JP5466940B2 - 電界効果型トランジスタ及び電界効果型トランジスタの製造方法 - Google Patents
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Description
そこで、低温での成膜が可能な、酸化物半導体薄膜を用いるTFTの開発が活発に行われている。また、上記TFTの開発とともに、酸化物半導体薄膜を用いる半導体デバイスなどの開発も行われている。さらに、平面薄型画像表示装置(Flat Panel Display:FPD)のより一層の薄型化、軽量化、耐破損性の向上を求めて、ガラス基板の代わりに軽量で可撓性のある樹脂基板などを用いる試みも行われている。
また、特許文献2には、活性層(チャンネル層)として、In、Zn及びSnの少なくとも一つを含む非晶質酸化物を用い、さらに、ゲート電極と、ソース電極及びドレイン電極とが自己整合している電界効果型トランジスタの技術が開示されている。
さらに、特許文献3には、一般式ZnXMYInZO(X+3Y/2+3Z/2)(式中、Mはアルミニウム又はガリウムである。)で表される、非晶質酸化物を含有する透明導電体材料の技術が開示されている。
また、特許文献4には、非晶質酸化物を含み構成される活性層を、オゾンガス、窒素酸化物ガス、酸素含有ラジカル、原子状酸素、酸素イオン、及び酸素ラジカルのうちの少なくともいずれかを含む雰囲気中で形成する工程を有する電界効果型トランジスタの製造方法の技術が開示されている。
また、非晶質の透明半導体薄膜は、成膜時に多量の酸素を導入することが多いために制御が難しく、キャリア濃度の経時変化や環境温度による変化が生じやすい。このため、成膜時の酸素分圧を精密に制御する必要がある。すなわち、工業化する際の再現性、安定性などに問題があった。
さらに、非晶質であるため、PANに代表されるエッチング液などへの耐薬品性が低く、半導体膜上の金属配線がウェットエッチングできない。また、屈折率が大きく多層膜の透過率が低下しやすいなどの欠点があった。また、非晶質であるため、雰囲気ガス中の酸素や水などを吸着する。このため、電気特性が変化し、歩留まりが低下するなどのおそれがあった。
すなわち、非晶質酸化物は、電子キャリア濃度の制御が難しく、安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性に劣るという問題点があった。
さらに、この電界効果型トランジスタは、駆動能力の大きなトランジスタ特性を実現するために、ゲート電極とソース電極及びドレイン電極との重なり容量を低減することが要望されていた。
また、非晶質の透明半導体薄膜は、成膜時に多量の酸素を導入することが多いために制御が難しく、キャリア濃度の経時変化や環境温度による変化が生じやすい。このため、成膜時の酸素分圧を精密に制御する必要がある。すなわち、工業化する際の再現性、安定性などに問題があった。
さらに、非晶質であるため、PANに代表されるエッチング液などへの耐薬品性が低く、半導体膜上の金属配線がウェットエッチングできない。また、屈折率が大きく多層膜の透過率が低下しやすいなどの欠点があった。また、非晶質であるため、雰囲気ガス中の酸素や水などを吸着する。このため、電気特性が変化し、歩留まりが低下するなどのおそれがあった。
すなわち、非晶質酸化物は、電子キャリア濃度の制御が難しく、安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性に劣るという問題点があった。
また、本発明は、係る課題に鑑みなされたものであり、透明性や電気的特性、安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などに優れた電界効果型トランジスタの製造方法を提供することを目的とする。
このように、非晶質に比べて優れた特性を有する結晶質酸化物を半導体として用いることにより、電界効果型トランジスタの、透明性や電気的特性、安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などを向上させることができる。また、自己整合することにより、寄生容量を低減することができ、回路動作の高精度化・高速化を実現することができる。さらに、大面積均一性も向上するので、大型の画像表示装置の画像品質を向上させることができる。
このようにすると、酸素欠損により生じるキャリアを消滅させる効果があり、電子キャリア濃度を低減することができる。
また、多結晶の結晶質酸化物からなる薄膜の電子移動度は、単結晶の電子移動度と比較すると、減少する。しかし、この薄膜は、大きな電子移動度を有することができる。
さらに、結晶質酸化物からなる薄膜は、酸素の固定がより安定化する。また、この電界効果移動度は高く、かつ、安定した結晶質酸化物の組成範囲が拡大される。
このようにすると、亜鉛などの正二価元素の少なくとも一部は、インジウムを固溶置換する。これにより、効果的に電子キャリア濃度を低下させることが期待できる。
このようにすると、半導体特性を容易に設定することができるとともに、半導体の付加価値を向上させることができる。
このようにすると、酸素欠損の発生を抑える効果がある。また、正二価元素と正三価元素を同時に使用すれば、さらに効果的にキャリア発生を抑制することができる。
また、多結晶の結晶質酸化物からなる薄膜の電子移動度は、単結晶の電子移動度と比較すると、減少する。しかし、この薄膜は、大きな電子移動度を有することができる。
さらに、結晶質酸化物からなる薄膜は、酸素の固定がより安定化する。また、この電界効果移動度は高く、かつ、安定した結晶質酸化物の組成範囲が拡大される。
このようにすると、B、Al、Ga、Sc、Y及びランタノイド元素の強いイオン結合性によって、結晶質酸化物が効果的に安定化する。
また、ランタノイド元素として、La,Nd,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luなどが挙げられる。
このようにすると、半導体特性を容易に設定することができるとともに、半導体の付加価値を向上させることができる。
このようにすると、off電流を小さくすることができ、on/off比を大きくすることができる。
また、非縮退半導体とは、非縮退伝導を示す半導体をいい、ここでの非縮退伝導とは、電気抵抗の温度依存性における熱活性化エネルギーが、30meV以上の状態をいう。
このようにすると、製造工程の自由度が増加し、半導体デバイスを効率よく製造することができる。
このようにすると、自己整合することができ、寄生容量が低減され、回路動作の高精度化・高速化を実現することができる。
このようにすると、自己整合することができ、寄生容量が低減され、回路動作の高精度化・高速化を実現することができる。
このようにすると、活性層を形成する際、酸化物が結晶化され結晶質酸化物とすることができる。したがって、例えば、後工程において、専用の結晶化工程を設けなくてもすみ、生産性を向上させることができる。また、非晶質に比べて優れた特性を有する結晶質酸化物を半導体として用いる。これにより、電界効果型トランジスタの、透明性や電気的特性、安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などを向上させることができる。
このようにすると、酸素欠損の発生を効果的に抑えることができるので、酸素欠損により生じるキャリアが減少し、電子キャリア濃度を低減することができる。
このようにすると、確実に結晶質酸化物を成膜することができる。さらに、基板の熱変形などを抑制することができる。
このようにすると、量産性を向上させることができる。
このようにすると、工程設計の自由度を大きくすることができる。すなわち、通常、非晶質の酸化物は、PAN系エッチング液や蓚酸系エッチング液に対して可溶であるため、金属層などとともに、一括エッチングすることができる。また、非晶質の酸化物を結晶化させると、この結晶化された酸化物は、PAN系エッチング液や蓚酸系エッチング液にも溶解しなくなる。したがって、ハーフトーン露光と選択エッチングを組み合わせることにより、生産性を向上させることができる。
このようにすると、容易に酸化物が結晶化され結晶質酸化物とすることができる。
このようにすると、確実に結晶質酸化物を成膜することができる。さらに、基板の熱変形などを抑制することができる。
このようにすると、酸素欠損の発生を効果的に抑えることができる。したがって、酸素欠損により生じるキャリアが減少し、電子キャリア濃度を低減することができる。
このようにすると、量産性を向上させることができる。
このようにすると、酸素欠損により生じるキャリアを消滅させる効果があり、電子キャリア濃度を低減することができる。
また、多結晶の結晶質酸化物からなる薄膜の電子移動度は、単結晶の電子移動度と比較すると、減少する。しかし、この薄膜は、大きな電子移動度を有することができる。
さらに、結晶質酸化物からなる薄膜は、酸素の固定がより安定化する。また、この電界効果移動度は高く、かつ、安定した結晶質酸化物の組成範囲が拡大される。
このようにすると、亜鉛などの正二価元素の少なくとも一部は、インジウムを固溶置換する。これにより、効果的に電子キャリア濃度を低下させることが期待できる。
このようにすると、半導体特性を容易に設定することができるとともに、半導体の付加価値を向上させることができる。
このようにすると、酸素欠損の発生を抑える効果がある。また、正二価元素と正三価元素を同時に使用すれば、さらに効果的にキャリア発生を抑制することができる。
また、多結晶の結晶質酸化物からなる薄膜の電子移動度は、単結晶の電子移動度と比較すると、減少する。しかし、この薄膜は、大きな電子移動度を有することができる。
さらに、結晶質酸化物からなる薄膜は、酸素の固定がより安定化する。また、この電界効果移動度は高く、かつ、安定した結晶質酸化物の組成範囲が拡大される。
このようにすると、B、Al、Ga、Sc、Y及びランタノイド元素の強いイオン結合性によって、結晶質酸化物が効果的に安定化する。
また、ランタノイド元素として、La,Nd,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luなどが挙げられる。
このようにすると、半導体特性を容易に設定することができるとともに、半導体の付加価値を向上させることができる。
