JP2021129047A - 薄膜トランジスタ、酸化物半導体薄膜、およびスパッタリングターゲット - Google Patents
薄膜トランジスタ、酸化物半導体薄膜、およびスパッタリングターゲット Download PDFInfo
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Abstract
【課題】静特性と共に、光ストレス耐性にも優れた薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタ用の酸化物半導体薄膜、および酸化物半導体薄膜を形成するためのスパッタリングターゲットを提供する。【解決手段】Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（１）〜（３）を満たし、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量が絶対値で５％以下である酸化物半導体薄膜４を含む、薄膜トランジスタである。０．３４≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４３ ・・・（１）０．３０≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３９ ・・・（２）０．２１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３）【選択図】図１
Description
本発明は、薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＴＦＴ）、薄膜トランジスタ用の酸化物半導体薄膜、および酸化物半導体薄膜を形成するためのスパッタリングターゲットに関する。
酸化物半導体は、汎用のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）に比べて移動度が高く、光学バンドギャップが大きく、低温で成膜できる。そのため、大型・高解像度・高速駆動が要求される次世代ディスプレイや、耐熱性の低い樹脂基板などへの適用が期待されている。例えば、上記酸化物半導体として、インジウム、ガリウム、亜鉛、および酸素からなるアモルファス酸化物半導体（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、以下「ＩＧＺＯ」と呼ぶ場合がある。）が汎用されている。
酸化物半導体を薄膜トランジスタの半導体層として用いる場合、薄膜トランジスタの静特性に優れていることが要求される。具体的には、（１）オン電流、即ち、ゲート電極とドレイン電極に正電圧をかけたときの最大ドレイン電流が高く、（２）オフ電流、即ち、ゲート電極に負電圧を、ドレイン電圧に正電圧を夫々かけたときのドレイン電流が低く、（３）Ｓ値（Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｗｉｎｇ）、即ち、ドレイン電流を１桁あげるのに必要なゲート電圧が低く、（４）しきい値電圧、即ち、ドレイン電極に正電圧をかけ、ゲート電圧に正負いずれかの電圧をかけたときにドレイン電流が流れ始める電圧が時間的に変化せずに安定であり、且つ（５）移動度が高いこと、などが要求される。
更に酸化物半導体を用いたＴＦＴには、光照射などの光ストレス印加前後のしきい値電圧の変化量が小さいこと、すなわち、光ストレス耐性に優れていることが要求される。例えば、光吸収が始まる青色帯を照射し続けたときに、ＴＦＴのゲート絶縁膜と酸化物半導体薄膜との界面にチャージがトラップされ、酸化物半導体薄膜内部の電荷の変化から、しきい値電圧が負側へ大幅に変化（シフト）し得る。これにより、ＴＦＴの静特性が変化することが指摘されている。また、液晶パネル駆動の際や、ゲート電極に負バイアスをかけて画素を点灯させる際などに液晶セルから漏れた光がＴＦＴに照射されるが、この光がＴＦＴにストレスを与えて、画像ムラやＴＦＴ特性劣化の原因となり得る。実際にＴＦＴを使用する際、光照射ストレスにより静特性が変化すると、表示装置自体の信頼性低下を招く。
また、有機ＥＬディスプレイにおいても同様に、発光層からの漏れ光が半導体層に照射され、しきい値電圧などの値がばらつくという問題が生じ得る。
このように特にしきい値電圧のシフトは、ＴＦＴを備えた液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの表示装置自体の信頼性低下を招くため、光ストレス耐性の向上が強く切望されている。
また、近年、酸化物半導体の更なる特性向上を目的として、ＩＧＺＯに替えて、インジウム、ガリウムおよび錫を含むアモルファス酸化物半導体（Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｎ−Ｏ、以下「ＩＧＴＯ」と呼ぶ場合がある。）が開発されている。
例えば、特許文献１には、インジウム、ガリウムおよび錫の各元素の原子比を所定の範囲に制御した酸化物焼結体が開示されている。特許文献１では、半導体素子の作製の際のパターニング工程に適した酸化物半導体膜を成膜できるとしている。
また、特許文献２には、インジウム、ガリウム、亜鉛および錫の各元素の原子比を所定の範囲に制御し、密度を５．５ｇ／ｃｍ３以上６．８ｇ／ｃｍ３以下にする酸化物焼結体が開示されている。特許文献２では、弗酸（無機酸系ウェットエッチング液）耐性の高い酸化物薄膜が得られ、トランジスタ特性が良好な薄膜トランジスタを作製できるとしている。
しかしながら、特許文献１および特許文献２では、光ストレス耐性について全く検討されていない。そのため、特許文献１および特許文献２に記載の酸化物半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタでは、光ストレス耐性が不十分な場合があった。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、静特性と共に、光ストレス耐性にも優れた薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタ用の酸化物半導体薄膜、および酸化物半導体薄膜を形成するためのスパッタリングターゲットを提供することを目的とするものである。
本発明の態様１は、
Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（１）〜（３）を満たし、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量が絶対値で５％以下である酸化物半導体薄膜を含む、薄膜トランジスタである。
０．３４≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４３ ・・・（１）
０．３０≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３９ ・・・（２）
０．２１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３）
Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（１）〜（３）を満たし、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量が絶対値で５％以下である酸化物半導体薄膜を含む、薄膜トランジスタである。
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本発明の態様２は、
前記原子数比が下記式（４）〜（６）を満たし、前記光透過率の変化量が絶対値で２％以下である酸化物半導体薄膜を含む、態様１に記載の薄膜トランジスタである。
０．３６≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４２ ・・・（４）
０．３２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３８ ・・・（５）
０．２２≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２８ ・・・（６）
前記原子数比が下記式（４）〜（６）を満たし、前記光透過率の変化量が絶対値で２％以下である酸化物半導体薄膜を含む、態様１に記載の薄膜トランジスタである。
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本発明の態様３は、
前記原子数比が下記式（７）〜（９）を満たし、前記光透過率の変化量が絶対値で１％以下である酸化物半導体薄膜を含む、態様１に記載の薄膜トランジスタである。
０．３８≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４１ ・・・（７）
０．３４≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３７ ・・・（８）
０．２３≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２６ ・・・（９）
前記原子数比が下記式（７）〜（９）を満たし、前記光透過率の変化量が絶対値で１％以下である酸化物半導体薄膜を含む、態様１に記載の薄膜トランジスタである。
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本発明の態様４は、
Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（１）〜（３）を満たし、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量が絶対値で５％以下である、態様１に記載の薄膜トランジスタ用の酸化物半導体薄膜である。
０．３４≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４３ ・・・（１）
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Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（１）〜（３）を満たし、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量が絶対値で５％以下である、態様１に記載の薄膜トランジスタ用の酸化物半導体薄膜である。
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本発明の態様５は、
Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（４）〜（６）を満たし、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量が絶対値で２％以下である、態様２に記載の薄膜トランジスタ用の酸化物半導体薄膜である。
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Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（４）〜（６）を満たし、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量が絶対値で２％以下である、態様２に記載の薄膜トランジスタ用の酸化物半導体薄膜である。
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本発明の態様６は、
Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（７）〜（９）を満たし、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量が絶対値で１％以下である、態様３に記載の薄膜トランジスタ用の酸化物半導体薄膜である。
０．３８≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４１ ・・・（７）
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Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（７）〜（９）を満たし、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量が絶対値で１％以下である、態様３に記載の薄膜トランジスタ用の酸化物半導体薄膜である。
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本発明の態様７は、
Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（１）〜（３）を満たす、態様１または態様４に記載の酸化物半導体薄膜の形成に用いられる、スパッタリングターゲットである。
０．３４≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４３ ・・・（１）
０．３０≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３９ ・・・（２）
０．２１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３）
Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（１）〜（３）を満たす、態様１または態様４に記載の酸化物半導体薄膜の形成に用いられる、スパッタリングターゲットである。
０．３４≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４３ ・・・（１）
０．３０≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３９ ・・・（２）
０．２１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３）
本発明の態様８は、
Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（４）〜（６）を満たす、態様２または態様５に記載の酸化物半導体薄膜の形成に用いられる、スパッタリングターゲットである。
０．３６≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４２ ・・・（４）
０．３２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３８ ・・・（５）
０．２２≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２８ ・・・（６）
Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（４）〜（６）を満たす、態様２または態様５に記載の酸化物半導体薄膜の形成に用いられる、スパッタリングターゲットである。
０．３６≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４２ ・・・（４）
０．３２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３８ ・・・（５）
０．２２≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２８ ・・・（６）
本発明の態様９は、
Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（７）〜（９）を満たす、態様３または態様６に記載の酸化物半導体薄膜の形成に用いられる、スパッタリングターゲットである。
０．３８≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４１ ・・・（７）
０．３４≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３７ ・・・（８）
０．２３≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２６ ・・・（９）
Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（７）〜（９）を満たす、態様３または態様６に記載の酸化物半導体薄膜の形成に用いられる、スパッタリングターゲットである。
０．３８≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４１ ・・・（７）
０．３４≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３７ ・・・（８）
０．２３≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２６ ・・・（９）
本発明によれば、静特性と共に、光ストレス耐性にも優れた薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタ用の酸化物半導体薄膜、および酸化物半導体薄膜を形成するためのスパッタリングターゲットを提供することができる。
本発明者らは、金属元素としてＩｎ、ＧａおよびＳｎを含む酸化物を薄膜トランジスタの半導体層に用いたときに、静特性に加えて、光ストレス耐性にも優れたＴＦＴの実現のために検討を重ねてきた。その結果、Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｎ−Ｏ系酸化物半導体薄膜におけるそれぞれの金属元素の原子数比と、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理をしたときの波長４５０ｎｍでの光透過率変化の絶対値と、を適切に制御することで、所期の目的が達成されることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタは、Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（１）〜（３）を満たし、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量が絶対値で５％以下である酸化物半導体薄膜を含むところに特徴がある。
０．３４≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４３ ・・・（１）
０．３０≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３９ ・・・（２）
０．２１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３）
０．３４≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４３ ・・・（１）
０．３０≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３９ ・・・（２）
０．２１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３）
組成が上記式（１）〜（３）の全てを満たすと共に、上記大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量が絶対値で５％以下の酸化物半導体薄膜を用いることにより、形成される薄膜トランジスタの静特性と光ストレス耐性とを共に向上させることができる。
また、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタは、上記原子数比が下記式（４）〜（６）を満たし、上記光透過率の変化量が絶対値で２％以下である酸化物半導体薄膜を含むことが好ましい。
０．３６≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４２ ・・・（４）
０．３２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３８ ・・・（５）
０．２２≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２８ ・・・（６）
０．３６≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４２ ・・・（４）
０．３２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３８ ・・・（５）
０．２２≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２８ ・・・（６）
また、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタは、上記原子数比が下記式（７）〜（９）を満たし、上記光透過率の変化量が絶対値で１％以下である酸化物半導体薄膜を含むことがさらに好ましい。
０．３８≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４１ ・・・（７）
０．３４≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３７ ・・・（８）
０．２３≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２６ ・・・（９）
０．３８≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４１ ・・・（７）
０．３４≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３７ ・・・（８）
０．２３≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２６ ・・・（９）
本明細書の式（１）〜（９）における上記Ｉｎとは、酸素を除く全金属元素、即ちＩｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対するＩｎの含有量を意味する。同様に、式（１）〜（９）における前記Ｇａ、前記Ｓｎはそれぞれ、酸素（Ｏ）を除く全金属元素、即ちＩｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対するＧａ、Ｓｎの各含有量を意味する。以下では、上記「Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）」を「Ｉｎ原子数比」、上記「Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）」を「Ｇａ原子数比」、上記「Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）」を「Ｓｎ原子数比」ということがある。
以下、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタについて詳細に説明する。
［１．酸化物半導体薄膜］
まず、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタが備える酸化物半導体薄膜について説明する。本発明の実施形態に係る酸化物半導体薄膜は、上記の通り、Ｉｎ、Ｇａ，ＳｎおよびＯから構成されるアモルファス酸化物からなり、上記式（１）〜（３）を満足するものである。
まず、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタが備える酸化物半導体薄膜について説明する。本発明の実施形態に係る酸化物半導体薄膜は、上記の通り、Ｉｎ、Ｇａ，ＳｎおよびＯから構成されるアモルファス酸化物からなり、上記式（１）〜（３）を満足するものである。
上記酸化物を構成する金属元素のうち、Ｉｎは電気伝導性の向上、Ｇａは酸素欠損の低減およびキャリア密度の制御、Ｓｎはウェットエッチング耐性の向上に寄与していると考えられる。また、Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの各々は、光透過率にも寄与する。
以下、上記式（１）〜（９）で表されるＩｎ原子数比、Ｇａ原子数比、Ｓｎ原子数比の各範囲を規定した理由について説明する。
・Ｉｎ原子数比について
上記式（１）、（４）および（７）で示したＩｎ原子数比についてまず説明する。このＩｎ原子数比が大きくなるほど、即ち、金属元素に占めるＩｎ量が多くなるほど、酸化物半導体薄膜の導電性が向上するため電界効果移動度は増加する。該作用を有効に発揮させるには、上記Ｉｎ原子数比を０．３４以上とする必要がある。上記Ｉｎ原子数比は、好ましくは０．３６以上、より好ましくは０．３８以上である。但し、Ｉｎ原子数比が大き過ぎると、キャリア密度が増加しすぎてしきい値電圧が低下する。また、Ｉｎ原子数比が大き過ぎると、Ｉｎ酸化物が酸化物半導体薄膜に多量に含まれることになる。当該Ｉｎ酸化物は、酸素欠損を起こし易く、該酸素欠損により光吸収が促進され、所定の光透過率が低下し得る。そのため、Ｉｎ原子数比は、０．４３以下とする。Ｉｎ原子数比は、好ましくは０．４２以下、より好ましくは０．４１以下である。
上記式（１）、（４）および（７）で示したＩｎ原子数比についてまず説明する。このＩｎ原子数比が大きくなるほど、即ち、金属元素に占めるＩｎ量が多くなるほど、酸化物半導体薄膜の導電性が向上するため電界効果移動度は増加する。該作用を有効に発揮させるには、上記Ｉｎ原子数比を０．３４以上とする必要がある。上記Ｉｎ原子数比は、好ましくは０．３６以上、より好ましくは０．３８以上である。但し、Ｉｎ原子数比が大き過ぎると、キャリア密度が増加しすぎてしきい値電圧が低下する。また、Ｉｎ原子数比が大き過ぎると、Ｉｎ酸化物が酸化物半導体薄膜に多量に含まれることになる。当該Ｉｎ酸化物は、酸素欠損を起こし易く、該酸素欠損により光吸収が促進され、所定の光透過率が低下し得る。そのため、Ｉｎ原子数比は、０．４３以下とする。Ｉｎ原子数比は、好ましくは０．４２以下、より好ましくは０．４１以下である。
・Ｇａ原子数比について
次に上記式（２）、（５）および（８）で示したＧａ原子数比について説明する。Ｇａ原子数比が大きいほど、酸化物半導体薄膜の電気的安定性が向上し、キャリアの過剰発生を抑制する効果を発揮する。また、Ｇａ酸化物は酸素欠損を起こしにくく、さらに上記Ｉｎ酸化物等に含まれる酸素欠損を補填する効果も有する。そのため、Ｇａ原子数比が大きいほど、光透過率を高めることができ、その結果、光透過率の変動抑制効果も発揮する。上記作用を更に有効に発揮させるには、Ｇａ原子数比を０．３０以上とする必要がある。上記Ｇａ原子数比は、好ましくは０．３２以上、より好ましくは０．３４以上である。但し、Ｇａ原子数比が大き過ぎると、酸化物半導体薄膜の導電性が低下して電界効果移動度が低下しやすくなる。よってＧａ原子数比は、０．３９以下とする。Ｇａ原子数比は、好ましくは０．３８以下、より好ましくは０．３７以下である。
次に上記式（２）、（５）および（８）で示したＧａ原子数比について説明する。Ｇａ原子数比が大きいほど、酸化物半導体薄膜の電気的安定性が向上し、キャリアの過剰発生を抑制する効果を発揮する。また、Ｇａ酸化物は酸素欠損を起こしにくく、さらに上記Ｉｎ酸化物等に含まれる酸素欠損を補填する効果も有する。そのため、Ｇａ原子数比が大きいほど、光透過率を高めることができ、その結果、光透過率の変動抑制効果も発揮する。上記作用を更に有効に発揮させるには、Ｇａ原子数比を０．３０以上とする必要がある。上記Ｇａ原子数比は、好ましくは０．３２以上、より好ましくは０．３４以上である。但し、Ｇａ原子数比が大き過ぎると、酸化物半導体薄膜の導電性が低下して電界効果移動度が低下しやすくなる。よってＧａ原子数比は、０．３９以下とする。Ｇａ原子数比は、好ましくは０．３８以下、より好ましくは０．３７以下である。
・Ｓｎ原子数比について
上記式（３）、（６）および（９）で示したＳｎ原子数比について説明する。Ｓｎ原子数比が大きいほど、酸化物半導体薄膜の酸系エッチング液に対する耐性は向上する。該作用を更に有効に発揮させるには、Ｓｎ原子数比を０．２１以上とする必要がある。Ｓｎ原子数比は、好ましくは０．２２以上、より好ましくは０．２３以上である。一方、Ｓｎ原子数比が大き過ぎると、酸化物半導体薄膜の電界効果移動度が低下すると共に、酸系エッチング液に対する耐性が必要以上に高まり、酸化物半導体薄膜自体の加工が困難になる。また、Ｓｎは、水素等と結合して、該結合により光吸収を促進して、所定の光透過率を低下し得る。よってＳｎ原子数比は０．３０以下とする。Ｓｎ原子数比は、好ましくは０．２８以下、より好ましくは０．２６以下である。
上記式（３）、（６）および（９）で示したＳｎ原子数比について説明する。Ｓｎ原子数比が大きいほど、酸化物半導体薄膜の酸系エッチング液に対する耐性は向上する。該作用を更に有効に発揮させるには、Ｓｎ原子数比を０．２１以上とする必要がある。Ｓｎ原子数比は、好ましくは０．２２以上、より好ましくは０．２３以上である。一方、Ｓｎ原子数比が大き過ぎると、酸化物半導体薄膜の電界効果移動度が低下すると共に、酸系エッチング液に対する耐性が必要以上に高まり、酸化物半導体薄膜自体の加工が困難になる。また、Ｓｎは、水素等と結合して、該結合により光吸収を促進して、所定の光透過率を低下し得る。よってＳｎ原子数比は０．３０以下とする。Ｓｎ原子数比は、好ましくは０．２８以下、より好ましくは０．２６以下である。
本発明の１つの実施形態において、酸化物半導体薄膜には、不可避的不純物が含まれてもよい。不可避的不純物は、原料、資材又は製造設備等の状況によって持ち込まれ得る。不可避的不純物としては、例えば、Ｚｎ、Ａｌ、Ｐｂ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃｒ及びＺｒ等が挙げられる。不可避的不純物の含有量は、酸化物半導体薄膜の質量に対して、好ましくは１質量％以下、より好ましくは５００質量ｐｐｍ以下である。
次に、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量を規定した理由について説明する。
本発明者らは、光ストレス耐性により確実に優れたＴＦＴを得るべく、酸化物半導体薄膜に着目して検討を行った。本発明者らは、これまで、上記成分組成を満たす酸化物半導体薄膜の形成直後にプレアニールを施すことによって、酸化物半導体薄膜の特性が改善されると考えていた。しかしながら、上記プレアニールを施した酸化物半導体薄膜をＴＦＴに用いても、光ストレス耐性にばらつきがあることが判明した。そこで、上記プレアニールを施しても光ストレス耐性に劣る酸化物半導体薄膜に焦点を当てて検討した。
まず、上記光ストレス耐性は、酸化物半導体薄膜中の酸素欠損や水素との結合による欠陥が起因していると考えられる。これらの欠陥の程度は、波長４５０ｎｍの光透過率（以下、単に「光透過率」という）で評価が可能であり、欠陥が多いほど光透過率が低下する。上記プレアニールを施すことによって、いずれの酸化物半導体薄膜も欠陥量が減少し、高い光透過率を示す。
しかしながら、光ストレス耐性に劣る酸化物半導体薄膜について確認したところ、上記プレアニール前の光透過率が低いものであった。つまり、プレアニールによる光透過率の改善効果が大きいものであった。この酸化物半導体薄膜は、プレアニールを施すことによって欠陥が一部解消されて高い光透過率を示したが、本来欠陥量が多いため、プレアニール後も残存する欠陥により光ストレス耐性が劣ったと考えられる。換言すれば、優れた光ストレス耐性に寄与する酸化物半導体薄膜は、プレアニール前後で光透過率の変化量が小さいものであることを本発明者らは突き止めた。
本発明者らは、上記考察に基づいて鋭意検討したところ、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量を絶対値で５％以下とすれば、光ストレス耐性を向上させることができることを見出した。また、当該光透過率の変化量を絶対値で５％以下とすれば、ＴＦＴ製造時やディスプレイパネル製造時の熱プロセスによるＴＦＴ特性への影響を抑制することができ、ＴＦＴを安定的に歩留まりよく製造できるという効果も期待される。当該光透過率の変化量は、好ましくは絶対値で２％以下、より好ましくは絶対値で１％以下である。なお、「大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理」は、酸化物半導体薄膜成膜後のプレアニール条件を模擬している。また、所望のＴＦＴ静特性を得るため、プレアニール後の酸化物半導体薄膜の光透過率は、８０％以上であることが好ましく、８５％以上であることがより好ましい。
以上、本発明に用いられる酸化物半導体薄膜について説明した。
［１−１．酸化物半導体薄膜の製造方法］
上記酸化物半導体薄膜は、スパッタリング法の他、塗布法などの成膜法によって形成することもできる。好ましくはスパッタリング法にてスパッタリングターゲットを用いて成膜することである。以下、上記スパッタリングターゲットを単に「ターゲット」ということがある。スパッタリング法によれば、成分や膜厚の膜面内均一性に優れた薄膜を容易に形成することができる。
上記酸化物半導体薄膜は、スパッタリング法の他、塗布法などの成膜法によって形成することもできる。好ましくはスパッタリング法にてスパッタリングターゲットを用いて成膜することである。以下、上記スパッタリングターゲットを単に「ターゲット」ということがある。スパッタリング法によれば、成分や膜厚の膜面内均一性に優れた薄膜を容易に形成することができる。
ターゲットを用いてスパッタリング法で成膜する場合、スパッタリング成膜時に薄膜中から離脱する酸素を補間し、酸化物半導体薄膜の密度をできるだけ高くするには、成膜時のガス圧、酸素の分圧、スパッタリングターゲットへの投入パワー、基板温度、スパッタリングターゲットと基板との距離であるＴ−Ｓ間距離などを適切に制御することが好ましい。
具体的には、例えば、下記スパッタリング条件で成膜することが好ましい。
成膜時の好ましいガス圧は、おおむね１〜１０ｍＴｏｒｒである。このように、スパッタの放電が安定する程度にガス圧を低くすると、スパッタ原子同士の散乱がなくなって緻密な、即ち高密度な膜を成膜できると考えられる。
酸素添加量は、酸化物半導体薄膜が半導体として動作を示すよう、スパッタリング装置、ターゲットの組成、薄膜トランジスタ作製プロセスなどに応じて、適切に制御すればよい。また、熱処理前後の光透過率の変化量を絶対値で５％以下に抑制するため、添加流量比（１００×Ｏ２／（Ａｒ＋Ｏ２））を好ましくは１％以上、より好ましくは４％以上にすることが推奨される。
成膜時の基板温度は、おおむね室温〜２００℃の範囲内に制御することが推奨される。
更に酸化物半導体薄膜中の欠陥量は、成膜後の熱処理（プレアニール）条件によっても影響を受ける。よって、プレアニール条件を適切に制御することが好ましい。プレアニール条件は、例えば、大気雰囲気（大気圧）下にて、おおむね、２５０〜４００℃で１０分〜３時間行うことが推奨される。上記熱処理として、具体的に例えば、後述するプレアニール処理、即ち、酸化物半導体薄膜の成膜後であって、ソース・ドレイン電極形成前に行う熱処理が挙げられる。
酸化物半導体薄膜の好ましい膜厚は、１０ｎｍ以上、更には２０ｎｍ以上とすることができ、２００ｎｍ以下、更には１００ｎｍ以下、更には９０ｎｍ以下、更には８０ｎｍ以下とすることができる。
［２．スパッタリングターゲット］
スパッタリング法に用いられるターゲットとして、前述した元素を含み、所望の酸化物半導体薄膜と同一組成のスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。これにより、組成ズレが少なく、所望の成分組成の酸化物半導体薄膜を形成することができる。具体的には金属元素としてＩｎ、ＧａおよびＳｎを含む酸化物からなり、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（１）〜（３）を満たすスパッタリングターゲットを用いることが推奨される。
０．３４≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４３ ・・・（１）
０．３０≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３９ ・・・（２）
０．２１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３）
スパッタリング法に用いられるターゲットとして、前述した元素を含み、所望の酸化物半導体薄膜と同一組成のスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。これにより、組成ズレが少なく、所望の成分組成の酸化物半導体薄膜を形成することができる。具体的には金属元素としてＩｎ、ＧａおよびＳｎを含む酸化物からなり、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（１）〜（３）を満たすスパッタリングターゲットを用いることが推奨される。
０．３４≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４３ ・・・（１）
０．３０≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３９ ・・・（２）
０．２１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３）
好ましくは、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（４）〜（６）を満たすスパッタリングターゲットを用いることが推奨される。
０．３６≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４２ ・・・（４）
０．３２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３８ ・・・（５）
０．２２≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２８ ・・・（６）
０．３６≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４２ ・・・（４）
０．３２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３８ ・・・（５）
０．２２≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２８ ・・・（６）
より好ましくは、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（７）〜（９）を満たすスパッタリングターゲットを用いることが推奨される。
０．３８≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４１ ・・・（７）
０．３４≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３７ ・・・（８）
０．２３≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２６ ・・・（９）
０．３８≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４１ ・・・（７）
０．３４≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３７ ・・・（８）
０．２３≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２６ ・・・（９）
本発明の１つの実施形態において、スパッタリングターゲットには、不可避的不純物が含まれてもよい。不可避的不純物は、原料、資材又は製造設備等の状況によって持ち込まれ得る。不可避的不純物としては、例えば、Ｚｎ、Ａｌ、Ｐｂ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃｒ及びＺｒ等が挙げられる。不可避的不純物の含有量は、スパッタリングターゲットの質量に対して、好ましくは１質量％以下、より好ましくは５００質量ｐｐｍ以下である。
あるいは、組成の異なるターゲットを同時放電するコンビナトリアルスパッタ法を用いて成膜しても良い。例えばＩｎ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＳｎＯ２など、Ｉｎ、Ｇａ、およびＳｎの各元素の酸化物ターゲット、または上記元素の少なくとも２種以上を含む混合物の酸化物ターゲットを用いることもできる。また、Ｉｎ等の元素を含む純金属ターゲットや合金ターゲットを、単数または複数用い、雰囲気ガスとして酸素を供給しながら成膜することも挙げられる。例えば、上記Ｏを除くＩｎ、Ｇａ、およびＳｎが上記（１）〜（３）、（４）〜（６）、または（７）〜（９）を満たす合金ターゲットを用い、雰囲気ガスとして酸素を供給しながら成膜することが挙げられる。
上記ターゲットは、例えば粉末焼結法によって製造することができる。
［３．薄膜トランジスタ］
次に、上記酸化物半導体薄膜を薄膜トランジスタの半導体層として備えた薄膜トランジスタについて説明する。薄膜トランジスタは、基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース・ドレイン電極、上記の酸化物半導体薄膜および保護膜を少なくとも有していれば良く、その構成は通常用いられるものであれば特に限定されない。
次に、上記酸化物半導体薄膜を薄膜トランジスタの半導体層として備えた薄膜トランジスタについて説明する。薄膜トランジスタは、基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース・ドレイン電極、上記の酸化物半導体薄膜および保護膜を少なくとも有していれば良く、その構成は通常用いられるものであれば特に限定されない。
［３−１．薄膜トランジスタの製造方法］
以下、図１を参照しながら、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法の好ましい実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタの概略断面図である。なお、図１および以下の製造方法は、本発明の好ましい実施形態の一例を示すものであり、これに限定する趣旨ではない。例えば図１には、ボトムゲート型構造の薄膜トランジスタを示しているがこれに限定されず、酸化物半導体薄膜の上にゲート絶縁膜とゲート電極を順に備えるトップゲート型の薄膜トランジスタであってもよい。また、図２および後述する実施例のように、酸化物半導体薄膜上にＥＳＬ（Etch-Stop Layer）保護膜を備えた薄膜トランジスタであってもよい。
以下、図１を参照しながら、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法の好ましい実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタの概略断面図である。なお、図１および以下の製造方法は、本発明の好ましい実施形態の一例を示すものであり、これに限定する趣旨ではない。例えば図１には、ボトムゲート型構造の薄膜トランジスタを示しているがこれに限定されず、酸化物半導体薄膜の上にゲート絶縁膜とゲート電極を順に備えるトップゲート型の薄膜トランジスタであってもよい。また、図２および後述する実施例のように、酸化物半導体薄膜上にＥＳＬ（Etch-Stop Layer）保護膜を備えた薄膜トランジスタであってもよい。
図１では、基板１上にゲート電極２およびゲート絶縁膜３が形成され、その上に酸化物半導体薄膜４が形成されている。酸化物半導体薄膜４上にはこの酸化物半導体薄膜４と電気的に接続しているソース・ドレイン電極５が形成されている。更には保護膜６が形成され、コンタクトホール７を介して透明導電膜（パッド）８がドレイン電極５に電気的に接続されている。
基板１上にゲート電極２およびゲート絶縁膜３を形成する方法は特に限定されず、通常用いられる方法を採用することができる。また、ゲート電極２およびゲート絶縁膜３の種類も特に限定されず、汎用されているものを用いることができる。例えばゲート電極２として、電気抵抗率の低い、純ＡｌやＡｌ合金のＡｌ系金属や純ＣｕやＣｕ合金のＣｕ系金属；耐熱性の高い、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉなどの高融点金属やこれらの合金；を好ましく用いることができる。また、ゲート絶縁膜としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などが代表的に例示される。ゲート絶縁膜として、その他、Ａｌ２Ｏ３やＹ２Ｏ３などの酸化物や、これらを積層したものを用いることもできる。
次いで半導体層として、酸化物半導体薄膜４を形成する。酸化物半導体薄膜４は、酸化物半導体薄膜４と同組成のスパッタリングターゲットを用いたＤＣスパッタリング法またはＲＦスパッタリング法により酸化物薄膜を形成することが好ましい。また、下記のプレアニールによる光透過率の低下を抑えた酸化物半導体薄膜を得るには、上述した条件で酸化物半導体薄膜を成膜することが好ましい。あるいは、複数の種類のスパッタリングターゲットを用いたコンビナトリアルスパッタ法により成膜しても良い。
酸化物半導体薄膜を形成した後、ウェットエッチングによりパターニングを行う。上述したように、酸化物半導体薄膜の成膜後であってソース・ドレイン電極５の形成前には、酸化物半導体薄膜４の膜質改善のためにプレアニールを行うことが好ましい。プレアニールは、酸化物半導体薄膜のパターニングの前に行ってもよいし、パターニングの後に行ってもよい。これにより、トランジスタ特性のオン電流および電界効果移動度を高めることができ、結果としてトランジスタ性能の向上を図ることができる。
次いでソース・ドレイン電極５を形成する。ソース・ドレイン電極５の種類は特に限定されず、汎用されているものを用いることができる。例えば上記ゲート電極２と同様に、Ｍｏ等の高融点金属や該金属を含む合金；Ａｌ系金属；Ｃｕ系金属；等を用いることができる。
ソース・ドレイン電極５の形成方法としては、例えばマグネトロンスパッタリング法によって金属薄膜を成膜した後、フォトリソグラフィによりパターニングし、ウェットエッチングを行ってソース・ドレイン電極５を形成することができる。上記ウェットエッチングには、無機酸系エッチング液や過酸化水素系エッチング液を用いることができる。
ソース・ドレイン電極５形成後であって保護膜６の形成前に、酸化物表面のダメージ回復のため、必要に応じて熱処理（２００℃〜３００℃）やＮ２Ｏプラズマ処理を施してもよい。
次に、酸化物半導体薄膜４の上に保護膜（パッシベーション絶縁膜）６をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって成膜する。保護膜６として、例えば上層をシリコン窒化膜、下層をシリコン酸化膜とした積層膜を使用することが挙げられる。これらに限らずシリコン酸窒化膜、そのほか、Ａｌ２Ｏ３やＹ２Ｏ３などの酸化物や、これらを積層したものを用いることもできる。具体的には、保護膜６として、膜厚１００ｎｍのＳｉＯｘ膜と膜厚１５０ｎｍのＳｉＮｘ膜を積層させた合計膜厚が２５０ｎｍの積層膜を形成することが挙げられる。上記ＳｉＯ２膜の形成にはＳｉＨ４、Ｎ２およびＮ２Ｏの混合ガスを用い、上記ＳｉＮｘ膜の形成にはＳｉＨ４、Ｎ２、ＮＨ３の混合ガスを用い、いずれの場合も成膜条件として例えば、成膜パワー密度：０．３２Ｗ／ｃｍ２、成膜温度：２００℃、成膜時のガス圧：１３３Ｐａとすることが挙げられる。
次に、常法に基づき、コンタクトホール７を介して透明導電膜（パッド）８をドレイン電極５に電気的に接続する。透明導電膜の種類は特に限定されず、通常用いられるものを使用することができる。例えば膜厚８０ｎｍのＩＴＯ膜を、ＤＣスパッタリング法を用い、キャリアガス：アルゴンおよび酸素ガスの混合ガス、成膜パワー：２００Ｗ、ガス圧：５ｍＴｏｒｒの条件で成膜することが挙げられる。パッド８に半導体試験装置（テスタ）等のプローブを当てることにより、薄膜トランジスタの電気的な測定を行うことができる。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限されず、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
即ち、下記の実験方法１では、ガラス上に酸化物半導体薄膜を想定した酸化物薄膜を形成し、該薄膜に下記の条件で熱処理を施して、熱処理前後の透過率の変化量を評価した。また、下記の実験方法２では、実験方法１の酸化物薄膜と同組成の酸化物半導体薄膜を半導体層として用いた薄膜トランジスタを作製し、静特性と光ストレス耐性とを評価した。
（実験方法１：分光測定）
直径４インチ×厚さ０．７ｍｍのガラス基板（コーニング社製の「ＥａｇｌｅＸＧ」）上に酸化物薄膜をスパッタリング法で成膜した。スパッタリング条件は下記の通りとした。
＜スパッタリング条件＞
・スパッタリング装置：アルバック社製「ＣＳ−２００」
・基板温度：２５℃（室温）
・酸化物薄膜の膜厚：３００ｎｍ
・キャリアガス：Ａｒ
・成膜パワー密度：２．５５Ｗ／ｃｍ２
・ガス圧：１ｍＴｏｒｒ
・酸素添加量：Ｏ２／（Ａｒ＋Ｏ２）＝４％（体積比）
なお、スパッタリングターゲットのＩｎ、ＧａおよびＳｎの各元素の原子数比は、酸化物薄膜の各元素の目標原子数比と同程度となるように、適宜調整した。
直径４インチ×厚さ０．７ｍｍのガラス基板（コーニング社製の「ＥａｇｌｅＸＧ」）上に酸化物薄膜をスパッタリング法で成膜した。スパッタリング条件は下記の通りとした。
＜スパッタリング条件＞
・スパッタリング装置：アルバック社製「ＣＳ−２００」
・基板温度：２５℃（室温）
・酸化物薄膜の膜厚：３００ｎｍ
・キャリアガス：Ａｒ
・成膜パワー密度：２．５５Ｗ／ｃｍ２
・ガス圧：１ｍＴｏｒｒ
・酸素添加量：Ｏ２／（Ａｒ＋Ｏ２）＝４％（体積比）
なお、スパッタリングターゲットのＩｎ、ＧａおよびＳｎの各元素の原子数比は、酸化物薄膜の各元素の目標原子数比と同程度となるように、適宜調整した。
成膜した酸化物薄膜の波長４５０ｎｍの透過率（以下、この透過率を「熱処理前透過率」という。）を測定した。透過率の測定は、日本分光（株）製紫外可視近赤外分光光度計「Ｖ−５７０」を用いて測定を行った。測定は透過モード非同期モードでＳ偏光を用いた。その入射角を５度とし、検出器の角度を０度に設定して測定した。続いて、大気雰囲気、大気圧下で３５０℃、１時間の熱処理を行った。この熱処理は、実験方法２における酸化物半導体薄膜の成膜後プレアニールを模擬している。続いて、熱処理した酸化物半導体薄膜の波長４５０ｎｍの透過率（以下、この透過率を「熱処理後透過率」という。）を測定した。測定方法は、熱処理前に行った透過率測定と同様にした。熱処理後透過率から熱処理前透過率を減算した値の絶対値を、熱処理前後の透過率変化量の絶対値（以下、単に「透過率変化量」という場合がある。）とした。各サンプルの熱処理後透過率と透過率変化量とを表１に示した。透過率変化量が５％以下であるサンプルを合格とした。なお、表１では、本発明の実施形態の範囲から外れている数値には下線を付した。
また、成膜した酸化物薄膜の金属元素の各原子数比をＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）発光分光法で測定した。当該測定は、ガラス基板上に酸化物半導体薄膜のみを上記と同様にしてスパッタリング法で形成した試料を別途用意して行った。当該測定は、リガク社製「ＣＩＲＯＳ ＭａｒｋＩＩ」を用いて行った。各サンプルの測定結果は表１に示した。
（実験方法２：薄膜トランジスタの作製）
次に、図２を参照しながら、実験方法２を説明する。図２は、実験方法２で作製した薄膜トランジスタの概略断面図である。まず、ガラス基板１（コーニング社製の「ＥａｇｌｅＸＧ」、直径４インチ、厚さ０．７ｍｍ）を用意し、このガラス基板１の表面にＭｏ薄膜を平均厚さが１００ｎｍとなるようにスパッタリング法により成膜した。成膜条件は、基板温度２５℃（室温）、成膜パワー密度３．８Ｗ／ｃｍ２、圧力０．２６６Ｐａ、及びキャリアガスＡｒとした。Ｍｏ薄膜を成膜後、パターニングによりゲート電極２を形成した。
次に、図２を参照しながら、実験方法２を説明する。図２は、実験方法２で作製した薄膜トランジスタの概略断面図である。まず、ガラス基板１（コーニング社製の「ＥａｇｌｅＸＧ」、直径４インチ、厚さ０．７ｍｍ）を用意し、このガラス基板１の表面にＭｏ薄膜を平均厚さが１００ｎｍとなるようにスパッタリング法により成膜した。成膜条件は、基板温度２５℃（室温）、成膜パワー密度３．８Ｗ／ｃｍ２、圧力０．２６６Ｐａ、及びキャリアガスＡｒとした。Ｍｏ薄膜を成膜後、パターニングによりゲート電極２を形成した。
次に、ゲート絶縁膜として、平均厚さ２５０ｎｍのシリコン酸化膜をＣＶＤ法により上記ゲート電極２を覆うように成膜した。原料ガスとしては、Ｎ２ＯとＳｉＨ４との混合ガスを用いた。成膜条件は基板温度３２０℃、成膜パワー密度０．９６Ｗ／ｃｍ２、及び圧力１３３Ｐａとした。
次に、ガラス基板１の表面側に酸化物半導体薄膜として、平均厚さ４０ｎｍのＩｎ、Ｇａ、Ｓｎを金属元素として含む酸化物半導体薄膜をスパッタリング法により形成した。スパッタリング法の各種条件は、実験方法１の酸化物薄膜の形成と同様にして行い、酸化物半導体薄膜を得た。そのため、酸化物半導体薄膜におけるＩｎ、ＧａおよびＳｎの各原子数比は、対応する実験方法１の酸化物薄膜における各原子数比と同一である。
得られた酸化物半導体薄膜をフォトリソグラフィ及びウェットエッチングによりパターニングを行い、酸化物半導体薄膜４を形成した。なお、ウエットエッチャントには、関東化学株式会社製の「ＩＴＯ−０７Ｎ」を用いた。
ここで、酸化物半導体薄膜４の膜質改善のためプレアニール処理を行った。プレアニール処理の条件は、大気雰囲気（大気圧）で３５０℃の環境下６０分間とした。
次に、ガラス基板１の表面側にシリコン酸化膜をＣＶＤ法により平均厚さが１００ｎｍとなるように成膜した。原料ガスとしては、Ｎ２ＯとＳｉＨ４との混合ガスを用いた。成膜条件は基板温度２３０℃、成膜パワー密度０．３２Ｗ／ｃｍ２、及び圧力１３３Ｐａとした。シリコン酸化膜を成膜後、パターニングによりＥＳＬ保護膜９を形成した。
次に、ガラス基板１の表面側にＭｏ薄膜を平均厚さが２００ｎｍとなるように成膜した。成膜条件は基板温度２５℃（室温）、成膜パワー密度を３．８Ｗ／ｃｍ２、圧力を０．２６６Ｐａ、及びキャリアガスをＡｒとした。Ｍｏ薄膜を成膜後、パターニングにより、ソース電極及びドレイン電極５を形成した。
次に、ガラス基板１の表面側にシリコン酸化膜（平均厚さ１００ｎｍ）とシリコン窒化膜（平均厚さ１５０ｎｍ）との２層構造のパッシベーション絶縁膜６をＣＶＤ法により形成した。原料ガスとしては、シリコン酸化膜の形成にはＮ２ＯとＳｉＨ４との混合ガスを用い、シリコン窒化膜の形成には、ＮＨ３とＳｉＨ４との混合ガスを用いた。成膜条件は基板温度１５０℃、成膜パワー密度０．３２Ｗ／ｃｍ２、及び圧力１３３Ｐａとした。
次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによりコンタクトホールを形成し、ドレイン電極に電気的に接続するためのパッド８を設けた。
次に、ポストアニール処理を行った。なお、ポストアニール処理の条件は、大気圧のＮ２雰囲気で２５０℃の環境下３０分間とした。
以上のようにして薄膜トランジスタを得た。なお、この薄膜トランジスタのチャネル長は２０μｍ、チャネル幅は２００μｍとした。
得られた各ＴＦＴについて、トランジスタ特性として、電界効果移動度（μＦＥ）、しきい値電圧（Ｖｔｈ）、Ｓ値、光照射と負バイアスによる光ストレス耐性（ＮＢＴＩＳ、Bias Thermal Illumination Stress）を評価した。各種トランジスタ特性は、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ ４２００ＳＣＳの半導体パラメータアナライザーを用いて測定した。
［静特性（μＦＥ、Ｖｔｈ、Ｓ値）の評価］
静特性は、以下の測定条件で評価した。
・ドレイン電圧：１０Ｖ
・ゲート電圧：−３０Ｖ〜３０Ｖ（測定間隔：０．２５Ｖ）
・基板温度：室温
静特性は、以下の測定条件で評価した。
・ドレイン電圧：１０Ｖ
・ゲート電圧：−３０Ｖ〜３０Ｖ（測定間隔：０．２５Ｖ）
・基板温度：室温
各サンプルの静特性の測定結果は、表１に示した。また、各静特性の判定基準は以下の通りとした。
（μＦＥ）
・５ｃｍ２／Ｖｓ以上：高移動度であり合格
・５ｃｍ２／Ｖｓ未満：低移動度であり不合格
（Ｖｔｈ）
・０Ｖ以上：合格
・０Ｖ未満：不合格
（Ｓ値）
・１．０Ｖ／ｄｅｃ以下：合格
・１．０Ｖ／ｄｅｃ超：不合格
（μＦＥ）
・５ｃｍ２／Ｖｓ以上：高移動度であり合格
・５ｃｍ２／Ｖｓ未満：低移動度であり不合格
（Ｖｔｈ）
・０Ｖ以上：合格
・０Ｖ未満：不合格
（Ｓ値）
・１．０Ｖ／ｄｅｃ以下：合格
・１．０Ｖ／ｄｅｃ超：不合格
［光ストレス耐性の評価］
次に、上記ＴＦＴを用い、以下のようにして光ストレス耐性としてＮＢＴＩＳの評価を行った。光ストレス耐性は、ゲート電極に負バイアスをかけながら光を照射するストレス印加試験を行って評価した。ストレス印加条件は以下の通りである。
・ゲート電圧：−２０Ｖ
・ソース／ドレイン電圧：１０Ｖ
・基板温度：６０℃
・光ストレス条件：
ストレス印加時間：２時間
光強度：２５０００ＮＩＴ
光源：白色ＬＥＤ
次に、上記ＴＦＴを用い、以下のようにして光ストレス耐性としてＮＢＴＩＳの評価を行った。光ストレス耐性は、ゲート電極に負バイアスをかけながら光を照射するストレス印加試験を行って評価した。ストレス印加条件は以下の通りである。
・ゲート電圧：−２０Ｖ
・ソース／ドレイン電圧：１０Ｖ
・基板温度：６０℃
・光ストレス条件：
ストレス印加時間：２時間
光強度：２５０００ＮＩＴ
光源：白色ＬＥＤ
ストレス印加前後のしきい値電圧（Ｖｔｈ）の差ΔＶｔｈ（Ｖ）を測定した。各サンプルの測定結果は、表１にＮＢＴＩＳとして示した。ΔＶｔｈの判定基準は以下の通りとした。
