JP2007194594A

JP2007194594A - 薄膜トランジスタ

Info

Publication number: JP2007194594A
Application number: JP2006314818A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Furuta; 守古田; Takashi Hirao; 孝平尾; Hiroshi Furuta; 寛古田; Tokiyoshi Matsuda; 時宜松田
Original assignee: Casio Computer Co Ltd; Kochi Prefecture Sangyo Shinko Center
Current assignee: Casio Computer Co Ltd; Kochi Prefecture Sangyo Shinko Center
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2026-11-21
Also published as: JP5099740B2

Abstract

【課題】酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層を有する薄膜トランジスタにおいて、薄膜トランジスタのチャネルを形成する酸化物半導体薄膜層中の水素濃度を制御する事により、酸化物半導体薄膜層の導電率を制御し、リーク電流の抑制、しきい電圧の低減、電子移動度の向上といった効果を奏する薄膜トランジスタを提供する。
【解決手段】基板上にチャネルとして形成される酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを少なくとも有し、該酸化物半導体薄膜層中に水素を少なくとも含有することを特徴とする薄膜トランジスタである。
【選択図】図５

Description

本発明は薄膜トランジスタに係り、より詳しくは、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層を活性層に有する薄膜トランジスタに関する。

酸化亜鉛あるいは酸化マグネシウム亜鉛等の酸化物が優れた半導体(活性層)の性質を示すことは古くから知られており、近年薄膜トランジスタ（以下、TFTと略）、発光デバイス、透明導電膜等の電子デバイス応用を目指し、これらの化合物を用いた半導体薄膜層の研究開発が活発化している。
酸化亜鉛や酸化マグネシウム亜鉛を半導体薄膜層として用いたTFTは、従来液晶ディスプレイに主に用いられているアモルファスシリコン(a−Si：H)を半導体薄膜層として用いたアモルファスシリコンTFTと比較して電子移動度が大きく、優れたTFT特性を有し、また、室温付近の低温でも結晶薄膜が得られることで高い移動度が期待できる等の利点もあり、積極的な開発が進められている。

酸化物半導体薄膜層を用いたTFTとしては、ボトムゲート型及びトップゲート型の構造が報告されている。

ボトムゲート構造の一例としては、基板上より順にゲート電極及びゲート絶縁膜が形成され、その上面を被覆して酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層が形成されている構造が知られている。該構造は液晶ディスプレイの駆動素子として現在事業化されているボトムゲート型アモルファスシリコンTFTの構造と類似しており、該アモルファスシリコンTFTの製造のプロセスを応用できるため、酸化亜鉛TFTにも多く用いられている。

トップゲート構造の一例としては、基板上より順に一対のソース・ドレイン電極、酸化物半導体薄膜層、ゲート絶縁膜、ゲート電極を積層して形成される構造を例示することができる。

ボトムゲート型の薄膜トランジスタは、構造上、酸化物半導体薄膜層がゲート絶縁膜上に積層されているため、結晶性が不十分な成膜初期の領域を活性層として用いざるを得ず、十分な移動度が得られないという問題点を抱えている。一方、トップゲート型の薄膜トランジスタは、酸化物半導体薄膜層の上部にゲート絶縁膜を設けている構造を有するので、酸化物半導体薄膜層の上部の結晶性の良好な領域を活性層として用いることができるという点でボトムゲート型の薄膜トランジスタより有効である。

しかしながら、酸化亜鉛は耐熱性が充分でなく、TFT製造プロセス中の熱処理により酸素や亜鉛が脱離し格子欠陥を形成する事が知られている。該格子欠陥は、電気的には浅い不純物準位を形成し、酸化物半導体薄膜層の低抵抗化を引き起こす。そのため、酸化亜鉛を薄膜トランジスタの活性層に用いた場合、ゲート電圧を印加しなくてもドレイン電流が流れるノーマリーオン型即ちデプレッション型の動作となり、欠陥準位の増大とともに、しきい電圧が小さくなり、リーク電流が増大する。
また、格子欠陥は活性層となる酸化亜鉛中のキャリアの誘起を妨げ、キャリア濃度を減少させる。キャリア濃度の減少は活性層の導電率を引き下げ、薄膜トランジスタの電子移動度、電流伝達特性（例えば、サブスレッショルド特性やしきい電圧）に影響する。

上記した如く、格子欠陥はトランジスタの電流伝達特性に影響を与える。
一方、前記格子欠陥以外に酸化亜鉛中に浅い不純物準位を形成する元素として水素が報告されている（例えば、下記非特許文献１参照）。従って、格子欠陥以外にもTFT製造工程で導入される水素等の元素が酸化亜鉛TFTの特性に影響を与えると考えられる。
しかしながら、非特許文献１を含め、酸化亜鉛などの酸化物中の含有元素がTFT特性に与える影響に関する記載がなされた文献は見られない。

