JP2013541226A - 改善された安定性を有する金属酸化物薄膜トランジスタ - Google Patents
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Abstract
金属酸化物半導体装置は、金属酸化物活性層、ゲート誘電体層、および低トラップ密度材料層を含む。低トラップ密度材料層は、金属酸化物活性層とゲート誘電体層との間に挟まれる。低トラップ密度材料層は、金属酸化物活性層の主表面に平行でありかつ金属酸化物活性層の主表面に接する主表面を有し、金属酸化物活性層との低トラップ密度のインタフェースを形成する。第２の低トラップ密度材料層は、オプションで金属酸化物活性層の反対側の主表面に接して配置することができ、その結果、低トラップ密度のインタフェースが、金属酸化物活性層の両面に形成される。
Description
本発明は、一般に金属酸化物薄膜装置に関し、より詳しくは、金属酸化物半導体フィルムの安定性に関する。
金属酸化物半導体は、高いキャリヤ移動度、光透過性、および低い堆積温度を有することから、強い関心が持たれている。高いキャリヤ移動度によって、より高い周波数またはより大きい電流が要求されるような、より高い性能領域への応用が広がる。光透過性によって、ディスプレイおよびセンサ・アクティブ・マトリックス内での光遮蔽の必要が無くなる。低い堆積温度によって、プラスチック基板上のフレキシブルなエレクトロニクスへの応用が可能になる。
金属酸化物半導体のユニークな特徴は次のとおりである。（１）キャリヤ移動度は、フィルムの粒子の大きさにそれほど依存しない。すなわち、高い移動度のアモルファス金属酸化物が可能である。（２）表面準位の密度が低く、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）のための容易な電界効果を可能にする。これは、表面準位が水素によってパッシベートされなければならない共有結合の半導体（例えば、Ｓｉまたはａ−Ｓｉ）とは逆である。（３）移動度は、体積キャリヤ密度（volume carrier density）に強く依存する。高性能な応用のために高い移動度を達成するためには、金属酸化物チャネルの体積キャリヤ密度は高くなければならず、また、金属酸化物フィルムの厚さは薄くされなければならない（例えば、＜１００ｎｍ、好ましくは、＜５０ｎｍ）。
薄膜装置において、ゲート誘電体は、装置のチャネルを形成する金属酸化物半導体層の一部の上に位置する。金属酸化物半導体層は、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム酸化亜鉛（ＩｎＺｎＯ）、インジウム亜鉛ガリウム酸化物（ＩｎＺｎＧａＯ）などを含む（以下に列挙する追加の例を参照のこと）。ゲート誘電体は、一般に、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、ＳｉＮ、または同種のもののような材料である。一般に、堆積温度などのために、金属酸化物はアモルファスであるが、加工処理後もアモルファスのままであることが好ましい。使用される特定の材料のために、トラップまたはトラップ状態は、金属酸化物半導体層とゲート誘電体層との間のインタフェース（界面）において形成される。インタフェース・トラップ状態がバンドギャップ内で深い場合、インタフェースの深いトラップ内のキャリヤのトラッピングおよびデトラッピングは、安定性の問題（すなわちスレッショルド電圧シフト）として現れる。この例において、「安定性」は、ＴＦＴのスレッショルド電圧という用語で定義される。
したがって、先行技術に内在する前述したような欠陥および他の欠陥を改善することは、非常に有利であろう。
簡潔に述べると、本発明の好適な実施例に従って本発明の所望の目的を達成するために、金属酸化物の活性層、ゲート誘電体の層、および低トラップ密度材料の層を含む、金属酸化物半導体装置が提供される。低トラップ密度材料層は、金属酸化物活性層とゲート誘電体層との間に挟まれる。低トラップ密度材料層は、金属酸化物活性層の主表面に平行でありかつ金属酸化物活性層の主表面に接する主表面を有し、金属酸化物活性層との低トラップ密度のインタフェースを形成する。第２の低トラップ密度材料層は、オプションで金属酸化物活性層の反対側の主表面に接して配置することができ、その結果、低トラップ密度のインタフェースが、金属酸化物活性層の両面に形成される。
さらに、本発明の所望する目的は、本発明の特定の実施例に従って達成される。この実施例において、金属酸化物半導体装置は、金属酸化物活性層、ゲート誘電体層、および、金属酸化物活性層とゲート誘電体層との間に位置する低トラップ密度材料層を含む。低トラップ密度材料層は、金属酸化物活性層に平行でありかつ金属酸化物活性層に接する第１の主表面を有し、金属酸化物活性層との低トラップ密度のインタフェースを形成する。低トラップ密度材料層は、ゲート誘電体層の主表面に平行でありかつゲート誘電体層の主表面と接する第２の主表面を有し、ゲート誘電体層とのインタフェースを形成する。低トラップ密度材料層は、金属酸化物活性層のバンドギャップに近いバンドギャップを有し、かつ、金属酸化物活性層に比べて低い移動度を有する。金属酸化物活性層、ゲート誘電体層、および低トラップ密度材料層は、すべて、一般に、上部ゲート・下部ソース／ドレイン型の装置、上部ゲート・上部ソース／ドレイン型の装置、下部ゲート・下部ソース／ドレイン型の装置、下部ゲート・上部ソース／ドレイン型の装置、およびその他の薄膜装置のうちの１つに含まれる。
