JP2008219008A - 薄膜トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ゲート、チャンネル層、ソース及びドレインを備える薄膜トランジスタにおいて、ソース及びドレインは金属からなり、チャンネル層とソース及びドレインとの間に金属酸化物層が備えられたことを特徴とする薄膜トランジスタ。金属酸化物層は、層内に金属含有量勾配を有する。
【選択図】図2
Description
TFTのチャンネル層の材質及び状態によって、TFTの移動度または漏れ電流は大きく変わる。
現在の液晶表示装置でTFTのチャンネル層は、大体非晶質シリコン層である。TFTのチャンネル層が非晶質シリコン層である場合、電荷移動度は0.5cm2/Vs程度と非常に低いために、液晶表示装置の動作速度を増加させることが困難である。
Ga−In−Zn−O層の移動度は、非晶質シリコン層より数十倍以上高いために、液晶表示装置の動作速度を大きく高めることができる。したがって、次世代表示装置の駆動素子として、Ga−In−Zn−O層をチャンネル層として使用したTFTへの関心が高まりつつある。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、このようなTFTの製造方法を提供することである。
前記金属酸化物層は、層内に金属含有量勾配を持つ。このとき、前記金属酸化物層の金属含有量は、前記チャンネル層方向へ行くほど高くなるか、または低くなる。
前記ソース及びドレインは、複数層の金属層である。
前記チャンネル層は、酸化物半導体層である。
前記金属酸化物層に含まれた金属は、前記ソース及びドレインをなす金属と同じである。
前記ゲートは、前記チャンネル層の上または下に備えられているか、チャンネル層に埋め込まれうる。
前記技術的課題を達成するために、本発明は、基板上にゲートを形成する工程と、前記基板上に前記ゲートを覆うゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層上にチャンネル層を形成する工程と、前記チャンネル層及び前記ゲート絶縁層上に金属酸化物層及び金属層を順次に積層してソース及びドレインを形成する工程とを含むことを特徴とするTFTの製造方法を提供する。
前記金属酸化物層及び金属層を形成した後、その結果物をアニーリングする。
前記アニーリングは、窒素雰囲気でファーネス、RTAまたはレーザーを利用して200℃〜450℃で実施する。
本発明はまた、前記技術的課題を達成するために、基板上にゲートを形成する工程と、前記基板上に前記ゲートを覆うゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層上にチャンネル層を形成する工程と、前記チャンネル層及び前記ゲート絶縁層上に金属層を積層する工程と、前記金属層と前記チャンネル層との間に金属酸化物層を形成する工程とを含むことを特徴とするTFTの製造方法を提供する。
前記アニーリングは、ファーネス、RTAまたはレーザーを利用して実施する。
前記アニーリングは、窒素及び酸素を含む雰囲気で200℃〜450℃で実施する。
前記アニーリングは、酸素雰囲気で200℃〜450℃で実施する。
前記本発明のTFTとその製造方法で、前記金属酸化物層はZnOより酸化性の高い遷移金属であり、このような遷移金属は、Al、Ti、Mo、CrまたはWである。そして、前記チャンネル層は酸化物半導体層であり、前記酸化物半導体層は、a(In2O3)・b(Ga2O3)・c(ZnO)層、またはa(In2O3)・b(ZnO)・c(SnO)層(a、b、cは、それぞれa≧0、b≧0、c>0の条件を満たす実数)である。
また、前記製造方法で、前記金属層は複層でありうる。そして、前記金属層は、Ti、Mo、Cr、W、Zr、Hf、Nb、Ta、Ag、Au、Al、Cu、Co、Sb、V、Ru、Pt、Pd、Zn及びMgからなる群から選択された1種以上の物質からなりうる。
まず、本発明の実施形態による薄膜トランジスタ(以下、本発明のTFT)について説明する。
図3及び図4に示した電気的特性は、ソース及びドレイン50、52が順次に積層されたチタン層/白金層(Ti/Pt)であり、第1及び第2金属酸化物層54、56がチタン酸化物層であり、チャンネル層48がG−I−Z−O層、例えば、GIZO221層であり、ソース及びドレイン50、52の突出部50P、52Pの幅Wとチャンネル層48の長さLとの比(W/L)が50/20である。形成後、350℃で所定時間、例えば、1時間熱処理された本発明の第1のTFTについてのものである。
図3は、このような第1のTFTの電流−電圧特性を示し、図4は、第1のTFTでゲート44に電圧を印加していない状態で、ドレイン52に印加される電圧によるソース及びドレイン50、52間の電流変化を示す。
図3で第1ないし第3グラフG1−G3は、それぞれドレイン52に0.1V、5V及び10Vの電圧が印加された時のゲート電圧とソース−ドレインとの間の電流特性を示す。
また、図4を参照すれば、ゲート44に電圧が印加されていない状態で、ドレイン52に+4Vまたは−4Vの電圧が印加されるまでソース50とドレイン52との間に電流が流れないことが分かる。このような結果は、本発明の第1のTFTが増加モードで動作することを意味する。
図5及び図6の結果から、本発明の前記第2のTFTも、前記第1のTFTと同じく増加モードで動作するということが分かる。
図7を参照すれば、前記第3TFTの電流−電圧特性は、前記第1及び第2のTFTと類似した電気的特性を示すことが分かる。そして図8を参照すれば、前記第3TFTの場合も、ゲート44に電圧が印加されていない状態で、ソース50とドレイン52との間の電流は、ドレイン52に印加される電圧が+4Vまたは−2Vになるまで流れないということが分かる。
図7及び図8の結果から、本発明の前記第3TFTも増加モードで動作するということが分かる。
一方、本発明者は、本発明のTFTで第1及び第2金属酸化物層54、56のない場合に、TFTの特性がどのように変わるかについての実験を実施した。
この実験のために、前述した本発明のTFTから第1及び第2金属酸化物層54、56を除去し、ソース及びドレイン50、52は白金層で形成した。その他の条件は本発明の前記第1のTFTと同一にした。
図10を参照すれば、ゲート電圧Vgが10V以上になるまでソースとドレインとの間に電流が測定されないことが分かる。そして、ゲート電圧が10V以上になってから電流が測定されるが、測定された電流は10−11(A)程度と非常に少なく、電流が流れないと見なしてもよい。
図11でも測定された電流は10−11(A)程度と非常に低くて、ドレイン電流が流れると見なすことができない。
次いで、本発明の実施例によるTFT製造方法を説明する。
図12を参照すれば、基板40上に絶縁層42を形成する。基板40はシリコン基板とすることができる。絶縁層42はシリコン酸化膜で形成できる。この時、絶縁層42は、100nm程度の厚さとすることができる。絶縁層42の所定領域上にゲート44を形成する。ゲート44は、伝導性物質、例えば、モリブデン(Mo)で形成することができる。
図13を参照すれば、絶縁層42上に、ゲート44を覆うゲート絶縁層46を形成する。ゲート絶縁層46は、シリコン酸化物層で形成することができる。ゲート絶縁層46の所定領域上に、チャンネル層48を形成する。チャンネル層48は、ゲート44を横切る形態に形成することができる。チャンネル層48は酸化物半導体層で形成でき、例えば、前記G−I−Z−O層が挙げられる。
一方、金属酸化物層70のうち、図2の第1及び第2金属酸化物層54、56に対応する部分(以下、第1部分)と、金属層72のうち、図2のソース及びドレイン50、52に対応する部分(以下、第2部分)とは、それぞれ金属酸化物層70と金属層72とが形成される前に、感光膜パターンP1で形成領域があらかじめ決定されるリフトオフ方式で形成されることが望ましい。しかし、前記第1及び第2部分は通常の写真エッチング工程で形成してもよい。例えば、前記第1及び第2部分は、金属酸化物層70と金属層72とを順次に積層した後、金属層72上に前記第1及び第2部分になる領域を限定するマスクを形成し、金属層72と金属酸化物層70とを順次にエッチングして形成することができる。
図16で第1ポイントA1は、金属層72が白金層、すなわち、前記TFTのソース及びドレインが白金であり、金属酸化物層70が100Åのチタン酸化物層である時のソース−ドレイン電流を示す。また、連続した曲線をなす第2ないし第4ポイントA2−A4は、金属層72がチタン層である時のソース−ドレイン電流を示す。
この実施例では、金属酸化物層70を積層して形成するものではなく、チャンネル層48を形成した後、チャンネル層48と接触するように金属層72を形成し、その結果物を熱処理して金属層72とチャンネル層48との間に金属酸化物層70を形成する。
下記の説明で第1実施例と同じ参照番号は、第1実施例で説明した部材と同じ部材を意味できる。
感光膜パターンP1を形成した後には、図17に示したように、チャンネル層48とゲート絶縁層46との露出された領域上に、所定厚さの金属層72を形成する。この時、金属層72は感光膜パターンP1上にも形成される。以後、感光膜パターンP1を除去するが、感光膜パターンP1上に形成された金属層72も共に除去される(リフトオフ)。
次いで、図18に示した結果物を所定条件でアニーリングする。この結果、図19に示したように、金属層72とチャンネル層48との間に金属酸化物層80が形成される。金属酸化物層80は、図2の第1及び第2金属酸化物層54、56に対応する。金属酸化物層80に含まれた金属は、金属層72由来のものである。また、、金属酸化物層80の酸素は、チャンネル層48から供給されたもの及び/または前記アニーリング中に雰囲気ガスに含まれた酸素から供給されたものである。チャンネル層48が金属酸化物層80の形成に供給するほど十分な酸素を含有しているならば、例えば、チャンネル層48が酸素リッチなGIZO層である時、前記アニーリングの雰囲気ガスは酸素を含めなくてもよい。前記アニーリングは200℃〜450℃で実施することができる。前記アニーリングは、ファーネスだけでなくRTAまたはレーザーを利用して実施してもよい。前記アニーリングは所定時間、例えば、1時間実施する。前記アニーリングの雰囲気ガスは、アニーリング方式によって、窒素(N2)及び酸素(O2)を含むことができ、酸素だけ含んでもよい。前記アニーリング条件を調節することによって、金属酸化物層80は、前記第1実施例の金属酸化物層70と同じ物質特性を有するように形成できる。
図20及び図21は、前記アニーリングの温度による本発明のTFTの電気的特性を示す。
図20及び図21に示した結果を得るために使用したTFTは、金属層72を、チタン層と白金層とを順次に積層して形成した。この時、金属層72は、図2のソース及びドレイン50、52の幾何学的条件を満たすように形成した。
図20を参照すれば、ゲート電圧Vgが10Vより大きくなりつつソース−ドレイン電流が測定されるが、測定された電流が小さ過ぎるため、実質的にはソース−ドレイン電流が測定されていないと見なすことができる。
