制造使用氧化物半导体的薄膜晶体管的方法

专利名称：制造使用氧化物半导体的薄膜晶体管的方法
技术领域：
本发明涉及制造使用氧化物半导体的场效应薄膜晶体管的方法。
背景技术：
近年来，使用金属氧化物半导体薄膜的半导体器件受到关注。该 薄膜可在低温下被淀积，并具有诸如光带隙大和对可见光光学透明的 特性。这种薄膜也可在塑料衬底或膜或类似的衬底上形成柔性透明的
薄膜晶体管(TFT)。
例如，在Nature, Vol. 432， 25 November 2004 ( 488-492 )中公开
了涉及对于沟道层(活性层)使用包含铟、锌和镓的非晶氧化物膜的 TFT的技术。
jt匕夕卜，在Journal of Non-Crystalline Solids, 352, ( 2006 ) ， 2311 中公开了对于TFT沟道层使用以氧化铟作为主要成分的氧化物薄膜。 但是，氧化物薄膜中的铟和氧的原子成分比(O/In)为约2.7，该值远 远偏离1.5的化学计量比。
在Nature materials, Vol. 5， November 2006 ( 893-900 )中也公开 了对于TFT沟道层使用以氧化铟作为主要成分的氧化物薄膜。通过离 子辅助淀积形成氧化铟膜，并且，对于栅绝缘膜使用热硅氧化物膜和 有机薄膜。
虽然在Nature, Vol. 432， 25 November 2004 ( 488-492 )中公开的 TFT具有约103的低电流通/断比(on/off ratio )，但是它具有6~9cm2/Vs 的相对较高的场效应迁移率，并由此可望被应用于使用液晶或电致发 光的平板显示器中的希望的有源矩阵(active matrix)。但是，通过 该TFT，包含铟、锌、镓和氧的各种元素被用作用于沟道层的非晶氧 化物膜的主要构成元素。因此，TFT特性取决于成分而变化很大。从成分比可控性的观点看，氧成分元素的类型优选尽可能地少。
另 一方面，在Journal of Non-Crystalline Solids, 352， ( 2006 )， 2311中公开的对于沟道层使用氧化铟薄膜的TFT具有约104的低电流 通/断比和约0.02cm2/Vs的场效应迁移率。结果，该TFT不适于高速 操作，并由此仅可被用于有限的应用。
在Nature materials, VOL. 5， November 2006， ( 893-900 )公开的 对于沟道层使用氧化铟薄膜的TFT中，对于栅绝缘膜使用具有高介电 常数的有机薄膜。所获得的TFT表现出优异的特性，其中S值("S 值"为在漏极电压保持恒定情况下漏极电流改变一个数量级时阈值下 (subthreshold)区域中的栅极电压)为0.09~0.15V/decade，并且场 效应迁移率为120~140cm2/Vs。但是，如上面讨论的那样，由于栅绝 缘膜由有机材料形成，因此存在其环境稳定性比由无机材料形成的 TFT的环境稳定性低的问题。此外，虽然Nature materials, Vol. 5， November 2006说明了对于栅绝缘膜使用热氧化硅的TFT,并且虽然 这种情况下的场效应迁移率为相对较高的约10cm2/Vs，但是在阈值下 特性方面，其具有5.6V/decade的大的S值。因此，其作为开关TFT 的应用受到限制。

发明内容
为了解决上述的问题，本发明提供一种薄膜晶体管的制造方法， 该薄膜晶体管包括包含氧化铟的沟道层，该方法包括形成要成为所述 沟道层的氧化铟膜，并在氧化气氛中对形成的氧化铟膜进行退火(热 处理)。
注意，"包含氧化铟"的意思包括以不本质上影响电特性的程度 包含杂质的情况。
通过参照附图对示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将 变得十分明显。


4图1是示出根据本发明的薄膜晶体管的结构例子的示图(截面
图)；
图2是示出根据本发明的薄膜晶体管的结构例子的示图(截面 图)；
图3是示出根据本发明的非晶氧化铟薄膜的x射线衍射语的示
图4是示出退火之后的根据本发明的氧化铟薄膜的X射线衍射i普 的示图5是示出根据本发明的薄膜晶体管的典型TFT特性的示图； 图6是示出紧接在淀积之后在例子1中形成的氧化铟薄膜的X射
线衍射i普的示图7是示出在退火之后在例子1中形成的氧化铟薄膜的X射线衍
射语的示图8是示出在例子1中制造的薄膜晶体管的典型TFT特性的示 图；以及
图9是在例子中获得的氧化铟膜的SEM照片。
具体实施例方式
现在参照

本发明的实施例。
图1示意性地示出根据本实施例的TFT器件的结构。薄膜晶体管 (TFT )包括被配置在栅极电极15上的栅绝缘膜14以及各自被配置 在栅绝缘膜14上的源极电极12和漏极电极13。栅极电极15还可类 似于掺杂磷的硅那样用作衬底，或者可形成于诸如玻璃的衬底上。
