(57)【要約】  安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などに優れた、薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタ基板及び画像表示装置と、画像表示装置と、半導体デバイスを提供することを目的とする。  半導体デバイスは、結晶質酸化物がＮ型半導体として用いられており、結晶質酸化物の電子キャリア濃度が２×１０１７／ｃｍ３未満であり、さらに、結晶酸化物を、Ｉｎと、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣａから選ばれた一つ以上の正二価元素とを含む多結晶酸化物とし、かつ、Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比を、［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）＝０．０００１〜０．１３としてある。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質酸化物膜を形成する膜形成工程と、
エッチングによって、前記膜形成工程で形成された前記非晶質酸化物膜をパターニングするパターニング工程と、
前記パターニング工程でパターニングされた前記非晶質酸化物膜を結晶化する結晶化工程とを有し、
この結晶化した結晶質酸化物膜をチャネル層とすることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２】
前記結晶質酸化物膜が、Ｉｎ及び正二価元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項３】
前記正二価元素が、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＣａから選ばれた一つ以上の元素であることを特徴とする請求項２に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項４】
前記Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）が、０．０００１≦［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）≦０．５であることを特徴とする請求項２又は３に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】
前記Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）が、０．０１≦［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）≦０．１であることを特徴とする請求項４に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】
前記膜形成工程に、スパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法、スプレー法、ディップ法のうちいずれかの成膜方法を用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記膜形成工程にスパッタ法を用い、該スパッタ法が、ＤＣマグネトロンスパッタ法、ＡＣマグネトロンスパッタ法、ＲＦマグネトロンスパッタ法のうちいずれかであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項８】
前記パターニング工程において、ウエットエッチングを用いることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項９】
前記結晶化工程において、加熱処理、プラズマ処理、レーザー照射処理から選ばれた一つ以上の処理方法を用いて、前記非晶質酸化物膜を結晶化することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
前記結晶化工程において、又は、前記結晶化工程の後に、前記結晶質酸化物膜の酸化処理を行うことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１１】
前記酸化処理に、酸素存在下での加熱処理、オゾン処理、プラズマ処理から選ばれた一つ以上の処理方法を用いることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１２】
前記膜形成工程において、スパッタ法を用い、１５０℃より低い温度にて前記非晶質酸化物膜を成膜し、前記パターニング工程において、蓚酸を含むエッチング液でパターニングし、前記結晶化工程において、酸素存在下で１５０〜５００℃にて加熱処理することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１３】
前記スパッタ法において、雰囲気ガス中に水又は水素を含ませることを特徴とする請求項７又は１２に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１４】
前記結晶化工程の後に、前記結晶質酸化物膜上に薄膜を形成し、該薄膜をウエットエッチングでパターニングすることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１５】
前記ウエットエッチングは、蓚酸、塩酸、リン酸から選ばれた一つ以上の酸を含むエッチング液を用いることを特徴とする請求項８又は１４に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１６】
上記請求項１〜１５のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法により製造されたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１７】
上記請求項１６に記載の薄膜トランジスタが、基板又はシート状の基材に複数個配設されたことを特徴とする薄膜トランジスタ基板。
【請求項１８】
上記請求項１６に記載の薄膜トランジスタを用いたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１９】
光制御素子と、この光制御素子を駆動するための電界効果型トランジスタを備えたアクティブマトリックス型の画像表示装置であって、
前記電界効果型トランジスタの活性層が結晶質酸化物であり、かつ、前記活性層の電子キャリア濃度が２×１０１７／ｃｍ３未満であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２０】
前記結晶質酸化物が、Ｉｎ及び正二価元素を含むことを特徴とする請求項１９に記載の画像表示装置。
【請求項２１】
前記結晶質酸化物が、Ｉｎと、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣａから選ばれた一つ以上の正二価元素とを含む多結晶酸化物であり、
前記Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比が、［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）＝０．０００１〜０．１３であることを特徴とする請求項１９又は２０に記載の画像表示装置。
【請求項２２】
前記結晶質酸化物が、ＰＡＮ耐性を有することを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項２３】
前記結晶質酸化物の電子キャリア濃度に対する電子移動度が、所定の範囲において、前記電子キャリア濃度の増加にともない、対数的に比例して増加することを特徴とする請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項２４】
前期結晶質酸化物中のLi及びNaの濃度が１０００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１９〜２３のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項２５】
前記光制御素子が、液晶素子又はＥＬ素子であることを特徴とする請求項１９〜２４のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項２６】
Ｎ型半導体として結晶質酸化物を用いた半導体デバイスであって、
前記結晶質酸化物の電子キャリア濃度が２×１０１７／ｃｍ３未満であることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２７】
前記結晶質酸化物が、Ｉｎ及び正二価元素を含むことを特徴とする請求項２６に記載の半導体デバイス。
【請求項２８】
前記結晶質酸化物が、Ｉｎと、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣａから選ばれた一つ以上の正二価元素とを含む多結晶酸化物であり、
前記Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比が、［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）＝０．０００１〜０．１３であることを特徴とする請求項２６又は２７に記載の半導体デバイス。
【請求項２９】
少なくとも、前記Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比を変化させることによって、前記結晶質酸化物の電子キャリア濃度に対する電子移動度が、対数的に比例して増加することを特徴とする請求項２８に記載の半導体デバイス。
【請求項３０】
前記結晶質酸化物が、ＰＡＮ耐性を有することを特徴とする請求項２６〜２９のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
【請求項３１】
前記結晶質酸化物中のＬｉ及びＮａの濃度が、１０００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項２６〜３０のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
【請求項３２】
前記半導体デバイスが薄膜トランジスタであり、前記結晶質酸化物がチャネル層として用いられていることを特徴とする請求項２６〜３１のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
【請求項３３】
前記半導体デバイスがＰ型領域とＮ型領域を備え、前記結晶質酸化物が前記Ｎ型領域に用いられていることを特徴とする請求項２６〜３１のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
【請求項３４】
前記半導体デバイスがＰＮ接合型トランジスタであることを特徴とする請求項３３に記載の半導体デバイス。
【請求項３５】
前記半導体デバイスが、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又は抵抗素子であり、前記結晶質酸化物が電子伝導体として用いられていることを特徴とする請求項２６〜３１のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
【請求項３６】
前記半導体デバイスが、集積回路であり、前記結晶質酸化物を用いたＮ型薄膜トランジスタを含むことを特徴とする請求項２６〜３１のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
【請求項３７】
前記半導体デバイスが、前記結晶質酸化物からなる第１領域と、前記第１領域に対してヘテロ接合を形成する第２領域とを具備することを特徴とする請求項２６〜３１のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜トランジスタの製造方法、この製造方法により製造される薄膜トランジスタ、この薄膜トランジスタが配設された薄膜トランジスタ基板、及び、この薄膜トランジスタを用いた画像表示装置に関する。前記薄膜トランジスタの製造方法では、チャンネル層として非晶質酸化物膜が成膜され、前記非晶質酸化物膜がパターニングされ、その後に結晶化され、この結晶化した結晶質酸化物膜をチャネル層とする。
また、本発明は、所定の電子キャリア濃度を有する結晶質酸化物を、電界効果型トランジスタの活性層として用いる画像表示装置に関する。
さらに、本発明は、半導体デバイスに関し、特に、所定の電子キャリア濃度を有する結晶質酸化物を、Ｎ型半導体として用いている半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電界効果型トランジスタは、半導体メモリ集積回路の単位電子素子、高周波信号増幅素子、液晶駆動用素子などとして広く用いられている。この電界効果型トランジスタは、現在、最も多く実用化されている電子デバイスである。【０００３】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、電界効果型トランジスタの一つである。近年における画像表示装置のめざましい発展に伴い、この薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、各種の画像表示装置において、表示素子に駆動電圧を印加して画像表示装置を駆動させるスイッチング素子として、多用されている。各種の画像表示装置は、液晶画像表示装置（ＬＣＤ）、エレクトロルミネッセンス画像表示装置（ＥＬ）及びフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）などである。【０００４】
また、ＴＦＴのチャネル層の材料としては、シリコン半導体化合物が最も広く用いられている。一般に、高速動作が必要な高周波増幅素子、集積回路用素子などには、シリコン単結晶が用いられる。液晶駆動用素子などには、大面積化の要求からアモルファス（非晶質）シリコンが用いられる。
また、結晶性のシリコン系薄膜は、結晶化を図る際に、例えば、８００℃以上の高温が必要となるので、ガラス基板及び有機物基板上への形成が困難である。このため、シリコンウェハーや石英などの耐熱性の高い高価な基板上にしか形成できない、また、製造に際して多大なエネルギーと工程数を必要とする。
さらに、結晶性のシリコン系薄膜を用いたＴＦＴの素子構成は、通常、トップゲート構成に限定される、このため、マスク枚数の削減などのコストダウンが困難である。【０００５】
一方、比較的低温で形成できる非晶質のシリコン半導体（アモルファスシリコン）は、結晶性のものに比べてスイッチング速度が遅い。このため、非晶質のシリコン半導体は、画像表示装置を駆動するスイッチング素子として使用したときに、高速な動画の表示に追従できない場合がある。
さらに、この半導体活性層は、可視光が照射されると、導電性を示し、漏れ電流が発生する。この場合、半導体活性層は、誤動作のおそれがあり、また、スイッチング素子としての特性が劣化するおそれがある。そのため、可視光を遮断する遮光層を設ける方法が知られており、例えば、遮光層としては金属薄膜が用いられる。【０００６】
ところで、金属薄膜からなる遮光層を設けると、工程が増える。また、この遮光層は、浮遊電位を持つので、遮光層をグランドレベルにする必要がある。この場合、寄生容量が発生するといった不都合がある。
なお、現在、画像表示装置を駆動させるスイッチング素子としては、シリコン系の半導体膜を用いた素子が主流を占めている。この理由は、シリコン薄膜は、安定であり、加工しやすく、スイッチング速度が速く、種々の性能が良好なためである。そして、このシリコン系薄膜は、一般に化学蒸気析出法（ＣＶＤ）法により製造されている。【０００７】
また、従来の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の構造の一つに、逆スタガ構造がある。この逆スタガ構造は、ガラス等の基板上にゲ−ト電極、ゲート絶縁層、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）等の半導体層、ソ−ス電極及びドレイン電極を順に積層した構造である。この薄膜トランジスタは、フラットパネルディスプレイ等の駆動素子として用いられている。イメ−ジセンサ及び大面積デバイスの分野において、フラットパネルディスプレイは、アクティブマトリスク型の液晶ディスプレイに代表される。ただし、これらの用途では、従来のアモルファスシリコンを用いた薄膜トランジスタは、高機能化に伴い動作の高速化が求められている。【０００８】
このような状況下、近年にあっては、ＴＦＴのチャネル層の材料として、金属酸化物からなる透明半導体薄膜が注目されている。この金属酸化物は、シリコン系半導体薄膜よりも安定性が優れている。そして、様々な技術が広く研究されている。その技術の一つは、ＰＬＤ（パルスレーザーディポジション）法で、酸化インイジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛からなる非晶質の透明半導体膜を作成し、薄膜トランジスタを駆動させる技術である。【０００９】
また、ＬＣＤ（液晶表示装置）や有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示装置などのアクティブマトリックス型の画像表示装置は、表示性能、省エネルギー等の理由から広く利用されている。特に、携帯電話やＰＤＡ（個人向け携帯情報端末）、パソコンやラップトップパソコン、テレビ等の表示装置として、ほぼ主流を占めるに至っている。これらの表示装置には、一般に、ＴＦＴ(電界効果型薄膜トランジスタ)基板が用いられている。【００１０】
例えば、液晶表示装置は、ＴＦＴ基板と対向基板との間に液晶などの表示材料を充填し、この表示材料に対して画素ごとに選択的に電圧を印加するように構成されている。ここで、ＴＦＴ基板とは、非晶質シリコン薄膜や多結晶シリコン薄膜などの半導体薄膜（半導体膜とも呼ばれる）を活性層に用いるＴＦＴが配置されている基板をいう。上記画像表示装置は、ＴＦＴのアクティブマトリクス回路により駆動される。一般に、ＴＦＴ基板は、アレイ状にＴＦＴが配置されているので、「ＴＦＴアレイ基板」とも呼ばれる。【００１１】
なお、液晶表示装置などに用いられるＴＦＴ基板は、ＴＦＴと液晶表示装置の画面の１画素との組（これを１ユニットと呼ぶ）が、ガラス基板上に縦横に配設されている。ＴＦＴ基板は、ガラス基板上に、ゲート配線が例えば縦方向に等間隔で配置されており、ソース配線又はドレイン配線が横方向に等間隔で配置されている。また、ゲート電極，ソース電極及びドレイン電極が、各画素を構成する上記ユニット中にそれぞれ設けられている。【００１２】
ところで、上述のシリコン薄膜を用いるトランジスタの製造は、シラン系のガスを用いて製造するため安全性や設備費用の点で問題があった。また、非晶質シリコン薄膜は、ＴＦＴとした場合の電子移動度が約０．５ｃｍ２／Ｖｓ程度と低く、また、バンドギャップが小さいため可視光を吸収し誤動作するおそれがあった。また、多結晶シリコン薄膜は、比較的高温の熱工程を要し、エネルギー費用が高く、さらに、大型のガラス基板上に直接形成することは困難であった。
そこで、低温での成膜が可能な、酸化物半導体薄膜を用いるＴＦＴの開発が活発に行われている。また、上記ＴＦＴの開発とともに、酸化物半導体薄膜を用いる半導体デバイスなどの開発も行われている。【００１３】
たとえば、特許文献１には、ゲート電極上に、絶縁性の高い第１絶縁膜および酸化物（例えば、ＳｉＯ2）からなる第２絶縁膜を含むゲート絶縁膜を形成し、第２絶縁膜上に、ＺｎＯなどを用いた半導体層を形成した薄膜トランジスタの技術が開示されている。この薄膜トランジスタは、オフ領域での漏れ電流レベルが低く、かつ、移動度が高くスイッチング特性が良好である。
また、特許文献２には、ＺｎＯ（酸化亜鉛）から半導体層を形成し、かつ、電極・配線材料としてアルミニウム用い、さらに、電蝕による欠陥・不良が生じない半導体装置の技術が開示されている。
さらに、特許文献３には、透明基材上に、主要カチオン元素としてインジウム（Ｉｎ）および亜鉛（Ｚｎ）を含有する非晶質酸化物からなる透明導電膜であって、Ｉｎの原子比Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）が０．８〜０．９の範囲内である透明導電膜が設けられている導電透明基材及びその製造方法の技術が開示されている。この技術によれば、透明導電膜は、実用上十分な導電性および光透過性を有し、また、エッチング特性および比抵抗の熱的安定性に優れている。さらに、この透明導電膜を、低い基板温度にて、基板上に設けることができる。【００１４】
また、特許文献４には、透明酸化物膜を用いた半導体デバイスの技術が開示されている。この半導体デバイスは、Ｐ型領域とＮ型領域とを備え、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満である非晶質酸化物、又は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傾向を示す非晶質酸化物をＮ型領域に用いている。
さらに、特許文献５には、アクティブマトリックス型の画像表示装置の技術が開示されている。この画像表示装置は、電界効果型トランジスタの活性層として、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満の非晶質酸化物を有する。
【特許文献１】特開２００３−８６８０８号公報
【特許文献２】特開２００４−２７３６１４号公報
【特許文献３】特開平７−２３５２１９号公報
【特許文献４】特開２００６−１６５５３２号公報
【特許文献５】特開２００６−１６５５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上記特許文献に記載された薄膜トランジスタは、チャネル層に用いた非晶質酸化物膜が、エッチングが容易であるものの耐薬品性が低い。このため、非晶質酸化物膜（チャネル層）上に成膜した導電膜などの薄膜をパターニングする際に、ウエットエッチングを行うと、非晶質酸化物膜（チャネル層）をも溶解してしまうといった不具合があった。
この不具合を回避するために、非晶質酸化物膜をチャネル層とする薄膜トランジスタを作製する際、チャネル層上で導電膜などの薄膜をパターニングする
ために、リフトオフやドライエッチングなどを行ってきた。このリフトオフやドライエッチングは、高価な装置を必要とし、また、製造コストが高いといった問題があった。さらに、これらは、大面積化に適していない技術であるため、液晶ディスプレイなどの中大型ディスプレイへの適用が困難であった。【００１６】
また、しかしながら、酸化物半導体薄膜（たとえば、金属酸化物からなる透明半導体薄膜）のうち、特に、酸化亜鉛を高温で結晶化してなる透明半導体薄膜は、電界効果移動度（電子移動度）が約１ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ程度と低く、ｏｎ−ｏｆｆ比も小さい。その上、漏れ電流が発生しやすいため、工業的には実用化が困難であった。
また、酸化亜鉛を用いた結晶質を含む酸化物半導体については、多数の検討がなされている。ただし、工業的に一般に行われているスパッタリング法で成膜した場合には、次のような問題があった。すなわち、電子移動度が低い、ｏｎ−ｏｆｆ比が低い、漏れ電流が大きい、ピンチオフが不明瞭、ノーマリーオンになりやすいなど、すなわち、ＴＦＴの性能が低下するおそれがあった。また、耐薬品性が劣るので、ウェットエッチングが難しいなど製造プロセスや使用環境の制限があった。さらに、性能を上げるためには高い圧力で成膜する必要があり、圧力を高くすると成膜速度が遅くなり、また、約７００℃以上の高温処理が必要であるなど、すなわち、工業化する上での問題もあった。また、ボトムゲート構成における電子移動度などのＴＦＴ性能が低く、性能を上げるにはトップゲート構成で膜厚を約５０ｎｍ以上にする必要があるなど、すなわち、ＴＦＴ素子構成上の制限もあった。【００１７】
また、非晶質の透明半導体薄膜は、特性の経時変化や熱変化が大きいので、長期使用時の閾値電圧の変化が大きいなどの問題がある。特に、液晶パネルの製造プロセスでは約２５０℃以上、時には約３００℃以上の熱がかかる場合があり、特性の熱変化は、工業化する上での大きな障害となっていた。これに対して、二つの原因が推定される。一つの原因は、キャリア数が大きすぎたり、非晶質であること。もう一つの原因は、成膜時の酸素分圧を上げることで無理に酸素を含有させているため、酸素の移動が起こりやすく、キャリア密度が変化しやすいことである。
また、非晶質の透明半導体薄膜は、成膜時に多量の酸素を導入することが多いので、制御が難しい。また、キャリア密度の経時変化や環境温度による変化が生じやすいので、成膜時の酸素分圧を精密に制御する必要がある。このため、工業化する際の再現性、安定性、大面積均一性に問題があり、大型液晶ディスプレイなどへの適用は困難であった。
さらに、この透明半導体薄膜は、非晶質であるため、ＰＡＮに代表されるエッチング液などへの耐薬品性が低く、半導体膜上の金属配線がウェットエッチングできない。また、屈折率が大きく多層膜の透過率が低下しやすいなどの欠点があった。また、この透明半導体薄膜は、非晶質であるため、雰囲気ガス中の酸素や水などを吸着して、電気特性が変化してしまうことにより、歩留まりが低下するなどのおそれもあった。
すなわち、非晶質酸化物は、キャリア(電子)密度の制御が難しく、安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性に劣るという問題点があった。【００１８】
一方、酸化インジウムの結晶質を含む膜、特に、多結晶膜は、酸素欠損が生成しやすい。このため、成膜時の酸素分圧を上げたり、酸化処理などをしたりしても、キャリア密度を２×１０＋１７ｃｍ−３未満とすることが困難と考えられていた。したがって、半導体膜又はＴＦＴとして用いる試みはほとんどなされていなかった。【００１９】
本発明は、以上のような従来の技術が有する問題を解決するために提案されたものであり、チャネル層をウエットエッチングによって形成し、かつ、チャネル層上の薄膜をウエットエッチングによって形成することにより、製造原価の低減及び大面積化の可能な薄膜トランジスタの製造方法、この製造方法により製造される薄膜トランジスタ、この薄膜トランジスタが配設された薄膜トランジスタ基板、及び、この薄膜トランジスタを用いた画像表示装置を提供することを目的とする。【００２０】
また、本発明は、結晶質酸化物を活性層に用いたトランジスタを利用して、画像品質や耐久性になどに優れた新規な画像表示装置を提供することを目的とする。【００２１】
さらに、本発明は、安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などに優れた新規な半導体デバイスを提供することを目的とする。【００２２】
なお、本発明者は、特開２００６−１６５５３２号公報に記載されている非晶質酸化物膜について検討した。この非晶質酸化物膜は、電子キャリア濃度が１×１０１８／ｃｍ３未満であり、ＴＦＴのチャネルに使用できる酸化膜であった。
しかし、上記非晶質酸化膜を用いたＴＦＴは、経時変化があり、また、工業化した際に大面積均一性や再現性に問題があることが分かった。すなわち、従来の非晶質酸化膜やＺｎＯ多結晶膜は、電子キャリア濃度の制御が難しく、安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性に優れた様々な半導体デバイスや、それを用いた回路等に用いることは、困難であった。
そこで、本発明者は、ＴＦＴの活性層として、電子キャリア濃度が２×１０１７／ｃｍ３未満となるように、Ｉｎに正価数の小さい元素をドーパントとして添加した結晶酸化物を用いてＴＦＴを作製したところ、ドーパントがアクセプタとして機能し電子キャリア濃度が制御され所望の安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性に優れたＴＦＴが得られることを発見した。また、Ｉｎを含む酸化物のドーパントによる電子キャリア濃度の制御の検討を精力的に進めた結果、ドーパント量を制御することで、電子キャリア濃度を２×１０１７／ｃｍ３未満に安定して制御できることを見出した。さらに、このような結晶酸化物は、ＴＦＴ以外の半導体デバイスにも広く好適に用いることができることが判明した。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するため、本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、非晶質酸化物膜を形成する膜形成工程と、エッチングによって、前記膜形成工程で形成された前記非晶質酸化物膜をパターニングするパターニング工程と、前記パターニング工程でパターニングされた前記非晶質酸化物膜を結晶化する結晶化工程とを有し、この結晶化した結晶質酸化物膜をチャネル層とする方法としてある。
