CN101911304B - 非晶氧化物和场效应晶体管 - Google Patents

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Abstract

一种非晶氧化物至少包含：选自由In、Zn和Sn构成的组的至少一种元素；和Mo。该非晶氧化物中的Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比大于等于0.1原子％且小于等于5原子％。

Description

非晶氧化物和场效应晶体管
技术领域
本发明涉及非晶(也称为非晶质)氧化物和其中对于活性层使用这种非晶氧化物的场效应晶体管。本发明还涉及其中使用这种晶体管的有机EL或无机EL被用作发光器件的显示装置，并且涉及利用使用这种晶体管的液晶的显示装置。
背景技术
近年来，使用基于非晶氧化物的半导体薄膜的半导体器件受到关注。这种半导体薄膜可以在低温形成，具有大的光学带隙并对于可见光是光学透明的。由此，可以在塑料基板、膜基板等上形成柔性透明薄膜晶体管(TFT)等。
作为例子，日本专利申请公开No.2002-76356公开了关于使用主要由Zn-O形成的氧化物膜作为活性层的TFT的技术。
“Nature”，Vol.432，25，November 2004(PP.488-492)公开了关于使用在室温形成并包含铟、锌和镓的非晶质氧化物膜作为活性层的TFT的技术。TFT的S值为相对较大的约2V/decade，但是，TFT的场效应迁移率高达6～9cm2/Vs，由此，它可望被应用于希望在利用液晶、电致发光等的平板显示装置中使用的有源矩阵系统。
“Journal of Non-Crystalline Solids”352(2006)2311公开了使用在室温形成并主要由氧化铟形成的氧化物薄膜作为TFT的沟道层(活性层)。取决于栅极绝缘膜的材料，该TFT的场效应迁移率为10～140cm2/Vs并且TFT的S值为0.09～5.6V/decade。
美国专利申请公报No.2006/0108636公开了关于向使用在室温形成并包含铟、锌和镓的非晶氧化物膜作为活性层的TFT的活性层添加诸如Li、Na、Mn、Ni、Pd、Cu、Cd、C、N或P的杂质的技术。这样，通过在活性层中添加杂质元素，载流子浓度受到控制，并且，作为结果，认为获得具有大的电流开/关比的TFT。
但是，根据本发明的发明人的发现，在“Nature”，Vol.432，25，November 2004(pp.488-492)中公开的TFT具有这样的问题，即TFT的特性取决于主要形成用作活性层的非晶质氧化物膜的金属元素的原子组成比大大改变。
对于在美国专利申请公报No.2006/0108636中公开的TFT，在改变主要形成活性层的金属元素的原子组成比时添加杂质的效果未被阐明。
对于“Journal of Non-Crystalline Solids”352(2006)2311，根据本发明的发明人的发现，在室温形成的In-O膜的环境稳定性低，并且，当In-O膜被放置于大气中时，In-O膜的电阻率大大改变。例如，当膜在具有20℃的温度和50％的湿度的大气中搁置1个月时，观察到电阻率降低一个或两个数量级。并且，在日本专利申请公开No.2002-76356公开的主要由Zn-O形成的氧化物半导体中类似地观察到上述的电阻率的降低。
发明内容
鉴于上述的问题提出本发明。因此，本发明的一个目的是，提供具有包含优异的场效应迁移率和优异的S值的优异的晶体管特性、优异的环境稳定性和高的原子组成比的裕度(设计自由度)的非晶氧化物和场效应TFT。
本发明提供一种非晶氧化物，该非晶氧化物至少包含：选自由In、Zn和Sn构成的组的至少一种元素；和Mo，并且，在该非晶氧化物中，非晶氧化物中的Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比大于等于0.1原子％且小于等于5原子％。
此外，本发明提供一种场效应晶体管，该场效应晶体管至少包括：漏极电极；源极电极；栅极电极；活性层；和栅极绝缘膜，并且，在该场效应晶体管中，该活性层包含该非晶氧化物。
此外，本发明提供一种显示装置，该显示装置包括：具有电极的显示器件；和该场效应晶体管，其中，该场效应晶体管的源极电极和漏极电极中的一个与该显示器件的该电极连接。
根据本发明的实施例，可以获得具有优异的半导体特性的非晶氧化物。并且，可以提供具有包含优异的场效应迁移率和优异的S值的优异的晶体管特性和优异的环境稳定性的场效应晶体管。而且，可以提供具有高的原子组成比的裕度(设计自由度)的场效应晶体管，该场效应晶体管的晶体管特性的取决于形成场效应晶体管的原子(特别是金属原子)的原子组成比的变化很小。
参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明
图1是示出被置于具有20℃的温度和50％的湿度的大气中的根据本发明的实施例的氧化物膜的电阻率的随时间的变化的曲线图。
图2是关于根据本发明的实施例的氧化物膜的相对于金属的原子组成比绘制的随时间变化后的电阻率的曲线图。
图3是示出作为本发明的实施例的薄膜晶体管的示例性结构的示意性截面图。
图4是示出作为本发明的另一实施例的薄膜晶体管的示例性结构的示意性截面图。
图5是示出关于根据本发明的实施例的氧化物膜的相对于Mo的原子组成比绘制的电阻率的变化率的曲线图。
图6是示出作为本发明的实施例的薄膜晶体管的典型TFT特性的曲线图。
