化インジウムにガリウムが固溶した酸化物焼結体をスパッタリングすることにより、1×1018cm−3程度のキャリア濃度を有する酸化物半導体膜を作製している。 In Patent Document 2, an oxide semiconductor film having a carrier concentration of about 1 × 10 18 cm −3 is manufactured by sputtering an oxide sintered body in which gallium is solid-solved in indium oxide.
また、特許文献3では、ボトムゲート型TFTにおいて、酸素含有プラズマ照射することにより、酸化物半導体の表面層の酸素密度をゲート絶縁膜側に比べて増加させることで、on−off比を高めている。 Further, in Patent Document 3, in the bottom gate type TFT, the on-off ratio is increased by increasing the oxygen density of the surface layer of the oxide semiconductor as compared to the gate insulating film side by performing oxygen-containing plasma irradiation. There is.
特許文献4には、酸化インジウム亜鉛(又はITO)とGIZOで構成される2層の活性層を有する酸化物TFTが開示されており、高い移動度と好適な閾値電圧が得られるとしている。具体的には、膜厚5nmの高キャリア濃度の酸化インジウム亜鉛(又はITO)層の上に、膜厚60nmの低キャリア濃度のGIZOを設けた2層の活性層のTFTを作製している。 Patent Document 4 discloses an oxide TFT having a two-layered active layer composed of indium zinc oxide (or ITO) and GIZO, and it is supposed that high mobility and a preferable threshold voltage can be obtained. Specifically, a two-layer active layer TFT is prepared in which GIZO with a low carrier concentration of 60 nm is provided on an indium zinc oxide (or ITO) layer with a high carrier concentration of 5 nm.
特許文献5には、組成比の異なるIn−Ga−Zn−Oを活性層と抵抗層として2層のチャネル層を有する酸化物TFTが開示されており、移動度が高く高いon−off比が得られるとしている。 Patent Document 5 discloses an oxide TFT having two channel layers of In-Ga-Zn-O having different composition ratios as an active layer and a resistive layer, and has high mobility and high on-off ratio. It is supposed to be obtained.
上記特許文献の技術には以下の問題があった。
特許文献1では、チャネル層の膜厚が10nm以下と薄いために、チャネル層が島状に形成される可能性があり、チャネル層中に半導体層が形成されていない部分が生じやすい。
The techniques of the above patent documents have the following problems.
In Patent Document 1, since the film thickness of the channel layer is as thin as 10 nm or less, the channel layer may be formed in an island shape, and a portion in which a semiconductor layer is not formed is likely to be generated in the channel layer.
特許文献2では、酸化物半導体層内に抵抗の異なる領域が設けておらず、サブスレッショルド係数に改良の余地がある。 In Patent Document 2, regions with different resistances are not provided in the oxide semiconductor layer, and there is room for improvement in the subthreshold coefficient.
特許文献3では、酸素プラズマ処理により、半導体層中に高酸素密度化領域を設けてon−off比の向上を図っているが、高移動度は得られていない。 In Patent Document 3, the on-off ratio is improved by providing a high oxygen densification region in the semiconductor layer by oxygen plasma treatment, but high mobility is not obtained.
特許文献4では、2層構造のチャネル層を必要とするため、単一の材料でチャネル層を作製する場合に比べて、生産性や製造コストに問題があった。 In patent document 4, since the channel layer of 2 layer structure is required, there existed a problem in productivity or manufacturing cost compared with the case where a channel layer is produced with a single material.
特許文献5で得られている移動度には改善の余地があり、さらに2層構造のチャネル層を作製する際に、2種類のターゲット及び/又はチャネル層作製時の酸素導入量が2通り必要になる。これは単一の材料でチャネル層を作製する場合に比べて、生産性や製造コスト面で問題がある。 There is room for improvement in the mobility obtained in Patent Document 5, and when producing a channel layer having a two-layer structure, two types of targets and / or two oxygen introduction amounts are required at the time of producing the channel layer. become. This is problematic in terms of productivity and manufacturing cost as compared with the case where the channel layer is made of a single material.
本発明は、上記の問題を鑑みて、高移動度を有しつつ、高いon−off比を有する薄膜トランジスタを提供することを目的とする。また、効率的に製造できる薄膜トランジスタを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a thin film transistor having a high on-off ratio while having high mobility in view of the above problems. Another object of the present invention is to provide a thin film transistor which can be manufactured efficiently.
本発明の実施形態1によれば、ソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、保護絶縁膜と、チャネル層と、を有し、前記チャネル層は、前記ゲート絶縁膜と保護絶縁膜の間に位置し、広がり抵抗値の低い領域と広がり抵抗値の高い領域を有する、薄膜トランジスタが提供される。
本発明の実施形態2によれば、ソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、絶縁性基板と、チャネル層と、を有し、前記チャネル層は、前記ゲート絶縁膜と絶縁性基板の間に位置し、広がり抵抗値の低い領域と広がり抵抗値の高い領域を有する、薄膜トランジスタが提供される。
また、本発明の他の態様によれば、ゲート絶縁膜上にチャネル層を形成する工程と、前記チャネル層に接して前記保護絶縁膜を形成する工程と、
前記保護絶縁膜形成後に、150〜500℃で加熱処理する工程とを含む、薄膜トランジスタの製造方法が提供される。
また、本発明の他の態様によれば、絶縁性基板上にチャネル層を形成する工程と、前記チャネル層に対して、水素プラズマ処理、希ガス雰囲気中での逆スパッタリング、電子線照射、及び紫外線照射から選択される1つ以上の処理を行なう工程とを含む、薄膜トランジスタの製造方法が提供される。
According to the first embodiment of the present invention, it has a source electrode and a drain electrode, a gate electrode, a gate insulating film, a protective insulating film, and a channel layer, and the channel layer is protected with the gate insulating film. A thin film transistor is provided, which is located between insulating films and has a region with a low spreading resistance value and a region with a wide spreading resistance value.
According to Embodiment 2 of the present invention, it has a source electrode and a drain electrode, a gate electrode, a gate insulating film, an insulating substrate, and a channel layer, and the channel layer is isolated from the gate insulating film. A thin film transistor is provided, which is located between a conductive substrate and has a region of low spreading resistance and a region of high spreading resistance.
Further, according to another aspect of the present invention, there is provided a step of forming a channel layer on a gate insulating film, a step of forming the protective insulating film in contact with the channel layer, and
And heat-treating at 150 to 500 ° C. after the formation of the protective insulating film.
Further, according to another aspect of the present invention, there is provided a process of forming a channel layer on an insulating substrate, hydrogen plasma treatment, reverse sputtering in a rare gas atmosphere, electron beam irradiation, and the like to the channel layer. Providing a process for producing a thin film transistor, comprising the step of performing one or more treatments selected from ultraviolet radiation.
本発明は、高移動度を有しつつ、高いon−off比を有する薄膜トランジスタを提供できる。また、単一の酸化物半導体材料により効率的に製造できる薄膜トランジスタを提供できる。 The present invention can provide a thin film transistor having a high on-off ratio while having high mobility. In addition, a thin film transistor that can be efficiently manufactured with a single oxide semiconductor material can be provided.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されず、その形態及び詳細を様々に変更し得る。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this invention is not limited to the following embodiment, The form and detail can be changed variously.
実施形態1
本実施形態に係る薄膜トランジスタは、ソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、保護絶縁膜と、チャネル層と、を有する。そして、チャネル層は、ゲート絶縁膜と保護絶縁膜の間に位置し、広がり抵抗値の低い領域と広がり抵抗値の高い領域を有することを特徴とする。チャネル層が、広がり抵抗値の低い領域と広がり抵抗値の高い領域を有することにより、電界効果移動度が高く、また、on−off比が高い薄膜トランジスタが得られる。
Embodiment 1
The thin film transistor according to this embodiment includes a source electrode and a drain electrode, a gate electrode, a gate insulating film, a protective insulating film, and a channel layer. The channel layer is located between the gate insulating film and the protective insulating film, and has a region with a low spread resistance value and a region with a high spread resistance value. When the channel layer has a region having a low spreading resistance value and a region having a wide spreading resistance value, a thin film transistor having high field effect mobility and high on-off ratio can be obtained.
図1は、本発明の一実施形態であるボトムゲート逆スタガ型薄膜トランジスタの例を示す概略断面図である。
薄膜トランジスタ1は、基板10上に、ゲート電極20、ソース電極50及びドレイン電極60が形成されている。ゲート絶縁膜30は、ゲート電極20と接して形成されている。ゲート絶縁膜30の上には、ソース電極50とドレイン電極60が形成され、ソース電極50とドレイン電極60の間には、チャネル層40が形成されている。チャネル層40はゲート絶縁膜30に接している。ソース電極50、ドレイン電極60、チャネル層40を覆って保護絶縁膜層70が形成されている。チャネル層40は、ゲート絶縁膜30と保護絶縁膜層70の間にあって、これら層と接している。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a bottom gate inverted staggered thin film transistor according to an embodiment of the present invention.
In the thin film transistor 1, a gate electrode 20, a source electrode 50 and a drain electrode 60 are formed on a substrate 10. The gate insulating film 30 is formed in contact with the gate electrode 20. A source electrode 50 and a drain electrode 60 are formed on the gate insulating film 30, and a channel layer 40 is formed between the source electrode 50 and the drain electrode 60. The channel layer 40 is in contact with the gate insulating film 30. A protective insulating film layer 70 is formed to cover the source electrode 50, the drain electrode 60, and the channel layer 40. The channel layer 40 is between the gate insulating film 30 and the protective insulating film layer 70 and in contact with these layers.
ここで、チャネル層とは、ゲート電極に相対しゲート絶縁膜に接する半導体の内、ソース電極とドレイン電極に挟まれる領域であり、半導体の膜厚を有する。より具体的には、半導体膜の膜厚、チャネル長(ソース電極とドレイン電極の間隔)およびチャネル幅(ソース電極とドレイン電極の幅)で領域の範囲が規定される。 Here, the channel layer is a region of the semiconductor facing the gate electrode and in contact with the gate insulating film, which is a region sandwiched between the source electrode and the drain electrode, and has a semiconductor film thickness. More specifically, the range of the region is defined by the film thickness of the semiconductor film, the channel length (the distance between the source electrode and the drain electrode), and the channel width (the width of the source electrode and the drain electrode).
さらに、チャネル層40のゲート絶縁膜側には、チャネル層40の広がり抵抗の低い領域(低抵抗領域)42があり、ゲート絶縁膜と対向する側には、広がり抵抗の高い領域(高抵抗領域)44がある。
広がり抵抗の低い領域42は、ゲート絶縁膜30近傍、好適にはチャネル層40のゲート絶縁膜30側の面から内側方向へ10nm以上の厚さを有する帯状の領域である。
広がり抵抗の高い領域44は、保護絶縁膜70近傍、好適にはチャネル層40の、保護絶縁膜70側の面から内側方向へ10nm以上の厚さを有する帯状の領域である。
Further, there is a region (low resistance region) 42 with low spreading resistance of the channel layer 40 on the gate insulating film side of the channel layer 40, and a region (high resistance region) with high spreading resistance on the side facing the gate insulating film. There are 44).
The low spreading resistance region 42 is a band-like region having a thickness of 10 nm or more in the vicinity of the gate insulating film 30, preferably inward from the surface of the channel layer 40 on the gate insulating film 30 side.
The region 44 with high spreading resistance is a band-like region having a thickness of 10 nm or more in the vicinity of the protective insulating film 70, preferably from the surface of the channel layer 40 on the protective insulating film 70 side.
本願において、広がり抵抗の高低はチャネル層を含む断面を切り出した後に、広がり抵抗顕微鏡(SSRM:Scanning Spread Resistance Microscope)測定から求める。断面のY軸(垂直)方向のSSRM測定(SSRMスペクトル)は、ゲート電極20、ゲート絶縁膜30、チャネル層40及び保護絶縁膜70を順次に横切るようにスキャンすることが好ましく、順次垂直に横切るようにスキャンすることがさらに好ましい。また、断面のY軸方向のSSRM測定を順次X軸(水平)方向に拡張することで2次元のSSRM像を取得することできる。また、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてチャネル層を含む断面TEM像から、ゲート絶縁膜30、チャネル層40及び保護絶縁膜70の膜厚を測定し、SSRM像と比較することにより、広がり抵抗の高い領域及び広がり抵抗の低い領域の位置関係を決定できる。広がり抵抗は、その測定原理より、プローブ材質、サンプル形状、測定表面状態等により絶対値が大きく変化するため、相対値より高低を判断する。 In the present application, the magnitude of the spreading resistance is obtained from a scanning spread resistance microscope (SSRM) measurement after cutting out a cross section including the channel layer. The SSRM measurement (SSRM spectrum) in the Y-axis (vertical) direction of the cross section is preferably scanned so as to sequentially cross the gate electrode 20, the gate insulating film 30, the channel layer 40 and the protective insulating film 70. It is further preferred to scan as. In addition, a two-dimensional SSRM image can be acquired by sequentially expanding the SSRM measurement in the Y-axis direction of the cross section in the X-axis (horizontal) direction. In addition, the film thickness of the gate insulating film 30, the channel layer 40, and the protective insulating film 70 are measured from a cross-sectional TEM image including the channel layer using a transmission electron microscope (TEM), and the spread is obtained by comparing with the SSRM image. The positional relationship between the high resistance area and the low expansion resistance area can be determined. From the measurement principle, the spread resistance changes its absolute value largely depending on the material of the probe, the shape of the sample, the surface condition of the measurement, etc.
広がり抵抗の低い領域は、チャネル部のSSRMスペクトル形状及びSSRM像のしきい値抵抗より決定することができる。まず、SSRMスペクトル形状より広がり抵抗の低い領域及び領域端部を決定する。任意のチャネル部のSSRMスペクトルに着目した場合、極小値が1つのスペクトルであれば、そのスペクトル幅を広がり抵抗の低い領域と定義する。ただし、スペクトル中に10nm以上の領域に渡って、広がり抵抗値の変化が一桁以内のショルダー又はプラトーが存在する場合、極小値を基準ピークとするガウス関数を用い残差2乗和が最小となるようにフィッティングを行い(ショルダー及びプラトー部を含む高抵抗領域はフィッティング範囲から除外する)、ピーク分離後に領域幅を定義する。尚、ショルダー又はプラトーは、広がり抵抗の極小値と比べ1桁以上高い広がり抵抗値を有するものに限定する。ここで、スペクトル幅は、ピークを挟みゲート絶縁膜の平均広がり抵抗値に比較し2桁以上抵抗値が低い最大抵抗値を有する2点の距離とし、その2点を該領域の端部とする。ゲート絶縁膜の平均広がり抵抗値とは、SSRM像のゲート絶縁膜に相当する部分の最大分布抵抗値と定義する。 The low spreading resistance region can be determined from the SSRM spectrum shape of the channel portion and the threshold resistance of the SSRM image. First, the region and region edge where the spreading resistance is lower than the SSRM spectrum shape are determined. When focusing on the SSRM spectrum of an arbitrary channel portion, if the local minimum is one spectrum, the spectrum width is defined as a region having a wide spread resistance. However, if there is a shoulder or plateau where the change in spread resistance is within one digit over a region of 10 nm or more in the spectrum, the residual square sum should be minimized using a Gaussian function with the minimum value as the reference peak. Fitting is performed as follows (the high resistance region including the shoulder and the plateau is excluded from the fitting range), and the region width is defined after peak separation. Incidentally, the shoulder or plateau is limited to one having a spread resistance value which is one digit or more higher than the spread resistance minimum value. Here, the spectrum width is a distance between two points having a maximum resistance value which has a peak and a resistance value lower by two digits or more compared to the average spreading resistance value of the gate insulating film, and the two points are the end of the region. . The average spreading resistance value of the gate insulating film is defined as the maximum distributed resistance value of the portion corresponding to the gate insulating film of the SSRM image.
極小値を2つ以上含むSSRMスペクトルの場合、各極小値を用い極小値を基準ピークとして、ガウス関数を用い残差2乗和が最小となるようにピーク分離を行う。最も抵抗値の低いピークを有するスペクトルを広がり抵抗の低い領域とし、上記の要領にて領域幅及び領域端を定義する。ただし、隣接するスペクトルのピーク抵抗値の比が1桁以内の場合、又は、ピーク分離後にピーク幅が10nm未満となるものは、ピーク分離対象とはしない。
次に各SSRMスペクトルを断面X軸方向に拡張した、SSRM像において広がり抵抗の低い領域を面内にて定義する。代表的なSSRMスペクトル(好ましくはランダムに取得した5つ以上のSSRMスペクトル、より好ましくは10以上、さらに好ましくは20以上)における抵抗の低い領域端(ゲート絶縁膜側)の抵抗値を取得し、その抵抗範囲における最小・最大抵抗値をしきい値抵抗として、SSRM像にしきい値抵抗値内の領域をプロットする。この際にゲート絶縁膜とチャネル層界面に沿ってプロットが並ぶが、SSRM像のX軸方向両端にプロットが連続して並ぶようにしきい値抵抗値の幅を広げることが可能である(ただし、両しきい値抵抗より一桁の範囲内にて拡張可)。SSRM像のX軸方向にプロットが5割以上連続して並ぶようにしきい値範囲を調整した後、ゲート金属−ゲート絶縁膜界面より垂線を引き最初にプロットと交わった距離をゲート絶縁膜幅とする。本ゲート絶縁膜幅をX軸方向に拡張した場合、ヒストグラムのピーク値を平均ゲート絶縁膜幅と定義する。ここで、ヒストグラムの取得にあたっては、SSRM像のX軸の構成画素数の5割以上のデータを母集団とし、各絶縁膜幅を等間隔の区間に分割した範囲に割り振り、区間の中央の値でその区間を代表させることとする。また等間隔の区間範囲数は20である。すなわち、TEMで取得したゲート絶縁膜厚さを20分割する。TEM像と比較し、ゲート絶縁膜厚さ(TEM像)に対して平均ゲート絶縁膜幅が同等程度(±10%)であれば、広がり抵抗の低い領域はゲート絶縁膜に接するといえる。また、抵抗の低い領域端(保護絶縁膜側)にも同様な処理を行い、広がり抵抗の低い領域幅を定義することができる。
In the case of an SSRM spectrum including two or more local minimums, peak separation is performed using each local minimum as a reference peak and using a Gaussian function such that the residual sum of squares is minimized. The spectrum having the peak with the lowest resistance value is taken as a low-resistance region, and the region width and region edge are defined as described above. However, if the ratio of peak resistance values of adjacent spectra is within one digit or if the peak width is less than 10 nm after peak separation, it is not considered as a peak separation target.
Next, each SSRM spectrum is expanded in the cross-sectional X-axis direction, and in the SSRM image, a low spreading resistance region is defined in the plane. Acquire the resistance value of the low-resistance region end (gate insulating film side) in a representative SSRM spectrum (preferably at least 5 randomly obtained SSRM spectra, more preferably 10 or more, still more preferably 20 or more), The region within the threshold resistance value is plotted in the SSRM image with the minimum and maximum resistance values in that resistance range as the threshold resistance. At this time, although the plots are arranged along the interface between the gate insulating film and the channel layer, it is possible to widen the threshold resistance value so that the plots are continuously arranged at both ends in the X axis direction of the SSRM image (however, Expandable within one digit of both threshold resistors). After adjusting the threshold range so that the plots are continuously arranged in the X axis direction of the SSRM image by 50% or more, a perpendicular line is drawn from the gate metal-gate insulating film interface and the distance at which the plot first intersects the gate insulating film width Do. When the gate insulating film width is expanded in the X-axis direction, the peak value of the histogram is defined as the average gate insulating film width. Here, in obtaining the histogram, data of 50% or more of the number of pixels constituting the X axis of the SSRM image is used as a population, and each insulating film width is allocated to a range divided into equally spaced sections, and the central value of the sections Let's represent that section with Further, the number of interval ranges at equal intervals is twenty. That is, the gate insulating film thickness obtained by TEM is divided into 20 parts. If the average gate insulating film width is comparable (± 10%) to the gate insulating film thickness (TEM image) as compared with the TEM image, it can be said that the region having a low spreading resistance is in contact with the gate insulating film. Further, the same processing can be performed on the end of the low resistance region (the protective insulating film side), and the width of the low resistance region can be defined.