可在本实施例中使用的半导体器件的结构不限于具有这种反交错 (底栅型)结构的TFT。例如，也可以使用如图2所示的依次在沟道 层(活性层)上包含栅绝缘膜和栅极电极的交错结构(顶栅型)的TFT。 特别是在具有交错结构的TFT的情况下，存在可以获得栅绝缘膜和沟 道层的优异的界面特性的优点。
现在更详细地说明根据本实施例的TFT的制造方法。首先，制备栅极电极15。只要栅极电极15具有良好的导电性并 能够与沟道层电连接，对于其材料不作特别的限制。例如，可以使用 像掺杂磷的硅那样用作栅极电极和衬底二者的材料。此外，也可以使 用在诸如玻璃的村底上形成的掺杂有锡的氧化铟膜、诸如氧化锌的透 明导电膜或金、铂、铝、镍等的金属膜。虽然衬底依赖于下面说明的 退火(热处理)条件，但是衬底的例子包括玻璃衬底、金属衬底、塑 料衬底和塑料膜。
栅绝缘膜14的例子包括常用的氧化硅膜、氮化硅膜和氧氮化硅 膜，以及具有高介电常数的氧化铝或氧化钇，或其中层叠这些材料的 膜。
接下来，在栅绝缘层14上形成用作沟道层的氧化铟膜(第一步 骤)，然后，在氧化气氛中对形成的氧化铟膜进行退火(第二步骤)。 (第一步骤)
通过气相淀积，诸如溅射、脉冲激光淀积、电阻加热淀积、电子 束淀积和原子层淀积，或通过这些方法的组合，来淀积氧化铟膜。
诸如场效应迁移率、电流通/断比和阁值下特性的TFT特性很大 地受将用作沟道层的氧化铟膜的表面平坦性的影响。特别地，众所周 知，当表面粗糙度的均方根(Rrms)超过lnm时，上述的TFT特性 急剧劣化。因此，为了实现具有优异的初始特性的TFT，需要淀积具 有较高的表面平坦性的氧化铟膜。
鉴于此，本发明的发明人研究了氧化物膜的平坦性和淀积条件之 间的关系，在此基础上，发明人发现，在淀积过程中的气压和氧化物 膜的表面粗糙度之间存在相关关系。例如，对于诸如电阻加热淀积或 电子束淀积的真空淀积方法，如果在O.lPa或更低的压力下进行淀积， 那么可实现具有lnm或更小的Rrms的氧化铟膜。对于溅射或脉冲激 光淀积，如果在6.5Pa或更低的压力下进行淀积，那么可实现具有lnm 或更小的Rrms的氧化铟膜。
在Journal of Non-Crystalline Solids, 352, ( 2006 ) ， 2311公开的 TFT中，通过在具有0.17Pa的氧气压力的气氛中进行电阻加热淀积形成氧化铟薄膜，因此表面粗糙度预期较大。该表面粗糙度被认为是该
公开物公开的TFT没有荻得良好的特性的一个原因。
淀积的氧化铟薄膜可以是诸如多晶和微晶的晶体的，或者可以是 非晶的。从本发明的发明人进行的实验发现，即使在形成非晶膜的条 件下淀积氧化铟膜，也可实现优异的表面平坦性。在下面说明的第二 步骤中，对在第一步骤中获得的氧化铟膜进行退火。在该阶段中，在 形成非晶膜的条件下淀积的氧化铟膜即使在退火之后也具有比在形成 晶体膜的条件下淀积的氧化铟膜明显低的表面粗糙度，由此实现具有 优异的界面特性的TFT。特别地，可以获得具有S值("S值，，为在 漏极电压保持恒定情况下漏极电流改变一个数量级时阈值下区域中的 栅极电压)较小的优异的阈值下特性的TFT。
虽然获得非晶氧化铟膜的条件依赖于淀积方法和淀积装置，但是 基本上可通过将衬底保持在比结晶温度低的温度(具体是150。C或更 低)来获得非晶氧化铟膜。
在通过濺射淀积氧化铟的情况下，作为来自靶或来自气相的高能 粒子的结果，有时可促进结晶。因此，根据需要增加衬底和靶之间的 距离或者增加气体压力。这里，可通过在以约0.5。的小入射角进行对 象薄膜的X射线衍射时不存在清晰衍射峰(即，观察到牽圏图案)来 确认膜是否为非晶。图3示出根据本发明的非晶氧化铟膜的典型X射 线衍射谱。
此外，根据本发明的发明人的发现，可通过使用具有大于等于 1Qcm且小于等于lOOKQcm的电阻率的氧化物膜，使得对于沟道层使 用氧化铟的薄膜晶体管具有特别好的TFT特性。如果电阻率不在以上 的范围内，那么会出现以下的问题。即，如果电阻率小于1Qcm，那 么TFT电流通/断比不能增加。在极端的情况下，即使通过施加栅极 电压，源极电极和漏极电极之间的电流也不接通/关断，由此TFT无 法表现出晶体管动作。另一方面，如果电阻率大于lOOKQcm，那么通 电流(on-current)不能增加。在极端的情况下，即使通过施加栅极 电压，源极电极和漏极电极之间的电流也不接通/关断，由此TFT无法表现出晶体管动作。
在本实施例中，通过将引入的氧分压控制为1Pa或更低并在第二 步骤中通过在氧化气氛中实施下面说明的退火，控制氧化铟膜的电阻卑。