图7是示出被置于具有20℃的温度和50％的湿度的大气中的根据例子1制造的氧化物膜的电阻率的随时间的变化的曲线图。
图8是关于在具有20℃的温度和50％的湿度的大气中静置半年的根据例子1制造的TFT的相对于In的原子组成比绘制的电流开/关比的曲线图。
图9是当In的原子组成比In/(Zn+In)为50原子％(atom％)时相对于Mo的原子组成比绘制的TFT的电流开/关比的曲线图。
图10是作为本发明的实施例的显示装置的示意性截面图。
图11是作为本发明的另一实施例的显示装置的示意性截面图。
图12示意性示出在其中二维布置包含有机EL器件和薄膜晶体管的像素的显示装置的结构。
具体实施方式
首先，描述本发明的发明人获得的关于本发明的发现。
“Nature”，Vol.432，25，November 2004(PP.488-492)描述了对于TFT的活性层使用具有原子组成比In∶Ga∶Zn＝1.1∶1.1∶0.9(原子％)的非晶氧化物的技术。
本发明的发明人通过溅射法在室温下形成In-Ga-Zn-O膜并评价其晶体管特性。已发现，通过使得Ga的原子组成比小，可以获得具有优异的初始特性的晶体管。特别地，已发现，当在氧化物薄膜中不包含Ga时，可以获得具有高的场效应迁移率和小的S值的晶体管。这里提到的S值指的是对于恒定的漏极电压使漏极电流改变一个数量级的亚阈值区域中的栅极电压值。
另一方面，显示这样的问题，即当使得Ga的原子组成比小时，In和Zn的原子组成比的设计范围(可适用于晶体管的原子组成比的范围)变小。例如，当Ga对比In、Ga和Zn的总和的原子组成比Ga/(In+Ga+Zn)为30原子％时，当In对比In和Zn的总和的原子组成比In/(In+Zn)大于等于15原子％且小于等于65原子％时，观察到令人满意的晶体管操作。另一方面，当Ga的原子组成比为0原子％时，观察到令人满意的晶体管操作时的In对比In和Zn的总和的原子组成比的范围变小，在大于等于30原子％且小于等于55原子％的范围中。应当注意，在上述的原子组成比的范围之外导致这样的现象：即使当施加负的栅极偏压时仍通过相对较大的电流，并且，不能获得105或更高的电流开/关比。
此外，取决于Ga的原子组成比，氧化物膜自身的环境稳定性改变。随着膜中的Ga的原子组成比变高，当氧化物膜静置于大气中时的电阻率的随时间的变化变小。具体而言，从TFT特性的观点看，优选地Ga的原子组成比低，而从环境稳定性的观点看，优选地Ga的原子组成比高。
因此，为了实现具有令人满意的特性和令人满意的环境稳定性两者的氧化物半导体，本发明的发明人向In-Zn-O膜添加各种类型的元素，并测量电阻率和晶体管特性的随时间的变化。结果发现，通过添加一定原子组成比的Mo，可以在维持如In-Zn-O膜那样好的晶体管特性的同时提高环境稳定性。
图1是示出被放置在具有20℃的温度和50％的湿度的大气中的In-Zn-O膜的电阻率的随时间的变化的曲线图。关于没有添加Mo的In-Zn-O膜，观察到紧接在膜形成之后电阻率下降。特别地，当In的原子组成比为大于等于55原子％以及小于等于30原子％时，环境稳定性低，并且，取决于该原子组成比，电阻率降低1～3个数量级。虽然原因不明，但是可以认为由于膜的电阻率大大降低，因此在膜中产生过量的载流子。
另一方面，关于添加微量的Mo的In-Zn-O膜，与原子组成比无关地，即使在膜被静置1个月之后，仍几乎没有观察到电阻率的变化。图2是相对于原子组成比绘制的膜被静置1个月之后的电阻率的曲线图。
此外，已经查明，通过添加微量的Mo，关于In和Zn的原子组成比的晶体管的设计范围(可适用于晶体管的原子组成比的范围)变得较大。特别地，已经查明，当In对比In和Zn的总和的原子组成比大于等于30原子％且小于等于80原子％时，观察到令人满意的晶体管操作。
本发明的发明人的考察显示，随着氧化物半导体的电阻率变高，关电流(off current)变低，并且，呈现当不施加栅极电压时电流不流动的所谓的“常关特性”。因此认为，上述的通过添加Mo扩大组成的设计范围的一种原因是在环境稳定性低的富In区域(In：55原子％或更高)中的电阻的随时间的变化(降低)被抑制。
此外，本发明的发明人的实验显示，包含In、Zn和Sn中的至少一种元素的非晶氧化物具有相对较高的载流子迁移率，但是，电阻的随时间的变化大。因此，基于上述的发现，实施向包含In、Zn和Sn中的至少一种元素的非晶氧化物薄膜添力Mo的实验。结果是，通过添加微量的Mo，维持相对较高的载流子迁移率，并且，仍可抑制电阻的随时间的变化。
现在参照附图详细描述本发明的实施例。
图3是示出根据本实施例的TFT器件的结构的示意图。通过在栅极电极15上设置栅极绝缘膜14并在栅极绝缘膜14上设置源极电极12和漏极电极13形成TFT。栅极电极15还可通过由例如掺杂磷的Si形成而用作基板，或者可在诸如玻璃的基板上形成。
可适用于本实施例的半导体器件的结构不限于TFT的这种反交错(底栅)结构，并且可以为图4所示的TFT的交错结构(顶栅结构)，其中例如在活性层上依次设置栅极绝缘膜和栅极电极。
如上所述，作为TFT的活性层(沟道层)11，使用包含In、Zn和Sn中的至少一种元素并且还包含微量的Mo的非晶氧化物。特别地，当Mo对比非晶氧化物中的所有金属原子的数量的原子组成比为0.1原子％或更高时，非晶氧化物的电阻率的随时间的变化被抑制，由此，可通过使用该氧化物作为TFT的活性层获得具有优异的时间稳定性的TFT。
