(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属酸化物半導体薄膜トランジスタ内にオーム性ソース／ドレイン接点を形成する方法において、前記方法は、
ゲート、前記ゲート上に重なるゲート誘電体の層、前記ゲートの反対側の前記ゲート誘電体上に重なる高キャリア密度の金属酸化物半導体材料の層、および活性層内のチャネル領域を定義する互いに離れたソース／ドレイン金属接点を有する基板を提供する段階であって、前記基板は、前記金属酸化物半導体の前記チャネル領域の上に、かつ部分的に前記ソース／ドレイン金属接点の下になるように配置されたエッチ・ストップ・パッシベーション層をさらに有し、前記エッチ・ストップ・パッシベーション層は、ガラス遷移温度（Ｔｇ）を有する絶縁材料によって形成され、前記温度Ｔｇ以下では、前記絶縁材料は、Ｏ２，Ｈ２Ｏ，Ｈ２，Ｎ２に対し、および、エッチ・ストップ・パッシベーション層より上の後続の組立プロセスで使用される化学薬品に対し、化学バリアとして作用し、前記温度Ｔｇ以上では、前記絶縁材料は、高い粘性を有し、かつ酸素原子、水素原子、および窒素原子に対して十分な移動度を有する、半液体として作用する、基板を提供する段階と、
前記金属酸化物半導体材料の層に隣接する酸化環境を提供する段階と、
前記酸化環境内で、前記ゲートおよび前記金属酸化物半導体材料内の前記ゲートに隣接するチャネル領域を加熱して、前記チャネル領域の前記キャリア密度を低減させる一方で、前記チャネル領域の両側の領域内の前記高キャリア密度を保持する段階と、
前記金属酸化物半導体材料上に、離間したソース／ドレイン金属接点を形成する段階であって、前記離間したソース／ドレイン金属接点は、前記金属酸化物半導体材料内の前記高キャリア密度の領域上にある前記チャネル領域の各側面上の一方に配置され、前記離間したソース／ドレイン金属接点を形成する段階は、前記加熱する段階の前または後の一方で実行される、段階と、
から成ることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ゲートおよび前記チャネル領域を加熱する段階は、前記金属酸化物層の前記バンド・ギャップより低い光子エネルギーを有する、ランプおよびパルス・レーザ光のうちの１つを含む放射線源を使用する段階を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記加熱する段階は、前記パルス・レーザ光に対して透明である、ゲート誘電体および高キャリア密度の金属酸化物半導体の活性層と共に、前記パルス・レーザ光を使用する段階を含み、前記離間したソース／ドレイン金属接点は、前記加熱する段階の後に形成されることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記金属酸化物半導体の活性層内のキャリア密度は、約１Ｅ１８／ｃｍ３より大きく、かつ前記金属酸化物半導体の活性層の前記チャネル領域内のキャリア密度は、１Ｅ１８／ｃｍ３未満に低減されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
低い仕事関数の金属および高い仕事関数のバリア金属を含む、第１部分を有する前記ソース／ドレイン金属接点のそれぞれを形成する段階をさらに含み、前記低い仕事関数の金属の仕事関数は、前記金属酸化物半導体の活性層の仕事関数と同等か、またはそれより小さいかのいずれか１つであり、前記バリア金属の仕事関数は、前記金属酸化物半導体の活性層の仕事関数と同等か、またはそれより大きいかのいずれか１つであり、前記第１部分は、前記金属酸化物半導体の活性層上に配置され、高伝導率の金属の第２部分は、前記第１部分上に配置されることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記低い仕事関数の金属は、約４ｅＶの仕事関数よりも低い仕事関数を有し、かつ前記高い仕事関数のバリア金属は、約４ｅＶの仕事関数よりも高い仕事関数を有することを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記離間したソース／ドレイン金属接点を形成する段階は、前記ゲートおよび前記チャネル領域を加熱する段階の前、および  前記加熱する段階中に実行され、前記ソース／ドレイン金属接点は、前記チャネル領域の各側面上にある前記高キャリア密度の金属酸化物半導体の活性層の前記接点部分を前記酸化環境からシールドし、それによって前記チャネル部分の両側面上にある前記接点部分は、前記高キャリア密度を保持することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記ソース／ドレイン金属接点間の少なくとも前記チャネル領域上にパッシベーション層を形成する段階を付加的に含み、前記ゲートおよび前記チャネル領域を加熱する段階において、前記パッシベーション層は、前記加熱する段階中に前記パッシベーション層を通って酸素を運搬し、前記酸化環境を提供することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記パッシベーション層は酸素を含む材料を含み、前記酸素は前記加熱する段階中に開放されて酸化環境を提供することを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
金属酸化物半導体薄膜トランジスタにおける低抵抗のオーム性ソース／ドレイン接点において、
薄膜トランジスタ構成中の、ゲート、ゲート誘電体、バンド・ギャップを有する高キャリア密度の金属酸化物半導体の活性層、前記活性層内のチャネル領域を定義する離間したソース／ドレイン金属接点、および前記金属酸化物半導体の活性層の前記チャネル領域上に重なる関係で配置されたエッチ・ストップ・パッシベーション層と、前記チャネル領域内のキャリア密度よりも大きいキャリア密度を有する前記ソース／ドレイン金属接点と接する前記金属酸化物半導体の活性層の部分と、を含み、
