JP2009260254A - 酸化物半導体薄膜用組成物、これを採用した電界効果トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】４００℃まで加熱しても、非晶質状態を維持することができる新しい組成の透明酸化物半導体薄膜用組成物を提供する。
【解決手段】本発明による酸化物半導体薄膜用組成物は、アルミニウム含有酸化物、亜鉛含有酸化物及びスズ含有酸化物を含み、４００℃以下で非晶質状態である。前記組成物で形成された活性層を備えた電界効果トランジスタは、電気的特性の改善だけでなく、低温工程も可能であり、インジウムやガリウムのような高価の原料物質を使用しないので、経済的である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電界効果トランジスタなどの各種半導体素子に活性層として使用することができる酸化物半導体薄膜用組成物、これを採用した電界効果トランジスタ及び電界効果トランジスタの製造方法に関する。

従来、半導体薄膜に使用される物質は、シリコーン（Ｓｉ）を初めとしてゲルマニウム（Ｇｅ）のような４族元素、ＧａＡｓのような３−５族化合物、ＣｄＳのような２−６族化合物がある。一般に、このような従来の半導体物質は、大部分バンドギャップが小さいため、可視光線を透過せず、特定の色を強く示す。

最近、酸化物半導体と有機物半導体が開発され、透明な半導体時代が開かれ、多くの注目を受けている。代表的な酸化物半導体は、２−６族化合物に該当する酸化亜鉛（ＺｎＯ）がある。酸化亜鉛は、長い間研究されて来ており、重要な半導体物性の１つである電界効果移動度が非晶質シリコーンより高く、且つ優秀な特性を示していて、商用化に非常に近く接近した。しかし、製造工程による物性の変化が激しく、耐久性や環境変化に対する抵抗性が弱いことが短所として指摘されている。

酸化亜鉛以外にも、酸化物を利用した透明な半導体組成物についていろいろな特許が提案されている。

特許文献１には、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＣｄＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ組成を有する透明半導体薄膜に対する技術が提案されている。

また、特許文献２には、ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（Ｍは、Ｆｅ、Ｇａ、Ａｌであり、ｍは、１以上５０未満の整数である）組成の半導体薄膜組成物が提案されている。

特許文献３には、ＺｎＯまたはＳｎＯ_２から選択される実質的に絶縁体である酸化物を活性層として利用した薄膜トランジスタが開示されており、また、特許文献４には、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、Ｉｎ_２Ｏ_３から選択される透明な酸化物を活性層として利用する透明薄膜トランジスタが提案されている。

特許文献５には、ＣｄＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＭｇＯの中から選択された２つの成分が含まれた酸化物をチャネルとして使用する半導体技術が提案された。

また、ヒューレットパッカード社で提案した特許文献６には、ＡｘＢｘＣｘＯ（Ａ：Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂ：Ｇａ、Ｉｎ、Ｃ：Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ）の半導体組成物と装置を提案し、特許文献７には、ＡｘＢｘＯ（Ａ：Ｃｕ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｂ：Ｃｕ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ）組成物の半導体物質と装置を提案した。

最近、トッパンプリンティング（Toppan printing）社で提案した特許文献８には、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｚｎ_２ＳｎＯ_４のうちいずれか１種からなる酸化物半導体ａとトンネル効果を示す薄膜の層間材酸化物ｂを積層したものを活性層として利用する薄膜トランジスタを開示した。

出光興産（Idemitsu kosan）の特許文献９には、ＺｎＯとＩｎ_２Ｏ_３を含有する非晶質酸化膜の薄膜トランジスタを利用したディスプレイ素子を開示し、特許文献１０には、ＺｎＯとＳｎＯ_２を含有する非晶質膜酸化物半導体を開示した。

キャノン社の特許文献１１には、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ酸化物及びＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ酸化物組成の非晶質物質を活性層として利用する電界効果トランジスタを提案した。

上記文献以外にも、Ｉｎ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系半導体物質を活性層として使用した薄膜トランジスタとＳｎＯ_２−ＺｎＯ系物質を活性層として利用した薄膜トランジスタに対する活発な研究がなされており、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系薄膜トランジスタも非常に活発に研究され、商用化に近く接近している状態である。

