JP6853421B2 - 結晶酸化物薄膜、積層体及び薄膜トランジスタ - Google Patents
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Description
これに対し特許文献1及び特許文献2では、In(インジウム)及びGa(ガリウム)を含む組成を主として、水(H2O)をスパッタリングガスに入れて成膜することで、結晶酸化物半導体材料をチャネルに用いることが可能になり、高移動度かつ安定なTFTを作製していた。
スパッタリングガスに水を入れて成膜する場合、プロセス装置に関する課題は、配管の腐食であり、TFT特性に関する課題は、水素原子の影響による閾値電圧Vthの面内バラツキ及び信頼性劣化であった。
これらの課題に対し、特許文献3、特許文献4及び特許文献5には、In−Ga−OにLn(ランタノイド)を加えた組成を適用し、酸素(O2)入り成膜でも、高移動度かつ安定なTFTを作製することが記載されている。
特許文献6には、TFTの特性が記載されている。特許文献6に記載のTFTは、インジウム、ガリウム及びサマリウムを含有する酸化物焼結体を含むスパッタリングターゲットを用いて成膜した酸化物薄膜を有する。
特許文献1〜3及び特許文献5に記載の酸化物薄膜、並びに特許文献4に記載の一部の酸化物薄膜を、小型TFTに適用すると、トラップ制限伝導領域特性が悪化するという課題があった。トラップ制限伝導領域特性とは、ゲート印加電圧Vgが低電圧領域において、酸化物半導体の伝導特性の主であるトラップ制限伝導が寄与する移動度と定義する。TFTのサイズが小さくなると、トラップ制限伝導領域特性が低下する傾向にあった。
特許文献6には、電極をメタルマスクによりパターニングしたチャネル長Lが50μm超のTFTが記載されている。特許文献6に記載のTFTにおいては、良好なTFT特性が得られているが、小型TFTにおいてのトラップ制限伝導領域特性は、得られていない。
In元素、Ga元素及びLn元素を含む結晶酸化物薄膜であって、In元素が主成分であり、Ln元素は、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択される一種以上の元素であり、平均結晶粒径D1が、0.05μm以上、0.5μm以下である、結晶酸化物薄膜。
前記結晶酸化物薄膜の薄膜表面と薄膜中の結晶粒界とがなす平均粒界角度θが、70°以上、110°以下である、[1]に記載の結晶酸化物薄膜。
前記結晶酸化物薄膜の薄膜中の結晶粒界同士の平均間隔D2が、0.05μm以上、0.40μm以下である、
[1]又は[2]に記載の結晶酸化物薄膜。
前記結晶酸化物薄膜の平面TEM−EDS解析において、前記結晶酸化物薄膜を構成する金属元素が、薄膜中の結晶粒界に偏析していない、[1]から[3]のいずれか一項に記載の結晶酸化物薄膜。
下記(1)、(2)及び(3)で表される原子組成比の範囲を満たす、[1]から[4]のいずれか一項に記載の結晶酸化物薄膜。
0.85<In/(In+Ga+Ln)≦0.98・・・(1)
0.01≦Ga/(In+Ga+Ln)<0.11 ・・・(2)
0.01≦Ln/(In+Ga+Ln)<0.04 ・・・(3)
前記結晶酸化物薄膜の電子線回折において、ビックスバイト構造である結晶粒を含む、[1]から[5]のいずれか一項に記載の結晶酸化物薄膜。
Ln元素は、Sm元素である、[1]から[6]のいずれか一項に記載の結晶酸化物薄膜。
[1]から[7]のいずれか一項に記載の結晶酸化物薄膜と、前記結晶酸化物薄膜を支持する支持体と、を有し、前記支持体の表面と、前記結晶酸化物薄膜中の結晶粒界とがなす平均粒界角度θsubが70°以上、110°以下であり、薄膜中の結晶粒界同士の平均間隔D2が、0.05μm以上、0.40μm以下である、積層体。
電極と、結晶酸化物薄膜と、を有する薄膜トランジスタであって、前記薄膜トランジスタの断面TEM観察において、前記電極と前記結晶酸化物薄膜との接触領域長Ls及び前記結晶酸化物薄膜中の結晶粒界同士の平均間隔D2が式(4)及び式(5)の関係を満たす、薄膜トランジスタ。
1μm≦Ls≦50μm ・・・(4)
10≦Ls/D2≦1000 ・・・(5)
前記結晶酸化物薄膜は、In元素、Ga元素及びLn元素を含み、In元素が主成分であり、Ln元素は、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択される一種以上の元素であり、前記結晶酸化物薄膜における平均結晶粒径D1が、0.05μm以上、0.5μm以下である、[9]に記載の薄膜トランジスタ。
前記結晶酸化物薄膜の薄膜表面と薄膜中の結晶粒界とがなす平均粒界角度θが70°以上、110°以下であり、薄膜中の結晶粒界同士の平均間隔D2が、0.05μm以上、0.40μm以下である、[9]又は[10]に記載の薄膜トランジスタ。
結晶酸化物薄膜を有する薄膜トランジスタであって、前記結晶酸化物薄膜は、In元素、Ga元素及びLn元素を含み、In元素が主成分であり、Ln元素は、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択される一種以上の元素であり、前記結晶酸化物薄膜における平均結晶粒径D1が、0.05μm以上、0.5μm以下であり、前記結晶酸化物薄膜の薄膜表面と薄膜中の結晶粒界とがなす平均粒界角度θが、70°以上、110°以下であり、薄膜中の結晶粒界同士の平均間隔D2が、0.05μm以上、0.40μm以下である、薄膜トランジスタ。
前記結晶酸化物薄膜の平面TEM−EDS解析において、前記結晶酸化物薄膜を構成する金属元素が、薄膜中の結晶粒界に偏析していない、[12]に記載の薄膜トランジスタ。
前記結晶酸化物薄膜は、下記(1)、(2)及び(3)で表される原子組成比の範囲を満たす、[12]又は[13]に記載の薄膜トランジスタ。
0.85<In/(In+Ga+Ln)≦0.98 ・・・(1)
0.01≦Ga/(In+Ga+Ln)<0.11 ・・・(2)
0.01≦Ln/(In+Ga+Ln)<0.04 ・・・(3)
前記結晶酸化物薄膜は、電子線回折において、ビックスバイト構造である結晶粒を含む、[12]から[14]のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ。
Ln元素は、Sm元素である、[12]から[15]のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ。
本明細書において、「スパッタリングターゲット」を単に「ターゲット」と称する場合がある。
また、本発明者らは、例えば、結晶酸化物薄膜におけるIn元素、Ga元素及びLn元素の組成比率を所定範囲に制御すること、又は小型TFT作製プロセスにおける条件を所定範囲に制御することなどにより、スパッタガスが水を含有していなくても、平均結晶粒径を小さく制御した結晶酸化物薄膜が得られるという知見を得た。
本発明者らは、これらの知見に基づいて本発明を発明した。
本実施形態に係る結晶酸化物薄膜は、In元素(インジウム元素)、Ga元素(ガリウム元素)及びLn元素(ランタノイド元素)を含む。
