CN101911303A

CN101911303A - 氧化物半导体场效应晶体管及其制造方法

Info

Publication number: CN101911303A
Application number: CN200880122558XA
Authority: CN
Inventors: 矢野公规; 川岛浩和; 井上一吉; 笘井重和; 笠见雅司
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: JP5372776B2; US8461583B2; KR101516034B1; US8723175B2; WO2009081885A1; TW200943552A; JP5759523B2; TWI460862B; JP2013080929A; US20130140175A1; CN101911303B; US8791457B2; JPWO2009081885A1; JP2014030040A; US20130313548A1; US20100276688A1; KR20100094535A

Abstract

本发明提供一种场效应晶体管，其具有半导体层，所述半导体层包含以下述(1)～(3)式的原子比包含In元素及Zn元素、和选自Zr、Hf、Ge、Si、Ti、Mn、W、Mo、V、Cu、Ni、Co、Fe、Cr、Nb、Al、B、Sc、Y及镧系元素类中的一种以上元素X的复合氧化物。In/(In+Zn)＝0.2～0.8 (1)；In/(In+X)＝0.29～0.99 (2)；Zn/(X+Zn)＝0.29～0.99 (3)。

Description

氧化物半导体场效应晶体管及其制造方法

技术领域

本发明涉及将氧化物半导体膜用于沟道层的场效应晶体管及其制造方法。

背景技术

薄膜晶体管(TFT)等场效应晶体管作为半导体存储集成电路的单位电子元件、高频信号放大元件、液晶驱动用元件等被广泛应用，现在，是最多且实用的电子器件。

其中，近年来伴随显示装置以惊人的速度发展，在液晶显示装置(LCD)、场致发光显示装置(EL)、场致发射显示装置(FED)等各种显示装置中，作为在显示元件上施加驱动电压而驱动显示装置的开关元件，大多使用TFT。

作为场效应晶体管的主要部件即半导体层(沟道层)的材料，硅半导体化合物被最广泛应用。一般而言，在高速动作所必要的高频放大元件及集成电路用元件等中，使用硅单晶。另一方面，在液晶驱动用元件等中，从大面积化的要求考虑，使用非晶性硅半导体(非晶硅)。

例如，作为TFT，有在玻璃等基板上层叠栅电极、栅极绝缘层、氢化非晶硅(a-Si：H)等半导体层、源极及漏电极的逆交错结构。该TFT以图象传感器为主，在大面积器件的领域，作为以有源矩阵型的液晶显示装置为代表的平板显示装置等驱动元件被应用。在这些用途中，即使应用了现有的非晶硅元件也要求伴随高功能化的动作的高速化。

目前，作为驱动显示装置的开关元件，应用了硅系半导体膜的元件占据主流，但是，这是因为，除了硅薄膜的稳定性、加工性良好之外，开关速度快等各种性能良好。而且，这种硅系薄膜一般利用化学气相沉积法(CVD)制造。

但是，结晶性的硅系薄膜实现结晶化时，例如，需要800℃以上的高温，向玻璃基板上或有机物基板上的构成困难。因此，只能在硅片或石英等耐热性高的高价的基板上形成，另外，存在在制造时需要大的能量和工序数等问题。

另外，结晶性硅系薄膜通常TFT元件构成限定于顶栅极构成，因此，掩模张数减少等成本降低困难。

另一方面，非晶硅薄膜尽管在比较低温下能够形成，但是，与结晶性薄膜相比，开关速度迟缓，因此，作为驱动显示装置的开关元件使用时，有时不能跟踪高速的动画显示。

另外，向半导体活性层照射可视光时，存在显示导电性，有发生漏电流的错误动作等、作为开关元件的特性劣化之类的问题。因此，公知的有设置遮断可视光的遮光层的方法。例如，作为遮光层使用金属薄膜。

但是，设置由金属薄膜构成的遮光层时，不仅工序增多，而且具有浮动电位，因此，存在需要将遮光层设定为基态、在该情况下也发生寄生容量之类的问题。

具体而言，在析像度为VGA的液晶电视中，可使用迁移率为0.5～1cm²/Vs的非晶硅，但是，在析像度为SXGA、UXGA、QXGA或其以上时，要求2cm²/Vs以上的迁移率。另外，为提高画质而提高驱动频率时，需要更高的迁移率。

另外，在有机EL显示装置中为电流驱动，因此，使用因DC应力导致的特性变化的非晶硅时，存在长时间使用导致的画质低下的问题。

除此之外，在这些用途中使用结晶硅时，不能与大面积相对应，需要高温的热处理，因此存在制造成本增高的问题。

这种状況下，近年来，作为稳定性比硅系半导体薄膜更优异的使用了氧化物的氧化物半导体薄膜引起了人们的注意。

例如，在专利文献1中记载有使用氧化锌作为半导体层的TFT。

但是，在该半导体层中，场效应迁移率低达1cm²/V·sec左右，on-off比也小。而且，容易发生漏电流，因此在工业上难以实用化。另外，对于含有使用了氧化锌的结晶质的氧化物半导体，进行了大量的研究，但是，在用工业上一般进行的溅射法成膜的情况下，存在如下的问题。

即，容易迁移率低、on-off比低、漏电流大、夹断不明显、成为常接通等、TFT的性能可能降低。另外，耐化学药品性劣化，因此，存在难以使用湿式蚀刻等制造程序或使用环境受到制限的问题。另外，为提高性能，需要以高的压力进行成膜，存在成膜速度迟缓，或需要700℃以上的高温处理等工业化的问题。另外，底栅极构成的电解迁移率等TFT性能低，要提高性能，也有在顶栅极构成中需要将膜厚设定为50nm以上等TFT元件构成上的限制。

为解決这种问题，研究了制作由氧化铟、氧化锌构成的非晶质的氧化物半导体膜，驱动薄膜晶体管的方法(专利文献2)。但是，该晶体管性能不充分。另外，在使用了该氧化物半导体膜的薄膜晶体管中，将S值压缩为小的值，或减小应力导致的阈值偏移，因此，需要进行相应的热处理(例如，以300℃以上高温进行1小时以上热处理等)(非专利文献1)。因此，除了迁移率低、S值大之类的问题之外，在作为液晶显示装置或有机EL显示装置等的TFT使用的情况下，需要使用耐热性高的基板。因此，难以实现用廉价的玻璃基板时的成本降低、基板的树脂化带来的柔韧显示装置的工业化。

另外，研究了制作由氧化铟、氧化锌、氧化镓构成的非晶质的氧化物半导体膜、驱动薄膜晶体管的方法(专利文献3、4)。但是，难以降低靶材的电阻或提高靶材的密度，靶材容易破损、或难以使用DC溅射法。另外，具体研究大量含有镓的情况，对含有铝的情况的研究没有进行。在目前大量含有镓的半导体层中，存在S值大、耐热性低、应力导致的阈值偏移大的问题。

另一方面，作为透明导电膜，研究了含有铟及锌、铝等元素的复合氧化物(参照专利文献5、非专利文献2)。但是，载流子密度高，作为晶体管不能利用。

专利文献1：特开2003-86808号公报

专利文献2：US2005/0199959

专利文献3：特开2007-73701号公报

专利文献4：特开2007-73312号公报

专利文献5：特开2000-44236号公报

非专利文献1：Kim，Chang Jung et al.Highly Stable Ga2O3-In2O3-ZnO TFT for Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode DisplayApplication，Electron Devices Meeting，2006.IEDM’06.Internationa1(ISBN：1-4244-0439-8)

非专利文献2：K.Tomonaga etal.，J.Vac.Sci.Technol.A23(3)，2005，401

发明内容

本发明是鉴于所述事情而开发的，其目的在于提供一种迁移率高、S值低的场效应晶体管。

另外，其目的还在于提供一种即使在低温下或经短时间的热处理后也得到高特性的场效应晶体管的制造方法。

根据本发明，提供以下的场效应晶体管等。

一种场效应晶体管，其具有半导体层，所述半导体层包含：以下述(1)～(3)的原子比含有In元素及Zn元素、和选自Zr、Hf、Ge、Si、Ti、Mn、W、Mo、V、Cu、Ni、Co、Fe、Cr、Nb、Al、B、Sc、Y及镧系元素类(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)中的一种以上元素X的复合氧化物，

