(57)【要約】【課題】光照射による特性劣化の抑制と、低コンタクト抵抗、及び優れたゲート制御性とを両立した薄膜トランジスタおよびその製造方法を提供する。【解決手段】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有する薄膜トランジスタであって、  前記半導体層が、酸素欠損が導入されることで電子キャリアを生成できる第１金属酸化物に、酸素のかい離エネルギーが前記第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きな第２酸化物を添加した複合金属酸化物で形成され、前記第２酸化物を構成する元素のうち、特定の元素の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において極大値、又は極小値を示す、上記薄膜トランジスタ。【選択図】図１
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【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
を有する薄膜トランジスタであって、
前記半導体層が、酸素欠損が導入されることで電子キャリアを生成できる第１金属酸化物に、酸素のかい離エネルギーが前記第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きな第２酸化物（ＸＯｘ）を添加した複合金属酸化物で形成され、
前記第２酸化物を構成する元素Ｘのうち、ケイ素、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、イットリウム及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素Ｘ１の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において極大値を示す、上記薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記元素Ｘ１の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において最大値を示す、請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
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
を有する薄膜トランジスタであって、
前記半導体層が、酸素欠損が導入されることで電子キャリアを生成できる第１金属酸化物に、酸素のかい離エネルギーが前記第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きな第２酸化物（ＸＯｘ）を添加した複合金属酸化物で形成され、
前記第２酸化物を構成する元素Ｘのうち、ケイ素、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、イットリウム及び希土類元素のいずれにも該当しない少なくとも一種の元素Ｘ２の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において極小値を示す、上記薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記元素Ｘ２の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において最小値を示す、請求項３に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項５】
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
を有する薄膜トランジスタであって、
前記半導体層が、酸素欠損が導入されることで電子キャリアを生成できる第１金属酸化物に、酸素のかい離エネルギーが前記第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きな第２酸化物（ＸＯｘ）を添加した複合金属酸化物で形成され、
前記半導体層が、更に窒素を含有し、窒素の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において極大値を示す、上記薄膜トランジスタ。
【請求項６】
前記第２酸化物の酸素のかい離エネルギーが前記第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２５５ｋＪ／ｍｏｌ以上大きい、請求項１から５のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項７】
前記第１金属酸化物は、インジウム、ガリウム、亜鉛、および錫からなる群から選択された少なくとも一つの金属の酸化物である、請求項１から５のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項８】
前記第２酸化物は、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびプラセオジム（Ｐｒ）からなる群から選択された少なくとも一つの金属の酸化物である、請求項１から５のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項９】
前記第２酸化物は、ケイ素（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、ランタン（Ｌａ）、およびハフニウム（Ｈｆ）からなる群から選択された少なくとも一つの酸化物である、請求項６に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１０】
前記半導体層における前記第２酸化物の含有量が０より大きく５０重量％以下である、請求項１から９の何れかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１１】
前記半導体層における前記第２酸化物の含有量が０より大きく５重量％以下である、請求項１から１０の何れかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１２】
前記半導体層が非晶質である、請求項１から１１の何れかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１３】
前記半導体層の厚さが５ｎｍ以上かつ２０ｎｍ以下の範囲である、請求項１から１２の何れかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１４】
前記第２酸化物が、ボロン（Ｂ）および炭素（Ｃ）からなる群から選択された少なくとも一つの元素の酸化物である、請求項１から５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１５】
前記半導体層中のボロン（Ｂ）および炭素（Ｃ）の含有量が０より大きく１０重量％以下である、請求項１４に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１６】
前記半導体層が１０℃以上４００℃以下の温度で形成される、
請求項１から１５の何れか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１７】
前記半導体層が１０℃以上２００℃以下の温度で形成される、請求項１６に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１８】
請求項１から１５のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタを有する装置。
【請求項１９】
液晶ディスプレイ又は有機ＥＬディスプレイである、請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物薄膜トランジスタおよびその製造方法に関するものである。
