JP5657433B2 - 薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ、表示装置、センサ及びｘ線デジタル撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ、表示装置、センサ及びＸ線デジタル撮影装置に関する。

近年、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系（以下、ＩＧＺＯと称す）の酸化物半導体薄膜を活性層（チャネル層）に用いた薄膜トランジスタの研究開発が盛んである。酸化物半導体薄膜は低温成膜が可能であり、且つアモルファスシリコンよりも高移動度を示し、更に可視光に透明であることから、プラスチック板やフィルム等の基板上にフレキシブルな薄膜トランジスタを形成することが可能である。

ここで、表１に各種トランジスタ特性の電界効果移動度やプロセス温度等の比較表を示す。

表１に示すように、活性層がポリシリコンの薄膜トランジスタは１００ｃｍ^２／Ｖｓ程度の移動度を得ることが可能だが、プロセス温度が４５０℃以上と非常に高いために、耐熱性が高い基板にしか形成できず、安価、大面積、フレキシブル化には不向きである。また、活性層がアモルファスシリコンの薄膜トランジスタは３００℃程度の比較的低温で形成可能なため、基板の選択性はポリシリコンに比べて広いが、せいぜい１ｃｍ^２／Ｖｓ程度の移動度しか得られず高精細なディスプレイ用途には不向きである。一方、低温成膜という観点では活性層が有機物の薄膜トランジスタは１００℃以下での形成が可能なため、耐熱性の低いプラスティックフィルム基板等を用いたフレキシブルディスプレイ用途等への応用が期待されているが、移動度はアモルファスシリコンと同程度の結果しか得られていない。

製造プロセスにおいて、トランジスタの電気特性を向上させるために素子形成後に熱処理（ポストアニール処理）を行うことがしばしば見られる。酸化物半導体薄膜を活性層に用いた薄膜トランジスタにおいては、上述の通り低温形成によっても高移動度・高信頼性を示すデバイスを形成可能であり、熱処理時の温度を、低減させることが期待されている。

ＩＧＺＯ系の酸化物半導体薄膜を活性層に用いた薄膜トランジスタにおいて、熱処理によって所望の電気特性に制御する手法が幾つか報告されている。

特許文献１には、活性層がＩＧＺＯ系の薄膜トランジスタにおいて、活性層形成後に２５０℃〜４５０℃の温度範囲で熱処理を行うことが記載されている。また、酸素ラジカル、オゾンを照射しながら１５０℃〜４５０℃の温度範囲で熱処理を行うことも記載されている。

特許文献２には、活性層がＩＧＺＯ系の薄膜トランジスタにおいて、活性層形成後に２００℃〜５００℃の温度範囲で熱処理を行うことが記載されている。そして、この方法の一例として、特許文献２の実施例３では、酸素濃度を１％としたアルゴンと酸素の混合ガス雰囲気下でＩＧＺＯからなる活性層を成膜し、その後に、１００％の雰囲気中３００℃で熱処理を行うことが記載されている。

特開２００８−５３３５６号公報 特開２０１０−２３８７７０号公報

しかしながら、特許文献１、２において、３００℃以上の高温で熱処理する場合、耐熱性の観点から、プラスチック基板などのフレキシブル基板上に形成したトランジスタには用いる事が困難であるという問題点がある。また、３００℃未満の低温で熱処理する場合、低抵抗化が起こり得るため、単に熱処理温度を調整しただけでは、ノーマリーオフ駆動のトランジスタを得ることは困難である。さらに、３００℃未満の低温で熱処理する場合、電界効果移動度が、例えば７．１ｃｍ^２／Ｖｓ程度（特許文献２の実験例３参照）となり、１０ｃｍ^２／Ｖｓ以上となっていない。さらにまた、特許文献１のように、酸素ラジカル、オゾンを照射しながら熱処理を行う場合、１５０℃〜４５０℃の温度範囲で高安定性が得られるが、プロセスが複雑化する。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、基板の選択性を広げつつ、電界効果移動度が高くノーマリーオフ駆動する薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ、表示装置、センサ及びＸ線デジタル撮影装置を提供することを目的とする。

本発明の上記課題は下記の手段によって解決された。
＜１＞Ｉｎ,Ｇａ及びＺｎのうち少なくとも２種類の元素とＯで構成される酸化物半導体を主成分として含有する活性層を、少なくとも酸素を導入した成膜室内で成膜する成膜工程と、乾燥雰囲気下において前記活性層を３００℃未満で熱処理する熱処理工程と、を有する薄膜トランジスタの製造方法であって、前記成膜工程での前記成膜室中の雰囲気の全圧に対する酸素分圧をＰo_２depo（％）とし、前記熱処理工程中の雰囲気の全圧に対する酸素分圧をＰo_２anneal（％）としたときに、前記熱処理工程時の酸素分圧Ｐo_２anneal（％）が、−２０／３Ｐo_２depo＋４０／３≦Ｐo_２anneal≦−８００／４３Ｐo_２depo＋５９００／４３の関係を満たすように前記成膜工程と前記熱処理工程とを行って、昇温脱離ガス分析により観測されるＨ _２ Ｏ分子の個数が４．２×１０ ^２０ ｃｍ ^−３ 以下である前記活性層を有する薄膜トランジスタの製造方法。
＜２＞前記成膜工程では、前記酸素分圧Ｐo_２depoを０．１７％以上とする、＜１＞に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
＜３＞前記成膜工程では、前記酸素分圧Ｐo_２depoを０．５０％以上とする、＜２＞に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
＜４＞前記成膜工程では、前記酸素分圧Ｐo_２depoを６．３％以下とする、＜１＞〜＜３＞の何れか１つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
＜５＞前記熱処理工程では、熱処理温度を１５０℃超とする、＜１＞〜＜４＞の何れか１つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
＜６＞の発明は、前記熱処理工程では、熱処理温度を２５０℃以下とする、＜１＞〜＜５＞の何れか１つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
＜７＞前記酸化物半導体は、Ｉｎ,Ｇａ,Ｚｎ及びＯで構成され、前記Ｉｎのモル比と前記Ｇａのモル比との合計に対する前記Ｇａのモル比が０.３７５≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≦０．６２５の関係を満たす、＜１＞〜＜６＞の何れか１つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
＜８＞前記成膜工程では、前記活性層を、スパッタリング法で成膜する、＜１＞〜＜７＞の何れか１つに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
＜９＞＜１＞〜＜８＞の何れか１つに記載の薄膜トランジスタの製造方法を用いて作製した薄膜トランジスタであって、前記活性層は、昇温脱離ガス分析により観測されるＨ_２Ｏ分子の個数が４．２×１０^２０ｃｍ^−３以下である、薄膜トランジスタ。
＜１０＞前記活性層は、可撓性を有する基板上に形成されている、＜９＞に記載の薄膜トランジスタ。
＜１１＞＜９＞又は＜１０＞に記載の薄膜トランジスタを備えた表示装置。
＜１２＞＜９＞又は＜１０＞に記載の薄膜トランジスタを備えたセンサ。
＜１３＞＜１２＞に記載のセンサを備えたＸ線デジタル撮影装置。

本発明によれば、基板の選択性を広げつつ、電界効果移動度が高くノーマリーオフ駆動する薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ、表示装置、センサ及びＸ線デジタル撮影装置を提供することができる。

