JP2005268724A - 電子素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 同一の透明酸化物層内に半導体領域と導体領域との接合部を簡易な工程で製造することができる電子素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 透明導電性酸化物層１９を陽極とし、透明導電性酸化物層１９の表面から所定の間隔を隔てて原子間力顕微鏡の探針２１を設置しこれを陰極とする。大気中において、探針２１に負のバイアスを印加しながら、探針２１を走査し電界を励起する。これにより、電界が励起された部分に酸素が注入され、透明導電性酸化物層１９の一部領域の電気伝導度が低下し半導体となり、導体領域に隣接して半導体領域が形成される。この方法により、同一透明酸化物層内に半導体からなるチャネル領域と，導体領域からなるソース電極およびドレイン電極を備えた透明トランジスタを実現することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、透明導電性酸化物（Transparent Conductivity Oxide：ＴＣＯ）を用いて形成される透明トランジスタなどの電子素子およびその製造方法に関する。

近年、ノート型携帯用コンピュータなどの携帯用電子機器が多く登場し、これらに液晶表示デバイスが用いられている。そして、この液晶表示デバイスの駆動用としてアモルファスシリコンあるいは多結晶シリコンなどを用いた薄膜トランジスタが用いられている。これらの薄膜トランジスタに用いられる材料は、可視光領域に光感度を有しているので、例えば、光の照射を受けると、キャリアが生成して抵抗が低下し、本来、オフ状態に制御されているにも関わらず、オン状態になってしまうという問題があった。このような光の照射によるキャリアの生成は、金属薄膜などによる光の遮断層を形成することにより防ぐことができ、これにより抵抗の低下を抑制することができる。

ところで、上述したように液晶表示デバイスは携帯用電子機器に多く用いられるため、省エネルギー化、高輝度化および小型化が求められている。この要求を満たすためには、単位画素に占める有効な表示部面積の割合を向上させることが有効であるが、上述のように駆動用のトランジスタに金属薄膜等の光の遮断層を形成すると、画素の面積割合（開口率）が減少し、輝度が低下する。輝度の高い表示素子を開発するためには、トランジスタを高性能化することによる面積の縮小化、あるいはバックライトの高輝度化が必要であるが、トランジスタの高性能化には限界があり、コストが上昇してしまう。また、バックライトの高輝度化を図ろうとすると、エネルギー消費量が多くなる。

そこで、従来、配向制御あるいは価電子制御を行った酸化亜鉛などの透明な酸化物をチャネル領域として用いた一部あるいは全部が透明であるトランジスタが提供されている（例えば特許文献１〜４参照。）。これらのトランジスタのチャネル領域は可視光領域に光感度を有しないので、光の遮断層を形成しなくてもよく、表示部面積の割合が高く、輝度が向上する。

このような透明なチャネル領域を有するトランジスタは、例えば図１０または図１１に示したボトムゲート型、および図１２または図１３に示したトップゲート型に大別されている。

図１０に示したボトムゲート型の透明トランジスタ１２０では、絶縁性の基板１０１の表面の一部に透明導電性酸化物からなるゲート電極１０２が形成され、基板１０１およびゲート電極１０２を覆うように二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）からなる絶縁層１０３および半導体の透明酸化物からなるチャネル領域１０６がこの順に積層されている。更にチャネル領域１０６の表面に透明導電性酸化物からなるソース電極１０４およびドレイン電極１０５が形成されている。図１１に示したボトムゲート型の透明トランジスタ１３０は、ソース電極１０４およびドレイン電極１０５と、チャネル領域１０６との上下が逆になっていることを除き、上記透明トランジスタ１２０と同じ構成を有している。

一方、図１２に示したトップゲート型の透明トランジスタ１４０は、絶縁性の基板１０１の表面にソース電極１０４およびドレイン電極１０５が形成され、このソース電極１０４，ドレイン電極１０５および基板１０１を覆うようにしてチャネル領域１０６，絶縁層１０３およびゲート電極１０２がこの順に形成されたものである。図１３に示したトップゲート型の透明トランジスタ１５０は、ソース電極１０４およびドレイン電極１０５と、チャネル領域１０６との上下が逆になっていることを除き、上記透明トランジスタ１４０と同じ構成を有している。
特開２００２−３１９６８２号公報 特開２０００−１５０９００号公報 特開２０００−２７７５３４号公報 特開２００３−８６８０８号公報

上述のように従来のボトムゲートおよびトップゲートのいずれの透明トランジスタ１２０〜１５０においても、チャネル領域１０６となる半導体層と、ソース電極１０４およびドレイン領域１０５となる電極層とは別々に成膜されており、そのため、工程が複雑化するという問題があった。すなわち、透明トランジスタ１２０，１５０では、半導体層の蒸着工程，金属層の蒸着工程，リソグラフィーおよびエッチング工程、または、半導体層の蒸着工程，リソグラフィー，金属層の蒸着工程およびリフトオフ工程によりソース電極１０４（導電性層）／チャネル領域１０６（半導体層）／ドレイン領域１０５（導電性層）の構造が作製される。また、透明トランジスタ１３０，１４０の場合には、リソグラフィー，金属層の蒸着工程，リフトオフ工程および半導体層の蒸着工程、または、金属層の蒸着工程，リソグラフィー，エッチング工程および半導体層の蒸着工程によって、ソース電極１０４（導電性層）／チャネル領域１０６（半導体層）／ドレイン領域１０５（導電性層）の構造が作製される。

