(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及びチャネル層を有する薄膜トランジスタであって、前記チャネル層に、
ＩｎxＺｎ1-x酸化物（０．２≦ｘ≦１）、ＩｎxＳｎ1-x酸化物（０．８≦ｘ≦１）、又はＩｎx（Ｚｎ、Ｓｎ）1-x酸化物（０．１５≦ｘ≦１）から選択される酸化物からなり、室温での電子キャリア濃度が１０18／ｃｍ3未満、室温での電子移動度が、０．１ｃｍ2／（Ｖ・秒）超であるアモルファス酸化物が用いられていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記アモルファス酸化物は、電子キャリア濃度が増加すると共に、電子移動度が増加する
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】
前記アモルファス酸化物は、縮退伝導を示す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４】
ガラス基板、金属基板、プラスチック基板又はプラスチックフィルム上に設けられている
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５】
Ａｌ2Ｏ3，Ｙ2Ｏ3，又はＨｆＯ2の１種、又はそれらの化合物を少なくとも二種含む混晶化合物をゲート絶縁層とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項６】
請求項１記載の薄膜トランジスタを製造する方法において、
ＩｎxＺｎ1-x酸化物（０．２≦ｘ≦１）、ＩｎxＳｎ1-x酸化物（０．８≦ｘ≦１）、又はＩｎx（Ｚｎ、Ｓｎ）1-x酸化物（０．１５≦ｘ≦１）から選択される多結晶をターゲットとして、
電気抵抗を高めるための不純物イオンを意図的に薄膜に添加せずに、酸素ガスを含む雰囲気中で、パルスレーザー堆積法又は気相スパッタ法を用いてチャネル層を成膜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７】
酸素ラジカル発生装置を用いて、成膜時の雰囲気に酸素ラジカルを加えることを特徴とする請求項６記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項８】
ガラス基板、金属基板、プラスチック基板又はプラスチックフィルム上にチャネル層及びゲート絶縁層を室温で成膜することを特徴とする請求項６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、チャネル層にアモルファス酸化物を用いた薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（Thin FilmTransistor, ＴＦＴ）は、ゲート端子、ソース端子、及び、ドレイン端子を備えた３端子素子であり、基板上に成膜した半導体薄膜を、電子又はホールが移動するチャネル層として用い、ゲート端子に電圧を印加して、チャネル層に流れる電流を制御し、ソース端子とドレイン端子間の電流をスイッチングする機能を有するアクテイブ素子である。ＴＦＴとして、現在、最も広く使われているのは多結晶シリコン膜又はアモルファスシリコン膜をチャネル層材料としたMetal-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor (MIS―FET)素子である。
【０００３】
また、最近では、ＺｎＯを用いた透明伝導性酸化物多結晶薄膜をチャネル層に用いたＴＦＴの開発が活発に行われている（特許文献１）。上記薄膜は、低温で成膜でき、かつ可視光に透明であるため、プラスチック板やフィルムなどの基板上にフレキシブルな透明ＴＦＴを形成することが可能である。
【０００４】
しかし、従来のＺｎＯは室温で安定なアモルファス相を形成することができず、殆どのＺｎＯは多結晶相を呈するために、多結晶粒子界面の散乱により、電子移動度を大きくすることができない。さらに、ＺｎＯは、酸素欠陥が入りやすく、キャリア電子が多数発生し、電気伝導度を小さくすることが難しい。このために、トランジスタのオン・オフ比を大きくすることも難しい。
【０００５】
また、特許文献２には、アモルファス酸化物として、ZnxMyInzO(x+3y/2+3z/2)（式中、MはＡｌ及びＧａのうち少なくとも一つの元素であり、比率x／yが0.2〜12の範囲であり、比率z／yが0.4〜1.4の範囲にある。）で表される非晶質酸化物が記載されている。しかし、ここで得られている非晶質酸化物膜の電子キャリア濃度は、１０18／ｃｍ3以上であり、単なる透明電極として用いるには充分であるもののＴＦＴのチャネル層には適用し難いものであった。なぜなら、上記非晶質酸化物膜をチャネル層としたＴＦＴでは、オン・オフ比が充分にとれず、ノーマリーオフ型のＴＦＴにはふさわしくないことが判明したからである。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−２９８０６２号公報
【特許文献２】
特開２０００−０４４２３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、電子キャリア濃度が低い、アモルファス酸化物を提供すること、更には当該アモルファス酸化物をチャネル層に用いた薄膜トランジスタを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、（１）ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及びチャネル層を有する薄膜トランジスタであって、前記チャネル層に、ＩｎxＺｎ1-x酸化物（０．２≦ｘ≦１）、ＩｎxＳｎ1-x酸化物（０．８≦ｘ≦１）、又はＩｎx（Ｚｎ、Ｓｎ）1-x酸化物（０．１５≦ｘ≦１）から選択される酸化物からなり、室温での電子キャリア濃度が１０18／ｃｍ3未満、室温での電子移動度が、０．１ｃｍ2／（Ｖ・秒）超であるアモルファス酸化物が用いられていることを特徴とする薄膜トランジスタである。
【０００９】
また、本発明は、（２）前記アモルファス酸化物は、電子キャリア濃度が増加すると共に、電子移動度が増加することを特徴とする上記（１）の薄膜トランジスタである。なお、通常の化合物では、キャリア濃度が増加するにつれて、キャリア間の散乱などにより、電子移動度は減少する。
【００１０】
前記アモルファス酸化物は、室温での電子キャリア濃度が１０16／ｃｍ3以下、室温での電子移動度が、１ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上がより好ましい。
【００１１】
また、本発明は、（３）前記アモルファス酸化物は、縮退伝導を示すことを特徴とする上記（１）の薄膜トランジスタである。なお、ここでの縮退伝導とは、電気抵抗の温度依存性における熱活性化エネルギーが、３０ｍｅＶ以下の状態をいう。
【００１２】
また、本発明は、（４）ガラス基板、金属基板、プラスチック基板又はプラスチックフィルム上に設けられていることを特徴とする上記（１）の薄膜トランジスタである。
【００１３】
また、本発明は、（５）Ａｌ2Ｏ3，Ｙ2Ｏ3、又はＨｆＯ2の１種、又はそれらの化合物を少なくとも二種含む混晶化合物をゲート絶縁層とすることを特徴とする上記（１）の薄膜トランジスタである。
【００１４】
さらに、本発明は、（６）上記（１）の薄膜トランジスタを製造する方法において、ＩｎxＺｎ1-x酸化物（０．２≦ｘ≦１）、ＩｎxＳｎ1-x酸化物（０．８≦ｘ≦１）、又はＩｎx（Ｚｎ、Ｓｎ）1-x酸化物（０．１５≦ｘ≦１）から選択される多結晶をターゲットとして、電気抵抗を高めるための不純物イオンを意図的に薄膜に添加せずに、酸素ガスを含む雰囲気中で、パルスレーザー堆積法又は気相スパッタ法を用いてチャネル層を成膜することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法である。
【００１５】
また、本発明は、（７）酸素ラジカル発生装置を用いて、成膜時の雰囲気に酸素ラジカルを加えることを特徴とする上記（６）の薄膜トランジスタの製造方法である。
【００１６】
また、本発明は、（８）ガラス基板、金属基板、プラスチック基板又はプラスチックフィルム上にチャネル層及びゲート絶縁層を室温で成膜することを特徴とする上記（６）の薄膜トランジスタの製造方法である。
【００１７】
なお、アモルファス酸化物が、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを含む酸化物であり、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：ｍ（ｍ＜６）である薄膜の成膜法及び該薄膜をチャネル層とした薄膜トランジスタについて参考例として以下に記載する。
【００１８】
また、アモルファス酸化物が、Ｉｎ，Ｇａ，ＺｎおよびＭｇを含む酸化物であり、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ1-xＭｇx＝１：１：ｍ（ｍ＜６）、０＜ｘ≦１である薄膜の成膜法及び該薄膜をチャネル層とした薄膜トランジスタについて参考例として以下に記載する。
【００１９】
また、アモルファス酸化物が、ＩｎxＧａ1-x酸化物（０≦ｘ≦１）である薄膜の成膜法及び該薄膜をチャネル層とした薄膜トランジスタについて参考例として以下に記載する。
【００２０】
上記のアモルファス酸化物薄膜は、電気抵抗を高めるための不純物イオンを意図的に添加せず、酸素ガスを含む雰囲気中で成膜することにより得られる。
