JP2015191893A - 薄膜トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、良好なコンタクト特性を確保すること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、ｎ型の金属酸化物半導体からなる第１のチャネル層４０と、第１のチャネル層４０上に積層して形成された第２のソース・ドレイン電極７０とを備え、第１のチャネル層４０と第２のソース・ドレイン電極７０との界面には、予め定められた金属の硫化物が存在することを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】本発明による薄膜トランジスタは、ｎ型の金属酸化物半導体からなる第１のチャネル層４０と、第１のチャネル層４０上に積層して形成された第２のソース・ドレイン電極７０とを備え、第１のチャネル層４０と第２のソース・ドレイン電極７０との界面には、予め定められた金属の硫化物が存在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その製造方法に関する。
近年、金属の酸化物による半導体（以下、金属酸化物半導体という）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り半導体の性質を示す。特に、酸化亜鉛・酸化インジウム・酸化ガリウムなどを主成分とした金属酸化物半導体は、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。ここで、主成分とは、非主成分よりも全体に対して存在する割合が突出した成分のことをいい、例えば非主成分よりも数十倍以上の割合で存在する成分のことをいう。
また、このような金属酸化物半導体は、原子間の結合が不秩序なアモルファス状態であっても移動度が比較的高いという特徴を有し、低温でのスパッタ法で成膜することができるという特徴を有している。
上記の特徴を活かして、金属酸化物半導体、特に酸化インジウム・酸化ガリウム・酸化亜鉛系金属酸化物半導体は、大面積の表示ディスプレイに用いられる薄膜トランジスタのチャネルへの適用が試みられている。
また、昨今の薄膜トランジスタに用いられるソース・ドレイン電極およびソース・ドレイン配線では、表示パネルの大面積化および開口率の増大化のために低抵抗化が望まれており、アルミニウムを主成分とする合金が採用されている。また、最近では、より一層の低抵抗化を図るために、銅を主成分とする合金も採用されつつある。
従来、金属酸化物半導体とソース・ドレイン電極とを接続させる工程では、酸素濃度がコントロールされた雰囲気下で金属酸化物半導体を加熱することによって金属酸化物半導体中の酸素比率を適切に整え、その後、ソース・ドレイン電極となるアルミニウム合金あるいは銅合金をスパッタリング法によって成膜していた。
金属酸化物半導体を用いて薄膜トランジスタを構成すると、金属酸化物半導体と金属薄膜からなる電極とが接触するため、金属酸化物半導体中の酸素が電極中の金属と結合し、金属酸化物半導体中の酸素が電極に引き抜かれることになってしまう。その結果、金属酸化物半導体中の酸素が不足し、物性が変わって移動度が低下するという問題があった。
特に、チャネル層の上層部に保護膜を形成する工程では、金属酸化物半導体と電極とが高温に加熱されるため、電極による酸素の引き抜きの程度が大きくなる。また、電極によって金属酸化物半導体から酸素が引き抜かれた結果、ソース・ドレイン電極と金属酸化物半導体との界面には、ソース・ドレイン電極中の金属の酸化物が形成される。例えば、ソース・ドレイン電極にアルミニウム合金を使用した場合において、ソース・ドレイン電極と金属酸化物半導体との界面には不導体である酸化アルミニウムが形成され、コンタクト抵抗の上昇を招くという問題があった。
また、ソース・ドレイン電極に銅合金を使用した場合において、ソース・ドレイン電極と金属酸化物半導体との界面には、ｐ型である酸化銅が形成される。一般的に、酸化亜鉛・酸化インジウム・酸化ガリウムなどを主成分とする金属酸化物半導体はｎ型であるため、ソース・ドレイン電極と金属酸化物半導体との界面にはｐｎ接合が形成され、コンタクト特性の不良を招くという問題があった。
一方、金属酸化物半導体は、透明導電膜として液晶ディスプレイの画素電極に使用されており、画素電極とソース・ドレイン電極との接続には、画素接続配線などの上層配線
が必要である。ここで、上層配線とは、画素電極とソース・ドレイン電極とを、当該画素電極およびソース・ドレイン電極の上層で接続するための配線のことをいう。このような構成において、ソース・ドレイン電極および上層配線にアルミニウム合金を使用すると、画素電極と上層配線との接続部に酸化アルミニウム皮膜が形成され、また、ソース・ドレイン電極と上層配線との接続部にも自然酸化膜由来の酸化アルミニウム皮膜が形成され、これらの酸化アルミニウム皮膜がコンタクト抵抗を上昇させる要因となっていた。
が必要である。ここで、上層配線とは、画素電極とソース・ドレイン電極とを、当該画素電極およびソース・ドレイン電極の上層で接続するための配線のことをいう。このような構成において、ソース・ドレイン電極および上層配線にアルミニウム合金を使用すると、画素電極と上層配線との接続部に酸化アルミニウム皮膜が形成され、また、ソース・ドレイン電極と上層配線との接続部にも自然酸化膜由来の酸化アルミニウム皮膜が形成され、これらの酸化アルミニウム皮膜がコンタクト抵抗を上昇させる要因となっていた。
