(57)【要約】  本発明は、半導体素子の活性層に含有される酸化亜鉛の配向がＣ軸配向性の高いものであったことによる、物理的、電気的特性の欠陥を改善するためのものである。本発明によれば、酸化物半導体薄膜層（３）の主成分である酸化亜鉛の配向が（００２）配向以外の配向を含むことを特徴とする半導体素子が提供される。酸化亜鉛は、（００２）配向と（１０１）配向を含むように形成することができる。また、酸化亜鉛は、（１００）配向と（１０１）配向を含むように形成することができる。これらは、いずれも、Ｃ軸配向性を弱め、物理的、電気的な素子特性を向上させることができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層（３）を有する半導体素子であって、
前記酸化物半導体薄膜層に含有される酸化亜鉛の配向が（００２）配向以外の配向を含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記酸化亜鉛が（００２）配向と（１０１）配向を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記酸化亜鉛の（００２）配向により生じるＸ線回折強度Ｉ（００２）の、（１０１）配向により生じるＸ線回折強度Ｉ（１０１）に対するＸ線回折強度の比率Ｉ（００２）／Ｉ（１０１）が２以下であることを特徴とする請求項２記載の半導体素子。
【請求項４】
前記酸化亜鉛が（１００）配向と（１０１）配向を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項５】
前記酸化亜鉛の（１００）配向により生じるＸ線回折強度Ｉ（１００）の、（１０１）配向により生じるＸ線回折強度Ｉ（１０１）に対する比率Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）が０．５以上５以下であることを特徴とする請求項４記載の半導体素子。
【請求項６】
前記酸化亜鉛は、真性の酸化亜鉛であることを特徴とする請求項１記載の半導体素。
【請求項７】
酸化物半導体薄膜（３）と、前記酸化物半導体薄膜の一面を覆うゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極（７）と、前記酸化物半導体薄膜に接続された一対のソース・ドレイン電極（２）とを具備し、前記酸化物半導体薄膜は（００２）配向以外の配向を含む酸化亜鉛を含有することを特徴とする半導体素子。
【請求項８】
前記酸化亜鉛が（００２）配向と（１０１）配向を含むことを特徴とする請求項７記載の半導体素子。
【請求項９】
前記酸化亜鉛の（００２）配向と（１０１）配向のＸ線回折強度の比率Ｉ（００２）／Ｉ（１０１）が２以下であることを特徴とする請求項８記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記酸化亜鉛が（１００）配向と（１０１）配向からなることを特徴とする請求項７記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記酸化亜鉛の（１００）配向と（１０１）配向のＸ線回折強度の比率Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）が０．５以上５以下であることを特徴とする請求項９記載の半導体素子。
【請求項１２】
前記酸化亜鉛は、真性の酸化亜鉛であることを特徴とする請求項７記載の半導体素子。
【請求項１３】
真性の酸化亜鉛を含有し、前記酸化亜鉛が（００２）配向と（１０１）配向を含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項１４】
真性の酸化亜鉛を含有し、前記酸化亜鉛の（１００）配向と（１０１）配向を含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項１５】
基板（１）上に酸化亜鉛を主成分とする酸化物ターゲットを用いて酸化物半導体薄膜層（３）を形成する工程を有する半導体素子の製法であって、
前記酸化物半導体薄膜層を成膜する際、前記基板に高周波電力を印加しながら行うことで、該酸化物半導体薄膜層の主成分である酸化亜鉛の配向を（００２）配向以外の配向に制御することを特徴とする半導体素子の製法。
