JP5966840B2

JP5966840B2 - 酸化物半導体薄膜および薄膜トランジスタ

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Publication number: JP5966840B2
Application number: JP2012226439A
Authority: JP
Inventors: 中山　徳行; 徳行中山
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-10-11
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Description

本発明は、薄膜トランジスタのチャネル層材料としての酸化物半導体薄膜およびこの酸化物半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタに関する。

薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：ＴＦＴ）は、電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）の１種である。ＴＦＴは、基本構成として、ゲート端子、ソース端子、およ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、電子また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。

現在、ＴＦＴのチャネル層として、多結晶シリコン膜やアモルファスシリコン膜が広く使用されている。特に、アモルファスシリコン膜は、大面積の第１０世代ガラス基板への均一成膜が可能であることから、液晶パネル用ＴＦＴのチャネル層として広く利用されている。しかしながら、キャリアである電子の移動度（キャリア移動度）が１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以下と低いため、その高精細パネル用ＴＦＴへの適用が困難になりつつある。すなわち、液晶の高精細化に伴い、ＴＦＴの高速駆動が要求されているものの、このようなＴＦＴの高速駆動を実現するためには、アモルファスシリコン膜のキャリア移動度である１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃよりも高いキャリア移動度を示す半導体薄膜をチャネル層に用いる必要がある。

これに対して、多結晶シリコン膜は、１００ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ程度の高いキャリア移動度を示すことから、高精細パネル用ＴＦＴ向けのチャネル層材料として十分な特性を有している。しかしながら、多結晶シリコン膜は、結晶粒界でキャリア移動度が低下するため、基板の面内均一性に乏しく、ＴＦＴの特性にばらつきが生じるという問題がある。また、多結晶シリコン膜の製造工程は、３００℃以下の比較的低温でアモルファスシリコン膜を形成した後、アニール処理工程によって結晶化させている。このアニール処理工程は、エキシマレーザアニールなどを適用する特殊なものであるため、高いランニングコストが必要とされる。加えて、対応できるガラス基板の大きさも第５世代程度にとどまっていることから、コストの低減に限界があり、製品展開も限られたものとなっている。

したがって、アモルファスシリコン膜と多結晶シリコン膜の優れた特性を兼ね備え、かつ、低コストで得られる、チャネル層材料が求められているのが実情である。

このような状況に対して、特開２０１０−１８２９２４号公報では、気相成膜法で成膜され、Ｉｎ、Ｇａ、ＺｎおよびＯの元素から構成される透明アモルファス酸化物薄膜（ａ−ＩＧＺＯ膜）であって、該酸化物の組成は、結晶化したときの組成がＩｎＧａＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍは６未満の自然数）であり、不純物イオンを添加することなしに、キャリア移動度が１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃより高く、かつ、キャリア濃度が１０^１６／ｃｍ^３以下である、透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜、ならびに、この透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜をチャネル層とした薄膜トランジスタが提案されている。

しかしながら、特開２０１０−１８２９２４号公報で提案された、スパッタリング法、パルスレーザ蒸着法のいずれかの気相成膜法で成膜されるａ−ＩＧＺＯ膜は、おおむね１〜１０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃの範囲の比較的高いキャリア移動度を示すものの、アモルファス酸化物薄膜が本来酸素欠損を生成しやすいことと、熱など外的因子に対してキャリアである電子の振る舞いが必ずしも安定でないことに起因して、ＴＦＴなどのデバイスの動作がしばしば不安定になることが問題となっている。さらには、アモルファス膜に特有である、可視光照射下でＴＦＴ素子に負バイアスを連続的に印加すると、しきい電圧が負側にシフトする現象（光負バイアス劣化現象）の発生が、液晶などのディスプレイ用途では深刻な問題となることが指摘されている。

一方、特開２００８−１９２７２１号公報や特開２０１０−２５１６０６号公報では、高温のプロセスを要することなく高分子基材への素子作製が可能であり、かつ、低コストで高性能、高信頼性を達成することができる薄膜トランジスタを得ることを目的として、チャネル層に、スズ、チタン、タングステンのいずれかをドープした酸化インジウム膜や、タングステンと亜鉛および／またはスズとをドープした酸化インジウム膜を適用することが提案されている。これらの技術は、タングステンをドープした酸化インジウム、あるいは、タングステンと亜鉛をドープした酸化インジウム膜における、アモルファス性を保持する傾向、熱安定性あるいは膜平坦性を利用したものである。これらの酸化物薄膜は、基板を加熱せずにスパッタリング成膜することによって得られ、かつ、成膜後のアニール処理を施されていないことから、アモルファス膜である。これらのアモルファス酸化物薄膜をチャネル層に適用した結果、ＴＦＴ素子において、５ｃｍ^２／Ｖｓｓｅｃ程度のキャリア移動度が達成されている。しかしながら、これらのアモルファス酸化物薄膜も、アモルファス膜である以上、酸素欠損を生成しやすく、熱など外的因子に対して安定でないという問題、さらには、アモルファス膜に特有の光負バイアス劣化現象の発生という問題を有している。

特開２０１０−１８２９２４号公報特開２００８−１９２７２１号公報特開２０１０−２５１６０６号公報

本発明は、酸化物半導体薄膜としての酸化物アモルファス薄膜が有する問題を解消するため、比較的高いキャリア移動度を有し、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のチャネル層材料として好適な酸化物半導体薄膜を，酸化物結晶質薄膜により提供することを目的としている。

本発明者らは、酸化物半導体薄膜に適用可能な酸化物アモルファス薄膜の代替材料について鋭意検討を行った。具体的には、スパッタリング法によって得られる、インジウムとタングステンの酸化物、ならびに、インジウムとタングステンと亜鉛の酸化物を主成分とする非晶質の酸化物半導体薄膜について、アニール処理を施すことにより結晶質の酸化物半導体薄膜を形成する実験を重ねた。その際、結晶化した酸化物半導体薄膜が高いキャリア移動度を発現する条件、すなわち、酸化物半導体薄膜としてのインジウムとタングステンの酸化物、あるいは、インジウムとタングステンと亜鉛の酸化物の組成、膜厚、ならびに結晶化させる条件などについて、詳細に検討を行った。

