JP6252904B2 - 酸化物半導体およびその製法 - Google Patents
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Description
また、特許文献3には、酸化物半導体を用いた半導体装置の作製方法において、酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上に設けられるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜に接するゲート電極と、ゲート電極に接するサイドウォール絶縁膜と、酸化物半導体膜に接するソース電極及びドレイン電極と、を形成する工程を有し、ゲート絶縁膜及びサイドウォール絶縁膜が、酸化物半導体膜に含まれる酸素の脱離を抑制する温度よりも低い温度で形成する方法が開示されている。
また、特許文献4には、絶縁性基板上のゲート電極、該ゲート電極上のゲート絶縁膜、該ゲート絶縁膜上のインジウムを含む酸化物半導体膜、及び該酸化物半導体膜上のソース・ドレイン電極を有し、該酸化物半導体膜のソース・ドレイン電極が重ならない部分の表面層におけるXPSスペクトルのインジウム3d軌道起因のピーク位置が、該表面層の下部に存在する酸化物半導体領域におけるXPSスペクトルのインジウム3d軌道起因のピーク位置よりも高エネルギー側にシフトしているTFTが開示されている。
[2] 前記第2酸化物の酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも255kJ/mol以上大きい、[1]に記載の酸化物半導体。
[3] 前記第1金属酸化物の金属が、インジウム、ガリウム、亜鉛、および錫からなる群から選択される少なくとも一つである、[1]に記載の酸化物半導体。
[4] 前記第2酸化物は、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、およびプラセオジム(Pr)からなる群から選択される少なくとも一つを含む酸化物である、[4]に記載の酸化物半導体。
[5] 前記第2酸化物は、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、およびハフニウム(Hf)からなる群から選択された少なくとも一つを含む酸化物である、[4]に記載の酸化物半導体。
[6] 前記第2酸化物の含有量が0より大きく50重量%以下である、[1]から[5]のいずれかに記載の酸化物半導体。
[7] 前記第2酸化物の含有量が0より大きく5重量%以下である、[6]に記載の酸化物半導体。
[8] 酸化物半導体の厚さが5nm以上かつ20nm以下の範囲である、[1]から[7]のいずれかに記載の酸化物半導体。
[9] 前記炭素(C)の含有量が0より大きく10重量%以下である、[1]から[8]のいずれかに記載の酸化物半導体。
[10] 前記第1金属酸化物の金属がインジウムであって、前記第2酸化物の酸素のかい離エネルギーが725kJ/mol以上である、[1]に記載の酸化物半導体。
[11] 前記第1金属酸化物の金属がOH基との結合を有している、[1]から[10]のいずれかに記載の酸化物半導体。
[12] 前記OH基の含有量が0.1%以上10%以下である、[11]に記載の酸化物半導体。
[13] 前記第1金属酸化物の金属がH基との結合を有する、[1]から[10]のいずれかに記載の酸化物半導体。
[14] 前記H基の含有量が0%よりも大きく0.1%以下である、[13]に記載の酸化物半導体。
[15] 前記第1金属酸化物の金属が、F基、Cl基、又はB基からなる群から選択される少なくとも1つとの結合を有する、[1]から[10]のいずれかに記載の酸化物半導体。
[16] 前記F基、Cl基、又はB基からなる群から選択される少なくとも1つの含有量が5×1018atoms/cm3超1×1021atoms/cm3以下である、[15]に記載の酸化物半導体。
[17] 酸化物半導体が非晶質である、[1]から[16]のいずれかに記載の酸化物半導体。
[18] [1]から[17]のいずれかに記載の酸化物半導体を含んでなる、薄膜トランジスタ。
[19] ソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極に接して設けられた半導体層と、
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たゲート電極と、
前記ゲート電極と前記半導体層との間に設けられた絶縁体層と
を設け、
前記半導体層が[1]から[17]のいずれかに記載の酸化物半導体で形成されている、薄膜トランジスタ。
[20] [19]に記載の薄膜トランジスタを含んでなる、半導体装置。
[21] 前記酸化物半導体が10℃以上400℃以下で形成される、[1]から[17]のいずれかに記載の酸化物半導体の製造方法。