実施形態の薄膜トランジスタを示す図であって、（Ａ）はトップゲート−トップコンタクト型、（Ｂ）はトップゲート−ボトムコンタクト型、（Ｃ）はボトムゲート−トップコンタクト型、（Ｄ）はボトムゲート−ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタの構成を模式的に示す断面図である。 実施形態の液晶表示装置の一部分を示す概略断面図である。 図２の液晶表示装置の電気配線の概略構成図である。 実施形態の有機ＥＬ表示装置の一部分を示す概略断面図である。 図４の有機ＥＬ表示装置の電気配線の概略構成図である。 実施形態のＸ線センサアレイの一部分を示す概略断面図である。 図６のＸ線センサアレイの電気配線の概略構成図である。 昇温脱離ガス分析の分析結果をグラフとして示す図であり、Ｈ_２Ｏに相当するｍ／ｚ＝１８の強度ピークについて、実験例１と比較例１とで比較した図である。 図９（Ａ）は実験例２のＴＦＴの平面図であり、（Ｂ）は図９（Ａ）に示すＴＦＴのＡ−Ａ線矢視断面図である。 実験例２におけるＶｇ−Ｉｄ特性を示す図である。 実験例３〜８（Ｐo_２depo＝０．５０％）におけるＶｇ−Ｉｄ特性を示す図である。 実験例９〜１４（Ｐo_２depo＝２．０％）におけるＶｇ−Ｉｄ特性を示す図である。 実験例１５〜２０（Ｐo_２depo＝６．３％）におけるＶｇ−Ｉｄ特性を示す図である。 活性層成膜時の酸素分圧と熱処理時の酸素分圧との関係を示す図である。 実験例２２〜２４（アニール温度１５０℃）におけるＶｇ−Ｉｄ特性を示す図である。 実験例２５〜２７（アニール温度２００℃）におけるＶｇ−Ｉｄ特性を示す図である。 実験例２８〜３０（アニール温度２５０℃）におけるＶｇ−Ｉｄ特性を示す図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ、表示装置、センサ及びＸ線デジタル撮影装置について具体的に説明する。なお、図中、同一又は対応する機能を有する部材（構成要素）には同じ符号を付して適宜説明を省略する。

＜薄膜トランジスタの概略＞
まず、本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法により製造される薄膜トランジスタの概略について説明する。
本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと略す）は、ゲート電極、ゲート絶縁膜、活性層、ソース電極及びドレイン電極を有し、ゲート電極に電圧を印加して、活性層に流れる電流を制御し、ソース電極とドレイン電極間の電流をスイッチングする機能を有するアクテイブ素子である。

ＴＦＴの素子構造としては、ゲート電極の位置に基づいた、いわゆる逆スタガ構造（ボトムゲート型とも呼ばれる）及びスタガ構造（トップゲート型とも呼ばれる）のいずれの態様であってもよい。また、活性層とソース電極及びドレイン電極（適宜、「ソース・ドレイン電極」という。）との接触部分に基づき、いわゆるトップコンタクト型、ボトムコンタクト型のいずれの態様であってもよい。
なお、トップゲート型とは、ゲート絶縁膜の上側にゲート電極が配置され、ゲート絶縁膜の下側に活性層が形成された形態であり、ボトムゲート型とは、ゲート絶縁膜の下側にゲート電極が配置され、ゲート絶縁膜の上側に活性層が形成された形態である。また、ボトムコンタクト型とは、ソース・ドレイン電極が活性層よりも先に形成されて活性層の下面がソース・ドレイン電極に接触する形態であり、トップコンタクト型とは、活性層がソース・ドレイン電極よりも先に形成されて活性層の上面がソース・ドレイン電極に接触する形態である。

図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係るＴＦＴであって、トップゲート構造でトップコンタクト型のＴＦＴの一例を示す模式図である。図１（Ａ）に示すＴＦＴ１０では、基板１２の一方の主面上に活性層１４が積層されている。そして、この活性層１４上にソース電極１６及びドレイン電極１８が互いに離間して設置され、更にこれらの上にゲート絶縁膜２０と、ゲート電極２２とが順に積層されている。

図１（Ｂ）は、本発明の実施形態に係るＴＦＴであって、トップゲート構造でボトムコンタクト型のＴＦＴの一例を示す模式図である。図１（Ｂ）に示すＴＦＴ３０では、基板１２の一方の主面上にソース電極１６及びドレイン電極１８が互いに離間して設置されている。そして、活性層１４と、ゲート絶縁膜２０と、ゲート電極２２と、が順に積層されている。

図１（Ｃ）は、本発明の実施形態に係るＴＦＴであって、ボトムゲート構造でトップコンタクト型のＴＦＴの一例を示す模式図である。図１（Ｃ）に示すＴＦＴ４０では、基板１２の一方の主面上にゲート電極２２と、ゲート絶縁膜２０と、活性層１４と、が順に積層されている。そして、この活性層１４の表面上にソース電極１６及びドレイン電極１８が互いに離間して設置されている。

図１（Ｄ）は、本発明の実施形態に係るＴＦＴであって、ボトムゲート構造でボトムコンタクト型のＴＦＴの一例を示す模式図である。図１（Ｄ）に示すＴＦＴ５０では、基板１２の一方の主面上にゲート電極２２と、ゲート絶縁膜２０と、が順に積層されている。そして、このゲート絶縁膜２０の表面上にソース電極１６及びドレイン電極１８が互いに離間して設置され、更にこれらの上に、活性層１４が積層されている。

なお、本実施形態に係るＴＦＴは、上記以外にも、様々な構成をとることが可能であり、適宜、活性層上に保護層や基板上に絶縁層等を備える構成であってもよい。

以下、各構成要素について詳述する。なお、代表例として図１（Ａ）に示すトップゲート構造でトップコンタクト型のＴＦＴ１０を製造する場合について具体的に説明するが、本発明は他の形態のＴＦＴを製造する場合についても同様に適用することができる。

＜ＴＦＴの詳細構成＞
−基板−
ＴＦＴ１０を形成するための基板１２の形状、構造、大きさ等については特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。基板１２の構造は単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。
基板１２としては、例えば、ガラスやＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニウム）等の無機材料、樹脂や樹脂複合材料等からなる基板を用いることができる。中でも軽量である点、可撓性を有する点から樹脂あるいは樹脂複合材料からなる基板が好ましい。具体的には、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、アリルジグリコールカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンズアゾール、ポリフェニレンサルファイド、ポリシクロオレフィン、ノルボルネン樹脂、ポリクロロトリフルオロエチレン等のフッ素樹脂、液晶ポリマー、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アイオノマー樹脂、シアネート樹脂、架橋フマル酸ジエステル、環状ポリオレフィン、芳香族エーテル、マレイミドーオレフィン、セルロース、エピスルフィド化合物等の合成樹脂からなる基板、既述の合成樹脂等と酸化珪素粒子との複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等と金属ナノ粒子、無機酸化物ナノ粒子もしくは無機窒化物ナノ粒子等との複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等とカーボン繊維もしくはカーボンナノチューブとの複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等とガラスフェレーク、ガラスファイバーもしくはガラスビーズとの複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等と粘土鉱物もしくは雲母派生結晶構造を有する粒子との複合プラスチック材料からなる基板、薄いガラスと既述のいずれかの合成樹脂との間に少なくとも１回の接合界面を有する積層プラスチック基板、無機層と有機層（既述の合成樹脂）を交互に積層することで、少なくとも１回以上の接合界面を有するバリア性能を有する複合材料からなる基板、ステンレス基板またはステンレスと異種金属とを積層した金属多層基板、アルミニウム基板または表面に酸化処理（例えば陽極酸化処理）を施すことで表面の絶縁性を向上させた酸化皮膜付きのアルミニウム基板等を用いることができる。

なお、樹脂基板としては、耐熱性、寸法安定性、耐溶剤性、電気絶縁性、加工性、低通気性、および低吸湿性等に優れていることが好ましい。樹脂基板は、水分や酸素の透過を防止するためのガスバリア層や、樹脂基板の平坦性や下部電極との密着性を向上するためのアンダーコート層等を備えていてもよい。

また、基板の厚みは５０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。基板の厚みが５０μｍ以上であると、基板自体の平坦性がより向上する。基板の厚みが５００μｍ以下であると、基板自体の可撓性がより向上し、フレキシブルデバイス用基板としての使用がより容易となる。なお、基板１２を構成する材料によって、十分な平坦性および可撓性を有する厚みは異なるため、基板材料に応じてその厚みを設定する必要があるが、概ねその範囲は５０μｍ以上５００μｍ以下の範囲となる。

