JP6046794B2

JP6046794B2 - トランジスタの作製方法

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Publication number: JP6046794B2
Application number: JP2015250749A
Authority: JP
Inventors: 宮永　昭治; 昭治宮永; 坂田　淳一郎; 淳一郎坂田; 坂倉　真之; 真之坂倉; 高橋　正弘; 正弘高橋; 英幸岸田; 山崎　舜平; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: JP2016066815A

Description

技術分野は、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタに関する。

近年、ポリシリコンにより得られる高い移動度およびアモルファスシリコンにより得ら
れる均一な素子特性を兼ね備えた新たな半導体材料として、酸化物半導体が注目されてい
る。例えば、酸化タングステン、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛などが半導体特性
を示す金属酸化物としてあげられる。

特許文献１および２では、半導体特性を示す金属酸化物をチャネル形成領域に用いる薄
膜トランジスタが提案されている。

特開２００７−１２３８６１号公報特開２００７−９６０５５号公報

電気特性の良好な、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを提供することを課題とす
る。

本発明の一態様は、基板上に形成されたゲート電極と、ゲート電極上のゲート絶縁膜と
、ゲート電極およびゲート絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上の金属膜と、
を有し、酸化物半導体膜は、金属膜との界面に、酸化物半導体膜の他の領域より金属濃度
が高い領域（高金属濃度領域）を有することを特徴とする薄膜トランジスタである。

高金属濃度領域には、酸化物半導体膜に含まれる金属が、結晶粒あるいは微結晶として
存在していてもよい。

本発明の一態様は、基板上に形成されたゲート電極と、ゲート電極上のゲート絶縁膜と
、ゲート電極およびゲート絶縁膜上のインジウム、ガリウムおよび亜鉛を含む酸化物半導
体膜と、酸化物半導体膜上のチタン膜と、を有し、酸化物半導体膜は、チタン膜との界面
に、酸化物半導体膜の他の領域よりインジウムの濃度が高い領域を有することを特徴とす
る薄膜トランジスタである。

酸化物半導体膜の他の領域よりインジウムの濃度が高い領域には、インジウムが結晶粒
あるいは微結晶として存在していてもよい。

電気特性の良好な、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを提供することができる。

酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの断面模式図図１に示す薄膜トランジスタにおけるソース電極−ドレイン電極間のエネルギーバンド図ＩＧＺＯ中における、金属と酸素の結晶構造を示す図タングステン膜と酸化物半導体膜の界面近傍における、金属原子と酸素原子の構造モデルを示す図モリブデン膜と酸化物半導体膜の界面近傍における、金属原子と酸素原子の構造モデルを示す図チタン膜と酸化物半導体膜の界面近傍における、金属原子と酸素原子の構造モデルを示す図（Ａ）試料１のＣ−Ｖ特性を示すグラフ、（Ｂ）試料１のＶｇと（１／Ｃ）^２との関係を示すグラフ（Ａ）試料２のＣ−Ｖ特性を示すグラフ、（Ｂ）試料２のＶｇと（１／Ｃ）^２との関係を示すグラフ図１に示す薄膜トランジスタを適用した電子機器の例を示す図

以下、開示される発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。ただし、発明は
以下の説明に限定されず、その発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなく、その態
様および詳細をさまざまに変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがっ
て、発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

（実施の形態１）
図１（Ａ）は、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの断面模式図である。この薄膜
トランジスタは、基板１０，ゲート電極２０，ゲート絶縁膜３０，酸化物半導体膜４０，
酸化物半導体膜４０の他の領域より金属濃度が高い領域５０（以下「高金属濃度領域５０
」と記す），金属膜７０および絶縁膜８０で構成されている。

図１（Ａ）に示す薄膜トランジスタは、チャネルエッチ構造のボトムゲート型である。
ただし、薄膜トランジスタの構造はこれに限定されるものでなく、任意のトップゲート構
造、ボトムゲート構造などを用いることができる。

基板１０は、ガラス基板が適切である。後の加熱処理の温度が高い場合には、ガラス基
板のなかでも、歪点が７３０℃以上のものを用いるとよい。また、耐熱性を考えると、ホ
ウ酸（Ｂ_２Ｏ_３）より、酸化バリウム（ＢａＯ）を多く含むガラス基板が好適である。

ガラス基板以外にも、セラミック基板、石英ガラス基板、石英基板、サファイア基板な
どの絶縁体でなる基板を、基板１０として用いてもよい。他にも、結晶化ガラスなどを、
基板１０として用いることができる。

