JP5196505B2

JP5196505B2 - 薄膜トランジスタ

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Publication number: JP5196505B2
Application number: JP2010253936A
Authority: JP
Inventors: 紀行内田; 敏彦金山; 剛英宮崎
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2030-08-17
Also published as: JP2011071534A

Description

本発明は、金属硅素化合物薄膜をチャネル領域とした薄膜トランジスタに関するものである。

アモルファスSiを用いてトランジスタを形成することは、液晶パネル駆動用のTFTなどに広く利用されている。しかし、アモルファスSiは、材料の特性を維持するために、水素によるダングリングボンドの終端が必要不可欠であり、ホットエレクトロンや光照射による脱水素などが、材料の劣化を招くことが知られている(Staebler-Wronski効果、非特許文献１参照)。特に、閾値電圧の変動、キャリア移動度の低下は、トランジスタの特性を著しく低下させる。

多結晶Siは、アモルファスSiよりも移動度が高く、特性の優れたトランジスタを形成できる特長がある。しかし、高温のCVD、あるいはアモルファスSiの熱処理、又はレーザ照射による結晶化により作製されるので、作製プロセスのコストが高い。また、極薄膜化が困難で、結晶粒の存在により、特性がばらつくので、微細なトランジスタを作製できない。

一般に、有機半導体は、移動度が低いことが欠点である。低分子ペンタセンなどの有機物材料は、アモルファスSiよりも高い移動度を持つことが知られており、電界発光、電界効果トランジスタ、太陽電池などの有機デバイスの材料として有望視されている(非特許文献２参照)。しかし、耐熱性、耐酸化性が、Si材料に比べると低く、安定動作性に難がある。特に、融点が300℃程度であり、高温になるデバイスに使用することができない。非Si系材料なので、SiのＬＳＩプロセスにマッチングが悪い。

酸化物半導体によるN型トランジスタについては、100cm²/Vsを超える高い移動度を実現できることが報告されている。Ｎ型並みの移動度を持つＰ型半導体の形成には課題がある。またCdなどの毒性のある金属や、Inなどの希少金属を用いるために、環境面や製造コストの面で問題がある。膜の組成や酸素の結合状態、熱処理条件によりキャリア輸送特性が変化する（非特許文献３参照）。有機半導体と同様に、非Si系材料なので、SiのＬＳＩプロセスにマッチングが悪い。

本発明者らは、先にＭＳｉ_ｎ（Ｍ：遷移金属、ｎ＝７−１６）に係る金属硅素化合物薄膜を提案している（特許文献１）。金属硅素化合物薄膜の概要は次のとおりである。
金属的なシリサイドMSi₂中では、遷移金属を内包したSiクラスターは存在しない。例えばWSi₂の結晶構造(C11b型)では、Wの周りには10個のSiが配位しているが、10個のSi原子の周りにも、他のWが配置している。つまり、10個のSi原子は複数のWで共有している状態になっている。Wにとっての最近接原子はSiであっても、第２近接原子はWになっている。
それに対して、先の発明に係る金属硅素化合物薄膜（ＭＳｉ_ｎ膜）は、遷移金属内包シリコンクラスター同士がSi-Si結合することで、遷移金属Ｍにとっての第２近接原子もSiとなることを特徴とする。この構造を持つことで、以下の性能を有する半導体薄膜を形成することができる。

すなわち、遷移金属内包シリコンクラスターが最高占有分子軌道(HOMO)と最低非占有分子軌道(LUMO)のギャップE_HLの開いた半導体であることに基づき、これを、凝集させることで、有限のバンドギャップを有する半導体膜を作ることができる。
特に、遷移金属ＭがMo又はWで、Si原子数n=10、12を堆積させたとき、半導体膜のバンドギャップはトランジスタの室温動作に必要な値0.8eVを超える。
内包する遷移金属Ｍの価電子数が奇数の時には、遷移金属内包シリコンクラスターの総価電子数が奇数（奇数電子系）になるので、厳密にはE_HLが0eVとなる。しかし、遷移金属内包シリコンクラスターを凝集することで、クラスター間に結合が形成され、構造の緩和を伴う電荷のやり取りをすることで、偶数電子系の遷移金属内包シリコンクラスターを凝集した場合のように、半導体膜になる。つまり、E_HLの代わりに、半占有軌道（SUMO）とLUMOのギャップE_SLが開いた遷移金属内包シリコンクラスターを凝集させることで、半導体膜を形成することができる。