本実施形態に係る結晶酸化物薄膜においては、In元素が主成分であり、Ln元素は、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択される一種以上の元素である。
本実施形態に係る結晶酸化物薄膜は、実質的にIn元素(インジウム元素)、Ga元素(ガリウム元素)、Ln元素(ランタノイド元素)及びO元素(酸素元素)のみからなっていてもよい。ここで、「実質的に」とは、上記In元素(インジウム元素)、Ga元素(ガリウム元素)、Ln元素(ランタノイド元素)及びO元素(酸素元素)の組合せに起因する本発明の効果が生じる範囲において、本実施形態に係る結晶酸化物薄膜が、他の成分を含んでいてもよいことを意味する。
本実施形態に係る結晶酸化物薄膜においては、平均結晶粒径D1が、0.05μm以上、0.5μm以下であり、0.05μm以上、0.4μm以下であることが好ましい。
本明細書において、結晶酸化物薄膜における平均結晶粒径D1は、平面TEM観察画像(「平面TEM像」と称する場合がある。)に基づき測定する。すなわち、透過型電子顕微鏡鏡を用いて、倍率200,000倍に拡大して観察した平面TEMにより観察される結晶粒子の直径を解析することによって算出する。また、平均結晶粒径D1の他の測定方法としては、後述する実施例に記載のようにガリウムイオンビーム照射後であって平面TEM観察前のサンプルについてのEBSP(後方散乱電子回折像)によっても同様の解析を行うことが可能である。
本実施形態に係る結晶酸化物薄膜において、薄膜表面と薄膜中の結晶粒界とがなす平均粒界角度θが、70°以上、110°以下であることが好ましい。
薄膜表面と薄膜中の結晶粒界とがなす平均粒界角度θが、70°以上、110°以下であれば、電極との接触領域長が短い小型TFTにおいても、電極面に対して結晶粒界が傾き過ぎず、接触領域長の長さ方向において結晶粒界を密に存在させることができ、その結果、本実施形態に係る結晶酸化物薄膜を有する薄膜トランジスタは、より良好な移動度を示す。
本明細書において、薄膜表面と薄膜中の結晶粒界とがなす平均粒界角度θは、断面TEM観察画像(「断面TEM像」と称する場合がある。)に基づき測定する。すなわち、透過型電子顕微鏡を用いて、倍率200,000倍に拡大して観察した断面TEMにより観察される結晶粒界と薄膜表面とのなす角を解析することによって算出する。
本実施形態に係る結晶酸化物薄膜において、薄膜中の結晶粒界同士の平均間隔D2が、0.05μm以上、0.40μm以下であることが好ましく、0.08μm以上、0.30μm以下であることがより好ましい。
本明細書において、薄膜中の結晶粒界同士の平均間隔D2は、断面TEM観察画像に基づき測定する。すなわち、透過型電子顕微鏡を用いて、倍率200,000倍で観測した像の中で、チャネル方向に1μm、酸化物膜厚50nmのサイズで薄膜トランジスタ中のL長方向に観測点が重ならないように任意の3つの視野を抽出し、断面TEM像により観察される結晶粒子の間隔を解析することによって算出する。
本実施形態に係る結晶酸化物薄膜についての平面TEM−EDS解析において、当該結晶酸化物薄膜を構成する金属元素が、薄膜中の結晶粒界に偏析していないことが好ましい。本明細書において、「薄膜中の結晶粒界に偏析していない」とは、各金属元素が一様に分布しており粒界にも偏りがないことを意味する。結晶酸化物薄膜を構成する金属元素が、結晶粒界に偏析していないことで、トラップ制限伝導領域特性が向上する。
本実施形態に係る結晶酸化物薄膜は、下記(1)、(2)及び(3)で表される原子組成比の範囲を満たすことが好ましい。
0.85<In/(In+Ga+Ln)≦0.98・・・(1)
0.01≦Ga/(In+Ga+Ln)<0.11 ・・・(2)
0.01≦Ln/(In+Ga+Ln)<0.04 ・・・(3)
本実施形態に係る結晶酸化物薄膜において、In/(In+Ga+Ln)が0.98以下であれば、小型TFTにおいてゲート電圧をマイナスに印加した際にリーク電流が発生しにくく、ON/OFFに優れたトランジスタ特性が得られる。
In/(In+Ga+Ln)は、0.86超、0.98以下であることが好ましい。さらに好ましくは、In/(In+Ga+Ln)は、0.87超、0.98以下である。
本実施形態に係る結晶酸化物薄膜において、Ga/(In+Ga+Ln)が0.11未満であれば、小型TFT駆動時にキャリアである電子が、酸化物薄膜中のLn(例えば、Sm)が形成するポテンシャル障壁の影響を受けにくくなり、結果としてトラップ制限伝導領域特性に優れる小型TFTが得られる。
Ga/(In+Ga+Ln)は、0.01以上、0.11未満であることが好ましく、さらに好ましくは0.03以上、0.10未満である。
本実施形態に係る結晶酸化物薄膜において、Ln/(In+Ga+Ln)が0.04未満であれば、小型TFT駆動時にキャリアである電子が、酸化物薄膜中のLn(例えば、Sm)が形成するポテンシャル障壁の影響を受けにくくなり、結果としてトラップ制限伝導領域特性に優れる小型TFTが得られる。
Ln/(In+Ga+Ln)は、0.01以上、0.04未満であることが好ましく、さらに好ましくは0.02以上、0.04未満である。
0.85<In/(In+Ga+Sm)≦0.98 ・・・(1A)
0.01≦Ga/(In+Ga+Sm)<0.11 ・・・(2A)
0.01≦Sm/(In+Ga+Sm)<0.04 ・・・(3A)
結晶酸化物薄膜がビックスバイト構造である結晶粒を含む場合、ビックスバイト構造である結晶粒は対称性の良い立方晶状であるため、結晶粒界を跨いでもTFT特性(移動度)の低下を抑制できる。
本実施形態に係る結晶酸化物薄膜は、例えば、In元素、Ga元素及びLn元素を含む酸化物焼結体を含むスパッタリングターゲットを用いて成膜できる。このスパッタリングターゲットを、本実施形態に係るスパッタリングターゲットと称する場合がある。本実施形態に係るスパッタリングターゲットに含まれる酸化物焼結体を、本実施形態に係る酸化物焼結体と称する場合がある。
本実施形態に係る酸化物焼結体において、Ln元素は、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択される一種以上の元素である。
本実施形態に係る酸化物焼結体において、In元素が主成分であることが好ましい。
スパッタ法に用いられるターゲットは、不純物金属が500ppm以下であることが好ましく、100ppm以下であることがより好ましい。特に4価のSnは、ターゲット中の含有量を500ppm以下、より好ましくは100ppm以下とすることで、ターゲット中に含まれるSnが酸化物膜中に不純物として残留しても、本実施形態の結晶酸化物半導体においては電子散乱源とならず、良好なTFT特性が得られる。ターゲット中の不純物金属の含有量は、結晶酸化物薄膜と同様、ICP、又はSIMSにより測定できる。ターゲット中に含まれる「不純物」は、原料や製造工程で混入する、意図的に添加しない元素であって、ターゲット及び半導体の性能に実質的な影響を与えない微量元素を意味し、「不純物金属」は、「不純物」としての元素のうち金属元素であるものを意味する。
