JP5626978B2 - 薄膜トランジスタおよびその製造方法、並びにその薄膜トランジスタを備えた装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸化物半導体膜を備えた薄膜トランジスタ及び、その製造方法に関するものである。また、本発明は、その薄膜トランジスタを用いた表示装置、イメージングセンサー及びＸ線デジタル撮影装置等の装置に関するものである。

近年、In-Ga-Zn-O系(ＩＧＺＯ)の酸化物半導体薄膜を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。上記酸化物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透明薄膜トランジスタを形成することが可能である。

表１に各種トランジスタ特性の移動度、プロセス温度等の比較表を示す。

従来のポリシリコン薄膜トランジスタは１００ｃｍ²／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、アモルファスシリコン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１ｃｍ²／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有機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。

すなわち、３００℃程度以下の、比較的低温での形成が可能で、かつ１００ｃｍ²／Ｖｓ程度以上の高移動度を有する薄膜トランジスタを実現することは困難である。

トランジスタのキャリア移動度を向上させる方法として、電子親和力の異なる異種半導体を接合させ、量子井戸をトランジスタのチャネルとして利用するＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスタ）構造が提案されている。酸化物半導体薄膜トランジスタにおいてはＺｎＯをＺｎＭｇＯで挟みこんだＨＥＭＴ構造デバイスを作製し、１４０ｃｍ²／Ｖｓという高い移動度が得られた文献報告がなされている（非特許文献１）。

また、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタにおいて、物理量の異なるＩＧＺＯ膜を多層構造にして活性層として用いる薄膜トランジスタが提案されている。特許文献１には、非晶質酸化物を含む活性層が、第１の領域と、第１の領域よりもゲート絶縁膜に近い第２の領域とを含む２層構造となっており、第２の領域の酸素濃度が、第１の領域の酸素濃度より高いことを特徴とする電界効果型トランジスタについて記載がなされている。このような構造にすることにより、ゲート絶縁膜側の活性層の電気抵抗が高くなることから、チャネルが非晶質酸化物の内部に形成され、リーク電流を減らすことが可能であることが記載されている。

また、特許文献２には、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体薄膜と、ａ−Ｓｉ薄膜との多層構造から成る活性層を有する薄膜トランジスタが提案されている。エネルギーバンドギャップが小さいａ−Ｓｉ膜を、よりエネルギーギャップの大きいＩＧＺＯ膜で挟み込むことで、層厚方向について活性層中心のａ−Ｓｉ部分にキャリアが集中し、電界効果移動度が従来のａ−Ｓｉ膜と比較して上昇したとの記載がある。

特許文献３には、電界効果移動度が高く、高ＯＮ／ＯＦＦ比を示すアモルファス酸化物半導体を用いた電界効果型トランジスタとして、活性層とソース／ドレイン電極との間にＧａ含有率が活性層の酸化物のＧａ含有率より高い酸化物を含有する抵抗層を備えた構成が開示されている。

特開２００６−１６５５２９号公報 特開２００９−１７０９０５号公報 特開２０１０−０７３８８１号公報

K. Koike et al., Applied Physics Letters, 87 (2005) 112106

しかしながら、特許文献１では、活性層の電子親和力差によってキャリア走行層にキャリアを供給する設計になっていない。又、リーク電流を減らすことが可能であるとの記載があるが、十分なキャリア密度が得られず、結果的に十分な移動度が得られないという問題点がある。

非特許文献１では高移動度を得るために、分子線エピタキシー法(ＭＢＥ法)によるエピタキシャル成長により、ヘテロ構造電界効果トランジスタ(ＨＥＭＴ)を作製しており、基板と半導体膜層との格子不整合を極めて小さくする必要がある。そのため基板温度を７００℃超に加熱する必要があり、基材の選択性を著しく低下させるという問題点がある。

特許文献２では量子井戸部であるキャリア走行層に酸化物半導体と比較して１桁程度移動度の低い非晶質シリコンを用いているために、十分な移動度が得られない。又、酸化物半導体であるＩＧＺＯ膜と非酸化物であるａ−Ｓｉという異種半導体材料を接合しており、良好な接合界面が得られないという問題点がある。

特許文献３では、活性層となるＩＧＺＯ膜のキャリア濃度を損なうことなく、Ｏｎ／Ｏｆｆ比を向上させる手段として電極層と活性層の間に抵抗層を挿入する事が提案されているが、電子親和力による設計は考慮されておらず、抵抗層から活性層への十分なキャリアの流入が無いために、従来のＩＧＺＯ単膜の移動度を上回るような電界効果移動度は得られないという問題点がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、酸化物半導体、特にＩＧＺＯ系の酸化物半導体に関して、低温(例えば３００℃以下)で作製可能であり、高い電界効果移動度を示す薄膜トランジスタ及び、その製造方法を提供することを目的とするものである。また、本発明は、チャネル層において高い電子移動度を有する薄膜トランジスタを備えた装置を提供することを目的とする。

本発明の薄膜トランジスタは、基板上に、活性層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを有する薄膜トランジスタであって、
前記活性層が、前記ゲート電極側に前記ゲート絶縁膜を介して配置された、第１の電子親和力を有する第１の領域と、前記ゲート電極に遠い側に配置された、前記第１の電子親和力よりも小さい第２の電子親和力を有する第２の領域とを含み、
前記活性層の膜厚方向において、前記第１の領域を井戸層、前記第２の領域と前記ゲート絶縁膜とを障壁層とする井戸型ポテンシャルが構成されており、
前記活性層が、ａ（Ｉｎ₂Ｏ₃）・ｂ（Ｇａ₂Ｏ₃）・ｃ（ＺｎＯ）から成る酸化物半導体層であり（ここでａ、ｂ、ｃは、それぞれａ≧０、ｂ≧０、ｃ≧０、かつａ＋ｂ≠０、ｂ＋ｃ≠０、ｃ＋ａ≠０である。）、前記第２の領域のｂ／（ａ＋ｂ）が前記第１の領域のｂ／（ａ＋ｂ）よりも大きいことを特徴とする。

図１に半導体電子構造のパラメータを示す。電子親和力（χ）とは、電子を一つ付与するのに要するエネルギーを意味し、半導体の場合は伝導体下端（Ｅ_Ｃ）から真空準位（Ｅ_Ｖａｃ）までのエネルギー差を指す。電子親和力は図１に示すように、イオン化ポテンシャル（Ｉ）とバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）の差から求めることが可能である。イオン化ポテンシャル（Ｉ）は光電子分光測定から、バンドギャップエネルギー（Ｅｇ）は透過スペクトル測定および反射スペクトル測定から得ることが可能である。

すなわち、本発明の薄膜トランジスタは、図２（Ａ）にそのポテンシャル構造を示すように、ａ（Ｉｎ₂Ｏ₃）・ｂ（Ｇａ₂Ｏ₃）・ｃ（ＺｎＯ）から成る酸化物半導体層がそのゲート電極側（図２（Ａ）においてはゲート絶縁膜側）から膜厚方向に第１の領域Ａ_１、第２の領域Ａ_２、を含み、第１の領域Ａ_１の電子親和力χ_１が、第２の領域の電子親和力χ_２よりも大きく井戸型ポテンシャルを構成し、前記第２の領域のｂ／（ａ＋ｂ）を、前記第１の領域のｂ／（ａ＋ｂ）よりも大きくすることで、第１の領域Ａ_１と第２の領域Ａ_２との電子親和力差を付与することを特徴とする。

なおここで、「領域」とは、膜厚方向における３次元的な領域（部分）を示すものである。なお、酸化物半導体層の第１、第２の領域は同種の材料により構成されているものとしている。同種とは、膜を構成する元素種が同一で、カチオン組成比や酸素濃度が異なるもの、または、構成元素の一部に、異なる元素がドーピングされているものを意味する。例えば、互いにＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）が異なるＩＧＺＯ膜は同種であり、ＩＧＺＯ膜とＺｎの一部にＭｇをドープしたＩＧＺＯ膜とは同種である。

領域Ａ_１、Ａ_２においてｂ／（ａ＋ｂ）を変調することによって各領域間にポテンシャル差（電子親和力差）を付与させることが出来る。又、領域Ａ_１の酸素濃度を領域Ａ_２の酸素濃度よりも大きくすることによって、更なる電子親和力差を付与することが出来る。本発明においてはｂ／（ａ＋ｂ）と酸素濃度を同時に変調させても良い。

ここで、前記第１、第２の領域におけるカチオン組成比を変調、および／または、酸素濃度変調による電子親和力差は０．１７ｅＶ以上、１．３ｅＶ以下であることが望ましく、更には、第１、第２の領域における電子親和力差が０．３２ｅＶ以上、１．３ｅＶ以下である事が望ましい。