このようにすると、基板の表面に付着していた不純物が除去され、表面が清浄化される。
このようにすると、off電流を小さくすることができ、on/off比を大きくすることができる。
また、非縮退半導体とは、非縮退伝導を示す半導体をいい、ここでの非縮退伝導とは、電気抵抗の温度依存性における熱活性化エネルギーが、30meV以上の状態をいう。
このようにすると、製造工程の自由度が増加し、半導体デバイスを効率よく製造することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る電界効果型薄膜トランジスタの要部の概略断面図を示している。
図1において、電界効果型薄膜トランジスタ1001(適宜、TFT1001と略称する。)は、トップゲート型の薄膜トランジスタである。このTFT1001は、結晶質酸化物1021と、ソース電極1022及びドレイン電極1023と、ゲート絶縁膜1024と、ゲート電極1025とを備えている。
結晶質酸化物1021は、活性層であり、透明なガラス基板1010上に形成される。ソース電極1022及びドレイン電極1023は、結晶質酸化物1021及びガラス基板1010上に所定の隙間を空けて形成される。ゲート絶縁膜1024は、結晶質酸化物1021、ソース電極1022及びドレイン電極1023上に積層される。ゲート電極1025は、結晶質酸化物1021の上方のゲート絶縁膜1024上に形成される。
なお、TFT1001は、上記構成のトップゲート型のTFTに限定されるものではなく、例えば、ボトムゲート型などの様々な構成のTFTであってもよい。また、TFT1001が形成される基体は、ガラス基板1010に限定されるものではなく、たとえば、透明な樹脂基板や可撓性を有する透明な樹脂フィルムなどであってもよい。
次に、上記自己整合について、図面を参照して説明する。
先ず、図2(a)に示すように、電界効果型薄膜トランジスタ1001は、透明なガラス基板1010上にスパッタリング法等により、透明なアモルファス酸化インジウム薄膜(ここで、酸化亜鉛5wt%+酸化インジウム95wt%のターゲットを使用する。)が堆積し、パターニングされる。続いて、空気中で、300℃1時間の熱処理が施され、これにより、上記アモルファス酸化インジウム薄膜が、結晶質酸化物1021(結晶質酸化インジウム薄膜)となる。
ここで、Mo/Al/Mo薄膜及びIZO膜は、燐酸、酢酸及び硝酸からなる水溶液(適宜、PANと略称する。)により、ともにパターニングされる。すなわち、結晶質酸化物1021は、PANに対する耐性を有しているので、選択的にソース電極1022及びドレイン電極1023を形成できる。
ここで、ゲート絶縁膜1024と結晶質酸化物1021(活性層)との界面に欠陥が存在すると、電子移動度の低下及びトランジスタ特性にヒステリシスが生じる。また、ゲート絶縁膜1024の種類により、リーク電流が大きく異なる。このために、活性層に適合したゲート絶縁膜1024を選定する必要がある。Al2O3膜を用いれば、リーク電流を低減できる。また、SiO2膜を用いればヒステリシスを小さくできる。さらに、高誘電率のSiNX膜を用いれば、電界効果移動度を大きくすることができる。また、これらの化合物の混合からなる膜を用いて、リーク電流、ヒステリシスが小さく、電界効果移動度の大きなTFTを形成できる。また、ゲート絶縁膜1024及び結晶質酸化物1021の形成プロセスは、室温で行うことができるので、TFT構造として、トップゲート型及びボトムゲート型のいずれをも形成することができる。
ここで、ガラス基板1010は透明であり、ソース電極1022及びドレイン電極1023は遮光性を有しており、ゲート絶縁膜1024は透明であり、また、結晶質酸化物1021は、その吸収端がおよそ3.7eVである。したがって、これよりエネルギーの弱い光、すなわち、長い波長の光源で、ポジレジスト膜1026が露光される。また、上記波長範囲では、結晶質酸化物1021における光の吸収がほぼ無いので、光照射による半導体層(結晶質酸化物1021)の劣化を回避することができる。
続いて、ポジレジスト膜1026及びゲート絶縁膜1024上に、ゲート電極1025となる金属薄膜が堆積する。
また、チャンネル長=50μm、チャンネル幅=500μmのトップゲート型の電界効果型薄膜トランジスタ1001を作製したところ、ゲート電極1025とソース電極1022との重なり幅は、約0.5μm以下であり、また、ゲート電極1025とドレイン電極1023との重なり幅は、約0.5μm以下であった。なお、ゲート電極1025を専用のマスクを用いて作製したところ、ゲート電極1025とソース電極1022との重なり幅が約3μmであり、また、ゲート電極1025とドレイン電極1023との重なり幅が同じく約3μmであった。
さらに、電界効果型薄膜トランジスタ1001が容量性の負荷を駆動する場合には、スイッチング速度は、半導体層の移動度のみで決定されるものではなく、電極重なり容量にも依存している。すなわち、この電極重なり容量が低減されるので、電界効果型薄膜トランジスタ1001のスイッチング速度を速くすることができる。
また、電界効果型薄膜トランジスタ1001は、液晶セルのような容量性の負荷が接続される場合であっても、電極重なり容量が低減されている。したがって、負荷する電圧を低く抑えるとともに、重なり容量に起因する表示のばらつきが抑制され、画像表示装置の画像品質を向上させることができる。
次に、自己整合の第一及び第二応用例について、図面を参照して説明する。
図3は、本発明の一実施形態に係る電界効果型薄膜トランジスタの第一応用例の、自己整合を説明するための要部の概略図であり、(a)は結晶質酸化物の形成された断面図を示しており、(b)はソース電極及びドレイン電極の形成された断面図を示しており、(c)はゲート絶縁膜、レジスト及びゲート電極の積層された断面図を示しており、(d)はゲート電極の形成された断面図を示している。
先ず、図3(a)に示すように、トップゲート型の電界効果型薄膜トランジスタ1001aは、透明なガラス基板1010上に、Mo/Al/Mo及びIZO膜(ここで、酸化亜鉛10.7wt%+酸化インジウム89.3wt%のターゲットを使用する。)が成膜され、フォトリソ法によりエッチング加工され、ソース電極1022及びドレイン電極1023が形成される。なお、図中では、Mo/Al/Mo薄膜とIZO膜を区別せずに図示してある。
続いて、空気中で、300℃1時間の熱処理が施され、これにより、上記透明アモルファス酸化インジウム薄膜が結晶質酸化物1021(結晶質酸化インジウム薄膜)となる。
次に、上述したように、ソース電極1022及びドレイン電極1023をマスクとして、基板側から(図中、ガラス基板1010の下方から)ポジレジスト膜1026が、例えば、波長436nmのg線又は波長365nmのi線等で露光される。
図4は、本発明の一実施形態に係る電界効果型薄膜トランジスタの第二応用例の、自己整合を説明するための要部の概略図であり、(a)はゲート電極の形成された断面図を示しており、(b)はゲート絶縁膜が積層され、結晶質酸化物が形成された断面図を示しており、(c)はレジスト、ソース電極及びドレイン電極の積層された断面図を示しており、(d)はソース電極及びドレイン電極の形成された断面図を示している。
先ず、図4(a)に示すように、ボトムゲート型の電界効果型薄膜トランジスタ1001bは、透明なガラス基板1010上に、金属薄膜からなるゲート電極1025が形成される。
続いて、ポジレジスト膜1026が現像されると、ポジレジスト膜1026は、ゲート電極1025のパターンに対応する非露光部分が残り、それ以外の露光部分が除去される。残ったポジレジスト膜1026のソース電極1022及びドレイン電極1023に対応する端部は、先に形成されたゲート電極1025の端部と一致する。さらに、ゲート絶縁膜1024、結晶質酸化物1021及びポジレジスト膜1026上に、IZO膜(ここで、酸化亜鉛10.7wt%+酸化インジウム89.3wt%のターゲットを使用する。)及びMo/Al/Moが成膜される。なお、図中では、Mo/Al/Mo薄膜とIZO膜を区別せずに図示してある。
また、チャンネル長=50μm、チャンネル幅=500μmのボトムゲート型の電界効果型薄膜トランジスタ1001bを作製したところ、ゲート電極1025とソース電極1022との重なり幅は、約0.1μmであり、また、ゲート電極1025とドレイン電極1023との重なり幅は、約0.1μmであった。なお、ソース電極1022及びドレイン電極1023を専用のマスクを用いて作製したところ、ゲート電極1025とソース電極1022との重なり幅が約4μmであり、また、ゲート電極1025とドレイン電極1023との重なり幅が同じく約4μmであった。
また、電子キャリア濃度の測定は、ホール効果測定により求める。約1017/cm3未満の電子キャリア濃度の測定は、ACホール測定で行うことが好ましい。この理由は、DCホール測定では測定値のばらつきが大きく、測定の信頼性が低くなるおそれがあるからである。
なお、薄膜に含ませる結晶質は、単結晶又は多結晶(エピタキシャル膜を含む。)のいずれであってもよいが、工業的に製造が容易で、大面積化が可能な多結晶膜が好ましい。また、単結晶は、製造プロセスや使用時における屈曲や衝撃でクラックが発生するおそれがあるため、このことからも多結晶が好ましい。
また、本発明において、結晶質酸化物1021とは、X線回折スペクトルにおいて、特定の回折線を示す酸化物をいう。一方、非晶質酸化物とは、ハローパターンが観測され、特定の回折線を示さない酸化物をいう。
このようにすると、off電流を小さくすることができ、on/off比を大きくすることができる。
このようにすると、酸素欠損により生じるキャリアを消滅させる効果によって、電子キャリア濃度を低減することができる。また、ITOなどで知られている通り、キャリアの平均自由工程は、結晶状態の結晶粒子の大きさより小さいことから、結晶粒子の大きさに依存しない。このことから、結晶質酸化物1021は、高電子移動度の結晶薄膜となることができる。さらに、酸化インジウムでは、添加している元素が二価の金属元素であることから、この二価の金属元素と酸素がイオン結合している。したがって、正二価元素の酸化物は、キャリア散乱因子にはならず、電子移動度を高く保つことができる。
