(57)【要約】  この薄膜トランジスタは、ソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極および前記ドレイン電極に接して設けられた半導体層と、前記ソース電極および前記ドレイン電極の間のチャネルに対応させて設けられたゲート電極と、前記ゲート電極と前記半導体層との間に設けられた絶縁体層と、を備え、前記半導体層の形成材料が、インジウムと、原子番号が７３以上の金属原子と、を含む複合金属酸化物である。
2013187486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極に接して設けられた半導体層と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間のチャネルに対応させて設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記半導体層との間に設けられた絶縁体層と、を備え、
前記半導体層の形成材料が、インジウムと、原子番号が７３以上の金属原子と、を含む複合金属酸化物である薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記半導体層の表面は、原子間力顕微鏡で測定した二乗平均平方根粗さが１．０ｎｍ以下である請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記半導体層の厚さは、２０ｎｍ以下である請求項１または２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記原子番号が７３以上の金属原子が、タングステンである請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項５】
ターゲットと、プロセスガスと、を用いた物理蒸着法により、インジウムと前記原子番号が７３以上の金属原子とを含む複合金属酸化物からなる半導体層を形成する工程を有し、
前記ターゲットは、酸化インジウムの粉末と、原子番号が７３以上の金属原子の酸化物の粉末と、を含む焼結体であり、
前記プロセスガスは、希ガスと酸素との混合ガスであり水素原子を有する化合物を含まない薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】
前記原子番号が７３以上の金属原子の酸化物が、酸化タングステンである請求項５に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記焼結体に含まれる前記酸化タングステンの含有量が、１０質量％以下である請求項６に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項８】
前記半導体層を形成する工程を、１０℃以上１００℃以下で行う請求項５から７のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項９】
請求項５から８のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法により製造された薄膜トランジスタ。
【請求項１０】
基板と、前記基板に設けられた請求項１から４および請求項９のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタと、を有する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタの製造方法および半導体装置に関するものである。
本願は、２０１２年６月１４日に、日本に出願された特願２０１２−１３４９４０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor（ＴＦＴ））は、アクティブマトリクス駆動方式を採用する液晶ディスプレイや有機エレクトロルミネッセンス（Electro Luminescence（ＥＬ））ディスプレイのスイッチング素子として数多く利用されている。【０００３】
ＴＦＴとしては、半導体層（チャネル層）にアモルファスシリコンやポリシリコンを用いたものが知られている。近年では、種々の特性向上を図るため、半導体層にＩｎ（インジウム）−Ｚｎ（亜鉛）−Ｏ系の金属酸化物やＩｎ−Ｇａ（ガリウム）−Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物を用いたＴＦＴが検討されている（例えば、特許文献１参照）。以下の説明においては、半導体層の形成材料に金属酸化物を用いた薄膜トランジスタを「酸化膜トランジスタ」と称することがある。【０００４】
このような酸化膜トランジスタはｎ型伝導であり、アモルファスシリコンやポリシリコンよりも高いチャネル移動度を示すことから、高精細なディスプレイや大画面のディスプレイのスイッチング素子として好適に用いることができる。また、金属酸化物を形成材料とする半導体層には、原理上ｐ型伝導を示さないためにｏｆｆ電流が極めて小さくなることから、酸化膜トランジスタを用いると消費電力を低減できるという利点を有する。【０００５】