前記エッチ・ストップ・パッシベーション層は、ガラス遷移温度（Ｔｇ）を有する絶縁材料によって形成され、前記温度Ｔｇ以下では、前記絶縁材料は、Ｏ２，Ｈ２Ｏ，Ｈ２，Ｎ２に対し、および、エッチ・ストップ・パッシベーション層より上の後続の組立プロセスで使用される化学薬品に対し、化学バリアとして作用し、前記温度Ｔｇ以上では、前記絶縁材料は、高い粘性を有し、かつ酸素原子、水素原子、および窒素原子に対して十分な移動度を有する半液体として作用することを特徴とする、金属酸化物半導体薄膜トランジスタにおける低抵抗のオーム性ソース／ドレイン接点。
【請求項１１】
前記ソース／ドレイン金属接点と接する前記金属酸化物半導体の活性層の前記部分内のキャリア密度は、約１Ｅ１８／ｃｍ３より大きく、かつ前記金属酸化物半導体の活性層の前記チャネル領域内のキャリア密度は、約１Ｅ１８／ｃｍ３未満に低減さ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薄膜トランジスタにおける低抵抗のオーム性ソース／ドレイン接点。
【請求項１２】
前記ソース／ドレイン金属接点のそれぞれは、低い仕事関数の非常に薄い層および高い仕事関数のバリア金属を含む第１部分を有し、前記低い仕事関数の金属の仕事関数は、前記金属酸化物半導体の活性層の仕事関数と同等か、またはそれより小さいかのいずれか１つであり、前記バリア材料の仕事関数は、前記金属酸化物半導体の活性層の仕事関数と同等か、またはそれより大きいかのいずれか１つであり、前記第１部分は、前記金属酸化物半導体の活性層上に配置され、高伝導率の金属の第２部分は、前記第１部分上に配置さ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薄膜トランジスタにおける低抵抗のオーム性ソース／ドレイン接点。
【請求項１３】
前記低い仕事関数の金属の非常に薄い層内の前記仕事関数は約４ｅＶの仕事関数よりも低く、かつ前記高い仕事関数の金属のバリア層内の前記仕事関数は約４ｅＶの仕事関数よりも高いことを特徴とする請求項１２記載の金属酸化物半導体薄膜トランジスタにおける低抵抗のオーム性ソース／ドレイン接点。
【請求項１４】
前記低い仕事関数の金属および前記高い仕事関数のバリア金属は、単一の層に混合された層、および、個別の層として形成されたそれぞれの層の一方であることを特徴とする請求項１２記載の金属酸化物半導体薄膜トランジスタにおける低抵抗のオーム性ソース／ドレイン接点。
【請求項１５】
前記エッチ・ストップ・パッシベーション層の前記絶縁材料は、「液体ガラス」材料およびシリコンを含む無機材料のうちの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薄膜トランジスタにおける低抵抗のオーム性ソース／ドレイン接点。
【請求項１６】
前記エッチ・ストップ・パッシベーション層の前記絶縁材料は、以下の化学基、すなわち、−Ｏ−，−ＣＯＯＨ，−Ｃ＝Ｏ，−Ｏ−Ｏ−，Ｏ＝Ｃ−Ｎ−Ｃ＝Ｏ，−Ｃ−ＯＨ，および，−Ｃ−Ｈのうちの１つから選択された有機物質のうちの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薄膜トランジスタにおける低抵抗のオーム性ソース／ドレイン接点。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にＴＦＴ（薄膜トランジスタ）内の金属酸化物半導体膜に関し、より詳しくは、異なるキャリア密度の領域を有する活性層の形成に関し、それによって金属酸化膜のソース／ドレイン接点が改善される。
【背景技術】
【０００２】
先行技術において、アモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ）薄膜トランジスタは、ゲートおよびゲート絶縁体層上にａ−Ｓｉ半導体材料の第１層を堆積し、次に、第１層の上部に高度にドープされたシリコンの層（例えばｎ＋層）を堆積することによって形成される。次に、ソースおよびドレインのための金属接点が高ドープ層上に形成され、接点間の第１のａ−Ｓｉ層内にチャネル領域が画定される。チャネル領域上の高ドープ層は、その後にエッチングで除去することができるので、チャネル領域に悪影響を及ぼさない。ａ−ＳｉＴＦＴチャネル内の低移動度によって、装置１０は接点抵抗をあまり必要としなくなる。高ドープ領域上に形成された金属接点は、低抵抗（オーム性）接点を提供する。
【０００３】
金属酸化物薄膜トランジスタ（ＭＯＴＦＴ）において、金属接点は、金属酸化物半導体層上に直接形成される。すなわち、金属酸化物半導体材料は、それがチャネル領域内にあるのと同じように、金属接点の下にある。ＭＯＴＦＴにとって、ｎ＋層およびより高いバンド・ギャップの不足は、良好なオーム接点を提供することをより困難にする。さらに、金属酸化物半導体材料の高い移動度は、ａ−Ｓｉ  ＴＦＴ内よりも、より低い接点抵抗を要求する。良好な低い抵抗の接点（以下、「オーム接点」と称する。）が無ければ、金属酸化物半導体材料の高い移動度は、接点抵抗によって損なわれる場合がある。しかしながら、ＭＯＴＦＴ内のオーム接点は、現在まで事実上知られていなかったか、あるいは、形成および／または保持することが非常に困難であった。
【０００４】
先行技術に内在する上記のような欠点および他の欠点を改善することは、非常に有利であろう。
【発明の概要】
【０００５】
簡潔に述べれば、本発明が所望する目的は、異なるキャリア密度の領域を有するＴＦＴのための活性層を形成する方法により達成される。本方法は、ゲート、ゲートに隣接するゲート誘電体の層、ゲートの反対側のゲート誘電体上に配置された高キャリア密度を有する金属酸化物半導体材料の層を有する基板を提供する段階を含む。本方法は、さらに、ゲートに整合された金属酸化物半導体材料の層のチャネル部分を酸化させて、チャネル部分のキャリア密度を減らす段階を含む。チャネル部分の両側の接点部分は、高キャリア密度のまま保持される。