−活性層−
活性層１４は、Ｉｎ,Ｇａ及びＺｎのうち少なくとも２種類の元素とＯで構成される酸化物半導体を主成分として含有している。なお、「主成分」とは、活性層１４を構成する構成成分のうち、最も多く含有されている成分を表す。

また、活性層（主に酸化物半導体）は、非晶質又は結晶質のいずれでもよいが、非晶質であることが好ましい。活性層が結晶質又は非晶質であるかどうかは、Ｘ線回折測定により確認することができる。すなわち、Ｘ線回折測定により、結晶構造を示す明確なピークが検出されなかった場合は、その活性層は非晶質であると判断することができる。活性層が非晶質であれば、３００℃未満の低温で成膜可能であるため、プラスチック基板のような可撓性のある樹脂基板に形成し易い。従ってＴＦＴ付プラスチック基板を用いたフレキシブルディスプレイへの適用がより容易となる。さらに、非晶質な膜は大面積にわたって均一な膜を形成し易く、多結晶のような粒界が存在しないため素子特性のバラツキを抑えることが容易である。

また、活性層１４は、層厚方向、あるいは層厚方向と垂直な面方向について組成分布を有していても良く、同様に層厚方向、層厚方向に垂直な面方向について酸素濃度分布を有していても良い。

活性層１４の抵抗率は、一般的に半導体として振舞う抵抗率であればよいが、特には、活性領域とする観点から、室温（２０℃）での抵抗率が、１Ωｃｍ以上１×１０^６Ωｃｍ以下であるのが好ましい。なお、本実施形態の抵抗率は、ＲｅｓｉＴｅｓｔ８３１０（東陽テクニカ社製）によって測定した値である。

活性層１４の膜厚（総膜厚）は、特に限定されないが、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。

なお、有機ＥＬ駆動用に用いられるＴＦＴにおいては、有機ＥＬに用いられる青色発光層がλ＝４５０ｎｍ程度にピークを持つブロードな発光を示すことから、仮にＩＧＺＯ膜の光学バンドギャップが比較的狭く、その領域に光学吸収を持つ場合には、トランジスタの閾値シフトが起こってしまうという問題が生じる。したがって、特に有機ＥＬ駆動用に用いられるＴＦＴとしては、活性層１４に用いる材料のバンドギャップが、３．０ｅＶに対して大きいことが好ましい。

活性層１４は、昇温脱離ガス分析により観測されるＨ_２Ｏ分子の個数が４．２×１０^２０ｃｍ^−３以下となることが好ましい。なお、「昇温脱離ガス分析により観測されるＨ_２Ｏ分子の個数」とは、試料ステージ温度を８００℃まで昇温し、脱離して観測されるＭ／ｚ＝１８の分子の個数を指す。昇温脱離ガス分析により観測されるＨ_２Ｏ分子の個数が４．２×１０^２０ｃｍ^−３以下である活性層１４は、膜中に含まれる余剰キャリアを誘起する水分が排除された酸化物半導体薄膜であり、良好な半導体特性を示す。

−ソース・ドレイン電極−
ソース電極１６およびドレイン電極１８はいずれも高い導電性を有するもの（例えば活性層１４よりも高いもの）であれば特に制限なく、例えばＡｌ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ等の金属、Ａｌ−Ｎｄ、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛インジウム（ＩＺＯ）等の金属酸化物導電膜等を、単層または２層以上の積層構造として用いることができる。

ソース電極１６およびドレイン電極１８を、上記金属により構成する場合、成膜性、エッチングやリフトオフ法によるパターンニング性および導電性等を考慮すると、その厚みは、１０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下とすることが好ましく、５０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下とすることがより好ましい。

−ゲート絶縁膜−
ゲート絶縁膜２０としては、高い絶縁性を有するものが好ましく、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２等の絶縁膜、またはこれらの化合物を少なくとも二つ以上含む絶縁膜等から構成することができる。
なお、ゲート絶縁膜２０はリーク電流の低下および電圧耐性の向上のために十分な厚みを有する必要がある一方、厚みが大きすぎると駆動電圧の上昇を招いてしまう。ゲート絶縁膜２０の厚みは、材質にもよるが、１０ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましく、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下がより好ましく、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下が特に好ましい。

−ゲート電極−
ゲート電極２２としては、高い導電性を有するものであれば特に制限なく、例えばＡｌ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ等の金属、Ａｌ−Ｎｄ、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛インジウム（ＩＺＯ）等の金属酸化物導電膜等を、単層または２層以上の積層構造として用いることができる。
ゲート電極２２を、上記金属により構成する場合、成膜性、エッチングやリフトオフ法によるパターンニング性および導電性等を考慮すると、その厚みは、１０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下とすることが好ましく、５０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下とすることがより好ましい。

＜薄膜トランジスタ：ＴＦＴの製造方法＞
次に、本発明の実施形態に係るＴＦＴの製造方法について説明する。なお、代表例として図１（Ａ）に示すトップゲート構造でトップコンタクト型のＴＦＴ１０を製造する場合について具体的に説明するが、本発明は他の形態のＴＦＴを製造する場合についても同様に適用することができる。

本発明の実施形態に係るＴＦＴの製造方法は、
Ｉｎ,Ｇａ及びＺｎのうち少なくとも２種類の元素とＯで構成される酸化物半導体を主成分として含有する活性層１４を、少なくとも酸素を導入した成膜室内で成膜する成膜工程と、乾燥雰囲気下において前記活性層１４を３００℃未満で熱処理する熱処理工程と、を有する薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記成膜工程での前記成膜室中の雰囲気の全圧に対する酸素分圧をＰo_２depo（％）とし、前記熱処理工程中の雰囲気の全圧に対する酸素分圧をＰo_２anneal（％）としたときに、前記熱処理工程時の酸素分圧Ｐo_２anneal（％）が−２０／３Ｐo_２depo＋４０／３≦Ｐo_２anneal≦−８００／４３Ｐo_２depo＋５９００／４３の関係を満たすように前記成膜工程と前記熱処理工程とを行って、昇温脱離ガス分析により観測されるＨ _２ Ｏ分子の個数が４．２×１０ ^２０ ｃｍ ^−３ 以下である前記活性層を有する薄膜トランジスタの製造方法である。

以下、より具体的に説明する。

−成膜工程−
まず、上述した材料の何れか１つからなる基板１２を用意し、当該基板１２を成膜室内に入れる。そして、成膜室内に少なくとも酸素を導入した後、当該成膜室内で、基板１２の一方の主面上に、Ｉｎ,Ｇａ及びＺｎのうち少なくとも２種類の元素とＯで構成される酸化物半導体を主成分として含有する活性層１４を成膜する成膜工程を行う。

活性層１４の酸化物半導体は、Ｉｎ,Ｇａ、Ｚｎ及びＯ（ＩＧＺＯ）で構成されるようにすることが好ましい。この構成の場合、Ｉｎのモル比とＧａモル比との合計に対するＧａのモル比が０.３７５≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≦０．９の関係を満たすことが好ましい。上記組成範囲にあれば、ノーマリーオフ駆動のＴＦＴが確実に得られる。また、Ｉｎのモル比とＧａモル比との合計に対するＧａのモル比が０.３７５≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≦０．６２５であることがより好ましい。上記組成範囲にあれば、熱処理工程を行った場合に、例えば１０ｃｍ^２／Ｖｓ以上と良好な電界効果移動度を示すＴＦＴが得られる。
さらに、酸化物半導体のＺｎの一部を、よりバンドギャップの広がる元素イオンをドーピングすることによって、より深い井戸型ポテンシャル構造を得ることもできる。具体的には、Ｍｇをドーピングすることにより膜のバンドギャップを大きくすることが可能である。