酸化物半導体薄膜をチャネル活性層として利用した薄膜トランジスタの代表的な応用分野としては、能動型有機発光ダイオードディスプレイ、液晶ディスプレイをはじめとした各種能動型ディスプレイパネルのバックプレーン素子を挙げることができる。また、最近、各種ディスプレイ及びイメージセンサーのドライバ素子として使用されることができるものが研究され発表されている。前記薄膜トランジスタを使用してガラス基板やプラスチック基板の上に電子タグをはじめとした各種電子回路を構成することができ、このような電子回路が実質的な商業化に近く来ていることが報告された。

これより、本発明者らは、半導体素子の活性層として使用することができる新しい組成の物質についての研究を進行しつつ、電気的特性の改善及び工程の容易性と共に、インジウムやガリウムのような高価の原料物質の使用を排除することができ、経済性を保証することができる新しい組成の物質を開発し、本発明を完成した。

特開第２０００−１５０９００号公報 特開第２００４−１０３９５７号公報 米国特許出願公開第２００３／０２１８２２１号明細書 米国特許出願公開第２００３／０２１８２２２号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１９９８７９号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１９９８８０号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１６３６５５号明細書 特開第２００７−１２３７０２号公報 特開第２００７−１４２１９５号公報 特開第２００７−１４２１９６号公報 米国特許出願公開第２００６／０１１３５３９号明細書 米国特許出願公開第２００７／０１４１７８４号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１２７０３８号明細書 W.B.Jackson et al., "Zinc tin oxide transistors on flexible substrates", Journal of Non-Crystalline Solids 352 (2006), pp 1753-1755

本発明の目的は、４００℃まで加熱しても、非晶質状態を維持することができる新しい組成の透明な酸化物半導体薄膜用組成物を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、４００℃まで加熱しても、非晶質状態を維持することができる酸化物半導体薄膜用組成物を活性層として使用した電界効果トランジスタを提供することにある。

また、本発明のさらに他の目的は、４００℃まで加熱しても、非晶質状態を維持することができる酸化物半導体薄膜用組成物を活性層として採用した電界効果トランジスタの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る酸化物半導体薄膜用組成物は、アルミニウム含有酸化物と、亜鉛含有酸化物と、スズ含有酸化物とを含み、４００℃以下で非晶質状態である。

前記酸化物半導体薄膜用組成物において、前記アルミニウム含有酸化物、亜鉛含有酸化物及びスズ含有酸化物の金属成分の比率は、亜鉛が５０乃至９９ａｔ％、スズが０．５乃至４９．５ａｔ％、残りがアルミニウムであることが好ましい。

また、前記アルミニウム含有酸化物は、Ａｌ_２Ｏ_３の類型であり、亜鉛含有酸化物は、ＺｎＯの類型であり、スズ含有酸化物は、ＳｎＯ_２の類型であることが好ましい。

また、本発明の他の態様に係る電界効果トランジスタは、基板上にソース／ドレイン電極、ゲート絶縁膜、活性層、ゲート電極を備えた電界効果トランジスタであって、前記活性層は、アルミニウム、亜鉛及びスズを含み且つ４００℃以下で非晶質状態である酸化物を含み、前記ソース／ドレイン電極または前記ゲート電極のうち少なくとも１つは、可視光に透明なことを特徴とする。

本発明の電界効果トランジスタにおいて、活性層を構成する酸化物の金属成分の比率は、亜鉛が５０乃至９９ａｔ％、スズが０．５乃至４９．５ａｔ％、残りがアルミニウムであることが好ましい。

前記アルミウムは、Ａｌ_２Ｏ_３の類型であり、亜鉛は、ＺｎＯの類型であり、スズは、ＳｎＯ_２の類型であることが好ましい。

本発明による前記電界効果トランジスタは、基板上に順次にゲート電極、ゲート絶縁層、ソース／ドレイン電極及び活性層が形成されている下部ゲートコプレナー型構造、基板上に順次にゲート電極、ゲート絶縁層、活性層及びソース／ドレイン電極が形成されている下部ゲートスタガード型構造、基板上に順次にソース／ドレイン電極、活性層、ゲート絶縁層及びゲート電極が形成されている上部ゲートコプレナー型構造、または、基板上に順次に活性層、ソース／ドレイン電極、ゲート絶縁層及びゲート電極が形成されている上部ゲートスタガード型構造であることができる。