以下、各工程について説明する。
酸化物薄膜成膜工程では、本実施形態に係るスパッタリングターゲットを用い、不純物ガスを実質的に含まないアルゴン及び酸素からなる群から選択される1種以上のガスをスパッタガスとして用いて、スパッタリングにより酸化物薄膜を成膜する(例えば、図2A参照)。図2Aには、ガラス基板81上に酸化物薄膜83を形成した状態が示されている。
高純度アルゴン及び高純度酸素の純度は、99体積%以上が好ましく、99.9体積%以上がより好ましく、99.99体積%以上であることがさらに好ましい。
スパッタ中の磁束密度が700G以未満あってもスパッタ時の出力密度を2.5kW/cm2以上にすることでスパッタ成膜時のプラズマの密度を上げることが出来、結果として酸化物薄膜中の結晶粒子を小さく制御できる。
スパッタリングターゲットにおいて、インジウム元素だけでなくガリウム元素及びランタノイド元素を添加することで、酸化物薄膜の形成時に均一なアモルファス構造にすることができる。
本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、インジウム元素、ガリウム元素及びランタノイド元素(例えば、サマリウム元素)を含有することにより、希ガスと酸素以外(例えば、水など)をスパッタガスに導入しなくとも、成膜時にアモルファスの酸化物薄膜を得ることができる。この酸化物薄膜を後述する加熱処理工程により加熱することで、支持体に対して柱状の結晶を成長させることができる。上述のように成膜した酸化物薄膜を小型TFTに適用することにより、駆動時に電子キャリアの注入性が優れ、結果としてトラップ制限伝導領域特性に優れる小型TFT素子が得られる。
結晶酸化物薄膜の上に保護膜を形成する場合、得られた酸化物薄膜に対して酸化雰囲気での加熱処理を行った後、酸化物薄膜の上に保護膜を形成することが好ましい。保護膜形成前にアニールを行うことによって、酸化物薄膜の表面に酸素が共有されることで、保護膜形成後に界面電子トラップ準位が少なく、トラップ制限伝導領域特性に優れる小型TFT素子が得られる。
保護膜の成膜方法としては、例えば、CVD法、スパッタリング法及び塗布法等が挙げられる。図2Bには、図2Aの酸化物薄膜83上にSiO2膜85を形成した状態が示されている。
次に、酸化物薄膜を成膜した後又は保護膜を成膜した後に、加熱処理を行う。この加熱処理をアニールと称する場合がある。
加熱処理の温度は、250℃以上、500℃以下であることが好ましく、280℃以上、470℃以下であることがより好ましく、300℃以上、450℃以下であることがさらに好ましい。
酸化物薄膜の成膜後の加熱処理温度が250℃以上であれば、酸化物薄膜が結晶化し易い。
酸化物薄膜の成膜後の加熱処理温度が500℃以下であれば、結晶が異常成長して結晶粒が大きくなることを防止でき、結晶粒径を小さく制御できる。
加熱処理工程における加熱時間が0.1時間以上であれば、結晶化しないといったことがなく、酸化物薄膜が結晶化し易い。
加熱処理工程における加熱時間が5時間以下であれば、経済性に優れる。
「加熱時間」とは、加熱処理の際に所定の最高温度を維持している時間(保持時間)をいう。
加熱処理工程における昇温速度が2℃/分以上であれば、1℃/分未満の場合に比べて酸化物薄膜の製造効率が向上する。
加熱処理工程における昇温速度が40℃/分以下であれば、結晶化時に金属元素が均一に拡散し、粒界に金属が偏析していない結晶を形成できる。
また、加熱処理工程での昇温速度は、炉の設定温度と設定時間より算出される値とは異なり、酸化物薄膜の実際温度を時間で割った値である。酸化物薄膜の実際の温度は、例えば、炉の中の酸化物薄膜から1cm以内のエリアを熱電対で測定することにより求めることができる。
ゲート絶縁膜形成後、かつコンタクトホール形成前、もしくはゲート絶縁膜及びコンタクトホール形成後に、さらに加熱処理工程を行うことが好ましい。酸化物薄膜のパターニング後に行う加熱処理工程を第1加熱処理工程と称し、ゲート絶縁膜形成後、かつコンタクトホール形成前、もしくはゲート絶縁膜及びコンタクトホール形成後に行う加熱処理工程を第2加熱処理工程と称する場合がある。第2加熱処理工程は、第1加熱処理工程よりも高いアニール温度で行うことが好ましい。ゲート絶縁膜形成後にアニールをすることによって、ゲート絶縁膜中に含まれる水素が酸化物薄膜まで拡散し、酸化物薄膜表面に存在する結晶欠陥を水酸基で終端し、結果として電子トラップが少なく良好な伝導特性をもつ酸化物薄膜が形成できる。
本実施形態に係る積層体は、本実施形態に係る結晶酸化物薄膜と、結晶酸化物薄膜を支持する支持体と、を有する。
図1には、本実施形態の一例としての積層体10の断面概略図が示されている。積層体10は、結晶酸化物薄膜11と、結晶酸化物薄膜11を支持する支持体12とを有する。
積層体10において、支持体12の表面と、結晶酸化物薄膜11中の結晶粒界とがなす平均粒界角度θsubが70°以上、110°以下であり、結晶酸化物薄膜11中の結晶粒界同士の平均間隔D2が、0.01μm以上、0.5μm以下であることが好ましい。
支持体12の表面と、結晶酸化物薄膜11中の結晶粒界とがなす平均粒界角度θsub及び結晶粒界同士の平均間隔D2が、上記範囲を満たすことで、結晶酸化物薄膜11が接する支持体12の表面に対して、結晶粒界を密に存在させることができる。その結果、結晶酸化物薄膜11が、支持体としての電極(例えば、ソース電極)と接する場合には、当該電極面に対して、結晶粒界が密に存在することになる。その結果、電極との接触領域が狭い場合(例えば、小型TFT)でも、結晶酸化物薄膜への電子注入を確保でき、移動度の低下を抑制できる。
本実施形態に係る薄膜トランジスタ(TFT)は、電極と、結晶酸化物薄膜と、絶縁膜とを有する。電極としては、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極が挙げられ、絶縁膜としては、ゲート絶縁膜及び保護膜が挙げられる。
本実施形態に係る薄膜トランジスタのチャネル長方向に沿って切り出した断面TEM観察において、電極と結晶酸化物薄膜との接触領域長Ls及び結晶酸化物薄膜中の結晶粒界同士の平均間隔D2が式(4)及び式(5)の関係を満たす。
1μm≦Ls≦50μm …(4)
10≦Ls/D2≦1000 …(5)
本実施形態に係る薄膜トランジスタにおいて、結晶酸化物薄膜は、本実施形態に係る結晶酸化物薄膜であることが好ましい。
薄膜トランジスタにおいて、上記式(4)及び式(5)の関係を満たすことで、電極と酸化物半導体層とのコンタクト領域が小さくても、優れた移動度を示す。
従来技術において作製されたTFTは、酸化物薄膜の上にメタルマスクを用いてソース電極及びドレイン電極が形成されていたところ、例えば、ソース電極と、酸化物薄膜との接触領域長が100μm程度であった。そのため、酸化物薄膜における結晶粒径が1μm以上であっても、ソース電極との接触領域においては結晶粒界が100個程度存在しており、ソース電極に対して導電領域である結晶粒界が充分な数、接しており、移動度の観点で大きな問題とはなっていなかった。
