(57)【要約】【課題】良好なトランジスタ特性を示し、酸素分圧等の周囲の雰囲気の影響を防止でき、安定した半導体特性を示す電界効果型トランジスタを提供する。【解決手段】ソース電極及びドレイン電極と、ソース電極及びドレイン電極に接しており、層厚方向で比抵抗が異なり、結晶酸化物を含む酸化物半導体膜と、ゲート電極と、ゲート電極と酸化物半導体膜の間にゲート絶縁膜を有し、酸化物半導体膜のゲート絶縁膜側の比抵抗が、ソース電極及びドレイン電極側の比抵抗に比べて低い薄膜トランジスタ。【選択図】図１
2010040552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極及びドレイン電極に接しており、層厚方向で比抵抗が異なり、結晶酸化物を含む酸化物半導体膜と、
ゲート電極と、
前記ゲート電極と前記酸化物半導体膜の間にゲート絶縁膜を有し、
前記酸化物半導体膜のゲート絶縁膜側の比抵抗が、ソース電極及びドレイン電極側の比抵抗に比べて低い薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記酸化物半導体膜が単一組成の化合物からなり、厚層方向に結晶性が異なっている請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記酸化物半導体膜が２層以上の結晶性が異なる半導体層を積層した構造を有する請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記酸化物半導体膜の組成が厚層方向で異なっている請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項５】
前記酸化物半導体膜が、インジウム、スズ、亜鉛、イットリビウム及びガリウムから選択される少なくとも１つの元素を含む請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項６】
前記酸化物半導体膜がインジウム元素を含み、酸素元素を除く全元素に占める前記インジウム元素の含有率が９０原子％以上１００原子％以下である請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項７】
前記酸化物半導体膜が、インジウム元素、正二価の金属元素及び酸素元素を含有する薄膜からなり、
前記酸化物半導体膜の前記ソース電極及びドレイン電極側の面の正二価元素濃度が、前記ゲート絶縁膜側の面の正二価の金属元素濃度よりも、０原子％〜１０原子％高い請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項８】
前記酸化物半導体膜の前記ゲート絶縁膜側の面の四端子法で求めた比抵抗が１０１〜１０３Ωｃｍであり、
前記ソース電極及びドレイン電極側の面の比抵抗が１０−３〜１０−１Ωｃｍである請求項１〜７のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項９】
前記酸化物半導体膜を、スパッタリング法で形成する工程を含む請求項１〜８のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
前記酸化物半導体膜を、レーザーアニール装置、ランプアニール装置、急速熱アニール装置、又は電気加熱装置により結晶化させる工程を含む請求項９に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜トランジスタに関する。さらに詳しくは、厚層方向に比抵抗の異なる酸化物半導体膜を半導体活性層として有する薄膜トランジスタ、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶やエレクトロルミネッセンス（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＥＬ）技術等の進歩により、平面薄型画像表示装置（Ｆｌａｔ  Ｐａｎｅｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ：ＦＰＤ）が実用化されている。これらＦＰＤは、ガラス基板上に設けられた非晶質シリコン薄膜又は多結晶シリコン薄膜を活性層に用いる電界効果型薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）のアクティブマトリクス回路により駆動されている。これらＦＰＤのさらなる薄型化、軽量化及び耐破損性の向上のため、ガラス基板に代えて、軽量で可撓性を有する樹脂基板を用いる試みが行われている。
しかしながら、上述のシリコン薄膜を用いるＴＦＴの製造は、比較的高温での熱工程を必要とし、耐熱性の低い樹脂基板上に直接形成することは困難であった。
【０００３】
これに対し、シリコンよりも低温で成膜可能なＺｎＯを材料とした酸化物半導体薄膜を用いたＴＦＴが開示されている。しかしながら、酸化物半導体薄膜を用いたＴＦＴは、シリコン薄膜を用いたＴＦＴと比べると特性が劣っていた。
また、Ｚｎ−Ｓｎ酸化物（ＺＴＯ）、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ＩＧＺＯ）等の複合酸化物を材料とした非晶質酸化物半導体薄膜を用いたＴＦＴが開示されている（特許文献１及び２）。しかしながら、非晶質酸化物半導体薄膜は周囲の雰囲気の影響により特性が変化しやすく、特に真空下で大きく特性が変化する。従って、非晶質酸化物半導体薄膜を用いたＴＦＴは、特性のばらつきが発生しやすく、厳しい製造管理を必要とした。加えて、非晶質酸化物半導体薄膜を用いたＴＦＴは、経時変化を起こしやすく、また、熱伝導率が悪いため、蓄熱による劣化が起きやすい等の問題があった。
【０００４】
また、非晶質酸化物半導体薄膜は非晶質であるため、ＰＡＮに代表されるエッチング液等に対する耐薬品性が低いため半導体膜上の金属配線がウェットエッチングできない、及び屈折率が大きく多層膜の透過率が低下しやすい欠点があった。また、雰囲気ガス中の酸素や水等を吸着して、電気特性が変化し、次工程の雰囲気ガスを厳密に管理しないと特性のバラツキが発生したり、歩留まりが低下するおそれもあった。
【０００５】
他の方法として、透明導電膜を積層して導電性を改良する方法（特許文献３）やＺｎＯの一部を結晶化させて半導体特性を改良する方法（特許文献４）が開示されている。しかしながら、トランジスタのオンオフ比が低くなるおそれがあり、また、活性層に用いる酸化物の安定性が低くなるため、長期間の駆動により閾値がシフトするおそれがあった。さらに、半導体の構造上、移動度の高い物質を半導体活性層のゲート絶縁膜側の活性層として使用するには制限があった。
【０００６】
