(57)【要約】【課題】ＺｎＯの結晶性を向上させることができ、それによってＺｎＯ薄膜の膜厚を小さくすることができ、十分な電界効果移動度と高い透過率を達成できる金属酸化物薄膜の積層構造を提供する。【解決手段】Ｉｎ及びＳｎのいずれか一方又は両方の金属元素Ｍ１の酸化物を含有する非晶質膜である第一の薄膜、及び、前記第一の薄膜上に接触して積層された、少なくともＺｎＯを含有する第二の薄膜からなる積層構造。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎ及びＳｎのいずれか一方又は両方の金属元素Ｍ１の酸化物を含有する非晶質膜である第一の薄膜、及び
前記第一の薄膜上に接触して積層された、少なくともＺｎＯを含有する第二の薄膜
からなる積層構造。
【請求項２】
前記第一の薄膜が、さらにＺｎ、Ａｌ及びＧａからなる群から選択される一種以上の金属元素Ｍ２の酸化物を含有する請求項１に記載の積層構造。
【請求項３】
前記第一及び第二の薄膜を積層した後、酸素雰囲気で熱処理を施したものである請求項１又は２に記載の積層構造。
【請求項４】
前記第一の薄膜の膜厚が３〜５０ｎｍである請求項１〜３のいずれかに記載の積層構造。
【請求項５】
前記第二の薄膜の膜厚が２０〜２００ｎｍである請求項１〜４のいずれかに記載の積層構造。
【請求項６】
前記金属元素Ｍ１及びＭ２の組み合わせが下記の組合せから選択される請求項２〜５のいずれかに記載の積層構造。
（Ｍ１；Ｍ２）＝（Ｉｎ；Ｇａ）、（Ｉｎ；Ｚｎ）、（Ｉｎ；Ｇａ及びＺｎ）及び（Ｉｎ及びＳｎ；Ｚｎ）
【請求項７】
前記第二の薄膜が、さらにＡｌ及びＧａのいずれか一方又は両方の酸化物を含有する請求項１〜６のいずれかに記載の積層構造。
【請求項８】
ゲート絶縁膜上に、チャネル層を有する薄膜トランジスタであって、
前記チャネル層が、
Ｉｎ及びＳｎのいずれか一方又は両方の金属元素Ｍ１の酸化物を含有する第一の薄膜、及び
前記第一の薄膜上に接触して積層された、少なくともＺｎＯを含有する第二の薄膜からなる積層構造
からなる薄膜トランジスタ。
【請求項９】
前記第一の薄膜が、さらにＺｎ、Ａｌ及びＧａからなる群から選択される一種以上の金属元素Ｍ２の酸化物を含有する請求項８に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１０】
前記第一の薄膜の膜厚が５〜５０ｎｍである請求項８又は９に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１１】
前記第二の薄膜の膜厚が３０〜１００ｎｍである請求項８〜１０のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１２】
前記金属元素Ｍ１及びＭ２の組み合わせが下記の組合せから選択される請求項９〜１１のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
（Ｍ１；Ｍ２）＝（Ｉｎ；Ｇａ）、（Ｉｎ；Ｚｎ）、（Ｉｎ；Ｇａ及びＺｎ）及び（Ｉｎ及びＳｎ；Ｚｎ）
【請求項１３】
前記第二の薄膜が、さらにＡｌ及びＧａのいずれか一方又は両方の酸化物を含有する請求項８〜１２のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１４】
裏面電極上に、光吸収層、界面層及び上部電極が、この順に設けられた薄膜太陽電池であって、
前記上部電極が、Ｉｎ及びＳｎのいずれか一方又は両方の金属元素Ｍ１の酸化物を含有する第一の薄膜、及び
前記第一の薄膜上に接触して積層された、少なくともＺｎＯを含有する第二の薄膜からなる積層構造からなる薄膜太陽電池。
【請求項１５】
前記第一の薄膜が、さらにＺｎ、Ａｌ及びＧａからなる群から選択される一種以上の金属元素Ｍ２の酸化物を含有する請求項１４に記載の薄膜太陽電池。
【請求項１６】
前記第一の薄膜の膜厚が３〜３０ｎｍである請求項１４又は１５に記載の薄膜太陽電池。
【請求項１７】
前記上部電極の膜厚が１００〜１０００ｎｍである請求項１４〜１６のいずれかに記載の薄膜太陽電池。
【請求項１８】
前記金属元素Ｍ１及びＭ２の組み合わせが下記の組合せから選択される請求項１５〜１８のいずれかに記載の薄膜太陽電池。