しかしながら、上記特許文献に記載された金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物やＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物は、含有するＺｎが空気中の水分と反応しやすいため、酸化膜トランジスタの作製後に特性変化が起こりやすい。このような特性変化を防止するためには、酸化膜トランジスタの半導体層を保護する必要が生じ、工程負荷が大きくなる。【０００６】
そのため、従来知られた酸化膜トランジスタの特長を有しながら、特性変化を抑制可能とする、新規な半導体材料が求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１―４４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、新規な半導体材料を用い、特性変化が抑制された薄膜トランジスタを提供することを目的とする。また、新規な半導体材料を用い、特性変化が抑制された薄膜トランジスタの製造方法を提供することをあわせて目的とする。また、このような薄膜トランジスタを有する半導体装置を提供することをあわせて目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタは、ソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極および前記ドレイン電極に接して設けられた半導体層と、前記ソース電極および前記ドレイン電極の間のチャネルに対応させて設けられたゲート電極と、前記ゲート電極と前記半導体層との間に設けられた絶縁体層と、を備え、前記半導体層の形成材料が、インジウムと、原子番号が７３以上の金属原子と、を含む複合金属酸化物である。【００１０】
本発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいては、前記半導体層の表面は、原子間力顕微鏡で測定した二乗平均平方根粗さが１．０ｎｍ以下であることとしてもよい。【００１１】
本発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいては、前記半導体層の厚さは、２０ｎｍ以下であることとしてもよい。【００１２】
本発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいては、前記原子番号が７３以上の金属原子が、タングステンであることとしてもよい。【００１３】
また、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタの製造方法は、ターゲットと、プロセスガスと、を用いた物理蒸着法により、インジウムと前記原子番号が７３以上の金属原子とを含む複合金属酸化物からなる半導体層を形成する工程を有し、前記ターゲットは、酸化インジウムの粉末と、原子番号が７３以上の金属原子の酸化物の粉末と、を含む焼結体であり、前記プロセスガスは、希ガスと酸素との混合ガスであり水素原子を有する化合物を含まない。【００１４】
本発明の一態様に係る薄膜トランジスタの製造方法においては、前記原子番号が７３以上の金属原子の酸化物が、酸化タングステンであることとしてもよい。【００１５】
本発明の一態様に係る薄膜トランジスタの製造方法においては、前記焼結体に含まれる前記酸化タングステンの含有量が、１０質量％以下であることとしてもよい。【００１６】
本発明の一態様に係る薄膜トランジスタの製造方法においては、前記半導体層を形成する工程を、１０℃以上１００℃以下で行うこととしてもよい。【００１７】
本発明の他の態様に係る薄膜トランジスタは、上述の薄膜トランジスタの製造方法により製造されている。【００１８】
また、本発明の一態様に係る半導体装置は、基板と、上述の薄膜トランジスタと、を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の態様によれば、新規な半導体材料を用い、特性変化が抑制された薄膜トランジスタを提供することができる。また、新規な半導体材料を用い、特性変化が抑制された薄膜トランジスタの製造方法を提供することができる。また、このような薄膜トランジスタを有する半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態に係る薄膜トランジスタおよび半導体装置の概略断面図である。
【図２】実施例の薄膜トランジスタの概略断面図である。
【図３】実施例１の薄膜トランジスタの特性の評価結果を示すグラフである。
【図４】実施例１のプロセスガス中の酸素分圧と、形成された半導体層の導電率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図を参照しながら、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタの製造方法および半導体装置について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは、実際の製品とは適宜異ならせて示している。
【００２２】