その結果、
（１）インジウムとタングステンの酸化物を主成分とする酸化物半導体薄膜における、タングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．１２とする、あるいは、インジウムとタングステンと亜鉛の酸化物を主成分とする酸化物半導体薄膜における、タングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．１２、および、亜鉛含有量をＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．００１〜０．０５とすること、
（２）いずれの酸化物半導体薄膜も、アニール処理を施すことによって、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相のみによって構成される結晶質の薄膜とすること、
（３）いずれの酸化物半導体薄膜の膜厚も１５〜２００ｎｍの範囲に制御すること、
により、得られた酸化物結晶質薄膜が、１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃより高いキャリア移動度、１０^１８／ｃｍ^３以下という低いキャリア濃度を示し、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のチャネル層材料としての酸化物半導体薄膜に好適であるとの知見を得て、本発明を完成したものである。

すなわち、本発明の酸化物半導体薄膜は、インジウムとタングステンを含有する酸化物からなり、タングステン含有量が、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．１２であり、結晶質で、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相によってのみ構成されており、かつ、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下で、キャリア移動度が１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃより高いことを特徴とする。

タングステン含有量は、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．０１〜０．０５であることが好ましく、０．０１５〜０．０３５であることがより好ましい。

本発明の酸化物半導体薄膜を構成する前記酸化物に亜鉛をさらに含有させてもよい。すなわち、本発明の酸化物半導体薄膜は、インジウムと亜鉛とタングステンを含有する酸化物により構成することも可能であり、この場合、タングステン含有量が、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．１２であり、亜鉛含有量が、Ｚｎ／Ｉｎ原子数比で０．０５以下であり、結晶質で、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相によってのみ構成されており、および、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下で、キャリア移動度１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃより高いことを特徴とする。

この酸化物半導体薄膜においては、タングステン含有量が、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．０１〜０．０５であることが好ましく、０．０１５〜０．０３５であることがより好ましい。また、亜鉛含有量が、Ｚｎ／Ｉｎ原子数比で０．００３〜０．０３であることが好ましく、０．００５〜０．０２であることがより好ましい。

本発明の酸化物半導体薄膜の膜厚は、１５〜２００ｎｍであることが好ましく、３０〜１５０ｎｍであることがより好ましく、４０〜１００ｎｍであることがさらに好ましい。

本発明の酸化物半導体薄膜において、結晶粒径が１０ｎｍ以上であることが好ましく、２０ｎｍ以上であることがより好ましい。

本発明の酸化物半導体薄膜では、少なくとも組成および膜厚について適切に規制することにより、キャリア移動度を３ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上、さらには１０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上とすることが可能である。また、キャリア濃度を１×１０^１６〜１×１０^１７ｃｍ^−３とすることも可能である。

本発明の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、チャネル層およびゲート絶縁層を備え、前記チャネル層が、本発明の酸化物半導体薄膜により構成されていることを特徴とする。

本発明の酸化物半導体薄膜は、酸化物結晶質薄膜であるため、１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃを超える高いキャリア移動度を有しながら、酸素欠損を生成しやすい、熱など外的因子に対して安定でない、および、光負バイアス劣化現象が発生するといった問題が生じることがない。

さらに、本発明の酸化物半導体薄膜は、所定の組成の酸化物アモルファス薄膜を、たとえばアニール炉を用いた４００℃以下の温度のアニール処理によって、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相によってのみ構成される、高い結晶性を有する酸化物結晶質薄膜を得ることができる。

したがって、本発明の酸化物半導体薄膜をチャネル層材料として用いることにより、ＴＦＴの特性向上を低コストで実現することができるため、本発明は、工業的にきわめて有用である。

図１は、本発明のＴＦＴ素子の概略断面図である。図２は、実施例２の酸化物半導体薄膜をＸ線回折測定した結果を示す図である。

以下、本発明の酸化物半導体薄膜、および、この酸化物半導体薄膜をチャネル層材料として用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）について、詳細に説明する。

１．酸化物半導体薄膜
（ａ）組成
本発明のインジウムとタングステンを含有する酸化物からなる結晶質の酸化物半導体薄膜は、タングステン含有量が、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．１２に制御されることにより、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下で、かつ、キャリア移動度が１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃを超え、さらには３ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上という良好なキャリア特性を示す。さらに低いキャリア濃度および高いキャリア移動度を示すためには、好ましくはタングステン含有量を、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．０１〜０．０５とすることが好ましく、０．０１５〜０．０３５とすることがより好ましい。

ＴＦＴに適用する酸化物半導体薄膜としては、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下に制御されることが好ましく、１×１０^１６〜１×１０^１７ｃｍ^−３の範囲に制御されていることがより好ましい。タングステン含有量を、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．００５以上とすることにより、キャリア濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以下に制御することが可能である。タングステン含有量を、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．０１以上、より好ましくは０．０１５以上に制御することにより、キャリア濃度を安定的に１×１０^１６〜１×１０^１７ｃｍ^−３の範囲とすることが可能となる。

他の添加元素を含有しないインジウムのみの酸化物からなる結晶質の酸化物半導体薄膜のキャリア源は、主に酸素欠損であるが、タングステンを添加することによって、その生成を抑制することができると考えられる。一方で、結晶質の酸化物半導体薄膜中のタングステンは、６価のイオン、あるいは、場合によって５価のイオンになると考えられる。すなわち、いわゆるイオン化不純物散乱中心として振る舞うため、キャリアの散乱の原因となり、キャリア移動度は低下する。この原理に従って、タングステン含有量がＷ／Ｉｎ原子数比で０．１２を超えると、キャリアの散乱が著しくなり、キャリア移動度が１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以下となってしまう。タングステン含有量がＷ／Ｉｎ原子数比で０．０５以下とすることにより、キャリア移動度を安定的に１０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上とすることが可能である。

本発明の酸化物半導体薄膜を構成する酸化物には、亜鉛を含有させることができる。このインジウムとタングステンと亜鉛を含有する酸化物からなる酸化物半導体薄膜は、インジウムとタングステンを含有する酸化物からなる酸化物半導体薄膜と同様の理由により、タングステン含有量が、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．１２、好ましくは０．０１〜０．０５、より好ましくは０．０１５〜０．０３５の範囲に規制される。

