(57)【要約】【課題】本発明は、優れた半導体特性を有する薄膜トランジスタ、及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の薄膜トランジスタは、ゲート電極、ゲート絶縁膜、半導体膜、ソース電極、及びドレイン電極を、基材上に有し、ゲート絶縁膜が、酸化ケイ素を含む層であり、かつゲート絶縁膜の表面の飛行時間型二次イオン質量分析から得られるポジティブイオンスペクトルにおいて、アルゴンとケイ素のピーク強度比（Ａｒ／Ｓｉ）が２．３×１０−５以上である。また、薄膜トランジスタを製造する本発明の方法は、１．００×１０−３Ｔｏｒｒ以下の圧力のアルゴン雰囲気における酸化ケイ素のスパッタリングによって、前記ゲート絶縁膜を堆積させることを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極、ゲート絶縁膜、半導体膜、ソース電極、及びドレイン電極を、基材上に有する薄膜トランジスタであって、
前記ゲート絶縁膜が、酸化ケイ素を含む層であり、かつ前記ゲート絶縁膜の表面の飛行時間型二次イオン質量分析から得られるポジティブイオンスペクトルにおいて、アルゴンとケイ素のピーク強度比（Ａｒ／Ｓｉ）が２．３×１０−５以上である、薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記半導体膜が、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、及びスズ（Ｓｎ）の少なくとも一つを含む酸化物からなるアモルファス酸化物半導体膜である、請求項１に記載の薄層トランジスタ。
【請求項３】
前記基材が透明基材である、請求項１又は２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記基材がプラスチック基材である、請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜トランジスタを有する、フレキシブルデバイス。
【請求項６】
１．００×１０−３Ｔｏｒｒ以下の圧力のアルゴン雰囲気における酸化ケイ素のスパッタリングによって、前記ゲート絶縁膜を堆積させることを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、優れた半導体特性を有する薄膜トランジスタ、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタのゲート絶縁膜としては、従来、基材材料であるシリコンを酸化した熱酸化ケイ素が用いられていた。しかしながら、この方式では、トランジスタを構成する際の構成上の制限があり、また熱酸化のために高温を用いなければならないというプロセス上の制限があった。したがって近年では、化学気相堆積（ＣＶＤ）、物理気相堆積（ＰＶＤ）等で成膜した酸化ケイ素膜を、薄膜トランジスタのゲート絶縁膜として用いることが考慮されている。
【０００３】
しかしながら、化学気相堆積（ＣＶＤ）、物理気相堆積（ＰＶＤ）等による酸化ケイ素膜の成膜では、熱酸化による酸化ケイ素膜の成膜と比較して、高品質のゲート絶縁膜を得ることが難しく、また得られたゲート絶縁膜のリーク電流が大きいという問題があった。
【０００４】
特に、フレキシブルな基材としてプラスチック基材を用いる場合、高温のプロセスを用いることが難しく、したがって高品質のゲート絶縁膜を得ることが難しかった。
【０００５】
ここで、プラスチック基材を用いる薄膜トランジスタとしては、アモルファス酸化物半導体を半導体膜に用いた透明薄膜トランジスタが知られている。このような透明薄膜トランジスタでは、アモルファス酸化物半導体が低温で成膜可能であるので、プラスチック基材に薄膜トランジスタを形成可能であることが１つの利点であるとされている。しかしながら、上記のように、高温のプロセスを用いずに高品質のゲート絶縁膜を得ることは容易ではないので、アモルファス酸化物半導体と組み合わせて用いるための、低温で形成可能な高品質ゲート絶縁膜を得ることが望まれている。なお、アモルファス酸化物半導体と組み合わせて用いる絶縁膜については、多くの研究がなされている（特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１１５８０７
【特許文献２】特開２００８−１６６７１６
