JP2009275236A - 酸窒化物半導体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 金属酸窒化物から構成され、前記酸窒化物がIn、Ga、Sn、Mg、Si、Ge、Y、Ti、Mo、W、Alから選択される少なくとも1つの元素と、Znと、を含み、且つ、前記酸窒化物中のN/(N+O)で表されるNの原子組成比率が、7原子%以上80原子%以下であることを特徴とする酸窒化物半導体。
【選択図】 図29
Description
まず、トランジスタ動作特性の評価指標について説明する。
(Zn−In−ON膜、N/(N+O)=35原子%)
本実施例では、アルゴン窒素混合雰囲気中でのRFスパッタリング成膜およびラジカル源により、ガラス及びシリコン基板上にZn−In−ON膜を形成した。
(Zn−In−O膜)
本比較例ではアルゴン酸素混合雰囲気中でのRFスパッタリング成膜により、ガラス基板上にZn−In−O膜を形成した。4×10−1Paのアルゴン酸素混合ガス雰囲気中で成膜され、導入酸素分圧は2×10−3Paとした。なお本比較例では、ラジカル源による成膜雰囲気中へのラジカルの導入は行っていない。その他の成膜条件は、上記実施例1と同様とした。得られた酸窒化膜について段差計で測定を行ったところ、膜厚は400nmであった。また蛍光X線分析を行ったところ、Zn/(Zn+In)で表されるZnの原子組成比率が64原子%であった。膜中の窒素量に関しては、2次イオン質量分析(SIMS)を用いて評価を行ったところ、検出限界以下であることが分かった。
(Zn−In−ON膜 N=5%)
本比較例ではアルゴン酸素窒素混合雰囲気中でのRFスパッタリング成膜により、ガラス基板上にZn−In−ON膜を形成した。4×10−1Paのアルゴン酸素窒素混合ガス雰囲気中で成膜され、導入酸素分圧は5×10−3Pa、窒素分圧は1×10−3Paとした。なお本比較例では、ラジカル源による成膜雰囲気中へのラジカルの導入は行っていない。その他の成膜条件は、上記実施例1と同様とした。得られた酸窒化膜について段差計で測定を行ったところ、膜厚は400nmであった。また蛍光X線分析を行ったところ、Zn/(Zn+In)で表されるZnの原子組成比率が61原子%であった。膜中の窒素量に関しては、2次イオン質量分析(SIMS)を用いて評価を行ったところ、N/(N+O)で表される窒素の原子組成比率が、約5原子%であることが分かった。
(In−ON膜)
本比較例ではアルゴン酸素混合雰囲気中でのRFスパッタリング成膜およびラジカル源により、ガラス基板上にIn−ON膜を形成した。4×10−1Paのアルゴン窒素混合ガス雰囲気中で成膜され、導入窒素分圧は2×10−3Paとした。ターゲットとしては、In2O3組成を有する2インチ焼結体(それぞれ純度99.9%)を用い、投入RFパワーは30Wである。その他の成膜条件は、上記実施例1と同様とした。得られた酸窒化膜について、膜厚を段差計で測定を行ったところ、膜厚は400nmであった。またRBS分析を行い、N/(N+O)で表される窒素の原子組成比率が、約35原子%であることが分かった。
本実施例で得られた酸窒化物半導体の電気特性をホール測定により評価したところ、ホール移動度は約30cm2/Vsの値を示しており、比較例1および2で得られた半導体に比べ、2倍程度もの高い値が得られた。一方キャリア濃度は約1018/cm3で、比較例3のIn−ONに比べ、1桁以上低いことが分かった。
(Zn−In−ON膜、N/(N+O)=42原子%、Zn/(Zn+In)=85原子%)
本実施例では、アルゴン窒素混合雰囲気中でのRFスパッタリング成膜およびラジカル源により、ガラス基板上にZn−In−ON膜を形成した。
本実施例で得られた酸窒化物半導体の電気特性をホール測定により評価したところ、測定限界以下であり、キャリア濃度が実施例1に比べて一桁以上低くなっていることが予想される。
(Zn−In−ONを活性層に用いたトランジスタ)
本実施例では図5に示したトップゲート型Zn−In−ON薄膜トランジスタを作製した。
図6は、本実施例で作製したTFT素子を室温下で測定した時の、Vd=6VにおけるId−Vg特性(トランスファ特性)を示したものである。オン電流が比較的大きく、Vg=4Vの時には、Id=8×10−4A程度の電流が流れていることがわかった。出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約5cm2/Vsの得られた。また電流オン・オフ比は約106超、S値は約1.5V/decであった。
(Zn−In−ON膜、N/(N+O)=55原子%、Zn/(Zn+In)=40原子%)
本実施例では、アルゴン窒素混合雰囲気中でのRFスパッタリング成膜により、ガラス基板上にZn−In−ON膜を形成する。
本実施例で得られた酸窒化物半導体の電気特性をホール測定により評価したところ、ホール移動度は約40cm2/Vs、キャリア濃度は約5×1018/cm3である。
(Zn−Ga−ON膜、Zn/(Zn+Ga):17−87原子%)
