(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｒ（ストロンチウム）及びＢａ（バリウム）のうちいずれか一つと、Ｉｎ（インジウム）と、Ｚｎ（亜鉛）と、酸素とを含み、
前記Ｓｒを含む場合、前記Ｓｒを含むＳｒＯの添加量が７０モル％未満であり、
前記Ｂａを含む場合、前記Ｂａを含むＢａＯの添加量が２０モル％未満である、
アモルファス酸化物半導体。
【請求項２】
前記Ｓｒを含む場合、前記Ｓｒ（ストロンチウム）を含むＳｒＯの添加量が０．５モル％より大きい
請求項１に記載のアモルファス酸化物半導体。
【請求項３】
前記ＳｒＯの添加量が１モル％より大きい
請求項２に記載のアモルファス酸化物半導体。
【請求項４】
前記Ｓｒを含む場合、Ｓｒ（ストロンチウム）を含むＳｒＯの添加量が５０モル％未満である
請求項１に記載のアモルファス酸化物半導体。
【請求項５】
前記ＳｒＯの添加量が２０モル％未満である
請求項４に記載のアモルファス酸化物半導体。
【請求項６】
Ｓｒ（ストロンチウム）及びＢａ（バリウム）のうちいずれか一つと、Ｉｎ（インジウム）と、Ｚｎ（亜鉛）と、酸素と、を含み、前記Ｓｒを含む場合、前記Ｓｒを含むＳｒＯの添加量が７０モル％未満であり、前記Ｂａを含む場合、前記Ｂａを含むＢａＯの添加量が２０モル％未満である、アモルファス酸化物半導体からなるチャネル層を備える
電界効果型トランジスタ。
【請求項７】
Ｓｒ（ストロンチウム）及びＢａ（バリウム）のうちいずれか一つと、基板上に、Ｉｎ（インジウム）と、Ｚｎ（亜鉛）と、酸素と、を含み、前記Ｓｒを含む場合、前記Ｓｒを含むＳｒＯの添加量が７０モル％未満であり、前記Ｂａを含む場合、前記Ｂａを含むＢａＯの添加量が２０モル％未満である、アモルファス酸化物半導体層を形成する
アモルファス酸化物半導体の製造方法。
【請求項８】
Ｉｎ（インジウム）、Ｚｎ（亜鉛）、及びＳｒ（ストロンチウム）及びＢａ（バリウム）のうちいずれか一つ、が溶液から基板に蒸着される
請求項７に記載のアモルファス酸化物半導体の製造方法。
【請求項９】
Ｉｎ（インジウム）、Ｚｎ（亜鉛）、及びＳｒ（ストロンチウム）及びＢａ（バリウム）のうちいずれか一つが、金属メトキシド（−ＯＭｅ）、エトキシド（−ＯＥｔ）、Ｎ−プロポキシド（−ＯＰｒｎ）、イソプロポキシド（−ＯＰｒｉ）、ｎ−ブトキシド（−ＯＢｕｎ）、ｓ−ブトキシド（−ＯＢｕｓ）、ｉ−ブトキシド（−ＯＢｕｉ）及びｔ−ブトキシド（−ＯＢｕｔ）等の金属アルコキシド化合物の溶液；金属メトキシエタノール（−ＯＣＨ２ＣＨ２ＯＣＨ３）及びエトキシエタノール（−ＯＣＨ２ＣＨ２ＯＣ２Ｈ５）等の金属キレートアルコキシドの溶液；又はヒドロキシ基（−ＯＨ）を持つ有機化合物等の金属水酸化物の溶液から基板に蒸着される
請求項８に記載のアモルファス酸化物半導体の製造方法。
【請求項１０】
Ｉｎ（インジウム）、Ｚｎ（亜鉛）、及びＳｒ（ストロンチウム）及びＢａ（バリウム）のうちいずれか一つが、真空蒸着、化学蒸着、又は原子層蒸着によって基板に蒸着される
請求項７に記載のアモルファス酸化物半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物半導体に関し、特にアモルファス酸化物半導体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代の電界効果型薄膜トランジスタ（ＴＦＴｓ）用の半導体層としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体（ＩＧＺＯ）を代表とするアモルファス酸化物半導体が注目を集めている。このような半導体は、アモルファスベースであるため均一性に優れており、移動度の面でも高性能液晶や有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）で要求される３−２０ｃｍ２／Ｖｓを実現し得る材料である。例えば、特許文献１、２及び３においては、ＩＧＺＯをチャネル層に用いたトランジスタが開示されている。また最近では、ＩＧＺＯをベースにしたＴＦＴについて、テレビ用途に必要とされるＴＦＴの安定性及び優れたΔＶｔ特性が得られたとの報告がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２９号公報
【特許文献２】特開２００７−７３７０５号公報
【特許文献３】特開２００７−２８１４０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、Ｉｎ（インジウム）及びＺｎ（亜鉛）の少なくともいずれか一方を含むＩＧＺＯ等の酸化物半導体においてはＩｎ（インジウム）又はＺｎ（亜鉛）が電子のトランスポートを行う役割を担い、Ｇａ（ガリウム）が内部のＯ（酸素）が抜けないようにし材料の安定性を保つ役割を担っている。しかしながら、Ｇａ（ガリウム）では酸化物半導体におけるＯ（酸素）の抜けを十分に防止することができない。その結果、例えばＩＧＺＯをチャネル層に用いた電界効果トランジスタ(ＦＥＴ)等のトランジスタでは、Ｏ（酸素）の抜けによりチャネル層のキャリア濃度が変化し、閾値電圧Ｖｔ等のトランジスタ特性が変化するため、デバイスの安定性を実現することができない。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、優れた安定性を持つデバイスを実現可能な安定性の高い酸化物半導体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の酸化物半導体は、Ｉｎ（インジウム）、Ｚｎ（亜鉛）及びＳｎ（錫）の少なくともいずれか一つと、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の少なくともいずれか一方と、酸素とを含むことを特徴とする。
