專利名稱:非晶形氧化物和薄膜晶體管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關非晶形氧化物和薄膜晶體管。
背景技術：
薄膜晶體管(Thin Film Transistor，TFT)是具有柵極引出線、源極引出線和汲極引出線的三個引出線組件，采用已于基板上形成薄膜的半導體薄膜作為電子或空穴移動的溝道層，施加電壓至柵極引出線，控制流動于溝道層的電流，具有切換源極引出線和汲極引出線間的電流的機能的有源組件。目前最被廣泛使用作TFT者，是以多晶硅膜或非晶形硅膜為溝道層材料的MIS-FET(Metal Insulator Semiconductor FieldEffect Transistor)組件。
另外，最近將已采用ZnO的透明導電性氧化物多晶薄膜用于溝道層的TFT，正予蓬勃的開發(fā)著(專利文獻1)。上述薄膜可于低溫形成薄膜，且對可見光是透明的，故于塑料板或薄膜等的基板上可形成可撓性透明TFT。
然而，習用的ZnO未能形成室溫穩(wěn)定的非晶形相，幾乎所有的ZnO均呈現(xiàn)多晶相，由于多晶晶粒界面的亂射，以致未能增加電子移動度。再者，ZnO是容易有氧缺陷現(xiàn)象，會大量發(fā)生載流子電子，欲降低導電率是較困難的。因此，欲增加晶體管的連通。斷開比也是困難的。
另外，于專利文獻2內記載著以ZnxMyInzO(x+3y/2+3z/2)(式內M是Al和Ga中至少一種元素，比率x/y在0.2~12的范圍，比率z/y在0.4~1.4的范圍)表示的非晶形氧化物作為非晶形氧化物。然而，在此所得的非晶形氧化物膜的電子載流子濃度是1018/cm3以上，雖然單單用作透明電極即已足夠，但卻較難適用于TFT的溝道層。何以如此，于以上述非晶形氧化物膜為溝道層的TFT，未能充分取得連通。斷開比，顯而可知并不適用于正常斷開型(normally off)的TFT。
專利文獻1日本特開2003-298062號公報專利文獻2日本特開2000-044236號公報
發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是提供電子載流子濃度低的非晶形氧化物，再者提供以采用各該非晶形氧化物于溝道層的薄膜晶體管。
本發(fā)明是(1)以電子載流子濃度未滿1018/cm3為特征的非晶形氧化物。另外，本發(fā)明是優(yōu)選以電子載流子濃度1017/cm3以下或1016/cm3以下的非晶形氧化物。
另外，本發(fā)明是(2)以使電子載流子濃度增加，同時使電子移動度增加為特征的非晶形氧化物。
另外，本發(fā)明是(3)以電子移動度超過0.1cm2/(V·秒)為特征的上述(1)或(2)所述的非晶形氧化物。
另外，本發(fā)明是(4)表示導電衰退的上述(2)或(3)所述的非晶形氧化物。在此所謂的導電衰退是指電阻于溫度相依性的熱活化能量于30meV以下的狀態(tài)。
另外，本發(fā)明的其它形態(tài)是(5)以Zn、In和Sn的中至少一種的元素為構成成分，以(Sn1-xM4x)O2]a.[(In1-yM3y)2O3]b.[(Zn1-zM2z)O]c[0≤x≤1、0≤y≤1、0≤z≤1，且x、y、z并不同時為1，0≤a≤1、0≤b≤1、0≤c≤1，且a+b+c＝1、M4為較Sn原子序號小的IV族(4族)元素(Si、Ge、Zr)，M3為較In原子序號小的III族(3族)元素(B、Al、Ga、Y)或Lu，M2為較Zn原子序號小的II族(2族)元素(Mg、Ca)]表示的上述的(1)至(4)的任一項記載的非晶形氧化物。
另外，本發(fā)明是于上述(5)的發(fā)明內也可含有V族(5族)元素M5(V、Nb、Ta)或W的中至少一種元素。
本發(fā)明的其它形態(tài)是(6)采用結晶狀態(tài)的組成為(InM3)2O3(Zn1-xM2xO)m[0≤x≤1，m為0或未滿6的數(shù)或自然數(shù)，M3是較In原子序號小的III族(3族)元素(B、Al、Ga、Y)或Lu，M2是較Zn原子序號小的II族(2族)元素(Mg、Ca)]的化合物單體或m值不同的化合物的混合體的上述(1)為(4)的任一項記載的非晶形氧化物的薄膜晶體管。至于M3，例如可為Ga，至于M2，例如可為Mg。
另外，本發(fā)明是已設于玻璃基板、金屬基板、塑料基板或塑料薄膜上的(1)至(6)中任一項所述的非晶形氧化物。另外，本發(fā)明是已使用上述非晶形氧化物于溝道層的電場效應型晶體管。另外，與本發(fā)明有關的電場效應型晶體管是以Al2O3、Y2O3或HfO2的一種，或以含有至少二種該等化合物的混晶化合物為柵極絕緣層為特征。
另外，本發(fā)明的其它形態(tài)，是(7)以由In-Ga-Zn-O構成，結晶狀態(tài)的組成為InGaO3(ZnO)m(m是未滿6的自然數(shù))表示，電子移動度超過1cm2/(V·秒)且電子載流子濃度未滿1018/cm3為特征的透明半絕緣性非晶形氧化物膜。
另外，本發(fā)明的其它形態(tài)，是(8)以由In-Ga-Zn-Mg-O構成，結晶狀態(tài)的組成為InGaO3(Zn1-xMgxO)m(m是未滿6的自然數(shù)，以0＜x≤1表示，電子移動度超過1cm2/(V·秒)且電子載流子濃度未滿1018/cm3為特征的透明半絕緣性非晶形氧化物膜。再者另外，本發(fā)明是刻意的不添加供提高電阻而用的雜質離子，使于含氧氣的氣圍中進行成膜為特征的上述的透明半絕緣性非晶形氧化物膜的制造方法。
再者另外，與本發(fā)明有關的薄膜晶體管是具有源極電極、汲極電極、柵極電極、柵極絕緣膜和溝道層，于前述溝道層內采用電子載流子濃度未滿1018/cm3的非晶形氧化物為特征。前述非晶形氧化物的電子載流子濃度以于1017/cm3以下或1016/cm3以下為宜。在此，前述非晶形氧化物是含有In、Ga、Zn的氧化物，原子數(shù)比是In∶Ga∶Zn＝1∶1∶m(m＜6)?；蚯笆龇蔷窝趸锸呛蠭n、Ga、Zn和Mg的氧化物，原子數(shù)比是In∶Ga∶Zn1-xMgx＝1∶1∶m(m＜6)，0＜x≤1。
另外，前述非晶形氧化物是由InxGa1-x氧化物(0≤x≤1)、InxZn1-x氧化物(0.2≤x≤1)、InxSn1-x氧化物(0.8≤x≤1)或Inx(Zn、Sn)1-x氧化物(0.15≤x≤1)選出的非晶形氧化物。
另外，于與薄膜晶體管有關的本發(fā)明內，是可采用隨著電子載流子濃度的增加，電子移動度同時增加的材料作為前述記非晶形氧化物。
若依本發(fā)明時，則可提供電子載流子濃度低的非晶形氧化物，同時可提供采用該非晶形氧化物于溝道層的薄膜晶體管。
實施內容與本發(fā)明有關的非晶形氧化物是以電子載流子濃度未滿1018/cm3為特征。另外，與本發(fā)明有關的薄膜晶體管(TFT)是以采用電子載流子濃度未滿1018/cm3的非晶形氧化物于其溝道層為特征。
TFT是如圖5所示，是由于基板上設置溝道層2，于各該溝道層2上設有柵極絕緣膜3、柵極電極4、源極電極6、汲極電極5所構成的。于本發(fā)明，是采用電子載流子濃度未滿1018/cm3的非晶形氧化物作為此溝道層。
