JP4332545B2 - 電界効果型トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸化物膜を半導体層として有する電界効果型トランジスタとその製造方法、及び表示装置に関するものである。

近年、ＺｎＯを主成分として用いた透明伝導性酸化物多結晶薄膜をチャネル層に用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の開発が活発に行われている（特許文献１）。

上記薄膜は、低温で成膜でき、かつ可視光に透明であるため、プラスチック板やフィルムなどの基板上にフレキシブルな透明ＴＦＴを形成することが可能であるとされている。

しかし、ＺｎＯを主成分とする化合物は室温で安定なアモルファス相を形成することができず、多結晶相になるために、多結晶粒子界面の散乱により、電子移動度を大きくすることが困難である。また多結晶粒子の形状や相互接続が成膜方法により大きく異なるため、ＴＦＴ素子の特性がばらついてしまう。

最近では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物を用いた薄膜トランジスタが報告されている（非特許文献１）。このトランジスタは、室温でプラスチックやガラス基板への作成が可能である。さらには、電界効果移動度が６乃至９程度でノーマリーオフ型のトランジスタ特性が得られている。また、可視光に対して透明であるという特徴を有している。
特開２００２−７６３５６号公報 Ｋ．Ｎｏｕｍｒａ ｅｔ．ａｌ，Ｎａｔｕｒｅ ４３２，４８８（２００４）

本発明者らが、アモルファスＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系をはじめとする酸化物を用いた薄膜トランジスタを検討したところ、どのような組成や製造条件で作製するかにもよるが、ＴＦＴのトランジスタ特性にばらつきが生じる場合があった。

このトランジスタ特性のばらつきは、例えばディスプレイの画素回路などに用いる場合に、駆動対象となる有機ＬＥＤや液晶などの動作のばらつきの原因となる。

このばらつきの要因のひとつとして、ソース、ドレイン電極とチャネルの間に生じる寄生抵抗があげられる。そこで、本発明の目的は、この寄生抵抗に起因するＴＦＴトランジスタの特性ばらつきの低減を図ることを目的とする。

本発明の電界効果型トランジスタの製造方法は、水素又は重水素を含有するソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、水素又は重水素を添加すると電気抵抗値が低下する酸化物半導体層を形成する工程と、前記ソース電極及びドレイン電極から前記酸化物半導体層に水素又は重水素を拡散させる工程とを備えたことを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法である。

また、本発明の電界効果型トランジスタは、半導体層は水素又は重水素を添加すると電気抵抗値が低下する酸化物半導体層からなり、
前記酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極に接する領域における水素又は重水素の濃度が、前記酸化物半導体層中の水素又は重水素の平均濃度に比べて大きく、かつ、前記水素又は重水素の濃度が０．１ａｔｍ％乃至１０ａｔｍ％であることを特徴とする電界効果型トランジスタである。

また、本発明の表示装置は、本願発明に係る電界効果型トランジスタと、表示素子とを含み、前記電界効果型トランジスタのソース又はドレイン電極が前記表示素子の電極に接続されている表示装置である。

本発明の電界効果型トランジスタの製造方法によれば、ソース電極及びドレイン電極に含まれている水素又は重水素が酸化物半導体層中に拡散し、酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極に接する領域における抵抗を低抵抗化することができる。これにより、ソース電極及びドレイン電極と酸化物半導体層との間に生じる寄生抵抗を低減することができ、優れた安定性を有する電界効果型トランジスタを実現できる。

図１（ａ）、（ｂ）に本発明の電界効果型トランジスタの構成例を示す。図１（ａ）はトップゲート構造の例、図１（ｂ）はボトムゲート構造の例である。
図２にトップゲート型の電界効果型トランジスタの製造方法を示す。

（水素含有電極形成）
まず、図２（ａ）に示すような基板１０に、後にソース電極１１及びドレイン電極１２を形成するための電極層１７を形成する（図２（ｂ））。当該層１７の形成には、スパッタ法、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）、電子ビーム蒸着法、化学気層蒸着法（ＣＶＤ法）等を用いることができる。
基板１０には、ガラス基板、プラスチック基板、プラスチックフィルムなどを用いることができる。

