JP5745838B2 - 薄膜トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、金属酸化物半導体を使用した薄膜トランジスタに関する。
近年、金属の酸化物による半導体（金属酸化物半導体、以下、単に「酸化物半導体」とも記述する）が注目されている。多くの金属酸化物は酸素欠陥と適切なドーパントの添加により半導体の性質を示す。とりわけ、亜鉛・インジウム・ガリウムなどを主成分とした酸化物半導体は、価電子帯と伝導帯のバンドギャップが３ｅＶ以上であり、可視光で透明であるという特徴を持つ。
さらにこれらの酸化物半導体は、酸素原子と金属原子との混成軌道によって生じる最外殻電子雲が球形であるため、原子間の結合が不秩序なアモルファス状態でも電子雲の重なりを確保でき、高移動度が期待できる。
上記の特徴を生かして、酸化物半導体は表示ディスプレイ用の薄膜トランジスタへの適用が試みられている（特許文献１参照）。
しかし、酸化物半導体を薄膜トランジスタに適用した際、周囲の環境温度や通電に伴う発熱によって、半導体層から酸素が脱離し、トランジスタ特性が不安定になるという欠点があった。
特許文献１では、酸化物半導体層に保護膜を設けることにより酸素脱離の防止を図っているが、その効果はなお充分ではなく、特にトランジスタを線形領域で長時間使用した際に特性が変動することは依然として問題であった。
本発明は上述の問題に鑑み、安定した特性を示す金属酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタとその製造方法の提供を目的とする。
本発明の薄膜トランジスタは、ゲート電極と、前記ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられ、金属を含むドレイン電極と、前記ゲート絶縁膜上に前記ドレイン電極と隣接して設けられ、金属酸化物半導体で構成されたチャネル層とを備え、前記ドレイン電極は、前記チャネル層と接触する領域に、前記チャネル層を構成する金属酸化物半導体よりも酸化物生成自由エネルギーが若干小さい金属酸化物半導体皮膜を備え、前記ゲート絶縁膜は、窒化シリコン層と、前記窒化シリコン層の前記チャネル層側の表面を覆い前記チャネル層と接触する酸化皮膜とを備える。
本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、（ａ）ゲート電極上に窒化シリコンよりなるゲート絶縁膜を形成する工程と、（ｂ）前記ゲート絶縁膜上に金属で構成されるドレイン電極を形成する工程と、（ｃ）酸素プラズマ処理によって前記ゲート絶縁膜の表面と前記ドレイン電極の所定の領域とを酸化する工程と、（ｄ）前記ゲート絶縁膜上に前記ドレイン電極と隣接して、金属酸化物半導体で構成されるチャネル層を形成する工程とを備え、前記工程（ｃ）は、前記チャネル層を構成する金属酸化物半導体よりも酸化物生成自由エネルギーが若干小さい金属酸化物皮膜を、前記ドレイン電極における前記チャネル層と接触する領域に形成するとともに、酸化皮膜を、前記窒化シリコンよりなるゲート絶縁膜における前記チャネル層と接触する領域に形成する工程を含む。
本発明の薄膜トランジスタにおいて、ドレイン電極は、チャネル層と接触する領域に、前記チャネル層を構成する金属酸化物半導体よりも酸化物生成自由エネルギーが若干小さい金属酸化物半導体皮膜を備え、ゲート絶縁膜は、窒化シリコン層と、窒化シリコン層のチャネル層側の表面を覆いチャネル層と接触する酸化皮膜とを備えるので、反転層のドレイン端部での酸素脱離反応を抑制し、安定した半導体特性を確保する。また、万一酸素欠損が発生した場合であっても、質量作用の法則により、第１ドレイン電極から反転層へ酸素の供給が行われ、半導体特性の変化を防止する。
本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、（ａ）ゲート電極上に窒化シリコンよりなるゲート絶縁膜を形成する工程と、（ｂ）前記ゲート絶縁膜上に金属で構成されるドレイン電極を形成する工程と、（ｃ）酸素プラズマ処理によって前記ゲート絶縁膜の表面と前記ドレイン電極の所定の領域とを酸化する工程と、（ｄ）前記ゲート絶縁膜上に前記ドレイン電極と隣接して、金属酸化物半導体で構成されるチャネル層を形成する工程とを備え、前記工程（ｃ）は、前記チャネル層を構成する金属酸化物半導体よりも酸化物生成自由エネルギーが若干小さい金属酸化物皮膜を、前記ドレイン電極における前記チャネル層と接触する領域に形成するとともに、酸化皮膜を、前記窒化シリコンよりなるゲート絶縁膜における前記チャネル層と接触する領域に形成する工程を含むので、反転層のドレイン端部での酸素脱離反応を抑制し、安定した半導体特性を確保する。また、万一酸素欠損が発生した場合であっても、質量作用の法則により、第１ドレイン電極から反転層へ酸素の供給が行われ、半導体特性の変化を防止する。