ところで、Ｉｎ２Ｏ３は移動度が高く、半導体材料としてトランジスタ等の電荷効果素子へ応用が期待される。しかしながら、通常ＴＦＴで使用される５０ｎｍ程度の膜厚ではキャリア密度が高いため、ノーマリーオン動作を示すことが問題となる。これについて、膜厚を５ｎｍ程度まで制御することによりＩｎ２Ｏ３においても良好なトランジスタ特性が得られている（非特許文献１）。しかしながら、面積が大きくなると、５ｎｍ程度で膜厚を制御し、均一な薄膜を得ることは困難であった。
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００５／０１５６４３号パンフレット
【特許文献２】国際公開２００５／０８８７２６号パンフレット
【特許文献３】特開平８−４３８４１号公報
【特許文献４】特開２００７−１２３８６１号公報
【非特許文献１】国際学会「ＩＤＷ’０７」  ＡＭＤｐ−６０Ｌ  Ｊ．  Ｈ．  Ｎｏｒ  ｅｔ  ａｌ．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の第１の目的は、低い閾値電圧を示す薄膜トランジスタを提供することにある。
本発明の第２の目的は、高いｏｎ／ｏｆｆ比を示す薄膜トランジスタを提供することにある。
本発明の第３の目的は、高移動度を示す薄膜トランジスタを提供することにある。
本発明の第４の目的は、Ｓ値が低い半導体特性を示す薄膜トランジスタを提供することにある。
本発明の第５の目的は、酸素分圧等の周囲の雰囲気の影響を防止でき、安定した半導体特性を示す薄膜トランジスタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、半導体活性層として、層厚方向に異なる比抵抗の領域を有する酸化物半導体膜を使用し、酸化物半導体膜のゲート絶縁膜側の比抵抗をソース電極及びドレイン電極側の比抵抗よりも低くすることにより、低い閾値電圧、高いｏｎ／ｏｆｆ比、高移動度、低いＳ値、かつ酸素分圧等の周囲の雰囲気の影響を防止でき、安定した半導体特性を示す薄膜トランジスタを得られることを見出した。
【０００９】
本発明によれば、以下の薄膜トランジスタを提供できる。
１．ソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極に接しており、層厚方向で比抵抗が異なり、結晶酸化物を含む酸化物半導体膜と、ゲート電極と、前記ゲート電極と前記酸化物半導体膜の間にゲート絶縁膜を有し、前記酸化物半導体膜のゲート絶縁膜側の比抵抗が、ソース電極及びドレイン電極側の比抵抗に比べて低い薄膜トランジスタ。
２．前記酸化物半導体膜が単一組成の化合物からなり、厚層方向に結晶性が異なっている１に記載の薄膜トランジスタ。
３．前記酸化物半導体膜が２層以上の結晶性が異なる半導体層を積層した構造を有する１に記載の薄膜トランジスタ。
４．前記酸化物半導体膜の組成が厚層方向で異なっている１に記載の薄膜トランジスタ。
５．前記酸化物半導体膜が、インジウム、スズ、亜鉛、イットリビウム及びガリウムから選択される少なくとも１つの元素を含む１〜４のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
６．前記酸化物半導体膜がインジウム元素を含み、酸素元素を除く全元素に占める前記インジウム元素の含有率が９０原子％以上１００原子％以下である１〜５のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
７．前記酸化物半導体膜が、インジウム元素、正二価の金属元素及び酸素元素を含有する薄膜からなり、前記酸化物半導体膜の前記ソース電極及びドレイン電極側の面の正二価元素濃度が、前記ゲート絶縁膜側の面の正二価の金属元素濃度よりも、０原子％〜１０原子％高い１〜４のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
８．前記酸化物半導体膜の前記ゲート絶縁膜側の面の四端子法で求めた比抵抗が１０１〜１０３Ωｃｍであり、前記ソース電極及びドレイン電極側の面の比抵抗が１０−３〜１０−１Ωｃｍである１〜７のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
９．前記酸化物半導体膜を、スパッタリング法で形成する工程を含む１〜８のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
１０．前記酸化物半導体膜を、レーザーアニール装置、ランプアニール装置、急速熱アニール装置、又は電気加熱装置により結晶化させる工程を含む９に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、トランジスタ特性に優れ、酸素分圧等の周囲の雰囲気の影響を防止でき、安定した動作を示す薄膜トランジスタを提供することができる。また、キャリア密度、移動度が高い半導体材料を利用した高性能な薄膜トランジスタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の薄膜トランジスタは、ソース電極及びドレイン電極と、ソース電極及びドレイン電極に接しており、層厚方向で比抵抗が異なり、結晶酸化物を含む酸化物半導体膜と、ゲート絶縁膜を介して酸化物半導体膜に対向するように設けられたゲート電極を有する。そして、酸化物半導体膜のゲート絶縁膜側の比抵抗が、ソース電極及びドレイン電極側の比抵抗に比べて低いことを特徴とする。これにより、閾値電圧が低く、ｏｎ−ｏｆｆ比、移動度が高く、またノーマリーオフを示すとともに低いＳ値を示す薄膜トランジスタとなる。
【００１２】
ここで、「層厚方向で比抵抗が異なる」とは、酸化物半導体膜のゲート絶縁膜側の比抵抗と、ソース電極及びドレイン電極側の比抵抗が異なっていればよいことを意味し、このような酸化物半導体膜として、下記のものが例示できる。
（１）単一組成の化合物からなるが、厚層方向に結晶性を異ならせることで、膜の比抵抗を変化させたもの
（２）２層以上の結晶性が異なる半導体層を積層したもの
（３）組成が厚層方向で異なるもの
【００１３】
また、酸化物半導体膜が結晶酸化物を含むことは、電子顕微鏡もしくは透過型電子顕微鏡で結晶を含むことが確認できる。
結晶酸化物を含む半導体膜は、単結晶膜、エピタキシャル膜及び多結晶膜のいずれであってもよく、工業生産が容易かつ大面積化が可能であることから、好ましくはエピタキシャル膜及び多結晶膜であり、特に好ましくは多結晶膜である。また、半導体膜は単一組成でもよく、ゲート電極側とソース・ドレイン電極側で結晶性が異なる場合も含まれる。尚、結晶性が異なるとは、各層におけるＸ線回折から得られた回折ピーク線幅の違いを意味する。
【００１４】
