(57)【要約】【課題】フレキシブル基板を用いるような場合であっても、良好な特性を有し信頼性の高い酸化物半導体装置を提供する。【解決手段】ゲート電極２と、ゲート電極２上に設けられたゲート絶縁層３と、ゲート絶縁層３を介してゲート電極２上に設けられたチャネル部と、チャネル部と電気的に接続されるソース・ドレイン電極６とを有する酸化物半導体装置において、チャネル部は、酸化物半導体層５と導電層４とを含み、ソース・ドレイン電極６の少なくとも一方は、酸化物半導体層５を介して導電層４に接続されている。【選択図】図１
2013125782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極と、前記ゲート電極上に設けられたゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極上に設けられたチャネル部と、前記チャネル部と電気的に接続されるソース電極およびドレイン電極とを有する酸化物半導体装置において、
前記チャネル部は、酸化物半導体層と導電層とを含み、
前記ソース電極およびドレイン電極の少なくとも一方は、前記酸化物半導体層を介して前記導電層に接続されていることを特徴とする酸化物半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の酸化物半導体装置において、
前記ソース電極およびドレイン電極の両者は、前記酸化物半導体層を介してそれぞれ前記導電層に接続されていることを特徴とする酸化物半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の酸化物半導体装置において、
前記ゲート電極と前記酸化物半導体層とは、これらの積層方向の鉛直上方から見て重なり部分を有することを特徴とする酸化物半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の酸化物半導体装置において、
前記ソース電極およびドレイン電極はトップコンタクト構造を有し、
前記チャネル部のうち、前記ゲート電極の積層方向の鉛直上方から見て前記ソース電極と前記ドレイン電極の間に位置する部分には、前記酸化物半導体層と前記導電層の内、前記導電層のみが設けられていることを特徴とする酸化物半導体装置。
【請求項５】
請求項１記載の酸化物半導体装置において、
前記チャネル部を構成する前記酸化物半導体層の抵抗率は、１０−２〜１０３Ωｃｍであることを特徴とする酸化物半導体装置。
【請求項６】
請求項１記載の酸化物半導体装置において、
前記チャネル部を構成する前記導電層の抵抗率は、１０−３Ωｃｍより低いことを特徴とする酸化物半導体装置。
【請求項７】
請求項１記載の酸化物半導体装置において、
前記チャネル部を構成する前記酸化物半導体層は、酸化亜鉛や酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化錫、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化カドミウム、酸化銅、酸化ニッケルおよびこれらの複合酸化物であることを特徴とする酸化物半導体装置。
【請求項８】
請求項１記載の酸化物半導体装置において、
前記チャネル部を構成する前記導電層は、インジウム錫複合酸化物、インジウム亜鉛複合酸化物、酸化錫、酸化亜鉛にボロン、アルミニウム、ガリウムを添加した透明導電層、および、金属、導電性有機膜であることを特徴とする酸化物半導体装置。
【請求項９】
請求項１記載の酸化物半導体装置において、
前記チャネル部を構成する前記酸化物半導体層と前記導電層の材料の組み合わせが、インジウムやガリウムを構成元素として含まないことを特徴とする酸化物半導体装置。
【請求項１０】
請求項１記載の酸化物半導体装置において、
前記ソース電極およびドレイン電極のいずれか一方は、前記酸化物半導体層を介して前記導電層に接続され、他方は、導電層に直接接続されていることを特徴とする酸化物半導体装置。
【請求項１１】
ゲート電極により、チャネル部を介してソース電極とドレイン電極との間に流れる電流を制御する酸化物半導体装置において、
前記チャネル部は、スイッチング機能と導電機能とが分離されていることを特徴とする酸化物半導体装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の酸化物半導体装置において、
前記チャネル部は前記酸化物半導体層と導電層とを含み、前記スイッチング機能は前記酸化物半導体層が分担し、前記導電機能は前記導電層が分担することを特徴とする酸化物半導体装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の酸化物半導体装置において、
スイッチング機能を分担する前記酸化物半導体層は、前記ソース電極および／あるいは前記ドレイン電極と前記導電層との間に配置されていることを特徴とする酸化物半導体装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の酸化物半導体装置において、
前記ソース電極およびドレイン電極の間の前記チャネル部の中央領域には、前記酸化物半導体層と前記導電層の内、前記導電層のみが設けられていることを特徴とする酸化物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フラットパネルディスプレイ（Flat Panel Display）やＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）等に用いる薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：ＴＦＴ）に係り、特に、チャネル部に酸化物半導体を用いた酸化物半導体装置（ＴＦＴ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
