JP2010021555A - トランジスタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】トランジスタであって、相異なる移動度を有し、相異なる酸化物で形成される下部層及び上部層を備えるチャンネル層と、前記チャンネル層の対向する両端部にそれぞれ接触するソース及びドレインと、前記チャンネル層に電界を印加するためのゲートとを有する。
【選択図】 図1
Description
したがって、しきい値電圧の調節のために、n型酸化物層のキャリア濃度を低めれば、移動度が低くなってオン/オフ電流比は減少し、サブしきい値勾配(SS)は増加するなど、トランジスタの動作特性が劣化するという問題が発生する。
またn型酸化物層のキャリア濃度が高い場合、しきい値電圧が負(−)の方向に非常に小さくなって増加型(enhancement mode)トランジスタを具現することが難しいという問題がある。
前記下部層及び前記上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層は、前記トランジスタの移動度を決定する層であることが好ましい。
前記下部層及び前記上部層のうちの少なくとも一つによって前記トランジスタのしきい値電圧が決定されることが好ましい。
前記下部層及び上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層は、IZO(Indium Zinc Oxide)、ITO(Indium Tin Oxide)、AZO(Aluminum Zinc Oxide)、及びGZO(Gallium Zinc Oxide)からなる群の内より選択される少なくとも一つの酸化物を含むことが好ましい。
前記下部層及び上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層の厚さは、10〜500Åであることが好ましい。
前記下部層及び上部層のうち前記ゲートに相対的に近い層の厚さは、30〜200Åであることが好ましい。
前記トランジスタは、トップゲート又はボトムゲート構造を有する薄膜トランジスタであることが好ましい。
前記下部層及び上部層は相異なる移動度を有することが好ましい。
前記下部層及び上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層は、前記ゲートから相対的に遠く配される層より高い移動度を有することが好ましい。
前記下部層及び前記上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層は、前記トランジスタの移動度を決定する層であることが好ましい。
前記下部層及び前記上部層のうちの少なくとも一つによって前記トランジスタのしきい値電圧が決定されることが好ましい。
前記下部層及び前記上部層のうち、前記ゲートから相対的に遠く配される層は、ZnO系の酸化物を含むことが好ましい。
前記下部層及び上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層の厚さは、10〜500Åであることが好ましい。
前記下部層及び上部層のうち前記ゲートに相対的に近い層の厚さは、30〜200Åであることが好ましい。
前記トランジスタは、トップゲート又はボトムゲート構造を有する薄膜トランジスタであることが好ましい。
本実施形態のトランジスタT1は、ゲートG1がチャンネル層C1下に形成されるボトムゲート構造を持つ薄膜トランジスタである。
チャンネル層C1は、移動度及び/またはキャリア密度の相異なる少なくとも二層の酸化物層を備える複数層構造を持つ。
第1層10が第2層20より相対的にゲートG1に近く配置される。この時、第1層10の移動度は第2層20の移動度より大きい。あるいは、第1層10のキャリア密度は第2層20のキャリア密度より大きい。
物質の移動度とキャリア密度とは、独立した変数である。しかし、酸化物では一般的にキャリア密度と移動度とは比例する。すなわち、キャリア密度の高い酸化物であるほど大きい移動度を持つことができる。しかし、場合によってはそうでないこともある。すなわち、キャリア密度の高い酸化物であっても低い移動度を持つことがある。
第1層10は、第2層20より相対的にゲートG1に近く配置されている層であって、トランジスタT1の移動度を高める役割を行う。すなわち、第1層10がある場合、そうでない場合(すなわち、チャンネル層C1がいずれも第2層20の物質からなる場合)よりトランジスタT1の移動度が高くなる。
第1層10は、第2層20よりキャリア密度及び/または移動度が高いため、これにより、トランジスタT1の移動度が増加する。第1層10が低い移動度を持つとしてもそのキャリア密度が高ければ、第1層10によりトランジスタT1の移動度は増加する。
そして第2層20は、ZnO系の酸化物を含む層であり、この場合、第2層20は、Ga及びInのような3族元素をさらに含むことができる。
第2層20は、3族元素の代りにSnのような4族元素またはその他の元素がドーピングされたZnO系の酸化物層でもありうる。第1層10の厚さは、広くは10〜500Å、好適には30〜200Åが好ましい。
すなわち、第1層10が厚くなれば、トランジスタT1のしきい値電圧は第1及び第2層10、20の影響を同時に受け、第1層10がさらに厚くなれば、トランジスタT1のしきい値電圧は第2層20ではなく第1層10により決定される。
