薄膜トランジスタ
【課題】電気特性が良好な、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを提供する。
【解決手段】薄膜トランジスタは、基板上に設けられたゲート電極と、ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート電極およびゲート絶縁膜上に設けられた酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上に設けられた金属酸化物膜と、金属酸化物膜上に設けられた金属膜と、を有し、酸化物半導体膜は、金属酸化物膜と接し、且つ、酸化物半導体膜の他の領域よりも金属濃度が高い領域（金属高濃度領域）を有する。金属高濃度領域には、酸化物半導体膜に含まれる金属が、結晶粒または微結晶として存在していてもよい。
【解決手段】薄膜トランジスタは、基板上に設けられたゲート電極と、ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート電極およびゲート絶縁膜上に設けられた酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上に設けられた金属酸化物膜と、金属酸化物膜上に設けられた金属膜と、を有し、酸化物半導体膜は、金属酸化物膜と接し、且つ、酸化物半導体膜の他の領域よりも金属濃度が高い領域（金属高濃度領域）を有する。金属高濃度領域には、酸化物半導体膜に含まれる金属が、結晶粒または微結晶として存在していてもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野は、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ポリシリコンにより得られる高い移動度とアモルファスシリコンにより得られる均一な素子特性とを兼ね備えた新たな半導体材料として、酸化物半導体と呼ばれる、半導体特性を示す金属酸化物が注目されている。例えば、酸化タングステン、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛などが、半導体特性を示す金属酸化物として挙げられる。
【０００３】
特許文献１および２では、半導体特性を示す金属酸化物をチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電気特性が良好な、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、基板上に設けられたゲート電極と、ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート電極およびゲート絶縁膜上に設けられた酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上に設けられた金属酸化物膜と、金属酸化物膜上に設けられた金属膜と、を有し、酸化物半導体膜は、金属酸化物膜と接し、且つ、酸化物半導体膜の他の領域よりも金属濃度が高い領域（金属高濃度領域）を有することを特徴とする薄膜トランジスタである。
【０００７】
金属高濃度領域には、酸化物半導体膜に含まれる金属が、結晶粒または微結晶として存在していてもよい。
【０００８】
本発明の一態様は、基板上に設けられたゲート電極と、ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート電極およびゲート絶縁膜上に設けられ、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上に設けられた酸化チタン膜と、酸化チタン膜上に設けられたチタン膜と、を有し、酸化物半導体膜は、酸化チタン膜と接し、且つ、酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域を有することを特徴とする薄膜トランジスタである。
【０００９】
酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域には、インジウムが結晶粒または微結晶として存在していてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
電気特性が良好な、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの断面模式図。
【図２】酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタにおけるソース電極−ドレイン電極間のエネルギーバンド図。
【図３】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体中における、金属と酸素の結晶構造を示す図。
【図４】構造モデルを示す図。
【図５】構造モデルを示す図。
【図６】構造モデルを示す図。
【図７】（Ａ）試料１のＣ−Ｖ特性を示すグラフ、（Ｂ）試料１のゲート電圧（Ｖｇ）と（１／Ｃ）２との関係を示すグラフ。
【図８】（Ａ）試料２のＣ−Ｖ特性を示すグラフ、（Ｂ）試料２のゲート電圧（Ｖｇ）と（１／Ｃ）２との関係を示すグラフ。
【図９】ルチル構造を有する二酸化チタンの結晶構造を示す図。
【図１０】ルチル構造を有する二酸化チタンの状態密度図。
【図１１】酸素欠損状態の、ルチル構造を有する二酸化チタンの状態密度図。
【図１２】一酸化チタンの状態密度図。
【図１３】薄膜トランジスタを適用した電子機器の例を示す図。
【図１４】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの断面ＴＥＭ写真。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。ただし、発明は以下の説明に限定されず、その発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなく、その態様および詳細をさまざまに変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００１３】
（実施の形態１）
図１（Ａ）は、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの断面模式図である。この薄膜トランジスタは、基板１０、ゲート電極２０、ゲート絶縁膜３０、酸化物半導体膜４０、金属酸化物膜６０、金属膜７０、および絶縁膜８０で構成されている。
【００１４】
図１（Ａ）に示す薄膜トランジスタは、チャネルエッチ構造のボトムゲート型である。ただし、薄膜トランジスタの構造はこれに限定されるものでなく、任意のトップゲート型やボトムゲート型などを用いることができる。
【００１５】
基板１０には、絶縁表面を有する基板を用いる。基板１０として、ガラス基板を用いるのが適切である。後の加熱処理の温度が高い場合には、ガラス基板のなかでも、歪点が７３０℃以上のものを用いるとよい。また、耐熱性を考えると、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）よりも、酸化バリウム（ＢａＯ）を多く含むガラス基板が好適である。
【００１６】
ガラス基板以外にも、セラミック基板、石英ガラス基板、石英基板、サファイア基板などの絶縁体からなる基板を、基板１０として用いてもよい。他にも、結晶化ガラス基板などを、基板１０として用いてもよい。
【００１７】
また、下地膜となる絶縁膜を、基板１０とゲート電極２０との間に設けてもよい。下地膜は、基板１０からの不純物元素の拡散を防止する機能を有する。なお、下地膜となる絶縁膜は、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、および酸化窒化シリコン膜から選ばれた、一または複数の膜により形成してもよい。
【００１８】
ゲート電極２０としては、金属導電膜を用いることができる。金属導電膜の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、およびタングステン（Ｗ）から選ばれた元素、または、これらの元素を主成分とする合金などを用いることができる。例えば、金属導電膜として、チタン膜−アルミニウム膜−チタン膜の３層構造やモリブデン膜−アルミニウム膜−モリブデン膜の３層構造などを用いることができる。なお、金属導電膜は３層構造に限られず、単層、２層構造、または４層以上の積層構造としてもよい。
【００１９】
ゲート絶縁膜３０としては、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜などを用いることができる。
【００２０】
酸化物半導体膜４０に用いられる酸化物半導体として、五元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系酸化物半導体や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体などを用いることができる。なお、本明細書においては、例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体とは、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する金属酸化物、という意味であり、その組成比は特に問わない。また、酸化物半導体膜４０は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を含んでいてもよい。
【００２１】
また、酸化物半導体膜４０には、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される構造を有する酸化物半導体を用いることもできる。ここで、Ｍは、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、およびコバルト（Ｃｏ）から選ばれた、一または複数の金属元素を示す。Ｍに該当する例として、ガリウム単体、ガリウムおよびアルミニウム、ガリウムおよびマンガン、ガリウムおよびコバルトなどが挙げられる。
【００２２】
なお、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される構造を有する酸化物半導体のうち、Ｍとしてガリウム（Ｇａ）を含む構造の酸化物半導体を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体とも記す。
【００２３】
酸化物半導体膜４０は、ドナーの原因である水素、水分、水酸基、水酸化物（水素化合物ともいう）などの不純物を意図的に排除したのち、これらの不純物の排除工程において減少してしまう酸素を供給することで、高純度化および電気的にｉ型（真性）化されている。これは、薄膜トランジスタの電気的特性の変動を抑制するためである。
【００２４】
酸化物半導体膜４０中の水素が少ないほど、酸化物半導体膜４０はｉ型に近づく。したがって、酸化物半導体膜４０に含まれる水素の濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１６／ｃｍ３未満とするとよい。当該水素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ；Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定できる。
【００２５】
酸化物半導体膜４０に含まれる水素を極力除去することで、酸化物半導体膜４０中のキャリア密度は、５×１０１４／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１２／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１０／ｃｍ３以下となる。酸化物半導体膜４０のキャリア密度は、酸化物半導体膜４０を用いたＭＯＳキャパシタを作製し、当該ＭＯＳキャパシタのＣ−Ｖ測定の結果（Ｃ−Ｖ特性）を評価することで求めることができる。
【００２６】
また、酸化物半導体は、ワイドギャップ半導体である。例えば、シリコンのバンドギャップは１．１２ｅＶであるのに対して、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体のバンドギャップは３．１５ｅＶである。
【００２７】
ワイドギャップ半導体である酸化物半導体は、少数キャリア密度が低く、また、少数キャリアが誘起されにくい。そのため、酸化物半導体膜４０を用いた薄膜トランジスタにおいては、トンネル電流が発生しにくく、ひいては、オフ電流が流れにくいといえる。したがって、酸化物半導体膜４０を用いた薄膜トランジスタのチャネル幅１μｍあたりのオフ電流として、１００ａＡ／μｍ以下、好ましくは１０ａＡ／μｍ以下、より好ましくは１ａＡ／μｍ以下を実現できる。
【００２８】
また、酸化物半導体は、ワイドギャップ半導体であるため、酸化物半導体膜４０を用いた薄膜トランジスタにおいては、衝突イオン化およびアバランシェ降伏が起きにくい。したがって、酸化物半導体膜４０を用いた薄膜トランジスタは、ホットキャリア劣化への耐性があるといえる。ホットキャリア劣化は、主に、アバランシェ降伏によってキャリアが増大し、高速に加速されたキャリアがゲート絶縁膜へ注入されることにより生じるからである。
【００２９】
金属膜７０は、ソース電極またはドレイン電極として用いられる。金属膜７０としては、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などの金属材料、または、これらの金属材料を主成分とする合金材料を用いることができる。また、金属膜７０は、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などを用いた金属膜の一方の表面または双方の表面に、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などを用いた高融点金属膜を積層させた構成としてもよい。なお、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）などの、アルミニウム膜に生ずるヒロックやウィスカーの発生を防止する元素が添加されているアルミニウムを材料として用いることで、耐熱性にすぐれた金属膜７０を得ることができる。
【００３０】
