JP2018170342A - 酸化物半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】塗布型のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜を備える半導体素子において、低電圧で駆動可能で、良好なスイッチング特性を有する酸化物半導体素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】酸化物半導体素子において、塗布型のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜と電極との間にコンタクト層を設け、コンタクト層は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜より低抵抗のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物からなる領域である。コンタクト層は、基材上に形成されたＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物の前駆体塗布膜の一部に紫外光を照射した後、焼成することにより作製する。【選択図】図５

Description

本発明は、塗布型のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜を備える酸化物半導体素子及びその製造方法に関する。

近年、酸化物半導体薄膜を備える半導体素子の研究開発が進められている。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体（以下、ＩｎＧａＺｎＯ半導体という。）は、主としてインジウムとガリウムと亜鉛からなる酸化物であり、該酸化物半導体薄膜を活性層に用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）がよく知られている。

アモルファス状態のＩｎＧａＺｎＯ（以下、ａ−ＩＧＺＯという。）薄膜をチャネル材料とするＴＦＴ構造において、ソース・ドレイン電極が銀の場合、電荷注入のエネルギー障壁が大きいため、電極材料を銀でなく、モリブデンやチタンにすることにより、障壁を小さくして、電気特性の向上を図ることが報告されている（非特許文献１参照）。

また、スパッタリングによって形成したａ−ＩＧＺＯ薄膜トランジスタのソース・ドレイン電極の電気的コンタクトを向上させるため、低抵抗なＡＺＯ（ＺｎＯにＡｌをドープした酸化物）をａ−ＩＧＺＯ上に堆積し、その上にソース・ドレイン電極を堆積することが報告されている（非特許文献２参照）。

酸化物半導体薄膜を備えるデバイスを印刷エレクトロニクスの技術により製造する研究開発が盛んに進められている。プラスチック等の基材上に、ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜の前駆体材料を塗布し、加熱することにより、塗布型の酸化物半導体薄膜が形成される。例えば、本発明者らは、塗布型のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｇａ系の酸化物半導体薄膜を形成するための酸化物前駆体材料について既に報告している（特許文献１参照）。

また、本発明者らは、塗布型のＩｎＧａＺｎＯ半導体に関する論文において、ＩｎＧａＺｎＯ前駆体材料を基板表面に塗布後、プレアニールした後に大気中で紫外光照射を行うと、伝達特性におけるオフ電流が著しく増加し、常に電流値が高い状態になる、つまり低抵抗になることを報告している（非特許文献３参照）。

特開２０１６−０７２５６２

Y. Ueoka et al. "Effect of contact material on amorphous InGaZnO thin-film transistor characteristics", Jpn. J. Appl. Phys. 53, 03CC04 (2014). X. Zou et al. "Enhanced performance of a-IGZO thin-film transistors by forming AZO/IGZO heterojunction source / drain contacts, Semicond. Sci. Technol. 26 (2011) 055003. S. Ogura et al. "Flexible InGaZnO TFT devices obtained via humid-UV irradiation with an aqueous-fluoroalcoholic precursor", Flex. Print. Electron 1 (2016) 045001.

従来、塗布型の酸化物半導体ＩｎＧａＺｎＯは、酸化物前駆体材料溶液を塗布・印刷した後、前駆体溶液の塗布膜を低温度（３００℃以下の温度）で短時間（例えば１時間程度）焼成するだけで、形成することが可能である。このように、塗布型の酸化物半導体は、製造工程で真空プロセスを使用せず、かつ高温過程を必要としないので、製造工程が簡便で消費電力の低減等の利点、及びフレキシブル電子デバイスに適している利点がある。さらに、得られた塗布型の酸化物半導体ＩｎＧａＺｎＯは、アモルファスシリコンを凌ぐ移動度を持つことが知られている。

ＩｎＧａＺｎＯ酸化物半導体を用いる薄膜トランジスタの場合、電極材料として、より仕事関数の小さいアルミニウムを用いることにより、その性能を担保できる。しかしながら、全工程で真空プロセスを使用しない方法（オール真空フリープロセス）により、電極を印刷あるいは塗布プロセスで作製しようとする場合、現状の印刷材料技術で一般的に供給できる材料は、銀や金である。また、最高製造プロセス温度の３００℃で形成された塗布型酸化物半導体ＩｎＧａＺｎＯの場合、ソース・ドレイン電極に、例えば銀や金を用いると、アルミニウムを用いるときに比べ、伝達特性評価で得られるサブスレッショルド係数（ＳＳ値）が大きくなってしまい、トランジスタ素子を動作させるためにより大きな電圧が必要となってしまう。これは、塗布型ＩｎＧａＺｎＯの仕事関数に対して、銀や金の仕事関数がオーミック接触になっていない、あるいは仕事関数の値の差が小さいためであると考えられる。詳しくは後述する。従って、塗布型半導体ＩｎＧａＺｎＯと銀電極の間のコンタクト抵抗が小さくなるようなコンタクト層を設けることが、必要となるが、実現できていない。

