JP6298139B2 - 電界効果トランジスタ - Google Patents
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Description
れぞれに電極を設けて、電位を与え、絶縁膜あるいはショットキーバリヤを介してゲート
とよばれる電極より半導体に電界をかけ、半導体の状態を制御することにより、ソースと
ドレイン間に流れる電流を制御するものである。用いられる半導体としては、珪素やゲル
マニウム等のIV族元素(14族元素とも言う)やガリウムヒ素、インジウムリン、窒化
ガリウム等のIII−V族化合物、硫化亜鉛、カドミウムテルル等のII−VI族化合物
等が挙げられる。
リウム亜鉛系化合物(特許文献3)等の酸化物を半導体として用いたFETが報告された
。これらの酸化物半導体を用いたFETでは、比較的大きな移動度が得られると共に、そ
れらの材料が3電子ボルト以上の大きなバンドギャップを有するが故に、酸化物半導体を
用いたFETをディスプレーやパワーデバイス等に応用することが検討されている。
が最大でも20cm2/Vsであるのに対し、酸化インジウムを主成分に用いたFETで
は50cm2/Vs以上もの電界効果移動度が報告されている。経験的に酸化物における
インジウムの比率の高いもので、より高い電界効果移動度が得られることが明らかとなっ
ている。
元素の比率を比較し、その比率が50原子%以上を占める元素を主要成分という)とする
酸化物半導体においては、これまで、P型の導電性を示すものはほとんど報告されていな
い。そのため、珪素のFETのようなPN接合を用いたものは報告されておらず、特許文
献1乃至特許文献4にあるように、N型あるいはI型(本明細書では、キャリア濃度が1
×1014/cm3以下の半導体をI型という)の酸化物半導体に導電性電極を接触させ
た金属半導体接合によって、ソース、ドレインを形成していた。
りなる半導体層11の一方の面に接してゲート絶縁膜14と、さらにその上にゲート15
が設けられる。また、半導体層11の他方の面には、ソース電極13a、ドレイン電極1
3bが設けられる。
ゲート絶縁膜14の材料としては、酸化珪素、窒化珪素等が用いられ、また、その厚さも
特別に考慮されることはなかった。ソース電極13a、ドレイン電極13bの材料として
も、特別に考慮されることはなく、チタン、モリブデン等が報告されている。
。その材料としては、ゲート絶縁膜14に用いられているような材料が用いられる。
接合部ではオーミック接合であることが好まれる。その目的のためには、ソース電極13
a、ドレイン電極13bの材料としては、半導体層11に用いる酸化物半導体の電子親和
力よりも仕事関数が小さな材料が好ましい。例えば、チタンやモリブデンの仕事関数は、
酸化インジウムの電子親和力(4.8電子ボルト程度)より小さいのでオーミックコンタ
クトを形成する上では好ましい。
注入がおこなわれるため、半導体層11の電子濃度が高くなる。このことは、特にチャネ
ル長(ソース電極13aとドレイン電極13bの間の距離)が0.3μm以下の短チャネ
ルFETでは、電子濃度が高い領域がつながってしまうためFETの特性の低下(例えば
、しきい値のマイナスシフトやS値の上昇、オフ状態でもソースとドレインの間に電流が
流れてしまう現象(オフ電流))の要因となる。
のキャリア濃度が大きいとオフ電流が大きくなる。すなわち、ソースゲート間の電圧(以
下、ゲート電圧、という)を0Vとしても、ソースドレイン間に相当量の電流(以下、ド
レイン電流、という)が流れる(このようなFET特性をノーマリーオンという)。そこ
で、半導体中のキャリア濃度を低減させて、I型とすることにより、オフ電流を低減し、
ゲート電圧を0Vとしたときのドレイン電流を1×10―9A以下、好ましくは、1×1
0―12A以下、さらに好ましくは1×10―15A以下とすることが望まれる。
酸素欠損が生じやすく、キャリア濃度を1×1018/cm3以下とすることは困難であ
った。そのため、インジウムを主要成分とする酸化物半導体を用いたFETは、高移動度
であるもののノーマリーオンであり、その傾向はインジウムの濃度が高ければ高いほど顕
著であり、例えば、酸化インジウムでは、ゲート電圧を−10V以下としなければ、ドレ
イン電流を1×10―9A以下にできない。
分とする酸化物半導体を用いた高移動度かつノーマリーオフ(しきい値が0V以上)ある
いはそれに近い特性が得られるFETを提供することである。また、課題の一は酸素以外
の元素におけるインジウムの比率が50%以上、好ましくは75%以上の酸化物半導体を
用い、ノーマリーオフあるいはそれに近い特性が得られるFETを提供することである。
また、課題の一はインジウムを主要成分とし、金属半導体接合を有する新規のFET、新
規の半導体装置、新規のFETの製造方法、あるいは新規の半導体装置の製造方法のいず
れかひとつを提供することである。
、これらの課題の全てを解決する必要はない。さらに、これら以外の課題は、明細書、図
面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項など
の記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
、定義されていない文言(専門用語又は学術用語などの科学技術文言を含む)は、通常の
当業者が理解する一般的な意味と同等の意味として用いることが可能である。辞書等によ
り定義されている文言は、関連技術の背景と矛盾がないような意味に解釈されることが好
ましい。また、発明の一態様は、専門用語によって、限定して解釈されるものではない。
ては、高い電位を与えられる方をドレイン、他方をソースとし、Pチャネル型FETにお
いては、低い電位を与えられる方をドレイン、他方をソースとする。いずれの電位もおな
じであれば、いずれか一方をソース、他方をドレインとする。また、ソース電極、ドレイ
