專利名稱：制造使用氧化物半導體的薄膜晶體管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造使用氧化物半導體的場效應(yīng)薄膜晶體管的方法。
背景技術(shù)：
近年來，使用金屬氧化物半導體薄膜的半導體器件受到關(guān)注。該 薄膜可在低溫下被淀積，并具有諸如光帶隙大和對可見光光學透明的 特性。這種薄膜也可在塑料襯底或膜或類似的襯底上形成柔性透明的
薄膜晶體管(TFT)。
例如，在Nature, Vol. 432， 25 November 2004 ( 488-492 )中公開
了涉及對于溝道層(活性層)使用包含銦、鋅和鎵的非晶氧化物膜的 TFT的技術(shù)。
jt匕夕卜，在Journal of Non-Crystalline Solids, 352, ( 2006 ) ， 2311 中公開了對于TFT溝道層使用以氧化銦作為主要成分的氧化物薄膜。 但是，氧化物薄膜中的銦和氧的原子成分比(O/In)為約2.7，該值遠 遠偏離1.5的化學計量比。
在Nature materials, Vol. 5， November 2006 ( 893-900 )中也公開 了對于TFT溝道層使用以氧化銦作為主要成分的氧化物薄膜。通過離 子輔助淀積形成氧化銦膜，并且，對于柵絕緣膜使用熱硅氧化物膜和 有機薄膜。
雖然在Nature, Vol. 432， 25 November 2004 ( 488-492 )中公開的 TFT具有約103的低電流通/斷比(on/off ratio )，但是它具有6~9cm2/Vs 的相對較高的場效應(yīng)遷移率，并由此可望被應(yīng)用于使用液晶或電致發(fā) 光的平板顯示器中的希望的有源矩陣(active matrix)。但是，通過 該TFT，包含銦、鋅、鎵和氧的各種元素被用作用于溝道層的非晶氧 化物膜的主要構(gòu)成元素。因此，TFT特性取決于成分而變化很大。從成分比可控性的觀點看，氧成分元素的類型優(yōu)選盡可能地少。
另 一方面，在Journal of Non-Crystalline Solids, 352， ( 2006 )， 2311中公開的對于溝道層使用氧化銦薄膜的TFT具有約104的低電流 通/斷比和約0.02cm2/Vs的場效應(yīng)遷移率。結(jié)果，該TFT不適于高速 操作，并由此僅可被用于有限的應(yīng)用。
在Nature materials, VOL. 5， November 2006， ( 893-900 )公開的 對于溝道層使用氧化銦薄膜的TFT中，對于柵絕緣膜使用具有高介電 常數(shù)的有機薄膜。所獲得的TFT表現(xiàn)出優(yōu)異的特性，其中S值("S 值"為在漏極電壓保持恒定情況下漏極電流改變一個數(shù)量級時閾值下 (subthreshold)區(qū)域中的柵極電壓)為0.09~0.15V/decade，并且場 效應(yīng)遷移率為120~140cm2/Vs。但是，如上面討論的那樣，由于柵絕 緣膜由有機材料形成，因此存在其環(huán)境穩(wěn)定性比由無機材料形成的 TFT的環(huán)境穩(wěn)定性低的問題。此外，雖然Nature materials, Vol. 5， November 2006說明了對于柵絕緣膜使用熱氧化硅的TFT,并且雖然 這種情況下的場效應(yīng)遷移率為相對較高的約10cm2/Vs，但是在閾值下 特性方面，其具有5.6V/decade的大的S值。因此，其作為開關(guān)TFT 的應(yīng)用受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述的問題，本發(fā)明提供一種薄膜晶體管的制造方法， 該薄膜晶體管包括包含氧化銦的溝道層，該方法包括形成要成為所述 溝道層的氧化銦膜，并在氧化氣氛中對形成的氧化銦膜進行退火(熱 處理)。
注意，"包含氧化銦"的意思包括以不本質(zhì)上影響電特性的程度 包含雜質(zhì)的情況。
通過參照附圖對示例性實施例的以下說明，本發(fā)明的其它特征將 變得十分明顯。


4圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)例子的示圖(截面
圖)；
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)例子的示圖(截面 圖)；
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的非晶氧化銦薄膜的x射線衍射語的示
圖4是示出退火之后的根據(jù)本發(fā)明的氧化銦薄膜的X射線衍射i普 的示圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的薄膜晶體管的典型TFT特性的示圖； 圖6是示出緊接在淀積之后在例子1中形成的氧化銦薄膜的X射
線衍射i普的示圖7是示出在退火之后在例子1中形成的氧化銦薄膜的X射線衍
射語的示圖8是示出在例子1中制造的薄膜晶體管的典型TFT特性的示 圖；以及
圖9是在例子中獲得的氧化銦膜的SEM照片。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照

本發(fā)明的實施例。
