アモルファス酸化物薄膜
【課題】電子キャリア濃度が低い、アモルファス酸化物薄膜とそれを用いた薄膜トランジスタの提供。
【解決手段】気相成膜法で成膜され、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及びＯの元素から構成される透明アモルファス酸化物薄膜であって、該酸化物の組成は、結晶化したときの組成がＩｎＧａＯ３（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、電子移動度が１ｃｍ２／（Ｖ・秒）超、かつ電子キャリヤ濃度が１０１６／ｃｍ３以下である半絶縁性であることを特徴とする透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜。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ことを特徴とする薄膜トランジスタ。
【解決手段】気相成膜法で成膜され、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及びＯの元素から構成される透明アモルファス酸化物薄膜であって、該酸化物の組成は、結晶化したときの組成がＩｎＧａＯ３（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、電子移動度が１ｃｍ２／（Ｖ・秒）超、かつ電子キャリヤ濃度が１０１６／ｃｍ３以下である半絶縁性であることを特徴とする透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜。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ことを特徴とする薄膜トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アモルファス酸化物薄膜及び薄膜トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor, ＴＦＴ）は、ゲート端子、ソース端子、及び
、ドレイン端子を備えた３端子素子であり、基板上に成膜した半導体薄膜を、電子又はホ
ールが移動するチャネル層として用い、ゲート端子に電圧を印加して、チャネル層に流れ
る電流を制御し、ソース端子とドレイン端子間の電流をスイッチングする機能を有するア
クテイブ素子である。ＴＦＴとして、現在、最も広く使われているのは多結晶シリコン膜
又はアモルファスシリコン膜をチャネル層材料としたMetal-Insulator-Semiconductor Fi
eld Effect Transistor (MIS―FET)素子である。
【０００３】
また、最近では、ＺｎＯを用いた透明伝導性酸化物多結晶薄膜をチャネル層に用いたＴＦ
Ｔの開発が活発に行われている（特許文献１）。上記薄膜は、低温で成膜でき、かつ可視
光に透明であるため、プラスチック板やフィルムなどの基板上にフレキシブルな透明ＴＦ
Ｔを形成することが可能である。
【０００４】
しかし、従来のＺｎＯは室温で安定なアモルファス相を形成することができず、殆どのＺ
ｎＯは多結晶相を呈するために、多結晶粒子界面の散乱により、電子移動度を大きくする
ことができない。さらに、ＺｎＯは、酸素欠陥が入りやすく、キャリア電子が多数発生し
、電気伝導度を小さくすることが難しい。このために、トランジスタのオン・オフ比を大
きくすることも難しい。
【０００５】
また、特許文献２には、アモルファス酸化物として、ZnxMyInzO(x+3y/2+3z/2)（式中、M
はＡｌ及びＧａのうち少なくとも一つの元素であり、比率x／yが0.2〜12の範囲であり、
比率z／yが0.4〜1.4の範囲にある。）で表される非晶質酸化物が記載されている。しかし
、ここで得られている非晶質酸化物膜の電子キャリア濃度は、１０18／ｃｍ3以上であり
、単なる透明電極として用いるには充分であるもののＴＦＴのチャネル層には適用し難い
ものであった。なぜなら、上記非晶質酸化物膜をチャネル層としたＴＦＴでは、オン・オ
フ比が充分にとれず、ノーマリーオフ型のＴＦＴにはふさわしくないことが判明したから
である。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２９８０６２号公報
【特許文献２】特開２０００−０４４２３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、電子キャリア濃度が低い、アモルファス酸化物薄膜を提供すること、
更には当該アモルファス酸化物薄膜をチャネル層に用いた薄膜トランジスタを提供するこ
とを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、（１）気相成膜法で成膜され、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及びＯの元素から構成される
透明アモルファス酸化物薄膜であって、該酸化物の組成は、結晶化したときの組成がＩｎ
ＧａＯ３（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、電子移動度が１ｃｍ２／（Ｖ・秒）超、かつ電子キャリヤ濃度が１０１６／ｃｍ３以
下である半絶縁性であることを特徴とする透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜、である
。
【０００９】
このアモルファス酸化物薄膜は、電子キャリア濃度が増加すると共に、電子移動度が増加
する特徴を有する。また、縮退伝導を示す特徴を有する。なお、ここでの縮退伝導とは、
電気抵抗の温度依存性における熱活性化エネルギーが、３０ｍｅＶ以下の状態をいう。
【００１０】
また、本発明は、（２）チャネル層、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極およびドレ
イン電極を有する薄膜トランジスタであって、上記（１）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ことを特徴とする薄膜トランジスタ、である。
【００１１】
また、本発明は、（３）気相成膜法で成膜され、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｍｇ及びＯの元素か
ら構成される透明アモルファス酸化物薄膜であって、該酸化物の組成は、結晶化したとき
の組成がＩｎＧａＯ３（Ｚｎ１−ｘＭｇｘＯ）ｍ（ｍは６未満の自然数、０．８０≦ｘ＜
０．８５）であり、不純物イオンを添加することなしに、電子移動度が１ｃｍ２／（Ｖ・
秒）超、かつ電子キャリヤ濃度が１０１６／ｃｍ３以下である半絶縁性であることを特徴
とする透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜、である。
【００１２】
また、本発明は、（４）チャネル層、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極およびドレ
イン電極を有する薄膜トランジスタであって、上記（３）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ことを特徴とする薄膜トランジスタ、である。
【００１３】
また、本発明は、（５）ゲート絶縁膜として、Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，又はＨｆＯ２のう
ちの１種、またはそれらの化合物を少なくとも２種以上含む混晶化合物を用いたことを特
徴とする上記（２）又は（４）の薄膜トランジスタ、である。
【００１４】
また、本発明は、（６）基板として、ガラス基板、プラスチック基板またはプラスチック
フィルムを用いたことを特徴とする上記（２）又は（４）の薄膜トランジスタ、である。
【００１５】
本発明の透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜は、電気抵抗を高めるための不純物イオン
を意図的に添加せず、酸素ガスを含む雰囲気中で成膜することにより製造される。
【００１６】
本発明によれば、電子キャリア濃度が低い、アモルファス酸化物が提供できるとともに、
それをチャネル層に用いた薄膜トランジスタの提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明のアモルファス酸化物薄膜は、電子キャリア濃度が１０１６／ｃｍ３以下であるこ
とを特徴とする。また、本発明に係る薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、そのチャネル層に
電子キャリア濃度が１０１６／ｃｍ３以下であるアモルファス酸化物薄膜を用いることを
特徴とする。
【００１８】
ＴＦＴは、例えば図５に示すように、基板１上にチャネル層２を設け、当該チャネル層２
上にゲート絶縁膜３、ゲート電極４、ソース電極６、ドレイン電極５を設けることにより
構成される。本発明においては、このチャネル層として、電子キャリア濃度が１０１６／
ｃｍ３以下であるアモルファス酸化物薄膜を成膜して用いる。
【００１９】
本発明のＴＦＴの構成は、図５に示したように半導体チャネル層の上にゲート絶縁膜とゲ
ート端子（電極）とを順に形成するスタガ型（トップゲート型）構造に限らず、例えば、
ゲート端子の上にゲート絶縁膜と半導体チャネル層を順に備える逆スタガ型（ボトムゲー
ト型）構造でもよい。前述の電子キャリア濃度は、室温で測定する場合の値である。室温
とは、例えば２５℃であり、具体的には０℃から４０℃程度の範囲から適宜選択されるあ
る温度である。
【００２０】
なお、本発明のアモルファス酸化物薄膜の電子キャリア濃度は、０℃から４０℃の範囲全
てにおいて、１０１６／ｃｍ３以下を充足する必要はない。例えば、２５℃において、キ
ャリア電子密度１０１６／ｃｍ３以下が実現されていればよい。電子キャリア濃度を１０
１６／ｃｍ３以下にするとノーマリーオフのＴＦＴが歩留まり良く得られる。電子キャリ
ア濃度の測定は、ホール効果測定により求めることが出来る。
【００２１】
なお、本発明において、アモルファス酸化物とは、Ｘ線回折スペクトルにおいて、ハロー
パターンが観測され、特定の回折線を示さない酸化物をいう。本発明のアモルファス酸化
物における、電子キャリア濃度の下限値は、ＴＦＴのチャネル層として適用できれば特に
限定されるものではない。下限値は、例えば、１０１２／ｃｍ３である。
【００２２】
従って、本発明においては、後述する各実施例のようにアモルファス酸化物の材料、組成
比、製造条件などを制御して、例えば、電子キャリア濃度を、１０１２／ｃｍ３以上１０
１６／ｃｍ３以下とする。より好ましくは１０１３／ｃｍ３以上１０１６／ｃｍ３以下、
更には１０１５／ｃｍ３以上１０１６／ｃｍ３以下の範囲にすることが好ましいものであ
る。
【００２３】
なお、電子移動度としては、室温で測定する場合に、０．１ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上、好
ましくは１ｃｍ2／（Ｖ・秒）、より好適には５ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上となるようにする
ことが好ましい。なお、上記アモルファス酸化物は、電子キャリア濃度が増加するととも
に、電子移動度が増加する。また、その伝導性が縮退伝導を示す傾向にある。縮退伝導と
は、電気抵抗の温度依存性における熱活性化エネルギーが、３０ｍｅV以下の状態をいう
。
【００２４】
（アモルファス酸化物の材料）
本発明のアモルファス酸化物としては、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及びＯの元素から構成される透
明アモルファス酸化物薄膜であって、該酸化物の組成は、結晶化したときの組成がＩｎＧ
ａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは６未満の自然数）である。また、、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｍｇ及
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であって、該酸化物の組成は、結
晶化したときの組成がＩｎＧａＯ３（Ｚｎ１−ｘＭｇｘＯ）ｍ（ｍは６未満の自然数、０
．８０≦ｘ＜０．８５）である。
【００２５】
結晶状態における組成がInGaO3(ZnO)m(mは６未満の自然数)で表される透明アモルファス
酸化物薄膜は、ｍの値が６未満の場合は、８００℃以上の高温まで、アモルファス状態が
安定に保たれるが、ｍの値が大きくなるにつれ、すなわち、InGaO3に対するZnOの比が増
大して、ＺｎＯ組成に近づくにつれ、結晶化しやすくなる。したがって、アモルファスＴ
ＦＴのチャネル層としては、ｍの値が６未満であることが好ましい。スパッタリング法や
パルスレーザー蒸着法により成膜を行う際のターゲット材料（例えば多結晶体）の組成比
を、上記ｍ＜６を満たすようにすれば、所望のアモルファス酸化物が得られる。
【００２６】
また、上記アモルファス酸化物としては、上記ＩｎＧａＺｎの構成比において、ＺｎをＺ
ｎ1-xＭｇxに置換することもできる。Ｍｇの置換量は、０＜ｘ≦１の範囲で可能である。
なお、Ｍｇに置換すると、酸化物膜の電子移動度は、Ｍｇ無添加膜に比べて低下するが、
その程度は少なく、一方でさらに、電子キャリア濃度を置換しない場合に比べて下げるこ
とができるので、ＴＦＴのチャネル層としてはより好適である。Ｍｇの置換量は、好まし