金属酸化物膜６０として、金属膜７０に含まれる金属の酸化物を含む膜を用いることができる。例えば、金属膜７０がチタンを含む膜である場合、金属酸化物膜６０として酸化チタン膜などを用いることができる。
【００３１】
また、酸化物半導体膜４０は、金属酸化物膜６０と接し、且つ、酸化物半導体膜４０の他の領域よりも金属濃度が高い領域を有する。当該金属濃度が高い領域を、金属高濃度領域５０とも記す。
【００３２】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）における領域１００を拡大した断面模式図である。
【００３３】
図１（Ｂ）に示すように、金属高濃度領域５０には、酸化物半導体膜４０に含まれる金属が、結晶粒または微結晶として存在していてもよい。
【００３４】
図２は、図１に示す構成の薄膜トランジスタにおける、ソース電極−ドレイン電極間のエネルギーバンド図（模式図）である。この図は、ソース電極−ドレイン電極間の電位差がゼロである場合を想定している。
【００３５】
ここでは、金属高濃度領域５０を金属として扱っている。また、不純物を極力除去し、酸素を供給することにより、酸化物半導体膜４０は高純度化および電気的にｉ型（真性）化されている。その結果、エネルギーバンド図において、酸化物半導体膜４０の膜内部でフェルミ準位（Ｅｆ）はバンドギャップの中央付近にある。
【００３６】
このエネルギーバンド図より、酸化物半導体膜４０において、金属高濃度領域５０と他の領域との界面には障壁が存在しておらず、良好なコンタクトが得られていることがわかる。金属高濃度領域５０と金属酸化物膜６０との界面、および、金属酸化物膜６０と金属膜７０との界面においても、同様である。
【００３７】
（実施の形態２）
図１に示す構成の薄膜トランジスタの作製工程について説明する。
【００３８】
まず、絶縁表面を有する基板１０上に導電膜を形成した後、第１のフォトリソグラフィ工程によりゲート電極２０を形成する。
【００３９】
第１のフォトリソグラフィ工程に用いるレジストマスクは、インクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成すると、フォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【００４０】
次いで、ゲート電極２０上にゲート絶縁膜３０を形成する。
【００４１】
ゲート絶縁膜３０は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法などの方法により成膜する。ゲート絶縁膜３０としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウムなどを用いた膜が好適である。
【００４２】
酸化物半導体膜４０と接するゲート絶縁膜３０は、緻密で絶縁耐圧が高い膜であることが望まれる。そのため、特に、μ波（２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤ法により成膜した、緻密で絶縁耐圧が高い膜をゲート絶縁膜３０として用いることが適している。
【００４３】
このようにして得られた緻密で絶縁耐圧が高い膜であるゲート絶縁膜３０と、不純物を極力除去し、酸素を供給してｉ型化された酸化物半導体膜４０との界面特性は良好となる。
【００４４】
仮に、酸化物半導体膜４０とゲート絶縁膜３０との界面特性が不良であるとすると、ゲートバイアス・熱ストレス試験（ＢＴ試験：８５℃、２×１０６Ｖ／ｃｍ、１２時間）において、不純物と酸化物半導体の主成分との結合が切断され、生成された未結合手により、しきい値電圧のシフトが誘発される結果となる。
【００４５】
ゲート絶縁膜３０は、窒化物絶縁膜と酸化物絶縁膜との積層構造としてもよい。例えば、第１のゲート絶縁膜としてスパッタリング法により膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の窒化シリコン膜（ＳｉＮｙ（ｙ＞０））を形成した後、第１のゲート絶縁膜上に第２のゲート絶縁膜として膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の酸化シリコン膜（ＳｉＯｘ（ｘ＞０））を形成することによって、積層構造を有するゲート絶縁膜３０とすることができる。ゲート絶縁膜３０の膜厚は、薄膜トランジスタに要求される特性によって適宜設定すればよく、３５０ｎｍ以上４００ｎｍ程度以下としてもよい。
【００４６】
好ましくは、ゲート絶縁膜３０成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室において、ゲート電極２０が形成された基板１０を予備加熱することによって、基板１０に吸着した水素や水分などの不純物を、脱離および排気するとよい。これは、その後形成されるゲート絶縁膜３０および酸化物半導体膜４０に、水素や水分などの不純物が極力含まれないようにするためである。また、ゲート絶縁膜３０を基板１０上に形成した時点で基板１０を予備加熱してもよい。
【００４７】
予備加熱の温度としては、１００℃以上４００℃以下が適切である。１５０℃以上３００℃以下であれば、さらに好適である。また、予備加熱室における排気手段は、クライオポンプが適切である。
【００４８】
次いで、ゲート絶縁膜３０上に、酸化物半導体膜４０を形成する。酸化物半導体膜４０は、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下が適切である。
【００４９】
酸化物半導体膜４０は、スパッタリング法により成膜する。スパッタリング法による成膜は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスおよび酸素の混合雰囲気下において行う。
【００５０】
スパッタリング法による酸化物半導体膜４０の成膜に用いるターゲットとして、酸化亜鉛を主成分とする金属酸化物を用いることができる。また、組成比がそれぞれ、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ％］、または、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［ａｔｏｍ％］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ％］、若しくは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２［ａｔｏｍ％］である、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、および亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体成膜用ターゲットを用いることもできる。また、当該酸化物半導体成膜用ターゲットの充填率は、９０％以上１００％以下が適切である。９５％以上９９．９％以下であれば、さらに好適である。充填率の高い酸化物半導体成膜用ターゲットを用いると、より緻密な酸化物半導体膜を成膜できるためである。
【００５１】
酸化物半導体膜４０成膜前に、減圧状態の処理室内に基板１０を保持し、基板１０を室温以上４００℃未満の温度に加熱する。その後、処理室内の残留水分を除去しつつ、水素および水分が除去されたスパッタガスを導入しながら、基板１０とターゲットとの間に電圧を印加することによって、基板１０上に酸化物半導体膜４０を成膜する。
【００５２】
処理室内の残留水分を除去する排気手段として、吸着型の真空ポンプを用いることが適切である。例として、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどが挙げられる。また、排気手段として、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを用いることもできる。処理室内より、水素原子、水素分子、水（Ｈ２Ｏ）などの水素原子を含む化合物、などを（より好ましくは、炭素原子を含む化合物とともに）排気することにより、当該処理室において成膜した酸化物半導体膜４０に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、クライオポンプにより処理室内の残留水分を除去しつつスパッタリング法により成膜を行うことにより、酸化物半導体膜４０を成膜する際の基板１０の温度を、室温以上４００℃未満とすることができる。
【００５３】
なお、酸化物半導体膜４０をスパッタリング法により成膜する前に、逆スパッタによって、ゲート絶縁膜３０の表面に付着しているゴミを除去するとよい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加することにより生じる反応性プラズマによって、基板表面を洗浄する方法である。なお、逆スパッタは、アルゴン雰囲気中で行う。また、アルゴンにかえて、窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。
【００５４】
酸化物半導体膜４０成膜後、酸化物半導体膜４０の脱水化または脱水素化を行う。脱水化または脱水素化のための加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下が適切であり、特に４２５℃以上であることが好適である。なお、加熱処理時間は、当該加熱処理の温度が４２５℃以上であれば１時間以下でよいが、４２５℃未満であれば１時間よりも長くすることが好ましい。本明細書では、この加熱処理によって水素分子（Ｈ２）を脱離させることのみを脱水素化と呼んでいるわけではなく、水素原子（Ｈ）や水酸基（ＯＨ）などを脱離することを含めて脱水化または脱水素化と便宜上呼ぶこととする。
【００５５】
例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に、酸化物半導体膜４０が形成された基板１０を導入し、窒素雰囲気下において加熱処理を行う。その後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）ガス、または超乾燥エアー（露点が−４０℃以下、好ましくは−６０℃以下で、窒素と酸素が４対１の割合で混合された気体）を導入して冷却を行う。酸素ガスまたは一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）ガスには、水や水素などが含まれないことが好ましい。また、酸素ガスまたは一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（すなわち酸素ガスまたは一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが適切である。
【００５６】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置やＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。
【００５７】
また、酸化物半導体膜４０の脱水化または脱水素化のための加熱処理は、第２のフォトリソグラフィ工程により酸化物半導体膜４０を島状に加工する前後を問わず、酸化物半導体膜４０に対して行うことができる。
【００５８】
以上の工程を経て、酸化物半導体膜４０全体を酸素過剰な状態とすることによって、酸化物半導体膜４０全体を高抵抗化、すなわちｉ型化させる。
【００５９】
次いで、ゲート絶縁膜３０および酸化物半導体膜４０上に、金属膜７０を形成する。金属膜７０は、スパッタリング法や真空蒸着法などで成膜すればよい。また、金属膜７０は、単層構造であってもよいし、２層以上の積層構造であってもよい。
【００６０】
その後、第３のフォトリソグラフィ工程により、金属膜７０上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極およびドレイン電極を形成した後、レジストマスクを除去する。
【００６１】
薄膜トランジスタのチャネル長は、酸化物半導体膜４０上で隣り合うソース電極の下端部とドレイン電極の下端部との間隔によって決定される。すなわち、第３のフォトリソグラフィ工程におけるレジストマスク形成時の露光の条件によって、薄膜トランジスタのチャネル長が決定されるといえる。第３のフォトリソグラフィ工程におけるレジストマスク形成時の露光には、紫外線、ＫｒＦレーザ光、またはＡｒＦレーザ光を用いることができる。また、チャネル長を２５ｎｍ未満とする場合には、数ｎｍ以上数１０ｎｍ以下の極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）を用いて露光すればよい。超紫外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きいためである。したがって、薄膜トランジスタのチャネル長は、露光に用いる光の種類によって、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることが可能である。
【００６２】
なお、金属膜７０をエッチングする際に、酸化物半導体膜４０を除去しないようにするため、金属膜７０の材料および酸化物半導体膜４０の材料、ならびに、エッチング条件を適宜調節する必要がある。
【００６３】
一例として、金属膜７０としてチタン膜を用い、かつ、酸化物半導体膜４０としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜を用いた場合には、エッチング溶液としてアンモニア過水（アンモニア、水、および過酸化水素水の混合液）を用いるとよい。
【００６４】
なお、第３のフォトリソグラフィ工程において、酸化物半導体膜４０の一部のみがエッチングされることによって、溝部（凹部）を有する酸化物半導体膜４０としてもよい。また、ソース電極およびドレイン電極を形成するためのレジストマスクは、インクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成すると、フォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【００６５】
ソース電極およびドレイン電極を形成後、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）、窒素（Ｎ２）、またはアルゴン（Ａｒ）などのガスを用いたプラズマ処理によって、露出している酸化物半導体膜４０の表面に付着した水（吸着水）などを除去してもよい。当該プラズマ処理には、酸素およびアルゴンの混合ガスを用いることもできる。
