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技術 安定したアモルファス金属酸化物半導体

出願人 シーブライト・インコーポレイテッド
発明者 シェ,チャンロンユ,ガン
出願日 2009年9月4日 (11年3ヶ月経過) 出願番号 2011-526238
公開日 2012年1月26日 (8年11ヶ月経過) 公開番号 2012-502486
状態 拒絶査定
技術分野 薄膜トランジスタ
主要キーワード 包囲領域 絶縁金属 導通チャネル ポリシリコン結晶粒 導通領域 バルク半導体層 アモルファス金属酸化物 金属酸化物半導体材料
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課題・解決手段

薄膜半導体装置は、アモルファス半導体イオン化金属酸化物アモルファス絶縁共有結合金属酸化物との混合物を含む半導体層を有する。1対の端子は、半導体層と連絡するように配置され、かつ、導通チャネル画定し、ゲート端子は、導通チャネルと連絡するように配置され、さらに、チャネル導通を制御するために配置される。本発明は、さらに、結果として生じた半導体層内のキャリヤ集中を制御するために、堆積工程間に窒素を使用することを含む、混合物を堆積する方法を含む。

概要

背景

半導体産業、特に薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Trransistor)のような薄膜半導体装置において、その装置は、間隔を空けて配置されたソースおよびドレイン領域を含み、それらは、その間に配置されたチャネル層を介して導通する。少なくとも1つのゲート絶縁体およびゲート電極は、チャネル層の上および/または下に位置し、その導通を制御する。多くの応用において、TFTは、製造中に高温になることが許されない箇所に使用されるので、比較的低温(例えば室温)で堆積することができるが、なおも比較的高い移動度を有するような半導体が使用されなければならない。

金属酸化物半導体は、高いキャリヤ移動度光透過性、および低い堆積温度を有することから、強い関心が持たれている。高いキャリヤ移動度によって、より高い周波数またはより大きい電流が要求されるような、より高い性能領域への応用が広がる。光透過性によって、ディスプレイおよびセンサアクティブマトリックス内での光遮蔽の必要が無くなる。低い堆積温度によって、プラスチック基板上のフレキシブルエレクトロニクスへの応用が可能になる。

金属酸化物半導体のユニークな特徴は次のとおりである。(1)キャリヤ移動度は、フィルム粒子の大きさにそれほど依存しない。すなわち、高い移動度のアモルファス金属酸化物が可能である。(2)表面準位密度が低く、TFTのための容易な電界効果を可能にする。これは、表面準位が水素によってパッシベートされなければならない共有結合の半導体(例えば、Siまたはa−Si)とは逆である。(3)移動度は、体積キャリヤ密度(volume carrier density)に強く依存する。高性能な応用のために高い移動度を達成するためには、金属酸化物チャネルの体積キャリヤ密度は高くなければならず、また、金属酸化物フィルムの厚さは薄くされなければならない(例えば、<100nm、好ましくは、<50nm)。

しかしながら、金属酸化物半導体の主たる欠点は、安定性欠けること、および、より高い加工温度多結晶になる傾向があることである。酸化亜鉛インジウム酸化亜鉛インジウムガリウム酸化亜鉛のような一般的な金属酸化物は、あまり安定性がなく、また、中程度の加工温度(例えば、約400°C強)で多結晶になる。多結晶の半導体金属酸化物は、いくつかの理由から半導体装置にとって望ましくない。例えば、多結晶の半導体金属酸化物内で形成されたトランジスタの特性は、結晶の大きさおよび位置が様々であるために、アレイ内で隣接する装置間でさえ様々になり得る。この問題をよりよく理解するために、サブ−ミクロンゲート下導通領域内では、異なるトランジスタのそれぞれは、1個または2個から数個ポリシリコン結晶粒を含むことがあり、そして、導通領域内の異なる数の結晶によって、異なる特性が生じるであろう。さらに、異なる結晶粒間では、大きさおよびそれらの物理的特性もまた異なる。

