(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された酸化物半導体薄膜上に直接積層された金属薄膜を、ウェットエッチングもしくはドライエッチングによってパターニングして薄膜トランジスタのチャネル領域上の金属薄膜を除去する際に生じる酸化物半導体薄膜表面の変化を間接的にモニタリングする方法であって、
前記酸化物半導体薄膜表面に対し、レーザー光を照射して前記酸化物半導体薄膜の導電率変化をマイクロ波の反射率変化としてモニタリングする方法。
【請求項２】
基板上に形成された酸化物半導体薄膜上に直接積層された金属薄膜を、ウェットエッチングまたはドライエッチングによってパターニングした後、前記酸化物半導体薄膜上に、素子を保護する絶縁膜を形成する際に生じる酸化物半導体薄膜表面の変化を間接的にモニタリングする方法であって、
前記絶縁膜が形成された酸化物半導体薄膜表面に対し、レーザー光を照射して前記酸化物半導体薄膜の導電率変化をマイクロ波の反射率変化としてモニタリングする方法。
【請求項３】
前記絶縁膜を成膜する際のＳｉＨ4／Ｎ2Ｏの流量比が８％未満である請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記酸化物半導体薄膜の導電率変化を、マイクロ波減衰のピーク値またはマイクロ波減衰の大きさとしてモニタリングするものである請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記マイクロ波減衰のピーク値が前記エッチングを施す前の前記酸化物半導体薄膜のマイクロ波減衰のピーク値の５０％以上であるか、または
前記マイクロ波減衰の大きさを、１．５マイクロ秒から２．５マイクロ秒の区間での測定信号の傾きから求めたとき、３マイクロ秒以下である請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記酸化物半導体薄膜が、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、およびＳｎよりなる群から選択される二種以上の元素を含む請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記金属薄膜が、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、およびＴｉよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を５０原子％以上含む請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記金属薄膜がＡｌ、またはＭｏを５０原子％以上含む場合は、前記ウェットエッチングに用いられる溶液がリン酸、硝酸、および酢酸を含む溶液であり、
前記金属薄膜がＣｕ、またはＭｏを５０原子％以上含む場合は、前記ウェットエッチングに用いられる溶液が過酸化水素水を含む溶液である請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物半導体薄膜を含む電界効果型薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＴＦＴ）、または上記ＴＦＴを用いた液晶ディスプレイ若しくは有機ＥＬディスプレイなどの表示装置の製造における、酸化物半導体薄膜の表面の変化をモニタリングして非接触・非破壊で酸化物半導体薄膜の膜質を管理する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、アモルファス酸化物半導体薄膜を用いた半導体素子が注目されている。上記アモルファス酸化物半導体薄膜は、低温で成膜でき、且つ、光学バンドギャップが大きいという特徴がある。そのため、プラスチック基板やフィルム基板への適用、フレキシブルディスプレイへの適用、透明ディスプレイへの適用などが期待されている。なかでもＩｎＧａＺｎＯの酸化物半導体薄膜を用いたＴＦＴは、高い移動度が得られるとして多く報告されている。例えば特許文献１に記載のＩｎＧａＺｎＯ薄膜を有するＴＦＴは、電界効果移動度が５ｃｍ2／Ｖｓｅｃ以上と、従来用いられてきたａ−Ｓｉの１０倍以上が得られる旨記載されている。更に上記特許文献１に記載のＴＦＴは、ＴＦＴのスイッチング特性の急峻さをあらわすＳＳ（Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  Ｓｗｉｎｇ）値が０．１程度からと非常に小さく良好である。また、非特許文献１には、原子％比でＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１．１：１．１：０．９を有する酸化物半導体を用いたＴＦＴの技術が記載されている。
【０００３】
ところで、酸化物半導体薄膜を用いたＴＦＴの構造は、以下の二種類に大別される。一つは、図１に示すエッチストップレイヤー（Ｅｔｃｈ  Ｓｔｏｐ  Ｌａｙｅｒ；ＥＳＬ）構造であり、酸化物半導体薄膜４上に上記酸化物半導体薄膜４を保護するエッチストップレイヤー５が形成され、その上にＴＦＴのソース電極６、ドレイン電極７（以下、「ソース・ドレイン電極」ということがある）となる金属薄膜が形成されている。例えば非特許文献１に、典型的なＴＦＴのＥＳＬ構造が記載されている。もう一つは図２に示すバックチャネルエッチ（Ｂａｃｋ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｅｔｃｈ；ＢＣＥ）構造であり、酸化物半導体薄膜４上に直接、ＴＦＴのソース・ドレイン電極６、７となる金属薄膜が形成されている。例えば非特許文献２に、典型的なＴＦＴのＢＣＥ構造が記載されている。
【０００４】
上記ＢＣＥ構造では、酸化物半導体薄膜４上に直接、金属薄膜を形成した後、上記金属薄膜をパターニングして、ＴＦＴのチャネルと呼ばれる領域の上の金属薄膜を除去するＢＣＥ工程を実施する。上記ＢＣＥ工程には、プラズマエッチングと呼ばれるドライ工程と、溶液エッチング（以下、「ウェットエッチング」ということがある）と呼ばれるウェット工程の二種類がある。ＢＣＥ構造では、この金属薄膜を除去するＢＣＥ工程が非常に重要である。金属薄膜の除去と共に、その直下に酸化物半導体薄膜４が露出されるからであり、以下の問題が生じる虞がある。
【０００５】
具体的にはＢＣＥ工程の際、その直下にある酸化物半導体薄膜４に対し、金属薄膜の残さ（以下、「エッチング残さ」ということがある）、金属薄膜の再付着、酸化物半導体薄膜表面に物理的なダメージが残るなどの問題が挙げられる。これらのうち金属薄膜の残さや再付着は、ＴＦＴのリーク電流の増加やＳＳ値の増加を招く。ここでＳＳ値とは、ＴＦＴのスイッチング特性を示すパラメータであり、小さい方が良いとされている。また、酸化物半導体薄膜表面に物理的なダメージが残った場合、ＴＦＴ特性そのもの、すなわち、しきい値、電界効果移動度、信頼性が変化する虞がある。
【０００６】
また、ＢＣＥ構造を有するＴＦＴにおいて、上記ＢＣＥ工程の後、素子を保護する絶縁膜８（以下、ゲート絶縁膜と区別するため、「パッシべーション絶縁膜」ということがある。）を形成するに当たり、上記パッシべーション絶縁膜の形成条件が悪いと、下層の酸化物半導体薄膜４にダメージを与えるため、半導体の性能を失って導体化するという問題が生じることもある。
【０００７】
そのため、これまでは、金属薄膜を除去する上記ＢＣＥ工程の優劣や、その後のパッシべーション絶縁膜形成条件の優劣を評価し、最適化するために、実際にＢＣＥ構造を有するＴＦＴを製造した後、酸化物半導体薄膜の移動度、ＳＳ値、しきい値などの特性を測定していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ＶＯＬ４８、０３Ｂ０１８（２００９）
【非特許文献２】Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｗｏｒｋｓｙｏｐ  Ｄｉｇｅｓｔ、３６８（２０１３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のようにＴＦＴを実際に製造して、ＢＣＥ工程の優劣；すなわち、エッチング残さがないこと、金属薄膜の再付着がないこと、酸化物半導体薄膜表面に物理的なダメージが残っていないこと（以下、これらをまとめて「ＢＣＥ工程の優劣」ということがある）、を評価するには、多くのプロセスや時間を要し、生産性の低下とコストの増加を招く。また、ＴＦＴ特性の評価に当たっては、電極となるゲート電極やソース・ドレイン電極を用いて実際に電気的評価をしなければならず、やはり、多くのプロセスや時間を要する。もしも、ＢＣＥ工程の直後に、非接触・非破壊にてＢＣＥ工程の優劣を評価できる方法が提供されれば、プロセス最適化の時間短縮やコスト低減が可能となり、有用である。
【００１１】
エッチング残さ、金属薄膜の再付着、酸化物半導体薄膜表面の物理的なダメージが残存するなどの同様の問題は、ＢＣＥ構造を有するＴＦＴにおいて、ＢＣＥ工程直後のパッシべーション絶縁膜を形成するときにも見られる。そのため、パッシベーション絶縁膜の形成直後に、非接触・非破壊にてパッシベーション絶縁膜形成条件の優劣を評価できる方法が提供されれば、プロセス最適化の時間短縮やコスト低減が可能となり、有用である。
【００１２】
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、上記ＢＣＥ工程の優劣、または上記ＢＣＥ工程後のパッシベーション絶縁膜形成条件の優劣を、非接触・非破壊で、定性的または定量的に行うことが可能な方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決することのできた本発明の方法は、基板上に形成された酸化物半導体薄膜上に直接積層された金属薄膜を、ウェットエッチングもしくはドライエッチングによってパターニングして薄膜トランジスタのチャネル領域上の金属薄膜を除去する際に生じる酸化物半導体薄膜表面の変化を間接的にモニタリングする方法であって、前記酸化物半導体薄膜表面に対し、レーザー光を照射して前記酸化物半導体薄膜の導電率変化をマイクロ波の反射率変化としてモニタリングするところに要旨を有する。
【００１４】
また、課題を解決することのできた本発明の他の方法は、基板上に形成された酸化物半導体薄膜上に直接積層された金属薄膜を、ウェットエッチングまたはドライエッチングによってパターニングした後、前記酸化物半導体薄膜上に、素子を保護する絶縁膜を形成する際に生じる酸化物半導体薄膜表面の変化を間接的にモニタリングする方法であって、前記絶縁膜が形成された酸化物半導体薄膜表面に対し、レーザー光を照射して前記酸化物半導体薄膜の導電率変化をマイクロ波の反射率変化としてモニタリングするところに要旨を有する。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態において、上記絶縁膜を成膜する際のＳｉＨ4／Ｎ2Ｏの流量比は８％未満である。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態において、上記酸化物半導体薄膜の導電率変化を、マイクロ波減衰のピーク値またはマイクロ波減衰の大きさとしてモニタリングするものである。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態において、上記マイクロ波減衰のピーク値が前記エッチングを施す前の前記酸化物半導体薄膜のマイクロ波減衰のピーク値の５０％以上であるか、または上記マイクロ波減衰の大きさを、１．５マイクロ秒から２．５マイクロ秒の区間での測定信号の傾きから求めたとき、３マイクロ秒以下である。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態において、上記酸化物半導体薄膜は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、およびＳｎよりなる群から選択される二種以上の元素を含む。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態において、上記金属薄膜は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、およびＴｉよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を５０原子％以上含む。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態において、上記ウェットエッチングに用いられる溶液が、Ａｌ、またはＭｏを５０原子％以上含む金属薄膜の場合、リン酸、硝酸、および酢酸を含む溶液であり；Ｃｕ、またはＭｏを５０原子％以上含む金属薄膜の場合、過酸化水素水を含む溶液である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、基板上に形成された酸化物半導体薄膜上に直接積層された金属薄膜をウェットエッチングもしくはドライエッチングによってパターニングするＢＣＥ工程において、酸化物半導体薄膜の導電率変化をマイクロ波の反射率変化としてモニタリングするマイクロ波光導電減衰法を採用し、金属薄膜の残さや金属薄膜の再付着やダメージのない酸化物半導体薄膜におけるマイクロ波光電導減衰によって得られた波形を参照とし、これと比較することによってＢＣＥ工程の優劣をモニタリングすることができる。
【００２２】
また、本発明によれば、基板上に形成された酸化物半導体薄膜上に直接積層された金属薄膜を、ウェットエッチングまたはドライエッチングによってパターニングするＢＣＥ工程の直後にパッシベーション絶縁膜を形成する工程において、パッシベーション絶縁膜が形成された酸化物半導体薄膜の導電率変化をマイクロ波の反射率変化としてモニタリングするマイクロ波光導電減衰法を採用し、ダメージのない酸化物半導体薄膜におけるマイクロ波光導電減衰法によって得られた波形を参照とし、これと比較することによってＢＣＥ工程直後のパッシベーション絶縁膜形成条件の優劣、すなわち、酸化物半導体薄膜表面への物理的ダメージなどをモニタリングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、ＥＳＬ構造を有するＴＦＴ断面の概略図である。
【図２】図２は、ＢＣＥ構造を有するＴＦＴ断面の概略図である。
【図３】図３は、本実地例に用いたマイクロ波光導電減衰法を実現する装置構成概略図である。
【図４】図４は、マイクロ波光導電減衰法によって得られる波形の説明図である。
【図５Ａ】図５Ａは、マイクロ波光導電減衰法のための測定素子を示す概略断面図であり、ＢＣＥ工程直後の状態を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、マイクロ波光導電減衰法のための測定素子を示す概略断面図であり、パッシベーション絶縁膜形成後の状態を示す。
【図６】図６は、Ａ条件のＴＦＴにおけるＩd−Ｖg特性を示す図である。
【図７】図７は、Ｂ条件のＴＦＴにおけるＩd−Ｖg特性を示す図である。
【図８】図８は、Ｄ条件のＴＦＴにおけるＩd−Ｖg特性を示す図である。
【図９】図９は、Ａ条件のマイクロ波光導電減衰法のための測定素子における波形を示す図である。
【図１０】図１０は、Ａ条件とＢ条件のマイクロ波光導電減衰法のための測定素子における波形を示す図である。
【図１１】図１１は、Ｃ条件のマイクロ波光導電減衰法のための測定素子における波形を示す図である。
【図１２】図１２は、Ｄ条件のマイクロ波光導電減衰法のための測定素子における波形を示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、Ｄ条件のオーバーエッチング量５０％のＢＣＥ工程直後のＸＰＳスペクトルを示すグラフである。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、Ｄ条件のオーバーエッチング量１００％のＢＣＥ工程直後のＸＰＳスペクトルを示すグラフである。
【図１４】図１４は、ＳｉＨ4／Ｎ2Ｏの流量比が異なる各素子での光導電減衰法の測定を行ったときの信号のピーク値と、１．５〜２．５μｓの区間での信号の減衰値τ２の結果を示すグラフである。
【図１５Ａ】図１５Ａは、Ｃ条件のオーバーエッチング量５０％のＴＦＴにおけるＩd−Ｖg特性を示す図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、Ｃ条件のオーバーエッチング量１００％のＴＦＴにおけるＩd−Ｖg特性を示す図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、Ｃ条件のオーバーエッチング量２００％のＴＦＴにおけるＩd−Ｖg特性を示す図である。
【図１６】図１６は、実施例において測定した電界効果移動度およびＳＳ値の結果を示す図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、光照射時における負バイアス印加ストレスに対するしきい値電圧変化と、マイクロＰＣＤ減衰波形の変化との関係を示す図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、正バイアス印加時におけるしきい値電圧変化と、マイクロＰＣＤ減衰波形の変化との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
上述したように本発明は、酸化物半導体薄膜上に直接形成された金属薄膜をエッチングによってパターニングする工程、または上記パターニングの直後にパッシベーション絶縁膜を形成する工程において、酸化物半導体薄膜表面が被るダメージなどを、マイクロ波光導電減衰法を用いてモニタリングする点に特徴がある。
【００２５】
本発明に用いられる酸化物半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、およびＳｎよりなる群から選択される二種以上の元素を含むことが好ましい。このような酸化物半導体として、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ（以下「ＩＧＺＯ」ということがある）、ＩｎＺｎＳｎＯ（以下、「ＩＺＴＯ」ということがある）、ＩｎＧａＳｎＯ（以下、「ＩＧＴＯ」ということがある）、ＩｎＧａＺｎＳｎＯ（以下、「ＩＧＺＴＯ」ということがある）などが例示される。
【００２６】
本発明に用いられる金属薄膜は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、およびＴｉよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を５０原子％以上含むことが好ましい。金属薄膜の種類によって金属薄膜のウェットエッチングに用いられる溶液を適切に選択することが好ましく、例えばＡｌ、またはＭｏを５０原子％以上含む金属薄膜の場合、リン酸、硝酸、および酢酸を含むウェットエッチング溶液の使用が好ましい。また、Ｃｕ、またはＭｏを５０原子％以上含む金属薄膜の場合、過酸化水素水を含むウェットエッチング溶液の使用が好ましい。
【００２７】
本発明では、酸化物半導体薄膜表面に対し、レーザー光を照射して酸化物半導体薄膜の導電率変化をマイクロ波の反射率変化としてモニタリングするものであるが、上記酸化物半導体薄膜の導電率変化を、マイクロ波減衰のピーク値またはマイクロ波減衰の大きさとしてモニタリングすることが好ましい。ここで、上記マイクロ波減衰の好ましいピーク値が、上記ウェットエッチングやドライエッチングによって行われる金属薄膜の一部を除去してパターニングを行うＢＣＥ工程を施す前の酸化物半導体薄膜表面に対して同様にマイクロ波の反射率変化をモニタリングして得られるマイクロ波減衰のピーク値の５０％以上であることが好ましく、より好ましくは６０％以上である。なお、上記ピーク値の上限は、測定の不具合などを考慮すると、１００％前後であることが好ましい。また、上記マイクロ波減衰の大きさを、１．５マイクロ秒から２．５マイクロ秒の区間での測定信号の傾きから求めたとき、３マイクロ秒以下であることが好ましく、１．５マイクロ秒以下であることがより好ましい。なお、上記マイクロ波減衰の大きさの下限は、測定ノイズなどを考慮すると、おおむね、０．５マイクロ秒以上であることが好ましい。
【００２８】
ＢＣＥ工程前後のピーク値が近接している程、あるいはマイクロ波減衰の大きさが小さいほど、酸化物半導体薄膜は良好な表面性状を有していると評価できる。
【００２９】
上記パッシベーション絶縁膜を成膜する際のＳｉＨ4／Ｎ2Ｏの流量比は８％未満であることが好ましい。８％以上になると、トランジスタが導体化しやすくなるためである。より好ましい流量比は５％以下である。なお、上記流量比の下限は、装置の部品構成などを考慮すると、おおむね、１．５％以上であることが好ましい。
【００３０】
本発明に用いられるマイクロ波光導電減衰法は、マイクロ波の反射率の時間変化から、試料の欠陥準位を反映するライフタイムτを非接触・非破壊で測定する方法である。まず、本発明に用いられるマイクロ波光導電減衰法および装置の構成について、図３を用いて説明する。
【００３１】
ガンダイオード１０により発振された周波数２６ＧＨｚのマイクロ波は、方向性結合器１１を通過してマジックティー１２により信号用導波管１３と参照用導波管１４に分岐される。参照用導波管１４から放射されたマイクロ波は、測定素子である試料１５の自由キャリア密度で決まる抵抗率に基づいた反射率で反射される。一方、信号用導波管１３には例えば波長３４９ｎｍ、パルス幅数十ｎｓの半導体レーザー励起ＹＬＦ３倍高調波パルスレーザー光を導き、試料１５上にビーム径１．５ｍｍで繰返し照射することができる。照射されたレーザー光は試料１５に吸収されて過剰キャリアを生成し、生成と消滅の速度が等しくなると飽和して一定の値（以下、「ピーク値」ということがある）に落ち着く。過剰キャリアの生成は低効率を減少させるため、信号用導波管１３から放射されたマイクロ波の反射率は増加する。試料１５で反射された信号及び参照マイクロ波は再び元の導波管を通過してマジックティー１２に戻り、それぞれの強度の差が反射マイクロ波強度検出手段１６に送られ、相位調整器１７で相位調整したマイクロ波と混合されて反射率信号になる。信号処理装置１８は、反射マイクロ波強度検出手段１６により検出される反射波差信号の強度の変化のピーク値を検出し、その検出結果を評価手段１９に伝送する装置である。評価手段１９には、ＣＰＵ、記憶部、入出力信号のインターフェース等を備えたコンピューターを用いることがでる。評価手段１９では取り込んだ反射波差信号から過剰キャリア濃度の変化を解析することで、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度を判定し、酸化物半導体薄膜の特性を評価できる。なお、Ｘ−Ｙステージ２０を移動させることで、試料１５の任意の箇所を測定できる。レーザー光の吸収によって過剰キャリアが生成し、再結合して消滅までの平均的寿命はライフタイムτと呼ばれ、試料の物理的特性によって決まる時間である。前述のようにマイクロ波の反射率は過剰キャリアの密度に比例して変化する。
【００３２】
次に、図４を用いてマイクロ波光導電減衰法における過剰のキャリア密度Δｎの変化の様子を説明する。過剰キャリア密度が増加して消失速度が増え、注入速度が等しくなったときに、Δｎは一定のピーク値となる。その後、レーザー非照射状態になると、過剰キャリアが再結合により消滅し、過剰キャリアΔｎが減少していく。一般的にライフタイム値を算出する場合、ピーク値からＬｏｇ（１／ｅ）になるまでの時間、またはピーク値から１／ｅになるまでの時間と定義することが多い。
【００３３】
以下、前述した図２と、図５Ａ、Ｂを用いて、本発明の方法をより詳しく説明する。
【００３４】
図２に示すＢＣＥ構造を有するＴＦＴでは、コーニング社製、ＥＡＧＬＥ  ２０００を用いたガラス基板１上にゲート電極２としてＭｏを用いて厚さ１００ｎｍ、およびゲート絶縁膜３としてＳｉＯ2絶縁膜を厚さ２００ｎｍで形成し、その上に酸化物半導体薄膜４を厚さ４０ｎｍで形成した。酸化物半導体薄膜４上にはソース・ドレイン電極６、７としてＭｏを用いて厚さ２００ｎｍ形成し、その上にパッシベーション絶縁膜８としてＳｉＯ2絶縁膜を例えば厚さ１００ｎｍ程度形成した後、電気的測定のためにコンタクトホール９を開口した。ゲート電極３のコンタクトホール９およびソース電極６、ドレイン電極７のコンタクトホール９にはそれぞれ、測定用プローブを接触させて電気的な評価を行った。
【００３５】
一方、上記と同じガラス基板１上に、図５Ｂに示すマイクロ波光導電減衰法のための測定素子を作製した。詳細には、コーニング社製、ＥＡＧＬＥ  ２０００を用いたガラス基板１上にゲート絶縁膜３としてＳｉＯ2絶縁膜を厚さ２００ｎｍで形成し、その上に酸化物半導体薄膜４を厚さ４０ｎｍで形成した。酸化物半導体薄膜４上にはソース・ドレイン電極６、７としてＭｏを用いて厚さ２００ｎｍ形成されるが、ＢＣＥ工程にあたるソース・ドレイン電極６、７のパターニング工程において一旦すべて除去されるため、図５Ｂには示していない。更にその上にパッシベーション絶縁膜８としてＳｉＯ2絶縁膜を厚さ１００ｎｍで形成した。マイクロ波光導電減衰法による測定は、上記ＢＣＥ工程の直後、または上記パッシベーション絶縁膜の形成直後に行った。
【００３６】
上記図２および図５Ａ、Ｂにおいて、酸化物半導体薄膜以降の詳細な製造方法は以下のとおりである。
【００３７】
まず、酸化物半導体薄膜はスパッタリング法によって成膜した。スパッタリング条件は以下の通りである。なお、酸素添加量は、スパッタリング装置の構成やターゲットの組成などに大きく依存するが、酸化物半導体のキャリア濃度が１０15〜１０16ｃｍ-3となるように酸素量を添加することが好ましい。
・スパッタリングターゲットの組成
組成１：ＩｎＧａＺｎＯ  原子比でＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１
組成２：ＩｎＧａＺｎＳｎＯ  原子比でＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｓｎ＝１：１：２．８：１．１
・スパッタリング装置：（株）アルバック社製のＣＳ−２００
・基板温度：室温
・酸化物半導体薄膜の膜厚：４０ｎｍ
・酸素添加量：添加流量比率でＯ2／（Ａｒ＋Ｏ2）＝１０％
【００３８】
図２および図５Ａ、Ｂに示す酸化物半導体薄膜４、ただし、ここでは、ＩｎＧａＺｎＯおよびＩｎＧａＺｎＳｎＯの２種類をウェットエッチングにてパターニングした。エッチャントとして、関東化学製ＩＴＯ−０７Ｎを用いた。パターニング直後に、酸化物半導体薄膜４の膜質改善のために熱処理を行った。上記熱処理を、以下ではプレアニールと呼ぶ。
【００３９】
上記プレアニールの条件は以下の通りである。
プレアニール条件：大気、温度：３５０℃、１時間
【００４０】
上記プレアニール処理後、純Ｍｏ薄膜のソース・ドレイン電極６、７をスパッタリング法により形成した。成膜温度は室温、膜厚は１００ｎｍとした。
【００４１】
ＢＣＥ工程
次いで、上記ソース・ドレイン電極６、７をパターニングした。ＢＣＥ工程には、下記２種類のエッチング液を用いた。
（１）エッチング液１：Ａｌ系配線のエッチングに用いる混酸エッチング液としてリン酸と硝酸と酢酸の混酸液、オーバーエッチング量５０％
（２）エッチング液２：Ｃｕ系配線のエッチングに用いる過酸化水素を３０％含有する過酸化水素水エッチング液、オーバーエッチング量２０％、５０％、１００％、２００％
【００４２】
上記エッチング液１、２のいずれを用いる場合も、Ａｌ系配線、Ｃｕ系配線の下層バリアメタルにＭｏを用いることが殆どである。本実施例では、ソース・ドレイン電極６、７に純Ｍｏ薄膜を用いたため、上記２種類のエッチング液を用いることができる。この際、トランジスタ特性を測定する上で重要なソース・ドレイン電極６、７間のチャネル長Ｌは１０μｍ、電極幅Ｗは２００μｍとした。
【００４３】
次いで、酸化物半導体薄膜４上にパッシベーション絶縁膜８を成膜した。上記パッシベーション絶縁膜８の成膜では、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いることが多く、本実施例でもＣＶＤ法を用いた。詳細には、下記二種類の成膜条件を用いた。
（１）パッシベーション絶縁膜の成膜条件１：
ＳｉＨ4／Ｎ2Ｏガス流量：４／１００ｓｃｃｍ
ＲＦパワー：１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗ
成膜圧力：１３３Ｐａ
基板温度：２３０℃
（２）パッシベーション絶縁膜の成膜条件２：
ＳｉＨ4／Ｎ2Ｏガス流量：８／１００ｓｃｃｍ
ＲＦパワー：１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗ
成膜圧力：１３３Ｐａ
基板温度：２３０℃
【００４４】
更にフォトリソグラフィーとドライエッチングを行い、ソース・ドレイン電極６、７上に、電気的評価測定用のコンタクトホール９を開口した。
【００４５】
なお、ＴＦＴの製造に当たっては、下記Ａ〜Ｄ条件に示すように、前述した酸化物半導体薄膜の組成、ＢＣＥ工程に該当するソース・ドレイン電極のパターニングに用いたエッチング液とそのオーバーエッチング量、パッシベーション絶縁膜の成膜条件を組み合わせて実施した。
【００４６】
Ａ条件：
組成２  ＩｎＧａＺｎＳｎＯ、
エッチング液１  混酸エッチング液、
パッシベーション絶縁膜の成膜条件１
但し、ＢＣＥ工程のオーバーエッチング量を５０％のみの１条件とした。
Ｂ条件：
組成２  ＩｎＧａＺｎＳｎＯ、
エッチング液１  混酸エッチング液、
パッシベーション絶縁膜の成膜条件２
但し、ＢＣＥ工程のオーバーエッチング量を５０％のみの１条件とした。
Ｃ条件：
組成１  ＩｎＧａＺｎＯ、
エッチング液２  過酸化水素水エッチング液、
パッシベーション絶縁膜の成膜条件１
但し、ＢＣＥ工程のオーバーエッチング量を５０％、１００％、２００％の３条件とした。
Ｄ条件：
組成２  ＩｎＧａＺｎＳｎＯ、
エッチング液２  過酸化水素水エッチング液、
パッシベーション絶縁膜の成膜条件１
但し、ＢＣＥ工程のオーバーエッチング量を２０％、５０％、１００％、２００％の４条件とした。
【００４７】
なお、組成１とエッチング液１を組み合わせると、混酸エッチング液でＩｎＧａＺｎＯがほぼ瞬時に溶解してしまうため、実用上不適であり本実施例では、この組み合わせは行っていない。
【００４８】
図６に上記Ａ条件の結果を、図７に上記Ｂ条件の結果を、図１５Ａ〜Ｃに上記Ｃ条件の結果を、図８に上記Ｄ条件の結果を、それぞれ、示す。これらのうち、良好なＩd−Ｖg特性を示したのは、図６に示すＡ条件のＢＣＥ工程のオーバーエッチング量５０％、図１５Ｂ、Ｃに示すＣ条件のＢＣＥ工程のオーバーエッチング量１００％以上；図８に示すＤ条件のＢＣＥ工程のオーバーエッチング量１００％以上の場合であった。一方、Ｂ条件では導体化が発生しトランジスタとしてのスイッチング特性が観測できなかった。また、図１５Ａに示すＣ条件のオーバーエッチング量が５０％の場合は、実施例で示すように移動度の低下とＳＳ値の劣化が見られた。Ｄ条件のＢＣＥ工程のオーバーエッチング量が２０〜５０％のものは、ＳＳ値の劣化とリーク電流の増大が見られた。上記の結果から、組成２においては、パッシベーション絶縁膜の成膜条件１が良好、エッチング液２のオーバーエッチング量では１００％以上が良好なＩd−Ｖg特性を得るために必要な作製条件であることが分かった。
【実施例】
【００４９】
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。
【００５０】
上記Ａ条件、Ｂ条件、Ｃ条件、Ｄ条件で、前述した図５Ａに示すマイクロ波光導電減衰法のための測定素子を製作した後、それぞれの素子について、以下の実施例１〜５に示すようにマイクロ波光導電減衰法による測定を行った。
【００５１】
（実施例１）
上記Ａ条件のＢＣＥ工程の直後において、図５Ａで示す酸化物半導体薄膜４に対し、マイクロ波光導電減衰法を行った。参照として、ＢＣＥ工程を行っていないプレアニール後の酸化物半導体薄膜４に対しても、同様にマイクロ波光導電減衰法を行った。このときのマイクロ波光導電減衰法の測定条件は以下の通りである。これらの測定結果を図９に併記する。
レーザー波長：３４９ｎｍ
パルス幅：１５ｎｓ
パルスエネルギー：１μＪ
ビーム径：１．５ｍｍφ
１測定におけるパルス数＝６４ショット
装置：ＬＴＡ−１８２０ＳＰ、株式会社コベルコ科研製
【００５２】
図９から明らかなように、ＢＣＥ工程を行った素子では、ＢＣＥ工程を行っていない参照と比較して波形が大きく異なっていることが分かる。この結果は、例えば非特許文献２にも記載されており、混酸エッチングでＩｎＧａＺｎＳｎＯに対してＢＣＥ工程を行った場合、該酸化物半導体薄膜４の表面の酸素が抜けることに対応して、ダメージが生成されていると考えられる。よって、本発明の方法を用いれば、実際にＴＦＴを製造しなくても、酸化物半導体薄膜４表面のダメージ生成をモニタリングすることができると考えられる。
【００５３】
（実施例２）
上記Ａ条件または上記Ｂ条件のＢＣＥ工程を行い、パッシベーション絶縁膜を形成した直後において、図５Ｂに示す酸化物半導体薄膜４に対し、前述した実施例１と同じ方法でマイクロ波光導電減衰法を行った。これらの測定結果を図１０に示す。
【００５４】
図１０から明らかなように、Ａ条件とＢ条件では、マイクロ波光導電減衰法によって測定結果が全く異なる。図１０では、図９で示したＢＣＥ工程直後の波形に対して、パッシベーション絶縁膜８を形成したときの変化をみていることになる。Ａ条件では、図９で参照として示したＢＣＥ工程を行っていない波形とほぼ同じとなっているのに対し、Ｂ条件ではＢＣＥ工程を行っていない波形とは異なる状態となっている。
【００５５】
ここでＡ条件について整理すると、図９から明らかなようにＢＣＥ工程によって酸化物半導体薄膜４の表面にダメージが生じる。その後、パッシベーション絶縁膜の成膜条件１を施すと、上記成膜条件１が良好であるため、酸化物半導体薄膜４表面のダメージが回復し、マイクロ波光導電減衰法による測定結果は、図１０のＡ条件に示すようにＢＣＥ工程を行っていないものとほぼ同じになる。
【００５６】
一方、ＢＣＥ工程で生じた酸化物半導体薄膜４表面のダメージに対し、パッシベーション絶縁膜の成膜条件２を施したＢ条件では、上記成膜条件が不良であるため、酸化物半導体薄膜４層表面のダメージが回復せず、或は更に劣化させ、図１０のＢ条件に示すようにＢＣＥ工程を行っていないものとは異なるものとなった。
【００５７】
また、マイクロ波光導電減衰法による上記図９、図１０の測定結果と、ＴＦＴの測定結果を示す上記図６、図７を対比すると、これらは良好な相関があることが分かる。
【００５８】
（実施例３）
上記Ｃ条件のＢＣＥ工程の直後において、図５Ａに示した酸化物半導体薄膜４に対し、前述した実施例１と同様にしてマイクロ波光導電減衰法を行った。参照として、ＢＣＥ工程を行っていないプレアニール後の酸化物半導体薄膜４、および良好な特性が期待できないオーバーエッチング量２０％のサンプルに対しても、同様にマイクロ波光導電減衰法を行った。これらの測定結果を図１１に示す。
【００５９】
図１１から明らかなように、ＢＣＥ工程におけるオーバーエッチング量が増加するにつれて、ＢＣＥ工程を行っていない参照の結果に近づいていることが分かる。この結果から、エッチング液に混酸エッチング液を使用したＡ条件の結果を示す図９とは異なり、エッチング液に過酸化水素水エッチング液を用いたＣ条件では酸化物半導体薄膜４表面にはダメージを与えていないことが分かる。また、オーバーエッチング量が１００％程度でほぼＢＣＥ工程を行っていない状態に戻ることも分かった。
【００６０】
次に、マイクロ波光導電減衰法による図１１の測定結果と、ＴＦＴの測定結果を対比して検討した。いずれもトランジスタの動作は行われているため、トランジスタ特性の電界効果移動度およびＳＳ値について詳細な比較を行った。図１６に示すようにＢＣＥ工程を施していない酸化物半導体薄膜表面をマイクロ波光導電減衰法によってライフタイム値を測定して得られた波形とほぼ一致するオーバーエッチング量１００％、および２００％の例では、ＳＳ値が１．２以下、電界効果移動度５．５ｃｍ2／Ｖｓ以上と共に良好であり、オーバーエッチング量５０％の例と比べて、優れたトランジスタ特性を示すことがわかった。この結果からマイクロ波光導電減衰法の測定結果とトランジスタ特性には良好な相関があることが確認された。したがってマイクロ波光導電減衰法によって酸化物半導体薄膜表面のマイクロ波の反射率変化をモニタリングすることによって、トランジスタのＳＳ値や電界効果移動度を間接的に評価することができることがわかった。
【００６１】
（実施例４）
上記Ｄ条件のＢＣＥ工程の直後において、図５Ａに示す酸化物半導体薄膜４に対し、前述した実施例１と同様にしてマイクロ波光導電減衰法を行った。参照として、ＢＣＥ工程を行っていないプレアニール後の酸化物半導体薄膜４に対しても、同様にしてマイクロ波光導電減衰法を行った。これらの測定結果を図１２に示す。
【００６２】
図１２から明らかなように、ＢＣＥ工程のオーバーエッチング量が増加するにつれて、ＢＣＥ工程を行っていない参照の結果に近づいていることが分かる。この結果から、エッチング液に混酸エッチング液を使用したＡ条件の結果を示す図９とは異なり、エッチング液に過酸化水素水エッチング液を用いたＤ条件では酸化物半導体薄膜４表面にはダメージを与えていないことが分かる。また、オーバーエッチング量が１００％程度でほぼＢＣＥ工程を行っていない状態に戻ることも分かった。
【００６３】
また、マイクロ波光導電減衰法による図１２の測定結果と、ＴＦＴの測定結果を示す上記図８を対比すると、これらは、良好な相関があることが分かる。
【００６４】
上記図１２に示すマイクロ波光導電減衰法の測定結果の原因を解析するため、Ｄ条件のＢＣＥ工程の直後において、図５Ａに示す酸化物半導体薄膜４表面の光電子分光スペクトル（ＸＰＳ：X-ray photoelectron spectroscopy）分析を実施した。この結果を図１３Ａ、Ｂに示す。
【００６５】
図１３Ａに示すようにＢＣＥ工程のオーバーエッチング量が５０％の場合、ソース−ドレイン電極として用いたＭｏ配線の残さが見られた。定量評価の結果、４．２原子％の残さがあることが分かった。一方、図１３Ｂに示すようにオーバーエッチング量が１００％の場合、Ｍｏ配線の残さは見られなかった。Ｍｏ配線の残さがなくなることと、前述した図８のオーバーエッチング量１００％以上における良好なＴＦＴ特性、特にＳＳ値が良くなることは一致している。図１２の結果も、Ｍｏ配線の残さの影響を反映していると考えられる。よって、本発明のようにマイクロ波光導電減衰法を用いれば、Ｍｏなどの金属薄膜の残さ、金属薄膜の再付着をモニタリングできることが分かる。
【００６６】
（実施例５）
以下では、ＩｎＧａＺｎＳｎＯを用いた上記組成２の酸化物半導体を用いてＴＦＴ、およびマイクロ波光導電減衰法のための測定素子を作製した。その際、パッシベーション絶縁膜成膜時のＳｉＨ4／Ｎ2Ｏ流量比が高いもの、すなわち、上記流量比＝８％と、低いもの、すなわち、上記流量比＝４％を作製した。
【００６７】
図２に示すＢＣＥ構造を有するＴＦＴとして、コーニング社製、ＥＡＧＬＥ２０００を用いたガラス基板１上にゲート電極２としてＭｏ薄膜を厚さ１００ｎｍ、およびゲート絶縁膜３としてＳｉＯ2絶縁膜を厚さ２００ｎｍで形成し、その上に酸化物半導体薄膜４を厚さ４０ｎｍ形成した。酸化物半導体薄膜４上にはソース・ドレイン電極６、７としてＭｏ薄膜を厚さ２００ｎｍ形成し、その上にパッシベーション絶縁膜８としてＳｉＯ2絶縁膜を厚さ１００ｎｍ形成した後、電気的測定のためにコンタクトホール９を開口した。ゲート電極２のコンタクトホール９およびソース電極６、ドレイン電極７のコンタクトホールにはそれぞれ、測定用プローブを接触させて電気的な評価を行った。
【００６８】
上記酸化物半導体薄膜４はスパッタリング法によって成膜した。スパッタリング条件は以下の通りである。
【００６９】
・スパッタリングターゲットの組成
組成：ＩｎＧａＺｎＳｎＯ原子比でＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｓｎ＝１：１：２．８：１．１
・スパッタリング装置：（株）アルバック社製のＣＳ−２００
・基板温度：室温
・酸化物半導体薄膜４の膜厚：４０ｎｍ
・酸素添加量：添加流量比率でＯ2／（Ａｒ＋Ｏ2）＝１０％ 
【００７０】
また酸化物半導体薄膜４は成膜後、ウェットエッチングにてパターニングした。エッチャントとして、関東化学製ＩＴＯ−０７Ｎを用いた。パターニング直後に、酸化物半導体薄膜４の膜質改善のために熱処理を行った（以下、「プレアニール」ということがある）。プレアニールの条件は以下の通りである。
【００７１】
プレアニール条件：大気、温度：３５０℃、１時間 
【００７２】
上記プレアニール処理後、純Ｍｏ薄膜のソース・ドレイン電極６、７をスパッタリング法により形成した。成膜温度は室温、膜厚は１００ｎｍとした。 
【００７３】
ＢＣＥ工程
次いで、上記ソース・ドレイン電極６、７をパターニングした。ＢＣＥ工程には、下記のエッチング液を用いた。
エッチング液：Ａｌ系配線のエッチングに用いる混酸エッチング液としてリン酸と硝酸と酢酸の混酸液、表面にさまざまなダメージ状態をつくるため、このときのオーバーエッチング時間は、８、３０、６０、９０秒とした。またソース・ドレイン間のチャネル長Ｌは１０μｍ、電極幅Ｗは２００μｍとした。
【００７４】
次いで、酸化物半導体薄膜４上にＣＶＤ法でパッシベーション絶縁膜８を成膜した。
【００７５】
パッシベーション絶縁膜の成膜条件：
ＳｉＨ4／Ｎ2Ｏガス流量：４／１００ｓｃｃｍ
ＲＦパワー：１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗ
成膜圧力：１３３Ｐａ
基板温度：２３０℃
【００７６】
更にフォトリソグラフィーとドライエッチングを行い、ソース・ドレイン電極６、７上に、電気的評価測定用のコンタクトホール９を開口した。
【００７７】
またその結果、ＳｉＨ4／Ｎ2Ｏ流量比＝４％と低流量比で作製したＴＦＴは、良好な特性を示したが、同様のプロセスを用いてＳｉＨ4／Ｎ2Ｏ流量比＝８％と高流量比で作製したＴＦＴはスイッチングしておらず、導体化していた。
【００７８】
このときの各素子での光導電減衰法の測定を行ったときの信号のピーク値と、１．５〜２．５μｓの区間での信号の減衰値τ２の結果を図１４に示す。図１４に示すように、図中、●高ＳｉＨ4／Ｎ2Ｏと記載された導体化した素子では、図中、◆低ＳｉＨ4／Ｎ2Ｏと記載されたスイッチングした素子と比較してピーク値が低く、τ２が大きくなっている。これらの値は、酸化物半導体薄膜が受けたダメージを反映していると考えられる。この結果より、光導電減衰法によるマイクロ波のピーク値と減衰の大きさを評価することにより、ＴＦＴの状態をモニタリングできることが分かった。また、その値はピーク値がＢＣＥ工程を施す前のピーク値の５０％以上、τ２が３マイクロ秒以下とすれば良好なスイッチング特性を得ることができることが分かる。
【００７９】
（実施例６）
実施例５と同様にＴＦＴとマイクロＰＤＣの測定試料を作製した。本実施例では、オーバーエッチング時間を８、３０、６０、９０、１２０、１５０、１８０、２１０秒として、さまざまな表面状態を模擬した。ＴＦＴ特性、およびマイクロ波光導電減衰法を前述した実施例１と同様にして評価した。ＴＦＴ特性は、光照射時における負バイアス印加ストレスに対するしきい値電圧変化（Light negative bias temperature stress；ＬＮＢＴＳ）と、正バイアス印加時におけるしきい値電圧変化（Positive bias temperature stress ；ＰＢＴＳ）を評価した。一方、マイクロ波光導電減衰法の減衰波形の特性付けには、減衰波形のうち、０．３マイクロ秒から１マイクロ秒の範囲を、べき乗で近似した際の肩の数字の絶対値を指標とした。
【００８０】
図１７Ａに示すようにマイクロ波光導電減衰法で測定したライフタイムの傾きに相当する指標が大きくなるにつれて、負バイアス印加ストレスに対するΔＶthで記載するしきい値シフト量が小さくなり、安定性が向上する傾向がみられた。この結果から、マイクロ波光導電減衰法によって測定されるライフタイムの傾きとＬＮＢＴＳとの間に相関があることがわかった。すなわち、マイクロ波光導電減衰法の減衰波形の変化を指標とすることで、表面のダメージに起因するトランジスタ特性の信頼性に関わる評価が可能であることが示された。この様な傾向は図１７Ｂに示す正バイアス印加ストレスに対してもみられた。
【００８１】
したがってマイクロ波光導電減衰法の減衰波形の変化を指標とすることで、間接的に酸化物半導体薄膜の表面のダメージに起因するトランジスタ特性の信頼性に関わるＬＮＢＴＳ、ＰＢＴＳのいずれに対しても評価することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１  ガラス基板
２  ゲート電極
３  ゲート絶縁膜
４  酸化物半導体薄膜
５  エッチストップレイヤー
６  ソース電極
７  ドレイン電極
８  パッシベーション絶縁膜
９  コンタクトホール
１０  ガンダイオード
１１  方向性結合器
１２  マジックティー
１３  信号用導波管
１４  参照用導波管
１５  試料
１６  反射マイクロ波強度検出手段
１７  相位調整器
１８  信号処理装置
１９  評価手段
２０  Ｘ−Ｙステージ２０
【図３】
0005961314.tif 000002
【図７】
0005961314.tif 000003
【図１】
0005961314.tif 000004
【図２】
0005961314.tif 000005
【図４】
0005961314.tif 000006
【図５Ａ】
0005961314.tif 000007
【図５Ｂ】
0005961314.tif 000008
【図６】
0005961314.tif 000009
【図８】
0005961314.tif 000010
【図９】
0005961314.tif 000011
【図１０】
0005961314.tif 000012
【図１１】
0005961314.tif 000013
【図１２】
0005961314.tif 000014
【図１３Ａ】
0005961314.tif 000015
【図１３Ｂ】
0005961314.tif 000016
【図１４】
0005961314.tif 000017
【図１５Ａ】
0005961314.tif 000018
【図１５Ｂ】
0005961314.tif 000019
【図１５Ｃ】
0005961314.tif 000020
【図１６】
0005961314.tif 000021
【図１７Ａ】
0005961314.tif 000022
【図１７Ｂ】
0005961314.tif 000023