銅電極を有する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
本発明は、酸化物半導体と、Ｃｕ合金に基づく電極材料とを組み合わせて使用するＴＦＴ構造に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＴＦＴ構造が半導体材料およびそれに電気的に接続された電極を有する、薄膜トランジスタ／ＴＦＴトランジスタに関する。
【０００２】
薄膜トランジスタは、とりわけ、平面ディスプレイで使用される（ＬＣＤ、ＯＬＥＤ、電子ペーパー、等）。とりわけ、大面積ＬＣＤ−ＴＶおよびＯＬＥＤ用途のためには、高速スイッチング回路並びに高電流が必要とされる。銅（Ｃｕ）は、ここで、現在主に使用されているＡｌ電極もしくはＡｌ合金電極に対して明らかな利点を有している。
【０００３】
標準的に使用されるａ−Ｓｉ技術（アモルファスシリコン）は、Ｃｕ技術と組み合わせることが困難であり、なぜなら、Ｃｕはゲート酸化膜の堆積の際、もしくは積層物のパッシベーションのための次のＣＶＤ段階の際に、４００℃までの温度に晒され、その際、例えばソース／ドレインコンタクトとＳｉとが拡散反応を示すからである。その上、銅は付着性が悪い。この理由により、適したバリア層／付着層が模索されており、それらはＣｕと一緒に同時に良好にエッチング可能でなければならない。バリア層を使用するという可能性以外に、合金元素、例えばＭｇ、Ｍｏ、ＷまたはＭｎを添加するＣｕ合金を使用するという試みもあり、前記合金元素は、層成長または後に続く焼戻し段階の際に層の境界で排除され、従ってバリアおよび付着層がイントリンシックに形成される。しかし、今まで、製造に使用できる解決策はここから生まれていない。主な問題は、排除される元素の良好な付着機能およびバリア機能のために、常に酸素が必要とされることであり、なぜなら、ａ−Ｓｉ層自体は表面に純粋なＳｉしか有していないからである。この問題をすり抜ける試みは、非常に煩雑であり、なぜなら、例えばまず、ａ−Ｓｉトランジスタのｉｎ−ｓｉｔｕでの表面酸化を行わなければならないからである。その上、このやり方は、絶縁された境界層が得られるという危険をはらんでおり、その際、前記境界層は、Ｃｕ電極との望ましいオーミックコンタクトを妨げる。
【０００４】
ａ−Ｓｉ層の際のさらなる問題は、揺らぎ且つ低すぎる電流増幅である。これは、とりわけＯＬＥＤの際に問題である。
【０００５】
従って、本発明の課題は、Ｃｕに基づく回路と組み合わせた、改善されたＴＦＴ−トランジスタ／改善されたＴＦＴ構造のための層の組み合わせを探索することである。
【０００６】
該課題は、本発明によれば、主請求項の特徴部によって解決される。有利な実施態様は、下位請求項に記載されている。
【０００７】
半導体材料と電極とを有する本発明によるＴＦＴ構造は、該半導体材料が酸化物半導体材料であること、および、少なくとも１つの電極が、Ｃｕ合金に基づく電極材料から形成されていることを特徴とする。有利には、少なくともソース電極およびドレイン電極が、Ｃｕ合金から形成されている。殊に、Ｃｕに基づく電極からの少なくとも１つの合金元素が、ＴＦＴ構造の電極と酸化物半導体材料との間の界面で、酸化物中間層を形成することができる。該ＴＦＴ構造を、ゲートが下にある構造またはゲートが上にある構造として構成することもできる。有利には、酸化物半導体材料は、インジウム酸化物、亜鉛酸化物、銅酸化物の群からの少なくとも１つの酸化物に基づいて形成されているか、または、インジウム、亜鉛、銅の群からの少なくとも１つの金属に基づく混合酸化物に基づいて形成されている。殊に、ＩｎとＧａとＺｎとの酸化物、ＣｕとＣｒとの酸化物またはＣｕとＡｌとの酸化物を使用できる。
【０００８】
ＴＦＴ構造において、Ｃｕ合金の少なくとも１つの合金元素が、銅よりも高い酸素親和性を有することが合理的である。有利には、さらに、Ｃｕ合金の少なくとも１つの合金元素は、ＴＦＴ構造の酸化物半導体材料の化学元素の少なくとも１つよりも高い酸素親和性を有する。殊に、本発明によるＴＦＴ構造を、Ｃｕ合金がＭｇ、Ｍｎ、Ｇａ、Ｌｉ、Ｍｏ、Ｗの少なくとも１つの元素を、濃度０．１〜１０原子％で含有するように構成することができる。さらなる電極材料として、有利にはＣｕ層を少なくとも９９．９％の純度で使用することができ、その際、Ｃｕ合金は中間層として、純粋なＣｕ層の上および／または下に施与されており、且つ、該中間層はＣｕ層よりも薄い。
【０００９】
