JP2014007311A - 薄膜トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高オン電流および高移動度が可能な薄膜トランジスタおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明による薄膜トランジスタは、絶縁性基板１と、絶縁性基板１上の所定の位置に形成されたゲート電極２と、ゲート電極２上に形成されたゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上に離間して形成されたソース電極６およびドレイン電極７と、離間した部分のゲート絶縁膜３上からソース電極６およびドレイン電極７上に渡って形成された金属酸化物からなるチャネル膜８とを備え、ソース電極６およびドレイン電極７は、チャネル膜８に含まれる金属元素と同じ金属元素を少なくとも１種類以上含み、同じ金属元素のチャネル膜８における濃度は、ソース電極６およびドレイン電極７とチャネル膜８との界面部９，１０の方がそれ以外の部分よりも高く、かつ界面部９，１０から遠ざかるに従って連続的に低くなるように変化することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜トランジスタおよび薄膜トランジスタの製造方法に関する。

近年、金属の酸化物（以下、金属酸化物とも称する）を使用した半導体が注目されている。多くの金属酸化物は、酸素欠陥と適切なドーパントの添加によって半導体の性質を示す。特に、亜鉛（Ｚｎ）・インジウム（Ｉｎ）・ガリウム（Ｇａ）などを主成分とした金属酸化物の半導体(以下、酸化物半導体とも称する)は、価電子帯と伝導帯とのバンドギャップが３ｅＶ以上であり、可視光で透明であるという特徴を有している。

また、上記の酸化物半導体は、従来のシリコン（Ｓｉ）を使用した半導体とは異なり、酸素原子と金属原子との混成軌道によって生じる電気伝導を担う最外殻電子雲が、球対称で空間的に広がるｓ軌道電子であり、原子配列の乱れの影響が小さいため原子間の配列が無秩序なアモルファス状態であっても電子雲の重なりを確保することができ、電子の高移動度が期待される。

上記の特徴を有する酸化物半導体は、表示ディスプレイ用の薄膜トランジスタへの適用が試みられている。

薄膜トランジスタの酸化物半導体に対して電気的に接続されるソース・ドレイン電極には、一般的に金属が使用されている。特に、最近ではアルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム合金が多数使用されている。また、アルミニウムの酸化物はＡｌ２Ｏ３で示され、電気を通さない不導体である。このようなアルミニウムに代表される不導体酸化物を形成し得る金属を使用してソース・ドレイン電極を形成すると、酸化物半導体とソース・ドレイン電極との界面において、酸化物半導体中に含まれる酸素（Ｏ）がソース・ドレイン電極中に含まれる金属に移動し、ソース・ドレイン電極が不導体を形成してトランジスタが動作しなくなるという問題が生じる。

上記の問題の対策として、従来では、酸化物半導体と金属電極との間に、酸化反応を起こしにくい金属をバリアメタル（バリア層）として挟み込む方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、酸化物半導体と金属との間にバリア層として酸化チタン層を形成してコンタクト特性を改善する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

上記のバリア層が有効に作用されると、酸化物半導体とソース・ドレイン金属との間における接触抵抗（コンタクト抵抗）が低減され、良好なコンタクト特性を得ることができる。従って、オン電流が高く、高移動度である薄膜トランジスタを実現することができる。

特開２００９−２７２４２７号公報 特開２０１１−１２９８９７号公報

特許文献１では、バリアメタル（バリア層）に酸化反応を起こしにくい金属を使用した場合であっても、仮に酸化物半導体の表面に酸素が吸着すると、当該吸着した酸素とバリアメタルとが反応を起こして不導体になってしまうという問題があった。

また、特許文献２では、バリア層として、薄膜トランジスタの半導体チャネル部の酸化物半導体とは異なる種類の金属酸化物を使用した場合において、酸化物半導体と金属酸化物との間にはショットキー障壁が必ず存在するため、微小な電流域で薄膜トランジスタを使用する場合にはスイッチング特性に問題があった。

特に、特許文献２のように、酸化物半導体上にチタン（Ｔｉ）のような金属を成膜し、当該成膜後の加熱処理によってストイキオメトリ（化学量論組成）をずらした酸化チタン（ＴｉＯｘ、Ｘ＜２）層を酸化物半導体とソース・ドレイン電極との界面に形成する方法は、酸素量の制御が難しく、成膜条件や後処理の条件が所定の範囲から外れると、マグネリ相チタン酸化物（Ｔｉ４Ｏ７）を含んだ混合相になりやすい。このようなマグネリ相チタン酸化物は、電気特性が不安定で不導体となる場合があり、バリア層の役割を果たさないという問題があった。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、高オン電流および高移動度が可能な薄膜トランジスタおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明による薄膜トランジスタは、絶縁性基板と、絶縁性基板上の所定の位置に形成されたゲート電極と、ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に離間して形成されたソース電極およびドレイン電極と、離間した部分のゲート絶縁膜上からソース電極およびドレイン電極上に渡って形成された金属酸化物からなるチャネル膜とを備え、ソース電極およびドレイン電極は、チャネル膜に含まれる金属元素と同じ金属元素を少なくとも１種類以上含み、同じ金属元素のチャネル膜における濃度は、ソース電極およびドレイン電極とチャネル膜との界面部の方がそれ以外の部分よりも高く、かつ界面部から遠ざかるに従って連続的に低くなるように変化することを特徴とする。