【００２１】
本発明によれば、電子キャリア濃度が低い、アモルファス酸化物をチャネル層に用いた薄膜トランジスタの提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明に係る薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、そのチャネル層に電子キャリア濃度が１０18／ｃｍ3未満であるアモルファス酸化物を用いることを特徴とする。
【００２３】
ＴＦＴは、例えば図５に示すように、基板１上にチャネル層２を設け、当該チャネル層２上にゲート絶縁膜３、ゲート電極４、ソース電極６、ドレイン電極５を設けることにより構成される。本発明においては、このチャネル層として、電子キャリア濃度が１０18／ｃｍ3未満であるアモルファス酸化物を用いる。
【００２４】
本発明に適用できるＴＦＴの構成は、図５に示したように半導体チャネル層の上にゲート
絶縁膜とゲート端子（電極）とを順に形成するスタガ型（トップゲート型）構造に限らず、例えば、ゲート端子の上にゲート絶縁膜と半導体チャネル層を順に備える逆スタガ型（ボトムゲート型）構造でもよい。前述の電子キャリア濃度は、室温で測定する場合の値である。室温とは、例えば２５℃であり、具体的には０℃から４０℃程度の範囲から適宜選択されるある温度である。
【００２５】
なお、本発明に係るアモルファス酸化物の電子キャリア濃度は、０℃から４０℃の範囲全てにおいて、１０18／ｃｍ3未満を充足する必要はない。例えば、２５℃において、キャリア電子密度１０18／ｃｍ3未満が実現されていればよい。また、電子キャリア濃度を更に下げ、１０17／ｃｍ3以下、より好ましくは１０16／ｃｍ3以下にするとノーマリーオフのＴＦＴが歩留まり良く得られる。電子キャリア濃度の測定は、ホール効果測定により求めることが出来る。
【００２６】
なお、本発明において、アモルファス酸化物とは、Ｘ線回折スペクトルにおいて、ハローパターンが観測され、特定の回折線を示さない酸化物をいう。本発明のアモルファス酸化物における、電子キャリア濃度の下限値は、ＴＦＴのチャネル層として適用できれば特に限定されるものではない。下限値は、例えば、１０12／ｃｍ3である。
【００２７】
従って、本発明においては、後述する各実施例のようにアモルファス酸化物の材料、組成比、製造条件などを制御して、例えば、電子キャリア濃度を、１０12／ｃｍ3以上１０18／ｃｍ3未満とする。より好ましくは１０13／ｃｍ3以上１０17／ｃｍ3以下、更には１０15／ｃｍ3以上１０16／ｃｍ3以下の範囲にすることが好ましいものである。
【００２８】
なお、電子移動度としては、室温で測定する場合に、０．１ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上、好ましくは１ｃｍ2／（Ｖ・秒）、より好適には５ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上となるようにすることが好ましい。なお、上記アモルファス酸化物は、電子キャリア濃度が増加するとともに、電子移動度が増加する。また、その伝導性が縮退伝導を示す傾向にある。縮退伝導とは、電気抵抗の温度依存性における熱活性化エネルギーが、３０ｍｅV以下の状態をいう。
【００２９】
（アモルファス酸化物の材料）
本発明係るアモルファス酸化物のＩｎの割合は、ＩｎxＺｎ1-x（0.2≦ｘ≦1）、ＩｎxＳｎ1-x（0.8≦ｘ≦1）、又はＩｎx（Ｚｎ、Ｓｎ）1-x（0.15≦ｘ≦1）で示される。ｘ＝１のときは、Ｉｎの一元酸化物となる。なお、Ｉｎx（Ｚｎ、Ｓｎ）1-xにおけるＺｎとＳｎの組成比は適宜選択することができる。すなわち、Ｉｎx（Ｚｎ、Ｓｎ）1-x酸化物は、Ｉｎx（ＺｎyＳｎ1-y）1-x酸化物と記載することができ、ｙの範囲は１から０である。
【００３０】
上記の一元、二元、三元酸化物アモルファス膜にＺｎより原子番号の小さい２族元素Ｍ２（Ｍ２は、Ｍｇ，Ｃａ）、Ｉｎより原子番号の小さい３族元素Ｍ３（Ｍ３は、Ｂ，Ａｌ，Ｙ）及びＬｕ，Ｓｎより原子番号の小さい４族元素Ｍ４（Ｍ４は、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｚｒ）、５族元素Ｍ５（Ｍ５は、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）又はＷのうち、少なくとも１種類の複合酸化物を構成する元素を添加することにより、より電子キャリア濃度を減少させることができる。
【００３１】
それぞれ、Ｚｎ，Ｉｎ，Ｓｎより原子番号の小さなＭ２，Ｍ３，Ｍ４元素は、Ｚｎ，Ｉｎ，Ｓｎよりイオン性が強く、そのために酸素欠陥の発生が少なく、電子キャリア濃度を低減できる。また、Ｌｕは、イオン性が強く、Ｍ３と同様の機能を果たす。Ｍ５は、プラス５価でイオン化するために、酸素との結合が強く、酸素欠陥を生じにくい。Ｗは、６価イオン化するために、酸素との結合が強く、酸素欠陥を生じにくい。
【００３２】
本発明に適用できるアモルファス酸化物の成分であるＺｎＯ及びＳｎＯ2は、従来単独でアモルファス化が困難であった。
【００３３】
このように、本発明に適用できるアモルファス酸化物としては、ＳｎＯ2，Ｉｎ2Ｏ3及びＺｎＯを頂点とする３角形で示される組成の頂点、辺、及び内部に位置する一元系、二元系、又は三元系組成の化合物である。上記ＳｎＯ2，Ｉｎ2Ｏ3、又はＺｎＯの３種類の化合物のうち、Ｉｎ2Ｏ3はアモルファス形成能が大きく気相法において成膜中の雰囲気に水分を、０．１Ｐａ程度添加するなどの手段により成膜した状態で完全非晶質相を形成できる。
【００３４】
一方、ＺｎＯ及びＳｎＯ2は、単独でアモルファス相を形成しがたい場合があるが、Ｉｎ2Ｏ3をホスト酸化物とすることにより非晶質相を形成できる。具体的には、上記３種の化合物のうち二つを含む二元系組成（上記３角形の辺に位置する組成）のうち、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系では、Ｉｎが約２０原子％以上含まれる組成、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｏ系の場合には、Ｉｎが約８０原子％以上含まれる組成で、アモルファス膜を作成することができる。
【００３５】
Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス膜を気相法で得るためには、例えば、雰囲気中に水蒸気を０．１Ｐａ程度、又、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ系アモルファス膜を得るためには、雰囲気中に窒素ガスを０．１Ｐａ程度導入すればよい。上記化合物のうち３つを含む三元系組成であるＳｎ−Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系では、Ｉｎが約１５原子％を以上の組成範囲で、気相法によりアモルファス膜を得る事ができる。なお、ここでの原子％は、酸素イオンを除いた金属イオン内のみに対する原子％を示している。すなわち、例えば、「Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系での、Ｉｎが約２０原子％以上」とは、ＩｎxＺｎ1-x（ｘ≧０．２）である。
【００３６】
また、上記の各アモルファス酸化物膜の組成において、下記のようにそれぞれの元素を添加することもできる。具体的には、Ｚｎより原子番号の小さい２族元素Ｍ２（Ｍ２は、Ｍｇ，Ｃａ）、Ｉｎより原子番号の小さい３族元素Ｍ３（Ｍ３は、Ｂ，Ａｌ，Ｙ）又はＬｕ，及び、Ｓｎより原子番号の小さい４族元素Ｍ４（Ｍ４は、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｚｒ）のうち、少なくとも１種類のＺｎ、Ｉｎ、又はＳｎと複合酸化物を構成する元素を添加することができる。さらに、本発明に適用されるアモルファス酸化物膜は、上記組成に、５族元素Ｍ５（Ｍ５は、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）又はＷのうち、少なくとも１種類のＺｎ、Ｉｎ、又はＳｎと複合酸化物を構成する元素を添加することができる。
【００３７】
上記Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、又はＭ５の元素を添加することにより、室温での、アモルファス膜をより安定化させることができ、さらに、アモルファス膜が得られる組成範囲を広げることができる。特に、共有結合性の強い、Ｂ，Ｓｉ，Ｇｅの添加は、アモルファス相安定化に有効であるし、イオン半径の差の大きいイオンから構成される複合酸化物は、アモルファス相が安定化する。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系では、Ｉｎが約２０原子％超の組成範囲でないと、室温で安定なアモルファス膜は得にくいが、ＭｇをＩｎと当量添加することにより、Ｉｎが約１５原子％超の組成範囲で、安定なアモルファス膜を得ることができる。
【００３８】
次に、参考例に係わる薄膜トランジスタのチャネル層に適用できるアモルファス酸化物材料の例について説明する。チャネル層に用いられる参考例のアモルファス酸化物は、Ｉｎ，Ｇａ，Ｚｎを含み、且つ原子数比でＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：ｍを満たす酸化物である。ここで、ｍは６未満の数である。なお、ｍの値は、自然数であってもよいが、必ずしも自然数である必要はない。なお、本明細書の他の箇所におけるｍも同様である。なお、原子数比はモル比と考えてもよい。