活性層１４の成膜方法は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ法等の化学的方式等、導入酸素量を調整可能な真空成膜室内で行うものであれば特に限定は無いが、大面積化が可能であり、成膜レートも大きいことからスパッタリング法で形成することが好ましい。

活性層１４のキャリア密度は、酸素欠損量制御やカチオンドーピングにより任意に制御する。キャリア密度を増やしたい際には酸素欠損量を増やす、または相対的に価数の大きなカチオンになりやすい材料（例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ等）をドーピングすればよい。ただし、価数の大きいカチオンをドーピングする場合は、酸化物半導体膜の構成元素数が増えるため、成膜プロセスの単純化、低コスト化の面で不利であることから、酸素濃度（酸素欠損量）により、キャリア密度を制御することが好ましい。

そこで、成膜工程中の成膜室内の酸素分圧Ｐo_２depo（％）は、上述した熱処理工程時の酸素分圧Ｐo_２anneal（％）が−２０／３Ｐo_２depo＋４０／３≦Ｐo_２anneal≦−８００／４３Ｐo_２depo＋５９００／４３の関係を満たすように適宜調整する。
この範囲に調整することで、キャリア密度を制御し、電界効果移動度が高くノーマリーオフ駆動するＴＦＴを実現できる。
ここで、一般に、酸化物半導体においては、キャリア密度を高めるために、酸素分圧Ｐo_２depoを低くして酸素欠損量を増やすことがなされ、特にＩＧＺＯ系ではキャリア密度の増大と共に移動度が増大する振る舞いが報告されている。しかしながら、過剰な酸素欠損は同時にキャリアに対する散乱体となり、逆に移動度を低下させる要因となる。したがって、酸素分圧Ｐo_２depoを０．１７％以上に調整することが好ましい。

また、酸素分圧Ｐo_２depoを０．５０％以上に調整することが好ましい。酸素分圧が０．５０％以上であると、上記のような過剰な酸素欠損によるキャリアの散乱が少なく、高移動度で且つ、ノーマリーオフ駆動のＴＦＴが得やすくなる。

更に望ましくは、酸素分圧Ｐo_２depoは、６．３％以下であると良い。酸素分圧Ｐo_２depoが６．３％超であると、熱処理前の活性層における酸素空孔密度が相対的に低い状態となっており、ノーマリーオフ駆動のＴＦＴではあるものの、キャリア濃度の低減により、移動度の低下を招きやすくなるからである。

成膜中の雰囲気は、酸素を含有していれば特に限定されない。例えば、他にアルゴンや窒素を含有していていもよい。

活性層１４の成膜温度は、基板１２の選択性を高めるという観点から３００℃未満の低温であることが好ましく、非晶質にするという観点から、例えば２００℃以下がより好ましく、コストや時間を省くという観点から、常温（２５℃）であることがさらに好ましい。

活性層１４を成膜した後は、適宜、活性層１４をパターンニングする。パターンニングはフォトリソグラフィーおよびエッチングにより行うことができる。具体的には、残存させる部分にフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、塩酸、硝酸、希硫酸、または燐酸、硝酸および酢酸の混合液等の酸溶液によりエッチングすることによりパターンを形成する。

なお、活性層１４の成膜中および／または活性層１４の成膜後に、活性層１４の成膜面に酸素含有ラジカルを照射して、活性層１４中の酸素空孔密度を制御する工程を含んでいても良い。
また、活性層１４の成膜中および／または活性層１４の成膜後に、オゾン雰囲気中にて活性層１４の成膜面に紫外線を照射して、活性層１４中の酸素空孔密度を制御する工程を含んでいても良い。

−熱処理工程−
活性層１４成膜後、乾燥雰囲気下において活性層１４を３００℃未満で熱処理する熱処理工程を行う。ただし、活性層１４成膜後とは活性層１４成膜工程の後であればどの工程の後でも良く、例えば活性層１４成膜直後や、後述する電極形成後でも良いし、ＴＦＴアレイが完成した後でも良い。

乾燥雰囲気とした理由は、ノーマリーオフ駆動のＴＦＴを実現するためである。なお、乾燥雰囲気とは、雰囲気全体に含まれる水分含有量が露点温度換算で−３６℃以下(絶対湿度０．２１ｇ/ｍ^−３以下)であり、ほぼ水分を含有しない雰囲気である事を意味する。

３００℃未満とした理由は、基板の選択性を広げるためである。

そして、熱処理工程では、上述したように、熱処理時の酸素分圧Ｐo_２annealが−２０／３Ｐo_２depo＋４０／３≦Ｐo_２anneal≦−８００／４３Ｐo_２depo＋５９００／４３の関係を満たすように調整する。この範囲に調整することで、電界効果移動度が高くノーマリーオフ駆動するＴＦＴを実現できる。

熱処理工程時の熱処理温度は、ノーマリーオフ駆動のＴＦＴを確実に得るという観点から、１５０℃超とすることが好ましい。さらに、熱処理温度は、移動度を高めるという観点から、２５０℃以下とすることが好ましい。さらにまた、熱処理温度は、２００℃以下とすることが好ましい。２００℃以下の低温領域とすることで、前記熱処理を適用可能な基板１２の選択性が大幅に増大し、プラスチック等のフレキシブル基板上に形成したＴＦＴ等にも熱処理が適用し易くなる。

なお、熱処理時の雰囲気は、酸素を含有していれば、他にアルゴンや窒素を含んでいてもよい。

−その他−
活性層１４の成膜工程後、或いは熱処理工程後に、活性層１４上にソース・ドレイン電極１６、１８を形成するための導電膜を形成する。次いで導電膜をエッチングまたはリフトオフ法により所定の形状にパターンニングし、ソース電極１６およびドレイン電極１８を形成する。この際、ソース・ドレイン電極１６、１８および図示しない、これらの電極に接続する配線を同時にパターンニングすることが好ましい。
ソース電極１６およびドレイン電極１８の導電膜の成膜はいずれも、例えば印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ法等の化学的方式等の中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って成膜すればよい。

ソース・ドレイン電極１６、１８および配線を形成した後、ゲート絶縁膜２０を形成する。ゲート絶縁膜２０はフォトリソグラフィーおよびエッチングによって所定の形状にパターンニング形成される。
ゲート絶縁膜２０の成膜も同様に、印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ法等の化学的方式等の中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って成膜すればよい。

ゲート絶縁膜２０を形成した後、ゲート電極２２を形成する。電極膜を成膜後、エッチングまたはリフトオフ法により所定の形状にパターンニングし、ゲート電極２２を形成する。この際、ゲート電極２２およびゲート配線を同時にパターンニングすることが好ましい。
ゲート電極２２の成膜も同様に、例えば印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ法等の化学的方式等の中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って成膜すればよい。

以上の手順により、図１（Ａ）に示すＴＦＴ１０を作製することができる。本発明の実施形態に係るＴＦＴは、電界効果移動度１０ｃｍ^２／Ｖｓ超、ノーマリーオフ特性を示すＴＦＴが得られる。

＜応用＞
以上で説明した本実施形態のＴＦＴの用途には特に限定はないが、例えば電気光学装置(例えば液晶表示装置、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示装置、無機ＥＬ表示装置等の表示装置、等)における駆動素子、特に大面積デバイスに用いる場合に好適である。
更に実施形態のＴＦＴは、樹脂基板を用いた低温プロセスで作製可能なデバイスに特に好適であり(例えばフレキシブルディスプレイ等)、Ｘ線センサなどの各種センサ、ＭＥＭＳ(Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）等、種々の電子デバイスにおける駆動素子(駆動回路)として、好適に用いられるものである。