また、本発明による薄膜トランジスタの製造方法は、（ａ）絶縁性基板上の所定の位置にゲート電極を形成する工程と、（ｂ）ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成する工程と、（ｃ）ゲート絶縁膜上に離間してソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、（ｄ）離間した部分のゲート絶縁膜上からソース電極およびドレイン電極上に渡って金属酸化物からなるチャネル膜を形成する工程とを備え、工程（ｃ）は、ソース電極およびドレイン電極が、チャネル膜に含まれる金属元素と同じ金属元素を少なくとも１種類以上含むように形成し、（ｅ）工程（ｄ）の後、加熱処理を行い、ソース電極およびドレイン電極に含まれる金属元素をチャネル膜側に固液拡散する工程とを備える。

本発明によると、絶縁性基板と、絶縁性基板上の所定の位置に形成されたゲート電極と、ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に離間して形成されたソース電極およびドレイン電極と、離間した部分のゲート絶縁膜上からソース電極およびドレイン電極上に渡って形成された金属酸化物からなるチャネル膜とを備え、ソース電極およびドレイン電極は、チャネル膜に含まれる金属元素と同じ金属元素を少なくとも１種類以上含み、同じ金属元素のチャネル膜における濃度は、ソース電極およびドレイン電極とチャネル膜との界面部の方がそれ以外の部分よりも高く、かつ界面部から遠ざかるに従って連続的に低くなるように変化することを特徴とするため、高オン電流および高移動度が可能となる。

また、本発明によると、（ａ）絶縁性基板上の所定の位置にゲート電極を形成する工程と、（ｂ）ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成する工程と、（ｃ）ゲート絶縁膜上に離間してソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、（ｄ）離間した部分のゲート絶縁膜上からソース電極およびドレイン電極上に渡って金属酸化物からなるチャネル膜を形成する工程とを備え、工程（ｃ）は、ソース電極およびドレイン電極が、チャネル膜に含まれる金属元素と同じ金属元素を少なくとも１種類以上含むように形成し、（ｅ）工程（ｄ）の後、加熱処理を行い、ソース電極およびドレイン電極に含まれる金属元素をチャネル膜側に固液拡散する工程とを備えるため、高オン電流および高移動度が可能となる。

本発明の実施の形態１による薄膜トランジスタの構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１による薄膜トランジスタの製造方法の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１による薄膜トランジスタの製造方法の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１による薄膜トランジスタの製造方法の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１による薄膜トランジスタの製造方法の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１による薄膜トランジスタの製造方法の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２による薄膜トランジスタの構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２による薄膜トランジスタの製造方法の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２による薄膜トランジスタの製造方法の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２による薄膜トランジスタの製造方法の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２による薄膜トランジスタの製造方法の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２による薄膜トランジスタの製造方法の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２による薄膜トランジスタの製造方法の一例を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。

＜実施の形態１＞
まず、本発明の実施の形態１による薄膜トランジスタの構成について説明する。

図１は、本実施の形態１による薄膜トランジスタの構成の一例を示す図である。図１に示すように、本実施の形態１による薄膜トランジスタは、ガラスなどの絶縁性基板１と、絶縁性基板１上の所定の位置に形成されたゲート電極２と、ゲート電極２上に形成されたゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上に離間して形成されたソース電極（第１ソース電極４、第２ソース電極６）およびドレイン電極（第１ドレイン電極５、第２ドレイン電極７）と、上記の離間した部分におけるゲート絶縁膜３上からソース電極（第１ソース電極４、第２ソース電極６）およびドレイン電極（第１ドレイン電極５、第２ドレイン電極７）上に渡って形成されたチャネル膜８とを備えている。また、第２ソース電極６とチャネル膜８との界面近傍（界面部）にはバリア層９が、第２ドレイン電極７とチャネル膜８との界面近傍（界面部）にはバリア層１０が形成されている。

第１ソース電極４および第１ドレイン電極５は、例えば、Ａｌ系合金の導電膜によって形成されている。

第２ソース電極６および第２ドレイン電極７は、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの少なくとも１種類以上の元素（金属元素）を含む導電膜によって形成されている。

チャネル膜８は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体（金属酸化物）によって形成されており、例えば、ＩｎＧａＺｎＧａＯ４（−ｘ）（ただし、ｘ＜１）を用いる。当該ＩｎＧａＺｎＧａＯ４（−ｘ）は、フェルミ準位が伝導体と価電子体とのバンドギャップの中央付近に存在する半導体としての特性を有する金属酸化膜である。