第１、第２の領域の電子親和力差が、０．１７ｅＶ以上であると、第２の領域から第１の領域へ効率的にキャリアが流れ込み、高いキャリア濃度と移動度を得ることができる。

又、本発明の薄膜トランジスタにおいて、電子親和力差を増大させていくと第１の領域に供給されるキャリア量が上昇し、移動度が増大していく振る舞いが見られる。酸化物半導体層中のＩｎ、Ｇａ、ＺｎのうちＺｎ組成比を固定したままｂ／（ａ＋ｂ）を変調して電子親和力差を増大していくと最大で凡そ１．３ｅＶの電子親和力差が得られる。これ以上の電子親和力差を得るためには例えば、活性層中のＺｎ量を大幅に変調する手法があるが、Ｚｎ量を大幅に変調すると酸化物半導体層におけるアモルファス構造が不安定になり、ＴＦＴ特性の不安定性、不均一性を招くことから、上記電子親和力差は１．３ｅＶ以下であることが望ましい。

本発明の薄膜トランジスタにおいては、酸化物半導体層は非晶質膜であることが好ましい。
前記酸化物半導体層が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、その酸化物半導体層は非晶質であると判断することができる。

本発明の薄膜トランジスタは、ａ（Ｉｎ₂Ｏ₃）・ｂ（Ｇａ₂Ｏ₃）・ｃ（ＺｎＯ）から成る酸化物半導体を活性層に用い、第１の領域Ａ_１のｂ／（ａ＋ｂ））が０．５よりも小さいことが望ましい。
更に好ましくは、第１の領域Ａ_１のｂ／（ａ＋ｂ）が０．４よりも小さく、かつ、第２の領域Ａ_２のｂ／（ａ＋ｂ）が０．６以上であることが望ましい。

本発明の薄膜トランジスタにおいては、前記基板が可撓性を有するものであることが望ましい。

可撓性を有する基板としては、飽和ポリエステル／ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）系樹脂基板、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂基板、架橋フマル酸ジエステル系樹脂基板、ポリカーボネート（ＰＣ）系樹脂基板、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）樹脂基板、ポリスルフォン（ＰＳＦ，ＰＳＵ）樹脂基板、ポリアリレート（ＰＡＲ）樹脂基板、環状ポリオレフィン（ＣＯＰ，ＣＯＣ）樹脂基板、セルロース系樹脂基板、ポリイミド（ＰＩ）樹脂基板、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂基板、マレイミド−オレフィン樹脂基板、ポリアミド（ＰＡ）樹脂基板、アクリル系樹脂基板、フッ素系樹脂基板、エポキシ系樹脂基板、シリコーン系樹脂フィルム基板、ポリベンズアゾール系樹脂基板、エピスルフィド化合物による基板、液晶ポリマー（ＬＣＰ）基板、シアネート系樹脂基板、芳香族エーテル系樹脂基板、酸化ケイ素粒子との複合プラスチック材料からなる基板、金属ナノ粒子、無機酸化物ナノ粒子、無機窒化物ナノ粒子などのナノ粒子との複合プラスチック材料からなる基板、金属系・無機系のナノファイバーおよびマイクロファイバーとの複合プラスチック材料からなる基板、カーボン繊維、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、ガラスフェレーク、ガラスファイバー、ガラスビーズとの複合プラスチック材料からなる基板、粘土鉱物や、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、薄いガラスと上記単独有機材料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材料からなる基板、無機層（例えば、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ_xＮ_y）と有機層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、ステンレスと異種金属を積層した金属多層基板、アルミニウム基板、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してある酸化被膜付きのアルミニウム基板などが挙げられる。

本発明の第１の薄膜トランジスタの製造方法は、基板上に、活性層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを有する薄膜トランジスタであって、前記活性層が、前記ゲート電極側に前記ゲート絶縁膜を介して配置された、第１の電子親和力を有する第１の領域と、前記ゲート電極に遠い側に配置された、前記第１の電子親和力よりも小さい第２の電子親和力を有する第２の領域とを含み、該活性層の膜厚方向において、前記第１の領域を井戸層、前記第２の領域と前記ゲート絶縁膜とを障壁層とする井戸型ポテンシャルが構成されるように、前記活性層として、ａ（Ｉｎ₂Ｏ₃）・ｂ（Ｇａ₂Ｏ₃）・ｃ（ＺｎＯ）からなる酸化物半導体層（ここでａ、ｂ、ｃは、それぞれａ≧０、ｂ≧０、ｃ≧０、かつａ＋ｂ≠０、ｂ＋ｃ≠０、ｃ＋ａ≠０である。）をスパッタ法により成膜する成膜工程を含み、
該成膜工程において、成膜室内を第１の酸素分圧／アルゴン分圧下で前記第１の領域を成膜し、前記成膜室内を第２の酸素分圧／アルゴン分圧下で、第１の領域のｂ／（ａ＋ｂ）よりも大きいｂ／（ａ＋ｂ）となる組成比の前記第２の領域を成膜することを特徴とする。

ここで、前記第２の酸素分圧/アルゴン分圧を、前記第１の酸素分圧/アルゴン分圧より小さくすることが望ましい。

本発明の第２の薄膜トランジスタの製造方法は、基板上に、活性層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを有する薄膜トランジスタであって、前記活性層が、前記ゲート電極側に前記ゲート絶縁膜を介して配置された、第１の電子親和力を有する第１の領域と、前記ゲート電極に遠い側に配置された、前記第１の電子親和力よりも小さい第２の電子親和力を有する第２の領域とを含み、該活性層の膜厚方向において、前記第１の領域を井戸層、前記第２の領域と前記ゲート絶縁膜とを障壁層とする井戸型ポテンシャルが構成されるように、前記活性層として、ａ（Ｉｎ₂Ｏ₃）・ｂ（Ｇａ₂Ｏ₃）・ｃ（ＺｎＯ）からなる酸化物半導体層（ここでａ、ｂ、ｃは、それぞれａ≧０、ｂ≧０、ｃ≧０、かつａ＋ｂ≠０、ｂ＋ｃ≠０、ｃ＋ａ≠０である。）をスパッタ法により成膜する成膜工程を含み、
該成膜工程が、前記第１の領域と、第１の領域のｂ／（ａ＋ｂ）よりも大きいｂ／（ａ＋ｂ）となる組成比の前記第２の領域とを成膜する工程を含み、前記第１の領域の成膜中および／または該第１の領域を成膜した後に、該第１の領域の成膜面に酸素含有ラジカルを照射する工程を含むことを特徴とする。

本発明の第３の薄膜トランジスタの製造方法は、基板上に、活性層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを有する薄膜トランジスタであって、前記活性層が、前記ゲート電極側に前記ゲート絶縁膜を介して配置された、第１の電子親和力を有する第１の領域と、前記ゲート電極に遠い側に配置された、前記第１の電子親和力よりも小さい第２の電子親和力を有する第２の領域とを含み、該活性層の膜厚方向において、前記第１の領域を井戸層、前記第２の領域と前記ゲート絶縁膜とを障壁層とする井戸型ポテンシャルが構成されるように、前記活性層として、ａ（Ｉｎ₂Ｏ₃）・ｂ（Ｇａ₂Ｏ₃）・ｃ（ＺｎＯ）からなる酸化物半導体層（ここでａ、ｂ、ｃは、それぞれａ≧０、ｂ≧０、ｃ≧０、かつａ＋ｂ≠０、ｂ＋ｃ≠０、ｃ＋ａ≠０である。）をスパッタ法により成膜する成膜工程を含み、
該成膜工程が、前記第１の領域と、第１の領域のｂ／（ａ＋ｂ）よりも大きいｂ／（ａ＋ｂ）となる組成比の前記第２の領域とを成膜する工程を含み、前記第１の領域の成膜中および／または第１の領域の成膜後に、オゾン雰囲気中にて該第１の領域の成膜面に紫外線を照射する工程を含むことを特徴とする。

なお、本発明の第１から第３の薄膜トランジスタの製造方法においては、いずれも前記成膜工程の間、成膜基板を大気に曝さないことが望ましい。

本発明の表示装置は、本発明の薄膜トランジスタを備えたことを特徴とするものである。

本発明イメージセンサーは、本発明の薄膜トランジスタを備えたことを特徴とするものである。

本発明のＸ線センサーは、本発明の薄膜トランジスタを備えたことを特徴とするものである。

本発明のＸ線デジタル撮影装置は、本発明のＸ線センサーを備えたことを特徴とするものである。

本発明の薄膜トランジスタは、ａ（Ｉｎ₂Ｏ₃）・ｂ（Ｇａ₂Ｏ₃）・ｃ（ＺｎＯ）からなる酸化物半導体層の第１の領域が、より電子親和力の小さな第２の領域と接しており、第１の領域の伝導帯下端が第２の領域、及びゲート絶縁膜をポテンシャル障壁とする井戸型ポテンシャル構造を形成する。その結果、第１の領域への電子キャリアの流れ込みが起こり、第１の領域の組成比や酸素欠損量を変化させることなく、キャリア密度を高めることができるので高い移動度を有するものとすることができる。

