JP2010161339A - 電界効果型トランジスタ及び表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 少なくとも半導体層と前記半導体層に対してゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを具備した電界効果型トランジスタであって、
前記半導体層は、ZnまたはInから選択される少なくとも1つの元素を含む第1のアモルファス酸化物半導体層と、GeまたはSiから選択される少なくとも1つの元素と、ZnまたはInから選択される少なくとも1つの元素と、を含む第2のアモルファス酸化物半導体層を含み、前記第1のアモルファス酸化物半導体層と、前記第2のアモルファス酸化物半導体層とは組成が異なることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
たとえば、チャネル層にIn−Ga−Zn−O系(In、Ga、Znを含む酸化物系)のアモルファス酸化物を用いた薄膜トランジスタが知られている。
特許文献1にはプラズマによる特性劣化を減らすために、二重層構造のチャネル層を適用した薄膜トランジスタが報告されている。
前記半導体層は、ZnまたはInから選択される少なくとも1つの元素を含む第1のアモルファス酸化物半導体層と、GeまたはSiから選択される少なくとも1つの元素と、ZnまたはInから選択される少なくとも1つの元素と、を含む第2のアモルファス酸化物半導体層と、を含むことを特徴とするものである。
上述の効果が得られた理由は、必ずしも明らかではないが以下に考察を述べる。
この結果、上述のように組成変動にともなう特性変化が小さく、さらに特性に優れたTFTが実現できる。
図1は、本発明の一実施形態としての薄膜トランジスタの概略を示す断面図である。
図1(a)及び図1(b)において、10は基板、11は本発明の酸化物半導体層からなるチャネル層、12はゲート絶縁層、13はソース電極、14はドレイン電極、15はゲート電極である。11(a)は第1のアモルファス酸化物半導体層、11(b)は第2のアモルファス酸化物半導体層である。
図1(c)では、ゲート絶縁体22である熱酸化SiO2が形成された基板21の上に本発明の酸化物半導体層からなるチャネル層25を配する。23はソース電極、24はドレイン電極である。基板21は、n+−Siからなり、ゲート電極としても機能する。25(a)は第1のアモルファス酸化物半導体層、25(b)は第2のアモルファス酸化物半導体層である。
図1(a)は、半導体チャネル層11の上にゲート絶縁層12とゲート電極15を有するトップゲート構造の例である。図1(b)は、ゲート電極15の上にゲート絶縁層12と半導体チャネル層11を有するボトムゲート構造の例である。図1(c)は、別のボトムゲート型トランジスタの例である。
以下各層について説明する。
本発明の薄膜トランジスタは、チャネル層が第1のアモルファス酸化物半導体層11(a)と第2のアモルファス酸化物半導体層11(b)との積層構成からなること、さらにはそれぞれの層の材料に特徴がある。本発明において、第1のアモルファス酸化物半導体層11(a)はゲート絶縁層12と第2のアモルファス酸化物半導体層11(b)との間に、ゲート絶縁層12に接して設けられる。
また、第2のアモルファス酸化物半導体層11(b)を構成する材料のキャリア濃度が、第1のアモルファス酸化物半導体層11(a)を構成する材料のキャリア濃度よりも小さいことが好ましい。このようにキャリア濃度の小さい材料を、ゲート絶縁層から離れた側に配することで、環境安定性や駆動安定性に優れたTFTを実現することができる。
また、図1(b)や図1(c)の構成のように、第2のアモルファス酸化物半導体層の一部がソース電極またはドレイン電極と第1のアモルファス酸化物半導体層との間に設けられる構成においては、電極と第1のアモルファス酸化物半導体層の間で十分な電気的な接続がなされることが好ましい。このような構成においては、第2のアモルファス酸化物半導体層11(b)の材料の抵抗率を105(Ωcm)以下とすることが好ましい。このような構成とすることで、良好な電気接続を得ることができる。
但し,後で実施例にも示すが、ノーマリーオン型の高移動度TFT作製には、第1のアモルファス酸化物半導体層におけるZnの原子組成比率から0.4未満にすることが好ましい。
本発明においてゲート絶縁層12として、シリコン酸化物SiOx又は窒素化シリコンSiNx及びシリコンオキシナイトライドSiOxNyを好適に用いることができる。また本発明のゲート絶縁層として用いることができるシリコン以外の酸化物としては、GeO2、Al2O3、Ga2O3、Y2O3及びHfO2等が挙げられる。
これらの中でもSiOxは、CVD法によって良質な膜を容易に形成できるため好ましい。TFTの安定性もSiOxを用いた際に良好である。