バリア層９，１０は、例えば、第２ソース電極６および第２ドレイン電極７に含まれるＩｎ、Ｇａ、Ｚｎの元素が、チャネル膜８に対して濃度勾配を有するように拡散された層である。また、バリア層９，１０は、チャネル膜８よりも酸素濃度が低いＩｎＧａＺｎＧａＯ４（−ｙ）（ただし、ｘ＜ｙ＜１）組成となっており、フェルミ準位が充分に縮退した金属酸化物の導電膜によって構成される。上記の酸素濃度は、バリア層９，１０において第２ソース電極６および第２ドレイン電極７側に近いほど低くなるような濃度勾配を有している。一方、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの濃度は、バリア層９，１０において第２ソース電極６および第２ドレイン電極７側に近いほど高くなるような濃度勾配を有している。すなわち、第２ソース電極６および第２ドレイン電極７とチャネル膜８とに共通して含まれる金属元素のチャネル膜８における濃度は、バリア層９，１０（界面部）の方がそれ以外の部分よりも高く、かつバリア層９，１０（界面部）から遠ざかるに従って連続的に低くなるように変化する。

次に、本実施の形態１による薄膜トランジスタの製造方法について説明する。以下、図２〜６を用いて各工程を詳細に説明する。

まず、図２に示す工程において、ガラスなどの絶縁性基板１を洗浄液または純水を用いて洗浄し、当該絶縁性基板１上に金属膜を成膜（形成）する。金属膜としては、例えば、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、Ｔｉ、Ａｌや、これらに他の物質を微量に添加した合金等を用いる。このうち、Ａｌ系の合金は、他の金属に比べて比抵抗値が低いため配線抵抗を低くすることができ、表示装置に用いる薄膜トランジスタの基板として好適である。

具体的に、本実施の形態１では、金属膜として３ａｔ％のＮｉを添加したＡｌ−３ａｔ％Ｎｉ合金膜を２００ｎｍの厚さで絶縁性基板１上に成膜する。ＡｌにＮｉを添加したＡｌＮｉ合金膜を用いることによって、ヒロック（膜の表面に発生する突起状の異常成長）を防止することができ、金属膜上に形成する膜の被覆特性（カバレッジ）を改善することができる。金属膜の成膜後、写真製版工程でフォトレジストパターンを形成し、当該フォトレジストパターンをマスクとしてリン酸を含む薬液で金属膜をエッチングする。エッチング後、フォトレジストパターンを除去して残った金属膜をゲート電極２として形成する。

次に、図３に示す工程において、化学的気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用い、約３５０℃の基板加熱条件下で、ゲート絶縁膜３であるＳｉＯ２膜を３００ｎｍの厚さでゲート電極２上に成膜する。

次に、図４に示す工程において、合金のような低抵抗の導電膜からなりチャネル膜８（後の工程で形成する）に含まれる金属元素を含まない第１金属膜（第１の導電膜）と、チャネル膜８に含まれている金属元素と同じ金属元素を少なくとも１種類以上含む導電膜からなる第２金属膜（第２の導電膜）とをゲート絶縁膜３上に順次成膜する。その後、写真製版工程でフォトレジストパターンを形成し、当該フォトレジストパターンをマスクとして第１金属膜および第２金属膜をエッチングする。エッチング後、フォトレジストパターンを除去して残った第１金属膜を第１ソース電極４および第１ドレイン電極５として形成し、第２金属膜を第２ソース電極６および第２ドレイン電極７として形成する。このとき、第２ソース電極６と第２ドレイン電極７との離間の幅は、第１ソース電極４と第１ドレイン電極５との離間の幅よりも広くしておくことが好ましい。

具体的に、本実施の形態１では、公知のＡｒガスを用いたＤＣスパッタリング法を用い、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎが原子量でそれぞれ１：１：１の比率で配合された合金膜を第１金属膜として５０ｎｍの厚さで、また、３ａｔ％のＮｉを添加したＡｌ−３ａｔ％Ｎｉ合金膜を第２金属膜として１５０ｎｍの厚さで順次成膜した後に、写真製版工程でフォトレジストパターンを形成し、当該フォトレジストパターンをマスクとしてリン酸を含む薬液で第１金属膜および第２金属膜を一括してエッチングする。エッチング後、フォトレジストパターンを除去して第１ソース電極４、第１ドレイン電極５、第２ソース電極６、および第２ドレイン電極７を形成する。このとき、第２ソース電極６と第２ドレイン電極７との離間の幅は、第１ソース電極４と第１ドレイン電極５との離間の幅よりもおよそ０．２μｍだけ広くなる。なお、当該離間の幅の差異は、０．２μｍに限ることはなく、少なくとも０．０１μｍ以上あればよい。また、幅の差異の上限は、薄膜トランジスタのサイズによって任意に決めることができ、エッチング時間によって幅を調整することが可能である。また、第２金属膜のみを選択的にエッチングすることができる薬液を用いて、第２金属膜のみに対して追加してエッチングすることによって上記の幅の差異を調整することも可能である。

