(57)【要約】      （修正有）【課題】低温プロセスで形成可能であり、また比較的高い電界効果移動度を実現でき、かつ光、熱に対して安定な特性を有し、曲げ環境にも適用できる薄膜半導体の製造方法を提供する。【解決手段】プラスチック基板２と、バリア層３と、半導体層７と、半導体層７の上下いずれかの面に接して形成された絶縁層８ａと、半導体層７、ソース電極９ａ、ドレイン電極９ｂ、およびゲート電極９ｃ、ゲート絶縁膜８ａとを有し、半導体層７は、少なくとも一つの非金属元素、少なくとも一つの半金属元素、少なくとも一つの金属元素を含み、非金属元素が、少なくとも酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）の混合物で、酸素（Ｏ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｏ数密度）が０乃至２である。【選択図】図１
2011181591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチック基板と、
前記プラスチック基板上に形成されたバリア層と、
前記バリア層上に形成された半導体層と、
前記半導体層の上下いずれかの面に接して形成された絶縁層と、
前記絶縁層に接して形成された金属層と、
を有し、
前記半導体層をチャネル、前記金属層をソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極、前記絶縁層をゲート絶縁膜として用い、
前記半導体層は、非金属元素の窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）のうち少なくともひとつ、半金属元素のホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、ポロニウム（Ｐｏ）のうち少なくともひとつ、および金属元素のアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、カドニウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、水銀（Ｈｇ）、タリウム（Ｔｌ）、テルビウム（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）のうち少なくともひとつを含み、
前記非金属元素が、少なくとも酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）の混合物で、酸素（Ｏ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｏ数密度）が０乃至２であることを特徴とする薄膜半導体装置。
【請求項２】
前記半金属元素が、少なくともシリコン（Ｓｉ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の混合物Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘはＳｉとＧｅの混合比でｘ＝０乃至１が成り立つ）で、前記混合物（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｓｉ１−ｘＧｅｘ数密度）が１乃至２であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜半導体装置。
【請求項３】
前記プラスチック基板が、少なくともロール状フィルム基板であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄膜半導体装置。
【請求項４】
前記半導体層は、アモルファスであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【請求項５】
前記半導体層のバンドギャップは、１ｅＶ乃至５ｅＶであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【請求項６】
前記半導体層の主キャリアは、電子で、キャリア濃度は３００Ｋの熱平衡状態において１×１０Ｅ１６乃至１×１０Ｅ２１（ｍ−３）、電界効果移動度は０．１乃至５０（ｃｍ２／Ｖｓ）であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【請求項７】
前記半導体層が、液晶表示装置を駆動する回路を構成することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【請求項８】
前記ロール状フィルム基板と、
前記ロール状フィルム基板上に形成されたバリア層と、
前記バリア層上に形成された半導体層と、
前記半導体層の上下いずれかの面に接して形成された絶縁層と、
前記絶縁層に接して形成された金属層と、
を有し、
前記半導体層をチャネル、前記金属層をソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極、前記絶縁層をゲート絶縁膜として用い、前記半導体層は、非金属元素の窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）のうち少なくともひとつ、半金属元素のホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、ポロニウム（Ｐｏ）のうち少なくともひとつ、および金属元素のアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、カドニウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、水銀（Ｈｇ）、タリウム（Ｔｌ）、テルビウム（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）のうち少なくともひとつを含み、
前記非金属元素が、少なくとも酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）の混合物で酸素（Ｏ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｏ数密度）が０乃至２である前記半導体層をスパッタ装置により形成する薄膜半導体製造装置。
【請求項９】
前記半金属元素が、少なくともシリコン（Ｓｉ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の混合物Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘはＳｉとＧｅの混合比でｘ＝０乃至１が成り立つ）で、前記混合物（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｓｉ１−ｘＧｅｘ数密度）が１乃至２であることを特徴とする請求項８に記載の薄膜半導体製造装置。
【請求項１０】
前記スパッタ装置は、
前記ロール状フィルム基板を装着するロール巻機構と、
前記ロール状フィルム基板を長尺方向に沿って一方の端部から送り出す送出機構と、
送り出された前記ロール状フィルム基板を巻き取る巻取機構と、
位置合わせパターンを有する前記ロール状フィルム基板に対し、前記ロール状フィルム基板の平面位置合わせを行う位置合わせ機構と、
前記ロール状フィルム基板の半導体形成面に対面する金属ターゲットと、
を有し、
前記全ての機構を内部に保持する真空チャンバを備えたことを特徴とする請求項８また請求項９に記載の薄膜半導体製造装置。
【請求項１１】
前記スパッタ装置は、
前記非金属元素を含む雰囲気ガスを真空チャンバ内に導入するガス導入機構と、
前記金属元素または前記半金属元素またはこれらの混合物を含む金属ターゲットと、を複数有し、
前記金属ターゲットが、前記ロール状フィルム基板の長尺に沿った直線状の位置に配列されていることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の薄膜半導体製造装置。
【請求項１２】
前記スパッタ装置は、
前記非金属元素、前記金属元素、前記半金属元素それぞれ少なくともひとつを含む複数の元素を混ぜ合わせた混合物を、単一のターゲットとして用いたことを特徴とする請求項８乃至請求項１１のいずれか１項に記載の薄膜半導体製造装置。
【請求項１３】
請求項８乃至請求項１２のいずれか１項に記載の薄膜半導体製造装置を用い、
薄膜半導体装置を製造することを特徴とする薄膜半導体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、特にプラスチック基板を用いたフレキシブルディスプレイである薄膜半導体装置、薄膜半導体製造装置及び薄膜半導体製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディスプレイの画像駆動用薄膜半導体装置（ＴＦＴ）は、その半導体層として従来からａ−Ｓｉが用いられており、現在も一般に普及している。しかし、ａ−Ｓｉ  を半導体層として用いたＴＦＴは、その電界効果移動度は非常に小さいため（〜０．１ｃｍ２／Ｖｓ）、近年急速に需要が増している高精細動画対応などの高機能用途には性能限界に達しつつあった。
【０００３】
このため、ａ−Ｓｉに代わる半導体層として、ａ−Ｓｉにエキシマレーザなどを照射して多結晶化することでより高い電界効果移動度（〜１０  ｃｍ２／Ｖｓ）が得られるｐｏｌｙ−Ｓｉを半導体層として用いたＴＦＴが開発された（特許文献１など）。
【０００４】
この技術は、一部用途で実用化されたが、結晶粒界がランダムに分布することでＴＦＴ性能の均一化が困難なことやレーザプロセスコストが甚大なことなどが課題となり十分な普及はされていない。
【０００５】
さらに、前記したいずれのＳｉ系ＴＦＴも半導体層の成膜温度が比較的高温であるため、フレキシブルディスプレイなどに用いるプラスチック基板やロール状フィルム基板の耐熱温度を超えてしまい、基板フレキシブル化への対応が困難であるという問題もあった。
【０００６】
これらに代わる新材料として、ＩｎＧａＺｎＯｘ系酸化物半導体が検討されている。このＩｎＧａＺｎＯｘ系酸化物半導体は、スパッタなどの非真空・低温プロセスで成膜できるため、フレキシブル基板上にも形成可能であり、プロセスも低コストである。この酸化物半導体は、低温プロセス成膜後そのままの状態では未だ性能不十分で、成膜後のアニールによる焼き締めを行うことで十分な性能を引き出すことができる。焼き締めは、炉アニールの場合は３００℃程度が必要なのでフレキシブル基板の（耐熱温度こそ超えないものの）熱膨張変形などの問題を起こしてしまう。そこでレーザーアニールなどの手法（ｐｏｌｙ−Ｓｉ形成時より低エネルギーで良いためコスト上昇要因になりにくい）を併用することにより、低温のまま十分な焼き締めを行うことが考えられている。いずれの手法を用いても、この酸化物半導体はアモルファス状態が保たれるので、上述のｐｏｌｙ−Ｓｉのような粒界によるばらつき懸念がないこと、電界効果移動度（〜１０ｃｍ２／Ｖｓ）が比較的高く高精細動画対応にも可能なことなど、Ｓｉには無い多くの利点を持っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２１１００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、酸化物半導体は熱、光に対する安定性に課題があることが明らかとなってきた。外光（特に波長５００ｎｍ以下の近紫外領域の光）が入射するとＴＦＴのオフ電流が増大（波長３７０ｎｍではオフ電流が約２桁増大）し、それに伴いＴＦＴの閾値が５Ｖも変動する。ディスプレイはバックライトや外光などがＴＦＴに入射しやすい構造のため、このような特性変動を起こすことは回路動作上非常に大きな問題となり得る。
【０００９】
このような外光への信頼性を増すためには、ＴＦＴの上下に金属（配線と共通化されている場合もある）からなる遮光層を設けることが行われるが、遮光層を避けて入射する迷光を完全に遮断することは困難なため完全な対策とはならない。
【００１０】
さらに、酸化物半導体は熱に対しても敏感で、上述したように成膜後のアニールにより焼き締めを行ったとしても、使用環境が１００℃以上の温度になるとやはりオフ電流が増大し閾値が５Ｖ程度シフトする。このシフト量は使用環境温度が高いほど顕著で、２００℃以上ではトランジスタがスイッチングできなくなるほどである。これは酸化物半導体中の酸素と他元素との結合状態が熱により変化することが原因と考えられている。この変化は可逆的で、使用環境が元に戻れば、ＴＦＴ特性も数十分程度で元に戻るものの、ディスプレイ用途としては大きな課題であることに違いはない。