地上デジタル放送への移行や、ＦＰＤを利用したデジタルＴＶの普及が急激に進んでいる。これらデジタルＴＶについては、今後も高精細化への取り組みが予定されており、デジタルＴＶも現状のフルハイビジョン画素数の１９２０×１０８０から、４ｋ×２ｋ、さらには現状の１６倍の画素数に当たる８ｋ×４ｋへの進展が予想されている。
【０００３】
しかし、高精細化を行うためには、大面積化や画素電極の微細化、配線数増大などによる影響が顕在化するため、チャネル層に非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）を用いた現行のａ−Ｓｉ ＴＦＴでは実現が困難と考えられている。特に、大面積基板へ高均一な成膜と良好なオン特性を得ることは、化学的気相法を用いたａ−Ｓｉでは技術的に限界を迎えている。そこで、近年次世代高精細ＴＶ用のＴＦＴとして期待されているのが、ＩＧＺＯ（インジウムガリウム亜鉛複合酸化物）などのアモルファス酸化物を用いたＴＦＴである。この酸化物は、スパッタリングによる大面積、高均一成膜が実現可能な上、オン特性がａ−Ｓｉに対して優れるため、高オンオフ比や高移動度化も期待できるとされ、高精細液晶ＴＶや有機ＥＬ−ＴＶ用の画素ＴＦＴとして有望視されている。
【０００４】
一方、このアモルファス酸化物については、近年、負バイアス時における光照射による光劣化（しきい値シフト）が問題視されており、実用化のためにはこれらの信頼性改善が必須とされている。この光劣化の原因については、例えば、非特許文献１に記述されているように、酸化物中に成膜時から存在する酸素空孔［Ｖ０］のうち、価電子帯近傍の深い準位を形成するものとされている。更に、負バイアス時に光照射を受けることで、光励起により生成されたホールが、ゲート絶縁層側までドリフトし、ゲート絶縁層中の［Ｖ０］に捕獲されることによりしきい値変動の原因となることが示されている。現状、これらの解決には、酸化物層成膜時に形成される初期の［Ｖ０］を少なくすることが重要とされ、例えば非特許文献１〜４に示されるような高温や高圧のアニール処理、プラズマ処理が有効とされている。しかし、これらのアニール処理を行うこと自体が工程数の増加を示すことや、高温処理により電極金属の劣化によるコンタクト抵抗の増大などの問題もあり、プロセス裕度の狭小化や高コスト化の恐れが指摘されている。また、元来スパッタ工程を含め、低温成膜が可能であり、フレキシブル基板への対応などが利点であった酸化物ＴＦＴの利点を損なう可能性もあり、両者を満たす技術が期待されていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Byungki Ryu et al.，Appl. Phys. Lett.，97，022108 (2010)
【非特許文献２】Jin−Seong Park et al，Appl. Phys. Lett.，90，262106(2007)
【非特許文献３】Chen−Yi Wu et al，SID Digest 2010，P−20，1298(2010)
【非特許文献４】Yutomo Kikuchi et al，Thin Solid Films，518，3017(2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、アモルファス酸化物をベースとしたＴＦＴにおいて、酸化物半導体薄膜に入射した光によりゲート電極に負バイアスを印加した際に入射した光により酸素空孔［Ｖ０］起因のしきい値変動という光劣化が生じる。また、酸化物層成膜時に形成される初期の酸素空孔［Ｖ０］を少なくするための高温処理は、酸化物ＴＦＴのフレキシブル基板への対応などの利点を損なう恐れがある。
【０００７】
本発明の目的は、フレキシブル基板を用いるような場合であっても、良好な特性を有し信頼性の高い酸化物半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための一実施形態として、ゲート電極と、前記ゲート電極上に設けられたゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極上に設けられたチャネル部と、前記チャネル部と電気的に接続されるソース電極およびドレイン電極とを有する酸化物半導体装置において、前記チャネル部は、酸化物半導体層と導電層とを含み、前記ソース電極およびドレイン電極の少なくとも一方は、前記酸化物半導体層を介して前記導電層に接続されていることを特徴とする酸化物半導体装置とする。
【０００９】
また、ゲート電極により、チャネル部を介してソース電極とドレイン電極との間に流れる電流を制御する酸化物半導体装置において、前記チャネル部は、スイッチング機能と導電機能とが分離されていることを特徴とする酸化物半導体装置とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、フレキシブル基板を用いるような場合であっても、良好な特性を有し信頼性の高い酸化物半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施例に係る酸化物半導体装置（機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴ）を説明するための図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】図１に示す酸化物半導体装置と同様な効果を発現するその他のＴＦＴ構造を説明するための断面図であり、（ａ）はトップゲートボトムコンタクト構造、（ｂ）はトップゲートトップコンタクト構造、（ｃ）はボトムゲートボトムコンタクト構造を示す。