ン電極という用語のかわりに第1の電極、第2の電極とも表現することがある。その場合
は、電位の高低によって呼び名を変えない。
以上の元素の比率を比較し、その比率が50原子%以上を占める元素をいう。例えば、見
かけの組成式が、Ga3Al2In5O12N2で表示される化合物があるとすると、こ
の化合物でもっとも多い元素は酸素(O)であるが、酸素の原子番号は8なので主要成分
の対象とはならない。同様に窒素(N)も対象とはならない。主要成分の対象となるのは
ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)であり、その比率は、G
a:Al:In=3:2:5である。すなわち、主要成分の対象となる元素に対するガリ
ウムの比率は30原子%、アルミニウムの比率は20原子%、インジウムの比率は50原
子%である。したがって、上記の定義では、インジウムは主要成分であるが、ガリウムと
アルミニウムは主要成分ではない。
の組成式)とは、ある領域に存在する元素の比率、そのような元素の比率を有する物体、
あるいは、そのような元素の比率に基づく化学式のことであり、その微視的なあるいは局
所的な比率や物体の化学的な意味や安定性等は考慮されない。上記の例では、それらの元
素が上記の比率を有する固溶体のこともあるし、1分子のGa2O3と2分子のAlNと
2分子のIn2O3と1分子のInGaO3の混晶あるいは混合物の可能性もある。
層、区域を他のものと区別して記述するために用いられる。よって、第1、第2、第3な
どの語句は、要素、部材、領域、層、区域などの数を限定するものではなく、また、順序
を限定するものでもない。
体層と、前記第1の半導体層の一方の面に接して設けられ、前記第1の酸化物半導体より
もバンドギャップが大きく、I型である第2の酸化物半導体よりなる第2の半導体層と、
前記第1の半導体層の他の面に設けられたゲート電極としても機能する導電層とを有し、
前記導電層と前記第1の半導体層の間には、ゲート絶縁膜としても機能する絶縁層を有し
、前記第2の酸化物半導体の真空準位とフェルミ準位とのエネルギー差が、前記第1の酸
化物半導体の真空準位とフェルミ準位とのエネルギー差よりも大きいことを特徴とするF
ETである。
の半導体層と、前記第1の半導体層の一方の面に接して設けられ、前記第1の酸化物半導
体よりもバンドギャップが大きく、ガリウムを主要成分とするI型の第2の酸化物半導体
よりなる第2の半導体層と、前記第1の半導体層の他の面に設けられたゲート電極として
も機能する導電層とを有し、前記導電層と前記第1の半導体層の間には、ゲート絶縁膜と
しても機能する絶縁層を有することを特徴とするFETである。
の半導体層と、前記第1の半導体層の一方の面に接して設けられ、酸素以外の元素におけ
るガリウムの比率が80%以上であるI型の第2の酸化物半導体よりなる第2の半導体層
と、前記第1の半導体層の他の面に設けられたゲート電極としても機能する導電層とを有
し、前記導電層と前記第1の半導体層の間には、ゲート絶縁膜としても機能する絶縁層を
有することを特徴とするFETである。
100nm以下であることが好ましい。また、第2の半導体層の厚さは、10nm以上1
00nm以下であることが好ましい。
を主要成分とするバンドギャップが8電子ボルト以上の酸化物よりなる絶縁膜が接して設
けられていてもよい。
主要成分とするバンドギャップが8電子ボルト以上の酸化物よりなる絶縁膜が接して設け
られていてもよい。
ば、構成する元素の90原子%以上、好ましくは95原子%以上が、インジウム、ガリウ
ム、アルミニウム、亜鉛、酸素のいずれかであり、それらの見かけの組成式がInaGa
bAlcZndOeと表現できる材料を用いればよい。ここで、a+b+c+d=2、a
≧1、2.5<e<3.5、である。なお、移動度を高める目的では、インジウムの濃度
が高い方が好ましく、a>1.6とするとよい。同じ目的で、ガリウムの濃度はアルミニ
ウムよりも高いことが好ましく、b>c、より好ましくは、b>10cとするとよい。
8/cm3以上である酸化物半導体を用いることもできる。
0原子%以上、好ましくは95原子%以上が、インジウム、ガリウム、アルミニウム、亜
鉛、酸素のいずれかであり、それらの見かけの組成式がInaGabAlcZndOeと
表現できる材料を用いればよい。ここで、a+b+c+d=2、b≧1、2.5<e<3
.5、である。なお、第2の酸化物半導体をI型とする目的では、インジウムや亜鉛の濃
度がアルミニウムよりも低いことが好ましく、a<c、d<c、より好ましくは、10a
<c、10d<cとするとよい。また、第2の酸化物半導体のバンドギャップは6電子ボ
ルト以下であることが好ましい。
の酸化物半導体のバンドギャップは、第1の酸化物半導体のバンドギャップよりも大きく
なる。
の下端とほとんど同じであるので、真空準位とフェルミ準位とのエネルギー差は、第1の
酸化物半導体の電子親和力とほとんど同じである。
央に位置する。そして、第1の酸化物半導体および第2の酸化物半導体を上記のような組
成の材料とすると第2の酸化物半導体の仕事関数は第1の酸化物半導体の電子親和力より
大きいという関係を満足する。
導体層1が、第2の酸化物半導体よりなる第2の半導体層2とゲート絶縁膜としても機能
する絶縁膜4に挟まれた構造を有する。ここで、第1の半導体層1は第2の半導体層2に
接していることが求められる。一方、第1の半導体層1と絶縁膜4とは、必ずしも接して
いる必要はないが、接することによって後述するような効果が得られることがある。
ゲート絶縁膜としても機能する。さらに、第1の半導体層1に接して、ソース電極やドレ
イン電極として機能する第1の電極3aと第2の電極3bが設けられる。
い。また、第1の半導体層1の厚さは0.1nm以上100nm以下、第2の半導体層2
の厚さは10nm以上100nm以下とすればよい。また、絶縁膜4としては、酸化珪素
、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化アルミニウム等を用い
ればよいが、構成する元素の90原子%以上、好ましくは98原子%以上が珪素、アルミ
ニウム、硼素、窒素、酸素のいずれかであり、それらの見かけの組成式が、SiaAlb
BcNdOeと表現できる材料を用いればよい。ここで、0.9<(4a+3b+3c)
/(3d+2e)<1.1であることが好ましく、b>aであることが好ましい。特に、
第1の半導体層1と絶縁膜4が接している場合には、b>5aであることが好ましい。
で挟まれる構造としてもよい。ここで、絶縁膜6と第2の半導体層2は接していることが
好ましい。絶縁膜6としては、酸化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化窒化ア
ルミニウム、窒化アルミニウム等を用いればよいが、構成する元素の90原子%以上、好
ましくは98原子%以上が珪素、アルミニウム、硼素、窒素、酸素のいずれかであり、そ
れらの見かけの組成式が、SiaAlbBcNdOeと表現できる材料を用いればよい。
ここで、0.9<(4a+3b+3c)/(3d+2e)<1.1であることが好ましく
、b>10a、d<5eであることが好ましい。このような条件の材料では、バンドギャ
ップを8電子ボルト以上とできる。
酸化物半導体よりなる第3の半導体層2bで挟まれる構成としてもよい。図1(C)が図
1(A)と異なる点は、第3の半導体層2bが第1の半導体層1と絶縁膜4の間に挿入さ
れている点である。ここで、第3の半導体層2bと絶縁膜4が接している必要はないが、
第3の半導体層2bは第1の半導体層1と接していることが求められる。第3の酸化物半
導体は、第2の酸化物半導体に適している材料を用いればよいし、第2の酸化物半導体と
同じ材料を用いてもよい。また、第3の半導体層2bの厚さは0.1nm以上100nm
以下、好ましくは、0.1nm以上20nm以下とするとよい。
1の半導体層1が、第2の酸化物半導体よりなる第2の半導体層2とゲート絶縁膜として
も機能する絶縁膜4に挟まれた構造を有する。ここで、第1の半導体層1と絶縁膜4とは
、必ずしも接している必要はないが、第1の半導体層1は第2の半導体層2に接している
ことが求められる。
ゲート絶縁膜としても機能する。さらに、第1の半導体層1は、第1の酸化物半導体にド
ーピング処理を施すことにより導電性の高められた領域(ドーピングされた領域8a、8
b)に接しており、また、ソース電極やドレイン電極として機能する第1の電極3aと第
2の電極3bがドーピングされた領域8a、8bに設けられる。
bが設けられる。第1の酸化物半導体および第2の酸化物半導体、絶縁膜4の材料として
は、上記に示した材料を用いればよい。また、第1の半導体層1の厚さ、第2の半導体層
2の厚さも上記に示したものを用いればよい。
れた領域8a、8bの、絶縁膜4が設けられる面と逆の面に設けられてもよい。また、ド
ーピングされた領域7a、7bの導電性が十分であれば、第1の電極3aと第2の電極3
bはドーピングされた領域7a、7bに接するように設けられてもよい。また、第1の半
導体層1を第2の半導体層2と第3の酸化物半導体よりなる第3の半導体層(図示せず)
で挟まれる構成としてもよい。
6で挟まれる構造としてもよい。ここで、絶縁膜6と第2の半導体層2は接していること
が好ましい。絶縁膜6としては上記に示した材料を用いればよい。
bは特定の条件が満たされる場合には設けなくてもよい。例えば、図2(D)に示すよう
に、第1の電極3aと導電層5との間の間隔x(あるいは第2の電極3bと導電層5との
間の間隔)が50nm以下であれば、ドーピングされた領域7a、7b、8a、8b等を
設けなくてもよい。
理由について、図3を用いて説明する。最初に、上記のような条件を満たす第1の酸化物
半導体と第2の酸化物半導体の接合を考える。図3(A)には接合する前の第1の酸化物
半導体と第2の酸化物半導体の状態(バンド図)を示す。
ンド図を示す。第1の酸化物半導体は、典型的には、酸化インジウムのようなN型半導体
であり、キャリアである電子が伝導帯に供給されるため、フェルミ準位は、伝導帯の直下
に存在する。図では、伝導帯とフェルミ準位とのエネルギー差を誇張して書いてあるが、
実際には数mVほどしか変わらない。場合によっては、フェルミ準位の方が伝導帯の下端
よりも上にあると分析されている。酸化インジウムのバンドギャップは3.7電子ボルト
程度である。
導体であり、キャリアはほとんど存在せず、フェルミ準位は、価電子帯と伝導帯のほぼ中
央に存在する。単結晶の酸化ガリウムはバンドギャップが4.8電子ボルトであるが、非
晶質の薄膜では4.2電子ボルトという数値が観測される。
第2の酸化物半導体の電子親和力より大きいことが求められる。好ましくは、前者と後者
の差は0.3電子ボルト以上であるとよい。例えば、酸化インジウムの電子親和力4.8
電子ボルトに対して、単結晶酸化ガリウムでは、電子親和力は3.5電子ボルト、非晶質
酸化ガリウムでは4.3〜4.5電子ボルトである。よって、酸化インジウムの電子親和
力は酸化ガリウムよりも大きく、その差は0.3電子ボルト以上である。
とが好ましい。好ましくは、前者と後者の差は0.5電子ボルト以上であるとよい。例え
ば、仕事関数は、単結晶酸化ガリウムでは、5.5電子ボルト、非晶質酸化ガリウムでは
6.4〜6.6電子ボルトであり、いずれも酸化インジウムの電子親和力よりも大きく、
その差は0.7電子ボルト以上である。
ミ準位を同じレベルに揃えようとキャリアの移動が起こり、図3(B)に示すように、接
合部近傍のバンドがゆがめられる。すなわち、接合部近傍では、第1の酸化物半導体の伝
導帯はフェルミ準位より離れ、価電子帯はフェルミ準位に近づく。このように、本来の状
態とは異なる状態を呈する部分を遷移領域と呼ぶ。接合面から離れれば、離れるほど、バ
ンドの状態は、本来の第1の酸化物半導体および第2の酸化物半導体の特性に近づく。
が、実際には、かなりの距離にまでその影響が及び、バンドのゆがみも直線的なものでは
ない。しかし、顕著に物性面で影響が現れるのは、接合面近傍の領域であるので、図3(
B)で遷移領域以外の部分の半導体の物性は、それぞれの本来のものとみなして差し支え
ない。
プおよび誘電率、第1の酸化物半導体の電子濃度等に依存するが、例えば、第1の酸化物
半導体として、電子濃度1×1018/cm3の酸化インジウム、第2の酸化物半導体と
してI型の酸化ガリウムを考えると、遷移領域として考えられる部分は、接合面から第1
の酸化物半導体側に50nm程度の部分である。
低下し、空乏化することによって形成される。したがって、特に遷移領域のうち、接合面
に近い部分は電子濃度が低く、準I型という状態である。また、第2の酸化物半導体は、
キャリア(電子)がほとんど存在しないため、その部分での電子の移動は無視でき、主と
して第1の酸化物半導体でバンドのゆがみが生じる。
ミ準位の間のエネルギー差は1.3電子ボルト程度である。これだけのエネルギー差があ
れば室温で熱励起する電子は無視できる。すなわち、接合面近傍では極めて電子濃度が低
い状態となる。
力の差に依存し、前者から後者を差し引いた差が0.5電子ボルト以上であることが好ま
しく、前者と後者の差が1電子ボルト以上であるとさらに好ましい。
、図3(B)に示すように、第1の酸化物半導体と第2の酸化物半導体との接合面におい
て、伝導帯に不連続点(ギャップ、ステップ)が発生する。このような不連続点があると
、第1の酸化物半導体がFETのチャネルとして使用されている際に、第1の酸化物半導
体にある電子が第2の酸化物半導体に移ることが困難となる。すなわち、遷移領域の特に
接合面近傍をチャネルとして用いる場合には、第2の酸化物半導体に電子が流れることを
考慮する必要がない。
度が低いということ以外は、電界効果移動度を含む第1の酸化物半導体の物性のほとんど
を維持していると考えられる。したがって、第1の酸化物半導体として、電界効果移動度
の高い材料を用いれば、遷移領域では電子濃度が低く電界効果移動度が高いという特性が
得られる。
導体を薄膜化して、その厚さを遷移領域と同じあるいはそれ以下としても事情は変わらず
、接合面近傍では、準I型領域が形成される。
り、第1の酸化物半導体の電子濃度を低減できる。かつ、電界効果移動度は、第1の酸化
物半導体本来のものである。そのため、このような構造を用いてFETを作製すると、ノ
ーマリーオフあるいはそれに近い特性の高電界効果移動度を達成できる。
に描いたものである。ここで、第1の半導体層1を構成する第1の酸化物半導体として酸
化インジウムを、第2の半導体層2を構成する第2の酸化物半導体としては酸化ガリウム
を、絶縁膜4および絶縁膜6としては酸化アルミニウムを、導電層5としてタングステン
を用いた場合を示す。
導体を用いても、そのほとんどの部分を準I型領域とすることができる。準I型領域にお
ける電子濃度を直接、観察することは困難であるが、1×1015/cm3以下とするこ
とが可能と算出される。したがって、このような構造のFETのしきい値を十分に大きな
値とすることができる。すなわち、ノーマリーオフあるいはそれに近い特性を呈するFE
Tが得られる。
もバンドがゆがんでいる。これは、上記に示した酸化ガリウムと酸化インジウムの接合面
で遷移領域が生じるのと同じ理由により生じている。このようなバンドのゆがみを有する
FETでは、キャリアは伝導帯の下端近傍を流れるので、キャリアは第1の半導体層1と
絶縁膜4の界面からやや離れた(典型的には1nm以上10nm以下)部分を流れること
となる。
FETの特性を劣化させるが、キャリアがゲート絶縁膜から離れた部分を流れる構造(埋
め込みチャネル)とすることにより、上記界面による影響を低減できる。同じ理由で、図
3(C)にバンド図が示される構造のFETでは、絶縁膜4と第1の半導体層1との界面
の影響を低減できる。
るので、仕事関数とは、真空準位とフェルミ準位の差に相当する)と第1の半導体層1の
電子親和力の差に依存し、図3(C)のようなゆがみとするには、前者が後者より大きい
ことが好ましく、前者と後者の差が1電子ボルト以上であることがさらに好ましい。
ニウムの仕事関数は、5.7電子ボルトであり、酸化珪素の仕事関数は5.1電子ボルト
である。したがって、酸化アルミニウムの方が上記の目的に適している。さらに、非晶質
酸化ガリウムの仕事関数は、6.4〜6.6電子ボルトであるので、酸化インジウムの電
子親和力より1.6〜1.8電子ボルト大きく、より好ましい。そのため、図1(C)に
示すように、酸化インジウム等の第1の半導体層1を酸化ガリウム等の第2の半導体層2
aおよび第3の半導体層2bで挟んでもよい。
る態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及
び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って本実施の形態
の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する構成において、同
様のものを指す符号は異なる図面間で共通の符号を用いて示し、同一部分又は同様な機能
を有する部分の詳細な説明は省略する。
本実施の形態では、FETの作製方法について図4(A)乃至図4(F)を用いて説明す
る。まず、図4(A)に示すように、基板101上に、導電層102を形成する。基板1
01としては、様々なものが用いられるが、その後の処理に耐えられる物性を有している
ことが必要である。また、その表面は絶縁性であることが好ましい。すなわち、基板10
1は絶縁体単独、あるいは絶縁体や金属や半導体の表面に絶縁層を形成したもの等である
ことが好ましい。
ることができる。金属としては、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、銀等を用いることが
できる。半導体としては、珪素、ゲルマニウム、炭化珪素、窒化ガリウム等を用いること
ができる。本実施の形態では、基板101としてバリウム硼珪酸ガラスを用いる。
タングステン等の仕事関数の大きな金属を用いるとよい。導電層102はそのような材料
単独で構成してもよいし、多層構造とし、後に設けられる半導体層に面する部分を、上記
の材料で構成してもよい。本実施の形態では、厚さ100nmのチタン膜上に厚さ100
nmのタングステン膜をスパッタリング法で形成し、これをエッチングして、導電層10
2を形成する。
。絶縁膜103はゲート絶縁膜としても機能する。例えば、酸化珪素、酸化アルミニウム
、酸化窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ラン
タン、酸化イットリウム等を用いればよい。また、その厚さは主として、プロセス上の事
情やFETで使用される電圧を考慮して決定されるが、可能な限り薄い方がFETの特性
をノーマリーオフあるいはそれに近い特性とする上で好ましい。例えば、10nm乃至2
00nmとするとよい。成膜方法としては、CVD法あるいはスパッタリング法が用いら
れるが、膜中の水素の混入を可能な限り低減することが好ましい。
他のインジウムを主要成分とする酸化物半導体を用いてもよい。また、その成膜方法はス
パッタリング法を用いればよい。さらに、膜中の水素の混入を可能な限り低減することが
好ましい。その厚さは10nm乃至50nmとするとよい。なお、絶縁膜103の表面を
大気に曝すことなく、第1の酸化物半導体膜104を形成すると、両者の界面の清浄度を
向上させる上で好ましい。
体膜としては、酸化ガリウムを用いる。もちろん、その他のガリウムを主要成分とする酸
化物半導体を用いてもよい。また、その成膜方法はスパッタリング法を用いればよい。さ
らに、膜中の水素の混入を可能な限り低減することが好ましい。スパッタリング法によっ
て形成された酸化ガリウム膜の組成をラザフォード後方散乱法により分析すると、見かけ
の組成は酸素が過剰に存在するような結果が得られる。すなわち、Ga2O3+xにおい
て、xが0.01以上0.15以下の値を取る。
物半導体膜上に、エッチングストッパとなるような材料の膜を設けてもよい。あるいは、
第2の酸化物半導体膜上に、層間絶縁物となるような絶縁膜を設けてもよい。
を形成すると、両者の界面の清浄度を向上させる上で好ましい。さらには、絶縁膜103
、第1の酸化物半導体膜104および第2の酸化物半導体膜を連続的に形成すると、これ
らの界面の清浄度を向上させる上で好ましい。
に形成する。第2の半導体層105の一部は、図4(C)に示すように、導電層102上
に形成されるようにするとよい。また、図示していないが、第2の半導体層105の他の
部分は導電層102と重ならないように設けてもよい。また、第2の半導体層105が、
導電層102が上層の配線と交差する部分に設けられていると、層間絶縁物としての機能
も有する。
残しておくと、それを、導電層102が上層の配線と交差する部分で層間絶縁物としての
使用することもできる。
体膜をエッチングするに際しては、アルカリ性の溶液(例えば、アンモニア過水等)を用
いればよい。第1の酸化物半導体膜104として酸化インジウムを用いた場合には、酸化
インジウムのアルカリ性溶液への溶解度は著しく低いので、選択的に第2の酸化物半導体
膜をエッチングできる。
形成する(図4(D)参照)。導電膜106は、後にFETのソース電極あるいはドレイ
ン電極としての機能も必要とされるので、その目的に適した材料を用いて構成する。例え
ば、チタン、モリブデン、窒化チタン、窒化モリブデン、タングステン等である。導電膜
106はそのような材料単独で構成してもよいし、多層構造とし、第1の半導体層に接す
る部分を、上記の材料で構成してもよい。
成する。このエッチングは、ウェットエッチングでもドライエッチングでもよい。いずれ
にしても、このエッチングに際して、第2の半導体層105を過剰にエッチングしないこ
とが必要である。そのため、第2の半導体層105上にエッチングストッパを設けておく
とよい。また、このエッチングで、第1の酸化物半導体膜104をエッチングしてもよい
。
引き続いて、エッチング方法等を変えてエッチングをおこなう。この際には、第2の半導
体層105のエッチングレートに比べて、第1の酸化物半導体膜104のエッチングレー
トが大きくなるような条件を採用する。例えば、このエッチングをウェットエッチングで
おこなうのであれば、シュウ酸やリン酸を含むエッチャントを用いればよい。かくして、
図4(E)に示すように、第1の半導体層104aを島状に形成する。
107の材料としては、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化窒化珪素、窒化アルミニウム
、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化イットリウム等を用いれ
ばよい。また、その厚さは10nm以上1μm以下とすることができる。酸化物絶縁膜1
07に保護膜としての機能も要求するのであれば、厚い方が好ましい。
本実施の形態では、FETの作製方法について図5(A)乃至図5(E)を用いて説明す
る。まず、図5(A)に示すように、基板201上に、導電膜202と絶縁膜203,第
1の酸化物半導体膜204、第2の酸化物半導体膜205、酸化物絶縁膜206を積層す
る。これらの成膜は、膜の界面を清浄に保つため、途中で大気に曝すことなく連続的にお
こなうとよい。また、これらの多層膜中の水素濃度を1×1018原子/cm3以下、好