本発明の上述された目的および利点、および、さらなる特定の目的および利点は、好適な実施例に関する以下の詳細な記述および図面によって、当業者には容易に明確になるであろう。
上部ゲートおよび下部ソース／ドレインを有するＴＦＴを単純化した図である。
上部ゲートおよび上部ソース／ドレインを有するＴＦＴを単純化した図である。
下部ゲートおよび下部ソース／ドレインを有するＴＦＴを単純化した図である。
下部ゲートおよび上部ソース／ドレインを有するＴＦＴを単純化したである。
ＴＦＴ内の典型的なポジティブ・スレッショルド電圧シフトを示すグラフである。
上部または隣接するゲート誘電体を有する金属酸化物半導体のバンドギャップ表現であり、インタフェースで形成された典型的な深いバンドギャップ・トラップを示す。
本発明に従ったＴＦＴの一部のバンドギャップの図である。
この記述の全体にわたって、薄膜トランジスタ（一般にはＴＦＴ）が例として用いられるが、他の薄膜装置もＴＦＴの定義に含まれると理解されたい。μが移動度である場合、ＴＦＴの性能係数は、μＶ／Ｌ２によって定義されるが、ここで、Ｖは電圧、Ｌはゲート長である。主な問題は、金属酸化物半導体材料が近年進歩したことによって部分的に改善され、そこでは、８０ｃｍ２／Ｖ秒と同じくらいの高い移動度が実証されている。金属酸化物半導体のユニークな特徴の１つは、キャリヤ移動度がフィルムの粒子サイズにそれほど依存しないこと、すなわち、高い移動度のアモルファス金属酸化物が可能であることである。
使用される材料、および装置のサイズ（例えば、層の厚さ、ゲートの長さなど）のために、下部(underlying)および上部（overlying）材料を有する金属酸化物の界面における相互作用は、もはや無視できない。「Metal Oxide TFT with Improved Carrier Mobility（改善されたキャリヤ移動度を有する金属酸化物ＴＦＴ）」と題する米国特許（２０１０年１０月１２日に特許された特許番号第７，８１２，３４６号。参照としてここに組込まれる。）に詳細に説明されているように、界面における相互作用の制御は、２つの方法、すなわち、（１）下部構造との相互作用、および（２）上部構造との相互作用、のいずれか、または両方により実施することができる。一般に、相互作用は、金属酸化物中の酸素と反応し、酸素含有量、したがってキャリヤ密度を有益に変更することを目的とする。
一般に、様々な上部および下部インタフェースを形成するために、あるいは、界面における相互作用を制御するための金属酸化物活性層を供給するために、材料のタイプを選択することは、最終的な装置の特性を決定するための１つの方法である。使用可能な金属酸化物の例としては、Ｉｎ２Ｏ３（Ｅｇ（間接）＝２．９ｅＶ，Ｅｇ（直接）＝３．７ｅＶ），ＺｎＯ（Ｅｇ＝３．３ｅＶ），ＳｎＯ（Ｅｇ＝３．４ｅＶ），ＣｕＯ（Ｅｇ＝２．２ｅＶ），ＣｄＯ（Ｅｇ＝２．３ｅＶ），ＩｎＺｎＯ，ＩｎＳｉＯ，ＩｎＴｉＯ，ＩｎＴａＯ，ＩｎＡｌＯ，ＺｎＡｌＯ，ＺｎＳｉＯ，ＺｎＴｉＯ，ＺｎＴａＯ，ＩｎＧａＺｎＯ，ＩｎＡｌＺｎＯ，ＩｎＳｉＺｎＯ，ＩｎＴｉＺｎＯ，ＩｎＴａＺｎＯ、および、上記の材料または金属−酸素結合からなる混合酸化物を含む。ゲート誘電材料の例としては、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＳｉＮ、およびこれらと同様の材料、あるいは、これらの組合せである。
ＴＦＴの動作にとって重要な少なくとも２つの特性には、ゲート漏れ電流、および、ターンオンまたはスレッショルド電圧が含まれる。ゲート漏れ電流は、ゲート誘電体の厚さを増加させることにより減少させることができる。しかしながら、ゲート誘電体の厚さを増加させることによってゲート電圧が増加するので、それは望ましくない。したがって、ターンオン電圧を増加させることなくゲート漏れ電流を減少させるための好適な方法は、金属酸化物半導体または活性層と、ゲート誘電体との間のバンドギャップ内に大きな差（図６中に「ｄ」で示される）を提供することである。さらに、ＴＦＴのスレッショルド電圧が一定のままであること、すなわち、スレッショルド電圧が時間および／または複数の動作に連れて変化しないことが望ましい。
図１には、ＴＦＴ１０の一実施例の単純化された層の図が示される。ＴＦＴ１０は、基板またはパッシベーション層１２を含むが、それはプラスチックのような可撓性材料、または他の適切な材料である。必要であれば、基板またはパッシベーション層１２は、オプションで、バッファ（もし示すとすれば、基板２２の一部であると考えられる）を含んでもよい。ソース１３およびドレイン１４は、周知の方法を用いて、基板またはパッシベーション層１２の上部表面内または上部表面上（以下、一般的に「上部表面上」と称する。）に、スペースを空けた位置に形成される。金属酸化物フィルム１６は、ソース１３およびドレイン１４の両方およびそれらの間のスペースの上に、部分的に重なるような関係で形成される。金属酸化物フィルム１６は、ソース／ドレインの要素間でキャリヤを導く活性層であることが理解されるであろう。一般に、金属酸化物層１６の厚さは、１００ｎｍより薄く、好ましくは５０ｎｍより薄い。薄いゲート誘電層１７は、金属酸化物フィルム１６の上に重なるような関係で形成され、そして、ゲート・スタック１８は、ソース１３とドレイン１４との間のスペースの上に重なるような関係で、ゲート誘電層１７上に配置される。したがって、ＴＦＴ１０は、上部ゲート・下部ソース／ドレイン型の装置である。
