(57)【要約】【課題】組成式Ｉｎ２−ｘＧａｘＯ３（ＺｎＯ）ｍの中でもｍ＝１の結晶質ＩＧＺＯ系酸化物材料において、単相で且つ半導体のＩＧＺＯ系酸化物材料からなる活性層を備え、良好な電気特性を有する薄膜トランジスタ等を提供する。【解決手段】組成式がＩｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δで表され、ＹｂＦｅ２Ｏ４型結晶構造を有するＩＧＺＯ相の単相からなり、前記組成式中のｘが０．７５＜ｘ＜１．１であり、δが０＜δ≦１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３であるＩＧＺＯ系酸化物材料を、構成材料とした活性層１４を備えるＴＦＴ１０を採用した。【選択図】図１５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成式がＩｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δで表され、ＹｂＦｅ２Ｏ４型結晶構造を有するＩＧＺＯ相の単相からなり、
前記組成式中のｘが０．７５＜ｘ＜１．１であり、δが０＜δ≦１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３であるＩＧＺＯ系酸化物材料を、
構成材料とした活性層を備えることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記活性層の比抵抗値が１×１０２Ω・ｃｍ以上１×１０９Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記組成式中のｘが０．８≦ｘ≦１．０５であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
基板上に成膜され且つ結晶化温度で加熱されたＩｎ、Ｇａ及びＺｎを含有する薄膜材料を、前記結晶化温度から３００℃までの平均降温速度を５０℃／ｈｒ以上５００℃／ｈｒ以下として冷却する冷却工程を経て請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の活性層を作製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５】
前記結晶化温度は、７００℃以上１４００℃以下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】
前記平均降温速度は、１００℃／ｈｒ以上２００℃／ｈｒ以下であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
組成式がＩｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δ（但し、０．７５＜ｘ＜１．１、δ＞０）で表され、ＹｂＦｅ２Ｏ４型結晶構造を有するＩＧＺＯ相の単相からなるＩＧＺＯ系酸化物材料を構成材料とした活性層を基板上に作製する工程と、
前記活性層を、酸素を含有した酸化雰囲気下でポストアニールして、前記ＩＧＺＯ系酸化物材料の組成式中のδを０＜δ≦１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３の範囲に制御する工程と、
を経て請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の薄膜トランジスタを製造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８】
前記活性層の上に、少なくともゲート絶縁層及びゲート電極を形成する工程を含み、
前記薄膜トランジスタとしてトップゲート型の素子構造を有する薄膜トランジスタを製造することを特徴とする請求項４〜請求項７のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項９】
前記ゲート絶縁層及び前記ゲート電極を形成する工程の前に、前記活性層の上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程を含み、
前記薄膜トランジスタとしてトップコンタクト型の素子構造を有する薄膜トランジスタを製造することを特徴とする請求項８に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜トランジスタ及び薄膜トランジスタの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、結晶状態における組成式がＩｎ２−ｘＧａｘＯ３（ＺｎＯ）ｍ（但し、０＜ｘ＜２、ｍは自然数）で表される非晶質のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系ホモロガス酸化物材料（以下、「ＩＧＺＯ系酸化物材料」又は、単に「ＩＧＺＯ」と呼称する）が、注目を浴びている。
非晶質のＩＧＺＯ系酸化物材料は、その電気抵抗率が半導体的な値を示し、室温成膜が可能である上、非晶質シリコンと同等以上の移動度を達成することができることが東京工業大学の細野らによって報告されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
特に、上記組成式の中でも、ｍ＝１の非晶質ＩＧＺＯ系酸化物材料に関しては、電子の伝導を担っていると思われるＩｎ−Ｉｎ間の電子軌道の重なりの割合が多いため、非常に有望な材料系である。
【０００４】
このような非晶質のＩＧＺＯ系酸化物材料は、例えば薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」と呼称する）の活性層に適用する有効な材料として研究開発が盛んに行われている。
【０００５】
一方、結晶質のＩＧＺＯ系酸化物材料については、例えば以下のような文献がある。
【０００６】
非特許文献２には、Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎを含む混合原料を１３５０℃以上で焼成し、この非常に高い焼成温度から急速冷却することによって、ｍ＝１の結晶質ＩＧＺＯ系酸化物材料を作製することが開示されている。また、Ｇａの固溶範囲（ｘの範囲）が０．６６以上１．０６以下であることも開示されている。
【０００７】
次に、特許文献１には、所定の条件で焼成して得たｍ＝１の結晶質ＩＧＺＯ系酸化物材料を水素又はアルゴン雰囲気中所定の温度で還元熱処理することが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Nature, 432 (2004) 488頁〜492頁
【非特許文献２】Journal of the American Ceramic Society, 82 (1999) 2705頁〜2710頁
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第3947575号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、ＩＧＺＯを含め、電子伝導性酸化物材料の多くは、酸素欠陥量δの値の大小によって、その材料固有の物性に大きな影響を及ぼす。δが大きい場合は多数のキャリア（電子）が生成し、フェルミレベルが、伝導帯の中に入る形となった、いわゆる「縮退半導体」となってしまう。すなわちこの状態の酸化物材料は、金属伝導を示す導体となる。一方δが小さい場合は、キャリアの発生を抑えることができ、半導体として存在することができる。すなわち、酸素欠損量δの大小で、酸化物材料が導体から半導体まで大きく変貌してしまうことを意味している。
【００１１】
非特許文献２に記載の製造方法において、高温域からの急速冷却（クエンチ）という行為は、高温下での状態をそのまま維持したものを室温で得ようとするものである。一般的に、酸化物材料に結合している酸素は、化学平衡の見地から高温下での方が抜けやすく、δが大きくなる。そのため、クエンチさせるとδの値が大きいＩＧＺＯ系酸化物材料が得られ、当該ＩＧＺＯ系酸化物材料はキャリアの発生を抑えることができず縮退半導体、すなわち金属（導体）として振舞ってしまう。
【００１２】
また、特許文献１に記載の製造方法において、還元熱処理という行為は、酸化物材料に酸素欠損を導入するものであるため、還元熱処理をするとδの値が大きいＩＧＺＯ系酸化物材料が得られ、当該ＩＧＺＯ系酸化物材料のキャリア濃度が増えてしまう。この結果、ＩＧＺＯ系酸化物材料は縮退半導体、すなわち金属（導体）として振舞ってしまう。
【００１３】
以上のように、非特許文献２及び特許文献１のいずれにおいても、ｍ＝１の結晶質ＩＧＺＯ系酸化物材料が導体であることを示しており、半導体であることは示されていない。ｍ＝１の結晶質ＩＧＺＯ系酸化物材料を半導体とすることができれば、ＴＦＴの活性層を代表例として電子デバイスに広く活用することができる。
【００１４】
なお、ｍ＝１の結晶質ＩＧＺＯでは、Ｇａの量が適切でなければＩＧＺＯ相の単相とならず、複数の結晶相が混在する状態となり、その微視的観点において、粒界等で電子散乱が生じ易くなる。したがって、ｍ＝１の結晶質ＩＧＺＯ系酸化物材料を電子デバイスに適用するためには、キャリア（電子）の移動度を保持する観点から非特許文献２に記載のようにＧａ量が固溶範囲内で単相のＩＧＺＯ系酸化物材料が望まれる。
【００１５】
本発明は、組成式Ｉｎ２−ｘＧａｘＯ３（ＺｎＯ）ｍの中でもｍ＝１の結晶質ＩＧＺＯ系酸化物材料に注目し、単相で且つ半導体のＩＧＺＯ系酸化物材料からなる活性層を備え、良好な電気特性を有する薄膜トランジスタ及び薄膜トランジスタの製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の上記課題は下記の手段によって解決された。
＜１＞組成式がＩｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δで表され、ＹｂＦｅ２Ｏ４型結晶構造を有するＩＧＺＯ相の単相からなり、
前記組成式中のｘが０．７５＜ｘ＜１．１であり、δが０＜δ≦１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３であるＩＧＺＯ系酸化物材料を、