一方、その亜鉛含有量については、Ｚｎ／Ｉｎ原子数比で０．０５以下であることが好ましい。酸化物半導体薄膜中の亜鉛は、２価のイオンとして振る舞うため、結晶質のＩｎ_２Ｏ_３相のＩｎサイトに置換する場合、同じキャリアでも電子ではなくホールを生成する。ホールは、酸素欠損により生じる電子を中和により消失させると考えられる。すなわち、亜鉛添加によって、キャリア濃度の低減が可能になる。このようなキャリア濃度をより安定的に低減させる亜鉛添加の明瞭な効果を得るためには、０．００３〜０．０３であることがより好ましく、０．００５〜０．０２であることがさらに好ましい。なお、亜鉛含有量がＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．００１を下回ると、この効果が十分得られない場合がある。一方、亜鉛含有量がＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．０５を超えると、結晶化温度が高くなるため、結晶質の酸化物半導体薄膜を得ることが困難になる、あるいは、結晶質の酸化物半導体薄膜が得られてもその結晶性が低いものとなってしまう。

なお、本発明の酸化物半導体薄膜は、不可避的不純物を除き、インジウムとタングステンからなる酸化物、あるいは、インジウムと亜鉛とタングステンからなる酸化物によって形成されるほか、インジウムとタングステン、あるいは、インジウムと亜鉛とタングステンを主成分として、酸化物半導体薄膜用途において、不可避的不純物以外の公知の添加元素を、適宜含有する酸化物によっても構成することができる。

（ｂ）生成相と組織
本発明の酸化物半導体薄膜は、結晶質であって、実質的にビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相のみによって構成される。ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相では、ＩｎとＯからなるＩｎＯ_６八面体構造が形成されている。隣り合うＩｎＯ_６八面体構造が稜共有しているため、Ｉｎ−Ｉｎ間の距離が短くなり、キャリアとなる電子の軌道の重なりが大きくなり、キャリア移動度が向上する。本発明の酸化物半導体薄膜は、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相以外の結晶相を実質的に含まない。ただし、ＩｎＯ_６八面体構造が稜共有する結晶相をわずかに含む場合、酸化物半導体薄膜の特性（キャリア濃度およびキャリア移動度）が本発明の範囲に含まれる限り、Ｉｎ_２Ｏ_３相以外の結晶相を実質的に含まず、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相のみによって構成される薄膜であると評価することができ、このような薄膜も本発明に含まれるものとする。

本発明の酸化物半導体薄膜において、酸化物半導体薄膜を構成する結晶粒の大きさ、すなわち、結晶粒径が、１０ｎｍ以上であることが好ましく、２０ｎｍ以上であることがより好ましい。結晶粒径が１０ｎｍ以上の結晶粒によって構成されることにより、結晶粒界におけるキャリアの散乱が少なくなるため、キャリア移動度を安定的に１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上とすることが可能となる。

（ｃ）膜厚
本発明の酸化物半導体薄膜の膜厚は、好ましくは１５〜２００ｎｍ、より好ましくは３０〜１５０ｎｍ、さらに好ましくは４０〜１００ｎｍの範囲に制御される。

一般に、酸化物以外の材料により構成される半導体薄膜は、ガラス基板に形成されることが多い。すなわち、非晶質の基板上に、結晶質の基板が形成されることになる。したがって、本発明の酸化物半導体薄膜において、膜厚が１５ｎｍ未満の場合には、タングステンあるいは亜鉛の添加量にもよるが、基板の影響によって４００℃程度の高温でアニール処理を施した場合でも、前駆体である酸化物アモルファス薄膜が結晶化しない場合がある。また、この非晶質膜が結晶化したとしても、得られる結晶膜において十分な結晶性が得られない。このため、高いキャリア移動度が得られないこととなる。さらに、膜厚が１５ｎｍ未満の場合、得られる結晶膜における結晶粒径を１０ｎｍ以上とすることが困難となる。

基板が非晶質であることによる酸化物半導体薄膜の結晶性への影響は、酸化物半導体薄膜の膜厚を３０ｎｍ以上とすることにより、さらに軽減されるが、４０ｎｍ以上とすることにより、安定的にその影響を排除すること可能となる。ただし、コスト面を考慮すると、膜厚を２００ｎｍ以下とすることが好ましく、１５０ｎｍ以下がより好ましく、１００ｎｍ以下であればさらに好ましい。なお、膜厚を１００ｎｍ近傍に制御することにより、ガラス基板に形成された場合に、光学的な干渉によって、青色光の透過率の向上が期待できる。したがって、透明ＴＦＴへ適用する場合には、膜厚を１００ｎｍ近傍に調整することが好ましい。

２．酸化物半導体薄膜の製造方法
本発明の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体のターゲットやタブレットを用いて、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの適用可能な公知の成膜技術により、基板上に形成される。原材料となる酸化物焼結体の金属元素組成比は、本発明の酸化物半導体薄膜の金属元素組成比と同じである。すなわち、インジウムとタングステンを含有する酸化物焼結体では、そのタングステン含有量を、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．１２、好ましくは０．０１〜０．０５、より好ましくは０．０１５〜０．０３５とする。同様に、インジウムとタングステンと亜鉛からなる酸化物焼結体では、そのタングステン含有量を、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．１２、好ましくは０．０１〜０．０５、より好ましくは０．０１５〜０．０３５とし、亜鉛の含有量を、Ｚｎ／Ｉｎ原子数比で０．０５以下、好ましくは０．００３〜０．０３、より好ましくは０．００５〜０．０２とする。

インジウムとタングステンからなる酸化物焼結体としては、主にビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相によって構成される酸化物焼結体が使用される。このＩｎ_２Ｏ_３相にはタングステンが固溶している。ただし、タングステンが固溶していないＩｎ_２Ｏ_３相、すなわち、不可避的不純物を除き、いかなる元素も固溶していないＩｎ_２Ｏ_３相が共存していてもよい。

また、Ｉｎ_２Ｏ_３相以外に、ＷＯ_３、ＷＯ_２などの酸化タングステンの形態で、さらには、Ｉｎ_２Ｗ_３Ｏ_１２などの酸化インジウム−酸化タングステン間の複合酸化物の形態で、他の結晶相が酸化インジウム焼結体中に分散している酸化物焼結体も、ターゲットやタブレットの材料とすることができる。