可適用于本發(fā)明的TFT的構成，是如圖5所示，并不限于半導體溝道層的上依序形成柵極絕緣膜和柵極引出線(電極)的交錯型(頂層柵極型)構造，例如于柵極引出線的上依序具有柵極絕緣膜和半導體溝道層的逆交錯型(底層柵極型)構造也可。前述電子載流子濃度是于室溫測量時的數(shù)值。室溫例如是25℃，具體來說是由約0℃至40℃的范圍適當選出的溫度。
且，與本發(fā)明有關的非晶形氧化物的電子載流子濃度是于0℃至40℃的全部范圍，并無滿足未滿1018/cm3的必要。例如于25℃，以載流子電子密度未滿1018/cm3若可實現(xiàn)即可。另外，再降低電子載流子濃度，若設成1017/cm3以下，較宜為1016/cm3以下時，則可以良品率較佳的制得正常斷開的TFT。電子載流子濃度的測定是可由空穴效應求得。
且于本發(fā)明，非晶形氧化物是指于X射線繞射圖譜所觀測的電暈圖形(halo pattern)中未表示出特定的繞射線的氧化物。于本發(fā)明的非晶形氧化物的電子載流子濃度的下限值若可適用作TFT的溝道層時即可，并未予特別限制。下限值例如為1012/cm3。
因此，于本發(fā)明，如后述的各實施例般，控制非晶形氧化物的材料、組成比、制造條件等，例如將電子載流子濃度控制成1012/cm3以上至未滿1018/cm3。較優(yōu)選為1013/cm3以上至1017/cm3以下，更優(yōu)選為1015/cm3以上至1016/cm3以下的范圍。
且，至于電子移動度，于室溫測量時，是0.1cm2/(V·秒)以上，優(yōu)選為1cm2/(V·秒)，較優(yōu)選為5cm2/(V·秒)以上。且，上述的非晶形氧化物，是隨著電子載流子濃度增加，同時使電子移動度增加。另外，其導電性有顯現(xiàn)出導電衰退的傾向。導電衰退是指電阻于溫度相依性的熱活化能量于30meV以下的狀態(tài)。
(非晶形氧化物的材料)至于與本發(fā)明有關的非晶形氧化物，以Zn、In和Sn的中至少一種的元素為構成成分，以(Sn1-xM4x)O2]a·[(In1-yM3y)2O3]b[(Zn1-zM2z)O]c·[0≤x≤1、0≤y≤1、0≤z≤1，且x、y、z并不同時為1，0≤a≤1、0≤b≤1、0≤c≤1，且a+b+c＝1、M4為較Sn原子序號小的IV族(4族)元素(Si、Ge、Zr)，M3為較In原子序號小的III族(3族)元素(B、Al、Ga、Y)或Lu，M2為較Zn原子序號小的II族(2族)元素(Mg、Ca)]表示的材料。于此氧化物內也可加入5族元素M5(V、Nb、Ta)或W的中至少一種元素。且于本詳細說明書內，于周期表的II族、III族、IV族、V族元素雖也有記載成2族、3族、4族、5族元素的情形，但指相同意義。
藉由于上述的非晶形膜內添加構成較Zn原子序號小的2族元素M2(M2是Mg、Ca)、較In原子序號小的3族元素M3(M3是B、Al、Ga、Y)和Lu、較Sn原子序號小的4族元素M4(M4是Si、Ge、Zr)、5族元素(M5是V、Nb、Ta)或W的中至少一種復合氧化物的元素，可使電子載流子濃度較減少。
各自較Zn、In、Sn原子序號小的M2、M3、M4元素，是離子性較Zn、In、Sn強，因此較少發(fā)生缺氧，可降低電子載流子濃度。另外，Lu的原子序號雖較Ga大，但離子半徑小，離子性強，與M3達成同樣的機能。M5因是正五價離子化，故與氧間的鍵結較強，較難生成缺氧。W因是六價離子化，故與氧間的鍵結較強，較難生成缺氧。
另外，至于可適用于本發(fā)明的非晶形氧化物，結晶狀態(tài)的組成為(InM3)2O3(Zn1-xM2xO)m[0≤x≤1，m為0或未滿6的數(shù)或自然數(shù)，M3是較In原子序號小的III族(3族)元素(B、Al、Ga、Y)或Lu，M2是較Zn原子序號小的II族(2族)元素(Mg、Ca)]的化合物單體或m值不同的化合物的混合體。至于M3，例如可為Ga，至于M2，例如可為Mg。
如此，至于可適用于本發(fā)明的非晶形氧化物，是位于以SnO2、In2O3和ZnO為頂點的三角形的內部的一元系、二元系或三元系組成的化合物。上述三種化合物的中，In2O3是于非晶形形成能力較大的氣相法內，藉由于形成薄膜的大氣內添加水分約0.1Pa等的手段進行成膜的狀態(tài)可形成完全的非晶形相。
另一方面，ZnO和SnO2雖是較難單獨的形成非晶形相的情形，但藉由將In2O3設成主氧化物，可形成非晶形相。具體來說，上述三種化合物的中含有二個的二元系組成(位于上述三角形的周邊上的組成)的中，于In-Zn-O系以In含有約20原子％以上的組成、于Sn-In-O系以In含有約80原子％以上的組成，可制作非晶形膜。
為以氣相法制得In-Zn-O系非晶形膜，例如，若于氣圍中引入水蒸汽約0.1Pa，又為制得In-Sn-O系非晶形膜，于氣圍中引入氮氣約0.1Pa即可。上述化合物的中含有三個的三元系組成的Sn-In-Zn系，于In約15原子％以上的組成范圍，藉由氣相法可制得非晶形膜。且在此的原子％是表示對僅除氧離子外的金屬離子內的原子％。也即，例如，「于In-Zn-O系的In約20原子％以上」是InxZn1-x(x＞0.2)。
另外，于含有Sn、In、Zn的非晶形氧化物膜的組成，如下述般，也可添加各自的元素。具體來說，可添加較Zn原子序號小的2族元素M2(M2是Mg、Ca)、較In原子序號小的3族元素M3(M3是B、Al、Ga、Y)和Lu、較Sn原子序號小的4族元素M4(M4是Si、Ge、Zr)的中構成至少一種復合氧化物的元素。再者，本發(fā)明的非晶形氧化物膜，是可于上述組成內添加5族元素M5(M5是V、Nb、Ta)或W的中構成至少一種的復合氧化物的元素。
藉由添加上述元素，可使室溫的非晶形膜較穩(wěn)定化，再者可拓展所得的非晶形膜的組成范圍。尤其，共有鍵結性較強的B、Si、Ge的添加是于非晶形相穩(wěn)定化方面有效，由離子半徑的差較大的離子所構成的復合氧化物是非晶形相呈現(xiàn)穩(wěn)定化。例如，于In-Zn-O系若In超過約20原子％的組成范圍時，則雖較難制得室溫穩(wěn)定的非晶形膜，但藉由當量添加In和Mg，可于In超過約15原子％以上的組成范圍制得穩(wěn)定的非晶形膜。
其次，說明可適用于與本發(fā)明有關的薄膜晶體管的溝道層的非晶形氧化物材料的例子。至于溝道層所用的非晶形氧化物，例如為含有In、Ga、Zn且原子數(shù)比滿足In∶Ga∶Zn＝1∶1∶m的氧化物。在此，m是未滿6的數(shù)。且m的值也可為自然數(shù)，但不一定需為自然數(shù)。且于本詳細說明書的其它處所的m也是同樣的。且，原子數(shù)比也可視作克分子比。
結晶狀態(tài)的組成以InGaO3(ZnO)m(m是未滿6的數(shù))表示的透明非晶形氧化物薄膜，是于m未滿6時，至800℃以上的高溫為止，隨著m的值變大，也即ZnO對InGaO3的比增大，隨著接近ZnO組成，變成容易結晶化。因此，至于非晶形TFT的溝道層，以m的值未滿6為宜。藉由將濺鍍法或脈沖雷射蒸鍍法進行成膜的際的靶材(例如，多晶體)的組成比設成滿足上述m＜6時，即可得所期望的非晶形氧化物。
