(57)【要約】【課題】簡単な工程でトランジスタを製造すると共に、半導体の種類によらずｐ型またはｎ型領域を形成できるようにする。【解決手段】半導体デバイス１００は、金属酸化物層１０１、金属酸化物層におけるチャネル領域１０５、金属酸化物層におけるチャネル領域に形成された保持層１０４、および金属酸化物層におけるチャネル領域に接続された二つ以上のチャネル接点１０２、１０３を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面領域とバルク領域とを備えた金属酸化物層と、
前記金属酸化物層の前記バルク領域の固有抵抗より小さい固有抵抗を有する前記金属酸化物層の前記表面領域のチャネル領域と、
前記チャネル領域に形成された保持層と、
前記金属酸化物層における前記チャネル領域に接続された少なくとも二つのチャネル接点と、
を含む半導体デバイスの製造方法であって、
前記チャネル領域は、前記金属酸化物層を真空中で加熱して形成されるものであって前記保持層を形成する際の熱により前記保持層と同時に形成される
ことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスにはトランジスタが含まれている。トランジスタにおいては入力信号に応じてそのトランジスタを流れる電流が変調される。トランジスタの種類の一例として電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）がある。ＦＥＴにおいては入力信号に応じてチャネル特性が変化する。入力信号はキャリア濃度やキャリアタイプなどのチャネル特性に影響を及ぼす。入力信号がチャネル特性に影響を及ぼすことにより、チャネルを流れる電流が変調され、それによりトランジスタを流れる電流が変調される。通常、このようなトランジスタはチャネルに接続されたソースおよびドレインを備えている。チャネルを変調するための入力信号はゲートから受信される。
【０００３】
ＦＥＴはエンハンストメント形または空乏形ＦＥＴと呼ばれることもある。エンハンストメントまたは空乏形とは入力信号が印加されない状態のキャリア濃度のことである。エンハンストメント形または空乏形ＦＥＴは常時オフまたは常時オンＦＥＴと呼ばれることもある。常時オンＦＥＴでは、入力信号が印加されない状態でトランジスタが導通している。反対に、常時オフＦＥＴでは、入力信号が印加されるまでトランジスタは導通しない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Oliver Schmidt et.al, “Evidence for an electrically conducting layer at the native zinc oxide surface”,Jpn.J.Appl.Phys.Part1, Vol.44,7271-7274 (2005)
【非特許文献２】Oliver Schmidt et.al, “Analysis of a Conducting Channel at the Native Zinc Oxide Surface”, Superlattices and Microstructures, 39 (2006) 8-16
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、トランジスタの製造には数種の工程を要する。それら工程として、二つの異種半導体を用いてヘテロ構造を形成する工程、半導体にドーピングを行ってｎ型およびｐ型領域を形成する工程、およびイオン注入によってトランジスタのチャネルを形成する工程等がある。これらの工程によりトランジスタの製造は複雑なものになっている。さらに、半導体の種類によっては、ｐ型またはｎ型領域の形成が不可能なことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、表面領域とバルク領域とを備えた金属酸化物層と、前記金属酸化物層の前記バルク領域の固有抵抗より小さい固有抵抗を有する前記金属酸化物層の前記表面領域のチャネル領域と、前記チャネル領域に形成された保持層と、前記金属酸化物層における前記チャネル領域に接続された少なくとも二つのチャネル接点とを含む半導体デバイスの製造方法であって、前記チャネル領域は、前記金属酸化物層を真空中で加熱して形成されるものであって前記保持層を形成する際の熱により前記保持層と同時に形成されることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】表面導電チャネルを備えた半導体デバイスの一例の断面図である。