また、本発明のさらに他の態様に係る電界効果トランジスタの製造方法は、基板上にゲート電極、ゲート絶縁層、活性層及びソース／ドレイン電極を形成する電界効果トランジスタの製造方法であって、前記活性層は、アルミニウム、亜鉛及びスズを含み且つ４００℃以下で非晶質状態である酸化物を使用して常温乃至２００℃の温度で蒸着されることを特徴とする。

前記蒸着は、ＲＦまたはＤＣマグネトロンスパッタリング法、パルスレーザー蒸着法、熱蒸着法または化学蒸着法で行われる。

また、本発明による電界効果トランジスタは、２００℃以下の温度で後熱処理されることが好ましい。

また、本発明による電界効果トランジスタは、前記活性層の形成時にチャンバ内の酸素分圧の変化によって電気的物性が制御されることができ、前記活性層の形成時にチャンバ内の酸素分圧の変化によって電気的物性が制御されることもできる。

本発明によるアルミニウム含有酸化物、亜鉛含有酸化物及びスズ含有酸化物で構成された酸化物半導体薄膜用組成物は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）などの高価の金属元素を使用せずに、透明な酸化物半導体薄膜を得ることができる。

また、本発明によるアルミニウム含有酸化物、亜鉛含有酸化物及びスズ含有酸化物で構成された酸化物半導体薄膜用組成物は、Ｃｄ、Ｐｂなどの有毒性重金属元素を使用せずに、透明な酸化物半導体薄膜を得ることができる。

本発明による酸化物半導体薄膜用組成物は、２００℃以下の低温工程を通じて活性層に適用され、良好な薄膜トランジスタ特性を得ることができる。

本発明による酸化物半導体薄膜用組成物は、２００℃未満の工程温度が要求されるプラスチック基板などの低温用基板を使用する薄膜トランジスタ素子を製作することができる。

また、本発明による酸化物半導体薄膜用組成物は、化学的に非常に安定した化合物であって、耐久性に優れている。

また、本発明による酸化物半導体薄膜用組成物は、常温蒸着が可能な非晶質薄膜で容易に製造することができ、４００℃以下の高温工程を経ても、非晶質状態を維持し、均一な大面積の電子素子を製作するのに有利である。

本発明による酸化物半導体薄膜用組成物は、常温スパッタリング工程で薄膜トランジスタ特性に優れた半導体薄膜を製造することができ、低費用で大面積の電子素子を製作するのに有利である。

また、本発明による酸化物半導体薄膜用組成物を活性層として使用して可視光線透過率が７０％以上の透明電子素子を製作することができる。

本発明の第１態様は、アルミニウム含有酸化物と、亜鉛含有酸化物と、スズ含有酸化物を含み、４００℃以下で非晶質状態である酸化物半導体薄膜用組成物である。

前記アルミニウム−亜鉛−スズ含有酸化物は、非晶質であり、４００℃まで加熱しても非晶質状態を維持する。

前記アルミニウム含有酸化物、亜鉛含有酸化物及びスズ含有酸化物を含む組成物において、金属成分であるアルミニウム、亜鉛及びスズの原子比は、非晶質を維持する範囲で多様に構成されることができ、好ましい金属成分の比率は、亜鉛が５０乃至９９ａｔ％、スズが０．５乃至４９．５ａｔ％、残りがアルミニウムである。

前記アルミニウム含有酸化物は、Ａｌ_２Ｏ_３の類型で存在することができ、亜鉛含有酸化物は、ＺｎＯの類型で存在することができ、スズ含有酸化物は、ＳｎＯ_２の類型で存在することができる。

前述のような組成の酸化物半導体薄膜用組成物は、電界効果トランジスタにおいて一般的に活性層として使用されることができる。

前記電界効果トランジスタは、図１及び図２に示されたような構造、すなわち基板１０上に、ゲート電極２０、ゲート絶縁膜３０、ソース／ドレイン電極４０及び活性層５０が順次に積層されているコプレナー型構造、または、基板１０上に、ゲート電極２０、ゲート絶縁膜３０、活性層５０及びソース／ドレイン電極４０が順次に積層されているスタガード型構造の下部ゲート薄膜トランジスタを構成することができ、また、図３及び図４に示されたような構造、すなわち、基板１０上に、ソース／ドレイン電極４０、活性層５０、ゲート絶縁膜３０及びゲート電極２０が順次に積層されているコプレナー型構造、または、基板１０上に、活性層５０、ソース／ドレイン電極４０、ゲート絶縁膜３０、及びゲート電極２０が順次に積層されているスタガード型構造の上部ゲート薄膜トランジスタを構成することができる。