金属酸化物薄膜トランジスタ(TFT)の安定性は、加工温度に強く依存する。高温では、バルク半導体層内、およびゲート絶縁体と半導体層との間のインターフェイスでのトラップを減少させることができる。アクティブ・マトリクス方式有機発光装置(AMOLED)のようなものに応用するためには、極度の安定性が必要である。加工中に、金属酸化物TFTを、一般に250°Cと700°Cとの間の高温にすることは有利である。同時に、これらの加工温度で、金属酸化物のアモルファス(非晶質)性質を維持することが望ましい。

したがって、先行技術に内在する前述したような欠陥および他の欠陥を改善することは、非常に有利であろう。

従って、本発明の1つの目的は、新規な改善された金属酸化物半導体材料を提供することである。

本発明の他の目的は、改善された安定性を有し、かつ、より高い加工温度で多結晶になる傾向がより少ない、新規かつ改善された金属酸化物半導体材料を提供することである。

本発明の他の目的は、改善された安定性、高いキャリヤ移動度、および酸素空孔およびキャリヤ密度の良好な制御性を有する、新規かつ改善された金属酸化物半導体材料を提供することである。

概要

薄膜半導体装置は、アモルファス半導体イオン化金属酸化物アモルファス絶縁共有結合金属酸化物との混合物を含む半導体層を有する。1対の端子は、半導体層と連絡するように配置され、かつ、導通チャネル画定し、ゲート端子は、導通チャネルと連絡するように配置され、さらに、チャネルの導通を制御するために配置される。本発明は、さらに、結果として生じた半導体層内のキャリヤ集中を制御するために、堆積工程間に窒素を使用することを含む、混合物を堆積する方法を含む。

目的

本発明の1つの目的は、新規な改善された金属酸化物半導体材料を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
1件

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請求項1

半導体装置内で半導体として使用するための安定したアモルファス金属酸化物材料であって、前記材料は、アモルファス半導体イオン化金属酸化物アモルファス絶縁共有結合金属酸化物との混合物を含むことを特徴とする安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項2

前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物は、前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物よりもはるかに多い量であることを特徴とする請求項1記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項3

前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物の量は、前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物が加工温度多結晶になることを防止するのに充分であることを特徴とする請求項1記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項4

前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物の量は、前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物が約250°Cから約700°Cの範囲内の加工温度で多結晶になることを防止するのに充分であることを特徴とする請求項3記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項5

前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物の量は、前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物の連続的なネットワーク許容するために充分に少ないことを特徴とする請求項1記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項6

前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物の量は、前記混合物の約17%より多いことを特徴とする請求項5記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項7

前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物は、前記混合物の約5%より多いことを特徴とする請求項5記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項8

前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物は、亜鉛酸化物インジウム酸化物スズ酸化物ガリウム酸化物カドミウム酸化物、および、それらの組合せのうちの1つを含むことを特徴とする請求項1記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項9

前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物は、アルミニウム酸化物シリコン酸化物マグネシウム酸化物ベリリウム酸化物、ホウ素酸化物、および、それらの組合せのうちの1つを含むことを特徴とする請求項1記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項10

前記混合物は、式XOaYObに従って、前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物(XO)および前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物(YO)を少なくとも部分的に含み、「a」は前記合成混合物中の前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物の量であり、「b」は前記合成混合物中の前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物の量であることを特徴とする請求項1記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項11

前記混合物は、式X−O−Yに従って、前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物(XO)および前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物(YO)を少なくとも部分的に含み、前記アモルファス絶縁共有結合金属(X)および前記アモルファス半導体イオン化金属(Y)は、酸素によって原子結合を形成することを特徴とする請求項1記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項12

アモルファス半導体イオン化金属酸化物とアモルファス絶縁共有結合金属酸化物との混合物を含む半導体層と、前記半導体層と連絡するために配置され、かつ、導通チャネル画定する1対の端子と、前記導通チャネルと連絡し、かつ、前記チャネル導通を制御するために配置されたゲート端子と、から構成されることを特徴とする薄膜半導体装置

請求項13

前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物は、前記のアモルファス絶縁共有結合金属酸化物よりもはるかに多い量であることを特徴とする請求項12記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項14

前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物の量は、前記混合物の約17%より多いことを特徴とする請求項13記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項15

前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物の量は、前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物が加工温度で多結晶になることを防止するのに充分であることを特徴とする請求項12記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項16