（実施の形態１）
＜構成＞
図１は、本実施の形態の薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。本実施の形態の薄膜トランジスタにおいて、ガラス等の透明絶縁性基板１００上にゲート電極１が形成される。透明絶縁性基板１００とゲート電極１上にはＳｉＯ2からなるゲート絶縁膜２が形成される。
＜構成＞
図１は、本実施の形態の薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。本実施の形態の薄膜トランジスタにおいて、ガラス等の透明絶縁性基板１００上にゲート電極１が形成される。透明絶縁性基板１００とゲート電極１上にはＳｉＯ2からなるゲート絶縁膜２が形成される。
ゲート絶縁膜２上にはソース電極、ドレイン電極の他、反転層を形成するチャネル層５が形成される。ソース電極とドレイン電極はそれぞれ、金属酸化物導電膜（第１ソース電極３Ａ、第１ドレイン電極４Ａ）と金属層（第２ソース電極３Ｂ、第２ドレイン電極４Ｂ）の２層構造である。
第１ソース、ドレイン電極３Ａ，４Ａは、例えば、ｍｏｌ比率で９７．０％のＺｎＯと３．０％のＧａ2Ｏ3で構成され、フェルミ準位が十分に縮退した金属酸化物導電膜からなる。このように第１ドレイン電極４ＡはＺｎＯを主成分として構成されるが、「主成分として」とは、９５％以上を指すものとする。
また、第２ソース、ドレイン電極４Ａ，４Ｂは金属やアルミニウム系合金の単層膜で構成される。
ゲート電極１上にゲート絶縁膜２を介して形成されるチャネル層５は、例えば、ｍｏｌ比率で３３．３％のＩｎ2Ｏ3、３３．３％のＧａ2Ｏ3、３３．４％のＺｎＯで構成された化合物であり、フェルミ準位が伝導帯−価電子帯のバンドギャップの中央付近に存在しており、チャネルを形成している酸化物半導体薄膜である。チャネル層５は、Ｉｎ2Ｏ3、Ｇａ2Ｏ3、ＺｎＯを主成分として構成されていればよく、「主成分として」とは、９５％以上を指すものとする。
＜製造工程＞
図２〜図５を用いて本実施の形態の薄膜トランジスタの製造工程を説明する。
図２〜図５を用いて本実施の形態の薄膜トランジスタの製造工程を説明する。
まず、ガラス基板などの透明絶縁性基板１００を洗浄液や純水を用いて洗浄し、第１の金属膜を成膜する。第１の金属膜としては、例えばＣｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｌやこれらに他の物質を微量に添加した合金等を用いる。このうち、Ａｌ系金属は他の金属に比べて比抵抗値が低いことから配線抵抗を低くすることが可能であるため、液晶表示装置用のＴＦＴ基板用途として好ましい。ただし、Ａｌ系金属を用いる場合には、パターン不良や歩留りの低下の原因となるヒロックと呼ばれる突起が配線上面方向に発生するのを防止するため、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの８族遷移元素や、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ等の希土類元素を添加した合金を用いることが好ましい。また、これらの添加元素の組成範囲は０．２〜６ａｔ％が好ましい。０．２ａｔ％未満であると上面方向へのヒロック防止効果が不充分となり、一方、６ａｔ％を超えると比抵抗値が増大してＣｒ、Ｍｏ、Ｔｉに対する低抵抗の優位性が低くなるためである。
本実施の形態では、第１の金属膜として３ａｔ％のＮｉを添加したＡｌ−Ｎｉ合金膜を、公知のＡｒガスを用いたスパッタリング法により２００ｎｍの厚さで成膜した。その後、写真製版工程でフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとして公知のリン酸、硝酸、及び酢酸を含む溶液でウェットエッチングした後に、フォトレジストパターンを除去してゲート電極１を形成する（図２）。