なお、サブスレッショルド係数（ＳＳ値）とは、Ｏｎ電流を一桁向上させるのに必要なゲート電圧の値である。ＳＳ値が小さければ、より低電圧でトランジスタを駆動させることができる。

本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、本発明は、新規なコンタクト層を備えた酸化物半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。

（１） 塗布型のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜と電極との間にコンタクト層を備え、前記コンタクト層は、前記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜より低抵抗のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物からなる領域であることを特徴とする酸化物半導体素子。
（２） 前記コンタクト層の炭素濃度は、前記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜の炭素濃度より小であることを特徴とする（１）記載の酸化物半導体素子。
（３） 前記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜及び前記コンタクト層は、アモルファスであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の酸化物半導体素子。
（４） 前記電極は、ソース電極及びドレイン電極のいずれか１以上であることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか１項記載の酸化物半導体素子。
（５） 前記電極が、金、銀、銅、アルミニウム、クロム、チタン、モリブデン、ニッケル、タングステン、白金、パラジウム、及びこれらの金属の合金、インジウム・スズ酸化物、炭素導電材料から選択される１種以上を含む電極であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか１項記載の酸化物半導体素子。
（６） 基材上に形成されたＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物の前駆体塗布膜の一部に紫外光を照射した後、焼成して、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜と、該Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜より低抵抗の紫外光照射領域からなるコンタクト層とを形成した後、前記コンタクト層上に電極を形成することを特徴とする、酸化物半導体素子の製造方法。

本発明の酸化物半導体素子では、塗布型のＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜の、電極との界面に、低抵抗のＩｎＧａＺｎＯからなるコンタクト層を設けることにより、電極とのコンタクト抵抗を下げることができる。その結果、よりＳＳ値が小さく、より低電圧で駆動できる、スイッチング特性の優れた薄膜トランジスタを実現できる。

本発明の酸化物半導体素子の製造方法は、従来の製造工程に、紫外光照射工程を付加するのみで、コンタクト層を備える半導体装置を製造することができる。

本発明の方法によれば、コンタクト用材料を別途に積層する必要がなく、塗布型酸化物半導体薄膜の作製と同時にコンタクト層を形成できるため、材料コストの削減や製造時間短縮を図ることができる。

塗布型の酸化物半導体素子において、電極として金や銀等の導電体インクを用いる場合においても、コンタクト層を紫外線照射工程で設けることにより、低電圧で駆動可能な薄膜トランジスタを実現できる。また、本発明は、全工程で真空プロセスを使用しない方法（オール真空フリープロセス）で行うことを可能とするものである。

蒸着されたアルミニウム、金、および銀の電極の仕事関数値（横軸）と、各電極を備える塗布型のＩｎＧａＺｎＯの薄膜トランジスタのＳＳ値（縦軸）の関係を示す図である。 ソース・ドレイン電極に蒸着した銀を用い、塗布型ＩｎＧａＺｎＯ薄膜をチャネル材料に用いた薄膜トランジスタの伝達特性を示す図であり、（ａ）は第１の実施形態の、紫外光照射によりコンタクト層を形成した場合で、（ｂ）は紫外光照射を行わなかった比較例の場合の図である。 第１の実施の形態における、紫外光の照射時間（横軸）と対応する抵抗率（縦軸）の関係を示す図である。 第２の実施の形態の、ボトムゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタの製造工程のうち工程（ａ）（ｂ）を説明する図である。 第２の実施の形態の、ボトムゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタの製造工程のうち工程（ｃ）乃至（ｆ）を説明する図である。 第３の実施の形態の、ボトムゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタの製造工程のうち工程（ｇ）乃至（ｋ）を説明する図である。 第４の実施の形態の、トップゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタの製造工程のうち工程（Ａ）（Ｂ）を説明する図である。 第４の実施の形態の、トップゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタの製造工程のうち工程（Ｃ）乃至（Ｈ）を説明する図である。 第５の実施の形態の、トップゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタの製造工程のうち工程（Ｉ）乃至（Ｍ）を説明する図である。 第５の実施の形態の、トップゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタの製造工程のうち工程（Ｎ）乃至（Ｐ）を説明する図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。

