(57)【要約】【課題】従来の結晶質の酸化物半導体薄膜とは異なる高いキャリア移動度を維持したまま、キャリア濃度を低減せしめた酸化物半導体薄膜の製造方法を提供する。【解決手段】系内の水分圧が２．０×１０−３Ｐａ以上５．０×１０−１Ｐａ以下の雰囲気にて、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用いて、基板の表面にスパッタリング法によって酸化物薄膜を成膜する成膜工程と、系内の温度２２℃で測定した相対湿度が５％以上かつ酸素濃度が３０％以上の雰囲気にて酸化物薄膜をインジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜となるように熱処理する熱処理工程と、を含む、結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
系内の水分圧が２．０×１０−３Ｐａ以上５．０×１０−１Ｐａ以下の雰囲気にて、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用いて、基板の表面にスパッタリング法によって酸化物薄膜を成膜する成膜工程と、
系内の温度２２℃で測定した相対湿度が５％以上かつ酸素濃度が３０％以上の雰囲気にて、前記酸化物薄膜をインジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜となるように熱処理する熱処理工程と、を含む、結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記熱処理工程において、前記相対湿度を１０％以上とする、請求項１に記載の酸化物半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理工程において、前記酸素濃度を１００％とする、請求項１又は２に記載の酸化物半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記成膜工程にて用いる前記ターゲットにおいて、前記酸化物焼結体における前記ガリウムの含有量をＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．１５以上０．３０以下とする、請求項１から３のいずれかに記載の酸化物半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記成膜工程にて用いる前記ターゲットにおいて、前記酸化物焼結体における前記ガリウムの含有量をＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．１７以上０．３０以下とする、請求項１から３のいずれかに記載の酸化物半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の製造方法により結晶質の酸化物半導体薄膜を製造する工程を含む、前記酸化物半導体薄膜をチャネル層として備えた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、結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法に関し、より詳しくは、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有させ、さらに水素を含有させることにより、高いキャリア移動度を維持したままキャリア濃度を低減せしめた結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＴＦＴ）は、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下ＦＥＴ）の１種である。ＴＦＴは、基本構成として、ゲート端子、ソース端子、及び、ドレイン端子を備えた３端子素子であり、基板の表面に成膜した半導体薄膜を、電子又はホールがキャリアとして移動するチャネル層として用い、ゲート端子に電圧を印加して、チャネル層に流れる電流を制御し、ソース端子とドレイン端子間の電流をスイッチングする機能を有するアクティブ素子である。
【０００３】
ＴＦＴは、現在、最も多く実用化されている電子デバイスであり、その代表的な用途として液晶駆動用ＴＦＴがある。液晶駆動用ＴＦＴの多くは、電子がキャリアとして移動するｎ型のチャネル層を用いている。ｎ型のチャネル層として、現在、最も広く使われているのは、低温ポリシリコン薄膜又は非晶質シリコン薄膜である。
【０００４】
しかし、近年、液晶の高精細化が進むのに伴い、液晶駆動用ＴＦＴには高速駆動が求められるようになってきている。ＴＦＴの駆動速度は、チャネル層の電子の移動度に依存する。高速駆動を実現するためには、電子の移動度が少なくとも非晶質シリコンのそれより高い半導体薄膜をチャネル層に用いる必要がある。低温ポリシリコンは、電子の移動度が十分高いが、大型ガラス基板へ形成した場合に面内均一性が低く歩留まりが低い、あるいは非晶質シリコンと比較して工程が多く、設備投資が必要などの理由から、コストが高い、などの課題がある。
【０００５】
このような状況に対して、特許文献１では、気相成膜法で成膜され、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及びＯの元素から構成される透明非晶質酸化物薄膜であって、該酸化物薄膜の組成は、結晶化したときの組成がＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは６未満の自然数）であり、不純物イオンを添加することなしに、キャリア移動度（キャリア電子移動度ともいう）が１ｃｍ２Ｖ−１ｓｅｃ−１超、かつキャリア濃度（キャリア電子濃度ともいう）が１０１６ｃｍ−３以下である半絶縁性であることを特徴とする透明半絶縁性非晶質酸化物薄膜、及び、この透明半絶縁性非晶質酸化物薄膜をチャネル層としたことを特徴とする薄膜トランジスタが提案されている。
【０００６】
しかし、特許文献１で提案された、スパッタ法、パルスレーザー蒸着法のいずれかの気相成膜法で成膜され、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及びＯの元素から構成される透明非晶質酸化物薄膜（ａ−ＩＧＺＯ膜）は、概ね１ｃｍ２Ｖ−１ｓｅｃ−１以上１０ｃｍ２Ｖ−１ｓｅｃ−１以下の範囲のキャリア移動度にとどまるため、ＴＦＴのチャネル層として形成した場合にキャリア移動度が不足することが指摘されていた。
【０００７】