＜電気光学装置及びセンサ＞

本実施形態の電気光学装置又はセンサは、前述の本発明の薄膜トランジスタを備えて構成される。
電気光学装置の例としては、表示装置（例えば液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置、無機ＥＬ表示装置、等）がある。
センサの例としては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）又はＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等のイメージセンサや、Ｘ線センサ等が好適である。
本実施形態のＴＦＴを用いた電気光学装置およびセンサは、いずれも特性の面内均一性が高い。なお、ここで言う「特性」とは、電気光学装置（表示装置）の場合には表示特性、センサの場合には感度特性である。
以下、本実施形態によって製造される薄膜トランジスタを備えた電気光学装置又はセンサの代表例として、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置、Ｘ線センサについて説明する。

＜液晶表示装置＞
図２に、本発明の電気光学装置の一実施形態の液晶表示装置について、その一部分の概略断面図を示し、図３にその電気配線の概略構成図を示す。

図２に示すように、本実施形態の液晶表示装置１００は、図１（Ａ）に示したトップゲート構造でトップコンタクト型のＴＦＴ１０と、ＴＦＴ１０のパッシベーション層１０２で保護されたゲート電極２２上に画素下部電極１０４およびその対向上部電極１０６で挟まれた液晶層１０８と、各画素に対応させて異なる色を発色させるためのＲＧＢカラーフィルタ１１０とを備え、ＴＦＴ１０の基板１２側およびＲＧＢカラーフィルタ１１０上にそれぞれ偏光板１１２ａ、１１２ｂを備えた構成である。

また、図３に示すように、本実施形態の液晶表示装置１００は、互いに平行な複数のゲート配線１１２と、該ゲート配線１１２と交差する、互いに平行なデータ配線１１４とを備えている。ここでゲート配線１１２とデータ配線１１４は電気的に絶縁されている。ゲート配線１１２とデータ配線１１４との交差部付近に、ＴＦＴ１０が備えられている。

ＴＦＴ１０のゲート電極２２は、ゲート配線１１２に接続されており、ＴＦＴ１０のソース電極１６はデータ配線１１４に接続されている。また、ＴＦＴ１０のドレイン電極１８はゲート絶縁膜２０に設けられたコンタクトホール１１６を介して（コンタクトホール１１６に導電体が埋め込まれて）画素下部電極１０４に接続されている。この画素下部電極１０４は、接地された対向上部電極１０６とともにキャパシタ１１８を構成している。

図２に示した本実施形態の液晶表示装置においては、トップゲート構造のＴＦＴ１０を備えるものとしたが、本発明の表示装置である液晶表示装置において用いられるＴＦＴはトップゲート構造に限定されることなく、ボトムゲート構造のＴＦＴであってもよい。

本発明の実施形態に係るＴＦＴ１０は高い移動度を有するため、液晶表示装置１００において高精細、高速応答、高コントラスト等の高品位表示が可能となり、大画面化にも適している。また、活性層のＩＧＺＯが非晶質である場合には素子特性のバラツキを抑えることができ、大画面でムラのない優れた表示品位が実現される。しかも特性シフトが少ないため、ゲート電圧を低減でき、ひいては表示装置の消費電力を低減できる。また、本発明によると、活性層１４として低温（例えば３００℃以下）での成膜が可能な非晶質ＩＧＺＯ膜を用いて薄膜トランジスタを作製することができるため、基板１２としては樹脂基板（プラスチック基板）を用いることができる。従って、表示品質に優れフレキシブルな液晶表示装置を提供することができる。

＜有機ＥＬ表示装置＞
図４に、本発明の電気光学装置の一実施形態のアクティブマトリックス方式の有機ＥＬ表示装置について、その一部分の概略断面図を示し、図５に電気配線の概略構成図を示す。

有機ＥＬ表示装置の駆動方式には、単純マトリックス方式とアクティブマトリックス方式の２種類がある。単純マトリックス方式は低コストで作製できるメリットがあるが、走査線を１本ずつ選択して画素を発光させることから、走査線数と走査線あたりの発光時間は反比例する。そのため高精細化、大画面化が困難となっている。アクティブマトリックス方式は画素ごとにトランジスタやキャパシタを形成するため製造コストが高くなるが、単純マトリックス方式のように走査線数を増やせないという問題はないため高精細化、大画面化に適している。

本実施形態のアクティブマトリックス方式の有機ＥＬ表示装置２００は、図１（Ａ）に示したトップゲート構造のＴＦＴ１０が、パッシベーション層２０２を備えた基板１２上に、駆動用ＴＦＴ２０４およびスイッチング用ＴＦＴ２０６として備えられ、該ＴＦＴ２０４および２０６上に下部電極２０８および上部電極２１０に挟まれた有機発光層２１２からなる有機ＥＬ発光素子２１４を備え、上面もパッシベーション層２１６により保護された構成となっている。

また、図５に示すように、本実施形態の有機ＥＬ表示装置２００は、互いに平行な複数のゲート配線２２０と、該ゲート配線２２０と交差する、互いに平行なデータ配線２２２および駆動配線２２４とを備えている。ここで、ゲート配線２２０とデータ配線２２２、駆動配線２２４とは電気的に絶縁されている。スイッチング用ＴＦＴ１０ｂのゲート電極２２は、ゲート配線２２０に接続されており、スイッチング用ＴＦＴ１０ｂのソース電極１６はデータ配線２２２に接続されている。また、スイッチング用ＴＦＴ１０ｂのドレイン電極１８は駆動用ＴＦＴ１０のゲート電極２２に接続されるとともに、キャパシタ２２６を用いることで駆動用ＴＦＴ１０ａをオン状態に保つ。駆動用ＴＦＴ１０ａのソース電極１６は駆動配線２２４に接続され、ドレイン電極１８は有機ＥＬ発光素子２１４に接続される。

図４に示した本実施形態の有機ＥＬ装置においては、トップゲート構造のＴＦＴ１０ａおよび１０ｂを備えるものとしたが、本発明の表示装置である有機ＥＬ装置において用いられるＴＦＴは、トップゲート構造に限定されることなく、ボトムゲート構造のＴＦＴであってもよい。

本発明の実施形態に係るＴＦＴ１０は高い移動度を有するため、低消費電力で且つ高品位な表示が可能となる。また、本発明の実施形態によると、活性層１４として低温（例えば３００℃以下）での成膜が可能な非晶質ＩＧＺＯ膜を用いて薄膜トランジスタを作製することができるため、基板１２として樹脂基板（プラスチック基板）を用いることができる。従って、表示品質に優れフレキシブルな有機ＥＬ表示装置を提供することができる。

なお、図４に示した有機ＥＬ表示装置において、上部電極２１０を透明電極としてトップエミッション型としてもよいし、下部電極２０８およびＴＦＴの各電極を透明電極とすることによりボトムエミッション型としてもよい。

＜Ｘ線センサ＞
図６に、本発明のセンサの一実施形態であるＸ線センサについて、その一部分の概略断面図を示し、図７にその電気配線の概略構成図を示す。

図６は、より具体的にはＸ線センサアレイの一部を拡大した概略断面図である。本実施形態のＸ線センサ３００は基板１２上に形成されたＴＦＴ１０およびキャパシタ３１０と、キャパシタ３１０上に形成された電荷収集用電極３０２と、Ｘ線変換層３０４と、上部電極３０６とを備えて構成される。ＴＦＴ１０上にはパッシベーション膜３０８が設けられている。

キャパシタ３１０は、キャパシタ用下部電極３１２とキャパシタ用上部電極３１４とで絶縁膜３１６を挟んだ構造となっている。キャパシタ用上部電極３１４は絶縁膜３１６に設けられたコンタクトホール３１８を介し、ＴＦＴ１０のソース電極１６およびドレイン電極１８のいずれか一方（図６においてはドレイン電極１８）と接続されている。

電荷収集用電極３０２は、キャパシタ３１０におけるキャパシタ用上部電極３１４上に設けられており、キャパシタ用上部電極３１４に接している。
Ｘ線変換層３０４はアモルファスセレンからなる層であり、ＴＦＴ１０およびキャパシタ３１０を覆うように設けられている。
上部電極３０６はＸ線変換層３０４上に設けられており、Ｘ線変換層３０４に接している。

