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JP2016225505A - Thin film transistor, method of manufacturing the same, and sputtering target - Google Patents

Thin film transistor, method of manufacturing the same, and sputtering target Download PDF

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JP2016225505A
JP2016225505A JP2015111615A JP2015111615A JP2016225505A JP 2016225505 A JP2016225505 A JP 2016225505A JP 2015111615 A JP2015111615 A JP 2015111615A JP 2015111615 A JP2015111615 A JP 2015111615A JP 2016225505 A JP2016225505 A JP 2016225505A
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JP
Japan
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oxide semiconductor
semiconductor layer
thin film
film transistor
drain electrode
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JP2015111615A
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後藤 裕史
Yasushi Goto
裕史 後藤
元隆 越智
Mototaka Ochi
元隆 越智
釘宮 敏洋
Toshihiro Kugimiya
敏洋 釘宮
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Abstract

【課題】酸化物半導体層を用いる薄膜トランジスタにおいて、従来よりもより高い移動度を有する薄膜トランジスタ及びその製造方法を提供する。【解決手段】薄膜トランジスタは、基板上に少なくともゲート電極2、ゲート絶縁膜、酸化物半導体層4、ソース−ドレイン電極5、及びソース−ドレイン電極5を保護するSiNx等の保護膜をこの順序で有する薄膜トランジスタであって、酸化物半導体層4は、半導体領域と導体領域を有し、SiNx等の保護膜から拡散した水素によって形成された導体領域は少なくとも、酸化物半導体層4のチャネル領域と端部のうちの1以上に存在することで、高い移動度を有する。【選択図】図1In a thin film transistor using an oxide semiconductor layer, a thin film transistor having higher mobility than the conventional thin film transistor and a manufacturing method thereof are provided. A thin film transistor has at least a gate electrode 2, a gate insulating film, an oxide semiconductor layer 4, a source-drain electrode 5, and a protective film such as SiNx for protecting the source-drain electrode 5 in this order on a substrate. In the thin film transistor, the oxide semiconductor layer 4 has a semiconductor region and a conductor region, and a conductor region formed by hydrogen diffused from a protective film such as SiNx has at least a channel region and an end portion of the oxide semiconductor layer 4 It exists in 1 or more of them, and has a high mobility. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、薄膜トランジスタおよびその製造方法ならびにスパッタリングターゲットに関する。本発明の薄膜トランジスタは、例えば液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどの表示装置に好適に用いられる。以下では、上記薄膜トランジスタを、TFT(Thin Film Transistor)と呼ぶことがある。   The present invention relates to a thin film transistor, a method for manufacturing the same, and a sputtering target. The thin film transistor of the present invention is suitably used for display devices such as a liquid crystal display and an organic EL display. Hereinafter, the thin film transistor may be referred to as a TFT (Thin Film Transistor).

酸化物半導体は、汎用のアモルファスシリコンに比べて高いキャリア移動度を有する。また酸化物半導体は、光学バンドギャップが大きく、低温で成膜することが可能であるため、大型・高解像度・高速駆動が要求される次世代ディスプレイや、耐熱性の低い樹脂基板などへの適用が期待されている。   An oxide semiconductor has higher carrier mobility than general-purpose amorphous silicon. Oxide semiconductors have a large optical band gap and can be deposited at low temperatures, so they can be applied to next-generation displays that require large size, high resolution, and high-speed driving, and resin substrates with low heat resistance. Is expected.

上記酸化物半導体をTFTの半導体層として用いる場合、TFTのスイッチング特性に優れていることが要求される。具体的には、(1)オン電流、即ち、ゲート電極とドレイン電極に正電圧をかけたときの最大ドレイン電流が高く、(2)オフ電流、即ち、ゲート電極に負電圧を、ドレイン電圧に正電圧を夫々かけたときのドレイン電流が低く、(3)S値(Subthreshold Swing)、即ち、ドレイン電流を1桁あげるのに必要なゲート電圧が低く、(4)しきい値電圧、即ち、ドレイン電極に正電圧をかけ、ゲート電圧に正負いずれかの電圧をかけたときに、ドレイン電流が流れ始める電圧が時間的に変化せずに安定であり、且つ(5)電界効果移動度(以下、単に移動度と呼ぶ場合がある。)が高いこと、などが要求される。   When the oxide semiconductor is used as a semiconductor layer of a TFT, it is required that the TFT has excellent switching characteristics. Specifically, (1) the on-current, that is, the maximum drain current when a positive voltage is applied to the gate electrode and the drain electrode is high, and (2) the off-current, ie, the negative voltage is applied to the gate electrode. When the positive voltage is applied, the drain current is low, (3) the S value (Subthreshold Swing), that is, the gate voltage required to increase the drain current by one digit is low, and (4) the threshold voltage, ie, When a positive voltage is applied to the drain electrode and a positive or negative voltage is applied to the gate voltage, the voltage at which the drain current begins to flow is stable without changing over time, and (5) field-effect mobility , It may be simply referred to as mobility).

上記酸化物半導体として、例えば特許文献1〜3に示すように、インジウム、ガリウム、亜鉛、および酸素からなるIn−Ga−Zn系酸化物半導体や、インジウム、ガリウム、錫、および酸素からなるIn−Ga−Sn系酸化物半導体が知られている。しかし、上記酸化物半導体を用いてTFTを作製したとき、電界効果移動度の上限は10cm2/Vs程度である。近年は、表示装置の大画面化、高精細化や高速駆動化に対応するため、より高い移動度を示す材料が求められている。 As the oxide semiconductor, for example, as shown in Patent Documents 1 to 3, an In—Ga—Zn-based oxide semiconductor composed of indium, gallium, zinc, and oxygen, or In— composed of indium, gallium, tin, and oxygen. Ga-Sn oxide semiconductors are known. However, when a TFT is manufactured using the above oxide semiconductor, the upper limit of the field effect mobility is about 10 cm 2 / Vs. In recent years, materials exhibiting higher mobility have been demanded in order to cope with an increase in screen size, resolution, and speed of display devices.

特開2010−219538号公報JP 2010-219538 A 特開2011−174134号公報JP 2011-174134 A 特開2013−249537号公報JP 2013-249537 A

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来よりもより高い移動度、例えば約40cm2/Vs以上の極めて高い移動度を示す薄膜トランジスタおよびその製造方法、ならびに該薄膜トランジスタの酸化物半導体層形成用のスパッタリングターゲットを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a thin film transistor exhibiting a higher mobility than the conventional one, for example, an extremely high mobility of about 40 cm 2 / Vs or more, a method for manufacturing the same, and a method for manufacturing the thin film transistor. The object is to provide a sputtering target for forming an oxide semiconductor layer.

上記課題を解決し得た本発明の薄膜トランジスタは、基板上に少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体層、ソース−ドレイン電極、および前記ソース−ドレイン電極を保護する保護膜をこの順序で有する薄膜トランジスタであって、前記酸化物半導体層は、半導体領域と導体領域を有し、該導体領域は少なくとも、酸化物半導体層のチャネル領域と端部のうちの1以上に存在するところに特徴を有する。   The thin film transistor of the present invention that has solved the above problems has at least a gate electrode, a gate insulating film, an oxide semiconductor layer, a source-drain electrode, and a protective film for protecting the source-drain electrode in this order on a substrate. A thin film transistor, wherein the oxide semiconductor layer has a semiconductor region and a conductor region, and the conductor region is present at least in one or more of a channel region and an end of the oxide semiconductor layer. .

上記課題を解決し得た本発明の薄膜トランジスタは、基板上に少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体層、ソース−ドレイン電極、および前記ソース−ドレイン電極を保護する保護膜をこの順序で有する薄膜トランジスタであって、基板の上面からみたときに、前記酸化物半導体層のチャネル領域に近接する端部xが、前記ソース−ドレイン電極の、前記チャネル領域に近接かつ酸化物半導体層と直接接する端部yよりも、外部に位置し、かつ上記端部xと上記端部yの最短距離dが、3μm以上、100μm以下であるところに特徴を有するものでもある。   The thin film transistor of the present invention that has solved the above problems has at least a gate electrode, a gate insulating film, an oxide semiconductor layer, a source-drain electrode, and a protective film for protecting the source-drain electrode in this order on a substrate. A thin film transistor, wherein when viewed from the top surface of the substrate, an end portion x adjacent to the channel region of the oxide semiconductor layer is an end of the source-drain electrode adjacent to the channel region and in direct contact with the oxide semiconductor layer It is also characterized by being located outside the portion y and having a shortest distance d between the end x and the end y of 3 μm or more and 100 μm or less.

前記酸化物半導体層は、In、Ga、Sn、およびOから構成される酸化物からなり、かつ各金属元素の原子数比は下記式(1)〜(3)を全て満たし、更に、前記保護膜はSiNxを含むことが好ましい。
0.30≦In/(In+Ga+Sn)≦0.50 ・・・(1)
0.20≦Ga/(In+Ga+Sn)≦0.30 ・・・(2)
0.25≦Sn/(In+Ga+Sn)≦0.45 ・・・(3)
The oxide semiconductor layer is made of an oxide composed of In, Ga, Sn, and O, and the atomic ratio of each metal element satisfies all of the following formulas (1) to (3). The film preferably contains SiNx.
0.30 ≦ In / (In + Ga + Sn) ≦ 0.50 (1)
0.20 ≦ Ga / (In + Ga + Sn) ≦ 0.30 (2)
0.25 ≦ Sn / (In + Ga + Sn) ≦ 0.45 (3)

前記酸化物半導体層は、InおよびGaの原子数比が下記式(4)を満たすことが好ましい。
0.60≦In/(In+Ga)≦0.75 ・・・(4)
In the oxide semiconductor layer, the atomic ratio of In and Ga preferably satisfies the following formula (4).
0.60 ≦ In / (In + Ga) ≦ 0.75 (4)

前記酸化物半導体層は、少なくとも一部がアモルファス構造を有することが好ましい。   It is preferable that at least a part of the oxide semiconductor layer has an amorphous structure.

本発明は、前記薄膜トランジスタの製造方法も規定する。該製造方法は、酸化物半導体層をガス圧1〜5mTorrの条件でスパッタリングを行って形成する工程と、保護膜を形成した後、200℃以上の温度で熱処理する工程と、を含むところに特徴を有する。   The present invention also defines a method for manufacturing the thin film transistor. The manufacturing method includes a step of forming an oxide semiconductor layer by sputtering under conditions of a gas pressure of 1 to 5 mTorr and a step of heat-treating at a temperature of 200 ° C. or higher after forming a protective film. Have

本発明は、前記薄膜トランジスタの酸化物半導体層の形成に用いられるスパッタリングターゲットも含む。該スパッタリングターゲットは、In、Ga、Sn、およびOを有し、かつ下記式(1)〜(3)を全て満たすところに特徴を有する。
0.30≦In/(In+Ga+Sn)≦0.50 ・・・(1)
0.20≦Ga/(In+Ga+Sn)≦0.30 ・・・(2)
0.25≦Sn/(In+Ga+Sn)≦0.45 ・・・(3)
The present invention also includes a sputtering target used for forming the oxide semiconductor layer of the thin film transistor. The sputtering target is characterized by having In, Ga, Sn, and O and satisfying all of the following formulas (1) to (3).
0.30 ≦ In / (In + Ga + Sn) ≦ 0.50 (1)
0.20 ≦ Ga / (In + Ga + Sn) ≦ 0.30 (2)
0.25 ≦ Sn / (In + Ga + Sn) ≦ 0.45 (3)

本発明によれば、従来よりもより高い移動度を有するTFTを提供することができる。   According to the present invention, a TFT having higher mobility than the conventional one can be provided.