【００３９】
結晶状態における組成がInGaO3(ZnO)m(mは６未満の数)で表される透明アモルファス酸化物薄膜は、ｍの値が６未満の場合は、８００℃以上の高温まで、アモルファス状態が安定に保たれるが、ｍの値が大きくなるにつれ、すなわち、InGaO3に対するZnOの比が増大して、ＺｎＯ組成に近づくにつれ、結晶化しやすくなる。したがって、アモルファスＴＦＴのチャネル層としては、ｍの値が６未満であることが好ましい。スパッタリング法やパルスレーザー蒸着法により成膜を行う際のターゲット材料（例えば多結晶体）の組成比を、上記ｍ＜６を満たすようにすれば、所望のアモルファス酸化物が得られる。
【００４０】
また、上記参考例のアモルファス酸化物としては、上記ＩｎＧａＺｎの構成比において、ＺｎをＺｎ1-xＭｇxに置換することもできる。Ｍｇの置換量は、０＜ｘ≦１の範囲で可能である。なお、Ｍｇに置換すると、酸化物膜の電子移動度は、Ｍｇ無添加膜に比べて低下するが、その程度は少なく、一方でさらに、電子キャリア濃度を置換しない場合に比べて下げることができるので、ＴＦＴのチャネル層としてはより好適である。Ｍｇの置換量は、好ましくは、２０％超、８５％未満（ｘにして、０．２＜ｘ＜０．８５）、より好ましくは、０．５＜ｘ＜０．８５である。
【００４１】
更にまた、前記参考例のアモルファス酸化物として、ＺｎとＳｎを含まないＩｎ酸化物の場合は、Ｉｎの一部をＧａに置換することもできる。即ち、ＩｎxＧａ1-x酸化物（０≦ｘ≦1）の場合である。
【００４２】
（アモルファス酸化物の製造方法）
本発明に用いるアモルファス酸化物は、以下の各実施例に示す条件下において気相成膜法を利用して形成することができる。例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ系アモルファス酸化物を得るには、Ｉｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして、スッパタ法（ＳＰ法）、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）及び電子ビーム蒸着法などの気相法により成膜を行う。尚、量産性の観点からは、スパッタ法が最も適している。
【００４３】
なお、アモルファス酸化物膜の成膜時の雰囲気に酸素ラジカルを加えてもよく、この酸素ラジカルの添加は、酸素ラジカル発生装置を用いればよい。なお、成膜後に電子キャリア濃度を増加させる必要がある場合には、当該膜を還元雰囲気中で、熱処理をすることにより電子キャリア濃度を増加させることができる。こうして得られた電子キャリア濃度の異なるアモルファス酸化物膜について、電子移動度の電子キャリア濃度依存性を調べると、電子移動度は電子キャリア濃度が増加すると共に増加している。
【００４４】
（基板）
本発明に係る薄膜トランジスタを形成する際の基板としては、ガラス基板、プラスチック基板、プラスチックフィルムなどを用いることができる。なお、後述の実施例で説明するように、本発明に係るアモルファス酸化物は、室温で成膜することができるので、ＰＥＴフィルムをはじめとするフレキシブル素材上に薄膜トランジスタを設けることが出来る。また、上述のアモルファス酸化物を適宜選択し、波長400nm以上の可視光や赤外光に対して透明である材料を用いてＴＦＴを作製することもできる。
【００４５】
（ゲート絶縁膜）
本発明に係る薄膜トランジスタにおけるゲート絶縁膜としては、Ａｌ2Ｏ3，Ｙ2Ｏ3，ＨｆＯ2，又はそれらの化合物を少なくとも二つ以上含む混晶化合物をゲート絶縁膜とすることが好ましい。ゲート絶縁薄膜とチャネル層薄膜との界面に欠陥が存在すると、電子移動度の低下及びトランジスタ特性にヒステリシスが生じる。また、ゲート絶縁膜の種類により、リーク電流が大きく異なる。このために、チャネル層に適合したゲート絶縁膜を選定する必要がある。
【００４６】
Ａｌ2Ｏ3膜を用いれば、リーク電流を低減できる。また、Ｙ2Ｏ3膜を用いればヒステリシスを小さくできる。さらに、高誘電率のＨｆＯ2膜を用いれば、電界効果移動度を大きくすることができる。また、これらの化合物の混晶からなる膜を用いて、リーク電流、ヒステリシスが小さく、電界効果移動度の大きなＴＦＴを形成できる。また、ゲート絶縁膜形成プロセス及びチャネル層形成プロセスは、室温で行うことができるので、ＴＦＴ構造として、スタガ構造及び逆スタガ構造いずれをも形成することができる。
【００４７】
（トランジスタ）
電子キャリア濃度が１０18／ｃｍ3未満のアモルファス酸化物膜をチャネル層に用い、ソース端子、ドレイン端子及びゲート絶縁膜を介してゲート端子を配した電界効果型トランジスタを構成すると、ソース・ドレイン端子間に５Ｖ程度の電圧を印加したとき、ゲート電圧を印加しないときのソース・ドレイン端子間の電流を約１０-7アンペヤにすることができる。電子キャリア濃度の理論的下限界は、価電子帯の電子が熱的に励起されるとすると仮定すると、１０5／ｃｍ3以下であるが、実際的な可能性としては、１０12／ｃｍ3程度である。
【００４８】
また、Ａｌ2Ｏ3，Ｙ2Ｏ3，又はＨｆＯ2の１種、又はそれらの化合物を少なくとも二種以上含む混晶化合物をゲート絶縁層として用いれば、ソース・ゲート端子間及びドレイン・ゲート端子間のリーク電流を約１０-7アンペヤにすることができ、ノーマリーオフ・トランジスタを実現できる。
【００４９】
金属酸化物結晶の電子移動度は、金属イオンのｓ軌道の重なりが大きくなるほど、大きくなり、原子番号の大きなＺｎ，Ｉｎ，Ｓｎの酸化物結晶は、０．１から２００ｃｍ2／（Ｖ・秒）の大きな電子移動度を持つ。さらに、金属酸化物では、酸素と金属イオンとがイオン結合しているために、化学結合の方向性がなく、構造がランダムで、結合の方向が不均一なアモルファス状態でも、電子移動度は、結晶状態の電子移動度に比較して、同程度の大きさを有することが可能となる。一方で、Ｚｎ，Ｉｎ，Ｓｎを原子番号の小さな元素で一部置換することにより、電子移動度は小さくなる。従って、上記したアモルファス酸化物を用いることにより、電子移動度を、約０．０１ｃｍ2／（Ｖ・秒）から２０ｃｍ2／（Ｖ・秒）の範囲に制御できる。
【００５０】
また、通常の化合物では、キャリア濃度が増加するにつれて、キャリア間の散乱などにより、電子移動度は減少するが、それに対して、本発明に適用するアモルファス酸化物では、電子キャリア濃度の増加とともに、電子移動度が増加するが、その物理機構は明確でない。
【００５１】
ゲート端子に電圧を印加すると、上記アモルファス酸化物からなるチャネル層に、電子を注入できるので、ソース・ドレイン端子間に電流が流れ、両端子間がオン状態になる。本発明に適用するアモルファス酸化物膜は、オン状態で電子キャリア濃度が増加すると、電子移動度が大きくなるので、トランジスタがオン状態での電流を、より大きくすることができる。すなわち、飽和電流及びオン・オフ比をより大きくすることができる。電子移動度が大きなアモルファス酸化物膜をＴＦＴのチャネル層として用いれば、飽和電流を大きくすることができるし、また、ＴＦＴのスウィッチング速度を大きくでき、高速動作が可能となる。
【００５２】
例えば、電子移動度が、０．０１ｃｍ2／（Ｖ・秒）程度であれば、液晶表示素子を駆動するＴＦＴのチャネル層として用いることができる。また、電子移動度が、０．１ｃｍ2／（Ｖ・秒）程度であるアモルファス酸化物膜を用いれば、アモルファスシリコン膜を用いたＴＦＴと同等以上の性能を有し、動画像用表示素子を駆動するＴＦＴを作成することができる。
【００５３】
さらに、電流で駆動する有機発光ダイオードを動作させる場合など大きな電流を必要とするＴＦＴを実現するためには、電子移動度は、１ｃｍ2／（Ｖ・秒）超であることが望ましい。なお、本発明に適用する酸化物の特徴である縮退伝導を示すアモルファス酸化物をチャネル層に用いた場合、電子キャリア濃度が多い状態での電流、すなわちトランジスタの飽和電流の温度依存性が小さくなり、温度特性に優れたＴＦＴを実現できる。
【００５４】
以下にアモルファス酸化物の成膜方法を参考例と実施例に基づいて詳細に説明する。
（参考例１：ＰＬＤ法によるアモルファスIn-Ga-Zn-O薄膜の作製）
図７に示すようなＰＬＤ成膜装置を用いて、成膜を行った。同図において、７０１はＲＰ（ロータリーポンプ）、７０２はＴＭＰ（ターボ分子ポンプ）、７０３は準備室、７０４はＲＨＥＥＤ用電子銃、７０５は基板を回転、上下移動するための基板保持手段、７０６はレーザー入射窓、７０７は基板、７０８はターゲット、７０９はラジカル源、７１０はガス導入口、７１１はターゲットを回転、上下移動するためのターゲット保持手段、７１２はバイパスライン、７１３はメインライン、７１４はＴＭＰ（ターボ分子ポンプ）、７１５はＲＰ（ロータリーポンプ）、７１６はチタンゲッターポンプ、７１７はシャッターである。また、図中７１８はＩＧ（イオン真空計）、７１９はＰＧ（ピラニ真空計）、７２０はＢＧ（バラトロン真空計）、７２１は成長室（チャンバー）である。
【００５５】
KrFエキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法により、SiO2ガラス基板（コーニング社製1737）上にIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を堆積させた。堆積前の処理として、基板の超音波による脱脂洗浄を、アセトン,エタノール, 超純水を用いて、各5分間行った後、空気中100℃で乾燥させた。