本発明においては、優れた絶縁特性を有する薄膜ゲート絶縁物を利用することによって、ソース−ゲート及びドレイン−ゲート電極間リーク電流を約10−12Aに調節することができる。
本発明においてゲート絶縁層の厚さは、50〜300nmが好ましい。
本発明においてソース電極13、ドレイン電極14及びゲート電極15の材料は高い導電率を有する材料を用いることが好ましい。本発明においてはPt又はAu、Ni、W、Mo及びAgなどの金属電極を用いることが好ましい。又、酸化インジウム錫(ITO)及びZnOなどの透明導電膜も用いてよい。また本発明に用いる電極の構造としては、単層構造でも良いが、Au及びTi等の複数の層のカスケード構造としてもよい。
ガラス基板、プラスチック基板及びプラスチックフィルム等の樹脂材料を基板10として用いてよい。
本発明において上記チャネル層及びゲート絶縁層は、可視光に対して透明にすることができる。
したがって、用いられる電極を可視光に対して透明な材料を選択することによって、可視光域で全体が透明な薄膜トランジスタを作り出すことが可能である。
チャネル層の成膜の方法として、スパッタリング法(SP法)、パルスレーザ蒸着法(PLD法)、電子ビーム蒸着法(EB法)及び原子層蒸着法などの気相蒸着法を用いると好ましい。気相蒸着法の中で、大量生産性を考慮するとSP法が適当である。しかし、膜形成法は、これらの方法に限定されない。
上記で言及したものに加えて、さまざまなその他のパラメータによってトランジスタ特性の間の差を示すことができる。
本実施例では図1(c)において、第1のアモルファス酸化物半導体層25(a)としてZn−In−O系膜を選択した。そして、第2のアモルファス酸化物半導体層25(b)としてZn−In−Ge−O系半導体膜を選択してチャネル層25を有するボトムゲート型電界効果型トランジスタを作製する。
図6に示すように、本実施の形態の成膜システムは、真空排気能力を制御するゲートバルブ57と、それぞれの気体のシステムへのガス流入量を制御するための個別のマスフローコントローラ56とを有する。また、真空イオンゲージ計54と、基板ホルダー55と、基板51と、ターボ分子ポンプ53と、成膜室58と、スパッタリングターゲット付きスパッタリングガン52とを有する。
53は、成膜室58を1×10−5Pa(背圧)に達するまで排気するターボ分子真空ポンプである。
55は、基板の位置をx、y面内及び垂直なz方向に調節することができる基板ホルダーである。
52は、スパッタリングガンであり、上に酸化物ターゲット52(ターゲット)を有する。これらの他に、成膜の間に起きる過熱によるスパッタリングガンへの悪影響を防ぐ冷却水供給がある。
59は、スパッタリングターゲットのためのRF電源及びマッチングネットワークである。
上記手順によって作成したTFTの電圧−電流特性を評価する。図2(a)は、室温で測定した、本実施例のZn−In−Ge−O/Zn−In−O(第2のアモルファス酸化物半導体層/第1のアモルファス酸化物半導体層)積層チャネルからなるTFTのトランスファ特性を示すグラフである。ここで、第1のアモルファス酸化物層25(a)におけるIn/(In+Zn)が0.27〜0.65の範囲内で異なる5つのグラフが示してあり、第2のアモルファス酸化物層25(b)の組成比はIn:Zn:Ge〜42:45:13を有する。第1のアモルファス酸化物層の幅広いIn組成比において、TFTと動作が確認できる。
In組成比の変化に大きく関わらず、15〜25cm2/Vsecの移動度を実現していることが確認できた。特に、第1のアモルファス酸化物層のIn/(In+Zn)が0.35以上で電界効果移動度μが20cm2/Vsec以上のTFTが得られている。更に、これらを空気中250度で1時間アニールすることにより、第1のアモルファス酸化物層のIn/(In+Zn)が0.65以上においてμが100cm2/Vsec以上のTFTが得られる。
即ち、Zn−In−Oからなる第1のアモルファス酸化物半導体層と、Zn−In−Ge−Oという新しいアモルファス酸化物半導体からなる第2のアモルファス酸化物半導体層からなる、積層チャネルを用いることで、優れたトランジスタ特性を実現することができる。
実施例2では、図1(a)に示すトップゲート型電解効果型トランジスタを用いて実施例1と同様の評価を行う。具体的には、チャネル層は、第1のアモルファス酸化物層11(a)としてZn−In−Oを用い、第2のアモルファス酸化物層11(b)はZn−In−Ge−Oを用いる。こうして、図1(a)に示すトップゲート型電解効果型トランジスタを作製して実施例1と同様に評価を行う。その結果実施例1と同様に本発明の薄膜トランジスタの効果を確認することができる。