【００６６】
プラズマ処理を行った場合は、そのまま大気に触れることなく、酸化物半導体膜４０の一部と接する、絶縁膜８０を形成する。図１に示す薄膜トランジスタでは、酸化物半導体膜４０と、金属膜７０とが重ならない領域において、酸化物半導体膜４０と絶縁膜８０とが接する。
【００６７】
絶縁膜８０の一例として、酸化物半導体膜４０および金属膜７０が形成された基板１０を、室温以上１００℃未満の温度で加熱した後、水素および水分が除去された高純度酸素を含むスパッタガスを導入しシリコンターゲットを用いて成膜した、欠陥を含む酸化シリコン膜が挙げられる。
【００６８】
絶縁膜８０は、処理室内の残留水分を除去しつつ成膜することが好ましい。酸化物半導体膜４０および絶縁膜８０に水素、水酸基、および水分が含まれないようにするためである。
【００６９】
処理室内の残留水分を除去する排気手段として、吸着型の真空ポンプを用いることが適切である。例として、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどが挙げられる。また、排気手段として、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを用いることもできる。処理室内より、水素原子、水素分子、水（Ｈ２Ｏ）などの水素原子を含む化合物、などを排気することにより、当該処理室において成膜した絶縁膜８０に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【００７０】
なお、絶縁膜８０としては、酸化シリコン膜の他に、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜などを用いることもできる。
【００７１】
絶縁膜８０の成膜後に、不活性ガス雰囲気下または窒素ガス雰囲気下において、１００℃以上４００℃以下、好ましくは１５０℃以上３５０℃未満の加熱処理を行う。加熱処理を行うと、酸化物半導体膜４０中に含まれる水素、水分、水酸基、水素化物などの不純物が、欠陥を含む絶縁膜８０中に拡散する。その結果、酸化物半導体膜４０中に含まれる不純物を、より低減させることができる。
【００７２】
また、当該加熱処理によって、酸化物半導体膜４０と金属膜７０との界面に金属酸化物膜６０が形成され、酸化物半導体膜４０内の金属酸化物膜６０と接する領域に金属高濃度領域５０が形成される。
【００７３】
なお、金属酸化物膜６０は、金属膜７０の形成前に、スパッタリング法などを用いて酸化物半導体膜４０上に形成してもよい。この場合、酸化物半導体膜４０と、金属膜７０とが重ならない領域に設けられた金属酸化物膜６０を除去することで、図１の薄膜トランジスタが得られる。
【００７４】
また、上記加熱処理は、絶縁膜８０の成膜前に行ってもよい。
【００７５】
以上の工程により、図１に示す構成の薄膜トランジスタを形成することができる。
【００７６】
（実施の形態３）
図１に示す構成の薄膜トランジスタの、酸化物半導体膜４０と金属膜７０との界面に金属酸化物膜６０が形成され、酸化物半導体膜４０内の金属酸化物膜６０と接する領域に金属高濃度領域５０が形成される現象について、計算科学により検証した結果を示す。
【００７７】
以下の計算において、酸化物半導体膜４０が、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜である場合を考えた。また、金属膜７０は、タングステン（Ｗ）膜、モリブデン（Ｍｏ）膜、またはチタン（Ｔｉ）膜である場合を考えた。
【００７８】
［金属高濃度領域５０が形成される現象について］
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を構成しているインジウム、ガリウム、亜鉛それぞれの酸化物が、酸素欠損状態を形成するために必要なエネルギー（欠損形成エネルギーＥｄｅｆ）を計算した。
【００７９】
欠損形成エネルギーＥｄｅｆは、次の数式（１）で定義される。
【００８０】
【数１】
【００８１】
なお、Ｅ（ＡｍＯｎ−１）は酸素欠損のある酸化物ＡｍＯｎ−１のエネルギー、Ｅ（Ｏ）は酸素原子のエネルギー、Ｅ（ＡｍＯｎ）は酸素欠損のない酸化物ＡｍＯｎのエネルギーを表す。また、Ａは、インジウム単独、ガリウム単独、亜鉛単独、またはインジウムとガリウムと亜鉛を示す。
【００８２】
また、酸素の欠損濃度ｎと、欠損形成エネルギーＥｄｅｆとの関係は、近似的に次の数式（２）で表される。
【００８３】
【数２】
【００８４】
なお、Ｎは欠損が形成されていない状態における酸素の数、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度を表す。
【００８５】
数式（２）より、欠損形成エネルギーＥｄｅｆが大きくなると、酸素の欠損濃度ｎ、すなわち酸素の欠損量は小さくなることが分かった。
【００８６】
欠損形成エネルギーＥｄｅｆの計算には、密度汎関数法のプログラムであるＣＡＳＴＥＰを用いた。密度汎関数法として平面波基底擬ポテンシャル法を用い、汎関数はＧＧＡ−ＰＢＥを用いた。カットオフエネルギーは、５００ｅＶとした。ｋ点のグリッド数は、インジウムとガリウムと亜鉛を含む酸化物（以下、「ＩＧＺＯ」とも記す。）については３×３×１、インジウムの酸化物（以下、「Ｉｎ２Ｏ３」とも記す。）については２×２×２、ガリウムの酸化物（以下、「Ｇａ２Ｏ３」とも記す。）については２×３×２、亜鉛の酸化物（以下、「ＺｎＯ」とも記す。）については４×４×１とした。
【００８７】
結晶構造は、ＩＧＺＯについては対称性Ｒ−３（国際番号：１４８）の構造をａ軸、ｂ軸にそれぞれ２倍することによって得られた８４原子の構造に対して、Ｇａ、Ｚｎをエネルギーが最小になるように配置した構造を用いた。Ｉｎ２Ｏ３については８０原子のｂｉｘｂｙｉｔｅ構造を、Ｇａ２Ｏ３については８０原子のβ−Ｇａｌｌｉａ構造を、ＺｎＯについては８０原子のウルツ構造を用いた。
【００８８】
表１に、数式（１）において、Ａがそれぞれ、インジウム単独、ガリウム単独、亜鉛単独、インジウムとガリウムと亜鉛の場合の、欠損形成エネルギーＥｄｅｆを示す。また、図３に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ―Ｏ系酸化物半導体中における、金属と酸素の結晶構造を示す。
【００８９】
【表１】
【００９０】
ＩＧＺＯ（Ｍｏｄｅｌ１）の欠損形成エネルギーＥｄｅｆは、Ａがインジウムとガリウムと亜鉛の場合に、ＩＧＺＯ結晶中において、３つのインジウム原子と１つの亜鉛原子に隣接する酸素（図３（Ａ）参照）の欠損形成エネルギーに相当する。
【００９１】
ＩＧＺＯ（Ｍｏｄｅｌ２）の欠損形成エネルギーＥｄｅｆは、Ａがインジウムとガリウムと亜鉛の場合に、ＩＧＺＯ結晶中において、３つのインジウム原子と１つのガリウム原子に隣接する酸素（図３（Ｂ）参照）の欠損形成エネルギーに相当する。
【００９２】
ＩＧＺＯ（Ｍｏｄｅｌ３）の欠損形成エネルギーＥｄｅｆは、Ａがインジウムとガリウムと亜鉛の場合に、ＩＧＺＯ結晶中において、２つの亜鉛原子と２つのガリウム原子に隣接する酸素（図３（Ｃ）参照）の欠損形成エネルギーに相当する。
【００９３】
欠損形成エネルギーＥｄｅｆが大きいほど、酸素欠損状態を形成するために高いエネルギーが必要である。つまり、欠損形成エネルギーＥｄｅｆが大きいほど、酸素と金属との結合が強い傾向にあることを意味する。換言すれば、表１より、欠損形成エネルギーＥｄｅｆが最も小さいインジウムが、最も酸素との結合が弱いといえた。
【００９４】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体における酸素欠損状態は、ソース電極またはドレイン電極として用いられた金属膜７０が、酸化物半導体膜４０から酸素を引き抜くために起こった。こうして酸素欠損状態となった酸化物半導体膜４０の一部が、金属高濃度領域５０となった。この金属高濃度領域５０の有無により、酸化物半導体膜４０のキャリア密度は少なくとも２桁異なる。酸化物半導体膜４０から酸素が引き抜かれることによって、酸化物半導体膜４０がｎ型化したためである。なお、ｎ型化とは、多数キャリアである電子が増加することを意味する。
【００９５】
［金属酸化物膜６０が形成される現象について］
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いた酸化物半導体膜４０と金属膜７０との積層構造に対して、量子分子動力学（ＱＭＤ）計算を行った。金属による酸化物半導体からの酸素の引き抜きについて確認するためである。
【００９６】
計算する構造は以下のように作製した。まず、古典分子動力学（ＣＭＤ）法により作製したアモルファス構造のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体（以下、「ａ−ＩＧＺＯ」とも記す。）に対してＱＭＤ法により構造最適化を行った。さらに、構造最適化した単位格子を切断することで得られたａ−ＩＧＺＯ膜上に、金属原子（Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ）の結晶を有する金属膜を積層した。そして、作製した構造に対して、構造最適化を行った。この構造を出発点として、６２３．０Ｋで、ＱＭＤ法を用いて計算を行った。なお、界面の相互作用だけを見積もるために、ａ−ＩＧＺＯ膜の下端と金属膜の上端は固定した。
【００９７】
ＣＭＤ計算の計算条件を以下に示す。計算プログラムには、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｘｐｌｏｒｅｒを用いた。ａ−ＩＧＺＯは、次の条件で作製した。一辺１ｎｍの計算セルに、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４の比率で全８４原子をランダムに配置し、密度を５．９ｇ／ｃｍ３に設定した。ＣＭＤ計算は、ＮＶＴアンサンブルで行い、温度を５５００Ｋから１Ｋに徐々に下げた後、１Ｋで１０ｎｓの構造緩和を行った。時間刻み幅は０．１ｆｓで、総計算時間は１０ｎｓとした。ポテンシャルは、金属−酸素間および酸素−酸素間にはＢｏｒｎ−Ｍａｙｅｒ−Ｈｕｇｇｉｎｓ型を適用し、金属−金属間にはＬｅｎｎａｒｄ−Ｊｏｎｅｓ型を適用した。電荷は、Ｉｎ：＋３、Ｇａ：＋３、Ｚｎ：＋２、Ｏ：−２とした。
【００９８】
ＱＭＤ計算の計算条件を以下に示す。計算プログラムには、第一原理計算ソフトＣＡＳＴＥＰを用いた。汎関数はＧＧＡ−ＰＢＥを用いた。擬ポテンシャルはＵｌｔｒａｓｏｆｔを用いた。カットオフエネルギーは２６０ｅＶ、ｋ点の数は１×１×１とした。ＱＭＤ計算は、ＮＶＴアンサンブルで行い、温度は６２３Ｋとした。時間刻み幅は１．０ｆｓで、総計算時間は２．０ｐｓとした。
【００９９】
図４〜図６の構造モデルを用いて、上記計算の結果を説明する。図４〜図６において、白丸はａ−ＩＧＺＯ膜上に積層した金属膜に含まれる結晶金属原子を表し、黒丸は酸素原子を表している。
【０１００】
図４は、ａ−ＩＧＺＯ膜上にタングステン（Ｗ）の結晶を有する金属膜を積層した場合の構造モデルを示している。図４（Ａ）はＱＭＤ計算を行う前の構造、図４（Ｂ）はＱＭＤ計算を行った後の構造に相当する。
【０１０１】
図５は、ａ−ＩＧＺＯ膜上にモリブデン（Ｍｏ）の結晶を有する金属膜を積層した場合の構造モデルを示している。図５（Ａ）はＱＭＤ計算を行う前の構造、図５（Ｂ）はＱＭＤ計算を行った後の構造に相当する。
【０１０２】
図６は、ａ−ＩＧＺＯ膜上にチタン（Ｔｉ）の結晶を有する金属膜を積層した場合の構造モデルを示している。図６（Ａ）はＱＭＤ計算を行う前の構造、図６（Ｂ）はＱＭＤ計算を行った後の構造に相当する。
【０１０３】
図５（Ａ）および図６（Ａ）より、ａ−ＩＧＺＯ膜上にモリブデンまたはチタンの結晶を有する金属膜を積層した場合には、構造最適化前にすでに金属膜に酸素原子が移動していることがわかった。また、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）、および図６（Ｂ）を比較すると、ａ−ＩＧＺＯ膜上にチタンの結晶を有する金属膜を積層した場合に、酸素原子が金属膜に最も多く移動していることがわかった。よって、金属としてチタンを用いた場合に、金属による酸化物半導体からの酸素の引き抜きが最も起こりやすかった。これより、ａ−ＩＧＺＯ膜に酸素欠損をもたらす電極として最適なものは、チタンの結晶を有する金属膜であった。
【０１０４】
［酸化物半導体膜４０中のキャリア密度について］
金属膜７０中に含まれる金属による酸化物半導体膜４０からの酸素の引き抜きについて、実際に素子を作製し、評価した。具体的には、酸素を引き抜く効果を有する金属膜を酸化物半導体膜に積層した場合と、酸素を引き抜く効果を有しない金属膜を酸化物半導体膜に積層した場合の、酸化物半導体膜４０中のキャリア密度を計算し、結果を比較した。
【０１０５】
酸化物半導体膜中のキャリア密度は、酸化物半導体膜を用いたＭＯＳキャパシタを作製し、当該ＭＯＳキャパシタのＣ−Ｖ測定の結果（Ｃ−Ｖ特性）を評価することで求めることが可能である。
【０１０６】
キャリア密度の測定は、次の（１）〜（３）の手順で行った。（１）ＭＯＳキャパシタのゲート電圧（Ｖｇ）と容量（Ｃ）との関係をプロットしたＣ−Ｖ特性を取得する。（２）当該Ｃ−Ｖ特性から、ゲート電圧（Ｖｇ）と（１／Ｃ）２との関係を表すグラフを取得し、当該グラフにおいて弱反転領域での（１／Ｃ）２の微分値を求める。（３）得られた微分値を、キャリア密度（Ｎｄ）を表す以下の数式（３）に代入する。
【０１０７】
【数３】
【０１０８】
なお、ｅは電気素量、ε０は真空の誘電率、εは酸化物半導体の比誘電率を表す。
【０１０９】
測定に係る試料として、酸素を引き抜く効果を有する金属膜を用いたＭＯＳキャパシタ（以下、「試料１」とも記す。）と、酸素を引き抜く効果を有しない金属膜を用いたＭＯＳキャパシタ（以下、「試料２」とも記す。）とを用意した。なお、酸素を引き抜く効果を有する金属膜として、チタン膜を適用した。また、酸素を引き抜く効果を有しない金属膜として、チタン膜とその表面（酸化物半導体膜側）に窒化チタン膜を有する膜を適用した。
【０１１０】
試料の詳細は、次の通りである。
試料１：
ガラス基板上に４００ｎｍの厚さのチタン膜を有し、チタン膜上にアモルファス構造のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体（ａ−ＩＧＺＯ）を用いた２μｍの厚さの酸化物半導体膜を有し、酸化物半導体膜上に３００ｎｍの厚さの酸化窒化シリコン膜を有し、酸化窒化シリコン膜上に３００ｎｍの銀膜を有する。