次に、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用い、約４５０℃の基板加熱条件下で、ゲート絶縁膜２としてＳｉＯ2膜を３００ｎｍ成膜する（図３）。
その後、フェルミ準位が充分に縮退して金属と同じような導電性を示すＺｎＯ膜と金属薄膜とを順次成膜し、フォトレジストパターンを用いてエッチングすることにより、第１ソース電極３Ａ、第１ドレイン電極４Ａ、第２ソース電極３Ｂ、第２ドレイン電極４Ｂを形成する。
本実施の形態では、ＡｒガスによるＤＣスパッタリング法を用い、第１ソース電極３Ａおよび第１ドレイン電極４Ａを形成する金属酸化物膜として、ＺｎＯを主成分とし、Ｇａを３ｍｏｌ％添加した膜を１５０ｎｍ、第２ソース電極３Ｂおよび第２ドレイン電極４Ｂを形成する金属膜として９９．９９９％の純チタンを５０ｎｍの厚さで順次成膜する。その後、写真製版工程でフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとしてリン酸などをエッチング溶液に用いたウェットエッチング法で金属酸化物膜をエッチングした後、公知のフッ素系ガスを用いたドライエッチングで金属膜をエッチングし、その後にフォトレジストパターンを除去して第１ソース電極３Ａ、第１ドレイン電極４Ａ、第２ソース電極３Ｂ、第２ドレイン電極４Ｂを形成する（図４）。
続いて、チャネル層５の形成を行う。本実施の形態では、ＡｒガスによるＤＣスパッタリング法を用い、ｍｏｌ比率で３３．３％のＩｎ2Ｏ3、３３．３％のＧａ2Ｏ3、３３．４％のＺｎＯで構成された酸化物半導体層を５０ｎｍ成膜する。この酸化物半導体層は、Ｉｎ2Ｏ3、Ｇａ2Ｏ3、ＺｎＯを主成分としていれば良い。その後、写真製版工程でフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとしてリン酸などをエッチング溶液に用いたウェットエッチング法でチャネル層５を形成する（図５）。
以降、保護膜形成、コンタクトホール穿孔、画素電極形成などの工程が続くが、これらは通常のＴＦＴ形成プロセスと同じであるので省略する。なお、第１ソース電極３Ａおよび第１ドレイン電極４Ａは、画素電極や保持容量としても使用可能である。
＜酸化物生成自由エネルギー＞
本実施の形態の薄膜トランジスタの線形領域動作において、チャネル層５に生じる反転層の形状を図６に示す。反転層１０１がゲート電極１とソース電極３Ａ，３Ｂの電界でチャネル層５に誘起される。反転層１０１のドレイン端１０２においてチャネル層５を流れる電流は一点に集中するため、アバランシェ現象が発生して数百℃にも及ぶ発熱が起きる。その結果、チャネル層５を構成する金属酸化物の酸化物生成自由エネルギーは減少し、酸素が脱離しやすい状態となる。
本実施の形態の薄膜トランジスタの線形領域動作において、チャネル層５に生じる反転層の形状を図６に示す。反転層１０１がゲート電極１とソース電極３Ａ，３Ｂの電界でチャネル層５に誘起される。反転層１０１のドレイン端１０２においてチャネル層５を流れる電流は一点に集中するため、アバランシェ現象が発生して数百℃にも及ぶ発熱が起きる。その結果、チャネル層５を構成する金属酸化物の酸化物生成自由エネルギーは減少し、酸素が脱離しやすい状態となる。
ここで、１気圧、２５℃の標準状態で各物質が生成するときに必要な標準生成自由エネルギーは、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーを用いて以下の式（１）〜（９）で表される。
チャネル層５を形成するＩｎ2Ｏ3・Ｇａ2Ｏ3・ＺｎＯは各物質の酸素多面体で構成された層が長周期的構造を取ったものとみなすことが可能である。式（１）、（７）、（８）、（９）より、
であるので、式（１０）より、チャネル層５を形成するＩｎ2Ｏ3・Ｇａ2Ｏ3・ＺｎＯから酸素分子１ｍｏｌが脱離するのに必要なエネルギーは、約１５０．０５ｋＪ／ｍｏｌであると分かる。
一方、第１ソース電極３Ａ，第１ドレイン電極４Ａを形成しているＺｎＯ・Ｇａ2Ｏ3の場合、少量含まれているＧａ2Ｏ3を無視すると、式（１）、（９）から
が導かれ、ＺｎＯから酸素分子１ｍｏｌが脱離するのに必要なエネルギーは約１７３．１４ｋＪ／ｍｏｌとなり、チャネル層５の標準生成エネルギーより若干小さい値となる。