【０００７】
これにより、本発明の酸化物半導体はＧａ（ガリウム）と比較して酸素親和性の高いアルカリ金属及びアルカリ土類金属の少なくとも一つを含有する。従って、Ｏ（酸素）の抜けを十分抑えて優れた安定性を持つデバイスを実現可能な安定性の高い酸化物半導体を実現することができる。
【０００８】
また、アルカリ金属及びアルカリ土類金属はＯ（酸素）との親和性が大きいことから、酸化物形成のための自由エネルギーの大きな変化を有しやすく、更なる酸化を抑えることができ、酸素空乏消失によるキャリア濃度の不安定さを抑える安定性の高い酸化物半導体を実現することができる。
【０００９】
ここで、前記酸化物半導体はアモルファスであるのが好ましい。更に、前記アルカリ金属及びアルカリ土類金属の少なくとも一方は、Ｇａ（ガリウム）のイオン半径よりも大きいイオン半径を有することが好ましい。
【００１０】
これにより、酸化物半導体は、Ｇａ（ガリウム）のみを有する場合と比較してアモルファス化し易いアルカリ金属及びアルカリ土類金属を含有する。従って、結晶相と関連付けられる粒子境界を有さないことにより、又はほとんど有さないことにより実現される均一性と安定性とに優れた酸化物半導体を実現することができる。
【００１１】
また、本発明は、Ｉｎ（インジウム）、Ｚｎ（亜鉛）及びＳｎ（錫）の少なくともいずれか一つと、アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属の少なくともいずれか一方と、酸素とを含む酸化物半導体から構成されるチャネル層を備えることを特徴とする電界効果型トランジスタとすることもできる。
【００１２】
これにより、チャネル層がアルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属の少なくとも一つが添加又は結合された酸化物半導体から構成される。すなわち、酸化物半導体材料は、アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属の少なくとも一つが添加される。従って、チャネル層におけるＯ（酸素）の抜けが十分抑えられ、使用と共にＯ（酸素）が抜けてチャネル層のキャリア濃度が変化し、閾値電圧Ｖｔ等のトランジスタ特性が変化することが抑えられる。その結果、優れた安定性を持つ電界効果トランジスタ(ＦＥＴｓ)が実現される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、安定性の高い酸化物半導体を実現できるので、優れた安定性を持つデバイスを実現できる。また、均一性の高い酸化物半導体を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本願におけるこれらの目的および他の目的や、効果、特徴は、実施の形態を示す付属図面に関する以下の説明から明確になる。当該図面において、
【図１】本発明の実施の形態の実施例に係る電界効果型トランジスタの構造を示す断面図である。
【図２Ａ】Ｉｎ−Ｓｒ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体においてＩｎ２Ｏ３：ＳｒＯ：ＺｎＯの組成比を変化させたときの移動度の変化を示す図である。
【図２Ｂ】Ｉｎ２Ｏ３：ＳｒＯ：ＺｎＯの組成比を変化させたときの電界効果型トランジスタのＯＮ／ＯＦＦ比の変化を示す図である。
【図３】Ｉｎ−Ｓｒ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体においてＳｒＯの添加量を変化させたときの移動度の変化を示す図である。
【図４】チャネル層の材料が異なる複数の電界効果型トランジスタの閾値電圧の変化を示す図である。
【図５】β値及び−ΔＧの関係を示す図である。
【図６Ａ】電界効果型トランジスタにおいてゲート−ソース間の電圧を変化させたときのドレイン電流及び移動度の変化を示す図である。
【図６Ｂ】電界効果型トランジスタにおいてゲート−ソース間の電圧を変化させたときのドレイン電流及び移動度の変化を示す図である。
【図６Ｃ】電界効果型トランジスタにおいてゲート−ソース間の電圧を変化させたときのドレイン電流及び移動度の変化を示す図である。
【図６Ｄ】電界効果型トランジスタにおいてゲート−ソース間の電圧を変化させたときのドレイン電流及び移動度の変化を示す図である。
【図６Ｅ】電界効果型トランジスタにおいてゲート−ソース間の電圧を変化させたときのドレイン電流及び移動度の変化を示す図である。
【図７Ａ】電界効果型トランジスタにおいてゲート−ソース間の電圧を変化させたときのドレイン電流及び移動度の変化を示す図である。