構成材料とした活性層を備えることを特徴とする薄膜トランジスタ。
＜２＞前記活性層の比抵抗値が１×１０２Ω・ｃｍ以上１×１０９Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする＜１＞に記載の薄膜トランジスタ。
＜３＞前記組成式中のｘが０．８≦ｘ≦１．０５であることを特徴とする＜１＞又は＜２＞に記載の薄膜トランジスタ。
＜４＞基板上に成膜され且つ結晶化温度で加熱されたＩｎ、Ｇａ及びＺｎを含有する薄膜材料を、前記結晶化温度から３００℃までの平均降温速度を５０℃／ｈｒ以上５００℃／ｈｒ以下として冷却する冷却工程を経て＜１＞〜＜３＞の何れかに記載の活性層を作製することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
＜５＞前記結晶化温度は、７００℃以上１４００℃以下であることを特徴とする＜４＞に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
＜６＞前記平均降温速度は、１００℃／ｈｒ以上２００℃／ｈｒ以下であることを特徴とする＜４＞又は＜５＞に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
＜７＞組成式がＩｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δ（但し、０．７５＜ｘ＜１．１、δ＞０）で表され、ＹｂＦｅ２Ｏ４型結晶構造を有するＩＧＺＯ相の単相からなるＩＧＺＯ系酸化物材料を構成材料とした活性層を基板上に作製する工程と、
前記活性層を、酸素を含有した酸化雰囲気下でポストアニールして、前記ＩＧＺＯ系酸化物材料の組成式中のδを０＜δ≦１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３の範囲に制御する工程と、
を経て＜１＞〜＜３＞の何れかに記載の薄膜トランジスタを製造することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
＜８＞前記活性層の上に、少なくともゲート絶縁層及びゲート電極を形成する工程を含み、
前記薄膜トランジスタとしてトップゲート型の素子構造を有する薄膜トランジスタを製造することを特徴とする＜４＞〜＜７＞のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
＜９＞  前記ゲート絶縁層及び前記ゲート電極を形成する工程の前に、前記活性層の上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程を含み、
前記薄膜トランジスタとしてトップコンタクト型の素子構造を有する薄膜トランジスタを製造することを特徴とする＜８＞に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、組成式Ｉｎ２−ｘＧａｘＯ３（ＺｎＯ）ｍの中でもｍ＝１の結晶質ＩＧＺＯ系酸化物材料において、単相で且つ半導体のＩＧＺＯ系酸化物材料からなる活性層を備え、良好な電気特性を有する薄膜トランジスタ及び薄膜トランジスタの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＩＧＺＯ系酸化物材料の結晶構造を示す図である。
【図２】最高焼成温度を変化させた各試料のＸ線回折パターンを示す図である。
【図３】図２に示すＸ線回折パターンの拡大図である。
【図４】最高焼成温度を変化させた各試料におけるｃ軸格子定数を示す図である。
【図５】本焼成後の各試料１〜１５のＸ線回折パターンを示す図である。
【図６】各試料１〜１５におけるａ軸の格子定数の算出結果を示す図である。
【図７】各試料１〜１５におけるｃ軸の格子定数の算出結果を示す図である。
【図８】各試料１〜１５における比抵抗値の測定結果を示す図である。
【図９】各試料１〜１５におけるキャリア濃度の算出結果を示す図である。
【図１０】各試料１〜１５における移動度の算出結果を示す図である。
【図１１】各試料５、７、９の比抵抗値の温度依存性を測定した結果を示す図である。
【図１２】各試料５、７、９における温度を変化させた時のホール測定結果を示す図である。
【図１３】各試料５、７、９における熱重量変化の測定結果を示す図である。
【図１４】ＩＧＺＯにおけるＧａの投入モル比ｘと、δｍａｘの相関関係を示す図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係るＴＦＴの一例であって、トップゲート型且つトップコンタクト型のＴＦＴの素子構造を示す模式図である。
【図１６】反応性固相エピタキシャル法によって作製した単結晶のＩＧＺＯ膜のＸ線回折パターンを示す図である。
【図１７】結晶化温度を変化させたときのＩＧＺＯ膜のＸ線回折パターンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
＜第１実施形態＞
第１実施形態では、本発明の薄膜トランジスタの活性層の構成材料となるＩＧＺＯ系酸化物材料について図面を用いて説明する。なお、実質的に同様の機能を有するものには、全図面を通して同じ符号を付して説明し、場合によってはその説明を省略することがある。また、本発明の薄膜トランジスタ及び薄膜トランジスタの製造方法の詳細については、第２実施形態で説明する。
【００２０】
（ＩＧＺＯ系酸化物材料の詳細）
まず、ＩＧＺＯ系酸化物材料について説明する。
本発明の実施形態に係るＩＧＺＯ系酸化物材料は、組成式Ｉｎ２−ｘＧａｘＯ３（ＺｎＯ）ｍの中でもｍ＝１の結晶質ＩＧＺＯ相、具体的には酸素欠損も考慮してＩｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δで表されるＩＧＺＯ相からなる。
【００２１】
図１は、本発明の第１実施形態に係るＩＧＺＯ系酸化物材料の結晶構造を示す図である。
ＩＧＺＯ系酸化物材料を構成するＩＧＺＯ相は、単結晶であっても多結晶であっても良く、図１に示すようなＹｂＦｅ２Ｏ４型結晶構造を有する。なお、図１に示す結晶構造は、ＶＥＳＴＡソフトウェアを使用し、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）のＪＣＰＤＳカード（Ｎｏ．３８−１１０４）に基づいて描画した。
【００２２】
また、ＩＧＺＯ系酸化物材料は、上記ＩＧＺＯ相の単相からなる。なお、ここで言う「単相」とは、ＩＧＺＯ系酸化物材料を粉末Ｘ線回折装置（装置名：リガク社製ＲＩＮＴ−ＵｌｔｉｍａIII）で測定した場合に、測定結果から確認される全てのピークがＩＧＺＯ相から起因するものであり、不純物に起因するピークが見られないことを意味する。したがって、仮にＩＧＺＯ系酸化物材料が粉末Ｘ線回折測定によって確認できない程度の微量の不純物を含んでいたとしても、当該ＩＧＺＯ系酸化物材料はＩＧＺＯ相単相からなると言える。
【００２３】
このように、ＩＧＺＯ系酸化物材料がＩＧＺＯ相の単相からなる場合、複数の結晶相が混在している場合に比べ、粒界等で電子散乱が生じることを抑制し、キャリア（電子）の移動度を保持することができ、ＴＦＴの活性層等に有効に適用することができる。
【００２４】
ＩＧＺＯ系酸化物材料の比抵抗値は、比抵抗測定器（装置名：東洋テクニカ社製ＡＣホール測定器ＲＥＳＩＴＥＳＴ８３００）で測定した場合に、１×１０２Ω・ｃｍ以上１×１０９Ω・ｃｍ以下となり、一般的にＴＦＴの活性層として適した比抵抗値の範囲内である。また、半導体と呼ばれる範囲内でもある。
なお、ＩＧＺＯ系酸化物材料をＴＦＴの活性層として適用した場合、比抵抗値が１０４Ω・ｃｍ以上１０５Ω・ｃｍ以下の範囲内にあるときが、Ｖｇｓ−Ｉｄ曲線の立ち上がりが０Ｖ付近となり好ましい。
【００２５】
前記組成式Ｉｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δ中のｘは、０．７５＜ｘ＜１．１であり、信頼性の観点から好ましくは０．８≦ｘ≦１．０５である。このｘの範囲は、Ｇａの固溶範囲を示しており、Ｇａの量が当該固溶範囲から外れると、ＩＧＺＯ系酸化物材料は、ＩＧＺＯ相のみの状態（単相）とはならず、ＩＧＺＯ相とＩｎ２Ｏ３相やＺｎＧａ２Ｏ４相等の不純物相とが混在する状態となってしまう。
【００２６】
前記組成式Ｉｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δ中の酸素欠損量δは、０＜δ≦１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３であり、好ましくは０．０００２≦δ≦１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３である。ここで、「ｅｘｐ」は、底がｅである指数関数を表す。
但し、ＩＧＺＯ等酸化物の酸素欠損量の絶対値や範囲を正確に決定することは、高い測定精度を求められること及び水分や不純物等との区分けが容易ではないという理由から一般的に困難であるため、少なくともδは、ＩＧＺＯ系酸化物材料の比抵抗値が１×１０２Ω・ｃｍ以上１×１０９Ω・ｃｍ以下となる値であれば良い。
【００２７】
酸素欠損量δの上限値δｍａｘは、Ｉｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δの比抵抗値が１×１０２Ω・ｃｍ以上となる場合の酸素欠損量を熱重量分析の測定結果、比抵抗及びホール測定の測定結果を利用して算出したものである。なお、この算出方法の詳細は、後述する。
【００２８】
また、酸素欠損量δの下限値が０を超えている理由は、δ＝０の場合はキャリア（電子）が生成せず、ＩＧＺＯ系酸化物材料が絶縁体になると想定されるからである。
【００２９】
なお、例えば特許第3644647号公報では、酸素欠損量はゼロであっても元素置換によってＩＧＺＯ系酸化物材料に導電性が付与されることが記載されている。確かに元素置換でドープ効果があるが、殆どの場合、価数が異なる元素の置換でキャリアを生成している訳であり、基本的に、等原子価置換ではキャリアは生成しない。仮に酸素欠損量をゼロとして有効に電子ドープをさせたいのであれば、価数が異なる元素の置換、すなわち、３価のＩｎ或いはＧａサイトに４価の元素を置換、又は、２価のＺｎサイトに３価の元素を置換すれば良い。