同様に、ＭｏＯ3、ＷＯ3、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3から酸素分子１ｍｏｌが脱離するのに必要なエネルギーは、式（１）〜（６）を用いて、それぞれ、４４５．３１ｋＪ／ｍｏｌ、５０９．３５ｋＪ／ｍｏｌ、９４４．７ｋＪ／ｍｏｌ、５９１．４１ｋＪ／ｍｏｌ、７０５．３３ｋＪ／ｍｏｌと計算される。
もし、Ｉｎ2Ｏ3、Ｇａ2Ｏ3およびＺｎＯを主成分としたチャネル部と、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒのような金属で構成されたソース／ドレイン電極とが直接接触していると、上記計算から分かるように、酸化物を形成するために必要な標準生成自由エネルギーの差が約３００ｋＪ／ｍｏｌと大きく異なるため、ドレイン電極の酸化反応が進行する。その結果、チャネル層の金属酸化物の酸素欠損が進行し、キャリア濃度が増大した結果、バンドギャップ内のフェルミ準位が上昇する結果となり半導体としての特性が変動する。そして、酸素欠損が更に進行した場合、金属酸化物はマグネリ相などに代表される還元された金属層と酸素欠損の無い酸化物層の層状構造を取ることになり、半導体としての性質は失われることとなる。
しかし、本実施の形態ではチャネル層５をＩｎ2Ｏ3・Ｇａ2Ｏ3・ＺｎＯで構成すると共に、図６に示すようにドレイン電極を２層構造とし、反転層１０１のドレイン端１０２に接触する第１ドレイン電極４ＡをＺｎＯを主成分とする金属酸化物半導体で構成する。第１ドレイン電極４Ａにもチャネル層５にも豊富に酸素原子が存在しているため、質量作用の法則により、チャネル層５のドレイン端１０２での酸素脱離反応は進行せず、安定した半導体特性が確保できる。
また、標準状態ではチャネル層５から酸素分子が１ｍｏｌ脱離するのに必要なエネルギーは約１５０ｋＪ／ｍｏｌであり、これは同じく標準状態でドレイン電極から酸素分子が１ｍｏｌ脱離するのに必要なエネルギーである約１７３ｋＪ／ｍｏｌとほぼ同じで、若干小さい。このため、万一、なんらかの事情でドレイン端１０２で酸素欠損が生じたとしても、質量作用の法則により第１ドレイン電極４Ａからチャネル層５へある程度の酸素が補償され、チャネル層５の金属酸化物半導体層が金属へ還元される現象を抑制することとなる。
よって、第１ドレイン電極４ＡはＺｎＯに限らず、チャネル層５を形成する金属酸化物半導体よりも酸化物生成自由エネルギーが若干小さい金属酸化物半導体で構成されていれば良い。ここで、「若干小さい」とは、チャネル層５を形成する金属酸化物半導体の酸化物生成自由エネルギーの８５％以上１００％未満であることを指すものとする。
一方、ＺｎＯ等で構成された第１ドレイン電極４Ａと、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒのような金属で構成された第２ドレイン電極４Ｂとの接触部で温度が上昇する事態は想定し難い。とはいえ、万一、薄膜トランジスタの過度の負荷などにより、両者の界面で温度上昇が発生した場合、第１ドレイン電極４Ａを構成するＺｎＯから酸素が放出されることになる。この場合、ＺｎＯの酸素欠損が増え、ドーパント濃度が増えた結果、第１ドレイン電極４Ａの導電率が上昇する結果となるが、それは薄膜トランジスタ特性の見地からは致命的でない。
なお、さらに酸素脱離反応を抑制するために、ゲート絶縁膜２は酸化物であるか、少なくとも表面に酸化処理を施した薄膜であることが望ましい。
＜効果＞
本実施の形態の薄膜トランジスタは、ゲート電極１と、ゲート電極１上に設けられたゲート絶縁膜２と、ゲート絶縁膜２上に設けられたドレイン電極と、ゲート絶縁膜２上に前記ドレイン電極と隣接して設けられ、金属酸化物半導体で構成されたチャネル層５とを備え、前記ドレイン電極は、ゲート電極１への電圧印加によりチャネル層５に形成される反転層１０１と接触すべくゲート絶縁膜２上に設けられ、前記チャネル層を構成する金属酸化物半導体よりも酸化物生成自由エネルギーが若干小さい金属酸化物半導体で構成された第１ドレイン電極４Ａと、第１ドレイン電極４Ａ上に設けられ、金属で構成された第２ドレイン電極４Ｂとを備える。第１ドレイン電極４Ａにもチャネル層５にも豊富に酸素原子が存在しているため、質量作用の法則により、チャネル層５のドレイン端１０２での酸素脱離反応は進行せず、安定した半導体特性が確保できる。また、ドレイン端１０２で酸素欠損が生じたとしても、質量作用の法則により第１ドレイン電極４Ａからチャネル層５へある程度の酸素が補償され、チャネル層５の金属酸化物半導体層が金属へ還元される現象を抑制する。