ましくは1×1016原子/cm3以下とするためにも、連続的に成膜することは効果的
である。
半導体膜205、酸化物絶縁膜206としては、実施の形態1において、それぞれ、基板
101、導電層102、絶縁膜103、第1の酸化物半導体膜104、第2の酸化物半導
体膜、酸化物絶縁膜107に用いるのに適しているとして示された材料、厚さおよび成膜
方法で形成すればよい。
スクを用いて、2段階の厚さを有するレジストマスク207を形成する。
04、第2の酸化物半導体膜205、酸化物絶縁膜206をエッチングして、導電層20
2a、絶縁層203a、第1の半導体層204a、第2の半導体層205a、酸化物絶縁
層206aを形成する(図5(B)参照)。これらのエッチングには異方性ドライエッチ
ング法を用いることが好ましいが、ウェットエッチング法でも、等方的なドライエッチン
グ法でもよい。
aとする(図5(C)参照)。
a、第2の半導体層205a、酸化物絶縁層206aをエッチングして、絶縁層203b
、第1の半導体層204b、第2の半導体層205b、酸化物絶縁層206bを、概略同
形状かつ島状に形成する(図5(D)参照)。これらのエッチングには異方性ドライエッ
チング法を用いることが好ましいが、ウェットエッチング法でも、等方的なドライエッチ
ング法でもよい。
ッチングされない条件を見いだすことは難しいので、多少の差はあれエッチングされ、表
面の一部がエッチングされた導電層202bとなる。特に、エッチングの選択比を十分に
大きくできない場合には、導電膜202を十分に厚くしておくとよい。例えば、導電膜2
02の厚さを200nm以上1μm以下とするとよい。
厚さと第2の酸化物半導体膜205の厚さと酸化物絶縁膜206の厚さの和の50%以上
500%以下としてもよい。このように導電膜202が十分に厚ければ、多少のオーバー
エッチングがあったとしても、必要な厚さを確保できる。
えることは少なく、むしろ、導電膜202を厚くすると、導電層202bの抵抗が低く抑
制されるというメリットがある。
ガリウムはアルカリ性の溶液に溶解する性質もあるため、剥離液の水素イオン濃度は適切
なものを選択する必要がある。
法を使用する場合には、残渣が問題となることがあるが、本実施の形態では、残渣があっ
たとしても、酸化物絶縁層206b上であり、酸化物絶縁層206bを十分に厚くすれば
、FET特性への影響は低減できる。特に、本実施の形態では、酸化物絶縁層206bは
層間絶縁物としての機能もあるので、厚く形成する方が好ましい。
縁層206b、第2の半導体層205bをエッチングして、第1の半導体層204bに達
する開口部を設ける。開口部は、絶縁層203bと重なるように設ける。好ましくは、開
口部は、その外周が絶縁層203bの外周から、200nm以上、より好ましくは、1μ
m以上離れるように設ける。
きる。なお、いずれの場合においても、エッチングに際して、第1の半導体層204bに
化学的な影響を与えることがある。
形成する。導電膜は、実施の形態1の導電膜106に用いるのに適した材料、厚さおよび
成膜方法を用いて形成すればよい。
ース電極、ドレイン電極として機能する。この段階を図5(E)に示す。導電層209a
と導電層209bが、それぞれ第1の半導体層204bと接する部分の間隔がFETのチ
ャネル長となる。
合には、導電層209a、209bを構成する元素が、第1の半導体層204bに拡散し
、その特性に悪影響を及ぼすことがある。したがって、導電層209a、209bを形成
した後は、そのような高温での処理を避けることが好ましい。一方で、導電層209a、
209bはFETの最終段階で形成されるので、その後に高温での処理が必要となること
はほとんど無い。
。これらの領域は、しばしば導電性が他の部分よりも高く、例えば、図4(F)に示すよ
うな形状のFETにおいては、これらの領域はリーク電流の要因となり得た。それは、図
4(F)に示すような形状のFETにおいては、第1の半導体層104aの端部とソース
電極およびドレイン電極として機能する導電層106a、導電層106bが接しているた
めである。
て機能する導電層209aと209bは上述の通り、第1の半導体層204bの端部と重
ならないので、仮に、第1の半導体層204bの端部の導電性が高くとも、導電層209
aと209bの間にリーク電流は流れない。そのため、オフ電流の十分に低いFETを得
ることができる。
例えば、図4(F)の第1の半導体層104aのように、半導体層に凹凸があるとFET
の特性は凹凸の影響を受ける。そのような凹凸を有する素子を均一に形成することは困難
なため、FET特性のばらつきの原因となる。
よび導電層102に対して左右対称に設けられているが、全ての素子をこのような形状に
形成することは困難である。マスクあわせの際の誤差のため、導電層106a、106b
が、図の右側(あるいは左側)に少しだけ平行移動しても、導電層106a、106bと
第1の半導体層104aの湾曲している部分との位置関係が異なり、FETとしての特性
が変動することがある。すなわち、FETの特性のばらつきが生じる。
がある。それは、第1の半導体層の平面部分と局面部分とで結晶の方位や大きさ等に大き
な差違があるためである。そのような結晶成分は、酸化インジウムでは比較的低温でアニ
ールした場合でも生じる。
て、マスクあわせの際の誤差のため、図5(E)の導電層209a、209bが、図の右
側(あるいは左側)に少しだけ平行移動しても、第1の半導体層204bに対する位置関
係は変わらない。すなわち、FETの特性のばらつきは限定的となる。
のばらつきが少ない。このようなFETは、しきい値ばらつきの小さいことが要求される
回路に用いるのに好適である。
らをなくすために、駆動トランジスタのしきい値のばらつきが小さいことが望まれる。ま
た、抵抗損失を減らすため、駆動トランジスタの電界効果移動度の高いFETが望まれる
。そのような目的には、図5(E)に示す構成を有し、インジウムを主要成分とする酸化
物半導体を半導体層に用いて作製したFETが好適である。そのようなFETは、例えば
、50cm2/Vs以上、好ましくは、70cm2/Vs以上の電界効果移動度が得られ
る。
れるのであるから、これらの薄膜の段差被覆性等を考慮する必要がない。このため第1の
半導体層204b、絶縁層203bを可能な限り薄くできる。
スシフトを抑制し、オフ電流を低減する上で効果がある。特にチャネル長が0.3μm以
下のFETでは、第1の半導体層204b、絶縁層203bを薄くすることが求められる
。
体層204bの厚さ+(絶縁層203bの厚さ)×(誘電率比))、という関係を満たす
ことが求められる。ここで、誘電率比は、第1の半導体層204bの誘電率を、絶縁層2
03bの誘電率で除した数値である。
導体層204bとして酸化インジウム(比誘電率18)、絶縁層203bとして酸化珪素
(比誘電率4)を用いた場合、絶縁層203bの厚さを10nm以下とすることが必要で
ある。
の要因となる。一方、平坦面であれば比較的容易に形成できる。その点で、本実施の形態
に示される構造のFETは有利である。
4に示す方法(3回のマスクあわせが必要)よりも少ない。そのため、ミスアライメント
による不良の確率を低減でき、歩留まりを向上させる上で効果がある。
本実施の形態では、FETの作製方法について図6(A)乃至図6(D)を用いて説明す
る。まず、図6(A)に示すように、基板301上に、酸化物絶縁膜302と第2の酸化
物半導体膜303と第1の酸化物半導体膜304と絶縁膜305を積層する。これらの成
膜は、それぞれの膜と膜の間の界面を清浄に保つため、途中で大気に曝すことなく連続的
におこなうとよい。
珪素、第2の酸化物半導体膜303として厚さ50nmの酸化ガリウム、第1の酸化物半
導体膜304として厚さ1nmの酸化インジウム、絶縁膜305として厚さ2nmの酸化
珪素を用いればよい。また、酸化物絶縁膜302は基板301を熱酸化して形成し、第2
の酸化物半導体膜303、第1の酸化物半導体膜304、絶縁膜305は、原子積層法(
ALD)により形成すればよい。これらの膜は成膜装置内で連続的に形成するとよい。
択的にエッチングして、第2の半導体層303a、第1の半導体層304a、絶縁層30
5aを形成する。
珪素等を用いて絶縁体306を形成する。そして、導電層307を形成する(図5(B)
参照)。導電層307は、実施の形態1の導電層102を参考にその材料と作製方法を決
定すればよい。なお、厚さは、第1の半導体層304aの厚さと絶縁層305aの厚さの
和の2倍以上とするとよい。
乗り越えるような形状となっている。そのため、導電層307は、第1の半導体層304
aと直接、接触することはない。
る。ここでは、第1の半導体層304aの厚さと絶縁層305aの厚さに第1の半導体層
304aと絶縁層305aの誘電率比(第1の半導体層304aの誘電率/絶縁層305
aの誘電率)を乗じたものの和の5倍以上、好ましくは10倍以上とすると、しきい値の
マイナスシフトを抑制し、オフ電流を低減できる。
る(これらの値は成膜方法によって微妙に異なる)ので、誘電率比は4.5程度である。
上記の膜厚から、導電層307の幅は、(第1の半導体層304aの厚さ1nm)+(絶
縁層305aの厚さ2nm)×(誘電率比4.5)の5倍以上、好ましくは10倍以上で
あるとよい。すなわち、50nm以上、好ましくは、100nm以上とするとよい。
7の幅をより狭くできる。例えば、酸化ハフニウムのように比誘電率が30程度のもので
あれば、導電層307の幅は10nm以上、好ましくは20nm以上とできる。
半導体に接して酸化ハフニウムのような異種材料を形成しても、第1の半導体層304a
と絶縁層305aとの界面の欠陥準位がFET特性にほとんど問題を及ぼさない。特に酸
化ハフニウムの場合、その仕事関数(5.7電子ボルト)が、酸化インジウムの電子親和
力(4.8電子ボルト)より大きいため、酸化インジウムのバンドがゆがめられ、埋め込
みチャネルのような形状になり、より一層、絶縁層305aと第1の半導体層304aの
界面の影響が小さくなる。
第1の半導体層304aと第2の半導体層303aの界面から第2の半導体層303aと
酸化物絶縁膜302の界面の間にピークを有するように設定すればよい。この条件では、
導電層307をイオンが透過することはないので、第1の半導体層304aおよび第2の
半導体層303aに、導電層307をマスクとして、自己整合的にイオンが注入されるこ
ととなる。
酸素と化合して酸化物半導体を還元する。その結果、イオンが注入された部分の電子濃度
が高くなり導電性が向上する。注入するイオンの量は、目的とする導電率に応じて設定す
ればよいが、第1の半導体層304a中に、2×1020/cm3以上含まれるようにす
ればよい。
物の結合力が酸化インジウムよりも強いものを用いればよい。なかでも、リンや硼素は、
通常の半導体プロセスでも用いられているので使用しやすい。
て、イオン源として水素化物(ジボランB2H6やホスフィンPH3等)を用いることは
好ましくない。酸化物半導体中に導入された水素は、電子濃度を高めるが、同時に酸化物
半導体中を移動して、FETの特性の変動をもたらすため、信頼性を低下させる。イオン
中の水素の濃度は1原子%以下とすることが望まれる。
イオンによって酸化ガリウムが還元され、第2の半導体層303aに導電率の高い領域3
03b、303cが形成される。
)が薄すぎると、導電率が高くとも電気抵抗が十分に低減できないので、適切な厚さとし
ておくとよい。また、第2の半導体層303aに注入されるイオンの濃度は、第1の半導
体層304aに注入されるイオンの濃度よりも大きくして、縮退半導体とすることが好ま
しい。例えば、第2の半導体層303a中に、5×1020/cm3以上含まれるように
すればよい。
VD法等で形成する。ここで、保護絶縁膜308は第1の半導体層304aに圧縮するよ
うな応力を与えるような膜質であってもよい。このような応力があると第1の半導体層は
圧縮され、酸化インジウム中のインジウム原子間の距離が縮められる。その結果、第1の
半導体層の輸送特性(典型的には、電界効果移動度)が向上する
法により平坦化して、平坦な表面を有する層間絶縁物309を得る。さらに、層間絶縁物
309、保護絶縁膜308、絶縁層305aをエッチングして、第1の半導体層304a
あるいは第2の半導体層303aに達する開口部を形成する。そして、開口部を埋めるよ
うに導電層310a、310bを形成する(図6(D)参照)。
結果、開口部が第1の半導体層304aを貫通することもある。しかし、そのような場合
であっても、第2の半導体層303aの導電性が十分であるので、導電層310a、31
0bはFETの電極として機能する。すなわち、導電層310a−第2の半導体層の導電
率の高い領域303b−第1の半導体層304a−第2の半導体層の導電率の高い領域3
03c−導電層310b、という経路で電流が流れる。
303aは適切な厚さを有することが好ましい。本実施の形態では厚さを50nmとした
が、30nm以上であることが好ましい。
上記実施の形態1乃至実施の形態3で示した半導体装置は、さまざまな電子機器に用いる
ことができる。例えば、液晶ディスプレー、ELディスプレー、FE(Field Em
ission)ディスプレー等の表示装置およびその駆動回路、イメージセンサの駆動回
路、半導体メモリ、マイクロプロセッサ等である。また、それらを用いた各種電子機器、
例えば、テレビジョン、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の通信機器、電子手帳、携
帯音楽プレーヤ等である。
2 第2の半導体層
2a 第2の半導体層
2b 第3の半導体層
3a 第1の電極
3b 第2の電極
4 絶縁膜
5 導電層
6 絶縁膜
7a ドーピングされた領域
7b ドーピングされた領域
8a ドーピングされた領域
8b ドーピングされた領域
11 半導体層
13a ソース電極
13b ドレイン電極
14 ゲート絶縁膜
15 ゲート
16 保護絶縁膜
101 基板
102 導電層
103 絶縁膜
104 第1の酸化物半導体膜
104a 第1の半導体層
105 第2の半導体層
106 導電膜
106a 導電層
106b 導電層
107 酸化物絶縁膜
201 基板
202 導電膜
202a 導電層
202b 導電層
203 絶縁膜
203a 絶縁層
203b 絶縁層
204 第1の酸化物半導体膜
204a 第1の半導体層
204b 第1の半導体層
205 第2の酸化物半導体膜
205a 第2の半導体層
205b 第2の半導体層
206 酸化物絶縁膜
206a 酸化物絶縁層
206b 酸化物絶縁層
207 レジストマスク
207a レジストマスク
208 層間絶縁物
209a 導電層
209b 導電層
301 基板
302 酸化物絶縁膜
303 第2の酸化物半導体膜
303a 第2の半導体層
303b 導電率の高い領域
303c 導電率の高い領域
304 第1の酸化物半導体膜
304a 第1の半導体層
305 絶縁膜
305a 絶縁層
306 絶縁体
307 導電層
308 保護絶縁膜
309 層間絶縁物
310a 導電層
310b 導電層
Claims (2)
- 第1の酸化物半導体よりなる第1の半導体層、第2の酸化物半導体よりなる第2の半導体層、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有し、
前記第2の半導体層上に前記第1の半導体層を有し、
前記第1の半導体層上に前記ゲート絶縁膜を有し、
前記ゲート絶縁膜上に前記ゲート電極を有し、
前記第1の半導体層に接して前記ソース電極及び前記ドレイン電極を有し、
前記第1の半導体層において、前記ゲート電極と重ならない領域に前記第1の酸化物半導体を還元するイオンを有し、
前記第2の半導体層において、前記ゲート電極と重ならない領域に前記イオンを有し、
前記第2の酸化物半導体のバンドギャップは前記第1の酸化物半導体より大きく、
前記第2の酸化物半導体の真空準位とフェルミ準位とのエネルギー差が、前記第1の酸化物半導体の真空準位とフェルミ準位とのエネルギー差よりも大きいことを特徴とする電界効果トランジスタ。 - 第1の酸化物半導体よりなる第1の半導体層、第2の酸化物半導体よりなる第2の半導体層、第3の酸化物半導体よりなる第3の半導体層、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有し、
前記第1の半導体層は、前記第2の半導体層と前記第3の半導体層に挟まれ、
前記第3の半導体層に接して前記ゲート絶縁膜を有し、
前記ゲート絶縁膜に接して前記ゲート電極を有し、
前記第1の半導体層及び前記第2の半導体層に接して前記ソース電極及び前記ドレイン電極を有し、
前記第1の半導体層において、前記ゲート電極と重ならない領域は、前記ゲート電極と重なる領域よりも導電性が高く、
前記第2の半導体層において、前記ゲート電極と重ならない領域は、前記ゲート電極と重なる領域よりも導電性が高く、
前記第2の酸化物半導体のバンドギャップは前記第1の酸化物半導体より大きく、
前記第3の酸化物半導体のバンドギャップは前記第1の酸化物半導体より大きく、
前記第2の酸化物半導体の真空準位とフェルミ準位とのエネルギー差が、前記第1の酸化物半導体の真空準位とフェルミ準位とのエネルギー差よりも大きく、
前記第3の酸化物半導体の真空準位とフェルミ準位とのエネルギー差が、前記第1の酸化物半導体の真空準位とフェルミ準位とのエネルギー差よりも大きいことを特徴とする電界効果トランジスタ。
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