圖1示意性地示出根據(jù)本實施例的TFT器件的結(jié)構(gòu)。薄膜晶體管 (TFT )包括被配置在柵極電極15上的柵絕緣膜14以及各自被配置 在柵絕緣膜14上的源極電極12和漏極電極13。柵極電極15還可類 似于摻雜磷的硅那樣用作襯底，或者可形成于諸如玻璃的襯底上。
可在本實施例中使用的半導體器件的結(jié)構(gòu)不限于具有這種反交錯 (底柵型)結(jié)構(gòu)的TFT。例如，也可以使用如圖2所示的依次在溝道 層(活性層)上包含柵絕緣膜和柵極電極的交錯結(jié)構(gòu)(頂柵型)的TFT。 特別是在具有交錯結(jié)構(gòu)的TFT的情況下，存在可以獲得柵絕緣膜和溝 道層的優(yōu)異的界面特性的優(yōu)點。
現(xiàn)在更詳細地說明根據(jù)本實施例的TFT的制造方法。首先，制備柵極電極15。只要柵極電極15具有良好的導電性并 能夠與溝道層電連接，對于其材料不作特別的限制。例如，可以使用 像摻雜磷的硅那樣用作柵極電極和襯底二者的材料。此外，也可以使 用在諸如玻璃的村底上形成的摻雜有錫的氧化銦膜、諸如氧化鋅的透 明導電膜或金、鉑、鋁、鎳等的金屬膜。雖然襯底依賴于下面說明的 退火(熱處理)條件，但是襯底的例子包括玻璃襯底、金屬襯底、塑 料襯底和塑料膜。
柵絕緣膜14的例子包括常用的氧化硅膜、氮化硅膜和氧氮化硅 膜，以及具有高介電常數(shù)的氧化鋁或氧化釔，或其中層疊這些材料的 膜。
接下來，在柵絕緣層14上形成用作溝道層的氧化銦膜(第一步 驟)，然后，在氧化氣氛中對形成的氧化銦膜進行退火(第二步驟)。 (第一步驟)
通過氣相淀積，諸如濺射、脈沖激光淀積、電阻加熱淀積、電子 束淀積和原子層淀積，或通過這些方法的組合，來淀積氧化銦膜。
諸如場效應(yīng)遷移率、電流通/斷比和閣值下特性的TFT特性很大 地受將用作溝道層的氧化銦膜的表面平坦性的影響。特別地，眾所周 知，當表面粗糙度的均方根(Rrms)超過lnm時，上述的TFT特性 急劇劣化。因此，為了實現(xiàn)具有優(yōu)異的初始特性的TFT，需要淀積具 有較高的表面平坦性的氧化銦膜。
鑒于此，本發(fā)明的發(fā)明人研究了氧化物膜的平坦性和淀積條件之 間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在淀積過程中的氣壓和氧化物 膜的表面粗糙度之間存在相關(guān)關(guān)系。例如，對于諸如電阻加熱淀積或 電子束淀積的真空淀積方法，如果在O.lPa或更低的壓力下進行淀積， 那么可實現(xiàn)具有l(wèi)nm或更小的Rrms的氧化銦膜。對于濺射或脈沖激 光淀積，如果在6.5Pa或更低的壓力下進行淀積，那么可實現(xiàn)具有l(wèi)nm 或更小的Rrms的氧化銦膜。
在Journal of Non-Crystalline Solids, 352, ( 2006 ) ， 2311公開的 TFT中，通過在具有0.17Pa的氧氣壓力的氣氛中進行電阻加熱淀積形成氧化銦薄膜，因此表面粗糙度預期較大。該表面粗糙度被認為是該
公開物公開的TFT沒有荻得良好的特性的一個原因。
淀積的氧化銦薄膜可以是諸如多晶和微晶的晶體的，或者可以是 非晶的。從本發(fā)明的發(fā)明人進行的實驗發(fā)現(xiàn)，即使在形成非晶膜的條 件下淀積氧化銦膜，也可實現(xiàn)優(yōu)異的表面平坦性。在下面說明的第二 步驟中，對在第一步驟中獲得的氧化銦膜進行退火。在該階段中，在 形成非晶膜的條件下淀積的氧化銦膜即使在退火之后也具有比在形成 晶體膜的條件下淀積的氧化銦膜明顯低的表面粗糙度，由此實現(xiàn)具有 優(yōu)異的界面特性的TFT。特別地，可以獲得具有S值("S值，，為在 漏極電壓保持恒定情況下漏極電流改變一個數(shù)量級時閾值下區(qū)域中的 柵極電壓)較小的優(yōu)異的閾值下特性的TFT。
雖然獲得非晶氧化銦膜的條件依賴于淀積方法和淀積裝置，但是 基本上可通過將襯底保持在比結(jié)晶溫度低的溫度(具體是150。C或更 低)來獲得非晶氧化銦膜。
在通過濺射淀積氧化銦的情況下，作為來自靶或來自氣相的高能 粒子的結(jié)果，有時可促進結(jié)晶。因此，根據(jù)需要增加襯底和靶之間的 距離或者增加氣體壓力。這里，可通過在以約0.5。的小入射角進行對 象薄膜的X射線衍射時不存在清晰衍射峰(即，觀察到牽圏圖案)來 確認膜是否為非晶。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的非晶氧化銦膜的典型X射 線衍射譜。
此外，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)，可通過使用具有大于等于 1Qcm且小于等于lOOKQcm的電阻率的氧化物膜，使得對于溝道層使 用氧化銦的薄膜晶體管具有特別好的TFT特性。如果電阻率不在以上 的范圍內(nèi)，那么會出現(xiàn)以下的問題。即，如果電阻率小于1Qcm，那 么TFT電流通/斷比不能增加。在極端的情況下，即使通過施加柵極 電壓，源極電極和漏極電極之間的電流也不接通/關(guān)斷，由此TFT無 法表現(xiàn)出晶體管動作。另一方面，如果電阻率大于lOOKQcm，那么通 電流(on-current)不能增加。在極端的情況下，即使通過施加柵極 電壓，源極電極和漏極電極之間的電流也不接通/關(guān)斷，由此TFT無法表現(xiàn)出晶體管動作。