图5是相对于膜中的Mo的原子组成比绘制的电阻率的变化率的曲线图。具体地，示出通过将紧接在以Mo的各种原子组成比形成的非晶氧化物的成膜之后的电阻率除以在大气中静置1个月之后的电阻率计算出的值。从图5可以清楚地看出，在由Mo的原子组成比为0.1原子％或更高的非晶氧化物形成的膜中，电阻率几乎没有变化。
另一方面，根据本发明的发明人的考察，当Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比太高时，难以获得具有高的载流子迁移率的膜，并且，作为结果，不能获得令人满意的TFT特性。具体地，当Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比超过3原子％时，电流开/关比变得小于5位数，而且，当Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比超过5原子％时，电流开/关比变得小于3位数。因此，Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比的范围优选为0.1原子％～5原子％，并且，更优选地，为0.1原子％～3原子％。
可从转移特性中的源极电极和漏极电极之间的最大电流(Id)与最小Id的比确定电流开/关比。从转移特性的结果，准备√Id-Vg的曲线图，并且，从该曲线图的斜率得出场效应迁移率。
当上述的非晶氧化物包含In和Zn时，可以获得具有高的场效应迁移率和具有优异的亚阈值特性的小的S值的TFT。根据本发明的发明人的考察，特别地，可以用包含大量的In的膜获得具有高的场效应迁移率的TFT，并且，可以用包含大量的Zn的膜获得具有小的S值的TFT。通过选择适当的组成，可以获得具有希望的特性的晶体管。但是，当Zn对比所有金属原子的数量的原子组成比高于70原子％时，膜变成多晶的，并且膜的表面粗糙度变大。当使用这种氧化物薄膜作为TFT的活性层时，界面特性降低。由此，场效应迁移率降低并且S值变大。因此，优选地，Zn对比所有金属原子的数量的原子组成比为70原子％或更低。Zn的原子组成比的下限未被特别限制，只要可获得本发明的效果即可，但是，根据本发明的发明人的发现，优选下限为70原子％。
应当注意，上述的氧化物材料可包含Ga以便不对其它的特性造成不利影响。包含Ga具有能够通过Ga的组成比控制膜的光学特性的优点。具体地，将Ga引入膜中增加了带隙，并由此可获得对于可见光高度透明的非晶氧化物。
此外，除了Ga以外，上述的氧化物可包含其它的杂质，只要该杂质不明显影响包含载流子迁移率、载流子浓度和带隙的膜特性即可。
只要用于源极电极12、漏极电极13和栅极电极的材料具有良好的导电性并且能够与沟道层电连接，就不特别限制该材料。例如，可以使用用作诸如掺杂磷的硅基板的基板和栅极电极两者的材料。而且，还可使用诸如掺杂锡的铟氧化物膜或锌氧化物的透明导电膜或金、铂、铝、镍和钼等的金属膜。根据本发明的发明人的考察，当使用钼作为源极电极和漏极电极时，可以获得特别令人满意的TFT特性。原因被认为是，由于使用相同的元素作为活性层和电极，因此粘合性和电接触的程度提高。此外，可在活性层和电极之间以及栅极电极和栅极绝缘膜之间设置由钛、镍或铬等形成的用于提高粘合性的粘合层16，但粘合层16不是必需的。
作为栅极绝缘膜14，除了通常使用的硅氧化物膜、硅氮化物膜和硅氮氧化物膜以外，可以使用具有高的介电常数的氧化铝膜和氧化钇膜以及由它们的层叠形成的膜中的任一个。
取决于热处理条件，可以使用玻璃基板、金属基板、塑料基板或塑料膜等作为形成有上述的膜中的每一个的基板10。
关于根据本发明的TFT活性层的制备方法，首先制备诸如玻璃基板、塑料基板、PET膜或Si基板的基板。然后，通过诸如溅射方法、脉冲激光沉积方法或电子束沉积方法的气相方法或它们的组合形成氧化物半导体。这里，根据希望的电阻率，在气相中引入O2等。
此外，根据本发明的发明人的考察，在使用氧化物半导体薄膜作为活性层的TFT中，当使用具有约1Ωcm～100kΩcm的电阻率的半绝缘氧化物膜时，获得特别令人满意的TFT特性。例如，当电阻率低于1Ωcm时，不能使得TFT的电流开/关比大。在极端的情况下，即使当施加栅极电压时，源极电极和漏极电极之间的电流也不能被开通/关断，并且没有观察到晶体管操作。另一方面，当电阻率高于100kΩcm时，不能使得开电流(on-current)大。在极端的情况下，即使当施加栅极电压时，源极电极和漏极电极之间的电流也不能被开通/关断，并且没有观察到晶体管操作。
通常，为了控制氧化物的电阻率和电子载流子浓度，控制膜形成中的氧的分压。特别地，通过控制氧的分压，主要控制薄膜中的氧的损失量以控制电子载流子浓度。当通过溅射方法形成膜时，典型地，通过在被引入的氧的分压为约0.001Pa～0.01Pa的情况下形成膜，可以获得半绝缘薄膜。
还优选地，在上述的过程之后对于制造的氧化物实施热处理。热处理的温度的上限可被适当地设定，但是优选低于导致基板的热变形的玻璃化转变温度。例如，当基板为玻璃基板时，优选在450℃或更低的温度下实施热处理，并且，当基板为塑料基板时，优选在200℃或更低的温度下实施热处理。这使得氧化物膜的电气特性稳定化，并且可实现更可靠的半导体器件。为了有效地实施热处理，优选地，气氛包含氧、氮、水蒸汽、二氧化碳、臭氧和氧化氮中的任一种，并且，气氛的温度为150℃或更高(取决于要使用的基板将温度的上限调整到上述范围内)。这具有这样的效果：可使得TFT的关电流更小并提高界面特性，由此可使得S值更小。
现在描述根据本发明的实施例的TFT特性。