上記の問題の対策として、従来、ソース・ドレイン電極と金属酸化物半導体層との間に、金属酸化物半導体層よりもキャリア濃度が高いインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む金属酸化物半導体層などの金属酸化物層をバッファ層として形成する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１では、金属酸化物層中の酸化物が絶縁物あるいはｐ型半導体となる金属である場合には、良好なコンタクト特性を確保することができない。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、良好なコンタクト特性を確保すること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、ｎ型の金属酸化物半導体からなるｎ型金属酸化物半導体層と、ｎ型金属酸化物半導体層上に積層して形成された予め定められた金属を主成分とする層とを備え、ｎ型金属酸化物半導体層と予め定められた金属を主成分とする層との界面には、予め定められた金属の硫化物が存在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）ｎ型の金属酸化物半導体からなるｎ型金属酸化物半導体層を形成する工程と、（ｂ）ｎ型金属酸化物半導体層に対して６弗化硫黄ガスを用いたプラズマ照射を行う工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、ｎ型金属酸化物半導体層のプラズマ照射を行った面上に予め定められた金属を主成分とする層を形成する工程とを備える。
また、本発明による薄膜トランジスタは、アルミニウムを主成分とする第１の配線層と、第１の配線層上に積層して形成された金属からなる第２の配線層とを備え、第１の配線層と第２の配線層との界面には、硫化アルミニウムが存在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）アルミニウムを主成分とする第１の配線層を形成する工程と、（ｂ）第１の配線層に対して６弗化硫黄ガスを用いたプラズマ照射を行う工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、第１の配線層のプラズマ照射を行った面上に金属からなる第２の配線層を形成する工程とを備える。
本発明によると、薄膜トランジスタは、ｎ型の金属酸化物半導体からなるｎ型金属酸化物半導体層と、ｎ型金属酸化物半導体層上に積層して形成された予め定められた金属を主成分とする層とを備え、ｎ型金属酸化物半導体層と予め定められた金属を主成分とする層との界面には、予め定められた金属の硫化物が存在するため、良好なコンタクト特性を確保することが可能となる。
また、薄膜トランジスタの製造方法は、（ａ）ｎ型の金属酸化物半導体からなるｎ型金属酸化物半導体層を形成する工程と、（ｂ）ｎ型金属酸化物半導体層に対して６弗化硫黄ガスを用いたプラズマ照射を行う工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、ｎ型金属酸化物半導体層のプラズマ照射を行った面上に予め定められた金属を主成分とする層を形成する工程とを備えるため、良好なコンタクト特性を確保することが可能となる。
また、薄膜トランジスタは、アルミニウムを主成分とする第１の配線層と、第１の配線層上に積層して形成された金属からなる第２の配線層とを備え、第１の配線層と第２の配線層との界面には、硫化アルミニウムが存在するため、良好なコンタクト特性を確保することが可能となる。
また、薄膜トランジスタの製造方法は、（ａ）アルミニウムを主成分とする第１の配線層を形成する工程と、（ｂ）第１の配線層に対して６弗化硫黄ガスを用いたプラズマ照射を行う工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、第１の配線層のプラズマ照射を行った面上に金属からなる第２の配線層を形成する工程とを備えるため、良好なコンタクト特性を確保することが可能となる。
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。
＜基本原理＞
まず、本発明の基本原理となる技術について説明する。
まず、本発明の基本原理となる技術について説明する。
標準状態で固体物質である場合において、化学結合エネルギーの大小関係は、標準生成エンタルピーの大小関係と同じである。
ここで、酸化銅（ＣｕＯ２）の標準生成エンタルピーは−３９．８４ｋｃａｌ／ｍｏｌ、硫化銅（代表例としてＣｕＳ）の標準生成エンタルピーは−１１．０６ｋｃａｌ／ｍｏｌ、酸化アルミニウム（コランダム型Ａｌ２Ｏ３）の標準生成エンタルピーは−３９９．０９ｋｃａｌ／ｍｏｌ、硫化アルミニウム（Ａｌ２Ｓ３）の標準生成エンタルピーは−１２１．６ｋｃａｌ／ｍｏｌである。
上記の物質の場合は、標準生成エンタルピーの値が低い程、化学結合エネルギーが強く、化学反応が起こりやすいと考えて差し支えない。
例えば、単体の銅が酸素と結びついて酸化銅になる場合における酸化銅のなりやすさが−３９．８４であり、硫化銅が硫黄と銅とに分解し、分解した銅が酸素と結合して酸化銅になる場合における酸化銅のなりやすさは−３９．８４−（−１１．０６）＝−２８．７８であると考えればよい。このように、単体の銅と硫化銅とを比較すると、硫化銅の方が明らかに酸素と結合しにくく、酸化反応が起きにくい（酸化されにくい）ことが分かる。