本発明におけるコンタクト層の必要性を理解するために、電極用金属の仕事関数と、既知の製法による塗布型ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜トランジスタのＳＳ値との関係について、説明する。

電極用に用いられるアルミニウム、金、銀の仕事関数について、大気中電子分光装置（ＡＣ２、理研計器）を用いて、実際に測定した。蒸着したアルミニウム、金、及び銀の仕事関数値は、それぞれ、３．８９ｅＶ、４．６９ｅＶ、及び５．０１ｅＶであった。
ソース・ドレイン電極が蒸着されたアルミニウム、金、および銀である場合の、塗布型ＩｎＧａＺｎＯをチャネル材料とする薄膜トランジスタのＳＳ値を調べた。まず、塗布型ＩｎＧａＺｎＯをチャネル材料とする薄膜トランジスタを次の工程で実際に作製した。硝酸インジウム、硝酸ガリウム、硝酸亜鉛（インジウム、ガリウム、亜鉛の各イオンのモル比は、６７：３：３０）を、水と２，２，２−トリフルオロメタノールの混合溶媒に、金属イオン濃度が０．１Ｍとなるよう溶解し、良く撹拌したものを、前駆体塗布液とする。これを酸化膜付シリコンウエハ表面にスピンコートで塗布し、ホットプレート上で１３０℃、５分間加熱処理を行った後、電気炉中にて３００℃、１時間加熱焼成した。その後、塗布膜上に、ソース・ドレイン電極となる部分が開いたメタルマスクを密着させ、各々の金属（アルミニウム、金、及び銀）を４０ｎｍ蒸着し、最後に前記メタルマスクを外して、塗布型ＩｎＧａＺｎＯをチャネル材料とする薄膜トランジスタを作製した。得られた薄膜トランジスタについて、ドレイン電圧４０Ｖで伝達特性測定（Ｉｄ−Ｖｇ特性）を行った。Ｉｄ−Ｖｇ特性測定から得られたＳＳ値は、アルミニウム電極の場合、０．３３±０．０４Ｖ／ｄｅｃ、金電極の場合、２．１６±０．２３Ｖ／ｄｅｃ、銀電極の場合、３．５８±０．５０Ｖ／ｄｅｃであった。

図１に、各電極金属の仕事関数値（横軸）と、各電極を備える塗布型のＩｎＧａＺｎＯの薄膜トランジスタのＳＳ値（縦軸）の関係を示す。図１によれば、仕事関数が小さくなるにつれてＳＳ値も小さくなる傾向がある。これは、仕事関数の値が小さいほどコンタクト抵抗が小さくなることに起因している。ＳＳ値を小さくするためには、仕事関数値のより小さい金属をソース・ドレイン電極に用いることが一つの方法である。しかしながら、印刷方式で電極を作製する場合、電極材料には制約があり、殆どの場合、銀を用いる場合が多い。この場合、電極材料を変えるのではなく、電極界面の半導体のキャリア濃度を大きくして電極とのコンタクト抵抗を下げ、ＳＳ値を下げる方法が必要となる。ＳＳ値は、薄膜トランジスタを駆動させるために必要な電圧値の目安であり、３Ｖバッテリーの駆動電圧でｏｎ／ｏｆｆ比が一桁以上向上することが望ましい。

本発明の実施の形態は、塗布型ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜と電極との間に、ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜より低抵抗のＩｎＧａＺｎＯからなる領域をコンタクト層として設けるものである。該コンタクト層は、ＩｎＧａＺｎＯ前駆体塗布膜の一部に紫外光を照射した後、焼成して、ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜と、該ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜より低抵抗の紫外光照射領域からなるコンタクト層とを得ることにより、作製可能である。

本発明の塗布型ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜は、従来知られているＩｎＧａＺｎＯ前駆体溶液を塗布し、加熱焼成する方法により製造することができ、塗布型ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜と呼ばれている。

Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体（ＩｎＧａＺｎＯ半導体）薄膜は、インジウム、ガリウム、亜鉛から構成されるＩｎＧａ（ＺｎＯ）_ｘＯ_３（ｘ＝０．５〜７）で表される、一般にＩＧＺＯとも呼ばれる、良好な特性を示す酸化物半導体薄膜であることが知られている。本実施の形態における塗布型のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体は、塗布により作製されるので、アモルファスであり、有機物も混在している。塗布型のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物における金属の比率は、基本的に前駆体溶液に含まれる金属種のモル比と同じになる。本実施の形態における塗布型ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの割合が、Ｉｎ_ｘＧａ_{０．７−ｘ}Ｚｎ_０．３（０．６≦ｘ＜０．７）であることが望ましい。また、例えば、前駆体溶液の仕込み比としてＩｎ、Ｇａ、Ｚｎの割合がＩｎ_ｘＧａ_{０．７−ｘ}Ｚｎ_０．３（０．６≦ｘ＜０．７）であるものが好ましい。

