[发明专利]氧化物半导体薄膜及其制造方法以及薄膜晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化物半导体薄膜及其制造方法，以及使用了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)是电场效应晶体管(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空穴迁移的信道层使用，在栅极端子上施加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的信道层广泛得到使用。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，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左右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，在多结晶硅膜的制造工序中，在300℃以下的比较低的温度条件下形成非晶硅膜之后，通过对该膜进行退火处理而使之结晶化。该退火处理是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。

根据上述情形，作为TFT的信道层的材料，目前在盛行开发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。例如，在日本特开2010-219538号公报中，提出了一种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铟(In)、镓(Ga)、锌(Zn)和氧(O)构成的透明非晶态氧化物薄膜(a-IGZO膜)，并且，其结晶化时的组成为InGaO₃(ZnO)_m(m为小于6的自然数)，在不添加杂质离子的情况下载流子迁移率超过1cm²/Vsec，且载流子浓度为10¹⁶cm^-3以下。

然而，在日本特开2010-219538号公报中提出的通过溅射法或脉冲激光沉积法的气相成膜法成膜的a-IGZO膜，虽然显示出大致1cm²/Vsec～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，而且作为载流子的电子对热等外在因素的行为(振る舞い)不一定稳定，由此产生TFT等设备的运行时常变得不稳定的问题。而且，发生非晶态膜特有的现象即在可见光照射下对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)，该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而且在低成本的情况下获得具有高性能且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(Sn)、钛(Ti)、钨(W)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。根据日本特开2008-192721号公报，通过将采用该技术得到的氧化铟膜适用于信道层，可以使TFT元件的载流子迁移率达到5cm²/Vsec以上。

另外，在日本特开2010-251604号公报中，同样公开了以掺杂了锡、钛、钨和锌中的一种或两种以上的氧化铟的烧结体作为靶，并以无加热的溅射成膜法形成后在150℃～300℃下进行10分钟～120分钟的热处理的技术。基于该技术，在保持着兼备高迁移率和非晶态性的特征的情况下，能够通过比较容易的控制获得具有稳定特性的氧化铟膜，进而，通过将该氧化铟膜作为信道层使用，可获得具有稳定特性的TFT元件。