【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（ＩＺＯ）系、Ｉｎ−Ｇａ（ガリウム）−Ｚｎ−Ｏ（ＩＧＺＯ）系、あるいはＳｎ（錫）−Ｚｎ−Ｏ（ＳＺＯ）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）。
【０００４】
このような薄膜トランジスタは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。ｎ型伝導のメカニズムは諸説あるが、主に、酸化インジウム構造への酸素脱離により酸素欠損が導入され、その結果、電荷を生成して半導体層として働くと言われている。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電流がきわめて小さくなることから、薄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】
また、薄膜トランジスタの半導体層を構成する金属酸化物としてＩＺＯやＩＧＺＯに代わって、錫、チタン、タングステンのいずれかをドープした酸化インジウムを用いることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
さらに、これらの薄膜トランジスタの半導体層において、各種金属や窒素等の元素に厚み方向の濃度勾配を持たせることも提案されている（例えば、特許文献３から６参照）。
【０００７】
薄膜トランジスタは、上述のように液晶ディスプレイや有機エレクトロルミネッセンスディスプレイのスイッチング素子として好ましく用いられることから、その使用において比較的高強度の可視光が照射される。そのうち比較的短波長（高エネルギー）の成分、例えば波長４２０ｎｍ（２．９５ｅＶ）の光照射によって、薄膜トランジスタのしきい値電圧がシフトするなど特性が劣化する場合があり、実用上その抑制が求められている。さらに、薄膜トランジスタにおいては、ソース電極及び／又はドレイン電極と半導体層との界面におけるコンタクト抵抗が低いこと、並びに電子移動度が高く、ゲート制御性に優れることが望ましく、これらの特性に優れることも求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１―４４２５号公報
【特許文献２】特開２００８―１９２７２１号公報
【特許文献３】特開２０１３−１０５８１４号公報
【特許文献４】特開２０１２−１３４４７２号公報
【特許文献５】特開２０１１−１２９９２６号公報
【特許文献６】特開２０１０−１５６９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、半導体層（チャネル層）に酸素欠損が導入されることで電子キャリアを生成できる第１金属酸化物に、酸素のかい離エネルギーが前記第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きな第２酸化物を添加した複合金属酸化物を用いた薄膜トランジスタであって、光照射による特性劣化の抑制と、低コンタクト抵抗、及び優れたゲート制御性とを両立した薄膜トランジスタおよびその製造方法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】
【００１０】
本発明者は鋭意検討の結果、上記第２酸化物（ＸＯｘ）を構成する元素Ｘのうち、ケイ素、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、イットリウム及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素Ｘ１の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において極大値を示す薄膜トランジスタが、上記課題を解決することを見出し、本発明に至った。
すなわち本願第１発明は、
［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
を有する薄膜トランジスタであって、
前記半導体層が、酸素欠損が導入されることで電子キャリアを生成できる第１金属酸化物に、酸素のかい離エネルギーが前記第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きな第２酸化物（ＸＯｘ）を添加した複合金属酸化物で形成され、
前記第２酸化物を構成する元素Ｘのうち、ケイ素、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、イットリウム及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素Ｘ１の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において極大値を示す、上記薄膜トランジスタに関する。
【００１１】
また、下記［２］は、本願第１発明の好ましい一実施形態である
［２］前記元素Ｘ１の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において最大値を示す、上記［１］に記載の薄膜トランジスタ。
【００１２】
本願第２発明は、
［３］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
を有する薄膜トランジスタであって、
前記半導体層が、酸素欠損が導入されることで電子キャリアを生成できる第１金属酸化物に、酸素のかい離エネルギーが前記第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きな第２酸化物（ＸＯｘ）を添加した複合金属酸化物で形成され、
前記第２酸化物を構成する元素Ｘのうち、ケイ素、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、イットリウム及び希土類元素のいずれにも該当しない少なくとも一種の元素Ｘ２の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において極小値を示す、上記薄膜トランジスタに関する。
【００１３】
また、下記［４］は、本願第２発明の好ましい一実施形態である
［４］前記元素Ｘ２の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において最小値を示す、上記［３］に記載の薄膜トランジスタ。
本願第３発明は、
［５］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
を有する薄膜トランジスタであって、
前記半導体層が、酸素欠損が導入されることで電子キャリアを生成できる第１金属酸化物に、酸素のかい離エネルギーが前記第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きな第２酸化物（ＸＯｘ）を添加した複合金属酸化物で形成され、
前記半導体層が、更に窒素を含有し、窒素の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において極大値を示す、上記薄膜トランジスタに関する。
また、下記［６］から［１７］は、それぞれ本発明の好ましい一実施形態である
［６］
前記第２酸化物の酸素のかい離エネルギーが前記第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２５５ｋＪ／ｍｏｌ以上大きい、上記［１］から［５］のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ。
［７］
前記第１金属酸化物は、インジウム、ガリウム、亜鉛、および錫からなる群から選択された少なくとも一つの金属の酸化物である、上記［１］から［５］のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ。
［８］