また、この多結晶の結晶質酸化物1021からなる薄膜の電子移動度は、単結晶の電子移動度と比較すると劣るものの、大きな電子移動度を有することができる。さらに、正二価元素を含有することにより、結晶質酸化物1021からなる薄膜は、より安定化する。また、電界効果移動度が高く、かつ、安定した結晶質酸化物の組成範囲を広げることもできる。
なお、上記正二価元素とは、イオン状態での価数として正二価を取りうる元素のことをいい、同様に、正三価元素とは、イオン状態での価数として正三価を取りうる元素のことをいう。
このようにすると、Znなどの正二価元素の少なくとも一部は、インジウムを固溶置換し、これにより、効果的に電子キャリア濃度を低下させる。なお、添加したZnなどの金属の固溶置換している量に制限はなく、一部でも固溶置換していればよく、結晶質酸化物1021は、混合酸化物であってもよい。
また、Znとその他の二価のMg、Ni、Co、Cuを同時に添加してもよい。たとえば、ZnとMgを同時に添加する場合、単独でZnを添加した場合と比べて、電子移動度は増加する。その程度は、室温での電子移動度において、約10cm2/(V・sec)であり、アモルファスシリコンに比べて、1桁以上大きな増加となる。さらに、同じ条件で成膜した場合、Mg含有量の増加に対して、電気抵抗率も増加し、電子移動度は低下するので、好ましくは、ZnとMgからなる正二価元素の含有量は、全金属原子に対して、0.5原子%超、10原子%未満とするとよい。この理由は、0.5原子%以下では、結晶化しても電気抵抗の向上が見られなかったりするからであり、また、10原子%以上では、結晶化しにくくなり、結晶化温度を高く設定する必要がでてきて、エネルギーの消費が大きくなり、経済的でなくなるからである。
0.005<[M2]/[A]<0.1
であるとよい。
このようにすると、より安定な結晶質酸化物を得ることができる。また、電子キャリア濃度を1018/cm3未満に制御できる。
また、より好ましくは、0.01≦[M2]/[A]<0.08である。なお、例えば、Znの代わりにMgを選択しても、ほぼ同様の結果が得られ、Zn、Mg、Ni、Co及びCuは、それぞれほぼ同様の効果を奏する。
なお、酸素を含む雰囲気中で成膜し、さらに、結晶化のための熱処理を行うことによって、キャリア制御と酸素欠損を消滅させることにより、所定の電子キャリア濃度(1018/cm3未満)にしたり、成膜後の後処理でも酸素を含む雰囲気中で後処理してもよい。また、所定の電子キャリア濃度(1018/cm3未満)を得られるのであれば、成膜時には、酸素分圧制御は行わないで、成膜後の後処理を、酸素を含まない雰囲気中で行ってもよい。
このようにしても、酸素欠損により生じるキャリアを消滅させる効果によって、電子キャリア濃度を低減することができる。また、この多結晶の結晶質酸化物1021からなる薄膜の電子移動度は、単結晶の電子移動度と比較すると劣るものの、大きな電子移動度を有することができる。さらに、正三価元素を含有することにより、結晶質酸化物1021からなる薄膜は、より安定化する。また、電界効果移動度が高く、かつ、安定した結晶質酸化物の組成範囲を広げることもできる。さらに、酸化インジウムでは、添加している元素が三価の金属元素であることから、この三価の金属元素と酸素がイオン結合している。したがって、正三価元素の酸化物は、キャリア散乱因子にはならず、電子移動度を高く保つことができる。
このようにすると、B、Al、Ga、Sc、Y及びランタノイド元素の強いイオン結合性によって、結晶質酸化物が効果的に安定化する。また、イオン半径の差の小さいイオンから構成される複合酸化インジウムは、結晶相がより安定化する。たとえば、In−ランタノイド元素−酸素系の結晶質酸化物1021では、ランタノイド元素の原子番号が大きくなるほどイオン半径は小さくなり、インジウムのイオン半径に近づく。これにより、原子番号の小さなイオンでは、熱処理での安定な結晶質酸化インジウム膜は得難いが、好ましくは、ランタノイド元素の含有量は、全金属原子に対して、0.5原子%〜5原子%とするとよい。このようにすると、安定な結晶質膜を得ることができ、また、原子番号の大きなイオンでは、熱処理で安定な結晶質酸化インジウム膜が得やすくなり、非常に安定な結晶質膜を得ることができる。
また、B、Al、Ga、Sc、Y及びランタノイド元素は、酸素との結合が強く(金属の仕事関数がIn金属より小さい)、結晶化したときに酸素欠陥を生じにくい。したがって、酸素欠損に起因するキャリアの発生を効果的抑制することができる。
0.005<[M3]/[A]<0.05
であるとよい。この理由は、0.5原子%以下では、添加の効果が得られない場合があり、また、5原子%以上では、結晶化温度が高くなりすぎ、実用的でないからである。
このようにすると、より安定な結晶質酸化物を得ることができ、また、電子キャリア濃度を1018/cm3未満に制御できる。
なお、例えば、Bの代わりにYを選択しても、ほぼ同様の結果が得られ、B、Al、Ga、Sc、Y及びランタノイド元素は、それぞれほぼ同様の効果を奏する。
0.005<[M2]/[A]<0.1
0.005<[M3]/[A]<0.05
であるとよい。
このようにすると、より安定な結晶質酸化物を得ることができる。また、電子キャリア濃度を1018/cm3未満に制御できる。
また、電界効果型薄膜トランジスタ1001は、ピンチオフ状態では、ゲート端子に高電圧が印加され、活性層中には高密度の電子が存在している。したがって、本発明によれば、電子移動度が増加した分だけ、より飽和電流値を大きくすることができる。この結果、on−off比の増大、飽和電流の増大、スイッチング速度の増大など、トランジスタ特性の向上が期待できる。
次に、結晶質酸化物1021からなる薄膜の成膜例1について説明する。
(第1の成膜法:スパッタ法)
この成膜方法は、In2O3(ZnO)m組成(ここで、mは2から20の整数)を含有する酸化インジウム多結晶焼結体をターゲットとして、気相成膜法を用いるのがよい。気相成膜法の中でも、スパッタ法、パルスレーザー蒸着法が適している。さらに、量産性の観点から、スパッタ法が最も適している。
しかしながら、通常の条件で該非晶質膜を作成すると、主として酸素欠損が生じ、これまで、電子キャリア濃度を1018/cm3未満、電気抵抗にして、102Ωcm以上にすることができなかった。このような膜を用いた場合、ノーマリーオフのトランジスタを構成することができない。
図5は、成膜例1及び成膜例2に係る結晶質酸化物を作製したスパッタ装置の概略図を示している。
図5において、スパッタ装置1005は、成膜室(チャンバー)1051内に、冷却・加熱機構付きの基板ホルダー1052、シャッター1053、電極1054及びシールド1055が設けられている。また、成膜室1051内を真空にするための、メインバルブ1511、ターボ分子ポンプ1512、油回転ポンプ1513、リークバルブ1514、真空計1515などを備えている。また、成膜室1051には、バリアブルリークバルブ1516を介して、酸素ガスやArガスが供給される。また、電極1054は、絶縁体1517を介して成膜室1051に取り付けられており、DC電源から電力が供給され、さらに、冷却水により冷却される。また、基板1056が基板ホルダー1052に載置され、ターゲット1057が電極1054に取り付けられる。
また、多結晶ターゲットには、In2O3(ZnO)4を有する酸化インジウム多結晶体ターゲット(サイズ:直径4インチ、厚さ5mm)を用いた。このターゲットの出発原料を、In2O3:ZnO4(各4N試薬)とした。また、ターゲットは、この出発原料の湿式混合(溶媒:エタノール)、スプレイドライヤーによる乾燥造粒、一軸プレスによる成型、冷間静水圧プレスによる成型、及び、焼結(1450℃にて36時間)によって、作製された。こうして作製したターゲットのバルク抵抗は、0.005(Ωcm)以下であり、導電性に優れたものであった。これにより、RF及びDCでのスパッタ成膜が可能になる。
スパッタチャンバー内の酸素分圧は、0.009Pa、基板温度は室温であった。
なお、ターゲットと成膜基板間の距離は、80mmであり、DCスパッタの電力は100Wから200Wの範囲であった。
その膜を、空気中、300℃で、1時間熱処理した後に、薄膜のすれすれ入射X線回折(薄膜法、入射角0.5度)を行ったところ、明瞭な回折ピークが現れ、結晶質酸化インジウムのビックスバイト構造であることが判明し、結晶質酸化インジウムであった。
比抵抗は、約104Ωcm以上であった。電子キャリア濃度は約1016/cm3以下であり、電子移動度は約5cm2/(V・秒)と推定された。
光吸収スペクトルの解析から、作製したアモルファス薄膜の禁制帯エネルギー幅は、約3.5eVと求まった。以上のことから、作製した結晶質酸化インジウム系薄膜は、ビックスバイト結晶相を呈しており、酸素欠損が少なく、電気抵抗が大きな透明な平坦薄膜であった。
図6は、成膜例1に係る結晶質酸化物の結晶化温度と電子キャリア濃度のグラフを示している。
図6において、細線は、酸化インジウムに、正二価元素(Zn、Mg、Ni、Co、Cuのうち、代表としてZn)を含む結晶質酸化物1021(適宜、細線の結晶質酸化物と略称する。)について示している。細線の結晶質酸化物には、酸化亜鉛を約0.2〜6wt%含有し、残量が酸化インジウムであるスパッタリングターゲットを用いた。また、空気中にて各温度で1時間の熱処理を行い、ホール測定によりキャリア濃度を測定するとともに、同じサンプルを用いてX線回折法により結晶性を確認した。
また、点線は、酸化インジウムに、前記インジウム以外の正三価元素(B、Al、Ga、Sc、Y、La,Nd,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luのうち、代表としてYb)を含む結晶質酸化物1021(適宜、点線の結晶質酸化物と略称する。)について示している。点線の結晶質酸化物には、酸化イッテルビウムを約0.2〜3wt%含有し、残量が酸化インジウムであるスパッタリングターゲットを用いた。また、空気中にて各温度で1時間の熱処理を行い、ホール測定によりキャリア濃度を測定するとともに、同じサンプルを用いてX線回折法により結晶性を確認した。
太い破線は、酸化インジウムのみの結晶質酸化物(適宜、破線の結晶質酸化物と略称する。)について示している。