在本實施例中，通過將引入的氧分壓控制為1Pa或更低并在第二 步驟中通過在氧化氣氛中實施下面說明的退火，控制氧化銦膜的電阻卑。
特別地，如果在氧化銦膜淀積步驟中的引入的氧分壓為O.OlPa或 更低的條件下進行淀積，那么通過在氧化銦膜淀積之后進行的退火來 確定電阻率，這消除了對精確控制淀積氣氛中的氧分壓的需要。此外， 通過在氧化銦膜的電阻率比作為TFT溝道層表現(xiàn)出良好的特性的電 阻率(lflcm)低的條件下進行淀積，可以減少由淀積過程中的氧離子 導致的對于膜的損傷；由此，可以獲得具有優(yōu)異的特性的TFT。
例如，在通過濺射進行淀積的情況下，如果引入的氧的量減少， 那么在乾表面處產(chǎn)生的負氧離子的量減少，使得入射到村底上的高能 負氧離子的量減少。這使得可防止膜質(zhì)量劣化。此外，由于在淀積氣 氛中不存在許多的氧自由基或高能負氧離子，因此存在所形成的膜的 電特性不受距靶的距離的影響并且可放大處理裕度的優(yōu)點。當使用濺 射方法時，這些優(yōu)點是特別突出的，但這被認為是由于氣相中的分子 氣體的離解程度比其它氣相方法高。當引入的氧分壓為OPa時，上述 的優(yōu)點也是突出的。因此，在本實施例中引入的氧分壓的下限為0Pa。
另一方面，如果使得氧化銦淀積步驟中引入的氧分壓超過lPa的 壓力，那么在氧化銦膜的表面上形成不均勻的部分，由于界面特性劣 化并且場效應(yīng)遷移率降低，因此這是所不希望的。
術(shù)語"引入的氧分壓"指的是通過流速控制器有意引入淀積裝置 中的氧的分壓。因此，該術(shù)語不包含所謂的"污染物"，諸如不可避 免地從淀積裝置中的壁體釋放的氧、由于淀積裝置中的泄漏而從外部 進入的氧或從靶釋放的氧。很顯然，在殘留氧氣壓力超過上述氧壓力 上限的條件下，變得更加難以獲得上述的優(yōu)點，因此，在本實施例中 使用的淀積裝置的背壓力(back pressure)優(yōu)選為0.001Pa或更低。 流速控制器可以為例如質(zhì)量流控制器。 (第二步驟)
8在上述的第一步驟之后，對形成的氧化銦膜進行熱處理以形成溝
道層(活性層)11?？稍谘趸熌さ牡矸e之后或者在諸如漏極電極13、 源極電極12和柵極電極15的電極膜的淀積之后進行退火。
在本實施例中，可以在具有比退火步驟中的氧化氣氛少的氧的氧 氣氛中進行形成氧化銦膜的步驟。這是為了減少在氧化銦膜的淀積過 程中由氧離子導致的膜的損傷。另一方面，由于在第二步驟中損傷淀 積膜的氧離子僅以少量存在或者根本不存在，因此對于氣氛中的氧的 量沒有特別的上限。由此，通過減少在第一步驟中形成的膜中的損傷 (缺陷等)，進一步增加第二步驟的退火效果。
在本實施例中，對于第二步驟(退火步驟)，可根據(jù)第一步驟(氧 化銦淀積步驟)的引入的氧分壓調(diào)整處理溫度。
如果第一步驟中的引入的氧分壓超過0.01Pa但小于0.1Pa,那么 氧化銦膜在比結(jié)晶溫度高的溫度(具體是150。C或更高)進行退火， 使得該膜變成諸如多晶或微晶的晶體。
作為其結(jié)果，氧化銦的結(jié)晶度提高，并且膜的電特性穩(wěn)定化，由 此實現(xiàn)具有極好的可靠性的TFT。在低于150。C的溫度進行退火的氧 化銦膜的結(jié)晶度與第一步驟之后的膜的結(jié)晶度幾乎相同，使得僅可獲 得作為非晶或具有低結(jié)晶度的膜。此外，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)，
雖然在低于150°C的溫度被熱處理并保持在空氣中的氧化銦膜的電阻 率具有10 100kQcm的初始值，但該值在3個月后總是降低到1Qcm。 對于將這種氧化銦膜用于其溝道層的TFT，不能通過施加柵極電壓減 小斷電流(off-current)，并且不表現(xiàn)出晶體管動作。
另一方面，如果具有10 100kQcm的初始電阻率的氧化銦膜在 150。C或更高的溫度進行退火，那么即使在保持一個月之后也幾乎觀 察不到隨時間的變化。將這種氧化銦膜用于其溝道層的TFT具有小的 斷電流，并且可獲得比將常規(guī)的氧化物半導體用于其溝道層的TFT高 的電流通/斷比。這里，雖然在一些情況下會在氧化銦膜中包含微晶， 但是，只要不在0.5。的小入射角的X射線衍射中發(fā)現(xiàn)清晰的衍射峰， 該膜就不被視為晶體。圖4示出退火之后的根據(jù)本發(fā)明的氧化銦薄膜的典型x射線衍射謙。退火溫度的上限可被適當設(shè)定，但是優(yōu)選比出
現(xiàn)襯底的熱變形的玻璃轉(zhuǎn)變溫度低的上限。例如，在玻璃襯底的情況
下，優(yōu)選在450°C或更低的溫度進行退火，而在塑料襯底的情況下， 優(yōu)選在200。C或更低的溫度進行退火。
此外，在這一點上可設(shè)定退火條件，使得氧化銦膜具有作為TFT 溝道層表現(xiàn)出良好的特性的電阻率。
另一方面，如果第一步驟中的引入氧分壓為0.01Pa或更低，或大 于等于O.lPa且小于等于1Pa，那么可根據(jù)處理條件(處理氣氛)在 以下的溫度范圍內(nèi)控制第二步驟中的處理溫度。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)，如果具有incm或更小或100kQcm 或更大的電阻率的氧化銦在包含氧、氧自由基、臭氧、水蒸汽或氧化 氮中的任一種的氣氛中進行退火，那么電阻率很難在低于250°C的溫 度改變。因此，對于低于250。C的溫度條件下的退火，不能獲得良好 的作為溝道層的特性。另一方面，在250。C或更高的溫度，膜電阻率 在10Qcm 100krkm的范圍內(nèi)變化，使得可以獲得良好的作為溝道層 的特性。
