[发明专利]氧化物半导体薄膜以及薄膜晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及一种作为薄膜晶体管的信道层材料的氧化物半导体薄膜以及使用该氧化物半导体薄膜的薄膜晶体管。

背景技术

薄膜晶体管(ThIn Film TranSistor：TFT)是场效应晶体管(Field Effect TranSistor：FET)的一种。TFT，是作为基本构成具有栅极端子、源极端子、以及漏极端子的三端子元件，是具有如下功能的有源元件：将基板上成膜的半导体薄膜作为电子或者空穴迁移的信道层使用，在栅极端子施加上电压而控制流动于信道层的电流，从而开关源极端子和漏极端子之间的电流。

目前，作为TFT的信道层，广泛使用着多结晶硅膜或非晶硅膜。特别是，非晶硅膜因为能在大面积的第十代玻璃基板上均匀地成膜，因此其可作为液晶面板用TFT的信道层广泛使用。但是，作为载流子的电子的迁移率(载流子迁移率)为1cm²/Vsec以下，因其迁移率低而难以适用于高精细面板用TFT。即，随着液晶的高精细化，要求TFT的高速驱动，但是，为了实现这样的TFT的高速驱动，需要在信道层中使用显示比非晶硅膜的载流子迁移率1cm²/Vsec更高的载流子迁移率的半导体薄膜。

相对于此，多结晶硅膜显示出100cm²/Vsec程度的高的载流子迁移率，因此，其具有可用于高精细面板用TFT的信道层材料的充分的特性。但是，多结晶硅膜在晶界中载流子迁移率降低，因此缺乏基板的面内均匀性，从而存在TFT的特性上产生偏差的问题。另外，多结晶硅膜的制造工序是，在300℃以下的比较低温条件下形成非晶硅膜之后，通过退火处理工序结晶化。该退火处理工序适用了准分子激光退火等的特殊的工序，因此需要高的运行成本。而且，可对应适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，在产品拓展方面也受到了限制。

因此，对于实际情况而言，需求一种兼具非晶硅膜和多结晶硅膜的优异特性且能够以低成本获得的信道层材料。

对于上述状況，在日本特开2010-182924号公报中提出了透明半绝缘性非晶态氧化物薄膜以及以该透明半绝缘性非晶态氧化物薄膜作为信道层的薄膜晶体管，其中，该透明半绝缘性非晶态氧化物薄膜是通过气相成膜法成膜的由In、Ga、Zn以及O元素构成的透明非晶态氧化物薄膜(a-IGZO膜)，并且，该氧化物的组成在结晶化时的组成为InGaO₃(ZnO)_m(m是小于6的自然数)。该透明半绝缘性非晶态氧化物薄膜，未添加杂质离子也可使载流子迁移率比1cm²/Vsec高且可使载流子浓度为10¹⁶/cm³以下。

但是，在日本特开2010-182924号公报中提出的通过溅射法、脉冲激光沉积法中的任一者的气相成膜法成膜的a-IGZO膜显示出大致1～10cm²/Vsec范围的比较高的载流子迁移率，但是，因为非晶态氧化物薄膜本身就易发生氧缺陷或对热等外在因素作为载流子的电子的行为(振る舞い)变得不一定稳定，由此产生TFT等设备的操作时常会变得不稳定的问题。而且，发生非晶态膜特有的现象即在可视光照射下对TFT元件连续施加负偏压时阈电压向负侧移位的现象(光负偏压劣化现象)，其现象在液晶等的显示器用途中成为严重问题而被指出。

另一方面，在日本特开2008-192721号公报或日本特开2010-251606号公报中提出了如下方案：以获得无需高温的工艺也可在高分子基材上制作元件且能够以低成本达到高性能、高可靠性的薄膜晶体管为目的，对于信道层可适用掺杂有锡、钛、钨中的任意成分的氧化铟膜或掺杂有钨以及锌和/或锡的氧化铟膜。这些技术利用了掺杂有钨的氧化铟或者掺杂有钨和锌的氧化铟膜的保持非晶态性的倾向、热稳定性或者膜平坦性。这些氧化物薄膜是，通过未加热基板的状态实施溅射成膜而获得，并且，未实施成膜后的退火处理，因此其是非晶态膜。将这些非晶态氧化物薄膜适用于信道层的结果，在TFT元件中达到了5cm²/Vssec程度的载流子迁移率。但是，这些非晶态氧化物薄膜既然是非晶态膜，仍会存在容易发生氧缺陷、对于热等的外在因素不稳定的问题，此外，还会存在发生非晶态膜特有的光负偏压劣化现象的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-182924号公报

专利文献2：日本特开2008-192721号公报

专利文献3：日本特开2010-251606号公报

发明内容