前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物の量は、前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物が約250°Cから約700°Cの範囲内の加工温度で多結晶になることを防止するのに充分であることを特徴とする請求項15記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項17

前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物の量は、前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物の連続的なネットワークを許容するために充分に少ないことを特徴とする請求項12記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項18

前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物は、前記混合物の約5%より多いことを特徴とする請求項17記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項19

前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物は、亜鉛酸化物、インジウム酸化物、スズ酸化物、ガリウム酸化物、カドミウム酸化物、および、それらの組合せのうちの1つを含むことを特徴とする請求項12記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項20

前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物は、アルミニウム酸化物、シリコン酸化物、マグネシウム酸化物、ベリリウム酸化物、ホウ素酸化物、および、それらの組合せのうちの1つを含むことを特徴とする請求項12記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項21

前記混合物は、式XOaYObおよび式X−O−Yの1つによって表され、YOはアモルファス絶縁共有結合金属酸化物であり、XOはアモルファス半導体イオン化金属酸化物であり、また、「a」は前記合成混合物中の前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物の量であり、「b」は前記合成混合物中の前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物の量であることを特徴とする請求項12記載の安定したアモルファス金属酸化物材料。

請求項22

半導体装置内の半導体として使用するための安定したアモルファス金属酸化物材料の層を形成する方法であって、前記方法は、基板上に、アモルファス半導体イオン化金属酸化物およびアモルファス絶縁共有結合金属酸化物の混合物を堆積する段階と、前記堆積中に、窒素を使用して前記混合物のキャリヤ集中を制御する段階と、から構成されることを特徴とする方法。

請求項23

前記堆積する段階は、前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物の量よりもはるかに多い前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物の量を堆積する段階を含むことを特徴とする請求項22記載の方法。

請求項24

前記堆積する段階は、アモルファス半導体イオン化金属酸化物の量が、前記混合物の約17%より多い量を堆積する段階を含むことを特徴とする請求項23記載の方法。

請求項25

前記堆積する段階は、前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物が加工温度で多結晶になることを防止するのに充分な前記アモルファス絶縁共有結合金属酸化物の量を堆積する段階を含むことを特徴とする請求項23記載の方法。

請求項26

前記堆積する段階は、前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物が約250°Cから約700°Cの範囲内の温度で多結晶になることを防止するのに充分なアモルファス絶縁共有結合金属酸化物の量を堆積する段階を含むことを特徴とする請求項25記載の方法。

請求項27

前記堆積する段階は、前記アモルファス半導体イオン化金属酸化物に連続的なネットワークを許容するために充分に少ないアモルファス絶縁共有結合金属酸化物の量を堆積する段階を含むことを特徴とする請求項22記載の方法。

請求項28

前記堆積する段階は、前記混合物の約5%より多いアモルファス絶縁共有結合金属酸化物の量を堆積する段階を含むことを特徴とする請求項25記載の方法。

請求項29

前記堆積する段階は、亜鉛酸化物、インジウム酸化物、スズ酸化物、ガリウム酸化物、カドミウム酸化物、および、それらの組合せのうちの1つを含むアモルファス半導体イオン化金属酸化物を堆積する段階を含むことを特徴とする請求項22記載の方法。

請求項30

前記堆積する段階は、アルミニウム酸化物、シリコン酸化物、マグネシウム酸化物、ベリリウム酸化物、ホウ素酸化物、および、それらの組合せのうちの1つを含むアモルファス絶縁共有結合金属酸化物を堆積する段階を含むことを特徴とする請求項22記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、半導体装置チャネル層内で使用するための金属酸化物半導体材料に関する。

背景技術

0002

半導体産業、特に薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Trransistor)のような薄膜半導体装置において、その装置は、間隔を空けて配置されたソースおよびドレイン領域を含み、それらは、その間に配置されたチャネル層を介して導通する。少なくとも1つのゲート絶縁体およびゲート電極は、チャネル層の上および/または下に位置し、その導通を制御する。多くの応用において、TFTは、製造中に高温になることが許されない箇所に使用されるので、比較的低温(例えば室温)で堆積することができるが、なおも比較的高い移動度を有するような半導体が使用されなければならない。

