JP2005150635A - 薄膜トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 酸化亜鉛薄膜をチャネル層に用いた薄膜トランジスタにおいて、オン／オフ比及び電界効果移動度を高める。
【解決手段】 酸化亜鉛薄膜をチャネル層に用いた薄膜トランジスタにおいて、酸化亜鉛薄膜からなるチャネル層の結晶面（００２）の面間隔ｄ（００２）が、２．６１３０（Å）≦ｄ（００２）≦２．６１８０（Å）の範囲であることを特徴としており、好ましくは、ドレイン電流Ｉｓｄの流れる方向（キャリアの移動方向）と前記チャネル層の結晶面（００２）とが実質的に平行であることを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、酸化亜鉛薄膜をチャネル層に用いた薄膜トランジスタに関するものである。

酸化亜鉛薄膜をチャネル層に用いた薄膜トランジスタは、酸化亜鉛薄膜が透明導電性を有することから、透明トランジスタを形成できるため、近年注目されている。

特許文献１においては、バルク単結晶に匹敵する高品質の酸化亜鉛薄膜を形成し、薄膜トランジスタの特性を向上させるため、ＳｃＡｌＭｇＯ₄等の酸化亜鉛と格子整合の良い基板を用いて、高品質のチャネル層を形成することが提案されている。

また、特許文献２においては、酸化亜鉛薄膜からなるチャネル層に、Ｎｉ及びＬｉなどの不純物をドープし、チャネル層の抵抗を高くすることにより、オフ電流を下げて、良好なオン／オフ比を有する薄膜トランジスタを形成することが提案されている。

しかしながら、特許文献１において提案されているように、ＳｃＡｌＭｇＯ₄等のような酸化亜鉛と格子整合の良い特殊な基板を用いる場合、材料コストが高くなり、また大面積の基板を準備することができない。従って、低コストで薄膜トランジスタを作製する場合や、大面積の薄膜トランジスタを作製する場合には問題となる。

また、特許文献２において提案されているように、ＮｉやＬｉ等をドープした酸化亜鉛薄膜を形成する場合、これらの不純物源を別途準備する必要があり、製造コストが高くなるという問題を生じる。また、不純物を含む酸化亜鉛薄膜を形成する場合、形成室内の壁面に不純物を含む酸化亜鉛薄膜が付着し、絶縁層など他の層を同一の形成室内で形成すると、壁面からの不純物が膜中に取り込まれ、デバイス特性が低下するおそれがある。
特開２０００−２７７５３４号公報 特開２００２−７６３５６号公報

本発明は、酸化亜鉛薄膜をチャネル層に用いた薄膜トランジスタであり、酸化亜鉛薄膜からなるチャネル層の結晶面（００２）の面間隔ｄ（００２）が、２．６１３０（Å）≦ｄ（００２）≦２．６１８０（Å）の範囲であることを特徴としている。

本発明に従い、酸化亜鉛薄膜からなるチャネル層の結晶面（００２）の面間隔ｄ（００２）を、２．６１３０（Å）≦ｄ（００２）≦２．６１８０（Å）の範囲とすることにより、オン／オフ比が高く、かつ電界効果移動度が高い酸化亜鉛チャネル層を形成することができる。

このような面間隔ｄ（００２）は、酸化亜鉛薄膜を形成する際の酸素分圧を変化させることにより調整することができる。

また、本発明における薄膜トランジスタは、チャネル層中のドレイン電流Ｉｓｄの流れる方向（キャリアの移動方向）が、チャネル層の結晶面（００２）と実質的に平行になるように形成されていることが好ましい。このように構成することにより、オン／オフ比が高く、かつ電界効果移動度が高いという本発明の効果をより得やすくなる。

本発明に従えば、オン／オフ比が高く、かつ電界効果移動度が高い酸化亜鉛薄膜からなるチャネル層を有する薄膜トランジスタを得ることができる。

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

〔酸化亜鉛薄膜の形成〕
ガラス基板の上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により酸化亜鉛薄膜を形成した。スパッタガスであるＡｒガス中における酸素分圧を変化させた７種類の異なる条件Ａ〜Ｇ下で酸化亜鉛薄膜を厚み２００ｎｍとなるように形成した。

得られた酸化亜鉛薄膜の結晶性をＸ線回折測定により評価した。測定にはＣｕＫαを用い、管電圧４０ＫＶ、管電流４０ｍＡとした。ＸＲＤパターンの測定にはディフラクトメータ法を用い、２θの１ステップあたりのスキャン幅を０．０５度、速度を２度／分とした。