【図３】図1に示す酸化物半導体装置の変形例の断面図であり、（ａ）（ｂ）はスイッチング処理に利用するソース電極／半導体層／導電層の積層構造であって、半導体層がソース電極、または、ドレイン電極のいずれか一方のみに形成されている場合、（ｃ）（ｄ）はスイッチング処理に利用するドレイン電極／半導体層／導電層の積層構造であって、半導体層がソース電極、または、ドレイン電極のいずれか一方のみに形成されている場合を示す。
【図４】本発明の第１の実施例に係る酸化物半導体装置（ボトムゲートトップコンタクト構造ＴＦＴ）の製造工程を説明するためのフロー図である。
【図５】本発明の第１の実施例に係る酸化物半導体装置（ＴＦＴ）において、チャネル部構成が半導体層ＩＧＺＯ（膜厚２０ｎｍ）、導電層ＩＴＯ（膜厚３ｎｍ）、の場合における電流−電圧特性および移動度−電圧特性の一例を示すグラフである。
【図６】従来の酸化物半導体ＴＦＴにおいて、チャネル層が膜厚２５ｎｍのＩＧＺＯ層、の場合における電流−電圧特性および移動度−電圧特性の一例を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施例に係る酸化物半導体装置（チャネル部構成：半導体層ＩＧＺＯ（膜厚２０ｎｍ）、導電層ＩＴＯ（膜厚３ｎｍ）のＴＦＴ）と従来酸化物半導体ＴＦＴ（チャネル層構成：ＩＧＺＯ層（膜厚２５ｎｍ））の負バイアスストレス下の光劣化（しきい値シフト）を説明するためのしきい値シフト−光照射時間特性の一例を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施例に係る酸化物半導体装置を応用したアクティブマトリクス回路の構成を説明するための概略平面模式図である。
【図９】本発明の第１の実施例に係る酸化物半導体装置を応用したアクティブマトリクス回路と薄膜トランジスタの構造を説明するための鳥瞰図である。
【図１０】本発明の第１の実施例に係る他の酸化物半導体装置（チャネル部構成が半導体層ＺＴＯ（Ｚｎ組成０．７、膜厚２０ｎｍ）、導電層ＺＴＯ（Ｚｎ組成０．２、膜厚５ｎｍ）のＴＦＴ）、の場合における電流−電圧特性および移動度−電圧特性の一例を示すグラフである。
【図１１】本発明の第１の実施例に係る他の酸化物半導体装置（チャネル部構成：半導体層ＺＴＯ（Ｚｎ組成０．７、膜厚２０ｎｍ）、導電層ＺＴＯ（Ｚｎ組成０．２、膜厚５ｎｍ）のＴＦＴ）と従来酸化物半導体ＴＦＴ（チャネル層構成：ＩＧＺＯ層（膜厚２５ｎｍ））の負バイアスストレス下の光劣化（しきい値シフト）を説明するためのしきい値シフト−光照射時間特性の一例を示すグラフである。
【図１２】本発明の第２の実施例に係る、機能分離型チャネル部を有するボトムゲートトップコンタクト型酸化物半導体ＴＦＴを応用した有機ＥＬディスプレイ（トップエミッション型）の画素基本構成を説明するための断面図である。
【図１３】本発明の第２の実施例に係る、機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴを応用した有機ＥＬディスプレイの画素駆動回路を説明するための回路図である。
【図１４】本発明の第２の実施例に係る、機能分離型チャネル部を有するトップゲートボトムコンタクト型酸化物半導体ＴＦＴを応用した有機ＥＬディスプレイ（トップエミッション型）の画素基本構成を説明するための要部断面図である。
【図１５】本発明の第２の実施例に係る、機能分離型チャネル部を有するトップゲートボトムコンタクト型酸化物半導体ＴＦＴを応用した有機ＥＬディスプレイ（ボトムエミッション型）の画素基本構成を説明するための要部断面図である。
【図１６】本発明の第３の実施例に係る、機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴを応用したＲＦＩＤタグのシステム構成を説明するための模式図である。
【図１７】本発明の第３の実施例に係る、機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴから構成されるＲＦＩＤタグの概略断面図である。
【図１８】本発明の第３の実施例に係る、機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴから構成されるＲＦＩＤタグの論理回路を説明するための回路図である。
【図１９】本発明の第３の実施例に係る、機能分離型チャネル部を有するアンテナ一体形成酸化物半導体ＴＦＴ回路によるＲＦＩＤタグのＵＨＦ帯（９００ＭＨｚ帯）無線応答動作を説明するためのリーダ出力のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
上記課題を解決するため、ゲート電極からの電界が及ぶ範囲内にあり、且つ少なくともソース電極かドレイン電極に独立に接する比較的高抵抗な（抵抗率１０−２〜１０３Ωｃｍ）酸化物半導体層を形成し、この比較的高抵抗な酸化物半導体層を介してゲート絶縁層に接する導電層（抵抗率１０−３Ωｃｍ以下）でソース・ドレイン電極間を接続する。ゲートバイアスによる実質的なスイッチングは上記比較的高抵抗な酸化物半導体層で行われ、ソース・ドレイン電極間は、導電層で接続されるため、高移動度化やオンオフ比の向上等オン特性の改善も同時に実現する（チャネルの機能分離。本構成を有するＴＦＴを機能分離型チャネル部を有するＴＦＴと呼ぶ）。さらに、トップコンタクト型ＴＦＴの場合を考えると、ソース・ドレイン電極に金属材料を用いると、上記スイッチングを行う積層構造の領域では、ソース・ドレイン電極により遮光され、光が入射する確率が低くなるため、従来装置で課題であった光劣化の大幅な改善が期待できる。また、光劣化は界面近傍のゲート絶縁層側にホールが捕獲され、しきい値変動が起こるとされていたが、本構造では、ゲート絶縁層とスイッチングを行う比較的高抵抗なアモルファス酸化物半導体層が接する領域が非常に少ないため、元々光劣化が起こりにくい構造となっている。これにより、アニール処理などの信頼性向上のための工程が必要になることもなく、光劣化など信頼性の改善が行われ、且つ、酸化物ＴＦＴの特徴である低温形成、高移動度、高オンオフ比などの特徴を維持することが可能である。以上が基本的な原理である。
【００１３】
以下に、上記効果を発現させるための、機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体装置の具体的な構造と製造工程などについて説明する。まず、支持基板１としてガラスやプラスチックフィルム等を用いる。この基板１に、ゲート電極２としてＭｏ層などを２００ｎｍ程度の膜厚で蒸着法などにより形成する。その後、フォトプロセスなどを用いてゲート電極２加工を行い、その上にゲート絶縁層３として５０〜１００ｎｍ程度の膜厚のＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３などの絶縁層材料を蒸着法やＣＶＤ法、スパッタリング法などにより成膜する。更に、ＩＴＯ（インジウム錫複合酸化物）やＡＺＯ（Ａｌドープ酸化亜鉛）、ＺＴＯ（亜鉛錫複合酸化物）の様な導電層４を蒸着法やスパッタリング法により５ｎｍ以下の厚さで形成する。この導電層４をエッチング技術等を用いて加工し、最終的にソース・ドレイン電極とのコンタクトが得られるようにする。その後、ａ−ＩＧＺＯやａ−ＺＴＯ、ａ−ＩＺＯなどの比較的高抵抗な酸化物半導体層５をスパッタリング法などを用いて１０〜３０ｎｍ程度の膜厚で形成し、上記の導電層４を被覆するようにフォトプロセスとエッチング技術を用いて加工する。その後、ソース・ドレイン電極層６を蒸着法やスパッタリング法により形成し、フォトプロセスとエッチング技術によりソース・ドレイン電極６を加工する。更に、この加工されたソース・ドレイン電極６をマスクとして、選択加工技術などを用いて、比較的高抵抗なアモルファス酸化物半導体層５のみを除去する。
【００１４】
図１（ａ）（ｂ）にはこの製造方法により形成したボトムゲートトップコンタクト構造ＴＦＴの代表的な構造例（断面図、平面図）を示すが、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）にそれぞれ示されるトップゲートボトムコンタクト構造ＴＦＴ、トップゲートトップコンタクト型ＴＦＴ、ボトムゲートボトムコンタクト構造ＴＦＴなどゲート電極、ゲート絶縁層、チャネル部（半導体層と導電層）、ソース・ドレイン電極の位置関係が同じＴＦＴ構造であれば、同様の効果が期待できる。但し、図２（ａ）に示すトップゲートボトムコンタクト構造ＴＦＴは他の構造に比し、製造し易い。図２(ｂ)のトップゲートトップコンタクト構造ＴＦＴはトップで接続し易くＴＶ用に好適である。
【００１５】
また、図３（ａ）（ｂ）にそれぞれ示されるように、スイッチング処理に利用するソース電極／半導体層／導電層の積層構造、および、半導体層はソース電極、または、ドレイン電極のいずれか一方のみに形成されていても、または、図３（ｃ）（ｄ）にそれぞれ示されるように、スイッチング処理に利用するドレイン電極／半導体層／導電層の積層構造、および、半導体層はソース電極、または、ドレイン電極のいずれか一方のみに形成されていても本発明の効果には違いはない。但し、図３（ａ）（ｂ）に示したソース電極側にスイッチング機能を有する方が、図３（ｃ）（ｄ）に示したドレイン電極側にスイッチング機能を有する構造よりも印加電圧に対する裕度が高く実用的である。
【００１６】
上記により、酸化物半導体ＴＦＴとして上記のＴＦＴ構造、製造技術を用いることで、従来法のように高温アニール処理などを行うことなく、酸化物半導体本来の高移動度、高オンオフ特性を維持しながら負バイアスストレス時の光劣化を抑制し、酸化物半導体ＴＦＴの信頼性向上と高オン特性の双方を両立することが可能となる。ＦＰＤに応用する場合には、従来に比較して高精細化や省電力化が実現可能となり、ＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）などの高周波応用については、内部クロックの改善などが実現され、より高周波帯の応用が可能となる。
【００１７】
以下の実施例において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００１８】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１９】
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