くは、２０％超、８５％未満（ｘにして、０．２＜ｘ＜０．８５）、より好ましくは、０
．５＜ｘ＜０．８５である。
【００２７】
（アモルファス酸化物の製造方法）
本発明のアモルファス酸化物は、以下の各実施例に示す条件下において気相成膜法を利用
して形成することができる。例えば、ＩｎＧａＺｎアモルファス酸化物を得るには、InGa
O3(ZnO)m組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして、スッパタ法（ＳＰ法）、パルス
レーザー蒸着法（ＰＬＤ法）及び電子ビーム蒸着法などの気相法により成膜を行う。尚、
量産性の観点からは、スパッタ法が最も適している。
【００２８】
なお、成膜後に電子キャリア濃度を増加させる必要がある場合には、当該膜を還元雰囲気
中で、熱処理をすることにより電子キャリア濃度を増加させることができる。こうして得
られた電子キャリア濃度の異なるアモルファス酸化物膜について、電子移動度の電子キャ
リア濃度依存性を調べると、電子移動度は電子キャリア濃度が増加すると共に増加してい
る。
【００２９】
（基板）
本発明のアモルファス酸化物薄膜を用いた薄膜トランジスタを形成する際の基板としては
、ガラス基板、プラスチック基板、プラスチックフィルムなどを用いることができる。な
お、後述の実施例で説明するように、本発明の成膜方法に係るアモルファス酸化物は、室
温で成膜することができるので、ＰＥＴフィルムをはじめとするフレキシブル素材上に薄
膜トランジスタを設けることが出来る。また、上述のアモルファス酸化物を適宜選択し、
波長400nm以上の可視光や赤外光に対して透明である材料を用いてＴＦＴを作製すること
もできる。
【００３０】
（ゲート絶縁膜）
本発明に係る薄膜トランジスタにおけるゲート絶縁膜としては、Ａｌ2Ｏ3，Ｙ2Ｏ3，Ｈｆ
Ｏ2，又はそれらの化合物を少なくとも二つ以上含む混晶化合物をゲート絶縁膜とするこ
とが好ましい。ゲート絶縁薄膜とチャネル層薄膜との界面に欠陥が存在すると、電子移動
度の低下及びトランジスタ特性にヒステリシスが生じる。また、ゲート絶縁膜の種類によ
り、リーク電流が大きく異なる。このために、チャネル層に適合したゲート絶縁膜を選定
する必要がある。
【００３１】
Ａｌ2Ｏ3膜を用いれば、リーク電流を低減できる。また、Ｙ2Ｏ3膜を用いればヒステリシ
スを小さくできる。さらに、高誘電率のＨｆＯ2膜を用いれば、電界効果移動度を大きく
することができる。また、これらの化合物の混晶からなる膜を用いて、リーク電流、ヒス
テリシスが小さく、電界効果移動度の大きなＴＦＴを形成できる。また、ゲート絶縁膜形
成プロセス及びチャネル層形成プロセスは、室温で行うことができるので、ＴＦＴ構造と
して、スタガ構造及び逆スタガ構造いずれをも形成することができる。
【００３２】
（トランジスタ）
電子キャリア濃度が１０１６／ｃｍ３以下のアモルファス酸化物膜をチャネル層に用い、
ソース端子、ドレイン端子及びゲート絶縁膜を介してゲート端子を配した電界効果型トラ
ンジスタを構成すると、ソース・ドレイン端子間に５Ｖ程度の電圧を印加したとき、ゲー
ト電圧を印加しないときのソース・ドレイン端子間の電流を約１０-7アンペヤにすること
ができる。電子キャリア濃度の理論的下限界は、価電子帯の電子が熱的に励起されるとす
ると仮定すると、１０5／ｃｍ3以下であるが、実際的な可能性としては、１０12／ｃｍ3
程度である。
【００３３】
また、Ａｌ2Ｏ3，Ｙ2Ｏ3，又はＨｆＯ2の１種、又はそれらの化合物を少なくとも二種以
上含む混晶化合物をゲート絶縁層として用いれば、ソース・ゲート端子間及びドレイン・
ゲート端子間のリーク電流を約１０-7アンペヤにすることができ、ノーマリーオフ・トラ
ンジスタを実現できる。
【００３４】
酸化物結晶の電子移動度は、金属イオンのｓ軌道の重なりが大きくなるほど、大きくなり
、原子番号の大きなＺｎの酸化物結晶は、０．１から２００ｃｍ2／（Ｖ・秒）の大きな
電子移動度を持つ。さらに、酸化物では、酸素と金属イオンとがイオン結合しているため
に、化学結合の方向性がなく、構造がランダムで、結合の方向が不均一なアモルファス状
態でも、電子移動度は、結晶状態の電子移動度に比較して、同程度の大きさを有すること
が可能となる。一方で、Ｚｎを原子番号の小さな元素で置換することにより、電子移動度
は小さくなる。従って、上記したアモルファス酸化物を用いることにより、電子移動度を
、約０．０１ｃｍ2／（Ｖ・秒）から２０ｃｍ2／（Ｖ・秒）の範囲に制御できる。
【００３５】
また、通常の化合物では、キャリア濃度が増加するにつれて、キャリア間の散乱などによ
り、電子移動度は減少するが、それに対して、本発明のアモルファス酸化物では、電子キ
ャリア濃度の増加とともに、電子移動度が増加するが、その物理機構は明確でない。
【００３６】
ゲート端子に電圧を印加すると、上記アモルファス酸化物チャネル層に、電子を注入でき
るので、ソース・ドレイン端子間に電流が流れ、両端子間がオン状態になる。本発明のア
モルファス酸化膜は、電子キャリア濃度が増加すると、電子移動度が大きくなるので、ト
ランジスタがオン状態での電流を、より大きくすることができる。すなわち、飽和電流及
びオン・オフ比をより大きくすることができる。電子移動度が大きなアモルファス酸化物
膜をＴＦＴのチャネル層として用いれば、飽和電流を大きくすることができるし、また、
ＴＦＴのスウィッチング速度を大きくでき、高速動作が可能となる。
【００３７】
例えば、電子移動度が、０．０１ｃｍ2／（Ｖ・秒）程度であれば、液晶表示素子を駆動
するＴＦＴのチャネル層として用いることができる。また、電子移動度が、０．１ｃｍ2
／（Ｖ・秒）程度であるアモルファス酸化物膜を用いれば、アモルファスシリコン膜を用
いたＴＦＴと同等以上の性能を有し、動画像用表示素子を駆動するＴＦＴを作成すること
ができる。
【００３８】
さらに、電流で駆動する有機発光ダイオードを動作させる場合など大きな電流を必要とす
るＴＦＴを実現するためには、電子移動度は、１ｃｍ2／（Ｖ・秒）超であることが望ま
しい。なお、本発明の縮退伝導を示すアモルファス酸化物をチャネル層に用いた場合、電
子キャリア濃度が多い状態での電流、すなわちトランジスタの飽和電流の温度依存性が小
さくなり、温度特性に優れたＴＦＴを実現できる。
【００３９】
実施例
（実施例１：ＰＬＤ法によるアモルファスIn-Ga-Zn-O薄膜の作製）
図７に示すようなＰＬＤ成膜装置を用いて、成膜を行った。同図において、７０１はＲＰ
（ロータリーポンプ）、７０２はＴＭＰ（ターボ分子ポンプ）、７０３は準備室、７０４
はＲＨＥＥＤ用電子銃、７０５は基板を回転、上下移動するための基板保持手段、７０６
はレーザー入射窓、７０７は基板、７０８はターゲット、７０９はラジカル源、７１０は
ガス導入口、７１１はターゲットを回転、上下移動するためのターゲット保持手段、７１
２はバイパスライン、７１３はメインライン、７１４はＴＭＰ（ターボ分子ポンプ）、７
１５はＲＰ（ロータリーポンプ）、７１６はチタンゲッターポンプ、７１７はシャッター
である。また、図中７１８はＩＧ（イオン真空計）、７１９はＰＧ（ピラニ真空計）、７
２０はＢＧ（バラトロン真空計）、７２１は成長室（チャンバー）である。
【００４０】
KrFエキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法により、SiO2ガラス基板（コーニン
グ社製1737）上にIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を堆積させた。堆積前の処
理として、基板の超音波による脱脂洗浄を、アセトン,エタノール, 超純水を用いて、各5
分間行った後、空気中100℃で乾燥させた。
【００４１】
前記多結晶ターゲットには、InGaO3(ZnO)4焼結体ターゲット（サイズ20mmΦ5mmt）を用い
た。これは、出発原料として、In2O3：Ga2O3：ZnO（各4N試薬）を湿式混合した後(溶媒：
エタノール)、仮焼（1000℃： 2h）、乾式粉砕、本焼結（1550 ℃： 2h）)を経て得られ
るものである。こうして作製したターゲットの電気伝導度は、90(S/cm)であった。
【００４２】
成長室の到達真空を2×10-6(Pa)にして、成長中の酸素分圧を6.5 (Pa)に制御して成膜を
行った。チャンバー７２１内酸素分圧は６．５Pa、基板温度は25℃である。なお、ターゲ
ット７０８と被成膜基板７０７間の距離は、30(mm)であり、入射窓７１６から入射される
ＫｒＦエキシマレーザーのパワーは、１.5-3(mJ/cm2/pulse)の範囲である。また、パルス
幅は、20(nsec)、繰り返し周波数は10(Hz)、そして照射スポット径は、1×1(mm角)とした
。こうして、成膜レート7(nm/min)で成膜を行った。
【００４３】
得られた薄膜について、薄膜のすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角0.5度）を行った
ところ、明瞭な回折ピークは認めらなかったことから、作製したIn-Ga-Zn-O系薄膜はアモ
ルファスであるといえる。さらに、Ｘ線反射率測定を行い、パターンの解析を行った結果
、薄膜の平均二乗粗さ（Rrms）は約0.5 nmであり、膜厚は約120 nmであることが分かった
。蛍光Ｘ線（XRF）分析の結果、薄膜の金属組成比はIn：Ga：Zn＝0.98：1.02：4であった
。電気伝導度は、約10-2 S/cm未満であった。電子キャリア濃度は約1016/cm3以下、電子
移動度は約５cm2／（Ｖ・秒）と推定される。
【００４４】
光吸収スペクトルの解析から、作製したアモルファス薄膜の禁制帯エネルギー幅は、約3
eVと求まった。以上のことから、作製したIn-Ga-Zn-O系薄膜は、結晶のInGaO3(ZnO)4の組
成に近いアモルファス相を呈しており、酸素欠損が少なく、電気伝導度が小さな透明な平
坦薄膜であることが分かった。
【００４５】
具体的に図１を用いて説明する。同図は、In-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態を仮定した
時の組成がInGaO3(ZnO)m(mは６未満の数)で表される透明アモルファス酸化物薄膜を本実
施例と同じ条件下で作成する場合に、酸素分圧を変化させた場合に、成膜された酸化物の
電子キャリア濃度の変化を示したものである。
【００４６】
本実施例と同じ条件下で酸素分圧を４．５Ｐａ超の高い雰囲気中で、成膜することにより
、図１に示すように、電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満に低下させることができた
。この場合、基板の温度は意図的に加温しない状態で、ほぼ室温に維持されている。フレ
キシブルなプラスチックフィルムを基板として使用するには、基板温度は100℃未満に保
つことが好ましい。
【００４７】
酸素分圧をさらに大きくすると、電子キャリア濃度をさらに低下させることができる。例
えば、図１に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧５Ｐａで成膜したInGaO3(ZnO)4薄膜で
は、さらに、電子キャリア数を１０16／ｃｍ3に低下させることができた。
【００４８】
得られた薄膜は、図２に示す様に、電子移動度が１ｃｍ2／（Ｖ・秒）超であった。しか
し、本実施例のパルスレーザー蒸着法では、酸素分圧を６．５Ｐａ以上にすると、堆積し
た膜の表面が凸凹となり、ＴＦＴのチャネル層として用いることが困難となる。従って、
酸素分圧４．５Ｐａ超、望ましくは５Ｐａ超、６．５Ｐａ未満の雰囲気で、パルスレーザ
ー蒸着法で作製したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏから構成され、結晶状態における組成ＩｎＧａ
Ｏ3（ＺｎＯ）m（ｍは６未満の数）で表される透明アモルファス酸化物薄膜を用いれば、
ノーマリーオフのトランジスタを構成することができる。
【００４９】
また、該薄膜の電子移動度は、１ｃｍ2／Ｖ・秒超が得られ、オン・オフ比を１０3超に大
きくすることができた。以上、説明したように、本実施例に示した条件下でＰＬＤ法によ
りＩｎＧａＺｎ酸化物の成膜を行う場合は、酸素分圧を４．５Ｐａ以上６．５Ｐａ未満に
なるように制御することが望ましい。なお、電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満を実
現するためには、酸素分圧の条件、成膜装置の構成や、成膜する材料や組成などに依存す
る。
【００５０】
（実施例２：ＰＬＤ法によるアモルファスＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）及びＩｎＧａＯ3（Ｚｎ
Ｏ）4酸化物膜の成膜）
ＫｒＦエキシマレーザーを用いたＰＬＤ法により、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）及びＩｎＧａ
Ｏ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をそれぞれターゲットとして、ガラス基板（コ
ーニング社製１７３７）上にＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を堆積させた
。ＰＬＤ成膜装置は、実施例１で示したものを用い、成膜条件は上記と同様とした。基板
温度は２５℃で成膜を行った。
【００５１】
得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角０．５度）を行ったと