従って、本発明は、なかでも、酸化物半導体と、電極用に銅よりも高い酸素親和性を有し且つ好ましくは銅よりも高い自己拡散係数を有する合金元素を有するＣｕ合金とを含有する、積層物によって特徴付けられる。従って、該ＴＦＴ構造は、Ｃｕベースの電極と接続されている（とりわけソース／ドレインコンタクト）酸化物半導体に基づき形成されており、その際、該電極はＣｕ合金からなり、Ｃｕマトリックス中の合金添加物は銅よりも高い酸素親和性を有し、且つ、銅よりも高い自己拡散係数を有し、且つ、この合金は、酸化物トランジスタの酸素と一緒に良好に付着した伝導性の中間層を形成し、それは場合によってはなお、バリア機能も満たす。酸化物半導体、例えばＩｎとＧａとＺｎとの酸化物は、ａ−Ｓｉの興味深い代替であり、なぜなら、それはアモルファス成長するからである。そのことから、非常に均質なエッチング性、予想外に良好な電子移動度、および均一な電流増幅がもたらされる。
【００１０】
酸化物半導体としては、以下が考慮の対象になる：
・ インジウム（Ｉｎ）ベースの酸化物半導体
・ 亜鉛ベースの酸化物半導体
・ さらなる酸化物添加剤を有するＩｎとＺｎとの酸化物に基づく酸化物半導体
・ ＩｎとＧａとＺｎとの酸化物に基づく半導体
・ ＣｕとＣｒとの酸化物またはＣｕとＡｌとの酸化物に基づく半導体、
並びに、電極材料としては、少なくとも１つの合金元素を濃度０．１〜１０原子％で有するＣｕ合金が考慮の対象となり、該合金元素は、酸化物半導体の表面の酸素原子よりも酸素に対する親和性が高いので、該合金元素は表面で反応し、且つ、良好に付着した電気伝導層を形成する。特に、
・ Ｃｕ：Ｍｏ
・ Ｃｕ：Ｗ
・ Ｃｕ：Ｍｎ
・ Ｃｕ：Ｍｇ
・ Ｃｕ：Ｇａ
・ Ｃｕ：Ｌｉ。
【００１１】
その際、酸化物ＴＦＴトランジスタを、ゲートが下にある（英語の「ボトムゲート」）トランジスタと同様に、ゲートが上にある（英語の「トップゲート」）構造としても構成できる。
【００１２】
実施例：
ガラス基板上に、まず、Ｃｕ：Ｍｎ １原子％からの電極をスパッタによって堆積し、そして構造形成した。引き続き、その上にＳｉ3Ｎ4からのゲート酸化膜を、ＣＶＤによって施与する。次に、半導体として、ＩｎとＧａとＺｎとの酸化物からの層を堆積させ、その際、該金属は原子比で５０：３７：１３原子％が選択された。再度、Ｃｕ：Ｍｎ １原子％からのソース／ドレイン電極を介してコンタクト形成を行った。そのように製造された積層物を、ＣＶＤによってＳｉ3Ｎ4層でパッシベーション処理した。ＣＶＤ段階の際、３００〜４５０℃の範囲の温度を使用した。
【００１３】
そのように製造された積層物は、少なくとも１０ｃｍ2／Ｖ＊ｓの高い電子移動度を有する。Ｃｕ電極は、付着に対するテープ試験（ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ２４０９）を剥離せずに乗り越え、ソース領域およびドレイン領域に対して良好なオーミックコンタクトを有し、且つ、温度処理後、＜３．５μΩ＊ｃｍの比抵抗を有する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＴＦＴ構造が半導体材料およびそれに電気的に接続された電極を有する、薄膜トランジスタ／ＴＦＴトランジスタに関する。
【０００２】
薄膜トランジスタは、とりわけ、平面ディスプレイで使用される（ＬＣＤ、ＯＬＥＤ、電子ペーパー、等）。とりわけ、大面積ＬＣＤ−ＴＶおよびＯＬＥＤ用途のためには、高速スイッチング回路並びに高電流が必要とされる。銅（Ｃｕ）は、ここで、現在主に使用されているＡｌ電極もしくはＡｌ合金電極に対して明らかな利点を有している。
【０００３】
標準的に使用されるａ−Ｓｉ技術（アモルファスシリコン）は、Ｃｕ技術と組み合わせることが困難であり、なぜなら、Ｃｕはゲート酸化膜の堆積の際、もしくは積層物のパッシベーションのための次のＣＶＤ段階の際に、４００℃までの温度に晒され、その際、例えばソース／ドレインコンタクトとＳｉとが拡散反応を示すからである。その上、銅は付着性が悪い。この理由により、適したバリア層／付着層が模索されており、それらはＣｕと一緒に同時に良好にエッチング可能でなければならない。バリア層を使用するという可能性以外に、合金元素、例えばＭｇ、Ｍｏ、ＷまたはＭｎを添加するＣｕ合金を使用するという試みもあり、前記合金元素は、層成長または後に続く焼戻し段階の際に層の境界で排除され、従ってバリアおよび付着層がイントリンシックに形成される。しかし、今まで、製造に使用できる解決策はここから生まれていない。主な問題は、排除される元素の良好な付着機能およびバリア機能のために、常に酸素が必要とされることであり、なぜなら、ａ−Ｓｉ層自体は表面に純粋なＳｉしか有していないからである。この問題をすり抜ける試みは、非常に煩雑であり、なぜなら、例えばまず、ａ−Ｓｉトランジスタのｉｎ−ｓｉｔｕでの表面酸化を行わなければならないからである。その上、このやり方は、絶縁された境界層が得られるという危険をはらんでおり、その際、前記境界層は、Ｃｕ電極との望ましいオーミックコンタクトを妨げる。
