JP4480809B2 - 酸化インジウム薄膜及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は酸化インジウム薄膜及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）にスズをドープして１×１０21／ｃｍ3程度の高密度のキャリアを生成させると、１×１０-4Ωｃｍ程度の金属的な電気抵抗率を発現し、同時に透明性が保たれるので、透明電極材料として好適であり、液晶ディスプレイの画素電極や太陽電池のキャリア捕集電極として広く用いられる。このときドープしたスズイオンによってキャリア電子が散乱されるので、移動度は３０ｃｍ2／Ｖｓ程度に留まり、Ｉｎ2Ｏ3のバルク単結晶試料について報告された値１６０ｃｍ2／Ｖｓに比べてかなり小さい値になるが、透明電極として用いる場合に重要である因子は電気抵抗率であるので、移動度の低下分をキャリア密度の増加分が補ってあまりあるので、問題とならない。
【０００３】
ところが近年話題とされている酸化物エレクトロニクスの分野において、Ｉｎ2Ｏ3を半導体材料として用いる場合には、移動度が充分に高いことが好ましい。このとき、透明電極材料に求められるような低い電気抵抗率は必ずしも必要ないので、スズイオンはドープしなくて良く、できるだけ移動度を高める工夫を施すことになる。移動度を高める方法の一つは、Ｉｎ2Ｏ3の結晶性を高めることである。
【０００４】
さらに、半導体デバイスを構成する場合には、高移動度を有する半導体膜の他に、絶縁膜が必要になることが多い。このときは、透明電極材料の場合とは全く反対に、電気抵抗率をできるだけ高めなくてはならない。スズイオンをドープしないことはもとより、不純物イオンをできるだけ取り除き、酸素欠陥をできるだけ作らない工夫を施すことになる。高移動度のＩｎ2Ｏ3と絶縁性のＩｎ2Ｏ3とが得られれば、これらを互いに積層することによって、例えばＦＥＴ型トランジスタなどの電子デバイスを実現できることになる。
【０００５】
ＦＥＴ型トランジスタの場合には、半導体膜の上に絶縁膜を積層し、更にその上に金属電極膜を形成して、デバイスとする。この金属電極膜をＩＴＯによって形成すれば、Ｉｎ2Ｏ3とこれにＳｎを高濃度ドープしたＩＴＯによる、単一材料系によってデバイスを形成できることになる。
【０００６】
高結晶性のＩｎ2Ｏ3膜を形成する試みは、これまでにもいくつかなされている。例えば、タルサ（Ｔａｒｓａ）はパルスレーザー蒸着法（Pulsed Laser Deposition method：ＰＬＤ法）を用いて、ＩｎＡｓ、ＭｇＯおよびＹＳＺ単結晶基板上にＩｎ2Ｏ3膜を形成した（E.J.Tarsa, J.H.English, and J.S.Speck, Appl.Phys.Lett. 62 (1993) 2332）。特にＹＳＺ単結晶基板上に、４００〜４５０℃の温度で成膜したＩｎ2Ｏ3膜は、５０ｃｍ2／Ｖｓという比較的高い移動度を示した。また、亀井らはＹＳＺ単結晶基板上にスパッタ法により２００℃で高配向性のＩｎ2Ｏ3膜を形成し、３９ｃｍ2／Ｖｓの移動度を得た（M.Kamei, T.Yagami, S.Takaki, and Y.Shigesato, Appl.Phys. Lett. 64 (1994) 2712）。さらに、Ｔａｇａらは、ＹＳＺ単結晶基板上に電子ビーム蒸着法により３００℃で高配向性のＩｎ2Ｏ3膜を形成し、７３ｃｍ2／Ｖｓの移動度を得ている。
【０００７】
一方、電気抵抗率の高いＩｎ2Ｏ3結晶については、バルク単結晶試料について報告がある。例えば、Ｄｅ Ｗｉｔは化学気相輸送法によりＩｎ2Ｏ3のバルク単結晶を作製し、電気抵抗率を測定、最大４０ｋΩｃｍの値を得た（Journal of Crystal Growth, 12, (1972) 183）。Ｄｅ Ｗｉｔの方法は、直径１ｃｍ、長さ２０ｃｍの円筒形をした石英アンプルに、１ｇのＩｎ2Ｏ3粉体を入れ、真空引きした後に、ＨＣｌ蒸気を１５ｔｏｒｒ導入し、封入する。これを温度勾配のある電気炉中に水平に置き、原料粉体部分の温度を９５０℃に設定し、アンプルの一端を６８０℃〜７２０℃に設定して、この部分にＩｎ2Ｏ3単結晶が析出することを、数日間、待つものである。得られた単結晶は１ｍｍ立方のものであった。ＤｅＷｉｔは、他に、フラックス法によって８３ｋΩｃｍの試料も作製している。その他、水熱合成法などによってバルク単結晶試料を作製した例が報告されている。しかし、薄膜試料について、高抵抗率または絶縁性のＩｎ2Ｏ3が作製された例は見あたらない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記タルサのＩｎ2Ｏ3膜と亀井のＩｎ2Ｏ3膜は、比較的高い移動度を有するが、Ｉｎ2Ｏ3結晶が本来有する潜在的移動度を充分に引き出したとは言えない。また、ＴａｇａのＩｎ2Ｏ3膜は、Ｉｎ2Ｏ3のバルク単結晶試料について報告された値の４０％程度の移動度を実現しており、かつ、Ｘ線回折法のロッキング・カーブ半値幅が０．０４６°と極めて高い結晶性が得られているが、走査電子顕微鏡写真に現れている膜表面のモフォロジーは多孔質であることを示しており、緻密性に欠けている。
【０００９】
このように、緻密であり、結晶性が高く、高移動度を安定的に発現する酸化インジウム薄膜は、未だ得られていない。
また、緻密であり、結晶性が高く、高抵抗率を安定的に発現する酸化インジウム薄膜は、未だ得られていない。
【００１０】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、緻密であり、結晶性が高く、高移動度を安定的に発現する酸化インジウム薄膜及びその製造方法の提供を第一の目的とする。
また、緻密であり、結晶性が高く、高抵抗率を安定的に発現する酸化インジウム薄膜及びその製造方法の提供を第二の目的とする。
さらに、これらの薄膜を応用した、半導体／絶縁体接合素子や電子デバイス、及びそれらの製造方法の提供を第三の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は以下の構成としてある。
【００１２】
（構成１）Ｘ線回折法のロッキング・カーブ半値幅が０．３°以下と高い結晶性（高配向性）を有し、膜表面の自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）が１０ｎｍ以下であり、かつ、移動度７０ｃｍ2／Ｖｓ以上を有することを特徴とする高移動度酸化インジウム薄膜。
【００１３】
（構成２）Ｘ線回折法のロッキング・カーブ半値幅が０．３°以下と高い結晶性（高配向性）を有し、膜表面の自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）が１０ｎｍ以下であり、かつ、１ｋΩｃｍ以上の抵抗率を有することを特徴とする高抵抗酸化インジウム薄膜。
【００１４】
（構成３）構成１記載の高配向性・高移動度酸化インジウム薄膜と構成２記載の高配向性・高抵抗酸化インジウム薄膜とを接合してなることを特徴とする半導体／絶縁体接合素子。
【００１５】
（構成４）構成３記載の半導体／絶縁体接合素子にＩＴＯ薄膜を接合することによって形成したことを特徴とする電子デバイス。
【００１６】
（構成５）構成１記載の高移動度酸化インジウム薄膜と、請求項２記載の高抵抗酸化インジウム薄膜とを、パルスレーザー蒸着法における酸素分圧を制御することによって作り分け、かつ、酸素分圧を制御する際に、酸素分圧が増大するに連れて酸化インジウム薄膜の抵抗値が急激に増大する中間領域に入る酸素分圧を避けて成膜を行うことを特徴とする酸化インジウム薄膜の製造方法。
【００１７】
（構成６）構成１記載の高移動度酸化インジウム薄膜を、酸素分圧を０〜１Ｐａの範囲とし、基板温度を６００〜１０００℃としてパルスレーザー蒸着法により作製することを特徴とする高移動度酸化インジウム薄膜の製造方法。
【００１８】
（構成７）構成２記載の高抵抗酸化インジウム薄膜を、酸素分圧を１Ｐａ〜１ｋＰａの範囲とし、パルスレーザー蒸着法により作製することを特徴とする高抵抗酸化インジウム薄膜の製造方法。
【００１９】
（構成８）構成１記載の高移動度酸化インジウム薄膜と構成２記載の高抵抗酸化インジウム薄膜とを、同一装置内で同一ターゲットを用いてパルスレーザー蒸着法における酸素分圧を制御することによって作り分けて、半導体／絶縁体接合を作製することを特徴とする半導体／絶縁体接合素子の製造方法。
【００２０】
（構成９）構成８記載の方法で作製した半導体／絶縁体接合素子に、ＩＴＯ薄膜を接合することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
【００２１】
【作用】
本発明の高移動度酸化インジウム薄膜は、緻密であり、結晶性が高く、７０ｃｍ2／Ｖｓ以上の移動度を安定的に発現することを特徴としている。本発明の高結晶性酸化インジウム薄膜は緻密であるので、半導体として利用するのに適しており、他物質の薄膜との積層が可能である。また、結晶性が高いため、他物質との積層を行う場合に、結晶軸を揃えたヘテロエピタキシャル成長が可能である。また、７０ｃｍ2／Ｖｓ以上の高い移動度を再現性良く発現するため、半導体デバイスとしたときに良好な応答性を示す。
【００２２】
また、本発明の高抵抗酸化インジウム薄膜は、緻密であり、結晶性が高く、数ｋΩ以上の高抵抗率を安定的に発現することを特徴としている。本発明の高結晶性酸化インジウム薄膜は緻密であるので、半導体と組み合わせた絶縁膜として利用するのに適している。また、結晶性が高いため、他物質との積層を行う場合に、結晶軸を揃えたヘテロエピタキシャル成長が可能である。特に、上述の高移動度酸化インジウム薄膜と交互に積層することにより、酸化インジウム系だけを用いて、ＦＥＴなどの電子デバイスを構成することができる。
【００２３】
本発明の高移動度酸化インジウム薄膜及び高抵抗酸化インジウム薄膜においては、膜表面の自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）を１０ｎｍ以下に抑えることが重要である。これは、ディバイスを作る上で各層の表面粗さはその上の層との界面粗さとなり、特性に影響を与えるからである。同様の観点から、膜表面の自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）は、５ｎｍ以下に抑えることが好ましく、３ｎｍ以下に抑えることがさらに好ましい。
なお、本発明の高移動度酸化インジウム薄膜及び高抵抗酸化インジウム薄膜は、いずれも、走査電子顕微鏡写真に現れている膜表面のモフォロジーが緻密であることを示しており、また、いずれもＸ線回折法のロッキング・カーブ半値幅が０．３°以下と高い結晶性（高配向性）を有している。
【００２４】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、酸化インジウム薄膜とその製造方法に関するものである。
酸化インジウム薄膜は、ＹＳＺ（Yttrium Stabilized Zirconia：イットリウム安定化ジルコニア）単結晶基板やガラス基板等の上に形成する。単結晶基板の結晶性は良好であることが好ましく、Ｉｎ2Ｏ3結晶と対称性が合い、格子定数が合い、ヘテロエピタキシャル成長に適合するものであることが好ましい。単結晶基板は、成膜前に、高温における熱処理または酸によるエッチング処理によって、基板表面を原子オーダーで超平坦化しておくことが好ましい。ＹＳＺ単結晶基板の場合、熱処理によって超平坦化することが可能であり、熱処理の温度域は１２００℃以上１５００℃以下とすることが好ましい。１２００℃以下では、ＹＳＺの蒸気圧が低すぎて超平坦化が困難であり、１５００℃以上では、ＹＳＺの蒸気圧が高すぎて基板表面に突起が形成される。好ましくは１３００℃〜１４００℃の範囲で処理することが適当である。ＹＳＺ単結晶の面方位は、（１００）面でもよく（１１１）面でもよく、また他の面でもＩｎ2Ｏ3格子と対称性と格子定数が合う面であればよい。（１００）面を選ぶ場合には、立方形状のＩｎ2Ｏ3結晶子が緻密に整列する。（１１１）面を選ぶ場合には、Ｉｎ2Ｏ3結晶子は（１１１）方位を基板放線（法線）方向に向け、（１００）面を表面に露出した三角錐状の構造を作り、緻密に整列する。このため、正三角形状の断面が原子間力顕微鏡や走査電子顕微鏡によって観察される。
【００２５】
ガラス基板の上に作製する場合には、ＹＳＺ単結晶基板の場合と異なって、基板に結晶性がないため、ヘテロエピタキシャル成長を実現することができない。このため、Ｉｎ2Ｏ3膜には配向性がなく、多結晶となり、移動度が小さくなる傾向がある。配向性が重要な場合には、例えばガラス基板上にＺｎＯのｃ軸配向膜を作製し、その上にＩｎ2Ｏ3膜を形成するならば、Ｉｎ2Ｏ3の（１１１）方位を向いた配向膜が得られる。ＺｎＯのｃ軸配向膜は、パルスレーザー蒸着法の他、スパッタ法、ＣＶＤ法によって作製することができ、市販もされている。
【００２６】
ＹＳＺ単結晶基板やガラス基板等へのＩｎ2Ｏ3膜の成膜には、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）を用いる。ＰＬＤ法は、超高真空容器中で、焼結体等のターゲットにエキシマー・レーザー光等の高エネルギー・レーザー光をパルス状に照射し、ターゲット表面から爆発的に蒸発する物質を、対向する基板に堆積する方法であって、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7等の超伝導酸化物やＢａＴｉＯ3等の強誘電体酸化物などの成膜方法として、広く用いられている方法である。
【００２７】
ターゲットには高純度Ｉｎ2Ｏ3の焼結体や圧粉体、高純度Ｉｎ金属などを用いることができる。圧粉体の場合には、ターゲットの調製が容易であるが、真空容器内が粉体で汚れやすいという欠点がある。また、金属の場合には、純度を非常に高くすることが可能であるが、レーザー光を反射するために効率的に蒸発が起こらないという欠点がある。焼結体については、近年、緻密化の技術が進み、相対密度９９％以上、純度９９．９９％程度のものが市販されるに至っており、真空容器を汚しにくく、レーザー光を反射しない点で優れている。
【００２８】
真空容器の真空到達度は、少なくとも１×１０-7Ｔｏｒｒ以下とすることが好ましい。これ以上の真空度であると、真空容器中のガスはＨ2Ｏが支配的となり、ターゲットや基板の表面に多量に付着して、作製するＩｎ2Ｏ3薄膜の特性を劣化させる怖れがある。できれば、真空到達度が１×１０-7〜１×１０-10Ｔｏｒｒに至る、超高真空容器を用いることが好ましい。排気用ポンプには、分子ターボポンプもしくはソープションポンプが適当である。成膜中にＯ2ガス等の酸化性ガスを流すためである。真空容器中には、ターゲットを設置し、これに対向する位置に基板を配置する。ターゲットと基板の間の距離は、通常、数ｃｍから１０ｃｍ程度である。ターゲットは自転させることが好ましい。レーザー光の照射によって照射部分が蒸発するため、凹部が形成されるからである。また、基板も自転させることが好ましい。レーザー光の照射によってターゲット表面から爆発的に蒸発する物質は、プルームと呼ばれる気球形状の発光を伴うが、プルームの径はせいぜい数ｃｍから１０ｃｍ程度に過ぎず、その範囲内で物質が基板上に堆積するためである。より広い面積に、均一に成膜することを意図するならば、基板を回転させることが好ましいのである。レーザー光は、ターゲット表面に焦点を絞るように導入する。焦点の面積とレーザー光のエネルギー値とから、ターゲットに入射するレーザー光のパワー密度が求まる。パワー密度が低すぎれば、爆発的な蒸発現象が起こらず、薄膜を作製することができない。パワー密度が高すぎれば、成膜速度が大きくなりすぎて、良好な膜質が得られなくなるなどの問題が生じる。そこで適当なパワー密度が得られるように、レーザ光の焦点面積とエネルギーとを調節する必要がある。レーザー光の波長は紫外領域のものを選ぶのが通常である。可視領域の光はターゲットに吸収されないので、爆発的な蒸発が起こらない。紫外レーザーとしては通常、ＸｅＣｌ、ＫｒＦ、ＡｒＦ等のエキシマーレーザーや、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの４倍波などを用いる。Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの様に連続光を発振できるものは、連続光のまま入射させても良いが、モードロック方式やＱスイッチ方式によってパルス状に発振させた方が、エネルギーの尖塔値が高くなり、爆発的な蒸発現象を、より効率的に誘起することができる。
【００２９】
基板温度は２００℃〜１０００℃の範囲に選び、酸素分圧は０〜１ｋＰａの間で選ぶ。２００℃以下では、酸化インジウム相の結晶化が進行せず、１０００℃以上では酸化インジウムの気化が進行して膜質が悪化する。この温度範囲内では、基板温度を高くするほど、酸化インジウム薄膜の結晶性は向上し、粒子径が大きくなる傾向がある。粒子形状は、２００℃〜５００℃の領域では球形であるが、５００℃以上とすると、次第に酸化インジウムの結晶構造を反映して立方形に変化する。
【００３０】
本発明の第一の発明である高移動度酸化インジウム薄膜と、第二の発明である高抵抗酸化インジウム薄膜は、ともに上述したパルスレーザー蒸着法によって作製する。しかし、高移動度酸化インジウム薄膜と高抵抗酸化インジウム薄膜では、作製する際の雰囲気中の酸素分圧が異なる。
【００３１】
本発明の第一の発明である高移動度酸化インジウム薄膜を作製する際には、酸素分圧は０〜１Ｐａの間に設定する。酸素は全く導入しなくとも良いが、この場合には金属Ｉｎ相が混入する傾向があり、１Ｐａ以上とすると抵抗率が高くなりすぎる。好ましくは１×１０-5〜１×１０-1Ｔｏｒｒの範囲である。
また、成膜時の基板温度は６００℃〜１０００℃の範囲に設定することが好ましい。６００℃より低いと高移動度の膜が得られ難く、１０００℃以上では製造は困難である。なお、レーザーのエネルギー密度を下げるなどして成膜速度を下げる方法により、基板温度を６００℃よりも低くすることが可能である。
【００３２】
本発明の第二発明である高抵抗率酸化インジウム薄膜を作製する際には、酸素分圧は１Ｐａ〜１ｋＰａの間で選ぶ。１Ｐａ以下では、高抵抗率が得られ難く、１ｋＰａ以上では爆発的に蒸発した物質が基板上に有効に堆積しにくくなる。酸素分圧は、好ましくは、５Ｐａ以上、１ｋＰａ以下、さらに好ましくは、１０Ｐａ以上、１００Ｐａ以下である。１０Ｐａ以上とすると、絶縁性の酸化インジウム薄膜が得られやすい。ここで、絶縁性とは、１ＭΩｃｍ以上の抵抗率を指す。
【００３３】
上記のように、本発明の第一の発明である高移動度酸化インジウム薄膜と第二の発明である高抵抗率酸化インジウム薄膜は、酸素分圧を制御することによって、作り分けることができる。酸素分圧が０．１Ｐａ〜２Ｐａという中間領域にある場合には、酸素分圧が増大するに連れて、酸化インジウム薄膜の抵抗値が急激に増大する領域が存在する。このような領域では、高移動度もしくは高抵抗率を安定して得ることができない。中間領域の範囲は、基板温度によって変化し、その他の条件、例えばターゲットの密度、ターゲット−基板間距離、レーザー光の波長とパワー密度等の条件によっても変化する。そこで、種々の作製条件を決定した後に、酸素分圧を変えて成膜を行い、膜の抵抗率を測定して、中間領域の範囲を調べておくことが好ましい。高移動度酸化インジウム薄膜を作製する場合には、中間領域よりも充分に低い酸素分圧とし、高抵抗率酸化インジウム薄膜を作製する場合には、中間領域よりも充分に高い酸素分圧とする。
【００３４】
高移動度酸化インジウム薄膜と高抵抗率酸化インジウム薄膜を、酸素分圧を制御することによって、作り分けることができることは、ＦＥＴトランジスタなどの電子デバイスを形成する上で、非常に好都合である。例えば、ＦＥＴトランジスタは、半導体の上に絶縁膜を形成して作製する。従来、酸化物材料を用いてＦＥＴトランジスタを作製しようと考えるならば、半導体材料として例えばＳｒＴｉＯ3を用い、絶縁体（積層）材料として例えばＡｌ2Ｏ3を用いることによって作製する必要があった。この場合には、半導体材料と絶縁体材料とが異なる物質であるので、成膜に適した温度や酸素分圧が異なり、接合界面で拡散が起こる怖れがあった。また、作製方法として、例えばパルスレーザー蒸着法を選ぶならば、それぞれの材料によって作製した二種類のターゲットを準備しなくてはならず、成膜の途中でターゲットを交換する機構を作り込まねばならないなど、成膜装置が複雑になり、製造コストが上昇するといった課題があった。これに対して、本発明の高移動度酸化インジウム薄膜と高抵抗率酸化インジウム薄膜を使用して、半導体と絶縁体の接合を作製するならば、ターゲットは一つで足り、成膜装置は単純であり、製造コストは上昇しないだけでなく、成膜中に、単に酸素分圧を制御するだけで半導体と絶縁体の接合が作製できる。また、同一物質であるので、半導体と絶縁体の結晶構造は同一であり、完全にホモ・エピタキシャル成長をさせることができるので、極めて良好な接合特性を得ることができる。
【００３５】
ＦＥＴトランジスタの場合、半導体膜に接して絶縁体膜を形成するが、さらにこの絶縁体膜に接して金属膜を形成し、ドレイン電極とする。本発明の高移動度酸化インジウム膜と高抵抗率酸化インジウム膜を用いてＦＥＴを作製する場合には、金属膜に通常の金属材料を用いても良いが、スズを高濃度にドープしたＩＴＯ膜を用いても良い。この場合には、半導体膜、絶縁体膜および金属膜のすべてがＩｎ2Ｏ3結晶によって形成されるので、素子全体に置いて、ホモエピタキシャル成長を実現することができ、良好な素子特性を得ることができる。特に重要なことは、金属膜にＩＴＯ膜を使用すると、素子全体が可視光に対して透明になることである。なぜなら、Ｉｎ2Ｏ3結晶は可視光に対して透明であり、スズのドープが適切になされるならば、ＩＴＯ膜も透明だからである。一方、金属膜に通常の金属材料を用いるならば、半導体膜と絶縁体膜が透明であっても、金属膜が不透明であるので、素子全体にわたる透明性を実現することはできない。素子全体が透明なＦＥＴトランジスタは、例えば液晶ディスプレイのアクティブ・マトリックスを制御するＴＦＴトランジスタとして用いるならば、実質的に画素の開口率が向上し、画面が明るくなり、消費電力が低減するなどの実用的な利点が多い。
【００３６】
【実施例】
実施例１
日本真空技術（株）製レーザーアブレーション用超高真空容器にＹＳＺ単結晶基板（００１）面（フルウチ化学（株）製）を設置し、ＩＲランプヒーターによって２００℃〜８００℃に加熱した。容器中に１．２×１０-3Ｐａの酸素を導入し、ラムダフィジクス（株）製ＫｒＦエキシマーレーザー光を高純度Ｉｎ2Ｏ3ターゲット（東ソー（株）製）に入射、ターゲットから３０ｍｍ離して対向させた基板上にＩｎ2Ｏ3を堆積させた。膜厚は２００〜３００ｎｍとした。理学電機製Ｘ線回折装置により、試料の回折パターンを測定し、高配向性の薄膜となっていることが明かとなった。ファンデアパウ法により電気特性を測定した結果を表１に示す。基板温度を上げるに従い移動度が増大し、ＹＳＺ基板上でも石英ガラス基板上でも、７００℃以上で７０ｃｍ2／Ｖｓ以上の移動度を得た。基板温度が６００℃以下であると移動度は５０ｃｍ2／Ｖｓ以下にとどまる。なお、いずれの試料も抵抗率は１×１０-2Ωｃｍよりも低かった。Ｒｍｓは最大で８ｎｍであった。
【００３７】
【表１】
【００３８】
実施例２
酸素圧を１４Ｐａとした他は実施例１と同じ方法でＩｎ2Ｏ3膜をＹＳＺ（１００）単結晶基板面上に堆積した。膜厚は２００〜３００ｎｍであった。試料のＸ線回折パターンは、高配向性の薄膜となっていることを示した。抵抗が高いためファンデアパウ法による測定ができなかったので、四端子抵抗計によって試料のシート抵抗を測定し、膜厚から抵抗率を算出した。その結果を表２に示す。４００℃以上で１ｋΩの抵抗値が得られた。Ｒｍｓは最大で３ｎｍであった。
【００３９】
【表２】
【００４０】
実施例３
実施例１と同じ条件で、Ｉｎ2Ｏ3薄膜を１００ｎｍ積層した．。ただし、基板温度は８００℃とし、酸素圧は１．２ ×１０-3Ｐａとした。次に、基板温度を保ったまま、酸素圧を１４Ｐａまで増大させ、Ｉｎ2Ｏ3薄膜を１００ｎｍ積層した。この二層膜のシート抵抗から求めた抵抗率は、６×１０4Ωｃｍであった。次に、ＨＣｌ：Ｈ2Ｏ：ＨＮＯ3＝１：０．０８：１の混合溶液を使用して、二層膜の表面を１２０ｎｍ湿式エッチングし、ホール測定を行ったところ、抵抗率は０．０７Ωｃｍ、移動度は７２ｃｍ2／Ｖｓの値が得られた。このようにして、高移動度Ｉｎ2Ｏ3膜の上に、高抵抗Ｉｎ2Ｏ3膜が形成できたことを確認した。
【００４１】
実施例４
実施例１と同様の方法で、実施例３の方法で作製した二層膜の上に、ＩＴＯ薄膜を作製した。ただし、Ｉｎ2Ｏ3ターゲットの変わりにＩＴＯターゲット（東ソー（株）製）を用い、基板温度を８００℃に保ち、酸素分圧を１．２×１０-3Ｐａとした。この三層膜の抵抗率をファンデアパウ法で測定したところ、５×１０-4Ωｃｍであった。このようにして、高移動度膜と高抵抗膜の積層膜上に金属的低抵抗率を有するＩＴＯ膜が形成できたことを確認した。
【００４２】
以上実施例をあげて本発明を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
【００４３】
例えば、ターゲットの種類や組成、レーザーアブレーションによる成膜条件、膜の厚さ、基板の種類等は、上記実施例に限定されず、適宜変更して実施できる。
また、得られた膜はエッチングなどによって任意のパターニングを施こすことができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、緻密であり、結晶性が高く、高移動度を安定的に発現する酸化インジウム薄膜及びその製造方法を提供できる。
また、 本発明によれば、緻密であり、結晶性が高く、高抵抗率を安定的に発現する酸化インジウム薄膜及びその製造方法を提供できる。
さらに、 本発明によれば、これらの薄膜を応用した、半導体／絶縁体接合素子や電子デバイス、及びそれらの製造方法を提供できる。本発明は、Ｉｎ2Ｏ3を用いた電子デバイスの設計を可能にするものであり、さらにＩＴＯを併用することにより、電子デバイスの設計範囲を格段に広げることができる。
【産業上の利用分野】
本発明は酸化インジウム薄膜及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）にスズをドープして１×１０21／ｃｍ3程度の高密度のキャリアを生成させると、１×１０-4Ωｃｍ程度の金属的な電気抵抗率を発現し、同時に透明性が保たれるので、透明電極材料として好適であり、液晶ディスプレイの画素電極や太陽電池のキャリア捕集電極として広く用いられる。このときドープしたスズイオンによってキャリア電子が散乱されるので、移動度は３０ｃｍ2／Ｖｓ程度に留まり、Ｉｎ2Ｏ3のバルク単結晶試料について報告された値１６０ｃｍ2／Ｖｓに比べてかなり小さい値になるが、透明電極として用いる場合に重要である因子は電気抵抗率であるので、移動度の低下分をキャリア密度の増加分が補ってあまりあるので、問題とならない。
【０００３】
ところが近年話題とされている酸化物エレクトロニクスの分野において、Ｉｎ2Ｏ3を半導体材料として用いる場合には、移動度が充分に高いことが好ましい。このとき、透明電極材料に求められるような低い電気抵抗率は必ずしも必要ないので、スズイオンはドープしなくて良く、できるだけ移動度を高める工夫を施すことになる。移動度を高める方法の一つは、Ｉｎ2Ｏ3の結晶性を高めることである。
【０００４】
さらに、半導体デバイスを構成する場合には、高移動度を有する半導体膜の他に、絶縁膜が必要になることが多い。このときは、透明電極材料の場合とは全く反対に、電気抵抗率をできるだけ高めなくてはならない。スズイオンをドープしないことはもとより、不純物イオンをできるだけ取り除き、酸素欠陥をできるだけ作らない工夫を施すことになる。高移動度のＩｎ2Ｏ3と絶縁性のＩｎ2Ｏ3とが得られれば、これらを互いに積層することによって、例えばＦＥＴ型トランジスタなどの電子デバイスを実現できることになる。
【０００５】
ＦＥＴ型トランジスタの場合には、半導体膜の上に絶縁膜を積層し、更にその上に金属電極膜を形成して、デバイスとする。この金属電極膜をＩＴＯによって形成すれば、Ｉｎ2Ｏ3とこれにＳｎを高濃度ドープしたＩＴＯによる、単一材料系によってデバイスを形成できることになる。
【０００６】
高結晶性のＩｎ2Ｏ3膜を形成する試みは、これまでにもいくつかなされている。例えば、タルサ（Ｔａｒｓａ）はパルスレーザー蒸着法（Pulsed Laser Deposition method：ＰＬＤ法）を用いて、ＩｎＡｓ、ＭｇＯおよびＹＳＺ単結晶基板上にＩｎ2Ｏ3膜を形成した（E.J.Tarsa, J.H.English, and J.S.Speck, Appl.Phys.Lett. 62 (1993) 2332）。特にＹＳＺ単結晶基板上に、４００〜４５０℃の温度で成膜したＩｎ2Ｏ3膜は、５０ｃｍ2／Ｖｓという比較的高い移動度を示した。また、亀井らはＹＳＺ単結晶基板上にスパッタ法により２００℃で高配向性のＩｎ2Ｏ3膜を形成し、３９ｃｍ2／Ｖｓの移動度を得た（M.Kamei, T.Yagami, S.Takaki, and Y.Shigesato, Appl.Phys. Lett. 64 (1994) 2712）。さらに、Ｔａｇａらは、ＹＳＺ単結晶基板上に電子ビーム蒸着法により３００℃で高配向性のＩｎ2Ｏ3膜を形成し、７３ｃｍ2／Ｖｓの移動度を得ている。
【０００７】
一方、電気抵抗率の高いＩｎ2Ｏ3結晶については、バルク単結晶試料について報告がある。例えば、Ｄｅ Ｗｉｔは化学気相輸送法によりＩｎ2Ｏ3のバルク単結晶を作製し、電気抵抗率を測定、最大４０ｋΩｃｍの値を得た（Journal of Crystal Growth, 12, (1972) 183）。Ｄｅ Ｗｉｔの方法は、直径１ｃｍ、長さ２０ｃｍの円筒形をした石英アンプルに、１ｇのＩｎ2Ｏ3粉体を入れ、真空引きした後に、ＨＣｌ蒸気を１５ｔｏｒｒ導入し、封入する。これを温度勾配のある電気炉中に水平に置き、原料粉体部分の温度を９５０℃に設定し、アンプルの一端を６８０℃〜７２０℃に設定して、この部分にＩｎ2Ｏ3単結晶が析出することを、数日間、待つものである。得られた単結晶は１ｍｍ立方のものであった。ＤｅＷｉｔは、他に、フラックス法によって８３ｋΩｃｍの試料も作製している。その他、水熱合成法などによってバルク単結晶試料を作製した例が報告されている。しかし、薄膜試料について、高抵抗率または絶縁性のＩｎ2Ｏ3が作製された例は見あたらない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記タルサのＩｎ2Ｏ3膜と亀井のＩｎ2Ｏ3膜は、比較的高い移動度を有するが、Ｉｎ2Ｏ3結晶が本来有する潜在的移動度を充分に引き出したとは言えない。また、ＴａｇａのＩｎ2Ｏ3膜は、Ｉｎ2Ｏ3のバルク単結晶試料について報告された値の４０％程度の移動度を実現しており、かつ、Ｘ線回折法のロッキング・カーブ半値幅が０．０４６°と極めて高い結晶性が得られているが、走査電子顕微鏡写真に現れている膜表面のモフォロジーは多孔質であることを示しており、緻密性に欠けている。
【０００９】
このように、緻密であり、結晶性が高く、高移動度を安定的に発現する酸化インジウム薄膜は、未だ得られていない。
また、緻密であり、結晶性が高く、高抵抗率を安定的に発現する酸化インジウム薄膜は、未だ得られていない。
【００１０】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、緻密であり、結晶性が高く、高移動度を安定的に発現する酸化インジウム薄膜及びその製造方法の提供を第一の目的とする。
また、緻密であり、結晶性が高く、高抵抗率を安定的に発現する酸化インジウム薄膜及びその製造方法の提供を第二の目的とする。
さらに、これらの薄膜を応用した、半導体／絶縁体接合素子や電子デバイス、及びそれらの製造方法の提供を第三の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は以下の構成としてある。
【００１２】
（構成１）Ｘ線回折法のロッキング・カーブ半値幅が０．３°以下と高い結晶性（高配向性）を有し、膜表面の自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）が１０ｎｍ以下であり、かつ、移動度７０ｃｍ2／Ｖｓ以上を有することを特徴とする高移動度酸化インジウム薄膜。
【００１３】
（構成２）Ｘ線回折法のロッキング・カーブ半値幅が０．３°以下と高い結晶性（高配向性）を有し、膜表面の自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）が１０ｎｍ以下であり、かつ、１ｋΩｃｍ以上の抵抗率を有することを特徴とする高抵抗酸化インジウム薄膜。
【００１４】
（構成３）構成１記載の高配向性・高移動度酸化インジウム薄膜と構成２記載の高配向性・高抵抗酸化インジウム薄膜とを接合してなることを特徴とする半導体／絶縁体接合素子。
【００１５】
（構成４）構成３記載の半導体／絶縁体接合素子にＩＴＯ薄膜を接合することによって形成したことを特徴とする電子デバイス。
【００１６】
（構成５）構成１記載の高移動度酸化インジウム薄膜と、請求項２記載の高抵抗酸化インジウム薄膜とを、パルスレーザー蒸着法における酸素分圧を制御することによって作り分け、かつ、酸素分圧を制御する際に、酸素分圧が増大するに連れて酸化インジウム薄膜の抵抗値が急激に増大する中間領域に入る酸素分圧を避けて成膜を行うことを特徴とする酸化インジウム薄膜の製造方法。
【００１７】
（構成６）構成１記載の高移動度酸化インジウム薄膜を、酸素分圧を０〜１Ｐａの範囲とし、基板温度を６００〜１０００℃としてパルスレーザー蒸着法により作製することを特徴とする高移動度酸化インジウム薄膜の製造方法。
【００１８】
（構成７）構成２記載の高抵抗酸化インジウム薄膜を、酸素分圧を１Ｐａ〜１ｋＰａの範囲とし、パルスレーザー蒸着法により作製することを特徴とする高抵抗酸化インジウム薄膜の製造方法。
【００１９】
（構成８）構成１記載の高移動度酸化インジウム薄膜と構成２記載の高抵抗酸化インジウム薄膜とを、同一装置内で同一ターゲットを用いてパルスレーザー蒸着法における酸素分圧を制御することによって作り分けて、半導体／絶縁体接合を作製することを特徴とする半導体／絶縁体接合素子の製造方法。
【００２０】
（構成９）構成８記載の方法で作製した半導体／絶縁体接合素子に、ＩＴＯ薄膜を接合することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
【００２１】
【作用】
本発明の高移動度酸化インジウム薄膜は、緻密であり、結晶性が高く、７０ｃｍ2／Ｖｓ以上の移動度を安定的に発現することを特徴としている。本発明の高結晶性酸化インジウム薄膜は緻密であるので、半導体として利用するのに適しており、他物質の薄膜との積層が可能である。また、結晶性が高いため、他物質との積層を行う場合に、結晶軸を揃えたヘテロエピタキシャル成長が可能である。また、７０ｃｍ2／Ｖｓ以上の高い移動度を再現性良く発現するため、半導体デバイスとしたときに良好な応答性を示す。
【００２２】
また、本発明の高抵抗酸化インジウム薄膜は、緻密であり、結晶性が高く、数ｋΩ以上の高抵抗率を安定的に発現することを特徴としている。本発明の高結晶性酸化インジウム薄膜は緻密であるので、半導体と組み合わせた絶縁膜として利用するのに適している。また、結晶性が高いため、他物質との積層を行う場合に、結晶軸を揃えたヘテロエピタキシャル成長が可能である。特に、上述の高移動度酸化インジウム薄膜と交互に積層することにより、酸化インジウム系だけを用いて、ＦＥＴなどの電子デバイスを構成することができる。
【００２３】
本発明の高移動度酸化インジウム薄膜及び高抵抗酸化インジウム薄膜においては、膜表面の自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）を１０ｎｍ以下に抑えることが重要である。これは、ディバイスを作る上で各層の表面粗さはその上の層との界面粗さとなり、特性に影響を与えるからである。同様の観点から、膜表面の自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）は、５ｎｍ以下に抑えることが好ましく、３ｎｍ以下に抑えることがさらに好ましい。
なお、本発明の高移動度酸化インジウム薄膜及び高抵抗酸化インジウム薄膜は、いずれも、走査電子顕微鏡写真に現れている膜表面のモフォロジーが緻密であることを示しており、また、いずれもＸ線回折法のロッキング・カーブ半値幅が０．３°以下と高い結晶性（高配向性）を有している。
【００２４】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、酸化インジウム薄膜とその製造方法に関するものである。
酸化インジウム薄膜は、ＹＳＺ（Yttrium Stabilized Zirconia：イットリウム安定化ジルコニア）単結晶基板やガラス基板等の上に形成する。単結晶基板の結晶性は良好であることが好ましく、Ｉｎ2Ｏ3結晶と対称性が合い、格子定数が合い、ヘテロエピタキシャル成長に適合するものであることが好ましい。単結晶基板は、成膜前に、高温における熱処理または酸によるエッチング処理によって、基板表面を原子オーダーで超平坦化しておくことが好ましい。ＹＳＺ単結晶基板の場合、熱処理によって超平坦化することが可能であり、熱処理の温度域は１２００℃以上１５００℃以下とすることが好ましい。１２００℃以下では、ＹＳＺの蒸気圧が低すぎて超平坦化が困難であり、１５００℃以上では、ＹＳＺの蒸気圧が高すぎて基板表面に突起が形成される。好ましくは１３００℃〜１４００℃の範囲で処理することが適当である。ＹＳＺ単結晶の面方位は、（１００）面でもよく（１１１）面でもよく、また他の面でもＩｎ2Ｏ3格子と対称性と格子定数が合う面であればよい。（１００）面を選ぶ場合には、立方形状のＩｎ2Ｏ3結晶子が緻密に整列する。（１１１）面を選ぶ場合には、Ｉｎ2Ｏ3結晶子は（１１１）方位を基板放線（法線）方向に向け、（１００）面を表面に露出した三角錐状の構造を作り、緻密に整列する。このため、正三角形状の断面が原子間力顕微鏡や走査電子顕微鏡によって観察される。
【００２５】
ガラス基板の上に作製する場合には、ＹＳＺ単結晶基板の場合と異なって、基板に結晶性がないため、ヘテロエピタキシャル成長を実現することができない。このため、Ｉｎ2Ｏ3膜には配向性がなく、多結晶となり、移動度が小さくなる傾向がある。配向性が重要な場合には、例えばガラス基板上にＺｎＯのｃ軸配向膜を作製し、その上にＩｎ2Ｏ3膜を形成するならば、Ｉｎ2Ｏ3の（１１１）方位を向いた配向膜が得られる。ＺｎＯのｃ軸配向膜は、パルスレーザー蒸着法の他、スパッタ法、ＣＶＤ法によって作製することができ、市販もされている。
【００２６】
ＹＳＺ単結晶基板やガラス基板等へのＩｎ2Ｏ3膜の成膜には、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）を用いる。ＰＬＤ法は、超高真空容器中で、焼結体等のターゲットにエキシマー・レーザー光等の高エネルギー・レーザー光をパルス状に照射し、ターゲット表面から爆発的に蒸発する物質を、対向する基板に堆積する方法であって、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7等の超伝導酸化物やＢａＴｉＯ3等の強誘電体酸化物などの成膜方法として、広く用いられている方法である。
【００２７】
ターゲットには高純度Ｉｎ2Ｏ3の焼結体や圧粉体、高純度Ｉｎ金属などを用いることができる。圧粉体の場合には、ターゲットの調製が容易であるが、真空容器内が粉体で汚れやすいという欠点がある。また、金属の場合には、純度を非常に高くすることが可能であるが、レーザー光を反射するために効率的に蒸発が起こらないという欠点がある。焼結体については、近年、緻密化の技術が進み、相対密度９９％以上、純度９９．９９％程度のものが市販されるに至っており、真空容器を汚しにくく、レーザー光を反射しない点で優れている。
【００２８】
真空容器の真空到達度は、少なくとも１×１０-7Ｔｏｒｒ以下とすることが好ましい。これ以上の真空度であると、真空容器中のガスはＨ2Ｏが支配的となり、ターゲットや基板の表面に多量に付着して、作製するＩｎ2Ｏ3薄膜の特性を劣化させる怖れがある。できれば、真空到達度が１×１０-7〜１×１０-10Ｔｏｒｒに至る、超高真空容器を用いることが好ましい。排気用ポンプには、分子ターボポンプもしくはソープションポンプが適当である。成膜中にＯ2ガス等の酸化性ガスを流すためである。真空容器中には、ターゲットを設置し、これに対向する位置に基板を配置する。ターゲットと基板の間の距離は、通常、数ｃｍから１０ｃｍ程度である。ターゲットは自転させることが好ましい。レーザー光の照射によって照射部分が蒸発するため、凹部が形成されるからである。また、基板も自転させることが好ましい。レーザー光の照射によってターゲット表面から爆発的に蒸発する物質は、プルームと呼ばれる気球形状の発光を伴うが、プルームの径はせいぜい数ｃｍから１０ｃｍ程度に過ぎず、その範囲内で物質が基板上に堆積するためである。より広い面積に、均一に成膜することを意図するならば、基板を回転させることが好ましいのである。レーザー光は、ターゲット表面に焦点を絞るように導入する。焦点の面積とレーザー光のエネルギー値とから、ターゲットに入射するレーザー光のパワー密度が求まる。パワー密度が低すぎれば、爆発的な蒸発現象が起こらず、薄膜を作製することができない。パワー密度が高すぎれば、成膜速度が大きくなりすぎて、良好な膜質が得られなくなるなどの問題が生じる。そこで適当なパワー密度が得られるように、レーザ光の焦点面積とエネルギーとを調節する必要がある。レーザー光の波長は紫外領域のものを選ぶのが通常である。可視領域の光はターゲットに吸収されないので、爆発的な蒸発が起こらない。紫外レーザーとしては通常、ＸｅＣｌ、ＫｒＦ、ＡｒＦ等のエキシマーレーザーや、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの４倍波などを用いる。Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの様に連続光を発振できるものは、連続光のまま入射させても良いが、モードロック方式やＱスイッチ方式によってパルス状に発振させた方が、エネルギーの尖塔値が高くなり、爆発的な蒸発現象を、より効率的に誘起することができる。
【００２９】
基板温度は２００℃〜１０００℃の範囲に選び、酸素分圧は０〜１ｋＰａの間で選ぶ。２００℃以下では、酸化インジウム相の結晶化が進行せず、１０００℃以上では酸化インジウムの気化が進行して膜質が悪化する。この温度範囲内では、基板温度を高くするほど、酸化インジウム薄膜の結晶性は向上し、粒子径が大きくなる傾向がある。粒子形状は、２００℃〜５００℃の領域では球形であるが、５００℃以上とすると、次第に酸化インジウムの結晶構造を反映して立方形に変化する。
【００３０】
本発明の第一の発明である高移動度酸化インジウム薄膜と、第二の発明である高抵抗酸化インジウム薄膜は、ともに上述したパルスレーザー蒸着法によって作製する。しかし、高移動度酸化インジウム薄膜と高抵抗酸化インジウム薄膜では、作製する際の雰囲気中の酸素分圧が異なる。
【００３１】
本発明の第一の発明である高移動度酸化インジウム薄膜を作製する際には、酸素分圧は０〜１Ｐａの間に設定する。酸素は全く導入しなくとも良いが、この場合には金属Ｉｎ相が混入する傾向があり、１Ｐａ以上とすると抵抗率が高くなりすぎる。好ましくは１×１０-5〜１×１０-1Ｔｏｒｒの範囲である。
また、成膜時の基板温度は６００℃〜１０００℃の範囲に設定することが好ましい。６００℃より低いと高移動度の膜が得られ難く、１０００℃以上では製造は困難である。なお、レーザーのエネルギー密度を下げるなどして成膜速度を下げる方法により、基板温度を６００℃よりも低くすることが可能である。
【００３２】
本発明の第二発明である高抵抗率酸化インジウム薄膜を作製する際には、酸素分圧は１Ｐａ〜１ｋＰａの間で選ぶ。１Ｐａ以下では、高抵抗率が得られ難く、１ｋＰａ以上では爆発的に蒸発した物質が基板上に有効に堆積しにくくなる。酸素分圧は、好ましくは、５Ｐａ以上、１ｋＰａ以下、さらに好ましくは、１０Ｐａ以上、１００Ｐａ以下である。１０Ｐａ以上とすると、絶縁性の酸化インジウム薄膜が得られやすい。ここで、絶縁性とは、１ＭΩｃｍ以上の抵抗率を指す。
【００３３】
上記のように、本発明の第一の発明である高移動度酸化インジウム薄膜と第二の発明である高抵抗率酸化インジウム薄膜は、酸素分圧を制御することによって、作り分けることができる。酸素分圧が０．１Ｐａ〜２Ｐａという中間領域にある場合には、酸素分圧が増大するに連れて、酸化インジウム薄膜の抵抗値が急激に増大する領域が存在する。このような領域では、高移動度もしくは高抵抗率を安定して得ることができない。中間領域の範囲は、基板温度によって変化し、その他の条件、例えばターゲットの密度、ターゲット−基板間距離、レーザー光の波長とパワー密度等の条件によっても変化する。そこで、種々の作製条件を決定した後に、酸素分圧を変えて成膜を行い、膜の抵抗率を測定して、中間領域の範囲を調べておくことが好ましい。高移動度酸化インジウム薄膜を作製する場合には、中間領域よりも充分に低い酸素分圧とし、高抵抗率酸化インジウム薄膜を作製する場合には、中間領域よりも充分に高い酸素分圧とする。
【００３４】
高移動度酸化インジウム薄膜と高抵抗率酸化インジウム薄膜を、酸素分圧を制御することによって、作り分けることができることは、ＦＥＴトランジスタなどの電子デバイスを形成する上で、非常に好都合である。例えば、ＦＥＴトランジスタは、半導体の上に絶縁膜を形成して作製する。従来、酸化物材料を用いてＦＥＴトランジスタを作製しようと考えるならば、半導体材料として例えばＳｒＴｉＯ3を用い、絶縁体（積層）材料として例えばＡｌ2Ｏ3を用いることによって作製する必要があった。この場合には、半導体材料と絶縁体材料とが異なる物質であるので、成膜に適した温度や酸素分圧が異なり、接合界面で拡散が起こる怖れがあった。また、作製方法として、例えばパルスレーザー蒸着法を選ぶならば、それぞれの材料によって作製した二種類のターゲットを準備しなくてはならず、成膜の途中でターゲットを交換する機構を作り込まねばならないなど、成膜装置が複雑になり、製造コストが上昇するといった課題があった。これに対して、本発明の高移動度酸化インジウム薄膜と高抵抗率酸化インジウム薄膜を使用して、半導体と絶縁体の接合を作製するならば、ターゲットは一つで足り、成膜装置は単純であり、製造コストは上昇しないだけでなく、成膜中に、単に酸素分圧を制御するだけで半導体と絶縁体の接合が作製できる。また、同一物質であるので、半導体と絶縁体の結晶構造は同一であり、完全にホモ・エピタキシャル成長をさせることができるので、極めて良好な接合特性を得ることができる。
【００３５】
ＦＥＴトランジスタの場合、半導体膜に接して絶縁体膜を形成するが、さらにこの絶縁体膜に接して金属膜を形成し、ドレイン電極とする。本発明の高移動度酸化インジウム膜と高抵抗率酸化インジウム膜を用いてＦＥＴを作製する場合には、金属膜に通常の金属材料を用いても良いが、スズを高濃度にドープしたＩＴＯ膜を用いても良い。この場合には、半導体膜、絶縁体膜および金属膜のすべてがＩｎ2Ｏ3結晶によって形成されるので、素子全体に置いて、ホモエピタキシャル成長を実現することができ、良好な素子特性を得ることができる。特に重要なことは、金属膜にＩＴＯ膜を使用すると、素子全体が可視光に対して透明になることである。なぜなら、Ｉｎ2Ｏ3結晶は可視光に対して透明であり、スズのドープが適切になされるならば、ＩＴＯ膜も透明だからである。一方、金属膜に通常の金属材料を用いるならば、半導体膜と絶縁体膜が透明であっても、金属膜が不透明であるので、素子全体にわたる透明性を実現することはできない。素子全体が透明なＦＥＴトランジスタは、例えば液晶ディスプレイのアクティブ・マトリックスを制御するＴＦＴトランジスタとして用いるならば、実質的に画素の開口率が向上し、画面が明るくなり、消費電力が低減するなどの実用的な利点が多い。
【００３６】
【実施例】
実施例１
日本真空技術（株）製レーザーアブレーション用超高真空容器にＹＳＺ単結晶基板（００１）面（フルウチ化学（株）製）を設置し、ＩＲランプヒーターによって２００℃〜８００℃に加熱した。容器中に１．２×１０-3Ｐａの酸素を導入し、ラムダフィジクス（株）製ＫｒＦエキシマーレーザー光を高純度Ｉｎ2Ｏ3ターゲット（東ソー（株）製）に入射、ターゲットから３０ｍｍ離して対向させた基板上にＩｎ2Ｏ3を堆積させた。膜厚は２００〜３００ｎｍとした。理学電機製Ｘ線回折装置により、試料の回折パターンを測定し、高配向性の薄膜となっていることが明かとなった。ファンデアパウ法により電気特性を測定した結果を表１に示す。基板温度を上げるに従い移動度が増大し、ＹＳＺ基板上でも石英ガラス基板上でも、７００℃以上で７０ｃｍ2／Ｖｓ以上の移動度を得た。基板温度が６００℃以下であると移動度は５０ｃｍ2／Ｖｓ以下にとどまる。なお、いずれの試料も抵抗率は１×１０-2Ωｃｍよりも低かった。Ｒｍｓは最大で８ｎｍであった。
【００３７】
【表１】
実施例２
酸素圧を１４Ｐａとした他は実施例１と同じ方法でＩｎ2Ｏ3膜をＹＳＺ（１００）単結晶基板面上に堆積した。膜厚は２００〜３００ｎｍであった。試料のＸ線回折パターンは、高配向性の薄膜となっていることを示した。抵抗が高いためファンデアパウ法による測定ができなかったので、四端子抵抗計によって試料のシート抵抗を測定し、膜厚から抵抗率を算出した。その結果を表２に示す。４００℃以上で１ｋΩの抵抗値が得られた。Ｒｍｓは最大で３ｎｍであった。
【００３９】
【表２】
実施例３
実施例１と同じ条件で、Ｉｎ2Ｏ3薄膜を１００ｎｍ積層した．。ただし、基板温度は８００℃とし、酸素圧は１．２ ×１０-3Ｐａとした。次に、基板温度を保ったまま、酸素圧を１４Ｐａまで増大させ、Ｉｎ2Ｏ3薄膜を１００ｎｍ積層した。この二層膜のシート抵抗から求めた抵抗率は、６×１０4Ωｃｍであった。次に、ＨＣｌ：Ｈ2Ｏ：ＨＮＯ3＝１：０．０８：１の混合溶液を使用して、二層膜の表面を１２０ｎｍ湿式エッチングし、ホール測定を行ったところ、抵抗率は０．０７Ωｃｍ、移動度は７２ｃｍ2／Ｖｓの値が得られた。このようにして、高移動度Ｉｎ2Ｏ3膜の上に、高抵抗Ｉｎ2Ｏ3膜が形成できたことを確認した。
【００４１】
実施例４
実施例１と同様の方法で、実施例３の方法で作製した二層膜の上に、ＩＴＯ薄膜を作製した。ただし、Ｉｎ2Ｏ3ターゲットの変わりにＩＴＯターゲット（東ソー（株）製）を用い、基板温度を８００℃に保ち、酸素分圧を１．２×１０-3Ｐａとした。この三層膜の抵抗率をファンデアパウ法で測定したところ、５×１０-4Ωｃｍであった。このようにして、高移動度膜と高抵抗膜の積層膜上に金属的低抵抗率を有するＩＴＯ膜が形成できたことを確認した。
【００４２】
以上実施例をあげて本発明を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
【００４３】
例えば、ターゲットの種類や組成、レーザーアブレーションによる成膜条件、膜の厚さ、基板の種類等は、上記実施例に限定されず、適宜変更して実施できる。
また、得られた膜はエッチングなどによって任意のパターニングを施こすことができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、緻密であり、結晶性が高く、高移動度を安定的に発現する酸化インジウム薄膜及びその製造方法を提供できる。
また、 本発明によれば、緻密であり、結晶性が高く、高抵抗率を安定的に発現する酸化インジウム薄膜及びその製造方法を提供できる。
さらに、 本発明によれば、これらの薄膜を応用した、半導体／絶縁体接合素子や電子デバイス、及びそれらの製造方法を提供できる。本発明は、Ｉｎ2Ｏ3を用いた電子デバイスの設計を可能にするものであり、さらにＩＴＯを併用することにより、電子デバイスの設計範囲を格段に広げることができる。
Claims (9)
- Ｘ線回折法のロッキング・カーブ半値幅が０．３°以下と高い結晶性（高配向性）を有し、膜表面の自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）が１０ｎｍ以下であり、かつ、移動度７０ｃｍ2／Ｖｓ以上を有することを特徴とする高移動度酸化インジウム薄膜。
- Ｘ線回折法のロッキング・カーブ半値幅が０．３°以下と高い結晶性（高配向性）を有し、膜表面の自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）が１０ｎｍ以下であり、かつ、１ｋΩｃｍ以上の抵抗率を有することを特徴とする高抵抗酸化インジウム薄膜。
- 請求項１記載の高配向性・高移動度酸化インジウム薄膜と請求項２記載の高配向性・高抵抗酸化インジウム薄膜とを接合してなることを特徴とする半導体／絶縁体接合素子。
- 請求項３記載の半導体／絶縁体接合素子にＩＴＯ薄膜を接合することによって形成したことを特徴とする電子デバイス。
- 請求項１記載の高移動度酸化インジウム薄膜と、請求項２記載の高抵抗酸化インジウム薄膜とを、パルスレーザー蒸着法における酸素分圧を制御することによって作り分け、かつ、酸素分圧を制御する際に、酸素分圧が増大するに連れて酸化インジウム薄膜の抵抗値が急激に増大する中間領域に入る酸素分圧を避けて成膜を行うことを特徴とする酸化インジウム薄膜の製造方法。
- 請求項１記載の高移動度酸化インジウム薄膜を、酸素分圧を０〜１Ｐａの範囲とし、基板温度を６００〜１０００℃としてパルスレーザー蒸着法により作製することを特徴とする高移動度酸化インジウム薄膜の製造方法。
- 請求項２記載の高抵抗酸化インジウム薄膜を、酸素分圧を１Ｐａ〜１ｋＰａの範囲とし、パルスレーザー蒸着法により作製することを特徴とする高抵抗酸化インジウム薄膜の製造方法。
- 請求項１記載の高移動度酸化インジウム薄膜と請求項２記載の高抵抗酸化インジウム薄膜とを、同一装置内で同一ターゲットを用いてパルスレーザー蒸着法における酸素分圧を制御することによって作り分けて、半導体／絶縁体接合を作製することを特徴とする半導体／絶縁体接合素子の製造方法。
- 請求項８記載の方法で作製した半導体／絶縁体接合素子に、ＩＴＯ薄膜を接合することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
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