0003

金属酸化物半導体は、高いキャリヤ移動度光透過性、および低い堆積温度を有することから、強い関心が持たれている。高いキャリヤ移動度によって、より高い周波数またはより大きい電流が要求されるような、より高い性能領域への応用が広がる。光透過性によって、ディスプレイおよびセンサアクティブマトリックス内での光遮蔽の必要が無くなる。低い堆積温度によって、プラスチック基板上のフレキシブルエレクトロニクスへの応用が可能になる。

0004

金属酸化物半導体のユニークな特徴は次のとおりである。(1)キャリヤ移動度は、フィルム粒子の大きさにそれほど依存しない。すなわち、高い移動度のアモルファス金属酸化物が可能である。(2)表面準位密度が低く、TFTのための容易な電界効果を可能にする。これは、表面準位が水素によってパッシベートされなければならない共有結合の半導体(例えば、Siまたはa−Si)とは逆である。(3)移動度は、体積キャリヤ密度(volume carrier density)に強く依存する。高性能な応用のために高い移動度を達成するためには、金属酸化物チャネルの体積キャリヤ密度は高くなければならず、また、金属酸化物フィルムの厚さは薄くされなければならない(例えば、<100nm、好ましくは、<50nm)。

0005

しかしながら、金属酸化物半導体の主たる欠点は、安定性欠けること、および、より高い加工温度多結晶になる傾向があることである。酸化亜鉛インジウム酸化亜鉛インジウムガリウム酸化亜鉛のような一般的な金属酸化物は、あまり安定性がなく、また、中程度の加工温度(例えば、約400°C強)で多結晶になる。多結晶の半導体金属酸化物は、いくつかの理由から半導体装置にとって望ましくない。例えば、多結晶の半導体金属酸化物内で形成されたトランジスタの特性は、結晶の大きさおよび位置が様々であるために、アレイ内で隣接する装置間でさえ様々になり得る。この問題をよりよく理解するために、サブ−ミクロンゲート下導通領域内では、異なるトランジスタのそれぞれは、1個または2個から数個ポリシリコン結晶粒を含むことがあり、そして、導通領域内の異なる数の結晶によって、異なる特性が生じるであろう。さらに、異なる結晶粒間では、大きさおよびそれらの物理的特性もまた異なる。

0006

金属酸化物薄膜トランジスタ(TFT)の安定性は、加工温度に強く依存する。高温では、バルク半導体層内、およびゲート絶縁体と半導体層との間のインターフェイスでのトラップを減少させることができる。アクティブ・マトリクス方式有機発光装置(AMOLED)のようなものに応用するためには、極度の安定性が必要である。加工中に、金属酸化物TFTを、一般に250°Cと700°Cとの間の高温にすることは有利である。同時に、これらの加工温度で、金属酸化物のアモルファス(非晶質)性質を維持することが望ましい。

0007

したがって、先行技術に内在する前述したような欠陥および他の欠陥を改善することは、非常に有利であろう。

0008

従って、本発明の1つの目的は、新規な改善された金属酸化物半導体材料を提供することである。

0009

本発明の他の目的は、改善された安定性を有し、かつ、より高い加工温度で多結晶になる傾向がより少ない、新規かつ改善された金属酸化物半導体材料を提供することである。

0010

本発明の他の目的は、改善された安定性、高いキャリヤ移動度、および酸素空孔およびキャリヤ密度の良好な制御性を有する、新規かつ改善された金属酸化物半導体材料を提供することである。

0011

簡潔に述べれば、本発明の好適な実施例に従って本発明が所望する目的を達成するために、安定したアモルファス金属酸化物材料が半導体装置内の半導体として使用するために提供され、その材料は、アモルファス半導体イオン化金属酸化物アモルファス絶縁共有結合金属酸化物との混合物を含む。安定したアモルファス金属酸化物材料は、式XOaYObおよび式X−O−Yのうちの1つによって表わされ、ここで、YOはアモルファス絶縁共有結合金属酸化物であり、XOはアモルファス半導体イオン化金属酸化物である。