先の出願（特許文献１）に係る、遷移金属とシリコンの化合物であり、遷移金属原子の周りを、７個以上１６個以下のシリコン原子が取り囲む遷移金属内包シリコンクラスターを単位構造とし、遷移金属原子の第１及び第２近接原子にシリコンが配置されている金属珪素化合物膜（ＭＳｉ_ｎ(n=7-16)膜）の特徴は以下のとおりである。
１．水素脱離による劣化の抑制
ＭＳｉ_ｎ膜は、SiのダングリングボンドをMで終端しているため、アモルファスSiとは異なり水素によるダングリングボンドの終端を必要としないので、脱水素による性能の劣化はない。
２．電界効果による電気伝導制御と高いキャリア移動度
ＭＳｉ_ｎクラスターを堆積した薄膜は、ＭＳｉ_ｎ(n=7-16)を単位構造とすることでSiのダングリングボンド欠陥を終端し、電界効果による電気伝導の制御が可能である。MoSi₁₀膜では、p型の電界効果移動度3.0×10^-3cm²/Vsecが観測された
。また、MSi_n膜は、マクロスコピックに見ればアモルファスであるが、ＭＳｉ_ｎ(n=7-16)を単位構造とすることで、局所的に構造が揃い、アモルファスSiよりもキャリア移動度が高くなる特徴がある（特許文献１、非特許文献４参照）。また、Ｍの種類を変更することで、キャリアタイプや密度を制御することが可能である（特許文献１、非特許文献４参照）。Mを内包したSiクラスターを単位構造とした膜は、アモルファスSiに代替し薄膜トランジスタのチャネル領域を形成できる。

特願２００９−３７２６１号（特開２０１０−９３２２１号）

田中一宣,丸山瑛一,島田壽一,岡本博明著応用物理学会編：アモルファスシリコン,オーム社,1993,p201-206,p242 丸本一弘：物理学会誌2007年11月号p851 鵜飼育弘著：薄膜トランジスタ技術のすべて,工業調査会,2007,p93-100 J.Kanicki: Amorphous and Microcrystalline Semiconductor Devices: optoelectronic devices(Artech House,1991)pp.121-122

本発明は、金属硅素化合物薄膜を、チャネル領域とした薄膜トランジスタを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明は、次のような手段を提供する。
（１）遷移金属原子Ｍの周りをz個のシリコン原子Siが取り囲む遷移金属内包シリコンクラスター（ＭＳｉz）を単位構造とし、シリコンと遷移金属との組成比（＝シリコン／遷移金属）をｎとしたとき、シリコンと遷移金属との組成比（＝シリコン／遷移金属）ｎが７以上１６以下である遷移金属とシリコンの化合物であって、ｎ／Ｚが０．７７８以上１．８１以下である遷移金属珪素化合物薄膜をチャネル領域としたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
ただしＺは、遷移金属原子Ｍの周りを取り囲むシリコン原子の数zの平均値である。
（２）上記遷移金属原子は、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウムのいずれかであることを特徴とする（１）に記載の薄膜トランジスタ。
（３）遷移金属原子Ｍの周りをz個のシリコン原子Siが取り囲む遷移金属内包シリコンクラスター（ＭＳｉ_z）を単位構造とし、シリコンと遷移金属との組成比（＝シリコン／遷移金属）をｎとしたとき、Ｍがジルコニウムの場合ｎ＝１２から１４であるか、又は、zが１１から１２であること、Ｍがモリブデンの場合ｎ＝７から１３であるか、又は、zが８から１０であることを特徴とする（１）に記載の薄膜トランジスタ。