【００１１】
ディスプレイの通常使用環境ではこれほどの高温になることはないが、例えば車中など５０〜６０℃で長時間放置されるような場合は、累積的な効果で特性変動する可能性が高い。このように酸化物半導体でも新たな課題が明らかとなりつつある。
【００１２】
この発明は、以上の点を考慮してなされたもので、低温プロセスで形成可能であり、低プロセスコストを実現し、また比較的高い電界効果移動度を実現でき、かつ光、熱に対して安定な特性を有し、曲げ環境にも適用できる薄膜半導体装置、薄膜半導体製造装置及び薄膜半導体製造方法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決し、かつ目的を達成するために、この発明は、以下のように構成した。
【００１４】
請求項１に記載の発明は、プラスチック基板と、
前記プラスチック基板上に形成されたバリア層と、
前記バリア層上に形成された半導体層と、
前記半導体層の上下いずれかの面に接して形成された絶縁層と、
前記絶縁層に接して形成された金属層と、
を有し、
前記半導体層をチャネル、前記金属層をソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極、前記絶縁層をゲート絶縁膜として用い、
前記半導体層は、非金属元素の窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）のうち少なくともひとつ、半金属元素のホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、ポロニウム（Ｐｏ）のうち少なくともひとつ、および金属元素のアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、カドニウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、水銀（Ｈｇ）、タリウム（Ｔｌ）、テルビウム（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）のうち少なくともひとつを含み、
前記非金属元素が、少なくとも酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）の混合物で、酸素（Ｏ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｏ数密度）が０乃至２であることを特徴とする薄膜半導体装置である。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記半金属元素が、少なくともシリコン（Ｓｉ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の混合物Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘはＳｉとＧｅの混合比でｘ＝０乃至１が成り立つ）で、前記混合物（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｓｉ１−ｘＧｅｘ数密度）が１乃至２であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜半導体装置である。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記プラスチック基板が、少なくともロール状フィルム基板であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄膜半導体装置である。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記半導体層は、アモルファスであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置である。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、前記半導体層のバンドギャップは、１ｅＶ乃至５ｅＶであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置である。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、前記半導体層の主キャリアは、電子で、キャリア濃度は３００Ｋの熱平衡状態において１×１０Ｅ１６乃至１×１０Ｅ２１（ｍ−３）、電界効果移動度は０．１乃至５０（ｃｍ２／Ｖｓ）であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置である。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、前記半導体層が、液晶表示装置を駆動する回路を構成することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置である。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、前記ロール状フィルム基板と、
前記ロール状フィルム基板上に形成されたバリア層と、
前記バリア層上に形成された半導体層と、
前記半導体層の上下いずれかの面に接して形成された絶縁層と、
前記絶縁層に接して形成された金属層と、
を有し、
前記半導体層をチャネル、前記金属層をソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極、前記絶縁層をゲート絶縁膜として用い、
前記半導体層は、非金属元素の窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）のうち少なくともひとつ、半金属元素のホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、ポロニウム（Ｐｏ）のうち少なくともひとつ、および金属元素のアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、カドニウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、水銀（Ｈｇ）、タリウム（Ｔｌ）、テルビウム（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）のうち少なくともひとつを含み、
