(57)【要約】【課題】本発明の課題は、IGZO半導体で構成する活性層領域の半導体特性が改善される酸化物半導体装置の製造方法を提供することにある。【解決手段】本発明の酸化物半導体装置の製造方法では、ＴＦＴの活性層領域を、アルゴン（Ar）、ヘリウム（He）ネオン（Ne）のすくなくとも１つと酸素（O2）の混合ガスを用いたプラズマ雰囲気でIGZO半導体形成用のターゲットをスパッタリングする工程、キセノン（Xe）とクリプトン（Kr）の少なくとも一方と酸素（O2）の混合ガスを用いたプラズマ雰囲気で前記ターゲットをスパッタリングする工程を含んだ製造工程で形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
IGZO半導体で構成する活性層領域を有する酸化物半導体装置の製造方法において、アルゴン（Ar）、ヘリウム（He）ネオン（Ne）のすくなくとも１つと酸素（O2）の混合ガスとを用いたプラズマ雰囲気でIGZO半導体形成用のターゲットをスパッタリングし、次いで、キセノン（Xe）とクリプトン（Kr）との少なくとも一方と酸素（O2）との混合ガスを用いたプラズマ雰囲気で前記ターゲットをスパッタリングすることで、前記活性層領域を形成することを特徴とする、酸化物半導体装置の製造方法（第一の発明）。
【請求項２】
IGZO半導体で構成する活性層領域を有する酸化物半導体装置の製造方法において、アルゴン（Ar）アルゴン（Ar）、ヘリウム（He）ネオン（Ne）のすくなくとも１つと酸素（O2）の混合ガスとを用いたプラズマ雰囲気でIGZO半導体形成用のターゲットをスパッタリングし、引き続き、キセノン（Xe）とクリプトン（Kr）の少なくとも一方と酸素（O2）の混合ガスを用いたプラズマ雰囲気で前記ターゲットをスパッタリングすることで、前記活性層領域を形成することを特徴とする酸化物半導体装置の製造方法（第二の発明）。
【請求項３】
IGZO半導体で構成する活性層領域を有する酸化物半導体装置の製造方法において、アルゴン（Ar）、ヘリウム（He）、ネオン（Ne）のすくなくとも１つと酸素（O2）との混合ガスを用いたプラズマ雰囲気でIGZO半導体形成用のターゲットをスパッタリングする第一の工程と、キセノン（Xe）とクリプトン（Kr）との少なくとも一方と酸素（O2）との混合ガスを用いたプラズマ雰囲気で前記ターゲットをスパッタリングする第二の工程を含み、前記第一の工程の少なくとも開始後に前記第二の工程を実施することにより前記活性層領域を形成することを特徴とする酸化物半導体装置の製造方法（第三の発明）。
【請求項４】
前記第一の発明乃至第三の発明のいずれかにおいて、アルゴン（Ar）、ヘリウム（He）、ネオン（Ne）、キセノン（Xe）、クリプトン（Kr）の中の少なくとも一つは、前記活性層領域の形成過程でその流量が変動することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の酸化物半導体装置の製造方法（第四の発明）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置(以後「LCD」と記すことがある)、有機発光表示装置(以後「OLED」と記すことがある)、及びこれらの表示装置に組み込まれる表示パネルを搭載した、携帯電話、タブレット、コンピュータなどの情報端末装置の普及が急増している。その一翼を担っているのが酸化物半導体を活性層領域に用いた薄膜トランジスタ（以後「Oxied-TFT」と記すことがある）である。酸化物半導体の中でも、インジウム（In）、ガリウム（Ga）、亜鉛（Zn）を含む酸化物半導体（以後「IGZO」と記載することがある）は、薄膜半導体の中では、電子移動度が高いためにトランジスタの小型化に向き、表示素子の画素の高密度化を可能にし、高精細な表示装置を実現している。また、トランジスタの小型化は、画素回路の細線化を図ることが出来、バックライトの光の遮蔽率を低め明るい画素が提供される。更に、IGZOのトランジスタ搭載の表示装置は、画面のリフレッシュを行わずに一定時間、表示内容を維持することが出来ため消費電力量の低減も図れ、エコタイプの表示装置が提供できる。