【図７Ｂ】電界効果型トランジスタにおいてゲート−ソース間の電圧を変化させたときのドレイン電流及び移動度の変化を示す図である。
【図７Ｃ】電界効果型トランジスタにおいてゲート−ソース間の電圧を変化させたときのドレイン電流及び移動度の変化を示す図である。
【図７Ｄ】電界効果型トランジスタにおいてゲート−ソース間の電圧を変化させたときのドレイン電流及び移動度の変化を示す図である。
【図８】電界効果型トランジスタにおいてゲート−ソース間の電圧を変化させたときのドレイン電流及び移動度の変化を示す図である。
【図９Ａ】電界効果型トランジスタにおける移動度のＩＺＯに対するＳｒＯ、ＢａＯ及びＧａ２Ｏ３の添加量依存性を示す図である。
【図９Ｂ】電界効果型トランジスタにおいてドレイン電流が１０ｎＡであるときのゲート−ソース間電圧のヒステリシスのＩＺＯに対するＳｒＯ、ＢａＯ及びＧａ２Ｏ３の添加量依存性を示す図である。
【図９Ｃ】電界効果型トランジスタにおけるサブスレッショルドスロープＳが最小となる（＠Ｓｍｉｎ）電圧をオン特性開始電圧Ｖｏｎとしたときの該ＶｏｎのＩＺＯに対するＳｒＯ、ＢａＯ及びＧａ２Ｏ３の添加量依存性を示す図である。
【図９Ｄ】電界効果型トランジスタにおけるスイッチ特性の立ち上がりを示すサブスレッショルドスロープＳのＩＺＯに対するＳｒＯ、ＢａＯ、Ｇａ２Ｏ３の添加量依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態における酸化物半導体について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態の酸化物半導体は、Ｉｎ（インジウム）、Ｚｎ（亜鉛）及びＳｎ（錫）の少なくともいずれか一つと、アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属の少なくともいずれか一方と、酸素とを含むアモルファス酸化物半導体である。
【００１６】
アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化状態において最外殻のｓ軌道が空になる元素である。アルカリ金属及びアルカリ土類金属はＩｎ（インジウム）及びＺｎ（亜鉛）とｓ軌道を共有して使用することができ、優れた電気伝導度を有する酸化物半導体が実現される。アルカリ金属とは、具体的にＬｉ（リチウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｋ（カリウム）、Ｒｂ（ルビジウム）及びＣｓ（セシウム）の第１族元素である。また、アルカリ土類金属とは、具体的にＢｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）及びＢａ（バリウム）の第２族元素である。
【００１７】
アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、Ｇａ（ガリウム）よりもイオン半径が大きく、Ｉｎ（インジウム）、Ｚｎ（亜鉛）及びＳｎ（錫）とのイオン半径の差が大きい元素であるため、本実施の形態の酸化物半導体はＩＧＺＯよりもアモルファス化し易い。
【００１８】
アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、ほとんどの元素において、酸化自由エネルギー変化量ΔＧがＧａ（ガリウム）の変化量ΔＧ（３．８ｅＶ／酸素原子Ｏ）よりも大きい。酸化自由エネルギー変化量ΔＧとは、室温での酸化物形成に必要なエネルギーを示すものであり、酸化物の還元プロセスに必要なエネルギーと言い換えることができる。このように、酸化物半導体はＩＧＺＯよりもＯ（酸素）の抜けもしくは現在の化学結合以外の他の元素との結合が発生し難い。なお、酸化自由エネルギー変化量ΔＧは、ΔＨを化合物形成エンタルピー変化量とし、ΔＳを化合物形成エントロピー変化量として下記の式（１）により表される。
【００１９】
ΔＧ＝ΔＨ−ＴΔＳ・・・・式（１）
【００２０】
上記構造を有する酸化物半導体は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法、及び熱蒸着法等の気相法、又はゾルゲル法、ゲル化プロセスを経ない原料（前駆体）からの分解法及びエアロジェル法等の湿式法により作製される。
【００２１】
スパッタリング法、ＰＬＤ法及び熱蒸着法による作製においては、金属、金属合金、金属酸化物及び酸化物がターゲット材料として用いられる。
【００２２】
ＣＶＤ法又は湿式法による作製においては、メトキシド（−ＯＭｅ）、エトキシド（−ＯＥｔ）、Ｎ−プロポキシド（−ＯＰｒｎ）、イソプロポキシド（−ＯＰｒｉ）、ｎ−ブトキシド（−ＯＢｕｎ）、ｓ−ブトキシド（−ＯＢｕｓ）、ｉ−ブトキシド（−ＯＢｕｉ）及びｔ−ブトキシド（−ＯＢｕｔ）等の金属アルコキシド化合物と、メトキシエタノール（−ＯＣＨ２ＣＨ２ＯＣＨ３）及びエトキシエタノール（−ＯＣＨ２ＣＨ２ＯＣ２Ｈ５）等のキレートアルコキシドと、ヒドロキシ基（−ＯＨ）を持つ有機化合物等の水酸化物と、アルコール、エチル、エステル及び水等の溶媒とを所望の濃度及び組成で混合したものが印刷用溶液として用いられる。ＣＶＤ法による作製においては、湿式法による作製において用いられるもののうち、蒸気圧の低いものが用いられる。