本実施形態によるトランジスタT2は、ゲートG2がチャンネル層C2上に形成されるトップゲート構造の薄膜トランジスタである。
チャンネル層C2は、図1のチャンネル層C1が上下に引っ繰り返る構造を有する。
すなわち、図2のチャンネル層C2は、基板SUB2上に図1の第2層20と等価の第2層20’と図1の第1層10と等価の第1層10’とが順に備えられた構造を有する。
したがって、第1層10’が第2層20’よりゲートG2に近く配置される。ゲート絶縁層GI2上にゲートG2を覆う保護層P2が形成される。
図3でG1グラフは、本発明の第1の実施形態によるトランジスタ(以下、本発明の第1トランジスタ)、さらに具体的には、図1のトランジスタと同様の構造を持つが、第1層10及び第2層20としてそれぞれIZO層及びGIZO層を使用したトランジスタに対応する結果である。この時、IZO層及びGIZO層の厚さは、それぞれ50Å及び600Åである。
図4でG1’グラフ〜G3’グラフは、それぞれ図3のG1グラフ〜G3グラフに対応する。
G1’グラフ〜G3’グラフそれぞれの接線がX軸と出合う地点のゲート電圧が各グラフに対応するトランジスタのしきい値電圧である。
ここで、接線はゲート電圧の変化量(ΔVg)対ドレイン電流の変化量(ΔId)が最大になるVg地点での該当グラフの接線である。
すなわち、G1’グラフに対応する本発明の第1トランジスタのしきい値電圧は、G2’グラフに対応する第1比較例によるトランジスタのしきい値電圧と非常に近似している。
しかし、本発明の第1実施形態によれば、移動度の高い増加型トランジスタを具現できる。但し、この時、本発明の第1トランジスタのチャンネル層IZO/GIZOでIZO層の厚さは50Åほどと薄かった。もし、しきい値電圧の低いトランジスタを具現しようとすれば、チャンネル層IZO/GIZOでIZO層の厚さを増加させてしきい値電圧に及ぼすIZO層の影響を増加させることができる。
図5で実線グラフは、IZO層の厚さが0であるトランジスタ、すなわち、GIZO単一層をチャンネル層として使用したトランジスタに対応する結果である。
IZO層の厚さが50Åほどである場合、しきい値電圧はGIZO単一層をチャンネル層として適用した場合と近似しているが、オン(ON)電流はかなり増加したことが分かる。オン(ON)電流の増加は、すなわち、トランジスタの移動度が増加したということを意味する。
図6を参照すると、測定範囲内でIZO層の厚さが増加するほど移動度は増加し、しきい値電圧は減少することが分かる。特に、移動度の場合、30〜50ÅのIZO厚さ範囲で変化量が大きく、しきい値電圧の変化量は、IZO層の厚さが増加するにつれて順次増加する傾向を示すのが分かる。
図7でGG1グラフは、本発明の第2の実施形態によるトランジスタ(以下、本発明の第2トランジスタ)で、より具体的には、図1の本発明の第1の実施形態によるトランジスタと同様の構造を持つが、第1層10及び第2層20としてそれぞれITO層及びGIZO層を使用したトランジスタに対応する結果である。この時、ITO層及びGIZO層の厚さはそれぞれ50Å及び600Åである。
図8で実線グラフは、ITO層の厚さが0であるトランジスタ、すなわち、GIZO単一層をチャンネル層として使用したトランジスタに対応する結果である。
ITO層の厚さが50Åである場合、しきい値電圧はGIZO単一層をチャンネル層として適用した場合と近似しているが、オン(ON)電流はかなり増加したことが分かる。オン(ON)電流の増加は、すなわち、トランジスタの移動度増加を意味する。
また、ITO層の厚さが80Åである場合、グラフが全体的に負(−)の方向に移動することが分かる。この時、トランジスタの移動度は、ITO層の厚さが50Åである場合より多少増加した。
図9を参照すると、測定範囲内でITO層の厚さが増加するほど移動度は増加し、しきい値電圧は減少することが分かる。特に、移動度の場合、30〜50ÅのITO厚さ範囲で変化量が大きく、しきい値電圧の変化量は、ITO層の厚さが50Å以上に増加するにつれて増加する傾向を示すのが分かる。
図10〜図13は、本発明の第1の実施形態によるトランジスタの製造方法を示す。本実施形態は、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタの製造方法である。図1と図10〜図13で同じ参照番号は同じ構成要素を表す。
図11を参照すると、ゲート絶縁層GI1上に順次積層された第1層10及び第2層20を持つチャンネル層C1を形成する。この時、チャンネル層C1はゲートG1上に位置する。第1層10及び第2層20は、スパッタリング法または蒸発法のような物理気相蒸着(Physical Vapor Deposition;以下、PVD)方法で蒸着され、同じマスク層を利用してパターニングされる。
図13を参照すると、基板SUB1上に、チャンネル層C1の露出した部分とソース電極S1及びドレイン電極D1とを覆う保護層P1を形成する。このような方法で形成されたトランジスタは、所定の温度でアニーリングされうる。
図15を参照すると、基板SUB2上にチャンネル層C2の対向する両端部に、それぞれ接触したソース電極S2及びドレイン電極D2を形成する。
図17を参照すると、ゲート絶縁層GI2上にゲートG2を覆うように保護層P2を形成する。保護層P2は、シリコン酸化物又はシリコン窒化物で形成できる。これらの方法で形成されたトランジスタは、所定の温度でアニーリングされうる。
20、20’ 第2層(第2酸化物層)
SUB1、SUB2 基板
G1、G2 ゲート