キャリア移動度の不足を解決するために、他の材料の検討がなされている。例えば、特許文献２では、ガリウムが酸化インジウムに固溶していて、原子数比Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）が０．００１以上０．１２以下であり、全金属原子に対するインジウムとガリウムの含有率が８０原子％以上であり、Ｉｎ２Ｏ３のビックスバイト構造を有する酸化物半導体薄膜を用いることを特徴とする薄膜トランジスタが提案されている。特許文献１と比較して、特許文献２では、インジウム含有量を高めることでキャリア移動度を高めるとともに、Ｉｎ２Ｏ３のビックスバイト構造に結晶化させることでキャリア濃度の増加を抑えているが、ＴＦＴチャネル層に適用した場合には結晶粒界がＴＦＴ特性ばらつきの原因となる点が課題として残されていた。さらに、特許文献２には、キャリア濃度が２．０×１０１８ｃｍ−３を超えている実施例が散見され、ＴＦＴチャネル層に適用する酸化物半導体薄膜としてはやや高いことも課題として残されていた。
【０００８】
特許文献３では、特許文献２の高キャリア濃度を解決するため、系内の水分圧３．０×１０−４Ｐａ以上５．０×１０−２Ｐａ以下で、スパッタリングターゲットを用いてＤＣスパッタリングして成膜体を成膜し、前記成膜体を結晶化する酸化物半導体薄膜の製造方法が提案されている。また、特許文献４には、酸化物半導体膜に含有される水素元素の含有量が、酸化物半導体薄膜を形成する全元素に対して、０．１原子％以上５原子％以下であることを特徴とする薄膜トランジスタが提案されている。しかしながら、いずれについても結晶膜の酸化物半導体薄膜に関する発明であるため、結晶質以外の酸化物半導体薄膜に及ぼす水素等の影響についての知見は得られていなかった。また、依然として、ＴＦＴ特性において重要な面内ばらつきの原因となる結晶粒界の課題は残されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−２１９５３８号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１０／０３２４２２号公報
【特許文献３】特開２０１１−２２２５５７号公報
【特許文献４】ＷＯ２０１０／０４７０７７号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ａ．Ｔａｋａｇｉ，Ｋ．Ｎｏｍｕｒａ，Ｈ．Ｏｈｔａ，Ｈ．Ｙａｎａｇｉ，Ｔ．  Ｋａｍｉｙａ，Ｍ．Ｈｉｒａｎｏ，ａｎｄ  Ｈ．Ｈｏｓｏｎｏ，Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ  ４８６，３８（２００５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、結晶質の酸化物半導体薄膜に、さらに水素を含有させることによって、高いキャリア移動度を維持したまま、キャリア濃度を低減せしめた酸化物半導体薄膜の製造方法を提供することにある。特に、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜を得るための製造方法であって、特許文献２〜４の結晶質の酸化物半導体薄膜とは異なる結晶質の酸化物半導体薄膜を製造することができる、好適な製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者等は、上記課題を解決するために、鋭意検討を行った結果、結晶質の酸化物半導体薄膜に、適量の水素を含有させることによって、キャリア移動度１０ｃｍ２Ｖ−１ｓｅｃ−１以上を維持したまま、半導体として十分低いキャリア濃度が得られることを確認し、上記の酸化物半導体薄膜を得るための製造方法を新たに見出した。
【００１３】
本発明の第１は、系内の水分圧が２．０×１０−３Ｐａ以上５．０×１０−１Ｐａ以下の雰囲気にて、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用いて、基板の表面にスパッタリング法によって酸化物薄膜を成膜する成膜工程と、系内の温度２２℃で測定した相対湿度が５％以上かつ酸素濃度が３０％以上の雰囲気にて、前記酸化物薄膜をインジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜となるように熱処理する熱処理工程と、を含む、結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法である。
【００１４】
本発明の第２は、第１の発明において前記熱処理工程における前記相対湿度が１０％以上とする、酸化物半導体薄膜の製造方法である。
【００１５】
本発明の第３は、第１又は２の発明において前記熱処理工程における前記酸素濃度が１００％とする、酸化物半導体薄膜の製造方法である。
【００１６】
本発明の第４は、第１から３のいずれかの発明において前記成膜工程における前記ターゲットの前記酸化物焼結体における前記ガリウムの含有量がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．１５以上０．３０以下とする、酸化物半導体薄膜の製造方法である。
【００１７】
本発明の第５は、第１から３のいずれかの発明において前記成膜工程にて用いる前記ターゲットにおいて、前記酸化物焼結体における前記ガリウムの含有量をＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．１７以上０．３０以下とする、酸化物半導体薄膜の製造方法である。
【００１８】
本発明の第６は、第１から５のいずれかの発明に記載の製造方法により結晶質の酸化物半導体薄膜を製造する工程を含む、前記酸化物半導体薄膜をチャネル層として備えた薄膜トランジスタの製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の製造方法によって製造された酸化物半導体薄膜は、水素を含有した結晶質の酸化物半導体薄膜の膜深さ方向に均一に水素を含有されるとともに、酸化物半導体薄膜の高いキャリア移動度を維持したまま、キャリア濃度を低減させることができる。これより、酸化物半導体薄膜をチャネル層として適用される薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は安定的に動作するため、本発明の結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法は工業的に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態である実施例１の酸化物半導体薄膜のＸ線回折測定におけるＸ線回折測定結果を表した図である。
【図２】本発明の一実施形態である実施例１３の酸化物半導体薄膜の二次イオン質量分析による膜深さ方向の水素濃度の変化を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の結晶質の酸化物半導体薄膜の製造方法及びそれを用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造方法について詳細に説明する。本発明は、下記の記載に限定されるものではなく、本発明の目的を奏するものである限り、適宜変更を加え実施することができる。