多結晶膜の場合、ナノクリスタルであることが好ましい。Ｘ線回折からＳｃｈｅｒｒｅｒ’ｓ  ｅｑｕａｔｉｏｎを用いて求めた平均結晶粒径は通常５００ｎｍ以下、好ましくは３００ｎｍ以下、より好ましくは１５０ｎｍ以下、さらに好ましくは８０ｎｍ以下である。５００ｎｍより大きいと、トランジスタを微細化した際のばらつきが大きくなる恐れがある。
以下、本発明の薄膜トランジスタの実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、本発明の薄膜トランジスタの第１の実施形態を示す概略断面図である。
薄膜トランジスタ１は、基板１０及びゲート絶縁膜３０の間にゲート電極２０を挟持しており、ゲート絶縁膜３０上には第１の結晶質層４２及び第２の結晶質層４４が積層してなる酸化物半導体膜４０が活性層として積層されている。さらに、酸化物半導体膜４０上にソース電極５０及びドレイン電極５２がそれぞれ設けられており、酸化物半導体膜４０、ソース電極５０及びドレイン電極５２で囲まれた部分にチャンネル部６０を形成している。
尚、この薄膜トランジスタ１はいわゆるチャンネルエッチ型薄膜トランジスタである。
【００１６】
本発明の薄膜トランジスタ１において、活性層である酸化物半導体膜４０は、第１の結晶質層４２及び第２の結晶質層４４が積層した構造を有する。ゲート絶縁膜３０側の第１の結晶質層４２は、ソース電極５０及びドレイン電極５２側の第２の結晶質層４４に比べ比抵抗が小さい。これにより、閾値電圧が低く、ｏｎ−ｏｆｆ比、移動度が高く、またノーマリーオフを示すとともに低いＳ値を示す薄膜トランジスタとなる。
また、酸素分圧等の周囲の雰囲気の影響を防止でき、薄膜トランジスタの安定性を向上させることができる。安定性向上の結果、大気下及び真空下のいずれの雰囲気下であっても、電界効果移動度及びｏｎ−ｏｆｆ比が高く、また、ノーマリーオフを示すとともに、ピンチオフが明瞭である薄膜トランジスタとすることができる。
さらに、薄膜トランジスタは高い安定性を有するため、エッチストッパー層を積層する必要がなく、大面積化が可能である。
【００１７】
酸化物半導体膜４０の膜厚は、通常３〜５００ｎｍであり、好ましくは５〜２００ｎｍ、より好ましくは１０〜８０ｎｍ、特に好ましくは１５〜６０ｎｍである。酸化物半導体膜４０の膜厚が３〜５００ｎｍであれば、膜質が均一な酸化物半導体膜の成膜ができ、成膜時間が短くなることで、生産効率が向上するため好ましい。また、薄膜トランジスタがノーマリーオフとなり、消費電力が小さくなる点においても好ましい。
【００１８】
第１の結晶質層４２の膜厚は、通常１〜２００ｎｍであり、好ましくは２〜１００ｎｍ、より好ましくは３〜７０ｎｍである。第１の結晶質層４２の膜厚が１〜２００ｎｍであれば、膜質を均一に成膜でき、加工精度が向上し、かつ、移動度が向上するため、好ましい。
【００１９】
第２の結晶質層４４の膜厚は、好ましくは２ｎｍ以上、より好ましくは５ｎｍ以上、さらに好ましくは１０ｎｍ以上、特に好ましくは２０ｎｍ以上である。第２の結晶質層４４の膜厚が２ｎｍ以上であれば、閾値電圧が低すぎず、ノーマリーオンとなるため好ましい。尚、結晶質層４４の膜厚は、２００ｎｍ以下であれば移動度の低下や加工精度の低下を回避できるため好ましい。
【００２０】
第１の結晶質層４２の厚みが第２の結晶質層４４の厚みより厚い方が好ましく、第１の結晶質層４２と第２の結晶質層４４との膜厚比（第１の結晶質層４２／第２の結晶質層４４）は１以上が好ましくは、さらに好ましくは２．３以上、特に好ましくは４以上、最も好ましくは９以上である。特に、第１の結晶質層４２と第２の結晶質層４４の膜厚比が９以上であれば、ノーマリーオフ動作を示し、かつ十分低いオフ電流値、高移動度が期待できるため好ましい。
【００２１】
本発明の酸化物半導体膜がインジウム元素および正二価の金属元素を含む場合、第１層の比抵抗／第２層の比抵抗が１０〜１０５であれば移動度を高くし、オフ電流値、閾値電圧、さらにS値を効果的に低減できるため好ましい。
【００２２】
本実施形態では、第１の結晶質層４２が結晶質層であるので、ＰＡＮに代表されるエッチング液等に対する耐薬品性が向上し、半導体膜上の金属配線がウェットエッチングできる、また、屈折率が小さく多層膜とした際の光透過率が向上しやすいため好ましい。さらに、雰囲気ガス中の酸素や水等を吸着して、電気特性が変化することによる、特性のバラツキが発生するおそれもなく、歩留まりの低下も回避できる点においても好ましい。
【００２３】
尚、酸化物半導体膜４０は、第１の結晶質層４２及び第２の結晶質層４４に限定されない。例えば、酸化物半導体膜４０は３層以上の結晶質層からなる多層構造を有してもよい。
また、ソース電極５０及びドレイン電極５２等も、他の形態であってもよい。
図２は薄膜トランジスタ１の変形例を示す概略断面図である。尚、図１と同じ部材には同じ参照番号を付してその説明を省略する。
ソース電極５０及びドレイン電極５２の各電極は通常第２の結晶質層４４のみに接触する構造をとるが、本変形例においては、図２に示すように酸化物半導体層４０の端部を覆うような構造であってもよい。
【００２４】
本発明の薄膜トランジスタは、上述した第1の実施形態に限定されない。以下に例示する構造であってもよい。
図３は、本発明の薄膜トランジスタの第２の実施形態を示す断面図である。
薄膜トランジスタ２は、積層構造を有する酸化物半導体膜４０に代えて、単層構造である酸化物半導体膜４１を形成した他は、第１の実施形態の薄膜トランジスタ１と同じ構造を有する。
酸化物半導体膜４１は、結晶性の異なる明確な層を複数有するのではなく、単一層の中で、徐々に結晶性が変化する傾斜材料のような構造を有する。結晶性が変化することによって、酸化物半導体膜４１のゲート絶縁膜３０側の面部分は、ソース電極５０及びドレイン電極５２側の面部分に比べ比抵抗が小さくなっている。
このように、本発明において酸化物半導体膜は、厚層方向に比抵抗が変化すれば、層同士の境界は必ずしも明瞭でなくともよい。例えば、段階的に結晶性、組成等が変化していてもよい。
尚、酸化物半導体膜４１の膜厚は、上述した第1の実施形態と同様である。
【００２５】
図４は、本発明の薄膜トランジスタの第３の実施形態を示す断面図である。
薄膜トランジスタ３は、ゲート絶縁膜３０上に、酸化物半導体膜４０、ソース電極５０、ドレイン電極５２を覆うようにして保護膜７０を設けたほかは、第１の実施形態の薄膜トランジスタ１と同じ構造を有する。
【００２６】
保護膜７０としては、ＳｉＮｘ、ＳｉＯ２等の絶縁膜と同じ材料からなる膜、又はポリイミド、パリレン等の有機絶縁膜を用いることができる。また、無機絶縁膜及び有機絶縁膜を積層及び／又は混合した保護膜でもよい。
【００２７】
図５は、本発明の薄膜トランジスタの第４の実施形態を示す断面図である。
薄膜トランジスタ４は、酸化物半導体膜４０上にエッチストッパー８０を設けたほかは第１の実施形態の薄膜トランジスタ１と同じ構造を有する。
