專利名稱：配線結(jié)構(gòu)和濺射靶材的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液晶顯示器、有機(jī)EL顯示器等顯示裝置中使用的薄膜晶體管(TFT)的配線結(jié)構(gòu)和濺射靶材。
背景技術(shù)：
與通用的無(wú)定形硅(a-Si)相比，無(wú)定形(非晶質(zhì))氧化物半導(dǎo)體具有較高的載流子遷移率(也稱為場(chǎng)效遷移率。以下，有時(shí)僅稱為“遷移率”。)，光學(xué)帶隙大，可在低溫下成膜，因此被期待應(yīng)用于要求大型、高分辨率、高速驅(qū)動(dòng)的下一代顯示器、耐熱性低的樹脂基板等中。氧化物半導(dǎo)體當(dāng)中，尤其是由銦、鎵、鋅、和氧形成的無(wú)定形氧化物半導(dǎo)體(In-Ga-Zn-Ο，以下有時(shí)稱為“IGZ0”。)具有非常高的載流子遷移率，因此優(yōu)選使用。例如非專利文獻(xiàn)I和2中公開了將In: Ga: Zn = 1.1: 1.1: 0.9(原子％比)的氧化物半導(dǎo)體薄膜用于薄膜晶體管(TFT)的半導(dǎo)體層(活性層)得到的半導(dǎo)體。此外，專利文獻(xiàn)I中公開了含有In、Zn、Sn、Ga等元素和Mo、且Mo相對(duì)于無(wú)定形氧化物中的全部金屬原子數(shù)的原子組成比率為0.1 5原子％的無(wú)定形氧化物，實(shí)施例中公開了使用了在IGZO中添加有Mo的活性層的TFT。在將氧化物半導(dǎo)體作為薄膜晶體管的半導(dǎo)體層使用時(shí)，要求不僅載流子濃度(遷移率)高，而且TFT的開關(guān)特性(晶體管特性、TFT特性)也優(yōu)異。具體地說(shuō)，要求:(I)通態(tài)電流(在對(duì)柵電極和漏電極施加正 電壓時(shí)的最大漏電流)高，⑵斷態(tài)電流(對(duì)柵電極施加負(fù)電壓、對(duì)漏電極施加正電壓時(shí)的漏電流)低，(3)S值(亞閾值擺幅(SubthresholdSwing)、漏電流進(jìn)I位數(shù)所必需的柵電壓)低，(4)閾值(對(duì)漏電極施加正電壓、對(duì)柵電極施加正或負(fù)的任一種電壓時(shí)漏電流開始流動(dòng)的電壓，也稱為閾值電壓)不隨時(shí)間變化、保持穩(wěn)定(是指在基板面內(nèi)是均勻的)，且(5)遷移率高等。進(jìn)而，使用了 IGZO等氧化物半導(dǎo)體層的TFT要求對(duì)施加電壓、光照射等應(yīng)力的耐性(耐應(yīng)力性)優(yōu)異。例如，指出了在對(duì)柵電極持續(xù)施加電壓時(shí)、或持續(xù)照射開始光吸收的藍(lán)帶時(shí)，電荷在薄膜晶體管的柵極絕緣膜與半導(dǎo)體層界面被捕獲，閾值電壓漂移(shift)這一開關(guān)特性發(fā)生變化。此外在液晶面板驅(qū)動(dòng)時(shí)、對(duì)柵電極施加負(fù)偏壓以照亮像素時(shí)等，雖然從液晶單元透出的光照射于TFT，但該光對(duì)TFT施予應(yīng)力而成為特性劣化的原因。在實(shí)際上使用薄膜晶體管時(shí)，若電壓施加產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致開關(guān)特性變化，則會(huì)導(dǎo)致液晶顯示器、有機(jī)EL顯示器等顯示裝置自身的可靠性降低。例如在有機(jī)EL顯示器的情況下，若開關(guān)特性變化，則為了使有機(jī)EL元件發(fā)光而必須流動(dòng)數(shù)μΑ以上的電流。因此，渴望耐應(yīng)力性的提高(施加應(yīng)力前后的變化量少)。對(duì)于上述施加電壓、光照射等的應(yīng)力導(dǎo)致的TFT特性的劣化來(lái)說(shuō)，其是由于施加應(yīng)力中在半導(dǎo)體自身、半導(dǎo)體與柵極絕緣膜的界面形成缺陷。作為柵極絕緣膜，通常經(jīng)常使用Si02、Si3N4, A1203、HfO2這樣的絕緣體，但認(rèn)為在半導(dǎo)體層與絕緣膜的界面是不同材料接觸的位置，尤其是容易形成缺陷的位置。為了提高耐應(yīng)力性，認(rèn)為尤其是該半導(dǎo)體層與絕緣膜的界面的處理非常重要。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，例如專利文獻(xiàn)2中公開了一種方法，其通過(guò)在柵極絕緣膜中使用由111-]/[-211(1=包括63、六1、卩6、511、]\%、(:11、66、51中的至少I種)形成的無(wú)定形氧化物，由此抑制了晶界帶來(lái)的缺陷并提高了穩(wěn)定性。但使用該文獻(xiàn)的方法時(shí)，在柵極絕緣膜中含有易形成氧缺陷的In，因此，有可能柵極絕緣膜與半導(dǎo)體層的界面的缺陷增加、穩(wěn)定性降低。專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1:日本特開2009-164393號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2:日本特開2007-73701號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)1:固體物理、V0L44、P621(2009)非專利文獻(xiàn)2:Nature、V0L432、P488(2004)