電極材料は、良好な電気伝導性を有するものであれば特にこだわらない。例えばＩｎ_２Ｏ_３：Ｓｎ、ＺｎＯなどの酸化物導電体や、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｌなどの金属電極材料を用いることができる。

水素又は重水素は、後にソース電極１１及びドレイン電極１２を形成するための電極層１７を形成した後に水素イオン注入することで添加することができる（図２（ｂ））。

別の水素又は重水素の添加方法としては、成膜時に水素ガス又は重水素ガスを導入しながら、電極層１７を形成する方法や、電極層１７を形成後に水素プラズマ処理をする方法等がある。

イオン注入法においては、Ｈ＋イオン、Ｈ−イオン、Ｄ＋イオン（重水素イオン）、Ｈ_２＋イオン（水素分子イオン）などを用いることができる。

水素プラズマ処理は、例えば平行平板型のプラズマＣＶＤ装置あるいはＲＩＥタイプのプラズマエッチング装置を用いておこなうことができる。

ソース電極及びドレイン電極に添加する水素又は重水素の濃度は、１×１０^１９乃至１×１０^２２（１／ｃｍ^３）程度である。
水素濃度の測定は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）にて評価することができる。

次に、図２（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィー法等を用いてソース電極１１及びドレイン電極１２のパターンを形成する。

水素イオンの注入は、ソース電極１１及びドレイン電極１２のパターン形成前に限るものではなく、ソース電極１１及びドレイン電極１２のパターンを形成した後に水素イオン注入してもよい。

（酸化物半導体層）
次に、図２（ｄ）に示すように、パターニングされたソース電極１１及びドレイン電極１２を有する基板上に酸化物膜からなる酸化物半導体層１３を形成する。

酸化物半導体層１３の作製には、スパッタ法、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）、電子ビーム蒸着法、化学気層蒸着法（ＣＶＤ法）等を用いることができる。

酸化物半導体材料は、半導体特性を有する酸化物材料で、水素又は重水素を添加すると抵抗値が下がる材料であれば特にこだわらない。例えばＩｎやＺｎ系の酸化物が挙げられる。また、酸化物半導体層はアモルファスの酸化物からなることがこのましい。

さらには、酸化物半導体材料としては、ＩｎとＧａとＺｎを含有したアモルファス酸化物からなることが、特に、好ましい。

図３は、膜厚がおよそ５００ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ_４薄膜に、水素をイオン注入した際の、イオン注入量に対する電気伝導率の変化を示している。横軸は、単位面積あたりの水素イオンの注入量の対数表示、縦軸は抵抗率の対数表示である。このように、アモルファス酸化物膜に水素を導入することで電気伝導度を大きくすることができる。

（ゲート絶縁層）
次に、図２（ｅ）に示すように、酸化物半導体層１３上にゲート絶縁層１４を形成する。ゲート絶縁層１４の作製には、スパッタ法、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）、電子ビーム蒸着法、化学気層蒸着法（ＣＶＤ法）等を用いることができる。

ゲート絶縁材料としては、良好な絶縁特性を有するものであれば特にこだわらない。例えばＡｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、又はＨｆＯ_２の１種、又はそれらの化合物を少なくとも２種以上含む混晶化合物を用いることができる。

（ゲート電極）
次に、図２（ｆ）に示すように、ゲート絶縁層１４上にゲート電極１５を形成する。ゲート電極１５の作製には、スパッタ法、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）、電子ビーム蒸着法、化学気層蒸着法（ＣＶＤ法）等を用いることができる。

電極材料は、良好な電気伝導性を有するものであれば特にこだわらない。例えばＩｎ_２Ｏ_３：Ｓｎ、ＺｎＯなどの酸化物導電体や、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｌなどの金属電極材料を用いることができる。

ゲート電極１５はフォトリソグラフィー法を用いてパターンを形成する。パターンを形成する位置は、ソース電極１１とドレイン電極１２の位置関係を考慮し、トランジスタ特性を得られる位置であればよい。

（拡散処理）
次に、ソース電極１１及びドレイン電極１２に含まれる水素又は重水素を酸化物半導体層１３中に拡散させる。

拡散する際は、酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極と接する領域における水素又は重水素の濃度が、酸化物半導体層中の水素又は重水素の平均濃度に比べて大きくなればよい。

酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極と接する領域における水素又は重水素の濃度、及び酸化物半導体層中の水素又は重水素の平均濃度は、ＳＩＭＳを用いて酸化物半導体層の深さ方向の組成を分析することで求めることができる。

ここで、酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極と接する領域とは、酸化物半導体層中におけるソース電極及びドレイン電極との界面付近のことである。ただし、半導体特性に悪影響を及ぼさない場合は、酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極と接する領域に限定することなく、ソース電極及びドレイン電極と対向するゲート絶縁層側へ水素を拡散させてもよい。

また、水素又は重水素の拡散の程度は、最低限ソース電極１１及びドレイン電極１２と酸化物半導体層１３の寄生抵抗を低減する程度であればよいが、半導体特性に悪影響を及ぼさない程度であればそれ以上の量を拡散させてもよい。

また、電気特性に悪影響を及ぼさない程度であれば、ソース電極１１及びドレイン電極１２中に水素が残留してもよい。

拡散には、ランプ加熱やレーザアニールなどのアニール処理を用いる。水素又は重水素の拡散度合いは、アニール温度とアニール時間に依存する。

拡散処理をするタイミングは、水素又は重水素を含有するソース電極１１及びドレイン電極１２上に酸化物半導体層１３を形成した後であればいつでもよい。

また、酸化物半導体層１３形成時に基板温度を加熱しながら成膜することで、水素又は重水素を酸化物半導体１３層中へと拡散することもできる。

また、ソース電極１１及びドレイン電極１２中に水素を多量に添加することで、アニール温度を低温化することができ、さらにはアニール処理をおこなうことなく室温程度でも酸化物半導体層１３中に水素を拡散することができる。

プラスチック基板やフィルム基板などを用いる場合は、水素添加量を多めにし、アニール温度を比較的低めにするとよい。

酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極に接する領域での水素イオン濃度は、０．１ａｔｍ％乃至１０ａｔｍ％、好ましくは０．５ａｔｍ％乃至５ａｔｍ％である。水素イオン濃度が０．１ａｔｍ％以下では酸化物半導体の抵抗値が十分に低下しない。また、水素イオン濃度が１０ａｔｍ％以上では、酸化物半導体の抵抗値が低下しすぎる。

（電界効果型トランジスタ）
図１（ａ）、（ｂ）に示す電界効果型トランジスタにおいて、１０は基板、１１はソース電極、１２はドレイン電極、１３は酸化物半導体層、１４はゲート絶縁膜、１５はゲート電極である。それぞれの構成要素の特徴は、上で説明したとおりである。

また、酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極に接する領域における水素又は重水素の濃度とは、酸化物半導体層１３中におけるソース電極１１との界面付近、及び酸化物半導体層１３中におけるドレイン電極１２との界面付近、それぞれにおける水素又は重水素の濃度のことである。

酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極に接する領域における水素又は重水素の濃度は、酸化物半導体層中の水素又は重水素の平均濃度に比べて大きな値となる。つまり、寄生抵抗の原因となる酸化物半導体層と電極との界面付近において、水素又は重水素の濃度が大きくなることにより寄生抵抗が低減する。

酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極と接する領域における水素又は重水素の濃度、及び酸化物半導体層中の水素又は重水素の平均濃度は、ＳＩＭＳを用いて酸化物半導体層の深さ方向の組成を分析することで求めることができる。水素又は重水素を拡散する領域は、酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極と接する領域で足りるが、半導体特性に悪影響を与えないようであれば、ソース・ドレイン電極と対向するゲート絶縁層側へ水素を拡散させてもよい。また、水素又は重水素の拡散の程度は、最低限ソース電極１１及びドレイン電極１２と酸化物半導体層１３の寄生抵抗を低減する程度であればよいが、半導体特性に悪影響を及ぼさない程度であればそれ以上の量を拡散させてもよい。

（表示装置）
上記電界効果型トランジスタの出力端子であるドレインに、有機又は無機のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子、液晶素子等の表示素子の電極に接続することで表示装置を構成することができる。以下に表示装置の断面図を用いて具体的な表示装置構成の例を説明する。

たとえば図９に示すように、基体１１１上に、酸化物膜（チャネル層）１１２と、ソース電極１１３と、ドレイン電極１１４とゲート絶縁膜１１５と、ゲート電極１１６から構成される電界効果型トランジスタを形成する。そして、ドレイン電極１１４に、層間絶縁膜１１７を介して電極１１８が接続されており、電極１１８は発光層１１９と接し、さらに発光層１１９が電極１２０と接している。かかる構成により、発光層１１９に注入する電流を、ソース電極１１３からドレイン電極１１４に酸化物膜１１２に形成されるチャネルを介して流れる電流値によって制御することが可能となる。したがってこれを電界効果型トランジスタのゲート電極１１６の電圧によって制御することができる。ここで、電極１１８、発光層１１９、電極１２０は無機もしくは有機のエレクトロルミネッセンス素子を構成する。

あるいは、図１０に示すように、ドレイン電極１１４が延長されて電極１１８を兼ねており、これを高抵抗膜１２１、１２２に挟まれた液晶セルや電気泳動型粒子セル１２３へ電圧を印加する電極１１８とする構成を取ることができる。液晶セルや電気泳動型粒子セル１２３、高抵抗層１２１及び１２２、電極１１８、電極１２０は表示素子を構成する。これら表示素子に印加する電圧を、ソース電極１１３からドレイン電極１１４に非晶質酸化物半導体膜１１２に形成されるチャネルを介して流れる電流値によって制御することが可能となる。したがってこれをＴＦＴのゲート電極１１６の電圧によって制御することができる。ここで表示素子の表示媒体が流体と粒子を絶縁性被膜中に封止したカプセルであるなら、高抵抗膜１２１、１２２は不要である。

上記電界効果型トランジスタの出力端子であるドレインに、有機又は無機のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子、液晶素子等の表示素子の電極に接続することで表示装置を構成することができる。

ＥＬ素子（ここでは有機ＥＬ素子）と電界効果型トランジスタを含む画素を二次元状に配置した表示装置について図１１を用いて説明する。

図１１において、１８１は有機ＥＬ層１８４を駆動するトランジスタであり、１８２は画素を選択するトランジスタである。また、コンデンサ１８３は選択された状態を保持するためのものであり、共通電極線１８７とトランジスタ１８２のソース部分との間に電荷を蓄え、トランジスタ１８１のゲートの信号を保持している。画素選択は走査電極線１８５と信号電極線１８６により決定される。

より具体的に説明すると、画像信号がドライバ回路（不図示）から走査電極１８５を通してゲート電極へパルス信号で印加される。それと同時に、別のドライバ回路（不図示）から信号電極１８６を通してやはりパスル信号でトランジスタ１８２へと印加されて画素が選択される。そのときトランジスタ１８２がＯＮとなり信号電極線１８６とトランジスタ１８２のソースの間にあるコンデンサ１８３に電荷が蓄積される。これによりトランジスタ１８１のゲート電圧が所望の電圧に保持されトランジスタ１８１はＯＮになる。この状態は次の信号を受け取るまで保持される。トランジスタ１８１がＯＮである状態の間、有機ＥＬ層１８４には電圧、電流が供給され続け発光が維持されることになる。

この図１１の例では１画素にトランジスタ２ヶコンデンサー１ヶの構成であるが、性能を向上させるために更に多くのトランジスタ等を組み込んでも構わない。

図２に、トップゲート型の電界効果型トランジスタの作製例を示す。
まず、図２（ａ）に示すガラス基板１０（コーニング社製１７３７）上に、図２（ｂ）に示すように後にソース電極及びドレイン電極を形成するための電極層１７をスパッタ法により形成する。電極材料にはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を用い、膜厚は５０ｎｍとする。

次に、イオン注入法によりＩＴＯ電極中に水素を添加する。注入イオンはＨ_２を使用し、注入エネルギーは５ｋｅＶ、水素イオン照射量は１×１０^１６（１／ｃｍ^２）とする。このイオン注入条件での水素濃度は１×１０^２１（１／ｃｍ^３）程度と見積もられる。

その後、図２（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術とを用いて電極をパターニングし、ソース電極１１及びドレイン電極１２とする。

次に、図２（ｄ）に示すように、ソース電極１１及びドレイン電極１２を有するガラス基板上にＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物半導体層１３を５０ｎｍ形成する。当該酸化物半導体層は、ＲＦスパッタ装置を用いて基板温度は室温（２５℃）で形成する。ターゲットは３インチサイズのＩｎ_２Ｏ_３・ＺｎＯ組成を有する多結晶焼結体を用い、投入ＲＦパワーは２００Ｗとする。成膜時の雰囲気は、全圧０．５Ｐａであり、その際のガス流量はＡｒ：Ｏ_２＝９５：５である。
次に、図２（ｅ）及び（ｆ）に示すように、ゲート絶縁層１４とゲート電極１５を形成する。

ゲート絶縁層材料にはＳｉＯ_２を用い、スパッタ法により１５０ｎｍ堆積させる。また、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート絶縁層１４をパターニング形成する。

ゲート電極材料にはＡｕを用い、電子ビーム蒸着法により３０ｎｍ堆積させる。また、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート電極１５をパターニング形成する。

次に、電気炉を用いて大気圧で１５０℃、２０分間アニール処理をし、水素を酸化物半導体膜中に拡散させる。

本実施例により作製した電界効果型トランジスタは、ヒステリシス特性、均一性、高速動作性等に関して良好な特性を実現できる。

（比較例１）
水素を含む電極から酸化物半導体膜中へ水素を拡散させることで、酸化物半導体と電極との寄生抵抗が低下することを以下の比較例で説明する。

ガラス基板（コーニング社製１７３７）上にＩＴＯ電極をスパッタ法により１２５ｎｍ成膜する。

次に、イオン注入法によりＩＴＯ電極中に水素を添加する。注入イオンはＨ_２を使用し、注入エネルギーは５ｋｅＶ、水素イオン照射量は１×１０^１６（１／ｃｍ^２）とする。このイオン注入条件での水素濃度は１×１０^２１（１／ｃｍ^３）程度と見積もられる。

次に、水素イオンを含むＩＴＯ電極上に、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物半導体層を５０ｎｍ形成する。当該酸化物半導体膜は、ＲＦスパッタ装置を用いて基板温度は室温（２５℃）で形成する。ターゲットは３インチサイズのＩｎ_２Ｏ_３・ＺｎＯ組成を有する多結晶焼結体を用い、投入ＲＦパワーは２００Ｗとする。成膜時の雰囲気は、全圧０．５Ｐａであり、その際のガス流量はＡｒ：Ｏ_２＝９５：５である。

次に、電気炉を用いて各サンプルを大気圧でそれぞれ１５０℃、３００℃で２０分間アニール処理をし、水素を酸化物半導体膜中に拡散させる。

次に、φ３００μｍのマスクを用いて、上部電極を電子ビーム蒸着法により３０ｎｍ堆積させる。

このようにして得られたサンプルの寄生抵抗を比較するために、Ｉ−Ｖ特性を測定し抵抗値を求める。当該サンプルのアニール温度と抵抗値との関係を図６に示す。また比較例として、水素を含まない電極に接する酸化物半導体層を形成した複数のサンプルを作製し、一つは室温（２５℃）に置き、他はそれぞれ１５０℃及び３００℃でアニールした後、各サンプルの寄生抵抗の値を測定した。当該結果を図７に示す。それぞれのグラフの抵抗値は、室温（２５℃）での値を１として規格化している。水素を含む電極の場合は、アニール温度が室温、１５０℃、３００℃になるにしたがい寄生抵抗の値は低下する。これに対して、水素を含まない電極の場合は、アニール温度が、室温、１５０℃、３００℃と変化させても寄生抵抗の低下は確認できなかった。

図８に、上述した方法で作製した素子のＳＩＭＳによる水素濃度の測定結果を示す。図８の（ａ）は水素を含まない電極を用いた場合のデータ、（ｂ）は水素を含む電極を用いた場合のデータ（アニール温度は１５０℃）である。図８の横軸（深さ）の０乃至５０ｎｍが酸化物半導体であり、それより深い部分は電極である。この結果から、（ａ）よりも（ｂ）のほうが酸化物半導体層中において水素を多く含むことが確認できた。これにより、電極に水素を含む電極を用い１５０℃でアニールすると、酸化物半導体膜中に水素が拡散することが確認できた。