【０００３】
この様に、IGZO半導体は優れた特徴を有するが、シリコン（Si）単結晶半導体に比べれば、その移動度も一層の改善が期待される。特許文献１、２には、IGZO半導体で構成する活性層領域を形成する際に、酸素（O）ガス(O2)にアルゴン（Ar）ガスを混合したガスを用いてプラズマ雰囲気を形成し形成される活性層領域中にアルゴン（Ar）をドーピングする方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１５１４６０号公報
【特許文献２】特開２０１２−１６９６０６号公報
【特許文献３】特開２００７−２２０８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、一般に、アルゴン（Ar）を用いるプラズマ化での成膜では、アルゴン（Ar）イオンによる成膜ダメージが大きく良質の堆積膜が形成し難い。従って、IGZO半導体で構成する活性層領域と該活性層領域に接触する他の層との界面特性が悪くなり、トランジスタの動作特性が安定しなくなる。これに対して、アルゴン（Ar）よりも比較的成膜ダメージが小さいキセノン（Xe）、クリプトン（Kr）を使用する提案もあるが、キセノン（Xe）、クリプトン（Kr）が高価であるため工業生産的には経済的でない。ましてや、生産システムに、未使用キセノン（Xe）ガス・クリプトン（Kr）ガスの回収手段を設けても、ガス分離、ガス再精製などをしなければ再使用が出来ないので生産システムとそのメンテナンスに多大な投資を余儀なくされる。
【０００６】
この他、IGZO半導体で構成する活性層領域とソース・ドレイン電極との間の接触抵抗の改善のために、該活性層領域の中、ソース・ドレイン電極に対向する部分（対向部分）に希ガス元素をドーピングして該対向部分を低抵抗化すことも提案されている（特許文献３）。しかし、この提案も特許文献１の場合と同様の課題を抱えている。
【０００７】
本発明は、上記点に鑑みなされたもので、IGZO半導体で構成する活性層領域の半導体特性が改善される酸化物半導体装置の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一つの側面は、IGZO半導体で構成する活性層領域を有する酸化物半導体装置の製造方法において、アルゴン（Ar）、ヘリウム（He）ネオン（Ne）のすくなくとも１つと酸素（O2）の混合ガスを用いたプラズマ雰囲気でIGZO半導体形成用のターゲットをスパッタリングし、次いで、キセノン（Xe）とクリプトン（Kr）の少なくとも一方と酸素（O2）の混合ガスを用いたプラズマ雰囲気で前記ターゲットをスパッタリングすることで、前記活性層領域を形成することを特徴とする（第一の発明）。
【０００９】
本発明の別の側面は、IGZO半導体で構成する活性層領域を有する酸化物半導体装置の製造方法において、アルゴン（Ar）アルゴン（Ar）、ヘリウム（He）ネオン（Ne）のすくなくとも１つと酸素（O2）の混合ガスを用いたプラズマ雰囲気でIGZO半導体形成用のターゲットをスパッタリングし、引き続き、キセノン（Xe）とクリプトン（Kr）の少なくとも一方と酸素（O2）の混合ガスを用いたプラズマ雰囲気で前記ターゲットをスパッタリングすることで、前記活性層領域を形成することを特徴とする（第二の発明）。
【００１０】
本発明の更に別の側面は、IGZO半導体で構成する活性層領域を有する酸化物半導体装置の製造方法において、アルゴン（Ar）、ヘリウム（He）、ネオン（Ne）のすくなくとも１つと酸素（O2）の混合ガスを用いたプラズマ雰囲気でIGZO半導体形成用のターゲットをスパッタリングする第一の工程と、キセノン（Xe）とクリプトン（Kr）の少なくとも一方と酸素（O2）の混合ガスを用いたプラズマ雰囲気で前記ターゲットをスパッタリングする第二の工程を含み、前記第一の工程の少なくとも開始後に前記第二の工程を実施することにより前記活性層領域を形成することを特徴とする（第三の発明）。