本発明によれば、水素脱離による劣化が抑制され、しかもアモルファスSi薄膜トランジスタと同等以上の電界効果移動度を有する薄膜トランジスタが得られる。

（ａ）ＭＳｉ_ｎ膜をチャネルに用いたトップゲート型ＴＦＴ、（ｂ）ＭＳｉ_ｎ膜をチャネルに用いたボトムゲート型ＴＦＴ WSi₁₄H_x膜からの熱脱離スペクトル（ａ）Si₁₄H₂、（ｂ）WSi₁₄H₂の安定構造と水素の結合エネルギーE(H₂) ＭＳｉ_ｎ膜をチャネルに用いたボトムゲート型ＴＦＴ MoSi₁₀膜をチャネルに用いたボトムゲートＴＦＴのI_d-V_d特性のV_g依存性 M=Mo,n=10の場合の安定構造の例図６において、Moに配位したSiの配列の例動径分布関数（ＲＤＦ）の計算方法を説明する概念図 Mの周囲のSiの動径分布関数（ＲＤＦ）の動径（ｒ）依存性を説明する概念図 M=Ti,n=12の場合の安定構造における、Tiの周囲のSiの動径分布関数 M=V,n=12の場合の安定構造における、Vの周囲のSiの動径分布関数 M=Cr,n=12の場合の安定構造における、Crの周囲のSiの動径分布関数 M=Mn,n=12の場合の安定構造における、Mnの周囲のSiの動径分布関数 M=Fe,n=12の場合の安定構造における、Feの周囲のSiの動径分布関数 M=Co,n=12の場合の安定構造における、Coの周囲のSiの動径分布関数 M=Ni,n=12の場合の安定構造における、Niの周囲のSiの動径分布関数 M=Ni,n=10の場合の安定構造における、Niの周囲のSiの動径分布関数 M=Cu,n=12の場合の安定構造における、Cuの周囲のSiの動径分布関数 M=Zr,n=12の場合の安定構造における、Zrの周囲のSiの動径分布関数 M=Zr,n=14の場合の安定構造における、Zrの周囲のSiの動径分布関数 M=Nb,n=12の場合の安定構造における、Nbの周囲のSiの動径分布関数 M=Mo,n=13の場合の安定構造における、Moの周囲のSiの動径分布関数 M=Ru,n=12の場合の安定構造における、Ruの周囲のSiの動径分布関数 M=Rh,n=12の場合の安定構造における、Rhの周囲のSiの動径分布関数 M=Ta,n=12の場合の安定構造における、Taの周囲のSiの動径分布関数 M=W,n=12の場合の安定構造における、Wの周囲のSiの動径分布関数 M=Re,n=12の場合の安定構造における、Reの周囲のSiの動径分布関数 M=Ir,n=12の場合の安定構造における、Irの周囲のSiの動径分布関数 M=Mo,n=11.5の場合の安定構造における、Moの周囲のSiの動径分布関数 M=Mo,n=10の場合の安定構造における、Moの周囲のSiの動径分布関数 M=Mo,n=9の場合の安定構造における、Moの周囲のSiの動径分布関数 M=Mo,n=8の場合の安定構造における、Moの周囲のSiの動径分布関数 M=Mo,n=7の場合の安定構造における、Moの周囲のSiの動径分布関数実線はM=Ti,n=12の場合の安定構造における電子状態密度、点線は当該安定構造からTiを除いたSiのみの系に対する電子状態密度実線はM=V,n=12の場合の安定構造における電子状態密度、点線は当該安定構造からVを除いたSiのみの系に対する電子状態密度実線はM=Cr,n=12の場合の安定構造における電子状態密度、点線は当該安定構造からCrを除いたSiのみの系に対する電子状態密度実線はM=Mn,n=12の場合の安定構造における電子状態密度、点線は当該安定構造からMnを除いたSiのみの系に対する電子状態密度実線はM=Fe,n=12の場合の安定構造における電子状態密度、点線は当該安定構造からFeを除いたSiのみの系に対する電子状態密度実線はM=Co,n=12の場合の安定構造における電子状態密度、点線は当該安定構造からCoを除いたSiのみの系に対する電子状態密度実線はM=Ni,n=12の場合の安定構造における電子状態密度、点線は当該安定構造からNiを除いたSiのみの系に対する電子状態密度実線はM=Ni,n=10の場合の安定構造における電子状態密度、点線は当該安定構造からNiを除いたSiのみの系に対する電子状態密度実線はM=Cu,n=12の場合の安定構造における電子状態密度、点線は当該安定構造からCuを除いたSiのみの系に対する電子状態密度実線はM=Zr,n=14の場合の安定構造における電子状態密度、点線は当該安定構造からZrを除いたSiのみの系に対する電子状態密度実線はM=Nb,n=12の場合の安定構造における電子状態密度、点線は当該安定構造からNbを除いたSiのみの系に対する電子状態密度実線はM=Mo,n=10の場合の安定構造における電子状態密度、点線は当該安定構造からMoを除いたSiのみの系に対する電子状態密度実線はM=Ta,n=12の場合の安定構造における電子状態密度、点線は当該安定構造からTaを除いたSiのみの系に対する電子状態密度実線はM=W,n=10の場合の安定構造における電子状態密度、点線は当該安定構造からTiを除いたSiのみの系に対する電子状態密度計算シミュレーションによるMoSi₁₀膜と水素化アモスファスSiの振動状態密度比較結果薄膜トランジスタのチャネルとして合成したMoSi₁₀膜と水素化アモルファスSi膜のラマンスペクトル