このようにすると、膜形成工程及びパターニング工程において、チャネル層となる酸化物膜は非晶質であり、耐薬品性が低く容易に溶解する。したがって、非晶質酸化物膜を容易にパターニングできる。さらに、パターニング工程のあとの結晶化工程において、非晶質酸化物膜は結晶化され結晶質酸化物膜となり、結晶質の酸化物膜は、非晶質の酸化物よりも耐薬品性が高くなる。これにより、例えば、リフトオフやドライエッチングなどの装置コストや製造コストが高価であり、大面積化が困難な工業化に適していない方法を用いる必要がない。したがって、容易にチャネル層上で、金属配線や透明導電膜などの薄膜のパターニングを行うことができる。
また、チャネル層が結晶化しているので、製造プロセス中の熱履歴などで特性が変化するおそれが大幅に低減される。したがって、信頼性に優れた薄膜トランジスタを提供でき、また、この薄膜トランジスタを用いた信頼性に優れた画像表示装置などを提供することができる。【００２４】
また、好ましくは、前記結晶質酸化物膜が、Ｉｎ及び正二価元素を含むとよい。
このようにすると、酸化物膜において、正二価元素がドーパントとしての効果を発揮でき、結晶質酸化物膜が、半導体としての特性を有し、キャリア層として用いることができる。また、酸化物膜の結晶化もできることから、確実に耐薬品性を向上できる。さらに、結晶化温度の低い酸化インジウムを主成分とする酸化物を用いると、低いエネルギーで結晶化できる、すなわち、プロセス温度を下げることができる。したがって、大型ガラス基板等を使用することができ、液晶ディスプレイなどの中大型の画像表示装置の製造プロセスに、好適に適用することができる。なお、上記正二価元素は、一つに限定されるものではなく、たとえば、二つ以上の正二価元素でもよい。【００２５】
さらに、好ましくは、前記正二価元素が、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＣａから選ばれた一つ以上の元素であるとよい。
このようにすると、効率的にキャリア濃度を制御でき、薄膜トランジスタの歩留りを向上させることができる。【００２６】
また、好ましくは、前記Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）が、０．０００１≦［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）≦０．５であるとよい。
さらに、好ましくは、前記Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）が、０．０１≦［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）≦０．１であるとよい。
このようにすると、結晶質酸化物膜のキャリア密度を好適に設定できるので、結晶質酸化物膜をより優れた半導体特性を有するキャリア層として製造することができる。すなわち、上記原子比のＩｎ及び正二価元素を含む酸化物を用い、プロセスの途中で非晶質酸化物膜を結晶化させる、これにより、非晶質時に導電膜などであった酸化物膜を半導体膜に変えるとともに、耐薬品性を向上させ、チャネル層上の薄膜がチャネル層に対して選択エッチングを実現することができる。【００２７】
また、好ましくは、前記膜形成工程に、スパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法、スプレー法、ディップ法のうちいずれかの成膜方法を用いるとよい。
このようにすると、既存の成膜技術を用いることができる。【００２８】
また、好ましくは、前記膜形成工程にスパッタ法を用い、該スパッタ法が、ＤＣマグネトロンスパッタ法、ＡＣマグネトロンスパッタ法、ＲＦマグネトロンスパッタ法のうちいずれかであるとよい。
このようにすると、経済性、生産性及び品質などに優れた既存の成膜技術を用いることができる。【００２９】
また、好ましくは、前記パターニング工程において、ウエットエッチングを用いるとよい。
このようにすると、ドライエッチングを行う場合に比べて、経済性及び生産性を向上させることができる。【００３０】
また、好ましくは、前記結晶化工程において、加熱処理、プラズマ処理、レーザー照射処理から選ばれた一つ以上の処理方法を用いて、前記非晶質酸化物膜を結晶化するとよい。
このようにすると、既存の処理技術を用いて、非晶質酸化物膜を結晶化させることができる。【００３１】
また、好ましくは、前記結晶化工程において、又は、前記結晶化工程の後に、前記結晶質酸化物膜の酸化処理を行うとよい。
このようにすると、結晶質酸化物膜の導電性を低下させることができ、トランジスタとしての特性を調整することができる。また、正二価元素の種類やその原子比などによっては、このようにすることにより、結晶質酸化物膜に半導体特性を付与することができる。【００３２】
また、好ましくは、前記酸化処理に、酸素存在下での加熱処理、オゾン処理、プラズマ処理から選ばれた一つ以上の処理方法を用いるとよい。
このようにすると、既存の処理技術を用いて、酸化処理を行うことができる。【００３３】
また、好ましくは、前記膜形成工程において、スパッタ法を用い、１５０℃より低い温度にて前記非晶質酸化物膜を成膜し、前記パターニング工程において、蓚酸を含むエッチング液でパターニングし、前記結晶化工程において、酸素存在下で１５０〜５００℃にて加熱処理するとよい。
このようにすると、結晶性のシリコン系薄膜が、結晶化を図る際に、例えば、８００℃以上の高温が必要となるのに比べて、十分低い温度で結晶質酸化物膜からなるキャリア層を容易に製造することができる。【００３４】
また、好ましくは、前記スパッタ法において、雰囲気ガス中に水又は水素を含ませるとよい。
このようにすると、半導体トランジスタの歩留りを向上させることができる。【００３５】
また、好ましくは、前記結晶化工程の後に、前記結晶質酸化物膜上に薄膜を形成し、該薄膜をウエットエッチングでパターニングするとよい。
このようにすると、リフトオフやドライエッチングなどを行う場合に比べて、経済性及び生産性を向上させることができ、製造原価のコストダウンを図ることができる。また、パターニング工程におけるエッチング液を共用できる場合には、さらに生産性を向上させることができる。また、ウエットエッチングは、リフトオフやドライエッチングと比べて、大面積化に適している。したがって、液晶ディスプレイなどの中大型ディスプレイへの適用が可能となる。【００３６】
また、好ましくは、前記ウエットエッチングは、蓚酸、塩酸、リン酸から選ばれた一つ以上の酸を含むエッチング液を用いるとよい。
このようにすると、既存のエッチング液を用いることができる。【００３７】
また、上記目的を達成するため、本発明の薄膜トランジスタは、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法により製造された構成としてある。
このようにすると、製造原価のコストダウンを図ることができ、かつ、信頼性を向上させることができる。【００３８】
また、上記目的を達成するため、本発明の薄膜トランジスタ基板は、請求項１６に記載の薄膜トランジスタが、基板又はシート状の基材に複数個配設された構成としてある。
このようにすると、製造原価の低減及び大面積化の可能な、かつ、信頼性に優れた薄膜トランジスタ基板を提供することができる。なお、薄膜トランジスタ基板は、通常、ガラス基板上に薄膜トランジスタが配設されるが、これに限定されるものではない。たとえば、樹脂などからなる可撓性を有するシート状の基材に薄膜トランジスタを配設してもよい。【００３９】
また、上記目的を達成するため、本発明の画像表示装置は、請求項１６記載の薄膜トランジスタを用いた構成としてある。
このようにすると、製造原価の低減及び大面積化の可能な、かつ、信頼性に優れた画像表示装置を提供することができる。【００４０】
また、上記目的を達成するために、本発明の画像表示装置は、光制御素子と、この光制御素子を駆動するための電界効果型トランジスタを備えたアクティブマトリックス型の画像表示装置であって、前記電界効果型トランジスタの活性層が結晶質酸化物であり、かつ、前記活性層の電子キャリア濃度が２×１０１７／ｃｍ３未満である。
このようにすると、ＴＦＴとして確実に駆動することができる。また、ＴＦＴとして駆動する際、ノーマリーオンになったり、閾値電圧が高くなったり、ｏｎ−ｏｆｆ比が小さくなったり、漏れ電流が大きくなったりしない。したがって、画像品質を向上させることができる。
また、本発明に係る半導体薄膜は、室温付近での電子キャリア濃度が約１０＋１７ｃｍ−３未満であるのが好ましく、より好ましくは約２×１０＋１６ｃｍ−３以下である。このようにすると、ＴＦＴの信頼性及び性能をさらに向上させることができる。【００４１】
また、好ましくは、前記結晶質酸化物が、Ｉｎ及び正二価元素を含むとよい。
このようにすると、酸化インジウムのビックスバイト型結晶を含むこととなり、ビックスバイト構造をとることで、電子移動度を大きくすることができる。これは、インジウムの５Ｓ軌道が陵共有構造をとることによるものと推定される。
さらに、亜鉛などの正二価元素の少なくとも一部は、インジウムを固溶置換していることが好ましい。この理由は、正三価であるインジウムを正二価元素が固溶置換することによって、効果的にキャリア密度を低下させることが期待できるからである。【００４２】
また、好ましくは、前記結晶質酸化物が、Ｉｎと、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣａから選ばれた一つ以上の正二価元素とを含む多結晶酸化物であり、前記Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比が、［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）＝０．０００１〜０．１３であるとよい。
このようにすると、電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満にできる。すなわち、本発明者らは、Ｉｎを主成分としドーパントとして正二価元素を含有した結晶膜を作製し、ドーパント濃度や後処理条件を制御することによって、電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満にできることを発見した。
また、本発明に係る半導体薄膜中のインジウム［Ｉｎ］と、正二価元素［Ｘ］との原子比を、Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）＝０．０００１〜０．１３としてある。この理由は、原子比［Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）］が０．０００１より小さいと、キャリア数が制御できないおそれがあるからである。一方、原子比［Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）］が０．１３より大きくなると、界面あるいは表面が変質しやすく不安定になるおそれがあるからである。また、結晶化温度が高く結晶化が困難となって、キャリア濃度が高くなったり、キャリア濃度が経時変化したり、ホール移動度が低下したり、耐熱性が低下したり、耐薬品性が低下したりするおそれがあるからである。さらに、トランジスタを駆動させた際に、閾値電圧が変動したり、駆動が不安定となったりするおそれがあるからである。【００４３】
また、好ましくは、前記結晶質酸化物が、ＰＡＮ耐性を有するとよい。
このようにすると、製造工程の自由度が増加し、ＴＦＴ基板を効率よく製造することができる。【００４４】
また、好ましくは、前記結晶質酸化物の電子キャリア濃度に対する電子移動度が、所定の範囲において、前記電子キャリア濃度の増加にともない、対数的に比例して増加するとよい。
このようにすると、製造条件を制御することにより、電子移動度が大きくなるので、ｏｎ−ｏｆｆ比も大きくなりトランジスタの特性を向上させることができる。【００４５】
また、好ましくは、前期結晶質酸化物中のＬｉ及びＮａの濃度が１０００ｐｐｍ以下であるとよい。
このようにすると、長時間駆動した際の特性変化が少なくなり、トランジスタの信頼性を向上させることができる。【００４６】
また、好ましくは、前記光制御素子が、液晶素子又はＥＬ素子であるとよい。
このようにすると、画像品質に優れた液晶画像表示装置やＥＬ画像表示装置などを提供することができる。【００４７】
さらに、上記目的を達成するために、本発明の半導体デバイスは、Ｎ型半導体として結晶質酸化物を用いた半導体デバイスであって、前記結晶質酸化物の電子キャリア濃度が２×１０１７／ｃｍ３未満である。
このように、非晶質に比べて優れた特性を有する結晶質酸化物をＮ型半導体として用いることにより、半導体デバイスの安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などを向上させることができる。また、半導体デバイスがＴＦＴである場合、大面積均一性や再現性に優れたＴＦＴを提供することができる。なお、半導体デバイスとは、半導体素子、半導体部品、半導体装置、集積回路などをいう。
また、本発明に係る半導体デバイスが薄膜トランジスタなどである場合、室温付近での電子キャリア濃度が約１０＋１７ｃｍ−３未満であるのが好ましく、より好ましくは約２×１０＋１６ｃｍ−３以下である。このようにすると、薄膜トランジスタなどの信頼性及び性能をさらに向上させることができる。  
さらに、上記結晶質酸化物は、単結晶酸化物、エピタキシャル酸化物、多結晶酸化物を含むが、多結晶酸化物が工業的に製造しやすく好ましい。【００４８】
また、好ましくは、前記結晶質酸化物が、Ｉｎ及び正二価元素を含むとよい。
このようにすると、酸化インジウムのビックスバイト型結晶を含むこととなり、ビックスバイト構造をとることで、電子移動度を大きくすることができる。これは、インジウムの５Ｓ軌道が陵共有構造をとることによるものと推定される。
さらに、亜鉛などの正二価元素の少なくとも一部は、インジウムを固溶置換していることが好ましい。この理由は、正三価であるインジウムを正二価元素が固溶置換することによって、効果的にキャリア密度を低下させることが期待できるからである。【００４９】
また、好ましくは、前記結晶質酸化物が、Ｉｎと、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣａから選ばれた一つ以上の正二価元素とを含む多結晶酸化物であり、前記Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比が、［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）＝０．０００１〜０．１３であるとよい。
このようにすると、電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満にできる。すなわち、本発明者は、Ｉｎを主成分としドーパントとして正二価元素を含有した結晶膜を作製し、ドーパント濃度や後処理条件を制御することによって、電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満にできることを発見した。
また、本発明に係る半導体薄膜中のインジウム［Ｉｎ］と、正二価元素［Ｘ］との原子比を、Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）＝０．０００１〜０．１３としてある。この理由は、原子比［Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）］が０．０００１より小さいと、キャリア数が制御できないおそれがあるからである。一方、原子比［Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）］が０．１３より大きくなると、界面あるいは表面が変質しやすく不安定になるおそれがあるからである。また、結晶化温度が高く結晶化が困難となって、キャリア濃度が高くなったり、キャリア濃度が経時変化したり、ホール移動度が低下したり、耐熱性が低下したり、耐薬品性が低下したりするおそれがあるからである。さらに、トランジスタを駆動させた際に、閾値電圧が変動したり、駆動が不安定となったりするおそれがあるからである。【００５０】
また、好ましくは、少なくとも、前記Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比を変化させること等によって、前記結晶質酸化物の電子キャリア濃度に対する電子移動度が、対数的に比例して増加するとよい。
このようにすると、半導体特性を容易に設定することができるとともに、半導体の付加価値を向上させることができる。【００５１】
また、好ましくは、前記結晶質酸化物が、ＰＡＮ耐性を有するとよい。
このようにすると、製造工程の自由度が増加し、半導体デバイスを効率よく製造することができる。【００５２】
また、好ましくは、前記結晶質酸化物中のＬｉ及びＮａの濃度が、１０００ｐｐｍ以下であるとよい。
このようにすると、長時間駆動した際の特性変化が少なくなり、トランジスタの信頼性を向上させることができる。【００５３】
また、好ましくは、前記半導体デバイスが薄膜トランジスタであり、前記結晶質酸化物がチャネル層として用いられているとよい。
このようにすると、薄膜トランジスタの安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などを向上させることができる。【００５４】
また、好ましくは、前記半導体デバイスがＰ型領域とＮ型領域を備え、前記結晶質酸化物が前記Ｎ型領域に用いられているとよい。
このようにすると、Ｐ型領域とＮ型領域を備えた半導体デバイスの、安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などを向上させることができる。【００５５】
また、好ましくは、前記半導体デバイスがＰＮ接合型トランジスタであるとよい。
このようにすると、ＰＮ接合型トランジスタの安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などを向上させることができる。【００５６】
また、好ましくは、前記半導体デバイスが、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又は抵抗素子であり、前記結晶質酸化物が電子伝導体として用いられているとよい。
このようにすると、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又は抵抗素子の安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などを向上させることができる。【００５７】
また、好ましくは、前記半導体デバイスが、集積回路であり、前記結晶質酸化物を用いたＮ型薄膜トランジスタを含むとよい。
このようにすると、集積回路の安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などを向上させることができる。なお、この集積回路において、Ｎ型薄膜トランジスタは、例えば、論理回路、メモリ回路、差動増幅回路などに用いられる。【００５８】
また、好ましくは、前記半導体デバイスが、前記結晶質酸化物からなる第１領域と、前記第１領域に対してヘテロ接合を形成する第２領域とを具備するとよい。
このようにすると、ヘテロ接合を有する半導体デバイスの安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法の概略フローチャート図を示している。
【図２】図２は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法で製造された薄膜トランジスタを説明するための概略断面図を示している。
【図３】図３は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法において、ゲート電極を形成する際の概略図であり、（ａ）は基板の断面図を示しており、（ｂ）は導電体膜が成膜された断面図を示しており、（ｃ）はゲート電極が形成された断面図を示している。
【図４】図４は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法において、絶縁体膜が成膜された概略断面図を示している。
【図５】図５は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法において、チャネル層を形成する際の概略図であり、（ａ）は非晶質酸化物膜の成膜された断面図を示しており、（ｂ）は非晶質酸化物膜のパターニングされた断面図を示しており、（ｃ）は非晶質酸化物膜が結晶化され、結晶質酸化物膜からなるチャネル層が形成された断面図を示している。
【図６】図６は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法において、ソース電極及びドレイン電極を形成する際の概略図であり、（ａ）は導電体膜の成膜された断面図を示しており、（ｂ）はパターニングされソース電極及びドレイン電極の形成された断面図を示している。
【図７】図７は、本発明の実施例１に係る薄膜トランジスタの、膜形成工程における非晶質酸化物膜のＸ線回折の測定グラフを示している。
【図８】図８は、本発明の実施例１に係る薄膜トランジスタの、結晶化工程における結晶質酸化物膜のＸ線回折の測定グラフを示している。
【図９】図９は、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜、及び、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる薄膜の電子キャリア密度に対する電子移動度の測定グラフを示している。
【図１０】図１０は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法により製造される、薄膜トランジスタの第一応用例の概略断面図を示している。
【図１１】図１１は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法により製造される、薄膜トランジスタの第二応用例の概略断面図を示している。
【図１２】図１２は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法により製造される、薄膜トランジスタの第三応用例の概略図であり、(ａ)は平面図を示しており、(ｂ)はＡ−Ａ断面の要部の拡大図を示している。
【図１３】図１３、本発明の第二実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法の概略フローチャート図を示している。
【図１４】図１４は、本発明の第二実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法で製造された薄膜トランジスタを説明するための概略断面図を示している。
【図１５】図１５は、本発明の第一実施形態に係る画像表示装置を説明するための、要部の概略断面図を示している。
【図１６】図１６は、本発明の第二実施形態に係る画像表示装置を説明するための、要部の概略断面図を示している。
【図１７】図１７は、本発明の第三実施形態にかかる画像表示装置の、電界効果型薄膜トランジスタの構成を説明するための、要部の概略拡大断面図を示している。
【図１８ａ】図１８ａは、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜、及び、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる薄膜の電子キャリア密度に対する電子移動度の測定グラフを示している。
【図１８ｂ】図１８ｂは、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜、及び、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜の電子キャリア濃度に対する電子移動度の測定グラフを示している。
【図１９】図１９は、実施例４〜１４と比較例３〜８に対する、成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、酸化処理、及び、半導体薄膜の特性を表した表を示している。
【図２０】図２０は、絶縁体基板上に作製したトップゲート型ＴＦＴの要部の概略断面図を示している。
【図２１】図２１は、絶縁体基板上に作製したボトムゲート型ＴＦＴの要部の概略断面図を示している。
【図２２】図２２は、導電性基板上に作製され、かつ、半導体膜上にソース電極及びドレイン電極が形成されたボトムゲート型ＴＦＴの要部の概略断面図を示している。
【図２３】図２３は、導電性基板上に作製され、かつ、ソース電極及びドレイン電極上に半導体膜が形成されたボトムゲート型ＴＦＴの要部の概略断面図を示している。
【図２４】図２４は、本発明の第一実施形態にかかる半導体デバイスである、電界効果型薄膜トランジスタの要部の概略断面図を示している。
【図２５ａ】図２５ａは、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜、及び、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる薄膜の電子キャリア濃度に対する電子移動度の測定グラフを示している。
【図２５ｂ】図２５ｂは、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜、及び、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜の電子キャリア濃度に対する電子移動度の測定グラフを示している。
【図２６】図２６は、実施例１５〜２５と比較例９〜１４に対する、成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、酸化処理、及び、半導体薄膜の特性を表した表を示している。
【図２７】図２７は、本発明の第一実施形態にかかる半導体デバイスである電界効果型薄膜トランジスタの、第一応用例の要部の概略断面図を示している。
【図２８】図２８は、本発明の第一実施形態にかかる半導体デバイスである電界効果型薄膜トランジスタの、第二応用例の要部の概略断面図を示している。
【図２９】図２９は、本発明の第一実施形態にかかる半導体デバイスである電界効果型薄膜トランジスタの、第三応用例の要部の概略断面図を示している。
【図３０】図３０は、本発明の第二実施形態にかかる半導体デバイスである、ＰＮ接合型トランジスタの要部の概略断面図を示している。
【図３１】図３１は、本発明の第三実施形態にかかる半導体デバイスである、ショットキーダイオードの要部の概略断面図を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６０】
以下、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタ基板及び画像表示装置と、画像表示装置と、半導体デバイス、の好ましい実施形態について、説明する。【００６１】
［薄膜トランジスタの製造方法の第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法の概略フローチャート図を示している。
図１において、本実施形態は、いわゆる逆スタガ型の薄膜トランジスタ（図２参照）の製造方法であって、基板１００６上にゲート電極１００２を形成し（Ｓ１−１）、ゲート電極１００２上に絶縁体膜１００３を形成し（Ｓ１−２）、絶縁体膜１００３上にチャネル層を形成し（Ｓ１−３）、その後、ソース電極１００４及びドレイン電極１００５を形成し（Ｓ１−４）、薄膜トランジスタを製造する。【００６２】
また、上記チャネル層の形成工程（Ｓ１−３）として、非晶質酸化物膜１００１ａを形成する膜形成工程（Ｓ１−３−１）と、エッチングによって、膜形成工程（Ｓ１−３−１）で形成された非晶質酸化物膜１００１ａをパターニングするパターニング工程（Ｓ１−３−２）と、パターニング工程（Ｓ１−３−２）でパターニングされた非晶質酸化物膜１００１ｂを結晶化し、この結晶化した結晶質酸化物膜１００１をチャネル層とする結晶化工程（Ｓ１−３−３）とを有している。【００６３】
次に、上記逆スタガ型の薄膜トランジスタの製造工程について、図面を参照して説明する。
図３は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法において、ゲート電極を形成する際の概略図であり、（ａ）は基板の断面図を示しており、（ｂ）は導電体膜が成膜された断面図を示しており、（ｃ）はゲート電極が形成された断面図を示している。
図３（ａ）において、基板１００６は、ガラス基板であり、所定の大きさ及び形状に形成されている。なお、上記ガラス基板には、無アルカリガラスが使用されている。【００６４】
次に、図３（ｂ）に示すように、Ｍｏからなる導電体膜１００２ａを、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜する。なお、導電体膜１００２ａの材料は、上記Ｍｏに限定されるものではなく、たとえば、ＩＺＯ，ＺｎＯなどの透明電極材料、Ａｌ，Ａｇ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｔａなどの金属材料、又は、前記金属材料を含む合金材料でもよい。
