CN118103963A - 晶体氧化物薄膜及其制造方法、以及薄膜晶体管及其制造方法 - Google Patents

晶体氧化物薄膜及其制造方法、以及薄膜晶体管及其制造方法 Download PDF

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CN118103963A
CN118103963A CN202280068555.2A CN202280068555A CN118103963A CN 118103963 A CN118103963 A CN 118103963A CN 202280068555 A CN202280068555 A CN 202280068555A CN 118103963 A CN118103963 A CN 118103963A
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山口幸士
霍间勇辉
川岛绘美
井上一吉
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Abstract

一种晶体氧化物薄膜，是以I n为主成分的晶体氧化物薄膜，对从所述晶体氧化物薄膜的截面的透射电子显微镜(TEM)图像中提取的多个图像区域的晶格像分别进行二维傅里叶变换(FFT)处理而得到的傅里叶变换像的50％以上示出从(100)、(110)、(111)、(211)、(411)、(125)、(210)、(310)及(320)中选择的任一种面取向。

Description

晶体氧化物薄膜及其制造方法、以及薄膜晶体管及其制造 方法
技术领域
本发明涉及晶体氧化物薄膜及其制造方法、以及薄膜晶体管及其制造方法。
背景技术
已知将晶体氧化物薄膜用于沟道层的薄膜晶体管(TFT)(参照专利文献1～2)。
例如在专利文献1中，通过在导入水的同时溅射以I n元素为主成分的氧化物半导体而成膜，从而在使用了该氧化物半导体的TFT中得到高迁移率的特性。
此外，在专利文献2中，在以I n元素为主成分的晶体氧化物薄膜中，通过设为包含Ga元素并且包含Sm元素的组成，即使在薄膜的成膜时不导入水，在TFT元件中也可得到良好的迁移率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5491258号公报
专利文献2：日本专利第6853421号公报
发明内容
但是，在专利文献1、2的技术中，TFT特性的提高未必充分，存在改善的余地。
在专利文献1的技术中，在规定期间施加电压时，阈值电压(Vth)容易变动，有时在可靠性方面产生问题。
此外，在专利文献1、2的技术中，于退火工序前在氧化物薄膜中进行晶化，由此导致退火工序中的良好的晶体生长受到阻碍，有时无法充分得到迁移率的提高效果。
本发明的目的在于提供一种晶体氧化物薄膜，在应用于TFT时示出良好的迁移率，且可得到高可靠性。此外，提供具有该晶体氧化物薄膜的薄膜晶体管及其制造方法。
根据本发明，可提供以下的晶体氧化物薄膜。
1.一种晶体氧化物薄膜，是以I n为主成分的晶体氧化物薄膜，
对从所述晶体氧化物薄膜的截面的透射电子显微镜(TEM)图像中提取的多个图像区域的晶格像分别进行二维傅里叶变换(FFT)处理而得到的傅里叶变换像的50％以上示出从(100)、(110)、(111)、(211)、(411)、(125)、(210)、(310)及(320)中选择的任一种面取向。
2.如1所述的晶体氧化物薄膜，在针对所述多个图像区域获取的、示出从(100)、(110)、(111)、(211)、(411)、(125)、(210)、(310)及(320)中选择的任一种面取向的所述傅里叶变换像的每一个中，
将从位于自所述傅里叶变换像的中心坐标相对于所述晶体氧化物薄膜的主面沿法线方向延伸的坐标轴上的亮点中选择的倒易晶格点P1的、从所述中心坐标起的频域的大小设为法线方向的面间隔d1，
将从位于自所述傅里叶变换像的中心坐标向与所述晶体氧化物薄膜的主面平行的方向延伸的坐标轴上的亮点中选择的倒易晶格点P2的、从所述中心坐标起的频域的大小设为平面方向的面间隔d2，
将所述倒易晶格点P1的密勒指数设为(h1，k1，l 1)，将所述倒易晶格点P2的密勒指数设为(h2，k2，l2)，
此时，根据由下述式(1)计算出的法线方向的晶格常数a及由下述式(2)计算出的平面方向的晶格常数b并通过下述式(3)计算出的、所述多个图像区域各自的晶格应变ε的平均值εaver为1.0＜εaver＜1.1。
法线方向的晶格常数a＝√(h1 2+k1 2+h1 2)×d1…(式(1))
平面方向的晶格常数b＝√(h2 2+k2 2+h2 2)×d2…(式(2))
[数1]
3.如1或2所述的晶体氧化物薄膜，膜厚为3nm以上且小于50nm。
4.如1～3的任一项所述的晶体氧化物薄膜，所述晶体氧化物薄膜的短边的长度小于50μm。
5.如1～4的任一项所述的晶体氧化物薄膜，晶界彼此的平均间隔D为0.01μm以上2μm以下。
6.如1～5的任一项所述的晶体氧化物薄膜，包含62at％以上的I n。
7.如1～6的任一项所述的晶体氧化物薄膜，还包含从由H、B、C、N、O、F、Mg、A l、Si、O、S、C l、Ar、Ca、Sc、T i、V、Cr、Mn、Fe、Co、N i、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sn、Sb、Cs、Ba、Ln、Hf、Ta、W、Re、Os、I r、Pt、Au、Pb及B i构成的组中选择的一种以上的元素。
8.一种晶体氧化物薄膜的制造方法，是1～7的任一项所述的晶体氧化物薄膜的制造方法，在大气气氛下且在超过300℃的温度下对形成于支承体上的氧化物薄膜进行退火处理。
9.如8所述的晶体氧化物薄膜的制造方法，供于所述退火处理的所述氧化物薄膜的膜厚为3nm以上且小于50nm。
10.如8或9所述的晶体氧化物薄膜的制造方法，供于所述退火处理的所述氧化物薄膜的短边小于50μm。
11.一种薄膜晶体管，包含1～7的任一项所述的晶体氧化物薄膜。
12.如11所述的薄膜晶体管，具有缓冲层与沟道层，所述沟道层为所述晶体氧化物薄膜，从所述沟道层观察，在与所述缓冲层相反的一侧，从所述沟道层侧起依次具有栅极绝缘膜及栅电极。
13.一种薄膜晶体管的制造方法，是11或12所述的薄膜晶体管的制造方法，具有：在基板上成膜出氧化物薄膜的工序；在大气气氛下且在超过300℃的温度下对所述氧化物薄膜进行退火处理而形成晶体氧化物薄膜的工序；在所述晶体氧化物薄膜上依次形成栅极绝缘膜及栅电极的工序。
14.如13所述的薄膜晶体管的制造方法，在所述基板上形成缓冲层后，在所述缓冲层上成膜出所述氧化物薄膜。
15.一种薄膜晶体管的制造方法，是11或12所述的薄膜晶体管的制造方法，具有：在基板上成膜出氧化物薄膜的工序；在大气气氛下且在超过300℃的温度下对所述氧化物薄膜进行退火处理而形成晶体氧化物薄膜的工序；在所述晶体氧化物薄膜上依次形成层间绝缘膜的工序。
16.如15所述的薄膜晶体管的制造方法，在所述基板上依次形成栅电极、栅极绝缘膜后，在所述栅极绝缘膜层上成膜出所述氧化物薄膜。
根据本发明，能够提供在应用于TFT时示出良好的迁移率、且可得到高可靠性的晶体氧化物薄膜。此外，能够提供具有该晶体氧化物薄膜的薄膜晶体管及其制造方法。
附图说明
图1是本实施方式的一例的TFT的概略剖视图。
图2是本实施方式的另一例的TFT的概略剖视图。
图3是本实施方式的另一例的TFT的概略剖视图。
图4是示出I n2O3的方铁锰矿结构的FFT像的图。
图5是用于说明晶格常数a、晶格常数b的计算方法的图。
图6是示出I n2O3的方铁锰矿结构的倒易晶格模拟的结果的图。
具体实施方式
本说明书中使用的“第1”、“第2”、“第3”这样的序数词是为了避免构成要素的混淆而附加的，对于并未记载进行数量上的特别规定即对是单数还是双数进行规定的意思、或者并未记载对顺序进行规定的意思的构成要素，在数量上没有限定。
在本说明书等中，“膜”或“薄膜”这样的用语与“层”这样的用语根据情况能够相互替换。
在本说明书等的烧结体及氧化物薄膜中，“化合物”这样的用语与“晶相”这样的用语根据情况能够相互替换。
在本说明书中，有时将“氧化物烧结体”简称为“烧结体”。
在本说明书中，有时将“溅射靶”简称为“靶”。
在本说明书等中，“电连接”包括经由“具有某种电作用的物质”连接的情况。在此，“具有某种电作用的物质”只要能够进行连接对象间的电信号的授受，就没有特别限制。例如，“具有某种电作用的物质”包括电极、布线、开关元件(晶体管等)、电阻元件、电感器、电容器及具有其他各种功能的元件等。
在本说明书等中，晶体管所具有的源极、漏极的功能有时在采用不同极性的晶体管的情况下或者在电路动作中电流的方向发生变化的情况下等互换。因此，在本说明书等中，源极、漏极的用语能够互换使用。
在本说明书中，“x～y”表示“x以上y以下”的数值范围。关于数值范围记载的上限值及下限值能够任意组合。
此外，将以下记载的本发明的各个方案的2个以上组合而得的方案也属于本发明的方案。
此外，在本说明书中，“薄膜的主面”是指薄膜的面中具有最大面积的面。
在本说明书中，将晶体的某个特定的面或与其平行的面称为晶面。
此外，将与晶面垂直的方向称为面取向。
1.晶体氧化物薄膜
本实施方式所涉及的晶体氧化物薄膜是以I n为主成分的晶体氧化物薄膜。
并且，对从晶体氧化物薄膜的截面的透射电子显微镜图像(以下有时示为截面TEM图像)中提取的多个图像区域的晶格像分别进行二维傅里叶变换(FFT)处理而得到的傅里叶变换像(以下示为FFT像)的50％以上示出从(100)、(110)、(111)、(211)、(411)、(125)、(210)、(310)及(320)中选择的任一种面取向。
另外，多个图像区域在以下的说明中为10个图像区域，但图像区域的数量不限于10个，也可以是多于10个的数量。例如，也可以提取50个或50个以上的数量的图像区域。
具有上述特性的晶体氧化物薄膜不仅能够通过后述的晶体氧化物薄膜的制造方法中记载的方法得到，还能够通过将晶体氧化物薄膜的晶体状态调整为柱状而得到。
本实施方式所涉及的晶体氧化物薄膜以I n元素为主成分。
