薄膜トランジスタの半導体層用酸化物およびスパッタリングターゲット、並びに薄膜トランジスタ
【課題】薄膜トランジスタの半導体層に酸化物半導体を用いたとき、薄膜トランジスタのスイッチング特性およびストレス耐性が良好な薄膜トランジスタの半導体層用酸化物を提供する。
【解決手段】本発明に係る薄膜トランジスタの半導体層用酸化物は、薄膜トランジスタの半導体層に用いられる酸化物であって、前記酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と；Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素と、を含んでいる。
【解決手段】本発明に係る薄膜トランジスタの半導体層用酸化物は、薄膜トランジスタの半導体層に用いられる酸化物であって、前記酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と；Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素と、を含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの表示装置に用いられる薄膜トランジスタの半導体層用酸化物および上記酸化物を成膜するためのスパッタリングターゲット、並びに薄膜トランジスタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アモルファス（非晶質）酸化物半導体は、汎用のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）に比べて高いキャリア移動度を有し、光学バンドギャップが大きく、低温で成膜できるため、大型・高解像度・高速駆動が要求される次世代ディスプレイや、耐熱性の低い樹脂基板などへの適用が期待されている。
【０００３】
酸化物半導体のなかでも特に、インジウム、ガリウム、亜鉛、および酸素からなるアモルファス酸化物半導体（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、以下「ＩＧＺＯ」と呼ぶ場合がある。）は、非常に高いキャリア移動度を有するため、好ましく用いられている。例えば非特許文献１および２には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１．１：１．１：０．９（原子％比）の酸化物半導体薄膜を薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の半導体層（活性層）に用いたものが開示されている。また、特許文献１には、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｇａなどの元素と、Ｍｏと、を含み、アモルファス酸化物中の全金属原子数に対するＭｏの原子組成比率が０．１〜５原子％のアモルファス酸化物が開示されており、実施例には、ＩＧＺＯにＭｏを添加した活性層を用いたＴＦＴが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１６４３９３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】固体物理、ＶＯＬ４４、Ｐ６２１（２００９）
【非特許文献２】Ｎａｔｕｒｅ、ＶＯＬ４３２、Ｐ４８８（２００４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
酸化物半導体を薄膜トランジスタの半導体層として用いる場合、キャリア濃度が高いだけでなく、ＴＦＴのスイッチング特性（トランジスタ特性）に優れていることが要求される。具体的には、（１）オン電流（ゲート電極とドレイン電極に正電圧をかけたときの最大ドレイン電流）が高く、（２）オフ電流（ゲート電極に負電圧を、ドレイン電圧に正電圧を夫々かけたときのドレイン電流）が低く、（３）ＳＳ（Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｗｉｎｇ、サブスレッショルド スィング、ドレイン電流を１桁あげるのに必要なゲート電圧）値が低く、（４）しきい値（ドレイン電極に正電圧をかけ、ゲート電圧に正負いずれかの電圧をかけたときにドレイン電流が流れ始める電圧であり、しきい値電圧とも呼ばれる）が時間的に変化せず安定である（基板面内で均一であることを意味する）、などが要求される。前述した特許文献１に記載のＭｏを含むＩＧＺＯ半導体について、本発明者らが上記特性を調べたところ、ＩＧＺＯに比べてオン電流の低下やＳＳ値の上昇が見られることが分った。
【０００７】
更に、ＩＧＺＯなどの酸化物半導体層を用いたＴＦＴは、電圧印加や光照射などのストレスに対する耐性（ストレス耐性）に優れていることが要求される。例えば、ゲート電圧に正電圧または負電圧を印加し続けたときや、光吸収が始まる青色帯を照射し続けたときに、しきい値電圧が大幅に変化（シフト）するが、これにより、ＴＦＴのスイッチング特性が変化することが指摘されている。また、液晶パネル駆動の際や、ゲート電極に負バイアスをかけて画素を点灯させる際などに液晶セルから漏れた光がＴＦＴに照射されるが、この光がＴＦＴにストレスを与えて特性劣化の原因となる。特にしきい値電圧のシフトは、ＴＦＴを備えた液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの表示装置自体の信頼性低下を招くため、ストレス耐性の向上（ストレス印加前後の変化量が少ないこと）が切望されている。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化物半導体を備えた薄膜トランジスタのスイッチング特性およびストレス耐性が良好であり、特にストレス印加前後のしきい値電圧変化量が小さく安定性に優れた薄膜トランジスタ半導体層用酸化物、および上記酸化物の成膜に用いられるスパッタリングターゲット、並びに上記酸化物を用いた薄膜トランジスタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決することのできた本発明に係る薄膜トランジスタの半導体層用酸化物は、薄膜トランジスタの半導体層に用いられる酸化物であって、前記酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と；Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素と、を含むところに要旨を有するものである。
【００１０】
好ましい実施形態において、
前記Ｘ群の元素としてＡｌを含むとき、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ａｌ）×１００＝０．１〜１０原子％であり；
前記Ｘ群の元素としてＳｉを含むとき、Ｓｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｉ）×１００＝０．１〜１５原子％であり；
前記Ｘ群の元素としてＮｉを含むとき、Ｎｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｎｉ）×１００＝０．１〜５原子％であり；
前記Ｘ群の元素としてＧｅを含むとき、Ｇｅ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｇｅ）×１００＝０．１〜１０原子％であり；
前記Ｘ群の元素としてＳｎを含むとき、Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｎ）×１００＝０．１〜１５原子％であり；
前記Ｘ群の元素としてＨｆを含むとき、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｈｆ）×１００＝０．１〜１０原子％であり；
前記Ｘ群の元素としてＴａを含むとき、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｔａ）×１００＝０．１〜１０原子％であり；
前記Ｘ群の元素としてＷを含むとき、Ｗ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｗ）×１００＝０．１〜１０原子％である。
【００１１】
本発明には、上記酸化物を薄膜トランジスタの半導体層として備えた薄膜トランジスタも包含される。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態において、上記半導体層の密度は５．８ｇ／ｃｍ3以上である。
【００１３】
また、上記課題を解決し得た本発明のスパッタリングターゲットは、上記のいずれかに記載の酸化物を形成するためのスパッタリングターゲットであって、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と；Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素と、を含むところに要旨を有するものである。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態において、前記Ｘ群の元素としてＡｌを含むとき、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ａｌ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＳｉを含むとき、Ｓｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｉ）×１００＝０．１〜１５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＮｉを含むとき、Ｎｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｎｉ）×１００＝０．１〜５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＧｅを含むとき、Ｇｅ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｇｅ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＳｎを含むとき、Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｎ）×１００＝０．１〜１５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＨｆを含むとき、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｈｆ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＴａを含むとき、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｔａ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＷを含むとき、Ｗ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｗ）×１００＝０．１〜１０原子％である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の酸化物は、薄膜トランジスタのスイッチング特性およびストレス耐性に優れ、特にストレス印加後のしきい値電圧変化が小さいため、ＴＦＴ特性およびストレス耐性に優れた薄膜トランジスタを提供することができた。その結果、上記薄膜トランジスタを用いれば、信頼性の高い表示装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施例１において酸化物半導体を備えた薄膜トランジスタを説明するための概略断面図である。
【図２】図２は、実施例１においてアモルファス相を示すＩＧＺＯの構成を示す図である。
【図３】図３は、実施例１においてＩＧＺＯを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図４】図４は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｎｉを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図５】図５は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｓｉを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図６】図６は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｈｆを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図７】図７は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ａｌを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図８】図８は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｓｎを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図９】図９は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｔａを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｃｕを用いたときのストレス印加前のＴＦＴ特性を示す図である。
【図１１】図１１は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｌａを用いたときのストレス印加前のＴＦＴ特性を示す図である。
【図１２】図１２は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｍｏを用いたときのストレス印加前のＴＦＴ特性を示す図である。