【００１１】
本発明のもう一つの側面は、前記第一の発明乃至第三の発明において、アルゴン（Ar）、ヘリウム（He）、ネオン（Ne）、キセノン（Xe）、クリプトン（Kr）の中の少なくとも一つは、前記活性層領域の形成過程でその流量が変動することを特徴とする（第四の発明）。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、従来に比べて、高い経済効果の下で、トランジスタの閾値のばらつきを抑えキャリア移動度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の好適な実施態様例の一つに係る電界効果型薄膜トランジスタとしての薄膜トランジスタの概略構成を説明する模式的説明図。
【図２】本発明の好適な実施態様例の一つに係る電界効果型薄膜トランジスタを製造するための回転マグネトロンスパッタ製造装置の一例の主要部の概略構成を説明するための模式的概略構説明図。
【図３】図１に示す薄膜トランジスタの製造工程の概略を説明するための工程図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、IGZO半導体で構成する活性層領域を形成する際に、先ず、アルゴン（Ar）、ヘリウム（He）、ネオン（Ne）（以後「第一の工程のガス」と記すことがある）のすくなくとも１つを使用して形成したプラズマ成膜雰囲気で前記活性層領域の形成（以後「第一の工程」と記すことがある）を開始し、その後所定の時間（t）が過ぎた段階で、プラズマ成膜雰囲気をキセノン（Xe）とクリプトン（Kr）（以後「第二の工程のガス」と記すことがある）の少なくとも一方を使用するプラズマ成膜雰囲気に切り替えて活性層領域の形成を行う（以後「第二の工程」と記すことがある）と、前記活性層領域の形成当初にアルゴン（Ar）を使用して形成したプラズマ成膜雰囲気で行っているにも拘らず、上記のようにして形成された活性層領域を備えた酸化物半導体装置の動作特性が予期に反して大幅に改善されるということを発見したことに基づいている。
特に、例えば、ＰＣＴ国際公開ＷＯ２００７／０４３４７６号公報に記載されている回転式マグネトロンスパッタ装置や後述される多連回転式マグネトロンスパッタ装置を使用すると、その効果は顕著に現れる。
【００１５】
本発明においては、IGZO半導体で構成する活性層領域をスパッタ法で形成する際、前記活性層領域の形成当初を前記第一の工程とし、前記活性層領域の形成終了直前は前記第二の工程とすることが特徴である。この特徴を活かすことを前提にするなら、前記第一の工程と前記第二の工程とは、活性層領域の形成過程で重複して実施しても構わない。又、前記第一の工程と前記第二の工程とは、連続して行っても良いし断続して行っても良い。断続して行う場合は、第一の工程で形成された一部の活性層領域の表面は、酸素や水分、大気などの雰囲気に晒すことなく前記第二の工程を実施することが望ましい。
【００１６】
前記第一の工程と前記第二の工程において使用されるアルゴン（Ar）、ヘリウム（He）、ネオン（Ne）、キセノン（Xe）、クリプトン（Kr）の成膜空間に供給する際の流量は、所望のと特性の活性層領域が形成される条件の範囲であれば、成膜設計に応じて一定でも不定でも良い。不定の場合、その流量値変化は漸増でも漸減でも良く、或いは形成過程の途中に流量値の極大若しくは極小を設けても良い。
【００１７】
本発明においては前記第一の工程での成膜での膜厚は、原子オーダで緻密に成膜されるのであればできるだけ薄い方が好ましいが、その下限は、好ましくは、０．０１ｎｍ、より好ましくは、０．５ｎｍ、更に好ましくは、１．０ｎｍであるのが望ましい。上限は、形成されるＴＦＴのトランジスタ特性、特に、キャリア移動度の向上や閾値電圧のバラツキ抑制の視点から、好ましくは、１０ｎｍ、より好ましくは、８ｎｍ、更に好ましくは、５ｎｍであるのが望ましい。
