(57)【要約】      （修正有）【課題】電子キャリア濃度が低い、アモルファス酸化物薄膜の成膜方法の提供。【解決手段】組成が、式［Ｓｎ１−ｘＭ４ｘＯ２］ａ・［（Ｉｎ１−ｙＭ３ｙ）２Ｏ３］ｂ・［Ｚｎ１−ｚＭ２ｚＯ］ｃ(ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、かつｘ、ｙ、ｚは同時に１ではなく、０≦ａ≦１、０＜ｂ≦１、０≦ｃ≦１、かつａ＋ｂ＋ｃ＝１）、で示される酸化物の多結晶をターゲットとして、基板の温度は意図的に加温しない状態で、酸素ガスを含む雰囲気中の酸素分圧を制御して、基板上に薄膜を堆積させることによって、室温での電子移動度が０．１ｃｍ２／（Ｖ・秒）以上、かつ電子キャリヤ濃度が１０１８／ｃｍ３未満である半絶縁性である透明アモルファス酸化物薄膜を気相成膜する。【選択図】図１
2010212696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成が、式［Ｓｎ１−ｘＭ４ｘＯ２］ａ・［（Ｉｎ１−ｙＭ３ｙ）２Ｏ３］ｂ・［Ｚｎ１
−ｚＭ２ｚＯ］ｃ(ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、かつｘ、ｙ、ｚは同
時に１ではなく、０≦ａ≦１、０＜ｂ≦１、０≦ｃ≦１、かつａ＋ｂ＋ｃ＝１、Ｍ４はＳ
ｉ，Ｇｅ，またはＺｒうちから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ｍ３はＢ，Ａｌ，Ｇａ
，Ｙ、またはＬｕうちから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ｍ２は、ＭｇまたはＣａう
ちから選ばれる少なくとも１種類の元素)で示される酸化物薄膜の気相成膜方法において
、
該酸化物の多結晶をターゲットとして、基板の温度は意図的に加温しない状態で、電気抵
抗を高めるための不純物イオンを意図的に薄膜に添加せずに、酸素ガスを含む雰囲気中の
酸素分圧を制御して、基板上に薄膜を堆積させることによって、
室温での電子移動度が０．１ｃｍ２／（Ｖ・秒）以上、かつ電子キャリヤ濃度が１０１８
／ｃｍ３未満である半絶縁性である透明アモルファス酸化物薄膜を成膜することを特徴と
するアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法。
【請求項２】
基板として、ガラス基板、プラスチック基板またはプラスチックフィルムを用いることを
特徴とする請求項１に記載のアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法。
【請求項３】
気相成膜法として、パルスレーザー堆積法又は気相スパッタ法を用いることを特徴とする
請求項１に記載のアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法。
【請求項４】
前記式に包含される組成のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ薄膜を、気相成膜法としてパルスレーザ
ー堆積法を用いて、酸素分圧４．５Ｐａ超の真空雰囲気で成膜することを特徴とする請求
項１記載のアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法。
【請求項５】
前記式に包含される組成のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ薄膜を、気相成膜法として高周波スパッ
タ法を用いて、酸素分圧３×１０−２Ｐａ超の酸素ガスとアルゴンガスの混合雰囲気で成
膜することを特徴とする請求項１に記載のアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor, ＴＦＴ）は、ゲート端子、ソース端子、及び
、ドレイン端子を備えた３端子素子であり、基板上に成膜した半導体薄膜を、電子又はホ
ールが移動するチャネル層として用い、ゲート端子に電圧を印加して、チャネル層に流れ
る電流を制御し、ソース端子とドレイン端子間の電流をスイッチングする機能を有するア
クテイブ素子である。ＴＦＴとして、現在、最も広く使われているのは多結晶シリコン膜
又はアモルファスシリコン膜をチャネル層材料としたMetal-Insulator-Semiconductor Fi
eld Effect Transistor (MIS―FET)素子である。
【０００３】
また、最近では、ＺｎＯを用いた透明伝導性酸化物多結晶薄膜をチャネル層に用いたＴＦ
Ｔの開発が活発に行われている（特許文献１）。上記薄膜は、低温で成膜でき、かつ可視
光に透明であるため、プラスチック板やフィルムなどの基板上にフレキシブルな透明ＴＦ
Ｔを形成することが可能である。
【０００４】
しかし、従来のＺｎＯは室温で安定なアモルファス相を形成することができず、殆どのＺ
ｎＯは多結晶相を呈するために、多結晶粒子界面の散乱により、電子移動度を大きくする
ことができない。さらに、ＺｎＯは、酸素欠陥が入りやすく、キャリア電子が多数発生し
、電気伝導度を小さくすることが難しい。このために、トランジスタのオン・オフ比を大
きくすることも難しい。
【０００５】
また、特許文献２には、アモルファス酸化物として、ZnxMyInzO(x+3y/2+3z/2)（式中、M
はＡｌ及びＧａのうち少なくとも一つの元素であり、比率x／yが0.2〜12の範囲であり、
比率z／yが0.4〜1.4の範囲にある。）で表される非晶質酸化物が記載されている。しかし
、ここで得られている非晶質酸化物膜の電子キャリア濃度は、１０18／ｃｍ3以上であり
、単なる透明電極として用いるには充分であるもののＴＦＴのチャネル層には適用し難い
ものであった。なぜなら、上記非晶質酸化物膜をチャネル層としたＴＦＴでは、オン・オ
フ比が充分にとれず、ノーマリーオフ型のＴＦＴにはふさわしくないことが判明したから
である。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２９８０６２号公報
【特許文献２】特開２０００−０４４２３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、電子キャリア濃度が低い、アモルファス酸化物薄膜の成膜方法を提供
すること、更には当該アモルファス酸化物薄膜をチャネル層に用いた薄膜トランジスタを
提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、（１）組成が、式［Ｓｎ1-xＭ４xＯ2］a・［（Ｉｎ1-yＭ３y）2Ｏ3］b・［Ｚ
ｎ1-zＭ２zＯ］c  (ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、かつｘ、ｙ、ｚは同
時に１ではなく、０≦ａ≦１、０＜ｂ≦１、０≦ｃ≦１、かつａ＋ｂ＋ｃ＝１、Ｍ４はＳ
ｉ，Ｇｅ，またはＺｒうちから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ｍ３はＢ，Ａｌ，Ｇａ
，Ｙ、またはＬｕうちから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ｍ２は、ＭｇまたはＣａう
ちから選ばれる少なくとも１種類の元素)で示される酸化物薄膜の気相成膜方法において
、該酸化物の多結晶をターゲットとして、基板の温度は意図的に加温しない状態で、電気
抵抗を高めるための不純物イオンを意図的に薄膜に添加せずに、酸素ガスを含む雰囲気中
の酸素分圧を制御して、基板上に薄膜を堆積させることによって、室温での電子移動度が
０．１ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上、かつ電子キャリア濃度が１０18／ｃｍ3未満である半絶縁
性である透明アモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法、である。
【０００９】
本発明の方法により、電子キャリア濃度が、１０18／ｃｍ3未満であることを特徴とする
アモルファス酸化物を成膜できる。また、本発明の方法により成膜する酸化物薄膜は、電
子キャリア濃度が、１０17／ｃｍ3以下、あるいは１０16／ｃｍ3以下のアモルファス酸化
物であることが好ましい。また、本発明の方法により、電子キャリア濃度が増加すると共
に、電子移動度が増加することを特徴とするアモルファス酸化物を成膜できる。また、本
発明の方法により、縮退伝導を示すアモルファス酸化物を成膜できる。なお、ここでの縮
退伝導とは、電気抵抗の温度依存性における熱活性化エネルギーが、３０ｍｅＶ以下の状
態をいう。
【００１０】
また、本発明は、（２）基板として、ガラス基板、プラスチック基板またはプラスチック
フィルムを用いることを特徴とする上記（１）のアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法
、である。
【００１１】
また、本発明は、（３）気相成膜法として、パルスレーザー堆積法又は気相スパッタ法を
用いることを特徴とする上記（１）のアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法、である。
【００１２】
また、本発明は、（４）前記式に包含される組成のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ薄膜を、気相成
膜法としてパルスレーザー堆積法を用いて、酸素分圧４．５Ｐａ超の真空雰囲気で成膜す
ることを特徴とする上記（１）のアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法、である。
【００１３】
また、別の本発明は、（５）前記式に包含される組成のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ薄膜を、気
相成膜法として高周波スパッタ法を用いて、酸素分圧３×１０-2Ｐａ超の酸素ガスとアル
ゴンガスの混合雰囲気で成膜することを特徴とする上記（１）のアモルファス酸化物薄膜
の気相成膜方法、である。
【００１４】
上記（１）の酸化物は、更に、Ｖ族（５族）元素Ｍ５（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）又はＷのうち、
少なくとも１種類の元素を含んでもよい。
【００１５】
本発明の方法により、結晶状態における組成が、［（Ｉｎ1-yＭ３y）2Ｏ3］
［（Ｚｎ1-xＭ２）Ｏ］m［０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつｘ、ｙは同時に１ではなく、ｍ
は０又は６未満の数あるいは自然数、Ｍ３は、Ｉｎより原子番号の小さいＩＩＩ族（３族
）元素（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｙ）又はＬｕ、Ｍ２は、Ｚｎより原子番号の小さいＩＩ族（２
族）元素（Ｍｇ，Ｃａ）］である化合物単体又はｍの値の異なる化合物の混合体であるア
モルファス酸化物薄膜を成膜できる。Ｍ３としては、例えば、Ｇａであり、Ｍ２としては
、例えばＭｇである。
【００１６】
本発明の方法により、上記アモルファス酸化物をチャネル層に用いた電界効果型トランジ
スタを製作できる。前記電界効果型トランジスタは、Ａｌ2Ｏ3，Ｙ2Ｏ3、又はＨｆＯ2の
１種、又はそれらの化合物を少なくとも二種含む混晶化合物をゲート絶縁層とすることが
できる。
【００１７】
本発明の方法により、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏから構成され、結晶状態における組成がＩｎ
ＧａＯ3（ＺｎＯ）m（ｍは６未満の自然数）で表され、電子移動度が１ｃｍ2／（Ｖ・秒
）超かつ電子キャリア濃度が１０18／ｃｍ3未満であることを特徴とする透明半絶縁性ア
モルファス酸化物薄膜を成膜できる。
【００１８】
本発明の方法により、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏから構成され、結晶状態の組成がＩｎ
ＧａＯ3（Ｚｎ1-xＭｇxＯ）m（ｍは６未満の自然数、０＜ｘ≦１で表され、電子移動度が
１ｃｍ2／（Ｖ・秒）超かつ電子キャリア濃度が１０18／ｃｍ3未満であることを特徴とす
る透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜を成膜できる。更にまた、本発明は、電気抵抗を
高めるための不純物イオンを意図的に添加せず、酸素ガスを含む雰囲気中で成膜すること
を特徴とする上述の透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜の製造方法である。
【００１９】
本発明の成膜方法で得られるアモルファス酸化物をチャネル層に用いた薄膜トランジスタ
は、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及びチャネル層を備え、前
記チャネル層に、電子キャリア濃度が１０18／ｃｍ3未満であるアモルファス酸化物が用
いられている。前記アモルファス酸化物の電子キャリア濃度が１０17／ｃｍ3以下あるい
は、１０16／ｃｍ3以下であることが好ましい。
【００２０】
本発明の方法により、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを含む酸化物であり、原子数比Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ
＝１：１：ｍ（ｍ＜６）であるアモルファス酸化物薄膜を成膜できる。あるいは、Ｉｎ、
Ｇａ、ＺｎおよびＭｇを含む酸化物であり、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ1-xＭｇx＝１：
１：ｍ（ｍ＜６）、０＜ｘ≦１であるアモルファス酸化物薄膜を成膜できる。
【００２１】
また、ＩｎxＧａ1-x酸化物（0≦ｘ≦1）、ＩｎxＺｎ1-x酸化物（0.2≦ｘ≦1）、ＩｎxＳ
ｎ1-x酸化物（0.8≦ｘ≦1）、あるいはＩｎx（Ｚｎ、Ｓｎ）1-x酸化物（0.15≦ｘ≦1）か
ら選択されるアモルファス酸化物薄膜を成膜できる。
【００２２】
また、本発明の方法により、薄膜トランジスタに、前記アモルファス酸化物として、電子
キャリア濃度が増加すると共に、電子移動度が増加する材料を用いることができる。
【００２３】
本発明によれば、電子キャリア濃度が低い、アモルファス酸化物が提供できるとともに、
それをチャネル層に用いた薄膜トランジスタの提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
アモルファス酸化物薄膜は、電子キャリア濃度が１０18／ｃｍ3未満であることを特徴と
する。薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のチャネル層にこの電子キャリア濃度が１０18／ｃｍ
3未満であるアモルファス酸化物を用いることができる。
【００２５】
ＴＦＴは、例えば図５に示すように、基板１上にチャネル層２を設け、当該チャネル層２
上にゲート絶縁膜３、ゲート電極４、ソース電極６、ドレイン電極５を設けることにより
構成される。本発明においては、このチャネル層として用いることができる、電子キャリ
ア濃度が１０18／ｃｍ3未満であるアモルファス酸化物薄膜を成膜できる。
【００２６】
本発明の成膜法に適用できるＴＦＴの構成は、図５に示したように半導体チャネル層の上
にゲート絶縁膜とゲート端子（電極）とを順に形成するスタガ型（トップゲート型）構造
に限らず、例えば、ゲート端子の上にゲート絶縁膜と半導体チャネル層を順に備える逆ス
タガ型（ボトムゲート型）構造でもよい。前述の電子キャリア濃度は、室温で測定する場
合の値である。室温とは、例えば２５℃であり、具体的には０℃から４０℃程度の範囲か
ら適宜選択されるある温度である。
【００２７】
なお、本発明の成膜法に係るアモルファス酸化物の電子キャリア濃度は、０℃から４０℃
の範囲全てにおいて、１０18／ｃｍ3未満を充足する必要はない。例えば、２５℃におい
て、キャリア電子密度１０18／ｃｍ3未満が実現されていればよい。また、電子キャリア
濃度を更に下げ、１０17／ｃｍ3以下、より好ましくは１０16／ｃｍ3以下にするとノーマ
リーオフのＴＦＴが歩留まり良く得られる。電子キャリア濃度の測定は、ホール効果測定
により求めることが出来る。
【００２８】
なお、本発明において、アモルファス酸化物とは、Ｘ線回折スペクトルにおいて、ハロー
パターンが観測され、特定の回折線を示さない酸化物をいう。本発明の成膜法に係るアモ
ルファス酸化物における、電子キャリア濃度の下限値は、ＴＦＴのチャネル層として適用
できれば特に限定されるものではない。下限値は、例えば、１０12／ｃｍ3である。
【００２９】
従って、本発明においては、後述する各実施例のようにアモルファス酸化物の材料、組成
比、製造条件などを制御して、例えば、電子キャリア濃度を、１０12／ｃｍ3以上１０18
／ｃｍ3未満とする。より好ましくは１０13／ｃｍ3以上１０17／ｃｍ3以下、更には１０1
5／ｃｍ3以上１０16／ｃｍ3以下の範囲にすることが好ましいものである。
【００３０】
なお、電子移動度としては、室温で測定する場合に、０．１ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上、好
