JP5946130B2

JP5946130B2 - アモルファス酸化物半導体を活性層とした薄膜トランジスタ構造とその製造方法

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Publication number: JP5946130B2
Application number: JP2012149286A
Authority: JP
Inventors: 細野　秀雄; 秀雄細野; 研二野村; 神谷　利夫; 利夫神谷
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2016-07-05
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: JP2014011425A

Description

本発明は、アモルファス酸化物半導体を活性層とした薄膜トランジスタ構造とその製造
方法に関する。

金属酸化物半導体を活性層とする薄膜トランジスタ(TFT)は、現在、本発明者らが発明
した、結晶化したときの組成がＩｎＧaO₃(ZnO)_m(mは０．５以上６未満)で示されるアモル
ファスのインジウム・ガリウム・亜鉛からなるアモルファス酸化物(以下「a-IGZO」とい
う)をｎ型チャネル層とする薄膜トランジスタ（以下、「a-IGZO・TFTという）の研究開発
が活発に行われている（非特許文献１、特許文献１、２、４）。

このａ−ＩＧＺＯ・ＴＦＴでは、チャネル層中のキャリアの動き易さを表す物性値であ
る電界効果移動度（μ_EF）が７ｃｍ²(Vs)^-1以上、閾値電圧付近におけるゲート電圧の変
動に対するドレイン電流の変化の度合いを示すサブスレショルド値（S値）が約２００mV/
decade以下、電流オン・オフ（On/Off）比が１０⁶以上という優れたトランジスタ特性を
示す。

よって、今日、このａ−ＩＧＺＯ・ＴＦＴを、大面積・高速駆動平面ディスプレイの画
素駆動用のスイッチングＴＦＴとして応用することを目指した開発が精力的に進められて
いる（非特許文献２）。

本発明者らは、このａ−ＩＧＺＯ活性層に、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃ
ｄ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｒｕ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｆから選ばれる少なくとも1種の
元素を０．１〜３at%程度含ませて、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｏの何れかのサイトを置換して
アクセプターとして機能させて電子キャリア密度を減少させることに関する発明(特許文
献３）やａ−ＩＧＺＯ活性層を酸素を含む乾燥又は湿潤雰囲気中で２００〜５００℃でポ
スト熱処理することによってデバイスの性能及び安定性が改善されること、特に水蒸気を
含んだ湿潤雰囲気中でのアニールすることに関する発明(特許文献４）について特許出願
した。

この様に、本発明者らが２００４年にａ−ＩＧＺＯ・ＴＦＴを開発して以降、アモルフ
ァス金属酸化物半導体をチャネル層とするトランジスタが活発に研究され、実用レベルの
ｎチャネルＴＦＴが作製されている。既に、７０インチ、２４０Hz駆動する液晶ディスプ
レイや、５５インチ有機ＥＬディスプレイが試作されている（非特許文献３、４）。また
、２０１２年４月にシャープ株式会社より、ａ−ＩＧＺＯ・ＴＦＴを使用した高精細液
晶パネル３種類（32型（解像3,840×2,160）、10型（2,560×1,600）、7型（800×1,280
ドット））の量産を開始したことが発表されている（非特許文献５）。

平面ディスプレイ（FPD）はマザーガラスと呼ばれるガラス基板上に構築される。この
マザーガラスにおいて、１枚のマザーガラスから取れる基板の枚数を「面取り数」と呼ぶ
。現在、この面取り数を増やすことにより、低コスト化を図ることが必須となっており、
マザーガラスの大型化が急激に進行している。例えば、パネルサイズ４２インチにおける
面取り数は、第５世代で２〜３枚、第８世代で８枚、第１０世代で１２枚である。

このマザーガラスは、形成される電極や回路などの処理工程や処理工程中の最高温度に
よって種類が限定され、それによりコストが大きく異なる。ＳＴＮ型のような単純マトリ
ックス駆動方式では、Ｘ軸方向とＹ軸方向に格子状に電極を配置するだけであることから
、低価格のソーダライムガラスが使用できる。

一方、各画素に液晶スイッチングＴＦＴを配置するアクティブ・マトリックス駆動方式
ＦＰＤでは、一般的に高温処理が求められるため、高耐圧性、低熱膨張率を有する無アル
カリガラスの使用が必須となっている。

また、半導体装置のＴＦＴ中における不純物を低減し、ＴＦＴ特性の信頼性を確保する
ことは必須である。Ｓｉなどの従来の半導体デバイスにおいて、可動イオンであるナトリ
ウム（Na）などのアルカリ金属の混入は、ＴＦＴの信頼性において極めて深刻な問題の原
因となり、シリコン熱酸化膜もゲート絶縁膜としてアルカリイオンやボロン等の不純物に
対する拡散阻止力は十分でない。半導体中及び絶縁膜、又は界面などに混入したＮａ不純
物は正に帯電し、イオンとして動きまわることにより大きく閾値電圧（Ｖ_th）が変動して
しまうなど深刻な特性劣化を引き起こすので、ガラス基板からのアルカリ可動イオンの拡
散による素子の動作異常を防止する等のためにシリコンの酸窒化物、シリコンの窒化物、
ＳｎＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、ＮｉＯ及びＣｅＯ₂等の拡散防止膜を設けること（特許文献５）、
ケイ素化合物を含む有機質層等の拡散防止膜を設けること（特許文献６）に関する発明が
出願されている。

また、ａ−ＩＧＺＯ・ＴＦＴの製造においても、Ｎａはａ−ＩＧＺＯ薄膜を突き破り
、ＴＦTや透明電極等の機能を阻害する恐れがあるので、ターゲット材料のＮａの含有量
を２５ppm以下とすること（特許文献７）に関する発明が出願されている。ａ−ＩＧＺＯ
の組成については、ＩｎＧaＯ₃(ＺｎＯ)_m(mは０．５以上６未満)に限らず、これに添加成
分を含むものや、元素組成比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃとした場合、前記元素組成
比が、ａ＋ｂ＝２、かつｂ＜２、ｃ＜４ｂ−３．２、かつｃ＞−５ｂ＋８、かつ１≦ｃ≦
２の範囲で規定される非晶質酸化物に関する発明（特許文献８）等も出願されている。

K. Nomura et al., Nature (London), 432, 488 (2004) T.Kamiya et al., Sci. Technol. Adv. Mater. 11, 044305 (2011) Samsung Electronics（Korea), FPD International 2010, JAPAN (2010) LG（Korea）, International CES (2012) シャープ株式会社、ニュースリリース http://www.sharp.co.jp/corporate/news/120529-c.html

特許第４５６８８２８号公報特許第４５６８８２７号公報特開２００６−１６５５２９号公報特開２０１０−２０５７９８号公報特開２００１−２６４６２号公報特開２００９−１５７０５７号公報特開２０１０−２０２４５０号公報特開２０１１−６６３７５号公報

２００４年以降、ａ−ＩＧＺＯをチャネル層とするＴＦＴは活発に研究され、実用レベ
ルのｎチャンネルａ−ＩＧＺＯ・ＴＦＴが作製され、特にアクティブ・マトリックス駆動
方式ＦＰＤのＴＦＴとして期待されている。このようなＴＦＴを実用的に製作するにあた
っては種々のプロセス技術の最適な組合せが必要になるが、従来のＳｉ結晶半導体、アモ
ルファス水素化Ｓｉ半導体では、基板やターゲット材料から半導体活性層に拡散侵入する
アルカリ金属などの不純物はＴＦＴの特性を低下させるため、その防止のために、基板と
しては無アルカリガラスを用いたり、ターゲット材として９９．９９％以上の高純度の焼
結体を用いたり、可動イオンのチャネル層への拡散防止層を形成したりすることが必須で
あった。

結晶性酸化物半導体では、一般に、不純物は結晶を構成する金属と酸素との結合を分断
したり、結晶格子間に侵入したりする結果、ＴＦＴの特性を劣化させることは推測できる
が、ａ−ＩＧＺＯ・ＴＦＴでは、処理工程中やＴＦＴの使用中におけるＩｎ,Ｇａ,Ｚｎ以
外の膜成分、特に一般に不純物とみなされているＮａ等のアルカリ金属の挙動は解明され
ておらず、これらの元素のＴＦＴ特性への定性的、定量的な影響は全く分かっていないの
で、従来のＳｉ結晶半導体、アモルファス水素化Ｓｉ半導体と同様に不純物の拡散防止対
策が必要とされ、ａ−ＩＧＺＯ・ＴＦＴの高性能化と製造コストの低廉化を両立させるの
が困難であった。

本発明者らは、ａ−ＩＧＺＯ半導体膜をチャネル層としたＴＦＴの開発を進めてきたが
、アルカリ金属不純物として従来忌避されていたＮａのＴＦＴ特性への影響について調べ
ることによりその対策を研究した。しかし、従来のＳｉ半導体や結晶質酸化物半導体につ
いての技術常識に反して、ａ−ＩＧＺＯは、Ｓｉ半導体や結晶質酸化物半導体におけるＮ
ａ不純物の影響とは異なり、一定濃度範囲ではＴＦＴ特性へ全く影響を及ぼさない特異性
を有することを解明した。

すなわち、本発明は、（１）基板上に設けたチャネル層と、前記チャネル層上又は下に
設けられて前記チャネル層のキャリア濃度を制御するゲート電極と、ゲート絶縁膜を有し
、ガリウム及び亜鉛及びインジウムを含み、電子濃度が５×１０¹⁸cm^-3以下のアモルファ
ス酸化物半導体膜をｎチャネル層とする薄膜トランジスタ構造において、該チャネル層は
、ゲート絶縁膜と直接接しており、熱処理後において濃度１００〜１０００ppmのＮａを
含有し、かつトランジスタの飽和移動度（μｓａｔ）が、１０ｃｍ^２（Ｖｓ）^−１以上で
あることを特徴とする薄膜トランジスタ構造、である。
また、本発明は、（２）該基板は、ソーダライムガラスであり、該ゲート絶縁膜は、熱
処理時におけるＮａイオン透過性を有し、該チャネル層は、ナトリウム不純物が該チャネ
ル層に侵入するのを阻止する拡散阻止膜を設けていないゲート絶縁膜と直接接しているこ
とを特徴とする上記の薄膜トランジスタ構造、である。

ゲート絶縁膜の材料は、アモルファスＡｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄ 、ＳｉＯ₂ 、ＳｉＯＮ、Ｙ₂
Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＨｆＯ₂、ZrＯ₂、アモルファスのHf-Si-O、Zr-Si-O、Hf-Al-O、Zr-Al-O
の少なくとも一種を用いることができる。この薄膜トランジスタ構造は、飽和移動度が、
７ｃｍ²⁽Vs)^-1以上等の特性を有している。

また、本発明は、１００〜１０００ppmのＮａを含有する純度９９．９％以下のガリウ
ム及び亜鉛及びインジウム焼結体をターゲットとしてＰＬＤ法又はスパッタ法で該アモル
ファス酸化物半導体膜をゲート絶縁膜と直接接して成膜し、酸素を含む雰囲気中、２００
〜５００℃で熱処理することを特徴とする上記（１）の薄膜トランジスタ構造の製造方法
、である。

また、本発明は、基板としてソーダライムガラスを用いて、基板上に直接ゲート絶縁膜
を成膜し、ＰＬＤ法又はスパッタ法で該アモルファス酸化物半導体膜を該ゲート絶縁膜と
直接接して成膜し、酸素を含む雰囲気中、２００〜５００℃で熱処理することを特徴とす
る上記（２）の薄膜トランジスタ構造の製造方法、である。

チャネル層としてａ−ＩＧＺＯ薄膜を作製するには酸化度合いを制御可能なパルスレー
ザ堆積法(PLD法)やスパッタ法を用いることが好ましい。なお、ａ−ＩＧＺＯの酸化の度
合いの制御が可能な成膜法であれば、成膜方法はＰＬＤ法やスパッタ法に限られるもので
はない。

本発明者らは、後述の実施例１に示す方法でナトリウム濃度約２０ppm以下、約１００p
pm、約１０００ppm、及び約１００００ppmを有するａ−ＩＧＺＯ薄膜をチャネル層に用い
たボトムゲート構造のトランジスタ（図６）を作製した。飽和移動度は、約１０ｃｍ²(Vs
)^-1以上、オン・オフ（On/Off）比は、約１０⁷以上であった。

本発明は、ａ−ＩＧＺＯチャネルが高濃度Ｎａ不純物の混入によっても飽和移動度が７
ｃｍ²⁽Vs)^-1以上であるなどの特性を有し、深刻なＴＦＴの信頼性劣化を引き起こさない
という知見に基づくものであり、これにより、安価なソーダライムガラスの使用や無アル
カリガラスにおける不純物としてのアルカリの混入を一定程度まで許容が可能となり、ま
た、安価なターゲット材を使用可能となるので、製造プロセスの簡略化・低コスト化につ
ながる。

Ｎａ不純物(約20ppm以下〜約10000ppm)を含んだａ−ＩＧＺＯ・ＴＦＴにおける閾値電圧（Vth）、移動度（線形(μ_lin)及び飽和(μ_sat)）及びＳ値を示すグラフである。意図的にＮａ不純物を含まないＩｎＧａＺｎＯ₄焼結体を用いて作製したａ−ＩＧＺＯ薄膜及びＳｉＯ₂/Ｓｉ基板のＳＩＭＳ深さ方向組成分布を示す図である。Ｎａ不純物(約1000〜約10000ppm)を含んだＩｎＧａＺｎＯ₄焼結体ターゲットとそれを用いて作製したａ−ＩＧＺＯ薄膜中のＮａ濃度を示すグラフである。Ｎａ不純物(約20ppm以下〜約10000ppm)を含んだａ−ＩＧＺＯ・ＴＦＴの伝達特性を示すグラフである。Ｎａ不純物(約20ppm以下と約1000ppm)を含んだａ−ＩＧＺＯ・ＴＦＴにおける暗下負バイアスストレス(V_GS=-20V)による伝達特性の変化を示すグラフである。(a)は、Ｎａ不純物濃度約20ppm以下、（ｂ）は、Ｎａ不純物濃度約1000ppm。ａ−ＩＧＺＯ・ＴＦＴのボトムゲート構造の一例を示す模式図である。

本発明は、ａ−ＩＧＺＯをチャネル層として用いる電界効果型トランジスタにおいて、
ゲート絶縁膜と直接接しているａ−ＩＧＺＯからなるチャネル層が熱処理後において濃度
約１００〜約１０００ppmのＮａを含有している薄膜トランジスタ構造を提供するもので
あり、ナトリウム不純物がａ−ＩＧＺＯチャネル層に侵入するのを阻止する拡散阻止膜を
設けたり、Ｎａ含有量を規制した高純度ターゲットを用いたりする特別の手段を付加せず
に、前記薄膜トランジスタ構造を製造する方法を提供するものである。

本発明の薄膜トランジスタ構造は、基板上に設けたチャネル層と、前記チャネル層上又
は下に設けられて前記チャネル層のキャリア濃度を制御するゲート電極を有している。図
６は、本発明の方法で製造するａ−ＩＧＺＯ半導体膜をチャネル層とするＴＦＴの構造の
一例であるボトムゲート構造のトランジスタの断面模式図を示している。本発明の方法で
製造するＴＦＴはボトムゲート構造に限らず、トップゲート構造等の種々の構造を採用
し得る。

ソース電極、ドレイン電極、ゲート絶縁層、及びゲート電極等の形成は通常採用されて
いる材料、方法を用いればよい。例えば、ｎ⁺-Ｓｉ基板１上にゲート絶縁膜となる熱酸化
膜であるＳｉＯ₂等の絶縁膜２を形成し、この絶縁膜２上にａ−ＩＧＺＯ薄膜３を形成す
る。次いで、ａ−ＩＧＺＯ薄膜３の両端部に、Ｔｉ/Ａｕ等からなるソース/ドレイン電極
４を設ける。Ｓｉ基板１はゲート電極としても用いられる。

本発明の実施の形態においては、基板１は、ｐ型Ｓｉ基板やｎ型Ｓｉ基板等の半導体基
板を用いてもよいし、ＳＵＳ基板等の金属を用いた導電性基板を用いてもよい。さらには
、ガラス基板やサファイア基板等の絶縁基板を用い、その上にゲート電極を形成してもよ
い。

ガリウム及び亜鉛及びインジウムを含み、電子濃度が5×10¹⁸cm^-3以下のアモルファス
酸化物半導体膜をｎチャネル層とする薄膜トランジスタ構造において、チャネル層は、ゲ
ート絶縁膜と直接接している。ゲート絶縁膜の材料としては、アモルファスアルミナ（ａ
−Ａｌ₂Ｏ₃）、Ｓｉ₃Ｎ₄ 、ＳｉＯ₂ 、ＳｉＯＮ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＨｆＯ₂、ZrＯ₂、
アモルファスのHf-Si-O、Zr-Si-O、Hf-Al-O、Zr-Al-Oなどを用いることができる。ゲート
絶縁層は、印刷方式、コーティング方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレー
ティング法、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ法等を用いて形成できる。ゲート絶縁膜の厚みは通
常は、約５ｎｍ〜約１０００ｎｍが好ましいが、本発明では、１００ｎｍ〜３００ｎｍと
することが好ましい。これらのゲート絶縁膜は熱処理時におけるＮａイオン透過性を有す
る。本発明においては、ゲート絶縁膜を透過するアルカリ可動イオンに対する拡散防止膜
を設ける必要はない。ただし、主に基板表面の平坦性を改善させる目的でガラス基板上に
保護膜を設けても良い。

薄膜トランジスタのチャネルとするａ−ＩＧＺＯ薄膜は、代表的には、結晶化したとき
の組成がＩｎＧaＯ₃(ＺｎＯ)_m(mは０．５以上６未満)で示されるものであるが、この組成
に限らず、この組成にさらに添加成分を含むものや、元素組成比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ
：ｂ：ｃとした場合、前記元素組成比が、ａ＋ｂ＝２、かつｂ＜２、ｃ＜４ｂ−３．２、
かつｃ＞−５ｂ＋８、かつ１≦ｃ≦２の範囲としたものなど何らかの改変がなされたもの
でもよい。ａ−ＩＧＺＯ薄膜の膜厚は、１００ｎｍ以下、５ｎｍ以上が好ましい。薄膜
トランジスタのチャネルとするａ−ＩＧＺＯ薄膜の電子濃度は、熱処理後の室温における
Ｈａｌl 効果測定法によって測定して５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である。電子濃度が５×１０
¹⁸ｃｍ^-3超ではＴＦＴが動作し難くなる。

本発明の製造方法において、ＴＦＴのチャネル層２は、真空容器中で、ガラス又はプラ
スチック基板上に、約１００〜約１０００ppmのＮａを含有する純度９９．９％以下のＩ
ｎＧａＺｎＯ₄焼結体をターゲットとして用いて、ａ−ＩＧＺＯ薄膜をＰＬＤ法やスパッ
タ法などで堆積しゲート絶縁膜と直接接して成膜する。また、安定性をはじめ種々のＴＦ
Ｔ特性の改善の目的で、ａ−ＩＧＺＯ薄膜の堆積後に大気中など酸素を含む乾燥又は湿潤
雰囲気中で約２００〜５００、好ましくは約３００〜４５０℃においてアニーリングする
熱処理を施して上記の薄膜トランジスタ構造を製造する。湿潤雰囲気は、露点温度を３０
〜９５℃に制御した水蒸気と酸素ガスの混合雰囲気が好ましい。加熱時間は加熱温度にも
よるが０．５時間〜３時間程度でよい。３時間を超えても特性改善の効果は少なくなる。
また、基板は熱処理に耐え得るのならその材料は制限されない。

また、基板としてソーダライムガラスを用いて、基板上に直接ゲート絶縁膜を成膜し、
ａ−ＩＧＺＯ薄膜をＰＬＤ法やスパッタ法などで堆積しゲート絶縁膜と直接接して成膜
し、大気中など酸素を含む乾燥又は湿潤雰囲気中で約２００〜５００、好ましくは、３０
０〜４５０℃においてアニーリングする熱処理を施して上記の薄膜トランジスタ構造を製
造することもできる。

このａ−ＩＧＺＯ薄膜の成膜工程では、アモルファス相を形成するため基板温度を室温
〜３００℃以下とし、成膜室内雰囲気の酸素分圧を適正な範囲に設定する。なお、酸素分
圧とは、流量制御装置により成膜室内に意図的に導入された酸素ガスの分圧のことを意味
する。酸素分圧が大きすぎるときは、電子濃度が低くなり、ＴＦＴ動作電圧が０Vよりも
正電圧になり、一方、酸素分圧が小さすぎるときは、その逆になる。得られる最も適切な
酸素分圧の範囲は予め実験的に求めることができるが、ＰＬＤ法の場合好ましい範囲は
酸素分圧は５Pa超、８Pa未満であり、スパッタ法ではアルゴン中の酸素濃度は２vol.%超
、２０vol.%未満である。

以下にさらに詳しく、実施例に基づいて本発明を説明する。まず、下記の条件で成膜実
験を行った。

ＰＬＤ装置としてはＵＬＶＡＣ社製レーザアブレーション成膜装置を用いた。ターゲッ
トには意図的にＮａ不純物を含まない純度９９．９９％以上のＩｎＧａＺｎＯ₄、又は意
図的にＮａ不純物を含有させた純度９９．９％以下のＩｎＧａＺｎＯ₄焼結体を用いて、
ＫｒＦエキシマレーザ(波長２４８nm)を照射してアブレーションを行った。基板とターゲ
ット間の距離は３５mm とした。ａ−ＩＧＺＯ薄膜の堆積条件として、基板温度は室温、
成膜室の酸素分圧は６．８Pa、パルスの繰り返し周波数は１０Hz、照射強度は約５Jcm^-2
である。また、堆積後に大気中（1atm）、４００℃、６０分間熱処理を行った。

［実験例１］
絶縁層を熱酸化により形成したＳｉＯ₂（厚さ150nm）/Ｓｉ基板上に意図的にＮａ不純
物を含まない純度９９．９９％以上のＩｎＧａＺｎＯ₄焼結体を用いて、ＰＬＤ法により
ａ−ＩＧＺＯ薄膜を作製した。その膜厚を３０ｎｍとし、それ以外は上記の条件で成膜を
行った。

実験例１で作製したａ−ＩＧＺＯ薄膜について、（１）二次イオン質量分析計（SIMS）
を用いて膜中のＮａ濃度の定量を行った。

図２に、ＳＩＭＳによる深さ方向組成分布の結果を示す。ＳＩＭＳの結果から、意図的
にＮａ不純物をドープしていない純度９９．９９％以上のＩｎＧａＺｎＯ₄焼結体を用い
て作製したａ−ＩＧＺＯ薄膜において、ａ−ＩＧＺＯ薄膜の全領域にわたってＮａ不純物
が存在していることが明らかになった。また、そのＮａ不純物濃度として約１０ppmであ
ることが分かった。Ｎａ含有量が少ない高純度のＩｎＧａＺｎＯ₄焼結体をターゲットに
用いても、ＳｉＯ₂絶縁膜を透過して基板のＳｉ中にＮａが拡散侵入していた。

［実験例２］
実験例１と同じくＳｉＯ₂/Ｓｉ基板上に意図的にＮａ不純物(約1000〜約10000ppm)を含
んだ純度９９，９％以下のＩｎＧａＺｎＯ₄焼結体を用いて、ＰＬＤ法によりａ−ＩＧＺ
Ｏ薄膜を作製した。その膜厚を３０ｎｍとし、それ以外は上記の条件で成膜を行った。

実験例２で作製したＮａ不純物を含んだａ−ＩＧＺＯ薄膜について、（１）誘導プラズ
マ質量分析法（ICP-MS）を用いて膜中のＮａ濃度の定量を行った。

図３に、Ｎａ不純物(約1000〜約10000ppm)を含んだ純度９９．９％以下のＩｎＧａＺｎ
Ｏ₄焼結体ターゲット中のＮａ濃度とそれを用いて作製したａ−ＩＧＺＯ膜中のＮａ濃度
について示す。その結果から、作製したａ−ＩＧＺＯ薄膜において、焼結体ターゲットと
ほぼ同様の含有量のＮａ不純物が存在していることが確認できた。

Ｎａ不純物を含んだａ−ＩＧＺＯ薄膜をチャネルとして、図６に示す構造のボトムゲー
ト型ＴＦＴを作製した。まず、ＴＦＴのチャネルとしてＳｉＯ₂（厚さ150nm）/Ｓｉ基板
上に実験例１と実験例２で示した方法と同様にＮａ不純物を含んだａ−ＩＧＺＯ層を形成
した。次に、フォトリソグラフィーと電子線蒸着法によりＴｉ(10nm)/Ａｕ（30nmt）から
なるソース電極及びドレイン電極を作製した。チャネル長(L)及びチャネル幅(W)はＬ／Ｗ
＝５０／３００μmとした。ａ−ＩＧＺＯ薄膜の膜厚は３５nmとした。

作製したＴＦＴに関して、大気中、暗所にてＴＦＴ特性を評価した。図１及び図４に示
すとおり、Ｎａ不純物を約１００ppm〜約１０００ppm含むａ−ＩＧＺＯ膜（番号２，３，
４）をチャネルにしたＴＦＴにおいても、約２０ppm以下のＮａ不純物を含むａ−ＩＧＺ
Ｏ膜（番号１）の場合と同様に、飽和移動度(μ_sat)が約１２cm²(Vs)^-1と大きく劣化しな
いことが分かった。また、Ｎａ不純物濃度約１００００ppmにおいて、サブスレショルド
値（S値）が約０．２V/decadeの良好な特性が得られたが、閾値電圧（Vth）は正方向にシ
フトした。

図５に示したＮａ不純物を約２０ppm以下(図５（a）)含んだａ−ＩＧＺＯ薄膜、及び約
１０００ppm（図５（ｂ）)含んだａ−ＩＧＺＯ薄膜をチャネル層とするＴＦＴにおける暗
下負バイアスストレス(V_GS=-20V)による伝達特性の変化より、Ｎａ不純物による負方向V_t
_hシフトの加速は見られないことが分かった。

現在、Ｓｉ結晶半導体、アモルファス水素化Ｓｉ半導体をチャネルとするＳｉ系ＴＦＴ
においてＮａ不純物混入を防ぐため、高コストな製造プロセスや無アルカリガラスが使用
されている。しかしながら、本発明のＴＦＴでは、そのような高コストの製造プロセスを
採用する必要がなく、安価なソーダライムの使用や製造プロセスの簡略化・低コスト化に
つながる。

Claims

基板上に設けたチャネル層と、前記チャネル層上又は下に設けられて前記チャネル層の
キャリア濃度を制御するゲート電極と、ゲート絶縁膜を有し、ガリウム及び亜鉛及びイン
ジウムを含み、電子濃度が５×１０¹⁸cm^-3以下のアモルファス酸化物半導体膜をｎチャネ
ル層とする薄膜トランジスタ構造において、
該チャネル層は、ゲート絶縁膜と直接接しており、熱処理後において濃度１００〜１００
０ppmのＮａを含有し、かつトランジスタの飽和移動度（μｓａｔ）が、１０ｃｍ^２（Ｖ
ｓ）^−１以上であることを特徴とする薄膜トランジスタ構造。
該基板は、ソーダライムガラスであり、該ゲート絶縁膜は、熱処理時におけるＮａイオ
ン透過性を有し、該チャネル層は、ナトリウム不純物が該チャネル層に侵入するのを阻止
する拡散阻止膜を設けていないゲート絶縁膜と直接接していることを特徴とする請求項１
記載の薄膜トランジスタ構造。
ゲート絶縁膜の材料が、アモルファスＡｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ_{4 、}ＳｉＯ_{2 、}ＳｉＯＮ_、Ｙ₂
Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＨｆＯ₂、ＺｒＯ₂、アモルファスのHf-Si-O、Zr-Si-O、Hf-Al-O、Zr-Al-
Oの少なくとも一種であることを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜トランジスタ構造
。
１００〜１０００ppmのＮａを含有する純度９９．９％以下のガリウム及び亜鉛及びイ
ンジウム焼結体をターゲットとしてＰＬＤ法又はスパッタ法で該アモルファス酸化物半導
体膜をゲート絶縁膜と直接接して成膜し、酸素を含む雰囲気中、２００〜５００℃で熱処
理することを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ構造の製造方法。
基板としてソーダライムガラスを用いて、基板上に直接ゲート絶縁膜を成膜し、ＰＬＤ
法又はスパッタ法で該アモルファス酸化物半導体膜を該ゲート絶縁膜と直接接して成膜し
、酸素を含む雰囲気中、２００〜５００℃で熱処理することを特徴とする請求項２に記載
の薄膜トランジスタ構造の製造方法。