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明是鑒于上述事實(shí)而完成的，其目的在于，提供一種具備氧化物半導(dǎo)體層的配線結(jié)構(gòu)的開關(guān)特性和耐應(yīng)力性良好、尤其是施加應(yīng)力前后的閾值電壓變化量小且穩(wěn)定性優(yōu)異的配線結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的其它目的在于，提供一種為了通過(guò)濺射法將構(gòu)成上述配線結(jié)構(gòu)的第2氧化物半導(dǎo)體層成膜而有用的濺射靶材。用于解決技術(shù)問(wèn)題的方法對(duì)于能夠解決上述技術(shù)問(wèn)題的本發(fā)明的配線結(jié)構(gòu)，其具有如下主旨:其為在基板上至少具有柵極絕緣膜和氧化物半導(dǎo)體層配線結(jié)構(gòu)，其中，前述氧化物半導(dǎo)體層為具有第I氧化物半導(dǎo)體層及第2氧化物半導(dǎo)體層的層疊體，該第I氧化物半導(dǎo)體層包括選自In、Ga、Zn和Sn中的至少一種元素(Z組元素)，該第2氧化物半導(dǎo)體層含有選自In、Ga、Zn和Sn中的至少一種元素(X組元素)和選自Al、S1、T1、Hf、Ta、Ge、W和Ni中的至少一種元素(Y組元素)，且前述第2氧化物半導(dǎo)體層在前述第I氧化物半導(dǎo)體層與前述柵極絕緣膜之間形成。在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，優(yōu)選Y組元素的總計(jì)含量相對(duì)于構(gòu)成前述第2氧化物半導(dǎo)體層的全部金屬的總計(jì)含量為0.5 8.0原子％。此外，前述第2氧化物半導(dǎo)體層的厚度為
0.5 IOnm也是優(yōu)選的實(shí)施方式。此外，本發(fā)明中前述第2氧化物半導(dǎo)體層中含有的X組元素的種類和各元素間的比率與前述第I氧化物半導(dǎo)體層中含有的Z組元素的種類和各元素間的比率相同也是本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式。進(jìn)而在本發(fā)明的實(shí)施方式中，還優(yōu)選前述第I氧化物半導(dǎo)體層的厚度為10 200nmo此外，進(jìn)而，還優(yōu)選前述第2氧化物半導(dǎo)體層中含有的Y組元素選自S1、Hf和Ni中的至少一種。前述氧化物半導(dǎo)體層的密度優(yōu)選為5.8g/cm3以上。
上述本發(fā)明的第2氧化物半導(dǎo)體層的形成中，可優(yōu)選應(yīng)用一種濺射靶材，其含有選自In、Ga、Zn和Sn中的至少一種元素(X組元素)和選自Al、S1、T1、Hf、Ta、Ge、W和Ni中的至少一種元素(Y組元素)。此時(shí),Y組元素選自S1、Hf和Ni中的至少一種也是優(yōu)選的實(shí)施方式。發(fā)明效果本發(fā)明的配線結(jié)構(gòu)的開關(guān)特性和耐應(yīng)力性優(yōu)異、尤其是施加應(yīng)力前后的閾值電壓變化小，因此，可提供TFT特性和耐應(yīng)力性優(yōu)異的配線結(jié)構(gòu)。此外，通過(guò)本發(fā)明的濺射靶材，可容易提供構(gòu)成上述配線結(jié)構(gòu)的第2氧化物半導(dǎo)體層。


圖1為用于說(shuō)明作為本發(fā)明中使用的氧化物半導(dǎo)體層具備第I氧化物半導(dǎo)體層與第2氧化物半導(dǎo)體層的層疊體的薄膜晶體管的截面簡(jiǎn)圖。圖2為顯示·表示無(wú)定形相的IGZO的構(gòu)成的圖。圖3為用于說(shuō)明作為本發(fā)明中使用的氧化物半導(dǎo)體層具備第I氧化物半導(dǎo)體層與第2氧化物半導(dǎo)體層的層疊體的薄膜晶體管的、其它截面簡(jiǎn)圖。圖4A為顯示作為氧化物半導(dǎo)體層使用了 IGZO的比較例I中的、施加應(yīng)力前后的TFT特性的圖。圖4B為顯示作為氧化物半導(dǎo)體層使用了第I氧化物半導(dǎo)體層(IGZO)與第2氧化物半導(dǎo)體層(IGZ0+Si)的層疊結(jié)構(gòu)的實(shí)施例1中的、施加應(yīng)力前后的TFT特性的圖。圖5為顯不對(duì)于實(shí)施例1和比較例I的、施加應(yīng)力時(shí)間與閾值電壓的變化量(AVth)的關(guān)系的圖。圖6為顯示構(gòu)成氧化物半導(dǎo)體層的第2氧化物半導(dǎo)體層的膜厚與遷移率(cm2/Vs)的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明人等為了提高將含有選自In、Ga、Zn和Sn中的至少一種元素(以下，有時(shí)稱為Z組元素)的氧化物用于TFT的活性層(第I氧化物半導(dǎo)體層)時(shí)的TFT特性和耐應(yīng)力性，反復(fù)進(jìn)行了各種研究。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，若在第I氧化物半導(dǎo)體層與柵極絕緣膜之間夾設(shè)氧化物半導(dǎo)體層(第2氧化物半導(dǎo)體層)，其中，該氧化物半導(dǎo)體層含有選自In、Ga、Zn和Sn中的至少一種元素(以下，有時(shí)稱為X組元素)和選自Al、S1、T1、Hf、Ta、Ge、W和Ni中的至少一種元素(以下，有時(shí)稱為Y組元素)，則實(shí)現(xiàn)了所期望的目的，并完成了本發(fā)明。詳細(xì)地說(shuō)，對(duì)于在柵極絕緣膜與第I氧化物半導(dǎo)體層之間具備含有X組元素和Y組元素的第2氧化物半導(dǎo)體層的TFT來(lái)說(shuō)，與使用了專利文獻(xiàn)I中記載的Mo、Y組元素以外的元素的情形相比，可知TFT特性和耐應(yīng)力性優(yōu)異。對(duì)于本發(fā)明中使用的第I氧化物半導(dǎo)體層，只要是在顯示裝置中使用的氧化物半導(dǎo)體層則沒(méi)有特別限定，可使用公知的半導(dǎo)體層。并且，本發(fā)明中具有的特征在于，在第I氧化物半導(dǎo)體層與柵極絕緣膜之間夾設(shè)第2氧化物半導(dǎo)體層，且限定了第2氧化物半導(dǎo)體層的組成。