広がり抵抗の高い領域は、上述したチャネル層中の広がり抵抗の低い領域に対応して決まる。例えば、断面TEMよりチャネル膜厚が50nmと測定され、広がり抵抗が低い領域が50nmと測定されれば、広がり抵抗の高い領域は存在しない。例えば、断面TEMよりチャネル膜厚が50nmと測定され、広がり抵抗が低い領域が30nmと測定され、SSRMスペクトルからも2番目に低い広がり抵抗領域が観察されていなければ、残りの20nmの領域が広がり抵抗の高い領域となる。このとき、広がり抵抗の高い領域は、保護層側に偏っていてもよいし、10nmずつ広がり抵抗が低い領域をはさみ保護層側とゲート絶縁膜側に存在していてもよい。ただし膜厚が10nmに満たないときは、測定誤差の影響より同定が難しいため、広がり抵抗の高い領域とは認められない。例えば、断面TEMよりチャネル膜厚が50nmと測定され、広がり抵抗が低い領域が30nmと測定され、SSRMスペクトルから2番目に低い広がり抵抗領域が20nmと観察されていれば、広がり抵抗の高い領域は2番目に低い広がり抵抗領域となる。例えば、断面TEMよりチャネル膜厚が50nmと測定され、広がり抵抗が低い領域が30nmと測定され、SSRMスペクトルから2番目に低い広がり抵抗領域が10nmと観察されていれば、広がり抵抗の高い領域は残りの10nmの領域となる。ただし、このとき広がり抵抗の高い領域として定義できるのは、10nm以上の厚みを有するときである。 The region of high spreading resistance is determined corresponding to the region of low spreading resistance in the channel layer described above. For example, if the channel film thickness is measured to be 50 nm from the cross-sectional TEM, and the region having a low spreading resistance is measured to be 50 nm, the region having a high spreading resistance does not exist. For example, if the channel film thickness is measured to be 50 nm from the cross-sectional TEM, the area with low spreading resistance is measured to be 30 nm, and the second lowest spreading resistance area is not observed from the SSRM spectrum, the remaining 20 nm area is broadened. It becomes an area with high resistance. At this time, the region where the spreading resistance is high may be biased to the protective layer side, or the region where the spreading resistance is low by 10 nm may be present on the protective layer side and the gate insulating film side. However, when the film thickness is less than 10 nm, it is difficult to identify due to the influence of measurement error, so it can not be recognized as a region with high spreading resistance. For example, if the channel film thickness is measured to be 50 nm from the cross-sectional TEM, the area with low spreading resistance is measured to be 30 nm, and if the second lowest spreading resistance area is observed to be 20 nm from the SSRM spectrum, the area with high spreading resistance is It is the second lowest spreading resistance area. For example, if the channel film thickness is measured to be 50 nm from the cross-sectional TEM, the area with low spreading resistance is measured to be 30 nm, and if the second lowest spreading resistance area is observed to be 10 nm from the SSRM spectrum, the area with high spreading resistance is It becomes the remaining 10 nm region. However, at this time, it can be defined as a region having high spreading resistance when it has a thickness of 10 nm or more.
広がり抵抗の低い領域は、ゲート絶縁膜に接し10nm以上の厚さを有することが望ましい。一方、広がり抵抗の高い領域は存在することが望ましく、特に絶縁膜と同等の抵抗値を有する領域が保護絶縁膜界面10nm以上に渡って存在することが望ましい。ここで、同等とは、ゲート絶縁膜の平均抵抗値(R0)に対する広がり抵抗値の高い領域の抵抗値(R)の比(R/R0)が0.1<R/R0<1の場合を意味する。チャネル層が広がり抵抗の低い領域のみで形成される場合、高いon−off比と移動度を同時に達成することは困難である。また、広がり抵抗の低い領域がゲート絶縁膜に接していないときは、主なゲート電界がチャネル層中の抵抗値の高い領域に印加されるため移動度の上昇を期待することができない。また、保護絶縁膜側に絶縁膜と同等な広がり抵抗の高い領域が接することで、保護絶縁膜への電子注入等が緩和されるため、信頼性の面で優れた特性を期待することができる。 The region with low spreading resistance is preferably in contact with the gate insulating film and has a thickness of 10 nm or more. On the other hand, it is desirable that a region having a high spreading resistance be present, and in particular, a region having a resistance value equal to that of the insulating film be present over 10 nm or more of the protective insulating film interface. Here, “equivalent” means that the ratio (R / R0) of the resistance value (R) in the region where the spreading resistance value is high to the average resistance value (R0) of the gate insulating film is 0.1 <R / R0 <1. means. When the channel layer is formed only in a region having a wide spread resistance, it is difficult to simultaneously achieve high on-off ratio and mobility. In addition, when the region having a low spreading resistance is not in contact with the gate insulating film, the main gate electric field is applied to the region having a high resistance value in the channel layer, and therefore, an increase in mobility can not be expected. In addition, since a region having a high spreading resistance equivalent to the insulating film is in contact with the protective insulating film side, electron injection and the like to the protective insulating film are alleviated, so that excellent characteristics in terms of reliability can be expected. .
SSRM像の例を図2及び4に、SSRMスペクトルの一例を図3及び5に示す。
図2及び図3は、後述する実施例1で作製した薄膜トランジスタの測定結果である。図4及び図5は、後述する比較例6で作製した薄膜トランジスタの測定結果である。
図2及び図4のSSRM像では、下からゲート電極の金属(ゲート金属)、ゲート絶縁膜、酸化物半導体層(チャネル層)及び保護絶縁膜がこの順に積層していることが分かる。SSRM像の色の濃淡は、広がり抵抗の高低を表す。色が濃いほど、広がり抵抗が高いことを意味する。実施例1及び比較例6の層構成及び厚さは同じであるが、チャネル層及びその周辺の色の濃淡が異なることが分かる。これは、実施例1のチャネル層では広がり抵抗の高い領域と低い領域が存在するため、色の薄い箇所厚さが薄くなっている。一方、比較例6のチャネル層では広がり抵抗の低い領域のみが存在するため、色の薄い箇所の厚さが厚くなっている。
Examples of SSRM images are shown in FIGS. 2 and 4, and examples of SSRM spectra are shown in FIGS.
2 and 3 show the measurement results of the thin film transistor manufactured in Example 1 described later. FIG.4 and FIG.5 is a measurement result of the thin-film transistor produced by the comparative example 6 mentioned later.
In the SSRM images of FIGS. 2 and 4, it can be seen that the metal of the gate electrode (gate metal), the gate insulating film, the oxide semiconductor layer (channel layer), and the protective insulating film are stacked in this order from the bottom. The shading of the color of the SSRM image represents the magnitude of the spreading resistance. The darker the color, the higher the spreading resistance. It can be seen that although the layer configurations and thicknesses of Example 1 and Comparative Example 6 are the same, the shades of color of the channel layer and the periphery thereof are different. This is because, in the channel layer of the first embodiment, there are areas of high spreading resistance and low areas of the spreading resistance, so the thickness of the light-colored portion is thin. On the other hand, in the channel layer of Comparative Example 6, only the region having a low spreading resistance is present, so the thickness of the light-colored portion is large.
測定対象の薄膜トランジスタは、断面のTEM写真より酸化物半導体層が50nm±5nm、ゲート絶縁層が90nm±5nmであることを確認している。図5のSSRMスペクトルから、ゲート金属層−ゲート絶縁膜界面(図中、D−E間の破線で表す。)より、90nmの位置(図中、C−D間の破線で表す。)に酸化物半導体層‐ゲート絶縁膜界面(広がり抵抗の低い領域端部)が位置していることが分かる。一方、図3のSSRMスペクトルからは、81nmの位置(図中、C−D間の破線で表す。)に酸化物半導体層‐ゲート絶縁膜界面(広がり抵抗の低い領域端部)が位置していることが分かる。 It is confirmed from the TEM photograph of the cross section that the thin film transistor to be measured has an oxide semiconductor layer of 50 nm ± 5 nm and a gate insulating layer of 90 nm ± 5 nm. From the SSRM spectrum of FIG. 5, oxidation is performed at a position of 90 nm (indicated by a broken line between C and D in the drawing) from the gate metal layer-gate insulating film interface (represented by a broken line between D and E in the drawing). It can be seen that the object semiconductor layer-gate insulating film interface (the end of the region where the spreading resistance is low) is located. On the other hand, according to the SSRM spectrum in FIG. 3, the oxide semiconductor layer-gate insulating film interface (region end with low spreading resistance) is located at a position of 81 nm (represented by a broken line between C and D in the figure). I understand that
また、酸化物半導体領域(TEMとの相互比較により、ゲート金属−ゲート絶縁膜界面から85〜140nmの範囲に位置する領域を酸化物半導体領域とする)に位置する絶縁膜よりも低抵抗な領域は、図3で23nm(図中、Cの領域)、図5で50nm(図中、Cの領域)であった。両SSRMスペクトル及びTEM像より、広がり抵抗が低い領域のゲート絶縁膜側界面はどちらもゲート絶縁膜(図中、Cの領域)に接していることが分かり、かつ、酸化物半導体層における両SSRMスペクトルからは極値が単一のスペクトルとみなすことができるので、図5における広がり抵抗高い領域は酸化物半導体層には存在せず、一方、図3における広がり抵抗高い領域は酸化物半導体層中側に27nm(図中、Bの領域)存在している。 In addition, a region lower in resistance than an insulating film located in an oxide semiconductor region (a region located in a range of 85 to 140 nm from the gate metal-gate insulating film interface as an oxide semiconductor region in mutual comparison with TEM) Is 23 nm in FIG. 3 (area C in the figure) and 50 nm in FIG. 5 (area C in the figure). From both SSRM spectra and TEM images, it can be seen that the gate insulating film side interface in the region where the spreading resistance is low is in contact with the gate insulating film (region C in the figure), and both SSRMs in the oxide semiconductor layer Since the extremum can be regarded as a single spectrum from the spectrum, the spread resistance high region in FIG. 5 does not exist in the oxide semiconductor layer, while the spread resistance high region in FIG. 3 is in the oxide semiconductor layer. 27 nm (area B in the figure) is present on the side.
さらに、図3はゲート絶縁膜(図中、Dの領域)に広がり抵抗の低い領域(図中、Cの領域)が接しており、保護絶縁膜(図中、Aの領域)側に広がり抵抗の高い領域(図中、Bの領域)が接している。
上記のとおり、SSRMスペクトルをSSRM像に拡張しても図5には広がり抵抗の高い領域が存在せず、広がり抵抗の低い領域のみで構成されることがわかる。一方、図3はゲート絶縁膜に広がり抵抗の低い領域が接しており、保護絶縁膜側に広がり抵抗の高い領域が接することがわかる。
Further, in FIG. 3, a region (region C in FIG. 3) having a spread and low resistance is in contact with the gate insulating film (region D in FIG. 3), and extends to the protective insulating film (region A in FIG. The high area (area B in the figure) is in contact.
As described above, even if the SSRM spectrum is expanded to the SSRM image, it can be seen that the region with high spreading resistance does not exist in FIG. 5, and only the region with low spreading resistance is formed. On the other hand, FIG. 3 shows that the region having a spread resistance and low resistance is in contact with the gate insulating film, and the region having a spread resistance and high resistance is in contact with the protective insulating film side.
実施例1及び比較例6で作製した薄膜トランジスタの伝達曲線を図6に、移動度の測定結果を図7に示す。
この結果から、本実施形態の構造を有する薄膜トランジスタは、移動度が高く、かつ、on−off比が向上することがわかる。
The transfer curves of the thin film transistors produced in Example 1 and Comparative Example 6 are shown in FIG. 6, and the measurement results of mobility are shown in FIG.
From this result, it is understood that the thin film transistor having the structure of this embodiment has high mobility and the on-off ratio is improved.
本実施形態において、チャネル層の膜厚は、通常20〜200nm、好ましくは30〜100nm、より好ましくは40〜80nm、さらに好ましくは45〜70nmである。チャネル層の膜厚が20nm以上であれば、大面積に成膜した際の膜厚が均一となり、作製したTFTの特性が面内で均一となり好ましい。一方、膜厚が200nm以内であれば、成膜時間が工業的生産に適しているため好ましい。 In the present embodiment, the thickness of the channel layer is usually 20 to 200 nm, preferably 30 to 100 nm, more preferably 40 to 80 nm, and still more preferably 45 to 70 nm. If the film thickness of the channel layer is 20 nm or more, the film thickness when forming a film on a large area becomes uniform, and the characteristics of the produced TFT become uniform in the plane, which is preferable. On the other hand, if the film thickness is 200 nm or less, it is preferable because the film formation time is suitable for industrial production.
チャネル層は、実質的に単一の組成の酸化物半導体からなることが好ましい。
ここで、実質的に単一とは、チャネル層を作製する際に使用したスパッタリングターゲット又は溶液が1種であることである。また、チャネル層が接する電極及び絶縁膜を構成する金属元素を除いて、チャネル層に含まれる金属元素の構成比が、膜厚方向で80%以上同一であることをいい、さらには85%以上、特には90%以上が同一であることが好ましい。ここで、膜厚方向の金属元素の構成比は、深さ分解XPSやSIMSによって同定することができる。ただし、絶縁膜界面付近でのチャネル層に含まれる金属元素の構成比は同定が困難となるため、この領域においては、注目する金属元素のスペクトル強度が、チャネル層のバルク方向から絶縁膜方向に向かって滑らかに減衰していれば、構成比が同一とみなす。
The channel layer preferably comprises an oxide semiconductor of substantially single composition.
Here, substantially single means that there is only one sputtering target or solution used in producing the channel layer. In addition, except for the metal element forming the insulating film and the electrode in contact with the channel layer, the composition ratio of the metal element contained in the channel layer is equal to or greater than 80% in the film thickness direction, further 85% or more Preferably, 90% or more is the same. Here, the composition ratio of the metal element in the film thickness direction can be identified by depth resolution XPS or SIMS. However, since the component ratio of the metal element contained in the channel layer in the vicinity of the insulating film interface is difficult to identify, in this region, the spectral intensity of the metal element of interest is from the bulk direction of the channel layer to the insulating film direction The component ratio is considered to be the same if it is smoothly attenuated toward the end.
本発明に適用できるチャネル層を形成する材料は、結晶系材料であってもアモルファス材料であっってよい。また、結晶層で構成されるチャネル層のなかにアモルファスな部分があってもよいし、アモルファス層で構成されるチャネル層のなかに結晶部分があってもよい。結晶か否かの判断としては、TEM観察によって、周期構造が確認できれば結晶とみなす。 The material forming the channel layer applicable to the present invention may be a crystalline material or an amorphous material. In addition, an amorphous portion may be present in the channel layer formed of a crystalline layer, or a crystalline portion may be present in the channel layer formed of an amorphous layer. The crystal is regarded as a crystal if the periodic structure can be confirmed by TEM observation as the judgment of whether it is a crystal or not.
結晶系材料の代表例として、例えば、酸化インジウム、Gaをドープした酸化インジウム、Alをドープした酸化インジウム、GaとAlをドープした酸化インジウム、Znをドープした酸化インジウム、またはSnをドープした酸化インジウムが挙げられる。さらに、In、Zn及び第三元素を含有し、前記第三元素がSn,Ga,Hf,Zr,Ti,Al,Mg,Ge,Sm,Nd,Laから選ばれる少なくとも1種以上の金属元素である材料が挙げられる。
チャネル層を形成する材料を、酸化インジウム、Gaをドープした酸化インジウム、Alをドープした酸化インジウム、GaとAlをドープした酸化インジウム、Znをドープした酸化インジウム及びSnをドープした酸化インジウムから選ぶと、高移動度を有しつつ、高いon−off比を有する薄膜トランジスタが得られるので好ましい。
As a typical example of a crystal-based material, for example, indium oxide, Ga-doped indium oxide, Al-doped indium oxide, Ga and Al-doped indium oxide, Zn-doped indium oxide, or Sn-doped indium oxide Can be mentioned. In addition, the third element is at least one metal element selected from Sn, Ga, Hf, Zr, Ti, Al, Mg, Ge, Sm, Nd, and La, which contains In, Zn, and a third element. There is a certain material.
The material for forming the channel layer is selected from indium oxide, Ga-doped indium oxide, Al-doped indium oxide, Ga and Al-doped indium oxide, Zn-doped indium oxide and Sn-doped indium oxide It is preferable because a thin film transistor having a high on-off ratio can be obtained while having a high mobility.
アモルファス材料の代表例としては、例えば、Sn−In−Zn酸化物、In−Zn−Ga−Mg酸化物、In酸化物、In−Sn酸化物、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物、Zn−Ga酸化物、Sn−In−Zn酸化物、In−Sn−Zn−Al酸化物、In−Sn−Zn−Mg酸化物、In−Ga−Zn−Al酸化物等である。構成金属原子の組成比は必ずしも1である必要は無い。尚、ZnやSnは、単独ではアモルファスを形成し難い場合があるが、Inを含ませることによりアモルファス相が形成され易くなる。例えば、In−Zn系の場合は、酸素を除く原子数割合が、Inが約20原子%以上含まれる組成にするのがよい。Sn−In系の場合は、酸素を除く原子数割合が、Inが約80原子%以上含まれる組成にすればよい。Sn−In−Zn系の場合は、酸素を除く原子数割合が、Inが約15原子%以上含まれる組成にすればよい。
さらに、In、Zn及び第三元素を含有し、前記第三元素がSn,Ga,Hf,Zr,Ti,Al,Mg,Ge,Sm,Nd,Laから選ばれる少なくとも1種以上の金属元素である材料が挙げられる。
アモルファス層を形成しやすい特徴をもつが、高温でのアニール処理やレーザー照射をすることで結晶層が出現する。
As a representative example of the amorphous material, for example, Sn-In-Zn oxide, In-Zn-Ga-Mg oxide, In oxide, In-Sn oxide, In-Ga oxide, In-Zn oxide, Zn-Ga oxide, Sn-In-Zn oxide, In-Sn-Zn-Al oxide, In-Sn-Zn-Mg oxide, In-Ga-Zn-Al oxide, and the like. The composition ratio of the constituent metal atoms does not necessarily have to be 1. In addition, although Zn and Sn may not easily form an amorphous state by itself, the inclusion of In facilitates the formation of an amorphous phase. For example, in the case of an In—Zn-based material, it is preferable that the proportion of the number of atoms excluding oxygen be such that In is contained at about 20 atomic% or more. In the case of the Sn-In system, the composition may be such that the proportion of the number of atoms excluding oxygen is about 80 atomic% or more of In. In the case of the Sn-In-Zn system, the atomic number ratio excluding oxygen may be a composition in which In is contained at about 15 atomic% or more.