尚、薄膜トランジスタ４は、いわゆるエッチストッパー型薄膜トランジスタである。
エッチストッパー８０は例えばＳｉＮｘ等からなる層であり、これを酸化物半導体膜上に設けることにより、薄膜トランジスタ４の安定性を向上させることができる。
【００２８】
図６は、本発明の薄膜トランジスタの第５の実施形態を示す断面図である。
薄膜トランジスタ５は、酸化物半導体膜４０を覆うように設けられた層間絶縁膜９０を有し、この層間絶縁膜９０は２つのビアホール１００を有する。酸化物半導体膜４０はビアホール１００を介して、ソース電極５０及びドレイン電極５２と電気的に接続しており、２つのビアホール１００によってソース電極５０及びドレイン電極５２が確実に隔てられた構造となっている。このような構造を有する薄膜トランジスタをビアホール型薄膜トランジスタと言い、ソース電極５０及びドレイン電極５２が確実かつ容易に製造でき、歩留まりが改善されるとともに、製造原価のコストダウンを図ることができる。
【００２９】
層間絶縁膜９０としては、例えばＳｉＮｘ、ＳｉＯ２等の無機物、又はポリイミド、パリレン等の有機絶縁物を用いることができる。また、無機物及び有機物を積層及び／又は混合してからなる膜が挙げられる。また、その厚みは例えば５０〜５００ｎｍである。
【００３０】
図７は、本発明の薄膜トランジスタの第６の実施形態を示す断面図である。
薄膜トランジスタ６は、基板上にソース電極５０及びドレイン電極５２を有し、それらの上及び両電極の間隙に、第１の結晶質層４２及び第２の結晶質層４４からなる酸化物半導体膜４０が積層している。この酸化物半導体膜４０を覆うようにして、ゲート絶縁膜３０が積層しており、ゲート絶縁膜３０上にゲート電極２０が積層している。
このような構造を有する薄膜トランジスタをトップゲート型薄膜トランジスタといい、少ない製造工程で製造することができることから、製造原価のコストダウンを図ることができる。
以下、本発明の薄膜トランジスタの特徴部分である酸化物半導体膜について詳細に説明し、その後、他の構成部材について説明する。尚、基板等については、本技術分野で公知のものが使用できる。
【００３１】
１．酸化物半導体膜
上述したとおり、本発明で使用する酸化物半導体膜は、厚方向に異なる比抵抗の領域を有する結晶酸化物を含む半導体膜である。
酸化物半導体膜は、好ましくは亜鉛元素、スズ元素、ガリウム元素、インジウム元素、さらに好ましく亜鉛元素、スズ元素、インジウム元素、特に好ましくはインジウム元素を含む。この場合、酸素を除く全元素に占めるインジウム元素の含有率は、好ましくは９０原子％以上１００原子％以下であり、より好ましくは９１原子％以上９９原子％以下である。インジウム元素の含有率が９０原子％未満の場合、結晶質層の結晶化温度が高くなり、結晶質層の積層が困難となるおそれがあるうえ、得られる薄膜トランジスタの移動度が低下するおそれがある。
【００３２】
酸化物半導体膜は、特に限定されるものではないが、１種以上の正二価の金属元素の添加、結晶性を調整等により、効果的に層厚方向に異なる比抵抗を得ることができる。
正二価の金属元素とは、イオン状態での価数として正二価を取り得る元素であり、半導体膜が正三価の金属元素であるインジウムを含む場合に、さらに正二価の金属元素を含むと、酸素欠損により生じる電子を制御することができ、キャリア密度を低く保つことができ、正二価の金属元素の添加量により、比抵抗を調整することができる。
【００３３】
上記正二価の金属元素としては、Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｈｇ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｙｂ等が挙げられる。効率的にキャリア濃度を制御できる観点から、好ましくはＺｎ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ及びＣａである。
上記好ましい正二価の金属元素のうち、添加によるキャリア制御効果の観点からでは、より好ましくはＣｕ及びＮｉであり、透過率及びバンドギャップの広さの観点からでは、より好ましくはＺｎ及びＭｇである。
これらの正二価の金属元素は、酸素欠損により生じる電子の制御効果を損なわない範囲内で複数組合せて使用してもよい。
【００３４】
酸化物半導体膜がインジウム元素及び正二価の金属元素を含む場合、インジウム［Ｉｎ］と正二価の金属元素［Ｘ］の原子比［Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）］は、好ましくは０．０００１〜０．１３である。
原子比［Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）］が０．０００１未満の場合、正二価の金属元素の含有率が少なく、キャリア数が制御できないおそれがある。一方、原子比［Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）］が０．１３を超える場合、酸化物半導体膜の界面又は表面が変質しやすくなって不安定となる、酸化物半導体膜の結晶化温度が高なって結晶化が困難になる、キャリア濃度が高くなる、ホール移動度が低下する、トランジスタを駆動させた際に閾値電圧が変動する、及び駆動が不安定となるおそれがある。
【００３５】
また、酸化物半導体膜が酸化インジウム及び正二価の金属元素の酸化物を含む場合、通常は酸化インジウム及び正二価の金属元素の酸化物の合計質量を酸化物半導体膜の質量に対して５０質量％以上とするとよく、好ましくは６５質量％以上、より好ましくは８０質量％以上、さらに好ましくは９０質量％以上、特に好ましくは９５質量％以上である。酸化インジウム及び正二価の金属元素の酸化物の合計質量が５０質量％未満の場合、酸化物半導体膜の移動度が低下する等、本発明の効果が十分に現れないおそれがある。
【００３６】
酸化物半導体膜は、さらに正三価の金属元素を含んでもよい。正三価の金属元素とは、イオン状態での価数として正三価を取りうる元素である。
上記正三価の金属元素としては、Ｇａ、Ａｌ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｙ等が挙げられる。正三価の金属元素は、２種以上含まれていてもよい。
三価の金属元素を含むと、酸素欠損により生じる電子を制御することができ、キャリア密度を低く保つことができ、正三価の金属元素の添加量により、比抵抗を調整することができる。
【００３７】