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、酸素欠損量を増やすことがなされるが、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、移動度を低下させる要因となる。本発明においては、井戸層となる第１の領域において酸素欠損量を増やす必要がないので、井戸型ポテンシャル構造によるキャリアの増大に加え、チャネル層となる第１の領域中の酸素欠損による移動度低下が抑制され、更なる移動度の向上が可能である。

本発明の薄膜トランジスタはａ（Ｉｎ₂Ｏ₃）・ｂ（Ｇａ₂Ｏ₃）・ｃ（ＺｎＯ）からなる酸化物半導体層は、第１、第２の領域において同種の材料で形成されていることから、チャネル層となる第１の領域が、異種材料と接している場合に比べて界面での欠陥密度が低減され、均一性、安定性、信頼性の観点からも優れた薄膜トランジスタを提供することができる。又同時に、チャネル層となる第１の領域が外気に晒されていないために、経時や素子の置かれている環境下に依存する素子特性劣化が低減される。

本発明において、酸化物半導体層が非晶質膜であれば、３００℃以下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。従って薄膜トランジスタ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。

本発明の表示装置は、高い移動度を有する本発明の薄膜トランジスタを備えているので、低消費電力かつ高品位な表示を実現することができる。

本発明のＸ線センサーは、信頼性に優れた本発明の薄膜トランジスタを備えるため、Ｓ／Ｎが高く、高い感度特性を実現することができる。

本発明のＸ線デジタル撮影装置は、そのＸ線センサーに高い移動度を有するトランジスタを備えているので、軽量かつフレキシブル性を有し、かつ広いダイナミックレンジの画像が得られ、その高速性から特に動画撮影に好適である。

半導体電子構造のパラメータを説明するための図 （Ａ）電子親和力差によるポテンシャル構造を示す図および（Ｂ）バンドギャップエネルギー構造を示す図 （Ａ）トップゲート−トップコンタクト型、（Ｂ）トップゲート−ボトムコンタクト型、（Ｃ）ボトムゲート−トップコンタクト型、（Ｄ）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 ＩＧＺＯ積層膜の（Ａ）積層直後、（Ｂ）２５０℃アニール処理後、（Ｃ）５００℃アニール処理後を示す断面ＳＴＥＭ像 サンプル１〜５についてのＴａｕｃプロットを示す図 図５から導いたバンドギャップエネルギーの組成比依存を示す図 サンプル１〜５についての励起光エネルギーと規格化光電子収率を示す図 図７から求めたイオン化ポテンシャルの組成依存性を示す図 電子親和力の組成依存性を示す図 （Ａ）サンプル６、７、（Ｂ）サンプル８、９についてのＴａｕｃプロットを示す図 図１０から導いたバンドギャップエネルギーの酸素分圧／アルゴン分圧依存性を示す図 （Ａ）サンプル６、７、（Ｂ）サンプル８、９についての励起光エネルギーと規格化電子収率を示す図 図１２から導いたイオン化ポテンシャルの酸素分圧／アルゴン分圧依存性を示す図 電子親和力の酸素分圧／アルゴン分圧依存性を示す図 （Ａ）比抵抗、（Ｂ）キャリア密度、（Ｃ）移動度のＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）依存性をそれぞれ示す図 実施形態の液晶表示装置の一部分を示す概略断面図 図１６の液晶表示装置の電気配線の概略構成図 実施形態の有機ＥＬ表示装置の一部分を示す概略断面図 図１８の有機ＥＬ表示装置の電気配線の概略構成図 実施形態のＸ線センサーアレイの一部分を示す概略断面図 図２０のＸ線センサーアレイの電気配線の概略構成図 実施例及び比較例のＶｇ−Ｉｄ特性を表す図 実施例１、２、３、比較例１における移動度μのポテンシャル深さΔχ依存性を示す図

以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。

＜薄膜トランジスタ＞
図３（Ａ）から（Ｄ）は、本発明の第１〜第４の実施形態の薄膜トランジスタ１〜４の構成を模式的に示す断面図である。図３（Ａ）〜（Ｄ）の各薄膜トランジスタにおいて、共通の要素には同一の符号を付している。

本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタ１〜４は、基板１１上に、活性層１２と、ソース電極１３と、ドレイン電極１４と、ゲート絶縁膜１５と、ゲート電極１６とを有し、活性層１２が、膜厚方向に井戸型ポテンシャルを構成する第１、第２の領域Ａ_１、Ａ_２を備えている（図３（Ａ）〜（Ｄ）参照）。

活性層１２はａ（Ｉｎ₂Ｏ₃）・ｂ（Ｇａ₂Ｏ₃）・ｃ（ＺｎＯ）で表される酸化物半導体層（ＩＧＺＯ層）から成り、第１の領域Ａ_１は、井戸型ポテンシャル（図２（Ａ）参照）の井戸部となる第１の電子親和力χ_１を有する領域であり、第２の領域Ａ_２は、第１の領域Ａ_１よりもゲート電極１６に遠い側に配置された、第１の電子親和力χ_１よりも小さい第２の電子親和力χ_２を有し、且つ第１の領域よりもカチオン組成比ｂ／（ａ＋ｂ）が大きいことを特徴とする領域である。

又、本発明の薄膜トランジスタ１〜４においては、第１、第２の領域は連続成膜され、第１、第２の領域間に電極層等の酸化物半導体層以外の層は挿入されないものとする。

領域Ａ_１、Ａ_２においてｂ／（ａ＋ｂ）を変調することによって各領域間にポテンシャル差（電子親和力差）を付与させることが出来る。又、領域Ａ_１の酸素濃度を領域Ａ_２の酸素濃度よりも大きくすることによって、更なる電子親和力差を付与することが出来、ポテンシャル井戸部に効率よくキャリアを集中させる事が出来る。同時に、領域Ａ_１の酸素濃度を高めることによって不純物散乱による移動度の低下を抑制し、更なる移動度の向上が可能である。本発明においてはｂ／（ａ＋ｂ）と酸素濃度を同時に変調させても良い。

図３（Ａ）に示す第１の実施形態の薄膜トランジスタ１は、トップゲート−トップコンタクト型のトランジスタであり、図３（Ｂ）に示す第２の実施形態の薄膜トランジスタ２は、トップゲート−ボトムコンタクト型のトランジスタであり、図３（Ｃ）に示す第３の実施形態の薄膜トランジスタ３は、ボトムゲート−トップコンタクト型のトランジスタであり、図３（Ｄ）に示す第４の実施形態の薄膜トランジスタ４は、ボトムゲート−ボトムコンタクト型のトランジスタである。
図３（Ａ）〜（Ｄ）に示す実施形態は、ゲート、ソース、ドレイン電極の、活性層（ＩＧＺＯ層）に対する配置が異なるが、同一符号を付与されている各要素の機能は同一であり、同様の材料を適応することができる。

以下、各構成要素について詳述する。

（基板）
薄膜トランジスタ１を形成するための基板１１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１１としては、例えば、ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニウム）やガラス等の無機材料、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−５００μｍの範囲となる。

（活性層）
活性層１２はＩＧＺＯ膜、より詳細にはａ（Ｉｎ₂Ｏ₃）・ｂ（Ｇａ₂Ｏ₃）・ｃ（ＺｎＯ）から成り、第１、第２の電子親和力χ_１、χ_２をそれぞれ有する第１、第２の領域Ａ_１、Ａ_２を備え、第１の電子親和力χ_１が第２の電子親和力χ_２よりも大きく、且つ領域Ａ_２におけるｂ／ａ＋ｂが、領域Ａ_１におけるｂ／（ａ＋ｂ）よりも大きいことを特徴とする。

積層方向に井戸型ポテンシャルを形成させるためには、各領域間でｂ／（ａ＋ｂ）を変調することによって各領域の電子親和力差を付与させる。又、第１の領域Ａ_１と第２の領域Ａ_２とのポテンシャルの差は第２の領域Ａ_２の酸素濃度を、第１の領域Ａ_１の酸素濃度より低くすることによっても井戸型ポテンシャルを形成する電子親和力差を付与することができる。各領域が共通の元素および組成比により構成されてなる場合、酸素濃度が高いほど電子親和力が大きい。

ここで、前記第１、第２の領域におけるｂ／（ａ＋ｂ）を変調、および酸素濃度変調による電子親和力差は０．１７ｅＶ以上、１．３ｅＶ以下であることが望ましく、更には、第１、第２の領域における電子親和力差が０．３２ｅＶ以上、１．３ｅＶ以下である事が望ましい。

第１、第２の領域の電子親和力差が、０．１７ｅＶ以上であると、第２の領域から第１の領域へ効率的にキャリアが流れ込み、高いキャリア濃度と高移動度を得ることができる。

又、本発明の薄膜トランジスタにおいて、電子親和力差を増大させていくと第１の領域に供給されるキャリア量が上昇し、移動度が増大していく振る舞いが見られる。酸化物半導体層中のＩｎ、Ｇａ、ＺｎのうちＺｎ組成比を固定したままｂ／（ａ＋ｂ）を変調して電子親和力差を増大していくと最大で凡そ１．３ｅＶの電子親和力差が得られる。これ以上の電子親和力差を得るためには例えば、活性層中のＺｎ量を大幅に変調する手法があるが、Ｚｎ量を大幅に変調すると酸化物半導体層におけるアモルファス構造が不安定になり、ＴＦＴ特性の不安定性、不均一性を招くことから、上記電子親和力差は１．３ｅＶ以下であることが望ましい。

酸素濃度の制御は、具体的には第２の領域の成膜時には相対的に酸素分圧の低い条件で成膜をし、第１の領域については成膜時の相対的に酸素分圧が高い条件で成膜をすることにより、あるいは、第１の領域成膜後に酸素ラジカルやオゾンを照射する処理を施すことにより膜の酸化を促進し、第１の領域中の酸素欠損量を低減させるなどにより行うことができる。

なお、第１の領域の酸素欠損量は極めて少なくすることが好ましい。従来酸化物半導体層をチャネル層として用いる場合には、移動度を高めるためにキャリア密度をある程度増やす必要があり、酸素欠損を意図的に形成する、すなわち酸素濃度を低くすることがなされてきた。しかしながら酸素欠損が多いと酸素欠陥自体がキャリアに対する散乱体となり移動度の低下を招くという問題があった。本発明ではチャネル層としてのキャリアは、第２の領域から供給されるため、第１の領域の酸素欠損量を極めて少ない状態にしても十分なキャリア密度、それに伴う移動度が得られる。

本発明の薄膜トランジスタは前記酸化物半導体層の第１の領域Ａ_１のｂ／（ａ＋ｂ）を、第２の領域Ａ_２のｂ／（ａ＋ｂ）よりも小さいものとすることが好ましい。更に、第１の領域Ａ_１のｂ／（ａ＋ｂ）が０．５以下であることが望ましい。更に好ましくは、第１の領域Ａ_１のａ／ａ＋ｂが０．６以上でかつ、第２の領域Ａ_２のｂ／ａ＋ｂが０．６以上であることが望ましい。

第１の領域と第２の領域のｂ／（ａ＋ｂ）の差を大きくすることにより、伝導帯下端のエネルギー差が大きくなり、効率よく電子キャリアを第１の領域に局在させることが可能となる。

また、本発明における活性層構成する第１の領域のＺｎ／Ｉｎ＋Ｇａ（前述の一般式においては２ｃ／（ａ＋ｂ）に相当）は０．５以上であることが好ましく、第２の領域の２ｃ／（ａ＋ｂ）は０．５以下であることが好ましい。２ｃ／（ａ＋ｂ）が大きくなるにつれて光学吸収端が長波長側にシフトし、２ｃ／（ａ＋ｂ）が大きくなることによりバンドギャップが狭くなる。そのため第１の領域に相対的に２ｃ／（ａ＋ｂ）の大きなＩＧＺＯ層を配置し、第２の領域に相対的に２ｃ／（ａ＋ｂ）の小さなＩＧＺＯ層を配置することにより伝導帯下端のエネルギー差を得ることができ、電子キャリアを第１領域に局在させることが可能である。２ｃ／（ａ＋ｂ）を制御する手法はｂ／（ａ＋ｂ）の差を大きくした膜に適用させることで、より深い井戸型ポテンシャル構造を形成することが可能であり、当然ｂ／（ａ＋ｂ）が各領域で同一の場合においても用いることが可能である。

また、ＩＧＺＯからなる酸化物半導体層の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ができる。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。例えば、第２の領域のみにＭｇをドープすることにより、より深い井戸型ポテンシャル構造を形成することができる。また、第１の領域と、第２の領域との間に、ｂ／（ａ＋ｂ）および２ｃ／（ａ＋ｂ）に差を持たせた状態で、各領域にＭｇをドープすることで、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎのみの組成比を制御した系に比べて、井戸障壁の高さを保ったまま、全体のバンドギャップを広くすることができる。

有機ＥＬに用いられる青色発光層は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。従って、特に有機ＥＬ駆動用に用いられる薄膜トランジスタとしては、チャネル層に用いる材料のバンドギャップが、より大きいことが好ましい。

ＩＧＺＯにおいてｂ／（ａ＋ｂ）を大きくすると光学吸収端が短波長側にシフトし、バンドギャップが広がるが、それと同時にｂ／（ａ＋ｂ）の大きな組成にすることで電気伝導性が低下する。すなわち、ｂ／（ａ＋ｂ）の大きなＩＧＺＯ膜を単独で薄膜トランジスタに用いた場合には、求めるようなトランジスタ特性（具体的には、数十〜１００ｃｍ^２／Ｖｓを超えるような移動度）は得られない（図１５（ｃ）参照。）。本発明では、バンドギャップの広いｂ／（ａ＋ｂ）の大きなＩＧＺＯ層（第２の領域）と、相対的にバンドギャップの狭いｂ／（ａ＋ｂ）の小さなＩＧＺＯ層（第１の領域）とを接合した構造を用いることにより、ゲート絶縁膜と活性層からなる井戸型ポテンシャルが形成され、第１の領域にキャリアを局在化させることが可能となる。

第１の領域のキャリア密度は第２の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ことができる。キャリア密度を増やしたい際には第２の領域の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。但し、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。

なお、３００℃以下の温度で成膜が可能であるという点から、酸化物半導体層は非晶質であることが好ましい。例えば、非晶質ＩＧＺＯ膜は基板温度２００℃以下で成膜可能である。

活性層１２のトータルの膜厚（総膜厚）は１０〜２００ｎｍ程度であることが好ましい。

（ソース・ドレイン電極）
ソース電極１３およびドレイン電極１４はいずれも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。

ソース電極１３およびドレイン電極１４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。

ソース電極１３およびドレイン電極１４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１５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。

ゲート絶縁膜１５は、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。

なお、ゲート絶縁膜１５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１５の厚みは、材質にもよるが、１０nｍ〜１０μｍが好ましく、５０ｎｍ〜１０００ｎｍがより好ましく、１００ｎｍ〜４００ｎｍが特に好ましい。

（ゲート電極）
ゲート電極１６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１６は、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。

ゲート電極１６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。

（薄膜トランジスタの製造方法）
図３（Ａ）に示すトップゲート−トップコンタクト型の薄膜トランジスタ１の製造方法について簡単に説明する。基板１１を用意し、基板１１上に活性層（ＩＧＺＯ膜）１２を、第２の領域Ａ_２、第１の領域Ａ_１の順にスパッタ法等の成膜手法により成膜する。次いで活性層１２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。

次に、活性層１２の上にソース・ドレイン電極１３、１４を形成するための金属膜を形成する。次いで金属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１３およびドレイン電極１４を形成する。この際、ソース・ドレイン電極１３、１４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・ドレイン電極１３、１４および配線を形成した後、ゲート絶縁膜１５を形成する。ゲート絶縁膜１５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１５を形成した後、ゲート電極１６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１６を形成する。この際、ゲート電極１６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。

以上の手順により、図３Ａに示す薄膜トランジスタ１を作製することができる。

（活性層の成膜工程）
次に、活性層の成膜工程について、より詳細に説明する。活性層１２のトータルの膜厚（総膜厚）は１０〜２００ｎｍ程度が好ましく、各領域は大気中に暴露されることなく連続して成膜されることが好ましい。大気中に暴露されることなく連続して成膜されることにより、結果として、より優れたトランジスタ特性を得ることができる。また、成膜工程数を削減できるため、製造コストも低減できる。

ここで、図３（Ｃ）（Ｄ）に示すようなボトムゲート型の薄膜トランジスタ製造時について説明する。既述のとおり、ボトムゲート型の薄膜トランジスタの製造時には第１の領域Ａ_１、第２の領域Ａ_２の順に成膜する。なお、トップゲート型の薄膜トランジスタの製造時には、活性層は、第２の領域Ａ_２、第１の領域Ａ_１の順に成膜することとなる。

まず、第１の領域Ａ_１を成膜する。ここで、例えば、第１の領域Ａ_１として、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．２５、Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．５であるＩＧＺＯ膜を膜厚１０ｎｍとなるように形成する。

上記のような金属元素の組成比となるように成膜する手法として、スパッタ成膜であればＩｎ、Ｇａ、Ｚｎ、またはこれらの酸化物若しくはこれらの複合酸化物のターゲットを組み合わせて用いた共スパッタであってもよいし、あらかじめ、成膜したＩＧＺＯ膜中の金属元素の組成比が上記となるような複合酸化物ターゲットの単独スパッタであってもよい。成膜中の基板温度は基板に応じて任意に選択してもよいが、フレキシブル基板を用いる場合には基板温度はより室温に近いことが好ましい。

第１の領域のキャリア密度を高める場合は、成膜時の成膜室内の酸素分圧を相対的に低くして、膜中の酸素濃度を低くする。例えば成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧を０．００５とする。逆に電子キャリア密度を低くする場合は、成膜時の成膜室内の酸素分圧を相対的に高くする（例えば成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧を０．０５とする。）か、成膜中または成膜後に酸素ラジカルを照射するか、オゾン雰囲気中にて該成膜基板表面に紫外線を照射する等により膜中の酸素濃度を高める。

次に、第２の領域の成膜を行う。第２の領域の成膜は、第１の領域の成膜後、一旦成膜を停止し、成膜室内の酸素分圧およびターゲットにかける電力を変更した後、成膜を再開する方法であってもよいし、成膜を停止せず成膜室内の酸素分圧およびターゲットにかける電力を速やかにまたは緩やかに変更する方法であってもよい。また、ターゲットは第１の領域成膜時に用いたターゲットをそのまま用い、投入電力を変化させる手法であってもよいし、第１の領域から第２領域に成膜を切り替える際に、第１の領域成膜に用いたターゲットへの電力投入を停止し、異なるターゲットに電力印加を行う手法であってもよいし、第１の領域の成膜に用いたターゲットに加えて、更に複数のターゲットに追加で電力印加を行う手法であってもよい。

ここで、第２の領域として、例えば金属元素の組成比がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．７５、Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．５であるＩＧＺＯ膜を膜厚３０ｎｍとなるように形成する。

成膜中の基板温度は基板に応じて任意に選択してもよいが、フレキシブル基板を用いる場合には基板温度はより室温に近いことが好ましい。

第２の領域のキャリア密度を高める場合は、成膜時の成膜室内の酸素分圧を相対的に低くして、膜中の酸素濃度を低くする。例えば成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧を０．００５とする。逆に電子キャリア密度を低くする場合は、成膜時の成膜室内の酸素分圧を相対的に高くする（例えば成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧を０．０５とする。）か、成膜中または成膜後に酸素ラジカルを照射するか、オゾン雰囲気中にて該成膜基板表面に紫外線を照射する等により膜中の酸素濃度を高める。本発明の実施形態においては、第２の領域の酸素濃度より、第１の領域の酸素濃度の方が高い方がより好ましい。

なお、酸素ラジカルの照射またはオゾン雰囲気中での紫外線照射により膜中の酸素濃度を高める際には、第１の領域および第２の領域の成膜中および成膜後の両方で行ってもよく、第２の領域成膜後のみに行ってもよい。また、酸素ラジカル照射時の基板温度は基板に応じて任意に選択してもよいが、フレキシブル基板を用いる場合には基板温度はより室
温に近いことが好ましい。

さらに、酸化物半導体層形成後にアニール処理を施してもよい。アニールの際の雰囲気は膜に応じて任意に選択することが可能であり、アニール温度は基板に応じて任意に選択してもよいが、フレキシブル基板を用いる場合にはより低温（例えば２００℃以下）でアニールすることが好ましい。一方、高い耐熱性を有する基板を用いる場合には、５００℃近い高温でアニール処理を施してもよい。

なお、図４は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．７５のＩＧＺＯ膜とＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．２５のＩＧＺＯ膜を５層積層した積層膜の断面ＳＴＥＭ像であり、同図（Ａ）は、積層直後（アニール処理前）、同図（Ｂ）はアニール温度２５０℃で処理したもの、同図（Ｃ）はアニール温度が５００℃で処理したものを示す。図４から、５００℃でアニール処理されても積層構造を維持していることが確認できる。

なお、本発明者らは、ＩＧＺＯ層について、電子親和力をカチオンの組成比および／または酸素濃度により変化させることができること、および井戸型ポテンシャル構造とすることにより、エネルギーギャップが小さいＩＧＺＯ層を井戸層として用いることが可能であることを以下の実験を行い確認した。

電子親和力χは前述したとおりイオン化ポテンシャルＩとバンドギャップエネルギーＥｇの差で決定される。バンドギャップエネルギーＥｇは、光の反射率および透過率測定を行い、Taucプロットを用いて算出することができる。ここでバンドギャップエネルギーＥｇは直接遷移の値を指す事とする。また、イオン化ポテンシャルＩは、光電子分光測定から求めることができる。

（電子親和力χのカチオン組成比依存）
カチオン組成比が異なるサンプル１〜５を作製し、上記各測定を行って電子親和力χのカチオン組成比に対する依存性を調べた。

まず、ＩＧＺＯ膜を測定対象とし、カチオン組成比の異なるＩＧＺＯ膜サンプル１〜５を作製した。サンプル１〜５は、カチオン組成比として、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）が異なるＩＧＺＯ膜をそれぞれ基板上に成膜したものである。いずれのサンプルも基板として合成石英ガラス基板（コバレントマテリアル社製、品番T-4040）を用いた。

サンプル１は、基板上に、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０、Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．５のＩＧＺＯ膜を１００ｎｍ厚となるように成膜させたものである。成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧＝０．０１とし、Ｉｎ₂Ｏ₃ターゲット、Ｇａ₂Ｏ₃ターゲットおよびＺｎＯターゲットを用いた共スパッタ（co-sputter）にて行った。なお、成膜時の基板温度は室
温とし、成膜時の成膜室内圧力は排気バルブの開度を自動制御することで常に４．４×１０^-1Ｐａを保った。

サンプル２〜５は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）の値が異なる点を除き、サンプル１と同様の作製手順で作製した。サンプル２は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．２５、サンプル３は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．５、サンプル４は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．７５、サンプル５は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝１とした。

なお、各サンプル１〜５におけるＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）およびＺｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）の制御はＩｎ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、ＺｎＯの各ターゲットに投入する電力値を調整することにより行った。

各サンプル１〜５について、反射率および透過率測定を行った結果から得た、Ｔａｕｃプロットを図５に示す。Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）が大きくなればなるほどバンドギャップエネルギーも大きくなっていることがわかる。

図６は、図５に示すＴａｕｃプロットから導き出した各サンプルのバンドギャップエネルギーを示すものである。この結果からＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）を０から１へと大きくするとバンドギャップエネルギーが１．２〜１．３ｅＶ程度大きくなることが明らかになった。

図７は、各サンプル１〜５についての光電子分光測定による励起光エネルギーと規格化光電子収率を示す。図７のグラフにおいて、それぞれ曲線の立ち上がりの励起光エネルギー、すなわち光電子放出を始めるエネルギー値がイオン化ポテンシャルを意味するものとなる。

図８は、図７のグラフから求めた各サンプル１〜５のイオン化ポテンシャルを示すグラフである。図８からＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）が０．５付近でイオン化ポテンシャルが最大値をとり、そこから離れるにしたがってイオン化ポテンシャルは小さくなっていることが明らかである。

先に求めたバンドギャップエネルギーＥｇとイオン化ポテンシャルＩの差から各サンプル１〜５の電子親和力χを求めた。次に示す表２は、各サンプルの組成比、酸素分圧／アルゴン分圧、エネルギーギャップＥｇ、イオン化ポテンシャルＩおよび電子親和力χを一覧にしたものである。

図９は、上記結果から得られた電子親和力のＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）依存性を示すものである。電子親和力χは、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）が０．２５付近で最大値をとり、そこから離れるにしたがって小さくなることがわかり、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）を０．２５から１へと大きくすると電子親和力が１．２〜１．３ｅＶ程度小さくなることが分かった。

以上のように、Ｇａ／Ｉｎ＋Ｇａを変化させることにより電子親和力を変化させることができることが明確になった。従って、ＩＧＺＯからなる酸化物半導体層において、例えば、領域Ａ_１、Ａ_２の酸素濃度変調を行わなかった場合に、領域Ａ_１のＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）を０．２５とし、領域Ａ_２のＧａ／Ｉｎ＋Ｇａを０．７５とすることにより、領域Ａ_１、Ａ_２のポテンシャル差０．４８ｅＶの井戸型構造とすることができることがわかる。

（電子親和力χの酸素濃度依存）
酸素濃度が異なるサンプル６〜９を作製し、同様の測定を行った電子親和力χの酸素濃度に対する依存性を調べた。

サンプル６〜９は、上記と同様にＩＧＺＯ膜を測定対象とし、同様の作製手順および同様の基板上に成膜して得た。サンプル６は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．７５、Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．５であり、成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧＝０とした。サンプル７は、サンプル６において、成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧＝０．０１とした。サンプル８は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．２５、Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．５であり、成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧＝０とした。サンプル９は、サンプル８において、成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧＝０．０１とした。作製サンプル６から９の組成比、酸素分圧／アルゴン分圧、および後述するエネルギーギャップ等を表３に示す。

