薄膜トランジスタ及びその製造方法
【課題】低温成膜可能な酸化物で半導体膜を形成した逆スタガ型薄膜トランジスタであって、半導体膜上に形成した保護膜の紫外線等に対する耐光性と耐環境安定性を向上させてなる薄膜トランジスタ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板１上にパターン形成されたゲート電極２と、ゲート電極２を覆うゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上にパターン形成された酸化物半導体膜４と、酸化物半導体膜４上にパターン形成されたソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄと、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出する酸化物半導体膜４を少なくとも覆う保護膜７とを有するボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０であって、保護膜７を、酸化物半導体材料で形成する。このとき、酸化物半導体膜４及び保護膜７が、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ａｌ，Ｆｅのうち少なくとも１種）を含むアモルファス酸化物である酸化物半導体材料からなることが好ましい。
【解決手段】基板１上にパターン形成されたゲート電極２と、ゲート電極２を覆うゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上にパターン形成された酸化物半導体膜４と、酸化物半導体膜４上にパターン形成されたソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄと、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出する酸化物半導体膜４を少なくとも覆う保護膜７とを有するボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０であって、保護膜７を、酸化物半導体材料で形成する。このとき、酸化物半導体膜４及び保護膜７が、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ａｌ，Ｆｅのうち少なくとも１種）を含むアモルファス酸化物である酸化物半導体材料からなることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、低温成膜可能な酸化物で半導体膜を形成した逆スタガ型薄膜トランジスタであって、その薄膜トランジスタの保護膜を酸化物半導体材料で形成してチャネル保護膜又は紫外線遮光膜とした薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を搭載する薄膜トランジスタ基板は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等の表示装置用の駆動素子基板として用いられている。薄膜トランジスタには、逆スタガ型（ボトムゲート）や順スタガ型（トップゲート）等の構造形態があり、また、薄膜トランジスタを構成する半導体膜としては、アモルファスシリコン半導体膜やポリシリコン半導体膜が一般的に適用されている。しかし、アモルファスシリコン半導体膜は、特性が安定しているものの移動度が小さく、一方、ポリシリコン半導体膜は、移動度が高いものの高温（例えば６００℃以上）の熱処理工程を必要とする。
【０００３】
近年、酸化物半導体膜を用いた薄膜トランジスタの研究が活発に行われている。特許文献１では、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎからなる酸化物（「ＩＧＺＯ」と略す。）の多結晶薄膜を薄膜トランジスタの半導体膜に用いた例が提案され、非特許文献１と特許文献２では、ＩＧＺＯの非晶質薄膜を薄膜トランジスタの半導体膜に用いた例が提案されている。これらのＩＧＺＯを半導体膜に用いた薄膜トランジスタは、室温での低温成膜が可能であり、プラスチック基板等の非耐熱性基板に熱ダメージを与えることなく形成が可能であるとされている。
【０００４】
前記したＩＧＺＯ系の酸化物半導体は、低温で形成される非晶質材料であるにもかかわらず、比較的高い移動度を有するため、近年注目されている。また、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体は可視光に対する透過率が高い透明材料であるとともに、ＩＴＯ等の従来公知の透明導電材料をゲート電極、ソース電極又はドレイン電極とした場合であっても良好な電気的な接触特性が得られることから、透明材料のみを用いた透明薄膜トランジスタも検討されている。
【０００５】
薄膜トランジスタには逆スタガ型構造と順スタガ型構造があるが、逆スタガ型の薄膜トランジスタにおいては、半導体膜のチャネル領域を保護するために半導体膜上に保護膜を設けている。例えば特許文献５では、半導体膜上にＳｉＯ２膜やＳｉＯｘＮｙ膜を保護膜として設けている。また、特許文献６では、半導体膜上にシラン化合物等の有機無機複合化合物や有機酸からなる保護膜を設けている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K.Nomura et.al., Nature, vol.432, p.488-492(2004)
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１０３９５７号公報
【特許文献２】特表２００５−８８７２６号公報
【特許文献３】特開２００７−２２０８１６号公報
【特許文献４】特開２００７−２５０９８３号公報
【特許文献５】特開２００８−５３３５６号公報
【特許文献６】特開２００７−１５８１４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ＳｉＯ２膜やＳｉＯｘＮｙ膜等の保護膜や、有機無機複合化合物や有機酸からなる保護膜は、大気中に曝されたときの酸素や水蒸気に対する安定性に劣ったり、紫外線等の光を透過し、保護対象であるチャネル領域の半導体膜の特性が劣化したりするおそれがある。特に長期に使用すると半導体膜の特性が劣化することが予想される。こうした特性劣化は、薄膜トランジスタとしての信頼性を損なうおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、低温成膜可能な酸化物で半導体膜を形成した逆スタガ型薄膜トランジスタであって、半導体膜上に形成した保護膜の紫外線等に対する耐光性と耐環境安定性を向上させてなる薄膜トランジスタ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、光、特に紫外光に対する薄膜トランジスタの特性変動と、環境（酸素や水蒸気）に対する薄膜トランジスタの特性変動とを検討している過程で、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体を、逆スタガ型薄膜トランジスタを構成する半導体膜のほかに、保護膜として用いることで、チャネル保護膜又は紫外線遮光膜として有効であることを見出し、本発明を完成させた。
【００１１】
上記課題を解決するための本発明の第１の観点に係る薄膜トランジスタは、基板上にパターン形成されたゲート電極と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上にパターン形成された酸化物半導体膜と、該酸化物半導体膜上にパターン形成されたソース電極及びドレイン電極と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記酸化物半導体膜を少なくとも覆う保護膜とを有するボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタであって、前記保護膜は、酸化物半導体材料で形成されていることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決するための本発明の第２の観点に係る薄膜トランジスタは、基板上にパターン形成されたゲート電極と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上にパターン形成されたソース電極及びドレイン電極と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記ゲート絶縁膜を少なくとも覆うようにパターン形成された酸化物半導体膜と、該酸化物半導体膜を少なくとも覆う保護膜とを有するボトムゲートボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタであって、前記保護膜は、酸化物半導体材料で形成されていることを特徴とする。
【００１３】
これら第１及び第２の観点に係る発明によれば、薄膜トランジスタを構成する保護膜が、酸化物半導体材料で形成されている。この酸化物半導体材料からなる保護膜は、可視光領域では良好な光透過性を有し、一方、紫外光領域では良好な遮光性を有するので、従来の保護膜であるＳｉＯ２膜や有機無機複合化合物膜に比べて薄膜トランジスタ特性（すなわち半導体特性）の劣化を効果的に防ぐことができる。特に、その保護膜は、紫外光に対する半導体特性の劣化を防ぎ、水蒸気や酸素ガスに対する半導体特性の大気安定性を向上させるので、その保護層を備えた薄膜トランジスタは、長期信頼性に優れたものとなる。そうした保護膜は、ソース電極及びドレイン電極間に露出する酸化物半導体膜を少なくとも覆う（第１の観点に係る発明）又は最上層として露出する酸化物半導体膜を少なくとも覆う（第２の観点に係る発明）ので、酸化物半導体膜が紫外線や大気雰囲気に曝されることによって特性が低下するのを抑制できる。さらに、この発明によれば、保護膜を酸化物半導体膜と同じ酸化物半導体材料で成膜することもできるので、コストを実現した薄膜トランジスタを提供できる。
【００１４】
本発明に係る薄膜トランジスタにおいて、前記酸化物半導体膜及び保護膜が、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｆｅのうち少なくとも１種）を含むアモルファス酸化物からなることが好ましい。
【００１５】
この発明によれば、保護膜がＩｎＭＺｎＯを含むアモルファス酸化物からなるので、特に可視光領域で良好な光透過性を示し、紫外光領域で良好な遮光性を示すので、薄膜トランジスタ特性（半導体特性）の劣化をより効果的に防ぐことができる。特にＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物が好ましい。
【００１６】
上記課題を解決するための本発明の第１の観点に係る薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にゲート電極をパターン形成する工程と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜をパターン形成する工程と、該酸化物半導体膜上にソース電極及びドレイン電極をパターン形成する工程と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記酸化物半導体膜を少なくとも覆うように、酸化物半導体材料で保護膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の第２の観点に係る薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にゲート電極をパターン形成する工程と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上にソース電極及びドレイン電極をパターン形成する工程と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記ゲート絶縁膜を少なくとも覆う酸化物半導体膜をパターン形成する工程と、該酸化物半導体膜を少なくとも覆うように、酸化物半導体材料で保護膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００１８】
これら第１及び第２の観点に係る発明によれば、薄膜トランジスタを構成する保護膜を、酸化物半導体材料で形成する。この酸化物半導体材料からなる保護膜は、可視光領域では良好な光透過性を有し、一方、紫外光領域では良好な遮光性を有するので、製造された薄膜トランジスタは、従来の保護膜であるＳｉＯ２膜や有機無機複合化合物膜を保護膜として設けた薄膜トランジスタに比べ、薄膜トランジスタ特性（半導体特性）の劣化を効果的に防ぐことができる。特に、その保護層は、紫外光に対する半導体特性の劣化を防ぎ、水蒸気や酸素ガスに対する酸化物半導体膜の半導体特性の大気安定性を向上させるので、その保護膜を備えた薄膜トランジスタは、長期信頼性に優れたものとなる。本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法では、そうした保護膜が、ソース電極及びドレイン電極間に露出する酸化物半導体膜を少なくとも覆う（第１の観点に係る発明）又は最上層として露出する酸化物半導体膜を少なくとも覆う（第２の観点に係る発明）ので、酸化物半導体膜が紫外線や大気雰囲気に曝されることによって特性が低下するのを抑制できる。さらに、この発明によれば、保護膜を酸化物半導体膜と同じ酸化物半導体材料で成膜することもできるので、低コストを実現した薄膜トランジスタを提供できる。
【００１９】
本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法において、前記酸化物半導体膜及び保護膜が、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｆｅのうち少なくとも１種）を含むアモルファス酸化物からなることが好ましい。
【００２０】
本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法において、前記酸化物半導体膜の形成工程が、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する工程であることが好ましい。
【００２１】
この発明によれば、酸化物半導体膜をアルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成するので、得られた酸化物半導体膜中の酸素欠損を少なくすることができる。その結果、キャリア濃度の低い絶縁性の酸化物半導体膜を得ることができるので、その後の保護膜の形成をＲＦスパッタリング法で行って酸化物半導体膜のキャリア濃度をアップさせてその半導体特性を調整することができる。
【００２２】
この場合において、前記保護膜の形成工程が、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で保護膜を形成する工程であることが好ましい。
【００２３】
この発明によれば、保護膜を、前記した酸化物半導体膜と同じく、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成するので、別の成膜チャンバーを用いたり、別のガス雰囲気等で成膜したりすることが不要となり、低コスト化を実現できる。さらに、保護膜を形成するＲＦスパッタリング時に、前記した酸化物半導体膜のキャリア濃度をアップさせて半導体特性に移行させることができる。特に、保護膜をＲＦスパッタリング法で形成するのが好ましい酸化物半導体膜のキャリア濃度は、１０１５ｉｏｎ／ｃｍ２未満の場合である。
【００２４】
本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法において、前記酸化物半導体膜の形成工程が、アルゴンを含む酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する工程であることが好ましい。
【００２５】
この発明によれば、酸化物半導体膜をアルゴンを含む酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成するので、得られた酸化物半導体膜は酸素欠損が多くなる。その結果、得られた酸化物半導体膜はキャリア濃度が活性層に適した酸化物半導体膜となる。
【００２６】
この場合において、前記保護膜の形成工程が、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＤＣスパッタリング法で保護膜を形成する工程であることが好ましい。