In addition, the third element is at least one metal element selected from Sn, Ga, Hf, Zr, Ti, Al, Mg, Ge, Sm, Nd, and La, which contains In, Zn, and a third element. There is a certain material.
Although it has a feature that it is easy to form an amorphous layer, a crystalline layer appears by annealing treatment or laser irradiation at high temperature.
ゲート絶縁膜を形成する材料は特に制限はなく、一般に用いられている材料を任意に選択できる。ゲート絶縁膜の材料としては、例えばSiO2,SiNx,SiONx,Al2O3,Ta2O5,TiO2,MgO,ZrO2,CeO2,K2O,Li2O,Na2O,Rb2O,Sc2O3,Y2O3,Hf2O3,CaHfO3,PbTiO3,BaTa2O6,SrTiO3,AlN等の化合物を用いることができる。これらのなかでも、好ましくはSiO2,SiNx,Al2O3,Y2O3,HfO3,CaHfO3であり、より好ましくはSiO2,SiNx,Y2O3,HfO3,CaHfO3である。尚、上記の酸化物の酸素数は、必ずしも化学量論比と一致していなくともよい(例えば、SiO2でもSiOxでもよい)。 The material for forming the gate insulating film is not particularly limited, and any commonly used material can be selected. As a material of the gate insulating film, for example SiO 2, SiNx, SiONx, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, TiO 2, MgO, ZrO 2, CeO 2, K 2 O, Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, may be used Sc 2 O 3, Y 2 O 3, Hf 2 O 3, CaHfO 3, PbTiO 3, BaTa 2 O 6, SrTiO 3, compounds such as AlN. Among these, preferred are SiO 2 , SiNx, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , HfO 3 and CaHfO 3 , and more preferred are SiO 2 , SiNx, Y 2 O 3 , HfO 3 and CaHfO 3 . . The number of oxygen in the above oxide may not necessarily coincide with the stoichiometric ratio (for example, it may be SiO 2 or SiO x).
ドレイン電極、ソース電極及びゲート電極の各電極を形成する材料に特に制限はなく、一般に用いられている材料を任意に選択することができる。例えば、ITO,酸化インジウム亜鉛,ZnO,SnO2等の透明電極や、Al,Ag,Cu,Cr,Ni,Mo,Au,Ti,W,Ta等の金属電極、又はこれらを含む合金の金属電極を用いることができる。また、ドレイン電極、ソース電極及びゲート電極の各電極は、異なる2層以上の導電層を積層した多層構造とすることもできる。特にソース・ドレイン電極は低抵抗配線への要求が強いため、AlやCu等の良導体をTiやMo等の密着性に優れた金属でサンドイッチして使う場合がある。 There is no restriction | limiting in particular in the material which forms each electrode of a drain electrode, a source electrode, and a gate electrode, The material generally used can be selected arbitrarily. For example, transparent electrodes of ITO, indium zinc oxide, ZnO, SnO 2 etc., metal electrodes of Al, Ag, Cu, Cr, Ni, Mo, Au, Ti, W, Ta etc., or metal electrodes of alloys containing these. Can be used. In addition, each of the drain electrode, the source electrode, and the gate electrode may have a multilayer structure in which two or more different conductive layers are stacked. In particular, since a source / drain electrode is strongly required to have a low resistance wiring, a good conductor such as Al or Cu may be sandwiched by a metal having excellent adhesion such as Ti or Mo.
本実施形態においては、実施例に示すように、基板とゲート電極を兼ねる材料を用いてもよいが、基板と電極を異なる材料としてもよい。この場合、絶縁性の基板が好ましい。このような基板としては、例えば、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、若しくはアルミノシリケートガラス等、フュージョン法やフロート法で作製される無アルカリガラス基板等に代表されるガラス基板、セラミック基板の他、本作製工程の処理温度に耐えうる耐熱性を有するプラスチック基板等が挙げられる。また、ステンレス合金等の金属基板の表面に絶縁膜を設けた基板を適用してもよい。基板がマザーガラスの場合、基板の大きさは、第1世代(320mm×400mm)、第2世代(400mm×500mm)、第3世代(550mm×650mm)、第4世代(680mm×880mm、又は730mm×920mm)、第5世代(1000mm×1200mm又は1100mm×1250mm)、第6世代1500mm×1800mm)、第7世代(1900mm×2200mm)、第8世代(2160mm×2460mm)、第9世代(2400mm×2800mm、2450mm×3050mm)、第10世代(2950mm×3400mm)等を用いることができる。また基板に下地膜として絶縁膜を形成してもよい。下地膜としては、例えば、CVD法やスパッタリング法等を用いて、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、又は窒化酸化珪素膜を単層又は積層で形成する。
さらに、熱酸化膜付きシリコン基板を、ゲート絶縁膜が熱酸化膜であり、ゲート電極をシリコンとする、ゲート絶縁膜及びゲート電極付きの基板とみなすこともできる。
In the present embodiment, as shown in the examples, a material that doubles as the substrate and the gate electrode may be used, but the substrate and the electrode may be different materials. In this case, an insulating substrate is preferred. As such a substrate, for example, a glass substrate represented by a non-alkali glass substrate produced by a fusion method or a float method such as barium borosilicate glass, aluminoborosilicate glass, or aluminosilicate glass, ceramic substrate, etc. And a plastic substrate having heat resistance that can withstand the processing temperature of the present manufacturing process. In addition, a substrate provided with an insulating film on the surface of a metal substrate such as stainless alloy may be applied. When the substrate is a mother glass, the size of the substrate is the first generation (320 mm × 400 mm), the second generation (400 mm × 500 mm), the third generation (550 mm × 650 mm), the fourth generation (680 mm × 880 mm, or 730 mm) × 920 mm), 5th generation (1000 mm × 1200 mm or 1100 mm × 1250 mm), 6th generation 1500 mm × 1800 mm, 7th generation (1900 mm × 2200 mm), 8th generation (2160 mm × 2460 mm), 9th generation (2400 mm × 2800 mm) 2450 mm × 3050 mm), the tenth generation (2950 mm × 3400 mm), and the like can be used. Alternatively, an insulating film may be formed on the substrate as a base film. As the base film, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a silicon nitride oxide film is formed as a single layer or a stack using a CVD method, a sputtering method, or the like.
Furthermore, the silicon substrate with a thermal oxide film can be regarded as a substrate with a gate insulating film and a gate electrode, in which the gate insulating film is a thermal oxide film and the gate electrode is silicon.
薄膜トランジスタのトランスファー特性において、キャリアの主要な伝導経路はゲート絶縁膜界面近傍であるため、移動度やon−off比は、その部分の酸化物半導体領域の状態に大きく影響される。本実施形態では、広がり抵抗の低い領域がゲート絶縁膜近傍に形成されているので、on動作をしているときに得られる最大電流値が大きくなる。また、広がり抵抗値が低いことは、移動度とキャリア濃度の積が高いことが示しており、Wager et.al.著“Transparent Electronics” Springer, New Yorkの129頁には、キャリア濃度の高い酸化物半導体は総じて移動度が大きな傾向を持つことが記載されており、このトランスファー特性から導出される薄膜トランジスタの移動度も高くなると予想される。本発明の薄膜トランジスタの移動度は好ましくは40cm2/Vs以上、より好ましくは80cm2/Vs以上である。 In the transfer characteristics of the thin film transistor, the main conduction path of carriers is in the vicinity of the gate insulating film interface; thus, the mobility and the on-off ratio are largely affected by the state of the oxide semiconductor region in that portion. In the present embodiment, since the region having a low spreading resistance is formed in the vicinity of the gate insulating film, the maximum current value obtained when the on operation is performed becomes large. Also, the fact that the spreading resistance value is low indicates that the product of mobility and carrier concentration is high, and Wager et. al. "Transparent Electronics" Springer, New York, p. 129 describes that oxide semiconductors with high carrier concentration generally have high mobility, and the mobility of thin film transistors derived from this transfer characteristic is also described. It is expected to be higher. The mobility of the thin film transistor of the present invention is preferably 40 cm 2 / Vs or more, more preferably 80 cm 2 / Vs or more.
一方、本実施形態の薄膜トランジスタにおいては、保護絶縁膜側(バックチャネル側)の導電性は広がり抵抗が相対して高いため、ゲート絶縁膜近傍よりも低い。このため、ゲート電極を負に印加した場合に電子が蓄積されやすいバックチャネル側の伝導が抑制され、off電流の低いトランジスタが得られる。
これらの理由から、本実施形態の薄膜トランジスタは、高移動度でon−off比が高い。本実施形態の薄膜トランジスタのon−off比は、好ましくは1×106以上、より好ましくは1×107以上、さらに好ましくは1×108以上である。
On the other hand, in the thin film transistor of this embodiment, the conductivity on the protective insulating film side (back channel side) is lower than that in the vicinity of the gate insulating film because the spreading resistance is relatively high. Therefore, when the gate electrode is applied to the negative side, the conduction on the back channel side where electrons are easily accumulated is suppressed, and a transistor with low off current can be obtained.
For these reasons, the thin film transistor of this embodiment has high mobility and high on-off ratio. The on-off ratio of the thin film transistor of this embodiment is preferably 1 × 10 6 or more, more preferably 1 × 10 7 or more, and still more preferably 1 × 10 8 or more.
次に、サブスレッショルド係数(S値)とは、トランスファー特性のoff状態からon状態の立ち上がり度合いに相関する係数であり、低い値であるほど立ち上がりが急峻なことを意味する。また、ゲート電圧を負側から正側に掃引したときに、誘起された絶縁層表面近傍の電子がバンドギャップ中の局在アクセプタ様準位又は酸化物半導体−絶縁膜表面の界面準位を利用して伝導に寄与することで、トランスファーカーブの立ち上がりが、なまってしまい良好なサブスレッショルド係数が得られないことが知られている。 Next, the subthreshold coefficient (S value) is a coefficient that correlates with the rising degree of the on state from the off state of the transfer characteristic, and means that the lower the value, the steeper the rising. In addition, when the gate voltage is swept from the negative side to the positive side, the induced electrons near the surface of the insulating layer utilize the localized acceptor-like level in the band gap or the interface state of the oxide semiconductor-insulating film surface. It is known that by contributing to conduction, the rising of the transfer curve becomes dull and a good subthreshold coefficient can not be obtained.
導電性の高い層がゲート絶縁膜表面に接して(あるいは近傍に)形成されていると、このような準位はより速やかに占有されるため良好なサブスレッショルド係数が得られる。また、先に述べたようにoff領域での電流値も低減されているので、その分だけサブスレッショルド係数に有利に働くことが考えられる。 If a highly conductive layer is formed in contact with (or in the vicinity of) the surface of the gate insulating film, such levels are occupied more quickly, so that a good subthreshold coefficient can be obtained. Further, as described above, since the current value in the off region is also reduced, it can be considered that the subthreshold coefficient is advantageously acted accordingly.
酸化物半導体中に存在するキャリアが酸素欠損由来であることは一般的に知られている。酸化物半導体層のバックチャネル側(ゲート絶縁膜と接触しない側)の広がり抵抗値が高いことは、バックチャネル側の酸素欠損が少ないことを意味する。 It is generally known that carriers present in an oxide semiconductor are derived from oxygen deficiency. The high spread resistance value on the back channel side (the side not in contact with the gate insulating film) of the oxide semiconductor layer means that the oxygen deficiency on the back channel side is small.
ここで、バイアスストレスや光照射に対する薄膜トランジスタ性能の安定性はゲート絶縁膜(フロントチャネル)側又はバックチャネル側に存在する酸素欠損量に相関があると解釈されているので、バックチャネル側の広がり抵抗値の高い領域を形成することでバイアスストレス耐性や光安定性に優れた高信頼性を有する薄膜トランジスタが得られる。また、バックチャネル側の広がり抵抗値の高い領域が絶縁膜同等又は絶縁膜に準じる抵抗値、即ち、広がり抵抗値の高い領域が絶縁膜の広がり抵抗値と一桁以内の差である抵抗値を有すれば、さらにバイアスストレス耐性や光安定性に優れた高信頼性を有する薄膜トランジスタが得られる。 Here, the stability of the thin film transistor performance against bias stress and light irradiation is interpreted to have a correlation with the amount of oxygen deficiency present on the gate insulating film (front channel) side or the back channel side, so the spread resistance on the back channel side By forming the region having a high value, a thin film transistor having high reliability which is excellent in bias stress resistance and light stability can be obtained. Also, the region where the spreading resistance value on the back channel side is high is equivalent to the insulating film or a resistance value according to the insulating film, that is, the region where the spreading resistance value is high is the difference between the spreading resistance value of the insulating film and the resistance If so, it is possible to obtain a thin film transistor having high reliability which is further excellent in bias stress resistance and light stability.
広がり抵抗の低い領域を有する酸化物半導体層は総じて高いキャリア濃度を有するため、結晶粒内や結晶粒間に存在するポテンシャル障壁を低減する効果を持つことが、J.Appl.Phys.,vol.94,p7768 (2003)に記載されている。このため障壁由来で生じる面内方向の特性のばらつきも低減することができ、TFT特性の観点から見た場合に面内均一性を有する薄膜を作製できると考えられる。さらに半導体層にアモルファス半導体を用いることでばらつき低減に効果がある。 Since an oxide semiconductor layer having a low spreading resistance region generally has a high carrier concentration, it has an effect of reducing a potential barrier existing in crystal grains or between crystal grains, as described in J. Appl. Phys. , Vol. 94, p 7768 (2003). For this reason, it is possible to reduce variations in the in-plane characteristics caused by the barrier, and it is possible to produce a thin film having in-plane uniformity from the viewpoint of the TFT characteristics. Furthermore, the use of an amorphous semiconductor for the semiconductor layer is effective in reducing variations.
また、本実施形態のチャネル層は組成が実質的に同じなので、単一のスパッタリングターゲットや溶液から、膜厚に対して広がり抵抗の違いを有する膜を作製できるため、生産性やコスト面で優れている。 In addition, since the channel layer of the present embodiment has substantially the same composition, a film having a spread resistance to the film thickness can be produced from a single sputtering target or solution, which is excellent in productivity and cost. ing.
本実施形態の薄膜トランジスタは、基板上に配設して薄膜トランジスタ基板として使用でき、また、画像表示装置にも使用することができる。 The thin film transistor of the present embodiment can be disposed on a substrate and used as a thin film transistor substrate, and can also be used in an image display device.
本実施形態の薄膜トランジスタのチャネル層は、以下の(1)〜(3)のいずれかの工程を含む方法で製造できる。
(1)水又は水素を含む希ガス雰囲気下において、単一の金属酸化物からなるターゲットをスパッタリングして、酸化物半導体層を成膜する工程
(2)少なくとも希ガス原子、酸素分子及び水素分子を含む気体雰囲気下において、単一の金属酸化物からなるターゲットをスパッタリングして、酸化物半導体層を成膜する工程
(3)単一の金属酸化物からなるターゲットを希ガス原子、希ガス原子及び酸素分子を含む気体雰囲気下においてスパッタリングして酸化物半導体層を成膜し、成膜した層を還元処理する工程。
The channel layer of the thin film transistor of the present embodiment can be manufactured by a method including the following steps (1) to (3).
(1) Step of depositing an oxide semiconductor layer by sputtering a single metal oxide target in a rare gas atmosphere containing water or hydrogen (2) at least a rare gas atom, an oxygen molecule, and a hydrogen molecule Step of sputtering a single metal oxide target in a gas atmosphere containing oxygen to form an oxide semiconductor layer (3) a single metal oxide target is a rare gas atom, a rare gas atom And sputtering the oxide semiconductor layer in a gas atmosphere containing oxygen molecules, and reducing the deposited layer.
工程(3)の還元処理には、真空アニール、水素プラズマ処理、紫外線照射、水蒸気アニールが好ましい。特に好ましくは、水蒸気アニールである。水蒸気アニールは、圧力1〜3MPa、温度150℃〜500℃の条件下で行なうことが好ましい。この処理により、薄膜のキャリア濃度を上昇させることができるため、酸化物半導体膜直後のキャリア濃度が1×1018/cm3未満であっても、それ以上のキャリア濃度を有するチャネル層を得ることができる。 As the reduction treatment in the step (3), vacuum annealing, hydrogen plasma treatment, ultraviolet irradiation, and water vapor annealing are preferable. Particularly preferred is water vapor annealing. The steam annealing is preferably performed under conditions of a pressure of 1 to 3 MPa and a temperature of 150 ° C. to 500 ° C. This treatment can increase the carrier concentration of the thin film, so that a channel layer having a carrier concentration higher than that of the oxide semiconductor film even if the carrier concentration immediately after the oxide semiconductor film is less than 1 × 10 18 / cm 3 can be obtained. Can.
工程(1)の成膜方法を用いることで、プラズマ中に水素イオン及び水素ラジカルが生成するため、還元作用が生じ、得られる半導体薄膜のキャリア濃度が高くなる。また、成膜時にターゲット中から高速で基板に衝突する酸素イオンを抑制することができるため、良質な半導体薄膜を成膜でき、加熱後のキャリア濃度をアニール時間により1015〜1022/cm3の範囲で幅広く制御することができ、特に1×1018〜5×1021/cm3の領域を安定に作製できる。 By using the film forming method of the step (1), hydrogen ions and hydrogen radicals are generated in plasma, so that a reduction action occurs and the carrier concentration of the obtained semiconductor thin film becomes high. In addition, since it is possible to suppress oxygen ions colliding with the substrate at high speed from within the target during film formation, a semiconductor thin film of good quality can be formed, and the carrier concentration after heating is 10 15 to 10 22 / cm 3 depending on the annealing time. The region of 1 × 10 18 to 5 × 10 21 / cm 3 can be stably produced.
水分子の希ガス原子に対する分圧比は、[H2O]/([H2O]+[希ガス原子])で表される。[H2O]は気体雰囲気中の水分子の分圧であり、[希ガス原子]は気体雰囲気中の希ガス原子の分圧である。この分圧比は好ましくは0.1〜10%、より好ましくは0.5〜7.0%、さらに好ましくは1.0〜5.0%、特に好ましくは1.0〜3.0%である。水分子の含有量が希ガス原子に対して分圧比で0.1%未満の場合、プラズマ中の水素イオン及び水素ラジカルの生成抑制効果が得られず、加熱前の膜中のキャリア濃度を低下させ、保護層成膜後の加熱処理後に所望のキャリア濃度を含むチャネル層を得られないおそれがある。一方、水分子の含有量が希ガス原子に対して分圧比で10%超の場合、加熱処理の際に水が薄膜から抜けるため、酸化物半導体膜の膜密度が低下し得られるTFT素子の移動度が低下するおそれがある。尚、希ガス原子は特に制限されないが、好ましくはアルゴン原子である。また、希ガス及び水以外に、TFT素子に影響を及ぼさない範囲で酸素及び窒素を含んでもよい。 The partial pressure ratio of water molecules to noble gas atoms is represented by [H 2 O] / ([H 2 O] + [dilute gas atoms]). [H 2 O] is the partial pressure of water molecules in the gas atmosphere, and [rare gas atom] is the partial pressure of rare gas atoms in the gas atmosphere. The partial pressure ratio is preferably 0.1 to 10%, more preferably 0.5 to 7.0%, still more preferably 1.0 to 5.0%, particularly preferably 1.0 to 3.0%. . When the content of water molecules is less than 0.1% in partial pressure ratio to the rare gas atom, the generation suppressing effect of hydrogen ions and hydrogen radicals in plasma can not be obtained, and the carrier concentration in the film before heating is lowered. As a result, there is a possibility that a channel layer containing a desired carrier concentration can not be obtained after heat treatment after film formation of the protective layer. On the other hand, when the content of water molecules is more than 10% in partial pressure ratio to the rare gas atoms, water escapes from the thin film at the time of heat treatment, so that the film density of the oxide semiconductor film decreases and Mobility may be reduced. The rare gas atom is not particularly limited, but is preferably an argon atom. Further, in addition to the rare gas and the water, oxygen and nitrogen may be contained in the range which does not affect the TFT element.
上記工程(1)の代わりに、工程(2)によってチャネル層を形成してもよい。工程(2)において、スパッタリング中の気体雰囲気は酸素原子に対してモル比で2倍以上の水素原子を含むことが好ましい。そうすることにより気体雰囲気中に水を導入したものと同等の効果を得ることができる。 The channel layer may be formed by the step (2) instead of the step (1). In the step (2), the gas atmosphere during sputtering preferably contains a hydrogen atom at a molar ratio of 2 times or more with respect to the oxygen atom. By doing so, the same effect as that in which water is introduced into the gaseous atmosphere can be obtained.
上記工程(1)又は(2)の代わりに、工程(3)によってチャネル層を形成してもよい。また、チャネル層に上記(1)〜(3)の工程によって還元処理を行わない場合、CVD又はスパッタリングにてチャネル層に接する酸素透過性絶縁膜を形成する過程を通じて還元処理を行うことができる。例えば、スパッタリングにて酸素透過性絶縁膜を形成する場合、出力やスパッタリング圧力を調整することにより、前記絶縁膜のチャネル層への打ち込みが生じ酸素欠損が生成する。その結果、チャネル層中のキャリア濃度が増大し還元作用が生じる。また、CVDにて酸素透過性絶縁膜を成膜する場合、水素を含む導入ガスを使用し、基板温度、導入比率を調整することでチャネル層を還元することが可能である。 The channel layer may be formed by step (3) instead of the above step (1) or (2). When the reduction process is not performed on the channel layer according to the steps (1) to (3), the reduction process can be performed through the process of forming the oxygen-permeable insulating film in contact with the channel layer by CVD or sputtering. For example, in the case of forming an oxygen-permeable insulating film by sputtering, by adjusting the output and the sputtering pressure, implantation of the insulating film into the channel layer occurs to generate oxygen vacancies. As a result, the carrier concentration in the channel layer is increased to cause reduction. In the case of forming an oxygen-permeable insulating film by CVD, it is possible to reduce the channel layer by adjusting the substrate temperature and the introduction ratio by using an introduced gas containing hydrogen.
(1)、(2)又は(3)の工程に続き、保護絶縁膜成膜後の加熱処理によりチャネル層中にゲート絶縁膜に接するように広がり抵抗の低い領域を、保護絶縁膜に接する広がり抵抗の高い領域を調整することが可能となる。 Subsequent to the process of (1), (2) or (3), the heat treatment after the formation of the protective insulating film spreads in the channel layer to be in contact with the gate insulating film and spreads the low resistance region in contact with the protective insulating film It is possible to adjust the high resistance region.
具体的に、本実施形態の薄膜トランジスタは、例えば、以下のようにして製造できる。
先ず、絶縁性基板上にゲート電極となる金属膜を成膜し、該金属膜をパターニングすることによりゲート電極を形成した後で、ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を絶縁性基板上に成膜する。
Specifically, the thin film transistor of the present embodiment can be manufactured, for example, as follows.
First, a metal film to be a gate electrode is formed on an insulating substrate, and the metal film is patterned to form a gate electrode, and then a gate insulating film covering the gate electrode is formed on the insulating substrate. .
次にゲート絶縁膜上にチャネル層となる酸化物半導体膜を成膜する。
酸化物半導体膜を成膜する際に、水又は水素を含む希ガス雰囲気下において、金属酸化物からなるターゲットをスパッタリングすることが好ましい。この操作によって成膜された薄膜は、酸素との結合が抑制されキャリア濃度を高いことが特徴である。
Next, an oxide semiconductor film to be a channel layer is formed over the gate insulating film.
In forming the oxide semiconductor film, it is preferable to sputter a target formed of a metal oxide in a rare gas atmosphere containing water or hydrogen. The thin film formed by this operation is characterized in that the bond with oxygen is suppressed and the carrier concentration is high.
次に、酸化物半導体膜を所望の形状にパターニングしてチャネル層とする。
次に、チャネル層上に亘ってソース・ドレイン膜を形成し、該ソース・ドレイン膜をパターニングすることにより、ソース・ドレイン電極(一方がソース電極で他方がドレイン電極)を形成する。
Next, the oxide semiconductor film is patterned into a desired shape to form a channel layer.
Next, a source / drain film is formed over the channel layer, and the source / drain film is patterned to form a source / drain electrode (one is a source electrode and the other is a drain electrode).
次に、ソース・ドレイン電極上を覆うとともに、ソース・ドレイン電極の間隔においてはチャネル層上を覆うように、保護絶縁膜を成膜する。ここで、保護絶縁膜としてチャネル層に接する、酸素透過性を有する絶縁膜(以下、酸素透過性絶縁膜と略記する場合がある。)であることが望ましい。
酸素透過性絶縁膜としては、例えばSiO2,SiON,Al2O3,Ta2O5,TiO2,MgO,ZrO2,CeO2,K2O,Li2O,Na2O,Rb2O,Sc2O3,Y2O3,Hf2O3,CaHfO3,PbTiO3,BaTa2O6,SrTiO3等の膜を用いることができる。これらのなかでも、好ましくはSiO2,SiON,Al2O3,Y2O3,Hf2O3,CaHfO3であり、より好ましくはSiO2,Al2O3である。これら酸化物の酸素数は、必ずしも化学量論比と一致していなくともよい(例えば、SiO2でもSiOxでもよい)。酸素透過性絶縁膜は、プラズマCVD法又はスパッタリング法を用いて形成する。好ましくは、酸素を含む希ガス雰囲気下においてスパッタリング法にて成膜する。
Next, a protective insulating film is formed so as to cover the source / drain electrodes and to cover the channel layer at the distance between the source / drain electrodes. Here, as a protective insulating film, an insulating film having oxygen permeability (hereinafter, may be abbreviated as an oxygen permeable insulating film) which is in contact with the channel layer is preferable.
As the oxygen permeable insulating film, for example, SiO 2 , SiON, Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , TiO 2 , MgO, ZrO 2 , CeO 2 , K 2 O, Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O Films such as, Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , Hf 2 O 3 , CaHfO 3 , PbTiO 3 , BaTa 2 O 6 , SrTiO 3 can be used. Among these, preferred are SiO 2 , SiON, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Hf 2 O 3 and CaHfO 3 , and more preferred are SiO 2 and Al 2 O 3 . The oxygen numbers of these oxides do not necessarily have to match the stoichiometric ratio (for example, they may be SiO 2 or SiO x). The oxygen permeable insulating film is formed by plasma CVD or sputtering. Preferably, the film is formed by sputtering in a rare gas atmosphere containing oxygen.
尚、酸素透過性絶縁膜は、エッチストップタイプを例とするように、ソース・ドレイン膜の成膜前に形成することが可能である。 The oxygen-permeable insulating film can be formed before the formation of the source / drain film, as exemplified by the etch stop type.
次に、必要に応じて、チャネル層に対して加熱処理を行う。加熱処理を行う環境は、大気中、酸素中、酸素添加窒素ガス雰囲気中、酸素添加希ガス雰囲気中が好ましい。また、加熱処理装置は特に限定されないが、ランプアニール装置(LA;Lamp Annealer)、急速熱アニール装置(RTA;Rapid Thermal Annealer)、又はレーザーアニール装置を用いることができる。この操作を行うことにより、酸素透過性絶縁膜を通じてチャネル層中に酸素がバックチャネル側から供給されるため、広がり抵抗値が前記ゲート絶縁膜側から膜厚方向に順次増加する。 Next, heat treatment is performed on the channel layer as necessary. The environment for heat treatment is preferably in the atmosphere, in oxygen, in an oxygen-added nitrogen gas atmosphere, or in an oxygen-added rare gas atmosphere. Further, the heat treatment apparatus is not particularly limited, but a lamp annealer (LA; lamp annealer), a rapid thermal annealer (RTA; rapid thermal annealer), or a laser annealer can be used. By performing this operation, oxygen is supplied from the back channel side to the channel layer through the oxygen permeable insulating film, so that the spreading resistance value is sequentially increased in the film thickness direction from the gate insulating film side.
酸化物半導体膜を成膜してから酸素透過性絶縁膜を成膜するまでの工程の間に、酸化物半導体膜又はチャネル層中のキャリア濃度を低下させるようなプロセスを経ることは望ましくない。例えば、酸素透過性絶縁膜を形成する前に、大気アニールを行うことで急速に酸素がチャネル層に取り込まれ、チャネル層のキャリア濃度が均一に低下して、ゲート絶縁膜界面付近に高キャリア濃度の領域を有することが困難となる。
尚、上記処理をした場合にも、酸素透過性絶縁膜を形成する前に、水素添加不活性ガス中での還元アニールや高圧水蒸気雰囲気下でのアニール等の操作を行うことで、チャネル層の全体のキャリア濃度が上昇し、酸素透過性絶縁膜を成膜後の加熱処理により所望のチャネル層を得ることができる。また、酸素透過性絶縁膜形成後の加熱処理を行った後に、SiNxやAlN等の酸素透過防止絶縁膜を形成してもよい。
It is not desirable to go through a process for reducing the carrier concentration in the oxide semiconductor film or the channel layer during the steps from the formation of the oxide semiconductor film to the formation of the oxygen-permeable insulating film. For example, oxygen is rapidly taken into the channel layer by performing atmospheric annealing before forming the oxygen-permeable insulating film, and the carrier concentration of the channel layer is uniformly reduced, so that the high carrier concentration in the vicinity of the gate insulating film interface It is difficult to have a region of
Even when the above process is performed, the channel layer is formed by performing an operation such as reduction annealing in a hydrogen addition inert gas or annealing in a high pressure steam atmosphere before forming an oxygen permeable insulating film. The overall carrier concentration is increased, and a desired channel layer can be obtained by heat treatment after the formation of the oxygen-permeable insulating film. In addition, after heat treatment after the formation of the oxygen-permeable insulating film, an oxygen-permeable insulating film such as SiNx or AlN may be formed.
保護絶縁膜の重要性について、酸化物半導体膜(InGaO:In/In+Ga=0.072:膜厚50nm)に酸素透過性絶縁膜(SiO2膜:厚さ100nm)を成膜した後に、
大気雰囲気下、300℃でアニール処理した場合と、酸化物半導体膜のみの状態でアニール処理した場合の、アニール時間と、Hall移動度及びキャリア濃度の関係を測定した結果を示す。
図8は、酸化物半導体膜に酸素透過性絶縁膜を成膜した後にアニール処理した場合の、Hall移動度及びキャリア濃度の関係を測定した結果である。
図9は、酸化物半導体膜のみの状態でアニール処理した場合の、アニール時間と、Hall移動度及びキャリア濃度の関係を測定した結果である。
Regarding the importance of the protective insulating film, after an oxygen-permeable insulating film (SiO 2 film: 100 nm thick) is formed on an oxide semiconductor film (InGaO: In / In + Ga = 0.072: 50 nm thick),
The results of measuring the relationship between annealing time and Hall mobility and carrier concentration when annealing is performed at 300 ° C. in an air atmosphere and when annealing is performed only in the oxide semiconductor film are shown.
FIG. 8 shows the results of measurement of the relationship between Hall mobility and carrier concentration in the case where an oxygen-permeable insulating film is formed on an oxide semiconductor film and then annealing treatment is performed.
FIG. 9 shows the results of measurement of the relationship between annealing time, Hall mobility, and carrier concentration in the case where annealing is performed only in the oxide semiconductor film.
図8では、酸素透過性絶縁膜が存在することで、アニール時間が長くなると、キャリア濃度が緩やかに変化している。一方、図9では急激にキャリア濃度が減少し、その後一定となっている。図8の場合、アニール時間によっては、処理によりHall移動度がきわめて高くなることが観察されている。
上記結果より、本実施形態において保護絶縁層が重要であることが分かる。
In FIG. 8, due to the presence of the oxygen permeable insulating film, the carrier concentration gradually changes as the annealing time becomes longer. On the other hand, in FIG. 9, the carrier concentration rapidly decreases and then becomes constant. In the case of FIG. 8, depending on the annealing time, it is observed that the Hall mobility becomes extremely high due to the treatment.
From the above results, it can be understood that the protective insulating layer is important in the present embodiment.
図10は、図8又は9と同様の処理を施して、並行して作製した薄膜トランジスタの伝達曲線であり、アニール処理を1時間としている。図10において、Aは図8の場合、即ち、酸化物半導体膜に酸素透過性絶縁膜を成膜した後にアニール処理する工程で作製した薄膜トランジスタの伝達曲線である。Bは図9の場合、即ち、酸化物半導体膜のみの状態でアニール処理する工程で作製した薄膜トランジスタの伝達曲線である。図10の線Aが示す薄膜トランジスタの移動度は126.1cm2V−1s−1であり、線Bが示す薄膜トランジスタの移動度は39.5cm2V−1s−1であった。図10から、図8及び図9の測定結果が薄膜トランジスタにおいても再現されていることがわかる。 FIG. 10 shows a transfer curve of a thin film transistor fabricated in parallel by performing the same process as that of FIG. 8 or 9, and the annealing process is one hour. In FIG. 10, A is a transfer curve of the thin film transistor manufactured in the case of FIG. 8, that is, in the step of annealing after forming the oxygen-permeable insulating film on the oxide semiconductor film. B is a transfer curve of the thin film transistor manufactured in the case of FIG. 9, that is, the step of annealing in the state of only the oxide semiconductor film. The mobility of the thin film transistor indicated by the line A in FIG. 10 is 126.1 cm 2 V −1 s −1 , and the mobility of the thin film transistor indicated by the line B is 39.5 cm 2 V −1 s −1 . It can be seen from FIG. 10 that the measurement results of FIGS. 8 and 9 are also reproduced in the thin film transistor.
尚、図11は、保護絶縁層(酸素透過性絶縁膜)を300nmと厚くした場合のTFT特性のアニール時間依存性に関する図である。1時間のアニールでは、図8の特性と一致しないことがわかる。これは、絶縁膜の厚みや性質により、適切なアニール時間がことなることを示している。 FIG. 11 is a diagram relating to the annealing time dependency of the TFT characteristics when the protective insulating layer (oxygen permeable insulating film) is thickened to 300 nm. It can be seen that the one hour annealing does not match the characteristics of FIG. This indicates that the appropriate annealing time varies depending on the thickness and the nature of the insulating film.
酸化物半導体薄膜上に酸素透過性絶縁膜を形成した時に、チャネル中の平均キャリア濃度が1018cm−3以上になっているものであれば、その後のアニール時間・温度を調整することにより、保護絶縁膜側に高い広がり抵抗領域を有し、かつゲート絶縁膜側に低い広がり抵抗を有する領域を持ち、移動度が40cm2V−1s−1以上、また、on−off比が106以上とよい性能を兼ね備えたTFTを作製することが可能である。アニールすることで、酸素透過性絶縁膜を通じて酸素が酸化物半導体薄膜へ供給される。膜厚方向への広がり抵抗の勾配が生じ、保護絶縁膜側が高抵抗化し、ゲート絶縁膜側は保護絶縁膜側に比較して低抵抗となる。アニール時間が短すぎると、膜厚方向への酸素の供給が十分でなく、移動度は高いものの、on−off比が得られない膜となってしまう。また、アニール温度が低すぎても同様である。さらに、アニール時間が長すぎてゲート絶縁膜界面付近の酸化物半導体領域に、酸素の供給が過度に及ぶとゲート絶縁膜側の広がり抵抗が高くなり高い移動度を得ることが困難となる。また、アニール温度が高すぎても同様である。適切なアニール時間・温度は、選択する半導体材料によって異なり、半導体や酸素透過性絶縁膜の厚み、膜質によっても異なる。これは、酸素透過性絶縁膜から半導体層への酸素の供給のされ方が異なるためである。さらに、適切な条件を選択すれば、長時間アニールしても移動度が低下しないTFT素子を得ることが可能である。 When an oxygen-permeable insulating film is formed on an oxide semiconductor thin film, if the average carrier concentration in the channel is 10 18 cm −3 or more, the annealing time and temperature thereafter are adjusted, It has a high spreading resistance region on the protective insulating film side and a low spreading resistance region on the gate insulating film side, and has a mobility of 40 cm 2 V −1 s −1 or higher, and an on-off ratio of 10 6 It is possible to manufacture a TFT having the above-described good performance. By annealing, oxygen is supplied to the oxide semiconductor thin film through the oxygen permeable insulating film. A spreading resistance gradient occurs in the film thickness direction, the resistance on the protective insulating film side becomes higher, and the resistance on the gate insulating film side becomes lower than that on the protective insulating film side. If the annealing time is too short, the supply of oxygen in the film thickness direction is not sufficient, and although the mobility is high, a film can not be obtained with an on-off ratio. The same is true even if the annealing temperature is too low. Furthermore, when the supply of oxygen is excessively extended to the oxide semiconductor region in the vicinity of the gate insulating film interface because the annealing time is too long, the spreading resistance on the gate insulating film side becomes high, and it becomes difficult to obtain high mobility. The same is true even if the annealing temperature is too high. The appropriate annealing time and temperature vary depending on the semiconductor material to be selected, and also vary depending on the thickness and film quality of the semiconductor and the oxygen permeable insulating film. This is because the way of supplying oxygen from the oxygen permeable insulating film to the semiconductor layer is different. Furthermore, if appropriate conditions are selected, it is possible to obtain a TFT element in which the mobility does not decrease even when annealed for a long time.
実施形態2
本実施形態に係る薄膜トランジスタは、ソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、保護絶縁膜と、絶縁性基板と、チャネル層と、を有する。そして、チャネル層は、ゲート絶縁膜と絶縁性基板の間に位置し、広がり抵抗値の低い領域と広がり抵抗値の高い領域を有することを特徴とする。実施形態1と同様、チャネル層が、広がり抵抗値の低い領域と広がり抵抗値の高い領域を有することにより、電界効果移動度が高く、また、on−off比が高い薄膜トランジスタが得られる。
Embodiment 2
The thin film transistor according to this embodiment includes a source electrode and a drain electrode, a gate electrode, a gate insulating film, a protective insulating film, an insulating substrate, and a channel layer. The channel layer is located between the gate insulating film and the insulating substrate, and has a region with a low spread resistance value and a region with a high spread resistance value. As in Embodiment 1, when the channel layer has a region with a low spreading resistance value and a region with a wide spreading resistance value, a thin film transistor having a high field-effect mobility and a high on-off ratio can be obtained.
図12は、本発明の実施形態であるトップゲート正スタガ型薄膜トランジスタを示す概略断面図である。
この薄膜トランジスタ2は、絶縁性基板(基板)10上に、ソース電極50及びドレイン電極60が形成されている。ソース電極50とドレイン電極60の間には、チャネル層40が形成されている。基板10、ソース電極50、ドレイン電極60、チャネル層40の上に、ゲート絶縁膜30が形成されている。チャネル層40はゲート絶縁膜30に接している。このゲート絶縁膜30に接してゲート電極20が形成されている。チャネル層40は、ゲート絶縁膜30と、基板10、ソース電極50、ドレイン電極60の間にあって、これらと接している。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a top gate positive staggered thin film transistor according to an embodiment of the present invention.
