JP6241848B2 - 薄膜トランジスタの構造、薄膜トランジスタの製造方法および半導体装置 - Google Patents

Description

本願発明は、薄膜トランジスタの構造、薄膜トランジスタの製造方法および半導体装置に関するものである。

薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＴＦＴ））は、アクティブマトリクス駆動方式を採用する液晶ディスプレイや有機エレクトロルミネッセンス（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ（ＥＬ））ディスプレイのスイッチング素子として数多く利用されている。

ＴＦＴとしては、半導体層（チャネル層）にアモルファスシリコンやポリシリコンを用いたものが知られている。近年では、種々の特性向上を図るため、半導体層にＩｎ（インジウム）−Ｚｎ（亜鉛）−Ｏ系の金属酸化物やＩｎ−Ｇａ（ガリウム）−Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物を用いたＴＦＴが検討されている。

このような薄膜トランジスタはｎ型伝導であり、アモルファスシリコンやポリシリコンよりも高いチャネル移動度を示すことから、高精細なディスプレイや大画面のディスプレイのスイッチング素子として好適に用いることができる。また、金属酸化物を形成材料とする半導体層には、原理上ｐ型伝導を示さないためにｏｆｆ電流が極めて小さくなることから、薄膜トランジスタを用いると消費電力を低減できるという利点を有する。

薄膜トランジスタをフラットパネルディスプレイのスイッチング素子として用いる場合には、例えばガラスのような透明基板を用いることが必要となる。しかしながら、透明基板上に形成したボトムゲート型のＴＦＴの場合、ガラス基板／ゲート絶縁膜／金属酸化物半導体層の積層部分において、ゲート絶縁膜として例えばＳｉＯ_２を用いた場合には、ガラスの構成元素、例えばカルシウム（Ｃａ）、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）等がゲート絶縁膜を通り抜け、半導体層にまで拡散してしまい、薄膜トランジスタの電流・電圧特性を劣化させてしまう欠点があった。絶縁膜としてはＳｉＯ_２よりもＳｉＮｘの方が不純物の拡散防止性が高いことが知られているが、ＳｉＮｘにはキャリアのトラッピングのような問題がある。

また拡散防止性を高めるには、ゲート絶縁膜を厚くすることも有効であるが、厚くすれば半導体層にかかる電界も小さくなってしまうため、ゲート絶縁膜の誘電率は高い方が望ましく、特に誘電率の高い材料の膜はＨｉｇｈ−ｋ膜として近年盛んに応用されている。

そのため、不純物の拡散防止性が高く、その結果薄膜トランジスタの特性劣化が抑制され、かつ誘電率が高いゲート絶縁膜が求められていた。ＳｉＯ_２、ＳｉＮｘ、ＳｉＯＮ以外、特に金属酸化膜によるゲート絶縁層の従来例としては以下のようなものが開示されていれる。

特許文献１には、ＩＩ族酸化物半導体層を成長させた後、その上に窒素をドープして酸素リッチな条件により抵抗率を１０^５Ωｃｍ以上に高抵抗化したＩＩ族酸化物絶縁層を、半導体層と単一の装置で成長することが開示されている。

特許文献２には、積層型の半導体装置において、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＴａの少なくとも１つの酸化膜、金属シリケート膜、またはこれらのいずれかに、窒素および炭素の少なくとも１つを添加したゲート絶縁膜を、層の側面に作製した薄膜トランジスタに用いた例が開示されている。

特許文献３には、半導体基板を用いた相補型の電界効果型トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜としてＨｉｇｈ−ｋ膜を適用すると閾値電圧が高くなるという問題を解決するため、第１ゲート絶縁膜としてＨｆＡｌＴｉＯＮ膜を、第２ゲート絶縁膜としてＨｆＬａＯＮ膜を用いることが記載されている。

さらに、非特許文献１にはＨｆＯＮ膜を室温で作製し、有機トランジスタのゲート絶縁膜へ応用した結果が報告されている。

しかしながら、これらの文献は、上記ガラス基板上に薄膜トランジスタを作製する際の問題点に関連した、基板からの半導体層への不純物の拡散防止に関して何ら言及したものではない。

