JPWO2012002574A1

JPWO2012002574A1 - 薄膜トランジスタ

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Publication number: JPWO2012002574A1
Application number: JP2012522729A
Authority: JP
Inventors: 小池　淳一; 淳一小池; ピルサンユン; 英昭川上
Original assignee: Advanced Interconnect Materials LLC
Current assignee: Advanced Interconnect Materials LLC
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: JP5453663B2; WO2012002574A1; US8866140B2; CN102971857A; US20130112972A1

Abstract

半導体層と電極との間の密着性を向上させることができるとともに、その間のオーミック接合性をより良好なものして薄膜トランジスタの高速動作を実現させ、また電極表面の酸化をより確実に防止することができ、さらに電極の製造工程を少ないプロセスで実現することができるようにする。本発明の薄膜トランジスタ１０は、酸化物半導体からなる半導体層４と、銅を主体とする層であるソース電極５およびドレイン電極６と、その半導体層４と上記ソース電極５および上記ドレイン電極６の各々との間に設けられた酸化物反応層２２と、この酸化物反応層２２と半導体層４との間に設けられた高コンダクタンス層２１とを有することを特徴とする。

Description

本発明は、半導体層に酸化物半導体を備えた薄膜トランジスタに関するものである。

近年、酸化物半導体は薄膜トランジスタあるいは透明電極への応用が注目されている。酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタは平面表示装置である液晶表示装置あるいは有機ＥＬ表示装置への応用が盛んである。また、酸化物半導体を用いた透明電極は平面表示装置あるいはタッチパネルへの応用が盛んである。
これらの応用分野では、酸化物半導体の配線及び電極には、低抵抗で導電性の高い材料が用いられる。
これらの応用分野では、アルミニウム（Ａｌ）あるいはＡｌ合金およびモリブデン等が用いられている。
例えば、Ｔｉ／Ａｌ−Ｓｉ／Ｔｉからなる配線材料が提案され、Ａｌ−ＳｉをＴｉでサンドイッチした構造になっている。
一方で、これらの電極材料よりも低い電気抵抗を有する材料として、銅が注目されるようになった。しかしながら、銅は、ＬＣＤのＴＦＴ基板であるガラスとの密着性が悪いことに加え、絶縁層を形成する際に、酸化され易いとの問題がある。
そこで、このような問題を解決するために、近年、ＴＦＴ−ＬＣＤでは合金化した銅配線を用いる技術が試みられている。この技術は、合金元素が、基板と反応生成物を形成することによって、基板との密着性を確保し、同時に、添加元素がＣｕ表面で酸化物を形成することによって、Ｃｕの耐酸化性として作用することを狙ったものである。
しかし、提案された技術では、狙った特性が十分に発現されていない。すなわち、Ｃｕ中に合金元素が残留することによってＣｕの電気抵抗が高くなり、Ａｌ又はＡｌ合金を用いた配線材料に対する優位性を示すことができなかった。
さらに、特許文献１に示すように、ＴＦＴ−ＬＣＤに銅配線を用いるためには、Ｃｕと基板との間にＭｏ合金膜を形成し、これによって基板との密着性及びバリア性を、確保する技術が考えられている。
しかしながら、この技術では、Ｍｏ合金を成膜する工程が増加すると共に、配線の実効抵抗が増加するという問題がある。さらに、ソース電極及びドレイン電極にはＣｕ単層を用いているが、その安定性には問題が残る。
また、特許文献２には、Ｃｕ配線に関するこれらの問題点を解決するために、Ｃｕの周りにＴａＮ、ＴｉＮ、ＷＮなどの高融点窒化物を形成する技術が提案されている。しかしながら、この技術では、従来の配線材料に比べるとバリア層を形成するための材料と、さらに付加的なプロセスが必要であること、及び高抵抗のバリア層を厚く成膜するため、配線の実効抵抗が上昇するという問題がある。
また、特許文献３には、ＴＦＴ−ＬＣＤの配線のＣｕにＭｇ、Ｔｉ、Ｃｒのうち一種以上の元素を添加することによって密着性と耐酸化性を向上させることが開示されている。しかしながら、添加元素が配線中に残存して配線抵抗が増加するという問題がある。また、添加元素が基板の酸化物を還元し、還元された元素が配線中に拡散して配線抵抗が増大するという問題もある。
特許文献４には、Ｃｕに０．３〜１０重量％のＡｇを添加して、耐酸化性の向上を図ることが開示されている。しかしながら、ガラス基板との密着性が改善されておらず、液晶プロセスに耐え得る、十分な耐酸化性が得られないという問題がある。
特許文献５には、密着性を向上させるために、Ｃｕに０．５〜５重量％のＴｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇのうち少なくとも１種の元素を添加した銅合金が提案されている。しかしながら、添加元素によって配線の電気抵抗が上昇するという問題がある。
特許文献６には、Ｃｕに０．１〜３．０重量％のＭｏを添加し、Ｍｏを粒界に偏析させることで、粒界拡散による酸化を抑制することが提案されている。しかしながら、この技術はＣｕの耐酸化性を向上させることは出来るものの、配線抵抗が増加するという問題がある。
特許文献７では、Ｃｕに適切な添加元素を添加した銅合金によって、この添加元素が酸化膜を形成して保護被膜となり、Ｃｕの酸化を抑止し、保護被膜を隣接する絶縁層との界面に形成して、相互拡散を抑止する。これによって、高導電性で、かつ、基板との密着性に優れた銅配線を提供している。さらに、この銅配線を用いた液晶表示装置を提供する。この外添加元素の一つがＭｎであることが好ましいとの示唆がある。しかし、この技術では、液晶表示装置に用いる配線構造、ＴＦＴの電極構造の特徴を具現化するのに十分ではない。
特許文献８では、ＴＦＴ−ＬＣＤに用いるＴＦＴ構造を提案し、Ｃｕ合金をゲート電極に適用した場合、ゲート電極が酸化膜で被覆されるＴＦＴ構造を具体的に提示している。その中で、Ｃｕを第１の金属とすると、第２の金属にはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｓｉ，Ｂ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｙ，Ｙｂ，Ｃｅ，Ｍｇ，Ｔｈ，Ｃｒの中から選ばれた少なくとも１種であると提示している。しかしながら、これらの酸化膜は、絶縁層との間での相互拡散を十分に抑止することができないという問題がある。
非特許文献１では、酸化物半導体を用いたＴＦＴに銅電極を適用している。酸化物半導体にはａ−ＩｎＧａＺｎＯ_ｘを用い、銅電極としては純銅（Ｃｕ）と銅合金（ＣｕＭｎ）
との積層構造を用いている。これにより、現状のａ−ＳｉＴＦＴの移動度よりも約１０倍の移動度を有するＴＦＴを実現し、高速動作を可能にした。さらに、前記の積層構造からなる銅電極を用いて配線を低抵抗化し、平面ディスプレイの高精細化を実現できる可能性を高くした。しかしながら、電極構造のさらなる簡略化が求められる。

特開２００４−１６３９０１号公報特開２００４−１３９０５７号公報特開２００５−１６６７５７号公報特開２００２−６９５５０号公報特開２００５−１５８８８７号公報特開２００４−９１９０７号公報ＷＯ２００６−０２５３４７特許３３０２８９４号公報

Ｔ．Ｋｕｇｉｍｉｙａ，"ＦｕｌｌｙＣｕ−ｂａｓｅｄＧａｔｅａｎｄＳｏｕｒｃｅ／ＤｒａｉｎＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｆｏｒＵｌｔｒａｈｉｇｈ−ＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎＬＣＤｓ"，ＩＭＩＤ２００９Ｄｉｇｅｓｔ

上述したように、これらの従来技術では、Ｃｕに合金添加元素を添加して半導体層あるいは画素電極との密着性及び耐酸化性を確保する試みがなされた。さらに、半導体層に酸化物半導体を用いて、ＴＦＴの高速動作を実現した。しかし、いずれの場合も未だ十分な結果が得られていない。また、ＴＦＴ電極におけるソース電極あるいはドレイン電極構造に求められる、半導体層あるいは画素電極との高い密着性、使用される環境への耐性、ソース電極あるいはドレイン電極の電気的接合としての安定性について、十分な結果が得られていない。
特に、非特許文献１では、銅配線を有する酸化膜半導体を用いた薄膜トランジスタが示唆されているが、平面ディスプレイの高精細化を実現する薄膜トランジスタとしては未だ改良を要している。特に、電極及び配線の単層化に応える必要がある。さらに、ソース電極およびドレイン電極と半導体層との電気的に安定な接合については十分には解明されていない。
すなわち、電極の実効抵抗を低下させる、また半導体層とソース電極およびドレイン電極との密着性を改善すると同時に電気的に安定な接合を形成する、電極表面の酸化を防止する、さらにはＣｕ合金を成膜する工程を少ないプロセスで実現するといった、これらの諸課題の全てを解決することが必要であるが、上述の従来技術では、これらを解決することができず、実際の製品を製造するのは未だ不十分である。

本発明は、上記の従来技術の問題点を解決すべくなされたもので、半導体層と電極との間の密着性を向上させることができるとともに、その間のオーミック接合性をより良好なものして薄膜トランジスタの高速動作を実現させ、また電極表面の酸化をより確実に防止することができ、さらに電極の製造工程を少ないプロセスで実現することができる薄膜トランジスタを提供することを目的とする。

以下に、本発明の目的を達成するための手段（１）〜（１０）を例示する。
（１）酸化物半導体からなる半導体層と、銅を主体とする層であるソース電極およびドレイン電極と、上記半導体層と、上記ソース電極および上記ドレイン電極の各々との間に設けられた酸化物反応層と、を有することを特徴とする薄膜トランジスタ。
（２）（１）において、上記半導体層は、酸化物反応層を介して、ソース電極およびドレイン電極の各々と低抵抗のオーミック接合性を有する、請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
（３）（１）または（２）において、上記酸化物反応層と上記半導体層との間に高コンダクタンス層を有する薄膜トランジスタ。
（４）（３）において、上記半導体層は、酸化物反応層および高コンダクタンス層を介して、ソース電極およびドレイン電極の各々と低抵抗のオーミック接合性を有する薄膜トランジスタ。
（５）（１）から（４）において、上記半導体層は、非晶質のＩｎＧａＺｎＯｘである薄膜トランジスタ。
（６）（５）において、上記高コンダクタンス層はＩｎ濃化層である薄膜トランジスタ。
（７）（１）から（６）の何れかにおいて、上記ソース電極および上記ドレイン電極は、ＣｕＭｎ合金からなる薄膜トランジスタ。
（８）（１）から（７）の何れかにおいて、上記酸化物反応層は、ＭｎＯｘを主体とする層である薄膜トランジスタ。
（９）（８）において、上記酸化物反応層は、Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｚｎを含む薄膜トランジスタ。
（１０）（１）から（９）の何れかにおいて、上記酸化物反応層は、ソース電極およびドレイン電極の表層を形成するＣｕＭｎに接して設けられている薄膜トランジスタ。

本発明によれば、酸化物半導体からなる半導体層と、ソース電極およびドレイン電極の各々との間に酸化物反応層を設けたので、半導体層とソース電極およびドレイン電極の各々との間の密着性を向上させることができる。また、半導体層は、その酸化物反応層を介して、ソース電極およびドレイン電極の各々と低抵抗のオーミック接合性を有するようになり、薄膜トランジスタの高速動作を可能にする。また、電極表面に酸化物反応層が形成されるので、銅を主体とする電極の酸化を防止することができる。さらに、電極の製造工程を短縮し、ＴＦＴ製造工程の簡略化に寄与し、製造コストを低減することができる。
また、酸化物反応層と半導体層との間にさらに高コンダクタンス層を設けたので、上記のオーミック接合性を一層向上させることができ、薄膜トランジスタの動作をより一層高速化することができる。

図１は本発明に係る薄膜トランジスタの断面構造を示す図である。
図２は半導体層とソース電極との界面を示し、図１のＡ−Ａ断面図である。
図３は熱アニール前後の酸化物半導体とソース電極、およびその界面でのＳＩＭＳ分析の結果を示す図で、図３（ａ）は熱アニール前、図３（ｂ）は熱アニール後を示している。
図４は熱アニール後の酸化物反応層と半導体層との間の断面を示す電子顕微鏡写真である。
図５は半導体層と、ソース電極およびドレイン電極の各々との間での電圧−電流特性を示す図である。
図６は本発明の薄膜トランジスタの特性を示す図で、（ａ）はＩ_ＤＳ対Ｖ_ＧＳ（伝達特性）を示すグラフ、（ｂ）はさまざまなＶＧにおけるＩ_Ｄｓ対Ｖ_Ｄｓ（出力特性）を示すグラフである。

１基板
２ゲート電極
３ゲート絶縁膜
４半導体層
５ソース電極
６ドレイン電極
７保護膜
１０薄膜トランジスタ
２０界面
２１Ｉｎ濃化層
２２酸化物反応層

以下にこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明に係る薄膜トランジスタの断面構造を示す図である。図１において、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１０は、例えば液晶ディスプレイや有機ＥＬ（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイなどの表示駆動を行う駆動素子として機能し、例えばボトムゲート型の構造を有している。
薄膜トランジスタ１０は、ガラスやプラスチックなどよりなる基板１上の選択的な領域にゲート電極２を有しており、このゲート電極２と基板１とを覆うように、ゲート絶縁膜３が形成されている。ゲート絶縁膜３上には半導体層４が設けられ、この半導体層４に部分的に接して所定のパターンでソース電極５およびドレイン電極６が配設されている。そして、ソース電極５、ドレイン電極６および半導体層４上に保護膜（パッシベーション膜）７が積層されている。
ゲート電極２、ソース電極５およびドレイン電極６は、銅合金であるＣｕＭｎで形成されている。このＣｕＭｎ膜はスパッタリングで製膜した後に、２５０℃に適量の酸素雰囲気中で熱アニールを行った。なお、ゲート電極２、ソース電極５およびドレイン電極６は、少なくとも表層部がＣｕＭｎから成っておればよく、全体としては、例えばＣｕＭｎ／Ｃｕ／ＣｕＭｎのように、内部がＣｕから形成されているものでもよい。
ゲート絶縁膜３および保護膜７は、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）で形成されている。
半導体層４は、酸化物半導体であり、非晶質のＩｎＧａＺｎＯ_ｘ（ａ−ＩＧＺＯ）で形成されている。
この半導体層４と、ソース電極５およびドレイン電極６の各々とは、上記のように、部分的に互いに接している領域を有しており、その領域での界面は、本発明に特有の構成を備えている。この界面構造について、図２、図３および図４を用いて説明する。
なお、図２、図３および図４では、半導体層４とソース電極５との間の界面構造について説明するが、半導体層４とドレイン電極６との間の界面構造（図１のＢ−Ｂ断面）についても、同様の構造を有しており、ここではＢ−Ｂ断面の説明は省略する。
図２は半導体層とソース電極との界面を示し、図１のＡ−Ａ断面図である。この図２に示すように、半導体層４とソース電極５との間の界面２０においては、半導体層４に接してＩｎ濃化層２１が形成され、またこのＩｎ濃化層２１に接して酸化物反応層２２が形成されている。
図３は熱アニール前後の酸化物半導体とソース電極、およびその界面でのＳＩＭＳ分析の結果を示す図である。左側の図３（ａ）はアズデポ時であり、熱アニール前のＳＩＭＳ分析結果を示し、右側の図３（ｂ）は熱アニール後のＳＩＭＳ分析結果を示している。
図３（ａ）に示す熱アニール前の段階では、界面に酸化物反応層２２等は形成されていないことが判る。
図３（ｂ）は、２５０℃１時間の熱アニール後である。ａ−ＩＧＺＯからなる半導体層４と、ＣｕＭｎからなるソース電極５との界面２０には、熱拡散により酸化物反応層２２とＩｎ濃化層２１とが形成されている。酸化物反応層２２は、ソース電極５の構成元素であるＭｎの酸化物であるＭｎＯ_ｘを主体とした層であり、半導体層４の構成元素であるＩ
ｎ，Ｇａ，Ｚｎを含み、またソース電極５の構成元素であるＣｕをも含んでいる。
Ｉｎ濃化層２１は、酸化物反応層２２と半導体層４との間に形成され、半導体層４の構成元素であるＩｎが濃化している。
この酸化物反応層２２とＩｎ濃化層２１とからなる界面２０における組成分布を見ると、この界面２０によってソース電極５のＣｕが半導体層４へ拡散するのが抑制され、また半導体層４のＩｎ，Ｇａ，Ｚｎがソース電極５へ拡散するのが抑制され、界面２０がバリア層として機能していることが分かる。また、この界面２０によって、半導体層４とソース電極５との間の密着性が大幅に向上する。
図４は熱アニール後の酸化物反応層と半導体層との間の断面を示す電子顕微鏡写真である。この図４において、半導体層４と酸化物反応層２２との間の界面２０は、数ｎｍの厚みを有し、酸化物反応層２２とＩｎ濃化層２１とが形成されている。Ｉｎ濃化層２１には、Ｉｎの微結晶粒が多数観測された。
次に、図５、図６を用いて本発明に係る薄膜トランジスタ１０の電気的特性について説明する。
図５は、半導体層と、ソース電極およびドレイン電極の各々との間での電圧−電流特性を示す図である。電極にＡｌを用いた場合を破線で示し、ＣｕＭｎ合金を用いた場合を実線で示している。電極にＡｌを用いた場合は、電圧―電流特性に非線形性が見られるが、電極にＣｕＭｎ合金を用いた場合、その電圧―電流特性は線形である。これは、電気的にオーミック接合性を有することを実証している。ＣｕＭｎ合金の場合、Ｃｕ−４ａｔ．％Ｍｎでは、抵抗率が１．２〜２．９×１０^−４Ω・ｃｍ^２であった。
このように、半導体層４は、その酸化物反応層２２およびＩｎ濃化層２１を介して、ソース電極５およびドレイン電極６の各々と低抵抗のオーミック接合性を有するようになり、薄膜トランジスタ１０の高速動作を可能にする。
この低抵抗化は、半導体層４を形成するａ−ＩＧＺＯ層側に接して形成されたＩｎ濃化層２１が、低抵抗のｎ^＋ａ−ＩＧＺＯ層として作用し、高コンダクタンス層となっているのが大きな要因であると推測される。
図６は、本発明の薄膜トランジスタの特性を示す図で、（ａ）はＩ_ＤＳ対Ｖ_ＧＳ（伝達特性）を示すグラフ、（ｂ）はさまざまなＶＧにおけるＩ_Ｄｓ対Ｖ_Ｄｓ（出力特性）を示すグラフである。この図６から、移動度７．６２ｃｍ^２／Ｖｓ、しきい値８．２Ｖ、オン／オフ比１０^７が得られた。これらの値から、本発明の薄膜トランジスタ１０の移動度は、現状のａ−ＳｉＴＦＴに比べて、約１０倍であることを実証できた。さらに、高精細化平面ディスプレイを駆動するに十分な性能を有することを示している。
以上述べたように、本発明によれば、酸化物半導体からなる半導体層４と、ソース電極５およびドレイン電極６の各々との間に酸化物反応層２２およびＩｎ濃化層２１を設けたので、半導体層４とソース電極５およびドレイン電極６の各々との間の密着性を向上させることができる。また、半導体層４は、その酸化物反応層２２およびＩｎ濃化層２１を介して、ソース電極５およびドレイン電極６の各々と低抵抗のオーミック接合性を有するようになり、薄膜トランジスタ１０の高速動作を可能にする。また、電極表面に酸化物反応層２２およびＩｎ濃化層２１が形成されるので、銅を主体とする電極の酸化を防止することができる。さらに、電極の製造工程を短縮し、ＴＦＴ製造工程の簡略化に寄与し、製造コストを低減することができる。
また、酸化物反応層２２と半導体層４との間のＩｎ濃化層２１が、高コンダクタンス層となるので、オーミック接合性を一層向上させることができ、薄膜トランジスタ１０の動作をより一層高速化することができる。
また、半導体層４が酸化物半導体でありａ−ＩＧＺＯの場合、酸化物反応層２２と半導体層４との間のＩｎ濃化層２１は、ｎ^＋ａ−ＩＧＺＯとして作用すると考えられる。一般に、ｎ^＋ａ−ＩＧＺＯの形成にはキャリア濃度の高い半導体膜を成膜したり、ドーピングによってキャリア濃度を高くしている。本発明では、熱アニールによってｎ^＋ａ−ＩＧＺＯを自己形成することが可能であり、ｎ^＋ａ−ＩＧＺＯ形成プロセスを簡略化することができる。
なお、上記の説明では、Ｉｎ濃化層２１が半導体層４と酸化物反応層２２との間に形成される場合について説明したが、界面２０に酸化物反応層２２のみが形成されるようにしてもよく、この場合も、密着性向上、良好なオーミック接合性、電極の酸化防止、製造工程の短縮化といった諸効果を同様に発揮することができる。

Claims

酸化物半導体からなる半導体層と、
銅を主体とする層であるソース電極およびドレイン電極と、
上記半導体層と、上記ソース電極および上記ドレイン電極の各々との間に設けられた酸化物反応層と、
を有することを特徴とする薄膜トランジスタ。
上記半導体層は、酸化物反応層を介して、ソース電極およびドレイン電極の各々と低抵抗のオーミック接合性を有する、請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
上記酸化物反応層と上記半導体層との間に高コンダクタンス層を有する、請求項１または２に記載の薄膜トランジスタ。
上記半導体層は、酸化物反応層および高コンダクタンス層を介して、ソース電極およびドレイン電極の各々と低抵抗のオーミック接合性を有する、請求項３に記載の薄膜トランジスタ。
上記半導体層は、非晶質のＩｎＧａＺｎＯｘである、請求項１から４の何れか１項に記載の薄膜トランジスタ。
上記高コンダクタンス層はＩｎ濃化層である、請求項５に記載の薄膜トランジスタ。
上記ソース電極および上記ドレイン電極は、ＣｕＭｎ合金からなる、請求項１から６の何れか１項に記載の薄膜トランジスタ。
上記酸化物反応層は、ＭｎＯｘを主体とする層である、請求項１から７の何れか１項に記載の薄膜トランジスタ。
上記酸化物反応層は、Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｚｎを含む、請求項８に記載の薄膜トランジスタ。
上記酸化物反応層は、ソース電極およびドレイン電極の表層を形成するＣｕＭｎに接して設けられている、請求項１から９の何れか１項に記載の薄膜トランジスタ。