JP2014222789A - トランジスタ及びその作製方法 - Google Patents
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Abstract
Description
れる均一な素子特性を兼ね備えた新たな半導体材料として、酸化物半導体が注目されてい
る。例えば、酸化タングステン、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛などが半導体特性
を示す金属酸化物としてあげられる。
膜トランジスタが提案されている。
る。
、ゲート電極およびゲート絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上の金属酸化物
膜と、金属酸化物膜上の金属膜と、を有することを特徴とする薄膜トランジスタである。
なお、金属酸化物膜は、酸化物半導体膜上に金属膜を成膜することによって形成される。
、ゲート電極およびゲート絶縁膜上のインジウム、ガリウムおよび亜鉛を含む酸化物半導
体膜と、酸化物半導体膜上の酸化チタン膜と、酸化チタン膜上のチタン膜と、を有するこ
とを特徴とする薄膜トランジスタである。なお、酸化チタン膜は、酸化物半導体膜上にチ
タン膜を成膜することによって形成される。
以下の説明に限定されず、その発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなく、その態
様および詳細をさまざまに変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがっ
て、発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
図1(A)は、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの断面模式図である。この薄膜
トランジスタは、基板10,ゲート電極20,ゲート絶縁膜30,酸化物半導体膜40,
金属酸化物膜60,金属膜70および絶縁膜80で構成されている。
ただし、薄膜トランジスタの構造はこれに限定されるものでなく、任意のトップゲート構
造、ボトムゲート構造などを用いることができる。
板のなかでも、歪点が730℃以上のものを用いるとよい。また、耐熱性を考えると、ホ
ウ酸(B2O3)より、酸化バリウム(BaO)を多く含むガラス基板が好適である。
どの絶縁体でなる基板を、基板10として用いてもよい。他にも、結晶化ガラスなどを、
基板10として用いることができる。
膜は、基板10からの不純物元素の拡散を防止する機能を有する。なお、下地膜は、窒化
珪素、酸化珪素、窒化酸化珪素あるいは酸化窒化珪素から選ばれた一または複数の膜によ
り形成することができる。
は、アルミニウム(Al),クロム(Cr),銅(Cu),タンタル(Ta),チタン(
Ti),モリブデン(Mo)あるいはタングステン(W)から選ばれた元素、またはこれ
らの元素を成分とする合金などを用いることができる。例えば、チタン膜−アルミニウム
膜−チタン膜の3層構造あるいはモリブデン膜−アルミニウム膜−モリブデン膜の3層構
造などを用いることができる。なお、金属導電膜は3層構造に限られず、単層、または2
層構造、あるいは4層以上の積層構造を用いてもよい。
や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O膜,In−Sn−Zn−O膜,In−
Al−Zn−O膜,Sn−Ga−Zn−O膜,Al−Ga−Zn−O膜,Sn−Al−Z
n−O系や、二元系金属酸化物であるIn−Zn−O膜,Sn−Zn−O膜,Al−Zn
−O膜,Zn−Mg−O膜,Sn−Mg−O膜,In−Mg−O膜や、In−O膜,Sn
−O膜,Zn−O膜などを用いることができる。また、上記酸化物半導体膜それぞれは、
酸化シリコン(SiO2)を含んでもよい。
構造の酸化物半導体膜を用いることもできる。ここで、Mは、ガリウム(Ga),アルミ
ニウム(Al),マンガン(Mn)およびコバルト(Co)から選ばれた一または複数の
金属元素を示す。Mに該当する例として、ガリウム単体、ガリウムおよびアルミニウム、
ガリウムおよびマンガンあるいはガリウムおよびコバルト、などがあげられる。
Mとしてガリウム(Ga)を含む構造の酸化物半導体を、In−Ga−Zn−O系酸化物
半導体とも記す。
(水素化合物ともいう)などの不純物を意図的に排除したのち、これらの不純物の排除工
程において同時に減少してしまう酸素を供給することで、高純度化および電気的にi型(
真性)化されている。薄膜トランジスタの電気的特性の変動を抑制するためである。