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施態様例の一つを説明する。
【００１９】
図１は、本発明の好適な実施態様例の一つに係る電界効果型薄膜トランジスタとしての薄膜トランジスタの概略構成を説明する模式的説明図である。図１に示す薄膜トランジスタ１００は、ボトムゲート型のアモルファスＩＧＺＯ薄膜トランジスタである。薄膜トランジスタ１００は、ガラス、セラミックス、シリコンウエハなどが採用される基体１０１、ゲート電極１０２、ゲート絶縁膜１０３、半導体層としてのアモルファスＩＧＺＯ薄膜（酸化物薄膜）で構成された活性層領域１０４、ソース電極１０５、ドレイン電極１０６を備えている。活性層領域１０４中には、薄膜トランジスタ１００が動作される際にソース電極１０５からドレイン電極１０６に電流が流れるチャネルが形成される。
ソース電極１０５・ドレイン電極１０６と活性層領域１０４との間には、その間の接触抵抗を低減する（好ましくは、オーミックコンタクトを形成するのが望ましい）ために、接触抵抗低減化層領域を設けるのが望ましい。
【００２０】
次に、薄膜トランジスタ１００の製造方法について説明する。
【００２１】
図２は、本発明の好適な実施態様例の一つに係る電界効果型薄膜トランジスタ１００を製造するための多連（図２では２連）回転マグネトロンスパッタ製造装置２００の一例の主要部の概略構成を説明するための模式的概略構説明図である。回転マグネトロンスパッタ製造装置２００は、２つの回転マグネット収容部２０１（第一の回転マグネット収容部２０１ａ，第二の回転マグネット収容部２０１ｂ）、基体設置台２０２を備えている。
【００２２】
２つの回転マグネット収容部２０１の夫々は、基体設置台２０２に対面してターゲット取り付け台２０３（第一のターゲット取り付け台２０３a、第二のターゲット取り付け台２０３b）、固定磁石２０５（第一の固定磁石２０５a、第二の固定磁石２０５b）が備えてある。２つの回転マグネット収容部２０１内には、回転マグネット２１２（第一の回転マグネット２１２a、第二の回転マグネット２１２b）が夫々所定の取り付け位置に取り付けられて収容されてある。回転マグネット２１２は、外部においてベルトでつなげて同期させ、好ましくは、0.1〜10Hz程度の回転数で回転させるのが望ましい。
【００２３】
第一の回転マグネット収容部２０１ａと第二の回転マグネット収容部２０１ｂの間には、共用固定磁石２０６が設けてある。共用固定磁石２０６の設置は、ターゲット２１０a，２１０b間の距離を短くするとともに、ターゲットの幅のぎりぎりまでプラズマループを広げることができ、近い基板距離においても均一な成膜が可能となる。固定磁石２０６は、真空チャンバー内に設置するのが発生する磁力線の有効活用のために望ましい。固定磁石２０６を真空チャンバー内に設置することで、図２の装置で、固定磁石開口幅は、それまでの真空チャンバー外設置の場合の100mm程度に比較して、134mm程度とすることができ、かつターゲット間距離を6mmまで縮めることができた。
【００２４】
基体設置台２０２上の所定位置には、膜形成用の基体１０１が設置される。２つのターゲット取り付け台２０３の所定の取り付け位置には、ターゲット２１０（第一のターゲット２１０a、第二のターゲット２１０b）が取り付けられる。基体設置台２０２とターゲット取り付け台２０３の間の空間は、真空チャンバー内のプラズマ成膜空間２０４である。固定磁石は２０５（２０５a、２０５b）、共用固定磁石２０６は、絶縁部品２０７(２０７a，２０７b，２０７c)に取り付けられてある。絶縁部品２０７は、O-リング２０８（２０８a，２０８b，２０８c，２０８d）によって真空シールされている。プラズマ成膜空間２０４には、所定のガス（酸素系ガスと所定の希ガス）が所定の流量と流量比で供給され放電用ＡＣ電源２０９から電力が供給されることでAC放電が起り、よって所定のプラズマ雰囲気が形成される。AC放電の際のAC周波数は製造装置にもよるが好ましくは１〜１００kHzとされるのが望ましい。