ましくは１ｃｍ2／（Ｖ・秒）、より好適には５ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上となるようにする
ことが好ましい。なお、上記アモルファス酸化物は、電子キャリア濃度が増加するととも
に、電子移動度が増加する。また、その伝導性が縮退伝導を示す傾向にある。縮退伝導と
は、電気抵抗の温度依存性における熱活性化エネルギーが、３０ｍｅV以下の状態をいう
。
【００３１】
（アモルファス酸化物の材料）
本発明の成膜方法に係るアモルファス酸化物としては、Ｚn，Ｉｎ及びＳｎのうち、少な
くとも１種類の元素を構成成分とし、[（Ｓｎ1-xＭ４x）Ｏ2]ａ・[（Ｉｎ1-yＭ３y）2Ｏ3
]ｂ・[（Ｚｎ1-zＭ２z）Ｏ]ｃ [０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、かつｘ、ｙ、ｚ
は同時に１ではなく、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、かつａ＋ｂ＋ｃ＝１、Ｍ４
はＳｎより原子番号の小さい４族元素（Ｓｉ，Ｇｅ，Ｚｒ）、Ｍ３は、Ｉｎより原子番号
の小さい３族元素（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｙ）又はＬｕ、Ｍ２はＺｎより原子番号の小さな２
族元素（Ｍｇ，Ｃａ）]で示される材料である。このアモルファス酸化物に、５族元素Ｍ
５（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）又はＷのうち、少なくとも１種類の元素を加えることもできる。な
お、本明細書においては、周期表におけるII族、III族、IV族、V族元素をそれぞれ、２族
、３族、４族、５族元素と記載している場合があるが、同じ意味である。
【００３２】
上記のアモルファス膜にＺｎより原子番号の小さい２族元素Ｍ２（Ｍ２は、Ｍｇ，Ｃａ）
、Ｉｎより原子番号の小さい３族元素Ｍ３（Ｍ３は、Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｙ）及びＬｕ，Ｓ
ｎより原子番号の小さい４族元素Ｍ４（Ｍ４は、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｚｒ）、５族元素Ｍ５（Ｍ
５は、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）又はＷのうち、少なくとも１種類の複合酸化物を構成する元素を
添加することにより、より電子キャリア濃度を減少させることができる。
【００３３】
それぞれＺｎ，Ｉｎ，Ｓｎより原子番号の小さなＭ２，Ｍ３，Ｍ４元素は、Ｚｎ，Ｉｎ，
Ｓｎよりイオン性が強く、そのために酸素欠陥の発生が少なく、電子キャリア濃度を低減
できる。また、Ｌｕは、原子番号はＧａより大きいが、イオン半径が小さく、イオン性が
強く、Ｍ３と同様の機能を果たす。Ｍ５は、プラス５価でイオン化するために、酸素との
結合が強く、酸素欠陥を生じにくい。Ｗは、６価イオン化するために、酸素との結合が強
く、酸素欠陥を生じにくい。
【００３４】
また、本発明の成膜方法にに適用できるアモルファス酸化物としては、結晶状態における
組成が、［（Ｉｎ1-yＭ３y）2Ｏ3］［（Ｚｎ1-xＭ２x）Ｏ］m［０≦ｘ≦１
、０≦ｙ≦１、かつｘ、ｙは同時に１ではなく、ｍは０又は６未満の数あるいは自然数、
Ｍ３は、Ｉｎより原子番号の小さい３族元素（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｙ）又はＬｕ、Ｍ２は、
Ｚｎより原子番号の小さい２族元素（Ｍｇ，Ｃａ）］で表される化合物単体又はｍの値の
異なる化合物の混合体である。ここで、Ｍ３は、例えばＧａであり、Ｍ２は、例えばＭｇ
である。
【００３５】
このように、本発明の成膜方法に適用できるアモルファス酸化物としては、ＳｎＯ2，Ｉ
ｎ2Ｏ3及びＺｎＯを頂点とする３角形の内部に位置する一元系、二元系、又は三元系組成
の化合物である。上記３種類の化合物のうち、Ｉｎ2Ｏ3はアモルファス形成能が大きく気
相法において成膜中の雰囲気に水分を、０．１Ｐａ程度添加するなどの手段により成膜し
た状態で完全非晶質相を形成できる。
【００３６】
一方、ＺｎＯ及びＳｎＯ2は、単独でアモルファス相を形成しがたい場合があるが、Ｉｎ2
Ｏ3をホスト酸化物とすることにより非晶質相を形成できる。具体的には、上記３種の化
合物のうち二つを含む二元系組成（上記３角形の辺に位置する組成）のうち、Ｉｎ−Ｚｎ
−Ｏ系では、Ｉｎが約２０原子％以上含まれる組成、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｏ系の場合には、Ｉｎ
が約８０原子％以上含まれる組成で、アモルファス膜を作成することができる。
【００３７】
Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス膜を気相法で得るためには、例えば、雰囲気中に水蒸気を
０．１Ｐａ程度、又、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ系アモルファス膜を得るためには、雰囲気中に窒素
ガスを０．１Ｐａ程度導入すればよい。上記化合物のうち３つを含む三元系組成であるＳ
ｎ−Ｉｎ−Ｚｎ系では、Ｉｎが約１５原子％を以上の組成範囲で、気相法によりアモルフ
ァス膜を得る事ができる。なお、ここでの原子％は、酸素イオンを除いた金属イオン内の
みに対する原子％を示している。すなわち、例えば、「Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系での、Ｉｎが約
２０原子％以上」とは、ＩｎxＺｎ1-x（ｘ＞０．２）である。
【００３８】
また、Ｓｎ，Ｉｎ，Ｚｎを含むアモルファス酸化物膜の組成において、下記のようにそれ
ぞれの元素を添加することもできる。具体的には、Ｚｎより原子番号の小さい２族元素Ｍ
２（Ｍ２は、Ｍｇ，Ｃａ）、Ｉｎより原子番号の小さい３族元素Ｍ３（Ｍ３は、Ｂ，Ａｌ
，Ｇａ，Ｙ）又はＬｕ，及び、Ｓｎより原子番号の小さい４族元素Ｍ４（Ｍ４は、Ｓｉ，
Ｇｅ，Ｚｒ）のうち、少なくとも１種類の複合酸化物を構成する元素を添加することがで
きる。さらに、本発明の成膜方法に係るアモルファス酸化物膜は、上記組成に、５族元素
Ｍ５（Ｍ５は、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）又はＷのうち、少なくとも１種類の複合酸化物を構成す
る元素を添加することができる。
【００３９】
上記元素を添加することにより、室温での、アモルファス膜をより安定化させることがで
き、さらに、アモルファス膜が得られる組成範囲を広げることができる。特に、共有結合
性の強い、Ｂ，Ｓｉ，Ｇｅの添加は、アモルファス相安定化に有効であるし、イオン半径
の差の大きいイオンから構成される複合酸化物は、アモルファス相が安定化する。例えば
、Ｉｎ―Ｚｎ―Ｏ系では、Ｉｎが約２０原子％超の組成範囲でないと、室温で安定なアモ
ルファス膜は得にくいが、ＭｇをＩｎと当量添加することにより、Ｉｎが約１５原子％超
の組成範囲で、安定なアモルファス膜を得ることができる。
【００４０】
次に、本発明の成膜方法に係る薄膜トランジスタのチャネル層に適用できるアモルファス
酸化物材料の例について説明する。チャネル層に用いられるアモルファス酸化物としては
、例えばＩｎ，Ｇａ，Ｚｎを含み、且つ原子数比でＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：ｍを満た
す酸化物である。ここで、ｍは６未満の数である。なお、ｍの値は、自然数であってもよ
いが、必ずしも自然数である必要はない。なお、本明細書の他の箇所におけるｍも同様で
ある。なお、原子数比はモル比と考えてもよい。
【００４１】
結晶状態における組成がInGaO3(ZnO)m(mは６未満の数)で表される透明アモルファス酸化
物薄膜は、ｍの値が６未満の場合は、８００℃以上の高温まで、アモルファス状態が安定
に保たれるが、ｍの値が大きくなるにつれ、すなわち、InGaO3に対するZnOの比が増大し
て、ＺｎＯ組成に近づくにつれ、結晶化しやすくなる。したがって、アモルファスＴＦＴ
のチャネル層としては、ｍの値が６未満であることが好ましい。スパッタリング法やパル
スレーザー蒸着法により成膜を行う際のターゲット材料（例えば多結晶体）の組成比を、
上記ｍ＜６を満たすようにすれば、所望のアモルファス酸化物が得られる。
【００４２】
また、上記アモルファス酸化物としては、上記ＩｎＧａＺｎの構成比において、ＺｎをＺ
ｎ1-xＭｇxに置換することもできる。Ｍｇの置換量は、０＜ｘ≦１の範囲で可能である。
なお、Ｍｇに置換すると、酸化物膜の電子移動度は、Ｍｇ無添加膜に比べて低下するが、
その程度は少なく、一方でさらに、電子キャリア濃度を置換しない場合に比べて下げるこ
とができるので、ＴＦＴのチャネル層としてはより好適である。Ｍｇの置換量は、好まし
くは、２０％超、８５％未満（ｘにして、０．２＜ｘ＜０．８５）、より好ましくは、０
．５＜ｘ＜０．８５である。
【００４３】
更にまた、前記アモルファス酸化物として、Ｉｎ酸化物、ＩｎxＺｎ1-x酸化物（0.2≦ｘ
≦1）、ＩｎxＳｎ1-x酸化物（0.8≦ｘ≦1）、あるいはＩｎx（Ｚｎ、Ｓｎ）1-x酸化物（0
.15≦ｘ≦1）から適宜選択することもできる。なお、Ｉｎx（Ｚｎ、Ｓｎ）1-x酸化物にお
けるＺｎとＳｎの組成比は適宜選択することができる。即ち、Ｉｎx（Ｚｎ、Ｓｎ）1-x酸
化物は、Ｉｎx（ＺｎyＳｎ1-y）1-x酸化物と記載することができ、ｙの範囲は１から０で
ある。なお、ＺｎとＳｎを含まないＩｎ酸化物の場合は、Ｉｎの一部をＧａに置換するこ
ともできる。即ち、ＩｎxＧａ1-x酸化物（０≦ｘ≦1）の場合である。
【００４４】
（アモルファス酸化物の製造方法）
本発明の成膜方法に係わるアモルファス酸化物は、以下の各実施例に示す条件下において
気相成膜法を利用して形成することができる。例えば、ＩｎＧａＺｎアモルファス酸化物
を得るには、InGaO3(ZnO)m組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして、スッパタ法（
ＳＰ法）、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）及び電子ビーム蒸着法などの気相法により
成膜を行う。尚、量産性の観点からは、スパッタ法が最も適している。
【００４５】
なお、Ｉｎ2Ｏ3、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜などで、成膜時の雰囲気に酸素
ラジカルを加えてもよく、この酸素ラジカルの添加は、酸素ラジカル発生装置を用いれば
よい。なお、成膜後に電子キャリア濃度を増加させる必要がある場合には、当該膜を還元
雰囲気中で、熱処理をすることにより電子キャリア濃度を増加させることができる。こう
して得られた電子キャリア濃度の異なるアモルファス酸化物膜について、電子移動度の電
子キャリア濃度依存性を調べると、電子移動度は電子キャリア濃度が増加すると共に増加
している。
【００４６】
（基板）
本発明の成膜方法に係わるアモルファス酸化物薄膜を用いた薄膜トランジスタを形成する
際の基板としては、ガラス基板、プラスチック基板、プラスチックフィルムなどを用いる
ことができる。なお、後述の実施例で説明するように、本発明の成膜方法に係るアモルフ
ァス酸化物は、室温で成膜することができるので、ＰＥＴフィルムをはじめとするフレキ
シブル素材上に薄膜トランジスタを設けることが出来る。また、上述のアモルファス酸化
物を適宜選択し、波長400nm以上の可視光や赤外光に対して透明である材料を用いてＴＦ
Ｔを作製することもできる。
【００４７】
（ゲート絶縁膜）
本発明の成膜方法に係る薄膜トランジスタにおけるゲート絶縁膜としては、Ａｌ2Ｏ3，Ｙ
2Ｏ3，ＨｆＯ2，又はそれらの化合物を少なくとも二つ以上含む混晶化合物をゲート絶縁
膜とすることが好ましい。ゲート絶縁薄膜とチャネル層薄膜との界面に欠陥が存在すると
、電子移動度の低下及びトランジスタ特性にヒステリシスが生じる。また、ゲート絶縁膜
の種類により、リーク電流が大きく異なる。このために、チャネル層に適合したゲート絶
縁膜を選定する必要がある。
【００４８】
Ａｌ2Ｏ3膜を用いれば、リーク電流を低減できる。また、Ｙ2Ｏ3膜を用いればヒステリシ
スを小さくできる。さらに、高誘電率のＨｆＯ2膜を用いれば、電界効果移動度を大きく
することができる。また、これらの化合物の混晶からなる膜を用いて、リーク電流、ヒス
テリシスが小さく、電界効果移動度の大きなＴＦＴを形成できる。また、ゲート絶縁膜形
成プロセス及びチャネル層形成プロセスは、室温で行うことができるので、ＴＦＴ構造と
して、スタガ構造及び逆スタガ構造いずれをも形成することができる。
【００４９】
（トランジスタ）
電子キャリア濃度が１０18／ｃｍ3未満のアモルファス酸化物膜をチャネル層に用い、ソ
ース端子、ドレイン端子及びゲート絶縁膜を介してゲート端子を配した電界効果型トラン
ジスタを構成すると、ソース・ドレイン端子間に５Ｖ程度の電圧を印加したとき、ゲート
電圧を印加しないときのソース・ドレイン端子間の電流を約１０-7アンペヤにすることが
できる。電子キャリア濃度の理論的下限界は、価電子帯の電子が熱的に励起されるとする
と仮定すると、１０5／ｃｍ3以下であるが、実際的な可能性としては、１０12／ｃｍ3程
度である。
【００５０】
また、Ａｌ2Ｏ3，Ｙ2Ｏ3，又はＨｆＯ2の１種、又はそれらの化合物を少なくとも二種以
上含む混晶化合物をゲート絶縁層として用いれば、ソース・ゲート端子間及びドレイン・
ゲート端子間のリーク電流を約１０-7アンペヤにすることができ、ノーマリーオフ・トラ
ンジスタを実現できる。
【００５１】
酸化物結晶の電子移動度は、金属イオンのｓ軌道の重なりが大きくなるほど、大きくなり
、原子番号の大きなＺｎ，Ｉｎ，Ｓｎの酸化物結晶は、０．１から２００ｃｍ2／（Ｖ・
秒）の大きな電子移動度を持つ。さらに、酸化物では、酸素と金属イオンとがイオン結合
しているために、化学結合の方向性がなく、構造がランダムで、結合の方向が不均一なア
モルファス状態でも、電子移動度は、結晶状態の電子移動度に比較して、同程度の大きさ
を有することが可能となる。一方で、Ｚｎ，Ｉｎ，Ｓｎを原子番号の小さな元素で置換す
ることにより、電子移動度は小さくなる。従って、上記したアモルファス酸化物を用いる
ことにより、電子移動度を、約０．０１ｃｍ2／（Ｖ・秒）から２０ｃｍ2／（Ｖ・秒）の
範囲に制御できる。
【００５２】
また、通常の化合物では、キャリア濃度が増加するにつれて、キャリア間の散乱などによ
り、電子移動度は減少するが、それに対して、本発明の成膜方法に係わるアモルファス酸
化物では、電子キャリア濃度の増加とともに、電子移動度が増加するが、その物理機構は
明確でない。
【００５３】
ゲート端子に電圧を印加すると、上記アモルファス酸化物チャネル層に、電子を注入でき
るので、ソース・ドレイン端子間に電流が流れ、両端子間がオン状態になる。本発明の成
膜方法によるアモルファス酸化膜は、電子キャリア濃度が増加すると、電子移動度が大き
くなるので、トランジスタがオン状態での電流を、より大きくすることができる。すなわ
ち、飽和電流及びオン・オフ比をより大きくすることができる。電子移動度が大きなアモ
ルファス酸化物膜をＴＦＴのチャネル層として用いれば、飽和電流を大きくすることがで
きるし、また、ＴＦＴのスウィッチング速度を大きくでき、高速動作が可能となる。
【００５４】
例えば、電子移動度が、０．０１ｃｍ2／（Ｖ・秒）程度であれば、液晶表示素子を駆動
するＴＦＴのチャネル層として用いることができる。また、電子移動度が、０．１ｃｍ2
／（Ｖ・秒）程度であるアモルファス酸化物膜を用いれば、アモルファスシリコン膜を用
いたＴＦＴと同等以上の性能を有し、動画像用表示素子を駆動するＴＦＴを作成すること
ができる。
【００５５】
さらに、電流で駆動する有機発光ダイオードを動作させる場合など大きな電流を必要とす
るＴＦＴを実現するためには、電子移動度は、１ｃｍ2／（Ｖ・秒）超であることが望ま
しい。なお、本発明の成膜方法により得られる縮退伝導を示すアモルファス酸化物をチャ
ネル層に用いた場合、電子キャリア濃度が多い状態での電流、すなわちトランジスタの飽
和電流の温度依存性が小さくなり、温度特性に優れたＴＦＴを実現できる。
【００５６】
実施例
（実施例１：ＰＬＤ法によるアモルファスIn-Ga-Zn-O薄膜の作製）
図７に示すようなＰＬＤ成膜装置を用いて、成膜を行った。同図において、７０１はＲＰ
（ロータリーポンプ）、７０２はＴＭＰ（ターボ分子ポンプ）、７０３は準備室、７０４
はＲＨＥＥＤ用電子銃、７０５は基板を回転、上下移動するための基板保持手段、７０６
はレーザー入射窓、７０７は基板、７０８はターゲット、７０９はラジカル源、７１０は
ガス導入口、７１１はターゲットを回転、上下移動するためのターゲット保持手段、７１
２はバイパスライン、７１３はメインライン、７１４はＴＭＰ（ターボ分子ポンプ）、７
１５はＲＰ（ロータリーポンプ）、７１６はチタンゲッターポンプ、７１７はシャッター
である。また、図中７１８はＩＧ（イオン真空計）、７１９はＰＧ（ピラニ真空計）、７
２０はＢＧ（バラトロン真空計）、７２１は成長室（チャンバー）である。
【００５７】
KrFエキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法により、SiO2ガラス基板（コーニン
グ社製1737）上にIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を堆積させた。堆積前の処
理として、基板の超音波による脱脂洗浄を、アセトン,エタノール, 超純水を用いて、各5
分間行った後、空気中100℃で乾燥させた。
【００５８】
前記多結晶ターゲットには、InGaO3(ZnO)4焼結体ターゲット（サイズ20mmΦ5mmt）を用い
た。これは、出発原料として、In2O3：Ga2O3：ZnO（各4N試薬）を湿式混合した後(溶媒：
エタノール)、仮焼（1000℃： 2h）、乾式粉砕、本焼結（1550 ℃： 2h）)を経て得られ
るものである。こうして作製したターゲットの電気伝導度は、90(S/cm)であった。
【００５９】
成長室の到達真空を2×10-6(Pa)にして、成長中の酸素分圧を6.5 (Pa)に制御して成膜を
行った。チャンバー７２１内酸素分圧は６．５Pa、基板温度は25℃である。なお、ターゲ
ット７０８と被成膜基板７０７間の距離は、30(mm)であり、入射窓７１６から入射される
ＫｒＦエキシマレーザーのパワーは、１.5-3(mJ/cm2/pulse)の範囲である。また、パルス
幅は、20(nsec)、繰り返し周波数は10(Hz)、そして照射スポット径は、1×1(mm角)とした
。こうして、成膜レート7(nm/min)で成膜を行った。
【００６０】
得られた薄膜について、薄膜のすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角0.5度）を行った
ところ、明瞭な回折ピークは認めらなかったことから、作製したIn-Ga-Zn-O系薄膜はアモ
ルファスであるといえる。さらに、Ｘ線反射率測定を行い、パターンの解析を行った結果
、薄膜の平均二乗粗さ（Rrms）は約0.5 nmであり、膜厚は約120 nmであることが分かった
。蛍光Ｘ線（XRF）分析の結果、薄膜の金属組成比はIn：Ga：Zn＝0.98：1.02：4であった
。電気伝導度は、約10-2 S/cm未満であった。電子キャリア濃度は約1016/cm3以下、電子
移動度は約５cm2／（Ｖ・秒）と推定される。
【００６１】
光吸収スペクトルの解析から、作製したアモルファス薄膜の禁制帯エネルギー幅は、約3 
eVと求まった。以上のことから、作製したIn-Ga-Zn-O系薄膜は、結晶のInGaO3(ZnO)4の組
成に近いアモルファス相を呈しており、酸素欠損が少なく、電気伝導度が小さな透明な平
坦薄膜であることが分かった。
【００６２】
具体的に図１を用いて説明する。同図は、In-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態を仮定した
時の組成がInGaO3(ZnO)m(mは６未満の数)で表される透明アモルファス酸化物薄膜を本実
施例と同じ条件下で作成する場合に、酸素分圧を変化させた場合に、成膜された酸化物の
電子キャリア濃度の変化を示したものである。
【００６３】
本実施例と同じ条件下で酸素分圧を４．５Ｐａ超の高い雰囲気中で、成膜することにより
、図１に示すように、電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満に低下させることができた
。この場合、基板の温度は意図的に加温しない状態で、ほぼ室温に維持されている。フレ
キシブルなプラスチックフィルムを基板として使用するには、基板温度は100℃未満に保
つことが好ましい。
【００６４】
酸素分圧をさらに大きくすると、電子キャリア濃度をさらに低下させることができる。例
えば、図１に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧５Ｐａで成膜したInGaO3(ZnO)4薄膜で
は、さらに、電子キャリア数を１０16／ｃｍ3に低下させることができた。
【００６５】
得られた薄膜は、図２に示す様に、電子移動度が１ｃｍ2／（Ｖ・秒）超であった。しか
し、本実施例のパルスレーザー蒸着法では、酸素分圧を６．５Ｐａ以上にすると、堆積し
た膜の表面が凸凹となり、ＴＦＴのチャネル層として用いることが困難となる。従って、
酸素分圧４．５Ｐａ超、望ましくは５Ｐａ超、６．５Ｐａ未満の雰囲気で、パルスレーザ
ー蒸着法で作製したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏから構成され、結晶状態における組成ＩｎＧａ
Ｏ3（ＺｎＯ）m（ｍは６未満の数）で表される透明アモルファス酸化物薄膜を用いれば、
ノーマリーオフのトランジスタを構成することができる。
【００６６】
また、該薄膜の電子移動度は、１ｃｍ2／Ｖ・秒超が得られ、オン・オフ比を１０3超に大
きくすることができた。以上、説明したように、本実施例に示した条件下でＰＬＤ法によ
りＩｎＧａＺｎ酸化物の成膜を行う場合は、酸素分圧を４．５Ｐａ以上６．５Ｐａ未満に
なるように制御することが望ましい。なお、電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満を実
現するためには、酸素分圧の条件、成膜装置の構成や、成膜する材料や組成などに依存す
る。
【００６７】
（実施例２：ＰＬＤ法によるアモルファスＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）及びＩｎＧａＯ3（Ｚｎ
Ｏ）4酸化物膜の成膜）
ＫｒＦエキシマレーザーを用いたＰＬＤ法により、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）及びＩｎＧａ
Ｏ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をそれぞれターゲットとして、ガラス基板（コ
ーニング社製１７３７）上にＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を堆積させた
。ＰＬＤ成膜装置は、実施例１で示したものを用い、成膜条件は上記と同様とした。基板
温度は２５℃で成膜を行った。
【００６８】
得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角０．５度）を行ったと
ころ、明瞭な回折ピークは検出されず、２種類のターゲットから作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇ
ａ−Ｏ系膜は、いずれもアモルファス膜であることが示された。
【００６９】
さらに、ガラス基板上のＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜のＸ線反射率測定
を行い、パターンの解析を行った結果、薄膜の平均二乗粗さ（Ｒｒｍｓ）は約０．５ｎｍ
であり、膜厚は約１２０ｎｍであることが分かった。蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、Ｉ
ｎＧａＯ3（ＺｎＯ）組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られた膜の金属原
子組成比はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１．１：１．１：０．９であった。また、ＩｎＧａＯ3（
ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られた膜の金属原子組成比は
、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝０．９８：１．０２：４であった。
【００７０】
成膜時の雰囲気の酸素分圧を変化させ、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結
体をターゲットとして得られたアモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度を測定した。そ
の結果を図１に示す。酸素分圧が４．５Ｐａ超の雰囲気中で成膜することにより、電子キ
ャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満に低下させることができた。この場合、基板の温度は意
図的に加温しない状態でほぼ室温に維持されている。また、酸素分圧が６．５Ｐａ未満の
時は、得られたアモルファス酸化物膜の表面は平坦であった。
【００７１】
酸素分圧が５Ｐａの時、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲット
として得られたアモルファス酸化膜の電子キャリア濃度は１０16／ｃｍ3、電気伝導度は
、１０-2Ｓ／ｃｍであった。また、電子移動度は、約５ｃｍ2／Ｖ・秒と推測された。光
吸収スペクトルの解析から、作製したアモルファス酸化物膜の禁制帯エネルギー幅は、約
３ｅＶと求まった。酸素分圧を５Ｐａからさらに大きくすると、電子キャリア濃度をさら
に低下させることができた。
【００７２】
図１に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧６Ｐａで成膜したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系ア
モルファス酸化物膜では、電子キャリア濃度を８×１０15／ｃｍ3（電気伝導度：約８×
１０-3Ｓ／ｃｍ）に低下させることができた。得られた膜は、電子移動度が１ｃｍ2／（
Ｖ・秒）超と推測された。しかし、ＰＬＤ法では、酸素分圧を６．５Ｐａ以上にすると、
堆積した膜の表面が凸凹となり、ＴＦＴのチャネル層として用いることが困難となった。
【００７３】
ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、異なる酸素分圧で
成膜したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜に関して、電子キャリア濃度と電
子移動度の関係を調べた。その結果を図２に示す。電子キャリア濃度が、１０16／ｃｍ3
から１０20／ｃｍ3に増加すると、電子移動度は、約３ｃｍ2／（Ｖ・秒）から約１１ｃｍ
2／（Ｖ・秒）に増加ことが示された。また、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）組成を有する多結晶
焼結体をターゲットとして得られたアモルファス酸化膜に関しても、同様の傾向が見られ
た。
【００７４】
ガラス基板の代わりに厚さ２００μｍのポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）フィル
ムを用いた場合にも、得られたＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜は、同様の
特性を示した。
【００７５】
（実施例３：ＳＰ法によるＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の成膜）
雰囲気ガスとしてアルゴンガスを用いた高周波ＳＰ法により、成膜する場合について説明
する。ＳＰ法は、図８に示す装置を用いて行った。同図において、８０７は被成膜基板、
８０８はターゲット、８０５は冷却機構付き基板保持手段、８１４は、ターボ分子ポンプ
、８１５はロータリーポンプ、８１７はシャッター、８１８はイオン真空計、８１９はピ
ラニ真空計、８２１は成長室（チャンバー）、８３０はゲートバルブである。被成膜基板
８０７としては、ＳｉＯ２ガラス基板（コーニング社製１７３７）を用意した。成膜前処
理として、この基板の超音波脱脂洗浄を、アセトン、エタノール、超純水により各５分ず
つ行った後、空気中１００℃で乾燥させた。
【００７６】
ターゲット材料としては、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体（サイズ２
０ｍｍΦ５ｍｍｔ）を用いた。この焼結体は、出発原料として、Ｉｎ2Ｏ3：Ｇａ2Ｏ3：Ｚ
ｎＯ（各４Ｎ試薬）を湿式混合（溶媒：エタノール）し、仮焼（１０００℃：２ｈ）、乾
式粉砕、本焼結（１５５０℃：２ｈ）を経て作製した。このターゲット８０８の電気伝導
度は９０（Ｓ／ｃｍ）であり、半絶縁体状態であった。
【００７７】
成長室８２１内の到達真空は、１×１０-4（Ｐａ）であり、成長中の酸素ガスとアルゴン
ガスの全圧は、４〜０．１ｘ１０-1（Ｐａ）の範囲での一定の値とし、アルゴンガスと酸
素との分圧比を変えて、酸素分圧を、１０-3〜２ｘ１０-1（Ｐａ）の範囲で変化させた。
また、基板温度は、室温とし、ターゲット８０８と被成膜基板８０７間の距離は、３０（
ｍｍ）であった。投入電力は、ＲＦ１８０Ｗであり、成膜レートは、１０（ｎｍ／ｍｉｎ
）で行った。
【００７８】
得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角＝０．５度）を行った
ところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系膜はアモルフ
ァス膜であることが示された。さらに、Ｘ線反射率測定を行い、パターンの解析を行った
結果、薄膜の平均二乗粗さ（Ｒｒｍｓ）は約０．５ｎｍであり、膜厚は約１２０ｎｍであ
ることが分かった。蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、薄膜の金属組成比はＩｎ: Ga : Zn 
= 0.98 : 1.02 : 4であった。
【００７９】
成膜時の雰囲気の酸素分圧を変化させて得られたアモルファス酸化物膜の電気伝導度を測
定した。その結果を図３に示す。図３に示すように、酸素分圧を３×１０-2Ｐａ超の高い
雰囲気中で、成膜することにより、電気伝導度を１０Ｓ／ｃｍ未満に低下させることがで
きた。
【００８０】
酸素分圧をさらに大きくすることにより、電子キャリア数を低下させることができた。
例えば、図３に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧１０-1Ｐａで成膜したInGaO3(ZnO)4
薄膜では、さらに、電気伝導度を約１０-10Ｓ／ｃｍに低下させることができた。また、
酸素分圧１０-1Ｐａ超で成膜したInGaO3(ZnO)4薄膜は、電気抵抗が高すぎて電気伝導度は
測定できなかった。この場合、電子移動度は測定できなかったが、電子キャリア濃度が大
きな膜での値から外挿して、電子移動度は、約１ｃｍ2／Ｖ・秒と推定された。
【００８１】
すなわち、酸素分圧３×１０-2Ｐａ超、望ましくは5×１０-1Ｐａ超のアルゴンガス雰囲
気で、スパッタ蒸着法で作製したIn-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態における組成InGaO3
(ZnO)m(mは６未満の自然数)で表される透明アモルファス酸化物薄膜を用い、ノーマリー
オフで、かつオン・オフ比を１０3超のトランジスタを構成することができた。
【００８２】
本実施例で示した装置、材料を用いる場合は、スパッタによる成膜の際の酸素分圧として
は、例えば、３×１０-2Ｐａ以上、５×１０-1Ｐａ以下の範囲である。なお、パルスレー
ザー蒸着法およびスパッタ法で作成された薄膜では、図２に示す様に、伝導電子数の増加
と共に、電子移動度が増加する。
【００８３】
上記のとおり、酸素分圧を制御することにより、酸素欠陥を低減でき、その結果、電子キ
ャリア濃度を減少できる。また、アモルファス状態では、多結晶状態とは異なり、本質的
に粒子界面が存在しないために、高電子移動度のアモルファス薄膜を得ることができる。
なお、ガラス基板の代わりに厚さ２００μｍのポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）
フィルムを用いた場合にも、得られたＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4アモルファス酸化物膜は、
同様の特性を示した。
【００８４】
（実施例４：ＰＬＤ法によるＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の成膜
）
次に、ＰＬＤ法により、ガラス基板上にＩｎＧａＯ3 (Ｚｎ1-xＭｇxＯ)4(0＜x＜1)膜を成
膜する場合について説明する。成膜装置としては、図７に記載の成膜装置を用いて行った
。被成膜基板としては、SiO2ガラス基板（コーニング社製1737）を用意した。その基板に
前処理として、超音波脱脂洗浄を、アセトン、エタノール、超純水により各5分間ずつ行
った後、空気中１００℃で.乾燥させた。
【００８５】
ターゲットとしては、InGa(Zn1-xMgxO)4(x=1-0)焼結体（サイズ20mmΦ5mmt）を用いた。
ターゲットは、出発原料In2O3：Ga2O3：ZnO：MgO（各4N試薬）を、湿式混合(溶媒：エタ
ノール)、仮焼（1000℃：2h）、乾式粉砕、本焼結（1550℃：2h）を経て作製した。
【００８６】
成長室到達真空は、2×10-6(Pa)であり、成長中の酸素分圧は、0.8(Pa)とした。基板温度
は、室温（２５℃）で行い、ターゲットと被成膜基板間の距離は、30(mm)であった。なお
、ＫｒＦエキシマレーザーのパワーは、１.5(mJ/cm2/pulse)、パルス幅は、20(nsec)、繰
