ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 2010 года по МПК H01L29/786 B82B1/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к полевому транзистору. В частности, настоящее изобретение относится к полевому транзистору с использованием аморфного оксида для активного слоя.

Уровень техники

В последние годы были проведены исследования технологии, в которой для активного слоя тонкопленочного транзистора (TFT) используется оксидный полупроводник. В частности, аморфный оксид, выполненный из InGaZn, может иметь более высокую полезность с точки зрения температуры процесса, чем аморфный кремний, обычно используемый для активного слоя TFT, поскольку аморфный оксид из InGaZn может быть сформирован в виде пленки при комнатной температуре.

Например, WO 2005/088726 раскрывает технологию, в которой для активного слоя TFT используется аморфный оксид из InGaZn.

Обычно считается, что аморфный кремний имеет дрейфовую подвижность примерно 0,5 см²/В·с.

Между тем, упомянутая выше WO 2005/088726 раскрывает выходную характеристику TFT, в которой для его активного слоя используется аморфный оксид из InGaZn. Согласно WO 2005/088726 один вариант воплощения показывает, что дрейфовая подвижность в области насыщения TFT составляет примерно 10 см²/В·с.

Однако чтобы дать возможность использовать полупроводник из аморфного оксида вместо имеющего большую технологичность аморфного кремния, необходимо дополнительное усовершенствование его функций.

Раскрытие изобретения

С учетом упомянутых выше обстоятельств задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить новый полевой транзистор с использованием аморфного оксида, имеющего высокую дрейфовую подвижность.

Согласно настоящему изобретению предложен полевой транзистор, содержащий:

активный слой, и

изолирующую затвор пленку,

причем активный слой содержит слой аморфного оксида, содержащий аморфную область и кристаллическую область, и кристаллическая область находится вблизи от или в контакте с поверхностью раздела между слоем аморфного оксида и изолирующей затвор пленкой.

В этой связи авторы настоящего изобретения провели интенсивные исследования, направленные на дополнительное улучшение дрейфовой подвижности. В результате этих исследований авторы изобретения обнаружили, что высокая дрейфовая подвижность может быть получена в случае, когда вблизи от поверхности раздела с изолирующей затвор пленкой в слое аморфного оксида, который становится активным слоем, присутствует кристаллическая фаза (т.е. кристаллическая область), и сделали настоящее изобретение. Описанный позже пример показывает эксперимент, проведенный посредством формирования двух активных слоев, один из которых имеет такую кристаллическую область, присутствующую в аморфном оксиде, а другой не имеет кристаллической области в аморфном оксиде. Затем эти два активных слоя сравнили друг с другом с точки зрения дрейфовой подвижности.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой изображение поперечного разреза в ПЭМ для пояснения настоящего изобретения;

Фиг.2 представляет собой схематический вид поперечного разреза для пояснения настоящего изобретения;

Фиг.3 представляет собой схематический вид поперечного разреза для пояснения полевого транзистора согласно настоящему изобретению; и

Фиг.4 представляет собой изображение поперечного разреза в ПЭМ для пояснения сравнительного примера.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

Настоящее изобретение характеризуется тем, что активный слой 210 полевого транзистора сформирован из слоя 217 аморфного оксида, как показано на фиг.2, и в этом слое 217 аморфного оксида присутствует кристаллическая область 215 так, чтобы она находилась вблизи от поверхности раздела с изолирующей затвор пленкой 220 или в контакте с этой поверхностью раздела. Другими словами, активный слой 210 образован (состоит) из аморфной области и кристаллической области, и кристаллическая область 215 присутствует в слое аморфного оксида так, чтобы она находилась вблизи от поверхности раздела с изолирующей затвор пленкой 220 или в контакте с этой поверхностью раздела.

В описанном позже примере в качестве примера используется оксид, состоящий из In, Ga и Zn. Упомянутая выше кристаллическая область 215 не присутствует вблизи от второй поверхности 260 раздела, противоположной первой поверхности 250 раздела, которая является поверхностью раздела между аморфным оксидом и изолирующей затвор пленкой.