【０００６】
本発明の所望する目的をさらに達成するために、薄膜トランジスタ構成内に、配置中のゲート、ゲート誘電体、バンド・ギャップを有する高キャリア密度の金属酸化物半導体の活性層、および、離間したソース／ドレイン接点を提供する段階を含む、金属酸化物半導体薄膜トランジスタ内にオーム性ソース／ドレイン金属接点を形成する方法が提供される。離間したソース／ドレイン金属接点は、活性層内にチャネル領域を画定する。酸化環境は、チャネル領域に隣接し、ゲートおよびチャネル領域は、酸化環境内で加熱され、チャネル領域のキャリア密度が減少する。互換的に、または付加的に、ソース／ドレイン接点のそれぞれは、金属酸化物半導体の活性層上に配置された低い仕事関数の金属の非常に薄い層を含み、また、高い仕事関数の金属のバリア層は、低い仕事関数の金属上に配置される。
【０００７】
本発明の所望する目的は、さらに、一実施例に従って達成される。金属酸化物半導体薄膜トランジスタ内の、金属と金属酸化物との低抵抗のオーム接点は、薄膜トランジスタ構成における、ゲート、ゲート誘電体、バンド・ギャップを有する高キャリア密度の金属酸化物半導体の活性層、および離間したソース／ドレイン金属接点を含む。離間したソース／ドレイン金属接点は、活性層内にチャネル領域を画定する。ソース／ドレイン金属接点に接する金属酸化物半導体の活性層の部分は、チャネル領域内のキャリア密度よりも大きいキャリア密度を有する。
【０００８】
互換的に、または上記の実施例に加えて、金属酸化物半導体薄膜トランジスタ内の、金属と金属酸化物半導体の活性層との低抵抗オーム接点は、金属酸化物半導体の活性層上に配置された低い仕事関数の非常に薄い層（低い仕事関数の金属の仕事関数は、金属酸化物半導体の活性層の仕事関数と同等か、またはそれより小さいかのいずれか１つである）、および、低い仕事関数の金属上に配置された高い仕事関数の金属のバリア層（高い仕事関数の金属の仕事関数は、金属酸化物半導体の活性層の仕事関数と同等か、またはそれより大きいかのいずれか１つである）を具備するソース／ドレイン金属接点を含む。互換的に、低い仕事関数の金属の層および高い仕事関数の金属の層は、低い仕事関数の金属および高い仕事関数の金属が混合された一種の合金から成る単一の層によって置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
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らかになるであろう。
【図１】図１は、オーム性のソース−ドレイン接点を有する典型的なアモルファス・シリコンＴＦＴの単純化された層の図である。
【図２】図２は、高い仕事関数の金属と金属酸化物半導体材料との間のショットキー・バリア・タイプの接点を示す、単純化されたエネルギー・バンドの図である。
【図３】図３は、本発明に従って、異なるキャリア密度を有する活性層を形成するための第１の方法における最初の構造を示す、単純化された層の図である。
【図４】図４は、図３と同様に、異なるキャリア密度を有する活性層を形成するための第１の方法の最終段階を示す、単純化された層の図である。
【図５】図５は、本発明に従って、異なるキャリア密度を有する活性層を形成する第２の方法を示す、下部ゲートおよび上部ソース／ドレインを有する本発明に従ったＭＯＴＦＴの単純化された層の図である。
【図６】図６は、本発明に従ってオーム金属接点を示す、部分的なＭＯＴＦＴの単純化された層の図である。
【図７】図７は、本発明において使用することができるいくつかの材料の化学構造を示す表１である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１には、オーム性のソース−ドレイン接点を有する典型的なアモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ）ＴＦＴ１０の単純化された層の図が示される。ＴＦＴ１０は基板１１を含み、基板１１は、その上部表面内に形成されたゲート１２を有する。ゲート１２は、周知の方法で、ゲート誘電体の薄層１３によって被覆される。ドープされないアモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ）の層１４は、任意の周知の方法で、ゲート誘電体層１３の上部表面上に形成される。高ドープ(heavily doped)された（ｎ＋）アモルファス・シリコン層１５は、層１４の上部表面に堆積される。次に、ソース用の金属接点１６およびドレイン用の金属接点１７が、高ドープ層１５上に形成され、接点１６と接点１７との間のａ−Ｓｉ層１４内にチャネル領域１８（破線内に位置する）が画定される。次に、チャネル領域１８上の高ドープ層１５の部分は、一般に金属接点１６，１７をマスクとして使用して、エッチングにより除去することができる。アモルファス・シリコンＴＦＴのチャネル１８内の低移動度によって、装置１０は接点抵抗をあまり必要としなくなる。高ドープ層１５上に形成された金属接点１６，１７は、低抵抗（オーム）接点を提供する。
【００１１】
図１に示されたようなタイプの装置における問題の１つは、チャネル上の高ドープ層１５の部分のエッチングである。半導体層１４内へエッチングすることがないように、さらに、パッシベーション、電界効果制御、不安定性、トラップなどに困難を引き起こさないように、エッチングを十分に制御して層１５のみを除去することは非常に難しい。さらに、大きいサイズのガラス（広範囲な基板領域）上でそのようなプロセスを実行するために使用される機器は、均一な制御が複雑であることから非常に高価である。
【００１２】