このように従来の透明トランジスタの製造には、多工程が要求されることに加え、ソース電極とチャネル層，ドレイン電極とチャネル層との間に不要な寄生容量が発生することから、簡易なプロセスで作製できるシンプルな構造の開発が望まれていた。また、上記透明トランジスタ１３０，１４０を製造する工程では、電極層を形成する工程と半導体層を形成する工程との間に、リソグラフィによりレジストパターンを形成する工程が含まれているため、電極層と半導体層との界面が不純物で汚染されるという問題もあった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、第１の目的は、同一層内に半導体領域と導体領域とを隣接して有し、しかも半導体領域と導体領域との界面での不純物による汚染がなく、簡素な構成の透明トランジスタ等を容易に実現できる電子素子を提供することにある。

本発明の第２の目的は、同一層内に半導体領域と導体領域とを隣接して有する簡素な構造を、簡易な工程で、しかも両領域の界面に不純物の汚染を生ずることなく作製することができる電子素子の製造方法を提供することにある。

本発明による電子素子は、透明酸化物からなる透明酸化物層を備え、この透明酸化物層内に、導電性を示す導体領域と半導体的性質を示す半導体領域とを隣接して有するものである。なお、本明細書においては、透明酸化物等の「透明」とは、好ましくは５００ｎｍ〜６００ｎｍ，より好ましくは４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光領域のうち、８０％以上の領域の可視光が、８０％以上透過可能な透光性を有する、との意である。

具体的には、例えば、透明酸化物層内に導体領域（ソース電極）／半導体領域（チャネル領域）／導体領域（ドレイン領域）からなる構造を有すると共に、絶縁層を間にしてチャネル領域に対向する位置に導電性層（ゲート電極）を有する透明トランジスタと実現される。

導体領域は、具体的には、非晶質の酸化亜鉛（ＺｎＯ），非晶質の酸化スズ（ＳｎＯ₂ ），非晶質の酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）およびインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）からなる群のうち少なくとも一種から形成される、または、酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）および酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）からなる群のうち少なくとも一種に対して、ホウ素（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ），タリウム（Ｔｌ），フッ素（Ｆ），塩素（Ｃｌ），臭素（Ｂｒ），ヨウ素（Ｉ），リチウム（Ｌｉ），ナトリウム（Ｎａ），鉄（Ｆｅ），カリウム（Ｋ），ルビジウム（Ｒｂ），セシウム（Ｃｓ），窒素（Ｎ），リン（Ｐ），ヒ素（Ａｓ），アンチモン（Ｓｂ），ビスマス（Ｂｉ），チタン（Ｔｉ），ケイ素（Ｓｉ），ニッケル（Ｎｉ），コバルト（Ｃｏ）および亜鉛（Ｚｎ）からなる群のうち少なくとも一種の元素を添加して形成されたものである。

半導体領域は、結晶化した酸化亜鉛（ＺｎＯ），結晶化した酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）および結晶化した酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）からなる群のうち少なくとも一種により形成される、または、酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）および酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）からなる群のうち少なくとも一種に酸素を添加して形成されたものである。

なお、本明細書においては、「導体領域」とは、電気伝導度σが２×１０² Ｓ／ｃｍ以上、「半導体領域」とは、電気伝導度σが１×１０^-9〜１×１０^-2Ｓ／ｃｍの範囲の領域をいうものとする。

本発明の電子素子は，以下の第１〜第５の方法により製造することができる。

本発明による第１の電子素子の製造方法は、酸素を含む雰囲気あるいは溶液中で、透明導電性酸化物層の一部領域に電界を励起してその部分に酸素を注入することにより導体領域に隣接して半導体領域を形成するものである。電界励起の方法は、例えば透明導電性酸化物層を陽極、原子間力顕微鏡または走査型トンネル顕微鏡の探針を陰極として、陰極に負のバイアスを印加して電界を励起する方法がある。

本発明の第１の電子素子の製造方法では、透明導電性酸化物層の一部に電界を励起することにより透明導電性酸化物層に酸素が注入され、その注入領域の電気伝導度が低下して半導体領域となる。これにより、同一層内に導体領域と半導体領域との接合部が形成される。

本発明による第２の電子素子の製造方法は、酸素を含む雰囲気あるいは溶液中で、透明導電性酸化物層の一部を、例えばレーザビームにより加熱してその部分に酸素を注入することにより導体領域に隣接して半導体領域を形成するものである。この方法では、透明導電性酸化物層の一部が加熱されると、その部分が溶解したのち、冷却されるに伴い結晶化し、また、酸素が注入されるに伴い電気伝導度が低下して半導体領域となる。