首先，對(duì)構(gòu)成本發(fā)明中的第I氧化物半導(dǎo)體層的母材成分即金屬(Z組元素:1η、Ga、Zn、Sn)進(jìn)行說(shuō)明。對(duì)于氧化物半導(dǎo)體當(dāng)中由選自In、Ga、Zn和Sn中的至少一種構(gòu)成的無(wú)定形氧化物半導(dǎo)體，其與通用的無(wú)定形硅(a-Si)相比，具有較高的載流子遷移率，且光學(xué)帶隙大、可在低溫下成膜。上述Z組元素可單獨(dú)含有，也可并用二種以上。對(duì)于上述金屬(In、Ga、Zn、Sn),對(duì)于各金屬間的比率,只要是含有這些金屬的氧化物具有無(wú)定形相、且在顯示半導(dǎo)體特性的范圍，則沒(méi)有特別限定。具體地說(shuō),關(guān)于Zn, Zn占全部金屬(In、Ga、Zn、Sn)的比率優(yōu)選80原子％以下。Zn的比率超過(guò)80原子％時(shí)，氧化物半導(dǎo)體膜結(jié)晶化，因產(chǎn)生粒界捕獲能級(jí)使得載流子遷移率降低，或借助濕式刻蝕的加工變得不易等，晶體管制作中產(chǎn)生不利。更優(yōu)選適合的是Zn的比率為70原子％以下。此外，若考慮到制成無(wú)定形結(jié)構(gòu)等，則上述Zn占金屬的比率的下限優(yōu)選20原子％以上、更優(yōu)選30原子％以上。對(duì)于Zn以外的上述金屬(In、Ga、Sn)，只要按照Z(yǔ)n控制在上述范圍內(nèi)、且各金屬元素的比率(原子％比)滿足后述范圍的方式適當(dāng)控制即可。具體地說(shuō)，In占全部金屬的優(yōu)選比率大致為10原子％以上70原子％以下、進(jìn)而優(yōu)選25原子％以上。此外，Ga占全部金屬的優(yōu)選比率大致為25原子％以上70原子％以下、Sn占全部金屬的優(yōu)選比率為50原子％以下。

作為含有上述金屬(In、Ga、Zn、Sn)的氧化物半導(dǎo)體,可列舉例如In-Ga-Zn-0、Zn-Sn-0、In-Zn-Sn-O等。例如對(duì)于In-Ga-Zn-Ο,可形成無(wú)定形相的各金屬的比率(詳細(xì)地說(shuō)，InO、GaO> ZnO的各摩爾比)已在前述的非專利文獻(xiàn)I中記載。對(duì)于In-Ga-Zn-Ο,若大幅偏尚圖2記載的無(wú)定形相的范圍、ZnO和In2O3的比率變得非常聞而形成結(jié)晶相，則廣生基于濕法刻蝕的加工變得困難、或表現(xiàn)不出晶體管特性等問(wèn)題。作為In-Ga-Zn-O的代表性組成，可列舉In: Ga: Zn的比(原子％比)為例如 2: 2:1 1:1:1 的組成。除此，可列舉 Zn-Sn-O (Zn: Sn = 2: I 1:1)、In-Zn-Sn-Odn: Zn: Sn = 1: 2:1)等。如上所述，在本發(fā)明中最大的特征在于，在柵極絕緣膜與第I氧化物半導(dǎo)體層之間使用了對(duì)提高TFT特性和應(yīng)力有用的含有Y組元素和X組元素的第2氧化物半導(dǎo)體層。對(duì)于構(gòu)成第2氧化物半導(dǎo)體層的X組元素，期望也與上述第I氧化物半導(dǎo)體層同樣具有高的載流子遷移率、光學(xué)帶隙大、可在低溫下成膜，因此，構(gòu)成第2氧化物半導(dǎo)體層的主要元素即X組元素為選自In、Ga、Zn和Sn中的至少一種元素。進(jìn)而，對(duì)于本發(fā)明的構(gòu)成第2氧化物半導(dǎo)體層的母材成分即各金屬元素之間(X組元素:In、Ga、Zn、Sn)的比率也與上述第I氧化物半導(dǎo)體層(Z組元素)同樣，只要含有這些金屬的氧化物具有無(wú)定形相、且在顯示半導(dǎo)體特性的范圍，則沒(méi)有特別限定，可在與上述Z組元素同樣的范圍內(nèi)適當(dāng)設(shè)定。可是，由于本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體層為第I氧化物半導(dǎo)體層與第2氧化物半導(dǎo)體層的層疊體，第I氧化物半導(dǎo)體層與第2氧化物半導(dǎo)體層作為一體具有半導(dǎo)體功能，因而從確?？煽啃缘挠^點(diǎn)出發(fā)，期望在第I氧化物半導(dǎo)體層和第2氧化物半導(dǎo)體層中的載流子遷移率、光學(xué)帶隙等是相同的。因此，期望第2氧化物半導(dǎo)體層中含有的X組元素的種類和各元素間的比率與第I氧化物半導(dǎo)體層中含有的Z組元素的種類和各元素間的比率相同。本發(fā)明中的第2氧化物半導(dǎo)體層是含有選自In、Ga、Zn和Sn中的至少一種元素(X組元素)和選自Al、S1、T1、Hf、Ta、Ge、W和Ni中的至少一種元素(Y組元素)的半導(dǎo)體層。X組元素可單獨(dú)添加，也可并用二種以上。此外，Z組元素可單獨(dú)添加，也可并用二種以上。本發(fā)明中，通過(guò)在第I氧化物半導(dǎo)體層與柵極絕緣膜之間夾設(shè)第2氧化物半導(dǎo)體層，遷移率、耐應(yīng)力性等提高。推測(cè)為，通過(guò)將第2氧化物半導(dǎo)體層在第I氧化物半導(dǎo)體層與柵極絕緣膜的界面夾設(shè)，具有降低了界面中的缺陷、使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化的效果。