专利名称：薄膜晶体管及其制造方法、以及具备薄膜晶体管的显示装置、溅射靶材的制作方法
技术领域：
本发明涉及薄膜晶体管及其制造方法、以及使用了薄膜晶体管的有源矩阵型的显示装置、溅射靶材。
背景技术：
近年来，在将薄膜晶体管(TFT =Thin Film Transistor)用于像素电路的有源矩阵型显示装置中，要求其大型化、像素的高精细化、帧频率的倍增引起的动画性能的提高，还要求民生用3D显示装置的画质提高等。另一方面，显示装置的价格以超预期的速度继续下降，能源资源及稀有金属等价格高涨等推高制造成本的主要原因也继续增大。因此，当务之急是开发用于进一步降低制造成本的技术。为满足上述要求,例如在液晶显示装置(IXD:Liquid CrystalDisplays)中，有尝试将TFT的半导体层由非晶硅膜替换为微晶硅及多晶硅或氧化物半导体，另外，将其配线材料由铝(Al)或Al合金替换为铜(Cu)。微晶硅及多晶硅或氧化物半导体与非晶硅比较具有高的载流子移动度，因此，能够大幅度降低驱动电压，能够实现像素的高精细化、减少消耗电力，另外，能够在显示装置的周边部形成驱动电路。Cu配线比Al配线的电阻更低，因此，能够抑制传导配线的电信号迟滞的传播延迟现象，能够实现显示装置的更大型化及帧频率的增加带来的动画品质的提高。另外，Al配线为了确保小丘的发生抑制和透明导电膜的电连接，通常制成将Al膜的上下用高价的钥(Mo)夹持的Mo/Al/Mo的层叠膜结构，但是，Cu可进行与透明导电膜的直接连接，因此，可实现节省钥化。因此，能够降低制造成本。另外，为了有机EL显不装置的大型化和画质提闻，除了应用闻移动度的半导体层之外，寻求电阻比Al配线低的低配线材料。设于有机EL显示装置的像素电路的驱动晶体管使用饱和区域控制在有机EL层流动的电流，调整其亮度，但是，在随着显示装置的大型化而不能忽视配线电阻导致的电压下降的影响时，设想的电压不能供给驱动晶体管而不能进行在饱和区域的驱动，其结果，成为亮度不均的原因。于是，研究了用于显示品质提高的Cu配线的应用。但是，在TFT中应用Cu配线时，存在以下的问题。Cu与玻璃基板、半导体层的密合性差。另外，在Cu与半导体层相接的情况下，由于在配线形成后的制造工序中施加的热，Cu向半导体层内部扩散而使TFT特性劣化，使显示品质下降。作为应对这样的密合性及扩散阻碍性问题，有在底膜和Cu膜之间形成Mo、Mo合金的方法。但是，如前述Mo为高价，另夕卜，电化学性质不同的金属的层叠结构难以进行蚀刻，因此，制造成本增大。于是，提案有利用热工序，采用使自己的添加元素在界面析出，形成密合性及扩散阻碍性优异的添加元素氧化物膜的Cu合 金的方法。在此，热工序设想CVD (Chemical VaporDeposition)工序液晶显示装置的取向膜烧结工序、用于氧化物半导体膜的固化的退火处理等，在配线形成后薄膜晶体管基板经历的温度。在添加元素氧化物膜的自己形成中，在Cu合金和与其相接的膜的界面需要预先存在必要的充分的氧原子。在下述专利文献I中，推荐CuMn合金，作为在TFT的源.漏(SD =Source Drain)电极中应用Cu合金的方法，提案有例如在Cu合金的成膜前进行氧等离子处理，使硅膜上层改性，暂时形成氧化硅层SiOx，在添加元素氧化物膜的形成中赋予必要的氧。另外，在下述专利文献2中，公开有将Cu合金向氧化物半导体应用的方法。氧化物半导体膜在添加元素氧化物膜的自己形成中预先含有必要的氧。现有技术文献专利文献专利文献1:特开2008-282887号公报专利文献2:特开2011-91364号公报
发明内容