図１を参照すれば、本発明の一実施例による電界効果トランジスタは、基板１０、ゲート電極２０、ゲート絶縁膜３０、ソース／ドレイン電極４０及び活性層５０を含む。

前記基板１０としては、この分野において一般的なものが使用されることができ、例えば、ガラス、金属箔、プラスチック、またはシリコーンの中から選択されることができる。

前記ゲート電極２０としては、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ：Ａｌ（Ｇａ）などのような透明酸化物、Ｔｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｌ／Ｃｒ／Ａｌ、Ｎｉなどのような様々な種類の低抵抗の金属または導電性高分子が使用されることができるが、これらに限定されるものではない。前記ゲート電極２０は、前記基板１０上にこの分野の通常的な厚さでスパッタリング法、原子層蒸着法（ＡＬＤ）、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）などの工程を通じて蒸着された後にパターニングされる。

前記基板１０とゲート電極２０上に形成されるゲート絶縁膜３０としては、透明な酸化物または窒化物、例えばＳｉＮｘ、ＡｌＯＮ、ＴｉＯ_２、ＡｌＯｘ、ＴａＯｘ、ＨｆＯｘ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯｘのうちいずれか１つ以上を含むことができ、好ましくは、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などが使用されるることができる。その以外にも、高分子を利用した薄膜が可能である。また、前記ゲート絶縁膜３０は、この分野の通常的な厚さで原子層蒸着法（ＡＬＤ）、ＰＥＣＶＤ法、その他スパッタリング法のような工程を通じて形成されることができ、図示してはいないが、形成後、電極連結のためのパッドを形成する。

前記ゲート絶縁膜３０に形成されるソース／ドレイン電極４０としては、ゲート電極２０と同様に、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ：Ａｌ（Ｇａ）などの透明酸化物、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉなどの金属または導電性高分子を使用することができるが、これらに限定されるものではない。また、前記ソース／ドレイン電極４０は、前記金属と酸化物の二層構造を形成することもできる。前記ソース／ドレイン電極は、この分野の通常的な厚さでスパッタリング法、ＡＬＤ、ＣＶＤなどのような工程を通じて蒸着された後にパターニングされる。

前記ソース／ドレイン電極４０及びチャネル領域上に形成される活性層５０としては、アルミニウム含有酸化物、亜鉛含有酸化物、及びスズ含有酸化物を含み、４００℃以下で非晶質状態である酸化物半導体薄膜用組成物が使用されることができ、前記組成物において、金属成分であるアルミニウム、亜鉛及びスズの原子比は、亜鉛が５０乃至９９ａｔ％、スズが０．５乃至４９．５ａｔ％、残りがアルミニウムであることが好ましい。また、前記アルミニウム含有酸化物は、Ａｌ_２Ｏ_３の類型で存在することができ、亜鉛含有酸化物は、ＺｎＯの類型で存在することができ、スズ含有酸化物は、ＳｎＯ２の類型で存在することができる。

前記アルミニウム含有酸化物、亜鉛含有酸化物及びスズ含有酸化物を含む組成物は、ＲＦまたはＤＣマグネトロンスパッタリング（ＲＦ／DC magnetron sputtering）法、パルスレーザー蒸着（Pulsed Laser Deposition）法、熱蒸着（Thermal Evaporation）法、化学蒸着法（Chemical Vapor Deposition）などにより活性層に蒸着されることができ、約１０乃至５０ｎｍの厚さ範囲で形成されることができるが、これらに限定されるものではない。

前記アルミニウム含有酸化物、亜鉛含有酸化物及びスズ含有酸化物を含む組成物は、常温乃至２００℃の温度範囲で蒸着されることができ、好ましくは、１５０℃で蒸着される。

前記活性層５０上に図示してはいないが、保護層が形成されることができ、例えば、ポリイミドポリマーのようなポリマー物質がスピンコーティング、ディップコーティング、キャスティングなどのような方法により形成された後にパターニングされることができ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３のような絶縁物質を化学蒸着法（ＣＶＤ）、原子層蒸着法（ＡＬＤ）などを通じて形成された後にパターニングされることができる。