【００２２】
１．酸化物半導体薄膜
（１）金属組成
本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜は、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜である。結晶質とは、一般的に結晶構造からなりＸ線回折測定におけるＸ線回折測定結果において、結晶構造に基づく面指数に対応した明瞭な回折ピークが見られる状態をいう。一般に構成原子の配列に結晶構造のような長距離規則性を持たない固体状態のことを指す非晶質や、一般的に結晶粒径が小さい（１ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度）結晶成分と、非晶質成分との混合相を形成している状態の微結晶とは異なる。
【００２３】
なお、結晶質の酸化物半導体薄膜は、例えば、Ｘ線回折測定におけるＸ線回折測定結果において、結晶構造に基づく面指数に対応した明瞭な回折ピークが見られるだけでなく、断面組織のＴＥＭ−ＥＤＸ測定の電子線回折図において、その結晶構造に基づく面指数に対応した回折スポットが形成されていることから同定することができる。これに対して、非結晶の酸化物半導体薄膜は、例えば、Ｘ線回折測定におけるＸ線回折測定結果において、結晶構造に基づく面指数に対応した明瞭な回折ピークが見られず、かつ、断面組織のＴＥＭ−ＥＤＸ測定の電子線回折図において、ハローあるいはスポットが若干残存するハローが形成される。微結晶の酸化物半導体薄膜は、例えば、Ｘ線回折測定におけるＸ線回折測定結果において、明瞭な回折ピークが見られず、かつ、断面組織のＴＥＭ−ＥＤＸ測定の電子線回折図において、スポットとリングの組み合わせからなる回折パターンが形成される。
【００２４】
本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜のガリウムの含有量は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で下限としては、０．１５以上であることが好ましく、０．１７以上であることがより好ましく、０．２０超であることが更に好ましい。上限としては、０．３０以下であることが好ましく、０．２５以下であることがより好ましく、０．２３以下であることが更に好ましい。ガリウムは酸素との結合力が強く、本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜の酸素欠損量を低減させる効果がある。ガリウムの含有量がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．１５以上の場合には、この効果を十分に得ることができる。一方、０．３０以下の場合、酸化物半導体薄膜として十分高い１０ｃｍ２Ｖ−１ｓｅｃ−１以上のキャリア移動度を得ることができる。
【００２５】
本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜は、インジウム及びガリウムを除く元素のうち、特定の正三価の元素を含んでもよい。特定の正三価の元素としては、ホウ素、アルミニウム、スカンジウム、イットリウムがある。本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜にこれらの元素が含まれると、キャリア濃度の低減に寄与するが、キャリア移動度の向上にはほとんど寄与しない。本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜は、上記以外の正三価の元素を実質的に含まないことが好ましい。すなわち、ランタン、プラセオジウム、ジスプロニウム、ホルミウム、エルビウム、イッテリビウム、ルテチウムは含まないことが好ましい。キャリア濃度の低減に寄与せず、キャリア移動度が低下するためである。本明細書において、元素を実質的に含まないとは、金属元素又は半金属元素が意図的に添加されたものでないことを意味する。
【００２６】
本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜は、正四価以上の元素を実質的に含まないことが好ましい。正四価以上の元素としては、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛、アンチモン、ビスマス、及びセリウムがある。本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜に、これらの元素が含まれると散乱因子として作用するため、結晶質の酸化物半導体薄膜のキャリア移動度が低下してしまう。
【００２７】
本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜は、正二価以下の元素を実質的に含まないことが好ましい。正二価以下の元素としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、酸化カルシウム、ストロンチウム、バリウム、及び亜鉛がある。本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜に、これらの元素が含まれると、キャリア濃度の低減に多少寄与するものの、散乱因子として作用するため、その効果以上にキャリア移動度が低下してしまう。
【００２８】
（２）不可避不純物
本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜に含まれる不可避不純物は、総量が５００ｐｐｍ以下であることが好ましく、３００ｐｐｍ以下であることがより好ましく、１００ｐｐｍ以下であることがさらに好ましい。本明細書において、不可避不純物とは、意図的に添加していないにもかかわらず、各原料の製造工程等で不可避的に混入する不純物のことである。不純物量が多い場合には、キャリア濃度が高くなる、あるいはキャリア移動度が低下する、などの問題が生じるおそれがある。
【００２９】
（３）水素の含有量、膜深さ方向分布及び結合状態