【００５６】
前記多結晶ターゲットには、InGaO3(ZnO)4焼結体ターゲット（サイズ20mmΦ5mmt）を用いた。これは、出発原料として、In2O3：Ga2O3：ZnO（各4N試薬）を湿式混合した後(溶媒：エタノール)、仮焼（1000℃： 2h）、乾式粉砕、本焼結（1550 ℃： 2h）)を経て得られるものである。こうして作製したターゲットの電気伝導度は、90(S/cm)であった。
【００５７】
成長室の到達真空を2×10-6(Pa)にして、成長中の酸素分圧を6.5 (Pa)に制御して成膜を行った。チャンバー７２１内酸素分圧は６．５Pa、基板温度は25℃である。なお、ターゲット７０８と被成膜基板７０７間の距離は、30(mm)であり、入射窓７１６から入射されるＫｒＦエキシマレーザーのパワーは、１.5-3(mJ/cm2/pulse)の範囲である。また、パルス幅は、20(nsec)、繰り返し周波数は10(Hz)、そして照射スポット径は、1×1(mm角)とした。こうして、成膜レート7(nm/min)で成膜を行った。
【００５８】
得られた薄膜について、薄膜のすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角0.5度）を行ったところ、明瞭な回折ピークは認めらなかったことから、作製したIn-Ga-Zn-O系薄膜はアモルファスであるといえる。さらに、Ｘ線反射率測定を行い、パターンの解析を行った結果、薄膜の平均二乗粗さ（Rrms）は約0.5 nmであり、膜厚は約120 nmであることが分かった。蛍光Ｘ線（XRF）分析の結果、薄膜の金属組成比はIn：Ga：Zn＝0.98：1.02：4であった。電気伝導度は、約10-2 S/cm未満であった。電子キャリア濃度は約1016/cm3以下、電子移動度は約５cm2／（Ｖ・秒）と推定される。
【００５９】
光吸収スペクトルの解析から、作製したアモルファス薄膜の禁制帯エネルギー幅は、約3 eVと求まった。以上のことから、作製したIn-Ga-Zn-O系薄膜は、結晶のInGaO3(ZnO)4の組成に近いアモルファス相を呈しており、酸素欠損が少なく、電気伝導度が小さな透明な平坦薄膜であることが分かった。
【００６０】
具体的に図１を用いて説明する。同図は、In-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態を仮定した時の組成がInGaO3(ZnO)m(mは６未満の数)で表される透明アモルファス酸化物薄膜を本参考例と同じ条件下で作成する場合に、酸素分圧を変化させた場合に、成膜された酸化物の電子キャリア濃度の変化を示したものである。
【００６１】
本参考例と同じ条件下で酸素分圧を４．５Ｐａ超の高い雰囲気中で、成膜することにより、図１に示すように、電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満に低下させることができた。この場合、基板の温度は意図的に加温しない状態で、ほぼ室温に維持されている。フレキシブルなプラスチックフィルムを基板として使用するには、基板温度は100℃未満に保つことが好ましい。
【００６２】
酸素分圧をさらに大きくすると、電子キャリア濃度をさらに低下させることができる。例えば、図１に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧５Ｐａで成膜したInGaO3(ZnO)4薄膜では、さらに、電子キャリア数を１０16／ｃｍ3に低下させることができた。
【００６３】
得られた薄膜は、図２に示す様に、電子移動度が１ｃｍ2／（Ｖ・秒）超であった。しかし、本参考例のパルスレーザー蒸着法では、酸素分圧を６．５Ｐａ以上にすると、堆積した膜の表面が凸凹となり、ＴＦＴのチャネル層として用いることが困難となる。従って、酸素分圧４．５Ｐａ超、望ましくは５Ｐａ超、６．５Ｐａ未満の雰囲気で、パルスレーザー蒸着法で作製したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏから構成され、結晶状態における組成ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）m（ｍは６未満の数）で表される透明アモルファス酸化物薄膜を用いれば、ノーマリーオフのトランジスタを構成することができる。
【００６４】
また、該薄膜の電子移動度は、１ｃｍ2／Ｖ・秒超が得られ、オン・オフ比を１０3超に大きくすることができた。以上、説明したように、本参考例に示した条件下でＰＬＤ法によりＩｎＧａＺｎ酸化物の成膜を行う場合は、酸素分圧を４．５Ｐａ以上６．５Ｐａ未満になるように制御することが望ましい。なお、電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満を実現するためには、酸素分圧の条件、成膜装置の構成や、成膜する材料や組成などに依存する。
【００６５】
（参考例２：ＰＬＤ法によるアモルファスＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）及びＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4酸化物膜の成膜）
ＫｒＦエキシマレーザーを用いたＰＬＤ法により、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）及びＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をそれぞれターゲットとして、ガラス基板（コーニング社製１７３７）上にＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を堆積させた。ＰＬＤ成膜装置は、参考例１で示したものを用い、成膜条件は上記と同様とした。基板温度は２５℃で成膜を行った。
【００６６】
得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角０．５度）を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、２種類のターゲットから作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系膜は、いずれもアモルファス膜であることが示された。
【００６７】
さらに、ガラス基板上のＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜のＸ線反射率測定を行い、パターンの解析を行った結果、薄膜の平均二乗粗さ（Ｒｒｍｓ）は約０．５ｎｍであり、膜厚は約１２０ｎｍであることが分かった。蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られた膜の金属原子組成比はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１．１：１．１：０．９であった。また、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られた膜の金属原子組成比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝０．９８：１．０２：４であった。
【００６８】
成膜時の雰囲気の酸素分圧を変化させ、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られたアモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度を測定した。その結果を図１に示す。酸素分圧が４．５Ｐａ超の雰囲気中で成膜することにより、電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満に低下させることができた。この場合、基板の温度は意図的に加温しない状態でほぼ室温に維持されている。また、酸素分圧が６．５Ｐａ未満の時は、得られたアモルファス酸化物膜の表面は平坦であった。
【００６９】
酸素分圧が５Ｐａの時、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られたアモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度は１０16／ｃｍ3、電気伝導度は、１０-2Ｓ／ｃｍであった。また、電子移動度は、約５ｃｍ2／Ｖ・秒と推測された。光吸収スペクトルの解析から、作製したアモルファス酸化物膜の禁制帯エネルギー幅は、約３ｅＶと求まった。酸素分圧を５Ｐａからさらに大きくすると、電子キャリア濃度をさらに低下させることができた。
【００７０】
図１に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧６Ｐａで成膜したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜では、電子キャリア濃度を８×１０15／ｃｍ3（電気伝導度：約８×１０-3Ｓ／ｃｍ）に低下させることができた。得られた膜は、電子移動度が１ｃｍ2／（Ｖ・秒）超と推測された。しかし、ＰＬＤ法では、酸素分圧を６．５Ｐａ以上にすると、堆積した膜の表面が凸凹となり、ＴＦＴのチャネル層として用いることが困難となった。
【００７１】
ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、異なる酸素分圧で成膜したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜に関して、電子キャリア濃度と電子移動度の関係を調べた。その結果を図２に示す。電子キャリア濃度が、１０16／ｃｍ3から１０20／ｃｍ3に増加すると、電子移動度は、約３ｃｍ2／（Ｖ・秒）から約１１ｃｍ2／（Ｖ・秒）に増加ことが示された。また、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られたアモルファス酸化物膜に関しても、同様の傾向が見られた。
【００７２】
ガラス基板の代わりに厚さ２００μｍのポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを用いた場合にも、得られたＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜は、同様の特性を示した。
【００７３】
（参考例３：ＳＰ法によるＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の成膜）
雰囲気ガスとしてアルゴンガスを用いた高周波ＳＰ法により、成膜する場合について説明する。ＳＰ法は、図８に示す装置を用いて行った。同図において、８０７は被成膜基板、８０８はターゲット、８０５は冷却機構付き基板保持手段、８１４は、ターボ分子ポンプ、８１５はロータリーポンプ、８１７はシャッター、８１８はイオン真空計、８１９はピラニ真空計、８２１は成長室（チャンバー）、８３０はゲートバルブである。被成膜基板８０７としては、ＳｉＯ２ガラス基板（コーニング社製１７３７）を用意した。成膜前処理として、この基板の超音波脱脂洗浄を、アセトン、エタノール、超純水により各５分ずつ行った後、空気中１００℃で乾燥させた。
【００７４】
ターゲット材料としては、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体（サイズ２０ｍｍΦ５ｍｍｔ）を用いた。この焼結体は、出発原料として、Ｉｎ2Ｏ3：Ｇａ2Ｏ3：ＺｎＯ（各４Ｎ試薬）を湿式混合（溶媒：エタノール）し、仮焼（１０００℃：２ｈ）、乾式粉砕、本焼結（１５５０℃：２ｈ）を経て作製した。このターゲット８０８の電気伝導度は９０（Ｓ／ｃｍ）であり、半絶縁体状態であった。
【００７５】
成長室８２１内の到達真空は、１×１０-4（Ｐａ）であり、成長中の酸素ガスとアルゴンガスの全圧は、４〜０．１ｘ１０-1（Ｐａ）の範囲での一定の値とし、アルゴンガスと酸素との分圧比を変えて、酸素分圧を、１０-3〜２ｘ１０-1（Ｐａ）の範囲で変化させた。また、基板温度は、室温とし、ターゲット８０８と被成膜基板８０７間の距離は、３０（ｍｍ）であった。投入電力は、ＲＦ１８０Ｗであり、成膜レートは、１０（ｎｍ／ｍｉｎ）で行った。
【００７６】
得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角＝０．５度）を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系膜はアモルファス膜であることが示された。さらに、Ｘ線反射率測定を行い、パターンの解析を行った結果、薄膜の平均二乗粗さ（Ｒｒｍｓ）は約０．５ｎｍであり、膜厚は約１２０ｎｍであることが分かった。蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、薄膜の金属組成比はＩｎ: Ga : Zn = 0.98 :1.02 : 4であった。
【００７７】
成膜時の雰囲気の酸素分圧を変化させて得られたアモルファス酸化物膜の電気伝導度を測定した。その結果を図３に示す。図３に示すように、酸素分圧を３×１０-2Ｐａ超の高い雰囲気中で、成膜することにより、電気伝導度を１０-2Ｓ／ｃｍ未満に低下させることができた。
【００７８】
酸素分圧をさらに大きくすることにより、電子キャリア数を低下させることができた。
例えば、図３に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧１０-1Ｐａで成膜したInGaO3(ZnO)4薄膜では、さらに、電気伝導度を約１０-10Ｓ／ｃｍに低下させることができた。また、酸素分圧１０-1Ｐａ超で成膜したInGaO3(ZnO)4薄膜は、電気抵抗が高すぎて電気伝導度は測定できなかった。この場合、電子移動度は測定できなかったが、電子キャリア濃度が大きな膜での値から外挿して、電子移動度は、約１ｃｍ2／Ｖ・秒と推定された。
【００７９】
すなわち、酸素分圧３×１０-2Ｐａ超、望ましくは5×１０-1Ｐａ超のアルゴンガス雰囲気で、スパッタ蒸着法で作製したIn-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態における組成InGaO3(ZnO)m(mは６未満の自然数)で表される透明アモルファス酸化物薄膜を用い、ノーマリーオフで、かつオン・オフ比を１０3超のトランジスタを構成することができた。
【００８０】
本参考例で示した装置、材料を用いる場合は、スパッタによる成膜の際の酸素分圧としては、例えば、３×１０-2Ｐａ以上、５×１０-1Ｐａ以下の範囲である。なお、パルスレーザー蒸着法およびスパッタ法で作成された薄膜では、図２に示す様に、伝導電子数の増加と共に、電子移動度が増加する。
【００８１】
上記のとおり、酸素分圧を制御することにより、酸素欠陥を低減でき、その結果、電子キャリア濃度を減少できる。また、アモルファス状態では、多結晶状態とは異なり、本質的に粒子界面が存在しないために、高電子移動度のアモルファス薄膜を得ることができる。なお、ガラス基板の代わりに厚さ２００μｍのポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを用いた場合にも、得られたＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4アモルファス酸化物膜は、同様の特性を示した。
【００８２】
（参考例４：ＰＬＤ法によるＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の成膜）
次に、ＰＬＤ法により、ガラス基板上にＩｎＧａＯ3 (Ｚｎ1-xＭｇxＯ)4(0＜x＜1)膜を成膜する場合について説明する。成膜装置としては、図７に記載の成膜装置を用いて行った。被成膜基板としては、SiO2ガラス基板（コーニング社製1737）を用意した。その基板に前処理として、超音波脱脂洗浄を、アセトン、エタノール、超純水により各5分間ずつ行った後、空気中１００℃で.乾燥させた。
【００８３】
ターゲットとしては、InGa(Zn1-xMgxO)4(x=1-0)焼結体（サイズ20mmΦ5mmt）を用いた。
ターゲットは、出発原料In2O3：Ga2O3：ZnO：MgO（各4N試薬）を、湿式混合(溶媒：エタノール)、仮焼（1000℃：2h）、乾式粉砕、本焼結（1550℃：2h）を経て作製した。
【００８４】
成長室到達真空は、2×10-6(Pa)であり、成長中の酸素分圧は、0.8(Pa)とした。基板温度は、室温（２５℃）で行い、ターゲットと被成膜基板間の距離は、30(mm)であった。なお、ＫｒＦエキシマレーザーのパワーは、１.5(mJ/cm2/pulse)、パルス幅は、20(nsec)、繰り返し周波数は、10(Hz)、照射スポット径は、1×1(mm角)とした。成膜レートは、7(nm/min)であった。
【００８５】
このようにして得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角 0.5度）を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ−Ｏ系膜はアモルファス膜であることが示された。得られた膜の表面は平坦であった。
【００８６】
異なるｘ値のターゲットを用いて、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気中で成膜したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電気伝導度、電子キャリア濃度及び電子移動度のｘ値依存性を調べた。尚、ターゲットとして、多結晶InGaO3(Zn1-xＭｇxO)m(mは６未満の自然数、0<x≦1を用いれば、１Ｐａ未満の酸素分圧下でも、高抵抗アモルファスInGaO3(Zn1-xＭｇxO)m膜を得ることができた。
【００８７】
その結果を、図４に示す。ｘ値が０．４超のとき、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気中で、ＰＬＤ法により成膜したアモルファス酸化物膜では、電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満にできることが示された。また、ｘ値が０．４超のアモルファス酸化物膜では、電子移動度は、１ｃｍ2／Ｖ・秒超であった。図４に示すように、Ｚｎを８０原子％のＭｇで置換したターゲットを使用した場合、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気で、パルスレーザー堆積法で得られた膜の電子キャリア濃度を１０16／ｃｍ3未満とすることができる。
【００８８】