【００２５】
本発明においては、上記のＡＣ放電の他、DC放電を採用しても良い。また、ＡＣ放電としては、ＲＦや９１５ＨｚなどのＶＨＦ、２．４５ＧＨｚなどのμ波を用いても良い。これらのＡＣ放電の際には両ターゲットにDC電力を供給するのが好ましい。図２の回転マグネトロンスパッタ製造装置２００では、ACスパッタは交互に片側のターゲットがアノードになるので、真空チャンバー壁等をグランド（ＧＮＤ）にしてアノードとして使用しなくて良いので、大面積化しても安定した放電を形成する事ができる。
【００２６】
本発明においては、ＩＧＺＯ薄膜形成用のターゲット２１０にはＤＣ電力を、好ましくは０．１〜１０Ｗ／ｃｍ2、より好ましくは、１〜８Ｗ／ｃｍ2供給しながら成膜するのが望ましい。本件の実施例では、例えば、３Ｗ／ｃｍ2印加して成膜した。実施例では、ターゲット２１０の配列方向の幅は、134mm、ターゲット２１０aとターゲット２１０bの間の隙間は6mmであり、回転マグネット中心間距離は140mmであった。
【００２７】
次に、製造工程の概略を説明する。図３は、図１に示す薄膜トランジスタの１００の製造工程の概略を説明するための工程図である。先ず、図２に示すように、半導体製造分野で通常行われている洗浄工程を経て用意した所定位大きさのガラスなどの基体１０１上にゲート電極１０２となるアルミニウム膜をスパッタリングにより成膜する。
【００２８】
次いで、レジスト塗布、露光、現像を行うことでレジストパターンを形成する。その後、形成したレジストパターンをマスクにアルミニウム膜をエッチングし、さらにレジストを除去することでゲート電極１０２を形成する（図３の工程Ｓ１）。エッチングは、例えばリン酸、硝酸、酢酸の混合液によるウェットエッチングでも塩素プラズマ等を用いたドライエッチングでも良い。
【００２９】
次に、ゲート絶縁膜１０３となるシリコン酸化膜（膜厚は、例えば、１００ｎｍ）をプラズマＣＶＤにより成膜する（図３の工程Ｓ２）。ゲート絶縁膜の種類は、ＳｉＯ2に限るものではなく、例えばシリコン窒化膜をプラズマＣＶＤで成膜しても良いし、Ａｌ2Ｏ3をスパッタリングにより成膜しても良い。また、膜厚も１００ｎｍに限られるものではない。
【００３０】
次に、ＩＧＺＯ薄膜（その一部が活性層領域１０４となる）を、例えば、５０ｎｍの厚さにマグネトロンスパッタにより成膜する（図３の工程Ｓ３）。
マグネトロンスパッタ装置としては、前記した特許公開公報に記載の装置や図２で説明した装置が好適に用いられる。ＩＧＺＯ薄膜は、アモルファスでも多結晶でも良いが、好ましくはアモルファスが望ましい。
【００３１】
次いで、ＩＧＺＯ薄膜をスパッタ法で形成した後、レジストパターニングを行い、形成されたレジストパターンをマスクにアモルファスＩＧＺＯ薄膜をエッチングすることで、ＩＧＺＯ薄膜のアイランドパターン（孤立パターン）を形成する。ＩＧＺＯ薄膜のエッチング方法は、リン酸等のウェットエッチングでも良いし、あるいはＩＧＺＯ薄膜を成膜した後に、ＳｉＯ2等の保護膜を連続して成膜し、その保護膜をレジストパターニングの後にドライエッチング等でパターニングし、形成された保護膜のパターンをマスクとしてＩＧＺＯ薄膜をリン酸等のウェットエッチングを行うことでパターニングしても良い。
【００３２】
次に、スパッタ法によりアルミニウム膜を成膜し、レジストパターニングとアルミニウム膜のエッチングを行うことで、ソース電極１０５及びドレイン電極１０６を形成した（図３の工程Ｓ４）。
【００３３】
このようにして、図１に示す薄膜トランジスタ１００を得る。
【００３４】