また、下地膜となる絶縁膜を、基板１０とゲート電極２０との間に設けてもよい。下地
膜は、基板１０からの不純物元素の拡散を防止する機能を有する。なお、下地膜は、窒化
珪素、酸化珪素、窒化酸化珪素あるいは酸化窒化珪素から選ばれた一または複数の膜によ
り形成することができる。

ゲート電極２０としては、金属導電膜を用いることができる。金属導電膜の材料として
は、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），銅（Ｃｕ），タンタル（Ｔａ），チタン（
Ｔｉ），モリブデン（Ｍｏ）あるいはタングステン（Ｗ）から選ばれた元素、またはこれ
らの元素を成分とする合金などを用いることができる。例えば、チタン膜−アルミニウム
膜−チタン膜の３層構造あるいはモリブデン膜−アルミニウム膜−モリブデン膜の３層構
造などを用いることができる。なお、金属導電膜は３層構造に限られず、単層、または２
層構造、あるいは４層以上の積層構造を用いてもよい。

酸化物半導体膜４０としては、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜
や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜，Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜，Ｉｎ−
Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜，Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜，Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜，Ｓｎ−Ａｌ−Ｚ
ｎ−Ｏ系や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜，Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜，Ａｌ−Ｚｎ
−Ｏ膜，Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ膜，Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ膜，Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ膜や、Ｉｎ−Ｏ膜，Ｓｎ
−Ｏ膜，Ｚｎ−Ｏ膜などを用いることができる。また、上記酸化物半導体膜それぞれは、
酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を含んでもよい。

また、酸化物半導体膜４０としては、ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０）で表記される
構造の酸化物半導体膜を用いることもできる。ここで、Ｍは、ガリウム（Ｇａ），アルミ
ニウム（Ａｌ），マンガン（Ｍｎ）およびコバルト（Ｃｏ）から選ばれた一または複数の
金属元素を示す。Ｍに該当する例として、ガリウム単体、ガリウムおよびアルミニウム、
ガリウムおよびマンガンあるいはガリウムおよびコバルト、などがあげられる。

なお、ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０）で表記される構造の酸化物半導体膜のうち、
Ｍとしてガリウム（Ｇａ）を含む構造の酸化物半導体を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物
半導体とも記す。

酸化物半導体膜４０は、ドナーの原因と考えられる水素、水分、水酸基または水酸化物
（水素化合物ともいう）などの不純物を意図的に排除したのち、これらの不純物の排除工
程において同時に減少してしまう酸素を供給することで、高純度化および電気的にｉ型（
真性）化されている。薄膜トランジスタの電気的特性の変動を抑制するためである。

酸化物半導体膜４０中の水素が少ないほど、酸化物半導体膜４０はｉ型に近づく。した
がって、酸化物半導体膜４０に含まれる水素は、５×１０^１９／ｃｍ^３以下、好ましくは
５×１０^１８／ｃｍ^３以下、より好ましくは５×１０^１７／ｃｍ^３以下、または５×１０
^１６／ｃｍ^３未満とするとよい。当該水素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ；Ｓ
ｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定できる。

酸化物半導体膜４０に含まれる水素を極力除去することで、酸化物半導体膜４０中のキ
ャリア密度は、５×１０^１４／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１２／ｃｍ^３以下、より
好ましくは５×１０^１０／ｃｍ^３以下となる。当該キャリア密度は、ＣＶ（容量および電
圧）測定により、測定できる。

また、酸化物半導体は、ワイドギャップ半導体である。例えば、シリコンのバンドギャ
ップは１．１２ｅＶであるのに対して、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体のバンドギ
ャップは３．１５ｅＶであることからも、明らかである。

ワイドギャップ半導体である酸化物半導体は、少数キャリア密度が低く、また、少数キ
ャリアが誘起されにくい。そのため、酸化物半導体膜４０を用いた薄膜トランジスタにお
いては、トンネル電流が発生し難く、ひいては、オフ電流が流れ難いといえる。したがっ
て、酸化物半導体膜４０を用いた薄膜トランジスタのチャネル幅１μｍあたりのオフ電流
として、１００ａＡ／μｍ以下、好ましくは１０ａＡ／μｍ以下、より好ましくは１ａＡ
／μｍ以下を実現できる。

また、ワイドギャップ半導体である酸化物半導体膜４０を用いた薄膜トランジスタにお
いては、衝突イオン化ならびにアバランシェ降伏が起きにくい。したがって、酸化物半導
体膜４０を用いた薄膜トランジスタは、ホットキャリア劣化への耐性があるといえる。ホ
ットキャリア劣化の主な要因は、アバランシェ降伏によってキャリアが増大し、高速に加
速されたキャリアがゲート絶縁膜へ注入されることにあるためである。