【特許文献３】特開２００９−２２４４７９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、優れた半導体特性を有する薄膜トランジスタ、特にアモルファス酸化物半導体を用いる透明トランジスタを提供する。また、本発明は、このような薄膜トランジスタの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
〈１〉ゲート電極、ゲート絶縁膜、半導体膜、ソース電極、及びドレイン電極を、基材上に有する薄膜トランジスタであって、
上記ゲート絶縁膜が、酸化ケイ素を含む層であり、かつ上記ゲート絶縁膜の表面の飛行時間型二次イオン質量分析から得られるポジティブイオンスペクトルにおいて、アルゴンとケイ素のピーク強度比（Ａｒ／Ｓｉ）が２．３×１０−５以上である、薄膜トランジスタ。
〈２〉上記半導体膜が、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、及びスズ（Ｓｎ）の少なくとも一つを含む酸化物からなるアモルファス酸化物半導体膜である、上記〈１〉項に記載の薄膜トランジスタ。
〈３〉上記基材が透明基材である、上記〈１〉又は〈２〉項に記載の薄膜トランジスタ。
〈４〉上記基材がプラスチック基材である、上記〈１〉〜〈３〉項のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
〈５〉上記〈１〉〜〈４〉項のいずれかに記載の薄膜トランジスタを有する、フレキシブルデバイス。
〈６〉１．００×１０−３Ｔｏｒｒ以下の圧力のアルゴン雰囲気における酸化ケイ素のスパッタリングによって、上記ゲート絶縁膜を堆積させることを含む、上記〈１〉〜〈５〉項のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の薄膜トランジスタでは、ゲート絶縁膜のリーク電流が少なく、また良好な半導体特性を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明のゲート絶縁膜の構造を説明する概念図である。
【図２】図２は、従来のゲート絶縁膜の構造を説明する概念図である。
【図３】図３は、本発明の薄膜トランジスタの構造を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
《本発明の薄膜トランジスタ》
本発明の薄膜トランジスタは、ゲート電極、ゲート絶縁膜、半導体膜、ソース電極、及びドレイン電極を、基材上に有する。
【００１２】
この薄膜トランジスタは例えば、図３に示すように、（ａ）ボトムゲート・トップコンタクト型（ＢＧＴＣ）、（ｂ）ボトムゲート・ボトムコンタクト型（ＢＧＢＣ）、（ｃ）トップゲート・トップコンタクト型（ＴＧＴＣ）、及び（ｄ）トップゲート・ボトムコンタクト型（ＴＧＢＣ）のいずれであってもよい。
【００１３】
これらの薄膜トランジスタ１３０、１４０、１５０及び１６０では、ソース電極１３４、１４４、１５４、１６４、ドレイン電極１３５、１４５、１５５、１６５、ゲート電極１３１、１４１、１５１、１６１、ゲート絶縁膜１３２、１４２、１５２、１６２、及び半導体膜１３３、１４３、１５３、１６３を有し、ゲート絶縁膜によってソース電極及びドレイン電極とゲート電極とを絶縁し、かつゲート電極に印加される電圧によってソース電極からドレイン電極へと半導体膜を通って流れる電流を制御する。
【００１４】
《本発明の薄膜トランジスタ−ゲート絶縁膜》
この本発明の薄膜トランジスタでは、ゲート絶縁膜が、酸化ケイ素を含む層、特に実質的に酸化ケイ素からなる層である。このゲート絶縁膜は、酸化ケイ素を好ましくは５０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上、更に好ましくは９９質量％以上含む。
【００１５】
また、この本発明の薄膜トランジスタでは、ゲート絶縁膜の表面の飛行時間型二次イオン質量分析から得られるポジティブイオンスペクトルにおいて、アルゴンとケイ素のピーク強度比（Ａｒ／Ｓｉ）が、２．３×１０−５以上、２．５×１０−５以上、３．０×１０−５以上、３．５×１０−５以上、又は４．０×１０−５以上である。また、このピーク強度比（Ａｒ／Ｓｉ）は、１０．０×１０−５以下又は５．０×１０−５以下であってよい。ここで、アルゴンとケイ素のピーク強度比（Ａｒ／Ｓｉ）が比較的大きいことは、酸化ケイ素に基づくゲート絶縁膜中の空隙に、比較的多量のアルゴンが保持されていることを意味している。
【００１６】