ＩｎＧａＺｎＯ前駆体溶液は、溶媒として水、２−メトキシエタノール、エタノール、アセチルアセトン、エタノールアミン、あるいはこれらの混合溶媒等が挙げられるが、特に制限されない。

電極材料は、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、クロム、チタン、モリブデン、ニッケル、タングステン、白金、パラジウム、およびこれらの金属の合金、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）、カーボンナノチューブやグラフェンなどの炭素導電材料から選択される１種以上を含む電極材料が可能である。電極の形成方法は、各種の印刷法や塗布法、及び蒸着等の真空薄膜形成方法等が有効であり、特に限定されない。電極を印刷や塗布により形成する場合は、導電体インクとして知られている、金、銀、銅、銀銅（銅の周りに銀が付いているもの）等のインクや、炭素導電材料（カーボンナノチューブやグラフェン）のインク、ＩＴОのインク等が使用できる。

本実施の形態の、半導体薄膜、コンタクト層、電極の順の積層構造からなる電極部構造は、好ましくは、薄膜トランジスタのソース・ドレイン用の電極部構造として有効である。その他のトランジスタでも用いることができ、限定されない。

本実施の形態で用いる紫外光は、波長４００ｎｍ程度以下の紫外光が望ましい。後述する各実施の形態では、波長１８５ｎｍと２５４ｎｍに強い輝線を持つ低圧水銀灯を紫外光として用いたが、これらの周辺の波長をもつ光源でもよい。特に、波長は、溶媒に含まれるＣ−Ｆ結合、Ｃ−Ｃ結合、Ｃ−Ｈ結合、Ｃ−Ｎ結合、Ｃ−Ｏ結合、Ｎ−Ｈ結合、Ｏ−Ｈ結合を切断できる２５４ｎｍ以下が望ましい。

紫外線照射時の加熱温度は、塗布されたＩｎＧａＺｎＯの前駆体塗布液において溶媒の沸点より高く、金属塩が酸化物を形成し始める温度より低い温度が望ましい。紫外線照射時の雰囲気は、大気中又はオゾン雰囲気で湿度５０％以下であることが望ましい。湿度が５０％を超えると紫外線照射によって発生するヒドロキシラジカルと塗布膜との反応が優勢となり、次の焼成工程後に得られるＩｎＧａＺｎＯの抵抗値が低くなるからである。湿度が５０％を超えた状態で紫外線照射されると、伝達特性としてオン領域とオフ領域が顕著に現れ、オン電流値は、湿度が低い状態で照射した場合に比べても低くなることが、実験的に分かっている。

本発明の実施の形態では、塗布型ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜をチャネル材料とする薄膜トランジスタ製造過程において、ＩｎＧａＺｎＯ前駆体膜のソース・ドレイン電極と接触する部分以外をマスキングし、ソース・ドレイン電極と接触する部分のみを、低温加熱しながら紫外光照射した後、通常焼成することによって、紫外光照射した部分（紫外光照射領域ともいう。）にだけ、抵抗率の低いＩｎＧａＺｎＯコンタクト層が形成される。紫外光照射領域であるＩｎＧａＺｎＯコンタクト層のＩｎ、Ｇａ、Ｚｎの組成比は、該領域に接するＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜のそれと同じである。コンタクト層とは、電極界面の半導体側（ＩｎＧａＺｎＯ）のキャリア密度を上げたものであり、キャリア空乏層を狭めることによりトンネル電流が注入されるため、コンタクト抵抗を低下させることができる。

紫外線照射後の焼成温度は、従来知られているＩｎＧａＺｎＯ前駆体溶液を塗布し、加熱焼成するための温度と同じでよい。具体的には、焼成温度は、低くともＩｎＧａＺｎＯの形成が行われる２６０℃以上が望ましく、高くともｏｆｆ電流が向上し始める４００℃以下が望ましい。

本実施の形態における、塗布型のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜及び塗布型のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物のコンタクト層は、いずれもＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物の前駆体塗布膜を低温焼成して作製されたものであるので、アモルファスである。