特開２０１３―１０２０９３号公報 特開２０１３―１６１８７７号公報 特開２０１１―２４９４０２号公報

Ｍｉｎ Ｌｉａｏ、Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｉｓｈｉｗａｒａ、Ｓｈｕｎ−ｉｃｈｉｒｏ Ｏｈｍｉ、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．５１、０４ＤＫ０１ （２０１２）

本願発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、基板からの半導体層への不純物の拡散防止性に優れ、それによる特性劣化が抑制された薄膜トランジスタを提供することを目的とする。また、この薄膜トランジスタの製造方法を提供することをあわせて目的とする。

上記の課題を解決するため、本願発明の一態様に係る薄膜トランジスタは、ソース電極およびドレイン電極と、ソース電極およびドレイン電極に接して設けられた半導体層と、ソース電極およびドレイン電極の間のチャネルに対応させて設けられたゲート電極と、ゲート電極と半導体層との間に設けられた絶縁体層とを備え、絶縁体層の形成材料が、Ｈｆおよび希土類元素を含む金属酸窒化物である。

本願発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいては、基板と、基板上のゲート電極とゲート電極上の絶縁体層と、絶縁体上の半導体層と、半導体層上に設けられたソース電極およびドレイン電極と、を備え、ソース電極およびドレイン電極の間の半導体層がチャネルを形成し、ゲート電極はチャネルに対応させて設けられ、絶縁体層の形成材料が、Ｈｆおよび希土類元素を含む金属酸窒化物である。

本願発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいては、上記希土類元素がランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロジウム（Ｄｙ）、エルビウム（Ｅｒ）、およびイッテルビウム（Ｙｂ）から選択された少なくとも１つの元素であるとしてもよい。

本願発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいては、絶縁体層の比誘電率が１２以上であるとしてもよい。

本願発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいては、絶縁体層と半導体層との間に窒素を含まない第２の絶縁体層を設けるとしてもよい。

本願発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいては、第２の絶縁体層の厚さが２〜５０ｎｍであるとしてもよい。

本願発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいては、基板が透明基板であるとしてもよい。

本願発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいては、透明基板がガラスであるとしてもよい。

本願発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいては、 半導体層がＩｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、それ以外の希土類元素、Ａｌ、Ｂ、Ｃからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む酸化物半導体であるとしてもよい。

本願発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいては、Ｈｆおよび希土類元素を含む金属酸窒化物からなる絶縁体層を作製する工程を有し、作製する工程は、ＭＯＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法の少なくとも１つの方法を用い、Ｈｆを含む有機金属ガスおよび希土類元素の１つを含む有機金属ガスを原料ガスに用い、ＮＨ_３、Ｈ_２およびＮ_２の少なくとも１つをプロセスガスに用いる、薄膜トランジスタの製造方法である。

本願発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいては、希土類元素がＬａであるとしてもよい。

本願発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいては、Ｈｆを含む有機金属ガスがテトラキシジメチルアミドハフニウム（Ｈｆ(ＮＭｅ_２)_４）であり、Ｌａを含む有機金属ガスがトリス（エチルシクロペンタジエニル）ランタン（Ｌａ(ＥｔＣｐ)_３）であるとしてもよい。

本願発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいては、絶縁体層を形成する工程を、５００℃以下で行うとしてもよい。

本願発明の一態様に係る半導体装置は、基板と、基板に設けられた上記の薄膜トランジスタを有する。

本願発明の態様によれば、Ｈｆおよび希土類元素、特にＬａを含む金属酸窒化物をゲート絶縁膜に用いることにより、特性変化が抑制された薄膜トランジスタを提供することができる。また、Ｈｆおよび希土類元素、特にＬａを含む金属酸窒化物をゲート絶縁膜に用いることにより、特性変化が抑制された薄膜トランジスタの製造方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る薄膜トランジスタおよび半導体装置の概略断面図である。 第２の実施形態に係る薄膜トランジスタおよび半導体装置の概略断面図である。 ＳｉＯ_２膜またはＨｆＬａＯＮ膜をゲート絶縁膜とした場合の、ＳＩＭＳによる半導体層中に含まれるＢの濃度分布の測定結果である。 ＳｉＯ_２膜またはＨｆＬａＯＮ膜をゲート絶縁膜とした場合の薄膜トランジスタのＩｄ−Ｖｄ特性の評価結果を示すグラフである。