（Ｍ１；Ｍ２）＝（Ｉｎ；Ｇａ）、（Ｉｎ；Ｚｎ）、（Ｉｎ；Ｇａ及びＺｎ）及び（Ｉｎ及びＳｎ；Ｚｎ）
【請求項１９】
第二の薄膜が、さらにＡｌ及びＧａのいずれか一方又は両方の酸化物を含有する請求項１４〜１８のいずれかに記載の薄膜太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属酸化物を含有する薄膜の積層構造、それを用いた薄膜トランジスタ及び薄膜太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界効果型トランジスタは、半導体メモリ集積回路の単位電子素子、高周波信号増幅素子、液晶駆動用素子等として広く用いられており、現在、最も多く実用化されている電子デバイスである。
【０００３】
そのなかでも、近年における表示装置のめざましい発展に伴い、液晶表示装置（ＬＣＤ）のみならず、エレクトロルミネッセンス表示装置（ＥＬ）や、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）等の各種の表示装置において、表示素子に駆動電圧を印加して表示装置を駆動させるスイッチング素子として、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が多用されている。
【０００４】
ＺｎＯ薄膜の電極構造体に関する特許文献１では、基板上に多結晶のＩｎ２Ｏ３等の立方構造の酸化物薄膜上に酸化亜鉛（ＺｎＯ）を形成することで、ＺｎＯの結晶性を向上することが可能であることが開示されている。
しかしながら、ＺｎＯの結晶性を向上させるＩｎ２Ｏ３の好ましい膜厚が不明であり、このため立方構造であることがどの程度必要か不明であった。
【０００５】
光起電力素子に関する特許文献２では、ＡｌやＧａをドープしたＺｎＯの代わりに膜厚を小さくしたインジウムと亜鉛の酸化物（Ｉｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝９０：１０質量比）（以下、ＩＺＯということがある。ＩＺＯは出光興産株式会社の登録商標である。）をＣＩＧＳ太陽電池の透明電極として用いている。しかしながら、ＩｎはＺｎと比較して大変高価であり、膜厚を小さくしただけではコストメリットが出しにくいという難点があった。
【０００６】
ＺｎＯを含有する薄膜を結晶化させるためには、一定以上の膜厚とする必要があった。
このため、ＺｎＯを含有する薄膜をボトムゲート型のＴＦＴのチャネル層に用いた場合、ゲート絶縁膜と隣接する部分には結晶性が充分でない領域が生じ、電圧をかけても充分な電界効果移動度を得ることができなかった。
また、ＺｎＯを含有する薄膜をａ−ＳｉやＣＩＧＳ等の薄膜太陽電池に用いた場合には、膜厚が厚くなるため、高い透過率を確保することが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−２５５４９１号公報
【特許文献２】特開２０１０−０９８２６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、ＺｎＯを含有する薄膜の結晶性を向上させることができ、それによってＺｎＯ薄膜の膜厚を小さくすることができ、十分な電界効果移動度と高い透過率を達成できる金属酸化物薄膜の積層構造を提供することである。
また、本発明の目的は、上記積層構造をチャネル層に用い、優れたＴＦＴ特性を有する薄膜トランジスタを提供することである。
さらに、本発明の目的は、上記積層構造を上部電極に用い、優れた起電力を有する薄膜太陽電池を提供することである。
【０００９】
上記目的を達成するため、発明者らは鋭意検討した結果、特定の金属酸化物からなる非晶質の薄い酸化物膜を下地層として用いれば、ＺｎＯや、ＡｌやＧａをドープしたＺｎＯからなる薄膜の結晶性を大きく改善することができるため、ＺｎＯ層を薄くできること、さらにそれによって透過率を向上させることができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、以下の積層構造、薄膜トランジスタ及び薄膜太陽電池が提供される。
