JP7219930B2 - 希土類水素化物の製造方法、水素センサー及び薄膜トランジスター - Google Patents
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金属)とYH3(半導体)の割合を示している。図14から、室温から200℃の温度で
金属(YH2)が生成し、300℃以上になると半導体(YH3)が生成するが、400℃まで加熱しても半導体(YH3)はY膜の半分以上の割合には達しないことがわかる。また、図15は、Y膜に水素選択透過膜としてNi(ニッケル)膜を形成した積層膜(Ni:80nm/Y:500nmの積層膜)を水素3体積%+Ar97体積%の混合ガス雰囲気(以下、「3体積%H2+97体積%Ar雰囲気」とも略称する)下、各種温度で熱処理したときのY膜中に生成したYH2(金属)とYH3(半導体)の割合、図16は、Y膜に水素選択透過膜としてNi/Pd膜を形成した積層膜(Ni/Pd:95nm/Y:500nmの積層膜)を水素3体積%+Ar97体積%雰囲気下、各種温度で熱処理したときの、Y膜中に生成したYH2(金属)とYH3(半導体)の割合を示している。水素選択透過膜にPd膜を使用した場合、YH3(半導体)の生成が115℃で確認され(図15)、水素選択透過膜に(Ni/Pd膜)を使用した場合に、YH3(半導体)が生成する温度がさらに低温化している(図16)ことが分かる。しかし、いずれの場合も、室温での希土類水素化物半導体の生成は困難である。
[1] 希土類元素膜上に白金膜が形成された積層膜を水素を含む雰囲気下で熱処理することを含む、希土類水素化物の製造方法。
[2] 希土類水素化物が希土類水素化物半導体である、上記[1]記載の方法。
[3] 水素を含む雰囲気が爆発限界以下の量の水素を含む雰囲気である、上記[1]または[2]記載の方法。
[4] 熱処理温度が室温である、上記[1]~[3]のいずれか1つに記載の方法。
[5] 希土類元素膜が、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、Gd(ガドリニウム)、Eu(ユウロピウム)及びYb(イッテルビウム)からなる群から選択されるいずれか一種の元素または二種以上の元素を含む、上記[1]~[4]のいずれか1つに記載の方法。
[6] 希土類水素化物金属膜及び該希土類水素化物金属膜上に形成された白金膜を有する水素センサー。
[7] チャネル層が希土類水素化物半導体を含むことを特徴とする薄膜トランジスター。
[8] チャネル層が希土類水素化物半導体を含む薄膜トランジスターを製造する方法で
あって、下記の工程A及び工程Bを含むことを特徴とする薄膜トランジスターの製造方法。
工程A:絶縁性基板上に、
ゲート電極、
該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜、
該ゲート絶縁膜上に配設される希土類元素膜、
該希土類元素膜上に配設されるソース電極及びドレイン電極、
該希土類元素膜、該ソース電極及び該ドレイン電極を覆うパッシベーション膜、並びに該パッシベーション膜を被覆する白金膜
を順次形成する。
工程B:工程Aを経て得られた積層構造体を水素を含む雰囲気内で熱処理する。
[9] 工程Aに代えて、下記の工程Cを有し、工程Bが、下記の工程Cを経て得られた積層構造体を水素を含む雰囲気内で熱処理する工程に変更された、上記[8]記載の方法。
工程C:絶縁性基板上に、ゲート電極、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜、該ゲート絶縁膜上に配設されるソース電極及びドレイン電極を順次形成した後、該ゲート絶縁膜上の該ソース電極、該ドレイン電極及びこれら電極の周辺部のみを覆う希土類元素膜、並びに該希土類元素膜を被覆する白金膜を順次形成する。
[10] 水素を含む雰囲気が爆発限界以下の量の水素を含む雰囲気である、上記[8]または[9]に記載の方法。
[11] 熱処理温度が室温である、上記[8]~[10]のいずれか1つに記載の方法。
1.希土類水素化物の製造方法
本発明の希土類水素化物の製造方法(以下、単に「本発明方法」とも略称する)は、希土類元素膜上に白金膜が形成された積層膜を水素を含む雰囲気下で熱処理することを含む。
かかる熱処理により、希土類元素膜は、膜中の希土類元素が水素化されて希土類水素化物を生成した膜(以下、「希土類水素化物膜」ともいう)に転化する。
ScH3、YH3、EuとYbを除くランタノイド系列元素の三水素化物、EuH2、YbH2、YbH2.6等が挙げられ、酸化のし難さ等の取り扱いの容易さや水素化後の安定性の点から、好ましくは、ScH3、YH3、GdH3、YbH2、YbH2.6である。
法等により形成する。
とができる。
本発明の水素センサーは、本発明方法で得られる、希土類水素化物金属膜上に白金膜が形成された積層膜(希土類水素化物金属膜/白金膜)をそのまま利用して構成される。