Cetin Kilic他１著，「n-type doping of oxides by hydrogen」，APPLIED PHYSICS LETTERS，2002年7月１日Vol.81，No.1 ，p.73−75

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであって、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層を有する薄膜トランジスタにおいて、薄膜トランジスタのチャネルを形成する酸化物半導体薄膜層中の水素濃度を制御する事により、酸化物半導体薄膜層の導電率を制御し、リーク電流の抑制、しきい電圧の低減、電子移動度の向上といった効果を奏する薄膜トランジスタを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、基板上にチャネルとして形成される酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを少なくとも有し、該酸化物半導体薄膜層中に水素を少なくとも含有することを特徴とする薄膜トランジスタに関する。

請求項２に係る発明は、前記酸化物半導体薄膜層中に含まれる水素濃度が、５×10²⁰cm⁻³以上、７×10²¹cm⁻³以下であることを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタに関する。

請求項３に係る発明は、前記薄膜トランジスタが、前記基板上に形成される前記酸化物半導体薄膜層と、該酸化物半導体薄膜層の上表面及び側面を被覆して形成される前記ゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に積載された前記ゲート電極とを有するトップゲート型薄膜トランジスタであって、該ゲート絶縁膜が、酸化珪素膜、酸窒化珪素膜、窒化珪素膜、あるいは窒化珪素に酸素もしくは酸素を構成元素に含む化合物を用いることで酸素がドーピングされた膜のいずれかを少なくとも一部に用いた絶縁膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜トランジスタに関する。

請求項４に係る発明は、前記薄膜トランジスタが、前記基板上に形成される前記ゲート電極と、該ゲート電極を被覆して形成される前記ゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に形成される前記酸化物半導体薄膜層と、該酸化物半導体薄膜層上に形成される保護絶縁膜とを有するボトムゲート型薄膜トランジスタであって、該保護絶縁膜が酸化珪素膜、酸窒化珪素膜、窒化珪素膜、あるいは窒化珪素に酸素もしくは酸素を構成元素に含む化合物を用いることで酸素がドーピングされた膜のいずれかを少なくとも一部に用いた絶縁膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜トランジスタに関する。

請求項１に係る発明によれば、絶縁基板上にチャネルとして形成される酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを少なくとも有する薄膜トランジスタにおいて、酸化物半導体薄膜層中に水素を少なくとも含有することにより、酸化物半導体薄膜層の電気伝導度、即ちキャリア濃度を制御することができ、チャネル中の導電率が制御された薄膜トランジスタとなる。

請求項２に係る発明によれば、薄膜トランジスタのチャネルを形成する酸化物半導体薄膜層中に含まれる水素濃度が、5×10²⁰cm⁻³以上、7×10²¹cm^−３以下であることにより、活性層中に充分なキャリアが誘起され、リーク電流の抑制された、低しきい電圧で電子移動度の高い薄膜トランジスタとなる。

請求項３に係る発明によれば、薄膜トランジスタが基板上に形成される酸化物半導体薄膜層と、該酸化物半導体薄膜層の上表面及び側面を被覆して形成されるゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に積載されたゲート電極とを有するトップゲート型薄膜トランジスタであることにより、酸化物半導体薄膜層の上部の結晶性の良好な領域を活性層として用いた薄膜トランジスタを提供できる。
また、ゲート絶縁膜が、酸化珪素膜、酸窒化珪素膜、窒化珪素膜、あるいは窒化珪素に酸素もしくは酸素を構成元素に含む化合物を用いることで酸素がドーピングされた膜のいずれかを少なくとも一部に用いた絶縁膜であることにより、ゲート絶縁膜成膜時における酸素又は亜鉛の脱離による格子欠陥を防ぐことができる。そのため、酸化物半導体薄膜層中への水素拡散量をより厳密に制御でき、リーク電流の抑制、しきい電圧の低下、電子移動度の向上といった効果をより確実に奏する薄膜トランジスタとなる。

請求項４に係る発明によれば、薄膜トランジスタが基板上に形成されるゲート電極と、該ゲート電極を被覆して形成されるゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に形成される酸化物半導体薄膜層と、該酸化物半導体薄膜層上に形成される保護絶縁膜とを有するボトムゲート型薄膜トランジスタであることで、液晶ディスプレイの駆動素子として現在事業化されているボトムゲート型アモルファスシリコンTFTの製造のプロセスを応用することができ、新たな設備投資を削減して、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層を有する薄膜トランジスタの事業化を図ることができる。
また、保護絶縁膜が酸化珪素膜、酸窒化珪素膜、窒化珪素膜、あるいは窒化珪素に酸素もしくは酸素を構成元素に含む化合物を用いることで酸素がドーピングされた膜のいずれかを少なくとも一部に用いた絶縁膜であることにより、保護絶縁膜成膜時における酸素又は亜鉛の脱離による格子欠陥を防ぐことができる。そのため、酸化物半導体薄膜層中への水素拡散量をより厳密に制御でき、リーク電流の抑制、しきい電圧の低下、電子移動度の向上といった効果をより確実に奏する薄膜トランジスタとなる。