図1は、本発明の薄膜トランジスタの実施形態1を概略的に示す上面図である。FIG. 1 is a top view schematically showing Embodiment 1 of the thin film transistor of the present invention. 図2は、図1の薄膜トランジスタの断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the thin film transistor of FIG. 図3は、本発明の薄膜トランジスタの実施形態2を概略的に示す上面図である。FIG. 3 is a top view schematically showing Embodiment 2 of the thin film transistor of the present invention. 図4は、図3の薄膜トランジスタの断面図である。4 is a cross-sectional view of the thin film transistor of FIG. 図5は、従来の薄膜トランジスタの形態の上面図である。FIG. 5 is a top view of a conventional thin film transistor. 図6は、図5の薄膜トランジスタの断面図である。6 is a cross-sectional view of the thin film transistor of FIG. 図7は、実施例におけるサーマルイメージ観察領域を概略的に示す上面図である。FIG. 7 is a top view schematically showing a thermal image observation region in the embodiment. 図8は、実施例において薄膜トランジスタに電流を加えたときのサーマルイメージである。FIG. 8 is a thermal image when a current is applied to the thin film transistor in the embodiment.

本発明者らは、酸化物半導体を半導体層に用いたTFT、即ち、基板上に少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体層、ソース−ドレイン電極、および前記ソース−ドレイン電極を保護する保護膜をこの順序で有するTFTの移動度を向上させるため、検討を重ねてきた。その結果、前記ソース電極と前記ドレイン電極とが電気的に接続している酸化物半導体層が、半導体領域と共に導体領域を有し、かつ該導体領域が下記(i)(ii)の少なくとも1以上に存在すれば、従来よりもより高い移動度が得られることを見出し、本発明を完成させた。
(i)酸化物半導体層におけるチャネル領域、即ち、ソース電極と直接接する酸化物半導体層の領域と、ドレイン電極と直接接する酸化物半導体層の領域との間
(ii)酸化物半導体層の端部
The inventors of the present invention have disclosed a TFT using an oxide semiconductor as a semiconductor layer, that is, at least a gate electrode, a gate insulating film, an oxide semiconductor layer, a source-drain electrode, and a protection for protecting the source-drain electrode on a substrate. In order to improve the mobility of TFTs having films in this order, studies have been repeated. As a result, the oxide semiconductor layer in which the source electrode and the drain electrode are electrically connected has a conductor region together with the semiconductor region, and the conductor region is at least one of the following (i) and (ii): If present, the present inventors have found that a higher mobility than conventional can be obtained, and completed the present invention.
(I) Between a channel region in the oxide semiconductor layer, that is, a region of the oxide semiconductor layer that is in direct contact with the source electrode, and a region of the oxide semiconductor layer that is in direct contact with the drain electrode (ii) an end portion of the oxide semiconductor layer

上記導体領域を有する酸化物半導体層は、特別なプロセスを必要とせず、例えば後述の通り、ソース−ドレイン電極と酸化物半導体層とのオーバーラップ量を制御し、かつ水素拡散源としてSiNxを含む保護膜を用い、酸化物半導体層への水素インジェクションを制御することで実現することができる。   The oxide semiconductor layer having the conductor region does not require a special process. For example, as described later, the amount of overlap between the source-drain electrode and the oxide semiconductor layer is controlled, and SiNx is included as a hydrogen diffusion source. This can be realized by using a protective film and controlling hydrogen injection into the oxide semiconductor layer.

尚、上記酸化物半導体層の構造では、上記半導体領域−導体領域−半導体領域の一連の領域で、金属元素の比率が略同一であることが好ましい。   Note that in the structure of the oxide semiconductor layer, it is preferable that the ratio of the metal elements is substantially the same in a series of the semiconductor region, the conductor region, and the semiconductor region.

上記酸化物半導体層は、特に高移動度のTFTを得るため、金属元素としてIn、Ga、およびSnを含むIn−Ga−Sn系酸化物半導体層であることが好ましい。例えばIn、Ga、Sn、およびOから構成される酸化物からなる酸化物半導体層が挙げられる。   In particular, the oxide semiconductor layer is preferably an In—Ga—Sn-based oxide semiconductor layer containing In, Ga, and Sn as metal elements in order to obtain a TFT with high mobility. For example, an oxide semiconductor layer including an oxide including In, Ga, Sn, and O can be given.

また、上記各金属元素の原子数比を適切に制御することが好ましい。具体的には、前記In、Ga、Sn、およびOから構成される酸化物からなる酸化物半導体層の、In、GaおよびSnの合計に対する各金属元素の原子数比は、下記式(1)〜(3)を全て満たすことが好ましい。以下、In/(In+Ga+Sn)をIn原子数比、Ga/(In+Ga+Sn)をGa原子数比、Sn/(In+Ga+Sn)をSn原子数比ということがある。各原子数比について説明する。
0.30≦In/(In+Ga+Sn)≦0.50 ・・・(1)
0.20≦Ga/(In+Ga+Sn)≦0.30 ・・・(2)
0.25≦Sn/(In+Ga+Sn)≦0.45 ・・・(3)
In addition, it is preferable to appropriately control the atomic ratio of each metal element. Specifically, the atomic ratio of each metal element to the total of In, Ga, and Sn in the oxide semiconductor layer made of an oxide composed of In, Ga, Sn, and O is expressed by the following formula (1). It is preferable to satisfy all of (3). Hereinafter, In / (In + Ga + Sn) may be referred to as an In atom number ratio, Ga / (In + Ga + Sn) may be referred to as a Ga atom number ratio, and Sn / (In + Ga + Sn) may be referred to as an Sn atom number ratio. Each atomic ratio will be described.
0.30 ≦ In / (In + Ga + Sn) ≦ 0.50 (1)
0.20 ≦ Ga / (In + Ga + Sn) ≦ 0.30 (2)
0.25 ≦ Sn / (In + Ga + Sn) ≦ 0.45 (3)

Inは電気伝導性の向上に寄与する元素である。In原子数比が大きくなるほど、即ち、金属元素に占めるIn量が多くなるほど、酸化物半導体層の導電性が向上するため電界効果移動度は増加する。上記作用を有効に発揮させるには、上記In原子数比を0.30以上とすることが好ましい。上記In原子数比は、より好ましくは0.31以上、更に好ましくは0.35以上、より更に好ましくは0.40以上である。但し、In原子数比が大き過ぎると、キャリア密度が増加しすぎてしきい値電圧が低下しやすくなる。よってその上限を0.50以下とすることが好ましい。In原子数比は、より好ましくは0.48以下、更に好ましくは0.45以下である。   In is an element that contributes to the improvement of electrical conductivity. As the In atom number ratio increases, that is, as the amount of In in the metal element increases, the conductivity of the oxide semiconductor layer improves, so that the field effect mobility increases. In order to effectively exhibit the above action, the In atom number ratio is preferably set to 0.30 or more. The In atom number ratio is more preferably 0.31 or more, still more preferably 0.35 or more, and still more preferably 0.40 or more. However, if the In atom number ratio is too large, the carrier density increases too much and the threshold voltage tends to decrease. Therefore, the upper limit is preferably 0.50 or less. The In atom number ratio is more preferably 0.48 or less, and still more preferably 0.45 or less.

Gaは、酸素欠損の低減およびキャリア密度の制御に寄与する元素である。Ga原子数比が大きいほど、酸化物半導体層の電気的安定性が向上し、キャリアの過剰発生を抑制する効果を発揮する。上記作用を有効に発揮させるには、Ga原子数比を0.20以上とすることが好ましい。上記Ga原子数比は、より好ましくは0.22以上、更に好ましくは0.25以上である。但し、Ga原子数比が大き過ぎると、酸化物半導体層の導電性が低下して電界効果移動度が低下しやすくなる。よってGa原子数比は、0.30以下とすることが好ましい。Ga原子数比は、より好ましくは0.28以下である。   Ga is an element that contributes to reduction of oxygen deficiency and control of carrier density. As the Ga atom number ratio is larger, the electrical stability of the oxide semiconductor layer is improved, and the effect of suppressing excessive generation of carriers is exhibited. In order to effectively exhibit the above action, the Ga atom number ratio is preferably 0.20 or more. The Ga atom number ratio is more preferably 0.22 or more, and further preferably 0.25 or more. However, when the Ga atom number ratio is too large, the conductivity of the oxide semiconductor layer is lowered and the field-effect mobility is easily lowered. Therefore, the Ga atom number ratio is preferably 0.30 or less. The Ga atom number ratio is more preferably 0.28 or less.

Snは、酸エッチング耐性の向上に寄与する元素である。Sn原子数比が大きいほど、酸化物半導体層の無機酸エッチング液に対する耐性は向上する。上記作用を更に有効に発揮させるには、Sn原子数比を0.25以上とすることが好ましい。Sn原子数比は、好ましくは0.30以上、より好ましくは0.31以上、更に好ましくは0.35以上である。一方、Sn原子数比が大き過ぎると、酸化物半導体層の電界効果移動度が低下すると共に、酸エッチング液に対する耐性が必要以上に高まり、酸化物半導体層自体の加工が困難になりやすい。よってSn原子数比は0.45以下とすることが好ましい。Sn原子数比は、より好ましくは0.40以下、更に好ましくは0.38以下である。   Sn is an element that contributes to improvement of acid etching resistance. As the Sn atomic ratio is larger, the resistance of the oxide semiconductor layer to the inorganic acid etchant is improved. In order to more effectively exhibit the above action, the Sn atom number ratio is preferably set to 0.25 or more. The Sn atom number ratio is preferably 0.30 or more, more preferably 0.31 or more, and still more preferably 0.35 or more. On the other hand, if the Sn atom number ratio is too large, the field effect mobility of the oxide semiconductor layer is lowered and the resistance to the acid etching solution is increased more than necessary, and the oxide semiconductor layer itself is likely to be difficult to process. Therefore, the Sn atom number ratio is preferably 0.45 or less. The Sn atom number ratio is more preferably 0.40 or less, and still more preferably 0.38 or less.