前記第２酸化物は、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびプラセオジム（Ｐｒ）からなる群から選択された少なくとも一つの金属の酸化物である、上記［１］から［５］のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ。
［９］
前記第２酸化物は、ケイ素（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、ランタン（Ｌａ）、およびハフニウム（Ｈｆ）からなる群から選択された少なくとも一つの酸化物である、上記［６］に記載の薄膜トランジスタ。
［１０］
前記半導体層における前記第２酸化物の含有量が０より大きく５０重量％以下である、上記［１］から［９］の何れかに記載の薄膜トランジスタ。
［１１］
前記半導体層における前記第２酸化物の含有量が０より大きく５重量％以下である、上記［１］から［１０］の何れかに記載の薄膜トランジスタ。
［１２］
前記半導体層が非晶質である、上記［１］から［１１］の何れかに記載の薄膜トランジスタ。
［１３］
前記半導体層の厚さが５ｎｍ以上かつ２０ｎｍ以下の範囲である、上記［１］から［１２］の何れかに記載の薄膜トランジスタ。
［１４］
前記第２酸化物が、ボロン（Ｂ）および炭素（Ｃ）からなる群から選択された少なくとも一つの元素の酸化物である、上記［１］から［５］のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
［１５］
前記半導体層中のボロン（Ｂ）および炭素（Ｃ）の含有量が０より大きく１０重量％以下である、上記［１４］に記載の薄膜トランジスタ。
［１６］
前記半導体層が１０℃以上４００℃以下の温度で形成される、
上記［１］から［１５］の何れか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
［１７］
前記半導体層が１０℃以上２００℃以下の温度で形成される、上記［１６］に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
［１８］
上記［１］から［１５］のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタを有する装置。
［１９］
液晶ディスプレイ又は有機ＥＬディスプレイである、上記［１８］に記載の装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光照射によるしきい値電流のシフト等の特性劣化が抑制され、ソース電極及び／又はドレイン電極と半導体層との界面におけるコンタクト抵抗が低く、かつ電子移動度が高くゲート制御性に優れるという、実用上好ましい特性を高いレベルで兼ね備えた薄膜トランジスタ、およびその製造方法が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタの概略断面図。
【図２】本発明の一実施例の薄膜トランジスタの概略断面図。
【図３】Ｉｎ−Ｓｉ−Ｏ膜の組成とバンドギャップとの関係を示す図。
【図４】本発明の一実施例の元素濃度分布を示す図。
【図５】本発明の他の一実施例の元素濃度分布を示す図。
【図６】本発明の一実施例の電子移動度及びしきい値電圧のシフトを示す図。
【図７】本発明の他の一実施例のＩｄ−Ｖｇ特性を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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および薄膜トランジスタの製造方法について説明する。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適宜異ならせてあり、実寸やその比率とは必ずしも一致しない。
【００１７】
本願第１発明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
を有する薄膜トランジスタであって、
前記半導体層が、酸素欠損が導入されることで電子キャリアを生成できる第１金属酸化物に、酸素のかい離エネルギーが前記第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きな第２酸化物（ＸＯｘ）を添加した複合金属酸化物で形成され、
前記第２酸化物を構成する元素Ｘのうち、ケイ素、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、イットリウム及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素Ｘ１の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において極大値を示す、上記薄膜トランジスタである。
ここで、上記特定の元素Ｘ１の濃度は、上記半導体層の厚み方向において連続的にかつ実質的に変動しており、すなわち上記元素Ｘ１は、半導体層の厚み方向に濃度勾配を有している。より具体的には、元素Ｘ１の濃度は、半導体層の厚み方向の中央部において極大値、すなわち少なくとも１のピークを示す。ここで、「中央部」とは、上記半導体層の両界面（通常は、ソース電極及びドレイン電極側の層間絶縁膜と接する界面、及びゲート電極側の絶縁体層と接する界面）のいずれからも、２ｎｍ以上、又は半導体層の厚みの５％以上離れている箇所をいう。
【００１８】
好ましくは、上記少なくとも一種の元素Ｘ１の濃度は、前記半導体層の厚み方向の中央部において最大値を示す。すなわち、半導体層の厚み方向の中央部のいずれかの場所における元素Ｘ１の濃度は、半導体層のいずれの箇所における元素Ｘ１の濃度よりも高いことが好ましい。
【００１９】
本願第１発明においては、元素Ｘ１の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において極大値を示すことにより、光照射によるしきい値電流のシフト等の特性劣化が抑制され、ソース電極及び／又はドレイン電極と半導体層との界面におけるコンタクト抵抗が低く、かつ電子移動度が高くゲート制御性に優れるという、顕著な技術的効果が実現される。
【００２０】
本願第１発明の薄膜トランジスタは、半導体層を１０℃以上４００℃以下で形成する工程を有する製造方法によって製造することが好ましい。
【００２１】
図１は本願第１発明の好ましい一実施形態に係る薄膜トランジスタ１０の概略断面図である。基板２０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；紙製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２０の厚さは、設計に応じて適宜設定することができる。
【００２２】
本実施形態の薄膜トランジスタ１０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１０は、基板２０上に設けられたゲート電極３０と、ゲート電極３０を覆って設けられた絶縁体層４０と、絶縁体層４０の上面に設けられた半導体層５０と、半導体層５０の上面において半導体層５０に接して設けられたソース電極６０およびドレイン電極７０、並びに層間絶縁膜８０を有している。ゲート電極３０は、半導体層５０のチャネル領域に対応させて（チャネル領域と平面的に重なる位置に）設けられている。また、半導体層５０は、酸素欠損が導入されることで電子キャリアを生成できる第１金属酸化物へ第２酸化物（ＸＯｘ）を添加した複合金属酸化物から構成されている。なお、当然のことであるが、本発明の作用効果にはなはだしい悪影響が出ない限り、半導体層に第２酸化物以外の成分や不可避の不純物が含まれていてもよい。
【００２３】
ゲート電極３０、ソース電極６０、及びドレイン電極７０は、それぞれ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、例えば表面を金属材料でめっきすることにより２層以上の積層構造を形成していてもよい。
【００２４】