前記薄膜の形成時にすべてのパターニングは、フォトリソグラフィ方法または湿式エッチング方法により行われることができる。

今まで報告されたＺｎＯ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物薄膜トランジスタでは、一般的に２００℃以上の高温で熱処理するか、高温で薄膜を蒸着することによって、電界効果トランジスタ特性を示す。しかし、本発明によるアルミニウム−亜鉛−スズ含有酸化物を含む組成物を活性層として利用した電界効果トランジスタは、常温で蒸着してもトランジスタ特性を示し、１５０乃至２００℃の温度で後熱処理する場合、さらに優秀なトランジスタ特性を示すことができる。

本発明による前記アルミニウム−亜鉛−スズ含有酸化物は、化学的に非常に安定した組成の化合物であって、４００℃以下で熱処理しても非晶質状態を維持し、均一な大面積素子を製作するのに非常に有利であり、工程中の各種高温工程とエッチング工程でも安定した特性を維持する。また、耐久性に優れていて、薄膜トランジスタなどの電子素子に製作した後、長期間安定した特性を維持する。

本発明によるアルミニウム−亜鉛−スズ含有酸化物は、ｎ−型電界効果トランジスタの活性層半導体物質として使用されることができると共に、ダイオード素子のｎ−型半導体層に使用されることができる。

また、前記アルミニウム−亜鉛−スズ含有酸化物は、薄膜形成時に酸素分圧及びスズの含量によって比抵抗が１０１２Ωｃｍ以上の絶縁体物質として使用することができ、アルミニウムとスズの含量によって薄膜の電気伝導度をはじめとした電気的物性を調節することができる。また、これを活性層として利用した電界効果トランジスタの場合、電気的特性をも変化させることができる。

前記アルミニウム−亜鉛−スズ含有酸化物で形成された薄膜は、薄膜製造時のチャンバ内の酸素分圧の変化によって電気伝導度及び電気的物性を調節することができる。また、これを活性層として利用した電界効果トランジスタの電気的特性も薄膜製造時の酸素分圧によって変化されることができる。

前記アルミニウム−亜鉛−スズ酸化物で形成された薄膜は、薄膜製造時に後熱処理温度及び雰囲気によって電気伝導度及び電気的物性を調節することができる。また、これを活性層として利用した電界効果トランジスタの電気的特性をも制御されることができる。

前記アルミニウム−亜鉛−スズ含有酸化物薄膜を活性層として使用し、ソース／ドレイン電極、ゲート電極及びゲート絶縁体を備えた薄膜トランジスタは、能動型液晶表示装置、能動型有機発光ダイオード表示装置、能動型電界発光スディスプレイなどの平板型ディスプレイパネルのバックプレーン素子として使用することができる。

また、前記アルミニウム−亜鉛−スズ含有酸化物薄膜を活性層として使用し、ソース／ドレイン電極、ゲート電極及びゲート絶縁体を備えた薄膜トランジスタは、薄膜型電気回路のインバータ素子として使用することができる。

また、前記アルミニウム−亜鉛−スズ酸化物薄膜を活性層として使用し、ソース／ドレイン電極、ゲート電極及びゲート絶縁体を備えた薄膜トランジスタは、薄膜型電気回路の増幅器素子として使用することができる。

以下、本発明を具体的な実施例により詳しく説明するが、本発明がこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
１００ｘ１００ｍｍ^２の無アルカリガラス基板をアセトン、イソプロピルアルコール及び脱イオン水で順次に超音波洗浄した。次に、洗浄されたガラス基板上にＩＴＯをもってＤＣ−ＲＦマグネトロンスパッターでスパッタリングし、１５０ｎｍの厚さでゲート電極を蒸着しパターニングした。次に、１７０ｎｍ厚さでゲート絶縁層をアルミナを使用して１５０℃でＡＬＤ法で形成した後、ＩＴＯをもってＤＣ−ＲＦマグネトロンスパッターでスパッタリングし、１５０ｎｍの厚さでソース／ドレイン電極を蒸着及びパターニングした後、その上に４mol％のＡｌＯ_x、６６mol％のＺｎＯ及び３０mol％のＳｎＯ_２のターゲットが装着されたＲＦマグネトロンスパッターを使用して常温で３０ｎｍの厚さで薄膜を蒸着し、これを活性層にした。前記スパッタリングは、０．２Ｐａのチャンバ圧力と３００ＷのスパッタリングパワーをもってＡｒ／Ｏ_２雰囲気で行い、すべてのパターニングは、フォトリソグラフィ方法及び湿式エッチング方法で行った。前述のような方法で下部ゲートコプレナー型構造の薄膜トランジスタを製作した。得られた薄膜トランジスタの電流−電圧特性を評価し、その結果を図５に示した。

（実施例２）
製作された素子を１５０℃真空雰囲気で１時間アニリング（熱処理）することを除いて、実施例１と同様にして薄膜トランジスタ素子を製作した。次に、得られた薄膜トランジスタの電流−電圧特性を評価し、その結果を図６に示した。

（実施例３）
製作された素子を１８０℃真空雰囲気で１時間アニリング（熱処理）することを除いて、実施例１と同様にして薄膜トランジスタ素子を製作した。次に、得られた薄膜トランジスタの電流−電圧特性を評価し、その結果を図７に示した。

（実施例４）
１００ｘ１００ｍｍ^２の無アルカリガラス基板をアセトン、イソプロピルアルコール及び脱イオン水で順次に超音波洗浄した。次に、洗浄されたガラス基板上にＩＴＯでＤＣ−ＲＦマグネトロンスパッターでスパッタリングし、１５０ｎｍの厚さでゲート電極を蒸着しパターニングした。次に、１７０ｎｍ厚さでゲート絶縁層をアルミナを使用して１５０℃でＡＬＤ法で形成した後、ＩＴＯをもってＤＣ−ＲＦマグネトロンスパッターでスパッタリングし、１５０ｎｍの厚さでソース／ドレイン電極を蒸着及びパターニングした後、その上に５mol％のＡｌＯ_x、８３mol％のＺｎＯ及び１２mol％のＳｎＯ_２のターゲットが装着されたＲＦマグネトロンスパッターを使用して常温で３０ｎｍの厚さで薄膜を蒸着し、これを活性層にして、下部ゲートコプレナー型構造の薄膜トランジスタを製作した。前記スパッタリングは、０．２Ｐａのチャンバ圧力と３００ＷのスパッタリングパワーをもってＡｒ／Ｏ_２雰囲気で行った。次に、素子を１８０℃真空雰囲気で１時間アニリング（熱処理）し、得られた薄膜トランジスタの電流−電圧特性を評価し、その結果を図８に示した。

（実施例５）
活性層を形成した後、その上にポリイミドポリマーを使用してスピンコーティング法で５００ｎｍの厚さで保護膜を形成した後、素子を１８０℃真空雰囲気で１時間アニリング（熱処理）することを除いて、実施例４と同様にして薄膜トランジスタ素子を製作した。得られた薄膜トランジスタの電流−電圧特性を評価し、その結果を図９に示した。

（実施例６）
１００ｘ１００ｍｍ^２の無アルカリガラス基板をアセトン、イソプロピルアルコール及び脱イオン水で順次に超音波洗浄した。次に、洗浄されたガラス基板上にＩＴＯをもってＤＣ−ＲＦマグネトロンスパッターでスパッタリングし、１５０ｎｍの厚さでソース−ドレイン電極を蒸着及びパターニングした。次に、その上に４mol％のＡｌＯ_x、６６mol％のＺｎＯ及び３０mol％のＳｎＯ_２のターゲットが装着されたＲＦマグネトロンスパッターを使用して常温で３０ｎｍの厚さで薄膜を蒸着し、これを活性層にした。前記スパッタリングは、０．２Ｐａのチャンバ圧力と３００ＷのスパッタリングパワーをもってＡｒ／Ｏ_２雰囲気で行った。次に、１７０ｎｍ厚さでゲート絶縁層をアルミナを使用して１５０℃でＡＬＤ法で形成した後、ＩＴＯをもってＤＣ−ＲＦマグネトロンスパッターでスパッタリングし、１５０ｎｍの厚さでゲート電極を蒸着及びパターニングし、上部ゲートコプレナー型構造の薄膜トランジスタを製作した。次に、素子を３００℃でＯ_２中で１時間アニリング（熱処理）し、得られた薄膜トランジスタの電流−電圧特性を評価し、その結果を図１０に示した。