本発明による第３の電子素子の製造方法は、ホウ素（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ），タリウム（Ｔｌ），フッ素（Ｆ），塩素（Ｃｌ），臭素（Ｂｒ），ヨウ素（Ｉ），リチウム（Ｌｉ），ナトリウム（Ｎａ），鉄（Ｆｅ），カリウム（Ｋ），ルビジウム（Ｒｂ），セシウム（Ｃｓ），窒素（Ｎ），リン（Ｐ），ヒ素（Ａｓ），アンチモン（Ｓｂ），ビスマス（Ｂｉ），チタン（Ｔｉ），ケイ素（Ｓｉ），ニッケル（Ｎｉ），コバルト（Ｃｏ）および亜鉛（Ｚｎ）からなる群のうち少なくとも一種を含む雰囲気中で、透明半導体性酸化物層の一部を加熱してその部分に前記雰囲気中の元素を注入することにより、半導体領域に隣接して導体領域を形成するものである。この方法では、半導体層の一部が加熱されると、その部分が溶解したのち、冷却されるに伴い結晶化し、また、上記元素が注入されることにより電気伝導度が上昇して導体領域となる。これにより、同一層内に導体領域と半導体領域との接合部が形成される。

本発明による第４の電子素子の製造方法は、酸素を含む透明半導体性酸化物層の一部を、真空中または還元雰囲気中で加熱してその部分から酸素を離脱させることにより半導体領域に隣接して導体領域を形成するものである。この方法では、半導体層の一部が真空中または還元雰囲気中で加熱され、その部分から酸素が離脱することにより電気伝導度が上昇して導体領域となる。

本発明による第５の電子素子の製造方法は、ホウ素（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ），タリウム（Ｔｌ），フッ素（Ｆ），塩素（Ｃｌ），臭素（Ｂｒ），ヨウ素（Ｉ），リチウム（Ｌｉ），ナトリウム（Ｎａ），鉄（Ｆｅ），カリウム（Ｋ），ルビジウム（Ｒｂ），セシウム（Ｃｓ），窒素（Ｎ），リン（Ｐ），ヒ素（Ａｓ），アンチモン（Ｓｂ），ビスマス（Ｂｉ），チタン（Ｔｉ），ケイ素（Ｓｉ），ニッケル（Ｎｉ），コバルト（Ｃｏ）および亜鉛（Ｚｎ）からなる群のうち少なくとも一種を含む透明導電性酸化物層の一部を、真空中または還元雰囲気中で加熱してその部分から前記添加元素を離脱させることにより導体領域に隣接して半導体領域を形成するものである。この方法では、透明導電性酸化物層の一部が加熱されると、その部分から上記元素が離脱し、電気伝導度が低下して半導体領域となる。

本発明の電子素子によれば、透明酸化物層内に、導電性を示す導体領域と半導体的性質を示す半導体領域とを隣接して有するものであり、不純物による汚染のない、簡素な構成の透明トランジスタ等を容易に実現することができる。

また、本発明の第１の電子素子の製造方法によれば、酸素を含む雰囲気あるいは溶液中で透明導電性酸化物層の一部に電界を励起し、酸素を注入させることにより半導体領域を形成するようにしたので、本発明の電子素子を簡易な工程で、かつ、不純物で汚染されることなく作製することができる。

特に、透明導電性酸化物層を陽極とし、原子間力顕微鏡または走査型トンネル顕微鏡の探針を陰極として、陰極に負のバイアスを印加して電界を励起するようにすれば、幅の狭い微細な半導体領域を形成することができる。よって、チャネル領域（半導体領域）のアスペクト比の大きな高性能の透明トランジスタを実現することができる。

また、本発明の第２の電子素子の製造方法によれば、酸素を含む雰囲気あるいは溶液中で透明導電性酸化物層の一部を加熱し、酸素を注入させることにより半導体領域を形成するようにしたので、本発明の電子素子を簡易な工程で、かつ、不純物で汚染されることなく作製することができる。

更に、本発明の第３の電子素子の製造方法によれば、ホウ素，アルミニウム等の元素を含む雰囲気中で、透明半導体性酸化物層の一部を加熱し、フッ素，塩素等を注入させることにより導体領域を形成するようにしたので、また、本発明の第４の電子素子によれば、透明半導体性酸化物層の一部を真空中または還元雰囲気中で加熱し、酸素を離脱させることにより導体領域を形成するようにしたので、更にまた、本発明の第５の電子素子の製造方法によれば、透明導電性酸化物層の一部を真空中または還元雰囲気中で加熱し、ホウ素，アルミニウムなどの元素を離脱させることにより半導体領域を形成するようにしたので、本発明の電子素子を簡易な工程で、かつ、不純物で汚染されることなく作製することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る透明トランジスタの断面構造を表すものである。なお、同図において各構成要素は、本発明が理解できる程度の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示したものである。