ころ、明瞭な回折ピークは検出されず、２種類のターゲットから作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇ
ａ−Ｏ系膜は、いずれもアモルファス膜であることが示された。
【００５２】
さらに、ガラス基板上のＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜のＸ線反射率測定
を行い、パターンの解析を行った結果、薄膜の平均二乗粗さ（Ｒｒｍｓ）は約０．５ｎｍ
であり、膜厚は約１２０ｎｍであることが分かった。蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、Ｉ
ｎＧａＯ3（ＺｎＯ）組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られた膜の金属原
子組成比はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１．１：１．１：０．９であった。また、ＩｎＧａＯ3（
ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られた膜の金属原子組成比は
、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝０．９８：１．０２：４であった。
【００５３】
成膜時の雰囲気の酸素分圧を変化させ、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結
体をターゲットとして得られたアモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度を測定した。そ
の結果を図１に示す。酸素分圧が４．５Ｐａ超の雰囲気中で成膜することにより、電子キ
ャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満に低下させることができた。この場合、基板の温度は意
図的に加温しない状態でほぼ室温に維持されている。また、酸素分圧が６．５Ｐａ未満の
時は、得られたアモルファス酸化物膜の表面は平坦であった。
【００５４】
酸素分圧が５Ｐａの時、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲット
として得られたアモルファス酸化膜の電子キャリア濃度は１０16／ｃｍ3、電気伝導度は
、１０-2Ｓ／ｃｍであった。また、電子移動度は、約５ｃｍ2／Ｖ・秒と推測された。光
吸収スペクトルの解析から、作製したアモルファス酸化物膜の禁制帯エネルギー幅は、約
３ｅＶと求まった。酸素分圧を５Ｐａからさらに大きくすると、電子キャリア濃度をさら
に低下させることができた。
【００５５】
図１に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧６Ｐａで成膜したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系ア
モルファス酸化物膜では、電子キャリア濃度を８×１０15／ｃｍ3（電気伝導度：約８×
１０-3Ｓ／ｃｍ）に低下させることができた。得られた膜は、電子移動度が１ｃｍ2／（
Ｖ・秒）超と推測された。しかし、ＰＬＤ法では、酸素分圧を６．５Ｐａ以上にすると、
堆積した膜の表面が凸凹となり、ＴＦＴのチャネル層として用いることが困難となった。
【００５６】
ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、異なる酸素分圧で
成膜したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜に関して、電子キャリア濃度と電
子移動度の関係を調べた。その結果を図２に示す。電子キャリア濃度が、１０16／ｃｍ3
から１０20／ｃｍ3に増加すると、電子移動度は、約３ｃｍ2／（Ｖ・秒）から約１１ｃｍ
2／（Ｖ・秒）に増加ことが示された。また、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）組成を有する多結晶
焼結体をターゲットとして得られたアモルファス酸化膜に関しても、同様の傾向が見られ
た。
【００５７】
ガラス基板の代わりに厚さ２００μｍのポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）フィル
ムを用いた場合にも、得られたＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜は、同様の
特性を示した。
【００５８】
（実施例３：ＳＰ法によるＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の成膜）
雰囲気ガスとしてアルゴンガスを用いた高周波ＳＰ法により、成膜する場合について説明
する。ＳＰ法は、図８に示す装置を用いて行った。同図において、８０７は被成膜基板、
８０８はターゲット、８０５は冷却機構付き基板保持手段、８１４は、ターボ分子ポンプ
、８１５はロータリーポンプ、８１７はシャッター、８１８はイオン真空計、８１９はピ
ラニ真空計、８２１は成長室（チャンバー）、８３０はゲートバルブである。被成膜基板
８０７としては、ＳｉＯ２ガラス基板（コーニング社製１７３７）を用意した。成膜前処
理として、この基板の超音波脱脂洗浄を、アセトン、エタノール、超純水により各５分ず
つ行った後、空気中１００℃で乾燥させた。
【００５９】
ターゲット材料としては、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体（サイズ２
０ｍｍΦ５ｍｍｔ）を用いた。この焼結体は、出発原料として、Ｉｎ2Ｏ3：Ｇａ2Ｏ3：Ｚ
ｎＯ（各４Ｎ試薬）を湿式混合（溶媒：エタノール）し、仮焼（１０００℃：２ｈ）、乾
式粉砕、本焼結（１５５０℃：２ｈ）を経て作製した。このターゲット８０８の電気伝導
度は９０（Ｓ／ｃｍ）であり、半絶縁体状態であった。
【００６０】
成長室８２１内の到達真空は、１×１０-4（Ｐａ）であり、成長中の酸素ガスとアルゴン
ガスの全圧は、４〜０．１ｘ１０-1（Ｐａ）の範囲での一定の値とし、アルゴンガスと酸
素との分圧比を変えて、酸素分圧を、１０-3〜２ｘ１０-1（Ｐａ）の範囲で変化させた。
また、基板温度は、室温とし、ターゲット８０８と被成膜基板８０７間の距離は、３０（
ｍｍ）であった。投入電力は、ＲＦ１８０Ｗであり、成膜レートは、１０（ｎｍ／ｍｉｎ
）で行った。
【００６１】
得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角＝０．５度）を行った
ところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系膜はアモルフ
ァス膜であることが示された。さらに、Ｘ線反射率測定を行い、パターンの解析を行った
結果、薄膜の平均二乗粗さ（Ｒｒｍｓ）は約０．５ｎｍであり、膜厚は約１２０ｎｍであ
ることが分かった。蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、薄膜の金属組成比はＩｎ: Ga : Zn
= 0.98 : 1.02 : 4であった。
【００６２】
成膜時の雰囲気の酸素分圧を変化させて得られたアモルファス酸化物膜の電気伝導度を測
定した。その結果を図３に示す。図３に示すように、酸素分圧を３×１０-2Ｐａ超の高い
雰囲気中で、成膜することにより、電気伝導度を１０Ｓ／ｃｍ未満に低下させることがで
きた。
【００６３】
酸素分圧をさらに大きくすることにより、電子キャリア数を低下させることができた。
例えば、図３に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧１０-1Ｐａで成膜したInGaO3(ZnO)4
薄膜では、さらに、電気伝導度を約１０-10Ｓ／ｃｍに低下させることができた。また、
酸素分圧１０-1Ｐａ超で成膜したInGaO3(ZnO)4薄膜は、電気抵抗が高すぎて電気伝導度は
測定できなかった。この場合、電子移動度は測定できなかったが、電子キャリア濃度が大
きな膜での値から外挿して、電子移動度は、約１ｃｍ2／Ｖ・秒と推定された。
【００６４】
すなわち、酸素分圧３×１０-2Ｐａ超、望ましくは5×１０-1Ｐａ超のアルゴンガス雰囲
気で、スパッタ蒸着法で作製したIn-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態における組成InGaO3
(ZnO)m(mは６未満の自然数)で表される透明アモルファス酸化物薄膜を用い、ノーマリー
オフで、かつオン・オフ比を１０3超のトランジスタを構成することができた。
【００６５】
本実施例で示した装置、材料を用いる場合は、スパッタによる成膜の際の酸素分圧として
は、例えば、３×１０-2Ｐａ以上、５×１０-1Ｐａ以下の範囲である。なお、パルスレー
ザー蒸着法およびスパッタ法で作成された薄膜では、図２に示す様に、伝導電子数の増加
と共に、電子移動度が増加する。
【００６６】
上記のとおり、酸素分圧を制御することにより、酸素欠陥を低減でき、その結果、電子キ
ャリア濃度を減少できる。また、アモルファス状態では、多結晶状態とは異なり、本質的
に粒子界面が存在しないために、高電子移動度のアモルファス薄膜を得ることができる。
なお、ガラス基板の代わりに厚さ２００μｍのポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）
フィルムを用いた場合にも、得られたＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4アモルファス酸化物膜は、
同様の特性を示した。
【００６７】
（実施例４：ＰＬＤ法によるＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の成膜
）
次に、ＰＬＤ法により、ガラス基板上にＩｎＧａＯ3 (Ｚｎ1-xＭｇxＯ)4(0＜x＜1)膜を成
膜する場合について説明する。成膜装置としては、図７に記載の成膜装置を用いて行った
。被成膜基板としては、SiO2ガラス基板（コーニング社製1737）を用意した。その基板に
前処理として、超音波脱脂洗浄を、アセトン、エタノール、超純水により各5分間ずつ行
った後、空気中１００℃で.乾燥させた。
【００６８】
ターゲットとしては、InGa(Zn1-xMgxO)4(x=1-0)焼結体（サイズ20mmΦ5mmt）を用いた。
ターゲットは、出発原料In2O3：Ga2O3：ZnO：MgO（各4N試薬）を、湿式混合(溶媒：エタ
ノール)、仮焼（1000℃：2h）、乾式粉砕、本焼結（1550℃：2h）を経て作製した。
【００６９】
成長室到達真空は、2×10-6(Pa)であり、成長中の酸素分圧は、0.8(Pa)とした。基板温度
は、室温（２５℃）で行い、ターゲットと被成膜基板間の距離は、30(mm)であった。なお
、ＫｒＦエキシマレーザーのパワーは、１.5(mJ/cm2/pulse)、パルス幅は、20(nsec)、繰
り返し周波数は、10(Hz)、照射スポット径は、1×1(mm角)とした。成膜レートは、7(nm/m
in)であった。
【００７０】
このようにして得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角 0.5度
）を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ−
Ｏ系膜はアモルファス膜であることが示された。得られた膜の表面は平坦であった。
【００７１】
異なるｘ値のターゲットを用いて、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気中で成膜したＩｎ−Ｚｎ
−Ｇａ−Ｍｇ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電気伝導度、電子キャリア濃度及び電子移動
度のｘ値依存性を調べた。尚、ターゲットとして、多結晶InGaO3(Zn1-xＭｇxO)m(mは６未
満の自然数、0<x≦1を用いれば、１Ｐａ未満の酸素分圧下でも、高抵抗アモルファスInGa
O3(Zn1-xＭｇxO)m膜を得ることができた。
【００７２】
その結果を、図４に示す。ｘ値が０．４超のとき、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気中で、Ｐ
ＬＤ法により成膜したアモルファス酸化物膜では、電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未
満にできることが示された。また、ｘ値が０．４超のアモルファス酸化物膜では、電子移
動度は、１ｃｍ2／Ｖ・秒超であった。図４に示すように、Ｚｎを８０原子％のＭｇで置
換したターゲットを使用した場合、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気で、パルスレーザー堆積
法で得られた膜の電子キャリア濃度を１０16／ｃｍ3未満とすることができる。
【００７３】
こうした膜の電子移動度は、Ｍｇ無添加膜に比べて低下するが、その程度は少なく、室温
での電子移動度は約５ｃｍ2／（Ｖ・秒）で、アモルファスシリコンに比べて、１桁程度
大きな値を示す。同じ条件で成膜した場合、Ｍｇ含有量の増加に対して、電気伝導度と電
子移動度は、共に低下するので、Ｍｇの含有量は、好ましくは、２０原子％超、８５原子
％未満（ｘにして、０．２＜ｘ＜０．８５）、より好適には０.５＜ｘ＜０．８５である
。
【００７４】
なお、ガラス基板の代わりに厚さ２００μｍのポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）