特别地，如果在氧化铟膜淀积步骤中的引入的氧分压为O.OlPa或 更低的条件下进行淀积，那么通过在氧化铟膜淀积之后进行的退火来 确定电阻率，这消除了对精确控制淀积气氛中的氧分压的需要。此外， 通过在氧化铟膜的电阻率比作为TFT沟道层表现出良好的特性的电 阻率(lflcm)低的条件下进行淀积，可以减少由淀积过程中的氧离子 导致的对于膜的损伤；由此，可以获得具有优异的特性的TFT。
例如，在通过溅射进行淀积的情况下，如果引入的氧的量减少， 那么在乾表面处产生的负氧离子的量减少，使得入射到村底上的高能 负氧离子的量减少。这使得可防止膜质量劣化。此外，由于在淀积气 氛中不存在许多的氧自由基或高能负氧离子，因此存在所形成的膜的 电特性不受距靶的距离的影响并且可放大处理裕度的优点。当使用溅 射方法时，这些优点是特别突出的，但这被认为是由于气相中的分子 气体的离解程度比其它气相方法高。当引入的氧分压为OPa时，上述 的优点也是突出的。因此，在本实施例中引入的氧分压的下限为0Pa。
另一方面，如果使得氧化铟淀积步骤中引入的氧分压超过lPa的 压力，那么在氧化铟膜的表面上形成不均匀的部分，由于界面特性劣 化并且场效应迁移率降低，因此这是所不希望的。
术语"引入的氧分压"指的是通过流速控制器有意引入淀积装置 中的氧的分压。因此，该术语不包含所谓的"污染物"，诸如不可避 免地从淀积装置中的壁体释放的氧、由于淀积装置中的泄漏而从外部 进入的氧或从靶释放的氧。很显然，在残留氧气压力超过上述氧压力 上限的条件下，变得更加难以获得上述的优点，因此，在本实施例中 使用的淀积装置的背压力(back pressure)优选为0.001Pa或更低。 流速控制器可以为例如质量流控制器。 (第二步骤)
8在上述的第一步骤之后，对形成的氧化铟膜进行热处理以形成沟
道层(活性层)11。可在氧化铟膜的淀积之后或者在诸如漏极电极13、 源极电极12和栅极电极15的电极膜的淀积之后进行退火。
在本实施例中，可以在具有比退火步骤中的氧化气氛少的氧的氧 气氛中进行形成氧化铟膜的步骤。这是为了减少在氧化铟膜的淀积过 程中由氧离子导致的膜的损伤。另一方面，由于在第二步骤中损伤淀 积膜的氧离子仅以少量存在或者根本不存在，因此对于气氛中的氧的 量没有特别的上限。由此，通过减少在第一步骤中形成的膜中的损伤 (缺陷等)，进一步增加第二步骤的退火效果。
在本实施例中，对于第二步骤(退火步骤)，可根据第一步骤(氧 化铟淀积步骤)的引入的氧分压调整处理温度。
如果第一步骤中的引入的氧分压超过0.01Pa但小于0.1Pa,那么 氧化铟膜在比结晶温度高的温度(具体是150。C或更高)进行退火， 使得该膜变成诸如多晶或微晶的晶体。
作为其结果，氧化铟的结晶度提高，并且膜的电特性稳定化，由 此实现具有极好的可靠性的TFT。在低于150。C的温度进行退火的氧 化铟膜的结晶度与第一步骤之后的膜的结晶度几乎相同，使得仅可获 得作为非晶或具有低结晶度的膜。此外，根据本发明的发明人的发现，
虽然在低于150°C的温度被热处理并保持在空气中的氧化铟膜的电阻 率具有10 100kQcm的初始值，但该值在3个月后总是降低到1Qcm。 对于将这种氧化铟膜用于其沟道层的TFT，不能通过施加栅极电压减 小断电流(off-current)，并且不表现出晶体管动作。
另一方面，如果具有10 100kQcm的初始电阻率的氧化铟膜在 150。C或更高的温度进行退火，那么即使在保持一个月之后也几乎观 察不到随时间的变化。将这种氧化铟膜用于其沟道层的TFT具有小的 断电流，并且可获得比将常规的氧化物半导体用于其沟道层的TFT高 的电流通/断比。这里，虽然在一些情况下会在氧化铟膜中包含微晶， 但是，只要不在0.5。的小入射角的X射线衍射中发现清晰的衍射峰， 该膜就不被视为晶体。图4示出退火之后的根据本发明的氧化铟薄膜的典型x射线衍射谦。退火温度的上限可被适当设定，但是优选比出
现衬底的热变形的玻璃转变温度低的上限。例如，在玻璃衬底的情况
下，优选在450°C或更低的温度进行退火，而在塑料衬底的情况下， 优选在200。C或更低的温度进行退火。
此外，在这一点上可设定退火条件，使得氧化铟膜具有作为TFT 沟道层表现出良好的特性的电阻率。
另一方面，如果第一步骤中的引入氧分压为0.01Pa或更低，或大 于等于O.lPa且小于等于1Pa，那么可根据处理条件(处理气氛)在 以下的温度范围内控制第二步骤中的处理温度。
根据本发明的发明人的发现，如果具有incm或更小或100kQcm 或更大的电阻率的氧化铟在包含氧、氧自由基、臭氧、水蒸汽或氧化 氮中的任一种的气氛中进行退火，那么电阻率很难在低于250°C的温 度改变。因此，对于低于250。C的温度条件下的退火，不能获得良好 的作为沟道层的特性。另一方面，在250。C或更高的温度，膜电阻率 在10Qcm 100krkm的范围内变化，使得可以获得良好的作为沟道层 的特性。