（第１の実施の形態）
本実施の形態は、塗布型ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜と電極との間にコンタクト層を設けた半導体素子の電極部構造に関する。以下、実施した製造方法、作製した電極構造及び半導体素子の特性等について説明する。

［コンタクト層が付与された塗布型ＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタの電極構造の製造方法］
塗布型ＩｎＧａＺｎＯをチャネル材料とする薄膜トランジスタを、次の工程で実際に作製した。硝酸インジウム、硝酸ガリウム、硝酸亜鉛（インジウム、ガリウム、亜鉛の各イオンのモル比は、６７：３：３０）を、水と２，２，２−トリフルオロメタノールの混合溶媒に金属イオン濃度が０．１Ｍとなるよう溶解し、良く撹拌したものを、前駆体塗布液とする。該前駆体塗布液を、酸化膜付シリコンウエハ表面にスピンコートで塗布し、ホットプレート上で１３０℃、５分間加熱処理を行った。その後、加熱処理した塗布膜の表面に、ソース・ドレイン電極となる部分が開いたメタルマスクを密着させ、１３０℃加熱しながら低圧水銀灯下で紫外光を２０分間照射した。その後、３００℃で２時間焼成した後、銀を蒸着し、最後にメタルマスクを外した。塗布型ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜と銀電極との間の紫外光照射領域に、コンタクト層が形成されていた。このようにして、コンタクト層が形成された塗布型ＩｎＧａＺｎＯをチャネル材料とする薄膜トランジスタを作製した。

［比較例］
比較例として、コンタクト層を形成するための紫外光照射を行わなかった点でのみ相違する工程で、塗布型ＩｎＧａＺｎＯ薄膜をチャネル材料に用いた薄膜トランジスタを作製した。

［伝達特性］
作製した薄膜トランジスタのＳＳ値を調べた。ドレイン電圧４０Ｖで伝達特性測定（Ｉｄ−Ｖｇ特性）を行った。図２に、ソース・ドレイン電極に蒸着銀を用い、塗布型ＩｎＧａＺｎＯ薄膜をチャネル材料に用いた薄膜トランジスタの伝達特性を示す。図２（ａ）に、紫外光照射によりコンタクト層を形成した場合を示す。ＳＳ値の平均値±標準偏差は、１．０８±０．１１Ｖ／ｄｅｃで、良好なスイッチング特性が得られた。一方、比較例として、図２（ｂ）に、コンタクト層を形成するための紫外光照射を行わなかった点でのみ相違する場合を示す。ＳＳ値の平均値±標準偏差は、３．５８±０．５０Ｖ／ｄｅｃで、緩やかな鈍いスイッチング特性が得られた。この結果から、本実施の形態で示す工程のように、コンタクト層を半導体薄膜の電極界面に形成することにより、より小さいＳＳ値が得られることが明らかである。

［Ｘ線光電子分光スペクトルによる分析］
コンタクト層が付与された塗布型ＩｎＧａＺｎＯ薄膜と、付与されてない同薄膜の表面を、Ｘ線光電子分光スペクトルで分析した。Ｉｎ３ｄ５とＣ１ｓの各々のピークエリアを解析した結果、コンタクト層が付与されている場合、［Ｃ１ｓのピーク面積］／［Ｉｎ３ｄ５のピーク面積］＝０．０２３ であったのに対し、コンタクト層が付与されていない場合は、［Ｃ１ｓのピーク面積］／［Ｉｎ３ｄ５のピーク面積］＝０．０４１ という値であった。このように、薄膜の表面の分析結果により、コンタクト層が付与されていない薄膜の表面、即ち、電極が形成される側の表面の炭素濃度は、コンタクト層が付与されていない薄膜表面の炭素濃度より少なくなっていることが分かった。これは、コンタクト層（紫外光照射領域）では、紫外光照射により溶媒に含まれる有機物成分が分解され、その後の加熱で除去されるため、コンタクト層の炭素濃度が塗布型ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜のそれより必然的に小さくなることを示している。