さらに、上記酸化物半導体層は、InおよびGaの原子数比が下記式(4)を満たすことが好ましい。
0.60≦In/(In+Ga)≦0.75 ・・・(4)
Furthermore, the oxide semiconductor layer preferably has an atomic ratio of In and Ga that satisfies the following formula (4).
0.60 ≦ In / (In + Ga) ≦ 0.75 (4)

Inは添加量を増やすとキャリア密度を増加させるが、欠陥も増えて信頼性が低下しやすくなる。そこで、上記式(4)を満たすようにGaをバランスよく添加させることによって、キャリア密度と欠陥の制御を可能とし、信頼性の高い酸化物半導体を得ることができる。   Increasing the amount of In increases the carrier density, but the number of defects increases and the reliability tends to decrease. Thus, by adding Ga in a balanced manner so as to satisfy the above formula (4), the carrier density and defects can be controlled, and a highly reliable oxide semiconductor can be obtained.

上記酸化物半導体層は、少なくとも一部がアモルファス構造を有していることが好ましい。高移動度や高信頼性を示す酸化物半導体層は結晶化している場合があるが、本発明の酸化物半導体層は、上述の通り少なくとも一部がアモルファス構造となっていることが好ましい。一部がアモルファス構造を有する酸化物半導体層は、ウェットエッチング工程での加工性が良好なため、全て結晶化した酸化物半導体よりも、生産性や歩留りの観点で好ましい。ここで「少なくとも一部がアモルファスである」とは、上記酸化物半導体層を備えたTFTが極めて高い移動度を示す限り、アモルファス化の程度については特に限定されないことをいう。本発明の酸化物半導体層がアモルファス構造を有することは、例えば、酸化物半導体層の断面TEM像等により確認することができる。   It is preferable that at least a part of the oxide semiconductor layer has an amorphous structure. Although an oxide semiconductor layer exhibiting high mobility and high reliability may be crystallized, it is preferable that at least a part of the oxide semiconductor layer of the present invention has an amorphous structure as described above. An oxide semiconductor layer partly having an amorphous structure is preferable from the viewpoint of productivity and yield over an oxide semiconductor that is entirely crystallized because the workability in the wet etching process is favorable. Here, “at least a part is amorphous” means that the degree of amorphization is not particularly limited as long as the TFT including the oxide semiconductor layer exhibits extremely high mobility. The fact that the oxide semiconductor layer of the present invention has an amorphous structure can be confirmed by, for example, a cross-sectional TEM image of the oxide semiconductor layer.

上記導体領域を含む酸化物半導体層を有し、高移動度を示すTFTを得るには、TFTの構造を特に次の通りとするのがよい。即ち、基板の上面からみたときに、酸化物半導体層のチャネル領域に近接する端部xが、ソース−ドレイン電極の、前記チャネル領域に近接かつ酸化物半導体層と直接接する端部yよりも、外部に位置し、かつ上記端部xと上記端部yの最短距離dが、3μm以上、100μm以下を満たすようにする。   In order to obtain a TFT having an oxide semiconductor layer including the conductor region and exhibiting high mobility, the structure of the TFT is particularly preferably as follows. That is, when viewed from the top surface of the substrate, the end portion x adjacent to the channel region of the oxide semiconductor layer is more than the end portion y of the source-drain electrode adjacent to the channel region and in direct contact with the oxide semiconductor layer. It is located outside and the shortest distance d between the end x and the end y satisfies 3 μm or more and 100 μm or less.

該構造とすることで高移動度を実現できる機構は、熱処理により、酸化物半導体層と接する保護膜またはエッチストップ層を介して接する保護層から、酸化物半導体層へ拡散(ディフュージョン)する水素や水素化合物と関係していると考えられる。水素や水素化合物が保護膜から酸化物半導体層へ拡散すると、酸化物半導体層のキャリア密度が増加し、水素や水素化合物の拡散した領域が半導体から導体へ変化すると考えられる。   With this structure, a mechanism that can realize high mobility can be obtained by hydrogen diffusion (diffusion) from the protective film in contact with the oxide semiconductor layer or the protective layer in contact with the oxide semiconductor layer to the oxide semiconductor layer by heat treatment. It is thought to be related to hydrogen compounds. When hydrogen or a hydrogen compound diffuses from the protective film to the oxide semiconductor layer, the carrier density of the oxide semiconductor layer increases, and the region where the hydrogen or hydrogen compound diffuses is considered to change from a semiconductor to a conductor.

酸化物半導体層の特に端部の導体化を促進させる場合には、上述の通り、上記端部xと上記端部yの最短距離dが3μm以上であり、かつ酸化物半導体層が、保護層と直接接するかまたはエッチストップ層を介して保護膜と接していることが好ましい。この構造に対し、薄膜トランジスタの製造工程で200℃以上の熱処理を施すことによって、保護膜を構成するSiNx層に含まれる水素や水素化合物が酸化物半導体層中へと拡散し、酸化物半導体層の端部を中心として導体化すると考えられる。一方、ソース−ドレイン電極は、水素拡散のバリア膜として働くため、上述する最短距離dが3μmよりも短い、即ち酸化物半導体層がソース−ドレイン電極で広く覆われていると、保護膜から酸化物半導体層への水素拡散が阻害され、酸化物半導体層中に十分にキャリアを生成することが困難となる。前記最短距離dは、好ましくは5μm以上である。一方、前記最短距離dが100μmを超えても、かえって移動度が小さくなる傾向にある。よって前記最短距離dは100μm以下とする。前記最短距離dは、好ましくは75μm以下、より好ましくは50μm以下である。   When promoting the conductorization of the end portion of the oxide semiconductor layer, in particular, as described above, the shortest distance d between the end portion x and the end portion y is 3 μm or more, and the oxide semiconductor layer is a protective layer. It is preferable to be in direct contact with the protective film or in contact with the protective film through an etch stop layer. By subjecting this structure to heat treatment at 200 ° C. or higher in the manufacturing process of the thin film transistor, hydrogen or a hydrogen compound contained in the SiNx layer constituting the protective film diffuses into the oxide semiconductor layer, and the oxide semiconductor layer It is considered that the conductor is formed around the end. On the other hand, since the source-drain electrode functions as a barrier film for hydrogen diffusion, if the shortest distance d described above is shorter than 3 μm, that is, if the oxide semiconductor layer is widely covered with the source-drain electrode, the source-drain electrode is oxidized from the protective film. Hydrogen diffusion to the physical semiconductor layer is hindered, and it is difficult to sufficiently generate carriers in the oxide semiconductor layer. The shortest distance d is preferably 5 μm or more. On the other hand, even if the shortest distance d exceeds 100 μm, the mobility tends to decrease. Therefore, the shortest distance d is set to 100 μm or less. The shortest distance d is preferably 75 μm or less, more preferably 50 μm or less.

後述する実施例で示す通り、上記最短距離dが上記範囲内を満たすとき、40cm2/Vs以上の極めて高い移動度を達成することができる。 As shown in the examples described later, when the shortest distance d satisfies the above range, a very high mobility of 40 cm 2 / Vs or more can be achieved.

酸化物半導体層へ水素を効果的に拡散させる手段として、上記最短距離dを制御する他に次の方法が挙げられる。即ち、薄膜トランジスタを基板の上面からみたときに、酸化物半導体層の、保護層およびエッチストップ層と直接接触する面積をA、保護層とエッチストップ層のいずれとも直接接触していない面積をBとしたときに、0.1≦A/(A+B)<1を満たすようにすればよい。上記範囲を満たすことにより、保護膜に含有される水素が熱処理によって直接酸化物半導体へ拡散する面積を、十分に確保することができる。   As means for effectively diffusing hydrogen into the oxide semiconductor layer, the following method can be cited in addition to controlling the shortest distance d. That is, when the thin film transistor is viewed from the top surface of the substrate, the area of the oxide semiconductor layer that is in direct contact with the protective layer and the etch stop layer is A, and the area that is not in direct contact with either the protective layer or the etch stop layer is B. Then, 0.1 ≦ A / (A + B) <1 may be satisfied. By satisfying the above range, an area where hydrogen contained in the protective film is directly diffused into the oxide semiconductor by heat treatment can be sufficiently ensured.

上述した導体領域を有する酸化物半導体層を得るには、ソース−ドレイン電極を保護する保護膜がSiNxを含むことが推奨される。該SiNxはいわゆる窒化シリコンである。前記xは正の実数であり、窒化の程度を示している。本発明者らの検討結果によれば、所定組成物の酸化物半導体層と、SiNx系保護膜の両方を備えたTFTを用いることにより、上記保護膜に含まれる水素や水素化合物が上記酸化物半導体層に拡散(ディフュージョン)され、高移動度の発現に大きく寄与することが明らかになった。このような移動度向上作用は、本発明のTFTを用いることによって初めて得られるものである。   In order to obtain the above-described oxide semiconductor layer having a conductor region, it is recommended that the protective film protecting the source-drain electrode contains SiNx. The SiNx is so-called silicon nitride. The x is a positive real number and indicates the degree of nitriding. According to the examination results of the present inventors, by using a TFT including both an oxide semiconductor layer having a predetermined composition and a SiNx-based protective film, hydrogen or a hydrogen compound contained in the protective film is converted into the oxide. It has been clarified that it is diffused (diffused) into the semiconductor layer and greatly contributes to the development of high mobility. Such a mobility improving effect can be obtained for the first time by using the TFT of the present invention.

これにより、酸化物半導体層として、前述した特許文献1〜3などに記載されたIGZOや汎用のIn−Ga−Sn系酸化物半導体層を用いたときと比べて、TFTの移動度を約40cm2/Vs以上と格段に高めることができる。 Thereby, the mobility of the TFT is about 40 cm as compared with the case where the IGZO and the general-purpose In—Ga—Sn-based oxide semiconductor layer described in Patent Documents 1 to 3 described above are used as the oxide semiconductor layer. 2 / Vs or higher.

上述した保護膜から酸化物半導体層への水素の拡散促進や、少なくとも一部がアモルファス構造を有する酸化物半導体層の実現のためには、TFTの製造工程において、下記の(i)酸化物半導体層をガス圧1〜5mTorrの条件でスパッタリングを行って形成する工程と、(ii)保護膜を形成した後、200℃以上の温度で熱処理する工程とを含む必要がある。以下、各工程について説明する。   In order to promote diffusion of hydrogen from the protective film to the oxide semiconductor layer and to realize an oxide semiconductor layer having at least a part of an amorphous structure, the following (i) oxide semiconductor is used in the TFT manufacturing process. It is necessary to include a step of forming the layer by sputtering under a gas pressure of 1 to 5 mTorr, and (ii) a step of heat-treating at a temperature of 200 ° C. or higher after forming the protective film. Hereinafter, each step will be described.

(i)酸化物半導体層をガス圧1〜5mTorrの条件でスパッタリングを行って形成する工程
酸化物半導体層をスパッタリングで形成時のガス圧が1mTorr未満では膜密度が不十分になる。前記ガス圧の好ましい下限は2mTorr以上である。一方、前記ガス圧が5mTorrを超えると、所望とする結晶構造が得られない。該ガス圧の好ましい上限は4mTorr以下であり、より好ましくは3mTorr以下である。酸化物半導体層形成時の好ましい雰囲気は、大気雰囲気または水蒸気雰囲気である。
(I) Step of forming oxide semiconductor layer by sputtering under conditions of gas pressure of 1 to 5 mTorr If the gas pressure when forming the oxide semiconductor layer by sputtering is less than 1 mTorr, the film density becomes insufficient. A preferable lower limit of the gas pressure is 2 mTorr or more. On the other hand, if the gas pressure exceeds 5 mTorr, the desired crystal structure cannot be obtained. The upper limit of the gas pressure is preferably 4 mTorr or less, more preferably 3 mTorr or less. A preferable atmosphere at the time of forming the oxide semiconductor layer is an air atmosphere or a water vapor atmosphere.