薄膜トランジスタの特性評価
図５乃至図１０に示された実施例１乃至６で製作された薄膜トランジスタ素子の電流−電圧特性を見れば、アルミニウム−亜鉛−スズ含有酸化物で形成された活性層を採用した下部ゲートトランジスタ及び上部ゲートトランジスタがいずれも電気的特性に優れていることが分かる。具体的な結果は、次の通りである。

薄膜トランジスタの熱処理前後の特性評価
実施例１、２及び３で得たトランジスタの電流−電圧特性を示した図５乃至図７から分かるように、熱処理後のトランジスタがさらに優れた特性を示す。すなわち、サブしきい電圧スイング（Ｓ／Ｓ）が改善され、電界効果移動度が約３倍乃至約５倍以上向上したことを確認することができる。

また、アルミニウム、亜鉛及びスズ含量を異にして製作された実施例４乃至５のトランジスタの電流−電圧特性を示す図８及び図９の比較から、熱処理後のトランジスタが電気的特性が向上したことが分かる。

薄膜トランジスタのスズ含量による特性評価
活性層を構成するアルミニウム−亜鉛−スズ含有酸化物の組成［（１−ｘ）（Ａｌ_０．０６Ｚｎ_０．９４）ｘ］（Ｓｎ）］Ｏ_ｙのうちスズの含量を異にすることを除いて、実施例２のような方法及び実施例３のような方法により薄膜トランジスタを製作し、これらそれぞれのスズ含量による電界効果移動度を評価し、その結果を図１１に示した。これにより、１５０℃及び１８０℃でそれぞれアニリング処理したトランジスタのすべてがスズ含量が増加するにしたがって移動度が増加することを確認することができた。

薄膜トランジスタの酸素分圧による特性評価
活性層薄膜の製作時に、酸素分圧を異にすることを除いて、実施例２のような方法及び実施例３のような方法により薄膜トランジスタを製作し、これらそれぞれの酸素分圧による電界効果移動度を評価し、その結果を図１２に示した。これにより、酸素分圧が増加するにしたがって移動度が減少することを確認することができた。

アルミニウム−亜鉛−スズ含有酸化物薄膜の非晶質評価
ＲＦマグネトロンスパッタリング法で４．５mol％のＡｌＯ_x、６５．５mol％のＺｎＯ及び３０mol％のＳｎＯ_２を使用して常温で１５０ｎｍの厚さで薄膜を蒸着し、これをＸＲＤで分析し、１時間３００℃でアニリング処理した後、これをさらにＸＲＤで分析し、その結果を図１３及び図１４に示した。図１３及び図１４から分かるように、熱処理前後においていずれも非晶質状態であることを確認することができる。

本発明の一実施例による下部ゲートコプレナー型構造の電界効果トランジスタの断面図である。 本発明の一実施例による下部ゲートスタガード型構造の電界効果トランジスタの断面図である。 本発明の一実施例による上部ゲートコプレナー型構造の電界効果トランジスタの断面図である。 本発明の一実施例による上部ゲートスタガード型構造の電界効果トランジスタの断面図である。 本発明の一実施例によって活性層がアルミニウム−亜鉛−スズ含有酸化物で常温で蒸着された下部ゲート電界効果トランジスタの電流−電圧特性を示すグラフである。 本発明の一実施例によって１５０℃で後熱処理された下部ゲート電界効果トランジスタの電流−電圧特性を示すグラフである。 本発明の一実施例によって１８０℃で後熱処理された下部ゲート電界効果トランジスタの電流−電圧特性を示すグラフである。 本発明の他の一実施例によって保護膜なしに１８０℃で後熱処理された下部ゲート電界効果トランジスタの電流−電圧特性を示したグラフである。 本発明のさらに他の一実施例によって保護膜を形成した後に１８０℃で後熱処理された下部ゲート電界効果トランジスタの電流−電圧特性を示すグラフである。 本発明の他の一実施例によって製作された上部ゲート電界効果トランジスタの電流−電圧特性を示すグラフである。 スズ含量による電界効果移動度の変化を示すグラフである。 酸素分圧による電界効果移動度の変化を示すグラフである。 本発明によって常温で蒸着されたアルミニウム−亜鉛−スズ含有酸化物薄膜のＸＲＤである。 本発明によって常温で蒸着されたアルミニウム−亜鉛−スズ含有酸化物薄膜の３００℃熱処理後を示すＸＲＤである。