本実施例では、アルゴン窒素混合雰囲気中でのRFスパッタリング成膜により、熱酸化膜(300nm)付きシリコン基板上にZn−Ga−ON膜を形成した。
(Zn−Ga−O膜)
本比較例ではアルゴン酸素混合雰囲気中でのRFスパッタリング成膜により、熱酸化膜(300nm)付きシリコン基板上にZn−Ga−O膜を形成する。4×10−1Paのアルゴン酸素混合ガス雰囲気中で成膜され、導入酸素分圧は2×10−3Paとした。ターゲット(材料源)としては、ZnO組成を有する2インチ焼結体およびGa2O3組成を有する2インチ焼結体(それぞれ純度99.9%)を用いた。その他の成膜条件は、上記実施例5と同様とした。段差計での測定により、得られた酸窒化膜の膜厚は400nmであった、また蛍光X線分析により、Zn/(Zn+Ga)で表されるZnの原子組成比率が17−87原子%、基板中心では約50原子%である。膜中の窒素量に関しては、2次イオン質量分析(SIMS)の、検出限界以下であった。
本実施例で得られた酸窒化物半導体の電気特性をホール測定により評価したところ、測定限界以下であり、キャリア濃度の低い状態を実現することができた。
(Zn−Ga−ONを活性層に用いたトランジスタ)
本実施例では図15に示したボトムゲート型Zn−Ga−ON薄膜トランジスタを作製した。
Zn/(Zn+Ga)で表されるZnの原子組成比率が35原子%−80原子%の組成範囲で良好なトランジスタ特性が得られ、この領域では、電流オン・オフ比は103以上の値を示していた。図16は、本実施例で作製したTFT素子を室温下で測定した時の、Vd=6VにおけるId−Vg特性(トランスファ特性)の一例を示したものである。この時、蛍光X線分析およびラザフォード後方散乱(RBS)分析により、Zn/(Zn+Ga)で表されるZnの原子組成比率が約75原子%であることが分かった。同様に、N/(N+O)で表される窒素の原子組成比率が約30原子%であることが分かった。Vg=20Vの時には、Id=8×10−8A程度の電流が流れていることがわかり、電流オン・オフ比は105超あることが分かった。さらに、本実施例ではゲート電圧が0Vの時に電流が流れない、いわゆるノーマリーオフ特性を実現することができた。これは、構成元素にGaを用いることによって、残留キャリア濃度の低い状態が形成できたためと考えられる。
(In−Zn−Ga−ON膜、Zn/(In+Zn+Ga):88−18原子%)
本実施例では、アルゴン窒素混合雰囲気中でのRFスパッタリング成膜により、熱酸化膜(300nm)付きシリコン基板上にIn−Zn−Ga−ON膜を形成した。
(In−Zn−Ga−O膜)
本比較例ではアルゴン酸素混合雰囲気中でのRFスパッタリング成膜により、熱酸化膜(300nm)付きシリコン基板上にIn−Zn−Ga−O膜を形成した。4×10−1Paのアルゴン酸素混合ガス雰囲気中で成膜され、導入酸素分圧は4×10−3Paとした。ターゲット(材料源)としては、In2O3組成を有する2インチ焼結体、ZnO組成を有する2インチ焼結体およびGa2O3組成を有する2インチ焼結体(それぞれ純度99.9%)を用いた。その他の成膜条件は、上記実施例7と同様とした。得られた酸窒化膜について段差計で測定を行ったところ、膜厚は400nmであった。また蛍光X線分析によりIn/(In+Zn+Ga)で表されるInの原子組成比率が10−70原子%、Zn/(In+Zn+Ga)で表されるZnの原子組成比率が10−80原子%であることが分かった。同様に、Ga/(In+Zn+Ga)で表されるGaの原子組成比率が10−70原子%であることが分かった。また基板中心では全金属に対するIn,ZnおよびGaの原子組成比率はそれぞれ約20原子%、約50原子%、約30原子%であることが分かった。膜中の窒素量に関しては、2次イオン質量分析(SIMS)を用いて評価を行ったところ、検出限界以下であることが分かった。
本実施例で得られた酸窒化物半導体の電気特性をホール測定により評価したところ、
全金属原子数に対するInの原子数比が約50原子%以上の領域では、ホール移動度は約20〜25cm2/Vs、キャリア濃度は約1017―18/cm3、また、上記以外の組成領域では測定限界以下であり、キャリア濃度の低い状態を実現することができた。
(In−Zn−Ga−ONを活性層に用いたトランジスタ)
本実施例では図15に示したボトムゲート型Zn−Ga−ON薄膜トランジスタを作製した。