実施例3では図1(b)に示すボトムゲート型電解効果型トランジスタを用いて実施例1と同様の評価を行った。具体的にはチャネル層として、第1のアモルファス酸化物層11(a)としてZn−In−Oを用い、第2のアモルファス酸化物層11(b)としてZn−In−Ge−Oを用いる。こうして、図1(b)に示すゲート電極15の上にゲート絶縁層12と半導体チャネル層11を有するボトムゲート型電解効果型トランジスタを作製して実施例1と同様に評価を行う。その結果実施例1と同様に本発明の薄膜トランジスタの効果を確認することができる。
実施例4では、実施例1における第1のアモルファス酸化物半導体層の電気物性について示す。In/(In+Zn)が0.45のZn−In−O膜のホール移動度を評価した結果を表1(a)に示す。薄膜の作製条件は、実施例1の第1のアモルファス酸化物半導体層の成膜条件に準じている。膜厚は300nmであり、250℃空気中で1時間アニール処理を施した。
薄膜は、X線回折よりアモルファスであることが確認される。
薄膜は、X線回折よりアモルファスであることが確認される。これらの結果より、Zn−In−O膜はZn−In−Ge−O膜よりも大きな移動度特性を示すことがわかる。実施例1のデバイス構成においては、第1のアモルファス酸化物半導体層(Zn−In−O)の材料の電子移動度が第2のアモルファス酸化物半導体層(Zn−In−Ge−O)の材料の電子移動度より大きいことがわかる。実施例1では、ゲート絶縁層に接する側(第1のアモルファス酸化物半導体層)に大きな電子移動度の材料を適用することで、大きな電界効果移動度を示すTFTを実現できると考えられる。
実施例5では、実施例1と同様に作製した薄膜トランジスタに対して、引き続き、空気中において250℃で1時間アニールを行い、実施例1と同様の評価を行った。図11は、室温で測定した、本実施例のTFTの伝達特性を示すグラフである。第1のアモルファス酸化物半導体層11(a)In/(In+Zn)が0.27〜0.65の範囲内で異なる5つのグラフが示してあり、第2のアモルファス酸化物半導体層11(b)の組成比はIn:Zn:Ge〜42:45:13を有する。実施例1と同様に、第1のアモルファス酸化物半導体層のIn/(In+Zn)値が0.27〜0.65に対してTFTの動作を確認できた。
実施例6では、図1(a)に示すトップゲート型電界効果型トランジスタの例を示す。具体的には、チャネル層として、第1のアモルファス酸化物半導体層11(a)はZn−In−Oからなり、第2のアモルファス酸化物半導体層11(b)はZn−In−Ge−Oからなる。第1のアモルファス酸化物半導体層における組成比は、In:Zn〜40:60であり、第2のアモルファス酸化物半導体層における組成比は、In:Zn:Ge〜43:46:11である。
実施例7では図1(b)に示すボトムゲート型電界効果型トランジスタの例である。具体的にはチャネル層として、第1のアモルファス酸化物半導体層11(a)はZn−In−Oからなり、第2のアモルファス酸化物半導体層11(b)はZn−In−Si−Oからなる。第1のアモルファス酸化物半導体層における組成比は、In:Zn〜38:62であり、第2のアモルファス酸化物半導体層における組成比は、In:Zn:Si〜44:47:9である。10はガラス基板、13,14はAu/Tiからなるソース及びドレイン電極、12はSiOxからなるゲート絶縁膜、15はMoからなるゲート電極である。
本実施例8は、本発明の積層チャネルTFTの駆動安定性を評価した例である。
本実施例8では、実施例5の構成の素子(第1のアモルファス酸化物半導体層の組成はZn:In〜36:64、第2のアモルファス酸化物半導体層の組成はIn:Zn:Ge〜42:45:13)に対して、一定期間の電圧印加(ストレス)を行い、その前後でのTFT特性(伝達特性)の差異を比較した。電圧ストレスにおいては、直流電圧を用い、ゲート電圧(Vg=12V)と、ソースドレイン電圧(Vd=6V)を同時印加した。電圧印加時間は800secである。
ストレス前後の伝達特性から抽出したTFT特性パラメータ(Vo,S,Vt,μ)の差異を表2(a)に示す。表2(b)には、比較例として、上記第1のアモルファス酸化物半導体層と同じ組成比を有する、Zn−In−O膜単層のチャネル層からなる素子のストレス耐性測定結果も共に示している。比較例では、スイッチング電圧(Vo)のシフトが0.64Vであるのに対して、本実施例ではVoのシフトが0.33Vと大きく軽減されている。これより、本実施例のTFTでは、駆動に対して高い安定性を有することがわかる。
実施例9では、図1(c)に示すボトムゲート型電界効果型トランジスタの例を示す。具体的には、チャネル層の第1のアモルファス酸化物半導体層11(a)としてZn−In−O系膜を選択した。また、第2のアモルファス酸化物半導体層11(b)としては第1のアモルファス酸化物半導体層11(a)と異なる組成を有するZn−In−O系半導体膜を選択した。第1のアモルファス酸化物半導体層における組成比は、In/(In+Zn)0.57であり、第2のアモルファス酸化物半導体層における組成比は、In/(In+Zn)0.48である。