ただし、Ｉｎ_２Ｏ_３相に対する他の結晶相の面積比率は１０％以下の割合でなければならない。たとえば、通常の直流（ＤＣ）スパッタリング法では、成膜速度を向上させるために、投入する直流電力を高めることが行われている。この際、上記面積比率が１０％を超えると、スパッタリングの進行とともに、他の結晶相がノジュール成長の起点となることが考えられる。しかしながら、本発明の酸化物半導体薄膜の成膜に用いられる酸化物焼結体では、他の結晶相の面積比率が１０％以下に抑えられており、実質的には他の結晶相が微細分散されていて、ノジュール成長の起点となりにくくなっている構造となっている。このような酸化物焼結体をターゲットやタブレットの材料とすることにより、成膜時に、投入する直流電力を高めても、ノジュールの発生が抑制され、アーキングなどの異常放電が発生しにくくなるため、成膜の効率を向上させることが可能となる。

インジウムと亜鉛とタングステンからなる酸化物焼結体でも、主にビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相によって構成される。Ｉｎ_２Ｏ_３相にはタングステンおよび／または亜鉛が固溶しているが、タングステンと亜鉛が固溶していないＩｎ_２Ｏ_３相、すなわち、不可避的不純物を除き、いかなる元素も固溶していないＩｎ_２Ｏ_３相が存在してもよい。Ｉｎ_２Ｏ_３相以外として、インジウムとタングステンからなる酸化物焼結体と同様に、ＷＯ_３、ＷＯ_２などの酸化タングステンの形態で、あるいはＩｎ_２Ｗ_３Ｏ_１２などの酸化インジウム−酸化タングステン間の複合酸化物の形態で、他の結晶相が面積比率１０％以下で分散している酸化物焼結体も用いることができる。ただし、六方晶層状化合物Ｉｎ_２Ｏ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＝２〜２０）は形成されていないことが好ましい。この化合物相が形成されると、著しく結晶化温度が上昇するため、４００℃程度のアニール処理では結晶化あるいは結晶性の向上が困難になる。なお、インジウムとタングステンからなる酸化物焼結体ターゲット、ならびにインジウムと亜鉛とタングステンからなる酸化物焼結体ターゲット中に、Ｉｎ_２Ｏ_３相以外として、ＷＯ_３、ＷＯ_２などの酸化タングステンの形態で、あるいはＩｎ_２Ｗ_３Ｏ_１２などの酸化インジウム−酸化タングステン間の複合酸化物の形態で他の結晶相が含まれている場合でも、これらの酸化物焼結体をターゲットやタブレットとして用いて、スパッタリング法やイオンプレーティング法による成膜で得られた酸化物半導体薄膜は、Ｉｎ_２Ｏ_３相によってのみ構成され、タングステンや亜鉛はＩｎ_２Ｏ_３相中に固溶することとなる。

本発明の酸化物半導体薄膜は、通常のスパッタリング法やイオンプレーティング法を用い、これらの方法で通常採用される条件により、成膜することが可能である。本発明の酸化物半導体薄膜を、スパッタリング法により、基板上に形成する場合、特に、直流スパッタリング法であれば、成膜時の熱影響が少なく、高速成膜が可能であるため工業的に有利である。本発明の透明導電膜を直流スパッタリング法で形成するためには、スパッタリングガスとして不活性ガスと酸素、特にアルゴンと酸素からなる混合ガスを用いることが好ましい。また、スパッタリング装置のチャンバー内を０．１〜１Ｐａ、特に０．２〜０．８Ｐａの圧力として、スパッタリングを行うことが好ましい。

基板は、ガラス基板が代表的であるが、シリコンなど半導体デバイス用基板として用いられているものであればよく、そのほかにも、上記プロセスの温度に耐えうるものであれば、樹脂板や樹脂フィルムを、基板として使用することができる。

基板温度は、インジウムとタングステンを含有する酸化物、あるいは、インジウムと亜鉛とタングステンを含有する酸化物からなる非晶質膜の結晶化温度以下とすることが好ましい。成膜時に結晶化すると、その後のアニール処理において酸素欠損の消失が進まず、結果として、キャリア濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以下に制御することが困難になる。このような観点から、基板温度は、膜厚が１５〜７０ｎｍの範囲であれば、２００℃以下とし、膜厚が７０〜２００ｎｍの範囲であれば、１００℃以下とすることが好ましい。いずれの場合も、室温から１００℃までの範囲とすることがより好ましい。

本発明において、たとえば、２×１０^−４Ｐａ以下まで真空排気後、アルゴンと酸素からなる混合ガスを導入し、ガス圧を０．２〜０．５Ｐａとし、ターゲット−基板間距離を１０〜１００ｍｍ、好ましくは４０〜７０ｍｍの範囲に調整し、さらに、ターゲットの面積に対する直流電力、すなわち直流電力密度が１〜３Ｗ／ｃｍ^２程度の範囲となるよう直流電力を印加して、直流プラズマを発生させ、プリスパッタリングを５〜３０分間行った後、必要により基板位置を修正したうえで、同様の条件で、スパッタリングを行うことが好ましい。

本発明の酸化物半導体薄膜を結晶化させる方法として、基板を酸化物半導体薄膜の結晶化温度以上に加熱することによって、結晶質の酸化物半導体薄膜を成膜する、あるいは、室温近傍など低温で非晶質膜を形成してから、この非晶質膜を結晶化温度以上でアニール処理して結晶化させる方法がある。本発明の酸化物半導体薄膜の場合、いずれの方法においても、アニール炉を用いたアニール処理における加熱温度は概ね４００℃以下とすることができる。ただし、本発明では、上述したように、成膜時に結晶化させると、たとえばその後にさらにアニール処理を施しても、酸素欠損の消失が進まず、結果として、キャリア濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以下に制御することが困難となる場合がある。したがって、非晶質膜を形成した後、この非晶質膜にアニール処理を施して結晶化させることが好ましい。