【００２３】
湿式法による作製においては、インクジェット印刷、スリットコータ印刷、スクリーン印刷、フレクソ印刷、ロータグラビア印刷、パッド印刷及びオフセット印刷等が印刷方法として用いられる。
【００２４】
以上のように本実施の形態の酸化物半導体は、Ｇａ（ガリウム）と比較して酸素親和性の高いアルカリ金属及びアルカリ土類金属の少なくとも一つを含有する。従って、Ｏ（酸素）の抜けを十分抑えてＯ（酸素）の抜けに起因するデバイス特性の変化又は変更を防止することが可能な、つまり優れた安定性を持つデバイスを実現可能な安定性の高い酸化物半導体を実現することができる。
【００２５】
また、本実施の形態の酸化物半導体は、Ｇａ（ガリウム）のみを有する場合と比較してアモルファス化し易いアルカリ金属及びアルカリ土類金属（たとえば第三元素又は第四元素）を少なくとも一つ含有する。従って、均一性に優れた安定性の高い酸化物半導体を実現することができる。
【００２６】
（実施例）
本実施の形態の酸化物半導体の応用例を、実施例によって示す。
【００２７】
図１は、本実施例に係る電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）の構造を示す断面図である。
【００２８】
このＦＥＴは、逆スタガ型（ボトムゲート型）の薄膜トランジスタＴＦＴであって、ガラス基板１０と、ゲート電極１１と、ゲート絶縁膜１２と、チャネル層１３と、ソース電極１４と、ドレイン電極１５と、パッシベーション膜１６とから構成される。
【００２９】
ゲート電極１１はガラス基板１０上に形成されたＭｏ（モリブデン）から構成され、ゲート絶縁膜１２はＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  ＣＶＤ）法によりゲート電極１１を覆う形でガラス基板１０上に形成されたＳｉＯ２から構成される。
【００３０】
チャネル層１３は、ゲート絶縁膜１２上にゲート電極１１と対向する形で形成された酸化物半導体から構成される。該酸化物半導体は本実施の形態に係るものであり、具体的にはＩｎ２Ｏ３：ＭＯＸ：ＺｎＯ（ＭはＳｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｋ（カリウム）、Ｒｂ（ルビジウム）及びＣｓ（セシウム）のうち少なくとも１種）組成のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体及びＳｎＯ２：ＭＯＸ：ＺｎＯ組成のＳｎ−Ｍ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体、及びＳｎＯ２：ＭＯＸ：ＳｂＯ組成のＳｎ−Ｍ−Ｓｂ−Ｏ酸化物半導体である。あるいは、２種類のメタルで構成される、Ｉｎ−Ｍ−Ｏ酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍ−Ｏ酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍ−Ｏ酸化物半導体である。
【００３１】
ソース電極１４及びドレイン電極１５はチャネル層１３上に形成され、パッシベーション膜１６はゲート電極１１、ゲート絶縁膜１２、チャネル層１３、ソース電極１４及びドレイン電極１５を覆う形でガラス基板１０上に形成される。
【００３２】
以下に上記構造を有するＦＥＴの特性の評価結果を示す。
【００３３】
図２Ａは、チャネル層を構成するＩｎ−Ｓｒ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体においてＩｎ２Ｏ３：ＳｒＯ：ＺｎＯの組成比を変化させたときの移動度の変化を示す図である。また、図２Ｂは、チャネル層を構成するＩｎ−Ｓｒ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体においてＩｎ２Ｏ３：ＳｒＯ：ＺｎＯの組成比を変化させたときのＦＥＴのＯＮ／ＯＦＦ比の変化を示す図である。
【００３４】
図２Ａより、Ｉｎ２Ｏ３：ＺｎＯの組成比は８０：２０〜４０：６０のモル比程度で１ｃｍ２／Ｖｓより大きな移動度が得られ、更には７０：３０のモル比前後で高移動度が得られることがわかる。しかし、デバイス構造の最適化や膜厚の増大により、移動度は２〜３倍程度向上する。従って、上述したモル比以外の組成比でも十分な移動度は得られることから、プロセスや用途によってＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯの組成比として１００：０〜０：１００の間のモル比を選択できる。ただし、通常はＩｎ２Ｏ３もしくはＺｎ（亜鉛）が９０〜１００モル％程度の範囲では、半導体が結晶化しやすくなり、結晶粒界が電気特性を阻害する場合がある。なお、１ｃｍ２／Ｖｓという移動度の値は、有機ＥＬなどの電流駆動（液晶は電圧駆動）を必要とするデバイスで少なくとも必要とされる値である。
【００３５】
また、図２Ａより、Ｉｎ２Ｏ３：ＺｎＯのモル比によらず、ＳｒＯの添加量が５０モル％より低いときには１ｃｍ２／Ｖｓより大きな移動度が得られることがわかる。そして、半導体膜固有の抵抗を減少させるためにデバイス構造の最適化や膜厚を減少（又は増大）させることにより、移動度は２〜３倍程度向上する。従って、移動度が１ｃｍ２／Ｖｓ以上を示すように、チャネル層を構成するＩｎ−Ｓｒ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体において、ＳｒＯは、７０モル％より低く添加されることが望ましい。より確実には、図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、ＳｒＯは、５０モル％より低く添加されることが望ましい。一方、少なくとも酸素親和性の高い元素を添加することによる安定性の効果を得るために、ＳｒＯは、０モル％より高く添加される必要がある。なお、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍ−Ｏ酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍ−Ｏ酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍ−Ｓｂ−Ｏ酸化物半導体及びＳｎ−Ｍ−Ｏ酸化物半導体も同様に、酸素の出入りを抑えるためにＭの量として前述と同様のものを選択することができる。
【００３６】
図２Ｂより、Ｉｎ２Ｏ３：ＳｒＯ：ＺｎＯのいずれの組成比においても１０６以上のＯＮ／ＯＦＦ比が得られており、ＯＮ／ＯＦＦ比については組成比が問題とならないことがわかる。
【００３７】
図３は、チャネル層を構成するＩｎ−Ｓｒ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体（Ｉｎ２Ｏ３：ＺｎＯの組成比は８０：２０及び７０：３０）においてＳｒＯの添加量を変化させたときの移動度の変化を示す図である。図３において縦軸は移動度を示し、横軸はＳｒＯの添加量を示している。
【００３８】
図３より、Ｉｎ２Ｏ３：ＺｎＯの組成比によらず、０．５モル％でもＳｒＯを添加することで、つまりＳｒＯの添加という事実をもって１ｃｍ２／Ｖｓ以上の移動度が得られることがわかる。従って、移動度が確実に１ｃｍ２／Ｖｓ以上を示すように、チャネル層を構成するＩｎ−Ｓｒ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体において、ＳｒＯは、０．５モル％以上添加されることが望ましい。
【００３９】
図４は、チャネル層の材料が異なる複数のＦＥＴ（サンプル）の閾値電圧の変化を示す図である。図４において縦軸は下記の式（２）から得られる閾値電圧の変化量を示し、横軸はゲート−ソース間に４０Ｖを印加し、かつＦＥＴのソース−ドレイン間に５Ｖを印加した総時間（ストレス時間）を示している。なお、式（２）においてＶＧは印加ゲート電圧であり、ＶＴ０はバイアスストレス初期の初期閾値電圧であり、ｔはゲート−ソース間に４０Ｖを印加し、かつＦＥＴのソース−ドレイン間に５Ｖを印加した総時間であり、τｓは時定数である。また、「ｕｎｄｏｐｅｄ」は酸化物半導体（ＩＺＯ）でチャネル層が構成されるものの変化を示し、「５％Ｇａ２Ｏ３」はＧａ２Ｏ３が５モル％添加されたＩＺＯでチャネル層が構成されるものの変化を示している。そして、「５％ＳｒＯ」はＳｒＯが５モル％添加されたＩＺＯでチャネル層が構成されるものの変化を示し、「５％ＢａＯ」はＢａＯが５モル％添加されたＩＺＯでチャネル層が構成されるものの変化を示している。
【００４０】
ΔＶＴ＝（ＶＧ−ＶＴ０）（１−ｅｘｐ（−（ｔ／τｓ）β））・・・式（２）
【００４１】
図４及び式（２）から各サンプルにおけるβの値を示す表１が得られる。βは小さいほどΔＶＴが小さく抑えられること、つまり閾値電圧の変化が小さく抑えられることを示している。表１においてアルカリ土類金属が添加されたＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴ、つまり本実施例のＦＥＴのβの値（０．２８及び０．３９）は、従来のＧａ（ガリウム）が添加されたＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴのβの値（０．４２）より低い。従って、閾値電圧の変化について、本実施例のＦＥＴは従来のＦＥＴより優れた特性を有していることがわかる。
【００４２】
【表１】
0005508518.tif 000002
【００４３】
図５は、縦軸にＦＥＴの安定性の指針であるβ値、横軸に酸素との親和性との相関がある−ΔＧ（酸化物形成のための自由エネルギー変化）を示す図である。図５において、「Ｇａ（ガリウム）」は表１の「５％Ｇａ２Ｏ３」のサンプルを示し、「Ｓｒ（ストロンチウム）」は表１の「５％ＳｒＯ」のサンプルを示し、「Ｂａ（バリウム）」は表１の「５％ＢａＯ」のサンプルを示している。
【００４４】
図５から、−ΔＧが大きいほど、すなわち酸素親和性が高いほど、β値が小さく、すなわち安定なＦＥＴであることがわかる。従って、従来のＩＧＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴに対して閾値電圧の変化を小さく抑えるためには、−ΔＧがＧａ（ガリウム）の３．８ｅＶ／Ｏよりも大きいアルカリ金属及びアルカリ土類金属の少なくとも一つ、特にはＢａ（バリウム）の５．９ｅＶ／Ｏ以上のアルカリ金属及びアルカリ土類金属の少なくとも一つが添加されたＩＺＯをチャネル層に用いる必要がある。