退火温度的上限可被适当设定，但是优选比出现衬底的热变形的 玻璃转变温度低的上限。例如，在玻璃衬底的情况下，优选在450°C 或更低的温度进行退火。
如果具有Idem或更低或lOOkQcm或更高的电阻率的氧化铟在 包含臭氧或氧自由基的气氛中被暴露于UV辐射，那么电阻率很难在 低于150。C的温度改变。因此，对于低于150°C的温度条件下的退火， 不能获得良好的作为沟道层的特性。另一方面，在150。C或更高的温 度，电阻率在10Qcm 100kQcm的范围内变化，使得可以获得良好的 作为沟道层的特性。退火温度的上限可被适当设定，但是优选比出现 衬底的热变形的玻璃转变温度低的上限。例如，在玻璃衬底的情况下， 优选在450。C或更低的温度进行退火，而在塑料村底的情况下，优选 在200°C或更低的温度进行退火。
因此，为了有效控制电阻率，在在包含氧、臭氧、水蒸汽或氧化氮中的任一种的氧化气氛中进行退火的情况下，可以在大于等于
250。C且小于等于450°C的温度进行退火。
此外，在在包含臭氧或氧自由基的氧化气氛中通过UV辐射进行 退火的情况下，可以在大于等于150。C且小于等于450。C的温度进行 退火。
注意，氧化铟膜可在不本质上影响诸如场效应迁移率、电流通/ 断比和阈值下特性的TFT特性的程度下包含杂质。
用于各自在用作沟道层11的氧化铟膜上形成的源极电极12和漏 极电极13的材料不被特别限制，只要它具有良好的导电性并且能够与 沟道层电连接即可。例如，可以使用掺杂有锡的氧化铟膜、诸如氧化 锌的透明导电膜，或金、铂、铝、镍等的金属膜。此外，还可形成包 含钛、镍、铬等的粘接层16以提高沟道层和电极之间的粘接性。
(TFT特性)
首先，说明晶体管动作特性的评价指标。
图5示出根据本实施例的薄膜晶体管的典型特性。
当在源极电极和漏极电极之间施加约6V的电压Vd时，可通过在
极之间的电流Id。
晶体管特性的各种评价项目的例子包括场效应迁移率…阈值电 压(Vth)、通/断比和S值。
可从线性区域或饱和区域的特性确定场效应迁移率。例如， 一种 方式是从传输特性的结果作出^Tld-Vg的图，并从梯度得到场效应迁 移率。除非另外指明，在本说明书中，使用该技术进行评价。
存在几种确定阈值电压的方式， 一个例子是从^fld-Vg图的x截
距得出阈值电压Vth。
可以从传输特性中的最大Id和最小Id之间的比确定通/断比。 另夕卜，可通过从传输特性的结果作出Log(Id)-Vd图并从梯度的倒
数得到值，确定S值。
S值的单位是V/deeade，并且优选较小的值。
ii与将常规的氧化铟用于沟道层的TFT或将包含铟、锌和镓的非晶 氧化物膜用于沟道层的TFT相比，通过根据本实施例的TFT，获得 较高的通电流和较高的场效应迁移率。另一方面，断电流非常小，由 此，与上述的常规的TFT相比，电流通/断比得到明显提高。
包含在本发明中使用的氧化锢的沟道层包括以不本质上影响上述 电特性的程度包含杂质的情况。例如，沟道层对于氢或诸如氩的稀有 气体的情况可以以lat。/。或更低的量包含这样的杂质、对于氟的情况 可以以0.1at。/o或更低的量包含这样的杂质，或者，对于氯或氮的情况 可以以0.01at。/o或更低的量包含这样的杂质。
例子
现在用以下的例子更加详细地说明本发明。 (例子1)
使用图1说明通过根据本发明的方法制造的TFT器件的第一例子。
在本例子中，使用掺杂磷的硅衬底作为栅极电极15，并且将约 100nm的热氧化硅膜用于栅绝缘膜14。在热氧化硅膜上形成氧化铟膜
作为沟道层n。
在本例子中，通过在氩-氧混合气氛中溅射淀积并通过在空气中 退火形成氧化铟膜。
由具有ln203 ( 99.9%纯度)的成分的烧结材料制成的靶被用作靶 (材料源)，并且所施加的RF功率被设为20W。靶和衬底之间的距 离为约7cm。在4xlO"Pa的氩-氧混合气体气氛中形成氧化铟膜，其 中，引入的氧分压被设为lxl(T2Pa。成膜过程中的村底温度为25°C， 并且膜淀积速度为5nm/min。当对于膜表面以0.5。的入射角度测量形 成的氧化铟膜的X射线衍射时，发现111203衍射峰，由此确认形成的 氧化铟膜已结晶。在图6中示出获得的X射线衍射谱。