【００２７】
この発明によれば、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中で保護膜を形成するＤＣスパッタリング法を適用したので、そのＤＣスパッタリング時に、前記した酸化物半導体膜のキャリア濃度はあまり影響されない。なお、保護膜をＤＣスパッタリング法で形成するのが好ましい酸化物半導体膜のキャリア濃度は、１０１５ｉｏｎ／ｃｍ２以上の場合である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る薄膜トランジスタ及びその製造方法によれば、可視光領域では良好な光透過性を有し、一方、紫外光領域では良好な遮光性を有する酸化物半導体材料で保護膜が設けられているので、得られた薄膜トランジスタは、従来の保護膜であるＳｉＯ２膜や有機無機複合化合物膜を保護膜として設けた薄膜トランジスタに比べ、薄膜トランジスタ特性（半導体特性）の劣化を効果的に防ぐことができる。特に、その保護膜は、紫外光に対する半導体特性の劣化を防ぎ、水蒸気や酸素ガスに対する半導体特性の大気安定性を向上させるので、その保護膜を備えた薄膜トランジスタは、長期信頼性に優れたものとなる。さらに、本発明によれば、保護膜を酸化物半導体膜と同じ酸化物半導体材料で成膜することもできるので、低コストを実現した薄膜トランジスタを提供できる。
【００２９】
また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法によれば、酸化物半導体膜をアルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成して、酸素欠損の少ない酸化物半導体膜を形成した場合には、キャリア濃度の低い絶縁性の酸化物半導体膜を得ることができる。このとき、保護膜を、酸化物半導体膜と同様、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成するので、別の成膜チャンバーを用いたり、別のガス雰囲気等で成膜したりすることが不要となり、低コスト化を実現できる。さらに、保護膜を形成するＲＦスパッタリング時に、前記した酸化物半導体膜のキャリア濃度をアップさせて半導体特性に移行させることができる。
【００３０】
また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法によれば、酸化物半導体膜をアルゴンを含む酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成して、酸素欠損の多い酸化物半導体膜を形成するので、キャリア濃度が活性層に適した酸化物半導体膜を得ることができる。このとき、保護膜を、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＤＣスパッタリング法で形成するので、そのＤＣスパッタリング時に、前記した酸化物半導体膜のキャリア濃度をあまり変化させないで活性層に適した酸化物半導体膜とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る薄膜トランジスタの一例を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明に係る薄膜トランジスタの他の一例を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明に係る薄膜トランジスタの更に他の一例を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の各工程を示す模式的な説明図である。
【図５】本発明で適用するアモルファス酸化物（ａ−ＩＧＺＯ）の透過率の波長依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下に、本発明に係る薄膜トランジスタ及びその製造方法について、図面を参照して詳しく説明する。なお、本発明は、その技術的特徴を有すれば種々の変形が可能であり、以下に具体的に示す実施形態に限定されるものではない。
【００３３】
本発明は、逆スタガ型の薄膜トランジスタに関し、具体的には、図１〜図３に示すように、ボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ａ，１０Ｂ又はボトムゲートボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ｃに関するものである。なお、以下において、逆スタガ型の薄膜トランジスタを符号１０で表すことがある。以下では、本発明に係る薄膜トランジスタの構成を図１〜図３を参照しつつ説明するとともに、併せて薄膜トランジスタの製造方法を図４を参照しつつ説明する。
【００３４】
本発明に係る薄膜トランジスタ１０は、図１〜図３に示すように、基板１上に、ゲート電極２、ゲート絶縁膜３、酸化物半導体膜４、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ、及び保護膜７が設けられた逆スタガ型の薄膜トランジスタである。
【００３５】
このうち、ボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ａ，１０Ｂは、図１及び図２に示すように、基板１上にパターン形成されたゲート電極２と、ゲート電極２を覆うゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上にパターン形成された酸化物半導体膜４と、酸化物半導体膜４上にパターン形成されたソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄと、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出する酸化物半導体膜４を少なくとも覆う保護膜７とを有するものであり、ボトムゲートボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ｃは、図３に示すように、基板１上にパターン形成されたゲート電極２と、ゲート電極２を覆うゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上にパターン形成されたソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄと、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出するゲート絶縁膜３を少なくとも覆うようにパターン形成された酸化物半導体膜４と、酸化物半導体膜４を少なくとも覆う保護膜’とを有するものである。そして、本発明の特徴は、保護膜７が、酸化物半導体材料で形成されていることにあり、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出する酸化物半導体膜４’を覆う（ボトムゲートトップコンタクト構造）、又は最上層として露出する酸化物半導体膜４を覆う（ボトムゲートボトムコンタクト構造）とともに、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄを覆うように設けられていることにある。
【００３６】
本発明において、「上に」とは、そのものの上に直に設けられていることを意味し、直に設けられていない場合は「上方に」と言い分ける。また、「覆う」とは、そのものの上に直接設けられるとともに、そのものの周りにも設けられていることを意味する。「同一材料」とは、成膜時の材料が同じであることを意味する。
【００３７】
こうした形態からなる逆スタガ型の薄膜トランジスタ１０の製造方法は、逆スタガ型構造が図１及び図２に示すボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ａ，１０Ｂであるか、図３に示すボトムゲートボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ｃであるかで若干異なる。
【００３８】
具体的には、ボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ａ，１０Ｂの製造方法は、基板１上にゲート電極２をパターン形成する工程と、ゲート電極２を覆うゲート絶縁膜３を形成する工程と、ゲート絶縁膜３上に酸化物半導体膜４をパターン形成する工程と、酸化物半導体膜４上にソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄをパターン形成する工程と、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出する酸化物半導体膜４’（図２では露出したパッシベーション膜５’）を少なくとも覆うように、酸化物半導体材料で保護膜７を形成する工程とを有する。なお、ボトムゲートトップコンタクト構造の場合は、酸化物半導体膜４上にソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄを設ける際の、酸化物半導体膜４の成膜ダメージ防ぐこと等の目的で、図２に示すように、酸化物半導体膜４上にパッシベーション膜５を設けてもよい。
【００３９】
一方、ボトムゲートボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ｃの製造方法は、基板１上にゲート電極２をパターン形成する工程と、ゲート電極２を覆うゲート絶縁膜３を形成する工程と、ゲート絶縁膜３上にソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄをパターン形成する工程と、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出するゲート絶縁膜３を少なくとも覆うとともにソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ上にも酸化物半導体膜４をパターン形成する工程と、酸化物半導体膜６を少なくとも覆うように、酸化物半導体材料で保護膜７を形成する工程とを有する。
【００４０】
本発明において、「パターン形成する」とは、ゲート電極２、ゲート絶縁膜３、酸化物半導体膜４、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ等を薄膜トランジスタ１０の構成要素として用いる場合に適した任意の平面視形状に形成することを意味し、「パターニングする」又は「所定のパターンで形成する」等に言い換えることができる。また、本発明において、「所定のパターンの」というときは、ゲート電極２、ゲート絶縁膜３、酸化物半導体膜４、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ等の構成要素が、薄膜トランジスタ１０の構成要素として用いる場合に適した任意の平面視形状であることを意味する。
【００４１】
以下、本発明に係る薄膜トランジスタ及びその製造方法の各構成要素について詳しく説明する。
【００４２】
（基板）
基板１の種類や構造は特に限定されるものではなく、用途に応じてフレキシブルな材質や硬質な材質等が選択される。基板１は透明であってもなくてもよい。透明な基板材料としては、例えば、ガラス、石英、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリエステル、ポリカーボネート等を挙げることができる。通常は、透明電極であるＩＴＯ付きガラス基板やＩＴＯ付きプラスチック基板等が好ましく用いられる。なお、金属膜や透明導電膜が形成されたガラス基板やプラスチック基板等を用いてもよい。
【００４３】
なお、透明の定義は、薄膜トランジスタを利用する薄膜集積回路装置の用途に応じてその基準は異なるが、一基準を示せば、(i)反射率で判断する場合には、波長３５０ｎｍ〜６５０ｎｍの可視光領域において、各膜の屈折率が約２以下で屈折率差が約０．５以下であることが透明性の点で好ましく、(ii)透過率で判断する場合には、波長３５０ｎｍ〜６５０ｎｍの可視光領域において、各膜の消光係数ｋが約０．１以下と低いことが透明性の点で好ましい
【００４４】
基板１の厚さは、薄膜トランジスタ１０を備えた薄膜集積回路装置にフレキシブル性を持たせるか否かによっても異なり特に限定されないが、例えばＩＣタグ等に用いるフレキシブル性の薄膜集積回路装置とする場合には、厚さ５μｍ〜３００μｍのプラスチック基板が好ましく用いられる。また、基板１の形状は特に限定されないが、チップ状、カード状、ディスク状等を挙げることができる。なお、枚葉状又は連続状の基板１上に薄膜集積回路装置を形成した後に個々のチップ状、カード状、ディスク状に分断加工してもよい。
【００４５】
（ゲート電極）
ゲート電極２は、図１〜図３及び図４（Ａ）に示すように、基板１上にパターン形成されている。ゲート電極の形成材料としては、例えば、金、銀、銅、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、アルミニウム、ニオブ、タンタル、モリブデン等の金属膜；ＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等の透明導電膜；を好ましく挙げることができる。なお、所望の導電性を有するものであれば、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリアルキルチオフェン誘導体、ポリシラン誘導体のような透明な導電性高分子等であってもよい。
【００４６】
ゲート電極２の形成は、ゲート電極材料の種類や基板１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、透明導電膜でゲート電極２を形成する場合には、成膜手段としてスパッタリング法や各種ＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。ゲート電極２の形成に低温成膜が要求される場合には、成膜手段として低温成膜可能なスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。また、導電性高分子でゲート電極２を形成する場合には、成膜手段として真空蒸着法やパターン印刷法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。
【００４７】
ゲート電極２の形成工程時には、同時に、ゲート電極用配線、グラウンド配線及び電源配線等の回路配線群を、ゲート電極２と同一材料で形成してもよい。ゲート電極２の厚さ、及び、ゲート電極２の形成時に同時に形成する回路配線群（電極や配線）の厚さは、通常、０．０５μｍ〜０．２μｍ程度である。
【００４８】
（ゲート絶縁膜）
ゲート絶縁膜３は、図１〜図３に示すように、ゲート電極２を覆うように設けられる。ゲート絶縁膜３は、絶縁性が高く、誘電率が比較的高く、ゲート絶縁膜として適しているものであれば各種の材料を用いることができる。例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素等のケイ素の酸化物、窒化物、酸窒化物等を好ましく挙げることができる。また、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化スカンジウム、チタン酸バリウムストロンチウムのうち少なくとも１種又は２種以上を挙げることができる。特に透明性の観点からは、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素等のケイ素の酸化物、窒化物、酸窒化物等が好ましい。
【００４９】
ゲート絶縁膜３の形成は、図１〜図３及び図４（Ｂ）に示すように、ゲート絶縁膜材料の種類や基板１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、ケイ素の酸化物、窒化物、酸窒化物等でゲート絶縁膜３を形成する場合には、成膜手段としてスパッタリング法や各種ＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。ゲート絶縁膜３の成膜に低温成膜が要求される場合には、成膜手段として低温成膜可能なスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。なお、ゲート絶縁膜３Ａの厚さは、通常、０．１μｍ〜０．３μｍ程度である。
【００５０】
（酸化物半導体膜）
酸化物半導体膜４は、図１、図２及び図４（Ｃ）に示すボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ａ，１０Ｂの場合には、ゲート電極２の上方に、ゲート絶縁膜３を間に介してそのゲート絶縁膜３上にパターン形成されている。一方、図３に示すボトムゲートボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ｃの場合には、酸化物半導体膜４は、ゲート電極２の上方に、ゲート絶縁膜３を間に介してそのゲート絶縁膜３上にソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄをパターン形成し、その後に、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｓの間を跨ぐようにパターン形成されている。
【００５１】
この酸化物半導体膜４は、薄膜トランジスタを構成するチャネル領域として使用できる程度の移動度を有するものであれば、その種類は特に限定されず、現在知られている酸化物半導体膜であっても、今後発見される酸化物半導体膜であってもよい。
【００５２】
酸化物半導体膜４を構成する酸化物としては、例えば、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｆｅのうち少なくとも１種）を主たる構成元素とするアモルファス酸化物を挙げることができる。特に、ＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物が好ましく、この場合、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎの比が１：１：ｍ（ｍ＜６）であることが好ましい。また、Ｍｇをさらに含む場合においては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ1-xＭｇxの比が１：１：ｍ（ｍ＜６）で０＜ｘ≦１であることが好ましい。なお、組成割合は、蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）装置によって測定したものである。
【００５３】
ＩｎＭＺｎＯを含むアモルファス酸化物である酸化物半導体材料で酸化物半導体膜４を形成した場合、その酸化物半導体膜４は、特に可視光領域で良好な光透過性を示し、紫外光領域で良好な遮光性を示すので、後述するように、保護膜７として好ましく適用でき、薄膜トランジスタ特性の劣化をより効果的に防ぐことができる。特にＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物が好ましい。そのため、ここでの酸化物半導体膜４を、後述する保護膜７と同じＩｎＭＺｎＯを含むアモルファス酸化物で形成すれば、製造装置や工程を共通化することができ、低コストの薄膜トランジスタを製造するのに便利である。
【００５４】
ＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物については、ＩｎとＧａとＺｎの広い組成範囲でアモルファス相を示す。この三元系でアモルファス相を安定して示す組成範囲としては、ＩｎｘＧａｙＺｎｚＯ（３ｘ／２＋３ｙ／２＋ｚ）で比率ｘ／ｙが０．４〜１．４の範囲であり、比率ｚ／ｙが０．２〜１２の範囲にあるように表すことができる。なお、ＺｎＯに近い組成とＩｎ２Ｏ３に近い組成で結晶質を示す。
【００５５】
また、アモルファス酸化物が、ＩｎxＧａ1-x酸化物（０≦ｘ≦１）、ＩｎxＺｎ1-x酸化物（０．２≦ｘ≦１）、ＩｎxＳｎ1-x酸化物（０．８≦ｘ≦１）、Ｉｎx（Ｚｎ，Ｓｎ）1-x酸化物（０．１５≦ｘ≦１）から選ばれるいずれかのアモルファス酸化物であってもよい。
【００５６】
本発明では、後述の実施例で用いたＩｎＧａＺｎＯ系（以下「ＩＧＺＯ」と略す）酸化物半導体膜を好ましく挙げることができる。また、このＩＧＺＯ系酸化物半導体膜には、必要に応じて、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｎ等を構成元素として加えたものであってもよい。このＩＧＺＯ系酸化物半導体膜は、可視光を透過して透明膜となるので、透明性を要求される薄膜集積回路に好ましく用いられる。また、このＩＧＺＯ系酸化物半導体膜は、スパッタリング法（特にＲＦスパッタリング法）により、室温から１５０℃程度の低温での成膜が可能であることから、ガラス転移温度が２００℃未満の耐熱性に乏しいプラスチック基板に対して好ましく適用できる。
【００５７】
酸化物半導体膜４がアモルファスであるか否かは、測定対象となる酸化物半導体膜に入射角度０．５°程度の低入射角によるＸ線回折を行った場合に、結晶質の存在を示す明瞭な回折ピークが検出されないこと、すなわち所謂ブロード（ハロー形状）パターンが見られることで確認できる。そうしたブロードパターンは、微結晶状態の酸化物半導体膜でも見られるので、この酸化物半導体膜４には、そのような微結晶状態の酸化物半導体膜も含まれるものとする。
【００５８】
酸化物半導体膜４の形成は、酸化物半導体材料の種類や基板１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、成膜手段としてスパッタリング法やＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できるが、低温成膜が要求される場合には、成膜手段としてスパッタリング法（特にＲＦスパッタリング法）やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。
【００５９】
酸化物半導体膜４の厚さは、成膜条件によって任意に設計されるために一概には言えないが、通常１０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲内であることが好ましく、３０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内であることがより好ましい。
【００６０】
特に本発明では、酸化物半導体膜の形成工程に、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法（いわゆる高周波スパッタリング法のことで、ＲＦマグネトロンスパッタリング法も含む。）を適用することが好ましい。こうして成膜された酸化物半導体膜４は、膜中の酸素欠損が少なくなり、キャリア濃度の低い絶縁性の酸化物半導体膜を得ることができる。その結果、その後の保護膜７の形成をＲＦスパッタリング法で行い、キャリア濃度を上げる方向に調整することができるという利点がある。
【００６１】
一方、酸化物半導体膜の形成工程に、アルゴンを含む酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法を適用してもよい。このガス条件下でＲＦスパッタリング法で成膜した酸化物半導体膜４は、膜中の酸素欠損が多くなり、キャリア濃度が活性層として適した酸化物半導体膜となる。そのため、アルゴンを含む酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法を適用して酸化物半導体膜４を成膜した場合、その後の保護膜の形成時には、スパッタリング時に酸素欠損を生じさせずにキャリア濃度に影響しないＤＣスパッタリング法を適用することが好ましい。
【００６２】
（パッシベーション膜）
パッシベーション膜５は、図２に示すように、ボトムゲートトップコンタクト構造の場合に酸化物半導体膜４上に設けることができる。パッシベーション膜５を設けることは、酸化物半導体膜４上に直接ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄを成膜する場合にその酸化物半導体膜４が受けるダメージを低減するのに有効である。したがって、パッシベーション膜５は、酸化物半導体膜４のチャネル領域４Ａを保護しつつ、ソース電極接続部４Ｂとドレイン電極接続部４Ｂとを形成するために設けられる。具体的には、パッシベーション膜５は、図２に示すように、酸化物半導体膜４にソース電極接続部４Ｂとドレイン電極接続部４Ｂとを形成する部分にコンタクトホールを形成した形態で酸化物半導体膜４を覆っている。
【００６３】
パッシベーション膜５は、液状にしたシリカ（ＳｉＯ２の水和物）やポリイミド樹脂等のパッシベーション膜用材料を塗布法で成膜し、その後にレジストを用いたパターニングで形成することができる。また、感光性を有するパッシベーション膜用材料を塗布法で成膜し、その後に露光現像して所定パターンのパッシベーション膜５を形成してもよい。こうしたパッシベーション膜５の厚さは、通常、０．１μｍ〜３μｍ程度である。
【００６４】
パッシベーション膜５を設ける場合は、コンタクトホールを形成した後に活性化処理を行う。この活性化処理により、コンタクトホール部で露出した酸化物半導体膜４の導電性を高めてソース電極接続部４Ｂ及びドレイン電極接続部４Ｂとすることができる。導電性を高めたソース電極接続部４Ｂ及びドレイン電極接続部４Ｂに後述するソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄをパターン成膜すると、ソース電極接続部４Ｂ及びドレイン電極接続部４Ｂそれぞれに対するソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄのオーミック抵抗を低減することができる。なお、活性化処理としては、プラズマ処理は、酸化物半導体膜４に酸素欠損を生じさせる処理手段である。
【００６５】
（ソース電極、ドレイン電極）
ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄは、図１及び図２に示すボトムゲートトップコンタクト構造の場合には、酸化物半導体膜４上に又はコンタクトホールが形成されたパッシベーション膜５上にパターン形成されている。一方、図３に示すボトムゲートボトムコンタクト構造の場合には、上記した酸化物半導体膜４を成膜する前に、ゲート絶縁膜４上にパターン形成されている。
【００６６】
ソース電極材料及びドレイン電極材料は、酸化物半導体膜４のソース電極接続部４Ｂ及びドレイン電極接続部４Ｂとのオーミック接触が考慮されて選択され、例えば、ＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等の透明導電膜を好ましく挙げることができる。また、所望の導電性を有するものであれば、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリアルキルチオフェン誘導体、ポリシラン誘導体のような導電性高分子等であってもよい。
【００６７】
ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄの形成は、電極材料の種類や基板１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、透明導電膜でソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄを形成する場合には、成膜手段としてスパッタリング法や各種のＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できるが、低温成膜が要求される場合には、成膜手段として低温成膜可能なスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。また、導電性高分子でソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄを形成する場合には、成膜手段として真空蒸着法やパターン印刷法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。
【００６８】
ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄの形成工程時には、同じ電極材料で、同時に、既に形成されている回路配線群への接続や新しい回路配線群の形成を行うことが好ましい。ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄの厚さは、通常、０．１μｍ〜０．３μｍ程度である。
【００６９】
（保護膜）
保護膜７は、図１及び図２に示すボトムゲートトップコンタクト構造の場合にはソース電極６Ｓとドレイン電極６Ｄを形成した後に、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出する酸化物半導体膜４を少なくとも覆うように設けられている。また、図３に示すボトムゲートボトムコンタクト構造の場合には、保護膜７は、酸化物半導体膜４をパターン形成した後に、最上層として露出する酸化物半導体膜４を少なくとも覆うように設けられている。なお、保護膜７は、露出する酸化物半導体膜４を少なくとも覆っていれば、その部分を含む全面を覆うように設けても構わない。
【００７０】
こうして成膜する保護膜７は、酸化物半導体材料で形成されるものであり、特に、既に説明した酸化物半導体膜４と同じ酸化物材料で形成されていることが好ましい。酸化物半導体膜４と同じ酸化物材料で形成されていることにより、酸化物半導体膜４と保護膜７とを、同じ成膜チャンバーを用いて同じ又は類似の成膜条件で成膜できるので、低コストを実現することができる。なお、この保護膜７の形成材料は既に説明した酸化物半導体膜４の形成材料である酸化物半導体材料（詳しくはアモルファス酸化物）と同じであるので、ここではその材料の詳細は省略する。なお、保護膜７が前記した酸化物半導体膜４の形成材料である酸化物半導体材料と同じ材料で形成されたものであるとの蓋然性があれば、その保護膜の特性を阻害しない範囲で、酸化物半導体材料の構成元素と異なる元素が含まれていても構わない。
【００７１】
保護膜７は、酸化物半導体膜４の場合と同様、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｆｅのうち少なくとも１種）を含むアモルファス酸化物からなることが好ましく、特にＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物からなることが好ましい。ＩｎＭＺｎＯ（特にＩｎＧａＺｎＯ）を含むアモルファス酸化物からなる保護膜７は、特に可視光領域で良好な光透過性を示し、紫外光領域で良好な遮光性を示すので、薄膜トランジスタ特性（すなわち半導体特性）の劣化をより効果的に防ぐことができる。そのため、従来の保護膜であるＳｉＯ２膜や有機無機複合化合物膜に比べて薄膜トランジスタ特性の劣化を効果的に防ぐことができるという効果がある。その結果、その保護膜７は、紫外光に対する半導体特性の劣化を防ぎ、水蒸気や酸素ガスに対する半導体特性の大気安定性を向上させるので、その保護膜７を備えた薄膜トランジスタは、長期信頼性に優れたものとなる。
【００７２】
こうした保護膜７は、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出する酸化物半導体膜４を少なくとも覆う（ボトムゲートトップコンタクト構造の場合。図１及び図２を参照。）又は最上層として露出する酸化物半導体膜４を少なくとも覆う（ボトムゲートボトムコンタクト構造の場合。図３を参照。）、ように設けられているので、酸化物半導体膜４が紫外線や大気雰囲気に曝されることによって生じる閾値の変化や、移動度の変化を抑制できる。
【００７３】
保護膜７は、各種の方法で成膜できるが、スパッタリング法で成膜することが好ましい。スパッタリング法には、ＤＣスパッタリング法、ＲＦスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法等がある。本発明ではＲＦスパッタリング法とＤＣスパッタリング法で成膜することが好ましい。
【００７４】
これらについて詳しく説明する。
【００７５】
ＲＦスパッタリング法での保護膜７の成膜は、酸化物半導体材料からなる膜、好ましくは酸化物半導体膜４となるアモルファス酸化物からなる膜（アモルファス酸化物膜という。）を、アルゴンを含まないＲＦスパッタリング法で予め成膜した場合に行う。その理由は、アルゴンを含まないＲＦスパッタリング法でアモルファス酸化物膜を成膜した場合、そのアモルファス酸化物膜は酸素欠陥が少なく、キャリア濃度が１０１２ion／ｃｍ３〜１０１５ion／ｃｍ３と低いキャリア濃度のアモルファス酸化物膜を得ることができる。そのアモルファス酸化物膜の露出部を少なくとも覆うように保護膜７をＲＦスパッタリング法（アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気下）で成膜すると、アモルファス酸化物膜のキャリア濃度を例えば１０１６ion／ｃｍ３程度に上昇させることができ、キャリア濃度が１０１５ion／ｃｍ３〜１０１７ion／ｃｍ３の半導体領域の酸化物半導体膜４とすることができる。
【００７６】
