薄膜晶體管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種薄膜晶體管，其具有高遷移率、高on-off比并且能夠有效地制造。本發(fā)明提供一種薄膜晶體管(1)，其具有源電極(50)、漏電極(60)及柵電極(20)、柵絕緣膜(30)、由氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成的溝道層(40)，所述溝道層(40)的平均載流子濃度為1×1016/cm3～5×1019/cm3的范圍，在所述溝道層(40)的所述柵絕緣膜(30)側(cè)，具有比所述平均載流子濃度高的高載流子濃度區(qū)域(42)，所述溝道層(40)實(shí)質(zhì)上具有相同的組成。
【專利說明】薄膜晶體管【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種作為溝道層具有氧化物半導(dǎo)體層的薄膜晶體管(TFT ；Thin FilmTransistor)。
【背景技術(shù)】
[0002]場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)被作為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器集成電路的單位電子元件、高頻信號(hào)放大元件、液晶驅(qū)動(dòng)用元件等廣泛地使用。薄膜晶體管(TFT)是場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一種。伴隨著近年來的圖像顯示裝置的顯著的發(fā)展，該TFT在各種圖像顯示裝置中常被作為開關(guān)元件使用。在各種圖像顯示裝置中，有液晶圖像顯示裝置(IXD)、有機(jī)電致發(fā)光圖像顯示裝置等。
[0003]作為顯示器的代表的IXD在中小型面板領(lǐng)域或TV用途的大型影像顯示面板領(lǐng)域中占據(jù)主流。另一方面，有機(jī)EL圖像顯示裝置由于在高色彩的方面比IXD更優(yōu)異，因此今后的拓展受到期待。
[0004]隨著動(dòng)畫析像度的改善、三維顯示器的普及，IXD的幀頻的高速化不斷推進(jìn)。高幀頻驅(qū)動(dòng)對(duì)于提高動(dòng)畫析像度有效，因而要求幀頻的進(jìn)一步的高速化。作為視頻顯示用裝置的展望，大畫面、高精細(xì)、高幀頻驅(qū)動(dòng)成為關(guān)鍵詞，因而就要求在TFT中具有實(shí)現(xiàn)這些的必需的性能。例如，隨著由大畫面化帶來的像素容量的增大、由高精細(xì)化帶來的掃描線數(shù)的增大、幀頻的增大，對(duì)TFT要求高的遷移率。
[0005]以往的IXD中使用的a-Si:H(氫化非晶硅)TFT的遷移率最高為2cm2/Vs左右。但是，如果是這種程度的遷移率，則逐漸變得無法應(yīng)對(duì)對(duì)視頻顯示器所要求的大畫面、高精細(xì)、高幀頻驅(qū)動(dòng)。
[0006]此外，有機(jī)EL是電流驅(qū)動(dòng)元件，要提高畫面的亮度就要求增大驅(qū)動(dòng)TFT的電流值，因此在有機(jī)EL圖像顯示裝置中，高遷移率TFT是不可缺少的。另外，對(duì)于有機(jī)EL圖像顯示裝置的驅(qū)動(dòng)中所使用的TFT，除了高遷移率以外，還要求對(duì)于電流應(yīng)力的可靠性。現(xiàn)狀是，作為滿足遷移率和可靠性兩方面的TFT材料的候補(bǔ)，可以舉出低溫poly-Si (LTPS)。但是，因激光晶化時(shí)的使用光路長度的關(guān)系而使得可以實(shí)現(xiàn)的畫面尺寸受到限制、或因激光的發(fā)射時(shí)波動(dòng)而產(chǎn)生的TFT特性的面內(nèi)不均勻性也成為問題。
[0007]取代a-Si:H TFT或LTPS而使用了氧化物半導(dǎo)體的TFT受到關(guān)注。例如，將氧化鋅(ZnO)或氧化銦鎵鋅(IGZO)等氧化物半導(dǎo)體用于活性層(半導(dǎo)體層)中的TFT在遷移率等方面顯示出優(yōu)異的性質(zhì)，其改良開發(fā)得到推進(jìn)。
[0008]氧化物半導(dǎo)體由離子性高的鍵構(gòu)成，其特征在于，無論是結(jié)晶質(zhì)，還是非晶質(zhì)，電子遷移率的差別都很小。即，其特征在于，即使在非晶質(zhì)狀態(tài)下也可以實(shí)現(xiàn)比較高的電子遷移率。另外，即使在結(jié)晶化了的情況下也難以受到晶界壁壘的影響，可以制作適合于需要面內(nèi)均勻性的大面積化的TFT。此外，據(jù)報(bào)告，由于在價(jià)電子帶附近具有來源于氧缺陷的帶隙內(nèi)能級(jí)，因此與電子相比空穴難以成為自由載流子，由此可以將TFT工作時(shí)的斷態(tài)電流減小為10~15A左右。另外，由于與硅系TFT相比是寬能隙的半導(dǎo)體，因此在可見光區(qū)域的光穩(wěn)定性方面也具有優(yōu)越性。此外，由于通過使用濺射法等可以在室溫下形成非晶質(zhì)膜，因此還進(jìn)行了在PET等樹脂基板上的氧化物半導(dǎo)體膜晶體管形成的研究。
[0009]作為使用了氧化物半導(dǎo)體的TFT技術(shù)，例如在專利文獻(xiàn)I中，提出過如下的半導(dǎo)體器件，g卩，將結(jié)晶質(zhì)氧化物作為N型半導(dǎo)體使用，結(jié)晶質(zhì)氧化物的電子載流子濃度小于2X IO1Vcm3,且穩(wěn)定性、均勻性、重現(xiàn)性、耐熱性、耐久性等優(yōu)異。
[0010]專利文獻(xiàn)2中，公開過作為載流子濃度高的氧化物導(dǎo)電性材料將氧化銦錫(ITO)等用于溝道層中的TFT。該文獻(xiàn)中，將屬于極薄薄膜(6?IOnm)的溝道層的膜厚均勻化，并且將柵絕緣膜的表面平坦化而改善界面特性，實(shí)現(xiàn)了漏電流的減少和亞閾值擺幅的改善。
[0011]專利文獻(xiàn)3中，通過濺射在氧化銦中固溶了鎵的氧化物燒結(jié)體，從而制作具有I X IO18CnT3左右的載流子濃度的氧化物半導(dǎo)體膜。
[0012]另外，專利文獻(xiàn)4中，通過在底柵型TFT中，照射含有氧的等離子體，使得氧化物半導(dǎo)體的表面層的氧密度與柵絕緣膜側(cè)相比增加，從而提高了 on-off比。
[0013]專利文獻(xiàn)5中，公開有具有由氧化銦鋅(或ΙΤ0)和GIZO構(gòu)成的2層的活性層的氧化物TFT，可以獲得高的遷移率和合適的閾值電壓。具體來說，制作出在膜厚5nm的高載流子濃度的氧化銦鋅(或ΙΤ0)層上設(shè)有膜厚60nm的低載流子濃度的GIZO的2層的活性層的TFT。
[0014]但是，在上述專利文獻(xiàn)的技術(shù)中存在以下的問題。
[0015]專利文獻(xiàn)I中公開的技術(shù)由于電子載流子濃度小于2 X IO17Cm-3,因此有提高遷移率的余地。
[0016]專利文獻(xiàn)2中，由于溝道層的膜厚薄到IOnm以下，因此有可能以島狀形成溝道層，容易產(chǎn)生在溝道層中沒有形成半導(dǎo)體層的部分。
[0017]專利文獻(xiàn)3中，在氧化物半導(dǎo)體層內(nèi)沒有設(shè)置載流子濃度不同的區(qū)域，對(duì)于亞閾值擺幅來說有改良的余地。
[0018]專利文獻(xiàn)4中，利用氧等離子體處理，在半導(dǎo)體層中設(shè)置高氧密度化區(qū)域而實(shí)現(xiàn)了 0N/0FF比的提高，然而無法獲得高遷移率。
[0019]專利文獻(xiàn)5中，由于需要2層結(jié)構(gòu)的溝道層，因此與以單一的材料制作溝道層的情況相比，在生產(chǎn)性、制造成本方面存在問題。
[0020]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0021]專利文獻(xiàn)
[0022]專利文獻(xiàn)1:TO2008/096768
[0023]專利文獻(xiàn)2:日本特開2007250987號(hào)公報(bào)
[0024]專利文獻(xiàn)3:W02010/032422
[0025]專利文獻(xiàn)4:日本特開2010-258196號(hào)公報(bào)
[0026]專利文獻(xiàn)5:日本特開2010-21555號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0027]本發(fā)明鑒于上述的問題，目的在于，提供在具有高遷移率的同時(shí)、具有高on-off比的薄膜晶體管。另外，目的還在于，提供可以有效地制造的薄膜晶體管。
[0028]本發(fā)明的薄膜晶體管如下所示。
[0029]1.一種薄膜晶體管，其具有:[0030]源電極、漏電極及柵電極；
[0031]柵絕緣膜；以及
[0032]由氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成的溝道層，
[0033]所述溝道層的平均載流子濃度為IXlOlfVcm3?5X1019/cm3的范圍，在所述溝道層的所述柵絕緣膜側(cè)，具有比所述平均載流子濃度高的高載流子濃度區(qū)域，
[0034]所述溝道層實(shí)質(zhì)上具有同等的組成。
[0035]2.根據(jù)I所述的薄膜晶體管，其中，所述溝道層具有IOnm以上的膜厚，并且所述高載流子濃度區(qū)域的平均載流子濃度處于IX IO1Vcm3?5 X IO2Vcm3的范圍。
[0036]3.根據(jù)I或2所述的薄膜晶體管，其中，所述高載流子濃度區(qū)域是從與柵絕緣膜的界面到溝道層的內(nèi)側(cè)約5nm的區(qū)域。
[0037]4.根據(jù)I?3中任一項(xiàng)所述的薄膜晶體管，其中，所述氧化物半導(dǎo)體具有晶體結(jié)構(gòu)。
[0038]5.根據(jù)I?4中任一項(xiàng)所述的薄膜晶體管，其中，
[0039]所述氧化物半導(dǎo)體是
[0040]氧化銦、
[0041]摻雜有Ga的氧化銦、
[0042]摻雜有Al的氧化銦、
[0043]摻雜有Ga和Al的氧化銦、
[0044]摻雜有Zn的氧化銦、或
[0045]摻雜有Sn的氧化銦。
[0046]6.根據(jù)5所述的薄膜晶體管，其中，所述摻雜有Ga的氧化銦的原子比Ga/(Ga+In)為 0.007 ?0.207。