続いて、図３（ｃ）に示すように、フォトレジスト及びＰＡＮエッチング液（リン酸、硝酸、酢酸を含むエッチング液）を用いたウエットエッチングによりパターニングし、ゲート電極１００２が形成される（Ｓ１−１）。【００６５】
図４は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法において、絶縁体膜が成膜された概略断面図を示している。
図４において、基板１００６及びゲート電極１００２上に、ゲート絶縁膜として、ＣＶＤ法により単層のＳｉＮｘからなるが絶縁体膜１００３が成膜される（Ｓ２−１）。
なお、絶縁体膜１００３の材料は、上記ＳｉＮｘに限定されるものではなく、たとえば、本実施形態の発明の効果を失わない範囲で一般に用いられているものを任意に選択できる。例えば、ＳｉＯ２，ＳｉＮｘ，Ａｌ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＭｇＯ，ＺｒＯ２，ＣｅＯ２，Ｋ２Ｏ，Ｌｉ２Ｏ，Ｎａ２Ｏ，Ｒｂ２Ｏ，Ｓｃ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，Ｈｆ２Ｏ３，ＣａＨｆＯ３，ＰｂＴｉ３，ＢａＴａ２Ｏ６，ＳｒＴｉＯ３，ＡｌＮなどの酸化物を用いることができる。これらのなかでも、ＳｉＯ２，ＳｉＮｘ，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，Ｈｆ２Ｏ３，ＣａＨｆＯ３を用いるのが好ましく、より好ましくは、ＳｉＯ２，ＳｉＮｘ，Ｙ２Ｏ３，Ｈｆ２Ｏ３，ＣａＨｆＯ３であり、特に好ましくはＹ２Ｏ３である。これらの酸化物の酸素数は、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）。また、絶縁体膜１００３は、上記の異なる材料からなる２層以上の絶縁膜を積層した構造でもよい。さらに、絶縁体膜１００３は、単結晶質、多結晶質、非晶質のいずれであってもよいが、工業的に製造しやすい多結晶質か、非晶質であるのが好ましい。【００６６】
図５は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法において、チャネル層を形成する際の概略図であり、（ａ）は非晶質酸化物膜の成膜された断面図を示しており、（ｂ）は非晶質酸化物膜のパターニングされた断面図を示しており、（ｃ）は非晶質酸化物膜が結晶化され、結晶質酸化物膜からなるチャネル層が形成された断面図を示している。  
図５（ａ）において、上記チャネル層の形成工程（Ｓ１−３）として、まず、非晶質酸化物膜１００１ａが成膜される（Ｓ１−３−１）。
この非晶質酸化物膜１００１ａの厚さは、通常約０．５〜５００ｎｍ、好ましくは約１〜１５０ｎｍ、より好ましくは約３〜８０ｎｍ、特に好ましくは約１０〜６０ｎｍである。この理由は、約０．５ｎｍより薄いと工業的に均一に成膜することが難しくなるからである。一方、約５００ｎｍより厚いと成膜時間が長くなり工業的に採用できないからである。また、約３〜８０ｎｍの範囲内にあると、移動度やオンオフ比などＴＦＴ特性が特に良好となる。【００６７】
上記成膜方法として、スパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法、スプレー法、ディップ法のうちいずれかの成膜方法が用いられる。これらの成膜方法は、既存の技術であり、容易に実施することができる。【００６８】
スパッタ法としては、ＤＣスパッタ法、ＤＣマグネトロンスパッタ法、ＡＣスパッタ法、ＡＣマグネトロンスパッタ法、ＲＦスパッタ法、ＲＦマグネトロンスパッタ法、対向ターゲットスパッタ法、シリンドリカルターゲットスパッタ法、ＥＣＲスパッタ法などを利用することができる。
また、ＤＣマグネトロンスパッタ法、あるいはＡＣマグネトロンスパッタ法が、工業的には、放電が安定し安価で大型化が容易であり好ましく、ＤＣマグネトロンスパッタ法が特に好ましい。また、ＲＦマグネトロンスパッタ法は、材料選択の自由度が大きく、また、装置としての汎用性に優れている。さらに、これらＤＣマグネトロンスパッタ法、ＡＣマグネトロンスパッタ法、ＲＦマグネトロンスパッタ法は、経済性、生産性及び品質などに優れた既存の技術であり、容易に実施することができる。
また、コスパッタ、反応性スパッタ、ＤＣ／ＲＦ重畳スパッタなどを利用してもよい。【００６９】
また、スパッタ法の場合、到達圧力は、通常約５×１０−２Ｐａ以下とする。この理由は、約５×１０−２Ｐａより大きいと、雰囲気ガス中の不純物により移動度が低下するおそれがあるからである。このような不具合をより有効に回避するためには、到達圧力は、好ましくは約５×１０−３Ｐａ以下、より好ましくは約５×１０−４Ｐａ以下、さらに好ましくは約１×１０−４Ｐａ以下であり、約５×１０−５Ｐａ以下であるのが特に好ましい。【００７０】
また、スパッタ法の場合、雰囲気ガス中の酸素分圧は、通常約１×１０−２Ｐａ以下とする。この理由は、雰囲気ガス中の酸素分圧が約１×１０−２Ｐａより大きいと、移動度が低下したり、キャリア濃度が不安定となったりするおそれがあるからであり、また、ウエットエッチング時に、エッチング残渣が発生するおそれがあるからである。このような不具合をより有効に回避するためには、雰囲気ガス中の酸素分圧は、好ましくは約４０×１０−３Ｐａ以下、より好ましくは約１０×１０−３Ｐａ以下であり、約１×１０−３Ｐａ以下であるのが特に好ましい。【００７１】
また、スパッタ時の基板・ターゲット間距離（Ｓ−Ｔ距離）は、通常約１５０ｍｍ以下、好ましくは約１１０ｍｍ、特に好ましくは約８０ｍｍ以下である。この理由は、Ｓ−Ｔ距離が短いとスパッタ時に基板がプラズマに曝されることにより、正二価元素の活性化が期待できるからである。また、１５０ｍｍより長いと、成膜速度が遅くなり工業化に適さなくなるおそれがあるからである。【００７２】
通常は、基板温度約１５０℃以下で物理成膜する。この理由は、基板温度が約１５０℃より高いと後処理の効果が十分に発揮されず、低キャリア濃度、高移動度に制御することが困難となるおそれや、ウエットエッチング後に残渣が残るおそれがあるからである。このような不具合をより有効に回避するためには、基板温度は、好ましくは約１３０℃以下、より好ましくは約１１０℃以下、さらに好ましくは約８０℃以下であり、特に好ましくは約５０℃以下である。【００７３】
また、好ましくは、スパッタ法において、雰囲気ガス中に水又は水素を含ませるとよい。雰囲気ガス中の水（Ｈ２Ｏ）、又は、水素（Ｈ２）の濃度は、通常約０．００１〜３０体積パーセントとする。好ましくは、約０．０１〜１５体積パーセント、より好ましくは約０．１〜１０体積パーセント、さらに好ましくは約０．５〜５体積パーセント、特に好ましくは約１〜３体積パーセントとする。この理由は、約０．００１体積パーセントより少ないと、ウエットエッチング時にエッチング残渣が残るおそれがあるからである。エッチング残渣が多いと、薄膜トランジスタが動作しにくくなり、歩留まりが悪くなるおそれがある。また、３０体積パーセントより多いと、薄膜トランジスタの電界効果移動度が低下するおそれがあるからである。薄膜トランジスタの電界効果移動度が低下すると、薄膜トランジスタが動作しにくくなるので、歩留まりが悪くなり、製造効率が低減するおそれがある。【００７４】
なお、上述したスパッタ法の際に、雰囲気ガス中に水又は水素を含有させることは、Ｉｎの含有量が多いときに特に効果的である。
また、真空蒸着法としては、抵抗加熱法、電子ビーム加熱法、パルスレーザーディポジション（ＰＬＤ）法などが利用できる。
また、イオンプレーティング法としてはＡＲＥ（Ａｃｔｉｖａｔｅｄ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）法、ＨＤＰＥ（Ｈｉｇｈ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）法が利用できる。
また、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法が利用できる。
このように上記各方法によれば、非晶質酸化物膜１００１ａを容易に成膜することができる。【００７５】
また、非晶質酸化物膜１００１ａは、Ｉｎ（インジウム）を主成分として含む酸化物としてある。例えば、結晶化温度の低い酸化インジウムを主成分とする酸化物を用いると、低いエネルギーで結晶化できるため、プロセス温度を下げることができる。したがって、大型ガラス基板等を使用することができ、液晶ディスプレイなどの中大型の画像表示装置の製造プロセスに、好適に適用することができる。ここで、主成分とは酸素を除く原子比で５０原子パーセント以上含まれるものをいう。
なお、非晶質酸化物膜１００１ａの主成分は、Ｉｎに限定されるものではなく、たとえば、Ｓｎでもよい。ただし、ＩｎとＳｎとを比べると、Ｉｎの方が好ましい。また、非晶質酸化物膜１００１ａは、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎから選ばれた一つ以上の元素を含む酸化物であってもよい。さらに、本発明の効果を阻害しない範囲内で、正三価元素などの他の元素を含ませてもよい。【００７６】
また、非晶質酸化物膜１００１ａに、ウエットエッチング後のエッチング残渣を減少させたり、薄膜トランジスタの信頼性を高めたりするために、ランタノイド類（Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｔｂ，Ｌｕ）を含ませてもよい。ランタノイド類の含有量は原子比で約２０原子パーセント以下が好ましく、約１０原子パーセント以下がより好ましく、約５原子パーセント以下が特に好ましい。この理由は、ランタノイド類が約２０原子パーセントより多く含まれると薄膜トランジスタとしたときに、キャリア移動度が低下するおそれがあるからである。【００７７】
また、好ましくは、非晶質酸化物膜１００１ａが、Ｉｎ及び正二価元素を含むとよい。ここで、前記正二価元素とは、イオン状態での価数として正二価を取りうる元素のことである。
上記正二価元素としては、例えば、Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｈｇ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｙｂなどが挙げられる。これらのなかでも、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃａが好ましい。さらに、これらのなかでも、効率的にキャリア濃度を制御できることから、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃａがより好ましく、添加によるキャリア制御の効果からは、Ｃｕ，Ｎｉが特に好ましく、透過率やバンドギャップの広さからは、Ｚｎ，Ｍｇが特に好ましい。また、エッチング残渣が少なくなるためＺｎが最も好ましい。また、これらの正二価元素は、一つに限定されるものではなく、たとえば、本実施形態の効果を失わせない範囲内で複数組合せて使用してもよい。
すなわち、非晶質酸化物膜１００１ａが、Ｉｎ及び正二価元素を含むと、酸化物膜において、正二価元素がドーパントとしての効果を発揮でき、結晶質酸化物膜１００１が、半導体としての特性を有し、キャリア層として用いることができる。また、酸化物膜の結晶化もできることから、確実に耐薬品性を向上できる。
さらに、正四価元素を微量に含んでいることが好ましい。正四価元素を微量に含んでいると、価数のバランスがとられるため、正三価元素であるインジウムの酸化物中で正二価元素が安定化し信頼性や均一性が低下しにくい。かかる効果を発現するには正四価元素（［IV］）と正二価元素（［II］）の比率（［IV］／［II］）が、０．０００１以上０．５以下が好ましく、０．００１以上０．１以下がより好ましく、０．００１以上０．０５以下がさらに好ましい。正四価元素としては、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｃ、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｔｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｒｕなどがあげられる。なかでもＳｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｃ、Ｚｒが正二価元素を安定させやすく好ましい。【００７８】
また、非晶質酸化物膜１００１ａが、Ｉｎ及び正二価元素を含む場合、Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）が、０．０００１≦［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）≦０．５であることが好ましく、０．０１≦［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）≦０．１であることがより好ましく、０．０５≦［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）≦０．０９であることが特に好ましい。この理由は、原子比［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）が０．０００１より小さいと、ドーパントとしての効果が少なくキャリア密度が高くなるおそれやウエットエッチング後に残渣が残るおそれがあり、０．５より大きいと結晶化が困難となるおそれがあるからである。
このようにすると、結晶質酸化物膜１００１のキャリア密度を好適に設定できるので、結晶質酸化物膜１００１をより優れた半導体特性を有するキャリア層として製造することができる。すなわち、上記原子比のＩｎ及び正二価元素を含む酸化物を用い、プロセスの途中で非晶質酸化物膜１００１ｂを結晶化させる、これにより、非晶質時に導電膜などであった酸化物膜を半導体膜に変えるとともに、耐薬品性を向上させ、チャネル層上の導電膜１００４ａがチャネル層に対して選択エッチングを実現することができる。【００７９】
なお、本実施形態の非晶質酸化物膜１００１ａは、Ｉｎ及び正二価元素を含む酸化物としてあるが、これに限定されるものではなく、たとえば、非晶質酸化物膜１００１ａが、Ｓｎと、正三価元素及び／又は正二価元素とを含む酸化物であってもよい。【００８０】
次に、図５（ｂ）に示すように、フォトレジスト及び蓚酸系エッチング液を用いたウエットエッチングによりパターニングされ、所定の形状及び大きさの非晶質酸化物膜１００１ｂが形成される（Ｓ１−３−２）。また、上記蓚酸系エッチング液は、約１５〜６０℃で用いることがより好ましい。
このウエットエッチングは、図示してないが、非晶質酸化物膜１００１ａの表面にフォトレジストを塗布し、非晶質酸化物膜１００１ａの不要な部分に対応する位置のフォトレジストを除去し、その後、エッチング液に浸漬し、露出した非晶質酸化物膜１００１ａを溶解する。ここで、非晶質酸化物膜１００１ａは、非晶質なので耐薬品性が低く、ウエットエッチングにより容易にかつ精度よくパターニングされる。すなわち、ドライエッチングを行わなくてもすむので、経済性及び生産性を向上させることができる。
また、好ましくは、上記ウエットエッチングは、蓚酸、塩酸、リン酸から選ばれた一つ以上の酸を含むエッチング液を用いるとよい。このようにすると、既存のエッチング液を用いることができる。【００８１】
また、非晶質酸化物膜１００１ｂの上記所定の形状は、チャネル幅Ｗとチャネル長Ｌの比Ｗ／Ｌが、通常約０．１〜１００、好ましくは約１〜２０、特に好ましくは約２〜８である。この理由は、Ｗ／Ｌが約１００を超えると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からである。また、約０．１より小さいと電界効果移動度が低下したり、ピンチオフが不明瞭になったりするおそれがあるからである。
さらに、非晶質酸化物膜１００１ｂの上記所定の大きさは、チャネル長Ｌが通常約０．１〜１０００μｍ、好ましくは約１〜１００μｍ、さらに好ましくは約２〜１０μｍである。この理由は、チャネル長Ｌを約０．１μｍ以下とすることは、工業的に製造が難しく、また、ショートチャ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からである。また、チャネル長Ｌを約１０００μｍ以上とすることは、素子が大きくなりすぎたり、駆動電圧が大きくなるなどして好ましくないからである。【００８２】
次に、図５（ｃ）に示すように、パターニング工程（Ｓ１−３−２）でパターニングされた非晶質酸化物膜１００１ｂを結晶化し、この結晶化した結晶質酸化物膜１００１をチャネル層とする（Ｓ１−３−３）。
また、好ましくは、前記結晶化工程(Ｓ１−３−３)において、加熱処理、プラズマ処理、レーザー照射処理から選ばれた一つ以上の処理方法を用いて、非晶質酸化物膜１００１ｂを結晶化するとよい。このようにすると、既存の処理技術を用いて、非晶質酸化物膜１００１ｂを結晶化させることができる。加熱処理の方法としては、加熱炉による加熱やＬＲＴＡ（ランプによる急速加熱）など既存の加熱方法を用いることができる。
前記結晶化工程(Ｓ１−３−３)は、アルゴン雰囲気やチッソ雰囲気などの不活性ガス雰囲気、大気下雰囲気などの酸素存在下の雰囲気、真空雰囲気や低圧力雰囲気などの雰囲気下で行なうことができる。酸素の脱離が起こりにくい不活性ガス雰囲気、あるいは酸素存在下の雰囲気が好ましい。【００８３】
本実施形態では、加熱処理により、非晶質酸化物膜１００１ｂを結晶化させる。
熱処理をする場合は、熱処理時の膜面の温度が、成膜時の基板温度より約１００〜２７０℃高い方が好ましい。この理由は、この温度差が約１００℃より低いと熱処理効果が無いからである。また、約２７０℃より高いと基板が変形したり、半導体薄膜界面が変質し半導体特性が低下したりするおそれがあるからである。このような不具合をより有効に回避するには、成膜時の基板温度より熱処理時の膜面の温度が約１３０〜２４０℃高いものがより好ましく、約１６０〜２１０℃高いものが特に好ましい。【００８４】
ここで、結晶質酸化物（あるいは、結晶酸化物）とは、Ｘ線回折スペクトルにおいて、特定の回折線を示す酸化物をいう。また、結晶質酸化物は、単結晶酸化物や多結晶酸化物などを含む。結晶質酸化物の薄膜には、単結晶膜、エピタキシャル膜、多結晶膜などがあるが、エピタキシャル膜や多結晶膜が好ましく、多結晶膜が特に好ましい。この理由は、エピタキシャル膜や多結晶膜は、大面積に均一に成膜することができるが、単結晶膜は、大面積に均一に成膜することが難しいからである。
なお、非晶質酸化物とは、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。また、本発明では、マイクロクリスタルも非晶質酸化物に含まれてもよい。【００８５】
また、好ましくは、結晶化工程（Ｓ１−３−３）において、又は、結晶化工程（Ｓ１−３−３）の後に、結晶質酸化物膜１００１の酸化処理を行うとよい。なお、この酸化処理には、結晶化工程（Ｓ１−３−３）において、非晶質酸化物膜１００１ｂを結晶化させるとともに酸化させる場合も含まれる。このようにすると、結晶質酸化物膜１００１の導電性を低下させることができ、トランジスタとしての特性を調整することができる。また、正二価元素の種類やその原子比などによっては、このようにすることにより、結晶質酸化物膜に半導体特性を付与することができる。【００８６】
さらに好ましくは、前記酸化処理に、酸素存在下での加熱処理、オゾン処理、プラズマ処理から選ばれた一つ以上の処理方法を用いるとよい。このようにすると、既存の処理技術を用いて、酸化処理を行うことができる。
また、酸素存在下で非晶質酸化物膜１００１ｂを熱処理し結晶化させる温度は、好ましくは約１５０〜５００℃、より好ましくは約１７０〜４５０℃、さらに好ましくは約１９０〜３９０℃、特に好ましくは約２１０〜２９０℃である。処理時間は、通常、約０．５〜６０００分、好ましくは約１〜１２００分、より好ましくは１０〜６００分、特に好ましくは３０〜２４０分である。【００８７】
また、結晶化工程（Ｓ１−３−３）において、結晶化及び酸化をまとめて行う場合、膜形成工程において、スパッタ法を用い、約１５０℃より低い温度にて非晶質酸化物膜を成膜し、パターニング工程において、蓚酸を含むエッチング液でパターニングし、結晶化工程において、酸素存在下で約１５０〜５００℃にて加熱処理するとよい。このようにすると、結晶性のシリコン系薄膜が、結晶化を図る際に、例えば、８００℃以上の高温が必要となるのに比べて、十分低い温度で結晶質酸化物膜からなるキャリア層を容易に製造することができる。
また、成膜時の水あるいは水素の分圧は１０−５Ｐａ以上０．５Ｐａ以下が好ましく、１０−４Ｐａ以上０．１Ｐａ以下がより好ましく、１０−３Ｐａ以上５×１０−２Ｐａ以下がより好ましい。１０−５Ｐａより小さいと結晶化しやすくなりウエットエッチング後に残渣が残ったりウエットエッチング時のエッチングレートの面内均一性が低下したりするおそれがある。０．５Ｐａより大きいと薄膜中の水素量が多くなり移動度が低下したり、信頼性が低下するおそれがある。
さらに、膜中の水素濃度は膜厚方向に変化していることが好ましい。特に半導体膜中の絶縁膜より遠い側よりも、絶縁膜に近い側の方の水素濃度が高いとエッチング残渣が残りにくく好ましい。【００８８】
上記結晶化工程（Ｓ１−３−３）により、非晶質酸化物膜１００１ｂは、結晶化され結晶質酸化物膜１００１となる。この結晶化によって、非晶質時に導電膜などであった酸化物膜を半導体膜に変えるとともに、耐薬品性を向上させる。すなわち、結晶質酸化物膜１００１（チャネル層）となる酸化物の材料、組成比(原子比などを含む)、製造条件、後処理条件などを制御して、例えば、電子キャリア濃度を、約１０１２／ｃｍ３以上約１０１８／ｃｍ３未満とする。より好ましくは、約１０１３／ｃｍ３以上約１０１７／ｃｍ３以下であり、さらに好ましくは、約１０１５／ｃｍ３以上約１０１６／ｃｍ３以下の範囲にする。【００８９】
また、本発明に係る結晶質酸化物膜１００１（チャネル層）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、具体的には約０〜４０℃の範囲から適宜選択されるある温度である。なお、本発明に係る結晶質酸化物膜１００１（チャネル層）の電子キャリア濃度は、約０〜４０℃の範囲全てにおいて、上記範囲に収まる必要はない。例えば、２５℃において、キャリア電子密度約１０１７／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さらに下げ、約３×１０１６／ｃｍ３以下、より好ましくは約１０１６／ｃｍ３以下にするとノーマリーオフの薄膜トランジスタの歩留りが向上する。また、電子キャリア濃度の下限値は、薄膜トランジスタ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く、例えば、下限値は、約１０１２／ｃｍ３である。
また、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できる。約１×１０１７／ｃｍ３未満の電子キャリア濃度の測定はＡＣホール測定が好ましい。【００９０】
図６は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法において、ソース電極及びドレイン電極を形成する際の概略図であり、（ａ）は導電体膜の成膜された断面図を示しており、（ｂ）はパターニングされソース電極及びドレイン電極の形成された断面図を示している。
図６(ａ)において、絶縁体膜１００３及び結晶質酸化物膜１００１（チャネル層）上に、Ａｌ−Ｎｄ合金からなる導電体膜１００４ａをＤＣマグネトロンスパッタ法により成膜する。なお、導電体膜１００４ａの材料は、上記Ａｌ−Ｎｄ合金に限定されるものではなく、たとえば、ＩＺＯ，ＺｎＯなどの透明電極材料、Ａｌ（アルミニウム），Ａｇ（銀），Ｃｒ（クロム），Ｎｉ（ニッケル），Ａｕ（金），Ｔｉ（チタン），Ｔａ（タンタル）などの金属材料、又は、前記金属材料を含む合金材料でもよい。【００９１】
続いて、図６（ｂ）に示すように、フォトレジスト及びＰＡＮエッチング液を用いたウエットエッチングによりパターニングし、ソース電極１００４及びドレイン電極１００５が形成される（Ｓ１−４）。このように、導電体膜１００４ａをエッチングでパターニングすると、リフトオフやドライエッチングなどを行う場合に比べて、経済性及び生産性を向上させることができ、製造原価のコストダウンを図ることができる。また、ウエットエッチングは、リフトオフやドライエッチングと比べて、大面積化に適しているため、液晶ディスプレイなどの中大型ディスプレイへの適用が可能となる。【００９２】
また、このウエットエッチングで使用するエッチング液は、ＰＡＮエッチング液が好ましい。ＰＡＮエッチング液としては、通常リン酸が約２０〜９５ｗｔ％、硝酸が約０．５〜５ｗｔ％、酢酸が約３〜５０ｗｔ％の範囲にあるものがより好ましい。エッチング時の溶液の温度は約１５〜６０℃が好ましく、約２０〜４５℃がより好ましい。この理由は、約１５℃より低いとエッチングレートが遅くなり、約６０℃より高いと水蒸気が発生し周囲で結露するおそれがあるからである。【００９３】
上述したように、本実施形態の薄膜トランジスタの製造方法によれば、膜形成工程(Ｓ１−３−１)及びパターニング工程(Ｓ１−３−２)において、チャネル層となる酸化物膜は非晶質であり、耐薬品性が低く容易に溶解する。したがって、パターニング工程において、非晶質酸化物膜１００１ｂを容易にパターニングできる。さらに、パターニング工程のあとの結晶化工程(Ｓ１−３−３)において、非晶質酸化物膜１００１ｂは結晶化され結晶質酸化物膜１００１となり、結晶質の酸化物膜は、非晶質の酸化物よりも耐薬品性が高くなる。これにより、例えば、リフトオフやドライエッチングなどの装置コストや製造コストが高価であり、大面積化が困難な工業化に適していない方法を用いることなく、容易にチャネル層上で、金属配線や透明導電膜などの導電体膜１００４ａのパターニングを行うことができる(Ｓ１−４)。
また、チャネル層が結晶化しているので、製造プロセス中の熱履歴などで特性が変化するおそれが大幅に低減される。したがって、信頼性に優れた薄膜トランジスタを提供でき、また、この薄膜トランジスタを用いた信頼性に優れた画像表示装置を提供することができる。
次に、本実施形態の実施例１〜３及び比較例１、２について説明する。
【実施例１】
【００９４】
本実施例においては、図１に示すプロセスに従って、図２に示す逆スタガ型の薄膜トランジスタを製造した。
（１）基板１００６には無アルカリガラス（コーニング社製：コーニング１７３７ガラス）を使用した（図３（ａ）参照）。
（２）導電膜１００２ａとしてＭｏをＤＣマグネトロンスパッタ法で２００ｎｍ成膜した（図３（ｂ）参照）。
（３）ＰＡＮエッチング液（４０℃）を利用したフォトリソグラフィにより導電膜１００２ａをパターニングしてゲート電極１００２を形成した（図３（ｃ）参照，Ｓ１−１）。
（４）ＣＶＤ法によりＳｉＮｘをゲート絶縁膜として成膜し、絶縁体膜１００３を形成した（図４参照，Ｓ１−２）。
（５）Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯスパッタリングターゲット（原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕＝０．９３、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕＝０．０７）及び上記（４）で得たガラス基板１００６を、ＤＣスパッタ法の一つであるＤＣマグネトロンスパッタリング法の成膜装置に装着し、成膜した。スパッタ条件としては、基板温度；２５℃、到達圧力；１×１０−４Ｐａ、雰囲気ガス；Ａｒ１００体積パーセント、スパッタ圧力（全圧）；４×１０−１Ｐａ、投入電力１００Ｗ、成膜時間１０分間、Ｓ−Ｔ距離９５ｍｍとした。この結果、ガラス基板１００６の絶縁体膜１００３上に、膜厚５０ｎｍの薄膜を成膜した（図５（ａ）参照，Ｓ１−３−１）。この薄膜は、図７に示すように、Ｘ線回折により明瞭なピークを示さず非晶質酸化物膜１００１ａであることが確認できた。
（６）蓚酸を含むエッチング液（４０℃）を利用したフォトリソグラフィによりパターニングし、非晶質酸化物膜１００１ｂを形成した（図５（ｂ）参照，Ｓ１−３−２）。また、この蓚酸エッチング液でエッチングした後に、電子顕微鏡で確認したところエッチング残渣はほとんど見られなかった。
（７）大気下（酸素存在下）２８０℃で２時間のアニーリング処理（加熱処理）を行い、非晶質酸化物１００１ｂを結晶化させた。結晶化させたこの薄膜は、図８に示すように、Ｘ線回折によりビックスバイトの結晶構造を示し、多結晶化していることが確認できた。すなわち、非晶質酸化物１００１ｂを結晶化させ、結晶質酸化物膜１００１（結晶質酸化物半導体薄膜）を作製した（図５（ｃ）参照，Ｓ１−３−３）。
（８）導電膜１００４ａとして、Ａｌ−Ｎｄ合金をＤＣマグネトロンスパッタ法で成膜した（図６（ａ）参照）。
（９）導電膜１００４ａを、ＰＡＮエッチング液（４０℃）を利用したフォトリソグラフィによりパターニングし、ソース電極１００４及びドレイン電極１００５を形成した（図６（ｂ）参照，Ｓ１−４）。【００９５】