另外，至于上述非晶形氧化物，于上述InGaZn的構成比內，也可將Zn取代成Zn1-xMgx。Mg的取代量是可于0＜x≤1的范圍內。且，若取代成Mg時，則氧化物膜的電子移動度與未添加Mg膜相較雖會降低，但其程度較少，另一方面再與未取代電子載流子濃度的情況相比因可降低，故作為TFT的溝道層是較合適的。Mg的取代量宜為超過20％，未滿85％，(x是于0.2＜x＜0.85的范圍內)，較宜為0.5＜x＜0.85。
再者另外，前述非晶形氧化物，也可由ln氧化物、lnxZn1-x氧化物(0.2≤x≤1)、InxSn1-x氧化物(0.8≤x≤1)或Inx(Zn、Sn)1-x氧化物(0.15≤x≤1)合適的選擇。且Zn和Sn于Inx(Zn、Sn)1-x氧化物的組成比是可合適選擇。也即Inx(Zn、Sn)1-x氧化物是可記載成Inx(ZnySn1-y)1-x氧化物，y的范圍是由1至0。且，不含Zn和Sn的In氧化物的情況，也可將部份In取代成Ga，也即成為InxGa1-x氧化物(0≤x≤1)。
(非晶形氧化物的制造方法)本發(fā)明所用的非晶形氧化物是于以下的各實施例所示的條件利用氣相成膜法可予形成。例如，為得InGaZn非晶形氧化物，以具有InGaO3(ZnO)m組成的多晶燒結體為靶材，藉由濺鍍法(SP法)、脈沖雷射蒸鍍法(PLD法)和電子射束蒸鍍法等氣相法進行成膜。且由大量生產的觀點，以濺鍍法是最合適的。
且，于In2O3、In-Zn-O系非晶形氧化物膜等，于成膜時的大氣內加入氧游離基也可，此氧游離基的添加是采用發(fā)生氧游離基裝置即可。且于成膜后，有使電子載流子濃度增加的必要情況下，于還原氣圍中，藉由熱處理該膜可使電子載流子濃度增加。至于如此而得的電子載流子濃度不同的非晶形氧化物膜，若調查電子移動度與電子載流子濃度的相依性時，電子移動度是隨著電子載流子濃度的增加而同時增加。
(基板)至于形成與本發(fā)明有關的薄膜晶體管的際的基板，可采用玻璃基板、塑料基板、塑料薄膜等。且如后述實施例所說明般，與本發(fā)明有關的非晶形氧化物，因可于室溫進行成膜，于以PET為首的可撓性材料上可設置薄膜晶體管。另外，合適的選擇上述非晶形氧化物，采用對波長400nm以上的可見光或紅外光透明的材料制作TFT。
(柵極絕緣膜)至于與本發(fā)明有關的薄膜晶體管的柵極絕緣膜，以含有Al2O3、Y2O3、HfO2或該等化合物至少兩種以上的混晶化合物為柵極絕緣膜為宜。于柵極絕緣薄膜和溝道層薄膜的界面上若存在缺陷時，則會降低電子移動度和造成晶體管特性的遲滯現(xiàn)象。另外，因柵極絕緣膜的種類不同，漏泄電流也大不相同。因此，有選定適于溝道層的柵極絕緣膜的必要。
若采用Al2O3膜時，即可減低漏泄電流。另外，若采用Y2O3膜時，則可降低遲滯現(xiàn)象。再者，若采用高介電常數(shù)的HfO2膜時，則可增加電場效應移動度。另外，采用由此等化合物的混晶而成的膜，可形成漏泄電流、遲滯小，電場效應移動度大的TFT。另外，柵極絕緣膜形成制程和溝道層形成制程因可于室溫進行，無論TFT構造，即或交錯構造和逆交錯構造均可予形成。
(晶體管)若采用電子載流子濃度未滿1018/cm3的非晶形氧化物膜于溝道層，介經源極引出線、汲極引出線和柵極絕緣膜構成已配有柵極引出線的電場效應型晶體管時，則施加約5V的電壓至源極引出線。汲極引出線間時，可將未施加柵極電壓時的源極引出線。汲極引出線間的電流設為約10-7安培。電子載流子濃度的理論下界限若予假設成可使價電子帶域的電子受熱激勵時，則為105/cm3以下，但實際的可能性則為1012/cm3。
另外，若采用Al2O3、Y2O3、或HfO2的一種或含有該等化合物至少二種以上的混晶化合物作為柵極絕緣層時，可將源極。柵極引出線間和汲極。柵極引出線間的漏泄電流設成約10-7安培，可實現(xiàn)正常斷開晶體管。
氧化物結晶的電子移動度，是金屬離子的s軌道重迭愈大則愈大，原子序號較大的Zn、In、Sn的氧化物結晶是具有0.1至200cm2/(V·秒)的較大的電子移動度。再者，于氧化物方面，因氧與金屬離子形成離子鍵結，無化學鍵結的方向性，呈無規(guī)構造，即使鍵結的方向為不均勻的非晶形狀態(tài)，與結晶狀態(tài)的電子移動度相較，成為可具有相同程度大小。另一方面，藉由以原子序號較小的元素取代Zn、In、Sn，則電子移動度變小。因此，藉由采用上述的非晶形氧化物，可將電子移動度控制于約0.01cm2/(V·秒)至20cm2/(V·秒)的范圍。
另外，于通常的化合物方面，隨著載流子濃度增加，由于載流子間的亂射等等，電子移動度雖然減少，但相對于此，于本發(fā)明的非晶形氧化物方面，隨著電子載流子濃度的增加，電子移動度雖會增加，但其物理機構并不清楚。
若施加電壓至柵極引出線時，因可注入電子至上述的非晶形氧化物溝道層內，故電流于汲極。源極引出線間流動，兩引出線間成為連通狀態(tài)。依本發(fā)明而得的非晶形氧化膜，是隨著電子載流子濃度增加而使電子移動度變大，故晶體管可使于連通狀態(tài)的電流變大。也即可較增加飽和電流和連通·斷開比。若采用電子移動度較大的非晶形氧化物膜作為TFT的溝道層時，則可增大飽和電流，又可增大TFT的轉換(switching)速度，使高速動作成為可能的。
例如，電子移動度若為0.01cm2/(V·秒)程度時，則可用作驅動液晶顯示組件的TFT的溝道層。另外，若采用約0.1cm2/(V·秒)的非晶形氧化物膜時，則具有與采用非晶形硅膜的TFT同等以上的性能，可制作驅動動畫影像用顯示組件的TFT。
再者，使以電流驅動的有機發(fā)光二極管動作的情況等，為實現(xiàn)需要較大的電流的TFT，以電子移動度超過1cm2/(V·秒)為較宜。若采用表示依本發(fā)明而得的導電衰退的非晶形氧化物于溝道層時，則在電子載流子濃度較多的狀態(tài)的電流，也即晶體管的飽和電流的溫度相依性變小，可實現(xiàn)溫度特性優(yōu)越的TFT。
實施例實施例1依PLD法制作的非晶形ln-Ga-Zn-O薄膜采用圖7所示的PLD成膜裝置，進行成膜。于同圖，701是RP(旋轉型唧筒)，702是TMP(渦輪分子唧筒)，703是準備室，704是RHEED用電子槍，705是供旋轉、垂直移動基板而用的基板支持設備，706是雷射入射窗，707是基板，708是靶材，709是游離基源，710是氣體導入口，711是供旋轉、垂直移動靶材而用的靶材支持設備，712是旁通管線，713是主管線，714是TMP(渦輪分子唧筒)，715是RP(旋轉型唧筒)，716是鈦除氣唧筒(titanium getter pump)，717是快門。另外，圖中718是IG(離子真空計)，719是PG(皮拉尼真空計)，720是BG(巴拉特龍真空計)721是成長室(chamber)。
藉由已采用KrF激發(fā)子(eximer)雷射的脈沖雷射蒸鍍法，使In-Ga-Zn-O系非晶形氧化物半導體膜淀積于SiO2玻璃基板(康寧公司制造的1737)上。至于淀積前的處理，采用丙酮、乙醇、超純水各對基板進行超音波脫脂清洗5分鐘后，使于100℃空氣中干燥。