【図１３】図１３は、実施例２においてＩＧＺＯを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図１４】図１４は、実施例２においてＩＧＺＯ−Ｓｉを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明者らは、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む酸化物（ＩＧＺＯ）をＴＦＴの活性層（半導体層）に用いたときのＴＦＴ特性およびストレス耐性を向上させるため、種々検討を重ねてきた。その結果、ＩＧＺＯ中に、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素を含むＩＧＺＯ−ＸをＴＦＴの半導体層に用いれば所期の目的が達成されることを見出し、本発明を完成した。後記する実施例に示すように、上記Ｘ群に属する元素（Ｘ群元素）を含む酸化物半導体を備えたＴＦＴは、特許文献１に記載のＭｏや、Ｘ群元素以外の元素を用いた場合に比べ、ＴＦＴ特性およびストレス耐性に優れていることが分った。
【００１８】
すなわち、本発明に係る薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の半導体層用酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と；Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素（Ｘ群元素で代表させる場合がある。）と、を含むところに特徴がある。本明細書では、本発明の酸化物をＩＧＺＯ−Ｘで表わす場合がある。
【００１９】
まず、本発明の酸化物を構成する母材成分である金属（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ）について説明する。
【００２０】
上記金属（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ）について、各金属間の比率は、これら金属を含む酸化物（ＩＧＺＯ）がアモルファス相を有し、且つ、半導体特性を示す範囲であれば特に限定されない。ＩＧＺＯ自体は公知であり、アモルファス相を形成し得る各金属の比率（詳細には、ＩｎＯ、ＧａＯ、ＺｎＯの各モル比）は、例えば前述した非特許文献１に記載されている。本明細書では、この図を図２として示している。図２に記載のアモルファス相の範囲を大幅に外れ、ＺｎＯやＩｎ2Ｏ3の比率が極端に高くなって結晶相が形成されると、ウエットエッチングによる加工が困難になったり、トランジスタ特性を示さなくなるなどの問題が生じる。
【００２１】
代表的な組成として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎの比（原子％比）が例えば２：２：１、１：１：１のものが挙げられる。
【００２２】
また、上記金属（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ）について、本発明の酸化物（ＩＧＺＯ−Ｘ）を構成する金属（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ）に占める各金属の比率は、所望のＴＦＴ特性などが得られるように適切に制御することが好ましい。具体的にはＺｎについて、上記金属に占めるＺｎの比率は７０原子％以下であることが好ましい。Ｚｎの比率が７０原子％を超えると酸化物半導体膜が結晶化し、粒界捕獲順位が発生するためキャリア移動度が低下し、ＳＳ値が大きくなるなどトランジスタ特性が低下する。Ｚｎのより好ましい比率は４０原子％以下であり、更に好ましくは３０原子％以下である。また、Ｚｎの下限は、アモルファス構造にすることなどを考慮すると、上記金属に占めるＺｎの比率を１０原子％以上とすることが好ましい。Ｚｎのより好ましい比率は１５原子％以上であり、更に好ましくは２０原子％以上である。
【００２３】
Ｚｎ以外の上記金属（Ｉｎ、Ｇａ）は、Ｚｎが上記範囲内に制御され、且つ、各金属の比率が前述した範囲を満足するように適宜制御すれば良い。具体的には、上記金属（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ）に占めるＩｎの好ましい比率は、おおむね１０原子％以上７０原子％以下であり、更に好ましくは２５原子％以上である。また、上記金属（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ）に占めるＧａの好ましい比率は、おおむね２５原子％以上７０原子％以下である。
【００２４】
本発明の酸化物は、ＩＧＺＯ中にＸ群元素を含んでいる。Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなる群（Ｘ群）から選択される少なくとも一種のＸ群元素をＩＧＺＯ中に添加することにより、電圧や光などに対するストレス耐性が向上する。また、Ｘ群元素の添加によるドレイン電流値の大きな低下はみられず、キャリア密度に対する悪影響も見られなかった（後記する実施例を参照）。また、Ｘ群元素の添加によるウエットエッチング時のエッチング不良などの問題も見られないことを実験により確認している。これらは単独で添加しても良いし、２種以上を併用しても良い。好ましいＸ群元素の種類はＳｉ、Ｎｉ、Ｈｆ、Ｇｅであり、より好ましくはＳｉ、Ｎｉである。
【００２５】
上記Ｘ群元素の添加による特性向上の詳細なメカニズムは不明であるが、Ｘ群元素は、酸化物半導体中で余剰電子の原因となる酸素欠損の発生抑制効果があると推察される。Ｘ群元素の添加により、酸素欠損が低減され、酸化物が安定な構造を有することにより電圧や光などのストレスに対するストレス耐性などが向上するものと考えられる。
【００２６】
本発明の酸化物（ＩＧＺＯ−Ｘ）を構成する全金属（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｘ群元素）に含まれるＸ群元素の好ましい比率［Ｘ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｘ）］は、キャリア密度や半導体の安定性などを考慮して決定され、Ｘ群元素の種類によっても若干相違する。Ｘ群元素として、Ａｌ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの各元素を用いたときの好ましい比率（百分率）は０．１〜１０原子％であり、より好ましくは２．０〜６．０原子％である。また、Ｘ群元素として、Ｓｉ、Ｓｎの各元素を用いたときの好ましい比率は０．１原子％以上、より好ましくは１原子％以上、更に好ましくは２．０原子％以上、より更に好ましくは４．０原子％以上であって、好ましくは１５原子％以下、より好ましくは８．０原子％以下である。また、Ｘ群元素としてＮｉを用いたときの好ましい比率は０．１〜５原子％であり、より好ましくは０．１〜１．５原子％である。Ｘ群元素の添加比率が少なすぎると、酸素欠損の発生抑制効果が十分に得られない。一方、Ｘ群元素の添加比率が多すぎると半導体中のキャリア密度が低下するため、オン電流が減少してしまう。
【００２７】
以上、本発明の酸化物について説明した。
【００２８】
上記酸化物は、スパッタリング法にてスパッタリングターゲット（以下「ターゲット」ということがある。）を用いて成膜することが好ましい。塗布法などの化学的成膜法によって酸化物を形成することもできるが、スパッタリング法によれば、成分や膜厚の膜面内均一性に優れた薄膜を容易に形成することができる。
【００２９】
スパッタリング法に用いられるターゲットとして、前述した元素を含み、所望の酸化物と同一組成のスパッタリングターゲットを用いることが好ましく、これにより、組成ズレの恐れがなく、所望の成分組成の薄膜を形成することができる。具体的にはターゲットとして、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と；Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素を含む酸化物ターゲットを用いることができる。また、好ましい態様として、上記Ｘ群の元素としてＡｌを含むとき、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ａｌ）×１００＝０．１〜１０原子％であることが好ましく；上記Ｘ群の元素としてＳｉを含むとき、Ｓｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｉ）×１００＝０．１〜１５原子％であることが好ましく；上記Ｘ群の元素としてＮｉを含むとき、Ｎｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｎｉ）×１００＝０．１〜５原子％であることが好ましく；上記Ｘ群の元素としてＧｅを含むとき、Ｇｅ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｇｅ）×１００＝０．１〜１０原子％であることが好ましく；上記Ｘ群の元素としてＳｎを含むとき、Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｎ）×１００＝０．１〜１５原子％であることが好ましく；上記Ｘ群の元素としてＨｆを含むとき、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｈｆ）×１００＝０．１〜１０原子％であることが好ましく；上記Ｘ群の元素としてＴａを含むとき、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｔａ）×１００＝０．１〜１０原子％であることが好ましく；上記Ｘ群の元素としてＷを含むとき、Ｗ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｗ）×１００＝０．１〜１０原子％であることが好ましい。
【００３０】
あるいは、組成の異なる二つのターゲットを同時放電するコスパッタ法（Ｃｏ−Ｓｐｕｔｔｅｒ法）を用いて成膜しても良く、これにより、同一基板面内にＸ元素の含有量が異なる酸化物半導体膜を成膜することができる。例えば後記する実施例に示すように、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎが所定原子比（例えば原子％で、２：２：１）のターゲットと、上記組成のターゲット上にＸ群元素の純金属チップを装着したターゲットの二つを用意し、コスパッタ法によってＩＧＺＯ−Ｘの酸化物を成膜することができる。
【００３１】
上記ターゲットは、例えば粉末焼結法方法によって製造することができる。
【００３２】
上記ターゲットを用いてスパッタリングするに当たっては、基板温度を室温とし、酸素添加量を適切に制御して行なうことが好ましい。酸素添加量は、スパッタリング装置の構成やターゲット組成などに応じて適切に制御すれば良いが、おおむね、酸化物半導体のキャリア濃度が１０15〜１０16ｃｍ-3となるように酸素量を添加することが好ましい。本実施例における酸素添加量は添加流量比でＯ2／（Ａｒ＋Ｏ2）＝２％とした。
【００３３】
また、上記酸化物をＴＦＴの半導体層としたときの、酸化物半導体層の好ましい密度は５．８ｇ／ｃｍ3以上である(後述する。)が、このような酸化物を成膜するためには、スパッタリング成膜時のガス圧、スパッタリングターゲットへの投入パワー、基板温度などを適切に制御することが好ましい。例えば成膜時のガス圧を低くするとスパッタ原子同士の散乱がなくなって緻密（高密度）な膜を成膜できると考えられるため、成膜時の全ガス圧は、スパッタの放電が安定する程度で低い程良く、おおむね０．５〜５ｍＴｏｒｒの範囲内に制御することが好ましく、１〜３ｍＴｏｒｒの範囲内であることがより好ましい。また、投入パワーは高い程良く、おおむねＤＣまたはＲＦにて２．０Ｗ／ｃｍ2以上に設定することが推奨される。成膜時の基板温度も高い程良く、おおむね室温〜２００℃の範囲内に制御することが推奨される。
【００３４】
上記のようにして成膜される酸化物の好ましい膜厚は３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、より好ましくは３０ｎｍ以上８０ｎｍ以下である。
【００３５】
本発明には、上記酸化物をＴＦＴの半導体層として備えたＴＦＴも包含される。ＴＦＴは、基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、上記酸化物の半導体層、ソース電極、ドレイン電極を少なくとも有していれば良く、その構成は通常用いられるものであれば特に限定されない。
【００３６】
ここで、上記酸化物半導体層の密度は５．８ｇ／ｃｍ3以上であることが好ましい。酸化物半導体層の密度が高くなると膜中の欠陥が減少して膜質が向上し、また原子間距離が小さくなるため、ＴＦＴ素子の電界効果移動度が大きく増加し、電気伝導性も高くなり、光照射に対するストレスへの安定性が向上する。上記酸化物半導体層の密度は高い程良く、より好ましくは５．９ｇ／ｃｍ3以上であり、更に好ましくは６．０ｇ／ｃｍ3以上である。なお、酸化物半導体層の密度は、後記する実施例に記載の方法によって測定したものである。
【００３７】
以下、図１を参照しながら、上記ＴＦＴの製造方法の実施形態を説明する。図１および以下の製造方法は、本発明の好ましい実施形態の一例を示すものであり、これに限定する趣旨ではない。例えば図１には、ボトムゲート型構造のＴＦＴを示しているがこれに限定されず、酸化物半導体層の上にゲート絶縁膜とゲート電極を順に備えるトップゲート型のＴＦＴであっても良い。
【００３８】
図１に示すように、基板１上にゲート電極２およびゲート絶縁膜３が形成され、その上に酸化物半導体層４が形成されている。酸化物半導体層４上にはソース・ドレイン電極５が形成され、その上に保護膜（絶縁膜）６が形成され、コンタクトホール７を介して透明導電膜８がドレイン電極５に電気的に接続されている。
【００３９】
基板１上にゲート電極２およびゲート絶縁膜３が形成する方法は特に限定されず、通常用いられる方法を採用することができる。また、ゲート電極およびゲート絶縁膜３の種類も特に限定されず、汎用されているものを用いることができる。例えばゲート電極として、電気抵抗率の低いＡｌやＣｕの金属、これらの合金を好ましく用いることができる。また、ゲート絶縁膜としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などが代表的に例示される。そのほか、Ａｌ2Ｏ3やＹ2Ｏ3などの酸化物や、これらを積層したものを用いることもできる。