本実施の形態の薄膜トランジスタは、ゲート電極１と、ゲート電極１上に設けられたゲート絶縁膜２と、ゲート絶縁膜２上に設けられたドレイン電極と、ゲート絶縁膜２上に前記ドレイン電極と隣接して設けられ、金属酸化物半導体で構成されたチャネル層５とを備え、前記ドレイン電極は、ゲート電極１への電圧印加によりチャネル層５に形成される反転層１０１と接触すべくゲート絶縁膜２上に設けられ、前記チャネル層を構成する金属酸化物半導体よりも酸化物生成自由エネルギーが若干小さい金属酸化物半導体で構成された第１ドレイン電極４Ａと、第１ドレイン電極４Ａ上に設けられ、金属で構成された第２ドレイン電極４Ｂとを備える。第１ドレイン電極４Ａにもチャネル層５にも豊富に酸素原子が存在しているため、質量作用の法則により、チャネル層５のドレイン端１０２での酸素脱離反応は進行せず、安定した半導体特性が確保できる。また、ドレイン端１０２で酸素欠損が生じたとしても、質量作用の法則により第１ドレイン電極４Ａからチャネル層５へある程度の酸素が補償され、チャネル層５の金属酸化物半導体層が金属へ還元される現象を抑制する。
また、本実施の形態の薄膜トランジスタにおいて、チャネル層５は酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛を主成分として構成され、第１ドレイン電極４Ａは酸化亜鉛を主成分として構成されるので、第１ドレイン電極４Ａにもチャネル層５にも豊富に酸素原子が存在しており、質量作用の法則により、チャネル層５のドレイン端１０２での酸素脱離反応は進行せず、安定した半導体特性が確保できる。また、ドレイン端１０２で酸素欠損が生じたとしても、質量作用の法則により第１ドレイン電極４Ａからチャネル層５へある程度の酸素が補償され、チャネル層５の金属酸化物半導体層が金属へ還元される現象を抑制する。
本実施の形態の薄膜トランジスタの製造方法は、（ａ）ゲート電極１上にゲート絶縁膜２を形成する工程と、（ｂ）ゲート絶縁膜２上に、金属酸化物半導体で構成される第１ドレイン電極４Ａ、金属で構成される第２ドレイン電極４Ｂを順に積層する工程と、（ｃ）ゲート絶縁膜２上に第１ドレイン電極３Ａと隣接して、金属酸化物半導体で構成されるチャネル層５を形成する工程とを備え、工程（ｂ）は、チャネル層５を構成する金属酸化物半導体よりも酸化物生成自由エネルギーが若干小さい金属酸化物半導体で構成される第１ドレイン電極４Ａを形成する工程を含み、工程（ｃ）は、ゲート電極１への電圧印加によりチャネル層５に形成される反転層１０１が、第１ドレイン電極４Ａと接触するようにチャネル層５を形成する工程である。第１ドレイン電極４Ａ、チャネル層５は豊富に酸素原子が存在するように形成されるので、質量作用の法則により、チャネル層５のドレイン端１０２での酸素脱離反応は進行せず、安定した半導体特性が確保できる。また、ドレイン端１０２で酸素欠損が生じたとしても、質量作用の法則により第１ドレイン電極４Ａからチャネル層５へある程度の酸素が補償され、チャネル層５の金属酸化物半導体層が金属へ還元される現象を抑制する。
また、本実施の形態の薄膜トランジスタの製造方法において、工程（ｂ）は、酸化亜鉛を主成分として第１ドレイン電極３Ａを形成する工程であり、工程（ｃ）は、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛を主成分としてチャネル層を形成する工程であるので、第１ドレイン電極４Ａ、チャネル層５は豊富に酸素原子が存在するように形成され、質量作用の法則により、チャネル層５のドレイン端１０２での酸素脱離反応は進行せず、安定した半導体特性が確保できる。また、ドレイン端１０２で酸素欠損が生じたとしても、質量作用の法則により第１ドレイン電極４Ａからチャネル層５へある程度の酸素が補償され、チャネル層５の金属酸化物半導体層が金属へ還元される現象を抑制する。
（実施の形態２）
＜構成＞
図７は、本実施の形態の薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。本実施の形態の薄膜トランジスタにおいて、ガラス等の透明絶縁性基板１００上にゲート電極１が形成される。透明絶縁性基板１００とゲート電極１上にはＳｉＮからなるゲート絶縁膜２が形成される。
＜構成＞