本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜に含有される水素の含有量は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、ラザフォード後方散乱分析法（ＲＢＳ、Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）法、水素前方散乱分析法（ＨＦＳ、Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｆｏｒｗａｒｄ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）などで測定される。例えば、二次イオン質量分析法により測定された、水素の含有量が１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．０×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましく、３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることがより好ましく、５．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることがさらに好ましい。
【００３０】
水素は、結晶質の酸化物半導体薄膜中で酸素の近傍に存在して、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度の低減に寄与すると考えられる。酸化物半導体薄膜中の水素の含有量が１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることにより、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度が２．０×１０１８ｃｍ−３以下まで低減されるようになるため好ましい。一方、酸化物半導体薄膜中の水素の含有量が、１．０×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることにより、過剰な水素が散乱因子として作用し、酸化物半導体薄膜のキャリア移動度が１０ｃｍ２Ｖ−１ｓｅｃ−１未満に低下する可能性を軽減することができるため好ましい。
【００３１】
本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜においては、含有する水素の膜深さ方向の分布がなるべく均一であるほうがよい。均一であるとは、基板近傍の平均水素濃度に対する薄膜表面近傍の平均水素濃度の比が０．５０〜１．２０の範囲内であることを指す。この比が０．８０〜１．１０の範囲内であればなおよい。
【００３２】
本明細書における薄膜表面近傍の平均水素濃度とは、酸化物半導体薄膜の表面近傍において、表面の影響を受けない境界データを起点として、ＳＩＭＳによる膜深さの正の方向に１０ｎｍまでの間のランダムの５点以上の水素濃度の平均値を意味する。本明細書における基板近傍の平均水素濃度とは、基板と酸化物半導体薄膜の界面近傍において、基板の影響を受けない境界データを起点として、ＳＩＭＳによる膜深さの負の方向に１０ｎｍまでの間のランダムの５点以上の水素濃度の平均値を意味する。なお、ＳＩＭＳによる膜深さの正の方向は膜表面から基板へと向かう方向であり、負の方向とはその反対の方向を指す。
【００３３】
ここで、酸化物半導体薄膜の表面近傍において、表面の影響を受けない境界データは、ＳＩＭＳの測定結果を解析すれば明らかである。例えば、図２のＳＩＭＳの測定結果において、酸化物半導体薄膜の表面近傍において、表面の影響を受けない境界データとは、平均水素濃度が１．０×１０２１〜１．０×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３超の範囲で大幅に変化する膜深さ０〜３．９ｎｍの範囲と、おおよそ１．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３で一定となっている膜深さ３．９ｎｍ超の範囲の境界となっている。一方、基板と酸化物半導体薄膜の界面近傍において、基板の影響を受けない境界データについても同様であり、平均水素濃度が１．０×１０２１〜３．７×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲で大幅に変化する膜深さ１４９ｎｍ以上の範囲と、平均水素濃度がおおよそ一定となっている膜深さ１４９ｎｍ未満の範囲の境界となっている１４９ｎｍのデータである。これらの境界データを起点として、基板近傍の平均水素濃度又は薄膜表面近傍の平均水素濃度をそれぞれ求めることができる。
【００３４】
本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜に含有される水素は、ビックスバイト構造の酸化インジウム相において、水素原子又は水素イオンと、酸素イオンと、が結合したＯＨ−として存在するものがほとんどである。ＯＨ−は、本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜中に、特定の格子位置あるいは格子間位置に存在する。特に、ＯＨ−については、飛行時間型のＳＩＭＳ測定（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ、Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ−Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって確認することができる。これに対して、水素がインジウム及び／又はガリウムとビックスバイト構造以外の異相を形成することは好ましくない。
【００３５】
（４）膜質
本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜は、結晶質の酸化物半導体薄膜である。一般に、結晶からなる結晶膜はＸ線回折測定において結晶構造に基づく面指数に対応した明確な回折ピークを示すが、非晶質からなる非晶質膜及び微結晶からなる微結晶膜では明確な回折ピークを示さない。微結晶膜であっても、その回折パターンには、結晶膜のピークが出現する回折角度において、回折ピークと明確に認識できない膨らみ程度しか確認できない。また、透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと表記することがある。）で観察した各薄膜の断面組織のＴＥＭ写真像を比較すると、結晶膜には結晶粒界が確認されるが、非晶質膜はもちろん、微結晶膜にも明確な結晶粒界は確認されない。電子線回折像では、結晶膜の場合には、面指数に対応した回折スポットが確認されるが、非晶質膜及び微結晶膜の場合には、ハロー、スポットが若干残存するハロー、あるいはスポットとリングの組み合わせからなる回折パターンしか確認されない。
【００３６】
（５）膜厚
本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜の膜厚は、下限を１０ｎｍ以上とすることが好ましく、３０ｎｍ以上であればより好ましく、５０ｎｍ以上であればなお一層好ましい。一方、上限については特に制限はないが、例えばフレキシビリティを必要とするデバイスの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のチャネル層として適用する場合などは、１０００ｎｍ以下であることが好ましく、５００ｎｍ以下がより好ましく、３００ｎｍ以下であればなお一層好ましい。１０００ｎｍを超えるとデバイスを曲げた場合に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のチャネル層として必要な特性が維持できない場合がある。総じて、製造工程におけるスループットや性能ばらつきの少なさなどを考慮すれば、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下が好適であるといえる。
【００３７】
（６）キャリア濃度・キャリア移動度
本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜は、キャリア濃度２．０×１０１８ｃｍ−３以下、より好ましくはキャリア濃度１．０×１０１８ｃｍ−３以下、特に好ましくは８．０×１０１７ｃｍ−３以下を示し、５．０×１０１７ｃｍ−３以下であれば一層好ましい。非特許文献１に記載のインジウム、ガリウム、及び亜鉛からなる非晶質の酸化物半導体薄膜に代表されるように、インジウムを多く含む非晶質の酸化物半導体薄膜は、キャリア濃度が４．０×１０１８ｃｍ−３以上で縮退状態となるため、これをチャネル層に適用した薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）はノーマリーオフを示さなくなる。したがって、本発明に係る結晶質の酸化物半導体薄膜は、上記の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）がノーマリーオフを示す範囲にキャリア濃度が制御されるため都合がよい。また、キャリア移動度は１０ｃｍ２Ｖ−１ｓｅｃ−１以上を示し、より好ましくはキャリア移動度１５ｃｍ２Ｖ−１ｓｅｃ−１以上を示し、２０ｃｍ２Ｖ−１ｓｅｃ−１以上を示せばなお一層好ましい。
【００３８】
２．酸化物半導体薄膜の製造方法
本発明の酸化物半導体薄膜の製造方法は、系内の水分圧が所定の圧力である雰囲気下にて、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用いて基板の表面にスパッタリング法によって酸化物薄膜を成膜する成膜工程と、基板の表面に形成された酸化物薄膜を、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜となるように熱処理する熱処理工程と、を含む、酸化物半導体薄膜の製造方法である。
【００３９】
以下、本発明の酸化物半導体薄膜の製造方法の好ましい一実施形態について説明する。
【００４０】
２−１．成膜工程
本発明の製造方法における成膜工程は、所定範囲の水分圧の雰囲気にて、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用い、基板の表面にスパッタリング法により酸化物薄膜を成膜する工程である。なお、「酸化物薄膜」との語は、酸化物半導体薄膜の前駆物質である薄膜として、その「酸化物半導体薄膜」と区別するために用いているのであり、半導体としての性質を有しないことを意味するものではない。
【００４１】
（１）スパッタリング法
好ましいスパッタリング法としては、直流スパッタリング法、周波数１ＭＨｚ以下の交流スパッタリング及びパルススパッタリングが挙げられる。特に、これらのうち、工業的な観点から、直流スパッタリング法が特に好ましい。なお、ＲＦスパッタリングの適用も可能だが、無指向性であるため、大型ガラス基板への均一成膜の条件の確立には困難が伴うことから敢えて選択する必要はない。
【００４２】
（２）水分圧
本発明の製造方法において、スパッタリング法により酸化物薄膜を成膜する成膜工程では、系内の水分圧を２．０×１０−３Ｐａ以上５．０×１０−１Ｐａ以下の雰囲気にて制御する。好ましくは２．０×１０−２Ｐａ以上２．０×１０−１Ｐａ以下であり、５．１×１０−２Ｐａ以上１．０×１０−１Ｐａ以下の雰囲気にて制御することがより好ましい。系内の水はスパッタリング装置チャンバー内では水蒸気として導入されることが好ましい。系内の水分圧が２．０×１０−３Ｐａ未満の場合、酸化物薄膜に取り込まれる水の成分である水素あるいは水酸基の量が少ないため、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度の低減効果を十分得ることができない。一方、５．０×１０−１Ｐａを超える場合には、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度が増大してしまうとともに、酸化物半導体薄膜のキャリア移動度が低下する。水素あるいは水酸基がドナーとして、あるいは散乱因子として振る舞うためと考えられる。なお、酸化物半導体薄膜への水素添加には、本成膜工程において、系内の水分圧での制御ではなく、系内の水素分圧の制御で代用することも可能であるが、防爆仕様の製造工程が必要になるなど安全確保のためコスト高になる可能性があることから、水分圧での制御が好ましい。
【００４３】
（３）その他のガス条件
成膜工程において、スパッタリング法による成膜の雰囲気ガスを構成するガスの種類としては、希ガス、酸素、及び水蒸気が好ましく、特に希ガスはアルゴンであることがより好ましく、水蒸気はスパッタリング装置チャンバー内に水蒸気として導入されることがより好ましい。これらの雰囲気ガスの全圧力は、０．１Ｐａ以上３．０Ｐａ以下の範囲に制御されることが好ましく、０．２Ｐａ以上０．８Ｐａ以下の範囲がより好ましく、０．３Ｐａ以上０．７Ｐａ以下の範囲であれば一層好ましい。
【００４４】
系内の雰囲気ガスのうち、系内の水分圧だけでなく、系内の酸素分圧をも制御することが好ましい。系内の酸素分圧の範囲は９．０×１０−３Ｐａ以上３．０×１０−１Ｐａ以下が好ましく、１．０×１０−２Ｐａ以上２．０×１０−１Ｐａ以下がより好ましく、２．５×１０−２Ｐａ以上９．０×１０−２Ｐａ以下がさらに好ましい。酸素分圧が９．０×１０−３Ｐａとすることにより、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度を十分に低下させることができる。また、酸化物半導体薄膜の面内のキャリア濃度のばらつきを小さくすることができる。系内の酸素分圧が３．０×１０−１Ｐａ以下とすることにより、相対的に雰囲気ガスにおける希ガス、特にアルゴンの比率が上昇するため、成膜速度が上昇し、工業的な実用性が高くなる。
【００４５】