り返し周波数は、10(Hz)、照射スポット径は、1×1(mm角)とした。成膜レートは、7(nm/m
in)であった。
【００８７】
このようにして得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角 0.5度
）を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ−
Ｏ系膜はアモルファス膜であることが示された。得られた膜の表面は平坦であった。
【００８８】
異なるｘ値のターゲットを用いて、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気中で成膜したＩｎ−Ｚｎ
−Ｇａ−Ｍｇ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電気伝導度、電子キャリア濃度及び電子移動
度のｘ値依存性を調べた。尚、ターゲットとして、多結晶InGaO3(Zn1-xＭｇxO)m(mは６未
満の自然数、0<x≦1を用いれば、１Ｐａ未満の酸素分圧下でも、高抵抗アモルファスInGa
O3(Zn1-xＭｇxO)m膜を得ることができた。
【００８９】
その結果を、図４に示す。ｘ値が０．４超のとき、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気中で、Ｐ
ＬＤ法により成膜したアモルファス酸化物膜では、電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未
満にできることが示された。また、ｘ値が０．４超のアモルファス酸化物膜では、電子移
動度は、１ｃｍ2／Ｖ・秒超であった。図４に示すように、Ｚｎを８０原子％のＭｇで置
換したターゲットを使用した場合、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気で、パルスレーザー堆積
法で得られた膜の電子キャリア濃度を１０16／ｃｍ3未満とすることができる。
【００９０】
こうした膜の電子移動度は、Ｍｇ無添加膜に比べて低下するが、その程度は少なく、室温
での電子移動度は約５ｃｍ2／（Ｖ・秒）で、アモルファスシリコンに比べて、１桁程度
大きな値を示す。同じ条件で成膜した場合、Ｍｇ含有量の増加に対して、電気伝導度と電
子移動度は、共に低下するので、Ｍｇの含有量は、好ましくは、２０原子％超、８５原子
％未満（ｘにして、０．２＜ｘ＜０．８５）、より好適には０.５＜ｘ＜０．８５である
。
【００９１】
なお、ガラス基板の代わりに厚さ２００μｍのポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）
フィルムを用いた場合にも、得られたＩｎＧａＯ3 (Ｚｎ1-xＭｇxＯ)4(0<x≦1)アモルフ
ァス酸化物膜は、同様の特性を示した。
【００９２】
（実施例５：ＰＬＤ法によるＩｎ2Ｏ3アモルファス酸化物膜の成膜）
次に、Ｉｎ酸化物膜を成膜する場合について説明する。成膜装置は図７に記載の装置を用
いた。被成膜基板として、SiO2ガラス基板（コーニング社製1737）を用意した。この基板
の前処理として、超音波脱脂洗浄を、アセトン、エタノール、超純水で各5分間ずつ行っ
た後、空気中１００℃で乾燥させた。
【００９３】
ターゲットとしては、In2O3焼結体（サイズ20mmΦ5mmt）を用いた。これは、出発原料In2
O3（4N試薬）を仮焼（1000℃：2h）、乾式粉砕、本焼結（1550℃：2h）を経て準備した。
【００９４】
成長室到達真空は、2×10-6(Pa)、成長中の酸素分圧は、５(Pa)とし、水蒸気分圧０．１
（Ｐａ）とし、さらに酸素ラジカル発生装置に２００Ｗを印加して、酸素ラジカルを発生
させた。基板温度は室温とした。ターゲットと被成膜基板間の距離は、40(mm)、ＫｒＦエ
キシマレーザーのパワーは0.5(mJ/cm2/pulse)、パルス幅は、20(nsec)、繰り返し周波数
は、10(Hz)、照射スポット径は1×1(mm角)であった。成膜レートは、3(nm/min)であった
。
【００９５】
得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角0.5度）を行ったとこ
ろ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｏ系膜はアモルファス膜であること
が示された。膜厚は、８０ｎｍであった。得られたＩｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電
子キャリア濃度は５×１０17／ｃｍ3で、電子移動度は、約７ｃｍ2／Ｖ・秒であった。
【００９６】
（実施例６：ＰＬＤ法によるＩｎ−Ｓｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の成膜）
ＰＬＤ法により、厚さ２００μｍのＩｎ−Ｓｎ−Ｏ系酸化物膜を成膜する場合について説
明する。被成膜基板として、SiO2ガラス基板（コーニング社製1737）を用意した。基板前
処理として、超音波脱脂洗浄をアセトン、エタノール、超純水を用いて各５分間ずつ行っ
た。その後、空気中１００℃で乾燥させた。
【００９７】
ターゲットは、Ｉｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2焼結体（サイズ２０ｍｍΦ５ｍｍｔ）を準備した。こ
れは、出発原料として、Ｉｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2（４Ｎ試薬）を湿式混合（溶媒：エタノール
）、仮焼（１０００℃：２ｈ）、乾式粉砕、本焼結（１５５０℃：２ｈ）を経て得られる
。ターゲットの組成は、（Ｉｎ0.9Ｓｎ0.1）2Ｏ3.1多結晶体であった。
【００９８】
成長室到達真空は、２×１０-6（Ｐａ）、成長中の酸素分圧は、５（Ｐａ）、窒素分圧は
、０．１（Ｐａ）とし、さらに、酸素ラジカル発生装置に２００Ｗを印加して、酸素ラジ
カルを発生させた。基板温度は室温で成膜した。ターゲットと被成膜基板間の距離は、３
０（ｍｍ）とし、ＫｒＦエキシマレーザーのパワーは、１．５（ｍＪ／ｃｍ2／ｐｕｌｓ
ｅ）、パルス幅は、２０（ｎｓｅｃ）、繰り返し周波数は、１０（Ｈｚ）、照射スポット
径は、１×１（ｍｍ角）であった。
【００９９】
成膜レートは、６（ｎｍ／ｍｉｎ）であった。得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ
線回折（薄膜法、入射角０．５度）を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作
製したＩｎ−Ｓｎ−Ｏ系膜はアモルファス膜であることが示された。得られたＩｎ−Ｓｎ
−Ｏアモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度は、８×１０17／ｃｍ3で、電子移動度は
、約５ｃｍ2／（Ｖ・秒）であった。膜厚は、１００ｎｍであった。
【０１００】
（実施例７：ＰＬＤ法によるＩｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の成膜）
次に、ＩｎＧａ酸化物を成膜する場合について説明する。被成膜基板として、ＳｉＯ2
ガラス基板（コーニング社製１７３７）を用意した。基板の前処理として、超音波脱脂洗
浄をアセトン、エタノール、超純水を用いて、各５分間行った後、空気中１００℃で乾燥
させた。
【０１０１】
ターゲットとして、（Ｉｎ2Ｏ3）1-x−（Ｇａ2Ｏ3）x（Ｘ＝０−１）焼結体（サイズ２０
ｍｍΦ５ｍｍｔ）を用意した。なお、例えばｘ＝０．１の場合は、ターゲットは、（Ｉｎ
0.9Ｇａ0.1）2Ｏ3多結晶焼結体ということになる。これは、出発原料：Ｉｎ2Ｏ3−Ｇａ2
Ｏ3（４Ｎ試薬）を、湿式混合（溶媒：エタノール）、仮焼（１０００℃：２ｈ）、乾式
粉砕、本焼結（１５５０℃：２ｈ）を経て得られる。
【０１０２】
成長室到達真空は、２×１０−６（Ｐａ）であり、成長中の酸素分圧は、１（Ｐａ）とし
た。基板温度は、室温で行い、ターゲットと被成膜基板間の距離は、３０（ｍｍ）、Ｋｒ
Ｆエキシマレーザーのパワーは、１．５（ｍＪ／ｃｍ2／ｐｕｌｓｅ）、パルス幅は、２
０（ｎｓｅｃ）、繰り返し周波数は、１０（Ｈｚ）、照射スポット径は、１×１（ｍｍ角
）であった。成膜レートは、６（ｎｍ／ｍｉｎ）であった。
【０１０３】
得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角０．５度）を行ったと
ころ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｇａ−Ｏ系膜はアモルファス膜で
あることが示された。膜厚は、１２０ｎｍであった。得られたＩｎ−Ｇａ−Ｏアモルファ
ス酸化物膜の電子キャリア濃度は、８×１０16／ｃｍ3で、電子移動度は、約１ｃｍ2／Ｖ
・秒であった。
【０１０４】
（実施例８：Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ
素子の作製（ガラス基板））
図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。まず、ガラス基板（１）上に、Ｉｎ
ＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、酸素分圧５Ｐａの条
件で、実施例１のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の作製法により、チャン
ネル層（２）として用いる厚さ１２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス膜を形
成した。
【０１０５】
さらにその上に、チャンバー内の酸素分圧を１Ｐａ未満にして、ＰＬＤ法により電気伝導
度の大きなＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層し、
フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子（５）及びソース端子（６
）を形成した。
【０１０６】
最後にゲート絶縁膜（３）として用いるＹ2Ｏ3膜を電子ビーム蒸着法により成膜し（厚み
：９０ｎｍ、比誘電率：約１５、リーク電流密度：０．５ＭＶ／ｃｍ印加時に１０-3Ａ／
ｃｍ2）、その上に金を成膜し、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート
端子（４）を形成した。チャネル長は、５０μｍで、チャネル幅は、２００μｍであった
。
【０１０７】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
図６に、室温下で測定したＴＦＴ素子の電流−電圧特性を示す。ドレイン電圧ＶDSの増加
に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したことからチャネルがｎ型伝導であることが分かる。
これは、アモルファスＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体である
という事実と矛盾しない。ＩDSはＶDS＝６Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的な半導
体トランジスタの挙動を示した。利得特性を調べたところ、ＶDS＝４Ｖ印加時におけるゲ
ート電圧ＶGSの閾値は約−０．５Ｖであった。また、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝１０
Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-5Ａの電流が流れた。これはゲートバイアスにより絶縁体
のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内にキャリアを誘起できたことに対応す
る。トランジスタのオン・オフ比は、１０3超であった。また、出力特性から電界効果移
動度を算出したところ、飽和領域において約７ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得ら
れた。
【０１０８】
作製した素子に可視光を照射して同様の測定を行なったが、トランジスタ特性の変化は認
められなかった。なお、アモルファス酸化物の電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満に
することでＴＦＴのチャネル層として適用できる。この電子キャリア濃度としては、０17
／ｃｍ3以下がより好ましく、１０16／ｃｍ3以下にすると更に好ましかった。
【０１０９】
本実施例によれば、電子キャリア濃度が小さく、したがって、電気抵抗が高く、かつ電
子移動度が大きいチャネル層を有する薄膜トランジスタを実現でさる。なお、上記したア
モルファス酸化物は、電子キャリア濃度の増加と共に、電子移動度が増加し、さらに縮退
伝導を示すという優れた特性を備えていた。本実施例では、ガラス基板上に薄膜トランジ
スタを作製したが、成膜自体が室温で行えるので、プラスチック板やフィルムなどの基板
が使用可能である。また、本実施例で得られたアモルファス酸化物は、可視光の光吸収が
殆どなく、透明なフレキシブルＴＦＴを実現できる。
【０１１０】
（実施例９：Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ
素子の作製）
図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。具体的には、ポリエチレン・テレフ
タレート（ＰＥＴ）フィルム（１）上に、実施例２に示した成膜法により、ＩｎＧａＯ3
（ＺｎＯ）組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、酸素分圧５Ｐａの雰囲気で、チ
ャンネル層（２）として用いる厚さ１２０ｎｍのＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸
化物膜を形成した。
【０１１１】
さらにその上に、チャンバー内酸素分圧を１Ｐａ未満にして、ＰＬＤ法により電気伝導度
の大きなＩｎ−Ｚｒ−Ｇａ−Ｏ糸アモルファス酸化物膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層
し、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子（５）及びソース端子
（６）を形成した。
【０１１２】
最後にゲート絶縁膜（３）を電子ビーム蒸着法により成膜して、その上に金を成膜し、フ
ォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子（４）を形成した。チャネル長
は、５０μｍで、チャネル幅は、２００μｍであった。ゲート絶縁膜として、Ｙ2Ｏ3（厚
さ：１４０ｎｍ），Ａｌ2Ｏ3（厚さ：１３０ｎｍ）及びＨｆＯ2（厚さ：１４０ｎｍ）を
用いた３種類の上記の構造を有するＴＦＴを作成した。
【０１１３】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
ＰＥＴフィルム上に形成したＴＦＴの室温下で測定した電流−電圧特性は、図６と同様
であった。すなわち、ドレイン電圧ＶDSの増加に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したこと
から、チャネルがｎ型伝導であることが分かる。これは、アモルファスＩｎ−Ｇａ−
Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体であるという事実と矛盾しない。ＩDSは
ＶDS＝６Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的なトランジスタの挙動を示した。また、
ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-5Ａの電流が流れた。
これはゲートバイアスにより絶縁体のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内に
電子キャリアを誘起できたことに対応する。トランジスタのオン・オフ比は、１０3超で
あった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約７ｃ
ｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【０１１４】
ＰＥＴフィルム上に作成した素子を、曲率半径３０ｍｍで屈曲させ、同様のトランジスタ
特性の測定を行ったが、トランジスタ特性に大幅な変化は認められなかった。また、可視
光を照射して同様の測定を行なったが、トランジスタ特性の変化は認められなかった。
【０１１５】
ゲート絶縁膜としてＡｌ2Ｏ3膜を用いたＴＦＴでも、図６に示したものと類似のトランジ
スタ特性を示したが、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０のときには、ＩDS＝１０-8Ａ，Ｖ
DS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝５．０×１０-6Ａの電流が流れた。トランジスタのオン・オフ
