JPWO2010047077A1 - 薄膜トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

ゲート電極、ゲート絶縁膜、ゲート絶縁膜に接する酸化物半導体膜、及び酸化物半導体膜に接続し、チャンネル部により隔てられているソース・ドレイン電極を有する薄膜トランジスタであって、酸化物半導体膜が、水素元素を含有する結晶質酸化インジウムからなり、酸化物半導体膜に含有される水素元素の含有量が、酸化物半導体膜を形成する全元素に対して、０．１ａｔ％〜５ａｔ％であることを特徴とする薄膜トランジスタ。

Description

本発明は、水素元素を含有する酸化インジウムからなる結晶質半導体膜を有する薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。

近年、表示装置の発展は目覚ましく、液晶表示装置やＥＬ表示装置等、種々の表示装置がパソコンやワ−プロ等のＯＡ機器へ活発に導入されている。これらの表示装置は、いずれも表示素子を透明導電膜で挟み込んだサンドイッチ構造を有している。

上記の表示装置を駆動させる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等のスイッチング素子には、現在、シリコン系の半導体膜が主に使用されている。それは、シリコン系薄膜の安定性、加工性の良さの他、スイッチング速度が速い等が良好なためである。このシリコン系薄膜は、一般に化学蒸気析出法（ＣＶＤ）法により作製されている。

しかしながら、シリコン系薄膜が非晶質の場合、スイッチング速度が比較的遅く、高速な動画等を表示する場合は画像を表示できないという難点を有している。また、結晶質のシリコン系薄膜の場合には、スイッチング速度は比較的速いが、結晶化するために８００℃以上の高温や、レーザーによる加熱等が必要であり、製造時に多大なエネルギーと工程を要する。また、シリコン系の薄膜は、電圧素子としても性能は優れているものの、電流を流した場合、その特性の経時変化が問題となっている。

シリコン系薄膜よりも安定性に優れるとともに、ＩＴＯ膜と同等の光透過率を有する透明半導体膜を得るための材料等として、酸化物半導体が注目されている。

しかしながら、酸化インジウムの結晶質を含む膜、特に多結晶膜は、酸素欠損を生成しやすく、成膜時の酸素分圧を上げたり、酸化処理等をしても、キャリヤー密度を２×１０^＋１７ｃｍ^−３にすることが困難と考えられていた。そのために、半導体膜又はＴＦＴとしての試みはほとんどなされていなかった。

このような状況下、特許文献１には、酸化インジウムからなる半導体層を有する薄膜トランジスタが記載されている。具体的に、酸化インジウム膜を酸化雰囲気下で熱処理することにより、薄膜トランジスタを得る方法が記載されている。しかしながら、酸化インジウムからなる薄膜の場合、熱処理条件や、酸化雰囲気の条件、特に、空気中で熱処理した場合の湿度条件により、得られる薄膜トランジスタの性能が変化するため、性能が安定しない場合がある。

一方、非晶質酸化物半導体膜中に水素元素や重水素元素を存在させることにより、安定的に非晶質酸化物半導体が得られることが、特許文献２、３に記載されている。しかしながら、非晶質酸化物半導体膜は非晶質であるため、内部に存在させた水素元素や重水素元素が空気中に拡散したり、また、新たに空気中から水分子が侵入して、その結果、膜中の水素元素が過剰となり、得られる素子が不安定になる場合があった。

尚、結晶質の酸化インジウムを半導体膜に使用した場合、半導体膜が蓚酸、ＰＡＮ等には溶解せず、エッチング耐性を持つことから、チャンネルエッチ型のＴＦＴ構成を容易に製造することができるという利点が考えられる。しかしながら、結晶質酸化インジウム膜のみでは、キャリヤー密度を十分に下げて半導体化することが非常に難しかった。即ち、単に酸化インジウム膜を結晶化させた場合、酸素欠損や、共存する不純物である正４価の金属酸化物により、キャリヤーが発生し、導電体になるおそれがあった。そのため、従来、結晶質の酸化インジウムを半導体膜に使用したＴＦＴは作製されていなかった。

特開２００８−１３０８１４号公報 特開２００７−７３６９７号公報 特開２００７−１０３９１８号公報

本発明の目的は、製造時における熱処理条件、特に、空気中で熱処理する場合の湿度条件等が異なっていても、安定した性能を有する薄膜トランジスタを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明者らが鋭意研究した結果、一定の水素元素を含む酸化インジウムを半導体膜に使用することにより、高性能な薄膜トランジスタが得られること、及び半導体膜の形成において、水素元素を含む非晶質酸化インジウム膜を形成し、その後、脱水素処理し含有水素量を制御することにより、所望の半導体膜を安定して得られることを見出し、本発明を完成させた。