【００３０】
（ＩＧＺＯ系酸化物材料の製造方法）
次に、以上で説明したＩＧＺＯ系酸化物材料の製造方法について説明する。
本発明の第１実施形態に係るＩＧＺＯ系酸化物材料の製造方法としては、例えば、固相反応法、ゾルゲル法、しゅう酸塩法、アルコキシド法、共沈法等の粉末製造法や、フラックス法、ゾーンメルト法、引き上げ法、ガラス前駆体を経由するガラスアニール法、        等の単結晶製造法や、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、化学的気相成長（ＣＶＤ）法、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の薄膜製造法等の各種の方法が挙げられる。以下、固相反応法について詳述する。
【００３１】
１．原料の準備
まず、本発明の第１実施形態に係るＩＧＺＯ系酸化物材料の原料として、Ｉｎを含有する化合物と、Ｇａを含有する化合物と、Ｚｎを含有する化合物を準備する。
【００３２】
Ｉｎを含有する化合物としては、Ｉｎ２Ｏ３、Ｉｎ（ＮＯ３）３、Ｉｎ（ＮＯ３）３・ｎＨ２Ｏ、Ｉｎ（ＣＨ３ＣＯＯ）３、Ｉｎ（ＣＨ３ＣＯＯ）２（ＯＨ）、Ｉｎ２Ｏ３・ｎＨ２Ｏ、ＩｎＮ、Ｉｎ（ＯＨ）３、ＩｎＯ（ＯＨ）、Ｉｎ２（Ｃ２Ｏ４）３、Ｉｎ２（Ｃ２Ｏ４）３・４Ｈ２Ｏ、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５ＯＣＳ２）３、Ｉｎ２（ＳＯ４）３・ｎＨ２Ｏ等が挙げられる。
【００３３】
Ｇａを含有する化合物としては、Ｉｎを含有する化合物と同様に、Ｇａ２Ｏ３、Ｇａ（ＮＯ３）３、Ｇａ（ＮＯ３）３・ｎＨ２Ｏ、Ｇａ（ＣＨ３ＣＯＯ）３、Ｇａ（ＣＨ３ＣＯＯ）２（ＯＨ）、Ｇａ２Ｏ３・ｎＨ２Ｏ、ＧａＮ、Ｇａ（ＯＨ）３、ＧａＯ（ＯＨ）、Ｇａ２（Ｃ２Ｏ４）３、Ｇａ２（Ｃ２Ｏ４）３・４Ｈ２Ｏ、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５ＯＣＳ２）３、Ｇａ２（ＳＯ４）３・ｎＨ２Ｏ等が挙げられる。
【００３４】
Ｚｎを含有する化合物としては、ＺｎＯ、Ｚｎ（Ｃ２Ｈ３Ｏ２）２、Ｚｎ（Ｃ２Ｈ３Ｏ２）２・２Ｈ２Ｏ、ＺｎＢｒ２、ＺｎＣＯ３、ＺｎＳ、ＺｎＣｌ２、ＺｎＦ２、ＺｎＦ２・４Ｈ２Ｏ、Ｚｎ（ＯＨ）２、ＺｎＩ２、Ｚｎ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ、ＺｎＣ２Ｏ４、Ｚｎ（ＣＮ）２、Ｚｎ（ＯＣＨ３）２、Ｚｎ（ＯＣ２Ｈ５）２、ＺｎＳＯ４等が挙げられる。
【００３５】
２．原料の秤量・混合
以上のように用意した各種原料を、最終的に得たいＩＧＺＯ系酸化物材料が所望の組成比となるように電子天秤を用いて秤量する。そして、秤量した各種原料を、セラミックポットミル機や乳鉢と乳棒等を用いて均一に混合し、Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎを含有する混合材料を得る。
【００３６】
３．混合材料の乾燥・成形
Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎを含有する混合材料を、適宜乾燥して成形する。なお、この乾燥・成形工程は省略することも可能である。
【００３７】
４．混合材料の仮焼成・本焼成
次に、Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎを含有する混合材料を仮焼成する。目的の結晶相が単相で得られる手前の温度で処理し未反応相の粒子の活性を維持することで、より反応を促進することができるためである。また、当該混合材料に含まれる微量のカーボンを除去するという理由もある。仮焼成の条件は特に限定されないが、例えば最高焼成温度Ｔｍａｘが４００℃以上１２００℃以下で、Ｔｍａｘで維持する時間が１時間以上２４時間以下で、Ｔｍａｘまでの平均昇温速度が１００℃以上１０００℃／ｈｒ（ｈｒはｈｏｕｒの略）以下であり、Ｔｍａｘからの平均降温速度が５０℃／ｈｒ以上１０００℃／ｈｒ以下である。
【００３８】
そして、以上のように仮焼成した材料を、以下（Ａ）〜（Ｄ）に示す条件を全て含む条件で本焼成する。
【００３９】
（Ａ）本焼成の一条件としての焼成雰囲気は、降温段階で焼結体に酸素を吸収させるため酸素含有雰囲気であり、酸素の取り込みを開始するという理由で１０％の酸素濃度以上の酸素含有雰囲気中が好ましく、より酸素を取り込ませるという理由で大気中の酸素濃度（約２１％）以上の酸素含有雰囲気中であることがより好ましい。
【００４０】
（Ｂ）本焼成の一条件としての最高焼成温度Ｔｍａｘ（詳細は後述）で維持する時間は、原料同士を十分に固相反応させることや生産性等を考慮して、例えば０．５時間以上２４時間以下である。
【００４１】
（Ｃ）本焼成の一条件としてのＴｍａｘから３００℃までの平均降温速度は、５０℃/ｈｒ以上５００℃/ｈｒ以下であり、所謂「徐冷」と呼ばれる速度である。
５０℃/ｈｒ以上としたのは、降温段階で酸素を過大に吸収して本焼成後に得られる焼結体Ｉｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δの酸素欠損量δが０となり、当該焼結体が絶縁体となることを抑制するためである。
５００℃／ｈｒ以下としたのは、５００℃／ｈｒを超えて所謂「急冷」と呼ばれる速度により降温段階で酸素の吸収を抑制し過ぎて本焼成後に得られる焼結体Ｉｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δの酸素欠損量δが過大となり、当該焼結体が導体となることを防止するためである。
なお、δをより適切な値に制御するため、平均降温速度は、１００℃/ｈｒ以上２００℃/ｈｒ以下であることが好ましい。
【００４２】
また、降温の下限値を３００℃としたのは、３００℃以上で酸素欠損量δが大きく変化するためである。
なお、３００℃未満例えば１００℃であっても、焼成雰囲気によっては酸素欠損量δが変化することもあり、降温の下限値は１００℃であることが好ましく、室温（２５℃）であることがより好ましい。
【００４３】
（Ｄ）本焼成の一条件としてのＴｍａｘは、焼成後に得られる焼結体がＩＧＺＯ相の単相となる温度であれば良く、出発原料の種類や粒径等によっても異なるが、例えばＩｎ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３及びＺｎＯを出発原料とすると１２００℃以上１４００℃以下の温度範囲内であり、好ましくは１３５０℃以上１４００℃以下の温度範囲内である。
【００４４】
上記（Ｄ）に示した最高焼成温度Ｔｍａｘの温度範囲は、以下の実験結果に基づいている。
ＩＧＺＯ系酸化物Ｉｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δのうちｘ＝１のＩｎＧａＺｎＯ４−δを、Ｉｎ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＺｎＯの酸化物粉末をそれぞれ所望のモル比にて混合し、成型、焼成することによって作製した。この際、焼成では、大気中、５００℃／ｈで所望の温度（１０００、１１００℃、１２００℃、１３００℃、１３５０℃、１４００℃又は１４５０℃）まで昇温し、２時間温度を保持し、室温まで徐冷するという焼成条件を用いた。
【００４５】
上記各焼成温度で焼成した試料を粉末Ｘ線回折装置（装置名：リガク社製ＲＩＮＴ−ＵｌｔｉｍａIII）で測定した。この測定結果を図２、表１に示す。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
図２及び表１に示す結果から、１０００℃以下では反応が十分進行せずＩＧＺＯ相を得られないが、１１００℃以上でＩＧＺＯ相が析出し、１２００℃焼成においてＩＧＺＯ相が単相で存在することを確認した。更に高温で１４５０℃以上の焼成を行うと、ＩＧＺＯ相が分解を始めてしまうことを確認した。
【００４８】
この結果、固相反応法において本焼成の降温段階で（Ｃ）に記載のように「徐冷」を行った場合でＩＧＺＯ相の単相を得るためには、本焼成におけるＴｍａｘは、先にも説明したように１２００℃以上１４００℃以下の温度範囲内であることが条件となる。当該温度範囲外の最高焼成温度で焼成すると、不純物が析出するからである。
【００４９】
また、１２００℃〜１４００℃のＩＧＺＯ相単相領域において、Ｘ線回折パターンにおける（００６）のピークから求めたｃ軸の格子定数に着目すると、１３５０℃までは焼成温度が上昇するにつれて格子定数が減少し、１３５０℃以上で一定になっていることが分かった（図３、図４参照）。これは、１３５０℃以上でＩＧＺＯ相の結晶が安定して存在することを示している。
【００５０】
この結果、固相反応法において本焼成の降温段階で（Ｃ）に記載のように「徐冷」を行った場合、本焼成におけるＴｍａｘは、先にも説明したように１３５０℃〜１４００℃が好ましいことが分かる。
【００５１】
以上のような（Ａ）〜（Ｄ）に示す条件を全て満たした状態で仮焼成した材料を本焼成した結果、本発明の第１実施形態に係るＩＧＺＯ系酸化物材料が作製できる。
＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態に係る（電界効果型）薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）及びその製造方法について、図面を用いて説明する。
【００５２】
本発明の第２実施形態に係るＴＦＴは、少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁層、活性層、ソース電極及びドレイン電極を有し、ゲート電極に電圧を印加して、活性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スイッチングする機能を有するアクテイブ素子である。
【００５３】
ＴＦＴの素子構造としては、ゲート電極の位置に基づいた、いわゆる逆スタガ構造（ボトムゲート型とも呼ばれる）及びスタガ構造（トップゲート型とも呼ばれる）のいずれの態様であってもよい。また、活性層とソース電極及びドレイン電極（適宜、「ソース・ドレイン電極」という。）との接触部分に基づき、いわゆるトップコンタクト型、ボトムコンタクト型のいずれの態様であってもよい。
