氧化物半導(dǎo)體薄膜及其制造方法以及薄膜晶體管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種氧化物半導(dǎo)體薄膜及其制造方法，以及使用了該氧化物半導(dǎo)體薄 膜的薄膜晶體管。
【背景技術(shù)】
[0002] 薄膜晶體管（Thin Film TranSistor :TFT)是電場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect TranSistor :FET)的一種。TFT，是作為基本構(gòu)成具有柵極端子、源極端子以及漏極端子的 三端子元件，是具有如下功能的有源元件：將基板上成膜的半導(dǎo)體薄膜作為電子或空穴迀 移的信道層使用，在柵極端子上施加電壓而控制流動(dòng)于信道層的電流，從而開關(guān)源極端子 和漏極端子之間的電流。
[0003] 目前，作為TFT的信道層，廣泛使用著多結(jié)晶硅膜或非晶硅膜。特別是，非晶硅膜 因?yàn)槟茉诖竺娣e的第十代玻璃基板上均勻地成膜，因此其可作為液晶面板用TFT的信道層 廣泛得到使用。但是，作為載流子的電子的迀移率（載流子迀移率）為lcmVVsec以下，因迀 移率低而難以適用于高精細(xì)面板用TFT。即，隨著液晶的高精細(xì)化，要求TFT的高速驅(qū)動(dòng)，為 了實(shí)現(xiàn)這樣的TFT的高速驅(qū)動(dòng)，需要在信道層中使用顯示比非晶硅膜的載流子迀移率Icm 2/ Vsec更高的載流子迀移率的半導(dǎo)體薄膜。
[0004] 相對(duì)于此，多結(jié)晶娃I旲顯不出100cm2/Vsec左右的尚的載流子遷移率，因此，其具 有可用于高精細(xì)面板用TFT的信道層材料的充分的特性。但是，多結(jié)晶硅膜在晶界中載流 子迀移率降低，因此缺乏基板的面內(nèi)均勻性，從而存在TFT的特性上產(chǎn)生偏差的問(wèn)題。另 外，在多結(jié)晶硅膜的制造工序中，在300°C以下的比較低的溫度條件下形成非晶硅膜之后， 通過(guò)對(duì)該膜進(jìn)行退火處理而使之結(jié)晶化。該退火處理是適用了準(zhǔn)分子激光退火等的特殊的 工序，因此需要高的運(yùn)行成本。而且，可對(duì)應(yīng)適用的玻璃基板的大小也只能是第五代程度， 因此在成本的降低方面存在局限性，在產(chǎn)品拓展方面也受到了限制。
[0005] 根據(jù)上述情形，作為TFT的信道層的材料，目前在盛行開發(fā)一種兼具非晶硅膜和 多結(jié)晶硅膜的優(yōu)異特性且能夠以低成本獲得的信道層材料。例如，在日本特開2010-219538 號(hào)公報(bào)中，提出了一種透明半絕緣性非晶態(tài)氧化物薄膜、以及以該透明半絕緣性非晶態(tài)氧 化物薄膜作為信道層的薄膜晶體管，其中，該透明半絕緣性非晶態(tài)氧化物薄膜是通過(guò)氣相 成膜法成膜的由銦（In)、鎵（Ga)、鋅（Zn)和氧（0)構(gòu)成的透明非晶態(tài)氧化物薄膜（a-IGZO 膜），并且，其結(jié)晶化時(shí)的組成為InGaO3 (Zn0)m(m為小于6的自然數(shù)），在不添加雜質(zhì)離子的 情況下載流子迀移率超過(guò)lcmVVsec，且載流子濃度為IO 16CnT3以下。
[0006] 然而，在日本特開2010-219538號(hào)公報(bào)中提出的通過(guò)濺射法或脈沖激光沉積法的 氣相成膜法成膜的a-IGZO膜，雖然顯示出大致lcm 2/Vsec~10cm2/Vsec范圍的比較高的載 流子迀移率，但是，因?yàn)榉蔷B(tài)氧化物薄膜本身就易發(fā)生氧缺陷，而且作為載流子的電子對(duì) 熱等外在因素的行為（振§舞〇)不一定穩(wěn)定，由此產(chǎn)生TFT等設(shè)備的運(yùn)行時(shí)常變得不穩(wěn) 定的問(wèn)題。而且，發(fā)生非晶態(tài)膜特有的現(xiàn)象即在可見光照射下對(duì)TFT元件連續(xù)施加負(fù)偏壓 時(shí)閾電壓向負(fù)側(cè)移位的現(xiàn)象（光負(fù)偏壓劣化現(xiàn)象），該現(xiàn)象在液晶等的顯示器用途中成為 嚴(yán)重問(wèn)題而被指出。
[0007] 另一方面，在日本特開2008-192721號(hào)公報(bào)中提出了如下方案：以獲得無(wú)需高溫 的工藝也可在高分子基材上制作元件而且在低成本的情況下獲得具有高性能且高可靠性 的薄膜晶體管為目的，對(duì)于信道層可適用摻雜有錫（Sn)、鈦（Ti)、鎢（W)中的任意成分的氧 化銦膜或摻雜有鎢以及鋅和/或錫的氧化銦膜。根據(jù)日本特開2008-192721號(hào)公報(bào)，通過(guò)將 采用該技術(shù)得到的氧化銦膜適用于信道層，可以使TFT元件的載流子迀移率達(dá)到5cm 2/Vsec 以上。
[0008] 另外，在日本特開2010-251604號(hào)公報(bào)中，同樣公開了以摻雜了錫、鈦、鎢和鋅中 的一種或兩種以上的氧化銦的燒結(jié)體作為靶，并以無(wú)加熱的濺射成膜法形成后在150°C~ 300°C下進(jìn)行10分鐘~120分鐘的熱處理的技術(shù)?；谠摷夹g(shù)，在保持著兼?zhèn)涓咿|移率和 非晶態(tài)性的特征的情況下，能夠通過(guò)比較容易的控制獲得具有穩(wěn)定特性的氧化銦膜，進(jìn)而， 通過(guò)將該氧化銦膜作為信道層使用，可獲得具有穩(wěn)定特性的TFT元件。
[0009] 但是，由這些文獻(xiàn)所述的技術(shù)得到的氧化銦膜均為非晶態(tài)膜，因此無(wú)法從根本上 解決所謂容易產(chǎn)生氧缺陷、對(duì)熱等外在因素不穩(wěn)定的問(wèn)題、發(fā)生非晶態(tài)膜特有的光負(fù)偏壓 劣化現(xiàn)象的問(wèn)題。另外，當(dāng)考慮到作為面向高精細(xì)面板用TFT的信道層材料使用時(shí)，希望達(dá) 到更高的載流子迀移率。
[0010] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0011] 專利文獻(xiàn)
[0012] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2010-219538號(hào)公報(bào)
[0013] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開2008-192721號(hào)公報(bào)
[0014] 專利文獻(xiàn)3 :日本特開2010-251604號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 發(fā)明要解決的課題
[0016] 本發(fā)明的目的在于，為了解決作為氧化物半導(dǎo)體薄膜的氧化物非晶態(tài)薄膜所具有 的問(wèn)題，通過(guò)氧化物結(jié)晶質(zhì)薄膜提供具有比較高的載流子迀移率且適宜作為薄膜晶體管 (TFT)的信道層材料的氧化物半導(dǎo)體薄膜。
[0017] 解決課題的方法
[0018] 本發(fā)明人等對(duì)可適用于氧化物半導(dǎo)體薄膜的氧化物非晶態(tài)薄膜的替代替材料反 復(fù)進(jìn)行了精心研宄。具體而言，反復(fù)進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：通過(guò)對(duì)由濺射法所獲得的銦和鈦的氧 化物實(shí)施退火處理，形成結(jié)晶質(zhì)的氧化物半導(dǎo)體薄膜。此時(shí)，對(duì)于結(jié)晶化的氧化物半導(dǎo)體薄 膜顯示出高的載流子迀移率的條件，即，對(duì)于作為氧化物半導(dǎo)體薄膜的銦和鈦的氧化物的 組成、膜厚以及結(jié)晶化條件等，進(jìn)行了詳細(xì)的研宄。
[0019] 其結(jié)果是，本發(fā)明人等獲得了如下見解：通過(guò)將以銦和鈦的氧化物作為主要成分 的氧化物半導(dǎo)體薄膜的鈦含量限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，并且，對(duì)這種組成的非晶質(zhì)膜實(shí)施規(guī) 定條件的退火處理，形成僅由方鐵猛礦型（bixbite type)結(jié)構(gòu)的In2O3相構(gòu)成的結(jié)晶質(zhì)氧 化物半導(dǎo)體薄膜，能夠獲得顯示出lcmVVsec以上的高載流子迀移率且IX IO19CnT3以下的 低載流子濃度，并適宜作為薄膜晶體管（TFT)的信道層材料的氧化物半導(dǎo)體薄膜。本發(fā)明 就是基于如上見解而完成的發(fā)明。
[0020] 即，本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體薄膜，其特征在于，由含有銦和鈦的氧化物構(gòu)成，鈦含 量以Ti/In原子數(shù)比計(jì)為0. 005~0. 12,并且，所述氧化物半導(dǎo)體薄膜是結(jié)晶質(zhì)薄膜的僅 由方鐵錳礦型結(jié)構(gòu)的In2O3相構(gòu)成且載流子濃度為IX 10 19CnT3以下，載流子迀移率為Icm2/ Vsec以上。
[0021] 具備上述特性的本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體薄膜，可通過(guò)以下工序來(lái)制造：通過(guò)對(duì)由 含有銦和鈦的氧化物構(gòu)成且鈦含量以Ti/In原子數(shù)比計(jì)為0. 005~0. 12的非晶質(zhì)氧化物 半導(dǎo)體薄膜，以250°C以上的加熱溫度以及1分鐘~120分鐘的處理時(shí)間實(shí)施退火處理，由 此獲得結(jié)晶質(zhì)且僅由方鐵錳礦型結(jié)構(gòu)的In 2O3相構(gòu)成，并且載流子濃度為1X10 19CnT3以下， 載流子迀移率為lcm2/Vsec以上的氧化物半導(dǎo)體薄膜。
[0022] 優(yōu)選前述鈦含量以Ti/In原子數(shù)比計(jì)為0. 01~0. 06。
[0023] 優(yōu)選前述載流子迀移率為3cm2/Vsec以上，更優(yōu)選前述載流子濃度為5 X IO17CnT3 以下并且前述載流子迀移率為5cm2/Vsec以上。
[0024] 優(yōu)選前述氧化物半導(dǎo)體薄膜的膜厚為15nm~200nm，更優(yōu)選為40nm~100nm。
[0025] 優(yōu)選前述In2O3相的結(jié)晶粒徑為IOnm以上。
[0026] 另外，本發(fā)明的薄膜晶體管是具有源極電極、漏極電極、柵極電極、信道層以及柵 極絕緣膜的薄膜晶體管，其特征在于，所述信道層由本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成。
[0027] 發(fā)明效果
[0028] 由于本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體薄膜是氧化物結(jié)晶質(zhì)薄膜，因此，具有超過(guò)lcmVVsec 的高的載流子迀移率，并且，難以生成氧缺陷，對(duì)熱等的外在因素穩(wěn)定且不會(huì)引起發(fā)生光負(fù) 偏壓劣化現(xiàn)象等問(wèn)題。
[0029] 另外，對(duì)本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體薄膜而言，對(duì)規(guī)定組成的氧化物非晶態(tài)薄膜例如 以400°C以下的溫度實(shí)施退火處理，以此可獲得僅由方鐵錳礦型結(jié)構(gòu)的In 2O3相構(gòu)成且具有 高結(jié)晶性的氧化物結(jié)晶質(zhì)薄膜。
[0030] 因此，通過(guò)將本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體薄膜作為信道層材料使用，能夠以低成本實(shí) 現(xiàn)TFT特性的提高，從而其工業(yè)上的意義極大。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1是本發(fā)明的TFT元件的概要剖面圖。
[0032] 圖2是表示對(duì)實(shí)施例5的氧化物半導(dǎo)體薄膜實(shí)施X射線衍射測(cè)定的結(jié)果的圖。
[0033] 圖3是表示退火處理中的加熱溫度與所獲得的氧化物半導(dǎo)體薄膜的結(jié)晶化之間 關(guān)系的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面，對(duì)本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體薄膜以及將該氧化物半導(dǎo)體薄膜作為信道層材料 使用的薄膜晶體管（TFT)進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
[0035] 1.氧化物半導(dǎo)體薄膜
[0036] (a)組成
[0037] 本發(fā)明的由含有銦（In)和