［抵抗率］
塗布型ＩｎＧａＺｎＯ薄膜の抵抗率、及び前記抵抗率と紫外光照射時間との関係について説明する。紫外光照射時間の異なる、塗布型ＩｎＧａＺｎＯ薄膜を次のように形成した。本実施の形態で記載した前述の前駆体塗布液を、固体基板表面にスピンコートで塗布し、ホットプレート上で１３０℃、５分間加熱処理を行った。その後、加熱処理した塗布膜の表面に、５０μｍの間隔で電極となる部分が開いたメタルマスクを密着させ、１３０℃に加熱しながら、大気中低圧水銀灯下で紫外光を所定時間照射した。その後、３００℃で２時間焼成した後、電極用金属を蒸着し、最後にメタルマスクを外した。抵抗率の測定は、５０μｍの電極間で行われた。図３に、紫外光の照射時間（横軸）と対応する抵抗率（縦軸）の関係を示す。照射しない場合は、抵抗率４０Ωｃｍ、１０分照射した場合は抵抗率８Ωｃｍ、２０分照射した場合は抵抗率０．４Ωｃｍ、３０分照射した場合は抵抗率０．００４Ωｃｍであった。図３によれば、紫外光の照射時間が長くなるにつれて、抵抗率が小さくなっている。これは、紫外光照射によってＩｎＧａＺｎＯ薄膜表面のキャリア密度が大きくなっていることを示唆している。図３に示すように、紫外光照射２０分−３０分により、０．４〜０．００４Ωｃｍの抵抗率を実現できた。コンタクト層に適するＩｎＧａＺｎＯ薄膜の抵抗は、０．０００１Ωｃｍ以上１Ωｃｍ以下程度である。１Ωｃｍ以上の抵抗があると、コンタクト層として十分な機能を果たせず電極との接触抵抗が大きくなってしまい、０．０００１Ωｃｍ以下であると、例えば薄膜トランジスタ素子の場合にはオフ電流が大きくなりオンオフ比が小さくなってしまう恐れがある。紫外光の照射時間は、抵抗率が十分小さくなる時間を適宜設定するとよい。

（第２の実施の形態）
本実施の形態では、第１の実施の形態の電極部構造を備えたボトムゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタについて、図４、５を参照して説明する。本実施の形態は、ソース・ドレイン電極が蒸着等による電極であり、コンタクト層を備える塗布型ＩｎＧａＺｎＯ薄膜をチャネル材料に用いた薄膜トランジスタである。製造工程を以下に説明する。

（ａ）［ＩｎＧａＺｎＯ前駆体溶液の塗布工程］ 酸化膜付シリコンウエハ１を用意する。酸化膜付シリコンウエハ１は、ゲート電極となるシリコン１１と、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜１２からなる。該酸化膜付シリコンウエハ１の表面に、塗布部材３により、ＩｎＧａＺｎＯ前駆体溶液２を大気中室温で塗布する（図４（ａ）参照）。
（ｂ）［前駆体塗布膜の加熱処理工程］ ＩｎＧａＺｎＯ前駆体塗布膜２１を、例えば、１３０℃、５分間加熱処理を行う（図４（ｂ）参照）。
（ｃ）［紫外光照射工程］ 塗布膜の表面に、ソース・ドレイン電極となる部分が開いたメタルマスク４を密着させ、例えば１３０℃に加熱しながら、低圧水銀灯等で紫外光を例えば２０分間照射する（図５（ｃ）参照）。
（ｄ）［焼成工程］ 塗布膜を例えば３００℃、２時間焼成して、ＩｎＧａＺｎＯからなるコンタクト層２３及びＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜２２を得る（図５（ｄ）参照）。
（ｅ）［電極金属の蒸着工程］ 銀などの電極金属を、蒸着により、コンタクト層形成領域の表面に形成する（図５（ｅ）参照）。
（ｆ）［薄膜トランジスタの作製］ メタルマスク４を外す。ゲート電極であるシリコン１１、ゲート絶縁膜であるシリコン酸化膜１２、ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜２２、ＩｎＧａＺｎＯコンタクト層２３、ソース・ドレイン電極５の順で積層された積層構造を備えるボトムゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタ１０を得る（図５（ｆ）参照）。

（第３の実施の形態）
本実施の形態では、第１の実施の形態の電極構造を備えたボトムゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタについて、図４、６を参照して説明する。本実施の形態は、ソース・ドレイン電極が印刷による電極である点でのみ、第２の実施の形態と相違している。製造工程を以下に説明する。

