(57)【要約】【課題】トランジスタのチャネルに用いられる酸化物材料に工夫を加え、上記ヒステリシスの低減を図ることを目的とする。【解決手段】電界効果型トランジスタのチャネル層に用いるＧａとＩｎとＺｎ、ＳｎとＩｎとＺｎ、ＩｎとＺｎとＧａとＭｇ、ＩｎとＳｎ、ＩｎとＧａ、又はＩｎとＺｎを含むアモルファス酸化物膜の製造方法であって、基板を成膜装置内に配置する工程と、水素ガスと酸素ガスとを前記成膜装置内に各々０．００１Ｐａ以上０．０１Ｐａ以下、０．００８Ｐａ以上０．５Ｐａ以下の分圧で導入しながら、スパッタリング成膜法により前記基板上にアモルファス酸化物膜を成膜する工程とを含むことを特徴とする。【選択図】図１
2010183108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界効果型トランジスタのチャネル層に用いるＧａとＩｎとＺｎ、ＳｎとＩｎとＺｎ、ＩｎとＺｎとＧａとＭｇ、ＩｎとＳｎ、ＩｎとＧａ、又はＩｎとＺｎを含むアモルファス酸化物膜の製造方法であって、
基板を成膜装置内に配置する工程と、
水素ガスと酸素ガスとを前記成膜装置内に各々０．００１Ｐａ以上０．０１Ｐａ以下、０．００８Ｐａ以上０．５Ｐａ以下の分圧で導入しながら、スパッタリング成膜法により前記基板上にアモルファス酸化物膜を成膜する工程と、を含むことを特徴とするアモルファス酸化物膜の製造方法。
【請求項２】
電界効果型トランジスタの製造方法であって、
ゲート電極を形成する工程と、
ゲート絶縁層を形成する工程と、
ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
水素ガスと酸素ガスとを前記成膜装置内に各々０．００１Ｐａ以上０．０１Ｐａ以下、０．００８Ｐａ以上０．５Ｐａ以下の分圧で導入しながら、スパッタリング成膜法によりＧａとＩｎとＺｎ、ＳｎとＩｎとＺｎ、ＩｎとＺｎとＧａとＭｇ、ＩｎとＳｎ、ＩｎとＧａ、又はＩｎとＺｎを含むアモルファス酸化物からなるチャネル層を形成する工程と、を含むことを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法。
【請求項３】
前記アモルファス酸化物からなるチャネル層に含有する水素量をイオン注入又は水素ガスを含む雰囲気中でのプラズマ処理により増加させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。 
【請求項４】
電界効果型トランジスタのチャネル層に用いるＧａとＩｎとＺｎ、ＳｎとＩｎとＺｎ、ＩｎとＺｎとＧａとＭｇ、ＩｎとＳｎ、ＩｎとＧａ、又はＩｎとＺｎを含むアモルファス酸化物膜の製造方法であって、
基板を成膜装置内に配置する工程と、
スパッタリング成膜法により前記基板上にアモルファス酸化物膜を成膜する工程と、前記アモルファス酸化物膜にイオン注入又は水素ガスを含む雰囲気中でのプラズマ処理により水素を導入する工程と、を含むことを特徴とするアモルファス酸化物膜の製造方法。
【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からなる膜をチャネル層とした、表示デバイスなどに応用可能なトランジスタ特性を有する電界効果型トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
電界効果型トランジスタ（Field Effect Transistor, ＦＥＴ）は、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を備える。
【０００３】
そして、ゲート電極に電圧を印加して、チャネル層に流れる電流を制御し、ソース電極とドレイン電極間の電流を制御する電子アクテイブ素子である。
【０００４】
特に、セラミックス、ガラス又はプラスチックなどの絶縁基板上に成膜した薄膜を、チャネル層として用いるＦＥＴは、薄膜ＦＥＴ（Thin Film Transistor, ＴＦＴ）と呼ばれている。
【０００５】
上記のＴＦＴは、薄膜技術を用いているために、比較的大面積を有する基板上への形成が容易であるという利点があり、液晶表示素子などのフラットパネル表示素子の駆動素子として広く使われている。
【０００６】
すなわち、アクテイブ液晶表示素子（ＡＬＣＤ）では、ガラス基板上に作成したＴＦＴを用いて、個々の画像ピクセルのオン・オフが行われている。
【０００７】
また、将来の高性能有機ＬＥＤディスプレイ（ＯＬＥＤ）では、ＴＦＴによるピクセルの電流駆動が有効であると考えられている。
【０００８】
さらに、画像全体を駆動・制御するＴＦＴ回路を、画像表示領域周辺の基板上に形成した、より高性能な液晶表示デバイスが実現されている。
【０００９】
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ものである。
【００１０】
これらは、Metal-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor(ＭＩＳ−ＦＥＴ)素子と呼ばれる。
【００１１】
ピクセル駆動用には、アモルファスシリコンＴＦＴが、画像全体の駆動・制御には、高性能な多結晶シリコンＴＦＴが実用化されている。
【００１２】
しかしながら、アモルファスシリコン、ポリシリコンＴＦＴをはじめ、これまで開発されてきたＴＦＴは、デバイス作成に高温プロセスが求められ、プラスチック板やフィルムなどの基板上に作成することが困難である。
【００１３】
一方、近年、ポリマー板やフィルムなどの基板上に、ＴＦＴを形成し、ＬＣＤやＯＬＥＤの駆動回路として用いることで、フレキシブル・ディスプレイを実現しようとする開発が活発に行われている。
【００１４】
プラスチックフィルム上などに成膜可能な材料として、低温で成膜でき、かつ電気伝導性を示す有機半導体膜が注目されている。
【００１５】
例えば、有機半導体膜としては、ペンタセンなどの研究開発が進められている。
【００１６】
これらの有機半導体はいずれも芳香環を有し、結晶化した際の芳香環の積層方向で大きなキャリア移動度が得られる。
【００１７】
例えば、ペンタセンを活性層として用いた場合、キャリア移動度は約０．５ｃｍ２(Ｖｓ)−１程度であり、アモルファスＳｉ−ＭＯＳＦＥＴと同等であることが報告されている。
【００１８】
しかし、ペンタセンなどの有機半導体は、熱的安定性が低く（＜１５０℃）、かつ毒性（発癌性）もあるという欠点があり、実用的なデバイスは実現していない。
【００１９】
また、最近では、ＴＦＴのチャネル層に適用し得る材料として、酸化物材料が注目されてきている。
【００２０】
たとえば、ＺｎＯを主成分として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ＴＦＴの開発が活発に行われている。
【００２１】
上記薄膜は、比較的に低温で成膜でき、プラスチック板やフィルムなどの基板上に薄膜を形成することが可能である。
【００２２】
しかし、ＺｎＯを主成分とする化合物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、多結晶相になるために、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。
【００２３】
また多結晶粒子の形状や相互接続が成膜方法により大きく異なるため、ＴＦＴ素子の特性がばらついてしまう。
【００２４】
最近では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物を用いた薄膜トランジスタが報告されている(非特許文献１)。
【００２５】