こうした膜の電子移動度は、Ｍｇ無添加膜に比べて低下するが、その程度は少なく、室温での電子移動度は約５ｃｍ2／（Ｖ・秒）で、アモルファスシリコンに比べて、１桁程度大きな値を示す。同じ条件で成膜した場合、Ｍｇ含有量の増加に対して、電気伝導度と電子移動度は、共に低下するので、Ｍｇの含有量は、好ましくは、２０原子％超、８５原子％未満（ｘにして、０．２＜ｘ＜０．８５）、より好適には０.５＜ｘ＜０．８５である。
【００８９】
なお、ガラス基板の代わりに厚さ２００μｍのポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを用いた場合にも、得られたＩｎＧａＯ3 (Ｚｎ1-xＭｇxＯ)4(0<x≦1)アモルファス酸化物膜は、同様の特性を示した。
【００９０】
【実施例１】
（ＰＬＤ法によるＩｎ2Ｏ3アモルファス酸化物膜の成膜）
次に、Ｉｎ酸化物膜を成膜する場合について説明する。成膜装置は図７に記載の装置を用いた。被成膜基板として、SiO2ガラス基板（コーニング社製1737）を用意した。この基板の前処理として、超音波脱脂洗浄を、アセトン、エタノール、超純水で各5分間ずつ行った後、空気中１００℃で乾燥させた。
【００９１】
ターゲットとしては、In2O3焼結体（サイズ20mmΦ5mmt）を用いた。これは、出発原料In2O3（4N試薬）を仮焼（1000℃：2h）、乾式粉砕、本焼結（1550℃：2h）を経て準備した。
【００９２】
成長室到達真空は、2×10-6(Pa)、成長中の酸素分圧は、５(Pa)とし、水蒸気分圧０．１（Ｐａ）とし、さらに酸素ラジカル発生装置に２００Ｗを印加して、酸素ラジカルを発生させた。基板温度は室温とした。ターゲットと被成膜基板間の距離は、40(mm)、ＫｒＦエキシマレーザーのパワーは0.5(mJ/cm2/pulse)、パルス幅は、20(nsec)、繰り返し周波数は、10(Hz)、照射スポット径は1×1(mm角)であった。成膜レートは、3(nm/min)であった。
【００９３】
得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角0.5度）を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｏ系膜はアモルファス膜であることが示された。膜厚は、８０ｎｍであった。得られたＩｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度は５×１０17／ｃｍ3で、電子移動度は、約７ｃｍ2／Ｖ・秒であった。
【００９４】
【実施例２】
（ＰＬＤ法によるＩｎ−Ｓｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の成膜）
ＰＬＤ法により、厚さ２００μｍのＩｎ−Ｓｎ−Ｏ系酸化物膜を成膜する場合について説明する。被成膜基板として、SiO2ガラス基板（コーニング社製1737）を用意した。基板前処理として、超音波脱脂洗浄をアセトン、エタノール、超純水を用いて各５分間ずつ行った。その後、空気中１００℃で乾燥させた。
【００９５】
ターゲットは、Ｉｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2焼結体（サイズ２０ｍｍΦ５ｍｍｔ）を準備した。これは、出発原料として、Ｉｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2（４Ｎ試薬）を湿式混合（溶媒：エタノール）、仮焼（１０００℃：２ｈ）、乾式粉砕、本焼結（１５５０℃：２ｈ）を経て得られる。ターゲットの組成は、（Ｉｎ0.9Ｓｎ0.1）2Ｏ3.1多結晶体であった。
【００９６】
成長室到達真空は、２×１０-6（Ｐａ）、成長中の酸素分圧は、５（Ｐａ）、窒素分圧は、０．１（Ｐａ）とし、さらに、酸素ラジカル発生装置に２００Ｗを印加して、酸素ラジカルを発生させた。基板温度は室温で成膜した。ターゲットと被成膜基板間の距離は、３０（ｍｍ）とし、ＫｒＦエキシマレーザーのパワーは、１．５（ｍＪ／ｃｍ2／ｐｕｌｓｅ）、パルス幅は、２０（ｎｓｅｃ）、繰り返し周波数は、１０（Ｈｚ）、照射スポット径は、１×１（ｍｍ角）であった。
【００９７】
成膜レートは、６（ｎｍ／ｍｉｎ）であった。得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角０．５度）を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｓｎ−Ｏ系膜はアモルファス膜であることが示された。得られたＩｎ−Ｓｎ−Ｏアモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度は、８×１０17／ｃｍ3で、電子移動度は、約５ｃｍ2／（Ｖ・秒）であった。膜厚は、１００ｎｍであった。
【００９８】
（参考例５：ＰＬＤ法によるＩｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の成膜）
次に、ＩｎＧａ酸化物を成膜する場合について説明する。被成膜基板として、ＳｉＯ2ガラス基板（コーニング社製１７３７）を用意した。基板の前処理として、超音波脱脂洗浄をアセトン、エタノール、超純水を用いて、各５分間行った後、空気中１００℃で乾燥させた。
【００９９】
ターゲットとして、（Ｉｎ2Ｏ3）1-x−（Ｇａ2Ｏ3）x（Ｘ＝０−１）焼結体（サイズ２０ｍｍΦ５ｍｍｔ）を用意した。なお、例えばｘ＝０．１の場合は、ターゲットは、（Ｉｎ0.9Ｇａ0.1）2Ｏ3多結晶焼結体ということになる。これは、出発原料：Ｉｎ2Ｏ3−Ｇａ2Ｏ3（４Ｎ試薬）を、湿式混合（溶媒：エタノール）、仮焼（１０００℃：２ｈ）、乾式粉砕、本焼結（１５５０℃：２ｈ）を経て得られる。
【０１００】
成長室到達真空は、２×１０-6（Ｐａ）であり、成長中の酸素分圧は、１（Ｐａ）とした。基板温度は、室温で行い、ターゲットと被成膜基板間の距離は、３０（ｍｍ）、ＫｒＦエキシマレーザーのパワーは、１．５（ｍＪ／ｃｍ2／ｐｕｌｓｅ）、パルス幅は、２０（ｎｓｅｃ）、繰り返し周波数は、１０（Ｈｚ）、照射スポット径は、１×１（ｍｍ角）であった。成膜レートは、６（ｎｍ／ｍｉｎ）であった。
【０１０１】
得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角０．５度）を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｇａ−Ｏ系膜はアモルファス膜であることが示された。膜厚は、１２０ｎｍであった。得られたＩｎ−Ｇａ−Ｏアモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度は、８×１０16／ｃｍ3で、電子移動度は、約１ｃｍ2／Ｖ・秒であった。
【０１０２】
以下にアモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ素子の作製方法を参考例と実施例に基づいて詳細に説明する。
（参考例６：Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ素子の作製（ガラス基板））
図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。まず、ガラス基板（１）上に、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、酸素分圧５Ｐａの条件で、参考例１のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の作製法により、チャンネル層（２）として用いる厚さ１２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス膜を形成した。
【０１０３】
さらにその上に、チャンバー内の酸素分圧を１Ｐａ未満にして、ＰＬＤ法により電気伝導度の大きなＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層し、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子（５）及びソース端子（６）を形成した。
【０１０４】
最後にゲート絶縁膜（３）として用いるＹ2Ｏ3膜を電子ビーム蒸着法により成膜し（厚み：９０ｎｍ、比誘電率：約１５、リーク電流密度：０．５ＭＶ／ｃｍ印加時に１０-3Ａ／ｃｍ2）、その上に金を成膜し、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子（４）を形成した。チャネル長は、５０μｍで、チャネル幅は、２００μｍであった。
【０１０５】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
図６に、室温下で測定したＴＦＴ素子の電流−電圧特性を示す。ドレイン電圧ＶDSの増加に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したことからチャネルがｎ型伝導であることが分かる。これは、アモルファスＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体であるという事実と矛盾しない。ＩDSはＶDS＝６Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的な半導体トランジスタの挙動を示した。利得特性を調べたところ、ＶDS＝４Ｖ印加時におけるゲート電圧ＶGSの閾値は約−０．５Ｖであった。また、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-5Ａの電流が流れた。これはゲートバイアスにより絶縁体のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内にキャリアを誘起できたことに対応する。トランジスタのオン・オフ比は、１０3超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約７ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【０１０６】