なお、酸化物半導体膜４となるアモルファス酸化物膜をアルゴンを含むＲＦスパッタリング法で成膜した場合は、膜中の酸素欠陥が多くなってキャリア濃度が増し、そのままで活性層として適したキャリア濃度をもつ酸化物膜になる。そうしたアモルファス酸化物膜の露出部にＲＦスパッタリング法で保護膜７を成膜すると、アモルファス酸化物膜のキャリア濃度が上昇してしまい、所望の酸化物半導体膜４とすることができないという問題がある。
【００７７】
一方の、ＤＣスパッタリング法での保護膜７の成膜は、酸化物半導体膜４となるアモルファス酸化物膜を、アルゴンを含むＲＦスパッタリング法で予め成膜した場合に行う。その理由は、アルゴンを含むＲＦスパッタリング法でアモルファス酸化物膜を成膜した場合、そのアモルファス酸化物膜は酸素欠陥が多く、キャリア濃度が１０１５ion／ｃｍ３〜１０１７ion／ｃｍ３と高い導電性のアモルファス酸化物を得ることができる。そのアモルファス酸化物膜の露出部を少なくとも覆うように保護膜７をＤＣスパッタリング法（アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気下）で成膜しても、半導体膜のキャリア濃度に変化はないからである。
【００７８】
保護膜の厚さは、例えば２００ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましく、２５０ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましい。保護膜７の厚さが２００ｎｍ未満では、薄すぎて十分に紫外線を吸収できないおそれがある。
【００７９】
（その他の膜）
薄膜トランジスタ１０には、その他の膜が形成されていてもよい。例えば、基板面に下地膜（密着膜や、熱又は不純物原子に対するバッファ膜）を設けて、ゲート電極２の密着性やゲート絶縁膜３の密着性や特性安定性を高めてもよい。下地膜としては、厚さ５ｎｍ〜１０ｎｍのクロム膜、厚さ１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度の酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜、及び酸窒化ケイ素膜等を好ましく挙げることができる。
【００８０】
また、上記した保護膜７に加えて、他の保護膜（図示しない）を設けてもよい。ここでいう他の保護膜とは、例えば厚さ５００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度のＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）膜等や、厚さ１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素や酸窒化ケイ素等からなるガスバリア性の膜を好ましく挙げることができる。
【００８１】
以上説明したように、本発明に係る薄膜トランジスタ及びその製造方法は、可視光領域では良好な光透過性を有し、一方、紫外光領域では良好な遮光性を有する酸化物半導体材料で保護膜が設けられているので、得られた薄膜トランジスタは、従来の保護膜であるＳｉＯ２膜や有機無機複合化合物膜を保護膜として設けた薄膜トランジスタに比べ、薄膜トランジスタ特性（半導体特性）の劣化を効果的に防ぐことができる。特に、その保護膜は、紫外光に対する半導体特性の劣化を防ぎ、水蒸気や酸素ガスに対する半導体特性の大気安定性を向上させるので、その保護膜を備えた薄膜トランジスタは、長期信頼性に優れたものとなる。さらに、この発明によれば、保護膜を酸化物半導体膜と同じ酸化物材料で成膜することもできるので、低コストを実現した薄膜トランジスタを提供できる。
【００８２】
また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法は、酸化物半導体膜をアルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成して、酸素欠損の少ない酸化物半導体膜を形成するので、キャリア濃度の低い絶縁性の酸化物半導体膜を得ることができる。このとき、保護膜を、酸化物半導体膜と同様、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成するので、別の成膜チャンバーを用いて成膜したり、別のガス雰囲気等で成膜したりすることが不要となり、低コスト化を実現できる。さらに、保護膜を形成するＲＦスパッタリング時に、前記した酸化物半導体膜のキャリア濃度をアップさせて半導体特性に移行させることができる。
【００８３】
また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法によれば、酸化物半導体膜をアルゴンを含む酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成して、酸素欠損の多い酸化物半導体膜を形成するので、キャリア濃度が活性層に適した酸化物半導体膜を得ることができる。このとき、保護膜を、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＤＣスパッタリング法で形成するので、そのＤＣスパッタリング時に、前記した酸化物半導体膜のキャリア濃度をあまり変化させないで活性層に適した酸化物半導体膜とすることができる。
【実施例】
【００８４】
代表的な例を挙げて本発明を更に詳しく説明する。なお、本発明は以下の例に限定解釈されることはない。
【００８５】
［実施例１］
図１に示す薄膜トランジスタ１０を作製した。先ず、厚さ７００μｍのガラスを基板１として準備し、その基板１上の全面に厚さ１５０ｎｍのアルミニウム膜をＤＣスパッタリング法で成膜し、ゲート電極膜とした。このときのＤＣスパッタリング法は、出力５００Ｗ、圧力０．５Ｐａ、アルゴンガス１００％の条件下で成膜した。その後、レジストパターンをフォトリソグラフィで形成した後に燐酸溶液でウェットエッチングし、アルミニウム膜がゲート電極２となるようにパターニングした（図４（Ａ）参照）。
【００８６】
次に、ゲート電極２を覆うように、全面に、厚さ３００ｎｍの酸化ケイ素をゲート絶縁膜３として全面に形成した。このゲート絶縁膜３は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、８インチのＳｉＯ２ターゲットに投入電力２．０ｋＷ（＝３Ｗ／ｃｍ２）、圧力０．３Ｐａ、酸素ガス１００％の条件で成膜した（図４（Ｂ）参照）。
【００８７】
次に、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎが１：１：１のＩｎＧａＺｎＯ系アモルファス酸化物膜（ＩｎＧａＺｎＯ４）を厚さ２５ｎｍとなるように形成した。アモルファス酸化物膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、室温（２５℃）、出力５００Ｗ、圧力０．４Ｐａ、酸素ガス１００％の条件下で、４インチのＩｎＧａＺｎＯ（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）ターゲットを用いて形成した。その後、レジストパターンをフォトリソグラフィで形成した後に燐酸溶液でウェットエッチングし、アモルファス酸化物膜が酸化物半導体膜４となるように所定のパターンにパターニングした（図４（Ｃ）参照）。なお、得られた酸化物半導体膜４が、Ｘ線回折測定で、特定の結晶性ピークを有さないブロード構造を示すアモルファス相であることは、株式会社リガク社製の「ＳｍａｒｔＬａｂ」で確認した。
【００８８】
次に、酸化物半導体膜４上に、Ｔｉ膜を厚さ２００ｎｍとなるようにＤＣスパッタリング法で形成した。チタン膜は、ＤＣスパッタリング装置を用い、出力９００Ｗ、圧力０．５Ｐａ、アルゴンガス１００％の条件下で成膜した。その後、レジストパターンをフォトリソグラフィで形成した後に燐酸溶液でウェットエッチングし、Ｔｉ膜がソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄとなるようにパターニングした。このソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄは、ゲート絶縁膜３上であってゲート電極２の中央部直上以外に離間したパターンとなるように形成した（図４（Ｄ）参照）。
【００８９】
次に、上記したアモルファス酸化物膜と同じ酸化物半導体膜を保護膜として全面に成膜した。すなわち、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎが１：１：１のＩｎＧａＺｎＯ系アモルファス酸化物膜（ＩｎＧａＺｎＯ４）を厚さ２００ｎｍとなるように形成した。酸化物半導体膜４の場合と同様に、アモルファス酸化物膜を、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、室温（２５℃）、出力５００Ｗ、圧力０．４Ｐａ、酸素ガス１００％の条件下で、４インチのＩｎＧａＺｎＯ（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）ターゲットを用いて形成した（図４（Ｅ）参照）。なお、得られた薄膜トランジスタを構成する酸化物半導体膜４が、Ｘ線回折測定で、特定の結晶性ピークを有さないブロード構造を示すことを確認した。
【００９０】
［実施例２］
実施例１の酸化物半導体膜４の成膜工程において、アモルファス酸化物膜の成膜条件のガス雰囲気を酸素ガス１００％の雰囲気からＡｒ：Ｏ２＝３：５の雰囲気に変更した条件下で行った。さらに、保護膜７の成膜工程において、ＲＦスパッタリング法からＤＣスパッタリング法（圧力５００Ｗ，圧力０．４Ｐａ、酸素ガス１００％の条件）に変更した条件で行った。それ以外は実施例１と同様にして、実施例２に係る薄膜トランジスタを作製した。
【００９１】
［実施例３］
実施例１では、ボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ａを成膜したが、この実施例４では、図３に示すボトムゲートボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ｃを作製した。成膜順が一部異なるだけで、成膜条件等は実施例１と同じとし、図３に示す薄膜トランジスタを作製した。
【００９２】
［実施例４］
実施例１において、酸化物半導体膜４の成膜条件を種々変化させて、本発明の効果を奏する成膜条件の範囲を検討した。その結果、酸化物半導体膜４の成膜条件は、成膜ガスにおける酸素の割合が８０％以上、成膜圧力０．６Ｐａ以下の範囲で、キャリア濃度が１０１２ion/cm3〜１０１５ion/cm3の範囲内で、本発明の効果を示した。その範囲を外れる条件での成膜は、本発明の効果を奏さなかった。
【００９３】
［比較例１］
実施例１において、保護膜７を構成するアモルファス酸化物に代えて、酸化珪素膜をＲＦマグネトロンスパッタリング装置で出力９００Ｗ、成膜圧力０．５Ｐａ、Ａｒ：Ｏ２＝３：１の条件で厚さ１００ｎｍ成膜した他は、実施例１と同様にして比較例１に係る薄膜トランジスタを作製した。
【００９４】
［評価と結果］
（半導体特性の評価）
実施例１，２において、酸化物半導体膜４のキャリア濃度は、それぞれ、２．９×１０１２ion／ｃｍ３、２．３×１０１２ion／ｃｍ３であった。一方、比較例１では、酸化物半導体膜４のキャリア濃度は４．３×１０１３ion／ｃｍ３であった。
【００９５】
（可視光透過性、紫外光遮光性の評価）
実施例１で成膜した保護膜７の透過率を、光透過率及び反射率スペクトル測定装置（ＦｉｌｍＴｅｋ３０００、ＳＣＩ社製）によって測定した。その結果を図５に示す。この結果から、保護膜７の透過率は、３８０ｎｍまでは低く、８０％未満であるのに対し、それを超える可視光領域では、８０％以上の透過率となり、保護膜７は紫外光領域で良好な遮光特性を示し、可視光領域で良好な光透過性を示すことが確認できた。
【００９６】
（耐光性の評価）
実施例１，２及び比較例１について、耐光性の評価を行った。具体的には、１０００Ｗ／ｍ２の白色光を照射し、−２Ｖ〜２Ｖの範囲でその時の電流密度を測定した。本発明に係るアモルファス酸化物（酸化物半導体材料）からなる保護膜７ではなくて、酸化珪素からなる保護層を設けた比較例１の薄膜トランジスタに比べて、電流密度の値は約１／４となり、優れた耐光性を示した。
【符号の説明】
【００９７】
１ 基板
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁膜
４ 酸化物半導体膜
４’ ソース電極及びドレイン電極間で露出した酸化物半導体膜
４Ａ 酸化物半導体膜のチャネル領域
４Ｂ 酸化物半導体膜の拡散領域（ソース電極接続部及びドレイン電極接続部）
５ パッシベーション膜
５’ ソース電極及びドレイン電極間で露出したパッシベーション膜
６ ソース電極及びドレイン電極
６Ｓ ソース電極
６Ｄ ドレイン電極
７ 保護膜
１０ 薄膜トランジスタ
１０Ａ，１０Ｂ 薄膜トランジスタ（ボトムゲートトップコンタクト構造）
１０Ｃ 薄膜トランジスタ（ボトムゲートボトムコンタクト構造）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、低温成膜可能な酸化物で半導体膜を形成した逆スタガ型薄膜トランジスタであって、その薄膜トランジスタの保護膜を酸化物半導体材料で形成してチャネル保護膜又は紫外線遮光膜とした薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を搭載する薄膜トランジスタ基板は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等の表示装置用の駆動素子基板として用いられている。薄膜トランジスタには、逆スタガ型（ボトムゲート）や順スタガ型（トップゲート）等の構造形態があり、また、薄膜トランジスタを構成する半導体膜としては、アモルファスシリコン半導体膜やポリシリコン半導体膜が一般的に適用されている。しかし、アモルファスシリコン半導体膜は、特性が安定しているものの移動度が小さく、一方、ポリシリコン半導体膜は、移動度が高いものの高温（例えば６００℃以上）の熱処理工程を必要とする。
【０００３】
近年、酸化物半導体膜を用いた薄膜トランジスタの研究が活発に行われている。特許文献１では、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎからなる酸化物（「ＩＧＺＯ」と略す。）の多結晶薄膜を薄膜トランジスタの半導体膜に用いた例が提案され、非特許文献１と特許文献２では、ＩＧＺＯの非晶質薄膜を薄膜トランジスタの半導体膜に用いた例が提案されている。これらのＩＧＺＯを半導体膜に用いた薄膜トランジスタは、室温での低温成膜が可能であり、プラスチック基板等の非耐熱性基板に熱ダメージを与えることなく形成が可能であるとされている。
【０００４】
前記したＩＧＺＯ系の酸化物半導体は、低温で形成される非晶質材料であるにもかかわらず、比較的高い移動度を有するため、近年注目されている。また、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体は可視光に対する透過率が高い透明材料であるとともに、ＩＴＯ等の従来公知の透明導電材料をゲート電極、ソース電極又はドレイン電極とした場合であっても良好な電気的な接触特性が得られることから、透明材料のみを用いた透明薄膜トランジスタも検討されている。
【０００５】
薄膜トランジスタには逆スタガ型構造と順スタガ型構造があるが、逆スタガ型の薄膜トランジスタにおいては、半導体膜のチャネル領域を保護するために半導体膜上に保護膜を設けている。例えば特許文献５では、半導体膜上にＳｉＯ２膜やＳｉＯｘＮｙ膜を保護膜として設けている。また、特許文献６では、半導体膜上にシラン化合物等の有機無機複合化合物や有機酸からなる保護膜を設けている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K.Nomura et.al., Nature, vol.432, p.488-492(2004)
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１０３９５７号公報
【特許文献２】特表２００５−８８７２６号公報
【特許文献３】特開２００７−２２０８１６号公報
【特許文献４】特開２００７−２５０９８３号公報
【特許文献５】特開２００８−５３３５６号公報