Подробности относительно тех причин, по которым кристаллическая область или микрокристаллическая область формируется в аморфном оксиде, в частности в описанном выше местоположении, являются неясными, но рассматриваются как приписываемые составу оксида, концентрации кислорода во время производства, температуре осаждения, материалу изолирующей пленки или способу производства.

В примере, который будет описан позже, было подтверждено, что кристаллическая область появлялась в особом местоположении при изменении, в частности, состояния кислородной атмосферы относительно конкретного состава во время производства транзистора.

Вообще, что касается аморфного оксида, функционирующего в качестве полупроводника, трудно отыскать подходящий состав и условия изготовления, которые использовались бы для активного слоя транзистора.

Однако согласно настоящему изобретению был найден следующий руководящий принцип. А именно, возможно изготовить транзистор, имеющий высокую дрейфовую подвижность, посредством создания кристаллической области вблизи от поверхности раздела или в местоположении, находящемся в контакте с поверхностью раздела в аморфном слое, с образованием активного слоя.

Причина, по которой в настоящем изобретении кристаллическая область присутствует только вблизи от поверхности раздела с изолирующей затвор пленкой, без распределения кристаллической области в направлении толщины всего аморфного оксида, предполагается следующей.

Даже в аморфном оксиде по мере того, как толщина поддерживаемого слоя увеличивается, может накапливаться напряжение или может прилагаться энергия на стороне поверхности аморфного оксида при формировании изолирующей пленки. Кроме того, в зависимости от состава аморфного оксида, возникновение кристаллизации может быть вероятным или, напротив, маловероятным. Состав аморфного оксида, показанного в примере, который будет описан позже, может быть как раз близким к составу, который легко претерпевает кристаллизацию. В этом состоит причина того, почему кристаллическая область присутствует только вблизи от поверхности раздела с изолирующей затвор пленкой.

Таким образом, в ходе формирования пленки свойства пленки (состояние поверхности, электропроводность, теплопроводность и т.п.) изменяются, и тем самым становится высокой возможность зарождения центров кристаллизации на поверхности пленки, в некоторых случаях легко приводя к кристаллизации. Даже когда первоначальная пленка имеет аморфную структуру, предполагается, что аморфная структура, более близкая к кристаллу, имеет более высокую возможность порождения описанного выше явления (при котором в ходе формирования пленки начинается кристаллизация).

Согласно настоящему изобретению кристаллическая область существует "на поверхности раздела или вблизи от" изолирующей затвор пленки, и, таким образом, область для формирования канала в активном слое на стороне изолирующей затвор пленки становится аморфной структурой, более близкой к кристаллической структуре, среди всей аморфной структуры. Благодаря наличию такой специфической структуры, хотя она и является аморфной, возможно получить аморфную структуру, имеющую превосходные характеристики, более близкие к характеристикам кристалла. С другой стороны, поскольку кристаллическая область существует в основном в точечном состоянии, почти вся часть пути канала является аморфной областью, и поэтому предполагается, что снижение подвижности вследствие межзеренной границы может быть предотвращено.

Напротив, кристаллическая область существует в области, входящей в состав области "на поверхности раздела или вблизи от" изолирующей затвор пленки, и, таким образом, область для формирования канала в активном слое на стороне изолирующей затвор пленки не всегда становится аморфной структурой, более близкой к кристаллической структуре, среди всей аморфной структуры. В соответствии с этим предполагается, что не всегда возможно получить аморфную структуру, имеющую превосходные характеристики, более близкие к характеристикам кристалла.

В случае, когда во всем активном слое существует поликристалл или микрокристалл, что отличается от настоящего изобретения, предполагается, что подвижность уменьшается, поскольку существует межзеренная граница. В частности, предполагается, что при увеличении размера зерен возникает проблема, заключающаяся в том, что существует зависимость ориентации кристаллов от каждой из характеристик, что уменьшает однородность этих характеристик.

Согласно настоящему изобретению способ формирования кристаллической области только "на поверхности раздела или вблизи от" изолирующей затвор пленки включает в себя способ формирования кристаллической области самосогласующимся образом без намеренного изменения условий формирования пленки во время формирования пленки, способ формирования кристаллической области с намеренным изменением условий формирования пленки во время формирования пленки и т.п. Однако, если формирование кристаллического образования и т.п. является неудобным, способ не является особо ограниченным.