図２には、ＴＦＴ２０の他の実施例における単純化された層の図が示される。ＴＦＴ２０は、基板またはパッシベーション層２２を含むが、それはプラスチックのような可撓性材料、または他の適切な材料である。必要であれば、基板またはパッシベーション層２２は、オプションで、バッファ（もし示すとすれば、基板２２の一部であると考えられる）を含んでもよい。金属酸化物フィルム２６は、基板またはパッシベーション層２２の上に堆積され、そして、ソース２３およびドレイン２４は、金属酸化物フィルム２６の上部表面上でスペースを空けた配置を形成するように、金属酸化物フィルム２６の上部表面上に部分的に重なるような関係で形成される。薄いゲート誘電層２７は、ゲート２３とドレイン２４との間のスペース内の金属酸化物フィルム２６、および、そのスペースに隣接するゲート２３およびドレイン２４の部分の上に重なるような関係で形成される。ゲート・スタック２８は、ソース２３とドレイン２４との間のスペースの上に重なるような関係で、ゲート誘電層２７上に配置される。したがって、ＴＦＴ２０は、上部ゲート・上部ソース／ドレイン型の装置である。
図３には、ＴＦＴ３０の他の実施例における単純化された層の図が示される。ＴＦＴ３０は、基板またはパッシベーションの層３２を含むが、それはプラスチックのような可撓性材料、または他の適切な材料である。ゲート・スタック３８は、任意の適切かつ確立された方法によって、基板またはパッシベーション層３２内に形成される。薄いゲート誘電層３７は、ゲート・スタック３８、および、基板またはパッシベーション層３２の周囲領域上に重なるような関係に形成される。ソース３３およびドレイン３４は、いずれかの周知方法を用いて、ゲート誘電層３７の上部表面中または上部表面上（以下、一般に「上部表面上」と称する。）に、スペースを空けた位置に形成される。金属酸化物フィルム３６は、ソース３３およびドレイン３４の両方、およびその間のスペース上に、部分的な重なるような関係で形成される。さらに上部の、または第２のパッシベーション層３９は、本発明に従って、金属酸化物フィルム３６上に形成される。したがって、ＴＦＴ３０は、下部ゲート・下部ソース／ドレイン型の装置である。
図４には、ＴＦＴ４０の他の実施例における単純化された層の図が示される。ＴＦＴ４０は、基板またはパッシベーション層４２を含むが、それはプラスチックのような可撓性材料または他の適切な材料である。ゲート・スタック４８は、任意の適切かつ確立された方法によって、基板またはパッシベーション層４２内に形成される。薄いゲート誘電層４７は、ゲート・スタック４８、および、基板またはパッシベーション層４２の周辺領域上に重なるような関係に形成される。金属酸化物フィルム４６は、ゲート・スタック４８および上記周辺領域上に重なるような関係に、ゲート誘電層４７上に形成される。ソース４３およびドレイン４４は、金属酸化物フィルム４６の上部表面と部分的に重なるような関係に形成され、その結果、ゲート・スタック４８の上方にある当該上部表面上において、ソース４３とドレイン４４との間にスペースが画定される。さらに上部の、または第２のパッシベーション層４９は、本発明に従って、金属酸化物フィルム４６の露出した部分、および、ソース４３およびドレイン４４の周囲部分上に形成される。したがって、ＴＦＴ４０は、下部ゲート・上部ソース／ドレイン型の装置である。
図１〜図４に示されたＴＦＴの４つの実施例は、選択可能な異なる配置の例である。各実施例において、半導体装置は、一般に、上部主表面およびより下部主表面の厚さが１００ｎｍ未満の金属酸化物活性層を有し、また、上部主表面および下部主表面は、下に重なるインタフェースおよび上に重なるインタフェースを形成するために隣接する係合(engagement)内に材料を有する。ＴＦＴの好適な実施例では、金属酸化物活性層はアモルファス材料であり、加工処理の全体にわたって無定形のままである。各実施例または配置において、金属酸化物活性層内の層間相互作用をコントロールするために、組立中に様々な選択および手順を用いることができる。一般に、組立方法は、金属酸化物活性層用の金属酸化物を選択することにより、また、ゲート誘電材料用の特定の誘電体を選択することにより、特性および層間相互作用を制御することを含む。
特に図５には、ＴＦＴの典型的なポジティブ・スレッショルド電圧シフトのグラフが示される。ＴＦＴの第１または最初のターンオンまたは動作のためのスレッショルド電圧は、単線５０によって表わされる。次の動作において、比較的長期間ポジティブ・バイアス下で動作した後、スレッショルド電圧は、一般に連続線５２によって示されるように右にシフトする（ポジティブ・バイアス・シフト）。グラフから解るように、最初のシフトは比較的大きく、それに続くシフトは比較的小さくなる傾向があるが、多くの動作のためにさらに生じるかもしれない。スレッショルド電圧のシフトまたは変化は、一般にＴＦＴの不安定性と呼ばれ、非常に望ましくないものである。
さらに図６には、上に重なる、または隣接するゲート誘電体５６を有する金属酸化物半導体５４のバンドギャップを表わす図が示される。線５８は、金属酸化物半導体５４とゲート誘電体５６との間のインタフェースを表わす。小さい線または凹凸６０は、材料内の凹凸のためにインタフェース５８において形成されたトラップを表わすために含まれる。一般に、インタフェースにおいて形成された深いバンドギャップ・トラップは、最も厄介なものであり、安定性の問題として明示するのに最も適当なものである。概して言えば、ＴＦＴが始動した（ターンオンされた）とき、キャリヤは、最初はトラップ内に蓄積され、そして、ＴＦＴの動作中「トラップ」され続け、さらに、ＴＦＴがターンオフされた後でさえ、トラップ内に残存するという傾向がある。このキャリヤの「トラッピング」によって、図５のグラフで示されるように、（最初の比較的大きなステップの後）スレッショルド電圧が徐々にシフトする。さらにグラフに示されるように、トラップは、ついにはキャリヤで満たされ、動きが生じたとしても、非常に小さい。シフトの量は、深いトラップ密度と密接な関係がある。ほとんどの例では、一旦キャリヤがトラップされると、それらは、恐らくＴＦＴの全寿命にわたる動作（オフタイムを含む）中トラップされ続ける。
