JP2010080936A - アモルファス酸化物半導体及び該アモルファス酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタ - Google Patents
アモルファス酸化物半導体及び該アモルファス酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタ Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】 In又はZnの少なくとも一方の元素と水素とを含むアモルファス酸化物半導体であって、前記アモルファス酸化物半導体が1×1020cm−3以上1×1022cm−3以下の水素原子又は重水素原子を含有しており、かつ、前記アモルファス酸化物半導体中で、過剰な酸素(OEX)(ここで、該過剰な酸素とは、前記アモルファス酸化物半導体の一部分の数原子サイズを単位として見た際のミクロな領域において過剰な状態にある酸素である)と水素の結合(OEX−H結合及びH−OEX−H結合)を除く、酸素と水素の結合(O−H結合)の密度が1×1018cm−3以下であることを特徴とするアモルファス酸化物半導体。
【選択図】 図3
Description
アモルファスInGaZnO4(a−IGZO)構造モデルは以下のようにして得た。2016原子を含む結晶InGaZnO4セルモデルを古典分子動力学(MD)によって8000K、タイムステップ2f秒で20p秒間溶融し、8000Kから12Kまで125K/p秒で急冷した後、1Kで100p秒間の古典MDシミュレーションを実施した。こうして古典MDシミュレーション下でのアモルファスa−IGZOの安定構造を得た。このモデルから第一原理計算によって実施可能な原子数84原子のセルを切り出し、先に述べた条件で再度古典MDシミュレーションによって溶融、急冷し84原子a−IGZOモデルを得た。これらの古典MDシミュレーションにはBuckingham型ポテンシャルを用いた。このポテンシャルのパラメータは金属原子の第一近接距離と質量密度の実験値をそれぞれ2%、10%以内の誤差で再現するように決定した。
図1に、構造緩和によって得られた上記モデルの原子構造を示す。a−IGZO+Hにおいて不純物として加えられた水素はpure a−IGZOモデルに存在する酸素(図1中O(A))と結合を形成する。a−IGZO+Oにおいて過剰酸素として加えられた酸素OEXはその近傍に存在するpure a−IGZOモデルの酸素(図1中O(A))とO−OEX結合を形成する。a−IGZO+OH(1)、a−IGZO+OH2(1)では、過剰酸素はO−OEX結合を維持しており、加えられた水素はその近傍に存在するpure a−IGZOモデルの酸素と結合を形成する。一方、a−IGZO+OEXH(2)、a−IGZO+OEXH2(2)では、過剰酸素近傍に配置された水素によってO−OEX結合が破壊され、過剰酸素と水素のOEX−H−O結合あるいはH−OEX−H結合を形成する。特に、図1のa−IGZO+OEXH2(2)の図からH−OEX−Hは水に類似した構造であることがわかる。
本発明において、ゲート絶縁層にはSiO2を用いることが望ましい。又はSiO2、Y2O3、Al2O3、HfO2及びTiO2のうち少なくとも1種を含む材料をゲート絶縁層に用いることも好ましい。又は、これらを積層した膜のいずれを用いてもよい。
ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極の材料は、良好な電気伝導性とチャネル層への電気接続を可能とするものであれば特にこだわらない。たとえば、In2O3:Sn、ZnOなどの透明導電膜や、Mo、Au、Pt、Al、Ni、Cuなどの金属膜を用いることができる。またチャネル層若しくは絶縁層と電極との間に、密着性向上のためのTi、Ni、Cr等からなる層があってもよい。
基板としては、チャネル層の熱処理条件等にもよるが、ガラス基板、金属基板、プラスチック基板、プラスチックフィルムなどを用いることができる。
チャネル層はInとZnのうち少なくとも1つの元素と水素を含有するアモルファス酸化物である。
保護膜には少なくとも1種の金属元素を含む金属酸化物膜を用いる。金属酸化物の中でも、以下に挙げるものを少なくとも1種含むものを保護膜として用いることがより好ましい。SiO2、Al2O3、Ga2O3、In2O3、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO、Nb2O5、Ta2O5、TiO2、ZrO2、HfO2。CeO2、Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Sc2O3、Y2O3、La2O3、Nd2O3、Sm2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3。
図5に本発明のTFTの典型的なトランスファ特性(Vg−Id特性)を示す。ソース・ドレイン電極間に12Vの電圧Vdを印加したとき、ゲート電圧Vgを−20V〜20Vの間で掃引すると、ソース・ドレイン電極間の電流Idを制御する(オン・オフする)ことができる。
本実施例では、本発明におけるTFT素子の一実施形態を説明する。
本実施例では、本発明におけるTFT素子の一実施形態を図9を用いて説明する。
本実施例では、本発明におけるTFT素子の一実施形態を図4を用いて説明する。
本実施例では、図12の薄膜トランジスタを用いた表示装置について説明する。用いられる薄膜トランジスタのチャネル層形成工程は、実施例3の導入水蒸気分圧8.6×10−2Paにおけるものと同様である。
本実施例では、実施例4の表示素子と薄膜トランジスタとを二次元に配列させる。例えば、実施例4の液晶セルやEL素子等の表示素子と、薄膜トランジスタとを含めて約30μm×115μmの面積を占める画素を、短辺方向に40μmピッチ、長辺方向に120μmピッチでそれぞれ7425×1790個方形配列する。そして、長辺方向に7425個の薄膜トランジスタのゲート電極を貫くゲート配線を1790本、1790個の薄膜トランジスタのソース電極がアモルファス酸化物半導体膜の島から5μmはみ出した部分を短辺方向に貫く信号配線を7425本設ける。そして、それぞれをゲートドライバ回路、ソースドライバ回路に接続する。さらに液晶表示素子の場合、液晶表示素子と同サイズで位置を合わせRGBが長辺方向に反復するカラーフィルタを表面に設ければ、約211ppiでA4サイズのアクティブマトリクス型カラー画像表示装置を構成することができる。
11 ドレイン(ソース)電極
12 ソース(ドレイン)電極
13 チャネル層
14 ゲート絶縁膜
15 ゲート電極
16 保護層
611 基体
612 ゲート電極
613 ゲート絶縁膜
614 アモルファス酸化物半導体膜
615 保護層
616 ソース(ドレイン)電極
617 ドレイン(ソース)電極
618 電極
619 層間絶縁膜
620 発光層
621 電極
711 基体
712 ゲート電極
713 ゲート絶縁膜
714 アモルファス酸化物半導体膜
715 保護層
716 ソース(ドレイン)電極
717 ドレイン(ソース)電極
718 電極
719 層間絶縁膜
720 高抵抗膜
721 電気泳動型粒子セル
722 高抵抗膜
723 電極
801 トランジスタ
802 トランジスタ
803 コンデンサ
804 有機EL層
805 走査電極線
806 信号電極線
807 共通電極線
900 n型低抵抗シリコン基板
901 ドレイン(ソース)電極
902 ソース(ドレイン)電極
903 In−Ga−Zn−O膜(チャネル層)
904 熱酸化シリコン膜(ゲート絶縁膜)
905 ゲート電極
Claims (12)
- In又はZnの少なくとも一方の元素と水素とを含むアモルファス酸化物半導体であって、
前記アモルファス酸化物半導体が1×1020cm−3以上1×1022cm−3以下の水素原子又は重水素原子を含有しており、かつ、
前記アモルファス酸化物半導体中で、過剰な酸素(OEX)と水素の結合を除く、酸素と水素の結合の密度が1×1018cm−3以下であることを特徴とするアモルファス酸化物半導体。 - チャネル層、ゲート絶縁層、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を少なくとも有する薄膜トランジスタであって、
前記チャネル層が、請求項1に記載のアモルファス酸化物半導体であることを特徴とする薄膜トランジスタ。 - 前記アモルファス酸化物半導体の電気抵抗率は、10Ωより大きく1x106Ωより小さいことを特徴とする請求項2に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記アモルファス酸化物半導体が、Ga及びSnの少なくとも1つをさらに含むことを特徴とする請求項2又は3に記載の薄膜トランジスタ。
- 基板上で表示素子の電極と薄膜トランジスタのソース電極又はドレイン電極とが接続されてなる表示装置であって、
前記薄膜トランジスタは、請求項2から4のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタであることを特徴とする表示装置。 - 前記表示素子は、エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項5に記載の表示装置。
- 前記表示素子は、液晶セルであることを特徴とする請求項5に記載の表示装置。
- 前記基板上に前記表示素子及び前記薄膜トランジスタが二次元状に複数配されてなることを特徴とする請求項5から7のいずれか1項に記載の表示装置。
- 基板と、In又はZnの少なくとも一方の元素と水素を含むアモルファス酸化物半導体から構成されたチャネル層と、ゲート絶縁層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極とから少なくともなる薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記チャネル層は成膜ガスに水蒸気を含有するスパッタ法により形成され、
前記チャネル層が形成された後に、150℃以上500℃以下の範囲で熱処理が行なわれることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記成膜ガスの導入水蒸気分圧は、8×10−4Pa以上であることを特徴とする請求項9に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 基板と、In又はZnの少なくとも一方の元素と水素を含むアモルファス酸化物半導体から構成されたチャネル層と、ゲート絶縁層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極とから少なくともなる薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記チャネル層は溶液塗布によって形成され、
前記チャネル層が形成された後に、500℃以下の範囲で熱処理が行なわれることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 基板と、In又はZnの少なくとも一方の元素と水素を含むアモルファス酸化物半導体から構成されたチャネル層と、ゲート絶縁層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極とから少なくともなる薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記チャネル層は電気析出法によって形成され、
前記チャネル層が形成された後に、500℃以下の範囲で熱処理が行なわれることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
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