、図7(A)~(D)は製造工程を示し、図7(E)は水素センサーにおける希土類水素化物金属膜が希土類水素化物半導体膜に転化した状態を示す。
さは、動作速度と耐久性の観点から、200~300nm程度が好ましく、白金膜2の厚さは、動作速度と、希土類元素の水分や酸素からの保護との両立の観点から、10~40nm程度が好ましい。
平面が一辺が3~10mm程度の正方形、希土類水素化物金属膜1及び白金膜2の平面が一辺が2~8mm程度の正方形、希土類水素化物金属膜1の厚さが200~300nm程度、白金膜2の厚さが10~40nm程度、正方形の電極4の平面が一辺が1~7mm程度の正方形、電極4の厚さが100~400mm程度の構成が挙げられる。
希土類水素化物半導体の移動度は概して高いことが予想され、非特許文献5に記載の数値から計算すると、例えば、バルク多結晶YH3の室温での移動度はキャリヤー濃度が1.9×1019個cm―3の場合、40cm2/Vs程度である。このキャリヤー濃度は、極めてドナー濃度が高いことを意味し、又、縮退半導体レベルである。逆に言えば、通常の半導体のキャリヤー濃度ならば100cm2/Vs以上の移動度が期待できる。本発明者等が得たデータでは、本発明方法で得られる希土類水素化物半導体膜であるYH3膜の移動度は、キャリヤー濃度1×1016個cm―3の場合、23cm2/Vsであり、この移動度は、高移動度であることで有名なIGZO膜(インジウム(Indium)、ガリウム
(Gallium)、亜鉛 (Zinc)及び酸素(Oxygen) から構成されるアモルファス半導体膜)の移動度よりも高い。
型の薄膜トランジスターである。
絶縁性基板11上に、ゲート電極12;ゲート電極12を覆うゲート絶縁膜13;ゲート絶縁膜13上に配設される希土類元素膜14;希土類元素膜14上に配設されるソース電極17及びドレイン電極18;希土類元素膜14、ソース電極17及びドレイン電極18を覆うパッシベーション膜19;並びにパッシベーション膜19を覆う白金膜20を順次形成して、積層構造体102aを作製する。
希土類元素膜14は、物理的蒸着法(好ましくはスパッタ法、電子ビーム(EB)蒸着法等)により形成する。希土類元素膜14の膜厚は、特に限定はされないが、50nm以上が好ましく、より好ましくは100nm以上であり、量産性の観点から、500nm以下が好ましく、300nm以下がより好ましい。
工程Aを経て得られた、積層構造体102a(図8(A))を水素を含む雰囲気内で熱処理する。この熱処理により、積層構造体の希土類元素膜14は希土類水素化物膜14’になり、希土類水素化物膜14’のゲート電極17上に位置する部分は希土類水素化物半導体(領域)15となり、ソース電極17とドレイン電極18の下にある部分は希土類水素化物金属(領域)16となり、希土類水素化物膜14’の希土類水素化物半導体(領域)15をチャネル層とする薄膜トランジスター102が得られる(図8(B))。
図10(A)~(D)及び図11(A)(B)は薄膜トランジスター103の製造工程を示し、図9(A)及び図9(B)と同一符号は同一または相当する部分を示し、21はレジストを示す。
図10(C))。なお、ソース電極17及びドレイン電極18は、低仕事関数であることが望ましく、例えば、タンタル(Ta)やアルミニウム(Al)等で形成するのが好ましい。また、タンタル(Ta)やアルミニウム(Al)よりも、より低い仕事関数の材料である、マグネシウム合金や希土類元素でソース電極17及びドレイン電極18を形成してもよい。希土類元素の中では、酸化しにくいイットリウム(Y)、スカンジウム(Sc)、ガドリニウム(Gd)等が好適である。
が抜ける心配も少ない。なお、白金(Pt)/Ta2O5/イッテルビウム二水素化物(YbH2)半導体膜の積層構成にしても問題はなく動作がより安定すると考えられる。
試料作製
石英ガラス基板(厚さ0.5mm)上に厚さ400nmのY膜及び厚さ20nmのPt膜を順次成膜して試料(試料1:Pt(20nm)/Y(400nm)/石英ガラス基板の積層体)を作製した。Pt膜及びTi膜の成膜はEB蒸着装置で行った。
アニール炉として真空引き後ガス置換が可能な赤外アニール炉を使用し、3体積%H2+97体積%Arの水素を含む雰囲気下、室温、100℃、200℃、325℃でそれぞれ熱処理をした。なお、室温での熱処理は、アニール炉内に試料1をセットし、真空引きし(炉内圧力:5×10-4Pa)、水素3体積%とアルゴンガス97体積%の混合ガスを15分間流した。100℃、200℃、325℃での熱処理は、アニール炉を真空引きし(炉内圧力:5×10-4Pa)、水素3体積%とアルゴンガス97体積%の混合ガスを流しながら、予備加熱を10分行った後、試料1をセットし、真空引きし(炉内圧力:5×10-4Pa)、炉内温度を100℃、200℃または325℃に設定し、水素3体積%とアルゴンガス97体積%の混合ガスを15分間流した。
アニール炉内(炉内温度:室温)に試料1をセットし、真空引きし(炉内圧力:5×10-4Pa)、水素3体積%とアルゴンガス97体積%の混合ガスを90秒間流した。