試料２：
ガラス基板上に３００ｎｍの厚さのチタン膜を有し、チタン膜上に１００ｎｍの厚さの窒化チタン膜を有し、窒化チタン膜上にアモルファス構造のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体（ａ−ＩＧＺＯ）を用いた２μｍの厚さの酸化物半導体膜を有し、酸化物半導体膜上に３００ｎｍの厚さの酸化窒化シリコン膜を有し、酸化窒化シリコン膜上に３００ｎｍの銀膜を有する。
【０１１１】
なお、試料１および試料２において、酸化物半導体膜は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、および亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体成膜用ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［ａｔｏｍ％］）を用いたスパッタリング法により形成した。また、酸化物半導体膜の形成雰囲気は、アルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ２）との混合雰囲気（Ａｒ：Ｏ２＝３０（ｓｃｃｍ）：１５（ｓｃｃｍ））とした。
【０１１２】
図７（Ａ）は、試料１のＣ−Ｖ特性を示している。また、図７（Ｂ）は、試料１のゲート電圧（Ｖｇ）と（１／Ｃ）２との関係を示している。図７（Ｂ）の弱反転領域における（１／Ｃ）２の微分値を、数式（３）に代入すると、酸化物半導体膜中のキャリア密度１．８×１０１２／ｃｍ３が得られた。
【０１１３】
図８（Ａ）は、試料２のＣ−Ｖ特性を示している。また、図８（Ｂ）は、試料２のゲート電圧（Ｖｇ）と（１／Ｃ）２との関係を示している。図８（Ｂ）の弱反転領域における（１／Ｃ）２の微分値を、数式（３）に代入すると、酸化物半導体膜中のキャリア密度６．０×１０１０／ｃｍ３が得られた。
【０１１４】
以上の結果より、酸素を引き抜く効果を有する金属膜を用いたＭＯＳキャパシタ（試料１）と、酸素を引き抜く効果を有しない金属膜を用いたＭＯＳキャパシタ（試料２）では、酸化物半導体膜中のキャリア密度が少なくとも２桁異なることがわかった。これより、金属膜によって酸化物半導体膜から酸素が引き抜かれ、酸化物半導体膜における酸素欠損が増加した結果、金属膜に接する酸化物半導体膜がｎ型化したことが示唆された。なお、ｎ型化とは、多数キャリアである電子が増加することを意味する。
【０１１５】
［酸化チタン膜の導電性について］
上記の計算結果を参酌し、図１に示す構成の薄膜トランジスタにおいて、金属膜７０がチタンの結晶を有する金属膜である場合を考えた。
【０１１６】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜（図１の「酸化物半導体膜４０」に対応。）とチタン膜（図１の「金属膜７０」に対応。）との界面には、チタンに引き抜かれた酸素がチタンと反応することにより、酸化チタン膜（図１の「金属酸化物膜６０」に対応。）が形成された。次に、この酸化チタン膜の導電性について、計算科学により検証した結果を示す。
【０１１７】
二酸化チタンは、ルチル構造（高温型の正方晶）、アナターゼ構造（低温型の正方晶）、ブルッカイト構造（斜方晶）など、いくつかの結晶構造をとった。アナターゼ型およびブルッカイト型は、加熱すると最も安定な構造のルチル型に不可逆的に変化することから、上記二酸化チタンはルチル構造をとるものと仮定した。
【０１１８】
図９は、ルチル構造を有する二酸化チタンの結晶構造を示す図である。ルチル構造は正方晶であり、結晶の対称性を示す空間群はＰ４２／ｍｎｍに属する。なお、アナターゼ構造の二酸化チタンも、ルチル構造の二酸化チタンと同様に、結晶の対称性を示す空間群はＰ４２／ｍｎｍに属する。
【０１１９】
上記二酸化チタンの結晶構造に対して、ＧＧＡ−ＰＢＥ汎関数を用いた密度汎関数法により、状態密度を求める計算を行った。対称性は維持したまま、セル構造も含めた構造最適化を行い、状態密度を求めた。密度汎関数法を用いた計算には、ＣＡＳＴＥＰコードに導入された平面波擬ポテンシャル法を用いた。カットオフエネルギーは３８０ｅＶとした。
【０１２０】
図１０は、ルチル構造を有する二酸化チタンの状態密度図である。図１０に示すように、ルチル構造を有する二酸化チタンはバンドギャップを有しており、半導体的な状態密度を有することがわかった。なお、密度汎関数法ではバンドギャップが小さく見積もられる傾向にあり、実際の二酸化チタンのバンドギャップは３．０ｅＶ程度と、図１０の状態密度図に示すバンドギャップよりも大きい。なお、密度汎関数法を用いた電子状態計算は絶対零度において行われるので、エネルギーの原点がフェルミ準位である。
【０１２１】
図１１は、酸素欠損状態の、ルチル構造を有する二酸化チタンの状態密度図である。計算には、Ｔｉ２４原子およびＯ４８原子を有する酸化チタンからＯ原子を一つ抜いた、Ｔｉ２４原子およびＯ４７原子を有する酸化チタンを、モデルとして用いた。図１１に示すように、酸素欠損がある場合のフェルミ準位が伝導帯に存在し、フェルミ準位で状態密度が０ではなかった。これより、酸素欠損を有する二酸化チタンがｎ型の導電性を示すことがわかった。
【０１２２】
図１２は、一酸化チタン（ＴｉＯ）の状態密度図である。図１２に示すように、一酸化チタンは金属的な状態密度を有することがわかった。
【０１２３】
図１０に示す二酸化チタンの状態密度図、図１１に示す酸素欠損を有する二酸化チタンの状態密度図、および図１２に示す一酸化チタンの状態密度図より、酸素欠損を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２−δ）が、０＜δ＜１の範囲にわたってｎ型の導電性を示すものと予測された。したがって、酸化チタン膜（金属酸化物膜６０）の組成が、一酸化チタンまたは酸素欠損を有する二酸化チタンを含んだものであっても、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜（酸化物半導体膜４０）とチタン膜（金属膜７０）との間の電流の流れは、阻害されにくい。
【０１２４】
（実施の形態４）
上記実施の形態で説明した薄膜トランジスタは、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビまたはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどのカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話または携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機、太陽電池などが挙げられる。以下に、上記実施の形態で説明した薄膜トランジスタを適用した電子機器の一例について、図１３を参照して説明する。
【０１２５】
図１３（Ａ）は、上記実施の形態で説明した薄膜トランジスタを適用した携帯電話機の一例を示している。この携帯電話機は、筐体１２０に組み込まれた表示部１２１を備えている。
【０１２６】
この携帯電話機は、表示部１２１を指などで触れることで、情報の入力ができる。また、電話を掛ける、メールを打つなどの操作も、表示部１２１を指などで触れることにより行うことができる。
【０１２７】
例えば、表示部１２１における画素のスイッチング素子として、上記実施の形態で説明した薄膜トランジスタを複数配置することで、この携帯電話機の性能を高めることができる。
【０１２８】
図１３（Ｂ）は、上記実施の形態で説明した薄膜トランジスタを適用したテレビジョン装置の一例を示している。このテレビジョン装置は、筐体１３０に表示部１３１が組み込まれている。
【０１２９】
例えば、表示部１３１における画素のスイッチング素子として、上記実施の形態で説明した薄膜トランジスタを複数配置することで、このテレビジョン装置の性能を高めることができる。
【０１３０】
以上のように、上記実施の形態で説明した薄膜トランジスタは、さまざまな電子機器の表示部に配置することで、その電子機器の性能を高めることができる。
【実施例１】
【０１３１】
図１４は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの断面を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、日立製作所「Ｈ−９０００ＮＡＲ」）で加速電圧を３００ｋＶとして観察した写真である。
【０１３２】
図１４に示す薄膜トランジスタは、酸化物半導体膜４０としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜を５０ｎｍ成膜後、窒素雰囲気下において第１の加熱処理（６５０℃、１時間）を行い、その後金属膜７０としてチタン膜を１５０ｎｍ成膜し、さらに窒素雰囲気下において第２の加熱処理（２５０℃、１時間）を行ったものである。
【０１３３】
図１４において、酸化物半導体膜４０と金属膜７０との界面に金属酸化物膜６０が形成されることが確認された。また酸化物半導体膜４０内の金属酸化物膜６０と接する領域に、金属高濃度領域５０が形成されることが確認された。なお、ＦＦＴＭ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｍａｐｐｉｎｇ）法を用いた解析の結果、この薄膜トランジスタの金属高濃度領域５０には、インジウム（Ｉｎ）の組成に近い結晶が析出していることが確認された。同様に、金属酸化物膜６０として、酸化チタン膜が形成されていることが確認された。
【符号の説明】
【０１３４】
１０ 基板
２０ ゲート電極
３０ ゲート絶縁膜
４０ 酸化物半導体膜
５０ 金属高濃度領域
６０ 金属酸化物膜
７０ 金属膜
８０ 絶縁膜
１００ 領域
１２０ 筐体
１２１ 表示部
１３０ 筐体
１３１ 表示部
【技術分野】
【０００１】
技術分野は、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ポリシリコンにより得られる高い移動度とアモルファスシリコンにより得られる均一な素子特性とを兼ね備えた新たな半導体材料として、酸化物半導体と呼ばれる、半導体特性を示す金属酸化物が注目されている。例えば、酸化タングステン、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛などが、半導体特性を示す金属酸化物として挙げられる。
【０００３】
特許文献１および２では、半導体特性を示す金属酸化物をチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電気特性が良好な、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、基板上に設けられたゲート電極と、ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート電極およびゲート絶縁膜上に設けられた酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上に設けられた金属酸化物膜と、金属酸化物膜上に設けられた金属膜と、を有し、酸化物半導体膜は、金属酸化物膜と接し、且つ、酸化物半導体膜の他の領域よりも金属濃度が高い領域（金属高濃度領域）を有することを特徴とする薄膜トランジスタである。
【０００７】
金属高濃度領域には、酸化物半導体膜に含まれる金属が、結晶粒または微結晶として存在していてもよい。
【０００８】
本発明の一態様は、基板上に設けられたゲート電極と、ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート電極およびゲート絶縁膜上に設けられ、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上に設けられた酸化チタン膜と、酸化チタン膜上に設けられたチタン膜と、を有し、酸化物半導体膜は、酸化チタン膜と接し、且つ、酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域を有することを特徴とする薄膜トランジスタである。
【０００９】
酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域には、インジウムが結晶粒または微結晶として存在していてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
電気特性が良好な、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの断面模式図。
【図２】酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタにおけるソース電極−ドレイン電極間のエネルギーバンド図。
【図３】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体中における、金属と酸素の結晶構造を示す図。
【図４】構造モデルを示す図。
【図５】構造モデルを示す図。
【図６】構造モデルを示す図。
【図７】（Ａ）試料１のＣ−Ｖ特性を示すグラフ、（Ｂ）試料１のゲート電圧（Ｖｇ）と（１／Ｃ）２との関係を示すグラフ。
【図８】（Ａ）試料２のＣ−Ｖ特性を示すグラフ、（Ｂ）試料２のゲート電圧（Ｖｇ）と（１／Ｃ）２との関係を示すグラフ。
【図９】ルチル構造を有する二酸化チタンの結晶構造を示す図。
【図１０】ルチル構造を有する二酸化チタンの状態密度図。
【図１１】酸素欠損状態の、ルチル構造を有する二酸化チタンの状態密度図。
【図１２】一酸化チタンの状態密度図。
【図１３】薄膜トランジスタを適用した電子機器の例を示す図。
【図１４】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの断面ＴＥＭ写真。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。ただし、発明は以下の説明に限定されず、その発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなく、その態様および詳細をさまざまに変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００１３】
（実施の形態１）
