酸化物半導体材料及びその製造方法、電子デバイス及び電界効果トランジスタ
【課題】 実用に耐え得る酸化物半導体材料、これを用いた電界効果トランジスタ等の電子デバイス、及び酸化物半導体材料の製造方法を提供する。
【解決手段】 この酸化物半導体材料の製造方法では、Ｚｎ及びＳｎを含有する酸化物ターゲットを用意し、基板をチャンバ内に配置し、酸化物ターゲットをチャンバ内に配置する。酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすることによりターゲット材料を基板上に堆積する。この酸化物半導体材料は、Ｉｎを含有せず、且つ、電子キャリア濃度が１×１０１５／ｃｍ３より大きく１×１０１８／ｃｍ３未満となるようにする。スパッタ時においては、酸化物ターゲットと同時にスパッタされる位置に、ドーパント材料を更に配置することが好ましい。
【解決手段】 この酸化物半導体材料の製造方法では、Ｚｎ及びＳｎを含有する酸化物ターゲットを用意し、基板をチャンバ内に配置し、酸化物ターゲットをチャンバ内に配置する。酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすることによりターゲット材料を基板上に堆積する。この酸化物半導体材料は、Ｉｎを含有せず、且つ、電子キャリア濃度が１×１０１５／ｃｍ３より大きく１×１０１８／ｃｍ３未満となるようにする。スパッタ時においては、酸化物ターゲットと同時にスパッタされる位置に、ドーパント材料を更に配置することが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体活性層として機能する酸化物半導体材料及びその製造方法、及びこれを用いた電界効果トランジスタ等の電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化物半導体材料は、電界効果トランジスタ等の電子デバイスの材料として用いられている。電界効果トランジスタとしては、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等が例示され、これらの電子デバイスは、液晶ディスプレイやＥＬの駆動素子として用いられている。従来のＴＦＴでは、ガラス基板上に非晶質（アモルファス）や多結晶のＳｉ層を形成し、このＳｉ層の両端にソース電極及びドレイン電極を設け、Ｓｉ層の中央又は裏面側にゲート電極を設けている。このような電子デバイスに適用できる材料として、幾つかのものが試みられている。
【０００３】
特許文献１には、基板上に、下地膜、ＺｎＯからなる酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、及びゲート電極を順次形成してなるＴＦＴが開示されている。ＺｎＯを材料とした酸化物半導体膜は、結晶の形成温度を低減することができる。なお、ＺｎＯにおいては、酸素欠陥が発生しやすく、キャリア電子が多数発生する。
【０００４】
特許文献２には、ＺｎｘＭｙＩｎｚＯ（ｘ＋３ｙ／２＋３ｚ／２）（ＭはＡｌ又はＧａ：ｘ，ｙ，ｚは、適当な係数）からなる非晶質酸化物膜の電極材料が開示されており、この非晶質酸化物膜の電子キャリア濃度は１×１０１８／ｃｍ３以上であり、透明電極として好適とされる。すなわち、このようなＩｎを含有する酸化物においては、キャリア電子が多数発生しやすいことを利用して、導電性の高い膜の形成を行うことが知られている。
【０００５】
特許文献３には、電子キャリア濃度が１×１０１８／ｃｍ３未満の非晶質酸化物膜をチャネル（半導体活性層）に用いたＴＦＴが開示されている。具体的には、非晶質酸化物膜としてＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは、適当な係数）を用いている。すなわち、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍの場合には、成膜時の酸素雰囲気の条件を制御することで、電子キャリア濃度を１×１０１８／ｃｍ３未満とすることが可能である旨が記載されている。さらには、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が好ましいとの知見が開示され、より具体的には、酸素分圧６．５Ｐａ未満の雰囲気で、透明アモルファス酸化物薄膜を作製して、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ことが開示されている。
【０００６】
特許文献４には、チャネルの少なくとも一部がＺｎｘＳｎｙＯｚから形成されたＴＦＴが開示されており、これは電子キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ３を超えるものである。
【０００７】
すなわち、従来の電子デバイスでは、例えばＴＦＴにおけるチャネルの酸化物半導体材料として、ＺｎＯ（特許文献１）、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（特許文献３）、ＺｎｘＳｎｙＯｚ（特許文献４）が知られており、また、例えば、透明電極材料等の酸化物半導体材料としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）が代表的であり、他にも、ＺｎｘＭｙＩｎｚＯ（ｘ＋３ｙ／２＋３ｚ／２）（特許文献２）、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（特許文献３）等のＩｎを含有する酸化物半導体材料が知られている。
【特許文献１】特開２００３−２９８０６２号公報
【特許文献２】特開２０００−０４４２３６号公報
【特許文献３】特開２００６−１６５５３２号公報
【特許文献４】特表２００６−５２８８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、これらに提案されている酸化物半導体材料においては、電子キャリア濃度は低くし難く、半導体というよりもむしろ導電体の特性を示してしまう点、換言すれば、従来の上記酸化物半導体材料においては、導電率を低くし難いことにより、バイアス条件によって導体及び絶縁体双方の機能を有する半導体として機能し難い点で十分とは言えず、このような酸化物半導体材料を例えば電界効果トランジスタにおけるチャネル（半導体活性層）に用いた場合には、それがチャネルとして十分に機能するノーマリーオフの電界効果トランジスタを得ることが困難であった。また、酸化物半導体材料に含有され、用いられることがあったＩｎは、希少金属資源であることから、Ｉｎを含有しない酸化物半導体材料が求められていた。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、実用に耐え得る酸化物半導体材料、これを用いた電界効果トランジスタ等の電子デバイス、及び酸化物半導体材料の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る酸化物半導体材料、電界効果トランジスタ等の電子デバイス及び酸化物半導体材料の製造方法は以下の構成を備えることを特徴とする。
【００１１】
第１の発明に係る酸化物半導体材料は、Ｚｎ及びＳｎを含有し、Ｉｎを含有せず、且つ、電子キャリア濃度が１×１０１５／ｃｍ３より大きく１×１０１８／ｃｍ３未満であることを特徴とする。
【００１２】
第２の発明に係る酸化物半導体材料は、ドーパントを更に含有することを特徴とする。
【００１３】
第３の発明に係る酸化物半導体材料においては、ドーパントは、Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｖ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｓｉ及びＦからなる元素群から選択される元素を少なくとも１種含有することを特徴とする。
【００１４】
第４の発明に係る酸化物半導体材料は、非晶質であることを特徴とする。
【００１５】
第５の発明に係る電子デバイスは、酸化物半導体材料からなる半導体層と、半導体層に設けられた電極とを備えることを特徴とする。
【００１６】
第６の発明に係る電界効果トランジスタは、酸化物半導体材料からなる半導体層と、半導体層に設けられ互いに離隔したソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間に位置する半導体層の領域に、バイアス電位を与えることが可能な位置に設けられたゲート電極とを備えることを特徴とする。
【００１７】
第７の発明に係る酸化物半導体材料の製造方法は、Ｚｎ及びＳｎを含有する酸化物ターゲットを用意する工程と、基板をチャンバ内に配置する工程と、酸化物ターゲットをチャンバ内に配置する工程と、チャンバ内に配置された酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすることによりターゲット材料を基板上に堆積する工程とを備え、スパッタ時において、酸化物ターゲットと同時にスパッタされる位置に、ドーパント材料が更に配置されていることを特徴する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の酸化物半導体材料によれば、実用に耐え得る低電子キャリア濃度を有しており、その製造方法によればかかる酸化物半導体材料を容易に製造することができ、この酸化物半導体材料を用いた電界効果トランジスタ等の電子デバイスは実用的に用いることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
第１の発明に係る酸化物半導体材料は、Ｚｎ及びＳｎを含有し、Ｉｎを含有せず、且つ、電子キャリア濃度が１×１０１５／ｃｍ３より大きく１×１０１８／ｃｍ３未満であることを特徴とする。
【００２０】
本願発明者らによって、Ｉｎを含有していないにも拘わらず、電子キャリア濃度が１×１０１５／ｃｍ３より大きく１×１０１８／ｃｍ３未満であるＺｎ−Ｓｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料が提供された。この酸化物半導体材料によれば、電子キャリア濃度が適切な範囲にあり、このような酸化物半導体材料を用いた場合には、半導体活性層として十分に機能することから、特にノーマリーオフの電界効果トランジスタ等の電子デバイスに好適に用いることができる。
【００２１】
第２の発明に係る酸化物半導体材料は、ドーパントを更に含有することを特徴とする。
【００２２】
酸化物半導体材料は、酸素を既に含有しているが、酸素以外の元素であるドーパントを更に含有することにより、低い電子キャリア濃度、すなわち十分に高いシート抵抗を有する、より実用的な酸化物半導体材料を得ることができる。
【００２３】
第３の発明に係る酸化物半導体材料においては、ドーパントは、Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｖ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｓｉ及びＦからなる元素群から選択される元素を少なくとも１種含有することを特徴とする。
【００２４】
これらの元素をドーパントとして用いた場合、十分に高いシート抵抗を有するより実用的な酸化物半導体材料を得ることができる。
【００２５】
第４の発明に係る酸化物半導体材料は、非晶質であることを特徴とする。
【００２６】
すなわち、酸化物半導体材料が非晶質の場合には、高いシート抵抗を有する酸化物半導体材料を得ることができ、好ましい。
【００２７】
第５の発明に係る電子デバイスは、酸化物半導体材料からなる半導体層と、半導体層に設けられた電極とを備えることを特徴とする。
【００２８】
この電子デバイスは、酸化物半導体材料が上述のように十分な特性を有するので、電極を通じて半導体層内を流れる電流をバイアス電位によって制御することができ、好ましい。
【００２９】
第６の発明に係る電界効果トランジスタは、酸化物半導体材料からなる半導体層と、半導体層に設けられ互いに離隔したソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間に位置する半導体層の領域に、バイアス電位を与えることが可能な位置に設けられたゲート電極とを備えることを特徴とする。
【００３０】
この電界効果トランジスタでは、ソース電極とドレイン電極との間に位置する半導体層に所定のバイアス電位を与えると、ソースとドレインの間にチャネルが形成され、ソースとドレインの間に電流が流れる。半導体層のこの領域の抵抗は、上記の如く、バイアス電位を与えない状態では高いため、十分に電界効果トランジスタとして機能させることができ、好ましい。また、本発明における酸化物半導体材料を、液晶ディスプレイ等の画素内に形成されるＴＦＴに用いる場合には、該酸化物半導体材料が透明となることにより、画素の実質的な開口率を増加させることができる。