S卩，構(gòu)成第I氧化物半導(dǎo)體層的Z組元素(In、Ga、Zn、Sn)由于與氧的結(jié)合弱，因而在制成將第I氧化物半導(dǎo)體層直接與柵極絕緣膜接觸的結(jié)構(gòu)時(shí)，在柵極絕緣膜與第I氧化物半導(dǎo)體層界面容易形成氧缺陷導(dǎo)致的捕獲能級(jí)。這樣的捕獲能級(jí)成為降低薄膜晶體管的遷移率、或降低穩(wěn)定性的原因。于是，在本發(fā)明中，通過(guò)在第I氧化物半導(dǎo)體層與柵極絕緣膜的界面夾設(shè)含有形成穩(wěn)定的氧化物的元素(Y組元素)的第2氧化物半導(dǎo)體層，使柵極絕緣膜與第I氧化物半導(dǎo)體層界面的缺陷密度降低。不過(guò)，即便是上述可形成穩(wěn)定的氧化物的元素，也無(wú)法使用使半導(dǎo)體層的整體遷移率或載流子密度降低、或者使薄膜晶體管特性較大劣化這樣的元素。例如，通過(guò)本發(fā)明人等的實(shí)驗(yàn)可知，Mn或Cu等添加到第2氧化物半導(dǎo)體層中時(shí)，即便是I原子％也表現(xiàn)不出開關(guān)特性，不適于上述Y組元素。在后述的實(shí)施例中，為了參考，示出了相對(duì)于構(gòu)成第2氧化物半導(dǎo)體層的全部金屬的總計(jì)量,分別添加Mn2.2原子％、Cu2.5原子％時(shí)的結(jié)果。本發(fā)明中，作為￥組元素可使用選自么1、5丨、11、!^、了&、66、1和附中的至少一種元素。這些元素是氧化物生成自由能低于In、Ga、Sn、Zn，且與氧較強(qiáng)地結(jié)合并形成穩(wěn)定的氧化物的元素，而且是在即便添加本發(fā)明中優(yōu)選限定范圍(0.5 8.0原子％)也實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性的提高而幾乎不降低遷移率方面有效的元素。這些元素可單獨(dú)添加、也可并用二種以上。優(yōu)選選自Al、S1、Hf、Ta和Ni中的至少一種，更優(yōu)選選自S1、Hf和Ni中的至少一種。

對(duì)于Y組元素相對(duì)于構(gòu)成第2氧化物半導(dǎo)體層的全部金屬(X組元素和Y組元素)總計(jì)含量的優(yōu)選的總計(jì)含量([Y組元素/(X組元素+Y組元素)])來(lái)說(shuō)，考慮載流子密度、半導(dǎo)體的穩(wěn)定性等來(lái)決定即可。對(duì)于Y組元素的總計(jì)含量的比率(單獨(dú)含有時(shí)為單獨(dú)的比率，含有二種以上時(shí)為總計(jì)的比率)的下限來(lái)說(shuō)，Y組元素的總計(jì)含量過(guò)少時(shí)，不能充分得到抑制氧缺陷發(fā)生的效果，因此期望優(yōu)選0.5原子％以上。另一方面，Y組元素的總計(jì)含量過(guò)多時(shí)，半導(dǎo)體中的載流子密度降低，因而通態(tài)電流會(huì)減少，因此優(yōu)選8.0原子％以下即可，期望更優(yōu)選7.5原子％以下、進(jìn)而優(yōu)選5.0原子％以下、進(jìn)而更優(yōu)選3.0原子％以下。作為上述第2氧化物半導(dǎo)體層的優(yōu)選組成，可列舉例如以下的組成。(I) In-Ga-Zn-X組元素_0(作為X組元素優(yōu)選的是S1、Hf、Ni)。這里，除了 X組元素的金屬元素(In、Ga、Zn)中的In、Ga、Zn的優(yōu)選的比(原子％比)為例如In: Ga: Zn=2: 2:1 1:1:1。(2)Zn-Sn-X組元素_0(作為X組元素優(yōu)選的是S1、Hf、Ni)。這里，除了 X組元素的金屬元素(Zn、Sn)中的Zn、Sn的優(yōu)選的比(原子％比)為例如Zn: Sn = 2:1 1:1。(3) In-Zn-Sn-X組元素_0(作為X組元素優(yōu)選的是S1、Hf、Ni)。這里，除了 X組元素的金屬元素(In、Zn、Sn)中的In、Zn、Sn的優(yōu)選的比(原子％比)為In: Zn: Sn =1:2:1。
本發(fā)明的構(gòu)成氧化物半導(dǎo)體層的第I氧化物半導(dǎo)體層的厚度沒(méi)有特別限定，第I氧化物半導(dǎo)體層的厚度過(guò)薄時(shí)，有可能在基板面內(nèi)的特性(遷移率、S值、Vth等TFT特性)產(chǎn)生不均，因此，期望優(yōu)選IOnm以上、更優(yōu)選30nm以上。另一方面，第I氧化物半導(dǎo)體層的厚度過(guò)厚時(shí)，有時(shí)成膜需要時(shí)間而增加生產(chǎn)成本，因此，期望優(yōu)選200nm以下、更優(yōu)選80nm以下。此外，第2氧化物半導(dǎo)體層的厚度也沒(méi)有特別限定，第2氧化物半導(dǎo)體層的厚度過(guò)薄時(shí)，有時(shí)不易充分發(fā)揮形成上述第2氧化物半導(dǎo)體層的效果，因此，期望優(yōu)選0.5nm以上、更優(yōu)選Inm以上。另一方面，第2氧化物半導(dǎo)體層的厚度過(guò)厚時(shí)，有可能遷移率降低，因此，期望優(yōu)選IOnm以下、更優(yōu)選5nm以下。以上，對(duì)本發(fā)明中使用的氧化物半導(dǎo)體層進(jìn)行了說(shuō)明。上述第I氧化物半導(dǎo)體層和第2氧化物半導(dǎo)體層優(yōu)選通過(guò)濺射法使用濺射靶材(以下有時(shí)稱為“靶材”。)成膜。根據(jù)濺射法，可容易形成成分、膜厚的膜面內(nèi)均勻性優(yōu)異的薄膜。此外，可通過(guò)涂布法等化學(xué)成膜法來(lái)形成氧化物。作為濺射法中使用的靶材，優(yōu)選使用含有前述的元素、且與所期望的氧化物具有相同組成的濺射靶材，由此，可形成組成偏差少、所期望的成分組成的薄膜。具體地說(shuō)，作為將第I氧化物半導(dǎo)體層成膜的靶材，使用含有選自In、Ga、Zn和Sn中的至少一種元素的氧化物靶材。此外，作為將第2氧化物半導(dǎo)體層成膜的靶材，可使用含有選自In、Ga、Zn和Sn中的至少一種元素(X組元素)和選自Al、S1、T1、Hf、Ta、Ge、W和Ni所組成的Y組中的至少一種元素(Y組元素)的氧化物靶材。尤其是優(yōu)選Y組的元素為選自S1、Hf和Ni中的至少一種。在第I氧化物 半導(dǎo)體層和第2氧化物半導(dǎo)體層濺射成膜時(shí)，期望在保持真空狀態(tài)的狀態(tài)下連續(xù)地成膜。這是因?yàn)?，若在將第I氧化物半導(dǎo)體層和第2氧化物半導(dǎo)體層成膜時(shí)若在大氣中暴露，則空氣中的水分、有機(jī)成分在薄膜表面附著，成為污染(品質(zhì)不良)的原因。此外，第2氧化物半導(dǎo)體層可使用在第I氧化物半導(dǎo)體層的形成中使用的濺射靶材。即，可將第I氧化物半導(dǎo)體層的形成中使用的濺射靶材與Y組元素的濺射靶材同時(shí)濺射(例如，通過(guò)封裝(Chip-on)進(jìn)行共濺射)，以形成第2氧化物半導(dǎo)體層。通過(guò)如此利用第I氧化物半導(dǎo)體層中使用的濺射靶材，可使第2氧化物半導(dǎo)體層中含有的X組元素的種類和各元素間的比率與第I氧化物半導(dǎo)體層中含有的Z組元素的種類和各元素間的比率相同。上述靶材可通過(guò)例如粉末燒結(jié)法來(lái)制造。在使用上述靶材濺射時(shí)，優(yōu)選使基板溫度為室溫、適當(dāng)控制氧氣添加量來(lái)進(jìn)行。氧氣添加量根據(jù)濺射裝置的結(jié)構(gòu)、靶材組成等來(lái)適當(dāng)控制即可，優(yōu)選大致按照半導(dǎo)體的載流子濃度為IO15 IO16CnT3的方式添加氧氣量。此外，將上述氧化物制成TFT的半導(dǎo)體層時(shí)的、氧化物半導(dǎo)體層的優(yōu)選密度為
5.8g/cm3以上(后述。)，為了將這樣的氧化物成膜，優(yōu)選適當(dāng)控制濺射成膜時(shí)的氣壓、對(duì)濺射靶材的投入功率、T-S間距(濺射靶材與基板的距離)、基板溫度等?？赏扑]例如若降低成膜時(shí)的氣壓，則認(rèn)為會(huì)消除濺射原子之間的散射而能夠形成致密(高密度)的膜，因此，成膜時(shí)的總氣壓在濺射的放電穩(wěn)定的程度上越低越好，優(yōu)選大致控制在0.5 5mT0rr的范圍內(nèi)、更優(yōu)選I 3mTorr的范圍內(nèi)。此外，投入功率越高越好，最好在DC或RF下大致設(shè)定在2.0W/cm2以上。成膜時(shí)的基板溫度也是越高越好，最好大致控制在室溫 200°C的范圍內(nèi)。本發(fā)明的配線結(jié)構(gòu)具備上述氧化物半導(dǎo)體層(第I氧化物半導(dǎo)體層與第2氧化物半導(dǎo)體層的層疊結(jié)構(gòu))即可，包括柵極絕緣膜在內(nèi)的其它構(gòu)成沒(méi)有特別限定。例如本發(fā)明的配線結(jié)構(gòu)可優(yōu)選在TFT中使用。TFT在基板上至少具有柵電極、柵極絕緣膜、上述氧化物半導(dǎo)體層、源電極、漏電極即可，其結(jié)構(gòu)只要是通常使用的結(jié)構(gòu)則沒(méi)有特別限定。這里，優(yōu)選上述氧化物半導(dǎo)體層(層疊結(jié)構(gòu))的密度為5.8g/cm3以上。氧化物半導(dǎo)體層的密度變高時(shí)，膜中的缺陷減少而膜質(zhì)提高，此外原子間距變小，因此，TFT元件的場(chǎng)效遷移率較大增加，導(dǎo)電性也變高，對(duì)于對(duì)光照射的應(yīng)力的穩(wěn)定性提高。上述氧化物半導(dǎo)體層的密度越高越好，更優(yōu)選5.9g/cm3以上、進(jìn)而優(yōu)選6.0g/cm3以上。另外，氧化物半導(dǎo)體層的密度通過(guò)后述的實(shí)施例記載的方法測(cè)定。另外，上述密度是指氧化物半導(dǎo)體層全體的密度(即，第I氧化物半導(dǎo)體層與第2氧化物半導(dǎo)體層的層疊結(jié)構(gòu)的密度)，在該氧化物半導(dǎo)體層成膜時(shí)，第I和第2氧化物半導(dǎo)體層的密度未必必須為相同程度，例如，可以是與柵極絕緣膜相接的第2氧化物半導(dǎo)體層的密度高于第I氧化物半導(dǎo)體層的密度。由此，柵極絕緣膜與氧化物半導(dǎo)體層的界面中的缺陷能級(jí)密度降低，因此，尤其進(jìn)一步提高了對(duì)光應(yīng)力的穩(wěn)定性。當(dāng)然，可將第I和第2氧化物半導(dǎo)體層的密度提高至相同程度，通過(guò)提高輸送大量電子的第I氧化物半導(dǎo)體層的密度，尤其進(jìn)一步提高了場(chǎng)效遷移率。以下，邊參照?qǐng)D3邊說(shuō)明上述TFT的制造方法的實(shí)施方式。圖3和以下的制造方法表示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的一例，其并不限于該例子。例如圖3中示出底柵(bottomgate)型結(jié)構(gòu)的TFT，但不限于此，可以使在氧化物半導(dǎo)體層之上依次具備柵極絕緣膜和柵電極的頂柵(top gate)型的TFT。頂柵型TFT中，也是在第I氧化物半導(dǎo)體層與柵極絕緣膜之間夾設(shè)第2氧化物半導(dǎo)體層即可。如圖3所示，在 基板I上形成柵電極2和柵極絕緣膜3，在其上形成第2氧化物半導(dǎo)體層4’、第I氧化物半導(dǎo)體層4。在第I氧化物半導(dǎo)體層4上形成源.漏電極5，在其上形成保護(hù)膜(絕緣膜)6，透明導(dǎo)電膜8通過(guò)接觸孔(contact hole) 7與漏電極5電連接。在基板I上形成柵電極2和柵極絕緣膜3的方法沒(méi)有特別限定，可采用通常使用的方法。此外，柵電極2和柵極絕緣膜3的種類也沒(méi)有特別限定，可使用通用的物質(zhì)。例如，作為柵電極2，可優(yōu)選使用電阻率低的Al或Cu的金屬、這些的合金。此外，作為柵極絕緣膜3，代表性例示硅酸化膜、硅氮化膜、硅氧氮化膜等。除此，還可使用Al2OyY2O3等氧化物、層疊這些而成的物質(zhì)。接著，形成氧化物半導(dǎo)體層(第2氧化物半導(dǎo)體層4’和第I氧化物半導(dǎo)體層4)。第2氧化物半導(dǎo)體層4’可通過(guò)使用與構(gòu)成第2氧化物半導(dǎo)體層的X組元素和Y組元素相同組成的濺射靶材的DC濺射法或RF濺射法來(lái)成膜，或者，也可通過(guò)在X組元素的靶材上堆疊Y組元素的小片(chip)的共濺射法來(lái)成膜。同樣，第I氧化物半導(dǎo)體層4也可通過(guò)使用相同組成的濺射靶材的DC濺射法或RF濺射法來(lái)成膜。優(yōu)選將第2氧化物半導(dǎo)體層4’和第I氧化物半導(dǎo)體層4依次在真空(日文:真空一環(huán))中連續(xù)成膜。在將第I氧化物半導(dǎo)體層4濕式刻蝕后，圖案化。在圖案化后，為了改善第I氧化物半導(dǎo)體層4的膜質(zhì)，優(yōu)選立即進(jìn)行熱處理(預(yù)退火)，由此，晶體管特性的通態(tài)電流和場(chǎng)效遷移率提高，晶體管性能提高。作為預(yù)退火條件，可列舉例如，溫度:約250 400°C、時(shí)間:約10分鐘 I小時(shí)等。預(yù)退火后，可形成蝕刻阻擋層9。蝕刻阻擋層9通常使用SiO2等絕緣膜?？尚纬稍?漏電極5而不形成蝕刻阻擋層9，但在對(duì)源 漏電極實(shí)施蝕刻時(shí)有可能氧化物半導(dǎo)體層受損傷、晶體管特性降低，因此這樣的情況下期望形成蝕刻阻擋層9。但，也有時(shí)在通過(guò)制造方法蝕刻時(shí)即便不設(shè)置蝕刻阻擋層也不會(huì)使氧化物半導(dǎo)體層損傷，因此，根據(jù)需要形成蝕刻阻擋層即可。例如在通過(guò)剝離法(lift-off method)加工源.漏電極時(shí)，不存在對(duì)半導(dǎo)體層的損傷，因而不需要蝕刻阻擋層。源.漏電極5的種類沒(méi)有特別限定，可使用通用的電極。例如可使用與柵電極同樣的Al或Cu等金屬或合金，也可如后述的實(shí)施例那樣使用純Ti。電極的形成廣泛使用濺射法。其后,在源 漏電極5之上通過(guò)CVD(化學(xué)氣相沉積、Chemical Vapor Deposition)法將保護(hù)膜6成膜。CVD法形成的保護(hù)膜6使用Si02、SiN、Si0N等。此外，可使用濺射法形成保護(hù)膜6。半導(dǎo)體層的表面由于CVD帶來(lái)的等離子體損傷而容易發(fā)生導(dǎo)通化(推測(cè)或許是由于在第I氧化物半導(dǎo)體表面生成的氧缺陷成為給電子體(electron donor)。)，因此，在后述的實(shí)施例中，在保護(hù)膜6成膜前進(jìn)行N2O等離子體照射。N2O等離子體的照射條件采用下述文獻(xiàn)中記載的條件。J.Park 人等，Appl.Phys.Lett.，1993，053505 (2008)接著，基于常規(guī)方法，將透明導(dǎo)電膜8通過(guò)接觸孔7與漏電極5電連接。透明導(dǎo)電膜和漏電極的種類沒(méi)有特別限定，可使用通常使用的物質(zhì)。作為漏電極，例如可使用前述的源.漏電極所例示的電極。實(shí)施例以下，舉出實(shí)施例更具體說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明不限于下述實(shí)施例，還可在能適于前述和后述宗旨的范圍內(nèi)進(jìn)行改變來(lái)實(shí)施，這些均包括在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。(實(shí)驗(yàn)I)基于前述的方法，制作圖1所示的薄膜晶體管(TFT)，評(píng)價(jià)形成保護(hù)膜(絕緣膜)6后的TFT特性(本實(shí)驗(yàn)中未形成蝕刻阻擋層9)。首先，在玻璃基板I (Corning公司制的EAGLE2000、直徑IOOmmX厚0.7mm)上依次形成作為柵電極2的Ti薄膜lOOnm、以及作為柵極絕緣膜3的Si02 (200nm)。柵電極2使用純Ti的濺射靶材，通過(guò)DC濺射法在成膜溫度:室溫、成膜功率:300W、載氣:Ar、氣壓:2mTorr下成膜。此外，柵極絕緣膜3使用等離子體CVD法,在載氣=SiH4與N2O的混合氣體、成膜功率:100W、成膜溫度:300°C下成膜。接著，使用具有相應(yīng)于氧化物半導(dǎo)體層組成的組成的濺射靶材，通過(guò)下述條件的濺射法將后述的各種組成和結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體層成膜。作為氧化物半導(dǎo)體層，制作由第I氧化物半導(dǎo)體層4和 第2氧化物半導(dǎo)體層4’形成的本發(fā)明的半導(dǎo)體層(實(shí)施例1)。此夕卜，作為比較例，制作將以往的氧化物半導(dǎo)體層4(IGZ0)成膜而成的半導(dǎo)體層(比較例I)(未形成第2氧化物半導(dǎo)體層4’ )?；鍦囟?室溫氣壓:5mTorr氧分壓:100X 02/(Ar+02) = 2%實(shí)施例1的氧化物半導(dǎo)體層為由作為第I氧化物半導(dǎo)體層4的IGZ0、以及作為第2氧化物半導(dǎo)體層4’的含有Y組元素的IGZO形成的層疊體。首先，在柵極絕緣膜3之上將第2氧化物半導(dǎo)體層4’成膜。具體地說(shuō)，使用在X組元素即IGZ0(原子比In: Ga: Zn =2:2:1)的濺射靶材之上安裝作為Y組元素的Si片而成的靶材，使用共濺(Co-Sputter)法，在柵極絕緣膜3上成膜(膜厚:5nm、Si含量相對(duì)于除了氧以外的構(gòu)成第2氧化物半導(dǎo)體層4’的全部金屬(In、Ga、Zn、Si)的總計(jì)含量為3原子％ )。進(jìn)而在其上使用作為第I氧化物半導(dǎo)體層4為IGZO (原子比In: Ga: Zn = 2: 2: I)的濺射靶材、使用DC濺射法成膜(膜厚50nm)。此時(shí)，從第2氧化物半導(dǎo)體層4’的成膜至第I氧化物半導(dǎo)體層4的成膜，在途中不使室內(nèi)大氣開放，連續(xù)地進(jìn)行成膜。這樣得到的氧化物半導(dǎo)體層中的金屬元素的各含量通過(guò)XPS(X射線光電子能譜、X-ray Photoelectron Spectroscopy)法分析。詳細(xì)地說(shuō),用Ar離子在距離最表面至5nm左右深度的范圍濺射后，通過(guò)下述條件進(jìn)行分析(另外，對(duì)于用XPS法測(cè)定的半導(dǎo)體層來(lái)說(shuō)，使用在Si基板上分別將與第I和第2半導(dǎo)體層相同組成的薄膜分別成膜50nm得到的試樣。)X 射線源:Α1Κ α X射線輸出功率:350W 光電子出射角:20°在如上述那樣將氧化物半導(dǎo)體層成膜后，通過(guò)光刻法和濕式刻蝕進(jìn)行圖案化。作為蝕刻液，使用關(guān)東科學(xué)制的“IT0-07N”。本實(shí)施例中，對(duì)于進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)的全部半導(dǎo)體層，確認(rèn)到?jīng)]有濕式刻蝕帶來(lái)的殘?jiān)?，可適當(dāng)?shù)匚g刻。將半導(dǎo)體層圖案化后，為了提高膜質(zhì)而進(jìn)行預(yù)退火處理。預(yù)退火在大氣氣氛中在350°C下進(jìn)行I小時(shí)。接著，使用純Ti，通過(guò)剝離法形成源.漏電極5。具體地說(shuō)，在使用光致抗蝕劑進(jìn)行圖案化后，通過(guò)DC濺射法將Ti薄膜成膜(膜厚為lOOnm)。源 漏電極用Ti薄膜的成膜方法與前述的柵電極2的情形相同。接著，在超聲波洗滌器中使用丙酮液除去不需要的光致抗蝕劑，TFT的溝道長(zhǎng)為10 μ m、溝道寬為200 μ m。在這樣形成源.漏電極5后，在其上形成保護(hù)膜6。作為保護(hù)膜6，使用SiO2 (膜厚200nm)與SiN (膜厚200nm)的層疊膜(總計(jì)膜厚400nm)。上述SiO2和SiN的形成使用SUMCO(寸A - )制的“H)-220NL”，使用等離子體CVD法進(jìn)行。本實(shí)施例中，在通過(guò)N2O氣體進(jìn)行等離子體處理后，依次形成SiO2膜和SiN膜。SiO2膜的形成使用N2O與SiH4的混合氣體，SiN膜的形成使用SiH4、N2、NH3的混合氣體。任一情形中的成膜功率均為100W、成膜溫度均為150°C。接著，通過(guò)光刻法和干式蝕刻，在保護(hù)膜6上形成用于晶體管特性評(píng)價(jià)用研究的接觸孔7。接著，使用DC濺射法，在載氣:氬氣與氧氣體的混合氣體、成膜功率:200W、氣壓:5mTorr下將作為透明導(dǎo)電膜8的ITO膜(膜厚80nm)成膜，制作圖1的TFT，進(jìn)行后述的試驗(yàn)。(比較例I)通過(guò)濺射法將作為上述氧化物半導(dǎo)體層的無(wú)定形IGZO的氧化物半導(dǎo)體層4 (原子比In: Ga: Zn = 2: 2: 1、膜厚50nm:單層)成膜(第2氧化物半導(dǎo)體層4’未成膜)，根據(jù)上述制法制作TFT，作為比較例I。對(duì)于這樣得到的各TFT，如以下那樣測(cè)定(I)晶體管特性(漏電流-柵電壓特性、Id-Vg特性)、⑵閾值電壓、(3) S值和(4)場(chǎng)效遷移率。(I)晶體管特性的測(cè)定晶體管特性的測(cè)定使用National Instruments社制的“4156C”的半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(parameter analyzer)。詳細(xì)的測(cè)定條件如下。源電壓:0V漏電壓:10V柵電壓:-30 30V (測(cè)定間隔:0.25V)(2)閾值電壓(Vth)粗略地說(shuō)，閾值電壓是指晶體管從斷開狀態(tài)(漏電流低的狀態(tài))向接通狀態(tài)(漏電流高的狀態(tài))移動(dòng)時(shí)的柵電壓的值。本實(shí)施例中，將漏電流在通態(tài)電流與斷態(tài)電流之間的InA附近時(shí)的電壓定義為閾值電壓，測(cè)定各TFT的閾值電壓。(3) S 值S值是漏電流增加一位數(shù)所必須的柵電壓的最小值，其值越低，則表示為越良好的特性。具體地說(shuō)，將S值為0.60V/decade以下的情形評(píng)價(jià)為合格。(4)場(chǎng)效遷移率μ場(chǎng)效遷移率μ由TFT特性在Vg > Vd-Vth即線性區(qū)域中導(dǎo)出。線性區(qū)域中，\、Vd分別為柵電壓、漏電壓，Id為漏電流，L、W分別為TFT元件的溝道長(zhǎng)、溝道寬，Ci為柵極絕緣膜的靜電容量，μFE為場(chǎng)效遷移率。Ufe從以下的式子導(dǎo)出。本實(shí)施例中，從滿足線性區(qū)域的柵電壓附近的漏電流-柵電壓特性(Id-Vg特性)的斜率導(dǎo)出場(chǎng)效遷移率μ。后述的應(yīng)力試驗(yàn)實(shí)施后的場(chǎng)效遷移率在表中記載。[數(shù)I]
權(quán)利要求
1.一種配線結(jié)構(gòu)，其特征在于， 該配線結(jié)構(gòu)是在基板上至少具有柵極絕緣膜和氧化物半導(dǎo)體層的配線結(jié)構(gòu)，其中， 所述氧化物半導(dǎo)體層為具有第I氧化物半導(dǎo)體層和第2氧化物半導(dǎo)體層的層疊體， 該第I氧化物半導(dǎo)體層包括選自In、Ga、Zn和Sn中的至少一種元素即Z組元素， 該第2氧化物半導(dǎo)體層含有選自In、Ga、Zn和Sn中的至少一種元素即X組元素和選自Al、S1、T1、Hf、Ta、Ge、W和Ni中的至少一種元素即Y組元素，且， 所述第2氧化物半導(dǎo)體層形成在所述第I氧化物半導(dǎo)體層與所述柵極絕緣膜之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的配線結(jié)構(gòu)，其中，Y組元素的總計(jì)含量相對(duì)于構(gòu)成所述第2氧化物半導(dǎo)體層的全部金屬的總計(jì)含量為0.5 8.0原子％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的配線結(jié)構(gòu)，其中，所述第2氧化物半導(dǎo)體層的厚度為0.5 IOnm0
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的配線結(jié)構(gòu)，其中，所述第2氧化物半導(dǎo)體層的厚度為0.5 IOnm0
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的配線結(jié)構(gòu)，其中，所述第2氧化物半導(dǎo)體層中含有的X組元素的種類和各元素間的比率與所述第I氧化物半導(dǎo)體層中含有的Z組元素的種類和各元素間的比率相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的配線結(jié)構(gòu)，其中，所述第2氧化物半導(dǎo)體層中含有的X組元素的種類和各元素間的比率與所述第I氧化物半導(dǎo)體層中含有的Z組元素的種類和各元素間的比率相同。`
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的配線結(jié)構(gòu)，其中，所述第I氧化物半導(dǎo)體層的厚度為10 200nmo
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的配線結(jié)構(gòu)，其中，所述第I氧化物半導(dǎo)體層的厚度為10 200nmo
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的配線結(jié)構(gòu)，其中，所述第2氧化物半導(dǎo)體層中含有的Y組元素選自S1、Hf和Ni中的至少一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的配線結(jié)構(gòu)，其中，所述第2氧化物半導(dǎo)體層中含有的Y組元素選自S1、Hf和Ni中的至少一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的配線結(jié)構(gòu)，其中，所述氧化物半導(dǎo)體層的密度為5.8g/cm3以上。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的配線結(jié)構(gòu)，其中，所述氧化物半導(dǎo)體層的密度為5.8g/cm3以上。
13.一種濺射靶材，其特征在于，其為用于形成權(quán)利要求1 12中任一項(xiàng)所述的第2氧化物半導(dǎo)體層的濺射靶材， 其含有選自In、Ga、Zn和Sn中的至少一種元素即X組元素，和 選自Al、S1、T1、Hf、Ta、Ge、W和Ni中的至少一種元素即Y組元素。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的濺射靶材，其中，Y組元素選自S1、Hf和Ni中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明的配線結(jié)構(gòu)在基板上至少具有柵極絕緣膜和氧化物半導(dǎo)體層，所述氧化物半導(dǎo)體層為第1氧化物半導(dǎo)體層以及第2氧化物半導(dǎo)體層的層疊體，該第1氧化物半導(dǎo)體層包括選自In、Ga、Zn和Sn中的至少一種元素(Z組元素)，該第2氧化物半導(dǎo)體層含有選自In、Ga、Zn和Sn中的至少一種元素(X組元素)和選自Al、Si、Ti、Hf、Ta、Ge、W和Ni中的至少一種元素(Y組元素)，并且所述第2氧化物半導(dǎo)體層形成在所述第1氧化物半導(dǎo)體層與所述柵極絕緣膜之間。根據(jù)本發(fā)明，得到了開關(guān)特性和耐應(yīng)力性良好、尤其是施加應(yīng)力前后的閾值電壓變化量小、穩(wěn)定性優(yōu)異的配線結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01L29/786GK103238217SQ20118005773
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者森田晉也, 三木綾, 安野聰, 釘宮敏洋 申請(qǐng)人:株式會(huì)社神戶制鋼所