図７は、本実施の形態の薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。本実施の形態の薄膜トランジスタにおいて、ガラス等の透明絶縁性基板１００上にゲート電極１が形成される。透明絶縁性基板１００とゲート電極１上にはＳｉＮからなるゲート絶縁膜２が形成される。
ゲート絶縁膜２上にはソース電極３Ｃ、ドレイン電極４Ｃの他、反転層を形成するチャネル層５が形成される。ソース電極、ドレイン電極３Ｃ，４Ｃは、例えばＺｎ等の金属薄膜によって構成される。チャネル層５の反転層と接するソース電極、ドレイン電極３Ｃ，４Ｃの領域には、プラズマ酸化により形成された酸化物半導体皮膜３Ｄ，４Ｄがそれぞれ形成されており、ゲート絶縁膜２の反転層と接する領域にも、プラズマ酸化により形成された酸化皮膜２Ａが形成されている。
ゲート電極１上にゲート絶縁膜２を介して形成されるチャネル層５は、ゲート絶縁膜２上においてソース電極３Ｃ、ドレイン電極４Ｃと接して設けられており、例えば、ｍｏｌ比率で３３．３％のＩｎ2Ｏ3、３３．３％のＧａ2Ｏ3、３３．４％のＺｎＯで構成された化合物であり、フェルミ準位が伝導帯−価電子帯のバンドギャップの中央付近に存在しており、チャネルを形成している酸化物半導体薄膜である。なお、チャネル層５は、Ｉｎ2Ｏ3、Ｇａ2Ｏ3、ＺｎＯを主成分として構成されていればよく、「主成分として」とは、９５％以上を指すものとする。
＜製造工程＞
図８〜図１２を用いて本実施の形態の薄膜トランジスタの製造工程を説明する。
図８〜図１２を用いて本実施の形態の薄膜トランジスタの製造工程を説明する。
まず、ガラス基板などの透明絶縁性基板１００を洗浄液や純水を用いて洗浄し、第１の金属膜を成膜する。
本実施の形態では実施の形態１と同様、第１の金属膜として３ａｔ％のＮｉを添加したＡｌ−Ｎｉ合金膜を、公知のＡｒガスを用いたスパッタリング法により２００ｎｍの厚さで成膜する。その後、写真製版工程でフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとして公知のリン酸、硝酸、及び酢酸を含む溶液でウェットエッチングした後に、フォトレジストパターンを除去してゲート電極１を形成する（図８）。
次に、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用い、約３００℃の基板加熱条件下で、ゲート絶縁膜２としてＳｉ3Ｎ4膜を４００ｎｍ成膜する（図９）。
その後、金属膜を成膜し、フォトレジストパターン１１を用いてエッチングすることにより、ソース、ドレイン電極３Ｃ，４Ｃを形成する（図１０）。
本実施の形態では、金属膜について、Ａｒガスを用いたＤＣスパッタリング法を用い、９９．９９９％の亜鉛を５０ｎｍの厚さで順次成膜した後に、写真製版工程でフォトレジストパターン１１を形成し、これをマスクとして塩酸や燐酸などをエッチング溶液に用いたウェットエッチング法で金属膜をエッチングする。
次に、基板を酸素プラズマに曝露させることにより、ソース、ドレイン電極３Ｃ，４Ｃの表面を酸化させてＺｎＯからなる酸化物半導体皮膜３Ｄ，４Ｄを形成し、併せてゲート絶縁膜２の表面をもプラズマ酸化させてＳｉ3Ｎ(4-x)Ｏ1.5xの組成をもつ酸化物皮膜２Ａとする（図１１）。この酸素プラズマ処理はレジストのアッシング工程も兼ねており、平行平板のプラズマ装置でアノード電極から給電してプラズマ放電を行う。条件は圧力１５Ｐａ、Ｏ2流量２００ｓｃｃｍ、ＲＦ密度１．１Ｗ／ｃｍとする。その後、市販のレジスト剥離液を使用してフォトレジストの剥離および基板の洗浄を行う。
続いて、酸化物半導体によるチャネル層形成を行う。本実施の形態ではＡｒガスによるＤＣスパッタリング法を用い、チャネル層５としてｍｏｌ比率で３３．３％のＩｎ2Ｏ3、３３．３％のＧａ2Ｏ3、３３．４％のＺｎＯで構成された酸化物半導体膜を５０ｎｍ成膜する。その後、写真製版工程でフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとして塩酸などをエッチング溶液に用いたウェットエッチング法でチャネル層５を形成する（図１２）。
以降、保護膜形成、コンタクトホール穿孔、画素電極形成などの工程が続くが、これらは通常のＴＦＴ形成プロセスと同じであるので省略する。
チャネル層５に酸化物半導体を用いる本実施の形態の薄膜トランジスタは、線形領域で動作しているときに、反転層１０１のドレイン端１０２においてチャネルを流れる電流が一点に集中し、数百℃にも及ぶ発熱が起きる。そのため、ドレイン端１０２に隣接するドレイン電極が金属であるならば、チャネル層５の酸化物半導体が還元されてドレイン電極が酸化し、トランジスタ特性に変動をきたす。