【請求項１６】
前記酸化物半導体薄膜層（３）の成膜をマグネトロンスパッタリング法を用いて行い、
前記基板（１）への高周波電力の印加を基板ステージを介して行うことを特徴とする請求項１５記載の半導体素子の製法。
【請求項１７】
酸化物半導体薄膜（３）を材料とするターゲットを用意するステップと、
前記ターゲットに高周波の投入電力を印加するとともに基板（１）に前記投入電力よりも小さい電力の高周波のバイアス電力を印加するマグネトロンスパッタ法により前記基板上に酸化物半導体薄膜を成膜するステップと、
を具備することを特徴とする半導体素子の製法。
【請求項１８】
前記バイアス電力は、前記投入電力の０．５％以上４５％以下であることを特徴とする請求項１７記載の半導体素子の製法。
【請求項１９】
前記ターゲットは、酸化亜鉛を含有し、前記基板（１）上に（００２）配向以外の配向を含む酸化亜鉛を含有する前記酸化物半導体薄膜（３）を成膜することを特徴とする請求項１７記載の半導体素子の製法。
【請求項２０】
前記酸化物半導体薄膜層（３）に含有される酸化亜鉛が（００２）配向と（１０１）配向を含むことを特徴とする請求項１９記載の半導体素子の製法。
【請求項２１】
前記酸化物半導体薄膜層（３）に含有される酸化亜鉛の（００２）配向と（１０１）配向のＸ線回折強度の比率Ｉ（００２）／Ｉ（１０１）が２以下であることを特徴とする請求項２０記載の半導体素子の製法。
【請求項２２】
前記酸化物半導体薄膜層（３）に含有される酸化亜鉛が（１００）配向と（１０１）配向を含むことを特徴とする請求項１９記載の半導体素子の製法。
【請求項２３】
前記酸化物半導体薄膜層（３）に含有される酸化亜鉛の（１００）配向と（１０１）配向のＸ線回折強度の比率Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）が０．５以上５以下であることを特徴とする請求項２２記載の半導体素子の製法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子及びその製法に係り、より詳しくは、半導体素子の構成半導体である酸化物半導体薄膜層の主成分が酸化亜鉛である半導体素子及びその製法に関する。
なお、本出願は、日本国において２００６年２月１５日に出願した特願２００６−３８４２４号を基礎とするパリ条約に基づく優先権を利用した出願である。
【背景技術】
【０００２】
酸化亜鉛あるいは酸化マグネシウム亜鉛等の酸化物が優れた半導体(活性層)の性質を示すことは古くから知られており、近年薄膜トランジスタ（以下TFTと略）、発光デバイス、透明導電膜等の電子デバイス応用を目指し、これらの化合物を用いた半導体薄膜層の研究開発が活発化している。
例えば、酸化亜鉛や酸化マグネシウム亜鉛を半導体薄膜層として用いたTFTは、従来液晶ディスプレイに主に用いられているアモルファスシリコン(a−Si：H)を半導体薄膜層として用いたアモルファスシリコンTFTに比較して電子移動度が大きく、優れたTFT特性を有し、また、室温付近の低温でも多結晶薄膜が得られることで高い移動度が期待できる等の利点もあり、積極的な開発が進められている。
【０００３】
酸化亜鉛を半導体薄膜層として用いたTFT(酸化亜鉛TFT)としては、ボトムゲート型及びトップゲート型の構造が報告されている。
【０００４】
ボトムゲート型構造の一例としては、基板上より順にゲート電極およびゲート絶縁膜が形成され、その上面を被覆して酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層、酸化物半導体薄膜層に接続する一対のソース・ドレイン電極が形成されている構造が知られている。該構造は、液晶ディスプレイの駆動素子として現在事業化されているボトムゲート型アモルファスシリコンTFTと製造プロセスにおいて類似しており、該アモルファスシリコンTFTの製造のプロセスを応用できるため酸化亜鉛TFTにも多く用いられている。
【０００５】
トップゲート型構造の一例としては、基板上より順に一対のソース・ドレイン電極、酸化物半導体薄膜層、ゲート絶縁膜、ゲート電極を積層して形成される構造を例示することができる。
【０００６】
