(57)【要約】【課題】ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物及び新たな物質を含む酸化物半導体及び薄膜トランジスタのチャンネルとしてＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物及び新たな物質を付加して、その特性を向上させた酸化物半導体を含む薄膜トランジスタとその製造方法を提供する。【解決手段】酸化物半導体であって、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物に、４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質が含まれる。【選択図】      図１
2009016844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体であって、
ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物に、４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質が含まれることを特徴とする酸化物半導体。
【請求項２】
前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物内に、４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質がドーピングされるか、又は前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物と４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質の混合物が含まれることを特徴とする請求項１に記載の酸化物半導体。
【請求項３】
前記４Ａ族物質は、Ｔｉ、Ｚｒ、及びＨｆからなる群より選択される少なくとも１つであることを特徴とする請求項２に記載の酸化物半導体。
【請求項４】
前記酸化物半導体は、ＴｉＩｎＺｎ酸化物又はＴｉＧａＩｎＺｎ酸化物であることを特徴とする請求項３に記載の酸化物半導体。
【請求項５】
前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物内に４Ａ族物質、４Ａ族物質酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質が０．０１〜１０．００ａｔ％の範囲で含まれることを特徴とする請求項１に記載の酸化物半導体。
【請求項６】
前記酸化物半導体は、前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物で形成される第１酸化物層と、
４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質で形成される物質層とを有してなることを特徴とする請求項１に記載の酸化物半導体。
【請求項７】
前記物質層は、５〜２０ｎｍの厚さで形成されることを特徴とする請求項６に記載の酸化物半導体。
【請求項８】
前記物質層上に形成され、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物を含む第２酸化物層をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の酸化物半導体。
【請求項９】
前記酸化物半導体は、多結晶構造又はナノ結晶構造を有することを特徴とする請求項１に記載の酸化物半導体。
【請求項１０】
前記酸化物半導体は、多結晶構造、又はナノ結晶構造と非晶質構造との混合相を有することを特徴とする請求項１に記載の酸化物半導体。
【請求項１１】
前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物において、ｘ、ｙ、ｚは原子比を表し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ＋ｙ＝１、ｘ＋ｚ＝１、ｙ＋ｚ＝１及びｚ＝１のうちの少なくとも１つの関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の酸化物半導体。
【請求項１２】
薄膜トランジスタであって、
ゲートと、
前記ゲートに対応する位置に形成され、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物に４Ａ族物質、４Ａ族物質酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質を含むチャンネルと、
前記ゲートとチャンネルとの間に形成されるゲート絶縁体と、
前記チャンネルの両側部とそれぞれ接触して形成されるソース及びドレインとを有することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１３】
前記チャンネルは、前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物内に４Ａ族物質、４Ａ族物質酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質がドーピングされた構造、または前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物と４Ａ族物質、４Ａ族物質酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質の混合物を含むことを特徴とする請求項１２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１４】
前記４Ａ族物質は、Ｔｉ、Ｚｒ、及びＨｆからなる群より選択される少なくとも１つであることを特徴とする請求項１３に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１５】
前記チャンネルは、ＴｉＩｎＺｎ酸化物又はＴｉＧａＩｎＺｎ酸化物であることを特徴とする請求項１４に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１６】
前記チャンネルは、前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物内に４Ａ族物質、４Ａ族物質酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質が０．０１〜１０．００ａｔ％の範囲で含まれることを特徴とする請求項１２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１７】
前記チャンネルは、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物で形成される第１酸化物層と、