以下、図１を参照しながら、本願発明の実施形態に係る薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタの製造方法および半導体装置について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは、実際の製品とは適宜異ならせて示している。図１に示すように、本実施形態の半導体装置１００は、基板２０と、基板２０上に形成された本実施形態の薄膜トランジスタ１０とを備えている。半導体装置１００は、その他に薄膜トランジスタ１０と電気的に接続する不図示の配線や素子を有していてもよい。

（薄膜トランジスタの構造）

基板２０としては、公知の形成材料で形成されたものを用いることができ、光透過性を有するもの及び光透過性を有しないもののいずれも用いることができる。例えば、ケイ酸アルカリ系ガラス、石英ガラス、窒化ケイ素などを形成材料とする無機基板；シリコン基板；表面が絶縁処理された金属基板；アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などのポリエステル樹脂などを形成材料とする樹脂基板；紙性の基板などの種々のものを用いることができる。また、これらの材料を複数組み合わせた複合材料を形成材料とする基板であっても構わない。
基板２０の厚さは、設計に応じて適宜設定することができる。

図１の薄膜トランジスタ１０は、いわゆるボトムゲート型のトランジスタである。薄膜トランジスタ１０は、基板２０上に設けられたゲート電極３０と、ゲート電極３０を覆って設けられた絶縁体層４０、あるいは第１の絶縁体層４１と第２の絶縁体層４２の積層と、絶縁体層の上面に設けられた半導体層５０と、半導体層５０の上面において半導体層５０に接して設けられたソース電極６０およびドレイン電極７０、および層間絶縁膜８０を有している。ゲート電極３０は、半導体層５のチャネル領域に対応させて（チャネル領域と平面的に重なる位置に）設けられている。

ゲート電極３０、ソース電極６０、ドレイン電極７０としては、通常知られた材料で形成されたものを用いることができる。これらの電極の形成材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）などの金属材料やこれらの合金；インジウムスズ酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ、ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの導電性酸化物を挙げることができる。また、これらの電極は、２層以上の積層構造を有してもよく、この積層構造は、例えば表面を金属材料でめっきすることにより形成されてもよい。

ゲート電極３０、ソース電極６０、ドレイン電極７０は、同じ形成材料で形成されたものであってもよく、異なる形成材料で形成されたものであってもよい。製造が容易となることから、ソース電極６０とドレイン電極７０とは同じ形成材料であることが好ましい。

絶縁体層４０は、実施例で詳細に述べるように、ＭＯＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、あるいはＡＬＤ法により作製される。ここでハフニウム（Ｈｆ）に加えて希土類元素をも含ませることによって比誘電率を高めることができ（典型的には１２以上）、その結果、膜厚を薄くする必要がないため、ゲートリーク電流を減らすことができる。

半導体層５０は、金属酸化物から構成されていても良く、好ましくは酸素欠損が導入されることで電子キャリアを生成できる第１酸化物と、酸素との結合解離エネルギーが第１酸化物の酸素の解離エネルギーよりも２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きい第２酸化物とを含む。第１酸化物は、好ましくは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、および錫（Ｓｎ）からなる群から選択された少なくとも１つを含む金属酸化物であり、第２酸化物は、好ましくはジルコニウム（Ｚｒ）、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリ二ウム（Ｇｄ）、それ以外の希土類元素、アルミニウム（Ａｌ）、ボロン（Ｂ）および炭素（Ｃ）からなる群から選択された少なくとも１つを含む酸化物である。

好ましくは、第１酸化物の元素がＩｎである場合、第２酸化物の元素は、Ｚｒ、Ｐｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｂ、Ｃからなる群から選択された少なくとも１つであり、第１酸化物の元素がＳｎである場合、第２酸化物の元素は、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｄ、Ｇｄからなる群から選択された少なくとも１つの元素である。

それぞれの添加量は目的に応じて適宜、定めることができる。なお、当然のことであるが、本願発明の作用効果に甚だしい悪影響が出ない限り、半導体層には上記以外の成分や不可避の不純物が含まれていてもよい。また半導体層としては上記金属酸化物に制限されることはなく、例えばＳｉ、ＳｉＧｅ等のＩＶ族半導体、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体の薄膜であってもよい。

（薄膜トランジスタの製造方法）
次に、本実施形態の薄膜トランジスタ１０の製造方法について説明する。本実施形態の薄膜トランジスタのゲート絶縁体層および半導体層は、物理蒸着法（または物理気相成長法）、あるいは化学蒸着法（ＣＶＤ）を用いることにより形成することも可能である。