【特許文献６】特開２００７−１５８１４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ＳｉＯ２膜やＳｉＯｘＮｙ膜等の保護膜や、有機無機複合化合物や有機酸からなる保護膜は、大気中に曝されたときの酸素や水蒸気に対する安定性に劣ったり、紫外線等の光を透過し、保護対象であるチャネル領域の半導体膜の特性が劣化したりするおそれがある。特に長期に使用すると半導体膜の特性が劣化することが予想される。こうした特性劣化は、薄膜トランジスタとしての信頼性を損なうおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、低温成膜可能な酸化物で半導体膜を形成した逆スタガ型薄膜トランジスタであって、半導体膜上に形成した保護膜の紫外線等に対する耐光性と耐環境安定性を向上させてなる薄膜トランジスタ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、光、特に紫外光に対する薄膜トランジスタの特性変動と、環境（酸素や水蒸気）に対する薄膜トランジスタの特性変動とを検討している過程で、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体を、逆スタガ型薄膜トランジスタを構成する半導体膜のほかに、保護膜として用いることで、チャネル保護膜又は紫外線遮光膜として有効であることを見出し、本発明を完成させた。
【００１１】
上記課題を解決するための本発明の第１の観点に係る薄膜トランジスタは、基板上にパターン形成されたゲート電極と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上にパターン形成された酸化物半導体膜と、該酸化物半導体膜上にパターン形成されたソース電極及びドレイン電極と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記酸化物半導体膜を少なくとも覆う保護膜とを有するボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタであって、前記保護膜は、酸化物半導体材料で形成されていることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決するための本発明の第２の観点に係る薄膜トランジスタは、基板上にパターン形成されたゲート電極と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上にパターン形成されたソース電極及びドレイン電極と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記ゲート絶縁膜を少なくとも覆うようにパターン形成された酸化物半導体膜と、該酸化物半導体膜を少なくとも覆う保護膜とを有するボトムゲートボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタであって、前記保護膜は、酸化物半導体材料で形成されていることを特徴とする。
【００１３】
これら第１及び第２の観点に係る発明によれば、薄膜トランジスタを構成する保護膜が、酸化物半導体材料で形成されている。この酸化物半導体材料からなる保護膜は、可視光領域では良好な光透過性を有し、一方、紫外光領域では良好な遮光性を有するので、従来の保護膜であるＳｉＯ２膜や有機無機複合化合物膜に比べて薄膜トランジスタ特性（すなわち半導体特性）の劣化を効果的に防ぐことができる。特に、その保護膜は、紫外光に対する半導体特性の劣化を防ぎ、水蒸気や酸素ガスに対する半導体特性の大気安定性を向上させるので、その保護層を備えた薄膜トランジスタは、長期信頼性に優れたものとなる。そうした保護膜は、ソース電極及びドレイン電極間に露出する酸化物半導体膜を少なくとも覆う（第１の観点に係る発明）又は最上層として露出する酸化物半導体膜を少なくとも覆う（第２の観点に係る発明）ので、酸化物半導体膜が紫外線や大気雰囲気に曝されることによって特性が低下するのを抑制できる。さらに、この発明によれば、保護膜を酸化物半導体膜と同じ酸化物半導体材料で成膜することもできるので、コストを実現した薄膜トランジスタを提供できる。
【００１４】
本発明に係る薄膜トランジスタにおいて、前記酸化物半導体膜及び保護膜が、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｆｅのうち少なくとも１種）を含むアモルファス酸化物からなることが好ましい。
【００１５】
この発明によれば、保護膜がＩｎＭＺｎＯを含むアモルファス酸化物からなるので、特に可視光領域で良好な光透過性を示し、紫外光領域で良好な遮光性を示すので、薄膜トランジスタ特性（半導体特性）の劣化をより効果的に防ぐことができる。特にＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物が好ましい。
【００１６】
上記課題を解決するための本発明の第１の観点に係る薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にゲート電極をパターン形成する工程と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜をパターン形成する工程と、該酸化物半導体膜上にソース電極及びドレイン電極をパターン形成する工程と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記酸化物半導体膜を少なくとも覆うように、酸化物半導体材料で保護膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の第２の観点に係る薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にゲート電極をパターン形成する工程と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上にソース電極及びドレイン電極をパターン形成する工程と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記ゲート絶縁膜を少なくとも覆う酸化物半導体膜をパターン形成する工程と、該酸化物半導体膜を少なくとも覆うように、酸化物半導体材料で保護膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００１８】
これら第１及び第２の観点に係る発明によれば、薄膜トランジスタを構成する保護膜を、酸化物半導体材料で形成する。この酸化物半導体材料からなる保護膜は、可視光領域では良好な光透過性を有し、一方、紫外光領域では良好な遮光性を有するので、製造された薄膜トランジスタは、従来の保護膜であるＳｉＯ２膜や有機無機複合化合物膜を保護膜として設けた薄膜トランジスタに比べ、薄膜トランジスタ特性（半導体特性）の劣化を効果的に防ぐことができる。特に、その保護層は、紫外光に対する半導体特性の劣化を防ぎ、水蒸気や酸素ガスに対する酸化物半導体膜の半導体特性の大気安定性を向上させるので、その保護膜を備えた薄膜トランジスタは、長期信頼性に優れたものとなる。本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法では、そうした保護膜が、ソース電極及びドレイン電極間に露出する酸化物半導体膜を少なくとも覆う（第１の観点に係る発明）又は最上層として露出する酸化物半導体膜を少なくとも覆う（第２の観点に係る発明）ので、酸化物半導体膜が紫外線や大気雰囲気に曝されることによって特性が低下するのを抑制できる。さらに、この発明によれば、保護膜を酸化物半導体膜と同じ酸化物半導体材料で成膜することもできるので、低コストを実現した薄膜トランジスタを提供できる。
【００１９】
本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法において、前記酸化物半導体膜及び保護膜が、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｆｅのうち少なくとも１種）を含むアモルファス酸化物からなることが好ましい。
【００２０】
本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法において、前記酸化物半導体膜の形成工程が、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する工程であることが好ましい。
【００２１】
この発明によれば、酸化物半導体膜をアルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成するので、得られた酸化物半導体膜中の酸素欠損を少なくすることができる。その結果、キャリア濃度の低い絶縁性の酸化物半導体膜を得ることができるので、その後の保護膜の形成をＲＦスパッタリング法で行って酸化物半導体膜のキャリア濃度をアップさせてその半導体特性を調整することができる。
【００２２】
この場合において、前記保護膜の形成工程が、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で保護膜を形成する工程であることが好ましい。
【００２３】
この発明によれば、保護膜を、前記した酸化物半導体膜と同じく、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成するので、別の成膜チャンバーを用いたり、別のガス雰囲気等で成膜したりすることが不要となり、低コスト化を実現できる。さらに、保護膜を形成するＲＦスパッタリング時に、前記した酸化物半導体膜のキャリア濃度をアップさせて半導体特性に移行させることができる。特に、保護膜をＲＦスパッタリング法で形成するのが好ましい酸化物半導体膜のキャリア濃度は、１０１５ｉｏｎ／ｃｍ２未満の場合である。
【００２４】
本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法において、前記酸化物半導体膜の形成工程が、アルゴンを含む酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する工程であることが好ましい。
【００２５】
この発明によれば、酸化物半導体膜をアルゴンを含む酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成するので、得られた酸化物半導体膜は酸素欠損が多くなる。その結果、得られた酸化物半導体膜はキャリア濃度が活性層に適した酸化物半導体膜となる。
【００２６】
この場合において、前記保護膜の形成工程が、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＤＣスパッタリング法で保護膜を形成する工程であることが好ましい。
【００２７】
この発明によれば、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中で保護膜を形成するＤＣスパッタリング法を適用したので、そのＤＣスパッタリング時に、前記した酸化物半導体膜のキャリア濃度はあまり影響されない。なお、保護膜をＤＣスパッタリング法で形成するのが好ましい酸化物半導体膜のキャリア濃度は、１０１５ｉｏｎ／ｃｍ２以上の場合である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る薄膜トランジスタ及びその製造方法によれば、可視光領域では良好な光透過性を有し、一方、紫外光領域では良好な遮光性を有する酸化物半導体材料で保護膜が設けられているので、得られた薄膜トランジスタは、従来の保護膜であるＳｉＯ２膜や有機無機複合化合物膜を保護膜として設けた薄膜トランジスタに比べ、薄膜トランジスタ特性（半導体特性）の劣化を効果的に防ぐことができる。特に、その保護膜は、紫外光に対する半導体特性の劣化を防ぎ、水蒸気や酸素ガスに対する半導体特性の大気安定性を向上させるので、その保護膜を備えた薄膜トランジスタは、長期信頼性に優れたものとなる。さらに、本発明によれば、保護膜を酸化物半導体膜と同じ酸化物半導体材料で成膜することもできるので、低コストを実現した薄膜トランジスタを提供できる。
【００２９】
また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法によれば、酸化物半導体膜をアルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成して、酸素欠損の少ない酸化物半導体膜を形成した場合には、キャリア濃度の低い絶縁性の酸化物半導体膜を得ることができる。このとき、保護膜を、酸化物半導体膜と同様、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成するので、別の成膜チャンバーを用いたり、別のガス雰囲気等で成膜したりすることが不要となり、低コスト化を実現できる。さらに、保護膜を形成するＲＦスパッタリング時に、前記した酸化物半導体膜のキャリア濃度をアップさせて半導体特性に移行させることができる。
【００３０】
また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法によれば、酸化物半導体膜をアルゴンを含む酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成して、酸素欠損の多い酸化物半導体膜を形成するので、キャリア濃度が活性層に適した酸化物半導体膜を得ることができる。このとき、保護膜を、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＤＣスパッタリング法で形成するので、そのＤＣスパッタリング時に、前記した酸化物半導体膜のキャリア濃度をあまり変化させないで活性層に適した酸化物半導体膜とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る薄膜トランジスタの一例を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明に係る薄膜トランジスタの他の一例を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明に係る薄膜トランジスタの更に他の一例を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の各工程を示す模式的な説明図である。
【図５】本発明で適用するアモルファス酸化物（ａ−ＩＧＺＯ）の透過率の波長依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下に、本発明に係る薄膜トランジスタ及びその製造方法について、図面を参照して詳しく説明する。なお、本発明は、その技術的特徴を有すれば種々の変形が可能であり、以下に具体的に示す実施形態に限定されるものではない。
【００３３】
本発明は、逆スタガ型の薄膜トランジスタに関し、具体的には、図１〜図３に示すように、ボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ａ，１０Ｂ又はボトムゲートボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ｃに関するものである。なお、以下において、逆スタガ型の薄膜トランジスタを符号１０で表すことがある。以下では、本発明に係る薄膜トランジスタの構成を図１〜図３を参照しつつ説明するとともに、併せて薄膜トランジスタの製造方法を図４を参照しつつ説明する。
【００３４】
本発明に係る薄膜トランジスタ１０は、図１〜図３に示すように、基板１上に、ゲート電極２、ゲート絶縁膜３、酸化物半導体膜４、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ、及び保護膜７が設けられた逆スタガ型の薄膜トランジスタである。
【００３５】
このうち、ボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ａ，１０Ｂは、図１及び図２に示すように、基板１上にパターン形成されたゲート電極２と、ゲート電極２を覆うゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上にパターン形成された酸化物半導体膜４と、酸化物半導体膜４上にパターン形成されたソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄと、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出する酸化物半導体膜４を少なくとも覆う保護膜７とを有するものであり、ボトムゲートボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ｃは、図３に示すように、基板１上にパターン形成されたゲート電極２と、ゲート電極２を覆うゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上にパターン形成されたソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄと、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出するゲート絶縁膜３を少なくとも覆うようにパターン形成された酸化物半導体膜４と、酸化物半導体膜４を少なくとも覆う保護膜’とを有するものである。そして、本発明の特徴は、保護膜７が、酸化物半導体材料で形成されていることにあり、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出する酸化物半導体膜４’を覆う（ボトムゲートトップコンタクト構造）、又は最上層として露出する酸化物半導体膜４を覆う（ボトムゲートボトムコンタクト構造）とともに、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄを覆うように設けられていることにある。
【００３６】
本発明において、「上に」とは、そのものの上に直に設けられていることを意味し、直に設けられていない場合は「上方に」と言い分ける。また、「覆う」とは、そのものの上に直接設けられるとともに、そのものの周りにも設けられていることを意味する。「同一材料」とは、成膜時の材料が同じであることを意味する。
【００３７】
こうした形態からなる逆スタガ型の薄膜トランジスタ１０の製造方法は、逆スタガ型構造が図１及び図２に示すボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ａ，１０Ｂであるか、図３に示すボトムゲートボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ｃであるかで若干異なる。
【００３８】
具体的には、ボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ａ，１０Ｂの製造方法は、基板１上にゲート電極２をパターン形成する工程と、ゲート電極２を覆うゲート絶縁膜３を形成する工程と、ゲート絶縁膜３上に酸化物半導体膜４をパターン形成する工程と、酸化物半導体膜４上にソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄをパターン形成する工程と、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出する酸化物半導体膜４’（図２では露出したパッシベーション膜５’）を少なくとも覆うように、酸化物半導体材料で保護膜７を形成する工程とを有する。なお、ボトムゲートトップコンタクト構造の場合は、酸化物半導体膜４上にソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄを設ける際の、酸化物半導体膜４の成膜ダメージ防ぐこと等の目的で、図２に示すように、酸化物半導体膜４上にパッシベーション膜５を設けてもよい。
【００３９】
一方、ボトムゲートボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ｃの製造方法は、基板１上にゲート電極２をパターン形成する工程と、ゲート電極２を覆うゲート絶縁膜３を形成する工程と、ゲート絶縁膜３上にソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄをパターン形成する工程と、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出するゲート絶縁膜３を少なくとも覆うとともにソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ上にも酸化物半導体膜４をパターン形成する工程と、酸化物半導体膜６を少なくとも覆うように、酸化物半導体材料で保護膜７を形成する工程とを有する。
【００４０】
本発明において、「パターン形成する」とは、ゲート電極２、ゲート絶縁膜３、酸化物半導体膜４、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ等を薄膜トランジスタ１０の構成要素として用いる場合に適した任意の平面視形状に形成することを意味し、「パターニングする」又は「所定のパターンで形成する」等に言い換えることができる。また、本発明において、「所定のパターンの」というときは、ゲート電極２、ゲート絶縁膜３、酸化物半導体膜４、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ等の構成要素が、薄膜トランジスタ１０の構成要素として用いる場合に適した任意の平面視形状であることを意味する。
【００４１】
以下、本発明に係る薄膜トランジスタ及びその製造方法の各構成要素について詳しく説明する。
【００４２】
（基板）
基板１の種類や構造は特に限定されるものではなく、用途に応じてフレキシブルな材質や硬質な材質等が選択される。基板１は透明であってもなくてもよい。透明な基板材料としては、例えば、ガラス、石英、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリエステル、ポリカーボネート等を挙げることができる。通常は、透明電極であるＩＴＯ付きガラス基板やＩＴＯ付きプラスチック基板等が好ましく用いられる。なお、金属膜や透明導電膜が形成されたガラス基板やプラスチック基板等を用いてもよい。
【００４３】
なお、透明の定義は、薄膜トランジスタを利用する薄膜集積回路装置の用途に応じてその基準は異なるが、一基準を示せば、(i)反射率で判断する場合には、波長３５０ｎｍ〜６５０ｎｍの可視光領域において、各膜の屈折率が約２以下で屈折率差が約０．５以下であることが透明性の点で好ましく、(ii)透過率で判断する場合には、波長３５０ｎｍ〜６５０ｎｍの可視光領域において、各膜の消光係数ｋが約０．１以下と低いことが透明性の点で好ましい
【００４４】
基板１の厚さは、薄膜トランジスタ１０を備えた薄膜集積回路装置にフレキシブル性を持たせるか否かによっても異なり特に限定されないが、例えばＩＣタグ等に用いるフレキシブル性の薄膜集積回路装置とする場合には、厚さ５μｍ〜３００μｍのプラスチック基板が好ましく用いられる。また、基板１の形状は特に限定されないが、チップ状、カード状、ディスク状等を挙げることができる。なお、枚葉状又は連続状の基板１上に薄膜集積回路装置を形成した後に個々のチップ状、カード状、ディスク状に分断加工してもよい。
【００４５】
（ゲート電極）
ゲート電極２は、図１〜図３及び図４（Ａ）に示すように、基板１上にパターン形成されている。ゲート電極の形成材料としては、例えば、金、銀、銅、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、アルミニウム、ニオブ、タンタル、モリブデン等の金属膜；ＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等の透明導電膜；を好ましく挙げることができる。なお、所望の導電性を有するものであれば、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリアルキルチオフェン誘導体、ポリシラン誘導体のような透明な導電性高分子等であってもよい。
【００４６】
ゲート電極２の形成は、ゲート電極材料の種類や基板１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、透明導電膜でゲート電極２を形成する場合には、成膜手段としてスパッタリング法や各種ＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。ゲート電極２の形成に低温成膜が要求される場合には、成膜手段として低温成膜可能なスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。また、導電性高分子でゲート電極２を形成する場合には、成膜手段として真空蒸着法やパターン印刷法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。
【００４７】
ゲート電極２の形成工程時には、同時に、ゲート電極用配線、グラウンド配線及び電源配線等の回路配線群を、ゲート電極２と同一材料で形成してもよい。ゲート電極２の厚さ、及び、ゲート電極２の形成時に同時に形成する回路配線群（電極や配線）の厚さは、通常、０．０５μｍ〜０．２μｍ程度である。
【００４８】
（ゲート絶縁膜）
ゲート絶縁膜３は、図１〜図３に示すように、ゲート電極２を覆うように設けられる。ゲート絶縁膜３は、絶縁性が高く、誘電率が比較的高く、ゲート絶縁膜として適しているものであれば各種の材料を用いることができる。例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素等のケイ素の酸化物、窒化物、酸窒化物等を好ましく挙げることができる。また、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化スカンジウム、チタン酸バリウムストロンチウムのうち少なくとも１種又は２種以上を挙げることができる。特に透明性の観点からは、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素等のケイ素の酸化物、窒化物、酸窒化物等が好ましい。
【００４９】
ゲート絶縁膜３の形成は、図１〜図３及び図４（Ｂ）に示すように、ゲート絶縁膜材料の種類や基板１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、ケイ素の酸化物、窒化物、酸窒化物等でゲート絶縁膜３を形成する場合には、成膜手段としてスパッタリング法や各種ＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。ゲート絶縁膜３の成膜に低温成膜が要求される場合には、成膜手段として低温成膜可能なスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。なお、ゲート絶縁膜３Ａの厚さは、通常、０．１μｍ〜０．３μｍ程度である。
【００５０】
（酸化物半導体膜）
酸化物半導体膜４は、図１、図２及び図４（Ｃ）に示すボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ａ，１０Ｂの場合には、ゲート電極２の上方に、ゲート絶縁膜３を間に介してそのゲート絶縁膜３上にパターン形成されている。一方、図３に示すボトムゲートボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ｃの場合には、酸化物半導体膜４は、ゲート電極２の上方に、ゲート絶縁膜３を間に介してそのゲート絶縁膜３上にソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄをパターン形成し、その後に、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｓの間を跨ぐようにパターン形成されている。
【００５１】
この酸化物半導体膜４は、薄膜トランジスタを構成するチャネル領域として使用できる程度の移動度を有するものであれば、その種類は特に限定されず、現在知られている酸化物半導体膜であっても、今後発見される酸化物半導体膜であってもよい。
【００５２】
酸化物半導体膜４を構成する酸化物としては、例えば、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｆｅのうち少なくとも１種）を主たる構成元素とするアモルファス酸化物を挙げることができる。特に、ＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物が好ましく、この場合、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎの比が１：１：ｍ（ｍ＜６）であることが好ましい。また、Ｍｇをさらに含む場合においては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ1-xＭｇxの比が１：１：ｍ（ｍ＜６）で０＜ｘ≦１であることが好ましい。なお、組成割合は、蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）装置によって測定したものである。
【００５３】
ＩｎＭＺｎＯを含むアモルファス酸化物である酸化物半導体材料で酸化物半導体膜４を形成した場合、その酸化物半導体膜４は、特に可視光領域で良好な光透過性を示し、紫外光領域で良好な遮光性を示すので、後述するように、保護膜７として好ましく適用でき、薄膜トランジスタ特性の劣化をより効果的に防ぐことができる。特にＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物が好ましい。そのため、ここでの酸化物半導体膜４を、後述する保護膜７と同じＩｎＭＺｎＯを含むアモルファス酸化物で形成すれば、製造装置や工程を共通化することができ、低コストの薄膜トランジスタを製造するのに便利である。
【００５４】
ＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物については、ＩｎとＧａとＺｎの広い組成範囲でアモルファス相を示す。この三元系でアモルファス相を安定して示す組成範囲としては、ＩｎｘＧａｙＺｎｚＯ（３ｘ／２＋３ｙ／２＋ｚ）で比率ｘ／ｙが０．４〜１．４の範囲であり、比率ｚ／ｙが０．２〜１２の範囲にあるように表すことができる。なお、ＺｎＯに近い組成とＩｎ２Ｏ３に近い組成で結晶質を示す。
【００５５】
また、アモルファス酸化物が、ＩｎxＧａ1-x酸化物（０≦ｘ≦１）、ＩｎxＺｎ1-x酸化物（０．２≦ｘ≦１）、ＩｎxＳｎ1-x酸化物（０．８≦ｘ≦１）、Ｉｎx（Ｚｎ，Ｓｎ）1-x酸化物（０．１５≦ｘ≦１）から選ばれるいずれかのアモルファス酸化物であってもよい。
【００５６】
本発明では、後述の実施例で用いたＩｎＧａＺｎＯ系（以下「ＩＧＺＯ」と略す）酸化物半導体膜を好ましく挙げることができる。また、このＩＧＺＯ系酸化物半導体膜には、必要に応じて、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｎ等を構成元素として加えたものであってもよい。このＩＧＺＯ系酸化物半導体膜は、可視光を透過して透明膜となるので、透明性を要求される薄膜集積回路に好ましく用いられる。また、このＩＧＺＯ系酸化物半導体膜は、スパッタリング法（特にＲＦスパッタリング法）により、室温から１５０℃程度の低温での成膜が可能であることから、ガラス転移温度が２００℃未満の耐熱性に乏しいプラスチック基板に対して好ましく適用できる。
【００５７】
酸化物半導体膜４がアモルファスであるか否かは、測定対象となる酸化物半導体膜に入射角度０．５°程度の低入射角によるＸ線回折を行った場合に、結晶質の存在を示す明瞭な回折ピークが検出されないこと、すなわち所謂ブロード（ハロー形状）パターンが見られることで確認できる。そうしたブロードパターンは、微結晶状態の酸化物半導体膜でも見られるので、この酸化物半導体膜４には、そのような微結晶状態の酸化物半導体膜も含まれるものとする。
【００５８】
酸化物半導体膜４の形成は、酸化物半導体材料の種類や基板１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、成膜手段としてスパッタリング法やＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できるが、低温成膜が要求される場合には、成膜手段としてスパッタリング法（特にＲＦスパッタリング法）やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。
【００５９】
酸化物半導体膜４の厚さは、成膜条件によって任意に設計されるために一概には言えないが、通常１０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲内であることが好ましく、３０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内であることがより好ましい。
【００６０】