【図２】別の例による表面導電チャネルを備えた半導体デバイスの平面図である。
【図３】別の例による表面導電チャネルを備えた半導体デバイスの平面図である。
【図４】別の例による表面導電チャネルを備えた半導体デバイスの分離領域を含む平面図である。
【図５】別の例によるメサ上に形成された表面導電チャネルを備えた半導体デバイスの断面図である。
【図６】別の例による基板上に形成された表面導電チャネルを備えた半導体デバイスの断面図である。
【図７】別の例によるゲートを備えて形成された表面導電チャネルを有する半導体デバイスの平面図である。
【図８】別の例による絶縁保持層を備えて形成された表面導電チャネルを有する半導体デバイスの平面図である。
【図９】別の例によるメサ上に形成された表面導電チャネルを備えた半導体デバイスの平面図である。
【図１０】表面導電チャネルを備えた半導体デバイスの形成方法の一例のフローチャートである。
【図１１】金属酸化物層の状態および状態間の遷移を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
高固有抵抗酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの金属酸化物の電気的性質は環境条件によって影響を受ける。金属酸化物のサンプルの周囲の雰囲気は該サンプルの導電性に影響を与える。例えば、外気中のＺｎＯのサンプルは高い固有抵抗を発現する。しかし、雰囲気が真空である場合は、サンプル表面の固有抵抗は外気中のサンプルの表面およびバルクの両方の固有抵抗より低い。このサンプル表面の相対的に低い固有抵抗は、該サンプル表面に保持層を付与することによって保持することができる。表面に保持層を付与されたサンプルを真空から取り出すときに、真空中で発現された表面の相対的に低い固有抵抗はそのまま保持される。
【００１０】
図１は表面導電チャネルを備えた半導体デバイスの一例の断面図である。半導体デバイス１００は、金属酸化物層１０１、第１および第２のチャネル接点１０２および１０３、および保持層１０４を含む。金属酸化物層１０１は、例えばＺｎＯまたはＭｇＺｎＯの層である。また、この金属酸化物層は高い圧電定数を有する材料の層になっている。
【００１１】
金属酸化物層１０１は、表面領域１０６とバルク領域１０７とを含む。表面領域１０６は、金属酸化物層１０１の表面、およびこの表面直下の金属酸化物層のバルクの部分の両方を含んでいる。表面領域１０６は、図１１を参照して後述するように、特別な処理および材料性質に基づく相対的に低い固有抵抗を備えている。
【００１２】
保持層１０４はチャネル領域１０５に形成される。保持層１０４の形成前は、チャネル領域１０５は、金属酸化物層１０１の外気に起因する、金属酸化物層１０１の残部の特性を有している。保持層１０４の形成によって金属酸化物層１０１の表面の相対的に低い固有抵抗の状態が保持される。この表面の相対的に低い固有抵抗の状態が保持される領域をチャネル領域１０５と呼ぶ。チャネル領域１０５は表面領域１０６の一部である。このように、チャネル領域１０５は保持層１０４の下の金属酸化物層１０１の表面だけでなく当該表面直下の金属酸化物層１０１の部分も含んでいる。チャネル領域１０５は「領域」と呼ばれているが、このチャネル領域１０５は保持層１０４の下の三次元の容積を表している。チャネル接点１０２および１０３は金属酸化物層１０１におけるチャネル領域１０５に接続されている。チャネル接点１０２および１０３の材料によっては、チャネル領域１０５はチャネル接点１０２および１０３の下方まで延在する。また、相対的に導電性の高いチャネル領域１０５が金属酸化物層１０１の表面に近接しているため、両チャネル接点間の導電性はチャネル領域１０５によって著しく影響を受ける。このため、前記導電性を外部電場によって容易に変調することができる。