そこで、本実施の形態の薄膜トランジスタでは、ドレイン電極４Ｃを亜鉛で形成し、ドレイン電極４Ｃのドレイン端と接触する領域にＺｎＯからなる酸化物半導体皮膜４Ｄを形成する。チャネル層５にも酸化物半導体皮膜４Ｄにも豊富に酸素原子が存在しているため、質量作用の法則により、チャネル層５のドレイン端１０２での酸素脱離反応は進行せず、安定した半導体特性が確保できる。
また、式（１０）、（１１）より、標準状態でチャネル層５から酸素分子が１ｍｏｌ脱離するのに必要なエネルギーは約１５０ｋＪ／ｍｏｌであり、同じく標準状態でドレイン電極４Ｃの酸化物半導体皮膜４Ｄから酸素分子が１ｍｏｌ脱離するのに必要なエネルギーは約１７３ｋＪ／ｍｏｌであり、これらがほぼ同じであるため、万一、なんらかの事情でドレイン端で酸素欠損が生じたとしても、質量作用の法則により酸化物半導体皮膜４Ｄからチャネル層５へある程度の酸素が補償され、チャネル層５の金属酸化物半導体層が金属へ還元される現象を抑制する。
また、酸素プラズマ処理により、ゲート絶縁膜２にも多くの酸素が含まれた酸化物皮膜２Ａが形成されていることも、薄膜トランジスタの安定性確保に寄与する。
＜効果＞
本実施の形態の薄膜トランジスタは、ゲート電極１と、ゲート電極１上に設けられたゲート絶縁膜２と、ゲート絶縁膜２上に設けられ、金属を含むドレイン電極４Ｃと、ゲート絶縁膜２上にドレイン電極４Ｃと隣接して設けられ、金属酸化物半導体で構成されたチャネル層５とを備え、ドレイン電極４Ｃは、ゲート電極１への電圧印加によりチャネル層５に形成される反転層１０１と接触する領域に、チャネル層５を構成する金属酸化物半導体よりも酸化物生成自由エネルギーが若干小さい金属酸化物半導体皮膜を備える。ドレイン電極４Ｃの金属酸化物半導体皮膜にもチャネル層５にも豊富に酸素原子が存在しているため、質量作用の法則により、チャネル層５のドレイン端１０２での酸素脱離反応は進行せず、安定した半導体特性が確保できる。また、ドレイン端１０２で酸素欠損が生じたとしても、質量作用の法則によりドレイン電極４Ｃの金属酸化物半導体皮膜からチャネル層５へある程度の酸素が補償され、チャネル層５の金属酸化物半導体層が金属へ還元される現象を抑制する。
本実施の形態の薄膜トランジスタは、ゲート電極１と、ゲート電極１上に設けられたゲート絶縁膜２と、ゲート絶縁膜２上に設けられ、金属を含むドレイン電極４Ｃと、ゲート絶縁膜２上にドレイン電極４Ｃと隣接して設けられ、金属酸化物半導体で構成されたチャネル層５とを備え、ドレイン電極４Ｃは、ゲート電極１への電圧印加によりチャネル層５に形成される反転層１０１と接触する領域に、チャネル層５を構成する金属酸化物半導体よりも酸化物生成自由エネルギーが若干小さい金属酸化物半導体皮膜を備える。ドレイン電極４Ｃの金属酸化物半導体皮膜にもチャネル層５にも豊富に酸素原子が存在しているため、質量作用の法則により、チャネル層５のドレイン端１０２での酸素脱離反応は進行せず、安定した半導体特性が確保できる。また、ドレイン端１０２で酸素欠損が生じたとしても、質量作用の法則によりドレイン電極４Ｃの金属酸化物半導体皮膜からチャネル層５へある程度の酸素が補償され、チャネル層５の金属酸化物半導体層が金属へ還元される現象を抑制する。
また、本実施の形態の薄膜トランジスタにおいて、チャネル層５は酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛を主成分として構成され、金属酸化物半導体皮膜は酸化亜鉛を主成分として構成されるので、チャネル層５のドレイン端１０２での酸素脱離反応は進行せず、安定した半導体特性が確保できる。また、ドレイン端１０２で酸素欠損が生じたとしても、質量作用の法則によりドレイン電極４Ｃの金属酸化物半導体皮膜からチャネル層５へある程度の酸素が補償され、チャネル層５の金属酸化物半導体層が金属へ還元される現象を抑制する。
