(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層とゲート絶縁膜とを有する電界効果型トランジスタであって、
前記活性層はＩｎとＺｎとＧａとを含む非晶質酸化物層からなり、
前記非晶質酸化物層は、結晶領域を含み、
前記結晶領域は、前記ゲート絶縁膜との界面である前記第１の界面に接する位置にのみ点在しており、
前記非晶質酸化物層の前記第１の界面と対向する第２の界面近傍には存在しないことを特徴とする電界効果型トランジスタ。
【請求項２】
前記非晶質酸化物層の厚さが０．０５μｍ以上１μｍ以下である請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果型トランジスタに関する。特に、活性層に非晶質酸化物を用いた電界効果型トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、酸化物半導体を薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の活性層に利用する研究が行われている。特に、ＩｎＧａＺｎからなる非晶質酸化物は、室温で成膜できることから、ＴＦＴの活性層として一般に使用されているアモルファスシリコンよりも、プロセス温度の点に関して有用性が高いと考えられる。
【特許文献１】国際公開第２００５／０８８７２６号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
電界効果移動度は、アモルファスシリコンの場合で、約０．５ｃｍ２／Ｖ・ｓといわれている。
【０００４】
一方、上記特許文献１では、ＩｎＧａＺｎからなる非晶質酸化物をＴＦＴの活性層として作製した場合の出力特性が開示されている。当該公報によれば、その飽和領域における電界効果移動度が、約１０ｃｍ２／Ｖ・ｓであることが実施例において示されている。
【０００５】
しかしながら、非晶質酸化物半導体が、汎用性の高いアモルファスシリコンに代替され得るためには、更なる機能の向上が求められる。
【０００６】
そこで、本発明は、電界効果移動度の高い非晶質酸化物を用いた新規な電界効果型トランジスタ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】
【０００７】
本発明に係る電界効果型トランジスタは、活性層とゲート絶縁膜とを有する電界効果型トランジスタであって、前記活性層はＩｎとＺｎとＧａとを含む非晶質酸化物層からなり、
前記非晶質酸化物層は、結晶領域を含み、前記結晶領域は、前記ゲート絶縁膜との界面である前記第１の界面に接する位置にのみ点在しており、前記非晶質酸化物層の前記第１の界面と対向する第２の界面近傍には存在しないことを特徴とする。
【０００８】
ところで、本発明者らは、電界効果移動度の更なる向上を目指して、鋭意研究を行っていたところ、活性層となる非晶質酸化物層中のゲート絶縁膜界面近傍に、結晶相（結晶領域）を有する場合は、高い電界効果移動度が得られることを見いだし、本発明を成すに至った。後述する実施例では、このような結晶領域が非晶質酸化物中に存在する活性層と、存在しない活性層とを作製し、電界効果移動度を比較する実験を示している。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、電界効果移動度の高いトランジスタが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、電界効果型トランジスタの活性層２１０が、図２のように、非晶質酸化物層２１７からなり、そして、ゲート絶縁膜２２０との界面近傍、あるいは界面に接するように、同酸化物層中に結晶領域２１５が存在することを特徴とするものである。即ち、活性層２１０が、非晶質領域と結晶領域とからなり、当該結晶領域が、ゲート絶縁膜２２０との界面近傍、あるいは界面に接するように、同酸化物層中に結晶領域２１５が存在するものである。
【００１１】