In/(In+Zn)＝0.2～0.8(1)

In/(In+X)＝0.29～0.99(2)

Zn/(X+Zn)＝0.29～0.99(3)。

本发明根据元素X的种类分为以下两种实施方式。

本发明的第一实施方式

1、一种场效应晶体管，其具有半导体层，所述半导体层包含：以下述(1)～(3)式的原子比包含In(铟)元素及Zn(锌)元素、和选自Zr、Hf、Ge、Si、Ti、Mn、W、Mo、V、Cu、Ni、Co、Fe、Cr及Nb中的一种以上元素X的复合氧化物。

In/(In+Zn)＝0.2～0.8(1)

In/(In+X)＝0.29～0.99(2)

Zn/(X+Zn)＝0.29～0.99(3)

2、如1所述的场效应晶体管，其中，所述元素X为Zr。

3、如1或2所述的场效应晶体管，其中，所述半导体层为非晶质膜，其电子载流子浓度为10¹³～10¹⁸/cm³，带隙为2.0～6.0eV。

4、如1～3中任一项所述的场效应晶体管，其中，所述半导体层为非简并半导体。

5、一种半导体层用靶材，其包含：以下述(1)～(3)式的原子比包含In(铟)元素及Zn(锌)元素、和选自Zr、Hf、Ge、Si、Ti、Mn、W、Mo、V、Cu、Ni、Co、Fe、Cr及Nb中的一种以上元素X的复合氧化物。

In/(In+Zn)＝0.2～0.8(1)

In/(In+X)＝0.29～0.99(2)

Zn/(X+Zn)＝0.29～0.99(3)

6、一种场效应晶体管的制造方法，其包含：使用5所述的靶材，通过DC或AC溅射来使半导体层成膜的工序；以及，以70～350℃的温度对所述半导体层进行热处理的工序。

本发明的第二实施方式

1、一种场效应晶体管，其具有半导体层，所述半导体层包含：以下述(1)～(3)式的原子比包含In(铟)元素及Zn(锌)元素、和选自Al(铝)、B(硼)、Sc(钪)、Y(钇)及镧系元素类(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)中的一种以上元素X的复合氧化物。

In/(In+Zn)＝0.2～0.8(1)

In/(In+X)＝0.29～0.99(2)

Zn/(X+Zn)＝0.29～0.99(3)

2、如1所述的场效应晶体管，其特征为，包含复合氧化物的半导体层以下述(2)’的原子比包含元素X。

In/(In+X)＝0.59～0.99(2)’

3、如1或2所述的场效应晶体管，其中，所述元素X为Al或B。

4、如1或2所述的场效应晶体管，其中，所述元素X为Sc或Y。

5、如1或2所述的场效应晶体管，其中，所述元素X为镧系元素类(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)。

6、如1～5中任一项所述的场效应晶体管，其中，所述半导体层为非晶质膜，其电子载流子浓度为10¹³～10¹⁸/cm³，带隙为2.0～6.0eV。

7、如1～6中任一项所述的场效应晶体管，其中，所述半导体层为非简并半导体。

8、一种半导体层用靶材，其包含：以下述(1)～(3)式的原子比包含In(铟)元素及Zn(锌)元素、和选自Al(铝)、B(硼)、Sc(钪)、Y(钇)及镧系元素类(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)中的一种以上元素X的复合氧化物。

In/(In+Zn)＝0.2～0.8(1)

In/(In+X)＝0.29～0.99(2)

Zn/(X+Zn)＝0.29～0.99(3)

9、如8所述的半导体层用靶材，其中，还包含100～10000原子ppm的选自Sn(锡)、Ge(锗)、Si(硅)、Ti(钛)、Zr(锆)及Hf(铪)中的一种以上元素。

10、一种场效应晶体管的制造方法，其包含：使用8或9所述的靶材，通过DC或AC溅射来使半导体层成膜的工序；以70～350℃的温度对所述半导体层进行热处理的工序。

根据本发明，可获得迁移率高、S值低的场效应晶体管。另外，用低温或短时间的热处理能够制造场效应晶体管。

附图说明

图1是本发明一实施方式的场效应晶体管的概略剖面图；

图2是场效应晶体管1的概略俯视图；

图3是本发明另一实施方式的场效应晶体管的概略剖面图；

图4是本发明另一实施方式的场效应晶体管的概略剖面图；

图5是本发明另一实施方式的场效应晶体管的概略剖面图；

图6是表示半导体层的热处理温度和迁移率的关系的图表；

图7是表示半导体层的热处理温度和迁移率的关系的图表。

具体实施方式

[本发明的第一实施方式]

本发明的场效应晶体管具有半导体层，所述半导体层包含：以下述(1)～(3)式的原子比含有In(铟)元素及Zn(锌)元素、和选自Zr、Hf、Ge、Si、Ti、Mn、W、Mo、V、Cu、Ni、Co、Fe、Cr及Nb中的一种以上元素X的复合氧化物。

In/(In+Zn)＝0.2～0.8(1)

In/(In+X)＝0.29～0.99(2)

Zn/(X+Zn)＝0.29～0.99(3)

通过由上述复合氧化物形成半导体层，可获得迁移率高、S值低的场效应晶体管。另外，即使在低温下或经短时间的热处理(热处理)后，也可获得高特性的场效应晶体管。

在上述(1)中，若In的比率比0.2小，则有可能迁移率降低，或S值变大，或耐湿性降低，或对酸·碱等的耐化学药品性降低。另一方面，若比0.8大，则可能阻断电流或栅漏电流变大，或S值变大，或耐等离子体性降低，或阈值成为负而成为常接通。

In/(In+Zn)优选0.3～0.75，更优选0.35～0.7。

在上述(2)中，In的比率比0.29小时，可能迁移率降低，或S值变大，或阈值电压增高。另一方面，比0.99大时，可能阻断电流或栅漏电流变大，或阈值成为负而成为常接通，或光电流变大，或耐等离子体性降低，或阈值电压的移位变大。

In/(In+X)优选0.45～0.98，更优选0.65～0.98，特别优选0.7～0.97。

上述(3)中，Zn的比率比0.29小时，可能迁移率降低，或S值变大，或为稳定化而需要高温或长时间的热处理，或湿式蚀刻速率延迟。另一方面，比0.99大时，有可能迁移率降低，或S值变大，或热稳定性或耐热性降低，或耐湿性降低，或对酸·碱等的耐化学药品性降低，或阈值电压的移位变大。

Zn/(X+Zn)优选0.45～0.98，更优选0.6～0.98，特别优选0.7～0.97。

在本发明中，半导体层还优选满足下述(4)的比率(原子比)。

X/(In+Zn+X)＝0.01～0.2(4)

X的比率比0.2大时，可能S值变大，或迁移率降低，或阈值电压变大。另一方面，比0.01小时，可能热稳定性或耐热性降低，或耐湿性降低，或对酸·碱等的耐化学药品性降低，或阈值电压的移位变大。

X/(In+Zn+X)更优选0.02～0.15，特别优选0.03～0.1。

另外，根据用途，半导体层特别优选满足下述(5)或(6)的比率(原子比)。

In/(In+Zn+X)＝0.3～0.5(5)

In/(In+Zn+X)＝0.5～0.7(不包括0.5)(6)

对于上述(5)的比率，容易降低阻断电流，能够提高开关比。另外，成膜条件或后处理条件的范围也变大。为上述(6)的比率时可以提高迁移率，减小阈值电压。

在本发明中，热稳定性、耐热性、耐化学药品性提高，可降低S值或阻断电流，因此，元素X优选Zr或Hf，特别优选Zr。

另外，在要降低光电流的情况下，元素X优选Zr、Hf、Ge、Si、Ti。另外，提高等离子体耐性且在后工序中难以改变特性的情况下，元素X优选Cu、Ni、Co、Fe、Cr、Mn、W、Mo、V及Nb。

[本发明的第二实施方式]

本发明的场效应晶体管具有半导体层，所述半导体层包含：以下述(1)～(3)式的原子比含有In(铟)元素及Zn(锌)元素、和选自下述的A组中的一种以上元素X的复合氧化物。

A组：Al(铝)、B(硼)、Sc(钪)、Y(钇)及镧系元素类(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)

In/(In+Zn)＝0.2～0.8(1)

In/(In+X)＝0.29～0.99(2)

Zn/(X+Zn)＝0.29～0.99(3)

通过由上述复合氧化物形成半导体层，可获得迁移率高、S值低的场效应晶体管。另外，即使在低温下或经短时间的热处理(热处理)后，也可成为获得高的特性的场效应晶体管。

在上述(1)中，In的比率比0.2小时，有可能迁移率降低，或S值变大，或耐湿性降低，或对酸·碱等的耐化学药品性降低。另一方面，比0.8大时，可能阻断电流或栅漏电流变大，或S值变大，或耐等离子体性降低，或阈值成为负而成为常接通。

In/(In+Zn)优选0.3～0.75，更优选0.35～0.7。

In/(In+X)通常为0.29～0.99，优选0.59～0.98，更优选0.6～0.97，进一步优选0.65～0.96，特别优选0.7～0.95。

上述(3)中，Zn的比率比0.29小时，可能迁移率降低，或S值变大，或为了稳定化而需要高温或长时间的热处理，或湿式蚀刻速率延迟。另一方面，比0.99大时，有可能迁移率降低，或S值变大，或热稳定性或耐热性降低，或耐湿性降低，或对酸·碱等的耐化学药品性降低，或阈值电压的移位变大。

Zn/(X+Zn)优选0.45～0.98，更优选0.6～0.98，进而优选0.7～0.97，特别优选0.75～0.90。

在本发明中，半导体层还优选满足下述(4)的比率(原子比)。

X/(In+Zn+X)＝0.02～0.3(4)

X的比率比0.3大时，可能S值变大，或迁移率降低，或阈值电压变大。另一方面，比0.02小时，可能热稳定性或耐热性降低，或耐湿性降低，或对酸·碱等的耐化学药品性降低，或阻断电流变大，或阈值电压的移位变大。

X/(In+Zn+X)更优选0.04～0.25，进一步优选0.055～0.2，特别优选0.06～0.15。

另外，半导体层满足下述(5)或(6)的比率(原子比)，但是，特别优选根据用途分别使用。

In/(In+Zn+X)＝0.3～0.5(5)

In/(In+Zn+X)＝0.5～0.7(不包括0.5)(6)

在上述(5)的比率中，容易降低阻断电流，能够提高开关比。另外，成膜条件或后处理条件的范围也变大。若为上述(6)的比率，则能够提高迁移率，减小阈值电压。

在本发明中元素X优选Al或B。另外，还优选Sc或Y的情况。进一步也优选镧系元素类(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)的情况。

本发明的场效应晶体管只要具有上述第一实施方式或第二实施方式所示的半导体层，则对其它构成没有特别的限定。可以利用顶栅极型或底栅极型等公知的结构。下面，参照附图对场效应晶体管的构成例进行说明。

图1是本发明一实施方式的场效应晶体管的概略剖面图。

场效应晶体管1为底栅极型，在具有热氧化膜11的硅基板10上，以带状形成栅电极12。以覆盖该栅电极12的方式具有栅极绝缘膜13，在该栅极绝缘膜13上且栅电极12上形成有半导体层14(活性层)。

在半导体层14的一端14a，在与栅电极12正交的方向连接有源电极15。另外，在与半导体层14的一端14a对向的另一端14b连接有漏电极16。

图2是表示栅电极12、半导体层14、源电极15及漏电极16的位置关系的概略俯视图。为了使位置关系可视化，省略了一部分部件。

底栅极型的场效应晶体管的情况下，半导体层优选用保护层保护。在底栅极型的晶体管中，没有保护层时，半导体层的主要部分暴露，因此保护层的效果大。

图3及图4是本发明其它实施方式的场效应晶体管的概略剖面图。

场效应晶体管2及3除了形成保护层17之外，与上述的场效应晶体管1形成同样的构成。

图5是表示顶栅极型的场效应晶体管的例子的概略剖面图。

在场效应晶体管4中，在基板30上形成源电极35及漏电极36，以覆盖其间隙及这些电极的一部分的方式设置半导体层34。而且，在半导体层34上经由栅极绝缘膜33形成栅电极32。

在晶体管3中，基板30发挥保护层37的功能。

下面，对本发明的场效应晶体管的构成部件进行说明。

1、基板

没有特别限制，可使用本领域中公知的基板。例如，可使用碱金属硅酸盐系玻璃、无碱玻璃、石英玻璃等玻璃基板、硅基板、丙烯酸、聚碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇脂(PEN)等树脂基板、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺等高分子薄膜基材等。

基板或基材的厚度一般为0.1～10mm，优选0.3～5mm。玻璃基板的情况下，优选化学的或热强化玻璃。

要求透明性或平滑性的情况下，优选玻璃基板、树脂基板，特别优选玻璃基板。要求轻量化的情况下，优选树脂基板或高分子器械材料。

2、半导体层

半导体层包含：满足上述(1)～(3)的比率、优选(1)～(4)的比率的上述第一实施方式或第二实施方式所示的In(铟)、Zn(锌)及元素X的复合氧化物。

这种半导体层，例如可通过使用本发明的复合氧化物靶材(半导体层用靶材)形成薄膜而制造。

本发明的半导体层用靶材由满足上述第一实施方式或第二实施方式所示的比率(1)～(3)或(1)～(4)的复合氧化物的烧结体形成。该靶材，将以满足上述元素比率的方式含有例如，氧化铟、氧化锌及元素X的氧化物的混合粉末作为原料。将原料粉末用球磨机等微粉末化后，成形为靶材状进行烧结，由此能够制造。

另外，使用的原料粉末的一部分也可以是从靶材的端材或含有使用完的靶材等高纯度氧化铟的废料中回收制作的。尤其是，从ITO靶材中回收的氧化铟，作为杂质优选适当含有Sn(锡)。氧化铟的回收可以使用特开2002-069544号记载的方法等公知的方法。

另外，上述的第一实施方式所示的元素X为Zr、Hf、Ge、Si、Ti、V及Nb时，尤其是容易制造外观好、抗弯力高的靶材。

各原料粉纯度通常为99.9％(3N)以上，优选99.99％(4N)以上，更优选99.995％以上，特别优选99.999％(5N)以上。各原料粉的纯度不足99.9％(3N)时，杂质有可能降低半导体特性，产生颜色不均或斑点等外观上的不良，可靠性降低等。

对于原料粉，优选将氧化铟粉的比表面积设定为8～10m²/g，将氧化锌粉的比表面积设定为2～4m²/g，将元素X的氧化物的比表面积设定为5～10m²/g(更优选8～10m²/g)。或优选将氧化铟粉的中位径设定为0.2～2μm，将氧化锌粉的中位径设定为0.8～1.6μm。

另外，优选使用氧化铟粉的比表面积和元素X的氧化物粉的比表面积大致相同的粉末。由此，能够更高效地粉碎混合。具体而言，优选将比表面积的差设为5m²/g以下。比表面积相差过大时，不能高效地粉碎混合，在烧结体中有时残留元素X的氧化物粒子。

例如，使用湿式介质搅拌研磨机混合粉碎混合粉末。这时，优选粉碎后的比表面积比原料混合粉末的比表面积增加1.5～2.5m²/g左右，或粉碎后的平均中位径为0.6～1μm。通过使用这样调整的原料粉，完全不必要预烧工序，可得到高密度的氧化物烧结体。另外，也不需要还原工序。

另外，原料混合粉末的比表面积的增加量不足1.0m²/g时，或粉碎后的原料混合粉的平均中位径超过1μm时，有时烧结密度没有足够大。另一方面，原料混合粉末的比表面积的增加量超过3.0m²/g时或粉碎后的平均中位径不足0.6μm时，有时来自粉碎时的粉碎器等的污染度(杂质混入量)增加。

在此，各粉末的比表面积为用BET法测定的值。各粉末的粒度分布的中位径为用粒度分布计测定的值。这些值通过用干式粉碎法、湿式粉碎法等粉碎粉末能够进行调整。

用喷雾干燥机等干燥了粉碎工序后的原料后，进行成形。成形可以采用公知的方法，例如，加压成形、冷压静水压加压。

接着，烧结获得的成形物得到烧结体。烧结优选在1350～1600℃下烧结2～20小时。在不足1350℃时，密度未提高，另外，超过1600℃时有时锌蒸散，烧结体的组成发生变化，或通过蒸散而在烧结体中产生空隙(空隙)。