主成分是指，相对于晶体氧化物薄膜的全部金属元素，I n的组成比率(原子％：at％)为50at％以上。
I n的组成比率优选为62at％以上，更优选为70at％以上，更优选为80at％以上，进一步优选为85at％以上。若构成晶体氧化物薄膜的金属元素的全部原子数中的50at％以上为I n元素，则在成膜出的非晶质膜中容易进行晶化，在将本实施方式所涉及的晶体氧化物薄膜用于TFT的情况下，能够发挥充分高的迁移率。
除了I n之外，晶体氧化物薄膜还可以包含从由H、B、C、N、O、F、Mg、A l、S i、O、S、Cl、Ar、Ca、Sc、T i、V、Cr、Mn、Fe、Co、N i、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sn、Sb、Cs、Ba、Ln、Hf、Ta、W、Re、Os、I r、Pt、Au、Pb及B i构成的组中选择的1种以上的元素。
在本实施方式中，晶体氧化物薄膜可以实质上仅由从I n、Mg、A l、S i、Zn、Ga、Mo、Sn、Ln元素(镧系元素)及O中选择的元素构成。在此，“实质上”是指在产生由上述I n、Mg、Al、S i、Zn、Ga、Mo、Sn、Ln及O的组合带来的本发明的效果的范围内，本实施方式所涉及的晶体氧化物薄膜也可以包含其他成分。
在本实施方式中，晶体氧化物薄膜的更优选的第一方案是，金属元素由I n与Ga构成，原子比率满足下述式(11)。
[Ga]/([I n]+[Ga])]＜22at％(11)
另外，作为金属元素，除了不可避免的杂质以及O以外，还可以包含F或H。通过设为上述组成范围，I n比率变大，即使是300℃这样的低温的退火，Ga也能够向I n位点进行取代而晶化为方铁锰矿结构。进而，通过添加与氧的结合力强的Ga，能够抑制退火后的氧缺损，形成稳定的膜作为半导体。
在本实施方式中，晶体氧化物薄膜的更优选的第二方案由作为金属元素的I n与从B、A l、Sc、Mg、Zn、T i、Y、Zr、Mo、Sn、Hf、W、Nb、Ta、Ge、S i、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中选择的1种以上的元素X构成，将I n以外的金属元素设为X时，作为原子比率，满足下述式(12)。
[X]/([I n]+[X])]＜15at％(12)
另外，作为金属元素，除了不可避免的杂质以及O以外，还可以包含F或H。通过设为上述组成范围，I n比率变大，即使是300℃这样的低温的退火，也能够晶化为X向I n位点进行取代而得的方铁锰矿结构。进而，通过添加与氧的结合力强的元素X，能够抑制退火后的氧缺损，形成稳定的膜作为半导体。
在本实施方式中，晶体氧化物薄膜的更优选的第三方案由作为金属元素的I n及Ga、与从B、A l、Sc、Mg、Zn、T i、Y、Zr、Mo、Sn、Hf、W、Nb、Ta、Ge、S i、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中选择的1种以上的元素X构成，将I n、Ga以外的金属元素设为添加元素X时，原子比率满足下述式(13)及(14)。
[Ga]/([I n]+[Ga]+[X])]＜22.5at％(13)
[X]/([I n]+[Ga]+[X])]＜8.0at％(14)
另外，作为金属元素，除了不可避免的杂质以及O以外，还可以包含F或H。
通过设为上述组成范围，I n比率变大，即使是300℃这样的低温的退火，也能够晶化为Ga向I n位点进行取代而得的方铁锰矿结构。此外，通过添加与氧的结合力强的添加元素X，能够进一步抑制退火后的氧缺损，形成稳定的膜作为半导体。
在本实施方式中，晶体氧化物薄膜的更优选的第四方案由作为金属元素的I n及Sn、与从B、A l、Sc、Mg、Zn、T i、Y、Zr、Mo、Hf、W、Nb、Ta、Ge、S i、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中选择的一种以上的元素X构成，在将I n及Sn以外的金属元素设为元素X时，原子比率满足下述式(15)及(16)。
[Sn]/([I n]+[Sn]+[X])]＜20at％(15)
[X]/([I n]+[Sn]+[X])]＜8.0at％(16)
另外，作为金属元素，除了不可避免的杂质以及O以外，还可以包含F或H。
通过设为这样的组成范围，I n比率变大，即使是300℃这样的低温的退火，也能够晶化为Sn向I n位点进行取代而得的方铁锰矿结构。Sn的离子半径较大，与I n的轨道的重叠大，因此能够保持高迁移率。且通过添加与氧的结合力强的添加元素X，能够进一步抑制退火后的氧缺损，形成稳定的膜作为半导体。
在本实施方式中，晶体氧化物薄膜的更优选的第五方案由作为金属元素的I n及Zn、与从B、A l、Sc、Mg、T i、Y、Zr、Mo、Hf、W、Nb、Ta、Ge、S i、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中选择的一种以上的元素X构成，在将I n及Zn以外的金属元素设为元素X时，原子比率满足下述式(17)及(18)。
[Zn]/([I n]+[Zn]+[X])]＜12at％(17)
[X]/([I n]+[Zn]+[X])]＜8.0at％(18)
另外，作为金属元素，除了不可避免的杂质以及O以外，还可以包含F或H。
通过设为上述组成范围，I n比率变大，即使是300℃这样的低温的退火，也能够晶化为Zn向I n位点进行取代而得的方铁锰矿结构。通过添加Zn，能够使刚成膜后的膜成为非晶状态，在制作TFT时利用酸进行半导体图案化时，能够无残渣地进行加工。进而，通过添加与氧的结合力强的添加元素X，能够抑制退火后的氧缺损，形成稳定的膜作为半导体。
晶体氧化物薄膜中的各金属元素的含量(原子比)能够通过I CP(I nduct i veCoup led P l asma：电感耦合等离子体)测量或XRF(X-ray F l uorescence：X射线荧光)测量来测量各元素的存在量从而求出。在I CP测量中，能够使用电感耦合等离子体发光分析装置(I CP-OES，Ag i l ent公司制)。在XRF测量中，能够使用薄膜荧光X射线分析装置(AZX400，理学公司制)。
此外，晶体氧化物薄膜中的各金属元素的含量(原子比)能够通过使用了电子显微镜的TEM-EDS测量、使用了电感耦合等离子体发光分析装置的I CP测量、以及使用了扇形动态二次离子质谱仪的SIMS分析以2原子％以内的误差精度进行分析。首先，通过截面TEM-EDS鉴定晶体氧化物薄膜中的金属元素，并通过半定量分析以10原子％左右的误差范围鉴定组成比率。接着，根据半定量分析结果在20原子％的范围内制作由金属元素的原子比已知的10种组成比率构成的标准氧化物薄膜。对于标准氧化物薄膜，将利用电感耦合等离子体发光分析装置或薄膜荧光X射线分析装置测量出的值作为组成比率的绝对值。进而，在标准氧化物薄膜的上表面制作以与TFT元件同样的材料及同样的沟道长度形成的源-漏电极，将其作为标准材料，利用扇形动态二次离子质谱仪SIMS(I MS 7f-Auto，AMETEK公司制)进行氧化物半导体层的分析，得到各元素的质谱强度，制作已知的元素浓度与质谱强度的标准曲线。接着，对于从面板取出的实际TFT元件的氧化物薄膜部分，根据使用了扇形动态二次离子质谱仪的SIMS分析得到的谱强度，使用前述的标准曲线计算原子比时，能够通过另外由薄膜荧光X射线分析装置或电感耦合等离子体发光分析装置测量出的氧化物薄膜的原子比的2原子％以内的精度对计算出的原子比进行确认。
在本实施方式所涉及的晶体氧化物薄膜中，对从晶体氧化物薄膜的截面的截面TEM图像中提取的多个图像区域的晶格像分别进行二维傅里叶变换(FFT)处理而得到的FFT像的50％以上示出从(100)、(110)、(111)、(211)、(411)、(125)、(210)、(310)及(320)中选择的任一种面取向。
(100)、(110)、(111)、(211)、(411)、(125)、(210)、(310)及(320)均为I n2O3的方铁锰矿结构的晶面，将符合这些面取向中的任一种的情况称为“示出FFT特定面取向”。
在从各图像区域的晶格像得到的多个FFT像中的50％以上符合上述的面取向中的任一种的情况下，能够判断为晶体氧化物薄膜具有适于FFT的沟道层的良好的方铁锰矿晶体结构。
由此，在将晶体氧化物薄膜用于TFT的沟道层时，能够发挥高迁移率，且阈值电压(Vth)的变动较少而可靠性优异。
FFT特定面取向的判定方法在实施例中详细说明。
优选从晶体氧化物薄膜的截面的截面TEM图像中提取的多个图像区域的晶格像的FFT像的60％以上、70％以上、80％以上、90％以上、95％以上或99％以上示出从(100)、(110)、(111)、(211)、(411)、(125)、(210)、(310)及(320)中选择的任一种面取向。
进一步优选为多个图像区域的晶格像的FFT像的100％示出从(100)、(110)、(111)、(211)、(411)、(125)、(210)、(310)及(320)中选择的任一种面取向。
在一实施方式所涉及的晶体氧化物薄膜中，针对示出FFT特定面取向的各傅里叶变换像，根据相对于晶体氧化物薄膜的主面的法线方向(以下示为法线方向)的晶格常数a、及与晶体氧化物薄膜的主面平行的方向(以下示为平面方向)的晶格常数b，通过下述式(3)计算出的晶格应变ε1、…εx的算术平均值εaver为1.0＜εaver＜1.1。
[数2]
晶格应变ε示出晶格的应变的程度，在ε的值超过1.0的情况下，相对于法线方向的晶格常数a，平面方向的晶格常数b大，成为在晶格中产生拉伸应力的状态。由此，晶体氧化物薄膜的晶粒内的缺陷减少，电子陷阱较少而成为具有良好的传导特性的晶体状态，因此在将晶体氧化物薄膜用于TFT的沟道层时，能够发挥高迁移率，且阈值电压(Vth)的变动较少，可靠性优异。此外，在ε的值小于1.1的情况下，晶体氧化物薄膜的剥离和裂纹的产生得以抑制，因此膜性状良好。
εaver优选为1.01～1.09，更优选为1.02～1.08。
另外，法线方向的晶格常数a及平面方向的晶格常数b的计算方法在实施例中详细说明。
在一实施方式中，晶体氧化物薄膜的膜厚为3nm以上130nm以下。通过使膜厚为130nm以下，晶体氧化物薄膜的晶体容易成为柱状的单层晶体。这是因为，通过将膜厚设为130nm以下，在成膜于支承体上的氧化物薄膜中，能够抑制在退火处理前的阶段进行晶化，在之后的退火处理工序中，能够抑制由于微晶的存在而阻碍晶体生长。因此，在将晶体氧化物薄膜用于TFT的沟道层时，能够发挥高迁移率，且可靠性优异。
此外，由于能够抑制氧化物薄膜中的微晶化，因此能够抑制由于图案化工序中产生的残渣而无法去除应剥离的膜等不良情况的发生，膜性状优异。
晶体氧化物薄膜的膜厚优选为小于50nm，更优选为45nm以下，特别优选为40nm以下。另一方面，晶体氧化物薄膜的膜厚例如可以为5nm以上，也可以为10nm以上。通过将晶体氧化物薄膜的膜厚设为3nm以上，晶体氧化物薄膜的晶体不易受到基底的影响，容易成为高品质的柱状的单层晶体。
在本说明书中，基于截面TEM图像测量膜厚。
在一实施方式中，晶体氧化物薄膜的短边的长度小于50μm。通过使短边的长度小于50μm，在晶体氧化物薄膜中，呈截面TEM图像的FFT像示出FFT特定面取向的比例变高的倾向。
晶体氧化物薄膜的短边的长度优选为45μm以下，更优选为35μm以下，更优选为25μm以下，特别优选为22μm以下。另一方面，晶体氧化物薄膜的短边的长度例如为0.1μm以上，可以为0.3μm以上，也可以为1μm以上。通过将短边设为1μm以上，在制作使用了晶体氧化物薄膜的TFT时，能够高精度地进行图案化掩模的对位，能够实现稳定的制造。但是，在集成电路等的制造工艺中，由于图案化掩模的对位精度不同，在该情况下短边也可以小于1μm。
在一实施方式中，晶体氧化物薄膜中的晶界彼此的平均间隔D优选为0.01μm以上2.0μm以下。
由此，在将晶体氧化物薄膜用于TFT的沟道层时，能够发挥高迁移率，且阈值电压(Vth)的变动较少而可靠性优异。
薄膜中的晶界彼此的平均间隔D基于截面TEM观察图像而测量。通过如下方式计算出平均间隔D：在使用透射型电子显微镜以倍率20，000倍观测到的图像中，提取在沟道方向上为5μm、以晶体氧化物的膜厚的尺寸而中心为TFT中的沟道长度方向的中央部的视野，对通过截面TEM像观察到的晶粒的间隔进行解析。另外，在氧化物薄膜的沟道方向的长度较短而小于5μm的情况下，提取与沟道方向的长度相匹配的视野，同样地进行计算即可。
在一实施方式中，在晶体氧化物薄膜的TEM像的FFT像中，包含方铁锰矿结构的晶粒。由于方铁锰矿结构的晶粒为对称性良好的立方晶状，因此即使跨晶界也能够抑制TFT特性(迁移率)的降低。
2.晶体氧化物薄膜的制造方法
本实施方式的晶体氧化物薄膜例如能够通过以基板、缓冲层、绝缘层等构成TFT的下部层等为支承体而在该支承体上成膜出以I n的氧化物为主成分的薄膜，以规定的温度进行退火处理(热处理)从而制造。成膜方法没有特别限定，例如可例举DC溅射、AC溅射、RF溅射、I CP溅射、反应性溅射、离子镀、ALD、PLD、MO-CVD、I CP-CVD、溶胶凝胶法、涂布法、雾化CVD。
另外，在通过溅射进行成膜的情况下，可以通过平面(P l aner)式的溅射阴极的装置进行成膜，此外也可以通过旋转式溅射阴极的装置进行成膜。
作为成膜方法的一例，能够通过使用包含以I n的氧化物为主成分的氧化物烧结体的溅射靶利用DC溅射进行成膜来制造。
通过溅射法得到的晶体氧化物薄膜的原子组成比反映溅射靶中的氧化物烧结体的原子组成比。因此，优选使用包含具有与所期望的氧化物薄膜的原子组成比相同的原子组成比的氧化物烧结体的溅射靶进行成膜。
在溅射法中使用的靶的杂质金属优选为500ppm以下，更优选为100ppm以下。靶中的杂质金属的含量与晶体氧化物薄膜同样，能够通过I CP或SIMS测量。靶中包含的“杂质”是指在原料或制造工序中混入的、并非有意添加的元素，且是对靶及半导体的性能不产生实质性影响的微量元素，“杂质金属”是指作为“杂质”的元素中的金属元素。
退火处理(热处理)的方法没有特别限定，能够使用热风炉、I R炉、灯退火装置、激光退火装置、热等离子体装置等。
在本实施方式中，溅射靶可以实质上仅由I n与从Mg、A l、S i、Zn、Ga、Mo、Sn、Ln元素(镧系元素)及O中选择的元素构成。在此，“实质上”是指，除了上述I n以外，在产生由Mg、A l、S i、Zn、Ga、Mo、Sn、Ln及O的组合带来的本发明的效果的范围内，溅射靶也可以包含其他成分。
与上述的本发明的晶体氧化物薄膜同样地，在本实施方式中，溅射靶的更优选的第一方案为金属元素由I n和Ga构成的氧化物，原子比率满足下述式(11)。
[Ga]/([I n]+[Ga])]＜22at％(11)
溅射靶的更优选的第二方案为由作为金属元素的I n与从B、A l、Sc、Mg、Zn、T i、Y、Zr、Mo、Sn、Hf、W、Nb、Ta、Ge、S i、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中选择的1种以上的元素X构成的氧化物，在将I n以外的金属元素设为X时，作为原子比率满足下述式(12)。
[X]/([I n]+[X])]＜15at％(12)
溅射靶的更优选的第三方案是由作为金属元素的I n及Ga、与从B、A l、Sc、Mg、Zn、T i、Y、Zr、Mo、Sn、Hf、W、Nb、Ta、Ge、S i、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中选择的1种以上的元素X构成的氧化物，在将I n、Ga以外的金属元素设为添加元素X时，原子比率满足下述式(13)及(14)。
[Ga]/([I n]+[Ga]+[X])]＜22.5at％(13)
[X]/([I n]+[Ga]+[X])]＜8.0at％(14)
溅射靶的更优选的第四方案为由作为金属元素的I n及Sn、与从B、A l、Sc、Mg、Zn、T i、Y、Zr、Mo、Hf、W、Nb、Ta、Ge、S i、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中选择的一种以上的元素X构成的氧化物，在将I n及Sn以外的金属元素设为元素X时，原子比率满足下述式(15)及(16)。
[Sn]/([I n]+[Sn]+[X])]＜20at％(15)
[X]/([I n]+[Sn]+[X])]＜8.0at％(16)
溅射靶的更优选的第五方案为由作为金属元素的I n及Zn、与从B、A l、Sc、Mg、Ti、Y、Zr、Mo、Hf、W、Nb、Ta、Ge、S i、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中选择的一种以上的元素X构成的氧化物，在将I n及Zn以外的金属元素设为元素X时，原子比率满足下述式(17)及(18)。
[Zn]/([I n]+[Zn]+[X])]＜12at％(17)
[X]/([I n]+[Zn]+[X])]＜8.0at％(18)
使用以氧化铟为主成分的溅射靶，将实质上不含杂质的从由氩及氧构成的组中选择的1种以上的气体用作溅射气体，通过溅射成膜而得到氧化物薄膜，如此得到的氧化物薄膜为非晶质的氧化物薄膜。通过光刻法将该氧化物薄膜图案化为岛状，在形成保护膜之前进行加热使其晶化，由此能够得到表面晶体具有单一的面取向的晶体氧化物薄膜。
以下，对各工序进行说明。
(氧化物薄膜成膜工序)
在氧化物薄膜成膜工序中，使用上述溅射靶，通过溅射成膜出氧化物薄膜。
在一实施方式中，在氧化物薄膜成膜工序中将玻璃基板等基板用作支承体，在形成于该支承体上的缓冲层或包含缓冲层及例如金属层等缓冲层以外的层的层叠膜上直接成膜出晶体氧化物薄膜。在层叠膜的情况下，优选以膜中包含的缓冲层与晶体氧化物薄膜直接接触的方式将该层叠膜形成于支承体上。
作为缓冲层的材料，可例举S iO2、Si Nx、A l 2O3等。在这些之中，优选SiO2。
通过在以S iO2等为主成分的缓冲层或层叠膜上直接形成氧化物薄膜，进而进行后述的退火处理，在最终得到的晶体氧化物薄膜中，呈截面TEM图像的FFT像示出FFT特定面取向的比例变高的倾向，具有良好的晶体结构。
溅射成膜时导入的气体没有特别限定，例如可例举氩、氮、氧、水、氢、或包含2种以上这些气体的混合气体。
作为一例，使用氩及氧时的混合气体中的氧的流量比((O2流量)/(Ar流量)+(O2流量)))优选为超过0％且为50％以下，更优选为超过0％且为20％以下。若氧的流量比超过0％且为50％以下，则加热时容易晶化而半导体化。通过改变氧的流量比，能够调节氧化物薄膜的氧化程度即晶化程度。氧的流量比根据需要适当选择即可。
作为一例，使用氩及水时的混合气体中的水的流量比((H2O流量)/(Ar流量)+(H2O流量))优选为超过0.03％且为10％以下，更优选为超过0.03％且为5％以下。若水的流量比超过0.03％且为5％以下，则在加热时容易晶化而半导体化。此外，也可以使用氢及氧的混合气体来代替水。
在一实施方式中，将实质上不含杂质气体的从由氩及氧构成的组中选择的1种以上的气体用作溅射气体，成膜出氧化物薄膜。
溅射气体“实质上不含杂质气体”是指，除了伴随气体的装入的吸附水的带入、及腔室的泄漏或吸附气体等无法排除的气体(不可避免的杂质气体)以外，不积极地投入氩及氧以外的杂质气体。在本实施方式中，作为溅射气体，例如能够使用市售的高纯度氩及高纯度氧的混合气体。如果可能的话，优选从溅射气体中排除杂质。
溅射气体中的杂质气体的比例优选为0.1体积％以下，更优选为0.05体积％以下。只要杂质气体的比例为0.1体积％以下，氧化物薄膜的晶化就将没有问题地进行。
高纯度氩及高纯度氧的纯度优选为99体积％以上，更优选为99.9体积％以上，进一步优选为99.99体积％以上。
成膜时的溅射压力只要是等离子体能够稳定放电的范围就没有特别限定，通常为0.1～5Pa，优选为0.2～2Pa。
由此，在最终得到的晶体氧化物薄膜中，截面TEM图像的FFT像示出FFT特定面取向的比例变高，具有良好的晶体结构。
在氧化物薄膜成膜工序中，优选将溅射靶安装于RF磁控溅射装置或DC磁控溅射装置进行溅射。
关于本实施方式所涉及的晶体氧化物薄膜，进行加热处理前的氧化物薄膜优选以I n元素为主成分。通过利用后述的加热处理工序对该氧化物薄膜进行加热，能够使柱状的晶体在支承体生长。
通过将如上述那样成膜的晶体氧化物薄膜应用于TFT，从而在驱动时电子载流子的注入性优异，结果TFT示出高迁移率，且阈值电压(Vth)的变动较少而可靠性优异。
在一实施方式中，在氧化物薄膜成膜工序中，将氧化物薄膜的膜厚成膜为3nm以上且小于50nm。
将氧化物薄膜的膜厚设为上述范围的理由与将晶体氧化物薄膜的膜厚设为3nm以上且小于50nm的理由相同。氧化物薄膜的膜厚的优选范围也与晶体氧化物薄膜的膜厚的优选范围相同。
在一实施方式中，在氧化物薄膜成膜工序中，使氧化物薄膜的短边的长度小于50μm。
将氧化物薄膜的短边的长度设为上述范围的理由与将晶体氧化物薄膜的短边的长度设为小于50μm的理由相同。氧化物薄膜的短边的长度的优选范围也与晶体氧化物薄膜的短边的长度的优选范围相同。
(热处理工序)
在成膜出氧化物薄膜后，进行热处理。有时将该热处理称为退火。
热处理的温度优选为超过300℃且小于500℃，优选为320℃以上480℃以下，更优选为330℃以上450℃以下。
若氧化物薄膜的成膜后的热处理温度超过300℃，则氧化物薄膜容易晶化，在最终得到的晶体氧化物薄膜中，截面TEM图像的FFT像示出FFT特定面取向的比例变高，具有良好的晶体结构。此外，能够将晶体粒径的平均间隔D形成为适当的范围。
若氧化物薄膜的成膜后的加热处理温度小于500℃，则能够抑制裂纹和剥离的产生。
热处理工序中的加热时间优选为0.1小时以上5小时以下，更优选为0.3小时以上3小时以下，进一步优选为0.5小时以上2小时以下。
若热处理工序中的加热时间为0.1小时以上，则难以发生不晶化的情况，氧化物薄膜容易晶化。
若热处理工序中的加热时间为5小时以下，则经济性优异。
“加热时间”是指在热处理时维持规定的最高温度的时间(保持时间)。
热处理工序中的升温速度优选为2℃/分钟以上1000℃/分钟以下，更优选为3℃/分钟以上600℃/分钟以下。
若热处理工序中的升温速度为2℃/分钟以上，则与小于1℃/分钟的情况相比，氧化物薄膜的制造效率提高。
若热处理工序中的升温速度为1000℃/分钟以下，则在晶化时金属元素均匀地扩散，能够形成金属未在晶界偏析的晶体。
此外，热处理工序中的升温速度不同于根据炉的设定温度与设定时间计算出的值，是氧化物薄膜的实际温度除以时间而得到的值。氧化物薄膜的实际温度例如能够通过用热电偶测量距炉中的氧化物薄膜1cm以内的区域来求出。
热处理工序优选在25℃下的湿度为10％以上、更优选湿度为40％以上的大气气氛下进行。通过使热处理工序在湿度为10％以上的大气中，退火时氢、氧在膜中扩散，能够促进晶化。湿度的上限没有特别限定，大致为80％以下。
热处理工序优选在氧化物薄膜的图案化后进行。通过在图案化后进行，能够使在成膜时存在于膜中的过剩的氧及图案化时附着的有机物脱离的同时促进晶化。其结果为，能够形成在晶粒内没有有机物、过剩氧且晶体缺陷较少的膜，能够形成电子陷阱少且具有良好的传导特性的氧化物薄膜。
另外，热处理工序也可以实施多次。例如，可以在氧化物薄膜的图案化后实施上述的热处理工序(第1热处理工序)，进而在制作TFT元件后，实施热处理工序(第2热处理工序)作为最终工序。第2热处理工序优选在比第1热处理工序高的退火温度下进行。
另外，在热处理工序中得到的晶体氧化物薄膜的一部分上也可以形成电阻低于其他区域的低电阻区域。低电阻区域的形成方法没有特别限定，例如能够通过在氧化铟锡(ITO)、铝等的存在下利用栅极绝缘膜及/或栅电极代替掩模(自对准)从而进行热处理(退火)的方法，将晶体氧化物薄膜的对象部低电阻化来形成。
3.薄膜晶体管(TFT)及其制造方法
本实施方式所涉及的TFT包含上述的本发明的晶体氧化物薄膜。优选使用本发明的晶体氧化物薄膜作为TFT的沟道层。
此外，本实施方式所涉及的TFT具有缓冲层与沟道层，所述沟道层为所述晶体氧化物薄膜，从所述沟道层观察，在与所述缓冲层相反的一侧，从所述沟道层侧起依次具有栅极绝缘膜及栅电极。
在一实施方式中，TFT依次具有基板、缓冲层与沟道层。并且，TFT具有沟道层、分别连接于沟道层的两端侧的源电极及漏电极、以及隔着栅极绝缘膜层叠于沟道层的栅电极，沟道层为晶体氧化物薄膜。
即，从沟道层观察，栅极绝缘膜及栅电极设置在与缓冲层相反的一侧。
作为本实施方式所涉及的TFT的构成，例如能够采用以往公知的构成。
本实施方式所涉及的TFT能够通过如下的薄膜晶体管的制造方法制造，该薄膜晶体管的制造方法具有：在基板上成膜出氧化物薄膜的工序；在大气气氛下且在超过300℃的温度下对所述氧化物薄膜进行退火处理而形成晶体氧化物薄膜的工序；在所述晶体氧化物薄膜上依次形成栅极绝缘膜及栅电极的工序。
在一实施方式中，在所述基板上形成缓冲层后，在所述缓冲层上成膜出所述氧化物薄膜。
此外，本实施方式所涉及的TFT能够通过如下的薄膜晶体管的制造方法制造，该薄膜晶体管的制造方法具有：在基板上成膜出氧化物薄膜的工序；在大气气氛下且在超过300℃的温度下对所述氧化物薄膜进行退火处理而形成晶体氧化物薄膜的工序；在所述晶体氧化物薄膜上依次形成层间绝缘膜的工序。
在一实施方式中，在所述基板上依次形成栅电极、栅极绝缘膜后，在所述栅极绝缘膜上成膜出所述氧化物薄膜。
在此，对氧化物薄膜进行退火处理而形成晶体氧化物薄膜的工序能够采用上述的晶体氧化物薄膜的制造方法。即，本实施方式所涉及的TFT能够通过包括使用溅射靶通过溅射成膜出氧化物薄膜的工序(有时称为成膜工序)及对氧化物薄膜实施热处理的工序(有时称为热处理工序)的制造方法制造。在晶体氧化物薄膜的制造方法中，成膜工序及加热处理工序的各条件等如上所述。源电极、漏电极、栅电极及栅极绝缘膜能够通过公知的材料及形成方法形成。
本实施方式的薄膜晶体管的制造方法中的晶体氧化物薄膜以外的各层的形成方法没有特别限定，能够使用公知的方法。
(TFT的构成层的形成工序)
在晶体氧化物薄膜上形成绝缘层等TFT的构成层的情况下，优选在对得到的氧化物薄膜进行热处理后，在氧化物薄膜上形成构成层。通过在形成TFT的构成层前进行退火，在退火时氧、氢扩散，可得到柱状且高品质的晶体，在形成构成层后可得到界面电子陷阱能级小且迁移率高的小型TFT。
本实施方式所涉及的薄膜晶体管的形状没有特别限定，优选顶栅型晶体管、背沟道蚀刻型晶体管或蚀刻阻挡型晶体管等。此外，这些晶体管也可以是自对准型。
以下，参照附图等对实施方式进行说明。但是，本领域技术人员容易理解，实施方式能够以许多不同的方案进行实施，能够在不脱离本发明的主旨及其范围的情况下对其方案及详细情况进行各种变更。因此，本发明并不限定于以下的实施方式的记载内容而解释。
在附图中，大小、层的厚度及区域等有时为了清楚化而被夸张。因此，本发明并不限定于图示的大小、层的厚度及区域等。另外，附图是示意性地示出理想例的图，本发明并不限定于附图所示的形状及值等。
图1是本实施方式的TFT的一例的概略剖视图。
TFT50是顶栅型的TFT，具有基板21、缓冲层22、沟道层(晶体氧化物薄膜)11、I TO层23、栅极绝缘膜24、栅电极25、层间绝缘膜26、源电极27、漏电极28及保护膜29。
TFT50具有依次层叠有基板21、缓冲层22、沟道层(晶体氧化物薄膜)11而得的结构。在沟道层11的中央部具有高电阻区域11B，在高电阻区域11B上依次层叠有栅极绝缘膜24及栅电极25。栅极绝缘膜24是阻断栅电极25与沟道层(晶体氧化物薄膜)11的导通的绝缘膜。在高电阻区域11B的两侧具有沟道层11的低电阻区域11A-1及11A-2。在低电阻区域11A-1、11A-2及栅电极25上覆盖有I TO层23及层间绝缘膜26。I TO层23在形成沟道层11的低电阻化区域时使用。源电极27及漏电极28经由设置在I TO层23及层间绝缘膜26中的接触孔分别与低电阻区域11A-1及11A-2连接。源电极27及漏电极28是用于使源极电流及漏极电流流过沟道层11的导电端子。以覆盖层间绝缘膜26、源电极27及漏电极28等TFT构成层的方式设置有保护膜29。
缓冲层22可以由单层构成，也可以是2层以上的层叠结构。此外，也可以在缓冲层22与基板21之间具有金属层。
其中，优选沟道层11与缓冲层22如图1所示那样直接相接。
形成缓冲层22的材料将后述。
缓冲层22的厚度没有特别限定，例如为50～600nm。
此外，在图1中，层间绝缘膜26为单层，但也可以将层间绝缘膜26设为2层结构。
本实施方式的TFT能够通过公知的构成进行改良。
例如，虽然在图1中未图示，但在TFT50中，可以在基板21与缓冲层22之间如图2所示那样形成遮光层31，或者也可以在层叠有多个层的缓冲层22的中间层形成遮光层31。
图2是本实施方式的TFT的另一例的概略剖视图。
TFT51除了在基板21与缓冲层22之间设置遮光层31以外，具有与TFT50相同的构成。遮光层31是为了抑制由光引起的TFT的误动作而形成的。遮光层可以与源电极27连接，或者也可以与栅电极25连接。
此外，在图1中，将沟道层11的两端侧即连接有源电极27及漏电极28的区域附近设为晶体氧化物薄膜的低电阻区域11A、与栅极绝缘膜24的下表面接触的区域设为高电阻区域11B，将这样的构成例作为本发明的TFT的一例而进行示出，但本发明的TFT并不限于该构成。即，本发明的TFT也可以使用电阻值在面方向上均匀的晶体氧化物薄膜作为沟道层11。在该情况下，可以如图3所示地不形成I TO层23。
图3是本实施方式的TFT的另一例的概略剖视图。
TFT52除了沟道层(晶体氧化物薄膜)11为不具有电阻值的边界的层(在沟道层(晶体氧化物薄膜)11未设置低电阻区域11A、高电阻区域11B的划分)这一点、以及未设置I TO层23以外，具有与TFT50相同的构成。
在本实施方式中，在TFT为小型TFT的情况下，作为相对于源电极及漏电极为沟道层的晶体氧化物薄膜，沟道长度(L长度；在图1中，沟道层11与栅极绝缘层24的接触区域中的源电极27-漏电极28方向的长度)为1μm以上50μm以下，沟道宽度(W长度；在图1中，沟道层11与栅极绝缘层24的接触区域中的与源电极27-漏电极28方向正交的方向的长度)为1μm以上80μm以下。
形成基板的材料没有特别限制，能够任意选择通常使用的材料。例如，能够使用玻璃基板、陶瓷基板、石英基板、蓝宝石基板等。此外，也能够应用硅、碳化硅等单晶半导体基板、多晶半导体基板、硅锗等化合物半导体基板、S IO(S i l i con I n I nsu l ator：绝缘体上硅)基板等，也可以将在这些基板上设置有半导体元件而得的基板用作基板。
此外，还可以使用挠性基板作为基板。另外，作为在挠性基板上设置TFT的方法，除了在挠性基板上直接制作TFT的方法以外，还有在非挠性基板上制作TFT后将TFT剥离并设置在挠性基板上的方法。在该情况下，可以在非挠性基板与TFT之间设置剥离层。
形成缓冲层的材料也没有特别限制，能够任意选择通常使用的材料，且能够使用层叠膜作为缓冲层。例如，能够使用S iO2、S iOx、S i Nx、氧氮化硅、A l 2O3、Ta2O5、T i O2、MgO、ZrO2、Ga2O3、GeO2、Nd2O3、La2O3、CeO2、K2O、L i2O、Na2O、Rb2O、Sc2O3、Y2O3、HfO2、CaHfO3、PbTiO3、BaTa2O6、SrT i O3、Sm2O3、A l N等。另外，各材料的氧化数也可以变动。
缓冲层22能够根据基板的种类(例如玻璃基板、聚酰亚胺等树脂基板)而适当设计。作为与沟道层11相接的缓冲层22的材料，在上述材料中优选SiO2。
若与沟道层11相接的缓冲层22的材料为S iO2，则在沟道层(晶体氧化物薄膜)11中，呈截面TEM图像的FFT像示出FFT特定面取向的比例变高的倾向，具有良好的晶体结构。
在图2中，也可以在遮光层31与基板21之间设置第2缓冲层。形成第2缓冲层的材料也没有特别限制，能够任意选择通常使用的材料。此外，还能够使用层叠膜作为第2缓冲层。作为第2缓冲层的材料，例如能够使用SiO2、Si Nx、氧氮化硅、A l 2O3、Ta2O5、T iO2、MgO、ZrO2、Ga2O3、GeO2、Nd2O3、La2O3、CeO2、K2O、L i2O、Na2O、Rb2O、Sc2O3、Y2O3、HfO2、CaHfO3、PbT iO3、BaTa2O6、SrT iO3、Sm2O3、A l N等。另外，各材料的氧化数也可以变动。
形成栅极绝缘膜的材料也没有特别限制，能够任意选择通常使用的材料，且能够使用层叠膜作为栅极绝缘膜。例如，能够使用S i O2、S i Nx、氧氮化硅、A l 2O3、Ta2O5、TiO2、MgO、ZrO2、Ga2O3、GeO2、Nd2O3、La2O3、CeO2、K2O、L i2O、Na2O、Rb2O、Sc2O3、Y2O3、HfO2、CaHfO3、PbT iO3、BaTa2O6、SrT i O3、Sm2O3、A l N等。另外，各材料的氧化数也可以变动。
形成漏电极、源电极及栅电极的材料没有特别限制，能够任意选择通常使用的材料。例如，能够使用I TO、I ZO、ZnO及SnO2等透明电极、A l、Ag、Cu、Cr、N i、Co、Mo、Au、T i、Zr、Ru、Y、Nb、W及Ta等金属电极、或者由包含这些的合金构成的金属电极。此外，还能够使用2层以上的层叠电极。
形成各层间绝缘膜的材料也没有特别限制，能够任意选择通常使用的材料。此外，能够使用层叠膜作为层间绝缘膜。例如，能够使用S i O2、S i Nx、氧氮化硅、A l2O3、Ta2O5、TiO2、MgO、ZrO2、Ga2O3、GeO2、Nd2O3、La2O3、CeO2、K2O、L i2O、Na2O、Rb2O、Sc2O3、Y2O3、HfO2、CaHfO3、PbT iO3、BaTa2O6、SrT iO3、Sm2O3及A l N。另外，各材料的氧化数也可以变动。
形成遮光层的材料没有特别限制，能够任意选择通常使用的材料。具体而言，能够使用A l、Ag、Cu、Cr、N i、Co、Mo、Au、T i、Zr、Ru、Y、Nb、Ta、W等金属电极、它们的合金、它们的层叠体等。
无论TFT的结构如何，均优选在漏电极、源电极及导电化区域上设置保护膜。通过设置保护膜，即使在长时间驱动TFT的情况下，也容易提高耐久性。
缓冲层、栅极绝缘膜、层间绝缘膜、保护膜等绝缘膜的制作方法没有特别限定。作为制作方法，可例举PE-CVD、ALD、PLD、MO-CVD、RF溅射、I CP溅射、反应性溅射、I CP-CVD、离子镀、溶胶凝胶法、涂布法、雾化CVD等。另外，作为PE-CVD的气体种类，除了硅烷(S i H4)以外，还能够使用四乙氧基硅烷(TEOS)。
例如在通过PE-CVD形成的情况下，有时成为基于高温的工艺。此外，缓冲层、栅极绝缘膜、层间绝缘膜、保护膜等绝缘膜大多在刚成膜后含有杂质气体而优选进行热处理(退火处理)。通过利用热处理去除杂质气体，成为稳定的绝缘膜，容易形成耐久性高的TFT。此外，通过在形成栅极绝缘膜后进行退火，栅极绝缘膜中包含的氢扩散至氧化物薄膜，存在于氧化物薄膜表面的晶体缺陷被羟基封端，结果能够形成电子陷阱较少且具有良好的传导特性的氧化物薄膜。
作为缓冲层的制作方法，在上述方法中，例如优选使用RF溅射、反应性溅射、PE-CVD、涂布法等。其中，PE-CVD法是生产性高且通用的方法，因此能够优选地使用。
TFT的饱和迁移率优选为10.0cm2/V·s以上200.0cm2/V·s以下，更优选为20.0cm2/V·s以上150.0cm2/V·s以下。
通过将TFT的饱和迁移率设为10.0cm2/V·s以上，能够实现显示器的高精细化、高帧频化、大面积化。
TFT的饱和迁移率根据施加20V漏极电压时的传输特性求出。TFT的饱和迁移率的测量方法在实施例中详细说明。
阈值电压(Vth)优选为-3.0V以上3.0V以下，更优选为-2.0V以上2.0V以下，进一步优选为-1.0V以上1.0V以下。若阈值电压(Vth)为-3.0V以上3.0V以下，则通过在TFT中搭载Vth校正电路，能够进行向Vth＝0V的校正。在将由此得到的TFT搭载于面板时，能够在不引起亮度不均及烧屏的情况下驱动显示器。
阈值电压(Vth)的测量方法在实施例中详细说明。
通断比(on-off比)优选为106以上1012以下，更优选为107以上1011以下，进一步优选为108以上1010以下。若通断比为106以上，则能够驱动液晶显示器。若通断比为1012以下，则能够驱动对比度较大的有机EL元件。此外，若通断比为1012以下，则能够使关断电流为10-12A以下，在用于CMOS图像传感器的传输晶体管、复位晶体管的情况下，能够延长图像的保持时间，或者提高灵敏度。
将Vg＝-10V的I d的值作为关断电流值，将Vg＝20V的I d的值作为导通电流值，从而确定比[导通电流值/关断电流值]，由此求出通断比。
关断电流值优选为10-10A以下，更优选为10-11A以下，进一步优选为10-12A以下。若关断电流值为10-10A以下，则能够驱动对比度较大的有机EL元件。此外，在用于CMOS图像传感器的传输晶体管、复位晶体管的情况下，能够延长图像的保持时间，或者提高灵敏度。
泄漏电流优选为1×10-10A以下，更优选为1×10-11A以下，进一步优选为1×10-12A以下。
本实施方式的TFT中，沟道层的晶体氧化物薄膜示出FFT特定面取向的比例较高，且例如膜厚方向的2层晶化得以抑制，具有柱状的单层晶体大量存在的良好的晶体状态，因此能够示出泄漏电流如上述那样被抑制的良好的TFT特性。
若泄漏电流为1×10-10A以下，则能够驱动对比度较大的有机EL元件。此外，在用于CMOS图像传感器的传输晶体管、复位晶体管的情况下，能够延长图像的保持时间，或者提高灵敏度。
泄漏电流的测量方法在实施例中详细说明。
本实施方式所涉及的TFT能够适合用于太阳能电池、液晶元件、有机电致发光元件、无机电致发光元件等显示元件、功率半导体元件、触摸面板等电子设备。
本实施方式所涉及的薄膜晶体管也能够应用于场效应晶体管、逻辑电路、存储电路及差动放大电路等各种集成电路，能够将它们应用于电子设备等。进而，除了场效应晶体管之外，本实施方式所涉及的薄膜晶体管还能够适用于静电感应晶体管及肖特基势垒晶体管。
本实施方式所涉及的薄膜晶体管能够适合用于便携用或车载用显示装置等显示装置及固体摄像元件等。进而，本实施方式所涉及的薄膜晶体管也能够适合用作医疗用途的X射线图像传感器用平板探测器用晶体管。
此外，本实施方式所涉及的晶体氧化物薄膜也能够适用于肖特基二极管、电阻变化型存储器及电阻元件。
实施例
以下，基于实施例具体地对本发明进行说明。本发明并不受实施例限定。
[自对准型顶栅结构(SA-TG：Se l f-A l i gned Top-Gate)小型TFT的制造]
实施例1
通过以下的工序制造图1所示的薄膜晶体管50。
(1-1)缓冲层(S iOx层)的形成(溅射)
使用S i O2的溅射靶，在直径4英寸的无碱玻璃基板(支承体)21(康宁公司制EAGLE XG)上通过溅射形成厚度300nm的S iOx层(缓冲层)。溅射条件如下。
基板温度：25℃
极限压力：8.5×10-5Pa
气氛气体：Ar
溅射压力(总压)：0.4Pa
输入电压：RF300W
S(基板)-T(靶)间距离：70mm
(2)氧化物薄膜的形成
接着，使用由表1所示的投料组成比率的原料混合物得到的氧化物溅射靶进行溅射，由此形成氧化物薄膜。另外，氧化物溅射靶中的投料组成比率(单位：mass％)及金属组成比率(单位：at％)如表1所示。
溅射中的成膜条件与沟道层的厚度如表1所示。表1记载之外的溅射条件如下。
基板温度：25℃
极限压力：1.0×10-4Pa
输入电压：DC300W
S(基板)-T(靶)间距离：70mm
(3)沟道层的形成
接着，通过光刻法将氧化物薄膜图案化为岛状，形成沟道层。首先，在氧化物薄膜上形成光致抗蚀剂的膜。作为光致抗蚀剂，使用AZ1500(安智电子材料公司制)。隔着以表1所示的长边及短边的尺寸形成有图案的光掩模进行曝光。曝光后，用四甲基氢氧化铵(TMAH)进行显影。显影后，利用草酸(关东化学制I TO-06N)对氧化物薄膜进行蚀刻。蚀刻后，剥离光致抗蚀剂，得到带有图案化的氧化物薄膜(沟道层)的基板。将得到的沟道层的长边及短边的尺寸示出在表1。
(4)退火
接着，将形成有沟道层的基板放入炉中，在大气中以10℃/分钟升温至350℃后，保持1小时。在炉的内部以350℃保持1小时后，自然放冷，在炉的内部温度恢复至室温后，将基板从炉中取出。
(5)第一栅极绝缘膜的形成
接着，使用S iO2的溅射靶进行溅射，形成厚度10nm的S iOx层(第一栅极绝缘膜)。溅射条件如下。
基板温度：25℃
极限压力：8.5×10-5Pa
气氛气体：Ar+O2的混合气体(O2流量30％)
溅射压力(总压)：0.4Pa
输入电压：RF100W
S(基板)-T(靶)间距离：70mm
(6)第一栅极绝缘膜的退火
接着，将基板放入炉中，在大气中以10℃/分钟升温至400℃后，保持1小时。在炉的内部以400℃保持1小时后，自然放冷。在炉内温度恢复至室温后，从炉中取出基板。
(7)第二栅极绝缘膜的形成
接着，使用S i O2的溅射靶，通过溅射形成厚度100nm的S i Ox层(第二栅极绝缘膜)。溅射条件如下。
基板温度：25℃
极限压力：8.5×10-5Pa
气氛气体：Ar+O2的混合气体(O2流量30％)
溅射压力(总压)：0.4Pa
输入电压：RF100W
S(基板)-T(靶)间距离：70mm
由此，由第一栅极绝缘膜及第二栅极绝缘膜构成的栅极绝缘膜层的合计厚度成为110nm。
(8)栅电极的形成
接着，使用Mo的溅射靶，成膜出150nm厚的Mo膜。溅射的条件如下。
基板温度：25℃
极限压力：8.5×10-5Pa
气氛气体：Ar
溅射压力(总压)：0.4Pa
输入电压：DC100W
S(基板)-T(靶)间距离：70mm
(9)栅电极及栅极绝缘膜层的图案化
接着，通过光刻法将Mo膜及栅极绝缘膜层图案化为岛状。首先，在沟道层上形成光致抗蚀剂的膜。作为光致抗蚀剂，使用AZ1500(安智电子材料公司制)。隔着以横10μm×纵28μm尺寸形成有图案的光掩模进行曝光。曝光后，用四甲基氢氧化铵(TMAH)进行显影。显影后，利用PAN(磷酸-硝酸-乙酸的混合酸)对Mo膜进行蚀刻，形成栅电极。
接着，利用缓冲氢氟酸(BHF)对栅极绝缘膜层进行蚀刻，图案化为岛状。
接着，将光致抗蚀剂剥离后，使用草酸(关东化学制I TO-06N)，将沟道层露出的区域蚀刻膜厚10nm，并清洗。
得到的栅电极层及栅极绝缘层的尺寸为横10μm×纵(沟道层的短边尺寸(μm)+8(μm))。
(10)低电阻化处理
通过利用了栅电极的自对准，在沟道层形成低电阻区域。使用I TO的溅射靶，形成2nm厚的I TO层。溅射条件如下。
基板温度：25℃
极限压力：8.5×10-5Pa
气氛气体：Ar+O2的混合气体(O2流量2％)
溅射压力(总压)：0.4Pa
输入电压：DC100W
S(基板)-T(靶)间距离：70mm
接着，将基板放入炉中，在大气中以10℃/分钟升温至350℃后，保持1小时，进行退火。在炉的内部以350℃保持1小时后，自然放冷。在炉内温度恢复至室温后，从炉中取出基板。
(11)层间绝缘膜的形成
接着，使用S i O2的溅射靶进行溅射，形成厚度150nm的S i Ox层(层间绝缘膜)。溅射条件如下。
基板温度：25℃
极限压力：8.5×10-5Pa
气氛气体：Ar+O2的混合气体(O2流量30％)
溅射压力(总压)：0.4Pa
输入电压：RF100W
S(基板)-T(靶)间距离：70mm
(12)层间绝缘膜的接触孔的形成
对于形成有层间绝缘膜的基板，使用光致抗蚀剂AZ1500(安智电子材料公司制)，隔着光掩模进行曝光后，用四甲基氢氧化铵(TMAH)进行显影。
显影后，利用缓冲氢氟酸(BHF)形成横6μm×纵(沟道层的短边尺寸(μm)-4(μm))的接触孔。
(13)源电极及漏电极的形成
使用图像反转抗蚀剂AZ5214及光掩模，通过剥离工艺对源电极及漏电极层进行图案化。
将图像反转抗蚀剂AZ5214隔着以能够图案化为图1的最终元件形状的方式形成的光掩模进行曝光，在反转烘烤工序后进行整面曝光，用TMAH进行显影。对于带有图案化的抗蚀剂的基板，在以下的溅射条件下成膜出厚度150nm的Mo层。
基板温度：25℃
极限压力：8.5×10-5Pa
气氛气体：Ar
溅射压力(总压)：0.4Pa
输入电压：DC100W
S(基板)-T(靶)间距离：70mm
然后，在丙酮中将成膜有Mo层的基板剥离，从而将源电极及漏电极层图案化。
(14)最终退火
最后，在N2气氛中，在300℃下退火1小时，由此得到自对准型顶栅结构小型TFT(SA-TG型TFT)。
得到的元件(自对准型顶栅结构小型TFT)的最终形状为，沟道长度(也称为L长度。以下示为沟道长度)为10μm，沟道宽度与表1所示的沟道层的短边尺寸(μm)为相同的长度。
实施例2～6
除了将沟道层的膜厚、短边的尺寸以及缓冲层的形成方法如表1所示地变更以外，与实施例1同样地制作TFT。
另外，实施例2、4的缓冲层通过以下方法形成。
(1-2)缓冲层(S iOx膜)的形成(PE-CVD；p l asma-enhanced chem i ca l vapordepos it i on：等离子体增强化学气相沉积)
原料气体使用甲硅烷(S i H4)与一氧化二氮(N2O)，通过PE-CVD法成膜出厚度300nm的SiOx膜。在成膜条件为基板温度350℃、成膜压力1Torr、N2O/S i H4气体流量比50、RF功率100W的条件下进行。
[表1]
实施例7～11除了将沟道层的成膜条件、膜厚、短边的尺寸以及缓冲层的形成方法如表2所示地变更以外，与实施例1同样地制作TFT。
另外，实施例8的缓冲层的形成与实施例2同样地进行。此外，实施例11的缓冲层通过以下的方法形成。
(1-3)缓冲层(S i Nx膜)的形成(PE-CVD)
原料气体使用甲硅烷(S i H4)与氮(N2)，通过PE-CVD法，成膜出厚度300nm的S iNx膜。在成膜条件为基板温度350℃、成膜压力0.5Tor r、N2/S i H4气体流量比100、RF功率200W的条件下进行。
[表2]
实施例12～17
除了将沟道层的成膜中使用的溅射靶的组成比率、沟道层的成膜条件、退火条件、沟道层的膜厚、以及缓冲层的形成方法如表3所示地变更以外，与实施例1同样地制作TFT。
另外，实施例13、15的缓冲层的形成与实施例2同样地进行。此外，实施例14的缓冲层的形成通过以下的方法进行。
(1-4)缓冲层(A l 2O3膜)的形成(ALD；Atomi c Layer Depos it i on：原子层沉积)
原料气体使用三甲基铝(A l(CH3)3)与水(H2O)，在基板温度300℃的条件下，通过ALD法形成膜厚100nm的A l 2O3膜。将向成膜腔室内导入三甲基铝后进行氮气吹扫、接着导入水后进行氮气吹扫的工序作为1个循环，将其进行1000个循环，由此进行成膜。
[表3]
比较例1～8
除了将沟道层的成膜中使用的溅射靶的组成比率、沟道层的成膜条件、退火条件、沟道层的膜厚、长边或短边的尺寸以及缓冲层的形成方法如表4所示地变更以外，与实施例1同样地制作TFT。
另外，比较例1、3的缓冲层的形成与实施例2同样地进行。
此外，在比较例6中，作为基板，使用厚度100nm的带热氧化膜的S i基板，将该热氧化膜(厚度100nm)用作缓冲层。
另外，将S i基板放入设为含氧气氛的加热炉中，在炉内温度900～1100℃左右的温度下加热规定时间而得到带热氧化膜的S i基板。
[表4]
实施例18～225、比较例9
除了将沟道层的成膜中使用的溅射靶的组成比率、沟道层的成膜条件、沟道层的膜厚、短边及长边的尺寸、退火条件、以及缓冲层的形成方法如表5～表19所示地变更以外，与实施例1同样地制作TFT。
[表5]
[表6]
[表7]
[表8]
[表9]
[表10]
[表11]
[表12]
[表13]
[表14]
[表15]
[表16]
[表17]
[表18]
[表19]
另外，表1～表19中，“-”是指为“0”的情况。
(A)氧化物薄膜的评价
(a)成膜后的结晶性
在实施例及比较例中，对与通过“(3)沟道层的形成”得到的带氧化物薄膜的基板同样地制作的带氧化物薄膜的基板进行X射线衍射测量，由此判断成膜后的结晶性。
具体而言，使用X射线衍射装置(理学公司制“SmartLab型”)，向氧化物薄膜入射CuKα射线的平行光束，通过2θ/θ测量在2θ为10～80°的范围内测量衍射图案。对成膜出氧化物薄膜前的无碱玻璃基板(支承体)也进行同样的测量，比较氧化物薄膜的成膜前后的衍射图案，将氧化物薄膜的成膜后衍射峰未增加的氧化物薄膜判断为“非晶质”。另一方面，将氧化物薄膜成膜后衍射峰增加了的氧化物薄膜判断为“晶体”。将结果示出在表1～表19。
对实施例及比较例中得到的TFT进行以下的评价。将结果示出在表20～表31。另外，表中，“E+XX”是指“×10XX”。
(B)TFT的沟道层(晶体氧化物薄膜)的评价
对于TFT中的沟道层的截面的晶体状态，使用聚焦离子束装置(F I B：Focused Ion Beam)对沟道层进行前处理，利用透射型电子显微镜(TEM：Transmi ss i on E lectron M i croscope)观察沟道层的截面，由此评价(a)晶界的平均间隔D及(b)晶体状态。
具体而言，首先，在与沟道层的表面垂直的方向上，使用FI B(日立高新技术公司制“FB2100型”)装置加入离子束，以加速电压40kV对16μm×4μm尺寸的试验片进行采样。然后，对于进行采样而得的试验片，从在沟道长度方向(附图的水平方向)上栅电极与栅极绝缘膜、氧化物薄膜交叠的区域提取样品。
对于提取出的样品，在沟道长度方向及与膜厚方向垂直的沟道宽度方向(附图的进深方向)上使用F I B(日本电子公司制“J I B-4700F型”)装置以加速电压20kV进行加工直至薄片的厚度成为大约100nm左右，使样品的厚度变薄。
截面TEM像在基板为平坦的状态且不施加外力的条件下，使用透射型电子显微镜(日本电子制“JEM-F200型”)进行观察。加速电压设为200kV，以后述的倍率实施观察。
(a)晶界的平均间隔D
观察氧化物薄膜的截面时的平均间隔D能够通过解析由截面TEM观察到的晶粒的间隔来计算。在以观察倍率20，000倍观测到的图像中，提取在沟道长度方向上为5μm、以氧化物膜厚的尺寸而以薄膜TFT中的沟道长度方向的中央部为中心的视野，观测截面TEM像。针对得到的截面TEM像的视野，使用Image Metro l ogy公司制“SPIP，版本4.3.2.0”进行图像解析，由此计算晶界的平均间隔D。详细情况如下。
对于截面TEM图像，在晶界引出彩码H0、S0、V10的线。进而，使用图像解析软件将对比度数值化，将(最大浓度-最小浓度)×1/4的高度设定为阈值。接着，将示出阈值以下的对比度的区域定义为晶界，求出各晶界与最靠近粒子的间隔，作为晶界的间隔。将得到的各晶界的间隔的合计值除以测量间隔的部位的数量而得的值作为晶界的平均间隔D。
另外，在后述的(b)晶体状态的评价中，对于判断为“2层晶体”的情况，由于无法对柱状晶体的晶界进行解析，因此设为无法测量。
(b)晶体状态
关于晶体状态的判定方法，通过对由截面TEM像的观察得到的样品观察电子束衍射图案来进行判断。
具体而言，使用电子显微镜(日本电子制“JEM-2800型”)，对在截面TEM像中以观察倍率1，000，000倍观察到的氧化物薄膜区域，通过限制视场光阑，以照射区域约100nmφ、加速电压200kV照射电子束，测量衍射图案。在截面TEM像样品中的沟道长度方向上以观测点在10μm的范围内不重叠的方式大致等间隔地提取10个视野。在沟道长度方向的长度较短、提取的范围被限制为小于10μm的情况下，以观测点在与沟道长度对应的范围内不重叠的方式大致等间隔地提取10个视野。在提取出的10个视野中，将在任一视野中均未得到清晰的衍射光斑的氧化物薄膜判断为“非晶质”。另一方面，将在任一视野中从衍射图案观察到具有对称性的衍射点、且在任一视野的截面TEM像中均未确认到在氧化物薄膜的膜厚方向上产生了2层晶化的状态的情况判断为“柱状晶体”。
此外，将在截面TEM像中在氧化物薄膜的膜厚方向上确认到2层晶化的状态的情况判断为“2层晶体”。
(c)FFT特定面取向比例
将对通过截面TEM像的观察得到的TEM像进行二维傅里叶变换(FFT：Fast Four ier Transformat i on)而得到的图像与倒易晶格模拟结果进行比较，由此计算FFT特定面取向比例。FFT像通过使用软件ImageJ(免费软件ver1.45 l(2011/07/20))进行计算而获取。
在模拟中使用软件Rec i Pro(免费软件ver4.797(2021/03/24))，实施针对I n2O3的方铁锰矿结构的倒易晶格模拟与TEM像模拟。在模拟中，方铁锰矿结构的晶体结构数据使用I CSD(I norgan i c Crysta l Structure Database(无机晶体结构数据库)：化学信息协会)的14388，并使用空间群：I a-3、晶格常数：在倒易晶格模拟中，至少在显示面间隔/>的倒易晶格点的范围内进行模拟，以纵向与横向的尺寸相同的图像尺寸获取结果。
将对I n2O3的方铁锰矿结构的TEM像模拟结果进行二维傅里叶变换而得到的FFT像示出在图4。
图4所示的A、B、C、D、E、F、G、H、I的各图案依次与晶面(100)、(110)、(111)、(211)、(411)、(125)、(210)、(310)、(320)对应。
关于TEM像，设为观察倍率1，000，000倍从在截面TEM像中观察到的氧化物薄膜区域中以观测点在沟道长度方向上10μm的范围内不重叠的方式大致等间隔地提取10个视野。在沟道长度方向的长度较短、提取的范围被限制为小于10μm的情况下，以观测点在与沟道长度对应的范围内不重叠的方式大致等间隔地提取10个视野。
针对所提取的各视野中的、在沟道长度方向上不包含晶界且在膜厚方向上不包含界面或晶界的范围，对能够确认到规则的原子排列的晶格像的TEM像进行观察，通过与对应于图4所示的模拟的图案的、针对各晶面的倒易晶格模拟(例如图6)进行对比来评价该FFT像是否符合图案A～I中的任一种面取向。
具体而言，以图像的纵横比不发生变化的方式，在频域的大小与倒易晶格模拟的误差为±10％的范围内放大缩小提取出的各视野的FFT像，接着使该FFT像在图像的二维平面方向上旋转，由此将调整了尺寸与斜率的FFT像以图像的中心与倒易晶格模拟一致的方式重叠。然后，在A～I中的任一图案的晶面中，从FFT像的亮度最高的亮点向亮度最低的亮点，8点以上的坐标依次一致的情况下，判定该视野为FFT特定面取向。
在此，在如下情况下判定为坐标一致：FFT像的各亮点的中心坐标进入自倒易晶格模拟的各倒易晶格点的中心坐标起以相对于倒易晶格模拟的图像尺寸为2％的像素数为半径的范围内。以下说明对于图4所示的各晶面的判定方法。
图4所示的A的晶面为(100)，具有通过将图像的中心坐标固定并旋转90°而图案一致的4次对称的性质。代表性的亮点的面间隔为相同面间隔的亮点存在于90°旋转位置。从/>的亮点旋转45.0°后的坐标轴上有/>的亮点，/>的亮点与/>的亮点在相同的坐标轴上。确认从4点面间隔为/>的亮点、4点面间隔为/>的亮点、4点面间隔为/>的亮点合计12点中任意选择的8点亮点的坐标是否一致。
图4所示的B的晶面为(110)，具有通过将图像的中心坐标固定并旋转180°而图案一致的2次对称的性质。代表性的亮点的面间隔为相同面间隔的亮点存在于180°旋转位置。从的亮点旋转54.7°后的坐标轴上有/>的亮点，从/>的亮点旋转35.3°后的坐标轴上有/>的亮点，/>的亮点与/>的亮点在同一坐标轴上。确认从2点面间隔为/>的亮点、4点面间隔为/>的亮点、2点面间隔为/>的亮点、2点面间隔为/>的亮点合计10点中任意选择的8点亮点的坐标是否一致。
图4所示的C的晶面为(111)，具有通过将图像的中心坐标固定并旋转60°而图案一致的6次对称的性质。代表性的亮点的面间隔为相同面间隔的亮点存在于60°旋转位置。在从/> 的亮点旋转30.0°后的坐标轴上有/>的亮点。确认从6点面间隔为/>的亮点、以及6点面间隔为/>的亮点合计12点中任意选择的8点亮点的坐标是否一致。
图4所示的D的晶面为(211)，具有通过将图像的中心坐标固定并旋转180°而图案一致的2次对称的性质。代表性的亮点的面间隔为相同面间隔的亮点存在于180°旋转位置。从的亮点旋转58.5°后的坐标轴上有/>的亮点，从/>的亮点旋转31.5°后的坐标轴上有/>的亮点，/>的亮点与/>的亮点在同一坐标轴上。确认从2点面间隔为/>的亮点、4点面间隔为/>的亮点、2点面间隔为/>的亮点、2点面间隔为/>的亮点合计10点中任意选择的8点亮点的坐标是否一致。
图4所示的E的晶面为(411)，具有通过将图像的中心坐标固定并旋转180°而图案一致的2次对称的性质。代表性的亮点的面间隔为相同面间隔的亮点存在于180°旋转位置。从的亮点旋转64.8°后的坐标轴上有/>的亮点，从/>的亮点旋转25.2°后的坐标轴上有/>的亮点，/>的亮点与/>的亮点在同一坐标轴上。确认从2点面间隔为/>的亮点、4点面间隔为/>的亮点、2点面间隔为/>的亮点、2点面间隔为/>的亮点合计10点中任意选择的8点亮点的坐标是否一致。
图4所示的F的晶面为(125)，具有通过将图像的中心坐标固定并旋转180°而图案一致的2次对称的性质。代表性的亮点的面间隔为相同面间隔的亮点存在于180°旋转位置。从的亮点旋转47.6°后的坐标轴上有/>的亮点，从/>的亮点旋转42.4°后的坐标轴上有/>的亮点，/>的亮点与/>的亮点在同一坐标轴上。确认从2点面间隔为/>的亮点、4点面间隔为/>的亮点、2点面间隔为/>的亮点、2点面间隔为/>的亮点合计10点中任意选择的8点亮点的坐标是否一致。
图4所示的G的晶面为(210)，具有通过将图像的中心坐标固定并旋转180°而图案一致的2次对称的性质。代表性的亮点的面间隔为相同面间隔的亮点存在于180°旋转位置。从的亮点旋转65.9°后的坐标轴上有/>的亮点，从/>的亮点旋转24.1°后的坐标轴上有/>的亮点，/>的亮点与/>的亮点在同一坐标轴上。确认从2点面间隔为/>的亮点、4点面间隔为/>的亮点、2点面间隔为/>的亮点、2点面间隔为/>的亮点合计10点中任意选择的8点亮点的坐标是否一致。
图4所示的H的晶面为(310)，具有通过将图像的中心坐标固定并旋转180°而图案一致的2次对称的性质。代表性的亮点的面间隔为相同面间隔的亮点存在于180°旋转位置。从的亮点旋转57.7°后的坐标轴上有/>的亮点，从/>的亮点旋转32.3°后的坐标轴上有/>的亮点，/>的亮点与/>的亮点在同一坐标轴上。确认从2点面间隔为/>的亮点、4点面间隔为/>的亮点、2点面间隔为/>的亮点、2点面间隔为/>的亮点合计10点中任意选择的8点亮点的坐标是否一致。
图4所示的I的晶面为(320)，具有通过将图像的中心坐标固定并旋转180°而图案一致的2次对称的性质。代表性的亮点的面间隔为相同面间隔的亮点存在于180°旋转位置。从/>的亮点旋转50.2°后的坐标轴上有/>的亮点，从/>的亮点旋转24.3°后的坐标轴上有/>的亮点。确认从2点面间隔为的亮点、4点面间隔为/>的亮点、4点面间隔为/>的亮点合计10点中任意选择的8点亮点的坐标是否一致。
另外，在截面TEM像中，针对在氧化物薄膜的膜厚方向上确认到2层晶化的状态的“2层晶体”的情况，提取在膜厚方向上不含2层晶化的状态的最大区域，对于该区域，与上述同样地评价是否为FFT特定面取向。
对于提取出的10个视野的FFT像，分别进行与模拟的图案(图案A～I)的对比，将判定为FFT特定面取向的视野数除以进行观察的全部视野数(10个)((示出FFT特定面取向的视野数)/(全部视野数))，由此计算FFT特定面取向比例(％)。
(d)ε(晶格应变)的平均值
ε(晶格应变)的平均值由解析截面TEM像的FFT像而得到的晶格常数计算。
ε(晶格应变)是根据针对在“(c)FFT特定面取向比例”中提取的10个视野中的、判定为符合FFT特定面取向的视野分别对各FFT像进行解析而得到的晶格常数计算出的。
各视野在对应的面取向与观察方向的轴的角度差为1°以下的条件下观察。
根据从以观察倍率1，000，000倍观察到的晶格像的TEM像中得到的FFT像计算出晶格常数(参照图5)。
TEM像包含与晶体氧化物薄膜相接的层，采用能够明确地确定晶体氧化物薄膜的与无碱玻璃基板(支承体)侧的界面平行的方向(即，晶体氧化物薄膜的与主面平行的方向。以下示为平面方向)、以及晶体氧化物薄膜的与无碱玻璃基板(支承体)侧的界面垂直的方向(即，晶体氧化物薄膜的相对于主面的法线方向。以下示为法线方向)的图像。
在该TEM像中，将不包含晶体氧化物薄膜的晶界或邻接的层的、512像素×512像素以上的像素数区域且10nm×10nm以上的区域作为对象，进行二维傅里叶变换处理，获取FFT像。
对于得到的FFT像，通过高斯滤波器进行平滑化，由此去除噪声，提取各亮点中亮度最高的顶点坐标，将它们作为倒易晶格点的坐标。
具体而言，将位于从FFT像的中心坐标起沿法线方向延伸的坐标轴上的亮点中示出最高亮度的顶点坐标设为倒易晶格点P1。此外，将位于从FFT像的中心坐标起在平面方向上延伸的坐标轴上的亮点中示出最高亮度的顶点坐标设为倒易晶格点P2。并且，将与这些倒易晶格点P1、P2(顶点坐标)对应的频域的大小(距FFT像的中心坐标的距离)分别设为面间隔d1、面间隔d2。面间隔通过将频域的大小变换为实际空间的长度而求出。
接着，与在“(c)FFT特定面取向比例”中说明的同样地，实施I n2O3的方铁锰矿结构的倒易晶格模拟，对得到的倒易晶格图案的模拟结果(参照图6。与图案A～I中的任一个对应的图案及各亮点的密勒指数)与解析对象的FFT像的图案进行对比，确定倒易晶格点P1的密勒指数(h1，k1，l 1)及倒易晶格点P2的密勒指数(h2，k2，l2)。在倒易晶格模拟中能够确定各亮点的密勒指数，因此通过与解析对象的FFT像进行对比，对于该FFT像的各亮点也能够确定密勒指数。另外，FFT像的各亮点在从中心坐标观察旋转了180°的位置存在面间隔相同且密勒指数的符号正负相反的亮点，但由于不影响晶格常数的计算结果，因此也可以采用正负任意的密勒指数。
根据倒易晶格点P1的面间隔d1及密勒指数(h1，k1，l 1)，通过下述式(1)计算出法线方向的晶格常数a。
此外，根据倒易晶格点P2的面间隔d2及密勒指数(h2，k2，l2)，通过下述式(2)计算出平面方向的晶格常数b。
法线方向的晶格常数a＝√(h1 2+k1 2+h1 2)×d1…(式(1))
平面方向的晶格常数b＝√(h2 2+k2 2+h2 2)×d2…(式(2))
具体而言，选择如下亮点作为倒易晶格点P1：存在于从FFT像的中心坐标延伸的坐标轴且与法线方向所成的角处于±30°的范围的坐标轴上，且面间隔d1处于的范围的亮点中的、在更接近基板法线的角度中示出最高亮度的亮点。
此外，具体而言，选择如下亮点作为倒易晶格点P2：存在于从FFT像的中心坐标延伸的坐标轴且与平面方向所成的角处于±30°的范围的坐标轴上，且面间隔d2处于的范围的亮点中的、在更接近基板平面的角度中示出最高亮度的亮点。
此外，针对倒易晶格点P1及倒易晶格点P2，选择P1、P2的亮点，使得倒易晶格点P1所在的坐标轴与倒易晶格点P2所在的坐标轴所成的角α在70°＜α＜110°的范围内。
根据法线方向的晶格常数a及平面方向的晶格常数b，通过下述式(3)计算出晶格应变ε。
[数3]
通过算术平均来计算针对各视野计算出的ε(晶格应变)的平均值εaver。
(C)关于TFT的性能的评价
对于得到的TFT，使用半导体参数分析仪(安捷伦株式会社制“B1500”)，在室温、遮光环境下(屏蔽箱内)进行测量。另外，以20V施加漏极电压(Vd)。对于Vd施加，使栅极电压(Vg)以0.1V步长从-5V到20V来测量电流值I d，由此得到I d-Vg特性。
将根据I d-Vg特性计算出的各种参数示出在表20～表31。另外，各参数的计算方法如下所述。
(a)饱和迁移率的最大值
根据施加Vd＝20V时的I d-Vg特性求出饱和迁移率(μsat)。
对于施加Vd＝20V时的饱和迁移率的最大值，制作I d-Vg特性的图表，计算各Vg的跨导(Gm)，使用饱和区域的式子导出饱和迁移率(μsat)。具体而言，通过下述数学式(c1)计算出Gm。
[数4]
进而，通过饱和区域的下述式(c)计算出μsat。
μsat＝(2·Gm·L)/(W·C i)…(c)
式(c)中的L是沟道长度(L长度)，W是沟道宽度(W长度)。
进而，根据各Vg～μsat的图表，计算Vg＝0～20V时的μsat的最大值。
(b)S值及Vth
根据各I d-Vg特性的图表，评价S值及阈值电压(Vth)。具体而言，在电流值I d＝10-11～10-10[A]区域中，计算出通过下述式(d)求出的值作为S值。进而，计算出电流值I d＝10-8[A]下的Vg的值作为阈值电压(Vth)。
[数5]
(c)泄漏电流
根据各I d-Vg特性的图表，评价泄漏电流。泄漏电流是设为Vg＝-5V而测量的I d的值。
(d)自对准型小型TFT可靠性
通过应力试验评价TFT的可靠性。实施正偏压加热应力试验(PBTS)、负偏压加热应力试验(NBTS)、恒定电流应力试验(CCS)这3种试验。
在PBTS中，在50℃下施加Vg＝+20V，将经过1万秒后的阈值电压(Vth)与试验前进行比较，将其差分设为ΔVth。
在NBTS中，在50℃下施加Vg＝-20V，将经过1万秒后的阈值电压(Vth)与试验前进行比较，将其差分设为ΔVth。
在CCS中，在室温下施加Vg＝10V、Vd＝20V，以将施加应力前流过的电流值I d保持为恒定的方式控制Vg而持续流过电流，将经过1万秒后的阈值电压(Vth)与试验前进行比较，将其差分设为ΔVth。
[表20]
[表21]
[表22]
[表23]
[表24]
[表25]
[表26]
[表27]
[表28]
[表29]
[表30]
[表31]
工业实用性
本发明的晶体氧化物薄膜能够适合用作薄膜晶体管的构成部件，例如沟道层。此外，本发明的薄膜晶体管能够用于电气设备、电子设备、车辆、动力机中使用的电子电路。
以上对本发明的实施方式及/或实施例进行了一些详细说明，但本领域技术人员在实质上不脱离本发明的新的教导及效果的情况下，容易对这些例示的实施方式及/或实施例施加许多变更。因此，这些许多变更包含在本发明的范围内。
援用所有本说明书中记载的文献及作为本申请的基于巴黎公约的优先权的基础的申请的内容。

Claims (16)

1.一种晶体氧化物薄膜，是以In为主成分的晶体氧化物薄膜，其特征在于，
对从所述晶体氧化物薄膜的截面的透射电子显微镜即TEM图像中提取的多个图像区域的晶格像分别进行二维傅里叶变换即FFT处理而得到的傅里叶变换像的50％以上示出从(100)、(110)、(111)、(211)、(411)、(125)、(210)、(310)及(320)中选择的任一种面取向。
2.如权利要求1所述的晶体氧化物薄膜，其特征在于，
在针对所述多个图像区域获取的、示出从(100)、(110)、(111)、(211)、(411)、(125)、(210)、(310)及(320)中选择的任一种面取向的所述傅里叶变换像的每一个中，
将从位于自所述傅里叶变换像的中心坐标相对于所述晶体氧化物薄膜的主面沿法线方向延伸的坐标轴上的亮点中选择的倒易晶格点P1的、从所述中心坐标起的频域的大小设为法线方向的面间隔d1，
将从位于自所述傅里叶变换像的中心坐标向与所述晶体氧化物薄膜的主面平行的方向延伸的坐标轴上的亮点中选择的倒易晶格点P2的、从所述中心坐标起的频域的大小设为平面方向的面间隔d2，
将所述倒易晶格点P1的密勒指数设为(h1，k1，l 1)，将所述倒易晶格点P2的密勒指数设为(h2，k2，l2)，
此时，根据由下述式(1)计算出的法线方向的晶格常数a及由下述式(2)计算出的平面方向的晶格常数b并通过下述式(3)计算出的、所述多个图像区域各自的晶格应变ε的平均值εaver为1.0＜εaver＜1.1，
法线方向的晶格常数a＝√(h1 2+k1 2+h1 2)×d1…(式(1))，
平面方向的晶格常数b＝√(h2 2+k2 2+h2 2)×d2…(式(2))，
[数6]
3.如权利要求1或2所述的晶体氧化物薄膜，其特征在于，膜厚为3nm以上且小于50nm。
4.如权利要求1～3的任一项所述的晶体氧化物薄膜，其特征在于，所述晶体氧化物薄膜的短边的长度小于50μm。
5.如权利要求1～4的任一项所述的晶体氧化物薄膜，其特征在于，晶界彼此的平均间隔D为0.01μm以上2μm以下。
6.如权利要求1～5的任一项所述的晶体氧化物薄膜，其特征在于，包含62at％以上的In。
7.如权利要求1～6的任一项所述的晶体氧化物薄膜，其特征在于，还包含从由H、B、C、N、O、F、Mg、Al、Si、O、S、Cl、Ar、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sn、Sb、Cs、Ba、Ln、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Pb及Bi构成的组中选择的一种以上的元素。
8.一种晶体氧化物薄膜的制造方法，是权利要求1～7的任一项所述的晶体氧化物薄膜的制造方法，其特征在于，在大气气氛下且在超过300℃的温度下对形成于支承体上的氧化物薄膜进行退火处理。
9.如权利要求8所述的晶体氧化物薄膜的制造方法，其特征在于，供于所述退火处理的所述氧化物薄膜的膜厚为3nm以上且小于50nm。
10.如权利要求8或9所述的晶体氧化物薄膜的制造方法，其特征在于，供于所述退火处理的所述氧化物薄膜的短边小于50μm。
11.一种薄膜晶体管，其特征在于，包含权利要求1～7的任一项所述的晶体氧化物薄膜。
12.如权利要求11所述的薄膜晶体管，其特征在于，
具有缓冲层与沟道层，
所述沟道层为所述晶体氧化物薄膜，
从所述沟道层观察，在与所述缓冲层相反的一侧，从所述沟道层侧起依次具有栅极绝缘膜及栅电极。
13.一种薄膜晶体管的制造方法，是权利要求11或12所述的薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，具有：
在基板上成膜出氧化物薄膜的工序；
在大气气氛下且在超过300℃的温度下对所述氧化物薄膜进行退火处理而形成晶体氧化物薄膜的工序；
在所述晶体氧化物薄膜上依次形成栅极绝缘膜及栅电极的工序。
14.如权利要求13所述的薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，在所述基板上形成缓冲层后，在所述缓冲层上成膜出所述氧化物薄膜。
15.一种薄膜晶体管的制造方法，是权利要求11或12所述的薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，具有：
在基板上成膜出氧化物薄膜的工序；
在大气气氛下且在超过300℃的温度下对所述氧化物薄膜进行退火处理而形成晶体氧化物薄膜的工序；
在所述晶体氧化物薄膜上依次形成层间绝缘膜的工序。
16.如权利要求15所述的薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，在所述基板上依次形成栅电极、栅极绝缘膜后，在所述栅极绝缘膜上成膜出所述氧化物薄膜。
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