（ａ）（ｂ）は、第２の実施の形態と同様である。
（ｇ）［紫外光照射工程］ 工程（ｂ）で加熱処理したＩｎＧａＺｎＯ塗布膜の表面に、ソース・ドレイン電極となる部分とアライメントマーク孔４２が開いたアライメントマーク孔付きメタルマスク４１を密着させ、例えば１３０℃に加熱しながら、低圧水銀灯等で紫外光を例えば２０分間照射する（図６（ｇ）参照）。
（ｈ）［焼成工程］ 塗布膜を例えば３００℃、２時間焼成して、ＩｎＧａＺｎＯからなるコンタクト層２３及びＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜２２を得る（図６（ｈ）参照）。
（ｉ）［アライメントマークの形成工程］ アライメントマーク６を形成する（図６（ｉ）参照）。
（ｊ）［電極の印刷工程］ メタルマスク４を外す。アライメントマーク６を位置調整に利用しながら、銀などの電極用導体インク１５を、印刷により、コンタクト層形成領域（紫外光照射領域）の表面に塗布する（図６（ｊ）参照）。
（ｋ）［電極の焼成工程、薄膜トランジスタの作製］ 印刷した電極用導体膜を焼成して電極を得る。ゲート電極であるシリコン１１、ゲート絶縁膜であるシリコン酸化膜１２、ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜２２、ＩｎＧａＺｎＯコンタクト層２３、ソース・ドレイン電極２５の順で積層された積層構造を備えるボトムゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタ２０を得る（図６（ｋ）参照。）。

（第４の実施の形態）
本実施の形態では、第１の実施の形態の電極部構造を備えたトップゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタについて、図７、８を参照して説明する。本実施の形態は、ソース・ドレイン電極が蒸着等による電極であり、コンタクト層を備える塗布型ＩｎＧａＺｎＯ薄膜をチャネル材料に用いた薄膜トランジスタである。製造工程を以下に説明する。

（Ａ）［ＩｎＧａＺｎＯ前駆体溶液の塗布工程］ 基材３１を用意する。基材は、塗布型半導体薄膜装置において使用される絶縁性の基材であればよい。例えば、ガラス、フレキシブル基材（ポリイミドフィルム等）等が挙げられる。基材３１の表面に、塗布部材３により、ＩｎＧａＺｎＯ前駆体溶液２を大気中室温で塗布する（図７（Ａ）参照）。
（Ｂ）［前駆体塗布膜の加熱処理工程］ ＩｎＧａＺｎＯ前駆体塗布膜２１を、例えば、１３０℃で５分間加熱処理を行う（図７（Ｂ）参照）。
（Ｃ）［紫外光照射工程］ 塗布膜の表面に、ソース・ドレイン電極となる部分が開いたメタルマスク４を密着させ、例えば１３０℃に加熱しながら、低圧水銀灯等で紫外光を例えば２０分間照射する（図８（Ｃ）参照）。
（Ｄ）［焼成工程］ 塗布膜を、例えば３００℃、２時間焼成して、ＩｎＧａＺｎＯからなるコンタクト層２３及びＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜２２を得る（図８（Ｄ）参照）。
（Ｅ）［電極金属の蒸着工程］ 銀などの電極金属を、蒸着により、コンタクト層形成領域（紫外光照射領域）の表面に形成する（図８（Ｅ）参照）。
（Ｆ）［ゲート絶縁膜の形成工程］ メタルマスク４を外す。ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜の表面上に、ゲート絶縁膜７を成膜する。ゲート絶縁膜は、従来から半導体薄膜装置において使用されるゲート絶縁膜材料であればよい。例えば、各種ポリマー、酸化アルミニウム膜、シリコン酸化膜等が挙げられる（図８（Ｆ）参照）。
（Ｇ）［ゲート電極の形成工程］ ゲート絶縁膜７の上の所定位置に、ゲート電極８を蒸着又はスパッタリングする（図８（Ｇ）参照）。
（Ｈ）［薄膜トランジスタの作製］ 基材３１、ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜２２、ＩｎＧａＺｎＯコンタクト層２３、ソース・ドレイン電極５、ゲート絶縁膜７、ゲート電極８の順で積層された積層構造を備えるトップゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタ３０を得る（図８（Ｈ）参照）。

（第５の実施の形態）
本実施の形態では、第１の実施の形態の電極構造を備えた、トップゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタについて、図７、９Ａ、９Ｂを参照して説明する。本実施の形態は、ソース・ドレイン電極及びゲート電極が印刷による電極である点で、第４の実施の形態と相違している。製造工程を以下に説明する。