しかしながら、近年、OLED等のディスプレイにおける開口率を上げるため、TFTの素子サイズが小さくなっている。そのため、従来のようにメタルマスクを用いた成膜ではなく、フォトリソグラフィーによってパターニングされた小型TFTにおける特性制御が必要である。小型TFT構造においては、ソース電極と、酸化物薄膜との接触領域長を短くする。接触領域長が短いTFT構造においても、充分な移動度を得るためには、ソース電極との接触領域において充分な数の結晶粒界を存在させることが必要であり、本実施形態に係るTFTによれば、上記式(4)及び式(5)を満たすため、移動度に優れる。
2μm≦Ls≦50μm …(4A)
2μm≦Ls≦10μm …(4B)
10≦Ls/D2≦1000 …(5A)
10≦Ls/D2≦250 …(5B)
酸化物半導体層は、ゲート絶縁膜と保護絶縁膜との間に位置する。酸化物半導体層は、本実施形態に係る結晶酸化物薄膜を含む。
具体的には、トラップ制限伝導領域特性は、各々のVdを印加した際の伝達特性Id−Vgグラフを作成し、各Vgのトランスコンダクタンス(Gm)を算出し、線形領域又は飽和領域の式を用いて移動度を求めることにより、算出できる。電流Idは、ソース・ドレイン電極間の電流、電圧Vdは、ソース電極とドレイン電極との間に印加した電圧(ドレイン電圧)、電圧Vgは、ソース電極とゲート電極との間に印加した電圧(ゲート電圧)である。トラップ制限伝導領域特性は、17cm2/(V・s)以上が好ましく、19cm2/(V・s)以上であることがさらに好ましい。
図3に示すように、薄膜トランジスタ100は、シリコンウエハ20、ゲート絶縁膜30、酸化物薄膜40、ソース電極50、ドレイン電極60、及び層間絶縁膜70、70Aを備える。
酸化物薄膜40はチャネル層であり、ゲート絶縁膜30上に設けられる。酸化物薄膜40は、本実施形態に係る結晶酸化物薄膜が用いられる。本実施形態において、薄膜トランジスタ100が小型TFTである場合、ソース電極50及びドレイン電極60に対するチャネル層としての酸化物薄膜40は、チャネル長さ(L長)が1μm以上、50μm以下であり、チャネル幅(W長)が1μm以上、80μm以下である。
層間絶縁膜70は、ソース電極50及びドレイン電極60と、酸化物薄膜40の間の接触部分以外の導通を遮断する絶縁膜である。
層間絶縁膜70Aは、ソース電極50及びドレイン電極60と、酸化物薄膜40の間の接触部分以外の導通を遮断する絶縁膜である。層間絶縁膜70Aは、ソース電極50とドレイン電極60の間の導通を遮断する絶縁膜でもある。層間絶縁膜70Aは、チャネル層保護層でもある。
例えば、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)、ZnO、及びSnO2等の透明電極や、Al、Ag、Cu、Cr、Ni、Mo、Au、Ti、及びTa等の金属電極、又はこれらを含む合金の金属電極や積層電極を用いることができる。
また、図3及び図4において、ガラス等の基板上にゲート電極を形成してもよい。
on−off比は106以上、1012以下が好ましく、107以上、1011以下がより好ましく、108以上、1010以下がさらに好ましい。on−off比が106以上であると、液晶ディスプレイの駆動ができる。on−off比が1012以下であると、コントラストの大きな有機EL素子の駆動ができる。また、on−off比が1012以下であると、オフ電流を10−12A以下にでき、CMOSイメージセンサーの転送トランジスタやリセットトランジスタに用いた場合、画像の保持時間を長くしたり、感度を向上させたりできる。
Off電流値は、10−10A以下が好ましく、10−11A以下がより好ましく、10−12A以下がさらに好ましい。Off電流値が10−10A以下であると、コントラストの大きな有機ELの駆動ができる。また、CMOSイメージセンサーの転送トランジスタやリセットトランジスタに用いた場合、画像の保持時間を長くしたり、感度を向上させたりできる。
本実施形態に係る結晶酸化物薄膜は、量子トンネル電界効果トランジスタ(FET)に用いることもできる。
量子トンネル電界効果トランジスタ501は、p型半導体層503、n型半導体層507、ゲート絶縁膜509、ゲート電極511、ソース電極513、及びドレイン電極515を備える。
ソース電極513は、p型半導体層503上に設けられる。ドレイン電極515はn型半導体層507上に設けられる。
p型半導体層503は、p型のIV族半導体層であり、ここではp型シリコン層である。
n型半導体層507は、ここでは本実施形態に係るイメージセンサーに用いた、n型の酸化物薄膜である。ソース電極513及びドレイン電極515は導電膜である。
量子トンネル電界効果トランジスタ501Aの構成は、量子トンネル電界効果トランジスタ501と同様であるが、p型半導体層503とn型半導体層507の間に酸化シリコン層505が形成されている点が異なる。酸化シリコン層が有ることにより、オフ電流を小さくすることが出来る。
酸化シリコン層505の厚みは、10nm以下であるのが好ましい。10nm以下とすることにより、トンネル電流が流れなかったり、形成されるエネルギー障壁が形成しにくかったり障壁高さが変化したりするのを防止でき、トンネリング電流が低下したり、変化したりするのを防げる。好ましくは、8nm以下、より好ましくは5nm以下、更に好ましくは3nm以下、更により好ましくは1nm以下である。
図7にp型半導体層503とn型半導体層507の間に酸化シリコン層505が形成された部分のTEM写真を示す。
まず、図8Aに示すように、p型半導体層503上に絶縁膜505Aを形成し、絶縁膜505Aの一部をエッチング等で開口してコンタクトホール505Bを形成する。
次に、図8Bに示すように、p型半導体層503及び絶縁膜505A上にn型半導体層507を形成する。この際、コンタクトホール505Bを介してp型半導体層503とn型半導体層507を接続する。
次に、図8Dに示すように、絶縁膜505A、n型半導体層507、ゲート絶縁膜509及びゲート電極511を覆うように、層間絶縁膜519を設ける。
さらに、図8Eに示すように、n型半導体層507上のゲート絶縁膜509及び層間絶縁膜519の一部を開口してコンタクトホール519Bを形成し、コンタクトホール519Bにドレイン電極515を形成する。
以上の手順で量子トンネル電界効果トランジスタ501を製造できる。
本実施形態に係る薄膜トランジスタは、携帯用又は車載用表示装置等の表示装置及び固体撮像素子等に好適に用いることができる。さらに、本実施形態に係る薄膜トランジスタは、医療用途のX線イメージセンサー用フラットパネルディテクター用トランジスタとしても好適に用いることができる。
また、本実施形態に係る結晶酸化物薄膜は、ショットキーダイオード、抵抗変化型メモリ、及び抵抗素子にも適応できる。
以下、本実施形態に係る薄膜トランジスタを表示装置及び固体撮像素子に用いる場合について、説明する。
図9Aは、本実施形態に係る表示装置の上面図である。図9Bは、本実施形態に係る表示装置の画素部に、液晶素子を適用する場合の画素部の回路を説明するための回路図である。また、図9Cは、本実施形態に係る表示装置の画素部に、有機EL素子を適用する場合の画素部の回路を説明するための回路図である。
