(57)【要約】      （修正有）【課題】トランスファー長ltを求める上で、測定可能範囲が広く、精度の高いデータ取得を可能とする。【解決手段】基板１上にゲート電極２、絶縁層３、絶縁層３を介してゲート電極２と異なる層にトランスファー長評価電極群が形成され、電極群の各電極(Et-1、・・・、Et-i、・・・、Et-imax)は互いに平行で電極太さWel-iが異なり、電極群に接触する形で形成された半導体層４を有するトランスファー長評価素子を用いる。電極Et-i+1をドレイン電極、電極Et-i+2をソース電極として電流を印加し、電極Et-i+1に隣接するもう一方の電極Et-i側の半導体/電極Et-i+1接触終端部での半導体／電極界面間に発生する電圧を電極Et-iで測定するプロセスを電極太さの異なる複数の電極で行い、測定電圧の電極太さ依存性と、TLMから得られる接触抵抗値を用いてトランスファー長を求める。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にゲート電極、絶縁層、前記絶縁層を介してゲート電極と異なる層にトランスファー長評価電極群が形成され、前記トランスファー長評価電極群の各電極が互いに平行で、かつ、電極太さが互いに異なり、前記トランスファー長評価電極群に接触して形成された半導体層を有することを特徴とする評価素子。
【請求項２】
請求項１において、電極群が３種類以上であることを特徴とする評価素子。
【請求項３】
前記評価素子の基本構造が、ボトムゲート−ボトムコンタクト型、ボトムゲート−トップコンタクト型、トップゲート−ボトムコンタクト型、トップゲート−トップコンタクト型のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の評価素子。
【請求項４】
請求項１の評価素子において、隣接する二本のトランスファー長評価電極間に電流を印加し、前記トランスファー電極の一方の電極終端部で発生する半導体／電極界面電圧を、前記２本のトランスファー長評価電極に隣接するトランスファー長評価電極を用いて測定するプロセスを電極太さの異なる複数の電極で行い、前記方法で得られる半導体／電極界面電圧の電極太さ依存性と接触抵抗値を用いてトランスファー長を求める解析プロセスを有することを特徴とする評価手法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、TFT(Thin Film Transistor)の特性を決定する重要なパラメータであるトランスファー長lt(キャリア注入有効距離)を求めるための評価用素子の構造および評価手法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、TFTの特性を決定する主な抵抗成分として、半導体チャネル抵抗と半導体／金属電極間の接触抵抗が挙げられる。半導体チャネル抵抗と半導体／金属電極間の接触抵抗をオーミック性抵抗とすると、TFTの抵抗値RTFT(k,k+1)は、
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と書ける。ここで、Rsh1はチャネル部半導体シート抵抗、Rsh2は半導体が電極に接触した領域の半導体シート抵抗、Wchはチャネル幅、Lchはチャネル長、rcは半導体／金属界面の接触抵抗率、ltはトランスファー長、Welはソース電極およびドレイン電極の電極太さを表す。RTFT、Lchの下付き添え字(k,k+1)は電極Ekと電極Ek+1をそれぞれドレイン電極、ソース電極とした場合の物理量であることを意味するものとする。
【０００３】
一般に、接触抵抗は半導体／金属間の接触面積に依存する。TFTにおいて、キャリア注入に有効な距離の目安であるトランスファー長lt以下に電極太さWelを形成した場合、キャリア注入面積が十分に確保されない結果、接触抵抗が指数関数的に増大することが知られている。そのため、素子設計における電極太さWelの最適化にはトランスファー長ltの正確な値が必要と言える。
【０００４】
トランスファー長ltの評価にはTLM(Transmission line method)が用いられてきた（例えば、非特許文献１参照）。以下、図１を用いてTLMに使用される素子構造を説明する。図１の(a)は素子上面図であり、(b)はＡ−Ａ‘における素子断面図である。基板１１上にゲート電極２１、ゲート電極２１を覆う形で絶縁層３１が形成されている。絶縁層３１を介してゲート電極２１と異なる層に電極E41、電極E42、電極E43、電極E44が形成されている。電極E41、電極E42、電極E43、電極E44は、互いに平行かつ、同一の電極太さWelに形成されており、前記各電極の間隔Lch(41,42)、Lch(42,43)、Lch(43,44)は、互いに異なるように形成される。半導体層５１は電極E41、電極E42、電極E43、電極E44に接触する形で一定の幅Wchをもって形成される。ここで添え字kが４１または４２または４３の値をとるものとして、電極Ekをドレイン電極(ソース電極)、電極Ek+1をソース電極(ドレイン電極)とした場合、図１に示すTLM素子構造には、チャネル幅が一定値Wchで、チャネル長が、それぞれLch(41,42)、Lch(42,43)、Lch(43,44)である３つのTFT構造が形成されているとみる事が出来る。ここでは便宜上、前記TFT構造の数を３つとしたが、３つ以上ならば任意の数に設定して良いものとされる。
