KR100939998B1 - 비정질 산화물 및 전계 효과 트랜지스터 - Google Patents

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히데오 호소노
토시오 카미야
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캐논 가부시끼가이샤
고쿠리츠다이가쿠호진 토쿄고교 다이가꾸
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Abstract

예를 들면, TFT의 활성층에 적용가능한 신규 비정질 산화물을 제공한다. 이 비정질 산화물은 미세결정을 포함한다.
Figure 112007041292021-pct00001
비정질 산화물, 전계효과 트랜지스터, 미세결정

Description

비정질 산화물 및 전계 효과 트랜지스터{AMORPHOUS OXIDE AND FIELD EFFECT TRANSISTOR}
본 발명은, 비정질 산화물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 비정질 산화물을 사용한 전계 효과 트랜지스터에 관한 것이다.
최근, 액정 기술, 일렉트로루미네센스(EL), 및 관련 기술의 진보의 결과로서 FPD(Flat Panel Display)가 상업화되고 있다. 이 FPD는 비정질 실리콘 박막 또는 다결정 실리콘 박막을, 유리기판 위에 형성된 활성층으로서 사용하는 전계효과 박막 트랜지스터(TFT)로 이루어진 액티브 매트릭스 회로에 의해 구동된다.
FPD의 두께 감소, 경량화, 및 임팩트 세기 증가를 위해, 유리 기판 대신에 경량 및 블렉시블 수지 기판의 사용이 연구되고 있다. 그러나, 실리콘 박막을 사용하는 트랜지스터의 제조는, 프로세스 시에 비교적 고온을 요구하기 때문에 실리콘 박막 트랜지스터는 적은 내열 수지 기판에 직접 형성될 수 없다.
따라서, TFT에 대해서, 저온에서 막 형성이 가능한 Zno 박막 등의 산화물 반도체 박막의 사용이 활발히 연구되고 있다(일본국 공개특허공보 제2003-298062호).
그러나, 종래의 산화물 반도체 박막을 사용하는 TFT는 실리콘을 사용하는 TFT와 같은 레벨의 성능을 제공하지 못했다.
본 발명은 비정질 산화물과, 이 비정질 산화물을 이용하는 전계효과 트랜지스터에 관한 것이다.
본 발명은 적절한 반도체로서 기능을 하는, 박막 트랜지스터(TFT) 등의 반도체 디바이스의 활성층에 사용하기 위한 비정질 산화물과, 전계효과 트랜지스터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 국면에 의하면, 미세결정을 함유하고, 1018/cm3미만의 전자 캐리어 농도를 갖는 비정질 산화물이 제공된다.
상기 비정질 산화물은, In, Zn 및 Sn으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 함유한다.
또한, 상기 비정질 산화물은 In, Zn 및 Sn을 함유한 산화물과, In 및 Zn을 함유한 산화물과, In 및 Sn을 함유한 산화물과, In을 함유한 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 비정질 산화물은 In, Ga, 및 Zn을 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 국면에 의하면, 전자 캐리어 농도가 증가함에 따라, 전자 이동도가 증가하는 비정질 산화물이 제공된다.
본 발명의 또 다른 국면에 의하면, 미세결정을 함유한 비정질 산화물로 형성된 활성층과, 게이트 절연체를 통해서 상기 활성층과 대향하도록 형성된 게이트 전극을 구비한 전계효과 트랜지스터가 제공된다.
상기 트랜지스터는 노멀리 오프형 트랜지스터인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 국면에 의하면, 층 두께 방향으로 조성이 변화하고, 1018/cm3미만의 전자 캐리어 농도를 갖는 비정질 산화물이 제공된다.
상기 비정질 산화물은 In, Zn 및 Sn으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 함유하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 비정질 산화물은 In, Zn 및 Sn을 함유한 산화물과, In 및 Zn을 함유한 산화물과, In 및 Sn을 함유한 산화물과, In을 함유한 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 비정질 산화물은 In, Ga, 및 Zn을 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 국면에 따른 전계효과 트랜지스터는,
층 두께 방향으로 조성이 변하는 비정질 산화물의 활성층과,
게이트 절연체를 통해서 상기 활성층과 대향하도록 형성된 게이트 전극을 구비하고,
상기 활성층은, 제1 영역과, 상기 제1 영역보다 게이트 절연체에 더 가까운 제2 영역을 구비하고, 상기 제1 영역의 산소 농도는 상기 제2 영역의 산소 농도보다 높다.
본 발명의 또 다른 국면에 따른 전계효과 트랜지스터는,
In 및 Zn으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 갖는 비정질 산화물의 활성층과,
게이트 절연체를 통해서 상기 활성층과 대향하도록 형성된 게이트 전극을 구비하고,
상기 활성층은, 제1 영역과, 상기 제1 영역보다 게이트 절연체에 더 가까운 제2 영역을 구비하고, 상기 제2 영역의 In 농도가 상기 제1 영역보다 높거나, 혹은 상기 제2 영역의 Zn 농도가 상기 제1 영역보다 높다.
본 발명의 또 다른 국면에 의하면, 층 두께 방향으로 조성이 변화하고, 전자 캐리어 농도가 증가함에 따라 전자 이동도가 증가하는 비정질 산화물이 제공된다.
본 발명의 또 다른 국면에 따른 전계효과 트랜지스터는,
In 및 Zn으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 갖는 비정질 산화물의 활성층과,
게이트 절연체를 통해서 상기 활성층과 대향하도록 형성된 게이트 전극을 구비하고,
상기 활성층은, 제1 영역과, 상기 제1 영역보다 게이트 절연체에 더 가까운 제2 영역을 구비하고, 상기 제2 영역의 In 농도가 상기 제1 영역보다 높거나 혹은 상기 제2 영역의 Zn 농도가 상기 제1 영역보다 높다.
본 발명의 또 다른 국면에 의하면, 1018/cm3미만의 전자 캐리어 농도를 갖고, Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, P, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn, 및 F로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종의 원소 또는 복수종의 원소를 포함하는 비정질 산화물이 제공된다.
상기 비정질 산화물은, In, Zn 및 Sn으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 비정질 산화물은 In, Zn 및 Sn을 함유한 산화물과, In 및 Zn을 함유한 산화물과, In 및 Sn을 함유한 산화물과, In을 함유한 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 비정질 산화물은, In, Zn 및 Ga을 함유한 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 국면에 의하면, Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, P, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn, 및 F로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 함유하고, 전자 캐리어 농도가 증가함에 따라 전자 이동도가 증가하는 비정질 산화물이 제공된다.
본 발명의 또 다른 국면에 따른 전계효과 트랜지스터는,
Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, P, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn, 및 F로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 함유한 비정질 산화물의 활성층과,
게이트 절연체를 통해서 상기 활성층과 대향하도록 형성된 게이트 전극을 구비한다.
또, 본 발명에 있어서, 비정질 산화물은, In, Zn 및 Sn을 함유한 산화물과, In 및 Zn을 함유한 산화물과, In 및 Sn을 함유한 산화물과, In을 함유한 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명의 발명자들에 의한 산화물 반도체에 대한 연구결과로서, 다결정 상(phase)의 상태에서, 다결정 입자들 간의 계면에 캐리어를 분산시켜서 전자 이동도를 낮추기 위해서 상술한 ZnO을 형성한다는 것을 찾아냈다. 더 나아가서, ZnO는 산소 결손을 일으켜 많은 캐리어 전자를 발생시키기 쉬워, 전기 전도도를 낮추는 것이 어렵다는 것을 찾아냈다. 그것에 의해, 트랜지스터에 게이트 전압이 인가되지 않아도, 소스 단자와 드레인 단자 사이에 전류가 많이 흘러, TFT의 노멀리 오프 상태가 불가능하고, 또 트랜지스터의 온-오프 비를 크게 하는 것이 불가능하게 된다.
본 발명의 발명자들은, 일본국 공개특허공보 특개2000-044236호에 기재된 비정질 산화막 ZnxMyInzO(x+3y/2+3z/2)(M은 Al 및 Ga 중 적어도 한 개의 원소)을 연구했다. 이 재료는, 1×1018/cm3 초과의 농도를 가진 전자 캐리어를 함유하고, 단순한 투명 전극으로서 적합하다. 그렇지만, TFT의 채널층에 사용된 1×1018/cm3 초과의 농도를 가진 전자 캐리어를 함유한 산화물은 충분한 온-오프 비를 줄 수 없어, 노멀리 오프형의 TFT에는 적합하지 않다. 이와 같이, 종래의 비정질 산화막은 1×1018/cm3 미만의 캐리어 농도의 막을 제공할 수 없다.
본 발명의 발명자들은, 전계효과 트랜지스터의 활성층으로서 1×1018/cm3 미만의 캐리어 농도의 비정질 산화물을 이용해 TFT를 제작했다. 이 TFT가 소망하는 특성을 갖고, 광방출장치와 같은 화상 표시 장치에 유용하다는 것을 찾아냈다.
더 나아가서, 본 발명의 발명자들은, 재료 InGaO3(ZnO)m과, 이 재료의 막 형성 조건을 연구했고, 이 재료의 캐리어 농도가 막 형성시 산소 분위기 조건을 조절함으로써 1×1018/cm3 미만으로 제어될 수 있다는 것을 알아냈다.
상기에서는 예를 들면, TFT의 채널층으로서 기능을 하는 활성층으로서 비정질 산화물을 이용하는 경우에 대해서 설명했다. 그렇지만, 본 발명은 그러한 활성층을 이용하는 경우에 한정되는 것은 아니다.
상기에서, TFT의 채널로서 기능을 하는 활성층으로서 비정질 산화물을 사용하는 경우에 대해서 대부분 언급했다. 그렇지만, 본 발명은 이 경우에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 트랜지스터, 예를 들면, TFT의 채널층에 적절하게 사용되는 비정질 산화물이 제공된다. 또한, 본 발명은, 우수한 특성을 지닌 전계효과 트랜지스터를 제공한다.
도 1은, 펄스 레이저 증착법으로 형성한 In-Ga-Zn-0계 비정질막의 전자 캐리어 농도와 막 형성 중의 산소분압과의 관계를 나타내는 그래프다.
도 2는 아르곤 가스를 사용한 스퍼터링법으로 형성한 In-Ga-Zn-0계 비정질막의 전기 전도도와 막 형성 중의 산소분압과의 관계를 나타내는 그래프다.
도 3은 펄스 레이저 증착법으로 형성한 In-Ga-Zn-0계 비정질막의 전자 캐리어의 수와 전자 이동도와의 관계를 나타내는 그래프다.
도 4a, 4b 및 4c는 산소분압 0.8Pa의 산소 분위기에서 펄스 레이저 증착법으로 형성한 InGaO3(Zn1 - xMgxO)의 조성을 가진 막의 값 x에 대한 전기 전도도, 캐리어 농도, 및 전자 이동도의 변화를 각각 나타내는 그래프다.
도 5는 톱 게이트형 MISFET(metal insulator semiconductor field effect transistor)의 구조를 나타내는 모식도다.
도 6은 톱 게이트형 MISFET 소자의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프다.
도 7은 펄스 레이저 증착법을 이용한 막 형성장치의 모식도이다.
도 8은 스퍼터링법을 이용한 막 형성장치의 모식도이다.
이하, 제1 내지 제3 실시 예에 따른 제1 내지 제3 발명을 각각 설명한다. 그 다음, 본 발명에 적용가능한 비정질 산화물 재료에 대해서 설명한다. 이하의 실시 예에 있어서는, In-Ga-Zn-O계 산화물에 대해서 주로 설명한다. 그렇지만, 본 발명은 그러한 재료에 한정되는 것은 아니다.
<제1 실시 예:미세결정을 함유한 비정질 산화물>
제1 실시 예에 따른 발명은 비정질 산화물에 관한 것으로, 이 비정질이 미세결정을 함유한 것을 특징으로 한다. 형성된 비정질 산화막의 부분을 TEM(transmission electron microscopic) 촬영해서 비정질 산화물에 미세결정이 함유되어 있는지 아닌지를 판정한다. 본 발명에 따른 비정질 산화막은, In-Ga-Zn-0을 포함하고, 결정상태에 있어서의 비정질 산화막의 조성은 InGaO3(ZnO)m(m은 6미만의 자연수)로 표현된다.
본 명세서에서 "비정질 산화물"이라고 표현된 산화물은 전자 캐리어 농도가 1018/cm3미만이거나, 혹은 전자 캐리어 농도가 증가함에 따라 전자 이동도가 증가하는 등의 경향이 있다. TFT의 사용종류에 의존하지만, 노멀리 오프형 TFT를 제작하기 위한 비정질 TFT를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 비정질 산화막은, In-Ga-Zn-Mg-O를 포함하고, 결정상태에 있어서의 비정질 산화막의 조성은 InGaO3(Zn1 - xMgxO)m(m은 6미만의 자연수, 0≤x≤1)로 나타낸다. 이들 비정질 산화막은, 1cm2/V.sec을 초과하는 전자 이동도를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명자들은, 상기 막을 채널층으로서 사용하면, TFT 오프 상태(노멀리 오프)에서 게이트 전류가 0.1 마이크로 암페어 미만이고, 온/오프 비가 1×103 초과하며, 가시광에 투명한 트랜지스터 특성을 지닌 플렉시블 TFT를 제조할 수 있다.
그러한 투명막은, 전도 전자수의 증가와 함께, 전자 이동도가 증가하는 것을 특징으로 한다. 투명막을 형성하기 위한 기판으로서, 유리 기판, 플라스틱 기판 및 플라스틱 필름을 사용할 수 있다.
투명 산화막을 트랜지스터의 채널층으로서 사용하는 경우에는, Al203, Y203 및 HfO2으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종류의 화합물, 또는 Al203, Y203 및 HfO2으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 2종류를 함유한 혼합 결정 화합물을 게이트 절연체로서 이용하는 것이 바람직하다.
전기 저항을 향상시키기 위한 불순물 이온을 의도적으로 첨가하지 않고, 광 조사 하에서 산소를 함유한 분위기 중에 막(투명 산화막)을 형성하는 것이 바람직하다.
<막 조성>
결정상태에 있어서의 InGaO3(ZnO)m(m은 6미만의 자연수)로 나타내는 조성을 갖는 투명 비정질 산화 박막에 있어서, 비정실 상태는 값 m이L 6미만인 경우에, 800℃ 이상의 고온까지 안정적으로 유지될 수 있다. 그렇지만, 값 m이 증가함에 따라, 즉 InGaO3에 대한 ZnO의 비가 증가함에 따라(즉, 막의 조성이 ZnO에 가까이 감에 따라) 그 막의 결정화화가 쉬워진다.
이 이유 때문에, 비정질 TFT의 채널층으로서 비정질막을 사용할 때는 값 m이 6미만인 것이 바람직하다. 그렇지만, 광 조사 하에서 이 막을 형성한 경우에는, 값 m이 작더라도 미세결정을 형성할 수 있다는 것을 알아냈다.
InGaO3(ZnO)m조성을 가진 다결정 소결체를 타겟으로서 사용해서, 기상 성막법에 의해 막을 형성하는 것이 좋다. 기상 성막법 중에서, 스퍼터링법 및 펄스 레이저 증착법이 적합하다. 또한, 양산성의 관점에서, 스퍼터링법이 가장 적합하다.