がって、酸化物半導体膜40に含まれる水素は、5×1019/cm3以下、好ましくは
5×1018/cm3以下、より好ましくは5×1017/cm3以下、または5×10
16/cm3未満とするとよい。当該水素濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS;S
econdary Ion Mass Spectrometry)により測定できる。
ャリア密度は、5×1014/cm3未満、好ましくは5×1012/cm3以下、より
好ましくは5×1010/cm3以下となる。当該キャリア密度は、CV(容量および電
圧)測定により、測定できる。
ップは1.12eVであるのに対して、In−Ga−Zn−O系酸化物半導体のバンドギ
ャップは3.15eVであることからも、明らかである。
ャリアが誘起されにくい。そのため、酸化物半導体膜40を用いた薄膜トランジスタにお
いては、トンネル電流が発生し難く、ひいては、オフ電流が流れ難いといえる。したがっ
て、酸化物半導体膜40を用いた薄膜トランジスタのチャネル幅1μmあたりのオフ電流
として、100aA/μm以下、好ましくは10aA/μm以下、より好ましくは1aA
/μm以下を実現できる。
いては、衝突イオン化ならびにアバランシェ降伏が起きにくい。したがって、酸化物半導
体膜40を用いた薄膜トランジスタは、ホットキャリア劣化への耐性があるといえる。ホ
ットキャリア劣化の主な要因は、アバランシェ降伏によってキャリアが増大し、高速に加
速されたキャリアがゲート絶縁膜へ注入されることにあるためである。
、アルミニウム(Al),クロム(Cr),銅(Cu),タンタル(Ta),チタン(T
i),モリブデン(Mo)あるいはタングステン(W)などの金属材料、またはこれらの
金属材料を成分とする合金材料を用いることができる。また、金属膜70は、アルミニウ
ム(Al),銅(Cu)などの金属膜の一方または双方に、クロム(Cr),タンタル(
Ta),チタン(Ti),モリブデン(Mo)またはタングステン(W)などの高融点金
属膜を積層させた構成としてもよい。なお、シリコン(Si),チタン(Ti),タンタ
ル(Ta),タングステン(W),モリブデン(Mo),クロム(Cr),ネオジム(N
d),スカンジウム(Sc)またはイットリウム(Y)など、アルミニウム膜に生ずるヒ
ロックやウィスカーの発生を防止する元素が添加されているアルミニウム材料を用いるこ
とで、耐熱性にすぐれた金属膜70を得ることができる。
る。これにより、この薄膜トランジスタは寄生抵抗が減少し、オン電流が向上する。なお
、金属酸化物膜60は、5nm程度の厚さが適している。
エネルギーバンド図(模式図)である。この図は、ソース電極−ドレイン電極間の電位差
がゼロである場合に該当する。
は一致している。また、不純物を極力除去することにより、酸化物半導体膜40は高純度
化および電気的にi型(真性)化している。その結果、フェルミ準位(Ef)は真性フェ
ルミ準位(Ei)と同程度とすることができる。
存在せず、オーミック接触が得られていることがわかる。
図1に示す構成の薄膜トランジスタの作成工程について説明する。
工程によりゲート電極20を形成する。
てもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成すると、フォトマスクを使用しない
ため、製造コストを低減できる。
する。ゲート絶縁膜30としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒
化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸
化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどの膜が好適である。
が望まれる。そのため、特に、μ波(2.45GHz)を用いた高密度プラズマCVD法
により、ゲート絶縁膜30を成膜することが適している。
極力除去してi型に近づけた酸化物半導体膜40との界面特性は良好となる。
ゲートバイアス・熱ストレス試験(BT試験:85℃,2×106V/cm,12時間)
において、不純物と酸化物半導体の主成分との結合手が切断され、生成された不対結合手
により、しきい値電圧のドリフトが誘発される結果となる。
ば、第1のゲート絶縁膜としてスパッタリング法により膜厚50nm以上200nm以下
の窒化シリコン膜(SiNy(y>0))を形成した後、第1のゲート絶縁膜上に第2の
ゲート絶縁膜として膜厚5nm以上300nm以下の酸化シリコン膜(SiOx(x>0
))を形成することによって、積層構造のゲート絶縁膜30とすることができる。ゲート
絶縁膜30の膜厚は、薄膜トランジスタに要求される特性によって適宜設定すればよく、
350nmないし400nm程度でもよい。
において、ゲート電極20が形成された基板10を予備加熱することによって、基板10
に吸着した水素ならびに水分などの不純物を脱離および排気するとよい。その後形成され
るゲート絶縁膜30および酸化物半導体膜40に、水素ならびに水分などの不純物が極力
含まれないようにするためである。また、ゲート絶縁膜30までが形成された基板10を
予備加熱してもよい。
0℃以下であれば、さらに好適である。また、予備加熱室における排気手段は、クライオ
ポンプが適切である。
は、膜厚2nm以上200nm以下が適切である。
ス(代表的にはアルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスおよび酸素の混合雰囲
気下において行う。
鉛を主成分とする金属酸化物のターゲットを用いることができる。また、組成比がそれぞ
れ、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1[mol%]、In:Ga:Zn=1
:1:0.5[atom%]、In:Ga:Zn=1:1:1[atom%]またはIn
:Ga:Zn=1:1:2[atom%])であるインジウム(In)、ガリウム(Ga
)および亜鉛(Zn)を含む酸化物半導体ターゲットを用いることもできる。また、当該
酸化物半導体ターゲットの充填率は、90%以上100%以下が適切である。95%以上
99.9%以下であれば、さらに好適である。充填率の高い酸化物半導体ターゲットを用
いるほど、より緻密な酸化物半導体膜を成膜できるためである。
温ないし400℃未満の温度に加熱する。それから、処理室内の残留水分を除去しつつ、
水素および水分が除去されたスパッタガスを導入しながら、基板10とターゲットとの間
に電圧を印加することによって、基板10上に酸化物半導体膜40を成膜する。
である。例として、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなど
があげられる。また、排気手段として、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを
用いることもできる。処理室内より、水(H2O)など水素原子を含む化合物(より好ま
しくは炭素原子を含む化合物も)等を排気することにより、当該処理室において成膜した
酸化物半導体膜40に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、クライオポンプにより
処理室内に残留する水分を除去しつつスパッタ成膜を行うことにより、酸化物半導体膜4
0を成膜する際の基板10の温度を、室温ないし400℃未満とすることができる。
て、ゲート絶縁膜30の表面に付着しているゴミを除去するとよい。逆スパッタとは、タ
ーゲット側に電圧を印加せずに、基板側にRF電源を用いて電圧を印加することにより生
じる反応性プラズマによって、基板表面を洗浄する方法である。なお、逆スパッタは、ア
ルゴン雰囲気中で行う。また、アルゴンにかえて、窒素、ヘリウムあるいは酸素などを用
いてもよい。
化または脱水素化のための加熱処理の温度は、400℃以上750℃以下が適切であり、
特に425℃以上であることが好適である。なお、加熱処理時間は、当該加熱処理の温度
が425℃以上であれば1時間以下でよいが、425℃以下であれば加熱処理時間は1時
間よりも長くするべきである。
0を導入し、窒素雰囲気下において加熱処理を行う。その後、同じ炉に高純度の酸素ガス
、高純度の一酸化二窒素(N2O)ガスまたは超乾燥エア(露点が−40℃以下、好まし
くは−60℃以下で、窒素と酸素が4対1の割合で混合された気体)を導入して冷却を行
う。酸素ガスまたはN2Oガスには、水、水素などが含まれないことが望まれる。また、
酸素ガスまたはN2Oガスの純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(
99.99999%)以上、(すなわち酸素ガスまたはN2Oガス中の不純物濃度を1p
pm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが適切である。
hermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid Thermal
Anneal)装置などのRTA(Rapid Thermal Anneal)装置
を用いることができる。
る前後を問わず、酸化物半導体膜40に対して行うことができる。
化物半導体膜40全体を高抵抗化、すなわちI型化させる。
属膜70は、スパッタリング法や真空蒸着法などで成膜すればよい。また、金属膜70は
、単層構造であってもよいし、2層以上の積層構造であってもよい。
属酸化物膜60が形成される。
化物半導体膜40上に形成してもよい。
し、選択的にエッチングを行ってソース電極およびドレイン電極を形成した後、レジスト
マスクを除去する。
端部と、ドレイン電極の下端部との間隔幅によって決定される。すなわち、第3のフォト
リソグラフィ工程におけるレジストマスク形成時の露光の程度によって、薄膜トランジス
タのチャネル長Lが決定されるといえる。第3のフォトリソグラフィ工程におけるレジス
トマスク形成時の露光には、紫外線、KrFレーザ光ならびにArFレーザ光を用いるこ
とができる。また、チャネル長Lを25nm未満とする場合には、数nmないし数10n
mの極めて波長が短い超紫外線(Extreme Ultraviolet)を用いて露
光すればよい。超紫外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きいためである。した
がって、薄膜トランジスタのチャネル長Lは、露光に用いる光の種類によって、10nm
以上1000nm以下とすることが可能である。
ため、金属膜70の材料および酸化物半導体膜40の材料ならびにエッチング条件を適宜
調節する必要がある。
−Ga−Zn−O系酸化物半導体を用いた場合には、エッチャントとして過水アンモニア
水(アンモニア、水および過酸化水素水の混合液)を用いるとよい。
チングされることによって、溝部(凹部)を有する酸化物半導体膜40となることがあり
得る。また、ソース電極およびドレイン電極を形成するためのレジストマスクは、インク
ジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成すると、フォト
マスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
はアルゴン(Ar)などのガスを用いたプラズマ処理によって、露出している酸化物半導
体膜40の表面に付着した吸着水などを除去してもよい。当該プラズマ処理には、酸素お
よびアルゴンの混合ガスを用いることもできる。
一部に接する、絶縁膜80を形成する。図1に示す薄膜トランジスタでは、酸化物半導体
膜40が、金属膜70と重ならない領域において、酸化物半導体膜40と絶縁膜80とが
接するように形成されている。
を、室温ないし100℃未満の温度に加熱した後、水素および水分が除去された高純度酸
素を含むスパッタガスを導入し、シリコン半導体のターゲットを用いて成膜した、欠陥を
含む酸化シリコン膜があげられる。
導体膜40および絶縁膜80に水素、水酸基または水分が含まれないようにするためであ
る。
である。例として、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなど
があげられる。また、排気手段として、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを
用いることもできる。処理室内より、水素原子や、水(H2O)など水素原子を含む化合
物等を排気することにより、当該処理室において成膜した絶縁膜80に含まれる不純物の
濃度を低減できる。
ニウム膜または酸化窒化アルミニウム膜などを用いることもできる。
℃ないし400℃、好ましくは150℃以上350℃未満の加熱処理を行ってもよい。加
熱処理を行うと、酸化物半導体膜40中に含まれる水素、水分、水酸基または水素化物な
どの不純物が、欠陥を含む絶縁膜80中に拡散する。その結果、酸化物半導体膜40中に
含まれる不純物を、より低減させることができる。
図1に示す構成の薄膜トランジスタの、酸化物半導体膜40と金属膜70との界面にお
いて、金属酸化物膜60が形成される現象について計算科学により検証した結果を示す。
らなる膜である場合を考える。また、金属膜70は、タングステン(W)膜、モリブデン
(Mo)膜、チタン(Ti)膜のいずれかである場合を考える。
最初に、In−Ga−Zn−O系酸化物半導体を構成しているインジウム、ガリウム、
亜鉛それぞれの酸化物が、酸素欠損状態を形成するために必要なエネルギー(欠損形成エ
ネルギーEdef)を計算する。
O)は酸素分子のエネルギーの半分、E(AmOn)は酸素欠損のある酸化物AmOnの
エネルギーである。また、Aは、インジウム単独、ガリウム単独、亜鉛単独、インジウム