フィルムを用いた場合にも、得られたＩｎＧａＯ3 (Ｚｎ1-xＭｇxＯ)4(0<x≦1)アモルフ
ァス酸化物膜は、同様の特性を示した。
【００７５】
（実施例５：Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ
素子の作製（ガラス基板））
図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。まず、ガラス基板（１）上に、Ｉｎ
ＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、酸素分圧５Ｐａの条
件で、実施例１のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の作製法により、チャン
ネル層（２）として用いる厚さ１２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス膜を形
成した。
【００７６】
さらにその上に、チャンバー内の酸素分圧を１Ｐａ未満にして、ＰＬＤ法により電気伝導
度の大きなＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層し、
フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子（５）及びソース端子（６
）を形成した。
【００７７】
最後にゲート絶縁膜（３）として用いるＹ2Ｏ3膜を電子ビーム蒸着法により成膜し（厚み
：９０ｎｍ、比誘電率：約１５、リーク電流密度：０．５ＭＶ／ｃｍ印加時に１０-3Ａ／
ｃｍ2）、その上に金を成膜し、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート
端子（４）を形成した。チャネル長は、５０μｍで、チャネル幅は、２００μｍであった
。
【００７８】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
図６に、室温下で測定したＴＦＴ素子の電流−電圧特性を示す。ドレイン電圧ＶDSの増加
に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したことからチャネルがｎ型伝導であることが分かる。
これは、アモルファスＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体である
という事実と矛盾しない。ＩDSはＶDS＝６Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的な半導
体トランジスタの挙動を示した。利得特性を調べたところ、ＶDS＝４Ｖ印加時におけるゲ
ート電圧ＶGSの閾値は約−０．５Ｖであった。また、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝１０
Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-5Ａの電流が流れた。これはゲートバイアスにより絶縁体
のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内にキャリアを誘起できたことに対応す
る。トランジスタのオン・オフ比は、１０3超であった。また、出力特性から電界効果移
動度を算出したところ、飽和領域において約７ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得ら
れた。
【００７９】
作製した素子に可視光を照射して同様の測定を行なったが、トランジスタ特性の変化は認
められなかった。なお、アモルファス酸化物の電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満に
することでＴＦＴのチャネル層として適用できる。この電子キャリア濃度としては、０17
／ｃｍ3以下がより好ましく、１０16／ｃｍ3以下にすると更に好ましかった。
【００８０】
本実施例によれば、電子キャリア濃度が小さく、したがって、電気抵抗が高く、かつ電
子移動度が大きいチャネル層を有する薄膜トランジスタを実現でさる。なお、上記したア
モルファス酸化物は、電子キャリア濃度の増加と共に、電子移動度が増加し、さらに縮退
伝導を示すという優れた特性を備えていた。本実施例では、ガラス基板上に薄膜トランジ
スタを作製したが、成膜自体が室温で行えるので、プラスチック板やフィルムなどの基板
が使用可能である。また、本実施例で得られたアモルファス酸化物は、可視光の光吸収が
殆どなく、透明なフレキシブルＴＦＴを実現できる。
【００８１】
（実施例６：Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ
素子の作製）
図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。具体的には、ポリエチレン・テレフ
タレート（ＰＥＴ）フィルム（１）上に、実施例２に示した成膜法により、ＩｎＧａＯ3
（ＺｎＯ）組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、酸素分圧５Ｐａの雰囲気で、チ
ャンネル層（２）として用いる厚さ１２０ｎｍのＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸
化物膜を形成した。
【００８２】
さらにその上に、チャンバー内酸素分圧を１Ｐａ未満にして、ＰＬＤ法により電気伝導度
の大きなＩｎ−Ｚｒ−Ｇａ−Ｏ糸アモルファス酸化物膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層
し、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子（５）及びソース端子
（６）を形成した。
【００８３】
最後にゲート絶縁膜（３）を電子ビーム蒸着法により成膜して、その上に金を成膜し、フ
ォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子（４）を形成した。チャネル長
は、５０μｍで、チャネル幅は、２００μｍであった。ゲート絶縁膜として、Ｙ2Ｏ3（厚
さ：１４０ｎｍ），Ａｌ2Ｏ3（厚さ：１３０ｎｍ）及びＨｆＯ2（厚さ：１４０ｎｍ）を
用いた３種類の上記の構造を有するＴＦＴを作成した。
【００８４】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
ＰＥＴフィルム上に形成したＴＦＴの室温下で測定した電流−電圧特性は、図６と同様
であった。すなわち、ドレイン電圧ＶDSの増加に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したこと
から、チャネルがｎ型伝導であることが分かる。これは、アモルファスＩｎ−Ｇａ−
Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体であるという事実と矛盾しない。ＩDSは
ＶDS＝６Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的なトランジスタの挙動を示した。また、
ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-5Ａの電流が流れた。
これはゲートバイアスにより絶縁体のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内に
電子キャリアを誘起できたことに対応する。トランジスタのオン・オフ比は、１０3超で
あった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約７ｃ
ｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【００８５】
ＰＥＴフィルム上に作成した素子を、曲率半径３０ｍｍで屈曲させ、同様のトランジスタ
特性の測定を行ったが、トランジスタ特性に大幅な変化は認められなかった。また、可視
光を照射して同様の測定を行なったが、トランジスタ特性の変化は認められなかった。
【００８６】
ゲート絶縁膜としてＡｌ2Ｏ3膜を用いたＴＦＴでも、図６に示したものと類似のトランジ
スタ特性を示したが、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０のときには、ＩDS＝１０-8Ａ，Ｖ
DS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝５．０×１０-6Ａの電流が流れた。トランジスタのオン・オフ
比は、１０2超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領
域において約２ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【００８７】
ゲート絶縁膜としてＨｆＯ2膜を用いたＴＦＴでも、図６に示したものと類似のトランジ
スタ特性を示したが、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０のときには、ＩDS＝１０-8Ａ，Ｖ
DS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-6Ａの電流が流れた。トランジスタのオン・オフ
比は、１０2超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領
域において約１０ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明に係るアモルファス酸化物は、薄膜トランジスタなどの半導体デバイスに利用でき
る。そして、この薄膜トランジスタは、例えば、ＬＣＤや有機ＥＬディスプレイのスイッ
チング素子として応用することができ、フレキシブル・ディスプレイをはじめ、シースル
ー型のディスプレイ、ＩＣカードやＩＤタグなどに幅広く応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】第１図は、パルスレーザー蒸着法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物の電子キャリア濃度と成膜中の酸素分圧の関係を示すグラフである。
【図２】第２図は、パルスレーザー蒸着法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電子キャリアの濃度と電子移動度の関係を示すグラフである。
【図３】第３図は、高周波スパッタ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電気伝導度と成膜中の酸素分圧の関係を示すグラフである。
【図４】第４図は、パルスレーザー蒸着法により成膜したＩｎＧａＯ3（Ｚｎ1-xＭｇxＯ）4のｘの値に対する電気伝導度、電子キャリア濃度、電子移動度の変化を示すグラフである。
【図５】第５図は、トップゲート型ＴＦＴ素子構造を示す模式図である。
【図６】第６図は、トップゲート型ＴＦＴ素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図７】第７図は、パルスレーザー蒸着装置を示す模式図である。
【図８】第８図は、スパッタ製膜装置を示す模式図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アモルファス酸化物薄膜及び薄膜トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor, ＴＦＴ）は、ゲート端子、ソース端子、及び
、ドレイン端子を備えた３端子素子であり、基板上に成膜した半導体薄膜を、電子又はホ
ールが移動するチャネル層として用い、ゲート端子に電圧を印加して、チャネル層に流れ
る電流を制御し、ソース端子とドレイン端子間の電流をスイッチングする機能を有するア
クテイブ素子である。ＴＦＴとして、現在、最も広く使われているのは多結晶シリコン膜
又はアモルファスシリコン膜をチャネル層材料としたMetal-Insulator-Semiconductor Fi
eld Effect Transistor (MIS―FET)素子である。
【０００３】
また、最近では、ＺｎＯを用いた透明伝導性酸化物多結晶薄膜をチャネル層に用いたＴＦ
Ｔの開発が活発に行われている（特許文献１）。上記薄膜は、低温で成膜でき、かつ可視
光に透明であるため、プラスチック板やフィルムなどの基板上にフレキシブルな透明ＴＦ
Ｔを形成することが可能である。
【０００４】
しかし、従来のＺｎＯは室温で安定なアモルファス相を形成することができず、殆どのＺ
ｎＯは多結晶相を呈するために、多結晶粒子界面の散乱により、電子移動度を大きくする
ことができない。さらに、ＺｎＯは、酸素欠陥が入りやすく、キャリア電子が多数発生し
、電気伝導度を小さくすることが難しい。このために、トランジスタのオン・オフ比を大
きくすることも難しい。
【０００５】
また、特許文献２には、アモルファス酸化物として、ZnxMyInzO(x+3y/2+3z/2)（式中、M
はＡｌ及びＧａのうち少なくとも一つの元素であり、比率x／yが0.2〜12の範囲であり、
比率z／yが0.4〜1.4の範囲にある。）で表される非晶質酸化物が記載されている。しかし
、ここで得られている非晶質酸化物膜の電子キャリア濃度は、１０18／ｃｍ3以上であり
、単なる透明電極として用いるには充分であるもののＴＦＴのチャネル層には適用し難い
ものであった。なぜなら、上記非晶質酸化物膜をチャネル層としたＴＦＴでは、オン・オ
フ比が充分にとれず、ノーマリーオフ型のＴＦＴにはふさわしくないことが判明したから
である。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２９８０６２号公報
【特許文献２】特開２０００−０４４２３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、電子キャリア濃度が低い、アモルファス酸化物薄膜を提供すること、
更には当該アモルファス酸化物薄膜をチャネル層に用いた薄膜トランジスタを提供するこ
とを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、（１）気相成膜法で成膜され、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及びＯの元素から構成される
透明アモルファス酸化物薄膜であって、該酸化物の組成は、結晶化したときの組成がＩｎ
ＧａＯ３（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、電子移動度が１ｃｍ２／（Ｖ・秒）超、かつ電子キャリヤ濃度が１０１６／ｃｍ３以
下である半絶縁性であることを特徴とする透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜、である
。
【０００９】
このアモルファス酸化物薄膜は、電子キャリア濃度が増加すると共に、電子移動度が増加
する特徴を有する。また、縮退伝導を示す特徴を有する。なお、ここでの縮退伝導とは、
電気抵抗の温度依存性における熱活性化エネルギーが、３０ｍｅＶ以下の状態をいう。
【００１０】
また、本発明は、（２）チャネル層、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極およびドレ
イン電極を有する薄膜トランジスタであって、上記（１）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ことを特徴とする薄膜トランジスタ、である。
【００１１】
また、本発明は、（３）気相成膜法で成膜され、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｍｇ及びＯの元素か
ら構成される透明アモルファス酸化物薄膜であって、該酸化物の組成は、結晶化したとき
の組成がＩｎＧａＯ３（Ｚｎ１−ｘＭｇｘＯ）ｍ（ｍは６未満の自然数、０．８０≦ｘ＜
０．８５）であり、不純物イオンを添加することなしに、電子移動度が１ｃｍ２／（Ｖ・
秒）超、かつ電子キャリヤ濃度が１０１６／ｃｍ３以下である半絶縁性であることを特徴
とする透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜、である。
【００１２】
また、本発明は、（４）チャネル層、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極およびドレ
イン電極を有する薄膜トランジスタであって、上記（３）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ことを特徴とする薄膜トランジスタ、である。
【００１３】
また、本発明は、（５）ゲート絶縁膜として、Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，又はＨｆＯ２のう
ちの１種、またはそれらの化合物を少なくとも２種以上含む混晶化合物を用いたことを特
徴とする上記（２）又は（４）の薄膜トランジスタ、である。
【００１４】
また、本発明は、（６）基板として、ガラス基板、プラスチック基板またはプラスチック
フィルムを用いたことを特徴とする上記（２）又は（４）の薄膜トランジスタ、である。
【００１５】
本発明の透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜は、電気抵抗を高めるための不純物イオン
を意図的に添加せず、酸素ガスを含む雰囲気中で成膜することにより製造される。
【００１６】
本発明によれば、電子キャリア濃度が低い、アモルファス酸化物が提供できるとともに、
それをチャネル層に用いた薄膜トランジスタの提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明のアモルファス酸化物薄膜は、電子キャリア濃度が１０１６／ｃｍ３以下であるこ
とを特徴とする。また、本発明に係る薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、そのチャネル層に
電子キャリア濃度が１０１６／ｃｍ３以下であるアモルファス酸化物薄膜を用いることを
特徴とする。
【００１８】
ＴＦＴは、例えば図５に示すように、基板１上にチャネル層２を設け、当該チャネル層２
上にゲート絶縁膜３、ゲート電極４、ソース電極６、ドレイン電極５を設けることにより
構成される。本発明においては、このチャネル層として、電子キャリア濃度が１０１６／
ｃｍ３以下であるアモルファス酸化物薄膜を成膜して用いる。
【００１９】
本発明のＴＦＴの構成は、図５に示したように半導体チャネル層の上にゲート絶縁膜とゲ
ート端子（電極）とを順に形成するスタガ型（トップゲート型）構造に限らず、例えば、
ゲート端子の上にゲート絶縁膜と半導体チャネル層を順に備える逆スタガ型（ボトムゲー
ト型）構造でもよい。前述の電子キャリア濃度は、室温で測定する場合の値である。室温
とは、例えば２５℃であり、具体的には０℃から４０℃程度の範囲から適宜選択されるあ
る温度である。
【００２０】
なお、本発明のアモルファス酸化物薄膜の電子キャリア濃度は、０℃から４０℃の範囲全
てにおいて、１０１６／ｃｍ３以下を充足する必要はない。例えば、２５℃において、キ
ャリア電子密度１０１６／ｃｍ３以下が実現されていればよい。電子キャリア濃度を１０
１６／ｃｍ３以下にするとノーマリーオフのＴＦＴが歩留まり良く得られる。電子キャリ
ア濃度の測定は、ホール効果測定により求めることが出来る。
【００２１】
なお、本発明において、アモルファス酸化物とは、Ｘ線回折スペクトルにおいて、ハロー
パターンが観測され、特定の回折線を示さない酸化物をいう。本発明のアモルファス酸化
物における、電子キャリア濃度の下限値は、ＴＦＴのチャネル層として適用できれば特に
限定されるものではない。下限値は、例えば、１０１２／ｃｍ３である。
【００２２】
従って、本発明においては、後述する各実施例のようにアモルファス酸化物の材料、組成
比、製造条件などを制御して、例えば、電子キャリア濃度を、１０１２／ｃｍ３以上１０
１６／ｃｍ３以下とする。より好ましくは１０１３／ｃｍ３以上１０１６／ｃｍ３以下、
更には１０１５／ｃｍ３以上１０１６／ｃｍ３以下の範囲にすることが好ましいものであ
る。
【００２３】
なお、電子移動度としては、室温で測定する場合に、０．１ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上、好
ましくは１ｃｍ2／（Ｖ・秒）、より好適には５ｃｍ2／（Ｖ・秒）以上となるようにする
ことが好ましい。なお、上記アモルファス酸化物は、電子キャリア濃度が増加するととも
に、電子移動度が増加する。また、その伝導性が縮退伝導を示す傾向にある。縮退伝導と
は、電気抵抗の温度依存性における熱活性化エネルギーが、３０ｍｅV以下の状態をいう
。
【００２４】
（アモルファス酸化物の材料）
本発明のアモルファス酸化物としては、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及びＯの元素から構成される透
明アモルファス酸化物薄膜であって、該酸化物の組成は、結晶化したときの組成がＩｎＧ
ａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは６未満の自然数）である。また、、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｍｇ及
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であって、該酸化物の組成は、結
晶化したときの組成がＩｎＧａＯ３（Ｚｎ１−ｘＭｇｘＯ）ｍ（ｍは６未満の自然数、０
．８０≦ｘ＜０．８５）である。
【００２５】
結晶状態における組成がInGaO3(ZnO)m(mは６未満の自然数)で表される透明アモルファス
酸化物薄膜は、ｍの値が６未満の場合は、８００℃以上の高温まで、アモルファス状態が
安定に保たれるが、ｍの値が大きくなるにつれ、すなわち、InGaO3に対するZnOの比が増
大して、ＺｎＯ組成に近づくにつれ、結晶化しやすくなる。したがって、アモルファスＴ
ＦＴのチャネル層としては、ｍの値が６未満であることが好ましい。スパッタリング法や
パルスレーザー蒸着法により成膜を行う際のターゲット材料（例えば多結晶体）の組成比
を、上記ｍ＜６を満たすようにすれば、所望のアモルファス酸化物が得られる。
【００２６】
また、上記アモルファス酸化物としては、上記ＩｎＧａＺｎの構成比において、ＺｎをＺ
ｎ1-xＭｇxに置換することもできる。Ｍｇの置換量は、０＜ｘ≦１の範囲で可能である。
なお、Ｍｇに置換すると、酸化物膜の電子移動度は、Ｍｇ無添加膜に比べて低下するが、
その程度は少なく、一方でさらに、電子キャリア濃度を置換しない場合に比べて下げるこ
とができるので、ＴＦＴのチャネル層としてはより好適である。Ｍｇの置換量は、好まし
くは、２０％超、８５％未満（ｘにして、０．２＜ｘ＜０．８５）、より好ましくは、０
．５＜ｘ＜０．８５である。
【００２７】
（アモルファス酸化物の製造方法）
本発明のアモルファス酸化物は、以下の各実施例に示す条件下において気相成膜法を利用
して形成することができる。例えば、ＩｎＧａＺｎアモルファス酸化物を得るには、InGa
O3(ZnO)m組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして、スッパタ法（ＳＰ法）、パルス
レーザー蒸着法（ＰＬＤ法）及び電子ビーム蒸着法などの気相法により成膜を行う。尚、
量産性の観点からは、スパッタ法が最も適している。
【００２８】
なお、成膜後に電子キャリア濃度を増加させる必要がある場合には、当該膜を還元雰囲気
中で、熱処理をすることにより電子キャリア濃度を増加させることができる。こうして得
られた電子キャリア濃度の異なるアモルファス酸化物膜について、電子移動度の電子キャ
リア濃度依存性を調べると、電子移動度は電子キャリア濃度が増加すると共に増加してい
る。
【００２９】
（基板）
本発明のアモルファス酸化物薄膜を用いた薄膜トランジスタを形成する際の基板としては
、ガラス基板、プラスチック基板、プラスチックフィルムなどを用いることができる。な
お、後述の実施例で説明するように、本発明の成膜方法に係るアモルファス酸化物は、室
温で成膜することができるので、ＰＥＴフィルムをはじめとするフレキシブル素材上に薄
膜トランジスタを設けることが出来る。また、上述のアモルファス酸化物を適宜選択し、
波長400nm以上の可視光や赤外光に対して透明である材料を用いてＴＦＴを作製すること
もできる。
【００３０】
（ゲート絶縁膜）
本発明に係る薄膜トランジスタにおけるゲート絶縁膜としては、Ａｌ2Ｏ3，Ｙ2Ｏ3，Ｈｆ
Ｏ2，又はそれらの化合物を少なくとも二つ以上含む混晶化合物をゲート絶縁膜とするこ
とが好ましい。ゲート絶縁薄膜とチャネル層薄膜との界面に欠陥が存在すると、電子移動
度の低下及びトランジスタ特性にヒステリシスが生じる。また、ゲート絶縁膜の種類によ
り、リーク電流が大きく異なる。このために、チャネル層に適合したゲート絶縁膜を選定
する必要がある。
【００３１】
Ａｌ2Ｏ3膜を用いれば、リーク電流を低減できる。また、Ｙ2Ｏ3膜を用いればヒステリシ
スを小さくできる。さらに、高誘電率のＨｆＯ2膜を用いれば、電界効果移動度を大きく
することができる。また、これらの化合物の混晶からなる膜を用いて、リーク電流、ヒス
テリシスが小さく、電界効果移動度の大きなＴＦＴを形成できる。また、ゲート絶縁膜形
成プロセス及びチャネル層形成プロセスは、室温で行うことができるので、ＴＦＴ構造と
して、スタガ構造及び逆スタガ構造いずれをも形成することができる。
【００３２】
（トランジスタ）
電子キャリア濃度が１０１６／ｃｍ３以下のアモルファス酸化物膜をチャネル層に用い、
ソース端子、ドレイン端子及びゲート絶縁膜を介してゲート端子を配した電界効果型トラ
ンジスタを構成すると、ソース・ドレイン端子間に５Ｖ程度の電圧を印加したとき、ゲー
ト電圧を印加しないときのソース・ドレイン端子間の電流を約１０-7アンペヤにすること
ができる。電子キャリア濃度の理論的下限界は、価電子帯の電子が熱的に励起されるとす
ると仮定すると、１０5／ｃｍ3以下であるが、実際的な可能性としては、１０12／ｃｍ3
程度である。
【００３３】
また、Ａｌ2Ｏ3，Ｙ2Ｏ3，又はＨｆＯ2の１種、又はそれらの化合物を少なくとも二種以
上含む混晶化合物をゲート絶縁層として用いれば、ソース・ゲート端子間及びドレイン・
ゲート端子間のリーク電流を約１０-7アンペヤにすることができ、ノーマリーオフ・トラ
ンジスタを実現できる。
【００３４】
酸化物結晶の電子移動度は、金属イオンのｓ軌道の重なりが大きくなるほど、大きくなり
、原子番号の大きなＺｎの酸化物結晶は、０．１から２００ｃｍ2／（Ｖ・秒）の大きな
電子移動度を持つ。さらに、酸化物では、酸素と金属イオンとがイオン結合しているため
に、化学結合の方向性がなく、構造がランダムで、結合の方向が不均一なアモルファス状