本発明に係る薄膜トランジスタの実施例について、図面を参照しながら以下説明する。

図１は本発明の第一実施例に係る薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。薄膜トランジスタ１００は、基板１、一対のソース・ドレイン電極２、酸化物半導体薄膜層３、第一ゲート絶縁膜４、コンタクト部５ａ、一対のソース・ドレイン外部電極２ａ、第二ゲート絶縁膜６、ゲート電極７、表示電極８を有しており、これら各構成を積層したトップゲート型として形成されている。

薄膜トランジスタ１００は、図１に示す通り、基板１上に形成される。

基板１上には、一対のソース・ドレイン電極２が積層されている。この一対のソース・ドレイン電極２は、基板１上面に間隔を有して配置されている。

酸化物半導体薄膜層３は、基板１と一対のソース・ドレイン電極２上に積層されている。
酸化物半導体薄膜層３は、一対のソース・ドレイン電極２の電極間にチャネルを形成するように配置されており、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体から形成されている。ここで、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体とは、真性酸化亜鉛の他、Li，Na，N，C等のp型ドーパント及びB，Al，Ga，In等のn型ドーパント、及びMg，Be等がドーピングされた酸化亜鉛を含む。

第一ゲート絶縁膜４は、酸化物半導体薄膜層３の上側表面のみを被覆するように形成されている。この第一ゲート絶縁膜４は、ゲート絶縁膜の一部として設けられ、酸化物半導体薄膜層３を製造工程でのレジスト剥離液から保護する保護膜としての役割をも果たすものである。

第二ゲート絶縁膜６は、一対のソース・ドレイン電極２、酸化物半導体薄膜層３側面及び第一ゲート絶縁膜４の表面全面を被覆するように積層されている。このように、第二ゲート絶縁膜６が積層されることにより、酸化物半導体薄膜層３表面を第一ゲート絶縁膜４にて、側面を第二ゲート絶縁膜６にて完全に被覆することができる。

第一ゲート絶縁膜４及び第二ゲート絶縁膜６は、酸化珪素（SiOx）膜、酸窒化珪素（SiON）膜、窒化珪素（SiNx）膜、あるいは窒化珪素（SiNx）に酸素もしくは酸素を構成元素に含む化合物を用いることで酸素がドーピングされた膜により形成される。この第一ゲート絶縁膜４及び第二ゲート絶縁膜６としては、酸化珪素（SiOx）や酸窒化珪素（SiON）に比較して誘電率の大きい、SiNxに酸素あるいは酸素を構成元素として含む化合物、例えばN₂O、を用いることで酸素がドーピングされた膜が好ましく用いられる。
第一ゲート絶縁膜４及び第二ゲート絶縁膜６は、例えばプラズマ化学気相成長（PCVD)法により形成される。このとき、プラズマ化学気相成長（PCVD)法による成膜は酸化物半導体薄膜層の還元もしくは酸素や亜鉛の脱離が生じない基板温度である250℃以下で実施することが望ましい。

一対のソース・ドレイン外部電極２ａは、それぞれ対応するソース・ドレイン電極２とコンタクト部５ａを介して接続される。

ゲート電極７は、第二ゲート絶縁膜６上に形成されている。このゲート電極７は、薄膜トランジスタに印加するゲート電圧により酸化物半導体薄膜層３中の電子密度を制御する役割を果たすものである。

表示電極８は、液晶ディスプレイに用いる液晶に薄膜トランジスタを介して電圧を印加するために形成される。この電極は可視光に対する高い透過率が要求されるため、インジウムスズ酸化物(ITO)などを用いた酸化物導電性薄膜が形成される。なお、図１では省略されているが、表示電極８は第二ゲート絶縁膜上を右方向に延出されて形成されているものである。