図１に、金属硅素化合物であるＭＳｉ_ｎ膜（Ｍ：遷移金属、ｎ＝７〜１６）をチャネル領域とした薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を示す。
図１（ａ）はトップゲート型ＴＦＴ、（ｂ）はボトムゲート型ＴＦＴである。図１において、１はゲート電極、２はソース電極、３はＭＳｉ_ｎ膜チャネル、４はゲート絶縁膜、５はドレイン電極、６はＴＦＴ基板である。
以下各ＴＦＴの作製方法について説明する。

トップゲート型ＴＦＴの作製に当たって、レーザーアブレーションをチャネル形成に使用したトップゲート型ＴＦＴの作製方法について詳細に説明する。
（１）ガラス基板上にMSi_nH_x膜を堆積。Mターゲット、又はMSi₂ターゲットなどの遷移金属珪素化合物ターゲットをSiH₄雰囲気でパルスレーザーアブレーションすることでMSi_nH_x膜を合成・堆積する。この時基板温度は室温。
（２）MSi_nH_x膜を190℃以上に加熱してHを脱離しＭＳｉ_ｎ膜を形成。つまり、MSi_nH_x膜を合成できるMを使用すれば、ＭＳｉ_ｎ膜チャネルを形成できる。ＭＳｉ_ｎ膜は、金属(M)蒸気とモノシランガス(SiH₄)を原料に水素化遷移金属クラスターMSi_nH_xを合成し、それらを固体基板上に堆積して作製するので、水素が残留している。そこで、ＭＳｉ_ｎ膜を、水素を含まないＴＦＴのチャネル材料として使用するには、熱処理による水素脱離プロセスを確立する必要がある。

図２に、石英基板に堆積したWSi₁₄膜の熱脱離スペクトルを示す。横軸はサンプル表面の温度、縦軸は真空チェンバー内の圧力を示す。サンプル表面の温度が140℃付近に脱離のピークが観察され、190℃で脱離は終了した。つまり、WSi₁₄H_x膜からの水素放出は、190℃以下で生じている。これは、水素化アモルファスSiからの水素脱離温度（320℃）よりも低く、WSi₁₄膜では、水素の結合エネルギーが、a-Si:Hと比較して小さいことを示している。実際、WSi₁₄に結合した水素が、同じSiケージ構造を持つSi₁₄に結合した水素よりも、53％程度低い結合エネルギーを持つことが、第一原理計算により判明している。（図３参照）
（３）Al、Mo、MSi₂シリサイド等のソース、ドレイン電極を形成。
（４）ＣＶＤやスパッタを使用してゲート絶縁膜（SiO₂、SiN_x等）を堆積。
（５）真空蒸着もしくは、スパッタを使用してAl、Moなどのゲート電極を形成。

トップゲート型ＴＦＴの作製に当たって、スパッタをチャネル形成に使用したトップゲート型ＴＦＴの作製方法について説明する。
（１）ガラス基板上にM:Si=1:nのターゲットを用いてスパッタ膜を堆積（Ar:30sccm、3.0x10^-3Pa、DCパワー30W）しチャネルを形成する。この時基板温度は室温。
（２）スパッタ膜を500℃以上に加熱して、チャネル膜質を向上する。
（３）Al、Mo、MSi₂シリサイド等のソース、ドレイン電極を形成。
（４）ＣＶＤやスパッタを使用してゲート絶縁膜（SiO₂、SiN_x等）を堆積。
（５）真空蒸着もしくは、スパッタを使用してAl、Moなどのゲート電極を形成。