４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質で形成される物質層とを有することを特徴とする請求項１２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１８】
前記物質層は、５〜２０ｎｍの厚さで形成されることを特徴とする請求項１７に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１９】
前記チャンネルは、物質層上に形成され、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物を含む第２酸化物層をさらに有することを特徴とする請求項１７に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項２０】
前記チャンネルは、多結晶構造又はナノ結晶構造を有することを特徴とする請求項１２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項２１】
前記チャンネルは、多結晶構造、又はナノ結晶構造と非晶質構造との混合相を有することを特徴とする請求項１２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項２２】
前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物において、ｘ、ｙ、ｚは原子比を表し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ＋ｙ＝１、ｘ＋ｚ＝１、ｙ＋ｚ＝１及びｚ＝１のうちの少なくとも１つの関係を満たすことを特徴とする請求項１２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項２３】
薄膜トランジスタの製造方法であって、
ゲート及び該ゲート上にゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲートに対応する位置の前記ゲート絶縁層上にＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物に４Ａ族物質、４Ａ族物質酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質を含むチャンネルを形成する工程と、
前記チャンネルの両側部とそれぞれ接触するソース及びドレインを形成する工程とを有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２４】
前記チャンネルは、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物に４Ａ族物質、４Ａ族物質酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質をスパッタリング、ＣＶＤ、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、レーザーによる蒸着法、イオン注入、及びイオンシャワーからなる群より選択される少なくとも１つの方法でドーピングして形成することを特徴とする請求項２３に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２５】
前記チャンネルは、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物に４Ａ族物質、４Ａ族物質酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質を蒸着した後、熱処理して前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物内に拡散させて形成することを特徴とする請求項２３に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２６】
前記チャンネルを形成する工程は、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物で第１酸化物層を形成する工程と、
４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質で物質層を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項２３に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２７】
前記物質層は、５〜２０ｎｍの厚さで形成することを特徴とする請求項２６に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２８】
前記チャンネルを形成する工程は、前記物質層上にＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物を含む第２酸化物層をさらに形成する工程を含むことを特徴とする請求項２６に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２９】
前記ソース及びドレインの形成後、１００〜４５０℃の温度で加熱炉（ｆｕｒｎａｃｅ）、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）、レーザー又はホットプレートなどを利用して熱処理する工程をさらに有することを特徴とする請求項２３に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項３０】
前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物において、ｘ、ｙ、ｚは原子比を表し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ＋ｙ＝１、ｘ＋ｚ＝１、ｙ＋ｚ＝１及びｚ＝１のうちの少なくとも１つの関係を満たすことを特徴とする請求項２３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】
本発明は酸化物半導体及びこれを有する薄膜トランジスタに係り、より詳細には、Ｚｎ酸化物系に新たな物質を添加した酸化物半導体、並びにこれをチャンネルとして形成した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】
現在、薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、ＴＦＴ）は、ディスプレイ分野でスイッチング及び駆動素子として利用されており、クロスポイント型メモリ素子の選択スイッチとしても使われていて、多様な応用分野に利用されている。