前記非金属元素が、少なくとも酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）の混合物で酸素（Ｏ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｏ数密度）が０乃至２である前記半導体層をスパッタ装置により形成する薄膜半導体製造装置である。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、前記半金属元素が、少なくともシリコン（Ｓｉ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の混合物Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘはＳｉとＧｅの混合比でｘ＝０乃至１が成り立つ）で、前記混合物（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｓｉ１−ｘＧｅｘ数密度）が１乃至２であることを特徴とする請求項８に記載の薄膜半導体製造装置である。
【００２３】
請求項１０に記載の発明は、前記スパッタ装置は、
前記ロール状フィルム基板を装着するロール巻機構と、
前記ロール状フィルム基板を長尺方向に沿って一方の端部から送り出す送出機構と、
送り出された前記ロール状フィルム基板を巻き取る巻取機構と、
位置合わせパターンを有する前記ロール状フィルム基板に対し、前記ロール状フィルム基板の平面位置合わせを行う位置合わせ機構と、
前記ロール状フィルム基板の半導体形成面に対面する金属ターゲットと、
を有し、
前記全ての機構を内部に保持する真空チャンバを備えたことを特徴とする請求項８また請求項９に記載の薄膜半導体製造装置である。
【００２４】
請求項１１に記載の発明は、前記スパッタ装置は、
前記非金属元素を含む雰囲気ガスを真空チャンバ内に導入するガス導入機構と、
前記金属元素または前記半金属元素またはこれらの混合物を含む金属ターゲットと、を複数有し、
前記金属ターゲットが、前記ロール状フィルム基板の長尺に沿った直線状の位置に配列されていることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の薄膜半導体製造装置である。
【００２５】
請求項１２に記載の発明は、前記スパッタ装置は、
前記非金属元素、前記金属元素、前記半金属元素それぞれ少なくともひとつを含む複数の元素を混ぜ合わせた混合物を、単一のターゲットとして用いたことを特徴とする請求項８乃至請求項１１のいずれか１項に記載の薄膜半導体製造装置である。
【００２６】
請求項１３に記載の発明は、請求項８乃至請求項１２のいずれか１項に記載の薄膜半導体製造装置を用い、
薄膜半導体装置を製造することを特徴とする薄膜半導体製造方法である。
【発明の効果】
【００２７】
前記構成により、この発明は、以下のような効果を有する。
【００２８】
請求項１に記載の発明では、薄膜半導体装置の半導体層をチャネル、金属層をソース、ドレイン、およびゲート、絶縁層をゲート絶縁膜として用い、半導体層は、非金属元素の窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）のうち少なくともひとつ、半金属元素のホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、ポロニウム（Ｐｏ）のうち少なくともひとつ、および金属元素のアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、カドニウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、水銀（Ｈｇ）、タリウム（Ｔｌ）、テルビウム（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）のうち少なくともひとつを含み、非金属元素が、少なくとも酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）の混合物で、酸素（Ｏ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｏ数密度）が０乃至２であることで、半導体層への窒素（Ｎ）の導入により比較的高い電界効果移動度を実現できる。また、半導体層への窒素（Ｎ）の導入によりバンドギャップを広げることで、光、熱による特性変動を抑制することができる。また、半導体層への窒素（Ｎ）の導入により弾性定数（ヤング率）を増加させ、プラスチック基板やロール状フィルム基板上での構造的強度を向上させ、曲げ環境にも適用できる。また、半導体層は、スパッタリングの低温プロセスで形成可能であり、低プロセスコストを実現できる。
【００２９】
請求項２に記載の発明では、半金属元素が、少なくともシリコン（Ｓｉ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の混合物Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘはＳｉとＧｅの混合比でｘ＝０乃至１が成り立つ）で、前記混合物（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｓｉ１−ｘＧｅｘ数密度）が１乃至２であり、半金属元素のシリコン（Ｓｉ）にゲルマニウム（Ｇｅ）を導入することによりバンドギャップを小さくすることができ、これと請求項１の窒素（Ｎ）の導入によるバンドギャップ増大とを組み合わせて、自在にバンドギャップを制御でき、また電界効果移動度を増大させることができる。
【００３０】
請求項３に記載の発明では、プラスチック基板が、少なくともロール状フィルム基板であり、製造時にロール状態から送り出しロール状態に巻き取り、低プロセスコストを実現し、低価格のディスプレイを提供することができる。
【００３１】
請求項４に記載の発明では、半導体層は、アモルファスであり、粒界がないことで、特性の均一性を増加させ、かつプラスチック基板やロール状フィルム基板上に形成された場合の曲げ強度を向上させることができる。
【００３２】