比は、１０2超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領
域において約２ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【０１１６】
ゲート絶縁膜としてＨｆＯ2膜を用いたＴＦＴでも、図６に示したものと類似のトランジ
スタ特性を示したが、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０のときには、ＩDS＝１０-8Ａ，Ｖ
DS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-6Ａの電流が流れた。トランジスタのオン・オフ
比は、１０2超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領
域において約１０ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【０１１７】
実施例１０：ＰＬＤ法によるＩｎ2Ｏ3アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ素子の作成）
図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。まず、ポリエチレン・テレフタレー
ト（ＰＥＴ）フィルム（１）上に、実施例５に示した成膜法により、チャンネル層（２）
として用いる厚さ８０ｎｍのＩｎ2Ｏ3アモルファス酸化物膜を形成した。
【０１１８】
さらにその上に、チャンバー内酸素分圧を１Ｐａ未満にして、さらに酸素ラジカル発生装
置への印加電圧をゼロにして、ＰＬＤ法により、電気伝導度の大きなＩｎ2Ｏ3アモルファ
ス酸化物膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層し、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法
により、ドレイン端子（５）及びソース端子（６）を形成した。
【０１１９】
最後にゲート絶縁膜（３）として用いるＹ2Ｏ3膜を電子ビーム蒸着法により成膜して、そ
の上に金を成膜して、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子（４）
を形成した。
【０１２０】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
ＰＥＴフィルム上に形成したＴＦＴの室温下で測定した電流−電圧特性を測定した。
ドレイン電圧ＶDSの増加に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したことからチャネルがｎ型半
導体であることが分かる。これは、Ｉｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体である
という事実と矛盾しない。ＩDSはＶDS＝５Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的なトラ
ンジスタの挙動を示した。また、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０Ｖ時には、ＩDS＝２×
１０-8Ａ、ＶDS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝２．０×１０-6Ａの電流が流れた。これはゲート
バイアスにより絶縁体のＩｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内に電子キャリアを誘起できた
ことに対応する。トランジスタのオン・オフ比は、約１０2であった。また、出力特性か
ら電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約１０ｃｍ２（Ｖｓ）−１の電界
効果移動度が得られた。
【０１２１】
ガラス基板上に作成したＴＦＴ素子も同様の特性を示した。ＰＥＴフィルム上に作成した
素子を、曲率半径３０ｍｍで曲げ、同様のトランジスタ特性の測定を行ったが、トランジ
スタ特性に変化は認められなかった。
【０１２２】
（実施例１１：ＰＬＤ法によるＩｎ−Ｓｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ素
子の作成）
図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。まず、ポリエチレン・テレフタレー
ト（ＰＥＴ）フィルム（１）上に、実施例６に示した成膜法により、チャンネル層（２）
として用いる厚さ１００ｎｍのＩｎ−Ｓｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を形成した。
【０１２３】
さらにその上に、チャンバー内酸素分圧を１Ｐａ未満にして、さらに酸素ラジカル発生装
置への印加電圧をゼロにして、ＰＬＤ法により、電気伝導度の大きなＩｎ−Ｓｎ−Ｏ系ア
モルファス酸化物膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層し、フォトリゾグラフィー法とリフ
トオフ法により、ドレイン端子（５）及びソース端子（６）を形成した。
【０１２４】
最後にゲート絶縁膜（３）として用いるＹ2Ｏ3膜を電子ビーム蒸着法により成膜し、その
上に金を成膜して、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子（４）を
形成した。
【０１２５】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
ＰＥＴフィルム上に形成したＴＦＴの室温下で測定した電流−電圧特性を測定した。
ドレイン電圧ＶDSの増加に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したことからチャネルがｎ型半
導体であることが分かる。これは、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体
であるという事実と矛盾しない。ＩDSはＶDS＝６Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的
なトランジスタの挙動を示した。また、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０Ｖ時には、ＩDS
＝５×１０-8Ａ、ＶDS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝５．０×１０-5Ａの電流が流れた。これは
ゲートバイアスにより絶縁体のＩｎ−Ｓｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内に電子キャリア
を誘起できたことに対応する。トランジスタのオン・オフ比は、約１０3であった。また
、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約５ｃｍ2（Ｖｓ）-
1の電界効果移動度が得られた。
【０１２６】
ガラス基板上に作成したＴＦＴ素子も同様の特性を示した。ＰＥＴフィルム上に作成した
素子を、曲率半径３０ｍｍで曲げ、同様のトランジスタ特性の測定を行ったが、トランジ
スタ特性に変化は認められなかった。
【０１２７】
（実施例１２：ＰＬＤ法によるＩｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ素
子の作成）
図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。まず、ポリエチレン・テレフタレー
ト（ＰＥＴ）フィルム（１）上に、実施例７に示した成膜法により、チャンネル層（２）
として用いる厚さ１２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を形成した。
【０１２８】
さらにその上に、チャンバー内の酸素分圧を１Ｐａ未満にして、さらに酸素ラジカル発生
装置への印加電圧をゼロにして、ＰＬＤ法により、電気伝導度の大きなＩｎ−Ｇａ−Ｏ系
アモルファス酸化物膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層し、フォトリゾグラフィー法とリ
フトオフ法により、ドレイン端子（５）及びソース端子（６）を形成した
。
【０１２９】
最後にゲート絶縁膜（３）として用いるＹ２Ｏ３膜を電子ビーム蒸着法により成膜し、そ
の上に金を成膜して、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子（４）
を形成した。
【０１３０】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
ＰＥＴフィルム上に形成したＴＦＴの室温下で測定した電流−電圧特性を測定した。
ドレイン電圧ＶDSの増加に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したことからチャネルがｎ型半
導体であることが分かる。これは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体
であるという事実と矛盾しない。ＩDSはＶDS＝６Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的
なトランジスタの挙動を示した。また、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０Ｖ時には、ＩDS
＝１×１０-8Ａ、ＶDS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-6Ａの電流が流れた。これは
ゲートバイアスにより絶縁体のＩｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内に電子キャリア
を誘起できたことに対応する。トランジスタのオン・オフ比は、約１０2であった。また
、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約０．８ｃｍ2（Ｖ
ｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【０１３１】
ガラス基板上に作成したＴＦＴ素子も同様の特性を示した。ＰＥＴフィルム上に作成した
素子を、曲率半径３０ｍｍで曲げ、同様のトランジスタ特性の測定を行ったが、トランジ
スタ特性に大幅な変化は認められなかった。
【０１３２】
なお、上述の実施例で示したように、アモルファス酸化物の電子キャリア濃度を１０18／
ｃｍ3未満にすることでＴＦＴのチャネル層として適用できる。この電子キャリア濃度と
しては、１０17／ｃｍ3以下がより好ましく、１０16／ｃｍ3以下にするとオン・オフ比を
１０３超に大きくすることができるので更に好ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明の成膜方法に係るアモルファス酸化物は、薄膜トランジスタなどの半導体デバイス
に利用できる。そして、この薄膜トランジスタは、例えば、ＬＣＤや有機ＥＬディスプレ
イのスイッチング素子として応用することができ、フレキシブル・ディスプレイをはじめ
、シースルー型のディスプレイ、ＩＣカードやＩＤタグなどに幅広く応用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】第１図は、パルスレーザー蒸着法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物の電子キャリア濃度と成膜中の酸素分圧の関係を示すグラフである。
【図２】第２図は、パルスレーザー蒸着法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電子キャリアの濃度と電子移動度の関係を示すグラフである。
【図３】第３図は、高周波スパッタ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電気伝導度と成膜中の酸素分圧の関係を示すグラフである。
【図４】第４図は、パルスレーザー蒸着法により成膜したＩｎＧａＯ3（Ｚｎ1-xＭｇxＯ）4のｘの値に対する電気伝導度、電子キャリア濃度、電子移動度の変化を示すグラフである。
【図５】第５図は、トップゲート型ＴＦＴ素子構造を示す模式図である。
【図６】第６図は、トップゲート型ＴＦＴ素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図７】第７図は、パルスレーザー蒸着装置を示す模式図である。
【図８】第８図は、スパッタ製膜装置を示す模式図である。
【図１】
2010212696.tif 000003
【図２】
2010212696.tif 000004
【図３】
2010212696.tif 000005
【図４】
2010212696.tif 000006
【図５】
2010212696.tif 000007
【図６】
2010212696.tif 000008
【図７】
2010212696.tif 000009
【図８】
2010212696.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月21日(2010.6.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶化したときの組成が、式ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）m（ｍは６未満の自然数）で示される
酸化物薄膜のパルスレーザー堆積法又は高周波スパッタ法を用いる気相成膜方法において
、
該酸化物の多結晶をターゲットとして、基板の温度は意図的に加温しない状態で、電気抵
抗を高めるための不純物イオンを意図的に薄膜に添加せずに、酸素ガスを含む雰囲気中で
基板上に薄膜を堆積させる際に、
成膜した薄膜の室温での電子キャリヤ濃度が１０16／ｃｍ3以下となる大きさに酸素分圧
の大きさを制御することによって、室温での電子移動度が０．１ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上
、かつ電子キャリヤ濃度が１０16／ｃｍ3以下である半絶縁性である透明Ｉｎ−Ｇａ−Ｚ
ｎ−Ｏ薄膜を成膜することを特徴とするアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法。
【請求項２】
結晶化したときの組成が、式ＩｎＧａＯ3（Ｚｎ1-xＭｇxＯ）m（ｍは６未満の自然数、０
．８０≦ｘ＜０．８５）で示される酸化物薄膜のパルスレーザー堆積法又は高周波スパッ
タ法を用いる気相成膜方法において、
該酸化物の多結晶をターゲットとして、基板の温度は意図的に加温しない状態で、電気抵
抗を高めるための不純物イオンを意図的に薄膜に添加せずに、酸素ガスを含む雰囲気中で
基板上に薄膜を堆積させる際に、
成膜した薄膜の室温での電子キャリヤ濃度が１０16／ｃｍ3以下となる大きさに酸素分圧
の大きさを制御することによって、室温での電子移動度が０．１ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上
、かつ電子キャリヤ濃度が１０16／ｃｍ3以下である半絶縁性である透明Ｉｎ−Ｇａ−Ｚ
ｎ−Ｍｇ−Ｏ薄膜を成膜することを特徴とするアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法。
【請求項３】
基板として、ガラス基板、プラスチック基板またはプラスチックフィルムを用いることを
特徴とする請求項１又は２に記載のアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法。
【請求項４】
パルスレーザー堆積法を用いて、酸素分圧が５Ｐａ超の真空雰囲気で成膜することを特徴
とする請求項１記載のアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法。
【請求項５】
高周波スパッタ法を用いて、酸素分圧が４×１０−２Ｐａ超の酸素ガスとアルゴンガスの
混合雰囲気で成膜することを特徴とする請求項１に記載のアモルファス酸化物薄膜の気相
成膜方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor, ＴＦＴ）は、ゲート端子、ソース端子、及び
、ドレイン端子を備えた３端子素子であり、基板上に成膜した半導体薄膜を、電子又はホ
ールが移動するチャネル層として用い、ゲート端子に電圧を印加して、チャネル層に流れ
る電流を制御し、ソース端子とドレイン端子間の電流をスイッチングする機能を有するア
クテイブ素子である。ＴＦＴとして、現在、最も広く使われているのは多結晶シリコン膜
又はアモルファスシリコン膜をチャネル層材料としたMetal-Insulator-Semiconductor Fi
eld Effect Transistor (MIS―FET)素子である。
【０００３】
また、最近では、ＺｎＯを用いた透明伝導性酸化物多結晶薄膜をチャネル層に用いたＴＦ
Ｔの開発が活発に行われている（特許文献１）。上記薄膜は、低温で成膜でき、かつ可視
光に透明であるため、プラスチック板やフィルムなどの基板上にフレキシブルな透明ＴＦ
Ｔを形成することが可能である。
【０００４】