後述の実施例では、ＩｎとＧａとＺｎからなる酸化物を例に示しているが、このような結晶領域２１５は、前記非晶質酸化物と前記ゲート絶縁膜との界面である第１の界面２５０と対向する第２の界面２６０の近傍には、存在していない。
【００１２】
非晶質酸化物中の、しかも上記した位置に結晶または微結晶領域が形成される理由の詳細は不明であるが、酸化物の組成、製造時の酸素濃度、成膜温度、絶縁膜の材料、製造方法などに起因すると考えられる。
【００１３】
後述の実施例からは、特定の組成について、特に製造時の酸素雰囲気条件を異ならせることにより、特定の位置に結晶領域が発現することが認められた。
【００１４】
一般に、半導体として機能する非晶質酸化物については、どのような組成で、どのような条件で作製することが、トランジスタの活性層に適しているかを見いだすことが困難である。
【００１５】
しかし、本発明により、非晶質層の前記界面付近あるいは界面に接する位置に結晶領域が生じる活性層を作製することで、高い電界効果移動度のトランジスタが作製できるという、言わば指針が見い出されたことになる。
【００１６】
本発明のように、非晶質酸化物の膜厚方向の全体に分散するように結晶領域が存在するのではなく、ゲート絶縁膜との界面近傍にのみ結晶領域が存在する理由は以下のように推測される。
【００１７】
非晶質酸化物であっても、積層厚が増すにつれて、ストレスが蓄積されたり、絶縁膜の形成により非晶質酸化物の表面側にエネルギーが付与されることが推測される。そして、組成によっては、元々結晶化し易かったり、あるいは逆に結晶化し難かったりする。丁度、後述の実施例で示す非晶質酸化物の組成が、結晶化し易い組成に近かったのではないかというのがその理由である。
【００１８】
つまり、成膜が進むにつれて、膜の性質（表面状態、電気伝導性、熱伝導性など）が変わることによって、膜表面に結晶成長のきっかけとなる核が形成される確率が高くなり、結晶化が起こりやすくなる場合がある。ただしもともとの膜が非晶質構造の中でも、より結晶に近い非晶質構造になっている方が、上記の現象（成膜の途中から結晶化が始まる）が起こる可能性がより高くなると考えられる。
【００１９】
本発明は、結晶領域がゲート絶縁膜との『界面又は近傍』に存在することにより、ゲート絶縁膜側のチャネルが形成される領域の活性層が非晶質構造の中でも、より結晶に近い非晶質構造になっている。このような特定の構造を有するために、非晶質でありながら、電気的特性は結晶に近い優れた特性を得ることができる。一方、結晶領域は実質的に点在していることからチャネルパスの大部分は非晶質領域であるので、結晶粒界の存在による移動度の低下を抑制することができると考えられる。
【００２０】
逆に結晶領域がゲート絶縁膜との『界面又は近傍』の反対側に存在する場合には、ゲート絶縁膜側のチャネルが形成される領域の活性層が、必ずしも非晶質構造の中でもより結晶に近い非晶質構造になっているとは限らない。従って、結晶に近い優れた特性を得ることが必ずしもできないと考えられる。
【００２１】
本発明とは異なり、活性層全体が多結晶、又は微結晶の場合には、結晶粒界が存在するために移動度が低下するものと考えられる。特に結晶粒径が大きくなると、各種特性の結晶方位依存性が存在するために特性の均一性が低下するという問題が存在するものと考えられる。
【００２２】
本発明の結晶領域を『界面又は近傍』にのみ形成する方法としては、成膜途中で意図的に成膜条件を変えないで自己整合的に形成する方法や、成膜途中で意図的に成膜条件を変えて形成する方法などが挙げられる。しかし、結晶領域の形成などに不都合がなければ、特に限定されるものではない。
【００２３】
成膜途中で意図的に成膜条件を変えないで自己整合的に形成する方法としては、成膜が進むにつれて、膜の性質（表面状態、電気伝導性、熱伝導性など）が変わることによって結晶化が起こりやすくなる場合があることを利用することなどが挙げられる。例えば、成膜途中で成膜条件は変えてないが、成膜が進むに連れて結晶化が進む（膜の性質が変わる）条件とすることによって、結晶領域を『界面又は近傍』にのみ形成することが可能になっている。
【００２４】
成膜途中で意図的に成膜条件を変えて形成する方法の場合の成膜条件としては、基板温度、成膜速度、成膜パワーなどが挙げられる。すなわち結晶化しやすい成膜条件としては、基板温度を上げる、成膜速度を下げる、成膜時のパワーを下げることなどが挙げられる。そして成膜途中で意図的に成膜条件を変えることで、結晶領域を『界面又は近傍』にのみ形成することが可能である。これらの条件は、成膜装置の構成などにより条件が異なる場合があるため、予めサンプル成膜を行い、成膜条件と堆積膜の結晶化の状態との関係を把握し、その結果に基づいて制御することが重要である。
【００２５】
本発明に係る非晶質酸化物は、例えばＩｎとＺｎとＧａとを含む酸化物である。
【００２６】
前記結晶領域は、前記活性層の断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）法により観察される結晶領域である。
【００２７】
本発明に適用される電界効果型トランジスタは、スタガ型、逆スタガ型は勿論、コプレーナ型、逆コプレナー型も含まれる。
【００２８】
本発明に適用される活性層である非晶質酸化物層の厚さは、前記非晶質酸化物層の厚さが０．０５μｍ以上１μｍ以下であるのがよい。
【００２９】
本発明に係る結晶領域の断面径が０．０５μｍ未満であることから、活性層の厚さが、０．０５μｍ未満では、結晶領域をチャネルに含むＴＦＴと含まないＴＦＴとで、素子間のバラツキが大きくなるからである。また、非晶質酸化物層の厚さが１μｍより大きいと、成膜時間が長時間かかり、量産プロセスに向かないからである。
【００３０】
なお、ゲート絶縁膜との界面近傍に結晶領域を有する非晶質酸化物からなる活性層を用いる場合に、トランジスタのチャネルとして機能する部分には、当該結晶領域が無いように、トランジスタを構成することは、素子間のバラツキの観点から好ましい。
【００３１】
勿論、本発明に係る非晶質酸化物を形成した後、結晶領域を含む表層を一旦除去した後、当該酸化物層を活性層として用いることも好ましい。
【００３２】
なお、本発明において、界面近傍とは、活性層の厚さにもよるが、当該界面からの距離が活性層の層厚の１／２以内で、かつ、活性層とゲート絶縁膜との界面から３００ｎｍ以内の領域である。
【００３３】
なお本発明における界面近傍が、チャネルの厚さと同等以上の領域であれば、本発明はより有効であると考えられる。
【００３４】
（実施例）
本発明に係る電界効果型トランジスタの具体的な作製方法を説明する。
【００３５】
１）活性層の作製
まず、被成膜基板として、ＳｉＯ２ガラス基板（コーニング社製１７３７）を用意した。そして、ＲＦスパッタ法により、ＩｎとＺｎとＧａからなる非晶質酸化物層を形成した。
【００３６】
ここで、ターゲット材料としては、ＩｎＧａＺｎ酸化物の多結晶焼結体を用いた。ＲＦスパッタ装置としては、複数のターゲット基板が置けるＳＨ−３５０（株式会社アルバック社製）を用いた。ＲＦパワーは、３００Ｗとし、成膜圧力（全圧）は、４ｍＴｏｒｒ（約０．５３３Ｐａ）、基板温度は特に加温せずに行った。
【００３７】
成膜雰囲気は、酸素とアルゴンの混合ガス雰囲気とし、酸素分圧は、流量割合で３．７％（約０．０１９７Ｐａ）とした。ターゲットと被成膜基板の垂直方向の距離は約５ｃｍとして、成膜を行い、非晶質酸化物層の厚さが５０ｎｍになった時点で成膜を終了した。
【００３８】
なお、得られた、非晶質酸化物層の組成は、蛍光Ｘ線分析法によりＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：０．９：０．６５であった。
【００３９】
２）ＭＩＳＦＥＴの作製
次に、図３に示すトップゲート型ＭＩＳＦＥＴ素子を作製した。チャネル長は１０μｍ、チャネル幅は１５０μｍになるようにトランジスタを作製した。
【００４０】