１．Ｉｎ及びＳｎのいずれか一方又は両方の金属元素Ｍ１の酸化物を含有する非晶質膜である第一の薄膜、及び
前記第一の薄膜上に接触して積層された、少なくともＺｎＯを含有する第二の薄膜
からなる積層構造。
２．前記第一の薄膜が、さらにＺｎ、Ａｌ及びＧａからなる群から選択される一種以上の金属元素Ｍ２の酸化物を含有する１に記載の積層構造。
３．前記第一及び第二の薄膜を積層した後、酸素雰囲気で熱処理を施したものである１又は２に記載の積層構造。
４．前記第一の薄膜の膜厚が３〜５０ｎｍである１〜３のいずれかに記載の積層構造。
５．前記第二の薄膜の膜厚が２０〜２００ｎｍである１〜４のいずれかに記載の積層構造。
６．前記金属元素Ｍ１及びＭ２の組み合わせが下記の組合せから選択される２〜５のいずれかに記載の積層構造。
（Ｍ１；Ｍ２）＝（Ｉｎ；Ｇａ）、（Ｉｎ；Ｚｎ）、（Ｉｎ；Ｇａ及びＺｎ）及び（Ｉｎ及びＳｎ；Ｚｎ）
７．前記第二の薄膜が、さらにＡｌ及びＧａのいずれか一方又は両方の酸化物を含有する１〜６のいずれかに記載の積層構造。
８．ゲート絶縁膜上に、チャネル層を有する薄膜トランジスタであって、
前記チャネル層が、
Ｉｎ及びＳｎのいずれか一方又は両方の金属元素Ｍ１の酸化物を含有する第一の薄膜、及び
前記第一の薄膜上に接触して積層された、少なくともＺｎＯを含有する第二の薄膜からなる積層構造
からなる薄膜トランジスタ。
９．前記第一の薄膜が、さらにＺｎ、Ａｌ及びＧａからなる群から選択される一種以上の金属元素Ｍ２の酸化物を含有する８に記載の薄膜トランジスタ。
１０．前記第一の薄膜の膜厚が５〜５０ｎｍである８又は９に記載の薄膜トランジスタ。
１１．前記第二の薄膜の膜厚が３０〜１００ｎｍである８〜１０のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
１２．前記金属元素Ｍ１及びＭ２の組み合わせが下記の組合せから選択される９〜１１のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
（Ｍ１；Ｍ２）＝（Ｉｎ；Ｇａ）、（Ｉｎ；Ｚｎ）、（Ｉｎ；Ｇａ及びＺｎ）及び（Ｉｎ及びＳｎ；Ｚｎ）
１３．前記第二の薄膜が、さらにＡｌ及びＧａのいずれか一方又は両方の酸化物を含有する８〜１２のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
１４．裏面電極上に、光吸収層、界面層及び上部電極が、この順に設けられた薄膜太陽電池であって、
前記上部電極が、Ｉｎ及びＳｎのいずれか一方又は両方の金属元素Ｍ１の酸化物を含有する第一の薄膜、及び
前記第一の薄膜上に接触して積層された、少なくともＺｎＯを含有する第二の薄膜からなる積層構造からなる薄膜太陽電池。
１５．前記第一の薄膜が、さらにＺｎ、Ａｌ及びＧａからなる群から選択される一種以上の金属元素Ｍ２の酸化物を含有する１４に記載の薄膜太陽電池。
１６．前記第一の薄膜の膜厚が３〜３０ｎｍである１４又は１５に記載の薄膜太陽電池。
１７．前記上部電極の膜厚が１００〜１０００ｎｍである１４〜１６のいずれかに記載の薄膜太陽電池。
１８．前記金属元素Ｍ１及びＭ２の組み合わせが下記の組合せから選択される１５〜１８のいずれかに記載の薄膜太陽電池。
（Ｍ１；Ｍ２）＝（Ｉｎ；Ｇａ）、（Ｉｎ；Ｚｎ）、（Ｉｎ；Ｇａ及びＺｎ）及び（Ｉｎ及びＳｎ；Ｚｎ）
１９．第二の薄膜が、さらにＡｌ及びＧａのいずれか一方又は両方の酸化物を含有する１４〜１８のいずれかに記載の薄膜太陽電池。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、特定の酸化物薄膜上に、少なくともＺｎＯを含有する薄膜を積層することでＺｎＯの結晶性を向上させることができる。当該積層構造をボトムゲート型のＴＦＴのチャネル層に用いた場合、ゲート電極との接触抵抗を低減することができ、ＴＦＴ特性を大幅に改善することができる。また、当該積層構造を薄膜太陽電池に用いた場合、薄い膜厚において短絡電流密度（Ｉｓｃ）＞２０ｍＡを達成し、タクトタイムを短縮でき、さらに高い透過率を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１及び比較例１で作製した積層構造の、アニール前のＸ線回折（ＸＲＤ）チャートである。