しかし、従来のＺｎＯは室温で安定なアモルファス相を形成することができず、殆どのＺ
ｎＯは多結晶相を呈するために、多結晶粒子界面の散乱により、電子移動度を大きくする
ことができない。さらに、ＺｎＯは、酸素欠陥が入りやすく、キャリア電子が多数発生し
、電気伝導度を小さくすることが難しい。このために、トランジスタのオン・オフ比を大
きくすることも難しい。
【０００５】
また、特許文献２には、アモルファス酸化物として、ZnxMyInzO(x+3y/2+3z/2)（式中、M
はＡｌ及びＧａのうち少なくとも一つの元素であり、比率x／yが0.2〜12の範囲であり、
比率z／yが0.4〜1.4の範囲にある。）で表される非晶質酸化物が記載されている。しかし
、ここで得られている非晶質酸化物膜の電子キャリア濃度は、１０18／ｃｍ3以上であり
、単なる透明電極として用いるには充分であるもののＴＦＴのチャネル層には適用し難い
ものであった。なぜなら、上記非晶質酸化物膜をチャネル層としたＴＦＴでは、オン・オ
フ比が充分にとれず、ノーマリーオフ型のＴＦＴにはふさわしくないことが判明したから
である。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２９８０６２号公報
【特許文献２】特開２０００−０４４２３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、電子キャリア濃度が低い、アモルファス酸化物薄膜の成膜方法を提供
すること、更には当該アモルファス酸化物薄膜をチャネル層に用いた薄膜トランジスタを
提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、（１）結晶化したときの組成が、式ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）m（ｍは６未満の自
然数）で示される酸化物薄膜のパルスレーザー堆積法又は高周波スパッタ法を用いる気相
成膜方法において、
該酸化物の多結晶をターゲットとして、基板の温度は意図的に加温しない状態で、電気抵
抗を高めるための不純物イオンを意図的に薄膜に添加せずに、酸素ガスを含む雰囲気中で
基板上に薄膜を堆積させる際に、
成膜した薄膜の室温での電子キャリヤ濃度が１０16／ｃｍ3以下となる大きさに酸素分圧
の大きさを制御することによって、室温での電子移動度が０．１ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上
、かつ電子キャリヤ濃度が１０16／ｃｍ3以下である半絶縁性である透明Ｉｎ−Ｇａ−Ｚ
ｎ−Ｏ薄膜を成膜することを特徴とするアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法、である
。
【０００９】
また、本発明は、（２）結晶化したときの組成が、式ＩｎＧａＯ3（Ｚｎ1-xＭｇxＯ）m（
ｍは６未満の自然数、０．８０≦ｘ＜０．８５）で示される酸化物薄膜のパルスレーザー
堆積法又は高周波スパッタ法を用いる気相成膜方法において、
該酸化物の多結晶をターゲットとして、基板の温度は意図的に加温しない状態で、電気抵
抗を高めるための不純物イオンを意図的に薄膜に添加せずに、酸素ガスを含む雰囲気中で
基板上に薄膜を堆積させる際に、
成膜した薄膜の室温での電子キャリヤ濃度が１０16／ｃｍ3以下となる大きさに酸素分圧
の大きさを制御することによって、室温での電子移動度が０．１ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上
、かつ電子キャリヤ濃度が１０16／ｃｍ3以下である半絶縁性である透明Ｉｎ−Ｇａ−Ｚ
ｎ−Ｍｇ−Ｏ薄膜を成膜することを特徴とするアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法、
である。
【００１０】
薄膜トランジスタのチャネル層としては、電子キャリア濃度が、１０18／ｃｍ3未満であ
るアモルファス酸化物を用いることができるが、電子キャリア濃度が、１０17／ｃｍ3以
下が好ましく、あるいは１０16／ｃｍ3以下のアモルファス酸化物であることがさらに好
ましい。また、本発明の方法により、電子キャリア濃度が増加すると共に、電子移動度が
増加することを特徴とするアモルファス酸化物を成膜できる。また、本発明の方法により
、縮退伝導を示すアモルファス酸化物を成膜できる。なお、ここでの縮退伝導とは、電気
抵抗の温度依存性における熱活性化エネルギーが、３０ｍｅＶ以下の状態をいう。
【００１１】
また、本発明は、（３）基板として、ガラス基板、プラスチック基板またはプラスチック
フィルムを用いることを特徴とする上記（１）又は（２）のアモルファス酸化物薄膜の気
相成膜方法、である。
【００１２】
また、本発明は、（４）Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ薄膜を、気相成膜法としてパルスレーザー
堆積法を用いて、酸素分圧が５Ｐａ超の真空雰囲気で成膜することを特徴とする上記（１
）のアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法、である。
【００１３】
また、別の本発明は、（５）Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ薄膜を、気相成膜法として高周波スパ
ッタ法を用いて、酸素分圧が４×１０-2Ｐａ超の酸素ガスとアルゴンガスの混合雰囲気で
成膜することを特徴とする上記（１）のアモルファス酸化物薄膜の気相成膜方法、である
。
【００１４】
本発明の方法により、上記アモルファス酸化物をチャネル層に用いた電界効果型トランジ
スタを製作できる。前記電界効果型トランジスタは、Ａｌ2Ｏ3，Ｙ2Ｏ3、又はＨｆＯ2の
１種、又はそれらの化合物を少なくとも二種含む混晶化合物をゲート絶縁層とすることが
できる。
【００１５】
本発明の方法により、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏから構成され、結晶状態における組成がＩｎ
ＧａＯ3（ＺｎＯ）m（ｍは６未満の自然数）で表され、電子移動度が１ｃｍ2／（Ｖ・秒
）超かつ電子キャリア濃度が１０16／ｃｍ3以下であることを特徴とする透明半絶縁性ア
モルファス酸化物薄膜を成膜できる。
【００１６】
本発明の方法により、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏから構成され、結晶状態の組成がＩｎ
ＧａＯ3（Ｚｎ1-xＭｇxＯ）m（ｍは６未満の自然数、０．８０≦ｘ＜０．８５）で表され
、電子移動度が１ｃｍ2／（Ｖ・秒）超かつ電子キャリア濃度が１０１６／ｃｍ３以下で
あることを特徴とする透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜を成膜できる。
【００１７】
更にまた、本発明は、電気抵抗を高めるための不純物イオンを意図的に添加せず、酸素ガ
スを含む雰囲気中で成膜することを特徴とする上述の透明半絶縁性アモルファス酸化物薄
膜の製造方法である。
【００１８】
本発明の成膜方法で得られるアモルファス酸化物をチャネル層に用いた薄膜トランジスタ
は、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及びチャネル層を備え、前
記チャネル層に、電子キャリア濃度が１０１６／ｃｍ３以下であるアモルファス酸化物が
用いられている。
【００１９】
本発明の方法により、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを含む酸化物であり、原子数比Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ
＝１：１：ｍ（ｍ＜６）であるアモルファス酸化物薄膜を成膜できる。あるいは、Ｉｎ、
Ｇａ、ＺｎおよびＭｇを含む酸化物であり、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ1-xＭｇx＝１：
１：ｍ（ｍ＜６）、０．８０≦ｘ＜０．８５であるアモルファス酸化物薄膜を成膜できる
。
【００２０】
また、本発明の方法により、薄膜トランジスタに、前記アモルファス酸化物として、電子
キャリア濃度が増加すると共に、電子移動度が増加する材料を用いることができる。
【００２１】
本発明によれば、電子キャリア濃度が低い、アモルファス酸化物が提供できるとともに、
それをチャネル層に用いた薄膜トランジスタの提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の方法で成膜するアモルファス酸化物薄膜は、電子キャリア濃度が１０１６／ｃｍ
３以下であることを特徴とする。薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のチャネル層にこの電子キ
ャリア濃度が１０１６／ｃｍ３以下であるアモルファス酸化物を用いることができる。
【００２３】
ＴＦＴは、例えば図５に示すように、基板１上にチャネル層２を設け、当該チャネル層２
上にゲート絶縁膜３、ゲート電極４、ソース電極６、ドレイン電極５を設けることにより
構成される。本発明においては、このチャネル層として用いることができる、電子キャリ
ア濃度が１０１６／ｃｍ３以下であるアモルファス酸化物薄膜を成膜できる。
【００２４】
本発明の成膜法に適用できるＴＦＴの構成は、図５に示したように半導体チャネル層の上
にゲート絶縁膜とゲート端子（電極）とを順に形成するスタガ型（トップゲート型）構造
に限らず、例えば、ゲート端子の上にゲート絶縁膜と半導体チャネル層を順に備える逆ス
タガ型（ボトムゲート型）構造でもよい。前述の電子キャリア濃度は、室温で測定する場
合の値である。室温とは、例えば２５℃であり、具体的には０℃から４０℃程度の範囲か
ら適宜選択されるある温度である。
【００２５】
なお、本発明の成膜法に係るアモルファス酸化物の電子キャリア濃度は、０℃から４０℃
の範囲全てにおいて、１０１６／ｃｍ３以下を充足する必要はない。例えば、２５℃にお
いて、キャリア電子密度１０１６／ｃｍ３以下が実現されていればよい。また、電子キャ
リア濃度を１０16／ｃｍ3以下にするとノーマリーオフのＴＦＴが歩留まり良く得られる
。電子キャリア濃度の測定は、ホール効果測定により求めることが出来る。
【００２６】
なお、本発明において、アモルファス酸化物とは、Ｘ線回折スペクトルにおいて、ハロー
パターンが観測され、特定の回折線を示さない酸化物をいう。本発明の成膜法に係るアモ
ルファス酸化物における、電子キャリア濃度の下限値は、ＴＦＴのチャネル層として適用
できれば特に限定されるものではない。下限値は、例えば、１０12／ｃｍ3である。
【００２７】
従って、本発明においては、後述する各実施例のようにアモルファス酸化物の材料、組成
比、製造条件などを制御して、例えば、電子キャリア濃度を、１０12／ｃｍ3以上１０16
／ｃｍ3以下とする。より好ましくは１０13／ｃｍ3以上１０16／ｃｍ3以下、更には１０1
5／ｃｍ3以上１０16／ｃｍ3以下の範囲にすることが好ましいものである。
【００２８】
なお、電子移動度としては、室温で測定する場合に、０．１ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上、好
ましくは１ｃｍ2／（Ｖ・秒）、より好適には５ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上となるようにする
ことが好ましい。なお、上記アモルファス酸化物は、電子キャリア濃度が増加するととも
に、電子移動度が増加する。また、その伝導性が縮退伝導を示す傾向にある。縮退伝導と
は、電気抵抗の温度依存性における熱活性化エネルギーが、３０ｍｅV以下の状態をいう
。
【００２９】
（アモルファス酸化物の材料）
本発明の成膜方法に係るアモルファス酸化物は、結晶化したときの組成が、式ＩｎＧａＯ
3（ＺｎＯ）m（ｍは６未満の自然数）で示される酸化物、又は、式Ｚｎ1-xＭｇxＯm（ｍ
は６未満の自然数、０．８０≦ｘ＜０．８５）で示される酸化物である。
【００３０】
結晶状態における組成がInGaO3(ZnO)m(mは６未満の数)で表される透明アモルファス酸化
物薄膜は、ｍの値が６未満の場合は、８００℃以上の高温まで、アモルファス状態が安定
に保たれるが、ｍの値が大きくなるにつれ、すなわち、InGaO3に対するZnOの比が増大し
て、ＺｎＯ組成に近づくにつれ、結晶化しやすくなる。したがって、アモルファスＴＦＴ
のチャネル層としては、ｍの値が６未満であることが好ましい。スパッタリング法やパル
スレーザー蒸着法により成膜を行う際のターゲット材料（例えば多結晶体）の組成比を、
上記ｍ＜６を満たすようにすれば、所望のアモルファス酸化物が得られる。
【００３１】
また、上記アモルファス酸化物としては、上記ＩｎＧａＺｎの構成比において、ＺｎをＺ
ｎ1-xＭｇxに置換することもできる。Ｍｇの置換量は、０＜ｘ≦１の範囲で可能であり、
置換量が多くなるほど電子キャリア濃度が小さくなる。なお、Ｍｇに置換すると、酸化物
膜の電子移動度は、Ｍｇ無添加膜に比べて低下するが、その程度は少なく、一方でさらに
、電子キャリア濃度を置換しない場合に比べて下げることができるので、ＴＦＴのチャネ
ル層としてはより好適である。Ｍｇの置換量は、好ましくは、２０％超、８５％未満（ｘ
にして、０．２＜ｘ＜０．８５）、より好ましくは、０．５＜ｘ＜０．８５であり、電子
キャリア濃度を１０16／ｃｍ3以下にするには、図４に示すように０．８０≦ｘ＜０．８
５とする。
【００３２】
（アモルファス酸化物の製造方法）
本発明の成膜方法に係わるアモルファス酸化物は、以下の各実施例に示す条件下において
気相成膜法を利用して形成することができる。例えば、ＩｎＧａＺｎアモルファス酸化物
を得るには、InGaO3(ZnO)m組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして、スパッタ法（
ＳＰ法）、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）及び電子ビーム蒸着法などの気相法により
成膜を行う。尚、量産性の観点からは、スパッタ法が最も適している。
【００３３】
なお、成膜後に電子キャリア濃度を増加させる必要がある場合には、当該膜を還元雰囲気
中で、熱処理をすることにより電子キャリア濃度を増加させることができる。こうして得
られた電子キャリア濃度の異なるアモルファス酸化物膜について、電子移動度の電子キャ
リア濃度依存性を調べると、電子移動度は電子キャリア濃度が増加すると共に増加してい
る。
【００３４】
（基板）
本発明の成膜方法に係わるアモルファス酸化物薄膜を用いた薄膜トランジスタを形成する
際の基板としては、ガラス基板、プラスチック基板、プラスチックフィルムなどを用いる
ことができる。なお、後述の実施例で説明するように、本発明の成膜方法に係るアモルフ
ァス酸化物は、室温で成膜することができるので、ＰＥＴフィルムをはじめとするフレキ
シブル素材上に薄膜トランジスタを設けることが出来る。また、上述のアモルファス酸化
物を適宜選択し、波長400nm以上の可視光や赤外光に対して透明である材料を用いてＴＦ
Ｔを作製することもできる。
【００３５】
（ゲート絶縁膜）
本発明の成膜方法に係る薄膜トランジスタにおけるゲート絶縁膜としては、Ａｌ2Ｏ3，Ｙ
2Ｏ3，ＨｆＯ2，又はそれらの化合物を少なくとも二つ以上含む混晶化合物をゲート絶縁
膜とすることが好ましい。ゲート絶縁薄膜とチャネル層薄膜との界面に欠陥が存在すると
、電子移動度の低下及びトランジスタ特性にヒステリシスが生じる。また、ゲート絶縁膜
の種類により、リーク電流が大きく異なる。このために、チャネル層に適合したゲート絶
縁膜を選定する必要がある。
【００３６】
Ａｌ2Ｏ3膜を用いれば、リーク電流を低減できる。また、Ｙ2Ｏ3膜を用いればヒステリシ
スを小さくできる。さらに、高誘電率のＨｆＯ2膜を用いれば、電界効果移動度を大きく
することができる。また、これらの化合物の混晶からなる膜を用いて、リーク電流、ヒス
テリシスが小さく、電界効果移動度の大きなＴＦＴを形成できる。また、ゲート絶縁膜形
成プロセス及びチャネル層形成プロセスは、室温で行うことができるので、ＴＦＴ構造と
して、スタガ構造及び逆スタガ構造いずれをも形成することができる。
【００３７】
（トランジスタ）
電子キャリア濃度が１０１６／ｃｍ３以下のアモルファス酸化物膜をチャネル層に用い、
ソース端子、ドレイン端子及びゲート絶縁膜を介してゲート端子を配した電界効果型トラ
ンジスタを構成すると、ソース・ドレイン端子間に５Ｖ程度の電圧を印加したとき、ゲー
ト電圧を印加しないときのソース・ドレイン端子間の電流を約１０-7アンペヤにすること
ができる。電子キャリア濃度の理論的下限界は、価電子帯の電子が熱的に励起されるとす
ると仮定すると、１０5／ｃｍ3以下であるが、実際的な可能性としては、１０12／ｃｍ3
程度である。
【００３８】
また、Ａｌ2Ｏ3，Ｙ2Ｏ3，又はＨｆＯ2の１種、又はそれらの化合物を少なくとも二種以
上含む混晶化合物をゲート絶縁層として用いれば、ソース・ゲート端子間及びドレイン・
ゲート端子間のリーク電流を約１０-7アンペヤにすることができ、ノーマリーオフ・トラ
ンジスタを実現できる。
【００３９】
酸化物結晶の電子移動度は、金属イオンのｓ軌道の重なりが大きくなるほど、大きくなり