0012

本発明が所望する目的は、さらに、アモルファス半導体イオン化金属酸化物とアモルファス絶縁共有結合金属酸化物との混合物を含む半導体層を有する薄膜半導体装置において達成される。1対の端子は、半導体層と連絡するように配置され、かつ、導通チャネル画定し、また、ゲート端子は、導通チャネルと連絡するように配置され、さらに、チャネルの導通を制御するために配置される。

0013

本発明は、さらに、混合物を堆積する方法を含み、その方法は、結果として生じる半導体層内のキャリヤ集中を制御するために、堆積工程中に窒素を使用することを含む。

図面の簡単な説明

0014

本発明の上述された目的および利点、および、さらなる特定の目的および利点は、好適な実施例に関する以下の詳細な記述および図面によって、当業者には容易に明確になるであろう。
本発明に従って、上部ゲートおよび下部ソース/ドレインを有するTFTの単純化した層を示す。
本発明に従って、上部ゲートおよび上部ソース/ドレインを有するTFTの単純化した層を示す。
本発明に従って、下部ゲートおよび下部ソース/ドレインを有するTFTの単純化した層を示す。
本発明に従って、下部ゲートおよび上部ソース/ドレインを有するTFTの単純化した層を示す。

実施例

0015

図1には、本発明に従って、TFT10の一実施例の単純化された層の図が示される。TFT10は、基板12を含み、それは、プラスチックのような可撓性材料、または、ガラスのような他の適切な材料等である。ソース13およびドレイン14は、周知の方法を用いて、間隔を空けた配置で、基板12の上部表面内または上部表面上(以下、一般的に「上部表面上」と称する。)に形成される。金属酸化物フィルム16は、ソース13およびドレイン14の両方およびそれらの間のスペースの上に部分的に重なるような関係で形成される。金属酸化物フィルム16は、ソース/ドレインの成分間にキャリヤを導く活性層であることが理解されるであろう。好適な実施例では、金属酸化物層16は、100nm未満、好ましくは、50nm未満である。薄いゲート誘電層17は、金属酸化物フィルム16の上に重なるような関係で形成され、また、ゲート・スタック18は、ソース13とドレイン14との間のスペースの上に重なるような関係で、ゲート誘電層17上に配置される。従って、TFT10は、上部ゲート、下部ソース/ドレイン型の装置である。

0016

図2には、本発明に従って、TFT20の他の実施例の単純化された層の図が示される。TFT20は、基板22を含み、それはプラスチックのような可撓性材料、または、ガラスのような他の適切な材料等である。金属酸化物フィルム26は、基板22上に堆積され、また、ソース23およびドレイン24は、上部表面上で間隔を空けた配置を形成するように、金属酸化物フィルム26の上部表面の上に部分的に重なるような関係で形成される。薄いゲート誘電性層27は、ゲート23とドレイン24との間のスペース内の金属酸化物フィルム26、および、そのスペースに隣接するゲート23およびドレイン24の部分の上に重なるような関係で形成される。ゲート・スタック28は、ソース23とドレイン24との間のスペースの上に重なるような関係で、ゲート誘電層27上に配置される。従って、TFT20は、上部ゲート、上部ソース/ドレイン型の装置である。

0017

図3には、本発明に従って、TFT30の他の実施例の単純化された層の図が示される。TFT30は基板32を含み、それは、プラスチックのような可撓性材料、または、ガラスのような他の適切な材料等である。ゲート・スタック38は、任意の適切かつ確立された方法によって、基板32内に形成される。薄いゲート誘電層37は、ゲート・スタック38およびそれを包囲する基板32の領域の上に重なるような関係で形成される。ソース33およびドレイン34は、任意の周知の方法を用いて、間隔を空けた配置で、ゲート誘電層37の上部表面内または上部表面上(ここでは一般に「上部表面上」と称する。)に形成される。金属酸化物フィルム36は、ソース33およびドレイン34の両方およびそれらの間のスペースの上に部分的に重なるような関係で形成される。パッシベーション層39は、金属酸化物フィルム36上に形成される。従って、TFT30は、下部ゲート、下部ソース/ドレイン型の装置である。