【０００３】
ディスプレイの駆動及びスイッチング素子として使われるものとして、非晶質シリコン薄膜トランジスタ（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−Ｓｉｌｉｃｏｎ  ＴＦＴ：以下、ａ−Ｓｉ  ＴＦＴと記す）がある。これは、低コストで２ｍ以上の大型基板上に均一に形成される素子であり、現在最も広く使われる素子である。しかし、ディスプレイの大型化及び高画質化の勢いによって素子性能も高性能が要求されて、移動度０．５ｃｍ２／Ｖｓレベルの既存のａ−Ｓｉ  ＴＦＴは限界に到達してきていると判断される。したがってａ−Ｓｉ  ＴＦＴより高い移動度を持つ高性能ＴＦＴ及び製造技術が必要となってきている。
【０００４】
ａ−Ｓｉ  ＴＦＴに比べて非常に高い性能を持つ多結晶シリコン薄膜トランジスタ（ｐｏｌｙ−Ｓｉ  ＴＦＴ）は、数十〜数百ｃｍ２／Ｖｓの高い移動度を持つために、既存のａ−Ｓｉ  ＴＦＴで実現し難かった高解像度ディスプレイに適用できる性能を持つ。
また、ａ−Ｓｉ  ＴＦＴに比べて素子特性の劣化問題が非常に少ない。しかし、ポリ−Ｓｉ  ＴＦＴを製造するためには、ａ−Ｓｉ  ＴＦＴに比べて複雑な工程が必要であり、それによる追加コストも増加する。
【０００５】
したがって、ｐ−Ｓｉ  ＴＦＴは、ディスプレイの高解像度化やＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）のような製品に応用されるのに適しているが、コスト面では既存のａ−Ｓｉ  ＴＦＴに比べて劣るため、応用が制限的であるという短所がある。そして、ｐ−Ｓｉ  ＴＦＴの場合、製造設備の限界や均一度不良のような技術的な問題で、現在までは１ｍ以上の大型基板を利用した製造工程が実現されていないために、ＴＶ製品への応用が困難であるというような問題があった。
【０００６】
これにより、ａ−Ｓｉ  ＴＦＴの長所とポリ−Ｓｉ  ＴＦＴの長所とをいずれも持つ新たなＴＦＴ技術が要求されている。これについての研究が活発に進んでいるが、その代表的なものには酸化物半導体素子がある。
酸化物半導体素子として最近注目されているものとして、ＺｎＯ、ＩＺＯ（ＩｎＺｎＯ）、ＧＩＺＯ（ＧａＩｎＺｎＯ）などが紹介された。
酸化物半導体素子は低温工程で製造でき、非晶質相であるために大面積化に容易な長所を持つ。また、酸化物半導体フィルムは高移動度の物質を有し、多結晶シリコンのような非常に良好な電気的特性を持つ。現在、移動度の高い酸化物半導体物質層、すなわち、酸化物物質層を薄膜トランジスタのチャンネル領域に使用するための研究が進んでいる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は上記従来の半導体素子における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物及び新たな物質を含む酸化物半導体を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、薄膜トランジスタのチャンネルとしてＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物及び新たな物質を付加して、その特性を向上させた酸化物半導体を含む薄膜トランジスタとその製造方法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になされた本発明による酸化物半導体は、酸化物半導体であって、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物に、４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質が含まれることを特徴とする。
【０００９】
前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物内に、４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質がドーピングされるか、又は前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物と４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質の混合物が含まれることが好ましい。
前記４Ａ族物質は、Ｔｉ、Ｚｒ、及びＨｆからなる群より選択される少なくとも１つであることが好ましい。
前記酸化物半導体は、ＴｉＩｎＺｎ酸化物又はＴｉＧａＩｎＺｎ酸化物であることが好ましい。
前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物内に４Ａ族物質、４Ａ族物質酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質が０．０１〜１０．００ａｔ％の範囲で含まれることが好ましい。
前記酸化物半導体は、前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物で形成される第１酸化物層と、４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質で形成される物質層とを有してなることが好ましい。
【００１０】
前記物質層は、５〜２０ｎｍの厚さで形成されることが好ましい。
前記物質層上に形成され、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物を含む第２酸化物層をさらに有することが好ましい。
前記酸化物半導体は、多結晶構造又はナノ結晶構造を有することが好ましい。
前記酸化物半導体は、多結晶構造、又はナノ結晶構造と非晶質構造との混合相を有することが好ましい。
前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物において、ｘ、ｙ、ｚは原子比を表し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ＋ｙ＝１、ｘ＋ｚ＝１、ｙ＋ｚ＝１及びｚ＝１のうちの少なくとも１つの関係を満たすことが好ましい。
【００１１】
上記目的を達成するためになされた本発明による薄膜トランジスタは、薄膜トランジスタであって、ゲートと、前記ゲートに対応する位置に形成され、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物に４Ａ族物質、４Ａ族物質酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質を含むチャンネルと、前記ゲートとチャンネルとの間に形成されるゲート絶縁体と、前記チャンネルの両側部とそれぞれ接触して形成されるソース及びドレインとを有することを特徴とする。