本発明によれば、以下の薄膜トランジスタ等が提供される。
１．ゲート電極、ゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜に接する酸化物半導体膜、及び前記酸化物半導体膜に接続し、チャンネル部により隔てられているソース・ドレイン電極を有する薄膜トランジスタであって、前記酸化物半導体膜が、水素元素を含有する結晶質酸化インジウムからなり、前記酸化物半導体膜に含有される水素元素の含有量が、酸化物半導体膜を形成する全元素に対して、０．１ａｔ％〜５ａｔ％であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
２．前記酸化物半導体膜が、さらに酸化インジウムを除く正３価の金属酸化物を含有することを特徴とする１記載の薄膜トランジスタ。
３．前記酸化物半導体膜に含有される全金属元素に対する、前記インジウムを除く正３価の金属元素の含有量が０．１〜１０ａｔ％であることを特徴とする２に記載の薄膜トランジスタ。
４．前記酸化インジウムを除く正３価の金属酸化物が、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロニウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化イッテリビウム及び酸化ルテチウムから選択される１種以上の酸化物であることを特徴とする２又は３に記載の薄膜トランジスタ。
５．水素元素を含有する酸化インジウムからなる半導体膜を成膜する成膜工程と、前記半導体膜をパターニングする工程と、前記半導体膜を脱水素及び結晶化する工程と、前記半導体膜に接続するようにソース・ドレイン電極を形成する工程を含む、１〜４のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
６．前記半導体膜の成膜工程における成膜雰囲気中の水素分子、及び／又は水分子の体積含有量が、１％〜１０％であることを特徴とする５記載の薄膜トランジスタの製造方法。
７．前記半導体膜を脱水素及び結晶化する工程が、前記半導体膜を１５０〜４５０℃で０．１〜１２００分間熱処理する工程であることを特徴とする５又は６に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
８．チャンネルエッチ型の薄膜トランジスタの製造方法であることを特徴とする５〜７のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
９．エッチストッパー型の薄膜トランジスタの製造方法であることを特徴とする５〜７のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。

本発明によれば、製造時における熱処理条件が変動しても、高性能な薄膜トランジスタが安定して得られる。

本発明のチャンネルエッチ型薄膜トランジスタの実施形態を示す概略断面図である。 本発明のエッチストッパー型薄膜トランジスタの実施形態を示す概略断面図である。 実施例１で作製したチャンネルエッチ型薄膜トランジスタの概略断面図である。 実施例２で作製したエッチストッパー型薄膜トランジスタの概略断面図である。

本発明の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、ゲート電極、ゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜に接する酸化物半導体膜、及び酸化物半導体膜に接続し、チャンネル部により隔てられているソース・ドレイン電極を有する薄膜トランジスタである。そして、酸化物半導体膜が、水素元素を含有する結晶質酸化インジウム半導体膜を有することを特徴とする。

図１は、本発明の薄膜トランジスタの実施形態を示す概略断面図である。
薄膜トランジスタ１は、基板１０及び絶縁膜３０の間にゲート電極２０を挟持しており、ゲート絶縁膜３０上には半導体膜４０が活性層として積層されている。さらに、半導体膜４０の端部付近を覆うようにしてソース電極５０及びドレイン電極５２がそれぞれ設けられている。半導体膜４０、ソース電極５０及びドレイン電極５２で囲まれた部分にチャンネル部６０を形成している。
尚、図１の薄膜トランジスタ１はいわゆるチャンネルエッチ型薄膜トランジスタである。本発明の薄膜トランジスタは、チャンネルエッチ型薄膜トランジスタに限定されず、本技術分野で公知の素子構成を採用できる。

図２は、本発明の薄膜トランジスタの他の実施形態を示す概略断面図である。尚、上述した薄膜トランジスタ１と同じ構成部材には同じ番号を付し、その説明を省略する。
薄膜トランジスタ２は、エッチストッパー型の薄膜トランジスタである。薄膜トランジスタ２は、チャンネル部６０を覆うようにエッチストッパー７０が形成されている点を除き、上述した薄膜トランジスタ１と同じ構成である。半導体膜４０の端部付近及びエッチストッパー７０の端部付近を覆うようにしてソース電極５０及びドレイン電極５２がそれぞれ設けられている。

本発明では半導体膜４０に、水素元素を含有する酸化インジウムからなる、結晶質酸化インジウム半導体膜を使用する。結晶質酸化インジウム薄膜が水素元素を含むことにより、薄膜トランジスタの性能が安定化される。酸化インジウムは、酸素欠損を発生しやすい化合物であり、そのため、透明導電膜の素材として使用されている。水素元素は、酸素欠損で生じた欠陥を穴埋めするので、キャリヤー発生を抑えることができることから、半導体が安定すると考えられる。
また、半導体膜のキャリヤー濃度を低減することができ、室温付近の温度において２×１０^＋１７ｃｍ^−３未満にすることが可能となり、良好な薄膜トランジスタ特性を示すようになる。
尚、室温付近の温度における半導体膜のキャリヤー密度は、２×１０^＋１７ｃｍ^−３未満が好ましい。キャリヤー密度が２×１０^＋１７ｃｍ^−３以上では、ＴＦＴとして駆動しないおそれがある。また、ＴＦＴとして駆動したとしてもノーマリーオンになったり、閾値電圧がマイナスに大きくなったり、Ｏｎ−Ｏｆｆ値が小さくなる場合がある。

半導体膜における水素元素の含有量は、半導体膜が含有する全元素に対して０．１〜５ａｔ％であることが好ましく、特に、０．５〜３ａｔ％であることが好ましい。０．１ａｔ％未満では含有量が少ないため、酸化インジウム薄膜が導電膜化しやすく、安定したＴＦＴ特性が得られない場合がある。一方、５ａｔ％超では、薄膜が絶縁膜化してしまう場合がある。

半導体膜において水素元素は、分子状で存在しても原子状態で存在してもよい。また、酸素に結合して、水酸基として存在してもよい。好ましくは、水酸基として存在するのがよい。
水素の含有量は、ラザフォード・バックスキャッタリング・スペクトロメトリー（ＲＢＳ）法、水素前方スキャッタリング・スペクトロメトリー（ＨＦＳ）法、サーマル・デポジション・スペクトロメトリー（ＴＤＳ）法により測定することができる。本願では水素前方スキャッタリング・スペクトロメトリー（ＨＦＳ）法で測定した値をいう。

半導体膜における水素元素の含有量は、例えば、半導体膜の成膜雰囲気における水素濃度を調整したり、成膜後の脱水素工程の温度や処理時間を調整することにより制御できる。

また、本発明では結晶質である半導体膜を使用する。これにより、ＴＦＴの移動度を高くでき、また、耐久性を高くできる。また、ソース電極５０及びドレイン電極５２のエッチングの際に、半導体膜がエッチングされることを抑制できる。
ここで、「結晶質膜」とは、Ｘ線回折により、結晶ピークを確認できる膜である。結晶質膜は、単結晶膜、エピタキシャル膜及び多結晶膜のいずれであってもよく、工業生産が容易かつ大面積化が可能であることから、好ましくはエピタキシャル膜及び多結晶膜であり、特に好ましくは多結晶膜である。
結晶質膜が多結晶膜の場合、当該多結晶膜がナノクリスタルからなることが好ましい。Ｘ線回折からＳｃｈｅｒｒｅｒ’ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎを用いて求めた平均結晶粒径は通常５００ｎｍ以下、好ましくは３００ｎｍ以下、より好ましくは１５０ｎｍ以下、さらに好ましくは８０ｎｍ以下である。５００ｎｍより大きいとトランジスタを微細化した際のばらつきが大きくなるおそれがある。

本発明においては、半導体膜が、さらに酸化インジウムを除く正３価の金属酸化物を含有することが好ましい。これにより、結晶質酸化インジウムに発生する酸素欠損を容易に抑えることができるため、安定に作動する薄膜トランジスタが得られるようになる。

酸化インジウムを除く正３価の金属酸化物としては、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロニウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化イッテリビウム又は酸化ルテチウムが好適に使用できる。これらの酸化物は１種単独で用いても、また、２種以上組み合わせて用いてもよい。

正３価の金属酸化物（酸化インジウムを除く）を含む酸化インジウムが、より簡便に結晶質化する観点から、添加される正３価の金属酸化物の金属元素のイオン半径はインジウム元素のイオン半径により近いことが望ましい。具体的に、インジウム元素のイオン半径との差が±３０％以内のものが、より好ましく用いることができる。インジウム元素とのイオン半径の差が３０％を超える場合、固溶限界が小さくなったり、固溶しない場合がある。その場合には、格子間に進入型固溶解していても良い。また、結晶粒界に偏析して存在していてもよい。これら結晶粒界に偏析した場合には、結晶粒界に存在する酸素欠損を抑える効果がある。

上記の観点から、正３価の金属酸化物（酸化インジウムを除く）としては、特に、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロニウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム及び酸化イッテリビウムが好ましい。

半導体膜に含有される正３価の金属酸化物（酸化インジウムを除く）の含有量は、半導体膜の全金属元素に対する金属元素量として、０．１〜１０ａｔ％であることが好ましく、特に、０．５〜８ａｔ％であることが好ましい。インジウムを除く正３価の金属元素の含有量が０．１ａｔ％未満では、添加する酸化インジウムを除く正３価の金属酸化物の添加量が少なく、その効果が小さい場合があり、ノーマリーオフの薄膜トランジスタが得られない場合がある。一方、１０ａｔ％超では添加量が多すぎて、結晶質の酸化インジウム膜が得られない場合がある。半導体膜が非晶質酸化インジウムの場合、キャリヤー濃度が低減せず、ノーマリーオン状態の薄膜トランジスタになったり、得られるトランジスタの移動度が向上しない場合がある。
金属元素の比率は、ＩＣＰ−Ｍａｓｓ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｍａｓｓ）測定により、各元素の存在量を測定することで求めることができる。

本発明では、半導体膜が含有する全金属元素に対する、正４価以上の金属元素の含有量が１０ｐｐｍ（本願において、「ｐｐｍ」は原子ｐｐｍを意味する）以下であることが好ましい。正４価以上の金属元素は、半導体膜内で酸化物として存在する。正４価の金属酸化物が酸化インジウムの結晶中に取り込まれた場合、酸化インジウム中でキャリヤーを発生させるため、半導体膜の性能に大きな影響を与える。また、半導体膜の熱処理の条件により、酸化インジウム中に固溶置換したりして、酸化インジウムのバンド構造中に不純物準位を形成し、半導体特性に影響を及ぼす。その結果、室温付近の温度においてのキャリヤー密度を、２×１０^＋１７ｃｍ^−３未満に制御できない場合がある。従って、正４価以上の金属元素の含有量は少ない方がよく、好ましくは、５ｐｐｍ以下であり、より好ましくは１ｐｐｍ以下である。

半導体膜に含まれる正４価以上の金属酸化物としては、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化マンガン、等の正４価以上の重金属酸化物、及び酸化ケイ素、酸化ゲルマニウム、酸化スズ、酸化鉛、酸化アンチモン、酸化ビスマス及び酸化セリウムが挙げられる。
上記金属酸化物のうち、特に、酸化チタン、酸化ジルコニウム及び酸化スズは、厳密に管理するのが好ましい。

また、本発明では半導体膜が含有する全金属元素に対する、正２価以下の金属元素の含有量は５０ｐｐｍ以下であることが好ましい。正２価以下の金属元素も、半導体膜内で酸化物として存在する。正２価以下の金属酸化物が酸化インジウムの結晶中に取り込まれた場合、酸化インジウム中で、キャリヤートラップを発生するようになり、その結果、移動度の低下をきたす場合があり、半導体膜の性能に大きな影響を与える。また、熱処理中の条件により酸化インジウム中に固溶置換したりして、酸化インジウムのバンド構造中に不純物準位を形成し、半導体特性に影響を及ぼす。従って、正２価以下の金属元素の含有量は少ない方がよく、好ましくは、１０ｐｐｍ以下であり、より好ましくは５ｐｐｍ以下である。

半導体膜に含まれる正２価以下の金属酸化物としては、酸化リチウム、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化ルビジウム、酸化セシウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム及び酸化バリウム等のアルカリ金属酸化物やアルカリ土類金属酸化物、及び、酸化亜鉛が挙げられる。
上記金属酸化物のうち、特に、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム及び酸化亜鉛は、厳密に管理するのが好ましい。

本発明の薄膜トランジスタにおいて、基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース・ドレイン電極等の構成部材は、公知のものが使用でき、特に限定されない。
例えば、各電極にはＡｌ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属薄膜が使用でき、ゲート絶縁膜には、酸化シリコン膜、酸化ハフニウム膜等の酸化物薄膜を使用できる。
また、エッチストッパーには、絶縁性の正３価の金属酸化物膜を用いることが出来る。例えば、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロニウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化イッテリビウム又は酸化ルテチウムが好ましい。これらの膜の上に、酸化ケイ素や窒化珪素等を積層してよい。ドライエッチング性やコストを勘案すると、酸化アルミニウムや酸化イットリウム等が好ましい。

尚、正３価の金属酸化物以外、例えば、酸化ケイ素等をエッチングストッパーに使用すると半導体膜に影響を与える場合がある。具体的に、半導体膜となる非晶質酸化インジウム上に、酸化ケイ素膜をスパッタや熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等で成膜し、その後、加熱結晶化した場合、珪素元素が酸化インジウム膜に拡散し、固溶する場合がある。この場合、半導体膜にキャリヤーを発生し導電化することがあるため、ｏｆｆ電流が大きくなり、ｏｎ／ｏｆｆ値が小さくなる場合がある。従って、エッチストッパーの半導体膜に接触する面には、絶縁性の正３価の金属酸化物膜を用いることが好ましい。

続いて、本発明の薄膜トランジスタの製造方法を説明する。
本発明の製造方法は、水素元素を含有する酸化インジウムからなる半導体膜を成膜する成膜工程と、半導体膜をパターニングする工程と、半導体膜を脱水素及び結晶化する工程と、半導体膜に接続するようにソース・ドレイン電極を形成する工程を含む。
尚、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース・ドレイン電極等の構成部材は、公知の方法により形成できる。
例えば、基板上にＡｌ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属薄膜からなるゲート電極を形成し、その上に、酸化シリコン膜、酸化ハフニウム膜等からなる酸化物薄膜をゲート絶縁膜として形成する。その上に、金属マスクを装着して必要な部分だけに酸化インジウム膜からなる半導体膜を形成する。その後、金属マスクを用いて、必要部分にソース・ドレイン電極を形成することで、薄膜トランジスタを製造することができる。
以下、本発明の特徴部分である半導体膜の成膜工程について説明する。

水素元素を含有する酸化インジウムからなる半導体膜は、スパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティ―ティング法、パルス・レーザー・デポジション（ＰＬＤ）法等の方法で形成できる。好ましくは、スパッタリング法である。

スパッタリングでは、焼結ターゲットを用いる方法が好ましい。特に、高純度（例えば、純度９９．９９ａｔ％以上）酸化インジウムの焼結ターゲットが好ましい。上述した正３価の金属酸化物（酸化インジウムを除く）を含有する半導体膜を形成するには、例えば、酸化インジウムにこれら金属酸化物を含有させた焼結ターゲットを使用すればよい。尚、焼結ターゲットは、本技術分野において公知の方法により製造できる。
スパッタリングの条件は、使用するターゲットや、半導体膜の膜厚等にあわせて適宜調整することができる。スパッタリング方法は、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法、ＡＣスパッタ法が使用できる。中でも、ＤＣスパッタ法、ＡＣスパッタ法が、成膜速度も速く、好ましい。

上記の方法による成膜の雰囲気中に水素元素を注入することにより、水素元素を含有する酸化インジウム半導体膜が得られる。具体的には、水素分子（水素ガス）や水を成膜雰囲気中に注入した状態で成膜すればよい。
成膜雰囲気中の水素分子、及び／又は水分子の体積含有量は、１％〜１０％であることが好ましく、特に、２％〜８％であることが好ましい。
水素分子、及び／又は水分子を成膜雰囲気中に存在させる方法としては、水素ガスを含むアルゴンガスを成膜ガスとして用いたり、水をプランジャーポンプ等により成膜室に直接送り込む方法がある。尚、ガスの場合、体積含有量は、各ガス成分の分圧により制御することが出来る。

本発明では、半導体膜の成膜中に酸素を存在させることが好ましい。スパッタ中に酸素を存在させることにより、脱水素処理工程にて、効果的に脱水素することが出来る。

得られた半導体膜をパターニングする。パターニングは、ウエットエッチング、ドライエッチング等の方法がある。尚、半導体膜の形成時に、マスクによるパターン形成や、リフトオフによるパターン形成等の方法を用いた場合、パターニングは不要である。本発明においては、ウエットエッチングやマスクによるパターン形成が好ましい。

半導体膜を脱水素処理及び結晶化する。
脱水素及び結晶化工程は、成膜工程において、酸化インジウム中に余分に添加された水素元素を一定の値に制御する効果がある。これにより常に安定した性能の酸化物半導体膜を得ることができるようになる。また、脱水素処理（酸化処理）により、酸化インジウム膜は結晶化し、安定した性能の薄膜トランジスタを得ることができる。

半導体膜を脱水素処理する工程、及び半導体膜を結晶化する工程としては、酸素による水素の酸化処理や、熱による水素分子、水分子の脱離による方法がある。具体的に、空気中で加熱したり、非酸化雰囲気（窒素中やアルゴン雰囲気等の不活性気体中）で加熱したり、真空下で加熱する等の方法が用いられる。
本発明では、真空下での脱水素処理や、非酸化性雰囲気での脱水素処理が好ましい。
尚、真空下とは、空気を排気した状態であり、５００Ｐａ以下、好ましくは、３００Ｐａ以下、より好ましくは、１００Ｐａ以下である。段階的に真空度を上げる方法も好ましい。

熱処理の方法としては、オーブン加熱、加熱板への接触（接触加熱）、赤外線ランプ等によるランプ加熱、レーザー等の光による加熱、熱プラズマ等による加熱等が用いられる。

脱水素処理工程における加熱温度は、１５０〜４５０℃であることが好ましい。１５０℃未満では、半導体膜が十分に結晶化しない場合があり、４５０℃超では、基板や半導体膜にダメージを与える場合がある。熱処理温度は、１８０℃〜３５０℃がさらに好ましく、特に２００℃〜３００℃が好ましい。
また、加熱時間は０．１〜１２００分が好ましい。熱処理時間が０．１分未満では、処理時間が短すぎて膜の結晶化が不十分となる場合があり、１２００分超では時間が掛かりすぎ生産的ではない。熱処理時間は、０．５分〜６００分がさらに好ましい。
半導体膜中の水素濃度を制御する点からも、上記の温度及び時間の条件が好ましい。上記条件から外れると、半導体膜中の水素濃度が本発明の規定範囲を満たさなくなる場合があり、薄膜トランジスタの移動度が減少するおそれがある。

尚、半導体膜の脱水素処理及び結晶化は、半導体膜の形成後、すぐに実施してもよく、また、ソース・ドレイン電極等、他の構成部材の形成後に実施してもよい。
本発明では、半導体膜が水素元素を含むことで、半導体特性の安定性が向上している。そのため、製造時における熱処理条件、特に、空気中で熱処理する場合の湿度条件等が異なっていても、安定した性能を有する薄膜トランジスタを製造することができる。

本発明の製造方法は、特に、チャンネルエッチ型の薄膜トランジスタの製造方法に適している。本発明の半導体膜は結晶質であるため、Ａｌ等の金属薄膜からソース・ドレイン電極及びチャンネル部を形成する方法として、フォトリソグラフィを使用したエッチング工程を採用できる。即ち、金属薄膜を除去するエッチング液では、半導体膜はエッチングされず、金属薄膜を選択的にエッチングできる。尚、エッチストッパー型の薄膜トランジスタの製造方法であってもよい。

実施例１
（Ａ）薄膜トランジスタの作製
図３に示すチャンネルエッチ型の薄膜トランジスタを作製した。
２００ｎｍ厚みの熱酸化膜（ＳｉＯ_２膜）付きの導電性シリコン基板１０を使用した。熱酸化膜がゲート絶縁膜３０として機能し、導電性シリコン部がゲート電極２０として機能する。
ゲート絶縁膜３０上に、高純度酸化インジウムからなるターゲット（湘南電子材料研究所作製、正４価以上の金属酸化物：代表例としてＳｎ，Ｔｉ，Ｚｒの総合計：０．０９ｐｐｍ、正２価以下の金属酸化物：代表例としてＮａ，Ｋ，Ｍｇ，Ｚｎの総合計：０．８ｐｐｍ）を用いて、スパッタリング法で４０ｎｍの半導体膜４０を成膜した。スパッタリングは、背圧が５×１０^−４Ｐａとなるまで真空排気したあと、水素を８体積％含むアルゴンガス９．０ｓｃｃｍ、酸素１．０ｓｃｃｍを流しながら（即ち、成膜雰囲気中の水素濃度は７．２体積％である）、圧力を０．６Ｐａに調整し、スパッタパワー１００Ｗにて、基板温度１５０℃で行った。
その後、半導体膜を脱水素処理及び結晶化するために、アルゴンガスにて、装置内の圧力を３０Ｐａに設定し、２５０℃で３０分保持した。

基板温度を室温の戻した後、半導体膜４０の上に、モリブデン金属膜（２００ｎｍ）を形成した。
モリブデン金属膜にレジストを塗布し、８０℃で１５分間プレベークした。その後、マスクを通してＵＶ光（光強度：３００ｍＪ／ｃｍ^２）をレジスト膜に照射し、その後、３ｗｔ％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）にて現像した。純水で洗浄後、レジスト膜を１３０℃で１５分ポストベークし、所望の形状のソース・ドレイン電極形状のレジストパターンを形成した。

レジストパターン付き基板を、燐酸・酢酸・硝酸の混合酸で処理することで、モリブデン金属膜をエッチングした。その後レジストを剥離し、純水で洗浄しエアーブローして乾燥させて、ソース電極５０、ドレイン電極５２を形成し、薄膜トランジスタ（チャンネル部６０のソース・ドレイン電極間間隙（Ｌ）が１０μｍ、幅（Ｗ）が５０μｍ）を作製した。

この薄膜トランジスタの電界効果移動度は８２ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃ、Ｏｎ−Ｏｆｆ比は１０^８であり、閾値電圧（Ｖｔｈ）は０．５Ｖ、Ｓ値は０．７Ｖ／ｄｅｃ．で、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。

（Ｂ）半導体膜の評価
石英ガラス基板上に、上記（Ａ）のスパッタリングと同じ条件にて半導体膜を形成した。得られた半導体膜（脱水素処理及び結晶化前）をＸ線回折（ＸＲＤ）測定したところ、酸化インジウムのビックスバイト構造のピークは観察されず、非晶質であった。また、半導体膜の水素の含有量を測定したところ、３．５３ａｔ％であった。尚、水素の含有量は水素前方スキャッタリング・スペクトロメトリー法にて測定した。

その後、アルゴンガスにて、装置内の圧力を３０Ｐａに設定し、２５０℃で３０分保持した。得られた半導体膜のＸ線回折（ＸＲＤ）測定をしたところ、酸化インジウムのビックスバイト構造のピークが観察された。また、水素の含有量は３．１３ａｔ％であった。

実施例２
図４に示すエッチストッパー型の薄膜トランジスタを、フォトレジスト法にて作製した。
熱酸化膜（ＳｉＯ_２膜）付きの導電性シリコン基板１０上に、実施例１と同様にして、高純度酸化インジウムからなるターゲットを用いて、スパッタリング法で４０ｎｍの半導体膜４０を成膜した。
尚、スパッタリングは、背圧が５×１０^−４Ｐａとなるまで真空排気したあと、水素を３体積％含むアルゴンガス９．０ｓｃｃｍ、酸素１．０ｓｃｃｍを流しながら、圧力を０．５Ｐａに調整し、スパッタパワー１００Ｗ、基板温度を室温とした。

その後、酸化アルミニウムをターゲットとして用いて、ＲＦスパッタ法にて、１０ｎｍの厚みに成膜し、さらに、その上に酸化ケイ素ターゲットを用いて、１９０ｎｍの厚みに成膜した。

半導体膜４０上の酸化アルミニウム−酸化ケイ素膜上にレジストを塗布し、８０℃で１５分間プレベークした。その後、マスクを通してＵＶ光（光強度：３００ｍＪ／ｃｍ^２）をレジスト膜に照射し、その後、３ｗｔ％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）にて現像した。純水で洗浄後、レジスト膜を１３０℃で１５分ポストベークし、所望の形状のエッチストッパーのレジストパターンを形成した。

レジストパターン付き基板を、ドライエッチング装置に移し、ＣＦ_４ガスによりドライエッチングを行い、さらに、水素ガス９％を含むアルゴンを用いてプラズマにより表面を洗浄・還元処理した。その後レジストを剥離し、純水で洗浄しエアーブローして乾燥させ、エッチストッパー７０を形成した。

その後、半導体膜４０とエッチストッパー７０上に、モリブデン金属膜を３００ｎｍ成膜した。
モリブデン金属膜にレジストを塗布し、８０℃で１５分間プレベークした。その後、マスクを通してＵＶ光（光強度：３００ｍＪ／ｃｍ^２）をレジスト膜に照射し、その後、３ｗｔ％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）にて現像した。純水で洗浄後、レジスト膜を１３０℃で１５分ポストベークし、所望の形状のソース・ドレイン電極形状のレジストパターンを形成した。

レジストパターン付き基板を、燐酸・酢酸・硝酸の混合酸で処理することで、モリブデン金属膜をエッチングした。同時に、酸化インジウム膜も同時にエッチングした。その後レジストを剥離し、純水で洗浄しエアーブローして乾燥させて、ソース電極５０、ドレイン電極５２を形成し、薄膜トランジスタ（チャンネル部６０のソース・ドレイン電極間間隙（Ｌ）が１０μｍ、幅（Ｗ）が５０μｍ）を作製した。
その後、半導体膜を脱水素処理及び結晶化するために、薄膜トランジスタを熱風加熱炉内で、空気中、３００℃で３０分間熱処理した。

この薄膜トランジスタの電界効果移動度は８６ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃ、Ｏｎ−Ｏｆｆ比は１０^８であり、Ｖｔｈは０．１Ｖ、Ｓ値は０．２Ｖ／ｄｅｃ．で、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。ゲート電極に２０Ｖ電圧を１００分間印加した後のシフト電圧（Ｖｔｈ）は、０．１Ｖであった。

（Ｂ）半導体膜の評価
石英ガラス基板上に、上記のスパッタリングと同じ条件にて半導体膜を形成した。得られた半導体膜（脱水素処理及び結晶化前）のＸ線回折（ＸＲＤ）測定をしたところ、酸化インジウムのビックスバイト構造のピークは観察されず、非晶質であった。水素の含有量は１．３４ａｔ％であった。

その後、半導体膜を熱風加熱炉内で、空気中、３００℃で３０分間熱処理した。得られた半導体膜のＸ線回折（ＸＲＤ）測定をしたところ、酸化インジウムのビックスバイト構造のピークが観察された。水素の含有量は０．１１ａｔ％であった。

実施例３
高純度酸化インジウムからなるターゲットに変えて、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロニウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化イッテリビウム又は酸化ルテチウムを、それぞれ総合計で２ａｔ％含有する酸化インジウムターゲット（正４価以上の金属酸化物：代表例としてＳｎ，Ｔｉ，Ｚｒの総合計＜０．１ｐｐｍ、正２価以下の金属酸化物：代表例としてＮａ，Ｋ，Ｍｇ，Ｚｎの総合計：１ｐｐｍ）を用いた他は、実施例２と同様にして薄膜トランジスタを作製した。
得られた薄膜トランジスタの電界効果移動度は６０ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃ以上、Ｏｎ−Ｏｆｆ比は１０^８程度、Ｖｔｈは０．３Ｖ程度、Ｓ値は０．５Ｖ／ｄｅｃ．以下で、ノーマリーオフの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。ゲート電極に２０Ｖ電圧を１００分間印加した後のシフト電圧（Ｖｔｈ）は、０．２Ｖ以下であった。
また、いずれの半導体膜も結晶質であり、水素の含有量は１.２ａｔ％〜３.７ａｔ％であった。

比較例１
スパッタリングターゲットとして、純度９９．９％の酸化インジウムからなるターゲット（正４価以上の金属酸化物：代表例としてＳｎ，Ｔｉ，Ｚｒの総合計：２００ｐｐｍ、正２価以下の金属酸化物：代表例としてＮａ，Ｋ，Ｍｇ，Ｚｎの総合計：６０ｐｐｍ）からなるターゲットを使用し、スパッタ雰囲気を純度１００％のアルゴン及び純度１００％の酸素を用い、酸素濃度１０体積％にした他は、実施例１と同様にして薄膜トランジスタを作製した。

この薄膜トランジスタの電界効果移動度は３．１ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃ、Ｏｎ−Ｏｆｆ比は１０^４であり、Ｖｔｈは−５．１Ｖ、Ｓ値は７．３Ｖ／ｄｅｃ．で、ノーマリーオンの特性を示す薄膜トランジスタであった。また、出力特性は明瞭なピンチオフを示した。ゲート電極に２０Ｖ電圧を１００分間印加した後のシフト電圧（Ｖｔｈ）は、１．４Ｖであった。
半導体膜は結晶質であり、水素の含有量は０．０１ａｔ％未満であった。

比較例２
スパッタリングターゲットとして、純度９９．９％の、酸化インジウム−酸化ガリウム−酸化亜鉛からなるターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（原子比））からなるターゲットを使用し、スパッタ雰囲気を１体積％の水素を含むアルゴン、及び純度１００％の酸素を用い、水素濃度０．９６体積％、酸素濃度４体積％に調整した他は、実施例１と同様にして薄膜トランジスタの作製を試みた。
しかしながら、モリブデン金属膜をエッチングする段階で、半導体膜が溶解したため、薄膜トランジスタは得られなかった。
比較例２で形成した半導体膜は、脱水素及び結晶化処理をした後も非晶質膜であった。そのため、モリブデン金属膜をエッチングする段階で、半導体膜が溶解した。

本発明の薄膜トランジスタは、ディスプレイ用パネル、ＲＦＩＤタグ、Ｘ線ディテクタパネル・指紋センサ・フォトセンサ等のセンサ等に好適に使用できる。
本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、特に、チャンネルエッチ型の薄膜トランジスタの製造方法に適している。

上記に本発明の実施形態及び／又は実施例を幾つか詳細に説明したが、当業者は、本発明の新規な教示及び効果から実質的に離れることなく、これら例示である実施形態及び／又は実施例に多くの変更を加えることが容易である。従って、これらの多くの変更は本発明の範囲に含まれる。
この明細書に記載の文献の内容を全てここに援用する。

Claims (9)

1. ゲート電極、ゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜に接する酸化物半導体膜、及び前記酸化物半導体膜に接続し、チャンネル部により隔てられているソース・ドレイン電極を有する薄膜トランジスタであって、
   前記酸化物半導体膜が、水素元素を含有する結晶質酸化インジウムからなり、
   前記酸化物半導体膜に含有される水素元素の含有量が、酸化物半導体膜を形成する全元素に対して、０．１ａｔ％〜５ａｔ％であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
2. 前記酸化物半導体膜が、さらに酸化インジウムを除く正３価の金属酸化物を含有することを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタ。
3. 前記酸化物半導体膜に含有される全金属元素に対する、前記インジウムを除く正３価の金属元素の含有量が０．１〜１０ａｔ％であることを特徴とする請求項２に記載の薄膜トランジスタ。
4. 前記酸化インジウムを除く正３価の金属酸化物が、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロニウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化イッテリビウム及び酸化ルテチウムから選択される１種以上の酸化物であることを特徴とする請求項２又は３に記載の薄膜トランジスタ。
5. 水素元素を含有する酸化インジウムからなる半導体膜を成膜する成膜工程と、
   前記半導体膜をパターニングする工程と、
   前記半導体膜を脱水素及び結晶化する工程と、
   前記半導体膜に接続するようにソース・ドレイン電極を形成する工程を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
6. 前記半導体膜の成膜工程における成膜雰囲気中の水素分子、及び／又は水分子の体積含有量が、１％〜１０％であることを特徴とする請求項５記載の薄膜トランジスタの製造方法。
7. 前記半導体膜を脱水素及び結晶化する工程が、前記半導体膜を１５０〜４５０℃で０．１〜１２００分間熱処理する工程であることを特徴とする請求項５又は６に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
8. チャンネルエッチ型の薄膜トランジスタの製造方法であることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
9. エッチストッパー型の薄膜トランジスタの製造方法であることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。

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