本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜のキャリア濃度及びキャリア移動度を最適化するためには、系内の酸素分圧と系内の水分圧をうまく組み合わせることが特に好ましい。系内の酸素分圧が低すぎる場合、系内の水分圧を制御しても酸化物半導体薄膜のキャリア濃度の低減が困難となる場合がある。すなわち、系内の酸素分圧を１．０×１０−２Ｐａ以上３．０×１０−１Ｐａ以下、かつ系内の水分圧を５．０×１０−２Ｐａ以上２．０×１０−１Ｐａ以下の範囲に制御することが一層好ましく、系内の酸素分圧を５．０×１０−２Ｐａ以上２．０×１０−１Ｐａ以下、かつ系内の水分圧を５．１×１０−２Ｐａ以上７．５×１０−１Ｐａ以下の範囲に制御することがより一層好ましい。
【００４６】
（４）基板
本成膜工程において、成膜に用いる基板としては、アルカリガラス、無アルカリガラス、石英ガラス等の無機材料、又は透明耐熱性樹脂であって、板、シート、あるいはフィルム等の形態のものを使用することができる。また、上記の基板に酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム等の無機材料、あるいは耐熱性を有する有機材料をさらに形成した基材からなる基板であってもよい。
【００４７】
（５）基板温度
本成膜工程において、スパッタリング法による成膜の基板温度は、室温以上３００℃以下が好ましいが、基板温度１００℃以上３００℃以下がより好ましい。基板温度１００℃未満で、系内の酸素分圧を２．４×１０−２Ｐａ以上とすると、膜中に過剰な酸素が取り込まれてしまう場合がある。過剰な酸素は、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度低減を阻害する、あるいは酸化物半導体薄膜の面内のキャリア濃度のばらつきが大きいなどの原因となる。一方、基板温度が３００℃を超えると、成膜直後の酸化物薄膜が結晶化してしまう場合があり好ましくない。成膜工程において基板上に形成された酸化物薄膜は、非晶質又は微結晶の薄膜であることが好ましい。後述するように、成膜工程の後のエッチング工程において、特にウエットエッチングにより所定のチャネル層形状への微細加工が容易になる。
【００４８】
（６）Ｔ−Ｓ間距離
成膜工程において、スパッタリング法による成膜におけるターゲットと基板間の距離（Ｔ−Ｓ間距離）は、１５０ｍｍ以下が好ましく、１１０ｍｍ以下がより好ましく、特に好ましくは８０ｍｍ以下である。Ｔ−Ｓ間距離が１５０ｍｍを超える場合、成膜速度が著しく低下してしまい工業的な実用性が乏しくなるおそれがある。Ｔ−Ｓ間距離を短くすることで成膜速度を高めることができるため工業的な実用性に優れるが、反面、成膜される酸化物薄膜がプラズマによるダメージを受けるおそれがあるため、１０ｍｍ以上が好ましく、２０ｍｍ以上がより好ましく、特に好ましくは３０ｍｍ以上である。
【００４９】
（７）ターゲット
成膜工程において、スパッタリング法による成膜には、インジウム及びガリウムを酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用いる。特に、インジウム及びガリウムを酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用いることが好ましいが、さらに正三価元素のホウ素、アルミニウム、スカンジウム、イットリウムのうち１種以上が添加された酸化物焼結体からなるターゲットを用いてもよい。インジウム及びガリウムを酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットは、少なくともビックスバイト型構造のＩｎ２Ｏ３相を含有することが好ましく、さらにＩｎ２Ｏ３相以外の生成相としてβ−Ｇａ２Ｏ３型構造のＧａＩｎＯ３相、あるいはβ−Ｇａ２Ｏ３型構造のＧａＩｎＯ３相と（Ｇａ，Ｉｎ）２Ｏ３相によって構成されることが特に好ましい。このような組織を有する酸化物焼結体からなるターゲットの密度は、６．３ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。密度が６．３ｇ／ｃｍ３未満である場合、量産使用時のノジュール発生の原因となる場合がある。また、直流スパッタリング成膜で主に使用されることから、良好な導電性が必要であるため、酸化物焼結体からなるターゲットは酸素含有雰囲気で焼結されることが好ましく、特に酸素雰囲気で焼結されることが好ましい。
【００５０】
インジウム及びガリウムを酸化物として含有する酸化物焼結体又はそのターゲットにおいて、ガリウムの含有量は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で、下限としては０．１５以上であることが好ましく、０．１７以上であることがより好ましく、０．２０超であることが更に好ましい。上限としては０．３０以下であることが好ましく、０．２５以下であることがより好ましく、０．２３以下であることが更に好ましい。酸化物焼結体又はそのターゲットにおけるガリウムの含有量は、本発明の製造方法によって得られる酸化物半導体薄膜のガリウムの含有量と、同一となる。
【００５１】
２−２．熱処理工程
熱処理工程は、基板の表面に形成された酸化物薄膜を結晶質の酸化物半導体薄膜となるように熱処理する工程である。非平衡プロセスのスパッタリング法による成膜によって得られた酸化物薄膜には、欠陥が過剰に導入される。過剰な欠陥の導入によってイオン（原子）や格子の配列などの薄膜構造の乱れが生じ、これはキャリア濃度の増加やキャリア移動度の低下に帰結する。そこで、この酸化物薄膜を熱処理することによって、酸化物薄膜の過剰な欠陥を減少させるとともに、乱れている酸化物薄膜の構造を回復させ、そしてキャリア濃度及びキャリア移動度を安定化させることができる。更に、熱処理することにより、酸化物薄膜が結晶質の酸化物半導体薄膜に形成される。熱処理することによって、適度なキャリア濃度に制御された高いキャリア移動度である結晶質の酸化物半導体薄膜とすることが可能になる。
【００５２】
（１）熱処理方法
結晶質の酸化物半導体薄膜となるように熱処理する方法としては、一般的ないわゆる抵抗加熱による方法以外に、赤外線加熱やランプ加熱処理方法やレーザー処理方法が挙げられる。具体的な熱処理方法としては、赤外線加熱を利用した急速熱処理法（ＲＴＡ；Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）、あるいはランプ加熱による熱処理方法（ＬＡ；Ｌａｍｐ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）などが挙げられる。レーザー処理方法としては、酸化物半導体が吸収可能な波長を用いたエキシマレーザーやＹＡＧレーザーによる処理方法が挙げられる。大型ガラス基板への適用を考慮すれば、ＲＴＡなどの熱処理が好ましい。
【００５３】
（２）熱処理条件
熱処理工程における熱処理温度は、非晶質又は微結晶の酸化物薄膜を結晶化する温度以上であって、かつ基板が変形や損傷しない範囲内で適宜選択することが可能である。具体的には、酸化物薄膜におけるガリウムの含有量によっても異なるが、１００℃以上５００℃未満が好ましく、１００℃以上４５０℃以下がより好ましい。
【００５４】
熱処理工程における熱処理温度までの昇温速度は特に制限されないが、１０℃／分以上が好ましく、５０℃／分以上がより好ましく、１００℃／分以上が特に好ましい。昇温速度を高めることによって、狙いとする温度に極力限定して熱処理を実施することが可能になる。また、工程におけるスループットを高めることができるという利点もある。熱処理時間は、熱処理温度に保持される時間が１分間以上１２０分間以下であることが好ましく、５分間以上６０分間以下がより好ましい。
【００５５】
熱処理工程において、熱処理雰囲気としては、酸素含有雰囲気であって酸素濃度が３０％以上である。また、酸素濃度が１００％（純酸素）の雰囲気であることが好ましい。これらの酸化性雰囲気には水分が含まれることが好ましい。酸化性雰囲気中の水分としては、温度２２℃における相対湿度が５％以上とし、１０％以上とすることが好ましく、製造条件の安定性を考慮すれば３０％以上とすることがより好ましい。なお、酸素濃度は体積比であり、水分の体積比はこれに含まれない。
【００５６】
（３）エッチング条件
本発明の製造方法では、成膜工程にて酸化物薄膜を成膜した後、熱処理前の非晶質又は微結晶状態において、ウエットエッチングあるいはドライエッチングによって、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの用途で必要な微細加工を施すことができる。通常、結晶化温度未満の温度、例えば室温から３００℃までの範囲から適宜基板温度を選択して一旦酸化物薄膜を形成した後に、ウエットエッチングによる微細加工を施すことができる。エッチャントとしては、弱酸であれば概ね使用できるが、ＰＡＮ又は蓚酸を主成分とする弱酸であることが好ましい。例えば、関東化学製ＩＴＯ−０６Ｎなどを使用することができる。なお、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の構成によっては、ドライエッチングを選択してもよい。
【００５７】
３．薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）及びその製造方法
本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜によれば、高いキャリア移動度を維持したまま、キャリア濃度を低減させることができる。さらに、この酸化物半導体薄膜をチャネル層として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を構成することで、安定的な動作を実現することができる。
【００５８】
薄膜トランジスタとしては、本発明の製造方法によって得られる結晶質の酸化物半導体薄膜をチャネル層として備える構成であれば、特に限定されず、例えば、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、チャネル層及びゲート絶縁膜を備えるものとすることができる。
【００５９】
薄膜トランジスタは、従来公知の方法と本発明の酸化物半導体薄膜の製造方法とを組み合わせることにより製造することができる。例えば、ゲート電極の表面にゲート絶縁膜を形成し、そのゲート絶縁膜の表面にチャネル層として酸化物半導体薄膜を形成する。具体的には、ゲート絶縁膜の表面に、本発明の酸化物半導体薄膜の製造方法に基づき、酸化物薄膜を成膜した後に、熱処理することによって結晶質の酸化物半導体薄膜とし、エッチングすることによって、パターニングされた酸化物半導体薄膜（チャネル層）を形成する。そして、酸化物半導体薄膜（チャネル層）の表面にパターニングされたソース電極及びドレイン電極を形成することによって、薄膜トランジスタを製造することができる。
【００６０】
ゲート電極の表面にゲート絶縁膜を形成する方法は、例えば、Ｓｉ基板（ゲート電極）の表面に熱酸化等によってＳｉＯ2膜（ゲート絶縁膜）を形成する方法や、ＩＴＯ膜（ゲート電極）表面に、高周波マグネトロンスパッタリングによってＳｉＯ2膜（ゲート絶縁膜）を形成する方法等を挙げることができる。
【００６１】
酸化物半導体薄膜（チャネル層）の表面にソース電極及びドレイン電極を成膜する方法は、直流マグネトロンスパッタリング法により、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔなどの金属薄膜もしくはこれらの金属の合金薄膜、それら金属の導電性酸化物又は窒化物薄膜、あるいは各種の導電性高分子材料、あるいは透明ＴＦＴ向けとしてＩＴＯ等を成膜する方法を挙げることができる。
【００６２】
酸化物半導体薄膜（チャネル層）の表面にパターニングされたソース電極及びドレイン電極を形成する方法は、例えばフォトリソグラフィ技術などを利用してエッチングをする方法やリフトオフ法等を用いることができる。
【実施例】
【００６３】
以下に、本発明の実施例を用いて、さらに詳細に説明するが、本発明は、これら実施例によって限定されるものではない。
【００６４】
（実施例１）
以下に説明するプロセスによって、酸化物半導体薄膜を作製及び評価した。
【００６５】
＜酸化物半導体薄膜の作製＞
直流電源、６インチカソード、四重極質量分析計（インフィコン製）を備えたロードロック式マグネトロンスパッタリング装置（アルバック製）を用いて直流スパッタリングによる成膜を行った。ターゲットとして、インジウム及びガリウムを酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲットを用いた。ターゲットのガリウムの含有量は、表１に記載の含有量（Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比）である。実際の成膜では、１０分間のプリスパッタリング後、スパッタリングターゲットの直上、すなわち静止対向位置に基板を搬送して、膜厚５０ｎｍの酸化物薄膜を形成した。以下に成膜条件の詳細を示す。
【００６６】
［成膜条件］
基板温度：２００℃
到達真空度：３．０×１０−５Ｐａ未満
ターゲット−基板（Ｔ−Ｓ）間距離：６０ｍｍ
スパッタガス全圧：０．６Ｐａ
酸素分圧：１．２×１０−２Ｐａ
水分圧：６．５×１０−３２Ｐａ
投入電力：直流（ＤＣ）３００Ｗ
【００６７】
続いて、成膜後の酸化物薄膜に、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置を用いて、以下の条件で結晶質の酸化物半導体薄膜となるように熱処理を施すことで結晶質の酸化物半導体薄膜を得た。
【００６８】
［熱処理条件］
熱処理温度：３５０℃
雰囲気：酸素（水分を除く）
相対湿度：５０％
昇温速度：５００℃／分
【００６９】
＜酸化物半導体薄膜の特性評価＞
酸化物薄膜及び酸化物半導体薄膜の組成をＩＣＰ発光分光法によって調べた。酸化物半導体薄膜の膜厚は表面粗さ計（テンコール社製）で測定した。酸化物半導体薄膜のキャリア濃度及びキャリア移動度は、ホール効果測定装置（東陽テクニカ製）によって求めた。熱処理工程前の酸化物薄膜及び熱処理工程後の酸化物半導体薄膜の膜質の確認は、Ｘ線回折測定（フィリップス製）により行った。表１及び表２に結果を示した。なお、熱処理工程前の酸化物薄膜におけるガリウムの含有量と、熱処理工程後の酸化物半導体薄膜におけるガリウムの含有量とは、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比でいずれも同一であることは確認された。
【００７０】
実施例及び比較例のうち、代表的な酸化物半導体薄膜のＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法、アルバック・ファイ製）による測定を行った。
【００７１】
（実施例２〜１２、比較例１〜５）
ターゲット、スパッタ条件、及び熱処理条件を、表１に記載の組成を有するインジウム及びガリウムを酸化物として含有する酸化物焼結体からなるターゲット及び条件に変更したほかは、実施例１と同様にして酸化物半導体薄膜を作製し、評価した。表１及び表２に、結果をまとめて示した。
【００７２】
【表１】
2019024058.tif 000003
【００７３】
【表２】
2019024058.tif 000004
【００７４】
実施例１〜１２より、本発明の製造方法によって得られる、インジウム及びガリウムを酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜であって、ガリウムがＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．１５以上０．３０以下である酸化物半導体薄膜は、系内の酸素分圧を９．０×１０−３Ｐａ以上３．０×１０−１Ｐａ以下、かつ系内の水分圧を２．０×１０−３Ｐａ以上５．０×１０−１Ｐａ以下の範囲に制御した雰囲気にてスパッタ法で成膜され、続いて系内の温度２２℃で測定した相対湿度が５％以上かつ酸素濃度が３０％以上の雰囲気にて熱処理されることにより、キャリア濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３未満であり、キャリア移動度が１０ｃｍ２Ｖ−１ｓｅｃ−１以上を示すことがわかる。
【００７５】
特に、実施例１〜５からわかるように、本発明の製造方法によって得られる、インジウムと、ガリウムと、を酸化物として含有し、さらに水素を含有する結晶質の酸化物半導体薄膜は、熱処理の雰囲気の相対湿度を５％以上に制御することにより、キャリア濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３未満を実現することができる。
【００７６】
これに対して、比較例２では、熱処理の雰囲気の相対湿度が０％であるため、熱処理によって酸化物半導体薄膜から水素が脱離し、その結果として酸化物半導体薄膜のキャリア濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以上になってしまっている。
【００７７】
さらに、比較例１、３では、熱処理工程における雰囲気において、酸素濃度が３０％未満であるため、相対湿度を制御しても、熱処理時に酸化物半導体薄膜の酸素欠損が消失せず、その結果として酸化物半導体薄膜のキャリア濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以上になってしまっている。
【００７８】
＜Ｘ線回折測定、及び断面組織のＴＥＭ−ＥＤＸ測定＞
図１に、実施例１の酸化物半導体薄膜のＸ線回折測定結果を示す。Ｉｎ２Ｏ３のビックスバイト構造の明瞭な回折ピークがみられ、実施例１の酸化物半導体薄膜が結晶質の酸化物半導体薄膜であることが確認された。
【００７９】
＜ＳＩＭＳによる膜深さ方向の水素濃度分布の測定＞
実施例１３として、実施例１と同じ成膜条件及び熱処理条件にて作製し、膜厚を約１５０ｎｍに厚くした酸化物半導体薄膜について、熱処理前後のＳＩＭＳによる膜深さ方向の水素濃度分布を測定した。なお、膜厚を１５０ｎｍと厚くすることで、膜深さ方向の水素濃度分布の違いを比較しやすいようにしている。
【００８０】
図２に、ＳＩＭＳ測定結果を示す。相対湿度５０％の酸素雰囲気で熱処理した実施例１３の酸化物半導体薄膜においては、熱処理前後の膜深さ方向の水素濃度分布に変化はないことが確認された。したがって、本発明の製造方法によって、熱処理後も膜深さ方向の水素濃度が均一な酸化物半導体が得られることがわかった。
【００８１】
＜薄膜トランジスタの作製及び動作特性評価＞
（実施例１４）
次に、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製し、評価した。すなわち、薄膜トランジスタは、熱酸化によって厚さ１００ｎｍのＳｉＯ2膜が形成された、厚さ４７５μｍ、２０ｍｍ角の導電性ｐ型Ｓｉ基板を用いて作製した。ここで、ＳｉＯ2膜はゲート絶縁膜として機能し、導電性ｐ型Ｓｉ基板がゲート電極として機能する。
【００８２】
具体的には、ＳｉＯ2膜ゲート絶縁膜上に、実施例１の酸化物薄膜（Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比＝０．２０）を成膜した。なお、スパッタリング条件は、実施例１に準じた。
【００８３】
続いて、成膜した酸化物薄膜に対して、レジスト（東京応化工業製ＯＦＰＲ♯８００）、エッチャント（関東化学製ＩＴＯ−０６Ｎ）を用いて、フォトリソグラフィ法によりパターニングを行った。
【００８４】
次に、酸化物薄膜に、実施例１に準ずる条件で熱処理を施し、結晶質の酸化物半導体薄膜を得た。これにより、ＳｉＯ2膜ゲート絶縁膜上に、結晶質の酸化物半導体薄膜からなるチャネル層を形成した。
【００８５】
そして、チャネル層の表面に、直流マグネトロンスパッタリング法により、厚さ１０ｎｍのＴｉ膜と厚さ５０ｎｍのＡｕ膜を、この順序で成膜することで、Ａｕ／Ｔｉ積層膜からなるソース電極及びドレイン電極を成膜した。リフトオフ法によりパターニングを行い、チャネル長２０μｍ、チャネル幅５００μｍとなるように、ソース電極及びドレイン電極を成膜することで薄膜トランジスタを得た。
【００８６】
薄膜トランジスタの動作特性を、半導体パラメータアナライザ（アジレント製）を用いて評価した。その結果、薄膜トランジスタとしての動作特性を確認することができた。また、得られた薄膜トランジスタは、電界効果移動度が５４．２ｃｍ２Ｖ−１ｓｅｃ−１、ｏｎ／ｏｆｆ比が２×１０８、Ｓ値が０．２７であり、それぞれ良好な値を示すことが確認された。
【図１】
2019024058.tif 000005
【図２】
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