그렇지만, 일반적인 조건에서 그러한 비정질막을 형성하면, 주로 산소결손이 생긴다. 따라서, 전자 캐리어 농도를 1018/cm3미만, 즉 전기 전도도를 10S/cm이하로 줄일 수 없었다. 그러한 종래의 박막을 사용했을 경우, 노멀리 오프의 트랜지스터를 형성할 수 없다. 그렇지만, 도 7에 나타낸 장치를 이용하는 펄스 레이저 증착법 으로 In-Ga-Zn-0의 조성과, InGaO3(ZnO)m(m은 6미만의 자연수)로 나타내는 결정 상태의 조성을 갖는 투명 비정질 산화막을 형성한 경우, 산소분압을 3.2Pa 초과한 높은 분위기 중에, 전자 캐리어 농도를 1×1018/cm3미만으로 저하시킬 수 있다. 이 경우, 기판은 의도적으로 가열되지 않기 때문에, 거의 실온으로 유지된다. 플라스틱 필름을 기판으로서 사용하는 경우에는, 플라스틱 필름의 온도를 100℃미만으로 유지하는 것이 바람직하다.
본 실시 예의 발명에 의하면, 비정질 산화막은, 광 조사 하에서 펄스 레이저 증착법으로 제작되고, In-Ga-Zn-0을 포함한다. 더 구체적으로, 본 발명은, 결정 상태에 있어서의 조성 InGaO3(Zn0)m(m은 6미만의 자연수)로 나타내는 미세결정을 함유한 투명 비정질 산화 박막을 지향한다. 그러한 박막을 이용해서 노멀리 오프의 트랜지스터를 형성할 수 있다.
그러한 박막에 있어서, 1cm2/V.sec를 초과하는 전자 이동도와, 1×103를 초과하는 큰 온/오프 비를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 광조사 하에서 아르곤 가스를 사용한 스퍼터링법으로 형성되고, In-Ga-Zn-0를 포함한 비정질 산화물을 지향한다. 좀더 구체적으로, 본 발명은, 결정 상태에 있어서의 조성 InGaO3(Zn0)m(m은 6미만의 자연수)로 나타내는 미세결정을 함유한 투명 비정질 산화 박막을 지향한다. 1×10-2Pa을 초과하는 높은 산소분압을 갖는 분위기 중에서 도 8에 나타낸 장치를 이용한 스퍼터링법으로 그러한 막을 얻을 수 있다. 이 경우, 기판의 온도를 의도적으로 가열하지 않기 때문에, 거의 실온으로 유지한다. 플라스틱 필름을 기판으로서 사용하는 경우, 기판온도는 100℃미만으로 유지하는 것이 바람직하다. 산소분압을 한층 더 증가시킴으로써, 전자 캐리어수를 저하시킬 수 있다.
좀더 구체적으로, 본 발명은, 광조사 하에 스퍼터링 증착법으로 제작한 In-Ga-Zn-O를 포함한 비정질 산화물을 지향한다. 본 발명에 의하면, 1×103를 초과하는 온/오프 비를 갖는 노멀리 오프의 트랜지스터를, 결정 상태에 있어서의 조성 InGaO3(Zn0)m(m은 6미만의 자연수)로 나타내는 미세결정을 함유한 투명 비정질 산화 박막을 이용해서 형성할 수 있다.
광조사 하에서 펄스 레이저 증착법 및 스퍼터링법으로 제작한 박막에 있어서는, 전도 전자수의 증가와 함께, 전자 이동도가 증가한다.
이 경우, 타겟으로서, 다결정 InGaO3(Zn1 - xMgxO)m(m은 6미만의 자연수, 0<x≤1)을 사용하면, 1Pa 미만의 산소분압 하에서도, InGaO3(Zn1 - xMgxO)m의 조성을 가진 고저항 비정질막을 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 산소분압을 제어함으로써 산소 결함을 극복할 수 있다. 그 결과, 특정한 불순물 이온을 첨가하는 일 없이, 전자 캐리어 농도를 감소할 수 있다. 광조사 하에서 도 1 내지 5 중 어느 하나에 따른 박막을 형성함으로써 본 발명에 따른 비정질 산화물을 얻을 수 있다. 도 7 및 도 8에 다른 장치를 사용하는 경우에는, 산소분압, 예를 들면, 후술하는 소정의 범위 내에서 막을 형성할 수 있다. 미세결정을 함유한 비정질 상태에서는, 미세결정의 입자 계면(grain boundary interface)이 비정질 구조로 덮여(둘러싸여) 있다. 따라서, 전자 및 홀을 트랩핑(trapping) 가능한 입자 계면은 아연 산화물과 같은 다결정 상태와 달리 사실상 존재하지 않는다. 그 결과, 전자 이동도가 높은 비정질 박막을 얻을 수 있다. 한층 더, 특정한 불순물을 첨가하지 않고, 전도 전자 수를 줄일 수 있다. 전자는 불순물 이온에 의해 산란하지 않기 때문에, 전자 이동도를 높게 유지할 수 있다. 본 발명에 따른 미세결정은, InGaO3(ZnO)m(m은 6미만의 자연수)로 나타내는 조성을 갖는 것에 한정되지 않는다.
상기한 투명막을 사용한 박막 트랜지스터에 있어서, Al203, Y203, 및 HfO2으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 두 개의 화합물을 함유한 혼합 결정 화합물로 게이트 절연체를 형성하는 것이 바람직하다. 게이트 절연 박막과 채널층 박막과의 계면에 결함(결핍)이 존재하면, 전자 이동도가 감소하고, 트랜지스터 특성으로서의 히스테리시스가 생긴다. 또한, 게이트 절연체의 종류가 다르면, 리크 전류가 크게 변화한다. 이 때문에, 채널층에 적합한 게이트 절연체를 선정할 필요가 있다. (게이트 절연체로서) Al203막을 사용하면, 리크 전류를 저감할 수 있다. Y203막을 사용하면, 히스테리시스를 줄일 수 있다. 고유전율의 HfO2막을 사용하면, 전자 이동도를 증가시킬 수 있다. 또한, 이들 화합물의 혼합 결정을 (게이트 절연체로서) 사용하면, 리크 전류 및 히스테리시스가 작고, 전자 이동도가 큰 TFT를 형성할 수 있다. 게이트 절연체 형성 프로세스 및 채널층 형성 프로세스는, 실온에서 행할 수 있으므로, 스태거 구조 TFT뿐만 아니라 역 스태거 구조 TFT도 형성할 수 있다.
TFT는, 3단자, 즉 게이트 단자, 소스 단자, 및, 드레인 단자를 구비한 디바이스이다. TFT에 있어서, 세라믹, 유리, 또는 플라스틱 기판 등의 절연 기판 위에 형성된 반도체 박막을, 전자 및 홀이 이동하는 채널층으로서 사용한다. 게이트 단자에 전압을 인가하여, 채널층에 흐르는 전류를 제어함으로써, 소스 단자와 드레인 단자 간의 전류를 스위칭한다. TFT는 그러한 스위칭 기능을 갖기 때문에 능동 소자이다. 비정질 산화물에 함유된 미세결정은 상술한 바와 같이 광 조사(특히, 할로겐 램프 또는 UV 조사에 의한 광 조사)에 의해 형성될 수도 있고, 또 광 조사 이외의 다른 방법에 의해 형성될 수도 있다.
<제2 실시 예: 비정질 산화물의 조성 분포>
본 실시 예에 의하면, 비정질 산화물은 막 두께 방향으로 조성이 변하는 것을 특징으로 한다.
"막 두께 방향으로 조성이 변한다"라는 것은, 산소에 함유된 산소량이 막 두께 방향으로 변화하고, 산소를 구성하는 원소가 그 중간(즉 조성 변화)에서 변화하며, 산소를 구성하는 원소의 함유량이 변화한다는 것을 의미한다.
따라서, 전계효과 트랜지스터의 활성층(채널층이라고도 함)으로서 비정질 산화물을 사용하는 경우, 예를 들면, 이하의 구성이 바람직하다. 비정질 산화물을 함유한 활성층과, 계면에서 서로 접하고 있는 게이트 절연체를 가진 트랜지스터에 있어서는, 계면 부근의 산소농도가 계면으로부터 떨어져 있는 영역보다 높게 설정되도록 비정질 산화층을 구성한다. 이 경우, 계면 부근의 비정질 산화층의 전기 저항은 높기 때문에, 소위 트랜지스터의 채널은 계면으로부터 떨어진 비정질 산화층 내 에 형성된다. 전류 누설을 줄일 수 있기 때문에, 계면이 거친 표면일 때 그러한 구성이 바람직하다.
즉, 트랜지스터의 활성층으로서 상기 비정질 산화물을 이용하는 경우, 제1 영역과, 상기 제1 영역보다 게이트 절연체에 더 인접한 제2 영역으로 구성되도록 활성층을 설계하는 것이 바람직하고, 제2 영역 내의 산소 농도는 제1 영역 내의 산소 농도보다 크다. 부수적으로, 이 2개의 영역은 경계를 구분가능할 필요는 없지만, 그들 각각의 조성을 점차적으로 혹은 단계적으로 변경하면 좋다.
특히, 비정질 산화물의 전자 캐리어 농도는 1018/cm3미만이 바람직하다.
기판 위에 형성된 막의 방향은, 기판의 평면에 있어서의 방향이 아닌 모든 방향, 예를 들면, 기판의 평면에 있어서의 방향과 수직인 방향을 의미한다. 또한, In 및 Zn으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 가진 비정질 산화물로 형성된 활성층과, 계면에서 활성층과 접해 있는 게이트 절연체를 갖는 트랜지스터에 있어서, 계면에 인접한 비정질 산화층(활성층)의 영역 내에 포함된 In 또는 Zn의 농도는 계면으로부터 떨어져 있는 영역보다 높다. 이 경우, 전자 전계효과 이동도를 향상시킬 수 있다.
즉, 트랜지스터의 활성층으로서 상기 비정질 산화물을 이용하는 경우, 제1 영역과, 상기 제1 영역보다 게이트 절연체에 더 인접한 제2 영역으로 구성되도록 활성층을 설계하는 것이 바람직하고, 제2 영역 내의 In 또는 Zn 농도는 제1 영역 내의 In 또는 Zn 농도보다 크다.
제2 발명에 따른 산화막은 In-Ga-Zn-0을 포함하고, 막 두께 방향으로 그것의 조성이 변화하며, 결정 상태 부분의 조성이 InGa03(ZnO)m(m은 6미만의 자연수)로 표현되고, 전자 캐리어 농도가 1×1018/cm3미만인 것을 특징으로 한다.
또는, 제2 발명에 따른 산화막은, In-Ga-Zn-Mg-0을 포함하는 투명 비정질 산화막으로서, 막 두께 방향으로 그 조성이 변화하며, 결정 상태 부분의 조성이 InGa03(Zn1- xMgxO)m(m은 6미만의 자연수, 0<x≤1)로 표현되며, 전자 캐리어 농도가 1×1018/cm3인 것을 특징으로 한다. 이들 막은, 1cm2/V.sec을 초과하는 전자 이동도를 갖는 것이 바람직하다.
상기 막을 채널층으로서 사용하면, TFT 오프시(노멀리 오프)의 게이트 전류가 0.1 마이크로암페어 미만, 온/오프비가 1×104을 초과하며, 가시광에 투명한 트랜지스터 특성을 지닌 플렉시블 TFT를 얻을 수 있다.
그러한 투명막은, 전도 전자수의 증가와 함께, 전자 이동도가 증가하는 것을 특징으로 한다. 투명막을 형성하는 기판으로서는, 유리 기판, 플라스틱 기판 또는 플라스틱 필름을 사용하는 것이 가능하다.
상기 투명 산화막을 트랜지스터의 채널층으로서 이용하는 경우에는, Al203, Y203, 및 HfO2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종의 화합물, 또는 Al203, Y203, 및 HfO2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 2종의 화합물을 포함한 혼합 결정 화 합물을 게이트 절연체로서 사용하는 것도 바람직하다.
또한, 전기 저항을 향상시키기 위한 불순물 이온을 의도적으로 첨가하지 않고, 산소를 포함한 분위기 중에, 막을 형성하는 것도 바람직하다.
본 발명자들은, 이 반절연성 비정질 산화물 박막의 특이한 특성을 찾아냈다. 즉, 전도 전자수의 증가와 함께, 전자 이동도가 증가한다는 것을 찾아냈다. 또 그들은, 그 막을 사용해서 TFT를 형성했고, 온/오프비, 핀치 오프 상태에서의 포화 전류, 및 스위치 속도 등의 트랜지스터 특성이 더 향상한다는 것을 찾아냈다.
투명 반절연성 비정질 산화물 박막을 채널층으로서 사용하여 형성된 박막 트랜지스터에 있어서, 전자 이동도가 1cm2/V.sec 초과, 바람직하게는 5cm2/V.sec 초과하고, 또 전자 캐리어 농도가 1×1018/cm3미만, 바람직하게는, 1×10166/cm3미만일 때는, 오프시(게이트 전압이 인가되지 않은 경우)의 드레인과 소스 단자 간의 전류를, 10 마이크로암페어 미만, 바람직하게는 0.1 마이크로암페어 미만으로 줄일 수 있다. 또한, 이 경우(상기 박막을 사용하면), 전자 이동도가 1cm2/Ⅴ.sec 초과, 바람직하게는 5cm2/V.sec 초과시에는, 핀치 오프 후의 포화 전류를 10 마이크로암페어 이상으로 증가시킬 수 있다. 간략히, 온/오프비를 1×104 이상으로 증가시킬 수 있다.
TFT에서는, 핀치 오프 상태에서는, 게이트 단자에 고전압이 인가되어, 채널 중에는 고밀도의 전자가 존재한다. 따라서, 본 발명에 의하면, 전자 이동도의 증가 에 대응한 만큼만, 포화 전류를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 온/오프비, 포화 전류, 및 스위칭 속도 등의 거의 모든 트랜지스터의 특성이 증가 및 향상한다. 또한, 일반적인 화합물 중에서는, 전자 수가 증대하면, 전자 간의 충돌에 의해, 전자 이동도가 감소한다.
본 발명에 따른 비정질 산화물은, 반도체 채널층 위에 게이트 절연체와 게이트 단자를 이 순서대로 순차적으로 형성하는 스태거(톱 게이트)구조의 TFT와, 게이트 단자 위에 게이트 절연체와 반도체 채널층을 이 순서대로 순차적으로 형성하는 역 스태거(바텀 게이트)구조의 TFT에 사용될 수 있다.
<막 조성>
결정 부분에 있어서의 조성을 InGaO3(ZnO)m(m은 6미만의 자연수)로 나타내는 투명 비정질 산화물 박막에 있어서, m의 값이 6미만인 경우에는, 800℃이상의 고온까지, 비정질 상태가 안정적으로 유지될 수 있다. 그렇지만, m의 값이 증가함에 따라, 즉, InGaO3에 대한 ZnO의 비가 증대하고(즉, 이 막의 조성이 ZnO에 가까이 감에 따라), 막을 결정화하기 쉬워진다.
이 이유 때문에, 비정질막을 비정질 TFT의 채널층으로서 사용하는 경우, m의 값이 6미만인 것이 바람직하다.