また、本実施形態に係る薄膜トランジスタを用いた表示装置においては、Si系トランジスタと本実施形態の結晶酸化物トランジスタの両方を搭載してもよい。
以上が本実施形態に係る薄膜トランジスタを表示装置に用いる場合の説明である。
なお、また、フォトダイオード3002に本発明の酸化物半導体膜を用いても良く、転送トランジスタ3004、リセットトランジスタ3006に用いられる酸化物半導体膜と同じ材料を用いてよい。
以上が、本実施形態に係る薄膜トランジスタを固体撮像素子に用いる場合の説明である。
以下の工程により薄膜トランジスタを製造した。
(1)酸化物半導体層の成膜
表1に示す仕込み組成比率の原料混合物から得られたスパッタリングターゲットを用いた。酸化物スパッタリングターゲットにおける金属組成比率(単位:at%)を表1に示す。
この酸化物スパッタリングターゲットを用いて、厚さ100nmの熱酸化膜(ゲート絶縁膜)付きのシリコンウエハ(ゲート電極)上に、スパッタリングによって厚さ50nmの酸化物半導体薄膜(酸化物半導体層)を形成した。成膜条件は、表1に示す通りである。スパッタガスとして、高純度アルゴン及び高純度酸素の混合ガス(不純物ガス濃度:0.01体積%)を用いた。
次に、成膜した酸化物半導体層を、フォトリソグラフィーによって島状にパターニングした。
初めに、酸化物半導体層にフォトレジストの膜を形成した。フォトレジストとして、AZ1500(AZエレクトロニックマテリアルズ社製)を用いた。14μm×4μmサイズにパターンが形成されたフォトマスクを介し露光した。露光の後、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイド(TMAH)にて現像を行った。現像の後、シュウ酸により酸化物半導体層をエッチングした。エッチングの後、フォトレジストを剥離して、パターニングされた酸化物薄膜付き基板を得た。得られた半導体エリアは、エッチング液の回り込みによりフォトマスクのパターンよりも小さくなり、表1及び図11の通り、12μm×2.8μmサイズであった。
次に、パターニングされた酸化物薄膜付き基板を、炉に入れて、大気中で、10℃/分で350℃まで昇温した後、1時間保持した。炉の内部を350℃で1時間保持した後、自然放冷し、炉の内部温度が室温に戻った後、酸化物薄膜付き基板を炉から取り出した。
続いて、アニール後の酸化物薄膜付き基板の半導体パターニング面に、イメージリバーサルレジストをスピンコートした。イメージリバーサルレジストとして、AZ5214(AZエレクトロニックマテリアルズ社製)を用いた。スピンコート後、6μm×6μmサイズにパターンが形成されたフォトマスクを用いて露光した。イメージリバーサルレジストAZ5214を反転ベーク工程後に全面露光し、TMAHにて現像した。パターニングされたレジスト付き基板に対し、スパッタリングによって膜厚100nmのSiO2を成膜した。スパッタリング条件は以下の通りである。
基板温度:25℃
到達圧力:8.5×10−5Pa
雰囲気ガス:Ar+O2(O2流量30%)
スパッタ圧力(全圧):0.4Pa
投入電圧:RF100W
S(基板)―T(ターゲット)間距離:70mm
その後、SiO2を成膜した基板をアセトン中でリフトオフすることにより、SiO2をパターニングした。
さらに、SiO2をパターニングした酸化物薄膜付き基板に対して、フォトレジストAZ1500(AZエレクトロニックマテリアルズ社製)を用い、フォトマスクを介して露光後、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイド(TMAH)にて現像した。現像の後、バッファードフッ酸(BHF)により熱酸化膜付きSi(シリコンウエハ)をエッチングして、ゲート電極取り出し用のコンタクトホールを形成した。コンタクトホールを形成した後、大気中で、400℃、1時間のアニールを施した。
続いて、イメージリバーサルレジストAZ5214及びフォトマスクを用い、ソース・ドレイン電極層をリフトオフプロセスにてパターニングした。イメージリバーサルレジストAZ5214を、表1の最終素子形状(L長:6μm、W長:2.8μm、ソース電極、及びドレイン電極それぞれのLs長:3μm)にパターニングできるように形成されたフォトマスクを介して露光し、反転ベーク工程後に全面露光し、TMAHにて現像した。パターニングされたレジスト付き基板に対し、厚さ150nmのTi層を以下のスパッタ条件で成膜した。
基板温度:25℃
到達圧力:8.5×10−5Pa
雰囲気ガス:Ar
スパッタ圧力(全圧):0.4Pa
投入電圧:DC100W
S(基板)―T(ターゲット)間距離:70mm
その後、Ti層を成膜した基板をアセトン中でリフトオフすることにより、オーミック電極層をパターニングした。
最後に、大気中で、200℃、1時間のアニール行った。
得られた素子(小型TFT)の最終形状は、表1のとおりである。
実施例2〜3に係る小型TFTは、スパッタリングターゲットの仕込み組成比率及び小型TFT作製条件を表1に示すとおり変更したこと以外、実施例1と同様にして製造した。
比較例1〜4に係る小型TFTは、スパッタリングターゲットの仕込み組成比率及び小型TFT作製条件を表1に示すとおり変更したこと以外、実施例1と同様にして製造した。
実施例4〜8に係る小型TFTは、スパッタリングターゲットの仕込み組成比率及び小型TFT作製条件を表2に示すとおり変更したこと以外、実施例1と同様にして製造した。
比較例5〜10に係る小型TFTは、スパッタリングターゲットの仕込み組成比率及び小型TFT作製条件を表2及び表3に示すとおり変更したこと以外、実施例1と同様にして製造した。
実施例1〜8及び比較例1〜10に係る小型TFT及び当該小型TFTが有する酸化物薄膜の特性等について評価した。
評価方法は、以下の通りであり、評価結果は、表4、表5及び表6に示す。
光学顕微鏡によりレジスト剥離後の半導体パターニング形状を確認した。
レジスト剥離後の半導体パターンを顕微鏡で観察した像を図11に示す。実施例1〜3、比較例4に係る酸化物薄膜においては、残渣が無く、所望のパターンが形成されていることを確認した。一方で比較例3に係る酸化物薄膜においては、パターニング残差が確認された。
TFT素子中の酸化物薄膜の断面の結晶状態については、集束イオンビーム装置(FIB:Focused Ion Beam)を用いて当該酸化物薄膜に対して前処理を行い、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)により当該前処理後の酸化物薄膜の断面を観察することにより測定した。