図７に示すように、本実施形態のＸ線センサ３００は、互いに平行な複数のゲート配線３２０と、ゲート配線３２０と交差する、互いに平行な複数のデータ配線３２２とを備えている。ここでゲート配線３２０とデータ配線３２２は電気的に絶縁されている。ゲート配線３２０とデータ配線３２２との交差部付近に、ＴＦＴ１０が備えられている。

ＴＦＴ１０のゲート電極２２は、ゲート配線３２０に接続されており、ＴＦＴ１０のソース電極１６はデータ配線３２２に接続されている。また、ＴＦＴ１０のドレイン電極１８は電荷収集用電極３０２に接続されており、さらにこの電荷収集用電極３０２は、キャパシタ３１０に接続されている。

本実施形態のＸ線センサ３００において、Ｘ線は図６中、上部（上部電極３０６側）から照射され、Ｘ線変換層３０４で電子−正孔対を生成する。このＸ線変換層３０４に上部電極３０６によって高電界を印加しておくことにより、生成した電荷はキャパシタ３１０に蓄積され、ＴＦＴ１０を順次走査することによって読み出される。

本発明の本実施形態に係るＸ線センサ３００は、オン電流が高く、信頼性に優れたＴＦＴ１０を備えるため、Ｓ／Ｎが高く、感度特性に優れているため、Ｘ線デジタル撮影装置に用いた場合に広ダイナミックレンジの画像が得られる。特に本発明の本実施形態に係るＸ線デジタル撮影装置は、静止画撮影のみ可能なものではなく、動画による透視と静止画の撮影が１台で行えるＸ線デジタル撮影装置に用いるのが好適である。さらにＴＦＴにおける活性層１４のＩＧＺＯが非晶質である場合には均一性に優れた画像が得られる。

なお、図６に示した本実施形態のＸ線センサにおいては、トップゲート構造のＴＦＴを備えるものとしたが、本発明のセンサにおいて用いられるＴＦＴはトップゲート構造に限定されることなく、ボトムゲート構造のＴＦＴであってもよい。

以下に実験例を説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。

本発明者らは、Ｉｎ,Ｇａ及びＺｎのうち少なくとも２種類の元素とＯで構成される酸化物半導体を主成分として含有する活性層を用いた薄膜トランジスタの製造工程において、活性層成膜時の酸素分圧、及び成膜工程後に行う熱処理時の雰囲気、熱処理の温度を変化させ、３００℃未満の熱処理における特定の条件範囲にて、良好な半導体特性が得られることを以下の実験を行い確認した。

−酸化物半導体薄膜形成後の熱処理法の違いによる膜中水分量の違い−
＜実験例１＞
実験例１として、活性層として適用が可能なＩＧＺＯから成る酸化物半導体薄膜をノンドープのＳｉ基板（三菱マテリアル社製）上にスパッタリング法により１００ｎｍ成膜した。酸化物半導体薄膜のスパッタ条件は以下のとおりである。

（酸化物半導体薄膜のスパッタ条件）
到達真空度；６×１０^−６Ｐａ
成膜圧力；４．４×１０^−１Ｐａ
成膜温度；室温
成膜室中の雰囲気の全圧に対する酸素分圧；０．５０％
Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｎＯターゲットの投入電力比；３１．０：６１．０：２０．０

酸化物半導体薄膜を成膜後、酸素分圧制御炉中において全圧が大気圧で、アルゴンと酸素の分圧比Ａｒ／Ｏ_２＝８０／２０（全体に対する酸素分圧Ｐo_２anneal＝２０％）の雰囲気下で２００℃の熱処理を行った酸化物半導体薄膜を作製した。

なお、上記熱処理における雰囲気はアルゴンと酸素はガスボンベから供給されており、実質的に水蒸気を含まない、雰囲気全体に含まれる水分含有量が露点温度換算で−３６℃以下(絶対湿度０．２１ｇ/ｍ^−３以下)の乾燥雰囲気下での熱処理（ドライアニールと称す）に相当する。

＜比較例１＞
比較例１として、熱処理条件以外は実験例１と同じ方法で酸化物半導体薄膜を作製した。具体的には、実験例１と同じ方法で酸化物半導体薄膜を成膜し、その後、当該酸化物半導体薄膜を、温度２３℃で湿度６６％の大気中（雰囲気全体に含まれる水分含有量が露点温度換算で１６℃(絶対湿度１３．６ｇ/ｍ^−３)）で、２００℃の熱処理（ウェットアニールと称す）をした。

＜評価＞
実験例１及び比較例１の酸化物半導体薄膜について、電子科学株式会社製昇温脱離ガス分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓを用いて、室温から基板温度８００℃までの昇温脱離ガス分析を行った。

図８は、昇温脱離ガス分析の分析結果をグラフとして示す図であり、Ｈ_２Ｏに相当するｍ／ｚ＝１８の強度ピークについて、実験例１と比較例１とで比較した図である。

図８に示すように、Ｈ_２Ｏの脱離に相当する１００℃〜２００℃で観測される強度ピークが、ドライアニールをした実験例１の酸化物半導体薄膜の方が、ウェットアニールした比較例１のものと比較して、６５％（２／３）程度に減少していることが分かった。即ち、実験例１の酸化物半導体薄膜の方が、膜中水分量が低いことが分かった。

そこで、実験例１及び比較例１の酸化物半導体薄膜について、図８に示すグラフから、膜中水分量を算出した。算出では、実験例１及び比較例１の酸化物半導体薄膜から脱離するＨ_２Ｏ分子の個数（Ｍ／ｚ＝１８）の個数を検出した。その結果を表２に示す。

表２より、比較例１より実験例１の方が膜中Ｈ_２Ｏ分子が多いことが分かる。

即ち、酸化物半導体薄膜形成後の熱処理の方法によって酸化物半導体薄膜中のＨ_２Ｏ分子の個数に差が生じる事が分かった。特に、実験例１と比較例１においては、熱処理雰囲気が水分を含むか否かの違いがあることから、アニール雰囲気に含まれる水分量によって酸化物半導体膜中に含まれるＨ_２Ｏ分子に差が生じることを意味している。

−活性層膜中水分量の違いによるＴＦＴ特性の変化−
膜中の水分が異なる酸化物半導体薄膜を、ＴＦＴの活性層に用いたときにＴＦＴ特性にどのような影響を与えるか以下の実験を行い検証した。

＜実験例２＞
実験例２として、ボトムゲート構造でトップコンタクト型のＴＦＴを評価用サンプルとして作製した。

図９（Ａ）は実験例２のＴＦＴの平面図であり、（Ｂ）は図９（Ａ）に示すＴＦＴのＡ−Ａ線矢視断面図である。

実験例２のＴＦＴ５００は、具体的に以下のように作製した。
基板５０２として、１００ｎｍのＳｉＯ_２の酸化膜５０４が表面上に形成された高濃度ドープされたp型シリコン基板（三菱マテリアル社製）を用いた。活性層５０６として基板５０２上にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１組成のＩＧＺＯ層を４５ｎｍ成膜した。ＩＧＺＯ層はＩｎ_２Ｏ_３ターゲット、Ｇａ_２Ｏ_３ターゲット、ＺｎＯターゲットを用いた共スパッタ（co-sputter）法にて行った。ＩＧＺＯ層の詳細なスパッタ条件は実験例１の酸化物半導体薄膜の条件と同じである。

活性層５０６形成後に、酸素分圧制御炉中において全圧が大気圧で、アルゴンと酸素の分圧比Ａｒ／Ｏ_２＝８０／２０（全体に対する酸素分圧Ｐo_２anneal＝２０％）の雰囲気下において２００℃でアニール処理を行った。アルゴンと酸素はガスボンベから供給されており、乾燥雰囲気下で熱処理を行っている。熱処理後、メタルマスクを介してＴｉ／Ａｕ電極をそれぞれ１０ｎｍ／４０ｎｍの厚みになるよう蒸着し、ソース・ドレイン電極５１０,５１２を形成した。以上により、チャネル長１８０μｍ、チャネル幅１ｍｍの実験例２に係るボトムゲート型薄膜トランジスタ５００を得た。即ち、実験例２は実験例１と同じく膜中にＨ_２Ｏ分子を４．２×１０^２０ｃｍ^−３個含む酸化物半導体薄膜を活性層に備えた薄膜トランジスタである。

＜比較例２＞
比較例２のＴＦＴとして、熱処理を大気中（湿度６６％）で行い、それ以外は全て同じ方法で作製したものを用意した。即ち、比較例２は比較例１と同じく膜中にＨ_２Ｏ分子を４．４×１０^２０ｃｍ^−３個含む酸化物半導体薄膜を活性層に備えたＴＦＴである。

＜評価＞
上記実験例２及び比較例２のＴＦＴについて、半導体パラメータ・アナライザー４１５６Ｃ（アジレントテクノロジー社製）を用い、トランジスタ特性（Ｖｇ−Ｉｄ特性）および電界効果移動度μの測定を行った。測定結果を図１０に示した。Ｖｇ−Ｉｄ特性の測定は、ドレイン電圧（Ｖｄ）を１０Ｖに固定し、ゲート電圧（Ｖｇ）を−１５Ｖ〜＋１５Ｖの範囲内で変化させ、各ゲート電圧（Ｖｇ）におけるドレイン電流（Ｉｄ）を測定することにて行った。また、上記測定方法は以下の実験例においても同様に適用した。

測定結果から算出した、実験例２及び比較例２のＴＦＴの閾値電圧（Ｖｔｈ）及び電界効果移動度を表３に示す。閾値電圧（Ｖｔｈ）は飽和領域の電流値Ｉｄｓａｔを計測し、Ｉｄｓａｔ＝ＷＣμｓａｔ（Ｖｇｓ―Ｖｔｈ）^２／２Ｌの式を用い算出した。ここで、Ｗは活性層のチャネル幅、Ｌは活性層のチャネル長さ、Ｃはゲート絶縁膜の単位面積あたりの静電容量、Ｖｇｓはゲート−ソース電極間にかかる電圧、μｓａｔは飽和移動度である。また、移動度値は、Ｖｄ＝１Ｖに固定し、ゲート電圧（Ｖｇ）を−１５Ｖ〜＋１５Ｖの範囲内で掃引して測定したＩｄから、線形移動度を算出し記載している。

図１０及び表３から実験例２及び比較例２のＴＦＴは共に、Ｏｎ／Ｏｆｆ比が１０^５を上回る良好なスイッチング特性を示している他、両者とも１０ｃｍ^２／Ｖｓを超える高い移動度を示している。一方で、比較例２では閾値電圧が−１０．５Ｖとノーマリーオン特性を示すことがわかった。

一般的に低消費電力の観点から、ノーマリーオン駆動よりも、ノーマリーオフ駆動のＴＦＴの方がより好ましいとされており、実験例１の方がより好ましい半導体特性を示すＴＦＴであることが分かった。

このような両者の特性の差異は熱処理の方法によるものであり、上記結果は熱処理雰囲気に含まれる水分が活性層に余剰キャリアを誘起する事を示唆するものである。

従って、乾燥雰囲気下において熱処理することが所望の半導体特性を得るために極めて有効であることが分かった。

また、実験例２及び比較例２のＴＦＴの活性層膜中Ｈ_２Ｏ分子個数の比較から、活性層膜中のＨ_２Ｏ分子が４．４×１０^２０ｃｍ^−３個以上であるとノーマリーオン特性になることが分かった。従って、高移動度・ノーマリーオフ駆動を同時に実現するためには、乾燥雰囲気下において熱処理を行い、膜中Ｈ_２Ｏ分子が４．２×１０^２０ｃｍ^−３個以下の酸化物半導体薄膜を活性層に用いることが有効であることが分かった。

−アニール時の酸素分圧と活性層成膜時の導入酸素分圧−
次に、乾燥雰囲気下において行う熱処理において、熱処理時の酸素分圧及び、活性層成膜時の導入酸素分圧を系統的に変化させ、ＴＦＴ特性の評価を行った。具体的には以下のサンプルを作製し、ＴＦＴ特性の評価を行った。

＜実験例３〜８＞
実験例１とはアニール条件のみが異なっており、熱処理時のＡｒ／Ｏ_２分圧を１００／０、９５／５、９０／１０、８５／１５、８０／２０、０／１００（つまり酸素分圧Ｐo_２annealが０、５、１０、１５、２０、１００％。左から順に実験例３〜８）と系統的に変化させた６試料を作製した。

＜比較例３＞
また、実験例３と同一の製造工程を行い、ウェットアニール処理を行って作製したＴＦＴを比較例３とした。

＜実験例９〜１４＞
実験例９〜１４では、実験例１とは活性層成膜時の酸素分圧と、熱処理時の酸素分圧を変化させている。活性層成膜時の酸素分圧を２．０％にし、その他組成等の条件は変化させていない。スパッタ条件は実験例１と同じである。

その上で、熱処理時の酸素分圧を０、５、１０、１５、２０、１００％（左から順に実験例９〜１４）と系統的に変化させた６試料を作製した。

＜比較例４＞
また、実験例９と同一の製造工程を行い、ウェットアニール処理を行って作製したＴＦＴを比較例４とした。

＜実験例１５〜２０＞
実験例１５〜２０では、同様に、活性層成膜時の導入酸素分圧と、熱処理時の酸素分圧を変化させている。活性層成膜時の酸素分圧を６．３％にし、その他組成等の条件は変化させていない。スパッタ条件は実験例１と同じである。

その上で、熱処理時の酸素分圧を０、５、１０、１５、２０、１００％（左から順に実験例１５〜２０）と系統的に変化させた６試料を作製した。

＜比較例５＞
また、実験例１５と同一の製造工程を行い、ウェットアニール処理を行って作製したＴＦＴを比較例５とした。

＜評価＞
これら実験例３〜２０及び比較例３〜５においてＶｇ−Ｉｄ特性の測定を行ったものを図１１Ａ〜１１Ｃに示す。また、熱処理時の酸素分圧及び、活性層成膜時の酸素分圧の条件、サンプル名、閾値電圧、及び電界効果移動度についてまとめたものを表４に示す。

図１１Ａ〜Ｃ、表４より、幅広い酸素分圧範囲でノーマリーオフ駆動の素子が得られている事から、プロセスマージンが広い特性制御手法であることが分かった。特に、活性層の成膜条件によっては熱処理雰囲気に酸素を含まなくてもノーマリーオフ駆動の素子が得られた。これは乾燥雰囲気下での熱処理が、低温プロセスにおいて本質的に有効であることを意味している。

具体的に、表４に示す結果から、ノーマリーオフ駆動で且つ電界効果移動度が１０ｃｍ^２／Ｖｓ以上のＴＦＴは、図１２に示す点線で囲まれる範囲であることが分かった。なお、図１２は活性層成膜時の酸素分圧と熱処理時の酸素分圧との関係を示す図であり、本発明の実験例のうち図中○は、実施例となり、×は比較例となる。
そして、この範囲は、成膜工程での前記成膜室中の雰囲気の全圧に対する酸素分圧をＰo_２depo（％）とし、熱処理工程中の雰囲気の全圧に対する酸素分圧をＰo_２anneal（％）としたときに、熱処理工程時の酸素分圧Ｐo_２anneal（％）が、−２０／３Ｐo_２depo＋４０／３≦Ｐo_２anneal≦−８００／４３Ｐo_２depo＋５９００／４３の範囲で表されることが分かった。

また、特に成膜時の酸素分圧Ｐo_２depo（％）が０．５０％以上であると、ノーマリーオフ駆動が得られる酸素分圧条件が十分広く、プロセスマージンの観点から好ましい。

また、活性層成膜時の酸素分圧Ｐo_２depo（％）が６．３％の時には全てノーマリーオフ駆動が得られているものの、アニール時の酸素分圧が１００％の時には移動度が低減することが分かった。従って活性層成膜時の酸素分圧Ｐo_２depo（％）は６．３％以下であることがより好ましい。

−活性層成膜時の酸素分圧の下限値−
次に、活性層成膜時の酸素分圧Ｐo_２depo（％）の下限値について、ＩＧＺＯ膜のホール移動度を測定して決定した。

＜実験例２１＞
実験例２１では、上記のようにＴＦＴは作製せず、基板上に、成膜室中の雰囲気の全圧に対する酸素分圧Ｐo_２depo（％）を０．１７％未満にして、組成比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のＩＧＺＯ膜を成膜した。そして、この成膜した膜のホール移動度を測定した。同様に、上記のようにＴＦＴは作製せず、基板上に、成膜室中の雰囲気の全圧に対する酸素分圧Ｐo_２depo（％）を０．５０％にして、組成比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のＩＧＺＯ膜を成膜した。そして、この成膜した膜のホール移動度を測定した。
２つのＩＧＺＯ膜について、ホール移動度を測定した結果を表５に示す。

表５より、成膜時酸素分圧が０．１７％未満で成膜した場合、酸素分圧が０．５０％で成膜した場合と比較して、同じ組成でもホール移動度が半分以下になることが分かった。そのため、成膜時酸素分圧は０．１７％以上であることが好ましく、更にキャリア濃度制御と移動度の観点から、成膜時酸素分圧は０．５０％以上であることがより好ましいことが確認できた。

−熱処理時の温度依存性−
熱処理が異なる温度範囲においても有効であることを実証するため、熱処理時の温度を系統的に変化させたサンプルを作製し、Ｖｇ−Ｉｄ特性の評価を行った。

＜実験例２２〜２４＞
熱処理条件以外は実験例２と同様であり、熱処理の温度は１５０℃とした。熱処理時の酸素分圧は系統的に１０％、２０％、１００％とし、それぞれ実験例２２、２３、２４とした。

＜実験例２５〜２７＞
熱処理条件以外は実験例２と同様であり、熱処理の温度は２００℃とした。熱処理時の酸素分圧は系統的に１０％、２０％、１００％とし、それぞれ実験例２５、２６、２７とした。

＜実験例２８〜３０＞
熱処理条件以外は実験例２と同様であり、熱処理の温度は２５０℃とした。熱処理時の酸素分圧は系統的に１０％、２０％、１００％とし、それぞれ実験例２８、２９、３０とした。

＜実験例３１＞
熱処理条件以外は実験例２と同様であり、熱処理の温度は３００℃とした。熱処理時の酸素分圧は系統的に２０％とし、実験例３１とした。

これら実験例２２〜３０（３１は省略）においてＶｇ−Ｉｄ特性の測定を行った結果を図１３Ａ〜Ｃに示す。また、熱処理時の温度、熱処理時の酸素分圧の条件、サンプル名、閾値電圧、移動度についてまとめたものを表６に示す。

図１３Ａ〜Ｃ、及び表６より、特に酸素分圧が１００％の条件において１５０℃以上３００℃未満の温度範囲では熱処理温度に依存せず、ノーマリーオフ駆動、移動度１０ｃｍ^２／Ｖｓ以上の良好なＴＦＴ特性を示すトランジスタが得られることがわかる。従って、乾燥雰囲気における熱処理によって３００℃未満の幅広い温度範囲において所望の半導体特性を得ることが可能である。なお、１５０℃では、ノーマリーオフ駆動でないものものあるが、組成や成膜条件を適宜調整すれば、ノーマリーオフ駆動になるものと考える。

−活性層の組成依存性−
そこで、活性層の組成が異なる場合においても有効であることを実証するため、活性層のＩＧＺＯ組成を系統的に変化させたサンプルを作製し、Ｖｇ−Ｉｄ特性と移動度の評価を行った。

＜実験例３２〜３６＞
活性層の組成と熱処理条件以外は実験例２と同様であり、熱処理の温度は２００℃とした。熱処理時の酸素分圧は２０％とし、ＩＧＺＯ組成をＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）比で０．２５、０．３７５、０．６２５、０．７５、０．９と変化させ、それぞれ実験例３２〜３６とした。

表７に示す結果から、他の条件は考慮せず組成だけ考えると、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）比が、０．３７５以上０．９以下の条件でノーマリーオフ駆動が可能であることが分かった。また、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）比が、０．３７５以上０．６２５以下の条件でノーマリーオフ駆動、電界効果移動度１０ｃｍ^２／Ｖｓ以上が得られることが分かった。

１０,３０,４０,５０ ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）
１２ 基板
１４ 活性層
１００ 液晶表示装置
２００ 有機ＥＬ表示装置
３００ Ｘ線センサ（センサ）
５００ ボトムゲート型薄膜トランジスタ（薄膜トランジスタ）
５０２ 基板
５０６ 活性層

Claims (13)

1. Ｉｎ,Ｇａ及びＺｎのうち少なくとも２種類の元素とＯで構成される酸化物半導体を主成分として含有する活性層を、少なくとも酸素を導入した成膜室内で成膜する成膜工程と、乾燥雰囲気下において前記活性層を３００℃未満で熱処理する熱処理工程と、を有する薄膜トランジスタの製造方法であって、
   前記成膜工程での前記成膜室中の雰囲気の全圧に対する酸素分圧をＰo_２depo（％）とし、前記熱処理工程中の雰囲気の全圧に対する酸素分圧をＰo_２anneal（％）としたときに、前記熱処理工程時の酸素分圧Ｐo_２anneal（％）が、−２０／３Ｐo_２depo＋４０／３≦Ｐo_２anneal≦−８００／４３Ｐo_２depo＋５９００／４３の関係を満たすように前記成膜工程と前記熱処理工程とを行って、
   昇温脱離ガス分析により観測されるＨ _２ Ｏ分子の個数が４．２×１０ ^２０ ｃｍ ^−３ 以下である前記活性層を有する
   薄膜トランジスタの製造方法。
2. 前記成膜工程では、前記酸素分圧Ｐo_２depoを０．１７％以上とする、
   請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
3. 前記成膜工程では、前記酸素分圧Ｐo_２depoを０．５０％以上とする、
   請求項２に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
4. 前記成膜工程では、前記酸素分圧Ｐo_２depoを６．３％以下とする、
   請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
5. 前記熱処理工程では、熱処理温度を１５０℃超とする、
   請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
6. 前記熱処理工程では、熱処理温度を２５０℃以下とする、
   請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
7. 前記酸化物半導体は、Ｉｎ,Ｇａ,Ｚｎ及びＯで構成され、前記Ｉｎのモル比と前記Ｇａのモル比との合計に対する前記Ｇａのモル比が０.３７５≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≦０．６２５の関係を満たす、
   請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
8. 前記成膜工程では、前記活性層を、スパッタリング法で成膜する、
   請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
9. 請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法を用いて作製した薄膜トランジスタであって、
   前記活性層は、昇温脱離ガス分析により観測されるＨ_２Ｏ分子の個数が４．２×１０^２０ｃｍ^−３以下である、
   薄膜トランジスタ。
10. 前記活性層は、可撓性を有する基板上に形成されている、
    請求項９に記載の薄膜トランジスタ。
11. 請求項９又は請求項１０に記載の薄膜トランジスタを備えた表示装置。
12. 請求項９又は請求項１０に記載の薄膜トランジスタを備えたセンサ。
13. 請求項１２に記載のセンサを備えたＸ線デジタル撮影装置。