【００３１】
本発明において、酸化物半導体材料は、Ｚｎ及びＳｎを含有する酸化物ターゲットを用意する工程と、基板をチャンバ内に配置する工程と、酸化物ターゲットをチャンバ内に配置する工程と、チャンバ内に配置された酸化物ターゲットを希ガスでスパッタし、スパッタされたターゲット材料を基板上に堆積する工程とを備え、上記スパッタ時において、チャンバ内に酸素ガスを導入する工程を更に備え、希ガスと酸素ガスの混合ガス中に含まれる酸素ガスの体積の割合を適宜設定することにより、製造することができる。
【００３２】
酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすると、ターゲット材料が基板上に堆積される。スパッタ時には酸素ガスがチャンバ内に希ガスと共に導入されていてもよい。
【００３３】
第７の発明に係る酸化物半導体材料の製造方法は、Ｚｎ及びＳｎを含有する酸化物ターゲットを用意する工程と、基板をチャンバ内に配置する工程と、酸化物ターゲットをチャンバ内に配置する工程と、チャンバ内に配置された酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすることによりターゲット材料を基板上に堆積する工程とを備え、スパッタ時において、酸化物ターゲットと同時にスパッタされる位置に、ドーパント材料が更に配置されていることを特徴する。ドーパント材料としては、前記のドーパントからなる材料、前記のドーパントを含有する酸化物、フッ化物などが例示される。
【００３４】
酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすると、ターゲット材料が基板上に堆積される。このターゲット内又はその近傍にはドーパント材料が配置されているので、スパッタして製造された酸化物半導体材料には当該ドーパントが更に含有されている。したがって、酸化物半導体材料は、電子デバイスの実用に耐えるシート抵抗を有することとなり、好ましい。このドーパントの元素としては、上述のものを採用することができる。
【００３５】
以下、実施の形態に係る酸化物半導体材料及びこれを用いた薄膜トランジスタ（電界効果トランジスタ：電子デバイス）について、より具体的に説明する。なお、説明において、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００３６】
図１は薄膜トランジスタ１０の平面図であり、図２は図１に示した薄膜１０のＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。
【００３７】
ゲート電極１Ｇ上に、ゲート絶縁層１Ｃ、及び、離隔配置されたソース電極１Ｓ及びドレイン電極１Ｄが順次積層され、基板１を構成している。基板１上には、酸化物半導体材料Ｘからなる半導体層２が堆積されている。ソース電極１Ｓとドレイン電極１Ｄとの間の半導体層２の領域は、薄膜トランジスタ１０のチャネルとして機能する。
【００３８】
薄膜トランジスタ１０のソース電極１Ｓとドレイン電極１Ｄとの間の距離であるチャネル長Ｌ、ソース電極１Ｓ又はドレイン電極１Ｄの幅であるチャネル幅Ｗは、本例では、以下のように設定されている。
・チャネル長Ｌ＝２０μｍ
・チャネル幅Ｗ＝１ｍｍ
【００３９】
この薄膜トランジスタ１０は、Ｎ型の酸化物半導体材料Ｘからなる半導体層２と、半導体層２に設けられた電極（ソース電極１Ｓ又はドレイン電極１Ｄ）とを備えている。薄膜トランジスタ１０は、酸化物半導体材料Ｘが下記のように十分な特性を有するので、電極を通じて半導体層２内を流れる電流をバイアス電位によって制御することができる。半導体層２と一方の電極とをショットキ接触させ、他方の電極をオーミック接触させれば、双方の電極間の印加電圧に応じて酸化物半導体材料Ｘ内を流れる電流を制御することができる電子デバイスとして、ショットキダイオードを構成することができる。
【００４０】
なお、本例では、この電子デバイスは薄膜トランジスタ１０であり、酸化物半導体材料からなる半導体層２と、半導体層２に設けられ互いに離隔したソース電極１Ｓ及びドレイン電極１Ｄと、ソース電極１Ｓとドレイン電極１Ｄとの間に位置する半導体層２の領域に、バイアス電位を与えることが可能な位置に設けられたゲート電極１Ｇとを備えている。
【００４１】
薄膜トランジスタ１０では、ソース電極１Ｓとドレイン電極１Ｄとの間に位置する半導体層２に所定のバイアス電位を与えると、ソースとドレインの間にチャネルが形成され、ソースとドレインの間に電流が流れる。半導体層２のこの領域の抵抗は、上記の如く、バイアス電位を与えない状態では高いため、十分に電界効果トランジスタとして機能させることができる。
【００４２】
ソース電極１Ｓ及びドレイン電極１Ｄに接触する半導体領域はＮ型であり、通常は半導体層の抵抗によってＮ型のチャネルには電流が流れず、ゲート電圧の印加によって、チャネル断面積が増加し、ゲート電圧の増加に伴ってチャネルを流れる電流量が増加する。本例では、半導体層の抵抗値は十分に高く、実質的にノーマリーオフ型の薄膜トランジスタとして機能している。
【００４３】
ソース電極１Ｓ及びドレイン電極１Ｄと半導体層２とは、オーミック接触しているものとし、この接触領域がソース及びドレインを構成しているものとする。なお、本実施形態の半導体層と、Ａｕのフェルミレベルは比較的類似しており、電荷注入の問題は少ないことが、理研計器社製の大気中光電子分光装置ＡＣ２によって確認されている。
【００４４】
薄膜トランジスタ１０を構成する各要素の材料は、以下の通りである。
・ゲート電極１Ｇ：Ｓｉ
・ゲート絶縁層１Ｃ：ＳｉＯ２
・ソース電極１Ｓ：Ａｕ／Ｃｒ
・ドレイン電極１Ｄ：Ａｕ／Ｃｒ
・半導体層２：酸化物半導体材料Ｘ
【００４５】
なお、ゲート電極１Ｇを構成するＳｉには、高濃度にドーパントが添加されており、ゲート電極１Ｇは金属に近い導電性を有している。
【００４６】
次に、酸化物半導体材料Ｘについて説明する。
【００４７】
酸化物半導体材料Ｘは、Ｚｎ及びＳｎを含有する非晶質の化合物半導体であり、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ膜（Ｚｎ：Ｓｎ：Ｏの組成比は２：１：４）からなる。酸化物半導体材料Ｘは、Ｚｎ、Ｓｎ及びＯが化合しているが、Ｉｎは含有しておらず、且つ、電子キャリア濃度ＣＸが１×１０１５／ｃｍ３より大きく１×１０１８／ｃｍ３未満である。なお、Ｉｎを含有していないとは、これを意図的に添加することなく、Ｉｎを実質的に含有していないという意味であり、酸化物半導体材料Ｘ内におけるＩｎの含有量は０．０１重量％未満である。
【００４８】
詳説すれば、酸化物半導体材料Ｘの物性は、ドーパントとしての元素Ｄの存在の有無によって、以下のタイプＩ（元素Ｄを含有せず）と、タイプＩＩ（元素Ｄを含有する）に分類できる。元素Ｄは、酸素以外の元素である。また、半導体層中のＺｎ及びＳｎは主成分であり、これらの各元素の重量の和の全体重量に対する割合はタイプＩ（元素Ｄを含有せず）の場合は、７８重量％以上である。
【００４９】
（タイプＩ）
ドーパントとしての元素Ｄが含有されていない場合には、以下の通りである。なお、Ｖｓはボルト秒を示す単位である。
・構成元素：Ｚｎ，Ｓｎ，Ｏ
・電子キャリア濃度ＣＸ：１×１０１５／ｃｍ３＜ＣＸ＜１×１０１８／ｃｍ３
・膜厚ｔＸ：１０ｎｍ≦ｔＸ≦１０００ｎｍ
・結晶性：非晶質
・シート抵抗ＲＸ：１０４Ω／ｓｑ．≦ＲＸ≦１０９Ω／ｓｑ．
・移動度μＸ：１ｃｍ２／Ｖｓ≦μＸ
・Ｉｎの含有量ＷＩｎ：ＷＩｎ≒０（重量％）
【００５０】
（タイプＩＩ）
酸化物半導体材料Ｘの物性は、ドーパントとしての元素Ｄが含有されている場合には、以下の通りである。
・構成元素：Ｚｎ，Ｓｎ，Ｏ
・電子キャリア濃度ＣＸ：１×１０１５／ｃｍ３＜ＣＸ＜１×１０１８／ｃｍ３
・膜厚ｔＸ：１０ｎｍ≦ｔＸ≦１０００ｎｍ
・結晶性：非晶質
・シート抵抗ＲＸ：１０４Ω／ｓｑ．≦ＲＸ≦１０９Ω／ｓｑ．
・移動度μＸ：１ｃｍ２／Ｖｓ≦μＸ
・Ｉｎの含有量ＷＩｎ：ＷＩｎ≒０（重量％）
・ドーパント：元素Ｄ
・ 元素Ｄの濃度ＣＤ：０モル％＜ＣＤ≦１０モル％
但し、ＣＤ＝（（Ｄのモル数）／（Ｄのモル数＋Ｚｎのモル数＋Ｓｎのモル数））×１００％
【００５１】
本願発明者らによって、初めて、Ｉｎを含有していないにも拘わらず、電子キャリア濃度ＣＸが１×１０１５／ｃｍ３より大きく１×１０１８／ｃｍ３未満であるＺｎ−Ｓｎ−Ｏ系のタイプＩ及びタイプＩＩの酸化物半導体材料Ｘが提供された。この酸化物半導体材料Ｘによれば、電子キャリア濃度ＣＸが低下しているため、キャリアの移動度μＸが実用的に使用できる程度に高くなる。
【００５２】
すなわち、電子キャリア濃度ＣＸが１×１０１８／ｃｍ３未満、１×１０１５／ｃｍ３より大きい場合には、酸化物半導体材料Ｘにおける導電性が適切な範囲となり、バイアスの有無によって導電性と絶縁性が転換する半導体活性層として機能する。
【００５３】
電子キャリア濃度ＣＸの更に好ましい範囲は１０１６／ｃｍ３以上１０１７／ｃｍ３以下であり、ＣＸが下限値以上の場合にはＯＮ電流が大きくなるという効果があり、上限値以下の場合にはＯＦＦ電流が小さくなるという効果があり、ＯＮ電流とＯＦＦ電流の比を大きくすることが出来る。
【００５４】
また、タイプＩＩの酸化物半導体材料Ｘは、酸素以外の元素からなるドーパントとなる元素Ｄを更に含有している。酸化物半導体材料Ｘ内には、酸素が既に含有されているが、酸素以外の元素である元素Ｄを酸化物半導体材料Ｘ内に添加しても、実用的に低い電子キャリア濃度ＣＸ、すなわち十分に高いシート抵抗ＲＸを有する酸化物半導体材料を得ることができる。半導体層の経時安定性、ＴＦＴの製造のしやすさなどから、酸化物半導体材料Ｘは、ドーピング元素Ｄが含有されてなる酸化物であることが好ましい。
【００５５】
元素Ｄとしては、以下の金属元素Ｄ１、半金属元素Ｄ２、及び、非金属元素Ｄ３からなる元素群から選択される少なくとも１種の元素を採用することができる。
（元素Ｄ）
・金属元素Ｄ１：Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｖ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｕ、及びＰｔからなる群から選ばれた少なくとも１種
・半導体元素Ｄ２：Ｓｉ
・非金属元素Ｄ３：Ｆ
【００５６】
上述の元素Ｄをドーパントとして用いた場合、十分に高いシート抵抗を有する酸化物半導体材料を得ることができる。
【００５７】
また、本実施形態の酸化物半導体材料Ｘの結晶性は非晶質である。本願発明者によれば、酸化物半導体材料Ｘが少なくとも非晶質の場合には、実用的な酸化物半導体材料を得ることができる旨が確認できたが、移動度は結晶性の向上に伴って増加するという一般的な傾向があるため、酸化物半導体材料Ｘが多結晶又は単結晶であっても十分な移動度を有するものと考えられる。
【００５８】
上述の酸化物半導体材料は、以下の（工程１）〜（工程４）を順次実行することによって製造される。なお、工程２と工程３の順番は逆にすることができる。
（工程１）Ｚｎ及びＳｎを含有する酸化物ターゲットを用意する工程
（工程２）基板をチャンバ内に配置する工程
（工程３）酸化物ターゲットをチャンバ内に配置する工程
（工程４）チャンバ内に配置された酸化物ターゲットを希ガスでスパッタし、スパッタされたターゲット材料を基板上に堆積する工程
【００５９】
（タイプＩ）
ここで、（タイプＩ）の場合、（工程４）におけるスパッタ時において、チャンバ内に酸素ガスが導入されている。希ガスと酸素ガスの混合ガス中に含まれる酸素ガスの体積の割合ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）は、０％よりも大きく２０％以下とすればよい。また、（タイプＩＩ）の場合には、ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）は、０％以上２０％以下とすればよい。
【００６０】
酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすると、ターゲット材料が基板上に堆積される。スパッタ時には酸素ガスがチャンバ内に希ガスと共に導入されている。
【００６１】
Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料から構成される膜は、酸素空孔が生じるとこの酸素空孔は電子キャリアを生じさせるが、膜形成時であるスパッタ時に酸素ガスが所定量導入されているので、酸素空孔が減少し、したがって、電子キャリア濃度が実用に耐える程度に低下する。
【００６２】
図６は、酸素濃度ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）と電子キャリア濃度（ｃｍ−３）の関係を示すグラフであり、ＣＧＡＳが０ｖｏｌ％〜０．１ｖｏｌ％の場合を示している。また、図７も、酸素濃度ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）と電子キャリア濃度（ｃｍ−３）の関係を示すグラフであり、ＣＧＡＳが０ｖｏｌ％〜１０ｖｏｌ％の場合を示している。
【００６３】
ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）が０．１ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下の場合には、半導体層２は無バイアス時に十分な絶縁性を有していることが確認されており、上記のように、０ｖｏｌ％、０．１ｖｏｌ％、１ｖｏｌ％、１０ｖｏｌ％の場合の電子キャリア濃度の関係をグラフ化して電子キャリア濃度を予測すると、酸素濃度ＣＧＡＳが０．０７ｖｏｌ％以上の場合にはリークが生じない程度の電子キャリア濃度（＝１×１０１８ｃｍ−３）以下にすることが予測され、酸素濃度ＣＧＡＳが２０ｖｏｌ％以下の場合にはＯＮ電流を大きく出来るという効果がある。
【００６４】
ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）は０．５ｖｏｌ％以上５ｖｏｌ％以下である場合が更に好ましく、この場合には、ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）が下限値以上の場合にはさらにＯＦＦ電流を小さく出来るという効果があり、上限値以下の場合にはさらにＯＮ電流を大きく出来るという効果がある。特に、ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）が１ｖｏｌ％以上では、電子キャリア濃度の濃度に対する変化率が急激に低下しており、電子キャリア濃度を高精度に制御することができる。
【００６５】
（タイプＩＩ）
また、（タイプＩＩ）の場合、ターゲット内又はその近傍には酸素以外のドーパントが配置されており、スパッタされたターゲット材料内には当該ドーパントが更に含有されている。酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすると、ターゲット材料が基板上に堆積される。このターゲット材料にはドーパントが更に含有されているので、堆積されたターゲット材料は、電子デバイスの実用に耐えるシート抵抗を有することとなる。このドーパントの元素としては、上述のものを採用することができる。
【００６６】
また、（タイプＩＩ）の場合、酸素を含まない希ガスでスパッタした時に、酸化物半導体材料中の電子キャリア濃度が最適になるように酸化物半導体材料中にドーパントが含有されるようにしても良いし、酸化物半導体材料中のドーパントを少なくして、酸素を含まない希ガスでスパッタした時は、電子キャリア濃度が多くなってしまうが、酸素を含ませた希ガス中でスパッタすることにより電子キャリア濃度を減らして酸化物半導体材料中の電子キャリア濃度を最適値になるようにしても良い。
【００６７】
以下、各工程について、詳説する。
【００６８】
（工程１）：酸化物ターゲット製造工程
【００６９】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）粉末および酸化錫（ＳｎＯ２）粉末をＺｎ：Ｓｎのモル比がＭ１：Ｍ２となるように秤量し、乾式ボールミルにより混合する。得られた混合粉末をアルミナ製のルツボに入れて酸素雰囲気中においてＴ１（℃）でＨ１（時間）保持して仮焼し、乾式ボールミルにより粉砕する。得られた仮焼粉末を、金型を用いて一軸プレスによりＧ１（ｋｇ／ｃｍ２）の圧力で円板状に成形した後、さらに、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）でＧ２（ｋｇ／ｃｍ２）の圧力で加圧する。得られた成形体を酸素雰囲気中において、圧力Ｐ１（ｈＰａ）、Ｔ２（℃）でＨ２（時間）保持して焼成して焼結体を得る。得られた焼結体の両面を平面研削盤で磨き、酸化物ターゲットを作製する。
【００７０】
なお、タイプＩＩの酸化物半導体材料の製造時においては、酸化亜鉛粉末及び酸化錫粉末に加えて元素Ｄ（又はその酸化物）の粉末を、最初の混合時に混合するか、或いは、スパッタ時において、元素Ｄを含有するチップをターゲットの近傍に配置する。
【００７１】
（工程２）：基板準備工程
【００７２】
チャンバは、スパッタ装置のチャンバであり、チャンバ内部にはターゲットの固定部材と、基板１の固定部材が配置されており、これらの固定部材は対向配置されている。基板１は、基板１の固定部材に固定する。なお、基板１の固定部材には、ヒータが設けられており、堆積時の基板温度を調整することができる。
【００７３】
なお、ゲート電極１Ｇ上に、ゲート絶縁層１Ｃ、電極層を順次堆積し、最後の電極層をフォトリソグラフィーでパターニングすることによって、ソース電極１Ｓ及びドレイン電極１Ｄを形成することで、基板１を製造する。
【００７４】
（工程３）：酸化物ターゲット配置工程
【００７５】
酸化物ターゲットは、チャンバ内部のターゲットの固定部材に固定する。酸化物ターゲット及び基板１を固定した後、チャンバを密閉状態とし、真空ポンプを用いて内部の気体を排気し、内部を真空にする。
【００７６】
（工程４）成膜工程
【００７７】
内部が真空になった後、チャンバ内にガス種１（タイプＩ）又はガス種２（タイプＩＩ）を導入し、高周波（ＲＦ）プラズマを発生させて、酸化物ターゲットのスパッタを行い、基板上にターゲット材料を堆積する。本例の希ガスはＡｒであるが、他の種類の希ガスを用いることも可能である。成膜時の条件は以下の通りである。
【００７８】
（タイプＩ）
・製造方法：ＲＦスパッタ法
・ターゲット：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ焼結体
・ガス種Ｒ１：Ａｒ−Ｏ２混合ガス
・ガス種Ｒ１中のＯ２の体積濃度：ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）
・チャンバ内圧力：Ｐ２（Ｐａ）
・基板温度：Ｔ３（℃）
・スパッタ電力：ＷＰ（Ｗ）
・堆積時間：Ｈ３（時間）
【００７９】
（タイプＩＩ）
・製造方法：ＲＦスパッタ法
・ターゲット：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ焼結体＋元素Ｄ含有チップ
・ガス種Ｒ２：Ａｒガス
・チャンバ内圧力：Ｐ２（Ｐａ）
・基板温度：Ｔ３（℃）
・スパッタ電力：ＷＰ（Ｗ）
・堆積時間：Ｈ３（時間）
【００８０】
各パラメータの好適な範囲は以下の通りである。
（ａ）０．５≦Ｍ１／Ｍ２≦３
（ｂ）５００≦Ｔ１≦１２００
（ｃ）１≦Ｈ１≦２４０
（ｄ）１００≦Ｇ１≦１０００
（ｅ）５００≦Ｇ２≦１００００
（ｆ）１０１．３２５≦Ｐ１≦１０１３２．５
（ｇ）１０００≦Ｔ２≦１６００
（ｈ）１≦Ｈ２≦２４０
（ｉ）０．１≦Ｐ２≦１０
（ｊ）ＲＴ（室温＝２６）≦Ｔ３≦１２００
（ｋ）１／６０≦Ｈ３≦１０
（ｌ）１０≦ＷＰ≦１０００
（ｍ）０≦ＣＧＡＳ≦２０
【００８１】
なお、上述のパラメータは以下の関係を満たしている。
（ｏ） Ｇ１≦Ｇ２
（ｐ） Ｔ１≦Ｔ２
【００８２】
パラメータが少なくとも上述の範囲を満たす場合には、実用的に動作を行うトランジスタを製造可能な酸化物化合物材料が製造できるものと考えられる。
【実施例】
【００８３】
（共通条件）
上述の酸化物化合物材料Ｘを上述の製造方法で基板１上に堆積し、薄膜トランジスタ１０を製造した。酸化亜鉛粉末（ＺｎＯ）としては、株式会社高純度化学製、純度９９．９９％を用い、酸化錫粉末（ＳｎＯ２）としては株式会社高純度化学製、純度９９．９９％を用いた。乾式ボールミルには、直径５ｍｍのジルコニア製のボールを用いた。
【００８４】
なお、膜厚や膜特性のモニタのためにガラス基板（コーニング社製１７３７）を用意して、同スパッタリング装置内に設置した。成膜前処理として、この基板の超音波脱脂洗浄を行った。
【００８５】
（実施例１の実験条件）
（１−１）酸化物ターゲットの製造条件
・Ｍ１／Ｍ２＝２
・Ｔ１＝９００（℃）
・Ｈ１＝５（時間）
・Ｇ１＝５００（ｋｇ／ｃｍ２）
・Ｇ２＝１６００（ｋｇ／ｃｍ２）
・Ｐ１＝１０１３（ｈＰａ）
・Ｔ２＝１２００（℃）
・Ｈ２＝５（時間）
【００８６】
製造した酸化物ターゲット（Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ焼結体）の密度は５．４３ｇ／ｃｍ３であった。このようにして得られた焼結体の両面を平面研削盤で磨き、直径７６．２ｍｍ、厚み６ｍｍに加工し、インジウム系合金を用いてバッキングプレートにボンディングして、酸化物ターゲットを作製した。
【００８７】
（１−２）基板の製造条件
・ゲート電極材料：Ｓｉ
・ゲート絶縁膜材料：ＳｉＯ２
・ソース及びドレイン電極材料：Ａｕ／Ｃｒ
・チャネル長Ｌ＝２０μｍ
・チャネル幅Ｗ＝１ｍｍ
【００８８】
（１−３）成膜条件
・製造方法：ＲＦスパッタ法
・ターゲット：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ焼結体
・ガス種Ｒ１：Ａｒ−Ｏ２混合ガス
・酸素濃度ＣＧＡＳ：１ｖｏｌ％
・チャンバ内圧力Ｐ２：０．５Ｐａ
・基板温度Ｔ３：２００℃
・スパッタ電力ＷＰ：５０Ｗ
・堆積時間Ｈ３：１時間
【００８９】
（評価方法及び評価結果）
得られた薄膜に関し、Ｘ線回折を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＺｎ−Ｓｎ−Ｏ膜（半導体層２）の結晶性は非晶質であることが示された。半導体層２の膜厚は、１０３．７ｎｍであった。また、ガラス基板に形成した薄膜は目視において透明であった。また、ガラス基板を含んだ波長５５０ｎｍの透過率は８７．８％であり、波長３８０ｎｍから７８０ｎｍまでの平均の透過率は８５．２％であった。また、得られた薄膜の比抵抗及び移動度は、ホール測定にて求めた。得られたＺｎ−Ｓｎ−Ｏアモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度は、３．０８×１０１６／ｃｍ３で、電子移動度は、５．３６ｃｍ２／Ｖｓであった。
【００９０】
（実施例１の膜特性）
上述の通り、実施例１で形成された半導体層の膜特性は以下の通りである。
・半導体層材料：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（化合物）
・結晶性：非晶質
・膜厚：１０３．７ｎｍ
・電子キャリア濃度ＣＸ：３．０８×１０１６／ｃｍ３
・電子移動度μＸ：５．３６ｃｍ２／Ｖｓ
・比抵抗ρＸ：３．６７Ωｃｍ
・シート抵抗ＲＸ：３．５４×１０５Ω／ｓｑ．
【００９１】
（実施例１のＴＦＴのＩＶ特性）
形成された半導体層内部に位置するソース電極及びドレイン電極に、半導体層の表面からプローブを立てて、プローブ先端を各電極に接触させ、ＴＦＴのＩＶ特性を測定した。
【００９２】
図３は、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Ｖｄの増加に伴い、ドレイン電流Ｉｄ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、非晶質のＺｎ−Ｓｎ−Ｏ系酸化物膜がＮ型伝導体であるという事実と矛盾しない。ドレイン電流Ｉｄは、ドレイン電圧Ｖｄ＝３０Ｖ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。
【００９３】
また、ゲート電圧Ｖｇ＝６０Ｖ時には、ドレイン電流Ｉｄ＝９×１０−３Ａの電流が流れた。これはゲートバイアス電位により、半導体層内にキャリアを誘起できたことに対応する。
【００９４】
最大電流Ｉｍａｘは１０ｍＡ、逆方向のリーク電流も０．０１μＡ以下であり、良好なトランジスタ特性を示した。トランジスタのオン・オフ時のドレイン電流比は、１×１０６以上であった。また、ゲート電圧とドレイン電流の関係を示すトランジスタの伝達特性の飽和領域から算出される移動度は約１０ｃｍ２／Ｖｓであった。
【００９５】
（実施例２の実験条件）
スパッタ時における酸素濃度ＣＧＡＳを０．１ｖｏｌ％とした以外は、実施例１と同一の条件でＴＦＴを作製した。