・６．０Ｖ以下：光ストレス耐性に優れ合格
・６．０Ｖ超：光ストレス耐性に劣り不合格
・６．０Ｖ以下：光ストレス耐性に優れ合格
・６．０Ｖ超：光ストレス耐性に劣り不合格
表１の結果を考察する。サンプルＮｏ．１〜３は、本発明の実施形態で規定する要件を満足する酸化物半導体薄膜を用いた実施例である。サンプルＮｏ．１〜３は、静特性（μＦＥ、Ｖｔｈ、Ｓ値）、および光ストレス耐性（ＮＢＴＩＳ）の両方に優れていた。一方、サンプルＮｏ．４は、本発明の実施形態で規定する要件を満足しない酸化物半導体薄膜を用いた比較例である。サンプルＮｏ．４は、静特性に優れるものの、透過率変化量が大きかったため、光ストレス耐性に劣っていた。
１ 基板
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁膜
４ 酸化物半導体薄膜
５ ソース・ドレイン電極
６ 保護膜
７ コンタクトホール
８ 透明導電膜（パッド）
９ ＥＳＬ保護膜
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁膜
４ 酸化物半導体薄膜
５ ソース・ドレイン電極
６ 保護膜
７ コンタクトホール
８ 透明導電膜（パッド）
９ ＥＳＬ保護膜
Claims (9)
- Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（１）〜（３）を満たし、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量が絶対値で５％以下である酸化物半導体薄膜を含む、薄膜トランジスタ。
０．３４≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４３ ・・・（１）
０．３０≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３９ ・・・（２）
０．２１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３） - 前記原子数比が下記式（４）〜（６）を満たし、前記光透過率の変化量が絶対値で２％以下である酸化物半導体薄膜を含む、請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
０．３６≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４２ ・・・（４）
０．３２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３８ ・・・（５）
０．２２≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２８ ・・・（６） - 前記原子数比が下記式（７）〜（９）を満たし、前記光透過率の変化量が絶対値で１％以下である酸化物半導体薄膜を含む、請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
０．３８≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４１ ・・・（７）
０．３４≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３７ ・・・（８）
０．２３≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２６ ・・・（９） - Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（１）〜（３）を満たし、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量が絶対値で５％以下である、請求項１に記載の薄膜トランジスタ用の酸化物半導体薄膜。
０．３４≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４３ ・・・（１）
０．３０≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３９ ・・・（２）
０．２１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３） - Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（４）〜（６）を満たし、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量が絶対値で２％以下である、請求項２に記載の薄膜トランジスタ用の酸化物半導体薄膜。
０．３６≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４２ ・・・（４）
０．３２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３８ ・・・（５）
０．２２≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２８ ・・・（６） - Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（７）〜（９）を満たし、大気雰囲気で３５０℃、１時間の熱処理前後の波長４５０ｎｍの光透過率の変化量が絶対値で１％以下である、請求項３に記載の薄膜トランジスタ用の酸化物半導体薄膜。
０．３８≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４１ ・・・（７）
０．３４≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３７ ・・・（８）
０．２３≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２６ ・・・（９） - Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（１）〜（３）を満たす、請求項１または請求項４に記載の酸化物半導体薄膜の形成に用いられる、スパッタリングターゲット。
０．３４≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４３ ・・・（１）
０．３０≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３９ ・・・（２）
０．２１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３） - Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（４）〜（６）を満たす、請求項２または請求項５に記載の酸化物半導体薄膜の形成に用いられる、スパッタリングターゲット。
０．３６≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４２ ・・・（４）
０．３２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３８ ・・・（５）
０．２２≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２８ ・・・（６） - Ｉｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＯから構成され、該Ｉｎ、ＧａおよびＳｎの合計に対する各金属元素の原子数比が下記式（７）〜（９）を満たす、請求項３または請求項６に記載の酸化物半導体薄膜の形成に用いられる、スパッタリングターゲット。
０．３８≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４１ ・・・（７）
０．３４≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３７ ・・・（８）
０．２３≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２６ ・・・（９）
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