[0047]7.根據(jù)5所述的薄膜晶體管，其中，所述摻雜有Al的氧化銦的原子比Al/(A1+In)為 0.003 ?0.125。
[0048]8.根據(jù)I?7中任一項(xiàng)所述的薄膜晶體管，其具有底柵結(jié)構(gòu)。
[0049]9.根據(jù)8所述的薄膜晶體管，其中，在所述溝道層上設(shè)有保護(hù)層。
[0050]10.根據(jù)9所述的薄膜晶體管，其中，所述保護(hù)層是具有氧透過性的絕緣膜。
[0051]11.根據(jù)I?7中任一項(xiàng)所述的薄膜晶體管，其具有頂柵結(jié)構(gòu)。
[0052]本發(fā)明的薄膜晶體管可以利用以下的方法制造。
[0053][I] 一種薄膜晶體管的制造方法，包括:
[0054]形成柵電極、
[0055]在所述柵電極上形成柵絕緣膜、
[0056]在所述柵絕緣膜上形成溝道層、
[0057]與所述溝道層接觸地形成源電極和漏電極。
[0058][2]根據(jù)[I]所述的薄膜晶體管的制造方法，其中，所述溝道層的形成包括以下的
任意一個(gè)工序。
[0059](I)在含有水或氫的稀有氣體氣氛下，濺射由金屬氧化物構(gòu)成的靶而形成溝道層的工序。
[0060](2)在至少含有稀有氣體原子、氧分子及氫分子的氣體氣氛下，濺射由金屬氧化物構(gòu)成的靶而形成溝道層的工序。
[0061](3)濺射由金屬氧化物構(gòu)成的靶而形成溝道層，在形成源電極和漏電極后，對(duì)溝道層進(jìn)行還原處理的工序。
[0062]其中，對(duì)溝道層進(jìn)行還原處理的工序也可以在源?漏電極形成前。另外，將溝道層還原的工序也可以利用在溝道層上利用CVD設(shè)置絕緣膜時(shí)暴露于還原氣氛的工序。
[0063][3]根據(jù)[I]所述的薄膜晶體管的制造方法，其中，在形成源電極和漏電極后，在溝道層上設(shè)置氧透過性絕緣膜。
[0064]其中，在蝕刻終止型的晶體管結(jié)構(gòu)的情況下，只要氧透過性絕緣膜與溝道層接觸，則設(shè)置氧透過性絕緣膜的工序無論在源電極及漏電極的形成前還是后都可以。
[0065][4]根據(jù)[3]所述的薄膜晶體管的制造方法，其中，在形成氧透過性絕緣膜后，在選自150~500°C的范圍的溫度下進(jìn)行加熱處理。
[0066][5] 一種薄膜晶體管的制造方法，
[0067]包括:
[0068]在絕緣基板上形成源電極和漏電極、
[0069]形成溝道層、
[0070]所述溝道層與所述源電極和漏電極接觸、
[0071]在所述溝道層上形成柵絕緣膜、
[0072]在所述柵絕緣膜上形成柵電極。
[0073][6]根據(jù)[5]所述的薄膜晶體管的制造方法，其中，在所述溝道層的形成中，在含有水、氫或氧的稀有氣體氣氛下，濺射由單一的金屬氧化物構(gòu)成的靶而形成氧化物半導(dǎo)體層。
[0074][7]根據(jù)[6]所述的薄膜晶體管的制造方法，其中，在所述溝道層的形成后，利用選自大氣中、氧中、添加氧的氮?dú)鈿夥罩?、添加氧的稀有氣體氣氛中的I種以上的氣氛進(jìn)行加熱處理。
[0075][8]根據(jù)[7]所述的薄膜晶體管的制造方法，其中，在所述加熱處理后，進(jìn)行選自氧等離子體處理、N2O等離子體處理、臭氧處理中的I種以上的處理。
[0076][9]根據(jù)[7]或[8]所述的薄膜晶體管的制造方法，其中，在[7]所述的加熱處理或[8]所述的處理后，進(jìn)行選自氫等離子體處理、稀有氣體氣氛中的逆濺射、電子束照射、或者紫外線照射中的I種以上的處理。
[0077][10]根據(jù)[5]~[9]中任一項(xiàng)所述的薄膜晶體管的制造方法，其中，在300°C以下，利用CVD或?yàn)R射來制造所述柵絕緣膜。
[0078][11] 一種薄膜晶體管的制造方法，在選自150~500°C的范圍中的溫度下進(jìn)行加熱處理。
[0079]本發(fā)明可以提供在具有高遷移率的同時(shí)還具有高on-off比的薄膜晶體管。另外，可以提供能夠利用單一的氧化物半導(dǎo)體材料有效地制造的薄膜晶體管。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0080]圖1是表示作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的底柵型薄膜晶體管的概略剖面圖。
[0081]圖2是用于說 明高載流子濃度區(qū)域的圖。[0082]圖3是用于說明高載流子濃度區(qū)域的圖。
[0083]圖4是用于說明高載流子濃度區(qū)域的圖。
[0084]圖5是表示作為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的頂柵型薄膜晶體管的概略剖面圖。
[0085]圖6是表示實(shí)施例1中制造的底柵型薄膜晶體管的概略剖面圖。
[0086]圖7是表示對(duì)實(shí)施例1中制造的薄膜晶體管進(jìn)行XPS測(cè)定而得的結(jié)果的圖。
[0087]圖8是表示對(duì)實(shí)施例1中制造的薄膜晶體管進(jìn)行XPS測(cè)定而得的結(jié)果的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0088]以下，使用附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。但是，本發(fā)明并不限定于以下的實(shí)施方式，可以對(duì)其方式及詳細(xì)內(nèi)容進(jìn)行各種變更。
[0089]實(shí)施方式I
[0090]圖1是表示作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的底柵逆交錯(cuò)型薄膜晶體管的概略剖面圖。
[0091]該薄膜晶體管I在基板10上形成有柵電極20、源電極50及漏電極60。柵絕緣膜30與柵電極20接觸地形成。在柵絕緣膜30上，形成源電極50和漏電極60，在源電極50與漏電極60之間，形成有溝道層40。溝道層40與柵絕緣膜30接觸。覆蓋源電極50、漏電極60、溝道層40地形成保護(hù)層70。溝道層40處于柵絕緣膜30與保護(hù)層70之間，且與這些層接觸。而且，也可以不形成保護(hù)層70。
[0092]這里，將溝道層定義為由溝道長度(源電極與漏電極的間隔)、溝道寬度(源電極和漏電極的寬度)和半導(dǎo)體層的膜厚包圍的區(qū)域。
[0093]此外，在溝道層40的柵絕緣膜側(cè)，具有比溝道層40的平均載流子濃度高的高載流子濃度區(qū)域42，在與柵絕緣膜相面對(duì)的一側(cè)，具有比平均載流子濃度低的低載流子濃度區(qū)域44。
[0094]高濃度載流子區(qū)域是柵絕緣膜30附近、優(yōu)選為從溝道層40的柵絕緣膜30側(cè)的面向內(nèi)側(cè)5nm以內(nèi)的帶狀的區(qū)域。
[0095]溝道層的平均載流子濃度為IXlOlfVcm3?5X 107cm3，優(yōu)選為I X IO1Vcm3?5 X IO19/cm3,更優(yōu)選為 I X IO18/cm3 ?I X IOm/cm3。
[0096]所謂溝道層的平均載流子濃度，是將存在于溝道層中的載流子總數(shù)除以溝道長度X溝道寬度X溝道層膜厚而得的值。在溝道層中的平均載流子濃度大于5 X IO1Vcm3的情況下，則難以利用柵電場(chǎng)來控制on-off。另一方面，在小于I X IOlfVcm3的情況下，由于高濃度載流子區(qū)域離散地存在，因此無法獲得高遷移率特性。
[0097]在高載流子濃度區(qū)域中，特別是在從柵絕緣膜面向內(nèi)側(cè)5nm以內(nèi)的區(qū)域中，載流子濃度既可以在區(qū)域內(nèi)均勻地高，也可以如圖2所示，載流子濃度不均勻。另外，也可以如圖3所示，從柵絕緣膜30起，隨著沿膜厚方向接近相面對(duì)的面，載流子濃度慢慢地變低。此夕卜，還可以如圖4所示，載流子濃度只是與保護(hù)層接觸的部分變低。無論在哪一種情況下，高載流子濃度區(qū)域都是從柵絕緣膜側(cè)起在內(nèi)側(cè)一定的寬度內(nèi)的帶狀的區(qū)域，該區(qū)域的載流子濃度高于溝道層整體的平均載流子濃度。
[0098]由于從溝道層的柵絕緣膜面起向內(nèi)側(cè)5nm以內(nèi)的區(qū)域被認(rèn)為是載流子移動(dòng)的區(qū)域，因此如果該區(qū)域是高濃度載流子區(qū)域，則從表現(xiàn)出高遷移率的方面考慮優(yōu)選。另外，所謂帶狀，是指高濃度載流子區(qū)域并非以塊狀存在。只要在柵絕緣膜的附近，不成為載流子的移動(dòng)的障礙而存在高濃度載流子區(qū)域即可。作為此種形態(tài)，優(yōu)選為帶狀。
[0099]高載流子濃度區(qū)域的平均載流子濃度優(yōu)選處于IX IO1Vcm3?5X 1021/cm3的范圍中，更優(yōu)選處于2 X IO1Vcm3?5X102°/cm3的范圍中。
[0100]所謂溝道層中的高載流子濃度區(qū)域、例如從柵絕緣膜界面起5nm以內(nèi)的區(qū)域的平均載流子濃度，是將存在于該區(qū)域中的載流子總數(shù)除以溝道長度X溝道寬度X5nm而得的值，即使在該區(qū)域中存在小于IX IO1Vcm3的部分或大于5 X IO2Vcm3的部分也沒有問題。
[0101]例如，如果是高載流子濃度區(qū)域的平均載流子濃度處于IXlO18?5X1021/cm3的范圍、并且溝道層的平均載流子濃度處于I X IO16?5X IO1Vcm3的范圍、并且前者的濃度更高的薄膜晶體管，則可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)遷移率為40(cm2/V.s)以上并且on-off比為107。另夕卜，例如如果是高載流子濃度區(qū)域的平均載流子濃度處于3X IO18?5X 102°/cm3的范圍、并且溝道層的平均載流子濃度處于IXlO17?5X IO1Vcm3的范圍的薄膜晶體管，則可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)遷移率為80(cm2/V.s)以上并且on-off比為108。
[0102]本實(shí)施方式中，通常來說，溝道層的柵絕緣膜側(cè)的第一面的載流子濃度高于與第一面相面對(duì)的第二面的載流子濃度。
[0103]溝道層及高載流子濃度區(qū)域的平均載流子濃度可以由掃描擴(kuò)展電阻顯微鏡(SSRM:Scanning Spread Resistance Microscope)測(cè)定來求出。另外，溝道層中的平均載流子濃度可以由霍爾測(cè)定來求出。
