特許 7424659 複合金属酸化物半導体および薄膜トランジスタとその応用

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-22

(45)【発行日】2024-01-30

(54)【発明の名称】複合金属酸化物半導体および薄膜トランジスタとその応用

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/786 20060101AFI20240123BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20240123BHJP

   H01L 21/363 20060101ALI20240123BHJP

   H01L 21/368 20060101ALI20240123BHJP

   C01G 15/00 20060101ALI20240123BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 618B

H01L29/78 618F

H01L29/78 618A

H01L29/78 619A

H01L21/363

H01L21/368

C01G15/00 B

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021543120

(86)(22)【出願日】2020-09-08

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-03-15

(86)【国際出願番号】 CN2020114044

(87)【国際公開番号】W WO2021052219

(87)【国際公開日】2021-03-25

【審査請求日】2021-07-21

(31)【優先権主張番号】201910881763.4

(32)【優先日】2019-09-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】512000569

【氏名又は名称】華南理工大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001139

【氏名又は名称】ＳＫ弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100130328

【弁理士】

【氏名又は名称】奥野 彰彦

(74)【代理人】

【識別番号】100130672

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 寛之

(72)【発明者】

【氏名】徐苗

(72)【発明者】

【氏名】徐華

(72)【発明者】

【氏名】呉偉敬

(72)【発明者】

【氏名】陳為峰

(72)【発明者】

【氏名】王磊

(72)【発明者】

【氏名】彭俊彪

【審査官】岩本 勉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１４４８４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／０８１８８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１０／０２４０３４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００９／０９３６２５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／７８６

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２１／３６３

Ｈ０１Ｌ ２１／３６８

Ｃ０１Ｇ １５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属酸化物に希土類酸化物がドーピングされた複合金属酸化物半導体であり、
前記金属酸化物は、酸化亜鉛や酸化ガリウムのいずれかまたは両方と酸化インジウムによって形成された金属酸化物半導体であり、前記希土類酸化物は、酸化プラセオジムおよび／または酸化イッテルビウムであり、希土類酸化物におけるプラセオジムおよび／またはイッテルビウムと金属酸化物とのモル比は、０．００２－０．１：１であり、
前記複合金属酸化物半導体に、光生成キャリアの高速再結合中心が存在することを特徴とする、複合金属酸化物半導体。

【請求項2】

前記金属酸化物は、酸化亜鉛や酸化ガリウムのいずれかと酸化インジウムによって形成された複合金属酸化物であり、インジウムと亜鉛またはガリウムとのモル比の範囲は５：１－４であることを特徴とする、請求項１に記載の複合金属酸化物半導体。

【請求項3】

前記金属酸化物は、酸化亜鉛、酸化ガリウムと酸化インジウムによって形成された複合金属酸化物であり、かつ３つの金属元素Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子比は、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）≧０．７６、０≦Ｇａ／Ｉｎ≦０．８であることを特徴とする、請求項１に記載の複合金属酸化物半導体。

【請求項4】

プラセオジムおよび／またはイッテルビウムと金属酸化物のドーピングモル比は、０．０２－０．１０：１であることを特徴とする、請求項１に記載の複合金属酸化物半導体。

【請求項5】

薄膜トランジスタであって、活性層を含み、前記活性層は、請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の複合金属酸化物半導体で作製され、
光条件および非光条件下での前記薄膜トランジスタのオン電圧変化△Ｖ_ｏｎ量は、２Ｖ未満であることを特徴とする、薄膜トランジスタ。

【請求項6】

基板、ゲート、ゲート絶縁層、ソース・ドレインおよびパッシベーション層をさらに有し、前記薄膜トランジスタは、エッチストップ型構造、バックチャネルエッチ型構造または自己整合型構造を採用することを特徴とする、請求項５に記載の薄膜トランジスタ。

【請求項7】

前記パッシベーション層は、シリカ薄膜、または窒化ケイ素とシリカからなる積層構造であることを特徴とする、請求項６に記載の薄膜トランジスタ。

【請求項8】

表示パネルまたは検出器における請求項５に記載の薄膜トランジスタの応用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体の製造分野に関し、特に、フラットパネルディスプレイや検出器用途の金属酸化物半導体薄膜トランジスタのバックプレーンの製造に使用される材料およびデバイス構造に関し、具体的には、複合金属酸化物半導体および薄膜トランジスタとその応用に関する。

【背景技術】

【0002】

既存の金属酸化物半導体システムでは、Ｉｎ^３＋イオンの５ｓ軌道が主な電子輸送チャネルである。しかし、単純なＩｎ_２Ｏ_３薄膜では、ＩｎイオンがＯイオンと結合した後の結合解離エネルギーが低いため、多数の酸素空孔欠陥が存在している。酸素空孔は、金属酸化物薄膜トランジスタの安定性を低下させる主な原因となっている。通常、酸素空孔を調整するために、Ｉｎ^３＋イオンと同量のＧａ^３＋イオンをドーピングする必要がある。

【0003】

同時に、半導体デバイスの性能の均一性を確保するために、金属酸化物半導体薄膜をアモルファス薄膜構造に維持する必要がある。ＺｎＯの結晶構造は、Ｉｎ_２Ｏ_３やＧａ_２Ｏ_３とは大きく異なるため、Ｉｎイオンと同量のＺｎイオンを薄膜にドーピングすることで、材料の結晶化を抑制し、薄膜のアモルファス構造を維持することができる。そのため、現在の金属酸化物半導体材料の中で最も広く応用されているのは、ＩＧＺＯ（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１ ｍｏｌ）である。しかし、ＩＧＺＯでは、Ｇａ^３＋やＺｎ^２＋イオンを大量に添加すると、Ｉｎ^３＋の濃度が大きく希釈され、５ｓ軌道のクロスオーバーの度合いが低下し、電子移動度が低下するという問題点がある。

【0004】

また、ＩＧＺＯのような材料は、価電子帯付近に多数のトラップ状態のものを持っている。これにより、禁制帯幅以下の光エネルギーでも、光生成キャリアが生成されると同時に、価電子帯の付近で光生成正孔が生成される。しかも、これらの光生成正孔は、電界の作用によりゲート絶縁層に注入されやすく、これにより、従来の酸化物半導体に安定性が低いという問題があった。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来技術の欠点を克服するために、本発明の１つ目の目的は、比較的高い移動度と高い光安定性を有する複合金属酸化物半導体を提供することである。この複合金属酸化物半導体は、金属酸化物に少量の酸化イッテルビウムや酸化プラセオジムなどの希土類酸化物をドーピングすることで、薄膜中の酸素空孔濃度を効果的に抑制するとともに、光生成キャリアの再結合中心を形成して、半導体の光に対する安定性を向上させることができる。

【0006】

本発明の２つ目の目的は、この複合金属酸化物半導体を含む薄膜トランジスタを提供することである。

【0007】

本発明の３つ目の目的は、この薄膜トランジスタの応用を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の１つ目の目的は、以下のような技術的解決手段によって実現される。