態でも、電子移動度は、結晶状態の電子移動度に比較して、同程度の大きさを有すること
が可能となる。一方で、Ｚｎを原子番号の小さな元素で置換することにより、電子移動度
は小さくなる。従って、上記したアモルファス酸化物を用いることにより、電子移動度を
、約０．０１ｃｍ2／（Ｖ・秒）から２０ｃｍ2／（Ｖ・秒）の範囲に制御できる。
【００３５】
また、通常の化合物では、キャリア濃度が増加するにつれて、キャリア間の散乱などによ
り、電子移動度は減少するが、それに対して、本発明のアモルファス酸化物では、電子キ
ャリア濃度の増加とともに、電子移動度が増加するが、その物理機構は明確でない。
【００３６】
ゲート端子に電圧を印加すると、上記アモルファス酸化物チャネル層に、電子を注入でき
るので、ソース・ドレイン端子間に電流が流れ、両端子間がオン状態になる。本発明のア
モルファス酸化膜は、電子キャリア濃度が増加すると、電子移動度が大きくなるので、ト
ランジスタがオン状態での電流を、より大きくすることができる。すなわち、飽和電流及
びオン・オフ比をより大きくすることができる。電子移動度が大きなアモルファス酸化物
膜をＴＦＴのチャネル層として用いれば、飽和電流を大きくすることができるし、また、
ＴＦＴのスウィッチング速度を大きくでき、高速動作が可能となる。
【００３７】
例えば、電子移動度が、０．０１ｃｍ2／（Ｖ・秒）程度であれば、液晶表示素子を駆動
するＴＦＴのチャネル層として用いることができる。また、電子移動度が、０．１ｃｍ2
／（Ｖ・秒）程度であるアモルファス酸化物膜を用いれば、アモルファスシリコン膜を用
いたＴＦＴと同等以上の性能を有し、動画像用表示素子を駆動するＴＦＴを作成すること
ができる。
【００３８】
さらに、電流で駆動する有機発光ダイオードを動作させる場合など大きな電流を必要とす
るＴＦＴを実現するためには、電子移動度は、１ｃｍ2／（Ｖ・秒）超であることが望ま
しい。なお、本発明の縮退伝導を示すアモルファス酸化物をチャネル層に用いた場合、電
子キャリア濃度が多い状態での電流、すなわちトランジスタの飽和電流の温度依存性が小
さくなり、温度特性に優れたＴＦＴを実現できる。
【００３９】
実施例
（実施例１：ＰＬＤ法によるアモルファスIn-Ga-Zn-O薄膜の作製）
図７に示すようなＰＬＤ成膜装置を用いて、成膜を行った。同図において、７０１はＲＰ
（ロータリーポンプ）、７０２はＴＭＰ（ターボ分子ポンプ）、７０３は準備室、７０４
はＲＨＥＥＤ用電子銃、７０５は基板を回転、上下移動するための基板保持手段、７０６
はレーザー入射窓、７０７は基板、７０８はターゲット、７０９はラジカル源、７１０は
ガス導入口、７１１はターゲットを回転、上下移動するためのターゲット保持手段、７１
２はバイパスライン、７１３はメインライン、７１４はＴＭＰ（ターボ分子ポンプ）、７
１５はＲＰ（ロータリーポンプ）、７１６はチタンゲッターポンプ、７１７はシャッター
である。また、図中７１８はＩＧ（イオン真空計）、７１９はＰＧ（ピラニ真空計）、７
２０はＢＧ（バラトロン真空計）、７２１は成長室（チャンバー）である。
【００４０】
KrFエキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法により、SiO2ガラス基板（コーニン
グ社製1737）上にIn-Ga-Zn-O系アモルファス酸化物半導体薄膜を堆積させた。堆積前の処
理として、基板の超音波による脱脂洗浄を、アセトン,エタノール, 超純水を用いて、各5
分間行った後、空気中100℃で乾燥させた。
【００４１】
前記多結晶ターゲットには、InGaO3(ZnO)4焼結体ターゲット（サイズ20mmΦ5mmt）を用い
た。これは、出発原料として、In2O3：Ga2O3：ZnO（各4N試薬）を湿式混合した後(溶媒：
エタノール)、仮焼（1000℃： 2h）、乾式粉砕、本焼結（1550 ℃： 2h）)を経て得られ
るものである。こうして作製したターゲットの電気伝導度は、90(S/cm)であった。
【００４２】
成長室の到達真空を2×10-6(Pa)にして、成長中の酸素分圧を6.5 (Pa)に制御して成膜を
行った。チャンバー７２１内酸素分圧は６．５Pa、基板温度は25℃である。なお、ターゲ
ット７０８と被成膜基板７０７間の距離は、30(mm)であり、入射窓７１６から入射される
ＫｒＦエキシマレーザーのパワーは、１.5-3(mJ/cm2/pulse)の範囲である。また、パルス
幅は、20(nsec)、繰り返し周波数は10(Hz)、そして照射スポット径は、1×1(mm角)とした
。こうして、成膜レート7(nm/min)で成膜を行った。
【００４３】
得られた薄膜について、薄膜のすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角0.5度）を行った
ところ、明瞭な回折ピークは認めらなかったことから、作製したIn-Ga-Zn-O系薄膜はアモ
ルファスであるといえる。さらに、Ｘ線反射率測定を行い、パターンの解析を行った結果
、薄膜の平均二乗粗さ（Rrms）は約0.5 nmであり、膜厚は約120 nmであることが分かった
。蛍光Ｘ線（XRF）分析の結果、薄膜の金属組成比はIn：Ga：Zn＝0.98：1.02：4であった
。電気伝導度は、約10-2 S/cm未満であった。電子キャリア濃度は約1016/cm3以下、電子
移動度は約５cm2／（Ｖ・秒）と推定される。
【００４４】
光吸収スペクトルの解析から、作製したアモルファス薄膜の禁制帯エネルギー幅は、約3
eVと求まった。以上のことから、作製したIn-Ga-Zn-O系薄膜は、結晶のInGaO3(ZnO)4の組
成に近いアモルファス相を呈しており、酸素欠損が少なく、電気伝導度が小さな透明な平
坦薄膜であることが分かった。
【００４５】
具体的に図１を用いて説明する。同図は、In-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態を仮定した
時の組成がInGaO3(ZnO)m(mは６未満の数)で表される透明アモルファス酸化物薄膜を本実
施例と同じ条件下で作成する場合に、酸素分圧を変化させた場合に、成膜された酸化物の
電子キャリア濃度の変化を示したものである。
【００４６】
本実施例と同じ条件下で酸素分圧を４．５Ｐａ超の高い雰囲気中で、成膜することにより
、図１に示すように、電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満に低下させることができた
。この場合、基板の温度は意図的に加温しない状態で、ほぼ室温に維持されている。フレ
キシブルなプラスチックフィルムを基板として使用するには、基板温度は100℃未満に保
つことが好ましい。
【００４７】
酸素分圧をさらに大きくすると、電子キャリア濃度をさらに低下させることができる。例
えば、図１に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧５Ｐａで成膜したInGaO3(ZnO)4薄膜で
は、さらに、電子キャリア数を１０16／ｃｍ3に低下させることができた。
【００４８】
得られた薄膜は、図２に示す様に、電子移動度が１ｃｍ2／（Ｖ・秒）超であった。しか
し、本実施例のパルスレーザー蒸着法では、酸素分圧を６．５Ｐａ以上にすると、堆積し
た膜の表面が凸凹となり、ＴＦＴのチャネル層として用いることが困難となる。従って、
酸素分圧４．５Ｐａ超、望ましくは５Ｐａ超、６．５Ｐａ未満の雰囲気で、パルスレーザ
ー蒸着法で作製したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏから構成され、結晶状態における組成ＩｎＧａ
Ｏ3（ＺｎＯ）m（ｍは６未満の数）で表される透明アモルファス酸化物薄膜を用いれば、
ノーマリーオフのトランジスタを構成することができる。
【００４９】
また、該薄膜の電子移動度は、１ｃｍ2／Ｖ・秒超が得られ、オン・オフ比を１０3超に大
きくすることができた。以上、説明したように、本実施例に示した条件下でＰＬＤ法によ
りＩｎＧａＺｎ酸化物の成膜を行う場合は、酸素分圧を４．５Ｐａ以上６．５Ｐａ未満に
なるように制御することが望ましい。なお、電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満を実
現するためには、酸素分圧の条件、成膜装置の構成や、成膜する材料や組成などに依存す
る。
【００５０】
（実施例２：ＰＬＤ法によるアモルファスＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）及びＩｎＧａＯ3（Ｚｎ
Ｏ）4酸化物膜の成膜）
ＫｒＦエキシマレーザーを用いたＰＬＤ法により、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）及びＩｎＧａ
Ｏ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をそれぞれターゲットとして、ガラス基板（コ
ーニング社製１７３７）上にＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を堆積させた
。ＰＬＤ成膜装置は、実施例１で示したものを用い、成膜条件は上記と同様とした。基板
温度は２５℃で成膜を行った。
【００５１】
得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角０．５度）を行ったと
ころ、明瞭な回折ピークは検出されず、２種類のターゲットから作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇ
ａ−Ｏ系膜は、いずれもアモルファス膜であることが示された。
【００５２】
さらに、ガラス基板上のＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜のＸ線反射率測定
を行い、パターンの解析を行った結果、薄膜の平均二乗粗さ（Ｒｒｍｓ）は約０．５ｎｍ
であり、膜厚は約１２０ｎｍであることが分かった。蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、Ｉ
ｎＧａＯ3（ＺｎＯ）組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られた膜の金属原
子組成比はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１．１：１．１：０．９であった。また、ＩｎＧａＯ3（
ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして得られた膜の金属原子組成比は
、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝０．９８：１．０２：４であった。
【００５３】
成膜時の雰囲気の酸素分圧を変化させ、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結
体をターゲットとして得られたアモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度を測定した。そ
の結果を図１に示す。酸素分圧が４．５Ｐａ超の雰囲気中で成膜することにより、電子キ
ャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満に低下させることができた。この場合、基板の温度は意
図的に加温しない状態でほぼ室温に維持されている。また、酸素分圧が６．５Ｐａ未満の
時は、得られたアモルファス酸化物膜の表面は平坦であった。
【００５４】
酸素分圧が５Ｐａの時、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲット
として得られたアモルファス酸化膜の電子キャリア濃度は１０16／ｃｍ3、電気伝導度は
、１０-2Ｓ／ｃｍであった。また、電子移動度は、約５ｃｍ2／Ｖ・秒と推測された。光
吸収スペクトルの解析から、作製したアモルファス酸化物膜の禁制帯エネルギー幅は、約
３ｅＶと求まった。酸素分圧を５Ｐａからさらに大きくすると、電子キャリア濃度をさら
に低下させることができた。
【００５５】
図１に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧６Ｐａで成膜したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系ア
モルファス酸化物膜では、電子キャリア濃度を８×１０15／ｃｍ3（電気伝導度：約８×
１０-3Ｓ／ｃｍ）に低下させることができた。得られた膜は、電子移動度が１ｃｍ2／（
Ｖ・秒）超と推測された。しかし、ＰＬＤ法では、酸素分圧を６．５Ｐａ以上にすると、
堆積した膜の表面が凸凹となり、ＴＦＴのチャネル層として用いることが困難となった。
【００５６】
ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、異なる酸素分圧で
成膜したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜に関して、電子キャリア濃度と電
子移動度の関係を調べた。その結果を図２に示す。電子キャリア濃度が、１０16／ｃｍ3
から１０20／ｃｍ3に増加すると、電子移動度は、約３ｃｍ2／（Ｖ・秒）から約１１ｃｍ
2／（Ｖ・秒）に増加ことが示された。また、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）組成を有する多結晶
焼結体をターゲットとして得られたアモルファス酸化膜に関しても、同様の傾向が見られ
