氧化物半导体薄膜和薄膜晶体管的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种氧化物半导体薄膜和使用了该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、W及漏极端子的 =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 移的沟道层使用，在栅极端子施加上电压而控制流动于沟道层的电流，从而开关源极端子 和漏极端子之间的电流。目前，作为TFT的沟道层，广泛使用了多晶娃薄膜或非晶娃薄膜。
[0003] 其中，非晶娃薄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的沟道层广泛得到使用。但是，作为载流子的电子的迁移率（载流子迁 移率）低达IcmZyiseciW下，难W适用于高精细面板用TFT。旨P，随着液晶的高清化，要求 薄膜晶体管的高速驱动，为了实现运样的薄膜晶体管的高速驱动，需要在沟道层中使用显 示比非晶娃薄膜的载流子迁移率Icm2VIsec1更高的载流子迁移率的半导体薄膜。
[0004] 相对于此，多晶娃薄膜显示出IOOcm2VIsec1左右的高载流子迁移率，因此，可m兑 其具有可用于高精细面板用薄膜晶体管的沟道层材料的充分的特性。但是，多晶娃薄膜在 晶界中载流子迁移率降低，因此缺乏基板的面内均匀性，从而存在薄膜晶体管的特性上产 生偏差的问题。另外，多晶娃薄膜是通过在300°CW下的基板溫度下形成非晶娃膜之后再对 其进行退火处理使其结晶化而获得的，但此时需要W准分子激光退火等特殊的方法进行退 火处理，存在不得已高成本化的问题。而且，可对应适用的玻璃基板的大小也停留于第五代 程度，因此在成本降低方面有局限性，在产品拓展方面也受到了限制。因此，作为薄膜晶体 管的沟道层的材料，目前需求一种兼备非晶娃薄膜和多晶娃薄膜的优良特性且能够W低成 本获得的材料。 阳0化]例如，在专利文献1中，有人提出一种采用气相成膜法成膜且由In、Ga、化和0的 元素构成的透明非晶态氧化物半导体薄膜。该透明非晶态氧化物半导体薄膜，在结晶化 时的组成是InGaOs狂n0)m(m为低于6的自然数），在不添加杂质离子的情况下可达到超过 lcm2yIsec1的载流子迁移率化及1X10 16畑13^下的载流子浓度。
[0006] 但是，非晶态氧化物半导体薄膜，原本就容易发生氧缺位（氧缺陷），对热等外在 因素，存在由作为载流子的电子的动作（振吝舞LO不一定稳定而引起的薄膜晶体管的运 行变得不稳定的问题。另外，在可见光照射下对薄膜晶体管连续施加负偏压时，还存在发生 阔值电压向负侧移位的光负偏压劣化现象的问题。
[0007] 因此，近年来，在薄膜晶体管的沟道层中不使用非晶态氧化物半导体薄膜而使用 结晶质氧化物半导体薄膜的研究正在得到推进。
[0008] 例如，在专利文献2中提出了一种氧化物半导体薄膜，其中，将嫁固溶于氧化铜， Ga/(In+Ga)原子数比为0.OOl~0. 12,铜和嫁相对于总金属原子的含量为80原子％W上， 具有Iri2〇3的方铁儘矿型结构。另外，在专利文献3中提出了一种氧化物半导体薄膜，其中， Ga/(In+Ga)原子数比为0. 10~0. 15,由作为晶体结构显示为方铁儘矿型结构的氧化铜构 成。
[0009]运些文献所记载的技术中，是将由方铁儘矿型结构的Iri2〇3单相构成的氧化物烧 结体当作祀，通过瓣射法形成非晶质氧化物薄膜，然后进行退火处理，由此获得结晶质氧化 物半导体薄膜。因此，运些文献所述的氧化物半导体薄膜中，未发生由上述非晶态氧化物半 导体薄膜引起的问题。另外，运些文献所述的结晶质氧化物半导体薄膜达到了 40cm2yIsec1 W上的高载流子迁移率。
[0010] 运些专利文献2和3中，在形成非晶质膜的情况下，通过此后的退火处理来获得结 晶质氧化物半导体薄膜。通常薄膜晶体管的制造工序中，在形成非晶质膜后，为了进行图案 化加工而形成所需沟道层的形状，实施了基于含有草酸、盐酸等的水溶液等弱酸进行的湿 式蚀刻。但是，在专利文献2和3中，作为瓣射成膜中使用的瓣射祀，是使用了实质上仅由 方铁儘矿结构形成的氧化物烧结体，因此，导致所形成的非晶质膜结晶化溫度变低，在成膜 后的阶段已生成微晶，从而发生在蚀刻工序中产生残渣或者一部分结晶化而无法蚀刻等问 题。目P，在将专利文献2和3的氧化物半导体薄膜应用于薄膜晶体管的沟道层时，难W利用 光刻法技术等通过湿式蚀刻法形成所需的图案。因此，例如，在专利文献2和专利文献3的 实施例中，通过使用了金属掩模的简易方法形成沟道层。
[0011]与此相比，在专利文献4中提出了一种薄膜晶体管，其中，作为沟道层使用了Ga/ (In+Ga)原子数比为0.Ol~0. 09的氧化物半导体薄膜。在该文献所述的技术中，通过在含 有水分子的混合气体（瓣射气体）的环境下进行瓣射成膜来形成该氧化物半导体薄膜。在 运种方法中，在由水分子离解的H+或OH的存在下，氧化物的结晶混乱，获得非晶质性高的 氧化物半导体薄膜。
[0012] 但是，根据专利文献5可知，当在水分子存在的环境下通过瓣射法进行成膜时，有 可能导致在获得的氧化物半导体薄膜中纳入颗粒。