(ii)保護膜を形成した後、200℃以上の温度で熱処理する工程
更に本発明では、保護膜形成の後、200℃以上の温度で熱処理(ポストアニール)する。熱処理温度は保護膜に含まれる水素が拡散を始める温度とする。上記熱処理の温度が200℃未満ではTFTの高移動度が発現しない。熱処理温度の好ましい下限は250℃以上であり、より好ましくは260℃以上である。一方、熱処理温度が高過ぎると、TFTが導体化するため、その上限を280℃以下とすることが好ましい。より好ましい上限は270℃以下である。
(Ii) Step of performing heat treatment at a temperature of 200 ° C. or higher after forming the protective film Furthermore, in the present invention, after forming the protective film, heat treatment (post-annealing) is performed at a temperature of 200 ° C. or higher. The heat treatment temperature is a temperature at which hydrogen contained in the protective film starts to diffuse. When the temperature of the heat treatment is less than 200 ° C., high mobility of the TFT does not appear. The minimum with preferable heat processing temperature is 250 degreeC or more, More preferably, it is 260 degreeC or more. On the other hand, if the heat treatment temperature is too high, the TFT becomes a conductor, so the upper limit is preferably 280 ° C. or lower. A more preferable upper limit is 270 ° C. or less.

上記熱処理では、酸化物半導体層の所望とする結晶構造が得られるよう、熱処理時間を例えば30〜90分の範囲内に制御することが好ましい。なお、雰囲気は特に限定されず、例えば、窒素雰囲気、大気雰囲気などが挙げられる。   In the heat treatment, the heat treatment time is preferably controlled within a range of, for example, 30 to 90 minutes so that a desired crystal structure of the oxide semiconductor layer can be obtained. The atmosphere is not particularly limited, and examples thereof include a nitrogen atmosphere and an air atmosphere.

上記以外の、TFTの形成工程は特に限定されず、通常の方法を採用することができる。   The TFT formation process other than the above is not particularly limited, and a normal method can be adopted.

上記構造を有する本発明のTFTの好ましい実施形態を、図1〜4を参照しながら詳しく説明する。但し、本発明の構成は図1〜4に限定する趣旨ではない。例えば、下記図1〜4では、エッチストップ層9を有するESL(Etch Stop Layer)型の構造を示しているが、これに限定されず、本発明は、上記エッチストップ層9を含まないBCE(Back Channel Etch)型の構造に適用することもできる。下記では、参考のために従来のTFTも図5,6に示す。   A preferred embodiment of the TFT of the present invention having the above structure will be described in detail with reference to FIGS. However, the configuration of the present invention is not limited to FIGS. For example, in FIGS. 1 to 4 below, an ESL (Etch Stop Layer) type structure having an etch stop layer 9 is shown. However, the present invention is not limited to this, and the present invention does not include the etch stop layer 9. It can also be applied to a structure of the (Back Channel Etch) type. In the following, conventional TFTs are also shown in FIGS.

図1と図2は、本発明の薄膜トランジスタの形態を例示する実施形態1の上面図と断面図であり、図1のA−A線での断面図が図2である。図3と図4は、本発明の薄膜トランジスタの別の形態を例示する実施形態2の上面図と断面図であり、図3のB−B線での断面図が図4である。図5と図6は、従来の薄膜トランジスタの形態の上面図と断面図であり、図5のC−C線での断面図が図6である。尚、図1、3および5では、基板1とゲート絶縁膜3の表示を省略している。また図1、3および5には図示していないが、いずれも最表面は保護膜6で覆われている。図1に示す通り、コンタクトホール7は破線で囲まれた形状をしている。   1 and FIG. 2 are a top view and a cross-sectional view of Embodiment 1 illustrating the form of the thin film transistor of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 3 and 4 are a top view and a cross-sectional view of Embodiment 2 illustrating another embodiment of the thin film transistor of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 5 and 6 are a top view and a cross-sectional view of a conventional thin film transistor, and FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. In FIGS. 1, 3 and 5, the display of the substrate 1 and the gate insulating film 3 is omitted. Although not shown in FIGS. 1, 3 and 5, the outermost surface of each is covered with a protective film 6. As shown in FIG. 1, the contact hole 7 has a shape surrounded by a broken line.

図1、3および5におけるdは、酸化物半導体層のチャネルに近接する端部と、ソース−ドレイン電極の、チャネルに近接かつ酸化物半導体層と直接接する端部との最短距離を示す。よって、実施形態1を示す図1では、チャネルに近接する酸化物半導体層の端部と、コンタクトホール7を介してソース−ドレイン電極5が酸化物半導体層4と接する端部との最短距離がdとなる。   1, 3, and 5, d indicates the shortest distance between the end of the oxide semiconductor layer adjacent to the channel and the end of the source-drain electrode that is close to the channel and is in direct contact with the oxide semiconductor layer. Therefore, in FIG. 1 illustrating Embodiment 1, the shortest distance between the end of the oxide semiconductor layer close to the channel and the end where the source-drain electrode 5 is in contact with the oxide semiconductor layer 4 through the contact hole 7 is d.

以下では、実施形態1、2のうち、従来と構造が大きく異なる実施形態1を中心に説明する。   In the following, the first and second embodiments will be described focusing on the first embodiment, which is significantly different from the conventional one.

図1および図2に示すように、実施形態1のTFTは、基板1上に、ゲート電極2、ゲート絶縁膜3、酸化物半導体層4、酸化物半導体層4を保護するためのエッチストップ層9、ソース−ドレイン電極5、ソース−ドレイン電極5を保護する保護膜6をこの順序で有し、コンタクトホール7を介して酸化物半導体層4がソース−ドレイン電極5と電気的に接続されている。この実施形態1のTFTは、前述した組成の酸化物半導体層4を用いている。また、図3と4に示す実施形態2のTFT、および図5と6に示す従来のTFTも、前述した組成の酸化物半導体層4を用いている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the TFT of Embodiment 1 includes a gate electrode 2, a gate insulating film 3, an oxide semiconductor layer 4, and an etch stop layer for protecting the oxide semiconductor layer 4 on a substrate 1. 9. A source-drain electrode 5 and a protective film 6 for protecting the source-drain electrode 5 are provided in this order, and the oxide semiconductor layer 4 is electrically connected to the source-drain electrode 5 through a contact hole 7. Yes. The TFT of Embodiment 1 uses the oxide semiconductor layer 4 having the composition described above. The TFT of Embodiment 2 shown in FIGS. 3 and 4 and the conventional TFT shown in FIGS. 5 and 6 also use the oxide semiconductor layer 4 having the composition described above.

尚、上記実施形態1のTFTは、図2に示すように酸化物半導体層4の両端部がエッチストップ層9と接するように構成されている。即ち、酸化物半導体層4のチャネル長方向の両端部を覆うようにエッチストップ層9で被覆され、酸化物半導体層4の両端部はソース−ドレイン電極5と接していない。この点で、従来の図5,6のTFTのように、酸化物半導体層4の両端部がソース−ドレイン電極5と接するように構成されている、即ち、酸化物半導体層4のチャネル長方向の両端部がソース−ドレイン電極5で被覆された従来構造と大きく相違する。   Note that the TFT of the first embodiment is configured such that both ends of the oxide semiconductor layer 4 are in contact with the etch stop layer 9 as shown in FIG. That is, the oxide semiconductor layer 4 is covered with the etch stop layer 9 so as to cover both ends in the channel length direction, and the both ends of the oxide semiconductor layer 4 are not in contact with the source-drain electrode 5. In this respect, both ends of the oxide semiconductor layer 4 are in contact with the source-drain electrode 5 as in the conventional TFT of FIGS. 5 and 6, that is, in the channel length direction of the oxide semiconductor layer 4. Is significantly different from the conventional structure in which both ends of the electrode are covered with the source-drain electrode 5.

また実施形態1の上面図を示した図1に示す通り、実施形態1ではエッチストップ層9の一部がパターニングされ、コンタクトホール7を介して酸化物半導体層4がソース−ドレイン電極5と接している。これに対し、実施形態2や従来構造を示す図3〜6では、パターニングされたエッチストップ層9とソース−ドレイン電極5が、酸化物半導体層4と接しており、コンタクトホール7は有していない。   As shown in FIG. 1 showing a top view of the first embodiment, in the first embodiment, a part of the etch stop layer 9 is patterned, and the oxide semiconductor layer 4 is in contact with the source-drain electrode 5 through the contact hole 7. ing. On the other hand, in FIGS. 3 to 6 showing the second embodiment and the conventional structure, the patterned etch stop layer 9 and the source-drain electrode 5 are in contact with the oxide semiconductor layer 4 and the contact hole 7 has. Absent.

以下、上記実施形態のTFTの好ましい製造方法について説明する。上記図1〜6のTFTは、それぞれパターニング形状は異なるが、同じ工程で製造できる。但し、本発明はこれに限定されない。   Hereinafter, a preferred method for manufacturing the TFT of the above embodiment will be described. The TFTs shown in FIGS. 1 to 6 are different in patterning shape, but can be manufactured in the same process. However, the present invention is not limited to this.

まず、基板1上にゲート電極2およびゲート絶縁膜3を形成する。これらの形成方法は特に限定されず、通常用いられる方法を採用することができる。また、ゲート電極2およびゲート絶縁膜3の種類も特に限定されず、汎用されているものを用いることができる。例えばゲート電極2として、電気抵抗率の低いAlやCuの金属や、耐熱性の高いMo、Cr、Tiなどの高融点金属や、これらの合金を好ましく用いることができる。また、ゲート絶縁膜3としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などが代表的に例示される。そのほか、Al23やY23などの酸化物や、これらを積層したものを用いることもできる。 First, the gate electrode 2 and the gate insulating film 3 are formed on the substrate 1. These forming methods are not particularly limited, and commonly used methods can be employed. Further, the types of the gate electrode 2 and the gate insulating film 3 are not particularly limited, and those commonly used can be used. For example, as the gate electrode 2, Al or Cu metal having a low electrical resistivity, refractory metal such as Mo, Cr, or Ti having high heat resistance, or an alloy thereof can be preferably used. The gate insulating film 3 is typically exemplified by a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, and the like. In addition, oxides such as Al 2 O 3 and Y 2 O 3 and those obtained by stacking these can also be used.