各サンプル６〜９について、反射率および透過率測定を行った結果のＴａｕｃプロットを図１０（Ａ）および（Ｂ）に示す。図１０（Ａ）はＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）が０．７５のサンプル６および７について、図１０（Ｂ）はＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）が０．２５のサンプル８、９についてのＴａｕｃプロットである。いずれの場合も、成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧を変えても、バンドギャップエネルギーＥｇは大きく変化していないことがわかった。

図１１は、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すＴａｕｃプロットから導き出した各サンプルのバンドギャップエネルギーを酸素分圧／アルゴン分圧を横軸にプロットしたものである。この結果から、酸素分圧／アルゴン分圧を変化させてもバンドギャップエネルギーの変化はほとんどないことが明らかになった。

図１２（Ａ）はサンプル６、７について、図１２（Ｂ）はサンプル８、９についての光電子分光測定による励起光エネルギーと規格化光電子収率を示し、図１３は、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）のグラフから求めた各サンプルのイオン化ポテンシャルを示すものである。図１３に示す結果から、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）の値が異なる場合であっても成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧が大きくなるにつれてイオン化ポテンシャルが大きくなっていることがわかった。

先に求めたバンドギャップエネルギーＥｇとイオン化ポテンシャルＩとの差から各サンプル６〜９の電子親和力χを求めた（表３参照）。

図１４は、上記結果から得られた、電子親和力の、成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧依存性を示すものである。電子親和力χは、成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧が大きくなるほど大きくなることが明らかになった。成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧を０から０．０１へと大きくするとＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）の値が０．７５、０．２５いずれの場合にも電子親和力が０．２ｅＶ程度大きくなることが分かった。

以上のように、成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧を変化させることにより、電子親和力を変化させることができること、より詳細には、酸素分圧／アルゴン分圧を大きくすることにより電子親和力を大きくすることができることが明確になった。

従って、ＩＧＺＯからなる酸化物半導体層において、例えば、領域Ａ_１、領域Ａ_２のｂ／（ａ＋ｂ）を変調することによって付与された電子親和力差に加え、領域Ａ_１成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧を、領域Ａ_２成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧よりも大きくすることにより、より大きな電子親和力差を得ることが出来る。

なお、一般に成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧が大きい場合は膜中の酸素濃度が高く、逆に成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧が小さい場合は酸素濃度が低くなるので、上記結果は膜中の酸素濃度が高くなるにつれて電子親和力が大きくなることを意味する。

本実験においては、膜内の酸素濃度を高める手法として、成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧を大きくするという方法を採用したが、その他、成膜面に酸素ラジカルを照射させる、オゾン雰囲気中で成膜面に紫外線を照射する等の方法を採っても同様に膜内の酸素濃度を高めることができる。

上述したＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）の変調と膜中酸素濃度の変調は同時に適用することが可能であり、例えば、第１の領域Ａ_１を、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．２５の組成比、かつ膜中酸素濃度が高い（成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧＝０．０１）ＩＧＺＯ膜（表３におけるサンプル９）とし、第２の領域Ａ_２を、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．７５付近の組成比、かつ膜中酸素濃度が低い（成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧＝０）ＩＧＺＯ膜（表３におけるサンプル６）で挟み込んだ構造にすることによって、組成比のみ、あるいは酸素濃度のみを変調した場合よりも深い井戸型障壁構造（電子親和力差Δχ＝０．６５）を得ることができる。

ここで、ＩＧＺＯ膜におけるキャリア濃度、移動度について行った実験について説明する。キャリア濃度および移動度は、ホール効果および比抵抗の測定により求めることができる。

図１５（Ａ）〜（Ｃ）は、酸素分圧／アルゴン分圧を変化させて作製したＩＧＺＯ膜中の比抵抗、キャリア密度、移動度のＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）依存性をそれぞれ示すものである。図１５中において、●は酸素分圧／アルゴン分圧が０．０１、■は酸素分圧／アルゴン分圧が０．００５、▲は酸素分圧／アルゴン分圧が０のサンプルについてのデータである。

測定に供されたサンプルは、上記と同様の方法で作製したものである。ホール効果および比抵抗の測定にはホール測定装置（東陽テクニカ製、ホール効果・比抵抗測定装置Ｒｅｓｉｔｅｓｔ ８３００）を用いた。

図１５（Ｂ）からＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）または酸素分圧／アルゴン分圧を変化させることによってキャリア密度を独立に制御できることがわかる。例えばＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）を一定にし、酸素分圧／アルゴン分圧のみを変化させることで、膜のバンドギャップを変化させずに膜中のキャリア濃度のみを任意に調整することができる。但し、酸素分圧／アルゴン分圧が０であるとき、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）を変化させることにより、キャリア濃度は任意に制御できるが、図１５（Ｃ）に示すように移動度は低い状態のままとなっていることがわかる。この結果から、単に酸素欠損量を増やしてキャリア濃度を増やすだけでは求めるような移動度の向上は得られないことがわかった。

次に、ＩＧＺＯの単層膜と積層構造とのキャリア濃度、移動度を比較した結果について説明する。

積層構造として、基板上に、サンプル７の組成比(０．２５)−酸素分圧／アルゴン分圧(０．０１)のＩＧＺＯ膜を１０ｎｍ成膜した後、連続してサンプル６の組成比（０．７５）−酸素分圧／アルゴン分圧（０）を５０ｎｍ成膜した、ホール素子を作製した。

単膜として、それぞれサンプル７（ＩＧＺＯ-０．２５-０．０１）、サンプル６（ＩＧＺＯ-０．７５-０）のそれぞれの単膜のホール素子を用意した。

各領域の単膜のキャリア濃度と比較して、あるいは単膜を積層した場合の単純平均から予想されるキャリア濃度値と比較して、積層構造はキャリア密度が増大し、移動度が増大した。これは井戸型ポテンシャルが形成され、井戸層に電子が移動したことを意味する。

以上において説明した本発明の薄膜トランジスタの用途は特に限定されるものではないが、例えば電気光学装置としての表示装置（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）における駆動素子として好適である。

さらに、本発明の電子素子は、樹脂基板を用いた低温プロセスで作製可能なフレキシブルディスプレイ等のデバイス、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等のイメージセンサー、Ｘ線センサー等の各種センサー、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。

本発明の薄膜トランジスタを用いた本発明の表示装置およびセンサーは、いずれも低い消費電力により良好な特性を示す。なお、ここで言う「特性」とは、表示装置の場合には表示特性、センサーの場合には感度特性である。

＜液晶表示装置＞
図１６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１７にその電気配線の概略構成図を示す。

図１６に示すように、本実施形態の液晶表示装置５は、図３Ａに示したトップゲート型の薄膜トランジスタ１と、トランジスタ１のパッシベーション層５４で保護されたゲート電極１６上に画素下部電極５５およびその対向上部電極５６で挟まれた液晶層５７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５８とを備え、ＴＦＴ１０の基板１１側およびカラーフィルタ５８上にそれぞれ偏光板５９ａ、５９ｂを備えた構成である。

また、図１７に示すように、本実施形態の液晶表示装置５は、互いに平行な複数のゲート配線５１と、該ゲート配線５１と交差する、互いに平行なデータ配線５２とを備えている。ここでゲート配線５１とデータ配線５２は電気的に絶縁されている。ゲート配線５１とデータ配線５２との交差部付近に、薄膜トランジスタ１が備えられている。

薄膜トランジスタ１のゲート電極１６は、ゲート配線５１に接続されており、薄膜トランジスタ１のソース電極１３はデータ配線５２に接続されている。また、薄膜トランジスタ１のドレイン電極１４はゲート絶縁膜１５に設けられたコンタクトホール１９を介して（コンタクトホール１９に導電体が埋め込まれて）画素下部電極５５に接続されている。この画素下部電極５５は、接地された対向電極５６とともにコンデンサ５３を構成している。

図１６に示した本実施形態の液晶装置においては、トップゲート型の薄膜トランジスタを備えるものとしたが、本発明の表示装置である液晶装置において用いられる薄膜トランジスタはトップゲート型に限定されることなく、ボトムゲート型の薄膜トランジスタであってもよい。

本発明の薄膜トランジスタは高い移動度を有するため、液晶表示装置において高精細、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、半導体層として低温（例えば２００℃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、本発明によれば、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１８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１９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６は、図３Ａに示したトップゲート型の薄膜トランジスタ１が、パッシベーション層６１ａを備えた基板６０上に、駆動用１ａおよびスイッチング用１ｂとして備えられ、該トランジスタ１ａおよび１ｂ上に下部電極６２および上部電極６３に挟まれた有機発光層６４からなる有機発光素子６５を備え、上面もパッシベーション層６１ｂにより保護された構成となっている。