【図２】実施例１及び比較例１で作製した積層構造の、アニール後のＸＲＤチャートである。
【図３】実施例１５及び比較例３で作製した薄膜トランジスタの伝達特性を示すチャートである。
【図４】実施例１５及び比較例３で作製した薄膜トランジスタの電界効果移動度を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（１）積層構造
本発明の積層構造は、Ｉｎ及びＳｎのいずれか一方又は両方の金属元素Ｍ１の酸化物を含有する非晶質膜である第一の薄膜、及び前記第一の薄膜上に接触して積層された、少なくともＺｎＯを含有する第二の薄膜からなることを特徴とする。
さらに、本発明の積層構造においては、第一の薄膜が、さらにＺｎ、Ａｌ及びＧａからなる群から選択される一種以上の金属元素Ｍ２の酸化物を含有していてもよい。
【００１４】
金属元素Ｍ１及びＭ２の酸化物を含有する非晶質である第一の薄膜上に第二の薄膜を設けることにより、第二の薄膜に対する第一の薄膜の膜応力の影響を低減することができ、第二の薄膜の結晶性を向上させ、クラックの発生を低減させることができる。クラックに基づく格子欠陥がキヤリアトラップとなり、電界効果移動度の低下、ＴＦＴのＳ値の悪化等が生じるのを抑制することができる。これは、金属元素Ｍ１及びＭ２の酸化物を含有する薄膜が、少なくともＺｎＯを含有する第二の薄膜の結晶成長を促進させるのに適したイオン結合性を保有しているためと考えられる。
【００１５】
本発明において、非晶質であるとは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）を測定した場合に結晶構造を示すピークが確認できないことをいう。
【００１６】
これにより、当該積層構造をボトムゲート型のＴＦＴのチャネル層に用いた場合、ゲート絶縁膜との界面近傍の結晶性が向上することで電界効果移動度が上昇し、ＴＦＴ特性を大幅に改善することができる。また、当該積層構造を薄膜太陽電池に用いた場合、薄い膜厚において短絡電流密度（Ｉｓｃ）＞２０ｍＡを達成することができ、タクトタイムを短縮でき、さらに高い透過率を達成できる。
【００１７】
本発明の積層構造は、第一及び第二の薄膜を積層した後、酸素雰囲気で熱処理（アニール）を施したものであることが好ましい。熱処理の条件は、空気中等の酸素雰囲気で、２００〜４００℃の温度で、０．５〜２時間であることが好ましい。このように熱処理することで、第二の薄膜の結晶性をさらに向上させることができる。図１及び２を対比すると、アニール前後でＺｎＯのＣ軸方向の配向性を指標とした第二の薄膜の結晶性が変化していることがわかる。
【００１８】
第一の薄膜は、金属元素Ｍ１であるＩｎ及びＳｎの少なくとも一方の酸化物を含有し、金属元素Ｍ２であるＺｎ、Ａｌ及びＧａからなる群から選択される一種以上の酸化物を任意に含有してなる。即ち、第一の薄膜は、Ｉｎ又はＳｎの酸化物のみからなっていてもよいし、Ｉｎ及びＳｎの酸化物からなっていてもよいし、Ｉｎ及びＳｎのいずれか一方の酸化物とＺｎ、Ａｌ及びＧａのうちの一種以上の酸化物とからなっていてもよいし、Ｉｎ及びＳｎの酸化物とＺｎ、Ａｌ及びＧａのうちの一種以上の酸化物とからなっていてもよい。金属元素Ｍ１は、Ｉｎのみ、又はＩｎとＳｎであることが好ましい。
【００１９】
金属元素Ｍ１としてＩｎとＳｎの両方を含有する場合、Ｉｎ２Ｏ３とＳｎＯ２の割合は、質量比で９０：１０〜９９．９：０．１であることが好ましく、９５：５〜９９．８：０．２であることがより好ましい。
【００２０】
金属元素Ｍ２を含有する場合、金属元素Ｍ１の酸化物の合計量と金属元素Ｍ２の酸化物の合計量の割合は、質量比で２０：８０〜９５：５であることが好ましく、３０：７０〜９０：１０であることがより好ましい。
【００２１】
第一の薄膜を構成する金属元素Ｍ１及びＭ２の組み合わせ（Ｍ１；Ｍ２）は、次のものが好ましい。
（Ｍ１；Ｍ２）＝（Ｉｎ；Ｇａ）、（Ｉｎ；Ｚｎ）、（Ｉｎ；Ｇａ及びＺｎ）及び（Ｉｎ及びＳｎ；Ｚｎ）
【００２２】
第一の薄膜の膜厚は、積層構造の用途によって適宜設定することができるが、３〜５０ｎｍであると、第一の薄膜の結晶性を低下させることができるため好ましい。加えて、第一の薄膜の膜厚が３〜５０ｎｍ、より好ましくは５〜５０ｎｍであると、タクトタイムの短縮が期待できる。さらに好ましい第一の薄膜の膜厚は、７〜２０ｎｍである。