ここで、第２ソース電極６と第２ドレイン電極７との離間の幅を、第１ソース電極４と第１ドレイン電極５との離間の幅よりも広くする理由について説明する。

薄膜トランジスタにおけるチャネル長Ｌは、チャネル部を挟んで対向するソース電極端とドレイン電極端との距離で規定される。本実施の形態１による薄膜トランジスタでは、第２ソース電極６および第２ドレイン電極７のそれぞれの端部（チャネル膜との界面部）に、金属元素を拡散したバリア層９，１０を形成する（後の工程で形成する）。バリア層９，１０は金属元素の濃度が連続的に変化した勾配を有するため、第２ソース電極６と第２ドレイン電極７とによってチャネル長Ｌを規定することは難しい。従って、確実にチャネル長Ｌを規定するためには、第２ソース電極６と第２ドレイン電極７との離間の幅を、第１ソース電極４と第１ドレイン電極５との離間の幅よりも広くする（すなわち、第１ソース電極４と第１ドレイン電極５との離間の幅を、第２ソース電極６と第２ドレイン電極７との離間の幅よりも狭くする）ことが好ましい。

なお、ソース電極およびドレイン電極は、本実施の形態のような２層でなく３層以上で形成してもよく、その場合もバリア層を形成する層は、チャネル長Ｌを規定する層よりも上記の離間の幅を広くすることが好ましい。

また、上記の理由から、ソース電極およびドレイン電極を形成する金属膜を、バリア層を含む単一層とするだけではチャネル長Ｌを明確に規定することが難しいため、本本実施の形態１による薄膜トランジスタのソース電極およびドレイン電極は、少なくともチャネル長Ｌを規定する層を含む少なくとも２層以上の金属膜の積層として形成することが好ましい。

次に、図５に示す工程において、ゲート絶縁膜８上から第２ソース電極６および第２ドレイン電極７に渡って酸化物半導体（金属酸化物）からなるチャネル膜８を形成する。

具体的に、本実施の形態１では、Ｉｎ：Ｚｎ：Ｇａ：Ｏが１：１：１：４の比率で混合された酸化物スパッタリングターゲットを用いて、アルゴン（Ａｒ）ガスに酸素ガス（Ｏ２）を添加した混合ガスを用いた公知のＤＣスパッタリング方式によって、ＩｎＧａＺｎＯ４−ｘ（ただし、ｘ＜１）の金属酸化膜を５０ｎｍの厚さで形成する。その後、写真製版工程でフォトレジストパターンを形成し、当該フォトレジストパターンをマスクとしてシュウ酸系の薬液でエッチングする。エッチング後、フォトレジストパターンを除去してチャネル膜６を形成する。

次に、図６に示す工程において、第２ソース電極６および第２ドレイン電極７とチャネル膜８との界面に、当該界面の抵抗を低減させるバリア層９，１０をそれぞれ形成する。

具体的に、本実施の形態１では、窒素雰囲気下で４００℃、３０分間、加熱処理することにより、第２ソース電極６および第２ドレイン電極７を構成するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系合金に含まれる、少なくともＩｎ、Ｇａ元素を溶融させる。当該溶融によって固液拡散反応が発生して、Ｉｎ、Ｇａ元素が第２ソース電極６および第２ドレイン電極７からチャネル膜８側の水平方向に向かって約１００ｎｍ程度拡散浸入し、バリア層９、ｌ０を形成する。

なお、本実施の形態１では、加熱温度を４００℃としたが、これに限定されるものではない。固液拡散反応を発生させるためには、拡散させる金属元素の溶融に必要な温度、すなわち融点以上の温度であればよい。例えば、Ｉｎであれば少なくとも１６０℃以上、また、Ｇａであれば少なくとも５０℃以上であればよい。本実施の形態１のように加熱温度を４５０℃以上にすれば、Ｚｎ元素も固液反応によって拡散浸入させることが可能である。元素の拡散浸入距離は、加熱温度の他に、加熱時間によって調整することができる。

また、本実施の形態１では、加熱処理を窒素雰囲気下で実施したが、これに限らず、例えば元素の周期表で１８族に属するヘリウム（Ｈｅ）、Ａｒなどの不活性ガス雰囲気下で実施することも可能である。大気中などの酸素を含むガス、あるいは水素を含むガス雰囲気下で加熱処理を行うと、酸化物半導体からなるチャネル膜６において酸化反応や還元反応が起こり、トランジスタ特性を損ねる恐れがあるため避けることが好ましい。ただし、図６に示す工程以降、例えば、チャネルを保護する絶縁膜（以下、チャネル保護膜とも称する）を形成（図示せず）した後に加熱処理をする場合は、特にガス雰囲気を規定する必要はない。

第２ソース電極６および第２ドレイン電極７に含まれる金属元素を加熱処理によって確実に溶融し、固液拡散反応を効率的に発生させるためには、予め第２ソース電極６および第２ドレイン電極７を構成する導電膜から金属元素を結晶粒や微結晶の状態で表面に析出させておくことが好ましい。例えば、本実施の形態１では、上述の図４に示す工程において、第１ソース電極４、第１ドレイン電極５、第２ソース電極６、および第２ドレイン電極７の形成後、２００℃以上の加熱処理を行うことによって第２ソース電極６および第２ドレイン電極７に含まれるＩｎ、Ｇａ、Ｚｎ元素の結晶粒を析出させることができる。あるいは、Ａｒガスのような不活性ガスによるプラズマを第２ソース電極６および第２ドレイン電極７に照射することによっても結晶粒を析出させることができる。