次いで、上述した酸化物半導体層4を形成する。前述したように本発明では、特に酸化物半導体層をスパッタリング法で形成の際、ガス圧1〜5mTorrの範囲に制御すると共に、保護膜形成の後、200℃以上の温度で熱処理することが重要である。よって、これら以外の工程は特に限定されず、通常の方法を採用することができる。酸化物半導体層の形成方法や保護膜の形成方法として下記の方法を好ましく用いることができる。   Next, the above-described oxide semiconductor layer 4 is formed. As described above, in the present invention, particularly when the oxide semiconductor layer is formed by sputtering, it is important to control the gas pressure within the range of 1 to 5 mTorr and to heat-treat at a temperature of 200 ° C. or higher after forming the protective film. It is. Therefore, processes other than these are not specifically limited, A normal method can be employ | adopted. The following methods can be preferably used as a method for forming the oxide semiconductor layer and a method for forming the protective film.

TFTを基板上面からみたときの、上記酸化物半導体層4の形状や後記するソース−ドレイン電極5の形状は、チャネルに近接する酸化物半導体層の端部が、チャネルに近接かつ酸化物半導体層と直接接するソース−ドレイン電極の端部よりも外部に位置するように制御することが挙げられる。   When the TFT is viewed from the top surface of the substrate, the shape of the oxide semiconductor layer 4 and the shape of the source-drain electrode 5 described later are such that the end of the oxide semiconductor layer close to the channel is close to the channel and the oxide semiconductor layer. And controlling so as to be positioned outside the end of the source-drain electrode that is in direct contact with the electrode.

例えば酸化物半導体層4は、スパッタリング法にてスパッタリングターゲットを用い、例えばDCスパッタリング法またはRFスパッタリング法により成膜することが好ましい。以下、スパッタリングターゲットを単に「ターゲット」ということがある。スパッタリング法によれば、成分や膜厚の膜面内均一性に優れた薄膜を容易に形成することができる。また、塗布法などの化学的成膜法によって酸化物を形成しても良い。   For example, the oxide semiconductor layer 4 is preferably formed using a sputtering target by a sputtering method, for example, a DC sputtering method or an RF sputtering method. Hereinafter, the sputtering target may be simply referred to as “target”. According to the sputtering method, a thin film having excellent in-plane uniformity of components and film thickness can be easily formed. Alternatively, the oxide may be formed by a chemical film formation method such as a coating method.

スパッタリング法に用いられるターゲットとして、前述した元素を含み、所望の酸化物と同一組成のターゲットを用いることが好ましく、これにより、組成ズレが少なく、所望の成分組成の薄膜を形成することができる。具体的には、In、Ga、Sn、およびOを有し、かつIn、GaおよびSnの合計に対する各金属元素の原子数比が上記式(1)〜(3)の全てを満たすターゲットを用いることが推奨される。   As a target used in the sputtering method, a target containing the above-described elements and having the same composition as the desired oxide is preferably used, so that a thin film having a desired component composition can be formed with little compositional deviation. Specifically, a target having In, Ga, Sn, and O and having an atomic ratio of each metal element to the sum of In, Ga, and Sn satisfying all of the above formulas (1) to (3) is used. It is recommended.

上記ターゲットは、例えば粉末焼結法によって製造することができる。   The target can be manufactured by, for example, a powder sintering method.

上記ターゲットを用いてスパッタリング法で酸化物半導体層4を成膜する場合、前述した成膜時のガス圧の他に、酸素の分圧、ターゲットへの投入パワー、基板温度、ターゲットと基板との距離であるT−S間距離などを適切に制御することが好ましい。   When the oxide semiconductor layer 4 is formed by sputtering using the above target, in addition to the gas pressure at the time of film formation described above, the partial pressure of oxygen, the input power to the target, the substrate temperature, the relationship between the target and the substrate It is preferable to appropriately control the distance between TS, which is a distance.

具体的には、例えば、下記スパッタリング条件で成膜することが好ましい。   Specifically, for example, it is preferable to form a film under the following sputtering conditions.

酸素添加量は、半導体として動作を示すよう、前記酸化物半導体層のキャリア密度は1×1015〜1017/cm3の範囲内となるように酸素量を添加することが好ましい。最適な酸素添加量はスパッタリング装置、ターゲットの組成、薄膜トランジスタ作製プロセスなどに応じて、適切に制御すれば良い。後記する実施例では、添加流量比で100×O2/(Ar+O2)=4体積%とした。 It is preferable to add the oxygen amount so that the carrier density of the oxide semiconductor layer is in the range of 1 × 10 15 to 10 17 / cm 3 so that the oxygen addition amount shows an operation as a semiconductor. The optimum oxygen addition amount may be appropriately controlled according to the sputtering apparatus, the composition of the target, the thin film transistor manufacturing process, and the like. In Examples described later, the addition flow rate ratio was set to 100 × O 2 / (Ar + O 2 ) = 4% by volume.

成膜パワー密度は高い程良く、DCまたはRFでおおむね2.0W/cm2以上に設定することが推奨される。ただし成膜パワー密度が高すぎると酸化物ターゲットに割れや欠けが生じて破損することがあるため、上限は50W/cm2程度である。 The higher the deposition power density, the better, and it is recommended to set it to approximately 2.0 W / cm 2 or more in DC or RF. However, if the film formation power density is too high, the oxide target may be broken or cracked, and the upper limit is about 50 W / cm 2 .

成膜時の基板温度は、おおむね室温〜200℃の範囲内に制御することが推奨される。   It is recommended that the substrate temperature during film formation is controlled within the range of room temperature to 200 ° C.

酸化物半導体層4の好ましい膜厚は、おおむね、10nm以上、更には20nm以上とすることができ、200nm以下、更には100nm以下とすることができる。   The preferable film thickness of the oxide semiconductor layer 4 can be about 10 nm or more, further 20 nm or more, and can be 200 nm or less, further 100 nm or less.

酸化物半導体層4を形成した後、ウェットエッチングによりパターニングを行う。パターニングの直後には、酸化物半導体層4の膜質改善のための熱処理としてプレアニールを行うことが好ましい。これにより、酸化物半導体層中の欠陥量を抑制することができ、上述したオン電流や電界効果移動度を高めることができ、トランジスタ性能を向上することができる。プレアニールとして、例えば、水蒸気雰囲気または大気雰囲気にて、250〜400℃で10分〜3時間の範囲で行うことが挙げられ、特には350〜400℃で30〜60分行うことが好ましい。   After the oxide semiconductor layer 4 is formed, patterning is performed by wet etching. Immediately after the patterning, pre-annealing is preferably performed as a heat treatment for improving the film quality of the oxide semiconductor layer 4. Accordingly, the amount of defects in the oxide semiconductor layer can be suppressed, the above-described on-state current and field-effect mobility can be increased, and transistor performance can be improved. For example, the pre-annealing may be performed in a water vapor atmosphere or an air atmosphere at 250 to 400 ° C. for 10 minutes to 3 hours, particularly preferably at 350 to 400 ° C. for 30 to 60 minutes.

次いで、エッチストップ層9を形成する。エッチストップ層9の形成方法は特に限定されず、通常用いられる方法を採用することができる。また、エッチストップ層9の種類も特に限定されず、汎用されているものを用いることができる。例えばSiOx膜などが用いられる。   Next, an etch stop layer 9 is formed. The method for forming the etch stop layer 9 is not particularly limited, and a commonly used method can be employed. Also, the type of the etch stop layer 9 is not particularly limited, and a commonly used one can be used. For example, a SiOx film is used.

ここで、実施形態1のTFTでは、図1および図2に示す通りエッチストップ層9にコンタクトホール7を形成する。図3〜6に示すTFTでは、エッチストップ層9をパターニングにより形成し、チャネル部分にエッチストップ層9を残すが、コンタクトホールは形成しない。   Here, in the TFT of the first embodiment, the contact hole 7 is formed in the etch stop layer 9 as shown in FIGS. In the TFT shown in FIGS. 3 to 6, the etch stop layer 9 is formed by patterning and the etch stop layer 9 is left in the channel portion, but no contact hole is formed.

上記エッチストップ層9を形成後であって、下記のソース−ドレイン電極5の形成前に、酸化物半導体層4の酸化物表面のダメージ回復のために、必要に応じて熱処理(200℃〜300℃)やN2Oプラズマ処理を施してもよい。 After the formation of the etch stop layer 9 and before the formation of the source-drain electrode 5 described below, heat treatment (200 ° C. to 300 ° C.) is performed to recover damage from the oxide surface of the oxide semiconductor layer 4. ° C) or N 2 O plasma treatment.

次いでソース−ドレイン電極5を形成する。ソース−ドレイン電極5の種類は特に限定されず、汎用されているものを用いることができる。例えばゲート電極と同様のAl、MoやCuなどの金属または合金を用いてもよい。   Next, the source-drain electrode 5 is formed. The kind of the source-drain electrode 5 is not specifically limited, What is used widely can be used. For example, a metal or alloy such as Al, Mo, or Cu similar to the gate electrode may be used.

ソース−ドレイン電極5は次の様にして形成することができる。例えばマグネトロンスパッタリング法によって金属薄膜を成膜した後、フォトリソグラフィによりパターニングし、ウェットエッチングを行って電極を形成することができる。   The source-drain electrode 5 can be formed as follows. For example, after forming a metal thin film by magnetron sputtering, patterning can be performed by photolithography, and wet etching can be performed to form an electrode.

ソース−ドレイン電極5の形状は、実施形態1では、図1の通り正方形に近いが、実施形態2や従来構造を示す図3や図5ではチャネル長方向に長くなっている。   The shape of the source-drain electrode 5 is close to a square as shown in FIG. 1 in the first embodiment, but is longer in the channel length direction in the second embodiment and FIGS. 3 and 5 showing the conventional structure.

上記ソース−ドレイン電極5の形成後であって、下記の保護膜6の形成前に、酸化物半導体層4の酸化物表面のダメージ回復のために、必要に応じて熱処理(200℃〜300℃)やN2Oプラズマ処理を施してもよい。 After the formation of the source-drain electrode 5 and before the formation of the protective film 6 described below, heat treatment (200 ° C. to 300 ° C.) is performed as necessary to recover damage on the oxide surface of the oxide semiconductor layer 4. ) Or N 2 O plasma treatment.

次に、保護膜6をCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって成膜する。前述したように本発明では、SiNx(シリコン窒化膜)を含む保護膜6を用いるのがよい。具体的には、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などが挙げられ、これらは単独で用いても良いし、併用しても良いし、これらを積層して用いることもできる。或いは、後述する実施例に示すように上層をSiNx、下層をSiOx(シリコン酸化膜)とした積層膜を用いても良い。   Next, the protective film 6 is formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. As described above, in the present invention, the protective film 6 containing SiNx (silicon nitride film) is preferably used. Specific examples include a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, and the like. These may be used alone or in combination, or may be used by stacking them. Alternatively, as shown in an embodiment described later, a laminated film in which the upper layer is SiNx and the lower layer is SiOx (silicon oxide film) may be used.

保護膜6の形成後、前述した200℃以上の温度で熱処理するポストアニールを行う。   After the formation of the protective film 6, post-annealing is performed for heat treatment at a temperature of 200 ° C. or higher.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限されず、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited by the following examples, and can be implemented with modifications within a range that can meet the purpose described above and below. They are all included in the technical scope of the present invention.