酸化物半導体膜が、さらにＳｎ等の正四価の金属元素を微量に含むと、Ｚｎ等の正二価の金属元素が、正三価の金属元素であるインジウムに対して、価数のバランスがとれ、酸化物半導体膜を安定化でき好ましい。但し、酸化物半導体膜が正四価の金属元素を多量に含むと、キャリア密度が多くなりすぎ、薄膜トランジスタとした場合に、オフ電流が高くなるおそれがある。正四価の金属元素の含有量は、好ましくは酸化物半導体膜に含まれる正三価の金属元素の０．０１原子％〜１０原子％である。
【００３８】
正四価の金属元素の含有量を質量で定義する場合、正四価の金属元素の含有量は酸化物半導体膜全体の質量に対して、好ましくは３質量％以下であり、より好ましくは２質量％以下であり、特に好ましくは１質量％以下である。正四価の金属元素の含有量の含有量が３質量％を超える場合、キャリア密度を低濃度に制御できないおそれがある。
【００３９】
例えば、酸化物半導体膜がインジウム、亜鉛（正二価の金属元素）、ガリウム（正三価の金属元素）、イットリビウム（正三価の金属元素）及びスズ（正四価の金属元素）からなる群から選択される少なくとも１種以上を含むことにより、高い移動度を実現することができる。尚、酸化物半導体膜の移動度は、成膜時における雰囲気ガス中の酸素分圧、及び雰囲気ガス中のＨ２Ｏ及びＨ２含有量を調整することにより制御できる。
【００４０】
また、酸化物半導体膜はインジウム元素、正二価の金属元素及び酸素元素を含有する薄膜からなり、酸化物半導体膜のソース電極及びドレイン電極側の面の正二価の金属元素の濃度が、ゲート絶縁膜側の面の正二価の金属元素濃度よりも、０原子％〜１０原子％高いことが好ましい。
これにより、酸化物半導体膜の比抵抗が高くなり、オフ電流が低減し、高移動度を維持しつつ、高いon/off比を得ること期待できる。
【００４１】
尚、酸化物半導体膜の組成は、例えば、スパッタリングターゲットの組成を調整することで制御できる。
また、酸化物半導体膜の組成は、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）測定により、各元素の存在量を測定することで求めることができる。
【００４２】
酸化物半導体膜は、好ましくはインジウムのビックスバイト型結晶構造を示す。酸化物半導体膜がビックスバイト構造をとることでホール移動度を高くすることができる。ビックスバイト型結晶構造はＸ線回折により確認することができる。
【００４３】
本発明において、好ましくは酸化物半導体膜のゲート絶縁膜側の導電率が、ソース電極及びドレイン電極側の導電率よりも高い。ゲート絶縁膜側の導電率をソース電極及びドレイン電極側の導電率よりも高くすることにより、ゲート電極に閾値電圧以上を印可した際にソース・ドレイン間のオン電流を大きくすることができる。
【００４４】
本発明において、酸化物半導体膜のソース電極及びドレイン電極側のキャリア密度がゲート絶縁膜側のキャリア密度よりも低い。
【００４５】
酸化物半導体膜のキャリア密度は、好ましくは１０１８ｃｍ−３未満であり、より好ましくは２×１０１７ｃｍ−３未満であり、さらに好ましくは１０１７ｃｍ−３未満であり、特に好ましくは２×１０１６ｃｍ−３未満である。酸化物半導体膜のキャリア密度が１０１８ｃｍ−３以上の場合、薄膜トランジスタが駆動しなかったり、駆動してもノーマリーオンになってしまい消費電力が大きくなるおそれがある。
酸化物半導体膜のキャリア密度の下限としては、例えば１０１４ｃｍ−３が挙げられる。
【００４６】
閾値電圧以上の電圧印加によりチャンネルが形成されたときの酸化物半導体膜のチャンネル部分の比抵抗は、好ましくは１Ωｃｍ−１以下であり、より好ましくは１×１０−１Ωｃｍ−１以下であり、さらに好ましくは１×１０−２Ωｃｍ−１以下であり、特に好ましくは１×１０−３Ωｃｍ−１以下である。
尚、上記比抵抗はＳＳＲＭ測定より得ることができる。
【００４７】
閾値電圧以上の電圧印加によりチャンネルが形成されたときの酸化物半導体膜のチャンネル部分のキャリア密度は、好ましくは１０−１６ｃｍ−３以上であり、より好ましくは１０−１７ｃｍ−３以上であり、さらに好ましくは１０−１８ｃｍ−３以上であり、特に好ましくは１０−１９ｃｍ−３以上である。
【００４８】
酸化物半導体膜の比抵抗は、好ましくは１０−１〜１０８Ωｃｍであり、より好ましくは１０−１〜１０７Ωｃｍであり、特に好ましくは１０１〜１０６Ωｃｍである。酸化物半導体膜の比抵抗は、四端子法により測定することができる。
酸化物半導体膜の比抵抗が１０−１Ωｃｍ未満の場合、酸化物半導体膜に電気が容易に流れ、酸化物半導体膜が半導体薄膜として機能しないおそれがある。一方、酸化物半導体膜の比抵抗が１０８Ωｃｍを超える場合、酸化物半導体膜が強い電界をかけないと半導体として機能しないおそれがある。
【００４９】
本発明では、酸化物半導体膜のゲート絶縁膜側の面の四端子法で求めた比抵抗が１０１〜１０３Ωｃｍであり、ソース電極及びドレイン電極側の面の比抵抗が１０−３〜１０−１Ωｃｍであることがこのましい。
酸化物半導体膜の比抵抗の調節は、例えば、アニール処理により結晶性を化学量論比に近づけることで実施できる。これにより、酸素欠損が低減し、キャリアー数が減少し、比抵抗を高くすることができる。
【００５０】
酸化物半導体膜の導電帯及び価電子帯とのエネルギーバンドギャップは、好ましくは２．８ｅＶ以上であり、より好ましくは３．０ｅＶ以上、さらに好ましくは３．１ｅＶ以上、特に好ましくは３．５ｅＶ以上である。上記エネルギーバンドギャップが２．８ｅＶ未満の場合、可視光が照射された際に、酸化物半導体膜の価電子帯の電子が励起されて導電性を示し、漏れ電流が生じやすくなるおそれがある。
尚、上記エネルギーバンドギャップの上限としては、例えば４．５ｅＶが挙げられる。
【００５１】
酸化物半導体膜は、例えば、第１のターゲットを用いて基板上に第１の非晶質層を成膜し、成膜と同時に非晶質層を基板温度により加熱処理をして結晶質層とし、第２のターゲットを用いて結晶質層上に第２の非晶質層を成膜し、成膜と同時に非晶質層を基板温度により加熱処理をして結晶質層とすることにより製造できる。これにより、結晶質層（半導体層）を積層してなる酸化物半導体膜が得られる。
【００５２】
具体的に、例えば、インジウム元素及び正二価の金属元素を含む、所定のターゲットを用いて、高温の基板上に非晶質酸化物半導体膜の成膜し、成膜と同時に基板の温度により加熱処理をして第１の結晶質層とし、当該結晶質層上に、別のターゲットを用いて非晶質酸化物半導体膜を成膜し、成膜と同時に基板の温度により加熱処理をして第２の結晶質層とすることにより製造できる。
【００５３】
尚、結晶質層を積層してなる酸化物半導体膜は、第１のターゲットを用いて基板上に第１の非晶質層を成膜し、第２のターゲットを用いて第１の非晶質層上に第２の非晶質層を成膜し、第１の非晶質層及び第２の非晶質層からなる積層体を加熱処理することによっても製造できる。
【００５４】