上記のように製造された薄膜トランジスタは、チャネル幅Ｌ＝１００μｍ、チャネル長Ｗ＝５００μｍ、Ｗ／Ｌ＝５であった。また、この薄膜トランジスタは、電界効果移動度μ＝２５（ｃｍ２／Ｖｓ）、オンオフ比１０７以上、ノーマリーオフの特性を示した。
また、同様に２０個の薄膜トランジスタを製造したところ２０個とも動作した。
【実施例２】
【００９６】
本実施例の薄膜トランジスタの製造方法は、上記実施例１と比べて、（５）のスパッタリングにおいて、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯスパッタリングターゲット（原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕＝０．９８、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕＝０．０２）である点が相違し、その他は実施例１と同様とした。
製造された薄膜トランジスタは、チャネル幅Ｌ＝１００μｍ、チャネル長Ｗ＝５００μｍ、Ｗ／Ｌ＝５であった。薄膜トランジスタは電界効果移動度μ＝３５（ｃｍ２／Ｖｓ）、オンオフ比１０４以上、ノーマリーオフの特性を示した。
また、（６）の蓚酸エッチング液でエッチングした後に、電子顕微鏡で確認したところ、多少エッチング残渣が見られた。
同様に２０個の薄膜トランジスタを製造したところ１７個は動作したが、３個は動作しなかった。
【実施例３】
【００９７】
本実施例の薄膜トランジスタの製造方法は、上記実施例２と比べて、（５）のスパッタ時の雰囲気ガスを、Ａｒが９９体積パーセント、Ｈ２Ｏが１体積パーセントとした点が相違し、その他は実施例２と同様とした。
製造された薄膜トランジスタは、チャネル幅Ｌ＝１００μｍ、チャネル長Ｗ＝５００μｍ、Ｗ／Ｌ＝５であった。薄膜トランジスタは電界効果移動度μ＝３５（ｃｍ２／Ｖｓ）、オンオフ比１０６以上、ノーマリーオフの特性を示した。
また、（６）の蓚酸エッチング液でエッチングした後に、電子顕微鏡で確認したところエッチング残渣がほとんど見られなかった。
同様に２０個の薄膜トランジスタを製造したところ２０個とも動作した。
【比較例１】
【００９８】
本比較例の薄膜トランジスタの製造方法は、上記実施例１と比べて、（７）のアニーリング処理を行わなかった点が相違し、その他は実施例１と同様とした。
製造された薄膜トランジスタは、チャネル層が溶解してしまっておりトランジスタ特性は得られなかった。
【比較例２】
【００９９】
本比較例の薄膜トランジスタの製造方法は、上記実施例１と比べて、（５）のスパッタリングターゲットがＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３（原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）〕＝０．３３、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）〕＝０．３４、原子比〔Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）〕＝０．３３）であり、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用い、雰囲気ガスがＡｒ９５％、Ｏ２５％である点が相違し、その他は実施例１と同様とした。
また、（７）のアニーリング処理を行ったが、大気下（酸素存在下）２８０℃で２時間のアニーリング処理では、明瞭なＸ線回折パターンは示さず非晶質酸化物１００１ｂは結晶化しなかった。
そのため得られた薄膜トランジスタは、チャネル層が溶解してしまっておりトランジスタ特性は得られなかった。
【０１００】
（薄膜の電子キャリア密度と電子移動度の例）
次に、薄膜の電子キャリア密度と電子移動度の例について、図面を参照して説明する。
図９は、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜、及び、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる薄膜の電子キャリア密度に対する電子移動度の測定グラフを示している。
図９における非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる各薄膜は、スパッタリングターゲットがＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３（原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）〕＝０．３３、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）〕＝０．３４、原子比〔Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）〕＝０．３３）であり、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、酸素分圧１０−３〜５×１０−１Ｐａで成膜した。ただし、酸素分圧が１０−１Ｐａを超える条件で成膜したＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３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推定した。
【０１０１】
また、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる各薄膜としては、まず、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕＝０．０００１〜０．１のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯスパッタリングターゲットを用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、基板温度２５℃で成膜し、非晶質酸化物膜を得た。次に、真空下あるいは酸素存在下２８０℃で１〜１０時間熱処理し、多結晶酸化物膜を得た。そして、これら多結晶酸化物膜のキャリア密度と移動度を測定した。
【０１０２】
図９に示すように、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる薄膜と、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜において、ともに、キャリア密度を１０１６ｃｍ−３未満まで制御できた。１０１７ｃｍ−３以上での移動度は、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ（多結晶膜）の方がＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３(非晶質膜)よりも高かった。このことから、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ（多結晶膜）に代表されるＩｎと正二価元素を含む多結晶膜は、薄膜トランジスタを構成した場合、信頼性に加え高い移動度が期待できることが分かった。すなわち、本願発明は、従来、半導体膜又はＴＦＴとして用いる試みがほとんどなされていなかった酸化インジウムの結晶質を含む膜、特に、多結晶酸化物膜を、ＴＦＴのキャリア層に好適に用いることを可能としたことにより、優れた効果を発揮することができる。
【０１０３】
次に、上記実施形態を利用することにより製造される様々な薄膜トランジスタ(応用例)について、図面を参照して説明する。
図１０は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法により製造される、薄膜トランジスタの第一応用例の概略断面図を示している。
図１０において、薄膜トランジスタは、透明導電材料からなる透明電極(画素電極)１００７がドレイン電極１００５に接合された構造としてある。
【０１０４】
図１１は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法により製造される、薄膜トランジスタの第二応用例の概略断面図を示している。
図１１において、薄膜トランジスタは、透明導電材料からなる透明ソース電極１００４ｂと透明ドレイン電極１００５ｂが形成されており、さらに、透明導電材料からなる透明電極(画素電極)１００７が透明ドレイン電極１００５ｂと一体的に形成された構造としてある。
【０１０５】
図１２は、本発明の第一実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法により製造される、薄膜トランジスタの第三応用例の概略図であり、(ａ)は平面図を示しており、(ｂ)はＡ−Ａ断面の要部の拡大図を示している。なお、図１２（ａ）において、理解しやすいように、パッシベーション膜１００８を省略してある。
図１２において、薄膜トランジスタは、結晶質酸化物膜１００１（チャネル層）、ソース電極１００４及びドレイン電極１００５の上方に、薄膜トランジスタ全体を覆うパッシベーション膜１００８を形成した構成としてある。
また、パッシベーション膜１００８の上面には、透明電極(画素電極)１００７ａが形成されており、この透明電極１００７ａが、パッシベーション層１００８を通過してドレイン電極１００５と接合されている。なお、絶縁体層１００９は、ソース電極１００４に接合されるソース配線と、ゲート電極に接合されるゲート配線との交点に、両者を隔てるように形成されており、ソース配線とゲート電極とを絶縁している。
【０１０６】
［薄膜トランジスタの製造方法の第二実施形態］
次に、本発明に係る第二実施形態の薄膜トランジスタの製造方法について、図面を参照して説明する。
図１３、本発明の第二実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法の概略フローチャート図を示している。
図１３において、本実施形態は、いわゆる正スタガ型の薄膜トランジスタ（図１４参照）の製造方法であって、上記第一実施形態と比べて、積層順番が相違する。
なお、その他の方法などは、第一実施形態とほぼ同様としてある。
【０１０７】
まず、図１４に示すように、基板１００６上に、チャネル層である結晶質酸化物膜１００１を形成する（Ｓ２−１）。この際、第一実施形態と同様に、まず、例えばスパッタ法などを用い、基板１００６上に非晶質酸化物膜を成膜し（Ｓ２−１−１）、次に、ウエットエッチングで非晶質酸化物膜をパターニングし（Ｓ２−１−２）、続いて、加熱処理などにより非晶質酸化物膜を結晶化し、結晶質酸化物膜１００１をチャネル層とする（Ｓ２−１−３）。
次に、結晶質酸化物膜１００１上にソース電極１００４及びドレイン電極１００５を形成し（Ｓ２−２）、続いて、ソース電極１００４及びドレイン電極１００５上に絶縁体膜３を形成し（Ｓ２−３）、さらに、絶縁体膜１００３上にゲート電極を形成する（Ｓ２−４）。
【０１０８】
本実施形態の薄膜トランジスタの製造方法によれば、第一実施形態とほぼ同じ効果を有することができる。すなわち、結晶質酸化物膜１００１（チャネル層）をウエットエッチングによって形成し、かつ、チャネル層上にソース電極１００４及びドレイン電極１００５をウエットエッチングによって形成することにより、製造原価の大幅な低減及びＴＦＴ基板の大面積化が可能となる。
また、第一実施形態で示したような逆スタガ型（ボトムゲートタイプ）だけでなく、本実施形態に示した正スタガ型（トップゲートタイプ）にも適用でき、薄膜トランジスタを用いた回路設計の自由度を向上させることができる。
【０１０９】
［薄膜トランジスタの一実施形態］
また、本発明は、薄膜トランジスタの発明としても有効である。
本実施形態の薄膜トランジスタは、上記薄膜トランジスタの製造方法により製造された構成としてある。すなわち、本実施形態の薄膜トランジスタは、図２，１０，１１，１２，１４に示してあるが、これらの構造に限定されるものではなく、様々な構造に薄膜トランジスタを含むことができる。
上述したように、本実施形態の薄膜トランジスタによれば、製造原価のコストダウンを大幅に図ることができる。また、チャネル層が結晶化してあるので、製造プロセス中の熱履歴などで特性が変化するおそれが大幅に低減され、信頼性を向上させることができる。
【０１１０】
［薄膜トランジスタ基板の一実施形態］
また、本発明は、薄膜トランジスタ基板の発明としても有効である。
本実施形態の薄膜トランジスタ基板は、上記薄膜トランジスタが、基板又はシート状の基材に複数個配設された構成としてある。
上述したように、本実施形態の薄膜トランジスタ基板によれば、製造原価の低減及び大面積化が可能となる。また、チャネル層が結晶化してあるので、製造プロセス中の熱履歴などで特性が変化するおそれが大幅に低減され、信頼性を向上させることができる。なお、薄膜トランジスタ基板は、通常、ガラス基板上に薄膜トランジスタが配設されるが、これに限定されるものではなく、たとえば、樹脂などからなる可撓性を有するシート状の基材に薄膜トランジスタを配設してもよい。
【０１１１】
［画像表示装置の第一実施形態］
また、本発明は、画像表示装置の発明としても有効である。
図１５は、本発明の第一実施形態に係る画像表示装置を説明するための、要部の概略断面図を示している。
図１５において、本実施形態の画像表示装置は、上記第一実施形態の製造方法で製造された第三応用例に係る逆スタガ型の薄膜トランジスタ１０１０（図１２参照）、有機ＥＬなどの発光層１０１２、及び、ＩＺＯなどの透明電極材料からなる（対向）電極１０１６を備えた構成としてある。
【０１１２】
この画像表示装置は、薄膜トランジスタ１０１０のゲート電極１００２のゲート電圧を可変させることにより動作し、ソース電極１００４からドレイン電極１００５及び透明電極(画素電極)１００７ａに電流が流れると、電極１０１３と透明電極(画素電極)１００７ａ間に電位差が生じる。これにより、発光層１０１２に電子及び正孔が注入され、発光層１０１２中で電子及び正孔が再結合し、発光する。
【０１１３】
本実施形態の画像表示装置は、上述した薄膜トランジスタ１０１０を用いているので、製造原価の低減及び大面積化が可能となる。また、チャネル層が結晶化してあるので、製造プロセス中の熱履歴などで特性が変化するおそれが大幅に低減され、信頼性を向上させることができ、画像品質を向上させることもできる。
【０１１４】
［画像表示装置の第二実施形態］
また、本発明は、画像表示装置の発明としても有効である。
図１６は、本発明の第二実施形態に係る画像表示装置を説明するための、要部の概略断面図を示している。
図１６において、本実施形態の画像表示装置は、上記第二実施形態の製造方法で製造された正スタガ型の薄膜トランジスタ１０１０（図１４参照）、液晶１０１３、及び、ＩＺＯなどの透明電極材料からなる（対向）電極１０１６を備えた構成としてある。また、画像表示装置は、薄膜トランジスタ１０１０を覆う層間絶縁膜１０１１や高抵抗膜１０１４，１０１５を備えている。
【０１１５】
この画像表示装置は、薄膜トランジスタ１０１０のゲート電極１００２のゲート電圧を可変させることにより動作し、ソース電極１００４からドレイン電極１００５及び透明電極(画素電極)１００７に電流が流れると、電極１０１３と透明電極(画素電極)１００７間に電位差が生じる。この電位差により液晶１０１２が動き、光源（図示せず）からの光を調整する。
【０１１６】
本実施形態の画像表示装置は、上述した薄膜トランジスタ１０１０を用いているので、製造原価の低減及び大面積化が可能となる。また、チャネル層が結晶化してあるので、製造プロセス中の熱履歴などで特性が変化するおそれが大幅に低減され、信頼性を向上させることができ、画像品質を向上させることもできる。
【０１１７】
［画像表示装置の第三実施形態］
本発明の第三実施形態に係る画像表示装置は、液晶を利用した光制御素子と、この光制御素子を駆動するための電界効果型トランジスタを備えている。また、この電界効果型トランジスタは、薄膜トランジスタとして、透明なガラス基板にマトリックス状に配設されている。
なお、本発明の光制御素子は、液晶を含むものに限定されるものではない。たとえば、電気泳動粒子を含み、該電気泳動粒子を利用するもの、自ら発光する有機ＥＬ素子、又は、無機ＥＬ素子などでもよい。
また、上記トランジスタが形成される基体は、透明なガラス基板に限定されるものではなく、たとえば、可撓性を有する樹脂フィルムなどであってもよい。
【０１１８】
図１７は、本発明の第三実施形態にかかる画像表示装置の、電界効果型薄膜トランジスタの構成を説明するための、要部の概略拡大断面図を示している。
図１７において、画像表示装置２００１は、ガラス基板２０１０、電界効果型薄膜トランジスタ２０２０、画素電極２０３０、液晶２０４０及び対向電極２０５０を備えている。
電界効果型薄膜トランジスタ２０２０(適宜、トランジスタ２０２０と略称する。)は、ガラス基板２０１０上に形成された、活性層としての結晶質酸化物２０２１と、結晶質酸化物２０２１の両端上に形成されたソース電極２０２２及びドレイン電極２０２３と、結晶質酸化物２０２１、ソース電極２０２２及びドレイン電極２０２３上に形成されたゲート絶縁膜２０２４と、ゲート絶縁膜２０２４上に形成されたゲート電極２０２５を備えている。また、トランジスタ２０２０上には、酸化シリコン又は窒化シリコンなどからなる層間絶縁膜２０２６が形成されている。
なお、トランジスタ２０２０は、上記構成のトップゲート型のトランジスタに限定されるものではなく、例えば、ボトムゲート型などの様々な構成のトランジスタであってもよい。さらに、一つの画素に対して、スイッチトランジスタと駆動トランジスタなどを備えた構成としてもよい。
【０１１９】
画素電極２０３０は、ガラス基板２０１０上に形成され、ドレイン電極２０２３と接続されている。また、画素電極２０３０及び層間絶縁膜２０２６上に、配向膜としての高抵抗膜２０４１、２０４２及び対向電極２０５０が形成され、高抵抗膜２０４１と高抵抗膜２０４２の間の隙間に、液晶２０４０が注入されている。通常、高抵抗膜２０４２と対向電極２０５０は、対向基板（図示せず）に形成されている。また、各電極２０２２、２０２３、２０２５、２０３０、２０５０には、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ（ＩＺＯ（登録商標））やＩｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２(ＩＴＯ)などの透明電極が好適に用いられる。
【０１２０】
上記トランジスタ２０２０の結晶質酸化物２０２１は、電子キャリア濃度が２×１０１７／ｃｍ３未満としてある。ここで、電子キャリア濃度を２×１０１７／ｃｍ３未満とした理由は、電子キャリア濃度が２×１０１７／ｃｍ３以上の酸化物をトランジスタ２０２０のチャネル層に用いた場合、ｏｎ−ｏｆｆ比を十分に大きくすることができないからである。また、トランジスタ２０２０のゲート電圧が無印加時でも、ソース電極２０２２とドレイン電極２０２３の間に大きな電流が流れてしまい、ノーマリーオフ動作を実現できないからである。すなわち、本発明者は、トランジスタ２０２０の活性層として、電子キャリア濃度が２×１０１７／ｃｍ３未満の結晶質酸化物２０２１を用いているトランジスタ２０２０を作製したところ、所望の特性のトランジスタ２０２０が得られ、画像表示装置２００１に適用できることを発見した。
【０１２１】
また、本発明に係る結晶質酸化物２０２１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、具体的には約０〜４０℃程度の範囲から適宜選択されるある温度である。なお、本発明に係る結晶質酸化物２０２１の電子キャリア濃度は、約０℃〜４０℃の範囲全てにおいて、２×１０１７／ｃｍ３未満を充足する必要はない。例えば、約２５℃において、キャリア電子密度２×１０１７／ｃｍ３未満が実現されていればよい。また、好ましくは、電子キャリア濃度をさらに下げ、１０１７／ｃｍ３以下とするとよく、より好ましくは２×１０１６／ｃｍ３以下にするとよい。このようにすると、ノーマリーオフのトランジスタ２０２０が歩留まり良く得られる。
【０１２２】
なお、本発明の結晶質酸化物２０２１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。したがって、本発明においては、後述する各実施例４〜１４のように結晶酸化物の材料、組成比、製造条件、後処理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２×１０１７／ｃｍ３未満とする。また、好ましくは１０１３／ｃｍ３以上１０１７／ｃｍ３以下、さらに好ましくは、１０１５／ｃｍ３以上２×１０１６／ｃｍ３以下の範囲にするとよい。このようにすると、所定の大きさの電子移動度を有し、かつ、ノーマリーオフのトランジスタ２０２０が歩留まり良く得られる。
また、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。約１０１７／ｃｍ３未満の電子キャリア濃度の測定は、ＡＣホール測定で行うことが好ましい。この理由は、ＤＣホール測定では測定値のばらつきが大きく、測定の信頼性が低くなるおそれがあるからである。
【０１２３】
また、トランジスタ２０２０の活性層（半導体薄膜）は、結晶質を含む薄膜（すなわち、結晶質酸化物２０２１）としてある。この結晶質酸化物２０２１は、半導体薄膜の少なくとも一部又は全部が結晶質である。これにより、半導体薄膜を非晶質とした場合に比べて、キャリア濃度の低減や制御を容易とすることができ、さらに、トランジスタ２０２０を構成した際に動作が安定化する。このため、、安定性、均一性、再現性、耐熱性及び耐久性に優れたトランジスタ２０２０を作ることができる。
なお、薄膜に含ませる結晶質は、単結晶又は多結晶（エピタキシャル膜を含む。）のいずれであってもよいが、工業的に製造が容易で、大面積化が可能な多結晶膜が好ましい。また、単結晶は、製造プロセスや使用時における屈曲や衝撃でクラックが発生するおそれがあるため、このことからも多結晶が好ましい。
また、本発明において、結晶質酸化物２０２１とは、Ｘ線回折スペクトルにおいて、特定の回折線を示す酸化物をいう。一方、非晶質酸化物とは、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。
【０１２４】
また、好ましくは、本発明に係る半導体薄膜の伝導帯と価電子帯とのエネルギーバンドギャップを約２．８ｅＶ以上とするとよい。このようにすると、可視光の照射により、価電子帯の電子が励起されて漏れ電流が流れやすくなるおそれがあるという不具合を有効に回避することができる。
【０１２５】
また、結晶質酸化物２０２１は、Ｉｎ（インジウム）及び正二価元素を含むとよい。このようにすると、通常、酸化インジウムのビックスバイト型結晶を含むこととなる。このように、ビックスバイト構造をとることで、電子移動度を大きくすることができる。これは、インジウムの５Ｓ軌道が陵共有構造をとることによるものと推定される。
さらに、亜鉛などの正二価元素の少なくとも一部は、インジウムを固溶置換していることが好ましい。この理由は、正三価であるインジウムを正二価元素が固溶置換することによって、効果的にキャリア密度を低下させることが期待できるからである。
【０１２６】
また、好ましくは、結晶質酸化物２０２１が、Ｉｎと、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣａから選ばれた一つ以上の正二価元素とを含む多結晶酸化物であり、Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比が、［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）＝０．０００１〜０．１３であるとよい。このようにすると、電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満にできる。すなわち、本発明者は、Ｉｎを主成分としドーパントとして正二価元素を含有した結晶膜を作製し、ドーパント濃度や後処理条件を制御することによって、電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満にできることを発見した。
【０１２７】
また、本発明に係る半導体薄膜中のインジウム［Ｉｎ］と、正二価元素［Ｘ］との原子比を、Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）＝０．０００１〜０．１３としてある。この理由は、原子比［Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）］が０．０００１より小さいと、キャリア数が制御できないおそれがある。また、ウェットエッチングした際に、エッチング速度が遅くなり、あるいは、残渣が残るおそれがあるからである。一方、原子比［Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）］が０．１３より大きくなると、界面あるいは表面が変質しやすく不安定になるおそれがある。また、結晶化温度が高く結晶化が困難となって、キャリア濃度が高くなったり、キャリア濃度が経時変化したり、電子移動度が低下したり、耐熱性が低下したり、耐薬品性が低下したりするおそれがあるからである。また、トランジスタ２０２０を駆動させた際に閾値電圧が変動したり、駆動が不安定となったりするおそれがあるからである。
また、［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）＝０．０１〜０．1がより好ましく、［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）＝０．０５〜０．０９９がさらに好ましく、［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）＝０．０６〜０．０９８が特に好ましい。
【０１２８】
また、好ましくは、トランジスタ２０２０が、ＰＡＮ耐性を有するとよい。このようにすると、製造工程の自由度が増加し、トランジスタ２０２０を効率よく製造することができる。
【０１２９】
また、好ましくは、結晶質酸化物２０２１の電子キャリア濃度に対する電子移動度が、所定の範囲において、電子キャリア濃度の増加にともない、対数的に比例して増加するとよい。このようにすると、製造条件を制御することにより、電子移動度が大きくなる。したがって、ｏｎ−ｏｆｆ比も大きくなりトランジスタ２０２０の特性を向上させることができる。
【０１３０】
また、前期結晶質酸化物２０２１中のＬｉ及びＮａの濃度が１０００ｐｐｍ以下であるとよい。このようにすると長時間駆動した際の特性変化が少なくなりトランジスタ２０２０の信頼性を向上させることができる。Ｌｉ及びＮａの濃度は、１００ｐｐｍ以下がより好ましく、１０ｐｐｍ以下がさらに好ましく、１ｐｐｍ以下が特に好ましい。
次に、結晶質酸化物２０２１の電子キャリア密度と電子移動度に関する測定結果について、図面を参照して説明する。
【０１３１】
（薄膜の電子キャリア密度と電子移動度に関する測定結果）
トランジスタ２０２０の活性層として使用される、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜（結晶質酸化物２０２１）と、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる薄膜を成膜し、両者の薄膜の電子キャリア濃度に対する電子移動度を測定した。
まず、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕＝０．０００１〜０．１のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯスパッタリングターゲットを用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、基板温度約２５℃で成膜し、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる非晶質膜の薄膜を得た。その後、真空下あるいは酸素存在下にて、約２８０℃で約１〜１０時間熱処理し、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる複数の薄膜（複数の結晶質酸化物２０２１）を得た。
次に、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）〕＝０．３３、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）〕＝０．３４、及び、原子比〔Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）〕＝０．３３のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３スパッタリングターゲットを用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、酸素分圧１×１０−３〜５×１０−１Ｐａにて成膜し、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる複数の非晶質膜の薄膜を得た。