実施例1
以下、上述した本発明の実施形態1および2、従来構造をそれぞれ示す図1と2、図3と4、図5と6のTFTを作製して、構造の違いがTFT特性、特に移動度に及ぼす影響を検討した。
Example 1
In the following, the first and second embodiments of the present invention described above, the TFTs of FIGS. 1 and 2, FIGS. 3 and 4, and FIGS. 5 and 6 showing the conventional structure, respectively, are manufactured. The effect was examined.

尚、以下の実施例では、TFT構造の違いによって工程は変化しないので、実施形態1を中心に説明を行う。実施形態2と従来構造のTFTの製造工程は、特に記載しない限り、この実施形態1と同じである。   In the following examples, the process does not change due to the difference in the TFT structure, and therefore, the description will focus on the first embodiment. The manufacturing process of the second embodiment and the conventional TFT is the same as that of the first embodiment unless otherwise specified.

まず、ガラス基板1(コーニング社製イーグル2000、直径100mm×厚さ0.7mm)上に、ゲート電極2としてMo薄膜を100nm、およびゲート絶縁膜3として膜厚が200nmのSiO2膜を順次成膜した。ゲート電極2は純Moのスパッタリングターゲットを使用し、DCスパッタリング法により形成した。スパッタリング条件は、成膜温度:室温、成膜パワー密度:3.8W/cm2、キャリアガス:Ar、成膜時のガス圧:2mTorr、Arガス流量:20sccmとした。また、ゲート絶縁膜3はプラズマCVD法を用い、キャリアガス:SiH4とN2Oの混合ガス、成膜パワー密度:0.96127W/cm2、成膜温度:320℃、成膜時のガス圧:133Paの条件で成膜した。 First, on a glass substrate 1 (Corning Eagle 2000, diameter 100 mm × thickness 0.7 mm), a Mo thin film of 100 nm is formed as a gate electrode 2 and a SiO 2 film having a thickness of 200 nm is formed as a gate insulating film 3 sequentially. Filmed. The gate electrode 2 was formed by a DC sputtering method using a pure Mo sputtering target. The sputtering conditions were film formation temperature: room temperature, film formation power density: 3.8 W / cm 2 , carrier gas: Ar, gas pressure during film formation: 2 mTorr, and Ar gas flow rate: 20 sccm. The gate insulating film 3 uses a plasma CVD method, carrier gas: a mixed gas of SiH 4 and N 2 O, film formation power density: 0.961127 W / cm 2 , film formation temperature: 320 ° C., gas during film formation The film was formed under a pressure of 133 Pa.

次に、金属元素(In、Ga、Sn)の合計量を100原子%としたときに下記組成を満たす酸化物半導体層(In−Ga−Sn−O膜、膜厚40nm)4を成膜した。
In:Ga:Sn=42.7原子%:26.7原子%:30.6原子%
Next, an oxide semiconductor layer (In—Ga—Sn—O film, film thickness: 40 nm) 4 that satisfies the following composition when the total amount of metal elements (In, Ga, Sn) was 100 atomic% was formed. .
In: Ga: Sn = 42.7 atomic%: 26.7 atomic%: 30.6 atomic%

詳細には、下記の通り、上記酸化物半導体層4と同じ組成を有する各スパッタリングターゲットを用い、スパッタリング法にて下記条件で成膜した。
スパッタリング装置:株式会社アルバック製「CS−200」
基板温度:室温
ガス圧:1mTorr
キャリアガス:Ar
酸素分圧:100×O2/(Ar+O2)=4体積%
成膜パワー密度:2.55W/cm2
使用スパッタリングターゲットのIn:Ga:Sn=42.7原子%:26.7原子%:30.6原子%
Specifically, as described below, each sputtering target having the same composition as that of the oxide semiconductor layer 4 was used, and a film was formed by the sputtering method under the following conditions.
Sputtering equipment: “CS-200” manufactured by ULVAC, Inc.
Substrate temperature: Room temperature Gas pressure: 1 mTorr
Carrier gas: Ar
Oxygen partial pressure: 100 × O 2 / (Ar + O 2 ) = 4% by volume
Deposition power density: 2.55 W / cm 2
In: Ga: Sn = 42.7 atomic%: 26.7 atomic%: 30.6 atomic% of the sputtering target used

尚、酸化物半導体層の金属元素の各含有量の分析は、ガラス基板上に膜厚40nmの各酸化物半導体層を上記と同様にしてスパッタリング法で形成した試料を別途用意して行った。該分析は、型番:CIROS MarkII(株式会社リガク製)を用い、ICP(Inductively Coupled Plasma)発光分光法により行った。   The analysis of the content of each metal element in the oxide semiconductor layer was performed by separately preparing a sample in which each oxide semiconductor layer having a thickness of 40 nm was formed on a glass substrate by the sputtering method in the same manner as described above. The analysis was performed by ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectroscopy using a model number: CIROS Mark II (manufactured by Rigaku Corporation).

上記のようにして酸化物半導体層4を成膜した後、フォトリソグラフィおよびウェットエッチングによりパターニングを行った。ウェットエッチャントとして、関東化学株式会社製「ITO−07N」を使用した。本実施例では、実験を行ったすべての酸化物半導体層について、ウェットエッチングによる残渣はなく、適切にエッチングできたことを確認している。   After forming the oxide semiconductor layer 4 as described above, patterning was performed by photolithography and wet etching. As a wet etchant, “ITO-07N” manufactured by Kanto Chemical Co., Inc. was used. In this example, it was confirmed that there was no residue due to wet etching and that etching was appropriately performed for all the oxide semiconductor layers tested.

上記の通り、酸化物半導体層4をパターニングした後、膜質を向上させるためにプレアニールを行った。プレアニールは、大気雰囲気にて350℃で1時間行った。   As described above, after the oxide semiconductor layer 4 was patterned, pre-annealing was performed to improve the film quality. Pre-annealing was performed at 350 ° C. for 1 hour in an air atmosphere.

前記プレアニールの後、エッチストップ層9としてシリコン酸化膜(SiOx、膜厚100nm)を前記酸化物半導体層4の上に成膜した。上記シリコン酸化膜の成膜は、N2OおよびSiH4の混合ガスを用い、プラズマCVD法で行った。成膜条件は、成膜パワー密度:0.32W/cm2、成膜温度:230℃、成膜時のガス圧:133Paとした。上記シリコン酸化膜の成膜後、フォトリソグラフィおよびドライエッチングによりエッチストップ層9のパターニングを行った。このとき実施形態1では、図1、2に示す通りコンタクトホール7も同時に形成した。 After the pre-annealing, a silicon oxide film (SiOx, film thickness 100 nm) was formed on the oxide semiconductor layer 4 as the etch stop layer 9. The silicon oxide film was formed by a plasma CVD method using a mixed gas of N 2 O and SiH 4 . The film formation conditions were film formation power density: 0.32 W / cm 2 , film formation temperature: 230 ° C., and gas pressure during film formation: 133 Pa. After the silicon oxide film was formed, the etch stop layer 9 was patterned by photolithography and dry etching. At this time, in the first embodiment, the contact hole 7 was formed at the same time as shown in FIGS.

次に、ソース−ドレイン電極5を形成するため、膜厚200nmの純Mo膜を、スパッタリング法によって上記エッチストップ層9の上に成膜した。上記純Mo膜の成膜条件は、投入パワー:DC300W(成膜パワー密度:3.8W/cm2)、キャリアガス:Ar、ガス圧:2mTorr、基板温度:室温とした。 Next, in order to form the source-drain electrode 5, a pure Mo film having a thickness of 200 nm was formed on the etch stop layer 9 by sputtering. The pure Mo film was formed under the following conditions: input power: DC 300 W (deposition power density: 3.8 W / cm 2 ), carrier gas: Ar, gas pressure: 2 mTorr, substrate temperature: room temperature.

次いで、フォトリソグラフィおよびウェットエッチングにより、ソース−ドレイン電極5のパターニングを行った。具体的には、リン酸:硝酸:酢酸=70:2:10(質量比)の混合液であって液温が40℃の混酸エッチャントを用いた。尚、本実施例では、基板上面からみたときの、このソース−ドレイン電極の線幅を変えることによって、表1に示す最短距離dが種々のTFT構造を得た。   Subsequently, the source-drain electrode 5 was patterned by photolithography and wet etching. Specifically, a mixed acid etchant having a phosphoric acid: nitric acid: acetic acid = 70: 2: 10 (mass ratio) liquid temperature of 40 ° C. was used. In this example, various TFT structures having the shortest distance d shown in Table 1 were obtained by changing the line width of the source-drain electrodes when viewed from the upper surface of the substrate.

このようにしてソース−ドレイン電極5を形成した後、薄膜トランジスタを保護するための保護膜6として、膜厚100nmのSiOx膜と膜厚150nmのSiNx膜を積層させた合計膜厚が250nmの積層膜をプラズマCVD法で形成した。上記SiO2膜の形成にはSiH4、N2、およびN2Oの混合ガスを用い、上記SiNx膜の形成にはSiH4、N2、およびNH3の混合ガスを用いた。いずれの場合も成膜条件を、成膜パワー密度:0.32W/cm2、成膜温度:150℃、成膜時のガス圧:133Paとした。 After forming the source-drain electrode 5 in this manner, as a protective film 6 for protecting the thin film transistor, a laminated film having a total film thickness of 250 nm obtained by laminating a 100 nm thick SiOx film and a 150 nm thick SiNx film. Was formed by plasma CVD. A mixed gas of SiH 4 , N 2 , and N 2 O was used for forming the SiO 2 film, and a mixed gas of SiH 4 , N 2 , and NH 3 was used for forming the SiNx film. In either case, the film formation conditions were film formation power density: 0.32 W / cm 2 , film formation temperature: 150 ° C., and gas pressure during film formation: 133 Pa.

次にフォトリソグラフィ、およびドライエッチングにより、保護膜6にトランジスタ特性評価用プロービングのためのスルーホール8を形成した。その後、ポストアニールとして、窒素雰囲気で260℃、30分の熱処理を行った。   Next, through holes 8 for probing for transistor characteristic evaluation were formed in the protective film 6 by photolithography and dry etching. Then, as post-annealing, heat treatment was performed at 260 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere.

上記の通り作製した薄膜トランジスタは、チャネル長Lが20μm、チャネル幅Wが200μmであった。該薄膜トランジスタを用いて、下記の通り評価を行った。尚、本発明の薄膜トランジスタの酸化物半導体層が導体領域を有していることは、後に説明する。   The thin film transistor manufactured as described above had a channel length L of 20 μm and a channel width W of 200 μm. The thin film transistor was used for evaluation as follows. In addition, it demonstrates later that the oxide semiconductor layer of the thin-film transistor of this invention has a conductor area | region.