具体的に、所定の成分を含むターゲットを用いて基板上に非晶質酸化物半導体膜を成膜し、当該非晶質酸化物半導体膜上に、別のターゲットを用いてさらに非晶質酸化物半導体膜を成膜して、含有成分の異なる２層の非晶質酸化物半導体膜とし、最後に加熱処理をして結晶化させることにより、厚層方向に組成の異なる結晶質層を積層してなる酸化物半導体膜を製造するができる。
尚、上述のこれら酸化物半導体膜の製造方法において、同じターゲットを連続して用いてもよい。
【００５５】
基板温度により非晶質酸化物半導体膜を、成膜と同時に結晶化し、結晶質層を積層する方法は、製造プロセスを簡略化できるという利点がある。一方、非晶質酸化物半導体膜を成膜後、加熱処理することより結晶質層とする方法は、得られる結晶質層の移動度及び結晶性が高く、酸化物半導体膜の膜応力が低く、かつ大面積に均一に結晶化できるうえ、キャリア制御が容易である。
本発明では、良質な酸化物半導体膜が得られることから、好ましくは非晶質酸化物半導体膜を成膜後、加熱処理することより結晶質層とする方法を用いて酸化物半導体膜を製造する。
【００５６】
成膜方法としては、スプレー法、ディップ法、ＣＶＤ法等の化学的成膜方法、又はスパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、パルスレーザーディポジション法等の物理的成膜方法を用いることができる。キャリア密度が制御し易い、及び膜質向上が容易であることから、好ましくは物理的成膜方法を用い、より好ましくは生産性が高いことからスパッタ法を用いる。
【００５７】
本発明で用いるスパッタ法としては、例えばＤＣスパッタ法、ＲＦスパッタ法、ＡＣスパッタ法、ＥＣＲスパッタ法、対向ターゲットスパッタ法等が挙げられ、好ましくはＤＣスパッタ法、ＡＣスパッタ法、ＥＣＲスパッタ法、対向ターゲットスパッタ法である。
尚、スパッタリング法に関しては、共スパッタ、コスパッタ及び反応性スパッタを利用してもよい。
【００５８】
ＤＣスパッタ法及びＡＣスパッタ法は、生産性が高く、及びキャリア濃度を下げることが容易である。ＥＣＲスパッタ法及び対向ターゲットスパッタ法は、膜質の制御が容易であり、成膜による界面劣化の抑制、漏れ電流の抑制、及びｏｎ−ｏｆｆ比等の酸化物半導体膜の特性向上が可能である。
【００５９】
以下、成膜方法としてスパッタ法を用いる場合の、具体的な成膜条件を記載する。
スパッタリング時のターゲットと基板の距離（Ｓ−Ｔ距離）は、通常１５０ｍｍ以下、好ましくは１１０ｍｍ以下、特に好ましくは８０ｍｍ以下である。
Ｓ−Ｔ距離が上記の距離であると、スパッタリング時に基板がプラズマに曝されることにより、ターゲットに正二価の金属元素が含まれる場合、正二価の金属元素の活性化が期待できる。一方、Ｓ−Ｔ距離が１５０ｍｍを超える場合、成膜速度が低下し、工業化に適さないおそれがある。
【００６０】
到達圧力は、通常、５×１０−２Ｐａ以下であり、好ましくは５×１０−３Ｐａ以下、より好ましくは５×１０−４Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０−４Ｐａ以下、特に好ましくは５×１０−５Ｐａ以下である。
到達圧力が５×１０−２Ｐａを超える場合、雰囲気ガス中のＨ２Ｏ等から多量の水素原子が供給され、酸化物半導体膜の移動度が低下するおそれがある。これは、供給された水素原子により酸化物半導体膜中の結晶構造に変化が生じるためと推測される。
【００６１】
スパッタリング時の雰囲気ガス中の酸素分圧は、通常、４０×１０−３Ｐａ以下であり、好ましくは１５×１０−３Ｐａ以下、より好ましくは７×１０−３Ｐａ以下、特に好ましくは１×１０−３Ｐａ以下である。
雰囲気ガス中の酸素分圧が４０×１０−３Ｐａを超える場合、酸化物半導体膜の移動度が低下したり、キャリア濃度が不安定となるおそれがある。これは成膜時に雰囲気ガス中の酸素分圧が高すぎる（酸素濃度が高すぎる）と、酸化物半導体膜中の結晶格子間に取り込まれる酸素が多くなって散乱する、又は酸素が容易に膜中から離脱し酸化物半導体膜を不安定化するためと推測される。
【００６２】
スパッタリング時の雰囲気ガス中のＨ２Ｏ及びＨ２の濃度は、通常、１．２ｖｏｌ％以下とし、好ましくは１．０ｖｏｌ％以下、より好ましくは０．１ｖｏｌ％以下、特に好ましくは０．０１ｖｏｌ％以下とする。
雰囲気ガス中のＨ２Ｏ及びＨ２の濃度が１．２ｖｏｌ％を超える場合、酸化物半導体膜のホール移動度が低下するおそれがある。
【００６３】
スパッタリング時に、半導体膜を均一に成膜するため、基板を固定したフォルダーを回転させる、マグネットを動かしエロージョン範囲を広げる等の方法をとることができる。
【００６４】
非晶質酸化物半導体膜を成膜と同時に基板温度で結晶化し、結晶質層とする場合、基板温度は、通常２５０〜５５０℃であり、好ましくは３００〜５００℃、より好ましくは３２０〜４００℃である。基板温度が２５０℃未満の場合、結晶質層の結晶性が低く、かつキャリア密度が高くなるおそれがある。一方、基板温度が５５０℃を超える場合、製造コストが高くなり、また、基板が変形するおそれがある。
【００６５】
非晶質酸化物半導体膜を成膜後、加熱処理することにより結晶質層とする場合の基板温度は、通常２５０℃未満であり、好ましくは２００℃以下、より好ましくは１５０℃以下、さらに好ましくは１００℃以下、特に好ましくは５０℃以下である。基板温度が２５０℃以上の場合、成膜後の加熱処理の効果が十分に発揮されないため、酸化物半導体膜のキャリア濃度及び移動度を制御することが困難となるおそれがある。
【００６６】
非晶質酸化物半導体膜を成膜後、加熱処理することより結晶質層とする方法において、非晶質酸化物半導体膜の成膜後の加熱温度は、通常、８０〜６５０℃であり、好ましくは１８０〜４５０℃、より好ましくは２３０〜４００℃である。加熱温度が８０℃未満の場合、結晶化が不十分となったり、結晶化に時間がかかりすぎるおそれがある。一方、加熱温度が６５０℃を超える場合、基板が変形するおそれがある。
【００６７】
また、加熱処理時間は、通常０．５〜１２０００分であり、好ましくは１〜１２００分、より好ましくは２〜６００分である。加熱処理時間が０．５分未満の場合、結晶化が不十分となるおそれがある。一方、加熱処理時間が１２０００分を超える場合、大規模な処理装置を必要とし、生産効率を損ねるおそれがある。
【００６８】
上記加熱処理の際に、オゾン処理をしてもよく、高周波素、電磁波、紫外線、プラズマ等のその他のエネルギーを加えてもよい。
【００６９】
結晶化に用いる加熱処理装置は特に限定されないが、ランプアニール装置（ＬＡ；Ｌａｍｐ  Ａｎｎｅａｌｅｒ）、急速熱アニール装置（ＲＴＡ；Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｅｒ）、又はレーザーアニール装置を用いることができる。
【００７０】