【００４５】
図６Ａ〜図８は、チャネル層の材料が異なる複数のＦＥＴにおいてソース−ドレイン間に５Ｖを印加し、ゲート−ソース間の電圧を変化させたときのドレイン電流及び移動度の変化を示す図である。図６Ａ〜図８において左側の縦軸はドレイン電流を示し、右側の縦軸は移動度を示し、横軸はゲート−ソース間の電圧を示している。そして、破線の一方はＦＥＴの初期状態でのドレイン電流のゲート−ソース間の電圧依存性を示し、破線の他方はゲート−ソース間に４０Ｖ、ソース−ドレイン間に５Ｖを所定時間印加し続けた後のドレイン電流のゲート−ソース間の電圧依存性を示している。また、点線はゲート−ソース間に４０Ｖ、ソース−ドレイン間に５Ｖを所定時間印加し続けた後の移動度のゲート−ソース間の電圧依存性を示している。
【００４６】
図６Ａは、Ｉｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝７０：３０のモル比のＩＺＯでチャネル層が構成されるＦＥＴの特性変化を示している。一方、図６Ｂは、ＳｒＯが１モル％添加されたＩＺＯでチャネル層が構成されるものの変化を示している。同様に、図６Ｃ、図６Ｄ及び図６Ｅは、それぞれＳｒＯが５モル％、１０モル％及び２０モル％添加されたＩＺＯでチャネル層が構成されるＦＥＴの特性変化を示している。また、図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれＧａ２Ｏ３が１モル％及び１０モル％添加されたＩＺＯでチャネル層が構成されるＦＥＴの特性変化を示している。さらに、図７Ｃ及び図７Ｄは、それぞれＢａＯが１モル％又は１０モル％添加されたＩＺＯでチャネル層が構成されるＦＥＴの特性変化を示している。さらにまた、図８は、ＳｒＯが５モル％添加されたＩｎ２Ｏ３でチャネル層が構成されるＦＥＴの特性変化を示している。
【００４７】
図６Ａ〜図８から、表２に示されるトランジスタの特性を表す各種値が導出される。表２において、「ｕｎｄｏｐｅｄ」、「１％ＳｒＯ」、「５％ＳｒＯ」、「１０％ＳｒＯ」、「２０％ＳｒＯ」、「１％Ｇａ２Ｏ３」、「１０％Ｇａ２Ｏ３」、「１％ＢａＯ」、「１０％ＢａＯ」及び「５％ＳｒＯ（Ｉｎ２Ｏ３）」はそれぞれ図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ、図６Ｅ、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄ及び図８で用いたサンプルであることを示している。
【００４８】
【表２】
0005508518.tif 000003
【００４９】
表２から移動度のＩＺＯに対するＳｒＯ、ＢａＯ及びＧａ２Ｏ３の添加量依存性を示す図９Ａが得られる。同様に、ドレイン電流を１０ｎＡ変化させるときのゲート−ソース間電圧の変化量のＩＺＯに対するＳｒＯ、ＢａＯ及びＧａ２Ｏ３の添加量依存性を示す図９Ｂが得られる。また、オン特性の立ち上がり電圧を示すＶｏｎのＩＺＯに対するＳｒＯ、ＢａＯ及びＧａ２Ｏ３の添加量依存性を示す図９Ｃが得られる。さらに、サブスレッショルドスロープＳのＩＺＯに対するＳｒＯ、ＢａＯ及びＧａ２Ｏ３の添加量依存性を示す図９Ｄが得られる。
【００５０】
表２より、Ｓｒ（ストロンチウム）が添加されたＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴは、Ｓｒ（ストロンチウム）が添加されていないＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴと比較してゲート電圧−１００Ｖ→＋１００Ｖスウィープと＋１００Ｖ→−１００Ｖスウィープにおいて、サブスレッショルド領域での一定電流でのゲート電圧差ΔＶｃの変化が小さい。ΔＶｃは測定中の短時間のバイアス電圧により生じるＶｔの変化であると考えられ、ΔＶｔ特性と並んで安定性の指針となる。また、オン特性立ち上がり電圧Ｖｏｎに関しては、外部駆動回路の駆動電圧が−２０Ｖ＜Ｖｏｎ＜＋２０Ｖの範囲が望ましく、Ｓｒ（ストロンチウム）が添加されていないＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴではＶｏｎ＝−３７Ｖと使用上好ましくなく、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の少なくとも一つが添加されたＦＥＴではＶｏｎが−２０Ｖ＜Ｖｏｎ＜＋２０Ｖの範囲を示しており、優れた特性を示している。また移動度μについて、Ｓｒ（ストロンチウム）が添加されたＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴは、１ｃｍ２／Ｖｓ以上を保っている。従って、Ｓｒ（ストロンチウム）が添加されたＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴは、Ｓｒ（ストロンチウム）が添加されていないＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴと比較して安定した特性と、優れた移動度とを併せ持つ。しかし、Ｓｒ（ストロンチウム）の添加量が２０モル％以上となると、Ｓｒ（ストロンチウム）が添加されたＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴにおける臨界電圧の変化ΔＶｃの測定値は、Ｓｒ（ストロンチウム）が添加されていないＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴのものよりも大きくなり、更に前者における移動度も１ｃｍ２／Ｖｓより小さくなる。従って、本実施例のＦＥＴにおいてアルカリ土類金属の添加量は２０モル％よりも低く抑える必要がある。