然后，使用电子束加热淀积，从接近沟道层一侧依次层叠约5nm 厚的钛层和约100nm厚的金层，然后通过光刻法和剥离技术形成源极 电极12和漏极电极13。沟道长度为10pm，并且沟道宽度为150fxm。接下来，将由此制造的TFT在300°C的空气气氛中进行1小时的 退火。从最终获得的氧化铟膜的四探针测量发现，退火之后的电阻率 为10kQcm。另外，进行X射线反射率测量和光镨椭圆率测量(spectral ellipsometry)。对得到的图案的分析表明，铟薄膜的均方根粗糙度 (Rrms)为约0.8nm，并且膜厚为约60nm。此外，通过扫描电子显 微镜(SEM)的观察表明，氧化铟膜的粒子尺寸为约10nm。从卢瑟 福背散射(RBS )分析发现，铟和氧的原子成分比(O/In )处于1.3 1.7 的范围内。另外，当对于膜表面以0.5。的入射角度测量形成的氧化铟 膜的X射线衍射时，发现111203衍射峰，由此确认形成的氧化铟膜已 结晶。在图7中示出获得的X射线衍射谱。 (比较例1)
虽然结构与例子l中相同，但是在本比较例l中，在形成源极电 极和漏极电极之后不进行在300°C的空气气氛中的退火。获得的膜具 有10kQcm的电阻率、约0.75nm的Rrms和约lOnm的粒子尺寸。此 外，从X射线衍射发现，形成的氧化铟膜已结晶。 (比较例2 )
除了沟道层以外，结构与例子1中相同。通过电阻加热淀积在 5xlO"Pa的氧气气氛中形成氧化铟膜。使用铟球粒作为气相淀积源。 从气相淀积源到衬底的距离为约30cm。形成的氧化铟膜的厚度为约 60nm，并且成膜过程中的衬底温度为25°C。此外，在形成源极电极 和漏极电极之后，在300。C的空气气氛中进行1小时的退火。热处理 的氧化铟膜具有10kncm的电阻率、约3nm的Rrms和约25nm的粒 子尺寸。此外，从X射线衍射发现，形成的氧化铟膜已结晶。 (TFT器件特性评价)
图8示出在室温下测量在本例子中制造的TFT器件时、Vd = 6V 的Id-Vg特性(传输特性)。在本例子中制造的TFT器件具有比比较 例2中的器件大的通电流，并且当Vg-10V时，可以看出约为Id-8xlO"A的电流流动。从输出特性计算场效应迁移率给出饱和区域中的 约25cm2/Vs的值，该值是比较例2中的值约IO倍高。另外，在本例子中制造的TFT器件表现出非常小的断电流，使得电流通/断比为约 108，该值比比较例2高约2个数量级。S值为约1.5V/dec。
注意，对于在比较例1中制造的TFT，即使施加栅极电压，断电 流也不减小，即源极电极和漏极电极之间的电流不接通/关断，使得不 表现出晶体管动作。虽然其原因不明，但是可以相信，没有经过退火 的TFT的晶体管特性由于形成不希望的氧缺陷水平、杂质水平等而劣 化。
因此，可通过在4xlO"Pa的氩-氧混合气体气氛中'减射来淀积氧化 铟膜，实现具有0.8nm的Rrms和高表面平坦性的沟道层。此外，通 过在300°C的空气气氛中使氧化铟膜进行1小时的退火，使电特性稳 定化。另夕卜，通过将这种膜用于TFT沟道层，实现了表现出约25cm2/Vs 的场效应迁移率和108的电流通/断比的优异特性的TFT。 (例子2)
使用图1说明通过根据本发明的方法制造的TFT器件的第二例子。
在本例子中，使用掺杂磷的硅衬底作为栅极电极15，并且将约 100nm的热氧化硅膜用于栅绝缘膜14。在热氧化硅膜上形成氧化铟膜 作为沟道层11。
在本例子中，通过在氩-氧混合气氛中溅射淀积并通过在空气中 退火形成氧化铟膜。
具有ln203 ( 99.9%纯度)的成分的靼被用作靶(材料源)，并且 施加的RF功率被设为20W。靶和衬底之间的距离为约9cm。在 4xlO"Pa的氩-氧混合气体气氛中形成氧化铟膜，其中，引入的氧分 压被设为lxl(T2Pa。成膜过程中的衬底温度为25°C,并且膜淀积速度 为3nm/min。当对于膜表面以0.5。的入射角度测量形成的氧化铟膜的 X射线衍射时，没有发现清晰的衍射峰，由此确认形成的氧化铟膜为 非晶的。在图3中示出获得的X射线衍射谱。
然后，使用电子束加热淀积，从接近沟道层一侧依次层叠约5nm 厚的钛层和约100nm厚的金层，然后通过光刻法和剥离技术形成源极电极12和漏极电极13。沟道长度为lOpm,并且沟道宽度为150|im。 接下来，由此制造的TFT在300。C的空气气氛中进行1小时的退 火。从对氧化铟膜的四探针测量发现，退火之后的电阻率约为 100ncm。此外，当对于膜表面以0.5。的入射角度测量氧化铟膜的X 射线衍射时，发现111203衍射峰，由此确认形成的氧化铟膜已结晶。 在图4中示出获得的X射线衍射谱。另外，进行X射线反射率测量和 光i普椭圆率测量。对得到的图案的分析表明，铟薄膜的均方根粗糙度 (Rrms)为约0.4nm，并且膜厚为约40nm。此外，从SEM观察发现， 氧化铟膜的粒子尺寸为约12nm，并且从RBS分析发现，铟和氧的原 于成分比(O/In)处于1.3 1.7的范围内。 (比较例3 )
虽然结构与例子2中相同，但是在本比较例3中，在形成源极电 极和漏极电极之后不进行在300。C的空气气氛中的退火。获得的膜具 有约40Qcm的电阻率和约0.3nm的Rrms。此外，从X射线衍射发现， 形成的氧化铟膜为非晶的。 (TFT器件特性评价)