ゲート電極３０、ソース電極６０、及びドレイン電極７０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６０とドレイン電極７０とは同じ形成材料であることが好ましい。
【００２５】
絶縁体層４０は、絶縁性を有し、ゲート電極３０と、ソース電極６０およびドレイン電極７０との間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、ＨｆＯ２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。有機材料としては、製造や加工が容易であることから、光硬化型の樹脂材料であることが好ましい。
【００２６】
半導体層５０は、酸素欠損が導入されることで電子キャリアを生成できる第１金属酸化物と、酸素とのかい離エネルギーが第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きい第２酸化物とを含む複合酸化物で形成される。第１金属酸化物は、好ましくは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、および錫（Ｓｎ）からなる群から選択された少なくとも１つを含む金属酸化物であり、第２酸化物は、好ましくはジルコニウム（Ｚｒ）、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、それ以外の希土類元素、アルミニウム（Ａｌ）、ボロン（Ｂ）および炭素（Ｃ）からなる群から選択された少なくとも１つを含む酸化物である。
好ましくは、第１酸化物の元素がＩｎである場合、第２酸化物の元素は、Ｚｒ、Ｐｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｂ、Ｃからなる群から選択された少なくとも１つであり、第１酸化物の元素がＳｎである場合、第２酸化物の元素は、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｄ、Ｇｄからなる群から選択された少なくとも１つの元素である。
【００２７】
第１金属酸化物として酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）を用いた場合、酸化インジウムの酸素のかい離エネルギーは３４６±３０ｋＪ／ｍｏｌと小さいので、酸化インジウムから酸素が容易に脱離して酸素欠損を生成しやすい。しかし、酸素欠損量が大きくなりすぎると半導体的な性質から金属的な性質へ変わって半導体層として適さなくなる。この問題を解決すべく、酸化インジウムの酸素欠損量を制御するため酸化インジウムの酸素のかい離エネルギーより２００ｋＪ／ｍｏｌ／以上大きな酸素のかい離エネルギーを有する第２酸化物（ＸＯｘ）、より具体的には金属酸化物である第２金属酸化物あるいは後述するように同等の非金属元素酸化物を添加すればよい。第２酸化物の酸素のかい離エネルギーは、上記で規定するものよりも更に大きいことが好ましく、酸素のかい離エネルギーが７２５ｋＪ／ｍｏｌ以上、より好ましくは７８０ｋＪ／ｍｏｌ以上の酸化物を第２酸化物として用いると、酸化インジウムの酸素欠損量の制御が容易となるので望ましい。なお、第１金属酸化物として酸化インジウム以外の物質まで一般化した場合には、上述のように第２酸化物としてはその酸素かい離エネルギーが第１金属酸化物に比べて２００ｋＪ／ｍｏｌ以上、より好ましくは２５５ｋＪ／ｍｏｌ以上大きいものを使用すればよい。本実施形態では第２酸化物として好ましくは金属酸化物を使用するが、具体的に好適な金属酸化物としては、酸素のかい離エネルギーが７８０ｋＪ／ｍｏｌ以上の酸化物をまとめた表１および酸素のかい離エネルギーが７２５ｋＪ／ｍｏｌ以上かつ７８０ｋＪ／ｍｏｌ以下の金属酸化物をまとめた表２に示すように、酸化ジルコニウム（Ｚｒ−Ｏ）、酸化プラセオジム（Ｐｒ−Ｏ）、酸化ランタン（Ｌａ−Ｏ）、酸化タンタル（Ｔａ−Ｏ）、および酸化ハフニウム（Ｈｆ−Ｏ）が挙げられるが、これらには限定されない。また、同じく表１記載の酸化ケイ素（Ｓｉ−Ｏ）も、第２酸化物として好ましい。
【００２８】
【表１】
2015144171.tif 000003
【００２９】
【表２】
2015144171.tif 000004
【００３０】
本実施形態において第１金属酸化物を適した酸素欠損量を有する半導体層とするために添加する第２酸化物としては、特に好ましくは、表１に示した７８０ｋＪ／ｍｏｌ以上の第２酸化物がより好ましい。具体的には、酸化ランタン（Ｌａ−Ｏ）、酸化ケイ素（Ｓｉ−Ｏ）、酸化タンタル（Ｔａ−Ｏ）、および酸化ハフニウム（Ｈｆ−Ｏ）が挙げられる。
【００３１】
また、第１金属酸化物を適した酸素欠損量を有する半導体層とするために第１金属酸化物へ添加する第２酸化物の含有量には特に制限はないが、０より大きく５０重量％以下の範囲にするとよい。特に、第１金属酸化物へ添加する第２酸化物の含有量を０より大きく５重量％以下の範囲にすると、２００℃以下の低温度で作製できるなどの点で、実用上好ましい。
【００３２】
Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系や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、通常知られた薄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。したがって、半導体層５０の表面の平坦化及び高い電気伝導度を得るためには、半導体層は非晶質構造であることが好ましい。
【００３３】
また、半導体層５０の厚みには特に制限はないが、５ｎｍ以上かつ２０ｎｍ以下の範囲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５０の厚さは、半導体層５を形成した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することができる。
【００３４】
なお、半導体層５０を構成する複合金属酸化物は第１金属酸化物に第２酸化物として金属酸化物を添加したものには限定されず、第１金属酸化物に比べてかい離エネルギーが２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きな非金属酸化物を添加してもよい。具体的には、複合金属酸化物は、例えばボロン（Ｂ）および炭素（Ｃ）のうち少なくとも一つの元素の酸化物を添加したものであっても良い（すなわち、本願では「複合金属酸化物」を「金属酸化物に酸素のとのかい離エネルギーが所定値以上大きな元素を複合させた酸化物」という意味で使用していることに注意されたい）。これは、Ｂ−Ｏ結合の酸素かい離エネルギーが８０９ｋＪ／ｍｏｌおよびＣ−Ｏ結合の酸素かい離エネルギーが１０７６．３８±０．６７ｋＪ／ｍｏｌと大きいために、第１金属酸化物へ導入する酸素欠損量を容易に制御することができるからである。
【００３５】
本願第１発明においては、第２酸化物を構成する元素Ｘのうち、ケイ素、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、イットリウム及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素Ｘ１の濃度が、半導体層の厚み方向の中央部において極大値を示す。これにより、本願第１発明では、短波長の可視光、例えば波長４２０ｎｍの光照射による薄膜トランジスタのしきい値電圧のシフトが抑制されるという、実用上高い価値を有する顕著な技術的効果が実現される。以下、この点につき、第１金属酸化物が酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）である場合を例に説明する。
【００３６】
酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）を含む複合酸化物における、波長４２０ｎｍの光照射による薄膜トランジスタのしきい値電圧のシフトの要因として、光吸収により、Ｉｎ２Ｏ３バンドギャップの価電子帯近傍の酸素欠損による準位から伝導帯近傍のトラップ準位へ電子がホッピングすることが推定されている。Ｉｎ２Ｏ３のバンドギャップは約３．７ｅＶであり、このバンドギャップの伝導帯（真空準位から４．０５ｅＶ）を大きく拡大する（真空準位側へ近づける）ことで、上記の電子のホッピングに必要なエネルギーも大きくでき、結果として、光照射によるしきい値電圧のシフトを抑制できることが期待できる。
【００３７】
そこで、発明者らは、Ｉｎ２Ｏ３の伝導帯との差がプラスになるＳｉＯ２（＋３．５ｅＶ）をＩｎ２Ｏ３へ添加したＩｎ−Ｓｉ−Ｏ膜のバンドギャップを調べた。図３にＳｉＯ２としての重量がそれぞれ１、３、及び１０重量％の膜厚が５０ｎｍのＩｎ−Ｓｉ−Ｏ膜の光電子収量分光法によるバンドギャップの評価結果を示す。ＳｉＯ２含量が１重量％のとき約３．７ｅＶであったバンドギャップを、ＳｉＯ２含量を１０重量％に増加することで、４．５ｅＶまで拡大することができた。
【００３８】
第２酸化物ＸＯｘのうち、ＳｉＯ２と同様にバンドギャップを拡大する効果を有しうる酸化物の候補としては、Ｔａ２Ｏ５（＋０．３ｅＶ）、ＺｒＯ２（＋１．４ｅＶ）、ＨｆＯ２（＋１．５ｅＶ）、Ａｌ２Ｏ３（＋２．８ｅＶ）、Ｙ２Ｏ３（＋１．３ｅＶ）および希土類酸化物が挙げられる。従って、第１酸化物ＸＯｘを構成する元素Ｘのうち、しきい値電圧のシフトの抑制を目的として添加される元素Ｘ１は、ケイ素、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、イットリウム及び希土類元素からなる群より選ばれる。また、Ｓｉ３Ｎ４（＋２．４ｅＶ）も、同様にバンドギャップを拡大する効果を有しうるものであり、第２酸化物とともに、又は第２酸化物に代えて、Ｓｉ３Ｎ４を半導体層を構成する複合金属酸化物に添加することも好ましい。
【００３９】
Ｉｎ２Ｏ３膜へ導入する元素Ｘ１の酸化物の濃度は通常３重量％以上５０重量％以下であり、特に１０〜３０重量％の濃度範囲が、添加による好ましくない効果を抑制しながらバンドギャップを拡大する観点から好ましい。
【００４０】
上述のように、本願第１発明において、半導体層中の元素Ｘ１は、半導体層において、中央部で濃度が高く、両界面で濃度が低いという濃度勾配を有する。すなわち、上記少なくとも一種の元素Ｘ１の濃度は、前記半導体層の厚み方向の中央部において極大値すなわち少なくとも１のピークを示す。ここで「中央部」の意義は、上述のとおりである。
【００４１】
本発明の好ましい一実施形態においては、元素Ｘ１の酸化物の濃度は、半導体層の厚み方向の中央部において最大値、例えば３重量％以上、５０重量％以下、好ましくは１０重量％以上、３０重量％以下となることが好ましく、そこから両界面に近づくにつれて、それぞれ単調に減少する濃度勾配を有していることが好ましい。両界面における元素Ｘ１の酸化物の濃度は、中央部における濃度よりも実質的に低ければよく、特に制限はないが、例えば、０．１重量％以下であることが好ましく、実質的にゼロであることが特に好ましい。
【００４２】
本願第１発明においては、両界面における元素Ｘ１の濃度が低いことにより、ソース電極及び／又はドレイン電極と半導体層との界面におけるコンタクト抵抗が低く、かつ電子移動度が高くゲート制御性に優れるという、実用上好ましい特性を実現することができる。
ソース電極及び／又はドレイン電極と半導体層との界面における半導体層を構成する複合酸化物中の元素Ｘ１の濃度が低いことにより、該複合酸化物は酸素を放出しやすい傾向を有することとなる。この結果、ソース電極及び／又はドレイン電極との界面付近の複合酸化物は、酸素欠損を生じていわゆるメタル化することとなり、ソース電極及び／又はドレイン電極とのコンタクト抵抗が低減される。
また、半導体層を構成する複合酸化物中の元素Ｘ１の濃度が低く、それ以外の第２酸化物の濃度が高いことにより、電子の移動度が向上する傾向がある。ゲート電圧の影響をより受けやすい、ゲート電極側の絶縁膜層との界面付近において、半導体層の元素Ｘ１の濃度を低く（電子移動度を高く）することによって、同じゲート電圧でより高い電流を制御することが可能となる、すなわちゲート制御性が向上するという効果が実現できる。
【００４３】
本願第２発明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
を有する薄膜トランジスタであって、
前記半導体層が、酸素欠損が導入されることで電子キャリアを生成できる第１金属酸化物に、酸素のかい離エネルギーが前記第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きな第２酸化物（ＸＯｘ）を添加した複合金属酸化物で形成され、
前記第２酸化物を構成する元素Ｘのうち、ケイ素、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、イットリウム及び希土類元素のいずれにも該当しない少なくとも一種の元素Ｘ２の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において極小値を示す、上記薄膜トランジスタである。
【００４４】
ここで、上記少なくとも一種の元素Ｘ２の濃度は、上記半導体層の厚み方向において連続的にかつ実質的に変動しており、すなわち上記少なくとも一種の元素Ｘ２は、上記半導体層の厚み方向に濃度勾配を有している。より具体的には、上記少なくとも一種の元素Ｘ２の濃度は、前記半導体層の厚み方向の中央部において極小値を示す。ここで、「中央部」とは、上記半導体層の両界面（通常は、ソース電極及びドレイン電極側の層間絶縁膜と接する界面、及びゲート電極側の絶縁体層と接する界面）のいずれからも、２ｎｍ以上、又は半導体層の厚みの５％以上離れている箇所をいう。
好ましくは、上記少なくとも一種の元素Ｘ２の濃度は、半導体層の厚み方向の中央部において最小値を示す。すなわち、半導体層の厚み方向の中央部のいずれかの場所における元素Ｘ２の濃度は、半導体層の他のいずれの箇所における元素Ｘ２の濃度よりも低いことが好ましい。
【００４５】
上記少なくとも一種の元素Ｘ２は、前記第２酸化物を構成する元素Ｘ、すなわち第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きな第２酸化物（ＸＯｘ）を構成する元素Ｘのうち、ケイ素、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、イットリウム及び希土類元素のいずれにも該当しない元素である。
元素Ｘ２は上記の定義に該当する元素であればよく、それ以外に特に制限は課せられないが、好ましくはチタン（Ｔｉ）である。また、タングステン（Ｗ）も、元素Ｘ２として使用することが可能である。
【００４６】
本願第２発明において、半導体層中の元素Ｘ２の酸化物は、半導体層において、中央部で濃度が低く、両界面で濃度が高いという濃度勾配を有する。すなわち、上記少なくとも一種の元素Ｘ２の濃度は、前記半導体層の厚み方向の中央部において極小値を示す。
【００４７】
本発明の好ましい一実施形態においては、元素Ｘ２の酸化物の濃度は、半導体層の厚み方向の中央部において極小値を有していることが好ましく、そこから両界面に近づくにつれて、それぞれ単調に増加する濃度勾配を有していることが好ましい。両界面における元素Ｘ２の酸化物の濃度には特に制限はないが、移動度を高くするため等の観点から、１重量％以上２０重量％以下であることが好ましい。中央部における元素Ｘ２の酸化物の濃度は、両界面における濃度よりも実質的に低ければよく、特に制限はないが、例えば、０．１重量％以下であることが好ましく、実質的にゼロであることが特に好ましい。
【００４８】
また、本願第２発明においては、両界面における元素Ｘ２の濃度が高いことにより、ソース電極及び／又はドレイン電極と半導体層との界面におけるコンタクト抵抗が低く、かつ電子移動度が高くゲート制御性に優れるという、実用上好ましい特性を実現することができる。
ソース電極及び／又はドレイン電極と半導体層との界面における半導体層を構成する複合酸化物中の元素Ｘ２（例えばチタン）の濃度が高いことにより、該複合酸化物は酸素を放出しやすい傾向を有することとなる。この結果、ソース電極及び／又はドレイン電極との界面付近の複合酸化物は、酸素欠損を生じていわゆるメタル化することとなり、ソース電極及び／又はドレイン電極とのコンタクト抵抗が低減される。
また、半導体層を構成する複合酸化物中の元素Ｘ２（例えばチタン）の濃度が高いことにより、電子の移動度が向上する傾向がある。ゲート電圧の影響をより受けやすい、ゲート電極側の絶縁膜層との界面付近において、半導体層の元素Ｘ２の濃度が高く電子移動度が高いことによって、同じゲート電圧でより高い電流を制御することが可能となる、すなわちゲート制御性が向上するという効果が実現できる。
【００４９】
本願第２発明の薄膜トランジスタの層構成その他の構造は、本願第１発明のものと同様である。上記の本願第１発明の構造についての記載は、本願第２発明の目的に反しない限りにおいて、本願第２発明にも適宜あてはまる。
【００５０】
本願第１発明の元素Ｘ１の濃度分布と、本願第２発明の元素Ｘ２の濃度分布とをともに具備している薄膜トランジスタは、本発明の特に好ましい実施形態である。この実施形態においては、第２酸化物を構成する元素Ｘのうち、ケイ素、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、イットリウム及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素Ｘ１の濃度が、半導体層の厚み方向の中央部において極大値を示し、かつ、第２酸化物を構成する元素Ｘのうち、ケイ素、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、イットリウム及び希土類元素のいずれにも該当しない少なくとも一種の元素Ｘ２の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において極小値を示す。この実施形態においては、例えば、元素Ｘ１に該当するケイ素の濃度が半導体層の厚み方向の中央部において極大値を示し、かつ、元素Ｘ２に該当するチタンの濃度が半導体層の厚み方向の中央部において極小値を示していてもよい。
【００５１】
このとき、半導体層の中央部においてケイ素の濃度が極大値を示すことによって、光照射によるしきい値電流のシフト等の特性劣化が抑制されるという的効果が実現されるとともに、半導体層の両界面におけるチタンの濃度が高いことにより、ソース電極及び／又はドレイン電極と半導体層との界面におけるコンタクト抵抗が低く、かつ電子移動度が高くゲート制御性に優れるという効果が実現され、実用上好ましい諸特性を高いレベルで兼ね備えた薄膜トランジスタを実現することができる。
【００５２】
本願第３発明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
を有する薄膜トランジスタであって、
前記半導体層が、酸素欠損が導入されることで電子キャリアを生成できる第１金属酸化物に、酸素のかい離エネルギーが前記第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きな第２酸化物（ＸＯｘ）を添加した複合金属酸化物で形成され、
前記半導体層が、更に窒素を含有し、窒素の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において極大値を示す、上記薄膜トランジスタである。
また、本願第１発明、及び本願第２発明においても、半導体層が更に窒素を含有し、窒素の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において極大値を示すことが好ましい。
窒素の導入、特に半導体層の厚み方向の中央部に導入することにより、半導体層の価電子帯が変化して、価電子帯近傍で生じる酸素欠損に起因した準位を抑制でき、結果として光照射によるしきい値電流のシフト等の悪影響を抑制することができる。この観点から、窒素の濃度は、半導体層の界面において低く、厚み方向の中央部において極大値を示す分布となることが好ましい。
【００５３】
なお、半導体層がＳｉ等を含有する場合、当該半導体層が更に窒素を含有し、窒素の濃度が、前記半導体層の厚み方向の中央部において極大値を示していることが好ましい。この場合、上記の窒素濃度分布に関する効果に加えて、バンドギャップを拡大する効果を有しうるＳｉ３Ｎ４（＋２．４ｅＶ）の濃度が、半導体層の厚み方向の中央部において極大値を示すので、本願第１発明と同様に、光照射によるしきい値電流のシフト等の特性劣化が抑制されるという技術的効果も実現されうる。
【００５４】
第２酸化物が金属酸化物である場合、本発明の半導体層への第２酸化物の添加は、従来公知の方法を採用することにより適宜実施できる。第２酸化物がボロン、炭素等の非金属元素の酸化物である場合も同様であるが、第１金属酸化物が酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）である場合について、以下にその具体例を説明する。
第１金属酸化物が酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）であり、第２酸化物がボロン（Ｂ）酸化物である場合の酸化インジウムへのボロン酸化物の添加は、例えばイオンインプランテーションによって行うが、この添加方法では加速電圧を変えることで添加量および深さを制御できる。その含有量は０より大きく１０重量％以下であることがより好ましい。なお、この場合、イオンインプランテーションはボロン酸化物ではなくボロンのイオンを第１金属酸化物に打ち込むことにより行われる。このボロンイオンは第１金属酸化物内でボロン酸化物となる。このように、第１金属酸化物内に酸化物を添加するに当たっては、添加処理操作自体では必ずしも酸化物その物を添加する必要はなく、例えば酸化物を構成する酸素以外の元素を添加する処理を行い、第１金属酸化物内部で酸化物とすることもできる。本願においては、このように添加処理操作の形態にかかわらず、第１金属酸化物内に酸化物の形で存在する形態で添加を行うことを「酸化物を添加する」と称する場合があることに注意されたい。
【００５５】
また、第１金属酸化物が酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）であり、第２酸化物が炭素（Ｃ）酸化物である場合の、酸化インジウムへの炭素酸化物添加は、例えばＩｎ２Ｏ３ターゲットおよびグラファイトターゲットを用いた共スパッタリング法により実施することが可能である。各々のスパッタリングパワーの比率を変えることで、炭素酸化物の添加量を制御でき、その含有量は０より大きく１０重量％以下であることがより好ましい。
【００５６】
なお、酸素のかい離エネルギーが第１金属酸化物より２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きな第２酸化物として、最初に説明した第２金属酸化物とここで説明した非金属の酸化物との両者を同時に使用した複合金属酸化物により半導体層５０を形成することも可能である。また、本実施形態における第２酸化物の添加処理にあたって、処理の種類によっては複合金属酸化物でできた半導体層中に、第２金属酸化物、及び非金属の酸化物の両方の種類の第２酸化物が不可避的に共存することもあり得る。
例えば、このような半導体層の薄膜をゾルゲル法などの溶液法で作製する場合には薄膜中に炭素が残留する可能性が高い。このような場合も本発明に包含されることに注意されたい。
【００５７】
（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１０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を形成する方法には特に制限はないが、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。
【００５８】
ここで、物理蒸着法としては、蒸着法やスパッタ法などが挙げられる。蒸着法としては、真空蒸着法、分子線蒸着法（ＭＢＥ）、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。スパッタリング法においてプラズマを用いた場合は、反応性スパッタリング法、ＤＣ（直流）スパッタリング法、高周波（ＲＦ）スパッタリング法等の成膜法を用いることができる。
【００５９】
さらには、下記の製造方法を用いて製造されたものが好ましい。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。
【００６０】
本実施形態の薄膜トランジスタ１０の製造方法においては、基板２０の上に通常知られた方法でゲート電極３０および絶縁体層４０を形成した後、半導体層５０を形成する。本実施形態の製造方法では、半導体層５０は、第１金属酸化物の粉末と、酸素のかい離エネルギーが第１金属酸化物の酸素のかい離エネルギーよりも２００ｋＪ／ｍｏｌ以上大きな第２酸化物の粉末とを含む焼結体であるターゲットと、希ガスと酸素との混合ガスとを用いた物理蒸着法により製造される。ここでは、物理蒸着法としてスパッタリング法を用いることとして説明する。
【００６１】
例えば、半導体層５０としてＩｎ−Ｓｉ−Ｏ系の金属酸化物を採用する場合には、ターゲットは、酸化インジウムの粉末と酸化ケイ素の粉末との焼結体を採用するとよい。また、ターゲットには、酸化ケイ素の重量％以下での添加物（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、意図しない不純物として、酸化インジウムおよび酸化ケイ素以外の金属酸化物（酸化亜鉛など）が、ターゲット全体における酸化ケイ素含有量以下の割合（重量比）で混入することがあっても構わない。
【００６２】
その場合、焼結体に含まれる酸化ケイ素の含有量が、０重量％より多く５０重量％以下であることが好ましい。また、酸化ケイ素の含有量は、０重量％より多く５重量％以下であることが、より好ましい。
【００６３】
通常知られた酸化物半導体であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系や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）に対して、通常２割〜３割のゲスト材料（酸化亜鉛や酸化ガリウム）が混入されている。
【００６４】
これに対して、本実施形態の薄膜トランジスタ１０の半導体層５０は、上述のような焼結体をターゲットに用いて薄膜形成する。本実施形態の製造方法で製造された薄膜トランジスタ１０においては上述したように酸化ケイ素の含有量は０重量％より多く５重量％以下であるとより好ましいので、この好ましい組成とした場合の半導体層５０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）に対するゲスト材料（酸化ケイ素）の含有量が、極めて少ないものとすることも可能である。
【００６５】
また、薄膜トランジスタ１０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てもよい。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。また、プロセスガスには、水素原子を有する化合物を含まないことが好ましい。
【００６６】
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ケイ素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非晶質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２００℃以下で行うことで非晶質な半導体層を形成することができる。また、２００℃より高く４００℃以下で行うことで、結晶化した好適な半導体層を形成することもできる。さらには、半導体層を形成する工程を、室温で実施してもよい。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。
【００６７】
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リング法としては、ＲＦスパッタリングおよびＤＣスパッタリングなど公知のものを用いることができる。
【００６８】
また、半導体層５０としてＩｎ−Ｓｉ−Ｏ系の金属酸化物を採用する場合には、ターゲットは、酸化インジウムの粉末と、酸化ケイ素の粉末とを用いていればよく、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。第２酸化物である酸化ケイ素の濃度分布の制御性の観点からは、後者が好ましい。この場合、複数の焼結体を用いた共スパッタリングにより半導体層を形成することができる。
【００６９】
また、本願第１発明における元素Ｘ１の濃度分布、本願第２発明における元素Ｘ２の濃度分布も、共スパッタリングにより好適に制御することが可能である。例えば、元素Ｘ１がケイ素であり、元素Ｘ２がＳｉである場合のＩｎ−Ｓｉ−Ｔｉ−Ｏ半導体層におけるＳｉ及びＴｉの濃度分布は、Ｉｎ−Ｓｉ−ＯターゲットとＩｎ−Ｔｉ−Ｏターゲットとを用い、両ターゲットを同一チャンバーへ設置して、それぞれのターゲットについてのスパッタリングパワーを、好ましくは連続的に変化させることにより、適宜調整することができる。
【００７０】
第１金属酸化物として、酸化インジウムの代わりに、酸化亜鉛および酸化錫あるいは酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛および酸化錫を組み合わせた金属酸化物を用いた場合でも、上記と同様の方法を用いることで、酸素欠損量を制御し、かつ第２酸化物の濃度勾配を制御した半導体層を形成することができる。
【００７１】
第２酸化物が酸化ケイ素である場合について説明したが、代わりに、酸化ジルコニウム（Ｚｒ−Ｏ）、酸化プラセオジム（Ｐｒ−Ｏ）、酸化ランタン（Ｌａ−Ｏ）、酸化タンタル（Ｔａ−Ｏ）、および酸化ハフニウム（Ｈｆ−Ｏ）のいずれかを用いた場合にも、それぞれの酸素のかい離エネルギーの大きさに対応したプロセス範囲で、半導体層を形成することができる。
【００７２】
以上のような図１に例示したような実施形態の薄膜トランジスタによれば、特定の酸化物の濃度分布を適切に制御した半導体層を用いることで、本発明の効果を適切に実現することが可能となり、光照射によるしきい値電流のシフト等の特性劣化が抑制され、ソース電極及び／又はドレイン電極と半導体層との界面におけるコンタクト抵抗が低く、かつ電子移動度が高くゲート制御性に優れるという、実用上好ましい特性を高いレベルで兼ね備えた薄膜トランジスタが提供される。
【００７３】
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、本発明の効果を適切に実現した薄膜トランジスタを容易にかつ効率よく製造することができる。
【００７４】
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。いわゆるトップゲート型の薄膜トランジスタの構成、製造方法等の詳細は、例えば特開２０１３−２１９９３６号公報に記載のように当業界において周知であり、これらに基づき当業者は過度の試行錯誤なしに、本発明をトップゲート型の態様において実施することが可能である。
【００７５】
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。いわゆるボトムコンタクト型の薄膜トランジスタの構成、製造方法等の詳細も当業界において周知であり、当業者は過度の試行錯誤なしに、本発明をボトムコンタクト型の態様において実施することが可能である。
【００７６】
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、本発明の主旨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】