本願発明の第1の実施例による、機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体装置をＦＰＤ用の画素制御用ＴＦＴとして応用した例を図１、図４〜図１１を用いて説明する。ここで、図１（ａ）（ｂ）、および図４（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ本実施例のチャネル部をＩＧＺＯとＩＴＯから構成した機能分離型チャネル部を有するボトムゲートトップコンタクト型酸化物半導体ＴＦＴの構造および製造工程を説明するための図、図５および図６はそれぞれ機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴおよび従来の酸化物半導体ＴＦＴの電流−電圧特性を示すグラフ、図７は機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴを負バイアスストレス下で光照射した際の光劣化（しきい値シフト）を説明するためのグラフである。図８および図９は、それぞれ機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴを用いたアクティブマトリクス型画素制御回路およびＴＦＴアレイを説明するための上面図である。図１０および図１１は、それぞれチャネル部をＺＴＯ半導体層とＺＴＯ導電層で構成した希少金属フリーの機能分離型チャネル部を有するボトムゲートトップコンタクト型酸化物半導体ＴＦＴの電流−電圧特性および負バイアスストレス下で光照射した際の光劣化（しきい値シフト）を説明するためのグラフである。なお、同一符号は同一構成要素を示す。
【００２１】
本実施例の機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴを製造する方法は概ね以下の通りである（図４（ａ）〜（ｅ））。まず、ガラス基板などの支持基板１上に、ゲート電極２となるＭｏ層を蒸着法等により形成し、フォトプロセス等を用いてゲート電極２に加工する。支持基板１として、フレキシブルな樹脂基板を用いることもできる。次に、ＣＶＤプロセス等により膜厚１００ｎｍ程度のＳｉＯ２ゲート絶縁層３を形成する。その後、ＩＴＯなどの透明導電層４（膜厚３ｎｍ）をＤＣマグネトロンスパッタリングにより形成する（図４（ａ））。成膜条件は、室温、スパッタリングガスＡｒ、成膜圧力０．５Ｐａ、放電電力が５０Ｗであった。これを市販のＩＴＯエッチング液等を用いて加工する。この透明導電層４がチャネル部の導電機能を分担する。
【００２２】
その上に、ＩＧＺＯなどの酸化物半導体層５（膜厚２０ｎｍ）をＲＦスパッタリングにより形成する（図４（ｂ））。成膜条件は、室温、スパッタリングガスＡｒ（９６％）、Ｏ２（４％）、成膜圧力０．５Ｐａ、放電電力がＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）が４０Ｗであった。その後、フォトプロセスとエッチング技術を用いて、上記の透明導電層４を被覆するように酸化物半導体層５を加工する（図４（ｃ））。この酸化物半導体層５がチャネル部のスイッチング機能を分担する。
【００２３】
更に、蒸着法によりソース・ドレイン電極層６となるＡｌ電極層を成膜し（図４（ｄ））、フォトプロセスとエッチング技術を用いてソース・ドレイン電極６を形成する。このソース・ドレイン電極６をマスクとして用い、エッチングによりＩＧＺＯ半導体層５のみを除去する。最後に表面保護のためのパッシベーション層７等を成膜し、所望の酸化物半導体ＴＦＴが完成する（図４（ｅ））。なお、本酸化物半導体ＴＦＴを各層の積層方向の鉛直上方から見た場合、図１（ｂ）に示すように、ゲート電極２と酸化物半導体層５とは重なり部分を有する。また、ソース・ドレイン電極６の間のチャネル部の中央領域には導電層４と酸化物半導体層５の内、導電層４のみが設けられている（ソース・ドレイン電極側から見た場合だけでなく、ゲート電極側から見た場合も同様）。酸化物半導体層５はソース・ドレイン電極近傍に配置することが望ましく、ソース・ドレイン電極６の陰に隠れてみえない状況が好適である。この構造は、ボトムゲート構造に限らず、トップゲート構造でも同様である。
【００２４】
図５には、上記の方法で形成した機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴの電流−電圧特性を示した。従来のＩＧＺＯをチャネル層（膜厚２５ｎｍ）に用いたＴＦＴの同様の特性を図６に示すが、これに比較して高移動度と高いオン電流が観測されており、良好なＴＦＴ特性が得られていることが分かる。また、負バイアス印加時の光劣化の測定結果を図７に示す。測定条件は、ゲート−ソース間バイアス電位ＶＧＳが−２０Ｖ、ソース−ドレイン間電位ＶＳＤが１０Ｖ、光ストレス条件が、波長〜４６０ｎｍの青色ＬＥＤ光源により、光強度０．０７ｍＷ／ｃｍ２、光フラックス密度１．６×１０１４ｃｍ−２である。単膜のＩＧＺＯをチャネル層に用いたＴＦＴ（符号８で示す曲線）の場合には、１０４ｓｅｃの光照射により７Ｖ以上のしきい値変動が観測されていたが、本実施例の機能分離型チャネル部を有するＴＦＴ（符号９で示す曲線）とすることによりしきい値変動を１Ｖ程度まで大幅に抑制できた。この機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴを基本素子として、図８、図９に示すようなアクティブマトリクスＴＦＴアレイを構成し、４ｋ×２ｋの次世代液晶ＴＶの画素スイッチとして適用したところ、良好な動作が確認できた。なお、符号１０は支持基板（ガラス基板、樹脂基板など）、符号１１はデータ線制御回路、符号１２はゲート線制御回路、符号１３はゲート線、符号１４はデータ線、符号１５は画素電極、符号１６は酸化物半導体装置（スイッチングＴＦＴ）を示す。
【００２５】