次にボトムゲート型ＴＦＴの作製に当たって、レーザーアブレーションをチャネル形成に使用したボトムゲート型ＴＦＴの作製方法について説明する。
（１）真空蒸着もしくは、スパッタを使用してガラス基板上へAl、Moなどのゲート電極を形成。
（２）ＣＶＤやスパッタを使用してゲート絶縁膜（SiO₂、SiN_x等）を堆積。
（３）MSi_nH_x膜堆積。Mターゲット、又はMSi₂ターゲットなどの遷移金属珪素化合物ターゲットをSiH₄雰囲気でパルスレーザーアブレーションすることでMSi_nH_xクラスターを合成し堆積する。この時基板温度は室温。
（４）MSi_nH_x膜を190℃以上に加熱してHを脱離しＭＳｉ_ｎ膜を形成。つまり、MSi_nH_x膜を合成できるMを使用すれば、ＭＳｉ_ｎ膜チャネルを形成できる。
（５）Al、Mo 、MSi₂シリサイド等のソース、ドレイン電極を形成。

ボトムゲート型ＴＦＴの作製に当たって、スパッタをチャネル形成に使用したボトムゲート型ＴＦＴの作製方法について説明する。
（１）真空蒸着もしくは、スパッタを使用してガラス基板上へAl、Moなどのゲート電極を形成。
（２）ＣＶＤやスパッタを使用してゲート絶縁膜（SiO₂、SiN_x等）を堆積。
（３）M:Si=1:nのターゲットを用いてスパッタ膜を堆積（Ar:30sccm、3.0x10^-3Pa、DCパワー30W）しチャネルを形成する。この時基板温度は室温。
（４）スパッタ膜を500℃以上に加熱して、チャネル膜質を向上する。
（５）Al、Mo、MSi₂シリサイド等のソース、ドレイン電極を形成。

本発明に係る薄膜トランジスタの電界効果測定を行う。
図４に示したように、MoSi₁₀膜を用いてＴＦＴを作製した。ここでは、Si熱酸化基板をゲート電極１４、ゲート絶縁膜１３としたボトムゲート型のＴＦＴを作製した。
Si基板はｎ型の0.01Ωcmの基板を用い、SiO₂酸化膜からなるゲート絶縁膜１３の厚さは200nmとした。
MoSi₁₀膜を15nmの膜厚で堆積し、その上にソース・ドレイン電極１１としてAl電極を真空蒸着で形成した。ソース・ドレイン電極の幅は300μm、チャネル幅は100μmである。また、ゲート電極１４として作用するSi基板にコンタクト用のAl電極を、同じく真空蒸着で形成した。
図５に、ドレイン電流(I_d)のドレイン電圧(V_d)特性のゲート電圧（V_g）依存性を示す。p-チャネル・エンハンスメント型の電界効果特性が得られ、閾値電圧V_thは-3V、直線領域のドレイン電流値から電界効果移動度を見積もると、3×10^-3cm²/Vsecであった。

遷移金属とシリコンの化合物であり、遷移金属原子の周りを、７個以上１６個以下のシリコン原子が取り囲む遷移金属内包シリコンクラスターを単位構造とし、遷移金属原子の第１及び第２近接原子にシリコンが配置されている金属珪素化合物薄膜をチャネル領域とした薄膜トランジスタを例示して本発明を説明したが、本発明はこれに限らず、遷移金属とシリコンの化合物であり、シリコンと遷移金属との組成比（シリコン／遷移金属）が７以上１６以下である金属珪素化合物薄膜をチャネル領域とした薄膜トランジスタにも適用できる。

次に、１個の遷移金属原子Mをシリコン原子Siが内包するクラスターが単位構造である遷移金属珪素化合物を用いたチャネルの例を、第一原理計算によって提供する。
計算は２段階に分けて行う。第１段階では、シリコンと遷移金属Mとの組成比（＝シリコン／遷移金属）をｎとする遷移金属珪素化合物材料が、M１個当たりz個（平均Ｚ個）のSiを配位したクラスターMSi_zを単位構造とすることを示す。第２段階では、第１段階で示した構造的特徴を持つ遷移金属珪素化合物材料においてMがSiのダングリングボンドを終端する効果を有することを示す。

まず、第１段階の説明を行う。MとSiの座標を、乱数を用いて発生させる。第一原理計算によって全エネルギーと各原子が感じる力を計算して全エネルギーが下がるように原子座標を更新する。全ての原子が感じる力が１オングストローム当たり０．０１エレクトロンボルト以下になるまで原子座標の更新を繰り返す。
モリブデン(M=Mo)とSiの原子数比が1:10（n=10）の系の安定構造の例を図６に示す。図６において、SiとMoをそれぞれ白球と黒球で表す。
図７は、図６の中からMoの周りを取り囲むSiが８個、９個、及び１０個の構造例を抜き出したものである。

Mの周りをSiが取り囲む構造を特定するため、動径分布関数を計算する。動径分布関数の計算方法を図８に示す。１個のM（黒丸）を中心にして半径ｒの球（点線）と半径ｒ＋Δｒの球（一点鎖線）の間の厚さΔｒの球殻内にあるSi（斜線の円）の個数を４πｒ^２で割ったものをｆ（ｒ）とする。遷移金属原子の各々について、０オングストロームから１０オングストロームのｒに対するｆ（ｒ）を計算する。ｆ（ｒ）を遷移金属原子１個当たりの平均値として求めたものが動径分布関数である。

上記の方法で得られた動径分布関数の例を図９に示す。「ＲＤＦ」は動径分布関数を、「ｒ」はMの位置からの距離（オングストローム）を表す。Mの周りを取り囲むSiの存在は斜線で示した第１ピークによって同定される。第１ピークは第２ピークとギャップ（図７）によって分離している。ギャップ位置を第１ピーク位置とｒ＝４オングストロームの間での、動径分布関数の最小値を与えるｒとして定義する。第1ピークに属するSiの数が、M１個の周りを取り囲むSiの数zの平均数Zである。Zを算出するには、動径分布関数に４πｒ^２を掛け、ｒについて原点からギャップ位置まで積分する。

ｎが７以上１４以下の場合について、M=Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Ta、W、Re、Irに対する動径分布関数を図１０〜図３３に示す。図１０〜図３３において、動径分布関数（縦軸）の値は、最大値を１と規格化した。動径（横軸）はオングストローム単位である。
図１０〜図３３に示した全てのMSi_nについて、Mをｚ個のSiが内包したMSi_zクラスターを単位構造とする特徴があることがわかる。ｚの平均ZはMとnに応じて6.6（NiSi₁₀、図１７）から11.9（ZrSi₁₄、図２０）まで変化する。ｚとｎの値は一致しなくてもよい。例えば、ジルコニウムの場合ｎ＝１２から１４の時、zは１１から１２になり、モリブデンの場合ｎ＝７から１３と変化しても、zは８から１０の範囲に留まる。

計算の第２段階として、MがSiに取り囲まれたことによってSiのダングリングボンドが終端される例を提供する。M=Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、Wに対する電子状態密度をエネルギーの関数として図３４から図４７までに図示した。
図３４から図４７において、実線はM、nを選定した場合の安定構造における、電子状態密度であり、点線は当該安定構造からMを除いたSiのみの系に対する電子状態密度である。そして図３４から図４７では、フェルミ準位まで積分した状態数が後者のそれに一致するように、前者を規格化した。縦軸の単位は１エレクトロンボルト当たりの状態数であり、横軸のゼロがフェルミ準位を表す。
エネルギーのゼロ点はフェルミ準位と呼ばれる電子準位である。全系は基底状態においてフェルミ準位より低いエネルギーの電子状態を持ち、フェルミ準位よりも高いエネルギーをもつ電子状態を取らない。

ここで、ダングリングボンドが終端されたことがフェルミ準位及びその近傍の電子状態密度が少なくなることで判定できることを述べる。そのために、電子準位と化学結合との関係を概説する。フェルミ準位以下のエネルギーをもつ電子状態は原子同士の結合を強めるが、フェルミ準位以上のエネルギーを持つ電子状態は結合を弱める。このため、前者を結合状態、後者を反結合状態と呼ぶことがある。