金属酸化物半導体材料は、キャリア移動度が高く、光透過性を有し、さらに蒸着温度が低いことから、強い関心が寄せられている。高いキャリア移動度によって、より高い周波数またはより高い電流が要求される、より高いパフォーマンス領域まで応用が広がる。光透過性によって、ディスプレイおよびセンサのアクティブ・マトリックス内の光シールドが不要になる。低い蒸着温度によって、プラスチック基板上の柔軟なエレクトロニクスへの応用が可能になる。
【００１３】
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）キャリア移動度が、膜の粒子サイズにそれほど依存しない。すなわち、高移動度アモルファス金属酸化物が可能である。（２）表面状態の密度は低く、ＴＦＴのための電界効果を容易に可能にする。これは、表面状態が水素によって不活性化されなければならないような共有結合半導体（Ｓｉまたはａ−Ｓｉのような）とは逆である。（３）移動度は、ボリューム・キャリア密度に強く依存する。伝統的に、金属酸化物中のボリューム・キャリア密度または濃度は、酸素空孔によって制御される。酸素空孔は、（ａ）堆積中の酸素の分圧、（ｂ）高温処理、および（ｃ）原子価ドーピングによって制御することができる。
【００１４】
金属酸化物薄物薄膜トランジスタ（ＭＯＴＦＴ）において、金属接点は、金属酸化物半導体層上に直接形成される。すなわち、金属酸化物半導体材料は、金属接点の下にある点で、チャネル領域にあるのと同じである。ＭＯＴＦＴにとって、ｎ＋層およびより大きいバンド・ギャップの不足によって、良好なオーム接点を提供することがより難しくなる。さらに、金属酸化物半導体材料の高い移動度は、ａ−Ｓｉ  ＴＦＴ内の接点抵抗よりも低い接点抵抗を必要とする。良好なオーム接点がなければ、金属酸化物半導体材料の高い移動度は、接点抵抗によって損なわれる場合がある。
【００１５】
先行技術において、ＭＯＴＦＴ内のソースおよびドレインの接点は、通常ショットキー・バリアのタイプであり、金属が金属酸化物半導体材料と直接接触している。一般に、安定した接点金属（例えば、Ｍｏ，Ｗ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇなど）は、比較的高い仕事関数のが、低い仕事関数の金属（例えば、Ａｌ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｖ，Ｈｆ，Ｙなど）は、不安定であるか、または比較的容易に酸化する。高い仕事関数の金属は、金属酸化物半導体材料と共にショットキー・バリアを形成するので、伝導性を提供するために、キャリアはバリアを通ってトンネリングしなければならない。バリアが薄ければ、トンネリングは少量の抵抗だけでも発生し得るが、バリアが厚ければ、トンネリングはほとんど妨げられるであろう。いずれの場合も、ショットキー・バリア接点は、低抵抗を有するオーム接点ほど望ましいものではない。
【００１６】
特に図２には、ショットキー・バリア型接点を例示する、単純化されたエネルギー・バンドの図が示される。その接点は、左側に示された高い仕事関数の金属と、右側に示された金属酸化物半導体材料との間にある。仕事関数に差異があるために、金属から金属酸化物半導体材料への電子の流れに対してバリアが形成されることが解るであろう。バリアの厚さ「ｂ」は、接合内の伝導の量を決定する。すなわち、バリアの厚さｂが十分に小さい場合は、電子はトンネリングすることができ、伝導が生じるであろう。厚さｂは、主にバリアの傾斜「ｓ」によって制御または決定される。傾斜「ｓ」は、金属酸化物内のキャリア密度に比例する。傾斜が大きくなる（すなわちキャリア密度が増加する）ほど、厚さｂが小さくなることが解る。例えば、図２では、傾斜は約６０°である。傾斜が９０°の方へ大きくなるにつれて、厚さｂはより小さくなる。したがって、金属と半導体との界面におけるキャリア密度の増加によって、バリアの厚さが縮小し、接点が改善される。
【００１７】
金属またはドープ半導体の「仕事関数」という用語は、エネルギー準位を意味し、例えば図２のエネルギー図では、電子状態は満杯ではないが、そこまたはそれ以下では電子状態は完全に満杯である。電子状態は、時には、文献において「フェルミ・エネルギー」とも呼ばれる。ＴＦＴアプリケーションに使用される金属酸化物半導体膜内では、金属酸化物半導体の仕事関数は、伝導帯の底に非常に接近している（図２に描かれたように）。
【００１８】
一般に、金属酸化物半導体材料と金属との間に良好なオーム接点を形成するために、２つの方法または手段がある。すなわち、１）界面での金属酸化物半導体のキャリア密度をできる限り高くする（すなわち、バリアの傾斜を増加し、かつ厚さを縮小する）方法、および／または、２）金属の仕事関数を、金属酸化物半導体の仕事関数とほぼ一致させることによって、ほとんどまたは全くバリアを無くす方法である。しかしながら、これらの方法は、それぞれ克服すべき重大な課題を有している。
【００１９】
上記第１の方法を用いるためには、装置設計上のジレンマが存在する。その問題とは、ＴＦＴチャネル内に出現するものと同じ高キャリア密度（例えば、＞１Ｅ１８／ｃｍ３）の金属酸化物半導体材料が、ソースおよびドレイン接点の下に位置するということである。ＴＦＴが適切に動作するためには、チャネルのキャリア密度があまり高すぎてはならない（例えば、＜１Ｅ１８／ｃｍ３）。したがって、異なるキャリア密度または濃度が、ＴＦＴの活性層またはチャネル層（金属酸化物半導体層）の異なる領域内で生成されなければならない。
【００２０】