（Ａ）（Ｂ）は、第４の実施の形態と同様である。
（Ｉ）［紫外光照射工程］ 工程（Ｂ）で加熱処理したＩｎＧａＺｎＯ塗布膜の表面に、ソース・ドレイン電極となる部分とアライメントマーク孔４２が開いたアライメント孔付きメタルマスク４１を密着させ、例えば１３０℃に加熱しながら、低圧水銀灯等で紫外光を例えば２０分間照射する（図９Ａ（Ｉ）参照）。
（Ｊ）［焼成工程］ 塗布膜を、例えば３００℃、２時間焼成して、ＩｎＧａＺｎＯからなるコンタクト層２３及びＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜２２を得る（図９Ａ（Ｊ）参照）。
（Ｋ）［アライメントマークの形成工程］ アライメントマーク６を形成する（図９Ａ（Ｋ）参照）。
（Ｌ）［電極の印刷工程］ アライメント孔付きメタルマスク４１を外す。アライメントマーク６を位置調整に利用しながら、銀などの電極用導体インク１５を、印刷により、コンタクト層形成領域（紫外光照射領域）の表面に塗布する（図９Ａ（Ｌ）参照）。
（Ｍ）［電極の焼成工程］ 印刷した電極用導体膜を焼成して電極２５（ソース・ドレイン、焼成後）を得る。（図９Ａ（Ｍ）参照。）。
（Ｎ）［ゲート絶縁膜の形成工程］ ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜の表面上に、ゲート絶縁膜７を成膜する（図９Ｂ（Ｎ）参照）。
（Ｏ）［ゲート電極の形成工程］ ゲート絶縁膜７の上の所定位置に、ゲート電極用の電極用導体インク１８を塗布する（図９Ｂ（Ｏ）参照）。ゲート電極用の導体インクとして、ソース・ドレイン電極と同様に、金、銀、銅、銀銅、炭素導電材料、ＩＴＯ等を用いることができる。
（Ｐ）［ゲート電極の焼成工程、薄膜トランジスタの作製］ 電極用導体塗布膜を焼成してゲート電極２８を得る。基材３１、ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜２２、ＩｎＧａＺｎＯコンタクト層２３、ソース・ドレイン電極２５、ゲート絶縁膜７、ゲート電極２８の順で積層された積層構造を備えるトップゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタ４０を得る（図９Ｂ（Ｐ）参照）。

第２乃至５の実施の形態では、ボトムゲート・トップコンタクト型及びトップゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタの例を示したが、本発明は、半導体素子の具体的な構造に限定されるものではない。また、コンタクト層上に形成される電極の形成方法についても、特に限定されない。

なお、上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。

本発明の酸化物半導体素子は、塗布型ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜を用いる薄膜トランジスタとして、低電圧駆動等の高性能化が実現可能であるので、ディスプレイ、センサ、インバータや各種フレキシブル電子デバイス等の装置に広く利用できる。また、主な製造工程が印刷エレクトロニクス技術により、高温や真空プロセスを必要としないので、省資源であり、産業上有用である。

１ 基板
２ ＩｎＧａＺｎＯ前駆体溶液
３ 塗布部材
４ メタルマスク
５、２５ 電極（ソース・ドレイン）
６ アライメントマーク
７ ゲート絶縁膜
８、２８ ゲート電極
１０、２０、３０、４０ 薄膜トランジスタ
１１ ゲート電極（シリコン）
１２ ゲート絶縁膜（シリコン酸化膜）
１５ 電極用導体インク（ソース・ドレイン電極用）
１８ 電極用導体インク（ゲート電極用）
２１ ＩｎＧａＺｎＯ前駆体塗布膜
２２ ＩｎＧａＺｎＯ半導体薄膜
２３ ＩｎＧａＺｎＯコンタクト層
３１ 基材
４１ アライメントマーク孔付きメタルマスク
４２ アライメントマーク孔

Claims (6)

1. 塗布型のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜と電極との間にコンタクト層を備え、前記コンタクト層は、前記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜より低抵抗のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物からなる領域であることを特徴とする酸化物半導体素子。
2. 前記コンタクト層の炭素濃度は、前記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜の炭素濃度より小であることを特徴とする請求項１記載の酸化物半導体素子。
3. 前記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜及び前記コンタクト層は、アモルファスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の酸化物半導体素子。
4. 前記電極は、ソース電極及びドレイン電極のいずれか１以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の酸化物半導体素子。
5. 前記電極が、金、銀、銅、アルミニウム、クロム、チタン、モリブデン、ニッケル、タングステン、白金、パラジウム、及びこれらの金属の合金、インジウム・スズ酸化物、炭素導電材料から選択される１種以上を含む電極であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の酸化物半導体素子。
6. 基材上に形成されたＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物の前駆体塗布膜の一部に紫外光を照射した後、焼成して、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜と、該Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体薄膜より低抵抗の紫外光照射領域からなるコンタクト層とを形成した後、
   前記コンタクト層上に電極を形成することを特徴とする、酸化物半導体素子の製造方法。
   
   

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