薄膜トランジスタの製造工程が終了後、酸化物半導体薄膜層３は、少なくとも水素を含むものとする。酸化物半導体薄膜層３中の水素濃度は、好ましくは5×10²⁰cm⁻³以上、7×10²¹cm⁻³以下となるようにそれぞれの工程の製造条件を調整する。水素濃度が5×10²⁰cm⁻³より低い場合、薄膜トランジスタの活性層中に充分なキャリアが誘起されず、リーク電流は小さくなるものの電子移動度は向上しない。また、水素濃度が7×10²¹cm⁻³より高い場合、活性層の抵抗率が減少し、薄膜トランジスタがノーマリーオン型即ちデプレッション型の動作となり、リーク電流が増大する。そのため、水素濃度が5×10²⁰cm⁻³以上、7×10²¹cm⁻³以下の範囲外ではいずれの場合も好ましくない。

本発明に係る薄膜トランジスタ（TFT)の第一実施例の製造方法について、図２に基づいて以下に説明する。

まず、図２（１）に示す如く、基板１上全面に金属薄膜を形成した後、この薄膜にフォトリソグラフィーを施すことにより一対のソース・ドレイン電極２を形成する。

次いで、図２（２）に示す如く、基板１及び一対のソース・ドレイン電極２上の全面に酸化物半導体薄膜層３として、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体を例えば50〜100nm程度の膜厚で形成する。酸化物半導体薄膜層が真性酸化亜鉛（ZnO）の場合、半導体薄膜の形成には高純度酸化亜鉛のセラミックをターゲットとしたマグネトロンスパッタ法を用い、アルゴン（Ar）と酸素（O₂）の混合ガスによるプラズマ放電にて基板上に半導体薄膜を形成する。なお、プラズマ放電の前に真空容器内の真空度が１×10⁻⁴Pa以下になるまで排気した後、アルゴンと酸素の混合ガスを導入する。スパッタリング時の圧力は1〜10Pa程度であるので、真空チャンバー内の残留水分に起因する水素の割合は原子濃度で酸化亜鉛の１／10⁴以下に抑えられる。この場合、酸化物半導体薄膜成膜後の水素の原子濃度は5×10¹⁹cm⁻³以下となる。なお、この水素濃度は二次イオン質量分析（SIMS）法により求めることができる。

次にZnO上に低抵抗化しない手法及び条件で第一ゲート絶縁膜４を形成する。第一ゲート絶縁膜の形成をNH₃とSiH₄の混合ガスを用いてを行う場合、NH₃とSiH₄の流量比を変化させることで、酸化物半導体薄膜層内の水素濃度を制御することができる（下記試験例参照）。
第一ゲート絶縁膜４としては、酸化珪素（SiOx）膜、酸窒化珪素（SiON）膜、窒化珪素（SiNx）膜、あるいは窒化珪素（SiNx）に酸素もしくは酸素を構成元素に含む化合物を用いることで酸素がドーピングされた膜等のシリコン系絶縁膜が用いられることが望ましい。なかでもSiNxに酸素あるいは酸素を構成元素として含む化合物、例えばN₂Oを用いて酸素をドーピングした膜などが望ましい。その理由はこれらの構成成分は誘電率が高く、酸化物半導体薄膜層３の亜鉛や酸素の脱離の防止の観点からも優れているからである。
なお、酸化物半導体薄膜層中の水素濃度の制御方法としては、上記したものの他に、ゲート絶縁膜成膜中の基板温度やガス種、プラズマ処理の条件等を変化させる方法も挙げることができる。また、酸化物半導体薄膜層成膜時に水分を導入する、具体的にはスパッタリング中に水蒸気を導入したり、ジエチル亜鉛（DEZ）と水蒸気を交互に導入する原子層製膜（Atomic Layer Deposition：ALD）を行ったりする方法も挙げることができる。

図２（３）に示す如く、前記第一ゲート絶縁膜４上にフォトレジストをコーティングし、パターニングされたフォトレジスト４ａをマスクとして、前記第一ゲート絶縁膜４をドライエッチングし、次いで酸化物半導体薄膜層３に対しウェットエッチングを行う。

図２（４）は前記酸化物半導体薄膜層３のウェットエッチング後にフォトレジスト４ａを除去した断面を示しており、酸化物半導体薄膜層３と同一形状の第一ゲート絶縁膜４を有するTFT活性層領域が形成されている。第一ゲート絶縁膜４は、酸化物半導体薄膜層３との界面形成に加えて、活性領域をパターン形成する時の酸化物半導体薄膜層３を保護する役目も同時に果たしている。即ち、活性層パターニング後のフォトレジスト４ａを剥離する場合に使用するレジスト剥離液が酸化物半導体薄膜層３表面に接すると、薄膜表面や結晶粒界をエッチングで荒らしてしまうが、第一ゲート絶縁膜４が酸化物半導体薄膜層３表面に存在することで、フォトリソグラフィー工程におけるレジスト剥離液といった各種薬液に対する保護膜としての機能を果たし、酸化物半導体薄膜層３の表面あれを防ぐことができる。

TFT活性層領域のパターン形成後、図２（５）に示す如く、第一ゲート絶縁膜４及び一対のソース・ドレイン電極２を被覆するように、基板１、一対のソース・ドレイン電極２、酸化物半導体薄膜層３、及び第一ゲート絶縁膜４上全面に第二ゲート絶縁膜６を形成し、その後、ソース・ドレイン電極上にコンタクトホール５を開口する。この場合、第二ゲート絶縁膜６は第一ゲート絶縁膜４（界面制御型絶縁膜）と同様の条件で形成することが望ましい。

最後に図２（６）に示す如く、第二ゲート絶縁膜６上に金属膜からなるゲート電極７を形成し、ゲート電極７と同一材料にて一対のソース・ドレイン外部電極２ａをコンタクト部５aを介して対応する一対のソース・ドレイン電極２と接続するよう形成する。その後、表示電極８を形成することで第一実施例のTFTが完成する。

次いで、本発明の第二実施例に係る薄膜トランジスタの構造について図３を用いて以下説明する。第二実施例の構造は、液晶ディスプレイの駆動素子として現在事業化されているボトムゲート型アモルファスシリコンTFTの構造と類似しており、アモルファスシリコンTFTの製造のプロセスを応用できるので、新たな設備投資を削減して酸化亜鉛TFTの事業化を図れる点で有効である。

図３は本発明の第二実施例に係る薄膜トランジスタ１０１の構造を示す断面図である。薄膜トランジスタ１０１は、基板９、ゲート電極１０、ゲート絶縁膜１１、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層１２、保護絶縁膜１３、第一オーバーコート絶縁膜１４、一対のソース・ドレイン電極１５、第二オーバーコート絶縁膜１６を有してなり、図３に示すように、上記の各構成を積層して形成されている。

薄膜トランジスタ１０１は、図３に示す通り、基板９上に形成される。

基板９上には、ゲート電極１０が形成されている。

ゲート絶縁膜１１は、ゲート電極１０を被覆するように基板９上の全面に積層されている。

酸化物半導体薄膜層１２は、ゲート電極１０を横断してゲート絶縁膜１１の一部を被覆するように形成されている。酸化物半導体薄膜層１２は酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体から形成されている。

保護絶縁膜１３は、酸化物半導体薄膜層１２の上面を被覆するように積層されている。保護絶縁膜１３は、酸化亜鉛からなる酸化物半導体薄膜層１２を損傷及び還元脱離から保護するために設けられるが、製造工程において酸化物半導体薄膜層１２をレジスト剥離液から保護する保護膜としての役割も果たしている。
保護絶縁膜１３は、酸化珪素（SiOx）膜、酸窒化珪素（SiON）膜、窒化珪素（SiNx）膜、あるいは窒化珪素（SiNx）に酸素もしくは酸素を構成元素に含む化合物を用いることで酸素がドーピングされた膜により形成される。この保護絶縁膜１３としては、酸化珪素（SiOx）や酸窒化珪素（SiON）に比較して誘電率の大きい、SiNxに酸素あるいは酸素を構成元素として含む化合物、例えばN₂O、を用いることで酸素がドーピングされた膜が好ましく用いられる。
保護絶縁膜１３は、例えばプラズマ化学気相成長（PCVD)法により形成される。このとき、プラズマ化学気相成長（PCVD)法による成膜は酸化物半導体薄膜層の還元もしくは亜鉛や酸素の脱離が生じない基板温度である250℃以下で実施することが望ましい。

第一オーバーコート絶縁膜１４は、薄膜トランジスタ１０１のデバイス保護の目的で設けられ、保護絶縁膜１３の全面及び酸化物半導体薄膜層１２の側面を被覆するように積層されている。
第一オーバーコート絶縁膜１４を設けることで、保護絶縁膜１３が被覆していない酸化物半導体薄膜層１２の側表面を確実に被覆することができる。

一対のソース・ドレイン電極１５は保護絶縁膜１３、第一オーバーコート絶縁膜１４に開口したコンタクトホールを介して、酸化物半導体薄膜層１２と接するように互いに間隔を有して形成される。

第二オーバーコート絶縁膜１６は、薄膜トランジスタ１０１のデバイス保護の目的で設けられ、薄膜トランジスタの全面を被覆するように積層されている。
第二オーバーコート絶縁膜１６を設けることにより、薄膜トランジスタ１０１のデバイス全体をより確実に保護することができる。

薄膜トランジスタの製造工程が終了後、第一実施例に係るTFTと同様に酸化物半導体薄膜層１２は、少なくとも水素を含むものとする。酸化物半導体薄膜層３中の水素濃度は、好ましくは5×10²⁰cm⁻³以上、7×10²¹cm⁻³以下となるようにそれぞれの工程の製造条件を調整する。