首先，描述晶体管操作特性的评价指标。图6示出根据本实施例的薄膜晶体管的典型的特性。当在源极电极和漏极电极之间施加约6V的电压Vd时，通过在-3V和10V间切换栅极电压Vg，可控制(开通/关断)源极电极和漏极电极之间的电流Id。
存在包含场效应迁移率和电流开/关比的晶体管特性的各种评价项目。可从线性区域或饱和区域中的特性确定场效应迁移率。例如，从转移特性的结果准备√Id-Vg的曲线图，并且，可从曲线图的斜率得出场效应迁移率。除非另外指出，否则用这种方法在这里进行评价。可从转移特性中的最大Id与最小Id的比确定电流开/关比。
可以看出，与使用In-Ga-Zn-O作为活性层的常规的TFT(场效应迁移率：约6～9cm2/Vs，S值：约2V/decade)相比，本实施例的TFT具有更高的场效应迁移率和更小的S值。而且，本实施例的TFT具有更大的金属元素的原子组成比的设计范围(可适用于晶体管的原子组成比的范围)。具体地，如图8所示，关于使用添加了Mo的In-Zn-O作为活性层的TFT，当用In/(In+Zn)表示的In的原子组成比处于30原子％～80原子％的范围中时，可获得105或更高的电流开/关比。根据本发明的发明人的发现，随着氧化物半导体的电阻率变得更高，关电流变得更小。因此，上述的通过添加Mo扩大组成的设计范围的一种原因被认为是环境稳定性均低的富In区域(In：45原子％或更高)和富Zn区域(In：35原子％或更低)中的电阻的随时间的变化(降低)被抑制。此外，观察到当组成为In为30原子％或更低时，开电流大大降低，作为结果，电流开/关比变得较小。这里，膜被多晶化，由此，上述的开电流的减小被认为是由降低的场效应迁移率导致的，而该降低的场效应迁移率是由界面特性的降低导致的。
使用In-O的常规的TFT的特征是高的迁移率和低的环境稳定性，而本实施例的TFT总是稳定地展现优异的特性，并且，从紧接在制造之后到TFT在大气中被静置1个月，TFT特性仅有很小的变化。
通过使本实施例的场效应晶体管的作为输出端子的漏极电极与诸如有机或无机电致发光(EL)器件或液晶器件的显示器件的电极连接，可以形成显示装置。以下参照显示装置的截面图描述显示装置的示例性的特定结构。
例如，图10所示，在基体111上形成场效应晶体管。场效应晶体管包含活性层(沟道层)112、源极电极113、漏极电极114、栅极绝缘膜115和栅极电极116。电极118通过层间绝缘层117与漏极电极114连接。电极118与发光层119接触，并且，发光层119与电极120接触。该结构使得能够通过经由在活性层112中形成的沟道从源极电极113流向漏极电极114的电流控制在发光层119中流动的电流。因此，可通过场效应晶体管的栅极电极116处的电压控制在发光层119中流动的电流。这里，电极118、发光层119和电极120形成无机或有机电致发光器件。
作为替代方案，如图11所示，该结构可以为漏极电极114被延伸以还用作用于向夹在高电阻膜121和122之间的液晶单元或电泳粒子单元123施加电压的电极118。液晶单元或电泳粒子单元123、高电阻膜121和122、电极118和电极120形成显示器件。可通过经由在活性层112中形成的沟道从源极电极113流向漏极电极114的电流控制向该显示器件施加的电压。因此，可通过TFT的栅极电极116处的电压控制向该显示器件施加的电压。这里，当该显示器件的显示介质是其中流体和粒子被封装在绝缘膜中的囊体时，高电阻膜121和122不是必需的。
在上述的两个例子中，薄膜晶体管由交错结构(顶栅结构)的薄膜晶体管表示，但本发明不限于此。例如，只要薄膜晶体管的作为输出端子的漏极电极和显示器件之间的连接在拓扑上是相同的，诸如共面类型的其它结构也是可能的。
此外，在上述的两个例子中，与基体平行地设置用于驱动显示器件的一对电极，但本实施例不限于此。例如，只要薄膜晶体管的作为输出端子的漏极电极和显示器件之间的连接在拓扑上是相同的，电极中的任一个或两个可被设置为与基体垂直。
这里，当与基体平行地设置用于驱动显示器件的一对电极时，如果显示器件是EL器件或诸如反射型液晶器件的反射型显示器件，那么电极中的任一个需要对于发射光或反射光的波长是透明的。作为替代方案，如果显示器件是诸如透射型液晶器件的透射型显示器件，那么两个电极均需要对于透射光是透明的。
此外，在本实施例的薄膜晶体管中，还能够使得所有构件透明，这使得能够形成透明的显示器件。而且，这种显示器件可被设置在诸如由轻质、柔性和透明的树脂制成的塑料基板的低耐热性基体上。
以下，参照图12描述在其中二维布置多个包含EL器件(这里，为有机EL器件)和场效应晶体管的像素的显示装置。
图12示出用于驱动有机EL层204的晶体管201和用于选择像素的晶体管202。电容器203用于保持选择的状态，并且，电荷在公共电极线207和晶体管202的源极部分之间被蓄积，并且，晶体管201的栅极处的信号被保持。通过扫描电极线205和信号电极线206选择像素。
具体而言，从驱动器电路(未示出)经由扫描电极线205向栅极电极施加作为脉冲信号的图像信号。同时，从另一驱动器电路(未示出)经由信号电极线206向晶体管202施加脉冲信号以选择像素。这里，晶体管202被开通，并且，电荷在被设置在公共电极线207和晶体管202的源极之间的电容器203中被蓄积。这使得晶体管201的栅极电压保持为希望的电压，并且晶体管201被开通。该状态被一直保持，直到接收到下一信号。在晶体管201被开通的时间段期间，持续向有机EL层204供给电压和电流以维持光发射。