상기 언급한 투명막을 이용하는 박막 트랜지스터는, Al203, Y203, 및 HfO2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종의 화합물을 포함한 혼합 결정 화합물, 또는 Al203, Y203, 및 HfO2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 2종의 화합물을 포함 한 혼합 결정 화합물로 형성된 게이트 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 게이트 절연 박막과 채널층 박막과의 계면에 결함(결핍)이 존재하는 경우, 전자 이동도가 감소하고, 트랜지스터 특성으로서의 히스테리시스가 생긴다. 또한, 게이트 절연체의 종류가 다르면, 리크 전류가 크게 변화한다. 이 때문에, 채널층에 적합한 게이트 절연체를 선정할 필요가 있다. (게이트 절연체로서) Al203막을 사용하면, 리크 전류를 저감할 수 있다. Y203막을 사용하면, 히스테리시스를 줄일 수 있다. 고유전율의 HfO2막을 사용하면, 전자 이동도를 증가시킬 수 있다. 또한, 이들 화합물의 혼합 결정을 (게이트 절연체로서) 사용하면, 리크 전류 및 히스테리시스가 작고, 전자 이동도가 큰 TFT를 형성할 수 있다. 게이트 절연체 형성 프로세스 및 채널층 형성 프로세스는, 실온에서 행할 수 있으므로, 스태거 구조 TFT뿐만 아니라 역 스태거 구조 TFT도 형성할 수 있다.
TFT는, 3단자, 즉 게이트 단자, 소스 단자, 및 드레인 단자를 구비한 디바이스이다. TFT에 있어서, 세라믹, 유리, 또는 플라스틱 기판 등의 절연 기판 위에 형성된 반도체 박막을, 전자 및 홀이 이동하는 채널층으로서 사용한다. 게이트 단자에 전압을 인가하여, 채널층에 흐르는 전류를 제어함으로써, 소스 단자와 드레인 단자 간의 전류를 스위칭한다. TFT는 그러한 스위칭 기능을 갖기 때문에 능동 소자이다.
상술한 바와 같이, 제2 발명은, 투명막을 이용해서 전계효과 트랜지스터(FET)를 형성할 때, FET의 활성층으로서 기능을 하는 투명막의 막 두께 방향에 있어서의 조성을 개선하는 것을 지향한다.
구체적으로, 펄스 레이저 증착법을 사용하는 경우에는, 산소분압을 막 두께 방향으로 변화시키거나, 펄스 레이저의 발진 파워 혹은 발진 주파수를 변화시키거나, 또는 타겟과 기판 간의 거리를 막 두께 방향으로 변화시킴으로써, 막 두께 방향의 조성을 변화시킨다. 반면에, 스퍼터 증착법을 사용하는 경우에는, In203 혹은 ZnO 등의 타겟을 추가 스퍼터링해서, 막 두께 방향의 조성을 변화시킨다. 예를 들면, 산소 분위기 하에서 막을 형성하는 경우, 타겟과 기판 간의 거리가 증가함에 따라 막 내에 함유된 산소량이 증가한다. 또한, 막 형성 시에 ZnO 타겟이 추가되는 경우, Zn 타겟의 추가 후에 형성된 막에서는 Zn의 양이 증가한다.
<제3 실시 예:첨가물을 함유한 비정질 산화물>
본 실시 예에 따른 비정질 산화물은, Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, P, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn 및 F로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종 또는 복수 종을, 첨가물로서 함유하는 것을 특징으로 한다. 성막 장치에 사용하기 위한 가스에 또는 이 장치에 사용되는 타겟 재료에 첨가물을 도입해서 비정질 산화물에 첨가물을 도입하는 것을 달성한다. 물론, 첨가물 없이 비정질 산화물로부터 막을 형성한 후에, 후술하는 예에 나타낸 바와 같이 막에 첨가물을 도입해도 된다.
비정질 산화물의 전자 캐리어 농도는 1018/cm3미만인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 비정질 산화물은, In-Ga-Zn-O를 포함하며, 결정 상태에 있어서의 조성이 InGaO3(ZnO)m(m은 6미만의 자연수)로 표현되는 투명 비정질 산화물을 포함하고, In-Ga-Zn-Mg-0을 포함하며, 결정 상태의 조성이 InGaO3(Zn1 - xMgxO)m(m은 6미만의 자연수, 0<x≤1)으로 표현되는 산화물을 포함해도 된다. 한층 더, 이들 산화물에, Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, 및 P로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종 또는 복수 종의 원소를 첨가물로서 도입한다.
이에 따라, 전자 캐리어 농도를 감소시킬 수 있다. 전자 캐리어 농도를 대폭 감소시킨 경우에도, 전자 캐리어 농도가 저하하는 것을 방지할 수 있어, 전자 캐리어 농도의 제어가 쉬워진다. 따라서, 상기의 투명 비정질 산화막을 TFT의 채널층으로서 사용하면, TFT 패널이 대면적이라도, TFT 패널은 균일한 특성을 지닌다.
Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N 및 P를 불순물(첨가물)로서 사용하면, 상기 메카니즘의 상세한 것은 불분명하지만, 이들 불순물은, In, Ga, Zn, 0 중 어느 하나를 대신 사용해서 억셉터(acceptor)로서 기능을 할 수 있고, 전자 캐리어 밀도를 감소시킬 가능성이 있다. 일반적인 산화물 반도체에서는, 산소농도를 적절히 제어할 수 없기 때문에, 다량의 산소결함이 생긴다. 또, 다결정 상태 때문에 입자 경계에 결함이 생기는 경우에는, 불순물을 도입해도 전자 캐리어 밀도를 능숙하게 제어할 수 없는 경우가 많다. 그 점에서, 본 발명에 다른 투명 비정질 산화막은, 산소결함이 적고, 또 비정질 상태로 인해 입자 경계가 존재하지 않는다. 따라서, 불순물이 억셉터로서 효과적으로 작용한다고 생각된다. 전자 캐리어 밀도를 저하시킬 목적으로 산소분압을 높여서 박막을 형성하면, 원자 결합의 골격이 변화되어서, 전도대의 테일(tail) 상태가 증가한다. 이 테일 준위에 의해 전자가 트랩되면, 실질 적으로 전자 캐리어 이동도를 저하시킬 우려가 있다. 그렇지만, Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, 및 P의 첨가에 의해 산소분압을 적정한 범위 내에서 유지하면서 캐리어 밀도를 제어할 수 있다. 따라서, 전자 캐리어 이동도에의 영향을 상당히 적게 할 수 있다. 그 때문에, 산소분압을 조정하는 것만으로 전자 캐리어 농도와 전자 캐리어 이동도를 제어할 경우와 본 발명을 비교하면, 대면적의 기판을 사용하는 경우에도 산화막의 특성의 면내 균일성을 쉽게 향상시킬 수 다.
이하에 언급된 Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn 및 F로 이루어진 그룹으로부터 첨가물을 선택할 수도 있다.
원하는 효과를 얻기 위해서 필요한 불순물의 농도는, Si등으로 형성된 결정막보다 높은 대략 0.1∼3 atomic%정도라는 점에 유념한다. 이것은 비정질 상태에서 불순물 원자가 가전자를 제어하기 위한 효과적인 사이트에 들어갈 확률이 결정 상태보다 낮기 때문이라고 생각된다. 불순물 도입 방법으로, 타겟에 원하는 불순물을 도입하는 것이 가장 일반적이다. C, N 및 P 등의 불순물의 경우에는, 산소와 함께 CH4, NO 및 PH3 등의 가스를 분위기에 도입해서 막에 불순물을 도입할 수 있다. 불순물로서 금속 원소를 도입하는 경우에는, 투명 비정질 산화물막을 형성한 후에, 해당 금속 원소의 이온을 포함한 용액이나 페이스트(paste)에 상기 막을 접촉시킨다. 또, 유리 등 내열성이 높은 기판을 사용할 경우에는, 이들의 금속 원소를 기판에 미리 포함시킨 후에, 막 형성 중 또는 형성 후에, 기판을 가열해서, 투명 비정질 산화막에 그 금속원소를 확산시킨다. 예를 들면, 소다 유리는 10~20 atomic%의 Na를 함유하기 때문에, 이 소다 유리는 Na근원으로서 사용할 수 있다.
도 5는 전형적인 TFT의 소자의 구조를 나타낸다. TFT 소자에 있어서, 전자 캐리어 밀도를 감소시키는 것이 효과적인 부분은, 채널층(2) 중 드레인 전극(5)과 소스 전극(6) 사이에 삽입된 부분이다. 반면, 채널층(2) 중 드레인 전극(5) 및 소스 전극(6)과 접촉하는 부분은, 높은 전자 캐리어 밀도를 갖는 편이 유리하다. 그 이유는, 전극과의 콘택을 양호하게 유지할 수 있기 때문이다. 다시 말해, 이 부분에서는 불순물 농도가 낮은 것이 바람직하다. 이러한 구성은, 드레인 전극(5)과 소스 전극(6)을 형성한 후, 게이트 절연체(3)를 형성하기 전에, 채널층(2)을 불순물을 포함한 용액과 접촉시킴으로써 실현될 수 있다. 이것에 의해, 드레인 전극(5)과 소스 전극(6)을 마스크로서 사용해서 불순물을 확산시킬 수 있다.
도 5에 있어서, 채널층(2) 중에서, 특히 기판과 접촉하는 부분은 게이트 전극(4)에 의한 전자 캐리어 밀도의 제어가 미치기 어렵다. 이 때문에, 이 부분의 전자 캐리어 밀도는 미리 낮게 제압하면, 온/오프비를 높게 하는데 도움이 된다. 그러면, 상기 불순물의 농도를, 기판과의 계면에서 특히 높이는 것이 효과적이다. 이러한 구성은, 분위기에 도입하는 CH4, NO 및 PH3등의 가스의 농도를 제어해서, 과잉 농도에서 그 가스를 공급하기 시작해서 점차적으로 농도를 저하시킴으로서 실현될 수 있다. 혹은, 기판에 미리 포함된 Na 등의 불순물의 경우에는, 그러한 구성은, 적정한 온도로 기판을 가열해서 Na를 확산시킴으로써 실현될 수 있다.
비정질 산화물에, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn, 및 F로 이루어진 그룹으로부터 선 택된 적어도 1종 또는 복수 종을 첨가물로서 도입해도 된다. 이 경우, 전자 캐리어 농도를 1×1018/cm3미만으로 유지하면서 전자 이동도를 1cm2/V.sec 이상으로, 한층 더 5cm2/V.sec이상으로 증가시키는 것이 기대된다. 전자 전계 효과 이동도가 증가한 경우에도, 이것에 따라 전자 캐리어 농도가 증가하는 것이 적다. 그 때문에, 상기의 투명 비정질 산화막을 채널층으로서 사용하면, 온/오프비가 높고, 핀치 오프시의 포화 전류인가 크며, 게다가 스위칭 속도가 빠른 TFT를 얻는 것이 가능하다. 또, 산소분압의 조정만으로 전자 캐리어 농도와 전자 캐리어 이동도를 제어하는 경우보다, 대면적의 기판을 사용한 경우에도, 산화막 특성의 면내 균일성을 향상시키는 것이 쉽다.
그 메커니즘의 상세한 것은 불분명하지만, 산소분압을 높여서 산화물을 형성하는 경우, 전도대 아래의 부분의 테일 준위 밀도가 높기 때문에, 이동도가 저하할 가능성이 있다. 그렇지만, Ti , Zr, V, Ru, Ge, Sn, 및 F 등의 불순물은, 원자 결합의 골격에 작용해, 테일 준위를 감소시키기 때문에, 전자 캐리어 밀도를 유지하면서 전자 캐리어 이동도를 향상시킬 수 있다.
상기 언급한 이들 불순물은, 0.1~3 atomic% 또는 0.01∼1atomic%의 범위 내의 농도에서 사용하는 것이 바람직하다. "atomic %"란 산화물에 함유된 구성 원소의 원자 수의 비이다. 산소량을 측정하는 것이 어려운 경우에는, 산소 이외의 구성 원소의 원자 수의 비로 상기 언급한 범위를 정의해도 된다. 불순물의 도입 방법으로, 원하는 불순물을 타겟에 도입하는 것이 가장 일반이다. F의 불순물의 경우에 는, 산소와 함께 SF6, SiF4, 또는 CLF3 등의 가스를 분위기에 도입함으로써 막에 F의 불순물을 도입할 수 있다. 불순물로서 금속 원소를 도입하는 경우에는, 투명 비정질 산화막을 형성한 후, 해당 금속 원소의 이온을 포함한 용액이나 페이스트에 막을 접촉시킨다.
도 5는 전형적인 TFT 소자의 구조를 나타낸다. TFT 소자에 있어서, 특히 높은 이동도가 요구되는 부분은 게이트 절연체(3)와 접촉하는 채널층(2)의 부분이다. 그러면, 본 발명의 불순물의 농도는, 특히 게이트 절연체(3)와의 계면에서 높아지면 효과적이다. 이러한 구성은, (하위 준위에서 시작하는) 가스의 농도를 증가시키면서 채널층을 형성할 때에, 분위기에 SF6, SiF4, 및 CLF3등의 가스를 도입함으로써 실현될 수 있다.
본 발명에 있어서는, 기본적으로, 산소량(산소 결손량)을 제어해서 원자의 결합 구조를 적절하게 형성할 수 있는 것이 중요하다.
상기 기재에 있어서는, 소정의 산소량을 함유한 분위기에서 막을 형성함으로써 투명 산화막의 산소량을 제어한다. 산화막을 형성한 후에 산소를 포함한 분위기 중에서 처리함으로써 산소 결손량을 제어(저감 혹은 증가)하는 것도 바람직하다.
효과적으로 산소 결손량을 제어하기 위해서는, 산소를 포함한 분위기 중에서 온도를 0~300℃(양쪽을 포함), 바람직하게는, 25℃~250℃(양쪽을 포함), 더 바람직하게는 100℃~200℃(양쪽을 포함)로 설정해서 막을 처리한다.
물론, 막 형성뿐만 아니라 막 형성 후의 처리도 산소를 포함한 분위기 중에 서 행한다. 또한, 소정의 전자 캐리어 농도(1×1018/cm3미만)를 취득할 있으면, 산소분압을 제어하지 않고 막을 형성한 후에 산소를 포함한 분위기 중에서 막을 처리해도 된다.
본 발명에 있어서는, 전자 캐리어 농도의 하한은, 취득한 산화막의 사용, 좀더 구체적으로, 소자, 회로 및 장치의 종류에 의존해서 변화하지만, 예를 들면 1×1014/cm3이상이 바람직하다.
이하, 실시 예 1~3에 적용가능한 비정질 산화물에 관하여 상세히 설명한다. 비정질 산화물 또는 그 제조방법에, 이하의 조건을 부가한다. 제1 실시 예에 따른 발명에 있어서는, 제조조건에 광조사를 추가한다. 제2 실시 예에 따른 발명에 있어서는, 예에서 설명한 것과 같이 막 조성을 변경하기 위한 수단을 이용한다. 제3 실시 예에 따른 발명에 있어서는, 막 형성 조건 이외에도, 불순물을 첨가하기 위한 타겟 및 가스를 사용하거나, 막 형성 후에, 이하에 나타낸 비정질 산화물에 불순물을 첨가하는 소정의 방법을 이용해도 된다.
(비정질 산화물)
이하 본 발명의 상기 실시 예 1 내지 3에 사용된 활성층에 대해서 설명한다.
본 발명에 있어서의 비정질 산화물의 전자 캐리어 농도는 실온에서 측정된 값이다. 실온은 0℃에서 약 40℃정도까지의 온도, 예를 들면, 25℃이다. 본 발명에 있어서의 비정질 산화물의 전자 캐리어 농도는 0℃~40℃ 범위 전반에 걸쳐 1018/cm3 초과해야 한다. 예를 들면, 25℃의 온도에서의 1×1018/cm3 미만의 전자 캐리어 농도는 수용가능하다. 1×1017/cm3 미만 혹은 1×1016/cm3 미만의 낮은 전자 캐리어 농도에서는, 노멀리 오프형의 TFT를 높은 수율로 제조할 수 있다.
본 명세서에 있어서, "1018/cm3 미만"은 "바람직하게는 1×1018/cm3 미만, 더 바람직하게는 1.0×1018/cm3 미만"을 의미한다.
전자 캐리어 농도는 Hall Effect의 계측에 의해 측정될 수 있다.
본 발명에 있어서의 비정질 산화물은, 할로(halo) 패턴을 나타내고, X-선 회절 분광계에서 특징적인 회절선이 없는 산화물이다.
본 발명의 비정질 산화물에 있어서, 전자 캐리어 농도의 하한은 예를 들면 1×1012/cm3이지만, TFT의 채널층으로서 적용가능하면 한정되지 않는다.
따라서, 본 발명에 있어서, 전자 캐리어 농도는 예를 들면, 1×1012/cm3 ~1×1018/cm3의 범위, 바람직하게는 1×1013/cm3 ~1×1017/cm3의 범위, 더 바람직하게는 1×1015/cm3 ~1×1016/cm3의 범위에 있도록 후술하는 예에서와 같이 비정질 산화물의 재료, 조성비, 제조 조건 등을 제어함으로써 조절된다.
InZnGa 산화물 이외의 비정질 산화물은, In 산화물, InxZn1 -x 산화물(0.2≤x≤1), InxSn1 -x산화물(0.8≤x≤1), 및 Inx(Zn,Sn)1-x 산화물(0.15≤x≤1)로부터 적절하 게 선택될 수 있다. Inx(Zn,Sn)1-x 산화물은 또한 Inx(ZnySn1 -y)1-x(0≤y≤1)로 표현될 수도 있다.
In 산화물은 Zn이나 Sn 어느 것도 포함하지 않을 때, In이 Ga:InxGa1 -x 산화물(0≤x≤1)로 부분적으로 대체될 수 있다.
본 발명의 발명자들에 의해 제조되는 1×1018/cm3의 전자 캐리어 농도의 비정질 산화물에 대해서는 후에 상세히 설명한다.
상술한 산화물의 하나의 그룹은 결정상태에 있어서의 InGaO3(ZnO)m(m은 6미만의 자연수)로 표현되고, 1×1018/cm3 미만의 농도의 전자 캐리어를 함유한, In-Ga-Zn-O로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 산화물의 다른 그룹은, 결정상태에서의 InGaO3(Zn1 - xMgxO)m(m은 6미만의 자연수; 0<x≤1)로 표현되고, 1×1018/cm3 미만의 농도의 전자 캐리어를 함유한, In-Ga-Zn-Mg-O로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그러한 산화물로 구성된 막은 바람직하게는 1cm2/V.sec 초과의 전자 이동도를 나타내도록 디자인되는 것이 바람직하다.
상기 막을 채널층으로서 사용하면, 트랜지스터 오프 상태에서 게이트 전류가 0.1 마이크로암페어 미만의 노멀리 오프이며, 1×103 초과의 온-오프 비를 갖고, 가시광선에 투명하고, 블렉시블한 TFT를 제조할 수 있다.
상기 막에 있어서는, 전도 전자의 증가와 함께 전자 이동도가 증가한다. 투명막을 형성하는 기판은 유리 기판, 플라스틱 기판, 및 플라스틱 필름을 포함한다.
상기 비정질 산화막을 채널층으로서 사용하면, Al2O3, Y203 , 혹은 HfO2나 그것의 혼합 결정 화합물로 이루어진 층들 중 적어도 하나는 게이트 절연체로서 유용하다.
바람직한 실시 예에 있어서는, 전기 저항을 증가시키기 위한 불순물을 의도적으로 비정질 산화물에 첨가하지 않고, 산소 가스를 포함한 분위기 중에서 막을 형성한다.
본 발명의 발명자 등은, 반절연성 산화물의 비정질 박막이, 전도 전자수의 증가와 함께 전자 이동도가 증가하는 특성을 지닌다는 것을 찾아냈고, 더 나아가서, 그 막을 사용해서 TFT를 제조하면, 온-오프비, 핀치-오프 상태에서의 포화 전류, 및 스위칭 속도 등의 트랜지스터 특성이 더욱 향상한다는 것을 찾아냈다. 이와 같이, 노멀리 오프형의 TFT를 비정질 산화물을 이용해서 제조할 수 있다.
비정질 산화 박막을 박막 트랜지스터의 채널층으로서 사용하면, 전자 이동도는 1cm2/V.sec 초과, 바람직하게는 5cm2/V.sec 초과할 수 있다. 오프 상태에서(게이트 전압이 인가되지 않음) 드레인 단자와 소스 단자 간의 전류가 10 마이크로암페어 미만으로 제어될 수 있고, 바람직하게는 1×1018/cm3미만, 바람직하게는 1×1016/cm3미만의 캐리어 농도에서 0.1 마이크로암페어 미만으로 제어될 수 있다. 또, 이 박막을 사용하면, 핀치-오프 후의 포화 전류가 10 마이크로암페어 이상으로 증가할 수 있고, 온-오프 비는, 1cm2/V.sec초과, 바람직하게는 5cm2/V.sec초과의 전자 이동도에 대하여 1×103 초과하도록 상승할 수 있다.
TFT의 핀치-오프 상태에서, 고전압은 게이트 단자에 인가되고 있고, 그 채널 내에는 고밀도의 전자가 존재하고 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 전자 이동도가 증가한 만큼 포화 전류가 증가할 수 있다. 그것에 의해, 온-오프 비의 증대, 포화 전류의 증대, 및 스위칭 속도의 증가 등, 트랜지스터 특성들을 향상시킬 수 있다. 반면에, 일반적인 화합물 중에서는, 전자의 수가 증가하면, 전자들 간의 충돌에 의해 전자 이동도가 감소한다.
상기 TFT의 구조로서는, 반도체 채널층 위에 게이트 절연체와 게이트 단자를 순차적으로 형성하는 스태거(톱 게이트) 구조나, 게이트 단자 위에 게이트 절연체와 반도체 채널층을 순차적으로 형성하는 역 스태거(바텀 게이트) 구조를 사용할 수 있다.
(막 형성을 위한 제1 프로세스: PLD법)
결정상태에 있어서의 InGaO3(ZnO)m(m은 6미만의 자연수)의 조성을 갖는 비정질 산화물 박막은, m이 6미만인 경우에, 800℃ 이상의 고온까지 안정하고, m이 증가함에 따라, 즉 InGaO3에 대한 ZnO의 비가 증대하여 ZnO의 조성에 가까이 감에 따라, 산화물의 결정화화가 쉬워진다. 따라서, 비정질 TFT의 채널층으로서 사용하기 위해 산화물의 값 m이 6미만인 것이 바람직하다.
InGaO3(ZnO)m 조성을 갖는 다결정 소결체를 타겟으로서 사용해서, 기상 성막법으로 막을 형성하는 것이 바람직하다. 기상성막법 중에서도, 스퍼터링법, 및 펄스 레이저 증착법이 적합하다. 양산성의 관점에서는, 스퍼터링법이 특히 적합하다.
그렇지만, 일반적인 조건 하에서 상기 비정질막을 형성하면, 산소 결손이 생겨, 전자 캐리어 농도를 1×1018/cm3미만, 전기 전도도를 10S/cm이하로 할 수 없다. 그러한 박막을 사용했을 경우, 노멀리 오프의 트랜지스터를 구성하는 것이 불가능하다.
본 발명의 발명자들은, 도 7에 나타낸 장치를 이용해서 펄스 레이저 증착법으로 In-Ga-Zn-0막을 제작했다.
도 7에 나타낸 바와 같이, PLD 성막장치를 이용해서 막을 형성했다.
도 7에 있어서, 참조번호 701은 RP(rotary pump), 702는 TMP(turbo molecular pump), 703은 예비 챔버, 704는 RHEED용 전자총, 705는 기판을 회전시켜 수직으로 이동시키기 위한 기판 홀딩수단, 706은 레이지 도입창, 707은 기판, 708은 타겟, 709는 방사원, 710은 가스 입구, 711은 타겟을 회전시켜서 수직으로 이동시키기 위한 타겟 홀딩수단, 712는 바이패스 라인, 713은 메인 라인, 714는 TMP(turbo molecular pump), 715는 RP(rotary pump), 716은 티탄 게터(getter) 펌프, 717은 셔터, 718은 IG(ion manometer), 719는 PG(Pirani gage), 720은 BG(baratron gage), 721은 성장 챔버이다.
KrF 엑시머 레이저를 이용한 펄스 레이저 증착법에 의해, SiO2 유리 기판(코닝사제:1737) 위에 In-Ga-Zn-0 타입의 비정질 산화물 반도체 박막을 증착했다. 증착 전의 전처리로서, 아세톤, 에탄올, 및 초고순도 물로 각각 5분 동안 탈지하기 위한 기판을 초음파적으로 세정했고, 공기 중에서 100℃에서 건조시켰다.
다결정 타겟은, InGaO3(ZnO)4 소결체(사이즈: 20mm 직경, 5mm 두께)로서, 원재료(용매:에탄올)로서 In2O3, Ga2O3, 및 ZnO(각 4N 시약)을 습식 혼합하고, 이 혼합물을 (1000℃, 2시간) 하소하며, 그것을 건식 분쇄하고, 그것을 (1550℃, 2시간) 소결시킴으로써 제작되었다. 이 타겟은 90 S/cm의 전기 전도도를 가졌다.
성장 챔버의 최종의 진공을 2×10-6Pa가 되도록 제어하고 성장시의 산소 분압을 6.5Pa가 되도록 제어함으로써 막을 형성했다. 성장 챔버(721) 내의 산소 분압은 6.5Pa였고, 기판 온도는 25℃였다. 타겟(708)과 막 홀딩 기판(707) 간의 거리는 30mm였고, 도입창(716)을 통해서 도입된 파워는 1.5-3 mJ/cm2/펄스의 범위에 있었다. 펄스 폭은 20nsec였고, 반복 주파수는 10Hz였으며, 조사 스폿 사이즈는 1×1 mm 스퀘어였다. 상기 조건 하에서, 7nm/min의 속도로 막을 형성했다.
SAXS(Small Angle X-ray Scattering)법(박막법, 입사각:0.5°)으로 결과로서 얻는 박막을 검사한 바, 회절 피크는 검출되지 않았다. 이와 같이 제작한 In-Ga-Zn-O 타입 박막은 비정질이라고 판정되었다. X선 반사율 및 그것의 패턴의 해석으로부터, 평균 자승 거칠기(Rrms)는 약 0.5nm이며, 막 두께는 약 120nm이라는 것을 알았다. 형광 X선 분광계의 분석(XRF)으로부터, 막의 금속 조성비가 In:Ga:Zn=0.98:1.02: 4라는 것을 알았다. 전기 전도도는 약 1×10-2S/cm미만이었다. 전자 캐리어 농도는 1×10-16/cm3미만이라고 추정되었다. 전자 이동도는 약 5cm2/V.sec이라고 추정되었다. 광 흡수 스펙트럼의 해석으로부터, 제작한 비정질 박막의 광 밴드갭 에너지 폭은, 약 3eV라고 추정되었다.
상기 결과로부터, 제작한 In-Ga-Zn-0 타입 박막이, 결정의 InGaO3(ZnO)4에 가까운 조성의 비정질 상을 가지며, 산소결손이 적고, 전기 전도도가 낮은 투명한 평탄 박막이라는 것을 알았다.
특히, 도 1을 참조해서 상기 막 형성에 대해서 설명한다. 도 1은, 상기 예에서와 같은 막 형성 조건 하에서 가정한 결정상태에서의 InGaO3(ZnO)m(m은 6미만의 정수)의 조성을 가진 막의 산소분압에 대한, 형성된 투명한 비정질 산화물 박막의 전자 캐리어 농도의 의존성을 나타낸다.
상기 예에서와 같은 조건 하에서 산소분압을 4.5Pa 초과한 분위기에서 막을 형성함으로써, 도 1에 나타낸 바와 같이 전자 캐리어 농도를 1×1018/cm3미만으로 낮출 수 있었다. 이 막 형성 시, 기판은 의도적으로 가열하지 않는 상태에서 거의 실온으로 유지되었다. 플렉시블 플라스틱 필름을 기판으로서 사용하기 위해서는, 기판 온도는 100℃미만의 온도로 유지되는 것이 바람직하다.
산소분압을 높게 하면 전자 캐리어 농도를 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 기판온도 25℃, 산소분압 5Pa에서 형성된 얇은 InGa03(ZnO)4막은, 낮은 전자 캐리어 농도 1×1016/cm3를 가졌다.
취득한 박막에 있어서, 도 2에 나타낸 바와 같이 전자 이동도는 1cm2/V.sec보다 컸다. 그렇지만, 이 예에서와 같이 6.5Pa보다 큰 산소 분압에서 펄스 레이저 증착으로 증착된 막은 거친 표면을 지니고 있어, TFT의 채널층에는 적합하지 않다.
따라서, 노멀리 오프형의 트랜지스터는 상기 예에 있어서의 펄스 레이저 증착법으로 4.5Pa보다 큰, 바람직하게는 5Pa보다 크지만, 6.5Pa보다는 작은 산소 분압에서 형성된 결정상태에 있어서의 InGaO3(ZnO)m(m:6미만의 수)로 나타내는 투명한 얇은 비정질 산화물을 이용해서 형성될 수 있다.
상기 취득한 박막은 1cm2/보다 큰 전자 이동도를 나타냈고, 온-오프비는 1×103보다 크게 할 수 있었다.
상술한 바와 같이, 이 예에 나타낸 조건 하에서 PLD법으로 InGaZn 산화막을 형성할 때, 산소분압은 바람직하게는 4.5Pa~6.5Pa의 범위에서 제어된다.
1×1018/cm3의 전자 캐리어 농도를 달성하기 위해서는, 산소분압 조건, 성막장치의 구성, 성막 재료의 종류 및 조성을 제어해야 한다.
다음에, 도 5에 나타낸 톱 게이트형 MISFET 소자를, 6.5Pa의 산소분압에서 상술한 장치로 비정질 산화물을 형성함으로써 제작했다. 특히, 유리기판(1) 위에, 120nm 두께의 반절연성 비정질 InGaO3(ZnO)4막을, 비정질의 얇은 Ga-Ga-Zn-0막의 제작법에 의해 채널층(2)으로서 형성했다. 한층 더, 그 위에, 챔버 내의 산소분압을 1Pa미만으로 해서, 펄스 레이저 증착법에 의해 전기 전도도가 큰 InGa03(ZnO)4막과 금막을 각각 30nm의 두께로 적층했다. 다음에, 포토리소그래피법 및 리프트 오프법에 의해, 드레인 단자(5) 및 소스 단자(6)를 형성했다. 최후에, 게이트 절연체(3)로서 사용하는 Y203막을 전자 빔 증착법에 의해 형성했다(두께:90nm, 비유전률: 약 15, 리크 전류밀도:0.5MV/cm의 인가시에 1×10-3A/cm3). 그 위에, 금막을 형성했고, 포토리소그래피법과 리프트 오프법에 의해, 게이트 단자(4)를 형성했다.
MISFET 소자의 특성 평가
도 6은 실온하에서 측정한 MISFET 소자의 전류-전압 특성을 나타낸다. 드레인 전압 VDS의 증가에 따라 드레인 전류 IDS가 증가한 것으로부터 채널이 n형 반도체라는 것을 안다. 이것은, 비정질 In-Ga-Zn-0형 반도체가 n형이라고 하는 사실과 일치한다. IDS는 VDS=6V에서 포화(핀치 오프)하는, 전형적인 반도체 트랜지스터의 거동을 나타낸다. 이득 특성의 조사 결과, VDS=4V 인가시에 있어서의 게이트 전압 VGS의 임계값은 약 -0.5V이라는 것을 발견했다. VG=10V에서는 IDS=1.0×10-5A의 전류가 흘렀다. 이것은 게이트 바이어스에 의해 In-Ga-Zn-0형 비정질 반도체 박막 내의 캐리어 유기에 대응한다.
트랜지스터의 온-오프비는, 1×103보다 컸다. 출력 특성으로부터, 전계 효과 이동도는 약 7cm2(Vs)-1로 산출되었다. 가시광의 조사에 의해서, 같은 측정에 따라 제작한 소자의 트랜지스터 특성이 변화되지는 않았다.
본 발명에 의하면, 전기 저항이 높고, 전자 이동도도 높으며, 낮은 농도에서 전자 캐리어를 포함한 채널층을 갖는 박막 트랜지스터를 제작할 수 있다.
상기 비정질 산화물은 전자 캐리어 농도의 증가와 함께 전자 이동도가 증가하는 우수한 특성을 지니고 있으며, 축퇴 전도(degenerate conduction)를 나타낸다. 이 예에 있어서는, 유리 기판 위에 박막을 형성했다. 그렇지만, 플라스틱 기판 또는 필름은 실온에서 막을 형성할 수 있기 때문에 기판으로서 유용하다. 또, 이 예에서 취득한 비정질 산화물은, 적은 양의 가시광을 흡수하여 투명한 플렉시블 TFT를 제공한다.
(막 형성을 위한 제2 프로세스: 스퍼터링법(SP법))
이하, 아르곤 가스를 분위기 가스로서 사용해서 고주파 SP법으로 막을 형성하는 것에 대해서 설명한다.
도 8에 나타낸 장치를 이용해서 SP법을 수행했다. 도 8에서, 참조번호 807은 막 형성용 기판, 808은 타겟, 805는 냉각기구를 구비한 기판 홀딩수단, 814는 터보 분자 펌프, 815는 로터리 펌프, 817은 셔터, 818은 이온 마노미터, 819는 Pirani 게이지, 821은 성장 챔버, 830은 게이트 밸브이다.
막 형성용 기판(807)은, 아세톤, 에탄올, 및 초고순도 물로 각각 5분 동안 탈지하기 위해 초음파적으로 세정했고, 공기 중에서 100℃에서 건조시켰던 SiO2 유리 기판(코닝사제:1737)이었다.
타겟은, InGaO3(ZnO)4(사이즈: 20nm 직경, 5mm 두께)의 조성을 갖는 다결정 소결체로서, 원재료(용매:에탄올)로서 In2O3, Ga2O3, 및 ZnO(각 4N 시약)을 습식 혼합하고, 이 혼합물을 (1000℃, 2시간) 하소하며, 그것을 건식 분쇄하고, 그것을 (1550℃, 2시간) 소결시킴으로써 제작되었다. 이 타겟(808)은 90 S/cm의 전기 전도도를 가졌고, 반절연성을 가졌다.
성장 챔버(821)의 최종의 진공도는 1×10-4Pa이었다. 성장시, 산소 및 아르곤 가스의 총 압력은 4~0.1×10-1Pa의 범위 내로 일정하게 유지되었다. 산소에 대한 아르곤의 분압비는 1×10-3~2×10-1Pa의 산소분압의 범위 내에서 변경되었다.
기판 온도는 실온이었다. 막 형성을 위한 타겟(808)과 기판(807) 간의 거리는 30mm였다.
입력된 전력은 RF 180W이었고, 막 형성 속도는 10nm/min이었다.
SAXS(Small Angle X-ray Scattering)법(박막법, 입사각:0.5°)으로, 결과로서 얻는 박막을 검사한 바, 회절 피크는 검출되지 않았다. 이와 같이 제작한 In-Ga-Zn-O 타입 박막은 비정질이라고 판정되었다. X선 반사율 및 그것의 패턴의 해석으로부터, 평균 자승 거칠기(Rrms)는 약 0.5nm이며, 막 두께는 약 120nm이라는 것을 알았다. 형광 X선 분광계의 분석(XRF)으로부터, 막의 금속 조성비가 In:Ga:Zn=0.98:1.02:4라는 것을 알았다.
다양한 산소 분압의 분위기에서 막을 형성했고, 그 결과로 얻는 비정질 산화막에 대한 전기 전도도를 측정했다. 도 3은 그 결과를 나타낸다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 3×10-2Pa보다 큰 산소 분압을 가진 분위기에서 막을 형성함으로써 전기 전도도를 10S/cm미만으로 저하시킬 수 있다. 산소 분압을 증가시키면 전자 캐리어 수를 감소시킬 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 기판온도 25℃, 산소분압 1×10-1Pa에서 형성된 얇은 InGa03(ZnO)4막은, 약 1×10-10S/cm의 낮은 전기 전도도를 가졌다. 또, 산소분압 1×10-1Pa에서 형성된 얇은 InGa03(ZnO)4막은, 매우 높은 전기 저항을 가져, 전기 전도도를 측정할 수 없었다. 이 막에 의해, 전자 이동도를 측정할 수 없었지만, 전자 캐리어 농도가 높은 막의 값으로부터 외삽(extrapolation)해서 전자 이동도가 약 1cm2/V.sec이라고 추정했다.
따라서, 1×103보다 큰 온-오프비를 가진 노멀리 오프형의 트랜지스터를, 3×10-2Pa보다 큰, 바람직하게는 5×10-1Pa보다 큰 분압의 산소를 포함한 아르곤 분위기에서 스퍼터링 증착법에 의해 제작된 결정상태에 있어서의 InGaO3(ZnO)m(m:6미만의 자연수)으로 표현되는 In-Ga-Zn-O로 구성된 투명한 얇은 비정질 산화막을 이용 해서 취할 수 있었다.
이 예에서 사용하는 재료 및 장치를 이용하면, 3×10-2 Pa~5×10-1Pa의 범위에 있는 산소 분압에서 스퍼터링법에 의해 막을 형성한다. 부수적으로, 펄스 레이저 증착법 또는 스퍼터링법에 의해 제작된 박막에 있어서, 전자 이동도는 전도 전자 수의 증가와 함께 증가한다.
상술한 바와 같이, 산소 분압을 제어함으로써 산소 결손을 감소시킬 수 있고, 그것에 의해 전자 캐리어 농도를 감소시킬 수 있다. 비정질 박막에 있어서는, 다결정 상태와 다르게 비정질 상태에서는 특히 입자 계면이 존재하지 않기 때문에, 전자 이동도가 높을 수 있다.
부수적으로, 유리기판 대신에 두께 200㎛의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름을 사용하는 경우에는, 그 위에 형성된 InGaO3(ZnO)4의 비정질 산화막의 특성이 변화하지 않았다.
타겟으로서, 다결정 InGaO3(Zn1 - xMgxO)m(m은 6미만의 자연수, 0 <x≤1)을 사용하면, 1Pa 미만의 산소분압에서도, 고저항 비정질막 InGaO3(Zn1 - xMgxO)m을 얻을 수 있다. 예를 들면, Zn의 80atom%을 Mg으로 치환한 타겟을 사용했을 경우, 산소 분압 0.8Pa의 분위기에서, 펄스 레이저 증착법으로 1×1016/cm미만(저항: 약 1×10-2S/cm)의 전자 캐리어 농도를 달성할 수 있다. 이러한 막에 있어서, 전자 이동도는, Mg 무첨가 막보다 작지만, 그 감소 정도는 작고, 실온에서의 전자 이동도는 약 5cm2/V.sec으로, 비정질 실리콘보다 약 1디지트 정도 크다. 같은 조건 하에서 막을 형성했을 경우, Mg 함유량의 증가에 대하여, 전기 전도도와 전자 이동도는, 모두 감소한다. 그러므로, Mg의 함유량은, 20%~85%(0.2<x<0.85)의 범위인 것이 바람직하다.
상기 비정질 산화막을 이용한 박막 트랜지스터에 있어서, Al203, Y203, HfO2, 및 그것들의 화합물을 2개 이상 포함한 혼합 결정 화합물을 게이트 절연체가 포함하는 것이 바람직하다.
게이트 절연 박막과 채널층 박막과의 계면에 결함이 존재하면, 박막이 전자 이동도를 저하시키고, 트랜지스터 특성에 히스테리시스가 생긴다. 또한, 전류 누설이 게이트 절연체의 종류에 크게 의존한다. 이 때문에, 채널층에 적합한 게이트 절연체를 선정할 필요가 있다. Al203막을 사용하면, 전류 누설을 감소시킬 수 있고, Y203막을 사용하면 히스테리시스를 작게 할 수 있으며, 고유전율의 HfO2막을 사용하면, 전자 이동도를 증가시킬 수 있다. 상기 화합물의 혼합 결정을 사용하면, 전류 누설이 작고, 히스테리시스가 적으며, 전자 이동도가 큰 TFT를 형성할 수 있다. 게이트 절연체 형성 프로세스 및 채널층 형성 프로세스는, 실온에서 행하는 것이 가능하기 때문에, TFT를, 스태거 구조 및 역 스태거 구조로 형성할 수 있다.
이와 같이 형성된 TFT는, 게이트 단자, 소스 단자, 및 드레인 단자를 구비한 3단자 소자이다. 이 TFT는, 세라믹, 유리, 또는 플라스틱의 절연 기판 위에 반도체 박막을 전자 또는 홀의 이동을 위한 채널층으로서 형성함으로써 형성되고, 게이트 단자에 전압을 인가하여, 채널층에 흐르는 전류를 제어하여 소스 단자와 드레인 단자 간의 전류를 스위칭하는 기능을 갖는 능동 소자로서 기능을 한다.
본 발명에 있어서, 산소 결손량을 제어함으로써 의도한 전자 캐리어 농도를 실현하는 것은 중요하다.
상기 설명에 있어서, 성막 분위기 내의 산소 농도를 제어함으로써 비정질 산화막 내의 산소의 양을 제어한다. 반면, 바람직한 실시 예로서 산소를 함유한 분위기 내의 산화막의 후처리에 의해 산소 결손량을 제어(감소 또는 증가)할 수 있다.
효과적으로 산소 결손량을 제어하기 위해서는, 산소를 포함한 분위기 중의 온도를 0℃~300℃의 범위, 바람직하게는, 25℃~ 250℃의 범위, 더 바람직하게는 100℃~200℃의 범위로 제어한다.
물론, 산소를 포함한 분위기 중에서 막을 형성하고, 산소를 포함한 분위기 중에서 후처리해도 좋다. 반면에, 의도한 전자 캐리어 농도(1÷×1018/cm3미만)를 실현할 수 있으면, 산소분압을 제어하지 않고 막을 형성하고, 산소를 함유한 분위기 중에서 후처리를 한다.
본 발명에 있어서의 전자 캐리어 농도의 하한은, 제조된 산화막을 이용하는 소자, 회로 혹은 장치의 종류에 의존해서, 예를 들면 1×1014/cm3이다.
(재료계의 확대)
다른 재료계에 대한 연구를 진척시킨 결과, Zn, In 및 Sn 중, 적어도 하나의 원소의 산화물로 이루어진 비정질 산화물은, 캐리어 농도가 작고, 전자 이동도가 큰 비정질 산화막에 유용하다는 것을 알아냈다. 이 비정질 산화막은, 전도 전자수의 증가와 함께, 전자 이동도가 증가한다고 하는 특이한 특성을 지닌다는 것을 찾아냈다. 이 막을 사용해서, 온-오프비, 핀치 오프 상태에서의 포화 전류, 스위칭 속도 등의 트랜지스터 특성이 우수한 노멀리 오프형의 TFT를 제작할 수 있다.
본 발명에 있어서, 이하의 (a) 내지 (h)의 특성 중 어느 하나를 가진 산화물은 유용하다.
(a) 전자 캐리어 농도가, 1×1018/cm3미만의 비정질 산화물,
(b) 전자 캐리어 농도의 증가와 함께 전자 이동도가 증가하는 비정질 산화물(실온은 약 0℃로부터 약 40℃까지의 범위의 온도를 의미한다. "비정질 화합물"은, X선 회절 스펙트럼에 있어서, 특정 회절 패턴을 나타내지 않고, 할로 패턴만을 나타내는 화합물을 의미한다. 전자 이동도는, Hall 효과로 측정된 것을 의미한다),
(c) 실온에서의 전자 이동도가, 0.1cm2/V.sec보다 높은 상기 항목 (a) 또는 (b)에 기재된 비정질 산화물,
(d) 축퇴 전도를 나타내는 상기 항목 (b) 내지 (c) 중 어느 하나에 기재된 비정질 산화물("축퇴 전도"는, 전기 저항의 온도 의존성에 있어서의 열 활성화 에너지가, 30meV 이하인 상태를 의미한다.),
(e) Zn, In 및 Sn 중, 적어도 하나의 원소를 구성 원소로서 포함하는 상기 항목 (a) 내지 (d) 중 어느 하나에 기재된 비정질 산화물,
(f) 상기 항목 (e)에 기재된 비정질 산화물과, 전자 캐리어 농도를 낮추기 위한 추가적으로 Zn보다 원자 번호가 작은 2족 원소 M2(Mg, Ca), In보다 원자 번호가 작은 3족 원소 M3(B, Al, Ga, Y), Sn보다 원자 번호가 작은 4족 원소 M4(Si, Ge, Zr), 5족 원소 M5(V, Nb, Ta) 및 Lu, W 중 적어도 하나의 원소로 구성된 비정질 산화막,
(g) 결정상태에 있어서의 In2-xM3xO3(Zn1-yM2yO)m(0≤x≤1, 0≤y≤1, m은 0 또는 6미만의 자연수) 조성을 갖는 단일 화합물 또는 m의 수가 다른 화합물의 혼합체로 구성된, 상기 항목 (a) 내지 (f) 중 어느 하나에 기재된 비정질 산화막, M3의 예는 Ga이며, M2의 예는 Mg이다.
(h) 플라스틱 기판 또는 플라스틱 필름 위에 형성된 상기 항목 (a) 내지 (g) 중 어느 하나에 기재된 비정질 산화막.
또한, 본 발명은, 상기 기재된 비정질 산화물 또는 비정질 산화막을 채널층으로서 사용한 전계 효과 트랜지스터를 제공한다.
전자 캐리어 농도가 1×1018/cm3미만이지만, 1×1015/cm3 초과의 비정질 산화막을 채널층으로서 사용하고, 소스 단자, 드레인 단자 및 게이트 절연체를 개재한 게이트 단자를 갖는 전계 효과 트랜지스터를 제작한다. 소스 및 드레인 단자 사이에 약 5V 정도의 전압을 인가했을 때, 게이트 전압을 인가하지 않을 때의 소스 및 드레인 단자 간의 전류를 약 1×10-7암페어로 할 수 있다.
산화물 결정의 전자 이동도는, 금속 이온의 s궤도의 중첩의 증가에 따라, 커진다. 원자 번호가 큰 Zn, In, 또는 Sn의 산화물 결정에 있어서는, 0.1로부터 200cm2/V.sec까지의 범위 내에 전자 이동도가 있다.
산화물에서는, 산소와 금속이온이 이온화 결합에 의해 결합하고 있기 때문에, 화학 결합의 방향성이 없어, 구조가 랜덤하다. 따라서, 비정질 상태의 산화물에서도, 전자 이동도는, 결정상태의 전자 이동도와 비교 가능하다.
다른 한편, Zn, In, 또는 Sn 대신에 원자 번호가 작은 원소를 사용하면, 전자 이동도가 감소한다. 그것에 의해, 본 발명의 비정질 산화물의 전자 이동도는, 약 0.01~20cm2/V.sec의 범위에 있다.
상기 산화물로 구성된 채널층을 갖는 트랜지스터에 있어서, Al203, Y203, HfO2, 또는 그것들의 화합물을 적어도 두 개 이상 포함한 혼합 결정 화합물로부터 게이트 절연체를 형성하는 것이 바람직하다.
게이트 절연 박막과 채널층 박막과의 계면에 결함이 존재하면, 전자 이동도가 낮아지고, 트랜지스터 특성에 히스테리시스가 생긴다. 또한, 전류 누설은 게이트 절연체의 종류에 크게 의존한다. 이 때문에, 채널층에 적합한 게이트 절연체를 선정할 필요가 있다. Al203막을 사용하면, 전류 누설을 감소시킬 수 있고, Y203막을 사용하면 히스테리시스를 작게 할 수 있으며, 고유전율의 Hf02막을 사용하면, 전자 이동도를 증가시킬 수 있다. 상기 화합물의 혼합 결정을 사용하면, 전류 누설이 작고, 히스테리시스가 적으며, 전자 이동도가 큰 TFT를 형성할 수 있다. 게이트 절연체 형성 프로세스 및 채널층 형성 프로세스는, 실온에서 행하는 것이 가능하므로, TFT는, 스태거 구조 또는 역 스태거 구조로 형성될 수 있다.
In203 산화막은 기상법에 의해 형성될 수 있고, 막 형성 분위기에 약 0.1Pa 정도의 분압의 수분을 첨가해서, 형성된 막을 비정질로 만든다.
ZnO 및 SnO2은, 비정질막 상태에서 쉽게 형성될 수 없다. 비정질 상태에서 ZnO막을 형성하기 위해서는, In203을, 20atom% 정도 첨가한다. 비정질 상태에서 SnO2막을 형성하기 위해서는, In203을, 90atom% 정도 첨가한다. Sn-In-0 타입의 비정질막을 형성할 경우에는, 막 형성 분위기 중에 질소 가스를 약 0.1Pa정도의 분압에 도입한다.
상기의 비정질막에, Zn보다 원자 번호가 작은 2족 원소 M2(Mg, Ca), In보다 원자 번호가 작은 3족 원소 M3(B, Al, Ga, Y), Sn보다 작은 원자 번호가 작은 4족 원소 M4(Si, Ge, Zr), 5족 원소 M5(V, Nb, Ta) 및 Lu, W로부터 선택된 복합 산화물을 구성할 수 있는 원소를 첨가해도 된다. 상기 원소를 첨가하면, 실온에서 비정질막을 안정화시키고, 비정질 막 형성을 위한 조성 범위를 넓힐 수 있다.
특히, 공유 결합성을 형상하는 B, Si, Ge의 첨가는, 비정질 상 안정화에 유효하다. 이온 반경의 차이가 큰 이온으로 구성된 복합 산화물은, 비정질 상 안정화에 유효하다. 예를 들면, In-Zn-0계에서는, 실온에서 안정한 막을 형성하기 위해서, In을 약 20atom%이상 함유해야 한다. 그렇지만, Mg을 In과 같은 양 첨가하면, 약 15atom% 초과의 In의 조성 범위에서 안정한 비정질막을 형성할 수 있다.
기상법에 의한 막 형성에 있어서, 막 형성 분위기를 제어함으로써, 전자 캐 리어 농도가, 1×1015/cm3~1×1018/cm3의 범위인 비정질 산화 막을 얻을 수 있다.
펄스 레이저 증착법(PLD법), 스퍼터링법(SP법), 및 전자 빔 증착법 등의 기상법을 이용해 비정질 산화막을 적절하게 형성할 수 있다. 기상법 중, PLD법은, 물질 조성 제어의 용이함의 관점에서 적합하지만, SP법은 양산의 관점에서 적합하다. 그렇지만, 성막법은 이것에 한정되지 않는다.
(PLD법에 의한 In-Zn-Ga-O 타입의 비정질 산화막의 형성)
InGaO3(ZnO) 또는 InGaO3(ZnO)4조성을 갖는 타겟으로서 다결정 소결체를 이용해, KrF 엑시머 레이저를 이용한 PLD법에 의해, 유리 기판(코닝사제:1737) 위에 In-Zn-Ga-0타입의 비정질 산화물을 증착했다.
전에 언급했던 도 7에 나타낸 장치를 사용했고, 막 형성 조건은 상기 장치에 대하여 전에 언급한 것과 같았다.
기판 온도는 25℃였다.
SAXS(Small Angle X-ray Scattering)법(박막법, 입사각:0.5°)으로, 결과로서 얻는 2개의 박막을 검사한 바, 회절 피크는 검출되지 않았으며, 2개의 다른 타겟으로 제작된 In-Ga-Zn-O 타입 박막은 모두 비정질이라고 나타났다.
유리 기판의 In-Zn-Ga-O 타입 비정질 산화막의 X선 반사율 및 그것의 패턴의 해석으로부터, 이 박막의 평균 자승 거칠기(Rrms)는 약 0.5nm이며, 막 두께는 약 120nm이라는 것을 알았다. 형광 X선 분광계의 분석(XRF)으로부터, InGaO3(ZnO)의 다결정 소결체의 타겟으로 취득된 막은 금속 조성비가 In:Ga:Zn=1.1:1.1:0.9이고, InGaO3(ZnO)4의 다결정 소결체의 타겟으로 취득된 막은 금속 조성비가 In:Ga:Zn=0.98:1.02:4라는 것을 알았다.
InGaO3(ZnO)4의 조성을 갖는 타겟을 이용해서 성막 분위기의 다양한 산소 분압에서 비정질 산화막을 형성했다. 형성된 비정질 산화막에 대한 전자 캐리어 농도를 측정했다. 그 결과는 도 1에 나타나 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 4.2Pa보다 큰 산소 분압을 가진 분위기에서 막을 형성함으로써, 전자 캐리어 농도를 1×1018/cm3미만으로 낮출 수 있다. 이 막 형성시, 기판은 의도적인 가열 없이 거의 실온으로 유지되었다. 6.5Pa보다 낮은 산소 분압에서는, 취득한 비정질 산화막의 표면이 평탄했다.
5Pa의 산소 분압에서, InGaO3(ZnO)4 타겟으로 형성된 비정질막 내에서는, 전자 캐리어 농도가 1×1016/cm3이었고, 전기 전도도가 1×10-2S/cm이었으며, 전자 이동도가 약 5cm2/V.sec이라고 추정되었다. 광 흡수 스펙트럼의 해석으로부터, 형성된 비정질 산화막의 광 밴드갭 에너지 폭은, 약 3eV라고 추정되었다.
산소 분압이 더 높아지면, 전자 캐리어 농도는 더 낮아진다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 6Pa의 산소 분압에서 25℃의 기판 온도에서 형성된 In-Zn-Ga-O 타입 비정질 산화막에 있어서는, 전자 캐리어 농도가 8×1015/cm3로 낮아졌다(전기 전도도: 약 8×10-3S/cm). 이 막의 전자 이동도는 1cm2/V.sec 이상이라고 추정되었다. 그렇 지만, PLD법에 의해, 6.5Pa 이상의 산소 분압에서는, 증착된 막이 거친 표면을 지니고 있어, TFT의 채널층으로서 사용하기에는 적합하지 않다.
InGaO3(ZnO)4 의 조성을 갖는 다결정 소결체로 구성된 타겟을 이용해서 막 형성 분위기의 다양한 산소 분압에서 In-Zn-Ga-O 타입 비정질 산화막을 형성했다. 그 결과로 얻는 막에 대한 전자 캐리어 농도와 전자 이동도 간의 관계를 검사했다. 그 결과가 도 2에 나타나 있다. 1×1016/cm3에서 1×1020/cm3로의 전자 캐리어 농도의 증가에 대응하여, 약 3cm2/V.sec에서 약 11cm2/V.sec로 전자 이동도가 증가했다. 다결정 소결된 InGaO3(ZnO) 타겟에 의해 취득된 비정질 산화막으로 같은 경향을 관측했다.
유리기판 대신에 두께 200㎛의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름 위에 형성된 In-Zn-Ga-O 타입의 비정질 산화막은 같은 특성을 지녔다.
(PLD법에 의한 In-Zn-Ga-Mg-O 타입의 비정질 산화막의 형성)
InGaO3(Zn1 - xMgxO)4(0<x≤1)의 막을, InGaO3(Zn1 - xMgxO)4 타겟(0<x≤1)을 이용해 PLD법에 의해 유리기판 위에 형성했다. 사용된 장치는 도 7에 나타낸 것이었다.
SiO2유리 기판(코닝사제:1737)을 기판으로서 사용했다. 전처리로서, 아세톤, 에탄올, 및 초고순도 물로 각각 5분 동안 탈지하기 위한 기판을 초음파적으로 세정했고, 공기 중에서 100℃에서 건조시켰다. 이 타겟은, InGaO3(Zn1 - xMgxO)4(x=1-0)의 소결체(사이즈: 20mm 직경, 5mm 두께)이었다.
이 타겟은, 원재료 In2O3, Ga2O3, 및 ZnO(각 4N 시약)(용매:에탄올)을 습식 혼합하고, 이 혼합물을 (1000℃, 2시간) 하소하며, 그것을 건식 분쇄하고, 그것을 (1550℃, 2시간) 소결시킴으로써 제작되었다. 성장 챔버 내의 최종 압력은 2×10-6Pa이었다. 성장 시의 산소 분압은 0.8Pa로 제어되었다. 기판 온도는 실온(25℃)이었다. 타겟과 막 형성용 기판 간의 거리는 30mm이었다. 펄스 폭이 20nsec이고, 반복 주파수가 10Hz이며, 조사 스폿 사이즈가 1×1 mm 스퀘어인 1.5 mJ/cm2/펄스의 파워에서 KrF 엑시머 레이저를 조사했다. 막 형성 속도는 7nm/min이었다. 막 형성 분위기의 산소 분압은 0.8Pa이었다. 기판 온도는 25℃였다.
SAXS(Small Angle X-ray Scattering)법(박막법, 입사각:0.5°)으로 취득한 박막을 검사한 바, 회절 피크는 검출되지 않았다. 이와 같이 제작한 In-Ga-Zn-Mg-O타입의 박막은 비정질이었다. 그 결과의 막은 평탄한 표면을 가졌다.
서로 다른 x값(서로 다른 Mg 함유량)의 타겟을 사용해서, x값에 대한 전기 전도도, 전자 캐리어 농도, 및 전자 이동도의 의존성을 조사하기 위해서 0.8Pa의 산소 분압의 막 형성 분위기에서 In-Zn-Ga-Mg-O 타입의 비정질 산화막을 형성했다.
도 4a, 4b 및 4c는 그 결과를 나타낸다. 0.4보다 큰 x값에서, 산소분압 0.8Pa의 분위기에서 PLD법에 의해 형성된 비정질 산화막에 있어서는, 전자 캐리어 농도가 1×1018/cm3미만으로 감소했다. 0.4보다 큰 x값의 비정질막에 있어서는, 전자 이동도가 1cm2/V보다 컸다.
도 4a, 4b, 및 4c에 나타낸 바와 같이, Zn의 80atom%을 Mg으로 치환한 타겟을 사용해, 산소 분압 0.8Pa(전기 저항: 약 1×10-2S.cm)에서 펄스 레이저 증착법에 의해 제작된 막 내에서 1×1016/cm3미만의 전자 캐리어 농도를 달성할 수 있었다. 이러한 막에 있어서, 전자 이동도는, Mg 무첨가 막보다 감소하지만, 그 감소 정도는 작다. 이 막에서의 전자 이동도는 약 5cm2/V.sec으로, 비정질 실리콘보다 약 1디지트 정도 크다. 같은 막 형성 조건 하에서는, Mg 함유량의 증가와 함께, 전기 전도도와 전자 이동도가 모두 저하한다. 그러므로, 막 내의 Mg 함유량은, 바람직하게는, 20atom%~85atom%이다(0.2 <x<0.85). 더 바람직하게는 0.5 < x < 0.85.
유리기판 대신에 두께 200㎛의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름 위에 형성된 InGaO3(Zn1 - xMgxO)4(0<x≤1)의 비정질막은 같은 특성을 지녔다.
(PLD법에 의한 In2O3 비정질 산화막의 형성)
KrF 엑시머 레이저를 이용한 PLD법에 의해, In2O3 다결정 소결체로 구성된 타겟을 이용해서 두께 200㎛의 PET 필름 위에 In2O3막을 형성했다.
사용된 장치가 도 7에 나타나 있다. 막 형성을 위한 기판은 SiO2 유리 기판(코닝사제:1737)이었다.
증착 전의 전처리로서, 아세톤, 에탄올, 및 초고순도 물로 각각 5분 동안 탈지하기 위한 기판을 초음파적으로 세정했고, 공기 중에서 100℃에서 건조시켰다.
이 타겟은, In2O3 소결체(사이즈: 20mm 직경, 5mm 두께)로서, 원재료 In2O3(4N 시약)(1000℃, 2시간) 하소하며, 그것을 건식 분쇄하고, 그것을 (1550℃, 2시간) 소결시킴으로써 제작되었다.
성장 챔버의 최종의 진공은 2×10-6Pa였고 성장시 산소 분압은 5Pa였으며, 기판 온도는 25℃였다.
수증기 분압은 0.1Pa였고, 산소 래디컬(Radical) 생성장치에 의해 200W를 인가하여, 산소 래디컬을 발생시켰다.
타겟과 막 홀딩 기판 간의 거리는 40mm였고, Krf 엑시머 레이저의 파워는 0.5 mJ/cm2/펄스였으며, 펄스 폭은 20nsec였고, 반복 주파수는 10Hz였으며, 조사 스폿 사이즈는 1×1 mm 스퀘어였다.
막 형성 속도는 3nm/min이었다.
SAXS(Small Angle X-ray Scattering)법(박막법, 입사각:0.5°)으로, 취득한 박막을 검사한 바, 회절 피크는 검출되지 않았고, 이와 같이 제작한 In-O타입의 박막은 비정질이라는 것이 표시되었다. 막 두께는 80nm이었다.
취득한 In-0 타입의 비정질 산화막에 있어서, 전자 캐리어 농도는 5×1017/cm3이었고, 전자 이동도는, 약 7cm2/V.sec이었다.
(PLD법에 의한 In-Sn-0타입 비정질 산화막의 형성)
KrF 엑시머 레이저를 사용한 PLD법에 의해, (In0 .9Sn0 .1)03.1의 다결정 소결체 로 구성된 타겟을 이용해서, 두께 200㎛의 PET 필름 위에 In-Sn-0 타입 산화막을 형성했다. 사용한 장치가 도 7에 나타나 있다.
막 형성을 위한 기판은 SiO2 유리기판(코닝사제:1737)이었다.
증착 전의 전처리로서, 아세톤, 에탄올, 및 초고순도 물로 각각 5분 동안 탈지하기 위한 기판을 초음파적으로 세정했고, 공기 중에서 100℃에서 건조시켰다.
이 타겟은, In2O3-SnO2 소결체(사이즈: 20mm 직경, 5mm 두께)로서, 원재료 In2O3-SnO2(4N 시약)(용매: 에탄올)을 습식 혼합하고, 그 혼합물을 (1000℃, 2시간) 하소하며, 그것을 건식 분쇄하고, 그것을 (1550℃, 2시간) 소결시킴으로써 제작되었다.
기판은 실온으로 유지되었다. 산소 분압은 5Pa이었다. 질소 분압은, 0.1Pa이었다. 산소 래디컬 생성장치에 의해 200W를 인가하여, 산소 래디컬을 발생시켰다.
타겟과 막 홀딩 기판 간의 거리는 30mm였고, Krf 엑시머 레이저의 파워는 1.5 mJ/cm2/펄스였으며, 펄스 폭은 20nsec였고, 반복 주파수는 10Hz였으며, 조사 스폿 사이즈는 1×1 mm 스퀘어였다.
막 형성 속도는 6nm/min이었다.
SAXS(Small Angle X-ray Scattered)법(박막법, 입사각:0.5°)으로, 취득한 박막을 검사한 바, 회절 피크는 검출되지 않았고, 이와 같이 제작한 In-Sn-0타입의 산화막은 비정질이라는 것이 표시되었다.
취득한 In-Sn-0타입의 비정질 산화막에 있어서, 전자 캐리어 농도는, 8× 1017/cm3이었고, 전자 이동도는, 약 5cm2/V.sec이었다. 막 두께는, 100nm이었다.
(PLD법에 의한 In-Ga-0타입의 비정질 산화막의 형성）
막 형성을 위한 기판은 SiO2 유기기판(코닝사제:1737)이었다.
증착 전의 전처리로서, 아세톤, 에탄올, 및 초고순도 물로 각각 5분 동안 탈지하기 위한 기판을 초음파적으로 세정했고, 공기 중에서 100℃에서 건조시켰다.
이 타겟은, (In2O3)1-x-(Ga2O3)x(x=0-1)의 소결체(사이즈: 20mm 직경, 5mm 두께)였다. 예를 들면, x=0.1에서, 타겟은 (In0 .9Ga0 .1)2O3의 다결정 소결체이다.
이 타겟은, 원재료 In2O3-Ga2O2(4N 시약)(용매: 에탄올)을 습식 혼합하고, 그 혼합물을 (1000℃, 2시간) 하소하며, 그것을 건식 분쇄하고, 그것을 (1550℃, 2시간) 소결시킴으로써 제작되었다.
성장 챔버의 최종의 압력은 2×10-6Pa였다. 성장시 산소 분압은 1Pa였다.
기판 온도는 실온이었다. 타겟과 막 홀딩 기판 간의 거리는 30mm였다. Krf 엑시머 레이저의 파워는 1.5 mJ/cm2/펄스였다. 펄스 폭은 20nsec였다. 반복 주파수는 10Hz였다. 조사 스폿 사이즈는 1×1 mm 스퀘어였다. 막 형성 속도는 6nm/min이었다.
기판 온도는, 25℃이었다. 산소분압은 1Pa이었다. SAXS(Small Angle X-ray Scattering)법(박막법, 입사각:0.5°)에 의해, 취득한 박막을 검사한 바, 회절 피크는 검출되지 않았고, 취득한 In-Ga-0 타입의 산화막은 비정질이라는 것이 표시되 었다. 막 두께는 120nm이었다.
취득한 In-Ga-0 타입의 비정질 산화막에 있어서, 전자 캐리어 농도는, 8×1016/cm3이었고, 전자 이동도는, 약 1cm2/V.sec이었다.
(In-Zn-Ga-0 타입의 비정질 산화막을 가진 TFT 소자의 제작(유리 기판))
도 5에 나타낸 톱 게이트형 TFT 소자를 제작했다.
우선, 유리 기판(1) 위에, InGaO3(ZnO)4 조성을 가진 다결정 소결체로 구성된 타겟을 이용해서 산소 분압 5Pa에서, 상술한 PLS 장치에 의해 In-Ga-Zn-0 타입 비정질 산화막을 제작했다. 형성된 In-Ga-Zn-0막은 두께 120nm이었고, 채널층(2)으로서 사용되었다.
한층 더 그 위에, 챔버 내의 1Pa미만의 산소 분압에서 PLD법에 의해 전기 전도도가 큰 또 다른 In-Ga-Zn-0타입 비정질막 및 금층을 각각 30nm의 두께로 적층했다. 포토리소그래피법과 리프트 오프법에 의해, 드레인 단자(5) 및 소스 단자(6)를 형성했다.
최후로, 게이트 절연체(3)로서의 Y203막을, 전자빔 증착법에 의해 형성했다(두께:90nm, 비유전률: 약 15, 리크 전류밀도:0.5MV/cm 인가시에 1×10-3A/cm2). 한층 더 그 위에, 금막을 형성했고, 포토리소그래피법과 리프트 오프법에 의해, 게이트 단자(4)를 형성했다. 채널길이는, 50㎛이었고, 채널 폭은, 200㎛이었다.
TFT 소자의 특성평가
도 6은, 실온에서 측정한 TFT 소자의 전류-전압특성을 나타낸다. 드레인 전압 VDS의 증가에 따라 드레인 전류 IDS가 증가한 것으로부터, 채널이 n형 전도라는 것을 안다.
이것은, 비정질 In-Ga-Zn-0 타입의 반도체가 n형이라고 하는 사실과 일치한다. IDS는 VDS=6V에서 포화(핀치 오프)하는 전형적인 반도체 트랜지스터의 거동을 나타낸다. 이득특성의 조사로부터, VDS=4V 인가 시에 있어서의 게이트 전압 VGS의 임계값은 약 -0.5V라는 것을 알았다. VG=10V에서는 IDS=1.0×10-5A의 전류가 흘렀다. 이것은 게이트 바이어스에 의해 절연체로서의 In-Ga-Zn-0 타입의 비정질 반도체 박막 내에 캐리어를 유기하는 것에 대응한다.
트랜지스터의 온-오프비는, 1×103보다 컸다. 출력 특성으로부터, 전계 효과 이동도는 포화 영역에 있어서 약 7cm2(Vs)-1이라고 산출되었다. 가시광의 조사에 의해 같은 측정에 따라 제작한 소자의 트랜지스터 특성이 변하지 않았다.
1×1018/cm3 미만의 전자 캐리어 농도의 비정질 산화물은 TFT의 채널층으로서 유용한다. 전자 캐리어 농도는 더 바람직하게는 1×1017/cm3미만이고, 더욱더 바람직하게는 1×1016/cm3미만이다.
(In-Zn-Ga-0 타입의 비정질 산화막을 갖는 TFT소자의 제작(비정질 기판))
도 5에 나타낸 톱 게이트형 TFT 소자를 제작했다.
우선, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름(1) 위에, 상술한 PLS 장치에 의해, InGaO3(ZnO) 조성을 갖는 다결정 소결체로 구성된 타겟을 이용해서 산소분압 5Pa의 분위기에서 In-Ga-Zn-0 타입의 비정질 산화막을 형성했다. 이 형성된 막은 두께 120nm을 갖고, 채널층(2)으로서 사용되었다.
한층 더 그 위에, 챔버 내의 1Pa미만의 산소 분압에서, PLD법에 의해 전기 전도도가 큰 다른 In-Ga-Zn-0타입 비정질막 및 금층을 각각 30nm의 두께로 적층했다. 포토리소그래피법과 리프트 오프법에 의해, 드레인 단자(5) 및 소스 단자(6)를 형성했다.
최후에, 게이트 절연체(3)를 전자빔 증착법에 의해 형성했다. 한층 더 그 위에, 금막을 형성했고, 포토리소그래피법과 리프트 오프법에 의해, 게이트 단자(4)를 형성했다. 채널길이는, 50㎛이었고, 채널 폭은, 200㎛이었다. Y203(두께 140nm), Al203(두께 130㎛), 및 HfO2(두께:140㎛)의 3종류의 게이트 절연체 중 하나를 이용해서 상기의 구조의 TFT를 3개 제작했다.
TFT 소자의 특성평가
PET 필름 위에 형성한 TFT 소자는 실온에서 측정한 도 6에 나타낸 것과 같은 전류-전압특성을 지녔다. 드레인 전압 VDS의 증가에 따라 드레인 전류 IDS가 증가한 것으로부터, 채널이 n형 전도라는 것을 안다. 이것은, 비정질 In-Ga-Zn-0 타입의 반도체가 n형이라고 하는 사실과 일치한다. IDS는 VDS=6V에서 포화(핀치오프)하는 전형적인 트랜지스터의 거동을 나타낸다. VG=0V에서는 IDS=1×10-8A의 전류가 흘렀고, VG=10V에서는, IDS=2.0×10-5A의 전류인가 흘렀다. 이것은 게이트 바이어스에 의해 절연체의 In-Ga-Zn-0 타입의 비정질 반도체 산화막 내에 캐리어를 유기하는 것에 대응한다.
트랜지스터의 온-오프비는, 1×103보다 컸다. 출력 특성으로부터, 전계 효과 이동도를 산출한 바, 이 이동도는 포화 영역에 있어서 약 7cm2(Vs)-1이었다.
PET 필름 위에 형성한 소자를, 곡률반경 30mm에서 굴곡시켰고, 이 상태에서, 트랜지스터 특성을 측정했다. 그렇지만, 트랜지스터 특성에 있어서 변화는 관측되지 않았다. 가시광의 조사에 의해 트랜지스터 특성은 변화하지 않았다.
게이트 절연체로서 Al203막을 사용한 TFT도, 도 6에 나타낸 것과 유사한 트랜지스터 특성을 지녔다. VG=0V에서는 IDS=1.0×10-8A의 전류가 흘렀고, VG=10V에서는, IDS=5.0×10-6A의 전류가 흘렀다. 트랜지스터의 온-오프비는, 1×102보다 컸다. 출력 특성으로부터, 전계 효과 이동도를 산출한 바, 이 이동도는 포화 영역에 있어서 약 2cm2(Vs)-1이었다.
게이트 절연체로서 HfO2막을 사용한 TFT도, 도 6에 나타낸 것과 유사한 트랜지스터 특성을 지녔다. VG=0V에서는 IDS=1×10-8A의 전류가 흘렀고, VG=10V에서는, IDS=1.0×10-6A의 전류가 흘렀다. 트랜지스터의 온-오프비는, 1×102보다 컸다. 출력 특성으로부터, 전계 효과 이동도를 산출한 바, 이 이동도는 포화 영역에 있어서 약 10cm2(Vs)-1이었다.
(PLD법에 의한 In203 비정질 산화막을 사용한 TFT 소자의 제작)
도 5에 나타내는 톱 게이트형 TFT 소자를 제작했다.
우선, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름(1) 위에, PLD법에 의해, 채널층 (2)으로서 두께 80nm의 In203 타입의 비정질 산화막을 형성했다.
한층 더 그 위에, 챔버 내의 산소분압을 1Pa미만으로 하고, 산소 래디컬 생성장치에의 인가 전압을 제로로 해서, PLD법에 의해, 전기 전도도가 큰 다른 In203 비정질막 및 금층을 각각 30nm의 두께로 적층했다. 포토리소그래피법과 리프트 오프법에 의해, 드레인 단자(5) 및 소스 단자(6)를 형성했다.
최후에, 게이트 절연체(3)로서의 Y203막을 전자빔 증착법에 의해 형성했다. 한층 더 그 위에, 금막을 형성했고, 포토리소그래피법과 리프트 오프법에 의해, 게이트 단자(4)를 형성했다.
TFT소자의 특성평가
PET 필름 위에 형성한 TFT 소자는 실온에서 전류-전압특성을 검사했다. 드레인 전압 VDS의 증가에 따라, 드레인 전류 IDS가 증가한 것으로부터, 채널이 n형 전도체라는 것을 안다. 이것은, In-0 타입의 비정질 산화막이 n형 전도체라고 하는 사실과 일치한다. IDS는 VDS=6V정도에서 포화(핀치 오프)하는 전형적인 트랜지스터의 거동을 나타낸다. VG=0V에서는 IDS=2×10-8A의 전류가 흘렀고, VG=10V에서는, IDS=2.0×10-6A의 전류인가 흘렀다. 이것은 게이트 바이어스에 의해 절연체의 In-0타입의 비정질 반도체 산화막 내에 캐리어를 유기하는 것에 대응한다.
트랜지스터의 온-오프비는, 약 1×102이었다. 출력 특성으로부터, 전계 효과 이동도를 산출한 바, 이 이동도는 포화 영역에 있어서 약 1×10cm2(Vs)-1이었다. 유리 기판 위에 형성된 TFT 소자도 같은 특성을 지녔다.
PET 필름 위에 형성된 소자를, 곡률반경 30mm에서 굴곡시켰고, 이 상태에서, 트랜지스터 특성을 측정했다. 트랜지스터 특성에는 변화가 관측되지 않았다.
(PLD법에 의한 In-Sn-0 타입의 비정질 산화막을 사용한 TFT 소자의 제작)
도 5에 나타낸 톱 게이트형 TFT 소자를 제작했다.
우선, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름(1) 위에, PLD법에 의해, 채널층 (2)으로서 두께 100nm의 In-Sn-0 타입의 비정질 산화막을 형성했다.
한층 더 그 위에, 챔버 내의 산소분압을 1Pa미만으로 하고, 산소 래디컬 생 성장치에의 인가 전압을 제로로 해서, PLD법에 의해, 전기 전도도가 큰 다른 In-Sn-0 비정질막 및 금층을 각각 30nm의 두께로 적층했다. 포토리소그래피법과 리프트 오프법에 의해, 드레인 단자(5) 및 소스 단자(6)를 형성했다.
최후에, 게이트 절연체(3)로서의 Y203막을 전자빔 증착법에 의해 형성했다. 한층 더 그 위에, 금막을 형성했고, 포토리소그래피법과 리프트 오프법에 의해, 게이트 단자(4)를 형성했다.
TFT 소자의 특성평가
PET 필름 위에 형성한 TFT은 실온에서 전류-전압 특성을 검사했다. 드레인 전압 VDS의 증가에 따라 드레인 전류 IDS가 증가한 것으로부터, 채널이 n형 전도체라는 것을 안다. 이것은, In-Sn-0 타입의 비정질 산화막이 n형 전도체라고 하는 사실과 일치한다. IDS는 VDS=6V정도에서 포화(핀치 오프)하는 전형적인 트랜지스터의 거동을 나타낸다. VG=0V에서는 IDS=5×10-8A의 전류가 흘렀고, VG=10V에서는, IDS=5.0×10-5A의 전류인가 흘렀다. 이것은 게이트 바이어스에 의해 절연체의 In-Sn-0 타입의 비정질 산화막 내에 전자 캐리어를 유기하는 것에 대응한다.
트랜지스터의 온-오프비는, 약 1×103이었다. 출력 특성으로부터, 전계 효과 이동도를 산출한 바, 이 이동도는 포화 영역에 있어서 약 5cm2(Vs)-1이었다. 유리 기판 위에 형성된 TFT 소자도 같은 특성을 지녔다.
PET 필름 위에 형성된 소자를, 곡률반경 30mm에서 굴곡시켰고, 이 상태에서, 트랜지스터 특성을 측정했다. 트랜지스터 특성에는 변화가 관측되지 않았다.
(PLD법에 의한 In-Ga-0 타입의 비정질 산화막을 사용한 TFT 소자의 제작)
도 5에 나타낸 톱 게이트형 TFT 소자를 제작했다.
우선, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름(1) 위에, 예 6에 나타낸 PLD법에 의해, 채널층(2)으로서 두께 120nm의 In-Ga-0 타입의 비정질 산화막을 형성했다.
한층 더 그 위에, 챔버 내의 산소분압을 1Pa미만으로 하고, 산소 래디컬 발생장치에의 인가 전압을 제로로 해서, PLD법에 의해, 전기 전도도가 큰 다른 In-Ga-0 비정질막 및 금층을 각각 30nm의 두께로 적층했다. 포토리소그래피법과 리프트 오프법에 의해, 드레인 단자(5) 및 소스 단자(6)를 형성했다.
최후에, 게이트 절연체(3)로서의 Y203막을 전자빔 증착법에 의해 형성했다. 한층 더 그 위에, 금막을 형성했고, 포토리소그래피법과 리프트 오프법에 의해, 게이트 단자(4)를 형성했다.
TFT 소자의 특성평가
PET 필름 위에 형성한 TFT 소자는 실온에서 전류-전압 특성을 검사했다. 드레인 전압 VDS의 증가에 따라 드레인 전류 IDS가 증가한 것으로부터, 채널이 n형 전도체라는 것을 안다. 이것은, In-Ga-0 타입의 비정질 산화막이 n형 전도체라고 하는 사실과 일치한다. IDS는 VDS=6V정도에서 포화(핀치 오프)하는 전형적인 트랜지스 터의 거동을 나타낸다. VG=0V에서는 IDS=1×10-8A의 전류가 흘렀고, VG=10V에서는, IDS=1.0×10-6A의 전류인가 흘렀다. 이것은 게이트 바이어스에 의해 절연체의 In-Ga-0 타입의 비정질 산화막 내에 전자 캐리어를 유기하는 것에 대응한다.
트랜지스터의 온-오프비는, 약 1×102이었다. 출력 특성으로부터, 전계 효과 이동도를 산출한 바, 이 이동도는 포화 영역에 있어서 약 0.8cm2(Vs)-1이었다. 유리 기판 위에 형성된 TFT 소자도 같은 특성을 지녔다.
PET 필름 위에 형성된 소자를, 곡률반경 30mm에서 굴곡시켰고, 이 상태에서, 트랜지스터 특성을 측정했다. 트랜지스터 특성에는 변화가 관측되지 않았다.
1×1018/cm3 미만의 전자 캐리어 농도의 비정질 산화물은 TFT의 채널층으로서 유용한다. 전자 캐리어 농도는 더 바람직하게는 1×1017/cm3미만이고, 더욱더 바람직하게는 1×1016/cm3미만이다.
본 발명의 예에 관하여 설명한다.
(예 1:미세결정을 함유한 비정질 In-Ga-Zn-0 박막의 제작)
도 7에 나타낸 장치를 이용해서 막을 제작한다. InGaO3(ZnO)4 조성을 가진 다결정 소결체를 타겟으로서 사용해서, KrF 엑시머 레이저를 사용한 펄스 레이저 증착법을 수행한다. 유리 기판(코닝사제:1737) 위에, 미세결정을 함유한 In-Ga-Zn- 0계 비정질 산화물 반도체 박막을 증착했다. 막 형성 공정에서, (20mW/cm2) 할로겐램프를 기판 표면에 조사했다. 미세결정의 존재 혹은 부재를, 막 부분의 TEM(Transmission Electron Microscope) 관측 하에 확인했다.
<MISFET(metal insulator semiconductor field effect transistor) 소자의 제작>
도 5에 나타낸 톱 게이트형 MISFET 소자를 제작한다. 우선, 유리 기판(1) 위에 미세결정을 함유한 상기의 비정질 In-Ga-Zn-0 박막의 제작법에 따라, 채널층(2)으로서 기능을 하는, 미세결정을 함유한 두께 30nm의 반절연성 비정질 InGaO3(ZnO)4막을 형성한다. 한층 더 그 위에, 챔버의 산소 분압을 1Pa미만으로 설정하면서 펄스 레이저 증착법에 의해 전도도가 큰 In203(ZnO)4막 및 금막을 각각 30nm의 두께로 적층한다. 그리고, 포토리소그래피법과 리프트 오프법에 의해, 드레인 단자(5) 및 소스 단자(6)를 형성한다. 최후에, 게이트 절연체(3)로서의 Y203막을 전자빔 증착법에 의해 형성한다(취득한 막은, 90~110nm의 두께, 약 15의 비유전율, 0.5MV/cm의 전류 인가시 1×10A/cm의 리크 전류밀도를 갖는다.). 그 후에, 포토리소그래피법과 리프트 오프법에 의해, 게이트 단자(4)를 형성했다. 이와 같이 함으로써, 전계효과 트랜지스터를 형성한다.
트랜지스터의 온/오프비는 약 1×104를 초과한다. 파워 특성에 근거해서 전계 효과 이동도를 산출한 경우에, 포화 영역에 있어서 약 7.5cm2(Vs)-1의 전자 전계 효과 이동도를 얻었다. 이와 같이 제조된 소자에 가시광을 조사했고, 같은 측정을 행했다. 그 결과, 트랜지스터의 특성에는 어떤 변화도 관측되지 않았다.
또한, 미세결정을 함유한 In-Ga-Zn-O 박막을 제조하기 위한 상기의 예에 있어서는, 기판에 0.3mW/cm2~100mW/cm2의 파워 밀도를 갖는 광을 조사할 때 유효한 결과를 얻는다. 그 결과, 트랜지스터의 온/오프비를 증가시킬 수 있고, 큰 전자 전계효과 이동도를 취득할 수 있다. 이 때문에, 광 조사가 바람직하다. 비정질 산화막의 미세결정의 양에 의존해서 광 조사가 변하더라도, 일반적으로 X선 회절에 의해 피크가 검출되면, 미세결정의 존재를 확인한다.
<예 2:막 두께 방향에서 조성 분포를 갖는 비정질 In-Ga-Zn-O 박막의 제작>
KrF 엑시머 레이저를 사용한 펄스 레이저 증착법에 의해, InGaO3(ZnO)4조성을 갖는 다결정 소결체를 타겟으로서 사용해서 유리 기판(코닝사제: 1737) 위에 막 두께 방향에서 조성 분포를 갖는 In-Ga-Zn-0계 비정질 산화물 반도체 박막을 증착했다. 타겟과 기판 간의 거리를 5mm까지 증가시키면서 소정의 범위 내에 내부 산소분압을 갖는 챔버 내에서 막을 증착한다. 그 거리가 증가함에 따라, 형성된 막 내에 함유된 산소량이 증가한다. 기판온도는 25℃로 설정된다는 점에 유념한다.
(막 두께 방향에서 조성 분포를 갖는 박막을 형성하기 위한) 예 2에 있어서는, 막 두께 방향에서의 산소 분압을 변경해서, 혹은 펄스 레이저의 발진 주파수 또는 발진 파워를 변경해서 조성을 변경해도 된다. 이와 같이 함으로써, 리크 전류를 줄이거나 혹은 트랜지스터의 온/오프비를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전자 전계효과 이동도를 증가시킬 수 있다.
<예 3: 막 두께 방향에서 조성 분포를 갖는 비정질 In-Ga-Zn-0 박막의 제작>
아르곤 가스를 이용한 스퍼터링법에 의해 상기 막을 형성한다. 타겟으로서, (1) InGaO3(ZnO)4 조성을 갖는 다결정 소결체와, (2) 산화아연의 소결체를 제작한다. 그 다음, 막 두께 방향에서 조성 분포를 갖는 비정질 In-Ga-Zn-0박막을 유리 기판(코닝사제: 1737) 위에 증착한다. 소정의 산소분압을 갖는 분위기 중에서, 첫 번째로 타겟 (1)을 이용해서, 다음에는, 타겟 (1) 및 타겟 (2)을 동시에 이용해서 스퍼터링법에 의해 막을 형성한다. 이와 같이 함으로써, 막 두께 방향에서 조성 분포를 갖는 비정질 In-Ga-Zn-0 박막을 제작할 수 있다. 기판온도는 25℃로 설정된다는 점에 유념한다.
막 두께 방향에서 조성 분포를 갖는 In-Ga-Zn-0 박막은 이하의 방법으로 제작될 수도 있다. In2O3 타겟을 동시에 혹은 개별적으로 스퍼터링하거나, 막 두께 방향에서 산소 분압을 변경하거나, 혹은 스퍼터링 공정에서 각 타겟에 대한 막 두께 방향에서의 전원공급을 변경함으로써 막 두께 방향에서 조성이 분포된다. 특히, 게이트 절연체 근방의 비정질 산화막에 있어서, 전자 전계효과 이동도는, In2O3 또는 ZnO의 양이 증가함에 따라 증가할 것으로 기대된다.
<예 4:비정질 In-Ga-Zn-0(N) 박막의 제작>
질소(N)를 첨가물로서 함유한 비정질 산화물의 제작방법에 대해서 설명한다.
KrF 엑시머 레이저를 사용한 펄스 레이저 증착법에 의해, In2O3(ZnO)4 다결정 소결체를 타겟으로서 사용해서 상기와 같은 종류의 유리 기판 위에, 질소를 불순물로서 함유한 In-Ga-Zn-0계 비정질 산화물 반도체 박막("In-Ga-Zn-0(N)이라고 약기한다)을 증착한다. 쳄버 내의 산소분압은 예를 들면 4Pa으로 설정되고, 질소 분압은 1Pa로 설정되며, 기판의 온도는 25℃로 설정된다는 점에 유념한다. SIMS(secondary ion mass spectrum)에 의해 분석한 결과, 박막의 산소와 질소의 조성비는 약 50:1이 바람직하다.
<예 5:비정질 In-Ga-Zn-0(Ti) 박막의 제작>
KrF 엑시머 레이저를 사용한 펄스 레이저 증착법에 의해, InGaO3(ZnO)4조성을 갖는 다결정 소결체를 타겟으로서 사용해서, 유리 기판(코닝사제: 1737) 위에, In-Ga-Zn-0계 비정질 산화물 반도체 박막을 퇴적시켰다. 이 In-Ga-Zn-0계 박막을, 80℃로 유지된 3염화 티탄의 수용액에 침지한다. 그 후에, 막을 들어 올리고, 공기 중에서 300℃에서 어닐링한다. 이와 같이 함으로써, 비정질 산화물에 불순물로서 Ti를 도입할 수 있다. SIMS에 의해 박막의 표면에서부터 하부까지 박막의 Ti의 농도를 분석한 바, 가장 바깥쪽의 표면의 Ti 농도는 약 0.5%이었지만, 점차적으로 하부쪽으로 감소한다.
본 발명에 따른 비정질 산화물은 트랜지스터의 채널층에 적용가능하다. 그러한 트랜지스터는, LCD 및 유기 EL 디스플레이의 스위칭 소자로서 이용될 수 있다. 혹은, 이 비정질 산화물을, 플라스틱 필름 등의 플렉시블 재료에 적용해서 반도체 박막을 형성할 수도 있다. 그러한 반도체 박막은, 플렉시블 디스플레이의 패널, IC 카드, ID 태그로서 폭넓게 이용될 수 있다.
본 출원은 본 명세서에 참고로 통합되어 있는 2004년 11월 10일자로 출원된 일본 특허출원번호 제2004-326687호로부터 우선권을 주장한다.

Claims (21)

  1. 미세결정을 포함하고,
    상기 미세결정의 입자 계면은 비정질 구조로 덮여 있으며,
    1012/㎤ 이상 1018/㎤ 미만의 전자 캐리어 농도를 갖고,
    결정상태에 있어서의 조성이 In2-xM3xO3(Zn1-yM2yO)m (0 ＜ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1, m은 0 또는 6 미만의 자연수)인 단일 화합물 또는 m의 수가 다른 화합물의 혼합체로 구성된 비정질 산화물 반도체이며, 여기서 M2 원소는 Zn보다 원자 번호가 작은 2족 원소(Mg, Ca)이고, M3 원소는 In보다 원자 번호가 작은 3족 원소(B, Al, Ga, Y)인 것을 특징으로 하는 비정질 산화물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    In, Zn 및 Sn으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 함유한 것을 특징으로 하는 비정질 산화물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 산화물은 In, Zn 및 Sn을 함유한 산화물과, In 및 Zn을 함유한 산화물과, In 및 Sn을 함유한 산화물과, In을 함유한 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비정질 산화물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    In, Ga, 및 Zn을 함유한 것을 특징으로 하는 비정질 산화물.
  5. 미세결정을 포함하고,
    상기 미세결정의 입자 계면은 비정질 구조로 덮여 있으며,
    전자 캐리어 농도가 증가함에 따라, 전자 이동도가 증가하는 경향을 나타내고, 또한
    결정상태에 있어서의 조성이 In2-xM3xO3(Zn1-yM2yO)m (0 ＜ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1, m은 0 또는 6 미만의 자연수)인 단일 화합물 또는 m의 수가 다른 화합물의 혼합체로 구성된 비정질 산화물 반도체이며, 여기서 M2 원소는 Zn보다 원자 번호가 작은 2족 원소(Mg, Ca)이고, M3 원소는 In보다 원자 번호가 작은 3족 원소(B, Al, Ga, Y)인 것을 특징으로 하는 비정질 산화물.
  6. 미세결정을 함유한 비정질 산화물의 활성층과,
    게이트 절연체를 통해서 상기 활성층과 대향하도록 형성된 게이트 전극을 구비하며,
    상기 미세결정의 입자 계면은 비정질 구조로 덮여 있고,
    상기 비정질 산화물이,
    전자 캐리어 농도가 1012/㎤ 이상 1018/㎤ 미만이고,
    전자 캐리어 농도가 증가함에 따라, 전자 이동도가 증가하는 경향을 나타내는 비정질 산화물이며, 또한
    결정상태에 있어서의 조성이 In2-xM3xO3(Zn1-yM2yO)m (0 ＜ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1, m은 0 또는 6 미만의 자연수)인 단일 화합물 또는 m의 수가 다른 화합물의 혼합체로 구성된 비정질 산화물 반도체이며, 여기서 M2 원소는 Zn보다 원자 번호가 작은 2족 원소(Mg, Ca)이고, M3 원소는 In보다 원자 번호가 작은 3족 원소(B, Al, Ga, Y)인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 트랜지스터는 노멀리 오프형 트랜지스터이며,
    게이트 전압 무인가시의 드레인·소스 단자간의 전압(VDS)·전류(IDS)와 트랜지스터 폭(W) / 트랜지스터 길이(L)가 수학식 VDS×IDS/(W/L) ≤ 1.5 × 10-5 (V×A)를 만족하는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.
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