酸化ケイ素に基づくゲート絶縁膜中の空隙の周囲では、酸化ケイ素のバルクの性質ではなく、酸化ケイ素の表面の性質が現れる。したがって、図１に示しているように、この空隙の周囲の酸化ケイ素表面では、酸化ケイ素を構成する酸素−ケイ素の結合の欠陥、例えば未結合手（図１の点線）、水酸基（−ＯＨ）等が、比較的多く存在している。
【００１７】
図１に示すように、このような空隙に希ガスであるアルゴンが保持されている場合、アルゴンが非導電性であること、及びアルゴンが不活性であり、それによって未結合手（図１の点線）、水酸基（−ＯＨ）等と作用しないことによって、これらの欠陥の間の導電が妨げられると考えられる。
【００１８】
これに対して、このような空隙に他の気体が保持されている場合、これらの気体が、未結合手、水酸基等と作用して、これらの欠陥の間の導電を促進すると考えられる。すなわち例えば、空隙に保持される気体が酸素（Ｏ２）である場合、図２に示すように、この酸素が、未結合手（図１の点線）、水酸基（−ＯＨ）等と作用し、酸素の二重結合を介して、これらの欠陥の間の導電を促進すると考えられる。
【００１９】
したがって好ましくは、本発明の薄膜トランジスタのゲート絶縁膜では、酸化ケイ素に基づくゲート絶縁膜中の空隙に、実質的に酸素が含有されておらず、又は空隙におけるアルゴンのアルゴンと酸素との合計に対する割合（Ａｒ／Ａｒ＋Ｏ２）が、０．８以上、０．９以上、又は０．９５以上である。
【００２０】
本発明の薄膜トランジスタのゲート絶縁膜は、スパッタ法等の物理気相堆積、プラズマ化学気相堆積等の化学気相堆積といった任意の方法で得ることができる。
【００２１】
本発明の薄膜トランジスタのゲート絶縁膜は特に、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のターゲットをアルゴン雰囲気中においてスパッタリングして得ることができる。ゲート絶縁膜の製造において、ゲート絶縁膜に保持されるアルゴンの量を比較的多くするためには例えば、ゲート絶縁膜をアルゴン雰囲気でのスパッタリングにより形成し、かつスパッタリングによって形成される膜の緻密性を高くし、それによってゲート絶縁膜に形成される空隙を独立孔として、保持されたアルゴンが膜中から抜けにくいようにすることができる。ここで、膜の緻密性を高くするためには例えば、スパッタリング時の雰囲気の圧力を比較的低くすることができる。
【００２２】
言い換えると、ゲート絶縁膜中の緻密度が低く、それによって空隙がゲート絶縁膜の表面までに達する連通孔となっている場合には、成膜時に空隙中に保持したアルゴンがゲート絶縁膜から脱離してしまう。したがって、ゲート絶縁膜に保持されるアルゴンの量を比較的多くするためには、アルゴンの脱離を防ぐ程度に、ゲート絶縁膜を充分に密にする必要がある。
【００２３】
《本発明の薄膜トランジスタ−半導体膜》
本発明の薄膜トランジスタで用いる半導体膜は、任意の半導体膜、例えばケイ素に基づく半導体膜であってよい。また、この半導体膜は、アモルファス酸化物半導体、例えばインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）及びスズ（Ｓｎ）の少なくとも一つを含む酸化物からなるアモルファス酸化物半導体膜であってよい。このようなアモルファス酸化物半導体膜は低温で形成できるため、比較的耐熱性の低いプラスチック基材上にも薄膜トランジスタを形成できるため好ましい。
【００２４】
このような半導体膜は、スパッタ法等の物理気相堆積、プラズマ化学気相堆積等の化学気相堆積といった任意の方法で得ることができる。
【００２５】
《本発明の薄膜トランジスタ−電極》
本発明の薄膜トランジスタの電極、すなわちゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極は、任意の導電性材料で作ることができる。この導電性材料としては、金属、特にニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｄ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、鉛（Ｐｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、並びにこれらの金属の合金、及びこれらの金属のシリサイドを挙げることができる。
【００２６】
《本発明の薄膜トランジスタ−基材》