于前述多晶靶材方面，是采用InGaO3(ZnO)4系燒結體(尺度20mm直徑，5mm厚度)。這是以已濕式混合起始原料的In2O3∶Ga2O3∶ZnO(各4N試劑)后(溶劑乙醇)，經暫時燒結(1000℃2h)、干式粉碎、真正燒結(1550℃2h)而得者。如此制作的靶材的導電率為90S/cm。
使成長室的到達真空設成2×10-6Pa，將成長中的氧分壓控制于6.5Pa并進行成膜。成長室721內氧分壓是6.5Pa、基板溫度是25℃。且，靶材708和被成膜基板707間的距離是30mm，由入射窗716經予入射的KrF激發(fā)子的功率是1.5-3mJ/cm2/pulse的范圍。另外，脈沖寬度是20nsec，反復頻率是10Hz，因此，照射點直徑為1×1mm(方形)。如此以成膜率7nm/min進行成膜。
關于制得的薄膜，于幾乎貼近薄膜處進行入射X射線繞射(薄膜法，入射角0.5度)時，由未被發(fā)現(xiàn)有明顯的繞射波峰，可說已制作的In-Ga-Zn-O系薄膜是非晶形的。再者，測定X射線反射率，進行繞射圖形的解析的結果，得知薄膜的均方根粗糙度(Rrms)是約0.5nm，膜厚約120nm。螢光X射線(XRF)分析的結果，薄膜的金屬組成比為In∶Ga∶Zn＝0.98∶1.02∶4。導電率是未滿約10-2S/cm。電子載流子濃度可被推定為約1016/cm3以下，電子移動度為約5cm2/(V.秒)。
由光吸收光譜的解析，求出已制作的非晶形薄膜的禁止帶能量寬度為約3eV。由以上的事實，已制作的In-Ga-Zn-O系薄膜是呈現(xiàn)出與結晶InGaO3(ZnO)4系的組成相近的非晶形相，可知是缺氧較少，導電率較小的透明平坦薄膜。
采用圖1具體的說明。該圖是由In-Ga-Zn-O所構成，以與本實施例相同條件下制作已假設結晶狀態(tài)時的組成以InGaO3(ZnO)m(m是未滿6的數(shù))表示的透明非晶形氧化物薄膜時，使改變氧分壓的情況，表示出經與成膜的氧化物的電子載流子濃度的變化者。
藉由于與本實施例相同條件下超過氧分壓4.5Pa的較高的氣圍中進行成膜，如圖1所示，可使電子載流子濃度降低至未滿1018/cm3。此時，基板的溫度是于不刻意加溫的狀態(tài)，可予保持于約略室溫。于使用可撓性塑料薄膜作為基板時，基板溫度以保持未滿100℃為宜。
若更提高氧分壓時，可更使電子載流子濃度降低。例如，如圖1所示般，于以基板溫度25℃、氧分壓5Pa進行成膜的InGaO3(ZnO)4薄膜，可再使電子載流子數(shù)降低至1016/cm3。
所得的薄膜如圖2所示般，電子移動度是超過1cm2/(V·秒)。然而，于本實施例的脈沖雷射蒸鍍法，若使氧分壓設成6.5Pa以上時，則已淀積的膜的表面即成凹凸，欲用作TFT的溝道層即成困難。因此，于氧分壓超過4.5Pa，較佳為超過5Pa至未滿6.5Pa的氣圍中，若采用由以脈沖雷射蒸鍍法制作的In-Ga-Zn-O所構成，于結晶狀態(tài)的組成以InGaO3(ZnO)m(m是未滿6的數(shù))表示的透明非晶形氧化物薄膜時，則可構成正常斷開的晶體管。
另外，該薄膜是可得電子移動度超過1cm2/V·秒，增大連通。斷開比至成超過103。如前述般，以本實施例所示的條件下藉由PLD法進行InGaZn氧化物的成膜時，以控制氧分壓成4.5Pa以上至未滿6.5Pa為較佳。且為實現(xiàn)電子載流子濃度成未滿1018/cm3，使氧分壓的條件、成膜裝置的構成或成膜的材料或組成等等相依。
其次，以上述裝置的氧分壓的6.5Pa條件下，制作非晶形氧化物，制作如圖5所示的頂層柵極型MISFET組件。具體來說，先于玻璃基板(1)上依上述的非晶形In-Zn-Ga-O薄膜的制作法形成用作溝道層(2)的厚度120nm的半絕緣性非晶形InGaO3(ZnO)4膜。
再者于其上，使反應室內氧分壓設成未滿1Pa，藉由脈沖雷射淀積法各自層合導電度較大的InGaO3(ZnO)4和金膜30nm，依微影術(photo-lithography)法和剝落法(1ift off)法形成汲極引出線(5)和源極引出線(6)。
最后藉由電子射束蒸鍍法形成用作柵極絕緣膜(3)的Y2O3膜(厚度90nm、比介電常數(shù)約15、漏泄電流密度施加0.5MV/cm時為10-3A/cm2)，于其上形成金的薄膜，藉由微影術和剝落法形成柵極引出線(4)。
(MISFET組件的特性評估)圖6是表示室溫下測定的MISFET組件的電流-電壓特性。隨著汲極電壓VDS的增加，由汲極電流IDS已增加一事可知溝道是n型半導體。這和非晶形In-Zn-Ga-O系半導體為n型的事實并不矛盾。IDS以VDS＝6V程度顯示出飽和(pinch off)典型的半導體晶體管的行為。調查增益特性時，于施加VDS＝4V時的柵極電壓VGS的閾值約為-0.5V。另外，于施加VGS＝6V時，于VDS＝10V時流動著IDS＝1.0×10-5A的電流。這是對應于由于柵極偏壓(bias)會于絕緣體的In-Zn-Ga-O系非晶形半導體薄膜內感應載流子。晶體管的連通。斷開比是超過103。另外，由輸出特性計算電場效應移動度時，于飽和領域可得大約7cm2(Vs)-1的電場效應移動度。
雖然對已制作的組件照射可見光進行同樣的測量，但未發(fā)現(xiàn)有晶體管特性的變化。若依本實施例時，電子載流子濃度小，因此可實現(xiàn)具有電阻高且電子移動度大的溝道層的薄膜晶體管。且，上述非晶形氧化物是隨電子載流子濃度的增加而同時增加電子移動度，再者具有表示導電衰退的優(yōu)越特性。
于本實施例雖于玻璃基板上已制作薄膜晶體管，但制成薄膜本身是在室溫進行，故可使用塑料板或薄膜等的基板。另外，以本實施例而得的非晶形氧化物，對可見光的光吸收能幾乎不可實現(xiàn)透明的可撓性TFT。
實施例2依PLD法制作的非晶形InGaO3(ZnO)和InGaO3(ZnO)4氧化膜的成膜依采用KrF激發(fā)子雷射的PLD法，以具有InGaO3(ZnO)和InGaO3(ZnO)4組成的多晶燒結體各為靶材，于玻璃基板(康寧公司制造的1737)使淀積In-Zn-Ga-O系非晶形氧化物膜。PLD成膜裝置是采用實施例1所示者，成膜條件與上述相同。于基板溫度25℃進行成膜。
關于所得的薄膜，對貼近膜面而進行入射X射線繞射(薄膜法、入射角0.5度)時，則清晰可見的繞射波峰未被檢測出，由二種靶材制作的In-Zn-Ga-O系膜，不論何者均顯示出非晶形膜。
再者，對玻璃基板的In-Zn-Ga-O系非晶形氧化物膜進行X射線反射率測量，已進行圖形的解析的結果，可知薄膜的均方根粗糙度(Rrms)為約0.5nm，膜厚約120nm。螢光X射線(XRF)分析的結果，以具有InGaO3(ZnO)組成的多結晶燒結體為靶材而得的膜的金屬原子組成比是In∶Ga∶Zn＝1.1∶1.1∶0.9。又以具有InGaO3(ZnO)4組成的多晶燒結體為靶材而得的膜的金屬原子組成比是In∶Ga∶Zn＝0.98∶1.02∶4。