以下、図２を用いてTLMによるトランスファー長ltの評価方法を説明する。チャネル長Lch(41,42)、Lch(42,43)、Lch(43,44)の各TFTに関して、ゲート電圧一定の条件のもと、RTFT(k,k+1)を測定する。ｙ軸にRTFT、x軸にチャネル長Lchをとり、RTFT ｖｓ Lch関係をプロットする。そして、図２のように線形回帰直線を求め、線形回帰直線のx軸切片xinterceptを求める。（式１）から、線形回帰直線は
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の形をとることがわかる。式２から
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の関係式が導ける。さらにRsh1=Rsh2を仮定すると、(式３)は
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と変形される。TLMでのトランスファー長評価では、Wel≫ltの条件を満たすように、電極E41、電極E42、電極E43、電極E44には十分な太さを有する電極が用いられる。この時、
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となるため
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と書ける。このようにTLMでは、Rsh1=Rsh2の仮定のもとx軸切片の値xinterceptからトランスファー長ltを求めている。また、y軸切片からは接触抵抗値が求められる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Woong-Sun Kim, Yeon-Keon Moon, Kyung-Taek Kim, Je-Hun Lee, Byung-du Ahn, Hong-Wan Park, ”An investigation of contact resistance between metal electrodes and amorphous gallium-indium-zinc oxide (a-GIZO) thin-film transistors,” Thin Solid Films 518 (2010) 6357-6360
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に半導体と金属が接触した場合、フェルミエネルギー差に起因した半導体/金属間の電荷移動が発生することが知られている。電荷移動の結果、金属接触界面の半導体キャリア密度は、バルク部のキャリア密度と異なる値となる。特に、カーボンナノチューブネットワーク、グラフェンなど厚さ数nm以下の極薄の半導体層においては、バルク部に比べて界面電荷移動の影響を受ける領域の比率が大きいため、Rsh1≠Rsh2となることが容易に予想される。ゆえに、厚さ数nm以下の薄膜半導体をチャネル材料として使用する場合、トランスファー長ltの正確な測定に既存のTLM測定は不適と言える。
【０００７】
また、TFTの一般的な構造として、ボトムゲート−ボトムコンタクト(BG-BC)型、ボトムゲート−トップコンタクト(BG-TC)型、トップゲート−ボトムコンタクト(TG-BC)型、トップゲート‐トップコンタクト(TG-TC)型の４種が挙げられるが、BG-BC型およびTG-TC型においては、金属電極の遮蔽効果により、金属接触領域の半導体層にはゲート電圧によるキャリア密度の変調効果が働かない。そのためBG-BC型およびTG-TC型においては、Rsh1≠Rsh2となることが容易に予想される。
【０００８】
つまり、トランスファー長ltの正確な測定にはチャネル部半導体シート抵抗Rsh1と電極接触領域の半導体シート抵抗Rsh2とを独立に取扱う必要がある。
【０００９】
Rsh1とRsh2を独立に取り扱い、トランスファー長ltを求める最も単純な方法としては、チャネル長一定の条件のもと、電極太さWelをパラメータとしてTFTの素子抵抗値RTFTを測定し、(式１)を用いたフィッテングによりltを求める方法１が考えられる。しかし、接触抵抗の電極太さ依存を表す関数
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は、