金属膜７０は、ソース電極またはドレイン電極として用いられる。金属膜７０としては
、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），銅（Ｃｕ），タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔ
ｉ），モリブデン（Ｍｏ）あるいはタングステン（Ｗ）などの金属材料、またはこれらの
金属材料を成分とする合金材料を用いることができる。また、金属膜７０は、アルミニウ
ム（Ａｌ），銅（Ｃｕ）などの金属膜の一方または双方に、クロム（Ｃｒ），タンタル（
Ｔａ），チタン（Ｔｉ），モリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）などの高融点金
属膜を積層させた構成としてもよい。なお、シリコン（Ｓｉ），チタン（Ｔｉ），タンタ
ル（Ｔａ），タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），クロム（Ｃｒ），ネオジム（Ｎ
ｄ），スカンジウム（Ｓｃ）またはイットリウム（Ｙ）など、アルミニウム膜に生ずるヒ
ロックやウィスカーの発生を防止する元素が添加されているアルミニウム材料を用いるこ
とで、耐熱性にすぐれた金属膜７０を得ることができる。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）における領域１００を拡大した断面模式図である。

図１（Ｂ）に示すように、高金属濃度領域５０には、酸化物半導体膜４０に含まれる金
属が、結晶粒あるいは微結晶として存在していてもよい。

図２は、図１に示す構成の薄膜トランジスタにおける、ソース電極−ドレイン電極間の
エネルギーバンド図（模式図）である。この図は、ソース電極−ドレイン電極間の電位差
がゼロである場合に該当する。

このエネルギーバンド図において、金属は縮退しているため、伝導帯とフェルミ準位と
は一致している。なお、高金属濃度領域５０は金属として扱っている。また、不純物を極
力除去することにより、酸化物半導体膜４０は高純度化および電気的にｉ型（真性）化し
ている。その結果、フェルミ準位（Ｅ_ｆ）は真性フェルミ準位（Ｅ_ｉ）と同程度とするこ
とができる。

このエネルギーバンド図より、酸化物半導体膜４０と高金属濃度領域５０との界面には
障壁が存在しておらず、良好なコンタクトが得られていることがわかる。

（実施の形態２）
図１に示す構成の薄膜トランジスタの作成工程について説明する。

まず、絶縁表面を有する基板１０上に導電膜を形成した後、第１のフォトリソグラフィ
工程によりゲート電極２０を形成する。

第１のフォトリソグラフィ工程に用いるレジストマスクは、インクジェット法で形成し
てもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成すると、フォトマスクを使用しない
ため、製造コストを低減できる。

次いで、ゲート電極２０上にゲート絶縁膜３０を形成する。

ゲート絶縁膜３０は、プラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法などの方法により成膜
する。ゲート絶縁膜３０としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒
化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸
化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどの膜が好適である。

酸化物半導体膜４０と接するゲート絶縁膜３０は、緻密で絶縁耐性が高い膜であること
が望まれる。そのため、特に、μ波（２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤ法
により、ゲート絶縁膜３０を成膜することが適している。

このようにして得られた緻密で絶縁耐性が高い膜であるゲート絶縁膜３０と、不純物を
極力除去してｉ型に近づけた酸化物半導体膜４０との界面特性は良好となる。

仮に、酸化物半導体膜４０と、ゲート絶縁膜３０との界面特性が不良であるとすると、
ゲートバイアス・熱ストレス試験（ＢＴ試験：８５℃，２×１０^６Ｖ／ｃｍ，１２時間）
において、不純物と酸化物半導体の主成分との結合手が切断され、生成された不対結合手
により、しきい値電圧のドリフトが誘発される結果となる。

ゲート絶縁膜３０は、窒化物絶縁膜と、酸化物絶縁膜との積層構造としてもよい。例え
ば、第１のゲート絶縁膜としてスパッタリング法により膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下
の窒化シリコン膜（ＳｉＮ_ｙ（ｙ＞０））を形成した後、第１のゲート絶縁膜上に第２の
ゲート絶縁膜として膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の酸化シリコン膜（ＳｉＯ_ｘ（ｘ＞０
））を形成することによって、積層構造のゲート絶縁膜３０とすることができる。ゲート
絶縁膜３０の膜厚は、薄膜トランジスタに要求される特性によって適宜設定すればよく、
３５０ｎｍないし４００ｎｍ程度でもよい。

好ましくは、ゲート絶縁膜３０成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室
において、ゲート電極２０が形成された基板１０を予備加熱することによって、基板１０
に吸着した水素ならびに水分などの不純物を脱離および排気するとよい。その後形成され
るゲート絶縁膜３０および酸化物半導体膜４０に、水素ならびに水分などの不純物が極力
含まれないようにするためである。また、ゲート絶縁膜３０までが形成された基板１０を
予備加熱してもよい。

予備加熱の温度としては、１００℃以上４００℃以下が適切である。１５０℃以上３０
０℃以下であれば、さらに好適である。また、予備加熱室における排気手段は、クライオ
ポンプが適切である。

次いで、ゲート絶縁膜３０上に、酸化物半導体膜４０を形成する。酸化物半導体膜４０
は、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下が適切である。

酸化物半導体膜４０は、スパッタリング法により成膜する。スパッタリング法は、希ガ
ス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスおよび酸素の混合雰囲
気下において行う。

スパッタリング法による酸化物半導体膜４０の成膜に用いるターゲットとして、酸化亜
鉛を主成分とする金属酸化物のターゲットを用いることができる。また、組成比がそれぞ
れ、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ％］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１
：１：０．５［ａｔｏｍ％］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ％］またはＩｎ
：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２［ａｔｏｍ％］）であるインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ
）および亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体ターゲットを用いることもできる。また、当該
酸化物半導体ターゲットの充填率は、９０％以上１００％以下が適切である。９５％以上
９９．９％以下であれば、さらに好適である。充填率の高い酸化物半導体ターゲットを用
いるほど、より緻密な酸化物半導体膜を成膜できるためである。

酸化物半導体膜４０成膜前に、減圧状態の処理室内に基板１０を保持し、基板１０を室
温ないし４００℃未満の温度に加熱する。それから、処理室内の残留水分を除去しつつ、
水素および水分が除去されたスパッタガスを導入しながら、基板１０とターゲットとの間
に電圧を印加することによって、基板１０上に酸化物半導体膜４０を成膜する。

処理室内の残留水分を除去する排気手段には、吸着型の真空ポンプを用いることが適切
である。例として、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなど
があげられる。また、排気手段として、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを
用いることもできる。処理室内より、水（Ｈ_２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ま
しくは炭素原子を含む化合物も）等を排気することにより、当該処理室において成膜した
酸化物半導体膜４０に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、クライオポンプにより
処理室内に残留する水分を除去しつつスパッタ成膜を行うことにより、酸化物半導体膜４
０を成膜する際の基板１０の温度を、室温ないし４００℃未満とすることができる。

なお、酸化物半導体膜４０をスパッタリング法により成膜する前に、逆スパッタによっ
て、ゲート絶縁膜３０の表面に付着しているゴミを除去するとよい。逆スパッタとは、タ
ーゲット側に電圧を印加せずに、基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加することにより生
じる反応性プラズマによって、基板表面を洗浄する方法である。なお、逆スパッタは、ア
ルゴン雰囲気中で行う。また、アルゴンにかえて、窒素、ヘリウムあるいは酸素などを用
いてもよい。

酸化物半導体膜４０成膜後、酸化物半導体膜４０の脱水化または脱水素化を行う。脱水
化または脱水素化のための加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下が適切であり、
特に４２５℃以上であることが好適である。なお、加熱処理時間は、当該加熱処理の温度
が４２５℃以上であれば１時間以下でよいが、４２５℃以下であれば加熱処理時間は１時
間よりも長くするべきである。

例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に、酸化物半導体膜４０が形成された基板１
０を導入し、窒素雰囲気下において加熱処理を行う。その後、同じ炉に高純度の酸素ガス
、高純度の一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）ガスまたは超乾燥エア（露点が−４０℃以下、好まし
くは−６０℃以下で、窒素と酸素が４対１の割合で混合された気体）を導入して冷却を行
う。酸素ガスまたはＮ_２Ｏガスには、水、水素などが含まれないことが望まれる。また、
酸素ガスまたはＮ_２Ｏガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（
９９．９９９９９％）以上、（すなわち酸素ガスまたはＮ_２Ｏガス中の不純物濃度を１ｐ
ｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが適切である。

なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、例えば、ＧＲＴＡ（ＧａｓＲａｐｉｄＴ
ｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（ＬａｍｐＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌ
Ａｎｎｅａｌ）装置などのＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）装置
を用いることができる。

また、酸化物半導体膜４０の脱水化または脱水素化のための加熱処理は、島状に加工す
る前後を問わず、酸化物半導体膜４０に対して行うことができる。

以上の工程を経て、酸化物半導体膜４０全体を酸素過剰な状態とすることによって、酸
化物半導体膜４０全体を高抵抗化、すなわちＩ型化させる。

次いで、ゲート絶縁膜３０および酸化物半導体膜４０上に、金属膜７０を形成する。金
属膜７０は、スパッタリング法や真空蒸着法などで成膜すればよい。また、金属膜７０は
、単層構造であってもよいし、２層以上の積層構造であってもよい。

その後、第３のフォトリソグラフィ工程により、金属膜７０上にレジストマスクを形成
し、選択的にエッチングを行ってソース電極およびドレイン電極を形成した後、レジスト
マスクを除去する。

薄膜トランジスタのチャネル長Ｌは、酸化物半導体膜４０上で隣り合うソース電極の下
端部と、ドレイン電極の下端部との間隔幅によって決定される。すなわち、第３のフォト
リソグラフィ工程におけるレジストマスク形成時の露光の程度によって、薄膜トランジス
タのチャネル長Ｌが決定されるといえる。第３のフォトリソグラフィ工程におけるレジス
トマスク形成時の露光には、紫外線、ＫｒＦレーザ光ならびにＡｒＦレーザ光を用いるこ
とができる。また、チャネル長Ｌを２５ｎｍ未満とする場合には、数ｎｍないし数１０ｎ
ｍの極めて波長が短い超紫外線（ＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）を用いて露
光すればよい。超紫外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きいためである。した
がって、薄膜トランジスタのチャネル長Ｌは、露光に用いる光の種類によって、１０ｎｍ
以上１０００ｎｍ以下とすることが可能である。

なお、金属膜７０をエッチングする際に、酸化物半導体膜４０を除去しないようにする
ため、金属膜７０の材料および酸化物半導体膜４０の材料ならびにエッチング条件を適宜
調節する必要がある。

一例として、金属膜７０としてチタン膜を用い、かつ、酸化物半導体膜４０としてＩｎ
−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いた場合には、エッチャントとして過水アンモニア
水（アンモニア、水および過酸化水素水の混合液）を用いるとよい。

なお、第３のフォトリソグラフィ工程において、酸化物半導体膜４０の一部のみがエッ
チングされることによって、溝部（凹部）を有する酸化物半導体膜４０となることがあり
得る。また、ソース電極およびドレイン電極を形成するためのレジストマスクは、インク
ジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成すると、フォト
マスクを使用しないため、製造コストを低減できる。

ソース電極およびドレイン電極を形成後、一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）、窒素（Ｎ_２）また
はアルゴン（Ａｒ）などのガスを用いたプラズマ処理によって、露出している酸化物半導
体膜４０の表面に付着した吸着水などを除去してもよい。当該プラズマ処理には、酸素お
よびアルゴンの混合ガスを用いることもできる。

プラズマ処理を行った場合は、そのまま大気に触れることなく、酸化物半導体膜４０の
一部に接する、絶縁膜８０を形成する。図１に示す薄膜トランジスタでは、酸化物半導体
膜４０が、金属膜７０と重ならない領域において、酸化物半導体膜４０と絶縁膜８０とが
接するように形成されている。

絶縁膜８０の一例として、酸化物半導体膜４０および金属膜７０が形成された基板１０
を、室温ないし１００℃未満の温度に加熱した後、水素および水分が除去された高純度酸
素を含むスパッタガスを導入し、シリコン半導体のターゲットを用いて成膜した、欠陥を
含む酸化シリコン膜があげられる。

絶縁膜８０は、処理室内の残留水分を除去しつつ成膜することが適している。酸化物半
導体膜４０および絶縁膜８０に水素、水酸基または水分が含まれないようにするためであ
る。

処理室内の残留水分を除去する排気手段には、吸着型の真空ポンプを用いることが適切
である。例として、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなど
があげられる。また、排気手段として、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを
用いることもできる。処理室内より、水素原子や、水（Ｈ_２Ｏ）など水素原子を含む化合
物等を排気することにより、当該処理室において成膜した絶縁膜８０に含まれる不純物の
濃度を低減できる。

なお、絶縁膜８０としては、酸化シリコン膜の他に、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミ
ニウム膜または酸化窒化アルミニウム膜などを用いることもできる。

絶縁膜８０の成膜後に、不活性ガス雰囲気下または窒素ガス雰囲気下において、１００
℃ないし４００℃、好ましくは１５０℃以上３５０℃未満の加熱処理を行ってもよい。加
熱処理を行うと、酸化物半導体膜４０中に含まれる水素、水分、水酸基または水素化物な
どの不純物が、欠陥を含む絶縁膜８０中に拡散する。その結果、酸化物半導体膜４０中に
含まれる不純物を、より低減させることができる。

また、当該加熱処理によって、酸化物半導体膜４０と金属膜７０との界面に、高金属濃
度領域５０が形成される。

なお、高金属濃度領域５０は、金属膜７０の形成前に、スパッタリング法などを用いて
酸化物半導体膜４０上に形成してもよい。

以上の工程により、図１に示す構成の薄膜トランジスタを形成することができる。

（実施の形態３）
図１に示す構成の薄膜トランジスタの、酸化物半導体膜４０と金属膜７０との界面にお
いて、高金属濃度領域５０が形成される現象について、計算科学により検証した結果を示
す。

以下の計算において、酸化物半導体膜４０は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体か
らなる膜である場合を考える。また、金属膜７０は、タングステン（Ｗ）膜、モリブデン
（Ｍｏ）膜、チタン（Ｔｉ）膜のいずれかである場合を考える。

［高金属濃度領域５０が形成される現象について］
最初に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を構成しているインジウム、ガリウム、
亜鉛それぞれの酸化物が、酸素欠損状態を形成するために必要なエネルギー（欠損形成エ
ネルギーＥ_ｄｅｆ）を計算する。

欠損形成エネルギーＥ_ｄｅｆは、次の式（１）で定義される。

ただし、Ｅ（Ａ_ｍＯ_ｎ−１）は酸素欠損のある酸化物Ａ_ｍＯ_ｎ−１のエネルギー、Ｅ（
Ｏ）は酸素分子のエネルギーの半分、Ｅ（Ａ_ｍＯ_ｎ）は酸素欠損のある酸化物Ａ_ｍＯ_ｎの
エネルギーである。また、Ａは、インジウム単独、ガリウム単独、亜鉛単独、インジウム
とガリウムと亜鉛、のいずれかがあてはまる。

また、欠損濃度ｎと、欠損形成エネルギーＥ_ｄｅｆとの関係は、近似的に次の式（２）
で表される。

ただし、Ｎは欠損が形成されていない状態における酸素位置の数、ｋ_Ｂはボルツマン定
数、Ｔは絶対温度である。

式（２）より、欠損形成エネルギーＥ_ｄｅｆが大きくなると、酸素欠損の濃度ｎ、すな
わち酸素の欠損量は小さくなることが分かる。

欠損形成エネルギーＥ_ｄｅｆの計算には、密度汎関数法のプログラムであるＣＡＳＴＥ
Ｐを用いる。密度汎関数の方法として平面波基底擬ポテンシャル法を用い、汎関数はＧＧ
ＡＰＢＥを用いる。カットオフエネルギーは、５００ｅＶを用いる。ｋ点は、ＩＧＺＯに
ついては３×３×１、Ｉｎ_２Ｏ_３については２×２×２、Ｇａ_２Ｏ_３については２×３×
２、ＺｎＯについては４×４×１のグリッドを用いる。

結晶構造は、ＩＧＺＯ結晶については対称性Ｒ−３（国際番号：１４８）の構造につい
てａ軸、ｂ軸にそれぞれ２倍した８４原子の構造に対して、Ｇａ、Ｚｎをエネルギーが最
小になるように配置した構造を用いる。Ｉｎ_２Ｏ_３については８０原子のｂｉｘｂｙｉｔ
ｅ構造を、Ｇａ_２Ｏ_３については８０原子のβ−Ｇａｌｌｉａ構造を、ＺｎＯについては
８０原子のウルツ構造を用いる。

表１は、式（１）において、Ａがそれぞれ、インジウム単独、ガリウム単独、亜鉛単独
、インジウムとガリウムと亜鉛の場合とした、欠損形成エネルギーＥ_ｄｅｆの値を示した
表である。

ＩＧＺＯ（Ｍｏｄｅｌ１）の欠損形成エネルギーＥ_ｄｅｆは、Ａがインジウムとガリウ
ムと亜鉛の場合に、ＩＧＺＯ結晶中において、インジウム３つと亜鉛１つに隣接する酸素
（図３（Ａ）参照）についての値である。

ＩＧＺＯ（Ｍｏｄｅｌ２）の欠損形成エネルギーＥ_ｄｅｆは、Ａがインジウムとガリウ
ムと亜鉛の場合に、ＩＧＺＯ結晶中において、インジウム３つとガリウム１つに隣接する
酸素（図３（Ｂ）参照）についての値である。