図１（Ａ）は、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの断面模式図である。この薄膜トランジスタは、基板１０、ゲート電極２０、ゲート絶縁膜３０、酸化物半導体膜４０、金属酸化物膜６０、金属膜７０、および絶縁膜８０で構成されている。
【００１４】
図１（Ａ）に示す薄膜トランジスタは、チャネルエッチ構造のボトムゲート型である。ただし、薄膜トランジスタの構造はこれに限定されるものでなく、任意のトップゲート型やボトムゲート型などを用いることができる。
【００１５】
基板１０には、絶縁表面を有する基板を用いる。基板１０として、ガラス基板を用いるのが適切である。後の加熱処理の温度が高い場合には、ガラス基板のなかでも、歪点が７３０℃以上のものを用いるとよい。また、耐熱性を考えると、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）よりも、酸化バリウム（ＢａＯ）を多く含むガラス基板が好適である。
【００１６】
ガラス基板以外にも、セラミック基板、石英ガラス基板、石英基板、サファイア基板などの絶縁体からなる基板を、基板１０として用いてもよい。他にも、結晶化ガラス基板などを、基板１０として用いてもよい。
【００１７】
また、下地膜となる絶縁膜を、基板１０とゲート電極２０との間に設けてもよい。下地膜は、基板１０からの不純物元素の拡散を防止する機能を有する。なお、下地膜となる絶縁膜は、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、および酸化窒化シリコン膜から選ばれた、一または複数の膜により形成してもよい。
【００１８】
ゲート電極２０としては、金属導電膜を用いることができる。金属導電膜の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、およびタングステン（Ｗ）から選ばれた元素、または、これらの元素を主成分とする合金などを用いることができる。例えば、金属導電膜として、チタン膜−アルミニウム膜−チタン膜の３層構造やモリブデン膜−アルミニウム膜−モリブデン膜の３層構造などを用いることができる。なお、金属導電膜は３層構造に限られず、単層、２層構造、または４層以上の積層構造としてもよい。
【００１９】
ゲート絶縁膜３０としては、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜などを用いることができる。
【００２０】
酸化物半導体膜４０に用いられる酸化物半導体として、五元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系酸化物半導体や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体などを用いることができる。なお、本明細書においては、例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体とは、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する金属酸化物、という意味であり、その組成比は特に問わない。また、酸化物半導体膜４０は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を含んでいてもよい。
【００２１】
また、酸化物半導体膜４０には、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される構造を有する酸化物半導体を用いることもできる。ここで、Ｍは、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、およびコバルト（Ｃｏ）から選ばれた、一または複数の金属元素を示す。Ｍに該当する例として、ガリウム単体、ガリウムおよびアルミニウム、ガリウムおよびマンガン、ガリウムおよびコバルトなどが挙げられる。
【００２２】
なお、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される構造を有する酸化物半導体のうち、Ｍとしてガリウム（Ｇａ）を含む構造の酸化物半導体を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体とも記す。
【００２３】
酸化物半導体膜４０は、ドナーの原因である水素、水分、水酸基、水酸化物（水素化合物ともいう）などの不純物を意図的に排除したのち、これらの不純物の排除工程において減少してしまう酸素を供給することで、高純度化および電気的にｉ型（真性）化されている。これは、薄膜トランジスタの電気的特性の変動を抑制するためである。
【００２４】
酸化物半導体膜４０中の水素が少ないほど、酸化物半導体膜４０はｉ型に近づく。したがって、酸化物半導体膜４０に含まれる水素の濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１６／ｃｍ３未満とするとよい。当該水素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ；Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定できる。
【００２５】
酸化物半導体膜４０に含まれる水素を極力除去することで、酸化物半導体膜４０中のキャリア密度は、５×１０１４／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１２／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１０／ｃｍ３以下となる。酸化物半導体膜４０のキャリア密度は、酸化物半導体膜４０を用いたＭＯＳキャパシタを作製し、当該ＭＯＳキャパシタのＣ−Ｖ測定の結果（Ｃ−Ｖ特性）を評価することで求めることができる。
【００２６】
また、酸化物半導体は、ワイドギャップ半導体である。例えば、シリコンのバンドギャップは１．１２ｅＶであるのに対して、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体のバンドギャップは３．１５ｅＶである。
【００２７】
ワイドギャップ半導体である酸化物半導体は、少数キャリア密度が低く、また、少数キャリアが誘起されにくい。そのため、酸化物半導体膜４０を用いた薄膜トランジスタにおいては、トンネル電流が発生しにくく、ひいては、オフ電流が流れにくいといえる。したがって、酸化物半導体膜４０を用いた薄膜トランジスタのチャネル幅１μｍあたりのオフ電流として、１００ａＡ／μｍ以下、好ましくは１０ａＡ／μｍ以下、より好ましくは１ａＡ／μｍ以下を実現できる。
【００２８】
また、酸化物半導体は、ワイドギャップ半導体であるため、酸化物半導体膜４０を用いた薄膜トランジスタにおいては、衝突イオン化およびアバランシェ降伏が起きにくい。したがって、酸化物半導体膜４０を用いた薄膜トランジスタは、ホットキャリア劣化への耐性があるといえる。ホットキャリア劣化は、主に、アバランシェ降伏によってキャリアが増大し、高速に加速されたキャリアがゲート絶縁膜へ注入されることにより生じるからである。
【００２９】
金属膜７０は、ソース電極またはドレイン電極として用いられる。金属膜７０としては、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などの金属材料、または、これらの金属材料を主成分とする合金材料を用いることができる。また、金属膜７０は、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などを用いた金属膜の一方の表面または双方の表面に、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などを用いた高融点金属膜を積層させた構成としてもよい。なお、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）などの、アルミニウム膜に生ずるヒロックやウィスカーの発生を防止する元素が添加されているアルミニウムを材料として用いることで、耐熱性にすぐれた金属膜７０を得ることができる。
【００３０】
金属酸化物膜６０として、金属膜７０に含まれる金属の酸化物を含む膜を用いることができる。例えば、金属膜７０がチタンを含む膜である場合、金属酸化物膜６０として酸化チタン膜などを用いることができる。
【００３１】
また、酸化物半導体膜４０は、金属酸化物膜６０と接し、且つ、酸化物半導体膜４０の他の領域よりも金属濃度が高い領域を有する。当該金属濃度が高い領域を、金属高濃度領域５０とも記す。
【００３２】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）における領域１００を拡大した断面模式図である。
【００３３】
図１（Ｂ）に示すように、金属高濃度領域５０には、酸化物半導体膜４０に含まれる金属が、結晶粒または微結晶として存在していてもよい。
【００３４】
図２は、図１に示す構成の薄膜トランジスタにおける、ソース電極−ドレイン電極間のエネルギーバンド図（模式図）である。この図は、ソース電極−ドレイン電極間の電位差がゼロである場合を想定している。
【００３５】
ここでは、金属高濃度領域５０を金属として扱っている。また、不純物を極力除去し、酸素を供給することにより、酸化物半導体膜４０は高純度化および電気的にｉ型（真性）化されている。その結果、エネルギーバンド図において、酸化物半導体膜４０の膜内部でフェルミ準位（Ｅｆ）はバンドギャップの中央付近にある。
【００３６】
このエネルギーバンド図より、酸化物半導体膜４０において、金属高濃度領域５０と他の領域との界面には障壁が存在しておらず、良好なコンタクトが得られていることがわかる。金属高濃度領域５０と金属酸化物膜６０との界面、および、金属酸化物膜６０と金属膜７０との界面においても、同様である。
【００３７】
（実施の形態２）
図１に示す構成の薄膜トランジスタの作製工程について説明する。
【００３８】
まず、絶縁表面を有する基板１０上に導電膜を形成した後、第１のフォトリソグラフィ工程によりゲート電極２０を形成する。
【００３９】
第１のフォトリソグラフィ工程に用いるレジストマスクは、インクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成すると、フォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【００４０】
次いで、ゲート電極２０上にゲート絶縁膜３０を形成する。
【００４１】
ゲート絶縁膜３０は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法などの方法により成膜する。ゲート絶縁膜３０としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウムなどを用いた膜が好適である。
【００４２】
酸化物半導体膜４０と接するゲート絶縁膜３０は、緻密で絶縁耐圧が高い膜であることが望まれる。そのため、特に、μ波（２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤ法により成膜した、緻密で絶縁耐圧が高い膜をゲート絶縁膜３０として用いることが適している。
【００４３】
このようにして得られた緻密で絶縁耐圧が高い膜であるゲート絶縁膜３０と、不純物を極力除去し、酸素を供給してｉ型化された酸化物半導体膜４０との界面特性は良好となる。
【００４４】
仮に、酸化物半導体膜４０とゲート絶縁膜３０との界面特性が不良であるとすると、ゲートバイアス・熱ストレス試験（ＢＴ試験：８５℃、２×１０６Ｖ／ｃｍ、１２時間）において、不純物と酸化物半導体の主成分との結合が切断され、生成された未結合手により、しきい値電圧のシフトが誘発される結果となる。
【００４５】
ゲート絶縁膜３０は、窒化物絶縁膜と酸化物絶縁膜との積層構造としてもよい。例えば、第１のゲート絶縁膜としてスパッタリング法により膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の窒化シリコン膜（ＳｉＮｙ（ｙ＞０））を形成した後、第１のゲート絶縁膜上に第２のゲート絶縁膜として膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の酸化シリコン膜（ＳｉＯｘ（ｘ＞０））を形成することによって、積層構造を有するゲート絶縁膜３０とすることができる。ゲート絶縁膜３０の膜厚は、薄膜トランジスタに要求される特性によって適宜設定すればよく、３５０ｎｍ以上４００ｎｍ程度以下としてもよい。
【００４６】
好ましくは、ゲート絶縁膜３０成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室において、ゲート電極２０が形成された基板１０を予備加熱することによって、基板１０に吸着した水素や水分などの不純物を、脱離および排気するとよい。これは、その後形成されるゲート絶縁膜３０および酸化物半導体膜４０に、水素や水分などの不純物が極力含まれないようにするためである。また、ゲート絶縁膜３０を基板１０上に形成した時点で基板１０を予備加熱してもよい。
【００４７】
予備加熱の温度としては、１００℃以上４００℃以下が適切である。１５０℃以上３００℃以下であれば、さらに好適である。また、予備加熱室における排気手段は、クライオポンプが適切である。
【００４８】
次いで、ゲート絶縁膜３０上に、酸化物半導体膜４０を形成する。酸化物半導体膜４０は、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下が適切である。
【００４９】
酸化物半導体膜４０は、スパッタリング法により成膜する。スパッタリング法による成膜は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスおよび酸素の混合雰囲気下において行う。
【００５０】
スパッタリング法による酸化物半導体膜４０の成膜に用いるターゲットとして、酸化亜鉛を主成分とする金属酸化物を用いることができる。また、組成比がそれぞれ、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ％］、または、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［ａｔｏｍ％］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ％］、若しくは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２［ａｔｏｍ％］である、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、および亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体成膜用ターゲットを用いることもできる。また、当該酸化物半導体成膜用ターゲットの充填率は、９０％以上１００％以下が適切である。９５％以上９９．９％以下であれば、さらに好適である。充填率の高い酸化物半導体成膜用ターゲットを用いると、より緻密な酸化物半導体膜を成膜できるためである。
【００５１】
酸化物半導体膜４０成膜前に、減圧状態の処理室内に基板１０を保持し、基板１０を室温以上４００℃未満の温度に加熱する。その後、処理室内の残留水分を除去しつつ、水素および水分が除去されたスパッタガスを導入しながら、基板１０とターゲットとの間に電圧を印加することによって、基板１０上に酸化物半導体膜４０を成膜する。
【００５２】
処理室内の残留水分を除去する排気手段として、吸着型の真空ポンプを用いることが適切である。例として、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどが挙げられる。また、排気手段として、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを用いることもできる。処理室内より、水素原子、水素分子、水（Ｈ２Ｏ）などの水素原子を含む化合物、などを（より好ましくは、炭素原子を含む化合物とともに）排気することにより、当該処理室において成膜した酸化物半導体膜４０に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、クライオポンプにより処理室内の残留水分を除去しつつスパッタリング法により成膜を行うことにより、酸化物半導体膜４０を成膜する際の基板１０の温度を、室温以上４００℃未満とすることができる。
【００５３】
なお、酸化物半導体膜４０をスパッタリング法により成膜する前に、逆スパッタによって、ゲート絶縁膜３０の表面に付着しているゴミを除去するとよい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加することにより生じる反応性プラズマによって、基板表面を洗浄する方法である。なお、逆スパッタは、アルゴン雰囲気中で行う。また、アルゴンにかえて、窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。
【００５４】
酸化物半導体膜４０成膜後、酸化物半導体膜４０の脱水化または脱水素化を行う。脱水化または脱水素化のための加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下が適切であり、特に４２５℃以上であることが好適である。なお、加熱処理時間は、当該加熱処理の温度が４２５℃以上であれば１時間以下でよいが、４２５℃未満であれば１時間よりも長くすることが好ましい。本明細書では、この加熱処理によって水素分子（Ｈ２）を脱離させることのみを脱水素化と呼んでいるわけではなく、水素原子（Ｈ）や水酸基（ＯＨ）などを脱離することを含めて脱水化または脱水素化と便宜上呼ぶこととする。
【００５５】
例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に、酸化物半導体膜４０が形成された基板１０を導入し、窒素雰囲気下において加熱処理を行う。その後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）ガス、または超乾燥エアー（露点が−４０℃以下、好ましくは−６０℃以下で、窒素と酸素が４対１の割合で混合された気体）を導入して冷却を行う。酸素ガスまたは一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）ガスには、水や水素などが含まれないことが好ましい。また、酸素ガスまたは一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（すなわち酸素ガスまたは一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが適切である。
【００５６】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置やＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。
【００５７】
また、酸化物半導体膜４０の脱水化または脱水素化のための加熱処理は、第２のフォトリソグラフィ工程により酸化物半導体膜４０を島状に加工する前後を問わず、酸化物半導体膜４０に対して行うことができる。
【００５８】
以上の工程を経て、酸化物半導体膜４０全体を酸素過剰な状態とすることによって、酸化物半導体膜４０全体を高抵抗化、すなわちｉ型化させる。
【００５９】
次いで、ゲート絶縁膜３０および酸化物半導体膜４０上に、金属膜７０を形成する。金属膜７０は、スパッタリング法や真空蒸着法などで成膜すればよい。また、金属膜７０は、単層構造であってもよいし、２層以上の積層構造であってもよい。
【００６０】
その後、第３のフォトリソグラフィ工程により、金属膜７０上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極およびドレイン電極を形成した後、レジストマスクを除去する。
【００６１】
薄膜トランジスタのチャネル長は、酸化物半導体膜４０上で隣り合うソース電極の下端部とドレイン電極の下端部との間隔によって決定される。すなわち、第３のフォトリソグラフィ工程におけるレジストマスク形成時の露光の条件によって、薄膜トランジスタのチャネル長が決定されるといえる。第３のフォトリソグラフィ工程におけるレジストマスク形成時の露光には、紫外線、ＫｒＦレーザ光、またはＡｒＦレーザ光を用いることができる。また、チャネル長を２５ｎｍ未満とする場合には、数ｎｍ以上数１０ｎｍ以下の極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）を用いて露光すればよい。超紫外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きいためである。したがって、薄膜トランジスタのチャネル長は、露光に用いる光の種類によって、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることが可能である。
【００６２】
なお、金属膜７０をエッチングする際に、酸化物半導体膜４０を除去しないようにするため、金属膜７０の材料および酸化物半導体膜４０の材料、ならびに、エッチング条件を適宜調節する必要がある。
【００６３】
一例として、金属膜７０としてチタン膜を用い、かつ、酸化物半導体膜４０としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜を用いた場合には、エッチング溶液としてアンモニア過水（アンモニア、水、および過酸化水素水の混合液）を用いるとよい。
【００６４】
なお、第３のフォトリソグラフィ工程において、酸化物半導体膜４０の一部のみがエッチングされることによって、溝部（凹部）を有する酸化物半導体膜４０としてもよい。また、ソース電極およびドレイン電極を形成するためのレジストマスクは、インクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成すると、フォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【００６５】
ソース電極およびドレイン電極を形成後、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）、窒素（Ｎ２）、またはアルゴン（Ａｒ）などのガスを用いたプラズマ処理によって、露出している酸化物半導体膜４０の表面に付着した水（吸着水）などを除去してもよい。当該プラズマ処理には、酸素およびアルゴンの混合ガスを用いることもできる。
【００６６】
プラズマ処理を行った場合は、そのまま大気に触れることなく、酸化物半導体膜４０の一部と接する、絶縁膜８０を形成する。図１に示す薄膜トランジスタでは、酸化物半導体膜４０と、金属膜７０とが重ならない領域において、酸化物半導体膜４０と絶縁膜８０とが接する。
【００６７】
絶縁膜８０の一例として、酸化物半導体膜４０および金属膜７０が形成された基板１０を、室温以上１００℃未満の温度で加熱した後、水素および水分が除去された高純度酸素を含むスパッタガスを導入しシリコンターゲットを用いて成膜した、欠陥を含む酸化シリコン膜が挙げられる。
【００６８】
絶縁膜８０は、処理室内の残留水分を除去しつつ成膜することが好ましい。酸化物半導体膜４０および絶縁膜８０に水素、水酸基、および水分が含まれないようにするためである。
【００６９】
処理室内の残留水分を除去する排気手段として、吸着型の真空ポンプを用いることが適切である。例として、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどが挙げられる。また、排気手段として、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを用いることもできる。処理室内より、水素原子、水素分子、水（Ｈ２Ｏ）などの水素原子を含む化合物、などを排気することにより、当該処理室において成膜した絶縁膜８０に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【００７０】
なお、絶縁膜８０としては、酸化シリコン膜の他に、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜などを用いることもできる。
【００７１】
絶縁膜８０の成膜後に、不活性ガス雰囲気下または窒素ガス雰囲気下において、１００℃以上４００℃以下、好ましくは１５０℃以上３５０℃未満の加熱処理を行う。加熱処理を行うと、酸化物半導体膜４０中に含まれる水素、水分、水酸基、水素化物などの不純物が、欠陥を含む絶縁膜８０中に拡散する。その結果、酸化物半導体膜４０中に含まれる不純物を、より低減させることができる。
【００７２】
また、当該加熱処理によって、酸化物半導体膜４０と金属膜７０との界面に金属酸化物膜６０が形成され、酸化物半導体膜４０内の金属酸化物膜６０と接する領域に金属高濃度領域５０が形成される。
【００７３】
なお、金属酸化物膜６０は、金属膜７０の形成前に、スパッタリング法などを用いて酸化物半導体膜４０上に形成してもよい。この場合、酸化物半導体膜４０と、金属膜７０とが重ならない領域に設けられた金属酸化物膜６０を除去することで、図１の薄膜トランジスタが得られる。
【００７４】
また、上記加熱処理は、絶縁膜８０の成膜前に行ってもよい。
【００７５】
以上の工程により、図１に示す構成の薄膜トランジスタを形成することができる。
【００７６】
（実施の形態３）
図１に示す構成の薄膜トランジスタの、酸化物半導体膜４０と金属膜７０との界面に金属酸化物膜６０が形成され、酸化物半導体膜４０内の金属酸化物膜６０と接する領域に金属高濃度領域５０が形成される現象について、計算科学により検証した結果を示す。
【００７７】
以下の計算において、酸化物半導体膜４０が、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜である場合を考えた。また、金属膜７０は、タングステン（Ｗ）膜、モリブデン（Ｍｏ）膜、またはチタン（Ｔｉ）膜である場合を考えた。
【００７８】
［金属高濃度領域５０が形成される現象について］
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を構成しているインジウム、ガリウム、亜鉛それぞれの酸化物が、酸素欠損状態を形成するために必要なエネルギー（欠損形成エネルギーＥｄｅｆ）を計算した。
【００７９】
欠損形成エネルギーＥｄｅｆは、次の数式（１）で定義される。
【００８０】
【数１】
【００８１】
なお、Ｅ（ＡｍＯｎ−１）は酸素欠損のある酸化物ＡｍＯｎ−１のエネルギー、Ｅ（Ｏ）は酸素原子のエネルギー、Ｅ（ＡｍＯｎ）は酸素欠損のない酸化物ＡｍＯｎのエネルギーを表す。また、Ａは、インジウム単独、ガリウム単独、亜鉛単独、またはインジウムとガリウムと亜鉛を示す。
【００８２】
また、酸素の欠損濃度ｎと、欠損形成エネルギーＥｄｅｆとの関係は、近似的に次の数式（２）で表される。
【００８３】
【数２】
【００８４】
なお、Ｎは欠損が形成されていない状態における酸素の数、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度を表す。
【００８５】
数式（２）より、欠損形成エネルギーＥｄｅｆが大きくなると、酸素の欠損濃度ｎ、すなわち酸素の欠損量は小さくなることが分かった。
【００８６】
欠損形成エネルギーＥｄｅｆの計算には、密度汎関数法のプログラムであるＣＡＳＴＥＰを用いた。密度汎関数法として平面波基底擬ポテンシャル法を用い、汎関数はＧＧＡ−ＰＢＥを用いた。カットオフエネルギーは、５００ｅＶとした。ｋ点のグリッド数は、インジウムとガリウムと亜鉛を含む酸化物（以下、「ＩＧＺＯ」とも記す。）については３×３×１、インジウムの酸化物（以下、「Ｉｎ２Ｏ３」とも記す。）については２×２×２、ガリウムの酸化物（以下、「Ｇａ２Ｏ３」とも記す。）については２×３×２、亜鉛の酸化物（以下、「ＺｎＯ」とも記す。）については４×４×１とした。
【００８７】
結晶構造は、ＩＧＺＯについては対称性Ｒ−３（国際番号：１４８）の構造をａ軸、ｂ軸にそれぞれ２倍することによって得られた８４原子の構造に対して、Ｇａ、Ｚｎをエネルギーが最小になるように配置した構造を用いた。Ｉｎ２Ｏ３については８０原子のｂｉｘｂｙｉｔｅ構造を、Ｇａ２Ｏ３については８０原子のβ−Ｇａｌｌｉａ構造を、ＺｎＯについては８０原子のウルツ構造を用いた。
【００８８】
表１に、数式（１）において、Ａがそれぞれ、インジウム単独、ガリウム単独、亜鉛単独、インジウムとガリウムと亜鉛の場合の、欠損形成エネルギーＥｄｅｆを示す。また、図３に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ―Ｏ系酸化物半導体中における、金属と酸素の結晶構造を示す。
【００８９】
【表１】
【００９０】
ＩＧＺＯ（Ｍｏｄｅｌ１）の欠損形成エネルギーＥｄｅｆは、Ａがインジウムとガリウムと亜鉛の場合に、ＩＧＺＯ結晶中において、３つのインジウム原子と１つの亜鉛原子に隣接する酸素（図３（Ａ）参照）の欠損形成エネルギーに相当する。
【００９１】
ＩＧＺＯ（Ｍｏｄｅｌ２）の欠損形成エネルギーＥｄｅｆは、Ａがインジウムとガリウムと亜鉛の場合に、ＩＧＺＯ結晶中において、３つのインジウム原子と１つのガリウム原子に隣接する酸素（図３（Ｂ）参照）の欠損形成エネルギーに相当する。
【００９２】
ＩＧＺＯ（Ｍｏｄｅｌ３）の欠損形成エネルギーＥｄｅｆは、Ａがインジウムとガリウムと亜鉛の場合に、ＩＧＺＯ結晶中において、２つの亜鉛原子と２つのガリウム原子に隣接する酸素（図３（Ｃ）参照）の欠損形成エネルギーに相当する。
【００９３】
欠損形成エネルギーＥｄｅｆが大きいほど、酸素欠損状態を形成するために高いエネルギーが必要である。つまり、欠損形成エネルギーＥｄｅｆが大きいほど、酸素と金属との結合が強い傾向にあることを意味する。換言すれば、表１より、欠損形成エネルギーＥｄｅｆが最も小さいインジウムが、最も酸素との結合が弱いといえた。
【００９４】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体における酸素欠損状態は、ソース電極またはドレイン電極として用いられた金属膜７０が、酸化物半導体膜４０から酸素を引き抜くために起こった。こうして酸素欠損状態となった酸化物半導体膜４０の一部が、金属高濃度領域５０となった。この金属高濃度領域５０の有無により、酸化物半導体膜４０のキャリア密度は少なくとも２桁異なる。酸化物半導体膜４０から酸素が引き抜かれることによって、酸化物半導体膜４０がｎ型化したためである。なお、ｎ型化とは、多数キャリアである電子が増加することを意味する。
【００９５】
［金属酸化物膜６０が形成される現象について］
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いた酸化物半導体膜４０と金属膜７０との積層構造に対して、量子分子動力学（ＱＭＤ）計算を行った。金属による酸化物半導体からの酸素の引き抜きについて確認するためである。
【００９６】
計算する構造は以下のように作製した。まず、古典分子動力学（ＣＭＤ）法により作製したアモルファス構造のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体（以下、「ａ−ＩＧＺＯ」とも記す。）に対してＱＭＤ法により構造最適化を行った。さらに、構造最適化した単位格子を切断することで得られたａ−ＩＧＺＯ膜上に、金属原子（Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ）の結晶を有する金属膜を積層した。そして、作製した構造に対して、構造最適化を行った。この構造を出発点として、６２３．０Ｋで、ＱＭＤ法を用いて計算を行った。なお、界面の相互作用だけを見積もるために、ａ−ＩＧＺＯ膜の下端と金属膜の上端は固定した。
【００９７】
ＣＭＤ計算の計算条件を以下に示す。計算プログラムには、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｘｐｌｏｒｅｒを用いた。ａ−ＩＧＺＯは、次の条件で作製した。一辺１ｎｍの計算セルに、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４の比率で全８４原子をランダムに配置し、密度を５．９ｇ／ｃｍ３に設定した。ＣＭＤ計算は、ＮＶＴアンサンブルで行い、温度を５５００Ｋから１Ｋに徐々に下げた後、１Ｋで１０ｎｓの構造緩和を行った。時間刻み幅は０．１ｆｓで、総計算時間は１０ｎｓとした。ポテンシャルは、金属−酸素間および酸素−酸素間にはＢｏｒｎ−Ｍａｙｅｒ−Ｈｕｇｇｉｎｓ型を適用し、金属−金属間にはＬｅｎｎａｒｄ−Ｊｏｎｅｓ型を適用した。電荷は、Ｉｎ：＋３、Ｇａ：＋３、Ｚｎ：＋２、Ｏ：−２とした。
【００９８】
ＱＭＤ計算の計算条件を以下に示す。計算プログラムには、第一原理計算ソフトＣＡＳＴＥＰを用いた。汎関数はＧＧＡ−ＰＢＥを用いた。擬ポテンシャルはＵｌｔｒａｓｏｆｔを用いた。カットオフエネルギーは２６０ｅＶ、ｋ点の数は１×１×１とした。ＱＭＤ計算は、ＮＶＴアンサンブルで行い、温度は６２３Ｋとした。時間刻み幅は１．０ｆｓで、総計算時間は２．０ｐｓとした。
【００９９】
図４〜図６の構造モデルを用いて、上記計算の結果を説明する。図４〜図６において、白丸はａ−ＩＧＺＯ膜上に積層した金属膜に含まれる結晶金属原子を表し、黒丸は酸素原子を表している。
【０１００】
図４は、ａ−ＩＧＺＯ膜上にタングステン（Ｗ）の結晶を有する金属膜を積層した場合の構造モデルを示している。図４（Ａ）はＱＭＤ計算を行う前の構造、図４（Ｂ）はＱＭＤ計算を行った後の構造に相当する。
【０１０１】
図５は、ａ−ＩＧＺＯ膜上にモリブデン（Ｍｏ）の結晶を有する金属膜を積層した場合の構造モデルを示している。図５（Ａ）はＱＭＤ計算を行う前の構造、図５（Ｂ）はＱＭＤ計算を行った後の構造に相当する。
【０１０２】
図６は、ａ−ＩＧＺＯ膜上にチタン（Ｔｉ）の結晶を有する金属膜を積層した場合の構造モデルを示している。図６（Ａ）はＱＭＤ計算を行う前の構造、図６（Ｂ）はＱＭＤ計算を行った後の構造に相当する。
【０１０３】
図５（Ａ）および図６（Ａ）より、ａ−ＩＧＺＯ膜上にモリブデンまたはチタンの結晶を有する金属膜を積層した場合には、構造最適化前にすでに金属膜に酸素原子が移動していることがわかった。また、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）、および図６（Ｂ）を比較すると、ａ−ＩＧＺＯ膜上にチタンの結晶を有する金属膜を積層した場合に、酸素原子が金属膜に最も多く移動していることがわかった。よって、金属としてチタンを用いた場合に、金属による酸化物半導体からの酸素の引き抜きが最も起こりやすかった。これより、ａ−ＩＧＺＯ膜に酸素欠損をもたらす電極として最適なものは、チタンの結晶を有する金属膜であった。
【０１０４】
［酸化物半導体膜４０中のキャリア密度について］
金属膜７０中に含まれる金属による酸化物半導体膜４０からの酸素の引き抜きについて、実際に素子を作製し、評価した。具体的には、酸素を引き抜く効果を有する金属膜を酸化物半導体膜に積層した場合と、酸素を引き抜く効果を有しない金属膜を酸化物半導体膜に積層した場合の、酸化物半導体膜４０中のキャリア密度を計算し、結果を比較した。
【０１０５】
酸化物半導体膜中のキャリア密度は、酸化物半導体膜を用いたＭＯＳキャパシタを作製し、当該ＭＯＳキャパシタのＣ−Ｖ測定の結果（Ｃ−Ｖ特性）を評価することで求めることが可能である。
【０１０６】
キャリア密度の測定は、次の（１）〜（３）の手順で行った。（１）ＭＯＳキャパシタのゲート電圧（Ｖｇ）と容量（Ｃ）との関係をプロットしたＣ−Ｖ特性を取得する。（２）当該Ｃ−Ｖ特性から、ゲート電圧（Ｖｇ）と（１／Ｃ）２との関係を表すグラフを取得し、当該グラフにおいて弱反転領域での（１／Ｃ）２の微分値を求める。（３）得られた微分値を、キャリア密度（Ｎｄ）を表す以下の数式（３）に代入する。
【０１０７】
【数３】
【０１０８】
なお、ｅは電気素量、ε０は真空の誘電率、εは酸化物半導体の比誘電率を表す。
【０１０９】
測定に係る試料として、酸素を引き抜く効果を有する金属膜を用いたＭＯＳキャパシタ（以下、「試料１」とも記す。）と、酸素を引き抜く効果を有しない金属膜を用いたＭＯＳキャパシタ（以下、「試料２」とも記す。）とを用意した。なお、酸素を引き抜く効果を有する金属膜として、チタン膜を適用した。また、酸素を引き抜く効果を有しない金属膜として、チタン膜とその表面（酸化物半導体膜側）に窒化チタン膜を有する膜を適用した。
【０１１０】
試料の詳細は、次の通りである。
試料１：
ガラス基板上に４００ｎｍの厚さのチタン膜を有し、チタン膜上にアモルファス構造のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体（ａ−ＩＧＺＯ）を用いた２μｍの厚さの酸化物半導体膜を有し、酸化物半導体膜上に３００ｎｍの厚さの酸化窒化シリコン膜を有し、酸化窒化シリコン膜上に３００ｎｍの銀膜を有する。
試料２：
ガラス基板上に３００ｎｍの厚さのチタン膜を有し、チタン膜上に１００ｎｍの厚さの窒化チタン膜を有し、窒化チタン膜上にアモルファス構造のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体（ａ−ＩＧＺＯ）を用いた２μｍの厚さの酸化物半導体膜を有し、酸化物半導体膜上に３００ｎｍの厚さの酸化窒化シリコン膜を有し、酸化窒化シリコン膜上に３００ｎｍの銀膜を有する。
【０１１１】
なお、試料１および試料２において、酸化物半導体膜は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、および亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体成膜用ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［ａｔｏｍ％］）を用いたスパッタリング法により形成した。また、酸化物半導体膜の形成雰囲気は、アルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ２）との混合雰囲気（Ａｒ：Ｏ２＝３０（ｓｃｃｍ）：１５（ｓｃｃｍ））とした。
【０１１２】
図７（Ａ）は、試料１のＣ−Ｖ特性を示している。また、図７（Ｂ）は、試料１のゲート電圧（Ｖｇ）と（１／Ｃ）２との関係を示している。図７（Ｂ）の弱反転領域における（１／Ｃ）２の微分値を、数式（３）に代入すると、酸化物半導体膜中のキャリア密度１．８×１０１２／ｃｍ３が得られた。
【０１１３】
図８（Ａ）は、試料２のＣ−Ｖ特性を示している。また、図８（Ｂ）は、試料２のゲート電圧（Ｖｇ）と（１／Ｃ）２との関係を示している。図８（Ｂ）の弱反転領域における（１／Ｃ）２の微分値を、数式（３）に代入すると、酸化物半導体膜中のキャリア密度６．０×１０１０／ｃｍ３が得られた。
【０１１４】
以上の結果より、酸素を引き抜く効果を有する金属膜を用いたＭＯＳキャパシタ（試料１）と、酸素を引き抜く効果を有しない金属膜を用いたＭＯＳキャパシタ（試料２）では、酸化物半導体膜中のキャリア密度が少なくとも２桁異なることがわかった。これより、金属膜によって酸化物半導体膜から酸素が引き抜かれ、酸化物半導体膜における酸素欠損が増加した結果、金属膜に接する酸化物半導体膜がｎ型化したことが示唆された。なお、ｎ型化とは、多数キャリアである電子が増加することを意味する。
【０１１５】
［酸化チタン膜の導電性について］
上記の計算結果を参酌し、図１に示す構成の薄膜トランジスタにおいて、金属膜７０がチタンの結晶を有する金属膜である場合を考えた。
【０１１６】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜（図１の「酸化物半導体膜４０」に対応。）とチタン膜（図１の「金属膜７０」に対応。）との界面には、チタンに引き抜かれた酸素がチタンと反応することにより、酸化チタン膜（図１の「金属酸化物膜６０」に対応。）が形成された。次に、この酸化チタン膜の導電性について、計算科学により検証した結果を示す。
【０１１７】
二酸化チタンは、ルチル構造（高温型の正方晶）、アナターゼ構造（低温型の正方晶）、ブルッカイト構造（斜方晶）など、いくつかの結晶構造をとった。アナターゼ型およびブルッカイト型は、加熱すると最も安定な構造のルチル型に不可逆的に変化することから、上記二酸化チタンはルチル構造をとるものと仮定した。
【０１１８】
図９は、ルチル構造を有する二酸化チタンの結晶構造を示す図である。ルチル構造は正方晶であり、結晶の対称性を示す空間群はＰ４２／ｍｎｍに属する。なお、アナターゼ構造の二酸化チタンも、ルチル構造の二酸化チタンと同様に、結晶の対称性を示す空間群はＰ４２／ｍｎｍに属する。
【０１１９】
上記二酸化チタンの結晶構造に対して、ＧＧＡ−ＰＢＥ汎関数を用いた密度汎関数法により、状態密度を求める計算を行った。対称性は維持したまま、セル構造も含めた構造最適化を行い、状態密度を求めた。密度汎関数法を用いた計算には、ＣＡＳＴＥＰコードに導入された平面波擬ポテンシャル法を用いた。カットオフエネルギーは３８０ｅＶとした。
【０１２０】
図１０は、ルチル構造を有する二酸化チタンの状態密度図である。図１０に示すように、ルチル構造を有する二酸化チタンはバンドギャップを有しており、半導体的な状態密度を有することがわかった。なお、密度汎関数法ではバンドギャップが小さく見積もられる傾向にあり、実際の二酸化チタンのバンドギャップは３．０ｅＶ程度と、図１０の状態密度図に示すバンドギャップよりも大きい。なお、密度汎関数法を用いた電子状態計算は絶対零度において行われるので、エネルギーの原点がフェルミ準位である。
【０１２１】
図１１は、酸素欠損状態の、ルチル構造を有する二酸化チタンの状態密度図である。計算には、Ｔｉ２４原子およびＯ４８原子を有する酸化チタンからＯ原子を一つ抜いた、Ｔｉ２４原子およびＯ４７原子を有する酸化チタンを、モデルとして用いた。図１１に示すように、酸素欠損がある場合のフェルミ準位が伝導帯に存在し、フェルミ準位で状態密度が０ではなかった。これより、酸素欠損を有する二酸化チタンがｎ型の導電性を示すことがわかった。
【０１２２】
図１２は、一酸化チタン（ＴｉＯ）の状態密度図である。図１２に示すように、一酸化チタンは金属的な状態密度を有することがわかった。
【０１２３】
図１０に示す二酸化チタンの状態密度図、図１１に示す酸素欠損を有する二酸化チタンの状態密度図、および図１２に示す一酸化チタンの状態密度図より、酸素欠損を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２−δ）が、０＜δ＜１の範囲にわたってｎ型の導電性を示すものと予測された。したがって、酸化チタン膜（金属酸化物膜６０）の組成が、一酸化チタンまたは酸素欠損を有する二酸化チタンを含んだものであっても、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜（酸化物半導体膜４０）とチタン膜（金属膜７０）との間の電流の流れは、阻害されにくい。
【０１２４】
（実施の形態４）