另外，烧结可以通过使氧气流通在氧气氛围气中烧结，或在加压下烧结。由此，能够抑制锌的蒸散，获得没有空隙(空隙)的烧结体。

这样制造的烧结体密度高，使用时结块或颗粒的发生减少，因此，能够制作膜特性优异的氧化物半导体膜。

氧化物烧结体通过实施研磨等加工成为靶材。具体而言，将烧结体例如用平面磨床进行磨削，使表面粗糙度Ra为5μm以下。另外，对靶材的溅射面实施镜面加工，平均表面粗糙度Ra也可以为1000埃以下。该镜面加工(研磨)可以采用机械研磨、化学研磨、进行机械化学研磨(机械研磨和化学研磨并用)等已知的研磨技术。例如，用固定磨粒抛光器(抛光液：水)抛光到#2000以上，或经由游离研磨剂(研磨材料：SiC膏等)研磨后，将研磨材料变换为金刚石膏进行研磨而可得到。对于这种的研磨方法没有特别的限制。

将得到的靶材与背板接合，由此，能够在各种成膜装置上安装使用。作为成膜法，例如可以列举：溅射法、PLD(脉冲激光熔敷)法、真空蒸镀法、离子镀法等。

另外，在靶材的清洗处理中，可以使用鼓风或流水清洗等。在用鼓风除去异物时，从喷嘴朝向侧用吸尘器进行吸气，由此，进一步有效除去灰尘。

除了鼓风或流水清洗之外，也可以进行超声波清洗等。在超声波清洗中，在频率25～300KHz间进行多重振动的方法是有效的。例如，可以在频率25～300KHz之间，每隔25KHz进行12种频率的多重振动的超声波清洗。

氧化物烧结体中的各化合物的粒径分别优选20μm以下，更优选10μm以下，特别优选5μm以下。另外，粒径为用电子探针微量分析仪(EPMA)测定的平均粒径。结晶粒径例如可通过调整原料即酸化铟、X元素的氧化物、氧化锌的各粉末的配合比或原料粉末的粒径、纯度、升温时间、烧结温度、烧结时间、烧结氛围、降温时间获得。化合物的粒径比20μm大时在溅射时可能发生结块。

靶材的密度优选理论密度的95％以上，更优选98％以上，特别优选99％以上。靶材的密度比95％小时，强度不够，在成膜时可能会出现靶材破损。另外，在制作晶体管时，性能可能会不均一。

在此，靶材的理论相对密度由各氧化物的比重(例如，ZnO为5.66g/cm³、In₂O₃为7.12g/cm³、ZrO₂为5.98g/cm³)和其量比计算密度，计算与用阿基米德法测定的密度的比率作为理论相对密度。

靶材的体电阻优选20mΩ以下，更优选10mΩ以下，进一步优选5mΩ以下，特别优选2mΩcm以下。比20mΩ大时，在用DC溅射成膜时，靶材可能回破损。另外，由于异常放电，可能发生火花，靶材破裂，或火花飞出的粒子附着于成膜基板，降低作为氧化物半导体膜的性能。另外，在放电时靶材也有可能破裂。

另外，体电阻为使用电阻率计、利用四探针法测定的值。

本发明的靶材的抗弯强度优选8kg/mm²以上，更优选10kg/mm²以上，特别优选12kg/mm²以上。基于靶材在运输、安装时需要承受负荷、靶材可能破损之类的理由，对靶材要求一定以上的抗弯强度，在不足8kg/mm²时，作为靶材可能不耐用。靶材的抗弯强度可以JIS R 1601为基准进行测定。

另外，在本发明的第二实施方式的靶材中，另外，优选包含100～10000ppm的选自Sn(锡)、Ge(锗)、Si(硅)、Ti(钛)、Zr(锆)及Hf(铪)中的一种以上元素。含有这些元素时，有利于靶材的密度的提高、强度的提高、电阻的降低、颜色偏差的减少、均一性的提高、异常放电或黄片的减少等，且作为半导体用靶材能够期待品质提高。

上述元素也可以使用从含有这些元素的烧结体(靶材)回收的原料，也可以作为杂质含有。另外，也可以在原料中添加金属粉末或氧化物。

在本发明中，半导体层优选非晶质膜。

通过非晶质膜能够改善绝缘膜或保护层的密接性，或即使在大面积中也容易获得均一的晶体管特性。

在此，通过X射线结晶结构解析能够确认半导体层是否是非晶质膜。不能观测明确的峰值的情况下为非晶质。

另外，半导体层的电子载流子浓度优选10¹³～10¹⁸/cm³，特别优选10¹⁴～10¹⁷/cm³。

电子载流子浓度只要在上述范围内，则容易成为非简并半导体，作为晶体管使用时优选迁移率和开关比的均衡良好。

另外，带隙优选2.0～6.0eV，特别优选2.8～5.0eV。带隙比2.0eV小时，吸收可视光并场效应晶体管可能进行错误动作。另一方面，比6.0eV大时，难以供给载流子，难以发挥场效应晶体管功能。

半导体层优选为表示热活性型的非简并半导体。为简并半导体时，载流子过多，断开电流·栅漏电流增加，或阈值成为负且常接通。

半导体层是否为非简并半导体，通过进行采用了霍尔效应的迁移率和载流子密度的温度变化的测定能够判断。

另外，要将半导体层设定为非简并半导体，可以通过调整成膜时的氧气分压，或进行后处理，控制氧气缺陷量，使载流子密度最适当来实现。

半导体层的表面粗糙度(RMS)优选1nm以下，更优选0.6nm以下，特别优选0.3nm以下。比1nm大时，可能迁移率降低。

半导体层优选为维持氧化铟的红色绿宝石(日文：ビックスバィト)结构的棱共有结构的至少一部分的非晶质膜。含有氧化铟的非晶质膜是否维持氧化铟的红色绿宝石(日文：ビックスバィト)结构的棱共有结构的至少一部分，通过利用使用了高辉度的同步加速器放射等微小角入射X射线衍射(GIXS)求得的径向分布函数(RDF)，表示In-X(X为In，Zn)的峰值在0.30至0.36nm之间即能够确认。详细地说，只要参照下述文献即可。

F.Utsuno，et al.，Thin Solid Films，Volume 496，2006，Pages95-98

另外，在将原子间距离为0.30至0.36nm之间的RDF的最大值设定为A、将原子间距离为0.36至0.42之间的RDF的最大值设定为B的情况下，优选满足A/B＞0.7的关系，更优选满足A/B＞0.85，进一步优选满足A/B＞1，特别优选满足A/B＞1.2。

A/B为0.7以下时，将半导体层作为晶体管的活性层使用的情况下，可能迁移率降低，或阈值或S值过大。A/B小时，考虑反映出非晶质膜的近距离秩序性恶劣。

另外，优选In-In的平均结合距离为0.3～0.322nm，特别优选0.31～0.32nm。In-In的平均结合距离可利用X射线吸收分光法求出。在X射线吸收分光法的测定中，表示从开始到扩展到达数百eV的高能量的扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)。EXAFS是通过激励的原子周围的原子的电子的后方衍射引起的。引起跳跃的电子波和后方衍射的波的干涉效果。干涉依存于电子状态的波长和周围原子来往的光程。通过对EXAFS进行傅立叶变换获得径向分布函数(RDF)。从RDF的峰值也能够估算平均结合距离。

半导体层的膜厚通常为0.5～500nm，优选1～150nm，更优选3～80nm，特别优选10～60nm。比0.5nm薄时，难以工业化均一成膜。另一方面，比500nm厚时，成膜时间变长，工业上不采用。另外，在3～80nm范围内时，迁移率或开关比等TFT特性特别良好。

在本发明中，半导体层为非晶质膜，非定域能级的能量宽度(E₀)优选14meV以下。半导体层的非定域能级的能量宽度(E₀)更优选10meV以下，进一步优选8meV以下，特别优选6meV以下。

非定域能级的能量宽度(E₀)比14meV大时，将半导体层作为晶体管的活性层使用时，可能迁移率降低，或阈值或S值过度变大。认为半导体层的非定域能级的能量宽度(E₀)大反映出非晶质膜的近距离秩序性恶化。