发明要解决的课题但是，如专利文献1，在配线中使用Cu合金的情况下，在对由硅膜构成的半导体层进行利用氧等离子的氧化处理时，起因于氧等离子处理的损伤被导入由硅膜构成的半导体层，存在产生TFT的移动度降低的等问题。另外，如专利文献2，在配线中使用Cu合金的情况下，在使Cu合金与由氧化物半导体膜构成的半导体层接触、进行加热时，发生亚阈值系数的增加、阈值电压向负方向的位移，存在TFT成为正常接通动作等问题。本发明的目的在于，抑制配线中使用Cu合金的TFT的电特性值的降低。用于解决课题的手段根据本发明的一观点，提供薄膜晶体管，其在基板上从基板侧按顺序具备:栅极绝缘膜、Si系半导体层、具有Cu合金层的源/漏电极、在所述源电极及漏电极与所述Si系半导体层的界面形成的氧化物膜，其特征在于，所述Cu合金层含有Cu和至少一种添加元素，所述氧化物膜中的氧的原子浓度的深度分布的峰值为40原子％以上且66原子％以下，并且，在将距所述氧的原子浓度的峰值的或距所述源电极及漏电极与所述Si系半导体层的界面的氧的分布成为10原子％的距离定义为所述氧化物膜的膜厚时，所述氧化物膜的膜厚为1.8nm以下。在此，形成于所述Si系半导体层、具有所述Cu合金层的源/漏电极的背面界面的所述氧化物膜，其密合性及扩散阻碍性优异，并且，是通过低电阻的氧化物膜氧化硅膜形成的自己形成膜。这时，栅极绝缘膜正上的极薄氧化膜也同样自己形成密合性及扩散阻碍性优异的氧化物膜，因此，难以引起源电极及漏电极的膜剥离。另外，教导抑制Cu原子向Si半导体层的扩散，在源电极及漏电极和Si半导体层的界面附近作为寄生电阻而发挥作用没有氧化硅膜(未观察到移动度的降低，即接通电流的降低)。另外，也可以在将距峰值的或距Cu合金层和Si半导体层的界面氧的分布成为15原子％的距离定义为氧化硅膜厚时，其膜厚为1.6nm以下，在将距峰值的或距Cu合金层和Si半导体层的界面氧分布成为20原子％的距离定义为氧化硅膜厚时，其膜厚为1.4nm以下，在将距峰值的或距Cu合金层和Si半导体层的界面氧的分布成为25原子％的距离定义为氧化硅膜的膜厚时，其膜厚为1.2nm以下。
另外，优选在所述源电极及漏电极和所述Si系半导体层的界面，所述源电极及漏电极的构成材料向所述Si系半导体层扩散的部位的线密度为每距离480nm平均7个以下。换言之，只要所述源电极及漏电极的构成材料向所述Si半导体层扩散的部位的面密度为7X7个/480X480nm2以下(212.6个/μ m2以下)，就能够确保密合性。根据本发明的其它观点，提供薄膜晶体管的制造方法，薄膜晶体管在基板上从基板侧按顺序具备:栅极绝缘膜、Si系半导体层、具有含有Cu和至少一种添加元素的cu合金层的源/漏电极、在所述源电极及漏电极与所述Si系半导体层的界面形成的氧化物膜，其特征在于，在所述基板上形成栅电极结构，在之上堆积了栅极绝缘膜之后，具有:在所述栅极绝缘膜上堆积所述Si系半导体膜的步骤；通过等离子氧化法在所述Si系半导体层的表面形成极薄氧化膜的步骤；以及形成具有所述Cu合金层的源/漏电极的步骤，所述氧化物膜通过等离子氧化法形成，所述等离子氧化法中的RF功率密度为0.22 0.67ff/cm2以下，并且，处理时间为60秒以上且240秒以下。另外，提供薄膜晶体管的制造方法，其在基板上从基板侧按顺序具备:栅极绝缘膜、Si系半导体层、具有含有Cu和至少一种添加元素的Cu合金层的源/漏电极、以及在所述源电极及漏电极与所述Si系半导体层的界面形成的氧化物膜，其特征在于，在所述基板上形成栅电极结构，在之上堆积了栅极绝缘膜之后，具有:在所述栅极绝缘膜上堆积所述Si系半导体膜的步骤；通过等离子氧化法在所述Si系半导体层的表面形成极薄氧化膜的步骤；以及形成具有所述Cu合金层的源/漏电极的步骤，所述氧化物膜通过等离子氧化法