さらに、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕＝０．８３、及び、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕＝０．１７のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯスパッタリングターゲットを用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、酸素分圧１×１０−３〜５×１０−１Ｐａにて成膜し、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる複数の非晶質膜の薄膜を得た。
【０１３２】
次に、三者の電子キャリア濃度と電子移動度を測定した。
図１８ａは、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜、及び、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる薄膜の電子キャリア濃度に対する電子移動度の測定グラフを示している。
図１８ａにおいて、両者ともに、製造条件を適切に設定することにより、電子キャリア濃度を１×１０１６ｃｍ-３未満まで制御できた。
多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜（複数の結晶質酸化物２０２１）は、電子キャリア濃度が１×１０１６〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲において、電子キャリア濃度が増加するとともに、電子移動度も対数的に比例して増加した。すなわち、両対数のグラフに電子キャリア濃度（Ｘ座標）と電子移動度（Ｙ座標）をプロットすると、プロット点がほぼ右上りの直線上にプロットされる。
【０１３３】
一方、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる薄膜は、電子キャリア濃度が１×１０１６〜１×１０１７／ｃｍ３の範囲において、ほぼ多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜と同様に、電子キャリア濃度が増加するとともに電子移動度も増加した。しかし、電子キャリア濃度が１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲においては、電子キャリア濃度が増加するとともに、電子移動度もわずかに増加したものの、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜と比べると、ほとんど増加せず小さな値であった。
【０１３４】
上記測定結果より、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯの多結晶膜に代表されるＩｎと正二価元素を含む多結晶膜は、薄膜トランジスタを構成した場合、信頼性に加え高い電子移動度が期待できることが分かった。特に、電子キャリア濃度が１×１０１７〜２×１０１７／ｃｍ３の範囲においては、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる薄膜の電子移動度より、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜の電子移動度が大きな値となった。
【０１３５】
図１８ｂは、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜、及び、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜の電子キャリア濃度に対する電子移動度の測定グラフを示している。
図１８ｂにおいて、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯは製造条件を適切に設定することにより、電子キャリア濃度を１×１０１６ｃｍ-３未満まで制御できたが、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯは、電子キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ-３程度までしか制御できなかった。このことから、薄膜トランジスタとして用いた場合、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯの方がオフ電流の低いトランジスタやノーマリーオフのトランジスタを作製しやすい。
多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜（複数の結晶質酸化物２０２１）は、電子キャリア濃度が１×１０１６〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲において、電子キャリア濃度が増加するとともに、電子移動度も対数的に比例して増加した。すなわち、両対数のグラフに電子キャリア濃度（Ｘ座標）と電子移動度（Ｙ座標）をプロットすると、プロット点がほぼ右上りの直線上にプロットされる。
【０１３６】
一方、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜は、電子キャリア濃度が１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の範囲において、ほぼ多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜と同様に、電子キャリア濃度が増加するとともに電子移動度も増加した。しかし、電子キャリア濃度が１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲においては、電子キャリア濃度が増加しても、電子移動度はほとんど増加せず頭打ちとなった。さらに、電子キャリア濃度が１×１０２０／ｃｍ３以上の範囲では、電子キャリア濃度が増加すると電子移動度は逆に低下した。
次に、本発明に係る実施例４〜１４と比較例３〜８について、図面を参照して説明する。
【実施例４】
【０１３７】
図１９は、実施例４〜１４と比較例３〜８に対する、成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、酸化処理、及び、半導体薄膜の特性を表した表を示している。
［結晶質酸化物の作製例］
（１）スパッタリングターゲットの製造及び評価
１．ターゲットの製造
原料として、平均粒径が約３．４μｍの酸化インジウムと、平均粒径が約０．６μｍの酸化亜鉛とを、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕が約０．９５、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕が約０．０５となるように混合して、これを湿式ボールミルに供給し、約７２時間混合粉砕して原料微粉末を得た。
得られた原料微粉末を造粒した後、直径約１０ｃｍ、厚さ約５ｍｍの寸法にプレス成形して、これを焼成炉に入れ、約１４００℃，約４８時間の条件で焼成して、焼結体（ターゲット）を得た。このとき、昇温速度は、約３℃／分であった。
２．ターゲットの評価
得られたターゲットにつき、密度、バルク抵抗値を測定した。その結果、理論相対密度は約９９％であり、四端子法により測定したバルク抵抗値は、約８０ｍΩであった。【０１３８】
（２）半導体薄膜の成膜
上記（１）で得られたスパッタリングターゲットを、ＤＣスパッタ法の一つであるＤＣマグネトロンスパッタリング法の成膜装置に装着し、ガラス基板（コーニング１７３７）上に半導体薄膜を成膜した。
ここでのスパッタ条件としては、基板温度；約２５℃、到達圧力；約１×１０−３Ｐａ、雰囲気ガス；Ａｒ約１００％、スパッタ圧力（全圧）；約４×１０−１Ｐａ、投入電力約１００Ｗ、成膜時間約２０分間、Ｓ−Ｔ距離約９５ｍｍとした。
この結果、ガラス基板上に、膜厚が約１００ｎｍの酸化物が形成された。
なお、得られた膜組成をＩＣＰ法で分析したところ、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕が約０．９５、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕が約０．０５であった。【０１３９】
（３）半導体薄膜の酸化処理
上記（２）で得られた酸化物を大気中（酸素存在下）約３００℃で、約１時間加熱（大気下熱処理）することで酸化処理（結晶化処理）を行った。【０１４０】
（４）半導体薄膜の物性の評価
上記（３）で得られた透明半導体薄膜のキャリア濃度（電子キャリア濃度）、及びホール移動度（電子移動度）をホール測定装置により測定した。キャリア濃度は約６×１０１４ｃｍ−３、ホール移動度は約５ｃｍ２／Ｖｓであった。また、四端子法により測定した比抵抗の値は、約２１００Ωｃｍであった。また、薄膜の組成分析を行ったところ、Li及びNaの濃度は１ｐｐｍ以下であった。【０１４１】
ホール測定装置、及びその測定条件は下記のとおりであった、
［ホール測定装置］
東陽テクニカ製：Resi  Test８３１０
［測定条件］
室温（約２５℃）、約０．５［Ｔ］、約１０−４〜１０−１２Ａ、ＡＣ磁場ホール測定【０１４２】
さらに、この半導体薄膜は、分光光度計により波長約４００ｎｍの光線についての光線透過率が約８５％であり、透明性においても優れたものであった。また、エネルギーバンドギャップは約３．６ｅＶと十分に大きかった。
また、Ｘ線結晶構造解析により多結晶であることが確認され、ＸＦＡＳ測定によりＩｎとＺｎは同様の局所構造をとっていることが確認できた。すなわち、少なくとも一部の亜鉛Ｚｎが、酸化インジウムのビックスバイト型結晶のインジウムサイトを置き換えていた。【０１４３】
また、これらの実施例及び比較例について、ＰＡＮ耐性、耐熱性についても評価するとともに、半導体薄膜の透過率、屈折率（波長約５００ｎｍ）を併せて表に示した。
［ＰＡＮ耐性］
ＰＡＮによるエッチング速度が約１０ｎｍ／分以上のものを×とし、それ以外のものを○として表中に示した。
ここで、ＰＡＮ耐性の評価には、約４５℃のＰＡＮエッチング液（リン酸約９１．４ｗｔ％、硝酸約３．３ｗｔ％、酢酸約１０．４ｗｔ％）を用いた。なお、一般的に、ＰＡＮエッチング液（リン酸、硝酸、酢酸を含むエッチング液）は、通常リン酸が約２０〜９５ｗｔ％、硝酸約０．５〜５ｗｔ％、酢酸約３〜５０ｗｔ％の範囲にあるものが用いられる。
［耐熱性］
約２６０℃、約１時間の熱処理で、比抵抗が処理前の約１／１０以下になったものを×とし、それ以外のものを○として表中に示した。【０１４４】
この半導体薄膜の残りの評価は、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、半導体薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が、約１．９であった。
すなわち、上述した実施例４の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例５】
【０１４５】
実施例５の酸化物は、実施例４の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、酸化処理の温度を約２５０℃とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例４の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約８×１０１４ｃｍ−３、ホール移動度は約５ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約１５７０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．６ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８５％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例５の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例６】
【０１４６】
実施例６の酸化物は、実施例４の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、ＲＦマグネトロンスパッタリング法とした点、及び、酸化処理の温度を約２３０℃とした点が相違した。なお、これらの相違点の他は、実施例４の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約４×１０１５ｃｍ−３、ホール移動度は約６ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約２６０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．６ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８５％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例６の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有しており、トランジスタの活性層として好適に使用することができた。
【実施例７】
【０１４７】
実施例７の酸化物は、実施例４の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．９７、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．０３とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例１の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約６×１０１４ｃｍ−３、ホール移動度は約１０ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約４０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．６ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８５％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例７の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例８】
【０１４８】
実施例８の酸化物は、実施例４の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．９３、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．０７とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例４の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約１．１×１０１４ｃｍ−３、ホール移動度は約３ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約１９０００Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．６ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８５％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例８の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例９】
【０１４９】
実施例９の酸化物は、実施例４の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、ＲＦマグネトロンスパッタリング法とした点、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）〕を約０．９８、原子比〔Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）〕を約０．０２とした点、及び、酸化処理を約２８０℃で約２時間行った点が相違した。なお、これらの相違点の他は、実施例４の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約５×１０１６ｃｍ−３、ホール移動度は約７ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約１５Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．７ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８９％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例９の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例１０】
【０１５０】
実施例１０の酸化物は、実施例９の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｃｕ）〕を約０．９９、原子比〔Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｃｕ）〕を約０．０１とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例９の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約２×１０１５ｃｍ−３、ホール移動度は約７ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約４５０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．５ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８３％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例１０の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例１１】
【０１５１】
実施例１１の酸化物は、実施例１０の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｃｕ）〕を約０．９８、原子比〔Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｃｕ）〕を約０．０２とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例１０の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約２×１０１４ｃｍ−３、ホール移動度は約４ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約７８００Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．５ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８３％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例１１の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例１２】
【０１５２】
実施例１２の酸化物は、実施例１１の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｎｉ）〕を約０．９８、原子比〔Ｎｉ／（Ｉｎ＋Ｎｉ）〕を約０．０２とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例１１の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約１×１０１６ｃｍ−３、ホール移動度は約８ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約２０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．５ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８３％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例１２の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例１３】
【０１５３】
実施例１３の酸化物は、実施例１１の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｃｏ）〕を約０．９８、原子比〔Ｃｏ／（Ｉｎ＋Ｃｏ）〕を約０．０２とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例１１の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約２×１０１６ｃｍ−３、ホール移動度は約８ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約４０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．５ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８３％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例１３の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例１４】
【０１５４】
実施例１４の酸化物は、実施例１１の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．９８、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．０２とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例１１の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約６×１０１６ｃｍ−３、ホール移動度は約１２ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約１０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．６ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８５％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例１４の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【比較例３】
【０１５５】
比較例３の酸化物は、実施例４の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約１．００、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．００とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例４の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約１×１０１８ｃｍ−３、ホール移動度は約２８ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約０．２２Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約４．１ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８４％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した比較例３の多結晶化された酸化物は、キャリア濃度の値が２×１０１７ｃｍ−３より大きかった。
【比較例４】
【０１５６】
比較例４の酸化物は、実施例４の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．００、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約１．００とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例４の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約６×１０１７ｃｍ−３、ホール移動度は約１ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約１０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．３ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が×、耐熱性が○であり、光線透過率が約８３％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約２．２であった。
すなわち、上述した比較例４の多結晶化された酸化物は、電子キャリア濃度の値が２×１０１７ｃｍ−３より大きかった。また、ＰＡＮ耐性が×であった。
【比較例５】
【０１５７】
比較例５の酸化物は、実施例５の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、加熱による結晶化処理を行っていない点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例５の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が非晶質であり、キャリア濃度が約３×１０２０ｃｍ−３、ホール移動度は約３５ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約０．０００６Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約４．２ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が×、耐熱性が○であり、光線透過率が約８２％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約２．１であった。
すなわち、上述した比較例５の非晶質の酸化物は、電子キャリア濃度の値が２×１０１７ｃｍ−３より大きかった。また、ＰＡＮ耐性が×であった。
【比較例６】
【０１５８】
比較例６の酸化物は、比較例５の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、スパッタにおける雰囲気ガス；Ａｒ約９２％、Ｈ２約８％とした点が相違した。なお、この相違点の他は、比較例５の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が非晶質であり、キャリア濃度が約７×１０２０ｃｍ−３、ホール移動度は約１７ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約０．０００５３Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約４．２ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が×、耐熱性が○であり、光線透過率が約８２％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約２．１であった。
すなわち、上述した比較例６の非晶質の酸化物は、電子キャリア濃度の値が２×１０１７ｃｍ−３より大きかった。また、ＰＡＮ耐性が×であった。
【比較例７】
【０１５９】
比較例７の酸化物は、比較例６の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、ＲＦマグネトロンスパッタリング法とした点、スパッタにおける雰囲気ガス；Ａｒ約９６％、Ｏ２約４％とし、かつ、酸素分圧を約１６×１０−３Ｐａとした点、及び、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．５５、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．４５、原子比〔Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）〕を約０．３５とした点が相違した。なお、これらの相違点の他は、比較例６の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が非晶質であり、キャリア濃度が約１．１×１０１６ｃｍ−３、ホール移動度は約３ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約１９０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．７ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が×、耐熱性が×であり、光線透過率が約８３％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約２．１であった。
すなわち、上述した比較例７の非晶質の酸化物は、ＰＡＮ耐性が×であり、かつ、耐熱性が×であった。
【比較例８】
【０１６０】
比較例８の酸化物は、比較例７の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、スパッタにおける雰囲気ガス；Ａｒ約９５％、Ｏ２約５％とし、かつ、酸素分圧を約２０×１０−３Ｐａとした点が相違した。なお、この相違点の他は、比較例５の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図１９に示すように、結晶性が非晶質であり、キャリア濃度が約９×１０１５ｃｍ−３、ホール移動度は約２ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約３５０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．８ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が×、耐熱性が×であり、光線透過率が約８３％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約２．１であった。
すなわち、上述した比較例８の非晶質の酸化物は、ＰＡＮ耐性が×であり、かつ、耐熱性が×であった。
【０１６１】
次に、表の半導体薄膜（酸化物）を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製して、その評価を行ったところ、実施例４〜１４、及び、比較例４，７，８の酸化物を用いたＴＦＴについては、トランジスタ特性を確認できたが、比較例３，５，６の酸化物を用いたＴＦＴについては、トランジスタ特性を確認できなかった。また、比較例４の酸化物を用いたＴＦＴは、トランジスタ特性を確認できたものの、出力特性をみるとピンチオフが不明瞭であった。すなわち、比較例３，４，５，６の酸化物を用いたＴＦＴは、キャリア濃度の値が大きいために、十分なトランジスタ特性を発揮できないことが分かった。
次に、上記作製したＴＦＴのうち、代表的なものについて説明する。
【０１６２】
［ＴＦＴの作製例１：トップゲート型透明薄膜トランジスタ／絶縁体基板］
図２０は、絶縁体基板上に作製したトップゲート型ＴＦＴの要部の概略断面図を示している。
図２０において、本作製例１のトランジスタ２０２０は、トップゲート型としてあり、ガラス基板２０１０上に、チャネル長さ＝約１０μｍ、チャネル幅＝約１５０μｍとなるように、ソース電極２０２２、ドレイン電極２０２３及び結晶質酸化物２０２１を形成した。この結晶質酸化物２０２１として、上記実施例４と同じ条件で作成した厚さ約３０ｎｍの透明半導体薄膜を用いた。ゲート絶縁膜２０２４として、誘電率の高い酸化イットリウムを厚み１７０ｎｍに積層した。また、ソース電極２０２２、ドレイン電極２０２３及びゲート電極２０２５として、厚み約５ｎｍのＴｉ層と厚み約４０ｎｍのＡｕ層を用いた。
その結果、本作製例１のトランジスタ２０２０は、電界効果移動度；３５ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０８以上、閾値電圧（Ｖｔｈ）；＋２．０Ｖ（ノーマリーオフ）の特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
【０１６３】
［ＴＦＴの作製例２：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／絶縁体基板］
図２１は、絶縁体基板上に作製したボトムゲート型ＴＦＴの要部の概略断面図を示している。
図２１において、本作製例２のトランジスタ２０２０は、ボトムゲート型としてあり、ガラス基板２０１０上に、ゲート電極２０２５及びゲート絶縁膜２０２４を形成し、さらに、結晶質酸化物２０２１を形成した。この結晶質酸化物２０２１として、上記実施例４と同じ条件で作成した厚さ約１００ｎｍの透明半導体薄膜を用いた。また、チャネル長さ＝約５μｍ、チャネル幅＝約２５μｍとなるように、ソース電極２０２２及びドレイン電極２０２３を形成した。ゲート絶縁膜２０２４として、厚み約３４０ｎｍのＳｉＮｘ層と厚み約３０ｎｍのＣａＨｆＯｘ層を用いた。また、ソース電極２０２２及びドレイン電極２０２３として、厚み約７０ｎｍのＡｌ層を用い、ゲート電極２０２５として厚み約３２０ｎｍのＴａ層を用いた。
その結果、本作製例２のトランジスタ２０２０は、電界効果移動度；７０ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０７以上、閾値電圧（Ｖｔｈ）；＋０．５Ｖ（ノーマリーオフ）の特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
【０１６４】
［ＴＦＴの作製例３：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板］
図２２は、導電性基板上に作製され、かつ、半導体膜上にソース電極及びドレイン電極が形成されたボトムゲート型ＴＦＴの要部の概略断面図を示している。
導電性シリコン基板２０２５ａ上に、図２２のような構成で、チャネル長さ＝約１００μｍ、チャネル幅＝約１５００μｍのボトムゲート型の薄膜トランジスタを作製した。
半導体薄膜（結晶質酸化物２０２１）は、上記実施例７と同じ条件で作成した約５０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜２０２４として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース電極２０２２、及びドレイン電極２０２３として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本作製例３のトランジスタは、電界効果移動度；１９ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０６以上、ノーマリーオフの特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
【０１６５】
［ＴＦＴの作製例４：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板］
導電性シリコン基板２０２５ａ上に、図２２のような構成で、チャネル長さ＝約１００μｍ、チャネル幅＝約１５００μｍのボトムゲート型の薄膜トランジスタを作製した。
半導体薄膜（結晶質酸化物２０２１）は、上記実施例１４と同じ条件で作成した約５０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜２０２４として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース電極２０２２、及びドレイン電極２０２３として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本作製例４のトランジスタは、電界効果移動度；２４ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０５以上、ノーマリーオフの特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
【０１６６】
［ＴＦＴの作製例５：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板（３）］
図２３は、導電性基板上に作製され、かつ、ソース電極及びドレイン電極上に半導体膜が形成されたボトムゲート型ＴＦＴの要部の概略断面図を示している。
導電性シリコン基板２０２５ａ上に、図２３のような構成で、チャネル長さ＝約１００μｍ、チャネル幅＝約２０００μｍのボトムゲート型の薄膜トランジスタを作製した。
半導体薄膜（結晶質酸化物２０２１）は、上記実施例７と同じ条件で作成した厚み約５０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜２０２４として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース電極２０２２、及びドレイン電極２０２３として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本作製例５のトランジスタは、電界効果移動度；１０ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０５以上、ノーマリーオフの特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
【０１６７】
［ＴＦＴの作製例６：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板］
導電性シリコン基板２０２５ａ上に、図２３のような構成で、チャネル長さ＝約１００μｍ、チャネル幅＝約２０００μｍのボトムゲート型の薄膜トランジスタを作製した。
半導体薄膜（結晶質酸化物２０２１）は、上記実施例９と同じ条件で作成した約２０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜２０２４として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース電極２０２２、及びドレイン電極２０２３として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本作製例６のトランジスタは、電界効果移動度；１１ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０４以上、ノーマリーオフの特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
【０１６８】
［ＴＦＴの作製例７：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板］
導電性シリコン基板２０２５ａ上に、図２３のような構成で、チャネル長さ＝約１００μｍ、チャネル幅＝約２０００μｍのボトムゲート型の薄膜トランジスタを作製した。
半導体薄膜（結晶質酸化物２０２１）は、上記実施例１０と同じ条件で作成した約２０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜２０２４として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース電極２０２２、及びドレイン電極２０２３として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本作製例７のトランジスタは、電界効果移動度；１１ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０６以上、ノーマリーオフの特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
【０１６９】
［ＴＦＴの比較例（１）：トップゲート型透明薄膜トランジスタ／絶縁体基板］
ガラス基板２０１０上に、上記比較例４と同じ条件で作成した透明半導体薄膜（結晶質酸化物２０２１）を用い、図２０のような構成で、チャネル長さ＝約１０μｍ、チャネル幅＝約１５０μｍのトップゲート型の薄膜トランジスタ２０２０を作製した。
このとき、ゲート絶縁膜２０２４として、誘電率の高い酸化イットリウムを厚み約１７０ｎｍに積層して用いた。また、ソース電極２０２２、ドレイン電極２０２３及びゲート電極２０２５として、厚み約５ｎｍのＴｉ層と厚み約４０ｎｍのＡｕ層を用いた。
その結果、本ＴＦＴの比較例（１）のトランジスタは、電界効果移動度；０．５ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０３、閾値電圧（Ｖｔｈ）；−０．５Ｖ（ノーマリーオン）の特性を示した。また、出力特性をみるとピンチオフが不明瞭であった。
【０１７０】
［ＴＦＴの比較例（２）：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／絶縁体基板］
ガラス基板２０１０上に、図２１のような構成で、チャネル長さ＝約５μｍ、チャネル幅＝約２５μｍのボトムゲート型の薄膜トランジスタ２０２０を作製した。チャネル層として、上記比較例４と同じ条件で作成した約１００ｎｍの透明半導体薄膜（結晶質酸化物２０２１）を用い、ゲート絶縁膜２０２４として、厚み約３０ｎｍのＣａＨｆＯｘ及び厚み約３４０ｎｍのＳｉＮｘを用いた。また、ソース電極２０２２およびドレイン電極２０２３として厚み約７０ｎｍのＡｌ、ゲート電極２０２５として約３２０ｎｍのＴａを用いた。
その結果、本ＴＦＴの比較例（２）のトランジスタは、電界効果移動度；０．３ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０２以上、閾値電圧（Ｖｔｈ）；−１．５Ｖ（ノーマリーオン）の特性を示した。また、出力特性をみるとピンチオフが不明瞭であった。
【０１７１】
［ＴＦＴの比較例（３）：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板］
導電性シリコン基板２５ａ上に、図２２のような構成で、チャネル長さ＝約１００μｍ、チャネル幅＝約１５００μｍのボトムゲート型の薄膜トランジスタを作製した。
半導体薄膜（結晶質酸化物２０２１）は、上記比較例３と同じ条件で作成した約５０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜２０２４として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース電極２０２２、及びドレイン電極２０２３として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本ＴＦＴの比較例（３）のトランジスタは、ノーマリーオンとなりゲート電圧を変えてもトランジスタ特性は確認できなかった。
【０１７２】
［ＴＦＴの比較例（４）：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板］
導電性シリコン基板２０２５ａ上に、図２３のような構成で、チャネル長さＬ＝約１００μｍ、チャネル幅Ｗ＝約２０００μｍのボトムゲート型の薄膜トランジスタを作製した。
半導体薄膜（結晶質酸化物２０２１）は、上記比較例３と同じ条件で作成した約５０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜２０２４として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース電極２０２２、及びドレイン電極２０２３として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本ＴＦＴの比較例（４）のトランジスタは、ノーマリーオンとなりゲート電圧を変えてもトランジスタ特性は確認できなかった。
【０１７３】
［ＴＦＴの比較例（５）：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板］
導電性シリコン基板２０２５ａ上に、図２２のような構成で、チャネル長さ＝約１００μｍ、チャネル幅＝約１５００μｍのボトムゲート型の薄膜トランジスタを作製した。
半導体薄膜（非晶質の酸化物２０２１）は、上記比較例８と同じ条件で作成した約５０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜２０２４として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース２０２２電極、及びドレイン電極２０２３として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本比較例（５）のトランジスタは、電界効果移動度；８ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０４以上、ノーマリーオフの特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。
【０１７４】
上述したように、本実施形態によれば、電界効果型薄膜トランジスタの活性層に結晶質酸化物を用い、かつ、この結晶質酸化物の電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満とすることにより、画像品質や耐久性になどに優れた新規な画像表示装置を提供することができる。
また、結晶酸化物を、Ｉｎと、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣａから選ばれた一つ以上の正二価元素とを含む多結晶酸化物とし、かつ、Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比を、［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）＝０．０００１〜０．１３とすることにより、電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満にすることができる。
【０１７５】
［半導体デバイスの第一実施形態］
図２４は、本発明の第一実施形態にかかる半導体デバイスである、電界効果型薄膜トランジスタの要部の概略断面図を示している。
図２４において、電界効果型薄膜トランジスタ３００１(適宜、ＴＦＴ３００１と略称する。)は、ガラス基板３０１０上に離れて形成されたソース電極３０２２及びドレイン電極３０２３と、ソース電極３０２２及びドレイン電極３０２３の一部を覆うように形成された、活性層としての結晶質酸化物３０２１と、結晶質酸化物３０２１上に形成されたゲート絶縁膜３０２４と、ゲート絶縁膜３０２４上に形成されたゲート電極３０２５を備えている。
なお、ＴＦＴ３００１は、上記構成のトップゲート型のＴＦＴに限定されるものではなく、例えば、ボトムゲート型などの様々な構成のＴＦＴであってもよい。また、ＴＦＴ３００１が形成される基体は、ガラス基板３０１０に限定されるものではなく、たとえば、可撓性を有する樹脂フィルムなどであってもよい。
【０１７６】
ＴＦＴ３００１は、結晶質酸化物３０２１がＮ型半導体（本実施形態では、チャネル層）として用いられている。また、結晶質酸化物３０２１の電子キャリア濃度は、２×１０１７／ｃｍ３未満としてある。ここで、電子キャリア濃度を２×１０１７／ｃｍ３未満とした理由は、電子キャリア濃度が２×１０１７／ｃｍ３以上の酸化物をＴＦＴ３００１のチャネル層に用いた場合、ｏｎ−ｏｆｆ比を十分に大きくすることができないからである。また、ＴＦＴ３００１のゲート電圧が無印加時でも、ソース電極３０２２とドレイン電極３０２３の間に大きな電流が流れてしまい、ノーマリーオフ動作を実現できないからである。すなわち、本発明者は、ＴＦＴ３００１の活性層として、電子キャリア濃度が２×１０１７／ｃｍ３未満の結晶質酸化物３０２１を用いているＴＦＴ３００１を作製したところ、所望の特性のＴＦＴ３００１が得られることを発見した。
【０１７７】
また、本発明に係る結晶質酸化物３０２１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、具体的には約０〜４０℃程度の範囲から適宜選択されるある温度である。なお、本発明に係る結晶質酸化物３０２１の電子キャリア濃度は、約０〜４０℃の範囲全てにおいて、２×１０１７／ｃｍ３未満を充足する必要はない。例えば、約２５℃において、キャリア電子密度２×１０１７／ｃｍ３未満が実現されていればよい。また、好ましくは、電子キャリア濃度をさらに下げ、１０１７／ｃｍ３以下とするとよく、より好ましくは２×１０１６／ｃｍ３以下にするとよい。このようにすると、ノーマリーオフのＴＦＴ３００１が歩留まり良く得られる。
【０１７８】
また、結晶質酸化物３０２１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。したがって、本発明においては、後述する各実施例１５〜２５のように結晶酸化物の材料、組成比、製造条件、後処理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２×１０１７／ｃｍ３未満とする。また、好ましくは１０１３／ｃｍ３以上１０１７／ｃｍ３以下、さらに好ましくは、１０１５／ｃｍ３以上２×１０１６／ｃｍ３以下の範囲にするとよい。このようにすると、所定の大きさの電子移動度を有し、かつ、ノーマリーオフのＴＦＴ３００１が歩留まり良く得られる。
また、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。約１０１７／ｃｍ３未満の電子キャリア濃度の測定は、ＡＣホール測定で行うことが好ましい。この理由は、ＤＣホール測定では測定値のばらつきが大きく、測定の信頼性が低くなるおそれがあるからである。
【０１７９】
また、ＴＦＴ３００１の活性層（半導体薄膜）は、結晶質を含む薄膜（すなわち、結晶質酸化物３０２１）としてある。この結晶質酸化物３０２１は、半導体薄膜の少なくとも一部又は全部を結晶質とすることで、半導体薄膜を非晶質とした場合に比べて、キャリア濃度の低減や制御を容易とすることができ、さらに、ＴＦＴ３００１を構成した際に動作が安定化する。このため、安定性、均一性、再現性、耐熱性及び耐久性に優れたＴＦＴ３００１を作ることができる。
なお、薄膜に含ませる結晶質は、単結晶又は多結晶（エピタキシャル膜を含む。）のいずれであってもよいが、工業的に製造が容易で、大面積化が可能な多結晶膜が好ましい。また、単結晶は、製造プロセスや使用時における屈曲や衝撃でクラックが発生するおそれがあるため、このことからも多結晶が好ましい。
また、本発明において、結晶質酸化物３０２１とは、Ｘ線回折スペクトルにおいて、特定の回折線を示す酸化物をいう。一方、非晶質酸化物とは、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。
【０１８０】
また、好ましくは、本発明に係る半導体薄膜の伝導帯と価電子帯とのエネルギーバンドギャップを約２．８ｅＶ以上とするとよく、このようにすることで、可視光の照射により、価電子帯の電子が励起されて漏れ電流が流れやすくなるおそれがあるという不具合を有効に回避することができる。
【０１８１】
また、結晶質酸化物３０２１は、Ｉｎ及び正二価元素を含むとよい。このようにすると、通常、酸化インジウムのビックスバイト型結晶を含むこととなる。このように、ビックスバイト構造をとることで、電子移動度を大きくすることができる。これは、インジウムの５Ｓ軌道が陵共有構造をとることによるものと推定される。
さらに、亜鉛などの正二価元素の少なくとも一部は、インジウムを固溶置換していることが好ましい。この理由は、正三価であるインジウムを正二価元素が固溶置換することによって、効果的にキャリア密度を低下させることが期待できるからである。
また、本実施形態において、Ｉｎを含む結晶質酸化物に含有させる正二価元素としては、例えば、Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｈｇ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｙｂなどが挙げられる。これらのなかでも、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕが好ましく、インジウムに固溶置換しやすく、効率的にキャリア濃度を制御できることから、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏがより好ましく、透明性からＺｎあるいはＭｇが特に好ましい。これらの正二価元素は、本実施形態の効果を失わせない範囲内で複数組合せて使用してもよい。
【０１８２】
また、好ましくは、結晶質酸化物３０２１が、Ｉｎと、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣａから選ばれた一つ以上の正二価元素とを含む多結晶酸化物であり、Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比が、［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）＝０．０００１〜０．１３であるとよい。このようにすると、電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満にできる。すなわち、本発明者は、Ｉｎを主成分としドーパントとして正二価元素を含有した結晶膜を作製し、ドーパント濃度や後処理条件を制御することによって、電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満にできることを発見した。
【０１８３】
また、本発明に係る半導体薄膜中のインジウム［Ｉｎ］と、正二価元素［Ｘ］との原子比を、Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）＝０．０００１〜０．１３としてある。この理由は、原子比［Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）］が０．０００１より小さいと、キャリア数が制御できないおそれがある。また、ウェットエッチングした際に、エッチング速度が遅くなり、あるいは、残渣が残るおそれがあるからである。一方、原子比［Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）］が０．１３より大きくなると、界面あるいは表面が変質しやすく不安定になるおそれがある。また、結晶化温度が高く結晶化が困難となって、キャリア濃度が高くなったり、キャリア濃度が経時変化したり、電子移動度が低下したり、耐熱性が低下したり、耐薬品性が低下したりするおそれがあるからである。また、ＴＦＴ３００１を駆動させた際に閾値電圧が変動したり、駆動が不安定となったりするおそれがあるからである。
また、［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）＝０．０１〜０．1がより好ましく、［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）＝０．０５〜０．０９９がさらに好ましく、［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）＝０．０６〜０．０９８が特に好ましい。
【０１８４】
なお、結晶質酸化物３０２１は、Ｉｎ及び正二価元素を含む構成としてあるが、これに限定されるものではなく、たとえば、Ｓｎと、正二価元素又は正三価元素とを含む構成としてもよい。また、Ｓｎを含む多結晶質酸化物に含有させる正三価元素として、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなどを挙げることができる。また、Ｓｎを含む多結晶質酸化物に含有させる正二価元素として、上記Ｉｎを含む多結晶質酸化物に含有させるものと同様のものを挙げることができる。
また、上記正三価元素、正二価元素とは、イオン状態での価数としてそれぞれ正三価、正二価を取りうる元素のことをいう。
【０１８５】
また、好ましくは、結晶質酸化物３０２１が、ＰＡＮ耐性を有するとよい。
このようにすると、製造工程の自由度が増加し、ＴＦＴ３００１を効率よく製造することができる。なお、本実施形態の結晶質酸化物３０２１は、非晶質の状態でパターニングされ、その後結晶化される。結晶化された結晶質酸化物３０２１は、ＰＡＮ耐性を有するので、ゲート電極３０２５を容易にパターニングすることが可能となる。
【０１８６】
また、結晶質酸化物３０２１は、少なくとも、上述したＩｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比を変化させることによって、結晶質酸化物３０２１の電子キャリア濃度に対する電子移動度が、対数的に比例して増加する。このようにすると、製造条件を制御することにより、半導体特性を容易に設定することができるとともに、半導体の付加価値を向上させることができる。すなわち、電子キャリア濃度の増加にともない、電子移動度が大きくなるので、ｏｎ−ｏｆｆ比を大きくしやすい。また、移動度を高くしてもオフ電流が増加しにくく、ＴＦＴ３００１の特性を向上させることができる。
【０１８７】
また、前記結晶質酸化物３０２１中のＬｉ及びＮａの濃度が、１０００ｐｐｍ以下であるとよい。このようにすると長時間駆動した際の特性変化が少なくなりトランジスタ３０２０の信頼性を向上させることができる。Ｌｉ及びＮａの濃度は、１００ｐｐｍ以下がより好ましく、１０ｐｐｍ以下がさらに好ましく、１ｐｐｍ以下が特に好ましい。
次に、結晶質酸化物３０２１の電子キャリア密度と電子移動度に関する測定結果について、図面を参照して説明する。
【０１８８】
（薄膜の電子キャリア密度と電子移動度に関する測定結果）
ＴＦＴ３００１の活性層として使用される、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜（結晶質酸化物３０２１）と、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる薄膜と、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜を成膜し、三者の薄膜の電子キャリア濃度に対する電子移動度を測定した。
まず、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕＝０．０００１〜０．１３のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯスパッタリングターゲットを用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、基板温度約２５℃で成膜し、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる非晶質膜の薄膜を得た。その後、真空下あるいは酸素存在下にて、約２８０℃で約１〜１０時間熱処理し、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる複数の薄膜（複数の結晶質酸化物３０２１）を得た。
次に、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）〕＝０．３３、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）〕＝０．３４、及び、原子比〔Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）〕＝０．３３のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３スパッタリングターゲットを用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、酸素分圧１×１０−３〜５×１０−１Ｐａにて成膜し、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる複数の非晶質膜の薄膜を得た。
さらに、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕＝０．８３、及び、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕＝０．１７のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯスパッタリングターゲットを用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、酸素分圧１×１０−３〜５×１０−１Ｐａにて成膜し、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる複数の非晶質膜の薄膜を得た。
【０１８９】
次に、三者の電子キャリア濃度と電子移動度を測定した。
図２５ａは、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜、及び、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる薄膜の電子キャリア濃度に対する電子移動度の測定グラフを示している。
図２５ａにおいて、両者ともに、製造条件を適切に設定することにより、電子キャリア濃度を１×１０１６ｃｍ-３未満まで制御できた。
多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜（複数の結晶質酸化物３０２１）は、電子キャリア濃度が１×１０１６〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲において、電子キャリア濃度が増加するとともに、電子移動度も対数的に比例して増加した。すなわち、両対数のグラフに電子キャリア濃度（Ｘ座標）と電子移動度（Ｙ座標）をプロットすると、プロット点がほぼ右上りの直線上にプロットされる。
【０１９０】
一方、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる薄膜は、電子キャリア濃度が１×１０１６〜１×１０１７／ｃｍ３の範囲において、ほぼ多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜と同様に、電子キャリア濃度が増加するとともに電子移動度も増加した。しかし、電子キャリア濃度が１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲においては、電子キャリア濃度が増加するとともに、電子移動度もわずかに増加したものの、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜と比べると、ほとんど増加せず小さな値であった。
【０１９１】
上記測定結果より、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯの多結晶膜に代表されるＩｎと正二価元素を含む多結晶膜（ドーパントでキャリア密度を制御した多結晶膜）は、薄膜トランジスタを構成した場合、酸素分圧でキャリア密度を制御した非晶質膜よりも、耐熱性などの信頼性に加え高い電子移動度が期待できることが分かった。特に、電子キャリア濃度が１×１０１７〜２×１０１７／ｃｍ３の範囲においては、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる薄膜の電子移動度より、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜の電子移動度が大きな値となった。
また、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３からなる薄膜は、２２０℃１００時間の耐熱試験後に特性が劣化したのに対し、後述する実施例のＺｎドープＩｎ２Ｏ３結晶酸化物（多結晶）からなる薄膜は、同様の２２０℃１００時間の耐熱試験を行っても、特性がほとんど変化しなかった。このことによって、半導体デバイスの使用温度範囲を広くすることができ、また、信頼性を向上させることができる。
【０１９２】
図２５ｂは、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜、及び、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜の電子キャリア濃度に対する電子移動度の測定グラフを示している。
図２５ｂにおいて、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯは製造条件を適切に設定することにより、電子キャリア濃度を１×１０１６ｃｍ-３未満まで制御できたが、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯは、電子キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ-３程度までしか制御できなかった。このことから、薄膜トランジスタとして用いた場合、多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯの方がオフ電流の低いトランジスタやノーマリーオフのトランジスタを作製しやすい。
多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜（複数の結晶質酸化物３０２１）は、電子キャリア濃度が１×１０１６〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲において、電子キャリア濃度が増加するとともに、電子移動度も対数的に比例して増加した。すなわち、両対数のグラフに電子キャリア濃度（Ｘ座標）と電子移動度（Ｙ座標）をプロットすると、プロット点がほぼ右上りの直線上にプロットされる。
【０１９３】
一方、非晶質のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜は、電子キャリア濃度が１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の範囲において、ほぼ多結晶のＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯからなる薄膜と同様に、電子キャリア濃度が増加するとともに電子移動度も増加した。しかし、電子キャリア濃度が１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲においては、電子キャリア濃度が増加しても、電子移動度はほとんど増加せず頭打ちとなった。さらに、電子キャリア濃度が１×１０２０／ｃｍ３以上の範囲では、電子キャリア濃度が増加すると電子移動度は逆に低下した。
次に、本発明に係る実施例１５〜２５と比較例９〜１４について、図面を参照して説明する。
【実施例１５】
【０１９４】
図２６は、実施例１５〜２５と比較例９〜１４に対する、成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、酸化処理、及び、半導体薄膜の特性を表した表を示している。
［結晶質酸化物の作製例］
（１）スパッタリングターゲットの製造及び評価
１．ターゲットの製造
原料として、平均粒径が約３．４μｍの酸化インジウムと、平均粒径が約０．６μｍの酸化亜鉛とを、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕が約０．９５、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕が約０．０５となるように混合して、これを湿式ボールミルに供給し、約７２時間混合粉砕して原料微粉末を得た。得られた原料微粉末を造粒した後、直径約１０ｃｍ、厚さ約５ｍｍの寸法にプレス成形して、これを焼成炉に入れ、約１４００℃，約４８時間の条件で焼成して、焼結体（ターゲット）を得た。このとき、昇温速度は、約３℃／分であった。
２．ターゲットの評価
得られたターゲットにつき、密度、バルク抵抗値を測定した。その結果、理論相対密度は約９９％であり、四端子法により測定したバルク抵抗値は、約８０ｍΩであった。【０１９５】
（２）半導体薄膜の成膜
上記（１）で得られたスパッタリングターゲットを、ＤＣスパッタ法の一つであるＤＣマグネトロンスパッタリング法の成膜装置に装着し、ガラス基板（コーニング１７３７）上に半導体薄膜を成膜した。
ここでのスパッタ条件としては、基板温度；約２５℃、到達圧力；約１×１０−３Ｐａ、雰囲気ガス；Ａｒ約１００％、スパッタ圧力（全圧）；約４×１０−１Ｐａ、投入電力約１００Ｗ、成膜時間約２０分間、Ｓ−Ｔ距離約９５ｍｍとした。
この結果、ガラス基板上に、膜厚が約１００ｎｍの酸化物が形成された。
なお、得られた膜組成をＩＣＰ法で分析したところ、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕が約０．９５、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕が約０．０５であった。【０１９６】
（３）半導体薄膜の酸化処理
上記（２）で得られた酸化物を大気中（酸素存在下）約３００℃で、約１時間加熱（大気下熱処理）することで酸化処理（結晶化処理）を行った。【０１９７】
（４）半導体薄膜の物性の評価
上記（３）で得られた透明半導体薄膜のキャリア濃度（電子キャリア濃度）、及びホール移動度（電子移動度）をホール測定装置により測定した。キャリア濃度は約６×１０１４ｃｍ−３、ホール移動度は約５ｃｍ２／Ｖｓであった。また、四端子法により測定した比抵抗の値は、約２１００Ωｃｍであった。また、薄膜の組成分析を行ったところ、Ｌｉ及びＮａの濃度は１ｐｐｍ以下であった。【０１９８】
ホール測定装置、及びその測定条件は下記のとおりであった、
［ホール測定装置］
東陽テクニカ製：Resi  Test８３１０
［測定条件］
室温（約２５℃）、約０．５［Ｔ］、約１０−４〜１０−１２Ａ、ＡＣ磁場ホール測定【０１９９】
さらに、この半導体薄膜は、分光光度計により波長約４００ｎｍの光線についての光線透過率が約８５％であり、透明性においても優れたものであった。また、エネルギーバンドギャップは約３．６ｅＶと十分に大きかった。
また、Ｘ線結晶構造解析により多結晶であることが確認され、ＸＦＡＳ測定によりＩｎとＺｎは同様の局所構造をとっていることが確認できた。すなわち、少なくとも一部の亜鉛Ｚｎが酸化インジウムのビックスバイト型結晶のインジウムサイトを置き換えていた。【０２００】
また、これらの実施例及び比較例について、ＰＡＮ耐性、耐熱性についても評価するとともに、半導体薄膜の透過率、屈折率（波長約５００ｎｍ）を併せて表に示した。
［ＰＡＮ耐性］
ＰＡＮによるエッチング速度が約１０ｎｍ／分以上のものを×とし、それ以外のものを○として表中に示した。
ここで、ＰＡＮ耐性の評価には、約４５℃のＰＡＮエッチング液（リン酸約９１．４ｗｔ％、硝酸約３．３ｗｔ％、酢酸約１０．４ｗｔ％）を用いた。なお、一般的に、ＰＡＮエッチング液（リン酸、硝酸、酢酸を含むエッチング液）は、通常リン酸が約２０〜９５ｗｔ％、硝酸約０．５〜５ｗｔ％、酢酸約３〜５０ｗｔ％の範囲にあるものが用いられる。
［耐熱性］
約２６０℃、約１時間の熱処理で、比抵抗が処理前の約１／１０以下になったものを×とし、それ以外のものを○として表中に示した。【０２０１】
この半導体薄膜の残りの評価は、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、半導体薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が、約１．９であった。
すなわち、上述した実施例１５の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例１６】
【０２０２】
実施例１６の酸化物は、実施例１５の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、酸化処理の温度を約２５０℃とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例１５の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約８×１０１４ｃｍ−３、ホール移動度は約５ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約１５７０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．６ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８５％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例１６の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例１７】
【０２０３】
実施例１７の酸化物は、実施例１５の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、ＲＦマグネトロンスパッタリング法とした点、及び、酸化処理の温度を約２３０℃とした点が相違した。なお、これらの相違点の他は、実施例１５の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約４×１０１５ｃｍ−３、ホール移動度は約６ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約２６０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．６ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８５％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例１７の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有しており、トランジスタの活性層として好適に使用することができた。
【実施例１８】
【０２０４】
実施例１８の酸化物は、実施例１５の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．９７、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．０３とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例１５の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約６×１０１４ｃｍ−３、ホール移動度は約１０ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約４０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．６ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８５％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例１８の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例１９】
【０２０５】
実施例１９の酸化物は、実施例１５の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．９３、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．０７とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例１５の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約１．１×１０１４ｃｍ−３、ホール移動度は約３ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約１９０００Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．６ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８５％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例１９の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例２０】
【０２０６】
実施例２０の酸化物は、実施例１５の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、ＲＦマグネトロンスパッタリング法とした点、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）〕を約０．９８、原子比〔Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）〕を約０．０２とした点、及び、酸化処理を約２８０℃で約２時間行った点が相違した。なお、これらの相違点の他は、実施例１５の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約５×１０１６ｃｍ−３、ホール移動度は約７ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約１５Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．７ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８９％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例２０の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例２１】
【０２０７】
実施例２１の酸化物は、実施例２０の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｃｕ）〕を約０．９９、原子比〔Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｃｕ）〕を約０．０１とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例２０の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約２×１０１５ｃｍ−３、ホール移動度は約７ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約４５０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．５ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８３％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例２１の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例２２】
【０２０８】
実施例２２の酸化物は、実施例２１の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｃｕ）〕を約０．９８、原子比〔Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｃｕ）〕を約０．０２とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例２１の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約２×１０１４ｃｍ−３、ホール移動度は約４ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約７８００Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．５ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８３％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例２２の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例２３】
【０２０９】
実施例２３の酸化物は、実施例２２の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｎｉ）〕を約０．９８、原子比〔Ｎｉ／（Ｉｎ＋Ｎｉ）〕を約０．０２とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例２２の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約１×１０１６ｃｍ−３、ホール移動度は約８ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約２０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．５ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８３％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例２３の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例２４】
【０２１０】
実施例２４の酸化物は、実施例２２の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｃｏ）〕を約０．９８、原子比〔Ｃｏ／（Ｉｎ＋Ｃｏ）〕を約０．０２とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例２２の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約２×１０１６ｃｍ−３、ホール移動度は約８ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約４０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．５ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８３％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例２４の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。
【実施例２５】
【０２１１】
実施例２５の酸化物は、実施例２２の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．９８、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．０２とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例２２の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約６×１０１６ｃｍ−３、ホール移動度は約１２ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約１０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．６ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８５％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した実施例２５の多結晶化された酸化物は、優れた透明半導体薄膜としての特性を有していた。【０２１２】
[比較例９]  
比較例９の酸化物は、実施例１５の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約１．００、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．００とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例１５の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約１×１０１８ｃｍ−３、ホール移動度は約２８ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約０．２２Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約４．１ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が○、耐熱性が○であり、光線透過率が約８４％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約１．９であった。
すなわち、上述した比較例９の多結晶化された酸化物は、キャリア濃度の値が２×１０１７ｃｍ−３より大きかった。【０２１３】
[比較例１０]  
比較例１０の酸化物は、実施例１５の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．００、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約１．００とした点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例１５の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が多結晶であり、キャリア濃度が約６×１０１７ｃｍ−３、ホール移動度は約１ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約１０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．３ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が×、耐熱性が○であり、光線透過率が約８３％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約２．２であった。
すなわち、上述した比較例１０の多結晶化された酸化物は、電子キャリア濃度の値が２×１０１７ｃｍ−３より大きかった。また、ＰＡＮ耐性が×であった。【０２１４】
[比較例１１]  
比較例１１の酸化物は、実施例１６の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、加熱による結晶化処理を行っていない点が相違した。なお、この相違点の他は、実施例１６の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が非晶質であり、キャリア濃度が約３×１０２０ｃｍ−３、ホール移動度は約３５ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約０．０００６Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約４．２ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が×、耐熱性が○であり、光線透過率が約８２％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約２．１であった。
すなわち、上述した比較例１１の非晶質の酸化物は、電子キャリア濃度の値が２×１０１７ｃｍ−３より大きかった。また、ＰＡＮ耐性が×であった。【０２１５】
[比較例１２]  
比較例１２の酸化物は、比較例１１の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、スパッタにおける雰囲気ガス；Ａｒ約９２％、Ｈ２約８％とした点が相違した。なお、この相違点の他は、比較例１１の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が非晶質であり、キャリア濃度が約７×１０２０ｃｍ−３、ホール移動度は約１７ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約０．０００５３Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約４．２ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が×、耐熱性が○であり、光線透過率が約８２％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約２．１であった。
すなわち、上述した比較例１２の非晶質の酸化物は、電子キャリア濃度の値が２×１０１７ｃｍ−３より大きかった。また、ＰＡＮ耐性が×であった。【０２１６】
[比較例１３]  
比較例１３の酸化物は、比較例１２の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、ＲＦマグネトロンスパッタリング法とした点、スパッタにおける雰囲気ガス；Ａｒ約９６％、Ｏ２約４％とし、かつ、酸素分圧を約１６×１０−３Ｐａとした点、及び、原子比〔Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．５５、原子比〔Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）〕を約０．４５、原子比〔Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）〕を約０．３５とした点が相違した。なお、これらの相違点の他は、比較例１２の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が非晶質であり、キャリア濃度が約１．１×１０１６ｃｍ−３、ホール移動度は約３ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約１９０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．７ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が×、耐熱性が×であり、光線透過率が約８３％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約２．１であった。
すなわち、上述した比較例１３の非晶質の酸化物は、ＰＡＮ耐性が×であり、かつ、耐熱性が×であった。【０２１７】
[比較例１４]  
比較例１４の酸化物は、比較例１３の作製条件（成膜方法、成膜条件、膜組成原子比、及び、酸化処理）と比べて、スパッタにおける雰囲気ガス；Ａｒ約９５％、Ｏ２約５％とし、かつ、酸素分圧を約２０×１０−３Ｐａとした点が相違した。なお、この相違点の他は、比較例１３の作製条件とほぼ同じとした。
また、上記製作条件にて製作した酸化物の特性は、図２６に示すように、結晶性が非晶質であり、キャリア濃度が約９×１０１５ｃｍ−３、ホール移動度は約２ｃｍ２／Ｖｓであった。四端子法により測定した比抵抗の値は、約３５０Ωｃｍであった。さらに、エネルギーバンドギャップは約３．８ｅＶであり、ＰＡＮ耐性が×、耐熱性が×であり、光線透過率が約８３％であり、薄膜の屈折率（波長約５００ｎｍ）が約２．１であった。
すなわち、上述した比較例１４の非晶質の酸化物は、ＰＡＮ耐性が×であり、かつ、耐熱性が×であった。【０２１８】
次に、表の半導体薄膜（酸化物）を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製して、その評価を行ったところ、実施例１５〜２５、及び、比較例１０，１３，１４の酸化物を用いたＴＦＴについては、トランジスタ特性を確認できたが、比較例９，１１，１２の酸化物を用いたＴＦＴについては、トランジスタ特性を確認できなかった。また、比較例１０の酸化物を用いたＴＦＴは、トランジスタ特性を確認できたものの、出力特性をみるとピンチオフが不明瞭であった。すなわち、比較例９，１０，１１，１２の酸化物を用いたＴＦＴは、キャリア濃度の値が大きいために、十分なトランジスタ特性を発揮できないことが分かった。
次に、上記作製したＴＦＴのうち、代表的なものについて説明する。【０２１９】
［ＴＦＴの作製例８：トップゲート型透明薄膜トランジスタ／絶縁体基板］
図２４に示すように、本作製例８のＴＦＴ３００１は、トップゲート型としてあり、ガラス基板３０１０上に、チャネル長さ＝約１０μｍ、チャネル幅＝約１５０μｍとなるように、ソース電極３０２２、ドレイン電極３０２３及び結晶質酸化物３０２１を形成した。この結晶質酸化物３０２１として、上記実施例１５と同じ条件で作成した厚さ約３０ｎｍの透明半導体薄膜を用いた。ゲート絶縁膜３０２４として、誘電率の高い酸化イットリウムを厚み１７０ｎｍに積層した。また、ソース電極３０２２、ドレイン電極３０２３及びゲート電極３０２５として、厚み約５ｎｍのＴｉ層と厚み約４０ｎｍのＡｕ層を用いた。
その結果、本作製例８のＴＦＴ３００１は、電界効果移動度；３５ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０８以上、閾値電圧（Ｖｔｈ）；＋２．０Ｖ（ノーマリーオフ）の特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。【０２２０】
［ＴＦＴの作製例９：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／絶縁体基板］
図２７は、本発明の第一実施形態にかかる半導体デバイスである電界効果型薄膜トランジスタの、第一応用例の要部の概略断面図を示している。
図２７において、本作製例９のＴＦＴ３００１ａは、上記ＴＦＴ３００１の第一応用例であり、ボトムゲート型としてある。このＴＦＴ３００１ａは、ガラス基板３０１０上に、ゲート電極３０２５及びゲート絶縁膜３０２４を形成し、さらに、結晶質酸化物３０２１を形成した。この結晶質酸化物３０２１として、上記実施例１５と同じ条件で作成した厚さ約１００ｎｍの透明半導体薄膜を用いた。また、チャネル長さ＝約５μｍ、チャネル幅＝約２５μｍとなるように、ソース電極３０２２及びドレイン電極３０２３を形成した。ゲート絶縁膜３０２４として、厚み約３４０ｎｍのＳｉＮｘ層と厚み約３０ｎｍのＣａＨｆＯｘ層を用いた。また、ソース電極３０２２及びドレイン電極３０２３として、厚み約７０ｎｍのＡｌ層を用い、ゲート電極３０２５として厚み約３２０ｎｍのＴａ層を用いた。
その結果、本作製例９のＴＦＴ３００１ａは、電界効果移動度；７０ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０７以上、閾値電圧（Ｖｔｈ）；＋０．５Ｖ（ノーマリーオフ）の特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。【０２２１】
［ＴＦＴの作製例１０：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板］
図２８は、本発明の第一実施形態にかかる半導体デバイスである電界効果型薄膜トランジスタの、第二応用例の要部の概略断面図を示している。
図２８において、本作製例１０のＴＦＴ３００１ｂは、上記ＴＦＴ３００１の第二応用例であり、導電性基板上に作製されたボトムゲート型としてある。
導電性シリコン基板３０２５ａ上に、図２８のような構成で、チャネル長さ＝約１００μｍ、チャネル幅＝約１５００μｍのボトムゲート型のＴＦＴ３００１ｂを作製した。
半導体薄膜（結晶質酸化物）は、上記実施例１８と同じ条件で作成した約５０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース電極、及びドレイン電極として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本作製例１０のＴＦＴ３００１ｂは、電界効果移動度；１９ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０６以上、ノーマリーオフの特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。【０２２２】
［ＴＦＴの作製例１１：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板］
導電性シリコン基板上に、図２８のような構成で、チャネル長さ＝約１００μｍ、チャネル幅＝約１５００μｍのボトムゲート型のＴＦＴ３００１ｂを作製した。
半導体薄膜（結晶質酸化物）は、上記実施例２５と同じ条件で作成した約５０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース電極、及びドレイン電極として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本作製例１１のＴＦＴ３００１ｂは、電界効果移動度；２４ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０５以上、ノーマリーオフの特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。【０２２３】
［ＴＦＴの作製例１２：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板（３）］
図２９は、本発明の第一実施形態にかかる半導体デバイスである電界効果型薄膜トランジスタの、第三応用例の要部の概略断面図を示している。
図２９において、本作製例１２のＴＦＴ３００１ｃは、上記ＴＦＴ３００１の第三応用例であり、導電性基板上に作製されたボトムゲート型としてある。
導電性シリコン基板上に、図２９のような構成で、チャネル長さ＝約１００μｍ、チャネル幅＝約２０００μｍのボトムゲート型のＴＦＴ３００１ｃを作製した。
半導体薄膜（結晶質酸化物）は、上記実施例１８と同じ条件で作成した厚み約５０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース電極、及びドレイン電極として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本作製例１２のＴＦＴ３００１ｃは、電界効果移動度；１０ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０５以上、ノーマリーオフの特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。【０２２４】
［ＴＦＴの作製例１３：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板］
導電性シリコン基板上に、図２９のような構成で、チャネル長さ＝約１００μｍ、チャネル幅＝約２０００μｍのボトムゲート型のＴＦＴ３００１ｃを作製した。
半導体薄膜（結晶質酸化物）は、上記実施例２０と同じ条件で作成した約２０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース電極、及びドレイン電極として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本作製例１３のＴＦＴ３００１ｃは、電界効果移動度；１１ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０４以上、ノーマリーオフの特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。【０２２５】
［ＴＦＴの作製例１４：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板］
導電性シリコン基板上に、図２９のような構成で、チャネル長さ＝約１００μｍ、チャネル幅＝約２０００μｍのボトムゲート型のＴＦＴ３００１ｃを作製した。
半導体薄膜（結晶質酸化物）は、上記実施例２１と同じ条件で作成した約２０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース電極、及びドレイン電極として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本作製例１４のＴＦＴ３００１ｃは、電界効果移動度；１１ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０６以上、ノーマリーオフの特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。【０２２６】
［ＴＦＴの比較例（６）：トップゲート型透明薄膜トランジスタ／絶縁体基板］
ガラス基板上に、上記比較例１０と同じ条件で作成した透明半導体薄膜（結晶質酸化物）を用い、図２４のような構成で、チャネル長さ＝約１０μｍ、チャネル幅＝約１５０μｍのトップゲート型の薄膜トランジスタを作製した。
このとき、ゲート絶縁膜として、誘電率の高い酸化イットリウムを厚み約１７０ｎｍに積層して用いた。また、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極として、厚み約５ｎｍのＴｉ層と厚み約４０ｎｍのＡｕ層を用いた。
その結果、本ＴＦＴの比較例（６）のトランジスタは、電界効果移動度；０．５ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０３、閾値電圧（Ｖｔｈ）；−０．５Ｖ（ノーマリーオン）の特性を示した。また、出力特性をみるとピンチオフが不明瞭であった。【０２２７】
［ＴＦＴの比較例（７）：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／絶縁体基板］
ガラス基板上に、図２７のような構成で、チャネル長さ＝約５μｍ、チャネル幅＝約２５μｍのボトムゲート型の薄膜トランジスタを作製した。チャネル層として、上記比較例１０と同じ条件で作成した約１００ｎｍの透明半導体薄膜（結晶質酸化物）を用い、ゲート絶縁膜として、厚み約３０ｎｍのＣａＨｆＯｘ及び厚み約３４０ｎｍのＳｉＮｘを用いた。また、ソース電極およびドレイン電極として厚み約７０ｎｍのＡｌ、ゲート電極として約３２０ｎｍのＴａを用いた。
その結果、本ＴＦＴの比較例（７）のトランジスタは、電界効果移動度；０．３ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０２以上、閾値電圧（Ｖｔｈ）；−１．５Ｖ（ノーマリーオン）の特性を示した。また、出力特性をみるとピンチオフが不明瞭であった。【０２２８】
［ＴＦＴの比較例（８）：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板］
導電性シリコン基板上に、図２８のような構成で、チャネル長さ＝約１００μｍ、チャネル幅＝約１５００μｍのボトムゲート型の薄膜トランジスタを作製した。
半導体薄膜（結晶質酸化物）は、上記比較例９と同じ条件で作成した約５０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース電極、及びドレイン電極として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本ＴＦＴの比較例（８）のトランジスタは、ノーマリーオンとなりゲート電圧を変えてもトランジスタ特性は確認できなかった。【０２２９】
［ＴＦＴの比較例（９）：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板］
導電性シリコン基板上に、図２９のような構成で、チャネル長さＬ＝約１００μｍ、チャネル幅Ｗ＝約２０００μｍのボトムゲート型の薄膜トランジスタを作製した。
半導体薄膜（結晶質酸化物）は、上記比較例９と同じ条件で作成した約５０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース電極、及びドレイン電極として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本ＴＦＴの比較例（９）のトランジスタは、ノーマリーオンとなりゲート電圧を変えてもトランジスタ特性は確認できなかった。【０２３０】
［ＴＦＴの比較例（１０）：ボトムゲート型透明薄膜トランジスタ／導電性基板］
導電性シリコン基板上に、図２８のような構成で、チャネル長さ＝約１００μｍ、チャネル幅＝約１５００μｍのボトムゲート型の薄膜トランジスタを作製した。
半導体薄膜（非晶質の酸化物）は、上記比較例１４と同じ条件で作成した約５０ｎｍの透明半導体薄膜を用い、ゲート絶縁膜として厚み約３００ｎｍのＳｉＯ２熱酸化膜、ソース電極、及びドレイン電極として厚み約５０ｎｍのＡｕを用いた。
その結果、本比較例（１０）のトランジスタは、電界効果移動度；８ｃｍ２／Ｖｓ、ｏｎ−ｏｆｆ比；１０４以上、ノーマリーオフの特性を示した。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。【０２３１】
上述したように、本実施形態によれば、電界効果型薄膜トランジスタの活性層に結晶質酸化物を用い、かつ、この結晶質酸化物の電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満とすることにより、電界効果型薄膜トランジスタの安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などを向上させることができる。
また、結晶酸化物を、Ｉｎと、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣａから選ばれた一つ以上の正二価元素とを含む多結晶酸化物とし、かつ、Ｉｎ［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比を、［Ｘ］／（［Ｘ］＋［Ｉｎ］）＝０．０００１〜０．１３とすることにより、電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満にすることができる。さらに、大面積均一性や再現性に優れたＴＦＴを提供することができる。【０２３２】
［半導体デバイスの第二実施形態］
図３０は、本発明の第二実施形態にかかる半導体デバイスである、ＰＮ接合型トランジスタの要部の概略断面図を示している。
図３０において、ＰＮ接合型トランジスタ３００１ｄは、ガラス基板３０１０と、ガラス基板３０１０上に成膜された、Ｎ型半導体としての結晶質酸化物３０２１ｄと、結晶質酸化物３０２１ｄの上面両端部にそれぞれ形成されたエミッタ電極３０２２ｄおよびコレクタ電極３０２３ｄと、結晶質酸化物３０２１ｄの上面中央部の凹部に形成されたＰ型半導体３０２６ｄと、Ｐ型半導体３０２６ｄ上に形成されたベース電極３０２５ｄとを備えている。
本実施形態の半導体デバイスは、ＰＮ接合型トランジスタ３００１ｄとしてあり、Ｐ型領域（Ｐ型半導体２６ｄ）とＮ型領域（Ｎ型半導体）を備え、結晶質酸化物３０２１ｄがＮ型半導体として用いられている。【０２３３】
結晶質酸化物３０２１ｄは、上記結晶質酸化物３０２１とほぼ同じであり、結晶質酸化物３０２１ｄとして、例えば、上記の実施例１５〜２５の結晶質酸化物が用いられる。
また、エミッタ電極３０２２ｄおよびコレクタ電極３０２３ｄの材料として、結晶質酸化物３０２１ｄとオーミックコンタクトするＩＴＯなどが用いられる。
また、Ｐ型半導体３０２６ｄの材料として、フェルミ準位の絶対値が、結晶質酸化物３０２１ｄのフェルミ準位の絶対値よりも大きなＰ型半導体材料が用いられる。
さらに、ベース電極３０２５ｄの材料として、Ｐ型半導体３０２６ｄとオーミックコンタクトするＰｔなどが用いられる。【０２３４】
上述したように、本実施形態によれば、ＰＮ接合型トランジスタ３００１ｄのＮ型領域（Ｎ型半導体）として、結晶質酸化物３０２１ｄを用い、かつ、この結晶質酸化物３０２１ｄの電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満とすることにより、ＰＮ接合型トランジスタ３００１ｄの安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などを向上させることができる。【０２３５】
［半導体デバイスの第三実施形態］
図３１は、本発明の第三実施形態にかかる半導体デバイスである、ショットキーダイオードの要部の概略断面図を示している。
図３１において、ショットキーダイオード３００１ｅは、ガラス基板３０１０と、ガラス基板３０１０上に成膜された、Ｎ型半導体としての結晶質酸化物３０２１ｅと、結晶質酸化物３０２１ｅの上面両端部にそれぞれ形成された電極３０２２ｅおよび電極３０２３ｅとを備えている。
本実施形態の半導体デバイスは、ショットキーダイオード３００１ｅとしてあり、結晶質酸化物３０２１ｅが電子伝導体として用いられている。【０２３６】
結晶質酸化物３０２１ｅは、上記結晶質酸化物３０２１とほぼ同じであり、結晶質酸化物３０２１ｅとして、例えば、上記の実施例１５〜２５の結晶質酸化物が用いられる。
また、電極３０２２ｅの材料として、結晶質酸化物３０２１ｅとオーミックコンタクトするＩＴＯなどが用いられる。
また、電極３０２３ｅの材料として、結晶質酸化物３０２１ｅのフェルミ準位の絶対値よりも大きな仕事関数を持つ材料、例えば、Ｐｔが用いられる。この仕事関数の違いによって、結晶質酸化物３０２１ｅにキャリアの少ない障壁層が形成される。【０２３７】
上述したように、本実施形態によれば、ショットキーダイオード３００１ｅのＮ型領域（Ｎ型半導体）として、結晶質酸化物３０２１ｅを用い、かつ、この結晶質酸化物３０２１ｅの電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満とすることにより、ショットキーダイオード３００１ｅの安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などを向上させることができる。
なお、結晶質酸化物３０２１ｅのフェルミ準位の絶対値や電極３０２３ｅの仕事関数などの関係を利用した半導体デバイスは、このショットキーダイオード３００１ｅに限定されるものではなく、たとえば、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、抵抗素子などを挙げることができる。また、この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、抵抗素子などのＮ型領域（Ｎ型半導体）として、結晶質酸化物３０２１ｅを用い、かつ、この結晶質酸化物３０２１ｅの電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満とすることにより、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、抵抗素子などの半導体デバイスの安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などを向上させることができる。【０２３８】
［半導体デバイスの第四実施形態］
本実施形態の半導体デバイスは、集積回路であり、上述した結晶質酸化物３０２１を用いたＴＦＴ３００１を備えている。すなわち、この集積回路は、ＴＦＴ３００１をＮ型薄膜トランジスタとして用いた論理回路、メモリ回路、差動増幅回路などに関する。
上記論理回路として、インバータ、ＮＯＲ、ＮＡＮＤ、フリップフロップ、シフトレジスタなどを挙げることができる。
また、メモリ回路として、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）などを挙げることができる。
また、差動増幅回路として、差動アンプなどを挙げることができる。さらに、ＩＤタグやＩＣタグの無線通信回路などであってもよい。【０２３９】
上述したように、本実施形態によれば、集積回路のＮ型薄膜トランジスタに、結晶質酸化物３０２１を用い、かつ、この結晶質酸化物３０２１の電子キャリア濃度を約２×１０１７／ｃｍ３未満とすることにより、集積回路の安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などを向上させることができる。【０２４０】
［半導体デバイスの第五実施形態］
本実施形態の半導体デバイスは、上述した結晶質酸化物３０２１からなる第１領域と、この第１領域に対してヘテロ接合を形成する第２領域とを具備する構成としてある。
このようにすると、ヘテロ接合を有する半導体デバイスの安定性、均一性、再現性、耐熱性、耐久性などを向上させることができる。【０２４１】
以上、本発明の薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタ基板及び画像表示装置と、画像表示装置と、半導体デバイスについて、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタ基板及び画像表示装置と、画像表示装置と、半導体デバイスは、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、薄膜トランジスタの製造方法の実施形態として、逆スタガ型及び正スタガ型の薄膜トランジスタの最も基本的な製造方法について説明した。ただし、薄膜トランジスタには、様々な構造の薄膜トランジスタがあり、これらに対応した製造方法があり、さらに、現在も盛んに研究されている。そして、本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、様々な製造方法に好適に適用されることができる。【０２４２】
また、例えば、画像表示装置は、液晶画像表示装置に限定されるものではなく、ＥＬ画像表示装置などであってもよい。【０２４３】
さらに、例えば、半導体デバイスは、大型画像表示装置に用いられる大面積のＴＦＴ基板であってもよい。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５ａ】
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【図２５ｂ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【国際調査報告】
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