最短距離dの測定
酸化物半導体層のチャネルに近接する端部xと、ソース−ドレイン電極の、チャネルに近接かつ酸化物半導体層と直接接する端部yとの間の最短距離dは、実施形態1、2、従来構造の各上面図である図1、図3、図5において、各dの距離を測定した。本実施例では、パターニングされた酸化物半導体層4の端部が、酸化物半導体層と直接接するソース−ドレイン電極5の端部よりも外側にあるとき、dは正の値とし、内側にあるとき、dは負の値とした。
Measurement of shortest distance d The shortest distance d between the end portion x of the oxide semiconductor layer close to the channel and the end portion y of the source-drain electrode close to the channel and in direct contact with the oxide semiconductor layer is the embodiment. 1, 2, and 5 which are top views of the conventional structure, the distances d were measured. In this embodiment, when the end of the patterned oxide semiconductor layer 4 is outside the end of the source-drain electrode 5 that is in direct contact with the oxide semiconductor layer, d is a positive value and is inside. When d was a negative value.

上記TFTについて、以下の特性を調べた。   The following characteristics were examined for the TFT.

(1)トランジスタ特性の測定
トランジスタ特性(ドレイン電流−ゲート電圧特性、Id−Vg特性)の測定はAgilent Technology社製「HP4156C」の半導体パラメータアナライザーを使用した。詳細な測定条件は以下のとおりである。
ソース電圧:0V
ドレイン電圧:10V
ゲート電圧:−30〜30V(測定間隔:0.25V)
基板温度:室温
(1) Measurement of transistor characteristics The transistor characteristics (drain current-gate voltage characteristics, Id-Vg characteristics) were measured using a semiconductor parameter analyzer “HP4156C” manufactured by Agilent Technology. Detailed measurement conditions are as follows.
Source voltage: 0V
Drain voltage: 10V
Gate voltage: -30-30V (measurement interval: 0.25V)
Substrate temperature: room temperature

(2)しきい値電圧(Vth)
しきい値電圧とは、おおまかにいえば、トランジスタがオフ状態(ドレイン電流の低い状態)からオン状態(ドレイン電流の高い状態)に移行する際のゲート電圧の値である。本実施例では、ドレイン電流が、オン電流とオフ電流の間の1nA付近であるときの電圧をしきい値電圧と定義し、各薄膜トランジスタのしきい値電圧を測定した。
(2) Threshold voltage (Vth)
The threshold voltage is roughly a value of a gate voltage when the transistor shifts from an off state (a state where the drain current is low) to an on state (a state where the drain current is high). In this example, the voltage when the drain current is around 1 nA between the on-current and the off-current is defined as the threshold voltage, and the threshold voltage of each thin film transistor is measured.

(3)電界効果移動度μFE
電界効果移動度μFEは、トランジスタ特性からVg>Vd−Vthである飽和領域にて、ドレイン電流とゲート電圧の関係式、Id= μFE×Cox×W×(Vgs−Vth)2/2L、より導出した。該関係式において、Vgs:ゲート電圧、Vd:ドレイン電圧、Id:ドレイン電流、L:チャネル長、W:チャネル幅、Cox:ゲート絶縁膜の静電容量、μFE:電界効果移動度、Vth:しきい値電圧である。本実施例では、線形領域を満たすゲート電圧付近におけるドレイン電流−ゲート電圧特性(Id−Vg特性)の傾きから、電界効果移動度μFEを導出している。電界効果移動度は高い程よく、本実施例では40cm2/Vsを基準とし、それ以上を合格とした。
(3) Field effect mobility μFE
The field effect mobility μFE is derived from the relational expression of drain current and gate voltage, Id = μFE × Cox × W × (Vgs−Vth) 2 / 2L, in the saturation region where Vg> Vd−Vth from transistor characteristics. did. In this relational expression, Vgs: gate voltage, Vd: drain voltage, Id: drain current, L: channel length, W: channel width, Cox: capacitance of the gate insulating film, μFE: field effect mobility, Vth: This is the threshold voltage. In this embodiment, the field effect mobility μFE is derived from the slope of the drain current-gate voltage characteristic (Id-Vg characteristic) near the gate voltage that satisfies the linear region. The higher the field effect mobility, the better. In this example, 40 cm 2 / Vs was used as a reference, and more than that was accepted.

(4)S値
S値はId−Vg特性より、ドレイン電流を一桁増加させるのに必要なゲート電圧の最小値であり、低いほど良好な特性であることを示す。このS値は、0.45V/decade以下であることが好ましく、より好ましくは0.40V/decade以下である。
(4) S value The S value is the minimum value of the gate voltage required to increase the drain current by an order of magnitude from the Id-Vg characteristic, and the lower the value, the better the characteristic. The S value is preferably 0.45 V / decade or less, and more preferably 0.40 V / decade or less.

これらの結果を表1に併記する。   These results are also shown in Table 1.

表1から次のことがわかる。No.1〜4および6〜9に示す本発明の実施形態1、2の通り、dが正の値、即ち、薄膜トランジスタを基板の上面からみたときに、チャネルに近接する酸化物半導体層の端部が、上記酸化物半導体層と直接接するソース−ドレイン電極の端部よりも外部に位置し、かつ上記dが3μm以上、100μm以下の範囲内にあれば、移動度は40cm2/Vs以上であって、従来よりも十分に高い移動度を達成できることが分かった。これに対して、No.11〜15の通りdが負の値の場合や、No.5の通りdがゼロの場合、No.10の通りdは正の値であるが3μm以上、100μm以下の範囲外である場合、TFTは高移動度化しなかった。 Table 1 shows the following. No. As shown in Embodiments 1 and 2 of the present invention shown in 1-4 and 6-9, d is a positive value, that is, when the thin film transistor is viewed from the top surface of the substrate, the end of the oxide semiconductor layer adjacent to the channel is The mobility is 40 cm 2 / Vs or more if it is located outside the end of the source-drain electrode that is in direct contact with the oxide semiconductor layer and d is in the range of 3 μm or more and 100 μm or less. It has been found that a sufficiently high mobility can be achieved than in the past. In contrast, no. When d is a negative value as in Nos. 11 to 15, or When d is zero as shown in FIG. As shown in FIG. 10, d was a positive value, but when it was outside the range of 3 μm or more and 100 μm or less, the TFT did not increase in mobility.

実施例2
保護膜6の種類を、表2に示す通りとする以外は、実施例1と同様にして薄膜トランジスタを作製した。この実施例2では、実施形態1、実施形態2および従来構造のいずれも最短距離d=15μmで一定とした。また、SiOx単独膜の形成は、プラズマCVD法にて、SiH4、N2、およびN2Oの混合ガスを用い、成膜パワー密度:0.32W/cm2、成膜温度:150℃、成膜時のガス圧:133Paの条件で行った。またAl23膜の形成は、反応性スパッタ法にて、アルゴンと酸素の混合ガスを用い、スパッタ成膜パワー密度:1.36W/cm2、成膜温度:室温、成膜時のガス圧:2mTorrの条件で行った。尚、上記保護膜のうち、水素含有量が最も多いのはSiNx、その次がSiOxであり、Al23についてはほぼゼロであることを別途確認している。
Example 2
A thin film transistor was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the type of the protective film 6 was as shown in Table 2. In Example 2, all of Embodiments 1, 2 and the conventional structure were constant at the shortest distance d = 15 μm. In addition, the SiOx single film is formed by a plasma CVD method using a mixed gas of SiH 4 , N 2 , and N 2 O, film formation power density: 0.32 W / cm 2 , film formation temperature: 150 ° C., The gas pressure at the time of film formation was 133 Pa. The Al 2 O 3 film is formed by a reactive sputtering method using a mixed gas of argon and oxygen, sputter film formation power density: 1.36 W / cm 2 , film formation temperature: room temperature, gas during film formation The pressure was 2 mTorr. Of the protective films, SiNx has the highest hydrogen content, followed by SiOx, and Al 2 O 3 has been confirmed to be almost zero.

得られた薄膜トランジスタを用い、実施例1と同様にして特性の評価を行った。これらの結果を表2に併記する。
Using the obtained thin film transistor, the characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1. These results are also shown in Table 2.

表2から次のことがわかる。No.1、4および7の通り、保護膜がSiNxを含むものは高移動度を達成できた。これに対し、No.2、3、5、6、8および9の通り、保護膜がSiNxを含まない場合には、高移動度を達成できなかった。   Table 2 shows the following. No. As shown in 1, 4 and 7, the protective film containing SiNx was able to achieve high mobility. In contrast, no. As shown in 2, 3, 5, 6, 8, and 9, when the protective film did not contain SiNx, high mobility could not be achieved.

高移動度が得られた実施形態1のTFTについて、ドレイン電流の経路を調べた。詳細には、上記TFTを用い、電流を加えたときのサーマルイメージ解析を行い、TFTオン時の発熱をマッピングした。図7は、前記図1におけるサーマルイメージ観察領域Dを示す概略上面図である。尚、図7では上記観察領域を明確にするため、図1におけるエッチストップ層9を図示していない。上記サーマルイメージ解析の結果を図8に示す。図8(a)は、酸化物半導体層として、本発明で推奨されるIn−Ga−Sn系酸化物半導体層を用いた例の結果を示しており、図8(b)は、酸化物半導体層としてIGZO膜を用いた例の結果を示している。図8(a)、図8(b)においては、温度分布をグレースケール(濃淡)で表示する。温度が高い部分ほど、淡く表示される。   A drain current path was examined for the TFT of Embodiment 1 in which high mobility was obtained. Specifically, thermal image analysis was performed when current was applied using the TFT, and heat generation when the TFT was on was mapped. FIG. 7 is a schematic top view showing the thermal image observation region D in FIG. In FIG. 7, the etch stop layer 9 in FIG. 1 is not shown in order to clarify the observation region. The result of the thermal image analysis is shown in FIG. FIG. 8A shows the result of an example in which the In—Ga—Sn-based oxide semiconductor layer recommended in the present invention is used as the oxide semiconductor layer, and FIG. 8B shows the oxide semiconductor layer. The result of the example which used the IGZO film | membrane as a layer is shown. In FIG. 8A and FIG. 8B, the temperature distribution is displayed in gray scale. The higher the temperature, the lighter the display.

上記図8の結果から、特に図8(a)の通り、酸化物半導体層として本発明のIn−Ga−Sn系酸化物半導体層を用いた場合、チャネル上下端から酸化物半導体層のパターンエッジにかけて発熱していることが確認され、電流経路が確認された。これは図8(b)の通りIGZO薄膜を用いたTFTと比較して、熱分布が異なることから明らかである。   From the result of FIG. 8 above, in particular, when the In—Ga—Sn-based oxide semiconductor layer of the present invention is used as the oxide semiconductor layer as shown in FIG. It was confirmed that heat was generated and the current path was confirmed. This is apparent from the fact that the heat distribution is different as compared with the TFT using the IGZO thin film as shown in FIG.

上記結果を含むデータから、本発明者らは、高移動度化にはTFTレイアウトが重要であると結論づけた。保護膜がソース−ドレイン電極に妨げられずに酸化物半導体層と重なり、ポストアニールの工程で水素が酸化物半導体層に注入されることが重要であると考えられる。尚、前述の通り、上記保護膜と酸化物半導体層は、直接重なっている他、エッチストップ層を介していてもよい。   From the data including the above results, the present inventors concluded that the TFT layout is important for increasing the mobility. It is considered important that the protective film overlaps with the oxide semiconductor layer without being blocked by the source-drain electrodes, and hydrogen is injected into the oxide semiconductor layer in the post-annealing step. Note that, as described above, the protective film and the oxide semiconductor layer may be directly overlapped or may be interposed via an etch stop layer.