一方、図21を参照すれば、ゲート電圧が0より大きくなりつつ意味のあるソース−ドレイン電流が測定されることが分かる。
図24及び図25は、それぞれ図22及び図23の1−1’方向への物質成分分布を示す。
図25を参照すれば、シリコン酸化物層90、チャンネル層94及び金属層96を順次に積層した後、その結果物を350℃でアニーリングした時、チャンネル層94と金属層96との界面に対応する位置で、チタンは150counts以上、酸素は100counts以上が測定された。
一方、前述したものは、ゲートがチャンネル層下に位置するボトムゲート型TFTについてのものであるが、図26に示したように、ゲート44がチャンネル層48上に位置するトップゲート型TFTにもそのまま適用できる。また、ゲートはチャンネル層に埋め込まれた形態としてもよい。
42 絶縁膜
44 ゲート
46 ゲート絶縁膜
48 チャンネル層
50 ソース
52 ドレイン
54 第1金属酸化物層
56 第2金属酸化物層
Claims (36)
- ゲート、チャンネル層、ソース及びドレインを備える薄膜トランジスタであって、
前記ソース及びドレインは金属からなり、
前記チャンネル層と前記ソース及びドレインとの間に金属酸化物層が備えられたことを特徴とする薄膜トランジスタ。 - 前記金属酸化物層は、層内に金属含有量勾配を有する請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記金属酸化物層の金属含有量は、前記ソース及びドレインから前記チャンネル層方向へ行くほど高くなるか、または低くなる請求項2に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記金属酸化物層は、化学量論比組成の層または非化学量論比組成の層である請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記金属酸化物層は、ZnOより酸化性の高い遷移金属を含む請求項1〜4のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタ。
- 前記ソース及びドレインは、金属の複数層である請求項1〜5のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタ。
- 前記チャンネル層は、酸化物半導体層である請求項1〜6のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタ。
- 前記金属酸化物層に含まれた金属は、前記ソース及びドレインを形成する金属と同じである請求項1〜7のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタ。
- 前記ゲートは、前記チャンネル層の上または下に備えられているか、チャンネル層に埋め込まれた請求項1〜8のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタ。
- 前記遷移金属は、Al、Ti、Mo、CrまたはWである請求項5に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記ソース及びドレインは、Ti、Mo、Cr、W、Zr、Hf、Nb、Ta、Ag、Au、Al、Cu、Co、Sb、V、Ru、Pt、Pd、Zn及びMgからなる群から選択された1種以上の物質からなる請求項1〜10のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタ。
- 前記酸化物半導体層は、a(In2O3)・b(Ga2O3)・c(ZnO)層またはa(In2O3)・b(ZnO)・c(SnO)層(a、b、cは、それぞれa≧0、b≧0、c>0の条件を満たす実数)である請求項7に記載の薄膜トランジスタ。
- 基板上にゲートを形成する工程と、
前記基板上に前記ゲートを覆うゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層上にチャンネル層を形成する工程と、
前記チャンネル層及び前記ゲート絶縁層上に金属酸化物層及び金属層を順次に積層してソース及びドレインを形成する工程とを含むことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記金属酸化物層は、ZnOより酸化性の高い遷移金属を含む請求項13に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記遷移金属は、Al、Ti、Mo、CrまたはWである請求項14に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記金属酸化物層及び金属層を形成した後、アニーリングする請求項13〜15のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記アニーリングは、窒素雰囲気でファーネス、RTAまたはレーザーを利用して、200℃〜450℃で実施する請求項16に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記金属層は、複数層である請求項13〜17のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記金属層は、Ti、Mo、Cr、W、Zr、Hf、Nb、Ta、Ag、Au、Al、Cu、Co、Sb、V、Ru、Pt、Pd、Zn及びMgからなる群から選択された1種以上の物質からなる請求項13〜18のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 基板上にゲートを形成する工程と、