In the thin film transistor 2, a source electrode 50 and a drain electrode 60 are formed on an insulating substrate (substrate) 10. A channel layer 40 is formed between the source electrode 50 and the drain electrode 60. A gate insulating film 30 is formed on the substrate 10, the source electrode 50, the drain electrode 60, and the channel layer 40. The channel layer 40 is in contact with the gate insulating film 30. A gate electrode 20 is formed in contact with the gate insulating film 30. The channel layer 40 is between the gate insulating film 30 and the substrate 10, the source electrode 50, and the drain electrode 60 and is in contact with these.
本実施形態では、チャネル層40のゲート絶縁膜30側には、チャネル層の広がり抵抗の低い領域42があり、ゲート絶縁膜30と対向する側には、広がり抵抗の高い領域44がある。 In the present embodiment, the channel layer has a region 42 with low spreading resistance on the side of the gate insulating film 30, and the region 44 facing the gate insulating film 30 has a region 44 with high spreading resistance.
チャネル層40等の部材の構成は、実施形態1と同じである。 The configuration of members such as the channel layer 40 is the same as that of the first embodiment.
本実施形態の薄膜トランジスタは、例えば、以下のようにして製造できる。
先ず、絶縁性基板上ソース電極及びドレイン電極を形成する。
続いて、絶縁性基板及びソース電極及びドレイン電極上に、チャネル層となる酸化物半導体膜を成膜する。ここで、酸化物半導体膜は、20nm以上であり、実質的に同質であることが好ましい。トップゲート構造の場合、酸化物半導体膜の成膜方法については、金属酸化物からなるターゲットをスパッタリングすることが好ましい。成膜時の雰囲気に関しては、水又は水素を含む希ガス雰囲気下の他に、酸素を含む希ガス雰囲気も選択が可能である。
The thin film transistor of the present embodiment can be manufactured, for example, as follows.
First, the source electrode and the drain electrode on the insulating substrate are formed.
Subsequently, an oxide semiconductor film to be a channel layer is formed over the insulating substrate and the source and drain electrodes. Here, the oxide semiconductor film is preferably 20 nm or more and substantially uniform. In the case of the top gate structure, it is preferable to sputter a target formed of a metal oxide as a film formation method of the oxide semiconductor film. With respect to the atmosphere at the time of film formation, in addition to water or a rare gas atmosphere containing hydrogen, a rare gas atmosphere containing oxygen can also be selected.
ここで、チャネル層の平均キャリア濃度は、5×1019/cm3以下、より望ましくは1×1018/cm3以下、さらに望ましくは1×1017/cm3以下に調整されることが好ましい。成膜後の酸化物半導体膜層のキャリア濃度が高い場合、大気中、酸素中、酸素添加窒素ガス雰囲気中、酸素添加希ガス雰囲気中、酸素添加不活性ガス雰囲気中にて加熱処理をすることが好ましい。また、加熱処理によってもキャリア濃度が十分に低下しない場合、酸素プラズマ処理、N2Oプラズマ処理、オゾン処理によってチャネル層の平均キャリア濃度を所望の値に調整することが可能である。 Here, the average carrier concentration of the channel layer is preferably adjusted to 5 × 10 19 / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 / cm 3 or less, still more preferably 1 × 10 17 / cm 3 or less . When the carrier concentration of the oxide semiconductor film layer after film formation is high, heat treatment is performed in the air, in oxygen, in an oxygen-added nitrogen gas atmosphere, in an oxygen-added rare gas atmosphere, or in an oxygen-added inert gas atmosphere. Is preferred. In addition, when the carrier concentration is not sufficiently reduced by the heat treatment, the average carrier concentration of the channel layer can be adjusted to a desired value by oxygen plasma treatment, N 2 O plasma treatment, or ozone treatment.
続いて、基板上のチャネル層表面に対して、水素プラズマ処理、希ガス雰囲気中での逆スパッタリング、電子線照射、又は紫外線照射にて、酸素欠陥を誘起することにより、酸化物半導体チャネル層表面近傍領域のキャリア濃度を高める操作を行う。ここで、この領域の平均キャリア濃度が1×1018〜5×1021/cm3になっていることが好ましく、さらに好ましくは2×1018〜5×1020/cm3である。また、チャネル層の平均キャリア濃度は1×1016〜5×1019/cm3であることが好ましく、望ましくは1×1017〜5×1019/cm3である。例えば、高キャリア濃度領域の平均キャリア濃度が1×1018〜5×1021/cm3の範囲にあり、かつチャネル層の平均キャリア濃度が1×1016〜5×1019/cm3の範囲にあり、かつ前者の濃度の方が高い薄膜トランジスタであれば、電界効果移動度が40(cm2/V・s)以上かつon−off比が106の達成が可能となる。また例えば、高キャリア濃度領域の平均キャリア濃度が3×1018〜5×1020/cm3の範囲にあり、かつチャネル層の平均キャリア濃度が1×1017〜5×1018/cm3の範囲にある薄膜トランジスタであれば、電界効果移動度80(cm2/V・s)以上かつon−off比が108の達成が可能となる。 Subsequently, the surface of the oxide semiconductor channel layer is induced on the surface of the channel layer on the substrate by inducing oxygen defects by hydrogen plasma treatment, reverse sputtering in a rare gas atmosphere, electron beam irradiation, or ultraviolet light irradiation. Perform an operation to increase the carrier concentration in the near region. Here, the average carrier concentration in this region is preferably 1 × 10 18 to 5 × 10 21 / cm 3 , and more preferably 2 × 10 18 to 5 × 10 20 / cm 3 . The average carrier concentration of the channel layer is preferably 1 × 10 16 to 5 × 10 19 / cm 3 , and preferably 1 × 10 17 to 5 × 10 19 / cm 3 . For example, the average carrier concentration in the high carrier concentration region is in the range of 1 × 10 18 to 5 × 10 21 / cm 3 , and the average carrier concentration of the channel layer is in the range of 1 × 10 16 to 5 × 10 19 / cm 3 In the case of the thin film transistor in which the concentration of the former is higher, the field effect mobility of 40 (cm 2 / V · s) or more and the on-off ratio of 10 6 can be achieved. Also, for example, the average carrier concentration in the high carrier concentration region is in the range of 3 × 10 18 to 5 × 10 20 / cm 3 , and the average carrier concentration of the channel layer is 1 × 10 17 to 5 × 10 18 / cm 3 . With a thin film transistor in the range, it is possible to achieve field effect mobility of 80 (cm 2 / V · s) or more and an on-off ratio of 10 8 .
続いて、基板上のチャネル層、ソース電極及びドレイン電極を覆うゲート絶縁膜を形成する。さらに、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する。ゲート電極はチャネル層上に位置する。 Subsequently, a gate insulating film which covers the channel layer, the source electrode, and the drain electrode over the substrate is formed. Further, a gate electrode is formed on the gate insulating film. The gate electrode is located on the channel layer.
尚、ゲート絶縁膜を成膜する工程にて、酸化物半導体膜中のキャリア濃度を変化させるようなプロセスを経ることは望ましくない。例えば、プラズマCVDプロセスによりゲート絶縁膜を形成する場合、基板温度が高いと水素がチャネル層内に拡散し、チャネル層中のキャリア濃度が均一に増加して、チャネル層に所望の平均キャリア濃度を得ることが困難となる。また、ゲート絶縁膜には酸素透過性絶縁膜の他に、SiNxやAlN等の酸素透過防止絶縁膜を形成してもよい。
酸素透過性絶縁膜をゲート絶縁膜に選択した場合、ゲート絶縁膜を成膜する工程にてキャリア濃度が変化しても、ゲート絶縁膜側のキャリア濃度が高ければ、ゲート絶縁膜形成後の加熱処理よりチャネル層のキャリア濃度をゲート絶縁膜側から膜厚方向に順次減少させ、ゲート絶縁膜界面から5nm以下の領域に存在する酸化物半導体チャネル層中の平均キャリア濃度を1×1018/cm3〜5×1021/cm3の範囲に調整することが可能となる。
Note that it is not preferable to go through a process of changing the carrier concentration in the oxide semiconductor film in the step of forming the gate insulating film. For example, when the gate insulating film is formed by plasma CVD process, hydrogen is diffused into the channel layer when the substrate temperature is high, and the carrier concentration in the channel layer is uniformly increased, and the desired average carrier concentration in the channel layer is obtained. It becomes difficult to get. In addition to the oxygen-permeable insulating film, an oxygen-permeable insulating film such as SiNx or AlN may be formed on the gate insulating film.
When an oxygen-permeable insulating film is selected as the gate insulating film, even if the carrier concentration changes in the step of forming the gate insulating film, if the carrier concentration on the gate insulating film side is high, heating after forming the gate insulating film The carrier concentration of the channel layer is sequentially decreased in the film thickness direction from the gate insulating film side by the treatment, and the average carrier concentration in the oxide semiconductor channel layer present in a region of 5 nm or less from the gate insulating film interface is 1 × 10 18 / cm It can be adjusted to a range of 3 ~5 × 10 21 / cm 3 .
実施例1
(1)薄膜トランジスタの作製
本実施例では、図13に示すボトムゲート型(逆スタガ型)のTFTを作製した。
まず、熱酸化シリコンからなるゲート絶縁膜30が形成されている低抵抗n型結晶シリコン基板(基板兼ゲート電極)20上に、DCスパッタ法により、チャネル層(酸化物半導体層)40として厚さ50nmのIn−Ga−O酸化物半導体を堆積した。ターゲットとして、InGaO組成(Ga/(In+Ga)=0.072:原子比)を有する多結晶焼結体を用いた。スパッタ時の投入DCパワーを100Wとした。成膜時の雰囲気は全圧0.4Pa、ガス流量比はAr:H2O=99:1、成膜レートは8nm/分であった。また、基板温度は25℃であった。尚、堆積時にシャドーマスクを利用しているので、チャネル層はパターニングされた状態で形成される。
Example 1
(1) Production of Thin Film Transistor In this example, a bottom gate type (reverse stagger type) TFT shown in FIG. 13 was produced.
First, a channel layer (oxide semiconductor layer) 40 is formed by DC sputtering on a low resistance n-type crystalline silicon substrate (substrate and gate electrode) 20 on which a gate insulating film 30 made of thermal silicon oxide is formed. A 50 nm In-Ga-O oxide semiconductor was deposited. As a target, a polycrystalline sintered body having an InGaO composition (Ga / (In + Ga) = 0.072: atomic ratio) was used. The input DC power at the time of sputtering was 100 W. The atmosphere for film formation was a total pressure of 0.4 Pa, the gas flow ratio was Ar: H 2 O = 99: 1, and the film formation rate was 8 nm / min. The substrate temperature was 25 ° C. In addition, since a shadow mask is used at the time of deposition, the channel layer is formed in a patterned state.
この基板をプラズマCVD装置にセットし、前記基板を200℃に保持し、SiH4を2sccm、N2Oを100sccm、N2を120sccmの割合で110Paの圧力で導入して、厚さ100nmの保護絶縁膜70を積層した。次に、この基板をドライエッチング装置にセットし、ゲート電極とソース・ドレイン電極用のコンタクトホールを形成した。チャネル長L:200μm,チャネル幅W:1000μmとなるようにコンタクトホール位置を調整した。そして、この積層体をスパッタ装置にセットし、Moを成膜後、再びフォトリソ法でパターニングしてソース・ドレイン電極50、60とした。
続いて、大気中にて300℃で1時間加熱してTFTを製造した。
This substrate is set in a plasma CVD apparatus, the substrate is maintained at 200 ° C., 100 sccm of protection is introduced at a pressure of 110 Pa at a rate of 110 sccm of SiH 4 at 2 sccm, N 2 O at 100 sccm, and N 2 at 120 sccm. An insulating film 70 was stacked. Next, this substrate was set in a dry etching apparatus, and contact holes for gate electrodes and source / drain electrodes were formed. The contact hole position was adjusted so that the channel length L was 200 μm and the channel width W was 1000 μm. Then, this laminate was set in a sputtering apparatus, and after depositing Mo, it was patterned again by the photolithographic method to form source / drain electrodes 50, 60.
Subsequently, the TFT was manufactured by heating at 300 ° C. for 1 hour in the atmosphere.
(2)TFTの評価
上記(1)で得たTFTについて、大気下で得られた伝達曲線から求めたTFT特性は、閾値電圧Vth=−0.3V、電界効果移動度μ=191(cm2/V・s)、on−off比(On/Off)=107であった。また、50℃にてゲートに20Vの電圧を10000秒かけた後のVthシフト電圧は0.2Vであった。
尚、伝達曲線は、半導体パラメーターアナライザー(ケースレーインスツルメント(株)製 ケースレー4200)を用い測定した。
電界効果移動度は、ドレイン電圧に5V印加した場合の伝達特性から求めた。具体的に、伝達特性Id−Vgのグラフを作成し、各Vgのトランスコンダクタンス(Gm)を算出し、線形領域の式により電界効果移動度を導いた。尚、Gmは∂(Id)/∂(Vg)によって表され、Vgは−15〜25Vまで印加し、その範囲での最大移動度を電界効果移動度と定義した。本発明において特に断らない限り、電界効果移動度はこの方法で評価した。上記Idはソース・ドレイン電極間の電流、Vgはソース・ドレイン電極間に電圧Vdを印加したときのゲート電圧である。
閾値電圧は、伝達特性のグラフよりId=10−9AでのVgと定義した。また、on−off比は、Vg=−10VのIdの値をOff電流値とし、Vg=20VのIdの値をOn電流値として比[On/Off]を決めた。
(2) Evaluation of TFT With respect to the TFT obtained in (1) above, the TFT characteristics obtained from the transfer curve obtained in the atmosphere are threshold voltage V th = −0.3 V, field effect mobility μ = 191 (cm 2 / V · s), and the on-off ratio (On / Off) = 10 7 . In addition, the Vth shift voltage was 0.2 V after applying a voltage of 20 V to the gate for 10000 seconds at 50 ° C.
The transfer curve was measured using a semiconductor parameter analyzer (Keithley Instrument Co., Ltd. product Keithley 4200).
The field effect mobility was determined from the transfer characteristic when 5 V was applied to the drain voltage. Specifically, a graph of the transfer characteristic Id-Vg was created, the transconductance (Gm) of each Vg was calculated, and the field effect mobility was derived from the equation of the linear region. Gm is represented by ∂ (Id) / ∂ (Vg), and Vg is applied up to -15 to 25 V, and the maximum mobility in that range is defined as the field effect mobility. The field effect mobility was evaluated by this method unless otherwise specified in the present invention. The above Id is the current between the source and drain electrodes, and Vg is the gate voltage when the voltage Vd is applied between the source and drain electrodes.
The threshold voltage was defined as Vg at Id = 10 -9 A from the graph of transfer characteristics. Moreover, the on-off ratio determined the ratio [On / Off] by making the value of Id of Vg = -10V into Off current value, and setting the value of Id of Vg = 20V into On current value.
(3)TFTのチャネル層の評価
(1)により得られたTFTに対して、深さ分解XPS測定、断面TEM測定、SSRM測定を行った。
(3) Evaluation of TFT Channel Layer A depth-resolved XPS measurement, a cross-sectional TEM measurement, and an SSRM measurement were performed on the TFT obtained in (1).
(3a)深さ分解XPS測定
チャネル部について、X線光電子分光法(以下、単にXPSという)により、深さ方向分析を行った。本実施例では、加速電圧1keVのArイオンを用いたスパッタリングにより、表面を掘削しながらIn・3d5/2,Ga・2p3/2,Si・2pのXPSスペクトルを測定した。
(3a) Depth-Resolved XPS Measurement The channel portion was subjected to depth direction analysis by X-ray photoelectron spectroscopy (hereinafter simply referred to as XPS). In this example, the XPS spectrum of In.3d5 / 2, Ga.2p3 / 2, Si.2p was measured while excavating the surface by sputtering using Ar ions at an acceleration voltage of 1 keV.
具体的に、XPS分析には、アルバックファイ社製のQuantum2000を用いた。X線源は、単色化されたAlのKα線を用いた。パスエネルギ(Pass energy)は29.35eVであった。 Specifically, Quantum 2000 manufactured by ULVAC-PHI, Inc. was used for XPS analysis. As the X-ray source, monochromatized Al Kα rays were used. The pass energy was 29.35 eV.
掘削はSiO2膜のスパッタ速度が1.7nm/分となる条件で、SiO2層70の表面70aから、チャネル層40を通って、チャネル層40のゲート絶縁膜側界面40aまで行った。そして、膜厚方向に1.6nmごとのポイントをXPS測定した。 The drilling was performed from the surface 70 a of the SiO 2 layer 70 through the channel layer 40 to the gate insulating film side interface 40 a of the channel layer 40 under the condition that the sputtering rate of the SiO 2 film is 1.7 nm / min. Then, XPS measurement was performed for points every 1.6 nm in the film thickness direction.
SiO2層70の表面70aから、酸化物半導体膜40を通って、チャネル層40のゲート絶縁膜側界面40aに存在する原子は、XPS測定から、酸素、シリコン、インジウム、ガリウムであることが分かった。表面70aからは、炭素も観察されたが、表面のみの吸着であったので、これを除外した。また、構成金属原子の比率を、膜厚方向にプロットした図14から、保護層であるSiO2層70の構成金属であるシリコンと、チャネル層40を構成する主要金属原子であるインジウムの比率が逆転した膜厚を保護層側界面40bとした。また、ゲート絶縁膜層であるSiO2層30の構成金属であるシリコンと、チャネル層40を構成する主要金属原子であるインジウムの比率が逆転した膜厚をゲート絶縁膜側界面40aとした。尚、原子比は所望のピーク、例えば、In・3d5/2、Ga・2p3/2、Si2p, O1sのピーク面積を求め,Perkin−Elmerから与えられている感度係数で割って表面での原子比率とした。光電子ピークの面積を求める際には、得られたスペクトルデータにSavitzky−Golay法による5点スムージングを施し,X線源のサテライトピークを除去した後,Shirley法によるバックグラウンド除去を行った。 From the surface 70 a of the SiO 2 layer 70 through the oxide semiconductor film 40, the atoms present at the gate insulating film side interface 40 a of the channel layer 40 are found to be oxygen, silicon, indium, gallium from XPS measurement The Although carbon was also observed from the surface 70a, it was excluded because it was adsorption of only the surface. Further, from FIG. 14 in which the ratio of constituent metal atoms is plotted in the film thickness direction, the ratio of silicon which is a constituent metal of the SiO 2 layer 70 which is a protective layer and indium which is a main metal atom which constitutes the channel layer 40 is The film thickness reversed was defined as the protective layer side interface 40b. Further, the gate insulating film side interface 40a has a film thickness in which the ratio of silicon, which is a constituent metal of the SiO 2 layer 30 which is a gate insulating film layer, and indium which is a main metal atom that constitutes the channel layer 40 is reversed. The atomic ratio is the peak ratio of the desired peak, for example, In.3d5 / 2, Ga.2p3 / 2, Si2p, O1s, divided by the sensitivity coefficient given by Perkin-Elmer, and the atomic ratio at the surface is determined. And When obtaining the area of the photoelectron peak, the obtained spectral data was subjected to 5-point smoothing by the Savitzky-Golay method to remove the satellite peak of the X-ray source, and then the background was removed by the Shirley method.