[22] 前記半導体層が10℃以上200℃以下で形成される、[1]から[17]のいずれかに記載の酸化物半導体の製造方法。
[23] 酸素欠損が導入されることにより電子キャリアを生成できる金属酸化物からなる第1金属酸化物の粉末と、酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも200kJ/mol以上大きな第2酸化物の粉末との焼結体からなるターゲットと、希ガスと酸素からなる混合ガスであって水素原子を有する化合物を含まないプロセスガスとを用いた物理蒸着法により、前記第1金属酸化物と、前記第2酸化物とを含む酸化物半導体を形成する工程と、
前記酸化物半導体を大気中、150℃で熱処理することにより酸素欠損を有する前記酸化物半導体を形成する工程と、
前記酸素欠損を有する酸化物半導体を、H2Oガスを導入した80%以上の高湿度下、150〜300℃の温度範囲で熱処理することにより、前記第1金属酸化物の金属とOH基との結合を形成する工程とを含む、酸素欠損が導入されることにより電子キャリアを生成できる金属酸化物からなる前記第1金属酸化物と、酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも200kJ/mol以上大きな前記第2酸化物とを含み、前記第1金属酸化物の金属が、OH基との結合を含む酸化物半導体の製造方法。
[24]
酸素欠損が導入されることにより電子キャリアを生成できる金属酸化物からなる第1金属酸化物の粉末と、酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも200kJ/mol以上大きな第2酸化物の粉末との焼結体からなるターゲットと、希ガスと酸素からなる混合ガスであって水素原子を有する化合物を含まないプロセスガスとを用いた物理蒸着法により、前記第1金属酸化物と、前記第2酸化物とを含む酸化物半導体を形成する工程と、
前記酸化物半導体を大気中、150℃で熱処理することにより酸素欠損を有する前記酸化物半導体を形成する工程と、
前記酸素欠損を有する酸化物半導体を、H2雰囲気ガス下、300〜400℃の温度範囲で熱処理することにより、前記第1金属酸化物の金属とH基との結合を形成する工程とを含む、酸素欠損が導入されることにより電子キャリアを生成できる金属酸化物からなる前記第1金属酸化物と、酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも200kJ/mol以上大きな前記第2酸化物とを含み、前記第1金属酸化物の金属が、H基との結合を含む酸化物半導体の製造方法。
[25] 酸素欠損が導入されることにより電子キャリアを生成できる金属酸化物からなる第1金属酸化物の粉末と、酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも200kJ/mol以上大きな第2酸化物の粉末との焼結体からなるターゲットと、希ガスと酸素からなる混合ガスであって水素原子を有する化合物を含まないプロセスガスとを用いた物理蒸着法により、前記第1金属酸化物と、前記第2酸化物とを含む酸化物半導体を形成する工程と、
前記酸化物半導体を大気中、150℃で熱処理することにより酸素欠損を有する前記酸化物半導体を形成する工程と、
前記酸素欠損を有する酸化物半導体に、フッ素イオン、塩素イオン、又はホウ素イオンからなる群から選択される少なくとも1つをイオン注入することにより、前記第1金属酸化物の金属と、前記イオン注入された基との結合を形成する工程とを含む、[15]又は[16]に記載の酸化物半導体の製造方法。
加えて、特許文献3に記載された酸化物半導体の構成では(例えば、段落0021参照)、ゲート電極でマスクされた部分に位置する酸化物半導体膜の領域にはホウ素や希ガス元素は含まれていない。つまり、特許文献3では、ゲート電極でマスクされた部分に位置する酸化物半導体膜の領域(即ち、チャネル領域)においては、その酸化物半導体膜を構成する金属が、ドーパントとして用いられているホウ素や希ガス元素とは結合しない。
このような相違により、特許文献3に記載の酸化物半導体膜では、本発明による上記効果は得られない。
本発明の酸化物半導体を用い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、前記ソース電極および前記ドレイン電極に接して設けられた半導体層と、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たゲート電極と、前記ゲート電極と前記半導体層との間に設けられた絶縁体層とを設け、前記半導体層が、酸素欠損が導入されることにより電子キャリアを生成できる金属酸化物からなる第1金属酸化物と、酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも200kJ/mol以上大きな第2酸化物とを含んでなる、酸素欠損が導入された酸化物半導体であって、前記第1金属酸化物の金属が、その酸素欠損部分に導入された、OH基、H基、F基、Cl基、又はB基からなる群から選択される少なくとも1つの基と結合している前記酸化物半導体で形成されている、薄膜トランジスタである。