[0013]另外，在非专利文献1中报道了，由上述方法所获得的氧化物半导体薄膜，在退火 处理后的结晶中残留H+。运种薄膜中残留的H+会使氧化物半导体薄膜的膜质降低，或者会 成为不需要的载流子源，因此，有时会导致载流子浓度增加，对此从理论计算（非专利文献 2)和实验（非专利文献3)两个方面均被指出。
[0014]另一方面，本发明人等在专利文献6中提出了一种将氧化物烧结体用作祀的方 案，并且，该氧化物烧结体是，W氧化物的方式含有铜和嫁，方铁儘矿型结构的In2〇3相成为 主结晶相，其中，0-Ga2〇3型结构的GaInO3相或者GaInO3相和（Ga,In) 2〇3相W平均粒径 5ymW下的晶粒的方式微细地分散，嫁含量WGa八In+Ga)原子数比计为10原子％W上且 低于35原子％。当使用该祀而通过瓣射法或离子锻法进行成膜时，即使在环境气体中不添 加水分子，也能够获得具有高非晶质性的氧化物膜，因此，被期望有良好的蚀刻性。但是，对 专利文献6的氧化物烧结体而言，不仅含有方铁儘矿型结构的In2〇3相，而且含有其它复合 氧化物相，因此，难W考虑且尚未明确由此获得的结晶质氧化物薄膜会成为In2〇3单相。
[0015]而且，在专利文献7中记载了如下内容：当嫁含量W Ga/(In+Ga)原子数比计接近50原子％时，从与Ga2〇3的形式之一相似的0氧化嫁晶体结构的GaInO3单相的烧结体，获 得GaIn〇3的透明导电性薄膜。
[0016]目P，专利文献7中强力示出了由专利文献6的氧化物烧结体形成含有0-Ga2〇3型 结构的GaIn〇3相的结晶质氧化物薄膜，而不形成期望有高载流子迁移率的方铁儘矿型结构 的In2〇3单相的结晶质的氧化物薄膜。
[0017] 现有技术文献
[0018] 专利文献
[0019] 专利文献1:日本特开2010-219538号公报；
[0020]专利文献2 :W02010/032422A1号公报；
[0021] 专利文献3:日本特开2011-146571号公报；
[0022] 专利文献4 :日本特开2012-253315号公报； 阳02引专利文献5 :W02010/035716 Al号公报；
[0024]专利文献6 :W02009/008297A1号公报； 阳02引专利文献7 :日本特开平7-182924号公报； 阳0%] 专利文献8 :日本特开2012-253372号公报。
[0027] 非专利文献 阳02引非专利文献1 :經田等，表面科学，第29卷，第1号，2008年，P18-24 ;
[0029]非专利文献2化K. Noh et al.，J. Appl. Phys. 113(2013)063712 ;
[0030]非专利文献3 :Y. Hanyu et al.，Appl. Phys. Lett. 103(2013)202114。
【发明内容】
[0031] 发明要解决的课题
[0032] 本发明的目的在于提供一种结晶质氧化物半导体薄膜，其中，所述结晶质氧化物 半导体薄膜，不使用加水瓣射成膜等特殊工艺，在非晶质状态中蚀刻性优良，并且在结晶质 状态中具有低载流子浓度和高载流子迁移率，适宜用作薄膜晶体管的沟道层材料，仅由方 铁儘矿型结构的In2〇3相构成。另外，本发明的目的还在于提供一种在沟道层中使用了上述 氧化物半导体薄膜的薄膜晶体管。
[0033] 解决课题所用的方法
[0034] 本发明人等反复进行了如下实验：使用由铜和嫁W及不可避免的杂质构成的氧化 物烧结体，通过瓣射法形成非晶质氧化物薄膜，然后进行退火处理，由此形成结晶质氧化物 半导体薄膜。其结果是获得了如下新发现：当嫁含量处于特定范围的氧化物烧结体是由方 铁儘矿型结构的Iri2〇3相与0-Ga2化型结构的GaInO3相或者是由方铁儘矿型结构的In2化 相与0-6曰2〇3型结构的GaInO3相和（Ga,In)2〇3相构成时，W该氧化物烧结体作为祀，在通 常条件下通过瓣射法成膜的氧化物薄膜成为不含微晶、局部性结晶的非晶质膜，W及对其 进行退火处理且结晶化而成的氧化物薄膜仅由方铁儘矿型结构的In2〇3相构成。目P，有了如 下新发现：从至少由In2〇3相和GaInO3相构成的氧化物烧结体获得的非晶质氧化物薄膜显 示出良好的蚀刻性，而且退火处理后的结晶质氧化物半导体薄膜由可望达到高载流子迁移 率的方铁儘矿型结构的Iri2〇3单相构成。
[0035] 本发明的氧化物半导体薄膜，其是通过由铜和嫁W及不可避免的杂质构成的氧 化物烧结体获得的结晶质氧化物半导体薄膜，其特征在于，前述氧化物烧结体由方铁儘矿 型结构的Iri2〇3相与P-Ga2〇3型结构的GaInO3相或者是由方铁儘矿型结构的In2〇3相与 P-Gaz化型结构的GaInO3相和（Ga,In)2〇3相构成，并且前述结晶质氧化物半导体薄膜中， 嫁含量W Ga/(In+Ga)原子数比计为0. 09 W上且0. 45 W下，结晶相仅由方铁儘矿型结构的In2〇3相构成。
[0036] 前述氧化物半导体薄膜优选嫁含量WGa/(In+Ga)原子数比计为0. 10 W上且0. 30 W下。
[0037] 另外，前述氧化物半导体薄膜优选载流子浓度为5. OX 10"cm把下，更优选为载 流子迁移率为IOcm2VIsec1W上。
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