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の領域では電極太さWelの拡大に伴い、変化量が急激に小さくなる性質を持つため、測定可能範囲が小さいという課題がある。また、接触抵抗成分とともにチャネル抵抗成分も測定値に含まれるため、チャネル抵抗ばらつきがトランスファー長評価に影響を及ぼしてしまい、正確なトランスファー長の評価が困難となる危険性を有している。
【００１０】
本発明の目的は、トランスファー長ltを求める上で、測定可能範囲が広く、精度の高いデータ取得を可能とすることを目的とした評価素子構造および評価手法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の接触抵抗評価素子は、基板上にゲート電極、絶縁層、絶縁層を介して前記ゲート電極と異なる層にトランスファー長評価電極群Etが形成され、前記トランスファー長評価電極群Etの各電極(Et-1、・・・、Et-i、・・・、Et-imax)は互いに平行で電極太さWel-iが互いに異なり、前記トランスファー長評価電極群Etに接触して形成された半導体層４を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の評価方法は、電極Et-i+1をドレイン電極、前記電極Et-i+1に隣接する電極Et-i+2をソース電極として電流を印加し、前記電極Et-i+1に隣接するもう一方の電極Et-i側の半導体/電極Et-i+1接触終端部での半導体／電極界面間に発生する電圧V（Wel-i+1）を電極Et-iで測定するプロセスを電極太さWel-iの異なる複数の電極で行い、前記測定電圧の電極太さ依存性と、TLMから得られる接触抵抗値を用いてトランスファー長を求める解析プロセスを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、トランスファー長ltを求める上で、測定可能範囲が広く、精度の高いデータ取得が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】TLMに用いられる素子構造を示す図で、（a）は素子上面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】TLMで得られる測定データおよび解析方法を示す図。
【図３】本発明の第１実施形態の素子構造を示す図で、（a）は素子上面図、（ｂ）は断面図である。
【図４】本発明の評価方法で得られる測定電圧V（Wel-i+1）を示す電極周辺の概略図。
【図５】本発明で得られる物理量の電極太さ依存性と接触抵抗値の電極太さ依存性を比較示す図。
【図６】本発明で得られる物理量を電極太さで微分した量と接触抵抗値を電極太さで微分した量の電極太さ依存性を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［構造］
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図３（a）は本発明の第１の実施の形態である評価素子上面図である。図３（ｂ）は、図３（a）のA−A’線に沿った評価素子断面図である。基板１上にゲート電極２、絶縁層３、前記絶縁層３を介してゲート電極２と異なる層にトランスファー長評価電極群Etが形成される。前記トランスファー長評価電極群Etの各電極(Et-1、・・・、Et-i、・・・、Et-imax)は互いに平行で電極太さWel-iが互いに異なり、前記トランスファー長評価電極群Etに接触する形で一定の幅Wchで形成された半導体層４を有する。
【００１６】
電極Et-iと電極Et-i+1の間隔Lch(i,i+1)は任意に設定して良い。
【００１７】
トランスファー長評価電極群Etの各電極(Et-1、・・・、Et-i、・・・、Et-imax)の電極太さWel-iがそれぞれ異なるため、電極Et-i+1、Et-i+2間に電流を印加した際、電極Et-i側の電極Et-i+1終端部での半導体／電極界面間に発生する電圧V(Wel-i+1)の電極太さ依存性を調べる事が可能となっている。
【００１８】
電極Et-i+1終端部での半導体／電極界面間に発生する電圧V(Wel-i+1)を印加電流で割った値をRel-iとおいておくと、接触抵抗をオーミック抵抗と仮定した解析モデルから
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の関係式が導かれる。電極Et-i+1をソース電極、電極Et-i+2をドレイン電極として電流を印加し、電極Et-iの電圧をハイインピーダンス端子で測定することで、図４におけるAi+1線上の電極Et-i+1終端部での半導体／電極界面間に発生する電圧V(Wel-i+1)を得る事が出来る。前記の評価プロセスを電極太さWel-iの異なる複数(i=1, 2, 3, 4)のTFTで行うことで、電圧V(Wel-i)の電極太さWel-i依存性を調べる事が可能となる。TLMの接触抵抗値評価から得られる