図４にトップゲート型の電界効果型トランジスタの作製例を示す。
まず、図４（ａ）に示すガラス基板１０（コーニング社製１７３７）上に、図４（ｂ）に示すように、後にソース電極及びドレイン電極を形成するための電極層１７をスパッタ法により形成する。電極は、ガラス基板１０上にＴｉを５ｎｍ成膜した後、Ｐｔ電極を５０ｎｍ成膜する。

Ｐｔをスパッタする際は、Ｈ_２ガスとＡｒガスの流量比が３％程度となるように、Ａｒガスおよび水素ガスを導入する。

その後、図４（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術とを用いて電極をパターニングし、ソース電極１０及びドレイン電極１２とする。

次に、図４（ｄ）に示すように、ソース電極１１及びドレイン電極１２を有するガラス基板上にＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物半導体層１３を５０ｎｍ形成する。酸化物半導体膜は、ＲＦスパッタ装置を用いて基板温度は室温（２５℃）で形成する。ターゲットは３インチサイズのＩｎ_２Ｏ_３・ＺｎＯ組成を有する多結晶焼結体を用い、投入ＲＦパワーは２００Ｗとする。成膜時の雰囲気は、全圧０．５Ｐａであり、その際のガス流量はＡｒ：Ｏ_２＝９５：５である。

次に、図４（ｅ）及び（ｆ）に示すように、ゲート絶縁層とゲート電極を形成する。
ゲート絶縁層材料にはＳｉＯ_２を用い、スパッタ法により１５０ｎｍ堆積させる。また、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート絶縁層１４をパターニング形成する。

ゲート電極材料にはＡｕを用い、電子ビーム蒸着法により３０ｎｍ堆積させる。また、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート電極１５をパターニング形成する。

次に、図４（ｇ）に示すように、基板裏側からレーザー１６を照射し、ソース電極１１及びドレイン電極１２部分を加熱して、水素を酸化物半導体層１３中に拡散させる。

レーザーには、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を用い、エネルギー出力は５００ｍＪ／パルスで、パルス幅は１００ｎｓとする。

レーザーにはこれ以外にＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）、ＸｅＦエキシマレーザー（波長３５３ｎｍ）などを用いることができる。

本実施例により作製した電界効果型トランジスタは、ヒステリシス特性、均一性、高速動作性等に関して良好な特性を実現できる。

図５にボトムゲート型の電界効果型トランジスタの作製例を示す。
まず、図５（ａ）に示すような基板１０（コーニング社製１７３７）上に、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いてゲート電極１５をパターニング形成する（図５（ｂ））。電極はガラス基板１０上にスパッタ法を用いてＴｉ（５ｎｍ）、Ｐｔ（５０ｎｍ）の順に形成する。

次に、図５（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、ゲート絶縁膜１４をパターニング形成する。ゲート絶縁膜１４はスパッタ法を用いて１５０ｎｍのＳｉＯ_２膜を成膜する。

さらに、図５（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、酸化物半導体膜１３をパターニング形成する。酸化物半導体膜１３には、５０ｎｍのＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物半導体材料を用いる。

酸化物半導体膜は、ＲＦスパッタ装置を用いて基板温度は室温（２５℃）で形成する。ターゲットは３インチサイズのＩｎ_２Ｏ_３・ＺｎＯ組成を有する多結晶焼結体を用い、投入ＲＦパワーは２００Ｗとする。成膜時の雰囲気は、全圧０．５Ｐａであり、その際のガス流量はＡｒ：Ｏ_２＝９５：５である。

次に、図５（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、ドレイン電極とソース電極を形成する。ドレイン電極とソース電極にはＴｉ（５ｎｍ）とＰｔ（５０ｎｍ）を用いる。電極形成にはスパッタ法を用いる。電極形成時に電極材料中へ水素を添加するために、スパッタする際はＨ_２ガスとＡｒガスの流量比が３％程度となるように、Ａｒガスおよび水素ガスを導入する。

次に、電気炉を用いて大気圧で１５０℃、２０分間アニール処理をし、水素を酸化物半導体膜中に拡散させる。

本実施例により作製した電界効果型トランジスタは、ヒステリシス特性、均一性、高速動作性等に関して良好な特性を実現できる。

本実施例ではトップゲート型のＴＦＴを用いた表示装置について説明する。ＴＦＴの製造工程は上記実施例１または２と同様である。上記ＴＦＴにおいて、ドレイン電極をなすＩＴＯ膜の島の短辺を１００μｍまで延長し、延長された９０μｍの部分を残し、ソース電極およびゲート電極への配線を確保した上で、ＴＦＴを絶縁層で被覆する。この上にポリイミド膜を塗布し、ラビング工程を施す。

一方で、同じくプラスチック基板上にＩＴＯ膜とポリイミド膜を形成し、ラビング工程を施したものを用意し、上記ＴＦＴを形成した基板と５μｍの空隙を空けて対向させ、ここにネマチック液晶を注入する。さらにこの構造体の両側に一対の偏光板を設ける。ここで、ＴＦＴのソース電極に電圧を印加し、ゲート電極の印加電圧を変化させると、ドレイン電極から延長されたＩＴＯ膜の島の一部である３０μｍ×９０μｍの領域のみ、光透過率が変化する。またその透過率は、ＴＦＴがオン状態となるゲート電圧の下ではソース−ドレイン間電圧によっても連続的に変化させることができる。このようにして、図９に対応した、液晶セルを表示素子とする表示装置を作成する。

本実施例において、ＴＦＴを形成する基板として白色のプラスチック基板を用い、ＴＦＴの各電極を金に置き換え、ポリイミド膜と偏光板を廃する構成とする。そして、白色と透明のプラスチック基板の空隙に粒子と流体を絶縁性皮膜にて被覆したカプセルを充填させる構成とする。この構成の表示装置の場合、本ＴＦＴによって延長されたドレイン電極と上部のＩＴＯ膜間の電圧が制御され、よってカプセル内の粒子が上下に移動する。それによって、透明基板側から見た延長されたドレイン電極領域の反射率を制御することで表示を行うことができる。

また、本実施例において、ＴＦＴを複数隣接して形成して、たとえば、通常の４トランジスタ１キャパシタ構成の電流制御回路を構成し、その最終段トランジスタのひとつを図６のＴＦＴとして、ＥＬ素子を駆動することもできる。たとえば、上述のＩＴＯ膜をドレイン電極とするＴＦＴを用いる。そして、ドレイン電極から延長されたＩＴＯ膜の島の一部である３０μｍ×９０μｍの領域に電荷注入層と発光層からなる有機エレクトロルミネッセンス素子を形成する。こうして、ＥＬ素子を用いる表示装置を形成することができる。

実施例４の表示素子とＴＦＴとを二次元に配列させる。たとえば、実施例４の液晶セルやＥＬ素子等の表示素子と、ＴＦＴとを含めて約３０μｍ×１１５μｍの面積を占める画素を、短辺方向に４０μｍピッチ、長辺方向に１２０μｍピッチでそれぞれ７４２５×１７９０個方形配列する。そして、長辺方向に７４２５個のＴＦＴのゲート電極を貫くゲート配線を１７９０本、１７９０個のＴＦＴのソース電極が非晶質酸化物半導体膜の島から５μｍはみ出した部分を短辺方向に貫く信号配線を７４２５本設ける。そして、それぞれをゲートドライバ回路、ソースドライバ回路に接続する。さらに液晶表示素子の場合、液晶表示素子と同サイズで位置を合わせＲＧＢが長辺方向に反復するカラーフィルタを表面に設ければ、約２１１ｐｐｉでＡ４サイズのアクティブマトリクス型カラー画像表示装置を構成することができる。

また、ＥＬ素子においても、ひとつのＥＬ素子に含まれる２ＴＦＴのうち第一ＴＦＴのゲート電極をゲート線に配線し、第二ＴＦＴのソース電極を信号線に配線し、さらに、ＥＬ素子の発光波長を長辺方向にＲＧＢで反復させる。こうすることで、同じ解像度の発光型カラー画像表示装置を構成することができる。

ここで、アクティブマトリクスを駆動するドライバ回路は、画素のＴＦＴと同じ本発明のＴＦＴを用いて構成しても良いし、既存のＩＣチップを用いても良い。

本発明に係る電界効果型トランジスタは、ＬＣＤや有機ＥＬディスプレイのスイッチング素子として応用することができる。また、プラスチックフィルムをはじめとするフレキシブル素材に低温で形成することが可能であり、フレキシブル・ディスプレイをはじめ、ＩＣカードやＩＤタグなどに幅広く応用できる。

本発明の電界効果型トランジスタの構成例を示す断面図である。 本発明の電界効果型トランジスタの作製方法を示す図である。 水素を添加した際のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の抵抗率変化を示す図である。 本発明の電界効果型トランジスタの作製方法を示す図である。 本発明の電界効果型トランジスタの作製方法を示す図である。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の寄生抵抗の変化を示す図である。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の寄生抵抗の変化を示す図である。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜と電極のＳＩＭＳ測定結果を示す図である。 本発明に係る表示装置の一例の断面図である。 本発明に係る表示装置の他の例の断面図である。 有機ＥＬ素子と薄膜トランジスタを含む画素を二次元に配列した表示装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 基板
１１ ソース電極
１２ ドレイン電極
１３ 酸化物半導体層
１４ ゲート絶縁膜
１５ ゲート電極
１６ レーザー
１７ 後にソース電極及びドレイン電極を形成するための電極層

Claims (16)

1. 電界効果型トランジスタの製造方法において、
   水素又は重水素を含有するソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
   水素又は重水素を添加すると電気抵抗値が低下する酸化物半導体層を形成する工程と、前記ソース電極及びドレイン電極から前記酸化物半導体層に水素又は重水素を拡散させる工程とを備えたことを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法。
2. 前記水素又は重水素を含有するソース電極及びドレイン電極を形成する工程は、
   Ｈ_２ガスを含む雰囲気中でソース電極及びドレイン電極を形成する工程、又はＨ_２Ｏガスを含む雰囲気中でソース電極及びドレイン電極を形成する工程、又はソース電極及びドレイン電極の形成後に水素プラズマ処理する工程、又はソース電極及びドレイン電極の形成後に加速された水素イオンをこれらの電極に照射する工程であることを特徴とする請求項１に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
3. 前記ソース電極及びドレイン電極から前記酸化物半導体層に水素又は重水素を拡散させる工程により拡散される水素イオン濃度は、前記酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極に接する領域において０．１ａｔｍ％乃至１０ａｔｍ％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
4. 前記ソース電極及びドレイン電極から前記酸化物半導体層に水素又は重水素を拡散させる工程により拡散される水素イオン濃度は、前記酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極に接する領域において０．５ａｔｍ％乃至５ａｔｍ％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
5. 前記ソース電極及びドレイン電極から前記酸化物半導体層に水素又は重水素を拡散させる工程は、アニール処理であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
6. 前記酸化物半導体層はＩｎとＧａとＺｎを含有したアモルファス酸化物材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
7. 前記ソース電極又はドレイン電極が酸化物導電体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
8. 前記ソース電極又はドレイン電極が金属電極であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
9. 電界効果型トランジスタにおいて、
   半導体層は水素又は重水素を添加すると電気抵抗値が低下する酸化物半導体層からなり、
   前記酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極に接する領域における水素又は重水素の濃度が、前記酸化物半導体層中の水素又は重水素の平均濃度に比べて大きく、かつ、前記水素又は重水素の濃度が０．１ａｔｍ％乃至１０ａｔｍ％であることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
10. 前記酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極に接する領域における水素又は重水素は、前記ソース電極又はドレイン電極から前記酸化物半導体層中に拡散した水素又は重水素であることを特徴とする請求項９に記載の電界効果型トランジスタ。
11. 前記酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極に接する領域での水素イオン濃度は、０．５ａｔｍ％乃至５ａｔｍ％であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の電界効果型トランジスタ。
12. 前記酸化物半導体層はＩｎとＧａとＺｎを含有したアモルファス酸化物材料からなることを特徴とする請求項９又は１１のいずれか１項に記載の電界効果型トランジスタ。
13. 請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の電界効果型トランジスタと、表示素子とを含み、前記電界効果型トランジスタのソース又はドレイン電極が前記表示素子の電極に接続されている表示装置。
14. 前記表示素子がエレクトロルミネッセンス素子である、請求項１３に記載の表示装置。
15. 前記表示素子が液晶セルである、請求項１３に記載の表示装置。
16. 基板上に前記表示素子及び前記電界効果型トランジスタが二次元的に複数配されている請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の表示装置。

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