次に、本発明の第二実施例に係るボトムゲート型TFTの製法について、図４に基づいて以下に説明する。

図４（１）に示される如く、ガラス等からなる基板９上全面に、マグネトロンスパッタ法等により形成し、フォトリソグラフィーによりゲート電極１０を形成する。

次いで、図４（２）に示される如く、ゲート電極１０を被覆するように基板９上の全面にゲート絶縁膜１１を形成する。
このゲート絶縁膜１１の形成方法は、特に限定されないが、大面積基板への成膜が可能なプラズマ化学気相成長（PCVD）法を用いることが好ましい。
ゲート絶縁膜１１の成膜後に、酸素（O₂）あるいは亜酸化窒素（N₂O）といった酸化性ガスを用いたプラズマにより、基板表面を清浄化することが好ましい。特に、酸化性ガスとして酸素を用いた場合は、ArやXe、He、Krといった希ガスを酸素に添加したプラズマを用いることで、酸素ラジカルの発生量が増大し、酸化物半導体薄膜層表面に吸着された有機成分や水分に対するクリーニング効率が増大すると同時に、添加ガスによるスパッタ効果により酸化物半導体薄膜層表面の金属不純物が除去可能となるため、より好ましい。

ゲート絶縁膜１１の形成後、図４（３）に示される如く、ゲート絶縁膜１１の全面に酸化物半導体薄膜層１２を例えば50〜100nm程度の膜厚で形成する。第一実施例のTFTと同様に、酸化物半導体薄膜層の形成には高純度酸化亜鉛のセラミックをターゲットとしたマグネトロンスパッタ法を用い、アルゴン（Ar）と酸素の混合ガスによるプラズマ放電にて基板上に半導体薄膜を形成する。

酸化物半導体薄膜層１２の形成後、図４（４）に示される如く、酸化物半導体薄膜層の全面を被覆する保護絶縁膜１３を形成する。
保護絶縁膜１３は、酸化珪素（SiOx）膜、酸窒化珪素（SiON）膜、窒化珪素（SiNx）膜、あるいは窒化珪素（SiNx）に酸素もしくは酸素を構成元素に含む化合物を用いることで酸素がドーピングされた膜等のシリコン系絶縁膜が用いられることが望ましい。なかでもSiNxに酸素あるいは酸素を構成元素として含む化合物、例えばN₂Oを用いることで酸素がドーピングされた膜などが望ましい。その理由はこれらの構成成分は誘電率が高く、酸化物半導体薄膜層３の亜鉛や酸素の脱離の防止の観点からも優れているからである。
保護絶縁膜１３の形成に際しては、プラズマ化学気相成長（PCVD）法を用いることが好ましい。

保護絶縁膜１３の形成後、保護絶縁膜１３の上表面にフォトレジストをコーティングし、パターニングされたフォトレジストをマスクとして、保護絶縁膜１３をエッチングし、次いでパターニングされた保護絶縁膜１３をマスクとして酸化物半導体薄膜層１２に対しウェットエッチングを行う。これにより、チャネル領域、即ち、デバイスの外形形状を有する酸化物半導体薄膜層１２上に、同一平面形状の保護絶縁膜１３が積層された構造が形成される。

上記した如く、酸化物半導体薄膜層１２及び保護絶縁膜１３に対して形状加工を行った後、フォトレジストを剥離し、図４（５）に示される如く、保護絶縁膜１３、酸化物半導体薄膜層１２及びゲート絶縁膜１１の全面を被覆するように第一オーバーコート絶縁膜１４を形成する。第一オーバーコート絶縁膜１４を形成することにより、チャネル層としての酸化物半導体薄膜層１２の機能を保ちつつ、第一オーバーコート絶縁膜１４によって酸化物半導体薄膜層１２を完全に被覆する構造を実現することができる。

第一オーバーコート絶縁膜１４の成膜後、第一オーバーコート絶縁膜１４上にフォトレジストをコーティングし、パターニングする（図示せず）。そして、図４（６）に示される如く、後述する一対のソース・ドレイン電極１５と酸化物半導体薄膜層１２の接触部分として間隔を有して二つのコンタクトホールを形成する。
コンタクトホールは、第一オーバーコート絶縁膜１４上にコーティングされたフォトレジストに開口部を形成し、この開口部を介してエッチングすることにより、保護絶縁膜１３及び第一オーバーコート絶縁膜１４を貫通して酸化物半導体薄膜層１２の表面に達する深さに形成する。