同様に、単体のアルミニウムが酸素と結合して酸化アルミニウムになる場合における酸化アルミニウムのなりやすさが−３９９．０９であり、硫化アルミニウムが硫黄とアルミニウムとに分解し、分解したアルミニウムが酸素と結合して酸化アルミニウムになる場合における酸化アルミニウムのなりやすさは−３９９．０９−（−１２１．６）＝−２７７．４９であると考えればよい。このように、単体のアルミニウムと硫化アルミニウムとを比較すると、硫化アルミニウムの方が酸化されにくいことが分かる。
上記の原理に基づいて、薄膜トランジスタにおけるソース・ドレイン電極を硫化銅あるいは硫化アルミニウムにすることによって、ソース・ドレイン電極に含まれる金属元素が、金属酸化物半導体に含まれる酸素原子を引き抜くことを防止し酸素引き抜きに由来する金属酸化物半導体の特性低下や、ソース・ドレイン電極と金属酸化物半導体との界面部分にｐ型半導体である酸化銅あるいは不導体である酸化アルミニウムが形成されることを防止し、コンタクト抵抗の低減が可能となる。
また、硫化銅あるいは硫化アルミニウムを、アルミニウム合金同士を接続する接続部分に適用することによって、配線接続部に不導体である酸化アルミニウム皮膜が形成されることを防止し、例えばバンドギャップ４．１ｅＶのｎ型半導体である硫化アルミニウムを介してアルミニウム合金同士が接続されるため、良好なコンタクト特性を確保することができる。
以下の実施の形態１〜３では、硫化銅あるいは硫化アルミニウムを、ソース・ドレイン電極やアルミニウム合金同士を接続する接続部分に適用した薄膜トランジスタについて説明する。
＜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。
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、薄膜トランジスタは、ガラスなどの透明絶縁性基板１０と、ゲート電極２０と、ＳｉＯ２からなるゲート絶縁膜３０と、第１のチャネル層４０（ｎ型金属酸化物半導体層）と、第２のチャネル層５０と、第１のソース・ドレイン電極６０と、第２のソース・ドレイン電極７０とを備えている。
第１のチャネル層４０は、ｎ型の金属酸化物半導体であるＩｎＧａＺｎＯ４で構成されている。
第２のチャネル層５０は、金属酸化物半導体であるＩｎＧａＺｎＯ４が、硫化インジウム、硫化ガリウム、硫化亜鉛などの硫化物半導体によって少なくとも一種類の金属元素が固溶あるいは置換された物質で構成されている半導体膜である。
第１のソース・ドレイン電極６０は、ｎ型半導体あるいは良導体の特性を示す金属硫化物、例えば硫化銅で構成されている。すなわち、第１のソース・ドレイン電極６０は、硫化銅（予め定められた金属の硫化物）を主成分としている。
ここで、硫化銅における硫黄と銅との組成比について説明する。
一般的に、硫化銅は、Ｃｕ２Ｓ（硫化銅（I））およびＣｕＳ（硫化銅（II））の２種類が広く知られている。実際には、天然に産出する硫化銅鉱物だけでもＣｕ２Ｓ（輝銅鉱）、Ｃｕ１．９７Ｓ（デュレアイト）、Ｃｕ３９Ｓ２８（スピオコープ鉱）、ＣｕＳ（コベリン）、Ｃｕ７Ｓ８（阿仁鉱）など、Ｃｕ２ＳとＣｕＳとの間には多彩な組成比の組み合わせがあることが知られている。また、後述から分かるように、実際の硫黄濃度は、ソース・ドレイン電極とチャネル層との界面から離れるに従って徐々に減少する。従って、本実施の形態１では、ソース・ドレイン電極とチャネル層との界面において、銅と硫黄とのモル比が２：１〜７：８の範囲を満たす領域に硫化銅が存在するものとする。
第２のソース・ドレイン電極７０は、銅（予め定められた金属）を主成分とした合金で構成されている。
次に、薄膜トランジスタの製造方法について、図２〜１０を参照して説明する。
図２において、透明絶縁性基板１０を洗浄液または純水を用いて洗浄し、金属膜（図示せず）を成膜する。金属膜としては、例えばＣｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｗ、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る。従って、Ａｌ系の合金は、液晶表示装置用のＴＦＴ（Thin Film Transistor、薄膜トランジスタ）基板への用途として好ましい。
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合金を、公知のアルゴン（Ａｒ）ガスを用いたスパッタリング法によって２００ｎｍの厚さで成膜する。その後、第１回目の写真製版工程でフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとして公知のリン酸＋硝酸＋酢酸を含む溶液でウェットエッチングした後にフォトレジストパターンを除去し、図３に示すようなゲート電極２０を形成する。
図４において、化学的気相成膜（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法を用い、約４５０℃（摂氏、以下同様）の基板加熱条件下で、ゲート絶縁膜３０としてＳｉＯ２膜を３００ｎｍ成膜する。
図５において、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化ガリウム（β−Ｇａ２Ｏ３）、および酸化亜鉛（ＺｎＯ）の微粉末をモル比で１：２：２となるように調製後、有機系バインダーを混ぜて圧縮整形後、仮焼成および本焼成を経て得られたスパッタリングターゲットを用い、Ａｒに少量の酸素を混合したガスを用いてＤＣスパッタリングすることによってＩｎＧａＺｎＯ４からなる薄膜４１を２００ｎｍ成膜する。
なお、図５に示す工程において、例えば、成膜にはＩｎＧａＺｎ合金ターゲットを用い、アルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスをスパッタガスに使用して、反応性スパッタリングにより所望の膜を成膜するようにしてもよい。
図６において、第２回目の写真製版工程でフォトレジストパターンを形成後、８０℃に加熱したリン酸と硝酸と酢酸とでエッチングを行い、その後フォトレジストを剥離することによって、逆スタガ型薄膜トランジスタのチャネルとなる第１のチャネル層４０を形成する。
図７において、透明絶縁性基板１０の第１のチャネル層４０側の上方から、６弗化硫黄（ＳＦ６）ガスプラズマを照射する。プラズマ照射は、平行平板型ドライエッチング装置を使用し、アノードカップリングにてガス圧力３０Ｐａ、パワー密度１．６４ワット／平方センチメートルで９０秒間行う。
６弗化硫黄プラズマ処理によるフッ素ラジカルによって、第１のチャネル層４０の表面に僅かに残存していたフォトレジストは分解して気化することで除去され、図７に示すように、第１のチャネル層４０の表面には、６弗化硫黄プラズマから発生する硫黄ラジカルに由来する硫黄原子層６１が０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度の範囲で極薄く堆積する。
図８において、銅合金によるターゲットを用い、基板温度１００℃で、ＤＣスパッタリング法によって銅合金膜７１からなる配線膜を２００ｎｍ成膜する。
図９において、第３回目の写真製版工程によりフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとして過酸化水素水などをエッチング溶液に用いたウェットエッチング法で銅合金膜７１をエッチングし、その後、レジスト剥離工程を行うことによって、第２のソース・ドレイン電極７０を形成する。
図１０において、透明絶縁性基板１０の第２のソース・ドレイン電極７０側の上方から酸素プラズマ照射（Ｏ２プラズマ照射）を行い、ゲート絶縁膜３０および第１のチャネル層４０上であって、第２のソース・ドレイン電極７０が形成されてない箇所に残存する硫黄原子層６１を除去する。
ここで、酸化インジウム系の金属酸化物半導体は、成膜時や成膜後において、酸素雰囲気を制御して酸化物状態での酸素原子を僅かに欠損させることと、インジウムにより価数の大きい陽イオンとなり得る金属をドーパントとして導入させることとを行うことによって、金属酸化物半導体の内部に余剰電子を生み出し、これがキャリアとなってｎ型半導体の性質を示す。
従って、第１のチャネル層４０のうち、ゲート絶縁膜３０から離れた位置に存在し、かつゲート電極２０からの電界がほとんど及ばない第１のチャネル層４０の表面に対して酸素プラズマを照射することは、単に硫黄原子を除去するのみならず、金属酸化物半導体からなる第１のチャネル層４０の表面の酸素欠陥を修復しキャリア数を低減させることによって、薄膜トランジスタのオフ電流を低減させる効果も得られる。
酸素プラズマ照射処理の後、図１０に示す薄膜トランジスタ基板を、大気雰囲気下において３００℃で１２０分間加熱し、第１のチャネル層４０と第２のソース・ドレイン電極７０との間に存在する硫黄原子層６１を拡散させる。
その結果、第１のチャネル層４０と第２のソース・ドレイン電極７０との界面における第１のチャネル層４０側には、ＩｎＧａＺｎＯ４と、硫化インジウム、硫化ガリウム、および硫化亜鉛との固溶体層が形成され、これが第２のチャネル層５０となる。
また、第１のチャネル層４０と第２のソース・ドレイン電極７０との界面における第２のソース・ドレイン電極７０側には、硫化銅が形成され、これが第１のソース・ドレイン電極６０となる。
以降、保護膜形成、コンタクトホール穿孔、画素電極形成などの工程が続くが、これらは通常のＴＦＴ形成プロセスと同じであるので省略する。
以上のことから、本実施の形態１によれば、薄膜トランジスタの第１のチャネル層４０と第２のソース・ドレイン電極７０との界面において、ＩｎＧａＺｎＯ４と硫化インジウム、硫化ガリウム、および硫化亜鉛との固溶体である第２のチャネル層５０と、良導体あるいはｎ型半導体の硫化銅を主成分とする第１のソース・ドレイン電極６０とが形成されるため、第１のチャネル層４０と第２のソース・ドレイン電極７０との導通を確保することができる。
ここで、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）の標準生成エンタルピーは−２２１．５ｋｃａｌ／ｍｏｌ、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）の標準生成エンタルピーは−２５７．５ｋｃａｌ／ｍｏｌ、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の標準生成エンタルピーは−８３．１７ｋｃａｌ／ｍｏｌであり、硫化インジウム（ＩｎＳ）の標準生成エンタルピーは−４０．３ｋｃａｌ／ｍｏｌ、硫化ガリウム（ＧａＳ）の標準生成エンタルピーは−５６．４ｋｃａｌ／ｍｏｌ、硫化亜鉛（ＺｎＳ）の標準生成エンタルピーは−４８．５ｋｃａｌ／ｍｏｌである。
従って、第２のチャネル層５０は、第１のチャネル層４０から第２のソース・ドレイン電極７０に酸素が移動することを防ぐバリア膜としての役割を果たす効果もある。
また、図７において、プラズマ照射ガスに６弗化硫黄を使用すると、解離したプラズマのほとんどが硫黄ラジカルおよびフッ素ラジカルであり、イオンとなって解離しない。従って、第１のチャネル層４０にイオン衝撃を与えず、プラズマダメージを及ぼさないというメリットがある。
これらのことから、薄膜トランジスタの動作時における酸素欠損を防止し、薄膜トランジスタの閾値シフトなどといった信頼性の低下を回避することができる。すなわち、良好なコンタクト特性を確保した薄膜トランジスタを実現することが可能となる。
＜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。
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１１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１１に示すように、薄膜トランジスタは、ガラスなどの透明絶縁性基板１０と、ゲート電極２０と、ＳｉＯ２からなるゲート絶縁膜３０と、第１のチャネル層４０（ｎ型金属酸化物半導体層）と、第２のチャネル層５０と、第１のソース・ドレイン電極６２と、第２のソース・ドレイン電極７２とを備えている。
第１のチャネル層４０は、金属酸化物半導体であるＩｎＧａＺｎＯ４で構成されている。
第２のチャネル層５０は、金属酸化物半導体であるＩｎＧａＺｎＯ４が、硫化インジウム、硫化ガリウム、硫化亜鉛などの硫化物半導体によって少なくとも一種類の金属元素が固溶あるいは置換された物質で構成されている半導体膜である。
第１のソース・ドレイン電極６２は、硫化アルミニウム（予め定められた金属の硫化物）を主成分として構成されている。
一般的に、硫化アルミニウムの化学式はＡｌ２Ｓ３で表される。しかし、アルミニウムの硫化物は、厳格に定比例の組成を持つベルトナイド化合物ではなく、むしろ金属と硫黄との比率が不定比の組成をとるドルトナイド化合物である。また、後述から分かるように、実際の硫黄濃度は、ソース・ドレイン電極とチャネル層との界面から離れるに従って徐々に減少する。従って、本実施の形態２では、ソース・ドレイン電極から、ソース・ドレイン電極とチャネル層との界面を経由してチャネル層に至るまでの領域において、アルミニウムと硫黄とのモル比が少なくとも２：３を満たす領域に硫化アルミニウムが存在するものとする。
第２のソース・ドレイン電極７２は、アルミニウム（予め定められた金属）を主成分として構成されている。
次に、薄膜トランジスタの製造方法について、図１２〜２０を参照して説明する。
図１２において、透明絶縁性基板１０を洗浄液または純水を用いて洗浄し、金属膜（図示せず）を成膜する。金属膜としては、例えばＣｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｗ、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る。従って、Ａｌ系の合金は、液晶表示装置用のＴＦＴ（薄膜トランジスタ）基板への用途として好ましい。
その後、第１回目の写真製版工程でフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとして公知のリン酸＋硝酸＋酢酸を含む溶液でウェットエッチングした後にフォトレジストパターンを除去し、図１３に示すようなゲート電極２０を形成する。
図１４において、化学的気相成膜（ＣＶＤ）法を用い、約４５０℃の基板加熱条件下で、ゲート絶縁膜３０としてＳｉＯ２膜を３００ｎｍ成膜する。
図１５において、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化ガリウム（β−Ｇａ２Ｏ３）、および酸化亜鉛（ＺｎＯ）の微粉末をモル比で１：２：２となるように調製後、有機系バインダーを混ぜて圧縮整形後、仮焼成および本焼成を経て得られたスパッタリングターゲットを用い、Ａｒに少量の酸素を混合したガスを用いてＤＣスパッタリングすることによってＩｎＧａＺｎＯ４からなる薄膜４１を２００ｎｍ成膜する。
なお、図１５に示す工程において、例えば、成膜にはＩｎＧａＺｎ合金ターゲットを用い、アルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスをスパッタガスに使用して、反応性スパッタリングにより所望の膜を成膜するようにしてもよい。
図１６において、第２回目の写真製版工程でフォトレジストパターンを形成後、８０℃に加熱したリン酸と硝酸と酢酸とでエッチングを行い、その後フォトレジストを剥離することによって、逆スタガ型薄膜トランジスタのチャネルとなる第１のチャネル層４０を形成する。
図１７において、アルミニウム合金によるターゲットを用い、基板温度１００℃で、アルゴンと六弗化硫黄（ＳＦ６）との混合ガスを用いてスパッタリング法によって硫化アルミニウム膜６３を５０ｎｍ成膜する。
図１８において、アルミニウム合金によるターゲットを用い、硫化アルミニウム膜６３を成膜したチャンバー内で、アルゴンガスを用いたＤＣスパッタリング法によってアルミニウム合金からなる金属膜７３を４００ｎｍ成膜する。
図１９において、第３回目の写真製版工程によりフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとしてリン酸と酢酸との混合溶液を用いた公知の組成である市販エッチャントをエッチング溶液に用いたウェットエッチング法で硫化アルミニウム膜６３および金属膜７３をエッチングし、その後、レジスト剥離工程を行うことによって、第１のソース・ドレイン電極６２および第２のソース・ドレイン電極７２を形成する。
図２０において、第１のチャネル層４０のうちの露出した箇所に対して、酸素プラズマ照射（Ｏ２プラズマ照射）を行い、チャネル層４０上に極微量に残存する硫化アルミニウム（図示せず）を不導体である酸化アルミニウムに変化させる。
酸素プラズマ照射処理の後、図２０に示す薄膜トランジスタ基板を、大気雰囲気下において３００℃で１２０分間加熱し、第１のソース・ドレイン電極６２に含まれている硫黄原子を第１のチャネル層４０に拡散させる。
その結果、第１のチャネル層４０では、ＩｎＧａＺｎＯ４と、硫化インジウム、硫化ガリウム、および硫化亜鉛との固溶体層が形成され、これが第２のチャネル層５０となる。
以降、保護膜形成、コンタクトホール穿孔、画素電極形成などの工程が続くが、これらは通常のＴＦＴ形成プロセスと同じであるので省略する。
以上のことから、本実施の形態２によれば、薄膜トランジスタの第１のチャネル層４０と第２のソース・ドレイン電極７２との界面において、ＩｎＧａＺｎＯ４と硫化インジウム、硫化ガリウム、および硫化亜鉛との固溶体である第２のチャネル層５０と、硫化アルミニウムを主成分とする第１のソース・ドレイン電極６２とが形成されるため、第１のチャネル層４０と第２のソース・ドレイン電極７２との導通を確保することができる。また、薄膜トランジスタの動作時における酸素欠損を防止し、薄膜トランジスタの閾値シフトなどといった信頼性の低下を回避することができる。すなわち、良好なコンタクト特性を確保した薄膜トランジスタを実現することが可能となる。
なお、本実施の形態２では、図１７に示すように、硫化アルミニウム膜６３をスパッタリング法によって形成する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、実施の形態１と同様に、第１のチャネル層４０を形成した後に６弗化硫黄プラズマ処理を行って硫黄原子を堆積させ、その後、アルミニウムを成膜してから熱拡散によって硫化アルミニウムを形成させるようにしてもよい。
＜実施の形態３＞
まず、本発明の実施の形態３による薄膜トランジスタの構成について説明する。
まず、本発明の実施の形態３による薄膜トランジスタの構成について説明する。
図２１は、本実施の形態３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２１に示すように、薄膜トランジスタは、ガラスなどの透明絶縁性基板１０と、ゲート電極２０と、ＳｉＮｘからなるゲート絶縁膜３０と、チャネル層４２と、ソース・ドレイン接続部４３と、第１のソース・ドレイン電極６４と、第２のソース・ドレイン電極７４と、チャネル保護膜８０と、第１の画素電極９０（ｎ型金属酸化物半導体層）と、第２の画素電極９１と、第１の画素接続配線１００と、第２の画素接続配線１０１と、第３の画素接続配線１０２とを備えている。
チャネル層４２は、ｉ型アモルファスシリコンで構成される。
ソース・ドレイン接続部４３は、リンをドーピングしたｎ型アモルファスシリコンで構成されている。
第１のソース・ドレイン電極６４（第１の配線層）は、アルミニウム合金を主成分として構成されている。
チャネル保護膜８０は、ＳｉＮｘを主成分として構成されている。
第１の画素電極９０は、スズおよびインジウムの酸化物を主成分とした金属酸化物半導体で構成され、チャネル保護膜８０上に形成されている。
第１の画素接続配線１００（第２の配線層）は、アルミニウム合金（予め定められた金属）を主成分として構成され、チャネル保護膜８０を跨いで第１の画素電極９０と第２のソース・ドレイン電極７４とを接続している。
第２のソース・ドレイン電極７４、第２の画素接続配線１０１、および第３の画素接続配線１０２は、硫化アルミニウムを主成分としたｎ型半導体で構成されている。
一般的に、硫化アルミニウムの化学式はＡｌ２Ｓ３で表される。しかし、アルミニウムの硫化物は、厳格に定比例の組成を持つベルトナイド化合物ではなく、むしろ金属と硫黄との比率が不定比の組成をとるドルトナイド化合物である。また、後述から分かるように、実際の硫黄濃度は、ソース・ドレイン電極とチャネル層との界面から離れるに従って徐々に減少する。従って、本実施の形態２では、ソース・ドレイン電極から、ソース・ドレイン電極とチャネル層との界面を経由してチャネル層に至るまでの領域において、アルミニウムと硫黄とのモル比が少なくとも２：３を満たす領域に硫化アルミニウムが存在するものとする。
第２の画素電極９１は、酸化スズおよび酸化インジウムと、硫化スズおよび硫化インジウムとの固溶体で構成されている。
次に、薄膜トランジスタの製造方法について、図２２〜３１を参照して説明する。
図２２において、透明絶縁性基板１０を洗浄液または純水を用いて洗浄し、金属膜（図示せず）を成膜する。
本実施の形態３では、金属膜として３ａｔ％のＮｉを添加したＡｌ−３ａｔ％Ｎｉ合金を、公知のアルゴン（Ａｒ）ガスを用いたスパッタリング法によって２００ｎｍの厚さで成膜する。その後、第１回目の写真製版工程でフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとして公知のリン酸＋硝酸＋酢酸を含む溶液でウェットエッチングした後にフォトレジストパターンを除去し、図２３に示すようなゲート電極２０を形成する。
図２４において、透明絶縁性基板１０およびゲート電極２０を覆うように、ゲート絶縁膜３１、ｉ型アモルファスシリコン膜４４、およびｎ型アモルファスシリコン膜４５を順次積層して形成する。
ここで、ｉ型アモルファスシリコン膜４４は、不純物を添加していないＳｉ（ｉ）からなる真性半導体膜であり、チャネルとなる半導体能動膜として機能する。また、ｎ型アモルファスシリコン膜４５は、不純物を添加したＳｉ（ｎ）からなるｎ型半導体膜であり、ｉ型アモルファスシリコン膜４４と後述の第１のソース・ドレイン電極６４とをオーミック接触させるオーミック低抵抗膜（以下、オーミックコンタクト膜ともいう）として機能する。