また、図１９に示すように、本実施形態の有機ＥＬ表示装置７は、互いに平行な複数のゲート配線６６と、該ゲート配線６６と交差する、互いに平行なデータ配線６７および駆動配線６８とを備えている。ここでゲート配線６６とデータ配線６７、駆動配線６８とは電気的に絶縁されている。スイッチング用薄膜トランジスタ１ｂのゲート電極１６ａは、ゲート配線６６に接続されており、スイッチング用薄膜トランジスタ１ｂのソース電極１３ｂはデータ配線６７に接続されている。また、スイッチング用薄膜トランジスタ１ｂのドレイン電極１４ｂは駆動用薄膜トランジスタ１ａのゲート電極１６ａに接続されるとともに、コンデンサ６９を用いることで駆動用薄膜トランジスタ１ａをオン状態に保つ。駆動用薄膜トランジスタ１ａのソース電極１３ａは駆動配線６８に接続され、ドレイン電極１４ａは有機ＥＬ発光素子６５に接続される。

図１８に示した本実施形態の有機ＥＬ装置においては、トップゲート型の薄膜トランジスタ１ａおよび１ｂ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薄膜トランジスタは、トップゲート型に限定されることなく、ボトムゲート型の薄膜トランジスタであってもよい。

本発明の薄膜トランジスタ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、本発明によると、半導体層として低温（例えば２００℃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、本発明によれば、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１８に示した有機ＥＬ表示装置において、上部電極６３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６２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線センサー＞
図２０に、本発明のセンサーの一実施形態であるＸ線センサーについて、その一部分の概略断面図を示し、図２１にその電気配線の概略構成図を示す。

図２０は、より具体的にはＸ線センサー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線センサー７は基板上に形成された薄膜トランジスタ１およびキャパシタ７０と、キャパシタ７０上に形成された電荷収集用電極７１と、Ｘ線変換層７２と、上部電極７３とを備えて構成される。薄膜トランジスタ１上にはパッシベーション膜７５が設けられている。

キャパシタ７０はキャパシタ用下部電極７６とキャパシタ用上部電極７７とで絶縁膜７８を挟んだ構造となっている。キャパシタ用上部電極７７は絶縁膜７８に設けられたコンタクトホール７９を介し、薄膜トランジスタ１のソース電極１３およびドレイン電極１４のいずれか一方（図２０においてはドレイン電極１４）と接続されている。

電荷収集用電極７１は、キャパシタ７０におけるキャパシタ用上部電極７７上に設けられており、キャパシタ用上部電極７７に接している。Ｘ線変換層７２はアモルファスセレンからなる層であり、薄膜トランジスタ１およびキャパシタ７０を覆うように設けられている。上部電極７３はＸ線変換層７２上に設けられており、Ｘ線変換層７２に接している。

図２１に示すように、本実施形態のＸ線センサー７は、互いに平行な複数のゲート配線８１と、ゲート配線８１と交差する、互いに平行な複数のデータ配線８２とを備えている。ここでゲート配線８１とデータ配線８２は電気的に絶縁されている。ゲート配線８１とデータ配線８２との交差部付近に、薄膜トランジスタ１が備えられている。

薄膜トランジスタ１のゲート電極１６は、ゲート配線８１に接続されており、薄膜トランジスタ１のソース電極１３はデータ配線８２に接続されている。また、薄膜トランジスタ１のドレイン電極１４は電荷収集用電極７１に接続されており、さらにこの電荷収集用電極７１は、接地された対向電極７６とともにキャパシタ７０を構成している。

本構成のＸ線センサー７において、Ｘ線は図２１中、上部（上部電極７３側）から照射され、Ｘ線変換層７２で電子-正孔対を生成する。このＸ線変換層７２に上部電極７３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７０に蓄積され、薄膜トランジスタ１を順次走査することによって読み出される。

本発明のＸ線センサーは、オン電流が高く、信頼性に優れた薄膜トランジスタ１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。さらに薄膜トランジスタにおける活性層の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２０に示した本実施形態のＸ線センサーにおいては、トップゲート型の薄膜トランジスタを備えるものとしたが、本発明のセンサーにおいて用いられる薄膜トランジスタはトップゲート型に限定されることなく、ボトムゲート型の薄膜トランジスタであってもよい。

ボトムゲート型薄膜トランジスタについて実施例１、２、３、比較例１、２を作製して、移動度を比較した。表４は、各トランジスタのＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）および成膜時の酸素分圧／アルゴン分圧および移動度を示す表である。

＜実施例１＞
ボトムゲート、トップコンタクト型の薄膜トランジスタを実施例１として作製した。基板として、ＳｉＯ_２酸化膜１００ｎｍ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。酸化物半導体層はＩＧＺＯからなるものとし、まず、第１の領域Ａ_１として、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．２５、Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．５であるＩｎＧａＺｎＯ膜を５ｎｍスパッタ成膜した後、第２の領域Ａ_２として、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．７５、Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．５のＩＧＺＯ膜を３０ｎｍスパッタ成膜した。酸化物半導体層は各領域間で大気中に暴露することなく連続して成膜を行った。各領域のスパッタは、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）にて行った。各領域の膜厚調整は成膜時間の調整にて行った。各領域の詳細なスパッタ条件は以下の通りである。

（第１の領域Ａ_１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
酸素分圧／アルゴン分圧；０．０２
Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｎＯターゲットの投入電力比；４３．０：３８．０：１９．０

（第２の領域Ａ_２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
酸素分圧／アルゴン分圧；０．００５
Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｎＯターゲットの投入電力比；１４．７：６７．８：１７．５

スパッタによる酸化物半導体層の積層後、メタルマスクを介した真空蒸着法により、Ｔｉ（１０ｎｍ）／Ａｕ（４０ｎｍ）から成るオーミックコンタクトを積層膜上に形成した。

以上により、チャネル長１８０μｍ、チャネル幅１ｍｍのボトムゲート型薄膜トランジスタ１の実施例１を得た。

＜実施例２＞
素子構成は実施例１と同様であり、酸化物半導体層の組成のみが異なる。まず、第１の領域Ａ_１として、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．３７５、Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．５であるＩＧＺＯ膜を５ｎｍスパッタ成膜した後、第２の領域Ａ_２として、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．６２５、Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．５のＩＧＺＯ膜を３０ｎｍスパッタ成膜した。酸化物半導体層は各領域間で大気中に暴露することなく連続して成膜を行った。各領域のスパッタは、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）にて行った。各領域の膜厚調整は成膜時間の調整にて行った。各領域の詳細なスパッタ条件は以下の通りである。

（第１の領域Ａ_１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
酸素分圧／アルゴン分圧；０．０２
Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｎＯターゲットの投入電力比；３９．５：５０．０：１８．０

（第２の領域Ａ_２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
酸素分圧／アルゴン分圧；０．００５
Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｎＯターゲットの投入電力比；２０．５：６１．０：１７．０

＜実施例３＞
素子構成は実施例１と同様であり、酸化物半導体層の組成及び、酸素濃度が異なる。まず、第１の領域Ａ_１として、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．０、Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．５であるＩＧＺＯ膜を５ｎｍスパッタ成膜した後、第２の領域Ａ_２として、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝１．０、Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．５のＩＧＺＯ膜を３０ｎｍスパッタ成膜した。酸化物半導体層は各領域間で大気中に暴露することなく連続して成膜を行った。各領域のスパッタは、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）にて行った。各領域の膜厚調整は成膜時間の調整にて行った。各領域の詳細なスパッタ条件は以下の通りである。

（第１の領域Ａ_１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
酸素分圧／アルゴン分圧；０．０６７
Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｎＯターゲットの投入電力比；５５．０：０．０：１３．０

（第２の領域Ａ_１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
酸素分圧／アルゴン分圧；０．００５
Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｎＯターゲットの投入電力比；０．０：６０．０：１５．０

＜比較例１＞
実施例１の酸化物半導体の成膜において、層厚方向の組成及び酸素変調を行わず、投入電力比を３１．５：６１．０：２０．０、酸素分圧／アルゴン分圧を０．００２の条件下で、ＩＧＺＯ膜のみを４５ｎｍ成膜し、それ以外は実施例１と同様の方法で薄膜トランジスタを作製したものを比較例１とした。これは従来のＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１組成（Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝０．５）のＩＧＺＯ単膜を活性層に有するトランジスタであり、層厚方向に井戸型ポテンシャル構造が形成されていない場合のものである。

＜比較例２＞
実施例１の酸化物半導体層の成膜において、第１の領域を成膜し、第２の領域を成膜しなかった以外は実施例１と同様の方法で薄膜トランジスタを作製したものを比較例２とした。比較例２は、層厚方向に井戸型ポテンシャル構造が形成されていない他、キャリア供給層となる第２の領域が構造中に含まれない場合のものである。

上記実施例１、２、３および比較例１、２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）および移動度μの測定を行った。測定結果を図２２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。