本発明の本発明の酸化物半導体薄膜を結晶化させるためには、アニール炉を用いたアニール処理の場合、加熱温度を２５０℃以上、好ましくは、３００℃以上、より好ましくは３５０℃以上とする。ただし、アニール処理の手段については、アニール炉を用いるほか、公知のアニール処理のための手段を広く用いることができ、それぞれの手段に応じたアニール温度を含むアニール条件を適用することができる。

本発明の酸化物半導体薄膜は、ウエットエッチングあるいはドライエッチングによって、ＴＦＴなどの用途で必要な微細加工をすることができる。最初に非晶質膜を形成し、その後、結晶化温度以上で熱処理して酸化物半導体薄膜を結晶化させる方法の場合、非晶質膜の形成後に弱酸を用いたウエットエッチングによる加工を施すことができる。弱酸であれば概ね使用できるが、蓚酸を主成分とする弱酸が好ましい。たとえば、関東化学株式会社製の透明導電膜エッチング液（ＩＴＯ−０６Ｎ）などを使用することができる。ドライエッチングの場合は、結晶化後の酸化物半導体薄膜や成膜時に直接基板に成膜された結晶質の酸化物半導体薄膜に対しても、適切なエッチングガスを用いて加工することができる。

３．ＴＦＴ素子およびその製造方法
本発明の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、上記の通り、チャネル層材料に、インジウムとタングステンを含有する酸化物からなる酸化物半導体薄膜、ならびに、インジウムと亜鉛とタングステンを含有する酸化物からなる酸化物半導体薄膜を適用している点に特徴がある。ＴＦＴの構造は限定されないが、たとえば、図１に示した構成のＴＦＴ素子を例示することができる。

図１のＴＦＴ素子は、熱酸化によってＳｉＯ_２膜が表面に形成されたＳｉＯ_２／Ｓｉ基板上に、本発明の酸化物半導体薄膜、およびＡｕ／Ｔｉ積層電極によって構成される。この構成において、ゲート電極１はＳｉ基板、ゲート絶縁層２はＳｉＯ_２膜、チャネル層３は本発明の酸化物半導体薄膜、ソース電極４およびドレイン電極５はＡｕ／Ｔｉ積層電極により構成される。

図１のＴＦＴ素子では、ＳｉＯ_２／Ｓｉ基板を用いたが、基板はこれに限定されるものではなく、従来から薄膜トランジスタを含む電子デバイスの基板として使用されているものを用いることもできる。たとえば、ＳｉＯ_２／Ｓｉ基板やＳｉ基板のほかに、無アルカリガラス，石英ガラスなどのガラス基板を用いることができる。また、各種の金属基板やプラスチック基板、ポリイミドなどの透明でない耐熱性高分子フィルム基板などを用いることもできる。

ゲート電極１について、図１のＴＦＴ素子ではＳｉ基板により構成しているが、これに限定されない。たとえば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔなどの金属薄膜、これら金属の導電性酸化物、窒化物薄膜または酸化窒化物薄膜、あるいは各種の導電性高分子材料を用いることができる。透明ＴＦＴの場合には、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの透明導電膜を用いることができる。なお、本発明の酸化物半導体薄膜と同様の金属元素組成を有する酸化物半導体薄膜を透明導電膜として用いることもできる。このゲート電極１には、良好な導電性が求められる。これらの電極の比抵抗は、１×１０^−６〜１×１０^−１Ω・ｃｍの範囲に制御されることが好ましく、１×１０^−６〜１×１０^−３Ω・ｃｍの範囲に制御されることがより好ましい。

また、ゲート絶縁層２は、ＳｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｈｆ酸化物などの金属酸化物薄膜やＳｉＮ_ｘなどの金属窒化物薄膜、あるいはポリイミドをはじめとする絶縁性の高分子材料などの公知の材料を用いることができる。ゲート絶縁層２の比抵抗は、１×１０^６〜１×１０^１５Ω・ｃｍの範囲であることが好ましく、１×１０^１０〜１×１０^１５Ω・ｃｍであればより好ましい。

チャネル層３の比抵抗は、特に制限されるものではないが、１×１０^−１〜１×１０^６Ω・ｃｍに制御されることが好ましく、特に１×１０^０〜１×１０^３Ω・ｃｍに制御されることがより好ましい。本発明の酸化物半導体薄膜の比抵抗は、スパッタリング法あるいはイオンプレーティング法における成膜条件、ならびに結晶化のアニール処理の条件の選択によって、酸素欠損の生成量が調整可能であることから、比較的容易に制御することが可能である。

ソース電極４およびドレイン電極５として、ゲート電極１と同様に、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔなどの金属薄膜、それら金属の導電性酸化物または窒化物薄膜、あるいは各種の導電性高分子材料、あるいは透明ＴＦＴ向けとしてＩＴＯなどの透明導電膜を用いることができる。このソース電極４やドレイン電極５には良好な導電性が求められる。これらの電極の比抵抗は、１０^−６〜１０^−１Ω・ｃｍの範囲に制御されることが好ましく、１０^−６〜１０^−３Ω・ｃｍの範囲に制御されることがより好ましい。

なお、本発明の製造方法で製造されるＴＦＴ素子の構造は、図１に示したボトムゲート・トップコンタクト型のものに限定されるものではなく、ボトムゲート・ボトムコンタクト、トップゲート・ボトムコンタクト、トップゲート・トップコンタクトなど、その他の形態を選択することも可能である。

以下、本発明の実施例を用いて、さらに詳細に説明するが、本発明は、これら実施例によって限定されるものではない。なお、酸化物焼結体、酸化物半導体薄膜およびＴＦＴ素子の評価は、下記の方法により行った。

［酸化物焼結体の評価］
それぞれの実施例および比較例により得られた酸化物焼結体の端材に対して、Ｘ線回折装置（フィリップス社製、Ｘ´ＰｅｒｔＰＲＯＭＰＤ）を用いて、粉末Ｘ線回折法による生成相の同定を行った。

［酸化物半導体薄膜の基本特性評価］
それぞれの実施例および比較例により得られた酸化物半導体薄膜の組成を、ＩＣＰ発光分光法によって測定した。また、酸化物半導体薄膜の膜厚を、表面形状測定装置（ケーエルエー・テンコール社製）で測定し、この結果と成膜時間から成膜速度を算出した。さらに、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度および比抵抗を、ホール効果測定装置（株式会社東陽テクニカ製）によって測定し、それらの値からそのキャリア移動度を算出した。酸化物半導体薄膜の生成相の同定は、上記と同様に、Ｘ線回折測定によって行った。