【００１３】
保持層１０４はチャネル接点１０２および１０３にオーバラップしている。この結果、チャネル領域１０５は第１のチャネル接点１０２から第２のチャネル接点１０３まで延在している。この後、保持層１０４の下のチャネル領域１０５を活用するために、チャネル接点１０２および１０３において半導体デバイス１００との結線を行う。
【００１４】
保持層１０４は好適には絶縁材料の層である。例えば、保持層１０４はＳｉＯＸ，Ｇａ２Ｏ３，またはＳｉ３Ｏ４（ＳｉＯＸのＸは１以上の実数）で形成された絶縁層である。さらに、保持層１０４は、例えばＧａＯ３などの各種酸化物，ＺｎＮ３，ＴａＣ，ＡｌＮおよびＢＮ等の層であってもよい。また、保持層１０４は実質的に非気体透過性の層である。前述のように、金属酸化物の表面の導電性は環境条件、特に大気により変化を来す。保持層１０４を用いることによって、表面の導電性の状態を保持することができる。これを実現するために、保持層１０４によって周囲環境から入り込む分子がチャネル領域１０５に影響を及ぼすことを防止する。保持層１０４が透過させない分子の例として、酸素、窒素、および水酸基を含む分子等がある。保持層１０４は上掲の分子の一部または全部に加えて、その他の上掲していない分子に対しても非透過性を有している。
【００１５】
図２に別の例による表面導電チャネルを備えた半導体デバイス２００の平面図を示す。第１のチャネル接点１０２は金属酸化物層１０１の表面の一領域を画定している。第２のチャネル接点１０３がこの第１のチャネル接点１０２によって画定された領域内に形成される。第１および第２のチャネル接点１０２および１０３間の領域は保持層１０４に覆われている。本例では、チャネル接点１０２および１０３の全ての部分間の表面全体が保持層１０４に覆われている。
【００１６】
第１のチャネル接点１０２は図２では円形で示されていたが、第１のチャネル接点１０２は任意の形で形成可能である。例えば、第１のチャネル接点１０２は四角形、五角形、または多角形であってもよく、さらに金属酸化物層１０１の表面の一領域を画定する任意の他の連続路であってもよい。
【００１７】
図３に別の例による表面導電チャネルを備えた半導体デバイス３００の平面図を示す。絶縁保持層３０１が、半導体デバイス３００の周囲の金属酸化物層１０１の表面に形成されている。保持層１０４が相対的に低い固有抵抗の状態を保持するのと全く同様に、絶縁保持層３０１は金属酸化物層１０１の高い固有抵抗の状態を保持する。したがって、チャネル領域１０５は保持層１０４の下に形成され、絶縁保持層３０１の下には形成されない。
【００１８】
図４に表面導電チャネルを備えた半導体デバイスの一例の平面図を示す。半導体デバイス４００は領域４０１を備えている。領域４０１は分離領域である。この分離領域によって金属酸化物層１０１上の半導体デバイス４００と隣接した全ての半導体デバイスとの相互作用が防止される。半導体デバイス４００の第１のチャネル接点１０２と別の半導体デバイス４００との間の金属酸化物層１０１の表面が何らかの層によって覆われていないと、または何らかの構造によって遮られていないと、表面の固有抵抗が環境の変化に伴って変化する恐れがある。つまり、隣接した半導体デバイス４００同士が、環境の変化の結果結合する恐れがある。分離領域によりこの結合が防止される。
【００１９】
あるいは、領域４０１は絶縁保持層であってもよい。前述したように、領域４０１に絶縁保持層を形成することにより、表面の高い固有抵抗が環境条件に起因して変化してしまうことが防止される。この絶縁保持層によって隣接した半導体デバイス４００は互いに分離される。
【００２０】
分離領域または絶縁保持層である領域４０１は第１のチャネル接点１０２にオーバラップしていない状態で示されていたが、この分離領域または絶縁保持層は第１のチャネル接点１０２とオーバラップしていてもよい。
【００２１】