在室温下对在本例子中制造的TFT器件的测量表明，场效应迁移 率为约28cm2/Vs，电流通/断比为约4xl08，它们是比例子1中高的值。 另外，实现了具有良好的特性的晶体管，其中，阈值下特性也得以提 高(S值约1.0V/dec)。
注意，对于在比较例3中制造的TFT，即使施加栅极电压，断电 流也不减小，即源极电极和漏极电极之间的电流不接通/关断，使得不 表现出晶体管动作。虽然其原因不明，但是可以相信，没有经过退火 的TFT的晶体管特性由于形成不希望的氧缺陷水平、杂质水平等而劣 化。
因此，可通过在形成非晶膜的条件下淀积氧化铟膜，实现具有作 为特别好的表面平坦性的0.4nm的Rrms的氧化铟膜。此外，通过在 300°C的空气气氛中使氧化铟膜进行1小时的退火，氧化铟膜的电特 性.稳定化。另外，通过将这种氧化铟膜用于TFT沟道层，实现了表现出约28cm2/Vs的场效应迁移率、4xl08的电流通/断比和约l.OV/dec 的S值的优异特性的TFT。 (例子3)
使用图1说明通过根据本发明的方法制造的TFT器件的第三例子。
在本例子中，使用掺杂磷的硅衬底作为栅极电极15,并且将约 100nm的热氧化硅膜用于栅绝缘膜14。在热氧化硅膜上形成氧化锢膜 作为沟道层11。
在本例子中，通过在氩-氧混合气氛中溅射淀积并通过在空气中 退火形成氧化铟膜。
具有ln203 ( 99.9%纯度)的成分的靶被用作靶(材料源)，并且 施加的RF功率被设为20W。耙和衬底之间的距离为约12cm。在 4xlO"Pa的氩-氧混合气体气氛中形成氧化铟膜，其中，引入的氧分 压被设为lxl(T2Pa。成膜过程中的衬底温度为25°C，并且膜淀积速度 为3nm/min。当对于膜表面以0.5。的入射角度测量形成的氧化铟膜的 X射线衍射时，没有发现清晰的衍射峰，由此确认形成的氧化铟膜为 非晶的。
然后，使用电子束加热淀积，从接近沟道层一侧依次层叠约5nm 厚的钛层和约100nm厚的金层，然后，通过光刻法和剥离技术形成源 极电极12和漏极电极13。沟道长度为10jim，并且沟道宽度为150|im。
接下来，由此制造的TFT在300。C的空气气氛中进行1小时的退 火。从对氧化铟膜的四探针测量发现，退火之后的电阻率为约10Qcm。 此外，当对于膜表面以0.5。的入射角度测量氧化铟膜的X射线衍射时， 发现111203衍射峰，由此确认形成的氧化铟膜已结晶。另外，进行X 射线反射率测量和光谱椭圆率测量。对得到的图案的分析表明，铟薄 膜的均方根粗糙度(Rrms)为约0.35nm，并且膜厚为约20nm。此外， 从SEM观察发现，氧化铟膜的粒子尺寸为约12nm，并且从RBS分 析发现，铟和氧的原子成分比(O/In)处于1.3 1.7的范围内。图9 是在本例子中获得的氧化铟膜的SEM照片。(比较例4 )
虽然结构与例子3中相同，但是在本比较例4中，在形成源极电 极和漏极电极之后不进行在300。C的空气气氛中的退火。获得的膜具 有约0.2Qcm的电阻率和约0.3nm的Rrms。此外，从X射线衍射发 现，形成的氧化铟膜为非晶的。 (TFT器件特性评价)
图5示出在室温下测量在本例子中制造的TFT器件时、Vd = 6V 的Id-Vg特性(传输特性)。在本例子中制造的TFT器件具有比例子 2的器件大的通电流，并获得29cmVVs的高场效应迁移率值。另一方 面，断电流小，为约lxlO"A，从而获得大于约109的高电流通/断比。 另外，实现了表现出优异的特性的晶体管，其中阈值下特性也得以提 高(S值约0.7V/dec)。
注意，对于在比较例4中制造的TFT，即使施加栅极电压，断电 流也不减小，即源极电极和漏极电极之间的电流不接通/关断，使得不 表现出晶体管动作。虽然其原因不明，但是可以相信，没有经过退火 的TFT的晶体管特性由于形成不希望的氧缺陷水平、杂质水平等而劣 化。
因此，可通过将用作沟道层的氧化铟膜的厚度设为20nm那么薄， 实现具有低的断电流和大于约109的电流通/断比的TFT。此外，实现 了具有优异的阈值下特性的TFT,其中S值约0.7V/dec。 (例子4)
使用图2说明通过根据本发明的方法制造的TFT器件的第四例子。
首先，在玻璃衬底IO上形成氧化铟膜作为沟道层11。 在本例子中，通过在氩-氧混合气氛中溅射淀积并通过在空气中
退火形成氧化铟膜。
具有ln203 ( 99.9%纯度)的成分的靶被用作靶(材料源)，并且 施加的RF功率被设为20W。乾和村底之间的距离为约12cm。在 4xlO"Pa的氩气氛中形成氧化铟膜，其中引入的氧分压被设为