なお、上記説明では、機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体装置（スイッチングＴＦＴ）１６のチャネルのうち酸化物半導体層をＩＧＺＯ、導電層をＩＴＯと希少金属であるインジウムやガリウムを含んだ構成としたが、これを酸化物半導体層５としてＺＴＯ、導電層４としてＡＺＯやＺＴＯを用いた構成とすることにより、希少金属を用いない構成とすることも可能である。例えば、チャネル部の酸化物半導体層５をＺｎ組成が０．７のＺＴＯとし、導電層４をＺｎ組成が０．２のＺＴＯ導電層とし、図１に示す構成の機能分離型チャネル部を有するボトムゲートトップコンタクト型酸化物半導体ＴＦＴを作製した。電流−電圧特性およびネガティブバイアスストレス下で光照射した場合の光劣化の測定結果を、図１０および図１１に示す。良好な電流−電圧特性（移動度７３ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ／ｏｆｆ比＞１０１０）と１０４ｓｅｃ後の負バイアス印加時の光劣化（従来ＩＧＺＯ ＴＦＴ（符号８で示す曲線）のΔＶｔｈ＞７Ｖに対し、本実施例の機能分離型チャネル部を有するＴＦＴ（符号２０で示す曲線）は０．２Ｖ）も有効に抑制されていた。上記のＺＴＯに関し、酸化物半導体層５については、高周波スパッタリングによる成膜時にスパッタリングガス中に４〜５％の高純度酸素ガスを添加して高抵抗に制御しており、導電層４については、成膜時に高純度Ａｒのスパッタリングガス中から液体窒素トラップなどを利用して混入する水分、酸素を十分に除去した状態で低抵抗に制御することが可能である。また、酸化物半導体層５に比較して導電層４側がエッチングが困難な相対的にＳｎ組成が高い構成となっており、市販のＩＴＯエッチング液などを利用することで選択的に酸化物半導体層のみをエッチングすることが容易という製造プロセス的利点も有している。
【００２６】
以上本実施例によれば、ソース・ドレイン電極の少なくとも一方の電極を、チャネル部を構成する酸化物半導体層を介して導電層と接続することにより、フレキシブル基板を用いるような場合であっても、良好な特性を有し信頼性の高い酸化物半導体装置を提供することができる。また、ＦＰＤ用の画素制御用ＴＦＴとして用いることができる。
【実施例２】
【００２７】
本発明の第２の実施例について、図１２〜図１５を用いて説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。本実施例では、機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴを有機ＥＬディスプレイに応用した例について説明する。ここで、図１２はトップエミッション型有機ＥＬ素子直下に機能分離型チャネル部を有するボトムゲートトップコンタクト型酸化物半導体ＴＦＴを形成した有機ＥＬディスプレイの一部を示す断面図、図１３は有機ＥＬ素子を駆動するための電流駆動回路を示す回路図、図１４はトップエミッション型有機ＥＬ素子上に形成した機能分離型チャネル部を有するトップゲートボトムコンタクト型酸化物半導体ＴＦＴの構造を示す断面図、図１５はボトムエミッション型有機ＥＬ素子上に形成した機能分離型チャネル部を有するトップゲートボトムコンタクト型酸化物半導体ＴＦＴの構造を示す断面図である。
【００２８】
図１２のトップエミッション型有機ＥＬ素子の場合、まず、ガラス基板等の支持基板３０上に実施例１で示された方法により画素スイッチングである機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体装置（電流駆動用ＴＦＴ）３１を形成する。支持基板３０として、フレキシブルな樹脂基板を用いることもできる。その後、パッシベーション膜を兼ねる層間絶縁層３２を介して三原各色の有機ＥＬ素子アレイを形成する。有機ＥＬ素子は、アノード電極層３３と赤色発光素子３４、緑色発光素子３５、青色発光素子３６、カソード電極層（透明導電層）３７から構成されている。符号３８は各発光素子層を分離するスペーサ層、符号３９は発光面となるガラス基板である。上記の酸化物半導体ＴＦＴ３１に実施例１で示されたチャネル部の半導体層がＺＴＯ（Ｚｎ組成０．７）、導電層がＺＴＯ（Ｚｎ組成０．２）の組み合わせのＴＦＴ（移動度７３ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ／ｏｆｆ比＞１０１０）を採用した。有機ＥＬディスプレイの場合、実際には、図１３に示すように画素スイッチングＴＦＴ４２と有機ＥＬ素子に電流を駆動するＴＦＴ４４が必要である。なお、符号４０はゲート線、符号４１はデータ線、符号４３は容量、符号４５は有機ＥＬ素子（ｐ／ｎ接合ダイオード）を示す。液晶の画素スイッチに比較し、大電流を駆動するため後段の電流駆動用ＴＦＴ４４には大きなストレスが印加される。従って、この電流駆動用ＴＦＴ４４にはしきい値の高い安定性が求められる。また、有機ＥＬ素子からの光を受けやすい素子構造であるため、しきい値の安定性については酸化物ＴＦＴとしても過酷な環境である。上記機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴを用い、青色有機ＥＬ素子に９Ｖ、０．１μＡを駆動して発光させた状況で、３×１０７ｓｅｃ後の予測ΔＶｔｈが１．７Ｖであった。従来構造のＩＧＺＯ ＴＦＴでは、同予測ΔＶｔｈ＞８．２Ｖであったため、非常に有効であることが分かる。また、機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴを用いることにより、副次的に移動度も改善されたため、従来構造のＴＦＴに比較して有機ＥＬディスプレイの消費電力を１／３程度まで低減することができた。