図1における薄膜トランジスタ10は、いわゆるボトムゲート型のトランジスタである。この薄膜トランジスタ10は、図1に示されている通り、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(ゲート絶縁体層)40と、絶縁体層40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と、全体(具体的には、ソース電極60、ドレイン電極70、及びソース電極60とドレイン電極70に重畳していない領域の半導体層50)を層間絶縁膜80で覆う構造を有している。
基板20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と光透過性を有しないもののいずれを用いてもよい。
基板20の形成材料としては、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;紙製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。
また、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。
ゲート電極30は、半導体層50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。つまり、半導体層50のチャネル領域は、ゲート電極30の位置に対応する領域内にある。なお、薄膜トランジスタの半導体層は主にゲート電極側がチャネルとして機能する。ゲート電極30としては、例えばMoWを使用する。
半導体層50は、本発明の酸化物半導体によって形成されている。具体的には、半導体層50は、酸素欠損が導入されることにより電子キャリアを生成できる金属酸化物からなる第1金属酸化物と、酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも200kJ/mol以上大きな第2酸化物とから形成されている、酸素欠損部を有する酸化物半導体であって、更に、その酸素欠損部がOH基、H基、F基、Cl基、又はB基からなる群から選択される少なくとも1つによって置換されることによって、前記第1金属酸化物とその置換基とが結合している前記酸化物半導体によって形成されている。但し、本発明の作用効果を達成できる限り、半導体層50には、これら以外の成分や不可避の不純物が含まれていてもよい。
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、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。
また、第2酸化物としては、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、およびプラセオジム(Pr)からなる群から選択される少なくとも一つを含む酸化物を用いることもでき、より好ましくは、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、およびハフニウム(Hf)からなる群から選択された少なくとも一つを含む酸化物である。また、第2酸化物としては、炭素(C)を含む酸化物を用いることもできる。
また、前記第2酸化物の含有量は、0より大きく50重量%以下でもよく、0より大きく10重量%以下であってもよく、0より大きく5重量%以下であってもよい。
半導体層50を形成する酸化物半導体において、酸素欠損部に導入される置換基としては、具体的には、OH基、H基、F基、Cl基、又はB基からなる群から選択される少なくとも1つが挙げられる。特に、OH基やH基が好ましく、OH基がより好ましい。
その際、OH基を導入する場合、その含有量は0.1%以上10%以下が好ましく、H基を導入する場合、その含有量は0%よりも大きく0.1%以下が好ましく、F基、Cl基、又はB基を導入する場合、その含有量は5×1018atoms/cm3超1×1021atoms/cm3以下が好ましい。これらの含有量はXPSスペクトルのピーク面積比を用いて決定される。
OH基の含有量(%)は、[OH]/([OH]+[O])×100の計算式により、H基の含有量(%)は、[H]/([H]+[O])×100の計算式により算出される。ここで、[OH]、[H]、[O]はそれぞれ、酸化物半導体中のOH、H、Oの原子比率を表す。
具体的には、酸素のかい離エネルギーが725kJ/mol以上、より好ましくは780kJ/mol以上の酸化物を第2酸化物として用いると、酸化インジウムの酸素欠損量の制御が容易となる。