また、チャネル層を構成する原子であるインジウムとガリウムの原子比率を各深さ位置において求めた。図14に示すように、両界面40a,40b間にプラトーが観察された。チャネルから界面に向かってインジウム及びガリウムの比率は滑らかに減衰したため、組成が界面〜プラトー領域においては膜厚方向で単一とみなした。インジウムのプラトー領域を界面から5nm以降の領域とし、プラトー領域のインジウム比率(In/(In+Ga))を求めると(図15)、0.951〜0.940であり、平均値が0.947であった。平均値に対する最大値、最小値の割合は、それぞれ1%以下であったので、チャネル層内部においても膜厚方向で組成が単一とみなした。同様に、ガリウムのプラトー領域を界面から5nm以降の領域とし、プラトー領域のガリウム比率(Ga/(In+Ga))を求めると(図15)、0.060〜0.047であり、平均値が0.053であった。平均値に対する最大値、最小値の割合は、それぞれ15%以下であったので、チャネル層内部においても膜厚方向で組成が単一とみなした。 In addition, the atomic ratio of indium and gallium, which are atoms forming the channel layer, was determined at each depth position. As shown in FIG. 14, a plateau was observed between the two interfaces 40a and 40b. Since the ratio of indium and gallium was smoothly attenuated from the channel toward the interface, the composition was regarded as single in the film thickness direction in the interface to plateau region. The indium ratio (In / (In + Ga)) in the plateau region is 0.951 to 0.940 (average value is 0.947), assuming that the plateau region of indium is a region 5 nm or more from the interface (FIG. 15). there were. The ratio of the maximum value to the minimum value to the average value was 1% or less, respectively, so that the composition was regarded as single in the film thickness direction also inside the channel layer. Similarly, the gallium ratio (Ga / (In + Ga)) in the plateau region is 0.060 to 0.047, and the average value is 0, assuming that the plateau region of gallium is a region 5 nm or more from the interface (FIG. 15). It was .053. Since the ratio of the maximum value to the average value and the minimum value was 15% or less, respectively, the composition was regarded as single in the film thickness direction also in the channel layer.
(3b)断面TEM測定
透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、チャネル部40の断面を観察したところ、ゲート絶縁膜が90nm、酸化物半導体薄膜が50nm存在することが明らかとなった。
(3b) Cross-Sectional TEM Measurement When a cross section of the channel portion 40 was observed using a transmission electron microscope (TEM), it became clear that the gate insulating film was 90 nm and the oxide semiconductor thin film was 50 nm.
(3c)SSRM測定
水中機械研磨によりチャネル部40の断面を得た。続いて、その断面に対してSSRMによって広がり抵抗測定を行った。図2記載のSSRM像及び図3記載のSSRMスペクトルを得た。すでに説明したように、広がり抵抗の低い領域は酸化物半導体層のゲート絶縁膜側界面より23nmの位置に存在し、残りの部分が広がり抵抗の高い領域となっていることが分かる。ここで、TEM像より取得した酸化物半導体−ゲート絶縁膜の界面を0nmとし、酸化物半導体層の厚みが50nmなので、酸化物半導体−保護絶縁膜の界面を50nmとすると、広がり抵抗の低い領域は0〜23nmに位置し、広がり抵抗の高い領域は23〜50nmに位置することになる。また、SSRM像より平均ゲート絶縁膜抵抗と本広がり抵抗の高い領域の平均抵抗値が1桁以内となったため、本広がり抵抗の高い領域はゲート絶縁膜同等の抵抗値を有するとみなすことができる。
(3c) SSRM Measurement A cross section of the channel portion 40 was obtained by underwater mechanical polishing. Subsequently, the spreading resistance measurement was performed on the cross section by SSRM. The SSRM image shown in FIG. 2 and the SSRM spectrum shown in FIG. 3 were obtained. As described above, it can be seen that the region with low spreading resistance is present at a position of 23 nm from the gate insulating film side interface of the oxide semiconductor layer, and the remaining part is a region with high spreading resistance. Here, the interface between the oxide semiconductor and the gate insulating film obtained from the TEM image is 0 nm, and the thickness of the oxide semiconductor layer is 50 nm. Therefore, when the interface between the oxide semiconductor and the protective insulating film is 50 nm, a region with low spreading resistance Is located at 0 to 23 nm, and the region with high spreading resistance is located at 23 to 50 nm. Further, since the average resistance value of the region where the average gate insulating film resistance and the main spreading resistance are high is within one digit from the SSRM image, the region where the main spreading resistance is high can be regarded as having the same resistance value as the gate insulating film. .
使用した装置及び測定条件を以下に示す。
・観察装置 : Bruker AXS(旧Veeco)社Digital Instruments部門製
NanoScope IVa AFM Dimension 3100 ステージAFMシステム+SSRMオプション
・SSRM走査モード: コンタクトモードと拡がり抵抗同時測定
・SSRM探針(Tip): ダイヤモンドコートシリコンカンチレバー
・試料加工 : 機械研磨による断面作製後、各層を短絡してバイアス電圧を印加できるようにした。
・測定環境 : 室温、大気中
The apparatus used and the measurement conditions are shown below.
-Observation device: Bruker AXS (formerly Veeco) Digital Instruments Division NanoScope IVa AFM Dimension 3100 Stage AFM system + SSRM option-SSRM scanning mode: Contact mode and spread resistance simultaneous measurement-SSRM probe (Tip): Diamond coated silicon cantilever- Sample processing: After preparing a cross section by mechanical polishing, each layer was short-circuited so that a bias voltage could be applied.
・ Measurement environment: Room temperature, in the air
測定結果、及びチャネル層の形成材料、広がり抵抗値の高い領域及び低い領域の位置、ゲート絶縁膜の抵抗値(R0)に対する広がり抵抗値の高い領域の抵抗値(R)の比を表1に示す。
尚、ゲート絶縁膜の抵抗値(R0)に対する広がり抵抗値の高い領域の抵抗値(R)の比(R/R0)が0.1<R/R0<1である場合を○とし、それ以外を×とした。
また、チャネル層の領域について、実施例12を除き、ゲート絶縁膜とチャネル層の界面を0nmとし、チャネル層と保護絶縁膜の界面を50nmとした。
実施例12では、ゲート絶縁膜とチャネル層の界面を0nmとし、チャネル層とガラス基板の界面を50nmとした。
on−off比について、「1.E+XX」は「1×10XX」を意味する。
The measurement results and the ratio of the resistance value (R) of the high spreading resistance region to the resistance of the gate insulating film (R0) to the forming material of the channel layer, the position of the high spreading resistance value region and the low spreading resistance value are shown in Table 1 Show.
The case where the ratio (R / R0) of the resistance value (R) of the region where the spreading resistance value is high to the resistance value (R0) of the gate insulating film is 0.1 <R / R0 <1 is ○, and otherwise Was marked x.
In the region of the channel layer, except for Example 12, the interface between the gate insulating film and the channel layer is 0 nm, and the interface between the channel layer and the protective insulating film is 50 nm.
In Example 12, the interface between the gate insulating film and the channel layer is 0 nm, and the interface between the channel layer and the glass substrate is 50 nm.
For the on-off ratio, "1.E + XX" means "1 × 10 XX ".
実施例2
ターゲットとして、InGaZnO組成(In:Ga:Zn=1:1:1(原子比))を有する多結晶焼結体を用いた。スパッタ時の投入DCパワーを100Wとした。成膜時の雰囲気は全圧0.4Pa、ガス流量比はAr:O2=97:3とした以外は、実施例1と同等の処理を行った。
表1に得られた特性を示す。
Example 2
As a target, a polycrystalline sintered body having an InGaZnO composition (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (atomic ratio)) was used. The input DC power at the time of sputtering was 100 W. The same process as in Example 1 was performed, except that the atmosphere during film formation was a total pressure of 0.4 Pa, and the gas flow ratio was Ar: O 2 = 97: 3.
The characteristics obtained are shown in Table 1.
実施例3
ターゲットとして、InGaZnO組成(In:Ga:Zn=2:2:1 原子比)を有する多結晶焼結体を用いた。スパッタ時の投入DCパワーを100Wとした。成膜時の雰囲気は全圧0.4Pa、ガス流量比はAr:O2=95:5とした以外は、実施例1と同等の処理を行った。
表1に得られた特性を示す。
Example 3
As a target, a polycrystalline sintered body having an InGaZnO composition (In: Ga: Zn = 2: 2: 1 atomic ratio) was used. The input DC power at the time of sputtering was 100 W. The same processing as in Example 1 was performed except that the atmosphere during film formation was a total pressure of 0.4 Pa, and the gas flow ratio was Ar: O 2 = 95: 5.
The characteristics obtained are shown in Table 1.
実施例4
ターゲットとして、InGaZnO組成(In:Ga:Zn=5:3:2 原子比)を有する多結晶焼結体を用いた。スパッタ時の投入DCパワーを100Wとした。成膜時の雰囲気は全圧0.4Pa、ガス流量比はAr:O2=90:10とした以外は、実施例1と同等の処理を行った。
表1に得られた特性を示す。
Example 4
As a target, a polycrystalline sintered body having an InGaZnO composition (In: Ga: Zn = 5: 3: 2 atomic ratio) was used. The input DC power at the time of sputtering was 100 W. The same processing as in Example 1 was performed except that the atmosphere during film formation was a total pressure of 0.4 Pa, and the gas flow ratio was Ar: O 2 = 90: 10.
The characteristics obtained are shown in Table 1.
実施例5
ターゲットとして、InGaZnO組成(In:Ga:Zn=5:1:4 原子比)を有する多結晶焼結体を用いた。スパッタ時の投入DCパワーを100Wとした。成膜時の雰囲気は全圧0.4Pa、ガス流量比はAr:O2=50:50とした以外は、実施例1と同等の処理を行った。
表1に得られた特性を示す。
Example 5
As a target, a polycrystalline sintered body having an InGaZnO composition (In: Ga: Zn = 5: 1: 4 atomic ratio) was used. The input DC power at the time of sputtering was 100 W. The same processing as in Example 1 was performed except that the atmosphere during film formation was a total pressure of 0.4 Pa, and the gas flow ratio was Ar: O 2 = 50: 50.
The characteristics obtained are shown in Table 1.
実施例6
ターゲットとして、InGaZnO組成(In:Ga:Zn=3:1:4 原子比)を有する多結晶焼結体を用いた。スパッタ時の投入DCパワーを100Wとした。成膜時の雰囲気は全圧0.4Pa、ガス流量比はAr:O2=85:15とした以外は、実施例1と同等の処理を行った。
表1に得られた特性を示す。
Example 6
As a target, a polycrystalline sintered body having an InGaZnO composition (In: Ga: Zn = 3: 1: 4 atomic ratio) was used. The input DC power at the time of sputtering was 100 W. The same processing as in Example 1 was performed except that the atmosphere during film formation was a total pressure of 0.4 Pa, and the gas flow ratio was Ar: O 2 = 85: 15.
The characteristics obtained are shown in Table 1.
実施例7
ターゲットとして、InGaZnO組成(In:Ga:Zn=5:2:3 原子比)を有する多結晶焼結体を用いた。スパッタ時の投入DCパワーを100Wとした。成膜時の雰囲気は全圧0.4Pa、ガス流量比はAr:O2=80:20とした以外は、実施例1と同等の処理を行った。
表1に得られた特性を示す。
Example 7
As a target, a polycrystalline sintered body having an InGaZnO composition (In: Ga: Zn = 5: 2: 3 atomic ratio) was used. The input DC power at the time of sputtering was 100 W. The same processing as in Example 1 was performed except that the atmosphere during film formation was a total pressure of 0.4 Pa, and the gas flow ratio was Ar: O2 = 80: 20.
The characteristics obtained are shown in Table 1.
実施例8
ターゲットとして、InSnZnO組成(In:Sn:Zn=1:1:1 原子比)を有する多結晶焼結体を用いた。スパッタ時の投入DCパワーを100Wとした。成膜時の雰囲気は全圧0.4Pa、ガス流量比はAr:O2=50:50とした以外は、実施例1と同等の処理を行った。
表1に得られた特性を示す。
Example 8
As a target, a polycrystalline sintered body having an InSnZnO composition (In: Sn: Zn = 1: 1: 1 atomic ratio) was used. The input DC power at the time of sputtering was 100 W. The same processing as in Example 1 was performed except that the atmosphere during film formation was a total pressure of 0.4 Pa, and the gas flow ratio was Ar: O 2 = 50: 50.
The characteristics obtained are shown in Table 1.
実施例9
ターゲットとして、InSnZnO組成(In:Sn:Zn=36.5:15:48.5 原子比)を有する多結晶焼結体を用いた。スパッタ時の投入DCパワーを100Wとした。成膜時の雰囲気は全圧0.4Pa、ガス流量比はAr:O2=50:50とした以外は、実施例1と同等の処理を行った。
表1に得られた特性を示す。
Example 9
As a target, a polycrystalline sintered body having an InSnZnO composition (In: Sn: Zn = 36.5: 15: 48.5 atomic ratio) was used. The input DC power at the time of sputtering was 100 W. The same processing as in Example 1 was performed except that the atmosphere during film formation was a total pressure of 0.4 Pa, and the gas flow ratio was Ar: O 2 = 50: 50.
The characteristics obtained are shown in Table 1.
実施例10
ターゲットとして、InSnZnO組成(In:Sn:Zn=25:15:60 原子比)を有する多結晶焼結体を用いた。スパッタ時の投入DCパワーを100Wとした。成膜時の雰囲気は全圧0.4Pa、ガス流量比はAr:O2=80:20とした以外は、実施例1と同等の処理を行った。
表1に得られた特性を示す。
Example 10
As a target, a polycrystalline sintered body having an InSnZnO composition (In: Sn: Zn = 25: 15: 60 atomic ratio) was used. The input DC power at the time of sputtering was 100 W. The same processing as in Example 1 was performed except that the atmosphere during film formation was a total pressure of 0.4 Pa, and the gas flow ratio was Ar: O 2 = 80: 20.
The characteristics obtained are shown in Table 1.
実施例11
本実施例では、フォトリソグラフィーにて、ボトムゲート型(逆スタガ型)のTFTを作製した。
実施例1(1)と同様に、ゲート絶縁膜が形成されている低抵抗n型結晶シリコン上に、InGaO組成(Ga/(In+Ga)=0.072:原子比)の酸化物半導体層をDCスパッタ法により形成した。
Example 11
In this example, a bottom gate (reverse staggered) TFT was manufactured by photolithography.
As in Example 1 (1), an oxide semiconductor layer of InGaO composition (Ga / (In + Ga) = 0.072: atomic ratio) is DC-blocked on low resistance n-type crystalline silicon on which a gate insulating film is formed. It formed by the sputtering method.
堆積したIn−Ga−O酸化物半導体上に、レジストを塗布し、80℃にて15分間プレベークを行い、300mJ/cm2の光強度のUV光をマスクに通して照射し、その後、3重量%のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドにて、現像を行い、純水で洗浄後、ポストベークを130℃、15分行い、所望のチャネル形状にレジストパターンを形成した。このレジストパターン付き基板を、燐酸・酢酸・硝酸の混合酸にて、In−Ga−O酸化物半導体膜をエッチングして半導体の島切りを行い、チャネル層を形成した。 A resist is applied on the deposited In-Ga-O oxide semiconductor, prebaked at 80 ° C for 15 minutes, UV light with a light intensity of 300 mJ / cm 2 is passed through a mask, and then 3 wt. After development was carried out with 100% tetramethylammonium hydroxide, and after washing with pure water, post-baking was carried out at 130 ° C. for 15 minutes to form a resist pattern in a desired channel shape. The In-Ga-O oxide semiconductor film was etched with a mixed acid of phosphoric acid, acetic acid and nitric acid to cut off the island of the semiconductor to form a channel layer.
続いて、この上に、レジストを塗布し、80℃にて15分間プレベークを行い、300mJ/cm2の光強度のUV光を、マスクを通して照射し、その後、3重量%のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドにて、現像を行い、純水で洗浄後、ポストベークを130℃、15分行い、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。その後、全面にモリブデン層を300nm成膜し、アセトンでレジストを剥離することにより、チャネル長10μm、チャネル幅20μmのリフトオフ素子を作製した。 Subsequently, a resist is applied thereon, prebaked at 80 ° C. for 15 minutes, UV light with a light intensity of 300 mJ / cm 2 is irradiated through a mask, and then 3% by weight of tetramethyl ammonium hydroxide Then, development was performed, and after washing with pure water, post-baking was performed at 130 ° C. for 15 minutes to form a resist pattern of the source / drain electrode shape of a desired shape. Thereafter, a molybdenum layer was formed to a thickness of 300 nm on the entire surface, and the resist was peeled off with acetone to fabricate a lift-off device having a channel length of 10 μm and a channel width of 20 μm.
さらに、その上にスパッタ法により保護絶縁膜としてAl2O3膜を100nm堆積した。このスパッタ時の投入RFパワーを300Wとした。成膜時の雰囲気は全圧0.4Pa、ガス流量比はAr:O2=70:30、成膜レートは2nm/分、ターゲット−基板(T・S)間の距離は7cmであった。また、基板温度は25℃であった。
続いて、大気中にて300℃1時間加熱してTFTを製造した。
Further, an Al 2 O 3 film of 100 nm was deposited thereon as a protective insulating film by sputtering. The input RF power at the time of sputtering was 300 W. The atmosphere for film formation was a total pressure of 0.4 Pa, the gas flow ratio was Ar: O 2 = 70: 30, the film formation rate was 2 nm / min, and the distance between the target and the substrate (T · S) was 7 cm. The substrate temperature was 25 ° C.
Subsequently, the TFT was manufactured by heating at 300 ° C. for 1 hour in the atmosphere.
得られたTFTについて実施例1と同様に評価した。
酸化物半導体層(チャネル層)の組成が膜厚方向で単一であること、酸化物半導体層は膜厚方向に連続的な構造を持つ結晶質層であること、結晶質層はビックスバイト型結晶構造を示す酸化物であることが確認された。その他、得られた結果を表1に示す。
The obtained TFT was evaluated in the same manner as in Example 1.
The composition of the oxide semiconductor layer (channel layer) is single in the film thickness direction, the oxide semiconductor layer is a crystalline layer having a continuous structure in the film thickness direction, and the crystalline layer is a bixbite type. It was confirmed to be an oxide showing a crystal structure. The other obtained results are shown in Table 1.
実施例12
本実施例では、図12に示す構造のトップゲート型(正スタガ型)のTFTを作製した。
まず、ガラス基板10上に金属マスクを設置し、チャネル長L:200μmのチャネル部が形成可能なように、ソース・ドレイン電極50,60としてモリブデンを蒸着して形成した。
Example 12
In this example, a top gate type (positive stagger type) TFT having a structure shown in FIG. 12 was manufactured.
First, a metal mask was placed on the glass substrate 10, and molybdenum was deposited as source / drain electrodes 50, 60 so that a channel portion with a channel length L of 200 μm could be formed.