在图12所示的例子中，一个像素中包含两个晶体管和一个电容器，但是，可以在其中结合附加的晶体管等，以提高性能。
(例子)
以下描述本发明的例子，但是本发明不限于此。
(例子1)
现在参照图4说明根据本发明的TFT器件的第一例子。
在本例子中，使用ITO作为栅极电极15并且使用厚度为约150nm的硅氧化物膜作为栅极绝缘膜14。基板为玻璃基板，并且，在玻璃基板上形成添加了Mo的In-Zn-O膜作为活性层11。
应当注意，在本例子中，为了考察活性层对于原子组成比的依赖性，使用组合方法以形成膜。具体地，使用通过溅射方法一次在一个基板上制造具有各种组成的氧化物的薄膜的技术。但是，不必在任何时候使用该技术。可以制备具有预定组成的材料源(靶材)以形成由非晶氧化物形成的薄膜，或者，通过控制向多个靶材中的每一个施加的功率，可以形成具有希望种类的组成的薄膜。
通过使用具有对角线入射配置的共同溅射装置形成添加了Mo的In-Zn-O膜。靶材相对于基板倾斜地设置。基板的表面上的膜的组成取决于与靶材的距离而改变，并可由此获得跨越基板的表面具有三元元素的宽的组成分布的薄膜。作为靶材(材料源)，使用具有ZnO组成的2英寸烧结体、具有In2O3组成的2英寸烧结体和具有MoO3组成的2英寸烧结体(每一个的纯度均为99.9％)。施加的RF功率对于ZnO为45W、对于In2O3为35W并且对于MoO3为11W。应当注意，靶材和基板之间的距离为约7～12cm，并且，形成膜时的基板的温度为25℃。在引入的氧的分压为6×10-3Pa的情况下，在4×10-1Pa的氩-氧混合气体的气氛中形成在其中添力Mo的In-Zn-O膜。
然后，使用溅射方法以从更接近氧化物半导体活性层的一侧形成厚度约150nm的ITO层，并且，通过光刻方法和剥离方法，形成源极电极12和漏极电极13。最后，通过RF溅射方法以约200nm的厚度形成用作栅极绝缘膜14的SiO2膜，在该SiO2膜上形成厚度约150nm的ITO膜，并且，通过光刻方法和剥离方法形成栅极电极15。沟道长度为10μm并且沟道宽度为150μm。
然后，对于根据上述的方法制造的TFT，在300℃的大气中实施1小时的热处理。使用表面光度仪对最终获得的添加了Mo的In-Zn-O膜实施测量。膜厚度为约25nm。并且，X射线荧光分析显示，In对比所有的In和Zn原子的数量的原子组成比In/(Zn+In)为15～80原子％。ICP发光分光分析显示，Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比Mo/(In+Zn+Mo)为约0.1～7原子％。
此外，在膜表面上的入射角度为0.5度的条件下测量X射线衍射。当Zn的原子组成比(Zn/(In+Zn+Mo))为70原子％或更低时，没有检测到清楚的衍射峰，并且确认制造的膜是非晶的。另一方面，当Zn的原子组成比Zn/(In+Zn+Mo)为70原子％或更高时，检测到ZnkIn2Ok+3的衍射峰，并且确认制造的膜结晶。
(比较例1)
除了活性层以外，结构与上述的例子1相同。在本比较例中，形成未添加Mo的In-Zn-O膜作为活性层11。应当注意，在本比较例中，为了考察活性层的材料对于原子组成比的依赖性，使用组合方法以形成膜。
在引入的氧的分压为6×10-3Pa的情况下，在4×10-1Pa的氩-氧混合气体的气氛中形成In-Zn-O膜。膜形成的其它条件与例子1相同。通过表面光度仪对最终获得的氧化物膜实施测量。膜厚度为约25nm。此外，执行X射线荧光分析，并且In的原子组成比In/(Zn+In)为15～80原子％。关于膜中的Mo的量的评价，ICP发光分光分析显示，Mo的量比检测极限小。
此外，在膜表面上的入射角度为0.5度的条件下测量X射线衍射。当Zn的原子组成比Zn/(In+Zn)为70原子％或更高时，没有检测到清楚的衍射峰，并且确认制造的膜是非晶的。另一方面，当Zn的原子组成比Zn/(In+Zn)为70原子％或更低时，检测到ZnkIn2Ok+3的衍射峰，并且确认制造的膜结晶。
(比较例2)
除了活性层以外，结构与上述的例子1相同。在本比较例中，形成其中添加了Mo的In-Zn-O膜作为活性层11，但是，Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比为0.01～0.05原子％。应当注意，在本比较例中，为了考察活性层的材料对于原子组成比的依赖性，使用组合方法以形成膜。
作为靶材(材料源)，使用具有ZnO组成的2英寸烧结体、具有In2O3组成的2英寸烧结体和具有MoO3组成的2英寸烧结体(每一个的纯度均为99.9％)。施加的RF功率对于ZnO为80W、对于In2O3为60W并且对于MoO3为5W。应当注意，靶材和基板之间的距离为约7～12cm，并且，形成膜时的基板的温度为25℃。在引入的氧的分压为6×10-3Pa的情况下，在4×10-1Pa的氩-氧混合气体的气氛中形成在其中添加Mo的In-Zn-O膜。膜形成的其它条件与例子1相同。通过表面光度仪对最终获得的氧化物膜实施测量。膜厚度为约25nm。此外，实施X射线荧光分析，并且In的原子组成比In/(Zn+In)为15～80原子％。关于膜中的Mo的量的评价，ICP发光分光分析显示示，Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比Mo/(In+Zn+Mo)为约0.01～0.05原子％。
