(57)【要約】  半導体デバイスは、第１の二元酸化物及び第２の二元酸化物を含むチャネルを備えることができ、第２の二元酸化物はＣｄＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ又はＭｇＯから選択される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドレイン電極（１１２、２１２）；
ソース電極（１１０、２１０）；
前記ドレイン電極（１１２、２１２）及び前記ソース電極（１１０、２１０）と接触しているチャネル（１０８、２０８）であって、ＣｄＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ及びＭｇＯから成る第１のグループから選択された第１の二元酸化物及び第２の二元酸化物を含む、チャネル（１０８、２０８）；
ゲート電極（１０４、２０４）；及び
前記ゲート電極と前記チャネルとの間に配置されたゲート誘電体（１０６、２０６）、
を含んで成る、半導体デバイス（１００、２００、４００）。
【請求項２】
前記第１の二元酸化物がＳｒＯ及びＣａＯから選択され、前記第２の二元酸化物がＣｄＯ、ＺｎＯ及びＭｇＯから選択される、請求項１に記載の半導体デバイス（１００、２００、４００）。
【請求項３】
前記チャネル（１０８、２０８）が、第１金属（Ａ）：第２金属（Ｂ）の原子組成比（Ａ：Ｂ）を有し、Ａ及びＢが、それぞれ約０．０５〜約０．９５である、請求項２に記載の半導体デバイス（１００、２００、４００）。
【請求項４】
前記第１のグループがＺｎＯを含み、前記チャネル（１０８、２０８）が、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ及びＭｇＯから成る第１のグループからの第３の二元酸化物を含み且つ第１金属：第２金属：第３金属の原子組成比Ａ：Ｂ：Ｃを有し、Ａ、Ｂ及びＣがそれぞれ異なり、それぞれ約０．０２５〜約０．９５である、請求項１に記載の半導体デバイス（１００、２００、４００）。
【請求項５】
前記チャネル（１０８、２０８）が、前記第１の二元酸化物、前記第２の二元酸化物、前記第３の二元酸化物、並びにＺｎＯ、ＣｄＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ及びＭｇＯから成る前記第１のグループから選択された第４の二元酸化物を含み、第１金属：第２金属：第３金属：第４金属の原子組成比Ａ：Ｂ：Ｃ：Ｄを有し、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤがそれぞれ異なり、それぞれ約０．０１７〜約０．９５である、請求項４に記載の半導体デバイス（１００、２００、４００）。
【請求項６】
前記チャネル（１０８、２０８）が、ＣｄＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ及びＭｇＯから成る第１のグループ及びＩｎ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３から成る第２のグループのうちの一方から選択された第１の二元酸化物及び第２の二元酸化物を含む、請求項１に記載の半導体デバイス（１００、２００、４００）。
【請求項７】
前記チャネル（１０８、２０８）が、ＣｄＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ及びＭｇＯから成る第１のグループ、Ｉｎ２Ｏ３及びＧａ２Ｏ３から成る第２のグループ、及びＳｎＯ２、ＧｅＯ２、ＰｂＯ２及びＴｉＯ２から成る第３のグループのうちの１つから選択された第１の二元酸化物及び第２の二元酸化物を含む、請求項６に記載の半導体デバイス（１００、２００、４００）。
【請求項８】
前記チャネル（１０８、２０８）が、前記第１の二元酸化物、前記第２の二元酸化物、及びＳｎＯ２、ＧｅＯ２、ＰｂＯ２及びＴｉＯ２から成る第３のグループの中から選択された第３の二元酸化物を含み、第１金属：第２金属：第３金属の原子組成比Ａ：Ｂ：Ｃを有し、Ａ、Ｂ及びＣはそれぞれ異なり、それぞれ約０．０２５〜約０．９５である、請求項７に記載の半導体デバイス（１００、２００、４００）。
【請求項９】
前記チャネル（１０８、２０８）が、前記第１の二元酸化物、前記第２の二元酸化物、前記第３の二元酸化物、及びＳｎＯ２、ＧｅＯ２、ＰｂＯ２及びＴｉＯ２から成る第３のグループから選択された第４の二元酸化物を含み、第１金属：第２金属：第３金属：第４金属の原子組成比Ａ：Ｂ：Ｃ：Ｄを有し、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤがそれぞれ異なり、それぞれ約０．０１７〜約０．９５である、請求項８に記載の半導体デバイス（１００、２００、４００）。
【請求項１０】
前記ドレイン電極（１１２、２１２）、前記ソース電極（１１０、２１０）、前記チャネル（１０８、２０８）、前記ゲート電極（１０４、２０４）及び前記ゲート誘電体（１０６、２０６）のうちの少なくとも１つが概ね透明である、請求項１に記載の半導体デバイス（１００、２００、４００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスは、種々の電子デバイスにおいて用いられている。例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）画面には、薄膜トランジスタ技術を用いることができる。幾つかの種類の薄膜トランジスタは、キャリア移動度が低いために、スイッチング速度が比較的遅い。ＬＣＤ画面などの幾つかの用途では、スイッチング速度が比較的遅い薄膜トランジスタを用いる結果、動きの正確な描画が困難となり得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本開示の例示的な実施形態には、トランジスタのような、複合酸化物半導体を含む半導体デバイスが含まれる。