【００７７】
以下に本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００７８】
（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を作製し、動作確認を行った。図に示す薄膜トランジスタは、図１に示した薄膜トランジスタ１０と実質的に同様の構成になっており、図１の薄膜トランジスタ１０が有するゲート電極３０の代わりに、ｐ型不純物を多量にドープしたＳｉ層２１を用いる構成となっている。
【００７９】
実施例の薄膜トランジスタは、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２４を形成した後、絶縁体層２４の表面に後述の方法を用いて半導体層２５を形成することで製造した。ソース電極２６およびドレイン電極２７は、半導体層２５の表面にマスク蒸着することにより形成した。
【００８０】
ソース電極２６とドレイン電極２７は、金（Ａｕ）を形成材料とし、厚さは５０ｎｍであった。また、ソース電極２６とドレイン電極２７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。
【００８１】
酸化物半導体層２５は、ＳｉＯ２濃度が１０重量％のＩｎ−Ｓｉ−ＯターゲットとＴｉ濃度が１０重量％のＩｎ−Ｔｉ−Ｏターゲットを用い、両ターゲットを同一チャンバーへ設置して、プロセスガス流量：Ｏ２／Ａｒ＝３ｓｃｃｍ／２０ｓｃｃｍ、真空度０．２５Ｐａ、加熱無しで、表３に示すように、成膜された膜厚に応じてお互いターゲットについてのスパッタリングパワーを連続的に変えて、膜厚６０ｎｍのＩｎ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ｏ膜を作製した。
【表３】
2015144171.tif 000005
【００８２】
作製したＩｎ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ｏ膜の膜中のＴｉ、Ｓｉ元素の濃度分布を、Ａｒエッチングしながら深さ分解能ＸＰＳ測定で求められた結果を図４に示す。ゲート絶縁膜２４に近い側とソース／ドレイン電極２６／２７側でＴｉ濃度が高く、Ｓｉ濃度が低く、そして中央部で逆の濃度勾配になるＩｎ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ｏ膜が形成できた。
【００８３】
（実施例２）
実施例１と同様のＩｎ−Ｓｉ−Ｏターゲットに用いて、ＤＣパワー２００Ｗ、加熱無しで、Ｉｎ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ膜を作製した。このときのスパッタリングガスの条件は表４に示すとおりであり、Ｏ２／Ａｒ＝２ｓｃｃｍ／３０ｓｃｃｍの条件でＩｎ−Ｓｉ−Ｏ膜の成膜を行い、組成を連続的に変化させながらＩｎ−Ｓｉ−Ｏ膜の中央部でのみ、Ｎ２ガスを導入した（Ｎ２／Ａｒ＝２ｓｃｃｍ／３０ｓｃｃｍ）。この膜のＮ濃度分布を、Ａｒエッチングしながら深さ分解能ＸＰＳ測定で求めた結果を図５に示す。
【表４】
2015144171.tif 000006
【００８４】
（評価）
実施例１において作製したＩｎ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ｏ薄膜トランジスタの特性を評価するため、評価環境２５℃、暗所で、Ｖｄｓ＝１５Ｖ一定で、Ｉｄ−Ｖｇ特性より電子移動度（ｃｍ２／Ｖｓ）および初期のしきい値電圧を求めた。続いて、波長４２０〜６００ｎｍの光照射を１０００ｓｅｃ実施した後の電子移動度およびしきい値電圧のシフト（初期のしきい値電圧との差）を図６に示す。
実施例２において作製したＩｎ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ薄膜トランジスタの特性を評価するため、評価環境２５℃、光照射を１０００秒した後のＩｄ−Ｖｇ特性を測定した。結果を、図７に示す。
比較として、Ｉｎ−Ｔｉ−Ｏ薄膜トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性を併せて図７に示す。波長４２０〜６００ｎｍの光照射によって、Ｉｎ−Ｔｉ−ＯはＩｏｆｆ値が増加し、かつしきい値電圧も負側へシフトすることが分かる。一方、Ｉｎ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ薄膜トランジスタは、光照射後でも、光照射前とほぼ同様の特性で、劣化はほとんど認められなかった。
なお、光照射前のＩｎ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ薄膜トランジスタ及びＩｎ−Ｔｉ−Ｏ薄膜トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性は、図７中の破線で示したものと略同一であった。
【００８５】
比較として、金属半導体層のみをＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＧＺＯ）に変え、他は実施例１と同様の薄膜トランジスタについて測定した電子移動度、及びしきい値電圧シフトのデータをプロットした。この薄膜トランジスタの６０ｎｍ膜厚のＩＧＺＯ膜は、ＩＧＺＯターゲット（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１  （ｍｏｌ比））を用いたＤＣスパッタリング法で、室温、スパッタリングガス流量：Ａｒ／Ｏ２＝２１．５ｓｃｃｍ／１．５ｓｃｃｍ、ＤＣパワー１００Ｗの条件で作製した。
結果を併せて図６に示す。ＩＧＺＯを用いた薄膜トランジスタは、光照射によるしきい値電圧のシフトが約２Ｖと大きく、電子移動度も５ｃｍ２／Ｖｓと小さな値を示した。一方、実施例１のＩｎ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ｏを用いた薄膜トランジスタは、しきい値電圧のシフトが１Ｖよりも小さく、電子移動度も１０ｃｍ２／Ｖｓに近い高い値を示した。
また、実施例１のＩｎ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ｏを用いた薄膜トランジスタは、ソース電極２６及び／ドレイン電極２７と半導体層２５との界面におけるコンタクト抵抗が低く、かつ、優れたゲート制御性を有していた。
【００８６】
以上の結果から、本発明の薄膜トランジスタの動作確認ができ、本発明の有用性が確かめられた。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、光照射によるしきい値電流のシフト等の特性劣化が抑制され、ソース電極及び／又はドレイン電極と半導体層との界面におけるコンタクト抵抗が低く、かつ電子移動度が高くゲート制御性に優れるという、実用上高い価値を有する特性を兼ね備えた薄膜トランジスタを提供することが可能であり、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等の表示機器をはじめとする産業の各分野において高い利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００８８】
１０、１０’  薄膜トランジスタ
２０          基板
２１          ｐドープＳｉ層
３０          ゲート電極
４０、２４    絶縁膜層
５０、２５    半導体層
６０、２６    ソース電極
７０、２７    ドレイン電極
８０          層間絶縁膜
【図１】
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【図２】
2015144171.tif 000008
【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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