В способе формирования кристаллической области самосогласующимся образом без намеренного изменения условий формирования пленки во время формирования пленки используется тот случай, при котором в ходе формирования пленки свойства пленки (состояние поверхности, электропроводность, теплопроводность и т.п.) изменяются, легко вызывая кристаллизацию. Например, хотя условия формирования пленки не изменяются во время формирования пленки, в ходе формирования пленки управление условиями протекания процесса кристаллизации (изменяющими свойства пленки условиями) позволяет сформировать кристаллическую область только "на поверхности раздела или вблизи от" изолирующей затвор пленки.

В способе формирования кристаллической области с намеренным изменением условий формирования пленки во время формирования пленки используются такие условия формирования пленки, как температура подложки, скорость формирования пленки, мощность при формировании пленки. Таким образом, условия формирования пленки для легкой кристаллизации состоят в том, чтобы увеличить температуру подложки, уменьшить скорость формирования пленки, уменьшить мощность во время формирования пленки и т.п. Таким образом, намеренное изменение условий формирования пленки во время формирования пленки позволяет сформировать кристаллическую область только "на поверхности раздела или вблизи от" изолирующей затвор пленки. Поскольку эти условия являются различными в зависимости от таких условий, как конструкция устройства формирования пленки, важно заранее провести пробное формирование пленки, получить соотношение между условиями формирования пленки и состоянием кристаллизации осажденной пленки и управлять этими условиями на основе полученных результатов.

Аморфный оксид, используемый в настоящем изобретении, содержит, например, In, Zn и Ga.

Кристаллическая область представляет собой кристаллическую область активного слоя, наблюдаемую посредством технологии изучения поперечного разреза в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ).

Полевые транзисторы согласно настоящему изобретению включают в себя не только транзисторы со ступенчатым и обратным ступенчатым расположением электродов, но также и транзисторы с компланарным и обратным компланарным расположением электродов.

Толщина слоя аморфного оксида, служащего в качестве активного слоя согласно настоящему изобретению, может предпочтительно составлять 0,05 мкм или более и 1 мкм или менее.

Толщина слоя аморфного оксида определяется согласно следующим причинам. Кристаллическая область согласно настоящему изобретению имеет поперечный диаметр менее 0,05 мкм. Поэтому, когда активный слой имеет толщину менее 0,05 мкм, возникает большое различие в рабочих характеристиках между TFT, включающим в себя кристаллическую область в своем канале, и TFT, не включающим в себя кристаллической области в своем канале. Кроме того, когда толщина составляет более 1 мкм, слой аморфного оксида требует длительного времени для его пленочного формирования, поэтому толщина более 1 мкм является неподходящей для процесса массового производства.

В случае использования активного слоя, сформированного из аморфного оксида, имеющего кристаллическую область вблизи от поверхности раздела с изолирующей затвор пленкой, предпочтительно изготовить транзистор таким образом, чтобы часть, служащая в качестве канала этого транзистора, не включала в себя такую кристаллическую область, с учетом устранения различия в рабочих характеристиках между транзисторами.

Кроме того, в настоящем изобретении после формирования слоя аморфного оксида согласно настоящему изобретению также возможно при необходимости удалить по меньшей мере часть области, содержащей кристаллическую область, которая существует в части поверхностного слоя этого слоя аморфного оксида. Когда на слое аморфного оксида формируют другой слой, такая обработка может управлять существующим количеством и состоянием распределения кристаллической области, существующей на поверхности раздела между этими слоями, чтобы тем самым усилить согласование поверхности раздела.

Термин "вблизи поверхности раздела" в настоящем изобретении означает область в пределах расстояния в 1/2 толщины активного слоя от поверхности раздела, хотя это зависит от толщины активного слоя, и в пределах 300 нм, предпочтительно - 100 нм, а более предпочтительно - 50 нм, от поверхности раздела между активным слоем и изолирующим затвор слоем.

Дополнительно предполагается, что когда толщина области вблизи от поверхности раздела в настоящем изобретении представляет собой область, имеющую толщину, равную или большую, чем толщина канала, настоящее изобретение становится более эффективным.

Пример

Ниже будет пояснен конкретный способ изготовления полевого транзистора согласно настоящему изобретению.

(1) Изготовление активного слоя

Сначала подготовили подложку из кварцевого стекла SiO₂ (марка 1737 производства Corning Incorporated) в качестве подложки, на которой должна осаждаться пленка. Затем методом высокочастотного (ВЧ) ионного распыления сформировали слой аморфного оксида, состоящего из In, Zn и Ga.

При этом в качестве материала мишени использовали поликристаллическое спеченное тело оксида InGaZn. В качестве устройства высокочастотного ионного распыления использовали устройство SH-350 (производства ULVAC, Inc.), в котором может быть размещено множество целевых подложек. ВЧ-мощность была установлена равной 300 Вт, давление формирования пленки (т.е. полное давление) было установлено равным 4 мторр (т.е. примерно 0,533 Па), и температура подложки специальным образом не увеличивалась.

Атмосферу формирования пленки сделали представляющей собой смешанную газовую атмосферу из кислорода и аргона. Парциальное давление кислорода в потоке было установлено равным 3,7% (т.е. примерно 0,0197 Па). Расстояние между мишенью и подложкой было установлено равным примерно 5 см в вертикальном направлении, и затем выполнили формирование пленки. Формирование пленки завершили в тот момент, когда толщина слоя аморфного оксида стала равной 50 нм.

Состав полученного слоя аморфного оксида представлял собой In:Ga:Zn=1:0,9:0,65 по результатам рентгенофлуоресцентного анализа.

(2) Изготовление полевого МДП-транзистора

Затем был изготовлен полевой МДП-транзистор с верхним затвором, показанный на фиг.3. Транзистор изготовили таким образом, что длина канала и ширина канала были установлены равными 10 мкм и 150 мкм соответственно.

На упомянутой подложке методом электронно-лучевого напыления сформировали пленку 283 Ti (толщина пленки: 5 нм) и пленку 281 Au (толщина пленки: 40 нм) в указанном порядке, а затем подвергли их формированию рисунка (структурированию) с получением рисунка, показанного на фиг.3. В результате были сформированы электрод истока и электрод стока. После этого на части обоих этих электродов сформировали резист (не показан), который подвергли формированию рисунка, и нанесли слой 210 аморфного оксида методом высокочастотного ионного распыления. После этого в качестве изолирующего затвор слоя сформировали пленку 220 Y₂O₃ (толщина пленки: 140 нм) методом высокочастотного ионного распыления, как упомянуто выше.

После того как выполнили отслаивание посредством удаления резиста, резист сформировали снова, выполнили формирование рисунка, а затем сформировали электрод 230 затвора, состоящий из пленки 233 Ti и пленки 231 Au, таким же образом, как электрод стока и т.п. В результате может быть получен TFT с верхним затвором. Формирование электродов и изолирующей затвор пленки выполняли в состоянии, когда нагревание специально не осуществлялось. Структура электрода 230 затвора была такой же, как и у электрода истока.

(3) Оценка характеристик и оценка структуры полевого МДП-транзистора

Вольтамперная характеристика изготовленного таким образом TFT была определена при комнатной температуре. При увеличении напряжения V_DS стока ток I_DS стока увеличивался, и это указывает на то, что канал является полупроводником n-типа. Кроме того, было показано поведение типичного полупроводникового транзистора, в котором состояние отсечки (насыщения) возникало, когда напряжение V_DS стока достигало примерно 6 В. При исследовании характеристики усиления порог напряжения V_GS затвора во время приложения напряжения V_DS стока 6 В составил примерно +1 В. Кроме того, протекал ток I_DS стока 7,5×10^-5 А, когда напряжение V_GS затвора было равно 4 В.

Отношение уровней во включенном и выключенном состояниях транзистора превысило 10⁶. По выходной характеристике в области насыщения вычислили дрейфовую подвижность, составившую примерно 15,7 см²/В·с, тем самым получив высокую дрейфовую подвижность.

Затем транзистор, имеющий такую высокую дрейфовую подвижность, изучили на поперечном разрезе посредством ПЭМ-технологии. А именно поперечный разрез транзистора сформировали с использованием фокусированного ионного пучка (использовали устройство FB-2000 производства Hitachi, Ltd.) и изучили его посредством ПЭМ-технологии. Для изучения использовали микроскоп H-800 производства Hitachi, Ltd. Фиг.1 показывает изображение его поперечного разреза в ПЭМ. На фиг.1 слой оксида InGaZn располагается между подложкой и изолирующей пленкой. Кроме того, слой оксида включает в себя кристаллические зерна в или около области вблизи от поверхности раздела с изолирующей пленкой.

(4) Сравнительный пример

Для сравнения с упомянутым выше примером изготовили транзистор при тех же самых условиях, что и в примере, за исключением того, что парциальное давление кислорода во время формирования слоя аморфного оксида было изменено до 3,4% (т.е. 0,018 Па). Транзистор изучили в поперечном разрезе посредством упомянутой выше ПЭМ-технологии. Как показано на фиг.4, кристаллическая область в слое аморфного оксида не присутствовала. Состав активного слоя был почти таким же, как и в упомянутом выше примере.

Оценили характеристику транзистора, обнаружив, что дрейфовая подвижность составляла примерно 10 см²/В·с в области насыщения. Это значение ниже, чем у упомянутого выше транзистора из примера.

Как очевидно из вышеизложенного, с точки зрения дрейфовой подвижности предпочтительно формировать активный слой так, чтобы аморфный оксид содержал кристаллическую область вблизи от поверхности раздела с изолирующим затвор слоем.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение применено в транзисторе для устройства отображения с жидким кристаллом или светоизлучающим слоем, таким как органический электролюминесцентный (EL) слой или неорганический электролюминесцентный (EL) слой. Кроме того, транзистор согласно настоящему изобретению может быть изготовлен посредством формирования пленки при низкой температуре и, таким образом, может быть изготовлен на гибкой подложке, выполненной из смолы (полимера), пластмассы и т.п. Поэтому транзистор может подходящим образом использоваться для выполнения платы для монтажа интегральных схем (ИС), идентификационной бирки или этикетки и т.п.

Эффект изобретения

Согласно настоящему изобретению может быть обеспечен транзистор, имеющий высокую дрейфовую подвижность.

Эта заявка испрашивает приоритет заявки на патент Японии №2005-323689, поданной 8 ноября 2005 года, и заявки на патент Японии №2006-283893, поданной 18 октября 2006 года, которые тем самым включены в настоящий документ по ссылке.

Изобретение относится к полевым транзисторам с использованием аморфного оксида для активного слоя. Сущность изобретения: в полевом транзисторе, содержащем активный слой и изолирующую затвор пленку, активный слой содержит слой оксида, содержащего In, Zn и Ga, аморфную область и кристаллическую область, и при этом кристаллическая область отделена от первой поверхности раздела, которая является поверхностью раздела между слоем оксида и изолирующей затвор пленкой, расстоянием в 1/2 или менее толщины активного слоя и находится в пределах 300 нм от поверхности раздела между активным слоем и изолирующей затвор пленкой или находится в точечном состоянии в контакте с этой поверхностью раздела. Изобретение обеспечивает получение полевого транзистора с высокой дрейфовой подвижностью. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Полевой транзистор, содержащий: активный слой и изолирующую затвор пленку, причем активный слой содержит слой оксида, содержащего In, Zn и Ga, и содержит аморфную область и кристаллическую область, и при этом кристаллическая область отделена от первой поверхности раздела, которая является поверхностью раздела между слоем оксида и изолирующей затвор пленкой, расстоянием в ¹/₂ или менее толщины активного слоя и находится в пределах 300 нм от поверхности раздела между активным слоем и изолирующей затвор пленкой или находится в точечном состоянии в контакте с этой поверхностью раздела.

2. Полевой транзистор по п.1, в котором кристаллическая область отсутствует вблизи от второй поверхности раздела, противоположной первой поверхности раздела, которая является поверхностью раздела между слоем оксида и изолирующей затвор пленкой.

3. Полевой транзистор по п.1, в котором слой оксида состоит из оксида, содержащего In, Zn и Ga.

4. Полевой транзистор по п.1, в котором слой оксида имеет толщину 0,05 мкм или более и 1 мкм.