た。
【００５７】
ガラス基板の代わりに厚さ２００μｍのポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）フィル
ムを用いた場合にも、得られたＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜は、同様の
特性を示した。
【００５８】
（実施例３：ＳＰ法によるＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の成膜）
雰囲気ガスとしてアルゴンガスを用いた高周波ＳＰ法により、成膜する場合について説明
する。ＳＰ法は、図８に示す装置を用いて行った。同図において、８０７は被成膜基板、
８０８はターゲット、８０５は冷却機構付き基板保持手段、８１４は、ターボ分子ポンプ
、８１５はロータリーポンプ、８１７はシャッター、８１８はイオン真空計、８１９はピ
ラニ真空計、８２１は成長室（チャンバー）、８３０はゲートバルブである。被成膜基板
８０７としては、ＳｉＯ２ガラス基板（コーニング社製１７３７）を用意した。成膜前処
理として、この基板の超音波脱脂洗浄を、アセトン、エタノール、超純水により各５分ず
つ行った後、空気中１００℃で乾燥させた。
【００５９】
ターゲット材料としては、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体（サイズ２
０ｍｍΦ５ｍｍｔ）を用いた。この焼結体は、出発原料として、Ｉｎ2Ｏ3：Ｇａ2Ｏ3：Ｚ
ｎＯ（各４Ｎ試薬）を湿式混合（溶媒：エタノール）し、仮焼（１０００℃：２ｈ）、乾
式粉砕、本焼結（１５５０℃：２ｈ）を経て作製した。このターゲット８０８の電気伝導
度は９０（Ｓ／ｃｍ）であり、半絶縁体状態であった。
【００６０】
成長室８２１内の到達真空は、１×１０-4（Ｐａ）であり、成長中の酸素ガスとアルゴン
ガスの全圧は、４〜０．１ｘ１０-1（Ｐａ）の範囲での一定の値とし、アルゴンガスと酸
素との分圧比を変えて、酸素分圧を、１０-3〜２ｘ１０-1（Ｐａ）の範囲で変化させた。
また、基板温度は、室温とし、ターゲット８０８と被成膜基板８０７間の距離は、３０（
ｍｍ）であった。投入電力は、ＲＦ１８０Ｗであり、成膜レートは、１０（ｎｍ／ｍｉｎ
）で行った。
【００６１】
得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角＝０．５度）を行った
ところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系膜はアモルフ
ァス膜であることが示された。さらに、Ｘ線反射率測定を行い、パターンの解析を行った
結果、薄膜の平均二乗粗さ（Ｒｒｍｓ）は約０．５ｎｍであり、膜厚は約１２０ｎｍであ
ることが分かった。蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、薄膜の金属組成比はＩｎ: Ga : Zn
= 0.98 : 1.02 : 4であった。
【００６２】
成膜時の雰囲気の酸素分圧を変化させて得られたアモルファス酸化物膜の電気伝導度を測
定した。その結果を図３に示す。図３に示すように、酸素分圧を３×１０-2Ｐａ超の高い
雰囲気中で、成膜することにより、電気伝導度を１０Ｓ／ｃｍ未満に低下させることがで
きた。
【００６３】
酸素分圧をさらに大きくすることにより、電子キャリア数を低下させることができた。
例えば、図３に示す様に、基板温度２５℃、酸素分圧１０-1Ｐａで成膜したInGaO3(ZnO)4
薄膜では、さらに、電気伝導度を約１０-10Ｓ／ｃｍに低下させることができた。また、
酸素分圧１０-1Ｐａ超で成膜したInGaO3(ZnO)4薄膜は、電気抵抗が高すぎて電気伝導度は
測定できなかった。この場合、電子移動度は測定できなかったが、電子キャリア濃度が大
きな膜での値から外挿して、電子移動度は、約１ｃｍ2／Ｖ・秒と推定された。
【００６４】
すなわち、酸素分圧３×１０-2Ｐａ超、望ましくは5×１０-1Ｐａ超のアルゴンガス雰囲
気で、スパッタ蒸着法で作製したIn-Ga-Zn-Oから構成され、結晶状態における組成InGaO3
(ZnO)m(mは６未満の自然数)で表される透明アモルファス酸化物薄膜を用い、ノーマリー
オフで、かつオン・オフ比を１０3超のトランジスタを構成することができた。
【００６５】
本実施例で示した装置、材料を用いる場合は、スパッタによる成膜の際の酸素分圧として
は、例えば、３×１０-2Ｐａ以上、５×１０-1Ｐａ以下の範囲である。なお、パルスレー
ザー蒸着法およびスパッタ法で作成された薄膜では、図２に示す様に、伝導電子数の増加
と共に、電子移動度が増加する。
【００６６】
上記のとおり、酸素分圧を制御することにより、酸素欠陥を低減でき、その結果、電子キ
ャリア濃度を減少できる。また、アモルファス状態では、多結晶状態とは異なり、本質的
に粒子界面が存在しないために、高電子移動度のアモルファス薄膜を得ることができる。
なお、ガラス基板の代わりに厚さ２００μｍのポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）
フィルムを用いた場合にも、得られたＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）4アモルファス酸化物膜は、
同様の特性を示した。
【００６７】
（実施例４：ＰＬＤ法によるＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の成膜
）
次に、ＰＬＤ法により、ガラス基板上にＩｎＧａＯ3 (Ｚｎ1-xＭｇxＯ)4(0＜x＜1)膜を成
膜する場合について説明する。成膜装置としては、図７に記載の成膜装置を用いて行った
。被成膜基板としては、SiO2ガラス基板（コーニング社製1737）を用意した。その基板に
前処理として、超音波脱脂洗浄を、アセトン、エタノール、超純水により各5分間ずつ行
った後、空気中１００℃で.乾燥させた。
【００６８】
ターゲットとしては、InGa(Zn1-xMgxO)4(x=1-0)焼結体（サイズ20mmΦ5mmt）を用いた。
ターゲットは、出発原料In2O3：Ga2O3：ZnO：MgO（各4N試薬）を、湿式混合(溶媒：エタ
ノール)、仮焼（1000℃：2h）、乾式粉砕、本焼結（1550℃：2h）を経て作製した。
【００６９】
成長室到達真空は、2×10-6(Pa)であり、成長中の酸素分圧は、0.8(Pa)とした。基板温度
は、室温（２５℃）で行い、ターゲットと被成膜基板間の距離は、30(mm)であった。なお
、ＫｒＦエキシマレーザーのパワーは、１.5(mJ/cm2/pulse)、パルス幅は、20(nsec)、繰
り返し周波数は、10(Hz)、照射スポット径は、1×1(mm角)とした。成膜レートは、7(nm/m
in)であった。
【００７０】
このようにして得られた膜に関し、膜面にすれすれ入射Ｘ線回折（薄膜法、入射角 0.5度
）を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ−
Ｏ系膜はアモルファス膜であることが示された。得られた膜の表面は平坦であった。
【００７１】
異なるｘ値のターゲットを用いて、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気中で成膜したＩｎ−Ｚｎ
−Ｇａ−Ｍｇ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電気伝導度、電子キャリア濃度及び電子移動
度のｘ値依存性を調べた。尚、ターゲットとして、多結晶InGaO3(Zn1-xＭｇxO)m(mは６未
満の自然数、0<x≦1を用いれば、１Ｐａ未満の酸素分圧下でも、高抵抗アモルファスInGa
O3(Zn1-xＭｇxO)m膜を得ることができた。
【００７２】
その結果を、図４に示す。ｘ値が０．４超のとき、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気中で、Ｐ
ＬＤ法により成膜したアモルファス酸化物膜では、電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未
満にできることが示された。また、ｘ値が０．４超のアモルファス酸化物膜では、電子移
動度は、１ｃｍ2／Ｖ・秒超であった。図４に示すように、Ｚｎを８０原子％のＭｇで置
換したターゲットを使用した場合、酸素分圧０．８Ｐａの雰囲気で、パルスレーザー堆積
法で得られた膜の電子キャリア濃度を１０16／ｃｍ3未満とすることができる。
【００７３】
こうした膜の電子移動度は、Ｍｇ無添加膜に比べて低下するが、その程度は少なく、室温
での電子移動度は約５ｃｍ2／（Ｖ・秒）で、アモルファスシリコンに比べて、１桁程度
大きな値を示す。同じ条件で成膜した場合、Ｍｇ含有量の増加に対して、電気伝導度と電
子移動度は、共に低下するので、Ｍｇの含有量は、好ましくは、２０原子％超、８５原子
％未満（ｘにして、０．２＜ｘ＜０．８５）、より好適には０.５＜ｘ＜０．８５である
。
【００７４】
なお、ガラス基板の代わりに厚さ２００μｍのポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）
フィルムを用いた場合にも、得られたＩｎＧａＯ3 (Ｚｎ1-xＭｇxＯ)4(0<x≦1)アモルフ
ァス酸化物膜は、同様の特性を示した。
【００７５】
（実施例５：Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ
素子の作製（ガラス基板））
図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。まず、ガラス基板（１）上に、Ｉｎ
ＧａＯ3（ＺｎＯ）4組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、酸素分圧５Ｐａの条
件で、実施例１のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の作製法により、チャン
ネル層（２）として用いる厚さ１２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス膜を形
成した。
【００７６】
さらにその上に、チャンバー内の酸素分圧を１Ｐａ未満にして、ＰＬＤ法により電気伝導
度の大きなＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層し、
フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子（５）及びソース端子（６
）を形成した。
【００７７】
最後にゲート絶縁膜（３）として用いるＹ2Ｏ3膜を電子ビーム蒸着法により成膜し（厚み
：９０ｎｍ、比誘電率：約１５、リーク電流密度：０．５ＭＶ／ｃｍ印加時に１０-3Ａ／
ｃｍ2）、その上に金を成膜し、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート
端子（４）を形成した。チャネル長は、５０μｍで、チャネル幅は、２００μｍであった
。
【００７８】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
図６に、室温下で測定したＴＦＴ素子の電流−電圧特性を示す。ドレイン電圧ＶDSの増加
に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したことからチャネルがｎ型伝導であることが分かる。
これは、アモルファスＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体である
という事実と矛盾しない。ＩDSはＶDS＝６Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的な半導
体トランジスタの挙動を示した。利得特性を調べたところ、ＶDS＝４Ｖ印加時におけるゲ
ート電圧ＶGSの閾値は約−０．５Ｖであった。また、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝１０
Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-5Ａの電流が流れた。これはゲートバイアスにより絶縁体
のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内にキャリアを誘起できたことに対応す
る。トランジスタのオン・オフ比は、１０3超であった。また、出力特性から電界効果移
動度を算出したところ、飽和領域において約７ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得ら
れた。
【００７９】
作製した素子に可視光を照射して同様の測定を行なったが、トランジスタ特性の変化は認
められなかった。なお、アモルファス酸化物の電子キャリア濃度を１０18／ｃｍ3未満に
することでＴＦＴのチャネル層として適用できる。この電子キャリア濃度としては、０17
／ｃｍ3以下がより好ましく、１０16／ｃｍ3以下にすると更に好ましかった。
【００８０】
本実施例によれば、電子キャリア濃度が小さく、したがって、電気抵抗が高く、かつ電
子移動度が大きいチャネル層を有する薄膜トランジスタを実現でさる。なお、上記したア
モルファス酸化物は、電子キャリア濃度の増加と共に、電子移動度が増加し、さらに縮退
伝導を示すという優れた特性を備えていた。本実施例では、ガラス基板上に薄膜トランジ
スタを作製したが、成膜自体が室温で行えるので、プラスチック板やフィルムなどの基板