3.半导体层的保护层

场效应晶体管优选具有半导体的保护层。没有半导体的保护层时，在真空中或低压下，可能半导体表面层的氧脱离，或阻断电流变高，或阈值电压成为负。另外，即使在大气下，受湿度等周围的影响，可能阈值电压等晶体管特性的偏差变大。

形成半导体的保护层的材料没有特别的限定。在不失去本发明的效果的范围内可以任意选择一般使用的材料。例如可以使用SiO₂、SiNx、Al₂O₃、Ta₂O₅、TiO₂、MgO、ZrO₂、CeO₂、K₂O、Li₂O、Na₂O、Rb₂O、Sc₂O₃、Y₂O₃、Hf₂O₃、CaHfO₃、PbTi₃、BaTa₂O₆、SrTiO₃、AIN等。在这些中优选使用SiO₂、SiNx、Al₂O₃、Y₂O₃、Hf₂O₃、CaHfO₃，更优选使用SiO₂、SiNx、Y₂O₃、Hf₂O₃、CaHfO₃，特别优选使用SiO₂、Y₂O₃、Hf₂O₃、CaHfO₃等氧化物。这些氧化物的氧原子数不一定与化学计量比一致(例如，可以是SiO₂，也可以是SiO_x)。另外，SiNx也可以含有氢原子。

这种保护膜也可以是层叠了不同的2层以上绝缘膜的结构。

另外，保护层也可以是结晶质、多晶质、非晶质中的任一种，但是，优选工业上容易制造的多晶质、非晶质。但是，保护层特别优选非晶质。不是非晶质膜时，界面的平滑性恶化，迁移率降低，或阈值电压或S值过度变大。

半导体层的保护层优选非晶质氧化物或非晶质氮化物，特别优选非晶质氧化物。另外，保护层不是氧化物时，半导体中的氧向保护层侧移动，阻断电流提高，或阈值电压成为负，显示为常接通。

另外，半导体层的保护层也可以使用聚(4-乙烯基苯酚)(PVP)、聚对二甲苯等有机绝缘膜。另外，半导体层的保护层也可以具有无机绝缘膜及有机绝缘膜的两层以上的层叠结构。

4.栅极绝缘膜

对形成栅极绝缘膜的材料也没有特别的限定。在不失去本实施方式的发明的效果的范围内可以任意选择一般使用的材料。例如可以使用SiO₂、SiNx、Al₂O₃、Ta₂O₅、TiO₂、MgO、ZrO₂、CeO₂、K₂O、Li₂O、Na₂O、Rb₂O、Sc₂O₃、Y₂O₃、Hf₂O₃、CaHfO₃、PbTi₃、BaTa₂O₆、SrTiO₃、AIN等。在这些中优选使用SiO₂、SiNx、Al₂O₃、Y₂O₃、Hf₂O₃、CaHfO₃，更优选使用SiO₂、SiNx、Y₂O₃、Hf₂O₃、CaHfO₃。这些氧化物的氧数不一定与化学计量比一致(例如，可以是SiO₂，也可以是SiO_x)。另外，SiNx也可以含有氢元素。

这种栅极绝缘膜也可以是层叠了不同的2层以上绝缘膜的结构。另外，栅极绝缘膜也可以是结晶质、多晶质、非晶质中的任一种，但是，优选工业上容易制造的多晶质、非晶质。

另外，栅极绝缘膜也可以使用聚(4-乙烯基苯酚)(PVP)、聚对二甲苯等有机绝缘膜。另外，栅极绝缘膜也可以具有无机绝缘膜及有机绝缘膜的两层以上的层叠结构。

5.电极

形成栅电极、源电极及漏电极各电极的材料没有特别的限定。在不失去本发明的效果的范围内可以任意选择一般使用的材料。

例如，可以使用铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物、ZnO、SnO₂等透明电极、或Al、Ag、Cr、Ni、Mo、Au、Ti、Ta、Cu等金属电极、或含有这些的合金的金属电极。另外，优选将它们层叠两层以上，降低接触电阻，或提高界面强度。另外，为降低源电极、漏电极的接触电阻，也可以对与半导体的电极的界面进行等离子体处理、臭氧处理等来调整电阻。

下面，对本发明的场效应晶体管的制造方法进行说明。

在本发明的制造方法中，其特征包括：应用上述本发明的靶材，通过DC或AC溅射来成膜半导体层的工序；在形成半导体层后，以70～350℃进行热处理的工序。

另外，上述场效应晶体管的各构成部件(层)用本技术领域中公知的方法形成。

具体而言，作为成膜方法，可以使用喷射法、浸渍法、CVD法等化学成膜方法，或溅射法、真空蒸镀法、离子镀法、脉冲激光熔敷法等物理成膜方法。从容易控制载流子密度、及膜质容易提高的角度考虑，优选使用物理成膜方法，更优选使用生产性高的溅射法。

在溅射法中，可以利用应用复合氧化物的烧结靶材的方法、应用采用多个烧结靶材的共溅射的方法、应用采用合金靶材的反应性溅射的方法等。但是，在应用采用多个烧结靶材的共溅射的方法或应用采用合金靶材的反应性溅射的方法中，可能在均一性或再现性恶化时，非定域能级的能量宽度(E₀)有时变大，迁移率降低，或阈值电压变大等，晶体管特性降低。优选使用复合氧化物的烧结靶材。

通过各种蚀刻法可以将形成的膜构图。

在本发明中，使用本发明的靶材，利用DC或AC溅射法使半导体层成膜。通过使用DC或AC溅射法，与RF溅射的情况相比，能够降低成膜时的损害。因此，在场效应晶体管中能够期待阈值电压移位的降低、迁移率的提高、阈值电压的减少、S值的减少等效果。

另外，在本发明中，在形成半导体层和半导体的保护层之后，以70～350℃进行热处理。比70℃低时，获得的晶体管的热稳定性或耐热性低，或迁移率降低，或S值变大，或阈值电压增高。另一方面，比350℃高时，可能导致不能使用没有耐热性的基板，可能增加热处理用的设备费用，可能保护层、绝缘膜或半导体层的界面劣化、或可能降低水分压力在成膜时结晶化而不能得到非晶质膜。

热处理温度优选80～260℃，更优选90～180℃，进一步优选100～150℃。尤其是，热处理温度只要在180℃以下，则作为基板可以使用PEN等耐热性低的树脂基板，故而优选。

热处理时间通常优选1秒～24小时，但是，优选根据处理温度调整。例如，70～180℃时，更优选10分～24小时，进一步优选20分～6小时，特别优选30分～3小时。180～260℃时，更优选6分～4小时，进一步优选15分～2小时。260～300℃时，更优选30秒～4小时，特别优选1分～2小时。300～350℃时，更优选1秒～1小时，特别优选2秒～30分。

热处理优选在惰性气体中在氧分压为10^-3Pa以下的环境下进行，或在用保护层覆盖半导体层之后进行。在上述条件下提高再现性。

作为惰性气体，优选N₂、He、Ne、Ar、Kr、Xe。

在本发明的场效应晶体管中，迁移率优选1cm²/Vs以上，更优选3cm²/Vs以上，特别优选8cm²/Vs以上。比1cm²/Vs小时，转换速度变缓，不能用于大画面高精细的显示装置。

转换比优选10⁶以上，更优选10⁷以上，特别优选10⁸以上。

阻断电流优选2pA以下，更优选1pA以下，进一步优选0.5pA以下，特别优选0.2pA以下。阻断电流比2pA大时，作为显示装置的TFT使用时，对比度恶化，或画面的均一性恶劣。

栅漏电流优选1pA以下。比1pA大时，作为显示装置的TFT使用时对比度恶化。

阈值电压通常为0～10V，但是，优选0～4V，更优选0～3V，特别优选0～2V。比0V小时，成为常接通，在阻断时需要电压，消耗的电力变大。比10V大时，驱动电压变大，或消耗电力变大，或需要高的迁移率。

另外，S值优选0.8V/dec以下，更优选0.3V/dec以下，进一步优选0.25V/dec以下，特别优选0.2V/dec以下。比0.8V/dec大时，驱动电压变大，或消耗电力变大。尤其是，应用有机EL显示装置的情况下，用直流驱动，因此，将S值设定为0.3V/dec以下时能够大幅降低消耗电力，故而优选。