【００２３】
第二の薄膜の膜厚も、積層構造の用途によって適宜設定することができるが、２０〜２００ｎｍであることが好ましく、３０〜１５０ｎｍであることがより好ましい。ＺｎＯを含有する第二の薄膜の膜厚が２０〜２００ｎｍであると、ＺｎＯの結晶化度を十分に上げることができる。
【００２４】
尚、第二の薄膜は、さらにＡｌ及びＧａのいずれか一方又は両方の酸化物を含有していてもよい。Ａｌ又はＧａの酸化物を含有することにより、第二の薄膜に導電性を付与することができる。
【００２５】
第二の薄膜中のＡｌ及び／又はＧａの酸化物の割合は、第二の薄膜の合計量を１００質量％としたときに、０．２〜５質量％であることが好ましく、０．５〜３質量％であることがより好ましい。Ａｌ及び／又はＧａの酸化物の割合が０．２質量%未満では、導電性が付与できないおそれがあり、５質量％を超えると、逆に導電性が低下するおそれがある。
【００２６】
本発明の積層構造は、公知の方法によって製造できるが、例えば、次のように製造することができる。
ガラス板等の支持基板上に、第一の薄膜の材料をスパッタリング等の公知の方法によって所定の膜厚となるように成膜し、さらにその上に、第二の薄膜の材料をスパッタリング等の公知の方法によって所定の膜厚となるように成膜する。
尚、第一及び第二の薄膜に複数の金属酸化物を用いる場合、所望の組成比と等しい酸化物のスパッタリングターゲットを用いればよい。
また、上述したように、第二の薄膜の成膜後に、空気中等の酸素雰囲気中で熱処理を行うことで、第二の薄膜の結晶性をさらに高めることができる。
【００２７】
（２）薄膜トランジスタ
本発明の薄膜トランジスタは、ゲート絶縁膜上に、チャネル層を有する薄膜トランジスタであって、前記チャネル層が、Ｉｎ及びＳｎのいずれか一方又は両方の金属元素Ｍ１の酸化物を含有する第一の薄膜、及び前前記第一の薄膜上に接触して積層された、少なくともＺｎＯを含有する第二の薄膜からなる積層構造からなることを特徴とする。
また、本発明の薄膜トランジスタにおいては、第一の薄膜が、さらにＺｎ、Ａｌ及びＧａからなる群から選択される一種以上の金属元素Ｍ２の酸化物を含有していてもよい。
【００２８】
上記積層構造をボトムゲート型のＴＦＴのチャネル層に用いた場合、ＺｎＯを含有する第二の薄膜の結晶性が向上しているため、粒界散乱の抑制が可能となり、ＴＦＴ特性を大幅に改善することができる。また、耐還元性のあるＺｎＯを含有する膜をチャネル層として用いることにより、酸化膜よりもパッシベーション性に優れる窒化膜を直接積層することができ、製造コストの低減が期待できる。
【００２９】
本発明の薄膜トランジスタのチャネル層における第一の薄膜の膜厚は、５〜５０ｎｍであることが好ましく、７〜２０ｎｍであることがより好ましい。第一の薄膜の膜厚が５ｎｍ未満であると、第二の薄膜の結晶性の向上効果が不十分となるおそれがあり、５０ｎｍを超えると、薄膜トランジスタのチャネル厚よりも厚くなるため、電界効果移動度の向上効果が得られなくなるおそれがある。
【００３０】
本発明の薄膜トランジスタのチャネル層における第二の薄膜の膜厚は、３０〜１００ｎｍであることが好ましく、４０〜８０ｎｍであることがより好ましい。第二の薄膜の膜厚が３０ｎｍ未満であると、薄膜トランジスタのチャネル厚よりも薄くなるため、電界効果移動度の向上効果が得られなくなるおそれがあり、１００ｎｍを超えると、電界効果移動度のバラツキを招くおそれがある。
【００３１】
本発明の薄膜トランジスタのチャネル層における第一の薄膜中の金属元素Ｍ１及びＭ２の好ましい組み合わせ、各酸化物の割合、第二の薄膜に添加する成分については、上記本発明の積層構造と同様である。
【００３２】
本発明の薄膜トランジスタは、チャネル層として上記本発明の積層構造を用いる以外は公知のボトムゲート型薄膜トランジスタの製造方法を用いて製造することができる。
【００３３】
（３）薄膜太陽電池
本発明の薄膜太陽電池は、裏面電極上に、光吸収層、界面層及び上部電極が、この順に設けられた薄膜太陽電池であって、前記上部電極が、Ｉｎ及びＳｎのいずれか一方又は両方の金属元素Ｍ１の酸化物を含有する第一の薄膜、及び