が使用可能である。また、本実施例で得られたアモルファス酸化物は、可視光の光吸収が
殆どなく、透明なフレキシブルＴＦＴを実現できる。
【００８１】
（実施例６：Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸化物膜を用いたＴＦＴ
素子の作製）
図５に示すトップゲート型ＴＦＴ素子を作製した。具体的には、ポリエチレン・テレフ
タレート（ＰＥＴ）フィルム（１）上に、実施例２に示した成膜法により、ＩｎＧａＯ3
（ＺｎＯ）組成を有する多結晶焼結体をターゲットとし、酸素分圧５Ｐａの雰囲気で、チ
ャンネル層（２）として用いる厚さ１２０ｎｍのＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ系アモルファス酸
化物膜を形成した。
【００８２】
さらにその上に、チャンバー内酸素分圧を１Ｐａ未満にして、ＰＬＤ法により電気伝導度
の大きなＩｎ−Ｚｒ−Ｇａ−Ｏ糸アモルファス酸化物膜及び金膜をそれぞれ３０ｎｍ積層
し、フォトリゾグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子（５）及びソース端子
（６）を形成した。
【００８３】
最後にゲート絶縁膜（３）を電子ビーム蒸着法により成膜して、その上に金を成膜し、フ
ォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子（４）を形成した。チャネル長
は、５０μｍで、チャネル幅は、２００μｍであった。ゲート絶縁膜として、Ｙ2Ｏ3（厚
さ：１４０ｎｍ），Ａｌ2Ｏ3（厚さ：１３０ｎｍ）及びＨｆＯ2（厚さ：１４０ｎｍ）を
用いた３種類の上記の構造を有するＴＦＴを作成した。
【００８４】
（ＴＦＴ素子の特性評価）
ＰＥＴフィルム上に形成したＴＦＴの室温下で測定した電流−電圧特性は、図６と同様
であった。すなわち、ドレイン電圧ＶDSの増加に伴い、ドレイン電流ＩDSが増加したこと
から、チャネルがｎ型伝導であることが分かる。これは、アモルファスＩｎ−Ｇａ−
Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜がｎ型伝導体であるという事実と矛盾しない。ＩDSは
ＶDS＝６Ｖ程度で飽和（ピンチオフ）する典型的なトランジスタの挙動を示した。また、
ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-5Ａの電流が流れた。
これはゲートバイアスにより絶縁体のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜内に
電子キャリアを誘起できたことに対応する。トランジスタのオン・オフ比は、１０3超で
あった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領域において約７ｃ
ｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【００８５】
ＰＥＴフィルム上に作成した素子を、曲率半径３０ｍｍで屈曲させ、同様のトランジスタ
特性の測定を行ったが、トランジスタ特性に大幅な変化は認められなかった。また、可視
光を照射して同様の測定を行なったが、トランジスタ特性の変化は認められなかった。
【００８６】
ゲート絶縁膜としてＡｌ2Ｏ3膜を用いたＴＦＴでも、図６に示したものと類似のトランジ
スタ特性を示したが、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０のときには、ＩDS＝１０-8Ａ，Ｖ
DS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝５．０×１０-6Ａの電流が流れた。トランジスタのオン・オフ
比は、１０2超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領
域において約２ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【００８７】
ゲート絶縁膜としてＨｆＯ2膜を用いたＴＦＴでも、図６に示したものと類似のトランジ
スタ特性を示したが、ＶGS＝６Ｖ印加時には、ＶDS＝０のときには、ＩDS＝１０-8Ａ，Ｖ
DS＝１０Ｖ時には、ＩDS＝１．０×１０-6Ａの電流が流れた。トランジスタのオン・オフ
比は、１０2超であった。また、出力特性から電界効果移動度を算出したところ、飽和領
域において約１０ｃｍ2（Ｖｓ）-1の電界効果移動度が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明に係るアモルファス酸化物は、薄膜トランジスタなどの半導体デバイスに利用でき
る。そして、この薄膜トランジスタは、例えば、ＬＣＤや有機ＥＬディスプレイのスイッ
チング素子として応用することができ、フレキシブル・ディスプレイをはじめ、シースル
ー型のディスプレイ、ＩＣカードやＩＤタグなどに幅広く応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】第１図は、パルスレーザー蒸着法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物の電子キャリア濃度と成膜中の酸素分圧の関係を示すグラフである。
【図２】第２図は、パルスレーザー蒸着法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電子キャリアの濃度と電子移動度の関係を示すグラフである。
【図３】第３図は、高周波スパッタ法で成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物膜の電気伝導度と成膜中の酸素分圧の関係を示すグラフである。
【図４】第４図は、パルスレーザー蒸着法により成膜したＩｎＧａＯ3（Ｚｎ1-xＭｇxＯ）4のｘの値に対する電気伝導度、電子キャリア濃度、電子移動度の変化を示すグラフである。
【図５】第５図は、トップゲート型ＴＦＴ素子構造を示す模式図である。
【図６】第６図は、トップゲート型ＴＦＴ素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図７】第７図は、パルスレーザー蒸着装置を示す模式図である。
【図８】第８図は、スパッタ製膜装置を示す模式図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気相成膜法で成膜され、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及びＯの元素から構成される透明アモルファス
酸化物薄膜であって、該酸化物の組成は、結晶化したときの組成がＩｎＧａＯ３（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、電子移動度が
１ｃｍ２／（Ｖ・秒）超、かつ電子キャリヤ濃度が１０１６／ｃｍ３以下である半絶縁性
であることを特徴とする透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜。
【請求項２】
チャネル層、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を有する薄膜ト
ランジスタであって、請求項１に記載の透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜をチャネル
層としたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項３】
気相成膜法で成膜され、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｍｇ及びＯの元素から構成される透明アモル
ファス酸化物薄膜であって、該酸化物の組成は、結晶化したときの組成がＩｎＧａＯ３（
Ｚｎ１−ｘＭｇｘＯ）ｍ（ｍは６未満の自然数、０．８０≦ｘ＜０．８５）であり、不純
物イオンを添加することなしに、電子移動度が１ｃｍ２／（Ｖ・秒）超、かつ電子キャリ
ヤ濃度が１０１６／ｃｍ３以下である半絶縁性であることを特徴とする透明半絶縁性アモ
ルファス酸化物薄膜。
【請求項４】
チャネル層、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を有する薄膜ト
ランジスタであって、請求項３に記載の透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜をチャネル
層としたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項５】
ゲート絶縁膜として、Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，又はＨｆＯ２のうちの１種、またはそれら
の化合物を少なくとも２種以上含む混晶化合物を用いたことを特徴とする請求項２又は４
記載の薄膜トランジスタ。
【請求項６】
基板として、ガラス基板、プラスチック基板またはプラスチックフィルムを用いたことを
特徴とする請求項２又は４記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１】
気相成膜法で成膜され、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及びＯの元素から構成される透明アモルファス
酸化物薄膜であって、該酸化物の組成は、結晶化したときの組成がＩｎＧａＯ３（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、電子移動度が
１ｃｍ２／（Ｖ・秒）超、かつ電子キャリヤ濃度が１０１６／ｃｍ３以下である半絶縁性
であることを特徴とする透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜。
【請求項２】
チャネル層、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を有する薄膜ト
ランジスタであって、請求項１に記載の透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜をチャネル
層としたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項３】
気相成膜法で成膜され、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｍｇ及びＯの元素から構成される透明アモル
ファス酸化物薄膜であって、該酸化物の組成は、結晶化したときの組成がＩｎＧａＯ３（
Ｚｎ１−ｘＭｇｘＯ）ｍ（ｍは６未満の自然数、０．８０≦ｘ＜０．８５）であり、不純
物イオンを添加することなしに、電子移動度が１ｃｍ２／（Ｖ・秒）超、かつ電子キャリ
ヤ濃度が１０１６／ｃｍ３以下である半絶縁性であることを特徴とする透明半絶縁性アモ
ルファス酸化物薄膜。
【請求項４】
チャネル層、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を有する薄膜ト
ランジスタであって、請求項３に記載の透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜をチャネル
層としたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項５】
ゲート絶縁膜として、Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，又はＨｆＯ２のうちの１種、またはそれら
の化合物を少なくとも２種以上含む混晶化合物を用いたことを特徴とする請求項２又は４
記載の薄膜トランジスタ。
【請求項６】
基板として、ガラス基板、プラスチック基板またはプラスチックフィルムを用いたことを
特徴とする請求項２又は４記載の薄膜トランジスタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２１９５３８（Ｐ２０１０−２１９５３８Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６８７０８（Ｐ２０１０−６８７０８）
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【分割の表示】特願２００６−５１０９０７（Ｐ２００６−５１０９０７）の分割
【原出願日】平成１７年２月２８日（２００５．２．２８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１６年９月１日 社団法人応用物理学会発行の「２００４年（平成１６年）秋季第６５回応用物理学会学術講演会講演予稿集（Ｎｏ．２）」に発表
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【分割の表示】特願２００６−５１０９０７（Ｐ２００６−５１０９０７）の分割
【原出願日】平成１７年２月２８日（２００５．２．２８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１６年９月１日 社団法人応用物理学会発行の「２００４年（平成１６年）秋季第６５回応用物理学会学術講演会講演予稿集（Ｎｏ．２）」に発表
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
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