ここで、物理蒸着法としては、蒸着法やスパッタ法が挙げられる。蒸着法としては、真空蒸着法、分子線蒸着法（ＭＢＥ）、イオンプレーティング法、イオンビーム蒸着法などを例示することができる。また、スパッタ法としては、コンベンショナル・スパッタリング、マグネトロン・スパッタリング、イオンビーム・スパッタリング、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）・スパッタリング、反応性スパッタリングなどを例示することができる。スパッタ法においてプラズマを用いた場合は、反応性スパッタ法、ＤＣ（直流）スパッタ法、高周波（ＲＦ）スパッタ法等の成膜法を用いることができる。

化学蒸着法（ＣＶＤ）としては、ＭＯＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等の成膜法を用いることができる。

さらには、下記の製造方法を用いて薄膜トランジスタを製造することが好ましい。下記の製造方法を用いると、より高品質な薄膜トランジスタを製造することができる。

なお、本実施形態においては、いわゆるボトムゲート型の薄膜トランジスタについて説明するが、本願発明はいわゆるトップゲート型の薄膜トランジスタに適用することもできる。

トップゲート型の薄膜トランジスタ場合、基板と半導体層との間に本願のＨｆおよび希土類元素を含む金属酸窒化物からなる絶縁体層を設けて、同様に基板からの不純物拡散を防止することができる。またこの場合、半導体層上のゲート絶縁層として同じ絶縁体を用いてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本願発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本願発明は斯かる例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本願発明の要件から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

以下に本実施形態を実施例により説明するが、本実施形態はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１を参照すると、実施例の薄膜トランジスタ１０は以下のように製造した。ガラス基板２０上にＭｏＷ膜をスパッタリングにより堆積し、通常のマスクを用いたフォトリソグラフィーによりゲート電極３０のパターンを形成した。その上に、下記に詳細に説明するＭＯＣＶＤ法、およびプラズマＣＶＤ法によって、Ｎ濃度が２０%の膜厚１００ｎｍのＨｆ_０．５Ｌａ_０．５ＯＮ膜からなる第１の絶縁体層４１を形成し、引き続き膜厚が２〜５０ｎｍのＳｉＯ_２膜からなる第２の絶縁体層４２を堆積した。第１の絶縁体層４１は基板からの不純物の拡散防止層として機能する。第２の絶縁体層４２は半導体層の膜厚は２ｎｍ以上であることが望ましい。第１および第２の絶縁体層は３００℃の温度で形成した。その上に、以下に説明する方法により、Ｉｎ−Ｓｉ−Ｏ薄膜を堆積した後、通常のマスクを用いたフォトリソグラフィーにより半導体層５０のパターンを形成した。その上にソース電極６０およびドレイン電極７０を、金（Ａｕ）を形成材料として用い、半導体層５０および第２の絶縁体層４２の表面にマスク蒸着することにより形成した。最後にソース電極６０およびドレイン電極７０および半導体層５０の表面上にＳｉ０_２を用いて層間絶縁膜８０を形成した。

上記第1の絶縁体層４１はＭＯＣＶＤ法により成膜した。第１の絶縁膜層４１に用いたＨｆ_０．５Ｌａ_０．５ＯＮ膜は、テトラキシジメチルアミドハフニウム（Ｈｆ(ＮＭｅ_２)_４）とトリス（エチルシクロペンタジエニル）ランタン（Ｌａ(ＥｔＣｐ)_３）を原料ガスとして、また反応ガスとして、ＮＨ_３＋Ｈ_２ガスとＯ_２ガスの交互供給法で導入し、成膜温度は３００℃で作製した。なお原料ガスは上記に限定されるものではなく、Ｈｆおよび希土類元素をそれぞれ含む他の有機金属ガスを用いてもよい。得られたＨｆ_０．５Ｌａ_０．５ＯＮ膜はＸＲＤ（Ｘ線回折）による解析の結果、アモルファス構造であった。

第２の絶縁膜層４２であるＳｉＯ_２膜は、テトラメトキシシラン（Ｓｉ(ＯＣＨ_３)_４）を原料ガスに、プラズマ酸素ガスを反応ガスに用いたプラズマＣＶＤ法により、成膜温度２００℃で作製した。なお原料ガスは上記に限定されるものではなく、Ｓｉを含む他のガスを用いてもよい。