本発明の薄膜トランジスタは保護膜を有することが好ましい。なお、加熱処理は保護膜７０を成膜後に行うことが好ましく、さらに好ましくは酸化物半導体膜成膜後、保護膜成膜後それぞれの工程において加熱処理を行うことが好ましく、特に好ましくは第１層、第２層の酸化物半導体膜、保護膜の成膜後それぞれの工程において加熱処理を行うことが好ましい。
保護膜成膜後に加熱処理することで、保護膜成膜時のプラズマ等により酸化物半導体膜がダメージを無くすとともに、酸化物半導体膜と保護膜間の酸素の移動を低減し、オフ電流、S値が低く移動度が高いトランジスタ特性を示す。
【００７１】
また酸化物半導体膜第１層、第２層、保護膜それぞれで加熱処理をすることにより酸化物半導体膜第１層、第２層、保護膜成膜時のプラズマ等によるダメージを無くすとともに、酸化物半導体膜第１層、第２層、保護膜間の酸素の移動を低減しオフ電流、S値が低く移動度が高いトランジスタ特性を示す。
【００７２】
２．電極
ゲート電極、ソ−ス電極及びドレイン電極の各電極を形成する材料に特に制限はなく、本発明の効果を損なわない範囲で公知の材料を用いることができる。例えば、ＩＴＯ，ＩＺＯ，ＺｎＯ，ＳｎＯ２等の透明電極、Ａｌ，Ａｇ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｔａ等の金属電極、又はこれらを含む合金の金属電極を用いることができる。
ゲート電極、ソ−ス電極、ドレイン電極の各電極は、異なる２層以上の導電層を積層した多層構造とすることもできる。
【００７３】
ソース電極及びドレイン電極は、好ましくは金属薄膜からなる電極、導電性金属酸化物薄膜からなる電極、又は金属薄膜及び導電性酸化物薄膜の積層体からなる電極である。
【００７４】
上記金属薄膜は、好ましくはＡｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｇ及びＡｕからなる群から選ばれる１以上の金属からなる合金又は積層体である。
また上記導電性金属酸化物薄膜は、好ましくは酸化インジウム、酸化スズ及び酸化亜鉛からなる群から選ばれる１以上の金属酸化物からなる。
【００７５】
薄膜トランジスタの駆動時のゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の電圧は、通常１００Ｖ以下、好ましくは５０Ｖ以下、より好ましくは２０Ｖ以下、さらに好ましくは５Ｖ以下である。これら電極の電圧が１００Ｖ超の場合、薄膜トランジスタ１の消費電力が大きくなり、実用性が低下するおそれがある。
【００７６】
３．ゲート絶縁膜
ゲート絶縁膜を形成する材料に特に制限はない。本発明の効果を損なわない範囲で公知の材料を用いることができる。例えば、ＳｉＯ２，ＳｉＮｘ，Ａｌ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＭｇＯ，ＺｒＯ２，ＣｅＯ２，Ｋ２Ｏ，Ｌｉ２Ｏ，Ｎａ２Ｏ，Ｒｂ２Ｏ，Ｓｃ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，Ｈｆ２Ｏ３，ＣａＨｆＯ３，ＰｂＴｉ３，ＢａＴａ２Ｏ６，ＳｒＴｉＯ３，ＡｌＮ等の酸化物を用いることができる（尚、ｘは例えば４／３±０．１である）。これらのなかでも、好ましくはＳｉＯ２，ＳｉＮｘ，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，Ｈｆ２Ｏ３，ＣａＨｆＯ３であり、より好ましくはＳｉＯ２，ＳｉＮｘ，Ｙ２Ｏ３，Ｈｆ２Ｏ３，ＣａＨｆＯ３であり、特に好ましくはＳｉＮｘである。尚、ＳｉＮｘは好ましくは水素ドープされている。
上記酸化物の酸素数は、必ずしも化学量論比と一致していなくともよい（例えば、ＳｉＯ２でもＳｉＯｘでもよい）。
【００７７】
ゲート絶縁膜は、異なる２層以上のゲート絶縁膜を積層した構造でもよい。また、ゲート絶縁膜は、結晶質、多結晶質及び非晶質のいずれであってもよいが、製造しやすさの観点から、好ましくは多結晶質又は非晶質である。
【００７８】
ゲート絶縁膜は、ｐｏｌｙ（４−ｖｉｎｙｌｐｈｅｎｏｌ）（ＰＶＰ）、パリレン等の有機絶縁膜を用いてもよい。また、ゲート絶縁膜３０は無機絶縁膜及び有機絶縁膜の２層以上積層構造を有してもよい。
【００７９】
本発明の薄膜トランジスタでは、チャンネル幅Ｗ及びチャンネル長Ｌの比Ｗ／Ｌは、通常０．１〜１００、好ましくは１〜２０、特に好ましくは２〜８である。Ｗ／Ｌが１００を越える場合、漏れ電流が増えたり、ｏｎ−ｏｆｆ比が低下したりするおそれがある。一方、Ｗ／Ｌが０．１未満の場合、電界効果移動度が低下したり、ピンチオフが不明瞭になるおそれがある。
【００８０】
チャンネル長Ｌは通常０．１〜１０００μｍ、好ましくは１〜１００μｍ、さらに好ましくは２〜１０μｍである。チャンネル長Ｌが０．１μｍ未満の場合、工業的に製造が難しく、またショートチャンネル効果が現れたり、漏れ電流が大きくなるおそれがある。一方、チャンネル長Ｌが１０００μｍを超える場合、素子が大きくなり過ぎ、駆動電圧が大きくなる等のおそれがある。
【００８１】
薄膜トランジスタの電界効果移動度は、通常１ｃｍ２／Ｖｓ以上であり、好ましくは５ｃｍ２／Ｖｓ以上、より好ましくは１８ｃｍ２／Ｖｓ以上、さらに好ましくは３０ｃｍ２／Ｖｓ以上である。薄膜トランジスタの電界効果移動度が１ｃｍ２／Ｖｓ未満の場合、スイッチング速度が遅くなるおそれがある。
【００８２】
薄膜トランジスタのｏｎ−ｏｆｆ比は、通常１０３以上であり、好ましくは１０４以上、より好ましくは１０５以上、さらに好ましくは１０６以上、特に好ましくは１０７以上である。
【００８３】
薄膜トランジスタの閾値電圧（Ｖｔｈ）は通常０．０１〜５Ｖであり、好ましくは０．０５〜３Ｖ、より好ましくは０．１〜２Ｖ、さらに好ましくは０．２Ｖ〜１．０Ｖである。閾値電圧が０．０１Ｖ未満の場合、０．０１Ｖより小さい変動によりノーマリーオンとなるおそれがある。一方、閾値電圧が５Ｖを超える場合、薄膜トランジスタの消費電力が大きくなるおそれがある。
【００８４】
本発明の薄膜トランジスタの閾値電圧の差ΔＶｔｈ（Ｖｔｈ（大気）−Ｖｔｈ（真空））は、好ましくは５Ｖ以下、より好ましくは３Ｖ以下、さらに好ましくは２Ｖ以下、特に好ましくは１Ｖ以下である。閾値電圧の差が５Ｖを超える場合、閾値のばらつきが大きくなり、薄膜トランジスタをディスプレイに用いる場合に複雑な補償回路が必要なるおそれがある。
【実施例】
【００８５】
実施例１
（１）薄膜トランジスタの製造
無アルカリガラス基板上にモリブデンを１５０ｎｍの厚さで成膜し、フォトリソグラフィー法を用いパターニングしてゲート電極とした。次に、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）を用いてＳｉＮｘ（Ｘ＝４／３）を２００ｎｍの厚さで成膜し、ゲート絶縁膜とした。