【００１２】
上記目的を達成するためになされた本発明による薄膜トランジスタの製造方法は、薄膜トランジスタの製造方法であって、ゲート及び該ゲート上にゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲートに対応する位置の前記ゲート絶縁層上にＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物に４Ａ族物質、４Ａ族物質酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質を含むチャンネルを形成する工程と、前記チャンネルの両側部とそれぞれ接触するソース及びドレインを形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
前記チャンネルは、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物に４Ａ族物質、４Ａ族物質酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質をスパッタリング、ＣＶＤ、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、レーザーによる蒸着法、イオン注入、及びイオンシャワーからなる群より選択される少なくとも１つの方法でドーピングして形成することが好ましい。
前記チャンネルは、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物に４Ａ族物質、４Ａ族物質酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質を蒸着した後、熱処理して前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物内に拡散させて形成することが好ましい。
前記チャンネルを形成する工程は、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物で第１酸化物層を形成する工程と、４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質で物質層を形成する工程とを含むことが好ましい。
前記物質層は、５〜２０ｎｍの厚さで形成することが好ましい。
【００１４】
前記チャンネルを形成する工程は、前記物質層上にＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物を含む第２酸化物層をさらに形成する工程を含むことが好ましい。
前記ソース及びドレインの形成後、１００〜４５０℃の温度で加熱炉（ｆｕｒｎａｃｅ）、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）、レーザー又はホットプレートなどを利用して熱処理する工程をさらに有することが好ましい。
前記ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物において、ｘ、ｙ、ｚは原子比を表し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ＋ｙ＝１、ｘ＋ｚ＝１、ｙ＋ｚ＝１及びｚ＝１のうちの少なくとも１つの関係を満たすことが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る酸化物半導体並びにこれを有する薄膜トランジスタ及びその製造方法によれば、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物に新たな物質と共に単層または多層構造のチャンネルを形成することで、移動度などの電気的特性が向上したＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物薄膜トランジスタを提供できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明に係る酸化物半導体並びにこれを有する薄膜トランジスタ及びその製造方法を実施するための最良の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
【００１７】
ここで、図面に示した各層の厚さ及び幅は説明のために多少の誇張を含んで表現していることは当然のことながら理解されるべきである。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態による酸化物半導体を含む薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。
図１では、ボトムゲート型薄膜トランジスタのみを示したが、本発明の実施形態による薄膜トランジスタは、トップゲート型及びボトムゲート型薄膜トランジスタのいずれも可能である。
【００１９】
図１を参照すると、本発明の実施形態による薄膜トランジスタは、その表面に絶縁層１２が形成された基板１１、基板１１の一領域上に形成されたゲート１３、基板１１及びゲート１３上に形成されたゲート絶縁層１４、ゲート１３に対応する位置のゲート絶縁層１４上に形成され、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物に４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質が含まれるチャンネル１５、及びチャンネル１５の両側部に形成されたソース１６ａ及びドレイン１６ｂを備える構造を持つ。
【００２０】
本発明の実施形態による薄膜トランジスタを形成する各層の物質について説明すれば、次の通りである。
基板１１は、半導体素子に使われる基板を使用でき、例えば、シリコン、ガラス、プラスチックまたは有機物材料を使用できる。基板１１をシリコンで形成する場合には、熱酸化工程などにより基板１１の表面にＳｉＯ２熱酸化物質を形成して絶縁層１２を形成できる。
【００２１】
ゲート１３は、導電性物質で形成でき、金属または導電性金属酸化物などで使用できる。ゲート絶縁層１４は、半導体素子に使われる絶縁物質を使用して形成でき、シリコン酸化物または窒化物を使用できる。具体的には、ＳｉＯ２又はＳｉＯ２より誘電率の高いＨｉｇｈ−Ｋ物質であるＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、又はこれらの混合物を使用できる。
ソース１６ａ及びドレイン１６ｂは、導電性物質を使用して形成でき、例えば、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ、ＡｌＮｄなどのような金属、又はＩＴＯ、ＧＩＺＯ、ＧＺＯ、ＡＺＯ、ＩＺＯ（ＩｎＺｎＯ）、ＡＺＯ（ＡｌＺｎＯ）などのような金属または導電性酸化物を使用できる。
【００２２】
本発明の実施形態による薄膜トランジスタでは、チャンネル１５は、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物に４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質を含む酸化物半導体で形成されることを特徴とする。
ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物は、ＧａＩｎ酸化物、ＩｎＺｎ酸化物、ＧａＩｎＺｎ酸化物、及びＺｎ酸化物がある。ここで、ｘ、ｙ、ｚは原子比を表し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ＋ｙ＝１、ｘ＋ｚ＝１、ｙ＋ｚ＝１及びｚ＝１のうちの少なくとも１つの関係を満たすものである。
【００２３】
４Ａ族物質としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ及びそれらの混合物などがある。希土類は、Ｙｉ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｙ、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｅｒ、Ｙｂ及びそれらの混合物などがある。チャンネル１５は、酸化物半導体内に４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質がドーピングされた構造であるか、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物と４Ａ族物質、４Ａ族物質酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質の混合物構造でありうる。
【００２４】
この場合、Ｚｎ酸化物内に４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、又は希土類物質が０．０１〜１０．００ａｔ％添加される。チャンネルは、２００ｎｍ以下の厚さ範囲で形成されるものである。
【００２５】
また、チャンネル１５は、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物で形成された第１酸化物層及び４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質で形成された物質層を含む多層構造で形成することもできる。そして、選択的に物質層上にＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物を含む第２酸化物層がさらに形成された構造で形成することもでき、第１酸化物層と物質層とが交互に形成された構造であり、従って第１酸化物層と第２酸化物層は同じか或いは異なるＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物を含み得る。
【００２６】
次に、図２〜図６を参照して本発明の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法について詳細に説明する。
図２を参照すると、まず、基板１１を用意した後、基板１１の表面に絶縁層１２を形成する。次に基板１１上に金属または導電性金属酸化物などの導電性物質１３ａを蒸着等により形成する。基板１１は、シリコン、ガラスまたは有機物材料を利用して形成できる。基板１１をシリコンで形成する場合、熱酸化工程により基板１１の表面に絶縁層１２を形成できる。
【００２７】
図３を参照すると、導電性物質１３ａをパターニングしてゲート１３を形成する。そして図４を参照すると、ゲート１３の上部にＳｉＯ２又はＳｉＯ２より誘電率の高いＨｉｇｈ−Ｋ物質であるＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、またはこれらの混合物などの絶縁物質を蒸着等により形成及びパターニングしてゲート絶縁層１４を形成する。
【００２８】
図５を参照すると、ゲート絶縁層１４上にチャンネル物質を蒸着等により形成した後、ゲート１３に対応する領域のチャンネル物質が残留するようにパターニングすることでチャンネル１５を形成する。ここで、チャンネル１５を酸化物半導体で形成する工程について詳細に説明すれば、次の通りである。
【００２９】
例えば、スパッタリングによりチャンネル１５を形成する工程を説明すると、
ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物ターゲットと４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質ターゲットを工程チャンバー内に装着した後、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物と４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質をゲート絶縁層１４上に形成する。
【００３０】
ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物の形成にはＤＣ（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）スパッタリング法、ＲＦ（ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）スパッタリング法共に使用できる。
ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物の形成にＤＣ（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）スパッタリング法を用いる時、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物の形成に用いる物質は同時に添加することができる。また、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物の形成にＲＦ（ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）スパッタリング法を用いる時、ＴｉＯ２のような酸化物上にスパッタリングできる。この時、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物内に含まれる４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物又は希土類物質の量を調節するために、スパッタ・ガンのパワーを調節する。チャンバー内の不活性ガス及び酸素ガスのガス分圧は、酸素の量を調節することによって制御できる。
【００３１】