いずれの酸化亜鉛薄膜も、（００２）回折ピーク及び（００４）回折ピークの２つの回折ピークのみが観察され、ｃ軸方向に１軸配向していることが確認された。また、より詳細に（００２）回折ピーク角度を調べた結果、いずれの膜もバルク酸化亜鉛の（００２）回折ピーク位置である３４．４２（度）から低角度側にシフトしており、そのシフト量はスパッタガス中の酸素分圧を大きくするにつれて大きくなっていることが確認された。このような回折ピーク位置の低角度側へのシフトはｃ軸方向に伸張歪み、すなわちｃ面に圧縮歪みが存在していることを示している。このような圧縮歪みは、ガラス基板と酸化亜鉛薄膜との格子不整合により生じているものと考えられ、（００２）回折ピーク位置がより低角度側にシフトしているもの程、圧縮歪みがより大きいことを示す。

表１に、それぞれの酸化亜鉛薄膜のＸ線回折測定の（００２）回折ピーク位置及びバルク酸化亜鉛の（００２）回折ピーク位置３４．４２度からの低角度側へのシフト量Δ２θ（度）、（００２）面の面間隔ｄ（００２）（Å）、ｃ軸方向にかかる応力ｆ（Ｐａ）を示す。

なお、面間隔ｄ（００２）及び応力ｆ（Ｐａ）は、以下の式により計算した。

（１）ブラッグの式２ｄｓｉｎθ＝λより、（００２）面の面間隔ｄ（００２）は、
ｄ（００２）＝λ／２ｓｉｎ（θ×π／１８０）
λ：Ｘ線の波長（ここではＣｕＫα１の波長＝１．５４０５９８１（Å）を用
いた）
θ：ブラッグ角（ｒａｄ）
（２）応力ｆ（Ｐａ）＝Ｅ×ｅ＝７７５０（ｋｇ／ｍｍ²）×９．８×１０⁶×（ｄ（
００２）−２．６０３５）／２．６０３５
Ｅ：ヤング率（ここでは酸化亜鉛のヤング率が求められていないことから、亜
鉛の値７７５０（ｋｇ／ｍｍ²）を用いた）
ｅ：伸び歪み＝伸びた長さ／元の長さ
（ここでは元の長さをバルク酸化亜鉛の（００２）面の面間隔２．６０３
５（Å）とし、伸びた長さは各条件でのｄ（００２）から２．６０３５
（Å）を差し引いた値を用いて計算した）

〔薄膜トランジスタの作製〕
上記の条件Ａ〜Ｇで形成した酸化亜鉛薄膜をチャネル層に用いた薄膜トランジスタを作製した。図４は、作製した薄膜トランジスタを示す断面図である。

図４を参照して、ガラス基板１の上にゲート電極２として、ＲＦマグネトロンスパッタ法によりＩＴＯ膜（厚み１００ｎｍ）を形成した。ゲート電極２の上に、絶縁膜３として、ＬＰ−ＣＶＤ法によりＳｉＮ膜（厚み１００ｎｍ）を形成した。

絶縁膜３の上に、上記の条件Ａ〜Ｇで酸化亜鉛薄膜からなるチャネル層４を、厚み２００ｎｍとなるように形成した。

チャネル層４の上に、ソース電極５及びドレイン電極６として、真空蒸着法によりＡｌ電極（厚み２００ｎｍ）を形成した。

以上のようにして、酸化亜鉛薄膜をチャネル層に用いたボトムゲート型薄膜トランジスタを作製した。

〔薄膜トランジスタの特性評価〕
上記のようにして作製したボトムゲート型薄膜トランジスタについて、オン電流及びオフ電流を測定し、オン／オフ比を算出するとともに、電界効果移動度を測定した。測定結果を表２に示す。

また、ＴＦＴ特性（オン／オフ比及び電界効果移動度）と酸化亜鉛薄膜の（００２）回折ピーク位置２θとの関係を図１に、ＴＦＴ特性と（００２）面の面間隔ｄ（００２）との関係を図２に、ＴＦＴ特性とｃ軸方向にかかる応力ｆとの関係を図３に示す。

なお、以下の薄膜トランジスタの評価においては、電界効果移動度が、一般的な非晶質シリコン薄膜の薄膜トランジスタの特性と同等レベルである０．３（ｃｍ²／Ｖｓ）以上であるものを良好とし、オン／オフ比は、薄膜トランジスタが動作可能となる１×１０³以上のものを良好として判断した。

図１、図２及び図３から明らかなように、２θ＞３４．２９５（度）、ｄ（００２）＜２．６１３０（Å）、またはｆ＜２．８０×１０⁸（Ｐａ）の場合、電界効果移動度は約４（ｃｍ²／Ｖｓ）以上の高い値を示すが、オン／オフ比は１×１０³未満となり、十分なオン／オフ比が得られない。この原因として、酸化亜鉛薄膜中に多くの欠陥（酸素欠損）が存在し、それによって圧縮歪みが緩和されているためであると考えられる。すなわち、多くの欠陥が存在することにより、導電率が高くなり、オン電流が高くなるため、電界効果移動度は高くなるが、オフ状態におけるリーク電流も大きくなるため、十分なオン／オフ比が得られないと考えられる。

また、２θ＜３４．２２５（度）、ｄ（００２）＞２．６１８０（Å）、またはｆ＞４．２０×１０⁸（Ｐａ）の場合、電界効果移動度は０．３（ｃｍ²／Ｖｓ）未満となり、オン／オフ比は１×１０^-3未満となり、共に低い値となる。この原因は、酸化亜鉛薄膜中における欠陥（酸素欠損）が少なくなり、オフ状態におけるリーク電流は低くなるが、ｃ面における大きな圧縮歪みにより、キャリア（電子）の移動方向の格子間隔が短くなっているため、格子によるキャリアの散乱が起こり、電界効果移動度の低下並びにオン電流の低下（すなわち低いオン／オフ比）が生じるためであると考えられる。

一方、３４．２２５（度）≦２θ≦３４．２９５（度）、２．６１３０（Å）≦ｄ（００２）≦２．６１８０（Å）、または２．８０×１０⁸（Ｐａ）≦ｆ≦４．２０×１０⁸（Ｐａ）の場合、電界効果移動度は０．３（ｃｍ²／Ｖｓ）以上であり、オン／オフ比は１×１０³以上であり、良好な薄膜トランジスタ特性が得られている。これは、酸化亜鉛薄膜中における欠陥（酸素欠損）が比較的少なく、ｃ面における大きな圧縮歪みが適度であり、かつキャリア（電子）の移動方向の格子間隔もそれほど短くなっていないため、良好な電界効果移動度及びオン／オフ比が得られると考えられる。

以上のように、ドレイン電流Ｉｓｄの流れる方向（キャリアの移動方向）と、酸化亜鉛チャネル層の結晶面（００２）面とが実質的に平行である薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）において、ＴＦＴ特性は、酸化亜鉛チャネル層の（００２）面の回折ピーク位置、すなわち（００２）面の面間隔ｄ（００２）に大きく依存することがわかる。

上記の実施例においては、スパッタガスとしてＡｒを用いているが、スパッタガスとしてＨｅ、Ｎｅ、Ｋｒ等の不活性ガスを用いた場合にも、本発明に従う酸化亜鉛薄膜を形成することができる。

また、上記実施例においては、酸化亜鉛薄膜の形成方法として、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ＤＣスパッタ法、ＥＣＲスパッタ法、ヘリコン波プラズマスパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＬＤ法、ＭＢＥ法等を用いて酸化亜鉛薄膜を作製してもよい。

また、基板としては、ガラス基板に限定されるものではなく、サファイア基板、プラスチック基板等にゲート電極を形成したものを用いてもよい。

なお、本出願中に用いた結晶面（００２）または面間隔ｄ（００２）は、ＩＣＤＤ（ＪＣＰＤＳ）カードＮＯ．３６−１４５１に記載されている表記に従った。通常の結晶学に基づく表記方法としては、結晶面（００２）は結晶面（０００２）に相当し、面間隔ｄ（００２）は面間隔ｄ（０００２）と表記される。

酸化亜鉛薄膜の（００２）面の回折ピーク位置２θと薄膜トランジスタ特性との関係を示す図。 酸化亜鉛薄膜の（００２）面の面間隔ｄ（００２）と薄膜トランジスタ特性との関係を示す図。 酸化亜鉛薄膜のｃ軸方向にかかる応力ｆと薄膜トランジスタ特性との関係を示す図。 本発明の実施例において作製した薄膜トランジスタを示す断面図。

符号の説明

１…基板
２…ゲート電極
３…絶縁膜
４…チャネル層
５…ソース電極
６…ドレイン電極

Claims (2)

1. 酸化亜鉛薄膜をチャネル層に用いた薄膜トランジスタにおいて、
   前記酸化亜鉛薄膜からなるチャネル層の結晶面（００２）の面間隔ｄ（００２）が、２．６１３０（Å）≦ｄ（００２）≦２．６１８０（Å）の範囲であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
2. ドレイン電流Ｉｓｄの流れる方向（キャリアの移動方向）と前記チャネル層の結晶面（００２）とが実質的に平行であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
   

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