そのため、前記第2酸化物の酸素のかい離エネルギーは、前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも255kJ/mol以上大きくてもよい。
なお、表中には挙げていないが、酸化チタン(Ti−O)の酸素のかい離エネルギーは、666.5±5.6kJ/molであり、酸化タングステン(W−O)の酸素のかい離エネルギーは、720±71kJ/molである。
In−Zn−O系やIn−Ga−Zn−O系の金属酸化物では、半導体層の形成時に多結晶状になり易い。そのため、通常知られた薄膜トランジスタでは、半導体層に含まれる結晶粒に起因して、半導体層の表面が平坦にはならない。また、通常知られた酸化膜トランジスタの半導体層は、このような結晶粒に起因して、面方向の電気伝導度が低下してしまう。
したがって、半導体層の表面の平坦化及び高い電気伝導度を得るためには、半導体層50は非晶質構造であることが好ましい。
なお、本実施形態においては、その厚さは、半導体層50を形成したスパッタチャンバー内に、膜厚校正を主目的として配置された水晶発振式膜厚計を用いて測定した。
具体的には第1金属酸化物に比べてかい離エネルギーが大きな酸化物を形成する元素を添加してもよい。具体的には、酸素欠損を導入した酸化物半導体は、第1金属酸化物に、炭素(C)の酸化物を添加したものであってもよい。これは、C−O結合の酸素かい離エネルギーが1076.38±0.67kJ/molと大きいために、第1金属酸化物へ導入する酸素欠損量を容易に制御することができるからである。
よって、第2酸化物として含まれる炭素(C)の含有量は0より大きく10重量%以下が好ましい。
例えば、このような酸化物半導体の薄膜をゾルゲル法などの溶液法で作製する場合には薄膜中に炭素が残留する可能性が高い。このような場合も本発明に包含されることに注意されたい。
図1に示される通り、半導体層50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)ゲート電極30が設けられている。
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、例えば表面を金属材料でめっきすることにより2層以上の積層構造(例えば、Ti/Al/Ti)を形成していてもよい。
絶縁体層(ゲート絶縁体層)40は、絶縁性を有し、ゲート電極30と、ソース電極60およびドレイン電極70との間を電気的に絶縁することが可能であれば、無機材料および有機材料のいずれを用いて形成してもよい。無機材料としては、例えばSiO2、SiNx、SiON、Al2O3、HfO2などの通常知られた絶縁性の酸化物、窒化物、酸窒化物を挙げることができる。有機材料としては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、フッ素系樹脂などを挙げることができる。有機材料としては、製造や加工が容易であることから、光硬化型の樹脂材料であることが好ましい。
因みに、基板20にガラスを使用した場合、絶縁体層(ゲート絶縁体層)40は、基板20の接触部分にSiN層を配置し、その上にSiO2を配置する二層の積層構造とするのが好ましい。このSiN層は、基板20から発生するカルシウムやリン等が拡散して半導体層50を劣化させるのを防止することができ、その上に配置されたSiO2は、SiN層からの窒素の拡散による半導体層の劣化を防止することができるからである。
層間絶縁膜80は、絶縁性を有し、ソース電極60、ドレイン電極70、及びソース電極60とドレイン電極70に重畳していない領域の半導体層50との間を電気的に絶縁することが可能であれば、無機材料および有機材料のいずれを用いて形成してもよい。無機材料としては、例えばSiO2、SiNx、SiON、Al2O3、HfO2などの通常知られた絶縁性の酸化物、窒化物、酸窒化物を挙げることができる。有機材料としては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、フッ素系樹脂などを挙げることができる。有機材料としては、製造や加工が容易であることから、光硬化型の樹脂材料であることが好ましい。
次に、本発明の酸化物半導体を製造する方法について説明する。本実施形態においては、図1の半導体層50を形成するものである。
本実施形態の酸化物半導体は、物理蒸着法(または物理気相成長法)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。スパッタリング法においてプラズマを用いた場合は、反応性スパッタリング法、DC(直流)スパッタリング法、高周波(RF)スパッタリング法等の成膜法を用いることができる。