退火溫度的上限可被適當設(shè)定，但是優(yōu)選比出現(xiàn)襯底的熱變形的 玻璃轉(zhuǎn)變溫度低的上限。例如，在玻璃襯底的情況下，優(yōu)選在450°C 或更低的溫度進行退火。
如果具有Idem或更低或lOOkQcm或更高的電阻率的氧化銦在 包含臭氧或氧自由基的氣氛中被暴露于UV輻射，那么電阻率很難在 低于150。C的溫度改變。因此，對于低于150°C的溫度條件下的退火， 不能獲得良好的作為溝道層的特性。另一方面，在150。C或更高的溫 度，電阻率在10Qcm 100kQcm的范圍內(nèi)變化，使得可以獲得良好的 作為溝道層的特性。退火溫度的上限可被適當設(shè)定，但是優(yōu)選比出現(xiàn) 襯底的熱變形的玻璃轉(zhuǎn)變溫度低的上限。例如，在玻璃襯底的情況下， 優(yōu)選在450。C或更低的溫度進行退火，而在塑料村底的情況下，優(yōu)選 在200°C或更低的溫度進行退火。
因此，為了有效控制電阻率，在在包含氧、臭氧、水蒸汽或氧化氮中的任一種的氧化氣氛中進行退火的情況下，可以在大于等于
250。C且小于等于450°C的溫度進行退火。
此外，在在包含臭氧或氧自由基的氧化氣氛中通過UV輻射進行 退火的情況下，可以在大于等于150。C且小于等于450。C的溫度進行 退火。
注意，氧化銦膜可在不本質(zhì)上影響諸如場效應(yīng)遷移率、電流通/ 斷比和閾值下特性的TFT特性的程度下包含雜質(zhì)。
用于各自在用作溝道層11的氧化銦膜上形成的源極電極12和漏 極電極13的材料不被特別限制，只要它具有良好的導電性并且能夠與 溝道層電連接即可。例如，可以使用摻雜有錫的氧化銦膜、諸如氧化 鋅的透明導電膜，或金、鉑、鋁、鎳等的金屬膜。此外，還可形成包 含鈦、鎳、鉻等的粘接層16以提高溝道層和電極之間的粘接性。
(TFT特性)
首先，說明晶體管動作特性的評價指標。
圖5示出根據(jù)本實施例的薄膜晶體管的典型特性。
當在源極電極和漏極電極之間施加約6V的電壓Vd時，可通過在
極之間的電流Id。
晶體管特性的各種評價項目的例子包括場效應(yīng)遷移率…閾值電 壓(Vth)、通/斷比和S值。
可從線性區(qū)域或飽和區(qū)域的特性確定場效應(yīng)遷移率。例如， 一種 方式是從傳輸特性的結(jié)果作出^Tld-Vg的圖，并從梯度得到場效應(yīng)遷 移率。除非另外指明，在本說明書中，使用該技術(shù)進行評價。
存在幾種確定閾值電壓的方式， 一個例子是從^fld-Vg圖的x截
距得出閾值電壓Vth。
可以從傳輸特性中的最大Id和最小Id之間的比確定通/斷比。 另夕卜，可通過從傳輸特性的結(jié)果作出Log(Id)-Vd圖并從梯度的倒
數(shù)得到值，確定S值。
S值的單位是V/deeade，并且優(yōu)選較小的值。
ii與將常規(guī)的氧化銦用于溝道層的TFT或?qū)?、鋅和鎵的非晶 氧化物膜用于溝道層的TFT相比，通過根據(jù)本實施例的TFT，獲得 較高的通電流和較高的場效應(yīng)遷移率。另一方面，斷電流非常小，由 此，與上述的常規(guī)的TFT相比，電流通/斷比得到明顯提高。
包含在本發(fā)明中使用的氧化錮的溝道層包括以不本質(zhì)上影響上述 電特性的程度包含雜質(zhì)的情況。例如，溝道層對于氫或諸如氬的稀有 氣體的情況可以以lat。/?；蚋偷牧堪@樣的雜質(zhì)、對于氟的情況 可以以0.1at。/o或更低的量包含這樣的雜質(zhì)，或者，對于氯或氮的情況 可以以0.01at。/o或更低的量包含這樣的雜質(zhì)。
例子
現(xiàn)在用以下的例子更加詳細地說明本發(fā)明。 (例子1)
使用圖1說明通過根據(jù)本發(fā)明的方法制造的TFT器件的第一例子。
在本例子中，使用摻雜磷的硅襯底作為柵極電極15，并且將約 100nm的熱氧化硅膜用于柵絕緣膜14。在熱氧化硅膜上形成氧化銦膜
作為溝道層n。
在本例子中，通過在氬-氧混合氣氛中濺射淀積并通過在空氣中 退火形成氧化銦膜。
由具有l(wèi)n203 ( 99.9%純度)的成分的燒結(jié)材料制成的靶被用作靶 (材料源)，并且所施加的RF功率被設(shè)為20W。靶和襯底之間的距 離為約7cm。在4xlO"Pa的氬-氧混合氣體氣氛中形成氧化銦膜，其 中，引入的氧分壓被設(shè)為lxl(T2Pa。成膜過程中的村底溫度為25°C， 并且膜淀積速度為5nm/min。當對于膜表面以0.5。的入射角度測量形 成的氧化銦膜的X射線衍射時，發(fā)現(xiàn)111203衍射峰，由此確認形成的 氧化銦膜已結(jié)晶。在圖6中示出獲得的X射線衍射譜。