【0009】

複合金属酸化物半導体であって、この複合金属酸化物半導体は、金属酸化物に希土類酸化物をドーピングしたものであり、
前記金属酸化物は、酸化亜鉛や酸化ガリウムのいずれかまたは両方と酸化インジウムによって形成された金属酸化物半導体であり、前記希土類酸化物は、酸化プラセオジムおよび／または酸化イッテルビウムであり、希土類酸化物におけるプラセオジムおよび／またはイッテルビウムと金属酸化物とのモル比は、０．００２－０．４：１であり、
前記複合金属酸化物半導体に、光生成キャリアの高速再結合中心が存在する。

【0010】

すなわち、本発明が提供する複合金属酸化物半導体は、酸化インジウムに基づく複合半導体であり、酸化プラセオジムまたは酸化イッテルビウムは、比較的低いドーピング量で酸素空孔への抑制を実現することができ、よって、半導体は高い移動度の上で、光条件下の安定性を向上させることができる。

【0011】

さらに、前記金属酸化物は、酸化亜鉛や酸化ガリウムのいずれかと酸化インジウムによって形成された複合金属酸化物であり、インジウムと亜鉛またはガリウムとのモル比の範囲は５：１－４である。例として、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３＝５：４のような酸化インジウムガリウムを選択することができ、それは、ドープされていない状態で１４．８ ｃｍ^２・Ｖ^－１・Ｓ^－１の移動度を持ち、プラセオジムまたはイッテルビウムを０．１モル比でドーピングした後も９．５ ｃｍ^２・Ｖ^－１・Ｓ^－１の移動度に維持し、または、Ｉｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝２．５：１のような酸化インジウム亜鉛の場合、５０ ｃｍ^２・Ｖ^－１・Ｓ^－１以上の高い移動度を持ち、イッテルビウムまたはプラセオジムを０．２モル比でドーピングしても３３ ｃｍ^２・Ｖ^－１・Ｓ^－１以上の移動度を持つことができ、高い電流スイッチング比を維持する上で、良好な安定性と弱い光生成電流特性が得られる。

【0012】

さらに、前記金属酸化物半導体は、酸化亜鉛、酸化ガリウムと酸化インジウムによって形成された複合金属酸化物であり、かつ３つの金属元素Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子比は、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｚｎ）≧０．７６、０≦Ｇａ／Ｉｎ≦０．８である。例として、酸化インジウムガリウム亜鉛を選択することができ、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３．１７０：１．５８５：１ （ｍｏｌ）の場合、酸化プラセオジムまたは酸化イッテルビウムのドーピング可能なモル比が高く、イッテルビウムまたはプラセオジムを０．１モル比でドーピングしても１０ ｃｍ^２・Ｖ^－１・Ｓ^－１以上の移動度を持ち、または、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３．１７０：２．５３６：１ （ｍｏｌ）のものであってもよい。

【0013】

より好ましくは、希土類酸化物におけるプラセオジムおよび／またはイッテルビウムと金属酸化物とのドーピングモル比は、０．０２－０．４０：１である。すなわち、このドーピング範囲では、酸化プラセオジムまたは酸化イッテルビウムを用いることで、光生成電流特性をより好ましく抑制し、同時に、金属酸化物半導体により好ましい移動度を持たせることができる。さらに好ましくは、希土類酸化物におけるプラセオジムおよび／またはイッテルビウムと金属酸化物とのドーピングモル比は、０．１０－０．２０：１である。この範囲では、複合金属酸化物半導体は、移動度が比較的高く、１０^８オーダー前後の電流スイッチング比を持ち、光安定性も非常に良好である。

【0014】

本発明の２つ目の目的は、以下のような技術的解決手段によって実現される。

【0015】

薄膜トランジスタであって、活性層を含み、前記活性層は、物理気相成長法、化学気相成長法、原子層堆積法、レーザー堆積法または溶液法によって上記複合金属酸化物半導体から作製される。

【0016】

すなわち、本発明はまた、この複合金属酸化物半導体に基づく活性層によって形成された薄膜トランジスタを提供し、光条件および非光条件下でのこの薄膜トランジスタのオン電圧変化△Ｖ_ｏｎは、２Ｖ未満である。またはさらに、△Ｖ_ｏｎは、１Ｖ未満である。

【0017】

さらに、前記活性層は、マグネトロンスパッタリング法によって作製され、スパッタリング空気圧が０．１－０．６Ｐａ、スパッタリング雰囲気における酸素の体積が１０－５０％、基板温度が室温－３００℃である。具体的には、シングルターゲットスパッタリングまたはコスパッタリングの方法を採用する場合、このようなスパッタリング条件では、均一な質感、良好な密着性、良好な膜質の活性層を堆積することができる。

【0018】

好ましくは、シングルターゲットマグネトロンスパッタリングによって薄膜トランジスタの活性層を作製する。

【0019】

さらに、基板、ゲート、ゲート絶縁層、ソース・ドレインおよびパッシベーション層を有し、前記薄膜トランジスタは、エッチストップ型（ＥＳＬ型）構造、バックチャネルエッチ型（ＢＣＥ型）構造または自己整合型構造を採用する。

【0020】

さらに、前記パッシベーション層は、シリカ薄膜、または窒化ケイ素とシリカからなる積層構造である。

【0021】

さらに、基板は、硬質のアルカリガラス、無アルカリガラス、石英ガラスやシリコン基板であってよく、軟質のポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）または金属フレークであってもよい。

【0022】

さらに、前記ゲートは、透明導電性酸化物、グラフェン、金属－酸化物半導体積層または金属－金属積層であってもよい。ここで、透明導電性酸化物は、ＩＴＯ、ＡＺＯ、ＧＺＯ、ＩＺＯ、ＩＴＺＯ、ＦＴＯを含み、金属－酸化物半導体積層は、ＩＴＯ／Ａｇ／ＩＴＯ、ＩＺＯ／Ａｇ／ＩＺＯを含み、金属－金属積層は、Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉを含む。

【0023】

ゲートは、スパッタリング法、電気めっき、熱蒸着などの堆積方法で作製することができるが、スパッタリング堆積方法で作製した薄膜や基板の密着性が良く、均一性に優れ、大面積で作製できることから、その方法が好ましい。

【0024】

ここで、ゲート上のゲート絶縁層は、シリカ、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化イットリウムまたは高分子有機膜のうちの１つ以上の層を積層したものであってよい。ここで、ゲート絶縁層は、一方ではより良い絶縁特性を形成でき、他方では活性層とゲート絶縁層の界面特性を改善できるために、複数の絶縁膜を積層したものであってよい。また、このゲート絶縁層は、物理気相成長法、化学気相成長法、原子層堆積法、レーザー堆積法、陽極酸化法や溶液法など、様々な方法で作製することができる。

【0025】

また、バックチャネルエッチ型構造のデバイスの作製では、ソース・ドレイン電極と活性層のエッチング選択比を適切にする必要があり、そうでない場合はデバイスの作製ができないことに注意する必要がある。好ましいエッチング液は、過酸化水素系のエッチング液であり、その主な理由として、本発明の金属酸化物半導体材料は、過酸化水素系のエッチング液によるウェットエッチングに効果的に耐えることができ、且つ金属（モリブデン、モリブデン合金、モリブデン／銅、チタン／銅など）とのエッチング選択比が高く、この金属酸化物半導体層は、エッチング液の影響をほとんど受けず、従って、作製したデバイスは優れた性能と良好な安定性を有する。

【0026】

本発明の３つ目の目的は、以下のような技術的解決手段によって実現される。

【0027】

前記の薄膜トランジスタが表示パネルまたは検出器に応用される。

【0028】

本発明の原理は、以下のとおりである。

【0029】

本発明の複合金属酸化物半導体は、酸化インジウム系半導体に、Ｏ^２－イオンとの間の結合エネルギーがそれぞれ７５３．０（ΔＨｆ２９８、ｋＪ／ｍｏｌ）、７１５．１（ΔＨｆ２９８、ｋＪ／ｍｏｌ）と高い酸化プラセオジムおよび酸化イッテルビウムをドーピングしたものであり、従来の酸化インジウムガリウム亜鉛半導体では、酸素空孔濃度を抑制するために濃度の高いガリウムが必要であったことに対し、本発明では、少量の希土類イオンをドーピングするだけで、酸化物半導体薄膜における酸素空孔濃度を効果的に制御することができる。したがって、相当量の酸素空孔濃度の条件で、ドーピング濃度を大幅に下げることができ、Ｉｎイオンの５ｓ軌道の重なりを増やして材料の移動度を向上させるのに有利である。従来のＩＧＺＯ材料と比較して、移動度が１０ ｃｍ^２／ｖｓのみであり、プラセオジムイオンとイッテルビウムイオンをドーピングした新しい金属酸化物半導体の場合、デバイス移動度が５０ ｃｍ^２／ｖｓと高い。

【0030】

従来技術に比べて、本発明の有益な効果は以下のとおりである。

【0031】

本発明が提供する酸化プラセオジムまたは酸化イッテルビウムをドーピングした酸化インジウム半導体は、比較的低いドーピング濃度で、薄膜中の酸素空孔を効果的に低減することができ、本発明の酸化インジウム半導体は、酸化インジウム亜鉛、酸化インジウムガリウムまたは酸化インジウムガリウム亜鉛半導体であってよく、従来の酸化インジウムガリウム亜鉛半導体と比較して、デバイスの移動度が実質的に影響を受けない。

【0032】

本発明が提供する複合金属酸化物半導体は、酸化プラセオジムまたは酸化イッテルビウムをドーピングすると、エネルギーバンドのフェルミ準位付近にドーピングレベルを導入し、フェルミ準位付近の±０．３ｅＶ範囲に光生成キャリアの再結合中心を形成することができる。これらの再結合中心は、光生成キャリアの高速再結合チャネルを提供し、Ｉ－Ｖ特性や安定性への影響を回避することができる。さらに、金属酸化物半導体デバイスの光に対する安定性を大幅に向上させる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】実施例９および実施例１０の薄膜トランジスタの構造を示す模式図である。

【図2】実施例１１の薄膜トランジスタの構造を示す模式図である。

【図3】実施例１２の薄膜トランジスタの構造を示す模式図である。

【図4】実施例９の光生成電流特性と負ゲートバイアス光照射ストレス（ＮＢＩＳ）を示す図である。

【図5】実施例１０の光生成電流特性と負ゲートバイアス光照射ストレスを示す図である。

【図6】実施例１１の光生成電流特性と負ゲートバイアス光照射ストレスを示す図である。

【図7】実施例１２の光生成電流特性と負ゲートバイアス光照射ストレスを示す図である。

【図8】実施例７のプラセオジムアンドープ（ｙ＝０）、およびドープ（ｙ＝０．１）の酸化インジウムガリウム亜鉛薄膜に対してＰＬスペクトルと寿命試験を行った特性評価結果を示す。

【符号の説明】

【0034】

０１、基板；０２、ゲート；０３、ゲート絶縁層；０４、活性層；０５、エッチストップ層；０６－１、ソース；０６－２、ドレイン；０７、パッシベーション層；０８、バッファ層；０９、スペーサ層。

【発明を実施するための形態】

【0035】

以下、図面と具体的な実施形態と併せて本発明をさらに説明し、なお、矛盾しない前提下で、以下に説明する各実施例の間、または各技術的特徴の間で任意の組み合わせをして新しい実施例を形成することができる。
以下は、本発明の具体的な実施例であり、以下の実施例で採用されている原材料、設備などは、特に限定されない限り購入して入手することができる。

【0036】

実施例１：酸化イッテルビウムドープ酸化インジウムガリウム半導体材料
金属酸化物半導体材料群であって、この群の金属酸化物半導体材料では、酸化インジウムガリウム（ＩＧＯ）に光安定剤として酸化イッテルビウムをドーピングすることにより、酸化イッテルビウムドープ酸化インジウムガリウム（Ｙｂ：ＩＧＯ）の半導体材料が形成される。

【0037】

ここで、酸化インジウムガリウムにおいて、Ｉｎ、Ｇａのモル比はＩｎ：Ｇａ＝５：４であり、酸化イッテルビウムドープ酸化インジウムガリウムにおいて、イッテルビウムと酸化インジウムガリウムのモル比は、順次０．００２、０．０２０、０．１００、０．２００、０．４０および０．６０である。

【0038】

実施例２：酸化イッテルビウムドープ酸化インジウム亜鉛半導体材料
金属酸化物半導体材料群であって、この群の金属酸化物半導体材料では、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）に光安定剤として酸化イッテルビウムをドーピングすることにより、酸化イッテルビウムドープ酸化インジウム亜鉛（Ｙｂ：ＩＺＯ）の半導体材料が形成される。

【0039】

酸化インジウム亜鉛において、Ｉｎ、Ｚｎのモル比はＩｎ：Ｚｎ＝５：１であり、酸化イッテルビウムドープ酸化インジウム亜鉛において、イッテルビウムと酸化インジウム亜鉛のモル比は、それぞれ０．００２、０．０２０、０．１００、０．２００、０．４０および０．６０である。

【0040】

実施例３：酸化プラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛半導体材料
金属酸化物半導体材料であって、この金属酸化物半導体材料では、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）に光安定剤として酸化プラセオジムをドーピングすることにより、酸化プラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛（Ｐｒ：ＩＧＺＯ）の半導体材料が形成される。

【0041】

酸化インジウムガリウム亜鉛において、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎのモル比はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３．１７０：１．５８５：１であり、酸化プラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛において、プラセオジムと酸化インジウムガリウム亜鉛のモル比は、それぞれ０．００２、０．０２０、０．１００、０．２００、０．４０および０．６０である。

【0042】

実施例４：酸化プラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛半導体材料
金属酸化物半導体材料群であって、この群の金属酸化物半導体材料では、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）に光安定剤として酸化プラセオジムをドーピングすることにより、酸化プラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛（Ｐｒ：ＩＧＺＯ）の半導体材料が形成される。

【0043】

酸化インジウムガリウム亜鉛において、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎのモル比はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３．１７０：２．５３６：１であり、酸化プラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛において、プラセオジムと酸化インジウムガリウム亜鉛のモル比は、それぞれ０．００２、０．０２０、０．１００、０．２００、０．４０および０．６０である。

【0044】

実施例５：酸化イッテルビウムドープ酸化インジウムガリウム薄膜
金属酸化物半導体薄膜群であって、この群の金属酸化物半導体薄膜は、実施例１の酸化イッテルビウムドープ酸化インジウムガリウム半導体材料をマグネトロンスパッタリングしてなったものである。

【0045】

この群の金属酸化物半導体薄膜では、酸化インジウムガリウム（ＩＧＯ、ｙ＝０）および酸化イッテルビウムをドーピングした酸化インジウムガリウム（Ｙｂ：ＩＧＯ、ｙ＝０．６０）の２つのセラミックターゲットを用いて、コスパッタリングの方法によって薄膜を作製する。２つのターゲットのスパッタリングパワーを調整することで、組成比の異なる薄膜を作製することができる。

【0046】

ここで、酸化インジウムガリウムターゲットの組成比はＩｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３＝５：４ （ｍｏｌ）であり、Ｉｎ（５）Ｇａ（４）と記され、酸化イッテルビウムをドーピングした酸化インジウムガリウムターゲットの組成比はＹｂ：Ｉｎ（５）Ｇａ（４）＝０．６０：１．００ （ｍｏｌ）であり、すなわち、上記２つのターゲットのスパッタリングパワーを調整することで、様々なイッテルビウム含有量の薄膜を得ることができ、本実施例におけるイッテルビウムと酸化インジウムガリウムのドーピングモル比ｙは、それぞれ０．００２、０．０２０、０．１００、０．２００、０．４０および０．６０に等しい。

【0047】

膜厚はいずれも４０ ｎｍであり、スパッタリング雰囲気中の酸素含有量は２０％であり、スパッタリング空気圧は０．５ Ｐａであり、薄膜は、パターニングの前に、空气雰囲気下で３５０℃の高温オーブンで３０分間アニールされた。薄膜の組成比は、X線光電子分光法と透過型電子顕微鏡などによる特性評価結果を組み合わせることにより標定され、ごく少量の薄膜はスパッタリングパワーによって推測され得る。

【0048】

実施例６：酸化イッテルビウムドープ酸化インジウム亜鉛薄膜
金属酸化物半導体薄膜群であって、この群の金属酸化物半導体薄膜は、実施例２の酸化イッテルビウムドープ酸化インジウム亜鉛半導体材料をマグネトロンスパッタリングしてなったものである。

【0049】

この群の酸化イッテルビウムドープ酸化インジウム亜鉛薄膜では、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ、ｙ＝０）および酸化イッテルビウムをドーピングした酸化インジウム亜鉛（Ｙｂ：ＩＺＯ、ｙ＝０．６０）の２つのセラミックターゲットを用いて、コスパッタリングの方法によって薄膜を作製する。２つのターゲットのスパッタリングパワーを調整することで、組成比の異なる薄膜を作製することができる。ここで、酸化インジウム亜鉛ターゲットの組成比はＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝２．５：１ （ｍｏｌ）であり、Ｉｎ（５）Ｚｎ（１）と記され、酸化イッテルビウムをドーピングした酸化インジウム亜鉛のターゲット比例はＹｂ：Ｉｎ（５）Ｚｎ（１）＝０．６０：１．００ （ｍｏｌ）であり、すなわち、上記２つのターゲットのスパッタリングパワーを調整することで、様々なイッテルビウム含有量の薄膜を得ることができ、本実施例におけるイッテルビウムと酸化インジウム亜鉛のドーピングモル比ｙは、それぞれ０．００２、０．０２０、０．１００、０．２００、０．４０および０．６０に等しい。

【0050】

なお、膜厚はいずれも２０ ｎｍであり、スパッタリング雰囲気中の酸素含有量は２０％であり、スパッタリング空気圧は０．５ Ｐａであり、薄膜は、パターニングの前に、空气雰囲気下で３５０℃の高温オーブンで３０分間アニールされた。薄膜の組成比は、X線光電子分光法と透過型電子顕微鏡などによる特性評価結果を組み合わせることにより標定され、ごく少量の薄膜はスパッタリングパワーによって推測され得る。

【0051】

実施例７：酸化プラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛薄膜
金属酸化物半導体薄膜群であって、この群の金属酸化物半導体薄膜は、実施例３の酸化プラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛半導体材料をマグネトロンスパッタリングしてなったものである。

【0052】

この群の酸化プラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛薄膜では、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ、ｙ＝０）と酸化プラセオジムをドーピングした酸化インジウムガリウム亜鉛（Ｐｒ：ＩＧＺＯ、ｙ＝０．６０）の２つのセラミックターゲットを用いて、コスパッタリングの方法によって、２つのターゲットのスパッタリングパワーを調整することで異なる組成比の薄膜を作製する。ここで、酸化インジウムガリウム亜鉛ターゲットの組成比はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３．１７０：１．５８５：１ （ｍｏｌ）であり、Ｉｎ（３．１７０）Ｇａ（１．５８５）Ｚｎ（１）と記され、酸化プラセオジムをドーピングした酸化インジウムガリウム亜鉛のターゲット比例は、Ｐｒ：Ｉｎ（３．１７０）Ｇａ（１．５８５）Ｚｎ（１）＝０．６０：１．００ （ｍｏｌ）であり、すなわち、上記２つのターゲットのスパッタリングパワーを調整することで、様々なプラセオジム含有量の薄膜を得ることができ、プラセオジムドーピング酸化インジウムガリウム亜鉛のモル比ｙは、それぞれ０．００２、０．０２０、０．１００、０．２００、０．４０および０．６０に等しい。

【0053】

この群の酸化プラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛薄膜の膜厚はいずれも３０ ｎｍであり、スパッタリング雰囲気中の酸素含有量は２０％であり、スパッタリング空気圧は０．５ Ｐａであり、基板温度は２００℃にされ、薄膜は、パターニングの前に、空气雰囲気下で３５０℃の高温オーブンで３０分間アニールされた。薄膜の組成比は、X線光電子分光法と透過型電子顕微鏡などによる特性評価結果を組み合わせることにより標定され、ごく少量の薄膜はスパッタリングパワーによって推測され得る。

【0054】

実施例８：酸化プラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛薄膜

【0055】

金属酸化物半導体薄膜群であって、この群の金属酸化物半導体薄膜は、実施例４の酸化プラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛半導体材料から、溶液法によって作製されたものである。

【0056】

この群の酸化プラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛薄膜は、溶液法によって作製され、具体的な方法は以下のとおりである。

【0057】

（１）まず、一定量の硝酸インジウム、硝酸亜鉛および硝酸ガリウム（三者の原子モル比はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３．１７０：２．５３６：１ ｍｏｌである）を比例的に秤量して、酸化インジウムガリウム亜鉛マトリックス溶液を調製し、Ｉｎ（３．１７０）Ｇａ（２．５３６）Ｚｎ（１）と記し、すなわち、ｙ＝０、その後、特定の実験ニーズに応じて一定量の硝酸プラセオジムをドーピングし、異なるプラセオジム含有量のプラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛混合溶液を調製し、本実施例では、プラセオジムとＩｎ（３．１７０）Ｇａ（２．５３６）Ｚｎ（１）のドーピングモル比ｙは、それぞれ０．００２、０．０２０、０．１００、０．２００、０．４０および０．６０に等しい。次に、各混合溶液にエタノールアミン、酢酸および溶媒のエチレングリコールモノメチルエーテルをそれぞれ加え、室温で１２ ｈ撹拌し、１２ ｈ静置して熟成させた後、ろ過して前駆体溶液（インジウム、ガリウム、亜鉛とプラセオジムの合計濃度が０．０８ ｍｏｌ／Ｌ、エタノールアミンの濃度が１．２ ｍｏｌ／Ｌ、酢酸の濃度が１．４ ｍｏｌ／Ｌの淡黄色透明溶液）を得て、
（２）活性層を作製する必要がある基板をＵＶで３０ｍｉｎ処理し、表面の密着性を高めた後、シートをスピンコーターに載せ、ステップ（１）で得られた前駆体溶液６０ μＬをピペットガンで吸い取ってシートに滴下塗布し、２０ ｓ静置し、スピンコーターを起動し、プリスピード５００ ｒｐｍで３ ｓ、ポストスピード３０００ ｒｐｍで４０ ｓ回転させ、前駆体溶液をシートに均一に塗布し、その後、１２０ ℃で１０ ｍｉｎのプリベークアニール、次に４５０ ℃で１２０ ｍｉｎのポストベークアニールを行い、プラセオジムをドーピングした酸化インジウムガリウム亜鉛薄膜（Ｐｒ：ＩＧＺＯと命名）を得て、薄膜の厚さがいずれも４０ ｎｍである。

【0058】

実施例９：薄膜トランジスタ
薄膜トランジスタ群であって、エッチストップ型構造を採用し、その構造模式図は図１に示すとおりであり、前記薄膜トランジスタ群は、基板０１と、基板０１の上に配置されたゲート０２と、基板０１およびゲート０２の上に配置されたゲート絶縁層０３と、ゲート絶縁層０３の上面を覆い、ゲート０２に対応する活性層０４と、エッチストップ層０５と、互いに間隔をあけて活性層０４の両端に電気的に接続されたソース０６－１およびドレイン０６－２と、パッシベーション層０７と、を備える。
ここで、活性層０４は、実施例５に記載の薄膜によって形成された活性層０４であり、
基板０１は、シリカのバッファ層で覆われたガラス基板であり、ゲート０２の材料は、マグネトロンスパッタリング方法により作製された５０／２００／５０ ｎｍの厚さのモリブデン－アルミニウム－モリブデン（Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ）金属積層構造であり、
ゲート絶縁層０３は、化学気相成長法により作製された窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）とシリカ（ＳｉＯ_２）の積層であり、厚さが２５０／５０ ｎｍであり、ここで、窒化ケイ素が下層でゲート０２と接触し、シリカが上層で活性層０４と接触する。

【0059】

エッチストップ層０５とパッシベーション層０７の材料は、化学気相成長法により作製されたシリカ（ＳｉＯ_２）薄膜であり、厚さはいずれも３００ ｎｍであり、成長温度は３００℃である。
ソース０６－１およびドレイン０６－２の材料は、５０／２００／５０ ｎｍの厚さの金属モリブデン－アルミニウム－モリブデン（Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ）積層構造である。

【0060】

実施例１０：薄膜トランジスタ
薄膜トランジスタ群であって、エッチストップ型構造を採用し、その構造模式図は図１に示すとおりであり、前記薄膜トランジスタ群は、基板０１と、基板０１の上に配置されたゲート０２と、基板０１およびゲート０２の上に配置されたゲート絶縁層０３と、ゲート絶縁層０３の上面を覆い、ゲート０２に対応する活性層０４と、エッチストップ層０５と、互いに間隔をあけて活性層０４の両端に電気的に接続されたソース０６－１およびドレイン０６－２と、パッシベーション層０７と、を備える。

【0061】

ここで、活性層０４は、実施例６に記載の薄膜によって形成された活性層０４であり、
基板０１は、シリカのバッファ層で覆われたガラス基板である。ゲート０２の材料は、マグネトロンスパッタリング方法により作製された５０／２００／５０ ｎｍの厚さのモリブデン－アルミニウム－モリブデン（Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ）金属積層構造である。

【0062】

ゲート絶縁層０３は、化学気相成長法により作製された窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）とシリカ（ＳｉＯ_２）の積層であり、厚さが２５０／５０ ｎｍであり、ここで、窒化ケイ素が下層でゲート０２と接触し、シリカが上層で活性層０４と接触する。

【0063】

エッチストップ層０５とパッシベーション層０７の材料は、化学気相成長法により作製されたシリカ（ＳｉＯ_２）薄膜であり、厚さはいずれも３００ ｎｍであり、成長温度は２３０℃である。

【0064】

ソース０６－１およびドレイン０６－２の材料は、５０／２００／５０ ｎｍの厚さの金属モリブデン－アルミニウム－モリブデン（Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ）積層構造である。

【0065】

実施例１１：薄膜トランジスタ
薄膜トランジスタ群であって、それはバックチャネルエッチ型構造であり、その構造模式図は図２に示すとおりであり、前記薄膜トランジスタ群は、基板０１と、基板０１の上に配置されたゲート０２と、基板０１およびゲート０２の上に配置されたゲート絶縁層０３と、ゲート絶縁層０３の上面を覆い、ゲート０２に対応する活性層０４と、互いに間隔をあけて活性層０４の両端に電気的に接続されたソース０６－１およびドレイン０６－２と、パッシベーション層０７と、を備える。

【0066】

基板０１は、シリカのバッファ層で覆われた硬質の無アルカリガラス基板である。

【0067】

ゲート０２の材料は、マグネトロンスパッタリング方法により作製された２５０／２０ ｎｍの厚さの金属銅／モリブデン（Ｃｕ／Ｍｏ）積層構造である。

【0068】

ゲート絶縁層０３は、化学気相成長法により作製された窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）とシリカ（ＳｉＯ_２）の積層であり、厚さが２５０／５０ ｎｍであり、ここで、窒化ケイ素が下層でゲート０２と接触し、シリカが上層で活性層０４と接触する。

【0069】

活性層０４は、実施例７で得られた薄膜であり、
ソース０６－１およびドレイン０６－２の材料は、２５０／２０ ｎｍの厚さの金属銅／モリブデン（Ｃｕ／Ｍｏ）積層構造であり、それは、活性層０４へのダメージが少なく、エッチング残渣が目立たない市販の過酸化水素系エッチング液を用いてパターニングされる。

【0070】

パッシベーション層０７の材料は、化学気相成長法により作製されたシリカ（ＳｉＯ_２）であり、厚さは３００ｎｍであり、成長温度は２５０℃である。

【0071】

実施例１２：薄膜トランジスタ
薄膜トランジスタ群であって、それは自己整合型構造であり、その構造模式図は図３に示すとおりであり、前記薄膜トランジスタ群は、基板０１と、バッファ層０８と、活性層０４と、活性層０４の上に配置されたゲート絶縁層０３およびゲート０２と、活性層０４およびゲート０２の上面に覆われたスペーサ層０９と、スペーサ層０９の上に配置され、活性層０４の両端に電気的に接続されたソース０６－１およびドレイン０６－２と、を備える。

【0072】

基板０１は硬質のガラス基板である。

【0073】

バッファ層０８は、プラズマ化学気相成長法により作製されたシリカである。

【0074】

活性層０４の材料は、実施例８の薄膜である。

【0075】

ゲート絶縁層０３は、３００ｎｍの厚さのシリカであり、ゲート０２は、マグネトロンスパッタリング方法により作製された２００／２０ ｎｍの厚さの銅／モリブデン（Ｃｕ／Ｍｏ）積層構造である。

【0076】

スペーサ層０９は、シリカ／窒化ケイ素の積層構造であり、厚さは２００／１００ ｎｍである。

【0077】

ソース０６－１およびドレイン０６－２の材料は、マグネトロンスパッタリング方法により作製された２００／２０ ｎｍの厚さの銅／モリブデン（Ｃｕ／Ｍｏ）積層構造である。

【0078】

実施例９－１２では、薄膜トランジスタの各機能層の材質と作製方法は以下のとおりである。

【0079】

本発明における基板は、特に限定されるものではなく、本分野で周知されている基板を使用することができる。例えば、硬質のアルカリガラス、無アルカリガラス、石英ガラス、シリコン基板などのほか、曲げ可能なポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）または金属フレークなどがある。

【0080】

本発明におけるゲート材料は、特に限定されるものではなく、本分野で周知されている材料から任意に選択することができる。例えば、透明導電性酸化物（ＩＴＯ、ＡＺＯ、ＧＺＯ、ＩＺＯ、ＩＴＺＯ、ＦＴＯなど）、グラフェン、金属（Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｉなど）およびそれらの合金、ならびに金属と酸化物（ＩＴＯ／Ａｇ／ＩＴＯ、ＩＺＯ／Ａｇ／ＩＺＯなど）、金属と金属（Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ等）を積層して形成された複合導電薄膜がある。

【0081】

ゲート薄膜は、スパッタリング法、電気めっき、熱蒸着などの堆積方法で作製することができるが、スパッタリング堆積方法で作製した薄膜や基板の密着性が良く、均一性に優れ、大面積で作製できることから、その方法が好ましい。

【0082】

ここで、ゲート電極の具体的な構造は、達成すべき技術的パラメータに応じて決定する必要があり、例えば、透明なディスプレイには透明な電極を使用する必要がある場合、ゲート電極として単層のＩＴＯを使用してよく、ＩＴＯ／Ａｇ／ＩＴＯを使用してもよい。また、特殊分野の応用では高温のプロセスが要求されているが、ゲート電極は、高温に耐えられる金属合金薄膜を選択することができる。

【0083】

本発明におけるゲート絶縁層材料は、特に限定されるものではなく、本分野で周知されている材料から任意に選択することができる。例えば、シリカ、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、および高分子有機膜層などがある。

【0084】

なお、これらのゲート絶縁層薄膜の成分は、理論的な化学量論比とは一致しなくてもよいことに注意する必要がある。また、ゲート絶縁層は、一方ではより良い絶縁特性を形成し、他方では活性層とゲート絶縁層の界面特性を改善するために、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。また、このゲート絶縁層は、物理気相成長法、化学気相成長法、原子層堆積法、レーザー堆積法、陽極酸化法や溶液法など、様々な方法で作製することができる。

【0085】

実施例９－１２の活性層の厚さの範囲は、５ ｎｍ－１００ ｎｍから選択できる。活性層を形成する金属酸化物半導体薄膜のキャリア濃度は、５×１０^１９ ｃｍ^－３未満である。

【0086】

活性層薄膜のパターニングプロセスは、フォトリソグラフィープロセスとウェットエッチングを組み合わせて行われる。ウェットエッチングに使用されるエッチング液には、リン酸、硝酸と氷酢酸の混合液、市販のシュウ酸系エッチャント、希塩酸系エッチャント、およびフッ化水素酸などのエッチング液がある。

【0087】

ソース・ドレイン電極薄膜のパターニング工程は、フォトリソグラフィープロセスとウェットまたはドライエッチングを組み合わせて行われる。ウェットエッチングに使用されるエッチング液には、リン酸、硝酸と氷酢酸の混合液、または過酸化水素による混合液などがある。ドライエッチングの例としては、プラズマエッチングプロセスを選択することができ、エッチングガスには塩素系ガスまたはフッ素系ガスが含まれる。

【0088】

金属酸化物半導体材料は、真空マグネトロンスパッタリングプロセスにおいて、シングルターゲットスパッタリングまたはマルチターゲットコスパッタリングを選択することができ、好ましくはシングルターゲットスパッタリングを選択する。

【0089】

その理由として、コスパッタリング薄膜では、スパッタリング粒子が再結合の過程でより多くの要因に妨害されるのに対して、シングルターゲットスパッタリングでは、再現性の高い安定した薄膜が得られ、薄膜の微細構造をより容易に制御する。

【0090】

真空スパッタリング堆積時の電源として、高周波電流（ＲＦ）、直流電流（ＤＣ）または交流電流（ＡＣ）から選択でき、産業界で一般的に使用されている交流電流が好ましい。

【0091】

スパッタリング堆積時のスパッタリング空気圧は、０．１ Ｐａ－１０ Ｐａから選択でき、好ましくは０．２ Ｐａ－０．７Ｐａである。

【0092】

スパッタリング空気圧が低すぎると、安定したグロースパッタリングを維持することができず、スパッタリング空気圧が高すぎると、スパッタリング粒子が基板に堆積する際の散乱が著しく増加し、エネルギー損失が増加し、基板に到達する際の運動エネルギーが減少し、形成される薄膜の欠陥が増加するため、デバイスの性能に重大な影響を与える。

【0093】

スパッタリング堆積時の酸素分圧は０－１ Ｐａから選択でき、好ましくは０．００１－０．５ Ｐａ、より好ましくは０．０１－０．１ Ｐａである。酸素体積比は、好ましくは０．１－０．５、より好ましくは０．２－０．３である。

【0094】

一般に、スパッタリングで酸化物半導体を作製する場合、酸素分圧は薄膜のキャリア濃度に直接な影響があり、また、酸素空孔に伴ういくつかの欠陥も発生する。酸素含有量が低すぎると、薄膜内の酸素不整合がひどくなり、キャリア濃度が増加する可能性があり、一方で、酸素空孔が高すぎると、より多くの弱結合を引き起こし、デバイスの信頼性を低下させる。

【0095】

スパッタリング堆積時の基板温度は、好ましくは室温－３００℃、より好ましくは２００－３００℃である。

【0096】

活性層薄膜の堆積時に、特定の基板温度にすることで、スパッタリング粒子が基板に到達した後の結合方法を効果的に改善し、弱結合が存在する可能性を減らし、デバイスの安定性を高めることができる。もちろん、その後のアニール処理などのプロセスによっても同様の効果が得られる。

【0097】

活性層の厚さは２－１００ ｎｍから選択でき、好ましくは５－５０ ｎｍ、より好ましくは２０－４０ ｎｍである。

【0098】

本発明におけるソース・ドレイン電極材料は、特に限定されるものではなく、所望の構造を持つデバイスの実現に影響を与えることなく、本分野で周知されている材料から任意に選択することができる。例えば、透明導電性酸化物（ＩＴＯ、ＡＺＯ、ＧＺＯ、ＩＺＯ、ＩＴＺＯ、ＦＴＯなど）、グラフェン、金属（Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｉなど）およびそれらの合金、ならびに金属と酸化物（ＩＴＯ／Ａｇ／ＩＴＯ、ＩＺＯ／Ａｇ／ＩＺＯなど）、金属と金属（Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ等）を積層して形成された複合導電薄膜がある。

【0099】

ソース・ドレイン電極薄膜は、スパッタリング法、熱蒸着などの堆積方法で作製することができるが、スパッタリング堆積方法で作製した薄膜や基板の密着性が良く、均一性に優れ、大面積で作製できることから、その方法が好ましい。

【0100】

ここで、特別に説明しておきたいものとして、バックチャネルエッチ型構造のデバイスの作製において、ソース・ドレイン電極と活性層のエッチング選択比を適切にする必要があり、そうでなければデバイスの作製は実現できない。

【0101】

本発明の実施例におけるウェットエッチングに使用されるエッチング液は、産業界における一般的な金属によるエッチング液（過酸化水素系のエッチング液など）であってよく、その主な理由として、本発明の金属酸化物半導体材料は、ウェット過酸化水素系のエッチング液のエッチングに効果的に耐えることができ、且つ金属（モリブデン、モリブデン合金、モリブデン／銅、モリブデン／チタンなど）とのエッチング選択比が高く、この金属酸化物半導体層は、エッチング液の影響をほとんど受けず、従って、作製したデバイスは優れた性能と良好な安定性を有する。

【0102】

また、本発明の実施例におけるドライエッチングは、産業界における一般的なエッチングガス（塩素系ガス、フッ素系ガスなど）に基づいており、本発明の酸化物半導体層への影響が非常に少なく、作製したデバイスは優れた性能と良好な安定性を有する。本発明におけるパッシベーション層材料は、特に限定されるものではなく、本分野で周知されている材料から任意に選択することができる。例えば、シリカ、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、および高分子有機膜層などがある。

【0103】

なお、これらの絶縁薄膜の成分は、理論的な化学量論比とは一致しなくてもよいことに注意する必要がある。また、ゲート絶縁層は、一方ではより良い絶縁特性を形成し、他方では活性層とパッシベーション層の界面特性を改善するために、複数の絶縁膜を積層したものであってよい。また、このパッシベーション層は、物理気相成長法、化学気相成長法、原子層堆積、レーザー堆積または溶液法など、様々な方法で作製することができる。

【0104】

以下、本発明で実施する薄膜トランジスタの作製における処理プロセスをさらに説明する。

【0105】

相対的に言えば、スパッタリングで作製した薄膜は、高エネルギーのプラズマが関与するため、一般的に薄膜の堆積速度が速く、且つ、薄膜の堆積中の緩和プロセスを行う時間が十分でないため、一定の割合でのズレや薄膜での応力残留が引き起こされる。このため、所望の相対的な定常状態と改善された薄膜の性能の達成を継続しながら、後に加熱アニール処理を行う必要がある。

【0106】

本発明の実施形態では、アニール処理は、活性層の堆積後、およびパッシベーション層の堆積後に設定されることがほとんどである。一方では、活性層を堆積した後にアニール処理を行うと、活性層中のｉｎ－ｓｉｔｕ欠陥を効果的に改善し、その後のプロセスで発生可能なダメージに対する活性層の耐性を高めることができる。他方では、その後のパッシベーション層の堆積では、プラズマの関与と反応性基の改質作用により、界面状態や一部のドナードーピングなどの影響をさらに排除するために、「活性化」の過程を必要とする可能性がある。

【0107】

また、本発明の実施形態では、処理は、単なる加熱処理ではなく、プラズマ処理界面（ゲート絶縁層／半導体界面、活性層／パッシベーション層界面など）を含んでもよい。

【0108】

上記の処理プロセスにより、デバイスの性能を効果的に改善し、デバイスの安定性を高めることができる。

【0109】

実施例９および１０の薄膜トランジスタについては、基板、ゲート、ゲート絶縁層、活性層、エッチストップ層、ソースとドレイン、パッシベーション層のみを含む閉じた構造であってよいし、さらに平坦層、反射電極、画素定義層などを含んでもよく、さらに、他のデバイスなどと一体化してもよい。

【0110】

実施例１１の薄膜トランジスタについては、基板、ゲート、ゲート絶縁層、活性層、ソースとドレイン、パッシベーション層のみを含む閉じた構造であってよいし、さらに平坦層、反射電極、画素定義層などを含んでもよく、さらに、他のデバイスなどと一体化してもよい。

【0111】

実施例１２の薄膜トランジスタについては、基板、活性層、ゲート絶縁層、ゲート、スペーサ層、ソースとドレインのみを含む閉じた構造であってよいし、さらにパッシベーション層、および画素定義層などを含んでもよく、さらに、他のデバイスなどと一体化してもよい。

【0112】

実施例９－１２で得られた薄膜トランジスタは、表示パネルに適用することができ、この場合、この薄膜トランジスタは、表示パネル内の表示ユニットを駆動するために用いられる。または、検出器に応用することもでき、この場合、この薄膜トランジスタは、検出器の検出ユニットを駆動するために用いられる。
性能検出と効果テスト

【0113】

１、光応答特性の評価
市販の白色ＬＥＤ光源を用いて、５０００ｎｉｔｓの光強度で実施例９－１２の薄膜トランジスタデバイスの活性層０４に照射し、光照射時と無光照射時のデバイスの転送特性を評価し、デバイスのオン電圧の変化を抽出してその強度を評価し、ここで、デバイスのオン電圧は、ソース・ドレイン電極の両端に１０^－９Ａの電流が流れるときに対応するゲート電圧と定義される。光応答特性は、光照射時と無光照射時のデバイスのオン電圧の変化範囲△Ｖ_ｏｎで表され、値が大きいほどその光生成電流特性が強く、逆に、値が小さいほど光生成電流特性が弱いことを示している。

【0114】

２、負ゲートバイアス光照射ストレスの評価
市販の白色ＬＥＤ光源を用いて、５０００ｎｉｔｓの光強度で実施例９－１２の薄膜トランジスタデバイスの活性層０４に照射するとともに、デバイスのゲートに－３０Ｖの電圧を印加し、ソース・ドレイン電極の両端に０Ｖのバイアスを印加し、一定の時間後のテストデバイスの転送特性曲線を調べることで、デバイスの光照射時の負バイアス安定特性を得ることができる。デバイス特性の変化範囲が大きいほど、その安定性が悪く、逆に、小さいほど安定性が優れる。

【0115】

３、フォトルミネッセンス分光法と寿命試験
原理的には、光は試料に照射されると、試料に吸収されて光励起現象が発生する。光励起により、電子は高い励起状態にジャンプし、その後、緩和プロセスを経てエネルギーを放出し、低いエネルギーレベルに戻る。このプロセスにおける光の放射または発光をフォトルミネッセンス、すなわちＰＬという。市販のＰＬテストシステムを用いて、本発明のドーピングされていない、およびドーピングされた薄膜試料に対してＰＬ特性を評価し、照射後の薄膜における光生成キャリアの輸送を調べる。また、その寿命をテストして特性を明らかにすることで、その複合メカニズムをさらに評価する。

【0116】

実施例９の薄膜トランジスタ群のデバイス１－７の具体的なパラメータとデバイス性能を下表に示し、また、ｙ＝０．１のときのデバイスの光生成電流特性と負ゲートバイアス光照射ストレスを図４（ａ）および４（ｂ）に示す。

【0117】

実施例１０の薄膜トランジスタ群のデバイス１－７の具体的なパラメータとデバイス性能を下表に示し、また、ｙ＝０．１のときのデバイスの光生成電流特性と負ゲートバイアス光照射ストレスを図５（ａ）および５（ｂ）に示す。

【0118】

実施例１１の薄膜トランジスタ群のデバイス１－７の具体的なパラメータとデバイス性能を下表に示し、また、ｙ＝０．１のときのデバイスの光生成電流特性と負ゲートバイアス光照射ストレスを図６（ａ）および６（ｂ）に示す。

【0119】

実施例１２の薄膜トランジスタ群のデバイス１－７の具体的なパラメータとデバイス性能を下表に示し、また、ｙ＝０．１のときのデバイスの光生成電流特性と負ゲートバイアス光照射ストレスを図７（ａ）および７（ｂ）に示す。

【0120】

表１－４からわかるように、希土類酸化物のドーピングは、デバイスの性能に非常に顕著な影響を与え、希土類酸化物がドーピングされていないデバイス（ｙ＝０に対応）は、比較的高い移動度、小さなサブスレッショルドスイングおよび負の閾値電圧を持っているが、その光生成電流特性は非常に強く、すなわち、光照射条件下でデバイスの特性が非常に大きく変化し、閾値電圧のマイナスシフトやサブスレッショルドスイングの激しい劣化が見られる。しかし、酸化イッテルビウムまたは酸化プラセオジムを一定量ドーピングすると、デバイスの光生成電流特性が大きく抑制される。もちろん、プラセオジムまたはイッテルビウムの含有量の増加に伴い、デバイスの移動度などの特性もさらに低下し、光応答特性△Ｖ_ｏｎは低下し、光生成電流特性はさらに向上する。プラセオジムまたはイッテルビウムを過剰にドーピングすると、デバイスの移動度は著しく低下し、デバイスの光生成電流特性が極めて弱くなるが、その応用分野が大きく制限される。したがって、実際の応用では、適当なドーピング量を選択するために、両者の関係にバランスを取る必要がある。表１－４からわかるように、希土類酸化物ドープ金属酸化物半導体のモル比、すなわち、ｙ値は、閾値電圧、サブスレッショルドスイング、安定性と正の相関があり、移動度、電流スイッチング比、光生成電流特性と負の相関がある。

【0121】

図４－７からわかるように、希土類酸化プラセオジムまたは酸化イッテルビウムを一定量ドーピングすると、デバイスの光生成電流特性および負ゲートバイアス光照射ストレスが非常に優れており、その実用化の可能性が大きく高まっている。

【0122】

図８は、本発明の実施例７におけるプラセオジムアンドープ（ｙ＝０）およびドープ（ｙ＝０．１）酸化インジウムガリウム亜鉛薄膜に対してＰＬスペクトルと寿命試験を行った特性評価結果を示す。図８（ａ）からわかるように、アンドープ試料の発光スペクトルの強度は弱く、プラセオジムをドーピングした後は全体の強度がさらに低下する。図８（ｂ）からわかるように、その寿命試験の結果から、キャリアの寿命はいずれも数ナノ秒であり、大きく変化していないことが示される。以上のことから、薄膜におけるキャリアの緩和プロセスは、非放射遷移の再結合過程であること、すなわち、薄膜には光生成キャリアの高速再結合中心が存在することが推測される。

【0123】

総合性能から考えると、表１からわかるように、酸化イッテルビウムドープ酸化インジウムガリウム半導体薄膜によって形成された活性層では、ｙが０．０２－０．４０のときにデバイスの総合性能が好ましく、ｙが０．０２－０．２０のときにデバイスの総合性能がより好ましく、ｙが０．１－０．２０のときにデバイスの総合性能が最も好ましく、表２からわかるように、酸化イッテルビウムドープ酸化インジウム亜鉛半導体薄膜によって形成された活性層では、ｙが０．０２－０．４０のときにデバイスの総合性能が好ましく、ｙが０．０２－０．２０のときにデバイスの総合性能がより好ましく、ｙが０．１０－０．２０のときにデバイスの総合性能が最も好ましく、表３からわかるように、酸化プラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛半導体薄膜によって形成された活性層では、ｙが０．０２－０．４０のときにデバイスの総合性能が好ましく、ｙが０．０２－０．２０のときにデバイスの総合性能がより好ましく、ｙが０．１０－０．２０のときにデバイスの総合性能が最も好ましく、表４からわかるように、酸化プラセオジムドープ酸化インジウムガリウム亜鉛半導体薄膜によって形成された活性層では、ｙが０．０２－０．４０のときにデバイスの総合性能が好ましく、ｙが０．０２－０．２０のときにデバイスの総合性能がより好ましく、ｙが０．１０－０．２０のときにデバイスの総合性能が最も好ましい。

【0124】

要約すると、本発明では、金属半導体材料に希土類酸化物がドーピングされるモル比は、好ましくは０．０２－０．４０、より好ましくは０．０２－０．２０、最も好ましくは０．１０－０．２０である。最も好ましい状態では、デバイスの閾値電圧が４Ｖ未満であり、サブスレッショルドスイングが０．４０Ｖ／ｄｅｃａｄｅ未満であり、電流スイッチング比が１０^８ー１０^９オーダーの間にあり、光生成電流特性が弱く、安定性に優れる。

【0125】

上記の実施形態は、本発明の好ましい実施形態に過ぎず、本発明の保護範囲を制限するためのものではなく、当業者が本発明に基づいて行う実質的でない変更や置換は、本発明が特許請求している保護範囲内にある。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】