続いて、InGaO組成(Ga/(In+Ga)=0.072:原子比)を有する多結晶焼結体をターゲットとして、DCスパッタ法により、酸化物半導体層40として、厚さ50nmのIn−Ga−O酸化物半導体層を、金属マスクを用いてチャネル長L:200μm,チャネル幅W:1000μmのチャネル部を覆うように堆積した。スパッタ時の投入DCパワーを100Wとした。成膜時の雰囲気は全圧0.4Pa、ガス流量比はAr:H2O=99:1、成膜レートは8nm/分であった。また、基板温度は25℃であった。 Subsequently, using a polycrystalline sintered body having an InGaO composition (Ga / (In + Ga) = 0.072: atomic ratio) as a target, a 50 nm-thick In—Ga— layer is formed as the oxide semiconductor layer 40 by DC sputtering. An O oxide semiconductor layer was deposited using a metal mask so as to cover a channel portion with a channel length L of 200 μm and a channel width W of 1000 μm. The input DC power at the time of sputtering was 100 W. The atmosphere for film formation was a total pressure of 0.4 Pa, the gas flow ratio was Ar: H 2 O = 99: 1, and the film formation rate was 8 nm / min. The substrate temperature was 25 ° C.
ここで、大気中にて300℃1時間加熱して、酸化物半導体層の結晶化及びキャリア低減を行った。続いて、チャネル層表面近傍の領域に対して、水素プラズマ処理を行った。 Here, heating was performed at 300 ° C. for one hour in the air to crystallize the oxide semiconductor layer and reduce carriers. Subsequently, hydrogen plasma treatment was performed on a region near the surface of the channel layer.
続いて、チャネル層40、ソース電極50、ドレイン電極60及び酸化物半導体膜40を覆うようにゲート絶縁膜30を形成した。ゲート絶縁膜30はスパッタ法によりSiO2膜を100nm堆積した。このスパッタ時の投入RFパワーを300Wとした。成膜時の雰囲気は全圧0.4Pa、ガス流量比はAr:O2=70:30、成膜レートは2nm/分、ターゲット−基板(T・S)間の距離は7cmであった。 Subsequently, the gate insulating film 30 was formed to cover the channel layer 40, the source electrode 50, the drain electrode 60, and the oxide semiconductor film 40. The gate insulating film 30 is a SiO 2 film was 100nm by sputtering. The input RF power at the time of sputtering was 300 W. The atmosphere for film formation was a total pressure of 0.4 Pa, the gas flow ratio was Ar: O 2 = 70: 30, the film formation rate was 2 nm / min, and the distance between the target and the substrate (T · S) was 7 cm.
さらに、ゲート絶縁膜30上にモリブデンのゲート電極20を形成した。ゲート電極20はチャネル層40上に位置するように、メタルマスクを用いてDCスパッタにより成膜した。 Further, the gate electrode 20 of molybdenum was formed on the gate insulating film 30. The gate electrode 20 was formed by DC sputtering using a metal mask so as to be located on the channel layer 40.
得られたTFTについて実施例1と同様に評価した。
酸化物半導体層40の組成が膜厚方向で単一であること、酸化物半導体層40は膜厚方向に連続的な構造を持つ結晶質層であること、結晶質層はビックスバイト型結晶構造を示す酸化物であることが確認された。その他、得られた結果を表1に示す。
The obtained TFT was evaluated in the same manner as in Example 1.
The composition of the oxide semiconductor layer 40 is single in the film thickness direction, the oxide semiconductor layer 40 is a crystalline layer having a continuous structure in the film thickness direction, and the crystalline layer has a bixbite crystal structure. It was confirmed to be an oxide showing The other obtained results are shown in Table 1.
実施例13
4インチΦの無アルカリガラス基板を用意し、スパッタリング法で厚さ50nmのMoを成膜した後、フォトリソ法によりゲート配線状にパターニングした。次に、この基板をプラズマCVD装置にセットし、前記基板を350℃に保持し、SiH4を2sccm、N2Oを100sccm、N2を120sccmの割合で110Paの圧力で導入して、厚さ150nmのゲート絶縁膜を得た。
次に、このゲート絶縁膜付ガラス基板をスパッタ装置に装着し、InGaO(Ga/(In+Ga)=0.072:原子比)を実施例1と同条件で成膜し、50nmのチャネル層(酸化物半導体層)を成膜した。次に、フォトリソグラフィー法により半導体領域のチャネル層に加工した(チャネル長L:20μm,チャネル幅W:50μm)。
再びこの基板をプラズマCVD装置にセットし、前記基板を170℃に保持し、SiH4を2sccm、N2Oを100sccm、N2を120sccmの割合で110Paの圧力で導入して、厚さ50nmの保護絶縁膜(層間絶縁膜1)を積層した。
次に、この基板をドライエッチング装置にセットし、ゲート電極とソース・ドレイン電極用のコンタクトホールを形成した。そして、この積層体をスパッタ装置にセットし、Moを成膜後、再びフォトリソ法でパターニングしてソース・ドレイン電極とした。
続いて、本基板を大気下にて300℃、8時間の条件にてアニールを行った。
引き続き、再びこの基板をプラズマCVD装置にセットし、前記基板を250℃に保持し、SiH4を2sccm、N2Oを100sccm、N2を120sccmの割合で110Paの圧力で導入して、厚さ300nmの層間絶縁膜2を積層した。そして再度フォトリソグラフィー法により、ソース・ドレイン・ゲート電極用のコンタクトホールを形成した。最後にこの基板を大気中、350℃、1時間の条件でアニールして、TFTを得た。
得られたTFTについて実施例1と同様に評価した。酸化物半導体層の組成が膜厚方向で単一であること、酸化物半導体層は膜厚方向に連続的な構造を持つ結晶質層であること、結晶質層はビックスバイト型結晶構造を示す酸化物であることが確認された。その他、得られた結果を表1に示す。
Example 13
A non-alkali glass substrate of 4 inches in diameter was prepared, and Mo was deposited to a thickness of 50 nm by sputtering, and then patterned into a gate wiring shape by photolithography. Next, this substrate is set in a plasma CVD apparatus, the substrate is maintained at 350 ° C., SiH 4 is introduced at 2 sccm, N 2 O at 100 sccm, and N 2 at a pressure of 110 sccm at a pressure of 110 Pa. A 150 nm gate insulating film was obtained.
Next, the glass substrate with a gate insulating film is mounted on a sputtering apparatus, InGaO (Ga / (In + Ga) = 0.072: atomic ratio) is deposited under the same conditions as in Example 1, and a 50 nm channel layer (oxidized (Product semiconductor layer) was deposited. Next, it processed into the channel layer of the semiconductor region by the photolithographic method (channel length L: 20 micrometers, channel width W: 50 micrometers).
Set this substrate to a plasma CVD apparatus again, to hold the substrate to 170 ° C., the SiH 4 2 sccm, 100 sccm of N 2 O, was introduced at a pressure of 110Pa to N 2 at a rate of 120 sccm, a thickness of 50nm A protective insulating film (interlayer insulating film 1) was laminated.
Next, this substrate was set in a dry etching apparatus, and contact holes for gate electrodes and source / drain electrodes were formed. Then, this laminated body was set in a sputtering apparatus, and after depositing Mo, it was patterned again by a photolithographic method to form a source / drain electrode.
Subsequently, the substrate was annealed under the atmosphere at 300 ° C. for 8 hours.
Subsequently, the substrate is set again in the plasma CVD apparatus, the substrate is maintained at 250 ° C., SiH 4 is introduced at a pressure of 110 sccm at a rate of 2 sccm, N 2 O at 100 sccm, and N 2 at 120 sccm. An interlayer insulating film 2 of 300 nm was laminated. Then, contact holes for source, drain and gate electrodes were formed again by photolithography. Finally, the substrate was annealed in air at 350 ° C. for 1 hour to obtain a TFT.
The obtained TFT was evaluated in the same manner as in Example 1. The composition of the oxide semiconductor layer is single in the film thickness direction, the oxide semiconductor layer is a crystalline layer having a continuous structure in the film thickness direction, and the crystalline layer exhibits a bixbyite crystal structure. It was confirmed to be an oxide. The other obtained results are shown in Table 1.
実施例14
4インチΦの無アルカリガラス基板を用意し、スパッタリング法で厚さ50nmのMoを成膜した後、フォトリソ法によりゲート配線状にパターニングした。次にこの基板をプラズマCVD装置にセットし、前記基板を350℃に保持し、SiH4を2sccm、N2Oを100sccm、N2を120sccmの割合で110Paの圧力で導入して、厚さ150nmのゲート絶縁膜を得た。
次に、このゲート絶縁膜付ガラス基板をスパッタ装置に装着し、InGaO(Ga/(In+Ga)=0.072:原子比)を実施例1と同条件で成膜し、50nmのチャネル層(酸化物半導体層)を成膜した。次に、フォトリソグラフィー法により半導体領域のチャネル層に加工した(チャネル長L:20μm,チャネル幅W:50μm)。
続いて、本基板を大気下にて300℃、1時間の条件にてアニールを行った。
再びこの基板をプラズマCVD装置にセットし、前記基板を200℃に保持し、SiH4を4sccm、N2Oを100sccm、N2を120sccmの割合で110Paの圧力で導入して、厚さ50nmの保護絶縁膜(層間絶縁膜1)を積層した。次に、この基板をドライエッチング装置にセットし、ゲート電極とソース・ドレイン電極用のコンタクトホールを形成した。そして、この積層体をスパッタ装置にセットし、Moを成膜後、再びフォトリソ法でパターニングしてソース・ドレイン電極とした。
続いて、本基板を大気下にて300℃、8時間の条件にてアニールを行った。
引き続き、再びこの基板をプラズマCVD装置にセットし、前記基板を250℃に保持し、SiH4を2sccm、N2Oを100sccm、N2を120sccmの割合で110Paの圧力で導入して、厚さ300nmの層間絶縁膜2を積層した。そして再度フォトリソグラフィー法により、ソース・ドレイン・ゲート電極用のコンタクトホールを形成した。最後にこの基板を大気中、350℃、1時間の条件でアニールして、TFTを得た。
得られたTFTについて実施例1と同様に評価した。酸化物半導体層の組成が膜厚方向で単一であること、酸化物半導体層は膜厚方向に連続的な構造を持つ結晶質層であること、結晶質層はビックスバイト型結晶構造を示す酸化物であることが確認された。その他、得られた結果を表1に示す。
Example 14
A non-alkali glass substrate of 4 inches in diameter was prepared, and Mo was deposited to a thickness of 50 nm by sputtering, and then patterned into a gate wiring shape by photolithography. Next, this substrate is set in a plasma CVD apparatus, the substrate is maintained at 350 ° C., SiH 4 is introduced at 2 sccm, N 2 O at 100 sccm, and N 2 at 120 sccm, at a pressure of 110 Pa and a thickness of 150 nm. The gate insulator of
Next, the glass substrate with a gate insulating film is mounted on a sputtering apparatus, InGaO (Ga / (In + Ga) = 0.072: atomic ratio) is deposited under the same conditions as in Example 1, and a 50 nm channel layer (oxidized (Product semiconductor layer) was deposited. Next, it processed into the channel layer of the semiconductor region by the photolithographic method (channel length L: 20 micrometers, channel width W: 50 micrometers).
Subsequently, the substrate was annealed under the atmosphere at 300 ° C. for 1 hour.
The substrate is set again in a plasma CVD apparatus, the substrate is kept at 200 ° C., SiH 4 is introduced at 4 sccm, N 2 O at 100 sccm, and N 2 at a pressure of 110 sccm at a pressure of 110 Pa. A protective insulating film (interlayer insulating film 1) was laminated. Next, this substrate was set in a dry etching apparatus, and contact holes for gate electrodes and source / drain electrodes were formed. Then, this laminated body was set in a sputtering apparatus, and after depositing Mo, it was patterned again by a photolithographic method to form a source / drain electrode.
Subsequently, the substrate was annealed under the atmosphere at 300 ° C. for 8 hours.
Subsequently, the substrate is set again in the plasma CVD apparatus, the substrate is maintained at 250 ° C., SiH 4 is introduced at a pressure of 110 sccm at a rate of 2 sccm, N 2 O at 100 sccm, and N 2 at 120 sccm. An interlayer insulating film 2 of 300 nm was laminated. Then, contact holes for source, drain and gate electrodes were formed again by photolithography. Finally, the substrate was annealed in air at 350 ° C. for 1 hour to obtain a TFT.
The obtained TFT was evaluated in the same manner as in Example 1. The composition of the oxide semiconductor layer is single in the film thickness direction, the oxide semiconductor layer is a crystalline layer having a continuous structure in the film thickness direction, and the crystalline layer exhibits a bixbyite crystal structure. It was confirmed to be an oxide. The other obtained results are shown in Table 1.
実施例15
4インチΦの無アルカリガラス基板を用意し、スパッタリング法で厚さ50nmのMoを成膜した後、フォトリソ法によりゲート配線状にパターニングした。次にこの基板をプラズマCVD装置にセットし、前記基板を350℃に保持し、SiH4を2sccm、N2Oを100sccm、N2を120sccmの割合で110Paの圧力で導入して、厚さ150nmのゲート絶縁膜を得た。
次に、このゲート絶縁膜付ガラス基板をスパッタ装置に装着し、InGaO(Ga/(In+Ga)=0.072:原子比)の成膜雰囲気を全圧0.4Pa、ガス流量比はAr:O2=50:50とし、他は実施例1と同条件で、30nmのチャネル層酸化物半導体層を成膜した。次に、フォトリソグラフィー法により半導体領域のチャネル層に加工した(チャネル長L:20μm,チャネル幅W:50μm)。
続いて、本基板を真空下にて300℃、1時間の条件にてアニールを行った。
再びこの基板をプラズマCVD装置にセットし、前記基板を170℃に保持し、SiH4を2sccm、N2Oを100sccm、N2を120sccmの割合で110Paの圧力で導入して、厚さ50nmの保護絶縁膜(層間絶縁膜1)を積層した。次に、この基板をドライエッチング装置にセットし、ゲート電極とソース・ドレイン電極用のコンタクトホールを形成した。そして、この積層体をスパッタ装置にセットし、Moを成膜後、再びフォトリソ法でパターニングしてソース・ドレイン電極とした。
続いて、本基板を大気下にて300℃、4時間の条件にてアニールを行った。
引き続き、再びこの基板をプラズマCVD装置にセットし、前記基板を250℃に保持し、SiH4を2sccm、N2Oを100sccm、N2を120sccmの割合で110Paの圧力で導入して、厚さ300nmの層間絶縁膜2を積層した。そして再度フォトリソグラフィー法により、ソース・ドレイン・ゲート電極用のコンタクトホールを形成した。最後にこの基板を大気中、350℃、1時間の条件でアニールして、TFTを得た。
得られたTFTについて実施例1と同様に評価した。酸化物半導体層の組成が膜厚方向で単一であること、酸化物半導体層は膜厚方向に連続的な構造を持つ結晶質層であること、結晶質層はビックスバイト型結晶構造を示す酸化物であることが確認された。その他、得られた結果を表1に示す。
Example 15
A non-alkali glass substrate of 4 inches in diameter was prepared, and Mo was deposited to a thickness of 50 nm by sputtering, and then patterned into a gate wiring shape by photolithography. Next, this substrate is set in a plasma CVD apparatus, the substrate is maintained at 350 ° C., SiH 4 is introduced at 2 sccm, N 2 O at 100 sccm, and N 2 at 120 sccm, at a pressure of 110 Pa and a thickness of 150 nm. The gate insulator of
Next, the glass substrate with a gate insulating film is mounted on a sputtering apparatus, and a film forming atmosphere of InGaO (Ga / (In + Ga) = 0.072: atomic ratio) is formed under a total pressure of 0.4 Pa and a gas flow ratio of Ar: O. A channel layer oxide semiconductor layer of 30 nm was formed under the same conditions as in Example 1 except that 2 = 50: 50. Next, it processed into the channel layer of the semiconductor region by the photolithographic method (channel length L: 20 micrometers, channel width W: 50 micrometers).
Subsequently, the substrate was annealed under vacuum at 300 ° C. for 1 hour.
Set this substrate to a plasma CVD apparatus again, to hold the substrate to 170 ° C., the SiH 4 2 sccm, 100 sccm of N 2 O, was introduced at a pressure of 110Pa to N 2 at a rate of 120 sccm, a thickness of 50nm A protective insulating film (interlayer insulating film 1) was laminated. Next, this substrate was set in a dry etching apparatus, and contact holes for gate electrodes and source / drain electrodes were formed. Then, this laminated body was set in a sputtering apparatus, and after depositing Mo, it was patterned again by a photolithographic method to form a source / drain electrode.
Subsequently, the substrate was annealed under the atmosphere at 300 ° C. for 4 hours.
Subsequently, the substrate is set again in the plasma CVD apparatus, the substrate is maintained at 250 ° C., SiH 4 is introduced at a pressure of 110 sccm at a rate of 2 sccm, N 2 O at 100 sccm, and N 2 at 120 sccm. An interlayer insulating film 2 of 300 nm was laminated. Then, contact holes for source, drain and gate electrodes were formed again by photolithography. Finally, the substrate was annealed in air at 350 ° C. for 1 hour to obtain a TFT.
The obtained TFT was evaluated in the same manner as in Example 1. The composition of the oxide semiconductor layer is single in the film thickness direction, the oxide semiconductor layer is a crystalline layer having a continuous structure in the film thickness direction, and the crystalline layer exhibits a bixbyite crystal structure. It was confirmed to be an oxide. The other obtained results are shown in Table 1.
比較例1
実施例1において、保護層70形成直前に水素雰囲気中にてアニール処理(300℃1時間)を行い、酸化物半導体層40中のキャリア濃度を増加させた他は、実施例1と同様にTFTを製造し評価した。
Comparative Example 1
In Example 1, the same as in Example 1, except that annealing (at 300 ° C. for 1 hour) was performed in a hydrogen atmosphere immediately before forming the protective layer 70 to increase the carrier concentration in the oxide semiconductor layer 40. Manufactured and evaluated.
酸化物半導体層の組成が膜厚方向で単一であること、酸化物半導体層は膜厚方向に連続的な構造を持つ結晶質層であること、結晶質層はビックスバイト型結晶構造を示す酸化物であることが確認された。その他、得られた結果を表1に示す。 The composition of the oxide semiconductor layer is single in the film thickness direction, the oxide semiconductor layer is a crystalline layer having a continuous structure in the film thickness direction, and the crystalline layer exhibits a bixbyite crystal structure. It was confirmed to be an oxide. The other obtained results are shown in Table 1.
比較例2
実施例1において、ゲート絶縁膜をCVDにより成膜し、CVD時の基板温度を450℃と高温にした他は、実施例1と同様にTFTを製造し評価した。
CVD時の基板温度を比較的高温としたため、酸化物半導体層中のキャリア濃度が上昇した。
Comparative example 2
A TFT was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the gate insulating film was formed by CVD in Example 1, and the substrate temperature during CVD was increased to 450 ° C.
Since the substrate temperature at the time of CVD was set to a relatively high temperature, the carrier concentration in the oxide semiconductor layer increased.
酸化物半導体層の組成が膜厚方向で単一であること、酸化物半導体層は膜厚方向に連続的な構造を持つ結晶質層であること、結晶質層はビックスバイト型結晶構造を示す酸化物であることが確認された。その他、得られた結果を表1に示す。 The composition of the oxide semiconductor layer is single in the film thickness direction, the oxide semiconductor layer is a crystalline layer having a continuous structure in the film thickness direction, and the crystalline layer exhibits a bixbyite crystal structure. It was confirmed to be an oxide. The other obtained results are shown in Table 1.