前記基板上に前記ゲートを覆うゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層上にチャンネル層を形成する工程と、
前記チャンネル層及び前記ゲート絶縁層上に金属層を積層する工程と、
前記金属層と前記チャンネル層との間に金属酸化物層を形成する工程とを含むことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記金属酸化物層は、前記金属層を形成した後、アニーリングして形成する請求項20に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記アニーリングは、ファーネス、RTAまたはレーザーを利用して実施する請求項21に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記アニーリングは、窒素及び酸素を含む雰囲気で200℃〜450℃で実施する請求項21又は22に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記アニーリングは、酸素雰囲気で200℃〜450℃で実施する請求項21又は22に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記チャンネル層は、酸化物半導体層である請求項20〜24のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記酸化物半導体層は、a(In2O3)・b(Ga2O3)・c(ZnO)層またはa(In2O3)・b(ZnO)・c(SnO)層(a、b、cは、それぞれa≧0、b≧0、c>0の条件を満たす実数)である請求項20〜25のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記金属酸化物層は、ZnOより酸化性の高い遷移金属を含む請求項20〜26のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記遷移金属は、Al、Ti、Mo、CrまたはWである請求項27に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記金属層は、複数層である請求項20〜28のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記金属層は、Ti、Mo、Cr、W、Zr、Hf、Nb、Ta、Ag、Au、Al、Cu、Co、Sb、V、Ru、Pt、Pd、Zn及びMgからなる群から選択された1種以上の物質からなる請求項20〜29のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記チャンネル層を先ず前記基板上に形成し、
前記金属酸化物層及び前記金属層を順次に前記チャンネル層及び前記基板上に積層して、前記ソース及びドレインを形成し、
前記ゲート及び前記ゲート絶縁層は、前記ソース及びドレインを形成した後に形成するが、
前記ゲート絶縁層は、前記チャンネル層、前記金属酸化物層及び前記金属層を覆うように形成し、
前記ゲート絶縁層上に前記ゲートを形成する請求項13〜19のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記チャンネル層を前記基板上に先ず形成し、
前記金属層は前記チャンネル層及び前記基板上に形成し、
前記ゲート絶縁層は、前記金属層及び前記チャンネル層を覆うように形成し、
前記ゲート絶縁層上に前記ゲートを形成した後、前記金属酸化物層を形成する請求項20〜30のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記チャンネル層を前記基板上に先ず形成し、
次いで、前記金属層は前記チャンネル層と前記基板との上に形成し、
次いで、前記金属酸化物層を形成し、
次いで、前記ゲート絶縁層は、前記金属層、前記金属酸化物層及び前記チャンネル層を覆うように形成し、
次いで、前記ゲート絶縁層上に前記ゲートを形成する請求項20〜30のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記チャンネル層は、酸化物半導体層である請求項23又は24に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記酸化物半導体層は、a(In2O3)・b(Ga2O3)・c(ZnO)層またはa(In2O3)・b(ZnO)・c(SnO)層(a、b、cは、それぞれa≧0、b≧0、c>0の条件を満たす実数)であることを特徴とする請求項34又は35に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記金属層は、Ti、Mo、Cr、W、Zr、Hf、Nb、Ta、Ag、Au、Al、Cu、Co、Sb、V、Ru、Pt、Pd、Zn及びMgからなる群から選択された1種以上の物質からなる請求項20〜29のいずれか1つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
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