C1、C2 チャンネル層
D1、D2 ドレイン電極
S1、S2 ソース電極
GI1、GI2 ゲート絶縁層
P1、P2 保護層
T1、T2 トランジスタ
Claims (20)
- トランジスタであって、
相異なる移動度を有し、相異なる酸化物で形成される下部層及び上部層を備えるチャンネル層と、
前記チャンネル層の対向する両端部にそれぞれ接触するソース及びドレインと、
前記チャンネル層に電界を印加するためのゲートとを有することを特徴とするトランジスタ。 - 前記下部層及び上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層は、前記ゲートから相対的に遠く配される層より高い移動度を有することを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。
- 前記下部層及び前記上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層は、前記トランジスタの移動度を決定する層であることを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。
- 前記下部層及び前記上部層のうちの少なくとも一つによって前記トランジスタのしきい値電圧が決定されることを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。
- 前記下部層及び上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層は、IZO、ITO、AZO、及びGZOからなる群の内より選択される少なくとも一つの酸化物を含むことを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。
- 前記下部層及び前記上部層のうち、前記ゲートから相対的に遠く配される層は、ZnO系の酸化物を含むことを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。
- 前記下部層及び上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層の厚さは、10〜500Åであることを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。
- 前記下部層及び上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層の厚さは、30〜200Åであることを特徴とする請求項7に記載のトランジスタ。
- 前記トランジスタは、トップゲート又はボトムゲート構造を有する薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。
- トランジスタであって、
相異なるキャリア密度を有し、相異なる酸化物で形成される下部層及び上部層を備えるチャンネル層と、
前記チャンネル層の対向する両端部にそれぞれ接触するソース及びドレインと、
前記チャンネル層に電界を印加するためのゲートとを有することを特徴とするトランジスタ。 - 前記下部層及び上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層は、前記ゲートから相対的に遠く配される層より高いキャリア密度を有することを特徴とする請求項10に記載のトランジスタ。
- 前記下部層及び上部層は、相異なる移動度を有することを特徴とする請求項10に記載のトランジスタ。
- 前記下部層及び上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層は、前記ゲートから相対的に遠く配される層より高い移動度を有することを特徴とする請求項12に記載のトランジスタ。
- 前記下部層及び前記上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層は、前記トランジスタの移動度を決定する層であることを特徴とする請求項10に記載のトランジスタ。
- 前記下部層及び前記上部層のうちの少なくとも一つによって前記トランジスタのしきい値電圧が決定されることを特徴とする請求項10に記載のトランジスタ。
- 前記下部層及び上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層は、IZO、ITO、AZO、及びGZOからなる群の内より選択される少なくとも一つの酸化物を含むことを特徴とする請求項10に記載のトランジスタ。
- 前記下部層及び前記上部層のうち、前記ゲートから相対的に遠く配される層は、ZnO系の酸化物を含むことを特徴とする請求項10に記載のトランジスタ。
- 前記下部層及び上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層の厚さは、10〜500Åであることを特徴とする請求項10に記載のトランジスタ。
- 前記下部層及び上部層のうち、前記ゲートに相対的に近い層の厚さは、30〜200Åであることを特徴とする請求項18に記載のトランジスタ。
- 前記トランジスタは、トップゲート又はボトムゲート構造を有する薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項10に記載のトランジスタ。
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