17lxl(T2Pa。成膜过程中的村底温度为25°C，并且膜淀积速度为 3nm/min。当对于膜表面以0.5。的入射角度测量形成的氧化铟膜的X 射线衍射时，没有发现清晰的衍射峰，由此确认形成的氧化铟膜为非 晶的。
然后，使用电子束加热淀积，从接近沟道层一侧依次层叠约5nm 厚的钛层和约100nm厚的金层，然后通过光刻法和剥离技术形成源极 电极12和漏极电才及13。
接下来，通过溅射形成的氧化铟膜在300°C的空气气氛中进行1 小时的退火。从对获得的膜的四探针测量发现，电阻率为lOOQem。 此外，当对于膜表面以0.5。的入射角度测量氧化铟膜的X射线衍射时， 发现111203衍射峰，由此确认形成的氧化铟膜已结晶。另外，进行X 射线反射率测量和光谱椭圆率测量。对得到的图案的分析表明，薄膜 的均方根粗糙度(Rrms)为约0.35nm，并且膜厚为约20nm。从SEM 观察发现，氧化铟膜的粒子尺寸为约12nm，并且从RBS分析发现， 铟和氧的原子成分比(O/In)处于1.3 1.7的范围内。
接下来，通过电子束淀积，被用作栅绝缘膜14的氧化硅膜被淀积 到约90nm的厚度。然后，依次在其上层叠钛层和金层，并通过光刻 法和剥离技术形成栅极电极15。沟道长度为10pm并且沟道宽度为 150|Lim。
(比较例5 )
除了沟道层以外，结构与例子4中相同。通过电阻加热淀积在 lxlO"Pa的氧气气氛中形成氧化铟膜。使用铟球粒作为气相淀积源。 从气相淀积源到衬底的距离为约30cm。形成的氧化铟膜的厚度为约 20nm，并且成膜过程中的衬底温度为25°C。此外，在形成源极电极 和漏极电极之后，在300。C的空气气氛中进行1小时的退火。热处理 的氧化铟膜具有700flcm的电阻率、约2nm的Rrms和约23nm的粒 子尺寸。此外，从X射线衍射发现，形成的氧化铟膜已结晶。 (TFT器件特性评价)
与比较例5相比，通电流较大，并且当Vg-10V时，约为Id-lxl(T3A的电流流动。从输出特性计算场效应迁移率给出饱和区域中的 约20cmVVs的值，该值是比较例5中的值的约40倍高。另外，晶体 管通/断比也超过107，该值比比较例5高约2个数量级。阈值下特性 也是良好的，其中S值为约0.8V/dec，其约为比较例5中的S值的1/2。
因此，当在具有交错结构的TFT沟道层中使用根据本发明的氧化 铟薄膜时，实现了具有特别优异的特性的TFT，其中，栅绝缘膜和沟 道层之间的界面特性得到大大提高。
(例子5)
使用图2说明通过根据本发明的方法制造的TFT器件的第五例予。
首先，在塑料衬底10上形成氧化铟膜作为沟道层11。 在本例子中，通过在氩-氧混合气氛中溅射淀积并通过在空气中 退火形成氧化铟膜。
具有ln203 ( 99.9%纯度)的成分的靶被用作靶(材料源)，并且 施加的RF功率被设为20W。靼和衬底之间的距离为约12cm。在 4xlO"Pa的氩气氛中形成氧化铟膜，其中引入的氧分压被设为 lxl(T2Pa。成膜过程中的村底温度为25。C，并且膜淀积速度为 3nm/min。当对于膜表面以0.5。的入射角度测量形成的氧化铟膜的X 射线衍射时，没有发现清晰的衍射峰，由此确认形成的氧化铟膜为非 晶的。
然后，使用电子束加热淀积，从接近沟道层一侧依次层叠约5nm 厚的钛层和约100nm厚的金层，然后通过光刻法和剥离技术形成源极 电极12和漏极电极13。
接下来，通过溅射形成的氧化铟膜在暴露于UV辐射的200。C臭 氧气氛中进行1小时的退火。从对获得的氧化铟膜的四探针测量发现， 电阻率为约500flcm。另外，当对于膜表面以0.5。的入射角度测量氧 化铟膜的X射线衍射时，发现111203衍射峰，由此确认形成的氧化铟 膜已结晶。另外，进行X射线反射率测量和光谱椭圆率测量。对得到 的图案的分析表明，薄膜的均方根粗糙度(Rrms)为约0.4nm，并且膜厚为约20nm。从SEM观察发现，氧化铟膜的粒子尺寸为约12nm， 并且从RBS分析发现，铟和氧的原子成分比(O/In)处于1.3-1.7的
范围内。
接下来，通过电子束淀积，被用作栅绝缘膜14的氧化硅膜被淀积 到约90nm的厚度。然后依次在其上层叠钛层和金层，并通过光刻法 和剥离技术形成栅极电极15。沟道长度为10pm并且沟道宽度为 150(im。
(比较例6 )
除了沟道层以外，结构与例子5中相同。通过电阻加热淀积在 lxlO"Pa的氧气气氛中形成氧化铟膜。使用铟球粒作为气相淀积源。 从气相淀积源到衬底的距离为约30cm。形成的氧化铟膜的厚度为约 20nm，并且成膜过程中的村底温度为25。C。此外，在形成源极电极 和漏极电极之后，在暴露于UV辐射的200°C的臭氧气氛中进行1小 时的退火。热处理的氧化铟膜具有5kflcm的电阻率、约2.5nm的Rrms 和约23nm的粒子尺寸。此外，从X射线衍射发现，形成的氧化铟膜 已结晶。