言い換えれば、フェルミ準位は結合状態と反結合状態を分け隔てるエネルギー値である。ダングリングボンドに起因する電子状態は結合状態と反結合状態のいずれにも属さない非結合の状態であり、そのエネルギーはフェルミ準位に一致する。フェルミ準位以下（以上）のエネルギーであっても、フェルミ準位に近いエネルギーを持つ電子状態は結合的（反結合的）性質が弱まり、非結合的な性質を帯びる。非結合状態は不安定であり、系に電子（正孔）が追加されると非結合状態を解消するため追加された電子（正孔）は当該非結合の軌道に容易に捕獲される。したがって、トランジスタのチャネル内にダングリングボンドがあると、ダングリングボンド起因の非結合状態を解消するため、チャネルに導入されたキャリアはダングリングボンドに捕獲されて電気伝導に寄与しない。

上記を踏まえて図３４から図４７までの各図に示した金属珪素化合物材料を用いたチャネルの電子状態密度（実線の曲線）を見ると、フェルミ準位に於いて電子状態密度が極小となっていることが分かる。Mを除去してSiのみを残した系に対する電子状態密度を図３４から図４７までの各図に点線として重ねて表示した。実線と点線で示した電子状態密度の比較から、金属珪素化合物を用いたチャネルに於いてはSiのダングリングボンドがMによって終端されることが分かる。図４５は、図５に記載の薄膜トランジスタのチャネル材料ＭｏＳｉ_１０膜の電子状態密度である。ＭｏによりＳｉのダングリングボンドが終端されることで、トランジスタが動作する。よって、図３４から図４７までの各図に示した電子状態密度であれば、トランジスタ動作する。

図４８に、図６に示したMoSi₁₀膜の構造に対して、振動状態密度を計算した結果を、水素化アモスファスSiの振動状態密度と比較して示す。水素化アモルファスSiの光学フォノンピーク周波数480cm^-1よりも低波数側の200-400cm^-1の領域で、MoSi₁₀膜の振動状態密度が高くなることが分かる。

図４９に、図５に記載の薄膜トランジスタのチャネルとして合成したMoSi₁₀膜と、水素化アモルファスSi膜のラマンスペクトルを示す。計算結果の予想通り、水素化アモルファスSiの光学フォノンピーク480cm^-1よりも低波数側で、MoSi₁₀膜の振動状態密度が高くなることが観測された。薄膜トランジスタのチャネルを構成しているMoSi₁₀膜の構造と計算シミュレーションで示した膜の構造は、一致するものであると考えられる。

１ゲート電極
２ソース電極
３ＭＳｉ_ｎ膜チャネル
４ゲート絶縁膜
５ドレイン電極
６ＴＦＴ基板
１１ソース・ドレイン電極
１２ＭＳｉ_ｎ膜チャネル
１３ゲート絶縁膜
１４ゲート電極（ｎ型Ｓｉ基板）

Claims

遷移金属原子Ｍの周りをz個のシリコン原子Siが取り囲む遷移金属内包シリコンクラスター（ＭＳｉz）を単位構造とし、シリコンと遷移金属との組成比（＝シリコン／遷移金属）をｎとしたとき、シリコンと遷移金属との組成比（＝シリコン／遷移金属）ｎが７以上１６以下である遷移金属とシリコンの化合物であって、ｎ／Ｚが０．７７８以上１．８１以下である遷移金属珪素化合物薄膜をチャネル領域としたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
ただしＺは、遷移金属原子Ｍの周りを取り囲むシリコン原子の数zの平均値である。
上記遷移金属原子は、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウムのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
遷移金属原子Ｍの周りをz個のシリコン原子Siが取り囲む遷移金属内包シリコンクラスター（ＭＳｉ_z）を単位構造とし、シリコンと遷移金属との組成比（＝シリコン／遷移金属）をｎとしたとき、Ｍがジルコニウムの場合ｎ＝１２から１４であるか、又は、zが１１から１２であること、Ｍがモリブデンの場合ｎ＝７から１３であるか、又は、zが８から１０であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。