図５に、別の例によるメサ５０５上に形成された表面導電チャネルを備えた半導体デバイス５００の断面図を示す。金属酸化物層１０１の面上に半導体デバイス５００を形成する代わりに、金属酸化物層１０１のメサ５０５上に半導体デバイス５００が形成されている。メサ５０５は金属酸化物層１０１からなるメサである。つまり、隣接し合った半導体デバイスが個々のメサ５０５上に形成されていれば、それら半導体デバイス５００は互いに分離されている。メサ５０５は基板５０４上に形成される。基板５０４は任意の非導電性または半導電性基板である。この基板には、例えばガラス、サファイア、または他の絶縁材料、およびその他の基板に形成されたそれら絶縁材料の層が含まれる。
【００２２】
半導体デバイスを互いに分離する数種の構造について説明を行ったが、これらの分離領域および方法は必須ではない。複数の半導体デバイスを接続したいために半導体デバイス間の分離領域を用いない場合がある。さらに、任意のそれら分離領域または方法を用いて半導体デバイスのセットを一つ以上の他の半導体デバイスから分離することもできる。
【００２３】
図６に、別の例による基板５０４上に形成された表面導電チャネルを備えた半導体デバイス６００の断面図を示す。図６を参照すると、メサ５０５が基板５０４上に形成されているのと全く同様に、金属酸化物層１０１が基板６０４上に形成されている。金属酸化物層１０１は実質的に基板６０４の表面を覆っている。
【００２４】
図７に、別の例によるゲートを備えて形成された表面導電チャネルを有する半導体デバイス７００を示す。好適には、保持層上に形成されるゲート７０１は、第１のチャネル接点１０２からチャネル領域１０５を通って第２のチャネル接点１０３に至るあらゆる経路がゲート７０１の下を通るように形成される。図７に示した例では、ゲート７０１は円になっており、この円の径は第１のチャネル接点１０２より小さくて第２のチャネル接点１０３より大きい。この結果、チャネル領域１０５を通るあらゆる経路はゲート７０１の下を通過する。
【００２５】
この他に、別の例による絶縁保持層４０２を用いた半導体デバイス８００の平面図を示した、図８に示すように、ゲート７０１がチャネル領域１０５を横切って形成されたものもある。チャネル領域１０５は保持層１０４およびチャネル接点１０２、１０３の少し内側に示されているが、このチャネル領域１０５の境界は単に図示のためだけのものである。このチャネル領域１０５は保持層１０４の縁まで延在してもよいし、チャネル接点１０２および１０３の縁、またはこれらの層の任意の組合せや副次的な部分まで延在してもよい。ゲート７０１が保持層１０４を横切っているので、ゲート７０１の下を通過せずにチャネル領域１０５を通過する経路はない。
【００２６】
また、分離法としてメサを用いた半導体デバイスを示した、図９に示すように、ゲート７０１はチャネル領域１０５を通る全ての経路にオーバラップしている。
【００２７】
ゲート７０１は金属やその他の導電性の層で形成されている。これにより、信号をゲートに付加してチャネル接点１０２および１０３間のチャネル領域１０５の固有抵抗を変調することができるようになっている。
【００２８】
あるいは、ゲート７０１は透明導電性酸化物の層であってもよい。これにより、半導体デバイス９００の他の部分の透明性によっては、半導体デバイス９００の全部または一部を透明にすることができる。
【００２９】
また、ゲート７０１は生体または化学ゲートであってもよい。生体または化学センサをゲート７０１として使用することによって、半導体デバイスを用いて例えば所定の分子やイオン（例えば、Ｎａ＋，Ｃａ２＋，Ｃｌ−，Ｏ２，ＣＯ２など）、グルコースやコレステロールなどの物質、または所定の酵素の有無の検出が可能になる。
【００３０】
ゲート７０１を保持層１０４の一部上にのみ形成されるものとして説明を行ったが、ゲート７０１は実質的に保持層１０４全体の上に形成してもよい。これにより、ゲート７０１に印加された信号がチャネル領域１０５の大半の部分に影響を及ぼすようになり、半導体デバイス９００の感度を高める。
【００３１】
別の例では、第１のチャネル接点１０２および第２のチャネル接点１０３がトランジスタのソース接点およびドレイン接点になっている。これにより、半導体デバイスはＦＥＴになる。
【００３２】