【００２９】
図１４、図１５は、それぞれトップエミッション型有機ＥＬ素子、ボトムエミッション型有機ＥＬ素子上に形成した機能分離型チャネル部を有するトップゲートボトムコンタクト型酸化物ＴＦＴを採用した例を示す。チャネル部には、酸化物半導体層５２として膜厚２５ｎｍのＺＴＯ（Ｚｎ組成０．７）、導電層５３として膜厚３ｎｍのＡＺＯ（ＡｌドープＺｎＯ）を用いた。それぞれの成膜方法は、半導体ＺＴＯ層が、スパッタガスＡｒ（９５％）、Ｏ２（０．５％）、圧力０．５Ｐａ、成膜温度室温、ＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）パワー７０Ｗを成膜条件としたＲＦスパッタリング、ＡＺＯ導電層が、スパッタガスＡｒ、圧力０．４５Ｐａ、成膜温度室温、ＤＣパワー５０Ｗを成膜条件としたＤＣマグネトロンスパッタリングとなっている。符号５０は有機ＥＬ素子（ｐ／ｎ接合ダイオード）、符号５１はソース電極（金属、透明導電層）、符号５４はゲート絶縁層、符号５５はゲート電極（透明導電層）、符号５６はパッシベーション層、符号５７はゲート電極（金属）、符号５８はドレイン電極（金属）を示す。上記機能分離型チャネル部を有するトップゲートボトムコンタクト型酸化物ＴＦＴでも、基本的なＴＦＴ特性や負バイアスストレス下での光劣化抑制効果もほぼ同様な結果が得られた。ドレイン電極５８として透明導電層を用いることもできるが、金属を用いることにより有機ＥＬ素子５０から酸化物半導体層への光を遮蔽することができる。
【００３０】
なお、図１４のトップエミッション型有機ＥＬ素子の場合、発光効率向上のため、発光領域に当たるゲート電極５５は、ＩＴＯやＡＺＯ、ＧＺＯ（ＧａドープＺｎＯ）、ＩＺＯ（インジウム亜鉛複合酸化物）などの透明導電層を用いるのが望ましい。  
これらの構造の異なる機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴを用いても、有機ＥＬディスプレイに応用した際の効果は、同様に得られることが確認された。
【００３１】
以上本実施例によれば、ソース・ドレイン電極の少なくとも一方の電極を、チャネル部を構成する酸化物半導体層を介して導電層と接続することにより、フレキシブル基板を用いるような場合であっても、良好な特性を有し信頼性の高い酸化物半導体装置を提供することができる。また、有機ＥＬ素子の画素スイッチＴＦＴや電流駆動用ＴＦＴとして用いることができる。
【実施例３】
【００３２】
本発明の第３の実施例について、図１６〜図１９を用いて説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。本実施例では、機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴをＲＦＩＤタグに応用した例を説明する。
【００３３】
図１６はＲＦＩＤの回路構成を示す模式図、図１７は機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴから構成されるＲＦＩＤタグの概略断面図、図１８（ａ）（ｂ）（ｃ）はこのＲＦＩＤ回路に用いた基本論理回路を説明する回路図、図１９は本発明の酸化物半導体ＴＦＴを用いて製作したＲＦＩＤタグのＵＨＦ帯無線応答動作を示すリーダ出力のグラフである。
【００３４】
ＲＦＩＤタグの場合、リーダやライタ等の外部からの電波出力を付属するアンテナ６０で受信し、整流回路６１により直流電源とし、これにより後段の論理回路部７０を駆動し、ＩＤに相当するメモリ領域の記録データ（ＲＯＭデータ）６５を取り出し、送信回路６８、アンテナ６０を経て返信する仕組みとなっている。なお、符号６２はレギュレータ回路、符号６３はリセット回路、符号６４はクロック発生回路、符号６６はＲＯＭ読み出し回路、符号６７は符号化回路、符号６９は高周波回路部を示す。酸化物半導体ＴＦＴはほとんどの場合、ｎ型半導体特性を示すため、Ｓｉ半導体におけるＣＭＯＳ回路の構築は困難であり、ｎ型単チャネルによる回路構築が必要となる。特に、論理回路部７０については、回路規模も大きくなるため、一般的に用いられる飽和型論理回路を利用すると消費電力が大きくなり、リーダライタ等から入力される電源電力（約３００μＷ）では動作が困難となる欠点がある。従って、機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴの特性に合わせ、例えば図１８（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す様な論理回路を用いて構成すると消費電力を小さくすることが可能である。図１８（ａ）はＮＯＴ、図１８（ｂ）はＮＯＲ、図１８（ｃ）はＮＡＮＤの論理演算を行なうための基本回路である。図１８（ａ）のＮＯＴはＴＦＴが２つであり、デバイスが小さく、消費電力が小さい。一方、図１８（ｂ）（ｃ）のＮＯＲやＮＡＮＤは特性が良く、高速動作向きである。チャネル部構成が膜厚２０ｎｍの半導体層ＺＴＯ（Ｚｎ組成０．７）、膜厚３ｎｍの導電層ＩＴＯであり、図３（ｂ）に示される様なドレイン電極側を酸化物半導体層を介さずに導電層に接続し、その他の構成が実施例１で示したものと同様の機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴを上記回路の基本素子として応用する。この酸化物半導体ＴＦＴの基本的な電流−電圧特性は、移動度９５ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ／ｏｆｆ比＞１０１０、負バイアス下での光劣化は、図６、図１１に示されたものと同じ測定条件下で１０４ｓｅｃ後にΔＶｔｈ＝０．