図７には、本発明に従って、ＴＦＴ７０の一部に関するバンドギャップの図が示される。ＴＦＴ７０は、図１〜図４に示された実施例あるいは他のＴＦＴの実施例または装置のいずれか１つを表わすものであると理解すべきである。ＴＦＴ７０は、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ），インジウム酸化亜鉛（ＩｎＺｎＯ），インジウム亜鉛ガリウム酸化物（ＩｎＺｎＧａＯ），および上記のリストからの任意の金属酸化物のような、半導体アモルファス金属酸化物活性層７２を含む。さらに、ＴＦＴ７０は、例えば、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＳｉＮ，およびｓｐ３配置内の炭素−炭素結合に従った有機材料のような、ゲート誘電材料７４の薄い層を含む。良好なＴＦＴ組立技術に従って、ゲート誘電材料７４のバンドギャップは、ゲート漏れ電流を最小にするために、半導体金属酸化物７２のバンドギャップよりはるかに大きいことに気付くであろう。ゲート金属／ゲート・スタック７６は、ゲート誘電材料７４上に配置され、周知の方法でゲート接触を形成する。同様に、パッシベーション層８０が提供され、全構造を支持するためのベースの役割を果たしてもよい。
伝統的に、半導体金属酸化物チャネルまたは活性層の２つのインタフェースがあるが、その一つはゲート誘電体であり、他の一つはパッシベーション層である。ポジティブ・バイアス下の安定性は、半導体金属酸化物とゲート誘電体との間のインタフェースに最も関係するが、ゲート誘電体とパッシベーション層との間のインタフェースが、いくらかの小さな効果を有するかもしれない。半導体金属酸化物とゲート誘電体との間のインタフェースにおいて、低トラップ密度を作成するほうが、はるかに難しい。
本発明に従って、低トラップ密度または低欠陥絶縁体材料８２の非常に薄い層が、半導体金属酸化物７２とゲート誘電体７４との間に配置される。オプションで、第２の低トラップ密度または低欠陥絶縁体材料８４が、半導体金属酸化物７２とパッシベーション層８０との間に配置されてもよい。欠陥がバンドギャップの深い内部でトラップ状態を生成しない一群の金属酸化物があることが知られている。このタイプの好適な金属酸化物は、酸化チタン（ＴｉＯ２）であり、それは、半導体金属酸化物７２に類似するが、わずかに大きいバンドギャップを有する（図７に示されるように）。低トラップ密度絶縁体の追加の例としては、ＴｉＯ２（３．１ｅＶ）、Ｔａ２Ｏ５（３．４ｅＶ）、ＮｂＯ（Ｅｇ＝３．７ｅＶ）、Ｖ２Ｏ５（Ｅｇ＝３．８７ｅＶ）、ＳｃＯ２（Ｅｇ＝４．０ｅＶ）、Ｙ２Ｏ３（５．５ｅＶ）、ＺｒＯ２（Ｅｇ＝４．７ｅＶ）、ＨｆＯ２（Ｅｇ＝５．８ｅＶ）、Ｌａ２Ｏ５（５．５ｅＶ）、ＭｏＯ、ＣｒＯ、ＳｒＴｉＯ３、ＳｒＮｂＯ３、ＣｓＴｉＯ３、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：lead zirconate titanate）、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ：barium strontium titanate）、および、上記の材料または金属−酸素結合を含む混合酸化物がある。さらに、半導体金属酸化物７２に近いバンドギャップを有するが、低トラップ密度および低移動度を有する、有機／有機金属材料のグループがある。この有機材料のグループのいくつかの例としては、Ａｌｑ３：トリス（８−ヒドロキシキノリノラト）アルミニウム（ＩＩＩ）(tris (8-hydroxyquinolinolato) aluminum (III))、ＢＡｌｑ３：ビス（２−メチル−８−キノリンオラート）−４−（フェニルフェノラト）アルミニウム(Bis(2-methyl-8-quinolineolate)-4-(phenylphenolato) aluminium)、Ｂｅｐｑ２：ビス（１０−ヒドロキシベンゾ［ｈ］キノリネト）ベリリウム(Bis(10-hydroxybenzo[h]quinolinato) Beryllium)、ＰＢＤ：２−（４−ビフェニル）−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾル(2-(4-Biphenyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole)、ＴＡＺ：３−（４−ビフェニル）−４−フェニル−５−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル−１，２，４−トリアゾル(3-(4-Biphenyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole)、Ｂｐｈｅｎ：４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン(4,7-Diphenyl-1,10-phenyanthroline)、および、有機光放射または光起電力装置の分野のエキスパートに知られている他の電子輸送またはホール・ブロッキング材料、Ｃ６０、Ｃ７０、ナノチューブ、および他のフラーレン分子、グラフェン分子、ポリメチルグルタルイミド（ＰＭＧＩ：polymethylglutarimide）、ビス−ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ：bis-benzocyclobutene）、ＳＵ−８（一般にエポキシベースのネガティブ・フォトレジストに使用される）、およびポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ：Poly(methyl methacrylate)がある。
