(57)【要約】【課題】酸化亜鉛をチャネル材料とする半導体装置において、ゲート絶縁膜とチャネル層の格子不整合による特性低下を低減する。【解決手段】酸化亜鉛をチャネル材料とするチャネル層２と、該チャネル層２の上にゲート絶縁膜５を介して設けられたゲート電極６と、ソース電極３と、ドレイン電極４とを備える半導体装置において、チャネル層２とゲート絶縁膜５との間に、チャネル層２より高い抵抗の酸化亜鉛材料からなる高抵抗酸化亜鉛層７が設けられていることを特徴としている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化亜鉛をチャネル材料とするチャネル層と、該チャネル層の上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極とを備える半導体装置において、
前記チャネル層と前記ゲート絶縁膜の間に、前記チャネル層より高い抵抗の酸化亜鉛材料からなる高抵抗酸化亜鉛層が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記高抵抗酸化亜鉛層の抵抗率が１０９〜１０１３Ω・ｃｍの範囲内であり、前記チャネル層の抵抗率が１０３〜１０９Ω・ｃｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置を製造する方法であって、
前記チャネル層の表面に酸素または窒素を導入することにより、前記高抵抗酸化亜鉛層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
酸素、窒素または窒素酸化物を含む雰囲気中で前記チャネル層の表面を加熱することにより、前記高抵抗酸化亜鉛層を形成することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
酸素、窒素または窒素酸化物を含む気体のプラズマを、前記チャネル層の表面に照射することにより、前記高抵抗酸化亜鉛層を形成することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記チャネル層の表面にエネルギービームを照射することにより、前記高抵抗酸化亜鉛層を形成することを特徴する請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化亜鉛をチャネル材料として用いた半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸化亜鉛は、透明な半導体として注目されており、透明な薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）への検討がなされている（例えば、特許文献１〜３）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１５０９００号公報
【特許文献２】
特開２０００−２７７５３４号公報
【特許文献３】
特開２００２−７６３５６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、酸化亜鉛をチャネル材料として用いてＴＦＴを構成する場合、酸化亜鉛からなるチャネル層の上に形成される絶縁膜との格子整合に問題があり、十分な薄膜トランジスタ特性を得ることができないという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、酸化亜鉛をチャネル材料とする半導体装置において、ゲート絶縁膜との格子不整合による特性低下を低減することができる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、酸化亜鉛をチャネル材料とするチャネル層と、該チャネル層の上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極とを備える半導体装置であり、チャネル層とゲート絶縁膜の間に、チャネル層より高い抵抗の酸化亜鉛材料からなる高抵抗酸化亜鉛層が設けられていることを特徴としている。
【０００７】
本発明においては、チャネル層とゲート絶縁膜の間に、チャネル層より高い抵抗の酸化亜鉛材料からなる高抵抗酸化亜鉛層が設けられている。このため、チャネル層とゲート絶縁膜が直接接することがなく、これらの間の界面で生じる格子不整合による悪影響を防止することができる。すなわち、格子不整合による界面欠陥がチャネル層における電子の流れに影響を及ぼすのを防止することができる。
【０００８】
本発明において、高抵抗酸化亜鉛層の抵抗率は、チャネル層の抵抗率より２桁以上高いことが好ましい。また、高抵抗酸化亜鉛層の抵抗率は１０９〜１０１３Ω・ｃｍの範囲内であることが好ましく、チャネル層の抵抗率は１０３〜１０９Ω・ｃｍの範囲内であることが好ましい。このような範囲内とすることにより、良好なＴＦＴ特性を得ることができる。
【０００９】
高抵抗酸化亜鉛層の膜厚は、特に限定されるものではないが、一般に１０Å〜５００Åの範囲内であることが好ましい。このような範囲から外れると、良好なＴＦＴ特性が得られるという本発明の効果が十分に得られない場合がある。
【００１０】
本発明における高抵抗酸化亜鉛層は、チャネル材料に用いられる酸化亜鉛材料よりも多量の酸素または窒素含有量となるように酸素または窒素を酸化亜鉛材料に導入することにより形成することができる。従って、チャネル材料を形成する際よりも多くの酸素または窒素を含む雰囲気中で、スパッタリングなどの薄膜形成方法により形成することができる。
【００１１】
また、チャネル層を形成した後、チャネル層の表面に酸素または窒素を導入することにより、高抵抗酸化亜鉛層を形成してもよい。
本発明の半導体装置の製造方法は、この方法を採用した製造方法である。
【００１２】
すなわち、本発明の製造方法は、上記本発明の半導体装置を製造することができる方法であり、チャネル層を形成した後、チャネル層の表面に酸素または窒素を導入することにより、高抵抗酸化亜鉛層を形成することを特徴としている。
【００１３】
チャネル層に酸素または窒素を導入して、高抵抗酸化亜鉛層を形成する方法としては、以下の（１）〜（３）の方法が挙げられる。
（１）酸素、窒素または窒素酸化物を含む雰囲気中でチャネル層の表面を加熱することにより、高抵抗酸化亜鉛層を形成する方法。例えば、チャネル層を形成した後、１００％の酸素雰囲気中または酸素が５０％以上である不活性ガスと酸素ガスとの混合気体雰囲気中において、３００〜５００℃に加熱することにより、チャネル層の表面を高抵抗酸化亜鉛層にすることができる。
【００１４】
（２）酸素、窒素または窒素酸化物を含む気体のプラズマを、チャネル層の表面に照射することにより、高抵抗酸化亜鉛層を形成する方法。例えば、容量結合型の並行平板型装置を用いてプラズマ処理する場合、酸素ガス１００％の雰囲気または酸素５０％以上の不活性ガスと酸素ガスとの混合気体雰囲気中で、圧力１〜１００Ｐａ、投入電力１０〜１００Ｗ、基板温度を室温〜３００℃として、プラズマ処理することによりチャネル層の表面に酸素を導入して高抵抗酸化亜鉛層を形成することができる。窒素ガスを含む雰囲気中または窒素酸化物ガスを含む雰囲気中でプラズマ処理しても、同様に窒素または窒素酸化物をチャネル層の表面に導入することができ、高抵抗酸化亜鉛層を形成することができる。
【００１５】
（３）チャネル層の表面にエネルギービームを照射することにより、高抵抗酸化亜鉛層を形成する方法。具体的には、酸素、窒素または窒素酸化物を含む雰囲気中で、イオンビーム、電子ビーム、及びレーザビーム等のエネルギービームを照射することにより、照射領域に酸素または窒素を導入して、高抵抗酸化亜鉛層を形成することができる。また、窒素、酸素または窒素酸化物のイオンビームを照射することにより、酸素または窒素をチャネル層の表面に導入して、高抵抗酸化亜鉛層を形成することができる。
【００１６】
本発明の半導体装置におけるその他の構成、例えばソース電極及びドレイン電極については、従来の半導体装置と同様にして形成することができる。
ソース電極及びドレイン電極は、チャネル層の上に形成された低抵抗の酸化亜鉛層の上に形成してもよい。このような低抵抗の酸化亜鉛層の抵抗率は、１０−３〜１００Ω・ｃｍの範囲内であることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は、本発明に従う一実施例の半導体装置であるＭＩＳ型トランジスタを示す断面図である。基板１の上には、酸化亜鉛からなるチャネル層２が設けられており、チャネル層２の中央部の上には、チャネル層２より高い抵抗の酸化亜鉛材料からなる高抵抗酸化亜鉛層７が設けられている。基板１としては、一般に透明な基板が用いられる。本実施例ではガラス基板が用いられている。高抵抗酸化亜鉛層７の上には、窒化ケイ素からなるゲート絶縁膜５が設けられており、ゲート絶縁膜５の上に、アルミニウムからなるゲート電極６が設けられている。
【００１８】
ゲート電極６を挟む両側のチャネル層２の上には、ソース電極３及びドレイン電極４がそれぞれ設けられている。ソース電極３及びドレイン電極４は、アルミニウムから形成されている。ソース電極３及びドレイン電極４は、チャネル層２の上に、低抵抗の酸化亜鉛層８及び９を介して設けられている。
【００１９】
高抵抗酸化亜鉛層７は、チャネル層を形成する際の雰囲気に比べ、窒素または酸素が多い雰囲気中で、チャネル層２と同様の薄膜形成方法で形成することができる。例えば、チャネル層２を酸素が５〜４０％含まれた不活性ガス中でマグネトロンＲＦスパッタリング法により形成する場合、高抵抗酸化亜鉛層７は、酸素が５０％以上含まれた不活性ガス中または酸素が１００％であるガス中で、マグネトロンＲＦスパッタリング法により形成することができる。
【００２０】
また、窒素ガスを含む雰囲気中でもチャネル層２及び高抵抗酸化亜鉛層７を形成することができる。例えば、窒素ガスを５〜４０％含む不活性ガス中でチャネル層２を形成する場合、高抵抗酸化亜鉛層７は窒素ガスを５０％以上含む不活性ガス中または窒素ガス１００％のガス中で形成することができる。
【００２１】
一般に、チャネル層２及び高抵抗酸化亜鉛層７を形成する際のターゲットとしては、高純度の酸化亜鉛が用いられる。低抵抗酸化亜鉛層８及び９を形成する場合には、アルミニウムを１〜１０重量％含む酸化亜鉛ターゲットを用いて形成することができる。酸化亜鉛層を形成する場合の基板温度は、一般に、２００℃〜３００℃程度であることが好ましい。
【００２２】
本実施例におけるチャネル層２、高抵抗酸化亜鉛層７、及び低抵抗酸化亜鉛層８及び９の形成条件を表１に示す。なお、いずれの酸化亜鉛層も、スパッタリングにより形成している。また、表１には、各酸化亜鉛層の抵抗率及び膜厚を示している。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
（比較例１）
図５は、比較例１の半導体装置であるＭＩＳ型トランジスタを示す断面図である。比較例１においては、チャネル層２の上に高抵抗酸化亜鉛層７を設けずに、直接ゲート絶縁膜５を形成している。高抵抗酸化亜鉛層７を設けないこと以外は、上記実施例１と同様にして各層が形成されている。
【００２５】
（ＴＦＴ特性の評価）
実施例１及び比較例１のＴＦＴについて、ＴＦＴ特性を評価した。なお、実施例１及び比較例１において、ゲート長及びゲート幅は、いずれも５０ｎｍである。
【００２６】
図６は、実施例１のＴＦＴ特性を示しており、図７は比較例１のＴＦＴ特性を示している。図６から明らかなように、実施例１においては、ゲート電圧の増加に対し、ドレイン電流が鋭く立ち上がっており、７桁以上のオン／オフ比が得られ、良好なＴＦＴ特性が得られている。一方、図７から明らかなように、比較例１においては、ゲート電圧の増加に対し、ドレイン電流の立ち上がりが緩くなっており、オン／オフ比は５桁程度となっている。
【００２７】
以上のことから、チャネル層とゲート絶縁膜の間に高抵抗酸化亜鉛層を設けた実施例１のＴＦＴにおいては、良好なＴＦＴ特性が得られることがわかる。これは、比較例１の従来のＴＦＴにおいては、チャネル層とゲート絶縁膜が直接接しているため、チャネル層とゲート絶縁膜の界面に格子不整合が生じ、この格子不整合による界面欠陥がチャネル層を流れる電子に悪影響を及ぼしており、一方本発明に従う実施例１では、チャネル層とゲート絶縁膜の間に高抵抗酸化亜鉛層が設けられているので、上記のような格子不整合が生じず、格子不整合による界面欠陥の影響が生じにくくなるためである。
【００２８】
（実施例２）
本実施例では、チャネル層の表面に酸素を導入することにより、高抵抗酸化亜鉛層を形成した。
【００２９】
図２及び図３は、その製造工程を示す断面図である。図２に示すように、基板１の上に、上記実施例１と同様にしてチャネル層２を形成する。その厚みとしては、１１００Åとなるように形成する。次に、１気圧（１．０１×１０５Ｐａ）の１００％酸素ガス中で４００℃に１時間加熱する。これにより、チャネル層２の表面に酸素ガスが導入され、高抵抗酸化亜鉛層２ａが形成される。このときの高抵抗酸化亜鉛層２ａの厚みは、１００Åである。
【００３０】
次に、図３に示すように、ソース電極及びドレイン電極を形成する部分を、エッチングにより除去し、パターニングして、高抵抗酸化亜鉛層７を形成する。その後は、図１に示す実施例１と同様にして、ゲート絶縁膜５及びゲート電極６、並びに低抵抗酸化亜鉛層８及び９、ソース電極３及びドレイン電極４をそれぞれ形成する。
【００３１】
なお、本実施例においては、酸素ガス中で加熱することにより高抵抗酸化亜鉛層を形成しているが、酸素ガスを含む不活性ガス中や、窒素ガスまたは窒素酸化物を含む雰囲気中で熱処理しても、同様に高抵抗酸化亜鉛層を形成することができる。
【００３２】
（実施例３）
本実施例では、チャネル層の表面に酸素を含む気体のプラズマを照射することにより、高抵抗酸化亜鉛層を形成した。具体的には、上記実施例２と同様に、基板上に１１００Åの厚みでチャネル層を形成し、このチャネル層の表面に酸素を含むプラズマを照射し、高抵抗酸化亜鉛層を形成した。高抵抗酸化亜鉛層の厚みは１００Åとなるように形成した。具体的には、容量結合型の並行平板型のプラズマ発生装置を用い、以下の表２に示す条件でプラズマ処理した。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
本実施例では、酸素を含むプラズマを照射しているが、窒素または窒素酸化物を含むプラズマを照射しても、同様にして高抵抗酸化亜鉛層を形成することができる。
【００３５】
（実施例４）
本実施例では、チャネル層の表面に酸素雰囲気中でレーザビームを照射することにより、高抵抗酸化亜鉛層を形成した。
【００３６】
図４は、本実施例の半導体装置であるＭＩＳ型トランジスタを示す断面図である。基板１の上に、実施例１と同様にして、酸化亜鉛材料からなるチャネル層２を形成した。なお、厚みは、１１００Åとする。さらに、チャネル層２の高抵抗酸化亜鉛層を形成する領域に、波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を、以下に示す条件で照射した。レーザビーム光を走査して高抵抗酸化亜鉛層を所定の領域に形成した。
【００３７】
【表３】
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【００３８】
形成した高抵抗酸化亜鉛層の厚み（深さ）は、１００Åであった。
次に、実施例１と同様にして、形成した高抵抗酸化亜鉛層７の上に、ゲート絶縁膜及びゲート電極６を形成した。また、実施例１と同様にして、低抵抗酸化亜鉛層８及び９を形成し、それらの上にソース電極３及びドレイン電極４を形成した。
【００３９】
なお、本実施例では、酸素ガスを含む雰囲気中でレーザ光を照射することにより、高抵抗酸化亜鉛層を形成しているが、窒素ガスまたは窒素酸化物ガスを含む雰囲気中でレーザビームを照射しても、同様にして高抵抗酸化亜鉛層を形成することができる。また、イオンビームや電子ビームなどを照射することによっても、同様に高抵抗酸化亜鉛層を形成することができる。
【００４０】
（ＴＦＴ特性の評価）
実施例２〜４で得られたＴＦＴについて、ＴＦＴ特性を評価した。
図８は、実施例２〜４のＴＦＴ特性を示す図である。図８から明らかなように、ゲート電圧の増加に対し、ドレイン電極が鋭く立ち上がり、７桁以上のオン／オフ比が得られており、良好なＴＦＴ特性が得られている。
【００４１】
上記実施例では、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極が全て基板から離れた位置に設けられており、いわゆるトップゲート型のＴＦＴであるが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の一部または全てが基板の近傍に設けられるＴＦＴの構造であってもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、チャネル層とゲート絶縁膜との格子不整合による特性低下を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う一実施例を示す断面図。
【図２】本発明に従う他の実施例の製造工程を示す断面図。
【図３】本発明に従う他の実施例の製造工程を示す断面図。
【図４】本発明に従うさらに他の実施例を示す断面図。
【図５】比較例の半導体装置を示す断面図。
【図６】本発明に従う実施例のＴＦＴ特性を示す図。
【図７】比較例のＴＦＴ特性を示す図。
【図８】本発明に従う他の実施例のＴＦＴ特性を示す図。
【符号の説明】
１…基板
２…チャネル層
３…ソース電極
４…ドレイン電極
５…ゲート絶縁膜
６…ゲート電極
７…高抵抗酸化亜鉛層
８，９…低抵抗酸化亜鉛層
【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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