本発明の実施形態1、2を示す図1〜4のTFTでは、高移動度が得られた。その理由として次のことが考えられる。保護膜から酸化物半導体層の端部へ水素が十分に拡散した本発明の酸化物半導体層は、水素がドナーとなってキャリア密度が増加するため、導体化しやすくなる。特に、酸化物半導体層のパターンエッジは保護膜からの水素拡散が集中するため、導体化しやすいと考えられる。   In the TFTs of FIGS. 1 to 4 showing Embodiments 1 and 2 of the present invention, high mobility was obtained. The reason is considered as follows. In the oxide semiconductor layer of the present invention in which hydrogen is sufficiently diffused from the protective film to the end portion of the oxide semiconductor layer, hydrogen becomes a donor and the carrier density is increased, so that the oxide semiconductor layer is easily formed into a conductor. In particular, the pattern edge of the oxide semiconductor layer is considered to be easily formed into a conductor because hydrogen diffusion from the protective film concentrates.

前記の表1や表2には示していないが、本発明の酸化物半導体層の電気抵抗率は、大気中350℃、1時間のプリアニール後に10〜20Ωcmを示す。一方、薄膜トランジスタの酸化物半導体のパターンエッジを切り取って直接測定することはできないが、本発明の酸化物半導体層は、水素拡散を促進した場合、0.1Ωcm以下の導体膜になることが分かっている。一方、従来構造を示す図5、6のTFTで高移動度化を全く実現できなかった理由として、保護膜から酸化物半導体層の端部への水素拡散が十分でなかったことが挙げられる。   Although not shown in Tables 1 and 2, the electrical resistivity of the oxide semiconductor layer of the present invention is 10 to 20 Ωcm after pre-annealing at 350 ° C. for 1 hour in the atmosphere. On the other hand, the pattern edge of the oxide semiconductor of the thin film transistor cannot be directly measured, but the oxide semiconductor layer of the present invention is found to be a conductor film of 0.1 Ωcm or less when hydrogen diffusion is promoted. Yes. On the other hand, the reason why the TFT of FIGS. 5 and 6 showing the conventional structure could not realize high mobility at all is that hydrogen diffusion from the protective film to the end of the oxide semiconductor layer was not sufficient.

1 基板
2 ゲート電極
3 ゲート絶縁膜
4 酸化物半導体層
5 ソース−ドレイン電極
6 保護膜
7 コンタクトホール
8 スルーホール
9 エッチストップ層
D サーマルイメージ観察領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Gate electrode 3 Gate insulating film 4 Oxide semiconductor layer 5 Source-drain electrode 6 Protective film 7 Contact hole 8 Through hole 9 Etch stop layer D Thermal image observation region

Claims (7)

基板上に少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体層、ソース−ドレイン電極、および前記ソース−ドレイン電極を保護する保護膜をこの順序で有する薄膜トランジスタであって、
前記酸化物半導体層は、半導体領域と導体領域を有し、該導体領域は少なくとも、酸化物半導体層のチャネル領域と端部のうちの1以上に存在することを特徴とする薄膜トランジスタ。
A thin film transistor having at least a gate electrode, a gate insulating film, an oxide semiconductor layer, a source-drain electrode, and a protective film for protecting the source-drain electrode in this order on a substrate,
The oxide semiconductor layer includes a semiconductor region and a conductor region, and the conductor region exists at least in one or more of a channel region and an end portion of the oxide semiconductor layer.
基板上に少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体層、ソース−ドレイン電極、および前記ソース−ドレイン電極を保護する保護膜をこの順序で有する薄膜トランジスタであって、
基板の上面からみたときに、前記酸化物半導体層のチャネル領域に近接する端部xが、前記ソース−ドレイン電極の、前記チャネル領域に近接かつ酸化物半導体層と直接接する端部yよりも、外部に位置し、かつ上記端部xと上記端部yの最短距離dが、3μm以上、100μm以下であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
A thin film transistor having at least a gate electrode, a gate insulating film, an oxide semiconductor layer, a source-drain electrode, and a protective film for protecting the source-drain electrode in this order on a substrate,
When viewed from the top surface of the substrate, the end portion x adjacent to the channel region of the oxide semiconductor layer is more than the end portion y of the source-drain electrode adjacent to the channel region and in direct contact with the oxide semiconductor layer. A thin film transistor which is located outside and has a shortest distance d between the end x and the end y of 3 μm or more and 100 μm or less.
前記酸化物半導体層は、In、Ga、Sn、およびOから構成される酸化物からなり、かつ各金属元素の原子数比は下記式(1)〜(3)を全て満たし、更に、前記保護膜はSiNxを含む請求項1または2に記載の薄膜トランジスタ。
0.30≦In/(In+Ga+Sn)≦0.50 ・・・(1)
0.20≦Ga/(In+Ga+Sn)≦0.30 ・・・(2)
0.25≦Sn/(In+Ga+Sn)≦0.45 ・・・(3)
The oxide semiconductor layer is made of an oxide composed of In, Ga, Sn, and O, and the atomic ratio of each metal element satisfies all of the following formulas (1) to (3). The thin film transistor according to claim 1, wherein the film contains SiNx.
0.30 ≦ In / (In + Ga + Sn) ≦ 0.50 (1)
0.20 ≦ Ga / (In + Ga + Sn) ≦ 0.30 (2)
0.25 ≦ Sn / (In + Ga + Sn) ≦ 0.45 (3)
前記酸化物半導体層は、InおよびGaの原子数比が下記式(4)を満たす請求項3に記載の薄膜トランジスタ。
0.60≦In/(In+Ga)≦0.75 ・・・(4)
The thin film transistor according to claim 3, wherein the oxide semiconductor layer has an atomic ratio of In and Ga that satisfies the following formula (4).
0.60 ≦ In / (In + Ga) ≦ 0.75 (4)
前記酸化物半導体層は、少なくとも一部がアモルファス構造を有する請求項1〜4のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。   The thin film transistor according to claim 1, wherein at least a part of the oxide semiconductor layer has an amorphous structure. 請求項1〜5のいずれかに記載の薄膜トランジスタを製造する方法であって、
酸化物半導体層をガス圧1〜5mTorrの条件でスパッタリングを行って形成する工程と、
保護膜を形成した後、200℃以上の温度で熱処理する工程と、
を含むことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
A method for producing the thin film transistor according to claim 1,
Forming an oxide semiconductor layer by sputtering under a gas pressure of 1 to 5 mTorr;
A step of heat-treating at a temperature of 200 ° C. or higher after forming the protective film;
A method for producing a thin film transistor, comprising:
請求項1〜5のいずれかに記載の薄膜トランジスタの酸化物半導体層の形成に用いられるスパッタリングターゲットであって、In、Ga、Sn、およびOを有し、かつ下記式(1)〜(3)を全て満たすことを特徴とするスパッタリングターゲット。
0.30≦In/(In+Ga+Sn)≦0.50 ・・・(1)
0.20≦Ga/(In+Ga+Sn)≦0.30 ・・・(2)
0.25≦Sn/(In+Ga+Sn)≦0.45 ・・・(3)
It is a sputtering target used for formation of the oxide semiconductor layer of the thin-film transistor in any one of Claims 1-5, Comprising: It has In, Ga, Sn, and O, and following formula (1)-(3) A sputtering target characterized by satisfying all of the above.
0.30 ≦ In / (In + Ga + Sn) ≦ 0.50 (1)
0.20 ≦ Ga / (In + Ga + Sn) ≦ 0.30 (2)
0.25 ≦ Sn / (In + Ga + Sn) ≦ 0.45 (3)
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018137423A (en) * 2017-02-21 2018-08-30 日本放送協会 Thin-film transistor, thin-film device, and method for manufacturing thin-film transistor
JP2018137424A (en) * 2017-02-21 2018-08-30 日本放送協会 THIN FILM TRANSISTOR, THIN FILM DEVICE, AND METHOD FOR PRODUCING THIN FILM TRANSISTOR
JP2018137422A (en) * 2017-02-21 2018-08-30 日本放送協会 THIN FILM TRANSISTOR, THIN FILM DEVICE, AND METHOD FOR PRODUCING THIN FILM TRANSISTOR
JP2020123645A (en) * 2019-01-30 2020-08-13 日本放送協会 Thin film transistor

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100051949A1 (en) * 2008-09-01 2010-03-04 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP2011174134A (en) * 2010-02-24 2011-09-08 Idemitsu Kosan Co Ltd In-Ga-Sn-based oxide sintered body, target, oxide semiconductor film, and semiconductor element
US20120161125A1 (en) * 2010-12-28 2012-06-28 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2013016782A (en) * 2011-06-10 2013-01-24 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Manufacturing method of semiconductor device
JP2013191648A (en) * 2012-03-13 2013-09-26 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Semiconductor device and manufacturing method of the same
JP2014116592A (en) * 2012-11-16 2014-06-26 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Semiconductor device

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100051949A1 (en) * 2008-09-01 2010-03-04 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP2014170937A (en) * 2008-09-01 2014-09-18 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Oxide semiconductor film
JP2011174134A (en) * 2010-02-24 2011-09-08 Idemitsu Kosan Co Ltd In-Ga-Sn-based oxide sintered body, target, oxide semiconductor film, and semiconductor element
US20120161125A1 (en) * 2010-12-28 2012-06-28 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2014096607A (en) * 2010-12-28 2014-05-22 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Semiconductor device
JP2013016782A (en) * 2011-06-10 2013-01-24 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Manufacturing method of semiconductor device
JP2013191648A (en) * 2012-03-13 2013-09-26 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Semiconductor device and manufacturing method of the same
JP2014116592A (en) * 2012-11-16 2014-06-26 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Semiconductor device

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018137423A (en) * 2017-02-21 2018-08-30 日本放送協会 Thin-film transistor, thin-film device, and method for manufacturing thin-film transistor
JP2018137424A (en) * 2017-02-21 2018-08-30 日本放送協会 THIN FILM TRANSISTOR, THIN FILM DEVICE, AND METHOD FOR PRODUCING THIN FILM TRANSISTOR
JP2018137422A (en) * 2017-02-21 2018-08-30 日本放送協会 THIN FILM TRANSISTOR, THIN FILM DEVICE, AND METHOD FOR PRODUCING THIN FILM TRANSISTOR
JP7060367B2 (en) 2017-02-21 2022-04-26 日本放送協会 Thin film device
JP7060365B2 (en) 2017-02-21 2022-04-26 日本放送協会 Thin film device
JP7060366B2 (en) 2017-02-21 2022-04-26 日本放送協会 Thin film device
JP2020123645A (en) * 2019-01-30 2020-08-13 日本放送協会 Thin film transistor

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