具体的には、まず、TFT素子の酸化物半導体薄膜がパターニングされたエリアの膜表面に対して垂直方向に、FIB(日立ハイテクノロジーズ社製「FB2100型」)装置を用いてイオンビームを入れ、サイズ16μm×4μmの試験片をサンプリングした。その後、サンプリングした試験片について、チャネル長方向にソース電極又はドレイン電極と酸化物薄膜がオーバーラップしている領域の端からオーバーラップしていない領域に向かって3μmの領域について2つサンプルを抽出した。抽出した2つのサンプルに対して、チャネル長及び膜厚方向に対して垂直なチャネル幅方向に薄片の厚さがおおよそ100nm程度になるまでArイオンミリングを行い、抽出した2つのサンプルの厚さを薄くした。FIB加工時のイオンスパッタダメージにより結晶粒を確認できない場合は、Arイオンミリング(Gatan社製「Model691」)にてイオンガン電圧4keVで結晶粒を確認できるまでエッチングを繰り返し実施した。
断面TEM像は、透過型電子顕微鏡(日本電子製「JEM−2800型」)を用いて加速電圧200kVとし、観察倍率200,000倍(約4μm四方のエリア)、観察倍率500,000倍(約800nm四方のエリア)、観察倍率2,000,000倍(約200nm四方のエリア)、及び観察倍率10,000,000倍(約40nm四方のエリア)エリアの観察を実施した。
酸化物薄膜の断面を観察した際の薄膜表面に対する平均粒界角度θは、断面TEMにより観察される結晶粒界と薄膜表面とのなす角を解析することによって算出できる。観察倍率200,000倍で観測した像の中で、チャネル方向に1μm、酸化物膜厚50nmサイズで、薄膜トランジスタ中のL長方向に観測点が重ならないように任意の3つの視野を抽出し、断面TEM像を観測した。得られた3つの視野の断面TEM像について、イメージメトロロジー社製「SPIP,Version4.3.2.0」を用いて画像解析を行うことにより薄膜表面と結晶粒界とのなす角を算出した。詳細は以下のとおりである。
断面TEM画像について、結晶粒界にカラーコードH0,S0,V10のラインを引く。さらに画像解析ソフトウェアを用いてコントラストを数値化し、(最大濃度−最小濃度)×1/4の高さを閾値として設定した。次に閾値以下のコントラストを示す領域を結晶粒界と定義し、各薄膜表面と結晶粒界とのなす角を求めた。得られた各薄膜表面と結晶粒界とのなす角の合計値を粒子数で割り、さらに3つの視野で求めた角度の平均値を薄膜表面に対する平均粒界角度θとした。
この結果、実施例1〜8、比較例1、2、5〜7については70°<θ<110°の範囲であった。
薄膜表面に対する平均粒界角度θと同様の断面TEM像と解析方法により結晶粒界を抽出し、支持体に対してなす角を求めた。得られた各支持体表面と結晶粒界とのなす角の合計値を粒子数で割り、さらに3つの視野で求めた角度の平均値を支持体表面に対する平均粒界角度θsubとした。
この結果、実施例1〜8、比較例1、2、5〜7については70°<θsub<110°の範囲であった。
酸化物薄膜の断面を観察した際の平均間隔D2は、断面TEMにより観察される結晶粒子の間隔を解析することによって算出できる。観察倍率200,000倍で観測した像の中で、チャネル方向に1μm、酸化物膜厚50nmのサイズで薄膜トランジスタ中のL長方向に観測点が重ならないように任意の3つの視野を抽出し、断面TEM像を観測した。得られた3つの視野の断面TEM像について、イメージメトロロジー社製「SPIP,Version4.3.2.0」を用いて画像解析を行うことにより結晶粒界の平均間隔D2を算出した。詳細は以下のとおりである。
断面TEM画像について、結晶粒界にカラーコードH0,S0,V10のラインを引く。さらに画像解析ソフトウェアを用いてコントラストを数値化し、(最大濃度−最小濃度)×1/4の高さを閾値として設定した。次に閾値以下のコントラストを示す領域を結晶粒界と定義し、各結晶粒界と最近接粒子との間隔を求め、結晶粒界の間隔とした。得られた各結晶粒界の間隔の合計値を、間隔を測定した箇所の数で割ったものを結晶粒界の平均間隔とし、3つの視野各々で得られた結晶粒界の平均間隔の平均値をD2として求めた。
この結果、実施例1〜3、7、8においてはD2<0.40μm、比較例1、2、5〜7においては0.40μm<D2であった。
アモルファス・結晶の判定方法については、断面TEM像の観察によって得たサンプルに対し、電子線回折パターンを観察することで判断した。
具体的には、電子顕微鏡(日本電子製「JEM−2800型」)を用いて、断面TEM像にて観察した酸化物薄膜エリアに、制限視野絞りにより照射エリア約100nmφ、加速電圧200kVで電子線を照射し、カメラ長は2mに設定して回折パターンを測定した。断面TEM像サンプル中のL長方向に観測点が重ならならない様に抽出した任意の3つの視野において、明瞭な回折スポットが得られない酸化物薄膜を「アモルファス」と判断した。一方で、対称性を持つ回折点が回折パターンから観察された酸化物薄膜を「結晶」と判断した。
この結果、実施例1〜8、比較例1、2、3、5〜7の酸化物薄膜を「結晶」と判断し、比較例4の酸化物薄膜を「アモルファス」と判断した。
TFT素子中の酸化物薄膜の膜面に対して垂直方向から見た結晶状態については、集束イオンビーム装置(FIB:Focused Ion Beam)を用いて当該酸化物薄膜の膜面に対して前処理を行い、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)により当該前処理後の膜面を観察して測定した。
具体的には、まずTFT素子の酸化物半導体薄膜がパターニングされたエリアの膜表面に対して並行方向に、FIB(株式会社日立ハイテクノロジーズ社製「FB2100型」)装置を用いてイオンビームを入れ、サイズ12μm×4μmの試験片をサンプリングした。その後、サンプリングした試験片について、ソース電極又はドレイン電極と酸化物薄膜がオーバーラップしている領域の端からオーバーラップしていない領域に向かってチャネル方向に2μm□(2μm×2μmのサイズ)の範囲(サンプル)を3か所抽出し、抽出した3箇所の範囲に対して、薄片の厚さがおおよそ100nm程度になるまでガリウムイオンビームを照射して、サンプル(抽出した3箇所の範囲)の厚さを薄くした。平面TEM像は、透過型電子顕微鏡(日本電子株式会社製「JEM−2800型」)を用いて加速電圧200kVとし、それぞれ結晶粒が5個以上観測できるまで倍率を上げて観察を実施した。
酸化物薄膜の膜厚方向から観察した際の平均結晶粒径D1は、3つのサンプルについて倍率200,000倍に拡大して観察した平面TEMにより観察される結晶粒子の直径を解析することによって算出できる。平面TEM像をイメージメトロロジー社製「SPIP,Version4.3.2.0」を用いて画像解析を行うことで平均結晶粒径D1を算出した。
平面TEM画像について、結晶粒界にカラーコードH0,S0,V10のラインを引いた。さらに画像解析ソフトウェアを用いてコントラストを数値化し、(最大濃度−最小濃度)×1/4の高さを閾値として設定した。次に閾値以上のコントラストを示す領域を結晶粒子と定義し、各粒子の面積を求めた。得られた各粒子の面積の合計値を求め、得られた面積を測定した粒子の数で割って平均粒子面積S1を得た。さらに結晶粒子を円と仮定して、平均粒子面積S1及び式(A)により直径を求め、この直径を結晶粒子の平均結晶粒径とした。3つのサンプルにおける平均結晶粒径の平均値を算出し、最終的な平均結晶粒径D1とした。
酸化物薄膜の金属分散状態(金属元素の偏析)は、平面TEM観察によって得たサンプルの3つの視野を、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)/エネルギー分散型X線分光法(EDS: Energy Dispersive X−ray Spectroscopy)で観察することにより測定した。
具体的には、電子顕微鏡(日本電子製「JEM−2800型」)を用いて、平面TEM像を観察した酸化物薄膜エリアのうち、結晶粒子を5個以上含む観測範囲に加速電圧200kVで電子線を照射し、各元素のEDSマッピング測定を実施した。この結果、各元素のマッピングにおいて結晶粒子間で金属元素の偏りが観察されなかった場合を「偏析無し」と判断し、マッピングに結晶粒子毎に偏りが観察された場合を「偏析あり」と判断した。
金属の偏りの有無については、各サンプル、各元素の平面TEM−EDSマッピングをイメージメトロロジー社製「SPIP,Version4.3.2.0」を用いて画像解析を行うことで数値化して判断した。具体的には、まず、各マッピング像のコントラストを数値化し、265ピクセル×265ピクセルで表す。次に、視野全体について1ピクセル当たりの平均濃度Iaveを求める。続いて、平面TEM像と平面TEM−EDSマッピングとを比較し、各視野から5個以上の結晶粒子について、結晶粒子内で、各平均結晶粒径D1の1/2のサイズ四方のエリアを選定する。選定されたエリアの平均濃度Igrainを求める。このような画像解析によって得られた平均濃度Iaveとエリア平均濃度Igrainについて、Iave<Igrainの関係を満たすエリアが1視野辺り2エリア以上あった場合を「偏析あり」と判断し、2エリア未満であった場合を「偏析無し」と判断した。
これにより実施例1〜実施例3、及び比較例1では偏析が確認されなかった。一方、比較例2についてはInのEDSマッピングの解析により金属の偏析ありと判断し、比較例3についてはGaのEDSマッピングの解析により、金属の偏析ありと判断した。
得られたサンプルの酸化物薄膜について、誘導結合プラズマ発光分析装置(ICP−AES、株式会社島津製作所製)で分析した。
断面TEM像の観察によって得たサンプルの電子線回折パターンを観察することで酸化物薄膜の結晶構造がビックスバイト構造であるか否かを評価した。評価結果を表4、表5及び表6に示す。
具体的には、電子顕微鏡(日本電子製「JEM−2800型」)を用いて、断面TEM像にて観察した酸化物薄膜エリアに、制限視野絞りにより照射エリア約100nmφ、加速電圧200kVで電子線を照射し、カメラ長は2mに設定して回折パターンを測定した。
さらに結晶構造同定のため、電子線回折シミュレーションソフトウェアReciPro(フリーソフトウェア ver4.641(2019/03/04))を用いてIn2O3のビックスバイト構造の電子線回折パターンのシミュレーションを実施した。シミュレーションにおいては、ビックスバイト構造の結晶構造データはICSD(Inorganic Crystal Structure Database:化学情報協会)の14388を用い、空間群:Ia−3、格子定数:a=10.17700Å、原子座標Inサイト(0.250,0.250,0.250)、Inサイト(0.466,0.000,0.250)、Oサイト(0.391,0.156,0.380)を用いた。
さらにカメラ長2mmとして、11種類の逆格子ベクトル(1 0 0 )、(1 1 1)、(1 1 0)、(2 1 1)、(3 1 1)、(2 2 1)、(3 3 1)、(2 1 0)、(3 1 0)、(3 2 1)、及び(2 3 0)を入射電子線方向としてシミュレーションを実施した。
酸化物薄膜の電子線回折パターンと、得られたシミュレーションパターンについて回折スポットの結果を比較し、11種類のシミュレーションパターンのいずれかと一致した場合、酸化物薄膜中にビックスバイト構造である結晶粒が含まれていると判断した。
この結果、実施例1〜8、比較例1〜3、5〜7においては素子内の酸化物膜の結晶構造が「ビックスバイト」構造であると判断した。
小型TFT特性は、表1、表2及び表3の最終形状の通りに得られた小型TFT素子について半導体パラメーターアナライザー(アジレント株式会社製「B1500」)を用い、室温、遮光環境下(シールドボックス内)で測定した。尚、ドレイン電圧(Vd)は、0.1V、10V又は20Vで印加した。各Vd印加に対して、ゲート電圧(Vg)を−5Vから20Vまで0.2Vステップで電流値Idを測定することでId−Vg特性を得た。
実施例1〜8、比較例1〜10について表1、表2又は表3に示す作製条件で小型TFTを作製し、表4、表5及び表6に示す半導体膜の状態となった小型TFT素子について、Vd=20V印加時のId−Vg特性を図31A〜35A、37Aに示し、Id−Vg特性から飽和移動度(μsat)を求めた結果をVg−μsat特性として図31B〜35B、37Bに示す。なお、図36においては、比較例3に係る小型TFTに関する伝達特性Id−Vgグラフを示している。
さらに、Id−Vg特性から算出した各種パラメータ(Vg=0〜20Vにおける線形移動度の最大値、トラップ制限伝導領域特性、S値、Vth、リーク電流)を表4、表5及び表6に示す。なお、各パラメータの算出方法は、次に記載の通りである。
(a)Vd=0.1V、Vg=0〜20Vにおける線形移動度の最大値
Vd=0.1V印加時の線形移動度の最大値は、Id−Vg特性のグラフを作成し、各Vgのトランスコンダクタンス(Gm)を算出し、線形領域の式を用いて線形移動度(μlin)を導いた。具体的には、Gmは、∂(Id)/∂(Vg)によって算出した。さらに線形領域の式(b)によってμlinを算出した。
μlin=(Gm・L)/(W・Ci・Vd)…(b)
また、式(b)のCiは、ゲート絶縁膜のキャパシタンスであり、膜厚100nmのSiO2の比誘電率3.9、真空の誘電率8.85×10−14[F/cm]に基づいて算出したCi=3.45×10−8[F/cm2]の値を用いた。式(b)中のLは、チャネル長(L長)であり、Wは、チャネル幅(W長)である。
さらに各Vg−μlinのグラフから、Vg=0〜20Vにおけるμlinの最大値を算出した。
この結果、実施例1〜8、比較例7のVd=0.1V、Vg=0〜20Vにおける線形移動度の最大値は30cm2/(V・s)以上であり、比較例1、2、4〜6、8〜10においては30cm2/(V・s)未満であった。
Vd=10V印加時の飽和移動度の最大値は、Id−Vg特性のグラフを作成し、各Vgのトランスコンダクタンス(Gm)を算出し、飽和領域の式を用いて飽和移動度(μsat)を導いた。具体的には、Gmは、下記数式(c1)によって算出した。
μsat=(2・Gm・L)/(W・Ci)…(c)
式(c)中のLは、チャネル長(L長)であり、Wは、チャネル幅(W長)である。