【００９６】
（評価方法及び評価結果）
得られた膜に関し、Ｘ線回折を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＺｎ−Ｓｎ−Ｏ膜（半導体層２）の結晶性は非晶質であることが判明した。膜厚は、１０５．５ｎｍであった。ガラス基板（コーニング社製１７３７）上に成膜した膜は目視において透明であった。スパッタリングの結果、得られた透明導電性薄膜の比抵抗及び移動度は、ホール測定にて求めた。得られた半導体層の電子キャリア濃度は、４．６４×１０１７／ｃｍ３で、電子移動度は、１０．８ｃｍ２／Ｖｓであった。
【００９７】
（実施例２の膜特性）
実施例２で形成された半導体層の膜特性は以下の通りである。
・半導体層材料：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（化合物）
・結晶性：非晶質
・膜厚：１０５．５ｎｍ
・電子キャリア濃度ＣＸ：４．６４×１０１７／ｃｍ３
・電子移動度μＸ：１０．８ｃｍ２／Ｖｓ
・比抵抗ρＸ：１．２５Ωｃｍ
・シート抵抗ＲＸ：１．１８×１０５Ω／ｓｑ．
【００９８】
（実施例２のＴＦＴのＩＶ特性）
図４は、室温下で測定したＴＦＴ素子の電流−電圧特性を示す。測定方法は、実施例１と同一である。実施例２によれば、酸素濃度が０．１ｖｏｌ％の場合においても、実施例１ほどではないものの、良好なトランジスタ特性を有するＴＦＴ素子を作製できた。
【００９９】
（実施例３の実験条件）
スパッタ時における酸素濃度ＣＧＡＳを１０ｖｏｌ％とした以外は、実施例１と同一の条件でＴＦＴを作製した。
（評価方法及び評価結果）
得られた膜に関し、Ｘ線回折を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＺｎ−Ｓｎ−Ｏ膜（半導体層２）の結晶性は非晶質であることが示された。半導体層２の膜厚は、８９ｎｍであった。ガラス基板（コーニング社製１７３７）上に成膜した膜は目視において透明であった。スパッタリングの結果、得られた透明導電性薄膜の比抵抗及び移動度は、ホール測定にて求めた。得られた半導体層の電子キャリア濃度は、５．４５×１０１５／ｃｍ３であり、電子移動度は、５．０２ｃｍ２／Ｖｓであった。
【０１００】
（実施例３の膜特性）
実施例３で形成された半導体層の膜特性は以下の通りである。
・半導体層材料：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（化合物）
・結晶性：非晶質
・膜厚：８９ｎｍ
・電子キャリア濃度ＣＸ：５．４５×１０１５／ｃｍ３
・電子移動度μＸ：５．０２ｃｍ２／Ｖｓ
・比抵抗ρＸ：２．２８×１０２Ωｃｍ
・シート抵抗ＲＸ：２．５６×１０７Ω／ｓｑ．
（実施例３のＴＦＴのＩＶ特性）
【０１０１】
図５は、室温下で測定したＴＦＴ素子の電流−電圧特性を示す。測定方法は、実施例１と同一である。実施例３によれば、酸素濃度ＣＧＡＳが１０ｖｏｌ％の場合においても、実施例１ほどではないものの、良好なトランジスタ特性を有するＴＦＴ素子を作製できた。
【０１０２】
（比較例１の実験条件）
【０１０３】
スパッタ時における酸素濃度ＣＧＡＳを０ｖｏｌ％とした以外は、実施例１と同一の条件でＴＦＴを作製した。
【０１０４】
（評価方法及び評価結果）
得られた膜に関し、Ｘ線回折を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＺｎ−Ｓｎ−Ｏ膜（半導体層２）の結晶性は非晶質であることが示された。膜厚は１１１．７ｎｍであった。ガラス基板（コーニング社製１７３７）上に成膜した膜は目視において透明であった。スパッタリングの結果、得られた透明導電性薄膜の比抵抗及び移動度は、ホール測定にて求めた。得られた半導体層の電子キャリア濃度は、６．５１×１０１８／ｃｍ３で、電子移動度は、１４．９ｃｍ２／Ｖｓであった。
【０１０５】
（比較例１の膜特性）
比較例１で形成された半導体層の膜特性は以下の通りである。
・半導体層材料：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（化合物）
・結晶性：非晶質
・膜厚：１１１．７ｎｍ
・電子キャリア濃度ＣＸ：６．５１×１０１８／ｃｍ３
・電子移動度μＸ：１４．９ｃｍ２／Ｖｓ
・比抵抗ρＸ：６．４０×１０−２Ωｃｍ
・シート抵抗ＲＸ：５．７３×１０３Ω／ｓｑ．
【０１０６】
（比較例１のＴＦＴのＩＶ特性）
得られたＴＦＴは、トランジスタ特性を示さなかった。半導体層内のキャリア濃度が高すぎて、ソース・ドレイン間で電流がリークしてしまったためと考えられる。
【０１０７】
（実施例４の実験条件）
実施例１において得られた酸化物ターゲットをスパッタリング装置のチャンバ内に設置し、バナジウム（Ｖ）のチップ（株式会社高純度化学製、純度９９．９％、５×５×ｔ１ｍｍ）を酸化物ターゲットのエロージョン部の円周に沿って等間隔に８枚固定して設置し、Ａｒガスをスパッタリング装置内に導入した以外は、実施例１と同一の条件で、薄膜を形成した。すなわち、スパッタ時における酸素濃度ＣＧＡＳは０ｖｏｌ％である。
【０１０８】
すなわち、実施例４の成膜条件は、以下の通りである。
・製造方法：ＲＦスパッタ法
・ターゲット：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ焼結体＋Ｖチップ
・ガス種Ｒ２：Ａｒガス
・酸素濃度ＣＧＡＳ：０ｖｏｌ％
・チャンバ内圧力Ｐ２：０．５Ｐａ
・基板温度Ｔ３：２００℃
・スパッタ電力ＷＰ：５０Ｗ
・堆積時間Ｈ３：１時間
【０１０９】
（評価方法及び評価結果）
得られた膜を酸で溶かして、ＩＣＰ−ＡＥＳ（誘導結合プラズマ発光分光分析法）で金属元素の定量を行ったところ、Ｖは酸化膜中の金属元素（Ｓｎ、Ｚｎ、Ｖ）に対して０．５４重量％、０．９３モル％含まれていた。すなわち、半導体層中の酸素を除く全構成元素に対するドーパントのモル比ＣＤＯＰＡＮＴ（ＣＤＯＰＡＮＴ＝（（Ｖのモル数）／（Ｖのモル数＋Ｚｎのモル数＋Ｓｎのモル数））×１００％）は０．９３モル％であった。
【０１１０】
得られた膜に関し、Ｘ線回折を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したバナジウムドープのＺｎ−Ｓｎ−Ｏ系膜（半導体層）の結晶性は非晶質であることが示された。この半導体層の膜厚は、１１５．８ｎｍであった。ガラス基板（コーニング社製１７３７）上に成膜した膜は目視において透明であった。また、ガラス基板を含んだ波長５５０ｎｍの透過率は８９．３％であり、波長３８０ｎｍから７８０ｎｍまでの平均の透過率は８５．１％であった。
【０１１１】
スパッタリングの結果、得られた透明導電薄膜の比抵抗、キャリア濃度及び移動度は、ホール測定にて求めた。得られたバナジウムドープのＺｎ−Ｓｎ−Ｏ膜の比抵抗は、１．０６Ωｃｍ、電子キャリア濃度は３．４５×１０１７／ｃｍ３で、電子移動度は１７．１ｃｍ２／Ｖｓであった。
【０１１２】
（実施例４の膜特性）
・実施例４で形成された半導体層の膜特性は以下の通りである。
・半導体層材料：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（化合物）
・結晶性：非晶質
・膜厚：１１５．８ｎｍ
・電子キャリア濃度ＣＸ：３．４５×１０１７／ｃｍ３
・電子移動度μＸ：１７．１ｃｍ２／Ｖｓ
・シート抵抗ＲＸ：９．１４×１０４Ω／ｓｑ．
・ドーパント含有率ＣＤＯＰＡＮＴ：０．９３モル％
【０１１３】
バナジウムの効果により、移動度を大きく下げることなく、キャリア濃度を良好なトランジスタ特性が得られる１０１８／ｃｍ３以下にすることができた。また、電子キャリア濃度は、ドーピング元素のドーピング濃度が増えれば増えるほど、減っていく傾向にあることを見出しており、このことにより電子キャリア濃度の制御が可能である。なお、ドーパント含有率ＣＤＯＰＡＮＴの好適な範囲は、以下の通りである。
０モル％＜ＣＤＯＰＡＮＴ≦１０モル％
【０１１４】
ＣＤＯＰＡＮＴが下限値以上の場合には適正値までキャリア濃度を減らすという効果があり、上限値以下の場合にはキャリア濃度を減らし過ぎない、ドーピングの為の固溶がうまく起こり析出相や偏析相を生じない、ドーパント濃度分布の不均一性が生じないなどの効果がある。
【０１１５】
また、以下の表はＧaとＦの場合を除いて、金属（半導体）チップ（縦横寸法５ｍｍ×５ｍｍ、厚み＝１ｍｍ）１枚を酸化物ターゲットのエロージョン部に固定して設置し、Ａｒガスをスパッタリング装置内に導入した以外は、実施例１と同様にして、成膜した薄膜のシート抵抗を測定した結果である。
【０１１６】
ドーピング元素がＧaの場合は、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）の焼結体ペレット（直径１０ｍｍφ、厚み＝３ｍｍ）1個を、ドーピング元素がＦの場合は、フッ化亜鉛（ＺｎＦ２）とフッ化スズ（ＳｎＦ４）をドープしたＺｎ２ＳｎＯ４の焼結体ペレット（直径１０ｍｍφ、厚み＝３ｍｍ）1個を酸化物ターゲットのエロージョン部に固定して設置し、Ａｒガスをスパッタリング装置内に導入した以外は、実施例１と同様にして、成膜した薄膜のシート抵抗を測定した結果である。
【０１１７】
以下のドーピング元素（Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｆ、Ｃｕ、Ｐｔ）を用いれば、上記のＶと同様の効果を得ることができる。なお、以下の表ではＶも示している。
【表１】
【０１１８】
（実施例４のＴＦＴのＩＶ特性）
実施例４のトランジスタにおいても、ノーマリーオフの状態が観察された。
【０１１９】
なお、上述のように、電解効果型トランジスタの製造のしやすさなどから、酸化物半導体材料Ｘは、さらにドーピング元素を含有されてなる酸化物であることが好ましい。すなわち、ドーピング元素を用いた場合には、酸化物半導体材料Ｘ内のキャリア濃度の制御性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】薄膜トランジスタ１０の平面図である。
【図２】図１に示した薄膜１０のＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。
【図３】実施例１のＴＦＴのＩＶ特性を示すグラフである。
【図４】実施例２のＴＦＴのＩＶ特性を示すグラフである。
【図５】実施例３のＴＦＴのＩＶ特性を示すグラフである。
【図６】酸素濃度と電子キャリア濃度の関係を示すグラフである。
【図７】酸素濃度と電子キャリア濃度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２１】
１Ｇ・・・ゲート電極、１Ｃ・・・ゲート絶縁層、１Ｓ・・・ソース電極、１Ｄ・・・ドレイン電極、２・・・半導体層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体活性層として機能する酸化物半導体材料及びその製造方法、及びこれを用いた電界効果トランジスタ等の電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化物半導体材料は、電界効果トランジスタ等の電子デバイスの材料として用いられている。電界効果トランジスタとしては、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等が例示され、これらの電子デバイスは、液晶ディスプレイやＥＬの駆動素子として用いられている。従来のＴＦＴでは、ガラス基板上に非晶質（アモルファス）や多結晶のＳｉ層を形成し、このＳｉ層の両端にソース電極及びドレイン電極を設け、Ｓｉ層の中央又は裏面側にゲート電極を設けている。このような電子デバイスに適用できる材料として、幾つかのものが試みられている。
【０００３】
特許文献１には、基板上に、下地膜、ＺｎＯからなる酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、及びゲート電極を順次形成してなるＴＦＴが開示されている。ＺｎＯを材料とした酸化物半導体膜は、結晶の形成温度を低減することができる。なお、ＺｎＯにおいては、酸素欠陥が発生しやすく、キャリア電子が多数発生する。
【０００４】
特許文献２には、ＺｎｘＭｙＩｎｚＯ（ｘ＋３ｙ／２＋３ｚ／２）（ＭはＡｌ又はＧａ：ｘ，ｙ，ｚは、適当な係数）からなる非晶質酸化物膜の電極材料が開示されており、この非晶質酸化物膜の電子キャリア濃度は１×１０１８／ｃｍ３以上であり、透明電極として好適とされる。すなわち、このようなＩｎを含有する酸化物においては、キャリア電子が多数発生しやすいことを利用して、導電性の高い膜の形成を行うことが知られている。