作製した素子に可視光を照射して同様の測定を行なったが、トランジスタ特性の変化は認められなかった。なお、アモルファス酸化物の電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満にすることでＴＦＴのチャネル層として適用できるが、この電子キャリア濃度としては、１０17／ｃｍ3以下がより好ましく、１０16／ｃｍ3以下にすると更に好ましかった。本実施例によれば、電子キャリア濃度が小さく、したがって、電気抵抗が高く、かつ電子移動度が大きいチャネル層を有する薄膜トランジスタを実現できる。なお、上記したアモルファス酸化物は、電子キャリア濃度の増加と共に、電子移動度が増加し、さらに縮退伝導を示すという優れた特性を備えていた。本実施例では、ガラス基板上に薄膜トランジスタを作製したが、成膜自体が室温で行えるので、プラスチック板やフィルムなどの基板が使用可能である。また、本実施例で用いたアモルファス酸化物は、可視光の光吸収が殆どなく、透明なフレキシブルＴＦＴを実現できる。
【０１０７】
（参考例７：Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ素子の作製）図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。具体的には、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）フィルム（１）上に、参考例２に示した成膜法により、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、酸素分圧５Ｐａの雰囲気で、チャンネル層（２）として用いる厚さ１２０ｎｍのＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を形成した。
【０１０８】
さらにその上に、チャンバー内酸素分圧を１Ｐａ未満にして、ＰＬＤ法により電気伝導度の大きなＩｎ−Ｚｒ−Ｇａ−Ｏ糸アモルファス酸化物膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層し、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子（５）及びソース端子（６）を形成した。
【０１０９】
最後にゲート絶縁膜（３）を電子ビーム蒸着法により成膜して、その上に金を成膜し、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子（４）を形成した。チャネル長は、５０μｍで、チャネル幅は、２００μｍであった。ゲート絶縁膜として、Ｙ2Ｏ3（厚さ：１４０ｎｍ），Ａｌ2Ｏ3（厚さ：１３０ｎｍ）及びＨｆＯ2（厚さ：１４０ｎｍ）を用いた３種類の上記の構造を有するＴＦＴを作成した。
【０１１０】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
ＰＥＴフィルム上に形成したＴＦＴの室温下で測定した電流−電圧特性は、図６と同様であった。すなわち、ドレイン電圧ＶDSの増加に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したことから、チャネルがｎ型伝導であることが分かる。これは、アモルファスＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体であるという事実と矛盾しない。ＩDSはＶDS＝６Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的なトランジスタの挙動を示した。また、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-5Ａの電流が流れた。これはゲートバイアスにより絶縁体のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内に電子キャリアを誘起できたことに対応する。トランジスタのオン・オフ比は、１０3超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約７ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【０１１１】
ＰＥＴフィルム上に作成した素子を、曲率半径３０ｍｍで屈曲させ、同様のトランジスタ特性の測定を行ったが、トランジスタ特性に大幅な変化は認められなかった。また、可視光を照射して同様の測定を行なったが、トランジスタ特性の変化は認められなかった。
【０１１２】
ゲート絶縁膜としてＡｌ2Ｏ3膜を用いたＴＦＴでも、図６に示したものと類似のトランジスタ特性を示したが、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０のときには、ＩDS＝１０-8Ａ，ＶDS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝５．０×１０-6Ａの電流が流れた。トランジスタのオン・オフ比は、１０2超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約２ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【０１１３】
ゲート絶縁膜としてＨｆＯ2膜を用いたＴＦＴでも、図６に示したものと類似のトランジスタ特性を示したが、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０のときには、ＩDS＝１０-8Ａ，ＶDS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-6Ａの電流が流れた。トランジスタのオン・オフ比は、１０2超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約１０ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【０１１４】
【実施例３】
（ＰＬＤ法によるＩｎ2Ｏ3アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ素子の作成）
図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。まず、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）フィルム（１）上に、実施例１に示した成膜法により、チャンネル層（２）として用いる厚さ８０ｎｍのＩｎ2Ｏ3アモルファス酸化物膜を形成した。
【０１１５】
さらにその上に、チャンバー内酸素分圧を１Ｐａ未満にして、さらに酸素ラジカル発生装置への印加電圧をゼロにして、ＰＬＤ法により、電気伝導度の大きなＩｎ2Ｏ3アモルファス酸化物膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層し、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子（５）及びソース端子（６）を形成した。
【０１１６】
最後にゲート絶縁膜（３）として用いるＹ2Ｏ3膜を電子ビーム蒸着法により成膜して、その上に金を成膜して、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子（４）を形成した。
【０１１７】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
ＰＥＴフィルム上に形成したＴＦＴの室温下で測定した電流−電圧特性を測定した。ドレイン電圧ＶDSの増加に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したことからチャネルがｎ型半導体であることが分かる。これは、Ｉｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体であるという事実と矛盾しない。ＩDSはＶDS＝５Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的なトランジスタの挙動を示した。また、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０Ｖ時には、ＩDS＝２×１０-8Ａ、ＶDS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝２．０×１０-6Ａの電流が流れた。これはゲートバイアスにより絶縁体のＩｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内に電子キャリアを誘起できたことに対応する。トランジスタのオン・オフ比は、約１０2であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約１０ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【０１１８】