【００４０】
次いで酸化物半導体層４を形成する。酸化物半導体層４は、上述したように、薄膜と同組成のスパッタリングターゲットを用いたＤＣスパッタリング法またはＲＦスパッタリング法により成膜することが好ましい。あるいは、コスパッタ法により成膜しても良い。
【００４１】
酸化物半導体層４をウエットエッチングした後、パターニングする。パターニングの直後に、酸化物半導体層４の膜質改善のために熱処理（プレアニール）を行うことが好ましく、これにより、トランジスタ特性のオン電流および電界効果移動度が上昇し、トランジスタ性能が向上するようになる。
【００４２】
プレアニールの後、ソース・ドレイン電極５を形成する。ソース・ドレイン電極の種類は特に限定されず、汎用されているもの用いることができる。例えばゲート電極と同様ＡｌやＣｕなどの金属または合金を用いても良いし、後記する実施例のように純Ｔｉを用いても良い。
【００４３】
ソース・ドレイン電極５の形成方法としては、例えばマグネトロンスパッタリング法によって金属薄膜を成膜した後、リフトオフ法によって形成することができる。あるいは、上記のようにリフトオフ法によって電極を形成するのではなく、予め所定の金属薄膜をスパッタリング法によって形成した後、パターニングによって電極を形成する方法もあるが、この方法では、電極のエッチングの際に酸化物半導体層にダメージが入るため、トランジスタ特性が低下する。そこで、このような問題を回避するために酸化物半導体層の上に予め保護膜を形成した後、電極を形成し、パターニングする方法も採用されており、後記する実施例では、この方法を採用した。
【００４４】
次に、酸化物半導体層４の上に保護膜（絶縁膜）６をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって成膜する。酸化物半導体膜の表面は、ＣＶＤによるプラズマダメージによって容易に導通化してしまう（おそらく酸化物半導体表面に生成される酸素欠損が電子ドナーとなるためと推察される。）ため、上記問題を回避するため、後記する実施例では、保護膜の成膜前にＮ2Ｏプラズマ照射を行った。Ｎ2Ｏプラズマの照射条件は、下記文献に記載の条件を採用した。
Ｊ． Ｐａｒｋら、Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， １９９３，０５３５０５（２００８）
【００４５】
次に、常法に基づき、コンタクトホール７を介して透明導電膜８をドレイン電極５に電気的に接続する。透明導電膜およびドレイン電極の種類は特に限定されず、通常用いられるものを使用することができる。ドレイン電極としては、例えば前述したソース・ドレイン電極で例示したものを用いることができる。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限されず、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００４７】
実施例１
前述した方法に基づき、図１に示す薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製し、ＴＦＴ特性およびストレス耐性を評価した。
【００４８】
まず、ガラス基板（コーニング社製イーグル２０００、直径１００ｍｍ×厚さ０．７ｍｍ）上に、ゲート電極としてＴｉ薄膜を１００ｎｍ、およびゲート絶縁膜ＳｉＯ2（２００ｎｍ）を順次成膜した。ゲート電極は純Ｔｉのスパッタリングターゲットを使用し、ＤＣスパッタ法により、成膜温度：室温、成膜パワー：３００Ｗ、キャリアガス：Ａｒ、ガス圧：２ｍＴｏｒｒにて成膜した。また、ゲート絶縁膜はプラズマＣＶＤ法を用い、キャリアガス：ＳｉＨ4とＮ2Ｏの混合ガス、成膜パワー：１００Ｗ、成膜温度：３００℃にて成膜した。
【００４９】
次に、表１に記載の種々の組成の酸化物薄膜を、スパッタリングターゲット（後記する。）を用いてスパッタリング法によって成膜した。酸化物薄膜としては、ＩＧＺＯ中にＸ群元素を含むＩＧＺＯ−Ｘ（本発明例）のほか、比較のため、ＩＧＺＯ（従来例）、およびＸ群元素以外の元素としてＩＧＺＯ中にＣｕ、Ｌａ、またはＭｏを含むものも成膜した。スパッタリングに使用した装置は（株）アルバック製「ＣＳ−２００」であり、スパッタリング条件は以下のとおりである。
基板温度：室温
ガス圧：５ｍＴｏｒｒ
酸素分圧：Ｏ2／（Ａｒ＋Ｏ2）＝２％
膜厚：５０〜１５０ｎｍ
使用ターゲットサイズ：φ４インチ×５ｍｍ
【００５０】
ＩＧＺＯ（従来例）の成膜に当たっては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎの比（原子％比）が２：２：１であるスパッタリングターゲットを用い、ＲＦスパッタリング法を用いて成膜した。また、ＩＧＺＯ中に他の元素を含む酸化物薄膜の成膜に当たっては、組成の異なる二つのスパッタリングターゲットを同時放電するＣｏ−Ｓｐｕｔｔｅｒ法を用いて成膜した。詳細にはスパッタリングターゲットとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎの比（原子％比）が２：２：１であるスパッタリングターゲットと、上記スパッタリングターゲット上にＸ群元素またはＣｕ、Ｌａ、Ｍｏの純金属チップを装着したターゲットの二つを用いた。
【００５１】
このようにして得られた酸化物薄膜中の金属元素の各含有量は、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法によって分析した。
【００５２】
上記のようにして酸化物薄膜を成膜した後、フォトリソグラフィおよびウエットエッチングによりパターニングを行った。ウェットエッチャント液としては、関東科学製「ＩＴＯ−０７Ｎ」を使用した。本実施例では、実験を行なった酸化物薄膜について光学顕微鏡観察によりウェットエッチング性を評価した。評価結果より実験を行なった全ての組成でウエットエッチングによる残渣はなく、適切にエッチングできたことを確認している。
【００５３】
酸化物半導体膜をパターニングした後、膜質を向上させるためプレアニール処理を行った。プレアニールは、１００％酸素雰囲気、大気圧下にて、３５０℃で１時間行なった。
【００５４】
次に、純Ｔｉを使用し、リフトオフ法によりソース・ドレイン電極を形成した。具体的にはフォトレジストを用いてパターニングを行った後、Ｔｉ薄膜をＤＣスパッタリング法により成膜（膜厚は１００ｎｍ）した。ソース・ドレイン電極用Ｔｉ薄膜の成膜方法は、前述したゲート電極の場合と同じである。次いで、アセトン中で超音波洗浄器にかけて不要なフォトレジストを除去し、ＴＦＴのチャネル長を１０μｍ、チャネル幅を２００μｍとした。
【００５５】
このようにしてソース・ドレイン電極を形成した後、酸化物半導体層を保護するための保護膜を形成した。保護膜として、ＳｉＯ2（膜厚２００ｎｍ）とＳｉＮ（膜厚２００ｎｍ）の積層膜（合計膜厚４００ｎｍ）を用いた。上記ＳｉＯ2およびＳｉＮの形成は、サムコ製「ＰＤ−２２０ＮＬ」を用い、プラズマＣＶＤ法を用いて行なった。本実施例では、Ｎ2Ｏガスによってプラズマ処理を行った後、ＳｉＯ2、およびＳｉＮ膜を順次形成した。ＳｉＯ2膜の形成にはＮ2ＯおよびＳｉＨ4の混合ガスを用い、ＳｉＮ膜の形成にはＳｉＨ4、Ｎ2、ＮＨ3の混合ガスを用いた。いずれの場合も成膜パワーを１００Ｗ、成膜温度を１５０℃とした。
【００５６】
次にフォトリソグラフィ、およびドライエッチングにより、保護膜にトランジスタ特性評価用プロービングのためのコンタクトホールを形成した。次に、ＤＣスパッタリング法を用い、キャリアガス：アルゴンおよび酸素ガスの混合ガス、成膜パワー：２００Ｗ、ガス圧：５ｍＴｏｒｒにてＩＴＯ膜（膜厚８０ｎｍ）を成膜し、図１のＴＦＴを作製した。製膜パワーを２００Ｗ、ガス圧を５ｍＴｏｒｒとし、アルゴンおよび酸素ガスを使用した。
【００５７】
このようにして得られた各ＴＦＴについて、以下のようにして、ストレス印加前後における（１）トランジスタ特性（ドレイン電流−ゲート電圧特性、Ｉｄ−Ｖｇ特性）、並びに（２）しきい値電圧、ＳＳ値、およびキャリア移動度の変化を調べた。
【００５８】
（１）トランジスタ特性の測定
トランジスタ特性の測定はＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製「４１５６Ｃ」の半導体パラメータアナライザーを使用した。詳細な測定条件は以下のとおりである。
ソース電圧 ：０Ｖ
ドレイン電圧：１０Ｖ
ゲート電圧 ：−３０〜３０Ｖ（測定間隔：１Ｖ）
【００５９】
（２）ストレス耐性の評価（ストレスとして光照射＋負バイアスを印加）
本実施例では、実際のパネル駆動時の環境（ストレス）を模擬して、ゲート電極に負バイアスをかけながら光を照射するストレス印加試験を行った。ストレス印加条件は以下のとおりである。光の波長としては、酸化物半導体のバンドギャップに近く、トランジスタ特性が変動し易い４００ｎｍ程度を選択した。
ゲート電圧：−２０Ｖ
基板温度：６０℃
光ストレス
波長：４００ｎｍ
照度（ＴＦＴに照射される光の強度）：０．１μＷ／ｃｍ2
光源：ＯＰＴＯＳＵＰＰＬＹ社製ＬＥＤ（ＮＤフィルターによって光量を調整）
ストレス印加時間：３時間
【００６０】
ここで、しきい値電圧とは、おおまかにいえば、トランジスタがオフ状態（ドレイン電流の低い状態）からオン状態（ドレイン電流の高い状態）に移行する際のゲート電圧の値である。本実施例では、ドレイン電流が、オン電流とオフ電流の間の１ｎＡ付近であるときの電圧をしきい値電圧と定義し、ストレス印加前後のしきい値電圧の変化量（シフト量）を測定した。
【００６１】
また、ドレイン電流を一桁増加させるのに必要なゲート電圧の最小値をＳＳ値とした。また、キャリア移動度（電界効果移動度）は、Ｉｄ∝（Ｖｇ−Ｖｔｈ）（Ｖｔｈ＝しきい値電圧）の関係が成り立つ領域（線形領域）についてＩｄ∝（Ｖｇ−Ｖｔｈ）の傾きから算出した。
【００６２】
これらの結果を表１に示す。表１には、ストレス印加前後のしきい値電圧シフト量、並びにストレス印加前後におけるキャリア移動度およびＳＳ値の各値を記載した。なお、表１において、例えばＩｎＧａＺｎＯ−０．１ａｔ％Ｓｉ（Ｎｏ．５）とは、酸化物半導体を構成する全金属（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｉ）中に占めるＳｉの原子％が０．１原子％であることを意味する。
【００６３】
また、一部の例について、ストレス印加前後のドレイン電流−ゲート電圧特性（Ｉｄ−Ｖｇ特性）の結果を図３〜１２に示す。図３〜９では、ストレス印加前の結果を破線で示し、ストレス印加後の結果を実線で示している。
【００６４】
【表１】
【００６５】
まず、従来例のＩＧＺＯを用いた結果について考察する。
【００６６】
図３に示すように、ストレス印加前（図３中、破線）では、ゲート電圧Ｖｇが−３Ｖ付近からドレイン電流Ｉｄが増加し始めており、スイッチング動作が見られた。Ｖｇ＝−３０ＶのときのＩｄをオフ電流Ｉｏｆｆ（Ａ）、Ｖｇ＝３０ＶのときのＩｄをオン電流Ｉｏｎ（Ａ）とすると、Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆの比は８桁以上である。また、ストレス印加前のＳＳ値は０．４Ｖ／ｄｅｃａｄｅ、キャリア移動度は１２．５ｃｍ2／Ｖｓであった（表１を参照）。
【００６７】
これに対し、ストレス印加後では、ＳＳ値は０．４Ｖ／ｄｅｃａｄｅ、キャリア移動度は１２．７ｃｍ2／Ｖｓであり（表１を参照）、これらの値はストレス印加前後で殆ど変化しなかったが、図３に示すようにしきい値電圧が大きく変化しており、０時間（ストレスなし）〜３時間（ストレス印加）におけるしきい値電圧シフト量は−６．２Ｖであった（表１を参照）。
【００６８】
本実施例では、上記Ｎｏ．１の結果を基準とし、各結果がＮｏ．１と同等かそれよりも小さいときを合格とした。
【００６９】
表１中、Ｎｏ．５〜７（Ｘ群元素＝Ｓｉ）、８〜１０（Ｘ群元素＝Ｎｉ）、１１〜１３（Ｘ群元素＝Ｈｆ）、１４〜１６（Ｘ群元素＝Ｓｎ）、１７〜１８（Ｘ群元素＝Ａｌ）、１９〜２０（Ｘ群元素＝Ｇｅ）、２１〜２２（Ｘ群元素＝Ｔａ）、２３〜２４（Ｘ群元素＝Ｗ）は、本発明で規定するＸ群元素を所定範囲で含む酸化物半導体を用いた例であり、いずれもＮｏ．１に比べ、しきい値電圧シフト量の絶対値が低くなっており、且つ、ストレス印加前後のキャリア移動度およびＳＳ値も同等か小さくなっていた。このうちＮｏ．１０（Ｘ群元素＝Ｎｉ）、６（Ｘ群元素＝Ｓｉ）、１２（Ｘ群元素＝Ｈｆ）、１７（Ｘ群元素＝Ａｌ）、１５（Ｘ群元素＝Ｓｎ）、２２（Ｘ群元素＝Ｔａ）のＴＦＴ特性の結果を、それぞれ図４〜９に示す。
【００７０】
一方、表１中、Ｎｏ．２〜４、および図１０〜１２は、本発明で規定するＸ群元素以外の元素（Ｃｕ、Ｌａ、Ｍｏ）を添加したときの結果を示している。Ｎｏ．１２は、前述した特許文献１を模擬したものである。これらの元素を添加したときは、ストレス印加前のドレイン電流値が低くなった（図１０〜１２を参照）が、これは、上記元素の添加によって半導体中のキャリア密度が低下したためと考えられる。なお、ストレス印加前のＴＦＴ特性が劣化していたため、ストレス印加は行なわなかった。
【００７１】
以上の実験結果より、本発明で規定するＸ群元素を所定量含む酸化物半導体を用いれば、従来のＩＧＺＯを用いたときと遜色のないＴＦＴ特性が得られることが確認された。また、ウエットエッチング加工も良好に行なわれたことから、Ｘ群元素を添加した酸化物は、アモルファス構造であると推察される。
【００７２】
実施例２
酸化物薄膜を表２に記載の組成とした以外は、実施例１と同様にして図１に示す薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製した。
【００７３】
各ＴＦＴについて、以下のようにして光照射ストレス有無における（１）トランジスタ特性、（２）しきい値電圧、およびＳＳ値を調べた。
【００７４】
（１）トランジスタ特性の測定
トランジスタ特性の測定はＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ株式会社製「４１５６Ｃ」の半導体パラメータアナライザーを使用した。詳細な測定条件は以下のとおりである。