另外，所谓S值(Swing Factor)是表示从阻断状态增加栅极电压时，从阻断状态到接通状态漏极电流急剧上升时的该急剧程度的值。以下述式定义，将漏极电流上升1位(10倍)时的栅极电压的增值设定为S值。

S值＝dVg/dlog(Ids)

S值越小，越急剧上升(“薄膜トランジスタ技術のすベて(薄膜晶体管技术的全部)”、鵜飼育弘著、2007年刊、工业调查会)。

S值大时，在从接通切换到阻断时需要高的栅极电压，消耗电力可能变大。

另外，10μA的直流电压在50℃施加100小时前后的阈值电压的移位量优选1.0V以下，更优选0.5V以下。比1V大时作为有机EL显示装置的晶体管利用时，可能改变画质。

另外，用传递曲线使栅极电压升降的情况下，优选磁滞小的一方。

另外，沟道宽度W和沟道长度L的比W/L(参照图2)通常为0.1～100，优选0.5～20，特别优选1～8。W/L超过100时可能漏电流增加，或on-off比低下。比0.1小时，可能场效应迁移率低下，或夹断不明显。

另外，沟道长度L为通常0.1～1000μm，优选1～100μm，更优选2～10μm。0.1μm以下时工业制造困难，另外漏电流可能变大，在1000μm以上时元件过大，不优选。

本发明的场效应晶体管优选具有对半导体层遮光的结构。不具有对半导体层遮光的结构(例如，遮光层)时，光向半导体层入射时载流子电子被激励，阻断电流可能提高。遮光层优选为在300～800nm具有吸收的薄膜。遮光层可以在半导体层的上部、也可以在下部，优选在上部和下部双方。另外，遮光层也可以与栅极绝缘膜或黑底等兼用。仅在单侧有遮光层的情况下，需要研究制成光不能从没有遮光层侧向半导体层照射的结构。

另外，在本发明的场效应晶体管中，在半导体层和源电极或漏电极之间优选设置接触层。接触层的形成材料可以使用与上述的半导体层同样组成的复合氧化物。即，接触层优选以In或Zn等在半导体层中含有的元素为主要成分的氧化物。不含有这些元素时，在接触层和半导体层之间发生元素的移动，进行应力试验等时阈值电压的移位可能变大。

对接触层的制造方法没有特别的制约，但也可以通过改变成膜条件而形成与半导体层同样的组成比的接触层、或形成与半导体层组成比不同的层、或构成为将与半导体的电极接触的部分进行等离子处理或臭氧处理来提高电阻，或构成在形成半导体层时利用氧分压等成膜条件提高电阻的层。

另外，在本发明的场效应晶体管中，优选在半导体层和栅极绝缘膜之间及/或半导体层和保护层之间具有比半导体层的电阻高的氧化物电阻层。没有氧化物电阻层时可能发生阻断电流，或阈值电压成为负而常接通。另外，在保护膜成膜或蚀刻等后处理工程时，半导体变质，特性可能劣化。

作为氧化物电阻层可以例示如下。

·与以比半导体膜成膜时高的氧分压成膜的半导体层为同一组成的非晶质氧化物膜

·与半导体层为同一组成，但是改变了组成比的非晶质氧化物膜

·含有In及Zn、且含有与半导体层不同的元素X的非晶质氧化物膜

·以氧化铟为主成分的多晶氧化物膜

·以氧化铟为主成分，渗杂一种以上Zn、Cu、Co、Ni、Mn、Mg等正二价元素的多晶氧化物膜

·在半导体层所含有的组成中再添加选自Cu、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Ca、Sr、Ba、Ag、Au中的一种以上元素的非晶质氧化物膜

在与半导体层为同一组成，但是改变了组成比的非晶质氧化物膜、或含有In及Zn、且含有与半导体层不同的元素X的非晶质氧化物膜的情况下，优选In组成比比半导体层少。另外，优选元素X的组成比比半导体层多。

氧化物电阻层优选为含有In及Zn各元素的氧化物。不含有它们时，在氧化物电阻层和半导体层之间发生元素的移动，在进行应力试验等时可能阈值电压的移位变大。

在半导体层所含有的组成中再添加选自Cu、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Ca、Sr、Ba、Ag、Au中的一种以上元素的非晶质氧化物膜的情况下，优选In组成比比半导体层少。另外，优选Ga组成比比半导体层多。

[实施例]

[第一实施方式]

实施例1

(1)溅射靶材的制造

作为原料，将氧化铟、氧化锌及氧化锆的粉末以原子比〔In/(In+Zn+Zr)〕为0.48、原子比〔Zn/(In+Zn+Zr)〕为0.50、原子比〔Zr/(In+Zn+Zr)〕为0.02的方式混合。将它们供给湿式球磨机，混合粉碎72小时，获得原料微粉末。

将得到的原料微粉末进行造粒后，挤压成形为直径10cm、厚度5mm的尺寸，将其装入烧结炉内，在1500℃烧结12小时，得到烧结体(靶材)。

靶材的体电阻为3mΩ，理论相对密度为0.99。另外，可获得没有颜色不均、外观均一性高的靶材。

另外，理论相对密度通过计算由各氧化物的比重和其量比计算的密度与用阿基米德法测定的密度的比率求出。

(2)晶体管的制作

除了基板使用玻璃基板之外，制作与图1所示的场效应晶体管同样的晶体管。

在玻璃基板上，用室温的RF溅射层叠200nm钼金属之后，用湿式蚀刻图案化，制作栅电极。

接着，在制作了栅电极的基板上，利用等离子化学气相成长装置(PECVD)，使SiNx在300℃成膜(厚度200nm)，制成栅极绝缘膜。

接着，将在(1)中制造的靶材安装于DC溅射法的一种即DC磁控溅射法的成膜装置中，在栅极绝缘膜上成膜，之后进行图案化，形成半导体层(膜厚50nm)。

溅射条件设定为：基板温度25℃、可达压力1×10^-6Pa、气氛Ar99.5％及氧0.5％、溅射压力(总压)2×10^-1Pa、接通电力100W、成膜时间6分钟、S-T距离110mm。

接着，应用提离工艺及RF磁控溅射(室温、Ar100％)，形成由In₂O₃-ZnO构成的源/漏电极。

之后，在氮气环境下，在170℃进行2小时热处理，制造场效应晶体管(图2的W为40μm、L为4μm的底栅极型的场效应晶体管)。

[半导体层的评价]

在玻璃基板(コ一ニング1737)上，使用在上述实施例(1)中制造的靶材形成半导体进行评价。

半导体层利用DC磁控溅射法的成膜装置，以与实施例(2)相同的方式形成。其结果是，在玻璃基板上，形成膜厚为50nm的氧化物薄膜。

用ICP(Inductively Coupled Plasma)法分析得到的半导体膜时，原子比〔In/(In+Zn+Zr)〕为0.49、原子比〔Zn/(In+Zn+Zr)〕为0.49、原子比〔Ga/(In+Zn+Zr)〕为0.02。

将上述半导体膜在氮气环境下在170℃进行2小时的热处理。

利用霍尔测定装置测定热处理后的半导体膜的载流子浓度及霍尔迁移率。结果表示n型，载流子浓度为4×10¹⁷cm^-3、霍尔迁移率为2cm²/Vs。

另外，霍尔测定装置、及其测定条件如下述。

·霍尔测定装置

东阳テクニカ制：Resi Test8310

·测定条件

测定温度：室温(25℃)

测定磁场：0.5T

测定电流：10^-12～10^-4A

测定模式：AC磁场霍尔测定

另外，通过X射线结晶结构分析确认为非晶质。由AMF测定的表面粗糙度RMS0.2nm。另外，光学求取的带隙为3.8eV。

另外，在77～300K范围内改变测定温度测定霍尔效应时，显示热活性型，能够确认半导体膜为非简并半导体。

另外，根据改变温度、使用霍尔效应测定的载流子浓度和活化能的关系，非定域能级的能量宽度(E₀)为6meV以下。

另外，通过由X射线衍射测定求取的径向分布函数(RDF)，观测到表示In-In的峰值在0.35nm附近，能够确认残留有氧化铟的红色绿宝石(日文：ビックスバィト)结构的棱共有结构。在将原子间距离0.30～0.36nm之间的RDF的最大值设定为A、将原子间距离0.36～0.42之间的RDF的最大值设定为B的情况下，A/B为1.3。通过X射线吸收分光法求取的In-In的平均结合距离为0.318nm。