この透明トランジスタ１は、例えばガラス，サファイア，プラスチックなどの絶縁性の透明基板からなる基板１１の表面に、透明酸化物からなるゲート電極１２，例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）からなる、絶縁層１２ａおよび絶縁層（ゲート絶縁膜）１３，透明酸化物からなる透明酸化物層１７、および例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）からなる保護層１８を順次積層した構造を有する、所謂ボトムゲート型の透明トランジスタである。

透明酸化物層１７は両面が平坦面となっており、その内部にチャネル領域１６が設けられ、このチャネル領域１６の両側にソース電極１４およびドレイン電極１５が接して設けられている。

ゲート電極１２，ソース電極１４およびドレイン電極１５の各導体領域を構成する透明酸化物（透明導電性酸化物：ＴＣＯ）としては、例えば、非晶質であることにより、また、酸素欠損を多く含むことにより、あるいは不純物元素であるホウ素（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ），タリウム（Ｔｌ），フッ素（Ｆ），塩素（Ｃｌ），臭素（Ｂｒ），ヨウ素（Ｉ），リチウム（Ｌｉ），ナトリウム（Ｎａ），カリウム（Ｋ），ルビジウム（Ｒｂ），セシウム（Ｃｓ），窒素（Ｎ），リン（Ｐ），ヒ素（Ａｓ），アンチモン（Ｓｂ）またはビスマス（Ｂｉ）を含むことより電気伝導度が上昇し、導電性を示す酸化物が用いられる。

より具体的には、透明導電性酸化物としては、例えば、酸素欠損を含む酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸素欠損を含む酸化スズ（ＳｎＯ₂ ），酸素欠損を含む酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ），スズ・インジウム酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）の他、非晶質の酸化亜鉛（ＺｎＯ），非晶質の酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）あるいは非晶質の酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ），上述した不純物を含む酸化亜鉛などがある。不純物を含む酸化亜鉛のうち、ホウ素，アルミニウム，ガリウム，インジウム，タリウムのようなＩＩＩ族元素、フッ素，塩素，臭素，ヨウ素のようなＶＩＩ族元素を含むものはｎ型であり、リチウム，ナトリウム，カリウム，ルビジウム，セシウムのようなＩ族元素、窒素，リン，ヒ素, アンチモン，ビスマスのようなＶ族元素を含むものはｐ型である。なお、ゲート電極１２と、ソース電極１４およびドレイン電極１５とは同一のものにより形成されていてもよいし、異なるものにより形成されていてもよい。

チャネル領域１６は、ゲート電極１２，ソース電極１４およびドレイン電極１５の各電極よりも電気伝導度が低く半導体的性質を示す部分であり、上述した透明酸化物の結晶性を向上させることにより、あるいは酸素欠損を少なくすることにより、電気伝導度が低下したものであってもよいし、上述した元素の不純物濃度を減少させることにより電気伝導度を低下させたものであってもよい。

更に、透明酸化物層１７の厚みａは、０．０１〜１０μｍの範囲内であることが好ましく、０．０５〜３μｍの範囲内であればより好ましく、０．２〜１μｍの範囲内であれば特に好ましい。後述するように本実施の形態の透明トランジスタ１を製造する際に、注入する酸素の拡散を迅速にすることができ、また均一な結晶性を得ることができるからである。

絶縁層１２ａ，１３は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）の他、窒化ケイ素（ＳｉＮ_X ）などにより形成してもよい。

本実施の形態では、透明酸化物層１７上に保護層１８を設けるようにしたが、設けなくてもよい。但し、透明酸化物層１７に含まれる酸素，フッ素，塩素，臭素，窒素，リン，ホウ素，チタン，ケイ素，リチウム，ナトリウム，鉄，ニッケル，コバルトあるいは亜鉛の離脱を防止する観点からは、保護層１８を設けることが望ましい。このような保護層１８は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）の他、窒化ケイ素（ＳｉＮ_X ），フッ化カルシウム（ＣａＦ₂ ），酸化セリウム（ＣｅＯ₂ ）あるいは酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）などにより形成することができる。

次に、本実施の形態における透明トランジスタ１の製造方法について説明する。

まず、図２に示したように、スパッタリング法により、基板１１の上にゲート電極１２を形成する。次いで、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition:プラズマ化学気相成長）法により、絶縁層１２ａ，１３を形成する。続いて、スパッタリング法により絶縁層１３の表面に酸素欠損あるいは上記ホウ素などの不純物を含むことにより導電性を示す透明導電性酸化物層１９を形成する。

更に、透明導電性酸化物層１９を陽極とすると共に、この透明導電性酸化物層１９の上方に所定の間隔を隔てて、例えば走査型プローブ顕微鏡であるＡＦＭ（Atomic Force Microscope ：原子間力顕微鏡）またはＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscope ：走査型トンネル顕微鏡）の探針２１を陰極として配置する。そののち、この陰極側に、例えば大気中のように酸素を含む雰囲気において、電源２２により負のバイアスを印加しながら、探針２１を走査する。