【０００４】
ａ−Ｓｉ層の際のさらなる問題は、揺らぎ且つ低すぎる電流増幅である。これは、とりわけＯＬＥＤの際に問題である。
【０００５】
従って、本発明の課題は、Ｃｕに基づく回路と組み合わせた、改善されたＴＦＴ−トランジスタ／改善されたＴＦＴ構造のための層の組み合わせを探索することである。
【０００６】
該課題は、本発明によれば、主請求項の特徴部によって解決される。有利な実施態様は、下位請求項に記載されている。
【０００７】
半導体材料と電極とを有する本発明によるＴＦＴ構造は、該半導体材料が酸化物半導体材料であること、および、少なくとも１つの電極が、Ｃｕ合金に基づく電極材料から形成されていることを特徴とする。有利には、少なくともソース電極およびドレイン電極が、Ｃｕ合金から形成されている。殊に、Ｃｕに基づく電極からの少なくとも１つの合金元素が、ＴＦＴ構造の電極と酸化物半導体材料との間の界面で、酸化物中間層を形成することができる。該ＴＦＴ構造を、ゲートが下にある構造またはゲートが上にある構造として構成することもできる。有利には、酸化物半導体材料は、インジウム酸化物、亜鉛酸化物、銅酸化物の群からの少なくとも１つの酸化物に基づいて形成されているか、または、インジウム、亜鉛、銅の群からの少なくとも１つの金属に基づく混合酸化物に基づいて形成されている。殊に、ＩｎとＧａとＺｎとの酸化物、ＣｕとＣｒとの酸化物またはＣｕとＡｌとの酸化物を使用できる。
【０００８】
ＴＦＴ構造において、Ｃｕ合金の少なくとも１つの合金元素が、銅よりも高い酸素親和性を有することが合理的である。有利には、さらに、Ｃｕ合金の少なくとも１つの合金元素は、ＴＦＴ構造の酸化物半導体材料の化学元素の少なくとも１つよりも高い酸素親和性を有する。殊に、本発明によるＴＦＴ構造を、Ｃｕ合金がＭｇ、Ｍｎ、Ｇａ、Ｌｉ、Ｍｏ、Ｗの少なくとも１つの元素を、濃度０．１〜１０原子％で含有するように構成することができる。さらなる電極材料として、有利にはＣｕ層を少なくとも９９．９％の純度で使用することができ、その際、Ｃｕ合金は中間層として、純粋なＣｕ層の上および／または下に施与されており、且つ、該中間層はＣｕ層よりも薄い。
【０００９】
従って、本発明は、なかでも、酸化物半導体と、電極用に銅よりも高い酸素親和性を有し且つ好ましくは銅よりも高い自己拡散係数を有する合金元素を有するＣｕ合金とを含有する、積層物によって特徴付けられる。従って、該ＴＦＴ構造は、Ｃｕベースの電極と接続されている（とりわけソース／ドレインコンタクト）酸化物半導体に基づき形成されており、その際、該電極はＣｕ合金からなり、Ｃｕマトリックス中の合金添加物は銅よりも高い酸素親和性を有し、且つ、銅よりも高い自己拡散係数を有し、且つ、この合金は、酸化物トランジスタの酸素と一緒に良好に付着した伝導性の中間層を形成し、それは場合によってはなお、バリア機能も満たす。酸化物半導体、例えばＩｎとＧａとＺｎとの酸化物は、ａ−Ｓｉの興味深い代替であり、なぜなら、それはアモルファス成長するからである。そのことから、非常に均質なエッチング性、予想外に良好な電子移動度、および均一な電流増幅がもたらされる。
【００１０】
酸化物半導体としては、以下が考慮の対象になる：
・ インジウム（Ｉｎ）ベースの酸化物半導体
・ 亜鉛ベースの酸化物半導体
・ さらなる酸化物添加剤を有するＩｎとＺｎとの酸化物に基づく酸化物半導体
・ ＩｎとＧａとＺｎとの酸化物に基づく半導体
・ ＣｕとＣｒとの酸化物またはＣｕとＡｌとの酸化物に基づく半導体、
並びに、電極材料としては、少なくとも１つの合金元素を濃度０．１〜１０原子％で有するＣｕ合金が考慮の対象となり、該合金元素は、酸化物半導体の表面の酸素原子よりも酸素に対する親和性が高いので、該合金元素は表面で反応し、且つ、良好に付着した電気伝導層を形成する。特に、
・ Ｃｕ：Ｍｏ
・ Ｃｕ：Ｗ
・ Ｃｕ：Ｍｎ
・ Ｃｕ：Ｍｇ
・ Ｃｕ：Ｇａ
・ Ｃｕ：Ｌｉ。
【００１１】
