JPWO2008139860A1 - 半導体薄膜、半導体薄膜の製造方法、および、半導体素子 - Google Patents

半導体薄膜、半導体薄膜の製造方法、および、半導体素子 Download PDF

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Abstract

酸素を含むガスを高周波で励起して発生した酸素プラズマに非晶質酸化物を含有する非晶質酸化物薄膜を暴露する。酸素プラズマの発生条件は、印加周波数が１ｋＨｚ以上３００ＭＨｚ以下、圧力が５Ｐａ以上であることが好ましい。また、スパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法、ゾルゲル法、微粒子の塗布法のいずれかにより非晶質酸化物薄膜を暴露することが好ましい。

Description

本発明は、半導体薄膜、半導体薄膜の製造方法、および半導体薄膜を備えた半導体素子に関する。詳しくは、非晶質酸化物を含む薄膜を酸素プラズマに暴露することにより得られる半導体薄膜、半導体薄膜の製造方法、および半導体薄膜を備えた半導体素子に関する。
従来、トランジスタなどを構成する半導体として、例えば、インジウム、ガリウム、スズなどの酸化物を含有する半導体薄膜が知られている。この半導体薄膜は、シリコンなどの半導体に比べて低温で成膜することができるので、熱に弱い樹脂材料を基板とした素子設計が可能であるといった利点がある（例えば、特許文献１から特許文献７参照）。
特許文献１ないし特許文献７では、例えば、インジウム、亜鉛およびガリウムを含有し、微結晶を含むと共に所定値未満の電子キャリヤ濃度を備えた非晶質酸化物を用いた半導体薄膜としての酸化物膜であって、所定濃度の酸素雰囲気下で成膜された酸化物膜が開示されている。
また、特許文献５には、非晶質酸化物薄膜を形成後、この非晶質酸化物薄膜に酸素含有プラズマを照射して得られる酸化物膜も開示されている。
特開２００６−１６５５２７号公報 特開２００６−１６５５２８号公報 特開２００６−１６５５２９号公報 特開２００６−１６５５３０号公報 特開２００６−１６５５３１号公報 特開２００６−１６５５３２号公報 特開２００６−１７３５８０号公報
しかし、特許文献１ないし特許文献７に記載のような酸素雰囲気下で成膜して得られる酸化物膜は、非晶質の酸化物によって形成されているため、熱安定性が低く、長時間の通電により半導体特性が変化するおそれがある。
加熱して酸素を熱固定することにより、上記の問題の発生を避けることができるが、この場合、加熱が必要となるので、非晶質の特性を活かして低温成膜した意義が失われる。
しかも、非晶質の構造中に熱固定された酸素は離脱しやすい。例えば、半導体薄膜を真空下で加熱すると、酸素が離脱して酸素欠損が生じる。これにより、キャリヤが増大して半導体特性が損なわれるおそれがある。
また、特許文献５では、酸素含有プラズマの発生条件などが開示されていない。このため、例えば、酸素含有プラズマの発生条件が適切でない場合、酸素含有プラズマの照射により、酸化物膜としての半導体薄膜の半導体特性が損なわれるおそれがある。
本発明の目的は、上述のような問題などに鑑み、加熱をすることなく製造され、熱および長時間通電に対する高い半導体特性を備えた非晶質の半導体薄膜および結晶性の半導体薄膜、半導体薄膜の製造方法、半導体薄膜を用いた半導体素子を提供することである。
本発明の半導体薄膜は、酸素を含むガスを高周波で励起して発生した酸素プラズマに非晶質酸化物を含有する非晶質酸化物薄膜を暴露してなることを特徴とする。
本発明によれば、高周波により酸素プラズマが効率的に発生する。また、酸素プラズマが酸素を含むガスを励起して発生するので、非晶質酸化物薄膜は効果的に酸化される。
そして、非晶質酸化物薄膜が、酸素プラズマ(低温プラズマ)により低温状態で酸化される。このような半導体薄膜は、表面および内部が酸化されやすいので、熱および長時間の通電に対して安定しやすくなる。したがって、半導体薄膜は、半導体特性が安定する。
そして、酸素プラズマによって固定された酸素は、成膜時に固定された酸素と比べて離脱し難いので、半導体薄膜は、酸素の離脱によってキャリヤが増大し、半導体特性が損なわれる可能性が低い。
さらに、プラズマを使用することにより、基板温度を２００℃以下の低温に保つことができるので、半導体薄膜は、フィルム等の耐熱性の低い基板上でも、成膜され得る。
本発明において、前記酸素プラズマは、印加周波数、すなわち印加する電圧の周波数が１ｋＨｚ以上３００ＭＨｚ以下であることが好ましい。
印加周波数は、好ましくは１００ｋＨｚ以上１００ＭＨｚ以下であり、より好ましくは１ＭＨｚ以上５０ＭＨｚ以下である。１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマが最も好適である。また、投入電力は、１００W以上、好ましくは３００W以上である。
ここで、印加周波数が１ｋＨｚ以上３００ＭＨｚ以下の範囲以外であると、酸素プラズマは安定しない場合がある。また、高周波の電界により、半導体を成膜する基板や、成膜された薄膜自体が加熱される場合があるので好ましくない。
したがって、印加周波数が１ｋＨｚ以上３００ＭＨｚ以下であるため、安定して酸素プラズマを発生させることができる。
本発明において、前記酸素プラズマは、圧力が５Ｐａ以上０．１ＭＰａ以下の条件で発生させることが好ましい。
圧力は、より好ましくは、５０Ｐａ以上０．０１ＭＰａ未満、さらに好ましくは、１００Ｐａ以上１０００Ｐａ未満である。
５Pa未満の圧力では、効果的に酸化することができない場合、後述する結晶化される場合には、その結晶化の進行が遅くなる場合がある。また、圧力が０．１ＭＰａを超えると、酸素プラズマの温度が上昇し基板を過熱してしまうおそれがある。
したがって、圧力が５Ｐａ以上０．１ＭＰａ以下の条件なので、安定して酸素プラズマを発生させることができる。
本発明において、前記非晶質酸化物薄膜は、スパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法、ゾルゲル法、微粒子の塗布法のいずれかにより形成されることが好ましい。
このような構成によれば、非晶質酸化物薄膜の形成にあたって、加熱処理が必要ないので、例えば、熱に弱い樹脂材料などを基板とすることも可能になる。 なお、真空装置を用いる場合は、スパッタリング法が有効である。また、安価に製造する方法としては、ゾルゲル法や微粒子の塗布法なども有効である。
さらに、大型基板への対応、表面平滑性や面内の均一性などを考慮する場合は、スパッタリング法が有効である。
本発明において、前記非晶質酸化物薄膜は、酸化インジウムを主成分とする薄膜であり、酸化インジウムを除く正三価の金属酸化物を含むことが好ましい。
主成分とは、全金属酸化物中の酸化インジウムの含有量が５０質量％を超えることを意味する。また、正三価の金属をＮとした場合、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｎ）が０．５以上０．９５以下、好ましくは、０．６以上０．９以下である。
ここで、０．５未満では、半導体薄膜は、移動度が低下する場合がある。一方、０．９５を超える場合は、半導体薄膜は、結晶化する場合がある。
したがって、このような構成によれば、半導体薄膜は、移動度が高い非晶質の状態になる。
前記酸化インジウムを主成分とし、前記酸化インジウムを除く前記正三価の金属酸化物を含む前記非晶質酸化物薄膜において、前記正三価の金属酸化物は、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物であることが好ましい。
このような構成によれば、非晶質酸化物薄膜が簡単に酸化されるので、半導体薄膜は非晶質の状態になる。そして、半導体薄膜は、酸素欠損を発生しにくくなるので、安定して作動するようになる。
本発明の半導体薄膜では、前記非晶質酸化物薄膜は、酸化インジウムおよび正二価の金属酸化物を主成分としてもよい。
主成分とは、全金属酸化物のうちの酸化インジウムおよび正二価の金属酸化物の含有量が５０質量％を超えることを意味する。酸化インジウムおよび正二価の金属酸化物の組成は、正二価の金属をＭとすると、原子比として、Ｉｎ／（Ｉｎ+Ｍ）が０．２以上０．９５以下、好ましくは０．５以上０．９以下である。
ここで、０．２未満及び０．９５を超える場合では、プラズマ処理により結晶化する場合がある。
したがって、このような構成によれば、非晶質酸化物薄膜が酸化されやすいので、半導体薄膜は、容易に安定した非晶質の状態になる。
前記酸化インジウムおよび前記正二価の金属酸化物を主成分とする前記非晶質酸化物薄膜において、前記正二価の金属酸化物は、酸化亜鉛、酸化マグネシウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物であることが好ましい。
このような構成によれば、非晶質酸化物薄膜は、キャリヤの移動度を低下させにくくなる。また、半導体薄膜は、酸素プラズマにより、効果的に非晶質の状態になる。
また、前記酸化インジウムおよび前記正二価の金属酸化物を主成分とする前記非晶質酸化物薄膜において、前記非晶質酸化物薄膜は、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物を含むことが好ましい。
このような構成によれば、非晶質酸化物薄膜がさらに酸素欠損を低減しやすくなるので、半導体薄膜は、容易に非晶質の状態になる。
さらに、本発明の半導体薄膜では、前記非晶質酸化物薄膜は、酸化亜鉛および酸化スズを主成分としてもよい。
主成分とは、全金属酸化物のうちの酸化亜鉛および酸化スズの含有量が５０質量％を超えることを意味する。
また、酸化亜鉛および酸化スズの組成は、原子比として、Ｚｎ／（Ｚｎ+Ｓｎ）が０．1以上０．９以下、好ましくは０．２以上０．８以下である。
一方、０．１未満及び０．９を超える場合では、半導体薄膜は、プラズマ処理により結晶化する場合がある。
したがって、このような構成によれば、非晶質酸化物薄膜は、容易に酸化されやすくなるので、半導体薄膜は、容易に安定した非晶質の状態になる。
また、前記酸化亜鉛および前記酸化スズを主成分とする前記非晶質酸化物薄膜において、前記非晶質酸化物薄膜は、正三価の金属酸化物を含むことが好ましい。
このような構成によれば、非晶質酸化物薄膜は、簡単に酸化されるので、半導体薄膜は、非晶質の状態になりやすい。そして、半導体薄膜は、酸素欠損が発生しにくくなり、安定して作動するようになる。
また、前記酸化亜鉛および前記酸化スズを主成分とし、前記正三価の金属酸化物を含む前記非晶質酸化物薄膜において、前記正三価の金属酸化物は、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物であることが好ましい。
このような構成によれば、非晶質酸化物薄膜が、簡単に酸化されるので、半導体薄膜は、非晶質の状態になりやすい。また、半導体薄膜は、酸素欠損を発生しにくくなるので、安定して作動するようになる。
さらに、本発明の半導体薄膜では、前記非晶質酸化物薄膜は、酸化インジウムおよび酸化スズを主成分としてもよい。
主成分とは、全金属酸化物のうちの酸化インジウムおよび酸化スズの含有量が５０質量％を超えることを意味する。
また、酸化インジウムおよび酸化スズの組成は、原子比として、Ｉｎ／（Ｉｎ+Ｓｎ）が０．２以上０．８以下、好ましくは０．５以上０．７以下である。
一方、０．２未満及び０．８を超える場合では、半導体薄膜は結晶化する場合がある。
このような構成によれば、非晶質酸化物薄膜は容易に酸化されるので、半導体薄膜は、移動度が高くなるとともに、非晶質の状態になる。
また、前記酸化インジウムおよび前記酸化スズを主成分とする前記非晶質酸化物薄膜は、さらに酸化インジウムを除く正三価の金属酸化物を含むことが好ましい。
このような構成によれば、非晶質酸化物薄膜は安定した非晶質構造を保つようになる。このため、非晶質酸化物薄膜が簡単に酸化されるので、半導体薄膜は、非晶質の状態になりやすい。そして、半導体薄膜は、酸素欠損が発生しにくくなるので、半導体特性が安定するようになる。
前記酸化インジウムおよび前記酸化スズを主成分とし、前記酸化インジウムを除く前記正三価の金属酸化物を含む前記非晶質酸化物薄膜において、前記正三価の金属酸化物は、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物であることが好ましい。
このような構成によれば、非晶質酸化物薄膜は、簡単に酸化されるので、半導体薄膜は、非晶質の状態になりやすくなる。また、酸化物半導体は、酸素欠損を発生しにくく、かつ安定して作動するようになる。
そして、本発明の半導体薄膜では、前記非晶質酸化物薄膜は、前記酸化インジウムおよび前記酸化スズを主成分として、正二価の金属酸化物を含んでもよい。
このような構成によれば、非晶質酸化物薄膜は、安定した非晶質構造を保つようになる。このため、非晶質酸化物薄膜が簡単に酸化されるので、半導体薄膜は、非晶質の状態になりやすくなる。そして、半導体薄膜は、酸素欠損が発生しにくくなるので、半導体特性が安定するようになる
また、前記酸化インジウムおよび前記酸化スズを主成分とし、前記正二価の金属酸化物を含む前記非晶質酸化物薄膜において、前記正二価の金属酸化物は、酸化亜鉛、酸化マグネシウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物であることが好ましい。
このような構成によれば、非晶質酸化物薄膜は、キャリヤの移動度が低下しにくくなる。そして、半導体薄膜は、効果的に非晶質の状態になる。
本発明において、前記非晶質酸化物薄膜は酸化インジウムを主成分とする薄膜であり、前記酸素プラズマへの暴露により結晶化していることが好ましい。
本発明によれば、酸化インジウムを主成分とする非晶質酸化物薄膜を、酸素プラズマに暴露して、結晶性の酸化インジウム半導体薄膜を得ることができる。
すなわち、本発明によれば、酸化インジウムに加熱処理を施すことなく結晶化させることができ、熱および長時間通電に対する高い安定性を備えた半導体薄膜を得ることができる。
また、酸素プラズマによって半導体薄膜に酸素が固定されるので、酸化インジウムの結晶化に際して酸素欠損が低減される。これにより、半導体特性の優れた半導体薄膜を得ることができる。
さらに、酸素プラズマによって結晶化され固定された酸素は、熱固定された酸素と比べて離脱し難いので、酸素の離脱によってキャリヤが増大し、半導体特性が損なわれる可能性が低い。
このような本発明の半導体薄膜は、熱処理を施すことなく製造されるので、熱に弱い樹脂基板上に成膜することが可能であるとともに、半導体としての特性にも優れる。
例えば、本発明の半導体薄膜は、成膜にあたって熱処理が不要であること、また、成膜後に熱処理が不要なこと、および、酸化インジウム薄膜が透明性であることを利用し、可撓性の樹脂材料を基板とする薄型表示装置の駆動素子などに適用することができる。
なお、非晶質酸化物薄膜に含まれる非晶質の酸化インジウムは、微結晶を含んでいる非晶質でも良いし、完全に非晶質でもよい。ここで、微結晶を含む非晶質および非晶質とは、Ｘ線回折により、ピークが全く観察されないか、観察されても、結晶化した薄膜のＸ線回折により小さなピークしか観察されない場合をいう。
また、「主成分とする」とは、非晶質酸化物薄膜中に酸化インジウムが５０質量％以上含まれることを意味する。なお、酸化インジウムの含有量は、７０質量％以上であることが好ましく、８０質量％以上であることがより好ましい。
本発明において、前記非晶質酸化物薄膜は、正二価の金属酸化物を含むことが好ましい。
このような構成によれば、得られる半導体薄膜中において、正二価の金属酸化物が、キャリヤの発生を効果的に抑制する。したがって、本発明によれば、長期にわたって安定に動作する半導体薄膜を得ることができる。
本発明において、前記正二価の金属酸化物は、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、酸化銅および酸化コバルトより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物であることが好ましい。
このような構成によれば、キャリヤの発生がより効果的に抑制され、長期にわたって安定に動作する半導体薄膜を得ることができる。
なお、酸化鉄や酸化マンガンなどでは、添加する効果がない。
本発明において、前記非晶質酸化物薄膜は、正三価の金属酸化物を含むことが好ましい。
このような構成によれば、正三価の金属酸化物が、酸化インジウムの結晶化の際に酸素欠陥を低減させる。したがって、本発明によれば、安定に動作する半導体薄膜を得ることができる。
本発明において、前記正三価の金属酸化物は、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウムおよび酸化ルテチウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物であることが好ましい。
このような構成によれば、酸素欠損がより効果的に低減され、安定に動作する半導体薄膜を得ることができる。
なお、酸化タリウムなどは、酸素欠損を生じやすくなると考えられ添加効果はない。
本発明の半導体薄膜の製造方法は、基板上に非晶質酸化物を含有して薄膜形成され、酸素を含むガスを高周波で励起して発生した酸素プラズマに暴露することを特徴とする。
本発明によれば、非晶質酸化物薄膜が酸素プラズマにより酸化されるので、低温状態で酸素欠損が減少した半導体薄膜を得ることができる。このような半導体薄膜は、表面および内部が酸化されやすいので、半導体薄膜の内部の酸素欠損が効率的に減少する。したがって、半導体特性が安定した半導体薄膜が得られる。
また、酸素プラズマにより酸素欠損を減少させることができるので、キャリヤ密度が低減した半導体薄膜を効率的に製造することができる。そして、酸素プラズマを使用することにより、基板温度を２００℃以下の低温に保つことができるので、フィルム等の耐熱性の低い基板上でも、半導体薄膜を得ることができる。
また、酸素プラズマによって固定された酸素は、成膜時に固定された酸素と比べて離脱し難いので、酸素の離脱によってキャリヤが増大し、半導体特性が損なわれる可能性が低い。
本発明の半導体素子は、上述の半導体薄膜を備えることを特徴とする。
このため、半導体薄膜が安定した半導体特性を有しているので、半導体素子は、安定して作動するようになる。
また、半導体素子は、半導体薄膜を備えているので、例えば、トランジスタなどとして利用できる。
本発明の第１実施形態の実施例１−２における薄膜の１８Ｏ/１６Ｏの比と、比較例１−２における薄膜の１８Ｏ/１６Ｏの比との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態の実施例２−１および比較例２−１における酸化インジウム薄膜の比抵抗と成膜中の酸素濃度との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態の実施例２−１および比較例２−１の酸化インジウム薄膜のＸ線回折パターンを示す図である。 本発明の第２実施形態の実施例２−１および比較例２−１における酸化インジウム薄膜のキャリヤ密度を示す図である。 本発明の第２実施形態の実施例１における酸化インジウム薄膜の移動度を示す図である。 本発明の第２実施形態の実施例２−２および比較例２−２における酸化インジウム薄膜の比抵抗と酸化亜鉛濃度との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態の実施例２−２および比較例２−２における酸化インジウム薄膜のＸ線回折パターンを示す図である。 本発明の第２実施形態の実施例２−２および比較例２−２における酸化インジウム薄膜のキャリヤ密度を示す図である。 本発明の第２実施形態の実施例２−２における酸化インジウム薄膜の移動度を示す図である。 本発明の第２実施形態の実施例２−３および比較例２−３における酸化インジウム薄膜の比抵抗と成膜中の酸素濃度との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態の実施例２−３および比較例２−３における酸化インジウム薄膜のＸ線回折パターンを示す図である。 本発明の第２実施形態の実施例２−３および比較例２−３における酸化インジウム薄膜のキャリヤ密度を示す図である。 本発明の第２実施形態の実施例２−３における酸化インジウム薄膜の移動度を示す図である。 本発明の第２実施形態の実施例２−５における酸化インジウム薄膜の比抵抗とプラズマ処理におけるアンプパワーとの関係を示す図である。 本発明の第２実施形態の実施例２−５における酸化インジウム薄膜の酸化インジウム薄膜の比抵抗とプラズマ暴露時間との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態の実施例２−６における酸化インジウム薄膜の酸化インジウム薄膜の比抵抗と酸化亜鉛濃度との関係を示す図である。
＜第１実施形態＞
本実施形態では、酸素を含むガスを高周波で励起して発生した酸素プラズマに、非晶質酸化物を含有する非晶質酸化物薄膜を暴露し、非晶質の半導体薄膜を形成する。
以下、本発明の第１実施形態について詳述する。
［非晶質酸化物薄膜について］
本実施形態の非晶質酸化物薄膜は、酸化インジウムを主成分とし、正三価の金属酸化物を含む。主成分とは、具体的には、酸化インジウムの含有量が５０質量％を超えることを意味する。
また、正三価の金属をＮとした場合、原子比として、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｎ）が０．５以上０．９５以下、好ましくは、０．６以上０．９以下である。
一方、０．５未満では、移動度が低下する場合がある。また、０．９５を超える場合では、非晶質酸化物薄膜は、結晶化した半導体薄膜を与える場合がある。
正三価の金属酸化物としては、例えば、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウムなどが挙げられる。
非晶質酸化物薄膜には、これらの正三価の金属酸化物のうちの１種が単独で含有されていてもよく、２種以上が含有されていてもよい。
また、本実施形態の非晶質酸化物薄膜は、酸化インジウムおよび正二価の金属化合物を主成分としてもよい。
主成分とは、具体的には、酸化インジウムおよび正二価の金属化合物の含有量が５０質量％を超えることを意味する。
酸化インジウムおよび正二価の金属酸化物の組成は、正二価の金属をＭとすると、原子比として、Ｉｎ／（Ｉｎ+Ｍ）が０．２以上０．９５以下、好ましくは０．５以上０．９以下である。
一方、０．２未満及び０．９５を超える場合では、プラズマ処理により結晶化する場合がある。
また、正二価の金属酸化物としては、酸化亜鉛、および酸化マグネシウムなどが好ましい。非晶質酸化物薄膜には、酸化亜鉛、および酸化マグネシウムのうちの１種が単独で含有されていてもよく、２種以上が含有されていてもよい。
また、酸化インジウムおよび正二価の金属化合物を主成分とする非晶質酸化物薄膜は、さらに酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物を含んでもよい。
また、本実施形態の非晶質酸化物薄膜は、酸化亜鉛および酸化スズを主成分としてもよい。
主成分とは、具体的には、酸化亜鉛および酸化スズの含有量が５０質量％を超えることを意味する。
また、酸化亜鉛および酸化スズの組成は、原子比として、Ｚｎ／（Ｚｎ+Ｓｎ）が０．１以上０．９以下、好ましくは０．２以上０．８以下である。
一方、０．１未満及び０．９を超える場合では、非晶質酸化物薄膜は、結晶化した半導体薄膜を与える場合がある。
ここで、酸化亜鉛および酸化スズを主成分とする非晶質酸化物薄膜は、さらに正三価の金属酸化物を含んでいても良い。
正三価の金属酸化物としては、例えば、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウムなどが挙げられる。
非晶質酸化物薄膜には、これらの正三価の金属酸化物のうちの１種が単独で含有されていてもよく、２種以上が含有されていてもよい。
また、本実施形態の非晶質酸化物薄膜は、酸化インジウムおよび酸化スズを主成分としてもよい。
主成分とは、具体的には、酸化インジウムおよび酸化スズの含有量が５０質量％を超えることを意味する。
酸化インジウムおよび酸化スズの組成は、原子比として、Ｉｎ／（Ｉｎ+Ｓｎ）が０．２以上０．８以下、好ましくは０．５以上０．７以下である。
一方、０．２未満及び０．８を超えると、非晶質酸化物薄膜は、結晶化した半導体薄膜を与える場合がある。
ここで、酸化インジウムおよび酸化スズを主成分とする非晶質酸化物薄膜は、さらに正三価の金属酸化物を含んでいてもよい。正三価の金属酸化物としては、例えば、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウムなどが挙げられる。
非晶質酸化物薄膜には、これらの正三価の金属酸化物のうちの１種が単独で含有されていてもよく、２種以上が含有されていてもよい。
また、本実施形態の非晶質酸化物薄膜は、酸化インジウムおよび酸化スズを主成分として、正二価の金属酸化物を含んでいてもよい。
ここで、正二価の金属酸化物としては、酸化亜鉛、および酸化マグネシウムなどが好ましい。非晶質酸化物薄膜には、酸化亜鉛、および酸化マグネシウムのうちの１種が単独で含有されていてもよく、２種以上が含有されていてもよい。
本実施形態の非晶質酸化物薄膜は、例えば、スパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法、ゾルゲル法および微粒子の塗布法のいずれかにより、基板上に成膜される。真空装置を用いる場合は、スパッタリング法が有効である。また、安価に製造する方法としては、ゾルゲル法や微粒子の塗布法なども有効である。
ここで、基板としては、例えば、無アルカリガラス、アルカリガラス、青板ガラス等のガラス基板、ポリカーボネートフィルム、ポリアリレートフィルム、ポリエーテルスルホンフィルム、ポリメチルメタクリレートフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリエチレンナフタレートフィルム、ポリアセチルセルロースフィルム、ポリスチレンフィルム等のプラスチックフィルムなどがあげられる。
また、加熱処理を要することなく半導体薄膜を成膜できるので、熱に弱い樹脂材料などを基板としてもよい。
［酸素プラズマによる処理］
本実施形態の非晶質半導体の製造に用いられる酸素プラズマは、酸素を含むガスを励起することにより発生する高周波プラズマである。
酸素プラズマの発生条件は、印加周波数が１ｋＨｚ以上３００ＭＨｚ以下、圧力が５Ｐａ以上０．１ＭＰａ以下である。
印加周波数が１ｋＨｚ未満では、酸素プラズマが安定しない場合があるので好ましくない。印加周波数が３００ＭＨｚを超えると、酸素プラズマが発生しなかったり、不安定になったりする場合があり、また、高周波の電界の印加により、半導体を成膜する基板や、成膜された薄膜自体が加熱される場合があるので好ましくない。
なお、印加周波数は、好ましくは１００ｋＨｚ以上１００ＭＨｚ以下であり、より好ましくは１ＭＨｚ以上５０ＭＨｚ以下である。１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマが最も好適である。
また、圧力が５Ｐａ未満の圧力では、効果的に酸化することができない場合がある。
投入電力は、１００Ｗ以上、好ましくは３００Ｗ以上である。
［第１実施形態の効果］
本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態によれば、酸素を含むガスを高周波で励起して発生した酸素プラズマに、前述した原子比で非晶質酸化物を含有する非晶質酸化物薄膜を暴露させることにより、非晶質の半導体薄膜を得ることができる。
このため、非晶質酸化物薄膜が、酸素プラズマにより低温状態で酸化されるので、半導体薄膜は、非晶質の構造を有しやすい。この非晶質の半導体薄膜は、表面および内部が酸化されやすいので、半導体特性が安定するようになる。
そして、酸素プラズマによって固定された酸素は、成膜時に固定された酸素と比べて離脱し難いので、半導体薄膜は、酸素の離脱によってキャリヤが増大し、半導体特性が損なわれる可能性が低い。
また、プラズマを使用することにより、基板温度を２００℃以下の低温に保つことができるので、半導体薄膜は、フィルム等の耐熱性の低い基板上でも、成膜され得る。
（２）本実施形態によれば、酸素プラズマは高周波プラズマなので、効果的に発生させることができる。
また、酸素プラズマの発生条件を、印加周波数が１ｋＨｚ以上３００ＭＨｚ以下、圧力が５Ｐａ以上０．１ＭＰａ以下としているため、安定した酸素プラズマを発生させることができ、非晶質酸化物薄膜を加熱することなく、安定的に動作する半導体薄膜を得ることができる。
（３）本実施形態によれば、酸素を含むガスを励起することにより酸素プラズマを発生させるので、酸素プラズマが非晶質酸化物薄膜の内部に取り込まれる。これにより、前述した本実施形態の各原子比で非晶質酸化物を含有する非晶質酸化物薄膜は、効果的に酸化され、非晶質の状態になりやすい半導体薄膜を得ることができる。
（４）本実施形態によれば、非晶質酸化物薄膜は、スパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法、ゾルゲル法および微粒子の塗布法のいずれかにより形成されるので、非晶質酸化物薄膜の形成にあたって、加熱処理が必要ない。これにより、例えば、熱に弱い樹脂材料などを基板とすることも可能になる。
（５）本実施形態によれば、非晶質酸化物薄膜は、酸化インジウムを主成分とし、正三価の金属酸化物を含有している。また、酸化インジウムをＩｎ、正三価の金属をＮとした場合、原子比として、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｎ）が０．５以上０．９５以下となるため、移動度が高く、非晶質の状態の半導体薄膜を得ることができる。
また、全金属酸化物中の酸化インジウムの含有量が５０質量％を超えるので、原子比として、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｎ）が０．９５以下となるため、非晶質の半導体薄膜は、移動度が低下するおそれが小さい。また、半導体薄膜は、結晶化する場合も少ない。
また、酸化インジウムを主成分とする非晶質酸化物薄膜は、例えば、酸化ホウ素などの正三価の金属酸化物を含むことにより、酸化されやすくなる。このため、半導体薄膜は非晶質の状態になりやすくなる。また、半導体薄膜は、酸素欠損が発生しにくくなるので、安定して作動するようになる。
（６）本実施形態によれば、非晶質酸化物薄膜は酸化インジウムおよび正二価の金属酸化物を主成分とすることにより、容易に酸化される。また、正二価の金属をＭとした場合、原子比として、Ｉｎ／（Ｉｎ+Ｍ）が０．２以上０．９５以下となるため、半導体薄膜は、非晶質の状態になる。
また、酸化インジウムおよび正二価の金属酸化物を主成分とする非晶質酸化物薄膜において、非晶質酸化物薄膜は、正二価の金属酸化物が酸化亜鉛、酸化マグネシウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物であることにより、キャリヤの移動度が低下しにくくなる。このため、半導体薄膜は、効果的に非晶質の状態になる。
また、酸化インジウムおよび正二価の金属酸化物を主成分とする非晶質酸化物薄膜において、非晶質酸化物薄膜が、例えば、酸化ホウ素などの金属酸化物を含むことにより、さらに酸素欠損が低減する。したがって、半導体薄膜は、非晶質の状態になる。
（７）本実施形態によれば、非晶質酸化物薄膜が酸化亜鉛および酸化スズを主成分とすることにより、容易に酸化される。また、酸化亜鉛をＺｎ、酸化スズをＳｎとした場合、原子比として、Ｚｎ／（Ｚｎ+Ｓｎ）が０．１以上０．９以下となるため、半導体薄膜は非晶質の状態になる。
また、酸化亜鉛および酸化スズの組成は、原子比として、Ｚｎ／（Ｚｎ+Ｓｎ）が０．1以上０．９以下としたので、結晶化する場合も少ない。
また、酸化亜鉛および酸化スズを主成分とする非晶質酸化物薄膜がさらに正三価の金属酸化物を含むことにより、非晶質酸化物薄膜は、簡単に酸化される。このため、半導体薄膜は非晶質の状態になりやすい。また、半導体薄膜は、酸素欠損が発生しにくくなるので安定して作動するようになる。
また、酸化亜鉛および酸化スズを主成分とする非晶質酸化物薄膜が、例えば、酸化ホウ素などの正三価の金属酸化物を含むことにより、簡単に酸化される。このため、半導体薄膜は非晶質の状態になりやすい。また、半導体薄膜は、酸素欠損が発生しにくくなるので安定して作動するようになる。
（８）本実施形態によれば、非晶質酸化物薄膜が酸化インジウムおよび酸化スズを主成分とすることにより、容易に酸化されやすくなる。また、酸化インジウムをＩｎ、酸化スズをＳｎとした場合、原子比として、Ｉｎ／（Ｉｎ+Ｓｎ）が０．２以上０．８以下となるため、半導体薄膜は、移動度が高く、かつ非晶質の状態になる。
また、酸化インジウムおよび酸化スズを主成分とする非晶質酸化物薄膜がさらに酸化インジウムを除く正三価の金属酸化物を含むことにより、半導体薄膜は非晶質の状態になりやすい。また、半導体薄膜は、酸素欠損が発生しにくくなるので、安定して作動するようになる。
また、酸化インジウムおよび酸化スズを主成分とし、酸化インジウムを除く正三価の金属酸化物を含む非晶質酸化物薄膜において、正三価の金属酸化物は、例えば、酸化ホウ素などである。このため、半導体薄膜は非晶質の状態になりやすい。また、半導体薄膜は、酸素欠損が発生しにくく、かつ安定して作動するようになる。
また、酸化インジウムおよび酸化スズを主成分とする非晶質酸化物薄膜は、さらに正二価の金属酸化物を含んでいる。このため、非晶質酸化物薄膜は、安定した非晶質構造を保つようになる。そして、非晶質酸化物薄膜が簡単に酸化されるので、半導体薄膜は非晶質の状態になりやすい。また、半導体薄膜は、酸素欠損を発生しにくく、かつ安定して作動するようになる。
また、酸化インジウムおよび酸化スズを主成分とし、正二価の金属酸化物を含む非晶質酸化物薄膜において、正二価の金属酸化物は、酸化亜鉛、酸化マグネシウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物である。このため、非晶質酸化物薄膜は、キャリヤの移動度が低下しにくくなる。また、非晶質酸化物薄膜が効果的に酸化されるので半導体薄膜は非晶質の状態になる。
＜第２実施形態＞
前述した第１実施形態では、酸素を含むガスを高周波で励起して発生した酸素プラズマに、非晶質酸化物を含有する非晶質酸化物薄膜を暴露し、非晶質の半導体薄膜を形成したが、本第２実施形態では、酸素を含むガスを高周波で励起して発生した酸素プラズマに、非晶質酸化物薄膜を含有する非晶質酸化物薄膜を暴露し、結晶性の半導体薄膜を形成する。
以下、本発明の第２実施形態について詳述する。
なお、本実施形態では、前述した第１実施形態と同様の内容については、その説明を省略または簡略化する。
［非晶質酸化物薄膜について］
本実施形態の非晶質酸化物薄膜は、非晶質の酸化インジウムを主成分として含む。具体的には、非晶質酸化物薄膜は、５０質量％以上の酸化インジウムを含む。なお、酸化インジウムの含有量は、７０質量％以上であることが好ましく、８０質量％以上であることがより好ましい。
非晶質酸化物薄膜に含まれる非晶質の酸化インジウムは、微結晶を含んでいる非晶質でも良いし、完全に非晶質でもよい。
本実施形態の非晶質酸化物薄膜は、正二価の金属酸化物を含む。
正二価の金属酸化物としては、例えば、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、酸化銅および酸化コバルトなどが挙げられる。
非晶質酸化物薄膜には、これらの正二価の金属酸化物のうちの１種が単独で含有されていてもよく、２種以上が含有されていてもよい。
なお、正二価の金属酸化物の添加量は、酸素プラズマによる酸化インジウムの結晶化を阻害しない程度であれば、特に制限はないが、例えば、全金属酸化物中において１０質量％未満であることが好ましい。
ここで、添加量が１０質量％以上であると、酸化インジウムが結晶化しなくなったり、結晶化に時間が掛かりすぎたりする場合があるので好ましくない。
また、本実施形態の非晶質酸化物薄膜は、正三価の金属酸化物を含む。
正三価の金属酸化物としては、例えば、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウムおよび酸化ルテチウムなどが挙げられる。
非晶質酸化物薄膜には、これらの正三価の金属酸化物のうちの１種が単独で含有されていてもよく、２種以上が含有されていてもよい。
なお、正三価の金属酸化物の添加量は、酸素プラズマによる酸化インジウムの結晶化を阻害しない程度であれば、特に制限はないが、例えば、全金属酸化物中において１０質量％未満であることが好ましい。
ここで、添加量が１０質量％以上であると、酸化インジウムが結晶化しなくなったり、結晶化に時間が掛かりすぎたりする場合があるので好ましくない。
本実施形態の非晶質酸化物薄膜は、前述した第１実施形態と同様の方法で基板上に成膜される。
なお、本実施形態の非晶質酸化物薄膜は、大型基板への対応、表面平滑性や面内の均一性などの理由から、スパッタリング法により形成されることが好ましい。
［酸素プラズマによる処理］
本実施形態の結晶性半導体の製造においては、非晶質酸化物薄膜は、前述した第１実施形態と同様の酸素プラズマにて処理される。
なお、本実施形態の酸素プラズマ処理における圧力は、好ましくは、５Ｐａ以上０．１ＭＰａ以下であり、より好ましくは、５０Ｐａ以上０．０１ＭＰａ未満、さらに好ましくは、１００Ｐａ以上１０００Ｐａ未満である。圧力が５Ｐａ未満では、結晶化の進行が遅くなり、圧力が０．１ＭＰａを超えると、プラズマが高温となって非晶質酸化物薄膜が加熱されるので好ましくない。
［第２実施形態の効果］
本実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果、（３）および（４）に加え、以下のような効果を得ることができる。
（９）本実施形態によれば、前述した非晶質の酸化インジウムを主成分とする非晶質酸化物薄膜を、高周波電界中において酸素プラズマに暴露することで、結晶性の酸化インジウム半導体薄膜を得ることができる。
すなわち、酸化インジウムに加熱処理を施すことなく結晶化させることができ、熱および長時間通電に対する高い安定性を備えた結晶性の半導体薄膜を得ることができる。
また、酸素プラズマによって結晶性の半導体薄膜に酸素が固定されるので、酸化インジウムの結晶化に際して酸素欠損が低減される。これにより、半導体特性の優れた結晶性の半導体薄膜を得ることができる。
さらに、酸素プラズマによって固定された酸素は、熱固定された酸素と比べて離脱し難いので、酸素の離脱によってキャリヤが増大し、半導体特性が損なわれる可能性が低い。
（１０）本実施形態によれば、酸素を含むガスを励起することにより酸素プラズマを発生させるので、非晶質酸化物薄膜に含まれる酸化インジウムが酸素プラズマにより結晶化されると共に、励起された酸素原子が非晶質酸化物薄膜中に取り込まれる。これにより、酸化インジウムが結晶化する際に酸素欠損を低減させることができる。したがって、安定的に動作する結晶性の半導体薄膜を得ることができる。
また、酸素プラズマによって固定された酸素は、熱固定された酸素と比べて離脱し難いので、酸素の離脱によってキャリヤが増大し、半導体特性が損なわれる可能性が低い。
（１１）本実施形態によれば、非晶質酸化物薄膜に含まれる正二価の金属酸化物が、キャリヤの発生を効果的に抑制するので、半導体薄膜が、長期にわたって安定に動作する。
また、正二価の金属酸化物の添加量を全金属酸化物中において１０質量％未満としたので、酸素プラズマによる酸化インジウムの結晶化を阻害するおそれが小さい。
（１２）本実施形態によれば、非晶質酸化物薄膜に含まれる正三価の金属酸化物が、酸化インジウムの結晶化の際に酸素欠陥を低減させるので、安定に動作する半導体薄膜を得ることができる。
また、正三価の金属酸化物の添加量を全金属酸化物中において１０質量％未満としたので、酸素プラズマによる酸化インジウムの結晶化を阻害するおそれが小さい。
以下、前述した各実施形態を実施例および比較例を挙げてさらに詳しく説明する。なお、本発明はこれらの実施例の記載内容に何ら制限されるものではない。
＜第１実施形態の実施例＞
［比較例１−１］
ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）マグネトロンスパッタ装置（株式会社島津製作所製 商品名；ＨＭＳ-５５２）を用い、アルゴンガス雰囲気中、室温において、ガラス上に厚さ１００ｎｍの酸化インジウム−酸化ガリウム−酸化亜鉛（ＩＧＺＯ）薄膜をスパッタ成膜した。
ターゲット（出光興産株式会社製）は、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１ モル比）からなるものを用いた
［実施例１−１］
比較例１−１で得られたＩＧＺＯ薄膜を、周波数１３．５６ＭＨｚ、アンプパワー５００Ｗ、酸素圧力３３０Ｐａの条件で発生させた酸素プラズマに１０分間暴露した。このプラズマ処理の際の基板温度は、１２０℃未満であった。
［実施例１−１および比較例１−１のＩＧＺＯ薄膜の評価］
比較例１−１で得られた非晶質酸化物薄膜としてのＩＧＺＯ薄膜、および実施例１−１で得られた酸素プラズマに暴露したＩＧＺＯ薄膜についてＸ線回折を行った。比較例１−１で得られた薄膜は、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。また、実施例１−１で得られた酸素プラズマを暴露したＩＧＺＯ薄膜も、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。
表１に、実施例１−１のＩＧＺＯ薄膜および比較例１−１のＩＧＺＯ薄膜の比抵抗を示した。
実施例１−１のＩＧＺＯ薄膜は、４．４４Ｅ＋３Ωｃｍであり、比較例１−１のＩＧＺＯ薄膜は、２．９５Ｅ−２Ωｃｍであった。したがって、酸素プラズマ処理を行うことにより、実施例１−１のＩＧＺＯ薄膜は、比較例１−１のＩＧＺＯ薄膜よりも比抵抗が大きくなるので、半導体薄膜であることがわかった。
Figure 2008139860
また、表１に、ホール測定によって求めた実施例１−１のＩＧＺＯ薄膜および比較例１−１のＩＧＺＯ薄膜についてのキャリヤ密度および移動度を示した。
実施例１−１のＩＧＺＯ薄膜は、キャリヤ密度が１．１８Ｅ＋１４／ｃｍ３、移動度が１１．９ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。一方、比較例１−１のＩＧＺＯ薄膜は、キャリヤ密度が１．１６Ｅ＋１９／ｃｍ３、移動度が１８．２ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。
したがって、比較例１−１のＩＧＺＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−１のＩＧＺＯ薄膜よりもキャリヤ密度が低下した実施例１−１のＩＧＺＯ薄膜が得られることがわかった。
また、比較例１−１のＩＧＺＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−１のＩＧＺＯ薄膜よりも移動度が低下した実施例１−１のＩＧＺＯ薄膜が得られることが分かった。
［比較例１−２］
比較例１−１のＩＧＺＯ薄膜を、通常の酸素雰囲気中でプラズマ処理した。
［実施例１−２］
比較例１−１のＩＧＺＯ薄膜を、同位体元素である１８Ｏ２の雰囲気中でプラズマ処理した。
［実施例１−２および比較例１−２のＩＧＺＯ薄膜の評価］
実施例１−２で得られた薄膜について、ＳＩＭＳ分析を行い、薄膜の１８Ｏ／１６Ｏの比を求めた。また、比較例１−２で得られた薄膜について、ＳＩＭＳ分析を行い、薄膜の１８Ｏ２の比を求めた。図１に、これらの測定結果の関係を示す。通常の酸素を用いてプラズマ処理した比較例１−２の場合の１８Ｏ／１６Ｏの比を１．０Ｅ＋０とし、１８Ｏ２酸素を用いてプラズマ処理した実施例１−２の場合の１８Ｏの増加量を示している。図１より、１８Ｏ２酸素を用いてプラズマ処理した半導体薄膜は、表面から１５ｎｍの範囲で１８Ｏが観察されている。よって、プラズマ処理により酸素が薄膜中に取り込まれていることがわかる。このように、非晶質酸化物薄膜が酸素プラズマに暴露されることにより、酸素が薄膜内部に取り込まれる。
表１および図１の関係から、酸素プラズマに暴露されたＩＧＺＯ薄膜は、薄膜の内部に酸素が取り込まれるので、酸素プラズマに暴露されていないＩＧＺＯ薄膜よりもキャリヤ濃度が低下するとともに、比抵抗が増加することがわかった。
［実施例１−３および比較例１−３］
酸化インジウム、酸化亜鉛（Ｉｎ：Ｚｎ＝８：２ モル比）からなるターゲットを用いた以外は、実施例１−１および比較例１−１と同様にして酸化インジウム−酸化亜鉛（ＩＺＯ）薄膜を形成した。
［実施例１−３および比較例１−３のＩＺＯ薄膜の評価］
比較例１−３で得られた非晶質酸化物薄膜としてのＩＺＯ薄膜、および実施例１−３で得られた酸素プラズマに暴露したＩＺＯ薄膜についてＸ線回折を行った。比較例１−３で得られた薄膜は、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。また、実施例１−３で得られた酸素プラズマを暴露したＩＺＯ薄膜も、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。
表２に、実施例１−３のＩＺＯ薄膜および比較例１−３のＩＺＯ薄膜の比抵抗を示した。
実施例１−３のＩＺＯ薄膜は、２．８６Ｅ＋２Ωｃｍであり、比較例１−３のＩＺＯ薄膜は、２．５６Ｅ−４Ωｃｍであった。したがって、酸素プラズマ処理を行うことにより、実施例１−３のＩＧＺＯ薄膜は、比較例１−３のＩＺＯ薄膜よりも比抵抗が大きくなるので、半導体薄膜であることがわかった。
Figure 2008139860
また、表２に、ホール測定によって求めた実施例１−３のＩＺＯ薄膜および比較例１−３のＩＺＯ薄膜についてのキャリヤ密度および移動度を示した。
実施例１−３のＩＺＯ薄膜は、キャリヤ密度が１．９５Ｅ＋１５／ｃｍ３、移動度が１１．３ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。一方、比較例１−３のＩＧＺＯ薄膜は、キャリヤ密度が７．１２Ｅ＋２０／ｃｍ３、移動度が３４．２ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。
したがって、比較例１−３のＩＺＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−３のＩＺＯ薄膜よりもキャリヤ密度が低下した実施例１−３のＩＺＯ薄膜が得られることがわかった。
また、比較例１−３のＩＺＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−３のＩＺＯ薄膜よりも移動度が低下した実施例１−３のＩＺＯ薄膜が得られることがわかった。
［実施例１−４および比較例１−４］
酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛（Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１ モル比）からなるターゲットを用いた以外は、実施例１−４および比較例１−４と同様にして酸化インジウム−酸化スズ−酸化亜鉛（ＩＴＺＯ）薄膜を形成した。
［実施例１−４および比較例１−４のＩＴＺＯ薄膜の評価］
比較例１−４で得られた非晶質酸化物薄膜としてのＩＴＺＯ薄膜、および実施例１−４で得られた酸素プラズマに暴露したＩＴＺＯ薄膜についてＸ線回折を行った。比較例１−４で得られたＩＴＺＯ薄膜は、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。また、実施例１−４で得られた酸素プラズマを暴露したＩＴＺＯ薄膜も、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。
表３に、実施例１−４のＩＴＺＯ薄膜および比較例１−４のＩＴＺＯ薄膜の比抵抗を示した。
実施例１−４のＩＴＺＯ薄膜は、６．０２Ｅ＋０Ωｃｍであり、比較例１−４のＩＴＺＯ薄膜は、２．６３Ｅ−３Ωｃｍであった。したがって、酸素プラズマ処理を行うことにより、実施例１−４のＩＴＺＯ薄膜は、比較例１−４のＩＴＺＯ薄膜よりも比抵抗が大きくなるので、半導体薄膜であることがわかった。
Figure 2008139860
また、表３に、ホール測定によって求めた実施例１−４のＩＴＺＯ薄膜および比較例１−４のＩＴＺＯ薄膜についてのキャリヤ密度および移動度を示した。
実施例１−４のＩＴＺＯ薄膜は、キャリヤ密度が５．３５Ｅ＋１７／ｃｍ３、移動度が１．９４ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。一方、比較例１−４のＩＴＺＯ薄膜は、キャリヤ密度が５．５１Ｅ＋１９／ｃｍ３、移動度が４３．１ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。
したがって、比較例１−４のＩＴＺＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−４のＩＴＺＯ薄膜よりもキャリヤ密度が低下した実施例１−４のＩＴＺＯ薄膜が得られることがわかった。
また、比較例１−４のＩＴＺＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−４のＩＴＺＯ薄膜よりも移動度が低下した実施例１−４のＩＴＺＯ薄膜が得られることがわかった。
［実施例１−５および比較例１−５］
酸化亜鉛、酸化スズ（Ｚｎ：Ｓｎ＝６：４ モル比）からなるターゲットを用いた以外は、実施例１−１および比較例１−１と同様にして酸化亜鉛−酸化スズ（ＺＴＯ）薄膜を形成した。
［実施例１−５および比較例１−５のＺＴＯ薄膜の評価］
比較例５で得られた非晶質酸化物薄膜としてのＺＴＯ薄膜、および実施例１−５で得られた酸素プラズマに暴露したＺＴＯ薄膜についてＸ線回折を行った。比較例１−５で得られたＺＴＯ薄膜は、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。また、実施例１−５で得られた酸素プラズマを暴露したＺＴＯ薄膜も、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。
表４に、実施例１−５のＺＴＯ薄膜および比較例１−５のＺＴＯ薄膜の比抵抗を示した。
実施例１−５のＺＴＯ薄膜は、１．６１Ｅ＋１Ωｃｍであり、比較例１−５のＺＴＯ薄膜は、７．７５Ｅ−２Ωｃｍであった。したがって、酸素プラズマ処理を行うことにより、実施例１−５のＺＴＯ薄膜は、比較例１−５のＺＴＯ薄膜よりも比抵抗が大きくなるので、半導体薄膜であることがわかった。
Figure 2008139860
また、表４に、ホール測定によって求めた実施例１−５のＺＴＯ薄膜および比較例１−５のＺＴＯ薄膜についてのキャリヤ密度および移動度を示した。
実施例１−５のＺＴＯ薄膜は、キャリヤ密度が２．７６Ｅ＋１７／ｃｍ３、移動度が１．４ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。一方、比較例１−５のＺＴＯ薄膜は、キャリヤ密度が４．４２Ｅ＋１８／ｃｍ３、移動度が１８．２ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。
したがって、比較例１−５のＺＴＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−５のＺＴＯ薄膜よりもキャリヤ密度が低下した実施例１−５のＺＴＯ薄膜が得られることがわかった。
また、比較例１−５のＺＴＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−５のＺＴＯ薄膜よりも移動度が低下した実施例１−５のＺＴＯ薄膜が得られることがわかった。
［実施例１−６および比較例１−６］
酸化亜鉛、酸化スズ、酸化イッテリビウム（Ｚｎ：Ｓｎ：Ｙｂ＝２０：７６：４ モル比）からなるターゲットを用いた以外は、実施例１−１および比較例１−１と同様にして酸化亜鉛−酸化スズ−酸化イッテリビウム（ＺＴＹｂＯ）薄膜を形成した。
［実施例１−６および比較例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜の評価］
比較例６で得られた非晶質酸化物薄膜としてのＺＴＹｂＯ薄膜、および実施例１−６で得られた酸素プラズマに暴露したＺＴＹｂＯ薄膜についてＸ線回折を行った。比較例１−６で得られたＺＴＹｂＯ薄膜は、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。また、実施例１−６で得られた酸素プラズマを暴露したＺＴＹｂＯ薄膜も、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。
表５に、実施例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜および比較例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜の比抵抗を示した。
実施例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜は、５．６１Ｅ＋０Ωｃｍであり、比較例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜は、７．２１Ｅ−２Ωｃｍであった。したがって、酸素プラズマ処理を行うことにより、実施例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜は、比較例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜よりも比抵抗が大きくなるので、半導体薄膜であることがわかった。
Figure 2008139860
また、表５に、ホール測定によって求めた実施例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜および比較例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜についてのキャリヤ密度および移動度を示した。
実施例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜は、キャリヤ密度が６．３６Ｅ＋１７／ｃｍ３、移動度が１．７５ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。一方、比較例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜は、キャリヤ密度が４．３４Ｅ＋１８／ｃｍ３、移動度が１．９９ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。
したがって、比較例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜よりもキャリヤ密度が低下した実施例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜が得られることがわかった。
また、比較例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜よりも移動度が低下した実施例１−６のＺＴＹｂＯ薄膜が得られることがわかった。
［実施例１−７および比較例１−７］
酸化インジウム、酸化スズ（Ｉｎ：Ｓｎ＝６０：４０ モル比）からなるターゲットを用いた以外は、実施例１−１および比較例１−１と同様にして酸化インジウム−酸化スズ（ＩＴＯ）薄膜を形成した。
［実施例１−７および比較例１−７のＩＴＯ薄膜の評価］
比較例１−７で得られた非晶質酸化物薄膜としてのＩＴＯ薄膜、および実施例１−７で得られた酸素プラズマに暴露したＩＴＯ薄膜についてＸ線回折を行った。比較例１−７で得られたＺＴＹｂＯ薄膜は、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。また、実施例１−７で得られた酸素プラズマを暴露したＩＴＯ薄膜も、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。
表６に、実施例１−７のＩＴＯ薄膜および比較例１−７のＩＴＯ薄膜の比抵抗を示した。
実施例１−７のＩＴＯ薄膜は、１．６６Ｅ＋０Ωｃｍであり、比較例１−７のＩＴＯ薄膜は、８．６６Ｅ−１Ωｃｍであった。したがって、酸素プラズマ処理を行うことにより、実施例１−７のＩＴＯ薄膜は、比較例１−７のＩＴＯ薄膜よりも比抵抗が大きくなるので、半導体薄膜であることがわかった。
Figure 2008139860
また、表６に、ホール測定によって求めた実施例１−７のＩＴＯ薄膜および比較例１−７のＩＴＯ薄膜についてのキャリヤ密度および移動度を示した。
実施例１−７のＩＴＯ薄膜は、キャリヤ密度が１．２９Ｅ＋１７／ｃｍ３、移動度が２．９ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。一方、比較例１−７のＩＴＯ薄膜は、キャリヤ密度が１．５４Ｅ＋１８／ｃｍ３、移動度が４６．８ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。
したがって、比較例１−７のＩＴＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−７のＩＴＯ薄膜よりもキャリヤ密度が低下した実施例１−７のＩＴＯ薄膜が得られることがわかった。
また、比較例１−７のＩＴＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−７のＩＴＯ薄膜よりも移動度が低下した実施例１−７のＩＴＯ薄膜が得られることがわかった。
［実施例１−８および比較例１−８］
酸化インジウム、酸化スズ、酸化サマリウム（Ｉｎ：Ｓｎ：Ｓｍ＝６０：３５：５ モル比）からなるターゲットを用いた以外は、実施例１−１および比較例１−１と同様にして酸化インジウム−酸化スズ−酸化サマリウム（ＩＴＳｍＯ）薄膜を形成した。
［実施例１−８および比較例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜の評価］
比較例１−８で得られた非晶質酸化物薄膜としてのＩＴＳｍＯ薄膜、および実施例８で得られた酸素プラズマに暴露したＩＴＳｍＯ薄膜についてＸ線回折を行った。比較例１−８で得られたＩＴＳｍＯ薄膜は、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。また、実施例１−８で得られた酸素プラズマを暴露したＩＴＳｍＯ薄膜も、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。
表７に、実施例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜および比較例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜の比抵抗を示した。
実施例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜は、７．０７Ｅ＋１Ωｃｍであり、比較例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜は、７．９５Ｅ−３Ωｃｍであった。したがって、酸素プラズマ処理を行うことにより、実施例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜は、比較例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜よりも比抵抗が大きくなるので、半導体薄膜であることがわかった。
Figure 2008139860
また、表７に、ホール測定によって求めた実施例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜および比較例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜についてのキャリヤ密度および移動度を示した。
実施例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜は、キャリヤ密度が６．０２Ｅ＋１７／ｃｍ３、移動度が１４．６ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。一方、比較例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜は、キャリヤ密度が１．７６Ｅ＋１９／ｃｍ３、移動度が４４．６ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。
したがって、比較例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−８のＩＴＯ薄膜よりもキャリヤ密度が低下した実施例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜が得られることがわかった。
また、比較例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜よりも移動度が低下した実施例１−８のＩＴＳｍＯ薄膜が得られることがわかった。
［実施例１−９および比較例１−９］
酸化インジウム、酸化サマリウム（Ｉｎ：Ｓｍ＝９０：１０ モル比）からなるスパッタリングターゲットを用いた以外は、実施例１−１および比較例１−１と同様にして酸化インジウム−酸化サマリウム（ＩＳｍＯ）薄膜を形成した。
［実施例１−９および比較例１−９のＩＳｍＯ薄膜の評価］
比較例１−９で得られた非晶質酸化物薄膜としてのＩＳｍＯ薄膜、および実施例１−９で得られた酸素プラズマに暴露したＩＳｍＯ薄膜についてＸ線回折を行った。比較例１−９で得られたＩＳｍＯ薄膜は、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。また、実施例１−９で得られた酸素プラズマを暴露したＩＳｍＯ薄膜も、Ｘ線の回折ピークが観察されなかったので、非晶質である。
表８に、実施例１−９のＩＳｍＯ薄膜および比較例１−９のＩＳｍＯ薄膜の比抵抗を示した。
実施例１−９のＩＳｍＯ薄膜は、９．５３Ｅ＋０Ωｃｍであり、比較例１−９のＩＳｍＯ薄膜は、５．１８Ｅ−２Ωｃｍであった。したがって、酸素プラズマ処理を行うことにより、実施例１−９のＩＳｍＯ薄膜は、比較例１−９のＩＳｍＯ薄膜よりも比抵抗が大きくなるので、半導体薄膜であることがわかった。
Figure 2008139860
また、表８に、ホール測定によって求めた実施例１−９のＩＳｍＯ薄膜および比較例１−９のＩＳｍＯ薄膜についてのキャリヤ密度および移動度を示した。
実施例１−９のＩＳｍＯ薄膜は、キャリヤ密度が４．７９Ｅ＋１７／ｃｍ３、移動度が１．４ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。一方、比較例１−９のＩＳｍＯ薄膜は、キャリヤ密度が４．９６Ｅ＋１８／ｃｍ３、移動度が２４．３ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。
したがって、比較例１−９のＩＳｍＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−９のＩＳｍＯ薄膜よりもキャリヤ密度が低下した実施例１−９のＩＳｍＯ薄膜が得られることがわかった。
また、比較例１−９のＩＳｍＯ薄膜を酸素プラズマに暴露することにより、比較例１−９のＩＳｍＯ薄膜よりも移動度が低下した実施例１−９のＩＳｍＯ薄膜が得られることがわかった。
本実施例によれば、酸素プラズマに暴露させることによりキャリヤ密度が低下し、かつ安定した半導体特性を有する半導体薄膜が得られることが分かった。
＜第２実施形態の実施例＞
［比較例２−１］
ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）マグネトロンスパッタ装置（株式会社島津製作所製）を用い、酸素濃度を変化させたアルゴンガス存在下において、室温のガラス基板上に、厚さ１００ｎｍの酸化インジウム薄膜をスパッタ成膜した。
ターゲットは、酸化インジウムのみからなるものを用いた。
成膜中の酸素濃度を、０％、３％、５％、１０％とした４種類の酸化インジウム薄膜を得た。
［実施例２−１］
比較例２−１の酸化インジウム薄膜を素地薄膜とし、これらの素地薄膜を、周波数１３．５６ＭＨｚ、アンプパワー５００Ｗ、酸素圧力３３０Ｐａの条件で発生させたプラズマに１０分間暴露した。
［実施例２−１および比較例２−１の酸化インジウム薄膜の評価］
成膜中の酸素濃度と成膜した酸化インジウム薄膜の比抵抗との関係を図２に示す。
比較例２−１においては、成膜中の酸素濃度の増加に伴い酸化インジウム薄膜の比抵抗は大きくなる。
プラズマ処理を施した実施例２−１の酸化インジウム薄膜の比抵抗は、１.０×１００Ωｃｍ以上であり、比較例２−１に比べて比抵抗が大きい。実施例２−１で形成した酸化インジウム薄膜は、半導体薄膜となっていることがわかる。
実施例２−１および比較例２−１の酸化インジウム薄膜のＸ線回折パターンを図３に示す。
図３から明らかなように、比較例２−１の酸化インジウム薄膜（図３中のＢ、Ｄ、Ｆ、Ｈ）は、酸素濃度によらず、Ｘ線の回折ピークが観察されず、非晶質であることがわかる。
一方、プラズマ処理を施した実施例２−１の酸化インジウム薄膜（図３中のＡ、Ｃ、Ｅ、Ｇ）は、酸素濃度によらず、Ｘ線の回折ピークが観察され、結晶質であることがわかる。なお、このＸ線回折パターンは、酸化インジウムのビックスバイト構造の回折パターンである。
図４および図５に、ホール測定によって求めた実施例２−１および比較例２−１の酸化インジウム薄膜のキャリヤ密度および移動度を示した。
図４より、比較例２−１の酸化インジウム薄膜は、成膜中の酸素濃度の増加にともなって、キャリヤ密度は低下するが、低下は１.０×１０１８／ｃｍ３台までに止まる。一方、プラズマ処理を施した実施例２−１の酸化インジウム薄膜では、１.０×１０１７／ｃｍ３台のキャリヤ密度が得られ、半導体として有効であることがわかる。
図５より、成膜中の酸素濃度の増加により、酸化インジウム薄膜の移動度が低下することがわかる。しかし、その値は、１ｃｍ２/Ｖ・ｓｅｃ以上であり、アモルファスシリコン系の半導体薄膜に比べると、大きな値であった。
［実施例２−２および比較例２−２］
１質量％から３質量％の酸化亜鉛を含む酸化インジウムからなるターゲット（出光興産株式会社製）を用い、成膜中の酸素濃度を０％に固定した以外は、実施例２−１および比較例２−１と同様にして酸化インジウム薄膜を形成した。
［実施例２−２および比較例２−２の酸化インジウム薄膜の評価］
酸化インジウム膜中の酸化亜鉛濃度と酸化インジウム薄膜の比抵抗との関係を図６に示す。
図６より明らかなように、プラズマ処理を施していない比較例２−２の酸化インジウム薄膜は、比抵抗が１．０×１０−４Ωｃｍ台であり、導電材料であることがわかる。
一方、プラズマ処理を施した実施例２−２の酸化インジウム薄膜は、１．０×１０１Ωｃｍ台以上の比抵抗を示し、半導体であることがわかる。
実施例２−２および比較例２−２の酸化インジウム薄膜のＸ線回折パターンを図７に示す。
図７から明らかなように、比較例２−２の酸化インジウム薄膜（図７中のＢ、Ｄ、Ｆ）は、酸化亜鉛濃度によらず、Ｘ線の回折ピークが観察されず、非晶質であることがわかる。
一方、プラズマ処理を施した実施例２−２の酸化インジウム薄膜（図７中のＡ、Ｃ、Ｅ）は、酸化亜鉛の含有量によらず、Ｘ線の回折ピークが観察され、結晶質であることがわかる。なお、このＸ線回折パターンは、酸化インジウムのビックスバイト構造の回折パターンである。
図８および図９に、実施例２−２および比較例２−２の酸化インジウム薄膜のキャリヤ密度および移動度を示した。
図８より、比較例２−２の酸化インジウム薄膜のキャリヤ密度は、１.０×１０２０／ｃｍ３台以上であり、導電体であることがわかる。一方、プラズマ処理を施した実施例２−２の酸化インジウム薄膜のキャリヤ密度は、１.０×１０１７／ｃｍ３台以下であり、実施例２−２の酸化インジウム薄膜は優れた半導体であることがわかる。
図９より、プラズマ処理を施した実施例２−２の酸化インジウム薄膜は、高いもので１５ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上の移動度を示し、優れた半導体特性、スイッチング特性を備えていることがわかる。
なお、本実施例では、正二価の金属酸化物として、酸化亜鉛を例に示したが、酸化マグネシウム、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅でも同様な結果が得られる。また、正二価をとりうる金属酸化物として、酸化鉄（II）や酸化白金、酸化銀、酸化パラジウム、酸化金などを試みたが、図８に示すようなキャリヤの減少は観察されなかった。これらのことより、正二価の金属酸化物としては、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅が優れた添加効果を示すことが分かった。
［実施例２−３および比較例２−３］
３質量％の酸化イッテルビウムを含む酸化インジウムからなるターゲットを用いた以外は、実施例２−１および比較例２−１と同様にして酸化インジウム薄膜を形成した。
［実施例２−３および比較例２−３の酸化インジウム薄膜の評価］
成膜中の酸素濃度と成膜した酸化インジウム薄膜の比抵抗との関係を図１０に示す。
図１０より明らかなように、比較例２−３の酸化インジウム薄膜の比抵抗は、成膜中の酸素濃度の増加にともなって、１．０×１０−３Ωｃｍ台から１．０×１０−２Ωｃｍ台に変化するが、いずれにしても導電材料であることがわかる。
一方、実施例２−３の酸化インジウム薄膜は、１．０×１００Ωｃｍ台以上の比抵抗を示し、半導体であることがわかる。
実施例２−３および比較例２−３の酸化インジウム薄膜のＸ線回折パターンを図１１に示す。
図１１から明らかなように、比較例２−３の酸化インジウム薄膜（図１１中のＢ、Ｄ、Ｆ、Ｈ）は、酸素濃度によらず、Ｘ線の回折ピークが観察されず、非晶質であることがわかる。
一方、プラズマ処理を施した実施例２−３の酸化インジウム薄膜（図１１中のＡ、Ｃ、Ｅ、Ｇ）は、酸素濃度によらず、Ｘ線の回折ピークが観察され、結晶質であることがわかる。なお、このＸ線回折パターンは、酸化インジウムのビックスバイト構造の回折パターンである。
図１２および図１３に、実施例２−３および比較例２−３の酸化インジウム薄膜のキャリヤ密度および移動度を示した。
図１２より、比較例２−３の酸化インジウム薄膜のキャリヤ密度は、１．０×１０２０／ｃｍ３台から１．０×１０１８／ｃｍ３台まで変化するが、いずれにしても導電体であることがわかる。一方、プラズマ処理を施した実施例２−３の酸化インジウム薄膜のキャリヤ密度は、１.０×１０１７／ｃｍ３台であり、実施例２−３の酸化インジウム薄膜は優れた半導体であることがわかる。
図１３より、プラズマ処理を施した実施例２−３の酸化インジウム薄膜は、高いもので２ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上の移動度を示し、優れた半導体特性、スイッチング特性を備えていることがわかる。
なお、本実施例では、正三価の金属酸化物として、酸化イッテルビウムを例に示したが、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化ルテチウムでも同様な結果が得られる。また、正三価を取りうる金属酸化物として、酸化タリウムなども考えられるが、酸素欠損を大量に発生する可能性があり、半導体とならないと考えられる。
［実施例２−４］
３質量％の酸化亜鉛および２質量％の酸化イッテルビウムを含む酸化インジウムからなるターゲットを用い、成膜中の酸素濃度を１％に固定した以外は、実施例２−１と同様にして酸化インジウム薄膜を形成した。
本実施例においても、実施例２−１および実施例２−３と同様に、成膜直後の酸化インジウム薄膜は非晶質であったが、プラズマ処理により結晶化することがＸ線回折測定の結果判明した。
本実施例の酸化インジウム薄膜の比抵抗は、１.０×１０１Ωｃｍ以上であり、半導体として有効であることがわかった。また、本実施例の酸化インジウム薄膜のキャリヤ密度は１.０×１０１７／ｃｍ３台以下であり、ノーマリーオフ状態の薄膜トランジスタを形成するのに十分な能力があることが分かった。
本実施例では、正二価の金属酸化物として、酸化亜鉛を例に示したが、酸化マグネシウム、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅でも同様な結果が得られる。また、正三価の金属酸化物として、酸化イッテルビウムを例に示したが、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化ルテチウムでも同様な結果が得られる。
［実施例２−５］
５質量％の酸化亜鉛を含む酸化インジウムからなるターゲットを用い、酸素濃度を変化させたアルゴンガスの存在下において、室温のガラス基板上に、厚さ５０ｎｍの酸化インジウム薄膜をスパッタ成膜した。
得られた酸化インジウム薄膜を酸素１００％、内圧３３０Ｐａ、１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマに５分間暴露した。このプラズマ処理におけるアンプパワーを、１００Ｗ、２００Ｗ、３００Ｗ、４００Ｗ、５００Ｗとした５種類の酸化インジウム薄膜を得た。
プラズマ処理におけるアンプパワーと得られた酸化インジウム薄膜の比抵抗との関係を図１４に示す。
図１４より、プラズマ処理におけるアンプパワーが、３００Ｗ付近より急激に比抵抗が増大することがわかる。また、Ｘ線回折測定の結果、比抵抗が増大したところの酸化インジウム薄膜は、結晶質であることが判明した。なお、プラズマ処理におけるアンプパワーは、基板の大きさ、プラズマを発生させる空間の容積などにより変化する。
プラズマ処理におけるアンプパワーを５００Ｗとして、酸素分圧を変化させたときのプラズマ暴露時間と酸化インジウム薄膜の比抵抗との関係を図１５に示す。
酸素分圧が１３０Ｐａ、５３０Ｐａの場合、約１０分の暴露で比抵抗が１．０×１０１０Ωｃｍとなり、半導体化している。また、Ｘ線回折測定においても、結晶ピークが観察され、結晶質であることが確認された。
［実施例２−６］
１質量％から７．５質量％の酸化亜鉛を含む酸化インジウムからなるターゲットを用い、プラズマ処理における酸素分圧を変動させた以外は、実施例２−１および比較例２−１と同様にして酸化インジウム薄膜を形成した。
図１６に、プラズマ処理における酸素分圧を変動させたときの、酸化亜鉛濃度と酸化インジウム薄膜の比抵抗との関係を示す。
酸素分圧１３０Ｐａでプラズマ処理した場合、酸化インジウム薄膜の比抵抗は１．０×１０２Ωｃｍ台以上であり、半導体として有効であることがわかる。酸素分圧３３０Ｐａでプラズマ処理した場合、酸化亜鉛濃度が３質量％以下では、１．０×１０２Ωｃｍ台であるが、酸化亜鉛の含有量が４質量％以上では、１．０×１０１Ωｃｍ台であった。また、酸素圧力５３０Ｐａでプラズマ処理した場合、酸化亜鉛の含有量が２〜３質量％で比抵抗が最大値をとり、その後１．０×１００Ωｃｍ台であったことから、導体であることがわかる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは、本発明に含まれるものである。
また、その他、本発明の実施における具体的な材料および処理などは、本発明の目的を達成できる範囲で他の材料および処理などとしてもよい。
［第１実施形態の変形例］
第１実施形態において、印加周波数の範囲が１ｋＨｚ以上３００ＭＨｚ以下としたが、これに限らない。例えば、印加周波数の範囲が１ｋＨｚ未満でもよい。この場合、酸化速度が遅くなるので、長時間の処理により所望のキャリヤ濃度を有する半導体薄膜が得られる場合もある。
一方、印加周波数の範囲が、３００ＭＨｚを超えてもよい。この場合、酸化速度が速くなるので、効率的に半導体薄膜を製造することができるが、基板も加熱される場合があり、基板を選択する必要がある。
また、第１実施形態において、非晶質酸化物薄膜は、スパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法、ゾルゲル法、微粒子の塗布法のいずれかにより成膜されるとしたが、これに限られない。非晶質酸化物薄膜は、例えば、ＡＲＥ法、電子ビーム蒸着法、ラインビームレーザー蒸着法、パルスレーザー蒸着法などにより成膜されてもよい。なお、成膜温度の下限は、基板の熱変形温度よりも低いことが好ましい。
そして、第１実施形態において、正二価の金属酸化物として酸化亜鉛および酸化マグネシウムを例示したが、これに限らない。
例えば、酸化ベリウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化ラジウム、酸化カドミウム、酸化水銀などでもよい。
さらに、第１実施形態において、正三価の金属酸化物として酸化ホウ素などを例示したが、これに限らない。
例えば、酸化セリウム、酸化プラセオジム、酸化プロメチウム、酸化テルビウムなどでもよい。
また、第１実施形態において、正二価の金属酸化物および正三価の金属酸化物を含む非晶質酸化物薄膜を例示したが、これに限らない。
非晶質酸化物薄膜は、例えば、正二価の金属酸化物、正三価の金属酸化物、正四価の金属酸化物、正五価の金属酸化物、正六価の金属酸化物などの金属化合物のうちで、少なくともいずれか１種以上の金属酸化物を含むものであってもよい。
そして、第１実施形態において、非晶質酸化物薄膜が酸化インジウムおよび正二価の金属化合物を主成分とする構成としたが、これに限られない。
例えば、非晶質酸化物薄膜が酸化インジウムおよび正三価の金属化合物を主成分としてもよい。
また、第１実施形態において、非晶質酸化物薄膜が酸化亜鉛および酸化スズを主成分とする構成としたが、これに限られない。
例えば、非晶質酸化物薄膜が酸化亜鉛および正二価の金属化合物を主成分としてもよい。また、非晶質酸化物薄膜が酸化亜鉛および正三価の金属化合物を主成分としてもよい。そして、非晶質酸化物薄膜が酸化スズおよび正二価の金属化合物を主成分としてもよい。さらに、非晶質酸化物薄膜が酸化スズおよび正三価の金属化合物を主成分としてもよい。
また、第１実施形態において、印加周波数、および圧力などの酸素プラズマの発生条件は、第１実施形態で例示したものに限定されない。
その他の発生条件であっても、酸素プラズマを発生することができ、かつ、非晶質酸化物薄膜を酸化させることにより、電子キャリヤ濃度が低下した非晶質の半導体薄膜を得ることができれば、上述の第１実施形態と同様の優れた作用効果を得ることができる。
［第２実施形態の変形例］
第２実施形態において、正二価の金属酸化物および正三価の金属酸化物を含む非晶質酸化物薄膜を例示したが、これに限らない。
非晶質酸化物薄膜は、正二価の金属酸化物および正三価の金属酸化物を含まないものであってもよく、これらのうちのいずれか一方のみを含むものであってもよい。
この場合でも、非晶質酸化物薄膜の主成分である酸化インジウムが、酸素プラズマにより結晶化されること、酸素プラズマによって半導体薄膜に酸素が固定されることに変わりはないから、上述の第２実施形態と同様の優れた作用効果を得ることができる。
また、第２実施形態において、印加周波数、使用するガスおよび圧力などの酸素プラズマの発生条件は、第２実施形態で例示したものに限定されない。
その他の発生条件であっても、酸素プラズマを発生することができ、酸化インジウムを結晶化させることができれば、上述の第２実施形態と同様の優れた作用効果を得ることができる。
本発明は、半導体薄膜、半導体薄膜の製造方法、および半導体薄膜を備えた半導体素子に利用することができる。詳しくは、非晶質酸化物を含む薄膜をプラズマに暴露することにより得られる半導体薄膜、半導体薄膜の製造方法、および半導体薄膜を備えた半導体素子に利用できる。
例えば、可撓性の樹脂材料を基板とする薄型表示装置の駆動素子、トランジスタなどの半導体素子、センサ、ダイオードなどの各種電気部品、液晶表示装置、太陽電池、タッチパネル、有機ＥＬディスプレイなどに適用できる。

Claims (24)

  1. 酸素を含むガスを高周波で励起して発生した酸素プラズマに、非晶質酸化物を含有する非晶質酸化物薄膜を暴露してなる
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  2. 請求項１に記載の半導体薄膜であって、
    前記酸素プラズマは、印加周波数が１ｋＨｚ以上３００ＭＨｚ以下の条件で発生する
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  3. 請求項１または請求項２に記載の半導体薄膜であって、
    前記酸素プラズマは、圧力が５Ｐａ以上０．１ＭＰａ以下の条件で発生する
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体薄膜であって、
    前記非晶質酸化物薄膜は、スパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法、ゾルゲル法、微粒子の塗布法のいずれかにより形成される
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体薄膜であって、
    前記非晶質酸化物薄膜は、酸化インジウムを主成分とする薄膜であり、酸化インジウムを除く正三価の金属酸化物を含む
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  6. 請求項５に記載の半導体薄膜であって、
    前記正三価の金属酸化物は、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物である
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  7. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体薄膜であって、
    前記非晶質酸化物薄膜は、酸化インジウムおよび正二価の金属酸化物を主成分とする
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  8. 請求項７に記載の半導体薄膜であって、
    前記正二価の金属酸化物は、酸化亜鉛、酸化マグネシウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物である
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  9. 請求項７に記載の半導体薄膜であって、
    前記非晶質酸化物薄膜は、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物を含む
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  10. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体薄膜であって、
    前記非晶質酸化物薄膜は、酸化亜鉛および酸化スズを主成分とする
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  11. 請求項１０に記載の半導体薄膜であって、
    前記非晶質酸化物薄膜は、正三価の金属酸化物を含む
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  12. 請求項１１に記載の半導体薄膜であって、
    前記正三価の金属酸化物は、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物である
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  13. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体薄膜であって、
    前記非晶質酸化物薄膜は、酸化インジウムおよび酸化スズを主成分とする
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  14. 請求項１３に記載の半導体薄膜であって、
    前記非晶質酸化物薄膜は、酸化インジウムを除く正三価の金属酸化物を含む
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  15. 請求項１３に記載の半導体薄膜であって、
    前記正三価の金属酸化物は、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物である
    ことを特徴とした半導体薄膜
  16. 請求項１３に記載の半導体薄膜であって、
    前記非晶質酸化物薄膜は、正二価の金属酸化物を含む
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  17. 請求項１６に記載の半導体薄膜であって、
    前記正二価の金属酸化物は、酸化亜鉛、酸化マグネシウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物である
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  18. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体薄膜であって、
    前記非晶質酸化物薄膜は酸化インジウムを主成分とする薄膜であり、前記酸素プラズマへの暴露により結晶化している
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  19. 請求項１８に記載の半導体薄膜であって、
    前記非晶質酸化物薄膜は、正二価の金属酸化物を含む
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  20. 請求項１９に記載の半導体薄膜であって、
    前記正二価の金属酸化物は、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、酸化銅および酸化コバルトより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物である
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  21. 請求項１８ないし請求項２１のいずれかに記載の半導体薄膜であって、
    前記非晶質酸化物薄膜は、正三価の金属酸化物を含む
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  22. 請求項２１に記載の半導体薄膜であって、
    前記正三価の金属酸化物は、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウムおよび酸化ルテチウムより選ばれた少なくともいずれか１種以上の金属酸化物である
    ことを特徴とした半導体薄膜。
  23. 酸素を含むガスを高周波で励起して発生した酸素プラズマに非晶質酸化物を含有して薄膜形成された非晶質酸化物薄膜を暴露する
    ことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
  24. 請求項１ないし請求項２２のいずれかに記載の半導体薄膜を備えた
    ことを特徴とした半導体素子。
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