JP2010093070A - 電界効果型トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アモルファス酸化物を用いた薄膜トランジスタが、近紫外光がチャンネルに入射することで、ＴＦＴのトランジスタ特性（Ｉｄ−Ｖｇ特性）が変動する場合に、ＴＦＴ特性のばらつきを防止する、迷光の照射に伴う特性変動が小さい、酸化物からなる半導体膜をチャンネルに適用した電界効果型トランジスタ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】酸化物半導体からなるチャンネル層１１とオキシナイトライドからなるソース電極１３及びドレイン電極１４を有している。これにより、ソース電極１３、ドレイン電極１４から近紫外光がチャンネル層１１に入りこむことがないため、光に対して比較的安定なＴＦＴを実現できる。さらに、チャンネル層１１とソース電極１３、ドレイン電極１４との間で、安定な電気接続が可能となり、素子の均一性、信頼性が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化物からなる半導体膜をチャンネルに適用した電界効果型トランジスタ及びその製造方法に関する。

電界効果型トランジスタ（Field Effect Transistor、ＦＥＴ）は、ゲート電極、ソース電極、及び、ドレイン電極を備えた３端子素子である。ＦＥＴは、ゲート電極に電圧を印加して、チャンネル層に流れる電流を制御し、ソース電極とドレイン電極間の電流をスイッチングする機能を有する電子アクテイブ素子である。特に、チャンネル層として半導体薄膜を用いるＦＥＴは、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、ＴＦＴ）と呼ばれている。

上記ＴＦＴは、薄膜技術を用いているために、大面積の基板上への形成が容易であるという利点があり、液晶表示装置などのフラットパネル表示装置の駆動素子として広く使われている。すなわち、液晶表示装置（Liquid Crystal Display、ＬＣＤ）では、ガラス基板上に作成したＴＦＴを用いて、個々の画像ピクセルのオン・オフが行われている。また、将来の高性能有機ＬＥＤディスプレイ（Organic Light-Emitting Diode Display、ＯＬＥＤ）では、ＴＦＴによるピクセルの電流駆動が有効であると考えられている。

ＴＦＴとして、現在、最も広く使われているのは多結晶シリコン膜又はアモルファスシリコン膜をチャンネル層材料とした薄膜トランジスタである。しかしながら、アモルファスシリコンＴＦＴ、ポリシリコンＴＦＴは、デバイス作成に高温プロセスが不可欠で、プラスチック板やフィルムなどの基板上に作成することが困難である。

近年、ポリマー板やフィルムやガラス基板上にＴＦＴを作成可能な材料として、酸化物からなる半導体材料が注目されてきている。
たとえば、ＺｎＯ（酸化亜鉛）を主成分として用いた透明な酸化物薄膜をチャンネル層に用いたＴＦＴの開発が活発に行われている。さらには、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物を用いた薄膜トランジスタが報告されている(特許文献１、非特許文献１)。このトランジスタは、室温でプラスチックやガラス基板への作成が可能である。さらには、電界効果移動度が６−９程度でノーマリーオフ型のトランジスタ特性が得られている。
トランジスタにおいて良好な特性を実現するためには、半導体とソース電極（又はドレイン電極）の間の抵抗が小さく、さらにはその電気接続が環境や駆動時において安定であることが望まれる。従来、アモルファス酸化物薄膜トランジスタの電極としては、ＩＴＯ（Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｓｎ、スズ添加された酸化インジウム）などの酸化物電極やＡｕ（金）をはじめとした金属電極の報告がある。（非特許文献２）。
結晶性のＺｎＯ半導体への電気接続に対しては、非特許文献３において各種金属電極に関する報告がある。
国際公開第２００５／０８８７２６号パンフレット Ｎａｔｕｒｅ、４８８−４９２頁、４３２巻（２００４） Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ ５１６ （２００８） ５８９９ Ｊｏｕｒａｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ２８７ （２００６） １４９

酸化物半導体を用いたＴＦＴのソース電極及びドレイン電極としては、上記非特許文献２に幾つかの電極が報告されているが、更なる電気コンタクト性の向上とその信頼性の向上が望まれている。Ａｕ等の貴金属は酸化物半導体との密着性に乏しく、真空蒸着法やスパッタリング法等の生産性に優れた手法によって形成した電極は剥離する場合があるため、信頼性の面で課題がある。Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｓｎ（ＩＴＯ）などの酸化物からなる電極材料は酸化物半導体との密着性に優れる点で好ましい。但し、これらの酸化物電極は成膜プロセスや加熱処理や溶液プロセスなどの後工程などにおいてその表面特性が影響を受け、半導体との電気接続にばらつきを生じる場合がある。
本発明の第１の目的は、酸化物半導体に小さなコンタクト抵抗で安定な電気的接続が可能な電極を提供することにある。

一方、アモルファスＩｎＧａＺｎＯ_４は光学バンドギャップが２．９ｅＶ程度で可視光に対して透明である。しかし、アモルファスＩｎＧａＺｎＯ_４をチャンネルに用いたトランジスタは、波長４５０ｎｍ程度以下（２．７ｅＶ程度以上）の近紫外光が照射されると、特性が変化する場合があった。このような特性が変化する材料を表示装置などに適用する場合には、表示用の光や外光がＴＦＴに照射されると特性変動により画質が劣化する場合がある。
ＴＦＴの上部や下部に遮光層を配することで、ＴＦＴに光が照射されないような構造を採用することがあげられるが、レイアウト上の制約が生じることや、工程数が増えるという課題がある。また、遮光層を配した場合にも、その構成によっては微量な迷光（素子の内部又は外部の反射面等で反射又は屈折して不特定の個所から入射する光）がＴＦＴに照射されてしまう場合がある。このような理由から、迷光が生じてもその影響が小さいＴＦＴが望まれる。
本発明の第２目的は、迷光の照射に伴う特性変動が小さい薄膜トランジスタを提供することにある。

本発明の第１の特徴は、基板上に、ゲート電極と、ゲート絶縁層と、チャンネルと、前記チャンネルに電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極とを有する電界効果型トランジスタであって、前記チャンネルは酸化物半導体からなり、前記ソース電極またはドレイン電極はオキシナイトライドからなることにある。
また、前記オキシナイトライドに含まれる主な金属元素が、亜鉛（Ｚｎ）もしくはインジウム（Ｉｎ）であることが好ましい。
前記酸化物半導体に含まれる主な金属元素と、前記オキシナイトライドに含まれる主な金属元素が同一であることが好ましい。
前記酸化物半導体は亜鉛（Ｚｎ）とインジウム（Ｉｎ）と酸素（Ｏ）を含有し、かつアモルファス構造を有し、前記オキシナイトライドは亜鉛（Ｚｎ）とインジウム（Ｉｎ）と酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）を含有する結晶であることが好ましい。
前記オキシナイトライドに含まれる酸素と窒素の組成比率が下記式（１）を満たすことが好ましい。
窒素原子の数／（窒素原子の数＋酸素原子の数）≧０．０１・・・（１）
前記オキシナイトライドの光学バンドギャップが前記酸化物半導体の光学バンドギャップよりも小さいことが好ましい。
前記ソース電極及びドレイン電極は、前記チャンネルを構成する前記酸化物半導体に窒素を添加することによって形成されるソース部位及びドレイン部位であることが好ましい。

本発明の第２の特徴は、電界効果型トランジスタの製造方法であって、基板の上に、酸化物半導体膜を形成する工程と、前記酸化物半導体膜の一部に窒素を添加することによって、窒素が添加された部位をオキシナイトライドからなるソース部位及びドレイン部位とし、窒素が添加されなかった部位をチャンネル部位とする工程と、を有することにある。
ゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極のパターンをマスクとして利用し、前記酸化物半導体膜のゲート電極によって覆われていない部位に窒素を添加することによって、前記ゲート電極のパターンに対して自己整合したソース部位及びドレイン部位を形成する工程と、を有することが好ましい。

本発明の電界効果トランジスタは、チャンネル層に酸化物半導体を適用し、ソース電極及び／又はドレイン電極にオキシナイトライドを用いているため、チャンネル部位とソース電極及び／又はドレイン電極との間で、安定な電気接続が可能となり、素子の均一性、信頼性が向上する。
さらに、オキシナイトライドからなる電極は近紫外光を吸収するため、近紫外光がソース電極部分及び／又はドレイン電極部分を導波してチャンネルに入射されない。すなわち、本発明の構成を適用することで、ＴＦＴ基板内に迷光が存在する場合であっても、近紫外光によるＴＦＴ特性の変動を抑制できる。これにより、近紫外光の照射に対して安定な特性を示すＴＦＴ基板を実現できる。

図１、図２に本発明の電界効果型トランジスタの構成例を示す。 図１、図２は断面図であり、１０は基板、１１はチャンネル層（酸化物半導体）、１２はゲート絶縁層（ゲート絶縁膜ともいう）、１３はソース電極、１４はドレイン電極、１５はゲート電極である。 図１ａ）は半導体チャンネル層１１の上にゲート絶縁層１２とゲート電極１５とを順に形成するトップゲート構造の例、図１ｂ）はゲート電極１５の上にゲート絶縁層１２と半導体チャンネル層１１を順に形成するボトムゲート構造の例である。 図２は、チャンネル部位１８とソース部位１６とドレイン部位１７が同一面上に配されたコプレーナ型構造の例である。本発明において、ＴＦＴの構成は、トップゲート構造（正スタガ構造）、ボトムゲート構造（逆スタガ構造）、コプレーナ構造のいずれも任意に用いることができる。

本発明の酸化物半導体をチャンネルに適用した電界効果型トランジスタ（Field Effect Transistor, FET）は、ソース電極１３及び／又はドレイン電極１４に、１種類以上の金属元素と、酸素と窒素を含有した材料（オキシナイトライド）を用いることに特徴がある。本発明者らの検討によると、オキシナイトライドからなる導電性膜は、酸化物半導体と良好な電気接続が可能であり、その信頼性も高い。
オキシナイトライドにおける酸素と窒素の含有率は特に限定されないが、後述するように、酸素に対する窒素の組成比率（窒素原子の数／（窒素原子の数＋酸素原子の数））が０．０１以上であることが好ましい。
オキシナイトライド膜中の窒素濃度や酸素濃度や金属濃度の測定は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）やＲＢＳ（ラザーフォードバックスキャッタリング）法、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）法、ＸＲＦ（蛍光Ｘ線）法などで評価することができる。

オキシナイトライドからなる電極を構成する金属元素としては、Ｚｎ（亜鉛）やＩｎ（インジウム）を含み構成される酸窒化物があげられる。たとえば、Ｉｎ−Ｏ−Ｎ、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ―Ｎ系、Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ−Ｎ系、Ｚｎ−Ｇｅ−Ｏ−Ｎ系、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ−Ｎ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ−Ｎ系、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ−Ｎ系などが挙げられる。その中でも、Ｚｎを主な金属元素として含有する材料は、小さな抵抗率を実現でき、好ましい。特に、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ―Ｎ系のオキシナイトライド膜は、例えば１ｍΩｃｍ（１×10^-3Ωｃｍ）から１０ｍΩｃｍの抵抗率が得られ、さらにその環境安定性が良好であるため好適である。このようなオキシナイトライドを酸化物ＴＦＴのソース電極及び／又はドレイン電極に適用することで、チャンネル部位とソース電極との間、チャンネル部位とドレイン電極との間で安定な電気接続を得ることができる。 なお、上記オキシナイトライドには、電気伝導度や光学バンドギャップといった膜特性に実質的に影響を及ぼさない程度の不純物を含んでもよい。

また、オキシナイトライド電極の主な金属元素と酸化物半導体チャンネル層の主な金属元素が同一であることが好ましい。このような構成のＴＦＴ素子は、特性の均一性や電気接続の信頼性が良好である。その理由としては、オキシナイトライド電極と酸化物半導体チャンネル層との主構成金属元素が同じ元素となるため、両者の仕事関数の整合性がよいこと、さらに密着性がよいことが考えられる。さらに、電極材料がチャンネル材料と同種類の元素からなることは、熱プロセスや駆動時に生じうる元素相互拡散に対しての安定性の観点で、好適である。たとえば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ−Ｎ系のオキシナイトライド電極とＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタや、Ｚｎ―Ｉｎ−Ｏ−Ｎ系のオキシナイトライド電極とＺｎ−Ｉｎ−Ｏ系の酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタが好ましい。

（オキシナイトライド膜の光吸収特性） 先に述べたように、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタは、近紫外域の可視光（酸化物半導体の光学バンドギャップよりも小さいエネルギーの光）に影響を受ける場合がある。ＩＴＯなどの透明電極をソース電極、ドレイン電極に適用すると、迷光が電極内を導波してチャンネルに入射され、酸化物ＴＦＴの特性に影響を与える。本発明において、近紫外光の吸収を示すオキシナイトライド薄膜をソース電極、ドレイン電極に適用することで、電極からチャンネルへの近紫外光の入射をカットできる。Ａｕ等の金属の電極は光を反射することで迷光の入射を低減できるが、酸化物半導体との密着性や電気コンタクトにおいて信頼性が乏しい。また反射した光がチャンネルに入射する可能性がある。オキシナイトライド電極は、良好な電気コンタクト性が得られることに加えて、近紫外域の光を吸収する。これにより、電極からチャンネルへ迷光が入射することによるＴＦＴ特性の変動を抑制できる。近紫外光がオキシナイトライド電極に入射されても、電極としての性能（抵抗率）はほとんど変化しない。このような迷光が電極からチャンネルに入射しにくいＴＦＴ構造を採用することで、パネル設計時に迷光に対する設計上の制約を大幅に緩和することができる。

オキシナイトライドからなる薄膜は、膜中に含まれる窒素量を増やすと光学バンドギャップが小さくなり、可視光（近紫外光）の吸収を示すようになる。 図４はさまざまなＺｎ―Ｉｎ―Ｏ―Ｎ系オキシナイトライド薄膜の光学バンドギャップとＮ／（Ｎ＋Ｏ）組成比の相関を示した図である。Ｎは窒素原子の数、Ｏは酸素原子の数を示す。Ｎ／（Ｎ＋Ｏ）組成比が１％（つまり、Ｎ／（Ｎ＋Ｏ）＝０．０１）を超えると、光学バンドギャップが小さくなり、近紫外域の吸収を示すようになることがわかる。たとえば、Ｚｎ―Ｉｎ―Ｏからなる酸化物半導体チャンネルを用いたＴＦＴにおいては、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ−Ｎからなるオキシナイトライド電極のＮ／（Ｎ＋Ｏ）組成比を０．０１以上にすることで、近紫外光に起因したＴＦＴ特性変動を抑制できる。すなわち、オキシナイトライドからなるソース電極及びドレイン電極を有する薄膜トランジスタにおいて、オキシナイトライド薄膜のＮ／（Ｎ＋Ｏ）組成比を０．０１以上にすることが好ましい。

上述したように、酸化物半導体に影響を与える光を吸収する観点から、オキシナイトライドからなる電極の光学バンドギャップが酸化物半導体の光学バンドギャップよりも小さいことが好ましい。たとえば、アモルファス構造を有するＩｎＧａＺｎＯ_４は光学バンドギャップが２．９ｅＶ程度で可視光に対して透明であるが、アモルファス構造を有するＩｎＧａＺｎＯ_４をチャンネルに用いたトランジスタは、２．７ｅＶ程度以上の近紫外光が照射されると、特性が変化する場合がある。このような観点から、酸化物半導体の光学バンドギャップが、オキシナイトライドからなる電極の光学バンドギャップがより０．２ｅＶ以上、さらに好ましくは０．５ｅＶ以上、大きいことが好ましい。（以後「アモルファス構造を有する」を単にアモルファスと記載する。）

光学バンドギャップは、薄膜の分光特性（透過スペクトル）を分光光度計で評価し、その光吸収端から求めることができる。本明細書中では、光波長を８００nmから短波長側にスキャンしながら光吸収係数を評価し、光吸収係数が10⁴(1/cm)以上になる波長を光吸収端波長としている。さらに、光吸収端波長をエネルギー単位（ｅＶ）に変換することで光学バンドギャップとしている。

（オキシナイトライド膜の作成方法）
オキシナイトライド薄膜の形成方法としては、酸化物薄膜を形成後に窒素を添加する方法や直接オキシナイトライド膜を形成する方法が挙げられる。
前者としては、たとえば酸化物薄膜中にイオン注入により所望の窒素を薄膜中に注入することができる。イオン注入において用いるイオン種としては、Ｎ⁺イオン、Ｎ^-イオン、Ｎ₂ ⁺イオン（窒素分子イオン）などを用いることができる。
本発明者らは、アモルファス酸化物半導体薄膜に、窒素を添加することで酸化物薄膜の電気伝導度が大きくなることを見出した。このようにして形成されたオキシナイトライド薄膜は、電極として用いるのに十分な電気伝導度を有する。