コンタクトホールを形成した後、フォトレジストを剥離し、一対のソース・ドレイン電極１５を形成する。
一対のソース・ドレイン電極１５はコンタクトホールをそれぞれ充填して、間隔を有して形成される。

最後に、薄膜トランジスタ上に、第二オーバーコート絶縁膜１６を形成することで、第二実施例のTFTが完成する。

（試験例）
以下、本発明に係る薄膜トランジスタの試験例を比較することにより、本発明の効果をより明確なものとする。

本発明の第一実施例に係る薄膜トランジスタ（図１参照）を、以下の方法（図２参照）により作成した。
SiO₂とAl₂O₃を主成分とする無アルカリガラスからなる基板１上にインジウムスズ酸化物(ITO)からなる一対のソース・ドレイン電極２を40nmの厚さで形成した。
基板１及び一対のソース・ドレイン電極２上の全面に酸化物半導体薄膜層３として真性酸化亜鉛をマグネトロンスパッタ法により、50nｍの厚さで形成した。
酸化物半導体薄膜層３の形成後、酸化物半導体薄膜層３の上面全面にSiNxからなる第一ゲート絶縁膜４を50nmの厚さで形成した。この第一ゲート絶縁膜の形成は、250℃の条件下で、SiH₄＋NH₃＋N₂ガスを用いたプラズマ化学気相成長（PCVD)法により行った。
NH₃と SiH₄の混合ガスを用いて第一ゲート絶縁膜を形成する際、酸化亜鉛活性層中の水素濃度を変化させる目的で、NH₃／SiH₄ガス流量比を1から20まで変化させた。NH₃／SiH₄ガス流量比を大きくする事で、ゲート絶縁膜成膜中に酸化物半導体薄膜層に取り込まれる水素濃度が増大する。
次に、第一ゲート絶縁膜４上にフォトレジストをコーティングし、パターニングされたフォトレジスト４ａをマスクとして、第一ゲート絶縁膜４をCF₄＋O₂のガスを用いてドライエッチングした。
第一ゲート絶縁膜４のエッチングを行った後、0．2％HNO₃溶液を用いて酸化物半導体薄膜層に対しウェットエッチングを行い、フォトレジストを除去し、基板１、一対のソース・ドレイン電極２、酸化物半導体薄膜層３、及び第一ゲート絶縁膜４上全面に亘ってSiNxからなる第二ゲート絶縁膜６を300nm厚で形成した。
この第二ゲート絶縁膜６の形成は、SiH₄＋NH₃＋N₂ガスを用いたプラズマ化学気相成長（PCVD)法を用い、250℃にて行った。第二ゲート絶縁膜成膜時のNH₃／SiH₄比は、第一ゲート絶縁膜と同一になるよう設定した。
第二ゲート絶縁膜６の形成後、一対のソース・ドレイン電極２の上部に、フォトリソグラフィー及びCF₄＋O₂のガスを用いてドライエッチングによりコンタクトホール５を開口した。
最後に、Crからなるゲート電極７を第二ゲート絶縁膜６上に100nm厚で形成し、同一材料にて、一対のソース・ドレイン外部電極２ａをコンタクト部５aを介してそれぞれ対応するソース・ドレイン電極２と接続するように形成し、インジウムスズ酸化物(ITO)からなる表示電極８を第二ゲート絶縁膜６の一部上に100nm厚で形成して薄膜トランジスタを作成した。
今回はガス流量比を変化させて酸化物半導体薄膜層中への水素濃度制御を実施したが、特に本手法に限る必要はなく、ゲート絶縁膜成膜中の基板温度やガス種、プラズマ処理の条件等を変化させても同様に酸化物半導体薄膜層の水素濃度を制御可能である。或いは酸化物半導体薄膜層成膜時に水分を導入する、具体的にはスパッタリング中に水蒸気を導入したり、ジエチル亜鉛（DEZ）と水蒸気を交互に導入する原子層製膜（Atomic Layer Deposition：ALD）等の手法によっても酸化亜鉛中の水素濃度を制御できる。

（伝達特性の評価試験）
作成したそれぞれの薄膜トランジスタの酸化物半導体活性層中に含まれる水素濃度を二次イオン質量分析（SIMS）装置にて測定し、薄膜トランジスタの伝達特性の評価を行った。
その結果を図５に示す。