Vd=20V印加時の飽和移動度の最大値は、Id−Vg特性のグラフを作成し、各Vgのトランスコンダクタンス(Gm)を算出し、飽和領域の式を用いて飽和移動度(μsat)を導いた。具体的には、前記数式(c1)によって算出した。さらに飽和領域の前記式(c)によってμsatを算出した。さらに各Vg−μsatのグラフから、Vg=0〜20Vにおけるμsatの最大値を算出した。
この結果、実施例1〜8、比較例7のVd=20V、Vg=0〜20Vにおける飽和移動度の最大値は25cm2/(V・s)以上、比較例1、2、4〜6、8〜10においては25cm2/(V・s)未満であった。
トラップ制限伝導領域特性は、(3−1)と同様の方法で求めたVg−μlin(Vd=0.1V)及びVg−μsat(Vd=10V又は20V)のグラフより求めた。具体的には、Vg=5Vのμlin、又はμsatをトラップ制限伝導領域特性と定義し、Vd=0.1Vではμlin、Vd=10V又は20Vにおいてはμsatの値をトラップ制限伝導領域特性と定義した。
この結果、Vd=0.1Vにおけるトラップ制限伝導領域特性は、実施例1〜8は16cm2/(V・s)以上、比較例1、2、4〜10においては16cm2/(V・s)未満であった。
さらに、Vd=20Vにおけるトラップ制限特性は、実施例1〜8は23cm2/(V・s)以上、比較例1、2及び4〜10においては20cm2/(V・s)未満であった。
何れのVdにおいてもトラップ制限伝導領域特性は、比較例1、2、4〜10よりも実施例1〜8のほうが高く良好であり、小型TFT特性に優れていた。
各々のId−Vg特性のグラフから、S値及び閾値電圧(Vth)を評価した。具体的には、電流値Id=10−11〜10−10[A]領域において、下記式(d)によって求められる値をS値として算出した。さらに、電流値Id=10−8[A]におけるVgの値を閾値電圧(Vth)として算出した。
各々のId−Vg特性のグラフから、リーク電流を評価した。リーク電流は、Vg=−5V〜−2Vの範囲についてIdの合計値を求め、合計値を測定個数で割ることにより得た平均値として導出した。
この結果、実施例1〜8、比較例1、2、4〜6、8〜10においては、リーク電流は1.0×10−14[A]以下であった。一方、比較例3、及び比較例7においては、リーク電流が10−4[A]以上であり、トランジスタとしてオン/オフが確認されなかった。
実施例1〜8に係る結晶酸化物薄膜においては、Ln元素としてサマリウム元素を用いた例を挙げたが、サマリウム以外の元素についても、サマリウムと同じ程度のイオン半径であれば、Ln元素としてサマリウム元素を含む結晶酸化物薄膜と同様の効果を奏すると考えられる。
11 :結晶酸化物薄膜
12 :支持体
30 :ゲート絶縁膜
50 :ソース電極
60 :ドレイン電極
100 :薄膜トランジスタ
100A :薄膜トランジスタ
511 :ゲート電極
513 :ソース電極
515 :ドレイン電極
Claims (13)
- In元素、Ga元素及びLn元素を含む結晶酸化物薄膜であって、
In元素が主成分であり、
Ln元素は、Sm元素であり、
平均結晶粒径D1が、0.05μm以上、0.5μm以下である、
結晶酸化物薄膜。 - 前記結晶酸化物薄膜の薄膜表面と薄膜中の結晶粒界とがなす平均粒界角度θが、70°以上、110°以下である
請求項1に記載の結晶酸化物薄膜。 - 前記結晶酸化物薄膜の薄膜中の結晶粒界同士の平均間隔D2が、0.05μm以上、0.40μm以下である、
請求項1に記載の結晶酸化物薄膜。 - 前記結晶酸化物薄膜の平面TEM−EDS解析において、前記結晶酸化物薄膜を構成する金属元素が、薄膜中の結晶粒界に偏析していない、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の結晶酸化物薄膜。 - 下記(1)、(2)及び(3)で表される原子組成比の範囲を満たす、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の結晶酸化物薄膜。
0.85<In/(In+Ga+Ln)≦0.98・・・(1)
0.01≦Ga/(In+Ga+Ln)<0.11・・・(2)
0.01≦Ln/(In+Ga+Ln)<0.04・・・(3) - 前記結晶酸化物薄膜の電子線回折において、ビックスバイト構造である結晶粒を含む、
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の結晶酸化物薄膜。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の結晶酸化物薄膜と、前記結晶酸化物薄膜を支持する支持体と、を有し、
前記支持体の表面と、前記結晶酸化物薄膜中の結晶粒界とがなす平均粒界角度θsubが70°以上、110°以下であり、
薄膜中の結晶粒界同士の平均間隔D2が、0.05μm以上、0.40μm以下である、
積層体。 - 電極と、結晶酸化物薄膜と、を有する薄膜トランジスタであって、
前記結晶酸化物薄膜は、In元素、Ga元素及びLn元素を含み、
In元素が主成分であり、
Ln元素は、Sm元素であり、
前記結晶酸化物薄膜における平均結晶粒径D1が、0.05μm以上、0.5μm以下であり、
前記薄膜トランジスタの断面TEM観察において、前記電極と前記結晶酸化物薄膜との接触領域長Ls及び前記結晶酸化物薄膜中の結晶粒界同士の平均間隔D2が式(4)及び式(5)の関係を満たす、
薄膜トランジスタ。
1μm≦Ls≦50μm ・・・(4)
10≦Ls/D2≦1000 ・・・(5) - 前記結晶酸化物薄膜の薄膜表面と薄膜中の結晶粒界とがなす平均粒界角度θが70°以上、110°以下であり、
薄膜中の結晶粒界同士の平均間隔D2が、0.05μm以上、0.40μm以下である、
請求項8に記載の薄膜トランジスタ。 - 結晶酸化物薄膜を有する薄膜トランジスタであって、
前記結晶酸化物薄膜は、In元素、Ga元素及びLn元素を含み、
In元素が主成分であり、
Ln元素は、Sm元素であり、
前記結晶酸化物薄膜における平均結晶粒径D1が、0.05μm以上、0.5μm以下であり、
前記結晶酸化物薄膜の薄膜表面と薄膜中の結晶粒界とがなす平均粒界角度θが、70°以上、110°以下であり、
薄膜中の結晶粒界同士の平均間隔D2が、0.05μm以上、0.40μm以下である、
薄膜トランジスタ。 - 前記結晶酸化物薄膜の平面TEM−EDS解析において、前記結晶酸化物薄膜を構成する金属元素が、薄膜中の結晶粒界に偏析していない、
請求項10に記載の薄膜トランジスタ。 - 前記結晶酸化物薄膜は、下記(1)、(2)及び(3)で表される原子組成比の範囲を満たす、
請求項10又は請求項11に記載の薄膜トランジスタ。
0.85<In/(In+Ga+Ln)≦0.98・・・(1)
0.01≦Ga/(In+Ga+Ln)<0.11・・・(2)
0.01≦Ln/(In+Ga+Ln)<0.04・・・(3) - 前記結晶酸化物薄膜は、電子線回折において、ビックスバイト構造である結晶粒を含む、
請求項10から請求項12のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ。
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