ガラス基板上に作成したＴＦＴ素子も同様の特性を示した。ＰＥＴフィルム上に作成した素子を、曲率半径３０ｍｍで曲げ、同様のトランジスタ特性の測定を行ったが、トランジスタ特性に変化は認められなかった。
【０１１９】
【実施例４】
（ＰＬＤ法によるＩｎ−Ｓｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ素子の作成）
図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。まず、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）フィルム（１）上に、実施例２に示した成膜法により、チャンネル層（２）として用いる厚さ１００ｎｍのＩｎ−Ｓｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を形成した。
【０１２０】
さらにその上に、チャンバー内酸素分圧を１Ｐａ未満にして、さらに酸素ラジカル発生装置への印加電圧をゼロにして、ＰＬＤ法により、電気伝導度の大きなＩｎ−Ｓｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層し、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子（５）及びソース端子（６）を形成した。
【０１２１】
最後にゲート絶縁膜（３）として用いるＹ2Ｏ3膜を電子ビーム蒸着法により成膜し、その上に金を成膜して、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子（４）を形成した。
【０１２２】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
ＰＥＴフィルム上に形成したＴＦＴの室温下で測定した電流−電圧特性を測定した。ドレイン電圧ＶDSの増加に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したことからチャネルがｎ型半導体であることが分かる。これは、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体であるという事実と矛盾しない。ＩDSはＶDS＝６Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的なトランジスタの挙動を示した。また、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０Ｖ時には、ＩDS＝５×１０-8Ａ、ＶDS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝５．０×１０-5Ａの電流が流れた。これはゲートバイアスにより絶縁体のＩｎ−Ｓｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内に電子キャリアを誘起できたことに対応する。トランジスタのオン・オフ比は、約１０3であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約５ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【０１２３】
ガラス基板上に作成したＴＦＴ素子も同様の特性を示した。ＰＥＴフィルム上に作成した素子を、曲率半径３０ｍｍで曲げ、同様のトランジスタ特性の測定を行ったが、トランジスタ特性に変化は認められなかった。
【０１２４】
（参考例８：ＰＬＤ法によるＩｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ素子の作成）
図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。まず、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）フィルム（１）上に、参考例５に示した成膜法により、チャンネル層（２）として用いる厚さ１２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を形成した。
【０１２５】
さらにその上に、チャンバー内の酸素分圧を１Ｐａ未満にして、さらに酸素ラジカル発生装置への印加電圧をゼロにして、ＰＬＤ法により、電気伝導度の大きなＩｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層し、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子（５）及びソース端子（６）を形成した。
【０１２６】
最後にゲート絶縁膜（３）として用いるＹ2Ｏ3膜を電子ビーム蒸着法により成膜し、その上に金を成膜して、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子（４）を形成した。
【０１２７】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
ＰＥＴフィルム上に形成したＴＦＴの室温下で測定した電流−電圧特性を測定した。
ドレイン電圧ＶDSの増加に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したことからチャネルがｎ型半導体であることが分かる。これは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体であるという事実と矛盾しない。ＩDSはＶDS＝６Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的なトランジスタの挙動を示した。また、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０Ｖ時には、ＩDS＝１×１０-8Ａ、ＶDS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-6Ａの電流が流れた。これはゲートバイアスにより絶縁体のＩｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内に電子キャリアを誘起できたことに対応する。トランジスタのオン・オフ比は、約１０2であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約０．８ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【０１２８】
ガラス基板上に作成したＴＦＴ素子も同様の特性を示した。ＰＥＴフィルム上に作成した素子を、曲率半径３０ｍｍで曲げ、同様のトランジスタ特性の測定を行ったが、トランジスタ特性に大幅な変化は認められなかった。
【０１２９】
なお、上述の各実施例で示したように、アモルファス酸化物の電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満にすることでＴＦＴのチャネル層として適用できる。この電子キャリア濃度としては、１０17／ｃｍ3以下がより好ましく、１０16／ｃｍ3以下にするとオン・オフ比を１０3超に大きくすることができるので更に好ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明に係るアモルファス酸化物をチャネル層に用いた薄膜トランジスタは、例えば、ＬＣＤや有機ＥＬディスプレイのスイッチング素子として応用することができ、フレキシブル・ディスプレイをはじめ、シースルー型のディスプレイ、ＩＣカードやＩＤタグなどに幅広く応用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】第１図は、パルスレーザー蒸着法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物の電子キャリア濃度と成膜中の酸素分圧の関係を示すグラフである。
【図２】第２図は、パルスレーザー蒸着法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電子キャリアの濃度と電子移動度の関係を示すグラフである。
【図３】第３図は、高周波スパッタ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電気伝導度と成膜中の酸素分圧の関係を示すグラフである。
【図４】第４図は、パルスレーザー蒸着法により成膜したＩｎＧａＯ3（Ｚｎ1-xＭｇxＯ）4のｘの値に対する電気伝導度、電子キャリア濃度、電子移動度の変化を示すグラフである。
【図５】第５図は、トップゲート型ＴＦＴ素子構造を示す模式図である。
【図６】第６図は、参考例６のトップゲート型ＴＦＴ素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図７】第７図は、パルスレーザー蒸着装置を示す模式図である。
【図８】第８図は、スパッタ製膜装置を示す模式図である。
【図１】
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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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