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と測定電圧V(Wel-i)の電極太さWel-i依存性のデータを用いて、フィッティングを行うことで正確なトランスファー長を求める事が可能となる。
【００１９】
前述のRTFT - Wel関係を調べる方法１を用いても、Rsh1とRsh2を独立に扱って、トランスファー長を求めることは原理的には可能であるが、本実施形態の評価方法を用いた方が測定可能範囲が広く、より精度の高い評価を行うことが可能となる。その内容を以下に記述する。方法１では、電極太さ依存性は
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で表されるが、本実施形態の手法で得られる電極太さWel依存性は、(式７)に示したように
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と表される。両者の差は係数2を除いてWel依存性を持つ関数部のみである。以下、Wel関数部のみに着目して、本実施形態の評価方法と方法１との差を説明する。図５は、横軸を電極太さWelとした際の
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（破線）と
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（実線）のグラフである。図５より、
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はWel＞ltの領域では変化が小さい上、Welの増大に伴い、その変化量は急激に減少する。一方、RelのWel依存を表す関数
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は、より広範囲に渡って変化することが確認出来る。図６に
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および
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のWelによる微分を示す。この微分値に共通係数
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を掛けた値が装置分解能以下の領域では、ltを求める上で有意なデータを得る事が出来ない。仮に図６の一点鎖線で示す
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にrc/LtWchを乗じた値を検出限界とする方法１ではWel >5ltの領域では変化量は検出限界以下となってしまうが、本実施形態の評価方法を用いた場合、Wel ＜10ltの領域まで検出可能となる。また、本実施形態の手法では、測定電圧V(Wel)はチャネル抵抗と独立であるため、チャネル抵抗ばらつきの影響を受けず、精度の高い測定が可能となる。
【００２０】
本実施形態のように、電圧V(Wel-i)の電極太さWel-i依存性を調べることで、チャネル部半導体シート抵抗Rsh1と電極接触領域の半導体シート抵抗Rsh2を独立に扱った解析が可能となる。Rsh1とRsh2を独立に扱った解析により、TLMの適用が不適当であったBGBT型構造およびTGTC型構造においてもトランスファー長ltの正確な評価が可能となる。
【００２１】
また、厚さ数nm以下の薄膜半導体をチャネル材料として使用した場合においても、正確なトランスファー長の評価が可能となる。
【００２２】
[実施例]
本発明の実施例評価素子を用いた評価を、比較のために行った前述の方法１に基づいた評価と合わせて以下に記載する。
各特性値評価結果は表１にまとめて示す。
【００２３】
本実施例においては、基板１としてシリコンウェハー、ゲート電極２およびトランスファー長評価電極として蒸着金電極、絶縁層３としてフッ素系ポリマー、半導体層４として平均直径１nm、平均長さ１μｍでCNT（Carbon Nanotube）密度が約5本／μｍの単層カーボンナノチューブネットワーク膜を用いた。
【００２４】
本実施例の評価素子のトランスファー評価電極の電極太さは2μｍ、4μｍ、5μｍ、7.5μｍの４種類とした。チャネル長Lch(k,k+1)は30μｍ、60μｍ、90μｍ、120μｍの４種類とした。
【００２５】
比較例として方法１による評価素子も作製した。基本の材料構成は、本実施例と同様であるが、電極太さは7.5μｍで一定とし、チャネル長Lch(k,k+1)は本実施例と同じく30μｍ、60μｍ、90μｍ、120μｍの４種類とした。
【００２６】
