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薄膜トランジスタの製造方法

国内特許コード P110005884
整理番号 BE060P28
掲載日 2011年11月2日
出願番号 特願2010-081588
公開番号 特開2011-216574
登録番号 特許第5168599号
出願日 平成22年3月31日(2010.3.31)
公開日 平成23年10月27日(2011.10.27)
登録日 平成25年1月11日(2013.1.11)
発明者
  • 野村 研二
  • 細野 秀雄
  • 神谷 利夫
  • 平野 正浩
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 薄膜トランジスタの製造方法
発明の概要 【課題】a-IGZO薄膜の熱処理による閾値電圧が大きく負の値にシフトしてしまう問題の解決とデバイス作製プロセスの最高温度をプラスチック基板の軟化点よりも低く抑える。
【解決手段】基板と、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、チャネル層とを含み、該チャネル層としてIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体膜を用いた薄膜トランジスタにおいて、オゾンを含む酸化性雰囲気による熱処理後のa-IGZO薄膜の閾値電圧が0±5V以内、電界効果移動度が5cm/Vs以上である薄膜トランジスタ。該半導体膜を製膜した後、乾燥酸素中にオゾンを1.0容積%以下0.01容積%以上含有する乾燥酸素ガス雰囲気中で該半導体膜を100~200℃の温度範囲内で1~120分間、熱処理する。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要


近年、水素化アモルファスシリコン(a-Si)及び多結晶シリコン(poly-Si)に代
わり、低温で高い電子移動度を有する薄膜が作製できる酸化物半導体をチャネル層とする
薄膜トランジスタ(TFT)の研究開発が活発に行われている[非特許文献1]。



多くの酸化物半導体(例えば、酸化亜鉛など)は、高温・耐薬品性に優れていることに加
えて、光学バンドギャップが3.0eV以上を有することから、可視光領域の光を完全に
透過する。よって、透明酸化物半導体をTFTのチャネル層として用いることにより、可
視光に対して光応答性を示さない透明TFTが作製できる。したがって、液晶ディスプレ
イにおける駆動スイッチング用TFTとして応用することにより、液晶素子の開口率の向
上、光遮断マスクが不要になるなどの利点が期待されている。



しかし、酸化亜鉛などの代表的な酸化物半導体では、残留電子キャリア濃度の低減が困難
である。また、電子キャリア濃度が小さく、高品質の酸化物薄膜を得るためには、高価な
単結晶基板の使用や高温製膜プロセスが必要である[非特許文献2]。 加えて、酸化亜鉛
は低温(室温)製膜でもアモルファス状態にならず、多くの結晶粒界を含んだ多結晶状態
である。多結晶酸化物からなるチャネル層を用いたTFTでは結晶粒界の欠陥によりTF
T特性は極めて悪くなる。



多結晶酸化物をチャネル層としたTFTに共通的に発生する上記の課題を克服するため、
本発明者らは、2004年にアモルファス酸化物半導体材料を開発し、それをチャネル層
としたTFTを発表した[非特許文献3、特許文献1,2]。このTFTのチャネル層は結
晶状態における組成が、例えば、(In1-xx23(ZnO)m [mは、0又は6未満の数
又は自然数、Mは、B,Al,Ga,Y又はLu]で表される化合物のモルファス状態の
金属酸化物である。



特に、アモルファスInGaO3(ZnO)m (以下、「a-IGZO」という)膜では、室
温堆積膜でも、ホール効果測定より求めた電子移動度が7cm2(Vs)-1以上の大きな値を
示し、電子キャリア濃度を再現性よく、安定に1015~1020cm-3に制御することが可能
である[非特許文献4]。そのため、軟化点が300℃以下のプラスチック基板上へもTF
Tや電子回路を作製できる。



a-IGZOをチャネル層としたTFT(以下、「a-IGZO-TFT」という)では、
チャネル中の伝導キャリアの動き易さを表す電界効果移動度が約10cm2(Vs)-1、閾値電
圧付近におけるゲート電圧の変動に対するドレイン電流の変化の度合いを示すサブスレシ
ョルド(subthreshold)値が約0.2V/decade、電流オン・オフ(On/Off)比が約108
上という優れたトランジスタ特性を示す[非特許文献5]。また、TFTのチャネル層が、
結晶粒界を一切含まないアモルファス状態であることから、トランジスタ特性に優れ、T
FT素子間のトランジスタ特性のばらつきが少ない [非特許文献6]。したがって、大面
積でも特性が均一なTFTが作製できるので、大面積平面ディスプレイ用の駆動スイッチ
ングTFTとしての応用を目指した開発が精力的に進められている。



現在までに、n型アモルファス酸化物半導体として、a-IGZO以外に2成分系In-
Zn-O、In-Ga-O、Zn-Sn-O、3成分系Sn-Ga-Zn-Oなどが報告
されている[非特許文献7]。これらの金属酸化物も室温堆積膜はアモルファス状態であり
、TFTのnチャネル層へ適用できる。これらの金属酸化物では、伝導帯を構成する電子
軌道は金属のns軌道であることから、軌道半径の大きな5s軌道を有するInやSnを
多く含んだ組成系で、高い飽和移動度が得られる[非特許文献8]。しかしながら、デバイ
ス特性の再現性・安定性の観点からは、In-Ga-Zn3成分系アモルファス酸化物の
方が、2成分系アモルファス酸化物よりも、優れた性能、特に閾値電圧、電界効果移動度
の長期安定性を示すことが知られている。



よって、アモルファス酸化物半導体の中でも、特に3成分系のa-IGZOが広く研究さ
れている。現在までに、a-IGZO-TFT を用いた発振回路(リングオシレータ)に
おいて410kHzで動作することなどが実証されている[非特許文献9]。また、画素と
駆動回路のスイッチング素子用TFTとしてa-IGZO-TFTを用いた19インチア
クティブマトリクス方式の有機ELディスプレイ(AMOLED)や37インチアクティ
ブマトリクス方式の液晶ディスプレイ(AMLCD)などが 実用試作ディスプレイとし
て開発されている[非特許文献10,11]。



AMOLEDでは発光部位に自発光型エレクトロルミネセンス(EL)素子を用いること
から、高輝度・高解像度・高応答性に加えて低消費電力・省スペース化などの有利性から
次世代ディスプレイとして期待されている。AMOLEDにおける発光素子制御用TFT
としては主に二つの条件が要求される。第一の条件は、電流を注入することで得るエレク
トロルミネッセンスを取り出す電流注入型有機発光ディスプレイであることから、高輝度
・高応答性を実現するためには、高移動度・低サブスレッショルド値を示すTFTが望ま
しいことである。第二の条件は、大面積デバイス特性の均一性とデバイス特性、特に長時
間駆動に対する閾値電圧の安定性が必要なことである。



現在まで、AMOLED用のTFTのチャネル材料として高移動度を示すpoly-Si
TFTが検討されているが、多結晶状態による素子間におけるTFT特性のばらつきが大
きく、大面積化が非常に困難である[非特許文献12]。よって、大面積ディスプレイ作製
においてはa-Siの方が有利であるが、トランジスタが流せる電流量の指標である移動
度が2cm2/Vs以下と小さいなどの問題がある[非特許文献13]。現在、この問題は
電極幅の大きいa-Si TFT構造を使うことなどで回避されているが、移動度の大きい
TFTを使えば開口率の増大や高速動作の面で大きな利点となる。



a-IGZO-TFTでは、チャネル層がアモルファス状態であることから多結晶半導体
デバイスと異なりTFT素子間特性の均一性に優れている。また、a-IGZO-TFT
ではa-Si-TFTと比較して、10倍以上の電界効果移動度、低サブスレショルド値
を有する高性能TFTが作製できる。よって、AMOLED用のスイッチングTFTとし
てa-IGZO-TFTが特に有望である。



現在までに、a-IGZO-TFTにおける電界効果移動度及びサブスレッショルド値な
どのデバイス特性改善・向上において、a-IGZO薄膜を300℃以上で熱処理するこ
とが非常に有効であることが知られている。容量-電圧(C-V)測定より、a-IGZO
薄膜中のサブギャップ準位は約1017cm-3程度であり、このサブギャップ準位は熱処理
により低減され、TFT特性は向上する[非特許文献14]。また、Nomura et al.,は、露
点温度30~95℃の水蒸気を含んだ酸素(湿潤酸素)雰囲気中で300℃でa-IGZ
O薄膜の熱処理を行うことにより、a-IGZO-TFTの移動度、サブスレショルド値
を向上させ、安定性も改善できると報告している [非特許文献15]。



現在まで、a-IGZO-TFTの特性改善を目的としたa-IGZO薄膜の熱処理にお
ける熱処理雰囲気は、大気中、酸素ラジカル、オゾン、水蒸気、窒素中、乾燥酸素中、又
は湿潤酸素中で実施されている(特許文献3~5)。しかし、a-IGZOを含む多くの
酸化物半導体では、熱処理による材料特性及びTFT特性に及ぼす影響は非常に大きいと
考えられる。既に、乾燥酸素や湿潤酸素雰囲気中での熱処理によるTFT特性の改善に関
してはいくつかの報告はあるが、200℃以下での熱処理では大きな移動度の改善が得ら
れないこと、閾値電圧が大きく負にシフトすることなどが問題となっている[非特許文献
16,17]。

産業上の利用分野


本発明は、In-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体膜をチャネル層とした薄膜
トランジスタ(TFT)とその製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
基板と、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、チャネル層とを含み、該チャネル層としてIn
-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体膜を用いた薄膜トランジスタの製造方法に
おいて、該半導体膜を製膜した後、乾燥酸素中にオゾンを1.0容積%以下0.01容積
%以上含む乾燥酸素ガス雰囲気中で該半導体膜を100~200℃の温度範囲内で1~1
20分間、熱処理し、熱処理後のa-IGZO薄膜の閾値電圧が0±5V以内、電界効果
移動度が5cm2/Vs以上である薄膜トランジスタを得ることを特徴とする薄膜トラン
ジスタの製造方法。

【請求項2】
前記薄膜トランジスタは、アクティブマトリクス方式の液晶ディスプレイ及び有機ELデ
ィスプレイのバックプレーン用であることを特徴とする請求項1記載の薄膜トランジスタ
の製造方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2010081588thum.jpg
出願権利状態 登録
参考情報 (研究プロジェクト等) ERATO/SORST 透明酸化物のナノ構造を活用した機能開拓と応用展開 領域
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