また、第１の絶縁膜層４１は次に述べる方法により作製してもよい。
Ｈｆ(ＮＭｅ_２)_４原料とＬａ(ＥｔＣｐ)_３原料を1/1サイクル比率で供給し、Ｈ_２Ｏを酸化ガスとして用いたＡＬＤ法により、成膜温度２００℃で、膜厚が５０〜１００ｎｍのＨｆ_０．５Ｌａ_０．５Ｏ膜を成膜した。続いて、窒素プラズマ処理を２００℃で施す事で、Ｈｆ_０．５Ｌａ_０．５Ｏ膜の最表面に約１〜５ｎｍ厚さの、窒化したＨｆ_０．５Ｌａ_０．５ＯＮ層を形成した。また、ＮＨ_３ガスを用いたアニールで窒素をＨｆ_０．５Ｌａ_０．５Ｏ膜へ導入する場合には、約６００℃以上の熱処理温度で実施した。あるいは、Ｈｆ(ＮＭｅ_２)_４原料とＬａ(ＥｔＣｐ)_３原料を1/1サイクル比率で供給する窒素プラズマガスを用いたＡＬＤ法で、成膜温度２００℃で、膜厚が５０〜１００nmのＨｆ_０．５Ｌａ_０．５ＯＮ膜を成膜してもよい。

半導体層５０は、スパッタリング装置を用い、ターゲット材として、Ｉｎ−Ｓｉ−Ｏターゲットを用いて以下のスパッタ条件でスパッタリング法（ＤＣスパッタリング）により成膜した。１０％Ｓｉ添加のＩｎ−Ｓｉ−Ｏターゲットを用いた。成膜したＩｎ−Ｓｉ−Ｏ半導体層の厚さは２０ｎｍであった。

（スパッタリング条件）
ＤＣ ｐｏｗｅｒ ：1００Ｗ
真空度 ：０．２Ｐａ
プロセスガス流量 ：Ａｒ ２０ｓｃｃｍ／Ｏ_２ ２ｓｃｃｍ
（ｓｃｃｍ：Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）
基板温度 ：２５℃。加熱なし

（実施例２）
ガラス基板に含まれるアルカリ金属、アルカリ土塁金属の拡散防止として、窒素を添加したＨｆＬａＯＮ膜の効果を調べた。１０^２１/ｃｍ^３オーダーの高濃度のボロン（Ｂ）をドープしたガラス基板上へ、上記の成膜方法で、Ｎ濃度が２０%のＨｆ_０．５Ｌａ_０．５ＯＮ膜を３０ｎｍ作製した。続いて、ボロンの突き抜けが良く見えるようにＩｎ−Ｓｉ−Ｏ膜を１５０ｎｍ作製した。比較として、絶縁膜として３０ｎｍ厚のＳｉＯ_２膜を用いた試料も準備した。窒素雰囲気中、９５０℃で1分熱処理した後のＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析によるボロンの深さ分布を図３に示す。ＳｉＯ_２試料では、ボロンはＳｉＯ_２膜を完全に突き抜けているのに対して、Ｈｆ_０．５Ｌａ_０．５ＯＮ試料はボロンの拡散を抑制できている事が分る。ボロン突き抜けの抑制効果があるのは、窒素濃度が１０％以上であり、５０％以上になると絶縁性が著しく低下する傾向を示す。

Ｌａを添加する効果は二つあり、一つは誘電率を大きくすることができること、もう一つはＨｆ−Ｎ結合が弱くボロンの抑制に効果的で無いのに対してＬａ−Ｎ結合は強く、その結果、ボロンの拡散を抑制できる点にある。ＨｆＯＮの誘電率が２０以下であるのに対してＨｆＬａＯＮは２０より大きな誘電率を有することが分った。また、Ｌａの代りに同じ希土類元素のＹ、Ｃｅ、 Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、 Ｅｒ、およびＹｂから選択された元素を用いても良い。