表４に示す通り、井戸型ポテンシャル構造を有する実施例１、２、３においては２０ｃｍ^２／Ｖｓ以上の移動度が得られ、とりわけ実施例３においては移動度５７．４ｃｍ^２／Ｖｓと高い値が得られた。一方、層厚方向に組成・酸素濃度変調のない比較例１については、従来のＩＧＺＯ単膜のトランジスタとして平均的な値である、１１ｃｍ^２／Ｖｓ程度の移動度が得られた。また、第２の領域を成膜しなかった比較例２についてはトランジスタ駆動したものの、移動度が０．０２９ｃｍ^２／Ｖｓと積層ＴＦＴ素子と比較して大きく低減した。これは、第２の領域がキャリア供給層であるため、キャリア供給層を有さない比較例２においては、十分なキャリア濃度が得られなかったことを意味している。

図２３に実施例１、２、３、比較例１における移動度μのポテンシャル深さΔχ依存性を示す。ここでΔχは、ｂ／（ａ＋ｂ）の変調に加え、酸素濃度変調による電子親和力差が凡そ０．１ｅＶであるとして算出している。ポテンシャル深さΔχを増大させていくと移動度が増大していく振る舞いが分かる。この図から、おおよそΔχ＝０．１７ｅＶ以上とすることによって、ＩＧＺＯ単膜の移動度のほぼ倍である２０ｃｍ^２／Ｖｓ以上の移動度が得られ、低消費電力かつ高品位な表示装置あるいは、高感度のＸ線センサー等を提供可能となる。従って本発明のトランジスタにおいて第１、第２の領域の電子親和力差は０．１７ｅＶ以上であることが好ましい。

１、２、３、４ 薄膜トランジスタ
１１ 基板
１２ 酸化物半導体層
１３ ソース電極
１４ ドレイン電極
１５ ゲート絶縁膜
１６ ゲート電極
Ａ_１ 酸化物半導体層の第１の領域
Ａ_２ 酸化物半導体層の第２の領域

Claims (15)

1. 基板上に、活性層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを有する薄膜トランジスタであって、
   前記活性層が、前記ゲート電極側に前記ゲート絶縁膜を介して配置された、第１の電子親和力を有する第１の領域と、前記ゲート電極に遠い側に配置された、前記第１の電子親和力よりも小さい第２の電子親和力を有する第２の領域とを含み、
   前記活性層の膜厚方向において、前記第１の領域を井戸層、前記第２の領域と前記ゲート絶縁膜とを障壁層とする井戸型ポテンシャルが構成されており、
   前記活性層が、ａ（Ｉｎ_２Ｏ_３）・ｂ（Ｇａ_２Ｏ_３）・ｃ（ＺｎＯ）から成る酸化物半導体層であり（ここでａ、ｂ、ｃは、それぞれａ≧０、ｂ≧０、ｃ≧０、かつａ＋ｂ≠０、ｂ＋ｃ≠０、ｃ＋ａ≠０である。）、
   前記第２の領域のｂ／（ａ＋ｂ）が前記第１の領域のｂ／（ａ＋ｂ）よりも大きく、
   前記第１の領域の酸素濃度が、前記第２の領域の酸素濃度よりも大きいことを特徴とする薄膜トランジスタ。
2. 前記第１の領域の電子親和力と、前記第２の領域の電子親和力との差が、０．１７ｅＶ以上、１．３ｅＶ以下であ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. 前記第１の領域の電子親和力と、前記第２の領域の電子親和力との差が、０．３２ｅＶ以上、１．３ｅＶ以下であることを特徴とする請求項２記載の薄膜トランジスタ。
4. 前記酸化物半導体層が非晶質であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の薄膜トランジスタ。
5. 前記酸化物半導体層において、前記第１の領域のｂ／（ａ＋ｂ）が０．５よりも小さいことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の薄膜トランジスタ。
6. 前記酸化物半導体層において、前記第１の領域のｂ／（ａ＋ｂ）が０．４よりも小さく、かつ前記第２の領域のｂ／（ａ＋ｂ）が０．６以上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。
7. 前記基板が可撓性を有するものであることを特徴とする、請求項１から６いずれか１項記載の薄膜トランジスタ。
8. 基板上に、活性層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを有する薄膜トランジスタであって、
   前記活性層が、前記ゲート電極側に前記ゲート絶縁膜を介して配置された、第１の電子親和力を有する第１の領域と、前記ゲート電極に遠い側に配置された、前記第１の電子親和力よりも小さい第２の電子親和力を有する第２の領域とを含み、該活性層の膜厚方向において、前記第１の領域を井戸層、前記第２の領域と前記ゲート絶縁膜とを障壁層とする井戸型ポテンシャルが構成されるように、前記活性層として、ａ（Ｉｎ₂Ｏ₃）・ｂ（Ｇａ₂Ｏ₃）・ｃ（ＺｎＯ）からなる酸化物半導体層（ここでａ、ｂ、ｃは、それぞれａ≧０、ｂ≧０、ｃ≧０、かつａ＋ｂ≠０、ｂ＋ｃ≠０、ｃ＋ａ≠０である。）をスパッタ法により成膜する成膜工程を含み、
   該成膜工程において、前記第１の領域の酸素濃度が、前記第２の領域の酸素濃度よりも大きくなるように、成膜室内を第１の酸素分圧／アルゴン分圧とした条件下で前記第１の領域を成膜し、前記成膜室内を前記第１の酸素分圧／アルゴン分圧よりも小さい第２の酸素分圧／アルゴン分圧とした条件下で、前記第１の領域のｂ／（ａ＋ｂ）よりも大きいｂ／（ａ＋ｂ）となる組成比の前記第２の領域を成膜することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
9. 基板上に、活性層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを有する薄膜トランジスタであって、
   前記活性層が、前記ゲート電極側に前記ゲート絶縁膜を介して配置された、第１の電子親和力を有する第１の領域と、前記ゲート電極に遠い側に配置された、前記第１の電子親和力よりも小さい第２の電子親和力を有する第２の領域とを含み、該活性層の膜厚方向において、前記第１の領域を井戸層、前記第２の領域と前記ゲート絶縁膜とを障壁層とする井戸型ポテンシャルが構成されるように、前記活性層として、ａ（Ｉｎ₂Ｏ₃）・ｂ（Ｇａ₂Ｏ₃）・ｃ（ＺｎＯ）からなる酸化物半導体層（ここでａ、ｂ、ｃは、それぞれａ≧０、ｂ≧０、ｃ≧０、かつａ＋ｂ≠０、ｂ＋ｃ≠０、ｃ＋ａ≠０である。）をスパッタ法により成膜する成膜工程を含み、
   該成膜工程が、前記第１の領域と、第１の領域のｂ／（ａ＋ｂ）よりも大きいｂ／（ａ＋ｂ）となる組成比の前記第２の領域とを成膜する工程を含み、前記第１の領域の酸素濃度が、前記第２の領域の酸素濃度よりも大きくなるように、前記第１の領域の成膜中および／または該第１の領域を成膜した後に、該第１の領域の成膜面に酸素含有ラジカルを照射する工程を含むことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
10. 基板上に、活性層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを有する薄膜トランジスタであって、
    前記活性層が、前記ゲート電極側に前記ゲート絶縁膜を介して配置された、第１の電子親和力を有する第１の領域と、前記ゲート電極に遠い側に配置された、前記第１の電子親和力よりも小さい第２の電子親和力を有する第２の領域とを含み、該活性層の膜厚方向において、前記第１の領域を井戸層、前記第２の領域と前記ゲート絶縁膜とを障壁層とする井戸型ポテンシャルが構成されるように、前記活性層として、ａ（Ｉｎ₂Ｏ₃）・ｂ（Ｇａ₂Ｏ₃）・ｃ（ＺｎＯ）からなる酸化物半導体層（ここでａ、ｂ、ｃは、それぞれａ≧０、ｂ≧０、ｃ≧０、かつａ＋ｂ≠０、ｂ＋ｃ≠０、ｃ＋ａ≠０である。）をスパッタ法により成膜する成膜工程を含み、
    該成膜工程が、前記第１の領域と、第１の領域のｂ／（ａ＋ｂ）よりも大きいｂ／（ａ＋ｂ）となる組成比の前記第２の領域とを成膜する工程を含み、前記第１の領域の酸素濃度が、前記第２の領域の酸素濃度よりも大きくなるように、前記第１の領域の成膜中および／または第１の領域の成膜後に、オゾン雰囲気中にて該第１の領域の成膜面に紫外線を照射する工程を含むことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
11. 前記成膜工程の間、成膜基板を大気に曝さないことを特徴とする請求項８から１０いずれか１項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
12. 請求項１から７いずれか１項記載の薄膜トランジスタを備えたことを特徴とする表示装置。
13. 請求項１から７いずれか１項記載の薄膜トランジスタを備えたことを特徴とするイメージセンサー。
14. 請求項１から７いずれか１項記載の薄膜トランジスタを備えたことを特徴とするＸ線センサー。
15. 請求項１４記載のＸ線センサーを備えたことを特徴とするＸ線デジタル撮影装置。