さらに、本開示の例示的な実施形態では、トランジスタのような、複合酸化物半導体を含む半導体デバイスが備える特性、例えば光学透過性、化学安定性、機械的特性、及び電気的性能を説明する。例示的な実施形態には、ＭｇＯ及びＣｄＯのうちの少なくとも一方を含有するチャネルを有する半導体デバイスが含まれる。例示的な実施形態には、第１の二元金属酸化物のグループ、第２の二元金属酸化物のグループ及び第３の二元金属酸化物のグループのうちの１つから選択された第１の二元酸化物と第２の二元酸化物とを少なくとも含んで成り、第１金属（Ａ）：第２金属（Ｂ）の原子組成比（Ａ：Ｂ）を有する複合酸化物半導体を含む薄膜トランジスタが包含され、ここで、Ａ及びＢはそれぞれ異なり、それぞれ約０．０５〜約０．９５であり、等原子価半導体(isovalent semiconductor)を形成している。幾つかの例示的な実施形態では、等原子価半導体には、アモルファス形態、単相結晶形態又は混相結晶形態が含まれ得る。
【０００６】
別途記載のない限り、本明細書及び特許請求の範囲において用いられる、成分の量、反応条件等を表す全ての数値は、全ての事例において、用語「約」によって修飾されるものと理解されたい。従って、別途指示のない限り、以下の明細書及び添付の特許請求の範囲において述べる数値パラメータは近似値であり、本開示が達成しようとしている所望の特性に応じて変化し得る。少なくとも、そして特許請求の範囲への均等論の適用を制限しようとする意図ではなく、各数値パラメータは、開示する有効数字の数を考慮して、且つ通常の丸め方法を適用することによって、少なくとも解釈されるべきである。
【０００７】
本開示の種々の実施形態と共に、種々の半導体デバイス、即ち、薄膜トランジスタを含む電界効果トランジスタ、アクティブマトリックスディスプレイ、ロジックインバータ及び増幅器を用い得ることを理解されたい。図１Ａ〜図１Ｆは、例示的な薄膜トランジスタの実施形態を示している。薄膜トランジスタは、限定はしないが、幾つか例を挙げると、水平電極、垂直電極、共面電極、互い違いの電極、トップゲート、ボトムゲート、シングルゲート及びダブルゲートをはじめとする、任意のタイプのものとし得る。
【０００８】
本明細書において用いるとき、共面電極構成とは、ソース電極及びドレイン電極が、チャネルから見て、ゲート電極と同じ側に配置されているトランジスタ構造を意味する。互い違いの電極構成とは、ソース電極及びドレイン電極が、チャネルから見て、ゲート電極と反対側に配置されているトランジスタ構造を意味する。
【０００９】
図１Ａ及び図１Ｂはボトムゲート型トランジスタの実施形態を示しており、図１Ｃ及び図１Ｄはトップゲート型トランジスタの実施形態を示しており、図１Ｅ及び図１Ｆはダブルゲート型トランジスタの実施形態を示している。図１Ａ〜図１Ｄの各々において、トランジスタは、基材１０２、ゲート電極１０４、ゲート誘電体１０６、チャネル１０８、ソース電極１１０、及びドレイン電極１１２を備える。図１Ａ〜図１Ｄの各々において、ゲート誘電体１０６は、ゲート電極１０４と、ソース電極１１０及びドレイン電極１１２との間に配置されており、それによってゲート誘電体１０６は、ゲート電極１０４をソース電極１１０及びドレイン電極１１２から物理的に分離させることができる。さらに、図１Ａ〜図１Ｄの各々において、ソース電極１１０とドレイン電極１１２とは離れて配置されており、それによって、チャネル１０８を配置（interpose）するための領域をソース電極１１０とドレイン電極１１２との間に形成することができる。こうして、図１Ａ〜図１Ｄの各々において、ゲート誘電体１０６は、チャネル１０８に隣接して配置されており、ソース電極１１０及びドレイン電極１１２をゲート電極１０４から物理的に分離させている。さらに、図１Ａ〜図１Ｄの各々において、チャネル１０８は、ゲート誘電体１０６に隣接して配置されており、ソース電極１１０及びドレイン電極１１２と接触している。
【００１０】
図１Ｅ及び図１Ｆに示すダブルゲート型の実施形態などの、種々の実施形態では、２つのゲート電極１０４−１、１０４−２と、２つのゲート誘電体１０６−１、１０６−２を示す。このような実施形態では、チャネル１０８とソース電極１１０及びドレイン電極１１２に対するゲート誘電体１０６−１、１０６−２の配置、並びにゲート誘電体１０６−１、１０６−２に対するゲート電極１０４−１、１０４−２の配置は、１つのゲート誘電体と１つのゲート電極を示す先述の配置と同じ取り決めに従う。即ち、ゲート誘電体１０６−１、１０６−２は、ゲート電極１０４−１、１０４−２と、ソース電極１１０及びドレイン電極１１２との間に配置され、それによってゲート誘電体１０６−１、１０６−２は、ゲート電極１０４−１、１０４−２をソース電極１１０及びドレイン電極１１２から物理的に分離させることができる。
【００１１】
図１Ａ〜図１Ｆの各々において、ソース電極１１０とドレイン電極１１２との間に配置されるチャネル１０８は、ソース電極１１０とドレイン電極１１２との間に制御可能な電気経路をもたらし、ゲート電極１０４に電圧が印加されるときに、チャネル１０８を介して、ソース電極１１０とドレイン電極１１２との間で電荷が移動できるようにする。ゲート電極１０４に印加する電圧によってチャネル１０８の電荷伝導能を変更することができるため、チャネル１０８の電気的特性は、ゲート電極１０４に電圧を印加することによって、少なくとも或る程度制御することができる。
【００１２】
薄膜トランジスタの一実施形態のさらに詳細を図２に示す。図２は、例示的なボトムゲート型薄膜トランジスタ２００の断面図を示している。図２に示す薄膜トランジスタの種々の部分、それらの部分を構成する材料、並びにそれらの部分を形成する方法は、図１Ａ〜図１Ｆに関連して説明した実施形態をはじめとする、本明細書に記載するトランジスタのどの実施形態に対しても同様に適用し得ることは理解されよう。