比較例3
実施例13において、チャネル層と接する保護絶縁膜の膜厚を3nmとした。その他は、実施例13と同様にTFTを製造し評価した。
酸化物半導体層の組成が膜厚方向で単一であること、酸化物半導体層は膜厚方向に連続的な構造を持つ結晶質層であること、結晶質層はビックスバイト型結晶構造を示す酸化物であることが確認された。その他、得られた結果を表1に示す。
Comparative example 3
In Example 13, the film thickness of the protective insulating film in contact with the channel layer was 3 nm. The others were manufactured and evaluated in the same manner as in Example 13.
The composition of the oxide semiconductor layer is single in the film thickness direction, the oxide semiconductor layer is a crystalline layer having a continuous structure in the film thickness direction, and the crystalline layer exhibits a bixbyite crystal structure. It was confirmed to be an oxide. The other obtained results are shown in Table 1.
比較例4
実施例13において、チャネル層と接する保護絶縁膜における作製時の基板温度を300℃とした。その他は、実施例13と同様にTFTを製造し評価した。
酸化物半導体層の組成が膜厚方向で単一であること、酸化物半導体層は膜厚方向に連続的な構造を持つ結晶質層であること、結晶質層はビックスバイト型結晶構造を示す酸化物であることが確認された。その他、得られた結果を表1に示す。
Comparative example 4
In Example 13, the substrate temperature at the time of preparation of the protective insulating film in contact with the channel layer was 300 ° C. The others were manufactured and evaluated in the same manner as in Example 13.
The composition of the oxide semiconductor layer is single in the film thickness direction, the oxide semiconductor layer is a crystalline layer having a continuous structure in the film thickness direction, and the crystalline layer exhibits a bixbyite crystal structure. It was confirmed to be an oxide. The other obtained results are shown in Table 1.
比較例5
実施例15において、チャネル層と接する保護絶縁膜における作製前の真空アニール処理を行わなかった。その他は、実施例15と同様にTFTを製造し評価した。
酸化物半導体層の組成が膜厚方向で単一であること、酸化物半導体層は膜厚方向に連続的な構造を持つ結晶質層であること、結晶質層はビックスバイト型結晶構造を示す酸化物であることが確認された。その他、得られた結果を表1に示す。
Comparative example 5
In Example 15, the vacuum annealing process before the preparation in the protective insulating film in contact with the channel layer was not performed. The others were manufactured and evaluated in the same manner as in Example 15.
The composition of the oxide semiconductor layer is single in the film thickness direction, the oxide semiconductor layer is a crystalline layer having a continuous structure in the film thickness direction, and the crystalline layer exhibits a bixbyite crystal structure. It was confirmed to be an oxide. The other obtained results are shown in Table 1.
比較例6
実施例1において、保護層70形成直前に大気囲気中にてアニール処理(300℃1時間)を行い、酸化物半導体層40中のキャリア濃度を増加させた他は、実施例1と同様にTFTを製造し評価した。
Comparative example 6
In Example 1, the same as in Example 1, except that annealing (at 300 ° C. for 1 hour) was performed in the atmosphere immediately before forming the protective layer 70 to increase the carrier concentration in the oxide semiconductor layer 40. Manufactured and evaluated.
酸化物半導体層の組成が膜厚方向で単一であること、酸化物半導体層は膜厚方向に連続的な構造を持つ結晶質層であること、結晶質層はビックスバイト型結晶構造を示す酸化物であることが確認された。その他、得られた結果を表1に示す。尚、保護層70形成直前の大気囲気中にてアニール処理によって、結晶化することが確認された。 The composition of the oxide semiconductor layer is single in the film thickness direction, the oxide semiconductor layer is a crystalline layer having a continuous structure in the film thickness direction, and the crystalline layer exhibits a bixbyite crystal structure. It was confirmed to be an oxide. The other obtained results are shown in Table 1. In addition, it was confirmed that the crystallization is performed by the annealing process in the atmosphere immediately before the formation of the protective layer 70.
参考例1
図16は参考例1で作製したダブルゲート型の薄膜トランジスタの概略断面図である。
この薄膜トランジスタは、保護絶縁膜70上にトップゲート電極80を有すること、及びソース、ドレイン電極の取り出し方が異なる他は、上述した実施形態1と同様な構成を有する。ゲート電極(ボトムゲート)20とトップゲート電極80の2つのゲート電極を有する。
図17は、チャネル層を図4と同様に形成して作製したダブルゲート型の薄膜トランジスタの性能特性を示す図である。図18は、チャネル層を図2と同様に形成して作製したダブルゲート型の薄膜トランジスタの性能特性を示す図である。
Reference Example 1
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of a double gate thin film transistor manufactured in Reference Example 1.
The thin film transistor has the same configuration as that of the first embodiment described above except that the top gate electrode 80 is provided on the protective insulating film 70 and the method of extracting the source and drain electrodes is different. It has two gate electrodes, a gate electrode (bottom gate) 20 and a top gate electrode 80.
FIG. 17 is a graph showing performance characteristics of a double gate thin film transistor manufactured by forming a channel layer in the same manner as FIG. FIG. 18 is a graph showing performance characteristics of a double gate thin film transistor manufactured by forming a channel layer in the same manner as FIG.
この薄膜トランジスタでは、保護絶縁膜上にトップゲート電極を作製し印加している。互いの構造は図17と図18のトランジスタでは、チャネル層の状態が異なっているのみ(組成は同一)で、その他の条件は同一である。尚、ボトムゲート電極にゲート電圧を印加する場合、トップゲート電極は浮遊させ、トップゲート電極に電圧を印加する場合は、ボトムゲート電極を浮遊させている。構造上、トップゲートとボトムゲートは非対称なので、図17内又は図18内での特性比較は困難である。一方、図17と図18において、例えばトップゲートでの駆動同士を比較した場合、図18はフロントチャネル(ボトムゲート側)側の抵抗値が低くバックチャネル(トップゲート側)側の抵抗が高いためにトップゲート動作ではon−off比が得られていないのに対し、図17ではチャネル抵抗が低い領域しか存在しないためにon−off動作が得られている。また、図18のボトムゲート動作時の伝達特性の最大電流値は図17に比べ、フロントチャネル側に低抵抗の領域を、バックチャネル側に高抵抗の領域を有するために、大きくなっていることがわかる。 In this thin film transistor, a top gate electrode is formed on a protective insulating film and applied. The structures of the transistors in FIGS. 17 and 18 are different from each other only in the state of the channel layer (the composition is the same), and the other conditions are the same. When applying a gate voltage to the bottom gate electrode, the top gate electrode is floated, and when applying a voltage to the top gate electrode, the bottom gate electrode is floated. Since the top gate and the bottom gate are asymmetrical in structure, characteristic comparison in FIG. 17 or in FIG. 18 is difficult. On the other hand, in FIG. 17 and FIG. 18, for example, when driving at the top gate is compared, in FIG. 18, the resistance value on the front channel (bottom gate side) side is low and the resistance on the back channel (top gate side) is high. While the on-off ratio is not obtained in the top gate operation, the on-off operation is obtained in FIG. 17 because there is only a region where the channel resistance is low. In addition, the maximum current value of the transfer characteristics during bottom gate operation in FIG. 18 is larger than that in FIG. 17 because it has a low resistance region on the front channel side and a high resistance region on the back channel side. I understand.
参考例2
図19は参考例2で作製したエッチストッパー型ボトムゲート逆スタガ型薄膜トランジスタの概略断面図である。
この薄膜トランジスタは、保護絶縁膜70の代わりにチャネル層40上にエッチングストッパー72を形成し、及びソース、ドレイン電極の取り出し方が異なる他は、上述した実施形態1と同様な構成を有する。
この薄膜トランジスタは、ゲート金属膜を成膜し、該ゲート金属膜をパターニングすることによりゲート電極20を形成した後で、ゲート電極20を覆うゲート絶縁膜30を絶縁性基板10上に成膜する。次に、単一の金属酸化物からなるターゲットを希ガス原子及び酸素分子を含む期待雰囲気下においてスパッタリングして酸化物半導体層を成膜する。その後、酸化物半導体層を覆うように、エッチングスタッパー72となる保護絶縁膜をCVDにて成膜する。このとき、CVDにて酸素透過性絶縁膜を成膜する場合、水素を含む導入ガスを使用し、基板温度、導入比率を調整することでチャネル層を還元することが可能である。例えば、CVDの際のN2OとSiH4の流量比(SiH4を基準値よりも多く流す)もしくは成膜時の基板温度を高くすることで酸化物半導体層を還元することができる。これは、Hの拡散が酸化物半導体層内部まで及び還元が促進されるためである。
ここで、CVD時の還元効果は装置構造によって異なるため、一概に決定することができない。また、CVD成膜の工程によって酸化物半導体層を還元する場合、CVD成膜工程前に酸化物半導体層をアニールする工程を経ることは望ましくない。これは、アニールにより半導体膜の密度が上昇しHの拡散を妨げるためである。
続いて、保護絶縁膜をエッチストッパー72としてエッチングし、酸化物半導体層を所望の形状に成膜する。次に、チャネル層40上に亘ってソース・ドレイン膜を形成し、該ソース・ドレイン膜をパターニングすることにより、ソース・ドレイン電極(一方がソース電極50で他方がドレイン電極60)を形成する。
さらに、チャネル層40に対して加熱処理を行う。加熱処理を行う環境は、大気中、酸素中、酸素添加窒素ガス雰囲気中、酸素添加希ガス雰囲気中が好ましい。酸素透過性絶縁膜を通じてチャネル層中に酸素がバックチャネル側から供給されるため、広がり抵抗値が前記ゲート絶縁膜側から膜厚方向に順次増加する。
Reference Example 2
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view of the etch stopper type bottom gate inverted stagger thin film transistor manufactured in the second embodiment.
This thin film transistor has the same configuration as that of the first embodiment described above except that an etching stopper 72 is formed on the channel layer 40 instead of the protective insulating film 70 and the method of taking out the source and drain electrodes is different.
In this thin film transistor, a gate metal film is formed, and the gate metal film is patterned to form the gate electrode 20, and then the gate insulating film 30 covering the gate electrode 20 is formed on the insulating substrate 10. Next, a target formed of a single metal oxide is sputtered under an expected atmosphere containing a rare gas atom and an oxygen molecule to form an oxide semiconductor layer. After that, a protective insulating film to be the etching stepper 72 is formed by CVD so as to cover the oxide semiconductor layer. At this time, in the case of forming an oxygen-permeable insulating film by CVD, it is possible to reduce the channel layer by using a gas containing hydrogen and adjusting the substrate temperature and the introduction ratio. For example, the oxide semiconductor layer can be reduced by increasing the flow ratio of N 2 O to SiH 4 in CVD (flowing SiH 4 more than the reference value) or the substrate temperature in film formation. This is because H diffusion is promoted to the inside of the oxide semiconductor layer and reduction is promoted.
Here, since the reduction effect at the time of CVD differs depending on the device structure, it can not be determined generally. In the case where the oxide semiconductor layer is reduced by the CVD film formation step, it is not preferable to go through the step of annealing the oxide semiconductor layer before the CVD film formation step. This is because the density of the semiconductor film is increased by the annealing to prevent the diffusion of H.
Subsequently, the protective insulating film is etched as the etch stopper 72 to form an oxide semiconductor layer in a desired shape. Next, source / drain films are formed over the channel layer 40, and the source / drain films are patterned to form source / drain electrodes (one is the source electrode 50 and the other is the drain electrode 60).
Furthermore, heat treatment is performed on the channel layer 40. The environment for heat treatment is preferably in the atmosphere, in oxygen, in an oxygen-added nitrogen gas atmosphere, or in an oxygen-added rare gas atmosphere. Since oxygen is supplied from the back channel side into the channel layer through the oxygen permeable insulating film, the spreading resistance value is sequentially increased in the film thickness direction from the gate insulating film side.
上述した薄膜トランジスタにおいて、CVDで成膜した保護絶縁膜(エッチングストッパー)の厚み及びアニール時間を調整することにより、得られる素子の移動度特性が異なる。本例では、チャネル層の膜厚を50nmとし、保護絶縁膜(SiO2)の厚さを0nm(形成せず)、5nm、10nm、20nm及び50nmとした薄膜トランジスタを作製し、各トランジスタの作製時におけるアニール時間が性能に与える影響を調べた。アニール温度は300℃とした。
図20〜24は、それぞれ、保護絶縁膜の厚さを0nm(形成せず)、5nm、10nm、20nm及び50nmとした薄膜トランジスタについて、アニール時間と伝達曲線の関係を示す。図25〜29は、それぞれ、保護絶縁膜の厚さを0nm(形成せず)、5nm、10nm、20nm及び50nmとした薄膜トランジスタについて、アニール時間と移動度の関係を示す。
この結果から、保護絶縁膜の厚さやアニール条件を適切に選択することにより、移動度のきわめて高い薄膜トランジスタが得られることがわかる。
保護絶縁膜(酸素透過性絶縁膜)を成膜した後の加熱処理を調整することにより、所望の移動度特性を有するチャネル層を得ることができる。また、酸素透過性絶縁膜形成後の加熱処理を行った後に、さらなる酸素透過性絶縁膜の調整をしてもよいし、SiNxやAlN等の酸素透過防止絶縁膜を形成してもよい。
In the thin film transistor described above, the mobility characteristic of the obtained element is different by adjusting the thickness of the protective insulating film (etching stopper) formed by CVD and the annealing time. In this example, thin film transistors having a channel layer thickness of 50 nm and a protective insulating film (SiO 2 ) thickness of 0 nm (not formed), 5 nm, 10 nm, 20 nm, and 50 nm are produced. The influence of the annealing time on the performance was investigated. The annealing temperature was 300.degree.
FIGS. 20-24 show the relationship between the annealing time and the transfer curve for thin film transistors in which the thickness of the protective insulating film is 0 nm (not formed), 5 nm, 10 nm, 20 nm and 50 nm, respectively. 25 to 29 show the relationship between the annealing time and the mobility for thin film transistors in which the thickness of the protective insulating film is 0 nm (not formed), 5 nm, 10 nm, 20 nm, and 50 nm, respectively.
From this result, it is understood that by appropriately selecting the thickness of the protective insulating film and the annealing conditions, a thin film transistor with extremely high mobility can be obtained.
By adjusting the heat treatment after forming the protective insulating film (oxygen-permeable insulating film), a channel layer having desired mobility characteristics can be obtained. Further, after performing the heat treatment after the formation of the oxygen-permeable insulating film, the oxygen-permeable insulating film may be further adjusted, or an oxygen-permeable insulating film such as SiNx or AlN may be formed.
上記に本発明の実施形態及び/又は実施例を幾つか詳細に説明したが、当業者は、本発明の新規な教示及び効果から実質的に離れることなく、これら例示である実施形態及び/又は実施例に多くの変更を加えることが容易である。従って、これらの多くの変更は本発明の範囲に含まれる。
本願のパリ優先の基礎となる日本出願明細書の内容を全てここに援用する。
While several embodiments and / or examples of the present invention have been described above in detail, those skilled in the art will appreciate that the exemplary embodiments and / or examples are substantially without departing from the novel teachings and advantages of the present invention. It is easy to make many modifications to the embodiment. Accordingly, many of these variations are included within the scope of the present invention.
The contents of the Japanese application specification on which the Paris priority of the present application is based are entirely incorporated herein.
Claims (20)
前記チャネル層が、実質的に単一の組成を有し、膜厚方向に連続的な構造を持つ結晶質層であり、
前記チャネル層は、前記ゲート絶縁膜と保護絶縁膜の間に位置し、広がり抵抗値の低い領域と広がり抵抗値の高い領域を有し、前記チャネル層の前記ゲート絶縁膜側に広がり抵抗値の低い領域がある薄膜トランジスタ。 A source electrode and a drain electrode, a gate electrode, a gate insulating film, a protective insulating film, and a channel layer,
The channel layer has a substantially single composition, a lifting one crystalline layer a continuous structure in the thickness direction,
The channel layer is located between the gate insulating film and the protective insulating film, has a region with a low spreading resistance value and a region with a wide spreading resistance value, and spreads on the gate insulating film side of the channel layer Thin film transistor with low area.
前記チャネル層が、実質的に単一の組成を有し、膜厚方向に連続的な構造を持つ結晶質層であり、
前記チャネル層は、前記ゲート絶縁膜と絶縁性基板の間に位置し、広がり抵抗値の低い領域と広がり抵抗値の高い領域を有し、前記チャネル層の前記ゲート絶縁膜側に広がり抵抗値の低い領域がある薄膜トランジスタ。 A source electrode and a drain electrode, a gate electrode, a gate insulating film, an insulating substrate, and a channel layer,
The channel layer has a substantially single composition, a lifting one crystalline layer a continuous structure in the thickness direction,
The channel layer is located between the gate insulating film and the insulating substrate, has a region with a low spreading resistance value and a region with a wide spreading resistance value, and spreads on the gate insulating film side of the channel layer Thin film transistor with low area.
前記チャネル層が、実質的に単一の組成を有し、膜厚方向に連続的な構造を持ち、かつ、アモルファスな部分を含み、The channel layer has a substantially single composition, a continuous structure in the film thickness direction, and includes an amorphous portion,
前記チャネル層は、前記ゲート絶縁膜と保護絶縁膜の間に位置し、広がり抵抗値の低い領域と広がり抵抗値の高い領域を有し、前記チャネル層の前記ゲート絶縁膜側に広がり抵抗値の低い領域があり、The channel layer is located between the gate insulating film and the protective insulating film, has a region with a low spreading resistance value and a region with a wide spreading resistance value, and spreads on the gate insulating film side of the channel layer There is a low area,
電界効果移動度が40cmField-effect mobility 40 cm 22 /Vs以上である、薄膜トランジスタ。A thin film transistor which is not less than / Vs.
前記チャネル層が、実質的に単一の組成を有し、膜厚方向に連続的な構造を持ち、かつ、アモルファスな部分を含み、The channel layer has a substantially single composition, a continuous structure in the film thickness direction, and includes an amorphous portion,
前記チャネル層は、前記ゲート絶縁膜と絶縁性基板の間に位置し、広がり抵抗値の低い領域と広がり抵抗値の高い領域を有し、前記チャネル層の前記ゲート絶縁膜側に広がり抵抗値の低い領域があり、The channel layer is located between the gate insulating film and the insulating substrate, has a region with a low spreading resistance value and a region with a wide spreading resistance value, and spreads on the gate insulating film side of the channel layer There is a low area,
電界効果移動度が40cmField-effect mobility 40 cm 22 /Vs以上である、薄膜トランジスタ。A thin film transistor which is not less than / Vs.
ゲート絶縁膜上にチャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層に接して前記保護絶縁膜を形成する工程と、
前記保護絶縁膜形成後に、150〜500℃で加熱処理する工程とを含む、薄膜トランジスタの製造方法。 A method of manufacturing a thin film transistor according to claim 1 or 3 , wherein
Forming a channel layer on the gate insulating film;
Forming the protective insulating film in contact with the channel layer;
And (f) heating at 150 to 500 ° C. after the formation of the protective insulating film.
絶縁性基板上にチャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層に対して、水素プラズマ処理、希ガス雰囲気中での逆スパッタリング、電子線照射、及び紫外線照射から選択される1つ以上の処理を行なう工程とを含む、薄膜トランジスタの製造方法。
It is a manufacturing method of the thin-film transistor of Claim 2 or 4 , Comprising:
Forming a channel layer on the insulating substrate;
And d) performing, on the channel layer, one or more processes selected from hydrogen plasma treatment, reverse sputtering in a rare gas atmosphere, electron beam irradiation, and ultraviolet ray irradiation.
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