本実施形態の薄膜トランジスタは、ソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極および前記ドレイン電極に接して設けられた半導体層と、前記ソース電極および前記ドレイン電極の間のチャネルに対応させて設けられたゲート電極と、前記ゲート電極と前記半導体層との間に設けられた絶縁体層と、を備える。前記半導体層の形成材料は、インジウムと、原子番号が７３以上の金属原子と、を含む複合金属酸化物である。
【００２３】
また、本実施形態の薄膜トランジスタの製造方法は、ターゲットと、プロセスガスと、を用いた物理蒸着法により、インジウムと前記原子番号が７３以上の金属原子とを含む複合金属酸化物からなる半導体層を形成する工程を有する。前記ターゲットは、酸化インジウムの粉末と、原子番号が７３以上の金属原子の酸化物の粉末と、を含む焼結体である。前記プロセスガスは、希ガスと酸素との混合ガスであり水素原子を有する化合物を含まない。
【００２４】
また、本実施形態の薄膜トランジスタは、上述の薄膜トランジスタの製造方法により製造されたものである。
【００２５】
また、本実施形態の半導体装置は、基板と、前記基板に設けられた薄膜トランジスタと、を有する。前記薄膜トランジスタは、上述の薄膜トランジスタまたは上述の薄膜トランジスタの製造方法で製造された薄膜トランジスタである。
以下、順に説明する。
【００２６】
（薄膜トランジスタ、半導体装置）
図１は、本実施形態に係る薄膜トランジスタ１および半導体装置１００の概略断面図である。
図に示すように、本実施形態の半導体装置１００は、基板２と、基板２上に形成された本実施形態の薄膜トランジスタ１とを備えている。半導体装置１００は、その他に薄膜トランジスタ１と電気的に接続する不図示の配線や素子を有していてもよい。
【００２７】
基板２としては、公知の形成材料で形成されたものを用いることができ、光透過性を有するもの及び光透過性を有しないもののいずれも用いることができる。例えば、ケイ酸アルカリ系ガラス、石英ガラス、窒化ケイ素などを形成材料とする無機基板；シリコン基板；表面が絶縁処理された金属基板；アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などのポリエステル樹脂などを形成材料とする樹脂基板；紙性の基板などの種々のものを用いることができる。また、これらの材料を複数組み合わせた複合材料を形成材料とする基板であっても構わない。
基板２の厚さは、設計に応じて適宜設定することができる。
【００２８】
薄膜トランジスタ１は、いわゆるボトムゲート型のトランジスタである。薄膜トランジスタ１は、基板２上に設けられたゲート電極３と、ゲート電極３を覆って設けられた絶縁体層４と、絶縁体層４の上面に設けられた半導体層５と、半導体層５の上面において半導体層５に接して設けられたソース電極６およびドレイン電極７を有している。ゲート電極３は、半導体層５のチャネル領域Ａに対応させて（チャネル領域Ａと平面的に重なる位置に）設けられている。
【００２９】
ゲート電極３、ソース電極６、ドレイン電極７としては、通常知られた材料で形成されたものを用いることができる。これらの電極の形成材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）などの金属材料やこれらの合金；インジウムスズ酸化物（Indium Tin Oxide、ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの導電性酸化物を挙げることができる。また、これらの電極は、２層以上の積層構造を有してもよく、この積層構造は、例えば表面を金属材料でめっきすることにより形成されてもよい。
【００３０】
ゲート電極３、ソース電極６、ドレイン電極７は、同じ形成材料で形成されたものであってもよく、異なる形成材料で形成されたものであってもよい。製造が容易となることから、ソース電極６とドレイン電極７とは同じ形成材料であることが好ましい。
【００３１】
絶縁体層４は、絶縁性を有しゲート電極３と、ソース電極６およびドレイン電極７と、を電気的に絶縁することが可能であれば、無機材料および有機材料のいずれを用いて形成してもよい。無機材料としては、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＳｉＯＮ，Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮなどの通常知られた絶縁性の酸化物、窒化物、酸窒化物を挙げることができる。有機材料としては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素系樹脂などを挙げることができる。有機材料は、製造や加工が容易であるため光硬化型の樹脂材料であることが好ましい。
【００３２】
半導体層５は、インジウムと、原子番号が７３以上の金属原子と、を含む複合金属酸化物を形成材料としている。すなわち、半導体層５は、前記複合金属酸化物を含有する。半導体層５に含まれる原子番号が７３以上の金属原子としては、周期律表で第６周期に属する金属原子が好ましい。このような金属原子として、具体的には、タンタル（Ｔａ），タングステン（Ｗ），レニウム（Ｒｅ），オスミウム（Ｏｓ），イリジウム（Ｉｒ），白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），水銀（Ｈｇ），タリウム（Ｔｌ），鉛（Ｐｂ）が挙げられる。中でも、タングステンがより好ましい。
複合金属酸化物において、原子番号が７３以上の金属原子とインジウムの合計量（原子数）に対する原子番号が７３以上の金属原子の含有量（原子数）の比（百分率）は、好ましくは０．５〜１０原子％である。原子番号が７３以上の金属原子以外の残部は、インジウム、酸素原子、及び不可避不純物である。
原子番号が７３以上の金属原子がタングステンである場合、複合金属酸化物において、タングステンとインジウムの合計量（原子数）に対するタングステンの含有量（原子数）の比（百分率）は、好ましくは０．５〜１０原子％であり、更に好ましくは０．５〜２原子％である。
【００３３】
本実施形態の半導体層５においては、原子番号が７３以上の金属原子が、半導体層の形成時における酸化インジウムの局所的な結晶化を抑制し、酸化インジウムはアモルファス状態になりやすい。この結果として、膜表面の平坦度も高くなる。そのため、半導体層５は均質なアモルファス状態となる。
【００３４】
また、通常知られた酸化物半導体であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物やＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物は、大量に含まれる酸化亜鉛が水で変質しやすい。そのため、これらの酸化物半導体を用いて半導体層を形成した薄膜トランジスタは、半導体層を適切に保護し、劣化を抑制する必要がある。
【００３５】
これに対して、本実施形態の薄膜トランジスタ１の半導体層５は、水で変質しやすい酸化亜鉛を主成分としないため、保護が不要となる。また、半導体層５の形成において、エッチングが必要である場合には、ドライエッチングとウェットエッチングとの両方を採用することができるため、プロセスの自由度が高くなる。
【００３６】
また、本実施形態の薄膜トランジスタ１の半導体層５は、原料単価の高いＧａを含まないため、製造時のターゲットに係るコストを低減でき、薄膜トランジスタの製造コストも低減できる。
【００３７】
半導体層５の表面は、原子間力顕微鏡で測定した二乗平均平方根粗さ（Ｒｑ）が１．０ｎｍ以下である。Ｒｑは、理想的には０ｎｍであるため、Ｒｑの下限値は０ｎｍである。
Ｒｑの上限は、好ましくは０．７ｎｍ以下であり、より好ましくは０．５ｎｍ以下であり、さらに好ましくは０．３ｎｍ以下である。
【００３８】
ここで、本明細書において二乗平均平方根粗さ（Ｒｑ）は、原子間力顕微鏡（ＳＩＩ社製、型番ＳＰＩ５０００、タッピングモード観察）を用い、５μｍ×５μｍの測定領域を測定して得られる観察像を用いて算出される値を指す。
【００３９】
また、半導体層５の厚さは、２０ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることがより好ましい。なお、本実施形態において、半導体層５の厚さは、半導体層５を形成するスパッタチャンバー内に、膜厚校正を主目的として配置された水晶発振式膜厚計を用いて測定される。
【００４０】
Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物やＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物では、半導体層の形成時に多結晶状になりやすい。そのため、通常知られた酸化膜トランジスタでは、半導体層に含まれる結晶粒に起因して、半導体層の表面が、上述した二乗平均平方根粗さを示すほど平坦にはならない。また、通常知られた酸化膜トランジスタの半導体層は、このような結晶粒に起因して、面方向の電気伝導度が低下してしまう。
【００４１】
そのため、通常知られた酸化物半導体を用いて半導体層を形成する場合には、面方向に連続した層とするため（不連続な領域を形成しないため）、及び導電性担保のために、膜厚を３０〜８０ｎｍとしている。
【００４２】
これに対して、本実施形態の半導体層５においては、表面が上述のような二乗平均平方根粗さを示し、非常に平坦な表面となる。そのため、半導体層５を薄く形成しても不連続にはなりにくい。また、上述の通常知られた酸化物半導体からなる半導体層とは異なり、形成した半導体層５の内部に局所的に結晶粒が成長するという現象も生じにくく、結晶粒に起因した電気伝導度の低下も見られない。
【００４３】
したがって、本実施形態の薄膜トランジスタ１においては、半導体層５の厚さを上述のように薄くすることができる。これにより、半導体層５を形成する材料コストを抑制することができる。さらに、通常知られた酸化膜トランジスタと比べ、半導体層の成膜時間が短くてすむために、製造時間を短縮することができる。
本実施形態の薄膜トランジスタ１および半導体装置１００は、以上のような構成となっている。
【００４４】
（薄膜トランジスタの製造方法）
次に、本実施形態の薄膜トランジスタ１の製造方法について説明する。本実施形態の薄膜トランジスタの半導体層は、物理蒸着法（または物理気相成長法）を用いることにより形成することも可能である。
【００４５】
ここで、物理蒸着法としては、蒸着法やスパッタ法が挙げられる。蒸着法としては、真空蒸着法、分子線蒸着法（ＭＢＡ）、イオンプレーティング法、イオンビーム蒸着法などを例示することができる。また、スパッタ法としては、コンベンショナル・スパッタリング、マグネトロン・スパッタリング、イオンビーム・スパッタリング、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）・スパッタリング、反応性スパッタリングなどを例示することができる。スパッタ法においてプラズマを用いた場合は、反応性スパッタ法、ＤＣ（直流）スパッタ法、高周波（ＲＦ）スパッタ法等の成膜法を用いることができる。
【００４６】
さらには、下記の製造方法を用いて薄膜トランジスタを製造することが好ましい。下記の製造方法を用いると、より高品質な薄膜トランジスタを製造することができる。
【００４７】
本実施形態の薄膜トランジスタ１の製造方法においては、基板２の上に通常知られた方法でゲート電極３および絶縁体層４を形成し、次いで半導体層５を形成する。本実施形態の製造方法では、ターゲットと、プロセスガスと、を用いた物理蒸着法により、半導体層５は製造される。前記ターゲットは、酸化インジウムの粉末と、原子番号が７３以上の金属原子の酸化物の粉末と、を含む焼結体である。前記プロセスガスは、希ガスと酸素との混合ガスであり水素原子を有する化合物を含まない。ここでは、物理蒸着法としてスパッタ法を用いることとして説明する。
【００４８】
焼結体において、原子番号が７３以上の金属原子とインジウムの合計量（原子数）に対する原子番号が７３以上の金属原子の含有量（原子数）の比（百分率）は、好ましくは０．５〜１０原子％である。原子番号が７３以上の金属原子以外の残部は、インジウム、酸素原子、及び不可避不純物である。
形成される半導体層５の組成（酸素原子以外の元素の組成）と、ターゲットの組成（酸素原子以外の元素の組成）とは、同一又はほぼ同一となる。このため、目的とする半導体層５の組成（酸素原子以外の元素の組成）とほぼ同一の組成（酸素原子以外の元素の組成）を有するターゲットを用意することが好ましい。
例えば、半導体層５としてＩｎ−Ｗ−Ｏ系の金属酸化物を採用する場合には、ターゲットとしては、酸化インジウムの粉末と、酸化タングステンの粉末との焼結体を採用するとよい。なお、酸化タングステンには、Ｗ２Ｏ３、ＷＯ２、ＷＯ３が存在する。このうち、ＷＯ３が最も安定であり、かつ安価に製造される。ＷＯ３の製造過程では、Ｗ２Ｏ３及びＷＯ２が微量に混入する場合があるが、酸化タングステンの組成は変化せずＷＯ３である。本実施形態では、酸化タングステンとは、ＷＯ３、又はＷ２Ｏ３及びＷＯ２が微量に混入したＷＯ３を意味する。
また、ターゲットには、酸化タングステンの含有量（質量％）以下の量で添加物（金属酸化物など）等の不純物が混入していてもよい。例えば、ターゲットに、意図しない不可避不純物として、酸化インジウムおよび酸化タングステン以外の金属酸化物（酸化亜鉛など）が、ターゲット全体における酸化タングステンの含有量以下の割合で混入することがあっても構わない。
【００４９】
その場合、焼結体において、タングステンとインジウムの合計量（原子数）に対するタングステンの含有量（原子数）の比（百分率）は、好ましくは０．５〜１０原子％であり、更に好ましくは０．５〜２原子％である。
【００５０】
通常知られた酸化物半導体であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物やＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物では、酸化インジウムを「ホスト材料」、酸化亜鉛や酸化ガリウムを「ゲスト材料」とすると、ホスト材料（酸化インジウム）の量に対して、２割〜３割（２０〜３０％）の量のゲスト材料（酸化亜鉛や酸化ガリウム）が混入されている。
【００５１】
これに対して、本実施形態の薄膜トランジスタ１の半導体層５は、上述のような焼結体をターゲットとして用いて形成される。そのため、本実施形態の製造方法で製造された薄膜トランジスタ１においては、半導体層５の酸化物半導体は、通常知られた酸化物半導体と比べて、ホスト材料（酸化インジウム）の含有量に対するゲスト材料（酸化タングステン）の含有量の比が、極めて少ないものとなる。
【００５２】
また、薄膜トランジスタ１の製造方法においては、プロセスガスとして希ガスと酸素との混合ガスを用いる。希ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンが挙げられる。
プロセスガス中の酸素ガスの量（体積比率）は、好ましくは８．５〜１２体積％である。
【００５３】
また、プロセスガスは、水素原子を有する化合物を含まない。ここで、「水素原子を有する化合物を含まない」とは、水（Ｈ２Ｏ）や水素ガス（Ｈ２）など水素原子を有する化合物をプロセスガス中に意図的には混合しないことを意味する。この考え方において、用いるガスや作業環境中に微量に存在する水分や水素ガスなどが、意図せずにプロセスガス中に混入してしまうことは排除しない。
【００５４】
Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物やＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物からなる半導体層の製造工程では、上述した局所的な結晶粒の成長を抑制し、良好な成膜を実現するため、プロセスガス中に少量の水を含有させることがある。また、プロセスガス中に水素を含有させることもある。
【００５５】
このような水素原子を含むガスをプロセスガスとして用いてスパッタを行うと、スパッタで形成される膜の内部に水素原子（プロトン）が混入する。半導体層がこのような水素原子を内包していると、トランジスタの駆動時に通電させた電流により、半導体層内でこの水素原子が移動し、半導体層の性質が安定しない。そのため、水素原子を内包した半導体層を有する薄膜トランジスタでは、２つの電極間（ソース−ドレイン）を電流が流れ始める最小のゲート電圧である閾値電圧が変動し、動作が安定しにくい。
【００５６】
これに対して、本実施形態の薄膜トランジスタの製造方法においては、上述したように、形成される半導体層では、原子番号が７３以上の金属原子が内包され、この金属原子が局所的な結晶成長を抑制する。そのため、上記Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物やＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物のように、プロセスガスに水を含める必要がない。したがって、本実施形態の薄膜トランジスタの製造方法においては、プロセスガスとして、希ガスと酸素とを含み、水や水素などの水素原子を含むガス成分を含まないガスを用いることができる。
【００５７】
本実施形態の薄膜トランジスタの製造方法においては、発明者の検討により、酸化インジウムと酸化タングステンとを含むターゲットを用いて半導体層を形成する場合、半導体層を構成する金属酸化物をアモルファス膜とするために高温を必要としないことが分かっている。そのため、薄膜トランジスタの製造方法においては、半導体層を形成する工程を、１０℃以上１００℃以下で行うことで好適に半導体層を形成することができる。さらには、半導体層を形成する工程を、室温で実施するとよい。ここで、「室温で実施」とは、半導体層を形成する工程のために非加熱であり、作業環境の温度調整が不要であることを意味する。
【００５８】
本実施形態の薄膜トランジスタの製造方法において採用されるスパッタ法としては、ＲＦスパッタ、ＡＣスパッタ、ＤＣスパッタなど公知のものを用いることができる。
【００５９】
また、ターゲットは、酸化インジウムの粉末と、原子番号が７３以上の金属原子の酸化物の粉末と、を用いていれば、これら粉末の混合物の焼結体であってもよく、それぞれの粉末の焼結体であってもよい。それぞれの金属酸化物の粉末毎に焼結体を形成する場合には、複数の焼結体を用いた共スパッタにより半導体層を形成することができる。
本実施形態の薄膜トランジスタの製造方法は、以上のようになっている。
【００６０】
以上のような構成の薄膜トランジスタによれば、新規な半導体材料を用いることで、特性変化が抑制される。
【００６１】
また、以上のような構成の半導体装置によれば、特性変化が抑制された薄膜トランジスタを有し、高い信頼性を有する。
【００６２】
また、以上のような薄膜トランジスタの製造方法によれば、新規な半導体材料を用い、特性変化が抑制された薄膜トランジスタを容易に製造することができる。
【００６３】
なお、本実施形態においては、いわゆるボトムゲート型の薄膜トランジスタについて説明したが、本発明はいわゆるトップゲート型の薄膜トランジスタに適用することもできる。
【００６４】
また、本実施形態においては、いわゆるトップコンタクト型の薄膜トランジスタについて説明したが、本発明はいわゆるボトムコンタクト型の薄膜トランジスタに適用することもできる。
【００６５】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は斯かる例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の要件から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【実施例】
【００６６】
以下に本実施形態を実施例により説明するが、本実施形態はこれらの実施例に限定されるものではない。【００６７】
（実施例１）
本実施例においては、図２に示す薄膜トランジスタ１０を作製し、動作確認を行った。
図２に示す薄膜トランジスタ１０は、図１に示した薄膜トランジスタ１と同様の構造を有し、図１の薄膜トランジスタ１が有するゲート電極３の代わりに、ｐ型不純物を多量にドープしたＳｉ層８が用いられている。【００６８】
実施例の薄膜トランジスタ１０は、以下のように製造した。ｐ型不純物をドープしたＳｉ基板を用い、表面を酸化することで絶縁体層４を形成した。次いで絶縁体層４の表面に後述の方法を用いて半導体層５を形成した。ソース電極６およびドレイン電極７は、半導体層５の表面にマスク蒸着することにより形成した。【００６９】
ソース電極６とドレイン電極７は、金（Ａｕ）を形成材料として用い、厚さは４０ｎｍであった。また、ソース電極６とドレイン電極７との離間距離（ゲート長）は３５０μｍであり、対向している部分の長さが９４０μｍであった。【００７０】
半導体層５は、スパッタ装置（神港精機社製、ＳＴＶ４３２１型）を用い、ターゲット材として、ＩＷＯターゲット（住友金属鉱山社製）を用いて以下のスパッタ条件でスパッタ法（ＤＣスパッタ）により成膜した。ＩＷＯターゲットとして、１質量％の酸化タングステン（ＷＯ３）が添加されたＩｎ２Ｏ３系のサンプル品を用いた。成膜した半導体層５の厚さは、１０ｎｍであった。【００７１】
（スパッタ条件）
ＤＣ  ｐｏｗｅｒ      ：５０Ｗ
真空度                ：０．０６Ｐａ
プロセスガス流量      ：Ａｒ  ３ｓｃｃｍ／Ｏ２  ０．５ｓｃｃｍ
（ｓｃｃｍ：Standard Cubic Centimeter per Minute）
基板温度              ：２３℃。加熱なし【００７２】
形成された半導体層の表面の二乗平均平方根粗さを原子間力顕微鏡（ＳＩＩ社製、型番ＳＰＩ５０００、タッピングモード観察）で測定した。表面の二乗平均平方根粗さは０．２４ｎｍであった。【００７３】
このようにして作製された薄膜トランジスタ１０の特性は、評価環境を２３℃、暗所、真空中として測定した。図３は、薄膜トランジスタ１０の特性を測定した結果を示すグラフであり、図３（ａ）は伝達特性を示し、図３（ｂ）は出力特性を示す。【００７４】
本実施例で作製された薄膜トランジスタ１０では、電界効果移動度が１．１８ｃｍ２／Ｖｓであった。
また、駆動電流（Ｉｏｎ）とリーク電流（Ｉｏｆｆ）との比（Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ）が１０７以上であり、極めてリーク電流が少ないことが分かった。
さらに、閾値電圧は２６Ｖであった。半導体層の成膜条件、膜厚などを変更することにより、半導体層の特性を調整することで、この閾値電圧の調整が可能である。
サブスレッショルド係数（Ｓ値）は０．４４Ｖ／ｄｅｃａｄｅであった。
従って、本実施例の薄膜トランジスタの動作確認ができた。【００７５】
また、半導体層５を形成する際にプロセスガス中の酸素分圧を種々の値に調節する以外は、上記の方法と同様にして薄膜トランジスタ１０を作製した。そして、半導体層５の導電率を測定した。
図４は、プロセスガス中の酸素分圧と、形成された半導体層５の導電率との関係を示すグラフである。
半導体層５の導電率（σ）と酸素分圧（Ｐ（Ｏ２））とは以下の関係式で表された。
σ＝ｅｘｐ｛−４４９×Ｐ（Ｏ２）−２．４４｝
プロセスガス中の酸素分圧が高くなるほど、半導体層５の導電率が低くなることがわかる。プロセスガス中の酸素分圧が０．０４Ｐａ超の場合、半導体層５の導電率が１０−９Ｓ／ｃｍ未満となった。プロセスガス中の酸素分圧が０．０２８Ｐａ未満の場合、半導体層５の導電率が約１０−６Ｓ／ｃｍ以上となった。プロセスガス中の酸素分圧が０．０３〜０．０３８Ｐａの場合、半導体層５の導電率は、約１０−８Ｓ／ｃｍとなった。
このように、プロセスガス中の酸素分圧を調整することによって、半導体層５を再現性良く形成できることが分かった。【００７６】
（実施例２）
ＩＷＯターゲットとして、３質量％又は５質量％の酸化タングステン（ＷＯ３）と、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）とからなるターゲットを用いる以外は、実施例１と同様にして半導体層５を成膜し、薄膜トランジスタ１０を作製した。
薄膜トランジスタ１０の電気特性を測定した結果、電界効果移動度が良好な値であり、かつ極めてリーク電流が少ないことが分かった。従って、本実施例の薄膜トランジスタの動作確認ができた。【００７７】
以上の結果から、本実施形態の薄膜トランジスタの動作確認ができ、本実施形態の有用性が確かめられた。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本実施形態の薄膜トランジスタは、特性変化が抑制されている。また本実施形態の薄膜トランジスタの製造方法では、特性変化を防止するために半導体層を保護する必要が無く、工程負荷が小さい。さらにＧａを含まないため、ターゲットに係るコストを低減できる。このため、本実施形態は、液晶ディスプレイや有機エレクトロルミネッセンス（Electro Luminescence（ＥＬ））ディスプレイのスイッチング素子の製造工程に好ましく適用できる。
【符号の説明】
【００７９】
１，１０：薄膜トランジスタ、２：基板、３：ゲート電極、４：絶縁体層、５：半導体層、６：ソース電極、７：ドレイン電極、８：Ｓｉ層、１００：半導体装置。
【図１】
2013187486.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2013187486.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成27年5月15日(2015.5.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極に接して設けられた半導体層と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間のチャネルに対応させて設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記半導体層との間に設けられた絶縁体層と、を備え、
前記半導体層の形成材料が、インジウムと、原子番号が７３以上の金属原子と、を含む複合金属酸化物であり、
前記半導体層の表面は、原子間力顕微鏡で測定した二乗平均平方根粗さが１．０ｎｍ以下であり、
前記半導体層の厚さは、２０ｎｍ以下である薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記原子番号が７３以上の金属原子が、タングステンである請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の薄膜トランジスタの製造方法であって、
ターゲットと、プロセスガスと、を用いた物理蒸着法により、インジウムと原子番号が７３以上の金属原子とを含む複合金属酸化物からなる半導体層を形成する工程を有し、
前記ターゲットは、酸化インジウムの粉末と、原子番号が７３以上の金属原子の酸化物の粉末と、を含む焼結体であり、
前記プロセスガスは、希ガスと酸素との混合ガスであり水素原子を有する化合物を含まない薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項４】
前記原子番号が７３以上の金属原子の酸化物が、酸化タングステンである請求項３に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】
前記焼結体に含まれる前記酸化タングステンの含有量が、１０質量％以下である請求項４に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】
前記半導体層を形成する工程を、１０℃以上１００℃以下で行う請求項３から５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
請求項３から６のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法により製造された薄膜トランジスタ。
【請求項８】
基板と、前記基板に設けられた請求項１または２および請求項７のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタと、を有する半導体装置。
【手続補正書】
【提出日】平成27年10月5日(2015.10.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極に接して設けられた半導体層と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間のチャネルに対応させて設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記半導体層との間に設けられた絶縁体層と、を備え、
前記半導体層の形成材料が、インジウムと、原子番号が７３以上の金属原子と、を含む複合金属酸化物であり、
前記半導体層の表面は、原子間力顕微鏡で測定した二乗平均平方根粗さが１．０ｎｍ以下であり、
前記半導体層の厚さは、２０ｎｍ以下である薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記原子番号が７３以上の金属原子が、タングステンである請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の薄膜トランジスタの製造方法であって、
ターゲットと、プロセスガスと、を用いた物理蒸着法により、インジウムと原子番号が７３以上の金属原子とを含む複合金属酸化物からなる半導体層を形成する工程を有し、
前記ターゲットは、酸化インジウムの粉末と、原子番号が７３以上の金属原子の酸化物の粉末と、を含む焼結体であり、
前記プロセスガスは、希ガスと酸素との混合ガスであり水素原子を有する化合物を含まない薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項４】
前記原子番号が７３以上の金属原子の酸化物が、酸化タングステンである請求項３に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】
前記焼結体に含まれる前記酸化タングステンの含有量が、１０質量％以下である請求項４に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】
前記半導体層を形成する工程を、１０℃以上１００℃以下で行う請求項３から５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
基板と、前記基板に設けられた請求項１または２に記載の薄膜トランジスタと、を有する半導体装置。
【国際調査報告】
2013187486.tif 000007
2013187486.tif 000008
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