然后，使用電子束加熱淀積，從接近溝道層一側(cè)依次層疊約5nm 厚的鈦層和約100nm厚的金層，然后通過光刻法和剝離技術(shù)形成源極 電極12和漏極電極13。溝道長度為10pm，并且溝道寬度為150fxm。接下來，將由此制造的TFT在300°C的空氣氣氛中進行1小時的 退火。從最終獲得的氧化銦膜的四探針測量發(fā)現(xiàn)，退火之后的電阻率 為10kQcm。另外，進行X射線反射率測量和光鐠橢圓率測量(spectral ellipsometry)。對得到的圖案的分析表明，銦薄膜的均方根粗糙度 (Rrms)為約0.8nm，并且膜厚為約60nm。此外，通過掃描電子顯 微鏡(SEM)的觀察表明，氧化銦膜的粒子尺寸為約10nm。從盧瑟 福背散射(RBS )分析發(fā)現(xiàn)，銦和氧的原子成分比(O/In )處于1.3 1.7 的范圍內(nèi)。另外，當對于膜表面以0.5。的入射角度測量形成的氧化銦 膜的X射線衍射時，發(fā)現(xiàn)111203衍射峰，由此確認形成的氧化銦膜已 結(jié)晶。在圖7中示出獲得的X射線衍射譜。 (比較例1)
雖然結(jié)構(gòu)與例子l中相同，但是在本比較例l中，在形成源極電 極和漏極電極之后不進行在300°C的空氣氣氛中的退火。獲得的膜具 有10kQcm的電阻率、約0.75nm的Rrms和約lOnm的粒子尺寸。此 外，從X射線衍射發(fā)現(xiàn)，形成的氧化銦膜已結(jié)晶。 (比較例2 )
除了溝道層以外，結(jié)構(gòu)與例子1中相同。通過電阻加熱淀積在 5xlO"Pa的氧氣氣氛中形成氧化銦膜。使用銦球粒作為氣相淀積源。 從氣相淀積源到襯底的距離為約30cm。形成的氧化銦膜的厚度為約 60nm，并且成膜過程中的襯底溫度為25°C。此外，在形成源極電極 和漏極電極之后，在300。C的空氣氣氛中進行1小時的退火。熱處理 的氧化銦膜具有10kncm的電阻率、約3nm的Rrms和約25nm的粒 子尺寸。此外，從X射線衍射發(fā)現(xiàn)，形成的氧化銦膜已結(jié)晶。 (TFT器件特性評價)
圖8示出在室溫下測量在本例子中制造的TFT器件時、Vd = 6V 的Id-Vg特性(傳輸特性)。在本例子中制造的TFT器件具有比比較 例2中的器件大的通電流，并且當Vg-10V時，可以看出約為Id-8xlO"A的電流流動。從輸出特性計算場效應(yīng)遷移率給出飽和區(qū)域中的 約25cm2/Vs的值，該值是比較例2中的值約IO倍高。另外，在本例子中制造的TFT器件表現(xiàn)出非常小的斷電流，使得電流通/斷比為約 108，該值比比較例2高約2個數(shù)量級。S值為約1.5V/dec。
注意，對于在比較例1中制造的TFT，即使施加柵極電壓，斷電 流也不減小，即源極電極和漏極電極之間的電流不接通/關(guān)斷，使得不 表現(xiàn)出晶體管動作。雖然其原因不明，但是可以相信，沒有經(jīng)過退火 的TFT的晶體管特性由于形成不希望的氧缺陷水平、雜質(zhì)水平等而劣 化。
因此，可通過在4xlO"Pa的氬-氧混合氣體氣氛中'減射來淀積氧化 銦膜，實現(xiàn)具有0.8nm的Rrms和高表面平坦性的溝道層。此外，通 過在300°C的空氣氣氛中使氧化銦膜進行1小時的退火，使電特性穩(wěn) 定化。另夕卜，通過將這種膜用于TFT溝道層，實現(xiàn)了表現(xiàn)出約25cm2/Vs 的場效應(yīng)遷移率和108的電流通/斷比的優(yōu)異特性的TFT。 (例子2)
使用圖1說明通過根據(jù)本發(fā)明的方法制造的TFT器件的第二例子。
在本例子中，使用摻雜磷的硅襯底作為柵極電極15，并且將約 100nm的熱氧化硅膜用于柵絕緣膜14。在熱氧化硅膜上形成氧化銦膜 作為溝道層11。
在本例子中，通過在氬-氧混合氣氛中濺射淀積并通過在空氣中 退火形成氧化銦膜。
具有l(wèi)n203 ( 99.9%純度)的成分的靼被用作靶(材料源)，并且 施加的RF功率被設(shè)為20W。靶和襯底之間的距離為約9cm。在 4xlO"Pa的氬-氧混合氣體氣氛中形成氧化銦膜，其中，引入的氧分 壓被設(shè)為lxl(T2Pa。成膜過程中的襯底溫度為25°C,并且膜淀積速度 為3nm/min。當對于膜表面以0.5。的入射角度測量形成的氧化銦膜的 X射線衍射時，沒有發(fā)現(xiàn)清晰的衍射峰，由此確認形成的氧化銦膜為 非晶的。在圖3中示出獲得的X射線衍射譜。
然后，使用電子束加熱淀積，從接近溝道層一側(cè)依次層疊約5nm 厚的鈦層和約100nm厚的金層，然后通過光刻法和剝離技術(shù)形成源極電極12和漏極電極13。溝道長度為lOpm,并且溝道寬度為150|im。 接下來，由此制造的TFT在300。C的空氣氣氛中進行1小時的退 火。從對氧化銦膜的四探針測量發(fā)現(xiàn)，退火之后的電阻率約為 100ncm。此外，當對于膜表面以0.5。的入射角度測量氧化銦膜的X 射線衍射時，發(fā)現(xiàn)111203衍射峰，由此確認形成的氧化銦膜已結(jié)晶。 在圖4中示出獲得的X射線衍射譜。另外，進行X射線反射率測量和 光i普橢圓率測量。對得到的圖案的分析表明，銦薄膜的均方根粗糙度 (Rrms)為約0.4nm，并且膜厚為約40nm。此外，從SEM觀察發(fā)現(xiàn)， 氧化銦膜的粒子尺寸為約12nm，并且從RBS分析發(fā)現(xiàn)，銦和氧的原 于成分比(O/In)處于1.3 1.7的范圍內(nèi)。 (比較例3 )
雖然結(jié)構(gòu)與例子2中相同，但是在本比較例3中，在形成源極電 極和漏極電極之后不進行在300。C的空氣氣氛中的退火。獲得的膜具 有約40Qcm的電阻率和約0.3nm的Rrms。此外，從X射線衍射發(fā)現(xiàn)， 形成的氧化銦膜為非晶的。 (TFT器件特性評價)
在室溫下對在本例子中制造的TFT器件的測量表明，場效應(yīng)遷移 率為約28cm2/Vs，電流通/斷比為約4xl08，它們是比例子1中高的值。 另外，實現(xiàn)了具有良好的特性的晶體管，其中，閾值下特性也得以提 高(S值約1.0V/dec)。
注意，對于在比較例3中制造的TFT，即使施加柵極電壓，斷電 流也不減小，即源極電極和漏極電極之間的電流不接通/關(guān)斷，使得不 表現(xiàn)出晶體管動作。雖然其原因不明，但是可以相信，沒有經(jīng)過退火 的TFT的晶體管特性由于形成不希望的氧缺陷水平、雜質(zhì)水平等而劣 化。
因此，可通過在形成非晶膜的條件下淀積氧化銦膜，實現(xiàn)具有作 為特別好的表面平坦性的0.4nm的Rrms的氧化銦膜。此外，通過在 300°C的空氣氣氛中使氧化銦膜進行1小時的退火，氧化銦膜的電特 性.穩(wěn)定化。另外，通過將這種氧化銦膜用于TFT溝道層，實現(xiàn)了表現(xiàn)出約28cm2/Vs的場效應(yīng)遷移率、4xl08的電流通/斷比和約l.OV/dec 的S值的優(yōu)異特性的TFT。 (例子3)
使用圖1說明通過根據(jù)本發(fā)明的方法制造的TFT器件的第三例子。
在本例子中，使用摻雜磷的硅襯底作為柵極電極15,并且將約 100nm的熱氧化硅膜用于柵絕緣膜14。在熱氧化硅膜上形成氧化錮膜 作為溝道層11。
在本例子中，通過在氬-氧混合氣氛中濺射淀積并通過在空氣中 退火形成氧化銦膜。
具有l(wèi)n203 ( 99.9%純度)的成分的靶被用作靶(材料源)，并且 施加的RF功率被設(shè)為20W。耙和襯底之間的距離為約12cm。在 4xlO"Pa的氬-氧混合氣體氣氛中形成氧化銦膜，其中，引入的氧分 壓被設(shè)為lxl(T2Pa。成膜過程中的襯底溫度為25°C，并且膜淀積速度 為3nm/min。當對于膜表面以0.5。的入射角度測量形成的氧化銦膜的 X射線衍射時，沒有發(fā)現(xiàn)清晰的衍射峰，由此確認形成的氧化銦膜為 非晶的。
然后，使用電子束加熱淀積，從接近溝道層一側(cè)依次層疊約5nm 厚的鈦層和約100nm厚的金層，然后，通過光刻法和剝離技術(shù)形成源 極電極12和漏極電極13。溝道長度為10jim，并且溝道寬度為150|im。
接下來，由此制造的TFT在300。C的空氣氣氛中進行1小時的退 火。從對氧化銦膜的四探針測量發(fā)現(xiàn)，退火之后的電阻率為約10Qcm。 此外，當對于膜表面以0.5。的入射角度測量氧化銦膜的X射線衍射時， 發(fā)現(xiàn)111203衍射峰，由此確認形成的氧化銦膜已結(jié)晶。另外，進行X 射線反射率測量和光譜橢圓率測量。對得到的圖案的分析表明，銦薄 膜的均方根粗糙度(Rrms)為約0.35nm，并且膜厚為約20nm。此外， 從SEM觀察發(fā)現(xiàn)，氧化銦膜的粒子尺寸為約12nm，并且從RBS分 析發(fā)現(xiàn)，銦和氧的原子成分比(O/In)處于1.3 1.7的范圍內(nèi)。圖9 是在本例子中獲得的氧化銦膜的SEM照片。(比較例4 )
雖然結(jié)構(gòu)與例子3中相同，但是在本比較例4中，在形成源極電 極和漏極電極之后不進行在300。C的空氣氣氛中的退火。獲得的膜具 有約0.2Qcm的電阻率和約0.3nm的Rrms。此外，從X射線衍射發(fā) 現(xiàn)，形成的氧化銦膜為非晶的。 (TFT器件特性評價)
圖5示出在室溫下測量在本例子中制造的TFT器件時、Vd = 6V 的Id-Vg特性(傳輸特性)。在本例子中制造的TFT器件具有比例子 2的器件大的通電流，并獲得29cmVVs的高場效應(yīng)遷移率值。另一方 面，斷電流小，為約lxlO"A，從而獲得大于約109的高電流通/斷比。 另外，實現(xiàn)了表現(xiàn)出優(yōu)異的特性的晶體管，其中閾值下特性也得以提 高(S值約0.7V/dec)。
注意，對于在比較例4中制造的TFT，即使施加柵極電壓，斷電 流也不減小，即源極電極和漏極電極之間的電流不接通/關(guān)斷，使得不 表現(xiàn)出晶體管動作。雖然其原因不明，但是可以相信，沒有經(jīng)過退火 的TFT的晶體管特性由于形成不希望的氧缺陷水平、雜質(zhì)水平等而劣 化。
因此，可通過將用作溝道層的氧化銦膜的厚度設(shè)為20nm那么薄， 實現(xiàn)具有低的斷電流和大于約109的電流通/斷比的TFT。此外，實現(xiàn) 了具有優(yōu)異的閾值下特性的TFT,其中S值約0.7V/dec。 (例子4)
使用圖2說明通過根據(jù)本發(fā)明的方法制造的TFT器件的第四例子。
首先，在玻璃襯底IO上形成氧化銦膜作為溝道層11。 在本例子中，通過在氬-氧混合氣氛中濺射淀積并通過在空氣中
退火形成氧化銦膜。
具有l(wèi)n203 ( 99.9%純度)的成分的靶被用作靶(材料源)，并且 施加的RF功率被設(shè)為20W。乾和村底之間的距離為約12cm。在 4xlO"Pa的氬氣氛中形成氧化銦膜，其中引入的氧分壓被設(shè)為
17lxl(T2Pa。成膜過程中的村底溫度為25°C，并且膜淀積速度為 3nm/min。當對于膜表面以0.5。的入射角度測量形成的氧化銦膜的X 射線衍射時，沒有發(fā)現(xiàn)清晰的衍射峰，由此確認形成的氧化銦膜為非 晶的。
然后，使用電子束加熱淀積，從接近溝道層一側(cè)依次層疊約5nm 厚的鈦層和約100nm厚的金層，然后通過光刻法和剝離技術(shù)形成源極 電極12和漏極電才及13。
接下來，通過濺射形成的氧化銦膜在300°C的空氣氣氛中進行1 小時的退火。從對獲得的膜的四探針測量發(fā)現(xiàn)，電阻率為lOOQem。 此外，當對于膜表面以0.5。的入射角度測量氧化銦膜的X射線衍射時， 發(fā)現(xiàn)111203衍射峰，由此確認形成的氧化銦膜已結(jié)晶。另外，進行X 射線反射率測量和光譜橢圓率測量。對得到的圖案的分析表明，薄膜 的均方根粗糙度(Rrms)為約0.35nm，并且膜厚為約20nm。從SEM 觀察發(fā)現(xiàn)，氧化銦膜的粒子尺寸為約12nm，并且從RBS分析發(fā)現(xiàn)， 銦和氧的原子成分比(O/In)處于1.3 1.7的范圍內(nèi)。
接下來，通過電子束淀積，被用作柵絕緣膜14的氧化硅膜被淀積 到約90nm的厚度。然后，依次在其上層疊鈦層和金層，并通過光刻 法和剝離技術(shù)形成柵極電極15。溝道長度為10pm并且溝道寬度為 150|Lim。
(比較例5 )
除了溝道層以外，結(jié)構(gòu)與例子4中相同。通過電阻加熱淀積在 lxlO"Pa的氧氣氣氛中形成氧化銦膜。使用銦球粒作為氣相淀積源。 從氣相淀積源到襯底的距離為約30cm。形成的氧化銦膜的厚度為約 20nm，并且成膜過程中的襯底溫度為25°C。此外，在形成源極電極 和漏極電極之后，在300。C的空氣氣氛中進行1小時的退火。熱處理 的氧化銦膜具有700flcm的電阻率、約2nm的Rrms和約23nm的粒 子尺寸。此外，從X射線衍射發(fā)現(xiàn)，形成的氧化銦膜已結(jié)晶。 (TFT器件特性評價)
與比較例5相比，通電流較大，并且當Vg-10V時，約為Id-lxl(T3A的電流流動。從輸出特性計算場效應(yīng)遷移率給出飽和區(qū)域中的 約20cmVVs的值，該值是比較例5中的值的約40倍高。另外，晶體 管通/斷比也超過107，該值比比較例5高約2個數(shù)量級。閾值下特性 也是良好的，其中S值為約0.8V/dec，其約為比較例5中的S值的1/2。
因此，當在具有交錯結(jié)構(gòu)的TFT溝道層中使用根據(jù)本發(fā)明的氧化 銦薄膜時，實現(xiàn)了具有特別優(yōu)異的特性的TFT，其中，柵絕緣膜和溝 道層之間的界面特性得到大大提高。
(例子5)
使用圖2說明通過根據(jù)本發(fā)明的方法制造的TFT器件的第五例予。
首先，在塑料襯底10上形成氧化銦膜作為溝道層11。 在本例子中，通過在氬-氧混合氣氛中濺射淀積并通過在空氣中 退火形成氧化銦膜。
具有l(wèi)n203 ( 99.9%純度)的成分的靶被用作靶(材料源)，并且 施加的RF功率被設(shè)為20W。靼和襯底之間的距離為約12cm。在 4xlO"Pa的氬氣氛中形成氧化銦膜，其中引入的氧分壓被設(shè)為 lxl(T2Pa。成膜過程中的村底溫度為25。C，并且膜淀積速度為 3nm/min。當對于膜表面以0.5。的入射角度測量形成的氧化銦膜的X 射線衍射時，沒有發(fā)現(xiàn)清晰的衍射峰，由此確認形成的氧化銦膜為非 晶的。
然后，使用電子束加熱淀積，從接近溝道層一側(cè)依次層疊約5nm 厚的鈦層和約100nm厚的金層，然后通過光刻法和剝離技術(shù)形成源極 電極12和漏極電極13。
接下來，通過濺射形成的氧化銦膜在暴露于UV輻射的200。C臭 氧氣氛中進行1小時的退火。從對獲得的氧化銦膜的四探針測量發(fā)現(xiàn)， 電阻率為約500flcm。另外，當對于膜表面以0.5。的入射角度測量氧 化銦膜的X射線衍射時，發(fā)現(xiàn)111203衍射峰，由此確認形成的氧化銦 膜已結(jié)晶。另外，進行X射線反射率測量和光譜橢圓率測量。對得到 的圖案的分析表明，薄膜的均方根粗糙度(Rrms)為約0.4nm，并且膜厚為約20nm。從SEM觀察發(fā)現(xiàn)，氧化銦膜的粒子尺寸為約12nm， 并且從RBS分析發(fā)現(xiàn)，銦和氧的原子成分比(O/In)處于1.3-1.7的
范圍內(nèi)。
接下來，通過電子束淀積，被用作柵絕緣膜14的氧化硅膜被淀積 到約90nm的厚度。然后依次在其上層疊鈦層和金層，并通過光刻法 和剝離技術(shù)形成柵極電極15。溝道長度為10pm并且溝道寬度為 150(im。
(比較例6 )
除了溝道層以外，結(jié)構(gòu)與例子5中相同。通過電阻加熱淀積在 lxlO"Pa的氧氣氣氛中形成氧化銦膜。使用銦球粒作為氣相淀積源。 從氣相淀積源到襯底的距離為約30cm。形成的氧化銦膜的厚度為約 20nm，并且成膜過程中的村底溫度為25。C。此外，在形成源極電極 和漏極電極之后，在暴露于UV輻射的200°C的臭氧氣氛中進行1小 時的退火。熱處理的氧化銦膜具有5kflcm的電阻率、約2.5nm的Rrms 和約23nm的粒子尺寸。此外，從X射線衍射發(fā)現(xiàn)，形成的氧化銦膜 已結(jié)晶。
(TFT器件特性評價)
與比較例6相比，通電流較大，并且當Vg-10V時，約為Id-lxl(T4A的電流流動。從輸出特性計算場效應(yīng)遷移率給出飽和區(qū)域中的 約15cmVVs的值，該值是比較例6中的值的約20倍高。另外，晶體 管通/斷比也為106或更大，該值比比較例6高約2個數(shù)量級。閾值下 特性也是良好的，其中S值為約1.1V/dec，其約為比較例6中的S值 的1/2。
因此，當在具有交錯結(jié)構(gòu)的TFT溝道層中使用根據(jù)本發(fā)明的氧化 銦薄膜時，實現(xiàn)了具有特別優(yōu)異的特性的TFT，其中柵絕緣膜和溝道 層之間的界面特性得到大大提高。 (例子6)
使用圖1說明通過根據(jù)本發(fā)明的方法制造的TFT器件的笫六例子。
20在本例子中，使用摻雜磷的硅襯底作為柵極電極15，并且將約 lOOnm的熱氧化硅膜用于柵絕緣膜14。在熱氧化硅膜上形成氧化銦膜 作為溝道層11。
在本例子中，通過在氬氣氛中濺射淀積并通過在空氣中退火形成 氧化銦膜。
具有l(wèi)n203 ( 99.9%純度)的成分的靶被用作靶(材料源)，并且 施加的RF功率核z沒為20W。乾和村底之間的距離為約12cm。在 4xlO"Pa的氬氣氛中形成氧化銦膜，其中引入的氧分壓^皮設(shè)為OPa。 成膜過程中的襯底溫度為25°C，并且膜淀積速度為5nm/min。當對于 膜表面以0.5。的入射角度測量形成的氧化銦膜的X射線衍射時，沒有 發(fā)現(xiàn)清晰的衍射峰，由此確認形成的氧化銦膜為非晶的。
然后，使用電子束加熱淀積，從接近溝道層一側(cè)依次層疊約5nm 厚的鈦層和約100nm厚的金層，然后通過光刻法和剝離技術(shù)形成源極 電極12和漏極電極13。溝道長度為10nm，并且溝道寬度為150fim。
接下來，由此制造的TFT在300°C的空氣氣氛中進行1小時的退 火。從對氧化銦膜的四探針測量發(fā)現(xiàn)，退火之后的電阻率約為10Qcm。 此外，當對于膜表面以0.5。的入射角度測量氧化銦膜的X射線衍射時， 發(fā)現(xiàn)111203衍射峰，由此確認形成的氧化銦膜已結(jié)晶。另外，進行X 射線反射率測量和光語橢圓率測量。對得到的圖案的分析表明，銦薄 膜的均方根粗糙度(Rrms)為約0.32nm，并且膜厚為約20nm。此外， 從SEM觀察發(fā)現(xiàn)，氧化銦膜的粒子尺寸為約12nm，并且從RBS分 析發(fā)現(xiàn)，銦和氧的原子成分比(O/In)處于1.3~1.7的范圍內(nèi)。
(TFT器件特性評價)
與例子4相比，通電流更大，并且場效應(yīng)遷移率為32cm2/Vs的高 值。特別地，實現(xiàn)了具有優(yōu)異的特性的晶體管，其中閾值下特性大大 提高(S值約為0.5V/dec)。這被認為是由于在本例子中被用作溝道 層的氧化銦膜在低電阻條件下被淀積，由此在等離子體損傷小的情況 下實現(xiàn)了溝道層形成。
根據(jù)本發(fā)明，可以實現(xiàn)具有諸如優(yōu)異的場效應(yīng)遷移率和電流通/斷比的優(yōu)異的晶體管特性的高度可靠的薄膜晶體管。特別地，可以以
良好的可重復性制造具有數(shù)量級為5或更大的電流通/斷比和 10cm2/Vs或更大的場效應(yīng)遷移率的TFT。
雖然已參照示例性實施例說明了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限 于公開的示例性實施例。所附權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬的解釋以 包含所有的這些變更方式以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。
本申請要求在2006年11月21日提交的日本專利申請No. 2006-314243的權(quán)益，在此引入其全部內(nèi)容作為參考。
權(quán)利要求
1. 一種薄膜晶體管的制造方法，該薄膜晶體管包括包含氧化銦的溝道層，該方法包括形成要成為所述溝道層的氧化銦膜，并在氧化氣氛中對形成的氧化銦膜進行退火。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的薄膜晶體管的制造方法，其中，在大于等于 150°C且小于等于450°C的氧化氣氛中進行退火。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的薄膜晶體管的制造方法，其中，氧化銦 膜在退火之前為非晶的，而在退火之后為晶體的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任一項的薄膜晶體管的制造方法，其中， 通過濺射形成氧化銦膜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的薄膜晶體管的制造方法，其中，在具有比退 火時的氧化氣氛少的氧的氧氣氛中進行形成氧化銦膜的步驟。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任一項的薄膜晶體管的制造方法，其中， 在氧化氣氛中退火之前的氧化銦膜具有l(wèi)Qcm或更小的電阻率。
全文摘要
一種薄膜晶體管的制造方法，該薄膜晶體管包含具有氧化銦的溝道層(11)，該方法包括形成氧化銦膜作為溝道層，并在氧化氣氛中使形成的氧化銦膜進行退火。
文檔編號H01L29/786GK101548388SQ20078004318
公開日2009年9月30日 申請日期2007年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月21日
發(fā)明者巖崎達哉, 板垣奈穗, 透 田 申請人:佳能株式會社