ソース電圧 ：０Ｖ
ドレイン電圧：１０Ｖ
ゲート電圧 ：−３０→３０Ｖ→−３０Ｖ（測定間隔：０．２５Ｖ）
測定温度 ：６０℃
【００７５】
（２）光照射ストレス耐性の評価（ストレスとして光照射＋電圧変化）
本実施例では、液晶及び有機ＥＬディスプレイ等の表示装置のパネル駆動時の環境を模擬して、ゲート電圧を変化させながら、光を照射しなかった場合（暗状態：ストレス印加なし）と光を照射した場合（明状態：ストレス印加）のＴＦＴ特性、しきい値電圧、及びＳＳ値（Ｖ／ｄｅｃ）を調べた。ストレス印加条件は以下の通りである。光の波長としては、酸化物半導体のバンドギャップに近く、トランジスタ特性が変動し易い４００ｎｍ程度を選択した。具体的な測定方法は、ゲート電圧を下記のように変化させて、光を照射しなかった場合（暗状態）と光を照射した場合（明状態）におけるＩｄ−Ｖｇ特性のヒステリシスの有無を調べた。
ゲート電圧：−３０→３０Ｖ→−３０Ｖ（測定間隔：０．２５Ｖ）
基板温度 ：６０℃
光照射ストレス
波長 ：４００ｎｍ
照度（ＴＦＴに照射される光の強度）：６．５μＷ／ｃｍ2
光源：ＯＰＴＯＳＵＰＰＬＹ社製青色ＬＥＤ電球（ＬＥＤ電球に印加する電流を調整することで、光強度を調整）
【００７６】
なお、しきい値電圧の測定、及びＳＳ値の算出は実施例１と同様にして行った。
【００７７】
これらの結果を表２に示す。表２には、Ｆｏｒｗａｒｄ ＳｗｅｅｐとＲｅｖｅｒｓｅＳｗｅｅｐにおけるしきい値電圧シフト量（ΔＶｔｈ（Ｖ））、及びＦｏｒｗａｒｄ ＳｗｅｅｐにおけるＳＳ値（Ｖ／ｄｅｃ）の各値を記載した。また一部の例について、ストレス印加前後のドレイン電流−ゲート電圧特性（Ｉｄ−Ｖｇ特性）の結果を図１３、及び図１４に示す。図１３、及び図１４では、暗状態の結果を白抜き点（○）を有するラインで示し、明状態の結果を黒塗り点（●）を有するラインで示している。また図中、左側の矢印（上向き）は電圧を−３０Ｖから３０Ｖに上げる過程（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｗｅｅｐ）を示しており、右側の矢印（下向き）は３０Ｖから−３０Ｖに下げる過程（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐ）を示している。
【００７８】
【表２】
【００７９】
まず、従来例のＩＧＺＯ（Ｎｏ．１）を用いた結果について考察する。
【００８０】
図１３に示すように、暗状態（図１３中、白抜き○ライン）では、Ｆｏｒｗａｒｄ ＳｗｅｅｐとＲｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐの特性差が小さく、しきい値電圧シフト量は１．０Ｖであった。一方、明状態（図１３中、黒塗り●ライン）では、Ｆｏｒｗａｒｄ ＳｗｅｅｐとＲｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐの特性差が大きく、Ｉｄ−Ｖｇ特性の立ち上がりがゆるやかになっており、Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐとのしきい値電圧シフト量は３．８Ｖであった。これはＩＧＺＯのバンドギャップに近い青色光の照射によって電子と正孔が励起され、ゲート電極に印加されたバイアスにより正孔がゲート絶縁膜と半導体層界面にトラップされたためと推測される。
【００８１】
本実施例では、上記ＩＧＺＯ（Ｎｏ．１）の結果を基準とし、各結果がＮｏ．１とほぼ同等かそれよりも小さいときを合格とした。
【００８２】
表２中、Ｎｏ．２（Ｘ群元素＝Ｓｉ）、Ｎｏ．３（Ｘ群元素＝Ｈｆ）、Ｎｏ．４（Ｘ群元素＝Ｎｉ）は、本発明で規定するＸ群元素を所定範囲で含む酸化物半導体を用いた例であり（ＩＧＺＯはいずれもＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１）、Ｎｏ．１に比べてしきい値電圧シフト量の絶対値が小さくなっており、且つＳＳ値も小さくなっていた。このうち、Ｎｏ．２のＴＦＴ特性の結果を図１４に示す。
【００８３】
図１４に示すように、暗状態（図１４中、白抜き○ライン）では、Ｆｏｒｗａｒｄ ＳｗｅｅｐとＲｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐの特性差が小さく、しきい値電圧シフト量は１．３Ｖであった。一方、明状態（図１４中、黒塗り●ライン）でも、Ｆｏｒｗａｒｄ ＳｗｅｅｐとＲｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐの特性差が小さく、Ｉｄ−Ｖｇ特性の立ち上が急峻になっており、Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐとのしきい値電圧シフト量は１．３Ｖであった。このことからＩＧＺＯにＳｉ（Ｘ群元素）を加えることで、光照射に対するＴＦＴ特性の変動が抑えられており、光照射に対するストレス耐性が向上することがわかる。
【００８４】
またＮｏ．２と同様にＦｏｒｗａｒｄ ＳｗｅｅｐとＲｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐにおけるしきい値電圧シフト量、及びＳＳ値に殆ど変化がなかったＮｏ．３、Ｎｏ．４についても、光照射に対するＴＦＴ特性の変動抑制効果を有しており、光照射ストレス耐性が向上していることがわかる。
【００８５】
以上の実験結果より、ＩｎＧａＺｎＯの酸化物半導体を用いたトランジスタ基板は、酸化物半導体のバンドギャップに近い青色光の照射によって受ける影響は大きいが（Ｎｏ．１）、本発明で規定するＸ群元素を所定量含む酸化物半導体を用いれば（Ｎｏ．２〜４）、光照射に対する影響を抑制することができる。
【００８６】
なお、実施例２では一部元素についてのみの実験結果を示したが、本発明者らは他のＸ群元素についても同様にＮｏ．１よりも優れた結果が得られることを確認している。
【００８７】
実施例３
本実施例では、表１のＮｏ．６に対応する組成の酸化物（ＩｎＧａＺｎＯ−５原子％Ｓｉ、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１）を用い、スパッタリング成膜時のガス圧を１ｍＴｏｒｒまたは５ｍＴｏｒｒに制御して得られた酸化物膜（膜厚１００ｎｍ）の密度を測定すると共に、前述した実施例１と同様にして作成したＴＦＴについて、移動度およびストレス試験（光照射＋負バイアスを印加）後のしきい値電圧の変化量（ΔＶｔｈ）を調べた。膜密度の測定法方は以下のとおりである。
【００８８】
（酸化物膜の密度の測定）
酸化物膜の密度は、ＸＲＲ（Ｘ線反射率法）を用いて測定した。詳細な測定条件は以下のとおりである。
【００８９】
・分析装置：（株）リガク製水平型Ｘ線回折装置ＳｍａｒｔＬａｂ
・ターゲット：Ｃｕ（線源：Ｋα線）
・ターゲット出力：４５ｋＶ−２００ｍＡ
・測定試料の作製
ガラス基板上に各組成の酸化物を下記スパッタリング条件で成膜した（膜厚１００ｎｍ）後、前述した実施例１のＴＦＴ製造過程におけるプレアニール処理を模擬して、当該プレアニール処理と同じ熱処理を施したしたものを使用
スパッタガス圧：１ｍＴｏｒｒまたは５ｍＴｏｒｒ
酸素分圧：Ｏ2／（Ａｒ＋Ｏ2）＝２％
成膜パワー密度：ＤＣ２．５５Ｗ／ｃｍ2
熱処理：大気雰囲気にて３５０℃で１時間
【００９０】
これらの結果を表３に示す。
【００９１】
【表３】
【００９２】
表３より、本発明で規定するＸ群元素のＳｉを含む酸化物は、いずれも５．８ｇ／ｃｍ3以上の高い密度が得られた。詳細には、ガス圧＝５ｍＴｏｒｒのとき（Ｎｏ．２）の膜密度は５．９２ｇ／ｃｍ3であったのに対し、ガス圧＝１ｍＴｏｒｒのとき（Ｎｏ．１）の膜密度は６．１１ｇ／ｃｍ3であり、より高い密度が得られた。また、膜密度の上昇に伴い、電界効果移動度が向上し、さらにストレス試験によるしきい値電圧シフト量ΔＶｔｈの絶対値も減少した。
【００９３】
以上の実験結果より、酸化物膜の密度はスパッタリング成膜時のガス圧によって変化し、当該ガス圧を下げると膜密度が上昇し、これに伴って電界効果移動度も大きく増加し、ストレス試験（光照射＋負バイアスストレス）におけるしきい値電圧シフト量ΔＶｔｈの絶対値も減少することが分かった。これは、スパッタリング成膜時のガス圧を低下させることにより、スパッタリングされた原子（分子）の動乱が抑えられ、膜中の欠陥が少なくなって移動度や電気伝導性が向上し、ＴＦＴの安定性が向上したためと推察される。
【００９４】
なお、表３には、Ｘ群元素としてＳｉの結果を示しているが、上述した酸化物膜の密度と、ＴＦＴ特性における移動度やストレス試験後のしきい値電圧変化量の関係は、他のＸ群元素を用いたときも同様に見られた。
【符号の説明】
【００９５】
１ 基板
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁膜
４ 酸化物半導体層
５ ソース・ドレイン電極
６ 保護膜（絶縁膜）
７ コンタクトホール
８ 透明導電膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの表示装置に用いられる薄膜トランジスタの半導体層用酸化物および上記酸化物を成膜するためのスパッタリングターゲット、並びに薄膜トランジスタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アモルファス（非晶質）酸化物半導体は、汎用のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）に比べて高いキャリア移動度を有し、光学バンドギャップが大きく、低温で成膜できるため、大型・高解像度・高速駆動が要求される次世代ディスプレイや、耐熱性の低い樹脂基板などへの適用が期待されている。
【０００３】
酸化物半導体のなかでも特に、インジウム、ガリウム、亜鉛、および酸素からなるアモルファス酸化物半導体（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、以下「ＩＧＺＯ」と呼ぶ場合がある。）は、非常に高いキャリア移動度を有するため、好ましく用いられている。例えば非特許文献１および２には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１．１：１．１：０．９（原子％比）の酸化物半導体薄膜を薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の半導体層（活性層）に用いたものが開示されている。また、特許文献１には、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｇａなどの元素と、Ｍｏと、を含み、アモルファス酸化物中の全金属原子数に対するＭｏの原子組成比率が０．１〜５原子％のアモルファス酸化物が開示されており、実施例には、ＩＧＺＯにＭｏを添加した活性層を用いたＴＦＴが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１６４３９３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】固体物理、ＶＯＬ４４、Ｐ６２１（２００９）
【非特許文献２】Ｎａｔｕｒｅ、ＶＯＬ４３２、Ｐ４８８（２００４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
酸化物半導体を薄膜トランジスタの半導体層として用いる場合、キャリア濃度が高いだけでなく、ＴＦＴのスイッチング特性（トランジスタ特性）に優れていることが要求される。具体的には、（１）オン電流（ゲート電極とドレイン電極に正電圧をかけたときの最大ドレイン電流）が高く、（２）オフ電流（ゲート電極に負電圧を、ドレイン電圧に正電圧を夫々かけたときのドレイン電流）が低く、（３）ＳＳ（Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｗｉｎｇ、サブスレッショルド スィング、ドレイン電流を１桁あげるのに必要なゲート電圧）値が低く、（４）しきい値（ドレイン電極に正電圧をかけ、ゲート電圧に正負いずれかの電圧をかけたときにドレイン電流が流れ始める電圧であり、しきい値電圧とも呼ばれる）が時間的に変化せず安定である（基板面内で均一であることを意味する）、などが要求される。前述した特許文献１に記載のＭｏを含むＩＧＺＯ半導体について、本発明者らが上記特性を調べたところ、ＩＧＺＯに比べてオン電流の低下やＳＳ値の上昇が見られることが分った。
【０００７】
更に、ＩＧＺＯなどの酸化物半導体層を用いたＴＦＴは、電圧印加や光照射などのストレスに対する耐性（ストレス耐性）に優れていることが要求される。例えば、ゲート電圧に正電圧または負電圧を印加し続けたときや、光吸収が始まる青色帯を照射し続けたときに、しきい値電圧が大幅に変化（シフト）するが、これにより、ＴＦＴのスイッチング特性が変化することが指摘されている。また、液晶パネル駆動の際や、ゲート電極に負バイアスをかけて画素を点灯させる際などに液晶セルから漏れた光がＴＦＴに照射されるが、この光がＴＦＴにストレスを与えて特性劣化の原因となる。特にしきい値電圧のシフトは、ＴＦＴを備えた液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの表示装置自体の信頼性低下を招くため、ストレス耐性の向上（ストレス印加前後の変化量が少ないこと）が切望されている。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化物半導体を備えた薄膜トランジスタのスイッチング特性およびストレス耐性が良好であり、特にストレス印加前後のしきい値電圧変化量が小さく安定性に優れた薄膜トランジスタ半導体層用酸化物、および上記酸化物の成膜に用いられるスパッタリングターゲット、並びに上記酸化物を用いた薄膜トランジスタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決することのできた本発明に係る薄膜トランジスタの半導体層用酸化物は、薄膜トランジスタの半導体層に用いられる酸化物であって、前記酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と；Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素と、を含むところに要旨を有するものである。