その際、酸化物ＴＦＴトランジスタを、ゲートが下にある（英語の「ボトムゲート」）トランジスタと同様に、ゲートが上にある（英語の「トップゲート」）構造としても構成できる。
【００１２】
実施例：
ガラス基板上に、まず、Ｃｕ：Ｍｎ １原子％からの電極をスパッタによって堆積し、そして構造形成した。引き続き、その上にＳｉ3Ｎ4からのゲート酸化膜を、ＣＶＤによって施与する。次に、半導体として、ＩｎとＧａとＺｎとの酸化物からの層を堆積させ、その際、該金属は原子比で５０：３７：１３原子％が選択された。再度、Ｃｕ：Ｍｎ １原子％からのソース／ドレイン電極を介してコンタクト形成を行った。そのように製造された積層物を、ＣＶＤによってＳｉ3Ｎ4層でパッシベーション処理した。ＣＶＤ段階の際、３００〜４５０℃の範囲の温度を使用した。
【００１３】
そのように製造された積層物は、少なくとも１０ｃｍ2／Ｖ＊ｓの高い電子移動度を有する。Ｃｕ電極は、付着に対するテープ試験（ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ２４０９）を剥離せずに乗り越え、ソース領域およびドレイン領域に対して良好なオーミックコンタクトを有し、且つ、温度処理後、＜３．５μΩ＊ｃｍの比抵抗を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料と電極とを有するＴＦＴ構造であって、該半導体材料が酸化物半導体材料であり、且つ、少なくとも１つの電極が、Ｃｕ合金に基づく電極材料から形成されていることを特徴とする、ＴＦＴ構造。
【請求項２】
少なくともソース電極およびドレイン電極が、Ｃｕ合金から形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のＴＦＴ構造。
【請求項３】
Ｃｕに基づく電極からの少なくとも１つの合金元素が、ＴＦＴ構造の電極と酸化物半導体材料との間の界面で酸化物中間層を形成することを特徴とする、請求項１または２に記載のＴＦＴ構造。
【請求項４】
ゲートが下にある構造またはゲートが上にある構造として構成される、請求項１から３までのいずれか１項に記載のＴＦＴ構造。
【請求項５】
酸化物半導体材料が、インジウム酸化物、亜鉛酸化物、銅酸化物の群からの少なくとも１つの酸化物に基づいて形成されているか、またはインジウム、亜鉛、銅の群からの少なくとも１つの金属に基づく混合酸化物に基づいて形成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のＴＦＴ構造。
【請求項６】
ＩｎとＧａとＺｎとの酸化物またはＣｕとＣｒとの酸化物またはＣｕとＡｌとの酸化物を使用することを特徴とする、請求項５に記載のＴＦＴ構造。
【請求項７】
Ｃｕ合金の少なくとも１つの合金元素が、銅よりも高い酸素親和性を有することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載のＴＦＴ構造。
【請求項８】
Ｃｕ合金の少なくとも１つの合金元素が、ＴＦＴ構造の酸化物半導体材料の化学元素の少なくとも１つよりも高い酸素親和性を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載のＴＦＴ構造。
【請求項９】
Ｃｕ合金が、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｇａ、Ｌｉ、Ｍｏ、Ｗの少なくとも１つの元素を０．１〜１０原子％の濃度で含有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載のＴＦＴ構造。
【請求項１０】
さらなる電極材料として、Ｃｕ層を少なくとも９９．９％の純度で使用し、その際、前記Ｃｕ合金が中間層として、純粋なＣｕ層の上および／または下に施与されており、且つ、該中間層はＣｕ層よりも薄いことを特徴とする、請求項７から９までのいずれか１項に記載のＴＦＴ構造。
【請求項１】
半導体材料と電極とを有するＴＦＴ構造であって、該半導体材料が酸化物半導体材料であり、且つ、少なくとも１つの電極が、Ｃｕ合金に基づく電極材料から形成されていることを特徴とする、ＴＦＴ構造。
【請求項２】
少なくともソース電極およびドレイン電極が、Ｃｕ合金から形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のＴＦＴ構造。
【請求項３】
Ｃｕに基づく電極からの少なくとも１つの合金元素が、ＴＦＴ構造の電極と酸化物半導体材料との間の界面で酸化物中間層を形成することを特徴とする、請求項１または２に記載のＴＦＴ構造。