全金属原子数に対するIn,ZnおよびGaの原子組成比率がそれぞれ約2原子%−50原子%、約18原子%−88原子%、約8−67原子%の組成範囲で良好なトランジスタ特性が得られた。この領域では、電流オン・オフ比は105以上の値を示していた。本実施例で良好なトランジスタ特性が得られたTFT活性層の金属組成範囲を図19の3元相図に示す(図中d、e、f、gで囲まれた範囲)。図20は、本実施例で作製したTFT素子を室温下で測定した時の、Vd=6VにおけるId−Vg特性(トランスファ特性)の一例を示したものである。この時、蛍光X線分析およびラザフォード後方散乱(RBS)分析により、全金属原子数に対するIn,ZnおよびGaの原子組成比率がそれぞれ約21原子%、約42原子%、約35原子%であることが分かった。同様に、N/(N+O)で表される窒素の原子組成比率が約45原子%であることが分かった。オン電流が比較的大きく、Vg=20Vの時には、Id=1×10−4A程度の電流が流れていることがわかった。出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約2cm2/Vsの得られた。また電流オン・オフ比は約109超、S値は約0.6V/decと実施例3と比較して、良好な値が得られた。さらに、本実施例ではゲート電圧が0Vの時に電流が流れない、いわゆるノーマリーオフ特性を実現することができた。これは、構成元素にGaを用いることによって、残留キャリア濃度の低い状態が形成できたためと考えられる。
(In−Zn−Ga−ONの光応答特性)
本実施例では、アルゴン窒素混合雰囲気中でのRFスパッタリング成膜により、ガラス基板上にIn−Zn−Ga−ON膜を形成した。
図21に異なる波長の光を照射したときのIn−Zn−Ga−ON膜の伝導率を示す。照射強度は全ての波長において0.2mW/cm2である。波長300nmの光照射時には、伝導率は約10−1S/mとなり、非照射時に比べ約4桁増加することが分かった。また、伝導率は400nm−600nmの波長の光照射によっても増加しており、可視光に対しても感度があることが分かった。図22は、500nmの波長光に対する光応答特性を示したグラフである。光照射のオン/オフにより、電流をオン/オフすることができた。
(Zn−Ge−ON膜、Zn/(Zn+Ge):50−90原子%)
本実施例では、アルゴン窒素混合雰囲気中でのRFスパッタリング成膜により、熱酸化膜(300nm)付きシリコン基板上にZn−Ge−ON膜を形成した。
本実施例で得られた酸窒化物半導体の電気特性をホール測定により評価したところ、測定限界以下であり、キャリア濃度の低い状態を実現することができた。
(Zn−Si−ON膜、Zn/(Zn+Si):50−90原子%)
本実施例では、アルゴン窒素混合雰囲気中でのRFスパッタリング成膜により、熱酸化膜(300nm)付きシリコン基板上にZn−Si−ON膜を形成した。
本実施例で得られた酸窒化物半導体の電気特性をホール測定により評価したところ、測定限界以下であり、キャリア濃度の低い状態を実現することができた。
本実施例は、酸窒化物半導体の結晶構造及び電子状態を検討した例である。特に、ウルツ鉱の構造をベースとして、ZnInON結晶の元素配置を検討した例である。
配置A −3978.1401 eV
配置B −3978.5956eV
配置C −3978.6336eV
となり、配置Cが最も安定であることがわかった。以上の結果より、ZnInONの結晶構造として、配置Cが好ましい構造である。
配置A −4471.1808eV
配置B −4472.1881eV
配置C −4472.0024eV
となり、配置Bが最も安定であった。すなわち、ZnGaONの結晶構造として、配置Bが好ましい構造である。また、直接遷移型のバンド構造を有し、そのバンドギャップはZnInONよりも大きかった。
12 ソース電極
13 ドレイン電極
14 ゲート絶縁膜
15 ゲート電極
16 密着層
Claims (10)
- 金属酸窒化物から構成され、前記酸窒化物がIn、Ga、Sn、Mg、Si、Ge、Y、Ti、Mo、W、Alから選択される少なくとも1つの元素と、Znと、を含み、
且つ、前記酸窒化物中のN/(N+O)で表されるNの原子組成比率が、7原子%以上100原子%未満であることを特徴とする酸窒化物半導体。 - 前記酸窒化物がウルツ鉱構造型の原子配置を有する結晶であることを特徴とする、請求項1に記載の酸窒化物半導体。
- 前記酸窒化物の禁制帯エネルギー幅が1eV以上、2eV以下であることを特徴とする、請求項1および2に記載の酸窒化物半導体。
- 前記酸窒化物において、全金属原子数に対するZn原子の原子組成比率が50原子%以上であることを特徴とする、請求項1および2に記載の酸窒化物半導体。
- 前記酸窒化物が、さらにInを含むことを特徴とする、請求項1および2に記載の酸窒化物半導体。
- 前記酸窒化物が、Gaを含むことを特徴とする、請求項1および2に記載の酸窒化物半導体。
- 前記酸窒化物が、Geを含むことを特徴とする、請求項1および2に記載の酸窒化物半導体。
- 前記酸窒化物が、Siを含むことを特徴とする、請求項1および2に記載の酸窒化物半導体。
- 請求項1から8のいずれかに記載の酸窒化物半導体を活性層として用いたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
- 請求項1から8のいずれかに記載の酸窒化物半導体を受光層として用いたことを特徴とする受光素子。
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