【００５４】
なお、トップゲート型とは、ゲート絶縁層の上側にゲート電極が配置され、ゲート絶縁層の下側に活性層が形成された形態であり、ボトムゲート型とは、ゲート絶縁層の下側にゲート電極が配置され、ゲート絶縁層の上側に活性層が形成された形態である。また、ボトムコンタクト型とは、ソース・ドレイン電極が活性層よりも先に形成されて活性層の下面がソース・ドレイン電極に接触する形態であり、トップコンタクト型とは、活性層がソース・ドレイン電極よりも先に形成されて活性層の上面がソース・ドレイン電極に接触する形態である。
【００５５】
以下、本発明の第２実施形態に係るＴＦＴ及びその製造方法について、トップゲート型且つトップコンタクト型のＴＦＴを例に挙げて説明する。
【００５６】
図１５は、本第２実施形態に係るＴＦＴの一例であって、トップゲート型且つトップコンタクト型のＴＦＴの素子構造を示す模式図である。ＴＦＴ１０は、基板１２の表面上に活性層１４を積層し、活性層１４上にソース電極１６及びドレイン電極１８が互いに離間して設置され、更にこれらの上にゲート絶縁層２０と、ゲート電極２２とを順に積層した構成である。
【００５７】
（基板）
基板１２（支持体）としては、少なくともＴＦＴ１０を形成する面が絶縁性を有し、寸法安定性、耐溶剤性、加工性、耐熱性などを有するものを用いる。また、最終製品として、例えば有機ＥＬディスプレイを製造する場合は、水分や酸素の透過を抑制し、また、基板側から光を透過させて発光や表示を行う場合は、光透過性を有する基板を用いる。
【００５８】
上記のような条件を満たす基板としては、ガラス、ジルコニア安定化酸化イットリウム（ＹＳＺ）等の無機材料が好適である。なお、ガラスからの溶出イオンを少なくするため、無アルカリガラスを用いることが好ましい。また、ソーダライムガラスを用いる場合には、シリカなどのバリアコートを施したものを使用することが好ましい。
【００５９】
一方、基板側から光を取り出す必要がない場合は、例えば、ステンレス、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕやこれらの合金等の金属基板やＳｉなどの半導体基板を用い、基板上に電気絶縁性を確保するための絶縁膜を設けてもよい。金属製の基板であれば、安価なものもあり、厚みが薄くても、強度が高く、大気中の水分や酸素に対して高いバリア性を有するものとなる。
【００６０】
基板の形状、構造、大きさ等については特に制限はなく、目的等に応じて適宜選択することができる。一般的には、基板の形状としては、取り扱い性、ＴＦＴ１０の形成容易性等の観点から、板状であることが好ましい。基板の構造は、単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。また、基板は、単一部材で構成されていてもよいし、２つ以上の部材で構成されていてもよい。
【００６１】
（活性層）
基板１２上に、上記第１実施形態で説明したＩＧＺＯ系酸化物材料を構成材料とした活性層１４を形成する。このＩＧＺＯ系酸化物材料は、組成式がＩｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δで表され、ＹｂＦｅ２Ｏ４型結晶構造を有するＩＧＺＯ相の単相からなり、当該組成式中のｘが０．７５＜ｘ＜１．１であり、δが０＜δ≦１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３である。
【００６２】
活性層の比抵抗値は、１×１０２Ω・ｃｍ以上１×１０９Ω・ｃｍ以下である。この場合、上記活性層を備えるＴＦＴは良好な電気特性を有する。なお、比抵抗値が１０４Ω・cm以上１０５Ω・cm以下の範囲内にあるときが、Ｖｇｓ−Ｉｄ曲線の立ち上がりが０Ｖ付近となり好ましい。
【００６３】
また、組成式中のｘは、信頼性の観点から０．８≦ｘ≦１．０５であることが好ましい。なお、この範囲は第１実施形態で説明したバルク体の固相反応法によるＧａの固溶範囲なので、以下の第２実施形態の成膜法及び結晶化法とは異なり、実際には０．８≦ｘ≦１．０５以外、また０．７５＜ｘ＜１．１以外の範囲でも、ＩＧＺＯ系酸化物材料がＩＧＺＯ相の単相となる場合がある。よって、本第２実施形態では少なくとも単相となるｘの範囲であれば良いが、バルク体を製造する固相反応法よりも、薄膜の製造方法の方が一般的にＧａ等の固溶範囲が拡がると考えられるため、上記バルク体でＧａが固溶するｘの範囲０．７５＜ｘ＜１．１では、薄膜でも確実にＩＧＺＯ系酸化物材料がＩＧＺＯ相の単相となると判断できる。
【００６４】
活性層１４は、基板１２上に成膜及び結晶化温度で加熱されたＩｎ、Ｇａ及びＺｎを含有する薄膜材料を、前記結晶化温度から３００℃までの平均降温速度を５０℃／ｈｒ以上５００℃／ｈｒ以下として冷却する冷却工程を経て作製する。
【００６５】
より具体的には、基板１２上にＩｎ、Ｇａ及びＺｎを含有する非晶質のＩＧＺＯ膜を成膜する成膜工程と、前記ＩＧＺＯ膜を、酸素含有雰囲気下において、前記ＩＧＺＯ膜が結晶化する結晶化温度で焼成し、上記冷却工程を行う結晶化工程と、を経て作製する。
【００６６】
上記成膜工程では、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体の多結晶焼結体をターゲットとして気相成膜法を用いてＩＧＺＯ膜を成膜することが好ましい。気相成膜法の中でも、スパッタリング法及びパルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）がより好ましく、量産性の観点から、スパッタリング法が特に好ましい。
【００６７】
なお、ここで成膜されるＩＧＺＯ膜は、アモルファスであって、組成式がＩｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δで表され、当該組成式中のｘが０．７５＜ｘ＜１．１であるが、δはどのような値をとっていても良い。δは後の工程で制御されるからである。
【００６８】
上記結晶化工程では、簡便な方法として、非晶質のＩＧＺＯ膜が成膜された基板１２を炉に投入して所定の結晶化温度で焼成する方法が挙げられる。しかし、ＩＧＺＯ膜に対し、基板１２の耐熱温度以上の加熱が必要な場合、熱線を用いた加熱処理により加熱（焼成）して結晶化させる方法が好ましい。熱線を用いた加熱処理としては、熱線としてレーザ光線を使用し、レーザ光線を走査してＩＧＺＯ膜をアニールし結晶化させるレーザアニールや、熱線としてキセノンフラッシュランプ等を用いたフラッシュランプアニール等が挙げられる。
【００６９】
レーザアニールは、エネルギーの大きい熱線を用いた走査型の加熱処理であるので、結晶化効率がよく、しかも走査速度やレーザパワー等のレーザ照射条件を変えることにより基板１２に到達するエネルギーを調整することができる。従って基板１２の耐熱性に合わせてレーザ照射条件を決定することにより、基板温度を基板耐熱温度以下の温度になるようにすることができ、耐熱性の低い基板１２には好適である。
【００７０】
レーザアニールに用いるレーザ光源としては特に制限なく、エキシマレーザ等のパルス発振レーザが挙げられる。エキシマレーザ光等の短波長パルスレーザ光では、膜表層で吸収されるエネルギーが大きく、基板１２に到達するエネルギーをコントロールしやすいため、好ましい。
【００７１】
また、ＩＧＺＯ膜自身にレーザー光源の波長の吸収がない場合に関しても、熱吸収層を介することで、基板温度を基板耐熱温度以下でＩＧＺＯ膜のみを加熱することが可能である。
【００７２】
なお、この結晶化工程では、多結晶のＩＧＺＯ膜だけでなく、例えばＹＳＺ基板を用いた反応性固相エピタキシャル法によって単結晶のＩＧＺＯ膜を作製することも可能である（図１６参照）。
【００７３】
ＩＧＺＯ膜の結晶化温度としては、７００℃以上であり、１４００℃以下が好ましい。
１４００℃以上であるとＩＧＺＯ相の分解が始まる虞があるからである。図１７は、結晶化温度を変化させたときのＩＧＺＯ膜のＸ線回折パターンを示す図である。７００℃以上である理由は、図１７に示すように、６００℃まではＩＧＺＯ膜は非晶質として存在し、７００℃以上でＩＧＺＯ膜はＩＧＺＯ相が単相として存在するためである。
【００７４】
ＩＧＺＯ膜の焼成雰囲気及び平均降温速度については、第１実施形態で説明した条件（Ａ）、（Ｃ）と同一の条件を用いるため、説明を省略する。ただし、結晶化後に後述のポストアニールを施す場合には、結晶化工程でのＩＧＺＯ膜の焼成雰囲気及び平均降温速度については考慮する必要がない。特に、上記の熱線を用いた加熱処理では、急速に加熱をする方式であるため、結晶化工程における降温段階で急冷（クエンチ）も伴い、所謂「徐冷」を実施することができないため、酸素欠陥量δが大きくなりやすい。この場合は酸素含有雰囲気下でのポストアニールを行うことでδを小さく制御することが可能である。
【００７５】
ＩＧＺＯ膜を成膜した後は、活性層１４の形状にパターニングを行う。ＩＧＺＯ膜のパターン加工は、フォトリソグラフィ法とエッチング法により行うことができる。具体的には、基板１２上に成膜したＩＧＺＯ膜を、活性層１４として残存させる部分にフォトリソグラフィによってレジストマスクをパターン形成し、塩酸、硝酸、希硫酸、又は、燐酸、硝酸、及び酢酸の混合液（Ａｌエッチング液；関東化学（株）製）等の酸溶液によりエッチングすることにより活性層１４を形成する。特に、燐酸、硝酸、及び酢酸を含む水溶液を用いれば、ＩＧＺＯ膜の露出部分を短時間で除去することができる。
【００７６】
ここで、この活性層１４の説明は、ＴＦＴ１０がトップゲート型且つトップコンタクト型の場合を前提にしているが、ＴＦＴ１０がトップゲート型である場合、基板１２上に直に成膜することになるので、ボトムゲート型の場合に比べて、加熱温度がゲート電極やゲート絶縁層等に拡散することを防止することができ、結晶化工程におけるＩＧＺＯ膜の加熱を確実に行い、ＩＧＺＯ膜の結晶性を向上することができる。特に、トップゲート型且つトップコンタクト型の場合には、活性層１４と基板１２の間にソース・ドレイン電極がないため、より熱拡散を防止でき好ましい。
【００７７】
（ソース・ドレイン電極）
活性層１４を形成した後、ソース電極１６とドレイン電極１８を形成する。