上記実施の形態で説明した薄膜トランジスタは、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビまたはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどのカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話または携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機、太陽電池などが挙げられる。以下に、上記実施の形態で説明した薄膜トランジスタを適用した電子機器の一例について、図１３を参照して説明する。
【０１２５】
図１３（Ａ）は、上記実施の形態で説明した薄膜トランジスタを適用した携帯電話機の一例を示している。この携帯電話機は、筐体１２０に組み込まれた表示部１２１を備えている。
【０１２６】
この携帯電話機は、表示部１２１を指などで触れることで、情報の入力ができる。また、電話を掛ける、メールを打つなどの操作も、表示部１２１を指などで触れることにより行うことができる。
【０１２７】
例えば、表示部１２１における画素のスイッチング素子として、上記実施の形態で説明した薄膜トランジスタを複数配置することで、この携帯電話機の性能を高めることができる。
【０１２８】
図１３（Ｂ）は、上記実施の形態で説明した薄膜トランジスタを適用したテレビジョン装置の一例を示している。このテレビジョン装置は、筐体１３０に表示部１３１が組み込まれている。
【０１２９】
例えば、表示部１３１における画素のスイッチング素子として、上記実施の形態で説明した薄膜トランジスタを複数配置することで、このテレビジョン装置の性能を高めることができる。
【０１３０】
以上のように、上記実施の形態で説明した薄膜トランジスタは、さまざまな電子機器の表示部に配置することで、その電子機器の性能を高めることができる。
【実施例１】
【０１３１】
図１４は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの断面を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、日立製作所「Ｈ−９０００ＮＡＲ」）で加速電圧を３００ｋＶとして観察した写真である。
【０１３２】
図１４に示す薄膜トランジスタは、酸化物半導体膜４０としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜を５０ｎｍ成膜後、窒素雰囲気下において第１の加熱処理（６５０℃、１時間）を行い、その後金属膜７０としてチタン膜を１５０ｎｍ成膜し、さらに窒素雰囲気下において第２の加熱処理（２５０℃、１時間）を行ったものである。
【０１３３】
図１４において、酸化物半導体膜４０と金属膜７０との界面に金属酸化物膜６０が形成されることが確認された。また酸化物半導体膜４０内の金属酸化物膜６０と接する領域に、金属高濃度領域５０が形成されることが確認された。なお、ＦＦＴＭ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｍａｐｐｉｎｇ）法を用いた解析の結果、この薄膜トランジスタの金属高濃度領域５０には、インジウム（Ｉｎ）の組成に近い結晶が析出していることが確認された。同様に、金属酸化物膜６０として、酸化チタン膜が形成されていることが確認された。
【符号の説明】
【０１３４】
１０ 基板
２０ ゲート電極
３０ ゲート絶縁膜
４０ 酸化物半導体膜
５０ 金属高濃度領域
６０ 金属酸化物膜
７０ 金属膜
８０ 絶縁膜
１００ 領域
１２０ 筐体
１２１ 表示部
１３０ 筐体
１３１ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート電極および前記ゲート絶縁膜上に設けられ、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上に設けられた酸化チタン膜と、
前記酸化チタン膜上に設けられたチタン膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記酸化チタン膜と接し、且つ、前記酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域を有することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域には、インジウムが結晶粒または微結晶として存在することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記酸化物半導体膜における水素の濃度が、５×１０１６／ｃｍ３未満であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、
前記酸化物半導体膜におけるキャリア密度が、５×１０１０／ｃｍ３以下であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、
前記酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域は、前記酸化物半導体膜上に前記チタン膜を形成した後、加熱処理を行うことによって形成された領域であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項において、
前記酸化チタン膜は、前記酸化物半導体膜上に前記チタン膜を形成した後、加熱処理を行うことによって形成された膜であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項７】
基板上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート電極および前記ゲート絶縁膜上に設けられ、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上に設けられた酸化チタン膜と、
前記酸化チタン膜上に設けられたチタン膜と、を有することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項８】
請求項７において、
前記酸化物半導体膜における水素の濃度が、５×１０１６／ｃｍ３未満であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項９】
請求項７又は請求項８において、
前記酸化物半導体膜におけるキャリア密度が、５×１０１０／ｃｍ３以下であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１０】
請求項７乃至請求項９のいずれか１項において、
前記酸化チタン膜は、前記酸化物半導体膜上に前記チタン膜を形成した後、加熱処理を行うことによって形成された膜であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１１】
基板上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート電極および前記ゲート絶縁膜上に設けられ、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上に設けられたチタン膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記チタン膜と接し、且つ、前記酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域を有することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域には、インジウムが結晶粒または微結晶として存在することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２において、
前記酸化物半導体膜における水素の濃度が、５×１０１６／ｃｍ３未満であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１４】
請求項１１乃至請求項１３のいずれか１項において、
前記酸化物半導体膜におけるキャリア密度が、５×１０１０／ｃｍ３以下であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１５】
請求項１１乃至請求項１４のいずれか１項において、
前記酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域は、前記酸化物半導体膜上に前記チタン膜を形成した後、加熱処理を行うことによって形成された領域であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１】
基板上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート電極および前記ゲート絶縁膜上に設けられ、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上に設けられた酸化チタン膜と、
前記酸化チタン膜上に設けられたチタン膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記酸化チタン膜と接し、且つ、前記酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域を有することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域には、インジウムが結晶粒または微結晶として存在することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記酸化物半導体膜における水素の濃度が、５×１０１６／ｃｍ３未満であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、
前記酸化物半導体膜におけるキャリア密度が、５×１０１０／ｃｍ３以下であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、
前記酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域は、前記酸化物半導体膜上に前記チタン膜を形成した後、加熱処理を行うことによって形成された領域であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項において、
前記酸化チタン膜は、前記酸化物半導体膜上に前記チタン膜を形成した後、加熱処理を行うことによって形成された膜であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項７】
基板上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート電極および前記ゲート絶縁膜上に設けられ、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上に設けられた酸化チタン膜と、
前記酸化チタン膜上に設けられたチタン膜と、を有することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項８】
請求項７において、
前記酸化物半導体膜における水素の濃度が、５×１０１６／ｃｍ３未満であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項９】
請求項７又は請求項８において、
前記酸化物半導体膜におけるキャリア密度が、５×１０１０／ｃｍ３以下であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１０】
請求項７乃至請求項９のいずれか１項において、
前記酸化チタン膜は、前記酸化物半導体膜上に前記チタン膜を形成した後、加熱処理を行うことによって形成された膜であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１１】
基板上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート電極および前記ゲート絶縁膜上に設けられ、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上に設けられたチタン膜と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記チタン膜と接し、且つ、前記酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域を有することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域には、インジウムが結晶粒または微結晶として存在することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２において、
前記酸化物半導体膜における水素の濃度が、５×１０１６／ｃｍ３未満であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１４】
請求項１１乃至請求項１３のいずれか１項において、
前記酸化物半導体膜におけるキャリア密度が、５×１０１０／ｃｍ３以下であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１５】
請求項１１乃至請求項１４のいずれか１項において、
前記酸化物半導体膜の他の領域よりもインジウムの濃度が高い領域は、前記酸化物半導体膜上に前記チタン膜を形成した後、加熱処理を行うことによって形成された領域であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−１２９８９７（Ｐ２０１１−１２９８９７Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５５５３８（Ｐ２０１０−２５５５３８）
【出願日】平成２２年１１月１６日（２０１０．１１．１６）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１６日（２０１０．１１．１６）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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