このトランジスタは、室温でプラスチックやガラス基板への作成が可能である。さらには、電界効果移動度が６−９程度でノーマリーオフ型のトランジスタ特性が得られている。
【００２６】
また、可視光に対して透明であるという特徴を有している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２７】
【非特許文献１】K.Nomura et. al, Nature VOL. 432, P. 488-492 (2004-11)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
アモルファスＩｎ-Ｇａ-Ｚｎ-Ｏ系の酸化物を用いた薄膜トランジスタを検討したところ、どのような組成や製造条件で作製するかにもよるが、ＴＦＴのトランジスタ特性（Ｉｄ−Ｖｇ特性）にヒステリシスを生じる場合があった。
【００２９】
ヒステリシスの発生は、例えばディスプレイの画素回路などに用いる場合に、駆動対象となる有機ＬＥＤや液晶などの動作にばらつきを生み、最終的にディスプレイに画像品位を落とすことにつながる。
【００３０】
そこで、本発明は、トランジスタのチャネルに用いられる酸化物材料に工夫を加え、上記ヒステリシスの低減を図ることを目的とする。
【００３１】
また、アモルファス酸化物材料をＴＦＴのチャネル層に用いる場合には、電子キャリア濃度を所望の範囲（たとえば１０１4〜１０１８／ｃｍ３程度）にすることが好ましい。
【００３２】
また、トランジスタ特性の再現性と均一性を確保するためには、電子キャリア濃度を精密に制御する手段が望まれる。
【００３３】
そこで、本発明は、トランジスタのチャネルに用いられる酸化物材料の作製方法に工夫を加えて、所望の電子キャリア濃度を有した薄膜を制御良く作成する方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
上記課題を解決するために、本発明は、電界効果型トランジスタのチャネル層に用いるＧａとＩｎとＺｎ、ＳｎとＩｎとＺｎ、ＩｎとＺｎとＧａとＭｇ、ＩｎとＳｎ、ＩｎとＧａ、又はＩｎとＺｎを含むアモルファス酸化物膜の製造方法であって、基板を成膜装置内に配置する工程と、水素ガスと酸素ガスとを前記成膜装置内に各々０．００１Ｐａ以上０．０１Ｐａ以下、０．００８Ｐａ以上０．５Ｐａ以下の分圧で導入しながら、スパッタリング成膜法により前記基板上にアモルファス酸化物膜を成膜する工程とを含むことを特徴とする。
【００３５】
また、本発明は、電界効果型トランジスタの製造方法であって、ゲート電極を形成する工程と、ゲート絶縁層を形成する工程と、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、水素ガスと酸素ガスとを前記成膜装置内に各々０．００１Ｐａ以上０．０１Ｐａ以下、０．００８Ｐａ以上０．５Ｐａ以下の分圧で導入しながら、スパッタリング成膜法によりＧａとＩｎとＺｎ、ＳｎとＩｎとＺｎ、ＩｎとＺｎとＧａとＭｇ、ＩｎとＳｎ、ＩｎとＧａ、又はＩｎとＺｎを含むアモルファス酸化物からなるチャネル層を形成する工程とを含むことを特徴とする。また、当該製造方法において、前記アモルファス酸化物からなるチャネル層に含有する水素量をイオン注入又は水素ガスを含む雰囲気中でのプラズマ処理により増加させる工程をさらに含むことを特徴とする。 
【００３６】
また、本発明は、電界効果型トランジスタのチャネル層に用いるＧａとＩｎとＺｎ、ＳｎとＩｎとＺｎ、ＩｎとＺｎとＧａとＭｇ、ＩｎとＳｎ、ＩｎとＧａ、又はＩｎとＺｎを含むアモルファス酸化物膜の製造方法であって、基板を成膜装置内に配置する工程と、スパッタリング成膜法により前記基板上にアモルファス酸化物膜を成膜する工程と、前記アモルファス酸化物膜にイオン注入又は水素ガスを含む雰囲気中でのプラズマ処理により水素を導入する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、電界効果型トランジスタのチャネル層に、水素原子（又は重水素原子）を含有したアモルファス酸化物を適用することで、ヒステリシスの小さいＴＦＴ特性を有した電界効果型トランジスタを実現できる。
【００３８】
さらに、本発明によれば、水素ガスと酸素ガスが共存する雰囲気中で成膜することで、アモルファス酸化物のキャリア濃度を高度に制御することができる。
【００３９】
さらには、本発明によれば、低温プロセスでの実施が可能であるため、電界効果型トランジスタをプラスチック板やフィルムなどの基板上に作成することができる。
【００４０】
また、本発明によれば、再現性良く電界効果型トランジスタを作成することができる。特に、電子キャリア濃度が小さいアモルファス酸化物を、制御良く形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係わる薄膜トランジスタの構成例を示す断面図であり、（ａ）はトップゲート構造、（ｂ）はボトムゲート構造を示す。
【図２】本発明に係わる薄膜トランジスタのＴＦＴ特性を示すグラフであり、（ａ）はトランジスタ特性、（ｂ）はトランスファ特性を示す。
【図３】本発明に係わる薄膜トランジスタのヒステリシス特性を示すグラフである。
【図４】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜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５】アモルファス酸化物膜の製造装置を示す図である。
【図６】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の水素を添加量と抵抗率の関係を示す図である。
【図７】ＳＩＭＳにより評価した水素濃度の深さ方向プロファイルである。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。
【００４３】
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態としての電界効果型トランジスタである薄膜トランジスタの実施形態を示す断面図である。
【００４４】
図１（ａ）は、半導体チャネル層１１の上にゲート絶縁膜１２とゲート電極１５とを順に形成するトップゲート構造の例を示す断面図である。
【００４５】
図１（ｂ）は、ゲート電極１５の上にゲート絶縁膜１２と半導体チャネル層１１を順に形成するボトムゲート構造の例を示す断面図である。
【００４６】
電極とチャネル層−絶縁層界面の配置関係から、図１（ａ）の構造はスタガ構造、図１（ｂ）の構造は逆スタガ構造と呼ばれる。
【００４７】
図１（ａ）に示すように、基板１０上に形成された半導体チャネル層１１の上に、ソース電極１３、ドレイン電極１４、ゲート絶縁膜１２、ゲート電極１５を順に形成する。このようにしてトップゲート構造（スタガ構造）の電界効果型トランジスタが形成される。
【００４８】
また、図１（ｂ）に示すように、基板１０上に形成されたゲート電極１５上に、ゲート絶縁膜１２、半導体チャネル層１１、ソース電極１３、ドレイン電極１４を順に形成する。このようにしてボトムゲート構造（逆スタガ構造）の電界効果型トランジスタが形成される。
【００４９】
図１（ａ）、（ｂ）に示す電界効果型トランジスタは、ゲート電極１５、ソース電極１３、及び、ドレイン電極１４を備えた３端子素子である。
【００５０】
ゲート電極に電圧Ｖｇを印加して、チャネル層に流れる電流Ｉｄを制御し、ソース電極とドレイン電極間の電流Ｉｄを制御する電子アクテイブ素子である。
【００５１】
ＴＦＴの構成は上記構成に限定されるものでなく、任意のトップ／ボトムゲート構造、スタガ／逆スタガ構造を用いることができる。
【００５２】
図２は、本発明の一実施形態としての電界効果型トランジスタ（ＴＦＴ）の典型的な特性を示すグラフである。
【００５３】
このＴＦＴの特性は、後記する実施例１の構成及び製造条件で作成された電界効果型トランジスタに関するものである。
【００５４】
ソース・ドレイン電極間に５〜２０Ｖ程度の電圧Ｖｄを印加したとき、ゲート電圧Ｖｇを０Ｖと５〜２０Ｖ程度の間でオン／オフすることで、ソース・ドレイン電極間の電流Ｉｄを制御する（オン／オフする）ことができる。
【００５５】
図２（ａ）はさまざまなＶｇでのＩｄ−Ｖｄ特性、図２（ｂ）はＶｄ＝６ＶにおけるＩｄ−Ｖｇ特性（トランスファ特性）の例である。
【００５６】
上記の実施形態のＴＦＴのチャネル層は、水素原子又は重水素原子を含有したアモルファス酸化物膜からなる。
【００５７】
図３（ａ）、（ｂ）を用いて、チャネル層に水素を添加することの効果、すなわちヒステリシスの低減を説明する。
【００５８】
図３（ａ）と図３（ｂ）は、それぞれ後記する比較例１と実施例１とのチャネル層に水素を添加しない場合と添加した場合のＴＦＴトランスファ特性の一例を示している。
【００５９】
ヒステリシスとは、ＴＦＴトランスファ特性の評価において、Ｖｄを固定して、例えば、図３（ａ）に示すようにＶｇを掃引（上下）させた際に、Ｉｄが電圧上昇時と下降時で異なる値を示すことを言う。
【００６０】
ヒステリシスが大きいと、設定したＶｇに対して得られるＩｄの値がばらついてしまうため、ヒステリシスが小さい素子が好ましい。
【００６１】
水素原子を含有しない際には、図３（ａ）のようなヒステリシス特性を示すが、それに比べて、水素原子を含有したチャネル層を適用することで、図３（ｂ）のようにヒステリシスの小さい素子とすることができる。
【００６２】
チャネル層に水素原子を含有した酸化物を適用することで、ヒステリシスが低減される物理的理由は定かではない。
【００６３】
一つの理由として考えられるのは、水素を添加することにより、アモルファス薄膜中の局所的な構造の乱れが緩和され、キャリアがトラップされにくい(トラップ準位が浅くなる)アモルファス構造が実現されていることである。
【００６４】
他にも、チャネル層に水素を添加することにより、チャネル層と絶縁層界面における構造の乱れが緩和され、キャリアがトラップされにくいチャネル層／絶縁層界面が実現されていると考えられる。
【００６５】
ヒステリシスの評価は、ソース・ドレイン電圧Ｖｄを５〜３０Ｖの間の適当な値に固定して、ゲート電圧Ｖｇを−１０〜３０Ｖの範囲で掃引（上下）させてＩｄ（ソース−ドレイン電流）を測定することで行われる。
【００６６】
ここで、Ｖｄはトランジスタ特性が飽和領域を示す電圧を用い、Ｖｇはオフ状態とオン状態の間にわたり掃引する。
【００６７】
ただし、ＶｇとＶｄの値は、トランジスタの特性や構成などに依存して設定することが可能で、必ずしも上記範囲に限定されるものではない。
【００６８】
ヒステリシスの大小は、ゲート電圧上昇時のＩｄ−Ｖｇカーブと電圧下降時のＩｄ−Ｖｇカーブを比較することで評価することができる。
【００６９】
たとえば、電圧上昇時のＩｄ−Ｖｇカーブと電圧下降時のＩｄ−Ｖｇカーブで描かれるループの面積を評価基準とすることができる。
【００７０】
この面積が小さいときに、ヒステリシスが小さいということができる。
【００７１】
他にも、電圧上昇時のＩｄ−Ｖｇカーブから見積もられる閾値電圧Ｖｔｕと電圧下降時のＩｄ−Ｖｇカーブから見積もられる閾値電圧Ｖｔｄとの差分ΔＶｔ＝｜Ｖｔｕ−Ｖｔｄ｜を用いて評価することができる。
【００７２】
以下、このΔＶｔを閾値シフト量と呼ぶ。この値ΔＶｔが小さいことは、ヒステリシスが小さいことを意味する。
【００７３】
チャネル層に水素原子を含有した酸化物を適用した薄膜トランジスタにおいては、このΔＶｔの小さい薄膜とトランジスタを実現することができる。
【００７４】
薄膜トランジスタの閾値シフト量は、素子構成やチャネル材料、評価条件などに依存するため、評価を行う際には素子に印加する電圧等を同一条件に固定して行うことが好ましい。
【００７５】
薄膜トランジスタの評価の一例としては、Ｖｄ＝１０Ｖに固定し、Ｖｇを−５Ｖ〜１５Ｖの範囲にわたり１００ｍＶ／秒の掃引速度で掃引（上下）させた場合の閾値シフト量で評価することができる。
【００７６】
具体的には上記の評価条件下で、閾値シフト量を２Ｖ以下、より好ましく場合には１Ｖ以下、更に好ましい場合は０．５Ｖ以下とすることができる。
【００７７】
要求されるヒステリシスの程度は、薄膜トランジスタの用途や用いる回路構成などに依存する。
【００７８】
たとえば、液晶表示装置や電気泳動型の表示装置などに用いる際には、比較的要求は低いが、有機ＥＬ表示装置や演算回路などの応用する際には、より高い特性（小さいヒステリシス）が必要となる。
【００７９】
たとえば、有機ＥＬ表示装置に応用することを考えてみると、閾値シフト量が２Ｖ以下であることが好ましく、より好ましくは１Ｖ以下であることが好ましい。さらに高性能な有機ＥＬ表示装置においては、０．５Ｖ以下であることが好ましい。
【００８０】
（水素濃度及び電子キャリア濃度）
また、アモルファス酸化物をチャネル層に適用した薄膜トランジスタを検討した。
【００８１】
良好なＴＦＴ特性を得るためには、チャネル層に０．１Ｓ／ｃｍ以下で０．０００１Ｓ／ｃｍ以上の電気伝導度を有した半絶縁性のアモルファス酸化物膜が好適であった。
【００８２】
このような電気伝導度をえるためには、チャネル層の材料組成にも依存するが、１０１4〜１０１８／ｃｍ３程度の電子キャリア濃度を有したアモルファス酸化物膜を形成することが好ましい。
【００８３】
電気伝導度にして０．１Ｓ／ｃｍを超えた場合、ノーマリーオフ・トランジスタを構成することが難しくなり、また、オン・オフ比を大きくすることができない。
【００８４】
極端な場合には、ゲート電圧の印加によっても、ソース・ドレイン電極間の電流がオン・オフせず、トランジスタ動作を示さない。
【００８５】
一方で、絶縁体、すなわち電気伝導度にして、０．０００１Ｓ／ｃｍ未満となると、オン電流を大きくすることが難しくなる。
【００８６】
極端な場合には、ゲート電圧の印加によっても、ソース・ドレイン電極間の電流がオン・オフせず、トランジスタ動作を示さない。
【００８７】
通常、酸化物の電気伝導度電子やキャリア濃度を制御するためには、成膜時の酸素分圧を制御することで行う。
【００８８】
すなわち、酸素分圧を制御することで、主として薄膜中の酸素欠損量を制御し、これにより電子キャリア濃度を制御する。
【００８９】
図４には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物薄膜をスパッタ法で成膜した際の、キャリア濃度の酸素分圧依存性の一例を示す図である。
【００９０】
実際に、酸素分圧を高度に制御することで、電子キャリア濃度が１０１4〜１０１８／ｃｍ３で半絶縁性を有したアモルファス酸化膜の半絶縁性膜を得ることができる。このような薄膜をチャネル層に適用することで良好なＴＦＴを作成することができる。
【００９１】
図４に示すように、典型的には０．００５Ｐａ程度の酸素分圧で成膜することで、半絶縁性の薄膜を得ることができる。
【００９２】
０．０１Ｐａを超えると絶縁となり、一方、０．００１Ｐａ未満では電気伝導度が高すぎ、トランジスタのチャネル層としては好ましくないからである。
【００９３】
ただし、図４に示すようにキャリア濃度が酸素分圧に対して敏感に変化するため、僅かな成膜条件の変化が大きく特性に影響し、再現の良いＴＦＴ特性を得ることが難しい傾向にある。
【００９４】
水素（又は重水素）を添加することで電子キャリア濃度を制御する。
【００９５】
鋭意検討したところ、アモルファス酸化物膜に水素を添加することで電子キャリア量を制御することが可能であることがわかった。
【００９６】
たとえば、１０１８／ｃｍ３程度の電子キャリア濃度を実現するためには、成膜時の酸素分圧や材料組成にも依存するが、１０１8／ｃｍ３以上１０20／ｃｍ３以下の水素を添加することで実現できる。
【００９７】
この際、電子キャリア濃度の制御は、水素ドーパント量で制御することができる。また、水素ドーピング量と酸素欠損量の両方を用いて電子キャリア濃度を制御してもよい。
【００９８】
上記を踏まえ、良好な特性を有したＴＦＴを作成するには、水素の添加濃度範囲は、１０１６／ｃｍ３以上１０20／ｃｍ３以下の範囲が好ましい。
【００９９】
酸素分圧や材料組成にも依存するが、この範囲で１０１4／ｃｍ３以上１０１８／ｃｍ３以下の電子キャリア濃度を有し、ＴＦＴのチャネル層として適した酸化物薄膜を実現することができる。
【０１００】
特に、水素濃度を１０１9／ｃｍ３以下とすることは、トランジスタのノーマリーオフ動作と大きなＯＮ／ＯＦＦ比を実現できるため、好ましい。
【０１０１】
さらに、水素濃度を１０１7／ｃｍ３以上とすることは、トランジスタのヒステリシスをより効果的に低減することができるため、好ましい。
【０１０２】
水素濃度の測定は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）にて評価することがあげられる。
【０１０３】
評価装置に依存するが、検知限界は１０１7／ｃｍ３程度である。検知限界以下においては、水素添加のプロセスパラメータ（後記の成膜時水素分圧やイオン注入量）に対する薄膜中の含有水素量の関係に線型性を仮定した外挿により間接的に算出することができる。
【０１０４】
水素原子を含有したアモルファス酸化物からなるチャネル層の構成成分は（水素を除く）
[（Ｓｎ１−ｘＭ４ｘ）Ｏ２]ａ・[（Ｉｎ１−ｙＭ３ｙ）２Ｏ３]ｂ・[（Ｚｎ１−ｚＭ２ｚＯ）]ｃ
ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、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。
この中でも、特に、[（Ｉｎ１−ｙＧａｙ）２Ｏ３]ｂ・[（ＺｎＯ）]ｃ ０≦ｙ≦１、０＜ｂ＜１、０＜ｃ＜１、及び[ＳｎＯ２]ａ・[（Ｉｎ２Ｏ３）ｂ・[（ＺｎＯ）]ｃ ここで０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０＜ｃ＜１、が好ましい。
【０１０５】
たとえば、水素原子を含有したアモルファス酸化物膜は、以下の組成により実現できる。
【０１０６】
すなわち、Ｇａ２Ｏ３，Ｉｎ２Ｏ３及びＺｎＯを頂点とする３角形の内部に位置する二元系、又は三元系組成や、ＳｎＯ２，Ｉｎ２Ｏ３及びＺｎＯを頂点とする３角形の内部に位置する二元系又は三元系組成である。
【０１０７】
三元系組成の組成比によっては、ある組成比に範囲において結晶化する場合がある。特に、一元系の組成は、結晶化するため好ましくない。
【０１０８】
たとえば、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２０原子％以上、７０原子％以下含まれる組成で、アモルファス膜を作成することができる。
【０１０９】
また、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｏ系の場合には、Ｉｎが２０原子％以上、８０原子％以下含まれる組成で、アモルファス膜を作成することができる。
【０１１０】
アモルファス酸化物膜中に水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る。
【０１１１】
これにより、広範な３元組成範囲でアモルファス酸化物を形成することができる。
【０１１２】
(製造方法)
水素原子を含有したアモルファス酸化物の作成方法としては、以下の手法があげられる。
１）成膜時に、水素を含むガス（ただし、水蒸気を除く）を成膜装置内に所定の分圧で導入しながら成膜する手法
２）水素を含有した材料源を用いて成膜する手法
３）成膜後にイオン注入や水素プラズマ処理などの手法により水素を膜中に添加する手法
この中でも、水素含有量の制御性の観点では、３）のイオン注入の手法が好ましい。ただし、後工程であるため工程数が増えてしまうことや、薄膜の深さ方向に向けて水素濃度分布が生じることが懸念される。
【０１１３】
一方で、２）は成膜プロセス上は簡便であるが、水素化合物から成る材料源の用意が難しいことや、膜中の水素含有量の制御が難しい。
【０１１４】
１）の雰囲気中の水素分圧により薄膜中の水素含有量を制御する手法は、制御性が良好であり、しかも製造プロセス上も比較的容易である。
【０１１５】
よって、成膜時に水素を含むガス中で成膜する１）の手法がもっとも好ましい。
【０１１６】
１）の手法において水素を含むガスとしては、水素ガス、重水素ガス、炭化水素ガスなどが挙げられる。ガス分圧の制御性やガスの安全性から、特に、アルゴンなどで希釈した水素ガスが好ましい。
【０１１７】
また、３）のイオン注入の手法において用いるイオン種としては、Ｈ＋イオン、Ｈ−イオン、Ｄ＋イオン（重水素イオン）、Ｈ２+イオン（水素分子イオン）などを用いることができる。
【０１１８】
アモルファス酸化物の成膜法としては、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を用いるのがよい。
【０１１９】
なお、気相法の中でも、量産性の点からは、ＳＰ法が適している。
【０１２０】
しかし、成膜法は、これらの方法に限られるのものではない。成膜時の基板の温度は意図的に加温しない状態で、ほぼ室温に維持することができる。
【０１２１】
一般に、電子キャリア濃度の小さなアモルファス酸化膜を水素雰囲気中で熱処理を行うことで、酸素欠損を増加させて電子キャリア濃度を増加させることができることが知られているが、高温の熱処理を必要とするという問題がある。また、精密なキャリア濃度の制御は困難である。
【０１２２】
このように、成膜時に水素を含むガス中での成膜や成膜後のイオン注入の手法などで、アモルファス酸化物膜中の水素含有濃度で電子キャリア濃度を制御する。そして、電子キャリア濃度が１０１４／ｃｍ３以上１０１８／ｃｍ３以下の範囲で半絶縁性を有したアモルファス酸化膜を再現良く得ることができる。
【０１２３】
このような水素原子を含有したアモルファス酸化物を薄膜トランジスタのチャネル層に適用することで、ヒステリシスの小さいトランジスタを再現良く作成することができる。
【０１２４】
本実施形態のトランジスタにおいて、ゲート絶縁層１２の材料は良好な絶縁性を有するものであれば、特にこだわらない。
【０１２５】
たとえば、ゲート絶縁層１２としては、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｉＯ２若しくは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合物を用いることができる。
【０１２６】
これにより、ソース・ゲート電極間及びドレイン・ゲート電極間のリーク電流を約１０−７アンペアにすることができる。
【０１２７】
また、ソース電極１３、ドレイン電極１４、ゲート電極１５の材料は、良好な電気伝導性とチャネル層への電気接続を可能とするものであれば特にこだわらない。
【０１２８】
たとえば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｓｎ、ＺｎＯなどの透明導電膜や、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉなどの金属膜を用いることができる。
【０１２９】
基板１０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。
【０１３０】
上記のチャネル層及びゲート絶縁層は可視光に対して透明であるので、上記の電極及び基板の材料として透明な材料を用いれば、透明な薄膜トランジスタとすることができる。
【０１３１】
本実施形態のチャネル層は、Ｓｎ、Ｉｎ及びＺｎの少なくとも１種類の元素を含み構成されるアモルファス酸化物を適用できる。
【０１３２】
更に、アモルファス酸化物の構成元素の少なくとも一部にＳｎを選択する場合、ＳｎをＳｎ１−ｘＭ４ｘ（０＜ｘ＜１、Ｍ４は、Ｓｎより原子番号の小さい４族元素のＳｉ、Ｇｅ又はＺｒから選ばれる。）に置換することもできる。
【０１３３】
また、アモルファス酸化物の構成元素の少なくとも一部にＩｎを選択する場合、ＩｎをＩｎ１−ｙＭ３ｙ（０＜ｙ＜１、Ｍ３は、Ｌｕ又はＩｎより原子番号の小さい３族元素のＢ、Ａｌ、Ｇａ又はＹから選ばれる。）に置換することもできる。
【０１３４】
また、アモルファス酸化物の構成元素の少なくとも一部にＺｎを選択する場合、Ｚｎを、Ｚｎ１−ＺＭ２Ｚ（０＜ｚ＜１、Ｍ２は、Ｚｎより原子番号の小さい２族元素のＭｇ又はＣａから選ばれる。）に置換することもできる。
【０１３５】
具体的に、本実施形態に適用できるアモルファス材料は以下にあげる酸化物である。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｚｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物などである。
【０１３６】
もちろん、構成材料の組成比は必ずしも１：１である必要はない。
【０１３７】
なお、ＺｎやＳｎは、単独ではアモルファスを形成し難い場合があるが、Ｉｎを含ませることによりアモルファス層が形成され易くなる。
【０１３８】
例えば、Ｉｎ−Ｚｎ系の場合は、酸素を除く原子数割合が、Ｉｎが２０原子％以上、７０原子％以下含まれる組成にするのがよい。
【０１３９】
Ｓｎ−Ｉｎ系の場合は、酸素を除く原子数割合が、Ｉｎが２０原子％以上、８０原子％以下含まれる組成にするのがよい。
【０１４０】
Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系の場合は、酸素を除く原子数割合が、Ｉｎが１５原子％以上含まれる組成にするのがよい。
【０１４１】
また、アモルファスは、測定対象薄膜に、入射角度０．５度程度の低入射角によるＸ線回折を行った場合に明瞭な回折ピークが検出されない（すなわち、ハローパターンが観測される）ことで確認できる。
【０１４２】
なお、上記した材料を電界効果型トランジスタのチャネル層に用いる場合に、チャネル層が微結晶状態の構成材料を含むことを除外するものではない。
【０１４３】
また、他の実施形態は、下記の第１及び第２の工程を有する電界効果型トランジスタのチャネル層に用いられるアモルファス酸化物膜の製造方法である。
【０１４４】
第１の工程は、基板を成膜装置内に配置する工程である。
【０１４５】
第２の工程は、水素を含むガス（ただし、水蒸気を除く）と酸素ガスとを成膜装置内に所定の分圧で導入しながら、基板上にアモルファス酸化物膜を成膜する工程である。
【０１４６】
図４を用いて既に示したように、酸素分圧のみで、電気伝導度やキャリア濃度を制御しようとする場合、酸素分圧によるその変化が激しい領域に設定する必要がある。
【０１４７】
本方法のように、水素など水素原子を含むガスを利用することで、例えば、酸素分圧を０．００８Ｐａ以上の領域に設定し、さらに水素原子を含むガスの分圧を変化させることで雰囲気を調整することができる。酸素分圧は、好ましくは０．０１Ｐａ以上であるほうがよい。
【０１４８】
上記例示した範囲では、キャリア濃度の酸素分圧依存性が、例えば酸素分圧０．００５Ｐａ付近に比べて高くない。
【０１４９】
水素によってもキャリア濃度を変化させることができ、また、酸素よりも水素に対するキャリア濃度の依存性が低いので、結果として成膜時雰囲気の制御性が高くなる。
【０１５０】
なお、酸素分圧の上限としては、例えば０．１Ｐａである。上限値は、０．０５Ｐａから０．５Ｐａの範囲で適宜設定できる。
【０１５１】
水素分圧は、酸素分圧にも依存するが、例えば０．００１Ｐａから０．０１Ｐａの範囲である。
【０１５２】
なお、水蒸気を用いることは、酸素と水素の分圧制御を難しくする場合があるので好ましくない。
【０１５３】
なお、酸化物膜は、必ずしも成膜工程で酸化物膜中に水素を含有させる必要はない。酸化物膜を形成した後の工程で添加することで酸化物膜中に水素を含有させることができる。
【０１５４】
具体的な水素の添加方法としては、イオン打ち込みや、水素を含む雰囲気中でのプラズマ処理が挙げられる。
【０１５５】
［実施例１］
本実施例では、図１（ａ）に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した例である。本実施例では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物からなるチャネル層をＨ２含有雰囲気中のスパッタ成膜により形成している。
【０１５６】
まず、ガラス基板（コーニング社製１７３７）上にチャネル層として水素を含有したアモルファス酸化物膜を形成する。
【０１５７】
本実施例では、アルゴンガスと酸素ガスと水素ガスの混合雰囲気中で高周波スパッタ法により、水素を含有したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を形成する。
【０１５８】
図５に示すようなスパッタ成膜装置を用いている。
【０１５９】
図５において、５１は試料、５２はターゲット、５３は真空ポンプ、５４は真空計、５５は基板保持手段、５６はそれぞれのガス導入系に対して設けられたガス流量制御手段、５７は圧力制御手段、５８は成膜室である。
【０１６０】
５３は成膜室５８内を排気するための排気手段となる真空ポンプである。５５は、酸化物膜を形成する基板を成膜室内に保持するための基板保持手段である。
【０１６１】
５２は、基板保持手段に対向して配置された固体材料源（ターゲット）５２である。
【０１６２】
さらに、固体材料源から材料を蒸発させるためのエネルギー源（不図示の高周波電源）と、成膜室内に水素ガスを供給する手段と、成膜内に酸素ガスを供給する手段とを有する。
【０１６３】
ガス導入系としては、アルゴン、アルゴンと酸素の混合ガス（Ａｒ：Ｏ２＝８０：２０）、アルゴンと水素の混合ガス（Ａｒ：Ｈ２＝９８：２）の３系統を有している。
【０１６４】
それぞれのガス流量を独立に制御可能とするガス流量制御手段５６と、排気速度を制御するための圧力制御手段５７とにより、成膜室内に所定のガス雰囲気を得ることができる。
【０１６５】
ここでは、アルゴンと酸素の混合ガスやアルゴンと水素の混合ガスを用いているが、純水素や純酸素を用いても良い。
【０１６６】
また、ここでは、アルゴン、アルゴンと酸素の混合ガス、アルゴンと水素の混合ガスの３系統でガス導入を行っているが、以下のような１系統や２系統でガス導入を行ってもよい。アルゴンと酸素と水素の混合ガスからなる１系統や、アルゴンと酸素の混合ガスとアルゴンと水素の混合ガスの２系統である。
【０１６７】
本実施例では、ターゲット（材料源）としては、２インチサイズのＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）組成を有する多結晶焼結体を用い、投入ＲＦパワーは１００Ｗとしている。
【０１６８】
成膜時の雰囲気は、全圧０．４Ｐａであり、その際ガス流量比としてＡｒ：Ｏ２：Ｈ２＝１００：４：１である。成膜レートは１２ｎｍ／ｍｉｎである。また、基板温度は２５℃である。
【０１６９】
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わかる。
【０１７０】
さらに、分光エリプソ測定を行い、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６０ｎｍであることが分かった。
【０１７１】
蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、薄膜の金属組成比はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３９：３７：２４であった。
【０１７２】
また、ＳＩＭＳにより組成分析を行うことにより、薄膜中の水素濃度を４×１０１８（１／ｃｍ３）程度と見積もっている。
【０１７３】
また、電気伝導度で１０−１ｓ／ｃｍ程度であり、電子キャリア濃度は４×１０１６／ｃｍ３、電子移動度は、約２ｃｍ２／Ｖ・秒程度と見積もっている。
【０１７４】
また、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である。
【０１７５】
次に、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン電極１４及びソース電極１３をパターニング形成した。それぞれ電極材質はＡｕであり、厚さは３０ｎｍである。
【０１７６】
次に、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート絶縁層１２をパターニング形成した。
【０１７７】
ゲート絶縁膜は、Ｙ２Ｏ３膜を電子ビーム蒸着法により成膜し、厚みは１５０ｎｍである。またＹ２Ｏ３膜の比誘電率は約１５である。
【０１７８】
さらに、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート電極１５を形成した。チャネル長は５０μｍで、チャネル幅は２００μｍである。電極材質はＡｕであり、厚さは３０ｎｍである。
【０１７９】
(比較例１)
チャネル層成膜時に、水素を導入せずに、アルゴンと酸素のみを供給してＴＦＴを作成した。
【０１８０】
成膜時に雰囲気は、全圧０．４Ｐａであり、その際、ガス流量比としてＡｒ：Ｏ２＝１００：１としている。酸素分圧は０．００４Ｐａに相当する。
【０１８１】
成膜レートは１４ｎｍ／ｍｉｎである。また、基板温度は２５℃である。
【０１８２】
図４は、比較例と同様にして、酸素分圧を変えた際の、アモルファス酸化物薄膜の電気伝導率の変化を記したものである。
【０１８３】
図４に示すように、ＴＦＴ作成に用いる酸素分圧では、微小な酸素分圧の変化に伴い、電気伝導率が大きく変わるため、酸素分圧を高精度に制御する必要がある。
【０１８４】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
図２に、室温下で測定したＴＦＴ素子の電流−電圧特性の一例を示す。図２（ａ）はＩｄ−Ｖｄ特性であり、図２（ｂ）はＩｄ−Ｖｇ特性である。
【０１８５】
図２（ａ）に示すように、一定のゲート電圧Ｖｇを印加し、Ｖｄの変化に伴うソース・ドレイン間電流のＩｄのドレイン電圧Ｖｄ依存性を測定した。Ｖｄ＝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。
【０１８６】
利得特性を調べたところ、Ｖｄ＝４Ｖ印加時におけるゲート電圧ＶＧの閾値は約−０．５Ｖであった。また、Ｖｇ＝１０Ｖ時には、Ｉｄ＝１．０×１０−５Ａ程度の電流が流れた。
【０１８７】
トランジスタのオン・オフ比は、１０６超であった。
【０１８８】
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８ｃｍ２（Ｖｓ）−１の電界効果移動度が得られた。作製した素子に可視光を照射して同様の測定を行ったが、トランジスタ特性の変化は認められなかった。
【０１８９】
また、本実施例のＴＦＴは、比較例のＴＦＴと比べたところ、ヒステリシスが小さい。図３には、本実施例と比較例のＩｄ−Ｖｇを比較している。
【０１９０】
図３（ａ）は比較例、図３（ｂ）は本実施例のＴＦＴ特性の一例である。
【０１９１】
このようにチャネル層に水素原子を添加することで、ＴＦＴのヒステリシスを低減することができる。
【０１９２】
また、本実施例においては、比較例に比べて再現良くＴＦＴを作成することができ、複数の素子を作成した際の特性ばらつきが小さい傾向がある。
【０１９３】
本実施例においては、比較例に比べて高い酸素分圧において成膜を行うことができることによりＴＦＴを再現良く作成できると考える。
【０１９４】
また、チャネル層形成時に水素を添加した雰囲気で成膜することで、酸素分圧の微小変動に対してＴＦＴ特性の変動が小さくなり、これにより、特性ばらつきが小さくなると考えている。
【０１９５】
実際に比較例では酸素分圧が５ｍＰａ近傍であるが、本実施例では０．０１５Ｐａ程度である。
【０１９６】
比較例においては、スパッタ法において水素を添加せずに酸素分圧を制御している。そして、ＴＦＴチャネル層を適した電子キャリア濃度を有した薄膜を作成している。
【０１９７】
そのためには、酸素分圧として５ｍＰａ近傍の値に設定することが必要となる。
【０１９８】
先に説明したように（図４参照）、この条件ではキャリア濃度が酸素分圧に対して敏感に変化するため、僅かな成膜条件の変化が大きく特性に影響し、再現の良いＴＦＴ特性を得ることが難しい傾向にある。
【０１９９】
一方で、本実施例においては、水素を添加することで電子キャリア濃度を制御する。本実施例の条件においては、水素を添加するとともに、酸素分圧は０．０１Ｐａ以上の分圧を用いる。
【０２００】
図４に示すように、この酸素分圧（＞０．０１Ｐａ）において水素を添加せずに成膜した膜は絶縁体であり、酸素欠損及び電子キャリア濃度は十分に小さな値となる。
【０２０１】
本実施例では、この比較的高い酸素分圧に水素を添加した雰囲気で成膜する。この手法では、酸素分圧の微小変動に大きく影響を受けずに、所望の電子キャリア濃度とすることができる。これにより、特性ばらつきが小さいトランジスタを、再現良く作製することができる。
【０２０２】
また、成膜時の雰囲気の水素分圧を変化させて、水素を含有したアモルファス酸化膜の電子キャリア濃度及びキャリア濃度を評価したところ、水素分圧を上げることにより、キャリア濃度と電子移動度が共に増加する傾向がある。評価にはホール移動度測定を用いている。
【０２０３】
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、水素原子を含有した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。その物理機構は明確でない。
【０２０４】
ゲート電極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・ドレイン電極間に電流が流れ、両電極間がオン状態になる。
【０２０５】
上記の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。
【０２０６】
上記の比較的大きな電界効果移動度を有した電界効果トランジスタは、有機発光ダイオードを動作回路への利用などが期待できる。
【０２０７】
［実施例２］
本実施例において、電界効果型トランジスタのチャネル層に用いられる水素を添加したアモルファス酸化物膜について説明する。まず、アモルファス酸化物からなる絶縁性薄膜を石英基板上に形成した。
【０２０８】
アモルファス酸化物の成膜方法は実施例１の手法に準じている。
【０２０９】
ターゲット（材料源）は、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）であり、成膜時の雰囲気は、全圧０．３Ｐａである。その際、ガス流量比としてＡｒ：Ｏ２＝９５：５であり、酸素分圧は０．０１５Ｐａに相当する。
【０２１０】
また、水素ガスは導入していない。膜厚は約４００ｎｍとした。成膜した薄膜の抵抗を４端子法で測定すると、伝導度は測定限界以下（０．０００１Ｓ／ｃｍ以下）であり、絶縁体であった。
【０２１１】
次に、上記のアモルファス酸化物薄膜に水素イオン注入処理を行った。
【０２１２】
ここで、イオン注入に際し、イオン種としてＨ＋(陽子)を用い加速電圧は２０ｋＶである。面積あたりのイオン照射量としては、１×１０１２〜１×１０１６(１／ｃｍ２)の範囲で、さまざまな照射量の試料を用意した。
【０２１３】
面積あたりの水素イオン照射量が１×１０１６(１／ｃｍ２)の処理を行った試料に対して、ＳＩＭＳにより深さ方向組成分析を行った結果を図７に示した。
【０２１４】
縦軸は水素濃度（任意軸）であり、横軸は深さである。
【０２１５】
表面より深さ２００ｎｍ付近にピークを有した深さプロファイルが得られた。また、薄膜中の水素濃度を求めると、２×１０２０（１/ｃｍ３）程度である。
【０２１６】
たとえば、面積あたりのイオン照射量が１×１０１３(１／ｃｍ２)の試料は、水素濃度がＳＩＭＳの検出限界以下であるため定量的な測定をすることができない。しかし、上記の結果を用い、その水素濃度は、２×１０１７（１/ｃｍ３）程度と見積もることができる。
【０２１７】
図６は、アモルファスＩｎＧａＺｎＯ薄膜の、水素イオン注入量に対する電気伝導率を示している。
【０２１８】
ここで、横軸は、上記の手法で見積もられた水素注入量、縦軸は抵抗率の対数表示である。
【０２１９】
このように、アモルファス酸化物膜に水素を添加することで電気伝導度を制御することができることがわかった。
【０２２０】
特に、水素濃度が１０１８（１／ｃｍ３）近傍で、電気伝導度が大きく変化することがわかる。すなわち、絶縁体のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物に、１０１８（１／ｃｍ３）程度の水素をイオン注入することで、半導体にすることができる。
【０２２１】
面積あたり１×１０１５(１／ｃｍ２)の水素イオン注入を行った試料のホール移動度を評価したところ、キャリアの極性は負であり、ホール移動度は９ｃｍ２／Ｖｓｅｃ、キャリア濃度は６×１０１８(１／ｃｍ３)であった。
【０２２２】
アモルファス酸化物半導体を薄膜トランジスタの活性層に適用する際には、経験的に、電気伝導度として０．１Ｓ／ｃｍ以下で０．０００１Ｓ／ｃｍ以上の電気伝導度を有した半絶縁性の酸化物膜とすることが好ましい。
【０２２３】
これより、本実施例の作製方法においては、水素注入量を１０１８（１／ｃｍ３）程度とすることが好ましいことがわかる。
【０２２４】
本実施例のイオン注入を用いる手法は、イオン照射量（照射時間）で水素含有量さらにはキャリア濃度を正確に制御することができる。
【０２２５】
よって、薄膜トランジスタの作製に適用した際には、チャネル層の抵抗率及びキャリア濃度を精度高く制御することができるため、デバイスを再現良く作製することができるという利点がある。
【０２２６】
［実施例３］
本実施例では、図１（ａ）に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した例である。
【０２２７】
また、ＰＬＤ法で形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物に、水素又は重水素をイオン注入することで、水素原子（又は重水素原子）を含有したアモルファス酸化物からなるチャネル層を形成している。
【０２２８】
まず、ガラス基板（コーニング社製１７３７）上に、ＫｒＦエキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）により、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を堆積させた。
【０２２９】
ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）４組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を堆積させた。成膜時の酸素分圧は７Ｐａである。
【０２３０】
なお、ＫｒＦエキシマレーザーのパワーは１．５×１０−３ｍＪ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅ、パルス幅は２０ｎｓｅｃ、繰り返し周波数は１０Ｈｚである。また、基板温度は２５℃である。
【０２３１】
蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、薄膜の金属組成比はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝０．９７：１．０１：４であった。
【０２３２】
さらに、分光エリプソ測定を行い、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０．６ｎｍであり、膜厚は約１００ｎｍである。また、電気伝導度は１０−３Ｓ／ｃｍ以下（測定限界以下）の絶縁体である。
【０２３３】
次に、アモルファス酸化物薄膜に水素（又は重水素）イオン注入を行った。
【０２３４】
イオン種としてＨ＋（陽子）を用い加速電圧は１０ｋＶである。
【０２３５】
面積あたりのイオン照射量としては１×１０１１〜１×１０１５（１／ｃｍ２）にわたるさまざまな照射量のものを用意している。また、別途、同様に重水素Ｄ＋のイオン注入した試料も用意している。
【０２３６】
水素含有量を評価するためにＳＩＭＳにより組成分析を行うと、２×１０１４（１／ｃｍ２）のイオン照射を行った試料を薄膜中の水素濃度が１×１０１９（１／ｃｍ３）程度である。
【０２３７】
これにより、たとえば２×１０１２（１／ｃｍ２）がイオン照射量の試料は水素濃度が検出限界以下で測定できないが、１×１０１７（１／ｃｍ３）程度と見積もることができる。
【０２３８】
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。
【０２３９】
後記する本実施例の薄膜トランジスタには、イオン照射量が２×１０１３（１／ｃｍ２）のアモルファス酸化物を用いている。
【０２４０】
水素濃度が１×１０１８（１／ｃｍ３）程度と見積もられる。また、電気伝導度は１０−２Ｓ／ｃｍ程度の半絶縁性を示す。
【０２４１】
フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン電極１４及びソース電極１３をパターニング形成した。各電極材質は、金であり、厚さは３０ｎｍである。
【０２４２】
次に、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート絶縁層１２をパターニング形成した。ゲート絶縁膜は、厚さ１５０ｎｍのＨｆＯ２膜をレーザ蒸着法により成膜した。
【０２４３】
さらに、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート電極１５を形成した。電極材料はＡｕであり、厚さ５０ｎｍとした。チャネル長は、５０μｍで、チャネル幅は、２００μｍであった。
【０２４４】
（比較例２）
チャネル層の作成以外は、実施例２に準じている。ＰＬＤ法により成膜時の酸素分圧は６Ｐａとしてチャネル層を形成している。また、水素及び重水素のイオン注入は行っていない。実施例に比べて酸素分圧が低いため、酸素欠損により半絶縁性のアモルファス酸化物膜を形成することができている。
【０２４５】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
本実施例の薄膜トランジスタは、Ｖｄ＝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。トランジスタのオン・オフ比は、１０６超であり、電界効果移動度は約７ｃｍ２（Ｖｓ）−１である。水素をイオン注入した場合と重水素をイオン注入した際で、特性に大きな差は見られていない。
【０２４６】
また、本実施例２のＴＦＴは、比較例２のＴＦＴに比べて、ヒステリシスが小さい。複数の素子を作成した際の特性ばらつきが小さい傾向がある。
【０２４７】
本実施例においては、比較例に比べて高い酸素分圧において成膜を行うことができることによりＴＦＴを再現良く作成できると考える。
【０２４８】
また、チャネル層形成時に酸素分圧の微小変動に対してＴＦＴ特性の変動がほとんどないため、これにより、特性ばらつきが小さくなると考えている。
【０２４９】
また、チャネル層の水素含有量が小さいとヒステリシス低減の効果が小さくなり、水素含有量が多いとオン・オフ比が小さくなる傾向がある。
【０２５０】
これより、水素含有量を１０１７（１／ｃｍ３）以上で１０１９（１／ｃｍ３）以下にすることが好ましい。
【０２５１】
水素イオンの注入量を変化させ水素を含有したアモルファス酸化膜の電子キャリア濃度と電子移動度を評価したところ、水素注入量を増やすことにより、キャリア濃度と電子移動度がともに増加する傾向がある。
【０２５２】
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、水素を含有した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。その物理機構は明確でない。
【０２５３】
ゲート電極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・ドレイン電極間に電流が流れ、両電極間がオン状態になる。
【０２５４】
上記の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。
【０２５５】
上記の比較的大きな電界効果移動度を有した電界効果トランジスタは、有機発光ダイオードを動作回路への利用などが期待できる。
【０２５６】
［実施例４］
本実施例は、図１（ｂ）に示すボトムゲート型ＴＦＴ素子を作製した例である。
【０２５７】
まず、ガラス基板上に、スパッタ成膜により厚さ２００ｎｍのＴａからなるゲート電極を形成する。パターニングには、フォトリソグラフィー法とドライエッチ法を用いている。
【０２５８】
次に、プラズマＣＶＤ法により、厚さ２５０ｎｍのａ−ＳｉＮからなる絶縁層を形成する。
【０２５９】
次に、水素を含有したアモルファス酸化物からなるチャネル層を形成する。
【０２６０】
本実施例では、チャネル層成膜方法は実施例１に準じている。
【０２６１】
ただし、ターゲットとしては、２インチサイズのＩｎ２Ｏ３（ＳｎＯ２）組成を有する多結晶焼結体を用い、投入ＲＦパワーは１００Ｗとしている。
【０２６２】
成膜時の雰囲気は、全圧０．４Ｐａであり、その際ガス流量比としてＡｒ：Ｏ２：Ｈ２＝１００：１０：１である。成膜レートは１１ｎｍ／ｍｉｎである。また、基板温度は２５℃である。
【０２６３】
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。
【０２６４】
また、蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、金属組成比はＩｎ：Ｓｎ＝０．９５：１である。
【０２６５】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
本実施例のＴＦＴは、ヒステリシスが小さく、複数の素子を作成した際の特性ばらつきが小さい傾向がある。また、トランジスタのオン・オフ比は、１０６超であり、電界効果移動度は約９ｃｍ２（Ｖｓ）−１である。
【０２６６】
［実施例５］
本実施例は、プラスチック基板上に、図１（ａ）に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した例である。製法、構成は実施例１に準じている。
【０２６７】
ただし、基板として、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを用いている。
【０２６８】
また、本実施例では、チャネル層成膜において、ターゲットとしては、２インチサイズのＩｎ２Ｏ３・ＺｎＯ組成を有する多結晶焼結体を用い、投入ＲＦパワーは１００Ｗとしている。
【０２６９】
成膜時の雰囲気は、全圧０．４Ｐａであり、その際ガス流量比としてＡｒ：Ｏ２：Ｈ２＝１００：６：１である。成膜レートは１２ｎｍ／ｍｉｎである。また、基板温度は２５℃である。
【０２７０】
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−Ｏ系膜は、アモルファス膜である。
【０２７１】
また、蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、金属組成比はＩｎ：Ｚｎ＝１．１：０．９である。
【０２７２】
また、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、はＩｎ２Ｏ３：Ｓｎからなる透明導電膜とした。厚さは１００ｎｍである。
【０２７３】
（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。トランジスタのオン・オフ比は、１０３超である。また、電界効果移動度を算出したところ、約３ｃｍ２（Ｖｓ）−１の電界効果移動度である。
【０２７４】
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き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ったが、トランジスタ特性の変化は認められなかった。
【０２７５】
本実施例で作成した薄膜トランジスタは可視光に対して透明であり、フレキシブルな基板上に形成されている。
【産業上の利用可能性】
【０２７６】
本発明は、ＬＣＤや有機ＥＬディスプレイのスイッチング素子に利用することができる。また、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。
【符号の説明】
【０２７７】
１０ 基板
１１ チャネル層
１２ 絶縁層
１３ ソース電極
１４ ドレイン電極
１５ ゲート電極
５１ 試料
５２ ターゲット（材料源）
５３ 真空ポンプ
５４ 真空計
５５ 基板保持手段
５６ ガス流量制御手段
５７ 圧力制御手段
５８ 成膜室
【図１】
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【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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