【００１３】
また、種々の実施形態において、薄膜トランジスタ２００は、アクティブマトリックスディスプレイ画面デバイス、ロジックインバータ及び増幅器をはじめとする、多数のデバイスに組み込むことができる。薄膜トランジスタ２００はまた、赤外線デバイスに組み込むこともでき、その場合、透明な構成要素も用いられる。
【００１４】
図２に示すように、薄膜トランジスタ２００は、基材２０２、基材２０２に隣接して配置されるゲート電極２０４、ゲート電極２０４に隣接して配置されるゲート誘電体２０６、並びに前記ゲート誘電体２０６、前記ソース電極２１０及び前記ドレイン電極２１２と接触しているチャネル２０８を備えることができる。種々の実施形態では、チャネル２０８は、ソース電極２１０とドレイン電極２１２との間に配置され、且つそれらの電極を電気的に接続することができる。
【００１５】
図２に示す実施形態では、基材２０２はガラスを含む。しかしながら、基材２０２は、種々の実施形態を実施するのに適する任意の基材材料又は組成物を含むことができる。
【００１６】
図２に示す基材２０２は、ゲート電極２０４を形成すべく、ＩＴＯ、即ち酸化インジウムスズの全面コーティング（blanket coating）を備えることができる。しかしながら、ゲート電極２０４には、多数の材料を用いることができる。このような材料としては、ｎ型ドープＩｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２又はＺｎＯ等の透明な材料を挙げることができる。他の適切な材料には、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｕ等の金属が含まれる。図２に示す実施形態では、ゲート電極２０４の厚さは、約２００ｎｍである。ゲート電極の厚さは、用いる材料、デバイスの種類及び他の因子に応じて変えることができる。
【００１７】
図２に示すゲート誘電体２０６もまた、全面コーティングされる。図２では、ゲート電極２０４及びゲート誘電体２０６を、全面コーティングされた、パターニングされていない層として示しているが、それらの層はパターニングすることもできる。種々の実施形態では、ゲート誘電体２０６は、ゲート誘電体となる絶縁性の種々の材料を含むことができる。そのような材料としては、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、チタン酸ストロンチウム（ＳＴ）、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）、チタン酸ビスマスジルコニウム（ＢＺＴ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＩＶ）（ＨｆＯ２）、酸化ジルコニウム（ＩＶ）（ＺｒＯ２）、及び種々の有機誘電体材料等を挙げることができる。
【００１８】
種々の実施形態では、ソース電極２１０とドレイン電極２１２は、ゲート誘電体２０６に隣接しており、且つ互いに離れて配置される。図２に示す実施形態では、ソース電極２１０とドレイン電極２１２は、ゲート電極２０４に関して説明したものと同じ材料から形成することができる。図２では、ソース電極２１０及びドレイン電極２１２は、約２００ｎｍの厚さを有する。しかしながら、その厚さは、用いる材料の組成、その材料が用いられることになる用途、並びに他の因子に応じて変化させ得る。ソース電極及びドレイン電極の材料の選択は、それらが用いられることになる用途、デバイス、システム等に応じて変えることができる。デバイスの全体性能は、ソース材料及びドレイン材料に応じて変化し得る。例えば、概ね透明な薄膜トランジスタが望ましいデバイスでは、その効果が得られるように、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極の材料を選択することができる。
【００１９】
種々の実施形態では、チャネル２０８は、本明細書において説明する第１のグループ、第２のグループ及び第３のグループのうちの１つから選択された第１の二元酸化物と第２の二元酸化物とを少なくとも含んで成る複合酸化物半導体から形成することができ、等原子価半導体を形成することができる。種々の実施形態において、第１の二元酸化物及び第２の二元酸化物は、第１金属（Ａ）：第２金属（Ｂ）の原子組成比（Ａ：Ｂ）を有し、ここで、Ａ及びＢはそれぞれ異なり、それぞれ約０．０５〜約０．９５の範囲内にある。
【００２０】
種々の実施形態では、これらの材料には、組成、処理条件及び他の因子に応じて、種々の形態が含まれ得る。種々の形態学的状態としては、アモルファス状態及び多結晶形態を挙げることができる。多結晶形態には、単相結晶形態又は混相結晶形態が含まれ得る。さらに、種々の実施形態では、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極は、概ね透明な材料から構成することができる。ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極に概ね透明な材料を用いることによって、薄膜トランジスタのエリアを、ヒトの目で視認できる電磁スペクトル領域に対し透過性とし得る。トランジスタの技術分野では、ＴＦＴがピクセルをオン又はオフするように選択、即ちアドレス指定するために、概ね透明な材料を有する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と接続されたディスプレイ素子（ピクセル）を備えるアクティブマトリックス液晶ディスプレイのようなデバイスが、当該デバイス中により多くの光を透過させ得るため、ディスプレイ性能に利益をもたらすことは、当業者には理解されよう。
【００２１】
再び、図２を参照すると、チャネル２０８は、約５０ｎｍのチャネル厚を有する等原子価半導体として形成されるが、種々の実施形態において、チャネルの厚さは、チャネル材料がアモルファスであるか又は多結晶であるか、並びにチャネルが組み込まれることになるデバイスをはじめとした種々の因子に応じて、変えることができる。
【００２２】
この実施形態では、チャネル２０８は、ゲート誘電体２０６に隣接し且つソース電極２１０とドレイン電極２１２との間に配置されており、それによって電極２１０及び２１２と接触し且つ電極２１０及び２１２を電気的に接続させることができる。ゲート電極２０４に電圧を印加することによって、チャネル２０８内に容易に電子を蓄積させることができる。さらに、電圧を印加することにより、ソース電極２１０からチャネル２０８への電子注入、及びドレイン電極２１２によるチャネルからの電子抽出を促進することができる。本開示の実施形態では、チャネル２０８は、ゲート電極２０４に印加される電圧を用いてドレイン電極２１２とソース電極２１０との間に流れる電流を制御することによって、オン／オフ動作を実行できるようにする。
【００２３】
本明細書において用いるとき、「等原子価半導体」には、第１の二元酸化物と第２の二元酸化物とを少なくとも含んで成る複合酸化物半導体から形成された膜を含むことができる。さらに、本明細書において用いるとき、「等原子価半導体」とは、当該等原子価半導体内のかなりの量（例えば９９％以上）の陽イオンが類似の酸化状態にあるものである。等原子価半導体内の陽イオンの酸化状態が全て同じ価数を有するとは限らないことは理解されよう。その場合、１つ又は複数の異なる酸化状態を有する陽イオンが検出可能な量にて等原子価半導体内に存在する。
【００２４】
一実施形態では、第１の二元酸化物と第２の二元酸化物は、ＣｄＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ及びＭｇＯの等原子価化合物から成る第１のグループ、Ｉｎ２Ｏ３及びＧａ２Ｏ３の等原子価化合物から成る第２のグループ、並びにＳｎＯ２、ＧｅＯ２、ＰｂＯ２及びＴｉＯ２の等原子価化合物から成る第３のグループのうちの１つから選択される。さらに、第１の二元酸化物と第２の二元酸化物は、ＺｎＯも含めた第１のグループ（即ち、第１のグループは、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ及びＭｇＯ等原子価化合物から成る）のうちの１つから選択することができる。さらに他の実施形態では、第１の二元酸化物としてＳｒＯ及びＣａＯのうちの一方を選択する場合、第２の二元酸化物をＣｄＯ、ＺｎＯ及びＭｇＯの等原子価化合物から選択することによって、等原子価半導体を形成することができる。
【００２５】
さらに別の実施形態では、第１の二元酸化物及び第２の二元酸化物は、第１金属（Ａ）：第２金属（Ｂ）の原子組成比（Ａ：Ｂ）を有することができ、この場合、Ａ及びＢはそれぞれ異なり、それぞれ約０．０５〜約０．９５の範囲内にある。さらに別の実施形態では、Ａ及びＢはそれぞれ約０．１０〜約０．９０の範囲内にある。これらの原子組成には、酸素や他の元素の存在を考慮に入れていない。それらの比は、第１金属と第２金属の相対比を表すにすぎない。
【００２６】
本明細書に記載の等原子価半導体は、特にチャネル移動度の点において、非常に満足のいく電気的性能を示す（成分材料の選択、処理条件等による）。等原子価半導体は、驚くほど高いチャネル移動度を示すことができる。最大作動周波数、最高作動速度及び最大駆動電流はチャネル移動度に比例して高くなるため、移動度が薄膜トランジスタの性能決定に寄与する特性であることは当業者には理解されよう。さらに、等原子価半導体は、可視スペクトル及び赤外スペクトルの両方において透過性を有することができ、それによって、薄膜トランジスタ全体を、電磁スペクトルの可視領域全体にわたって光学透過性とすることができる。
【００２７】
本開示の実施形態において例示する等原子価半導体は、集積回路構造における多様な薄膜用途にとって有益である。例えば、そのような用途として幾つか例を挙げると、薄膜トランジスタ、水平電極、垂直電極、共面電極、互い違いの電極、トップゲート、ボトムゲート、シングルゲート及びダブルゲートのような、本明細書に記載したようなトランジスタがある。種々の実施形態では、本開示のトランジスタ（例えば、薄膜トランジスタ）は、スイッチ若しくは増幅器として配設することができ、その場合、トランジスタのゲート電極に印加される電圧が、チャネルの等原子価半導体内の電子の流れに影響を及ぼすことができる。トランジスタが種々の方法で作動し得ることは当業者には理解されよう。例えば、トランジスタをスイッチとして用いる場合、そのトランジスタは飽和状態領域にて作動することができ、トランジスタを増幅器として用いる場合、そのトランジスタは線型領域において作動することができる。さらに、集積回路及び集積構造における、等原子価半導体のチャネルを組み込んだトランジスタの用途としては、以下の図４に関連して例示、説明するような視覚ディスプレイパネル（例えば、アクティブマトリックスＬＣＤディスプレイ）のような集積回路が挙げられる。ディスプレイ用途及び他の用途において、多くの場合、薄膜トランジスタの残りの部分、例えばソース電極、ドレイン電極及びゲート電極のうちの１つ又は複数を、少なくとも部分的に透過性となるように製造することが望ましいであろう。
【００２８】
図２では、ソース電極２１０及びドレイン電極２１２として、厚さ約２００ｎｍのＩＴＯを含む。しかしながら、種々の実施形態では、その厚さは、材料の種類、用途及び他の因子をはじめとする、種々の因子に応じて変えることができる。種々の実施形態において、電極２１０、２１２は、ｎ型ドープのワイドバンドギャップ半導体のような透明な導体を含むことができる。それらの例としては、限定はしないが、ｎ型ドープＩｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又はＺｎＯ等が挙げられる。電極１１０、１１２は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ又はＮｉ等の金属を含むこともできる。本開示の種々の実施形態では、全ての電極１０４、１１０及び１１２を透明な材料から構成し、トランジスタの種々の実施形態を概ね透明にすることができる。
【００２９】
本明細書に記載のトランジスタ構造の種々の部分は、種々の方法を用いて形成することができる。例えば、ゲート誘電体２０６は、約４３０℃で、Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５及びＯ２を用いる低圧ＣＶＤ法によって堆積させることができ、その後、漏れ電流特性を低減するためにアニールすることができる。蒸着（例えば、熱、電子ビーム）、物理気相成長（ＰＶＤ）（例えばｄｃ反応スパッタリング、ｒｆ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）、化学気相成長（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）等の薄膜堆積技法を用いることができる。さらに、本開示の実施形態のトランジスタの種々の部分を堆積するために他の方法を用いることもできる。そのような代替の方法としては、金属膜の陽極酸化（電気化学酸化）、スピンコーティング、並びにサーマルインクジェットプリンティング、圧電ドロップオンデマンドプリンティングをはじめとするインクジェットプリンティング等の液状前駆体からの堆積を挙げることができる。膜は、エッチング法又はリフトオフ法と共にフォトリソグラフィを用いるか、又はシャドーマスクのような代替方法を用いることでパターニングすることができる。層のうちの１つ又は複数（例えば、図２に示されるチャネル）は、酸素空孔の導入及び／又は異原子価元素の置換によって、ドーピングすることもできる。
【００３０】
本開示の実施形態には、集積回路、詳細には本明細書に記載のような薄膜トランジスタを形成する際に用いられるシリコンウェーハのような、その上に形成された層や構造体を備えるか又は備えていない基材若しくは基材アセンブリの表面上に、金属含有膜を形成する方法も包含される。本開示の方法は、シリコンウェーハ上に堆積することに限定されず、他のタイプのウェーハ（例えば、ガリウムヒ素、ガラス等）も同様に用い得ることを理解されたい。
【００３１】
さらに、本開示の方法において、他の基材を用いることもできる。これらの基材には、例えば、繊維、線材（wire）等が含まれる。一般的に、膜は基材の最も下側の表面上に直に形成するか、又は膜は、例えば、パターニングされたウェーハの場合のように、任意の種々の層（即ち、表面）の上に形成することができる。
【００３２】
一実施形態では、半導体構造を製造するための方法を図３に示す。本開示の種々の実施形態において、半導体構造を形成する際に、基材又は基材アセンブリを設けることができる。本明細書において用いるとき、用語「基材」は、ベース基材材料層、例えばガラスウェーハ中のガラス材料から成る最下層を指す。用語「基材アセンブリ」は、その上に１つ又は複数の層や構造体が形成された基材を指す。基材タイプの例としては、限定はしないが、ガラス、プラスチック及び金属が挙げられ、特に、シート、フィルム及びコーティングのような物理的な形態を含み、不透明であっても、概ね透明であってもよい。
【００３３】
ブロック３１０において、ドレイン電極及びソース電極の両方を設けることができる。例えば、ドレイン電極及びソース電極はいずれも、基材アセンブリの基材上に設けることができる。
【００３４】
ブロック３２０において、ドレイン電極及びソース電極と接触しており且つ等原子価半導体を含んで成るチャネルを堆積することができる。例えば、チャネルは、ドレイン電極とソース電極との間に、２つの電極を電気的に接続するように堆積することができる。種々の実施形態において、ドレイン電極及びソース電極と接触しているチャネルを堆積することには、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）及びマグネシウム（Ｍｇ）を含む第１のグループ、インジウム（Ｉｎ）及びガリウム（Ｇａ）を含む第２のグループ、並びにスズ（Ｓｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、鉛（Ｐｂ）及びチタン（Ｔｉ）を含む第３のグループのうちの１つからの１つ又は複数の前駆体化合物を含む前駆体組成物を供給することが包含される。前駆体組成物については、本明細書に記載の前駆体化合物の種々の組み合わせを用いることができる。従って、本明細書において用いるとき、「前駆体組成物」とは、本明細書に記載のもの以外の化学式を有する１つ又は複数の化合物と任意に混合された、本明細書記載の化学式を有する１つ又は複数の前駆体化合物を含んで成る固体又は液体を指す。例えば、第１のグループの亜鉛前駆体化合物とカドミウム前駆体化合物は、１つの前駆体組成物として又は別々の組成物としてもたらすことができる。あるいはまた、１つの前駆体化合物によって、両方の金属をもたらすこともできる。本明細書において用いるとき、「液体」は、溶液又は原液（室温において液体であるもの、又は室温では固体であるが、高い温度で溶融するもの）を指す。本明細書において用いるとき、「溶液」は、固体が完全に溶解していることを要求するものではなく、溶液は、或る量の溶解していない物質を含んでいてもよいが、化学気相成長法に際して、有機溶媒によって蒸気相内に搬送し得る十分な量の物質が存在することがより好ましい。本明細書において用いる前駆体化合物は、化学気相成長システムにおいての使用に適する１つ又は複数の有機溶媒、及び、所望の化合物が気化するのを助ける、遊離リガンドのような他の添加剤を含むこともできる。
【００３５】
本開示の実施形態に関して、薄膜堆積技法に適する種々のＺｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ及びＴｉ前駆体化合物を用いることができる。前駆体化合物の例としては、限定はしないが、金属、並びにＺｎＯ、ＺｎＯ２、ＣｄＯ、ＳｒＯ、ＳｒＯ２、ＣａＯ、ＣａＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＯ２、ＩｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＧａＯ、Ｇａ２Ｏ、Ｇａ２Ｏ３、ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＧｅＯ、ＧｅＯ２、ＰｂＯ、ＰｂＯ２、Ｐｂ２Ｏ３、Ｐｂ３Ｏ４、ＴｉＯ、ＴｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ３及びＴｉ３Ｏ５等原子価化合物を含む、金属の酸化物が挙げられる。本明細書では特定の化合物を例示するが、堆積工程において用いることができる限り、多種多様な前駆体化合物を用いることができる。本開示の種々の実施形態において、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ及びＴｉ前駆体化合物は、中性化合物を含むことができ、室温において液体、固体のいずれであってもよい。これらの化合物が固体である場合には、それらの化合物は、気化できるようにするために有機溶媒に十分に可溶性であるか、固体状態から気化又は昇華、或いはアブレートする（例えば、レーザアブレーション又はスパッタリングによる）ことができるか、又はその分解温度未満の溶融温度を有する。従って、本明細書に記載の前駆体化合物の多くが、化学気相成長（ＣＶＤ）法のような気相成長法（例えば、フラッシュ蒸発法、バブラー法、及び／又はマイクロドロップレット法）における使用に適している。
【００３６】
本明細書に記載の前駆体化合物は、インクジェット堆積法、スパッタリング法及び気相成長法（例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）又は原子層堆積（ＡＬＤ））のための前駆体組成物に用いることができる。あるいはまた、本明細書に記載の特定の化合物は、スピン・オン・コーティング等の他の堆積法において用いることができる。通常、炭素原子数の少ない有機Ｒ基（例えば、Ｒ基当たり１〜４炭素原子）を含む化合物は、気相成長法と共に用いるのに適している。炭素原子数の多い有機Ｒ基（例えば、Ｒ基当たり５〜１２炭素原子）を含む化合物は、一般的に、スピン・オン・コーティング又はディップコーティングに適している。
【００３７】
本明細書において用いるとき、用語「有機Ｒ基」は、脂肪族基、環式基、又は脂肪族基と環式基との組み合わせ（例えば、アルカリル基及びアラルキル基）として分類される炭化水素基（酸素、窒素、硫黄及びシリコンのような、炭素及び水素以外の任意の元素を有する）を意味する。本開示の文脈では、有機基は、金属含有膜の形成を妨げないものである。それらは、化学気相成長技法を用いて金属含有膜を形成することを妨げない種類及び大きさのものとし得る。用語「脂肪族基」は、飽和若しくは不飽和の直鎖炭化水素基又は分岐炭化水素基を意味する。この用語は、例えば、アルキル基、アルケニル基及びアルキニル基を包含すべく用いられる。用語「アルキル基」は、例えば、メチル、エチル、イソプロピル、ｔ−ブチル、へプチル、ドデシル、オクタデシル、アミル、２−エチルヘキシル等をはじめとする、飽和直鎖炭化水素基又は飽和分岐炭化水素基を意味する。用語「アルケニル基」は、ビニル基のような、１つ又は複数の炭素−炭素二重結合を有する不飽和直鎖炭化水素基又は不飽和分岐炭化水素基を意味する。用語「アルキニル基」は、１つ又は複数の炭素−炭素三重結合を有する不飽和直鎖炭化水素基又は不飽和分岐炭化水素基を意味する。用語「環式基」は、脂環式基、芳香族基又は複素環式基として分類される閉環炭化水素基を意味する。用語「脂環式基」は、脂肪族基のそれに類似の特性を有する環式炭化水素基を意味する。用語「芳香族基」又は「アリール基」は、単核芳香族炭化水素基又は多核芳香族炭化水素基を意味する。用語「複素環式基」は、環内の原子のうちの１つ又は複数が炭素以外の元素（例えば、窒素、酸素、硫黄等）である閉環炭化水素を意味する。
【００３８】
さらに図３を参照すると、前駆体組成物からの等原子価半導体のチャネルを、基材の表面若しくは基材アセンブリの表面上に堆積することができる。例えば、前駆体組成物からの等原子価半導体のチャネルを、前駆体組成物を用いて堆積させて、薄膜トランジスタのドレイン電極及びソース電極と接触させることができ、それによって、ドレイン電極及びソース電極を電気的に接続させることができる。種々の実施形態において、チャネルは、前駆体組成物を気化すること、及び、その前駆体組成物を基材若しくは基材アセンブリに向かって誘導することを包含する、スパッタコーティングのような物理気相成長法を用いて形成することができる。チャネルを堆積するための他の方法としては、ｄｃ反応性スパッタリング、ｒｆ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又はそれらの組み合わせのような１つ又は複数の物理気相成長法を挙げることができる。
【００３９】
種々の実施形態において、チャネルに含まれる等原子価半導体は、その厚みにわたって均一な組成を有することができるが、これは必須条件ではない。例えば、第１の二元酸化物のための前駆体化合物を最初に堆積させ、その後、第１の二元酸化物及び第２の二元酸化物のための前駆体化合物の組み合わせを堆積させることができ、膜が形成されるのに応じて、第２の二元酸化物のための前駆体化合物の堆積量を増やすことができる。等原子価半導体の厚さは、それが用いられる用途にって決まることは理解されよう。例えば、その厚さは、約１ナノメートル〜約１，０００ナノメートルの範囲を有することができる。代替実施形態では、その厚さは、約１０ナノメートル〜約２００ナノメートルの範囲を有することができる。
【００４０】
本発明の実施形態では、前駆体化合物は、第１の二元金属半導体のための１つ又は複数の前駆体化合物と、第２の二元金属半導体のための１つ又は複数の前駆体化合物とを含むことができる。二元金属半導体のための前駆体化合物は、通常、単核（即ち、それらは分子当たり１つの金属を含むという点で単核）であるが、弱く結合したダイマー（即ち、水素又は供与結合を介して互いに弱く結合している２つのモノマーを含有するダイマー）も用いることができる。さらに、本開示の実施形態では、二元金属半導体のための前駆体化合物は、蒸着に適する有機金属化合物を含むことができる。そのような有機金属化合物の例としては、限定はしないが、アセチルアセトナト亜鉛［Ｚｎ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）２］及びアセチルアセトナトインジウム［Ｉｎ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３］が挙げられる。
【００４１】
先に説明したように、本開示の実施形態においてスパッタリング工程に用いることのできる、等原子価半導体を構成する第１の二元金属半導体用の前駆体化合物の例には、電子輸送特性に優れたｎ型半導体であるところのＣｄＯを形成する化合物を含むことができる。第１の等原子価化合物のグループにおける他の２つの二元金属半導体のうちの一方、ＭｇＯは、ＣｄＯよりもはるかに大きなバンドギャップを示す。従って、ＭｇＯは、通常、誘電体と見なされ、その有用性について考えた場合、トランジスタチャネルのための有望な候補材料とは考えられない。しかしながら、ＣｄＯとＭｇＯとが等原子価であることによって、それぞれの二元酸化物間で種々の材料特性（即ち、バンドギャップ、化学反応性等）を調節することができ、それゆえ、所与の用途に対して適切な特性へと適合させることができる。
【００４２】
さらに、本明細書に記載の３つのグループの１つの中から２つ以上をグループとして選択した二元金属酸化物は、広範な金属対金属比（例えば、第１金属（Ａ）：第２金属（Ｂ）の原子組成比（Ａ：Ｂ）であって、Ａ及びＢはそれぞれ異なり、それぞれ約０．０５〜約０．９５の範囲内にある）を有する等原子価半導体を可能にする。この実施形態では、等原子価半導体内の二元酸化物の金属対金属比からは、任意の「純粋な」金属酸化物半導体が除外される。本明細書において用いるとき、「純粋な」材料とは、或る程度の不純物の「ドーピング」を含むものと理解されたい。従って、本開示の実施形態において例示するような第１の二元金属半導体及び第２の二元金属半導体の組成範囲は、少ない方の成分の量が、主成分によって画定される膜内における「ドーパント」と見なされない程度に十分に高くすべきである。
【００４３】
さらに、等原子価化合物は等構造であるとは限らないため、多くの場合、２つ（又はそれ以上）の二元金属酸化物間の相空間全体にわたる固溶を実現できない場合がある。しかしながら、多相混合物（例えば、ＺｎＯ＋ＺｎｘＣｄ１−ｘＯ［固溶体］＋ＣｄＯ）が達成される場合であっても、チャネルとしての等原子価半導体の性能（即ち、移動度）はおそらく、その成分である二元金属酸化物の性能の中間にある（とはいえ、多相膜の場合、実効的なバンドギャップはおそらく、固溶体の場合に予想されるような、或る中間値をとるのではなく、存在する相のバンドギャップのうちの最も低いものによって確立される）。
【００４４】
上記のターゲット（例えば、基材若しくは基材アセンブリ）を用いてスパッタリングによってチャネルを薄膜状に堆積する際に、チャネルの単相結晶形態を得ることができる。あるいはまた、等原子価半導体の実施形態は、上記のターゲットを用いたスパッタリングの結果、混相結晶形態を示すことができる。例えば、混相結晶形態は、限定はしないが、２つ以上の相を含むことができ、それらの相は、例えば、第１の金属酸化物半導体、第２の金属酸化物半導体、及びＺｎＯ、ＣｄＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ及びＭｇＯの等原子価化合物から成る第１グループから選択された第３の二元酸化物を含むことができる。あるいはまた、混相結晶形態は、限定はしないが、２つ以上の相を含むことができ、それらの相は、例えば、第１の金属酸化物半導体、第２の金属酸化物半導体、第３の二元酸化物、並びにＺｎＯ、ＣｄＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ及びＭｇＯ等原子価化合物から成る第１グループ又はＳｎＯ２、ＧｅＯ２、ＰｂＯ２及びＴｉＯ２等原子価化合物から成る第３グループの何れかから選択された第４の二元酸化物を含むことができる。これらの例の場合、第１金属：第２金属：第３金属の原子組成比Ａ：Ｂ：Ｃについて、Ａ、Ｂ及びＣはそれぞれ異なり、それぞれ約０．０２５〜約０．９５の範囲内にある。さらに、第１金属：第２金属：第３金属：第４金属の原子組成比Ａ：Ｂ：Ｃ：Ｄについて、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤはそれぞれ異なり、それぞれ約０．０２５〜約０．９５の範囲内にある。あるいはまた、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤはそれぞれ、約０．０１７〜約０．９５の範囲を有することができ、さらに約０．１０〜約０．８０の範囲を有することができる。
【００４５】
さらに他の実施形態では、等原子価半導体は、概ねアモルファス形態を有することができる。例えば、等原子価半導体は、第１の二元酸化物の第１金属（Ａ）：第２の二元酸化物の第２金属（Ｂ）の原子組成比を有することができ、ここで、Ａ及びＢはそれぞれ異なり、それぞれ約０．０５〜約０．９５の範囲内にある。さらに別の実施形態では、Ａ及びＢはそれぞれ異なり、それぞれ約０．１０〜約０．９０の範囲内にある。