本実施例においては、上記２種類の絶縁膜を用いた図２に示す薄膜トランジスタを作製し、両者のＩｄ（ドレイン電流）−Ｖｄ（ドレイン電圧）特性の比較を行った。図２に示す薄膜トランジスタは、図１に示した薄膜トランジスタ１０と基本的に同様の構成であるが、図１の薄膜トランジスタ１０が有するゲート電極３０の代わりに、ｐ型不純物を多量にドープしたＳｉ層２１をゲートとして用いる構成となっている。一方の薄膜トランジスタは、誘電率が２４のＨｆ_０．５Ｌａ_０．５ＯＮ(６０ｎｍ)/ＳｉＯ_２(３ｎｍ)スタック構造をゲート絶縁膜４０に用い、比較の薄膜トランジスタは、スタック構造のゲート絶縁膜と同じ実効膜厚に相当する１３ｎｍのＳｉＯ_２をゲート絶縁膜に用いたものである。半導体層５０は両方ともＩｎ−Ｓｉ−Ｏである。得られた特性を図４に示す。評価環境は測定温度２５℃、暗所であり、Ｖｇ＝５、１０、１５および２０Ｖの場合のＩｄ−Ｖｄ特性で、同じＶｇ電圧で比較すると、Ｈｆ_０．５Ｌａ_０．５ＯＮ(６０ｎｍ)/ＳｉＯ_２(３ｎｍ)スタック構造の方が高い飽和特性を示した。この違いは実施例２の結果とあわせて考えると、基板からの不純物拡散が防止されている結果であると考えられる。

本願のゲート絶縁膜は、基板からの不純物の拡散防止性に優れ、かつ誘電率が高いため、本実施形態の薄膜トランジスタは、電気的特性の劣化が抑制されている。このため、本実施形態は、液晶ディスプレイや有機エレクトロルミネッセンス（Electro Luminescence（ＥＬ））ディスプレイのスイッチング素子の製造工程に好ましく適用できる。

１０：薄膜トランジスタ、２０：基板、３０：ゲート電極、４０：絶縁体層、４１：第１の絶縁体層、４２：第２の絶縁体層、５０：半導体層、６０：ソース電極、７０：ドレイン電極、８０：層間絶縁膜

Claims (13)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられたゲート電極と、
   前記ゲート電極上に設けられた絶縁体層と、
   前記絶縁体上に設けられた半導体層と、
   前記半導体層上に設けられたソース電極およびドレイン電極と
   を備え、
   前記ゲート電極は前記ソース電極および前記ドレイン電極の間のチャネルに対応させて設けられており、
   前記絶縁体層の形成材料が、Ｈｆおよび希土類元素を含む金属酸窒化物を含む
   薄膜トランジスタ。
2. 前記希土類元素がＬａ、Ｙ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、およびＹｂから選択された少なくとも１つの元素である、請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
3. 前記絶縁体層の比誘電率が１２以上である請求項１あるいは請求項２のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
4. 前記絶縁体層と前記半導体層との間に窒素を含まない第２の絶縁体層を設ける請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
5. 前記第２の絶縁体層の厚さが２〜５０ｎｍである請求項４に記載の薄膜トランジスタ。
6. 前記基板が透明基板である請求項１から５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
7. 前記透明基板がガラスである請求項６に記載の薄膜トランジスタ。
8. 前記半導体層がＩｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、それ以外の希土類元素、Ａｌ、Ｂ、Ｃからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む酸化物半導体である、請求項１から７のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
9. Ｈｆおよび希土類元素を含む金属酸窒化物からなる絶縁体層を作製する工程を有し、
   前記作製する工程は、ＭＯＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、ＡＬＤ法の少なくとも１つの方法を用い、
   Ｈｆを含む有機金属ガスおよび希土類元素の１つを含む有機金属ガスを原料ガスに用い、
   ＮＨ_３、Ｈ_２およびＮ_２の少なくとも１つをプロセスガスに用いる、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
10. 前記希土類元素がＬａ、Ｙ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、およびＹｂから選択された少なくとも１つの元素であるである請求項９に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
11. 前記Ｈｆを含む有機金属ガスがテトラキシジメチルアミドハフニウム（Ｈｆ(ＮＭｅ_２)_４）であり、前記Ｌａを含む有機金属ガスがトリス（エチルシクロペンタジエニル）ランタン（Ｌａ(ＥｔＣｐ)_３）である請求項９に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
12. 前記絶縁体層を形成する工程を、５００℃以下で行う請求項９から１１のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
13. 請求項１から８のいずれか１項に記載の前記薄膜トランジスタと、さらに素子と配線とを有する半導体装置。