ゲート絶縁膜上に、積層構造の酸化物半導体膜を形成した。具体的に、酸化インジウムからなるスパッタリングターゲットを使用して、第１の層を形成した（膜厚４０ｎｍ）。続けて、原子比Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）＝０．９５、原子比Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）＝０．０５であるスパッタリングターゲット（ＩＺＯ）を使用して、第２の層を形成した（膜厚１０ｎｍ）。尚、スパッタリング条件は以下の通りである。
使用装置：ＲＦマグネトロンスパッタリング装置
基板温度：３０℃
到達圧力：１×１０−５Ｐａ
雰囲気ガス：Ａｒ＝１００％
スパッタ圧力（全圧）：５×１０−１Ｐａ
投入電力：１００Ｗ
【００８６】
積層構造の酸化物半導体膜を形成した後、基板を大気中にて３００℃で１時間加熱した。
酸化物半導体膜上に、リフトオフにてＰｔ（１００ｎｍ）／Ｔｉ（１０ｎｍ）からなるソース電極及びドレイン電極を形成した。このようにしてＷ＝５０μｍ、Ｌ＝５μｍである図１の構成を有する薄膜トランジスタを作製した。
【００８７】
（２）酸化物半導体膜の評価
ガラス基板上に、上記（１）と同じ条件で酸化物半導体膜を形成し、加熱処理したものを評価試料とした。
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、酸化物半導体膜の断面を観察したところ、第１層及び第２層の両方に回折像が観察され、結晶質であることが確認できた。従って、結晶質層からなる酸化物半導体膜であることが確認された。
また、得られた結晶質層は、Ｘ線結晶構造解析によりビックスバイト型結晶構造を示す酸化物であることが確認された。
【００８８】
また、酸化物半導体膜のキャリア濃度をホール測定装置（Ｒｅｓｉ  Ｔｅｓｔ８３１０、株式会社東陽テクニカ製）を用いて測定した。その結果、酸化物半導体膜のキャリア濃度は第1層（Ｉｎ２Ｏ３）のキャリア濃度が１．５５×１０１8ｃｍ−３であり、第２層のキャリア濃度が４．６５×１０１５ｃｍ−３であった。また、四端子法による酸化物半導体膜の比抵抗は、第１の層（Ｉｎ２Ｏ３）の比抵抗が１．３９×１０−１Ωｃｍであり、第２の層（ＩＺＯ）の比抵抗が１．５２×１０２Ωｃｍであった。
【００８９】
尚、キャリア濃度の測定条件は以下の通りである。
測定温度：室温（２５℃）
測定磁場：０．５Ｔ
測定電流：１０−１２〜１０−４Ａ
測定モード：ＡＣ磁場ホール測定
【００９０】
酸化物半導体膜の透明性を、分光光度計を用いて測定したところ、波長４００ｎｍの光線の光線透過率が８５％であり、優れた透明性を有することが確認された。
また、酸化物半導体膜のエネルギーバンドギャップは３．６ｅＶであり、十分に大きいことが確認された。
【００９１】
（３）薄膜トランジスタの評価
上記（１）で得た薄膜トランジスタについて、閾値電圧の差ΔＶｔｈ（＝Ｖｔｈ（大気）−Ｖｔｈ（真空））を測定した。
大気下及び真空下（１０−３Ｐａ）における薄膜トランジスタの伝達曲線を図８に示す。薄膜トランジスタの閾値電圧の差ΔＶｔｈは、０．２Ｖであった。図８より、本発明の薄膜トランジスタは測定環境によって半導体特性がほとんど変化しないことが確認された。尚、伝達曲線は、半導体パラメーターアナライザーを用い測定した。
表１に酸化物半導体膜の構成、及び薄膜トランジスタの特性を示す。尚、測定方法は下記のとおりである。
（１）電界効果移動度（μ）、オンオフ比、Ｓ値、閾値電圧（Ｖｔｈ）
半導体パラメーターアナライザー（ケースレー４２００）を用い、室温、真空中（１０−３Ｐａ）、かつ遮光環境下で測定した。
尚、大気下におけるＶｔｈの評価も、同様に半導体パラメーターアナライザーを使用した。
【００９２】
【表１】
2010040552.tif 000003
【００９３】
実施例２
酸化物半導体膜の構成（膜厚）を表１に示すように変更した他は、実施例１と同様にして薄膜トランジスタを作製し評価した。結果を表１に示す。
【００９４】
比較例１
表１に示すように、酸化物半導体膜を構成する第１の層と第２の層の積層順を逆とした他は、実施例１と同様にして、薄膜トランジスタを作製し評価した。結果を表１に示す。
【００９５】
比較例２
酸化物半導体膜を構成する第２の層を形成しなかった他は、実施例１と同様にして、薄膜トランジスタを作製し評価した。結果を表１に示す。
【００９６】
大気下及び真空下（１０−３Ｐａ）における比較例１の薄膜トランジスタの伝達曲線を図９に示す。図９より、比較例１の薄膜トランジスタは測定環境によって半導体特性が大きく変化することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明の薄膜トランジスタは、論理回路、メモリ回路、差動増幅回路等の集積回路に適用できる。さらに、本発明の薄膜トランジスタは、静電誘起型トランジスタ、ショットキー障壁型トランジスタ、ショットキーダイオード、抵抗素子に適応できる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の薄膜トランジスタの一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】薄膜トランジスタ１の他の実施形態を示す概略断面図である。
【図３】本発明の薄膜トランジスタの他の実施形態を示す概略断面図である。
【図４】本発明の薄膜トランジスタの他の実施形態を示す概略断面図である。
【図５】本発明の薄膜トランジスタの他の実施形態を示す概略断面図である。
【図６】本発明の薄膜トランジスタの他の実施形態を示す概略断面図である。
【図７】本発明の薄膜トランジスタの他の実施形態を示す概略断面図である。
【図８】大気下及び真空下（１０−３Ｐａ）における実施例１の薄膜トランジスタの伝達曲線を示す図である。
【図９】大気下及び真空下（１０−３Ｐａ）における比較例１の薄膜トランジスタの伝達曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００９９】
１，２，３，４，５，６  薄膜トランジスタ
１０  基板
２０  ゲート電極
３０  絶縁膜
４０，４１  酸化物半導体膜
４２  第１の結晶質層
４４  第２の結晶質層
５０  ソース電極
５２  ドレイン電極
６０  チャンネル部
７０  保護膜
８０  エッチストッパー
９０  層間絶縁膜
１００  ビアホール
【図１】
2010040552.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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