[0104]溝道層的膜厚通常為10?200nm，優(yōu)選為15?150nm，更優(yōu)選為20?lOOnm，進(jìn)一步優(yōu)選為25?80nm，特別優(yōu)選為30?50nm。在溝道層的膜厚小于IOnm的情況下，因大面積成膜時(shí)的膜厚的不均勻性，所制作出的TFT的特性有可能在面內(nèi)變得不均勻。另一方面，在膜厚大于200nm的情況下，成膜時(shí)間變長，不利于工業(yè)化的生產(chǎn)。
[0105]溝道層由實(shí)質(zhì)上相同的組成的氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成。優(yōu)選氧化物半導(dǎo)體具有晶體結(jié)構(gòu)。
[0106]這里，所謂實(shí)質(zhì)上相同，是指制作溝道層時(shí)使用的濺射靶或溶液是I種。另外，是指除了構(gòu)成溝道層所接觸的電極及絕緣膜的金屬元素以外，溝道層中所含的金屬元素的構(gòu)成比在膜厚方向80%以上是相同的，更優(yōu)選85%以上、特別優(yōu)選90%以上是相同的。這里，膜厚方向的金屬元素的構(gòu)成比可以利用深度剖析XPS、SMS來鑒定。但是，由于絕緣膜界面附近的溝道層中所含的金屬元素的構(gòu)成比難以鑒定，因此在該區(qū)域中，如果所關(guān)注的金屬元素的譜圖強(qiáng)度從溝道層的主體方向朝向絕緣膜方向平滑地衰減，則視為構(gòu)成比相同。
[0107]作為形成溝道層的材料，例如可以舉出氧化銦、摻雜有Ga的氧化銦、摻雜有Al的氧化銦、摻雜有Ga和Al的氧化銦、摻雜有Zn的氧化銦、或者摻雜有Sn的氧化銦。此外,還可以舉出含有In、Zn及第三元素、所述第三元素是選自Sn、Ga、Hf、Zr、T1、Al、Mg、Ge、Sm、Nd、La中的至少I種以上的金屬元素的材料。
[0108]如果從氧化銦、摻雜有Ga的氧化銦、摻雜有Al的氧化銦、摻雜有Ga和Al的氧化銦、摻雜有Zn的氧化銦及摻雜有Sn的氧化銦中選擇形成溝道層的材料，則可以獲得在具有高遷移率的同時(shí)還具有高on-off比的薄膜晶體管，因此優(yōu)選。
[0109]形成柵絕緣膜的材料沒有特別限制，可以任意地選擇普遍使用的材料。作為柵絕緣膜的材料，例如可以使用 Si02、SiNx、SiONx、Al2O3' Ta2O5' Ti02、Mg。、ZrO2, Ce02、K2O, Li2O'Na2O, Rb20、5c203、Y2O3^Hf2O3, CaHfO3、PbTi3、BaTa206、SrTiO3, AlN 等化合物。它們當(dāng)中，優(yōu)選為 Si02、SiNx、Al203、Y203、Hf03、CaHfO3,更優(yōu)選為 Si02、SiNx、Y203、Hf03、CaHf03。而且，上述的氧化物的氧數(shù)不一定與化學(xué)計(jì)量比一致(例如，既可以是SiO2也可以是SiOx)。
[0110]對(duì)于形成漏電極、源電極及柵電極的各電極的材料沒有特別限制，可以任意地選擇普遍使用的材料。例如可以使用ΙΤ0、氧化銦鋅、Zn0、Sn02等透明電極、或Al、Ag、Cu、Cr、N1、Mo、Au、T1、Ta等金屬電極、或含有它們的合金的金屬電極。另外，漏電極、源電極及柵電極的各電極也可以設(shè)為將不同的2層以上的導(dǎo)電層層疊而成的多層結(jié)構(gòu)。特別是由于源.漏電極對(duì)低電阻布線的要求強(qiáng)烈，因此有時(shí)將T1、Mo等密合性優(yōu)異的金屬夾入Al、Cu等良導(dǎo)體后使用。
[0111]本發(fā)明中，也可以如實(shí)施例中所示，使用兼作基板和柵電極的材料，然而也可以將基板和電極設(shè)為不同的材料。該情況下，優(yōu)選絕緣性的基板。作為此種基板，例如可以舉出以鋇硼硅酸鹽玻璃、鋁硼硅酸鹽玻璃、或鋁硅酸鹽玻璃等利用熔融法(Fusion)或浮式法(Floating)制作的無堿玻璃基板等為代表的玻璃基板、陶瓷基板，此外還可以舉出具有能夠耐受本制作工序的處理溫度的耐熱性的塑料基板等。另外，也可以應(yīng)用在不銹鋼合金等金屬基板的表面設(shè)有絕緣膜的基板。在基板為母玻璃的情況下，基板的大小可以使用第一代(320mmX400mm)、第二代(400mmX 500mm)、第三代(550mmX650mm)、第四代(680_X880mm、或 730_X920mm)、第五代(1000_X 1200mm 或 1100_X 1250mm)、第六代 1500mmX 1800mm)、第七代(1900mmX 2200mm)、第八代(2160_X 2460mm)、第九代(2400mmX2800mm、2450mmX3050mm)、第十代(2950mmX3400mm)等。另外也可以在基板上作為基底膜形成絕緣 膜。作為基底膜，例如使用CVD法、濺射法等單層或多層地形成氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、或氮氧化硅膜。
[0112]此外，也可以將帶有熱氧化膜的硅基板看作:柵絕緣膜為熱氧化膜、將柵電極設(shè)為硅的帶有柵絕緣膜及柵電極的基板。
[0113]如上所述，構(gòu)成本實(shí)施方式的薄膜晶體管的溝道層的平均載流子濃度高，同時(shí)柵絕緣膜側(cè)的層的載流子濃度更高。
[0114]在薄膜晶體管的傳輸特性中，載流子的主要的傳導(dǎo)路徑為柵絕緣膜界面附近，因此遷移率或on-off比受該部分的氧化物半導(dǎo)體區(qū)域的狀態(tài)的很大的影響。本實(shí)施方式中，由于載流子濃度高的區(qū)域形成于柵絕緣膜附近，因此在進(jìn)行on操作時(shí)得到的最大電流值變大。另外，在 Wager et.al.著“Transparent Electronics，，Springer, New York 的 129頁中記載，載流子濃度高的氧化物半導(dǎo)體總的來說具有遷移率變大的趨勢(shì)，由該傳輸特性導(dǎo)出的薄膜晶體管的遷移率也變高。薄膜晶體管的遷移率優(yōu)選為40cm2/Vs以上，更優(yōu)選為80cm2/Vs 以上。
[0115]另一方面，本實(shí)施方式的薄膜晶體管中，背溝道側(cè)的低載流子濃度區(qū)域的導(dǎo)電性比柵絕緣膜附近低。由此，在對(duì)柵電極施加負(fù)壓的情況下容易蓄積電子的背溝道側(cè)的傳導(dǎo)受到抑制，可以獲得off電流低的晶體管。
[0116]基于這些理由，本發(fā)明的薄膜晶體管具有高遷移率且on-off比大的性能。
[0117]此外，所謂亞閾值擺幅(S值)，是與傳輸特性的從off狀態(tài)到on狀態(tài)的上升程度有關(guān)的系數(shù)，其值越低，則意味著上升越陡峭。另外已知，在對(duì)柵電壓從負(fù)側(cè)向正側(cè)掃描時(shí)，因所誘發(fā)出的絕緣層表面附近的電子利用能隙中的局部受主能級(jí)或氧化物半導(dǎo)體-絕緣膜表面的界面能級(jí)參與傳導(dǎo)，傳輸曲線的上升就會(huì)鈍化而無法獲得良好的亞閾值擺幅。
[0118]如果與柵絕緣膜表面接觸地(或者在附近)形成載流子濃度高的層，則由于此種能級(jí)被更加快速地占據(jù)，因此可以獲得良好的亞閾值擺幅。另外，如之前所述off區(qū)域中的電流值也減少，因此認(rèn)為對(duì)于亞閾值擺幅有利地發(fā)揮作用。
[0119]普遍已知存在于氧化物半導(dǎo)體中的載流子來源于氧缺陷。氧化物半導(dǎo)體層的背溝道側(cè)(不與柵絕緣膜接觸的一側(cè))的載流子濃度低意味著背溝道側(cè)的氧缺陷少。
[0120]這里，由于薄膜晶體管性能相對(duì)于偏壓應(yīng)力或光照射的穩(wěn)定性被解釋為與存在于前溝道或背溝道側(cè)的氧缺陷量有關(guān)，因此可以認(rèn)為，通過減少背溝道側(cè)的載流子濃度，可以獲得偏壓應(yīng)力耐性、光穩(wěn)定性優(yōu)異的具有高可靠性的薄膜晶體管。
[0121]在J.Appl.Phys.，vol.94，p7768(2003)中記載，具有高載流子濃度的氧化物半導(dǎo)體層具有減少存在于晶粒內(nèi)或晶粒間的勢(shì)壘的效果。由此，還可以減少因勢(shì)壘而產(chǎn)生的面內(nèi)方向的特性的不均，可以認(rèn)為，可以制作出在從TFT特性的觀點(diǎn)來看的情況下具有面內(nèi)均勻性的薄膜。
[0122]另外，本實(shí)施方式的溝道層由于組成實(shí)質(zhì)上相同，由此可以由單一的濺射靶或溶液制作相對(duì)于膜厚具有載流子濃度梯度的膜，在生產(chǎn)性、成本方面出色。
[0123]本實(shí)施方式的薄膜晶體管可以配設(shè)于基板上而作為薄膜晶體管基板使用，另外，也可以用于圖像顯示裝置中。
[0124]本實(shí)施方式的薄膜晶體管的溝道層可以利用包含以下的⑴?(3)的任意一個(gè)工序的方法來制造。
[0125](I)在含有水或氫的稀有氣體氣氛下，濺射由單一的金屬氧化物構(gòu)成的靶，形成氧化物半導(dǎo)體層的工序；
[0126](2)在至少含有稀有氣體原子、氧分子及氫分子的氣體氣氛下，濺射由單一的金屬氧化物構(gòu)成的靶，形成氧化物半導(dǎo)體層的工序；
[0127](3)濺射由單一的金屬氧化物構(gòu)成的靶而形成氧化物半導(dǎo)體層，對(duì)所成膜的層進(jìn)行還原處理的工序。
[0128]在工序(3)的還原處理中，優(yōu)選真空退火、氫等離子體處理、紫外線照射、水蒸氣退火。特別優(yōu)選為水蒸氣退火。水蒸氣退火優(yōu)選在壓力I?3MP、溫度150°C?500°C的條件下進(jìn)行。利用該處理，可以使薄膜的載流子濃度升高，因此即使氧化物半導(dǎo)體膜剛剛成膜后的載流子濃度小于I X IO1Vcm3，也可以獲得具有在其以上的載流子濃度的溝道層。
[0129]通過使用工序(I)的成膜方法，會(huì)在等離子體中生成氫離子及氫自由基，因此產(chǎn)生還原作用，所得的半導(dǎo)體薄膜的載流子濃度變高。另外，由于可以在成膜時(shí)抑制從靶中高速地碰撞基板的氧離子，因此可以形成優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體薄膜，可以利用退火時(shí)間寬范圍地將加熱后的載流子濃度控制在IO15?IO2Vcm3的范圍內(nèi)，特別是可以穩(wěn)定地制作出IX IO18?