まず、活性層１４を形成した面にソース・ドレイン電極を形成するための導電膜を形成する。導電膜は、電極及び配線としての導電性を有し、エッチングによってパターン加工することができる金属により活性層１４を覆うように形成する。具体的には、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ等の金属、Ａｌ−Ｎｄ、ＡＰＣ等の合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛インジウム（ＩＺＯ）等の金属酸化物導電膜、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物が挙げられる。
【００７８】
成膜法は特に限定されず、印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ法等の化学的方式などの中から材料との適性を考慮して選択した方法に従って成膜すればよい。例えば、ＩＴＯを選択する場合には、直流あるいは高周波スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法等に従って成膜することができる。またソース電極１６及びドレイン電極１８の材料として有機導電性化合物を選択する場合には湿式成膜法に従って行うことができる。
【００７９】
導電膜（ソース電極及びドレイン電極）の厚みは、その材料、最終製品などによって異なるが、成膜性、エッチングによるパターン加工性、導電性（低抵抗化）などを考慮すると、ソース・ドレイン電極及びそれに接続する配線となる導電膜の総厚は、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００８０】
（ゲート絶縁層）
活性層１４、ソース電極１６、及びドレイン電極１８を覆うようにゲート絶縁層２０を形成する。
ゲート絶縁層２０としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２等の絶縁体、又はそれらの化合物を２種以上含む絶縁膜としてもよい。また、ポリイミドのような高分子絶縁体もゲート絶縁層２０として用いることができる。
【００８１】
なお、ゲート絶縁層２０は、リーク電流の抑制及び電圧耐性の向上のための厚みを有する必要がある一方、ゲート絶縁層２０の厚みが大き過ぎると駆動電圧の上昇を招いてしまう。ゲート絶縁層２０の材質にもよるが、ゲート絶縁層２０の膜厚は無機絶縁体であれば５０ｎｍ〜１０００ｎｍが好ましく、高分子絶縁体であれば０．2μｍ〜５μｍが好ましい。
【００８２】
ゲート絶縁層２０は、印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ法等の化学的方式、などの中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って基板上に成膜し、必要に応じてフォトリソグラフィ法によって所定の形状にパターニングを行う。
【００８３】
（ゲート電極）
次いで、ゲート絶縁層２０を介して活性層１４に対向配置されるようにゲート絶縁層２０上にゲート電極２２を形成する。
【００８４】
ゲート電極２２としては、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、またはＡｇ等の金属、Ａｌ−Ｎｄ、ＡＰＣ等の合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛インジウム（ＩＺＯ）等の金属酸化物導電膜、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロ−ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物を好適に挙げられる。
【００８５】
ゲート電極２２の製造方法としては、例えば、印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ法等の化学的方式、などの中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って成膜する。ゲート電極２２の厚みは、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることが好ましい。成膜後、フォトリソグラフィ法によって所定の形状にパターニングを行う。このとき、ゲート電極２２及びゲート配線を同時にパターニングすることが好ましい。
＜変形例＞
以上、本発明の第１、第２実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００８６】
例えば、本焼成の一条件としての最高焼成温度Ｔｍａｘは、上記第１実施形態で説明した固相反応法以外の合成法を用いれば１２００℃以上１４００℃以下の温度範囲内に限定されない。例えば、ゾルゲル法や共沈法等の低温合成法を用いれば、最高焼成温度Ｔｍａｘを固相反応法よりも低い温度範囲内とすることができる。
【００８７】
また、本発明の第１、第２実施形態に係るＩＧＺＯ系酸化物材料は、本焼成時の冷却段階で「徐冷」という手法を採用したが、所定の条件下で加熱して得たＩＧＺＯ系酸化物材料（Ｉｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δ）を酸素を含有した酸化雰囲気下でポストアニールして、当該ＩＧＺＯ系酸化物材料の組成式中のδを０＜δ＜１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３の範囲に制御する工程を追加すれば加熱時の冷却段階で「徐冷」という手法を採用しなくとも良い。
【００８８】
このポストアニールという手法は、例えば、１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３以上の酸素欠損量δを有するＩＧＺＯ系酸化物材料が導体であるときに、δを０＜δ＜１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３の範囲に制御してＩＧＺＯ系酸化物材料を半導体に変化させる場合に特に有効であるが、そもそも０＜δ＜１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３の範囲にある酸素欠損量δを有するＩＧＺＯ系酸化物材料が半導体であるときに、０＜δ＜１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３の範囲でδを他の値に変えて当該ＩＧＺＯ系酸化物材料の比抵抗値を所望の値に変化させる場合にも有効である。
【００８９】
さらに、第２実施形態では、まず非晶質のＩＧＺＯ膜を基板１２上に成膜した後に、当該ＩＧＺＯ膜を結晶化させる方法を説明したが、成膜段階で結晶化させるようにしても良い。この場合、成膜段階の結晶化工程において、上記のような「徐冷」を用いる。
【実施例】
【００９０】
以下に、本発明に係る薄膜トランジスタ及び薄膜トランジスタの製造方法について、実施例により説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。なお、実施例１〜４では、本発明に係る薄膜トランジスタ及び薄膜トランジスタの製造方法を説明する前に、薄膜トランジスタに用いられるＩＧＺＯ系酸化物材料について説明をする。
【００９１】
＜実施例１＞
１．原料の準備
まず、本発明の実施例１に係るＩＧＺＯ系酸化物材料の原料として、Ｉｎ2Ｏ3 の酸化物粉末（高純度化学研究所（株）社製、純度９９．９９％）と、Ｇａ2Ｏ3の酸化物粉末（高純度化学研究所（株）社製、純度９９．９９％）と、ＺｎＯの酸化物粉末（高純度化学研究所（株）社製、純度９９．９９％）を準備した。
【００９２】
２．原料粉の秤量・混合
Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎのモル比が２−ｘ：ｘ：１（但し、０．５≦ｘ≦１．２）となるように、各酸化物粉末を電子天秤にて秤量した。例えば、ｘ＝１でＩｎ、Ｇａ、Ｚｎのモル比が１：１：１である場合、電子天秤にて秤量するＩｎ２Ｏ３の質量は３０．００００ｇであり、Ｇａ２Ｏ３の質量は２０．２４３０ｇであり、ＺｎＯの質量は１７．５７５８ｇである。
【００９３】
そして、ポリエチレン製広口瓶の中へそれぞれの酸化物粉末と、エチルアルコール１００ｃｃと、１０ｍｍφのアルミナボール１５０個とを投入した。この広口瓶を液がこぼれないように密閉し、卓上型ポットミル回転台を用いて１２０〜１３０ｒｐｍで１２時間広口瓶を回転させることで、各酸化物粉末を均一に湿式混合した。
【００９４】
３．混合粉の乾燥・成形
湿式混合によって得られた混合粉末スラリーからアルミナボールを取り除き、ロータリーエバポレーターを用いてエチルアルコールを除去した。得られた混合粉体を更に１００℃、１２時間の条件下で乾燥を行い、軽く乳鉢で解した後、成形圧１００ＭＰａで、６ｍｍ２の正方形、厚さ２ｍｍのペレット状に一軸成形した。
【００９５】
４．混合粉の仮焼成・本焼成
アルミナサヤ鉢中（ニッカトー製ＳＳＡ−Ｓ）にＰｔシートを敷いて、当該Ｐｔシート上に一軸成形によって得られた成形体を載せた。そして、成形体が載置されたアルミナサヤ鉢を、高温電気炉(Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｕｒｎａｃｅ ＦＤ４１)に入れ、焼成雰囲気を大気雰囲気として、５００℃／ｈｒで昇温し、最高焼成温度１１００℃で２時間保持し、その後１００℃/ｈｒで徐冷するという焼成条件で成形体を仮焼成した。仮焼成の後、仮焼結体をメノウ乳鉢にて粉砕し、得られた粉末を再度成形圧１００ＭＰａでペレット状に一軸成形した。
【００９６】
次に、ペレット状の仮焼結体を、最高焼成温度Ｔｍａｘを約１３５０℃として本焼成した。なお、他の焼成条件は最初の仮焼成と同一である。
【００９７】
以上の工程（１．原料の準備、２．原料粉の秤量・混合、３．混合粉の乾燥・成形、４．仮焼成・本焼成）を、原料中のＧａの投入モル比ｘを以下表２に示すように変化させつつ繰り返した。なお、表２にはＧａの投入モル比ｘを所定の値とした時に作製した試料に対して試料番号を付与している。
【００９８】
【表２】
2011003856.tif 000004