、原子番号の大きなＺｎ，Ｉｎの酸化物結晶は、０．１から２００ｃｍ2／（Ｖ・秒）の
大きな電子移動度を持つ。さらに、酸化物では、酸素と金属イオンとがイオン結合してい
るために、化学結合の方向性がなく、構造がランダムで、結合の方向が不均一なアモルフ
ァス状態でも、電子移動度は、結晶状態の電子移動度に比較して、同程度の大きさを有す
ることが可能となる。一方で、Ｚｎ，Ｉｎを原子番号の小さな元素で置換することにより
、電子移動度は小さくなる。従って、上記したアモルファス酸化物を用いることにより、
電子移動度を、約０．０１ｃｍ2／（Ｖ・秒）から２０ｃｍ2／（Ｖ・秒）の範囲に制御で
きる。
【００４０】
また、通常の化合物では、キャリア濃度が増加するにつれて、キャリア間の散乱などによ
り、電子移動度は減少するが、それに対して、本発明の成膜方法に係わるアモルファス酸
化物では、電子キャリア濃度の増加とともに、電子移動度が増加するが、その物理機構は
明確でない。
【００４１】
ゲート端子に電圧を印加すると、上記アモルファス酸化物チャネル層に、電子を注入でき
るので、ソース・ドレイン端子間に電流が流れ、両端子間がオン状態になる。本発明の成
膜方法によるアモルファス酸化膜は、電子キャリア濃度が増加すると、電子移動度が大き
くなるので、トランジスタがオン状態での電流を、より大きくすることができる。すなわ
ち、飽和電流及びオン・オフ比をより大きくすることができる。電子移動度が大きなアモ
ルファス酸化物膜をＴＦＴのチャネル層として用いれば、飽和電流を大きくすることがで
きるし、また、ＴＦＴのスウィッチング速度を大きくでき、高速動作が可能となる。
【００４２】
例えば、電子移動度が、０．０１ｃｍ2／（Ｖ・秒）程度であれば、液晶表示素子を駆動
するＴＦＴのチャネル層として用いることができる。また、電子移動度が、０．１ｃｍ2
／（Ｖ・秒）程度であるアモルファス酸化物膜を用いれば、アモルファスシリコン膜を用
いたＴＦＴと同等以上の性能を有し、動画像用表示素子を駆動するＴＦＴを作成すること
ができる。
【００４３】
さらに、電流で駆動する有機発光ダイオードを動作させる場合など大きな電流を必要とす
るＴＦＴを実現するためには、電子移動度は、１ｃｍ2／（Ｖ・秒）超であることが望ま
しい。なお、本発明の成膜方法により得られる縮退伝導を示すアモルファス酸化物をチャ
ネル層に用いた場合、電子キャリア濃度が多い状態での電流、すなわちトランジスタの飽
和電流の温度依存性が小さくなり、温度特性に優れたＴＦＴを実現できる。
【００４４】
実施例
（実施例１：ＰＬＤ法によるアモルファスIn-Ga-Zn-O薄膜の作製）
図７に示すようなＰＬＤ成膜装置を用いて、成膜を行った。同図において、７０１はＲＰ
（ロータリーポンプ）、７０２はＴＭＰ（ターボ分子ポンプ）、７０３は準備室、７０４
はＲＨＥＥＤ用電子銃、７０５は基板を回転、上下移動するための基板保持手段、７０６
はレーザー入射窓、７０７は基板、７０８はターゲット、７０９はラジカル源、７１０は
ガス導入口、７１１はターゲットを回転、上下移動するためのターゲット保持手段、７１
２はバイパスライン、７１３はメインライン、７１４はＴＭＰ（ターボ分子ポンプ）、７
１５はＲＰ（ロータリーポンプ）、７１６はチタンゲッターポンプ、７１７はシャッター
である。また、図中７１８はＩＧ（イオン真空計）、７１９はＰＧ（ピラニ真空計）、７
２０はＢＧ（バラトロン真空計）、７２１は成長室（チャンバー）である。
【００４５】
KrFエキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法により、SiO2ガラス基板（コーニン
グ社製1737）上にIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を堆積させた。堆積前の処
理として、基板の超音波による脱脂洗浄を、アセトン,エタノール, 超純水を用いて、各5
分間行った後、空気中100℃で乾燥させた。
【００４６】
前記多結晶ターゲットには、InGaO3(ZnO)4焼結体ターゲット（サイズ20mmΦ5mmt）を用い
た。これは、出発原料として、In2O3：Ga2O3：ZnO（各4N試薬）を湿式混合した後(溶媒：
エタノール)、仮焼（1000℃： 2h）、乾式粉砕、本焼結（1550 ℃： 2h）)を経て得られ
るものである。こうして作製したターゲットの電気伝導度は、90(S/cm)であった。
【００４７】
成長室の到達真空を2×10-6(Pa)にして、成長中の酸素分圧を6.5 (Pa)に制御して成膜を
行った。チャンバー７２１内酸素分圧は６．５Pa、基板温度は25℃である。なお、ターゲ
ット７０８と被成膜基板７０７間の距離は、30(mm)であり、入射窓７１６から入射される
ＫｒＦエキシマレーザーのパワーは、１.5-3(mJ/cm2/pulse)の範囲である。また、パルス
幅は、20(nsec)、繰り返し周波数は10(Hz)、そして照射スポット径は、1×1(mm角)とした
。こうして、成膜レート7(nm/min)で成膜を行った。
【００４８】
得られた薄膜について、薄膜のすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角0.5度）を行った
ところ、明瞭な回折ピークは認めらなかったことから、作製したIn-Ga-Zn-O系薄膜はアモ
ルファスであるといえる。さらに、Ｘ線反射率測定を行い、パターンの解析を行った結果
、薄膜の平均二乗粗さ（Rrms）は約0.5 nmであり、膜厚は約120 nmであることが分かった
。蛍光Ｘ線（XRF）分析の結果、薄膜の金属組成比はIn：Ga：Zn＝0.98：1.02：4であった
。電気伝導度は、約10-2 S/cm未満であった。電子キャリア濃度は約1016/cm3以下、電子
移動度は約５cm2／（Ｖ・秒）と推定される。
【００４９】
光吸収スペクトルの解析から、作製したアモルファス薄膜の禁制帯エネルギー幅は、約3 
eVと求まった。以上のことから、作製したIn-Ga-Zn-O系薄膜は、結晶のInGaO3(ZnO)4の組
成に近いアモルファス相を呈しており、酸素欠損が少なく、電気伝導度が小さな透明な平
坦薄膜であることが分かった。
【００５０】
具体的に図１を用いて説明する。同図は、In-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態を仮定した
時の組成がInGaO3(ZnO)m(mは６未満の数)で表される透明アモルファス酸化物薄膜を本実
施例と同じ条件下で作成する場合に、酸素分圧を変化させた場合に、成膜された酸化物の
電子キャリア濃度の変化を示したものである。
【００５１】
本実施例と同じ条件下で酸素分圧を４．５Ｐａ超の高い雰囲気中で、成膜することにより
、図１に示すように、電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満に低下させることができた
。この場合、基板の温度は意図的に加温しない状態で、ほぼ室温に維持されている。フレ
キシブルなプラスチックフィルムを基板として使用するには、基板温度は100℃未満に保
つことが好ましい。
【００５２】
酸素分圧をさらに大きくすると、電子キャリア濃度をさらに低下させることができる。例
えば、図１に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧５Ｐａで成膜したInGaO3(ZnO)4薄膜で
は、さらに、電子キャリア濃度を１０16／ｃｍ3に低下させることができた。
【００５３】
得られた薄膜は、図２に示す様に、電子移動度が１ｃｍ2／（Ｖ・秒）超であった。しか
し、本実施例のパルスレーザー蒸着法では、酸素分圧を６．５Ｐａ以上にすると、堆積し
た膜の表面が凸凹となり、ＴＦＴのチャネル層として用いることが困難となる。従って、
酸素分圧を望ましくは５Ｐａ超、６．５Ｐａ未満の雰囲気で、パルスレーザー蒸着法で作
製したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏから構成され、結晶状態における組成ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ
）m（ｍは６未満の数）で表される透明アモルファス酸化物薄膜を用いれば、ノーマリー
オフのトランジスタを構成することができる。
【００５４】
また、該薄膜の電子移動度は、１ｃｍ2／Ｖ・秒超が得られ、オン・オフ比を１０3超に大
きくすることができた。以上、説明したように、本実施例に示した条件下でＰＬＤ法によ
りＩｎＧａＺｎ酸化物の成膜を行う場合は、酸素分圧を５Ｐａ以上６．５Ｐａ未満になる
ように制御することが望ましい。なお、電子キャリア濃度を１０16／ｃｍ3を実現するた
めには、酸素分圧の条件、成膜装置の構成や、成膜する材料や組成などに依存する。
【００５５】
（実施例２：ＰＬＤ法によるアモルファスＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）及びＩｎＧａＯ3（Ｚｎ
Ｏ）4酸化物膜の成膜）
ＫｒＦエキシマレーザーを用いたＰＬＤ法により、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）及びＩｎＧａ
Ｏ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をそれぞれターゲットとして、ガラス基板（コ
ーニング社製１７３７）上にＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を堆積させた
。ＰＬＤ成膜装置は、実施例１で示したものを用い、成膜条件は上記と同様とした。基板
温度は２５℃で成膜を行った。
【００５６】
得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角０．５度）を行ったと
ころ、明瞭な回折ピークは検出されず、２種類のターゲットから作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇ
ａ−Ｏ系膜は、いずれもアモルファス膜であることが示された。
【００５７】
さらに、ガラス基板上のＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜のＸ線反射率測定
を行い、パターンの解析を行った結果、薄膜の平均二乗粗さ（Ｒｒｍｓ）は約０．５ｎｍ
であり、膜厚は約１２０ｎｍであることが分かった。蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、Ｉ
ｎＧａＯ3（ＺｎＯ）組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られた膜の金属原
子組成比はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１．１：１．１：０．９であった。また、ＩｎＧａＯ3（
ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られた膜の金属原子組成比は
、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝０．９８：１．０２：４であった。
【００５８】
成膜時の雰囲気の酸素分圧を変化させ、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結
体をターゲットとして得られたアモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度を測定した。そ
の結果を図１に示す。酸素分圧が４．５Ｐａ超の雰囲気中で成膜することにより、電子キ
ャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満に低下させることができた。この場合、基板の温度は意
図的に加温しない状態でほぼ室温に維持されている。また、酸素分圧が６．５Ｐａ未満の
時は、得られたアモルファス酸化物膜の表面は平坦であった。
【００５９】
酸素分圧が５Ｐａの時、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲット
として得られたアモルファス酸化膜の電子キャリア濃度は１０16／ｃｍ3、電気伝導度は
、１０-2Ｓ／ｃｍであった。また、電子移動度は、約５ｃｍ2／Ｖ・秒と推測された。光
吸収スペクトルの解析から、作製したアモルファス酸化物膜の禁制帯エネルギー幅は、約
３ｅＶと求まった。酸素分圧を５Ｐａからさらに大きくすると、電子キャリア濃度を１０
16／ｃｍ3よりもさらに低下させることができた。
【００６０】
図１に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧６Ｐａで成膜したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系ア
モルファス酸化物膜では、電子キャリア濃度を８×１０15／ｃｍ3（電気伝導度：約８×
１０-3Ｓ／ｃｍ）に低下させることができた。得られた膜は、電子移動度が１ｃｍ2／（
Ｖ・秒）超と推測された。しかし、ＰＬＤ法では、酸素分圧を６．５Ｐａ以上にすると、
堆積した膜の表面が凸凹となり、ＴＦＴのチャネル層として用いることが困難となった。
【００６１】
ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、異なる酸素分圧で
成膜したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜に関して、電子キャリア濃度と電
子移動度の関係を調べた。その結果を図２に示す。電子キャリア濃度が、１０16／ｃｍ3
から１０20／ｃｍ3に増加すると、電子移動度は、約３ｃｍ2／（Ｖ・秒）から約１１ｃｍ
2／（Ｖ・秒）に増加ことが示された。また、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）組成を有する多結晶
焼結体をターゲットとして得られたアモルファス酸化膜に関しても、同様の傾向が見られ
た。
【００６２】
ガラス基板の代わりに厚さ２００μｍのポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）フィル
ムを用いた場合にも、得られたＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜は、同様の
特性を示した。
【００６３】
（実施例３：ＳＰ法によるＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の成膜）
雰囲気ガスとしてアルゴンガスを用いた高周波ＳＰ法により、成膜する場合について説明
する。ＳＰ法は、図８に示す装置を用いて行った。同図において、８０７は被成膜基板、
８０８はターゲット、８０５は冷却機構付き基板保持手段、８１４は、ターボ分子ポンプ
、８１５はロータリーポンプ、８１７はシャッター、８１８はイオン真空計、８１９はピ
ラニ真空計、８２１は成長室（チャンバー）、８３０はゲートバルブである。被成膜基板
８０７としては、ＳｉＯ２ガラス基板（コーニング社製１７３７）を用意した。成膜前処
理として、この基板の超音波脱脂洗浄を、アセトン、エタノール、超純水により各５分ず
つ行った後、空気中１００℃で乾燥させた。
【００６４】
ターゲット材料としては、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体（サイズ２
０ｍｍΦ５ｍｍｔ）を用いた。この焼結体は、出発原料として、Ｉｎ2Ｏ3：Ｇａ2Ｏ3：Ｚ
ｎＯ（各４Ｎ試薬）を湿式混合（溶媒：エタノール）し、仮焼（１０００℃：２ｈ）、乾
式粉砕、本焼結（１５５０℃：２ｈ）を経て作製した。このターゲット８０８の電気伝導
度は９０（Ｓ／ｃｍ）であり、半絶縁体状態であった。
【００６５】
成長室８２１内の到達真空は、１×１０-4（Ｐａ）であり、成長中の酸素ガスとアルゴン
ガスの全圧は、４〜０．１ｘ１０-1（Ｐａ）の範囲での一定の値とし、アルゴンガスと酸
素との分圧比を変えて、酸素分圧を、１０-3〜２ｘ１０-1（Ｐａ）の範囲で変化させた。
また、基板温度は、室温とし、ターゲット８０８と被成膜基板８０７間の距離は、３０（
ｍｍ）であった。投入電力は、ＲＦ１８０Ｗであり、成膜レートは、１０（ｎｍ／ｍｉｎ
）で行った。
【００６６】
得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角＝０．５度）を行った
ところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系膜はアモルフ
ァス膜であることが示された。さらに、Ｘ線反射率測定を行い、パターンの解析を行った
結果、薄膜の平均二乗粗さ（Ｒｒｍｓ）は約０．５ｎｍであり、膜厚は約１２０ｎｍであ
ることが分かった。蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、薄膜の金属組成比はＩｎ: Ga : Zn 
= 0.98 : 1.02 : 4であった。
【００６７】
成膜時の雰囲気の酸素分圧を変化させて得られたアモルファス酸化物膜の電気伝導度を測
定した。その結果を図３に示す。図３に示すように、酸素分圧を４×１０-2Ｐａ超の高い
雰囲気中で、成膜することにより、電気伝導度を１０−２Ｓ／ｃｍ未満に低下させること
ができた。
【００６８】