ＩＧＺＯ（Ｍｏｄｅｌ３）の欠損形成エネルギーＥ_ｄｅｆは、Ａがインジウムとガリウ
ムと亜鉛の場合に、ＩＧＺＯ結晶中において、亜鉛２つとガリウム２つに隣接する酸素（
図３（Ｃ）参照）についての値である。

欠損形成エネルギーＥ_ｄｅｆの値が大きいほど、酸素欠損状態を形成するために高いエ
ネルギーが必要である。つまり、欠損形成エネルギーＥ_ｄｅｆの値が大きいほど、酸素と
の結合が強い傾向にあることを意味する。換言すれば、表１より、欠損形成エネルギーＥ
_ｄｅｆの値が最も小さいインジウムが、最も酸素との結合が弱いといえる。

Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体における酸素欠損状態は、ソース電極またはドレ
イン電極として用いられている金属膜７０が、酸化物半導体膜４０から酸素を引き抜くた
めに起こると考えられる。こうして酸素欠損状態となった酸化物半導体膜４０の一部が、
高金属濃度領域５０となる。この高金属濃度領域５０の有無により、酸化物半導体膜４０
のキャリア密度は少なくとも２桁異なる。酸化物半導体膜４０から酸素が引き抜かれるこ
とによって、酸化物半導体膜４０がｎ化するためである。なお、ｎ化とは、多数キャリア
である電子が増加することを意味する。

［酸化物半導体膜４０中のキャリア密度について］
次に、金属膜７０による酸化物半導体膜４０からの酸素の引き抜きについて、実際に素
子を作製し、評価する。具体的には、酸素引き抜きの効果を有する金属膜を酸化物半導体
膜に積層形成する場合と、酸素引き抜きの効果を有さない金属膜を酸化物半導体膜に積層
形成する場合の、酸化物半導体膜４０中のキャリア密度を計算し、結果を比較する。

酸化物半導体膜中のキャリア密度は、酸化物半導体膜を用いたＭＯＳキャパシタを作製
し、当該ＭＯＳキャパシタのＣＶ測定の結果（ＣＶ特性）を評価することで求めることが
可能である。

キャリア密度の測定は、次の（１）−（３）の手順で行う。（１）ＭＯＳキャパシタの
ゲート電圧Ｖｇと、容量Ｃとの関係をプロットしたＣ−Ｖ特性を取得する。（２）当該Ｃ
−Ｖ特性からゲート電圧Ｖｇと、（１／Ｃ）^２との関係を表すグラフを取得し、当該グラ
フにおいて弱反転領域での（１／Ｃ）^２の微分値を求める。（３）得られた微分値を、キ
ャリア密度Ｎ_ｄを表す以下の式（３）に代入する。

ただし、ｅは電気素量、ε_０は真空の誘電率、εは酸化物半導体の誘電率である。

測定に係る試料として、酸素引き抜きの効果を有する金属膜を用いたＭＯＳキャパシタ
（以下、「試料１」と記す）と、酸素引き抜きの効果を有さない金属膜を用いたＭＯＳキ
ャパシタ（以下、「試料２」と記す）とを用意する。なお、酸素引き抜きの効果を有する
金属膜として、チタン膜を適用した。また、酸素引き抜きの効果を有さない金属膜として
、チタン膜の表面（酸化物半導体膜側）に窒化チタン膜を有する膜を適用した。

試料の詳細は、次の通りである。
試料１：
ガラス基板上に４００ｎｍの厚さのチタン膜を有し、チタン膜上にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ
系の酸化物半導体（ａ−ＩＧＺＯ）を用いた２μｍの厚さの酸化物半導体膜を有し、酸化
物半導体膜上に３００ｎｍの厚さの酸窒化珪素膜を有し、酸窒化珪素膜上に３００ｎｍの
銀膜を有する。
試料２：
ガラス基板上にチタン膜を３００ｎｍの厚さのチタン膜を有し、チタン膜上に１００ｎｍ
の厚さの窒化チタン膜を有し、窒化チタン膜上にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体
（ａ−ＩＧＺＯ）を用いた２μｍの厚さの酸化物半導体膜を有し、酸化物半導体膜上に３
００ｎｍの厚さの酸窒化珪素膜を有し、酸窒化珪素膜上に３００ｎｍの銀膜を有する。