本発明に従って、活性層またはチャネル層内に異なるキャリア密度または濃度を達成する２つの方法が提供される。異なるキャリア密度を有する活性層を形成するための第１の方法（図３および図４に示される）は、以下のとおりである。特に図３には、下部ゲート３８および上部ソース３３／ドレイン３４を有するＭＯＴＦＴ３０を製作するための最初の構造が示される。この点において、例えば、下部ゲート、下部ソース／ドレイン・タイプの装置、上部ゲート、上部ソース／ドレイン・タイプの装置、上部ゲート、下部ソース／ドレイン・タイプの装置など含む様々な可能なＭＯＴＦＴ構成のいずれについても、ここに開示される方法の１つまたは全部を応用することができると信じていることが理解されるであろう。ＴＦＴ３０は基板３２を含み、それは、プラスチックのような可撓性材料、またはガラスなどのような他の入手可能な材料であってもよい。ゲート金属電極３８は、任意の適切かつ確立された方法によって基板３２内に形成される。薄いゲート誘電体層３７は、ゲート金属電極３８および基板３２の周辺領域の上に重なる関係で形成される。金属酸化物半導体膜３６は、ゲート金属電極３８および周辺領域の上に重なる関係で、ゲート誘電体層３７上に形成またはパターン化される。金属酸化物半導体膜３６（それはＭＯＴＦＥＴ３０の活性層である）は、高キャリア密度の金属酸化物であり、良好なオーム接点がソースおよびドレイン（図４）と膜３６との間に形成されることを確実にする。
【００２１】
一般に、異なるキャリア密度を有する活性層を形成するための第１の方法は、以下の段階を含む。最初に、ゲート金属が画定され（ゲート３８）、そして、ゲート誘電体が堆積される（層３７）。金属酸化物半導体材料の層または膜３６が堆積および／またはパターン化される。堆積は、キャリア濃度を増加させるために、無酸化環境で行われる。オプションで、さらにキャリア濃度を増加させるために、基板３２を還元環境内で、（もし基板材料の選択によって許容されるのであれば）高温で処理することも可能である。好適な加熱方法において、次に、図３の全体の構造は、酸化環境内で、金属酸化物層３６のバンド・ギャップ（例えば３ｅＶ）、ゲート誘電体層３７のバンド・ギャップ（例えば＞４ｅＶ）、および基板３２のバンド・ギャップ（例えば＞３ｅＶ）より下の光子エネルギーを有する放射源（例えば、ランプまたはパルス・レーザからの放射）からの一様な光照明に晒されるが、以下ではこれを「アニーリング」と称する。アニーリング処理に関する追加情報として、「Laser Annealing of Metal Oxide Semiconductor on Temperature Sensitive Substrate Formations」という名称で２０１０年９月１日に出願された米国特許出願（出願番号１２／８７４，１４５）を参照としてここに組み入れる。必要または便利である場合には、他の方法が、チャネル領域を加熱するために用いられてもよいことが理解されるであろう。
【００２２】
上記で引用された出願において説明されているように、ゲート金属以外の材料は全てレーザ光線に対して透明である。したがって、光（熱またはエネルギー）を吸収することができる唯一の材料は、ゲート金属３８である。レーザ・パルス期間は、温度勾配が非常に大きくなるように選択される。すなわち、温度は、吸収領域であるゲート３８の近くから非常に急速に降下する（例えば、１ミクロンにつき、＞１００度Ｃ）。したがって、ゲート３８の上部のチャネル領域３５のみが加熱され、そのキャリア密度または濃度は、酸素環境（すなわち酸素を含む環境）によって低減する。金属酸化物半導体膜３６の残部は、たとえそれが酸素環境内にあっても、低温であることによって、キャリア密度の低減が防止される。したがって、チャネル領域３５は、ゲート３８と自己整合し、ゲート３８に対する、エッチ・ストップとソース金属３３およびドレイン金属３４との整合は、それほど重大ではなくなる。
【００２３】
さらに図４に関し、ソース３３およびドレイン３４は、ゲート金属電極３８の上に重なる上部表面上において、それらの間にスペースが画定されるように、金属酸化物半導体膜３６の上部表面上に部分的に重なる関係で形成される。オプションのパッシベーション層３９は、金属酸化膜３６の露出部分、ならびにソース３３およびドレイン３４の周辺部分上に形成される。活性層３６内の異なるキャリア密度のために、良好な金属と半導体との接点（実質的に、オーム接点、またはバリア上の非常に高い傾斜）が、ソース３３と膜３６との間の界面、ならびに、ドレイン３４および膜３６との間の界面において形成される。
【００２４】
ＴＦＴのチャネル層の異なる領域内で異なるキャリア密度または濃度を提供する第２の方法は、図５を用いて説明される。図５は、本発明に従った、下部ゲート３８’および上部ソース３３’／ドレイン３４’を有するＭＯＴＦＴ３０’の単純化された層の図を示す。この点において、下部ゲート、下部ソース／ドレイン・タイプの装置、上部ゲート、上部ソース／ドレイン・タイプの装置、上部ゲート、下部ソース／ドレイン・タイプの装置など含む様々な可能なＭＯＴＦＴ構成のいずれについても、ここに開示される方法の１つまたは全部を応用することができると信じていることが理解されるであろう。ＴＦＴ３０’は、基板３２’を含み、それは、プラスチックのような可撓性材料、またはガラスなどのような他の入手可能な材料であってもよい。ゲート金属電極３８’は、任意の適切かつ確立された方法によって基板３２’内に形成される。薄いゲート誘電体層３７’は、ゲート金属電極３８’および基板３２’の周辺領域の上に重なる関係で形成される。金属酸化物半導体膜３６’は、ゲート金属電極３８’およびその周辺領域の上に重なる関係で、ゲート誘電体層３７’上に形成される。ソース３３’およびドレイン３４’は、ゲート金属電極３８’の上に重なる上部表面において、それらの間にスペースが画定されるように、金属酸化物半導体膜３６’の上部表面上に部分的に重なる関係で形成される。金属酸化物半導体膜３６’（それはＭＯＴＦＥＴ３０’の活性層である）は、高キャリア密度の金属酸化物であり、良好なオーム接点がソース３３’と膜３６’との間、および、ドレイン３４’と膜３６’との間に形成されることを確実にする。オプションのパッシベーション層３９’は、金属酸化膜３６’の露出部分、ならびに、ソース３３’およびドレイン３４’の周辺部分上に形成される。