符号の説明

１０ 基板
２０ ゲート電極
３０ ゲート絶縁膜
４０ ソース／ドレイン電極
５０ 活性層

Claims (15)

1. アルミニウム含有酸化物と、
   亜鉛含有酸化物と、
   スズ含有酸化物とを含み、４００℃以下で非晶質状態である酸化物半導体薄膜用組成物。
2. 前記アルミニウム含有酸化物、亜鉛含有酸化物及びスズ含有酸化物の金属成分の比率は、亜鉛が５０乃至９９ａｔ％、スズが０．５乃至４９．５ａｔ％、残りがアルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の酸化物半導体薄膜用組成物。
3. 前記アルミニウム含有酸化物は、Ａｌ_２Ｏ_３であり、亜鉛含有酸化物は、ＺｎＯであり、スズ含有酸化物は、ＳｎＯ_２であることを特徴とする請求項１に記載の酸化物半導体薄膜用組成物。
4. 基板上にソース／ドレイン電極、ゲート絶縁膜、活性層、ゲート電極を備えた電界効果トランジスタであって、
   前記活性層は、アルミニウム、亜鉛及びスズを含み且つ４００℃以下で非晶質状態である酸化物を含み、
   前記ソース／ドレイン電極または前記ゲート電極のうち少なくとも１つは、可視光に透明なことを特徴とする電界効果トランジスタ。
5. 前記酸化物中の金属成分の比率は、亜鉛が５０乃至９９ａｔ％、スズが０．５乃至４９．５ａｔ％、残りがアルミニウムであることを特徴とする請求項４に記載の電界効果トランジスタ。
6. 前記アルミウムは、Ａｌ_２Ｏ_３の類型であり、亜鉛は、ＺｎＯの類型であり、スズは、ＳｎＯ_２の類型であることを特徴とする請求項４に記載の電界効果トランジスタ。
7. 前記活性層のアルミニウムまたはスズの含量によって薄膜の電気的物性が制御されることを特徴とする請求項４に記載の電界効果トランジスタ。
8. 前記電界効果トランジスタは、基板上に順次にゲート電極、ゲート絶縁層、ソース／ドレイン電極及び活性層が形成されている下部ゲートコプレナー型構造であることを特徴とする請求項４に記載の電界効果トランジスタ。
9. 前記電界効果トランジスタは、基板上に順次にゲート電極、ゲート絶縁層、活性層及びソース／ドレイン電極が形成されている下部ゲートスタガード型構造であることを特徴とする請求項４に記載の電界効果トランジスタ。
10. 前記電界効果トランジスタは、基板上に順次にソース／ドレイン電極、活性層、ゲート絶縁層及びゲート電極が形成されている上部ゲートコプレナー型構造であることを特徴とする請求項４に記載の電界効果トランジスタ。
11. 前記電界効果トランジスタは、基板上に順次に活性層、ソース／ドレイン電極、ゲート絶縁層及びゲート電極が形成されている上部ゲートスタガード型構造であることを特徴とする請求項４に記載の電界効果トランジスタ。
12. 基板上にゲート電極、ゲート絶縁層、活性層及びソース／ドレイン電極を形成する電界効果トランジスタの製造方法であって、
    前記活性層は、アルミニウム、亜鉛及びスズを含み且つ４００℃以下で非晶質状態である酸化物を使用して常温乃至２００℃の温度で蒸着されることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
13. 前記蒸着は、ＲＦまたはＤＣマグネトロンスパッタリング法、パルスレーザー蒸着法、熱蒸着法または化学蒸着法で行われることを特徴とする請求項１２に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
14. 前記薄膜トランジスタは、２００℃以下の温度で後熱処理されることを特徴とする請求項１２に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
15. 前記活性層の形成時にチャンバ内の酸素分圧の変化によって電気的物性が制御されることを特徴とする請求項１２に記載の電界効果トランジスタの製造方法。

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