これにより、探針２１が走査した部分の下部に位置する部分には、酸素が注入され電気伝導度が低下した半導体領域が形成される。すなわち、電気伝導度の高い導体領域（ソース電極１４およびドレイン電極１５）の間にチャネル領域１６が形成される。続いて、スパッタリング法により保護層１８を形成する。これにより図１に示した透明トランジスタ１が形成される。

ここで、探針２１としてＡＦＭあるいはＳＴＭを用いるのは、０．０１μｍ以下の幅の狭いチャネル領域１６を形成することができるからである。また、透明導電性酸化物層１９の厚みａ１は、０．０１〜１０μｍの範囲内であることが好ましく、０．０５〜３μｍの範囲内であればより好ましく、０．２〜１μｍの範囲内であれば特に好ましい。注入する酸素の拡散を迅速にすることができるからである。

本実施の形態では、負のバイアスの印加は、大気中のような酸素を含む雰囲気下で行っているが、透明導電性酸化物層１９に酸素元素を注入することができればよく、例えば酸素を含む溶液中で行ってもよい。なお、酸素を含む溶液とは、酸素が溶液中に溶け込んだ状態のものであってもよいし、酸素原子として溶液中に含まれていてもよい。

次に、本実施の形態における透明トランジスタ１の他の製造方法について説明する。

図３に示したように、基板１１の上に、上述した製造方法と同様にしてゲート電極１２，絶縁層１２ａ，１３および透明導電性酸化物層１９を形成する。次いで、透明導電性酸化物層１９の上方に所定の間隔を隔てて、円形の開口部３３を有するマスク３２を配置する。そののち、例えば、大気中で、このマスク３２越しに、例えばレーザ光源３１からレーザ光Ｌ１を照射する。これにより開口部３３を通過したレーザ光Ｌ１は、透明導電性酸化物層１９の一部を加熱する。

その際、透明導電性酸化物層１９の加熱された部分は、溶融したのち冷却するに伴って結晶化すると共に、大気中の酸素が注入されるため、電気伝導度が低下して半導体領域（チャネル領域１６）となる。続いて、スパッタリング法により保護層１８を形成する。これにより図１に示した透明トランジスタ１が形成される。なお、透明導電性酸化物層１９の厚みａ１、および加熱の際の雰囲気は、上述した製造方法と同様の理由により同じ条件とすることが好ましい。

レーザ光Ｌ１の照射による透明導電性酸化物層１９の加熱は上述のようにマスク３２を用いて行ったが、マスク３２を用いないで行ってもよい。

また、レーザの照射条件は、波長が２４９ｎｍのフッ化クリプトン（ＫｒＦ）レーザの場合、周波数が１〜１０Ｈｚ，出力が１０〜１００ｍＷが好ましい。あまり出力が高すぎると、例えば５００ｍＷ以上であると、透明導電性酸化物層１９から構成材料が離脱し始めてしまうからである。

〔第２の実施の形態〕
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る透明トランジスタの断面構造を表すものである。なお、第１の実施の形態と同一の構成要素については同一符号を付して、以下説明する。

この透明トランジスタ２は、基板１１の表面に、透明酸化物層１７、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）からなる絶縁層１３、および透明導電性酸化物からなるゲート電極１２が順次積層された構造を有する、所謂トップゲート型の透明トランジスタであることを除き、ボトムゲート型の第１の実施の形態とほぼ同じ構成であり、その製造方法も各要素の製造順が異なることを除き、他は同様である。

このように第１および第２の実施の形態の透明トランジスタの製造方法によれば、酸素を含む雰囲気あるいは溶液中で、透明導電性酸化物層１９の一部に電界を励起するようにしたので、その部分にのみ酸素を注入することができ、容易に半導体領域（チャネル領域１６）を形成することができる。また、チャネル領域１６の両側の領域が電気伝導性の高い導体領域であるので、これをソース電極１４およびドレイン電極１５とすることができる。よって、簡易な工程により同じ層内に導体領域と半導体領域とを隣接して形成することができると共に、これらの形成の際に、リソグラフィによりレジストパターンを形成する必要がないので、これらの領域の界面における汚染が少なくなり、その表面が平坦で簡素な構成の透明トランジスタ１，２を製造することができる。

特に、透明導電性酸化物層１９の厚みａ１を０．０１μｍ以上１０μｍ以下にすれば、注入する酸素の拡散を迅速にすることができる。

加えて、負のバイアスの印加を、ＡＦＭあるいはＳＴＭの探針２１を用いて行うようにしたので、チャネル領域１６の幅を狭くすることができると共に、アスペクト比を大きくすることができるので、透明トランジスタ１，２の特性が向上する。