【００２５】
次に、このプロセスのための加熱方法において、図５の全体構造は、酸化環境内で熱に晒される（以下、「アニーリング」と称する）。オプションのパッシベーション層３９’が存在しない場合、ソース３３’とドレイン３４’との間の金属酸化膜３６’の露出部分（３５’で示される）は、加熱工程において酸化環境に晒され、そしてキャリア密度または濃度は、酸化環境によって低減される。金属酸化物半導体膜３６’の残部は、たとえそれが酸化環境内にあったとしても、ソース３３’およびドレイン３４’によって遮蔽または保護されることにより、キャリア密度の低減が妨げられる。したがって、チャネル領域３５’は、ソース金属３３’／ドレイン金属３４’と自己整合する。したがって、ソース３３’およびドレイン３４’は、膜３６’のキャリア密度または濃度が高いときに適用される。金属と半導体との接点は、良好であり（実質的に、オーム接点またはバリア上の非常に高い傾斜）、キャリア密度または濃度は、後続の加熱によってチャネル３５’内で低減される。
【００２６】
構造を酸化環境内で加熱する時点において（またはその前に）、オプションのパッシベーション層３９’に関するいくつかの実行可能な段階を、本方法に組み入れることができることに注目すべきである。例えば、金属酸化物半導体チャネル材料は、ソース／ドレイン金属のエッチング・プロセス中、絶縁エッチング・ストップ（パッシベーション）層３９’によって、ソースとドレインとの間（領域３５’）で保護される。ソース／ドレイン金属の堆積およびパターニングの後、ソース金属３３’／ドレイン金属３４’は、金属酸化物半導体膜３６’と接触する。エッチング・ストップ層３９’は、パッシベーション材料として残すこともできるし、あるいは削除することもできる。層３９’が除去される場合、ゲート３８の上部のチャネル領域（３５’で示される）は加熱され、そのキャリア密度は、酸化環境によって低減される。
【００２７】
わずかに異なるプロセスではあるが、パッシベーション層として層３９’を保持することが望ましい場合、絶縁材料が以下の特性をもって選択される。ソース電極３３’およびドレイン電極３４’を、必要に応じてウェットエッチングまたはドライエッチングを用いてパターニングするとき、層３９’はエッチング・ストッパおよびチャネル・プロテクション機能を提供する。層３９’は、大きいバルク抵抗および大きい表面抵抗を有する絶縁特性を有し、逆バイアス下におけるＭＯＴＦＴ３０’の動作中に導電パスを生成または許容しない。最後に、層３９’の材料は、実際または通常の動作のために用いられる温度（例えば１２０℃以下）中、Ｏ２，Ｈ２Ｏ，Ｈ２，Ｎ２などに対する化学バリアとして機能するが、アニーリング温度またはそれ以上（例えば１５０℃以上）では、酸素導体として機能する。ソース／ドレイン・パターンを作成する手順の後、ポスト・アニーリング・プロセスによって、ソース・チャネルとドレイン・チャネルとの間にオーム接点が提供されるのみならず、チャネルに酸素原子が提供されることにより、好適なキャリア密度に達することが、上記で記述されたプロセスと共に理解されるべきである。
【００２８】
パッシベーション層３９’のための、上述された特性を発揮する絶縁材料のいくつかの例は、ガラス遷移温度（Ｔｇ）を有する絶縁材料で形成される。そのガラス遷移温度以下では、層は、Ｏ２，Ｈ２Ｏ，Ｈ２，Ｎ２などに対する、および、後続のプロセスで使用される化学剤に対する、化学バリアとして機能し、また、その温度以上では、層は、高い粘性を有するが、酸素原子、水素原子、および／または窒素原子に対して十分な移動度を有する、半液体として作用する。そのような材料としてのいくつかの特定の無機物の例には、「液体ガラス」と呼ばれる材料が含まれ、ダウ−コーニング社を含むいくつかの企業によって販売されている（フォト・パターナブル・スピン−オンまたはパターナブル・シリコン、例えばＷＬ５１５０、ＷＬ−３０１０、デグサなど）。いくつかの特定の有機物の例には、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリメチルグルタルイミド（ＰＭＧＩ）、または他のアクリルポリマ、ポリイミド（ＰＩ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エポキシ、ポリ−またはオルガノシランおよびポリ−またはオルガノシロキサン（ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のような）、あるいは他のタイプの液体ガラス、または当該分野のエキスパートに知られているサーモプラスチックを含む。図５に示される構造のようないくつかの場合において、パターニングプロセスを単純化するために、フォトパターナブル・フォームの材料を選択することが好ましい。
【００２９】
図７の表１は、上記において列挙されたいくつかの材料の化学構造を示す。列挙された材料の多くは、化学基（−Ｏ−，−ＣＯＯＨ，−Ｃ＝Ｏ，−Ｏ−Ｏ−，Ｏ＝Ｃ−Ｎ−Ｃ＝Ｏ，−Ｃ−ＯＨ，−Ｃ−Ｈ等）を含むことに注目すべきである。このような酸素含有基は、酸素水素のためのパス、およびＴｇ以上のアニール温度でチャネル領域への窒素環境を提供するだけでなく、酸素を提供し、金属酸化物半導体チャネル層のアンダーパスを用いて活動的に相互に作用し、界面でトラップを減少させ、アニーリングの効果および効率を改善する。
【００３０】