基板上に、電子ビーム蒸着法によりＴｉ膜（５ｎｍ）２８３とＡｕ膜（４０ｎｍ）２８１をこの順に成膜し、図のようにパターニングを行った。こうして、ソース電極、ドレイン電極を形成した。その後、両電極の上の一部にパターニングされた、レジスト（不図示）を形成し、非晶質酸化物層２１０をＲＦスパッタ法により設けた。その後、ゲート絶縁膜となるＹ２Ｏ３膜２２０を上述のＲＦスパッタ法により成膜（１４０ｎｍ）した。
【００４１】
そして、レジスト除去によるリフトオフを行った後、再度レジスト形成、パターニングを経た後、ゲート電極２３０をドレイン電極等と同様に形成した。こうして、トップゲート型のＴＦＴが得られる。なお、電極やゲート絶縁膜の形成は、特に加温しない状態で行った。ゲート電極２３０の構成は、ソース電極と同様とした。
【００４２】
３）ＭＩＳＦＥＴの特性評価と構造評価
作製したＴＦＴについて、室温下で電流ー電圧特性を測定した。ドレイン電圧ＶＤＳの増加に伴い、ドレイン電流ＩＤＳが増加したため、チャネルがｎ型の半導体であることが分かる。また、ＶＤＳが６Ｖ程度でピンチオフ（飽和）する典型的な半導体トランジスタの挙動を示した。利得特性を調べたところ、ＶＤＳ＝６Ｖ印加時におけるゲート電圧ＶＧＳの閾値は約＋１Ｖであった。また、ＶＧＳ＝４Ｖ時には、ＩＤＳ＝７．５×１０−５Ａの電流が流れた。
【００４３】
トランジスタのオンオフ比は、１０６を超えていた。そして、出力特性から電界効果移動度を、その飽和領域において算出すると、約１５．７ｃｍ２／Ｖ・ｓであり、高い移動度が得られた。
【００４４】
そして、このように高い電界効果移動度を有するトランジスタの断面ＴＥＭ法により観察した。具体的には、ＦＩＢ（日立製作所社製ＦＢ−２０００を使用）により断面を形成し、断面ＴＥＭ法といわれる手法により測定を行った。測定には、日立製作所社製のＨ−８００を使用した。図１にその断面ＴＥＭ像を示す。
図１のＩｎＧａＺｎ酸化物層が、基板と絶縁膜で挟まれているのが分かる。そして、当該酸化物層における、絶縁膜との界面近傍、あるいは界面近傍付近に結晶粒が存在しているのが分かる。すなわち図１の酸化物層中に存在する、暗いコントラストを有する粒状の箇所（中央付近と左端付近に存在する）が結晶粒である。
【００４５】
４）比較実験
上記実施例に比して、非晶質酸化物層の製造時における酸素分圧を３．４％（０．０１８Ｐａ）にしたことを除き、その他の条件は同じにして、上記同様のトランジスタを作製した。上述の断面ＴＥＭ法により観察したところ、図４に示すように、非晶質酸化物物中に、結晶領域は存在しなかった。すなわち図４の酸化物層は均一なコントラストを有し、図において観察された結晶粒は存在しなかった。なお、活性層の組成は、上記とほぼ同様であった。
【００４６】
トランジスタ特性の評価を行ったところ、飽和領域において約１０ｃｍ２／Ｖ・ｓであり、上記トランジスタよりも電界効果移動度は低いことが分かった。
【００４７】
以上のことより、非晶質酸化物中のゲート絶縁膜近傍に結晶領域を有するようにした活性層の方が、電界効果移動度に関しては好ましいことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、液晶や、有機ＥＬあるいは無機ＥＬなどの発光層を用いた表示装置のトランジスタに適用される。また、本発明に係るトランジスタは、低温で成膜できることから、樹脂やプラスチック等のフレキシブル基板上に作製できる。従って、ＩＣカードやＩＤタグなどにも好適に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明のトランジスタの断面ＴＥＭ像である。
【図２】本発明を説明するための模式的断面図である。
【図３】本発明に係る電界効果型トランジスタを説明するための模式的断面図である。
【図４】比較実施例を説明するための断面ＴＥＭ像である。
【符号の説明】
【００５０】
２００  基板
２１０  活性層
２２０  絶縁膜
２５０  第１の界面
２６０  第２の界面
２１５  結晶領域
【図１】
0004560505.tif 000002
【図２】
0004560505.tif 000003
【図３】
0004560505.tif 000004
【図４】
0004560505.tif 000005