ゲート電圧0[V]、印加電流1.0×10-6[A]の条件で行った本実施例の評価結果としては、電極太さWelの拡大に伴い、電圧V(Wel)が減少する傾向が確認され、電極太さWel ＝7.5μｍにおいては、全てのサンプルで電圧V(Wel)は測定器検出限界である20×10-6[V]以下の値となった。方法１による評価素子の接触抵抗値と電圧V(Wel)のデータを用いてフィッティングを行った結果、トランスファー長は4.8×10-1μｍとなった。一方、方法１による評価素子のみでの評価では、トランスファー長は5.1μｍとなった。
【００２７】
仮に方法１による評価素子のみから得られた値5.1μmを用いて、(式６)からV(Wel)を逆算すると、10-2[V]程度の値となる。これは、電極太さWel＝7.5μｍでは、全てのサンプルで電圧V(Wel)が検出限界20×10-6[V]以下となった実験事実と矛盾する。すわなち、半導体層材料として単層カーボンナノチューブネットワークを用いたTFTにおいては、TLMによるトランスファー長の評価は不適当であり、Rsh1、Rsh2を独立に扱った本発明の手法を用いる必要があると言える。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
本実施例では、太さの異なる電極Et-iの数imaxは４としたが、少なくとも３以上、測定精度の点から６以上であることが望ましい。
【００３０】
なお本実施例では、BG-BC型構造を例にとったが、BG-TC型、TG−BC型、TG−TC型のうち、所望の構造で評価することが可能である。
【００３１】
［製法］
本実施例の評価素子の製造方法について説明する。
【００３２】
まず、蒸着法により基板１上にゲート電極２を設ける。次に、スピンコート法を用いてゲート電極２を覆う形で絶縁層３を形成する。次に、スピンコート法を用いて、絶縁層３を形成した基板１上にフォトレジスト膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ法により、トランスファー長評価電極群Etのレジストパターンを形成する。次に、基板１上に、蒸着法を用いてトランスファー長評価電極材層を形成する。最後に、リフトオフにより、トランスファー長評価電極群Eiを形成する。最後に、メタルマスクを用いた蒸着法により半導体層４をパターニングし、トランスファー長評価素子とする。
【００３３】
以上、電極および半導体層のパターニング法に関して、方法を限定して記述したが、所望の形状に形成できるかぎりにおいて、プロセス方法は限定されない。たとえば、トランスファー長評価電極群Etの形成に、マイクロコンタクト等の印刷法を使用するなど種々の方法をとることが出来る。
【００３４】
また、絶縁層を形成する基板として酸化膜付き低抵抗シリコンを使用し、酸化膜上にトランスファー長評価電極群Et、半導体層を形成し、トランスファー長評価素子としても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１    基板
２    ゲート電極
３    絶縁層
４    半導体層
E41    ソース電極、または、ドレイン電極
E42    ソース電極、または、ドレイン電極
E43    ソース電極、または、ドレイン電極
E44    ソース電極、または、ドレイン電極
Et-1    トランスファー長評価電極 (ソース電極、または、ドレイン電極、または電圧測定電極として使用)
Et-2    トランスファー長評価電極 (ソース電極、または、ドレイン電極、または電圧測定電極として使用)
Et-3    トランスファー長評価電極 (ソース電極、または、ドレイン電極、または電圧測定電極として使用)
Et-4    トランスファー長評価電極 (ソース電極、または、ドレイン電極、または電圧測定電極として使用)
Et-5    トランスファー長評価電極 (ソース電極、または、ドレイン電極、または電圧測定電極として使用)
Et-6    トランスファー長評価電極  (ソース電極、または、ドレイン電極、または電圧測定電極として使用)
Wel-1    電極Et-1の電極太さ
Wel-2    電極Et-2の電極太さ
Wel-3    電極Et-3の電極太さ
Wel-4    電極Et-4の電極太さ
Wel-5    電極Et-5の電極太さ
Wel-6    電極Et-6の電極太さ
Wch    チャネル幅
A２    半導体と電極Et-2の電極Et-1側接触終端部
A３    半導体と電極Et-3の電極Et-2側接触終端部
A４    半導体と電極Et-4の電極Et-3側接触終端部
A５    半導体と電極Et-5の電極Et-4側接触終端部
１１    基板
２１    ゲート電極
３１    絶縁層
５１    半導体層
【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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