基板10はn+型Si基板、ソース及びドレイン電極13と14はそれぞれ100nm及び5nmの厚さを有するAuとTiとの層状構造体からなり、ゲート絶縁膜12はSiOxからなる。
比較例として、実施例1の第一のアモルファス酸化物層と同じ組成比を有する、Zn−In−O膜一層のチャネル層からなるTFTの電流−電圧特性を図2(b)に示した。Inの組成比が高くなると、スイッチ電圧が下がり、TFTとして作動しなくなっている。
11 チャネル層
11(a) 第1のアモルファス酸化物層
11(b) 第2のアモルファス酸化物層
12 ゲート絶縁層
13 ソース電極
14 ドレイン電極
15 ゲート電極
21 基板
22 ゲート絶縁膜
23 ソース電極
24 ドレイン電極
25 チャネル層
25(a) 第1のアモルファス酸化物層
25(b) 第2のアモルファス酸化物層
Claims (14)
- 少なくとも半導体層と前記半導体層に対してゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極とを具備した電界効果型トランジスタであって、
前記半導体層は、ZnまたはInから選択される少なくとも1つの元素を含む第1のアモルファス酸化物半導体層と、GeまたはSiから選択される少なくとも1つの元素と、ZnまたはInから選択される少なくとも1つの元素と、を含む第2のアモルファス酸化物半導体層と、を含むことを特徴とする電界効果型トランジスタ。 - 前記第1のアモルファス酸化物半導体層は、少なくともZnとInとを含み、
前記第2のアモルファス酸化物半導体層は、少なくともZnとInとGeとを含むことを特徴とする請求項1記載の電界効果型トランジスタ。 - 第1のアモルファス酸化物半導体層がゲート絶縁層と第2のアモルファス酸化物半導体層との間に設けられることを特徴とする請求項1乃至2記載の電界効果型トランジスタ。
- 前記第2のアモルファス酸化物半導体層に含まれるGeの組成比Ge/(In+Zn+Ge)が、0.01以上0.4以下であることを特徴とする請求項1乃至3記載の電界効果型トランジスタ。
- 前記第2のアモルファス酸化物半導体層に含まれるGeの組成比Ge/(In+Zn+Ge)が、0.03以上0.15以下であることを特徴とする請求項1乃至4記載の電界効果型トランジスタ。
- 前記第1のアモルファス酸化物半導体層に含まれるZnの組成比Zn/(In+Zn)が0.3以上、0.75未満であることを特徴とする請求項1乃至5記載の電界効果型トランジスタ。
- 前記第1のアモルファス酸化物半導体層に含まれるZnの組成比Zn/(In+Zn)が0.4未満であることを特徴とする請求項1乃至5記載の電界効果型トランジスタ。
- 前記第1のアモルファス酸化物半導体層に含まれるZnの組成比Zn/(In+Zn)と前記第2のアモルファス酸化物半導体層に含まれるZnの組成比Zn/(In+Zn)とが同一であることことを特徴とする請求項2記載の電界効果型トランジスタ。
- 前記第2のアモルファス酸化物半導体層の一部がソース電極またはドレイン電極と前記第1のアモルファス酸化物半導体層との間に設けられることを特徴とする請求項1乃至8記載の電界効果型トランジスタ。
- 前記ゲート絶縁層は、シリコン酸化物からなることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項記載の電界効果型トランジスタ。
- 少なくとも半導体層と前記半導体層に対してゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを具備した薄膜トランジスタであって、
前記半導体層は、ZnまたはInから選択される少なくとも1つの元素を含む第1および第2のアモルファス酸化物半導体層からなり、
前記第1のアモルファス酸化物半導体層におけるZnの組成比Zn/(In+Zn)が前記第2のアモルファス酸化物半導体層におけるZnの組成比Zn/(In+Zn)よりも小さいことを特徴とする電界効果型トランジスタ。 - 第1のアモルファス酸化物半導体層がゲート絶縁層と第2のアモルファス酸化物半導体層との間に設けられることを特徴とする請求項11記載の電界効果型トランジスタ。
- 第1のアモルファス酸化物半導体層を形成する第1の工程と、第2のアモルファス酸化物半導体層を形成する第2の工程とを有し、第1の工程と第2の工程が同一の装置内で実施され、第1の工程と第2の工程を通して装置内の圧力が300Pa以下の真空雰囲気又は大気圧以下の不活性ガス雰囲気に維持されることを特徴とする、請求項1乃至12記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
- 請求項1乃至13のいずれか1項記載の電界効果型トランジスタと、
該電界効果型トランジスタによって駆動される有機EL素子と、を含むことを特徴とする表示装置。
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