具体的には、例えば化学的気相成膜法を用い、約３００℃の基板加熱条件下で、ゲート絶縁膜３１としてのＳｉＮ膜、ｉ型アモルファスシリコン膜４４としてのアモルファスのＳｉ（ｉ）膜、およびｎ型アモルファスシリコン膜４５としてのリン（Ｐ）を不純物として添加したアモルファスのＳｉ（ｎ）膜を順次積層して形成する。各膜厚は、例えば、ゲート絶縁膜３１を４００ｎｍ、ｉ型アモルファスシリコン膜４４を１５０ｎｍ、ｎ型アモルファスシリコン膜４５を５０ｎｍとする。
その後、第２回目の写真製版工程で、ｎ型アモルファスシリコン膜４５の表面上に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、公知のエッチングガス、例えばフッ素系ガスを用いたドライエッチングによってｉ型アモルファスシリコン膜４４およびｎ型アモルファスシリコン膜４５をエッチングし、島状にパターニングする。
図２５において、フォトレジストパターンを除去し、薄膜トランジスタのパターン、すなわち薄膜トランジスタの半導体膜であるｉ型アモルファスシリコン膜４４およびｎ型アモルファスシリコン膜４５の島状パターンを形成する。
図２６において、アルミニウム合金によるターゲットを用い、アルゴンガスを用いたＤＣスパッタリング法によってアルミニウム合金からなるアルミニウム合金膜６５を４００ｎｍ成膜する。
図２７において、第３回目の写真製版工程によりフォトレジスト１１０のパターンを形成し、これをマスクとしてリン酸と酢酸との混合溶液を用いた公知の組成である市販エッチャントをエッチング溶液に用いたウェットエッチング法でアルミニウム合金膜６５をエッチングし、第１のソース・ドレイン電極６４を形成する。その後、フッ素系ガスを用いて適宜ドライエッチングを行うことによって、ｎ型アモルファスシリコン膜４５をチャネル層４２の開口部から除去し、ソース・ドレイン接続部４３（オーミックコンタクト膜）を形成する。
図２８において、レジスト剥離工程を行ってフォトレジスト１１０を剥離し、第１のソース・ドレイン電極６４を露出させる。
図２９において、プラズマＣＤＶ法によって、ＳｉＮｘ膜８１を７００ｎｍ成膜する。
その後、ＳｉＮｘ膜８１上に、画素電極としての酸化インジウムと酸化スズとの固溶体を２０ｎｍ成膜した後、パターニングを施すことによって第１の画素電極９００を形成する。
その後、第１の画素電極９００と第１のソース・ドレイン電極６４とを電気的に接続する第１の画素接続配線１００を形成すべく、コンタクトホールエッチングが可能なようにフォトレジスト１１１にパターニングを施す。
その後、フォトレジスト１１１の開口部に沿って、酸素ガスおよびフッ素慶ガスによってＳｉＮｘ膜８１をドライエッチングし、第１の画素接続配線１００と第１のソース・ドレイン電極６４とを接続するコンタクトホールを穿孔してチャネル保護膜８０を形成した後に、公知の材料に基づく市販のレジスト剥離液でフォトレジスト１１１を除去する。
レジスト剥離液でフォトレジスト１１１を除去した段階では、フォトレジスト１１１に覆われていた箇所にはフォトレジスト１１１が微量に残っている。また、コンタクトホールの開口部における第１のソース・ドレイン電極６４の表面（露出部分）は、酸化して不導体の酸化アルミニウムになっている。
そこで、全体的に６弗化硫黄ガスのプラズマを照射することによって、残存するフォトレジスト１１１、および露出している第１のソース・ドレイン電極６４の表面に形成された酸化アルミニウムを除去するとともに、図３０に示すように、６弗化硫黄プラズマに由来する硫黄原子層６１を０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度に極薄く堆積する。なお、６弗化硫黄プラズマ照射は、平行平板型ドライエッチング装置を使用し、アノードカップリングにてガス圧力３０Ｐａ、パワー密度１．６４ワット／平方センチメートルで９０秒間行う。
図３１において、アルミニウム合金を主成分とする金属膜を３０ｎｍ成膜し、パターニングを施すことによって第１の画素接続配線１００を形成する。
その後、透明絶縁性基板１０の硫黄原子層６１側の上方から酸素プラズマ照射（Ｏ２プラズマ照射）を行い、第１の画素接続配線１００と第１のソース・ドレイン電極６４との界面、および第１の画素接続配線１００と第１の画素電極９００との界面以外に存在する硫黄原子層６１を除去する。なお、酸素プラズマ照射は、平行平板型ドライエッチング装置を使用し、カソードカップリングにて酸素圧力２０Ｐａ、パワー密度１．６４ワット／平方センチメートルで６０秒間行う。
その後、図３１に示す薄膜トランジスタ基板を、３５０℃で３時間アニール処理を行い、第１の画素接続配線１００と第１のソース・ドレイン電極６４との界面に存在する硫黄原子層６１の硫黄原子を拡散させ、硫化アルミニウムを主成分とするｎ型半導体である第２のソース・ドレイン電極７４、および第２の画素接続配線１０１を形成する。また、第１の画素接続配線１００と第１の画素電極９００との界面に存在する硫黄原子層６１の硫黄原子を拡散させ、第３の画素接続配線１０２を形成し、かつ酸化スズおよび酸化インジウムと、硫化スズおよび硫化インジウムとの固溶体である第２の画素電極９１を形成する。
ここで、酸化スズ（ＳｎＯ２）の標準生成エンタルピーは−１３８．８ｋｃａｌ／ｍｏｌ、硫化スズ（ＳｎＳ２）の標準生成エンタルピーは−４０．０ｋｃａｌ／ｍｏｌである。従って、上述のインジウム、ガリウム、あるいは亜鉛の場合と同様に、スズの場合でも硫化物の生成は酸化反応を抑制する作用がある。
以上のことから、本実施の形態３によれば、第１の画素接続配線１００と第１のソース・ドレイン電極６４との界面、および第１の画素接続配線１００と第１の画素電極９００との界面に硫化アルミニウムが存在するように構成しているため、良好なコンタクト特性を確保した薄膜トランジスタを実現することが可能となる。
なお、本実施の形態３では、第１の画素接続配線１００にアルミニウム合金を使用したが、銅合金を使用しても同様の効果が得られる。この場合、第１の画素接続配線１００と第１のソース・ドレイン電極６４との界面、および第１の画素接続配線１００と第１の画素電極９００との界面には、硫化銅が存在することになる。
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。
１０ 透明絶縁性基板、２０ ゲート電極、３０ ゲート絶縁膜、３１ ゲート絶縁膜、４０ 第１のチャネル層、４１ 薄膜、４２ チャネル層、４３ ソース・ドレイン接続部、４４ ｉ型アモルファスシリコン、４５ ｎ型アモルファスシリコン、５０ 第２のチャネル層、６０ 第１のソース・ドレイン電極、６１ 硫黄原子層、６２ 第１のソース・ドレイン電極、６３ 硫化アルミニウム膜、６４ 第１のソース・ドレイン電極、６５ アルミニウム合金膜、７０ 第２のソース・ドレイン電極、７１ 銅合金膜、７２ 第２のソース・ドレイン電極、７３ 金属膜、７４ 第２のソース・ドレイン電極、８０ チャネル保護膜、９０ 第１の画素電極、９１ 第２の画素電極、１００ 第１の画素接続配線、１０１ 第２の画素接続配線、１０２ 第３の画素接続配線、１１０ フォトレジスト、１１１ フォトレジスト。
Claims (14)
- ｎ型の金属酸化物半導体からなるｎ型金属酸化物半導体層と、
前記ｎ型金属酸化物半導体層上に積層して形成された予め定められた金属を主成分とする層と、
を備え、
前記ｎ型金属酸化物半導体層と前記予め定められた金属を主成分とする層との界面には、前記予め定められた金属の硫化物が存在することを特徴とする、薄膜トランジスタ。 - 前記ｎ型金属酸化物半導体層は、チャネル層であり、
前記予め定められた金属を主成分とする層は、ソース・ドレイン電極であることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜トランジスタ。 - 前記ｎ型金属酸化物半導体層は、画素電極であり、
前記予め定められた金属を主成分とする層は、前記画素電極とソース・ドレイン電極とを接続する接続配線であることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜トランジスタ。 - 前記予め定められた金属は、銅であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記予め定められた金属は、アルミニウムであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
- （ａ）ｎ型の金属酸化物半導体からなるｎ型金属酸化物半導体層を形成する工程と、
（ｂ）前記ｎ型金属酸化物半導体層に対して６弗化硫黄ガスを用いたプラズマ照射を行う工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記ｎ型金属酸化物半導体層の前記プラズマ照射を行った面上に予め定められた金属を主成分とする層を形成する工程と、
を備える、薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記ｎ型金属酸化物半導体層は、チャネル層であり、
前記予め定められた金属を主成分とする層は、ソース・ドレイン電極であることを特徴とする、請求項６に記載の薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記ｎ型金属酸化物半導体層は、画素電極であり、
前記予め定められた金属を主成分とする層は、前記画素電極とソース・ドレイン電極とを接続する接続配線であることを特徴とする、請求項６に記載の薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記予め定められた金属は、銅であることを特徴とする、請求項６から８のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記予め定められた金属は、アルミニウムであることを特徴とする、請求項６から８のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- アルミニウムを主成分とする第１の配線層と、
前記第１の配線層上に積層して形成された金属からなる第２の配線層と、
を備え、
前記第１の配線層と前記第２の配線層との界面には、硫化アルミニウムが存在することを特徴とする、薄膜トランジスタ。 - 前記第２の配線層は、アルミニウムを主成分とすることを特徴とする、請求項１１に記載の薄膜トランジスタ。
- （ａ）アルミニウムを主成分とする第１の配線層を形成する工程と、
（ｂ）前記第１の配線層に対して６弗化硫黄ガスを用いたプラズマ照射を行う工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記第１の配線層の前記プラズマ照射を行った面上に金属からなる第２の配線層を形成する工程と、
を備える、薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記第２の配線層は、アルミニウムを主成分とす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の製造方法。
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