細線の結晶質酸化物は、結晶化温度が約180℃のポイントから電子キャリア濃度が急激に低下し、結晶化温度が約220℃のポイントで電子キャリア濃度の低下がとまった。例えば、細線の結晶質酸化物は、結晶化温度が約250℃のポイントで結晶化させると、電子キャリア濃度は約1×1015/cm3であった。また、X線回折により確認したところ、180℃以上の温度で加熱処理した酸化物は、明確なピークが観察され、ビックスバイト構造であることが確認できた。
また、点線の結晶質酸化物は、結晶化温度が約210℃のポイントから電子キャリア濃度が急激に低下し、結晶化温度が約230℃のポイントで電子キャリア濃度の低下が止まった。例えば、点線の結晶質酸化物は、結晶化温度が約250℃のポイントで結晶化させると、電子キャリア濃度は約1016/cm3であった。また、X線回折により確認したところ、180℃以上の温度で加熱処理した酸化物は、明確なピークが観察され、ビックスバイト構造であることが確認できた。
一方、破線の結晶質酸化物は、結晶化温度が約240℃のポイントから電子キャリア濃度が急激に低下するが、結晶化温度が約250℃のポイントで電子キャリア濃度の低下が止まった。例えば、破線の結晶質酸化物は、結晶化温度が約250℃のポイントで結晶化させたとしても、電子キャリア濃度は約1019/cm3であった。
すなわち、点線の結晶質酸化物及び細線の結晶質酸化物は、結晶化温度を制御することにより、半導体として好ましい電子キャリア濃度(約1018/cm3未満)を有することができた。
[ホール測定装置]
東陽テクニカ製:Resi Test8310
[測定条件]
室温(約25℃)、約0.5[T]、約10−4〜10−12A、AC磁場ホール測定
また、結晶化処理を、酸素を所定濃度含む雰囲気中で行うことによって、効果的に結晶化を制御することもできる。
さらに、図示してないが、正二価元素や正三価元素の添加量をさらに増やし、結晶化しやすくするために高温で成膜した後、さらに熱処理温度も高温で処理すると、電子キャリア濃度をさらに低下させることができた。
また、本発明における電子キャリア濃度の下限としては、得られる酸化インジウム膜をどのような素子や回路あるいは装置に用いるかにもよるが、例えば1014/cm3である。
なお、本実施形態では、まず、低温で非晶質の酸化物が成膜され、次に、結晶化温度まで加熱して、所望のキャリア濃度の結晶質酸化物1021としているが、これに限定されるものではない。たとえば、成膜する際に、高温で成膜し結晶質酸化物1021を形成する方法としてもよい。
さらに、成膜時に酸素を含む雰囲気中で行い、かつ、成膜後の結晶化処理でも酸素を含む雰囲気中で処理してもよい。また、所定の電子キャリア濃度(1018/cm3未満)を得られるのであれば、成膜時には、酸素分圧制御は行わないで、成膜後の後の結晶化処理を、酸素を含む雰囲気中で行ってもよい。
次に、得られた結晶質酸化物1021の電子キャリア濃度と電子移動度に関する測定結果について、図面を参照して説明する。
図7は、成膜例1に係る結晶質酸化物の電子キャリア濃度と電子移動度のグラフを示している。
図7において、黒塗りの三角印は、酸化インジウムに、正二価元素(例えば、Zn)を含む結晶質酸化物1021(適宜、三角印の結晶質酸化物と略称する。)について示している。また、白塗りの三角印は、酸化インジウムに、正二価元素を含むアモルファスの酸化物について示している。
また、黒塗りの菱形印は、酸化インジウムに、ランタノイド元素(例えば、Yb)を含む結晶質酸化物1021(適宜、菱形印の結晶質酸化物と略称する。)について示している。
さらに、丸印は、酸化インジウムのみの結晶質酸化物(適宜、丸印の結晶質酸化物と略称する。)について示している。白塗りの菱形印は、酸化インジウムに、ランタノイド元素を含むアモルファスの酸化物について示している。
なお、菱形印の結晶質酸化物及び三角印の結晶質酸化物は、結晶化温度やランタノイド元素及び正二価元素の含有量などを制御して作製した。また、電子キャリア濃度を1018/cm3未満にするためには、酸素分圧の条件、熱処理温度の条件、成膜装置の構成や、成膜する材料や組成などにも依存する。
なお、丸印の結晶質酸化物は、作製条件(結晶化温度)を制御しても、電子キャリア濃度が、約1019/cm3〜約1020/cm3であり、また、電子移動度が、約100cm2/V・secであった。さらに、上記三角印の結晶質酸化物及び菱形印の結晶質酸化物の測定結果は一例であり、作製条件を制御することにより、図示してないが、より優れた特性を有する結晶質酸化物1021を作成することができた。
また、アモルファスである白塗りの三角印や菱形印は、電子キャリア濃度が、約1018/cm3を超えており、また、電子移動度が、十数cm2/V・sec〜数十cm2/V・secであった。
この特異な特性を有効に利用することにより、電子キャリア濃度や電子移動度を所望する値に自在に設定することができ、様々な半導体デバイスにとってより好適な半導体特性を有する結晶質酸化物1021を提供することができる。また、半導体デバイスの付加価値を向上させることができる。
また、電界効果型薄膜トランジスタ1001は、ピンチオフ状態のとき、ゲート電極1025に高電圧が印加され、活性層としての結晶質酸化物1021中に、高密度の電子が存在している。したがって、本発明によれば、電子移動度が増加した分だけ、より飽和電流値を大きくすることができ、on−off比の増大、飽和電流の増大、スイッチング速度の増大など、ほとんど全てのトランジスタ特性が向上する。
なお、酸化インジウム(In2O3)膜は、気相法により成膜でき、成膜中の雰囲気に水分を、0.1Pa程度添加することにより、アモルファス膜が得られる。このアモルファス酸化インジウム膜も、熱処理により結晶質酸化インジウムにすることができる。しかしながら、結晶膜を得ることはできるが、In2O3単独膜の場合、成膜中の雰囲気中に酸素ガスを30%程度導入しても、安定した半導体特性を示さない。
本成膜例では、結晶質酸化物1021が、雰囲気ガスとしてアルゴンガスを用いた直流型(DC)スパッタ法により成膜された。なお、直流型(DC)スパッタ法に限定されるものではなく、たとえば、高周波(RF)スパッタ法を用いてもよい。
なお、スパッタ装置は、上記成膜例1で使用したスパッタ装置を使用した。
ターゲット材料としては、In2O3(ZnO)4組成を含む酸化インジウム多結晶焼結体(サイズ:直径4インチ、厚さ5mm)を用いた。
この焼結体の出発原料を、99wt%In2O3:1wt%ZnO(各4N試薬)とした。また、焼結体は、この出発原料の湿式混合(溶媒:エタノール)、スプレイドライヤーによる乾燥造粒、一軸プレスによる成型、冷間静水圧プレスによる成型、及び、本焼結(1450℃にて36時間)によって、作製された。こうして作製したターゲットの比抵抗は、0.005(Ωcm)であった。
また、基板温度は、室温とし、ターゲットと成膜用膜基板との間の距離は、80mmであった。基板ホルダー1052には回転機構を装着しておき、回転させながら成膜することにより均一性に優れた薄膜を得られた。
投入電力は、DC100Wであり、成膜レートは、5nm/mmで行った。
さらに、X線反射率測定を行い、パターンの解析を行った結果、薄膜の平均二乗粗さ(Rrms)は約0.8nmであり、ICP法による分析の結果、結晶質酸化物に含まれる全金属元素の原子の数(=[A])に対するZnの原子の数(=[Zn])の原子比は、[Zn]/[A]=0.018であった。また、本成膜例では、[A]=[In]+[Zn]であった。なお、[In]は、結晶質酸化物に含まれるInの原子の数である。
次に、添加する正二価元素及び正三価元素の種類や組成などを変化させ、さらに、作製条件を制御して、複数の結晶質酸化物1021を作製した。
次に、これら結晶質酸化物1021の一部における、添加物比と電気抵抗率(比抵抗)に関する測定結果について、図面を参照して説明する。
図8は、成膜例2に係る結晶質酸化物における、添加物の原子比と電気抵抗率のグラフを示している。
図8において、黒塗りの三角印は、酸化インジウムに、正二価元素(M=Zn、Mg、Ni、Co、Cuのうち少なくとも一つ)を含む結晶質酸化物1021(適宜、三角印の結晶質酸化物と略称する。)について示している。また、白塗りの三角印は、酸化インジウムに、正二価元素を含むアモルファスの酸化物について示している。
また、菱形印は、酸化インジウムに、前記インジウム以外の正三価元素(M=B、Al、Ga、Sc、Y、La,Nd,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luのうち少なくとも一つ)を含む結晶質酸化物1021(適宜、菱形印の結晶質酸化物と略称する。)について示している。また、白塗りの菱形印は、酸化インジウムに、前記インジウム以外の正三価元素を含むアモルファスの酸化物について示している。
さらに、丸印は、酸化インジウムのみの結晶質酸化物(適宜、丸印の結晶質酸化物と略称する。)について示している。
また、上記菱形印の結晶質酸化物は、結晶質酸化物1021に含まれる全金属元素の原子の数(=[A])に対する正三価元素の添加物Mの原子の数(=[M])の原子比%(=[M]/[A])が、約0.3%〜4.2%のとき、電気抵抗率が、約102Ωcm〜103Ωcmであった。また、正三価元素の添加量約6原子%で成膜した、アモルファスの酸化インジウム薄膜は、電気抵抗が低下し、導電性薄膜になった。
なお、丸印の結晶質酸化物は、電気抵抗率が、約10−3Ωcmであった。
また、結晶化温度をさらに高温にすることにより、添加する酸化亜鉛の量をさらに増量することは可能であるが、高温処理するエネルギーを考えると、工業的には好ましくない。
なお、本成膜例で示したスパッタ装置1005や材料などを用いる場合は、スパッタによる成膜後の結晶化処理条件は、例えば、空気中で200℃以上300℃以下の範囲とするとよい。また、図示してないが、本成膜例の結晶質酸化物1021も、電子キャリア濃度が増加するとともに、電子移動度も対数的に比例して増加した。さらに、電気抵抗率を高めるための不純物イオンを意図的に添加せず、酸素ガスを含む雰囲気中で、成膜することも好ましい形態である。
このようにすると、製造工程の自由度が増加し、TFT1001を効率よく製造することができる。また、ソース電極1022やドレイン電極1023をPAN系エッチング液によりエッチングする際、ダメージを受けないので信頼性などが向上する。なお、本実施形態の結晶質酸化物1021は、非晶質の状態でパターニングされ、その後結晶化される。結晶化された結晶質酸化物1021は、通常PAN耐性を有するので、ソース電極1022及びドレイン電極1023を容易にパターニングすることが可能となる。
なお、「PAN耐性を有する」とは、PAN系エッチング液によるエッチング速度が約10nm/分未満であることをいう。なお、一般的に、PAN系エッチング液(リン酸、硝酸、酢酸を含むエッチング液)は、通常リン酸が約45〜95wt%、硝酸約0.5〜5wt%、酢酸約3〜50wt%の範囲にあるものが用いられる。
次に、上記結晶質酸化物1021を用いた電界効果型薄膜トランジスタ1001(図1,2参照)の製作例1について、説明する。
上述した手法により、チャンネル長=50μm、チャンネル幅=500μmのトップゲート型の電界効果型薄膜トランジスタ1001を作製した。
本製作例の電界効果型薄膜トランジスタ1001のon−off比は、105以上であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約7cm2/V・secの電界効果移動度が得られた。さらに、閾値電圧(Vth)は、約+2.0Vであり、ノーマリーオフの特性を示し、また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。さらに、ゲート電圧を印加しないとき、ソース電極1022とドレイン電極1023の間に約5Vの電圧を印加したところ、ソース電極1022とドレイン電極1023間の電流を約10−7アンペヤにすることができた。
また、作製した電界効果型薄膜トランジスタ1001に可視光を照射して同様の測定を行ったが、トランジスタ特性の変化は認められなかった。すなわち、本実施形態によれば、電子キャリア濃度が小さく、したがって、電気抵抗率が高く、かつ、電子移動度が大きい活性層を有する薄膜トランジスタを実現できた。
次に、本製作例1の電界効果型薄膜トランジスタ1001の電流−電圧特性について、図面を参照して説明する。
図9は、製作例1に係る電界効果型薄膜トランジスタの電流−電圧特性のグラフを示している。
図9において、室温下で測定した電界効果型薄膜トランジスタ1001の電流−電圧特性を示しており、ゲート電圧VGSの増加に伴い、ドレイン電流IDSが増加したことからチャネルがn型半導体であることが分かる。これは、結晶質酸化物インジウム系半導体がn型であるという事実と矛盾しない。
また、IDSは、VDS=10V付近で飽和(ピンチオフ)する典型的な半導体トランジスタの挙動を示した。利得特性を調べたところ、VDS=4V印加時におけるゲート電圧VGSの閾値は約2.0Vであった。また、VG=10V時には、IDS=1.0×10−5Aの電流が流れた。これはゲートバイアスにより、絶縁性半導体の結晶質酸化インジウム半導体薄膜内にキャリアを誘起できたことに対応する。
例えば、電界効果型薄膜トランジスタは、上述した製作例のボトムゲート型やトップゲート型の構造に限定されるものではなく、様々な構造の電界効果型薄膜トランジスタであってもよい。
図10は、本発明の第一実施形態に係る電界効果型薄膜トランジスタの製造方法を説明するための概略フローチャート図を示している。
また、図11は、本発明の第一実施形態に係る電界効果型薄膜トランジスタの製造方法を説明するための、要部の概略図であり、(a)は洗浄された基板の断面図を示しており、(b)は活性層の形成された断面図を示しており、(c)はソース電極及びドレイン電極の形成された断面図を示しており、(d)はゲート絶縁膜の積層された断面図を示しており、(e)はゲート電極の形成された断面図を示している。
図10及び図11(a)において、まず、ガラス基板2010が用意され、このガラス基板2010が洗浄される(ステップS2001)。このようにすると、ガラス基板2010の表面に付着していた不純物が除去され、表面が清浄化される。したがって、ガラス基板2010上に積層される結晶質酸化物2021に不純物が拡散し、性能劣化を引き起こすといった不具合を防止することができる。また、表面を清浄化することにより、結晶質酸化物2021の密着性が向上する。
なお、ガラス基板2010の表面清浄化処理は、上記洗浄処理に限定されるものではない。たとえば、オゾン雰囲気中での紫外線の照射処理や、プラズマの照射処理などでもよい。また、これらを組み合わせて複数の清浄化処理を行ってもよい。
オゾン雰囲気中での紫外線の照射処理によって、清浄表面が得られる。すなわち、大気圧下の酸素含有雰囲気で紫外線が照射されると、オゾンが発生し、オゾンと紫外線により基板表面の汚染物質を除去する。
プラズマの照射処理は、プラズマ発生装置により低エネルギーのプラズマを発生させ、このプラズマをガラス基板2010に照射する処理である。これにより、基板表面の汚染物質を除去するとともに、基板表面の状態が変化し、結晶質酸化物2021の密着性が向上する。
また、酸素及び/又は水を含む雰囲気とは、分子状酸素、オゾンガス、窒素酸化物ガス(N2O、NO2、NO)、酸素含有ラジカル、原子状酸素、酸素イオン、酸素ラジカル、水蒸気及び水酸化イオンなどのうちの少なくともいずれかを含む雰囲気をいう。さらに、酸素及び/又は水を含む雰囲気が、オゾンガス、窒素酸化物ガス、酸素含有ラジカル、原子状酸素、酸素イオン及び酸素ラジカルのうちの少なくともいずれかを含む雰囲気であるとき、これらが分子状酸素よりも酸化力が強いため、効果的に酸素欠損が少ない結晶質酸化物2021を成膜することができる。すなわち、酸素欠損の発生を効果的に抑えることができるので、酸素欠損により生じるキャリアが減少し、電子キャリア濃度を低減することができる。
なお、酸素含有ラジカルや酸素ラジカルは、ラジカル発生器により容易に発生させることができる。
この理由は、150℃未満では、十分な結晶質酸化インジウムが得られず、非晶質酸化インジウムとなり、所定の電子キャリア密度の酸化物膜にならない場合があるからである。なお、かかる場合であっても、後に熱処理により結晶化させることにより、所望の電子キャリア密度の結晶質酸化物2021を得ることができる。また、ガラス基板2010として、様々なガラスを用いることができるが、熱変形温度の低いガラス(ソーダライムガラスなど)であっても、その熱変形温度は約350℃であるからである。
なお、成膜方法は、上記スパッタ法に限定されるものではなく、たとえば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相成長法、ラインビームレーザー蒸着法、電気析出法などを用いてもよい。
また、電子キャリア濃度の測定は、ホール効果測定により求める。約1017/cm3未満の電子キャリア濃度の測定は、ACホール測定で行うことが好ましい。この理由は、DCホール測定では測定値のばらつきが大きく、測定の信頼性が低くなるおそれがあるからである。
なお、薄膜に含まれる結晶質は、単結晶又は多結晶(エピタキシャル膜を含む。)のいずれであってもよいが、工業的に製造が容易で、大面積化が可能な多結晶膜が好ましい。また、単結晶は、製造プロセスや使用時における屈曲や衝撃でクラックが発生するおそれがあるため、このことからも多結晶が好ましい。
また、本発明において、結晶質酸化物2021とは、X線回折スペクトルにおいて、特定の回折線を示す酸化物をいう。一方、非晶質酸化物とは、ハローパターンが観測され、特定の回折線を示さない酸化物をいう。
このようにすると、off電流を小さくすることができ、on/off比を大きくすることができる。
このようにすると、酸素欠損により生じるキャリアを消滅させる効果によって、電子キャリア濃度を低減することができる。また、ITOなどで知られている通り、キャリアの平均自由工程は、結晶状態の結晶粒子の大きさより小さいことから、結晶粒子の大きさに依存しない。このことから、結晶質酸化物2021は、高電子移動度の結晶薄膜となることができる。さらに、酸化インジウムでは、添加している元素が二価の金属元素であることから、この二価の金属元素と酸素がイオン結合している。したがって、正二価元素の酸化物は、キャリア散乱因子にはならず、電子移動度を高く保つことができる。
また、この多結晶の結晶質酸化物2021からなる薄膜の電子移動度は、単結晶の電子移動度と比較すると劣るものの、大きな電子移動度を有することができる。さらに、正二価元素を含有することにより、結晶質酸化物2021からなる薄膜は、より安定化する。また、電界効果移動度が高く、かつ、安定した結晶質酸化物の組成範囲を広げることもできる。
なお、上記正二価元素とは、イオン状態での価数として正二価を取りうる元素のことをいい、同様に、正三価元素とは、イオン状態での価数として正三価を取りうる元素のことをいう。
このようにすると、Znなどの正二価元素の少なくとも一部は、インジウムを固溶置換し、これにより、効果的に電子キャリア濃度を低下させる。なお、添加したZnなどの金属の固溶置換している量に制限はなく、一部でも固溶置換していればよく、結晶質酸化物2021は、混合酸化物であってもよい。
また、Znとその他の二価のMg、Ni、Co、Cuを同時に添加してもよい。たとえば、ZnとMgを同時に添加する場合、単独でZnを添加した場合と比べて、電子移動度は増加する。その程度は、室温での電子移動度において、約10cm2/(V・sec)であり、アモルファスシリコンに比べて、1桁以上大きな増加となる。さらに、同じ条件で成膜した場合、Mg含有量の増加に対して、電気抵抗率も増加し、電子移動度は低下するので、好ましくは、ZnとMgからなる正二価元素の含有量は、全金属原子に対して、0.5原子%超、10原子%未満とするとよい。この理由は、0.5原子%以下では、結晶化しても電気抵抗の向上が見られなかったりするからであり、また、10原子%以上では、結晶化しにくくなり、結晶化温度を高く設定する必要がでてきて、エネルギーの消費が大きくなり、経済的でなくなるからである。
0.005<[M2]/[A]<0.1
であるとよい。
このようにすると、より安定な結晶質酸化物を得ることができる。また、電子キャリア濃度を1018/cm3未満に制御できる。
また、より好ましくは、0.01≦[M2]/[A]<0.08である。なお、例えば、Znの代わりにMgを選択しても、ほぼ同様の結果が得られ、Zn、Mg、Ni、Co及びCuは、それぞれほぼ同様の効果を奏する。
このようにしても、酸素欠損により生じるキャリアを消滅させる効果によって、電子キャリア濃度を低減することができる。また、この多結晶の結晶質酸化物2021からなる薄膜の電子移動度は、単結晶の電子移動度と比較すると劣るものの、結晶質酸化物2021は、大きな電子移動度を有することができる。さらに、正三価元素を含有することにより、結晶質酸化物2021からなる薄膜は、より安定化する。また、電界効果移動度が高く、かつ、安定した結晶質酸化物の組成範囲を広げることもできる。さらに、酸化インジウムでは、添加している元素が三価の金属元素であることから、この三価の金属元素と酸素がイオン結合している。したがって、正三価元素の酸化物は、キャリア散乱因子にはならず、電子移動度を高く保つことができる。
このようにすると、B、Al、Ga、Sc、Y及びランタノイド元素の強いイオン結合性によって、結晶質酸化物2021が効果的に安定化する。また、イオン半径の差の小さいイオンから構成される複合酸化インジウムは、結晶相がより安定化する。たとえば、In−ランタノイド元素−酸素系の結晶質酸化物2021では、ランタノイド元素の原子番号が大きくなるほどイオン半径は小さくなり、インジウムのイオン半径に近づく。これにより、原子番号の小さなイオンでは、熱処理での安定な結晶質酸化インジウム膜は得難いが、好ましくは、ランタノイド元素の含有量は、全金属原子に対して、0.5原子%〜5原子%とするとよい。このようにすると、安定な結晶質膜を得ることができ、また、原子番号の大きなイオンでは、熱処理で安定な結晶質酸化インジウム膜が得やすくなり、非常に安定な結晶質膜を得ることができる。
また、B、Al、Ga、Sc、Y及びランタノイド元素は、酸素との結合が強く(金属の仕事関数がIn金属より小さい)、結晶化したときに酸素欠陥を生じにくい。したがって、酸素欠損に起因するキャリアの発生を効果的抑制することができる。
0.005<[M3]/[A]<0.05
であるとよい。この理由は、0.5原子%以下では、添加の効果が得られない場合があり、また、5原子%以上では、結晶化温度が高くなりすぎ、実用的でないからである。
このようにすると、より安定な結晶質酸化物を得ることができ、また、電子キャリア濃度を1018/cm3未満に制御できる。
なお、例えば、Bの代わりにYを選択しても、ほぼ同様の結果が得られ、B、Al、Ga、Sc、Y及びランタノイド元素は、それぞれほぼ同様の効果を奏する。
0.005<[M2]/[A]<0.1
0.005<[M3]/[A]<0.05
であるとよい。
このようにすると、より安定な結晶質酸化物を得ることができる。また、電子キャリア濃度を1018/cm3未満に制御できる。
なお、結晶質酸化物2021の成膜例については後述する。
ここで、Mo/Al/Mo薄膜は、燐酸、酢酸及び硝酸からなる水溶液(適宜、PANと略称する。)により、パターニングされる。すなわち、結晶質酸化物2021は、PANに対する耐性を有しているので、選択的にソース電極2022及びドレイン電極2023を形成できる。
ここで、ゲート絶縁膜2024と結晶質酸化物2021(活性層)との界面に欠陥が存在すると、電子移動度が低下し、トランジスタ特性にヒステリシスが生じる。また、ゲート絶縁膜2024の種類により、リーク電流が大きく異なる。このために、活性層に適合したゲート絶縁膜2024を選定する必要がある。Al2O3膜を用いれば、リーク電流を低減できる。また、SiO2膜を用いればヒステリシスを小さくできる。さらに、高誘電率のSiNX膜を用いれば、電界効果移動度を大きくすることができる。また、これらの化合物の混合された膜を用いることにより、電界効果型薄膜トランジスタ2001は、リーク電流及びヒステリシスが小さく、電界効果移動度が大きくなる。
また、酸化物からなるゲート絶縁膜2024を成膜する場合、酸素及び/又は水を含む雰囲気中で成膜するとよい。このようにすると、ゲート絶縁膜2024の絶縁性を向上させることができる。
なお、図示してないが、ソース電極2022及びドレイン電極2023には、外部端子と接続するためのパッドが形成される。
図12は、本発明の第二実施形態に係る電界効果型薄膜トランジスタの製造方法を説明するための概略フローチャート図を示している。
また、図13は、本発明の第二実施形態に係る電界効果型薄膜トランジスタの製造方法を説明するための、要部の概略図であり、(a)は洗浄された基板の断面図を示しており、(b)は活性層となる非晶質の酸化物が成膜された断面図を示しており、(c)は活性層である結晶質酸化物が形成された断面図を示しており、(d)はソース電極及びドレイン電極の形成された断面図を示しており、(e)はゲート絶縁膜の積層された断面図を示しており、(f)はゲート電極の形成された断面図を示している。
図12及び図13(a)において、まず、フィルム基板2011が用意され、第一実施形態の製造方法とほぼ同様にして、このフィルム基板2011が洗浄される(ステップS2011)。このようにすると、フィルム基板2011の表面に付着していた不純物が除去され、表面が清浄化される。したがって、フィルム基板2011上に積層される結晶質酸化物2021に不純物が拡散し、性能劣化を引き起こすといった不具合を防止することができる。また、表面を清浄化させることにより、結晶質酸化物2021の密着性が向上する。
なお、フィルム基板2011が、ポリエチレンテレフタレートからなる場合、熱変形させないためには、通常、フィルム基板2011は180℃以下にされる。
なお、本実施形態では、非晶質の酸化物2020を結晶化させるために、酸素含有低温プラズマの照射処理を行う方法としてあるが、これに限定されるものではない。たとえば、酸素及び/又は水を含む雰囲気中で、結晶化のための熱処理を行うことによって、所定の電子キャリア濃度(1018/cm3未満)を実現してもよい。
また、プラズマ発生装置(ECRプラズマ発生器、RFプラズマ発生装置、DCプラズマ発生装置など)にO2ガスを供給することにより、酸素プラズマは容易に発生する。
続いて、図13(f)に示すように、ゲート絶縁膜2024上に、Mo/Al/Mo薄膜が堆積し、さらに、パターニングされ、ゲート電極2025が形成される(ステップS2016)。なお、図中では、Mo/Al/Mo薄膜を区別せずに図示してある。
なお、上記以外は、ほぼ第一実施形態の製造方法と同様な方法としてある。
なお、プラズマの照射は、フィルム基板2011を加熱しながら行ってもよい。
図14は、本発明の第三実施形態に係る電界効果型薄膜トランジスタの製造方法を説明するための概略フローチャート図を示している。
また、図15は、本発明の第三実施形態に係る電界効果型薄膜トランジスタの製造方法を説明するための、要部の概略図であり、(a)はゲート電極及びゲート絶縁膜の形成された基板の断面図を示しており、(b)は活性層及び導電体層が成膜され、ハーフトーンマスクによるレジストが形成された断面図を示しており、(c)は活性層及び導電体層がエッチングされ、レジストが再形成された断面図を示しており、(d)はソース電極及びドレイン電極の形成された断面図を示している。
図14及び図15(a)において、まず、ガラス基板2010が用意され、ガラス基板2010上に、Mo/Al/Mo薄膜が堆積し、さらに、パターニングされ、ゲート電極2025が形成される(ステップS2021)。なお、図中では、Mo/Al/Mo薄膜を区別せずに図示してある。続いて、ガラス基板2010及びゲート電極2025上に、ゲート絶縁膜2024が成膜される(ステップS2022)。このゲート絶縁膜2024は、Y2O3,HfO2、SiO2、SiNX、若しくは、Al2O3等の酸化物、又は、これらを二つ以上含む混合化合物等からなる。
導電体層2026は、ソース電極2022及びドレイン電極2023となるMo/Al/Mo薄膜とからなっている。
なお、上記以外は、ほぼ第一実施形態の製造方法と同様な方法としてある。
次に、結晶質酸化物2021からなる薄膜の成膜例3について説明する。
この成膜方法は、In2O3(ZnO)m組成(ここで、mは2から20の整数)を含有する酸化インジウム多結晶焼結体をターゲットとして、気相成膜法を用いるのがよい。気相成膜法の中でも、スパッタ法、パルスレーザー蒸着法が適している。さらに、量産性の観点から、スパッタ法が最も適している。
しかしながら、通常の条件で該非晶質膜を作成すると、主として酸素欠損が生じ、これまで、電子キャリア濃度を1018/cm3未満、電気抵抗にして、102Ωcm以上にすることができなかった。このような膜を用いた場合、ノーマリーオフのトランジスタを構成することができない。
図16は、成膜例3及び成膜例4に係る結晶質酸化物を作製したスパッタ装置の概略図を示している。
図16において、スパッタ装置2005は、成膜室(チャンバー)2051内に、冷却・加熱機構付きの基板ホルダー2052、シャッター2053、電極2054及びシールド2055が設けられている。また、成膜室2051内を真空にするための、メインバルブ2511、ターボ分子ポンプ2512、油回転ポンプ2513、リークバルブ2514、真空計2515などを備えている。また、成膜室2051には、バリアブルリークバルブ2516を介して、酸素ガスやArガスが供給される。また、電極2054は、絶縁体2517を介して成膜室2051に取り付けられており、DC電源から電力が供給され、さらに、冷却水により冷却される。また、基板2056が基板ホルダー2052に載置され、ターゲット2057が電極2054に取り付けられる。
また、多結晶ターゲットには、In2O3(ZnO)4を有する酸化インジウム多結晶体ターゲット(サイズ:直径4インチ、厚さ5mm)が用いられた。このターゲットの出発原料を、In2O3:ZnO4(各4N試薬)とした。また、ターゲットは、この出発原料の湿式混合(溶媒:エタノール)、スプレイドライヤーによる乾燥造粒、一軸プレスによる成型、冷間静水圧プレスによる成型、及び、焼結(1450℃にて36時間)によって、作製された。こうして作製したターゲットのバルク抵抗は、0.005(Ωcm)以下であり、導電性に優れたものであった。これにより、RF及びDCでのスパッタ成膜が可能になる。
スパッタチャンバー内の酸素分圧は、0.009Pa、基板温度は室温であった。
なお、ターゲットと成膜基板間の距離は、80mmであり、DCスパッタの電力は100Wから200Wの範囲であった。
その膜を、オゾンガスを含む酸素雰囲気中にて、200℃で、1時間熱処理した。その後に、薄膜のすれすれ入射X線回折(薄膜法、入射角0.5度)を行ったところ、明瞭な回折ピークが現れ、結晶質酸化インジウムのビックスバイト構造であることが判明し、結晶質酸化インジウムであった。
比抵抗は、約104Ωcm以上であった。電子キャリア濃度は約1016/cm3以下であり、電子移動度は約5cm2/(V・秒)と推定された。
光吸収スペクトルの解析から、作製したアモルファス薄膜の禁制帯エネルギー幅は、約3.5eVと求まった。以上のことから、作製した結晶質酸化インジウム系薄膜は、ビックスバイト結晶相を呈しており、酸素欠損が少なく、電気抵抗が大きな透明な平坦薄膜であった。
図17は、成膜例3に係る結晶質酸化物の結晶化温度(基板温度)と電子キャリア濃度のグラフを示している。
図17において、細線は、酸化インジウムに、正二価元素(Zn、Mg、Ni、Co、Cuのうち、代表としてZn)を含む結晶質酸化物2021(適宜、細線の結晶質酸化物と略称する。)について示している。細線の結晶質酸化物には、酸化亜鉛を約0.2〜6wt%含有し、残量が酸化インジウムであるスパッタリングターゲットを用いた。また、オゾンガスを含む酸素雰囲気中にて各温度で1時間の熱処理を行い、ホール測定によりキャリア濃度を測定するとともに、同じサンプルを用いてX線回折法により結晶性を確認した。
また、点線は、酸化インジウムに、前記インジウム以外の正三価元素(B、Al、Ga、Sc、Y、La,Nd,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luのうち、代表としてYb)を含む結晶質酸化物2021(適宜、点線の結晶質酸化物と略称する。)について示している。点線の結晶質酸化物には、酸化イッテルビウムを約0.2〜3wt%含有し、残量が酸化インジウムであるスパッタリングターゲットを用いた。また、オゾンガスを含む酸素雰囲気中にて各温度で1時間の熱処理を行い、ホール測定によりキャリア濃度を測定するとともに、同じサンプルを用いてX線回折法により結晶性を確認した。
太い破線は、酸化インジウムのみの結晶質酸化物(適宜、破線の結晶質酸化物と略称する。)について示している。
細線の結晶質酸化物は、結晶化開始温度が約100℃であり、基板温度が約150℃のポイントから電子キャリア濃度が急激に低下し、基板温度が約180℃のポイントでこの低下が止まった。例えば、基板温度が約200℃のポイントで結晶化させると、電子キャリア濃度は約1×1015/cm3であった。また、X線回折により確認したところ、約180℃以上の温度で加熱処理した酸化物は、明確なピークが観察され、ビックスバイト構造であることが確認できた。
また、点線の結晶質酸化物は、結晶化開始温度が約100℃であり、基板温度が約160℃のポイントから電子キャリア濃度が急激に低下し、基板温度が約210℃のポイントでこの低下が止まった。例えば、基板温度が約250℃のポイントで結晶化させると、電子キャリア濃度は約2×1015/cm3であった。また、X線回折により確認したところ、約210℃以上の温度で加熱処理した酸化物は、明確なピークが観察され、ビックスバイト構造であることが確認できた。
一方、破線の結晶質酸化物は、結晶化開始温度が約100℃であり、基板温度が約160℃のポイントから電子キャリア濃度が急激に低下するが、基板温度が約170℃のポイントでこの低下が止まった。例えば、約200℃で結晶化させたとしても、電子キャリア濃度は約1019/cm3であった。
すなわち、点線の結晶質酸化物及び細線の結晶質酸化物は、結晶化温度を制御することにより、半導体として好ましい電子キャリア濃度(約1018/cm3未満)を有することができた。
[ホール測定装置]
東陽テクニカ製:Resi Test8310
[測定条件]
室温(約25℃)、約0.5[T]、約10−4〜10−12A、AC磁場ホール測定
また、結晶化処理を、酸素を所定濃度含む雰囲気中で行うことによって、効果的に結晶化を制御することができる。
さらに、図示してないが、正二価元素や正三価元素の添加量をさらに増やし、結晶化しやすくするために高温で成膜した後、さらに熱処理温度も高温で処理すると、電子キャリア濃度をさらに低下させることができた。
また、本発明における電子キャリア濃度の下限としては、得られる酸化インジウム膜をどのような素子や回路あるいは装置に用いるかにもよるが、例えば1014/cm3である。
なお、図17に示す作製例では、まず、酸素及び/又は水を含む雰囲気中にて低温で非晶質の酸化物2020が成膜され、次に、酸素及び/又は水を含む雰囲気中にて結晶化温度まで加熱し、所望のキャリア濃度の結晶質酸化物2021としたが、これに限定されるものではない。たとえば、成膜する際に、酸素及び/又は水を含む雰囲気中にて高温で成膜し、結晶質酸化物2021を形成する方法としてもよい。
さらに、所定の電子キャリア濃度(1018/cm3未満)を得られるのであれば、酸素又は水を含まない雰囲気にて成膜を行い、成膜後の結晶化処理を、酸素及び/又は水を含む雰囲気中で行ってもよい。
次に、得られた結晶質酸化物2021の電子キャリア濃度と電子移動度に関する測定結果について、図面を参照して説明する。
図18は、成膜例3に係る結晶質酸化物の電子キャリア濃度と電子移動度のグラフを示している。
図18において、三角印は、酸化インジウムに、正二価元素(例えば、Zn)を含む結晶質酸化物2021(適宜、三角印の結晶質酸化物と略称する。)について示している。
また、菱形印は、酸化インジウムに、ランタノイド元素(例えば、Yb)を含む結晶質酸化物2021(適宜、菱形印の結晶質酸化物と略称する。)について示している。
さらに、丸印は、酸化インジウムのみの結晶質酸化物(適宜、丸印の結晶質酸化物と略称する。)について示している。
なお、菱形印の結晶質酸化物及び三角印の結晶質酸化物は、結晶化温度やランタノイド元素及び正二価元素の含有量などを制御して作製した。また、電子キャリア濃度を1018/cm3未満にするためには、酸素分圧の条件(酸素及び/又は水を含む雰囲気の条件)、熱処理温度の条件、成膜装置の構成や、成膜する材料や組成などにも依存する。
なお、丸印の結晶質酸化物は、作製条件(結晶化温度)を制御しても、電子キャリア濃度が、約1019/cm3〜約1020/cm3であり、また、電子移動度が、約100cm2/V・secであった。さらに、上記三角印の結晶質酸化物及び菱形印の結晶質酸化物の測定結果は一例であり、作製条件を制御することにより、図示してないが、より優れた特性を有する結晶質酸化物2021を作成することができた。
この特異な特性を有効に利用することにより、電子キャリア濃度や電子移動度を所望する値に自在に設定することができ、様々な半導体デバイスにとってより好適な半導体特性を有する結晶質酸化物2021を提供することができる。また、半導体デバイスの付加価値を向上させることができる。
また、電界効果型薄膜トランジスタ2001は、ピンチオフ状態のとき、ゲート電極2025に高電圧が印加され、活性層としての結晶質酸化物2021中に、高密度の電子が存在している。したがって、本発明によれば、電子移動度が増加した分だけ、より飽和電流値を大きくすることができ、on−off比の増大、飽和電流の増大、スイッチング速度の増大など、ほとんど全てのトランジスタ特性が向上する。
なお、酸化インジウム(In2O3)膜は、気相法により成膜でき、成膜中の雰囲気に水分を、0.1Pa程度添加することにより、アモルファス膜が得られる。このアモルファス酸化インジウム膜も、熱処理により結晶質酸化インジウムにすることができる。しかしながら、結晶膜を得ることはできるが、In2O3単独膜の場合、成膜中の雰囲気中に酸素ガスを30%程度導入しても、安定した半導体特性を示さない。
本成膜例では、結晶質酸化物2021を、雰囲気ガスとしてアルゴンガスを用いた直流型(DC)スパッタ法により成膜した。なお、直流型(DC)スパッタ法に限定されるものではなく、たとえば、高周波(RF)スパッタ法により成膜してもよい。
なお、スパッタ装置は、上記成膜例3で使用したスパッタ装置を使用した。
ターゲット材料としては、In2O34(ZnO)4組成を含む酸化インジウム多結晶焼結体(サイズ:直径4インチ、厚さ5mm)を用いた。
この焼結体の出発原料を、99wt%In2O3:1wt%ZnO(各4N試薬)とした。また、焼結体は、この出発原料の湿式混合(溶媒:エタノール)、スプレイドライヤーによる乾燥造粒、一軸プレスによる成型、冷間静水圧プレスによる成型、及び、本焼結(1450℃にて36時間)によって、作製された。こうして作製したターゲットの比抵抗は、0.005(Ωcm)であった。
また、基板温度は、室温とし、ターゲットと成膜用膜基板との間の距離は、80mmであった。基板ホルダー2052には回転機構を装着しておき、回転させながら成膜することにより均一性に優れた薄膜を得られた。
投入電力は、DC100Wであり、成膜レートは、5nm/mmで行った。
さらに、X線反射率測定を行い、パターンの解析を行った結果、薄膜の平均二乗粗さ(Rrms)は約0.8nmであり、ICP法による分析の結果、結晶質酸化物に含まれる全金属元素の原子の数(=[A])に対するZnの原子の数(=[Zn])の原子比は、[Zn]/[A]=0.018であった。また、本成膜例では、[A]=[In]+[Zn]であった。なお、[In]は、結晶質酸化物に含まれるInの原子の数である。
次に、添加する正二価元素及び正三価元素の種類や組成などを変化させ、さらに、作製条件を制御して、複数の結晶質酸化物2021を作製した。
次に、これら結晶質酸化物2021の一部における、添加物比と電気抵抗率(比抵抗)に関する測定結果について、図面を参照して説明する。
図19は、成膜例4に係る結晶質酸化物における、添加物の原子比と電気抵抗率のグラフを示している。
図19において、三角印は、酸化インジウムに、正二価元素(M=Zn、Mg、Ni、Co、Cuのうち少なくとも一つ)を含む結晶質酸化物2021(適宜、三角印の結晶質酸化物と略称する。)について示している。
また、菱形印は、酸化インジウムに、前記インジウム以外の正三価元素(M=B、Al、Ga、Sc、Y、La,Nd,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luのうち少なくとも一つ)を含む結晶質酸化物2021(適宜、菱形印の結晶質酸化物と略称する。)について示している。
さらに、丸印は、酸化インジウムのみの結晶質酸化物(適宜、丸印の結晶質酸化物と略称する。)について示している。
また、上記菱形印の結晶質酸化物は、結晶質酸化物2021に含まれる全金属元素の原子の数(=[A])に対する正三価元素の添加物Mの原子の数(=[M])の原子比%(=[M]/[A])が、約0.3%〜4.2%のとき、電気抵抗率が、約数Ωcm〜数十Ωcmであった。
なお、丸印の結晶質酸化物は、電気抵抗率が、約10−3Ωcmであった。
また、結晶化温度をさらに高温にすることにより、添加する酸化亜鉛の量をさらに増量することは可能であるが、高温処理するエネルギーを考えると、工業的には好ましくない。
なお、本成膜例で示したスパッタ装置2005や材料などを用いる場合は、スパッタによる成膜後の結晶化処理条件は、例えば、酸素及び/又は水を含む雰囲気中で150℃以上350℃以下の範囲とするとよい。また、図示してないが、本成膜例の結晶質酸化物2021も、電子キャリア濃度が増加するとともに、電子移動度も対数的に比例して増加した。さらに、電気抵抗率を高めるための不純物イオンを意図的に添加せず、酸素及び/又は水を含む雰囲気中で、成膜することも好ましい形態である。
このようにすると、製造工程の自由度が増加し、電界効果型薄膜トランジスタ2001,2001a,2001bを効率よく製造することができる。また、ソース電極2022やドレイン電極2023をPAN系エッチング液によりエッチングする際、ダメージを受けないので信頼性などが向上する。
なお、「PAN耐性を有する」とは、PAN系エッチング液によるエッチング速度が約10nm/分未満であることをいう。なお、一般的に、PAN系エッチング液(リン酸、硝酸、酢酸を含むエッチング液)は、通常リン酸が約45〜95wt%、硝酸約0.5〜5wt%、酢酸約3〜50wt%の範囲にあるものが用いられる。
次に、上記結晶質酸化物2021を用いた電界効果型薄膜トランジスタ2001(図10参照)の製作例2について、説明する。
上述した手法により、チャンネル長=50μm、チャンネル幅=500μmのトップゲート型の電界効果型薄膜トランジスタ2001を作製した。
本製作例の電界効果型薄膜トランジスタ2001のon−off比は、105以上であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約7cm2/V・secの電界効果移動度が得られた。さらに、閾値電圧(Vth)は、約+2.0Vであり、ノーマリーオフの特性を示し、また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。さらに、ゲート電圧を印加しないとき、ソース電極2022とドレイン電極2023の間に約5Vの電圧を印加したところ、ソース電極2022とドレイン電極2023間の電流を約10−7アンペヤにすることができた。
また、作製した電界効果型薄膜トランジスタ2001に可視光を照射して同様の測定を行ったが、トランジスタ特性の変化は認められなかった。すなわち、本実施形態によれば、電子キャリア濃度が小さく、したがって、電気抵抗率が高く、かつ、電子移動度が大きい活性層を有する薄膜トランジスタを実現できた。
次に、本製作例の電界効果型薄膜トランジスタ2001の電流−電圧特性について、図面を参照して説明する。
図20は、製作例2に係る電界効果型薄膜トランジスタの電流−電圧特性のグラフを示している。
図20において、室温下で測定した電界効果型薄膜トランジスタ2001の電流−電圧特性を示しており、ゲート電圧VGSの増加に伴い、ドレイン電流IDSが増加したことからチャネルがn型半導体であることが分かる。これは、結晶質酸化物インジウム系半導体がn型であるという事実と矛盾しない。
また、IDSは、VDS=10V付近で飽和(ピンチオフ)する典型的な半導体トランジスタの挙動を示した。利得特性を調べたところ、VDS=4V印加時におけるゲート電圧VGSの閾値は約2.0Vであった。また、VG=10V時には、IDS=1.0×10−5Aの電流が流れた。これはゲートバイアスにより、絶縁性半導体の結晶質酸化インジウム半導体薄膜内にキャリアを誘起できたことに対応する。
例えば、電界効果型薄膜トランジスタの製造方法は、上述したボトムゲート型やトップゲート型の電界効果型薄膜トランジスタの製造方法に限定されるものではなく、様々な構造の電界効果型薄膜トランジスタの製造方法に適用することができる。
Claims (12)
- ゲート電極、活性層、ソース電極及びドレイン電極を備えた電界効果型トランジスタにおいて、
前記活性層として、インジウムと、正二価元素、及び/又は、前記インジウムとは異なる正三価元素とからなり、電子キャリア濃度が1018/cm3未満の結晶質酸化物が用いられ、さらに、前記ゲート電極と、前記ソース電極及びドレイン電極とが自己整合しており、
前記正二価元素が、Zn、Mg、Ni、Co及びCuのうち少なくとも一つ以上の元素であり、
前記インジウムとは異なる正三価元素が、B、Al、Ga、Sc、Y及びランタノイド元素のうち少なくとも一つ以上の元素であり、
前記結晶質酸化物が、PAN耐性を有し、
前記結晶質酸化物が、前記正二価元素のみを含むとき、前記結晶質酸化物に含まれる全金属元素の原子の数(=[A])に対する前記正二価元素の原子の数(=[M2])の原子比が、0.005<[M2]/[A]<0.1であり、
前記結晶質酸化物が、前記インジウムとは異なる正三価元素のみを含むとき、前記結晶質酸化物に含まれる全金属元素の原子の数(=[A])に対する、前記インジウムとは異なる正三価元素の原子の数(=[M3])の原子比が、0.005<[M3]/[A]<0.05であり、
前記結晶質酸化物が、前記正二価元素、及び、前記インジウムとは異なる正三価元素を含むとき、前記結晶質酸化物に含まれる全金属元素の原子の数(=[A])に対する、前記正二価元素の原子の数(=[M2])の原子比、及び、前記インジウムとは異なる正三価元素の原子の数(=[M3])の原子比が、0.005<[M2]/[A]<0.1、かつ、0.005<[M3]/[A]<0.05であることを特徴とする電界効果型トランジスタ。 - 前記結晶質酸化物が非縮退半導体であることを特徴とする請求項1に記載の電界効果型トランジスタ。
- 前記電界効果型トランジスタが、トップゲート型トランジスタであり、前記ゲート電極が、透明基板上に形成された前記ソース電極及びドレイン電極のパターンをマスクとして、形成された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。
- 前記電界効果型トランジスタが、ボトムゲート型トランジスタであり、前記ソース電極及びドレイン電極が、透明基板上に形成された前記ゲート電極のパターンをマスクとして、形成された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。
- 上記請求項1〜4のいずれか一項に記載された電界効果型トランジスタの製造方法であって、
前記結晶質酸化物を、酸素及び/又は水を含む雰囲気中で形成する活性層形成工程を有し、
前記結晶質酸化物の成膜温度が、150℃以上250℃以下であ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。 - 前記酸素及び/又は水を含む雰囲気が、分子状酸素、オゾンガス、窒素酸化物ガス、酸素含有ラジカル、原子状酸素、酸素イオン、酸素ラジカル、水蒸気及び水酸化イオンのうちの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項5に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
- 前記活性層形成工程において、スパッタリング法が用いられることを特徴とする請求項5又は6に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
- 上記請求項1〜4のいずれか一項に記載された電界効果型トランジスタの製造方法であって、
前記活性層となる非晶質の酸化物薄膜を形成する薄膜形成工程と、
前記非晶質の酸化物を、結晶化させて前記結晶質酸化物とする結晶化工程と
を有し、
前記結晶化工程において、加熱処理が行われ、該加熱処理の温度が、150℃以上250℃以下であ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。 - 前記結晶化工程において、前記加熱処理及び酸素含有プラズマの照射処理が行われ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。
- 前記薄膜形成工程と結晶化工程の少なくとも一つが、酸素及び/又は水を含む雰囲気中で行われ、前記酸素及び/又は水を含む雰囲気が、分子状酸素、オゾンガス、窒素酸化物ガス、酸素含有ラジカル、原子状酸素、酸素イオン、酸素ラジカル、水蒸気及び水酸化イオンのうちの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項8又は9に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
- 前記薄膜形成工程において、スパッタリング法が用いられることを特徴とする請求項8〜10のいずれか一項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
- 前記活性層の形成される基板に、オゾン雰囲気中で紫外線の照射処理、プラズマの照射処理、及び、過酸化水素を含有する洗浄液による洗浄処理のうちの、少なくとも一つの処理を行うことを特徴とする請求項5〜11のいずれか一項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
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