【００１０】
好ましい実施形態において、
前記Ｘ群の元素としてＡｌを含むとき、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ａｌ）×１００＝０．１〜１０原子％であり；
前記Ｘ群の元素としてＳｉを含むとき、Ｓｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｉ）×１００＝０．１〜１５原子％であり；
前記Ｘ群の元素としてＮｉを含むとき、Ｎｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｎｉ）×１００＝０．１〜５原子％であり；
前記Ｘ群の元素としてＧｅを含むとき、Ｇｅ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｇｅ）×１００＝０．１〜１０原子％であり；
前記Ｘ群の元素としてＳｎを含むとき、Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｎ）×１００＝０．１〜１５原子％であり；
前記Ｘ群の元素としてＨｆを含むとき、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｈｆ）×１００＝０．１〜１０原子％であり；
前記Ｘ群の元素としてＴａを含むとき、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｔａ）×１００＝０．１〜１０原子％であり；
前記Ｘ群の元素としてＷを含むとき、Ｗ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｗ）×１００＝０．１〜１０原子％である。
【００１１】
本発明には、上記酸化物を薄膜トランジスタの半導体層として備えた薄膜トランジスタも包含される。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態において、上記半導体層の密度は５．８ｇ／ｃｍ3以上である。
【００１３】
また、上記課題を解決し得た本発明のスパッタリングターゲットは、上記のいずれかに記載の酸化物を形成するためのスパッタリングターゲットであって、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と；Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素と、を含むところに要旨を有するものである。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態において、前記Ｘ群の元素としてＡｌを含むとき、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ａｌ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＳｉを含むとき、Ｓｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｉ）×１００＝０．１〜１５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＮｉを含むとき、Ｎｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｎｉ）×１００＝０．１〜５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＧｅを含むとき、Ｇｅ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｇｅ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＳｎを含むとき、Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｎ）×１００＝０．１〜１５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＨｆを含むとき、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｈｆ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＴａを含むとき、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｔａ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＷを含むとき、Ｗ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｗ）×１００＝０．１〜１０原子％である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の酸化物は、薄膜トランジスタのスイッチング特性およびストレス耐性に優れ、特にストレス印加後のしきい値電圧変化が小さいため、ＴＦＴ特性およびストレス耐性に優れた薄膜トランジスタを提供することができた。その結果、上記薄膜トランジスタを用いれば、信頼性の高い表示装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施例１において酸化物半導体を備えた薄膜トランジスタを説明するための概略断面図である。
【図２】図２は、実施例１においてアモルファス相を示すＩＧＺＯの構成を示す図である。
【図３】図３は、実施例１においてＩＧＺＯを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図４】図４は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｎｉを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図５】図５は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｓｉを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図６】図６は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｈｆを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図７】図７は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ａｌを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図８】図８は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｓｎを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図９】図９は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｔａを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｃｕを用いたときのストレス印加前のＴＦＴ特性を示す図である。
【図１１】図１１は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｌａを用いたときのストレス印加前のＴＦＴ特性を示す図である。
【図１２】図１２は、実施例１においてＩＧＺＯ−Ｍｏを用いたときのストレス印加前のＴＦＴ特性を示す図である。
【図１３】図１３は、実施例２においてＩＧＺＯを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【図１４】図１４は、実施例２においてＩＧＺＯ−Ｓｉを用いたときのストレス印加前後のＴＦＴ特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明者らは、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む酸化物（ＩＧＺＯ）をＴＦＴの活性層（半導体層）に用いたときのＴＦＴ特性およびストレス耐性を向上させるため、種々検討を重ねてきた。その結果、ＩＧＺＯ中に、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素を含むＩＧＺＯ−ＸをＴＦＴの半導体層に用いれば所期の目的が達成されることを見出し、本発明を完成した。後記する実施例に示すように、上記Ｘ群に属する元素（Ｘ群元素）を含む酸化物半導体を備えたＴＦＴは、特許文献１に記載のＭｏや、Ｘ群元素以外の元素を用いた場合に比べ、ＴＦＴ特性およびストレス耐性に優れていることが分った。
【００１８】
すなわち、本発明に係る薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の半導体層用酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と；Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素（Ｘ群元素で代表させる場合がある。）と、を含むところに特徴がある。本明細書では、本発明の酸化物をＩＧＺＯ−Ｘで表わす場合がある。
【００１９】
まず、本発明の酸化物を構成する母材成分である金属（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ）について説明する。
【００２０】
上記金属（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ）について、各金属間の比率は、これら金属を含む酸化物（ＩＧＺＯ）がアモルファス相を有し、且つ、半導体特性を示す範囲であれば特に限定されない。ＩＧＺＯ自体は公知であり、アモルファス相を形成し得る各金属の比率（詳細には、ＩｎＯ、ＧａＯ、ＺｎＯの各モル比）は、例えば前述した非特許文献１に記載されている。本明細書では、この図を図２として示している。図２に記載のアモルファス相の範囲を大幅に外れ、ＺｎＯやＩｎ2Ｏ3の比率が極端に高くなって結晶相が形成されると、ウエットエッチングによる加工が困難になったり、トランジスタ特性を示さなくなるなどの問題が生じる。
【００２１】
代表的な組成として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎの比（原子％比）が例えば２：２：１、１：１：１のものが挙げられる。
【００２２】
また、上記金属（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ）について、本発明の酸化物（ＩＧＺＯ−Ｘ）を構成する金属（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ）に占める各金属の比率は、所望のＴＦＴ特性などが得られるように適切に制御することが好ましい。具体的にはＺｎについて、上記金属に占めるＺｎの比率は７０原子％以下であることが好ましい。Ｚｎの比率が７０原子％を超えると酸化物半導体膜が結晶化し、粒界捕獲順位が発生するためキャリア移動度が低下し、ＳＳ値が大きくなるなどトランジスタ特性が低下する。Ｚｎのより好ましい比率は４０原子％以下であり、更に好ましくは３０原子％以下である。また、Ｚｎの下限は、アモルファス構造にすることなどを考慮すると、上記金属に占めるＺｎの比率を１０原子％以上とすることが好ましい。Ｚｎのより好ましい比率は１５原子％以上であり、更に好ましくは２０原子％以上である。
【００２３】
Ｚｎ以外の上記金属（Ｉｎ、Ｇａ）は、Ｚｎが上記範囲内に制御され、且つ、各金属の比率が前述した範囲を満足するように適宜制御すれば良い。具体的には、上記金属（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ）に占めるＩｎの好ましい比率は、おおむね１０原子％以上７０原子％以下であり、更に好ましくは２５原子％以上である。また、上記金属（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ）に占めるＧａの好ましい比率は、おおむね２５原子％以上７０原子％以下である。
【００２４】
本発明の酸化物は、ＩＧＺＯ中にＸ群元素を含んでいる。Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなる群（Ｘ群）から選択される少なくとも一種のＸ群元素をＩＧＺＯ中に添加することにより、電圧や光などに対するストレス耐性が向上する。また、Ｘ群元素の添加によるドレイン電流値の大きな低下はみられず、キャリア密度に対する悪影響も見られなかった（後記する実施例を参照）。また、Ｘ群元素の添加によるウエットエッチング時のエッチング不良などの問題も見られないことを実験により確認している。これらは単独で添加しても良いし、２種以上を併用しても良い。好ましいＸ群元素の種類はＳｉ、Ｎｉ、Ｈｆ、Ｇｅであり、より好ましくはＳｉ、Ｎｉである。
【００２５】
上記Ｘ群元素の添加による特性向上の詳細なメカニズムは不明であるが、Ｘ群元素は、酸化物半導体中で余剰電子の原因となる酸素欠損の発生抑制効果があると推察される。Ｘ群元素の添加により、酸素欠損が低減され、酸化物が安定な構造を有することにより電圧や光などのストレスに対するストレス耐性などが向上するものと考えられる。
【００２６】
本発明の酸化物（ＩＧＺＯ−Ｘ）を構成する全金属（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｘ群元素）に含まれるＸ群元素の好ましい比率［Ｘ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｘ）］は、キャリア密度や半導体の安定性などを考慮して決定され、Ｘ群元素の種類によっても若干相違する。Ｘ群元素として、Ａｌ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの各元素を用いたときの好ましい比率（百分率）は０．１〜１０原子％であり、より好ましくは２．０〜６．０原子％である。また、Ｘ群元素として、Ｓｉ、Ｓｎの各元素を用いたときの好ましい比率は０．１原子％以上、より好ましくは１原子％以上、更に好ましくは２．０原子％以上、より更に好ましくは４．０原子％以上であって、好ましくは１５原子％以下、より好ましくは８．０原子％以下である。また、Ｘ群元素としてＮｉを用いたときの好ましい比率は０．１〜５原子％であり、より好ましくは０．１〜１．５原子％である。Ｘ群元素の添加比率が少なすぎると、酸素欠損の発生抑制効果が十分に得られない。一方、Ｘ群元素の添加比率が多すぎると半導体中のキャリア密度が低下するため、オン電流が減少してしまう。
【００２７】
以上、本発明の酸化物について説明した。
【００２８】
上記酸化物は、スパッタリング法にてスパッタリングターゲット（以下「ターゲット」ということがある。）を用いて成膜することが好ましい。塗布法などの化学的成膜法によって酸化物を形成することもできるが、スパッタリング法によれば、成分や膜厚の膜面内均一性に優れた薄膜を容易に形成することができる。
【００２９】
スパッタリング法に用いられるターゲットとして、前述した元素を含み、所望の酸化物と同一組成のスパッタリングターゲットを用いることが好ましく、これにより、組成ズレの恐れがなく、所望の成分組成の薄膜を形成することができる。具体的にはターゲットとして、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と；Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素を含む酸化物ターゲットを用いることができる。また、好ましい態様として、上記Ｘ群の元素としてＡｌを含むとき、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ａｌ）×１００＝０．１〜１０原子％であることが好ましく；上記Ｘ群の元素としてＳｉを含むとき、Ｓｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｉ）×１００＝０．１〜１５原子％であることが好ましく；上記Ｘ群の元素としてＮｉを含むとき、Ｎｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｎｉ）×１００＝０．１〜５原子％であることが好ましく；上記Ｘ群の元素としてＧｅを含むとき、Ｇｅ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｇｅ）×１００＝０．１〜１０原子％であることが好ましく；上記Ｘ群の元素としてＳｎを含むとき、Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｎ）×１００＝０．１〜１５原子％であることが好ましく；上記Ｘ群の元素としてＨｆを含むとき、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｈｆ）×１００＝０．１〜１０原子％であることが好ましく；上記Ｘ群の元素としてＴａを含むとき、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｔａ）×１００＝０．１〜１０原子％であることが好ましく；上記Ｘ群の元素としてＷを含むとき、Ｗ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｗ）×１００＝０．１〜１０原子％であることが好ましい。
【００３０】
あるいは、組成の異なる二つのターゲットを同時放電するコスパッタ法（Ｃｏ−Ｓｐｕｔｔｅｒ法）を用いて成膜しても良く、これにより、同一基板面内にＸ元素の含有量が異なる酸化物半導体膜を成膜することができる。例えば後記する実施例に示すように、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎが所定原子比（例えば原子％で、２：２：１）のターゲットと、上記組成のターゲット上にＸ群元素の純金属チップを装着したターゲットの二つを用意し、コスパッタ法によってＩＧＺＯ−Ｘの酸化物を成膜することができる。
【００３１】
上記ターゲットは、例えば粉末焼結法方法によって製造することができる。
【００３２】
上記ターゲットを用いてスパッタリングするに当たっては、基板温度を室温とし、酸素添加量を適切に制御して行なうことが好ましい。酸素添加量は、スパッタリング装置の構成やターゲット組成などに応じて適切に制御すれば良いが、おおむね、酸化物半導体のキャリア濃度が１０15〜１０16ｃｍ-3となるように酸素量を添加することが好ましい。本実施例における酸素添加量は添加流量比でＯ2／（Ａｒ＋Ｏ2）＝２％とした。
【００３３】
また、上記酸化物をＴＦＴの半導体層としたときの、酸化物半導体層の好ましい密度は５．８ｇ／ｃｍ3以上である(後述する。)が、このような酸化物を成膜するためには、スパッタリング成膜時のガス圧、スパッタリングターゲットへの投入パワー、基板温度などを適切に制御することが好ましい。例えば成膜時のガス圧を低くするとスパッタ原子同士の散乱がなくなって緻密（高密度）な膜を成膜できると考えられるため、成膜時の全ガス圧は、スパッタの放電が安定する程度で低い程良く、おおむね０．５〜５ｍＴｏｒｒの範囲内に制御することが好ましく、１〜３ｍＴｏｒｒの範囲内であることがより好ましい。また、投入パワーは高い程良く、おおむねＤＣまたはＲＦにて２．０Ｗ／ｃｍ2以上に設定することが推奨される。成膜時の基板温度も高い程良く、おおむね室温〜２００℃の範囲内に制御することが推奨される。
【００３４】
上記のようにして成膜される酸化物の好ましい膜厚は３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、より好ましくは３０ｎｍ以上８０ｎｍ以下である。
【００３５】
本発明には、上記酸化物をＴＦＴの半導体層として備えたＴＦＴも包含される。ＴＦＴは、基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、上記酸化物の半導体層、ソース電極、ドレイン電極を少なくとも有していれば良く、その構成は通常用いられるものであれば特に限定されない。
【００３６】
ここで、上記酸化物半導体層の密度は５．８ｇ／ｃｍ3以上であることが好ましい。酸化物半導体層の密度が高くなると膜中の欠陥が減少して膜質が向上し、また原子間距離が小さくなるため、ＴＦＴ素子の電界効果移動度が大きく増加し、電気伝導性も高くなり、光照射に対するストレスへの安定性が向上する。上記酸化物半導体層の密度は高い程良く、より好ましくは５．９ｇ／ｃｍ3以上であり、更に好ましくは６．０ｇ／ｃｍ3以上である。なお、酸化物半導体層の密度は、後記する実施例に記載の方法によって測定したものである。
【００３７】
以下、図１を参照しながら、上記ＴＦＴの製造方法の実施形態を説明する。図１および以下の製造方法は、本発明の好ましい実施形態の一例を示すものであり、これに限定する趣旨ではない。例えば図１には、ボトムゲート型構造のＴＦＴを示しているがこれに限定されず、酸化物半導体層の上にゲート絶縁膜とゲート電極を順に備えるトップゲート型のＴＦＴであっても良い。
【００３８】
図１に示すように、基板１上にゲート電極２およびゲート絶縁膜３が形成され、その上に酸化物半導体層４が形成されている。酸化物半導体層４上にはソース・ドレイン電極５が形成され、その上に保護膜（絶縁膜）６が形成され、コンタクトホール７を介して透明導電膜８がドレイン電極５に電気的に接続されている。
【００３９】
基板１上にゲート電極２およびゲート絶縁膜３が形成する方法は特に限定されず、通常用いられる方法を採用することができる。また、ゲート電極およびゲート絶縁膜３の種類も特に限定されず、汎用されているものを用いることができる。例えばゲート電極として、電気抵抗率の低いＡｌやＣｕの金属、これらの合金を好ましく用いることができる。また、ゲート絶縁膜としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などが代表的に例示される。そのほか、Ａｌ2Ｏ3やＹ2Ｏ3などの酸化物や、これらを積層したものを用いることもできる。
【００４０】
次いで酸化物半導体層４を形成する。酸化物半導体層４は、上述したように、薄膜と同組成のスパッタリングターゲットを用いたＤＣスパッタリング法またはＲＦスパッタリング法により成膜することが好ましい。あるいは、コスパッタ法により成膜しても良い。
【００４１】
酸化物半導体層４をウエットエッチングした後、パターニングする。パターニングの直後に、酸化物半導体層４の膜質改善のために熱処理（プレアニール）を行うことが好ましく、これにより、トランジスタ特性のオン電流および電界効果移動度が上昇し、トランジスタ性能が向上するようになる。
【００４２】
プレアニールの後、ソース・ドレイン電極５を形成する。ソース・ドレイン電極の種類は特に限定されず、汎用されているもの用いることができる。例えばゲート電極と同様ＡｌやＣｕなどの金属または合金を用いても良いし、後記する実施例のように純Ｔｉを用いても良い。
【００４３】
ソース・ドレイン電極５の形成方法としては、例えばマグネトロンスパッタリング法によって金属薄膜を成膜した後、リフトオフ法によって形成することができる。あるいは、上記のようにリフトオフ法によって電極を形成するのではなく、予め所定の金属薄膜をスパッタリング法によって形成した後、パターニングによって電極を形成する方法もあるが、この方法では、電極のエッチングの際に酸化物半導体層にダメージが入るため、トランジスタ特性が低下する。そこで、このような問題を回避するために酸化物半導体層の上に予め保護膜を形成した後、電極を形成し、パターニングする方法も採用されており、後記する実施例では、この方法を採用した。
【００４４】
次に、酸化物半導体層４の上に保護膜（絶縁膜）６をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって成膜する。酸化物半導体膜の表面は、ＣＶＤによるプラズマダメージによって容易に導通化してしまう（おそらく酸化物半導体表面に生成される酸素欠損が電子ドナーとなるためと推察される。）ため、上記問題を回避するため、後記する実施例では、保護膜の成膜前にＮ2Ｏプラズマ照射を行った。Ｎ2Ｏプラズマの照射条件は、下記文献に記載の条件を採用した。
Ｊ． Ｐａｒｋら、Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， １９９３，０５３５０５（２００８）
【００４５】
次に、常法に基づき、コンタクトホール７を介して透明導電膜８をドレイン電極５に電気的に接続する。透明導電膜およびドレイン電極の種類は特に限定されず、通常用いられるものを使用することができる。ドレイン電極としては、例えば前述したソース・ドレイン電極で例示したものを用いることができる。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限されず、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００４７】
実施例１
前述した方法に基づき、図１に示す薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製し、ＴＦＴ特性およびストレス耐性を評価した。
【００４８】
まず、ガラス基板（コーニング社製イーグル２０００、直径１００ｍｍ×厚さ０．７ｍｍ）上に、ゲート電極としてＴｉ薄膜を１００ｎｍ、およびゲート絶縁膜ＳｉＯ2（２００ｎｍ）を順次成膜した。ゲート電極は純Ｔｉのスパッタリングターゲットを使用し、ＤＣスパッタ法により、成膜温度：室温、成膜パワー：３００Ｗ、キャリアガス：Ａｒ、ガス圧：２ｍＴｏｒｒにて成膜した。また、ゲート絶縁膜はプラズマＣＶＤ法を用い、キャリアガス：ＳｉＨ4とＮ2Ｏの混合ガス、成膜パワー：１００Ｗ、成膜温度：３００℃にて成膜した。
【００４９】
次に、表１に記載の種々の組成の酸化物薄膜を、スパッタリングターゲット（後記する。）を用いてスパッタリング法によって成膜した。酸化物薄膜としては、ＩＧＺＯ中にＸ群元素を含むＩＧＺＯ−Ｘ（本発明例）のほか、比較のため、ＩＧＺＯ（従来例）、およびＸ群元素以外の元素としてＩＧＺＯ中にＣｕ、Ｌａ、またはＭｏを含むものも成膜した。スパッタリングに使用した装置は（株）アルバック製「ＣＳ−２００」であり、スパッタリング条件は以下のとおりである。
基板温度：室温
ガス圧：５ｍＴｏｒｒ
酸素分圧：Ｏ2／（Ａｒ＋Ｏ2）＝２％
膜厚：５０〜１５０ｎｍ
使用ターゲットサイズ：φ４インチ×５ｍｍ
【００５０】
ＩＧＺＯ（従来例）の成膜に当たっては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎの比（原子％比）が２：２：１であるスパッタリングターゲットを用い、ＲＦスパッタリング法を用いて成膜した。また、ＩＧＺＯ中に他の元素を含む酸化物薄膜の成膜に当たっては、組成の異なる二つのスパッタリングターゲットを同時放電するＣｏ−Ｓｐｕｔｔｅｒ法を用いて成膜した。詳細にはスパッタリングターゲットとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎの比（原子％比）が２：２：１であるスパッタリングターゲットと、上記スパッタリングターゲット上にＸ群元素またはＣｕ、Ｌａ、Ｍｏの純金属チップを装着したターゲットの二つを用いた。
【００５１】
このようにして得られた酸化物薄膜中の金属元素の各含有量は、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法によって分析した。
【００５２】
上記のようにして酸化物薄膜を成膜した後、フォトリソグラフィおよびウエットエッチングによりパターニングを行った。ウェットエッチャント液としては、関東科学製「ＩＴＯ−０７Ｎ」を使用した。本実施例では、実験を行なった酸化物薄膜について光学顕微鏡観察によりウェットエッチング性を評価した。評価結果より実験を行なった全ての組成でウエットエッチングによる残渣はなく、適切にエッチングできたことを確認している。
【００５３】
酸化物半導体膜をパターニングした後、膜質を向上させるためプレアニール処理を行った。プレアニールは、１００％酸素雰囲気、大気圧下にて、３５０℃で１時間行なった。
【００５４】
次に、純Ｔｉを使用し、リフトオフ法によりソース・ドレイン電極を形成した。具体的にはフォトレジストを用いてパターニングを行った後、Ｔｉ薄膜をＤＣスパッタリング法により成膜（膜厚は１００ｎｍ）した。ソース・ドレイン電極用Ｔｉ薄膜の成膜方法は、前述したゲート電極の場合と同じである。次いで、アセトン中で超音波洗浄器にかけて不要なフォトレジストを除去し、ＴＦＴのチャネル長を１０μｍ、チャネル幅を２００μｍとした。
【００５５】
このようにしてソース・ドレイン電極を形成した後、酸化物半導体層を保護するための保護膜を形成した。保護膜として、ＳｉＯ2（膜厚２００ｎｍ）とＳｉＮ（膜厚２００ｎｍ）の積層膜（合計膜厚４００ｎｍ）を用いた。上記ＳｉＯ2およびＳｉＮの形成は、サムコ製「ＰＤ−２２０ＮＬ」を用い、プラズマＣＶＤ法を用いて行なった。本実施例では、Ｎ2Ｏガスによってプラズマ処理を行った後、ＳｉＯ2、およびＳｉＮ膜を順次形成した。ＳｉＯ2膜の形成にはＮ2ＯおよびＳｉＨ4の混合ガスを用い、ＳｉＮ膜の形成にはＳｉＨ4、Ｎ2、ＮＨ3の混合ガスを用いた。いずれの場合も成膜パワーを１００Ｗ、成膜温度を１５０℃とした。
【００５６】
次にフォトリソグラフィ、およびドライエッチングにより、保護膜にトランジスタ特性評価用プロービングのためのコンタクトホールを形成した。次に、ＤＣスパッタリング法を用い、キャリアガス：アルゴンおよび酸素ガスの混合ガス、成膜パワー：２００Ｗ、ガス圧：５ｍＴｏｒｒにてＩＴＯ膜（膜厚８０ｎｍ）を成膜し、図１のＴＦＴを作製した。製膜パワーを２００Ｗ、ガス圧を５ｍＴｏｒｒとし、アルゴンおよび酸素ガスを使用した。
【００５７】
このようにして得られた各ＴＦＴについて、以下のようにして、ストレス印加前後における（１）トランジスタ特性（ドレイン電流−ゲート電圧特性、Ｉｄ−Ｖｇ特性）、並びに（２）しきい値電圧、ＳＳ値、およびキャリア移動度の変化を調べた。
【００５８】
（１）トランジスタ特性の測定
トランジスタ特性の測定はＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製「４１５６Ｃ」の半導体パラメータアナライザーを使用した。詳細な測定条件は以下のとおりである。
ソース電圧 ：０Ｖ
ドレイン電圧：１０Ｖ
ゲート電圧 ：−３０〜３０Ｖ（測定間隔：１Ｖ）
【００５９】
（２）ストレス耐性の評価（ストレスとして光照射＋負バイアスを印加）
本実施例では、実際のパネル駆動時の環境（ストレス）を模擬して、ゲート電極に負バイアスをかけながら光を照射するストレス印加試験を行った。ストレス印加条件は以下のとおりである。光の波長としては、酸化物半導体のバンドギャップに近く、トランジスタ特性が変動し易い４００ｎｍ程度を選択した。
ゲート電圧：−２０Ｖ
基板温度：６０℃
光ストレス
波長：４００ｎｍ
照度（ＴＦＴに照射される光の強度）：０．１μＷ／ｃｍ2
光源：ＯＰＴＯＳＵＰＰＬＹ社製ＬＥＤ（ＮＤフィルターによって光量を調整）
ストレス印加時間：３時間
【００６０】
ここで、しきい値電圧とは、おおまかにいえば、トランジスタがオフ状態（ドレイン電流の低い状態）からオン状態（ドレイン電流の高い状態）に移行する際のゲート電圧の値である。本実施例では、ドレイン電流が、オン電流とオフ電流の間の１ｎＡ付近であるときの電圧をしきい値電圧と定義し、ストレス印加前後のしきい値電圧の変化量（シフト量）を測定した。
【００６１】
また、ドレイン電流を一桁増加させるのに必要なゲート電圧の最小値をＳＳ値とした。また、キャリア移動度（電界効果移動度）は、Ｉｄ∝（Ｖｇ−Ｖｔｈ）（Ｖｔｈ＝しきい値電圧）の関係が成り立つ領域（線形領域）についてＩｄ∝（Ｖｇ−Ｖｔｈ）の傾きから算出した。
【００６２】
これらの結果を表１に示す。表１には、ストレス印加前後のしきい値電圧シフト量、並びにストレス印加前後におけるキャリア移動度およびＳＳ値の各値を記載した。なお、表１において、例えばＩｎＧａＺｎＯ−０．１ａｔ％Ｓｉ（Ｎｏ．５）とは、酸化物半導体を構成する全金属（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｉ）中に占めるＳｉの原子％が０．１原子％であることを意味する。
【００６３】
また、一部の例について、ストレス印加前後のドレイン電流−ゲート電圧特性（Ｉｄ−Ｖｇ特性）の結果を図３〜１２に示す。図３〜９では、ストレス印加前の結果を破線で示し、ストレス印加後の結果を実線で示している。
【００６４】
【表１】
【００６５】
まず、従来例のＩＧＺＯを用いた結果について考察する。
【００６６】
図３に示すように、ストレス印加前（図３中、破線）では、ゲート電圧Ｖｇが−３Ｖ付近からドレイン電流Ｉｄが増加し始めており、スイッチング動作が見られた。Ｖｇ＝−３０ＶのときのＩｄをオフ電流Ｉｏｆｆ（Ａ）、Ｖｇ＝３０ＶのときのＩｄをオン電流Ｉｏｎ（Ａ）とすると、Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆの比は８桁以上である。また、ストレス印加前のＳＳ値は０．４Ｖ／ｄｅｃａｄｅ、キャリア移動度は１２．５ｃｍ2／Ｖｓであった（表１を参照）。
【００６７】
これに対し、ストレス印加後では、ＳＳ値は０．４Ｖ／ｄｅｃａｄｅ、キャリア移動度は１２．７ｃｍ2／Ｖｓであり（表１を参照）、これらの値はストレス印加前後で殆ど変化しなかったが、図３に示すようにしきい値電圧が大きく変化しており、０時間（ストレスなし）〜３時間（ストレス印加）におけるしきい値電圧シフト量は−６．２Ｖであった（表１を参照）。
【００６８】
本実施例では、上記Ｎｏ．１の結果を基準とし、各結果がＮｏ．１と同等かそれよりも小さいときを合格とした。
【００６９】
表１中、Ｎｏ．５〜７（Ｘ群元素＝Ｓｉ）、８〜１０（Ｘ群元素＝Ｎｉ）、１１〜１３（Ｘ群元素＝Ｈｆ）、１４〜１６（Ｘ群元素＝Ｓｎ）、１７〜１８（Ｘ群元素＝Ａｌ）、１９〜２０（Ｘ群元素＝Ｇｅ）、２１〜２２（Ｘ群元素＝Ｔａ）、２３〜２４（Ｘ群元素＝Ｗ）は、本発明で規定するＸ群元素を所定範囲で含む酸化物半導体を用いた例であり、いずれもＮｏ．１に比べ、しきい値電圧シフト量の絶対値が低くなっており、且つ、ストレス印加前後のキャリア移動度およびＳＳ値も同等か小さくなっていた。このうちＮｏ．１０（Ｘ群元素＝Ｎｉ）、６（Ｘ群元素＝Ｓｉ）、１２（Ｘ群元素＝Ｈｆ）、１７（Ｘ群元素＝Ａｌ）、１５（Ｘ群元素＝Ｓｎ）、２２（Ｘ群元素＝Ｔａ）のＴＦＴ特性の結果を、それぞれ図４〜９に示す。
【００７０】
一方、表１中、Ｎｏ．２〜４、および図１０〜１２は、本発明で規定するＸ群元素以外の元素（Ｃｕ、Ｌａ、Ｍｏ）を添加したときの結果を示している。Ｎｏ．１２は、前述した特許文献１を模擬したものである。これらの元素を添加したときは、ストレス印加前のドレイン電流値が低くなった（図１０〜１２を参照）が、これは、上記元素の添加によって半導体中のキャリア密度が低下したためと考えられる。なお、ストレス印加前のＴＦＴ特性が劣化していたため、ストレス印加は行なわなかった。
【００７１】
以上の実験結果より、本発明で規定するＸ群元素を所定量含む酸化物半導体を用いれば、従来のＩＧＺＯを用いたときと遜色のないＴＦＴ特性が得られることが確認された。また、ウエットエッチング加工も良好に行なわれたことから、Ｘ群元素を添加した酸化物は、アモルファス構造であると推察される。
【００７２】
実施例２
酸化物薄膜を表２に記載の組成とした以外は、実施例１と同様にして図１に示す薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製した。
【００７３】
各ＴＦＴについて、以下のようにして光照射ストレス有無における（１）トランジスタ特性、（２）しきい値電圧、およびＳＳ値を調べた。
【００７４】
（１）トランジスタ特性の測定
トランジスタ特性の測定はＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ株式会社製「４１５６Ｃ」の半導体パラメータアナライザーを使用した。詳細な測定条件は以下のとおりである。
ソース電圧 ：０Ｖ
ドレイン電圧：１０Ｖ
ゲート電圧 ：−３０→３０Ｖ→−３０Ｖ（測定間隔：０．２５Ｖ）
測定温度 ：６０℃
【００７５】
（２）光照射ストレス耐性の評価（ストレスとして光照射＋電圧変化）
本実施例では、液晶及び有機ＥＬディスプレイ等の表示装置のパネル駆動時の環境を模擬して、ゲート電圧を変化させながら、光を照射しなかった場合（暗状態：ストレス印加なし）と光を照射した場合（明状態：ストレス印加）のＴＦＴ特性、しきい値電圧、及びＳＳ値（Ｖ／ｄｅｃ）を調べた。ストレス印加条件は以下の通りである。光の波長としては、酸化物半導体のバンドギャップに近く、トランジスタ特性が変動し易い４００ｎｍ程度を選択した。具体的な測定方法は、ゲート電圧を下記のように変化させて、光を照射しなかった場合（暗状態）と光を照射した場合（明状態）におけるＩｄ−Ｖｇ特性のヒステリシスの有無を調べた。
ゲート電圧：−３０→３０Ｖ→−３０Ｖ（測定間隔：０．２５Ｖ）
基板温度 ：６０℃
光照射ストレス
波長 ：４００ｎｍ
照度（ＴＦＴに照射される光の強度）：６．５μＷ／ｃｍ2
光源：ＯＰＴＯＳＵＰＰＬＹ社製青色ＬＥＤ電球（ＬＥＤ電球に印加する電流を調整することで、光強度を調整）
【００７６】
なお、しきい値電圧の測定、及びＳＳ値の算出は実施例１と同様にして行った。
【００７７】
これらの結果を表２に示す。表２には、Ｆｏｒｗａｒｄ ＳｗｅｅｐとＲｅｖｅｒｓｅＳｗｅｅｐにおけるしきい値電圧シフト量（ΔＶｔｈ（Ｖ））、及びＦｏｒｗａｒｄ ＳｗｅｅｐにおけるＳＳ値（Ｖ／ｄｅｃ）の各値を記載した。また一部の例について、ストレス印加前後のドレイン電流−ゲート電圧特性（Ｉｄ−Ｖｇ特性）の結果を図１３、及び図１４に示す。図１３、及び図１４では、暗状態の結果を白抜き点（○）を有するラインで示し、明状態の結果を黒塗り点（●）を有するラインで示している。また図中、左側の矢印（上向き）は電圧を−３０Ｖから３０Ｖに上げる過程（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｗｅｅｐ）を示しており、右側の矢印（下向き）は３０Ｖから−３０Ｖに下げる過程（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐ）を示している。
【００７８】
【表２】
【００７９】
まず、従来例のＩＧＺＯ（Ｎｏ．１）を用いた結果について考察する。
【００８０】
図１３に示すように、暗状態（図１３中、白抜き○ライン）では、Ｆｏｒｗａｒｄ ＳｗｅｅｐとＲｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐの特性差が小さく、しきい値電圧シフト量は１．０Ｖであった。一方、明状態（図１３中、黒塗り●ライン）では、Ｆｏｒｗａｒｄ ＳｗｅｅｐとＲｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐの特性差が大きく、Ｉｄ−Ｖｇ特性の立ち上がりがゆるやかになっており、Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐとのしきい値電圧シフト量は３．８Ｖであった。これはＩＧＺＯのバンドギャップに近い青色光の照射によって電子と正孔が励起され、ゲート電極に印加されたバイアスにより正孔がゲート絶縁膜と半導体層界面にトラップされたためと推測される。
【００８１】
本実施例では、上記ＩＧＺＯ（Ｎｏ．１）の結果を基準とし、各結果がＮｏ．１とほぼ同等かそれよりも小さいときを合格とした。
【００８２】
表２中、Ｎｏ．２（Ｘ群元素＝Ｓｉ）、Ｎｏ．３（Ｘ群元素＝Ｈｆ）、Ｎｏ．４（Ｘ群元素＝Ｎｉ）は、本発明で規定するＸ群元素を所定範囲で含む酸化物半導体を用いた例であり（ＩＧＺＯはいずれもＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１）、Ｎｏ．１に比べてしきい値電圧シフト量の絶対値が小さくなっており、且つＳＳ値も小さくなっていた。このうち、Ｎｏ．２のＴＦＴ特性の結果を図１４に示す。
【００８３】
図１４に示すように、暗状態（図１４中、白抜き○ライン）では、Ｆｏｒｗａｒｄ ＳｗｅｅｐとＲｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐの特性差が小さく、しきい値電圧シフト量は１．３Ｖであった。一方、明状態（図１４中、黒塗り●ライン）でも、Ｆｏｒｗａｒｄ ＳｗｅｅｐとＲｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐの特性差が小さく、Ｉｄ−Ｖｇ特性の立ち上が急峻になっており、Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐとのしきい値電圧シフト量は１．３Ｖであった。このことからＩＧＺＯにＳｉ（Ｘ群元素）を加えることで、光照射に対するＴＦＴ特性の変動が抑えられており、光照射に対するストレス耐性が向上することがわかる。
【００８４】
またＮｏ．２と同様にＦｏｒｗａｒｄ ＳｗｅｅｐとＲｅｖｅｒｓｅ Ｓｗｅｅｐにおけるしきい値電圧シフト量、及びＳＳ値に殆ど変化がなかったＮｏ．３、Ｎｏ．４についても、光照射に対するＴＦＴ特性の変動抑制効果を有しており、光照射ストレス耐性が向上していることがわかる。
【００８５】
以上の実験結果より、ＩｎＧａＺｎＯの酸化物半導体を用いたトランジスタ基板は、酸化物半導体のバンドギャップに近い青色光の照射によって受ける影響は大きいが（Ｎｏ．１）、本発明で規定するＸ群元素を所定量含む酸化物半導体を用いれば（Ｎｏ．２〜４）、光照射に対する影響を抑制することができる。
【００８６】
なお、実施例２では一部元素についてのみの実験結果を示したが、本発明者らは他のＸ群元素についても同様にＮｏ．１よりも優れた結果が得られることを確認している。
【００８７】
実施例３
本実施例では、表１のＮｏ．６に対応する組成の酸化物（ＩｎＧａＺｎＯ−５原子％Ｓｉ、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１）を用い、スパッタリング成膜時のガス圧を１ｍＴｏｒｒまたは５ｍＴｏｒｒに制御して得られた酸化物膜（膜厚１００ｎｍ）の密度を測定すると共に、前述した実施例１と同様にして作成したＴＦＴについて、移動度およびストレス試験（光照射＋負バイアスを印加）後のしきい値電圧の変化量（ΔＶｔｈ）を調べた。膜密度の測定法方は以下のとおりである。
【００８８】
（酸化物膜の密度の測定）
酸化物膜の密度は、ＸＲＲ（Ｘ線反射率法）を用いて測定した。詳細な測定条件は以下のとおりである。
【００８９】
・分析装置：（株）リガク製水平型Ｘ線回折装置ＳｍａｒｔＬａｂ
・ターゲット：Ｃｕ（線源：Ｋα線）
・ターゲット出力：４５ｋＶ−２００ｍＡ
・測定試料の作製
ガラス基板上に各組成の酸化物を下記スパッタリング条件で成膜した（膜厚１００ｎｍ）後、前述した実施例１のＴＦＴ製造過程におけるプレアニール処理を模擬して、当該プレアニール処理と同じ熱処理を施したしたものを使用
スパッタガス圧：１ｍＴｏｒｒまたは５ｍＴｏｒｒ
酸素分圧：Ｏ2／（Ａｒ＋Ｏ2）＝２％
成膜パワー密度：ＤＣ２．５５Ｗ／ｃｍ2
熱処理：大気雰囲気にて３５０℃で１時間
【００９０】
これらの結果を表３に示す。
【００９１】
【表３】
【００９２】
表３より、本発明で規定するＸ群元素のＳｉを含む酸化物は、いずれも５．８ｇ／ｃｍ3以上の高い密度が得られた。詳細には、ガス圧＝５ｍＴｏｒｒのとき（Ｎｏ．２）の膜密度は５．９２ｇ／ｃｍ3であったのに対し、ガス圧＝１ｍＴｏｒｒのとき（Ｎｏ．１）の膜密度は６．１１ｇ／ｃｍ3であり、より高い密度が得られた。また、膜密度の上昇に伴い、電界効果移動度が向上し、さらにストレス試験によるしきい値電圧シフト量ΔＶｔｈの絶対値も減少した。
【００９３】
以上の実験結果より、酸化物膜の密度はスパッタリング成膜時のガス圧によって変化し、当該ガス圧を下げると膜密度が上昇し、これに伴って電界効果移動度も大きく増加し、ストレス試験（光照射＋負バイアスストレス）におけるしきい値電圧シフト量ΔＶｔｈの絶対値も減少することが分かった。これは、スパッタリング成膜時のガス圧を低下させることにより、スパッタリングされた原子（分子）の動乱が抑えられ、膜中の欠陥が少なくなって移動度や電気伝導性が向上し、ＴＦＴの安定性が向上したためと推察される。
【００９４】
なお、表３には、Ｘ群元素としてＳｉの結果を示しているが、上述した酸化物膜の密度と、ＴＦＴ特性における移動度やストレス試験後のしきい値電圧変化量の関係は、他のＸ群元素を用いたときも同様に見られた。
【符号の説明】
【００９５】
１ 基板
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁膜
４ 酸化物半導体層
５ ソース・ドレイン電極
６ 保護膜（絶縁膜）
７ コンタクトホール
８ 透明導電膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜トランジスタの半導体層に用いられる酸化物であって、
前記酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と；Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素と、を含むことを特徴とする薄膜トランジスタの半導体層用酸化物。
【請求項２】
前記Ｘ群の元素としてＡｌを含むとき、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ａｌ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＳｉを含むとき、Ｓｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｉ）×１００＝０．１〜１５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＮｉを含むとき、Ｎｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｎｉ）×１００＝０．１〜５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＧｅを含むとき、Ｇｅ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｇｅ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＳｎを含むとき、Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｎ）×１００＝０．１〜１５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＨｆを含むとき、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｈｆ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＴａを含むとき、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｔａ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＷを含むとき、Ｗ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｗ）×１００＝０．１〜１０原子％である請求項１に記載の酸化物。
【請求項３】
請求項１または２に記載の酸化物を薄膜トランジスタの半導体層として備えた薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記半導体層の密度は５．８ｇ／ｃｍ3以上である請求項３に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項５】
請求項１または２に記載の酸化物を形成するためのスパッタリングターゲットであって、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と；Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素と、を含むことを特徴とするスパッタリングターゲット。
【請求項６】
前記Ｘ群の元素としてＡｌを含むとき、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ａｌ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＳｉを含むとき、Ｓｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｉ）×１００＝０．１〜１５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＮｉを含むとき、Ｎｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｎｉ）×１００＝０．１〜５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＧｅを含むとき、Ｇｅ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｇｅ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＳｎを含むとき、Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｎ）×１００＝０．１〜１５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＨｆを含むとき、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｈｆ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＴａを含むとき、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｔａ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＷを含むとき、Ｗ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｗ）×１００＝０．１〜１０原子％である請求項５に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項１】
薄膜トランジスタの半導体層に用いられる酸化物であって、
前記酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と；Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素と、を含むことを特徴とする薄膜トランジスタの半導体層用酸化物。
【請求項２】
前記Ｘ群の元素としてＡｌを含むとき、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ａｌ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＳｉを含むとき、Ｓｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｉ）×１００＝０．１〜１５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＮｉを含むとき、Ｎｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｎｉ）×１００＝０．１〜５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＧｅを含むとき、Ｇｅ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｇｅ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＳｎを含むとき、Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｎ）×１００＝０．１〜１５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＨｆを含むとき、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｈｆ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＴａを含むとき、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｔａ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＷを含むとき、Ｗ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｗ）×１００＝０．１〜１０原子％である請求項１に記載の酸化物。
【請求項３】
請求項１または２に記載の酸化物を薄膜トランジスタの半導体層として備えた薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記半導体層の密度は５．８ｇ／ｃｍ3以上である請求項３に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項５】
請求項１または２に記載の酸化物を形成するためのスパッタリングターゲットであって、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎよりなる群から選択される少なくとも一種の元素と；Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷよりなるＸ群から選択される少なくとも一種の元素と、を含むことを特徴とするスパッタリングターゲット。
【請求項６】
前記Ｘ群の元素としてＡｌを含むとき、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ａｌ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＳｉを含むとき、Ｓｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｉ）×１００＝０．１〜１５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＮｉを含むとき、Ｎｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｎｉ）×１００＝０．１〜５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＧｅを含むとき、Ｇｅ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｇｅ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＳｎを含むとき、Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｓｎ）×１００＝０．１〜１５原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＨｆを含むとき、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｈｆ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＴａを含むとき、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｔａ）×１００＝０．１〜１０原子％であり、
前記Ｘ群の元素としてＷを含むとき、Ｗ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｚｎ＋Ｗ）×１００＝０．１〜１０原子％である請求項５に記載のスパッタリングターゲット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１２４４４６（Ｐ２０１２−１２４４４６Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８３２２（Ｐ２０１１−８３２２）
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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