酸素分圧をさらに大きくすることにより、電子キャリア濃度を低下させることができた。
例えば、図３に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧１０-1Ｐａで成膜したInGaO3(ZnO)4
薄膜では、さらに、電気伝導度を約１０-10Ｓ／ｃｍに低下させることができた。また、
酸素分圧１０-1Ｐａ超で成膜したInGaO3(ZnO)4薄膜は、電気抵抗が高すぎて電気伝導度は
測定できなかった。この場合、電子移動度は測定できなかったが、電子キャリア濃度が大
きな膜での値から外挿して、電子移動度は、約１ｃｍ2／Ｖ・秒と推定された。
【００６９】
すなわち、酸素分圧４×１０-2Ｐａ超、望ましくは5×１０-1Ｐａ以下のアルゴンガス雰
囲気で、スパッタ蒸着法で作製したIn-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態における組成InGa
O3(ZnO)m(mは６未満の自然数)で表される透明アモルファス酸化物薄膜を用い、ノーマリ
ーオフで、かつオン・オフ比を１０3超のトランジスタを構成することができた。
【００７０】
本実施例で示した装置、材料を用いる場合は、スパッタによる成膜の際の酸素分圧として
は、例えば、４×１０-2Ｐａ以上、５×１０-1Ｐａ以下の範囲である。なお、パルスレー
ザー蒸着法およびスパッタ法で作成された薄膜では、図２に示す様に、伝導電子数の増加
と共に、電子移動度が増加する。
【００７１】
上記のとおり、酸素分圧を制御することにより、酸素欠陥を低減でき、その結果、電子キ
ャリア濃度を減少できる。また、アモルファス状態では、多結晶状態とは異なり、本質的
に粒子界面が存在しないために、高電子移動度のアモルファス薄膜を得ることができる。
なお、ガラス基板の代わりに厚さ２００μｍのポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）
フィルムを用いた場合にも、得られたＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4アモルファス酸化物膜は、
同様の特性を示した。
【００７２】
（実施例４：ＰＬＤ法によるＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の成膜
）
次に、ＰＬＤ法により、ガラス基板上にＩｎＧａＯ3 (Ｚｎ1-xＭｇxＯ)4(0＜x＜1)膜を成
膜する場合について説明する。成膜装置としては、図７に記載の成膜装置を用いて行った
。被成膜基板としては、SiO2ガラス基板（コーニング社製1737）を用意した。その基板に
前処理として、超音波脱脂洗浄を、アセトン、エタノール、超純水により各5分間ずつ行
った後、空気中１００℃で.乾燥させた。
【００７３】
ターゲットとしては、InGa(Zn1-xMgxO)4(x=1-0)焼結体（サイズ20mmΦ5mmt）を用いた。
ターゲットは、出発原料In2O3：Ga2O3：ZnO：MgO（各4N試薬）を、湿式混合(溶媒：エタ
ノール)、仮焼（1000℃：2h）、乾式粉砕、本焼結（1550℃：2h）を経て作製した。
【００７４】
成長室到達真空は、2×10-6(Pa)であり、成長中の酸素分圧は、0.8(Pa)とした。基板温度
は、室温（２５℃）で行い、ターゲットと被成膜基板間の距離は、30(mm)であった。なお
、ＫｒＦエキシマレーザーのパワーは、１.5(mJ/cm2/pulse)、パルス幅は、20(nsec)、繰
り返し周波数は、10(Hz)、照射スポット径は、1×1(mm角)とした。成膜レートは、7(nm/m
in)であった。
【００７５】
このようにして得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角 0.5度
）を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ−
Ｏ系膜はアモルファス膜であることが示された。得られた膜の表面は平坦であった。
【００７６】
異なるｘ値のターゲットを用いて、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気中で成膜したＩｎ−Ｚｎ
−Ｇａ−Ｍｇ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電気伝導度、電子キャリア濃度及び電子移動
度のｘ値依存性を調べた。尚、ターゲットとして、多結晶InGaO3(Zn1-xＭｇxO)m(mは６未
満の自然数、0<x≦1を用いれば、１Ｐａ未満の酸素分圧下でも、高抵抗アモルファスInGa
O3(Zn1-xＭｇxO)m膜を得ることができた。
【００７７】
その結果を、図４に示す。ｘ値が０．４超のとき、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気中で、Ｐ
ＬＤ法により成膜したアモルファス酸化物膜では、電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未
満にできることが示された。また、ｘ値が０．４超のアモルファス酸化物膜では、電子移
動度は、１ｃｍ2／Ｖ・秒超であった。図４に示すように、Ｚｎを８０原子％のＭｇで置
換したターゲットを使用した場合、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気で、パルスレーザー堆積
法で得られた膜の電子キャリア濃度を１０16／ｃｍ3未満とすることができる。
【００７８】
こうした膜の電子移動度は、Ｍｇ無添加膜に比べて低下するが、その程度は少なく、室温
での電子移動度は約５ｃｍ2／（Ｖ・秒）で、アモルファスシリコンに比べて、１桁程度
大きな値を示す。同じ条件で成膜した場合、Ｍｇ含有量の増加に対して、電気伝導度と電
子移動度は、共に低下する。
【００７９】
なお、ガラス基板の代わりに厚さ２００μｍのポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）
フィルムを用いた場合にも、得られたＩｎＧａＯ3 (Ｚｎ1-xＭｇxＯ)4(0<x≦1)アモルフ
ァス酸化物膜は、同様の特性を示した。
【００８０】
（実施例５：Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ素子の作製（
ガラス基板））
図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。まず、ガラス基板（１）上に、Ｉｎ
ＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、酸素分圧５Ｐａの条
件で、実施例１のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の作製法により、チャン
ネル層（２）として用いる厚さ１２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス膜を形
成した。
【００８１】
さらにその上に、チャンバー内の酸素分圧を１Ｐａ未満にして、ＰＬＤ法により電気伝導
度の大きなＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層し、
フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子（５）及びソース端子（６
）を形成した。
【００８２】
最後にゲート絶縁膜（３）として用いるＹ2Ｏ3膜を電子ビーム蒸着法により成膜し（厚み
：９０ｎｍ、比誘電率：約１５、リーク電流密度：０．５ＭＶ／ｃｍ印加時に１０-3Ａ／
ｃｍ2）、その上に金を成膜し、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート
端子（４）を形成した。チャネル長は、５０μｍで、チャネル幅は、２００μｍであった
。
【００８３】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
図６に、室温下で測定したＴＦＴ素子の電流−電圧特性を示す。ドレイン電圧ＶDSの増加
に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したことからチャネルがｎ型伝導であることが分かる。
これは、アモルファスＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体である
という事実と矛盾しない。ＩDSはＶDS＝６Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的な半導
体トランジスタの挙動を示した。利得特性を調べたところ、ＶDS＝４Ｖ印加時におけるゲ
ート電圧ＶGSの閾値は約−０．５Ｖであった。また、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝１０
Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-5Ａの電流が流れた。これはゲートバイアスにより絶縁体
のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内にキャリアを誘起できたことに対応す
る。トランジスタのオン・オフ比は、１０3超であった。また、出力特性から電界効果移
動度を算出したところ、飽和領域において約７ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得ら
れた。
【００８４】
作製した素子に可視光を照射して同様の測定を行なったが、トランジスタ特性の変化は認
められなかった。なお、アモルファス酸化物の電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満に
することでＴＦＴのチャネル層として適用できる。この電子キャリア濃度としては、０17
／ｃｍ3以下がより好ましく、１０16／ｃｍ3以下にすると更に好ましかった。
【００８５】
本実施例によれば、電子キャリア濃度が小さく、したがって、電気抵抗が高く、かつ電
子移動度が大きいチャネル層を有する薄膜トランジスタを実現でさる。なお、上記したア
モルファス酸化物は、電子キャリア濃度の増加と共に、電子移動度が増加し、さらに縮退
伝導を示すという優れた特性を備えていた。本実施例では、ガラス基板上に薄膜トランジ
スタを作製したが、成膜自体が室温で行えるので、プラスチック板やフィルムなどの基板
が使用可能である。また、本実施例で得られたアモルファス酸化物は、可視光の光吸収が
殆どなく、透明なフレキシブルＴＦＴを実現できる。
【００８６】
（実施例６：Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ素子の作製）
図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。具体的には、ポリエチレン・テレフ
タレート（ＰＥＴ）フィルム（１）上に、実施例２に示した成膜法により、ＩｎＧａＯ3
（ＺｎＯ）組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、酸素分圧５Ｐａの雰囲気で、チ
ャンネル層（２）として用いる厚さ１２０ｎｍのＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸
化物膜を形成した。
【００８７】
さらにその上に、チャンバー内酸素分圧を１Ｐａ未満にして、ＰＬＤ法により電気伝導度
の大きなＩｎ−Ｚｒ−Ｇａ−Ｏ糸アモルファス酸化物膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層
し、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子（５）及びソース端子
（６）を形成した。
【００８８】
最後にゲート絶縁膜（３）を電子ビーム蒸着法により成膜して、その上に金を成膜し、フ
ォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子（４）を形成した。チャネル長
は、５０μｍで、チャネル幅は、２００μｍであった。ゲート絶縁膜として、Ｙ2Ｏ3（厚
さ：１４０ｎｍ），Ａｌ2Ｏ3（厚さ：１３０ｎｍ）及びＨｆＯ2（厚さ：１４０ｎｍ）を
用いた３種類の上記の構造を有するＴＦＴを作成した。
【００８９】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
ＰＥＴフィルム上に形成したＴＦＴの室温下で測定した電流−電圧特性は、図６と同様
であった。すなわち、ドレイン電圧ＶDSの増加に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したこと
から、チャネルがｎ型伝導であることが分かる。これは、アモルファスＩｎ−Ｇａ−
Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体であるという事実と矛盾しない。ＩDSは
ＶDS＝６Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的なトランジスタの挙動を示した。また、
ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-5Ａの電流が流れた。
これはゲートバイアスにより絶縁体のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内に
電子キャリアを誘起できたことに対応する。トランジスタのオン・オフ比は、１０3超で
あった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約７ｃ
ｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【００９０】
ＰＥＴフィルム上に作成した素子を、曲率半径３０ｍｍで屈曲させ、同様のトランジスタ
特性の測定を行ったが、トランジスタ特性に大幅な変化は認められなかった。また、可視
光を照射して同様の測定を行なったが、トランジスタ特性の変化は認められなかった。
【００９１】
ゲート絶縁膜としてＡｌ2Ｏ3膜を用いたＴＦＴでも、図６に示したものと類似のトランジ
スタ特性を示したが、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０のときには、ＩDS＝１０-8Ａ，Ｖ
DS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝５．０×１０-6Ａの電流が流れた。トランジスタのオン・オフ
比は、１０2超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領
域において約２ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【００９２】
ゲート絶縁膜としてＨｆＯ2膜を用いたＴＦＴでも、図６に示したものと類似のトランジ
スタ特性を示したが、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０のときには、ＩDS＝１０-8Ａ，Ｖ
DS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-6Ａの電流が流れた。トランジスタのオン・オフ
比は、１０2超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領
域において約１０ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明の成膜方法に係るアモルファス酸化物は、薄膜トランジスタなどの半導体デバイス
に利用できる。そして、この薄膜トランジスタは、例えば、ＬＣＤや有機ＥＬディスプレ
イのスイッチング素子として応用することができ、フレキシブル・ディスプレイをはじめ
、シースルー型のディスプレイ、ＩＣカードやＩＤタグなどに幅広く応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】第１図は、パルスレーザー蒸着法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物の電子キャリア濃度と成膜中の酸素分圧の関係を示すグラフである。
【図２】第２図は、パルスレーザー蒸着法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電子キャリアの濃度と電子移動度の関係を示すグラフである。
【図３】第３図は、高周波スパッタ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電気伝導度と成膜中の酸素分圧の関係を示すグラフである。
【図４】第４図は、パルスレーザー蒸着法により成膜したＩｎＧａＯ3（Ｚｎ1-xＭｇxＯ）4のｘの値に対する電気伝導度、電子キャリア濃度、電子移動度の変化を示すグラフである。
【図５】第５図は、トップゲート型ＴＦＴ素子構造を示す模式図である。
【図６】第６図は、トップゲート型ＴＦＴ素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図７】第７図は、パルスレーザー蒸着装置を示す模式図である。
【図８】第８図は、スパッタ製膜装置を示す模式図である。