JP5291105B2 - Method for manufacturing field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、InGaZnO系半導体酸化物で形成された活性層を有する電界効果型トランジスタの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a field effect transistor having an active layer formed of an InGaZnO-based semiconductor oxide.
近年、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイが広く用いられている。アクティブマトリクス型液晶ディスプレイは、画素ごとにスイッチング素子として電界効果型の薄膜トランジスタ(TFT)を有している。 In recent years, active matrix liquid crystal displays have been widely used. An active matrix liquid crystal display has a field effect thin film transistor (TFT) as a switching element for each pixel.
薄膜トランジスタとしては、活性層がポリシリコンで構成されたポリシリコン型薄膜トランジスタ、活性層がアモルファスシリコンで構成されたアモルファスシリコン型薄膜トランジスタが知られている。 As the thin film transistor, a polysilicon thin film transistor whose active layer is made of polysilicon and an amorphous silicon thin film transistor whose active layer is made of amorphous silicon are known.
アモルファスシリコン型薄膜トランジスタは、ポリシリコン型薄膜トランジスタに比べて、活性層の作製が容易であるため、比較的大面積の基板に均一に成膜できるという利点がある。 An amorphous silicon thin film transistor has an advantage that it can be uniformly formed on a substrate having a relatively large area because an active layer can be easily produced compared to a polysilicon thin film transistor.
一方、アモルファスシリコンよりもキャリア(電子、ホール)の高移動度を実現できる活性層材料として、透明アモルファス酸化物薄膜の開発が進められている。例えば、特許文献1には、ホモロガス化合物InMO3(ZnO)m(M=In、Fe、Ga又はAl、m=1以上50未満の整数)を活性層として用いる電界効果型トランジスタが記載されている。また、特許文献2には、InGaO3(ZnO)4組成を有する多結晶焼結体からなるターゲット材料をスパッタリングしてIn−Ga−Zn−O系の活性層を形成する電界効果型トランジスタの製造方法が記載されている。On the other hand, a transparent amorphous oxide thin film is being developed as an active layer material capable of realizing higher carrier (electron, hole) mobility than amorphous silicon. For example, Patent Document 1 describes a field effect transistor using a homologous compound InMO 3 (ZnO) m (M = In, Fe, Ga or Al, m = 1 or more and an integer less than 50) as an active layer. . Patent Document 2 discloses the manufacture of a field effect transistor in which an In—Ga—Zn—O-based active layer is formed by sputtering a target material made of a polycrystalline sintered body having an InGaO 3 (ZnO) 4 composition. A method is described.
In−Ga−Zn−O系組成を有する活性層は、成膜直後の状態では実用的なトランジスタ特性(オン電流特性、オフ電流特性、オン/オフ電流比など)を有していないため、成膜後、適宜の温度でアニール処理される。アニール温度は高温であるほど良好なトランジスタ特性が得られる。 An active layer having an In—Ga—Zn—O-based composition does not have practical transistor characteristics (on-current characteristics, off-current characteristics, on / off-current ratio, etc.) immediately after film formation, and thus is not formed. After the film is annealed at an appropriate temperature. The higher the annealing temperature, the better the transistor characteristics.
しかしながら、アニール温度の上限は、使用される基材や活性層以外の他の機能膜(電極膜、絶縁膜)の耐熱温度に制限される。したがって、これらの構造層の耐熱性によっては、アニール不足が原因で所望のトランジスタ特性を得ることができない場合がある。 However, the upper limit of the annealing temperature is limited to the heat resistant temperature of the functional film (electrode film, insulating film) other than the base material and the active layer to be used. Therefore, depending on the heat resistance of these structural layers, desired transistor characteristics may not be obtained due to insufficient annealing.
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、高温のアニール処理を必要とすることなくトランジスタ特性の向上を図ることができる電界効果型トランジスタの製造方法を提供することにある。 In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a field effect transistor capable of improving transistor characteristics without requiring high-temperature annealing.
本発明の一形態に係る電界効果型トランジスタの製造方法は、基材を加熱しながら、前記基材の上に、In−Ga−Zn−O系組成を有する活性層をスパッタリング法によって形成する工程を含む。前記形成した活性層は、アニールされる。 In the method for manufacturing a field effect transistor according to one embodiment of the present invention, a process of forming an active layer having an In—Ga—Zn—O-based composition on a base material by sputtering while heating the base material. including. The formed active layer is annealed.
本発明の一実施の形態に係る電界効果型トランジスタの製造方法は、基材を加熱しながら、前記基材の上に、In−Ga−Zn−O系組成を有する活性層をスパッタリング法によって形成する工程を含む。前記形成した活性層は、アニールされる。 In the method of manufacturing a field effect transistor according to one embodiment of the present invention, an active layer having an In—Ga—Zn—O-based composition is formed on a base material by sputtering while heating the base material. The process of carrying out is included. The formed active layer is annealed.
アニール処理は、成膜直後の活性層のトランジスタ特性の向上を図る目的で実施される。基材を加熱しながらスパッタリング法によって成膜されたIn−Ga−Zn−O薄膜は、無加熱で成膜されたIn−Ga−Zn−O薄膜と比較して、内部ひずみや欠陥が少ない。したがって、加熱成膜されたIn−Ga−Zn−O薄膜を活性層として形成することにより、無加熱で成膜された同一材料の活性層と比較して、アニール効果を高めることができる。これにより、低温のアニール処理によって優れたトランジスタ特性を有する活性層を形成することが可能となる。 The annealing process is performed for the purpose of improving the transistor characteristics of the active layer immediately after film formation. An In—Ga—Zn—O thin film formed by a sputtering method while heating a substrate has fewer internal strains and defects than an In—Ga—Zn—O thin film formed without heating. Therefore, by forming an In—Ga—Zn—O thin film formed by heating as an active layer, the annealing effect can be enhanced as compared with an active layer of the same material formed without heating. Thereby, an active layer having excellent transistor characteristics can be formed by low-temperature annealing.
基材は、典型的には、ガラス基板である。基材の大きさは特に制限されない。 The substrate is typically a glass substrate. The size of the substrate is not particularly limited.
前記活性層の成膜温度は、100℃以上とすることができる。
これにより、無加熱で成膜された活性層と比較して、所定のトランジスタ特性を付与するのに必要なアニール温度を低温化することが可能となる。なお、成膜温度は100℃に限られず、成膜条件に応じて適宜変更することが可能である。基材を加熱する加熱機構としては、シースヒータやランプヒータ等を採用することができる。The film forming temperature of the active layer can be 100 ° C. or higher.
This makes it possible to lower the annealing temperature necessary for providing predetermined transistor characteristics as compared with an active layer formed without heating. Note that the deposition temperature is not limited to 100 ° C., and can be appropriately changed according to the deposition conditions. As a heating mechanism for heating the substrate, a sheath heater, a lamp heater, or the like can be employed.
前記活性層のアニール温度は、300℃以上とすることができる。前記活性層のアニール処理圧力は、大気圧でもよいし、減圧雰囲気でもよい。処理雰囲気は空気中でもよいし酸素ガス雰囲気中でもよい。
本発明者らの実験によれば、加熱成膜した活性層を300℃で大気中アニールすることで、無加熱で成膜した活性層を400℃で大気中アニールした場合と同等のオンオフ電流比(オン電流/オフ電流)を得ることができた。このことから、加熱成膜した活性層は、無加熱で成膜された同一材料の活性層と比較して、低温のアニール処理によって優れたトランジスタ特性を有する活性層を形成できることがわかる。The annealing temperature of the active layer can be 300 ° C. or higher. An annealing pressure of the active layer may be an atmospheric pressure or a reduced pressure atmosphere. The treatment atmosphere may be air or an oxygen gas atmosphere.
According to the experiments of the present inventors, the active layer formed by heating is annealed in the atmosphere at 300 ° C., so that the on / off current ratio is the same as that in the case where the active layer formed without heating is annealed at 400 ° C. in the atmosphere. (ON current / OFF current) could be obtained. From this, it can be seen that the active layer formed by heating can form an active layer having excellent transistor characteristics by annealing at a low temperature as compared with the active layer of the same material formed without heating.
前記活性層を形成する工程は、前記活性層を酸化性ガス(例えば、O2、O3、H2等)との反応性スパッタリング法によって成膜することを含んでいてもよい。
In−Ga−Zn−O薄膜を形成するためのスパッタリングターゲットは、In−Ga−Zn−Oの単一のターゲットを用いてもよいし、In2O3ターゲット、Ga2O3ターゲット及びZnOターゲットのような複数のターゲットを用いてもよい。酸素雰囲気中でのスパッタリング成膜は、導入する酸素の分圧(流量)を制御することによって、膜中の酸素濃度を容易に制御することが可能となる。The step of forming the active layer may include forming the active layer by a reactive sputtering method with an oxidizing gas (for example, O 2 , O 3 , H 2, etc.).
As the sputtering target for forming the In—Ga—Zn—O thin film, a single target of In—Ga—Zn—O may be used, or an In 2 O 3 target, a Ga 2 O 3 target, and a ZnO target. A plurality of targets such as may be used. In sputtering film formation in an oxygen atmosphere, the oxygen concentration in the film can be easily controlled by controlling the partial pressure (flow rate) of the introduced oxygen.
前記基材はゲート電極を含み、前記活性層を形成する前に、前記ゲート電極を被覆するゲート絶縁膜をさらに形成してもよい。
これにより、ボトムゲート型の電界効果型トランジスタを作製することができる。ゲート電極は基材の上に形成された電極膜でもよいし、基材そのものをゲート電極で構成してもよい。The base material may include a gate electrode, and a gate insulating film covering the gate electrode may be further formed before forming the active layer.
Thus, a bottom-gate field effect transistor can be manufactured. The gate electrode may be an electrode film formed on a base material, or the base material itself may be composed of a gate electrode.
前記活性層を被覆する保護膜を形成し、前記活性層にコンタクトするソース電極及びドレイン電極を形成することができる。前記保護膜は、スパッタリング法によって形成することができる。 A protective film covering the active layer may be formed, and a source electrode and a drain electrode contacting the active layer may be formed. The protective film can be formed by a sputtering method.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1〜図5は、本発明の一実施の形態による電界効果型トランジスタの製造方法を説明する各工程の要部断面図である。本実施の形態では、いわゆるボトムゲート型のトランジスタ構造を有する電界効果型トランジスタの製造方法について説明する。 1 to 5 are cross-sectional views of a main part of each step for explaining a method of manufacturing a field effect transistor according to an embodiment of the present invention. In this embodiment mode, a method for manufacturing a field-effect transistor having a so-called bottom-gate transistor structure is described.
まず、図1(A)に示すように、基材10の一表面にゲート電極膜11Fを形成する。 First, as shown in FIG. 1A, a gate electrode film 11F is formed on one surface of a base material 10.
基材10は、典型的には、ガラス基板である。ゲート電極膜11Fは、典型的には、モリブデンやクロム、アルミニウム等の金属単層膜又は金属多層膜で構成され、例えば、スパッタリング法によって形成される。ゲート電極膜11Fの厚さは特に限定されず、例えば、300nmである。 The base material 10 is typically a glass substrate. The gate electrode film 11F is typically composed of a metal single layer film or a metal multilayer film such as molybdenum, chromium, or aluminum, and is formed by, for example, a sputtering method. The thickness of the gate electrode film 11F is not particularly limited and is, for example, 300 nm.
次に、図1(B)〜(D)に示すように、ゲート電極膜11Fを所定形状にパターニングするためのレジストマスク12を形成する。この工程は、フォトレジスト膜12Fの形成工程(図1(B))と、露光工程(図1(C))と、現像工程(図1(D))とを有する。 Next, as shown in FIGS. 1B to 1D, a resist mask 12 for patterning the gate electrode film 11F into a predetermined shape is formed. This step includes a step of forming a photoresist film 12F (FIG. 1B), an exposure step (FIG. 1C), and a development step (FIG. 1D).
フォトレジスト膜12Fは、液状の感光性材料をゲート電極膜11Fの上に塗布後、乾燥させることによって形成される。フォトレジスト膜12Fとしてドライフィルムレジストを用いてもよい。形成されたフォトレジスト膜12Fはマスク13を介して露光された後、現像される。これにより、ゲート電極膜11Fの上にレジストマスク12が形成される。 The photoresist film 12F is formed by applying a liquid photosensitive material on the gate electrode film 11F and then drying it. A dry film resist may be used as the photoresist film 12F. The formed photoresist film 12F is exposed through the mask 13 and then developed. Thereby, a resist mask 12 is formed on the gate electrode film 11F.
続いて、図1(E)に示すように、レジストマスク12をマスクとしてゲート電極膜11Fをエッチングする。これにより、基材10の表面にゲート電極11が形成される。 Subsequently, as shown in FIG. 1E, the gate electrode film 11F is etched using the resist mask 12 as a mask. Thereby, the gate electrode 11 is formed on the surface of the substrate 10.
ゲート電極膜11Fのエッチング方法は特に限定されず、ウェットエッチング法でもよいし、ドライエッチング法でもよい。エッチング後、レジストマスク12は除去される。レジストマスク12の除去方法は、酸素ガスのプラズマを用いたアッシング処理が適用されるが、これに限られず、薬液を用いた溶解除去であってもよい。 The etching method of the gate electrode film 11F is not particularly limited, and may be a wet etching method or a dry etching method. After the etching, the resist mask 12 is removed. The method for removing the resist mask 12 is an ashing process using oxygen gas plasma, but is not limited to this, and may be dissolved and removed using a chemical solution.
次に、図2(A)に示すように、基材10の表面に、ゲート電極11を覆うようにゲート絶縁膜14を形成する。 Next, as illustrated in FIG. 2A, a gate insulating film 14 is formed on the surface of the base material 10 so as to cover the gate electrode 11.
ゲート絶縁膜14は、典型的には、シリコン酸化膜(SiO2)、シリコン窒化膜(SiNx)等の酸化膜又は窒化膜で構成され、例えば、CVD法、スパッタリング法によって形成される。ゲート電極膜11Fの厚さは特に限定されず、例えば、200nm〜500nmである。The gate insulating film 14 is typically composed of an oxide film or a nitride film such as a silicon oxide film (SiO 2 ) or a silicon nitride film (SiNx), and is formed by, for example, a CVD method or a sputtering method. The thickness of the gate electrode film 11F is not particularly limited, and is, for example, 200 nm to 500 nm.
続いて、図2(B)に示すように、ゲート絶縁膜14の上に、In−Ga−Zn−O系組成を有する薄膜(以下単に「IGZO膜」という。)15F及びストッパ層形成膜16Fを順に形成する。 2B, on the gate insulating film 14, a thin film (hereinafter simply referred to as “IGZO film”) 15F having an In—Ga—Zn—O-based composition and a stopper layer forming film 16F are formed. Are formed in order.
IGZO膜15F及びストッパ層形成膜16Fは、スパッタリング法によって形成される。IGZO膜15Fとストッパ層形成膜16Fは連続的に成膜することができる。この場合、IGZO膜15Fを成膜するためのスパッタリングターゲットと、ストッパ層形成膜16Fを成膜するためのスパッタリングターゲットを同一のスパッタリングチャンバ内に配置してもよい。使用するターゲットを切り替えることで、IGZO膜15Fとストッパ層形成膜16Fとをそれぞれ独立して形成することができる。 The IGZO film 15F and the stopper layer forming film 16F are formed by a sputtering method. The IGZO film 15F and the stopper layer forming film 16F can be continuously formed. In this case, the sputtering target for forming the IGZO film 15F and the sputtering target for forming the stopper layer forming film 16F may be disposed in the same sputtering chamber. By switching the target to be used, the IGZO film 15F and the stopper layer forming film 16F can be formed independently.
IGZO膜15Fは、基材10を所定温度に加熱した状態で成膜される。基材10の加熱温度は、例えば100℃以上とされる。本実施の形態では、酸素ガス雰囲気中でターゲットをスパッタリングすることで酸素との反応物を基材10の上に堆積させる反応性スパッタリング法によって、活性層15(IGZO膜15F)が形成される。放電形式は、DC放電、AC放電、RF放電のいずれでもよい。また、ターゲットの背面側に永久磁石を配置するマグネトロン放電方法を採用してもよい。 The IGZO film 15F is formed in a state where the substrate 10 is heated to a predetermined temperature. The heating temperature of the base material 10 is, for example, 100 ° C. or higher. In the present embodiment, the active layer 15 (IGZO film 15F) is formed by a reactive sputtering method in which a reaction product with oxygen is deposited on the substrate 10 by sputtering a target in an oxygen gas atmosphere. The discharge type may be any of DC discharge, AC discharge, and RF discharge. Moreover, you may employ | adopt the magnetron discharge method which arrange | positions a permanent magnet in the back side of a target.
IGZO膜15F及びストッパ層形成膜16Fの各々の膜厚は特に限定されず、例えば、IGZO膜15Fの膜厚は50nm〜200nm、ストッパ層形成膜16Fの膜厚は30nm〜300nmである。 The thickness of each of the IGZO film 15F and the stopper layer forming film 16F is not particularly limited. For example, the thickness of the IGZO film 15F is 50 nm to 200 nm, and the thickness of the stopper layer forming film 16F is 30 nm to 300 nm.
IGZO膜15Fは、トランジスタの活性層(キャリア層)15を構成する。ストッパ層形成膜16Fは、後述するソース電極及びドレイン電極を構成する金属膜のパターニング工程、及び、IGZO膜15Fの不要領域をエッチング除去する工程において、IGZO膜のチャネル領域をエッチャントから保護するエッチング保護層として機能する。ストッパ層形成膜16Fは、例えば、SiO2で構成される。The IGZO film 15F constitutes an active layer (carrier layer) 15 of the transistor. The stopper layer forming film 16F is an etching protection that protects the channel region of the IGZO film from the etchant in the patterning process of the metal film constituting the source electrode and the drain electrode, which will be described later, and the process of etching away the unnecessary area of the IGZO film 15F. Acts as a layer. The stopper layer forming film 16F is made of, for example, SiO 2 .
次に、図2(C)及び(D)に示すように、ストッパ層形成膜16Fを所定形状にパターニングするためのレジストマスク27を形成した後、このレジストマスク27を介してストッパ層形成膜16Fをエッチングする。これにより、ゲート絶縁膜14とIGZO膜15Fを挟んでゲート電極11と対向するストッパ層16が形成される。 Next, as shown in FIGS. 2C and 2D, after forming a resist mask 27 for patterning the stopper layer forming film 16F into a predetermined shape, the stopper layer forming film 16F is passed through the resist mask 27. Etch. Thereby, the stopper layer 16 facing the gate electrode 11 is formed with the gate insulating film 14 and the IGZO film 15F interposed therebetween.
レジストマスク27を除去した後、図2(E)に示すように、IGZO膜15F及びストッパ層16を覆うように金属膜17Fを形成する。 After removing the resist mask 27, a metal film 17F is formed so as to cover the IGZO film 15F and the stopper layer 16, as shown in FIG.
金属膜17Fは、典型的には、モリブデンやクロム、アルミニウム等の金属単層膜又は金属多層膜で構成され、例えば、スパッタリング法によって形成される。金属膜17Fの厚さは特に限定されず、例えば、100nm〜500nmである。 The metal film 17F is typically composed of a metal single layer film or a metal multilayer film such as molybdenum, chromium, or aluminum, and is formed by, for example, a sputtering method. The thickness of the metal film 17F is not particularly limited, and is, for example, 100 nm to 500 nm.
続いて、図3(A)及び(B)に示すように、金属膜17Fをパターニングする。 Subsequently, as shown in FIGS. 3A and 3B, the metal film 17F is patterned.
金属膜17Fのパターニング工程は、レジストマスク18の形成工程(図3(A))と、金属膜17Fのエッチング工程(図3(B))とを有する。レジストマスク18は、ストッパ層16の直上領域と、個々のトランジスタの周辺領域とを開口させるマスクパターンを有する。レジストマスク18の形成後、ウェットエッチング法によって、金属膜17Fがエッチングされる。これにより、金属膜17Fは、ソース電極17Sとドレイン電極17Dとに分離される。なお、以降の説明では、これらソース電極17Sとドレイン電極17Dとを一括してソース/ドレイン電極17ともいう。 The patterning process for the metal film 17F includes a process for forming the resist mask 18 (FIG. 3A) and an etching process for the metal film 17F (FIG. 3B). The resist mask 18 has a mask pattern that opens the region immediately above the stopper layer 16 and the peripheral region of each transistor. After the formation of the resist mask 18, the metal film 17F is etched by wet etching. Thereby, the metal film 17F is separated into the source electrode 17S and the drain electrode 17D. In the following description, the source electrode 17S and the drain electrode 17D are also collectively referred to as the source / drain electrode 17.
ソース/ドレイン電極17の形成工程において、ストッパ層16は、金属膜17Fのエッチングストッパ層として機能する。ストッパ層16は、IGZO膜15Fのソース電極17Sとドレイン電極17Dとの間に位置する領域(以下「チャネル領域」という。)を覆うように形成されている。したがって、IGZO膜15Fのチャネル領域は、金属膜17Fのエッチング工程によっては影響を受けることはない。 In the step of forming the source / drain electrode 17, the stopper layer 16 functions as an etching stopper layer for the metal film 17F. The stopper layer 16 is formed so as to cover a region (hereinafter referred to as “channel region”) located between the source electrode 17S and the drain electrode 17D of the IGZO film 15F. Therefore, the channel region of the IGZO film 15F is not affected by the etching process of the metal film 17F.
次に、図3(C)及び(D)に示すように、レジストマスク18をマスクとしてIGZO膜15Fをエッチングする。 Next, as shown in FIGS. 3C and 3D, the IGZO film 15F is etched using the resist mask 18 as a mask.
エッチング方法は特に限定されず、ウェットエッチング法でもよいし、ドライエッチング法でもよい。このIGZO膜15Fのエッチング工程により、IGZO膜15Fは素子単位でアイソレーション化されるとともに、IGZO膜15Fからなる活性層15が形成される。 The etching method is not particularly limited, and may be a wet etching method or a dry etching method. By this etching process of the IGZO film 15F, the IGZO film 15F is isolated in element units and an active layer 15 made of the IGZO film 15F is formed.
このとき、ストッパ層16は、チャネル領域に位置するIGZO膜15Fのエッチング保護膜として機能する。これにより、活性層15のチャネル領域は、IGZO膜15Fのエッチング工程によっては影響を受けることはない。 At this time, the stopper layer 16 functions as an etching protective film for the IGZO film 15F located in the channel region. Thereby, the channel region of the active layer 15 is not affected by the etching process of the IGZO film 15F.
IGZO膜15Fのパターニング後、レジストマスク18はアッシング処理等によってソース/ドレイン電極17から除去される(図3(D))。 After patterning the IGZO film 15F, the resist mask 18 is removed from the source / drain electrode 17 by ashing or the like (FIG. 3D).
次に、図4(A)に示すように、基材10の表面に、ソース/ドレイン電極17、ストッパ層16、活性層15、ゲート絶縁膜14を被覆するように保護膜19が形成される。 Next, as shown in FIG. 4A, a protective film 19 is formed on the surface of the base material 10 so as to cover the source / drain electrodes 17, the stopper layer 16, the active layer 15, and the gate insulating film 14. .
保護膜19は、活性層15を含むトランジスタ素子を外気から遮断することで、所定の電気的、材料的特性を確保するためのものである。保護膜19としては、典型的には、シリコン酸化膜(SiO2)、シリコン窒化膜(SiNx)等の酸化膜又は窒化膜で構成され、例えば、CVD法、スパッタリング法によって形成される。保護膜19の厚さは特に限定されず、例えば、200nm〜500nmである。The protective film 19 is for securing predetermined electrical and material characteristics by blocking the transistor element including the active layer 15 from the outside air. The protective film 19 is typically composed of an oxide film or nitride film such as a silicon oxide film (SiO 2 ) or a silicon nitride film (SiNx), and is formed by, for example, a CVD method or a sputtering method. The thickness of the protective film 19 is not specifically limited, For example, it is 200 nm-500 nm.
続いて、図4(B)〜(D)に示すように、保護膜19にソース/ドレイン電極17と連通するコンタクトホール19aを形成する。この工程は、保護膜19の上にレジストマスク20を形成する工程(図4(B))と、レジストマスク20の開口部20aから露出する保護膜19をエッチングする工程(図4(C))と、レジストマスク20を除去する工程(図4(D))とを有する。 Subsequently, as shown in FIGS. 4B to 4D, contact holes 19 a communicating with the source / drain electrodes 17 are formed in the protective film 19. This step includes a step of forming a resist mask 20 on the protective film 19 (FIG. 4B) and a step of etching the protective film 19 exposed from the opening 20a of the resist mask 20 (FIG. 4C). And a step of removing the resist mask 20 (FIG. 4D).
コンタクトホール19aの形成は、ドライエッチング法が採用されるが、ウェットエッチング法が採用されてもよい。また、図示は省略しているが、任意の位置にソース電極17Sと連絡するコンタクトホールも同様に形成される。 The contact hole 19a is formed by a dry etching method, but may be a wet etching method. Although not shown, a contact hole that communicates with the source electrode 17S is also formed at an arbitrary position.
次に、図5(A)〜(D)に示すように、コンタクトホール19aを介してソース/ドレイン電極17にコンタクトする透明導電膜21を形成する。この工程は、透明導電膜21Fを形成する工程(図5(A))と、透明導電膜21Fの上にレジストマスク22を形成する工程(図5(B))と、レジストマスク22で覆われていない透明導電膜21Fをエッチングする工程(図5(C))と、レジストマスク20を除去する工程(図5(D))とを有する。 Next, as shown in FIGS. 5A to 5D, a transparent conductive film 21 is formed in contact with the source / drain electrode 17 via the contact hole 19a. This step is covered with the step of forming the transparent conductive film 21F (FIG. 5A), the step of forming the resist mask 22 on the transparent conductive film 21F (FIG. 5B), and the resist mask 22. A step of etching the transparent conductive film 21F not yet formed (FIG. 5C) and a step of removing the resist mask 20 (FIG. 5D).
透明導電膜21Fは、典型的には、ITO膜やIZO膜で構成され、例えば、スパッタ法、CVD法によって形成される。透明導電膜21Fのエッチングは、ウェットエッチング法が採用されるが、これに限られず、ドライエッチング法が採用されてもよい。 The transparent conductive film 21F is typically composed of an ITO film or an IZO film, and is formed by, for example, a sputtering method or a CVD method. The etching of the transparent conductive film 21F employs a wet etching method, but is not limited thereto, and a dry etching method may be employed.
図5(D)に示す透明導電膜21の形成されたトランジスタ素子100は、その後、活性層15の構造緩和を目的としたアニール工程が実施される。これにより、活性層15に所期のトランジスタ特性が付与される。 The transistor element 100 with the transparent conductive film 21 shown in FIG. 5D is then subjected to an annealing process for the purpose of relaxing the structure of the active layer 15. As a result, desired transistor characteristics are imparted to the active layer 15.
以上のようにして、電界効果型トランジスタが作製される。 As described above, a field effect transistor is manufactured.
本実施の形態においては、活性層15を構成するIGZO膜15Fは、基材10を所定温度に加熱した状態で成膜される。このように加熱成膜されたIGZO膜15Fは、無加熱で成膜されたIGZO膜と比較して、内部ひずみや膜中の欠陥が少ない。加熱成膜したIGZO膜15Fを活性層15として構成することにより、無加熱で成膜した活性層と比較して、優れたトランジスタ特性(オン電流特性、オフ電流特性、オンオフ電流比など)を得ることができる。 In the present embodiment, the IGZO film 15F constituting the active layer 15 is formed in a state where the substrate 10 is heated to a predetermined temperature. The IGZO film 15F formed by heating in this way has fewer internal strains and defects in the film than the IGZO film formed without heating. By configuring the heated IGZO film 15F as the active layer 15, excellent transistor characteristics (on-current characteristics, off-current characteristics, on-off current ratio, etc.) are obtained as compared with the active layer formed without heating. be able to.
本発明者らは、加熱温度100℃でスパッタ成膜した活性層(サンプル1)と、加熱温度200℃でスパッタ成膜した活性層(サンプル2)と、無加熱でスパッタ成膜した活性層(サンプル3)のそれぞれの電流特性(オン電流値、オフ電流値)を測定した。図6にその実験結果を示す。図中横軸は、成膜時の酸素分圧、縦軸は電流値である。また、図中「●」はサンプル1のオン電流値、「○」はサンプル1のオフ電流値、「◆」はサンプル2のオン電流値、「◇」はサンプル2のオフ電流値、「▲」はサンプル3のオン電流値、「△」はサンプル3のオフ電流値である。 The inventors of the present invention have prepared an active layer (sample 1) formed by sputtering at a heating temperature of 100 ° C., an active layer (sample 2) formed by sputtering at a heating temperature of 200 ° C., and an active layer formed by sputtering without heating (sample 2). The current characteristics (on current value, off current value) of sample 3) were measured. FIG. 6 shows the experimental results. In the figure, the horizontal axis represents the oxygen partial pressure during film formation, and the vertical axis represents the current value. In the figure, “●” indicates the on-current value of sample 1, “◯” indicates the off-current value of sample 1, “♦” indicates the on-current value of sample 2, “◇” indicates the off-current value of sample 2, and “▲” "Is the on-current value of sample 3, and" [Delta] "is the off-current value of sample 3.
サンプル1、サンプル2及びサンプル3の成膜条件は、活性層の成膜時の基板温度のみ異なり、サンプル1を100℃、サンプル2を200℃、サンプル3を室温とした。スパッタリングカソードの電力は0.6kW(DC)、活性層の成膜雰囲気はArと酸素の混合ガスで、アルゴン分圧は一定で0.74Pa(流量:230sccm)とした。なお、基板温度は、基板に取り付けた熱電対の出力に基づいて測定した。 The film formation conditions of Sample 1, Sample 2 and Sample 3 differed only in the substrate temperature at the time of film formation of the active layer. Sample 1 was 100 ° C., Sample 2 was 200 ° C., and Sample 3 was room temperature. The power of the sputtering cathode was 0.6 kW (DC), the atmosphere for forming the active layer was a mixed gas of Ar and oxygen, and the argon partial pressure was constant and 0.74 Pa (flow rate: 230 sccm). The substrate temperature was measured based on the output of a thermocouple attached to the substrate.
図7は、サンプル1〜3の構成を模式的に示す断面図である。サンプル1〜3に係るトランジスタ素子は、ゲート電極31としてのp型シリコン基板と、ゲート絶縁膜32としてのシリコン窒化膜と、活性層33としてのIGZO膜と、ソース/ドレイン電極34S、34Dとしてのアルミニウム膜の積層構造からなる。ゲート絶縁膜32はCVD法で形成され、その膜厚は350nmとされた。活性層33は、スパッタリング法で形成され、その膜厚は50nmとされた。 FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of Samples 1 to 3. The transistor elements according to Samples 1 to 3 include a p-type silicon substrate as a gate electrode 31, a silicon nitride film as a gate insulating film 32, an IGZO film as an active layer 33, and source / drain electrodes 34S and 34D. It consists of a laminated structure of aluminum films. The gate insulating film 32 was formed by a CVD method, and the film thickness was 350 nm. The active layer 33 was formed by a sputtering method, and the film thickness was 50 nm.
この種のトランジスタ素子は、ゲート電極31に印加する電圧を制御することによって、ソース電極34Sとドレイン電極34Dの間を流れる電流(ソース−ドレイン電流Ids)の大きさを制御するスイッチング素子として機能する。特に、ゲート−ソース間に作用する電界の大きさで活性層内のキャリア分布を変化させることでソース−ドレイン間の電流を制御するという動作原理から、この種のトランジスタ素子は電界効果型トランジスタと呼ばれている。 This type of transistor element functions as a switching element that controls the magnitude of the current (source-drain current Ids) flowing between the source electrode 34S and the drain electrode 34D by controlling the voltage applied to the gate electrode 31. . In particular, this type of transistor element is called a field effect transistor because of the principle of controlling the current between the source and the drain by changing the carrier distribution in the active layer according to the magnitude of the electric field acting between the gate and the source. being called.
図6に示す実験結果は、活性層33の成膜直後における電流特性であり、アニール処理は施されていない。また、サンプル1、サンプル2及びサンプル3の各々の素子寸法及び、電気特性の評価用回路の構成はいずれも同一とした。オン電流値は、ゲート電圧(Vgs)が閾値電圧(Vth)以上のときのソース−ドレイン電流(Ids)の大きさを意味する。オフ電流値は、ゲート電圧(Vgs)が閾値電圧以下のときのソース−ドレイン電流(Ids)の大きさを意味する。一般に、トランジスタ特性としては、オン電流値が高くオフ電流値が低い、あるいは、オン電流値/オフ電流値が高いことが要求される。 The experimental results shown in FIG. 6 are current characteristics immediately after the formation of the active layer 33, and no annealing treatment is performed. In addition, the element dimensions of Sample 1, Sample 2, and Sample 3 and the configuration of the circuit for evaluating electrical characteristics were all the same. The on-current value means the magnitude of the source-drain current (Ids) when the gate voltage (Vgs) is equal to or higher than the threshold voltage (Vth). The off-current value means the magnitude of the source-drain current (Ids) when the gate voltage (Vgs) is equal to or lower than the threshold voltage. In general, transistor characteristics are required to have a high on-current value and a low off-current value, or a high on-current value / off-current value.
図6の結果に示すように、サンプル1、サンプル2及びサンプル3について、オン電流値及びオフ電流値が成膜雰囲気中の酸素分圧に依存することが確認された。特に、サンプル1〜3の何れについても、酸素分圧が低いほどオン電流値及びオフ電流値が高いという傾向が確認された。 As shown in the results of FIG. 6, it was confirmed that the on-current value and the off-current value depend on the oxygen partial pressure in the film formation atmosphere for Sample 1, Sample 2, and Sample 3. In particular, for any of Samples 1 to 3, it was confirmed that the lower the oxygen partial pressure, the higher the on-current value and the off-current value.
サンプル1及びサンプル2とサンプル3とを比較すると、加熱成膜された活性層を有するサンプル1及びサンプル2は、無加熱で成膜された活性層を有するサンプル3に比べて、オン電流値が向上している。これは、活性層を加熱成膜することで、活性層中のひずみ及び欠陥を少なくすることができ、その結果、キャリア(電子、ホール)の移動度を向上させることができたためであると考えられる。 Comparing sample 1 and sample 2 with sample 3, sample 1 and sample 2 having an active layer formed by heating have a higher on-current value than sample 3 having an active layer formed without heating. It has improved. This is considered to be because the active layer was heated to reduce strain and defects in the active layer, and as a result, the mobility of carriers (electrons and holes) could be improved. It is done.
また、サンプル1は、酸素分圧の増加に従いオフ電流値も低下する傾向が顕著に現れ、特に、酸素分圧が0.28Paのときにオフ電流値を1.0×10−14(A)にまで低下することが確認された。酸素分圧の増加に従い、活性層の絶縁性が高まる結果、オフ電流値の低下をもたらすためであると考えられる。In Sample 1, the off-current value tends to decrease as the oxygen partial pressure increases. In particular, the off-current value is 1.0 × 10 −14 (A) when the oxygen partial pressure is 0.28 Pa. It was confirmed that it dropped to. This is presumably because, as the oxygen partial pressure increases, the insulation of the active layer increases, resulting in a decrease in the off-current value.
さらに、サンプル1とサンプル2とを比較すると、オン電流値及びオフ電流値は、酸素分圧が0.02Paのとき、サンプル1の方がサンプル2よりも高いが、酸素分圧が0.03Pa〜0.28Paのとき、サンプル1よりもサンプル2の方が高いことが確認された。サンプル1とサンプル2との間におけるオン/オフ電流の大きさの違いは、成膜時の加熱温度の違いによるものである。少なくとも実験した酸素分圧の条件下(0.02Pa以上0.28Pa以下)において、サンプル1及びサンプル2によれば、無加熱で活性層を成膜したサンプル3に比べて、電流特性及びオンオフ電流比を改善できることが確認された。 Further, when comparing sample 1 and sample 2, when the oxygen partial pressure is 0.02 Pa, sample 1 is higher than sample 2 when the oxygen partial pressure is 0.02 Pa, but the oxygen partial pressure is 0.03 Pa. It was confirmed that Sample 2 was higher than Sample 1 at ˜0.28 Pa. The difference in the magnitude of the on / off current between sample 1 and sample 2 is due to the difference in heating temperature during film formation. At least under the oxygen partial pressure conditions (0.02 Pa or more and 0.28 Pa or less) that were tested, Sample 1 and Sample 2 have current characteristics and on / off current compared to Sample 3 in which the active layer was formed without heating. It was confirmed that the ratio could be improved.
以上のように、In−Ga−Zn−O組成を有する活性層を加熱成膜することで、無加熱で成膜する場合と比較して、オン電流値を向上させることができる。ここではスパッタ時の成膜温度が100℃及び200℃である場合を例に挙げて説明した。しかし、加熱温度は上記の例に限られず、例えば、100度未満、あるいは100℃超〜200℃未満、あるいは200℃を超える温度でもよい。すなわち、要求されるトランジスタ特性に応じて、加熱温度を適宜設定することができる。 As described above, when an active layer having an In—Ga—Zn—O composition is formed by heating, the on-state current value can be improved as compared with the case where the film is formed without heating. Here, the case where the film formation temperature during sputtering is 100 ° C. and 200 ° C. has been described as an example. However, the heating temperature is not limited to the above example, and may be, for example, less than 100 degrees, or more than 100 ° C to less than 200 ° C, or more than 200 ° C. That is, the heating temperature can be appropriately set according to the required transistor characteristics.
一方、活性層15を加熱雰囲気でスパッタ成膜することによって、その後のアニール工程において高いアニール効果を得ることができる。アニール処理は、成膜直後の活性層のトランジスタ特性の向上を図る目的で実施される。加熱成膜した活性層15は、無加熱で成膜した活性層と比較して、内部ひずみや欠陥が少ないため、外部からの熱印加に対して高い敏感性を示し、これがアニール処理の低温化を促進する。 On the other hand, by forming the active layer 15 by sputtering in a heated atmosphere, a high annealing effect can be obtained in the subsequent annealing step. The annealing process is performed for the purpose of improving the transistor characteristics of the active layer immediately after film formation. The heated active layer 15 is less sensitive to external heat application because it has less internal strain and defects than the active layer formed without heating, which lowers the annealing temperature. Promote.
図8は、図6及び図7を参照して説明したサンプル1、サンプル2及びサンプル3について、それぞれのアニール処理前後のオンオフ電流比を測定した実験結果である。評価に用いたサンプルは、酸素分圧0.28Paで活性層をスパッタ成膜したサンプルを用いた。アニール温度は、200℃、300℃及び400℃とされ、アニール処理の雰囲気はいずれも大気中でそれぞれ15分とされた。図中「●」はサンプル1のオンオフ電流比、「◆」はサンプル2のオンオフ電流比、「▲」はサンプル3のオンオフ電流比である。 FIG. 8 shows the experimental results obtained by measuring the on / off current ratio before and after each annealing process for Sample 1, Sample 2 and Sample 3 described with reference to FIGS. The sample used for the evaluation was a sample in which the active layer was formed by sputtering at an oxygen partial pressure of 0.28 Pa. The annealing temperatures were 200 ° C., 300 ° C., and 400 ° C., and the atmosphere for the annealing treatment was 15 minutes in the air. In the figure, “●” represents the on / off current ratio of sample 1, “♦” represents the on / off current ratio of sample 2, and “▲” represents the on / off current ratio of sample 3.
無加熱で活性層をスパッタ成膜したサンプル3に関しては、400℃のアニール条件で7桁を超えるオンオフ電流比が得られた。これに対して、100℃及び200℃で活性層をスパッタ成膜したサンプル1及びサンプル2に関しては、300℃のアニール条件で8桁に達するオンオフ電流比が得られた。 For sample 3 in which the active layer was sputtered without heating, an on / off current ratio exceeding 7 digits was obtained under the annealing condition of 400 ° C. On the other hand, for sample 1 and sample 2 in which the active layer was formed by sputtering at 100 ° C. and 200 ° C., an on / off current ratio reaching 8 digits was obtained under the annealing condition of 300 ° C.
図8の実験結果から、サンプル1及びサンプル2の場合、サンプル3と同等以上のオンオフ電流比を得るのに必要なアニール処理温度をサンプル3よりも100℃以下の温度にまで低下させることができる。このことから、加熱成膜した活性層は、成膜直後において膜中にひずみや欠陥が少ないことに起因して、外部の熱負荷に対して高い追従性をもって原子が拡散する。したがって、比較的低温の熱負荷に対しても良好なトランジスタ特性が得られるようになる。 From the experimental results of FIG. 8, in the case of Sample 1 and Sample 2, the annealing temperature required to obtain an on / off current ratio equal to or higher than that of Sample 3 can be lowered to 100 ° C. or lower than that of Sample 3. . Therefore, in the active layer formed by heating, atoms are diffused with high followability to an external heat load because there are few distortions and defects in the film immediately after the film formation. Therefore, good transistor characteristics can be obtained even with a relatively low temperature heat load.
特に、サンプル1及びサンプル2によれば、サンプル3よりも低温の条件で良好なトランジスタ特性が得られることから、基材や活性層以外の他の機能膜(電極膜、絶縁膜)の耐熱性によってアニール処理温度が制限されるような場合でも、目的とするトランジスタ特性が得られやすいという利点がある。 In particular, according to sample 1 and sample 2, good transistor characteristics can be obtained under conditions lower than that of sample 3, so that the heat resistance of other functional films (electrode film, insulating film) other than the base material and the active layer. Even if the annealing temperature is limited by this, there is an advantage that the desired transistor characteristics can be easily obtained.
なお、サンプル1及びサンプル2において、300℃を超える高温でアニール処理することで更なるオンオフ電流比の向上を図ることが可能である。したがって、素子の耐熱性等に鑑みて、無加熱成膜時のアニール条件と同等の条件でアニール処理することによって、更なる特性向上を図ることができる。例えば、アニール温度は、300℃以上400℃未満とすることができる。また、アニール温度の上限を350℃とすることにより、ゲート電極がアルミニウムで形成される場合に問題となるヒロック(表面に形成される微細突起のこと)等の欠陥の発生を効果的に抑制することができる。 In Sample 1 and Sample 2, it is possible to further improve the on / off current ratio by annealing at a high temperature exceeding 300 ° C. Therefore, in view of the heat resistance of the element and the like, the characteristics can be further improved by performing the annealing process under the same conditions as those for the non-heated film formation. For example, the annealing temperature can be 300 ° C. or higher and lower than 400 ° C. In addition, by setting the upper limit of the annealing temperature to 350 ° C., the occurrence of defects such as hillocks (fine projections formed on the surface) that are problematic when the gate electrode is formed of aluminum is effectively suppressed. be able to.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。 The embodiment of the present invention has been described above. Of course, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention.
例えば以上の実施の形態では、ゲート電極が活性層の下層側に形成されたボトムゲート型の電界効果型トランジスタの製造方法を例に挙げて説明したが、これに限らず、ゲート電極が活性層の上層側に形成されたトップゲート型の電界効果型トランジスタの製造方法にも本発明は適用可能である。 For example, in the above embodiment, the method for manufacturing the bottom gate type field effect transistor in which the gate electrode is formed on the lower layer side of the active layer has been described as an example. The present invention can also be applied to a method of manufacturing a top gate type field effect transistor formed on the upper layer side.
また、以上の実施の形態では、活性層15(IGZO膜15F)の成膜温度を100℃以上とし、成膜後のアニール処理温度を300℃としたが、これに限られず、要求される素子のトランジスタ特性に応じて成膜温度及びアニール温度は適宜変更することが可能である。 In the above embodiment, the film formation temperature of the active layer 15 (IGZO film 15F) is set to 100 ° C. or higher and the annealing temperature after film formation is set to 300 ° C. The film formation temperature and the annealing temperature can be appropriately changed according to the transistor characteristics.
10…基材
11…ゲート電極
14…ゲート絶縁膜
15…活性層
16…ストッパ層
17(17S、17D)…ソース/ドレイン電極
19…保護膜DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Base material 11 ... Gate electrode 14 ... Gate insulating film 15 ... Active layer 16 ... Stopper layer 17 (17S, 17D) ... Source / drain electrode 19 ... Protective film
Claims (4)
前記基材を300℃以上400℃未満の温度に加熱することで、前記形成した活性層をアニールする
電界効果型トランジスタの製造方法。 A reactive sputtering method in which an active layer having an In—Ga—Zn—O-based composition is heated to a temperature of 100 ° C. or more and less than 200 ° C., and an oxygen partial pressure is set to 0.02 Pa or more and 0.28 Pa or less. Formed on the substrate by
A method for manufacturing a field-effect transistor, wherein the formed active layer is annealed by heating the substrate to a temperature of 300 ° C. or higher and lower than 400 ° C.
前記基材はゲート電極を含み、
前記活性層を形成する前に、前記ゲート電極を被覆するゲート絶縁膜をさらに形成する
電界効果型トランジスタの製造方法。 It is a manufacturing method of the field effect type transistor according to claim 1,
The substrate includes a gate electrode;
A method of manufacturing a field effect transistor, further comprising forming a gate insulating film covering the gate electrode before forming the active layer.
前記活性層を被覆する保護膜を形成し、
前記活性層にコンタクトするソース電極及びドレイン電極を形成し、
前記保護膜、前記ソース電極及びドレイン電極を形成した後に、前記活性層をアニールする
電界効果型トランジスタの製造方法。 A method of manufacturing a field effect transistor according to claim 1 or 2, further comprising:
Forming a protective film covering the active layer;
Forming a source electrode and a drain electrode in contact with the active layer;
A method for manufacturing a field effect transistor, comprising: annealing the active layer after forming the protective film, the source electrode, and the drain electrode.
前記ソース電極及びドレイン電極を形成する工程は、金属膜をエッチングによりパターニングする工程を含み、
前記電界効果型トランジスタの製造方法は、さらに
前記活性層を形成する工程の後で、かつ前記ソース電極及びドレイン電極を形成する工程の前に、前記活性層を前記金属膜のエッチングのためのエッチャントから保護するストッパ層を形成する
電界効果型トランジスタの製造方法。 It is a manufacturing method of the field effect type transistor according to claim 3,
The step of forming the source electrode and the drain electrode includes a step of patterning a metal film by etching,
The method of manufacturing the field effect transistor further includes an etchant for etching the metal film after the step of forming the active layer and before the step of forming the source electrode and the drain electrode. A method for producing a field-effect transistor, comprising forming a stopper layer for protecting from a field effect.
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