図６に示す工程の後、チャネル保護膜の形成を経て本実施の形態１による薄膜トランジスタが完成する（図示せず）。

なお、バリア層９，１０は、チャネル保護膜形成時のプロセス温度で形成することができる。例えば、化学的気相成長（ＣＶＤ）法を用い、約２００℃〜４５０℃の基板加熱条件下で、チャネル保護膜としてＳｉＯ２膜を成膜するとともに、バリア層９、ｌ０の形成を兼ねることが可能であり、この場合は加熱処理を省略することができて製造工程を簡略化することができる。

なお、本実施の形態１による薄膜トランジスタを表示装置用途とする場合は、チャネル保護膜に対してコンタクトホール穿孔し、さらに画素電極形成などの工程を経て、表示装置用の薄膜トランジスタとして完成させる（図示せず）。

以上のことから、本実施の形態１によれば、第２ソース電極６および第２ドレイン電極７とチャネル膜８とが拡散した界面領域であるバリア層９，１０は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの濃度がチャネル膜８よりも充分に高く、フェルミ準位が充分に縮退した金属酸化物導電膜であるＩｎＧａＺｎＯ４−ｙ（ただし、ｘ＜ｙ＜１）となり、かつ固液拡散反応であるために拡散速度が非常に速く進み、充分な拡散幅を有する。従って、不導体層を形成してトランジスタが動作しないという問題が生じることはない。また、第２ソース電極６および第２ドレイン電極７に含まれる金属元素の濃度は、第２ソース電極６および第２ドレイン電極７からチャネル膜８に向かって、グラデーション状に連続変化（高い濃度から低い濃度に変化）するため、フェルミ準位はチャネル膜８から第２ソース電極６および第２ドレイン電極７にかけてスムーズに伝導帯に近づき、最終的にフェルミ準位と伝導帯とが一致して第２ソース電極６および第２ドレイン電極７とチャネル膜８との界面でショットキー障壁が生じない。従って、薄膜トランジスタの第２ソース電極６および第２ドレイン電極７とチャネル膜８との界面は良好なコンタクト特性を示し、結果として薄膜トランジスタの電気特性（高オン電流、高移動度）の向上に寄与する。

なお、本実施の形態１の変形例としては、第１ソース電極４、第１ドレイン電極５、第２ソース電極６、および第２ドレイン電極７とチャネル膜８との形成位置を上下層で逆転させた構成が考えられる。すなわち、チャネル膜６を形成した後に、当該チャネル膜６上に第１ソース電極４、第１ドレイン電極５、第２ソース電極６を形成した薄膜トランジスタの構成である。

このような構成の場合、本実施の形態１の特徴であるバリア層９，１０は、チャネル膜６上に形成される第１ソース電極４および第１ドレイン電極との界面に形成されることになるため、チャネル膜８のチャネル長Ｌを明確に制御（規定）することが難しい。従って、本実施の形態１で説明した構成（図１参照）とすることが好ましい。

＜実施の形態２＞
まず、本発明の実施の形態２による薄膜トランジスタの構成について説明する。

図７は、本実施の形態２による薄膜トランジスタの構成の一例を示す図である。

図７に示すように、本実施の形態２による薄膜トランジスタは、絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１上の所定の位置に形成された金属酸化物からなるチャネル膜１２と、チャネル膜１２上に形成されたゲート絶縁膜１３と、ゲート絶縁膜１３上であって、チャネル膜１２が形成された箇所に形成されたゲート電極１４と、ゲート電極１４の両側に、チャネル膜１２の表面が露出するようにゲート絶縁膜１３（１３ａ〜１３ｃ）を貫通して形成された複数のコンタクトホール１８ａ，１８ｂと、チャネル膜１２に含まれる金属元素と同じ金属元素を少なくとも１種類以上含み、コンタクトホール１８ａ，１８ｂのそれぞれを充填するとともにゲート絶縁膜１３上に形成されたソース電極１５およびドレイン電極１６とを備える。また、ソース電極１５とチャネル膜１２との界面近傍（界面部）にはバリア層１７が、ドレイン電極１６とチャネル膜１２との界面近傍（界面部）にはバリア層１８が形成されている。

チャネル膜１２は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体（金属酸化物）によって形成されており、例えば、ＩｎＧａＺｎＧａＯ４（−ｘ）（ただし、ｘ＜１）を用いる。当該ＩｎＧａＺｎＧａＯ４（−ｘ）は、フェルミ準位が伝導体と価電子体とのバンドギャップの中央付近に存在する半導体としての特性を有する金属酸化膜である。

ゲート絶縁膜１３ａ，１３ｂ，１３ｃ（以下、総称して単にゲート絶縁膜１３とも称する）は、ＳｉＯ２によって形成されている。

ゲート電極１４は、Ａｌ合金によって形成されている。

ソース電極１５およびドレイン電極１６は、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの少なくとも１種類以上の元素（金属元素）を含む導電膜によって形成されている。