また、酸素を含む雰囲気あるいは溶液中で、透明導電性酸化物層１９の一部を加熱する方法では、加熱部分を結晶化することができると共に酸素を注入することができ、これにより半導体領域（チャネル領域１６）を形成することができる。したがって、この方法によっても簡易な工程により、同じ層内に導体領域（ソース電極１４およびドレイン領域５）と半導体領域（チャネル領域１６）とを隣接して形成することができると共に、これらの形成の際にも、リソグラフィによりレジストパターンを形成する必要がないので、これらの領域の界面における汚染が少なく、その表面が平坦で簡素な構成の透明トランジスタ１，２を製造することができる。

［実験例］
なお、以下のような実験を行った。

（実験例１）
まず、図５に示すように、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）からなる基板３６の表面に、スパッタリング法により厚み４００ｎｍのスズ・インジウム酸化物層３７を形成した。そののち、スズ・インジウム酸化物層３７の表面に、所定の間隔を隔てて、金（Ａｕ）を蒸着して一対の電極３４Ａ，３４Ｂとした。このとき電極３４Ａ，３４Ｂの間に形成される溝３５の幅ｃ２は、０．１ｍｍであり、スズ・インジウム酸化物層３７および電極３４Ａ，３４Ｂの積層方向ならびに溝３５の幅方向に垂直な方向の長さＬは４ｍｍとした。これを真空中において、５５０Ｋで加熱したのち、１ａｔｍの酸素雰囲気下で、５５０Ｋで加熱しながら上記実施の形態で説明した方法により、スズ・インジウム酸化物層３７に酸素を注入した。その際、電極３４Ａ，３４Ｂ間には１Ｖのバイアスを印加した状態にし、スズ・インジウム酸化物層３７の電極３４Ａ，３４Ｂ間に流れる電流の時間変化を測定した。その結果を図６に示す。

図６からも分かるように、加熱の時間の経過と共に、スズ・インジウム酸化物層３７に流れる電流は減少し、約２時間経過後に一定となった。また、酸素注入前の室温における電気伝導度は３０Ｓ／ｃｍ（電圧１Ｖ）であったのに対して、電流値が一定になったのちの室温における電気伝導度は０．１Ｓ／ｃｍに低下した。すなわち、酸素雰囲気下でスズ・インジウム酸化物層３７を加熱するようにすれば、酸素が注入され、キャリア濃度を低くすることができることが分かった。

（実験例２）
まず、図７に示すように、ガラスからなる基板３８に、蒸着により厚みａ２が１００ｎｍ，幅ｂ１が２５μｍの酸化亜鉛（ＺｎＯ）層３９を形成した。次いで、図８に示すように酸化亜鉛層３９の長手方向の両側端を銀（Ａｇ）ペーストにより被覆して電極３４Ａ，３４Ｂを作製した。このとき、酸化亜鉛層３９における電極３４Ａ，３４Ｂ間の長さＬ２は５００μｍであった。

このように酸化亜鉛層３９が形成された素子を２組用意し、一方は真空中において、もう一方は大気中において、加熱したのち、酸化亜鉛層３９に流れる電流の値を測定した。図９に加熱温度と流れる電流の値との関係を示す。なお、各加熱温度における加熱時間は２０時間とした。

図９からも分かるように、大気中で加熱すると、真空中で加熱する場合に比べて流れる電流の値は小さかった。また、５５０℃において加熱したのち、室温において測定した電気伝導度は、真空中において加熱した場合は電気伝導度が１２Ｓ／ｃｍであったのに対して、空気中で加熱した場合には０．１Ｓ／ｃｍまで低下し、酸化亜鉛層３９の電気伝導度が９９％以上低下した。更に、５５０Ｋから３５０Ｋの温度領域における活性化エネルギーは、真空中で加熱した場合が１．６ｍｅＶであったのに対して、空気中で加熱した場合には８．９ｍｅＶと大きかった。

すなわち、大気中のように酸素を含む雰囲気下で酸化亜鉛層３９を加熱するようにすれば、酸素が注入され、電気伝導度が低下することが分かった。なお、空気中で加熱した際の低温領域における電流値が近似直線から外れているのは、酸化亜鉛層３９に電気伝導度の高い部分が残存しているからであると考えられる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、マスク３２に複数個の開口部３３を設けて、このマスク越しにレーザ光を照射することにより、電気伝導度の低い半導体領域を複数設けるようにしてもよい。

また、直線状の溝が周期的な間隔で形成された回折格子越しにレーザ光を照射することにより、溝部分に照射されるレーザ光を変調させ、電気伝導度の低い半導体領域を設けるようにしてもよい。