[晶体管的评价]

对场效应晶体管进行下述评价。

(1)场效应迁移率(μ)、开关比、阻断电流、栅漏电流、S值、阈值电压(Vth)

应用半导体参数测量器(ケ一スレ一4200)，在室温、大气中、且遮光环境下进行测定。

(2)磁滞

应用半导体参数测量器，测定升电压时的传递曲线(I-V特性)和降电压时的传递曲线(I-V特性)，将升降时的电压差设定为ΔVg。将ΔVg的最大值为0.5V以下的设定为“少”，将0.5～3V设定为“有”，将3V以上设定为“大”。

(3)应力试验

应力条件设定为在50℃下以栅极电压15V施加100小时10μA的直流电压。比较施加应力前后的Vth，测定阈值电压的移位量(ΔVth)。

另外，按如下方式评价耐酸性及耐湿性。

(1)耐酸性

以与实施例1(2)相同的条件，在玻璃基板上形成200nm厚的半导体膜，进行热处理。将此用草酸系蚀刻液(关东化学制、ITO-06)进行蚀刻，测定25℃的蚀刻速度。评价如下。

◎：不足200nm/分

○：200～500nm/分

△：500～1000nm/分

×：1000nm/分以上

(2)耐湿性

将制作的晶体管在85℃、85％RH下，实施2000小时耐湿试验。测定试验前后的电阻，按如下方式分类。将试验前的电阻值÷试验后的电阻值、试验后的电阻值÷试验前的电阻值大这一方设定为变化率。

◎：变化率不足2倍

○：变化率为2～5倍

△：变化率为5～100倍

×：变化率为100倍以上

将测定结果表示于表1。

实施例2～29、比较例1～7

除了按表1-4所示的组成调制原料即氧化铟、氧化锌及X元素的氧化物的混合比之外，与实施例1(1)同样制造溅射靶材。

使用上述的溅射靶材，按表1-4所示变更成膜条件，除此之外，与实施例1(2)同样制作场效应晶体管，进行评价。

另外，在制作溅射靶材时，代替氧化锆使用的原料如下所述。

实施例12：HfO₂、株式会社高纯度化学研究所社制、HFO01PB

实施例13：GeO₂、株式会社高纯度化学研究所社制、GEO06PB

实施例14：SiO₂、株式会社高纯度化学研究所社制、SIO12PB

实施例15：TiO₂、株式会社高纯度化学研究所社制、TIO14PB

实施例16：MnO₂、株式会社高纯度化学研究所社制、MNO03PB

实施例17：WO₃、株式会社高纯度化学研究所社制、WWO04PB

实施例18：MoO₃、株式会社高纯度化学研究所社制、MOO03PB

实施例19：V₂O₅、株式会社高纯度化学研究所社制、VVO09PB

实施例20：Nb₂O₅、株式会社高纯度化学研究所社制、NBO08PB

实施例25：CuO、株式会社高纯度化学研究所社制、CUO08PB

实施例26：NiO、株式会社高纯度化学研究所社制、NIO11PB

实施例27：CoO、株式会社高纯度化学研究所社制、COO03PB

实施例28：FeO、株式会社高纯度化学研究所社制、FEO01PB

实施例29：Cr₂O₃、株式会社高纯度化学研究所社制、CRO01GB

在实施例21中，形成源/漏电极后，用RF磁控溅射法使SiO₂以300nm成膜而形成保护层，制作图4所示的场效应晶体管。

在实施例22及比较例1～7中，用RF溅射进行半导体层的形成。具体而言，将靶材安装于RF磁控溅射成膜装置进行成膜。

在此的溅射条件设定为：基板温度25℃、可达压力1×10^-6Pa、气氛Ar99.5％及氧0.5％、溅射压力(总压)2×10^-1Pa、接通电力100W、成膜时间8分钟、S-T距离100mm。

在实施例23中，使用带SiO₂热氧化膜的硅基板。SiO₂热氧化膜的厚度为100nm。在该晶体管中，栅极绝缘膜为SiO₂热氧化膜，硅基板发挥栅电极和基板的作用。

在带SiO₂热氧化膜的硅基板上，与实施例1同样形成了半导体层、源电极及漏电极。

[溅射靶材的例]

实施例30

作为原料，将氧化铟、氧化锌及氧化锆的粉末以原子比〔In/(In+Zn+Zr)〕为0.4、原子比〔Zn/(In+Zn+Zr)〕为0.4、原子比〔Zr/(In+Zn+Zr)〕为0.2的方式混合。将它们供给湿式球磨机，混合粉碎72小时，获得原料微粉末。

将得到的原料微粉末进行造粒后，挤压成形为直径20cm、厚度5mm的尺寸之后，将其装入烧结炉内，在1400℃烧结12小时，得到烧结体(靶材)。

靶材的体电阻为5mΩ，理论相对密度为0.98。靶材的抗弯强度为12kg/mm²。另外，可获得没有颜色不均、外观均一性高的靶材。

比较例8

作为原料，将氧化铟、氧化锌及氧化镓的粉末以原子比〔In/(In+Zn+Ga)〕为0.4、原子比〔Zn/(In+Zn+Ga)〕为0.4、原子比〔Ga/(In+Zn+Ga)〕为0.2的方式混合。将它们供给湿式球磨机，混合粉碎72小时，获得原料微粉末。

靶材的体电阻为70mΩ，理论相对密度为0.82。靶材的抗弯强度为7kg/mm²。另外，在靶材上被确认有若干颜色不均。

图6表示与实施例1及5同样组成的半导体层的热处理温度和迁移率的关系。另外，处理时间为2小时。

在实施例1的组成中，以150℃处理时迁移率稳定，与之相对，在实施例5的组成中，为了使迁移率稳定，就需要300℃以上的处理温度。

[第二实施方式]

[溅射靶材的制作]

实施例31(靶材I)

作为原料，将5N(纯度99.999％)的氧化铟(株式会社高纯度化学研究所社制INO04PB)、5N的氧化锌(株式会社高纯度化学研究所社制ZNO04PB)及5N的氧化铝(株式会社高纯度化学研究所社制)的粉末以原子比〔In/(In+Zn+Al)〕为0.48、原子比〔Zn/(In+Zn+Al)〕为0.50、原子比〔Al/(In+Zn+Al)〕为0.02的方式混合。将它们供给湿式球磨机，混合粉碎72小时，获得原料微粉末。

将得到的原料微粉末进行造粒后，挤压成形为直径10cm、厚度5mm的尺寸之后，将其装入烧结炉内，在1500℃烧结12小时，得到烧结体(靶材)。

粉碎靶材并用ICP分析时，不含有Sn(锡)、Ge(锗)、Si(硅)、Ti(钛)、Zr(锆)、Hf(铪)等杂质。另外，靶材的体电阻为20mΩ，理论相对密度为0.95。

实施例32(靶材II)

作为原料，将从使用结束的ITO靶材等回收的氧化铟、5N的氧化锌(株式会社高纯度化学研究所社制ZNO04PB)及4N的氧化铝(株式会社高纯度化学研究所社制ALO12PB)的粉末以原子比〔In/(In+Zn+Al)〕为0.48、原子比〔Zn/(In+Zn+Al)〕为0.50、原子比〔Al/(In+Zn+Al)〕为0.02的方式混合。将它们供给湿式球磨机，混合粉碎72小时，获得原料微粉末。

粉碎靶材并用ICP分析时，作为杂质含有Sn(锡)500ppm。另外，靶材的体电阻为3mΩ，理论相对密度为0.99。另外，可获得没有颜色不均、外观均一性高的靶材。

实施例33-37(靶材III-VII)

将Ge、Si、Ti、Zr或Hf元素，以相对于原料中的金属元素整体成为500原子ppm的方式作为氧化物进行添加，除此之外，用与靶材I相同的工序制作靶材。靶材可获得与靶材II大致相同的品质，但是，外观更均匀、美观。

[溅射靶材的评价]

·靶材I

将在上述实施例31制作的靶材I安装于RF溅射法的一种即RF磁控溅射法的成膜装置，在玻璃基板(コ一ニング1737)上形成半导体膜。

作为在此的溅射条件，设定为：基板温度25℃、可达压力1×10^-6Pa、气氛Ar99.5％及氧0.5％、溅射压力(总压)2×10^-1Pa、接通电力100W、成膜时间8分钟、S-T距离100mm。