［ＴＦＴ素子の特性評価］
ＴＦＴ素子の特性評価は、半導体パラメータアナライザ（ケースレー社製、４２００ＳＣＳ）を用いて、ＴＦＴ素子動作を確認するとともに、ｏｎ／ｏｆｆ比、電界効果移動度を測定することにより行った。

［実施例１〜１２、比較例１および２］
（実施例１）
インジウムとタングステンを酸化物として含有する酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、酸化物半導体薄膜の成膜を実施した。このとき使用した酸化物焼結体は、そのタングステン含有量がＷ／Ｉｎ原子数比で０．０３５であり、Ｉｎ_２Ｏ_３相のみによって構成されていた。

生成アーキング抑制機能のない直流電源を装備した直流マグネトロンスパッタリング装置（キヤノントッキ株式会社製）の非磁性体ターゲット用カソードに、上記スパッタリングターゲットを取り付けた。基板には、無アルカリのガラス基板（コーニング・インコーポレイテッド社製、コーニング♯７０５９）を用い、ターゲット−基板間距離を６０ｍｍに固定した。その後、２×１０^−４Ｐａ以下まで真空排気し、酸素の比率が６．０％になるようにアルゴンと酸素からなる混合ガスを導入し、ガス圧を０．６Ｐａに調整した。

この条件の下で、直流電力３００Ｗ（１．６４Ｗ／ｃｍ^２）を印加して直流プラズマを発生させて成膜を実施した。具体的には、１０分間のプリスパッタリング後、スパッタリングターゲットの直上、すなわち、静止対向位置に基板を配置し、加熱せずに室温で、さらにスパッタリングを実施して、膜厚５０ｎｍの酸化物半導体薄膜を形成した。得られた酸化物半導体薄膜の組成は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じであることが確認された。また、Ｘ線回折測定の結果、非晶質であることが確認された。

この酸化物半導体薄膜を、大気中、４００℃、３０分間の条件でアニール処理した。Ｘ線回折測定の結果、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶化していること、および、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、この酸化物半導体薄膜がビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相によって構成されていることが確認された。その後、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）ピークより結晶粒径を算出したところ、５０ｎｍであった。

次に、酸化物半導体薄膜のホール効果測定を実施し、キャリア濃度およびキャリア移動度を求めたところ、キャリア濃度は５．４×１０^１６ｃｍ^−３であり、キャリア移動度は１７．４ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例２）
実施例１と同様にして得られた非晶質の酸化物半導体薄膜を、大気中、３００℃、３０分間の条件でアニール処理して、酸化物半導体薄膜を得た。Ｘ線回折測定の結果、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質であり、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしていることが確認された。また、酸化物半導体薄膜の結晶粒径は５８ｎｍ、キャリア濃度は２．１×１０^１７ｃｍ^−３、キャリア移動度は９．２ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例３）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．０２に変更した以外は条件を変えず、実施例１と同様のスパッタリング成膜条件で酸化物半導体薄膜を作製した。得られた酸化物半導体薄膜の組成は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じであることが確認された。また、Ｘ線回折測定の結果、非晶質であることが確認された。

この酸化物半導体薄膜を大気中、４００℃、３０分間の条件でアニール処理した。Ｘ線回折測定の結果、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶化していること、および、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしていることが確認された。また、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）ピークより結晶粒径を算出したところ、５１ｎｍであった。

次に、酸化物半導体薄膜のホール効果測定を実施し、キャリア濃度および移動度を求めたところ、キャリア濃度は５．９×１０^１６ｃｍ^−３であり、キャリア移動度は２２．８ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例４）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．０１５に変更した以外は条件を変えず、実施例１と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は５０ｎｍ、キャリア濃度は７．８×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は２０．２ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例５）
実施例４と同様にして得られた非晶質の酸化物半導体薄膜を、大気中、３００℃、３０分間の条件でアニール処理して、結晶質の酸化物半導体薄膜を得た。Ｘ線回折測定の結果、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質であり、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしていることが確認された。また、酸化物半導体薄膜の結晶粒径は５９ｎｍ、キャリア濃度は１．６×１０^１７ｃｍ^−３、キャリア移動度は８．７ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例６）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．０１に変更した以外は条件を変えず、実施例１と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は５５ｎｍ、キャリア濃度は９．７×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は１１．２ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例７）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．０５に変更した以外は条件を変えず、実施例１と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は５５ｎｍ、キャリア濃度は４．９×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は１０．４ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例８）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．００５に変更した以外は条件を変えず、実施例１と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は５３ｎｍ、キャリア濃度は１．３×１０^１７ｃｍ^−３、キャリア移動度は８．１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例９）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．０７に変更した以外は条件を変えず、実施例１と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は５６ｎｍ、キャリア濃度は４．０×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は８．５ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例１０）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．１２に変更した以外は条件を変えず、実施例１と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成であり、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は５５ｎｍ、キャリア濃度は４．８×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は３．９ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例１１）
酸化物半導体薄膜の膜厚を１５ｎｍに変更した以外は条件を変えず、実施例１と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は１０ｎｍ、キャリア濃度は９．６×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は１３．２ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例１２）
酸化物半導体薄膜の膜厚を２００ｎｍに変更した以外は条件を変えず、実施例１と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は６２ｎｍ、キャリア濃度は５．０×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は１８．８ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（比較例１）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．００１に変更した以外は条件を変えず、実施例１と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしていた。結晶粒径は５３ｎｍ、キャリア濃度は２．３×１０^１８ｃｍ^−３、キャリア移動度は７．６ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（比較例２）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．２に変更した以外は条件を変えず、実施例１と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしていた。結晶粒径は５５ｎｍ、キャリア濃度は３．５×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は０．８ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

実施例１〜１２から、タングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．１２に制御し、かつ、４００℃以下の大気中でアニール処理することにより、酸化物半導体薄膜が結晶質となり、キャリア濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以下とし、かつ、キャリア移動度を１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃより高いものとすることができることが理解される。