半導体層50を形成するにあたり、酸素欠損が導入されることにより電子キャリアを生成できる金属酸化物からなる第1金属酸化物と、酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも200kJ/mol以上大きな第2酸化物とから形成されている、酸素欠損部を有する酸化物半導体をまず作製する。具体的には、第1金属酸化物の粉末と、酸素のかい離エネルギーが第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも200kJ/mol以上大きな酸化物の粉末とを含む焼結体であるターゲットと、希ガスと酸素との混合ガスとを用いた物理蒸着法により作製する。ここでは、物理蒸着法としてスパッタリング法を用いることとして説明する。
また、酸素欠損部にOH基を導入する場合、高湿度下で、熱処理することによって導入する。例えば、密閉した石英反応容器へH2Oガスを導入した80%以上の高湿度下、150℃から300℃の温度範囲で、熱処理することによって導入する。
また、酸素欠損部にH基を導入する場合、H2雰囲気ガス下で、熱処理することによって導入する。例えば、H2雰囲気ガス下で300〜400℃のアニール処理することによって導入する。
また、酸素欠損部にF基、Cl基、又はB基を導入する場合、イオンインプランテーション(イオン注入)又はプラズマ処理法によって導入する。
次に、本発明の酸化物半導体を用いて薄膜トランジスタ10を製造する方法について説明する。
このようにして、発光層からの光照射に対して信頼性の高い薄膜トランジスタ10を製造することができる。
In−OH結合を有するIn−Si−O半導体の半導体層120は、以下のようにして作製した。
まず、酸素欠損を導入したIn−Si−O半導体を、スパッタリング装置を用いて、ターゲット材としてSiO2含有量が10重量%のIn−Si−Oターゲットを用いて、O2/Ar=3sccm/20sccm、真空度0.25Pa、加熱無しのスパッタリング条件下で、膜厚60nmのIn−Si−O膜を作製し、続いて、大気中、150℃で10分間の熱処理を施すことにより作製した。
次に、密閉した石英反応容器へH2Oガスを導入した80%以上の高湿度下、150℃から300℃の温度範囲で、熱処理して、酸素欠損部に−OH基を導入することによりIn−OH結合を有するIn−Si−O半導体の半導体層120を作製した。本実施例で導入したOH基の含有量は0.5%とした。その確認は、インジウム3d軌道起因のXPSスペクトル(以後、「In3d XPSスペクトル」と称する)によって行った。
図3に、150℃での上記熱処理前後におけるIn−Si−O膜のIn3d XPSスペクトルの結果を示す。図3において、(a)は上記熱処理前のIn−Si−O半導体のIn3dXPSスペクトルであり、(b)は上記熱処理後のIn−OH結合を有するIn−Si−O半導体のIn3dXPSスペクトルである。図3に見られる通り、上記熱処理後の−OH基を導入したIn−Si−O半導体におけるIn−OH結合に起因するピーク位置は、444eVに認められ、上記熱処理前のIn−Si−O半導体におけるIn−O結合に起因するピーク位置は443.5eVに認められる。したがって、上記熱処理後の−OH基を導入したIn−Si−O半導体におけるIn−OH結合に起因するピーク位置は、上記熱処理前のIn−Si−O半導体におけるIn−O結合に起因するピーク位置に対して、高エネルギー側へシフトしていることがわかる。
導入するOH基の含有量は0.1%以上10%以下が好ましい。10%以下になるとモバイルイオン(ここで、「モバイルイオン」とは、電圧の正負の印加に対応して、酸化物中で局在化したイオンを意味する。)の発生源を回避することができ、半導体の性質よりもより金属的な振る舞いとなるのを防ぐことができるからである。
酸素欠損を導入したIn−Si−O半導体へのH基の導入に関しても、OH基の導入と同じやり方で、酸素欠損を導入したIn−Si−O半導体を最初に作製した。
次に、この酸素欠損を導入したIn−Si−O半導体を、H2雰囲気ガス下で300〜400℃のアニール処理し、それによって酸素欠損部にH基を導入してIn−H結合を有するIn−Si−O半導体の半導体層120を作製した。その確認は、その確認は、In3d XPSスペクトルによって行った。
導入するH基の含有量は、半導体的性質を維持するために0%よりも大きく0.1%以下が好ましい。
酸素欠損を導入したIn−Si−O半導体へのF、Cl、B基の導入に関しても、OH基の導入と同じやり方で、酸素欠損を導入したIn−Si−O半導体を最初に作製した。
次に、この酸素欠損を導入したIn−Si−O半導体に対して、F、Cl、Bのいずれか少なくとも一つのイオンを1×1018atoms/cm3以上1×1021atoms/cm3以下の含有量の範囲でイオン注入し、それによって酸素欠損部にF、Cl、Bのいずれか少なくとも一つの基を導入させてIn−F、In−Cl、In−B結合を少なくとも1つ有するIn−Si−O半導体の半導体層120を作製した。その確認は、In3d XPSスペクトルによって行った。