【０００５】
特許文献３には、電子キャリア濃度が１×１０１８／ｃｍ３未満の非晶質酸化物膜をチャネル（半導体活性層）に用いたＴＦＴが開示されている。具体的には、非晶質酸化物膜としてＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは、適当な係数）を用いている。すなわち、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍの場合には、成膜時の酸素雰囲気の条件を制御することで、電子キャリア濃度を１×１０１８／ｃｍ３未満とすることが可能である旨が記載されている。さらには、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が好ましいとの知見が開示され、より具体的には、酸素分圧６．５Ｐａ未満の雰囲気で、透明アモルファス酸化物薄膜を作製して、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ことが開示されている。
【０００６】
特許文献４には、チャネルの少なくとも一部がＺｎｘＳｎｙＯｚから形成されたＴＦＴが開示されており、これは電子キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ３を超えるものである。
【０００７】
すなわち、従来の電子デバイスでは、例えばＴＦＴにおけるチャネルの酸化物半導体材料として、ＺｎＯ（特許文献１）、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（特許文献３）、ＺｎｘＳｎｙＯｚ（特許文献４）が知られており、また、例えば、透明電極材料等の酸化物半導体材料としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）が代表的であり、他にも、ＺｎｘＭｙＩｎｚＯ（ｘ＋３ｙ／２＋３ｚ／２）（特許文献２）、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（特許文献３）等のＩｎを含有する酸化物半導体材料が知られている。
【特許文献１】特開２００３−２９８０６２号公報
【特許文献２】特開２０００−０４４２３６号公報
【特許文献３】特開２００６−１６５５３２号公報
【特許文献４】特表２００６−５２８８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、これらに提案されている酸化物半導体材料においては、電子キャリア濃度は低くし難く、半導体というよりもむしろ導電体の特性を示してしまう点、換言すれば、従来の上記酸化物半導体材料においては、導電率を低くし難いことにより、バイアス条件によって導体及び絶縁体双方の機能を有する半導体として機能し難い点で十分とは言えず、このような酸化物半導体材料を例えば電界効果トランジスタにおけるチャネル（半導体活性層）に用いた場合には、それがチャネルとして十分に機能するノーマリーオフの電界効果トランジスタを得ることが困難であった。また、酸化物半導体材料に含有され、用いられることがあったＩｎは、希少金属資源であることから、Ｉｎを含有しない酸化物半導体材料が求められていた。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、実用に耐え得る酸化物半導体材料、これを用いた電界効果トランジスタ等の電子デバイス、及び酸化物半導体材料の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る酸化物半導体材料、電界効果トランジスタ等の電子デバイス及び酸化物半導体材料の製造方法は以下の構成を備えることを特徴とする。
【００１１】
第１の発明に係る酸化物半導体材料は、Ｚｎ及びＳｎを含有し、Ｉｎを含有せず、且つ、電子キャリア濃度が１×１０１５／ｃｍ３より大きく１×１０１８／ｃｍ３未満であることを特徴とする。
【００１２】
第２の発明に係る酸化物半導体材料は、ドーパントを更に含有することを特徴とする。
【００１３】
第３の発明に係る酸化物半導体材料においては、ドーパントは、Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｖ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｓｉ及びＦからなる元素群から選択される元素を少なくとも１種含有することを特徴とする。
【００１４】
第４の発明に係る酸化物半導体材料は、非晶質であることを特徴とする。
【００１５】
第５の発明に係る電子デバイスは、酸化物半導体材料からなる半導体層と、半導体層に設けられた電極とを備えることを特徴とする。
【００１６】
第６の発明に係る電界効果トランジスタは、酸化物半導体材料からなる半導体層と、半導体層に設けられ互いに離隔したソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間に位置する半導体層の領域に、バイアス電位を与えることが可能な位置に設けられたゲート電極とを備えることを特徴とする。
【００１７】
第７の発明に係る酸化物半導体材料の製造方法は、Ｚｎ及びＳｎを含有する酸化物ターゲットを用意する工程と、基板をチャンバ内に配置する工程と、酸化物ターゲットをチャンバ内に配置する工程と、チャンバ内に配置された酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすることによりターゲット材料を基板上に堆積する工程とを備え、スパッタ時において、酸化物ターゲットと同時にスパッタされる位置に、ドーパント材料が更に配置されていることを特徴する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の酸化物半導体材料によれば、実用に耐え得る低電子キャリア濃度を有しており、その製造方法によればかかる酸化物半導体材料を容易に製造することができ、この酸化物半導体材料を用いた電界効果トランジスタ等の電子デバイスは実用的に用いることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
第１の発明に係る酸化物半導体材料は、Ｚｎ及びＳｎを含有し、Ｉｎを含有せず、且つ、電子キャリア濃度が１×１０１５／ｃｍ３より大きく１×１０１８／ｃｍ３未満であることを特徴とする。
【００２０】
本願発明者らによって、Ｉｎを含有していないにも拘わらず、電子キャリア濃度が１×１０１５／ｃｍ３より大きく１×１０１８／ｃｍ３未満であるＺｎ−Ｓｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料が提供された。この酸化物半導体材料によれば、電子キャリア濃度が適切な範囲にあり、このような酸化物半導体材料を用いた場合には、半導体活性層として十分に機能することから、特にノーマリーオフの電界効果トランジスタ等の電子デバイスに好適に用いることができる。
【００２１】
第２の発明に係る酸化物半導体材料は、ドーパントを更に含有することを特徴とする。
【００２２】
酸化物半導体材料は、酸素を既に含有しているが、酸素以外の元素であるドーパントを更に含有することにより、低い電子キャリア濃度、すなわち十分に高いシート抵抗を有する、より実用的な酸化物半導体材料を得ることができる。
【００２３】
第３の発明に係る酸化物半導体材料においては、ドーパントは、Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｖ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｓｉ及びＦからなる元素群から選択される元素を少なくとも１種含有することを特徴とする。
【００２４】
これらの元素をドーパントとして用いた場合、十分に高いシート抵抗を有するより実用的な酸化物半導体材料を得ることができる。
【００２５】
第４の発明に係る酸化物半導体材料は、非晶質であることを特徴とする。
【００２６】
すなわち、酸化物半導体材料が非晶質の場合には、高いシート抵抗を有する酸化物半導体材料を得ることができ、好ましい。
【００２７】
第５の発明に係る電子デバイスは、酸化物半導体材料からなる半導体層と、半導体層に設けられた電極とを備えることを特徴とする。
【００２８】
この電子デバイスは、酸化物半導体材料が上述のように十分な特性を有するので、電極を通じて半導体層内を流れる電流をバイアス電位によって制御することができ、好ましい。
【００２９】
第６の発明に係る電界効果トランジスタは、酸化物半導体材料からなる半導体層と、半導体層に設けられ互いに離隔したソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間に位置する半導体層の領域に、バイアス電位を与えることが可能な位置に設けられたゲート電極とを備えることを特徴とする。
【００３０】
この電界効果トランジスタでは、ソース電極とドレイン電極との間に位置する半導体層に所定のバイアス電位を与えると、ソースとドレインの間にチャネルが形成され、ソースとドレインの間に電流が流れる。半導体層のこの領域の抵抗は、上記の如く、バイアス電位を与えない状態では高いため、十分に電界効果トランジスタとして機能させることができ、好ましい。また、本発明における酸化物半導体材料を、液晶ディスプレイ等の画素内に形成されるＴＦＴに用いる場合には、該酸化物半導体材料が透明となることにより、画素の実質的な開口率を増加させることができる。
【００３１】
本発明において、酸化物半導体材料は、Ｚｎ及びＳｎを含有する酸化物ターゲットを用意する工程と、基板をチャンバ内に配置する工程と、酸化物ターゲットをチャンバ内に配置する工程と、チャンバ内に配置された酸化物ターゲットを希ガスでスパッタし、スパッタされたターゲット材料を基板上に堆積する工程とを備え、上記スパッタ時において、チャンバ内に酸素ガスを導入する工程を更に備え、希ガスと酸素ガスの混合ガス中に含まれる酸素ガスの体積の割合を適宜設定することにより、製造することができる。
【００３２】
酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすると、ターゲット材料が基板上に堆積される。スパッタ時には酸素ガスがチャンバ内に希ガスと共に導入されていてもよい。
【００３３】
第７の発明に係る酸化物半導体材料の製造方法は、Ｚｎ及びＳｎを含有する酸化物ターゲットを用意する工程と、基板をチャンバ内に配置する工程と、酸化物ターゲットをチャンバ内に配置する工程と、チャンバ内に配置された酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすることによりターゲット材料を基板上に堆積する工程とを備え、スパッタ時において、酸化物ターゲットと同時にスパッタされる位置に、ドーパント材料が更に配置されていることを特徴する。ドーパント材料としては、前記のドーパントからなる材料、前記のドーパントを含有する酸化物、フッ化物などが例示される。
【００３４】
酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすると、ターゲット材料が基板上に堆積される。このターゲット内又はその近傍にはドーパント材料が配置されているので、スパッタして製造された酸化物半導体材料には当該ドーパントが更に含有されている。したがって、酸化物半導体材料は、電子デバイスの実用に耐えるシート抵抗を有することとなり、好ましい。このドーパントの元素としては、上述のものを採用することができる。
【００３５】
以下、実施の形態に係る酸化物半導体材料及びこれを用いた薄膜トランジスタ（電界効果トランジスタ：電子デバイス）について、より具体的に説明する。なお、説明において、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００３６】
図１は薄膜トランジスタ１０の平面図であり、図２は図１に示した薄膜１０のＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。
【００３７】
ゲート電極１Ｇ上に、ゲート絶縁層１Ｃ、及び、離隔配置されたソース電極１Ｓ及びドレイン電極１Ｄが順次積層され、基板１を構成している。基板１上には、酸化物半導体材料Ｘからなる半導体層２が堆積されている。ソース電極１Ｓとドレイン電極１Ｄとの間の半導体層２の領域は、薄膜トランジスタ１０のチャネルとして機能する。
【００３８】
薄膜トランジスタ１０のソース電極１Ｓとドレイン電極１Ｄとの間の距離であるチャネル長Ｌ、ソース電極１Ｓ又はドレイン電極１Ｄの幅であるチャネル幅Ｗは、本例では、以下のように設定されている。
・チャネル長Ｌ＝２０μｍ
・チャネル幅Ｗ＝１ｍｍ
【００３９】
この薄膜トランジスタ１０は、Ｎ型の酸化物半導体材料Ｘからなる半導体層２と、半導体層２に設けられた電極（ソース電極１Ｓ又はドレイン電極１Ｄ）とを備えている。薄膜トランジスタ１０は、酸化物半導体材料Ｘが下記のように十分な特性を有するので、電極を通じて半導体層２内を流れる電流をバイアス電位によって制御することができる。半導体層２と一方の電極とをショットキ接触させ、他方の電極をオーミック接触させれば、双方の電極間の印加電圧に応じて酸化物半導体材料Ｘ内を流れる電流を制御することができる電子デバイスとして、ショットキダイオードを構成することができる。
【００４０】
なお、本例では、この電子デバイスは薄膜トランジスタ１０であり、酸化物半導体材料からなる半導体層２と、半導体層２に設けられ互いに離隔したソース電極１Ｓ及びドレイン電極１Ｄと、ソース電極１Ｓとドレイン電極１Ｄとの間に位置する半導体層２の領域に、バイアス電位を与えることが可能な位置に設けられたゲート電極１Ｇとを備えている。
【００４１】
薄膜トランジスタ１０では、ソース電極１Ｓとドレイン電極１Ｄとの間に位置する半導体層２に所定のバイアス電位を与えると、ソースとドレインの間にチャネルが形成され、ソースとドレインの間に電流が流れる。半導体層２のこの領域の抵抗は、上記の如く、バイアス電位を与えない状態では高いため、十分に電界効果トランジスタとして機能させることができる。
【００４２】
ソース電極１Ｓ及びドレイン電極１Ｄに接触する半導体領域はＮ型であり、通常は半導体層の抵抗によってＮ型のチャネルには電流が流れず、ゲート電圧の印加によって、チャネル断面積が増加し、ゲート電圧の増加に伴ってチャネルを流れる電流量が増加する。本例では、半導体層の抵抗値は十分に高く、実質的にノーマリーオフ型の薄膜トランジスタとして機能している。
【００４３】
ソース電極１Ｓ及びドレイン電極１Ｄと半導体層２とは、オーミック接触しているものとし、この接触領域がソース及びドレインを構成しているものとする。なお、本実施形態の半導体層と、Ａｕのフェルミレベルは比較的類似しており、電荷注入の問題は少ないことが、理研計器社製の大気中光電子分光装置ＡＣ２によって確認されている。
【００４４】
薄膜トランジスタ１０を構成する各要素の材料は、以下の通りである。
・ゲート電極１Ｇ：Ｓｉ
・ゲート絶縁層１Ｃ：ＳｉＯ２
・ソース電極１Ｓ：Ａｕ／Ｃｒ
・ドレイン電極１Ｄ：Ａｕ／Ｃｒ
・半導体層２：酸化物半導体材料Ｘ
【００４５】
なお、ゲート電極１Ｇを構成するＳｉには、高濃度にドーパントが添加されており、ゲート電極１Ｇは金属に近い導電性を有している。
【００４６】
次に、酸化物半導体材料Ｘについて説明する。
【００４７】
酸化物半導体材料Ｘは、Ｚｎ及びＳｎを含有する非晶質の化合物半導体であり、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ膜（Ｚｎ：Ｓｎ：Ｏの組成比は２：１：４）からなる。酸化物半導体材料Ｘは、Ｚｎ、Ｓｎ及びＯが化合しているが、Ｉｎは含有しておらず、且つ、電子キャリア濃度ＣＸが１×１０１５／ｃｍ３より大きく１×１０１８／ｃｍ３未満である。なお、Ｉｎを含有していないとは、これを意図的に添加することなく、Ｉｎを実質的に含有していないという意味であり、酸化物半導体材料Ｘ内におけるＩｎの含有量は０．０１重量％未満である。
【００４８】
詳説すれば、酸化物半導体材料Ｘの物性は、ドーパントとしての元素Ｄの存在の有無によって、以下のタイプＩ（元素Ｄを含有せず）と、タイプＩＩ（元素Ｄを含有する）に分類できる。元素Ｄは、酸素以外の元素である。また、半導体層中のＺｎ及びＳｎは主成分であり、これらの各元素の重量の和の全体重量に対する割合はタイプＩ（元素Ｄを含有せず）の場合は、７８重量％以上である。
【００４９】
（タイプＩ）
ドーパントとしての元素Ｄが含有されていない場合には、以下の通りである。なお、Ｖｓはボルト秒を示す単位である。
・構成元素：Ｚｎ，Ｓｎ，Ｏ
・電子キャリア濃度ＣＸ：１×１０１５／ｃｍ３＜ＣＸ＜１×１０１８／ｃｍ３
・膜厚ｔＸ：１０ｎｍ≦ｔＸ≦１０００ｎｍ
・結晶性：非晶質
・シート抵抗ＲＸ：１０４Ω／ｓｑ．≦ＲＸ≦１０９Ω／ｓｑ．
・移動度μＸ：１ｃｍ２／Ｖｓ≦μＸ
・Ｉｎの含有量ＷＩｎ：ＷＩｎ≒０（重量％）
【００５０】
（タイプＩＩ）
酸化物半導体材料Ｘの物性は、ドーパントとしての元素Ｄが含有されている場合には、以下の通りである。
・構成元素：Ｚｎ，Ｓｎ，Ｏ
・電子キャリア濃度ＣＸ：１×１０１５／ｃｍ３＜ＣＸ＜１×１０１８／ｃｍ３
・膜厚ｔＸ：１０ｎｍ≦ｔＸ≦１０００ｎｍ
・結晶性：非晶質
・シート抵抗ＲＸ：１０４Ω／ｓｑ．≦ＲＸ≦１０９Ω／ｓｑ．
・移動度μＸ：１ｃｍ２／Ｖｓ≦μＸ
・Ｉｎの含有量ＷＩｎ：ＷＩｎ≒０（重量％）
・ドーパント：元素Ｄ
・ 元素Ｄの濃度ＣＤ：０モル％＜ＣＤ≦１０モル％
但し、ＣＤ＝（（Ｄのモル数）／（Ｄのモル数＋Ｚｎのモル数＋Ｓｎのモル数））×１００％
【００５１】
本願発明者らによって、初めて、Ｉｎを含有していないにも拘わらず、電子キャリア濃度ＣＸが１×１０１５／ｃｍ３より大きく１×１０１８／ｃｍ３未満であるＺｎ−Ｓｎ−Ｏ系のタイプＩ及びタイプＩＩの酸化物半導体材料Ｘが提供された。この酸化物半導体材料Ｘによれば、電子キャリア濃度ＣＸが低下しているため、キャリアの移動度μＸが実用的に使用できる程度に高くなる。
【００５２】
すなわち、電子キャリア濃度ＣＸが１×１０１８／ｃｍ３未満、１×１０１５／ｃｍ３より大きい場合には、酸化物半導体材料Ｘにおける導電性が適切な範囲となり、バイアスの有無によって導電性と絶縁性が転換する半導体活性層として機能する。
【００５３】
電子キャリア濃度ＣＸの更に好ましい範囲は１０１６／ｃｍ３以上１０１７／ｃｍ３以下であり、ＣＸが下限値以上の場合にはＯＮ電流が大きくなるという効果があり、上限値以下の場合にはＯＦＦ電流が小さくなるという効果があり、ＯＮ電流とＯＦＦ電流の比を大きくすることが出来る。
【００５４】
また、タイプＩＩの酸化物半導体材料Ｘは、酸素以外の元素からなるドーパントとなる元素Ｄを更に含有している。酸化物半導体材料Ｘ内には、酸素が既に含有されているが、酸素以外の元素である元素Ｄを酸化物半導体材料Ｘ内に添加しても、実用的に低い電子キャリア濃度ＣＸ、すなわち十分に高いシート抵抗ＲＸを有する酸化物半導体材料を得ることができる。半導体層の経時安定性、ＴＦＴの製造のしやすさなどから、酸化物半導体材料Ｘは、ドーピング元素Ｄが含有されてなる酸化物であることが好ましい。
【００５５】
元素Ｄとしては、以下の金属元素Ｄ１、半金属元素Ｄ２、及び、非金属元素Ｄ３からなる元素群から選択される少なくとも１種の元素を採用することができる。
（元素Ｄ）
・金属元素Ｄ１：Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｖ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｕ、及びＰｔからなる群から選ばれた少なくとも１種
・半導体元素Ｄ２：Ｓｉ
・非金属元素Ｄ３：Ｆ
【００５６】
上述の元素Ｄをドーパントとして用いた場合、十分に高いシート抵抗を有する酸化物半導体材料を得ることができる。
【００５７】
また、本実施形態の酸化物半導体材料Ｘの結晶性は非晶質である。本願発明者によれば、酸化物半導体材料Ｘが少なくとも非晶質の場合には、実用的な酸化物半導体材料を得ることができる旨が確認できたが、移動度は結晶性の向上に伴って増加するという一般的な傾向があるため、酸化物半導体材料Ｘが多結晶又は単結晶であっても十分な移動度を有するものと考えられる。
【００５８】
上述の酸化物半導体材料は、以下の（工程１）〜（工程４）を順次実行することによって製造される。なお、工程２と工程３の順番は逆にすることができる。
（工程１）Ｚｎ及びＳｎを含有する酸化物ターゲットを用意する工程
（工程２）基板をチャンバ内に配置する工程
（工程３）酸化物ターゲットをチャンバ内に配置する工程
（工程４）チャンバ内に配置された酸化物ターゲットを希ガスでスパッタし、スパッタされたターゲット材料を基板上に堆積する工程
【００５９】
（タイプＩ）
ここで、（タイプＩ）の場合、（工程４）におけるスパッタ時において、チャンバ内に酸素ガスが導入されている。希ガスと酸素ガスの混合ガス中に含まれる酸素ガスの体積の割合ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）は、０％よりも大きく２０％以下とすればよい。また、（タイプＩＩ）の場合には、ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）は、０％以上２０％以下とすればよい。
【００６０】
酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすると、ターゲット材料が基板上に堆積される。スパッタ時には酸素ガスがチャンバ内に希ガスと共に導入されている。
【００６１】
Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料から構成される膜は、酸素空孔が生じるとこの酸素空孔は電子キャリアを生じさせるが、膜形成時であるスパッタ時に酸素ガスが所定量導入されているので、酸素空孔が減少し、したがって、電子キャリア濃度が実用に耐える程度に低下する。
【００６２】
図６は、酸素濃度ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）と電子キャリア濃度（ｃｍ−３）の関係を示すグラフであり、ＣＧＡＳが０ｖｏｌ％〜０．１ｖｏｌ％の場合を示している。また、図７も、酸素濃度ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）と電子キャリア濃度（ｃｍ−３）の関係を示すグラフであり、ＣＧＡＳが０ｖｏｌ％〜１０ｖｏｌ％の場合を示している。
【００６３】
ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）が０．１ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下の場合には、半導体層２は無バイアス時に十分な絶縁性を有していることが確認されており、上記のように、０ｖｏｌ％、０．１ｖｏｌ％、１ｖｏｌ％、１０ｖｏｌ％の場合の電子キャリア濃度の関係をグラフ化して電子キャリア濃度を予測すると、酸素濃度ＣＧＡＳが０．０７ｖｏｌ％以上の場合にはリークが生じない程度の電子キャリア濃度（＝１×１０１８ｃｍ−３）以下にすることが予測され、酸素濃度ＣＧＡＳが２０ｖｏｌ％以下の場合にはＯＮ電流を大きく出来るという効果がある。
【００６４】
ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）は０．５ｖｏｌ％以上５ｖｏｌ％以下である場合が更に好ましく、この場合には、ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）が下限値以上の場合にはさらにＯＦＦ電流を小さく出来るという効果があり、上限値以下の場合にはさらにＯＮ電流を大きく出来るという効果がある。特に、ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）が１ｖｏｌ％以上では、電子キャリア濃度の濃度に対する変化率が急激に低下しており、電子キャリア濃度を高精度に制御することができる。
【００６５】
（タイプＩＩ）
また、（タイプＩＩ）の場合、ターゲット内又はその近傍には酸素以外のドーパントが配置されており、スパッタされたターゲット材料内には当該ドーパントが更に含有されている。酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすると、ターゲット材料が基板上に堆積される。このターゲット材料にはドーパントが更に含有されているので、堆積されたターゲット材料は、電子デバイスの実用に耐えるシート抵抗を有することとなる。このドーパントの元素としては、上述のものを採用することができる。
【００６６】
また、（タイプＩＩ）の場合、酸素を含まない希ガスでスパッタした時に、酸化物半導体材料中の電子キャリア濃度が最適になるように酸化物半導体材料中にドーパントが含有されるようにしても良いし、酸化物半導体材料中のドーパントを少なくして、酸素を含まない希ガスでスパッタした時は、電子キャリア濃度が多くなってしまうが、酸素を含ませた希ガス中でスパッタすることにより電子キャリア濃度を減らして酸化物半導体材料中の電子キャリア濃度を最適値になるようにしても良い。
【００６７】
以下、各工程について、詳説する。
【００６８】
（工程１）：酸化物ターゲット製造工程
【００６９】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）粉末および酸化錫（ＳｎＯ２）粉末をＺｎ：Ｓｎのモル比がＭ１：Ｍ２となるように秤量し、乾式ボールミルにより混合する。得られた混合粉末をアルミナ製のルツボに入れて酸素雰囲気中においてＴ１（℃）でＨ１（時間）保持して仮焼し、乾式ボールミルにより粉砕する。得られた仮焼粉末を、金型を用いて一軸プレスによりＧ１（ｋｇ／ｃｍ２）の圧力で円板状に成形した後、さらに、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）でＧ２（ｋｇ／ｃｍ２）の圧力で加圧する。得られた成形体を酸素雰囲気中において、圧力Ｐ１（ｈＰａ）、Ｔ２（℃）でＨ２（時間）保持して焼成して焼結体を得る。得られた焼結体の両面を平面研削盤で磨き、酸化物ターゲットを作製する。
【００７０】
なお、タイプＩＩの酸化物半導体材料の製造時においては、酸化亜鉛粉末及び酸化錫粉末に加えて元素Ｄ（又はその酸化物）の粉末を、最初の混合時に混合するか、或いは、スパッタ時において、元素Ｄを含有するチップをターゲットの近傍に配置する。
【００７１】
（工程２）：基板準備工程
【００７２】
チャンバは、スパッタ装置のチャンバであり、チャンバ内部にはターゲットの固定部材と、基板１の固定部材が配置されており、これらの固定部材は対向配置されている。基板１は、基板１の固定部材に固定する。なお、基板１の固定部材には、ヒータが設けられており、堆積時の基板温度を調整することができる。
【００７３】
なお、ゲート電極１Ｇ上に、ゲート絶縁層１Ｃ、電極層を順次堆積し、最後の電極層をフォトリソグラフィーでパターニングすることによって、ソース電極１Ｓ及びドレイン電極１Ｄを形成することで、基板１を製造する。
【００７４】
（工程３）：酸化物ターゲット配置工程
【００７５】
酸化物ターゲットは、チャンバ内部のターゲットの固定部材に固定する。酸化物ターゲット及び基板１を固定した後、チャンバを密閉状態とし、真空ポンプを用いて内部の気体を排気し、内部を真空にする。
【００７６】
（工程４）成膜工程
【００７７】
内部が真空になった後、チャンバ内にガス種１（タイプＩ）又はガス種２（タイプＩＩ）を導入し、高周波（ＲＦ）プラズマを発生させて、酸化物ターゲットのスパッタを行い、基板上にターゲット材料を堆積する。本例の希ガスはＡｒであるが、他の種類の希ガスを用いることも可能である。成膜時の条件は以下の通りである。
【００７８】
（タイプＩ）
・製造方法：ＲＦスパッタ法
・ターゲット：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ焼結体
・ガス種Ｒ１：Ａｒ−Ｏ２混合ガス
・ガス種Ｒ１中のＯ２の体積濃度：ＣＧＡＳ（ｖｏｌ％）
・チャンバ内圧力：Ｐ２（Ｐａ）
・基板温度：Ｔ３（℃）
・スパッタ電力：ＷＰ（Ｗ）
・堆積時間：Ｈ３（時間）
【００７９】
（タイプＩＩ）
・製造方法：ＲＦスパッタ法
・ターゲット：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ焼結体＋元素Ｄ含有チップ
・ガス種Ｒ２：Ａｒガス
・チャンバ内圧力：Ｐ２（Ｐａ）
・基板温度：Ｔ３（℃）
・スパッタ電力：ＷＰ（Ｗ）
・堆積時間：Ｈ３（時間）
【００８０】
各パラメータの好適な範囲は以下の通りである。
（ａ）０．５≦Ｍ１／Ｍ２≦３
（ｂ）５００≦Ｔ１≦１２００
（ｃ）１≦Ｈ１≦２４０
（ｄ）１００≦Ｇ１≦１０００
（ｅ）５００≦Ｇ２≦１００００
（ｆ）１０１．３２５≦Ｐ１≦１０１３２．５
（ｇ）１０００≦Ｔ２≦１６００
（ｈ）１≦Ｈ２≦２４０
（ｉ）０．１≦Ｐ２≦１０
（ｊ）ＲＴ（室温＝２６）≦Ｔ３≦１２００
（ｋ）１／６０≦Ｈ３≦１０
（ｌ）１０≦ＷＰ≦１０００
（ｍ）０≦ＣＧＡＳ≦２０
【００８１】
なお、上述のパラメータは以下の関係を満たしている。
（ｏ） Ｇ１≦Ｇ２
（ｐ） Ｔ１≦Ｔ２
【００８２】
パラメータが少なくとも上述の範囲を満たす場合には、実用的に動作を行うトランジスタを製造可能な酸化物化合物材料が製造できるものと考えられる。
【実施例】
【００８３】
（共通条件）
上述の酸化物化合物材料Ｘを上述の製造方法で基板１上に堆積し、薄膜トランジスタ１０を製造した。酸化亜鉛粉末（ＺｎＯ）としては、株式会社高純度化学製、純度９９．９９％を用い、酸化錫粉末（ＳｎＯ２）としては株式会社高純度化学製、純度９９．９９％を用いた。乾式ボールミルには、直径５ｍｍのジルコニア製のボールを用いた。
【００８４】
なお、膜厚や膜特性のモニタのためにガラス基板（コーニング社製１７３７）を用意して、同スパッタリング装置内に設置した。成膜前処理として、この基板の超音波脱脂洗浄を行った。
【００８５】
（実施例１の実験条件）
（１−１）酸化物ターゲットの製造条件
・Ｍ１／Ｍ２＝２
・Ｔ１＝９００（℃）
・Ｈ１＝５（時間）
・Ｇ１＝５００（ｋｇ／ｃｍ２）
・Ｇ２＝１６００（ｋｇ／ｃｍ２）
・Ｐ１＝１０１３（ｈＰａ）
・Ｔ２＝１２００（℃）
・Ｈ２＝５（時間）
【００８６】
製造した酸化物ターゲット（Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ焼結体）の密度は５．４３ｇ／ｃｍ３であった。このようにして得られた焼結体の両面を平面研削盤で磨き、直径７６．２ｍｍ、厚み６ｍｍに加工し、インジウム系合金を用いてバッキングプレートにボンディングして、酸化物ターゲットを作製した。
【００８７】
（１−２）基板の製造条件
・ゲート電極材料：Ｓｉ
・ゲート絶縁膜材料：ＳｉＯ２
・ソース及びドレイン電極材料：Ａｕ／Ｃｒ
・チャネル長Ｌ＝２０μｍ
・チャネル幅Ｗ＝１ｍｍ
【００８８】
（１−３）成膜条件
・製造方法：ＲＦスパッタ法
・ターゲット：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ焼結体
・ガス種Ｒ１：Ａｒ−Ｏ２混合ガス
・酸素濃度ＣＧＡＳ：１ｖｏｌ％
・チャンバ内圧力Ｐ２：０．５Ｐａ
・基板温度Ｔ３：２００℃
・スパッタ電力ＷＰ：５０Ｗ
・堆積時間Ｈ３：１時間
【００８９】
（評価方法及び評価結果）
得られた薄膜に関し、Ｘ線回折を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＺｎ−Ｓｎ−Ｏ膜（半導体層２）の結晶性は非晶質であることが示された。半導体層２の膜厚は、１０３．７ｎｍであった。また、ガラス基板に形成した薄膜は目視において透明であった。また、ガラス基板を含んだ波長５５０ｎｍの透過率は８７．８％であり、波長３８０ｎｍから７８０ｎｍまでの平均の透過率は８５．２％であった。また、得られた薄膜の比抵抗及び移動度は、ホール測定にて求めた。得られたＺｎ−Ｓｎ−Ｏアモルファス酸化物膜の電子キャリア濃度は、３．０８×１０１６／ｃｍ３で、電子移動度は、５．３６ｃｍ２／Ｖｓであった。
【００９０】
（実施例１の膜特性）
上述の通り、実施例１で形成された半導体層の膜特性は以下の通りである。
・半導体層材料：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（化合物）
・結晶性：非晶質
・膜厚：１０３．７ｎｍ
・電子キャリア濃度ＣＸ：３．０８×１０１６／ｃｍ３
・電子移動度μＸ：５．３６ｃｍ２／Ｖｓ
・比抵抗ρＸ：３．６７Ωｃｍ
・シート抵抗ＲＸ：３．５４×１０５Ω／ｓｑ．
【００９１】
（実施例１のＴＦＴのＩＶ特性）
形成された半導体層内部に位置するソース電極及びドレイン電極に、半導体層の表面からプローブを立てて、プローブ先端を各電極に接触させ、ＴＦＴのＩＶ特性を測定した。
【００９２】
図３は、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Ｖｄの増加に伴い、ドレイン電流Ｉｄ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、非晶質のＺｎ−Ｓｎ−Ｏ系酸化物膜がＮ型伝導体であるという事実と矛盾しない。ドレイン電流Ｉｄは、ドレイン電圧Ｖｄ＝３０Ｖ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。
【００９３】
また、ゲート電圧Ｖｇ＝６０Ｖ時には、ドレイン電流Ｉｄ＝９×１０−３Ａの電流が流れた。これはゲートバイアス電位により、半導体層内にキャリアを誘起できたことに対応する。
【００９４】
最大電流Ｉｍａｘは１０ｍＡ、逆方向のリーク電流も０．０１μＡ以下であり、良好なトランジスタ特性を示した。トランジスタのオン・オフ時のドレイン電流比は、１×１０６以上であった。また、ゲート電圧とドレイン電流の関係を示すトランジスタの伝達特性の飽和領域から算出される移動度は約１０ｃｍ２／Ｖｓであった。
【００９５】
（実施例２の実験条件）
スパッタ時における酸素濃度ＣＧＡＳを０．１ｖｏｌ％とした以外は、実施例１と同一の条件でＴＦＴを作製した。
【００９６】
（評価方法及び評価結果）
得られた膜に関し、Ｘ線回折を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＺｎ−Ｓｎ−Ｏ膜（半導体層２）の結晶性は非晶質であることが判明した。膜厚は、１０５．５ｎｍであった。ガラス基板（コーニング社製１７３７）上に成膜した膜は目視において透明であった。スパッタリングの結果、得られた透明導電性薄膜の比抵抗及び移動度は、ホール測定にて求めた。得られた半導体層の電子キャリア濃度は、４．６４×１０１７／ｃｍ３で、電子移動度は、１０．８ｃｍ２／Ｖｓであった。
【００９７】
（実施例２の膜特性）
実施例２で形成された半導体層の膜特性は以下の通りである。
・半導体層材料：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（化合物）
・結晶性：非晶質
・膜厚：１０５．５ｎｍ
・電子キャリア濃度ＣＸ：４．６４×１０１７／ｃｍ３
・電子移動度μＸ：１０．８ｃｍ２／Ｖｓ
・比抵抗ρＸ：１．２５Ωｃｍ
・シート抵抗ＲＸ：１．１８×１０５Ω／ｓｑ．
【００９８】
（実施例２のＴＦＴのＩＶ特性）
図４は、室温下で測定したＴＦＴ素子の電流−電圧特性を示す。測定方法は、実施例１と同一である。実施例２によれば、酸素濃度が０．１ｖｏｌ％の場合においても、実施例１ほどではないものの、良好なトランジスタ特性を有するＴＦＴ素子を作製できた。
【００９９】
（実施例３の実験条件）
スパッタ時における酸素濃度ＣＧＡＳを１０ｖｏｌ％とした以外は、実施例１と同一の条件でＴＦＴを作製した。
（評価方法及び評価結果）
得られた膜に関し、Ｘ線回折を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＺｎ−Ｓｎ−Ｏ膜（半導体層２）の結晶性は非晶質であることが示された。半導体層２の膜厚は、８９ｎｍであった。ガラス基板（コーニング社製１７３７）上に成膜した膜は目視において透明であった。スパッタリングの結果、得られた透明導電性薄膜の比抵抗及び移動度は、ホール測定にて求めた。得られた半導体層の電子キャリア濃度は、５．４５×１０１５／ｃｍ３であり、電子移動度は、５．０２ｃｍ２／Ｖｓであった。
【０１００】
（実施例３の膜特性）
実施例３で形成された半導体層の膜特性は以下の通りである。
・半導体層材料：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（化合物）
・結晶性：非晶質
・膜厚：８９ｎｍ
・電子キャリア濃度ＣＸ：５．４５×１０１５／ｃｍ３
・電子移動度μＸ：５．０２ｃｍ２／Ｖｓ
・比抵抗ρＸ：２．２８×１０２Ωｃｍ
・シート抵抗ＲＸ：２．５６×１０７Ω／ｓｑ．
（実施例３のＴＦＴのＩＶ特性）
【０１０１】
図５は、室温下で測定したＴＦＴ素子の電流−電圧特性を示す。測定方法は、実施例１と同一である。実施例３によれば、酸素濃度ＣＧＡＳが１０ｖｏｌ％の場合においても、実施例１ほどではないものの、良好なトランジスタ特性を有するＴＦＴ素子を作製できた。
【０１０２】
（比較例１の実験条件）
【０１０３】
スパッタ時における酸素濃度ＣＧＡＳを０ｖｏｌ％とした以外は、実施例１と同一の条件でＴＦＴを作製した。
【０１０４】
（評価方法及び評価結果）
得られた膜に関し、Ｘ線回折を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＺｎ−Ｓｎ−Ｏ膜（半導体層２）の結晶性は非晶質であることが示された。膜厚は１１１．７ｎｍであった。ガラス基板（コーニング社製１７３７）上に成膜した膜は目視において透明であった。スパッタリングの結果、得られた透明導電性薄膜の比抵抗及び移動度は、ホール測定にて求めた。得られた半導体層の電子キャリア濃度は、６．５１×１０１８／ｃｍ３で、電子移動度は、１４．９ｃｍ２／Ｖｓであった。
【０１０５】
（比較例１の膜特性）
比較例１で形成された半導体層の膜特性は以下の通りである。
・半導体層材料：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（化合物）
・結晶性：非晶質
・膜厚：１１１．７ｎｍ
・電子キャリア濃度ＣＸ：６．５１×１０１８／ｃｍ３
・電子移動度μＸ：１４．９ｃｍ２／Ｖｓ
・比抵抗ρＸ：６．４０×１０−２Ωｃｍ
・シート抵抗ＲＸ：５．７３×１０３Ω／ｓｑ．
【０１０６】
（比較例１のＴＦＴのＩＶ特性）
得られたＴＦＴは、トランジスタ特性を示さなかった。半導体層内のキャリア濃度が高すぎて、ソース・ドレイン間で電流がリークしてしまったためと考えられる。
【０１０７】
（実施例４の実験条件）
実施例１において得られた酸化物ターゲットをスパッタリング装置のチャンバ内に設置し、バナジウム（Ｖ）のチップ（株式会社高純度化学製、純度９９．９％、５×５×ｔ１ｍｍ）を酸化物ターゲットのエロージョン部の円周に沿って等間隔に８枚固定して設置し、Ａｒガスをスパッタリング装置内に導入した以外は、実施例１と同一の条件で、薄膜を形成した。すなわち、スパッタ時における酸素濃度ＣＧＡＳは０ｖｏｌ％である。
【０１０８】
すなわち、実施例４の成膜条件は、以下の通りである。
・製造方法：ＲＦスパッタ法
・ターゲット：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ焼結体＋Ｖチップ
・ガス種Ｒ２：Ａｒガス
・酸素濃度ＣＧＡＳ：０ｖｏｌ％
・チャンバ内圧力Ｐ２：０．５Ｐａ
・基板温度Ｔ３：２００℃
・スパッタ電力ＷＰ：５０Ｗ
・堆積時間Ｈ３：１時間
【０１０９】
（評価方法及び評価結果）
得られた膜を酸で溶かして、ＩＣＰ−ＡＥＳ（誘導結合プラズマ発光分光分析法）で金属元素の定量を行ったところ、Ｖは酸化膜中の金属元素（Ｓｎ、Ｚｎ、Ｖ）に対して０．５４重量％、０．９３モル％含まれていた。すなわち、半導体層中の酸素を除く全構成元素に対するドーパントのモル比ＣＤＯＰＡＮＴ（ＣＤＯＰＡＮＴ＝（（Ｖのモル数）／（Ｖのモル数＋Ｚｎのモル数＋Ｓｎのモル数））×１００％）は０．９３モル％であった。
【０１１０】
得られた膜に関し、Ｘ線回折を行ったところ、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したバナジウムドープのＺｎ−Ｓｎ−Ｏ系膜（半導体層）の結晶性は非晶質であることが示された。この半導体層の膜厚は、１１５．８ｎｍであった。ガラス基板（コーニング社製１７３７）上に成膜した膜は目視において透明であった。また、ガラス基板を含んだ波長５５０ｎｍの透過率は８９．３％であり、波長３８０ｎｍから７８０ｎｍまでの平均の透過率は８５．１％であった。
【０１１１】
スパッタリングの結果、得られた透明導電薄膜の比抵抗、キャリア濃度及び移動度は、ホール測定にて求めた。得られたバナジウムドープのＺｎ−Ｓｎ−Ｏ膜の比抵抗は、１．０６Ωｃｍ、電子キャリア濃度は３．４５×１０１７／ｃｍ３で、電子移動度は１７．１ｃｍ２／Ｖｓであった。
【０１１２】
（実施例４の膜特性）
・実施例４で形成された半導体層の膜特性は以下の通りである。
・半導体層材料：Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（化合物）
・結晶性：非晶質
・膜厚：１１５．８ｎｍ
・電子キャリア濃度ＣＸ：３．４５×１０１７／ｃｍ３
・電子移動度μＸ：１７．１ｃｍ２／Ｖｓ
・シート抵抗ＲＸ：９．１４×１０４Ω／ｓｑ．
・ドーパント含有率ＣＤＯＰＡＮＴ：０．９３モル％
【０１１３】
バナジウムの効果により、移動度を大きく下げることなく、キャリア濃度を良好なトランジスタ特性が得られる１０１８／ｃｍ３以下にすることができた。また、電子キャリア濃度は、ドーピング元素のドーピング濃度が増えれば増えるほど、減っていく傾向にあることを見出しており、このことにより電子キャリア濃度の制御が可能である。なお、ドーパント含有率ＣＤＯＰＡＮＴの好適な範囲は、以下の通りである。
０モル％＜ＣＤＯＰＡＮＴ≦１０モル％
【０１１４】
ＣＤＯＰＡＮＴが下限値以上の場合には適正値までキャリア濃度を減らすという効果があり、上限値以下の場合にはキャリア濃度を減らし過ぎない、ドーピングの為の固溶がうまく起こり析出相や偏析相を生じない、ドーパント濃度分布の不均一性が生じないなどの効果がある。
【０１１５】
また、以下の表はＧaとＦの場合を除いて、金属（半導体）チップ（縦横寸法５ｍｍ×５ｍｍ、厚み＝１ｍｍ）１枚を酸化物ターゲットのエロージョン部に固定して設置し、Ａｒガスをスパッタリング装置内に導入した以外は、実施例１と同様にして、成膜した薄膜のシート抵抗を測定した結果である。
【０１１６】
ドーピング元素がＧaの場合は、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）の焼結体ペレット（直径１０ｍｍφ、厚み＝３ｍｍ）1個を、ドーピング元素がＦの場合は、フッ化亜鉛（ＺｎＦ２）とフッ化スズ（ＳｎＦ４）をドープしたＺｎ２ＳｎＯ４の焼結体ペレット（直径１０ｍｍφ、厚み＝３ｍｍ）1個を酸化物ターゲットのエロージョン部に固定して設置し、Ａｒガスをスパッタリング装置内に導入した以外は、実施例１と同様にして、成膜した薄膜のシート抵抗を測定した結果である。
【０１１７】
以下のドーピング元素（Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｆ、Ｃｕ、Ｐｔ）を用いれば、上記のＶと同様の効果を得ることができる。なお、以下の表ではＶも示している。
【表１】
【０１１８】
（実施例４のＴＦＴのＩＶ特性）
実施例４のトランジスタにおいても、ノーマリーオフの状態が観察された。
【０１１９】
なお、上述のように、電解効果型トランジスタの製造のしやすさなどから、酸化物半導体材料Ｘは、さらにドーピング元素を含有されてなる酸化物であることが好ましい。すなわち、ドーピング元素を用いた場合には、酸化物半導体材料Ｘ内のキャリア濃度の制御性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】薄膜トランジスタ１０の平面図である。
【図２】図１に示した薄膜１０のＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。
【図３】実施例１のＴＦＴのＩＶ特性を示すグラフである。
【図４】実施例２のＴＦＴのＩＶ特性を示すグラフである。
【図５】実施例３のＴＦＴのＩＶ特性を示すグラフである。
【図６】酸素濃度と電子キャリア濃度の関係を示すグラフである。
【図７】酸素濃度と電子キャリア濃度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２１】
１Ｇ・・・ゲート電極、１Ｃ・・・ゲート絶縁層、１Ｓ・・・ソース電極、１Ｄ・・・ドレイン電極、２・・・半導体層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体材料であって、
Ｚｎ及びＳｎを含有し、
Ｉｎを含有せず、且つ、
電子キャリア濃度が１×１０１５／ｃｍ３より大きく１×１０１８／ｃｍ３未満である、
ことを特徴とする酸化物半導体材料。
【請求項２】
ドーパントを更に含有することを特徴とする請求項１に記載の酸化物半導体材料。
【請求項３】
前記ドーパントは、
Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｖ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｓｉ及びＦからなる元素群から選択される元素を少なくとも１種含有することを特徴とする請求項２に記載の酸化物半導体材料。
【請求項４】
前記酸化物半導体材料は非晶質であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の酸化物半導体材料。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の酸化物半導体材料からなる半導体層と、
前記半導体層に設けられた電極と、
を備えることを特徴とする電子デバイス。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の酸化物半導体材料からなる半導体層と、
前記半導体層に設けられ互いに離隔したソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置する前記半導体層の領域に、バイアス電位を与えることが可能な位置に設けられたゲート電極と、
を備えることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項７】
酸化物半導体材料の製造方法であって、
Ｚｎ及びＳｎを含有する酸化物ターゲットを用意する工程と、
基板をチャンバ内に配置する工程と、
前記酸化物ターゲットをチャンバ内に配置する工程と、
前記チャンバ内に配置された前記酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすることによりターゲット材料を前記基板上に堆積する工程と、
を備え、
前記スパッタ時において、前記酸化物ターゲットと同時にスパッタされる位置に、ドーパント材料が更に配置されている、
ことを特徴する酸化物半導体材料の製造方法。
【請求項１】
酸化物半導体材料であって、
Ｚｎ及びＳｎを含有し、
Ｉｎを含有せず、且つ、
電子キャリア濃度が１×１０１５／ｃｍ３より大きく１×１０１８／ｃｍ３未満である、
ことを特徴とする酸化物半導体材料。
【請求項２】
ドーパントを更に含有することを特徴とする請求項１に記載の酸化物半導体材料。
【請求項３】
前記ドーパントは、
Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｖ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｓｉ及びＦからなる元素群から選択される元素を少なくとも１種含有することを特徴とする請求項２に記載の酸化物半導体材料。
【請求項４】
前記酸化物半導体材料は非晶質であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の酸化物半導体材料。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の酸化物半導体材料からなる半導体層と、
前記半導体層に設けられた電極と、
を備えることを特徴とする電子デバイス。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の酸化物半導体材料からなる半導体層と、
前記半導体層に設けられ互いに離隔したソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置する前記半導体層の領域に、バイアス電位を与えることが可能な位置に設けられたゲート電極と、
を備えることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項７】
酸化物半導体材料の製造方法であって、
Ｚｎ及びＳｎを含有する酸化物ターゲットを用意する工程と、
基板をチャンバ内に配置する工程と、
前記酸化物ターゲットをチャンバ内に配置する工程と、
前記チャンバ内に配置された前記酸化物ターゲットを希ガスでスパッタすることによりターゲット材料を前記基板上に堆積する工程と、
を備え、
前記スパッタ時において、前記酸化物ターゲットと同時にスパッタされる位置に、ドーパント材料が更に配置されている、
ことを特徴する酸化物半導体材料の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１２３９５７（Ｐ２００９−１２３９５７Ａ）
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２９６９８４（Ｐ２００７−２９６９８４）
【出願日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
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