ボトムゲート型の薄膜トランジスタは、構造上、酸化物半導体薄膜層がゲート絶縁膜上に積層されているため、結晶性が不十分な成膜初期の領域を活性層として用いざるを得ず、十分な移動度が得られないという問題点を抱えている。一方、トップゲート型の薄膜トランジスタは、酸化物半導体薄膜層の上部にゲート絶縁膜を設ける構造を有するので、酸化物半導体薄膜層の上部の結晶性の良好な領域を活性層として用いることができるという点でボトムゲート型の薄膜トランジスタより有効である。
【０００７】
また、従来、酸化亜鉛半導体薄膜層の結晶構造は、基板と垂直方向に結晶粒のＣ軸が揃うこと、換言すれば、Ｃ軸配向性が高いことが望ましいとされていた。その理由は、特定方向への優先配向性を有する酸化物半導体薄膜層を用いることで、電子移動度の優れた薄膜トランジスタ(TFT)を得ることが期待されるからである。酸化亜鉛に関しては、ガラス基板が使用可能な温度範囲（500℃以下）でスパッタリング法にて成膜すると、Ｃ軸配向性の高い膜が得られることはよく知られているが、Ｃ軸以外への配向制御やアモルファス状態の形成に関する報告はほとんどなされていない。
一方、従来より、TFTにおいて半導体薄膜層のＣ軸配向性を向上させるための研究は種々なされている。また、TFTではないが、薄膜焦電型赤外線検出素子の焦電体のＣ軸配向性を向上させる方法として、特許第２７８７１９８号公報の開示技術を挙げることができる。
【０００８】
しかしながら、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層において、Ｃ軸配向性の高い酸化亜鉛は、膜厚方向に対して特定の結晶粒径を有する柱状構造からなるため、多くの結晶粒界を有する。結晶粒界には格子欠陥や結晶の歪み、未結合手（ダングリングボンド）等を多く含むため、酸化物半導体薄膜層が熱的に不安定な状態にある。そのため、酸化物半導体薄膜層の形成後、ゲート絶縁膜の被覆等のための加熱プロセスを経ることにより、酸化物半導体薄膜層結晶粒界における酸素や亜鉛が脱離し、欠陥準位を形成するという問題が生じる。当該欠陥準位は、電気的に浅い不純物準位を形成し、酸化物半導体薄膜層の低抵抗化を引き起こす。そのため、当該酸化物半導体薄膜層を薄膜トランジスタの活性層に用いた場合、ゲート電圧を印加しなくてもドレイン電流が流れるノーマリーオン型すなわちデプレッション型の動作となり、欠陥準位の増大とともに、しきい電圧が減少し、リーク電流が増大する。また、チャネルの電子に対して結晶粒界はエネルギー障壁として働くため、移動度の低下を引き起こす。
この問題は、ボトムゲート型の薄膜トランジスタより、酸化物半導体薄膜層の上にゲート絶縁膜を被覆するトップゲート型の薄膜トランジスタに顕著に現れる。
加えて、C軸配向性の高い酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層は柱状構造を有するため、微細加工時に柱状構造に沿ってエッチングされ、微細加工が困難になるといった問題が生じる。また、柱状構造を有することで、酸化物半導体薄膜層の表面の凹凸が大きくなり、上層に形成したゲート絶縁膜の薄膜化を阻害していた。そのため、電界集中によるゲート絶縁膜のブレークダウンやリーク電流の増大といった問題も生じる。
上記したように、薄膜トランジスタにおいて、Ｃ軸配向性の高い酸化物半導体薄膜層は耐熱性、微細加工性、表面平滑性といった面で問題がある。このことは、薄膜トランジスタに限らず、ダイオードや光電変換素子等の他の半導体素子にも同様の問題がある。
【０００９】
【特許文献１】特許第２７８７１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、耐熱性、微細加工性、表面平滑性に優れた酸化物半導体薄膜層を構成半導体として有する半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体素子は、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層を有する半導体素子であって、前記酸化物半導体薄膜層の主成分である酸化亜鉛の配向が（００２）配向以外の配向を含むことを特徴とする半導体素子である。
【００１２】