0018

図4には、本発明に従って、TFT40の他の実施例の単純化された層の図が示される。TFT40は基板42を含み、それは、プラスチックのような可撓性材料、または、ガラスのような他の適切な材料等である。ゲート・スタック48は、任意の適切かつ確立された方法によって、基板42内に形成される。薄いゲート誘電層47は、ゲート・スタック48およびそれを包囲する基板42の領域の上に重なるような関係で形成される。金属酸化物フィルム46は、ゲート・スタック48およびその包囲領域の上に重なるような関係でゲート誘電層47上に形成される。ソース43およびドレイン44は、ゲート・スタック48の上に重なる上部表面上にそれらの間隔を画定するために、金属酸化物フィルム46の上部表面の上に部分的に重なるような関係で形成される。オプションのパッシベーション層49は、金属酸化物フィルム46の露出部分、およびソース43およびドレイン44の周囲部分上に形成される。従って、TFT40は下部ゲート、上部ソース/ドレイン型の装置である。

0019

上記の4つの薄膜トランジスタの例は、可能性のある実施例のいくつかを示したに過ぎないことを理解されたい。例えば、上記の例の各々は、シングル・ゲート・トランジスタである。ダブル・ゲート・トランジスタ(すなわち、ゲートがチャネルの上および下にある)も同様に、上記の例の全てに関して知られている。本発明は、あらゆる可能なまたは潜在的な薄膜トランジスタ、および他の薄膜装置(例えばダイオードなど)に適応することを意図している。さらに、この開示の目的のために、TFTに関する全ての例において、金属酸化物フィルムは、フィルムが基板の間に挿入される場合であっても、「基板上に堆積される」と定義されることを理解されたい。

0020

アモルファス金属酸化物半導体材料は、それらのキャリヤ移動度が高いために、半導体装置のチャネル層内で使用するものとして望ましい。この開示の目的のために、金属酸化物半導体材料は、亜鉛酸化物インジウム酸化物スズ酸化物ガリウム酸化物カドミウム酸化物、および、それらの任意の組合せのうちの少なくとも1つを含む。しかしながら、金属酸化物半導体は、比較的不安定で、かつ、より高温で多結晶になる傾向がある。多結晶の半導体金属酸化物は、比較的大きな粒子サイズであるという欠点も含めて構造上多くの欠点を有するために、半導体装置として望ましいものではない。

0021

当該技術分野において、現在標準の薄膜トランジスタのチャネル長は、約5ミクロンより小さいことが知られている。この開示の目的のために、用語「アモルファス」は、現在標準の薄膜トランジスタのチャネル長よりもずっと小さい(例えば、約100ナノメータまたはそれ以下)、チャネル長に沿った粒子サイズを有する材料として定義される。

0022

アルミニウム酸化物ホウ素酸化物シリコン酸化物マグネシウム酸化物ベリリウム酸化物、および、それらの組合せのようないくつかのアモルファス金属酸化物は、非常に安定しており、かつ、簡単には多結晶にならない。しかしながら、これらの金属酸化物は良好な半導体ではないので、通常の状態では半導体装置内で使用することができない。

0023

いくつかのアモルファス絶縁金属酸化物をアモルファス金属酸化物半導体材料と混合することにより、アモルファス金属酸化物半導体材料の安定性を格段に改善することができることは知られている。しかしながら、絶縁アモルファス金属酸化物は、ほとんど非導電性であるので、結果として生じた混合物を通してアモルファス金属酸化物半導体材料の連続的なネットワークを提供することが必要である。それによって、キャリヤの流れは、アモルファス金属酸化物半導体材料と混合されたアモルファス金属酸化物絶縁材料によって中断されず、合成酸化物の移動度を高くすることができる。このようにして、合成酸化物の安定性は、安定した酸化物成分によって増強されるが、移動度は高いまま保たれる。さらに、異なる結果、安定性を増強するという少なくとも1つの結果を達成するために、異なる原子価または他の特性を備えたいくつかの異なるタイプの絶縁アモルファス金属酸化物が合成混合物中に含まれてもよいことが理解されるであろう。

0024

合成混合物中で使用することができるいくつかの典型的な絶縁アモルファス金属酸化物には、AlO、SiO、MgO、BeO、BO、および、同種のもの、ならびに、それらの組合せが含まれる。一般に、絶縁アモルファス金属酸化物は、本来、より共有的であり、比較的高いエネルギーギャップ(約6eVよりも大きいEg)を有する。理解を容易にするために、絶縁アモルファス金属酸化物は、「共有結合金属酸化物(covalent metal oxides)」と総称する。