二つのチャネル接点１０２および１０３について説明を行ってきたが、当業者に周知のように半導体デバイスは三つ以上のチャネル接点および二つ以上のゲートを備えていてもよい。
【００３３】
図１０に表面導電チャネルを備えた半導体デバイスの形成方法の一例を示す。１００１で表面を有する金属酸化物層が用意される。１００２で金属酸化物層の遷移を誘起する。１００３で保持層を形成して、金属酸化物層の表面のチャネル領域を画定する。１００４でチャネル接点をチャネル領域に接続した形で形成する。
【００３４】
１００２で金属酸化物層の遷移を誘起することにより、金属酸化物層の固有抵抗が小さくなる。図１１に金属酸化物層の状態および状態間の遷移を示す。状態Ｓ１の金属酸化物層は高い固有抵抗の状態になっている。この状態Ｓ１は、金属酸化物層が酸素を含む雰囲気中に存在しているときに生じる。状態Ｓ２の金属酸化物層は状態Ｓ１における場合よりも低い固有抵抗を有している。この低い固有抵抗は、金属酸化物層が例えば真空などの別の雰囲気中に置かれたときの金属酸化物層の表面の変化に起因するものである。例えば、全体を本願に引用して援用する、Ｓｃｈｍｉｄｔ他による「酸化亜鉛表面における導電層の効果」（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、第４４巻、７２７１〜７２７４頁、２００５年１０月）にＺｎＯバルク結晶におけることなる異なる固有抵抗状態間の遷移について記載がある。
【００３５】
このように、金属酸化物層の固有抵抗はその層が存在している状態への依存性がある。例えば、該層が状態Ｓ１の場合は、金属酸化物層の表面はバルクと同一であり、金属酸化物層全体の固有抵抗はその金属酸化物層のバルクの固有抵抗に等しい。しかし、状態Ｓ２では、金属酸化物層の表面の固有抵抗が低下する。これにより、表面の相対的に低い固有抵抗が金属酸化物層の固有抵抗に著しく影響を及ぼし、金属酸化物層の固有抵抗を相対的に低下させる。
【００３６】
金属酸化物層は状態Ｓ１から状態Ｓ２への遷移またはその逆の遷移を起こす。それぞれＴ１およびＴ２と呼ばれる、これらの遷移は、金属酸化物層をある雰囲気中に置いて熱などの活性化エネルギを加えることにより生じる。例えば、状態Ｓ２が所望される場合は、金属酸化物層を真空中に置いて加熱することにより遷移Ｔ１を誘起する。
【００３７】
図１０を参照する。１００２の保持層の形成法として、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、パルスレーザ堆積法、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、および有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）などの堆積法がある。また、金属層を金属酸化物層上に堆積した後酸化させてもよい。例えば、スパッタや加熱または電子ビーム蒸着などの堆積法がこのために用いられる。金属の酸化は、酸素リッチな環境で金属を堆積または焼鈍することにより行われる。
【００３８】
１００２の保持層の形成により、雰囲気が金属酸化物層の固有抵抗に与える影響を除くことができる。これにより、所望の状態への金属酸化物層の状態遷移が起きた後、その状態が別の雰囲気の影響を受けることが防止される。例えば、低い固有抵抗の状態である状態Ｓ２が金属酸化物層に誘起された場合、雰囲気が変化した場合に、金属酸化物層上に形成される保持層によって当該状態が保持される。
【００３９】
状態遷移は保持層の形成前に誘起されるものとして説明を行ったが、保持層は金属酸化物層の状態変化と同時に形成してもよい。例えば、真空中で絶縁材料を高温で堆積して、状態変化と保持層の形成とが併せて生じるようにしてもよい。
【００４０】
チャネル接点の形成１００３は保持層の形成１００２の後に行われるものとして説明を行ったが、当業者に明らかなようにこの順序は任意のものであってよい。例えば、チャネル接点を金属酸化物層の表面に形成し、次いで両チャネル接点間の表面上に保持層を形成してチャネル領域を画定してもよい。
【００４１】
あるいは、金属酸化物層上に保持層を形成し、次いで保持層の一部を除去してチャネル領域を露出させてもよい。次いで、露出した部分にチャネル接点が形成される。