特に本発明では、酸化物半導体膜の形成工程に、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法（いわゆる高周波スパッタリング法のことで、ＲＦマグネトロンスパッタリング法も含む。）を適用することが好ましい。こうして成膜された酸化物半導体膜４は、膜中の酸素欠損が少なくなり、キャリア濃度の低い絶縁性の酸化物半導体膜を得ることができる。その結果、その後の保護膜７の形成をＲＦスパッタリング法で行い、キャリア濃度を上げる方向に調整することができるという利点がある。
【００６１】
一方、酸化物半導体膜の形成工程に、アルゴンを含む酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法を適用してもよい。このガス条件下でＲＦスパッタリング法で成膜した酸化物半導体膜４は、膜中の酸素欠損が多くなり、キャリア濃度が活性層として適した酸化物半導体膜となる。そのため、アルゴンを含む酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法を適用して酸化物半導体膜４を成膜した場合、その後の保護膜の形成時には、スパッタリング時に酸素欠損を生じさせずにキャリア濃度に影響しないＤＣスパッタリング法を適用することが好ましい。
【００６２】
（パッシベーション膜）
パッシベーション膜５は、図２に示すように、ボトムゲートトップコンタクト構造の場合に酸化物半導体膜４上に設けることができる。パッシベーション膜５を設けることは、酸化物半導体膜４上に直接ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄを成膜する場合にその酸化物半導体膜４が受けるダメージを低減するのに有効である。したがって、パッシベーション膜５は、酸化物半導体膜４のチャネル領域４Ａを保護しつつ、ソース電極接続部４Ｂとドレイン電極接続部４Ｂとを形成するために設けられる。具体的には、パッシベーション膜５は、図２に示すように、酸化物半導体膜４にソース電極接続部４Ｂとドレイン電極接続部４Ｂとを形成する部分にコンタクトホールを形成した形態で酸化物半導体膜４を覆っている。
【００６３】
パッシベーション膜５は、液状にしたシリカ（ＳｉＯ２の水和物）やポリイミド樹脂等のパッシベーション膜用材料を塗布法で成膜し、その後にレジストを用いたパターニングで形成することができる。また、感光性を有するパッシベーション膜用材料を塗布法で成膜し、その後に露光現像して所定パターンのパッシベーション膜５を形成してもよい。こうしたパッシベーション膜５の厚さは、通常、０．１μｍ〜３μｍ程度である。
【００６４】
パッシベーション膜５を設ける場合は、コンタクトホールを形成した後に活性化処理を行う。この活性化処理により、コンタクトホール部で露出した酸化物半導体膜４の導電性を高めてソース電極接続部４Ｂ及びドレイン電極接続部４Ｂとすることができる。導電性を高めたソース電極接続部４Ｂ及びドレイン電極接続部４Ｂに後述するソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄをパターン成膜すると、ソース電極接続部４Ｂ及びドレイン電極接続部４Ｂそれぞれに対するソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄのオーミック抵抗を低減することができる。なお、活性化処理としては、プラズマ処理は、酸化物半導体膜４に酸素欠損を生じさせる処理手段である。
【００６５】
（ソース電極、ドレイン電極）
ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄは、図１及び図２に示すボトムゲートトップコンタクト構造の場合には、酸化物半導体膜４上に又はコンタクトホールが形成されたパッシベーション膜５上にパターン形成されている。一方、図３に示すボトムゲートボトムコンタクト構造の場合には、上記した酸化物半導体膜４を成膜する前に、ゲート絶縁膜４上にパターン形成されている。
【００６６】
ソース電極材料及びドレイン電極材料は、酸化物半導体膜４のソース電極接続部４Ｂ及びドレイン電極接続部４Ｂとのオーミック接触が考慮されて選択され、例えば、ＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等の透明導電膜を好ましく挙げることができる。また、所望の導電性を有するものであれば、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリアルキルチオフェン誘導体、ポリシラン誘導体のような導電性高分子等であってもよい。
【００６７】
ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄの形成は、電極材料の種類や基板１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、透明導電膜でソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄを形成する場合には、成膜手段としてスパッタリング法や各種のＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できるが、低温成膜が要求される場合には、成膜手段として低温成膜可能なスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。また、導電性高分子でソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄを形成する場合には、成膜手段として真空蒸着法やパターン印刷法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。
【００６８】
ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄの形成工程時には、同じ電極材料で、同時に、既に形成されている回路配線群への接続や新しい回路配線群の形成を行うことが好ましい。ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄの厚さは、通常、０．１μｍ〜０．３μｍ程度である。
【００６９】
（保護膜）
保護膜７は、図１及び図２に示すボトムゲートトップコンタクト構造の場合にはソース電極６Ｓとドレイン電極６Ｄを形成した後に、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出する酸化物半導体膜４を少なくとも覆うように設けられている。また、図３に示すボトムゲートボトムコンタクト構造の場合には、保護膜７は、酸化物半導体膜４をパターン形成した後に、最上層として露出する酸化物半導体膜４を少なくとも覆うように設けられている。なお、保護膜７は、露出する酸化物半導体膜４を少なくとも覆っていれば、その部分を含む全面を覆うように設けても構わない。
【００７０】
こうして成膜する保護膜７は、酸化物半導体材料で形成されるものであり、特に、既に説明した酸化物半導体膜４と同じ酸化物材料で形成されていることが好ましい。酸化物半導体膜４と同じ酸化物材料で形成されていることにより、酸化物半導体膜４と保護膜７とを、同じ成膜チャンバーを用いて同じ又は類似の成膜条件で成膜できるので、低コストを実現することができる。なお、この保護膜７の形成材料は既に説明した酸化物半導体膜４の形成材料である酸化物半導体材料（詳しくはアモルファス酸化物）と同じであるので、ここではその材料の詳細は省略する。なお、保護膜７が前記した酸化物半導体膜４の形成材料である酸化物半導体材料と同じ材料で形成されたものであるとの蓋然性があれば、その保護膜の特性を阻害しない範囲で、酸化物半導体材料の構成元素と異なる元素が含まれていても構わない。
【００７１】
保護膜７は、酸化物半導体膜４の場合と同様、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｆｅのうち少なくとも１種）を含むアモルファス酸化物からなることが好ましく、特にＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物からなることが好ましい。ＩｎＭＺｎＯ（特にＩｎＧａＺｎＯ）を含むアモルファス酸化物からなる保護膜７は、特に可視光領域で良好な光透過性を示し、紫外光領域で良好な遮光性を示すので、薄膜トランジスタ特性（すなわち半導体特性）の劣化をより効果的に防ぐことができる。そのため、従来の保護膜であるＳｉＯ２膜や有機無機複合化合物膜に比べて薄膜トランジスタ特性の劣化を効果的に防ぐことができるという効果がある。その結果、その保護膜７は、紫外光に対する半導体特性の劣化を防ぎ、水蒸気や酸素ガスに対する半導体特性の大気安定性を向上させるので、その保護膜７を備えた薄膜トランジスタは、長期信頼性に優れたものとなる。
【００７２】
こうした保護膜７は、ソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄ間に露出する酸化物半導体膜４を少なくとも覆う（ボトムゲートトップコンタクト構造の場合。図１及び図２を参照。）又は最上層として露出する酸化物半導体膜４を少なくとも覆う（ボトムゲートボトムコンタクト構造の場合。図３を参照。）、ように設けられているので、酸化物半導体膜４が紫外線や大気雰囲気に曝されることによって生じる閾値の変化や、移動度の変化を抑制できる。
【００７３】
保護膜７は、各種の方法で成膜できるが、スパッタリング法で成膜することが好ましい。スパッタリング法には、ＤＣスパッタリング法、ＲＦスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法等がある。本発明ではＲＦスパッタリング法とＤＣスパッタリング法で成膜することが好ましい。
【００７４】
これらについて詳しく説明する。
【００７５】
ＲＦスパッタリング法での保護膜７の成膜は、酸化物半導体材料からなる膜、好ましくは酸化物半導体膜４となるアモルファス酸化物からなる膜（アモルファス酸化物膜という。）を、アルゴンを含まないＲＦスパッタリング法で予め成膜した場合に行う。その理由は、アルゴンを含まないＲＦスパッタリング法でアモルファス酸化物膜を成膜した場合、そのアモルファス酸化物膜は酸素欠陥が少なく、キャリア濃度が１０１２ion／ｃｍ３〜１０１５ion／ｃｍ３と低いキャリア濃度のアモルファス酸化物膜を得ることができる。そのアモルファス酸化物膜の露出部を少なくとも覆うように保護膜７をＲＦスパッタリング法（アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気下）で成膜すると、アモルファス酸化物膜のキャリア濃度を例えば１０１６ion／ｃｍ３程度に上昇させることができ、キャリア濃度が１０１５ion／ｃｍ３〜１０１７ion／ｃｍ３の半導体領域の酸化物半導体膜４とすることができる。
【００７６】
なお、酸化物半導体膜４となるアモルファス酸化物膜をアルゴンを含むＲＦスパッタリング法で成膜した場合は、膜中の酸素欠陥が多くなってキャリア濃度が増し、そのままで活性層として適したキャリア濃度をもつ酸化物膜になる。そうしたアモルファス酸化物膜の露出部にＲＦスパッタリング法で保護膜７を成膜すると、アモルファス酸化物膜のキャリア濃度が上昇してしまい、所望の酸化物半導体膜４とすることができないという問題がある。
【００７７】
一方の、ＤＣスパッタリング法での保護膜７の成膜は、酸化物半導体膜４となるアモルファス酸化物膜を、アルゴンを含むＲＦスパッタリング法で予め成膜した場合に行う。その理由は、アルゴンを含むＲＦスパッタリング法でアモルファス酸化物膜を成膜した場合、そのアモルファス酸化物膜は酸素欠陥が多く、キャリア濃度が１０１５ion／ｃｍ３〜１０１７ion／ｃｍ３と高い導電性のアモルファス酸化物を得ることができる。そのアモルファス酸化物膜の露出部を少なくとも覆うように保護膜７をＤＣスパッタリング法（アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気下）で成膜しても、半導体膜のキャリア濃度に変化はないからである。
【００７８】
保護膜の厚さは、例えば２００ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましく、２５０ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましい。保護膜７の厚さが２００ｎｍ未満では、薄すぎて十分に紫外線を吸収できないおそれがある。
【００７９】
（その他の膜）
薄膜トランジスタ１０には、その他の膜が形成されていてもよい。例えば、基板面に下地膜（密着膜や、熱又は不純物原子に対するバッファ膜）を設けて、ゲート電極２の密着性やゲート絶縁膜３の密着性や特性安定性を高めてもよい。下地膜としては、厚さ５ｎｍ〜１０ｎｍのクロム膜、厚さ１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度の酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜、及び酸窒化ケイ素膜等を好ましく挙げることができる。
【００８０】
また、上記した保護膜７に加えて、他の保護膜（図示しない）を設けてもよい。ここでいう他の保護膜とは、例えば厚さ５００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度のＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）膜等や、厚さ１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素や酸窒化ケイ素等からなるガスバリア性の膜を好ましく挙げることができる。
【００８１】
以上説明したように、本発明に係る薄膜トランジスタ及びその製造方法は、可視光領域では良好な光透過性を有し、一方、紫外光領域では良好な遮光性を有する酸化物半導体材料で保護膜が設けられているので、得られた薄膜トランジスタは、従来の保護膜であるＳｉＯ２膜や有機無機複合化合物膜を保護膜として設けた薄膜トランジスタに比べ、薄膜トランジスタ特性（半導体特性）の劣化を効果的に防ぐことができる。特に、その保護膜は、紫外光に対する半導体特性の劣化を防ぎ、水蒸気や酸素ガスに対する半導体特性の大気安定性を向上させるので、その保護膜を備えた薄膜トランジスタは、長期信頼性に優れたものとなる。さらに、この発明によれば、保護膜を酸化物半導体膜と同じ酸化物材料で成膜することもできるので、低コストを実現した薄膜トランジスタを提供できる。
【００８２】
また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法は、酸化物半導体膜をアルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成して、酸素欠損の少ない酸化物半導体膜を形成するので、キャリア濃度の低い絶縁性の酸化物半導体膜を得ることができる。このとき、保護膜を、酸化物半導体膜と同様、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成するので、別の成膜チャンバーを用いて成膜したり、別のガス雰囲気等で成膜したりすることが不要となり、低コスト化を実現できる。さらに、保護膜を形成するＲＦスパッタリング時に、前記した酸化物半導体膜のキャリア濃度をアップさせて半導体特性に移行させることができる。
【００８３】
また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法によれば、酸化物半導体膜をアルゴンを含む酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で形成して、酸素欠損の多い酸化物半導体膜を形成するので、キャリア濃度が活性層に適した酸化物半導体膜を得ることができる。このとき、保護膜を、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＤＣスパッタリング法で形成するので、そのＤＣスパッタリング時に、前記した酸化物半導体膜のキャリア濃度をあまり変化させないで活性層に適した酸化物半導体膜とすることができる。
【実施例】
【００８４】
代表的な例を挙げて本発明を更に詳しく説明する。なお、本発明は以下の例に限定解釈されることはない。
【００８５】
［実施例１］
図１に示す薄膜トランジスタ１０を作製した。先ず、厚さ７００μｍのガラスを基板１として準備し、その基板１上の全面に厚さ１５０ｎｍのアルミニウム膜をＤＣスパッタリング法で成膜し、ゲート電極膜とした。このときのＤＣスパッタリング法は、出力５００Ｗ、圧力０．５Ｐａ、アルゴンガス１００％の条件下で成膜した。その後、レジストパターンをフォトリソグラフィで形成した後に燐酸溶液でウェットエッチングし、アルミニウム膜がゲート電極２となるようにパターニングした（図４（Ａ）参照）。
【００８６】
次に、ゲート電極２を覆うように、全面に、厚さ３００ｎｍの酸化ケイ素をゲート絶縁膜３として全面に形成した。このゲート絶縁膜３は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、８インチのＳｉＯ２ターゲットに投入電力２．０ｋＷ（＝３Ｗ／ｃｍ２）、圧力０．３Ｐａ、酸素ガス１００％の条件で成膜した（図４（Ｂ）参照）。
【００８７】
次に、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎが１：１：１のＩｎＧａＺｎＯ系アモルファス酸化物膜（ＩｎＧａＺｎＯ４）を厚さ２５ｎｍとなるように形成した。アモルファス酸化物膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、室温（２５℃）、出力５００Ｗ、圧力０．４Ｐａ、酸素ガス１００％の条件下で、４インチのＩｎＧａＺｎＯ（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）ターゲットを用いて形成した。その後、レジストパターンをフォトリソグラフィで形成した後に燐酸溶液でウェットエッチングし、アモルファス酸化物膜が酸化物半導体膜４となるように所定のパターンにパターニングした（図４（Ｃ）参照）。なお、得られた酸化物半導体膜４が、Ｘ線回折測定で、特定の結晶性ピークを有さないブロード構造を示すアモルファス相であることは、株式会社リガク社製の「ＳｍａｒｔＬａｂ」で確認した。
【００８８】
次に、酸化物半導体膜４上に、Ｔｉ膜を厚さ２００ｎｍとなるようにＤＣスパッタリング法で形成した。チタン膜は、ＤＣスパッタリング装置を用い、出力９００Ｗ、圧力０．５Ｐａ、アルゴンガス１００％の条件下で成膜した。その後、レジストパターンをフォトリソグラフィで形成した後に燐酸溶液でウェットエッチングし、Ｔｉ膜がソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄとなるようにパターニングした。このソース電極６Ｓ及びドレイン電極６Ｄは、ゲート絶縁膜３上であってゲート電極２の中央部直上以外に離間したパターンとなるように形成した（図４（Ｄ）参照）。
【００８９】
次に、上記したアモルファス酸化物膜と同じ酸化物半導体膜を保護膜として全面に成膜した。すなわち、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎが１：１：１のＩｎＧａＺｎＯ系アモルファス酸化物膜（ＩｎＧａＺｎＯ４）を厚さ２００ｎｍとなるように形成した。酸化物半導体膜４の場合と同様に、アモルファス酸化物膜を、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、室温（２５℃）、出力５００Ｗ、圧力０．４Ｐａ、酸素ガス１００％の条件下で、４インチのＩｎＧａＺｎＯ（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）ターゲットを用いて形成した（図４（Ｅ）参照）。なお、得られた薄膜トランジスタを構成する酸化物半導体膜４が、Ｘ線回折測定で、特定の結晶性ピークを有さないブロード構造を示すことを確認した。
【００９０】
［実施例２］
実施例１の酸化物半導体膜４の成膜工程において、アモルファス酸化物膜の成膜条件のガス雰囲気を酸素ガス１００％の雰囲気からＡｒ：Ｏ２＝３：５の雰囲気に変更した条件下で行った。さらに、保護膜７の成膜工程において、ＲＦスパッタリング法からＤＣスパッタリング法（圧力５００Ｗ，圧力０．４Ｐａ、酸素ガス１００％の条件）に変更した条件で行った。それ以外は実施例１と同様にして、実施例２に係る薄膜トランジスタを作製した。
【００９１】
［実施例３］
実施例１では、ボトムゲートトップコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ａを成膜したが、この実施例４では、図３に示すボトムゲートボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタ１０Ｃを作製した。成膜順が一部異なるだけで、成膜条件等は実施例１と同じとし、図３に示す薄膜トランジスタを作製した。
【００９２】
［実施例４］
実施例１において、酸化物半導体膜４の成膜条件を種々変化させて、本発明の効果を奏する成膜条件の範囲を検討した。その結果、酸化物半導体膜４の成膜条件は、成膜ガスにおける酸素の割合が８０％以上、成膜圧力０．６Ｐａ以下の範囲で、キャリア濃度が１０１２ion/cm3〜１０１５ion/cm3の範囲内で、本発明の効果を示した。その範囲を外れる条件での成膜は、本発明の効果を奏さなかった。
【００９３】
［比較例１］
実施例１において、保護膜７を構成するアモルファス酸化物に代えて、酸化珪素膜をＲＦマグネトロンスパッタリング装置で出力９００Ｗ、成膜圧力０．５Ｐａ、Ａｒ：Ｏ２＝３：１の条件で厚さ１００ｎｍ成膜した他は、実施例１と同様にして比較例１に係る薄膜トランジスタを作製した。
【００９４】
［評価と結果］
（半導体特性の評価）
実施例１，２において、酸化物半導体膜４のキャリア濃度は、それぞれ、２．９×１０１２ion／ｃｍ３、２．３×１０１２ion／ｃｍ３であった。一方、比較例１では、酸化物半導体膜４のキャリア濃度は４．３×１０１３ion／ｃｍ３であった。
【００９５】
（可視光透過性、紫外光遮光性の評価）
実施例１で成膜した保護膜７の透過率を、光透過率及び反射率スペクトル測定装置（ＦｉｌｍＴｅｋ３０００、ＳＣＩ社製）によって測定した。その結果を図５に示す。この結果から、保護膜７の透過率は、３８０ｎｍまでは低く、８０％未満であるのに対し、それを超える可視光領域では、８０％以上の透過率となり、保護膜７は紫外光領域で良好な遮光特性を示し、可視光領域で良好な光透過性を示すことが確認できた。
【００９６】
（耐光性の評価）
実施例１，２及び比較例１について、耐光性の評価を行った。具体的には、１０００Ｗ／ｍ２の白色光を照射し、−２Ｖ〜２Ｖの範囲でその時の電流密度を測定した。本発明に係るアモルファス酸化物（酸化物半導体材料）からなる保護膜７ではなくて、酸化珪素からなる保護層を設けた比較例１の薄膜トランジスタに比べて、電流密度の値は約１／４となり、優れた耐光性を示した。
【符号の説明】
【００９７】
１ 基板
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁膜
４ 酸化物半導体膜
４’ ソース電極及びドレイン電極間で露出した酸化物半導体膜
４Ａ 酸化物半導体膜のチャネル領域
４Ｂ 酸化物半導体膜の拡散領域（ソース電極接続部及びドレイン電極接続部）
５ パッシベーション膜
５’ ソース電極及びドレイン電極間で露出したパッシベーション膜
６ ソース電極及びドレイン電極
６Ｓ ソース電極
６Ｄ ドレイン電極
７ 保護膜
１０ 薄膜トランジスタ
１０Ａ，１０Ｂ 薄膜トランジスタ（ボトムゲートトップコンタクト構造）
１０Ｃ 薄膜トランジスタ（ボトムゲートボトムコンタクト構造）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にパターン形成されたゲート電極と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上にパターン形成された酸化物半導体膜と、該酸化物半導体膜上にパターン形成されたソース電極及びドレイン電極と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記酸化物半導体膜を少なくとも覆う保護膜とを有する薄膜トランジスタであって、前記保護膜は、酸化物半導体材料で形成されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】
基板上にパターン形成されたゲート電極と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上にパターン形成されたソース電極及びドレイン電極と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記ゲート絶縁膜を少なくとも覆うようにパターン形成された酸化物半導体膜と、該酸化物半導体膜を少なくとも覆う保護膜とを有する薄膜トランジスタであって、前記保護膜は、酸化物半導体材料で形成されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記酸化物半導体膜及び前記保護膜が、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｆｅのうち少なくとも１種）を含むアモルファス酸化物からなる、請求項１又は２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
基板上にゲート電極をパターン形成する工程と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜をパターン形成する工程と、該酸化物半導体膜上にソース電極及びドレイン電極をパターン形成する工程と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記酸化物半導体膜を少なくとも覆うように、酸化物半導体材料で保護膜を形成する工程と、を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】
基板上にゲート電極をパターン形成する工程と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上にソース電極及びドレイン電極をパターン形成する工程と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記ゲート絶縁膜を少なくとも覆う酸化物半導体膜をパターン形成する工程と、該酸化物半導体膜を少なくとも覆うように、酸化物半導体材料で保護膜を形成する工程と、を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】
前記酸化物半導体膜及び前記保護膜が、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｆｅのうち少なくとも１種）を含むアモルファス酸化物からなる、請求項３又は４に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記酸化物半導体膜の形成工程が、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する工程である、請求項４〜６のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項８】
前記保護膜の形成工程が、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で保護膜を形成する工程である、請求項７に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項９】
前記酸化物半導体膜の形成工程が、アルゴンを含む酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する工程である、請求項４又は５に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
前記保護膜の形成工程が、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＤＣスパッタリング法で保護膜を形成する工程である、請求項９に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１】
基板上にパターン形成されたゲート電極と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上にパターン形成された酸化物半導体膜と、該酸化物半導体膜上にパターン形成されたソース電極及びドレイン電極と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記酸化物半導体膜を少なくとも覆う保護膜とを有する薄膜トランジスタであって、前記保護膜は、酸化物半導体材料で形成されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】
基板上にパターン形成されたゲート電極と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上にパターン形成されたソース電極及びドレイン電極と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記ゲート絶縁膜を少なくとも覆うようにパターン形成された酸化物半導体膜と、該酸化物半導体膜を少なくとも覆う保護膜とを有する薄膜トランジスタであって、前記保護膜は、酸化物半導体材料で形成されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記酸化物半導体膜及び前記保護膜が、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｆｅのうち少なくとも１種）を含むアモルファス酸化物からなる、請求項１又は２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
基板上にゲート電極をパターン形成する工程と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜をパターン形成する工程と、該酸化物半導体膜上にソース電極及びドレイン電極をパターン形成する工程と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記酸化物半導体膜を少なくとも覆うように、酸化物半導体材料で保護膜を形成する工程と、を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】
基板上にゲート電極をパターン形成する工程と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上にソース電極及びドレイン電極をパターン形成する工程と、該ソース電極及びドレイン電極間に露出する前記ゲート絶縁膜を少なくとも覆う酸化物半導体膜をパターン形成する工程と、該酸化物半導体膜を少なくとも覆うように、酸化物半導体材料で保護膜を形成する工程と、を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】
前記酸化物半導体膜及び前記保護膜が、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｆｅのうち少なくとも１種）を含むアモルファス酸化物からなる、請求項３又は４に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記酸化物半導体膜の形成工程が、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する工程である、請求項４〜６のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項８】
前記保護膜の形成工程が、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で保護膜を形成する工程である、請求項７に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項９】
前記酸化物半導体膜の形成工程が、アルゴンを含む酸素ガス雰囲気中でＲＦスパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する工程である、請求項４又は５に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
前記保護膜の形成工程が、アルゴンを含まない酸素ガス雰囲気中でＤＣスパッタリング法で保護膜を形成する工程である、請求項９に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２２２１７６（Ｐ２０１２−２２２１７６Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８６９７４（Ｐ２０１１−８６９７４）
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
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