專利名稱：薄膜晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括氧化物半導(dǎo)體的薄膜晶體管和該薄膜晶體管的制備方法。
背景技術(shù)：
目前，將無(wú)定形硅或低溫多晶硅用于半導(dǎo)體層的薄膜晶體管(TFT)正廣泛地用作顯示器件例如有源矩陣型液晶顯示器件或有機(jī)電致發(fā)光(EL)器件中的開關(guān)器件或驅(qū)動(dòng)器件。但是，由于制備這樣的TFT需要高溫工藝，因此難以使用具有低耐熱性的柔性襯底例如塑料襯底或膜襯底。將無(wú)定形硅TFT用作有機(jī)EL器件的驅(qū)動(dòng)器件時(shí)，由于場(chǎng)效應(yīng)遷移率低(至多 Icm2V-1S-1),因此需要具有大尺寸的TFT并且難以減小像素的尺寸。此外，還存在如下問(wèn)題 長(zhǎng)期驅(qū)動(dòng)TFT引起TFT的閾值電壓的變化并且通過(guò)有機(jī)EL器件的電流減小。關(guān)于低溫多晶硅TFT，由于需要校正電路以克服使硅結(jié)晶時(shí)使用的受激準(zhǔn)分子激光器引起的不均一性，電路變得復(fù)雜。此外，存在例如以下問(wèn)題由于顯示尺寸受到受激準(zhǔn)分子激光器的照射尺寸限制，因此難以實(shí)現(xiàn)大顯示尺寸。另一方面，近年來(lái)，已研究了將由Ga、Si和0組成的無(wú)定形氧化物半導(dǎo)體用于 TFT的溝道層的技術(shù)。氧化物半導(dǎo)體TFT，代替用于包括柔性襯底的顯示裝置或有機(jī)EL器件的無(wú)定形硅 TFT或低溫多晶硅TFT而作為開關(guān)器件或驅(qū)動(dòng)器件非常有希望。但是，含有SiO的氧化物半導(dǎo)體取決于半導(dǎo)體的組成對(duì)于氣氛中含有的氧、水分等具有高敏感性，存在半導(dǎo)體的電特性變化的情形。因此，為了作為薄膜晶體管實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的使用，必須通過(guò)使用由絕緣層構(gòu)成的保護(hù)層將半導(dǎo)體層與氣氛隔離。通過(guò)等離子體化學(xué)氣相沉積法(CVD法)、濺射法等形成這樣的保護(hù)層時(shí)，例如由等離子體對(duì)于由氧化物半導(dǎo)體組成的溝道層引起的損傷或者來(lái)自保護(hù)層的氫擴(kuò)散使TFT 的特性劣化。為了避免這樣的特性劣化，公開了通過(guò)使由氧化物半導(dǎo)體組成的溝道層具有兩層結(jié)構(gòu)并且使上層的載流子濃度低于下層的載流子濃度來(lái)抑制TFT的特性劣化的方法 (專利文獻(xiàn)1)。此時(shí)，通過(guò)用載流子受體例如Cu進(jìn)行摻雜來(lái)控制載流子濃度。此外，已公開了通過(guò)使作為活性層的溝道層以預(yù)定的濃度含有氫來(lái)提高器件特性的技術(shù)(專利文獻(xiàn)2)。引用列表專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本專利公開No. 2008-199005專利文獻(xiàn)2 日本專利公開No. 2007-103918

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題但是，將無(wú)定形氧化物半導(dǎo)體TFT用作有機(jī)EL器件的驅(qū)動(dòng)器件時(shí)，長(zhǎng)期進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)閾值電壓的穩(wěn)定性未必充分并且存在需要用于校正閾值電壓的電路的情形。因此，希望進(jìn)一步提高對(duì)于電應(yīng)力(electric stress)的穩(wěn)定性。為了改善閾值電壓對(duì)于電應(yīng)力的穩(wěn)定性，使用具有高遷移率的氧化物半導(dǎo)體溝道層是有效的。但是，另一方面，由于具有高遷移率的氧化物半導(dǎo)體溝道層也具有低的電阻， 因此難以關(guān)閉TFT的漏電流并且閾值電壓的變動(dòng)也增加?？傊?，在閾值電壓對(duì)于電應(yīng)力的穩(wěn)定性和閾值電壓的變動(dòng)之間存在折衷關(guān)系。提高一個(gè)特性時(shí)，使另一個(gè)特性劣化。因此，難以在良好的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)特性。例如，為了在電阻低的同時(shí)抑制閾值電壓的變動(dòng)，使溝道層的膜厚度小的方法是有效的。但是，使溝道層的膜厚度小于一定的膜厚度時(shí)，存在如下情形上述的保護(hù)層形成時(shí)的損傷使閾值電壓對(duì)于電應(yīng)力的穩(wěn)定性劣化。作為克服該折衷關(guān)系的一個(gè)方法，專利文獻(xiàn)1中記載的使溝道層具有兩層結(jié)構(gòu)的方法是有效的。具體地，形成薄的低電阻層作為柵極絕緣層側(cè)的溝道層并且形成高電阻層作為保護(hù)層側(cè)的溝道層。該方法的結(jié)果，由于有效的膜厚度小，在保持閾值電壓對(duì)于電應(yīng)力的穩(wěn)定性的同時(shí)能夠?qū)㈤撝惦妷旱淖儎?dòng)抑制到一定程度。但是，專利文獻(xiàn)1中通過(guò)用載流子受體例如Cu進(jìn)行摻雜來(lái)進(jìn)行電阻的控制。含有載流子受體例如Cu的靶的使用、含有載流子受體的氣體的引入或者膜形成后的離子注入引起制備成本的增加。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的目的在于以低成本并且在不采用用載流子受體進(jìn)行摻雜的技術(shù)的情況下提供在電應(yīng)力下閾值電壓的變化和TFT特性的變動(dòng)小的氧化物半導(dǎo)體TFT。問(wèn)題的解決方法根據(jù)本發(fā)明的薄膜晶體管包括氧化物半導(dǎo)體層和經(jīng)設(shè)置以與該氧化物半導(dǎo)體層接觸的柵極絕緣層，其中該氧化物半導(dǎo)體層含有氫原子并且包括至少兩個(gè)作為該氧化物半導(dǎo)體的活性層發(fā)揮功能并且具有不同的層厚度方向上的平均氫濃度的區(qū)域；并且從柵極絕緣層側(cè)開始將作為該氧化物半導(dǎo)體的活性層發(fā)揮功能的區(qū)域依次定義為第一區(qū)域和第二區(qū)域時(shí)，該第一區(qū)域的平均氫濃度低于該第二區(qū)域的平均氫濃度。根據(jù)本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法是用于制備如下薄膜晶體管的方法，該薄膜晶體管包括氧化物半導(dǎo)體層和經(jīng)設(shè)置以與該氧化物半導(dǎo)體層接觸的柵極絕緣層，其中該氧化物半導(dǎo)體層至少包括，從該柵極絕緣層側(cè)開始，在不同的濺射條件下形成的第一區(qū)域和第二區(qū)域；并且用于形成該第一區(qū)域的功率(power)高于用于形成該第二區(qū)域的功率。本發(fā)明的有利效果根據(jù)本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體TFT中，能夠使TFT特性中在電應(yīng)力下閾值電壓的變化和閾值電壓的變動(dòng)減小。此外，通過(guò)例如使濺射中的供給功率變化或者引入含有水蒸汽的氣體，能夠進(jìn)行本發(fā)明中的氫濃度(也稱為氫原子濃度)的控制。因此，能夠以低成本制備根據(jù)本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體TFT。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的TFT的截面的示意圖。圖2表示無(wú)定形IGZO氧化物半導(dǎo)體層的電阻率對(duì)于供給功率的依賴性。圖3表示無(wú)定形IGZO氧化物半導(dǎo)體層的H2O解吸量對(duì)于供給功率的依賴性。
圖4(a)表示無(wú)定形IGZO氧化物半導(dǎo)體TFT的傳輸特性的面內(nèi)分布(150W條件)； 和圖4(b)表示無(wú)定形IGZO氧化物半導(dǎo)體TFT的傳輸特性的面內(nèi)分布(50W條件)。圖5表示無(wú)定形IGZO氧化物半導(dǎo)體TFT的柵偏壓應(yīng)力試驗(yàn)(gate-bias stress test)中閾值遷移，AVth的比較。圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的TFT的截面的示意圖。圖7表示根據(jù)本發(fā)明的TFT的傳輸特性的面內(nèi)分布。圖8是表示包括單層氧化物半導(dǎo)體溝道層的TFT的截面的示意圖。圖9表示包括單層氧化物半導(dǎo)體溝道層的TFT的傳輸特性的面內(nèi)分布。圖10表示柵偏壓應(yīng)力試驗(yàn)中根據(jù)本發(fā)明的包括兩層溝道層的TFT與包括單層溝道層的TFT之間的閾值遷移，AVth的比較。圖11是表示根據(jù)本發(fā)明的TFT的截面的示意圖。圖12是作為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例的顯示裝置的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式以下參照附圖對(duì)進(jìn)行本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行說(shuō)明。圖1是表示作為本發(fā)明的代表例的底部柵極溝道保護(hù)型氧化物半導(dǎo)體TFT的構(gòu)成的截面圖。附圖標(biāo)記10表示襯底；附圖標(biāo)記11表示柵電極；和附圖標(biāo)記12表示柵極絕緣層。 從柵極絕緣層側(cè)依次地，附圖標(biāo)記13表示第一氧化物半導(dǎo)體區(qū)域(第一區(qū)域)；附圖標(biāo)記 14表示第二氧化物半導(dǎo)體區(qū)域(第二區(qū)域)；附圖標(biāo)記15表示溝道保護(hù)層；附圖標(biāo)記16表示源/漏電極；和附圖標(biāo)記17表示保護(hù)層。本發(fā)明中，第一或第二氧化物半導(dǎo)體區(qū)域(第一或第二區(qū)域)是氧化物半導(dǎo)體層內(nèi)具有預(yù)定厚度的區(qū)域并且可以是各區(qū)域作為獨(dú)立的層存在的情形。這種情況下，氧化物半導(dǎo)體層具有包括第一層和第二層的多層結(jié)構(gòu)。(氧化物半導(dǎo)體層)首先，對(duì)本發(fā)明中的氧化物半導(dǎo)體層(也稱為氧化物半導(dǎo)體膜)進(jìn)行說(shuō)明。本發(fā)明中的氧化物半導(dǎo)體層作為活性層(溝道層)發(fā)揮功能并且氧化物半導(dǎo)體層以預(yù)定的含量含有氫原子。氧化物半導(dǎo)體層中含有氫原子的方式不僅可以是只是氫(H)的形式而且可以是羥基(0H基)或水(H2O)的形式。氧化物半導(dǎo)體層中含有的這樣的氫可以是單一的形式或者多種形式的組合。為了將電阻率調(diào)節(jié)到高值，優(yōu)選增加以羥基(0H基)或水(H2O)的形式含有的氫的量。可通過(guò)濺射法、脈沖激光沉積法(PLD法)、電子束蒸鍍法等形成氧化物半導(dǎo)體層。 使氧化物半導(dǎo)體層作為溝道層發(fā)揮功能時(shí)，優(yōu)選將含有h、Ga、ai和Sn中的至少一種元素的無(wú)定形氧化物半導(dǎo)體層用于提高大面積中的特性的均一性。圖2表示通過(guò)DC磁控濺射法形成的無(wú)定形h-Ga-Si-O (IGZO)氧化物半導(dǎo)體層的電阻率對(duì)供給功率的依賴性。在使襯底溫度為室溫(25°C)的同時(shí)形成IGZO氧化物半導(dǎo)體層。形成方法優(yōu)選為濺射法。關(guān)于形成條件(濺射條件)的實(shí)例，使用具有4英寸的直徑和^( 組成的多晶燒結(jié)體作為濺射靶；膜形成時(shí)的氣氛的總壓力為0. 5Pa ；和此時(shí)的氣體流量為Ar 02 = 98 2 在50-300W的范圍內(nèi)使供給功率變化。氧化物半導(dǎo)體層具有30nm的膜厚度。圖2表示在較高的供給功率的條件下形成的氧化物半導(dǎo)體膜具有較低的氧化物半導(dǎo)體層的電阻率。圖3表示采用熱解吸譜分析法(thermal desorption spectrometry)測(cè)定這些膜的H2O解吸量而得到的結(jié)果。圖3表示在較高的供給功率的條件下形成的氧化物半導(dǎo)體層具有較低的H2O解吸量。氧化物半導(dǎo)體層的形成時(shí)在低供給功率的條件下形成的氧化物半導(dǎo)體層具有高的由熱解吸譜分析法測(cè)定的H2O解吸量。這可能是因?yàn)樵诘凸┙o功率的條件下形成的氧化物半導(dǎo)體層是在氧化物半導(dǎo)體層的形成時(shí)以低膜形成速率形成并且氧化物半導(dǎo)體層容易將室內(nèi)(濺射氣氛中)的水分引入其中。圖2和3中的結(jié)果表示在氧化物半導(dǎo)體層的電阻率和H2O解吸量之間存在相關(guān)關(guān)系；并且具有較高的H2O解吸量的氧化物半導(dǎo)體層，即膜中具有較高的水含量的氧化物半導(dǎo)體層具有較高的電阻率。本發(fā)明中，膜中含有的水(水含量)意味著膜中以羥基(0H基) 或水(H2O)的形式含有的氫(H)。氧化物半導(dǎo)體層的電阻率與膜的載流子濃度相關(guān)。因此，通過(guò)增加或減小氧化物半導(dǎo)體層中以羥基(0H基)或水(H2O)的形式含有的氫的量，能夠調(diào)節(jié)氧化物半導(dǎo)體的載流子濃度。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)，氫存在于金屬-氧鍵的軸上或晶格間時(shí)，氫作為給體發(fā)揮功能。而氫以羥基或與水相同的分子形式存在時(shí)，氫不作為給體發(fā)揮功能，因此使氧化物半導(dǎo)體層的載流子濃度減小并且使氧化物半導(dǎo)體層的電阻率増加。即，圖2和3中觀察到的現(xiàn)象表示氫在氧化物半導(dǎo)體層中以羥基或水的分子形式存在。換言之，在氧化物半導(dǎo)體層中以羥基或水分子的形式存在的氫(氫原子)的濃度越高，氧化物半導(dǎo)體層的電阻率越増加。其中，將包括具有低電阻率并且在濺射時(shí)150W的供給功率的條件下形成的無(wú)定形IGZO層(30nm)和具有高電阻率并且在濺射時(shí)50W的供給功率的條件下形成的無(wú)定形 IGZO層(30nm)作為氧化物半導(dǎo)體溝道層的底部柵極TFT的特性進(jìn)行比較。圖4(a)和4(b) 分別表示在濺射時(shí)150W和50W的供給功率的條件下4英寸襯底的表面內(nèi)37點(diǎn)的傳輸特性。圖4(a)和4(b)表示在濺射時(shí)150W的供給功率的條件下閾值電壓的變動(dòng)大，而在濺射時(shí)50W的供給功率的條件下閾值電壓非常均一。這也表明在濺射時(shí)50W的供給功率的條件下的膜耐受影響例如由等離子體引起的損傷或來(lái)自保護(hù)層的氫擴(kuò)散。接下來(lái)，對(duì)這些TFT進(jìn)行柵極偏壓應(yīng)カ試驗(yàn)。關(guān)于應(yīng)力，施加20V的柵電壓 (Vg) 3000秒。將此時(shí)的閾值電壓的變化(AVth)示于圖5中。圖5中的結(jié)果表明，在濺射時(shí)150W的供給功率的條件下，與在濺射時(shí)50W的供給功率的條件下相比，AVth小。因此，閾值電壓的變動(dòng)與閾值電壓對(duì)于電應(yīng)カ的穩(wěn)定性之間的關(guān)系相沖突，即存在折衷關(guān)系。為了克服這樣的折衷問(wèn)題并且在各方面實(shí)現(xiàn)良好的特性，根據(jù)本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體溝道層至少包括兩個(gè)在層厚度方向上平均氫濃度不同的區(qū)域。優(yōu)選地，本發(fā)明中，對(duì)于氧化物半導(dǎo)體層中以羥基(0H基)或水(H2O)的形式含有的氫，存在至少兩個(gè)在層厚度方向上平均氫濃度不同的區(qū)域。首先，對(duì)圖1中的氧化物半導(dǎo)體層由兩個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域構(gòu)成(兩層結(jié)構(gòu))的情形進(jìn)行說(shuō)明。
關(guān)于接近柵極絕緣層12的第一氧化物半導(dǎo)體區(qū)域(第一區(qū)域)13，優(yōu)選使用具有小水量(組成上低氫濃度)和閾值電壓對(duì)于電應(yīng)カ的穩(wěn)定性高的膜。氧化物半導(dǎo)體層中以羥基或水的分子形式存在的氫的平均濃度(以上兩種形式的總濃度)優(yōu)選為1.0X IO21原子cm—3以下。氫濃度沒(méi)有特別的下限；但是，考慮制備中容易控制，氫濃度優(yōu)選為1.0X IO18 原子cm_3以上。電阻率優(yōu)選為1.0X 10° Ω cm 1.0X IO6 Ω cm。為了通過(guò)濺射法形成具有小水量的氧化物半導(dǎo)體層，例如，有效地采用在高供給功率或高襯底溫度下的膜形成。對(duì)于具有不同平均氫濃度的區(qū)域的膜厚度并無(wú)特別限制；但是，膜厚度優(yōu)選在5nm IOOnm的范圍內(nèi)，在該范圍內(nèi)膜厚度不會(huì)影響閾值電壓的電應(yīng)力。用作活性層的溝道層的整體膜厚度優(yōu)選為IOnm 200nm。關(guān)于遠(yuǎn)離柵極絕緣層12的第二氧化物半導(dǎo)體區(qū)域(第二區(qū)域)14，優(yōu)選使用具有大水量(組成上高氫濃度)和耐受影響例如由等離子體引起的損傷或來(lái)自保護(hù)層的氫擴(kuò)散的膜。以羥基或水分子形式存在的氫的濃度優(yōu)選為1. OX IO19CnT3原子 1. OX 10”原子 cnT3。電阻率優(yōu)選為 1.0 X IO2 Ω cm 1.0 X IO9 Ω cm。具有不同平均氫濃度的第一區(qū)域和第二區(qū)域之間的平均氫濃度之差優(yōu)選為2倍以上，更優(yōu)選10倍以上。第一區(qū)域和第二區(qū)域之間平均氫濃度之差沒(méi)有特別的上限；但是， 重要的是這些層的氫濃度和電阻率在上述范圍內(nèi)。為了通過(guò)濺射法形成具有大水量的氧化物半導(dǎo)體區(qū)域，例如，有效地采用在低供給功率或低襯底溫度下成膜。此外，可在引入含有水蒸汽的氣體的同時(shí)進(jìn)行該形成。對(duì)柵極絕緣層12的膜厚度并無(wú)特別限制；但是，膜厚度優(yōu)選至少20nm以上以致與柵極絕緣層接觸形成的氧化物半導(dǎo)體層的區(qū)域不會(huì)受到影響例如由等離子體引起的損傷或來(lái)自保護(hù)層的氫擴(kuò)散。氧化物半導(dǎo)體層由三個(gè)以上的區(qū)域構(gòu)成(由三個(gè)以上的層構(gòu)成)吋，在至少ー個(gè)任意兩個(gè)區(qū)域的組合中應(yīng)滿足以下關(guān)系接近柵極絕緣層的氧化物半導(dǎo)體區(qū)域(第一區(qū)域)具有較低的氫量并且遠(yuǎn)離柵極絕緣層的氧化物半導(dǎo)體區(qū)域(第二區(qū)域)具有較高的氫量。更優(yōu)選地，關(guān)于氫量的關(guān)系，滿足以下關(guān)系關(guān)于氧化物半導(dǎo)體層中以羥基(0H基)或水(H2O)的形式含有的氫的量，第一區(qū)域具有較低的氫量并且第二區(qū)域具有較高的氫量。上述的水量或氫量(氫濃度)意味著含有水(以羥基(0H基)或水(H2O)的形式含有的氫)或氫的區(qū)域內(nèi)的平均濃度。水量(組成上氫濃度)可在構(gòu)成氧化物半導(dǎo)體層的多個(gè)層連續(xù)地或逐步地變化。 為了使水量連續(xù)地變化，應(yīng)當(dāng)在使供給功率連續(xù)變化的同時(shí)進(jìn)行膜形成，或者通過(guò)例如使含有水分的氣體的流量連續(xù)變化的方法進(jìn)行膜形成。此時(shí)，在至少兩個(gè)區(qū)域中，應(yīng)滿足以下關(guān)系接近柵極絕緣層的氧化物半導(dǎo)體區(qū)域(第一氧化物半導(dǎo)體區(qū)域)具有較低的水量 (組成上較低的氫量)和遠(yuǎn)離柵極絕緣層的氧化物半導(dǎo)體區(qū)域(第二氧化物半導(dǎo)體區(qū)域) 具有較高的水量(組成上較高的氫濃度)。因此，只要滿足這關(guān)系，在絕緣層和第一半導(dǎo)體區(qū)域之間可存在平均氫濃度高于第一半導(dǎo)體區(qū)域的平均氫濃度的區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)，可存在于柵極絕緣膜和第一區(qū)域之間并且具有高于第一區(qū)域的電阻率的區(qū)域是具有30nm以下的厚度并且具有1.0 X IO2 Ω cm 1.0 X IO9 Ω cm的電阻率的區(qū)域。在TFT具有雙柵極結(jié)構(gòu)并且氧化物半導(dǎo)體層的上表面和下表面都與柵極絕緣層接觸的情況下，從接近氧化物半導(dǎo)體層的下表面的區(qū)域開始將氧化物半導(dǎo)體層分為至少三層i區(qū)域(層)、j區(qū)域(層)和k區(qū)域(層)時(shí)，這些區(qū)域的平均氫濃度應(yīng)滿足以下關(guān)系 Ci < Cj > Ck。或者，這些區(qū)域的平均電阻率應(yīng)滿足以下關(guān)系P i < P」> P k。與本發(fā)明的第二半導(dǎo)體區(qū)域相比，本發(fā)明的第一半導(dǎo)體區(qū)域越接近柵極絕緣層， 越優(yōu)選。更優(yōu)選地，第一半導(dǎo)體區(qū)域與柵極絕緣層接觸。具體地，與第二區(qū)域相比將第一區(qū)域接近柵極絕緣層設(shè)置的原因在于，向柵電極施加電場(chǎng)時(shí)容易使第一區(qū)域受到電場(chǎng)的影響。柵極絕緣膜和第一區(qū)域之間不存在其他層時(shí)，柵極電場(chǎng)最有效地影響第一區(qū)域。采用上述構(gòu)成時(shí)，作為接近柵極絕緣層的溝道層(第一區(qū)域)，形成薄(5 IOOnm)并且具有低電阻率(1. OX 10°Ω cm LOXlO6Qcm)的層。作為接近保護(hù)層的溝道層(第二區(qū)域)，能夠形成具有高電阻率(1.0X IO2Cm 1.0X IO9 Ω cm)的層。具有低電阻率的層作為具有高遷移率并且實(shí)質(zhì)上薄(5 IOOnm)的溝道層發(fā)揮功能。這樣的層含有小量的水(氧化物半導(dǎo)體層中以羥基(0H基)或水(H2O)的形式含有的氫)(低氫濃度)并且具有閾值電壓對(duì)于電應(yīng)力的高穩(wěn)定性。使該層作為溝道層發(fā)揮功能時(shí)，使閾值電壓的變動(dòng)減少并且能夠改善閾值電壓對(duì)于電應(yīng)力的穩(wěn)定性。另一方面，接近保護(hù)層并且具有高電阻率的溝道層(第二區(qū)域)含有比第一區(qū)域多的水(氧化物半導(dǎo)體層中以羥基(0H基)或水 (H2O)的形式含有的氫)(較高的氫濃度)。該層也耐受影響例如由等離子體引起的損傷或來(lái)自保護(hù)層的氫擴(kuò)散。因此，在保護(hù)層的形成時(shí)氫或損傷的影響下電阻率的變化小并且能夠保持高電阻率的狀態(tài)。因此，該層作為一種保護(hù)層發(fā)揮功能。通過(guò)采用這樣的將具有不同功能的第一區(qū)域和第二區(qū)域組合的構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)質(zhì)上具有兩層構(gòu)成的溝道層。結(jié)果，能夠在保持閾值電壓對(duì)于電應(yīng)力的穩(wěn)定性的同時(shí)抑制閾值電壓的變動(dòng)。本發(fā)明中，能夠通過(guò)SIMS ( 二次離子質(zhì)譜分析法)測(cè)定氧化物半導(dǎo)體層的區(qū)域的平均氫濃度。本發(fā)明中氧化物半導(dǎo)體層各區(qū)域的平均氫濃度，能夠通過(guò)在各氧化物半導(dǎo)體區(qū)域中確定由上述測(cè)定方法得到的膜厚度方向上的氫濃度分布并且將這些值平均而確定。為了確定在膜中含有的氫中以羥基或水分子的形式存在的氫，將具有與各氧化物半導(dǎo)體區(qū)域相同的組成(在相同條件下形成)的膜形成為單層并且通過(guò)熱解吸譜分析法測(cè)定這些膜的H2O解吸量。由于這種分析中檢測(cè)的水分子可能在膜中以羥基或水分子的形式存在，因此由H2O解吸量視為膜中以羥基或水分子的形式存在的氫的量以確定膜中以該形式存在的氫的量。(底部柵極溝道保護(hù)型薄膜晶體管)根據(jù)本發(fā)明的圖1中所示的TFT的制備步驟如下所述。關(guān)于襯底10，使用玻璃襯底?；蛘?，可使用例如塑料例如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亞胺或聚碳酸酯的膜或薄板；或者涂布有絕緣層的不銹鋼襯底。隨后在襯底10上形成柵電極11。能夠通過(guò)濺射法、脈沖激光沉積法(PLD法)、電子束蒸鍍法、化學(xué)氣相沉積法(CVD法)等形成柵電極層。電極的材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性。 例如，可使用金屬電極材料例如金屬(Ti、Pt、Au、Ni、Al、Mo等)和這些金屬的合金；這樣的材料的多層膜；或者氧化物導(dǎo)電材料例如ITO(氧化銦錫)。隨后通過(guò)光刻法等將柵電極 11圖案化。
隨后在具有圖案化的柵電極11的襯底10上形成柵極絕緣層12。能夠通過(guò)濺射法、脈沖激光沉積法(PLD法)、電子束蒸鍍法、等離子體CVD法等形成柵極絕緣層。柵極絕緣材料應(yīng)具有良好的絕緣特性。例如，能夠使用通過(guò)PECVD法、濺射法等形成的氧化硅膜或
氮化硅膜。隨后在柵極絕緣層12上依次形成第一氧化物半導(dǎo)體區(qū)域(第一區(qū)域)13和第二氧化物半導(dǎo)體區(qū)域(第二區(qū)域)14。該形成中，能夠使用濺射法、PLD法、電子束蒸鍍法等。 此時(shí)，優(yōu)選進(jìn)行該形成以致第一氧化物半導(dǎo)體區(qū)域13的平均氫濃度為第二氧化物半導(dǎo)體區(qū)域14的平均氫濃度的1/2以下。即，第二氧化物半導(dǎo)體區(qū)域14的平均氫濃度為第一氧化物半導(dǎo)體區(qū)域13的平均氫濃度的2倍以上。它們的形成方法如上所述。通過(guò)光刻法和蝕刻法將第一氧化物半導(dǎo)體溝道層13和第二氧化物半導(dǎo)體溝道層圖案化。隨后通過(guò)濺射法在氧化物半導(dǎo)體區(qū)域13和14上形成氧化硅層作為成為溝道保護(hù)層15的絕緣層。溝道保護(hù)層15應(yīng)由具有良好的絕緣特性的材料(例如Si02、SiN、Al2O3 等)組成。由于溝道保護(hù)層15與第二氧化物半導(dǎo)體區(qū)域14直接接觸，因此優(yōu)選溝道保護(hù)層15由形成溝道保護(hù)層15時(shí)不使氧化物半導(dǎo)體的電阻率減小的材料組成或在這樣的條件下形成。具體地，更優(yōu)選含0的絕緣層例如氧化硅層或氧氮化硅層。此外，這些絕緣層可具有不滿足化學(xué)計(jì)量學(xué)(化學(xué)計(jì)量組成)的組成。通過(guò)現(xiàn)有的光刻法和現(xiàn)有的蝕刻法將溝道保護(hù)層15圖案化。隨后形成源/漏電極16?？赏ㄟ^(guò)濺射法、脈沖激光沉積法(PLD法)、電子束蒸鍍法、化學(xué)氣相沉積法(CVD法)等形成源/漏電極層。電極的材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性。例如，可使用的是金屬電極材料例如金屬(Ti、Pt、Au、Ni、Al、Mo等)和這樣的金屬的合金；這樣的材料的多層膜；或者氧化物導(dǎo)電材料例如ITO(氧化銦錫)。隨后通過(guò)光刻法等將源/ 漏電極16圖案化。進(jìn)一步形成保護(hù)層17。保護(hù)層17應(yīng)具有良好的絕緣特性并且優(yōu)選地具有對(duì)于水分和氧的高阻隔性。關(guān)于形成方法，能夠使用濺射法、脈沖激光沉積法(PLD法)、電子束蒸鍍法、等離子體CVD法等。具體地，例如，氮化硅層、氧化硅層、氧氮化硅層、碳化硅層或者這樣的層的多層膜是優(yōu)選的。這樣的絕緣層的組成不滿足光學(xué)計(jì)量學(xué)時(shí)不存在任何問(wèn)題。最后，在保護(hù)層17中形成接觸孔以完成本發(fā)明的薄膜晶體管。于是，本發(fā)明中，能夠?qū)⒍鄠€(gè)上述的晶體管兩維地配置(在平面內(nèi)以行和列排列)在襯底上。實(shí)施例以下對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例更詳細(xì)地說(shuō)明。但是，不應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明基于這些實(shí)施例而受到限制。(實(shí)施例1)對(duì)制備圖1中的包括雙層氧化物半導(dǎo)體溝道層的底部柵極溝道保護(hù)型氧化物半導(dǎo)體TFT的實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。首先，在玻璃襯底10上形成柵電極11。關(guān)于柵電極11，使用Mo作為電極材料并且使膜厚度為lOOnm。然后，通過(guò)光刻法和蝕刻法將柵電極層11圖案化。接下來(lái)，通過(guò)等離子體CVD法形成200-nm氧化硅層作為柵極絕緣層12。通過(guò)等離子體CVD法形成氧化硅層時(shí)的襯底溫度為340°C。使用的工藝氣體為SiH4和隊(duì)0并且氣體流量的比例為SiH4 N2O = 1 25。供給的RF功率密度和壓力分別為0.9W/cm2和173Pa。
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形成了具有15nm的膜厚度的無(wú)定形IGZO作為第一氧化物半導(dǎo)體區(qū)域(第一區(qū)域)13。在室溫(25°C)的襯底溫度下使用DC濺射裝置形成了該氧化物半導(dǎo)體層。使用的靶是具有LfeaiO4組成的多晶燒結(jié)體并且供給功率為150W。膜形成時(shí)的氣氛的總壓力為 0.51 并且此時(shí)的氣體流量為Ar O2 = 98 2ο接下來(lái)，形成第二氧化物半導(dǎo)體區(qū)域(第二區(qū)域)14。形成具有15nm的膜厚度的無(wú)定形IGZO作為第二氧化物半導(dǎo)體區(qū)域14。在室溫(25°C )的襯底溫度下使用DC濺射裝置形成該氧化物半導(dǎo)體層。使用的靶是具有InfeaiO4組成的多晶燒結(jié)體并且供給功率為 50W。膜形成時(shí)的氣氛的總壓力為0.5 并且此時(shí)的氣體流量為Ar O2 = 98 2。然后， 通過(guò)光刻法和蝕刻法進(jìn)行圖案化以形成第一氧化物半導(dǎo)體區(qū)域13和第二氧化物半導(dǎo)體區(qū)域14。在該區(qū)域上，通過(guò)濺射法形成具有IOOnm的膜厚度的氧化硅膜作為溝道保護(hù)層 15。在室溫的襯底溫度下使用RF濺射裝置形成該氧化硅層。使用的靶是具有4英寸的直徑的SiO2靶并且供給的RF功率為500W。氧化硅膜的膜形成時(shí)的氣氛的總壓力為0. 5Pa并且此時(shí)的氣體流量為Ar O2 = 90 10。然后，通過(guò)光刻法和蝕刻法進(jìn)行圖案化以形成溝道保護(hù)層15。接下來(lái)，形成源/漏電極16。使用Mo作為電極材料并且使膜厚度為lOOnm。然后， 通過(guò)光刻法和蝕刻法進(jìn)行圖案化以形成源/漏電極16。通過(guò)等離子體CVD法進(jìn)一步形成具有300nm的膜厚度的氮化硅層作為保護(hù)層17。 通過(guò)等離子體CVD法形成氮化硅層時(shí)的襯底溫度為250°C。使用的工藝氣體為SiH4力氏和 N2并且氣體流量的比例為SiH4 NH3 N2 = 1 2. 5 25。供給的RF功率密度和壓力分別為 0. 9ff/cm2 和 150Pa。為了實(shí)現(xiàn)與外部的電連接，通過(guò)光刻法和蝕刻法進(jìn)行圖案化以在保護(hù)層17中形成接觸孔。最后，使用加熱爐在250°C下在空氣中進(jìn)行退火處理1小時(shí)以去除由等離子體等產(chǎn)生的損傷。作為上述步驟的結(jié)果，完成了根據(jù)本發(fā)明的底部柵極溝道保護(hù)型氧化物半導(dǎo)體 TFT。(實(shí)施例2)對(duì)制備圖6中的包括雙層氧化物半導(dǎo)體溝道層的底部柵極共平面結(jié)構(gòu)氧化物半導(dǎo)體TFT的實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。如實(shí)施例1中那樣，在玻璃襯底10上形成了柵電極11、柵極絕緣層12、第一氧化物半導(dǎo)體溝道層13、第二氧化物半導(dǎo)體溝道層14和溝道保護(hù)層15。通過(guò)等離子體CVD法進(jìn)一步形成具有300nm的膜厚度的氮化硅層作為保護(hù)層17。 通過(guò)等離子體CVD法形成氮化硅膜時(shí)的襯底溫度為250°C。使用的工藝氣體為SiH4力氏和 N2并且氣體流量的比例為SiH4 NH3 N2 = 1 2. 5 25。供給的RF功率密度和壓力分別為0. 9ff/cm2和150Pa。形成保護(hù)層17的同時(shí)，通過(guò)氫從保護(hù)層17的擴(kuò)散使氧化物半導(dǎo)體區(qū)域13和14的沒(méi)有溝道保護(hù)層15的區(qū)域具有低電阻率以變?yōu)樵?漏區(qū)域13a和14a。通過(guò)光刻法和蝕刻法在保護(hù)層17中形成了接觸孔。進(jìn)一步通過(guò)濺射法形成源/漏極配線層18。使用的配線材料為Mo并且使膜厚度為lOOnm。然后，通過(guò)光刻法和蝕刻法進(jìn)行圖案化以形成源/漏極配線層18。最后，使用加熱爐在250°C下在空氣中進(jìn)行退火處理1小時(shí)以去除由干蝕刻等產(chǎn)生的損傷。作為上述步驟的結(jié)果，完成了根據(jù)本發(fā)明的底部柵極共平面結(jié)構(gòu)氧化物半導(dǎo)體 TFT。將由本實(shí)施例制備的4-英寸襯底的37點(diǎn)處的氧化物半導(dǎo)體TFT的傳輸特性示于圖7中。如圖7中所示，具有根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)成的氧化物半導(dǎo)體TFT中閾值電壓的變動(dòng)小。(比較例1)對(duì)制備圖8中的包括單層氧化物半導(dǎo)體溝道層的底部柵極共平面氧化物半導(dǎo)體 TFT的實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。如實(shí)施例1中那樣，在玻璃襯底10上形成了柵電極11和柵極絕緣層12。形成了具有30nm的膜厚度的無(wú)定形IGZO作為氧化物半導(dǎo)體溝道層13。在室溫(25V )的襯底溫度下使用DC濺射裝置形成了該氧化物半導(dǎo)體層。使用的靶是具有 InGaZnO4組成的多晶燒結(jié)體并且供給功率為150W。膜形成時(shí)的氣氛的總壓力為0. 5Pa并且此時(shí)的氣體流量為Ar O2 = 98 20然后，如實(shí)施例1中那樣形成了溝道保護(hù)層15。如實(shí)施例2中那樣，進(jìn)一步形成了保護(hù)層17。此時(shí)，形成保護(hù)層17的同時(shí)，通過(guò)氫從保護(hù)層17的擴(kuò)散使氧化物半導(dǎo)體溝道層13的沒(méi)有溝道保護(hù)層15的區(qū)域具有低電阻率以變?yōu)樵?漏區(qū)域13a。如實(shí)施例2中那樣，然后形成了接觸孔和源/漏極配線層18。最后，使用加熱爐在250°C下在空氣中進(jìn)行退火處理1小時(shí)以去除由干蝕刻等產(chǎn)生的損傷。作為上述步驟的結(jié)果，完成了氧化物半導(dǎo)體溝道層為單層的底部柵極共平面結(jié)構(gòu)氧化物半導(dǎo)體TFT。將由本比較例制備的4-英寸襯底中37點(diǎn)處的氧化物半導(dǎo)體TFT的傳輸特性示于圖9中。如圖9中所示，包括單層氧化物半導(dǎo)體溝道層的氧化物半導(dǎo)體TFT中閾值電壓的變動(dòng)大。此外，對(duì)實(shí)施例2和比較例1的TFT進(jìn)行柵極偏壓應(yīng)力試驗(yàn)。關(guān)于應(yīng)力條件，柵極偏壓為20V并且應(yīng)力時(shí)間為3000秒。將結(jié)果示于圖10中。圖10顯示實(shí)施例2的TFT具有小的閾值電壓的變動(dòng)，但具有與比較例1相當(dāng)?shù)腁Vth量。這表示，實(shí)施例2的TFT中， 顯示出襯底的平面中均勻的閾值電壓，同時(shí)保持與氧化物半導(dǎo)體溝道層為單層的TFT相當(dāng)?shù)腁Vth。此外，與用圖5所述的TFT相比，其中電阻率高并且在50W的供給功率下形成單層無(wú)定形IGZO層，實(shí)施例2的TFT具有低AVth量和提高的穩(wěn)定性，同時(shí)保持與圖5中的 TFT相當(dāng)?shù)拈撝惦妷旱淖儎?dòng)。(實(shí)施例3)對(duì)制備圖11中的包括雙層氧化物半導(dǎo)體溝道層的頂部柵極共平面結(jié)構(gòu)氧化物半導(dǎo)體TFT的實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。首先，在玻璃襯底10上形成具有15nm的膜厚度的無(wú)定形IGZO作為第二氧化物半導(dǎo)體溝道層14。在室溫(25°C )的襯底溫度下使用DC濺射裝置形成該氧化物半導(dǎo)體層。使用的靶是具有^( 組成的多晶燒結(jié)體并且供給的DC功率為50W。膜形成時(shí)的氣氛的總壓力為0.5Pa并且此時(shí)的氣體流量為Ar O2 = 98 接下來(lái)，連續(xù)地形成具有15nm的膜厚度的無(wú)定形IGZO作為第一氧化物半導(dǎo)體區(qū)域13。在室溫(25°C )的襯底溫度下使用DC濺射裝置形成該氧化物半導(dǎo)體層。使用的靶是具有LfeaiO4組成的多晶燒結(jié)體并且供給功率為150W。膜形成時(shí)的氣氛的總壓力為0. 5Pa 并且此時(shí)的氣體流量為Ar O2 = 98 20然后，通過(guò)光刻法和蝕刻法進(jìn)行圖案化以形成第二氧化物半導(dǎo)體區(qū)域14和第一氧化物半導(dǎo)體溝道層13。通過(guò)濺射法在其上形成具有IOOnm的膜厚度的氧化硅層作為柵極絕緣層12。在室溫的襯底溫度下使用RF濺射裝置形成氧化硅層。使用的靶是4英寸SW2靶并且供給的RF 功率為500W。氧化硅層的膜形成時(shí)氣氛的總壓力為0.5 并且此時(shí)的氣體流量為Ar O2 =90 10。接下來(lái)，形成柵電極11。使用Mo作為電極材料并且使膜厚度為lOOnm。然后，通過(guò)光刻法和蝕刻法進(jìn)行圖案化來(lái)形成柵極絕緣層12和柵電極層11。此外，通過(guò)等離子體CVD法形成具有300nm的膜厚度的氮化硅層作為保護(hù)層17。 通過(guò)等離子體CVD法形成氮化硅膜時(shí)的襯底溫度為250°C。使用的工藝氣體為SiH4力氏和 N2并且氣體流量的比例為SiH4 NH3 N2 = 1 2. 5 25。供給的RF功率密度和壓力分別為0. 9ff/cm2和150Pa。形成保護(hù)層17的同時(shí)，通過(guò)氫從保護(hù)層17的擴(kuò)散使氧化物半導(dǎo)體溝道層13和14的沒(méi)有柵極絕緣層12和柵電極11的區(qū)域具有低電阻率以變?yōu)樵?漏區(qū)域 13a 和 14a。然后，通過(guò)光刻法和蝕刻法在保護(hù)層17中形成接觸孔并且形成源/漏極配線層 15。使用的配線材料為Mo并且使膜厚度為lOOnm。