【００９９】
５．Ｘ線回折測定
本焼成によって得られた試料１〜試料１５のペレットをそれぞれメノウ乳鉢にて粉砕し、リガク製Ｘ線回折装置ＲＩＮＴ−ＵｌｔｉｍａIIIを用いてＸ線回折測定を行った。
【０１００】
具体的には、上記Ｘ線回折装置にてＣｕＫα線を用い、管電圧４０ｋＶ、管電流４０ｍＡ、スキャンスピード２．０ｄｅｇ／ｍｉｎ、受光スリット０．１５ｍｍ、スキャン範囲２θ:５°〜１３５°の条件の下で測定を行って、各試料１〜１５のＸ線回折パターンを得た。
【０１０１】
図５は、本焼成後の各試料１〜１５のＸ線回折パターンを示す図である。
【０１０２】
図５から、０．８≦ｘ≦１．０５の範囲にある試料５〜試料１０では、ＩｎＧａＺｎＯ４相（JCPDS#38-1104）が単相で存在することを確認した。また、０．７≦ｘ≦０．７５の範囲にある試料３及び４では、ＩｎＧａＺｎＯ４相（JCPDS#38-1104）の相に加えて、Ｉｎ２Ｏ３相（JCPDS#06-0416）が析出し、０．５≦ｘ≦０．６の範囲にある試料１及び２では、更にＩｎＧａＺｎ２Ｏ５相（JCPDS#40-0252）が析出することを確認した。
【０１０３】
また、１．１≦ｘ≦１．５の範囲にある試料１１〜試料１５では、ＩｎＧａＺｎＯ４相（JCPDS#38-1104）に加えてＺｎＧａ２Ｏ４相（JCPDS#38-0416）が析出することを確認した。以上の結果を表３にまとめた。
【０１０４】
【表３】
2011003856.tif 000005
【０１０５】
表３を参照すると、Ｉｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δにおけるＧａの固溶範囲は、０．８≦ｘ≦１．０５であることが分かる。また、表には示していないが、０．７５＜ｘ＜０．８及び、１．０５＜ｘ＜１．１の範囲も、ＩｎＧａＺｎＯ４相の単相が得られる可能性があり、結局Ｇａの固溶範囲は、０．７５＜ｘ＜１．１、好ましくは０．８≦ｘ≦１．０５である。
【０１０６】
これは、非特許文献２に記載の０．６６≦ｘ≦１．０６と比べて固溶範囲は狭いものとなるが、本実施例における結果は、本焼成における降温条件を「徐冷」とし、室温で熱平衡な状態にあるＩｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δを得たことが要因である。非特許文献２では、本焼成における降温条件を「急冷」としているため、高温下での固溶範囲を示している。当該固溶範囲は高温下では一般に広くなると考えられるため、非特許文献２に記載の固溶範囲は本実施例の結果と比べて広い範囲を示している。
【０１０７】
６．格子定数の算出
更に各試料１〜１５の格子定数を求めるために、Ｘ線回折パターンにおける各回折ピークの角度２θからＮｅｌｓｏｎ−Ｒｉｌｅｙ関数1/2{(cosθ)2/sinθ+(cosθ)2/θ}の値を算出し、得られた値をｘ軸に、Ｂｒａｇｇの回折条件から得られた各指数での格子定数をｙ軸にプロットした。次に最小二乗法によって得られる直線のｙ切片の値を真の格子定数として算出した。
【０１０８】
より具体的には、ＩｎＧａＺｎＯ４は、六方晶に属するため、まずｃ軸の格子定数を求め、その後ａ軸の格子定数を求めた。ｃ軸については、（００１２）、（００１５）、（００１８）の回折線からそれぞれの格子定数を求め、Ｎｅｌｓｏｎ−Ｒｉｌｅｙ関数を用いてｃ軸の真の格子定数を算出した。
【０１０９】
ａ軸については、２θ＝８０°〜１３５°において、得られたｃ軸の真の格子定数を用いて、同様にそれぞれの格子定数を求めＮｅｌｓｏｎ−Ｒｉｌｅｙ関数を用いて、ａ軸の真の格子定数を算出した。
【０１１０】
図６は、各試料１〜１５におけるａ軸の格子定数の算出結果を示す図であり、図７は、各試料１〜１５におけるｃ軸の格子定数の算出結果を示す図である。
【０１１１】
図６及び図７に示すように、ｘ＝１の試料９は、ａ＝０．３２９８ｎｍ，ｃ＝２．６０２８ｎｍであり、ＩｎＧａＺｎＯ４のＪＣＰＤＳカード（Ｎｏ．３８−１１０４）で示されているａ＝０．３２９５ｎｍ，ｃ＝２．６０７ｎｍと比較的近い値であることを確認した。
【０１１２】
また、図６及び図７から、Ｇａの投入モル比ｘが増大するほど、ａ軸及びｃ軸の格子定数が共に小さくなるということが分かった。これは、Ｇａのイオン半径がＩｎよりも小さいことに由来するものであり、予想されるＶｅｇａｒｄ則に従った挙動と考えられる。
【０１１３】
７．電気的特性評価
本焼成後の各試料１〜１５における６ｍｍ３のペレットを用いて、Ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｗ配置にＡｕ電極を形成させた。そして、各試料１〜１５について、東洋テクニカ製ＡＣホール測定器ＲＥＳＩＴＥＳＴ８３００を用いて比抵抗を測定し、またホール測定を行いキャリア濃度、移動度を算出した。これらの測定雰囲気は窒素ガス雰囲気とした。
【０１１４】
図８は、各試料１〜１５における比抵抗値の測定結果（図中四角印）を示す図である。なお、図８には比較対照として非特許文献２に記載の比抵抗値（図中丸印）、「Japanese Journal of Applied Physics, 34(1995) L1550頁〜L1552頁」に記載の比抵抗値（図中星印）も併せて記載している。
図８に示す測定結果から、Ｇａの投入モル比ｘが０．８≦ｘ≦１．０５である単相領域では、ｘが他の領域にある場合に比べて抵抗が低く、ｘが増大するにつれて比抵抗値も増大することを確認した。
【０１１５】
また、非特許文献２に記載の比抵抗値と比較して、３桁以上高い比抵抗値となっている。これは、非特許文献２に記載の製造方法では高温からのクエンチ工程を含んでおり、当該クエンチにより酸素欠陥量δが大きくなったことに起因する。非特許文献２では、導電材料としての展開を想定しているため、クエンチすることで酸素欠陥量δをあえて大きくしていたが、例えばＴＦＴの半導体層（活性層）を作製するにあたって酸素欠陥量δは小さく高抵抗のもののほうが好ましい。本実施例では、初めて酸素欠陥量δの小さい室温で熱平衡な状態のＩＧＺＯ系酸化物材料における電気特性の変化を示したといえる。
【０１１６】
図９は、各試料１〜１５におけるキャリア濃度の算出結果を示す図であり、図１０は、各試料１〜１５における移動度の算出結果を示す図である。
【０１１７】
図９、図１０に示す算出結果から、単相領域においてＧａの投入モル比ｘが増大すると移動度はほとんど変化しないが、キャリア濃度は３桁も減少することがわかる。このことから、単相領域における抵抗値の変化はキャリア濃度の変化が支配的であるということがわかった。
【０１１８】
また、図９に示すように、各試料１〜１５のキャリア濃度は１０１８ｃｍ−３以下であり、一般的な半導体が示すキャリア濃度領域に位置している。
【０１１９】
８．酸素欠損量評価
ＴＦＴの活性層として適した比抵抗値ρ≧１０２Ω・ｃｍとなるＩｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δの酸素欠損量δｍａｘを算出した。具体的には、比抵抗値の温度依存性測定、ホール測定及び熱重量分析測定を組み合わせ、これら測定結果に基づいて以下のような算出を行った。
【０１２０】
（１）比抵抗値の温度依存性測定
まず、表２に示すｘ＝０．８の試料５、ｘ＝０．９の試料７、ｘ＝１の試料９におけるアルゴン雰囲気中での比抵抗値の温度依存性を測定した。図１１は、各試料５、７、９の比抵抗値の温度依存性を測定した結果を示す図である。この測定結果から、ＴＦＴの活性層として適した比抵抗値ρ≧１０２Ω・ｃｍとなる温度Ｔρを求めた（図中星印参照）。ｘ＝０．８のＴρは１２５．５℃であり、ｘ＝０．９のＴρは１５３．４℃であり、ｘ＝１．０のＴρは１９４．０℃であった。
【０１２１】
（２）ホール測定
ｘ＝０．８の試料５、ｘ＝０．９の試料７、ｘ＝１の試料９におけるアルゴン雰囲気中で温度を変化させた時のホール測定を行った。図１２は、各試料５、７、９における温度を変化させた時のホール測定結果を示す図である。この測定結果から、各試料の温度Ｔρにおけるキャリア濃度ｎＴρを求めた（図中星印参照）。ｘ＝０．８のｎＴρは８．２０×１０１６（ｃｍ−３）であり、ｘ＝０．９のｎＴρは２．０９×１０１６（ｃｍ−３）であり、ｘ＝１．０のｎＴρは１．５７×１０１６（ｃｍ−３）であった。
【０１２２】
次に、温度Ｔρにおけるキャリア濃度ｎＴρと室温（２５℃）ＴＲＴにおけるキャリア濃度ｎＲＴの差分Δｎ（Δｎ＝ｎＴρ−ｎＲＴ）を求めた。ｘ＝０．８のΔｎは３．２８×１０１６（ｃｍ−３）であり、ｘ＝０．９のΔｎは１．２８×１０１６（ｃｍ−３）であり、ｘ＝１．０のΔｎは１．３３×１０１６（ｃｍ−３）であった。
【０１２３】
このΔｎは、Ｉｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δの温度を室温ＴＲＴからＴρに変化させたときに生じたキャリア量であり、後述する酸素欠損の相対変化量Δδによって発生したキャリアに相当するものである。なお、本実施例では、キャリア濃度の増減は全て酸素欠損に起因するものと仮定している。
【０１２４】
（３）熱重量分析
パーキンエルマー社製Ｐｙｒｉｓ１ＴＧＡを用いて、表２に示すｘ＝０．８の試料５、ｘ＝０．９の試料７、ｘ＝１の試料９における熱重量変化の測定をそれぞれ行った。具体的には、測定雰囲気をアルゴン雰囲気中とし、当該アルゴンガスの流量を４０ｃｃ／ｍｍとし、昇温速度を１５℃／ｍｉｎとして４００℃まで昇温した。
【０１２５】
図１３は、各試料５、７、９における熱重量変化の測定結果を示す図である。なお、縦軸のΔδは、ＩＧＺＯ１モル当りの酸素欠損の相対変化量であって、熱重量変化の全てが酸素欠損に起因するものと仮定して重量から酸素欠損量に変換したものであり、室温時の酸素欠損量と、所定温度まで加熱した時の酸素欠損量との相対変化量である。
【０１２６】
この測定結果から、各試料の温度Ｔρにおける相対変化量Δδを求めた（図中星印参照）。ｘ＝０．８のΔδは０．００１２１であり、ｘ＝０．９のΔδは０．００１３２であり、ｘ＝１．０のΔδは０．００１５３であった。
【０１２７】
（４）酸素欠損量δｍａｘの算出
δｍａｘは、各試料５，７、９の室温ＴＲＴ時（未アニール時）に既に存在していた酸素欠損量δＲＴと、温度Ｔρまでアニールした時の酸素欠損の相対変化量Δδとを加算することによって求められる（下記式（１）参照）。