チャンネル内に４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物又は希土類物質を注入する工程として、スパッタリング、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、レーザーによる蒸着法、イオン注入又はイオンシャワーなどの工程を利用できる。また、ＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物に４Ａ族物質、４Ａ族物質酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質を蒸着した後、熱アニーリングまたはレーザーアニーリングなどによる熱処理をしてＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物内に拡散させてチャンネルを形成できる。Ｔｉが添加される場合、ＴｉＩｎＺｎ酸化物又はＴｉＧａＩｎＺｎ酸化物に形成される。
【００３２】
多層構造のチャンネル１５を形成する場合には、ゲート絶縁層１４上にＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物をまず蒸着等により形成し、その上部に４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質を蒸着等により形成する。ここで、さらにその上に選択的にＧａｘＩｎｙＺｎｚ酸化物を蒸着等により形成することができる。
図９は、ＧａＩｎＺｎ酸化物（ＧＩＺＯ）にＴｉを約３０及び５０Ｗのスパッタリングパワーで添加してチャンネル１５を形成した後、ＳＩＭＳで分析した結果を示すものである。
【００３３】
図６を参照すると、チャンネル１５を形成した後、金属又は導電性金属酸化物などの物質をチャンネル１５及びゲート絶縁層１４上に蒸着等により形成し、チャンネル１５の上部をパターニングしてチャンネル１５両側部に接続されるソース１６ａ及びドレイン１６ｂを形成する。
【００３４】
最後に、１００〜４５０℃で、加熱炉（ｆｕｒｎａｃｅ）、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  ｔｈｅｒｍａｌ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ）、レーザー又はホットプレートなどを利用してチャンネルに熱処理工程を実施する。
【００３５】
４Ａ族物質、４Ａ族物質の酸化物、及び希土類物質からなる群より選択される少なくとも１つの物質をＺｎ酸化物にドーピングしてチャンネル１５を形成した場合、チャンネル１５は、多結晶、又はナノ結晶構造を含むか、或いは多結晶又はナノ結晶構造と非晶質相の混合構造を含むことができる。
チャンネル１５が単層構造の場合には、チャンネル１５にナノクリスタル又はマイクロクリスタル結晶相が生じ、多層構造のチャンネル１５を形成した場合には、チャンネル１５にはポリクリスタル結晶相が生じうる。
【００３６】
図７は、従来技術及び本発明の実施形態による薄膜トランジスタの電気的特性を示すグラフであり、ゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）変化を示すグラフである。Ｇ３１は、別途の物質を添加しないＧＩＺＯでチャンネルを形成した後、３５０℃で熱処理した薄膜トランジスタであり、Ｇ３２は、ＧＩＺＯ  ２００Ｗ（スパッタパワー）、Ｔｉ  ３０Ｗの条件でチャンネルを形成した後、４００℃で熱処理して形成した薄膜トランジスタであり、Ｇ３３は、ＧＩＺＯ  ２００Ｗ（スパッタパワー）、Ｔｉ  ３０Ｗの条件でチャンネルを形成した後、３５０℃で熱処理して形成した薄膜トランジスタである。
【００３７】
図７を参照すると、Ｏｎ電流は約１０−５Ａであり、オフ電流が１０−１３Ａ以下であり、Ｏｎ／Ｏｆｆ電流比は１０８以上であるということが分かる。Ｇ３１、Ｇ３２、Ｇ３３の薄膜トランジスタいずれも、その電気的特性は薄膜トランジスタとして使用するのに問題がないということが分かる。
【００３８】
図８は、従来技術及び本発明の実施形態による薄膜トランジスタの移動度特性を示すグラフである。Ｇ４１は、別途の物質を添加せずにＧＩＺＯでチャンネルを形成した後、３５０℃で熱処理した薄膜トランジスタであり、Ｇ４２、Ｇ４３及びＧ４４は、ＧＩＺＯ  ２００Ｗ（スパッタパワー）、Ｔｉ  ３０Ｗの条件でチャンネルを形成した後、それぞれ３５０℃、４００℃及び４５０℃で熱処理して形成した薄膜トランジスタである。
【００３９】
図８を参照すると、Ｇ４２及びＧ４３は、従来技術による薄膜トランジスタＧ４１に比べて移動度が約２倍向上したことが分かる。しかし、４５０℃で熱処理した薄膜トランジスタＧ４４の場合、かえって、移動度が従来技術による薄膜トランジスタＧ４１より減少したことが分かる。したがって、４５０℃より低温で熱処理することが素子特性向上に有利なことが分かる。
【００４０】
上記のような実施形態を通じて、当業者ならば、本発明の技術的思想により酸化物薄膜トランジスタを利用して、ディスプレイ又はクロスポイント型メモリ素子などの多様な電子素子を製造できるであろう。本発明の実施形態による酸化物薄膜トランジスタは、ボトムゲート型又はトップゲート型に使われうる。
【００４１】
尚、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、酸化物半導体及びこれを備える薄膜トランジスタを用いるディスプレイ又はクロスポイント型メモリ素子などに適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態による酸化物半導体を含む薄膜トランジスタを示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図７】従来技術及び本発明の実施形態による薄膜トランジスタの電気的特性を示すものであり、ゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）変化を示すグラフである。
【図８】従来技術及び本発明の実施形態による薄膜トランジスタの移動度特性を示すグラフである。
【図９】ＧＩＺＯにＴｉを約３０及び５０Ｗのスパッタリングパワーで添加してチャンネルを形成した後、ＳＩＭＳで分析した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１１      基板
１２      絶縁層
１３      ゲート
１４      ゲート絶縁層
１５      チャンネル
１６ａ      ソース
１６ｂ      ドレイン
【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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