また、本発明の半導体素子の製法は、基板上に酸化亜鉛を主成分とする酸化物ターゲットを用いて酸化物半導体薄膜層を形成する工程を有する半導体素子の製法であって、前記酸化物半導体薄膜層を成膜する際、前記基板に高周波電力を印加しながら行うことで、該酸化物半導体薄膜層の主成分である酸化亜鉛の配向を（００２）配向以外の配向に制御するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る半導体素子のうち、薄膜トランジスタについて、その一実施例を図１に基づいて以下に説明する。
なお、本発明に係る半導体素子は該実施例の構造によって、何ら限定されるものではない。該実施例は薄膜トランジスタであるが、本発明には、ダイオードや光電変換素子等の他の半導体素子も当然含まれる。また、該実施例に係る薄膜トランジスタは、トップゲート型構造であるが、ボトムゲート型構造のTFTも当然含まれるし、トップゲート型のその他の構造も当然含まれる。
また、明細書中では、酸化亜鉛の配向性を（００２）配向、（１００）配向、（１０１）配向というようにミラー指数で表している。なお、これを六方晶用指数で表すと以下のようになる。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
本発明の一実施例に係る薄膜トランジスタ１００は、基板１、一対のソース・ドレイン電極２、酸化物半導体薄膜層３、第一ゲート絶縁膜４、コンタクト部５ａ、一対のソース・ドレイン外部電極２ａ、第二ゲート絶縁膜６、ゲート電極７、表示電極８を有しており、図１に示すように、これら各構成を積層して形成されている。
【００１６】
薄膜トランジスタ１００は、図１に示す通り、ガラス（SiO2とAl2O3を主成分とする無アルカリガラス）からなる基板１上に形成される。
基板１の材料は、ガラスに限定されず、プラスチックや金属箔に絶縁体をコーティングしたもの等、絶縁体であれば使用可能である。
【００１７】
基板１上には、一対のソース・ドレイン電極２が積層されている。この一対のソース・ドレイン電極２は、基板１上面に間隙を有して配置されている。
一対のソース・ドレイン電極２は、例えば、インジウムスズ酸化物(ITO)、n＋ZnO等の導電性酸化物、金属、もしくは前記導電性酸化物により少なくとも一部を被覆された金属により形成される。
【００１８】
酸化物半導体薄膜層３は、基板１と一対のソース・ドレイン電極２上に積層されている。
酸化物半導体薄膜層３は、一対のソース・ドレイン電極２の電極間にチャネルを形成するように配置されており、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体から形成されている。ここで、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体とは、真性の酸化亜鉛又は真性酸化亜鉛に不純物を含むものをいう。また、不純物には、Li、Na、N、C等のp型ドーパント、B、Al、Ga、In等のn型ドーパントおよびMg、Be等のドーパントが挙げられる。
酸化物半導体薄膜層３は、主成分である酸化亜鉛が（００２）配向以外の配向であるものを用いる。これにより、表面の平滑化、微細加工性の向上、耐熱性の向上といった効果を奏する酸化物半導体薄膜層が得られる。
また、酸化亜鉛が（００２）配向と（１０１）配向を含むものを利用してもよい。この場合、（００２）配向により生じるＸ線回折強度Ｉ（００２）の（１０１）配向により生じるＸ線回折強度Ｉ（１０１）に対する比率Ｉ（００２）／Ｉ（１０１）が２以下であるものが好ましい。このような酸化物半導体薄膜層を利用することで、表面の平滑化が図れ、ゲート絶縁膜の薄膜化が実現できるので電流駆動能力の優れた薄膜トランジスタとなる。また、酸化亜鉛が微結晶或いは非結晶化しているので、微細加工性も向上する。また、耐熱性も向上する。
また、酸化亜鉛が（１００）配向と（１０１）配向を含むものを利用してもよい。この場合、（１０１）配向により生じるＸ線回折強度Ｉ（１０１）の（１００）配向により生じるＸ線回折強度Ｉ（１００）に対する比率Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）が0．5以上5以下であるものが好ましい。このような酸化物半導体薄膜層を使用することで、酸化亜鉛の耐熱性がより一層向上し、製造プロセスにおける熱処理での酸化亜鉛の成分の脱離に起因する酸化物半導体薄膜層の低抵抗化を防ぐことができる。そのため、リーク電流を抑制することができる。また、酸化亜鉛の微細加工性も向上する。