然后，通過(guò)光刻法和蝕刻進(jìn)行圖案化以形成源/漏極配線層15。作為上述步驟的結(jié)果，完成了根據(jù)本發(fā)明的頂部柵極共平面結(jié)構(gòu)氧化物半導(dǎo)體 TFT。(實(shí)施例4)本實(shí)施例中，對(duì)包括圖1中所示的底部柵極溝道保護(hù)型氧化物半導(dǎo)體TFT的圖12 中的顯示裝置進(jìn)行說(shuō)明。氧化物半導(dǎo)體TFT的制備步驟與實(shí)施例1中相同。但是，可使用圖1、6和11中所示的氧化物半導(dǎo)體TFT的任一個(gè)。首先，在根據(jù)本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體TFT 120上通過(guò)等離子體CVD法形成氮化硅層作為絕緣層121。然后，通過(guò)光刻法在絕緣層121中形成接觸孔。然后，在源極配線122 中形成電極123以使絕緣層121介于它們之間。關(guān)于電極123，使用通過(guò)濺射法形成的IT0。 接下來(lái)，通過(guò)氣相沉積法在電極123上形成空穴傳輸層IM和發(fā)光層125。關(guān)于空穴傳輸層 1 和發(fā)光層125，分別使用α-NPD和Alq3。此外，通過(guò)氣相沉積法在發(fā)光層125上形成電極126。使用的電極材料為MgAg。于是，制備了圖12中所示并且包括用作顯示器件的有機(jī)電致發(fā)光器件的顯示裝置。附圖標(biāo)記列表10 襯底11柵電極12柵極絕緣層13第一氧化物半導(dǎo)體溝道層
13a源/漏區(qū)域14第二氧化物半導(dǎo)體溝道層1 源/漏區(qū)域15溝道保護(hù)層16源/漏電極17保護(hù)層
權(quán)利要求
1.薄膜晶體管，包括氧化物半導(dǎo)體層和經(jīng)設(shè)置以與該氧化物半導(dǎo)體層接觸的柵極絕緣層，其中該氧化物半導(dǎo)體層含有氫原子并且包括至少兩個(gè)作為該氧化物半導(dǎo)體的活性層發(fā)揮功能并且在層厚度方向上平均氫濃度不同的區(qū)域；并且從柵極絕緣層側(cè)開始將作為該氧化物半導(dǎo)體的活性層發(fā)揮功能的區(qū)域依次定義為第一區(qū)域和第二區(qū)域時(shí)，該第一區(qū)域的平均氫濃度低于該第二區(qū)域的平均氫濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜晶體管，其中該第一區(qū)域和該第二區(qū)域具有5nm IOOnm的厚度；并且該氧化物半導(dǎo)體層具有IOnm 200nm的整體厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的薄膜晶體管，其中該第一區(qū)域的平均氫濃度為1.OX IOw原子 CnT3 1. OXlO21 原子 cnT3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一項(xiàng)的薄膜晶體管，其中該第二區(qū)域的平均氫濃度為 1.0X IO19 原子 cnT3 1. 0Χ1(^2 原子 cm—3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4的任一項(xiàng)的薄膜晶體管，其中該第一區(qū)域的平均電阻率為 1.0 X IO0 Ω cm 1.0 X IO6 Ω cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5的任一項(xiàng)的薄膜晶體管，其中該第二區(qū)域的平均電阻率為 1.0 X IO2 Ω cm 1.0 X IO9 Ω cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6的任一項(xiàng)的薄膜晶體管，其中該氧化物半導(dǎo)體層中含有的氫以羥基或水分子的形式存在。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7的任一項(xiàng)的薄膜晶體管，其中該氧化物半導(dǎo)體層是含有選自In、 Ga、Zn和Sn中的至少一種元素的無(wú)定形氧化物半導(dǎo)體層。
9.薄膜晶體管的制備方法，該薄膜晶體管包括氧化物半導(dǎo)體層和經(jīng)設(shè)置以與該氧化物半導(dǎo)體層接觸的柵極絕緣層，其中該氧化物半導(dǎo)體層至少包括，從該柵極絕緣層側(cè)開始，在不同的濺射條件下形成的第一區(qū)域和第二區(qū)域；并且用于形成該第一區(qū)域的功率高于用于形成該第二區(qū)域的功率。
全文摘要
在氧化物半導(dǎo)體薄層晶體管中，為了實(shí)現(xiàn)閾值電壓對(duì)于電應(yīng)力的穩(wěn)定性和抑制傳輸特性中閾值電壓的變動(dòng)，本發(fā)明提供薄膜晶體管，其包括氧化物半導(dǎo)體層和經(jīng)設(shè)置以與該氧化物半導(dǎo)體層接觸的柵極絕緣層，其中該氧化物半導(dǎo)體層含有氫原子并且包括至少兩個(gè)作為該氧化物半導(dǎo)體的活性層發(fā)揮功能并且在層厚度方向上具有不同的平均氫濃度的區(qū)域；并且從柵極絕緣層側(cè)開始將作為該氧化物半導(dǎo)體的活性層發(fā)揮功能的區(qū)域依次定義為第一區(qū)域和第二區(qū)域時(shí)，該第一區(qū)域的平均氫濃度低于該第二區(qū)域的平均氫濃度。
文檔編號(hào)H01L29/786GK102549757SQ200980161640
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
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