Pt膜(20nm)をTi膜(20nm)に変更した以外は実施例1と同様にして試料(試料2:Ti(20nm)/Y(400nm)/石英ガラス基板)を作製し、実施例1の水素化処理1、2と同様の水素化処理を行った。
Pt膜(20nm)をAu膜(20nm)に変更した以外は実施例1と同様にして試料(試料3:Au(20nm)/Y(400nm)/石英ガラス基板)を作製し、実施例1の水素化処理1、2と同様の水素化処理を行った。
Pt膜(20nm)をNi膜(20nm)に変更した以外は実施例1と同様にして試料(試料4:Ni(20nm)/Y(400nm)/石英ガラス基板)を作製し、実施例1の水素化処理1、2と同様の水素化処理を行った。なお、試料4は非特許文献4に記載の既存結果との比較用試料である。
水素センサー
先ず、平面が6mm×6mmの正方形で、厚さが0.5mmの非アルカリガラス基板の主面の4つのコーナー部に2mm角(平面サイスが2mm×2mmの正方形)の大きさのAu/Ta電極(Au膜:100nm、Ta膜:50nm)を形成した。この電極は、レジストを使用したパターンニングを行う必要なく、2mm角の大きさの孔を開けたハードマスク(メタルマスク)を基板に装着し、Au膜とTa膜をスパッタ法で順次成膜することにより簡単に形成できた。次に、この電極形成に使用したハードマスク(メタルマスク)を外し、4mm角(平面サイスが4mm×4mmの正方形)の孔を開けたハードマスク(メタルマスク)を基板に装着し、4mm角(平面サイスが4mm×4mmの正方形)の厚さが400nmのY膜を成膜し、その上面に4mm角(平面サイスが4mm×4mmの正方形)のPt膜を20nm成膜して、Pt(20nm)/Y(400nm)の積層膜を得た。かかるY膜とPt膜の成膜は、電子ビーム蒸着法により、真空中での連続成膜により行った。こうして得られた積層構造物を、90秒間、水素3体積%とアルゴンガス97体積%の混合ガス雰囲気(室温)下に置くことで、Y膜を水素化し、図6(A)(B)に示す構造の水素センサーを完成させた。
あることが分かる。
薄膜トランジスター
石英ガラス基板(厚さ0.5mm)上に厚さ290nmのYb膜及び厚さ10nmのPt膜を順次成膜して試料(試料1:Pt(10nm)/Yb(290nm)/石英ガラス基板(500nm)を作製した。その後、アニール炉として真空引き後ガス置換が可能な赤外アニール炉を使用し、水素3体積%とアルゴンガス97体積%の混合ガス雰囲気下、室温、100℃、200℃、250℃でそれぞれ熱処理をした。図13は該試料1のX線回折の結果を処理前の結果と共に示す。室温にてイッテルビウム二水素化物(YbH2)が得られ、水素の抜けは無く、安定な構造となっていた。従って、室温プロセスで、絶縁性基板上に、薄膜トランジスターのチャネル層となる希土類水素化物半導体膜を形成できることが確認できた。
2 白金膜
3 絶縁性基板
4 電極
5 配線
11 絶縁性基板
12 ゲート電極
13 ゲート絶縁膜
14 希土類元素膜
14’ 希土類水素化物膜
15 希土類水素化物半導体(領域)
16 希土類水素化物金属(領域)
17 ソース電極
18 ドレイン電極
19 パッシベーション膜
20 白金膜
100 水素センサー
101 スピン流変換素子
102 薄膜トタンジスター
Claims (4)
- チャネル層が希土類水素化物半導体を含む薄膜トランジスターを製造する方法であって、下記の工程A及び工程Bを含むことを特徴とする薄膜トランジスターの製造方法:
工程A:絶縁性基板上に、
ゲート電極、
該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜、
該ゲート絶縁膜上に配設される希土類元素膜、
該希土類元素膜上に配設されるソース電極及びドレイン電極、
該希土類元素膜、該ソース電極及び該ドレイン電極を覆うパッシベーション膜、並びに
該パッシベーション膜を被覆する白金膜
を順次形成する;
工程B:工程Aを経て得られた積層構造体を水素を含む雰囲気内で熱処理する。 - 工程Aに代えて、下記の工程Cを有し、工程Bが、下記の工程Cを経て得られた積層構造体を水素を含む雰囲気内で熱処理する工程に変更された、請求項1記載の方法:
工程C:絶縁性基板上に、ゲート電極、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜、該ゲート絶縁膜上に配設されるソース電極及びドレイン電極を順次形成した後、該ゲート絶縁膜上の該ソース電極、該ドレイン電極及びこれら電極の周辺部のみを覆う希土類元素膜、並びに該希土類元素膜を被覆する白金膜を順次形成する。 - 水素を含む雰囲気が爆発限界以下の量の水素を含む雰囲気である、請求項1または2に記載の方法。
- 熱処理温度が室温である、請求項1~3のいずれか1項に記載の方法。
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