此外，在膜表面上的入射角度为0.5度的条件下测量X射线衍射。当Zn的原子组成比Zn/(In+Zn)为70原子％或更高时，没有检测到清楚的衍射峰，并且确认制造的膜是非晶的。另一方面，当Zn的原子组成比Zn/(In+Zn)为70原子％或更低时，检测到ZnkIn2Ok+3的衍射峰，并且确认制造的膜结晶。
(例子1和比较例1和2的比较评价)
关于在例子1中获得的添加了Mo的In-Zn-O活性层，分析光吸收光谱。上述的其中添加Mo的氧化物膜的带隙取决于In的原子组成比为约2.7～2.9eV，这与比较例1的In-Zn-O膜和比较例2的其中添加Mo的In-Zn-O膜基本上相同。
然后，为了考察添加了Mo的In-Zn-O膜的随时间的稳定性，将在例子1和比较例1和2中制造的氧化物膜静置于具有20℃的温度和50％的湿度的大气中，并且，测量电阻率的随时间的变化。关于比较例1和2的氧化物膜，在被静置1个月之后，电阻率取决于In和Zn的原子组成比基本降低1～2个数量级，而关于例子1的在其中添加Mo的In-Zn-O膜，没有观察到电阻率的降低，并且，发现该膜具有优异的环境稳定性。图7示出当In的原子组成比In/(Zn+In)为50原子％时在例子1和比较例1和2中获得的氧化物膜的电阻率的随时间的变化。
如上所述，通过向In-Zn-O膜添加适量的Mo，可以实现具有环境稳定性的半导体。
在例子1中，当Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比为5原子％或更低时，获得令人满意的晶体管特性。图9示出在In的原子组成比In/(Zn+In)为50原子％时的相对于Mo的原子组成比绘制的TFT的电流开/关比的曲线图。当Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比为5原子％或更低时，电流开/关比的值为3位数或更大，而与In和Zn的原子组成比无关。当Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比为约0.1～3原子％时以及当由In/(Zn+In)表示的In的原子组成比为约30～80原子％时，获得最令人满意的晶体管特性。这里，如图8所示，获得的电流开/关比为105或更大。另一方面，当In的原子组成比为30原子％或更低时，观察到开电流大大减小，并且，作为结果，电流开/关比变小。这里，膜被多晶化，由此，上述的开电流的减小被认为是由降低的场效应迁移率导致的，而该降低的场效应迁移率是由界面特性的降低导致的。图6示出关于当Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比为约0.1～3原子％时以及当由In/(Zn+In)表示的In的原子组成比为约30～80原子％时获得的TFT器件的在室温下的测量结果。这里，示出Vd＝6V时的Id-Vg特性(转移特性)。在上述组成的范围中，不管金属的原子组成比如何，都获得基本上类似的特性。例如，关于开电流，当Vg＝10V时，发现大至约5×10-4A的电流Id流动。关电流Id为约8×10-13A并且阈值电压为约1.5V。当从输出特性计算场效应迁移率时，在饱和区域中，获得约15cm2/Vs的值。S值为约0.3V/dec。
另一方面，发现在比较例1和2中制造的TFT器件的特性取决于氧化物膜中的In和Zn的原子组成比大大改变。在比较例1和2两者中，当由In/(Zn+In)表示的In的原子组成比为约40原子％时，获得最令人满意的晶体管特性。这里，迁移率和S值分别为约16cm2/Vs和17cm2/Vs以及约0.16V/dec和-0.2V/dec。但是，观察到随着In的原子组成比变高关电流增加，并且发现，当由In/(Zn+In)表示的In的原子组成比基本超过55原子％时，电流开/关比的值变得小于三位数。这样，发现比较例1和2中的TFT具有较小的In和Zn的原子组成比的设计范围(可适用于晶体管的原子组成比的范围)。图8是关于例子1和比较例1的TFT电流开/关比的曲线图。应当注意，图8的关于例子1的曲线图是基于当Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比为0.1原子％时获得的数据的。从该图清楚地看出，与比较例1相比，例子1中的电流开/关比是极其稳定的。
然后，为了考察TFT器件的随时间的稳定性，将TFT器件静置于具有20℃的温度和50％的湿度的大气中，并测量TFT特性的随时间的变化。结果是，关于在例子1中制造的TFT，即使在被静置1个月之后，也没有观察到特性的变化，并发现TFT具有优异的环境稳定性。另一方面，关于在比较例1和2中制造的TFT，取决于In和Zn的原子组成比，阈值电压向负侧改变约0.5V～2V。此外，在富In区域中，观察到关电流增加，并且，作为结果，发现电流开/关比减小1～2个数量级。
如上所述，通过使用添加了适量的Mo的In-Zn-O膜作为活性层，可以实现具有包含优异的迁移率和优异的S值的优异的晶体管特性、优异的环境稳定性和高的原子组成比的裕度(margin)(设计自由度)的TFT器件。
(例子2)
现在参照图4描述根据本发明的TFT器件的第二例子。在本例子中，使用In-Zn-Ga-O膜作为活性层。
在本例子，使用Mo作为栅极电极15，并且使用厚度约150nm的的硅氧化物膜作为栅极绝缘膜14。基板为玻璃基板，并且，在玻璃基板上形成其中添加了Mo的In-Zn-Ga-O膜作为活性层11。