更に、上記実施の形態および実施例においては、透明導電性酸化物層の一部の領域を半導体領域に変化させることにより、導体領域と半導体領域との接合構造を形成するようにしたが、逆に、半導体的性質を示す透明半導体性酸化物層の一部を導体領域に変化させることにより、同じく導体領域と半導体領域との接合構造を形成するようにしてもよい。すなわち、フッ素，塩素，臭素，窒素などを含む雰囲気、水素化リン（ＰＨ₃ ）またはジボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）などのリン，ホウ素などを含む雰囲気、あるいはチタン，ケイ素，リチウム，ナトリウム，鉄，ニッケル，コバルトまたは亜鉛などの有機金属錯体などを含む雰囲気中で、透明半導体性酸化物にレーザ光を照射し、これらの元素を注入することにより電気伝導度を向上させて、導体領域に変化させることもできる。このような方法によっても上記実施の形態と同様に透明トランジスタなどの電子素子を作製することが可能になる。

なお、透明半導体性酸化物としては、結晶化した酸化亜鉛（ＺｎＯ），結晶化した酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）または結晶化した酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）などが挙げられる。

加えて、酸素を含むことにより半導体的性質を示す透明半導体性酸化物の一部を真空中あるいは水素などの還元雰囲気中でレーザ光を照射し、その部分から酸素を離脱させることにより電気伝導度を向上させて導体領域に変化させるようにしてもよい。また、真空中であれば、レーザ光による照射の他、電子線によって照射を行ってもよい。

更にまた、フッ素，塩素，臭素，窒素，リン，ホウ素，チタン，ケイ素，リチウム，ナトリウム，鉄，ニッケル，コバルトあるいは亜鉛を含有して導電性を示す透明導電性酸化物の一部に、真空中または水素などの還元雰囲気中においてレーザ光を照射し、その部分から上記元素を離脱させることにより電気伝導度を低下させて半導体領域に変化させるようにしてもよい。また、真空中であれば、レーザ光による照射の他、電子線によって照射を行ってもよい。

加えてまた、導体領域と半導体領域とを同一層内に有する透明酸化物層は、例えば、液晶表示装置，面発光レーザまたはエレクトロルミネセンスなどの発光素子の駆動用トランジスタとして用いることができ、また、メモリ用などのように光デバイス分野での多様な応用にも用いることができる。更に、駆動用としてだけでなく、半導体装置として各分野に応用することができる。なお、透明酸化物層は複数層を積層して用いてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る透明トランジスタの構成を表す断面図である。 図１に示した透明トランジスタの製造工程を表した図である。 図１に示した透明トランジスタの他の製造工程を表した図である。 本発明の第２の実施の形態に係る透明トランジスタの構成を表す断面図である。 実施例１の電子素子の構成を表す斜視図である。 実施例１の電子素子の加熱時間と流れる電流との関係を表す図である。 実施例２の電子素子の製造工程を表した図である。 図７に続く製造工程を表す図である。 実施例２の電子素子の加熱時間と流れる電流との関係を表す図である。 従来のボトムゲート型透明トランジスタの構成を表す断面図である。 従来の他のボトムゲート型透明トランジスタの構成を表す断面図である。 従来のトップゲート型透明トランジスタの構成を表す断面図である。 従来の他のトップゲート型透明トランジスタの構成を表す断面図である。

符号の説明

１，２…透明トランジスタ、１１，３６，３８…基板、１２…ゲート電極、１２ａ，１３…絶縁層、１４…ソース電極、１５…ドレイン電極、１６…チャネル領域、１７…透明酸化物層、１８…保護層、１９…透明導電性酸化物層、２１…探針、３２…マスク、３１…レーザ光源、３４Ａ，３４Ｂ…電極、３５…溝、３７…スズ・インジウム酸化物層、３９…酸化亜鉛層。

Claims (24)