其结果是，在玻璃基板上形成了膜厚70nm的半导体膜。

另外，用ICP法分析得到的膜组成时，原子比〔In/(In+Zn+Al)〕为0.49、原子比〔Zn/(In+Zn+Al)〕为0.49、原子比〔Al/(In+Zn+Al)〕为0.02。

这样，在靶材I中能够形成半导体膜。

·靶材II～VII

与上述的靶材I同样形成半导体膜。其结果是，应用靶材II～VII的情况下，与靶材I的结果同样，也能够形成半导体膜。

但是，长时间连续放电时，与使用靶材I的情况相比，能够确认溅射时的异常放电的频度或黄片的量的减少。

[半导体膜的评价]

对使用靶材I形成的上述半导体膜，在氮气环境下，以150℃进行2小时的热处理。

对热处理后的半导体膜利用霍尔测定装置测定载流子浓度及霍尔迁移率。其结果是，半导体膜显示n型，载流子浓度为4×10¹⁷cm^-3、霍尔迁移率为3cm²/Vs。

另外，通过X射线结晶结构分析能够确认为非晶质。利用原子力显微镜(AMF)测定的表面粗糙度为RMS0.2nm。另外，光学求取的带隙为3.9eV。

另外，根据改变温度、应用霍尔效应测定的载流子浓度和活化能的关系，非定域能级的能量宽度(E₀)为6meV以下。

另外，通过由X射线衍射测定求取的径向分布函数(RDF)，观测到表示In-In的峰值在0.35nm附近，能够确认残留有氧化铟的红色绿宝石(日文：ビックスバィト)结构的棱共有结构。在将原子间距离0.30～0.36nm之间的RDF的最大值设定为A、将原子间距离0.36～0.42之间的RDF的最大值设定为B的情况下，A/B为1.5。通过X射线吸收分光法求取的In-In的平均结合距离为0.317nm。

[场效应晶体管的制作]

实施例38

接着，在制作了栅电极的基板上，利用等离子化学气相成长装置(PECVD)，使SiNx以300℃成膜(厚度200nm)，制成栅极绝缘膜。

接着，使用在实施例31中制造的靶材，以与评价上述靶材I时制作的半导体膜同样的条件成膜，之后进行图案化形成半导体层。

之后，在氮气环境下，在150℃进行2小时热处理，制造场效应晶体管(图2的W为50μm、L为4μm的底栅极型的场效应晶体管)。

对该场效应晶体管进行与实施例1同样的评价。表6表示测定结果。

实施例39～61、比较例11～18

除了按表6-9所示的组成调制原料即氧化铟、氧化锌及X元素的氧化物的混合比之外，与实施例31同样地制造了溅射靶材。

使用上述的溅射靶材，按表6-9所示变更成膜条件，除此之外，与实施例38同样地制作了场效应晶体管，进行评价。

另外，在制作溅射靶材时，代替氧化铝使用的原料如下所述。

实施例49：B₂O₃、株式会社高纯度化学研究所社制、BBO06PB

实施例50：Y₂O₃、株式会社高纯度化学研究所社制、YYO03PB

实施例51：Sc₂O₃、株式会社高纯度化学研究所社制、SCO01PB

实施例52：CeO₂、株式会社高纯度化学研究所社制、CEO05PB

实施例53：Nd₂O₃、株式会社高纯度化学研究所社制、NDO01PB

实施例54：Sm₂O₃、株式会社高纯度化学研究所社制、SMO01PB

实施例55：Gd₂O₃、株式会社高纯度化学研究所社制、GDO01PB

实施例56：Tb₂O₃、株式会社高纯度化学研究所社制、TBO02PB

实施例57：Yb₂O₃、株式会社高纯度化学研究所社制、YBO02PB

在实施例58中，形成源/漏电极后，用RF磁控溅射法将SiO₂以300nm成膜而形成保护层，制作图4所示的场效应晶体管。

在实施例59中，用DC溅射进行半导体层的形成。将靶材安装于DC磁控溅射成膜装置(神港精机(株)制)，在玻璃基板(コ一ニング1737)上形成半导体层。

作为在此的溅射条件，设定为：基板温度25℃、可达压力1×10^-6Pa、气氛Ar99％及氧1.0％、溅射压力(总压)2×10^-1Pa、接通电力100W、成膜时间8分钟、S-T距离100mm。

在成膜前，充分烘烤腔室，使可达压力充分下降，使用真空进样室(LOAD LOCK)并投入基板，由此，降低成膜时的水分压。用四极质谱仪(Q-mass)分析溅射腔室中的H₂O(水)，测定成膜时的水分压后为1×10^-6Pa以下。

在实施例60中，使用带SiO₂热氧化膜的硅基板。SiO₂热氧化膜的厚度为100nm。在该晶体管中，栅极绝缘膜为SiO₂热氧化膜，硅基板发挥栅电极和基板的作用。

在带SiO₂热氧化膜的硅基板上，与实施例38同样地形成了半导体层、源电极及漏电极。

另外，比较例17的薄膜，利用X射线吸收分光法求取的In-In的平均结合距离为0.325nm。另外，根据应用霍尔效应测定的载流子浓度和活化能的关系求取的非定域能级的能量宽度(E₀)为22meV。

[热处理温度和效果]

图7表示与实施例41、61及比较例14同样组成的半导体层的热处理温度和迁移率的关系。另外，处理时间为2小时。

在实施例41的组成中，以150℃处理时迁移率稳定，与之相对，在实施例61的组成中，为了使迁移率稳定，就需要300℃以上的处理温度，在比较例14中，可以确认即使400℃以上的热处理也没有效果。

产业上的应用

本发明的场效应晶体管可适用于逻辑电路、存储电路、差动放大电路等集成电路。尤其是，可以作为驱动液晶显示装置或有机EL显示装置的开关元件使用。

Claims

1.一种场效应晶体管，其中，

具有半导体层，

所述半导体层包含：以下述(1)～(3)的原子比含有In元素及Zn元素、和选自Zr、Hf、Ge、Si、Ti、Mn、W、Mo、V、Cu、Ni、Co、Fe、Cr、Nb、Al、B、Sc、Y及镧系元素类中的一种以上元素X的复合氧化物，

所述镧系元素类为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu，

In/(In+Zn)＝0.2～0.8(1)

In/(In+X)＝0.29～0.99(2)

Zn/(X+Zn)＝0.29～0.99(3)。

2.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于，

所述元素X为选自Al、B、Sc、Y及镧系元素类中的一种以上元素，

包含复合氧化物的半导体层以下述(2)’的原子比含有元素X，

In/(In+X)＝0.59～0.99(2)’。

3.根据权利要求1或2所述的场效应晶体管，其中，

所述元素X为Al或B。

4.根据权利要求1或2所述的场效应晶体管，其中，

所述元素X为Sc或Y。

5.根据权利要求1或2所述的场效应晶体管，其中，

所述元素X为镧系元素类。

6.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，

所述元素X为Zr。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的场效应晶体管，其中，

所述半导体层为非晶质膜，其电子载流子浓度为10¹³10¹⁸/cm³，带隙为2.0～6.0eV。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的场效应晶体管，其中，

所述半导体层为非简并半导体。

9.一种半导体层用靶材，其中，

包含以下述(1)～(3)的原子比含有In元素及Zn元素、和选自Zr、Hf、Ge、Si、Ti、Mn、W、Mo、V、Cu、Ni、Co、Fe、Cr、Nb、Al、B、Sc、Y及镧系元素类中的一种以上元素X的复合氧化物，

In/(In+Zn)＝0.2～0.8(1)

In/(In+X)＝0.29～0.99(2)

Zn/(X+Zn)＝0.29～0.99(3)。

10.根据权利要求9所述的半导体层用靶材，其中，

另外，包含100～10000原子ppm的选自Sn、Ge、Si、Ti、Zr及Hf中的一种以上元素。

11.一种场效应晶体管的制造方法，其中，包含：

使用权利要求9或10所述的靶材，通过DC或AC溅射来使半导体层成膜的工序；及

以70～350℃的温度对所述半导体层进行热处理的工序。