図３ａ）は、膜厚がおよそ４００nmのＩｎＧａＺｎＯ₄薄膜に、窒素をイオン注入した際の、イオン注入量に対する電気伝導率の変化を示している。図３ｂ）は、膜厚がおよそ４００nmのＺｎ−Ｉｎ−Ｏ薄膜（ＺｎとＩｎの組成比はＺｎ：Ｉｎ＝６：４)に、窒素をイオン注入した際の、イオン注入量に対する電気伝導率の変化を示している。横軸は、単位体積あたりの窒素イオンの注入量（窒素濃度）、縦軸は抵抗率である。膜中窒素濃度に対する抵抗率の変化は、酸化物薄膜の組成や膜質などに依存する。
たとえば、図３ａ）に示すように、１Ｅ＋８Ωｃｍ程度のＩｎＧａＺｎＯ₄薄膜に、体積あたり１０¹⁹(1/cm³)程度の窒素イオンを注入することで数1０Ωｃｍ程度の抵抗率の膜とすることができる。さらに、図３ｂ）に示すように、１Ｅ＋８Ωｃｍ程度のＺｎ−Ｉｎ−Ｏ系薄膜に、体積あたり１０¹⁹(1/cm³)程度の窒素イオンを注入することで１００Ωｃｍ程度の抵抗率の膜を得ることができる。さらには体積あたり１０²⁰(1/cm³)程度の窒素イオンを注入することで１０Ωｃｍ程度の抵抗率の膜とすることができる。窒素の濃度範囲は、１０^１9(1/cm³)程以上とすることで、ソース電極及びドレイン電極として用いることが可能となる。

前記のごとく、酸化物薄膜の少なくとも一部に後から窒素イオンを添加することでオキシナイトライド薄膜を形成することができる。
次に、別のオキシナイトライド薄膜の形成方法として、真空中や制御された雰囲気中で、基板上にオキシナイトライド薄膜を成膜する方法を説明する。
具体的には、オキシナイトライドの材料源を用いて成膜する手法、酸化物の材料源を用いて窒素雰囲気中で成膜する手法、窒化物の材料源を用いて酸素雰囲気中で成膜する手法があげられる。他にも、金属の材料源を用いて、酸素や窒素さらにはその混合雰囲気中で成膜することができる。たとえば、Ｉｎ₂Ｏ₃,ＺｎＯ,ＧａＮの３つのターゲットを用いて同時スパッタ成膜することで、又はＩｎＧａＺｎＯ₄のターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で成膜することで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ−Ｎ膜を形成することができる。他にもＩｎ₂Ｏ₃とＺｎＯのターゲットを用いて、窒素含有雰囲気中で同時スパッタ成膜することで、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ−Ｎ膜を形成することができる。Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ−Ｎ膜においては、このような手法により、抵抗率が１０のマイナス３乗台の小さな抵抗率（単位：Ωｃｍ）が得ることができる。例えば１ｍΩｃｍ（１×10^-3Ωｃｍ）から１０ｍΩｃｍの膜を得ることができる。これらは、電極として用いるのに十分な電気伝導率を有している。
ここではスパッタ法について説明したが、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）、及び電子ビーム蒸着法などの気相法を用いることができる。成膜中にラジカル源等を用いてＮラジカルを照射することも、膜中窒素濃度を大きくしたい場合に効果的である。しかし、成膜法は、これらの方法に限られるのものではない。
必要であれば、オキシナイトライド電極上にさらに電気伝導度の高い薄膜を配しても良い。これにより良好な半導体―オキシナイトライド電極間の電気コンタクトと、電極内で生じる直列抵抗を小さくすることができる。

（チャンネル層） チャンネル層の材料は、酸化物であればどのような材料も用いることができるが、大きな移動度を得ることができるＩｎやＺｎ系の酸化物が挙げられる。たとえば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ―Ｏ系やＺｎ−Ｉｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物や、ＺｎＯやＩｎ_２Ｏ_３などの結晶性酸化物などがあげられる。特に、チャンネル層はアモルファスの酸化物からなることが好ましい。ＺｎＯなどの多結晶薄膜を用いると多結晶粒子の形状や相互接続が成膜方法により大きく異なるため、ＴＦＴ素子の特性がばらついてしまうからである。さらには、ＩｎとＧａとＺｎを含有したアモルファス酸化物からなることが、特に、好ましい。すなわちＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜やＺｎ−Ｉｎ−Ｏ膜が好適である。 アモルファス酸化物は、成膜条件（成膜時の雰囲気、温度、成膜レートなど）やアニール条件などによりその電気伝導度を制御することができる。０．１Ｓ／ｃｍ以下の電気伝導度を有したアモルファス酸化物半導体膜をチャンネルに適用することができる。チャンネルは、良好な半導体特性を示すものであれば窒素を含有した酸化物であっても良い。

（ゲート電極）
ゲート電極１５は、たとえば、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｓｎ、ＺｎＯなどの透明導電膜や、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉなどの金属膜を用いることができる。上述のソース電極及びドレイン電極と同様にオキシナイトライドからなる膜を用いても良い。

（ゲート絶縁層）
ゲート絶縁層１２の材料は良好な絶縁性を有するものであれば、特に材料は限定されない。たとえば、ゲート絶縁層１２としては、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、又はＨｆＯ_２の1種、又はそれらの化合物を少なくとも二種以上含む混晶化合物を用いることができる。これにより、ソース・ゲート電極間及びドレイン・ゲート電極間のリーク電流を約１０⁻¹⁰（Ａ）以下にすることができる。

（基板）
基板１０としては、ガラス基板、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。

（ＴＦＴ特性）
図５に本発明の電界効果型トランジスタの典型的な特性を示す。ソース・ドレイン電極間に５〜１５Ｖ程度の電圧Ｖｄを印加したとき、ゲート電圧Ｖｇの印加を０Ｖと１０Ｖの間でオン・オフすることで、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。図５ａ）はさまざまなＶｇでのＩｄ−Ｖｄ特性、図５ｂ）はＶｄ＝１０ＶにおけるＩｄ−Ｖｇ特性（トランスファ特性）の例である。ＴＦＴ特性の評価には、オン・オフ比や電界効果移動度が用いられる。オン・オフ比は、オン時のＩｄとオフ時のＩｄの比から求める。電界効果移動度は√Ｉｄ−Ｖｇのグラフを作成し、その傾きから見積もることができる。

本実施例は、図１ａ）に示すトップゲート型ＴＦＴの例である。チャンネル層１１にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物半導体を用い、ソース電極１３及びドレイン電極１４にＩｎ―Ｇａ―Ｚｎ―Ｏ―Ｎ系のオキシナイトライド膜を用いている。このようなＴＦＴを製造する工程を以下に説明する。
まず、ガラス基板１０（コーニング社製1737）上にチャンネル層としてアモルファス酸化物半導体膜１１を形成する。本実施例では、アルゴンガスと酸素ガスとの混合雰囲気中で高周波スパッタ法により、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を形成する。
ターゲット（材料源）としては、２インチサイズのＩｎＧａＺｎＯ_４組成を有する多結晶焼結体を用い、投入ＲＦパワーは１００Ｗとしている。成膜時の雰囲気は、全圧０．４５Ｐａであり、ガス流量比としてＡｒ：Ｏ_２＝１００：１である。成膜レートは１２ｎｍ／ｍｉｎである。また、基板温度は２５℃であり、成膜後に２８０℃で４０分間のアニールを行う。膜厚は約３０nmであり、蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析によると、薄膜の金属組成比はＩｎ:Ｇａ:Ｚｎ＝３５：３５:３０である。Ｘ線回折で評価すると、明瞭なピークは存在せず、薄膜はアモルファスである。

次に、オキシナイトライドからなる、ドレイン電極１４及びソース電極１３を形成する。パターン形成には、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法を用いている。ソース電極及びドレイン電極はＩｎ―Ｇａ―Ｚｎ―Ｏ―Ｎ膜からなり、厚さ１００ｎｍである。
オキシナイトライド膜の成膜には、図６に示すようなスパッタ成膜装置を用いている。
図６において、５１は試料、５２はターゲット、５３は真空ポンプ、５４は真空計、５５は基板保持手段、５６はそれぞれのガス導入系に対して設けられたガス流量制御手段、５７は圧力制御手段、５８は成膜室である。
真空ポンプ５３は成膜室５８内を排気するための排気手段となる。基板保持手段５５は、基板を成膜室内に保持する。ターゲット５２は、基板保持手段５５に対向して配置された固体材料源である。さらに、固体材料源から材料を蒸発させるためのエネルギー源（不図示の高周波電源）と、成膜室内にガスを供給する手段を有する。ガス導入系としては、アルゴンと窒素の２系統を有している。それぞれのガス流量を独立に制御可能とするガス流量制御手段５６と、排気速度を制御するための圧力制御手段５７により、成膜室５８の中に所定のガス雰囲気を得ることができる。

Ｉｎ―Ｇａ―Ｚｎ―Ｏ―Ｎ膜の成膜には、ＩｎＧａＺｎＯ_４のターゲットを用いている。成膜時の全圧は０．４Ｐａであり、ガス流量比はＡｒ：Ｎ_２＝１０：１である。金属組成比はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３５：３６：２９であり、Ｎ／Ｏ比は０．１である。抵抗率は約０．１Ωｃｍと見積もっている。Ｘ線回折で評価すると、明瞭なピークは存在せず、薄膜はアモルファスである。
次に、ゲート絶縁層１２を形成する。ゲート絶縁層１２は、ＳｉＯｘ膜をスパッタ成膜法により成膜し、厚みは１５０ｎｍである。またＳｉＯｘ膜の比誘電率は約３．７である。
さらに、ゲート電極１５を形成する。電極材質はＭｏであり、厚さは１００ｎｍである。薄膜トランジスタのチャンネル長は、５０μｍで、チャンネル幅は、２００μｍである。

（特性評価）
ＴＦＴ特性を評価すると、閾値は約＋１．５Ｖであり、オン・オフ比は１０⁹、電界効果移動度は約８ｃｍ^２（Ｖｓ）^−１である。オキシナイトライド電極と酸化物半導体の接触抵抗を見積もると、２ｘ１０^−４Ωｃｍ^２程度であり、良好なオーミック接続が得られている。オーミック接続とは、電流−電圧特性が直線又は略直線となる接続を意味する。また、接触抵抗の素子間ばらつきが小さく、これにより、ＴＦＴ素子の特性ばらつきも小さい。このように、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ―Ｎというオキシナイトライドからなるソース電極及びドレイン電極を適用することで、良好なトランジスタ特性を実現することができる。
チャンネルを構成するアモルファス酸化物ＩｎＧａＺｎＯ_４の光学バンドギャップが２．９ｅＶであるのに対し、オキシナイトライド膜の光学バンドギャップは２．６ｅＶである。すなわち、Ｉｎ―Ｇａ―Ｚｎ―Ｏ―Ｎ膜（オキシナイトライド膜）は、チャンネルに影響を与えうる近紫外光（波長４５０ｎｍ以下の光）を十分に吸収する。このようなオキシナイトライド膜からなる電極を用いることで、電極からチャンネルへの近紫外光の入射を抑制することができる。すなわち、光に対して安定なＴＦＴ基板を作成できる。
光照射に対して安定な特性を有した電界効果トランジスタは、有機発光ダイオードの動作回路への利用などが期待できる。

本実施例は、図１ｂ）に示すボトムゲート型ＴＦＴの例である。チャンネル層１１にはＺｎ―Ｉｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物を用い、ソース電極１３及びドレイン電極１４には、Ｚｎ―Ｉｎ−Ｏ―Ｎ系のオキシナイトライド膜を用いている。このようなＴＦＴを製造する工程を以下に説明する。
まず、ガラス基板（コーニング社製１７３７）上にゲート電極として厚さ１００ｎｍのＭｏ膜をスパッタ法により形成する。
次に、ゲート電極絶縁層１２として厚さ１５０ｎｍのＳｉＯｘ膜をスパッタ法により形成する。
引き続き、チャンネル層としてＺｎ―Ｉｎ−Ｏ系アモルファス酸化物半導体膜を、ＺｎＯとＩｎ_２Ｏ_３のターゲットを用いた同時スパッタリングの手法により形成する。アルゴンと酸素の混合比はＡｒ：Ｏ_２＝８０：１である。成膜レートは１２ｎｍ／ｍｉｎである。また、基板温度は２５℃である。膜厚は約３０ｎｍである。作製したＺｎ−Ｉｎ−Ｏ膜はアモルファスであり、金属組成比率はＺｎ：Ｉｎ＝６４：３６である。Ｘ線回折で評価すると、明瞭なピークは存在せず、薄膜はアモルファスである。

次に、オキシナイトライドからなる、ドレイン電極１４及びソース電極１３を形成する。電極はＺｎ―Ｉｎ−Ｏ―Ｎ膜からなり、厚さ１５０ｎｍである。Ｚｎ―Ｉｎ−Ｏ―Ｎ膜の成膜には、ＺｎＯとＩｎを用いた同時スパッタリングの手法を用いている。成膜時の全圧は０．４Ｐａであり、ガス流量比はＡｒ：Ｎ_２＝１：１である。また、窒素ガスはラジカル源を用い、電子サイクロトロン共鳴プラズマにより励起している。金属組成比はＺｎ：Ｉｎは６１：３９であり、Ｎ：Ｏは６：４程度である。抵抗率は約１０ｍΩｃｍであり、電極として用いるのに十分に低い値を有している。本実施例のオキシナイトライド薄膜は、Ｘ線回折の評価によると結晶構造を有した多結晶膜からなっており、これが低い抵抗率の一因であると考えられる。

（特性評価）
ＴＦＴ特性を評価すると、閾値は約０．５Ｖであり、オン・オフ比が１０⁹、電界効果移動度は約１６ｃｍ^２（Ｖｓ）^−１である。オキシナイトライド電極と酸化物半導体の接触抵抗を見積もると、１ｘ１０^−４Ωｃｍ^２程度であり、良好なオーミック接続が得られる。また、接触抵抗のばらつきが小さく、ＴＦＴ素子の特性ばらつきも小さい。
このように、Ｚｎ―Ｉｎ−Ｏ―Ｎというオキシナイトライドからなるソース電極及びドレイン電極とアモルファスＺｎ−Ｉｎ−Ｏ半導体を適用することで、良好なトランジスタ特性を実現することができる。
チャンネルを構成するアモルファス酸化物Ｚｎ―Ｉｎ−Ｏの光学バンドギャップが２．６ｅＶであるのに対し、オキシナイトライド膜（Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ−Ｎ膜）の光学バンドギャップは１．６ｅＶである。すなわち、Ｚｎ―Ｉｎ−Ｏ―Ｎ膜は、チャンネルに影響を与えうる近紫外光を十分に吸収する。このようなオキシナイトライドからなる電極を用いることで、電極からチャンネルへの近紫外光の入射を抑制することができる。すなわち、光に対して安定なＴＦＴ基板を作成できる。
光照射に対して安定な特性を有した電界効果トランジスタは、有機発光ダイオードの動作回路への利用などが期待できる。

本実施例は、図２に示すコプレーナ型の電界効果型トランジスタの例である。図２は断面図であり、図において１０は基板、１１はチャンネル層（酸化物薄膜）、１２はゲート絶縁層、１５はゲート電極、である。チャンネル層１１の中には、窒素が添加されたソース部位１６（実施例１におけるソース電極に相当）、窒素が添加されたドレイン部位１７（実施例１におけるドレイン電極に相当）、チャンネル部位１８（実施例１におけるチャンネル層に相当）がある。 チャンネル層１１にＩｎ−Ｇａ―Ｚｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物を用い、電極であるソース部位１６、ドレイン部位１７の形成には、窒素のイオン注入の手法を用いている。また、図７において、ソース部位、ドレイン部位の形成方法を記している。このようなトランジスタを製造する工程を以下に説明する。

まず、ガラス基板１０（コーニング社製1737）上にチャンネル層１１としてアモルファス酸化物膜を形成する。 本実施例では、アルゴンガスと酸素ガスとの混合雰囲気中で高周波スパッタ法により、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を形成する。ターゲット（材料源）としては、２インチサイズのＩｎＧａＺｎＯ_４組成を有する多結晶焼結体を用い、投入ＲＦパワーは１００Ｗとする。成膜時の雰囲気は、全圧は０．４５Ｐａであり、その際ガス流量比はＡｒ：Ｏ_２＝８０：１である。成膜レートは１１ｎｍ／ｍｉｎである。また、基板温度は２５℃である。膜厚は約５０nmであり、蛍光Ｘ線分析の結果、薄膜の金属組成比はＩｎ:Ｇａ:Ｚｎ＝３６:３５:２９である。Ｘ線回折で評価すると、明瞭なピークは存在せず、薄膜はアモルファスである。

次に、ゲート絶縁層１２をパターニング形成する。ゲート絶縁層１２は、ＳｉＯｘ膜をスパッタ法により成膜し、厚みは１５０ｎｍである。 さらに、Ｍｏからなる厚さ１００ｎｍのゲート電極１５を形成する。 次に、アモルファス酸化物薄膜１１に窒素イオン注入を行い（図７ａ））、チャンネル層１１の中に、ソース部位１６及びドレイン部位１７を形成する（図７ｂ））。イオン注入において、図７に示すように窒素イオンは、ゲート絶縁層１２を介してチャンネル層（酸化物薄膜）１１の中に注入される。このような手法によって、ゲート電極１５がマスクとなり、ゲート電極のパターンに対応して、Ｎ注入されたソース部位１６、ドレイン部位１７が自己整合的に配置される。 イオン注入に際しては、イオン種としてＮ+を用い、加速電圧は３０ｋＶである。ソース部位１６及びドレイン部位１７の窒素濃度は２ｘ１０¹⁹（１/ｃｍ^３）程度である。また、別途、同様な条件でＮ注入された試料の抵抗率を評価すると、１０Ωcm程度である。 さらに、図７ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２からなる絶縁層１９とＭｏからなる埋め込み配線２０、２１を形成した。最後に３００℃で２０分間のアニールを行っている。チャンネル部位１８の長さは、４０μｍで、チャンネル部位１８の幅は、２００μｍである。電極材質はＭｏであり、厚さは１００ｎｍである。

（ＴＦＴ素子の特性評価） ＴＦＴ特性を評価すると、閾値は約１Ｖであり、オン・オフ比は１０⁹、電界効果移動度は約９ｃｍ^２（Ｖｓ）^−１である。オキシナイトライド電極と酸化物半導体の接触抵抗を見積もると、８ｘ１０^−５Ωｃｍ^２程度であり、良好なオーミック接続が得られる。また、接触抵抗のばらつきが小さく、ＴＦＴ素子の特性ばらつきも小さい。 本実施例の電界効果トランジスタは、チャンネル層（酸化物薄膜）１１の中に、チャンネル部位１８と、チャンネル部位１８に比べて窒素濃度の大きなソース部位１６及びドレイン部位１７を有している。ソース部位１６とドレイン部位１７に窒素を添加することで、チャンネル部位１８よりも電気伝導率が大きくなっている。このようにチャンネル部位１８とほぼ同一の材料系でソース部位１６及びドレイン部位１７を構成することで、チャンネル部位１８とソース用の配線２０、ドレイン用の配線２１に良好な電気的な接続を実現できる。すなわち、配線２０、配線２１は、ソース部位１６、ドレイン部位１７を介して、チャンネル部位１８と接続されることで、良好な電気接続がなされる。これにより、チャンネル部位１８と配線２０、配線２１との間で、安定な電気接続が可能となり、素子の均一性、信頼性が向上すると考えられる。

また、本実施例のＴＦＴは、ヒステリシス特性も良好である（ヒステリシスが小さい）。ヒステリシスとは、ＴＦＴトランスファ特性の評価において、ソース・ドレイン電極間の電圧Ｖｄを固定して、ゲート電圧Ｖｇを掃引（上下）させた際に、ゲート電圧Ｖｇの上昇時と下降時でソース・ドレイン電極間の電流Ｉｄが異なる値を示すことを言う。ヒステリシスが大きいと、設定したＶｇに対して得られるＩｄの値がばらついてしまうため、ヒステリシスが小さい素子が好ましい。本実施例では、ソース、ドレイン電極とチャンネルの間で、チャージがトラップされにくい良好な電気接続が実現できるため、ヒステリシスが小さい薄膜トランジスタとなっている。

本実施例のＴＦＴは動特性が良好である。ソース、ドレイン間に５Ｖを印加し、ゲート電極に＋５Ｖおよび−５Ｖの電圧を交互にパルス幅３０μｓｅｃ、周期３０ｍｓｅｃで切り替えて印加し、ドレイン電流の応答を測定すると、電流立ち上がりに優れ、さらに立ち上がり時間の素子間ばらつきが小さい。本実施例においては自己整合的な手法を用いることで、ソース部位とゲート電極の重なり及びドレイン部位とゲート電極の重なりが小さく、さらにこの重なりが均一なトランジスタを実現できる。この結果、ソース部位とゲート電極のオーバーラップ部及びドレイン部位とゲート電極のオーバーラップ部に形成されるトランジスタの寄生容量を小さく、さらには均一にすることができる。寄生容量が小さいために、高速動作が可能となる。また寄生容量が均一であるために、特性の均一性に優れたトランジスタを実現できる。すなわち、本実施例において、自己整合的な手法により、ゲート電極、ソース部位、及びドレイン部位の位置関係を精度良く作成できたことで、高速動作が可能であるとともに、均一性が高い素子を実現できる。

本発明者らは、特開２００７−２５０９８３において、酸化物半導体において水素又は重水素が添加されたソース部を設けることで、良好な電気接続が可能であることを技術開示している。しかしながら水素を添加した電極部（ソース部）を配した構成においては、たとえば３５０℃程度以上の高温での熱処理を行った場合に、ＴＦＴ特性にばらつきが生じる場合がある。原因は定かではないが、水素が酸化物半導体中を拡散するためであると考えることができる。 一方、本発明の窒素を添加した電極部（ソース部）を配した構成においては熱処理下によるＴＦＴ特性のばらつきが小さい。窒素の酸化物半導体中の拡散が遅いために、温度耐性の高い電気接続が実現できる。 本発明の酸化物半導体と電極との接合性に優れた電界効果トランジスタは、有機発光ダイオードの動作回路への利用などが期待できる。

本実施例は、図１ｂ）に示すボトムゲート型ＴＦＴ素子の例である。チャンネル層１１にＺｎＯからなる結晶性を有した酸化物半導体を用い、ソース電極１３及びドレイン電極１４にＺｎ―Ｉｎ―Ｏ―Ｎからなる結晶性を有したオキシナイトライドを用いる例である。また、ゲート電極１５にもオキシナイトライド膜を用いている。
まず、ガラス基板（コーニング社製１７３７）１０の上にゲート電極１５として厚さ１００ｎｍのＺｎ−Ｉｎ−Ｏ−Ｎ膜をスパッタ法により形成する。成膜方法は、実施例２のＺｎ−Ｉｎ−Ｏ−Ｎ膜の作成に準じている。
次に、ゲート電極絶縁層１２として厚さ１５０ｎｍのＳｉＯｘ膜をスパッタリング法により形成する。
引き続き、スパッタリング法によりチャンネル層１１として多結晶のＺｎＯ膜を形成する。ＺｎＯ焼結体ターゲットを用い、アルゴンと酸素の混合比はＡｒ：Ｏ_２＝１０：１である。成膜レートは１２ｎｍ／ｍｉｎである。また、基板温度は２５℃である。膜厚は約３０ｎｍである。本実施例のチャンネル層を構成するＺｎＯ膜は、ウルツ鉱型の結晶構造を有した多結晶膜からなっている。
次に、オキシナイトライドからなる、ドレイン電極１４及びソース電極１３を形成する。電極はＺｎ―Ｉｎ−Ｏ―Ｎ膜からなり、１５０ｎｍである。Ｚｎ―Ｉｎ−Ｏ―Ｎ膜の成膜には、ＺｎＯとＩｎを用いた同時スパッタリング法を用いる。成膜時の全圧は０．３Ｐａであり、ガス流量比はＡｒ：Ｎ_２＝１：１である。また、窒素ガスはラジカル源により電子サイクロトロン共鳴プラズマにより励起している。金属組成比はＺｎ：Ｉｎは１：１程度であり、Ｎ：Ｏもほぼ１：１程度である。抵抗率は約３ｍΩｃｍと十分に低い値を有している。本実施例のオキシナイトライド薄膜は、Ｘ線回折の評価によると多結晶構造を有している。

（特性評価）
ＴＦＴ特性を評価すると、閾値は約０．５Ｖであり、オン・オフ比が１０⁷、電界効果移動度は約４ｃｍ^２（Ｖｓ）^−１である。オキシナイトライド電極と酸化物半導体の接触抵抗を見積もると、１ｘ１０^−４Ωｃｍ^２程度であり、良好な電気接続が得られる。このように、Ｚｎ―Ｉｎ−Ｏ―Ｎというオキシナイトライドからなるソース電極及びドレイン電極と、結晶性ＺｎＯ半導体とを適用することで、良好なトランジスタ特性を実現することができる。
チャンネルを構成するＺｎＯの光学バンドギャップが３．３ｅＶ程度であるのに対してオキシナイトライド膜（Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ−Ｎ）の光学バンドギャップは１．５ｅＶ程度である。すなわち、Ｚｎ―Ｉｎ−Ｏ―Ｎ膜は、チャンネルに影響を与えうる近紫外光を十分に吸収する。このようなオキシナイトライドからなる電極を用いることで、電極からチャンネルへの近紫外光の入射を抑制することができる。すなわち、光に対して安定なＴＦＴ基板を作成できる。
光照射に対して安定な特性を有する電界効果トランジスタは、有機発光ダイオードの動作回路への利用などが期待できる。

本発明の酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタは、低温で薄膜形成を行うことが可能で、かつ光照射環境下の安定性が高いためＬＣＤや有機ＥＬディスプレイのスイッチング素子として応用することができる。さらには、フレキシブル・ディスプレイをはじめ、シースルー型のディスプレイ、ＩＣカードやＩＤタグなどに幅広く応用できる。

本発明の薄膜トランジスタの構成例を示す断面図であって、ａ）はトップゲート構造の例を、ｂ）はボトムゲート構造の例を示す。 本発明の薄膜トランジスタの構成例を示す断面図であって、コプレーナ構造の例を示す。 窒素イオンを添加したアモルファス酸化物膜における窒素濃度と抵抗率との関係を示すグラフであって、ａ）はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系について、ｂ）はＺｎ−Ｉｎ−Ｏ系について示す。 Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ−Ｎ系オキシナイトライド薄膜におけるＮ／（Ｎ＋Ｏ）組成比と光学バンドギャップとの関係を示すグラフである。 本発明の薄膜トランジスタの特性を示し、ａ）はトランジスタ特性（Ｉｄ−Ｖｄ特性）を、ｂ）はトランスファ特性（Ｉｄ−Ｖｇ特性）を示すグラフである。 オキシナイトライド薄膜の製造に用いられるスパッタ成膜装置を示す図である。 本発明のコプレーナ型薄膜トランジスタの作成方法を示す図である。

Claims (9)

1. 基板上に、ゲート電極と、ゲート絶縁層と、チャンネルと、前記チャンネルに電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極とを有する電界効果型トランジスタであって、
   前記チャンネルは酸化物半導体からなり、
   前記ソース電極またはドレイン電極はオキシナイトライドからなることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
2. 前記オキシナイトライドに含まれる主な金属元素が、亜鉛（Ｚｎ）もしくはインジウム（Ｉｎ）であること特徴とする請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
3. 前記酸化物半導体に含まれる主な金属元素と、前記オキシナイトライドに含まれる主な金属元素が同一であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電界効果型トランジスタ。
4. 前記酸化物半導体は亜鉛（Ｚｎ）とインジウム（Ｉｎ）と酸素（Ｏ）を含有し、かつアモルファス構造を有し、
   前記オキシナイトライドは亜鉛（Ｚｎ）とインジウム（Ｉｎ）と酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）を含有する結晶を含むことを特徴とする請求項３に記載の電界効果型トランジスタ。
5. 前記オキシナイトライドに含まれる酸素と窒素の組成比率が下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電界効果型トランジスタ。
   窒素原子の数／（窒素原子の数＋酸素原子の数）≧０．０１ （１）
6. 前記オキシナイトライドの光学バンドギャップが前記酸化物半導体の光学バンドギャップよりも小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電界効果型トランジスタ。
7. 前記ソース電極及びドレイン電極は、前記チャンネルを構成する前記酸化物半導体に窒素を添加することによって形成されるソース部位及びドレイン部位であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電界効果型トランジスタ。
8. 基板の上に、酸化物半導体膜を形成する工程と、
   前記酸化物半導体膜の一部に窒素を添加することによって、窒素が添加された部位をオキシナイトライドからなるソース部位及びドレイン部位とし、窒素が添加されなかった部位をチャンネル部位とする工程と、
   を有することを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法。
9. ゲート電極を形成する工程と、
   前記ゲート電極のパターンをマスクとして利用し、前記酸化物半導体膜のゲート電極によって覆われていない部位に窒素を添加することによって、前記ゲート電極のパターンに対して自己整合したソース部位及びドレイン部位を形成する工程と、
   を有することを特徴とする請求項８に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。

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