上記の加熱／酸化プロセスは、さらに、層３９’内に原子源を埋め込むことによって好適なキャリア密度に達するために、チャネルに酸素原子を提供する段階を含むことができる。例えば、金属酸化物ナノ粒子を有するポリマ・バインダを含む複合材料が、層３９’内に含まれてもよい。バインダ材料の例には、上述されたガラス質または熱高分子材料が含まれる。合成ナノ粒子の例には、典型的に３．１ｅＶより大きいエネルギー・ギャップを有する金属酸化物、金属硫化物など（例えば、ＴｉＯ２，Ｔａ２Ｏ５，ＳｒＯ，ＳｒＴｉＯ３，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮＳｉＯ２など）が含まれる。そのような層もまた、有機金属コンパウンドとして分類された材料のクラスを用いて形成することができるが、それは、有機金属先駆者材料が、有機金属コンパウンド形式または有機／無機ハイブリッド形式のいずれかの中でエンディング層を用いて、パターン化されたエッチ・ストップ層を形成するために使用される。そのような材料の例には、当該分野の専門家に知られている光化学金属有機蒸着（ＰＭＯＤ）材料、および、ゾル・ゲル加工分野の専門家に知られている有機バインダおよび無機コンパウンドナノ粒子を有する複合材料が含まれる。
【００３１】
１つの特定の例において、ＭＯＴＦＴ３０’は、ガラス基板上で製作され、エッチ・ストップ層３９’のＴｇは、約２２０℃から３２０℃の範囲である。アニーリング温度は、パッシベーション層３９’のＴｇ以上の約３０℃から７０℃になるように選択される。
【００３２】
他の特定の例において、ＭＯＴＦＴ３０’は、約１５０℃（ＰＥＴ用）から３９０℃（ポリイミド用）の範囲のＴｇを有するプラスチック基板３２’上で製作される。エッチ・ストップ（パッシベーション）層３９’のＴｇは、基板３２’のＴｇ以下の約３０℃から７０℃になるように選択され、アニーリング温度は、基板３２’のＴｇと等しいか、またはそれ以下になるように選択される。
【００３３】
他の特定の実施例において、エッチ・ストップ（パッシベーション）層３９’は、フォト・パターナブル材料で形成され、その結果、チャネル長をミクロン・レベルに画定することが達成可能であり、エッチ・ストップ（パッシベーション）層３９’の材料は、プリンティング／ディスペンシング分野の専門家に知られていたいくつかの液体加工方法の１つによって形成される。
【００３４】
ある特定のアプリケーションでは、追加のパッシベーション層を、図５の層３９’の上部の上、または、図４の層３９’の上部の上に形成または堆積することができる。良好な化学バリア特性および良好な電気絶縁性を有する材料が使用される。無機物の例には、ＳｉＯ２，ＳｉＮ，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ  Ｔａ２Ｏ５などが含まれる。有機物の例には、層３９’に関して上記で列挙したものが含まれる。平坦化またはパッシベーションのために、装置およびディスプレイ産業において使用される商業用フォトレジストは、パターン化を単純にするために望ましい。
【００３５】
そのような付加的なパッシベーション層もまた、スタック形式またはブレンド形式のいずれかにおいて、有機物／無機物のハイブリッドで形成することができる。無機材料で作られた層について、層は、スパッタリングまたはＣＶＤのような真空蒸着方法の１つを用いて形成することができる。層もまた、液体の先駆体を使用した多くのコーティング技術の１つを用いて形成される。ブレンド形式で有機物／無機物のハイブリッドを形成する方法は、本発明と同一企業に係る米国特許７，７９０，２３７に開示される。
【００３６】
上記の各実施例において、処理方法は酸素が豊富な環境を生成するため設計され、それは、酸素バリアとしてソース／ドレイン金属を用いることによって、チャネル領域内でのみキャリア密度を低減させる一方で、接点領域内はキャリア密度が高いまま残し、その結果、良好なオーム接点が生成される。
【００３７】
金属酸化物半導体材料と金属との間に良好なオーム接点を作るための２つの方法の第２の方法または手法（すなわち、金属の仕事関数を金属酸化物半導体の仕事関数にほぼ一致させること）を用いることに関してもまた、装置設計においてジレンマがある。仕事関数マッチング法において、１つの問題は、金属酸化物半導体の仕事関数より低いか、またはほぼ一致する低い仕事関数の金属は、非常に不安定であり、かつ、金属酸化物から比較的速く酸素を吸収するということである。したがって、接点金属は、界面において、不良導体または絶縁金属酸化物になり、接点抵抗を増加させる。高い仕事関数の安定した金属は、一般に、金属酸化物半導体の仕事関数よりもはるかに高い仕事関数を有し、その結果、接合は、低抵抗のオーム接点の代わりにショットキー・バリア接合になる。
【００３８】
このジレンマを解決するための好適な方法は、本発明に従ったオーム金属接点５０を図示した、部分的なＭＯＴＦＴ４０の単純化された層の図（図６）に示されている。ＭＯＴＦＴ４０は基板４２を含み、その中に形成されたゲート金属電極４８を有する。ゲート誘電体の薄い層４７は、ゲート金属電極４８の上に重なるように、そして、少なくとも部分的に基板４２の上部表面の上に重なるように形成される。金属酸化物半導体材料の層４６は、一般に図５に関して上述されたように、層４７の表面上に形成またはパターン化される。一般に５０で示される金属と金属酸化物半導体とのオーム接点は、金属酸化物半導体層４６の上部表面上に形成される。ここでは、典型的な下部ゲートおよび上部ソース／ドレイン・タイプのＭＯＴＦＴが図示されているが、例えば、下部ゲート、下部ソース／ドレイン・タイプの装置、上部ゲート、上部ソース／ドレイン・タイプの装置、上部ゲート、下部ソース／ドレイン・タイプの装置などを含む、様々な実行可能なＭＯＴＦＴ構成のいずれにも、開示された方法を適用することができると信じていることが理解されるであろう。
【００３９】
この開示に記述された典型的な金属酸化物半導体材料には、一般に、酸化亜鉛，酸化インジウム，酸化スズ，酸化ガリウム，酸化カドミウム，およびそれらの任意の組合せのうちの少なくとも１つを含むことが理解されるであろう。金属酸化物半導体層４６の典型的な仕事関数は、約４ｅＶである。４ｅＶ未満の仕事関数を有する金属は、それらの金属酸化物を形成する傾向が強く、それらはかなりの不良導体である。低い仕事関数の金属の典型例には、Ａｌ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｔａ，およびそれらの組合せなどが含まれる。一般に、それらの酸化物は、仕事関数がより低いほど、伝導性がより小さくなる傾向があり、例えば、Ｍｇは３．５ｅＶの仕事関数を有し、Ａｌは３．７ｅＶの仕事関数を有しており、酸化マグネシウムおよび酸化アルミニウムは、両方とも比較的良好な絶縁体である。
【００４０】
金属と金属酸化物半導体とのオーム接点５０は、上述されたような問題を本質的に解決する複合金属接点である。低抵抗のオーム接点を形成するために、低い仕事関数の金属の第１の非常に薄い層５２は、金属酸化物半導体層４６の表面上に堆積される。層５２は５ｎｍ未満の厚さであり、好ましくは１ｎｍ未満の厚さである。バリア層５４は、１０ｎｍを超える厚さ、好ましくは５０ｎｍを超える厚さで層５２上に堆積される。使用することができるバリア金属の例には、Ｍｏ，Ｗ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ、およびそれらの組合せなどが含まれる。一般に、バリア金属は、高い仕事関数（例えば４．５ｅＶおよびそれ以上）を有し、したがって、比較的安定した金属である。必要であれば、アルミニウムおよび銅のような、非常に伝導性のある接点金属から成るオプションのバルク層５６が、バリア層５４の上部に追加されてもよい。
【００４１】
このように、金属と金属酸化物半導体とのオーム接点５０の動作において、最初に、低い仕事関数の金属の非常に薄い層５２が、金属酸化物半導体層４６とのオーム接点を形成する。低い仕事関数の金属は不安定であるので、金属酸化物半導体層４６からの酸素は、比較的急速にそれを酸化する。高い仕事関数のバリア金属層は、金属酸化物半導体層４６から接点金属層５６への酸素のさらなる移動をブロックするために含まれる。しかしながら、層５２は非常に薄いので、その酸化により蓄積された金属酸化物の量は、接点５０の伝導にはほとんど、または全く影響しない。さらに、本方法は、高温で金属酸化物半導体層４６を酸化環境へ露出する間に、低い仕事関数の金属層５２内への酸素の移動による酸素の損失によって、オーム接点をさらに改善する（すなわち、チャネル層の異なる領域内で異なるキャリア密度あるいは濃度を形成する）ために、接点領域５０の下の金属酸化物半導体層４６が非常に伝導性を有するようになる程度まで結合させる。
【００４２】
少し異なる実施例では、別個の層５２を形成するのではなく、非常に少量の低い仕事関数の金属をバリア層５４の金属と合金にするか、またはその中に混合させる。そのような合金または混合物は、なおも低い仕事関数、および金属酸化物半導体層との良好なオーム接点を提供する。そのような低い仕事関数の合金（Ｍｇ−Ａｇ）を、有機発光ダイオード内の陰極に使用する一例は、コダック社（C. W. Tang 外、Applied Phys. Letters 51, 913 (1987) ）により実証され、有機物半導体Ａｌｑ層内への合金陰極からの有効な電子注入が達成された。
【００４３】
本実施例において、金属酸化物半導体材料の接点表面に隣接する合金内の低い仕事関数の金属は、金属酸化物半導体材料から酸素を吸収（酸化）し、したがって、キャリア密度または濃度を上昇させて、金属と半導体との接点を改善する。小量の低い仕事関数の金属しか存在しないので、酸化は接点にほとんど影響を与えない。また、酸化していない低い仕事関数の材料は、バリア金属によって保護されるので、それも接点にほとんど影響を与えない。
【００４４】
本発明は、新規かつ改善された、ＭＯＴＦＴ内の低抵抗のオーム性のソース／ドレイン金属接点を提供する。ＭＯＴＦＴ内の改善されたソース／ドレイン金属接点は、今まで容易に達成できなかった低抵抗オーム接点を形成する。さらに、ＭＯＴＦＴ内の改善されたソース／ドレイン金属接点は、製造が比較的簡単であり、かつ安価である。酸素が豊富な環境内でチャネル領域を処理するプロセス（チャネル領域内でのみキャリア密度を低減させ、かつ、接点領域内ではキャリア密度を高いまま残す（すなわち、チャネル層の異なる領域内に、異なるキャリア密度または濃度を提供する）プロセス）、または、複合的な金属接点を形成するプロセスのいずれかを別々に用いることができること、あるいは、必要であればそれらを組合わせて用いることができることが容易に理解されるであろう。ここに開示されたＭＯＴＦＴのための構造、およびこれに対応する組立方法は、実際、異なるキャリア密度を有する金属酸化物半導体層内にゾーンを形成するための有効な方法を提供する。
【００４５】
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。例えば、下部ソース／ドレインを有するＭＯＴＦＴにおいて、望ましいキャリア密度ゾーンを有する金属酸化物半導体の活性層は、ここに開示された手順と同様のアニーリング手順を用いて、チャネル領域のために最適化されたキャリア密度（例えば、＜１０１７キャリア  ｃｍ−３）を有する活性層から始めることによって形成することができる。ここに開示された手順と同様のアニーリング手順は、例えば、上部からの放射光源を用いて、無酸素（例えば、真空、あるいは、Ｎ２またはＡｒガス）の環境下において、ソースおよびドレインの導体パッドの上部に酸素空きを増加させて、キャリア密度を１０１７ｃｍ−３以上に増加させることができる。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。
【００４６】
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。
【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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