【請求項４】
ゲートが下にある構造またはゲートが上にある構造として構成される、請求項１から３までのいずれか１項に記載のＴＦＴ構造。
【請求項５】
酸化物半導体材料が、インジウム酸化物、亜鉛酸化物、銅酸化物の群からの少なくとも１つの酸化物に基づいて形成されているか、またはインジウム、亜鉛、銅の群からの少なくとも１つの金属に基づく混合酸化物に基づいて形成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のＴＦＴ構造。
【請求項６】
ＩｎとＧａとＺｎとの酸化物またはＣｕとＣｒとの酸化物またはＣｕとＡｌとの酸化物を使用することを特徴とする、請求項５に記載のＴＦＴ構造。
【請求項７】
Ｃｕ合金の少なくとも１つの合金元素が、銅よりも高い酸素親和性を有することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載のＴＦＴ構造。
【請求項８】
Ｃｕ合金の少なくとも１つの合金元素が、ＴＦＴ構造の酸化物半導体材料の化学元素の少なくとも１つよりも高い酸素親和性を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載のＴＦＴ構造。
【請求項９】
Ｃｕ合金が、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｇａ、Ｌｉ、Ｍｏ、Ｗの少なくとも１つの元素を０．１〜１０原子％の濃度で含有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載のＴＦＴ構造。
【請求項１０】
さらなる電極材料として、Ｃｕ層を少なくとも９９．９％の純度で使用し、その際、前記Ｃｕ合金が中間層として、純粋なＣｕ層の上および／または下に施与されており、且つ、該中間層はＣｕ層よりも薄いことを特徴とする、請求項７から９までのいずれか１項に記載のＴＦＴ構造。
【公表番号】特表２０１３−５０３４５９（Ｐ２０１３−５０３４５９Ａ）
【公表日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２５９２３（Ｐ２０１２−５２５９２３）
【出願日】平成２２年８月２５日（２０１０．８．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／００５１９１
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２３３６９
【国際公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（５１１２２２２９４）ヘレーウス マテリアルズ テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフト (7)
【氏名又は名称原語表記】Ｈｅｒａｅｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ． ＫＧ
【住所又は居所原語表記】Ｈｅｒａｅｕｓｓｔｒａｓｓｅ １２−１４， Ｄ−６３４５０ Ｈａｎａｕ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２５日（２０１０．８．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／００５１９１
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２３３６９
【国際公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（５１１２２２２９４）ヘレーウス マテリアルズ テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフト (7)
【氏名又は名称原語表記】Ｈｅｒａｅｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ． ＫＧ
【住所又は居所原語表記】Ｈｅｒａｅｕｓｓｔｒａｓｓｅ １２−１４， Ｄ−６３４５０ Ｈａｎａｕ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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