前記第一の薄膜に接触して設けられた、少なくともＺｎＯを含有する第二の薄膜からなる積層構造からなることを特徴とする。
また、本発明の薄膜太陽電池においては、第一の薄膜が、さらにＺｎ、Ａｌ及びＧａからなる群から選択される一種以上の金属元素Ｍ２の酸化物を含有していてもよい。
【００３４】
本発明の薄膜太陽電池は、上記積層構造を上部電極として用いていることにより、薄い膜厚の上部電極であっても、短絡電流密度（Ｉｓｃ）＞２０ｍＡを達成でき、タクトタイムを短縮でき、さらに高い透過率を達成できる。
【００３５】
本発明の薄膜太陽電池の上部電極における第一の薄膜の膜厚は、３〜３０ｎｍであることが好ましく、７〜２０ｎｍであることがより好ましい。第一の膜厚が３ｎｍ未満であると、第二の薄膜の結晶性の向上効果が不十分となるおそれがあり、３０ｎｍを超えると、高価なインジウムを多量に使用することになるため、経済的でない。
【００３６】
本発明の薄膜太陽電池の上部電極の膜厚は、求められる性能に応じて適宜設定できるが、１００〜１０００ｎｍであることが好ましく、２００〜５００ｎｍであることがより好ましい。上部電極の膜厚が１００ｎｍ未満では、導電性が不足するおそれがあり、１０００ｎｍを超えると、吸収により太陽電池の短絡電流密度が低下するおそれがある。
【００３７】
本発明の薄膜太陽電池の上部電極における第一の薄膜中の金属元素Ｍ１及びＭ２の好ましい組み合わせ、各酸化物の割合、第二の薄膜に添加する成分については、上記本発明の積層構造と同様である。
【００３８】
本発明の薄膜太陽電池は、上部電極として上記本発明の積層構造を用いる以外は公知の方法を用いて製造することができる。
【実施例】
【００３９】
［積層構造の作製］
実施例１
無アルカリガラスとしてｅａｇｌｅ２０００（コーニング社製）を使用し、第一の薄膜の材料であるＩＺＯ（出光興産株式会社製、登録商標、Ｉｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝９５：５質量比）をＲＦスパッタにより１０ｎｍ成膜した。次にＲＦスパッタにより第二の薄膜の材料であるＺｎＯを４０ｎｍ成膜した。尚、成膜条件は以下の通りとした。
第一の薄膜（ＩＺＯ膜）の成膜条件
ターゲット・基板間距離            ８８ｍｍ
基板温度                          室温
ガス流量                          Ａｒ＝１０ｓｃｃｍ
成膜圧力                          ０．５Ｐａ
スパッタパワー                    ２．３Ｗ／ｃｍ２
第二の薄膜（ＺｎＯ膜）の成膜条件
ターゲット・基板間距離            ８８ｍｍ
基板温度                          １５０℃
ガス流量                          Ａｒ＝１０ｓｃｃｍ、Ｏ２＝１０ｓｃｃｍ
成膜圧力                          １Ｐａ
スパッタパワー                    ２．３Ｗ／ｃｍ２
【００４０】
このようにして得られたＩＺＯ／ＺｎＯ薄膜積層構造を空気中、３５０℃、１時間の条件でアニールした。アニール前の薄膜のＸ線回折（ＸＲＤ）結果を図１に、アニール後の薄膜のＸＲＤ結果を図２に示す。
また、ＺｎＯのＣ軸方向の配向性に基づいて、第二の薄膜の結晶性を評価した。結晶性の評価は、具体的には、ＺｎＯ（０００２）のピーク強度を膜厚で割った値を相対指標とした。この指標値が大きいほど結晶性が高いことを示す。結果を表１に示す。
【００４１】
実施例２〜１４
第一及び第二の薄膜の膜厚・組成等を表１に記載のものに変更した以外は実施例１と同様にして各積層構造を作製した。さらに実施例１と同様にＸＲＤを測定し、結晶性を評価した。結果を表１に示す。
【００４２】
比較例１
無アルカリガラスとしてｅａｇｌｅ２０００を使用し、ＲＦスパッタによりＺｎＯを４０ｎｍ成膜した後、空気中、３５０℃、１時間の条件でアニールした。アニール前の薄膜のＸＲＤ結果を図１に、アニール後の薄膜のＸＲＤ結果を図２に示す。また、得られたＺｎＯ膜の結晶性を実施例１と同様に評価した。結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
2012099661.tif 000003
【００４４】
表１の結果から、ＺｎＯを含有する第二の薄膜の下地層として第一の薄膜を形成することによって、ＺｎＯを含有する第二の薄膜の膜厚を小さくしても、高い結晶性を得ることができることがわかる。
【００４５】
図１及び図２の結果から、実施例１におけるＩＺＯ膜を下地層としてその上に形成されたＺｎＯ膜は、比較例１における同じ膜厚のＺｎＯ単膜よりも結晶性に優れていることがわかる。
【００４６】
実施例１５
［薄膜トランジスタの作製］
下記材料・条件で薄膜トランジスタを作製した。
・ゲート電極
無アルカリガラスとしてｅａｇｌｅ２０００を使用し、Ｃｒをスパッタ成膜した。次にフォトレジストを塗布し、露光、現像、エッチングを行い、最後にレジストを剥離して、ゲート電極とした。
・絶縁膜
上記基板をＣＶＤ装置にセットし、ＳｉＯ２の成膜を行った。ＳｉＯ２はＳｉＨ４＋Ｎ２Ｏ＋Ｎ２ガスを用いたプラズマ化学気相成長（ＰＣＶＤ）にて行い、膜厚は５０ｎｍに設定した。
・チャネル成膜
このようにして得た絶縁膜付き基板をスパッタ装置にセットし、実施例１と同様にしてＩＺＯ／ＺｎＯからなる酸化物薄膜積層構造を作製した。
【００４７】
・エッチストッパー
上記基板をＣＶＤ装置にセットし、ＳｉＮｘの成膜を行った。ＳｉＮｘはＳｉＨ４＋ＮＨ３＋Ｎ２ガスを用いたプラズマ化学気相成長（ＰＣＶＤ）にて行い、膜厚は１００ｎｍに設定した。
・チャネル、エッチストッパーのパターニング
上記基板にフォトレジストを塗布し、露光、現像、ドライエッチングを行い、最後にレジストを剥離して、チャネル層を得た。
・保護膜
さらに上記基板をＣＶＤ装置にセットし、ＳｉＮｘの成膜を行った。ＳｉＮｘはＳｉＨ４＋ＮＨ３＋Ｎ２ガスを用いたプラズマ化学気相成長（ＰＣＶＤ）にて行い、膜厚は１００ｎｍに設定した。
次に上記基板にフォトレジストを塗布し、露光、現像、ドライエッチングを行い、最後にレジストを剥離して、ソース、ドレイン、ゲート電極用のコンタクトホールを作製した。
【００４８】
・ソース、ドレイン電極
上記基板上にＩＴＯをスパッタ成膜した後、フォトレジストを塗布し、露光、現像、エッチングを行い、最後にレジストを剥離して、ソース・ドレイン電極とした。
【００４９】
このようにして得た薄膜トランジスタを用い、ゲート電圧（Ｖｇ）の変化に伴うドレイン電流（Ｉｄ）の大きさを測定することにより、その伝達特性の評価を行った。結果を図３に示した。
また、ゲート電圧（Ｖｇ）の変化に伴う電界効果移動度の大きさを計算した。結果を図４に示した。
【００５０】
また、得られた薄膜トランジスタの電界効果移動度とオフ電流（Ｉｏｆｆ）を下記の方法で測定した。結果を表２に示す。
・電界効果移動度
電界効果移動度はＨａｌｌ効果測定で評価した。
尚、ホール測定装置、及びその測定条件は下記の通りである。
ホール測定装置
東陽テクニカ製：Ｒｅｓｉ  Ｔｅｓｔ８３１０
測定条件
測定温度：室温（２５℃）
測定磁場：０．４５Ｔ
測定電流：１０−１２〜１０−４Ａ
測定モード：ＡＣ磁場ホール測定
【００５１】
・Ｉｏｆｆ（オフ電流）
ゲート電圧（Ｖｇ）＝−５Ｖのときのドレイン電流（Ｉｄ）をオフ電流（Ｉｏｆｆ）とした。
オフ電流は通常５×１０−９Ａ以下であり、１×１０−９Ａ以下が好ましく、５×１０−１０Ａ以下がより好ましく、１×１０−１０Ａ以下が特に好ましい。オフ電流が５×１０−９Ａ以下であれば、リーク電流が少なくディスプレイの薄膜トランジスタとして使用できる。
【００５２】
実施例１６〜２７
チャネル成膜を表２に記載の材料で行った他は、実施例１５と同様にして薄膜トランジスタを作製し、実施例１と同様に電界効果移動度とＩｏｆｆ（オフ電流）を測定した。結果を表２に示す。
【００５３】
比較例３
チャネル成膜を比較例１と同様にして行った他は、実施例１５と同様にしてＺｎＯのみをチャネル層としたトランジスタを作製し、実施例１５と同様に伝達特性及び電界効果移動度とＩｏｆｆ（オフ電流）を測定した。結果を図３及び表２に示す。また、ゲート電圧（Ｖｇ）の変化に伴う電界効果移動度の大きさを計算した。結果を図４に示した。
【００５４】
【表２】
2012099661.tif 000004
【００５５】
図３から明らかなように、ゲート電圧（Ｖｇ）＝０．１Ｖにおける実施例１５のドレイン電流値（Ｉｄ）は比較例３のドレイン電流値に比べて１桁近い向上が得られた。
また、図４から明らかなように、ゲート電圧（Ｖｇ）＝２５Ｖにおける比較例３の電界効果移動度は１３ｃｍ２／Ｖｓであるのに対し、実施例１５の電界効果移動度は５３ｃｍ２／Ｖｓであり、実施例１５におけるＩＺＯ膜を下地層としてその上に形成されたＺｎＯ膜は、比較例３における同じ膜厚のＺｎＯ単膜よりも顕著に高い電界効果移動度を示すことがわかる。
【００５６】
表２の結果から、実施例１５〜２７で作製した薄膜トランジスタは、電界効果移動度が高く、オフ電流（Ｉｏｆｆ）が非常に低く、優れたＴＦＴ特性を有していることがわかる。
【００５７】
上述したように、特定の金属酸化物からなる第一の薄膜とＺｎＯを含有する第二の薄膜の積層構造をチャネル層に用いた本発明の薄膜トランジスタは、優れたＴＦＴ特性を有しており、液晶表示装置等の駆動素子として使用可能なものである。
【００５８】
実施例２８
［ＣＩＧＳ薄膜太陽電池の作製］
下記材料・条件でＣＩＧＳ薄膜太陽電池を作製した。・ガラス基板
ソーダライムガラスを使用した。
・裏面電極層
Ｍｏを直流スパッタリングにより５００ｎｍ成膜した。
・光吸収層
Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇａ及びＳｅを通過型スパッタ装置にて５０００ｎｍとなるように成膜した。
・バッファ層
ＩｎＳをＣＢＤ（ケミカルバスでポジション）法により２００ｎｍ成膜した。
・ｎ型半導体層
ＺｎＯをスパッタ法により５００ｎｍ成膜した。
・透明電極層１（第一の薄膜）
Ｉｎ２Ｏ３をスパッタ法により１０ｎｍ成膜した。
・透明電極層２（第二の薄膜）
ＡＺＯ（ＺｎＯ：Ａｌ２Ｏ３＝９９：１質量比）をスパッタ法により２００ｎｍ成膜した。このとき基板温度は１５０℃に設定した。
【００５９】
得られたＣＩＧＳ薄膜太陽電池における、短絡電流密度（Ｉｓｃ）＞２０ｍＡを達成する透明電極層の膜厚（第一及び第二の薄膜の総厚）と、ＡＺＯの膜厚４００〜１２００ｎｍにおける平均透過率を下記方法で求めた。結果を表３に示す。
・短絡電流密度（Ｉｓｃ）＞２０ｍＡを達成する透明電極層２の膜厚
ＡＺＯのみをガラス上に成膜し、接触式膜厚測定器（ＤＥＫＴＡＫ、ＵＬＶＡＣ社製）を用いて測定した。
・平均透過率
ＡＺＯのみをガラス上に成膜し、波長範囲４００〜１２００ｎｍの透過率を測定し平均値を算出した。
【００６０】
実施例２９
透明電極層２としてＺｎＯ：Ｇａ２Ｏ３（９９：１質量比）を用いた他は実施例２８と同様にしてＣＩＧＳ薄膜太陽電池を作製し、実施例２８と同様に性能評価を行った。結果を表３に示す。
【００６１】
比較例４
透明電極層１を作製しなかった他は実施例２８と同様にしてＣＩＧＳ薄膜太陽電池を作製し、性能評価を行った。結果を表３に示す。
【００６２】
【表３】
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【００６３】
表３の結果から、実施例２８及び２９で作製した薄膜太陽電池は、Ｉｓｃ＞２０ｍＡを達成する透明電極層の膜厚を小さく抑えることができ、それにより高い透過率が得られることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明によれば、ゲート絶縁膜と半導体薄膜の良好な界面を得ることができ、高性能で量産性のある薄膜トランジスタを提供することができる。
本発明の薄膜トランジスタは、優れたＴＦＴ性能を有するものであり、液晶表示装置等の駆動素子として有用である。
本発明の薄膜太陽電池は、透明電極層の膜厚を小さくできるため、高い透過率を有する高性能な太陽電池として有用である。
【図１】
2012099661.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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