通过使用具有对角入射配置的共同溅射装置形成In-Zn-Ga-O膜。在本例子中，在形成膜时存在In2O3、ZnO和Ga2O3的三种要素，并由此可获得在一个基板表面中具有大于等于1原子％且小于等于10原子％的Ga原子组成比分布的In-Zn-Ga-O薄膜。此外，这里，沿与In-Zn的组成斜度正交的方向形成Ga浓度分布。
作为靶材(材料源)，使用具有ZnO成分的2英寸烧结体、具有In2O3成分的2英寸烧结体和具有Ga2O3成分的2英寸烧结体(每一个的纯度均为99.9％)。施加的RF功率对于ZnO为50W、对于In2O3为30W并且对于Ga2O3为10W。在引入的氧的分压为1×10-3Pa的情况下，在4×10-1Pa下的氩-氧混合气体的气氛中形成In-Zn-Ga-O膜。此外，在形成In-Zn-Ga-O膜之后，注入Mo离子以添加Mo。
然后，使用溅射方法以从更接近由非晶氧化物形成的半导体活性层的一侧形成厚度约150nm的ITO层。然后，通过光刻方法和剥离方法，形成源极电极12和漏极电极13。最后，通过RF溅射方法以约200nm的厚度形成用作栅极绝缘膜14的SiO2膜，在该SiO2膜上形成厚度约150nm的ITO膜，并且，通过光刻方法和剥离方法形成栅极电极15。沟道长度为10μm并且沟道宽度为150μm。
然后，对于根据上述的方法制造的TFT，在300℃的大气下实施1小时的热处理。通过表面光度仪对最终获得的In-Zn-Ga-O膜实施测量。膜厚度为约25nm。此外，X射线荧光分析和ICP发光分光分析分别显示，In的原子组成比In/(Zn+In)为15～80原子％，并且Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比为约0.1原子％。并且，发现Ga对比所有原子的原子组成比为约1～10原子％。
此外，在膜表面上的入射角度为0.5度的条件下测量X射线衍射。当Zn的原子组成比Zn/(In+Zn+Ga)为约70原子％或更低时，没有检测到清楚的衍射峰，并且确认制造的膜是非晶的。另一方面，当Zn的原子组成比Zn/(In+Zn+Ga)为约70原子％或更高时，检测到InGaZnkOk+3的衍射峰，并且确认制造的膜结晶。
(比较例3)
除了活性层以外，结构与上述的例子2相同。在本比较例中，形成不添加Mo的In-Zn-Ga-O膜作为活性层11。在本比较例中，为了考察活性层的材料对于原子组成比的依赖性，也使用组合方法形成膜。
在引入的氧的分压为1.5×10-3Pa的情况下，在4×10-1Pa的氩-氧混合气体的气氛中形成In-Zn-Ga-O膜。应当注意，在本比较例中，不通过离子注入向氧化物膜引入Mo。膜形成的其它条件与例子2相同。通过表面光度仪对最终获得的氧化物膜实施测量。膜厚度为约25nm。此外，实施X射线荧光分析，并且In的原子组成比In/(Zn+In)为15～80原子％。而且，发现Ga对比所有原子的原子组成比为约1～10原子％。关于膜中的Mo的量的评价，ICP发光分光分析显示Mo的量比检测极限小。
此外，在膜表面上的入射角度为0.5度的条件下测量X射线衍射。当Zn的原子组成比Zn/(In+Zn+Ga)为约70原子％或更低时，没有检测到清楚的衍射峰，并且确认制造的膜是非晶的。另一方面，当Zn的原子组成比Zn/(In+Zn+Ga)为约70原子％或更高时，检测到InGaZnkOk+3的衍射峰，并且确认制造的膜结晶。
(例子2和比较例3的比较评价)
关于在例子2中获得的添加了Mo的In-Zn-Ga-O活性层，分析光吸收光谱。上述的其中添加了Mo的氧化物膜的带隙取决于金属的原子组成比为约3eV～3.2eV，这比例子1的添加了Mo的In-Zn-O膜高，并且与比较例3的In-Zn-Ga-O膜基本相同。
然后，为了考察In-Zn-Ga-O膜的随时间的稳定性，在具有20℃的温度和50％的湿度的大气中静置在例子2中制造的添加了Mo的氧化物膜和在比较例3中制造的氧化物膜，并且，测量电阻率的随时间的变化。结果是，关于例子2中的添加了Mo的In-Zn-Ga-O膜，没有观察到电阻率的变化，并且发现该In-Zn-Ga-O膜具有优异的环境稳定性。另一方面，关于比较例3中的In-Zn-Ga-O膜，与比较例1中的In-Zn-O膜相比，随时间的变化较小，并且，确认将Ga引入膜中对于提高环境稳定性是有效的。但是，观察到取决于Ga的原子组成比，电阻率减小约1/2～1个数量级，并且发现，关于环境稳定性，例子2中的添加了Mo的氧化物膜是更优异的。
这样，通过使用添加了Mo的In-Zn-Ga-O膜，可以实现对于可见光高度透明并且具有高的环境稳定性的半导体。
此外，在例子2中，当Ga的原子组成比Ga/(In+Ga+Zn)为1原子％时以及当由In/(Zn+In)表示的In的原子组成比为约30～80原子％时，获得最令人满意的晶体管特性。在上述的组成的范围中，不管金属的原子组成比如何，都获得基本类似的特性。例如，关于开电流，当Vg＝10V时，发现大至约3.5×10-4A的电流Id流动。关电流Id为约1×10-14A并且阈值电压为约1.8V。当从输出特性计算场效应迁移率时，在饱和区域中，获得约13cm2/Vs的值。S值为约0.4V/dec。
此外，随着Ga的原子组成比变高，观察到场效应迁移率降低并且观察到S值增加。但是，即使当Ga的原子组成比Ga/(In+Ga+Zn)为10原子％时，场效应迁移率为10cm2/Vs并且S值为0.8V/dec，这是相对令人满意的值。而且，这里，发现在晶体管令人满意地操作时的由In/(Zn+In)表示的In的原子组成比为大于等于约26原子％且小于等于83原子％，这是宽的范围。
另一方面，关于在比较例3中制造的TFT器件，当由In/(Zn+In)表示的In的原子组成比为约40原子％时，获得最令人满意的晶体管特性。这里，取决于Ga的原子组成比，迁移率和S值分别为约11～13cm2/Vs和约0.2～0.6V/dec。但是，观察到随着In的原子组成比的增加关电流增加。例如，发现，当由Ga/(In+Ga+Zn)表示的Ga的原子组成比为10原子％时，以及当由In/(Zn+In)表示的In的原子组成比基本超过63原子％时，电流开/关比的值变得小于3位数。这样，发现与例子2相比，比较例3中的TFT具有更小的In∶Zn的原子组成比的设计范围(可适用于晶体管的原子组成比的范围)。
然后，为了考察TFT器件的随时间的稳定性，在具有20℃的温度和50％的湿度的大气中静置TFT器件，并测量TFT特性的随时间的变化。结果是，关于在例子2中制造的TFT，对于具有不同的金属原子组成比的TFT，即使在被静置1个月之后，也没有观察到特性的变化，并发现该TFT具有优异的环境稳定性。
另一方面，关于在比较例3中制造的TFT，与使用In-Zn-O作为活性层的比较例1中的TFT相比，随时间的变化较小，并且发现该TFT具有优异的环境稳定性。但是，取决于Ga的原子组成比，阈值电压向负侧改变约0.3V～1V。此外，在富In区域中，观察到关电流的增加，并且，作为结果，发现电流开/关比减小约1个数量级。
此外，关于在例子1和2中制造的TFT器件，考察当照射来自荧光灯的光时的TFT特性的变化。关于例子1中的TFT，发现关电流在一定程度上增加，并且，作为结果，电流开/关比降低。另一方面，关于例子2中的TFT，发现由来自荧光灯的光照射导致的特性的变化小，并且，特别地，当膜中的Ga的原子组成比高时，几乎观察不到特性的变化。
这样，通过使用添加了适量的Mo的In-Zn-Ga-O膜作为活性层，可以实现具有包含优异的迁移率和优异的S值的优异的晶体管特性、优异的环境稳定性和高的原子组成比的裕度(设计自由度)的TFT器件。并且，通过选择适当的膜中的Ga的浓度，可以实现对于可见光高度透明的TFT器件。
(例子3)
制造除电极以外具有与上述的例子2相同的结构的TFT器件。在本例子中，使用通过电子束沉积方法形成的厚度约100nm的Mo电极作为栅极电极15、源极电极12和漏极电极13。
在本例子中，当Ga的原子组成比Ga/(In+Ga+Zn)为1原子％时以及当由In/(Zn+In)表示的In的原子组成比为约30～80原子％时，获得最令人满意的晶体管特性。在上述的组成的范围中，不管金属的原子组成比如何，都获得基本类似的特性。例如，当Vg＝10V时，开电流Id为约4×10-4A，该值是比使用添加了Mo的In-Zn-Ga-O膜作为活性层的例子2中的TFT大的值。其原因被认为是，在本例子，使用Mo作为电极，由此活性层和电极之间的电接触的程度得到提高。关电流Id为约1×10-14A并且阈值电压为约1.8V。当从输出特性计算场效应迁移率时，在饱和区域中，获得约14cm2/Vs的值。S值为约0.4V/dec。
此外，随着Ga的原子组成比变高，观察到场效应迁移率降低并且观察到S值增加。但是，即使当Ga的原子组成比Ga/(In+Ga+Zn)为10原子％时，场效应迁移率为12cm2/Vs并且S值为0.8V/sec，这是相对令人满意的值。而且，这里，发现当晶体管令人满意地操作时的由In/(Zn+In)表示的In的原子组成比宽达大于等于约26原子％且小于等于83原子％。
这样，通过使用添加了适量的Mo的In-Zn-Ga-O膜作为活性层并使用Mo作为电极，可以实现活性层和电极之间的电接触的程度大并由此具有包含优异的迁移率的优异的晶体管特性的TFT器件。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式和等同的结构和功能。
本申请要求在2008年1月8日提交的日本专利申请No.2008-001336的益处，在此通过引用并入其全部内容。

Claims (6)

1.一种场效应晶体管，所述场效应晶体管至少包括：
漏极电极；
源极电极；
栅极电极；
活性层；和
栅极绝缘膜，
其中，所述活性层包含非晶氧化物，所述非晶氧化物至少包含：选自由In、Zn和Sn构成的组中的至少一种元素；和Mo，其中，所述非晶氧化物中的Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比大于等于0.1原子％且小于等于5原子％。
2.根据权利要求1的场效应晶体管，其中，所述源极电极和所述漏极电极包含Mo。
3.一种显示装置，所述显示装置包括：具有电极的显示器件；和场效应晶体管，所述场效应晶体管至少包括漏极电极、源极电极、栅极电极、活性层和栅极绝缘膜，
其中，所述活性层包含非晶氧化物，所述非晶氧化物至少包含：选自由In、Zn和Sn构成的组中的至少一种元素；和Mo，其中，所述非晶氧化物中的Mo对比所有金属原子的数量的原子组成比大于等于0.1原子％且小于等于5原子％；
其中，所述场效应晶体管的源极电极和漏极电极中的一个与所述显示器件的所述电极连接。
4.根据权利要求3的显示装置，其中，所述显示器件包含电致发光器件。
5.根据权利要求3的显示装置，其中，所述显示器件包含液晶单元。
6.根据权利要求3的显示装置，其中，多个所述显示器件和多个所述场效应晶体管被二维布置在基板上。
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