(57)【要約】【課題】  トランジスタに好適な組成の酸化物を提供する。【解決手段】  チャネルを構成する酸化物半導体材料が、ＩｎとＺｎを含んでおり、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）で表される原子組成比率が、３５原子％以上５５原子％以下であり、且つ該酸化物半導体材料におけるＧａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）で表される原子組成比率が３０原子％以下であることを特徴とする電界効果型トランジスタ。【選択図】  図１８
2007281409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界効果型トランジスタにおいて、
チャネルを構成する酸化物半導体材料が、ＩｎとＺｎを含んでおり、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）で表される原子組成比率が、３５原子％以上５５原子％以下であり、且つ
該酸化物半導体材料におけるＧａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）で表される原子組成比率が３０原子％以下であることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
【請求項２】
Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）で表される原子組成比率が１５原子％以下であることを特徴とする請求項１記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項３】
Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）で表される原子組成比率が５原子％以下であることを特徴とする請求項１記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項４】
Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）で表される原子組成比率が５原子％以上１５原子％以下であることを特徴とする請求項１記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項５】
Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）で表される原子組成比率が、４０原子％以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項６】
Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）で表される原子組成比率が、５０原子％以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電界効果型トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機ＥＬや無機ＥＬを発光素子に利用した表示装置や、液晶を利用した表示装置に用いられる、酸化物を用いた電界効果型トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩｎとＺｎとＧａを含む酸化物をチャネルに利用したＴＦＴに関する技術が、非特許文献１に記載されている。
【非特許文献１】Ｎａｔｕｒｅ  ＶＯＬ４３２、２５  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  ２００４（４８８−４９２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記非特許文献１では、具体的には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１．１：１．１：０．９（ａｔｏｍｉｃ  ratio）の原子組成比率を有するアモルファス酸化物をＴＦＴのチャネル層に用いる技術が記載されている。
【０００４】
そこで、本発明者らは、上記組成を参考に、スパッタリング法によりＩｎとＧａとＺｎの原子組成比率がほぼ等しい酸化物膜を形成し、それがトランジスタ動作することを確認した。
【０００５】
そして、酸化物構成元素の種類はなるべく少ない方が、原子組成比率制御性の観点からは好ましいとの認識の下、Ｇａの量を減らしながら、様々に原子組成比率を変化させることを試みた。
【０００６】
その結果、ＩｎとＺｎに対するＧａの原子組成比率を従来より小さくすることで、トランジスタ特性の評価項目であるＳ値や電界効果移動度を向上することができる本発明を成すに至った。更に、経時安定性や駆動安定性に優れるＩｎ−Ｇｚ−Ｚｎ原子組成比率範囲を技術開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の骨子は、電界効果型トランジスタにおいて、
チャネルを構成する酸化物半導体材料が、ＩｎとＺｎを含んでおり、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）で表される原子組成比率が、３５原子％以上５５原子％以下であり、且つ
該酸化物半導体材料におけるＧａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）で表される原子組成比率が３０原子％以下（Ｇａが含まれていない場合、すなわちゼロも含む）であることを特徴とする。
【０００８】
また本発明は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）で表される原子組成比率が１５原子％以下であることを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）で表される原子組成比率が５原子％以下であることを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）で表される原子組成比率が５原子％以上１５原子％以下であることを特徴とする。
【００１１】
上記原子組成比率は、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）で表される原子組成比率が、４０原子％以上であること、あるいは、前記原子組成比率が、５０原子％以下であることが好ましい。
【００１２】
また、別の本発明は、Ｉｎ及びＺｎを含む酸化物半導体をチャンネルに用いているトランジスタであって、前記酸化物半導体が、下記の表１のａ、ｆ、ｉ、ｋで囲まれる領域内の組成を有することを特徴とするトランジスタである。
【００１３】
また、別の本発明は、Ｉｎ及びＺｎを含む酸化物半導体をチャンネルに用いているトランジスタであって、前記酸化物半導体が、下記の表１のＳ，ｎ，ｋ，Ｖで囲まれる領域内の組成を有することを特徴とするトランジスタである。
【００１４】
また、別の本発明は、Ｉｎ及びＺｎを含む酸化物半導体をチャンネルに用いているトランジスタであって、前記酸化物半導体が、下記の表１のＲ、ｅ、ｑ、Ｓで囲まれる領域内の組成を有することを特徴とするトランジスタである。
【００１５】
また、別の本発明は、Ｉｎ及びＺｎを含む酸化物半導体をチャンネルに用いているトランジスタであって、前記酸化物半導体が、下記の表１のＲ−ｅ線内の組成を有することを特徴とするトランジスタである。
【００１６】
また、別の本発明は、Ｉｎ及びＺｎを含む酸化物半導体をチャンネルに用いているトランジスタであって、前記酸化物半導体が、下記の表１のｎ、ｇ、Ｕ、Ｔで囲まれる領域内の組成を有することを特徴とするトランジスタである。
【００１７】
また、別の本発明は、Ｉｎ及びＺｎを含む酸化物半導体をチャンネルに用いているトランジスタであって、前記酸化物半導体が、下記の表１のＹ、ｈ、ｉ、ｋで囲まれる領域内の組成を有することを特徴とするトランジスタである。
【００１８】
また、別の本発明は、Ｉｎ及びＺｎを含む酸化物半導体をチャンネルに用いているトランジスタであって、前記酸化物半導体が、Ｉｎ、Ｚｎ、及びＧａについて、表１に記載の相図のａ、ｆ、ｉ、ｋで囲まれる領域内の組成を有し、且つＳｎが添加されていることを特徴とする。
【００１９】
特に、前記酸化物半導体中に含まれるＩｎとＺｎとＧａとＳｎの合計に対するＳｎの割合が０．１原子％から２０原子％であることが好ましい。
【００２０】
また、別の本発明は、Ｉｎ及びＺｎを含む酸化物半導体をチャンネルに用いているトランジスタであって、前記酸化物半導体のＩｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）の原子原子組成比率が３５原子％以上４５原子％未満であることことを特徴とするトランジスタである。
【００２１】
また、別の本発明は、Ｉｎ及びＺｎを含む酸化物半導体をチャンネルに用いているトランジスタであって、前記チャンネル層の抵抗率が１Ωｃｍ以上且つ１ＫΩｃｍ以下であることことを特徴とするトランジスタである。
【００２２】
【表１】
2007281409.tif 000003
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、電界効果移動度やＳ値などのトランジスタ特性に優れ、信頼性の高い電界効果型トランジスタを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１の実施の形態）
まず、トランジスタ動作特性の評価指標について説明する。
【００２５】
図１２に本発明の電界効果型トランジスタの典型的な特性を示す。
【００２６】
ソース・ドレイン電極間に、５〜２０Ｖ程度の電圧Ｖｄを印加したとき、ゲート電圧Ｖｇを、０Ｖと５〜２０Ｖの間でスイッチすることで、ソース・ドレイン電極間の電流Ｉｄを制御する（オンオフする）ことができる。
【００２７】
図１２（ａ）は、さまざまなＶｇでのＩｄ−Ｖｄ特性、図１２（ｂ）はＶｄ＝６ＶにおけるＩｄ−Ｖｇ特性（トランスファ特性）の例である。
【００２８】
トランジスタ特性の評価項目としては、さまざまなものがあるが、たとえば、電界効果移動度μ、閾値電圧（Ｖｔｈ）、Ｏｎ／Ｏｆｆ比、Ｓ値などが上げられる。
【００２９】
電界効果移動度は、線形領域や飽和領域の特性から求めることができる。たとえば、トランスファ特性の結果から、√Ｉｄ―Ｖｇのグラフを作製し、この傾きから電界効果移動度を導く方法が挙げられる。本明細書では特にこだわらない限り、この手法で評価している。
【００３０】
閾値電圧の求め方はいくつかの方法があるが、たとえば√Ｉｄ―Ｖｇのグラフのｘ切片から閾値電圧Ｖｔｈを導くことが挙げられる。
【００３１】
Ｏｎ／Ｏｆｆ比はトランスファ特性における、最も大きなＩｄと、最も小さなＩｄの値の比から求めることができる。
【００３２】
そして、Ｓ値は、トランスファ特性の結果から、Ｌｏｇ（Ｉｄ）―Ｖｄのグラフを作製し、この傾きの逆数から導出することができる。
【００３３】
Ｓ値の単位は、Ｖ／ｄｅｃａｄｅであり、小さな値であることが好ましい。
【００３４】
（チャンネル層の態様１：Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ―Ｏ系）
まず、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ―Ｏ系の酸化物半導体材料を活性層に適用した際の好ましい組成範囲に着いて説明する。
【００３５】
検討方法の詳細は、後述する実施例１〜４で説明するが、熱酸化膜付Ｓｉ基板上にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ組成傾斜膜を製膜した後、パターニング、電極形成等を行い、それぞれ組成の異なる活性層を有する薄膜トランジスタを一枚の基板上に形成し、それぞれの素子を評価する方法を用いている。この手法により、活性層の組成に対するトランジスタ特性の依存性を把握することができる。
【００３６】
ＦＥＴの構成は、図２に示すようなボトムゲート・トップコンタクト型で、ゲート電極にｎ＋型Ｓｉ、絶縁膜に酸化シリコン、ソースドレイン電極にＡｕ／Ｔｉ、を使用している。また、この時チャネル幅およびチャネル長はそれぞれ１５０μｍ、１０μｍである。ＦＥＴ評価において用いたソースドレイン電圧は６Ｖである。
【００３７】
特性評価において、電子移動度はゲート電圧（Ｖｇ）に対する√Ｉｄ（Ｉｄ：ドレイン電流）の傾きにより、電流ＯＮ／ＯＦＦ比はＩｄの最大値と最小値の比により求める。またＶｇに対して√ＩｄをプロットしたときのＶｇ軸との切片をしきい値電圧とする。
【００３８】
そして、ｄＶｇ／ｄ（ｌｏｇＩｄ）の最小値をＳ値（電流を一桁上昇させるのに必要な電圧の値）とした。
【００３９】
また、ゲート電極に電圧１２Ｖ、ソース・ドレイン電極に電圧１２ＶのＤＣストレスを４００秒印加し、ＴＦＴ特性の変化を評価することによりＤＣバイアスストレス耐性（駆動安定性）を評価した。
【００４０】
まず、上記構成において、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１である酸化物半導体材料からなる活性層を有した薄膜トランジスタを作製し、そのトランジスタ特性を評価したところ、Ｓ値は約１．２（Ｖ／ｄｅｃａｄｅ）であった。また電界効果移動度は約５ｃｍ２／Ｖｓ、ＤＣバイアスストレスによるしきい値シフトは約２．７Ｖであった。
【００４１】
次に、さまざまのＧａの組成比の活性層を有した薄膜トランジスタを作成し、比較した。Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ）で表されるＧａの原子組成比率が３０原子％である酸化物半導体材料を構成し、トランジスタ特性を評価したところ、電界効果移動度が７ｃｍ２／Ｖｓを超えた。さらにＧａの原子組成比率が１５原子％である酸化物半導体材料を構成したところ、電界効果移動度が１２ｃｍ２／Ｖｓを超えた。すなわち、Ｇａ原子組成比率を小さくすることで、電界効果移動度の大きな薄膜トランジスタを実現することができる。
【００４２】
また、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ）で表されるＧａの原子組成比率が３０原子％の時Ｓ値は約１．２Ｖ／ｄｅｃａｄｅを示し、Ｇａの原子組成比率が１５原子％のときにはＳ値が１Ｖ／ｄｅｃａｄｅを示した。すなわち、Ｇａ原子組成比率を小さくすることで、Ｓ値の小さな薄膜トランジスタを実現することができる。
【００４３】
また、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ）で表されるＧａの原子組成比率が３０原子％の時、ＤＣバイアスストレスによるしきい値シフトは約２．６Ｖであり、Ｇａの原子組成比率が１５原子％のときにはしきい値シフトが１Ｖ以下であった。すなわち、Ｇａ原子組成比率を小さくすることで、ＤＣバイアスストレスによりしきい値が小さい薄膜トランジスタを実現することができる。
【００４４】
次に、表１における相図上でＧａを含まない、ｂ点からＥ点におけるＳ値の変化は以下のようになった。
【００４５】
【表２】
2007281409.tif 000004
【００４６】
なお、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）＝２０原子％ということは、Ｉｎの原子組成比率が０．２であること、即ち、Ｉｎ０．２Ｚｎ０．８であることを意味する。なお、Ｗ点における値は０．２と記載しているが、後述の実施例に記載あるように実際には０．１６である。ｂ点及びｅ点では、トランジスタ動作をしなかったためＳ値は評価できなかった。
【００４７】
上記結果から、Ｗ点付近からｃ点付近の間に、原子組成比率を制御することで、極めて低いＳ値を実現することができることが分かった。
【００４８】
そして、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）で表されるＩｎの原子組成比率が、３５原子％以上となってＳ値は大きく減少し、また５５原子％以下となって大きく減少することが分かった。
【００４９】
即ち、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）で表されるＩｎの原子組成比率を３５原子％以上５５原子％以下とすることで極めてＳ値の小さい酸化物半導体を得ることができる。
【００５０】
より好適には、上記範囲は４０原子％以上５０原子％以下である。
【００５１】
また、Ｇａが１０原子％含まれている酸化物である、ｍ点、Ｓ点、Ｎ点、ｐ点において、同様にＳ値を求めたところ、ｍ点では、ＴＦＴ動作をしなかった。Ｓ点、Ｎ点におけるＳ値は、０．７、ｐ点では０．８であった。
【００５２】
このことから、Ｓ値の小さな薄膜トランジスタを得るためには、酸化物に含まれるＧａの量は少ない方がよい。具体的には、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）で表されるＧａの原子組成比率が、０．３０以下（３０原子％以下）、より好ましくは０．１５（１５原子％以下）、さらに好ましくは０．０５以下（５原子％以下）であることが望ましい。
【００５３】
なお、上記Ｗ点及びｃ点における電界効果移動度は、１５（ｃｍ２／Ｖｓ）を超えていた。また、ＤＣバイアスストレスによるしきい値シフトは０．７Ｖ程度であり、ストレス耐性についても良好であることがわかった。
【００５４】
以上は、Ｇａの量を小さくすることによる作用を述べたが、Ｇａの量を大きくすることで生じる作用も存在する。
【００５５】
上述したようにＧａが０原子％において、トランジスタ動作を示したＩｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）比の範囲は、３０原子％から６０原子％の間であった。Ｇａの量を増やし、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ）で表されるＧａの原子組成比率が１５原子％の時、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ）で表されるＩｎの原子組成比率が２２．５原子％以上、５７．５原子％以下の組成範で、トランジスタ動作を示した。さらに、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ）で表されるＧａの原子組成比率が３０原子％の時、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ）で表されるＩｎの原子組成比率が１０原子％以上、６０原子％以下の範囲で、トランジスタ動作を示した。Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ）で表されるＩｎの原子組成比率が１０原子％以下の範囲では、正ゲートバイアス印加時においても電流が殆ど流れない、またＩｎの原子組成比率が６０原子％以上の範囲では、負ゲートバイアス印加時においても比較的大きな電流が流れてしまう、といった現象が生じ、１０５以上の電流ＯＮ／ＯＦＦ比を得ることができなかった。すなわち、Ｇａ原子組成比率を大きくすることで、Ｉｎ：Ｚｎの原子組成比率に対しての組成設計範囲（トランジスタに適用しうる組成範囲）が広がるというメリットがある。
【００５６】
他にも、環境安定性の観点から、Ｇａ量が大きいことが好ましい。
【００５７】
Ｇａが０原子％である、上記Ｗ点およびｃ点において、大気中に静置した時の抵抗率の経時安定性の評価を行った。結果、上記酸化物半導体の初期抵抗率が低い場合（＜１００Ωｃｍ）、抵抗率の変化は殆ど見られなかったのに対し、酸化物半導体の初期抵抗率が高い場合、時間とともに抵抗率が小さくなる傾向が見られた。
【００５８】
ここで初期抵抗率とは、酸化物半導体形成直後に測定した抵抗率の値を意味している。また、酸化物半導体の初期抵抗率は、成膜時の酸素分圧をはじめとする成膜条件によって制御することができる。次に、Ｇａが１０原子％含まれている酸化物である、Ｓ点およびＮ点において、同様に経時安定性の評価を行ったところ、酸化物半導体の初期抵抗率が高い場合にも、しきい値電圧やＯＦＦ電流等のトランジスタ特性は殆ど変化しないことが分かった。
【００５９】
本発明者が鋭意検討したところ、酸化物半導体の抵抗率が高い程、しきい値電圧は正側に大きくなり、ゲート電圧非印加時には電流が流れない、いわゆる「ノーマリーオフ特性」を示す傾向にある。この観点から見ると、抵抗率の経時変化が小さい酸化物半導体を用いることで、しきい値電圧やオフ電流の経時変化の小さい薄膜トランジスタを実現でき、好ましい。
【００６０】
このことから、しきい値が比較的高く、且つ経時安定性に優れた酸化物半導体を得るためには、酸化物にある程度の量のＧａを含ませるのがよい。具体的には、Ｇａ（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｇａ）で表されるＧａの原子組成比率が、５原子％以上であることが望ましい。
【００６１】
以下、図１８を用いて上述した好ましい組成範囲についてまとめる。
【００６２】
なお、図１８における三元相図は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物において、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎをどのような割合（原子％）で含まれるかを示している。酸素量は考慮していない。
【００６３】
本発明において酸素量は特にこだわらないが、たとえば、Ｉｎ３価、Ｇａ３価、Ｚｎを２価として考えた際に、ストイキオメトリー及びその周辺組成が挙げられる。ストイキオメトリーからのズレ（酸素欠陥量）は、後述の成膜時の酸素圧力などで制御することができる。
【００６４】
三元相図例えば、図中の（１）は、酸化物に含まれるＺｎとＩｎの総量に対して、Ｚｎが６５原子％、Ｉｎが３５原子％の割合で含まれることを示している。下記にそれぞれの点の原子組成比率である原子パーセントを記しておく。
点（１）      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３５：０：６５
点（２）      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５５：０：４５
点（３）      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３０．８：５：６４．２
点（４）      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５５．８：５：３９．２
点（５）      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２２．５：１５：６２．５
点（６）      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５７．５：１５：２７．５
点（７）      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１０：３０：６０
点（８）      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝６０：３０：１０
図１８に記載の相図の（１）、（２）、（８）、（７）で囲まれる組成領域からなるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ薄膜でチャネル層を構成することで、従来よりも電界効果移動度の高いトランジスタを提供することができる。
【００６５】
さらにこの中でも特に、図１８に記載の相図の（１）、（２）、（６）、（５）で囲まれる領域内の組成領域からなるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏの酸化物半導体薄膜でチャネル層を構成することで、従来よりもトランジスタ特性に優れ、良好なＤＣバイアスストレス耐性を示すトランジスタを提供することができる。
【００６６】
さらにこの中でも特に、図１８に記載の相図の（１）、（２）、（４）、（３）で囲まれる領域内の組成領域からなるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ薄膜でチャネル層を構成することで、従来よりもトランジスタ特性に優れ、Ｓ値の著しく小さなトランジスタを提供することができる。
【００６７】
さらにこの中でも特に、図１８に記載の相図の（３）、（４）、（６）、（５）で囲まれる領域内の組成領域からなるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ薄膜でチャネル層を構成することで、従来よりもトランジスタ特性に優れ、且つ、経時安定性に優れたトランジスタを提供することができる。
【００６８】
（電界効果型トランジスタの構成）
ここで、本発明に適用できる電界効果型トランジスタの構成について説明する。なお、上記Ｓ値などは、図２に記載の構成で、チャネル長Ｌ＝１０μｍ、チャネル幅Ｗ＝１５０μｍとして測定した結果である。
【００６９】
図２はボトムゲート型トランジスタの例である。
【００７０】
図２において、２１は基板（ｎ＋のＳｉ基板：ゲート電極を兼ねる）、２２は絶縁膜（ＳｉＯ２）、２５はチャンネル（酸化物半導体）である。２４と２７は、第１の電極（例えばＴｉ）、２３と２６は第２の電極（Ａｕ）である。なお、第１の電極として、Ｔｉの代わりにＮｉでもよい。
【００７１】
上述の実施態様に係る酸化物半導体（チャンネル）の厚さは、１０ｎｍから２００ｎｍの範囲、好ましくは２０ｎｍから１００ｎｍの範囲である。更に好ましくは、３０ｎｍから７０ｎｍの範囲である。
【００７２】
アモルファス酸化物からなるゲート絶縁膜の成膜法としては、スパッタ法（ＳＰ法）、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）、及び電子ビーム蒸着法、原子層蒸着法（Ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法）などの気相法を用いるのがよい。尚、気相法の中でも、量産性の点からは、ＳＰ法が適している。しかし、成膜法は、これらの方法に限られるのものではない。成膜時の基板の温度は意図的に加温しない状態で、ほぼ室温に維持することができる。
【００７３】
また、アモルファス酸化物半導体をチャンネル層に適用した薄膜トランジスタにおいて、良好なＴＦＴ特性を得るためには、以下のようにする。
【００７４】
すなわち、チャンネル層に１０Ｓ／ｃｍ以下で０．０００１Ｓ／ｃｍ以上の電気伝導度を有した半絶縁性のアモルファス酸化物（高抵抗のアモルファス酸化物半導体）膜をチャンネル層に適用することが好ましい。
【００７５】
このような電気伝導度をえるためには、チャンネル層の材料組成にも依存するが、１０１４〜１０１８／ｃｍ３程度の電子キャリヤ濃度を有したアモルファス酸化物膜を形成することが好ましい。
【００７６】
電気伝導度にして１０Ｓ／ｃｍ以上の場合、ノーマリーオフ・トランジスタを構成することができないし、また、オン・オフ比を大きくすることができない。極端な場合には、ゲート電圧の印加によっても、ソース・ドレイン電極間の電流がオン・オフせず、トランジスタ動作を示さない。一方で、絶縁体、すなわち電気伝導度にして０．０００１Ｓ／ｃｍ以下となると、オン電流を大きくすることができなくなる。極端な場合には、ゲート電圧の印加によっても、ソース・ドレイン電極間の電流がオン・オフせず、トランジスタ動作を示さない。
【００７７】
通常、酸化物の電気伝導度電子やキャリア濃度を制御するためには、成膜時の酸素分圧を制御することで行う。すなわち、酸素分圧を制御することで、主として薄膜中の酸素欠損量を制御し、これにより電子キャリア濃度を制御する。図１４には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物薄膜をスパッタ法で成膜した際の、キャリア濃度の酸素分圧依存性の一例を示す図である。
【００７８】
実際に、酸素分圧を高度に制御することで、電子キャリヤ濃度が１０１４〜１０１８／ｃｍ３で半絶縁性を有したアモルファス酸化膜の半絶縁性膜を得ることができる。そして、このような薄膜をチャンネル層に適用することで良好なＴＦＴを作成することができる。図１４に示すように典型的には０．００５Ｐａ程度の酸素分圧で成膜することで、半絶縁性の薄膜を得ることができる。
【００７９】
０．００１Ｐａ以下では絶縁となり、一方で０．０１Ｐａ以上では電気伝導度が高すぎ、用途にもよるが、トランジスタのチャンネル層としては不適合である場合がある。
【００８０】
なお、上記した好ましい酸素分圧は、チャンネル層の材料組成に依存する。
【００８１】
なお、図１における相図は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎをどのような割合（原子パーセント、ａｔｏｍｉｃ  ｒａｔｉｏ）で含まれるかを示している。酸素量は考慮していない。例えば、図中のａは、酸化物に含まれるＺｎとＩｎの総量に対して、Ｚｎが９０原子％、Ｉｎが１０原子％の割合で含まれることを示している。
【００８２】
図１における点線で示した領域は、酸化物に含まれる酸素量により多少変化するが、点線の左側の領域が結晶、あるいは結晶性の高い領域、右側の領域が非晶質領域である。
【００８３】
なお、図２のボトムゲート型ボトムゲート型ＴＦＴにおいて、ソース、ドレイン電極（２層、あるいは多層構成）の第１電極（２６、２３）や、第２の電極（２４、２７）は、両方とも必ずしも、２２のゲート絶縁膜に接触している必要はない。活性層上で、２層構成を実現できていればよい。
【００８４】
なお、ソース、ドレイン電極をこのように、多層構成にすることも好ましい。例えば、１層の第１電極に、活性層との密着性を高める機能を期待し、第２の電極にオーミック接触を好適にとる機能を期待するのである。
【００８５】
ソース電極１３、ドレイン電極１４、ゲート電極１５の材料は、良好な電気伝導性とチャンネル層への電気接続を可能とするものであれば特にこだわらない。たとえば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｓｎ、ＺｎＯなどの透明導電膜や、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉなどの金属膜を用いることができる。
【００８６】
ゲート絶縁層の厚さはたとえば５０〜３００ｎｍの程度である。
【００８７】
また、図１１は別の電界効果型トランジスタの構成例を示す。
【００８８】
図１１は断面図であり、図において１０は基板、１１はチャンネル層、１２は絶縁層、１３はソース電極、１４はドレイン電極、１５はゲート電極である。
【００８９】
電界効果型トランジスタは、ゲート電極１５、ソース電極１３、及び、ドレイン電極１４を備えた３端子素子である。
【００９０】
ゲート電極に電圧Ｖｇを印加して、チャンネル層に流れる電流Ｉｄを制御し、ソース電極とドレイン電極間の電流Ｉｄをスイッチングする機能を有する電子アクテイブ素子である。
【００９１】
図１１ａ）は半導体チャンネル層１１の上にゲート絶縁膜１２とゲート電極１５とを順に形成するトップゲート構造の例、図１１ｂ）は、ゲート電極１５の上にゲート絶縁膜１２と半導体チャンネル層１１を順に形成するボトムゲート構造の例である。また、電極とチャンネル層―絶縁層界面の配置関係から、図１１ａ）はスタガ構造、図１１ｂ）は逆スタガ構造と呼ばれる。
【００９２】
本発明において、ＴＦＴの構成はこれに限定されるものでなく、任意のトップ／ボトムゲート構造、スタガ／逆スタガ構造を用いることができる。
【００９３】
基板１０としては、ガラス基板、プラスチック基板、プラスチックフィルムなどを用いることができる。
【００９４】
ゲート絶縁層１２の材料は良好な絶縁性を有するものであれば、特にこだわらない。たとえば、ゲート絶縁層１２としては、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｉＯ２、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用いることができる。これらにより、ソース・ゲート電極間及びドレイン・ゲート電極間のリーク電流を約１０−７アンペヤにすることができる。
【００９５】
ソース電極１３、ドレイン電極１４、ゲート電極１５の材料は、良好な電気伝導性とチャンネル層への電気接続を可能とするものであれば特にこだわらない。たとえば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｓｎ、ＺｎＯなどの透明導電膜や、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉなどの金属膜を用いることができる。
【００９６】
上述のチャンネル層、ゲート絶縁層は可視光に対して透明であるので、上述の電極及び基板の材料として透明な材料を持ちいれは、透明な薄膜トランジスタとすることができる。
【００９７】
ところで、トランジスタ評価項目として、ヒステリシス評価評価があげられる。
【００９８】
図１３を用いて、ヒステリシスについて説明する。ヒステリシスとは、ＴＦＴトランスファ特性の評価において、図１３に示すようにＶｄを固定して、Ｖｇを掃引（上下）させた際に、Ｉｄが電圧上昇時と下降時で異なる値を示すことを言う。ヒステリシスが大きいと、設定したＶｇに対して得られるＩｄの値がばらついてしまうため、ヒステリシスが小さい素子が好ましい。それぞれ図１３ａ）はヒステリシスが大きい例、図１３ｂ）は小さい例である。
【００９９】
（チャンネル層の好ましい組成例について）
先に、活性層の好ましい材料組成について説明したが、下記の組成範囲も好ましい組成範囲ということができる。図１，図１０を用いて、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の相図において、ＴＦＴのチャンネル層に適用した際に、好ましい原子組成比率について説明する。
【０１００】
図１及び図１０における三元相図は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物において、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎをどのような割合（原子％）で含まれるかを示している。酸素量は考慮していない。
【０１０１】
本発明において酸素量は特にこだわらないが、たとえば、Ｉｎ３価、Ｇａ３価、Ｚｎを２価として考えた際に、ストイキオメトリー及びその周辺組成が挙げられる。ストイキオメトリーからのズレ（酸素欠陥量）は、後述の成膜時の酸素圧力などで制御することができる。
【０１０２】
三元相図例えば、図中のａは、酸化物に含まれるＺｎとＩｎの総量に対して、Ｚｎが９０原子％、Ｉｎが１０原子％の割合で含まれることを示している。下記にそれぞれの点の原子組成比率である原子パーセントを記しておく。
点ａ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１０：０：９０
点ｂ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２０：０：８０
点ｃ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５０：０：５０
点ｄ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝６０：０：４０
点ｅ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝７０：０：３０
点ｆ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝９０：０：１０
点ｇ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝８０：１０：１０
点ｈ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５０：４０：１０
点ｉ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４０：５０：１０
点ｊ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１０：８０：１０
点ｋ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１０：５０：４０
点ｌ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１０：１０：８０
点ｍ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２０：１０：７０
点ｎ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５０：１０：４０
点ｐ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝６０：１０：３０
点ｑ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝７０：１０：２０
点Ｒ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３０：０：７０
点Ｓ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３０：１０：６０
点Ｔ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３０：３０：４０
点Ｕ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝６０：３０：１０
点Ｖ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１０：３０：６０
点Ｗ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４０：０：６０
点Ｘ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４０：１０：５０
点Ｙ      Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２０：４０：４０
図１における点線で示した領域は、酸化物に含まれる酸素量や製膜方法などにより多少変化するが、点線の左側の領域が結晶、あるいは結晶性の高い領域、右側の領域が非晶質領域である。結晶相とアモルファス相の境界は、膜厚などの成膜条件に依存して変わりうるため、その変わりうる範囲を２本の点線（１０５０と１０６０）で記している。
【０１０３】
すなわち成膜条件に依存して、この２本の点線の間の中の任意の組成で、結晶領域とアモルファス領域に分かれる。たとえばスパッタ成膜法においては、ターゲットと試料の間の距離やガス圧に依存して、この境界の位置が変わりうる。
【０１０４】
まず、図１に記載の相図のａ、ｆ、ｉ、ｋで囲まれる領域内の組成である。この組成領域からなるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ薄膜でチャンネル層を構成することで、薄膜トランジスタとしての動作が可能である。この領域内の任意の組成を選択することで所望の特性を有したトランジスタを提供することができる。
【０１０５】
さらにこの中でも特に、図１に記載の相図のＳ、ｎ、ｋ、Ｖで囲まれる領域内の組成が好ましい。この領域の組成のアモルファス材料をチャンネル層に適用すると、比較的移動度が高く、閾値電圧を０Ｖ近傍の素子を実現可能である。特に、再現良く良好な特性のトランジスタを作製することができるという特徴がある。再現性の良くトランジスタを作製できる理由は定かではないが、製膜時の真空雰囲気や温度、さらには成膜後の環境に対しての安定性に優れていると考えることができる。すなわち、この組成の領域は、安定性と比較的大きな移動度を両立した素子が必要な際に有用な領域である。
【０１０６】
他にも、図１に記載の相図のＲ−ｅの範囲、すなわちＧａが存在せずに、Ｉｎ／（Ｚｎ＋Ｉｎ）の原子組成比率が３０〜７０原子％の範囲である。
【０１０７】
この範囲のＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系のアモルファス膜をチャンネル層を適用することで、移動度が大きく、Ｓ値が小さく、Ｏｎ／Ｏｆｆ比の大きな薄膜トランジスタを実現することができる。
【０１０８】
また、成膜時の酸素圧力に対しての特性変化が小さく、プロセスマージンが広いという特徴がある。この中でも、点Ｗ周辺、Ｚｎ／（Ｚｎ＋Ｉｎ）が６０±５原子％において、特にＳ値が小さく、Ｏｎ／ＯＦＦ比の大きいトランジスタを実現でき、好ましい。さらには、この組成は、トランジスタ特性において閾値電圧を０Ｖ近傍に制御する観点で好ましい。本発明者らが鋭意検討したところで、Ｚｎ／（Ｚｎ＋Ｉｎ）の原子組成比率が７０原子％以上では、結晶化した薄膜となった。一方で、Ｚｎ／（Ｚｎ＋Ｉｎ）の原子組成比率が３０原子％以下ではアモルファスの薄膜となるが、抵抗率の小さな膜しか作製できず、ＴＦＴにした場合に高いオンオフ比が必要である場合はあまり好ましくない。
【０１０９】
他にも、図１に記載の相図のＲ、ｅ、ｑ、Ｓで囲まれる領域内の組成が好ましい。この領域は先の第２の発明の特徴と第３の発明の良い特徴を併せ持っている領域である。すなわち、比較的大きな移動度と大きなＯｎ／Ｏｆｆ比、小さなＳ値を有しており、さらに再現良く特性の優れたトランジスタを作製することができる。
【０１１０】
この中でも、特にＲ、ｃ、ｎ、Ｓの領域は、大きなＯｎ／Ｏｆｆを有していて好ましい。
【０１１１】
この組成の領域は、各種トランジスタ特性（移動度、Ｏｎ／ｏｆｆ比、Ｓ値、ヒステリシス、安定性など）が総じて良好である（バランスがとれている）ため、広い範囲での応用が可能である。
【０１１２】
他にも、（図１に記載の相図のｎ、ｇ、Ｕ、Ｔで囲まれる領域が挙げられる。この領域は閾値が負であるトランジスタを作製しやすい領域である。また、酸素量にも依存するが、比較的オン電流が大きく、ヒステリシスの小さな特性を得ることができる。すなわち、この領域の組成は、閾値が負のトランジスタ（ノーマリーオン型）を用いたい際に有用な組成である。
【０１１３】
他にも、（図１に記載の相図のＹ、ｈ、ｉ、ｋで囲まれる領域が挙げられる。この領域は閾値が正であるトランジスタを作製しやすい領域である。また、比較的オフ電流の小さな特性を得ることができる。このような特徴が得られる理由は定かではないが、この領域では、酸化物半導体材料の移動度が比較的小さい一方で、キャリア濃度の低下した状態を安定して形成できると考えることができる。
【０１１４】
さらには、比較的Ｇａ組成が多いことで光吸収端が短波長側にシフトし、波長４００ｎｍ近傍での光透過性が高いという特徴がある。また、屈折率が小さくなる。すなわち、この組成の領域は、大きなオン電流は必要ないが、オフ電流が小さい素子や透明性の高い素子が望まれる際に有用な領域である。
【０１１５】
他にも、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）の原子原子組成比率が３５原子％以上４５原子％未満であることが挙げられる。上述のＩｎとＺｎの原子組成比率においては、Ｇａ濃度に依存せず、そのＧａ濃度の中では良好なトランジスタ特性を示す。特に、高い移動度と小さいＳ値を両立しうる領域である。
【０１１６】
他にも、Ｉｎ及びＺｎを含む酸化物をチャンネルに用いているトランジスタであって、前記チャンネル層の抵抗率が１Ωｃｍ以上且つ１ＫΩｃｍ以下であることを特徴とするトランジスタが挙げられる。
【０１１７】
他にも、下記の領域も好ましい例として挙げることができる。
【０１１８】
すなわち、図１０に記載の相図のａ、ｆ、ｉ、ｋで囲まれる領域内の組成、図１０に記載の相図のｂ、ｅ、ｑ、ｍで囲まれる領域内の組成、より好ましくは、ｂ、ｄ、ｐ、ｍで囲まれる領域である。
【０１１９】
他にも、図１０に記載の相図のｂ、ｃ、ｎ、ｍで囲まれる領域も好ましい。
【０１２０】
また、図１０に記載の相図のｂ、ｄ、ｐ、ｍで囲まれる領域内の組成、図１０に記載の相図のａ、ｆ、ｑ、ｎ、ｈ、ｉ、ｋ、ｌ、ａで囲まれる領域内の組成も好ましい。
【０１２１】
また、図１０に記載の相図のｌ、ｎ、ｋで囲まれる領域内の組成、図１０に記載の相図のｋ、ｎ、ｈ、ｉで囲まれる領域内の組成が挙げられる。
【０１２２】
（チャンネル層の態様２：Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ―Ｓｎ―Ｏ系）
次に、別の本発明の活性層材料について、別の実施態様について説明する。
【０１２３】
図１０に記載の相図のａ、ｆ、ｉ、ｋで囲まれる領域内の組成を有し、且つＳｎが添加されていることが好適である。
【０１２４】
Ｓｎの割合（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｎの全量に対するＳｎの割合）は、０．１原子％から３０原子％である。より好適には、１原子％から１０原子％、更に好ましくは、２原子％から７原子％であるのがよい。
【０１２５】
なお、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを含む酸化物の電気特性は、酸素量の変化に非常に敏感（特に、ＴＦＴのノーマリーオンを実現できる酸化物）である。しかし、Ｓｎ添加を利用することにより、前記特性を酸素分圧の変化（あるいは酸化物に含まれる酸素量）に鈍感することができる。
【０１２６】
Ｓｎを含有する場合には、以下のように構成するのがよい。
【０１２７】
Ｓｎの割合（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｎの全量に対するＳｎの割合）、０．１原子％から３０原子％である。より好適には、１原子％から１０原子％、更に好ましくは、２原子％から７原子％であるのがよい。
【０１２８】
なお、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを含む酸化物の電気特性は、酸素量の変化に非常に敏感（特に、ＴＦＴのノーマリーオンを実現できる酸化物）である。しかし、Ｓｎ添加を利用することにより、前記特性を酸素分圧の変化（あるいは酸化物に含まれる酸素量）に鈍感することができる。
【０１２９】
（８）なお、図１の相図において、ａ、ｆ、ｊで示される領域内の組成を有し、それにＳｎを、以下の割合で有していても良い。Ｓｎの割合（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｎの全量に対するＳｎの割合）、０．１原子％から２０原子％である。より好適には、１原子％から１０原子％、更に好ましくは、２原子％から７原子％であるのがよい。
【０１３０】
なお、本発明に適用できる酸化物半導体の酸素量は、例えばストイキオメトリーからのズレ（酸素欠陥量）が、実際にはわずかである。ストイキオメトリーの場合を酸素量が原子単位で１００％として、酸素量が、９５％から９９．９９％の範囲、好適には、９８％から９９．９パーセントである。また、９９．０％から９９．９％の範囲でもよい。
【０１３１】
本発明に係る酸化物（チャネル）は、１０ｎｍから２００ｎｍの範囲、好ましくは２０ｎｍから１００ｎｍの範囲である。更に好ましくは、３０ｎｍから７０ｎｍの範囲である。
【実施例】
【０１３２】
（実施例１）
なお、本実施例においては、チャンネル層の材料組成依存性を検討するために、成膜にコンビナトリアル法を用いる。すなわち、スパッタ法により様々な組成を有する酸化物の薄膜を一度に一枚の基板上に作製する手法を用いて検討している。ただし、この手法を必ずしも用いる必要はない、所定の組成の材料源（ターゲット）を用意して成膜してもよいし、複数のターゲットのそれぞれへの投入パワーを制御することで、所望の組成の薄膜を形成してもよい。
【０１３３】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の製膜は３元斜入射スパッタ装置を用いて行った。ターゲットは基板に対し斜め方向に配置されているため、基板面上の膜の組成がターゲットからの距離の差により変化するため、基板面内にわたり３元で広い組成分布がついた薄膜を得ることができる。表３にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の製膜条件を示す。作製された膜の物性は蛍光Ｘ線分析、分光エリプソメトリー、Ｘ線回折および４探針測定により評価した。また、ｎ型チャネル層にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ組成傾斜膜を用いたボトムゲート・トップコンタクト型ＴＦＴの試作も行い、室温にて動作特性を評価した。
【０１３４】
【表３】
2007281409.tif 000005
【０１３５】
斜入射スパッタにより積極的に膜厚傾斜させているため、３つのターゲットを同時スパッタした場合、１枚の基板面上に広い組成分布をとる膜を作製することができる。この組成傾斜膜の膜厚を分光エリプソメトリーにより測定したところ、面内膜厚分布は±１０％以内であった。
【０１３６】
酸素流量０．２ｓｃｃｍにて作製されたＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ組成傾斜膜を１６分割する。
【０１３７】
それぞれのアドレスは、１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄである。これに対応したＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ原子組成比率を蛍光Ｘ線分析より求めた。その結果をＩｎＯ１．５、ＧａＯ１．５、ＺｎＯの３元相図として図３に示す。なお今回の実験条件では酸素流量による組成の変化はほとんど見られなかった。
【０１３８】
図１０には、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定により、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜のアモルファスの組成領域、結晶化した組成領域が図示されている。作製された膜の大部分はアモルファス状態であったが、一部Ｚｎ−ｒｉｃｈ側で結晶の回折ピークが観測された。具体的にはアドレスＮｏ．２Ｄ、３Ｄおよび２Ｅ、３Ｅでピークが観測され、それぞれＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）２およびＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）５からの回折ピークであることが確認されている。以上の結果は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜はＺｎＯ原子組成比率が大きくなるほど結晶化しやすくなることを示している。
【０１３９】
分光エリプソによるとＧａ−Ｒｉｃｈな３Ｃ、３Ｂ、３Ａなどでは、光吸収端が短波長側に移行すること、可視光域での屈折率が小さいことが判った。これにより、透明な基板上に成膜すれば、Ｇａを多く含有することで、透過性に優れる薄膜及びデバイスを得ることができる。
【０１４０】
酸素流量０．２ｓｃｃｍにて作製したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ組成傾斜膜のシート抵抗を４探針法により、膜厚を分光エリプソメトリーにより測定し、膜の抵抗率を求めた。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ原子組成比率に応じた抵抗率の変化が確認された。
【０１４１】
Ｉｎ−ｒｉｃｈ側で低抵抗、Ｇａ−ｒｉｃｈ側で高抵抗となることが分かった。特に、Ｉｎ原子組成比率が膜の低抵抗化に大きく影響している。これは、Ｉｎ−ｒｉｃｈ側では酸素欠損に起因するキャリア密度が高いこと、またキャリアの伝導路となる陽イオンの非占有軌道がＩｎ３＋では特に広く、導入された電子キャリアが高い伝導性を示すこと等に起因していると考えられる。一方Ｇａ−ｒｉｃｈ側では、Ｇａ−Ｏの結合エネルギーがＺｎ−ＯやＩｎ−Ｏと比べ大きいため、膜中の酸素空孔は少なくなっていると思われる。
【０１４２】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜において、ＴＦＴ活性層に適した抵抗値（１Ωｃｍ〜１ｋΩｃｍ）を示す組成範囲は比較的に狭いことが分かった。
【０１４３】
次に、成膜雰囲気中の酸素流量を変化させたときのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ組成傾斜膜の抵抗率を求めると、酸素流量の増加に従い、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜が高抵抗化していることが分かった。これは、酸素欠損の減少とそれに伴う電子キャリア密度の低下に起因するものと考えられる。また、ＴＦＴ活性層に適した抵抗値を示す組成範囲が酸素流量に対し急峻に変化しており、抵抗値への酸素量の影響が大きいことが分かった。
【０１４４】
次に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜をｎ型チャネル層とした電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）の特性およびその組成依存性を調べた。具体的には、熱酸化膜付Ｓｉ基板上にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ組成傾斜膜を製膜した後、パターニング、電極形成等を行い、それぞれ組成の異なる活性層を有する素子を一枚の基板上に形成した。３ｉｎｃｈウェーハ上に形成されたＦＥＴを５×５の領域に分割してアドレスをふり、それぞれ特性を評価した。ＦＥＴの構造としては図２に示すようなボトムゲート・トップコンタクト型で、ゲート電極にｎ＋−Ｓｉ、絶縁膜にＳｉＯ２、ソースドレイン電極にＡｕ／Ｔｉ、を使用している。またこの時チャネル幅およびチャネル長はそれぞれ１５０μｍ、１０μｍである。ＦＥＴ評価において用いたソースドレイン電圧は６Ｖである。構成を図２に示している。
【０１４５】
ＴＦＴ特性評価において、電子移動度はゲート電圧（Ｖｇ）に対する√Ｉｄ（Ｉｄ：ドレイン電流）の傾きにより、電流ＯＮ／ＯＦＦ比はＩｄの最大値と最小値の比により求めた。またＶｇに対して√ＩｄをプロットしたときのＶｇ軸との切片をしきい値電圧とし、ｄＶｇ／ｄ（ｌｏｇＩｄ）の最小値をＳ値（電流を一桁上昇させるのに必要な電圧の値）とした。
【０１４６】
基板上のさまざまな位置のＴＦＴ特性を評価することで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ原子組成比率に応じたＴＦＴ特性の変化を調べた。これにより、基板上の位置、すなわち、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ原子組成比率に応じて、ＴＦＴ特性が変化することがわかった。
【０１４７】
酸素流量０．２ｓｃｃｍで作製されたコンビナトリアルＦＥＴの伝達特性を例に説明する。まずＩｎ−ｒｉｃｈ領域（すなわち図１のＴ，ｎ，ｇ，Ｕで囲まれた領域）では、ＯＮ電流が大きく、電子移動度も７ｃｍ２（Ｖ・ｓ）−１以上の大きな値を示している一方、ＯＮ／ＯＦＦ比が１０６以下と小さくなることが分かった。
【０１４８】
特にＩｎ濃度が高い場合（Ｉｎ濃度が７０原子％以上において）負ゲートバイアス印加時においても正バイアス印加時と同程度の電流が流れ、トランジスタ動作が確認されなかった。
【０１４９】
図１のＴ，Ｎ，Ｇ，Ｕで囲まれたＩｎ−ｒｉｃｈの領域でチャンネル層を作成することで、大きなオン電流を有し、閾値が負のトランジスタを実現することができる。
【０１５０】
一方、Ｇａ−ｒｉｃｈ領域（Ｇａ濃度が４０原子％以上５０原子％以下の範囲において）では、電流ＯＮ／ＯＦＦ比が１０６以上と比較的良好なトランジスタ動作が確認された。しきい値電圧も正の値をとっており、ゲート電圧非印加時には電流が流れない、「ノーマリーオフ特性」が得られた。しかし、酸素量にもよるであろうが、本実施例では、ＯＮ時のドレイン電流が小さく、電子移動度が１〜２ｃｍ２（Ｖ・ｓ）−１程度の小さな値しか得られなかった。すなわち図１のＹ，ｈ，ｉ，Ｋで囲まれたＧａ−ｒｉｃｈ領域でチャンネル層を作成することで、小さなオフ電流を有し、閾値が正のトランジスタを実現することができる。
【０１５１】
最も移動度の大きいＦＥＴ特性が得られたのはＺｎ−ｒｉｃｈ領域（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ原子組成比率は約２５原子％、３０原子％、４５原子％）で、電子移動度、電流ＯＮ／ＯＦＦ比、しきい値、Ｓ値はそれぞれ以下のようである。７．９ｃｍ２（Ｖ・ｓ）−１、３×１０７、２．５Ｖ、１．１２Ｖ／ｄｅｃである。また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜のＸ線回折結果との比較から、良好なＴＦＴ特性を示す領域はアモルファスであることが確認された。
【０１５２】
移動度とＯｎ／ＯＦＦ比、ノーマリオフ特性などのＦＥＴ特性すべてにわたり優れた特性を示す組成範囲は比較的に狭いことが分かった。
【０１５３】
またＦＥＴ特性測定領域とＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜物性との対応図を示す。抵抗率の値が２Ωｃｍ〜５００ΩｃｍでＴＦＴ動作をすることが確認され、ＦＥＴ特性と抵抗率との相関が大きいことが分かった。
【０１５４】
次に、酸素流量０．４ｓｃｃｍにてコンビナトリアルＦＥＴを作製し、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜製膜時における酸素分圧依存を調べた。酸素流量の増加に伴い、電流ＯＮ／ＯＦＦ比、しきい値電圧ともに増加していた。また酸素流量０．２ｓｃｃｍの場合と比べて、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜が高抵抗化したことによって、Ｉｎ−ｒｉｃｈ領域にＦＥＴ動作範囲が移動しており、結果、移動度の大きいＴＦＴ素子を得ることができた。酸素流量０．２ｓｃｃｍのときと同様、最も移動度の大きいＦＥＴ特性が得られたのはＺｎ−ｒｉｃｈ領域であったが、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ原子組成比率は２８原子％、２７原子％、４５原子％とＩｎの原子組成比率が大きく、１２．２ｃｍ２（Ｖ・ｓ）−１の高電子移動度が得られた。このとき、電流ＯＮ／ＯＦＦ比、しきい値、Ｓ値はそれぞれ１×１０７、３Ｖ、１．１Ｖ／ｄｅｃ、となっており、酸素流量０．２ｓｃｃｍと同程度の値が得られた。
【０１５５】
上述の検討結果を本発明者が鋭意分析したところによると、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜をＴＦＴ活性層に適用する際に、特に、その薄膜の抵抗率を２Ωｃｍ〜５ＫΩｃｍとすることで、良好な特性を示すことが判った。その中でも、特にＯｆｆ電流の大きいトランジスタとするためには、１０Ωｃｍ〜１ＫΩｃｍとすることが望ましい。
【０１５６】
また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜において、ＴＦＴ活性層に適した抵抗率（数Ωｃｍ〜数１００Ωｃｍ）を示す組成範囲は比較的に狭いことが分かった。また、ＴＦＴ活性層に適した抵抗値を示す組成範囲が酸素流量に対し急峻に変化しており、抵抗値への酸素量の影響が大きいことが分かった。
【０１５７】
図３は、以上の結果をもとに、ＩｎＧａＺｎ３元相図上にＴＦＴ動作範囲をまとめたものである。
【０１５８】
次に、さらに酸素流量を増やし、酸素流量０．６ｓｃｃｍおよび０．８ｓｃｃｍにてコンビナトリアルＴＦＴを作製した。この時、Ｇａ−ｒｉｃｈ領域ではＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の抵抗率が高くなりすぎて、正ゲートバイアス印加時においても負バイアス印加時と同程度の電流しか流れず、トランジスタ動作を確認することはできなかった。一方、Ｇａ−ｌｅｓｓ領域では、高抵抗化によってＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜がＴＦＴ活性層に適した抵抗率を示すようになり、結果、酸素流量０．４ｓｃｃｍの場合と比べ、Ｇａ−ｌｅｓｓ領域にＴＦＴ動作範囲が移動することが分かった。またこの時、酸素流量０．４ｓｃｃｍの時に比べ、電界効果移動度が大きく、Ｓ値の小さなＴＦＴ素子を得ることができた。具体的にはＧａ原子組成比率が１５原子％以下の組成領域では、電界効果移動度が１２ｃｍ２／Ｖｓ以上、Ｓ値が１Ｖ／ｄｅｃａｄｅ以下の値を示していた。
【０１５９】
下記に本実施例のＴＦＴ評価の結果を簡単にまとめる。
【０１６０】
組成依存性については以下のように言える。
【０１６１】
Ｉｎ−ｒｉｃｈ領域（図１の領域ｎ，ｇ，Ｕ，Ｔ）で移動度大。ヒステリシスが小さい。Ｇａ−ｒｉｃｈ領域（領域Ｙ，ｈ，ｉ，ｋ）でオフ電流が小さく、電流ＯＮ／ＯＦＦ比大、しきい値大。光安定性、光透過性が良好である。
【０１６２】
Ｚｎ−ｒｉｃｈ領域（領域Ｓ，Ｎ，Ｋ，Ｖ）では移動度、電流ＯＮ／ＯＦＦ比が大きく、比較的Ｓ値が小さい。
【０１６３】
酸素分圧依存については以下のように言える。
【０１６４】
酸素分圧を大きくすると、ＴＦＴ動作範囲がＩｎ−ｒｉｃｈ領域に移動し、高移動度化に有利である。
【０１６５】
次に、本実施例で作製したＴＦＴについて、ＤＣバイアスストレス試験を行った。具体的には、ゲート電極に電圧１２Ｖ、ソース・ドレイン電極に電圧１２ＶのＤＣストレスを４００秒印加し、ＴＦＴ特性の変化を評価した。結果、Ｇａ−ｒｉｃｈ領域ではＤＣストレスによる特性の変動が大きく、特にしきい値は、３Ｖ程度プラス側にシフトすることが分かった。一方、電界効果移動度が高いＩｎ−ｒｉｃｈ領域では特性の変化が殆ど観測されず、ＤＣストレスに対し、影響を受けにくいことが分かった。図２４に代表的な組成におけるＤＣストレス前後での伝達特性を示す。図２４においてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ原子組成比率はそれぞれ、（ａ）２７：４６：２７、（ｂ）１：１：１、（ｃ）３５：１０：５５である。これらの結果から、全金属元素量に対するＧａの原子組成比率を従来より小さくすることで、電界効果移動度の大きなトランジスタを実現することができると考えられる。
【０１６６】
表４に、本実施例で得られたＴＦＴについて、それぞれの金属原子組成比率に対する電界効果移動度、Ｓ値、およびＤＣストレスによるしきい値シフトをまとめる。なお表４において、移動度等の欄に「−」が表示されている原子組成比率では、電流ＯＮ／ＯＦＦ比が小さく、良好なＴＦＴ動作が得られなかったことを示している。
【０１６７】
【表４】
2007281409.tif 000006
【０１６８】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系にあげられる多元系材料からなる酸化物半導体はでは材料設計の自由度が増す一方、組成によって物性が大きく異なるため、目的に応じてその組成を精緻に制御する必要がある。上述のように、目的に応じて、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎの原子組成比率を設定して用いることができる。
【０１６９】
（実施例２）
実施例１に示すように、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の抵抗率とＴＦＴ特性との相関が強いことが分かり、抵抗率の値が数Ωｃｍ〜数１００ΩｃｍでＴＦＴ動作をする。しかし、上記抵抗値を示すＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ原子組成比率範囲は狭く、中でも、良好なＴＦＴ特性を示す原子組成比率の範囲が狭い。また良好な抵抗を示すＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ原子組成比率は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜製膜雰囲気中の酸素流量に対して大きく変化している。
【０１７０】
本実施例２では、アモルファスＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体におけるＳｎ添加を行った例である。これにより抵抗値制御、さらにはＴＦＴ動作に対する原子組成比率のマージン（或いはラチチュード）を広げることができる。
【０１７１】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ：Ｓｎ組成傾斜膜の製膜は、実施例１と同様に３元斜入射スパッタ装置を用いて行った。表５にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ：Ｓｎ膜の製膜条件を示す。膜中へのＳｎ添加はＩｎ側ターゲットにＩｎ２Ｏ３とＳｎＯ２の焼結体でできたＩＴＯターゲット（ＳｎＯ２：４．６原子％）を用いることにより行った。作製された膜の物性は蛍光Ｘ線分析、分光エリプソメトリー、Ｘ線回折および４探針測定により評価した。また、ｎ型チャネル層にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ：Ｓｎ組成傾斜膜を用いたボトムゲート・トップコンタクト型ＴＦＴの試作も行い、室温にて動作特性を評価した。
【０１７２】
【表５】
2007281409.tif 000007
【０１７３】
分光エリプソメトリー測定により、この膜の面内膜厚分布は±１０％以内であることを確認している。
【０１７４】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ：Ｓｎ膜を成膜した基板を１６分割し、それぞれのアドレスに対応したＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ原子組成比率を蛍光Ｘ線分析より求めた。Ｉｎ，Ｇａ、Ｚｎの原子組成比率は実施例１と同様であった。Ｓｎの原子組成比率は濃度が低いため測定できなかったが、Ｉｎ濃度に比例していると考えられる。またこの時、酸素流量は０．２ｓｃｃｍであったが、今回の実験条件では酸素流量による組成の変化は見られなかった。
【０１７５】
酸素流量０．４ｓｃｃｍにて作製したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ：Ｓｎ組成傾斜膜のシート抵抗を４探針法により、膜厚を分光エリプソメトリーにより測定し、膜の抵抗率を求めた。実施例１のＳｎ非添加時と同様、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ原子組成比率に応じた抵抗率の変化が確認され、Ｉｎ−ｒｉｃｈ側で低抵抗、Ｇａ−ｒｉｃｈ側で高抵抗となることが分かった。実施例１に記したように、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜をｎ型チャネル層に用いたＴＦＴにおいて、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の抵抗率が２Ωｃｍ〜５００ΩｃｍでＴＦＴ動作を示すことが確認されている。Ｓｎを添加していないＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の場合、非常に狭いＩｎＯ１．５−ＧａＯ１．５−ＺｎＯの３元組成領域でのみ上記抵抗値を示していたが、Ｓｎ添加によってＴＦＴ作成に好ましい抵抗率を示す組成範囲が広がる傾向にあることが分かった。
【０１７６】
次に、成膜雰囲気中の酸素流量を変化させたときのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ：Ｓｎ組成傾斜膜の抵抗率を求めた。酸素流量の増加に従い、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜が高抵抗化していることが分かるが、これは、酸素欠損の減少とそれに伴う電子キャリア密度の低下に起因するものと考えられる。またＴＦＴ活性層に適した抵抗値を示す組成範囲が酸素流量に対し変化していることが確認されたが、Ｓｎ非添加時に比べてその変化が小さくなっていることが分かった。
【０１７７】
以上の結果から、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜へのＳｎ添加は、（１）ＴＦＴ活性層に適した抵抗値を示すＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ原子組成比率の範囲を広げる、（２）製膜雰囲気中の酸素流量に対する条件範囲を広げる、等の効果があることが分かった。
【０１７８】
次に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ：Ｓｎ膜をｎ型チャネル層とした電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）の特性およびその組成依存性を調べるため、ＦＥＴの試作を行った。ＦＥＴの構成及び評価方法は実施例１と同様である。
【０１７９】
実施例１と同様なＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ原子組成比率に応じたＦＥＴ特性の変化が見られ、両者で同様の傾向を示すことが確認されたが、Ｓｎ添加されたＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜ではＴＦＴ動作を示すＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ組成範囲が広くなることが分かった。特にＩｎ−ｒｉｃｈ領域でＦＥＴ動作範囲が広がっており、その結果、Ｓｎ非添加時に比べ移動度の大きいＴＦＴ素子を得ることができた。
【０１８０】
実施例１において、Ｉｎ−ｒｉｃｈ領域では高キャリア移動度が得られる一方、残留キャリアの低密度化が困難であるためＯＦＦ電流が大きく、場合によってはトランジスタ動作を示さない。
【０１８１】
しかし、本実施例では酸素欠損によるキャリア発生量がＳｎ添加によって抑制されているために、広い組成範囲にわたりＴＦＴ動作を実現できていると考えることができる。最も移動度が大きいＦＥＴ特性が得られたのはＺｎ−ｒｉｃｈ領域であり、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ原子組成比率はそれぞれ２８原子％、２７原子％、４５原子％であった。（Ｓｎ添加Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ：本実施例）。実施例１では、２５原子％、３０原子％、４５原子％（Ｓｎ非添加Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ：実施例１）で移動度の大きい特性が得られたことと比較すると、Ｓｎ添加によりＩｎの原子組成比率が大きい組成で、より大きな移動度１０．１ｃｍ２（Ｖ・ｓ）−１が得られた。このとき、電流ＯＮ／ＯＦＦ比、しきい値、Ｓ値はそれぞれ３×１０７、０．５Ｖ、０．８３Ｖ／ｄｅｃ、となっており、Ｓｎ非添加時と同程度の値が得られた。
【０１８２】
図４は、以上の結果をもとに、ＩｎＧａＺｎの３元相図上にＴＦＴ動作範囲をまとめたものである。図中１４００は、Ｓｎを含まない場合にＴＦＴの動作として好適な値を示す範囲であり、１４５０はＳｎを添加した場合のそれである。
【０１８３】
以上より、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜へのＳｎ添加は、ＴＦＴ活性層に適した抵抗値を示すＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ原子組成比率範囲を広げる効果がある。
【０１８４】
また、成膜雰囲気中の酸素流量に対する条件範囲を広げる、等の効果があることが分かった。
【０１８５】
また実際に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を活性層として用いたＴＦＴを試作したところ、Ｓｎ添加されたＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜ではＴＦＴ動作を示す組成範囲が広くなることが分かった。特にＩｎ−ｒｉｃｈ領域でＴＦＴ動作範囲が広がっており、その結果、Ｓｎ非添加時に比べ移動度の大きいＴＦＴ素子が得られることが分かった。
【０１８６】
このように本実施例ではＳｎを添加したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜をＴＦＴの活性層に適用することで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎの原子組成比率、さらには酸素量によるＴＦＴ特性の変動が小さくなる。これにより、素子間のばらつきの低減や、ロット間ばらつきの低減がはかられる。すなわち、Ｓｎを添加したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜をＴＦＴの活性層に適用することで、均一性と再現性に優れたＴＦＴアレイを実現することができる。
【０１８７】
また実際に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を活性層として用いたＴＦＴを試作したところ、Ｓｎ添加されたＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜ではＴＦＴ動作を示す組成範囲が広くなることが分かった。特にＩｎ−ｒｉｃｈ領域でＦＥＴ動作範囲が広がっており、その結果、Ｓｎ非添加時に比べ移動度の大きいＴＦＴ素子が得られることが分かった。
【０１８８】
このように本実施例ではＳｎを添加したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜をＴＦＴの活性層に適用することで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎの原子組成比率、さらには酸素量によるＴＦＴ特性の変動が小さくなる。これにより、素子間のばらつきの低減や、ロット間ばらつきの低減がはかられる。すなわち、Ｓｎを添加したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜をＴＦＴの活性層に適用することで、均一性と再現性に優れたＴＦＴアレイを実現することができる。
【０１８９】
（実施例３）
本実施例３では、実施例１と同様にして、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ酸化物からなる活性層のＩｎ−Ｚｎの原子組成比率依存性を検討した。
【０１９０】
Ｉｎ  ４０原子％、Ｚｎ  ６０原子％の原子組成比率及びその近傍で大きな移動度１５ｃｍ２（Ｖ・ｓ）−１が得られた。Ｓ値、ＯＮ／ＯＦＦ比も良好である。この原子組成比率において、Ｘ線回折を実施すると、Ｚｎ−ｒｉｃｈ側で結晶の存在を示す回折ピークが観測されなかった。また本発明者がＴＦＴ素子を断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察したところ、上記原子組成比率を有するＩｎ−Ｚｎ−Ｏ酸化物はアモルファスであることが確認された。図５には実施例１の結果に加えて実施例３の結果を加えて、比較的良好なＴＦＴ特性がえられた組成範囲を記す。
【０１９１】
本実施例３は、ＴＦＴ活性層に金属主成分がＩｎとＺｎである酸化物を用いた例であり、特性の優れたＴＦＴ素子を得ることができる。
【０１９２】
Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ膜の製膜は実施例１と同様、３元斜入射スパッタ装置を用いて行った。本実施例ではＩｎ２Ｏ３とＺｎＯの２元で製膜を行っており、組成傾斜と直交する方向に膜厚傾斜も形成されるため、膜厚依存と組成依存が１枚の基板で評価可能となっている。下表にＩｎＺｎ−Ｏ膜の製膜条件を示す。
【０１９３】
【表６】
2007281409.tif 000008
【０１９４】
作製された膜の物性は蛍光Ｘ線分析、分光エリプソメトリー、Ｘ線回折および４探針測定により評価した。また、ｎ型チャネル層にＩｎ−Ｚｎ−Ｏ組成傾斜膜を用いたボトムゲート・トップコンタクト型ＴＦＴの試作も行い、室温にて動作特性を評価した。
【０１９５】
図６に異なるＩｎとＺｎの原子組成比率に対するＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜の抵抗率を示す。実施例１と同様、組成に応じた抵抗率の変化が確認された。
【０１９６】
まず全金属量に対するＩｎ比が４０原子％以上となる組成領域に着目してみると、Ｉｎ−ｒｉｃｈ側で低抵抗、Ｚｎ−ｒｉｃｈ側で高抵抗となっていることが分かる。これは、Ｉｎ−ｒｉｃｈ側では酸素欠損に起因するキャリア密度が高いこと、またキャリアの伝導路となる陽イオンの非占有軌道がＩｎ３＋では特に広く、導入された電子キャリアが高い伝導性を示すこと等に起因していると考えられる。一方、全金属量に対するＩｎ比が４０原子％以下の領域では、Ｉｎ比が数原子％の組成で抵抗率が極小をとることが分かる。これは、結晶化したＩＺＯ膜のＺｎ２＋サイトにＩｎ３＋が置換し、キャリア生成が行われたことに起因しているものと考えられる。実際に、Ｉｎ比が３５原子％以下のＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜は結晶化していることをＸＲＤ測定により確認している。またＴＦＴ活性層に適した抵抗率（２Ωｃｍ〜５００Ωｃｍ）を示す組成範囲はＩｎ比で２０原子％−８０原子％とＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜に比べて広いことが分かった。
【０１９７】
次に、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ膜をｎ型チャネル層としたＴＦＴを作製し、ＴＦＴ特性およびその組成依存性を調べた。ＴＦＴの構成および評価方法は実施例１と同様である。
【０１９８】
Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ膜製膜時の酸素分圧を調整することで、ＩｎＺｎ組成の広い範囲でＴＦＴとしての動作が可能であり、なかでもＩｎ比において３０原子％から６０原子％の範囲でＴＦＴ動作の再現性が良好であることを確認した。
【０１９９】
図７および図８は異なるＩｎとＺｎの原子組成比率に対するＴＦＴ特性をプロットしたものである。この時ＴＦＴ動作が確認されたのはＩｎ比が３０原子％から６０原子％の範囲で、移動度は常に１５ｃｍ２／Ｖｓ以上の高い値を示していた。一方、電流Ｏｎ／Ｏｆｆ比、しきい電圧、Ｓ値は組成に応じた変化が確認され、それぞれＩｎ比が４０原子％付近でピークを持つことが分かった。図９にＩｎ比４０原子％におけるＴＦＴの伝達特性を示す。移動度、電流Ｏｎ／Ｏｆｆ比、Ｓ値、しきい電圧はそれぞれ１６．５ｃｍ２／Ｖｓ、１０９、０．１６Ｖ／ｄｅｃａｄｅ、２Ｖという値を示しており、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系ＴＦＴの中でも特に特性の優れたＴＦＴ素子を得ることができた。
【０２００】
次に、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ製膜雰囲気中の酸素流量を変化させたときのＴＦＴ特性の変化を調べた。結果を図１５に示す。Ｉｎ比が３０原子％、５０原子％および６０原子％の時、ＴＦＴ特性は移動度、Ｏｎ／Ｏｆｆ比、Ｓ値、しきい電圧ともに、酸素流量に対し非常に不安定な振る舞いすることが確認された。特にＩｎが３５原子％以上５５原子％以下の範囲におけるＳ値が好ましく、特に４０原子％から５０原子％の範囲は更に好ましい。
【０２０１】
一方、酸素流量０．８ｓｃｃｍにおいて最も優れた特性を示していたＩｎ比４０原子％の組成領域では、酸素流量を変えてもやはり優れた特性を示しており、移動度等のパラメータもほぼ一定の値をとることが分かった。実施例１で記したように、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ酸化物ＴＦＴでは、良好な特性を示すＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ原子組成比率が、製膜雰囲気中の酸素流量の微小な変化に対し大きく変化してしまうという問題があった。本実施例は、ＴＦＴ活性層に前記原子組成比率をとるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いることで、プロセスマージンが広がり、素子間のばらつきや、ロット間のばらつきの低減がはかられることを示している。
【０２０２】
また最も優れた特性を示すＩｎ比４０原子％という組成は、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ膜の抵抗率がピークをとる組成と一致しており、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系においても、ＴＦＴ特性と活性層の抵抗率との相関が大きいことが分かった。一方で本発明者の実験により、このＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜の抵抗率は、空気中に静置しているだけで値が変化してしまうことも明らかになった。例えば半年間大気中に静置した場合、最大で約３桁その値が減少することもあった。
【０２０３】
しかし、抵抗率の経時変化の度合いがＩｎ−Ｚｎの組成によって異なることも分かり、組成によっては殆ど経時変化を示さないことが明らかになった。図１９に異なるＩｎ−Ｚｎ組成におけるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜抵抗率の経時変化を示す。ここで特筆すべき点は、優れたＴＦＴ特性を示すＩｎ比４０原子％のＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜が、２４時間の大気中静置により抵抗率がやや下がるものの、その後は安定して数１０Ω・ｃｍの値を示すという点である。そこで、前記組成を有するＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜でＴＦＴを作製し、作製直後と半年間大気中に静置した後とでＴＦＴ特性を評価し比較してみた。その結果を図２０に示す。結果、両者の間での特性の違いは殆ど見られず、Ｉｎ比４０原子％の組成を持つＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜をＴＦＴの活性層に適用することで、比較的安定なＴＦＴを実現できることが分かった。
【０２０４】
このように本実施例では、活性層にＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いることにより、移動度、電流Ｏｎ／Ｏｆｆ比、Ｓ値、しきい電圧において、優れた特性を示すＴＦＴを得ることができる。特にＩｎ：Ｚｎ原子組成比率が４０：６０の時、プロセスマージンが広く、且つ経時変化の少ないＴＦＴを実現することが可能となる。図１６は本実施例の結果をもとに、ＩｎＧａＺｎの３元相図上に良好なＴＦＴ特性が得られた組成範囲をまとめたものである。Ｇａの割合としては、更に好ましくは既述のようにＳ値を考慮し、５原子％以内であるのがよい。
【０２０５】
次に、半年間大気中に静置した後のＴＦＴについて、ＤＣバイアスストレス試験を行った。具体的には、ゲート電極に電圧１２Ｖ、ソース・ドレイン電極に電圧１２ＶのＤＣストレスを４００秒印加し、ＴＦＴ特性の変化を評価した。結果、従来のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜に比べＤＣストレスによる特性の変動が非常に小さいことが分かった。また優れたＴＦＴ特性を示していたＩｎ：Ｚｎ原子組成比率が４０：６０の組成においても、しきい値シフトが０．７Ｖ程度と良好なＤＣストレス耐性を示すことがわかった。図２５に上記組成におけるＤＣストレス前後での伝達特性を示す。
【０２０６】
表７に、本実施例で得られたＴＦＴについて、それぞれの活性層を構成する金属元素の原子組成比率に対する電界効果移動度、Ｓ値、およびＤＣストレスによるしきい値シフトをまとめる。なお表７において、移動度およびＳ値の欄に「−」が表示されている原子組成比率では、電流ＯＮ／ＯＦＦ比が小さく、良好なＴＦＴ動作が得られなかったことを示している。
【０２０７】
【表７】
2007281409.tif 000009
【０２０８】
（実施例４）
実施例３で記したように、酸化物半導体を活性層に用いたＴＦＴは、その組成によっては空気中に静置しているだけで特性が変化してしまい、経時安定性に問題がある。またＩｎ：Ｚｎ原子組成比率が４０：６０の組成を有するＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜においても若干ではあるが、抵抗率の変動があり、さらなる経時安定性の向上が望ましい。
【０２０９】
本実施例４は、全金属量に対するＧａの割合が１原子％以上１０原子％以下の組成を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ酸化物半導体をＴＦＴ活性層に用いた例であり、これにより経時安定性に優れ、かつ良好な特性を持つＴＦＴを得ることができる。また前記半導体をＴＦＴ活性層に用いることにより、素子間およびロット間ばらつきの低減が図られ、再現性に優れたＴＦＴアレイの実現が可能となる。
【０２１０】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の製膜は実施例１と同様、３元斜入射スパッタ装置を用いて行った。下表に製膜条件を示す。
【０２１１】
【表８】
2007281409.tif 000010
【０２１２】
本実施例ではＩｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＩｎＧａＺｎＯ４の３元で製膜を行っているため、一枚の基板面内でＧａ比１原子％以上１０原子％以下の組成分布を持ち、かつ膜厚均一性の高いＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ薄膜を得ることができる。またこの時Ｉｎ−Ｚｎの組成傾斜と直交する方向にＧａ濃度分布が形成されるようになっている。作製された膜の物性は蛍光Ｘ線分析、分光エリプソメトリー、Ｘ線回折および４探針測定により評価した。また、ｎ型チャネル層にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ組成傾斜膜を用いたボトムゲート・トップコンタクト型ＴＦＴの試作も行い、室温にて動作特性を評価した。
【０２１３】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の抵抗率を測定した結果、Ｇａ比を固定して比較した場合、ＩｎとＺｎの原子組成比率に対する抵抗率の振る舞いはＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜と同様の傾向を示すことが分かった。ただ、Ｉｎ原子組成比率が４０原子％以上の組成領域ではＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜よりも若干抵抗値が高くなっており、その結果として、ＴＦＴ活性層に適した抵抗率（２Ωｃｍ〜５００Ωｃｍ）を示す組成範囲も広くなることが分かった。
【０２１４】
次に、Ｇａ比１原子％以上１０原子％以下の組成分布を持つＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜をｎ型チャネル層としたＴＦＴを作製し、ＴＦＴ特性およびその組成依存性を調べた。ＴＦＴの構成および評価方法は実施例１と同様である。
【０２１５】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ原子組成比率に応じたＴＦＴ特性の変化が見られ、Ｇａ比を一定にして比較した場合、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いたＴＦＴと同様の傾向を示すことが確認された。特に、ＩｎとＺｎの原子組成比率が２０：８０〜７０：３０の領域で再現性良くＴＦＴ動作しており、Ｉｎ比が３０原子％以上の組成範囲では、移動度が常に１３ｃｍ２／Ｖｓ以上と高い値を示していた。一方、電流Ｏｎ／Ｏｆｆ比、しきい電圧、Ｓ値は組成に応じた変化が確認され、それぞれＩｎとＺｎの原子組成比率が４０：６０（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３８：５：５７）でピークを持つことが分かった。またこの時、ＴＦＴの移動度、電流Ｏｎ／Ｏｆｆ比、Ｓ値、しきい電圧はそれぞれ１５ｃｍ２／Ｖｓ、１０９、０．２Ｖ／ｄｅｃａｄｅ、３Ｖという値を示しており、特性の優れたＴＦＴ素子が得られている。
【０２１６】
次に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の経時安定性を調べるため、前記薄膜を大気中に静置し、抵抗率の時間変化を測定した。結果、Ｇａ量に依存した抵抗率の経時変化が観測され、Ｇａ原子組成比率が５原子％以上の酸化膜では、異なるＩｎＺｎ比に対し、静膜直後と半年間大気中に静置した後とで抵抗率は殆ど変化しないことが分かった。これは膜に適度なＧａを加えることにより、経時安定性が向上することを示している。図２１は、ＩｎとＺｎの原子組成比率が４０：６０の時の抵抗率経時変化を示したものである。そこで実際に原子組成比率がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３８：５：５７を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜でＴＦＴを作製し、作製直後と半年間大気中に静置した後とでＴＦＴ特性を評価し、それらの比較を行った。結果、両者の間で特性の変化は見られず、常に安定して優れた特性を示すことが確認された。図２２に上記ＴＦＴ特性の評価結果を示す。
【０２１７】
そこで次に、ゲート電圧非印加時には電流が流れない、いわゆる「ノーマリーオフ特性」を示すような、高い抵抗率を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を作製し、経時安定性の評価を行った。その結果を図２３に示す。上記と同様、Ｇａ量に依存した抵抗率の経時変化が観測されたが、Ｇａ原子組成比率が５原子％の酸化膜では２４時間の大気中静置により、抵抗率が初期値の約１／３程度まで下がることが分かった。一方、Ｇａ原子組成比率が１０原子％の膜では、抵抗率の変化は殆ど観測されなかった。以上の結果は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜が安定して取り得る最大の抵抗率がＧａ原子組成比率によって決まる、すなわち、Ｇａ原子組成比率によってＴＦＴのしきい値電圧が制御できることを示している。
【０２１８】
このように本実施例では、Ｇａ比１原子％以上１０原子％以下の組成を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜をＴＦＴの活性層に適用することで、素子間およびロット間でのばらつきが少なく、かつ良好な特性を示すＴＦＴ素子を得ることができる。特に原子組成比率がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３８：５：５７の組成を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜をＴＦＴの活性層に適用することで、経時安定性に優れ、且つ優れた特性を示すＴＦＴを実現することが可能となる。図１７は本実施例をもとに、ＩｎＧａＺｎの３元相図上に良好なＴＦＴ特性が得られた動作範囲をまとめたものである。
【０２１９】
次に、半年間大気中に静置した後のＴＦＴについて、ＤＣバイアスストレス試験を行った。具体的には、ゲート電極に電圧１２Ｖ、ソース・ドレイン電極に電圧１２ＶのＤＣストレスを４００秒印加し、ＴＦＴ特性の変化を評価した。結果、従来のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜に比べＤＣストレスによる特性の変動が非常に小さいことが分かった。
【０２２０】
表９に、本実施例で得られたＴＦＴについて、それぞれの金属組成組成比率に対する電界効果移動度、Ｓ値、およびＤＣストレスによるしきい値シフトをまとめる。なお表９において、移動度およびＳ値の欄に「−」が表示されている原子組成比率では、電流ＯＮ／ＯＦＦ比が小さく、良好なＴＦＴ動作が得られなかったことを示している。
【０２２１】
【表９】
2007281409.tif 000011
【０２２２】
図５は実施例１〜４をもとに、ＩｎＧａＺｎの３元相図上にＴＦＴのキャリア移動度をまとめて示したものである。
【０２２３】
また、以下に、図１８を用いて実施例１〜４で得られたＴＦＴ評価の結果をまとめる。
【０２２４】
図１８に記載の相図の（１）、（２）、（８）、（７）で囲まれる組成領域からなるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ薄膜でチャネル層を構成することで、従来よりも電界効果移動度の高いトランジスタを提供することができる。具体的には電界効果移動度が７ｃｍ２／Ｖｓ以上のトランジスタを提供することができる。
【０２２５】
さらにこの中でも特に、図１８に記載の相図の（１）、（２）、（６）、（５）で囲まれる領域内の組成領域からなるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ薄膜でチャネル層を構成することで、従来よりもトランジスタ特性に優れ、良好なＤＣバイアスストレス耐性を示すトランジスタを提供することができる。具体的には電界効果移動度が１２ｃｍ２／Ｖｓ以上、Ｓ値が１Ｖ／ｄｅｃａｄｅ以下、ＤＣバイアスストレスによるしきい値シフトが１Ｖ以下のトランジスタを提供することができる。
【０２２６】
さらにこの中でも特に、図１８に記載の相図の（１）、（２）、（４）、（３）で囲まれる領域内の組成領域からなるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ薄膜でチャネル層を構成することで、電界効果移動度が大きく、特にＳ値の著しく小さなトランジスタを提供することができる。具体的には電界効果移動度が１５ｃｍ２／Ｖｓ以上、Ｓ値が０．５Ｖ／ｄｅｃａｄｅ以下のトランジスタを提供することができる。
【０２２７】
さらにこの中でも特に、図１８に記載の相図の（３）、（４）、（６）、（５）で囲まれる領域内の組成領域からなるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ薄膜でチャネル層を構成することで、経時安定性に優れ、且つ、従来よりもトランジスタ特性に優れ、ＤＣバイアスストレス耐性の高いトランジスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２２８】
【図１】本発明に係る酸化物を説明するための相図である。
【図２】本発明に係るトランジスタの構成の一例である。
【図３】実施例１の結果を相図内にまとめて示した図である。
【図４】実施例２の結果を相図内にまとめて示した図である。
【図５】実施例１〜４の結果をもとに、ＴＦＴのキャリア移動度を相図内にまとめて示した図である。
【図６】実施例３で作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜のＩｎＺｎ原子組成比率と抵抗率の関係を示すグラフである。
【図７】実施例３で作製したＴＦＴ素子のＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜における原子組成比率と（ａ）キャリア移動度、（ｂ）電流Ｏｎ／Ｏｆｆ比の関係を表すグラフである。
【図８】実施例３で作製したＴＦＴ素子のＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜における原子組成比率と（ａ）しきい電圧、（ｂ）サブスレッショールドスイングＳ値の関係を表すグラフである。
【図９】実施例３で作製したＴＦＴ素子の伝達特性を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る酸化物を説明するための相図である。
【図１１】本発明の薄膜トランジスタの構成例を示す図（断面図）
【図１２】本発明の薄膜トランジスタのＴＦＴ特性を示すグラフである。
【図１３】本発明の薄膜トランジスタのヒステリシス特性を示すグラフである。
【図１４】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度と成膜中の酸素分圧の関係を示すグラフである。
【図１５】実施例３で作製したＴＦＴ素子におけるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜製膜雰囲気中の酸素流量とＴＦＴ特性の関係を示したグラフである。
【図１６】実施例３の結果を相図内にまとめて示した図である。
【図１７】実施例４の結果を相図内にまとめて示した図である。
【図１８】実施例１〜４の結果を相図内にまとめて示した図である。本発明の好ましい組成範囲を示す図である。
【図１９】実施例３で作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜の抵抗率の経時変化を示した図である。
【図２０】実施例３で作製した薄膜トランジスタのＴＦＴ特性の経時変化を示すグラフである。
【図２１】実施例４で作製したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の抵抗率の経時変化を示した図である。
【図２２】実施例４で作製した薄膜トランジスタのＴＦＴ特性の経時変化を示すグラフである。
【図２３】実施例４で作製したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の抵抗率の経時変化を示した図である。
【図２４】実施例１で作製した薄膜トランジスタにおいて、ＤＣバイアスストレス前後でのＴＦＴ特性を示すグラフである。
【図２５】実施例３で作製した薄膜トランジスタにおいて、ＤＣバイアスストレス前後でのＴＦＴ特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【０２２９】
２１  基板
２２  絶縁膜
２５  チャネル
２２  第１の電極
２４  第２の電極
【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１８】
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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２５】
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