請求項５に記載の発明では、半導体層のバンドギャップは、半導体層への窒素（Ｎ）の導入により広げることができるが、１ｅＶ乃至５ｅＶであることで、可視から近紫外領域の外光入射による特性変動を抑制することができる。
【００３３】
請求項６に記載の発明では、半導体層の主キャリアは、電子で、キャリア濃度は３００Ｋの熱平衡状態において１×１０Ｅ１６乃至１×１０Ｅ２１（ｍ−３）、電界効果移動度は０．１乃至５０（ｃｍ２／Ｖｓ）であり、より高い電界効果移動度が得られることで、高精細の動画まで対応できる。
【００３４】
請求項７に記載の発明では、半導体層が、液晶表示装置を駆動する回路を構成し、
アクティブマトリクス型液晶表示装置に対応できる。
【００３５】
請求項８に記載の発明では、半導体層をスパッタ方式により形成することで、低温プロセスで形成可能であり、低プロセスコストを実現し、また比較的高い移動度を実現でき、かつ光、熱に対して安定な特性を有する薄膜半導体装置を製造することができる。
【００３６】
請求項９に記載の発明では、自在にバンドギャップを制御でき、また電界効果移動度を増大させることができる薄膜半導体製造装置を製造することができる。
【００３７】
請求項１０に記載の発明では、スパッタ装置は、全ての機構を内部に保持する真空チャンバを備え、製造時にロール状態から送り出しロール状態に巻き取るロールツーロール法を用いて低プロセスコストを実現することができる。
【００３８】
請求項１１に記載の発明では、スパッタ装置は、非金属元素を含む雰囲気ガスを真空チャンバ内に導入し、金属元素または半金属元素またはこれらの混合物を含む金属ターゲットを複数有し、金属ターゲットが、ロール状フィルム基板の長尺に沿った直線状の位置に配列され、ロール状フィルム基板内に均一な性質の半導体層を形成できる。
【００３９】
請求項１２に記載の発明では、スパッタ装置は、非金属元素、金属元素、半金属元素それぞれ少なくともひとつを含む複数の元素を混ぜ合わせた混合物を、単一のターゲットとして用い、半導体層の性質をさらに均一にするとともにスパッタプロセスコストを低減できる。
【００４０】
請求項１３に記載の発明では、請求項８乃至請求項１２のいずれか１項に記載の薄膜半導体製造装置を用い、薄膜半導体装置を製造する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】薄膜半導体装置の構成を説明する断面図である。
【図２】ロール状フィルム基板上に形成された薄膜半導体装置を示す図である。
【図３】薄膜半導体製造装置の概略構成図である。
【図４】ロール状フィルム基板の平面図である。
【図５】スパッタ装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、この発明の薄膜半導体装置、薄膜半導体製造装置及び薄膜半導体製造方法の実施の形態について説明する。この実施の形態は好ましい形態を示すものであるが、この発明はこれに限定されない。
【００４３】
［薄膜半導体装置］
まず、この発明の薄膜半導体装置について説明する。図１は薄膜半導体装置の構成を説明する断面図である。
【００４４】
この実施の形態の薄膜半導体装置１は、プラスチック基板２を有し、このプラスチック基板２の両面にバリア層３，４が形成されている。プラスチック基板２上に形成されたバリア層３の上面には、接着層５を介してガラス基板６が設けられ、このガラス基板６の上面に半導体層７が形成されている。ガラス基板６は、半導体層７を形成するための土台として、ある程度の厚さ（０．５ｍｍ程度）を持っていた元状態から、半導体層７形成後にエッチングなどの処理で削って薄型化（０．１ｍｍ以下）したものであり、接着層５を介してプラスチック基板２と半導体層７が接合された後は不要となる。このため、場合によりガラス基板６を完全にエッチング除去しても良い。
【００４５】
このようにして半導体層７がバリア層３上に形成され、この半導体層７の下面がガラス基板６の上面に形成した絶縁層８ａと接して形成され、上面が層間絶縁膜８ｂと接して形成されている。絶縁層８ａ下面に接して金属層９ｃが形成されている。また、半導体層７上面に接して金属層９ａ、９ｂが形成されている。半導体層７をチャネル、金属層９ａをソース電極、金属層９ｂをドレイン電極、および金属層９ｃをゲート電極、絶縁層８ａをゲート絶縁膜として用いている。図１では上から、金属層９ａおよび９ｂ、半導体層７、絶縁層８ａ、金属層９ｃの順となっている（ボトムゲート構造）が、場合により上下を逆にして、上から金属層９ｃ、絶縁層８ａ、半導体層７、金属層９ａおよび９ｂ（トップゲート構造）としても良いことは言うまでもない。
【００４６】
半導体層７は、非金属元素の窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）のうち少なくともひとつ、半金属元素のホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、ポロニウム（Ｐｏ）のうち少なくともひとつ、および金属元素のアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、カドニウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、水銀（Ｈｇ）、タリウム（Ｔｌ）、テルビウム（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）のうち少なくともひとつを含み、非金属元素が、少なくとも酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）の混合物で酸素（Ｏ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｏ数密度）が０乃至２である。
【００４７】
半導体層７は、金属原料（Ｉｎ２Ｏ３，  ＳｎＯ２）と絶縁体原料（Ｓｉ３Ｎ４）の組み合わせから作製する。金属原料は窒化物を用いようとしてもそれ自体が初めから絶縁体なので、他の絶縁体原料といくら混ぜても半導体は形成できない。このため、金属原料はそれ自体が金属である酸化物を用いる。これに対し、絶縁体原料に窒化物を用いると、両者を混ぜて作製される半導体は酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）の両方を含む酸窒化物の混合物となる。混合の様子を次の式で表す。正負の価数が釣り合う条件で混合比ｘ、ｙを決めることができる。
2011181591.tif 000003
【００４８】
主たる金属原料Ｉｎ２Ｏ３の混合比ｘ、絶縁体材料Ｓｉ３Ｎ４の混合比ｙとすると、価数釣り合いから、従たる金属原料ＳｎＯ２の混合比は６−ｘとなる。金属原料と絶縁体原料の比ｘ：ｙは、原料それぞれのバンドギャップと、混合後に形成される半導体のバンドギャップによって決まり、例えばｘの範囲としてはｘ＝０〜６（典型値５）、ｙの範囲としてはｙ＝０〜６（典型値３）が望ましい。
従って、Ｏ：Ｎの数量比は、
Ｏ＝１２〜１８  （典型値１７）
Ｎ＝０〜２４（典型値１２）となる。
従って、Ｏ：Ｎ＝１：０〜２
酸素１に対する窒素の数密度比、すなわち酸素（Ｏ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｏ数密度）は０乃至２である。
【００４９】
また、半金属元素が、少なくともシリコン（Ｓｉ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の混合物Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘはＳｉとＧｅの混合比でｘ＝０乃至１が成り立つ）で、混合物（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｓｉ１−ｘＧｅｘ数密度）が１乃至２である。
Ｓｉ：Ｇｅの組成比は、
Ｓｉ、Ｇｅ間の組成変化は前記バランスに影響しないので、
Ｓｉに対するＧｅの組成比は、Ｓｉ１−ｘＧｅｘにおいてｘ＝０〜１である。
【００５０】
ＳｉＧｅに対する窒素の数量比は、
（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）３ｙに対しＮ４ｙより常に１：１．３３である。
【００５１】
この実施の形態では、半導体層７は、非金属元素の窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）のうち少なくともひとつ、半金属元素のホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、ポロニウム（Ｐｏ）のうち少なくともひとつ、および金属元素のアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、カドニウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、水銀（Ｈｇ）、タリウム（Ｔｌ）、テルビウム（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）のうち少なくともひとつを含むことで、安価で容易に得ることができる半金属元素、金属元素を用いている。
【００５２】
上述の半金属元素、金属元素は、いずれもそれぞれの単体で半金属、金属として振る舞うものである。元素にはこの他にもアルカリ金属、遷移元素などがあり、それらの混合物まで考えると候補は無数に考えられるが、単体でわかりやすい性質を持つこと、入手しやすさ、原料費、プロセス取り扱いなどに優れている点を考慮すると、候補原料は事実上これらに限定される。
【００５３】
また、室温でのスパッタプロセスで形成できる酸化物半導体をベースし、これに酸素（Ｏ）のみでなく窒素（Ｎ）を組み合わせた酸窒化物半導体とする。
【００５４】
非金属元素が、少なくとも酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）の混合物で、酸素（Ｏ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｏ数密度）が０乃至２であることで、半導体層７への窒素（Ｎ）の導入により比較的高い電界効果移動度を実現できる。また、半導体層７への窒素（Ｎ）の導入によりバンドギャップを広げることで、光、熱による特性変動を抑制することができる。また、半導体層７への窒素（Ｎ）の導入により弾性定数（ヤング率）を増加させ、プラスチック基板やロール状フィルム基板上での構造的強度を向上させ、低温プロセスで形成可能であり、低プロセスコストを実現できる。
【００５５】
酸素（Ｏ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｏ数密度）が０乃至２の範囲となるのは、上記「酸素（Ｏ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｏ数密度）は０乃至２」について述べたように、バンドギャップと価数釣り合いから決まる。仮にこの値が０（窒素が全く存在しない）となった場合、酸素の量によっては、半導体のバンドギャップが小さすぎて金属的となり、薄膜半導体装置１が常時オン状態となってしまう。逆にこの値が２を超える（酸素不足、窒素過剰）場合、半導体のバンドギャップが大きすぎて絶縁体的となり、薄膜半導体装置１が常時オフ状態となってしまう。いずれの場合もＴＦＴ特性として問題が起きる。
【００５６】
また、半金属元素が、少なくともシリコン（Ｓｉ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の混合物Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘはＳｉとＧｅの混合比でｘ＝０乃至１が成り立つ）で、混合物（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｓｉ１−ｘＧｅｘ数密度）が１乃至２であり、半金属元素のシリコン（Ｓｉ）にゲルマニウム（Ｇｅ）を導入することによりバンドギャップを小さくすることができ、これと窒素（Ｎ）の導入によるバンドギャップ増大とを組み合わせて、自在にバンドギャップを制御でき、また電界効果移動度を増大させることができる。
【００５７】
混合物（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）に対する窒素（Ｎ）の比（Ｎ数密度／Ｓｉ１−ｘＧｅｘ数密度）が１乃至２であることは、上記「混合の様子を表す式」から導かれる。すなわちＳｉの混合比が３ｙの時、Ｎの混合比は４ｙであるため、その比は１．３３となり１乃至２の範囲に収まる。ところが半導体形成過程ではスパッタ工程中のガス流量、密度などにより窒素の過不足が発生し、１．３３を中心としたある範囲のばらつきが起こる。多少のばらつきの範囲であれば薄膜半導体装置として動作に問題が起こらないが、この値が１未満の極端な窒素不足あるいは２以上の極端な窒素過剰の場合には半導体が形成されず、それぞれ金属、絶縁体となってしまうため相応しくない。
【００５８】
半導体層７のバンドギャップは、半導体層７への窒素（Ｎ）の導入により広げることができるが、バンドギャップが、１ｅＶ乃至５ｅＶであることで、可視から近紫外領域の外光入射による特性変動を抑制することができる。
【００５９】
バンドギャップが１ｅＶ以下の場合、価電子帯のキャリアが小さなエネルギーで容易に伝導帯に励起されるため、ＴＦＴのオフ電流が増加して消費電力が増し、極端な場合は常時オン状態となりスイッチングすらできなくなってしまう。この小さなエネルギー源には光のみでなく熱もなり得るため、温度に対してもＴＦＴ動作が不安定になる。一方、バンドギャップが５ｅＶ以上になると、価電子帯のキャリアが大きなエネルギーによっても伝導帯に励起されなくなるため、ＴＦＴのオン電流が減少して移動度を確保できなくなり、極端な場合は常時オフ状態となりスイッチングできなくなってしまう。このような場合は、元々特性の良い酸窒化物半導体を使うメリットがなくなる。
【００６０】
また、半導体層７の主キャリアは、電子で、キャリア濃度は３００Ｋの熱平衡状態において１×１０Ｅ１６乃至１×１０Ｅ２１（ｍ−３）、電界効果移動度は０．１乃至５０（ｃｍ２／Ｖｓ）であり、高精細の動画まで対応できる。
【００６１】
電界効果移動度が０．１未満の場合、アモルファスシリコン程度以下となってしまうので、この実施の形態の酸窒化物半導体を用いる利点がなくなってしまう。また、電界効果移動度上限５０は、この実施の形態の酸窒化物半導体が最適な条件で形成された場合の性能限界に相当する。
【００６２】
この実施の形態の薄膜半導体装置１は、ディスプレイを駆動する回路に用いられ、薄膜半導体装置１の半導体層７が、液晶表示装置を駆動する回路を構成し、アクティブマトリクス型液晶表示装置に対応でき、さらにアクティブマトリックス型有機ＥＬ表示装置などに対応できる。
【００６３】
図２はロール状フィルム基板上に形成された薄膜半導体装置を示す図である。
【００６４】
ロール状フィルム基板Ｐ上には、所定位置にディスプレイパネルＤが複数個形成され、この実施の形態ではディスプレイパネルＤが４個ずつ所定間隔で長尺方向に沿って形成されている。このディスプレイパネルＤは、拡大して示すように、画素Ｇと、ゲート線Ｌ１と、データ線Ｌ２と、薄膜半導体装置１を有している。
【００６５】
図１のプラスチック基板２は、少なくともロール状フィルム基板Ｐとし、ガラス基板６もフィルム基板とすることで、製造時にロール状態から送り出しロール状態に巻き取るロールツーロール法を用いて低プロセスコストを実現し、曲げ環境にも適用できるフレキシブルディスプレイを製造することができる。
【００６６】
また、半導体層７は、アモルファスであり、粒界がないことで、特性の均一性を増加させ、かつプラスチック基板やロール状フィルム基板上に形成された場合の曲げ強度を向上させることができる。
【００６７】
［薄膜半導体製造装置及び薄膜半導体製造方法］
次に、薄膜半導体製造装置及び薄膜半導体製造方法について説明する。図３は薄膜半導体製造装置の概略構成図、図４はロール状フィルム基板の平面図、図５はスパッタ装置の概略構成図である。
【００６８】
図３において、薄膜半導体製造装置１００は、図１の薄膜半導体装置１を製造するから薄膜半導体装置１の説明は同じ符号を付して省略する。ロール状フィルム基板Ｐは、図１のプラスチック基板２の両面にバリア層３，４が形成されている。
【００６９】
この薄膜半導体製造装置１００は、ロール巻機構１１０ａ，１１０ｂと、送出機構１１１と、巻取機構１１２と、位置合わせ機構１１３とを有し、ロール巻機構１１０ａからロール状フィルム基板Ｐを送出機構１１１によって送り出し、位置合わせ機構１１３によって位置決めして送り出されたロール状フィルム基板Ｐ上に薄膜半導体装置１を製造して巻取機構１１２に巻き取り、ロール巻機構１１０ｂに装着する。
【００７０】
このロール状フィルム基板Ｐの送り出しは、位置合わせ機構１１３によって、図４に示すように、ロール状フィルム基板Ｐに形成された位置合わせパターンＡを検出し、送出機構１１１を制御して所定位置で停止するように位置合わせを行う。
【００７１】
このロール状フィルム基板Ｐが搬送される直線状の位置に沿って、シート状基板貼合装置１２０と、ゲート電極形成装置１３０と、絶縁層形成装置１４０と、半導体層形成装置１５０と、ソース・ドレイン電極形成装置１６０と、層間接縁膜形成装置１７０が順に配置されている。
【００７２】
シート状基板貼合装置１２０では、プラスチック基板２上に形成されたバリア層３の上面には、接着層５を介してガラス基板に代えてシート状プラスチック基板６０を貼り付ける。
【００７３】
ゲート電極形成装置１３０では、プラスチック基板６０の上に金属層９ｃのゲート電極をメッキやスパッタリングなどで形成し、絶縁層形成装置１４０では、絶縁層８ａを転写などで形成し、半導体層形成装置１５０では、スパッタ装置により絶縁層８ａの上に半導体層７を形成し、ソース・ドレイン電極形成装置１６０では、金属層９ａのソース電極と、金属層９ｂのドレイン電極をメッキやスパッタリングなどによって形成し、さらに層間接縁膜形成装置１７０では、層間接縁膜８ｂを転写などによって形成し、図１の薄膜半導体装置１を製造する。
【００７４】
この薄膜半導体製造装置１００によって薄膜半導体製造方法が実施され、半導体層形成装置１５０では、スパッタ装置１５０ａが真空チャンバ１５０ａ１の内部に金属ターゲット１５０ａ２を保持し、非金属元素を含む雰囲気ガスを真空チャンバ１５０ａ１内に導入する用に構成され、金属ターゲット１５０ａ２に高電圧をかけるとその表面の原子がはじき飛ばされ、真空チャンバ１５０ａ１内に導入された非金属元素を含む雰囲気ガスと、はじき飛ばされた金属と反応させることによって、ロール状フィルム基板Ｐに半導体層７を製膜する。
【００７５】