5X IO2Vcm3 的區(qū)域。
[0130]水分子相對(duì)于稀有氣體原子的分壓比以[H2O]/([H2O] +[稀有氣體原子])表示。[H2O]是氣體氣氛中的水分子的分壓，[稀有氣體原子]是氣體氣氛中的稀有氣體原子的分壓。該分壓比優(yōu)選為0.1?10%，更優(yōu)選為0.5?7.0%，進(jìn)一步優(yōu)選為1.0?5.0%，特別優(yōu)選為1.0?3.0%。在水分子的含量相對(duì)于稀有氣體原子來說以分壓比計(jì)小于0.1%的情況下，無法獲得等離子體中的氫離子及氫自由基的生成抑制效果，使得加熱前的膜中的載流子濃度降低，在保護(hù)層成膜后的加熱處理后有可能無法獲得含有所需的載流子濃度的溝道層。另一方面，在水分子的含量相對(duì)于稀有氣體原子來說以分壓比計(jì)大于10%的情況下，由于在加熱處理時(shí)水從薄膜中排出，因此氧化物半導(dǎo)體膜的膜密度降低，所得的TFT元件的遷移率有可能降低。而且，稀有氣體原子沒有特別限制，然而優(yōu)選為氬原子。另外，除了稀有氣體及水以外，也可以在不對(duì)TFT元件造成影響的范圍中含有氧及氮。
[0131]也可以取代上述工序(I)，利用工序(2)形成溝道層。工序(2)中，濺射中的氣體氣氛優(yōu)選相對(duì)于氧原子來說以摩爾比計(jì)含有2倍以上的氫原子。通過如此設(shè)置，可以獲得與向氣體氣氛中導(dǎo)入水的做法同等的效果。
[0132]也可以取代上述工序(I)或(2)，利用工序(3)形成溝道層。另外，在不利用上述(I)~(3)的工序?qū)系缹舆M(jìn)行還原處理的情況下，可以借助利用CVD或?yàn)R射形成與溝道層接觸的氧透過性絕緣膜的過程來進(jìn)行還原處理。例如，在利用濺射形成氧透過性絕緣膜的情況下，通過調(diào)整功率或?yàn)R射壓力，而產(chǎn)生所述絕緣膜向溝道層中的打入，生成氧缺陷。其結(jié)果是，溝道層中的載流子濃度增大而產(chǎn)生還原作用。另外，在利用CVD形成氧透過性絕緣膜的情況下，可以通過使用含有氫的導(dǎo)入氣體，調(diào)整基板溫度、導(dǎo)入比率而將溝道層還原。
[0133]繼(I)、(2)或(3)的工序之后，利用保護(hù)層成膜后的加熱處理使溝道層的載流子濃度從柵絕緣膜側(cè)沿膜厚方向依次減少，可以將存在于從柵絕緣膜界面起5nm以下的區(qū)域中的氧化物半導(dǎo)體溝道層中的平均載流子濃度調(diào)整為IX IO1Vcm3~5X 1021/cm3的范圍。
[0134]具體來說，實(shí)施方式I的薄膜晶體管例如可以如下所示地制造。
[0135]首先，在絕緣性基板上形成柵金屬膜，通過對(duì)該柵金屬膜進(jìn)行圖案形成而形成柵電極后，在絕緣性基板上形成覆蓋柵電極的柵絕緣膜。
[0136]然后在柵絕緣膜上形成氧化物半導(dǎo)體膜。
[0137]在形成氧化物半導(dǎo)體膜時(shí)，優(yōu)選在含有水或氫的稀有氣體氣氛下，濺射由金屬氧化物構(gòu)成的靶。利用該操作形成的薄膜的特征在于，與氧的結(jié)合受到抑制，載流子濃度高。
[0138]然后，將氧化物半導(dǎo)體膜圖案形成處理為所需的形狀而制成溝道層。
[0139]然后，通過遍及溝道層上地形成源?漏膜，對(duì)該源?漏膜進(jìn)行圖案形成，形成源?漏電極(一方為源電極而另一方為漏電極)。
[0140]然后，將源.漏電極上覆蓋并且在源.漏電極的間隔中將溝道層上覆蓋而形成保護(hù)層。這里，作為保護(hù)層膜最好是與溝道層接觸的、具有氧透過性的絕緣膜(以下有時(shí)簡(jiǎn)記為氧透過性絕緣膜。)。作為氧透過性絕緣膜，例如可以使用Si02、Si0N、Al203、Ta205、Ti02、MgO、ZrO2, CeO2, K2O, Li2O, Na2O, Rb2O, Sc2O3> Y2O3> Hf2O3> CaHfO3> PbTi3、BaTa2O6, SrTiO3 等的膜。它們當(dāng)中，優(yōu)選為 Si02、SiON、Al2O3' Y2O3> Hf2O3' CaHfO3，更優(yōu)選為 SiO2^Al2O30 這些氧化物的氧數(shù)不一定與化學(xué)計(jì)量比一致(例如既可以是SiO2也可以是SiOx)。氧透過性絕緣膜使用等離子體CVD法或?yàn)R射法形成。優(yōu)選在含有氧的稀有氣體氣氛下利用濺射法成膜。
[0141]而且，對(duì)于氧透過性絕緣膜，以蝕刻終止型為例，可以在源.漏膜的成膜前形成。
[0142]然后，根據(jù)需要，對(duì)溝道層進(jìn)行加熱處理。進(jìn)行加熱處理的環(huán)境優(yōu)選為大氣中、氧中、添加氧的氮?dú)鈿夥罩?、添加氧的稀有氣體氣氛中。另外，加熱處理裝置沒有特別限定，然而可以使用燈退火裝置(LA ;Lamp Annealer)、急速熱退火裝置(RTA ;Rapid ThermalAnnealer)、或激光退火裝置。通過進(jìn)行該操作，可以穿過氧透過性絕緣膜從背溝道側(cè)向溝道層中供給氧，因此載流子濃度從所述柵絕緣膜側(cè)沿膜厚方向依次減少。[0143]而且，從形成氧化物半導(dǎo)體膜到形成氧透過性絕緣膜的工序之間，最好不經(jīng)過使氧化物半導(dǎo)體膜或溝道層中的載流子濃度降低的加工過程。例如，在形成氧透過性絕緣膜前，通過進(jìn)行大氣退火而將氧急速地引入溝道層中，溝道層的載流子濃度均勻地降低，難以在柵絕緣膜界面附近具有高載流子濃度的區(qū)域。但是，即使在進(jìn)行了此種處理的情況下，通過在形成氧透過性絕緣膜前，進(jìn)行在添加氫的惰性氣體中的還原退火或在高壓水蒸氣氣氛下的退火等操作，在整個(gè)溝道層中載流子濃度升高，可以通過對(duì)氧透過性絕緣膜進(jìn)行成膜后的加熱處理而獲得所需的溝道層。另外，也可以在進(jìn)行氧透過性絕緣膜形成后的加熱處理后，形成SiNx、AlN等防氧透過絕緣膜。
[0144]實(shí)施方式2
[0145]在實(shí)施方式I的溝道層中可以使用結(jié)晶性氧化物及非晶氧化物的任意一種，然而本實(shí)施方式在溝道層中使用結(jié)晶性氧化物。本實(shí)施方式除了將溝道層中所用的氧化物特定為結(jié)晶性氧化物以外，與實(shí)施方式I相同。
[0146]本實(shí)施方式中所用的結(jié)晶性氧化物半導(dǎo)體層的特征在于，在剛剛堆積后具有非晶結(jié)構(gòu)并且溝道層中的載流子濃度為5 X IO1Vcm3以上，而作為保護(hù)層將氧透過性的絕緣膜利用成膜后的加熱處理變?yōu)榫w結(jié)構(gòu)。
[0147]這樣，在加熱結(jié)晶化后可以將從柵絕緣膜界面起一定的區(qū)域、例如5nm以內(nèi)的區(qū)域的平均載流子濃度設(shè)為I X IO1Vcm3?5X 1021/cm3。
[0148]實(shí)施方式2中，溝道層的形成例如優(yōu)選在含有稀有氣體原子、和選自水分子、氫分子中的一種以上的分子的混合氣體的氣氛下進(jìn)行濺射，特別優(yōu)選在含有稀有氣體原子和水分子的混合氣體的氣氛下進(jìn)行濺射。這樣，剛剛堆積后的氧化物半導(dǎo)體層屬于非晶且載流子濃度為IXlO1Vcm3以上。這里，屬于非晶是因?yàn)楦鶕?jù)X射線晶體結(jié)構(gòu)分析，觀測(cè)到光暈圖案，無法特定為晶體結(jié)構(gòu)而定義的。熱處理后的溝道層成為具有具備連續(xù)的結(jié)構(gòu)的晶粒的多晶薄膜。
[0149]實(shí)施方式2中，構(gòu)成氧化物半導(dǎo)體層的材料是含有銦的氧化物等，例如優(yōu)選選自氧化銦、摻雜有Ga的氧化銦、摻雜有Al的氧化銦、摻雜有Ga和Al的氧化銦、摻雜有Zn的氧化銦及摻雜有Sn的氧化銦中。這里，所謂摻雜是指，針對(duì)氧化銦添加金屬原子或含有金屬原子的化合物，與氧化銦的原子比可以大于0.5。
[0150]通過在溝道層中使用結(jié)晶系材料，可以得到光學(xué)特性優(yōu)異的薄膜晶體管。在溝道層中使用了結(jié)晶系材料的氧化物半導(dǎo)體的情況下，能隙有望達(dá)到3.5eV以上，因此在薄膜晶體管工作時(shí)即使照射到背光燈、有機(jī)EL的雜散光也可以保持穩(wěn)定的特性。此外，作為結(jié)晶系材料，在氧化銦中摻雜有Ga或Al的情況下，能隙有望達(dá)到3.7eV以上。
[0151]作為評(píng)價(jià)材料的能隙的代表性的方法，有分光橢偏儀法。所謂分光橢偏儀法是如下的方法，即，使直線偏振光的光射入試樣，研究從試樣反射的光的偏振光狀態(tài)(一般為橢圓偏振光)，通過用最適于記述膜的物性的模型進(jìn)行擬合，來測(cè)定薄膜的折射率η和消光系數(shù)k(光學(xué)常數(shù))、或膜厚、表面粗糙度.界面的粗糙度等。另外，還可以預(yù)測(cè)結(jié)晶度或各向異性、電阻率或能隙等其他的物性值。
[0152]通過向氧化銦中摻雜Ga或Al，晶格常數(shù)就會(huì)減少，因此In的5s軌道的重疊變大，從而有望提高遷移率。
[0153]鎵金屬與銦金屬的原子比Ga/(Ga+In)優(yōu)選為0.007?0.207，更優(yōu)選Ga/(Ga+In)為0.02?0.12，進(jìn)一步優(yōu)選Ga/ (Ga+In)為0.05?0.08。如果原子比大于0.207，則會(huì)有摻雜Ga的氧化銦薄膜的結(jié)晶化溫度升高的情況。另外，如果原子比Ga/(Ga+In)小于0.007，則由Ga摻雜引起的晶格常數(shù)的減小受到抑制，有可能無法充分地發(fā)揮提高遷移率這樣的Ga摻雜的效果。
[0154]鋁金屬與銦金屬的原子比Al/(A1+In)優(yōu)選為0.003?0.125，更優(yōu)選為0.01?0.04，進(jìn)一步優(yōu)選為0.01?0.03。如果原子比大于0.125，則Al不會(huì)固溶于In位，Al有可能在晶界等中析出。另外，如果原子比Al/(A1+In)小于0.003，則由Al摻雜引起的晶格常數(shù)的減小受到抑制，有可能無法充分地發(fā)揮提高遷移率這樣的Al摻雜的效果。
[0155]摻雜有Zn的氧化銦的原子比Zn/(Zn+In)優(yōu)選為0.01?0.8，更優(yōu)選為0.01?0.07。如果原子比大于0.8,則Zn不會(huì)固溶于In位，Zn有可能在晶界等中析出。
[0156]摻雜有Sn的氧化銦的原子比Sn/(Sn+In)優(yōu)選為0.001?0.05，更優(yōu)選為0.002?
0.02。如果原子比大于0.05，則固溶于In中的Sn起到施主的作用，有可能因載流子濃度的升高而不會(huì)半導(dǎo)體化。
[0157]上述薄膜的原子比可以利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)對(duì)含有元素進(jìn)行定量分析而求出。
[0158]具體來說，當(dāng)將溶液試樣用霧化器變?yōu)殪F狀，導(dǎo)入氬等離子體(約6000?SOOO0C )中時(shí)，試樣中的元素就會(huì)吸收熱能而被激發(fā)，軌道電子從基態(tài)躍遷到高能級(jí)的軌道。該軌道電子在10_7?10_8秒左右躍遷到更低能級(jí)的軌道。此時(shí)能量之差以光的形式放射而發(fā)光。由于該光顯示出元素固有的波長(譜線)，因此可以根據(jù)譜線的有無來確認(rèn)元素的存在(定性分析)。
[0159]另外，由于各條譜線的大小(發(fā)光強(qiáng)度)與試樣中的元素?cái)?shù)成比例，因此可以通過與已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)液比較來求出試樣濃度(定量分析)。
[0160]在利用定性分析確定出所含有的元素后，利用定量分析求出含量，根據(jù)該結(jié)果求出各兀素的原子比。
[0161]為了降低濺射靶的電阻值，相對(duì)于本實(shí)施方式的氧化物半導(dǎo)體靶，也可以以3重量％以下的比例含有Sn、T1、S1、Ce、Zr等可以取正4價(jià)的元素。特別是Sn會(huì)使燒結(jié)密度提高，降低靶的電阻的效果大?？梢匀≌?價(jià)的元素的含量更優(yōu)選為2重量％以下，特別優(yōu)選為I質(zhì)量％以下。如果正4價(jià)元素的含量超過3重量％，則有可能無法將氧化物半導(dǎo)體膜的載流子濃度控制為低濃度。
[0162]氧化物半導(dǎo)體層實(shí)質(zhì)上由上述氧化物構(gòu)成。這意味著，該層除了上述氧化物以外，也可以含有不可避免的雜質(zhì)。
[0163]實(shí)施方式2的氧化物半導(dǎo)體層例如可以利用DC(直流)濺射、AC(交流)濺射、RF濺射、脈沖DC濺射法等成膜。DC濺射可以簡(jiǎn)化電源裝置。AC濺射在工業(yè)上在大面積均勻性方面優(yōu)異，可以提高靶的利用效率。RF濺射由于即使靶的電阻高也可以放電，因此可以緩和濺射靶的燒結(jié)條件。
[0164]利用濺射進(jìn)行成膜時(shí)的基板溫度優(yōu)選為O?120°C，更優(yōu)選為10?100°C，特別優(yōu)選為20?90°C。如果成膜時(shí)的基板溫度高于120°C，則在薄膜剛剛堆積后的膜中會(huì)生成微晶，加熱結(jié)晶化后的溝道層中的平均載流子濃度有可能大于5X IO1Vcm3。另外，如果成膜時(shí)的基板溫度低于0°C，則有可能薄膜的膜密度降低，薄膜晶體管的遷移率降低。[0165]靶與基板間的距離優(yōu)選在與基板的成膜面垂直的方向上為I?30cm，更優(yōu)選為2?8cm。在該距離小于Icm的情況下，到達(dá)基板的靶構(gòu)成元素的粒子的動(dòng)能變大，有可能無法獲得良好的膜特性，而且有可能產(chǎn)生膜厚及電氣特性的面內(nèi)分布。另一方面，在靶與基板的間隔大于30cm的情況下，到達(dá)基板的靶構(gòu)成元素的粒子的動(dòng)能過小，無法獲得致密的膜，從而有可能無法獲得良好的半導(dǎo)體特性。
[0166]氧化物薄膜的成膜最好在磁場(chǎng)強(qiáng)度為300?1500高斯的氣氛下進(jìn)行派射。在磁場(chǎng)強(qiáng)度小于300高斯的情況下，由于等離子體密度變低，因此在高電阻的濺射靶的情況下有可能無法濺射。另一方面，在大于1500高斯的情況下，膜厚及膜中的電氣特性的控制性有可能變差。
[0167]氣體氣氛的壓力(濺射壓力)只要在等離子體可以穩(wěn)定地放電的范圍，就沒有特別限定，然而優(yōu)選為0.1?3.0Pa。濺射壓力更優(yōu)選為0.1?1.5Pa，特別優(yōu)選為0.1?
1.0Pa0在濺射壓力大于3.0Pa的情況下，有可能濺射粒子的平均自由程變短、薄膜的密度降低。另外，在濺射壓力小于0.1Pa的情況下，在成膜時(shí)有可能在膜中生成微晶。而且，所謂濺射壓力，是指導(dǎo)入氬、水、氧等的分子后的濺射開始時(shí)的體系內(nèi)的總壓力。
[0168]如前所述，在利用AC濺射成膜的情況下，可以獲得在工業(yè)上在大面積均勻性方面優(yōu)異的氧化物層，并且可以提高靶的利用效率。另外，在I邊大于Im的大面積基板上濺射成膜的情況下，例如優(yōu)選使用如日本特開2005-290550號(hào)公報(bào)記載的那樣的大面積生產(chǎn)用的AC濺射裝置。AC濺射中，使用氧化物靶時(shí)的交流功率密度優(yōu)選為3W/cm2以上、20W/cm2以下。在功率密度小于3W/cm2的情況下，成膜速度慢，在生產(chǎn)上不夠經(jīng)濟(jì)。如果大于20W/cm2，則靶有可能破損。更優(yōu)選的功率密度是4W/cm2?15W/cm2。AC濺射時(shí)的水的分壓優(yōu)選為5X 10_3?5X KT1Pa15在5X 10_3pa以下的情況下，有可能在薄膜剛剛堆積后在膜中生成微晶。如果大于SXlO-1Pa,則膜密度的降低變得明顯，因此銦的5s軌道的重疊變小，有可能導(dǎo)致遷移率的降低。濺射時(shí)的水的分壓也要根據(jù)放電的功率密度而定，如果是5W/cm2，則優(yōu)選為I X 10_2pa?I X KT1Pa的范圍。AC濺射的頻率優(yōu)選為IOkHz?IMHz的范圍。如果在IOkHz以下，就會(huì)產(chǎn)生噪音的問題。如果大于1MHz，則等離子體過于擴(kuò)散，因此會(huì)在所需的靶位置以外進(jìn)行濺射，從而會(huì)有損害均勻性的情況。更優(yōu)選的AC濺射的頻率是20kHz?500kHz ο
[0169]對(duì)將所得的氧化物半導(dǎo)體膜在形成氧透過性絕緣膜后在150?500°C下進(jìn)行加熱處理的工序進(jìn)行說明。
[0170]該工序是對(duì)非晶質(zhì)氧化物薄膜進(jìn)行加熱處理(退火)而使之變?yōu)榻Y(jié)晶質(zhì)的工序。同時(shí)，還是如下的工序，即，使結(jié)晶質(zhì)氧化物半導(dǎo)體膜的載流子濃度從柵絕緣膜側(cè)起沿膜厚方向依次減少，將從柵絕緣膜界面起存在于一定區(qū)域中的氧化物半導(dǎo)體溝道層中的平均載流子濃度維持為高的狀態(tài)。
[0171]加熱溫度優(yōu)選為150?500°C，更優(yōu)選為200?350°C。如果加熱溫度小于150°C，則結(jié)晶化不充分，有可能無法將載流子濃度減少到所需的值，如果大于500°C，則載流子濃度有可能過度降低。
[0172]另外，結(jié)晶化的工序與將從柵絕緣膜界面起一定的區(qū)域內(nèi)的載流子濃度維持為高的狀態(tài)的工序也可以分別進(jìn)行。例如也可以通過在300°C下加熱30分鐘而實(shí)施結(jié)晶化的工序，接下來在200°C下實(shí)施2小時(shí)調(diào)整載流子濃度的工序。[0173]實(shí)施方式2中，含有氧化銦和摻雜劑的非晶質(zhì)氧化物薄膜因?qū)嵤┥鲜黾訜崽幚?退火)，而使摻雜劑固溶于氧化銦晶體中，顯示出方鐵錳礦的單一相，在膜厚側(cè)以柱狀配
置晶體。
[0174]通過使用以柱狀配置晶體的氧化物薄膜，由于晶體的位錯(cuò)小、膜中的陷阱密度小，因此場(chǎng)效應(yīng)遷移率提高，并且可以重現(xiàn)性良好地形成S值(亞閾值擺幅)良好的薄膜晶體管。
[0175]從載流子控制性的觀點(diǎn)考慮，非晶質(zhì)氧化物薄膜的加熱處理(退火)時(shí)的氣氛優(yōu)選為大氣中、氧中、添加氧的氮?dú)鈿夥罩?、添加氧的稀有氣體氣氛中、添加氧的惰性氣體氣氛中。加熱處理工序可以使用燈退火裝置、激光退火裝置、熱等離子體裝置、熱風(fēng)加熱裝置、接觸加熱裝置等。
[0176]另外，以柱狀配置晶體的氧化物薄膜由于難以含有雜亂的微晶，因此可以降低氧缺陷的下限值，可以將加熱后的載流子濃度利用退火時(shí)間控制為IXlO15?lX1021/cm3這樣寬的范圍。這樣，就可以使結(jié)晶質(zhì)氧化物半導(dǎo)體膜的載流子濃度從柵絕緣膜側(cè)沿膜厚方向(依次)減少，將從柵絕緣膜界面起一定的區(qū)域內(nèi)的平均載流子濃度調(diào)整為IXlO18/cm3 ?5 X IO21/cm3 的范圍。
[0177]結(jié)晶化后的氧化物半導(dǎo)體層是實(shí)質(zhì)上由In2O3的方鐵錳礦結(jié)構(gòu)構(gòu)成的薄膜。而且，所謂“實(shí)質(zhì)上由In2O3的方鐵錳礦結(jié)構(gòu)構(gòu)成”是指，在本發(fā)明的氧化物層(結(jié)晶質(zhì)氧化物半導(dǎo)體層)中，所得的結(jié)晶質(zhì)氧化物薄膜中的晶體結(jié)構(gòu)的70%以上(優(yōu)選為80%以上、更優(yōu)選為85%以上)為方鐵錳礦結(jié)構(gòu)。
[0178]本實(shí)施方式的氧化物半導(dǎo)體層最好晶體結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上僅由氧化銦的方鐵錳礦結(jié)構(gòu)構(gòu)成。可以利用X射線衍射測(cè)定(XRD測(cè)定)來確認(rèn)氧化物半導(dǎo)體層由顯示出方鐵錳礦結(jié)構(gòu)的氧化銦構(gòu)成。
[0179]當(dāng)X射線射入原子規(guī)則地排列的晶體時(shí)，就會(huì)在特定的方向觀察到強(qiáng)的X射線，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。對(duì)此可以說明如下，即，如果在各個(gè)位置上散射的X射線的光程差為X射線的波長的整數(shù)倍，則波的相位就會(huì)一致，因此波的振幅變大。
[0180]由于物質(zhì)分別形成具備特有的規(guī)則性的晶體，因此利用X射線衍射可以研究化合物的種類。另外，還可以進(jìn)行晶體的大小(晶體的有序性)、存在于材料中的晶體的方位的分布狀態(tài)(晶體取向)、施加于晶體的殘留應(yīng)力的評(píng)價(jià)。
[0181]溝道層的膜厚通常為10?200nm，優(yōu)選為15?150nm，更優(yōu)選為20?lOOnm，進(jìn)一步優(yōu)選為25?80nm，特別優(yōu)選為30?50nm。在溝道層的膜厚小于IOnm的情況下，因大面積成膜時(shí)的膜厚的不均勻性，所制作出的薄膜晶體管的特性有可能在面內(nèi)變得不均勻。另一方面，在膜厚大于200nm的情況下，成膜時(shí)間變長，有可能在工業(yè)上無法采用。
[0182]實(shí)施方式3
[0183]圖5是表示作為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的頂柵正交錯(cuò)型薄膜晶體管的概略剖面圖。
[0184]該薄膜晶體管2在基板10上形成有源電極50及漏電極60。在源電極50與漏電極60之間，形成有溝道層40。在基板10、源電極50、漏電極60、溝道層40上，形成有柵絕緣膜30。溝道層40與柵絕緣膜30接觸。與該柵絕緣膜30接觸地形成柵電極20。溝道層40處于柵絕緣膜30與基板10、源電極50、漏電極60之間，與它們接觸。[0185]本實(shí)施方式中，在溝道層40的柵絕緣膜30側(cè)，有比溝道層的平均載流子濃度高的高載流子濃度區(qū)域42，在與柵絕緣膜30相面對(duì)的一側(cè)，有比平均載流子濃度低的低載流子濃度區(qū)域44。
[0186]包含高載流子濃度區(qū)域42的溝道層40等構(gòu)件的構(gòu)成與實(shí)施方式I相同。
[0187]實(shí)施方式3的薄膜晶體管例如可以如下所示地制造。
[0188]首先，在絕緣性基板上形成氧化物半導(dǎo)體膜。這里，氧化物半導(dǎo)體層為IOnm以上，優(yōu)選實(shí)質(zhì)上相同。在頂柵結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)于氧化物半導(dǎo)體層的成膜方法，優(yōu)選濺射由金屬氧化物構(gòu)成的靶。與實(shí)施方式I不同，關(guān)于成膜時(shí)的氣氛，除了含有水或氫的稀有氣體氣氛下以外，也可以選擇含有氧的稀有氣體氣氛。將氧化物半導(dǎo)體層圖案化而制成溝道層。
[0189]接下來，在絕緣性基板上在與溝道層的相面對(duì)的兩個(gè)端部分別接觸地形成源電極及漏電極。
[0190]這里，優(yōu)選將溝道層的平均載流子濃度調(diào)整為5X1019/cm3以下，更優(yōu)選調(diào)整為IXlO1Vcm3以下，進(jìn)一步優(yōu)選調(diào)整為IXlO1Vcm3以下。在成膜后的氧化物半導(dǎo)體膜層的載流子濃度高的情況下，優(yōu)選在大氣中、氧中、添加氧的氮?dú)鈿夥罩小⑻砑友醯南∮袣怏w氣氛中、添加氧的惰性氣體氣氛中進(jìn)行加熱處理。另外，在即使利用加熱處理載流子濃度也不會(huì)充分地降低的情況下，可以利用氧等離子體處理、N2O等離子體處理、臭氧處理將溝道層的平均載流子濃度調(diào)整為所需的值。
[0191]接下來，對(duì)基板上的溝道層表面，進(jìn)行通過利用氫等離子體處理、稀有氣體氣氛中的逆濺射、電子束照射、或紫外線照射誘發(fā)氧缺陷來提高氧化物半導(dǎo)體溝道層表面附近區(qū)域的載流子濃度的操作。這里，該區(qū)域的平均載流子濃度優(yōu)選為1\1018~5\1021/(^3，更優(yōu)選為2X1018~5X102°/cm3。另外，溝道層的平均載流子濃度優(yōu)選為I X IO16~5X IO19/cm3，最好為lX10n~5X1019/Cm3。例如，如果是高載流子濃度區(qū)域的平均載流子濃度處于I X IO18~5X IO2Vcm3的范圍、并且溝道層的平均載流子濃度處于I X IO16~5X 1019/cm3的范圍、并且前者的濃度更高的薄膜晶體管，則可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)遷移率為40(cm2/V*s)以上并且on-off比為107。另外，例如如果是高載流子濃度區(qū)域的平均載流子濃度處于3X IO18~5 X IO2Vcm3的范圍、并且溝道層的平均載流子濃度處于IXlO17~5X1018/cm3的范圍的薄膜晶體管，則可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)遷移率為80(cm2/V.s)以上并且on-off比為108。
[0192]接下來，形成覆蓋基板上的溝道層、源電極及漏電極的柵絕緣膜。繼而，在柵絕緣膜上形成柵電極。柵電極位于溝道層上。
[0193]而且，在形成柵絕緣膜的工序中，最好不經(jīng)過改變氧化物半導(dǎo)體膜中的載流子濃度的加工過程。例如，在利用等離子體CVD形成柵絕緣膜的情況下，如果基板溫度高，則氫就會(huì)向溝道層內(nèi)擴(kuò)散，溝道層中的載流子濃度均勻地增加，從而難以在溝道層中獲得所需的平均載流子濃度。另外，在柵絕緣膜中除了氧透過性絕緣膜以外，也可以形成SiNx、AlN等防氧透過絕緣膜。
[0194]在柵絕緣膜中選擇了氧透過性絕緣膜的情況下，即使在形成柵絕緣膜的工序中載流子濃度發(fā)生變化，只要柵絕緣膜側(cè)的載流子濃度高，就可以利用柵絕緣膜形成后的加熱處理使溝道層的載流子濃度從柵絕緣膜側(cè)起沿膜厚方向依次減少，將從柵絕緣膜界面起存在于5nm以下的區(qū)域中的氧化物半導(dǎo)體溝道層中的平均載流子濃度調(diào)整為IX IO1Vcm3~5 X IO2Vcm3 的范圍。[0195]實(shí)施例
[0196]實(shí)施例1
[0197](I)薄膜晶體管的制作
[0198]本實(shí)施例中，制作出圖6所示的底柵型(逆交錯(cuò)型)的TFT。
[0199]首先，在形成有由熱氧化硅構(gòu)成的柵絕緣膜30 (膜厚lOOnm)的低電阻η型結(jié)晶硅基板(基板兼柵電極)10、20上，利用DC濺射法，作為氧化物半導(dǎo)體層40堆積厚50nm的In-Ga-O氧化物半導(dǎo)體。作為靶，使用了具有InGaO組成(Ga/(In+Ga) = 0.072:原子比)的多晶燒結(jié)體。將濺射時(shí)的輸入DC功率設(shè)為100W。成膜時(shí)的氣氛是總壓力為0.4Pa，氣體流量比為Ar: H2O = 99: 1，成膜速度為8nm/分鐘。另外，基板溫度為25°C。
[0200]在堆積于柵絕緣膜30上的In-Ga-O氧化物半導(dǎo)體膜40上，設(shè)置金屬掩模，形成溝道長度L:200 μ m,溝道寬度W: 1000 μ m的溝道部40。
[0201]然后，蒸鍍金而形成源.漏電極50、60。繼而，在其上利用濺射法作為保護(hù)層堆積IOOnm的SiO2膜70。將該濺射時(shí)的輸入RF功率設(shè)為300W。成膜時(shí)的氣氛是總壓力為
0.4Pa，氣體流量比為Ar: O2 = 70: 30，成膜速度為2nm/分鐘，靶-基板(T.S)間的距離為7cm。另外，基板溫度為25°C。
[0202]接下來，在大氣中在300°C下加熱I小時(shí)而制造出TFT。
[0203](2) TFT 的評(píng)價(jià)
[0204]關(guān)于上述⑴中得到的TFT，根據(jù)在大氣下得到的傳輸曲線求出的TFT特性是:閾值電壓 Vth = 0.1V，場(chǎng)效應(yīng)遷移率 μ = 125(cm2/v.s)，S 值=0.30 (V/decade)，On/Off 比=IO90另外，在50°C下對(duì)柵極施加20V的電壓1000秒后的Vth漂移電壓為0.2V。而且，使用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(Keithley Instruments (株)制Keithley4200)測(cè)定傳輸曲線。
[0205](3) TFT的溝道層的評(píng)價(jià)
[0206]對(duì)利用⑴得到的TFT，進(jìn)行了深度剖析XPS測(cè)定、剖面TEM測(cè)定、X射線結(jié)構(gòu)衍射、SSRM測(cè)定。
[0207](3a)深度剖析XPS測(cè)定
[0208]對(duì)溝道部40，利用X射線光電子能譜法(以下簡(jiǎn)稱為XPS)進(jìn)行了深度方向分析。本實(shí)施例中，利用使用了加速電壓IkeV的Ar離子的濺射，在挖掘表面的同時(shí)測(cè)定出In.3d5/2、Ga.2p3/2、Si.2p 的 XPS 光譜。
[0209]具體來說，在XPS分析中，使用了 ULVAC-PHI公司制的Quantum2000。X射線源使用了單色化了的Al的Ka線。通能(Pass energy)為29.35eV。
[0210]在SiO2膜70的濺射速度為1.7nm/分鐘的條件下，從SiO2層70的表面70a起，穿過溝道層40，直到溝道層40的柵絕緣膜側(cè)界面40a進(jìn)行挖掘。此后，沿膜厚方向?qū)γ扛?br> 1.6nm的點(diǎn)進(jìn)行XPS測(cè)定。
[0211]從SiO2層70的表面70a，穿過氧化物半導(dǎo)體膜40，存在于溝道層40的柵絕緣膜側(cè)界面40a的原子根據(jù)XPS測(cè)定可知為氧、硅、銦、鎵。從表面70a中，也觀察到了碳，然而僅是在表面的吸附，因此將其排除在外。另外，根據(jù)沿膜厚方向繪制構(gòu)成金屬原子的比率而得的圖7，將屬于作為保護(hù)層的SiO2層70的構(gòu)成金屬的硅與屬于構(gòu)成溝道層40的主要金屬原子的銦的比率反過來的膜厚設(shè)為保護(hù)層側(cè)界面層40b。另外，將屬于作為柵絕緣膜層的SiO2層30的構(gòu)成金屬的硅與屬于構(gòu)成溝道層40的主要金屬原子的銦的比率反過來的膜厚設(shè)為柵絕緣膜側(cè)界面40a。而且，原子比是求出所需的峰、例如In*3d5/2、Ga*2p3/2、Si2p、Ols的峰面積，除以Perkin-Elmer的靈敏度系數(shù)而得的表面的原子比率。在求光電子峰的面積時(shí)，對(duì)所得的光譜數(shù)據(jù)實(shí)施基于Savitzky-Golay法的5點(diǎn)平滑，除去X射線源的伴峰后，進(jìn)行基于Shirley法的背景扣除。
[0212]另外，在各深度位置求出作為構(gòu)成溝道層的原子的銦與鎵的原子比率。如圖7所示，在兩個(gè)界面40a、40b間觀察到平坦。由于銦與鎵的比率隨著從溝道靠近界面平滑地減衰，因此將組成在界面~平坦區(qū)中在膜厚方向視為相同。當(dāng)將銦的平坦區(qū)設(shè)為從界面起5nm以后的區(qū)域，求出平坦區(qū)的銦比率(In/(In+Ga))時(shí)(圖8)，為0.951~0.940，平均值為0.947。相對(duì)于平均值來說的最大值、最小值的比例分別為1%以下，因此也將在溝道層內(nèi)部在膜厚方向視為組成相同。同樣地，當(dāng)將鎵的平坦區(qū)設(shè)為從界面起5nm以后的區(qū)域，求出平坦區(qū)的鎵比率(Ga/(In+Ga))時(shí)(圖8)，為0.060~0.047，平均值為0.053。由于相對(duì)于平均值來說的最大值、最小值的比例分別為15%以下，因此也將在溝道層內(nèi)部在膜厚方向上視為組成相同。
[0213](3b)斷面TEM測(cè)定及X射線結(jié)構(gòu)衍射
[0214]使用透射型電子顯微鏡(TEM)，觀察了溝道部40的剖面，其結(jié)果是，在膜厚方向觀察到等效衍射圖，可以確認(rèn)在膜厚方向是結(jié)晶質(zhì)。所以，確認(rèn)是由在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層構(gòu)成的氧化物半導(dǎo)體膜。另外，對(duì)于所得的結(jié)晶質(zhì)層，利用X射線晶體結(jié)構(gòu)分析確認(rèn)是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。
[0215](3c) SSRM 測(cè)定
[0216]利用水中機(jī)械研磨得到溝道部40的剖面。接下來，對(duì)該剖面利用SSRM進(jìn)行了擴(kuò)展電阻測(cè)定。通過與載流子濃度已知的標(biāo)準(zhǔn)樣品比較而求出載流子濃度的膜厚方向的分布。標(biāo)準(zhǔn)樣品準(zhǔn)備了具有與本試樣相同的元件構(gòu)成、分別具有I X1017cm_3、I X1019cm_3、5X IO19Cm-3的載流子濃度的溝道層的材料。另外，標(biāo)準(zhǔn)樣品的溝道層是通過濺射本實(shí)施例的靶而得。標(biāo)準(zhǔn)樣品的載流子濃度調(diào)整是通過改變?yōu)R射時(shí)的成膜條件及其后的退火條件而進(jìn)行的。當(dāng)柵絕緣膜界面附近的溝道層`的載流子濃度變高時(shí)，就觀察到的SSRM像而言，宛如柵絕緣膜的膜厚減少。所以，在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品與由本試樣的SSRM像判斷的表觀上的柵絕緣膜的厚度進(jìn)行比較時(shí)，由于本試樣的表觀上的柵絕緣膜的厚度位于標(biāo)準(zhǔn)樣品的IXlO19cnT3與5X IO19CnT3之間，因此將從柵絕緣膜界面起5nm以內(nèi)的區(qū)域的平均載流子濃度設(shè)為3 X IO19Cm-3 0另外，在與IXlO17cnT3的標(biāo)準(zhǔn)樣品比較時(shí)，觀察到保護(hù)層的厚度比本試樣薄，因此確認(rèn)保護(hù)層附近的溝道層的載流子濃度為IX IO17CnT3以下。這樣，利用本測(cè)定確認(rèn)，載流子濃度從柵絕緣膜側(cè)沿膜厚方向依次減少，并且從所述柵絕緣膜界面起5nm以內(nèi)的區(qū)域的平均載流子濃度為3X 1019cnT3。
[0217]將所使用的裝置及測(cè)定條件表示如下。
[0218]?觀察裝置:Bruker AXS (前 Veeco)公司 Digital Instruments 部門制
[0219]NanoScope IVa AFM Dimension3IOOstage AFM system+SSRM option
[0220].SSRM掃描模式:接觸模式與擴(kuò)展電阻同時(shí)測(cè)定
[0221].SSRM探針(Tip):金剛石鍍覆硅懸臂
[0222].試樣加工:在利用機(jī)械研磨制作剖面后，將各層短路而使得可以施加偏置電壓。
[0223].測(cè)定環(huán)境:室溫、大氣中[0224](4)玻璃基板上的薄膜的霍爾測(cè)定評(píng)價(jià)
[0225]取代低電阻η型結(jié)晶硅基板10、20而使用玻璃基板，利用與(I)相同的工序制作出氧化物半導(dǎo)體膜、霍爾電極及保護(hù)層。利用van der pauw法使用霍爾測(cè)定裝置測(cè)定出平均載流子濃度。其結(jié)果是，確認(rèn)氧化物半導(dǎo)體膜的平均載流子濃度為2.6X 1018/cm3。
[0226]霍爾測(cè)定裝置及其測(cè)定條件如下所示。
[0227][霍爾測(cè)定裝置]
[0228]東陽特克尼卡制:Resi Test8310
[0229][測(cè)定條件]
[0230]室溫(約250C )、約0.5 [T]、約10_4?10_12A、AC磁場(chǎng)霍爾測(cè)定
[0231][樣品形狀]
[0232]10mm X 10mm
[0233]實(shí)施例2
[0234]在濺射靶中使用具有InGaAlO 組成(Ga/(In+Ga+Al) = 0.058、Al/(In+Ga+Al)=
0.013:原子比)的多晶燒結(jié)體，與實(shí)施例1相同地制作并評(píng)價(jià)了 TFT。
[0235]利用深度方向XPS分析確認(rèn)了:氧化物半導(dǎo)體層的組成在膜厚方向上相同，利用TEM測(cè)定確認(rèn)了:氧化物半導(dǎo)體層是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層，利用X射線晶體結(jié)構(gòu)分析確認(rèn)了:結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表不于表I中。
[0236]實(shí)施例3
[0237]在濺射靶中使用具有InAlO組成(Α1/(Ιη+Α1) = 0.013:原子比)的多晶燒結(jié)體，與實(shí)施例1相同地制作并評(píng)價(jià)了 TFT。
[0238]確認(rèn)了氧化物半導(dǎo)體層的組成在膜厚方向上相同、氧化物半導(dǎo)體層是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層、結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表不于表I中。
[0239]實(shí)施例4
[0240]在濺射靶中使用具有In2O3組成的多晶燒結(jié)體，與實(shí)施例1相同地制作并評(píng)價(jià)了TFT。
[0241]確認(rèn)了氧化物半導(dǎo)體層的組成在膜厚方向上相同、氧化物半導(dǎo)體層是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層、結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表不于表I中。
[0242]實(shí)施例5
[0243]在濺射靶中使用具有InZnO組成(Zn/(In+Zn) = 0.050:原子比)組成的多晶燒結(jié)體，與實(shí)施例1相同地制作并評(píng)價(jià)了 TFT。
[0244]確認(rèn)了氧化物半導(dǎo)體層的組成在膜厚方向上相同、氧化物半導(dǎo)體層是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層、結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表不于表I中。
[0245]實(shí)施例6
[0246]在濺射靶中使用具有InSnO組成(Sn/(In+Sn) = 0.093:原子比)組成的多晶燒結(jié)體，與實(shí)施例1相同地制作并評(píng)價(jià)了 TFT。[0247]確認(rèn)了氧化物半導(dǎo)體層的組成在膜厚方向上相同、氧化物半導(dǎo)體層是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層、結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表不于表1中。
[0248]實(shí)施例7
[0249]本實(shí)施例中，利用光刻技術(shù)，制作出如圖6所示的底柵型(逆交錯(cuò)型)的TFT。
[0250]與實(shí)施例1(1)相同，在形成有柵絕緣膜的低電阻η型結(jié)晶硅上，利用DC濺射法形成InGaO組成(Ga/ (In+Ga) = 0.072:原子比)的氧化物半導(dǎo)體層。
[0251]在所堆積的In-Ga-O氧化物半導(dǎo)體上，涂布抗蝕劑，在80°C下進(jìn)行15分鐘預(yù)烘烤，穿過掩模照射300mJ/cm2的光強(qiáng)度的UV光，其后，利用3重量％的四甲基氫氧化銨進(jìn)行顯影，用純水清洗后，在130°C進(jìn)行15分鐘后烘烤，以所需的溝道形狀形成抗蝕劑圖案。將該帶有抗蝕劑圖案的基板用磷酸.乙酸?硝酸的混酸蝕刻In-Ga-O氧化物半導(dǎo)體膜而進(jìn)行半導(dǎo)體的島狀切刻。
[0252]接下來，向該元件涂布抗蝕劑，在80°C進(jìn)行15分鐘預(yù)烘烤，穿過掩模照射300mJ/cm2的光強(qiáng)度的UV光，其后，用3重量％的四甲基氫氧化銨進(jìn)行顯影，用純水清洗后，在130°C進(jìn)行15分鐘后烘烤，形成所需的形狀的源?漏電極形狀的抗蝕劑圖案。其后，在整個(gè)面形成300nm的鑰層，通過用丙酮?jiǎng)冸x抗蝕劑，從而制作出溝道長度10 μ m、溝道寬度20 μ m的剝離(lift-off)元件。
[0253]繼而，在其上利用濺射法作為保護(hù)層堆積IOOnm的Al2O3膜。將該濺射時(shí)的輸入RF功率設(shè)為300W。成膜時(shí)的氣氛是總壓力為0.4Pa，氣體流量比為Ar: O2 = 70: 30，成膜速度為2nm/分鐘，靶-基板(T.S)間的距離為7cm。另外，基板溫度為25°C。
[0254]接下來，在大氣中在300°C下加熱I小時(shí)而制造出TFT。
[0255]對(duì)所得的TFT與實(shí)施例1相同地評(píng)價(jià)。
[0256]確認(rèn)了氧化物半導(dǎo)體層的組成在膜厚方向上相同、氧化物半導(dǎo)體層是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層、結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表不于表1中。
[0257]實(shí)施例8
[0258]本實(shí)施例中，制作出圖5所示的結(jié)構(gòu)的頂柵型(正交錯(cuò)型)的TFT。
[0259]首先，在玻璃基板10上設(shè)置金屬掩模，按照可以形成溝道長度L:200 μ m的溝道部的方式，作為源.漏電極50、60蒸鍍鑰而形成。
[0260]接下來，以具有InGaO組成(Ga/(In+Ga) = 0.072:原子比)的多晶燒結(jié)體作為靶，利用DC濺射法，作為氧化物半導(dǎo)體層40堆積出厚50nm的In-Ga-O氧化物半導(dǎo)體層。將濺射時(shí)的輸入DC功率設(shè)為100W。成膜時(shí)的氣氛總壓力為0.4Pa，氣體流量比為Ar: H2O =99: 1，成膜速度為8nm/分鐘。另外，基板溫度為25°C。
[0261]在堆積好的In-Ga-O氧化物半導(dǎo)體40上，設(shè)置金屬掩模，形成溝道長度L:200 μ m、溝道寬度W:1000ym的溝道部40。這里，在大氣中以300°C加熱I小時(shí)，進(jìn)行氧化物半導(dǎo)體層的結(jié)晶化及載流子減少。接下來，對(duì)溝道層表面附近的區(qū)域進(jìn)行氫等離子體處理。
[0262]接下來，覆 蓋溝道層40、源電極50、漏電極60及氧化物半導(dǎo)體膜40地形成柵絕緣膜30。柵絕緣膜30是利用濺射法堆積IOOnm的SiO2膜而成。將該濺射時(shí)的輸入RF功率設(shè)為300W。成膜時(shí)的氣氛的總壓力為0.4Pa，氣體流量比為Ar: O2 = 70: 30，成膜速度為2nm/分鐘,祀-基板(T.S)間的距離為7cm。
[0263]繼而，在柵絕緣膜30上形成鑰的柵電極20。柵電極20是以位于溝道層40上的方式使用金屬掩模利用DC濺射成膜。
[0264]對(duì)所得的TFT與實(shí)施例1相同地進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
[0265]確認(rèn)氧化物半導(dǎo)體層40的組成在膜厚方向上相同、氧化物半導(dǎo)體層40是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層、結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表示于表1中。
[0266]實(shí)施例9
[0267]準(zhǔn)備4英寸Φ的無堿玻璃基板，用濺射法形成厚50nm的Mo的膜后，利用光刻法以柵極布線狀進(jìn)行了圖案形成。然后，將該基板安放在等離子體CVD裝置中，將所述基板保持為350。。，以2sccm的SiH4UOOsccm的N20、120sccm的N2的比例以IlOPa的壓力導(dǎo)入，得到厚150nm的柵絕緣膜。
[0268]然后，將該帶有柵絕緣膜的玻璃基板安裝在濺射裝置中，在與實(shí)施例1相同的條件下形成InGaO(Ga/(In+Ga) = 0.072:原子比)的膜，形成50nm的氧化物半導(dǎo)體層。然后，利用光刻法加工為溝道部(溝道長度L:20 μ m，溝道寬度W:50 μ m)。
[0269]再次將該基板安放在等離子體CVD裝置中，將所述基板保持為170°C，以2sCCm的SiH4、IOOsccm的隊(duì)0、1208(^111的N2的比例以IlOPa的壓力導(dǎo)入，層疊出厚50nm的層間絕緣膜。然后，將該基板安放在干式蝕刻裝置中，形成柵電極和源?漏電極用的接觸孔。此后，將該層疊體安放在濺射裝置中，`形成Mo的膜后，再次利用光刻法進(jìn)行圖案形成而形成源.漏電極。
[0270]接下來，將本基板在大氣下、300°C、8小時(shí)的條件下進(jìn)行退火。
[0271]接著，再次將該基板安放在等離子體CVD裝置中，將所述基板保持為250°C，以2sccm的SiH4UOOsccm的N20、120sccm的N2的比例以IlOPa的壓力導(dǎo)入，層疊出厚300nm的層間絕緣膜。此后再次利用光刻法形成源?漏.柵電極用的接觸孔。最后將該基板在大氣中、350°C、1小時(shí)的條件下退火，得到TFT。
[0272]對(duì)所得的TFT與實(shí)施例1相同地進(jìn)行了評(píng)價(jià)。確認(rèn)氧化物半導(dǎo)體層的組成在膜厚方向上相同、氧化物半導(dǎo)體層是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層、結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表示于表1中。
[0273]實(shí)施例10
[0274]準(zhǔn)備4英寸Φ的無堿玻璃基板，利用濺射法形成厚50nm的Mo的膜后，利用光刻法以柵極布線狀進(jìn)行圖案形成。然后，將該基板安放在等離子體CVD裝置中，將所述基板保持為350。。，以2sccm的SiH4UOOsccm的N20、120sccm的N2的比例以IlOPa的壓力導(dǎo)入，得到厚150nm的柵絕緣膜。
[0275]然后，將該帶有柵絕緣膜的玻璃基板安裝在濺射裝置中，在與實(shí)施例1相同的條件下形成InGaO(Ga/(In+Ga) = 0.072:原子比)的膜，形成50nm的氧化物半導(dǎo)體層。然后，利用光刻法加工為溝道部(溝道長度L:20 μ m，溝道寬度W:50 μ m)。
[0276]接下來，將本基板在大氣下、300°C、1小時(shí)的條件下進(jìn)行退火。
[0277]再次將該基板安放在等離子體CVD裝置中，將所述基板保持為200°C，以4sCCm的SiH4、IOOsccm的隊(duì)0、1208(^111的N2的比例以IlOPa的壓力導(dǎo)入，層疊出厚50nm的層間絕緣
膜。然后，將該基板安放在干式蝕刻裝置中，形成柵電極和源?漏電極用的接觸孔。此后，將該層疊體安放在濺射裝置中，形成Mo的膜后，再次利用光刻法進(jìn)行圖案形成而形成源.漏電極。
[0278]接下來，將本基板在大氣下、300°C、8小時(shí)的條件下進(jìn)行退火。
[0279]接著，再次將該基板安放在等離子體CVD裝置中，將所述基板保持為250°C，以2sccm的SiH4UOOsccm的N20、120sccm的N2的比例以IlOPa的壓力導(dǎo)入，層疊出厚300nm的層間絕緣膜。此后再次利用光刻法形成源?漏.柵電極用的接觸孔。最后將該基板在大氣中、350°C、1小時(shí)的條件下退火，得到TFT。
[0280]對(duì)所得的TFT與實(shí)施例1相同地進(jìn)行了評(píng)價(jià)。確認(rèn)氧化物半導(dǎo)體層的組成在膜厚方向上相同、氧化物半導(dǎo)體層是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層、結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表示于表1中。
[0281]實(shí)施例11
[0282]準(zhǔn)備4英寸Φ的無堿玻璃基板，利用濺射法形成厚50nm的Mo的膜后，利用光刻法以柵極布線狀進(jìn)行圖案形成。然后，將該基板安放在等離子體CVD裝置中，將所述基板保持為350。。，以2sccm的SiH4UOOsccm的N20、120sccm的N2的比例以IlOPa的壓力導(dǎo)入，得到厚150nm的柵絕緣膜。
[0283]然后，將該帶有柵絕緣膜的玻璃基板安裝在濺射裝置中，在除了將InGaO(Ga/(In+Ga) = 0.072:原子比)的成膜氣氛設(shè)為總壓力為0.4Pa、氣體流量比為Ar: O2 =50: 50以外而其他與實(shí)施例1相同的條件下,形成30nm的氧化物半導(dǎo)體層。然后,利用光刻法加工為溝道部(溝道長度L:20 μ m，溝道寬度W:50 μ m)。
[0284]接下來，將本基板在真空`下、300°C、1小時(shí)的條件下進(jìn)行退火。
[0285]再次將該基板安放在等離子體CVD裝置中，將所述基板保持為170°C，以2sCCm的SiH4、IOOsccm的隊(duì)0、1208(^111的N2的比例以IlOPa的壓力導(dǎo)入，層疊出厚50nm的層間絕緣膜。然后，將該基板安放在干式蝕刻裝置中，形成柵電極和源?漏電極用的接觸孔。此后，將該層疊體安放在濺射裝置中，形成Mo的膜后，再次利用光刻法進(jìn)行圖案形成而形成源.漏電極。
[0286]接下來，將本基板在大氣下、300°C、4小時(shí)的條件下進(jìn)行退火。
[0287]接著，再次將該基板安放在等離子體CVD裝置中，將所述基板保持為250°C，以2sccm的SiH4UOOsccm的N20、120sccm的N2的比例以IlOPa的壓力導(dǎo)入，層疊出厚300nm的層間絕緣膜。此后再次利用光刻法形成源?漏`.柵電極用的接觸孔。最后將該基板在大氣中、350°C、1小時(shí)的條件下退火，得到TFT。
[0288]對(duì)所得的TFT與實(shí)施例1相同地進(jìn)行了評(píng)價(jià)。確認(rèn)氧化物半導(dǎo)體層的組成在膜厚方向上相同、氧化物半導(dǎo)體層是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層、結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表示于表1中。
[0289]比較例I
[0290]除了在實(shí)施例1中，在保護(hù)層70形成前不久在氫氣氛中進(jìn)行退火處理(300°C I小時(shí))，使氧化物半導(dǎo)體層40中的載流子濃度增加以外，與實(shí)施例1相同地制造、評(píng)價(jià)了 TFT。
[0291]確認(rèn)了氧化物半導(dǎo)體層的組成在膜厚方向上相同、氧化物半導(dǎo)體層是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層、結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表不于表I中。
[0292]比較例2
[0293]除了在實(shí)施例1中，在保護(hù)層70形成前不久在大氣中進(jìn)行退火處理(300°C I小時(shí))，使氧化物半導(dǎo)體層40中的載流子濃度降低以外，與實(shí)施例1相同地制造、評(píng)價(jià)了 TFT。
[0294]確認(rèn)氧化物半導(dǎo)體層的組成在膜厚方向上相同、氧化物半導(dǎo)體層是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層、結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表不于表I中。
[0295]比較例3
[0296]在實(shí)施例8中，利用CVD形成柵絕緣膜，由于CVD時(shí)的基板溫度是450°C這樣比較高的溫度，因此氧化物半導(dǎo)體層中的載流子濃度升高，除此以外，與實(shí)施例8相同地制造、評(píng)價(jià)了 TFT。
[0297]確認(rèn)了氧化物半導(dǎo)體層的組成在膜厚方向上相同、氧化物半導(dǎo)體層是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層、結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表不于表I中。
[0298]比較例4
[0299]在實(shí)施例9中，將與溝道層接觸的層間絕緣膜的膜厚設(shè)為5nm。除此以外，與實(shí)施例9相同地制造、評(píng)價(jià)了 TFT。
[0300]確認(rèn)了氧化物半導(dǎo)體層的組成在膜厚方向上相同、氧化物半導(dǎo)體層是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層、結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表不于表I中。
[0301]比較例5
[0302]在實(shí)施例10中，將與溝道層接觸的層間絕緣膜的制作時(shí)的基板溫度設(shè)為300°C。除此以外，與實(shí)施例10相同地制造、評(píng)價(jià)了 TFT。
[0303]確認(rèn)了氧化物半導(dǎo)體層的組成在膜厚方向上相同、氧化物半導(dǎo)體層是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層、結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表不于表I中。
[0304]比較例6
[0305]在實(shí)施例11中，未進(jìn)行制作與溝道層接觸的層間絕緣膜前的真空退火處理。除此以外，與實(shí)施例11相同地制造、評(píng)價(jià)了 TFT。
[0306]確認(rèn)了氧化物半導(dǎo)體層的組成在膜厚方向上相同、氧化物半導(dǎo)體層是在膜厚方向具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)層、結(jié)晶質(zhì)層是顯示出方鐵錳礦型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物。將其他所得的結(jié)果表不于表I中。
[0307][氧化物半導(dǎo)體薄膜的能隙的評(píng)價(jià)]
[0308]對(duì)上述實(shí)施例，利用分光橢偏儀對(duì)在石英基板上成膜的基板評(píng)價(jià)了能隙。根據(jù)折射率及消光系數(shù)算出吸光系數(shù)，假定為直接躍遷型，根據(jù)吸光系數(shù)的平方與能量的圖表求出能隙。另外，利用ICP-AES分析，確認(rèn)了氧化物薄膜中所含的各元素的原子比與濺射靶相同。確認(rèn)實(shí)施例1?3及實(shí)施例7?11、比較例I?6的膜中能隙為3.7?4.0eV0另外，確認(rèn)實(shí)施例4?6為3.5eV以上。[0309][表1]
[0310]
【權(quán)利要求】
1.一種薄膜晶體管，其具有: 源電極、漏電極及柵電極； 柵絕緣膜；以及 由氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成的溝道層， 所述溝道層的平均載流子濃度為IxlolfVcm3NSxlo1Vcm3的范圍，在所述溝道層的所述柵絕緣膜側(cè)，具有比所述平均載流子濃度高的高載流子濃度區(qū)域， 所述溝道層實(shí)質(zhì)上具有同等的組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其中， 所述溝道層具有IOnm以上的膜厚，所述高載流子濃度區(qū)域的平均載流子濃度處于I X IO1Vcm3 ?5 X IO2Vcm3 的范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的薄膜晶體管，其中， 所述高載流子濃度區(qū)域是從與柵絕緣膜的界面到溝道層的內(nèi)側(cè)5nm的區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任一項(xiàng)所述的薄膜晶體管，其中， 所述氧化物半導(dǎo)體具有晶體結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?4中任一項(xiàng)所述的薄膜晶體管，其中， 所述氧化物半導(dǎo)體是 氧化銦、 摻雜有Ga的氧化銦、 摻雜有Al的氧化銦、 摻雜有Ga和Al的氧化銦、 摻雜有Zn的氧化銦、或 摻雜有Sn的氧化銦。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的薄膜晶體管，其中， 所述摻雜有Ga的氧化銦的原子比Ga/(Ga+In)為0.007?0.207。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的薄膜晶體管，其中， 所述摻雜有Al的氧化銦的原子比Al/(A1+In)為0.003?0.125。
8.根據(jù)權(quán)利要求1?7中任一項(xiàng)所述的薄膜晶體管，其具有底柵結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的薄膜晶體管，其中， 在所述溝道層上設(shè)有保護(hù)層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的薄膜晶體管，其中， 所述保護(hù)層是具有氧透過性的絕緣膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求1?7中任一項(xiàng)所述的薄膜晶體管，其具有頂柵結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H01L29/786GK103765596SQ201280039028
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月11日
【發(fā)明者】霍間勇輝, 江端一晃, 笘井重和, 松崎滋夫 申請(qǐng)人:出光興產(chǎn)株式會(huì)社