δｍａｘ＝δＲＴ＋Δδ・・・（１）
【０１２８】
ここで、酸素欠損量とキャリア濃度には相関関係があるため、キャリア濃度から酸素欠損量への変換定数をαとすると、以下の式（２）及び（３）が導き出される。
ｎＲＴ×α＝δＲＴ・・・（２）
Δｎ×α＝Δδ・・・（３）
【０１２９】
そして、δＲＴを算出するために、まず式（３）を利用して、各試料における変換定数αを求めた。次に、求めたαを上記ｎＲＴとともに式（２）に代入して、δＲＴを算出した。
【０１３０】
この算出結果として、ｘ＝０．８のδＲＴは０．００１７９であり、ｘ＝０．９のδＲＴは０．０００８４であり、ｘ＝１．０のδＲＴは０．０００２７であった。なお、これらのδＲＴだけ酸素欠損を有するＩＧＺＯは、比抵抗値ρが図８に示すように１０２Ω・ｃｍであるため、これらのδＲＴはＴＦＴの活性層として適した酸素欠損量と言える。
【０１３１】
最後に、得られたΔδと、算出したδＲＴとを式（１）に代入して、δｍａｘを算出した。
この算出結果として、ｘ＝０．８のδｍａｘは０．００３００であり、ｘ＝０．９のδｍａｘは０．００２１６であり、ｘ＝１．０のδｍａｘは０．００１８０であった。
【０１３２】
図１４は、ＩＧＺＯにおけるＧａの投入モル比ｘと、δｍａｘの相関関係を示す図である。
図１４に示す３点のデータ点を用いて、モル比ｘとδｍａｘの関係式を求めた。具体的には、３点のデータ点について関係式ｙ＝Ａ１×ｅｘｐ(−ｘ÷ｔ１)＋Ｙ０を用いてフィッティングし、各定数Ａ１、ｔ１、Ｙ０を求めた。
【０１３３】
この結果、以下の関係式（４）が得られた。
δｍａｘ＝１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３・・・（４）
【０１３４】
以上の結果から、酸素欠損量の少ない方がキャリア濃度を抑止することができることを考慮して、Ｉｎ２−ｘＧａｘＺｎＯ４−δにおける（０．７５＜ｘ＜１．１）の単相領域において、δ≦δｍａｘ＝１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３の範囲が、比抵抗値ρが１０２Ω・ｃｍ以上となるδであることを導き出すことができた。
【０１３５】
＜実施例２＞
実施例２では、Ｇａの投入モル比ｘを１又は０．８とした２つの試料を、実施例１と同様の方法、条件で作製した。ただし、本焼成時の平均降温速度は、実施例１では１００℃／ｈとしているのに対し、実施例２では５００℃／ｈとしている。
【０１３６】
そして、ｘ＝１、０．８の２つの試料について、それぞれ実施例１と同一の方法、条件でＸ線回折測定、格子定数の算出、電気的特性評価を行った。
【０１３７】
Ｘ線回折測定の結果、ｘ＝１、０．８の２つの試料は、ＩｎＧａＺｎＯ４（JCPDS#38-1104）が単相で得られていることを確認した。
【０１３８】
格子定数を算出した結果、ｘ＝１の試料の格子定数は、ａ＝０．３２９４ｎｍ,ｃ＝２．６０３６ｎｍであり、ＩｎＧａＺｎＯ４のＪＣＰＤＳカード（Ｎｏ．３８−１１０４）で示されているａ＝０．３２９５ｎｍ,ｃ＝２．６０７ｎｍと比較的近い値を示した。また、ｘ＝０．８の試料の格子定数は、ａ＝０．３３２０ｎｍ、ｃ＝２．６２７２ｎｍとなった。以上より、実施例１と同様に、イオン半径の小さいＧａの投入モル比が増えるとａ軸及びｃ軸の格子定数が共に小さくなることが分かった。
【０１３９】
各試料の比抵抗を測定した結果、ｘ＝１の試料はρ＝９．８３×１０２Ω・ｃｍであり、またｘ＝０．８の試料はρ＝１．１２×１０２Ω・ｃｍであった。以上より、実施例１と同様に、Ｇａの投入モル比ｘが増大すると共に比抵抗値が増大することが分かった。
【０１４０】
各試料に対してホール測定を行い、移動度及びキャリア濃度を算出した結果、ｘ＝１の試料はμ＝０．８３ｃｍ２／Ｖ．Ｓ、ｎ＝３．５０×１０１５ｃｍ−３であり、ｘ＝０．８の試料はμ＝０．７４ｃｍ２／Ｖ．Ｓ、ｎ＝６．２１×１０１６ｃｍ−３であった。以上より、比抵抗値の変化は実施例１と同様にキャリア濃度が支配的であることが分かった。
【０１４１】
＜実施例３＞
実施例３では、Ｇａの投入モル比ｘを１又は０．８とした２つの試料を、実施例１と同様の方法、条件で作製した。ただし、本焼成時の平均降温速度は、実施例１では１００℃／ｈとしているのに対し、実施例３では５０℃／ｈとしている。
【０１４２】
そして、ｘ＝１、０．８の２つの試料について、それぞれ実施例１と同一の方法、条件でＸ線回折測定、格子定数の算出、電気的特性評価を行った。
【０１４３】
Ｘ線回折測定の結果、ｘ＝１、０．８の２つの試料は、ＩｎＧａＺｎＯ４（JCPDS#38-1104）が単相で得られていることを確認した。
【０１４４】
格子定数を算出した結果、ｘ＝１の試料の格子定数は、ａ＝０．３２９５ｎｍ,ｃ＝２．６０３８ｎｍであり、ＩｎＧａＺｎＯ４のＪＣＰＤＳカード（Ｎｏ．３８−１１０４）で示されているａ＝０．３２９５ｎｍ、ｃ＝２．６０７ｎｍと比較的近い値を示した。また、ｘ＝０．８の試料の格子定数は、ａ＝０．３３２１ｎｍ、ｃ＝２．６２７５ｎｍとなった。以上より、実施例１及び実施例２と同様に、イオン半径の小さいＧａの投入モル比が増えるとａ軸及びｃ軸の格子定数が共に小さくなることが分かった。
【０１４５】
各試料の比抵抗を測定した結果、ｘ＝１．０の試料はρ＝５．２１×１０３Ω・ｃｍであり、またｘ＝０．８の試料はρ＝３．５４×１０２Ω・ｃｍであった。以上より、実施例１と同様に、Ｇａの投入モル比が増大すると共に比抵抗値が増大することが分かった。
【０１４６】
各試料に対してホール測定を行い、移動度及びキャリア濃度を算出した結果、ｘ＝１．０の試料はμ＝０．６７ｃｍ２／Ｖ．Ｓ、ｎ＝９．８１×１０１４ｃｍ−３であり、ｘ＝０．８の試料はμ＝０．７８ｃｍ２／Ｖ．Ｓ、ｎ＝５．２３×１０１６ｃｍ−３であった。以上より、比抵抗値の変化は実施例１及び実施例２と同様にキャリア濃度が支配的であることが分かった。
【０１４７】
＜実施例４＞
実施例４では、Ｇａの投入モル比ｘを１とした試料を、実施例１と同様の方法、条件で作製した。ただし、実施例１では本焼成時の降温時に「徐冷」という方法を採用したが、実施例４では、最高焼成温度（Ｔｍａｘ＝１３５０℃）から電気炉の電源を切って自然冷却を行うといった、迅速に冷却可能な炉冷を採用した。
【０１４８】
また、作製した試料に対して、酸素ガス１００％の雰囲気下で、昇温速度：５００℃／ｈで５００℃まで昇温し、その後２時間保持し、平均降温速度：１００℃／ｈで冷却するという条件の下、ポストアニールを施した。
【０１４９】
そして、ポストアニール前と後の試料について、実施例１と同一の方法、条件でＸ線回折測定、格子定数の算出、電気的特性評価を行った。
【０１５０】
Ｘ線回折測定の結果、ポストアニール前後の試料は共に、ＩｎＧａＺｎＯ４（JCPDS#38-1104）が単相で得られていることを確認した。
【０１５１】
格子定数を算出した結果、ポストアニール前の試料の格子定数は、ａ＝０．３２９１ｎｍ、ｃ＝２．６０４０ｎｍであり、ポストアニール後の試料の格子定数は、ａ＝０．３２９１ｎｍ、ｃ＝２．６０４０ｎｍであった。
【０１５２】
これにより、ポストアニール前後の試料の格子定数は共に、ＩｎＧａＺｎＯ４のＪＣＰＤＳカード（Ｎｏ．３８−１１０４）で示されているａ＝０．３３２１ｎｍ、ｃ＝２．６２７５ｎｍと比較的近い値を示していることが分かった。
【０１５３】
各試料の比抵抗を測定した結果、ポストアニール前においては、ρ＝３．２１Ω・ｃｍであり、ポストアニール後においては、ρ＝５．３１×１０３Ω・ｃｍとなりポストアニールすることで比抵抗値が増大することを確認した。これにより、酸素を含有した酸化雰囲気下でのポストアニールは、ＩＧＺＯ系酸化物材料の比抵抗値を、例えばＴＦＴの活性層として動作可能な値まで増大させることが可能であることを確認した。
【０１５４】
＜実施例５＞
実施例５では、トップゲート型且つトップコンタクト型のＴＦＴを４つ作製した。ＴＦＴの活性層には、ＩＧＺＯ単結晶膜又はＩＧＺＯ多結晶膜を用いた。この活性層は、以下のように形成した。なお、以下の各ＴＦＴの活性層は、活性層アニール時の平均降温速度を１００℃／ｈに統一している。
【０１５５】
１．ＩＧＺＯ単結晶膜の活性層を用いたＴＦＴの製造
実施例５のＴＦＴとして、活性層としてＩＧＺＯ単結晶を用いたＴＦＴを２つ作製した。具体的には、ステップ処理が行われた原子レベルで平坦なＹＳＺ(１１１)単結晶基板上に２ｎｍのＺｎＯ薄膜を基板温度５５０℃でスパッタにて成膜させ、更にＩＧＺＯを室温にてスパッタ製膜することで、厚み１００ｎｍのアモルファスＩＧＺＯ膜を堆積させた。なお、Ｇａの投入モル比ｘは、ｘ＝１とした。
【０１５６】
このようにして得られたＩＧＺＯ膜を、ＺｎＯの蒸散を防ぐために、ＹＳＺ(１１１)単結晶基板でキャッピングをし、電気炉を用いて、大気中、１４００℃、３０ｍｉｎで加熱拡散処理した後、１００℃／ｈで室温まで冷却した。加熱処理した後のＩＧＺＯ膜（ＩＧＺＯ系酸化物材料）は、ＩＧＺＯ相単相の単結晶であった。
【０１５７】
次に、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いてＩＧＺＯ膜をパターニングし、その後ソース・ドレイン電極としてＩＴＯを形成した。ＩＴＯの形成では、リフトオフプロセスを用いてＬ／Ｗ＝１００μｍ/１０００μｍ、又はＬ／Ｗ＝５μｍ/５μｍのＩＴＯパターンを形成した。そして、ゲート絶縁層として厚み２００ｎｍのＳｉＯｘ、更にゲート電極としてＩＴＯを形成した。なお、上記Ｌはチャネル長を示し、上記Ｗはチャネル幅を示す。
【０１５８】
２．ＩＧＺＯ多結晶膜の活性層を用いたＴＦＴの製造
また、第５実施例のＴＦＴとして、活性層としてＩＧＺＯ多結晶膜を用いたＴＦＴも２つ作製した。具体的には、石英基板（Ｔ−４０４０）上にＩＧＺＯを室温にてスパッタ製膜することで、厚み１００ｎｍのアモルファスＩＧＺＯ膜を堆積させた。なお、Ｇａの投入モル比ｘは、ｘ＝１とした。
【０１５９】
このようにして得られたＩＧＺＯ膜を、電気炉を用いて酸素含有雰囲気下にて、１０００℃、１ｈで加熱処理をした後、１００℃／ｈで室温まで冷却を行った。加熱処理した後のＩＧＺＯ膜（ＩＧＺＯ系酸化物材料）は、ＩＧＺＯ相単相の多結晶であった。
【０１６０】