バリア層１７，１８は、例えば、ソース電極１５およびドレイン電極１６に含まれるＩｎ、Ｇａ、Ｚｎの元素が、チャネル膜１２に対して濃度勾配を有するように拡散された層である。また、バリア層１７，１８は、チャネル膜１２よりも酸素濃度が低いＩｎＧａＺｎＧａＯ４（−ｙ）（ただし、ｘ＜ｙ＜１）組成となっており、フェルミ準位が充分に縮退した金属酸化物の導電膜によって構成される。上記の酸素濃度は、バリア層１７，１８においてソース電極１５およびドレイン電極１６側に近いほど低くなるような濃度勾配を有している。一方、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの濃度は、バリア層１７，１８においてソース電極１５およびドレイン電極１６側に近いほど高くなるような濃度勾配を有している。すなわち、ソース電極１５およびドレイン電極１６とチャネル膜１２とに共通して含まれる金属元素のチャネル膜１２における濃度は、バリア層１７，１８（界面部）の方がそれ以外の部分よりも高く、かつバリア層１７，１８（界面部）から遠ざかるに従って連続的に低くなるように変化する。

次に、本実施の形態２による薄膜トランジスタの製造方法について説明する。以下、図８〜１３を用いて各工程を詳細に説明する。

まず、図８に示す工程において、ガラスなどの絶縁性基板１１を洗浄液または純水を用いて洗浄し、当該絶縁性基板１１上に酸化物半導体（金属酸化物）からなるチャネル膜１２を形成する。

具体的に、本実施の形態１では、Ｉｎ：Ｚｎ：Ｇａ：Ｏが１：１：１：４の比率で混合された酸化物スパッタリングターゲットを用いて、アルゴン（Ａｒ）ガスに酸素ガス（Ｏ２）を添加した混合ガスを用いた公知のＤＣスパッタリング方式によって、ＩｎＧａＺｎＯ４−ｘ（ただし、ｘ＜１）の金属酸化膜を５０ｎｍの厚さで形成する。その後、写真製版工程でフォトレジストパターンを形成し、当該フォトレジストパターンをマスクとしてシュウ酸系の薬液でエッチングする。エッチング後、フォトレジストパターンを除去してチャネル膜１２を形成する。

次に、図９に示す工程において、化学的気相成長（ＣＶＤ）法を用い、約３５０℃の基板加熱条件下で、ゲート絶縁膜１３であるＳｉＯ２膜を１００ｎｍの厚さでチャネル膜１２上に成膜する。

次に、図１０に示す工程において、金属膜として３ａｔ％のＮｉを添加したＡｌ−３ａｔ％Ｎｉ合金膜を１００ｎｍの厚さでゲート絶縁膜１３上に成膜する。ＡｌにＮｉを添加したＡｌＮｉ合金膜を用いることによって、ヒロック（膜の表面に発生する突起状の異常成長）を防止することができ、金属膜上に形成する膜の被覆特性（カバレッジ）を改善することができる。金属膜の成膜後、写真製版工程でフォトレジストパターンを形成し、当該フォトレジストパターンをマスクとしてリン酸を含む薬液で金属膜をエッチングする。エッチング後、フォトレジストパターンを除去して残った金属膜をゲート電極１４として形成する。

次に、図１１に示す工程において、写真製版工程でフォトレジストパターンを形成した後、例えば、ＣＨＦ３ガスとＯ２ガスを用いたリアクティブイオンエッチング法によってコンタクトホール１８ａ，１８ｂを形成して、ゲート絶縁膜１３を図１１に示すようにゲート絶縁膜１３ａ，１３ｂ，１３ｃの形状に加工した後、フォトレジストパターンの除去を行う。

次に、図１２に示す工程において、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎが原子量でそれぞれ１：１：１の比率で配合された合金膜を１５０ｎｍの厚さ成膜した後に、写真製版工程でフォトレジストパターンを形成し、当該フォトレジストパターンをマスクとしてリン酸を含む薬液でエッチングする。エッチング後、フォトレジストパターンを除去してソース電極１５およびドレイン電極１６を形成する。このとき、ソース電極１５およびドレイン電極１６のそれぞれは、コンタクトホール１８ａ，１８ｂを充填するように形成される。

次に、図１３に示す工程において、ソース電極１５およびドレイン電極１６とチャネル膜１２との界面に、当該界面の抵抗を低減させるバリア層１７，１８をそれぞれ形成する。

具体的に、本実施の形態２では、窒素雰囲気下で４００℃、１０分間、加熱処理することにより、ソース電極１５およびドレイン電極１６を構成するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系合金に含まれる、少なくともＩｎ、Ｇａ元素を溶融させる。当該溶融によって固液拡散反応が発生して、Ｉｎ、Ｇａ元素がソース電極１５およびドレイン電極１６からチャネル膜１２側に向かって膜厚（垂直）方向に２０ｎｍ程度拡散浸入し、バリア層１７、ｌ８を形成する。

なお、本実施の形態２では、加熱温度を４００℃としたが、これに限定されるものではない。固液拡散反応を発生させるためには、拡散させる金属元素の溶融に必要な温度、すなわち融点以上の温度であればよい。例えば、Ｉｎであれば少なくとも１６０℃以上、また、Ｇａであれば少なくとも５０℃以上であればよい。本実施の形態２のように加熱温度を４５０℃以上にすれば、Ｚｎ元素も固液反応によって拡散浸入させることが可能である。元素の拡散浸入距離は、加熱温度の他に、加熱時間によって調整することができる。

また、本実施の形態２では、ソース電極１５およびドレイン電極１６のそれぞれを単層とするのではなく、ソース電極１５およびドレイン電極１６上に、例えば合金膜からなる導電膜を形成した積層として構成してもよい。この場合、ソース電極１５およびドレイン電極１６の電気抵抗を低減させることができる。

図１３に示す工程の後、チャネル保護膜の形成を経て本実施の形態２による薄膜トランジスタが完成する（図示せず）。

なお、バリア層１７，１８は、チャネル保護膜形成時のプロセス温度で形成することができる。例えば、化学的気相成長（ＣＶＤ）法を用い、約２００℃〜４５０℃の基板加熱条件下で、チャネル保護膜としてＳｉＯ２膜を成膜するとともに、バリア層１７、ｌ８の形成を兼ねることが可能であり、この場合は加熱処理を省略することができて製造工程を簡略化することができる。

なお、本実施の形態２による薄膜トランジスタを表示装置用途とする場合は、チャネル保護膜に対してコンタクトホール穿孔し、さらに画素電極形成などの工程を経て、表示装置用の薄膜トランジスタとして完成させる（図示せず）。

以上のことから、本実施の形態２によれば、ソース電極１５およびドレイン電極１６とチャネル膜１２とが拡散した界面領域であるバリア層１７，１８は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの濃度がチャネル膜１２よりも充分に高く、フェルミ準位が充分に縮退した金属酸化物導電膜であるＩｎＧａＺｎＯ４−ｙ（ただし、ｘ＜ｙ＜１）となり、かつ固液拡散反応であるために拡散速度が非常に速く進み、充分な拡散幅を有する。従って、不導体層を形成してトランジスタが動作しないという問題が生じることはない。また、ソース電極１５およびドレイン電極１６に含まれる金属元素の濃度は、ソース電極１５およびドレイン電極１６からチャネル膜１２に向かって、グラデーション状に連続変化（高い濃度から低い濃度に変化）するため、フェルミ準位はチャネル膜１２からソース電極１５およびドレイン電極１６にかけてスムーズに伝導帯に近づき、最終的にフェルミ準位と伝導帯とが一致してソース電極１５およびドレイン電極１６とチャネル膜１２との界面でショットキー障壁が生じない。従って、薄膜トランジスタのソース電極１５およびドレイン電極１６とチャネル膜１２との界面は良好なコンタクト特性を示し、結果として薄膜トランジスタの電気特性（高オン電流、高移動度）の向上に寄与する。

なお、本実施の形態１，２では、ソース電極およびドレイン電極としてＩｎ、Ｇａ、Ｚｎを含む金属膜を用いたが、これに限るものではない。

例えば、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３＋ＺｎＯ）や、ＧＺＯ（Ｇａ２Ｏ３＋ＺｎＯ）、ＩＧＯ（Ｉｎ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３）のような公知の酸化物透明導電膜を用いることもできる。これらの酸化物は、強いイオン性結合によって金属元素を析出させることは難しいが、例えば、これらの酸化物導電膜を形成後、水素（Ｈ２）やアンモニア（ＮＨ３）などの水素を含む雰囲気下で２００℃〜４５０℃の加熱処理を行い、あるいは、Ｈ２やＮＨ３などの水素元素を含むガスによるプラズマ照射を行うことによって、酸化導電膜の表面を還元して金属のＩｎ、Ｇａ、Ｚｎ元素を析出させることができる。従って、後工程（ソース電極およびドレイン電極形成後の工程）での加熱処理によって容易に固液拡散反応によるバリア層を形成することが可能である。

また、上記の他に、例えば、ＣｕＧａ合金やＣｕＧａＩｎ合金からなる導電膜を用いることができる。このような合金膜は、成膜直後に加熱処理をしなくてもＧａ、Ｉｎ金属元素を膜の表面に析出させることができるため、効率的に固液拡散反応によるバリア層を形成することができる。さらに、Ｃｕ元素を含むため単層膜構成で 電極を低抵抗化することが可能である。

また、本実施形態１，２では、チャネル膜としてＩｎＧａＺｎ系の酸化物半導体を用いたが、これに限るものではない。例えば、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｏ、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏなど、さらに種々の金属ドーパントを添加した酸化物半導体を用いることも可能である。

また、本実施の形態１，２では、金属酸化物半導体膜と金属電極膜とに共通の金属元素を含み、当該金属元素の濃度が金属酸化物半導体膜から金属電極膜にかけて連続的に高くなっていることを特徴としている。また、その製造方法は、金属酸化物半導体膜と金属電極膜との界面において、金属電極膜が溶融することによる固液拡散現象を利用したものである。これらの特徴を利用できる構成物や製造方法である限り、上記の実施の形態１，２に限定されるものではない。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 絶縁性基板、２ ゲート電極、３ ゲート絶縁膜、４ 第１ソース電極、５ 第１ドレイン電極、６ 第２ソース電極、７ 第２ドレイン電極、８ チャネル膜、９，１０ バリア層、１１ 絶縁性基板、１２ チャネル膜、１３ ゲート絶縁膜、１４ ゲート電極、１５ ソース電極、１６ ドレイン電極、１７，１８ バリア層。