(TFT器件特性评价)
与比较例6相比，通电流较大，并且当Vg-10V时，约为Id-lxl(T4A的电流流动。从输出特性计算场效应迁移率给出饱和区域中的 约15cmVVs的值，该值是比较例6中的值的约20倍高。另外，晶体 管通/断比也为106或更大，该值比比较例6高约2个数量级。阈值下 特性也是良好的，其中S值为约1.1V/dec，其约为比较例6中的S值 的1/2。
因此，当在具有交错结构的TFT沟道层中使用根据本发明的氧化 铟薄膜时，实现了具有特别优异的特性的TFT，其中栅绝缘膜和沟道 层之间的界面特性得到大大提高。 (例子6)
使用图1说明通过根据本发明的方法制造的TFT器件的笫六例子。
20在本例子中，使用掺杂磷的硅衬底作为栅极电极15，并且将约 lOOnm的热氧化硅膜用于栅绝缘膜14。在热氧化硅膜上形成氧化铟膜 作为沟道层11。
在本例子中，通过在氩气氛中溅射淀积并通过在空气中退火形成 氧化铟膜。
具有ln203 ( 99.9%纯度)的成分的靶被用作靶(材料源)，并且 施加的RF功率核z没为20W。乾和村底之间的距离为约12cm。在 4xlO"Pa的氩气氛中形成氧化铟膜，其中引入的氧分压^皮设为OPa。 成膜过程中的衬底温度为25°C，并且膜淀积速度为5nm/min。当对于 膜表面以0.5。的入射角度测量形成的氧化铟膜的X射线衍射时，没有 发现清晰的衍射峰，由此确认形成的氧化铟膜为非晶的。
然后，使用电子束加热淀积，从接近沟道层一侧依次层叠约5nm 厚的钛层和约100nm厚的金层，然后通过光刻法和剥离技术形成源极 电极12和漏极电极13。沟道长度为10nm，并且沟道宽度为150fim。
接下来，由此制造的TFT在300°C的空气气氛中进行1小时的退 火。从对氧化铟膜的四探针测量发现，退火之后的电阻率约为10Qcm。 此外，当对于膜表面以0.5。的入射角度测量氧化铟膜的X射线衍射时， 发现111203衍射峰，由此确认形成的氧化铟膜已结晶。另外，进行X 射线反射率测量和光语椭圆率测量。对得到的图案的分析表明，铟薄 膜的均方根粗糙度(Rrms)为约0.32nm，并且膜厚为约20nm。此外， 从SEM观察发现，氧化铟膜的粒子尺寸为约12nm，并且从RBS分 析发现，铟和氧的原子成分比(O/In)处于1.3~1.7的范围内。
(TFT器件特性评价)
与例子4相比，通电流更大，并且场效应迁移率为32cm2/Vs的高 值。特别地，实现了具有优异的特性的晶体管，其中阈值下特性大大 提高(S值约为0.5V/dec)。这被认为是由于在本例子中被用作沟道 层的氧化铟膜在低电阻条件下被淀积，由此在等离子体损伤小的情况 下实现了沟道层形成。
根据本发明，可以实现具有诸如优异的场效应迁移率和电流通/断比的优异的晶体管特性的高度可靠的薄膜晶体管。特别地，可以以
良好的可重复性制造具有数量级为5或更大的电流通/断比和 10cm2/Vs或更大的场效应迁移率的TFT。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限 于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以 包含所有的这些变更方式以及等同的结构和功能。
本申请要求在2006年11月21日提交的日本专利申请No. 2006-314243的权益，在此引入其全部内容作为参考。
权利要求
1. 一种薄膜晶体管的制造方法，该薄膜晶体管包括包含氧化铟的沟道层，该方法包括形成要成为所述沟道层的氧化铟膜，并在氧化气氛中对形成的氧化铟膜进行退火。
2. 根据权利要求l的薄膜晶体管的制造方法，其中，在大于等于 150°C且小于等于450°C的氧化气氛中进行退火。
3. 根据权利要求1或2的薄膜晶体管的制造方法，其中，氧化铟 膜在退火之前为非晶的，而在退火之后为晶体的。
4. 根据权利要求1 3中的任一项的薄膜晶体管的制造方法，其中， 通过溅射形成氧化铟膜。
5. 根据权利要求4的薄膜晶体管的制造方法，其中，在具有比退 火时的氧化气氛少的氧的氧气氛中进行形成氧化铟膜的步骤。
6. 根据权利要求1 5中的任一项的薄膜晶体管的制造方法，其中， 在氧化气氛中退火之前的氧化铟膜具有lQcm或更小的电阻率。
全文摘要
一种薄膜晶体管的制造方法，该薄膜晶体管包含具有氧化铟的沟道层(11)，该方法包括形成氧化铟膜作为沟道层，并在氧化气氛中使形成的氧化铟膜进行退火。
文档编号H01L29/786GK101548388SQ20078004318
公开日2009年9月30日 申请日期2007年11月9日 优先权日2006年11月21日
发明者岩崎达哉, 板垣奈穗, 透 田 申请人:佳能株式会社