この実施の形態のスパッタ装置は、図５に示すように構成することができ、このスパッタ装置２１は、ロール巻機構２２ａ，２２ｂと、送出機構２３と、巻取機構２４と、位置合わせ機構２５と、金属ターゲット２６ａ，２６ｂと、を有し、これらの全ての機構を内部に保持する真空チャンバ２７を備えている。この真空チャンバ２７は、ロール巻機構２２ａ，２２ｂ側に開閉扉２７ａ，２７ｂを有し、開閉扉２７ａを開閉してロール状フィルム基板Ｐをセットし、開閉扉２７ｂを開閉して半導体層７が設けられたロール状フィルム基板Ｐを取り出す。
【００７６】
ロール状フィルム基板Ｐは、図１のプラスチック基板２の両面にバリア層３，４が形成され、プラスチック基板２上に形成されたバリア層３の上面には、接着層５を介してガラス基板に代えてシート状プラスチック基板６０を設けてロール状にした構成であり、図４に示すように、位置合わせパターンＡを有する。
【００７７】
ロール巻機構２２ａは、回転軸２２ａ１にロール状フィルム基板Ｐを装着し、回転軸２２ａ１はロール状フィルム基板Ｐの送り出しによって回転し、ロール巻機構２２ｂは、回転軸２２ｂ１にロール状フィルム基板Ｐを装着し、回転軸２２ｂ１はロール状フィルム基板Ｐの巻き取りによって回転する。
【００７８】
送出機構２３は、一対の送出ローラ２３ａを有し、この一対の送出ローラ２３ａの回転によってロール状フィルム基板Ｐを長尺方向に沿って一方の端部から送り出す。
【００７９】
巻取機構２４は、一対の巻取ローラ２４ｂを有し、この一対の巻取ローラ２４ｂの回転によってロール状フィルム基板Ｐを長尺方向に沿って一方の端部から巻き取る。
【００８０】
位置合わせ機構２５は、検出センサ２５ａ、制御装置２５ｂ、ローラ駆動装置２５ｃを有し、検出センサ２５ａによってロール状フィルム基板Ｐの位置合わせパターンＡを検出し、この検出情報を制御装置２５ｂに送り、制御装置２５ｂはローラ駆動装置２５ｃを介して送出機構２３及び巻取機構２４を制御し、ロール状フィルム基板Ｐの平面位置合わせを行う。
【００８１】
真空チャンバ２７内は、真空ポンプ２８に駆動によって真空状態であり、この真空チャンバ２７には、ガス導入機構２９が設けられ、このガス導入機構２９は非金属元素を含む雰囲気ガスを真空チャンバ２７内に導入する。
【００８２】
金属ターゲット２６ａ，２６ｂは、ロール状フィルム基板Ｐの半導体形成面に対面し、ロール状フィルム基板Ｐの長尺に沿った直線状の位置に配列されている。
【００８３】
金属ターゲット２６ａは、金属元素のターゲットであり、金属ターゲット２６ｂａは、半金属元素のターゲットである。
【００８４】
スパッタ装置２１は、金属ターゲット２６ａ，２６ｂとし、非金属元素、金属元素、半金属元素それぞれ少なくともひとつを含む複数の元素を混ぜ合わせた混合物を、単一のターゲットとして用いているが、金属ターゲット２６ａ，２６ｂを一体のターゲットとてもよい。
【００８５】
このように、スパッタ装置２１は、ガス導入機構２９により、真空チャンバ２７内に非金属元素を含む雰囲気ガスを導入し、真空チャンバ２７内に金属ターゲット２６ａ，２６ｂの金属元素または半金属元素またはこれらの混合物を含む金属ターゲットを複数配置し、電極を介して金属ターゲット２６ａ，２６ｂに高電圧をかけると金属ターゲット表面の原子がはじき飛ばされ、真空チャンバ２７内に導入された非金属元素を含む雰囲気ガスと、はじき飛ばされた金属と反応させることによって、ロール状フィルム基板Ｐに半導体層７を製膜することができる。
【００８６】
半導体層７を成膜する場合、ロール状フィルム基板Ｐは特に加熱や冷却されることはなく室温に置かれる（ただし、金属ターゲット２６ａ、２６ｂへの高電圧印加やはじき飛んでくる原子との反応により、数十℃程度の自然昇温はあると考えられる）。また、成膜時の真空チャンバ２７内の圧力は約０．５Ｐａ、ガス導入機構２９から供給される雰囲気ガスの分圧は約０．００５Ｐａである。金属ターゲットへの高電圧印加の成膜パワーは約２Ｗ／ｃｍ２である。
【００８７】
この薄膜半導体製造装置１００では、スパッタ装置１５０ａまたは図５のスパッタ装置２１を用い、低温プロセスで半導体層７を形成可能であり、低プロセスコストを実現することができる。また、半導体層７は、比較的高い電界効果移動度を実現でき、かつ光、熱に対して安定な特性を有する薄膜半導体装置１を製造することができる。
【００８８】
また、半導体層７は自在にバンドギャップを制御でき、また電界効果移動度を増大させることができる薄膜半導体製造装置１を製造することができる。
【００８９】
また、図５のスパッタ装置２１は、全ての機構を内部に保持する真空チャンバ２７を備え、製造時にロール状態から送り出しロール状態に巻き取り、低プロセスコストを実現することができる。
【００９０】
また、スパッタ装置２１は、非金属元素を含む雰囲気ガスを真空チャンバ２７内に導入し、金属元素または半金属元素またはこれらの混合物を含む金属ターゲット２６ａ，２６ｂを複数有し、金属ターゲット２６ａ，２６ｂが、ロール状フィルム基板Ｐの長尺に沿った直線状の位置に配列され、ロール状フィルム基板Ｐ内に均一な性質の半導体層７を形成できる。
【００９１】
また、スパッタ装置２１は、非金属元素、金属元素、半金属元素それぞれ少なくともひとつを含む複数の元素を混ぜ合わせた混合物を、単一のターゲットとして用い、半導体層７の性質をさらに均一にするとともにスパッタプロセスコストを低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
この発明は、特にプラスチック基板を用いたフレキシブルディスプレイである薄膜半導体装置、薄膜半導体製造装置及び薄膜半導体製造方法に適用可能で、低温プロセスで形成可能であり、低プロセスコストを実現し、また比較的高い電界効果移動度を実現でき、かつ光、熱に対して安定な特性を有し、曲げ環境にも適用できる。    
【符号の説明】
【００９３】
１  薄膜半導体装置
２  プラスチック基板
３，４  バリア層
５  接着層
６  ガラス基板
７  半導体層
８ａ  絶縁層
９ａ，９ｂ，９ｃ  金属層
２１，１５０ａ  スパッタ装置
２２ａ，２２ｂ  ロール巻機構
２３  送出機構
２４  巻取機構
２５  位置合わせ機構
２６ａ，２６ｂ  金属ターゲット
２７  真空チャンバ
２９  ガス導入機構
Ｐ  ロール状フィルム基板
【図１】
2011181591.tif 000004
【図２】
2011181591.tif 000005
【図３】
2011181591.tif 000006
【図４】
2011181591.tif 000007
【図５】
2011181591.tif 000008