次に、フォトリソグラフィ及びエッチングもしくはリフトオフプロセスを用いてＩＧＺＯ膜をパターニングし、その後ソース・ドレイン電極としてＩＴＯをリフトオフプロセスを用いてＬ／Ｗ＝１００μｍ/１０００μｍ、又はＬ／Ｗ＝５μｍ/５μｍのパターンを形成し、ゲート絶縁層として厚み２００ｎｍのＳｉＯｘ、更にゲート電極としてＩＴＯを形成させた。
【０１６１】
２．トランジスタ特性の評価
作製した４つのＴＦＴについて、Ａｇｉｌｅｎｔ４１５５Ｃ半導体パラメータアナライザーを用いてトランジスタ特性の評価をした。測定雰囲気はＤｒｙＡｉｒ中で行った。得られた評価結果を表４に示す。なお、表４中の（１）〜（４）は、作製した４つのＴＦＴに対して試料番号を付与したものである。
【０１６２】
【表４】
2011003856.tif 000006
【０１６３】
表４に示すように、本第５実施例における作製法においてＴＦＴ動作を確認することが出来た。また、活性層の比抵抗値が１０２Ω・ｃｍであるので、本第５実施例におけるＴＦＴが良好な電気特性を有することを確認することができた。
【０１６４】
＜実施例６＞
本実施例６では、活性層アニール時の平均降温速度を５００℃／ｈとしてＴＦＴを作製した。その他の製造方法及び条件に関しては、すべて実施例５と同一である。また、本実施例６においてもＧａの投入モル比ｘはｘ＝１としている。
【０１６５】
実施例５と同様に、作製したＴＦＴのトランジスタ特性を評価した。得られた評価結果を表５に示す。なお、表５中の（５）〜（８）は、作製した４つのＴＦＴに対して試料番号を付与したものである。
【０１６６】
【表５】
2011003856.tif 000007
【０１６７】
表５に示すように、本実施例６における作製法においてＴＦＴ動作を確認することが出来た。また、表４及び表５を比較することにより、平均降温速度が低くなると、電気抵抗率ρが上がり、移動度μが低下し、オンオフ比（Ｌｏｇ（Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ）が上がっていることを確認した。
【０１６８】
よって、平均降温速度が低いほど、オンオフ比が高い良好なトランジスタ特性が得られることが分かった。
【０１６９】
＜実施例７＞
本実施例７では、活性層アニール時の平均降温速度を５０℃／ｈとしてＴＦＴを作製した。その他の製造方法及び条件に関しては、すべて実施例５と同一である。また、本実施例７においてもＧａの投入モル比ｘはｘ＝１としている。
【０１７０】
実施例５と同様に、作製したＴＦＴのトランジスタ特性を評価した。得られた評価結果を表６に示す。なお、表６中の（９）〜（１２）は、作製した４つのＴＦＴに対して試料番号を付与したものである。
【０１７１】
【表６】
2011003856.tif 000008
【０１７２】
表６に示すように、本実施例７における作製法においてＴＦＴ動作を確認することが出来た。また、表４、表５及び表６を比較することにより、平均降温速度が低くなると、電気抵抗率ρが上がり、移動度μが低下し、オンオフ比（Ｌｏｇ（Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ）が上がっていることを確認した。
【０１７３】
よって、平均降温速度が低いほど、オンオフ比が高い良好なトランジスタ特性が得られることが分かった。
【０１７４】
＜実施例８＞
実施例８では、トップゲート型且つトップコンタクト型のＴＦＴを４つ、ボトムゲート型且つトップコンタクト型のＴＦＴを４つそれぞれ作製した。これらの活性層は、以下のように形成した。なお、以下の各ＴＦＴの活性層については、活性層の加熱処理後（結晶化工程後）にそれぞれポストアニールを施している。
【０１７５】
１．トップゲート型且つトップコンタクト型：単結晶（活性層形成後ポストアニール）
実施例８のＴＦＴとして、トップゲート型且つトップコンタクト型のＴＦＴを２つ作製した。具体的には、ステップ処理が行われた原子レベルで平坦なＹＳＺ(１１１)単結晶基板上に２ｎｍのＺｎＯ薄膜を基板温度５５０℃でスパッタにて成膜させ、更にＩＧＺＯを室温にてスパッタ製膜することで、厚み１００ｎｍのアモルファスＩＧＺＯ膜を堆積させた。
【０１７６】
このようにして得られた膜を、ＺｎＯの蒸散を防ぐために、ＹＳＺ（１１１）単結晶基板でキャッピングをし、電気炉を用いて、大気中、１４００℃、３０ｍｉｎ加熱拡散処理した後、炉冷にて室温まで冷却した。
【０１７７】
次に、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いてＩＧＺＯ膜をパターニングし、その後ポストアニールとして、酸素１００％の雰囲気下で、昇温速度：５００℃／ｈで５００℃まで昇温し、その後２時間保持し、平均降温速度：１００℃／ｈで冷却した。続いてソース・ドレイン電極としてＩＴＯを形成した。ＩＴＯの形成では、リフトオフプロセスを用いてＬ／Ｗ＝１００μｍ／１０００μｍ、又はＬ／Ｗ＝５μｍ／５μｍのＩＴＯパターンを形成した。そして、絶縁膜として厚み２００ｎｍのＳｉＯｘ、更にゲート電極としてＩＴＯを形成した。
【０１７８】
２．トップゲート型且つトップコンタクト型：単結晶（ソース・ドレイン電極形成後ポストアニール）
実施例８のＴＦＴとして、トップゲート型且つトップコンタクト型のＴＦＴを２つ作製した。具体的には、実施例８の上記１の製造方法と同様の方法で作製したが、ポストアニールをソース・ドレイン電極のパターニング後に行った。
【０１７９】
３．ボトムゲート型且つトップコンタクト型：多結晶（活性層形成後ポストアニール）
実施例８のＴＦＴとして、ボトムゲート型且つトップコンタクト型のＴＦＴを２つ作製した。具体的には、石英基板上にゲート電極としてＭｏ、絶縁膜として厚み２００ｎｍのＳｉＯｘを形成させた。ＩＧＺＯを室温にてスパッタ製膜することで、厚み１００ｎｍのアモルファスＩＧＺＯ膜を堆積させた。その後、１０００℃、３０ｍｉｎで加熱処理を行い、多結晶ＩＧＺＯ膜を形成した。
【０１８０】
次に、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いてＩＧＺＯ膜をパターニングし、その後ポストアニールとして、酸素１００％の雰囲気下で、昇温速度：５００℃／ｈで５００℃まで昇温し、その後２時間保持し、平均降温速度：１００℃／ｈで冷却した。続いてソース・ドレイン電極としてＩＴＯを形成した。ＩＴＯの形成では、リフトオフプロセスを用いてＬ／Ｗ＝１００μｍ／１０００μｍ又はＬ／Ｗ＝５μｍ／５μｍのＩＴＯパターンを形成した。そして、絶縁膜として厚み２００ｎｍのＳｉＯｘ、更にゲート電極としてＩＴＯを形成した。
【０１８１】
４．ボトムゲート型且つトップコンタクト型：多結晶（ソース・ドレイン電極形成後ポストアニール）
実施例８のＴＦＴとして、ボトムゲート型且つトップコンタクト型のＴＦＴを２つ作製した。具体的には、実施例８の上記３の製造方法と同様の方法で作製したが、ポストアニールをソース・ドレイン電極のパターニング後に行った。
【０１８２】
５．トランジスタ特性の評価
実施例５と同様に、作製した８つのＴＦＴについて、トランジスタ特性を評価した。得られた評価結果を表７に示す。なお、表７中の（１３）〜（２０）は、作製した８つのＴＦＴに対して試料番号を付与したものである。
【０１８３】
【表７】
2011003856.tif 000009
【０１８４】
表７に示すように、本実施例における作製法において、ＴＦＴ動作を確認することが出来た。また、活性層の結晶状態が単結晶と多結晶で異なるので一概には言及できないが、ボトムゲート型且つトップコンタクト型に比べ、トップゲート型且つトップコンタクト型の方が、比抵抗値ρが約１桁高いことを確認した。さらに、キャリア移動度μについても、トップゲート型且つトップコンタクト型の方が高いことを確認した。さらにまた、オンオフ比（Ｌｏｇ（Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ））についても、トップゲート型且つトップコンタクト型の方が高いことを確認した。
以上より、トップゲート型且つトップコンタクト型を製造する方が、オンオフ比が高い良好なトランジスタ特性が得られることが分かった。
【０１８５】
また、ポストアニールをソース・ドレイン電極形成後に施す場合に比べ、ポストアニールをソース・ドレイン電極形成前に施した方が、比抵抗値ρが約１桁高いことを確認した。さらに、キャリア移動度μについても、ポストアニールをソース・ドレイン電極形成前に施した方が高いことを確認した。さらにまた、オンオフ比（Ｌｏｇ（Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ））についても、ポストアニールをソース・ドレイン電極形成前に施した方が高いことを確認した。
【０１８６】
なお、活性層のＩＧＺＯ系酸化物材料の酸素欠損量δについては、活性層の比抵抗値が１０２Ω・ｃｍ以上であることから、実施例１で説明したように、δ＜１．２９１６１×ｅｘｐ（−ｘ÷０．１１８０２）＋０．００１５３となっていることが分かる。
【符号の説明】
【０１８７】
１０  ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）
１２  基板
１４  活性層
１６  ソース電極
１８  ドレイン電極
２０  ゲート絶縁層
２２  ゲート電極
【図１】
2011003856.tif 000010
【図２】
2011003856.tif 000011
【図３】
2011003856.tif 000012
【図４】
2011003856.tif 000013
【図５】
2011003856.tif 000014
【図６】
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【図７】
2011003856.tif 000016
【図８】
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【図９】
2011003856.tif 000018
【図１０】
2011003856.tif 000019
【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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