Claims (8)

1. 絶縁性基板と、
   前記絶縁性基板上の所定の位置に形成されたゲート電極と、
   前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に離間して形成されたソース電極およびドレイン電極と、
   前記離間した部分の前記ゲート絶縁膜上から前記ソース電極および前記ドレイン電極上に渡って形成された金属酸化物からなるチャネル膜と、
   を備え、
   前記ソース電極および前記ドレイン電極は、前記チャネル膜に含まれる金属元素と同じ金属元素を少なくとも１種類以上含み、
   前記同じ金属元素の前記チャネル膜における濃度は、前記ソース電極および前記ドレイン電極と前記チャネル膜との界面部の方がそれ以外の部分よりも高く、かつ前記界面部から遠ざかるに従って連続的に低くなるように変化することを特徴とする、薄膜トランジスタ。
2. 前記ソース電極および前記ドレイン電極のそれぞれは、前記チャネル膜に含まれる前記金属元素を含まない第１の導電膜と、前記チャネル膜に含まれる前記金属元素と同じ金属元素を少なくとも１種類以上含む第２の導電膜とを有する少なくとも２層以上の積層で形成され、
   前記第２の導電膜の前記離間の幅は、前記第１の導電膜の前記離間の幅よりも広いことを特徴とする、請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
3. （ａ）絶縁性基板上の所定の位置にゲート電極を形成する工程と、
   （ｂ）前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
   （ｃ）前記ゲート絶縁膜上に離間してソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
   （ｄ）前記離間した部分の前記ゲート絶縁膜上から前記ソース電極および前記ドレイン電極上に渡って金属酸化物からなるチャネル膜を形成する工程と、
   を備え、
   前記工程（ｃ）は、前記ソース電極および前記ドレイン電極が、前記チャネル膜に含まれる金属元素と同じ金属元素を少なくとも１種類以上含むように形成し、
   （ｅ）前記工程（ｄ）の後、加熱処理を行い、前記ソース電極および前記ドレイン電極に含まれる前記金属元素を前記チャネル膜側に固液拡散する工程と、
   を備える、薄膜トランジスタの製造方法。
4. 前記工程（ｃ）は、前記ソース電極および前記ドレイン電極のそれぞれを、前記チャネル膜に含まれる前記金属元素を含まない第１の導電膜と、前記チャネル膜に含まれる前記金属元素と同じ金属元素を少なくとも１種類以上含む第２の導電膜とを有する少なくとも２層以上の積層で形成し、
   前記第２の導電膜の前記離間の幅は、前記第１の導電膜の前記離間の幅よりも広いことを特徴とする、請求項３に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
5. 前記工程（ｅ）において、
   前記加熱処理は、前記金属元素の融点以上の温度で行われることを特徴とする、請求項３または４に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
6. 絶縁性基板と、
   前記絶縁性基板上の所定の位置に形成された金属酸化物からなるチャネル膜と、
   前記チャネル膜上に形成されたゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上であって、前記チャネル膜が形成された箇所に形成されたゲート電極と、
   前記ゲート電極の両側に、前記チャネル膜の表面が露出するように前記ゲート絶縁膜を貫通して形成された複数のコンタクトホールと、
   前記チャネル膜に含まれる金属元素と同じ金属元素を少なくとも１種類以上含み、前記コンタクトホールのそれぞれを充填するとともに前記ゲート絶縁膜上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、
   を備え、
   前記同じ金属元素の前記チャネル膜における濃度は、前記ソース電極および前記ドレイン電極と前記チャネル膜との界面部の方がそれ以外の部分よりも高く、かつ前記界面部から遠ざかるに従って連続的に低くなるように変化することを特徴とする、薄膜トランジスタ。
7. （ａ）前記絶縁性基板上の所定の位置に金属酸化物からなるチャネル膜を形成する工程と、
   （ｂ）前記チャネル膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
   （ｃ）前記ゲート絶縁膜上であって、前記チャネル膜が形成された箇所にゲート電極を形成する工程と、
   （ｄ）前記ゲート電極の両側に、前記チャネル膜の表面が露出するように前記ゲート絶縁膜を貫通して複数のコンタクトホールを形成する工程と、
   （ｅ）前記チャネル膜に含まれる金属元素と同じ金属元素を少なくとも１種類以上含み、前記コンタクトホールのそれぞれを充填するとともに前記ゲート絶縁膜上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
   （ｆ）前記工程（ｅ）の後、加熱処理を行い、前記ソース電極および前記ドレイン電極に含まれる前記金属元素を前記チャネル膜側に固液拡散する工程と、
   を備える、薄膜トランジスタの製造方法。
8. 前記工程（ｆ）において、
   前記加熱処理は、前記金属元素の融点以上の温度で行われることを特徴とする、請求項７に記載の薄膜トランジスタの製造方法。

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