【００４６】
ある特定の例では、第１グループの等原子価化合物からのＣｄＯとＭｇＯは、上記よりも広い範囲の第１金属（Ａ）：第２金属（Ｂ）の原子組成比を有することができる。例えば、ＣｄＯ及びＭｇＯはいずれも、等原子価であることに加えて、等構造であるため、固溶は、中間相空間の大部分にわたって安定しているものと予想することができる。結果として、第１金属（Ａ）：第２金属（Ｂ）の比（Ａ：Ｂ）のＡ及びＢの値は、それぞれ、０．０〜１．００の範囲を有することができる。言い換えると、ＣｄＯ及びＭｇＯの組成範囲は、２つの化合物の比がその間に入ることに加えて、いずれかの純粋なＣｄＯ又はＭｇＯも含むことができる。
【００４７】
スパッタリング又は化学気相成長工程を、不活性ガス及び／又は反応ガスの雰囲気内で実行して、第１の二元酸化物と第２の二元酸化物とを少なくとも含む、等原子価半導体のための比較的純粋な複合酸化物半導体を形成することができる。不活性ガスは通常、窒素、ヘリウム、アルゴン及びそれらの混合物から成る群から選択される。本開示の文脈では、不活性ガスは、本明細書に記載の前駆体化合物と概ね反応することがなく、且つ等原子価半導体の形成を妨げることのないガスである。
【００４８】
反応ガスは、少なくとも堆積条件下にある表面において本明細書に記載の化合物と反応し得る広範なガスから選択することができる。反応ガスの例としては、水素、及びＯ２のような酸化ガスが挙げられる。等原子価半導体を形成すべく、本開示の実施形態では、種々の組み合わせのキャリアガス及び／又は反応ガスを用いることができる。
【００４９】
例えば、等原子価半導体のスパッタリング工程については、当該工程は、スパッタリングガスとして特定の流量にあるアルゴンと酸素の混合物を用い、スパッタリング堆積チャンバにおける所望の堆積を実現するＲＦ電力を印加することによって実施することができる。しかしながら、本開示によれば、等原子価半導体を形成する任意の方法が考えられるため、それを形成するための特定の工程、例えばスパッタリング、には決して限定されないことは容易に理解されよう。
【００５０】
ブロック３３０において、本開示の薄膜トランジスタの一実施形態を形成する際に、ゲート電極、及びゲート電極とチャネルとの間に配置されるゲート誘電体の両方を設けることができる。
【００５１】
本明細書に記載の実施形態は、チップ、集積回路、モノリシックデバイス、半導体デバイス、ディスプレイデバイスのようなマイクロエレクトロニクスデバイスを製造するために用いることができる。例えば、図４は、アクティブマトリックス液晶ディスプレイ（ＡＭＬＣＤ）４８０のようなディスプレイデバイスの一実施形態を示している。図４では、ＡＭＬＣＤ４８０は、表示エリア４６０のマトリックス内にピクセルデバイス（即ち、液晶素子）４４０を含むことができる。マトリックス内のピクセルデバイス４４０は、同じく表示エリア４６０内に配置される薄膜トランジスタ４００と接続することができる。薄膜トランジスタ４００は、本明細書に開示するような薄膜トランジスタの実施形態から成ることができる。さらに、ＡＭＬＣＤ４８０は、薄膜トランジスタ４００にアドレス指定可能な信号電圧を供給するための直交する制御線４６２及び４６４を含むことができ、それによって、薄膜トランジスタをオン及びオフに切り替えてピクセルデバイス４４０を制御し、例えばＡＭＬＣＤ４８０上に画像をもたらすことができる。
【００５２】
本明細書では、特定の例示的な実施形態を図示し、説明してきたが、図示する特定の例示的な実施形態の代わりに、同じ方法を達成するように意図された構成を用いることができることは当業者には理解されよう。本開示は、本発明の実施形態の応用形態又は変更形態を網羅するよう意図されている。上記の説明は、例示目的でなされたものであり、限定の意はないことを理解されたい。
【００５３】
上記の例示的な実施形態の組み合わせ並びに本明細書に具体的には説明のない他の実施形態は、上記の説明を精査すれば当業者には明らかとなろう。本発明の種々の実施形態の範囲には、上記の構造及び方法が用いられる他の用途も含まれる。それ故、本発明の種々の実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲、並びにそのような特許請求の範囲下にある全ての等価物とを合わせて参照することにより決定すべきである。
【００５４】
以上の詳細な説明では、本開示を合理化するために、種々の特徴を１つの例示的な実施形態の中にまとめている。この開示の方法は、本発明の実施形態が、各請求項に明記されるよりも多くの特徴を必要とするという意図を表すものと解釈されるべきではない。むしろ、添付の特許請求の範囲が表すように、発明の主題は、開示する１つの例示的な実施形態が有する全ての特徴よりも少ないものの中にある。従って、添付の特許請求の範囲は詳細な説明に援用されており、各請求項は個別の実施形態としてそのままで有効である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１Ａ】薄膜トランジスタのような半導体デバイスの実施形態
【図１Ｂ】薄膜トランジスタのような半導体デバイスの実施形態
【図１Ｃ】薄膜トランジスタのような半導体デバイスの実施形態
【図１Ｄ】薄膜トランジスタのような半導体デバイスの実施形態
【図１Ｅ】薄膜トランジスタのような半導体デバイスの実施形態
【図１Ｆ】薄膜トランジスタのような半導体デバイスの実施形態
【図２】薄膜トランジスタの一実施形態の断面図
【図３】薄膜トランジスタの一実施形態を製造するための方法の実施形態
【図４】アクティブマトリックスディスプレイエリアの一実施形態
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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