0025

一般に、アモルファス金属酸化物半導体材料は、約4eV未満のEgの比較的低いエネルギーギャップで、本来、事実上より多くのイオンを含んでいる。理解を容易にするために、半導体アモルファス金属酸化物は、「イオン化金属酸化物(ionic metal oxides)」と総称する。

0026

異なる原子価の金属(すなわち、周期表中の異なるグループの金属)およびその混合物は、合成混合物中の安定性または望ましい半導体特性を増強するために使用することができる。いくつかの共有結合金属酸化物は、結晶を生じさせない傾向(例えば、より高いエネルギーギャップ)があるので、より大きい安定性が加わることが解るであろう。さらに、合成混合物に加えられる、安定した、または共有結合した金属酸化物の量は、アモルファス金属酸化物半導体材料の連続的なネットワークを維持するための必要性によって決定される。

0027

この合成混合物では、アモルファス金属酸化物半導体材料は、XOによって表わされる。また、絶縁アモルファス金属酸化物は、YOによって表わされる。したがって、合成混合物の式は、XOaYObで表わすことができ、ここで、「a」は合成混合物中のアモルファス金属酸化物半導体材料(イオン化金属酸化物)の量、「b」は合成混合物中の絶縁アモルファス金属酸化物材料(共有結合金属酸化物)の量である。「a」および「b」は、0ではなく(0より大きい)、合成混合物がアモルファス金属酸化物半導体材料の連続的なネットワークを含むという要求に応じるために、「a」は一般に「b」よりも大きいと理解すべきである。好ましくは、bは、材料全体の約5%より多い。さらに、アモルファス半導体のイオン化金属酸化物の量は、好ましくは、混合物の約17%より多い。

0028

合成混合物中のアモルファス半導体イオン化金属(X)およびアモルファス絶縁共有結合金属(Y)は、いくつかの実例では酸素と直接的に原子結合を形成することができ、X−O−Yとして表わされる。このような実例では、式X−O−Yは、単に式XOaYObに置換できると理解すべきである。いずれの実例においても、アモルファス半導体イオン化金属酸化物とアモルファス絶縁共有結合金属酸化物との混合物は、安定したアモルファス金属酸化物材料中に含まれることが理解されるであろう。

0029

安定した金属酸化物をアモルファス金属酸化物半導体材料と混合することから生じる他の1つの問題は、安定した金属酸化物は酸素空孔を減少させる傾向があるということである。酸素が、通常の処理手順で堆積の間に使用される場合(すなわち5%未満)、酸素空孔を実質上減少させることができるが、合成材料導電性(移動度)は低くなりすぎる。例えば、堆積中に酸素を使用することによって、キャリヤは、cm3当たり1018未満のキャリヤに減少することが知られている。したがって、合成混合物におけるキャリヤ集中を制御するために酸素を使用することができるが、非常に困難かつ繊細さを要する。

0030

堆積中にキャリヤ集中を制御するために酸素を使用する代わりに、窒素(N2)がキャリヤ集中を減少させるために使用できることが知られている。堆積中のN2の存在によって、キャリヤ集中を減少させることができるが、酸素と比べて窒素はそれほど反応的ではないので、酸素と同じほど強くはない。したがって、窒素の使用はそれほど繊細さを要しないので、希望する結果を達成するのが容易である。

0031

したがって、改善された安定性を有し、より高温で多結晶になる傾向がより少ない、新規かつ改善された金属酸化物半導体材料が示された。さらに、新規かつ改善された金属酸化物半導体材料は、高いキャリヤ移動度を有し、酸素空孔の制御に優れている。

0032

例示目的のためにここで選択された実施例に対して、当業者であれば、様々な変更および修正を容易に想起することができるであろう。そのような修正およびバリエーションは、本発明の精神から逸脱しない限り、本発明の範囲内に包含されるとみなされ、以下の請求項の公平な解釈によってのみ評価される。

0033

本発明は、当業者が理解および実施することができるような明瞭かつ簡潔な用語によって、完全に記述された。

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