1. 透明酸化物により形成された透明酸化物層を備え、前記透明酸化物層内に、導電性を示す導体領域と半導体的性質を示す半導体領域とを隣接して有する
   ことを特徴とする電子素子。
2. 前記透明酸化物層は、前記半導体領域の両側にそれぞれ一対の導体領域を隣接して有する
   ことを特徴とする請求項１記載の電子素子。
3. 前記導体領域は、非晶質の酸化亜鉛（ＺｎＯ），非晶質の酸化スズ（ＳｎＯ₂ ），非晶質の酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）およびインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）からなる群のうち少なくとも一種から形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の電子素子。
4. 前記導体領域は、酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）および酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）からなる群のうち少なくとも一種に対して、ホウ素，アルミニウム，ガリウム，インジウム，タリウム，フッ素，塩素，臭素，ヨウ素，リチウム，ナトリウム，カリウム，ルビジウム，セシウム，窒素，リン，ヒ素，アンチモン，ビスマス，チタン，ケイ素，鉄，ニッケル，コバルトおよび亜鉛からなる群のうち少なくとも一種の元素を添加して形成されたものである
   ことを特徴とする請求項１記載の電子素子。
5. 前記透明酸化物層は、０．０１μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の電子素子。
6. 前記半導体領域は、結晶化した酸化亜鉛（ＺｎＯ），結晶化した酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）および結晶化した酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）からなる群のうち少なくとも一種により形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の電子素子。
7. 前記半導体領域は、酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化スズ（ＳｎＯ₂ ），酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）およびインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）からなる群のうち少なくとも一種に酸素を添加して形成されたものである
   ことを特徴とする請求項１記載の電子素子。
8. 前記透明酸化物層の半導体領域に絶縁層を間にして、導電性を示す透明酸化物からなる他の導体領域を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の電子素子。
9. 前記透明酸化物層の少なくとも一部の表面に、酸素，ホウ素，アルミニウム，ガリウム，インジウム，タリウム，フッ素，塩素，臭素，ヨウ素，リチウム，ナトリウム，カリウム，ルビジウム，セシウム，窒素，リン，ヒ素，アンチモン，ビスマス，チタン，ケイ素，鉄，ニッケル，コバルトおよび亜鉛からなる群のうち少なくとも一種の元素の離脱を防ぐ保護層を備えている
   ことを特徴とする請求項４記載の電子素子。
10. 前記保護層は、二酸化ケイ素，窒化ケイ素，フッ化カルシウム，酸化セリウムおよび酸化アルミニウムからなる群のうち少なくとも一種から形成されている
    ことを特徴とする請求項９記載の電子素子。
11. 酸素を含む雰囲気あるいは溶液中で、透明導電性酸化物層の一部領域に電界を励起してその部分に酸素を注入することにより導体領域に隣接して半導体領域を形成する
    ことを特徴とする電子素子の製造方法。
12. 前記透明導電性酸化物層を陽極、原子間力顕微鏡または走査型トンネル顕微鏡の探針を陰極として、前記陰極に負のバイアスを印加して電界を励起する
    ことを特徴とする請求項１１記載の電子素子の製造方法。
13. 前記透明導電性酸化物層は、非晶質の酸化亜鉛（ＺｎＯ），非晶質の酸化スズ（ＳｎＯ₂ ），非晶質の酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）およびインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）からなる群のうち少なくとも一種から形成されている
    ことを特徴とする請求項１１記載の電子素子の製造方法。
14. 前記透明導電性酸化物層の厚みは、０．０１μｍ以上１０μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１１記載の電子素子の製造方法。
15. 酸素を含む雰囲気あるいは溶液中で、透明導電性酸化物層の一部を加熱してその部分に酸素を注入することにより導体領域に隣接して半導体領域を形成する
    ことを特徴とする電子素子の製造方法。
16. レーザビームにより加熱する
    ことを特徴とする請求項１５記載の電子素子の製造方法。
17. 前記透明導電性酸化物層は、非晶質の酸化亜鉛（ＺｎＯ），非晶質の酸化スズ（ＳｎＯ₂ ），非晶質の酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）およびインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）からなる群のうち少なくとも一種から形成されている
    ことを特徴とする請求項１５記載の電子素子の製造方法。
18. 前記透明導電性酸化物層の厚みは、０．０１μｍ以上１０μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１５記載の電子素子の製造方法。
19. ホウ素，アルミニウム，ガリウム，インジウム，タリウム，フッ素，塩素，臭素，ヨウ素，リチウム，ナトリウム，カリウム，ルビジウム，セシウム，窒素，リン，ヒ素，アンチモン，ビスマス，チタン，ケイ素，鉄，ニッケル，コバルトおよび亜鉛からなる群のうち少なくとも一種を含む雰囲気中で、透明半導体性酸化物層の一部を加熱してその部分に前記雰囲気中の元素を注入することにより半導体領域に隣接して導体領域を形成する
    ことを特徴とする電子素子の製造方法。
20. レーザビームにより加熱する
    ことを特徴とする請求項１９記載の電子素子の製造方法。
21. 前記透明半導体酸化物層は、結晶化した酸化亜鉛（ＺｎＯ），結晶化した酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）および結晶化した酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）からなる群のうち少なくとも一種により形成されている
    ことを特徴とする請求項１９記載の電子素子の製造方法。
22. 前記透明半導体酸化物層の厚みは、０．０１μｍ以上１０μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１９記載の電子素子の製造方法。
23. 酸素を含む透明半導体性酸化物層の一部を、真空中または還元雰囲気中で加熱してその部分から酸素を離脱させることにより半導体領域に隣接して導体領域を形成する
    ことを特徴とする電子素子の製造方法。
24. ホウ素，アルミニウム，ガリウム，インジウム，タリウム，フッ素，塩素，臭素，ヨウ素，リチウム，ナトリウム，カリウム，ルビジウム，セシウム，窒素，リン，ヒ素，アンチモン，ビスマス，チタン，ケイ素，鉄，ニッケル，コバルトおよび亜鉛からなる群のうち少なくとも一種を含む透明導電性酸化物層の一部を、真空中または還元雰囲気中で加熱してその部分から前記添加元素を離脱させることにより導体領域に隣接して半導体領域を形成する
    ことを特徴とする電子素子の製造方法。
    

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