とガリウムと亜鉛、のいずれかがあてはまる。
で表される。
数、Tは絶対温度である。
わち酸素の欠損量は小さくなることが分かる。
Pを用いる。密度汎関数の方法として平面波基底擬ポテンシャル法を用い、汎関数はGG
APBEを用いる。カットオフエネルギーは、500eVを用いる。k点は、IGZOに
ついては3×3×1、In2O3については2×2×2、Ga2O3については2×3×
2、ZnOについては4×4×1のグリッドを用いる。
てa軸、b軸にそれぞれ2倍した84原子の構造に対して、Ga、Znをエネルギーが最
小になるように配置した構造を用いる。In2O3については80原子のbixbyit
e構造を、Ga2O3については80原子のβ−Gallia構造を、ZnOについては
80原子のウルツ構造を用いる。
、インジウムとガリウムと亜鉛の場合とした、欠損形成エネルギーEdefの値を示した
表である。
ムと亜鉛の場合に、IGZO結晶中において、インジウム3つと亜鉛1つに隣接する酸素
(図3(A)参照)についての値である。
ムと亜鉛の場合に、IGZO結晶中において、インジウム3つとガリウム1つに隣接する
酸素(図3(B)参照)についての値である。
ムと亜鉛の場合に、IGZO結晶中において、亜鉛2つとガリウム2つに隣接する酸素(
図3(C)参照)についての値である。
ネルギーが必要である。つまり、欠損形成エネルギーEdefの値が大きいほど、酸素と
の結合が強い傾向にあることを意味する。換言すれば、表1より、欠損形成エネルギーE
defの値が最も小さいインジウムが、最も酸素との結合が弱いといえる。
イン電極として用いられている金属膜70が、酸化物半導体膜40から酸素を引き抜くた
めに起こると考えられる。
次に、In−Ga−Zn−O系酸化物半導体膜40と、金属膜70との界面近傍におけ
る量子力学的に安定な構造モデルを、量子分子動力学(QMD)法により計算する。考察
どおり、金属による酸化物半導体からの酸素の引き抜きが起こっているか、確認するため
である。
たアモルファス構造のIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体(以下、「a−IGZO」と
記す)から、84原子In12Ga12Zn12O48を含む単位格子を抜き出し、量子
分子動力学(QMD)法により構造最適化を行う。さらに、構造最適化した単位格子を切
断することで得られるa−IGZO膜上に、金属原子(W、Mo、Ti)の結晶を有する
金属膜を積層し、構造最適化を行う。この構造を出発点として、623.0Kで、量子分
子動力学(QMD)法を用いて計算を行う。なお、界面の相互作用だけを見積もるために
、a−IGZO膜の下端と金属膜の上端は固定している。
s Explorerを用いる。a−IGZOは、次の条件で作製する。一辺1nmの計
算セルに、In:Ga:Zn:O=1:1:1:4の比率で全84原子をランダムに配置
し、密度を5.9g/cm3に設定する。NVTアンサンブルで、温度を5500Kから
1Kに徐々に下げる。時間刻み幅は0.1fsで、総計算時間は10nsとする。ポテン
シャルは、金属−酸素間および酸素−酸素間にはBorn−Mayer−Huggins
型を適用し、金属−金属間にはUFF型を適用する。電荷は、In:+3、Ga:+3、
Zn:+2、O:−2とする。
TEPを用いる。汎関数はGGAPBEを用いる。擬ポテンシャルはUltrasoft
を用いる。カットオフエネルギーは260eV、k点の数は1×1×1とする。MD計算
は、NVTアンサンブルで行い、温度は623Kとする。時間刻み幅は1.0fsで、総
計算時間は2.0psとする。
表し、黒丸は酸素原子を表している。
の構造モデルを示している。図4(A)はQMD法による計算前の構造、図4(B)はQ
MD法による計算後の構造に相当する。
の構造モデルを示している。図5(A)はQMD法による計算前の構造、図5(B)はQ
MD法による計算後の構造に相当する。
造モデルを示している。図6(A)はQMD法による計算前の構造、図6(B)はQMD
法による計算後の構造に相当する。
を有する金属膜を積層した場合には、構造最適化時において、すでに金属膜に移動した酸
素が見られることがわかる。また、図4(B),図5(B)および図6(B)を比較する
と、a−IGZO膜上にチタンの結晶を有する金属膜を積層した場合に、最も酸素の移動
が見られることがわかる。したがって、a−IGZO膜に酸素欠損をもたらす電極として
最適なものは、チタンの結晶を有する金属膜であると考えられる。
次に、金属膜70による酸化物半導体膜40からの酸素の引き抜きについて、実際に素
子を作製し、評価する。具体的には、酸素引き抜きの効果を有する金属膜を酸化物半導体
膜に積層形成する場合と、酸素引き抜きの効果を有さない金属膜を酸化物半導体膜に積層
形成する場合の、酸化物半導体膜40中のキャリア密度を計算し、結果を比較する。
し、当該MOSキャパシタのCV測定の結果(CV特性)を評価することで求めることが
可能である。
ゲート電圧Vgと、容量Cとの関係をプロットしたC−V特性を取得する。(2)当該C
−V特性からゲート電圧Vgと、(1/C)2との関係を表すグラフを取得し、当該グラ
フにおいて弱反転領域での(1/C)2の微分値を求める。(3)得られた微分値を、キ
ャリア密度Ndを表す以下の式(3)に代入する。
(以下、「試料1」と記す)と、酸素引き抜きの効果を有さない金属膜を用いたMOSキ
ャパシタ(以下、「試料2」と記す)とを用意する。なお、酸素引き抜きの効果を有する
金属膜として、チタン膜を適用した。また、酸素引き抜きの効果を有さない金属膜として
、チタン膜の表面(酸化物半導体膜側)に窒化チタン膜を有する膜を適用した。
試料1:
ガラス基板上に400nmの厚さのチタン膜を有し、チタン膜上にIn−Ga−Zn−O
系の酸化物半導体(a−IGZO)を用いた2μmの厚さの酸化物半導体膜を有し、酸化
物半導体膜上に300nmの厚さの酸窒化珪素膜を有し、酸窒化珪素膜上に300nmの
銀膜を有する。
試料2:
ガラス基板上にチタン膜を300nmの厚さのチタン膜を有し、チタン膜上に100nm
の厚さの窒化チタン膜を有し、窒化チタン膜上にIn−Ga−Zn−O系の酸化物半導体
(a−IGZO)を用いた2μmの厚さの酸化物半導体膜を有し、酸化物半導体膜上に3
00nmの厚さの酸窒化珪素膜を有し、酸窒化珪素膜上に300nmの銀膜を有する。
ム(Ga)および亜鉛(Zn)を含む酸化物半導体ターゲット(In:Ga:Zn=1:
1:0.5[atom%])を用いたスパッタリング法により形成した。また、酸化物半
導体膜の形成雰囲気は、アルゴン(Ar)と酸素(O2)との混合雰囲気(Ar:O2=
30(sccm):15(sccm))とした。
と、(1/C)2との関係を示している。図7(B)の弱反転領域における(1/C)2
の微分値を、式(3)に代入すると、酸化物半導体膜中のキャリア密度1.8×1012
/cm3が得られる。
と、(1/C)2との関係を示している。図8(B)の弱反転領域における(1/C)2
の微分値を、式(3)に代入すると、酸化物半導体膜中のキャリア密度6.0×1010
/cm3が得られる。
1)と、酸素引き抜きの効果を有さない金属膜を用いたMOSキャパシタ(試料2)では
、酸化物半導体膜中のキャリア密度が少なくとも2桁異なることがわかる。これより、金
属膜によって酸化物半導体膜から酸素が引き抜かれ、酸化物半導体膜における酸素欠損が
増加した結果、金属膜近傍の酸化物半導体膜がn化したことが示唆される。なお、n化と
は、多数キャリアである電子が増加することを意味する。
上記の計算結果を参酌し、図1に示す構成の薄膜トランジスタにおいて、金属膜70が
チタンの結晶を有する金属膜である場合を考える。
同じ)とチタン膜(金属膜70)との界面には、チタンに引き抜かれた酸素がチタンと反
応することにより、酸化チタン膜(金属酸化物膜60)が形成されると考えられる。続い
ては、この酸化チタン膜の導電性について、計算科学により検証した結果を示す。
、ブルッカイト構造(斜方晶)など、いくつかの結晶構造をとる。アナターゼ型およびブ
ルッカイト型は、加熱すると最も安定な構造のルチル型に不可逆的に変化することから、
上記二酸化チタンはルチル構造をとるものと仮定する。
方晶であり、結晶の対称性を示す空間群はI42/mnmに属する。なお、アナターゼ構
造の酸化チタンも、ルチル構造と同様に、結晶の対称性を示す空間群はI42/mnmに
属する。
態密度を求める計算を行う。対称性は維持したまま、セル構造も含めた構造最適化を行う
。密度汎関数計算には、CASTEPコードに導入された平面波擬ポテンシャル法を用い
る。カットオフエネルギーは380eVを用いる。
、ルチル構造を有する二酸化チタンはバンドギャップを有しており、半導体に近い状態密
度を有することがわかる。なお、密度汎関数法ではバンドギャップが小さく見積もられる
傾向にあり、実際の二酸化チタンのバンドギャップは3.0eV程度と、図10の状態密
度図に示すバンドギャップよりも大きい。
る。計算には、Ti24原子およびO48原子を有する酸化チタンから、O原子を一つ抜
いたTi24原子およびO47原子を有する酸化チタンを、モデルとして用いた。図11
に示すように、酸素欠損がある場合のフェルミ準位は、バンドギャップの上に移動してい
る。これより、二酸化チタンがn型の導電性を示すことがわかる。
チタンは金属に近い状態密度を有することがわかる。
の状態密度図および図12に示す一酸化チタンの状態密度図より、酸素欠損を有する二酸
化チタン(TiO2−δ)は、0<δ<1の範囲にわたってn型の導電性を有するものと
予測できる。したがって、酸化チタン膜(金属酸化物膜60)の組成が、二酸化チタン、
一酸化チタンまたは酸素欠損を有する二酸化チタンのいずれを含んだものであっても、I
n−Ga−Zn−O系酸化物半導体膜(酸化物半導体膜40)とチタン膜(金属膜70)
との間の電流の流れは、阻害されにくいものと考えられる。
実施の形態1に示す薄膜トランジスタは、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用
することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置(テレビ、またはテレ
ビジョン受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビ
デオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう)
、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機、太陽
電池などがあげられる。
示している。この携帯電話機は、筐体120に組み込まれた表示部121を備えている。
、電話を掛ける、あるいはメールを打つなどの操作も、表示部121を指などで触れるこ
とにより行うことができる。
膜トランジスタを複数配置することで、この携帯電話機の性能を高めることができる。
一例を示している。このテレビジョン装置は、筐体130に表示部131が組み込まれて
いる。
膜トランジスタを複数配置することで、このテレビジョン装置の性能を高めることができ
る。
パネルに配置することで、その電子機器の性能を高めることができる。
透過型電子顕微鏡(TEM,Hitachi H−9000NAR,300kV)で観察
した写真である。なお、符号は図1と共通する。
酸化物半導体膜を50nm成膜後、窒素雰囲気下において第1の加熱処理(650℃,1
時間)を行い、その後金属膜70としてチタン膜を150nm成膜したものである。
確認できる。なお、FFTM(Fast Fourier Transform Map
ping)法を用いた解析の結果、この薄膜トランジスタの金属酸化物膜60として、酸
化チタン膜が形成されていた。
20 ゲート電極
30 ゲート絶縁膜
40 酸化物半導体膜
60 金属酸化物膜
70 金属膜
Claims (2)
- インジウムとガリウムと亜鉛とを有する酸化物半導体膜を有し、
前記酸化物半導体膜は、第1の領域と、第2の領域と、第3の領域とを有し、
前記酸化物半導体膜上において、前記第1の領域と重なる第1の金属膜と、
前記酸化物半導体膜上において、前記第2の領域と重なる第2の金属膜と、
前記第1の領域と前記第2の領域との間の前記第3の領域と重なり、且つ前記酸化物半導体膜上面と接する絶縁膜と、を有し、
前記絶縁膜は、前記第1の金属膜上面及び前記第2の金属膜上面と接し、
前記酸化物半導体膜と前記第1の金属膜との界面には、第1の金属酸化物膜があり、
前記酸化物半導体膜と前記第2の金属膜との界面には、第2の金属酸化物膜があることを特徴とするトランジスタ。 - インジウムとガリウムと亜鉛とを有する酸化物半導体膜を形成し、
前記酸化物半導体膜上面を覆うように、金属膜を形成し、
前記金属膜を選択的にエッチングして、第1の金属膜と第2の金属膜を形成し、
前記第1の金属膜は、前記酸化物半導体膜の第1の領域と重なり、
前記第2の金属膜は、前記酸化物半導体膜の第2の領域と重なり、
前記第1の金属膜及び前記第2の金属膜は、前記酸化物半導体膜の第3の領域とは重ならず、
前記酸化物半導体膜の前記第1の金属膜及び前記第2の金属膜から露出している表面であって且つ前記第3の領域に、プラズマ処理を行い、
前記プラズマ処理後、前記第1の金属膜上、前記第2の金属膜上、前記第3の領域と接する絶縁膜を形成し、
前記絶縁膜形成後、加熱処理を行い、
前記第1の金属膜と前記酸化物半導体膜との界面には、前記第1の金属膜の一部が酸化された第1の金属酸化物膜があり、
前記第2の金属膜と前記酸化物半導体膜との界面には、前記第2の金属膜の一部が酸化された第2の金属酸化物膜があることを特徴とするトランジスタの作製方法。
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