【００４２】
チャネル領域を画定してチャネル接点を形成するためのいくつかの方法およびシーケンスについて説明を行ったが、当業者に明らかなように、他の方法によっても画定されたチャネル領域およびそのチャネル領域に接続されたチャネル接点を形成することができる。
【００４３】
前述したように、表面導電チャネルを有する半導体デバイスが分離領域を備えたものもある。この分離領域は、１００６で分離領域にドーピングを行って高固有抵抗領域を形成することにより形成される。例えば、分離領域にリチウムまたは銅の選択的なドープが行われる。その結果、分離領域は高固有抵抗領域となって、隣接した半導体デバイス同士を互いに分離する働きをする。
【００４４】
また、前述したように、半導体デバイスを金属酸化物のメサ上に形成したものもある。メサを形成する金属酸化物は種々の方法で形成される。例えば、メサ画定用のマスクを用いて選択的にメサの堆積が行われる。あるいは、相対的に大きい金属酸化物の領域を形成し、次いで選択的にエッチングを行って金属酸化物のメサを残すこともできる。
【００４５】
さらに、絶縁保持層が半導体デバイスの周囲に形成されることもある。例えば、ポリイミドなどの絶縁保持層が半導体デバイスの外周に沿って堆積される。絶縁保持層によって金属酸化物層表面の非導電性状態が保持されて、半導体デバイスの周囲が高い固有抵抗の状態になる。絶縁保持層はポリイミドの堆積によって形成可能であるが、アルキルシロキサンなどの自己組織化単分子層、脂肪酸、およびアルカンチオレートなどの有機被覆などの他の層の堆積によって形成することもできる。
【００４６】
表面導電チャネルを有する半導体デバイスを形成する方法の別の例として、チャネル接点間の金属酸化物層の表面の全領域に保持層を形成することがある。例えば、図７を見ると、チャネル接点１０２および１０３間の全ての経路が保持層１０４の下を通っている。これにより、いずれの経路もチャネル領域１０５を通過するようになっている。
【００４７】
また、図８に示すように、半導体デバイスは絶縁保持層によって画定することもできる。チャネル領域１０５は実質的に絶縁保持層の下には配置されないので、このチャネル領域は実質的に保持層１０４の下に配置される。これにより、チャネル領域１０５を通る全ての経路は保持層の下を通過するようになる。
【００４８】
別の例による表面導電チャネルを有する半導体デバイスの形成法では、金属酸化物層は半導体基板上に形成される。例えば、金属酸化物は半導体基板上に堆積される。このような半導体基板としてシリコン、ガラスおよびサファイアがある。
【００４９】
前述したように、保持層上にゲートを形成したものもある。好適には、ゲートの形成は、チャネル領域を通るあらゆる経路が少なくとも一点でゲートに覆われるように行われる。この半導体デバイスは常時オンの状態になるため、全てのチャネル領域の固有抵抗がゲートに印加される信号によって増加するものとなる。チャネル接点間の経路が覆われていない場合は、電流はゲートに覆われていない相対的に低い固有抵抗領域を通って流れる。
【００５０】
前述したように、生体または化学ゲートを保持層上に形成したものもある。このゲートは、所望の分子との接着性を高めると共に非所望の分子との接着性を低下させる機能性分子を堆積することによって形成することができる。生体または化学分子をゲートで吸収することでゲート下のチャネル領域の変調を行う。
【符号の説明】
【００５１】
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００  半導体デバイス、１０１  金属酸化物層、１０２，１０３  チャネル接点、１０４  保持層、１０５  チャネル領域、１０６  表面領域、１０７  バルク領域、３０１  絶縁保持層、４０１  領域、４０２  絶縁保持層、５０４，６０４  基板、５０５  メサ、７０１  ゲート。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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