特に、実施例１、３および４では、タングステンの含有量がＷ／Ｉｎ原子数比で０．０１５〜０．０３５に制御し、かつ、４００℃の大気中でアニール処理することにより、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度を１×１０^１６〜１×１０^１７ｃｍ^−３の範囲とし、かつ、キャリア移動度を１５ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上とすることができる。

また、実施例６および７より、タングステンの含有量がＷ／Ｉｎ原子数比で０．０１〜０．０５に制御し、かつ、４００℃の大気中でアニール処理することにより、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度を１×１０^１６〜１×１０^１７ｃｍ^−３の範囲とし、かつ、キャリア移動度を１０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上とすることができる。

一方、実施例１１および１２は、酸化物半導体薄膜の膜厚を１５ｎｍおよび２００ｎｍとした場合の例である。この場合でも、所定の条件でアニール処理をすることにより、結晶粒径を１０ｎｍ以上とするとともに、キャリア濃度を１×１０^１６〜１×１０^１７ｃｍ^−３の範囲とし、かつ、キャリア移動度を１０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上とすることができる。

これに対して、比較例１および比較例２は、タングステン含有量が本発明の範囲にない例である。比較例１は、タングステン含有量がＷ／Ｉｎ原子数比で０．００５未満である例であり、この場合には、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３を超えてしまうことが理解される。また、比較例２は、タングステン含有量がＷ／Ｉｎ原子数比で０．１２を超える例であり、この場合には、キャリア移動度が１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ未満となってしまうことが理解される。

［実施例１３〜２４、比較例３および４］
（実施例１３）
タングステン含有量がＷ／Ｉｎ原子数比で０．０３５、亜鉛含有量がＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．０１であり、Ｉｎ_２Ｏ_３相のみによって構成される、インジウムと亜鉛とタングステンを酸化物として含有する酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いた以外は、実施例１と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は５３ｎｍ、キャリア濃度は４．１×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は１６．１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例１４）
実施例１３と同様にして得られた非晶質の酸化物半導体薄膜を、大気中、３００℃、３０分間の条件でアニール処理して、結晶質の酸化物半導体薄膜を得た。Ｘ線回折測定の結果、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質であり、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしていることが確認された。また、酸化物半導体薄膜の結晶粒径は５７ｎｍ、キャリア濃度は１．３×１０^１７ｃｍ^−３、キャリア移動度は１１．５ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例１５）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．０１５、亜鉛含有量をＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．００５に変更した以外は条件を変えず、実施例１３と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は５０ｎｍ、キャリア濃度は６．２×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は１９．１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例１６）
実施例１５と同様にして得られた非晶質の酸化物半導体薄膜を、大気中、３００℃、３０分間の条件でアニール処理して、結晶質の酸化物半導体薄膜を得た。Ｘ線回折測定の結果、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質であり、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしていることが確認された。また、酸化物半導体薄膜の結晶粒径は５５ｎｍ、キャリア濃度は１．１×１０^１７ｃｍ^−３、キャリア移動度は１２．４ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例１７）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．０１５、亜鉛含有量をＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．０２に変更した以外は条件を変えず、実施例１３と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は５１ｎｍ、キャリア濃度は５．４×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は１６．０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例１８）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．０２、亜鉛含有量をＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．０１に変更した以外は条件を変えず、実施例１３と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は５４ｎｍ、キャリア濃度は５．２×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は２１．１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例１９）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．０１、亜鉛含有量をＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．００３に変更した以外は条件を変えず、実施例１３と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は５４ｎｍ、キャリア濃度は８．２×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は１３．３ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例２０）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．０５、亜鉛含有量をＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．０３に変更した以外は条件を変えず、実施例１３と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は５５ｎｍ、キャリア濃度は３．４×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は１２．０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例２１）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．００５、亜鉛含有量をＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．００１に変更した以外は条件を変えず、実施例１３と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は５３ｎｍ、キャリア濃度は１．２×１０^１７ｃｍ^−３、キャリア移動度は８．４ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例２２）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．０７、亜鉛含有量をＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．０５に変更した以外は条件を変えず、実施例１３と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は５６ｎｍ、キャリア濃度は２．７×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は８．８ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例２３）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．１２、亜鉛含有量をＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．０２に変更した以外は条件を変えず、実施例１３と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は５５ｎｍ、キャリア濃度は３．１×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は３．０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（実施例２４）
酸化物半導体薄膜の膜厚を１５ｎｍに変更した以外は条件を変えず、実施例１３と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。また、アニール処理後の酸化物半導体薄膜は、結晶質で、Ｉｎ_２Ｏ_３（２２２）を主ピークとしており、結晶粒径は１１ｎｍ、キャリア濃度は４．１×１０^１６ｃｍ^−３、キャリア移動度は１１．８ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

（比較例３）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．０３５、亜鉛含有量をＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．０８に変更した以外は条件を変えず、実施例１３と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。ただし、アニール処理後のＸ線回折測定の結果、酸化物半導体薄膜は結晶化していないことが確認された。このため、酸化物半導体薄膜のホール効果測定は実施しなかった。

（比較例４）
酸化物焼結体ターゲットのタングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．１１、亜鉛含有量をＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．０８に変更した以外は条件を変えず、実施例１３と同様のスパッタリング成膜条件およびアニール条件で酸化物半導体薄膜を作製した。成膜後の酸化物半導体薄膜は、酸化物焼結体ターゲットとほぼ同じ組成で、非晶質であった。ただし、アニール処理後のＸ線回折測定の結果、酸化物半導体薄膜は結晶化していないことが確認された。このため、酸化物半導体薄膜のホール効果測定は実施しなかった。

実施例１３〜２４から、タングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．１２の範囲に制御するとともに、亜鉛含有量をＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．００１〜０．０５の範囲に制御し、さらに、４００℃以下の大気中でアニール処理をすることにより、酸化物半導体薄膜が結晶質となり、キャリア濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以下とし、かつ、キャリア移動度を１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上とすることができることが理解される。

特に、実施例１３、１５、１７および１８では、タングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．０１５〜０．０３５とするとともに、亜鉛含有量をＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．０２とし、かつ、４００℃の大気中でアニール処理することにより、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度を１×１０^１６〜１×１０^１７ｃｍ^−３の範囲とし、かつ、キャリア移動度を１５ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上とすることができる。

また、実施例１９および２０より、タングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．０１〜０．０５とするとともに、亜鉛含有量をＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．００３〜０．０３とし、かつ、４００℃の大気中でアニール処理することより、酸化物半導体薄膜のキャリア濃度を１×１０^１６〜１×１０^１７ｃｍ^−３の範囲とし、かつ、キャリア移動度を１０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上とすることができる。

一方、実施例２４は、タングステン含有量をＷ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．１２とし、かつ、亜鉛含有量をＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．００１〜０．０５とした場合において、膜厚を１５ｎｍとした場合の例である。この場合でも、所定の条件でアニール処理をすることにより、結晶粒径を１０ｎｍ以上とするとともに、キャリア濃度を１×１０^１６〜１×１０^１７ｃｍ^−３の範囲とし、かつ、キャリア移動度を１０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上とすることができることが理解される。

これに対して、比較例３および４は、亜鉛含有量がＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．０５を超える例であり、この場合、結晶質の酸化物半導体薄膜を得ることができないことが理解される。

［実施例２５および２６］
（実施例２５）
インジウムとタングステンを酸化物として含有する酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、厚さ３００ｎｍの熱酸化によってＳｉＯ_２膜が形成されたＳｉ基板のＳｉＯ_２膜上に、厚さが５０ｎｍとなるように酸化物半導体薄膜の成膜を実施した。このとき使用した酸化物焼結体は、そのタングステン含有量がＷ／Ｉｎ原子数比で０．０３５であり、Ｉｎ_２Ｏ_３相のみによって構成されていた。また、このときの酸化物半導体薄膜の成膜条件は、実施例１と同様にした。

次に、得られた非晶質の酸化物半導体薄膜を大気中、４００℃、３０分間の条件でアニール処理することにより結晶化させ、これにより、上記のＳｉ基板、ＳｉＯ_２膜ならびに結晶質の酸化物半導体薄膜を、それぞれゲート電極、ゲート絶縁層およびチャネル層とした。

その後、前記チャネル層の表面に、直流マグネトロンスパッタ法によって、厚さ５ｎｍのＴｉ膜、および、厚さ１００ｎｍのＡｕ膜を順次成膜して、Ａｕ／Ｔｉ積層膜からなるソース電極およびドレイン電極を形成し、図１に示す構成の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ素子）を得た。なお、ソース電極およびドレイン電極の成膜条件は、スパッタガスをアルゴンのみとし、直流電力を５０Ｗに変更したこと以外は、酸化物半導体薄膜の成膜条件と同様とした。

さらに、ソース電極およびドレイン電極に対して、メタルマスクを用いてパターニングを行い、チャネル長１００μｍ、チャネル幅４５０μｍのＴＦＴ素子を得た。

得られたＴＦＴ素子の動作特性を、半導体パラメータアナライザを用いて調べた結果、ＴＦＴ素子としての動作特性が確認できた。また、このＴＦＴ素子は、ｏｎ／ｏｆｆ比が１０ ^８以上、電界効果移動度が２２．５ｃｍ^２／Ｖｓｅｃという良好な値を示すことが確認された。

（実施例２６）
スパッタリングターゲットとして、インジウムと亜鉛とタングステンを含有する酸化物焼結体を使用して、チャンネル層を形成したこと以外は、実施例２５と同様にして、酸化物半導体薄膜の成膜を行った。なお、このとき使用した酸化物焼結体は、実施例１３と同様に、タングステン含有量がＷ／Ｉｎ原子数比で０．０３５、亜鉛含有量がＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．０１であった。

次に、得られた非晶質の酸化物半導体薄膜を大気中、４００℃、３０分間の条件でアニール処理することにより結晶化させ、これにより、上記のＳｉ基板、ＳｉＯ_２膜ならびに結晶質の酸化物半導体薄膜をそれぞれゲート電極、ゲート絶縁層およびチャネル層とした。

その後、実施例２５と同様にして、チャネル長１００μｍ、チャネル幅４５０μｍのＴＦＴ素子を得た。このＴＦＴ素子の動作特性を、半導体パラメータアナライザを用いて調べた結果、ＴＦＴ素子としての動作特性が確認できた。また、このＴＦＴ素子は、ｏｎ／ｏｆｆ比が１０ ^８以上、電界効果移動度が１８．７ｃｍ^２／Ｖｓｅｃという良好な値を示すことが確認された。

１ゲート電極
２ゲート絶縁層
３チャネル層
４ソース電極
５ドレイン電極

Claims

インジウムとタングステンを含有する酸化物からなり、
タングステン含有量が、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．１２であり、
結晶質で、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相によってのみ構成されており、かつ、
キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下で、キャリア移動度が１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃより高い、
ことを特徴とする、酸化物半導体薄膜。
インジウムと亜鉛とタングステンを含有する酸化物からなり、
タングステン含有量が、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．１２であり、
亜鉛含有量が、Ｚｎ／Ｉｎ原子数比で０．０５以下であり、
結晶質で、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相によってのみ構成されており、かつ、
キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下で、キャリア移動度１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃより高い、
ことを特徴とする、酸化物半導体薄膜。
タングステン含有量が、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．０１〜０．０５である、請求項１に記載の酸化物半導体薄膜。
タングステン含有量が、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．０１〜０．０５であり、かつ、亜鉛含有量が、Ｚｎ／Ｉｎ原子数比で０．００３〜０．０３である、請求項２に記載の酸化物半導体薄膜。
膜厚が１５〜２００ｎｍである、請求項１または２に記載の酸化物半導体薄膜。
膜厚が４０〜１００ｎｍである、請求項１または２に記載の酸化物半導体薄膜。
結晶粒径が１０ｎｍ以上である、請求項１または２に記載の酸化物半導体薄膜。
キャリア移動度が３ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上である、請求項１または２に記載の酸化物半導体薄膜。
キャリア移動度が１０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上である、請求項１または２に記載の酸化物半導体薄膜。
キャリア濃度が１×１０^１６〜１×１０^１７ｃｍ^−３の範囲にある、請求項１または２に記載の酸化物半導体薄膜。
ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、チャネル層およびゲート絶縁層を備える薄膜トランジスタにおいて、前記チャネル層が、請求項１または２に記載の酸化物半導体薄膜により構成されていることを特徴とする、薄膜トランジスタ。