図５において明らかな如く、NH₃／SiH₄ガス流量比を低くして、酸化物半導体薄膜層中の水素濃度を低い状態にした場合、活性層中に充分なキャリアが誘起されず、薄膜トランジスタのリーク電流は小さいものの移動度も小さい。そしてNH₃／SiH₄ガス流量比を1．5以上として、活性層中の水素濃度を5×10²⁰cm⁻³以上とすることでリーク電流を低く維持したまま、移動度が向上し始める。さらにNH₃／SiH₄ガス流量比を増大させることで活性層中の水素濃度が増大する。本試験例では酸化物半導体層中の水素濃度が1×10²¹cm⁻³にて移動度が最大となった。NH₃／SiH₄ガス流量比を10．0より大きくし、水素濃度を7×10²¹cm⁻³より高い状態にすると、活性層の抵抗率が減少し、ノーマリーオン型即ちデプレッション型の動作となり、リーク電流が増大し、薄膜トランジスタがOFFしない状況となった。
以上の結果より、液晶ディスプレイの駆動素子として用いる薄膜トランジスタはリーク電流が小さい事が要求されるため、活性層中の水素濃度を5×10²⁰cm⁻³以上、7×10²¹cm⁻³以下とすることで低リーク電流を維持した状態で良好なトランジスタ特性が得られる事が明らかとなった。

以上説明した如く、本発明に係る酸化亜鉛を半導体薄膜層に用いた薄膜トランジスタは、優れた性能を有するものであり、液晶表示装置等の駆動素子として好適に使用可能なものである。

本発明の第一実施例に係る薄膜トランジスタ（TFT）の形態を示す断面図である。本発明の第一実施例に係る薄膜トランジスタ（TFT）の製法の一形態を経時的に示す断面図であり、（１）基板上にソース・ドレイン電極を形成した構造の断面図（２）酸化物半導体薄膜層及び第一ゲート絶縁膜を被膜した構造の断面図（３）フォトレジストをコーティングした構造の断面図（４）酸化物半導体薄膜及び第一ゲート絶縁膜をパターニングした構造の断面図（５）第二ゲート絶縁膜及びコンタクトホールを形成した構造の断面図（６）ゲート電極、コンタクト部、ソース・ドレイン外部電極、表示電極を形成した構造の断面図よりなる。本発明の第二実施例に係る薄膜トランジスタ（TFT）の形態を示す断面図である。本発明の第二実施例に係る薄膜トランジスタ（TFT）の製法の一形態を経時的に示す断面図であり、（１）基板上にゲート電極を形成した構造の断面図（２）ゲート絶縁膜を被膜した構造の断面図（３）酸化物半導体薄膜層を被膜した構造の断面図（４）保護絶縁膜を被膜した構造の断面図（５）酸化物半導体薄膜層及び保護絶縁膜を形状加工した後、第一オーバーコート絶縁膜を形成した構造の断面図（６）ソース・ドレイン電極、第二オーバーコート絶縁膜を形成した構造の断面図よりなる。試験例のトランジスタの伝達特性を示す図である。

符号の説明

１基板
２ソース・ドレイン電極
３酸化物半導体薄膜層
４第一ゲート絶縁膜
６第二ゲート絶縁膜
７ゲート電極
９基板
１０ゲート電極
１１ゲート絶縁膜
１２酸化物半導体薄膜層
１３保護絶縁膜
１４第一オーバーコート絶縁膜
１５ソース・ドレイン電極
１６第二オーバーコート絶縁膜
１００トップゲート型薄膜トランジスタ
１０１ボトムゲート型薄膜トランジスタ

Claims

基板上にチャネルとして形成される酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体薄膜層と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを少なくとも有し、該酸化物半導体薄膜層中に水素を少なくとも含有することを特徴とする薄膜トランジスタ。
前記酸化物半導体薄膜層中に含まれる水素濃度が、5×10²⁰cm⁻³以上、7×10²¹cm⁻³以下であることを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタ。
前記薄膜トランジスタが、前記基板上に形成される前記酸化物半導体薄膜層と、該酸化物半導体薄膜層の上表面及び側面を被覆して形成される前記ゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に積載された前記ゲート電極とを有するトップゲート型薄膜トランジスタであって、該ゲート絶縁膜が、酸化珪素膜、酸窒化珪素膜、窒化珪素膜、あるいは窒化珪素に酸素もしくは酸素を構成元素に含む化合物を用いることで酸素がドーピングされた膜のいずれかを少なくとも一部に用いた絶縁膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜トランジスタ。
前記薄膜トランジスタが、前記基板上に形成される前記ゲート電極と、該ゲート電極を被覆して形成される前記ゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に形成される前記酸化物半導体薄膜層と、該酸化物半導体薄膜層上に形成される保護絶縁膜とを有するボトムゲート型薄膜トランジスタであって、該保護絶縁膜が酸化珪素膜、酸窒化珪素膜、窒化珪素膜、あるいは窒化珪素に酸素もしくは酸素を構成元素に含む化合物を用いることで酸素がドーピングされた膜のいずれかを少なくとも一部に用いた絶縁膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜トランジスタ。