氧化物半导体薄膜以及薄膜晶体管的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 薄膜晶体管（ThinFilmTranSistor:TFT)是场效应晶体管（FieldEffect 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 迀移的信道层使用，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。
[0003]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迀移率（载流子迀移率）为lcmVVsec以下，因其迀 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迀移 率lcmVVsec更高的载流子迀移率的半导体薄膜。
[0004] 相对于此，多结晶硅膜显示出100cm2/vsec程度的高的载流子迀移率，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 子迀移率降低，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°C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。
[0005] 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。
[0006] 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0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 InGaOjZnOhGii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 也可使载流子迀移率比lcmVVsec高且可使载流子浓度为1016/cm3以下。
[0007] 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~lOcmVVsec范围的比较高的载流 子迀移率，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3舞变得不一定稳定，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。
[0008] 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程度的载流子迀移率。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。
[0009] 现有技术文献
[0010] 专利文献
[0011] 专利文献1 :日本特开2010-182924号公报
[0012] 专利文献2 :日本特开2008-192721号公报
[0013] 专利文献3 :日本特开2010-251606号公报
【发明内容】
[0014] 发明要解决的课题
[0015] 本发明的目的在于，解决作为氧化物半导体薄膜的氧化物非晶态薄膜具有的问 题，通过氧化物结晶质薄膜提供具有比较高的载流子迀移率且适宜作为薄膜晶体管（TFT) 的信道层材料的氧化物半导体薄膜。
[0016] 解决课题所用的方法
[0017] 本发明人等对可适用于氧化物半导体薄膜的氧化物非晶态薄膜的代替材料进行 了精心研宄。具体地，反复进行了如下实验：对于通过溅射法所获得的以铟和钨的氧化物以 及铟和钨和锌的氧化物为主成分的非晶质的氧化物半导体薄膜，通过实施退火处理形成结 晶质的氧化物半导体薄膜。此时，对于结晶化的氧化物半导体薄膜显示出高的载流子迀移 率的条件，即，对于作为氧化物半导体薄膜的铟和钨的氧化物或者铟和钨和锌的氧化物的 组成、膜厚以及结晶化条件等，进行了详细的研宄。
[0018] 其结果，发现如下见解，通过下述方式所获得的氧化物结晶质薄膜，显示出比 lcmVVsec高的载流子迀移率、1018/cm3以下的低的载流子浓度，是适宜用作薄膜晶体管 (TFT)的信道层材料的氧化物半导体薄膜：
[0019] (1)以铟和钨的氧化物为主成分的氧化物半导体薄膜中的钨含量以W/In原子数 比计为0. 005~0. 12,或者，以铟和钨和锌的氧化物为主成分的氧化物半导体薄膜中的钨 含量以W/In原子数比计为0. 005~0. 12并且锌含量以Zn/In原子数比计为0. 001~0. 05 ;
[0020] (2)任意的氧化物半导体薄膜均为，通过实施退火处理，仅由方铁锰矿型 (bixbyitetype)结构的ln203相构成的结晶质的薄膜；
[0021] (3)任意的氧化物半导体薄膜的膜厚均控制在15~200nm的范围内。
[0022] 本发明，是基于如上见解而完成的发明。
[0023]S卩，本发明的氧化物半导体薄膜，其特征在于，所述氧化物半导体薄膜由含有铟 和钨的氧化物构成，并且，钨含量以W/In原子数比计为0. 005~0. 12,并且所述氧化物 半导体薄膜是结晶质的薄膜且仅由方铁锰矿型结构的ln203相构成，并且，载流子浓度为 1X1018cm_3以下，载流子迀移率比lcm2/Vsec高。
[0024] 所述钨含量以W/In原子数比计优选为0. 01~0. 05,更加优选为0. 015~0. 035。
[0025] 构成本发明的氧化物半导体薄膜的所述氧化物中还可以含有锌。即，本发明的氧 化物半导体薄膜，其特征在于，所述氧化物半导体薄膜可由含有铟和锌和钨的氧化物构成， 此时，钨含量以W/In原子数比计为0. 005~0. 12,锌含量以Zn/In原子数比计为0. 05以 下，并且，所述氧化物半导体薄膜是结晶质的薄膜且仅由方铁锰矿型结构的ln203相构成， 并且，载流子浓度为lX1018cm3以下，载流子迀移率比lcmVVsec高。
[0026] 该氧化物半导体薄膜中，所述钨含量优选为以W/In原子数比计为0. 01~0. 05,更 加优选为〇. 015~0. 035。另外，所述锌含量优选为以Zn/In原子数比计为0. 003~0. 03， 更加优选为0.005~0.02。
[0027] 本发明的氧化物半导体薄膜的膜厚优选为15~200nm，更加优选为30~150nm， 进一步优选为40~100nm。
[0028] 本发明的氧化物半导体薄膜中，平均结晶粒径优选为10nm以上，更加优选为20nm 以上。
[0029] 如上所述，本发明的氧化物半导体薄膜中，通过至少对组成以及膜厚进行适当控 制，可使载流子迀移率达到3cm2/Vsec以上，进一步使其达到10cm2/Vsec以上。另外，还可 使载流子浓度处于1X1016~1X1017cm3的范围内。
[0030]本发明的薄膜晶体管（TFT)，其具有源极电极、漏极电极、栅极电极、信道层以及栅 极绝缘层，其特征在于，所述信道层由本发明的氧化物半导体薄膜构成。
[0031] 发明的效果
[0032] 本发明的氧化物半导体薄膜是氧化物结晶质薄膜，因此，具有超过lcmVVsec的高 的载流子迀移率，并且，难以生成氧缺陷，对热等的外在因素稳定且不会引起光负偏压劣化 现象的发生等问题。
[0033]另外，本发明的氧化物半导体薄膜中，对于规定组成的氧化物非晶态薄膜例如以 400°C以下的温度实施退火处理，以此可获得仅由方铁锰矿型结构的ln203相构成且具有高 的结晶性的氧化物结晶质薄膜。
[0034]因此，通过将本发明的氧化物半导体薄膜作为信道层材料使用，能够以低成本实 现TFT特性提高，从而其工业上的意义极大。
【附图说明】
[0035] 图1是本发明的TFT元件的概要剖面图。
[0036]图2是表示对实施例2的氧化物半导体薄膜实施X射线衍射测定的结果的图。
【具体实施方式】
[0037] 下面，对本发明的氧化物半导体薄膜以及将该氧化物半导体薄膜作为信道层材料 使用的薄膜晶体管（TFT)进行详细的说明。
[0038] 1.氧化物半导体薄膜
[0039] (a)组成
[0040] 本发明的由含有铟和钨的氧化物构成的结晶质的氧化物半导体薄膜中，需要将钨 的含量控制成以W/In原子数比计处于0. 005~0. 12的范围内，优选控制成处于0. 01~ 0. 05的范围内，更加优选控制成处于0. 015~0. 035的范围内。
[0041] 作为适用于TFT的氧化物半导体薄膜，需要将载流子浓度控制