低トラップ密度材料（すなわち、金属酸化物および有機材料）はすべて、低移動度を有し、半導体チャネル材料として使用することができない。さらに、低トラップ密度材料（すなわち、金属酸化物および有機材料）はすべて、半導体金属酸化物７２に近いバンドギャップを有し、したがって、ゲート誘電体として使用することができない。
好ましくは、低欠陥層に使用される金属酸化物は、下記の方法またはそれらの組合せのうちの１つによって処理することができる。すなわち、ＰＶＤ（熱、電子ビーム、またはスパッタのような物理蒸着）、ＣＶＤ（化学蒸着）、ＡＬＤ（原子層堆積）である。フィルムは、飽和溶液からゲート絶縁体表面上へ縮合によって形成することができる。フィルムは、キャスティング、スピンコーティング、スロットコーティング、スクリーン印刷、転写印刷、インクジェット印刷、スタンピング、および当該技術分野のエキスパートに知られている他のタイプの処理方法によって処理されたソル・ゲル溶液によって形成することができる。薄い低トラップ金属酸化物フィルムもまた、「加水分解」の手段によって、対応する有機金属前駆体から形成することができる。前駆体段階は、対応する有機金属化合前駆体溶液を準備し、基板上の目標領域上に前駆体溶液をキャスティングまたは印刷することによってフィルムを形成し、次に、加水分解およびポスト・ベーキングにより置換プロセス（Conversion Process）をすることを含む。光電池内の活性層と陰極との間にＴｉＯｘフィルムを形成する例は、「Advanced Material」Ｖｏ．１８，ｐｐ５７２−５７６（２００６）に記述されている。
下記は、ＴｉＯ２およびＣｓＴｉＯ３のフィルムを作成する例である。ＴｉＯ２フィルムは、容積比１：１の２−エトシキエタノールおよびエタノール内で、０．２５ｗｔ％のＴｉＯ２溶液から１０００ｒｐｍでスピンキャストされ、その後、１００〜２００℃の温度で５〜３０分間熱アニーリングされた。ＣｓＴｉＯ３フィルムは、ＴｉＯ２およびＣｓ２ＣＯ３の０．５および０．２ｗｔ％溶液を適切な容積比で混合することにより準備された溶液からスピンコートされ、その後、１００〜２００℃の範囲の高温で５〜５０分間熱アニーリングされた。高濃度アモルファス金属酸化物フィルムもまた、加水分解およびポスト・ベーキングによる置換プロセスに続くキャスティングまたは印刷によって、対応する有機金属化合前駆体溶液によって形成することができる。このようなプロセスを有するＴｉＯｘフィルムを形成する例は、「Advanced Material」Ｖｏｌ．１８，ｐｐ５７２−５７６（２００６）に記述されている。
低欠陥層は、ＰＭＯＤ法、すなわち薄いアモルファス金属酸化物フィルムの光化学金属有機沈着法（photochemical metal organic deposition）によって処理することができ、そのようなプロセスによって、パターン化されたフィルムを、追加のフォトレジストおよび対応するエッチング・プロセスなしで作成することが可能になる。ＰＭＯＤによって金属酸化物および金属フィルムを処理する例は、次の参照から見つけることができる。
１．A.A. Avey and R.H. Hill 「Solid State PhotoChemistry of Cu2(OH2)2(O2C(CH2)4CH3)4 in Thin Films: The Photochemical Formation of High Quality Films of Copper and Copper(I) Oxide. Demonstration of a Novel Lithographic Technique for the Patterning of Copper」J. Am. Chem. Soc. 118 1996 237.
２．R.H. Hill and S.L. Blair 「An Inorganic Approach to Photolithography: The photolithographic Deposition of Dielectric Metal Oxide Films」ACS Symposium Series 706.
１．A.A. Avey and R.H. Hill 「Solid State PhotoChemistry of Cu2(OH2)2(O2C(CH2)4CH3)4 in Thin Films: The Photochemical Formation of High Quality Films of Copper and Copper(I) Oxide. Demonstration of a Novel Lithographic Technique for the Patterning of Copper」J. Am. Chem. Soc. 118 1996 237.
２．R.H. Hill and S.L. Blair 「An Inorganic Approach to Photolithography: The photolithographic Deposition of Dielectric Metal Oxide Films」ACS Symposium Series 706.
炭素ベースのフラーレン、ナノチューブ、およびグラフェン・フィルム、有機金属化合物ベースのフィルム、および、有機分子ベースのフィルムは、ＰＶＤによって、あるいは、キャスティング、スピンコーティング、スロットコーティング、スクリーン印刷、転写印刷、インクジェット印刷、スタンピングを含む（しかし、これらに制限されない）技術分野のエキスパートに知られている溶液プロセスの１つで形成することができる。
半導体金属酸化物７２とゲート誘電体との間に低トラップ密度絶縁体材料８２を挟むことによって、装置７０内の７４の伝導キャリヤが半導体金属酸化物７２に閉じ込められることが理解されるに違いない。半導体金属酸化物７２と低トラップ密度絶縁体材料８２との間のインタフェースにおいて、トラップ密度はほとんどない。たとえ、ゲート誘電体７４と低トラップ密度絶縁体材料８２との間のインタフェースに深いトラップがあるとしても、伝導キャリヤは、不安定性を引き起こすそのインタフェースに到達することができない。
半導体金属酸化物７２とゲート誘電体７４との間に配置された低トラップ密度または低欠陥絶縁体材料８２の非常に薄い層は、数ナノメータ（例えば５ｎｍ〜５０ｎｍ）と同じくらい薄くすることができる。同様に、オプションの第２の低トラップ密度または低欠陥絶縁体材料８４は、材料８２または上述した他の例と同じ材料であってもよく、また、用いられる組立方法に依存して、類似または異なる厚さを有してもよい。さらに、ＴＦＴ７０の様々な材料は、堆積される材料と関係する任意の周知の方法で堆積することができる。堆積技術のいくつかの例は、上記の特許出願において提供される。
さらに、本発明に従って構築された最終装置は、組み立てられた構造制御が半導体金属酸化物活性層のインタフェース内のトラップ密度、したがって最終装置の特性および安定性をコントロールするので、斬新である。したがって、新規かつ改善された金属酸化物半導体装置が開示される。そこでは、金属酸化物チャネルのインタフェース内のトラップ密度が非常に低く、したがって、ＴＦＴ装置の安定性が改善される。さらに、低減されたトラップ密度を有する金属酸化物半導体装置を組み立てるための新規かつ改善された方法が開示される。
例示目的のためにここで選択された実施例に対して、当業者であれば、様々な変更および修正を容易に想起することができるであろう。そのような修正およびバリエーションは、本発明の精神から逸脱しない限り、本発明の範囲内に包含されるとみなされ、以下の請求項の公平な解釈によってのみ評価される。
本発明は、当業者が理解および実施することができるような明瞭かつ簡潔な用語によって、完全に記述された。
Claims (24)
- 主表面を有する金属酸化物活性層と、
主表面を有するゲート誘電体層と、
前記金属酸化物活性層とゲート誘電体層との間に位置する低トラップ密度材料層であって、前記低トラップ密度材料層は、前記金属酸化物活性層と低トラップ密度のインタフェースを形成するために、前記金属酸化物活性層に平行でありかつ前記金属酸化物活性層と接触する第１主表面を有する、低トラップ密度材料層と、
から構成されることを特徴とする金属酸化物半導体装置。 - 前記金属酸化物活性層は、バンドギャップを有し、前記ゲート誘電体層は、前記金属酸化物活性層の前記バンドギャップよりも遥かに大きいバンドギャップを有し、前記低トラップ密度材料層は、前記金属酸化物層の前記バンドギャップに近いバンドギャップを有することを特徴とする請求項１記載の金属酸化物半導体装置。
- 前記低トラップ密度材料層は、前記金属酸化物活性層と比較して低い移動度を有することを特徴とする請求項１記載の金属酸化物半導体装置。
- 前記低トラップ密度材料層は、ＴｉＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＮｂＯ、Ｖ２Ｏ５、ＳｃＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ５、ＭｏＯ、ＣｒＯ ＳｒＴｉＯ３、ＳｒＮｂＯ３、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、バリウム・チタン酸ストロンチウム（ＢＳＴ）のうちの１つ、および、前記材料または前記金属酸素結合の１つを越えるものを含む混合酸化物であることを特徴とする請求項１記載の金属酸化物半導体装置。
- 前記低トラップ密度材料層は、Ａｌｑ３：トリス（８−ヒドロキシキノリノラト）アルミニウム（ＩＩＩ）、ＢＡｌｑ３：ビス（２−メチル−８−キノリンオラート）−４−（フェニルフェノラト）アルミニウム、Ｂｅｐｑ２：ビス（１０−ヒドロキシベンゾ［ｈ］キノリネト）ベリリウム、ＰＢＤ：２−（４−ビフェニル）−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾル、ＴＡＺ：３−（４−ビフェニル）−４−フェニル−５−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル−１，２，４−トリアゾル、Ｂｐｈｅｎ：４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン、Ｃ６０、Ｃ７０、ナノチューブ、および他のフラーレン分子、グラフェン分子、ＰＭＧＩ（ポリメチルグルタルイミド）、ＢＣＢ（ビス−ベンゾシクロブテン）、ＳＵ−８、およびＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）を含む有機物質のグループのうちの１つを含むことを特徴とする請求項１記載の金属酸化物半導体装置。
- 前記低トラップ密度材料層は、前記ゲート誘電体層とインタフェースを形成するために、前記ゲート誘電体層の前記主表面に平行でありかつ前記主表面と接触する第２主表面を有することを特徴とする請求項１記載の金属酸化物半導体装置。