８Ｖと良好な特性を示した。この酸化物半導体ＴＦＴを用いて、図１６に示されるような構成のＲＦＩＤタグを構築した。図１７にその模式的な断面図を示すが、機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴ８４を応用した回路と高周波アンテナ層（金属）８３が同一面上に一体形成できるため、従来のＲＦＩＤのようにアンテナ実装を行う必要がなく、アンテナ接続における信頼性が格段に向上する他、大面積やロール・ツウ・ロールプロセスなどの高効率生産システムと合わせれば、低コスト化も可能という副次的な効果もある。なお、符号８０は支持基板（薄膜ガラス基板、樹脂基板）、符号８１は絶縁層、符号８２はアンテナ共振容量を示す。このＲＦＩＤ回路（エレメント長約１６０ｍｍのアンテナ一体）を、９００ＭＨｚ帯出力１００ｍＷの市販ＲＦＩＤリーダを用いて無線応答スペクトルを調査した結果が図１９である。リーダからの入力により、信号開始と転送速度の設定（プリアンブル９０）が行われ、信号区切りのためのユニークワード９１に続いて、ＩＤに相当するＲＯＭデータ９２の出力が行われている様子が示されている。ＲＯＭデータ９２については��初期部分しか表示されていないが、ここでは１２８ビットの出力を確認している。また、薄膜プロセスを利用したＲＯＭの規模については、デバイス面積にも依存するが、自由に増減が可能である。
【００３５】
機能分離型チャネル部を有する酸化物半導体ＴＦＴを応用することで、高移動度化や高オン特性も副次的効果として行われたため、従来の単膜ＩＧＺＯ ＴＦＴ（移動度１３ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ／ｏｆｆ比＞１０８）では、動作可能入力周波数が〜２５ＭＨｚ、内部クロック７０Ｈｚだったものが、それぞれ〜２．５ＧＨｚ、４．３ｋＨｚまで改善し、上記の通りＵＨＦ帯での動作が可能になった。また、データの転送速度も二桁近く向上した。更に、負バイアスストレス下での光照射によるしきい値変動の抑制も実現され、信頼性面でも十分な値が得られた他、製造プロセスも低温化できるため、フィルム状基板への構築などフレキシブルな回路も実現することができた。
【００３６】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、透明導電層が必要とされるものであれば、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、液晶ＴＶや有機ＥＬ−ＴＶなどのフラットパネルディスプレイに用いる酸化物半導体ＴＦＴやこれらのＴＦＴを用いたＲＦＩＤ、フレキシブルデバイス等に関わるものであり、特に、負バイアスストレス下でのしきい値変動という実用化時の大きな課題であった信頼性面での改善技術に関わるものである。
【符号の説明】
【００３８】
１…支持基板（ガラス基板、樹脂基板など）、２…ゲート電極、３…ゲート絶縁層、４…本発明のチャネル部を構成する導電層、５…本発明のチャネル部を構成する酸化物半導体層、６…ソース・ドレイン電極層、７…パッシベーション層（保護層）、８…従来酸化物半導体ＴＦＴ（ＩＧＺＯ ＴＦＴ）の負バイアスストレス下での光劣化を示すしきい値変動曲線、９…本発明の酸化物半導体ＴＦＴ（チャネル構成：半導体層 ＩＧＺＯ、導電層 ＩＴＯ）の負バイアスストレス下での光劣化を示すしきい値変動曲線、１０…支持基板、１１…データ線制御回路、１２…ゲート線制御回路、１３…ゲート線、１４…データ線、１５…画素電極、１６…酸化物半導体装置（スイッチングＴＦＴ）、２０…本発明の酸化物半導体ＴＦＴ（チャネル構成：半導体層 ＺＴＯ（Ｚｎ組成０．７）、導電層 ＺＴＯ（Ｚｎ組成０．２））の負バイアスストレス下での光劣化を示すしきい値変動曲線、３０…支持基板（ガラス基板、樹脂基板など）、３１…酸化物半導体ＴＦＴ（電流駆動用）、３２…層間絶縁層、３３…アノード電極層、３４…赤色有機ＥＬ素子（ｐ／ｎ接合ダイオード）、３５…緑色有機ＥＬ素子（ｐ／ｎ接合ダイオード）、３６…青色有機ＥＬ素子（ｐ／ｎ接合ダイオード）、３７…カソード電極層（透明導電層）、３８…スペーサ層、３９…発光面（ガラス基板、樹脂基板など）、４０…ゲート線、４１…データ線、４２…画素スイッチングＴＦＴ、４３…容量、４４…電流駆動用ＴＦＴ、４５…有機ＥＬ素子（ｐ／ｎ接合ダイオード）、５０…有機ＥＬ素子（ｐ／ｎ接合ダイオード）、５１…ソース電極層（金属、透明導電層）、５２…本発明のチャネル部を構成する酸化物半導体層、５３…本発明のチャネル部を構成する導電層、５４…ゲート絶縁層、５５…ゲート電極（透明導電層）、５６…パッシベーション層（保護層）、５７…ゲート電極（金属）、５８…ドレイン電極（金属）、６０…アンテナ（共振回路含む）、６１…整流回路、６２…レギュレータ回路、６３…リセット回路、６４…クロック発生回路、６５…ＲＯＭデータ、６６…ＲＯＭ読み出し回路、６７…符号化回路、６８…送信回路、６９…高周波回路部、７０…論理回路部、８０…支持基板（薄膜ガラス基板、樹脂基板）、８１…絶縁層、８２…アンテナ共振容量、８３…アンテナ層（金属）、８４…本発明の酸化物半導体ＴＦＴ、９０…プリアンブル、９１…ユニークワード、９２…ＲＯＭデータ。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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