本実施の形態の薄膜トランジスタの製造方法は、（ａ）ゲート電極１上にゲート絶縁膜２を形成する工程と、（ｂ）ゲート絶縁膜２上に金属で構成されるドレイン電極３Ｃを形成する工程と、（ｃ）酸素プラズマ処理によってゲート絶縁膜２の表面とドレイン電極３Ｃの所定の領域とを酸化する工程と、（ｄ）ゲート絶縁膜２上にドレイン電極３Ｃと隣接して、金属酸化物半導体で構成されるチャネル層５を形成する工程とを備え、工程（ｃ）は、チャネル層５を構成する金属酸化物半導体よりも酸化物生成自由エネルギーが若干小さい金属酸化物半導体皮膜４Ｄを、ゲート電極１への電圧印加によりチャネル層５に形成される反転層１００と接触する領域に形成する工程を含む。ドレイン電極４Ｃの金属酸化物半導体皮膜４Ｄとチャネル層５は豊富に酸素原子が存在するように形成されるので、質量作用の法則により、チャネル層５のドレイン端１０２での酸素脱離反応は進行せず、安定した半導体特性が確保できる。また、ドレイン端１０２で酸素欠損が生じたとしても、質量作用の法則により金属酸化物半導体皮膜４Ｄからチャネル層５へある程度の酸素が補償され、チャネル層５の金属酸化物半導体層が金属へ還元される現象を抑制する。
また、本実施の形態の薄膜トランジスタの製造方法において、工程（ｂ）は、亜鉛を主成分としてドレイン電極４Ｃを形成する工程であり、工程（ｄ）は、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛を主成分としてチャネル層５を形成する工程であるので、ドレイン電極４Ｃの金属酸化物半導体皮膜４Ｄとチャネル層５は豊富に酸素原子が存在するように形成され、質量作用の法則により、チャネル層５のドレイン端１０２での酸素脱離反応は進行せず、安定した半導体特性が確保できる。また、ドレイン端１０２で酸素欠損が生じたとしても、質量作用の法則により第１ドレイン電極４Ａからチャネル層５へある程度の酸素が補償され、チャネル層５の金属酸化物半導体層が金属へ還元される現象を抑制する。
１ ゲート電極、２ ゲート絶縁膜、３Ａ 第１ソース電極、３Ｂ 第２ソース電極、３Ｃ ドレイン電極、３Ｄ，４Ｄ 金属酸化物半導体皮膜、４Ａ 第１ドレイン電極、４Ｂ 第２ドレイン電極、５ チャネル層、１１ フォトレジストパターン、１００ 透明絶縁性基板、１０１ 反転層、１０２ ドレイン端。
Claims (4)
- ゲート電極と、
前記ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられ、金属を含むドレイン電極と、
前記ゲート絶縁膜上に前記ドレイン電極と隣接して設けられ、金属酸化物半導体で構成されたチャネル層とを備え、
前記ドレイン電極は、前記チャネル層と接触する領域に、前記チャネル層を構成する金属酸化物半導体よりも酸化物生成自由エネルギーが若干小さい金属酸化物半導体皮膜を備え、
前記ゲート絶縁膜は、窒化シリコン層と、前記窒化シリコン層の前記チャネル層側の表面を覆い前記チャネル層に接触する酸化皮膜とを備える、
薄膜トランジスタ。 - 前記チャネル層は酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛を主成分として構成され、
前記金属酸化物半導体皮膜は酸化亜鉛を主成分として構成される、
請求項１に記載の薄膜トランジスタ。 - （ａ）ゲート電極上に窒化シリコンよりなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
（ｂ）前記ゲート絶縁膜上に金属で構成されるドレイン電極を形成する工程と、
（ｃ）酸素プラズマ処理によって前記ゲート絶縁膜の表面と前記ドレイン電極の所定の領域とを酸化する工程と、
（ｄ）前記ゲート絶縁膜上に前記ドレイン電極と隣接して、金属酸化物半導体で構成されるチャネル層を形成する工程とを備え、
前記工程（ｃ）は、前記チャネル層を構成する金属酸化物半導体よりも酸化物生成自由エネルギーが若干小さい金属酸化物半導体皮膜を、前記ドレイン電極における前記チャネル層と接触する領域に形成するとともに、酸化皮膜を、前記窒化シリコンよりなるゲート絶縁膜における前記チャネル層と接触する領域に形成する工程を含む、
薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記工程（ｂ）は、亜鉛を主成分として前記ドレイン電極を形成する工程であり、
前記工程（ｄ）は、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛を主成分としてチャネル層を形成する工程である、
請求項３に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
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