活性層領域１０４の形成は前述した通りに形成すればよい。マグネトロンスパッタ法によりＩＧＺＯ薄膜を形成する際に使用するガスとしては、好ましくは、Ｋｒ／Ｏ2、Ｘｅ／Ｏ2、Ａｒ／Ｏ2の三種類のガスを用いるのが望ましい。この場合、例えば、より好適な一例としては、酸素分圧は８％、トータル圧力は５ｍＴｏｒｒ（０．６７Ｐａ）、ガスの総流量は標準状態換算で４００ｍｌ／分とするのが望ましい。酸化ガスに酸素ガスを使用する場合は、酸素分圧はとしては、好ましくは、０．１〜２０％、より好ましくは、２〜１５％、トータル圧力としは、好ましくは０．１〜１５ｍＴｏｒｒ、より好ましくは１〜１０ｍＴｏｒｒ、ガスの総流量は標準状態換算で５０〜１０００ｍｌ／分、より好ましくは１００〜６００ｍｌ／分、とするのが望ましい。
【００３５】
［実施例と比較例］
図３の工程において、活性層領域の形成には図２に示す装置を使用し、以下の条件でＴＦＴを作成して、そのトランジスタ特性を評価した。
「活性層領域」
・酸素分圧・・・８％
・トータル圧力・・・５ｍＴｏｒｒ
・ガスの総流量（標準状態換算）・・・４００ｍｌ／ｍｉｎ
・成膜レート・・・２００ｎｍ／ｍｉｎ
・膜厚・・・５０ｎｍ
・アルミニウムの配線パターンを形成した後に熱処理炉を用いて、酸素１００％雰囲気（酸素導入流量１リットル／分）で熱処理を行った。熱処理温度は３００℃とし、熱処理後にキャリア移動度を評価した。
・規格化キャリア移動度・・・ガス種がＡｒ／Ｏ２で、熱処理温度が２００℃の場合のキャリア移動度を１．０として規格化。。
・しきい値電圧のシフト（規格化）・・・ゲート電圧ストレス印加後のしきい値
・ストレス条件： 60℃、Vg(ゲート電圧)：+20V、2000s
【００３６】
結果を以下の表１に示す。
【００３７】
【表１】
2014112619.tif 000003
【００３８】
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明の技術的範囲は実施例に限定されない。当業者であれば上記した実施例に基づき各種変形例や改良例に想到するのは当然のことであり、これらも当然に本発明の範囲内の属するものと了解される。
【００３９】
例えば、上記した実施例では、ガス種としてＫｒ／Ｏ２またはＸｅ／Ｏ２を用いたが、スパッタ装置構成やターゲットの組成によっては、酸素なしで、すなわちＸｅガスまたはＫｒガスのみの雰囲気でスパッタを行っても同様の効果が得られる。
【００４０】
また、上記の実施例ではボトムゲート型のトランジスタを形成する場合について説明したが、トップゲート型のトランジスタ、すなわち基板上にＩＧＺＯ系アモルファス酸化物薄膜を設け、その上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を設けた構成についても本発明を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明を用いることによって活性層領域のキャリア移動度が大幅に向上し、しかもトランジスタの閾値のばらつきを抑える効果がより大きいので、得られる酸化物半導体装置は、半導体分野に限らず、表示装置分野、情報端末装置分野の市場を飛躍的に拡大する可能性がある。
【符号の説明】
【００４２】
１００  薄膜トランジスタ
１０１  基体
１０２  ゲート電極
１０３  ゲート絶縁膜
１０４  ＩＧＺＯ薄膜（活性層領域）
１０５  ソース電極
１０６  ドレイン電極
２００  回転マグネトロンスパッタ製造装置
２０１  回転マグネット収容部
２０２  基体設置台
２０３  ターゲト取り付け台
２０４  成膜空間
２０５  固定磁石
２０６  共用固定磁石
２０７  絶縁部品
２０８  Ｏ−リング
２０９  放電用ＡＣ電源
２１０  ターゲット
２１２  回転マグネット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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