【００５１】
また表２より、Ｂａ（バリウム）が添加されたＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴは、Ｂａ（バリウム）が添加されていないＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴと比較して臨界電圧の変化ΔＶｃの測定値が小さい。また移動度μについて、Ｂａ（バリウム）が添加されたＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴは、１ｃｍ２／Ｖｓ以上を保っている。従って、Ｂａ（バリウム）が添加されたＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴは、Ｂａ（バリウム）が添加されていないＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴと比較して安定した特性と、優れた移動度とを併せ持つ。
【００５２】
また表２より、Ｓｒ（ストロンチウム）が１０モル％以下の濃度で添加されたＩｎ２Ｏ３をチャネル層に用いたＦＥＴは、Ｓｒ（ストロンチウム）が添加されていないＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴと比較して臨界電圧の変化ΔＶｃの測定値が小さい。また移動度μについて、Ｓｒ（ストロンチウム）が１０モル％以下の濃度で添加されたＩｎ２Ｏ３をチャネル層に用いたＦＥＴは、１ｃｍ２／Ｖｓ以上を保っている。従って、Ｓｒ（ストロンチウム）が添加されたＩｎ２Ｏ３をチャネル層に用いたＦＥＴは、Ｓｒ（ストロンチウム）が添加されていないＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴと比較して安定した特性と、優れた移動度とを併せ持つ。
【００５３】
また、図８より、Ｓｒ（ストロンチウム）が１０モル％以下の濃度で添加されたＩｎ２Ｏ３をチャネル層に用いたＦＥＴはヒステリシスの無いきれいな特性を示すことがわかる。通常、Ｉｎ２Ｏ３にＧａ２Ｏ３を添加することでアモルファス構造の酸化物半導体を得るためには１０モル％程度以上の添加量が必要であるが、添加量を多くするほどにキャリア濃度が減少し、ＦＥＴ特性は低下する。従って、キャリア濃度を下げない目的でＧａ２Ｏ３の添加量を少なくすることが望まれるが、５モル％程度のＧａ２Ｏ３を添加物した酸化物半導体では、酸化物半導体はアモルファスになりきれず、結晶化による結晶粒界が原因と考えられるＦＥＴ特性の低下を生じる。しかし、イオン半径がＩｎ（インジウム）と大きく異なる元素、例えば２族元素のＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯや１族元素のＮａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＲｂＯ及びＣｓＯなどを、Ｉｎ（インジウム）を含む母体材料としての半導体に５モル％程度添加すると、アモルファス構造の酸化物半導体が得られ、良好な半導体特性を得ることができる。
【００５４】
さらに図９Ｂより、Ｂａ（バリウム）及びＳｒ（ストロンチウム）が添加されたＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴは、Ｂａ（バリウム）及びＳｒ（ストロンチウム）が添加されていないＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴと比較してドレイン電流を１０ｎＡ変化させるときのゲート−ソース間の臨界電圧の変化の測定値が小さい。従って、Ｂａ（バリウム）及びＳｒ（ストロンチウム）が添加されたＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴは、Ｂａ（バリウム）及びＳｒ（ストロンチウム）が添加されていないＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴと比較して高い制御性を有する。
【００５５】
さらにまた図９Ｃより、Ｂａ（バリウム）及びＳｒ（ストロンチウム）が添加されたＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴは、Ｂａ（バリウム）及びＳｒ（ストロンチウム）が添加されていないＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴと比較してＶｏｎの値が０Ｖに近い。従って、Ｂａ（バリウム）及びＳｒ（ストロンチウム）が添加されたＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴは、Ｂａ（バリウム）及びＳｒ（ストロンチウム）が添加されていないＩＺＯをチャネル層に用いたＦＥＴと比較して低消費電力化を実現できる。