- 前記金属酸化物活性層は反対側の主表面を有し、かつ、前記装置は、前記前記金属酸化物活性層の前記反対側の主表面とインタフェースを形成するために、前記金属酸化物活性層の前記反対側の主表面に平行でありかつ前記反対側の主表面に接触する主表面を有することを特徴とする請求項１記載の金属酸化物半導体装置。
- 前記金属酸化物活性層、前記ゲート誘電体層、および前記低トラップ密度材料層は、すべて、上部ゲート・下部ソース／ドレイン型の装置、上部ゲート・上部ソース／ドレイン型の装置、下部ゲート・下部ソース／ドレイン型の装置、および下部ゲート・上部ソース／ドレイン型の装置のうちの１つに含まれていることを特徴とする請求項１記載の金属酸化物半導体装置。
- 前記低トラップ密度材料層は、５ｎｍから５０ｎｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１記載の金属酸化物半導体装置。
- 主表面を有する金属酸化物活性層であって、前記金属酸化物活性層はバンドギャップを有する、金属酸化物活性層と、
主表面を有するゲート誘電体層であって、前記ゲート誘電体層は、前記金属酸化物活性層のバンドギャップより遥かに大きいバンドギャップを有する、ゲート誘電体層と、
前記金属酸化物活性層と前記ゲート誘電体層との間に位置する低トラップ密度材料層であって、前記低トラップ密度材料層は、前記金属酸化物活性層とインタフェースを形成するために、前記金属酸化物層に平行でありかつ前記金属酸化物層と接触する第１主表面を有し、前記低トラップ密度材料層は、前記ゲート誘電体層とインタフェースを形成するために、前記ゲート誘電体層に平行でありかつ前記ゲート誘電体層と接触する第２主表面を有し、および、前記低トラップ密度材料層は、前記金属酸化物活性層のバンドギャップに近いバンドギャップを有する、低トラップ密度材料層と、
から構成されることを特徴とする金属酸化物半導体装置。 - 前記低トラップ密度材料層は、前記金属酸化物活性層と比較して低い移動度を有することを特徴とする請求項１０記載の金属酸化物半導体装置。
- 前記低トラップ密度材料層は、ＴｉＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＮｂＯ、Ｖ２Ｏ５、ＳｃＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ５、ＭｏＯ、ＣｒＯ、ＳｒＴｉＯ３、ＳｒＮｂＯ３、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、および、上記の材料または上記の金属−酸素結合のうちの１つを越えるものを含む混合酸化物を含むことを特徴とする上記請求項１０記載の金属酸化物半導体装置。
- 前記低トラップ密度材料層は、Ａｌｑ３：トリス（８−ヒドロキシキノリノラト）アルミニウム（ＩＩＩ）、ＢＡｌｑ３：ビス（２−メチル−８−キノリンオラート）−４−（フェニルフェノラト）アルミニウム、Ｂｅｐｑ２：ビス（１０−ヒドロキシベンゾ［ｈ］キノリネト）ベリリウム、ＰＢＤ：２−（４−ビフェニル）−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾル、ＴＡＺ：３−（４−ビフェニル）−４−フェニル−５−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル−１，２，４−トリアゾル、Ｂｐｈｅｎ：４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン、Ｃ６０、Ｃ７０、ナノチューブ、および他のフラーレン分子、グラフェン分子、ＰＭＧＩ（ポリメチルグルタルイミド）、ＢＣＢ（ビス−ベンゾシクロブテン）、ＳＵ−８、およびＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）を含む有機物質のグループのうちの１つを含むことを特徴とする請求項１０記載の金属酸化物半導体装置。
- 前記低トラップ密度材料層は、５ｎｍから５０ｎｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１０記載の金属酸化物半導体装置。
- 前記金属酸化物活性層は、反対側の主表面を有し、前記装置は、さらに、前記金属酸化物活性層の反対側の主表面に平行でありかつ前記金属酸化物活性層の反対側の主表面と接触する主表面を有し、前記金属酸化物活性層の前記反対側の主表面と低トラップ密度のインタフェースを形成することを特徴とする請求項１０記載の金属酸化物半導体装置。
- 前記金属酸化物活性層、前記ゲート誘電体層、および前記低トラップ密度材料層は、すべて、上部ゲート・下部ソース／ドレイン型の装置、上部ゲート・上部ソース／ドレイン型の装置、下部ゲート・下部ソース／ドレイン型の装置、および下部ゲート・上部ソース／ドレイン型の装置のうちの１つに含まれることを特徴とする請求項１０記載の金属酸化物半導体装置。
- 主表面を有する金属酸化物活性層であって、前記金属酸化物活性層は、バンドギャップを有する、金属酸化物活性層と、
主表面を有するゲート誘電体層であって、前記ゲート誘電体層は、前記金属酸化物活性層のバンドギャップより遥かに大きいバンドギャップを有する、ゲート誘電体層と、
前記金属酸化物活性層と前記ゲート誘電体層との間に位置する低トラップ密度材料層であって、前記低トラップ密度材料層は、前記金属酸化物活性層とインタフェースを形成するために、前記金属酸化物層に平行でありかつ前記金属酸化物層と接触する第１主表面を有し、前記低トラップ密度材料層は、前記ゲート誘電体層とインタフェースを形成するために、前記ゲート誘電体層に平行でありかつ前記ゲート誘電体層と接触する第２主表面を有し、および、前記低トラップ密度材料層は、前記金属酸化物活性層と比較して低い移動度を有する、低トラップ密度材料層とから構成され、