本発明の薄膜トランジスタで用いる基材としては、任意の基材、例えば無機基材、及び有機基材を用いることができる。これらのうちで、有機基材としては、プラスチック基材のような透明基材を用いることができる。
【００２７】
基材として透明基材を用い、半導体膜としてアモルファス酸化物半導体膜を用い、かつ導電性層として透明導電性材料を用いた場合には、本発明の薄膜トランジスタ全体を透明の材料でつくることができ、したがって本発明の薄膜トランジスタを透明薄膜トランジスタとすることができる。また、基材として可撓性（フレキシブル）基材を用いた場合には、本発明の薄膜トランジスタを用いて、フレキシブルデバイスを作ることができる。フレキシブルデバイスとしては、電子ペーパー及びフレキシブル有機エレクトロクロミック（ＥＬ）ディスプレイのようなフレキシブルディスプレイを挙げることができる。
【実施例】
【００２８】
例１〜３では、図３（ａ）に示すトップゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタを形成した。具体的には、基材としてガラス基材を用い、ゲート絶縁膜として厚さ２００ｎｍの酸化ケイ素層を用い、かつ半導体膜としてアモルファス酸化物半導体である厚さ３０ｎｍのインジウム−ガリウム−亜鉛酸化物（ＩＧＺＯ）層を用いた。また、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極として、厚さ１００ｎｍのアルミニウム層を用いた。
【００２９】
ここで、例１〜３の薄膜トランジスタは、ゲート絶縁膜として酸化ケイ素膜のスパッタ成膜条件を表１に示すように変更したことを除いて、互いに同様に製造した。
【００３０】
得られたゲート絶縁膜及び薄膜トランジスタについての評価結果を表１に示す。
【００３１】
なお、ゲート絶縁膜についての飛行時間型二次イオン質量分析（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）は下記の条件で行った：
装置：                アルバック・ファイ社製  ＴＲＩＦＴ  ＩＶ
一次イオン：          Ａｕ１＋、３０ＫＶ、
アパーチャー：        １００μｍ、
測定範囲：            ０．５〜１８５０ａｍｕ、
測定面積：            ２００μｍ角
測定時間：            １０分
測定モード：          バンチングモード（質量分解能重視）
【００３２】
【表１】
2012119474.tif 000003
【００３３】
表１で示されているように、ネガティブイオンスペクトルで得た酸化ケイ素（ＳｉＯ２）とケイ素（Ｓｉ）とのピーク強度の比（ＳｉＯ２／Ｓｉ）から、例１〜３のゲート絶縁膜、特に例１及び２のゲート絶縁膜の完全性に有意の差はないと考えられる。
【００３４】
しかしながら、表１で示されているように、ポジティブイオンスペクトルで得たアルゴン（Ａｒ）とケイ素（Ｓｉ）とのピーク強度の比（Ａｒ／Ｓｉ）からは、ゲート絶縁膜中に保持されているアルゴンの量が、例３、例２、及び例１の順序で多くなっていることが理解される。
【００３５】
また、表１に示されているように、例３、例２、及び例１の順序で、ゲート絶縁膜のリーク電流が減少し、かつオン−オフ比（Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ比）が改良されている。すなわち、例１〜３の比較によれば、酸化ケイ素に基づくゲート絶縁膜中の空隙に、比較的多量のアルゴンが保持されている場合には、ゲート絶縁膜のリーク電流が減少し、かつオン−オフ比（Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ比）が改良されていることが理解される。
【符号の説明】
【００３６】
１３０、１４０、１５０、１６０    薄膜トランジスタ
１３４、１４４、１５４、１６４    ソース電極
１３５、１４５、１５５、１６５    ドレイン電極
１３１、１４１、１５１、１６１    ゲート電極
１３２、１４２、１５２、１６２    ゲート絶縁膜
１３３、１４３、１５３、１６３    半導体膜
１３３ａ、１４３ａ、１５３ａ、１６３ａ    半導体膜の活性面
【図１】
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【図２】
2012119474.tif 000005
【図３】
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