【００５６】
また図９Ｄより、切り替え特性の指針であるサブスレッショルドスロープＳ（Ｖ／ｄｅｃ）は小さい方が望ましいが、Ｓｒ（ストロンチウム）やＢａ（バリウム）が添加されたＩＺＯは、酸化物組成で１０％程度までの範囲で、サブスレッショルドスロープＳについて、Ｓｒ（ストロンチウム）やＢａ（バリウム）が添加されていないＩＺＯと同程度もしくはＩＺＯよりも小さい値を示しており、Ｓｒ（ストロンチウム）やＢａ（バリウム）の添加により効果が得られることがわかる。
【００５７】
以下の表３は、チャネル層を構成するＩｎ−Ｃａ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体についてＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯの組成比及びＣａＯの添加量を変化させたときの移動度を示す図である。表３において、「８：２＋５％」はＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯの組成比が８０：２０のモル比である母体材料にＣａＯが５モル％添加されたサンプルを示している。同様に、「７：３＋５％」はＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯの組成比が７０：３０のモル比である母体材料にＣａＯが５モル％添加されたサンプルを示し、「６：４＋５％」はＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯの組成比が６０：４０のモル比である母体材料にＣａＯが５モル％添加されたサンプルを示している。また、「８：２＋１０％」はＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯの組成比が８０：２０のモル比である母体材料にＣａＯが１０モル％添加されたサンプルを示し、「７：３＋１０％」はＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯの組成比が７０：３０のモル比である母体材料にＣａＯが１０モル％添加されたサンプルを示し、「６：４＋１０％」はＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯの組成比が６０：４０のモル比である母体材料にＣａＯが１０モル％添加されたサンプルを示している。
【００５８】
【表３】
0005508518.tif 000004
【００５９】
表３から、Ｉｎ２Ｏ３：ＺｎＯの組成比及びＣａＯの添加量に関わらず、優れた移動度が得られることがわかる。
【００６０】
以上のように本実施例のＦＥＴによれば、チャネル層がアルカリ金属及びアルカリ土類金属が添加されたＩｎ（インジウム）、Ｚｎ（亜鉛）及びＳｎの少なくともいずれか一つを含む酸化物から構成される。従って、チャネル層におけるＯ（酸素）の抜けが抑えられ、使用と共にＯ（酸素）が抜けてチャネル層のキャリア濃度が変化し、閾値電圧Ｖｔ等のトランジスタ特性が変化することが抑えられる。その結果、優れた安定性を持つＦＥＴが実現される。
【００６１】
以上、本発明の酸化物半導体について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態の限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【００６２】
例えば、上記実施の形態では、酸化物半導体が用いられる対象としてＦＥＴのチャネル層を例示したが、キャリア濃度を高くして電極に用いられてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、酸化物半導体に利用でき、特にＦＥＴ等に利用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１０    ガラス基板
１１    ゲート電極
１２    ゲート絶縁膜
１３    チャネル層
１４    ソース電極
１５    ドレイン電極
１６    パッシベーション膜
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
0005508518.tif 000008
【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
0005508518.tif 000011
【図６Ｂ】
0005508518.tif 000012
【図６Ｃ】
0005508518.tif 000013
【図６Ｄ】
0005508518.tif 000014
【図６Ｅ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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