前記金属酸化物活性層、前記ゲート誘電体層、および前記低トラップ密度材料層は、すべて、上部ゲート・下部ソース／ドレイン型の装置、上部ゲート・上部ソース／ドレイン型の装置、下部ゲート・下部ソース／ドレイン型の装置、および下部ゲート・上部ソース／ドレイン型の装置のうちの１つに含まれることを特徴とする金属酸化物半導体装置。 - 前記低トラップ密度材料層は、ＴｉＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＮｂＯ、Ｖ２Ｏ５、ＳｃＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ５、ＭｏＯ、ＣｒＯ、ＳｒＴｉＯ３、ＳｒＮｂＯ３、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、および、上記の材料または上記の金属−酸素結合のうちの１つを越えるものを含む混合酸化物を含むことを特徴とする上記請求項１７記載の金属酸化物半導体装置。
- 前記低トラップ密度材料層は、Ａｌｑ３：トリス（８−ヒドロキシキノリノラト）アルミニウム（ＩＩＩ）、ＢＡｌｑ３：ビス（２−メチル−８−キノリンオラート）−４−（フェニルフェノラト）アルミニウム、Ｂｅｐｑ２：ビス（１０−ヒドロキシベンゾ［ｈ］キノリネト）ベリリウム、ＰＢＤ：２−（４−ビフェニル）−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾル、ＴＡＺ：３−（４−ビフェニル）−４−フェニル−５−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル−１，２，４−トリアゾル、Ｂｐｈｅｎ：４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン、Ｃ６０、Ｃ７０、ナノチューブ、および他のフラーレン分子、グラフェン分子、ＰＭＧＩ（ポリメチルグルタルイミド）、ＢＣＢ（ビス−ベンゾシクロブテン）、ＳＵ−８、およびＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）を含む有機物質のグループのうちの１つを含むことを特徴とする請求項１７記載の金属酸化物半導体装置。
- 金属酸化物半導体装置を製作する方法において、
主表面を有する金属酸化物活性層を堆積する段階と、
前記金属酸化物活性層の前記主表面上に低トラップ密度材料層を堆積する段階であって、前記低トラップ密度材料層は、前記金属酸化物活性層と低トラップ密度のインタフェースを形成するために、前記金属酸化物活性層に平行でありかつ前記金属酸化物活性層と接触する第１主表面を有する、段階と、
前記低トラップ密度材料層の上にゲート誘電体層を堆積する段階と、
から構成され、
前記堆積する段階のシーケンスおよび層の配置は、前記金属酸化物活性層、前記ゲート誘電体層、前記低トラップ密度材料層を、上部ゲート・下部ソース／ドレイン型の装置、上部ゲート・上部ソース／ドレイン型の装置、下部ゲート・下部ソース／ドレイン型の装置、および下部ゲート・上部ソース／ドレイン型の装置のうちの１つに形成することを特徴とする方法。 - 前記低トラップ密度材料層を堆積する段階は、ＴｉＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＮｂＯ、Ｖ２Ｏ５、ＳｃＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ５、ＭｏＯ、ＣｒＯ、ＳｒＴｉＯ３、ＳｒＮｂＯ３、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、および、上記の材料または上記の金属−酸素結合のうちの１つを越えるものを含む混合酸化物を堆積する段階を含むことを特徴とする上記請求項２０記載の方法。
- 前記低トラップ密度材料層を堆積する段階は、Ａｌｑ３：トリス（８−ヒドロキシキノリノラト）アルミニウム（ＩＩＩ）、ＢＡｌｑ３：ビス（２−メチル−８−キノリンオラート）−４−（フェニルフェノラト）アルミニウム、Ｂｅｐｑ２：ビス（１０−ヒドロキシベンゾ［ｈ］キノリネト）ベリリウム、ＰＢＤ：２−（４−ビフェニル）−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾル、ＴＡＺ：３−（４−ビフェニル）−４−フェニル−５−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル−１，２，４−トリアゾル、Ｂｐｈｅｎ：４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン、Ｃ６０、Ｃ７０、ナノチューブ、および他のフラーレン分子、グラフェン分子、ＰＭＧＩ（ポリメチルグルタルイミド）、ＢＣＢ（ビス−ベンゾシクロブテン）、ＳＵ−８、およびＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）を含む有機物質のグループのうちの１つを堆積する段階を含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
- 前記低トラップ密度材料層を堆積する段階は、５ｎｍから５０ｎｍの範囲の厚さを有する層を堆積する段階を含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
- 前記低トラップ密度材料層を堆積する段階は、
ＰＶＤ（物理蒸着）、ＣＶＤ（化学蒸着）、ＡＬＤ（原子層堆積）の１つを使用する段階、
飽和溶液からの縮合によってフィルムを形成する段階、あるいは、キャスティング、スピンコーティング、スロットコーティング、スクリーン印刷、転写印刷、インクジェット印刷、およびスタンピングの１つによって処理されたゾル・ゲル溶液またはそれに対応する有機金属化合前駆体溶液からフィルムを形成する段階、および、
それに続くアニーリングまたは加水分解、
を含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
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