因みに、これらイオンの導入法としては、イオン注入の代わりにプラズマ処理法を用いてもよい。
上述の方法によって作製したIn−OH結合を有するIn−Si−O半導体(OH含有量:0.5%)を用いて作製した図2に示す薄膜トランジスタの特性は、評価環境を25℃、Vds(ドレイン電圧)=15V(一定)として、Id(ドレイン電流)−Vg(ゲート電圧)特性によって評価した。比較の為に、OH基を導入していないIn−Si−O半導体を用いた点だけが異なる薄膜トランジスタも作製した。
図4は、420nm以上600nm以下の波長を有する光照射を100秒間実施した後のId−Vg特性を示した結果である。図4の(a)は、光照射前のOH基を導入していないIn−Si−O半導体と光照射前のIn−OH結合を有するIn−Si−O半導体のId−Vg特性を示し、(b)は、 光照射後のIn−OH結合を有するIn−Si−O半導体のId−Vg特性を示し、(c)は、光照射後のOH基を導入していないIn−Si−O半導体のId−Vg特性を示す。
図4に示す通り、光照射前後のIn−OH結合を有するIn−Si−O半導体を用いた薄膜トランジスタのId−Vg特性は、両者ともとほぼ一致していた。一方、OH基を導入していないIn−Si−O半導体を用いた薄膜トランジスタの光照射前後のId−Vg特性は、光照射前と比べてIdカーブが負側へシフトし、またオフ電流(Ioff)値も上昇する傾向を示していた。
そのため、OH基を導入していないIn−Si−O半導体を用いた薄膜トランジスタでは、420nm以上600nm以下の波長を有する光照射に対して「しきい値電圧のシフト」が十分に抑制できないけれども、OH基を導入すれば、「しきい値電圧のシフト」を十分に抑制できることがわかった。
20---基板
30---ゲート電極
40、110---絶縁体層
50、120---半導体層
60、130---ソース電極
70、140---ドレイン電極
80---層間絶縁膜
150---p型不純物を多量にドープしたSi層基板(ゲート電極)
Claims (25)
- 酸素欠損が導入されることにより電子キャリアを生成できる金属酸化物からなる第1金属酸化物と、酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも200kJ/mol以上大きな第2酸化物とを含んでなる酸化物半導体であって、前記第1金属酸化物の金属が、OH基、H基、F基、Cl基、又はB基からなる群から選択される少なくとも1つとの結合を有し、前記第2酸化物が、炭素(C)を含む酸化物である、前記酸化物半導体。
- 前記第2酸化物の酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも255kJ/mol以上大きい、請求項1に記載の酸化物半導体。
- 前記第1金属酸化物の金属が、インジウム、ガリウム、亜鉛、および錫からなる群から選択される少なくとも一つである、請求項1に記載の酸化物半導体。
- 前記第2酸化物は、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、およびプラセオジム(Pr)からなる群から選択される少なくとも一つを含む酸化物である、請求項1から3のいずれか一項に記載の酸化物半導体。
- 前記第2酸化物は、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、およびハフニウム(Hf)からなる群から選択された少なくとも一つを含む酸化物である、請求項4に記載の酸化物半導体。
- 前記第2酸化物の含有量が0より大きく50重量%以下である、請求項1から5のいずれか一項に記載の酸化物半導体。
- 前記第2酸化物の含有量が0より大きく5重量%以下である、請求項6に記載の酸化物半導体。
- 酸化物半導体の厚さが5nm以上かつ20nm以下の範囲である、請求項1から7のいずれか一項に記載の酸化物半導体。
- 前記炭素(C)の含有量が0より大きく10重量%以下である、請求項1から8のいずれか一項に記載の酸化物半導体。
- 前記第1金属酸化物の金属がインジウムであって、前記第2酸化物の酸素のかい離エネルギーが725kJ/mol以上である、請求項1に記載の酸化物半導体。
- 前記第1金属酸化物の金属がOH基との結合を有している、請求項1から10のいずれか一項に記載の酸化物半導体。
- 前記OH基の含有量が0.1%以上10%以下である、請求項11に記載の酸化物半導体。
- 前記第1金属酸化物の金属がH基との結合を有する、請求項1から10に記載の酸化物半導体。
- 前記H基の含有量が0%よりも大きく0.1%以下である、請求項13に記載の酸化物半導体。
- 前記第1金属酸化物の金属が、F基、Cl基、又はB基からなる群から選択される少なくとも1つとの結合を有する、請求項1から10のいずれか一項に記載の酸化物半導体。
- 前記F基、Cl基、又はB基からなる群から選択される少なくとも1つの含有量が5×1018atoms/cm3超1×1021atoms/cm3以下である、請求項15に記載の酸化物半導体。
- 酸化物半導体が非晶質である、請求項1から16のいずれか一項に記載の酸化物半導体。
- 請求項1から17のいずれか一項に記載の酸化物半導体を含んでなる、薄膜トランジスタ。
- ソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極に接して設けられた半導体層と、
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たゲート電極と、
前記ゲート電極と前記半導体層との間に設けられた絶縁体層と
を設け、
前記半導体層が請求項1から17のいずれか一項に記載の酸化物半導体で形成されている、薄膜トランジスタ。 - 請求項19に記載の薄膜トランジスタを含んでなる、半導体装置。
- 前記酸化物半導体が10℃以上400℃以下で形成される、請求項1から17のいずれか一項に記載の酸化物半導体の製造方法。
- 前記酸化物半導体が10℃以上200℃以下で形成される、請求項1から17のいずれか一項に記載の酸化物半導体の製造方法。
- 酸素欠損が導入されることにより電子キャリアを生成できる金属酸化物からなる第1金属酸化物の粉末と、酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも200kJ/mol以上大きな第2酸化物の粉末との焼結体からなるターゲットと、希ガスと酸素からなる混合ガスであって水素原子を有する化合物を含まないプロセスガスとを用いた物理蒸着法により、前記第1金属酸化物と、前記第2酸化物とを含む酸化物半導体を形成する工程と、
前記酸化物半導体を大気中、150℃で熱処理することにより酸素欠損を有する前記酸化物半導体を形成する工程と、
前記酸素欠損を有する酸化物半導体を、H2Oガスを導入した80%以上の高湿度下、150〜300℃の温度範囲で熱処理することにより、前記第1金属酸化物の金属とOH基との結合を形成する工程とを含む、酸素欠損が導入されることにより電子キャリアを生成できる金属酸化物からなる前記第1金属酸化物と、酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも200kJ/mol以上大きな前記第2酸化物とを含み、前記第1金属酸化物の金属が、OH基との結合を含む酸化物半導体の製造方法。 - 酸素欠損が導入されることにより電子キャリアを生成できる金属酸化物からなる第1金属酸化物の粉末と、酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも200kJ/mol以上大きな第2酸化物の粉末との焼結体からなるターゲットと、希ガスと酸素からなる混合ガスであって水素原子を有する化合物を含まないプロセスガスとを用いた物理蒸着法により、前記第1金属酸化物と、前記第2酸化物とを含む酸化物半導体を形成する工程と、
前記酸化物半導体を大気中、150℃で熱処理することにより酸素欠損を有する前記酸化物半導体を形成する工程と、
前記酸素欠損を有する酸化物半導体を、H2雰囲気ガス下、300〜400℃の温度範囲で熱処理することにより、前記第1金属酸化物の金属とH基との結合を形成する工程とを含む、酸素欠損が導入されることにより電子キャリアを生成できる金属酸化物からなる前記第1金属酸化物と、酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも200kJ/mol以上大きな前記第2酸化物とを含み、前記第1金属酸化物の金属が、H基との結合を含む酸化物半導体の製造方法。 - 酸素欠損が導入されることにより電子キャリアを生成できる金属酸化物からなる第1金属酸化物の粉末と、酸素のかい離エネルギーが前記第1金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも200kJ/mol以上大きな第2酸化物の粉末との焼結体からなるターゲットと、希ガスと酸素からなる混合ガスであって水素原子を有する化合物を含まないプロセスガスとを用いた物理蒸着法により、前記第1金属酸化物と、前記第2酸化物とを含む酸化物半導体を形成する工程と、
前記酸化物半導体を大気中、150℃で熱処理することにより酸素欠損を有する前記酸化物半導体を形成する工程と、
前記酸素欠損を有する酸化物半導体に、フッ素イオン、塩素イオン、又はホウ素イオンからなる群から選択される少なくとも1つをイオン注入することにより、前記第1金属酸化物の金属と、前記イオン注入された基との結合を形成する工程とを含む、請求項15又は16に記載の酸化物半導体の製造方法。
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