使成膜時的氣圍的氧分壓變化，測定以具有InGaO3(ZnO)4組成的多晶燒結體為靶材而得的非晶形氧化膜的電子載體濃度。其結果示于圖1。藉由在氧分壓超過4.5Pa的氣圍中成膜，可使電子載體濃度降低至未滿1018/cm3。此時，于基板溫度刻意不予加溫的狀態(tài)下是予以保持于約略常溫。又，氧分壓未滿6.5Pa時，所得的非晶形氧化物膜的表面是平坦的。
氧分壓為5Pa時，以具有InGaO3(ZnO)4組成的多晶燒結體為靶材而得的非晶形氧化物膜的電子載體濃度為1016/cm3，導電率為10-2S/cm。又，電子移動度則予推測成約5cm2/V·秒。由光吸收光譜的解析，求出已制作的非晶形氧化物膜的禁帶能量寬幅是約3eV。若氧分壓由5Pa再增大時，則可使電子載體濃度再降低。
如圖1所示，于基板溫度25℃、氧分壓6Pa進行成膜的In-Zn-Ga-O系非晶形氧化物膜，是可將電子載流子濃度降低至8×1015/cm3(導電率約8×10-3S/cm)。所得的膜是可予推測電子移動度超過1cm2/(V·秒)。然而，于PLD法，若將氧分壓設成6.5Pa以上時，則已淀積的膜的表面即成凹凸狀，欲用作TFT的溝道層即成較困難。
關于以具有InGaO3(ZnO)4組成的多晶燒結體為靶材，不同的氧分壓進行成膜的In-Zn-Ga-O系非晶形氧化物膜，探討電子載流子濃度與電子移動度的關是。其結果示于圖2。電子載流子濃度若由1016/cm3增加至1020/cm3時，則電子移動度是予以表示出由約3cm2/(V·秒)增加至約11cm2/(V·秒)。另外，關于以具有InGaO3(ZnO)組成的多晶燒結體為靶材而得的非晶形氧化物膜，也被發(fā)現(xiàn)有同樣的傾向。
采用厚度200μm的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜取代玻璃基板時，所得的In-Zn-Ga-O系非晶形氧化物膜也顯示出同樣的特性。
實施例3依SP法制作的In-Zn-Ga-O系非晶形氧化膜的成膜說明依采用氬氣作為氣圍的高頻SP法而進行成膜的情形。SP法是采用圖8所示的裝置予以進行。于同一圖上，807是被成膜基板，808是靶材，805是附冷卻機構的基板保持裝置，814是渦輪分子唧筒，815是旋轉唧筒，817是快門，818是離子真空計，819是皮拉尼真空計，821是成長室，830是閘閥。至于被成膜基板807是準備SiO2玻璃基板(康寧公司制造的1737)。至于成膜前處理，是采用丙酮、乙醇、超純水各進行此基板的超音波脫脂清洗每種5分鐘后，使于100℃空氣中干燥。
至于靶材材料，是采用具有InGa3(ZnO)4組成的多晶燒結體燒(尺度20mm直徑，5mm厚度)。這一燒結體是將起始原料的In2O3∶Ga2O3∶ZnO(各為4N試劑)濕式混合(溶劑乙醇)，經臨時燒結(1000℃2h)、干式粉碎、真正燒結(1550℃2h)予以制作。此靶材808的導電率為90(S/cm)，屬半絕緣體狀態(tài)。
成長室821內的到達真空為1×10-4Pa，成長中的氧氣和氬氣的總壓力為4~0.1×10-1Pa的范圍內的固定值，改變氬氣和氧的分壓比，使氧分壓于10-3~2×10-1Pa的范圍內變化。又，基板溫度設為常溫，靶材80和被成膜基板807間的距離為30mm。投入電功為RF180W，成膜速率為10nm/min。
關于所取得的膜，對貼近膜面進行入射X射線繞射(薄膜法、入射角lang＝EN-US＞0.5度)時，清晰可見的繞射波峰未被檢測出，已制作的In-Zn-Ga-O系膜是予顯示出非晶形膜。進一步，進行X射線反射率測定，進行圖形的解析的結果，可知薄膜的均方根粗糙度(Rrms)為約0.5nm，膜厚為約120nm。螢光X射線(XRF)分析的結果，薄膜的金屬組成比為In∶Ga∶Zn＝0.98∶1.02∶4。
測定使成膜時的氣圍的氧分壓變化而得的非晶形氧化物膜的導電率。其結果示于圖3。如圖3所示，于氧分壓力超過3×10-2Pa的氣圍中進行成膜，可使導電率降低至10S/cm。
藉由進一步增大氧分壓，可使電子載流子數(shù)量降低。例如，如圖3所示，于基板溫度25℃、氧分壓10-1Pa進行成膜的InGaO3(ZnO)4薄膜，可進一步使導電率降低至10-10S/cm。另外，于氧分壓超過10-1Pa進行成膜的InGaO3(ZnO)4薄膜，電阻過高而未能測定導電率。此時雖未能測定電子移動度，但電子載流子濃度是由較大的膜的值外插，電子移動度則可予推斷為約1cm2/V·秒。
也即，于氧分壓超過3×10-2Pa，宜為超過5×10-1Pa的氬氣圍，采用由濺鍍蒸鍍法制作的In-Ga-Zn-O，于結晶狀態(tài)上的組成InGaO3(ZnO)m(m是未滿6的自然數(shù))表示的透明非晶形氧化物薄膜，可構成正常斷開對正常連通比超過103的晶體管。
于采用本實施例所示的裝置材料的情況下，至于藉由濺鍍器進行成膜的氧分壓，例如3×10-2Pa以上，5×10-1Pa以下的范圍。且于以脈沖雷射蒸鍍法和蒸鍍法制作的薄膜，如圖2所示，隨著導電電子數(shù)的增加，同時使電子移動度增加。
正如上述般，藉由控制氧分壓，可降低氧缺陷，結果可減少電子載流子濃度。另外，于非晶形狀態(tài)是與多晶狀態(tài)不同，因本質上晶粒界面并不存在，可得高電子移動度的非晶形薄膜。且于采用厚度200μm的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜取代玻璃基板時，所得的InGaO3(ZnO)4非晶形氧化物膜也顯示出同樣的特性。
實施例4依PLD法制作的In-Zn-Ga-Mg-O系非晶形氧化物膜的成膜接著，說明依PLD法對玻璃基板進行成膜InGaO3(Zn1-xMgxO)4(0＜x＜1)薄膜。至于成膜裝置，是采用圖7記載的成膜裝置。至于被成膜基板，準備SiO2玻璃基板(康寧公司制造的1737)。以丙酮、乙醇、超純水各進行該基板的超音波脫脂清洗每種5分鐘后，使于100℃空氣中干燥作為成膜的前處理。
至于靶材，使用InGa(Zn1-xMgxO)4(x＝1-0)燒結體(尺度20mm直徑、5mm厚度)。此靶材是將起始原料的In2O3∶Ga2O3∶ZnO∶MgO(各為4N試劑)濕式混合(溶劑乙醇)，經臨時燒結(1000℃2h)、干式粉碎、真正燒結(1550℃2h)予以制作。
成長室內的到達真空為2×10-6Pa，成長中的氧分壓為0.8Pa。又，基板溫度是于常溫(25℃)進行，靶材和被成膜基板間的距離為30(mm)。
且，KrF激發(fā)子雷射的功率為1.5mJ/cm2/pulse、脈沖寬幅為20nsec、反復頻率為10Hz、照射點直徑為1×1mm(方形)。成膜速率為7nm/min。
關于如此而得的薄膜，對貼近膜面進行入射X射線繞射(薄膜法、入射角0.5度)時，清晰可見的繞射波峰未被檢測出，已制作的In-Zn-Ga-Mg-O系膜是予顯示出非晶形膜。所得的薄膜的表面是平坦的。
采用不同數(shù)值的靶材，檢測于氧分壓力0.8Pa的氣圍中進行成膜的In-Zn-Ga-Mg-O系非晶形氧化物膜的導電率、電子載流子濃度和電子移動度的x值相依性。且，至于靶材，若采用多晶InGaO3(Zn1-xMgxO)m(m是未滿6的自然數(shù)，0＜X≤1)時，即使于未滿1Pa的氧分壓下，也可得高電阻非晶形InGaO3(Zn1-xMgxO)m薄膜。
其結果示于圖4。x值超過0.4時，于氧分壓0.8Pa的氣圍中，依PLD法而成膜的非晶形氧化物膜，電子載流子濃度是可以未滿1018/cm3表示。又，于x值超過0.4的非晶形氧化物膜，電子移動度是超過1cm2/V.秒。如圖4所示，于使用以80原子％的Mg取代Zn的靶材時，于氧分壓0.8Pa的氣圍，可將以脈沖雷射淀積法而得的薄膜的電子載流子濃度設為未滿1016/cm3。
如此而得的薄膜的電子移動度較未添加Mg的薄膜者降低，但未達該程度，于室溫的電子移動度為約5cm2/(V·秒)，與非晶形硅相較則顯示出大一個位數(shù)的值。于相同條件進行成膜時，隨著含Mg量的增加，導電率和電子移動度由于均降低，故含Mg量宜為超過20原子％至未滿85原子％(設為x時，0.2＜x＜0.85)，較宜為0.5＜x＜0.85。
且，于采用厚度200μm的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜取代玻璃基板時，所得的InGaO3(Zn1-xMgxO)4(0＜x≤1)非晶形氧化物薄膜也顯示出同樣的特性。
實施例5依PLD法制作的In2O3非晶形氧化物膜的成膜接著說明進行成膜In氧化物膜的情況。成膜裝置是采用圖7所述的裝置。至于被成膜基板，準備SiO2玻璃基板(康寧公司制造的1737)。以丙酮、乙醇、超純水各進行該基板的超音波脫脂清洗每種5分鐘后，使于100℃空氣中干燥作為此基板的前處理。
至于靶材，使用In2O3燒結體(尺度20mm直徑、5mm厚度)。此靶材是將起始原料的In2O3(4N試劑)經臨時燒結(1000℃2h)、干式粉碎、真正燒結(1550℃2h)予以制作。
成長室內的到達真空為2×10-6Pa，成長中的氧分壓為5Pa，水蒸氣分壓為0.1Pa，再對發(fā)生氧游離基裝置施加200W，使產生氧游離基?；鍦囟仁浅?25℃)。靶材和被成膜基板間的距離為40mm。KrF激發(fā)子雷射的功率為0.5mJ/cm2/pulse、脈沖寬幅為20nsec、反復頻率為10Hz、照射點直徑為1×1mm(方形)。成膜速率為3nm/min)關于如此而得的薄膜，對貼近膜面進行入射X射線繞射(薄膜法、入射角0.5度)時，清晰可見的繞射波峰未被檢測出，已制作的In-O系膜是予顯示出非晶形膜。膜厚是80nm。所得的In-O系非晶形氧化物膜的非晶形氧化物膜的電子載流子濃度是5×1017/cm3，電子移動度是約7cm2/V·秒。
實施例6依PLD法制作的In-Sn-O系非晶形氧化物膜的成膜說明依PLD法進行In-Sn-O系非晶形氧化物膜的成膜的情況。至于被成膜基板，是準備SiO2玻璃基板(康寧公司制造的1737)。以丙酮、乙醇、超純水各進行超音波脫脂清洗每種5分鐘后，使于100℃空氣中干燥作為此基板的前處理。
至于靶材，使用In2O3-SnO2燒結體(尺度20mm直徑、5mm厚度)。此靶材是將起始原料的In2O3-SnO2(4N試劑)濕式混合(溶劑乙醇)，經臨時燒結(1000℃2h)、干式粉碎、真正燒結(1550℃2h)予以制作。靶材的組成是(In0.9Sn0.1)O3.1多晶體。
成長室內的到達真空為2×10-6Pa，成長中的氧分壓為5Pa，氮分壓為0.1Pa，再對發(fā)生氧游離基裝置施加200W，使產生氧游離基。基板溫度是于常溫(25℃)進行成膜，靶材和被成膜基板間的距離為30mm。KrF激發(fā)子雷射的功率為1.5mJ/cm2/pulse、脈沖寬幅為20nsec、反復頻率為10Hz、照射點直徑為1×1mm(方形)。成膜速率為6nm/min。
關于如此而得的薄膜，對貼近膜面進行入射X射線繞射(薄膜法、入射角0.5度)時，清晰可見的繞射波峰未被檢測出，已制作的In-Sn-O系膜是予顯示出非晶形膜。所得的In-Sn-O系非晶形氧化物膜的非晶形氧化物膜的電子載流子濃度是8×1017/cm3，電子移動度是約5cm2/V.秒。膜厚為100nm。
實施例7依PLD法制作的In-Ga-O系非晶形氧化物膜的成膜接著，說明進行In-Ga-O系非晶形氧化物膜的成膜的情況。至于被成膜基板，是準備SiO2玻璃基板(康寧公司制造的1737)。以丙酮、乙醇、超純水各進行超音波脫脂清洗每種5分鐘后，使于100℃空氣中干燥作為此基板的前處理。
至于靶材，準備(In2O3)1-x-(Ga2O3)x(x＝0-1)燒結體(尺度20mm直徑、5mm厚度)。且，例如x＝0.1時，則靶材即成為(In0.9Ga0.1)2O3多晶燒結體。此靶材是將起始原料的In2O3-Ga2O2(4N試劑)濕式混合(溶劑乙醇)，經臨時燒結(1000℃2h)、干式粉碎、真正燒結(1550℃2h)予以制作。
成長室內的到達真空為2×10-6Pa，成長中的氧分壓為1Pa?；鍦囟仁怯诔?25℃)進行成膜，靶材和被成膜基板間的距離為30(mm)。KrF激發(fā)子雷射的功率為1.5mJ/cm2/pulse、脈沖寬幅為20nsec、反復頻率為10Hz、照射點直徑為1×1mm(方形)。成膜速率為6nm/min。
關于如此而得的薄膜，對貼近膜面進行入射X射線繞射(薄膜法、入射角0.5度)時，清晰可見的繞射波峰未被檢測出，已制作的In-Ga-O系膜是予顯示出非晶形膜。膜厚為120nm。所得的In-Ga-O系非晶形氧化物膜的非晶形氧化物膜的電子載流子濃度是8×1016/cm3，電子移動度是約1cm2/V·秒。
實施例8采用In-Zn-Ga-O系非晶形氧化物膜制作TFT組件(玻璃基板)制作出如圖5所示的頂層柵極型TFT組件。先于玻璃基板(1)上，以具有InGaO3(ZnO)4組成的多晶燒結體為靶材，于氧分壓5Pa的條件下，藉由實施例2的In-Zn-Ga-O系非晶形氧化物膜的制作法，形成出用作溝道層(2)的厚度120nm的In-Zn-Ga-O系非晶形膜。
再于其上，使成長室內的氧分壓設成未滿1Pa，并藉由PLD法各層合導電率較大的In-Zn-Ga-O系非晶形膜和金膜30nm，藉由微影術和剝落法形成汲極引出線(5)和源極引出線(6)。
最后，藉由電子射束蒸鍍法形成用作柵極絕緣膜(3)的Y2O3膜(厚度90nm、比介電常數(shù)約15、漏泄電流密度施加0.5MV/cm時，10-3A/cm2)，于其上形成金膜，藉由微影術和剝落法形成柵極引出線(4)。溝道長度為50μm，溝道寬幅為200μm。
(TFT組件的特性評估)圖6是表示室溫下測定的TFT組件的電流-電壓特性。隨著汲極電壓VDS的增加，汲極電流IDS會增加，可知溝道為n型傳導。此與非晶形In-Ga-Zn-O系非晶形氧化物膜是n型導體的事實并不矛盾。IDS是表示以VDS＝6V程度飽和的典型半導體晶體管的行為。調查增益特性時，施加VDS＝4V時的柵極電壓VGS的閾值約為-0.5V。另外，于VG＝10V時流動著IDS＝1.0×10-5A的電流。此是對應于由于柵極偏壓會于絕緣體的In-Zn-Ga-O系非晶形半導體薄膜內感應載流子。晶體管的連通.斷開比是超過103。另外，由輸出特性計算電場效應移動度時，于飽和領域可得大約7cm2(Vs)-1的電場效應移動度。
雖然對已制作的組件照射可見光進行同樣的測量，但未發(fā)現(xiàn)有晶體管特性的變化。且，以將非晶形氧化物的電子載流子濃度設成未滿1018/cm3，即可適用作TFT的溝道層。至于此電子載流子濃度較優(yōu)選為1017/cm3以下，更優(yōu)選為1016/cm3以下。
實施例9采用In-Zn-Ga-O系非晶形氧化物膜制作TFT組件制作圖5所示的頂層柵極型TFT組件。具體來說，于聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜(1)上，藉由實施例2所示的成膜法，以具有InGaO3(ZnO)組成的多晶燒結體為靶材，于氧分壓5Pa的條件下，形成出用作溝道層(2)的厚度120nm的In-Zn-Ga-O系非晶形氧化物膜。
再于其上，使成長室內的氧分壓設成未滿1Pa，并藉由PLD法各層合導電率較大的In-Zn-Ga-O系非晶形膜和金膜30nm，藉由微影術和剝落法形成汲極引出線(5)和源極引出線(6)。
最后，藉由電子射束蒸鍍法形成柵極絕緣膜(3)，于其上形成金膜，藉由微影術和剝落法形成柵極引出線(4)。溝道長度為50μm，溝道寬幅為200μm。至于柵極絕緣膜，制作出采用Y2O3(厚度140nm)、Al2O3(厚度130nm)和HfO2(厚度140nm)的三種具有上述構造的TFT。
(TFT組件的特性評估)于PET薄膜上所形成的TFT的于室溫下測定的電流-電壓特性，是與圖6相同。也即隨著汲極電壓VDS的增加，汲極電流IDS會增加，可知溝道為n型傳導。此與非晶形In-Ga-Zn-O系非晶形氧化物膜是n型導體的事實并不矛盾。IDS是表示以VDS＝6V程度飽和的典型半導體晶體管的行為。又，在檢查增益特性時，施加VDS＝4V時的柵極電壓VGS的閾值約為-0.5V。另外，于Vg＝0時，Ids＝10-8A，Vg＝10V時，IDS＝2.0×10-5A流動著IDS＝2.0×10-5A的電流。這是對應于由于柵極偏壓會于絕緣體的In-Zn-Ga-O系非晶形半導體薄膜內感應電子載流子。晶體管的連通。斷開比是超過103。另外，由輸出特性計算電場效應移動度時，于飽和領域可得大約7cm2(Vs)-1的電場效應移動度。
對已于PET薄膜上形成的組件使以曲率半徑30nm折曲，雖可進行相同的晶體管特性的測定，然而并未發(fā)現(xiàn)晶體管特性有大幅度變化。又雖然照射可見光并進行相同的測定，但并未發(fā)現(xiàn)晶體管特性有變化。
即使已采用Al2O3膜的PET作為柵極絕緣膜，雖顯示出與圖6所示者類似的晶體管特性，但于Vg＝0，Ids＝10-8A時，流動著IDS＝1.0×10-6A的電流。晶體管的連通.斷開比是超過102。另外，由輸出特性計算電場效應移動度時，于飽和領域可得約2cm2(Vs)-1電場效應移動度。
即使已采用HfO2膜的PET作為柵極絕緣膜，雖顯示出與圖6所示者類似的晶體管特性，但于Vg＝OV時，Ids＝10-8A，Vg＝10V，流動著IDS＝5.0×10-6A的電流。晶體管的連通.斷開比是超過102。另外，由輸出特性計算電場效應移動度時，于飽和領域可得約10cm2(Vs)-1電場效應移動度。
實施例10采用依PLD法制作的In2O3非晶形氧化物膜制作TFT組件制作圖5所示的頂層柵極型TFT組件。首先，于聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜(1)上，藉由實施例5所示的成膜法，形成出用作溝道層(2)的厚度80nm的In2O3系非晶形氧化物膜。
再于其上，使成長室內的氧分壓設成未滿1Pa，再將施加至發(fā)生氧游離基裝置的電壓設成零，并藉由PLD法各層合導電率較大的In2O3系非晶形膜和金膜30nm，藉由微影術和剝落法形成汲極引出線(5)和源極引出線(6)。
最后，藉由電子射束蒸鍍法形成柵極絕緣膜(3)的Y2O3膜，于其上形成金膜，藉由微影術和剝落法形成柵極引出線(4)。
(TFT組件的特性評估)測定于PET薄膜上所形成的TFT的于室溫下測定的電流-電壓特性。隨著汲極電壓VDS的增加，汲極電流IDS會增加，可知溝道為n型傳導。此與非晶形In-O系非晶形氧化物膜是n型導體的事實并不矛盾。IDS是表示以VDS＝5V程度飽和的典型晶體管的行為。另外，但于Vg＝0V時，2×10-8A，Vg＝10V，流動著Ids＝2.0×10-5A的電流。此是對應于由于柵極偏壓會于絕緣體的In-O系非晶形半導體薄膜內感應電子載流子。晶體管的連通.斷開比是約102。另外，由輸出特性計算電場效應移動度時，于飽和領域可得大約10cm2(Vs)-1的電場效應移動度。
已制作于玻璃基板上的TFT組件也顯示出相同的特性。對已于PET薄膜上形成的組件使以曲率半徑30nm折曲，雖可進行相同的晶體管特性的測定，然而并未發(fā)現(xiàn)晶體管特性有大幅度變化。
實施例11采用依PLD法制作的In-Sn-O系非晶形氧化物膜制作TFT組件制作如圖5所示的頂層柵極型TFT組件。首先，于聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜(1)上，藉由實施例6所示的成膜法，形成出用作溝道層(2)的厚度100nm的In-Sn-O系非晶形氧化物膜。
再于其上，使成長室內的氧分壓設成未滿1Pa，再將施加至發(fā)生氧游離基裝置的電壓設成零，并藉由PLD法各層合導電率較大的In-Sn-O系非晶形膜和金膜30nm，藉由微影術和剝落法形成汲極引出線(5)和源極引出線(6)。
最后，藉由電子射束蒸鍍法形成柵極絕緣膜(3)的Y2O3膜，于其上形成金膜，藉由微影術和剝落法形成柵極引出線(4)。
(TFT組件的特性評估)測定于PET薄膜上所形成的TFT的于室溫下測定的電流-電壓特性。隨著汲極電壓VDS的增加，汲極電流IDS會增加，可知溝道為n型半導體。此與非晶形In-Sn-O系非晶形氧化物膜是n型導體的事實并不矛盾。IDS是表示以VDS＝6V程度飽和的典型晶體管的行為。另外，VDS＝0時，5×10-8A，于VDS＝10V流動著IDS＝5.0×10-5A的電流。此是對應于由于柵極偏壓會于絕緣體的In-Sn-O系非晶形氧化物膜內感應電子載流子。晶體管的連通.斷開比是約103。另外，由輸出特性計算電場效應移動度時，于飽和領域可得大約5cm2(Vs)-1的電場效應移動度。
已制作于玻璃基板上的TFT組件也顯示出相同的特性。對已于PET薄膜上形成的組件使以曲率半徑30nm折曲，雖可進行相同的晶體管特性的測定，然而并未發(fā)現(xiàn)晶體管特性有大幅度變化。
實施例12采用依PLD法制作的In-Ga-O系非晶形氧化物膜制作TFT組件制作如圖5所示的頂層柵極型TFT組件。先于聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜(1)上，藉由實施例7所示的成膜法，形成出用作溝道層(2)的厚度120nm的In-Ga-O系非晶形氧化物膜。
再于其上，使成長室內的氧分壓設成未滿1Pa，再將施加至發(fā)生氧游離基裝置的電壓設成零，并藉由PLD法各層合導電率較大的In-Ga-O系非晶形膜和金膜30nm，藉由微影術和剝落法形成汲極引出線(5)和源極引出線(6)。
最后，藉由電子射束蒸鍍法形成柵極絕緣膜(3)的Y2O3膜，于其上形成金膜，藉由微影術和剝落法形成柵極引出線(4)。
(TFT組件的特性評估)測定于PET薄膜上所形成的TFT的于室溫下測定的電流-電壓特性。隨著汲極電壓VDS的增加，汲極電流IDS會增加，可知溝道為n型半導體。此與非晶形In-Ga-O系非晶形氧化物膜是n型導體的事實并不矛盾。IDS是表示以VDS＝6V程度飽和的典型晶體管的行為。另外，VDS＝0時，1×10-8A，于VDS＝10V流動著IDS＝1.0×10-6A的電流。此是對應于由于柵極偏壓會于絕緣體的In-Ga-O系非晶形氧化物膜內感應電子載流子。晶體管的連通.斷開比是約102。另外，由輸出特性計算電場效應移動度時，于飽和領域可得大約0.8cm2(Vs)-1的電場效應移動度。
已制作于玻璃基板上的TFT組件也顯示出相同的特性。對已于PET薄膜上形成的組件使以曲率半徑30nm折曲，雖可進行相同的晶體管特性的測定，然而并未發(fā)現(xiàn)晶體管特性有大幅度變化。
且，如上述實施例所示，以將非晶形氧化物的電子載流子濃度設成未滿1018/cm3，即可適用作TFT的溝道層。至于此電子載流子濃度較宜為1017/cm3以下，更宜為1016/cm3以下。
產業(yè)上的可利用性與本發(fā)明有關的非晶形氧化物，是可利用于薄膜晶體管等的半導體裝置。因此，此薄膜晶體管例如可應用作LCD或有機EL顯示器的轉換組件，以可撓性顯示器為首，可廣泛的應用于透明(see-through)型顯示器，IC晶卡或ID卷標等方面。
圖式簡單說明
圖1是表示以脈沖蒸鍍法成膜的In-Ga-Zn-O系非晶形氧化物的電子載流子濃度與成膜中的氧分壓力的關系圖。
圖2是表示以脈沖蒸鍍法成膜的In-Ga-Zn-O系非晶形氧化物的電子載流子濃度與電子移動度的關系圖。
圖3是表示以高頻濺鍍法成膜的In-Ga-Zn-O系非晶形氧化物的電子載流子濃度與成膜中的氧分壓的關系圖。
圖4是表示對以脈沖蒸鍍法成膜的InGaO3(Zn1-xMgxO)4的x值的導電率、電子載流子濃度與電子移動度的的變化圖。
圖5是表示頂層柵極型TFT組件構造的模式圖。
圖6是表示頂層柵極型TFT組件的電流-電壓特性圖。
圖7是表示脈沖雷射蒸鍍裝置的模式圖。
圖8是表示濺鍍制膜裝置的模式圖。
圖號說明
1 玻璃基板或PET薄膜2 溝道層3 柵極絕緣膜
4 柵極引出線5 汲極引出線6 源極引出線701、715 RP(旋轉型唧筒)702、714 TMP(渦輪分子唧筒)703 準備室704 RHEED用電子槍705 基板支持設備706 雷射入射窗707 基板708 靶材709 游離基源710 氣體導入口711 靶材支持設備712 旁通管線713 主管線716 鈦除氣唧筒717 快門718 IG(離子真空計)
719 PG(皮拉尼真空計)720 BG(巴拉特龍真空計)721 成長室805 附冷卻機構的基板支持裝置807 被成膜基板808 靶材814 渦輪分子唧筒815 旋轉唧筒817 快門818 離子真空計819 皮拉尼真空計821 成長室830 閘閥
權利要求
1.一種非晶形氧化物，其特征在于，電子載流子濃度未滿1018/cm3。
2.一種非晶形氧化物，其特征在于，電子載流子濃度1017/cm3以下。
3.一種非晶形氧化物，其特征在于，電子載流子濃度1018/cm3以下。
4.一種非晶形氧化物，其特征在于，使電子載流子濃度增加，同時使電子移動度增加。
5.如請求項1至4中任一項所述的非晶形氧化物，其中前述電子移動度是超過0.1cm2/(V·秒)。
6.如請求項1至5中任一項所述的非晶形氧化物，是表示導電衰退。
7.如請求項1至6中任一項所述的非晶形氧化物，其中前述非晶形氧化物是以Zn、In和Sn的中至少一種的元素為構成成分，以(Sn1-xM4x)O2]a.[(In1-yM3y)2O3]b.[(Zn1-zM2z)O]c[0≤x≤1、0≤y≤1、0≤z≤1，且x、y、z并不同時為1，0≤a≤1、0≤b≤1、0≤c≤1，且a+b+c＝1、M4為較Sn原子序號小的IV族(4族)元素，M3為較In原子序號小的III族(3族)元素，M2為較Zn原子序號小的II族(2族)元素表示的化合物。
8.如請求項7所述的非晶形氧化物，其中前述非晶形氧化物是含有V族(5族)元素M5或W的中至少一種元素。
9.如請求項7所述的非晶形氧化物，其中前述非晶形氧化物是采用結晶狀態(tài)的組成為(InM3)2O3(Zn1-xM2xO)m[0≤x≤1，m為0或未滿6的數(shù)或自然數(shù)，M3是較In原子序號小的III族(3族)元素或Lu，M2是較Zn原子序號小的II族(2族)元素的化合物單體或m值不同的化合物的混合體。
10.如請求項9所述的非晶形氧化物，其中前述M3是Ga。
11.如請求項9或10所述的非晶形氧化物，其中前述M2是Mg。
12.如請求項1至11中任一項所述的非晶形氧化物，是已設于玻璃基板、金屬基板、塑料基板或塑料薄膜上。
13.一種電場效應型晶體管，是采用請求項1至12中任一項所述的非晶形氧化物于溝道層。
14.如請求項13所述的電場效應型晶體管，是采用Al2O3Y2O3或HfO2的一種，或含有至少二種該等化合物的混晶化合物為柵極絶緣層。
15.一種薄膜晶體管，是具有源極電極、汲極電極、柵極電極、柵極絶緣膜和溝道層的薄膜晶體管，其特征在于，前述溝道層是采用電子載流子濃度未滿1018/cm3的非晶形氧化物。
16.如請求項15所述的薄膜晶體管，其中前述非晶形氧化物的電子載流子濃度是1017/cm3以下。
17.如請求項15所述的薄膜晶體管，其中前述非晶形氧化物的電子載流子濃度是1016/cm3以下。
18.如請求項15至17中任一項所述的薄膜晶體管，其中前述非晶形氧化物是含有In、Ga、Zn的氧化物，原子數(shù)比是In∶Ga∶Zn＝1∶1∶m(m＜6)。
19.如請求項15至17中任一項所述的薄膜晶體管，其中前述非晶形氧化物是含有In、Ga、Zn和Mg的氧化物，原子數(shù)比是In∶Ga∶Zn1-xMgx＝1∶1∶m(m＜6)、0＜x≤1。
20.如請求項15至17中任一項所述的薄膜晶體管，其中前述非晶形氧化物是由InxGa1-x氧化物(0≤x≤1)、InxZn1-x氧化物(0.2≤x≤1)、InxSn1-x氧化物(0.8≤x≤1)或Inx(Zn、Sn)1-x氧化物(0.1 5≤x≤1)選出的非晶形氧化物。
21.如請求項15至17中任一項所述的薄膜晶體管，其中前述非晶形氧化物是使電子載流子濃度增加，同時使電子移動度增加。
專利摘要
本發(fā)明是有關非晶形氧化物和采用該氧化物的薄膜晶體管。具體來說，提供電子載流子濃度未滿10
文檔編號H01L21/02GK1998087SQ200580007989
公開日2007年7月11日 申請日期2005年2月28日
發(fā)明者細野秀雄, 平野正浩, 太田裕道, 神谷利夫, 野村研二 申請人:獨立行政法人科學技術振興機構導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan