JP5213429B2 - 電界効果型トランジスタ - Google Patents

Description

本発明は、アモルファス酸化物を用いた電界効果型トランジスタに関する。より詳しくは、チャンネル層としてアモルファス酸化物を用いた電界効果型トランジスタに関する。

電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）は、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を備えており、ゲート電極に電圧を印加することでチャンネル層に流れる電流を制御し、ソース電極とドレイン電極間の電流を制御する電子アクティブ素子である。特に、セラミックス、ガラス又はプラスチックなどの絶縁基板上に成膜した薄膜を、チャンネル層として用いるＦＥＴは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と呼ばれている。

上記ＴＦＴは、薄膜技術を用いているために、比較的大面積を有する基板上への形成が容易であるという利点を有しており、液晶表示素子などのフラットパネル表示素子の駆動素子として広く使用されている。アクティブ液晶表示素子（ＡＬＣＤ）では、ガラス基板上に作成したＴＦＴを用いて、個々の画像ピクセルのオン・オフが行われている。また、将来の高性能有機ＬＥＤディスプレイ（ＯＬＥＤ）では、ＴＦＴによるピクセルの電流駆動が有効であると考えられている。さらに、画像全体を駆動・制御する機能を有するＴＦＴ回路を画像表示領域周辺の基板上に形成した、より高性能の液晶表示デバイスが実現している。

現在、以上のようなＴＦＴとして最も広く使われているのは、チャンネル層として、多結晶シリコン膜又はアモルファスシリコン膜を用いているものである。ピクセル駆動用にはアモルファスシリコンＴＦＴが、画像全体の駆動・制御用には高性能な多結晶シリコンＴＦＴが実用化されている。

しかしながら、アモルファスシリコンＴＦＴやポリシリコンＴＦＴをはじめ、これまで開発されてきたＴＦＴは、デバイス作成に高温プロセスが求められ、プラスチック板やフィルムなどの基板上に作成することが困難である。

一方、近年では、ポリマー板やフィルムなどの基板上に、ＴＦＴを形成し、ＬＣＤやＯＬＥＤの駆動回路として用いることで、フレキシブル・ディスプレイを実現しようとする開発が活発に行われている。そして、プラスチックフィルム上などに成膜可能な材料として、低温で成膜でき、かつ電気伝導性を示す有機半導体膜が注目されている。

例えば、有機半導体膜としては、ペンタセンなどの研究開発が進められている。そのキャリア移動度は約０．５ｃｍ^２／Ｖｓ程度であり、アモルファスＳｉ−ＭＯＳＦＥＴと同等であることが報告されている。

しかし、ペンタセンなどの有機半導体は、熱的安定性が低く（＜１５０℃）、かつ毒性（発癌性）があるという問題があり、実用的なデバイスは実現していない。

また、最近では、ＴＦＴのチャンネル層に適用し得る他の材料として、酸化物材料が注目されている。

例えば、ＺｎＯを主成分として用いた透明導電性酸化物多結晶薄膜をチャンネル層に用いたＴＦＴの開発が活発に行われており、該薄膜は、比較的低温でプラスチック板やフィルムなどの基板上に形成することが可能である。しかし、ＺｎＯを主成分とする化合物は、室温で安定なアモルファス相を形成することができず多結晶相になるために多結晶粒子界面の散乱が生じ、電子移動度を大きくすることが難しい。また、多結晶粒子の形状や相互接続が成膜方法により大きく異なるため、ＴＦＴ素子の特性にばらつきが生じてしまう。

最近では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物を用いたＴＦＴが報告されている（非特許文献１）。このトランジスタは、室温でプラスチックやガラス基板上へ作成することが可能である。さらには、電界効果移動度が６〜９程度でノーマリーオフ型のトランジスタ特性が得られている。また、可視光に対して透明であるという特徴も有している。上記非特許文献１では、具体的には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１．１：１．１：０．９の組成比を有するアモルファス酸化物をＴＦＴのチャンネル層に用いる技術が記載されている。

前述したように非特許文献１では、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの３つの金属元素を用いたアモルファス酸化物を用いているが、使用される金属元素の数は少ない方が組成制御や材料調整の容易性の観点から好ましい。しかしながら、１種類の金属元素を用いたＺｎＯやＩｎ_２Ｏ_３といった酸化物では、スパッタリング法などの手法で成膜すると、一般的に、多結晶薄膜であるために前述したようなＴＦＴ素子の特性のばらつきが生じる。

非特許文献２には、２種類の金属元素を用いた例として、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物が記載されている（非特許文献２）。これは、２つの金属元素を用いたものであるので、前記問題を解決することが可能である。また、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物を用いたＴＦＴは、可視域の短波長領域（波長３８０、４５０、５５０ｎｍ）において光感度を有することが知られている（非特許文献３）。
Ｋ．Ｎｏｍｕｒａ ｅｔ． ａｌ， Ｎａｔｕｒｅ ＶＯＬ． ４３２， Ｐ． ４８８−４９２ （２００４−１１） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８９，０６２１０３（２００６） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｏｌｉｄｓ Ｖｏｌｕｍｅ ３５２， Ｉｓｓｕｅｓ ９−２０， １５ Ｊｕｎｅ ２００６， Ｐａｇｅｓ １７５６−１７６０

しかしながら、前記非特許文献３に記載のＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物を用いたＴＦＴを明所にて安定的に利用するには、その光感度がより低くなることが望ましい。なぜなら、ＴＦＴが用いられた表示装置は可視光照射のもとでの使用される場合があるからである。例えば、画像表示に用いる光や外部から入射する光がＴＦＴに照射される場合がありうる。このような光の影響を回避する方法としては、表示装置に遮光層を設けることが考えられるが、迷光を完全になくすためには表示装置の構成上に大きな制約が生じる。よって、なるべく少ない元素よりなるアモルファス酸化物を用いたＴＦＴを用いて、さらに光感度をより低くすることで遮光層の設計をより容易にし、光の影響に起因する問題を解決することが求められている。

また、本発明者らが検討したところ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物は、大気中保管において抵抗率が変化する場合があるので、環境安定性の向上も望まれる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、少ない元素数から構成されるアモルファス酸化物を用い、大気中保管などの環境安定性に優れ、かつ可視光に対する感度が小さい薄膜トランジスタを提供することを目的とする。

本発明は、基板上にチャンネル層、ゲート絶縁層、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極が少なくとも形成されてなる電界効果型トランジスタであって、該チャンネル層は、少なくともＩｎとＭｇとを含むアモルファス酸化物材料より構成され、該アモルファス酸化物材料の元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）は０．１以上０．４８以下であることを特徴とする。また、前記アモルファス酸化物材料の元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）は、０．２以上０．４８以下であることを特徴とする。また、前記アモルファス酸化物材料の元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）は、０．３以上０．４２以下であることを特徴とする。また、前記チャンネル層を構成するアモルファス酸化物材料はＺｎを含み、該アモルファス酸化物材料の元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｍｇ）は０．１以上０．４８以下であることを特徴とする。

また、本発明は、基板上にチャンネル層、ゲート絶縁層、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極が少なくとも形成されている電界効果型トランジスタであって、該チャンネル層は、少なくともＩｎとＡｌとを含むアモルファス酸化物材料より構成され、該アモルファス酸化物材料の元素比率Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）は０．１５以上０．４５以下であることを特徴とする。また、前記アモルファス酸化物材料の元素比率Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）は、０．１９以上０．４０以下であることを特徴とする。また、前記アモルファス酸化物材料の元素比率Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）は、０．２５以上０．３以下であることを特徴とする。

また、前記ゲート絶縁層は、酸化シリコンであることを特徴とする。また、前記チャンネル層及び前記ゲート絶縁層は、スパッタリング法により成膜されたことを特徴とする。

本発明によれば、ＩｎとＭｇ（若しくはＡｌ）とを含むアモルファス酸化物でチャンネル層を構成することで、良好な特性を示す電界効果型トランジスタを実現することが可能である。特に、可視光に対する感度が小さい、すなわち、光に対する安定性が良好なトランジスタを得ることが可能である。これにより、表示装置に適用した際に、明所環境で動作させた場合でも安定した動作が可能となる。

また、本発明のトランジスタは、大気中保管などにおいて経過時間にともなう特性変化がほとんどないので、環境安定性に優れている。

以下に、本発明の電界効果型トランジスタの実施形態について説明する。

本発明者らは電界効果型トランジスタのチャンネル層の材料として、ＩｎとＭｇとからなる酸化物や、ＩｎとＡｌとからなる酸化物などの２種類の金属元素からなる酸化物材料を鋭意検討した。

図１１は、スパッタリング法で形成した薄膜の光吸収の波長依存性を示す。図１１のそれぞれの酸化物において、Ｉｎと他の金属元素Ｍの元素比率Ｍ／（Ｉｎ＋Ｍ）は、約０．３である。吸収係数は、Ｊ．Ａ．Ｗｏｏｌｌａｍ社製の分光エリプソメトリーを用い、ｔａｕｃ−Ｌｏｒｅｎｔｚモデルのフィッティング解析により求めた。

図１１に示されているように、ＩｎとＺｎとからなる酸化物（Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ）に比べて、ＩｎとＭｇとからなる酸化物（Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ）やＩｎとＡｌとからなる酸化物（Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ）は、短い波長まで光吸収が小さいことがわかる。

また、図３に、スパッタリング法で形成した薄膜の抵抗率の経過時間変化を示す。図３のそれぞれの酸化物において、Ｉｎと他の金属元素Ｍの元素比率Ｍ／（Ｉｎ＋Ｍ）は、約０．２５である。図３に示すように、ＩｎとＺｎとからなる酸化物（Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ）、ＩｎとＳｎとからなる酸化物（Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ）は抵抗率の経時変化が大きい。一方、ＩｎとＭｇとからなる酸化物（Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ）、ＩｎとＡｌとからなる酸化物（Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ）は経時変化がほとんどないことがわかる。このように、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ及びＩｎ−Ａｌ−Ｏは、抵抗の安定性に優れるため好ましい。

次に、上記の各材料をチャンネル層として用いて薄膜トランジスタを試作したところ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ及びＩｎ−Ｓｎ−Ｏでは、オン・オフ比が５桁以上のトランジスタを実現することが難しかった。一方で、Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ及びＩｎ−Ｍｇ−Ｏにおいては、オン・オフ比が６桁以上のトランジスタを実現することができた（図４及び図５のトランスファ特性（Ｉｄ−Ｖｇグラフ）を参照）。ここで、図４及び図５においては、金属元素比の異なる５種類のトランジスタの特性が記されている。

次に、薄膜トランジスタの光応答特性について説明する。図２は、アモルファス酸化物ＴＦＴ（Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ ＴＦＴ、Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ ＴＦＴ、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ ＴＦＴなど）の暗所及び光照射下のトランジスタ特性（Ｉｄ−Ｖｇ）の差異を説明する図である。図に示されているように、暗所においてはオフ電流が非常に小さい値（ａ）を示すが、５００ｎｍ及び３５０ｎｍの単色光を照射下で特性を評価するとオフ電流が（ｂ）、（ｃ）のように増加する。すなわち、光照射下ではオフ電流が増加し、オン・オフ比が小さくなる。図１には、暗所下、５００ｎｍ単色光を照射下、及び３５０ｎｍの単色光を照射下のオフ電流を比較したグラフを示す。ここでは、チャンネル層に、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ、Ｉｎ―Ａｌ−Ｏ、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏを用いたときのオフ電流の値を比較している。グラフからわかるように、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ及びＩｎ−Ａｌ−Ｏは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏに比べて、光照射下でのオフ電流増加が小さいことがわかる。特に、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏは、光照射において、最もオフ電流が変化しないことがわかる。これにより、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ及びＩｎ−Ａｌ−Ｏといったアモルファス酸化物材料をチャンネル層に適用した薄膜トランジスタは、光照射に対する安定性に優れていることがわかる。

このようにして、本発明者らは、ＩｎとＭｇ（若しくはＡｌ）とからなる酸化物が、チャンネル層として好適な材料であることを見出した。

次に、本発明の電界効果型トランジスタの構造について詳細に説明する。

本発明の電界効果型トランジスタは、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極の３端子よりなる電子アクティブ素子である。それは、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している。

図８は、本発明の薄膜トランジスタの構成例を示す断面図であり、図８（ａ）は、基板１０の上に設けられたチャンネル層１１の上にゲート絶縁層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である。また、図１１（ｂ）は、ゲート電極１５の上にゲート絶縁層１２とチャンネル層１１を順に形成するボトムゲート構造の例である。ここで、符号１３はソース電極、符号１４はドレイン電極を指示している。

また、図８（ｃ）は、別のボトムゲート型トランジスタの例である。ここで、符号２１は基板（ｎ^＋のＳｉ基板：ゲート電極を兼ねる）、符号２２はゲート絶縁層（ＳｉＯ_２）、２５はチャンネル層（酸化物）、符号２３はソース電極、符号２４はドレイン電極を指示している。

本発明において、薄膜トランジスタの構成はこれら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。

次に、本発明の電界効果型トランジスタを構成する各部材について詳細に説明する。

（チャンネル層）
まず、チャンネル層について説明する。

本発明の電界効果型トランジスタは、チャンネル層に、ＩｎとＭｇ（若しくはＡｌ）とを少なくとも含有するアモルファス酸化物を用いている。その理由は、前述した通りである。特に、ＩｎとＭｇとからなるアモルファス酸化物（Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ）や、ＩｎとＭｇとＺｎとからなるアモルファス酸化物（Ｉｎ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ）が好ましい材料である。他にも、ＩｎとＳｎとＭｇとを含有したアモルファス酸化物などを用いることも可能である。

また、チャンネル層として、ＩｎとＡｌとからなるアモルファス酸化物（Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ）や、ＩｎとＡｌとＺｎとからなるアモルファス酸化物（Ｉｎ−Ｚｎ−Ａｌ−Ｏ）を用いることも好ましい。他にも、ＩｎとＳｎとＡｌを含有したアモルファス酸化物などを用いることができる。

（１）少なくともＩｎとＭｇとからなるアモルファス酸化物から構成されたチャンネル層

まず、チャンネル層として、少なくともＩｎとＭｇとからなるアモルファス酸化物（Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ）を用いた場合について説明する。ここで、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏをチャンネルに適用する場合には、好ましいＩｎとＭｇとの元素比率が存在する。元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）が０．１以上であると、基板温度を室温に保持してスパッタ成膜した際に、アモルファスの薄膜が得られるので好ましい。前述したように、多結晶相では、多結晶粒子の形状や相互接続が成膜方法により大きく異なるため、ＴＦＴ素子の特性がばらついてしまうからである。

さらに、ＩｎとＭｇとからなるアモルファス酸化物をチャンネル層に適用した薄膜トランジスタを検討したところ、そのトランジスタ特性に関して、チャンネル層に適用する際に好適な元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）があることがわかった。図６（ａ）に、薄膜トランジスタを作製した際の、電界効果移動度とＩｎ−Ｍｇ組成依存性の一例を示す。この図より、Ｍｇの含有量を少なくすることにつれて、電界効果移動度が大きくなることがわかる。電界効果移動度の要求値は、その用途に依存するが、例えば液晶表示装置では０．１ｃｍ^２／Ｖｓ以上、有機ＥＬ表示装置では１ｃｍ^２／Ｖｓ以上であることが好ましい。このような観点から、ＩｎとＭｇとの元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）は０．４８以下であることが好ましく、さらには０．４２以下であることがより好ましい。

一方、薄膜トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈは０Ｖ以上であると、回路を構成しやすい。図６（ｂ）はＩｎ−Ｍｇ−Ｏ系薄膜トランジスタの閾値の組成依存性を検討した結果である。そこに示されているように、元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）は０．２以上であることがより好ましい。さらには、元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）は、Ｖｔｈが正となるので、０．３以上であることがより好ましい。

以上を踏まえて、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏを薄膜トランジスタのチャンネル層に適用する際には、ＩｎとＭｇとの元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）は、０．１以上０．４８以下であることが好ましい。さらには、０．２以上０．４８以下であることがより好ましく、特には、０．３以上０．４２以下であることが最も好ましい（下記の実施例を参照）。

本発明においては、アモルファス酸化物に含まれる元素として、ＩｎとＭｇとＯの他にも、不可避的に含まれる元素、又は特性に悪影響を与えない範囲で含まれる元素は許容され得る。

（２）少なくともＩｎとＡｌとからなるアモルファス酸化物から構成されたチャンネル層

次に、チャンネル層として、少なくともＩｎとＡｌとからなるアモルファス酸化物（Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ）を用いる場合について説明する。ここでも、好ましいＩｎとＡｌとの元素比率が存在する。元素比率Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）は０．１５以上であると、基板温度を室温に保持してスパッタ成膜した際に、アモルファスの薄膜が得られるので好ましい。前述したように、多結晶相では、多結晶粒子の形状や相互接続が成膜方法により大きく異なるため、ＴＦＴ素子の特性がばらついてしまうからである。

さらに、ＩｎとＡｌとからなるアモルファス酸化物（Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ）をチャンネル層に適用した薄膜トランジスタを検討したところ、チャンネル層に適用する際に好適な元素比率Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）があることを見出した。

図７（ａ）に、薄膜トランジスタを作製した際の、電界効果移動度とＩｎ−Ａｌ組成比依存性の一例を示す。そこに示すように、Ａｌの含有量が少なくなるにつれて、電界効果移動度が大きくなることがわかる。電界効果移動度の要求値は、例えば液晶表示装置では０．１ｃｍ^２／Ｖｓ以上、有機ＥＬ表示装置では１ｃｍ^２／Ｖｓ以上であることが好ましい。このような観点から、ＩｎとＡｌとの元素比率Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）は０．４５以下であることが好ましく、さらには０．４０以下であることがより好ましい。特には、０．３以下であることが最も好ましい。

一方、薄膜トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈは、０Ｖ以上であると回路を構成しやすい。図７（ｂ）はＩｎ−Ａｌ−Ｏ系薄膜トランジスタの閾値の組成依存性を検討した結果である。そこに示すように、元素比率Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）は、０．１９以上が好ましく、Ｖｔｈが正となることから０．２５以上であることがより好ましい。

以上を踏まえて、Ｉｎ−Ａｌ−Ｏを薄膜トランジスタのチャンネル層に適用する際には、ＩｎとＡｌとの元素比率Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）は、０．１５以上０．４５以下であることが好ましい。さらには、０．１９以上０．４０以下であることがより好ましく、特には、０．２５以上０．３以下であることが最も好ましい（下記の実施例を参照）。

本発明においては、前記酸化物に含まれる元素としては、ＩｎとＡｌとＯの他にも、不可避的に含まれる元素、又は特性に悪影響を与えない範囲で含まれる元素は許容され得る。

また、チャンネル層は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲が好ましく、さらには、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲がより好ましく、特には、２５ｎｍ以上７０ｎｍ以下の範囲が最も好ましい。

また、良好なＴＦＴ特性を得るためには、チャンネル層として用いられるアモルファス酸化物膜の電気伝導度を、０．０００００１Ｓ／ｃｍ以上１０Ｓ／ｃｍ以下の範囲にすることが好ましい。電気伝導度が１０Ｓ／ｃｍより大きい場合、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が０．０００００１Ｓ／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。

上記範囲の電気伝導度を得るためには、チャンネル層の材料組成にも依存するが、１０^１４〜１０^１８／ｃｍ^３程度の電子キャリア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。それは、金属元素の元素比率や、成膜時の酸素分圧、薄膜形成後のアニール条件などを制御することで行うことが可能である。特に、成膜時の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ことができる。

（ゲート絶縁層）
次に、ゲート絶縁層について説明する。

ゲート絶縁層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。例えば、酸化シリコンＳｉＯ_ｘ、窒素化シリコンＳｉＮ_ｘ、酸窒化シリコンＳｉＯ_ｘＮ_ｙなどが好適である。本発明においては、ＳｉＯ_２組成がストイキオメトリーからずれていても用いることが可能であるため、酸化シリコンをＳｉＯ_ｘと表記する。また、本発明においては、Ｓｉ_３Ｎ_４の組成がストイキオメトリーからずれていても用いることが可能であるため、窒素化シリコンをＳｉＮ_ｘと表記する。同様に、酸窒化シリコンをＳｉＯ_ｘＮ_ｙと表記する。

特に、チャンネル層にＡｌを含有した場合を用いる場合には、ゲート絶縁層としてＡｌを主成分として含有する薄膜を用いると、薄膜トランジスタの特性が良好となるので好ましい。

このような絶縁性の良好な薄膜を適用することで、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７〜１０アンペアとすることができる。

また、ゲート絶縁層の厚さは、一般に使用される厚さ、例えば５０〜３００ｎｍの程度がよい。

（電極）
次に、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極について説明する。

ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極の材料は、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。例えば、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｓｎ、ＺｎＯなどの透明導電膜や、Ａｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｐｔなどの金属電極を用いることができる。また、ＡｕとＴｉの積層構造をはじめとした任意の積層構造を用いてもよい。

（基板）
次に、基板について説明する。

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。上記のチャンネル層、ゲート絶縁層は可視光に対して透明であるので、上記の電極及び基板の材料として透明な材料を持ちいれば、透明な薄膜トランジスタとすることができる。

これより、本発明の電界効果型トランジスタの製造方法について詳細に説明する
酸化物薄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などの気相法が挙げられる。なお、気相法の中でも、量産性の点から、ＳＰ法が適している。しかし、成膜はこれらの方法に限られるのものではない。

また、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。また、上記の方法は低温プロセスでの実施が可能であるため、薄膜トランジスタをプラスチック板やフィルムなどの基板上に作成することができる。また、作成された酸化物半導体に対して、Ｎ_２中や大気中などで熱処理を行うことも好ましい形態である。これにより、ＴＦＴ特性の改善を図ることができる場合がある。

以上の方法によって製造された本発明の電界効果型トランジスタを配した半導体装置（アクティブマトリックス基板）は、透明な基板とアモルファス酸化物ＴＦＴを用いているため、表示装置に適用した際に、開口率を増やすことができる。特に、有機ＥＬディスプレイに用いる際には、基板側からも光を取り出す構成（ボトムエミッション）を採用することが可能となる。また、本実施形態の半導体装置は、ＩＤタグ又はＩＣタグなどのさまざまな用途に用いることが可能である。

次に、本発明の電界効果型トランジスタの諸特性について、図９を参照しながら説明する。

図９（ａ）はさまざまなＶｇにおけるＩｄ−Ｖｄ特性の例、図７（ｂ）はＶｄ＝６ＶにおけるＩｄ−Ｖｇ特性（トランスファ特性）の例を示している。活性層の元素比率が異なることによる特性の違いは、例えば、電界効果移動度μ、閾値電圧（Ｖｔｈ）、Ｏｎ／Ｏｆｆ比、Ｓ値などの違いとして表現することができる。

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。例えば、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。本明細書では特に断りのない限り、この手法で評価している。

閾値電圧の求め方はいくつかの方法があるが、例えば、√Ｉｄ−Ｖｇのグラフのｘ切片から閾値電圧Ｖｔｈを導くことが可能である。

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。

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。

トランジスタ特性の違いは、上記に限られるものでなく、ほかにも各種パラメータで示すことが可能である。

これより、本発明の実施例について説明するが、本発明は以下の例に限定されることはない。

（実施例１）
本実施例では、チャンネル層としてＩｎ−Ｍｇ−Ｏ系のアモルファス酸化物を用いて、図８（ａ）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（コーニング社製１７３７）上にチャンネル層としてＩｎ−Ｍｇ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を形成する。ここで、成膜は、図１０に示されている装置を用いて、アルゴンガスと酸素ガスの混合雰囲気中で高周波スパッタ法によりなされた。図１０において、符号５１は試料、符号５２はターゲット、符号５３は真空ポンプ、符号５４は真空計、符号５５は基板保持手段、符号５６はそれぞれのガス導入系に対して設けられたガス流量制御手段、符号５７は圧力制御手段、符号５８は成膜室を指示している。真空ポンプ５３は成膜室５８内を排気するための排気手段である。基板保持手段５５は、酸化物膜を形成する基板を成膜室内に保持するための手段である。ターゲット５２は、固体材料源であり、基板保持手段に対向して配置されている。さらに、ターゲット５２から材料を蒸発させるためのエネルギー源（不図示の高周波電源）と、成膜室内にガスを供給する手段が設けられている。

ガス導入系としては、アルゴン、アルゴンと酸素の混合ガス（Ａｒ：Ｏ_２＝９５：５）の２系統を有している。それぞれのガス流量を独立に制御可能とするガス流量制御手段５６と、排気速度を制御するための圧力制御手段５７により、成膜室内に所定のガス雰囲気を得ることができる。

本実施例では、２インチサイズのＩｎ_２Ｏ_３とＭｇＯのターゲット（純度９９．９％）を用い、同時スパッタによりＩｎ−Ｍｇ−Ｏ膜を形成した。その際、投入ＲＦパワーはそれぞれ４０Ｗ、１８０Ｗとした。成膜時の雰囲気は、全圧０．４Ｐａとし、その際のガス流量比はＡｒ：Ｏ_２＝２００：１とした。また、成膜レートは９ｎｍ／分であり、基板温度は２５℃とした。成膜の後、大気中で２８０℃、３０分のアニール処理を施した。

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なかったので、作製したＩｎ−Ｍｇ−Ｏ系膜はアモルファス膜であることがわかった。

さらに、分光エリプソ測定を行い、パターンの解析を行った結果、該膜の平均二乗粗さ（Ｒｒｍｓ）は約０．５ｎｍであり、膜厚は約４０ｎｍであることがわかった。蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、該膜の金属組成比はＩｎ：Ｍｇ＝６：４であった。また、電気伝導度は１０^−３Ｓ／ｃｍ程度であり、電子キャリア濃度は３×１０^１６／ｃｍ^３、電子移動度は約２ｃｍ^２／Ｖｓ程度と見積もられた。

次に、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン電極１４及びソース電極１３をパターニング形成した。それぞれ電極材質はＡｕとＴｉの積層膜であり、それぞれ厚さは４０ｎｍと５ｎｍであった。

次に、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート絶縁層１２をパターニング形成した。ゲート絶縁層は、ＳｉＯ_２膜をスパッタ成膜法により成膜し、厚さは１５０ｎｍであった。またＳｉＯ_２膜の比誘電率は約３．７であった。

さらに、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート電極１５を形成した。チャネル長は５０μｍで、チャネル幅は２００μｍであった。電極材質はＡｕであり、厚さは３０ｎｍであった。以上のようにしてＴＦＴ素子を作製した。

次に、以上のようにして作製されたＴＦＴ素子の特性評価を行った。

図９に、室温下で測定したＴＦＴ素子の電流−電圧特性の一例を示す。図９（ａ）はＩｄ−Ｖｄ特性であり、図９（ｂ）はＩｄ−Ｖｇ特性である。図９（ａ）に示すように、一定のゲート電圧Ｖｇを印加し、Ｖｄの変化に伴うソース−ドレイン間電流のＩｄのドレイン電圧Ｖｄ依存性を測定すると、Ｖｄ＝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、Ｖｄ＝６Ｖ印加時における閾値電圧は約２Ｖであった。また、Ｖｇ＝１０Ｖ時には、Ｉｄ＝１．０×１０^−４Ａ程度の電流が流れた。

トランジスタのオン・オフ比は、１０^７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２ｃｍ^２／Ｖｓの電界効果移動度が得られた。

また、本実施例においては再現良くＴＦＴを作成することができ、複数の素子を作成した際の特性ばらつきが小さかった。

このように、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏという新規なアモルファス酸化物をチャンネル層に適用することで、良好なトランジスタ特性を実現することができた。

（比較例１）
本比較例では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏをチャンネル層として用いたトップゲート型ＴＦＴ素子を、実施例１と同様に作成した。薄膜の金属組成比はＩｎ：Ｇａ＝７：３であった。

次に、実施例１のＩｎ−Ｍｇ−Ｏをチャンネルに適用したＴＦＴ素子と、比較例１のＩｎ−Ｇａ−Ｏをチャンネルに適用したＴＦＴ素子の光応答性を評価した。

まず、実施例１のＴＦＴ素子の暗所及び光照射下のトランジスタ特性（Ｉｄ−Ｖｇ）を評価した。図２に示すように、暗所下においてはオフ電流が非常に小さい値（ａ）を示すが、５００ｎｍ及び３５０ｎｍの単色光を照射下で特性を評価するとオフ電流が（ｂ）、（ｃ）のように増加した。すなわち光照射下では、オフ電流が増加し、オン・オフ比が小さくなる。

続いて、図１に示すように、実施例１のＴＦＴ素子と比較例１のＴＦＴ素子とで、暗所下、５００ｎｍ単色光を照射下、及び３５０ｎｍの単色光を照射下でのオフ電流を比較した。グラフからわかるように、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏに比べて、光照射下でのオフ電流増加が小さかった。これにより、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏをチャンネルに適用した実施例１のＴＦＴ素子は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏをチャンネルに適用した比較例１のＴＦＴ素子と比べて、光照射に対する安定性に優れることがわかる。

以上のような、光に対する安定性が良好な本発明のＴＦＴ素子は、有機発光ダイオードを動作回路への利用などが期待できる。

（実施例２）
本実施例では、ＩｎとＭｇとを主成分として含有するチャンネル層を用いた薄膜トランジスタにおいて、ＩｎとＭｇの組成依存性を検討した。

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た。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た。ただし、この手法を必ずしも用いる必要はなく、所定の組成の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。

Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ膜の成膜は、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２元で広い組成分布がついた薄膜を得ることができた。Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ膜の製膜には、Ｉｎ_２Ｏ_３のターゲットを２つと、ＭｇＯのターゲット一つを同時スパッタした。投入ＲＦパワーは、それぞれ２０Ｗと１８０Ｗとした。成膜時の雰囲気は全圧０．３５Ｐａであり、その際ガス流量比としてＡｒ：Ｏ_２＝２００：１とした。また、基板温度は２５℃とした。

以上のようにして作製された膜の物性を、蛍光Ｘ線分析、分光エリプソメトリー、Ｘ線回折及び４探針測定により評価した。また、ｎ型チャンネル層にＩｎ−Ｍｇ−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。

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、アモルファス酸化物膜の厚さは約５０ｎｍであり、面内膜厚分布は±１０％以内であった。

また、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定により、作製したＩｎ−Ｍｇ−Ｏ膜は元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）が０．１以上の範囲においてアモルファスであることを確認した。さらに、元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）が０．１より小さい膜においては、結晶の回折ピークが観測される場合があった。以上の結果より、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ膜において元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）を０．１以上とすることで、アモルファス薄膜を得られることがわかった。

また、Ｉｎ−Ｍｇ−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。すると、Ｉｎ−Ｍｇ組成比に応じて抵抗率の変化が確認され、Ｉｎ−ｒｉｃｈ側（元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）が小さい側）で低抵抗、Ｍｇ−ｒｉｃｈ側で高抵抗となることが分かった。

次に、成膜雰囲気中の酸素流量を変化させたときのＩｎ−Ｍｇ−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−Ｍｇ−Ｏ膜が高抵抗化していることがわかった。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変化していることがわかった。

抵抗率の経時変化の測定結果を図３に示す。Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系薄膜は、広い組成範囲（元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）が０．２〜０．６の範囲）にわたり、抵抗率の経時変化は認められなかった。一方で、同様にして作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜やＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜は時間とともに、抵抗率が減少する傾向が見られた。これにより、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ膜は環境安定性に優れることがわかった。

次に、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ膜をｎ型チャンネル層とした薄膜トランジスタの特性及びその組成依存性を調べた。トランジスタの構成は、図８（ｃ）に示すボトムゲート型の構成である。具体的には、熱酸化膜付Ｓｉ基板上にＩｎ−Ｍｇ−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。３インチウェーハ上に形成された多くの薄膜トランジスタを作製し、それぞれ特性を評価した。薄膜トランジスタの構造としては、ボトムゲート・トップコンタクト型で、ゲート電極にｎ^＋−Ｓｉ、絶縁層にＳｉＯ_２、ソース・ドレイン電極にＡｕ／Ｔｉを使用した。また、チャンネル層幅及びチャンネル層長は、それぞれ１５０μｍ、１０μｍであった。ＦＥＴ評価において用いたソース・ドレイン電圧は６Ｖであった。

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軸との切片を閾値電圧とし、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。

基板上のさまざまな位置のＴＦＴ特性を評価することで、Ｉｎ−Ｍｇ組成比に応じた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−Ｍｇ組成比に応じて、ＴＦＴ特性が変化することがわかった。

Ｉｎ−ｒｉｃｈな領域では、ＯＮ電流もＯＦＦ電流も大きく、閾値が負になることがわかった。一方、Ｍｇ−ｒｉｃｈな領域では、ＯＦＦ電流が小さいが、ＯＮ電流も小さい傾向をしており、ＯＮ閾値電圧は正の値をとり、「ノーマリーオフ特性」が得られた。しかし、ＯＮ時のドレイン電流が小さく、電界効果移動度は小さかった。

元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）が０．４２の素子Ｃでは、ＯＮ／ＯＦＦ比が６桁を越える比較的良好な特性が得られた。

上記ＴＦＴ素子を、大気中で３００℃のアニール処理を施すと、特性の改善がなされた。アニール後のＴＦＴ（Ｉｄ−Ｖｇ）特性を、図４に示す。特性の組成依存性に関しては、アニール前と同様な傾向を示している。ただし、良好な特性を示す組成範囲が広がっていることがわかる。例えば、Ｂ）Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）＝０．３や、Ｃ）Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）＝０．４２の元素比率において、良好な特性を示した。

図６（ａ）に、電界効果移動度のＩｎ：Ｍｇ組成依存性を示した。Ｍｇの含有量を少なくすることにつれて、電界効果移動度が大きくなることがわかる。ＩｎとＭｇとの元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）が０．４８以下で、０．１ｃｍ^２／Ｖｓ以上の電界効果移動度が得られた。また、元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）が０．４以下で、１ｃｍ^２／Ｖｓ以上の電界効果移動度が得られた。

図６（ｂ）に、閾値電圧の組成依存性を示す。薄膜トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈは０Ｖ以上であると回路を構成しやすい。図に示すように、元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）が０．２以上であるとＶｔｈが正となり好ましい。

良好なトランジスタ特性が得られた素子の電子移動度、電流ＯＮ／ＯＦＦ比、閾値、Ｓ値は、それぞれ２ｃｍ^２／Ｖｓ、１×１０^８、４Ｖ、１．５Ｖ／ｄｅｃであった。

（実施例３）
本実施例では、Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ系のアモルファス酸化物からなるチャンネル層を用いて、実施例１と同様の方法により、図８（ａ）に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製、評価した。

２インチサイズのＩｎ_２Ｏ_３とＡｌ_２Ｏ_３のターゲット（純度９９．９％）を用い、同時スパッタによりＩｎ−Ａｌ−Ｏ膜を形成した。投入ＲＦパワーは、それぞれ６０Ｗ、１８０Ｗとした。成膜時の雰囲気は、全圧０．４Ｐａであり、ガス流量比はＡｒ：Ｏ_２＝１５０：１とした。成膜レートは、１１ｎｍ／分、基板温度は２５℃とした。引き続き、大気中で２８０℃、３０分のアニール処理を施した。

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なかったので、作製したＩｎ−Ａｌ−Ｏ系膜はアモルファス膜であることがわかった。

さらに、分光エリプソ測定を行い、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４０ｎｍであることがわかった。蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、薄膜の金属組成比はＩｎ：Ａｌ＝７：３であった。

また、電気伝導度で１０^−３Ｓ／ｃｍ程度であり、電子キャリア濃度は５×１０^１６／ｃｍ^３、電子移動度は、約３ｃｍ^２／Ｖｓ程度と見積もられた。

この後は、実施例１と同様にしてトップゲート型ＴＦＴを作製した。

次に、以上のようにして作製されたＴＦＴ素子の特性評価を行った。

図９（ａ）に示すように、一定のゲート電圧Ｖｇを印加し、Ｖｄの変化に伴うソース−ドレイン間電流のＩｄのドレイン電圧Ｖｄ依存性を測定すると、Ｖｄ＝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、Ｖｄ＝６Ｖ印加時におけるゲート電圧ＶＧの閾値は約４Ｖであった。また、Ｖｇ＝１０Ｖ時には、Ｉｄ＝１．０×１０^−４Ａ程度の電流が流れた。

トランジスタのオン・オフ比は、１０^７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１．５ｃｍ^２／Ｖｓの電界効果移動度が得られた。

また 本実施例においては再現良くＴＦＴを作成することができ、複数の素子を作成した際の特性ばらつきが小さかった。

このように、Ｉｎ−Ａｌ−Ｏという新規なアモルファス酸化物をチャンネル層に適用することで、良好なトランジスタ特性を実現することができた。

次に、本実施例のＩｎ−Ａｌ−Ｏをチャンネル層に適用したＴＦＴ素子の光応答性を評価した。暗所及び光照射でのトランジスタ特性（Ｉｄ−Ｖｇ）を評価したところ、図２に示すように、暗所下においてはオフ電流が非常に小さい値ａを示すが、５００ｎｍ及び３５０ｎｍの単色光を照射下で特性を評価するとオフ電流がｂ、ｃのように増加した。すなわち、光照射下では、オフ電流が増加し、オン・オフ比が小さくなってしまう。

図１には、暗所下、５００ｎｍ単色光を照射下、及び３５０ｎｍの単色光を照射下のオフ電流を比較した。グラフからわかるように、Ｉｎ−Ａｌ−ＯはＩｎ−Ｇａ−Ｏに比べて、光照射下でのオフ電流増加が小さかった。これにより、Ｉｎ−Ａｌ−Ｏをチャンネルに適用したＴＦＴ素子は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏをチャンネルに適用したＴＦＴ素子と比較して、光照射に対する安定性に優れることがわかる。

本発明の光に対しする安定性が良好なＴＦＴ素子は、有機発光ダイオードの動作回路への利用などが期待できる。
（実施例４）
本実施例は、ＩｎとＡｌとを主成分として含有するチャンネル層を用いた薄膜トランジスタにおいて、実施例２と同様の方法により、ＩｎとＡｌとの組成依存性を検討した。

Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ膜の成膜は３元斜入射スパッタ装置を用いて行った。Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ膜の製膜には、Ｉｎ_２Ｏ_３のターゲットを２つと、Ａｌ_２Ｏ_３のターゲット１つを同時スパッタした。投入ＲＦパワーは、それぞれ３０Ｗと１８０Ｗとした。成膜時の雰囲気は全圧０．３５Ｐａであり、流量比はＡｒ：Ｏ_２＝１５０：１であった。また、基板温度は２５℃とした。

作製した膜の物性は、蛍光Ｘ線分析、分光エリプソメトリー、Ｘ線回折及び４探針測定により評価した。また、ｎ型チャンネル層にＩｎ−Ａｌ−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。

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、アモルファス酸化物膜の厚さは約５０ｎｍであり、面内膜厚分布は±１０％以内であった。

Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定により、作製したＩｎ−Ａｌ−Ｏ膜は、元素比率Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）が０．１５以上の範囲においてアモルファスであることを確認した。

また、Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ組成傾斜膜のシート抵抗を４探針法によって、その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。すると、Ｉｎ−Ａｌ組成比に応じて抵抗率の変化が確認された。Ｉｎ−ｒｉｃｈ側で低抵抗、Ａｌ−ｒｉｃｈ側で高抵抗となることがわかった。

次に、成膜雰囲気中の酸素流量を変化させたときのＩｎ−Ａｌ−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−Ａｌ−Ｏ膜が高抵抗化していることがわかった。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変化していることがわかった。

抵抗率の経時変化の測定結果を、図３に示す。Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ系薄膜は、広い組成範囲にわたり、抵抗率の経時変化は認められなかった。一方で、同様にして作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜やＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜は、時間とともに抵抗率が減少する傾向が見られた。これにより、Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ膜は環境安定性に優れることがわかった。

次に、Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ膜をｎ型チャンネル層とした薄膜トランジスタの特性及びその組成依存性を調べた。

実施例２と同様に、基板上のさまざまな位置のＴＦＴ特性を評価することで、Ｉｎ−Ａｌ組成比に応じた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−Ａｌ組成比に応じて、ＴＦＴ特性が変化することがわかった。

Ｉｎ−ｒｉｃｈな領域では、ＯＮ電流もＯＦＦ電流が大きく、閾値が負になることがわかった。一方、Ａｌ−ｒｉｃｈな領域では、ＯＦＦ電流が小さいが、ＯＮ電流も小さい傾向を示し、ＯＮ閾値電圧は正の値をとり、「ノーマリーオフ特性」が得られた。しかし、ＯＮ時のドレイン電流が小さく、電界効果移動度は小さかった。

また、元素比率Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）が０．３６の素子では、ＯＮ／ＯＦＦ比が６桁を越える比較的良好な特性が得られた。

上記素子を、大気中で３００℃のアニール処理を施すと、特性の改善がなされた。アニール後のＴＦＴ（Ｉｄ−Ｖｇ）特性を、図５に示す。特性の組成依存性に関しては、アニール前と同様な傾向を示している。ただし、良好な特性を示す組成範囲が広がっていることがわかる。例えば、ｂ）Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）＝０．３や、ｃ）Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）＝０．３６の元素比率において、良好な特性を示した。

図７（ａ）に、電界効果移動度のＩｎ：Ａｌ組成依存性を示した。Ａｌの含有量を少なくすることにつれて、電界効果移動度が大きくなることがわかる。ＩｎとＡｌとの元素比率Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）が０．４以下で、０．１ｃｍ^２／Ｖｓ以上の電界効果移動度が得られた。また、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）が０．３以下で、１ｃｍ^２／Ｖｓ以上の電界効果移動度が得られた。

図６（ｂ）に、閾値電圧の組成依存性を示す。薄膜トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈは、０Ｖ以上であると回路を構成しやすい。図に示すように、元素比率Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）が０．２５以上であるとＶｔｈが正となり好ましいことがわかる。

良好なトランジスタ特性が得られた本実施例の素子の電子移動度、電流ＯＮ／ＯＦＦ比、閾値、Ｓ値は、それぞれ１ｃｍ^２／Ｖｓ、１×１０^８、４Ｖ、１．６Ｖ／ｄｅｃである。

（実施例５）
本実施例では、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系のアモルファス酸化物をチャンネル層として用いて、プラスチック基板上に図８（ｂ）に示すボトムゲート型ＴＦＴ素子を作製した。

まず、基板として、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを用意した。該ＰＥＴ基板上に、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート電極と、ゲート絶縁層をパターニング形成した。ゲート電極は、厚さ５０ｎｍのＴａ膜からなる。ゲート絶縁層は、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ膜（酸窒化シリコン膜）をスパッタ法により成膜し、厚さは１５０ｎｍであった。また、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ膜の比誘電率は約６であった。

次に、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、トランジスタのチャンネル層をパターニング形成した。チャンネル層は、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系のアモルファス酸化物からなり、その組成比はＩｎ：Ｚｎ：Ｍｇ＝４：６：１であった。トランジスタのチャネル長は６０μｍで、チャネル幅は１８０μｍであった。また、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系アモルファス酸化物膜は、アルゴンガスと酸素ガスと混合雰囲気中で高周波スパッタ法により形成された。

本実施例では、３つのターゲット（材料源）を用いて同時成膜を行った。３つのターゲットとして、それぞれ２インチサイズのＩｎ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｎＯの焼結体（純度９９．９％）を用いた。それぞれのターゲットへの投入ＲＦパワーを制御することで、所望のＩｎ：Ｚｎ：Ｍｇ組成比の酸化物薄膜を得ることができた。雰囲気は、全圧０．５Ｐａであり、ガス流量比はＡｒ：Ｏ_２＝１００：１とした。また、基板温度は２５℃とした。

以上のようにして作製された酸化物膜は、Ｘ線回折（薄膜法、入射角０．５度）において明瞭な回折ピークは検出されなかったので、アモルファス膜であることがわかった。アモルファス酸化物膜の厚さは、約３０ｎｍであった。また、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であり、可視光に対して透明であった。また、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極はＩｎ_２Ｏ_３：Ｓｎからなる透明導電膜とし、その厚さは１００ｎｍであった。このようにして、ボトムゲート型ＴＦＴ素子を作製した。

次に、以上のようにして作製されたＴＦＴ素子の特性評価を行った。

本実施例のＴＦＴを室温下で測定したところ、トランジスタのオン・オフ比は、１０^９超であった。また、電界効果移動度を算出したところ、約７ｃｍ^２／Ｖｓの電界効果移動度であった。アモルファス酸化物材料の元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｚｎ＋Ｍｇ）については、０．１以上０．４８以下の範囲において、良好なトランジスタ動作が可能である。

また、本実施例のＩｎ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体をチャンネルとして適用した薄膜トランジスタは、Ｍｇを含有しないＩｎ−Ｚｎをチャンネルとして適用した薄膜トランジスタと比べて光安定性が高かった。また、Ｍｇを含有することで環境に対する安定性も向上していた。

本発明の電界効果型トランジスタは、低温で薄膜形成を行うことが可能で、かつアモルファス状態であるため、ＰＥＴフィルムをはじめとするフレキシブル素材上に形成することができる。したがって、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る。また、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タグなどにも幅広く応用できる。

Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系薄膜トランジスタ、Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ系薄膜トランジスタ、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系薄膜トランジスタの光照射下におけるオフ電流値を比較するグラフである。 本発明の薄膜トランジスタの光照射に伴うトランスファ特性の変化を説明するためのグラフである。 Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ薄膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ薄膜、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ薄膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ薄膜の抵抗率の経時変化を示すグラフである。 Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系薄膜トランジスタの組成依存性を示すグラフであり、トランジスタのトランスファ特性の一例を示している。 Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ系薄膜トランジスタの組成依存性を示すグラフであり、トランジスタのトランスファ特性の一例を示している。 Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系薄膜トランジスタ特性（（ａ）電界効果移動度、（ｂ）閾値Ｖｔｈ）の組成依存性を示すグラフである。 Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ系薄膜トランジスタ特性（（ａ）電界効果移動度、（ｂ）閾値Ｖｔｈ）の組成依存性を示すグラフである。 本発明の薄膜トランジスタの構造の例を示す断面図である。 本発明の薄膜トランジスタの特性の一例を示すグラフである。 本発明の薄膜トランジスタを作製するための薄膜形成装置の構成を示す図である。 Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ薄膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｏ薄膜、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ薄膜の光吸収スペクトラムを示すグラフである。

符号の説明

１０ 基板
１１ チャンネル層
１２ ゲート絶縁層
１３ ソース電極
１４ ドレイン電極
１５ ゲート電極
２１ 基板
２２ ゲート絶縁層
２３ ソース電極
２４ ドレイン電極
２５ チャンネル層
５１ 試料
５２ ターゲット
５３ 真空ポンプ
５４ 真空計
５５ 基板保持手段
５６ ガス流量制御手段
５７ 圧力制御手段
５８ 成膜室

Claims (8)

1. 基板上にチャンネル層、ゲート絶縁層、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極が少なくとも形成されてなる電界効果型トランジスタであって、
   該チャンネル層は、２種の金属元素ＩｎとＭｇとを含むＩｎ−Ｍｇ−Ｏ系アモルファス酸化物材料より構成され、該アモルファス酸化物材料の元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）は０．１以上０．４８以下であることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
2. 前記アモルファス酸化物材料の元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）は、０．２以上０．４８以下であることを特徴とする請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
3. 前記アモルファス酸化物材料の元素比率Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｍｇ）は、０．３以上０．４２以下であることを特徴とする請求項２に記載の電界効果型トランジスタ。
4. 基板上にチャンネル層、ゲート絶縁層、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極が少なくとも形成されている電界効果型トランジスタであって、
   該チャンネル層は、２種の金属元素ＩｎとＡｌとを含むＩｎ−Ａｌ−Ｏ系アモルファス酸化物材料より構成され、該アモルファス酸化物材料の元素比率Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）は０．１５以上０．４５以下であることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
5. 前記アモルファス酸化物材料の元素比率Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）は、０．１９以上０．４０以下であることを特徴とする請求項４に記載の電界効果型トランジスタ。
6. 前記アモルファス酸化物材料の元素比率Ａｌ／（Ｉｎ＋Ａｌ）は、０．２５以上０．３以下であることを特徴とする請求項５に記載の電界効果型トランジスタ。
7. 前記ゲート絶縁層は、酸化シリコンであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電界効果型トランジスタ。
8. 前記チャンネル層及び前記ゲート絶縁層は、スパッタリング法により成膜されたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電界効果型トランジスタ。