JP2008277326A - アモルファス酸化物半導体、半導体デバイス及び薄膜トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】Ｉｎ、Ｇａ，Ｚｎの組成比がＩｎ_ｘＧａ_ｙＺｎ_ｚで表されるアモルファス酸化物半導体、半導体デバイス及び薄膜トランジスタにおいて、良好な特性の半導体及び素子を提供することにある。
【解決手段】Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの組成比がＩｎ_ｘＧａ_ｙＺｎ_ｚで示されるアモルファス酸化物半導体において、その密度（単位体積あたりの質量）が０．９４×(７．１２１ｘ＋５．９４１ｙ＋５．６７５ｚ)／(ｘ＋ｙ＋ｚ)以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、アモルファス酸化物半導体、半導体デバイス及び薄膜トランジスタに関し、特に、少なくともＩｎ、Ｇａ、Ｚｎから選択される元素の１つを含むアモルファス酸化物半導体、半導体デバイス及び薄膜トランジスタに関する。

近年、酸化物半導体薄膜をトランジスタのチャネル層として用いる試みがある。その中で、ＺｎＯ酸化物半導体をチャネルに用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の研究開発が特に盛んに行われている。

しかしながら、ＺｎＯ薄膜は室温で形成した際においても多結晶体となり、半導体デバイスとして重要な、半導体−絶縁体界面、半導体−半導体界面又は半導体金属界面に数〜数１０ナノメートルの凹凸が現れる。

また、多結晶体であるため結晶粒界が存在し、それが伝導の際の欠陥となる、又は雰囲気中の気体分子が吸着することに起因した物性変化が起こり、特性不安定性につながる、などの問題があった（非特許文献１）。

そこで、特許文献１に記載される技術のように、酸化物半導体薄膜としてアモルファス酸化物半導体を用い、界面凹凸や粒界による不利益をなくした高性能ＴＦＴの提案がなされた。

半導体をアモルファス状態で形成することにより、ＺｎＯで問題となっていた界面の凹凸はナノメートル以下になり、良質な界面が得られるようになった。

これにより、より高性能な半導体デバイスが得られるようになる。

また、粒界の存在しない半導体膜が形成可能となり、粒界起因の特性劣化及び不安定性が解消される。
国際公開第２００５０８８７２６号パンフレット Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ９４、７７４８頁 Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌｕｍｅ ４３２，４８８頁 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ８９、１１２１２３−１から１１２１２３−３頁 Ｊｏｕｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ７８，９６２〜９６８頁

そこで、パルスレーザー蒸着（ＰＬＤ）法により、特許文献１に記載されている条件と同等の条件でアモルファス酸化物半導体膜及びそれを用いたＴＦＴを作製した。すると、特許文献１及び非特許文献２に示された半導体膜特性及びＴＦＴ特性と同等の特性が得られた。

また、スパッタ法によりＩｎＧａＯ_３(ＺｎＯ)組成ターゲットすなわちＩｎとＧａとＺｎの比がＩｎ_１Ｇａ_１Ｚｎ_１である酸化物のターゲットを用いてアモルファス酸化物半導体膜及びＴＦＴを作製した。すると、ＰＬＤ法と同様に良好な特性のアモルファス酸化物半導体膜及びＴＦＴが得られた（非特許文献３）。

本発明者らは、さらなる検討を行ったところ、半導体特性及びＴＦＴ特性がさらに向上するアモルファス酸化物半導体の条件を見出した。

そこで、本発明は、少なくともＩｎ、Ｇａ、Ｚｎから選択される元素の１つを含むアモルファス酸化物半導体、半導体デバイス及び薄膜トランジスタにおいて、良好な特性の半導体及び素子を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、少なくともＩｎ、Ｇａ、Ｚｎから選択される元素の１つを含むアモルファス酸化物のＩｎ、Ｇａ，Ｚｎの組成比がＩｎ_ｘＧａ_ｙＺｎ_ｚで表されるアモルファス酸化物半導体において、その密度（単位体積あたりの質量）が０．９４×(７．１２１ｘ＋５．９４１ｙ＋５．６７５ｚ)／(ｘ＋ｙ＋ｚ)以上とする。

本発明によれば、たとえば酸化物半導体薄膜をチャネル層に用いたＴＦＴにおいて、性能が高くかつ安定性及び信頼性の高い素子を提供することが可能となった。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。

まず、アモルファス酸化物半導体について説明する。

本発明のアモルファス酸化物半導体は、少なくともＩｎ、Ｇａ、Ｚｎから選択される元素の１つを含み、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比である組成比がＩｎ_ｘＧａ_ｙＺｎ_ｚで表されるアモルファス酸化物半導体である。

その組成は、ｘ＞０かつｙ＞０かつｚ＞０であることが望ましく、さらに望ましくはｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）≧０．２かつｙ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）≧０．２かつｚ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）≧０．２である。すなわち、ｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）、ｙ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）及びｚ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）が０．２以上であるということである。

本発明のアモルファス酸化物半導体には、添加物として他の酸化物を含んでもよい。その添加物としてはＭｇ、Ｃａ、Ｂ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎの酸化物などが挙げられる。

本発明は、上記アモルファス酸化物半導体において、理論密度の９４．０％以上の密度を有することを特徴としている。

Ｉｎ２０３の密度は７、１２１ｇ／ｃｍ^３である。これは、ＰＤＦ Ｎｕｍｂｅｒ：００−００６−０４１６、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｒｅ ｆｏｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｄａｔａによる。

また、Ｇａ２０３の密度は５．９４１ｇ／ｃｍ^３である。これは、ＰＤＦ Ｎｕｍｂｅｒ：００−０４１−１１０３、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｒｅ ｆｏｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｄａｔａによる。

また、ＺｎＯの密度は５．６７５ｇ／ｃｍ^３である。これは、ＰＤＦ Ｎｕｍｂｅｒ：００−０３６−１４５１、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｒｅ ｆｏｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｄａｔａによる。

よって、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの組成比がＩｎ_ｘＧａ_ｙＺｎ_ｚで表されるアモルファス酸化物半導体における理論密度は、（７．１２１ｘ＋５．９４１ｙ＋５．６７５ｚ）／(ｘ＋ｙ＋ｚ)[ｇ／ｃｍ^３]と表される。

また、添加物としてＩｎ、Ｇａ、Ｚｎの酸化物以外の元素の酸化物を含む場合は、以下のように規定する。

添加する元素をＭとし、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｍの比率をＩｎ_ｘＧａ_ｙＺｎ_ｚＭ_ｗで表し、元素Ｍの酸化物のうち（標準）生成自由エネルギーの最も低い酸化物の密度をＤとする。

このように定義すると、その理論密度は、(７．１２１ｘ＋５．９４１ｙ＋５．６７５ｚ＋Ｄｗ)／(ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｗ)[ｇ／ｃｍ^３]と表すことができる。

アモルファス酸化物半導体の密度が、このように表される理論密度の９４％以上であることが本発明の特徴である。

これを式に表すと、アモルファス酸化物半導体の密度をＭとして、式（１）のような関係になる。

Ｍ≧０．９４×(７．１２１ｘ＋５．９４１ｙ＋５．６７５ｚ)／(ｘ＋ｙ＋ｚ)
（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ+ｙ+ｚ≠０）…式（１）
アモルファス物質の薄膜を形成する場合、薄膜内に空隙が形成されるなどの原因により、一般的に理論密度と比較して低密度になる。

たとえば、非特許文献４に記載される真空蒸着法によるアモルファスシリカ膜の場合はバルクシリカの密度(２．２ｇ／ｃｍ^３)と比較して９０％(２．０ｇ／ｃｍ^３)以下の密度のアモルファスシリカ膜が得られている。膜の内部には水分が吸着しうる空隙が存在すると報告されている。

このような空隙がアモルファス酸化物半導体膜中にも存在すると、空隙によりキャリア電子が散乱され、又は伝導経路が長くなり、移動度等の半導体の伝導特性に悪影響を及ぼすと考えられる。

そのため本発明者らは下記実施例に記載したように、比較的高密度の薄膜が得られやすいスパッタ法を用い、かつ成膜温度を調整する。

このようにすることで、従来より高密度なＩｎ、Ｇａ、Ｚｎの組成比がＩｎ_ｘＧａ_ｙＺｎ_ｚで表されるアモルファス酸化物半導体薄膜を得て、その伝導特性、特に移動度が従来のものと比較して優れていることを確認した。

よって、理論密度の９４．０％以上の密度を有する上記アモルファス酸化物半導体を形成する方法は、ｒｆスパッタやＤＣスパッタなどのスパッタ法又はパルスレーザー蒸着(ＰＬＤ)を含む真空蒸着法を用いるのが望ましい。特に、スパッタ法によるものが望ましい。

また、上記半導体を形成する際の形成温度は、室温以上が望ましく、さらに望ましくは１５０以上かつ結晶化する温度以下で形成することが望ましい。

また、高密度のアモルファス酸化物半導体膜を得る別の方法として、まずその密度が９４．０％未満であるアモルファス酸化物半導体を形成し、それを後処理により９４．０％以上の密度にすることも望ましい形態のひとつである。

このときの後処理は、熱処理、イオン照射処理、プラズマ照射処理、ラジカル照射処理などが望ましい。

上記のアモルファス酸化物半導体を用いた半導体デバイスとしては、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が望ましい。上記アモルファス酸化物半導体を用いたＴＦＴは、上記アモルファス酸化物半導体をチャネル層として用いるものである。

そのＴＦＴにおいては、ゲート絶縁膜として、Ｓｉ酸化物又は金属酸化物膜を用いるのが望ましい。

また、それら酸化物に少量の窒素が添加された膜をゲート絶縁膜に用いるのも望ましい形態のひとつである。

また、Ｓｉ窒化物もゲート絶縁膜として望ましい。絶縁膜はＰＬＤを含めた真空蒸着法又はスパッタ法で形成することが望ましい。

以上により、従来より半導体デバイスに適した性能（移動度など）を有するアモルファス酸化物半導体が得られる。また、それを用いて、従来より高性能の半導体デバイス、特にＴＦＴを得ることができる。

［実施例］
［実施例１：アモルファス酸化物半導体］
まず、厚さ１００ｎｍの熱酸化ＳｉＯ_２膜を形成したｎ型Ｓｉ基板上に、厚さ４０ｎｍのＩｎ、Ｇａ、Ｚｎの組成比がＩｎ_ｘＧａ_ｙＺｎ_ｚで表されるアモルファス酸化物半導体膜を基板温度２００で成膜した。ＩｎＧａＯ_３(ＺｎＯ)ターゲットを用いたｒｆスパッタ法によって行った。

得られた膜の組成ｘ／(ｘ＋ｙ＋ｚ)、ｙ／(ｘ＋ｙ＋ｚ)、ｚ／(ｘ＋ｙ＋ｚ)を蛍光Ｘ線分析により調べたところ、それぞれ０．４０６、０．３７６、０．２１８であった。

組成分析結果より理論密度は６．３６ｇ／ｃｍ^３となる。

得られた膜をＣｕ−ＫαＸ線源及びＸ線ミラーを備えたＸ線回折装置を用いてＸ線反射率測定を行ったところ、図２に示す結果が得られ、膜の密度として６．１２ｇ／ｃｍ^３が得られた。得られた密度の理論密度に対する割合は９６．２％となる。

一方、同様の基板及び成膜方法で厚さ４０ｎｍのＩｎ、Ｇａ、Ｚｎの組成比がＩｎ_ｘＧａ_ｙＺｎ_ｚで表されるアモルファス酸化物半導体膜を基板温度室温（基板温度モニター温度計の表示は２２）で成膜した。

得られた膜の組成ｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）、y／(ｘ＋ｙ＋ｚ)、z／(ｘ＋ｙ＋ｚ)を蛍光Ｘ線分析により調べたところ、それぞれ０．３９７、０．３６４、０．２３９であった。組成分析結果より理論密度は６．３５ｇ／ｃｍ^３となる。

得られた膜のＸ線反射率測定を行ったところ、図２に示す結果が得られ、膜の密度として５．９５ｇ／ｃｍ^３が得られた。得られた密度の理論密度に対する割合は９３．８％となる。

後に示すように、これらのアモルファス酸化物半導体膜をチャネル層としたＴＦＴを作製した。そして、アモルファス酸化物半導体膜の電界効果移動度を調べたところ、理論密度の９６．２％の膜は移動度１２ｃｍ^２／Ｖｓであり、理論密度の９３．８％の膜は５ｃｍ^２／Ｖｓであった。

なお、上述の非特許文献３の方法で作製した膜と同様の製法で作製した膜の密度は理論密度の９３．７％であった。また、非特許文献２の方法で作製した膜と同様の製法で作製した膜の密度は理論密度の８３．７％であった。それぞれの電界効果移動度を比較すると、理論密度の９３．７％の膜のほうが移動度が高かった。

これらのことから、アモルファス酸化物半導体の密度と特性、特に移動度との相関が認められ、密度が高いほど移動度が大きいことが見出された。

本発明において、理論密度９４．０％以上の膜で、従来密度の膜より良い特性が得られることを見出した。

上記実施例はアモルファス酸化物半導体膜形成時の成膜条件により、高密度なアモルファス酸化物半導体膜を得たものである。

別の方法として、まず理論密度の９４．０％未満の膜を成膜し、その後のイオン、プラズマ又はラジカル等の照射により密度を上昇させることもできる。

そうすれば、成膜時の条件により密度を高めた膜と同様の高性能のアモルファス酸化物半導体が得られる。

［実施例２：ＴＦＴ素子の作製］
アモルファス酸化物半導体膜を用いた半導体デバイスとして、図３に示すボトムゲート型ＴＦＴ素子を作製した。

まず、厚さ１００ｎｍの熱酸化ＳｉＯ_２膜１０２を形成したｎ型Ｓｉ基板１０１上に、厚さ４０ｎｍのＩｎ、Ｇａ、Ｚｎの組成比がＩｎ_ｘＧａ_ｙＺｎ_ｚで表されるアモルファス酸化物半導体膜１０３を基板温度２００で成膜した。この際、ＩｎＧａＯ_３（ＺｎＯ）ターゲットを用いたｒｆスパッタ法により、行った。

得られた密度の理論密度に対する割合は９６．２％であった。

Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの組成比がＩｎ_ｘＧａ_ｙＺｎ_ｚで表されるアモルファス酸化物半導体膜を必要な大きさにエッチング加工した後、ソース電極１０４及びドレイン電極１０５をフォトリソグラフィー法及びリフトオフ法を用いて形成した。

電極材料としてはＡｕ(１５０ｎｍ)／Ｔｉ(５ｎｍ)積層膜であり、成膜方法は電子ビーム蒸着法である。

基板として用いたｎ型Ｓｉ１０１をゲート電極とし、ＳｉＯ_２膜１０２をゲート絶縁膜とすることでＴＦＴ素子とした。

得られたＴＦＴ素子のうち、ゲート長１０μｍ、ゲート幅３０μｍのＴＦＴ素子の伝達特性（ドレイン電流−ゲート電圧特性）を測定したところ、図１に示す特性が得られ、その電界効果移動度は１２ｃｍ^２／Ｖｓであった。

基板温度室温（基板温度モニター温度計の表示は２２）で成膜した厚さ４０ｎｍの組成比がＩｎ_ｘＧａ_ｙＺｎ_ｚで表されるアモルファス酸化物半導体膜（密度は理論密度の９３．８%）を同様の方法及び構成でＴＦＴ素子を形成した。

ゲート長１０μｍ、ゲート幅３０μｍのＴＦＴ素子の伝達特性を測定したところ、図１に示す特性が得られ、その電界効果移動度は５ｃｍ^２／Ｖｓであった。

以上示したように、密度の高いアモルファス酸化物半導体をチャネル層に用いることにより、より性能の高いＴＦＴ素子が得られた。

これは、ＴＦＴのみならず、高い移動度を必要とするデバイス、たとえば電子デバイス中の透明電極材料としてアモルファス酸化物半導体を用いる場合にも有効である。

本発明の、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの組成比がＩｎ_ｘＧａ_ｙＺｎ_ｚで表されるアモルファス酸化物半導体は、各種ディスプレイ等の電子デバイスの部品材料として幅広く利用できる。特にそれを用いたＴＦＴは、ＬＣＤや有機ＥＬディスプレイなどのスイッチング素子として、また、受光素子、センサ素子等のマトリクスデバイスのスイッチング素子として幅広く利用できる。またＩＣカードやＩＤタグなどにも幅広く利用できる。

本発明及び従来のアモルファス酸化物半導体をチャネルとして用いたボトムゲート型ＴＦＴの伝達特性を示すグラフである。 本発明及び従来のアモルファス酸化物半導体のＸ線反射率測定結果を示すグラフである。 本発明の実施例で用いたボトムゲート型ＴＦＴの構造を示す模式図である。

符号の説明

１０１ ｎ型Ｓｉ基板
１０２ ＳｉＯ_２酸化膜
１０３ アモルファス酸化物半導体膜
１０４ ドレイン電極
１０５ ソース電極

Claims (5)

1. 少なくとも、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎから選択される元素の１つを含むアモルファス酸化物半導体であって、
   該アモルファス酸化物に含まれるＩｎとＧａとＺｎの原子数の比をＩｎ_ｘＧａ_ｙＺｎ_ｚとした場合に、前記アモルファス酸化物半導体の密度をＭとすると、式（１）で表される関係を有することを特徴とするアモルファス酸化物半導体。
   Ｍ≧０．９４×(７．１２１ｘ＋５．９４１ｙ＋５．６７５ｚ)／(ｘ＋ｙ＋ｚ)
   …式（１）
   （ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ+ｙ+ｚ≠０）
2. ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０であることを特徴とする請求項１記載のアモルファス酸化物半導体。
3. ｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）、ｙ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）、ｚ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）がそれぞれ０．２以上であることを特徴とする請求項１記載のアモルファス酸化物半導体。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載のアモルファス酸化物半導体を用いることを特徴とする半導体デバイス。
5. 請求項１から３のいずれか１項記載のアモルファス酸化物半導体をチャネル層に用いることを特徴とする薄膜トランジスタ。

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