なお、試料１および試料２において、酸化物半導体膜は、インジウム（Ｉｎ），ガリウ
ム（Ｇａ）および亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：
１：０．５［ａｔｏｍ％］）を用いたスパッタリング法により形成した。また、酸化物半
導体膜の形成雰囲気は、アルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ_２）との混合雰囲気（Ａｒ：Ｏ_２＝
３０（ｓｃｃｍ）：１５（ｓｃｃｍ））とした。

図７（Ａ）は、試料１のＣ−Ｖ特性を示している。また、図７（Ｂ）は、試料１のＶｇ
と、（１／Ｃ）^２との関係を示している。図７（Ｂ）の弱反転領域における（１／Ｃ）^２
の微分値を、式（３）に代入すると、酸化物半導体膜中のキャリア密度１．８×１０^１２
／ｃｍ^３が得られる。

図８（Ａ）は、試料２のＣ−Ｖ特性を示している。また、図８（Ｂ）は、試料２のＶｇ
と、（１／Ｃ）^２との関係を示している。図８（Ｂ）の弱反転領域における（１／Ｃ）^２
の微分値を、式（３）に代入すると、酸化物半導体膜中のキャリア密度６．０×１０^１０
／ｃｍ^３が得られる。

以上の結果より、酸素引き抜きの効果を有する金属膜を用いたＭＯＳキャパシタ（試料
１）と、酸素引き抜きの効果を有さない金属膜を用いたＭＯＳキャパシタ（試料２）では
、酸化物半導体膜中のキャリア密度が少なくとも２桁異なることがわかる。これより、金
属膜によって酸化物半導体膜から酸素が引き抜かれ、酸化物半導体膜における酸素欠損が
増加した結果、金属膜近傍の酸化物半導体膜がｎ化したことが示唆される。

（実施の形態４）
図１に示す構成の薄膜トランジスタは、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用す
ることができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビ
ジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデ
オカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、
携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機、太陽電
池などがあげられる。

図９（Ａ）は、図１に示す構成の薄膜トランジスタを適用した携帯電話機の一例を示し
ている。この携帯電話機は、筐体１２０に組み込まれた表示部１２１を備えている。

この携帯電話機は、表示部１２１を指などで触れることで、情報の入力ができる。また
、電話を掛ける、あるいはメールを打つなどの操作も、表示部１２１を指などで触れるこ
とにより行うことができる。

例えば、表示部１２１における画素のスイッチング素子として、図１に示す構成の薄膜
トランジスタを複数配置することで、この携帯電話機の性能を高めることができる。

図９（Ｂ）は、図１に示す構成の薄膜トランジスタを適用したテレビジョン装置の一例
を示している。このテレビジョン装置は、筐体１３０に表示部１３１が組み込まれている
。

例えば、表示部１３１における画素のスイッチング素子として、図１に示す構成の薄膜
トランジスタを複数配置することで、このテレビジョン装置の性能を高めることができる
。

以上のように、図１に示す構成の薄膜トランジスタは、さまざまな電子機器の表示パネ
ルに配置することで、その電子機器の性能を高めることができる。

１０基板
２０ゲート電極
３０ゲート絶縁膜
４０酸化物半導体膜
５０高金属濃度領域
７０金属膜

Claims

インジウム、ガリウムおよび亜鉛を含む酸化物半導体膜を形成し、
前記酸化物半導体膜に、窒素を含む雰囲気下で、４００℃以上７５０℃以下の温度で第１の加熱を行い、
前記第１の加熱後、前記酸化物半導体膜を酸素を含む雰囲気下で冷却し、
前記冷却後、前記酸化物半導体膜上に接してチタン膜を形成し、
前記チタン膜をエッチングして、前記酸化物半導体膜上に、ソース電極として機能する第１のチタン膜、及びドレイン電極として機能する第２のチタン膜を形成し、
前記酸化物半導体膜上、前記第１のチタン膜上、及び前記第２のチタン膜上に接する絶縁膜を形成し、
前記絶縁膜は、前記第１のチタン膜及び前記第２のチタン膜と重ならない領域において、前記酸化物半導体膜と接する領域を有し、
前記絶縁膜形成後、不活性ガス雰囲気下または窒素ガス雰囲気下において、１００℃以上４００℃以下の温度で第２の加熱を行い、
前記酸化物半導体膜はチャネルとして機能する部分を有し、
前記酸化物半導体膜と前記第１のチタン膜との界面及び前記酸化物半導体膜と前記第２のチタン膜との界面において、インジウムの結晶粒あるいは微結晶が存在することを特徴とするトランジスタの作製方法。