なお、この酸化物半導体薄膜層３の厚みは、特に限定されないが、例えば約25〜200nmに形成され、好ましくは、30〜100nm程度に形成される。
【００１９】
第一ゲート絶縁膜４は、酸化物半導体薄膜層３の上側表面のみを被覆するように形成されている。この第一ゲート絶縁膜４は、ゲート絶縁膜の一部として設けられ、酸化物半導体薄膜層３を製造工程でのレジスト剥離液から保護する保護膜としての役割をも果たすものである。第一ゲート絶縁膜４の厚みは、特に限定されないが、例えば、20〜100nm、好ましくは約50nmに形成される。
第二ゲート絶縁膜６は、一対のソース・ドレイン電極２、酸化物半導体薄膜層３側面及び第一ゲート絶縁膜４の表面全面を被覆するように積層されている。このように、第二ゲート絶縁膜６が積層されることにより、酸化物半導体薄膜層３表面を第一ゲート絶縁膜４にて、側面を第二ゲート絶縁膜６にて完全に被覆することができる。
第二ゲート絶縁膜６の厚みは、例えば、200〜400nmに形成され、好ましくは、約300nmに形成される。
【００２０】
第一ゲート絶縁膜４及び第二ゲート絶縁膜６は、酸化珪素（SiOx）膜、酸窒化珪素（SiON）膜、窒化珪素（SiNx）膜あるいは窒化珪素（SiNx）に酸素もしくは酸素を構成元素に含む化合物を用いて酸素をドーピングした膜により形成される。この第一ゲート絶縁膜４及び第二ゲート絶縁膜６としては、酸化珪素化合物（SiOx）や酸窒化珪素（SiON）に比較して誘電率の大きい、SiNxに酸素あるいは酸素を構成元素として含む化合物、例えばN2O、を用いて酸素をドーピングした膜が好ましく用いられる。
第一ゲート絶縁膜４及び第二ゲート絶縁膜６は、例えばプラズマ化学気相成長（PCVD)法により形成される。このとき、プラズマ化学気相成長（PCVD)法による成膜は酸化物半導体薄膜層の還元もしくは酸化亜鉛の成分の脱離が生じない基板温度である200℃以上400℃以下で実施することが望ましい。
【００２１】
一対のソース・ドレイン外部電極２ａはそれぞれ対応するソース・ドレイン電極２とコンタクト部５ａを介して接続される。
【００２２】
ゲート電極７は、第二ゲート絶縁膜６上に形成されている。このゲート電極７は、薄膜トランジスタに印加するゲート電圧により酸化物半導体薄膜層３中の電子密度を制御する役割を果たすものである。
ゲート電極７はTi、Crに例示される金属膜からなる。
【００２３】
表示電極８は、液晶ディスプレイに用いる液晶に薄膜トランジスタを介して電圧を印加するために形成される。この電極は可視光に対する高い透過率が要求されるため、インジウムスズ酸化物(ITO)などを用いた酸化物導電性薄膜が形成される。なお、図１では省略されているが、画素電極８は第二ゲート絶縁膜６上をゲート電極７と逆方向に延出されている。
【００２４】
本発明の一実施例に係る薄膜トランジスタ（TFT）の製造方法について、図２（ａ）〜図２（ｇ）に基づいて以下に説明する。
【００２５】
まず、図２（ａ）に示される如く、ガラス基板１上全面にマグネトロンスパッタリング法等により、Ti、Cr等の金属薄膜を例えば100nmの厚みで形成した後、この薄膜に、フォトリソグラフィー法を用いて一対のソース・ドレイン電極２を形成する。
【００２６】
図２（ｂ）に示される如く、ガラス基板１および一対のソース・ドレイン電極２上の全面に酸化物半導体薄膜層３として酸化亜鉛を主成分とする半導体薄膜、好適には真性酸化亜鉛(ZnO)を例えば30〜100nm程度の膜厚でマグネトロンスパッタリング法にて形成する。
【００２７】
また、半導体薄膜層に酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜を成膜する際、一般的なマグネトロンスパッタリング法を用いると（００２）方向に優先配向した薄膜が得られることが知られており、X線回折による評価を行うと、（００２）以外の配向に起因する回折ピークが得られないのが一般的である。これに対して、本発明はマグネトロンスパッタリングの成膜時に基板ステージ（成膜時に基板を載置するステージ）を介して基板に高周波電力を印加することで酸化亜鉛を主成分とする半導体薄膜層の配向性を制御することができる。具体的には、酸化物ターゲットに印加する高周波の投入電力（本実施例では13．56MHzの高周波電力を180Ｗで印加）に対して、基板側に高周波のバイアス電力（本実施例では13．56MHzの高周波電力）を印加する。
バイアス電力を、約1〜10W、好ましくは約1〜5Wとすることで、Ｉ（００２）／Ｉ（１０１）が2以下の酸化物半導体薄膜層となる。このような酸化物半導体薄膜層を利用することで、酸化物半導体表面の平滑化が図れ、ゲート絶縁膜の薄膜化が実現できる。そのため、電流駆動能力の優れた薄膜トランジスタとなる。また、酸化亜鉛が微結晶或いは非結晶化しているので、微細加工性も向上する。また、耐熱性が向上する。バイアス電力の下限は１Wに限定されるわけではなく、上記効果を有する電力であれば、１Ｗ未満の電力も当然含まれる。
また、10Ｗ以上のバイアス電力を印加する場合も考えられる。バイアス電力の値が10Wすなわち投入電力に対するバイアス電力の比率が5％以上となると酸化物半導体薄膜の配向状態が変化し、バイアス電力比率5％未満で見られた（００２）と（１０１）配向から（１００）と（１０１）配向に変化した。つまり、バイアス電力の投入電力に対する比率を5％以上に設定することで、Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）が0．5以上5以下である酸化物半導体薄膜層が得られる。このような酸化物半導体薄膜層を使用することで、酸化亜鉛の耐熱性がより一層向上し、製造プロセスにおける熱処理での酸化亜鉛の成分の脱離に起因する酸化物半導体薄膜層の低抵抗化を防ぐことができる。そのため、リーク電流を抑制することができる。また、酸化亜鉛の微細加工性も向上する。上記したようなバイアス電力の印加による配向性の制御については、後述する実験例で図３を参照しつつ、詳細に説明する。
なお、酸化亜鉛の配向を制御する方法は、バイアス電力を印加する方法に限られず、他の成膜条件で制御することも可能である。但し、（００２）と（１０１）配向から（１００）と（１０１）配向に変化するときの、投入電力に対するバイアス電力の比率は、装置の構成やバイアス電力の周波数などによって変わるものであり、前記した5％という値は、後述する実験例の条件下での値である。
【００２８】
図２（ｃ）に示される如く、酸化物半導体薄膜層３上に低抵抗化されない手法および条件で第一ゲート絶縁膜４を形成する。
第一ゲート絶縁膜４の形成方法の一例として、プラズマ化学気相成長（PCVD）法でSiNxを20〜50nm厚で形成する方法が挙げられる。条件例としては、基板温度250℃でNH3とSiH4の混合ガスをNH3がSiH4の４倍の流量となるように調整して行うことが例示される。
【００２９】
図２（ｄ）に示される如く、前記第一ゲート絶縁膜４上にフォトレジストをコーティングし、パターニングされたフォトレジスト４ａを形成し、このフォトレジスト４ａをマスクとして、前記第一ゲート絶縁膜４をSF6等のガスを用いてドライエッチングし、次いで0．2％HNO3溶液にて酸化物半導体薄膜層３に対しウェットエッチングを行う。
【００３０】
図２（ｅ）は前記酸化物半導体薄膜層３のウェットエッチング後にフォトレジスト４ａを除去した断面図を示しており、酸化物半導体薄膜層３と同一形状の第一ゲート絶縁膜４を有するTFT活性層領域が形成されている。第一ゲート絶縁膜４は、酸化物半導体薄膜層３との界面形成に加えて、活性領域をパターン形成する時の酸化物半導体薄膜層３を保護する役目も同時に果たしている。すなわち、活性層パターニング後のフォトレジスト４ａを剥離する場合に使用するレジスト剥離液が酸化物半導体薄膜層３表面に接すると、薄膜表面や結晶粒界をエッチングで荒らしてしまうが、第一ゲート絶縁膜４が酸化物半導体薄膜層３表面に存在することで、フォトリソグラフィー工程におけるレジスト剥離液といった各種薬液に対する保護膜としての機能を果たし、酸化物半導体薄膜層３の表面あれを防ぐことができる。
【００３１】
TFT活性層領域のパターン形成後、図２（ｆ）に示す如く、第一ゲート絶縁膜４および一対のソース・ドレイン電極２を被覆するように、基板１、一対のソース・ドレイン電極２、酸化物半導体薄膜層３、および第一ゲート絶縁膜４の上側表面及び／又は側面に第二ゲート絶縁膜６を形成し、その後フォトリソグラフィー法を用いて、一対のソース・ドレイン電極２上にコンタクトホール５を開口する。この場合、第二ゲート絶縁膜６は第一ゲート絶縁膜４（界面制御型絶縁膜）と同様な条件で、プラズマ化学気相成長（PCVD）法を用いて形成することが望ましい。
【００３２】
最後に図２（ｇ）に示す如く、前記第二ゲート絶縁膜６上にCr、Tiといった金属膜からなるゲート電極７を形成し、ゲート電極７と同一材料にて一対のソース・ドレイン外部電極２ａをコンタクト部５aを介してそれぞれに対応するソース・ドレイン電極２と接続するよう形成する。その後、インジウムスズ酸化物(ITO)等からなる表示電極８を形成することでTFTアレイが完成する。
【００３３】
（試験例）
以下、本発明に係る半導体素子の酸化物半導体薄膜層を評価するための実験例を示すことにより、本発明の効果をより明確なものとする。なお、当該実験で使用する酸化物半導体薄膜層は、マグネトロンスパッタリング法を用いて、ターゲットに印加する13．56MHzの投入電力（180Ｗ）に対して、基板ステージを介して基板側に印加する13．56MHzのバイアス電力を変化させて成膜した。
【００３４】
図３は酸化物半導体薄膜層の主成分である酸化亜鉛の成膜時に印加するバイアス電力を変化させてＸ線回折強度を測定した図である。具体的には、バイアス電力を0Ｗ，1Ｗ，2Ｗ，5Ｗ，10Ｗ，20Ｗ，40Ｗ，80Ｗと変化させ、酸化物半導体薄膜層を成膜した。つまり、バイアス電力を印加しない場合の酸化物半導体薄膜層と、バイアス電力を投入電力の約０．５％以上約４５％以下の間で変化させて印加した場合の酸化物半導体薄膜層を成膜した。
【００３５】
バイアス電力を印加しなかった場合、（００２）配向以外は検出できなかった。
バイアス電力を1W印加した場合、（００２）配向が減少し、（１０１）配向が生じることが示された。１W以下の状態はバイアス電力の印加に用いた高周波電源の設定精度の関係で確認できなかったが、１W以下の微小なバイアス電力の印加でも同様の効果が得られるものと考えられる。
バイアス電力が1W以上10W未満の領域では、Ｉ（００２）／Ｉ（１０１）が2以下の酸化物半導体薄膜層となることが示された。このような酸化物半導体薄膜層は表面が平滑化し、微細加工性も向上したものとなる。また耐熱性も向上する。
また、バイアス電力の値が10Wすなわち投入電力に対するバイアス電力の比率が5％以上とすると酸化物半導体薄膜層の配向状態が変化し、バイアス電力比率5％未満で見られた（００２）配向と（１０１）配向からなる状態から（１００）配向と（１０１）配向からなる状態に変化し、I（１０１）／Ｉ（１００）が0．5以上5以下である酸化物半導体薄膜層となることが示された。このような酸化物半導体薄膜層は耐熱性がより優れたものとなり、微細加工性も向上したものとなる。
【００３６】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は順にバイアス電力を0Ｗ，5Ｗ印加したときの酸化亜鉛薄膜断面の透過電子顕微鏡（TEM）像を示した写真である。
バイアス電力を0Ｗ印加したとき、つまりバイアス電力を印加しないときにはC軸（００２）配向に起因すると見られる柱状の結晶構造が観察でき、表面の凹凸が激しい。
一方、バイアス電力を5Ｗ印加した断面TEM像からは、酸化物半導体薄膜層がC軸配向性を残してはいるものの微結晶化して、表面が平滑化されていることが確認できる。このような表面平滑性に優れた酸化物半導体薄膜層を例えばTFTに用いた場合、ゲート絶縁膜の薄膜化が実現でき、電流駆動能力の優れた薄膜トランジスタとなる。
【００３７】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は順にバイアス電力を0Ｗ，40Ｗ印加して形成した酸化物半導体薄膜（酸化亜鉛）層をドライエッチングしたときの側壁部分の走査型電子顕微鏡(SEM)像を示した写真である。なお、ドライエッチングはCH4ガスにより行った。
バイアス電力を0Ｗ印加したとき、つまりバイアス電力を印加しないときは、ドライエッチングを行うと酸化亜鉛のパターン側壁部分に凹凸が生じる。これは、酸化物半導体薄膜層がC軸（００２）配向からなる、換言すると酸化亜鉛が柱状の結晶構造をとるため、その結晶粒に沿ってエッチングが進むからである。
一方、バイアス電力を40Ｗ印加したときは、柱状の結晶構造が崩れ、凹凸が減少し、側壁部分が直線状に加工される。このように、バイアス電力を印加することによって、微細加工性が向上する。
【００３８】
図６（ａ）及び図６（ｂ）はバイアス電力を0Ｗ印加したときの酸化物半導体薄膜層を用い、昇温脱離法(TDS)により酸化亜鉛の成分であるZnの脱離量の測定を行った結果を示した図である。また、図７（ａ）及び図７（ｂ）はバイアス電力を5Ｗ印加したときの酸化物半導体薄膜層を用い、同様にZnの脱離量の測定を行った結果を示した図である。また、図６（ａ）及び図７（ａ）は質量数(m/e)=64及び66のZnの脱離量を、図６（ｂ）および図７（ｂ）は質量数(m/e)=67及び68のZnの脱離量を示している。
バイアス電力を0Ｗ印加したとき、つまりバイアス電力を印加しないときは、約２００℃より高温で熱処理した場合、酸化亜鉛の成分であるZnの脱離が始まり、熱処理温度が３００℃を超えるとZnの脱離が急激に増加した。これは、酸化物半導体薄膜層が柱状構造からなるため、多くの結晶粒界を有し、熱的に不安定な状態にあるからである。
一方、バイアス電力を5Ｗ印加したときは、柱状の結晶構造が崩れ、高温で処理しても酸化亜鉛の成分の脱離量が少ないまま維持された。そのため、このような酸化物半導体薄膜層を例えばTFTに用いた場合、ゲート絶縁膜被膜時等の熱処理による酸化亜鉛の成分の脱離に起因する酸化物半導体薄膜層の低抵抗化を防ぐことができ、リーク電流が抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上説明した如く、本発明に係る半導体素子は、酸化物半導体薄膜層が耐熱性、表面平滑性、微細加工性の面で優れたものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明における半導体素子のうち、薄膜トランジスタ（TFT）の一実施例の形態を示す断面図である。
【図２】本発明における半導体素子のうち、薄膜トランジスタ（TFT）の一実施例の製法の一形態を経時的に示す断面図であり、図２（ａ）が基板上に一対のソース・ドレインを成形した構造の断面図、図２（ｂ）が酸化物半導体薄膜層を被膜した構造の断面図、図２（ｃ）が第一ゲート絶縁膜を被覆した構造の断面図、図２（ｄ）がフォトレジストをコーティングした構造の断面図、図２（ｅ）が酸化物半導体薄膜及び第一ゲート絶縁膜をパターニングした構造の断面図、図２（ｆ）が第二ゲート絶縁膜及びコンタクトホールを形成した構造の断面図、図２（ｇ）がゲート電極、コンタクト部、ソース・ドレイン外部電極、表示電極を形成した構造の断面図である。
【図３】バイアス電力を0Ｗ，1Ｗ，2Ｗ，5Ｗ，10Ｗ，20Ｗ，40Ｗ，80Ｗ印加したときのＸ線回折の結果を示した図である。
【図４】図４（ａ）は、バイアス電力を0Ｗ印加したときの酸化物半導体薄膜層の断面ＴＥＭ像を示した写真であり、図４（ｂ）は、バイアス電力を5Ｗ印加したときの酸化物半導体薄膜層の断面ＴＥＭ像を示した写真である。
【図５】図５（ａ）は、バイアス電力を0Ｗ印加した酸化物半導体薄膜層をドライエッチングしたときの側壁部分の走査型電子顕微鏡(SEM)像を示した写真であり、図５（ｂ）は、バイアス電力を40Ｗ印加した酸化物半導体薄膜層をドライエッチングしたときの側壁部分の走査型電子顕微鏡(SEM)像を示した写真である。
【図６】図６（ａ）は、バイアス電力を0Ｗ印加した酸化物半導体薄膜層を用い、昇温脱離法(TDS)により質量数(m/e)=64及び66のZnの脱離量の測定結果を示した図であり、図６（ｂ）は、バイアス電力を0Ｗ印加した酸化物半導体薄膜層を用い、昇温脱離法(TDS)により質量数(m/e)=67及び68のZnの脱離量の測定結果を示した図である。
【図７】図７（ａ）は、バイアス電力を5Ｗ印加した酸化物半導体薄膜層を用い、昇温脱離法(TDS)により質量数(m/e)=64及び66のZnの脱離量の測定結果を示した図であり、図７（ｂ）は、バイアス電力を5Ｗ印加した酸化物半導体薄膜層を用い、昇温脱離法(TDS)により質量数(m/e)=67及び68のZnの脱離量の測定結果を示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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