形成，所述等离子氧化法中的RF功率密度和所述处理时间的积的值为26.4 52.8ff-see/
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另外，本发明提供薄膜晶体管，其在基板上从基板侧按顺序具备:具有氧化物膜的栅极绝缘膜、氧化物半导体层、具有含有Cu和至少一种添加元素的Cu合金层的源/漏电极、在所述源电极及漏电极与所述氧化物半导体层的界面形成的氧化物膜、以及保护整体的保护膜，其特征在于，在所述氧化物膜中，所述源电极及漏电极中的添加元素及氧的原子浓度具有峰，氧的峰值比添加元素的峰值大。在所述保护膜的形成温度中，位于所述源电极及漏电极下层的所述Cu中的Cu原子和添加元素在界面析出，在所述氧化物半导体层上与事前形成的绝缘膜化合，抑制来自所述氧化物半导体层的氧的扩散。即，在Cu合金成膜前对氧化物半导体膜实施氧化处理，将其表面暂时地改性为绝缘体，由此，在成膜Cu合金、伴随热的处理中即使添加元素扩散、形成添加元素氧化物膜，在Cu合金和氧化物半导体膜的界面也存在必要的充分的氧，因此，不会产生来自氧化物半导体膜的深部的氧的扩散。另外，氧的原子浓度的峰值比添加元素的峰值大，因此，TFT的电流上升的特性良好，可进行所述Cu合金向氧化物半导体TFT的配线应用。另外，氧化合、自己形成低电阻的氧化物膜，由此，所述源电极及漏电极与所述氧化物半导体层的密合性及扩散阻碍性良好。因此，根据上述薄膜晶体管，可抑制来自氧化物半导体层的氧的扩散，可进行所述Cu合金向氧化物半导体TFT的配线应用。另外，即使在栅极绝缘膜正上的极薄的所述氧化膜上也自己形成密合性及扩散阻碍性优异的氧化物膜，因此，难以产生源电极及漏电极的膜剥离。另外，在上述中，其特征在于，所述源电极及漏电极中的添加元素的氧化物生成反应的平衡氧电势比构成所述氧化物半导体层的至少一个元素的平衡氧电势小。所述保护膜的一部分也可以由氮化硅膜构成。由氮化硅膜形成保护膜的至少一部分，由此，有时产生氢向氧化物半导体层的扩散、引起电特性的降低，但是，氧化物半导体层的上层的绝缘膜抑制将此还原，防止氢向氧化物半导体膜的扩散。根据本发明的另外的观点，提供薄膜晶体管的制造方法，薄膜晶体管在基板上从基板侧按顺序具备:具有氧化物膜的栅极绝缘膜、氧化物半导体层、具有含有Cu和至少一种添加元素的Cu合金层的源/漏电极、在所述源电极及漏电极与所述氧化物半导体层的界面形成的氧化物膜、保护整体的保护膜，其特征在于，在形成所述保护膜的步骤中，设定条件为:在所述氧化物膜中，所述源电极及漏电极中的添加元素及氧的原子浓度具有峰，氧的峰值比添加元素的峰值大。在所述保护膜的形成温度中，位于所述源电极及漏电极下层的所述Cu中的Cu原子和添加元素在界面析出，在所述氧化物半导体层上与事前形成的绝缘膜化合，抑制来自所述氧化物半导体层的氧的扩散。即，在Cu合金成膜前对氧化物半导体膜实施氧化处理，将其表面暂时地改性为绝缘体，由此，在成膜Cu合金、伴随热的处理中即使添加元素扩散形成添加元素氧化物膜，在Cu合金和氧化物半导体膜的界面也存在必要的充分的氧，因此，不产生来自氧化物半导体膜的深部的氧的扩散。另外，本发明也可以是使用了上述中的任一项所述的薄膜晶体管的显示装置。发明的效果根据本发明的TFT，能够不产生TFT的电特性值的降低地实现Cu合金的配线应用。
图1是关于移动度的主要原因效果图。图2是表示标准化移动度和RF功率密度.处理时间之积的对应的图。图3是由TEM-EELS分析而明确了的元素组成分布的图。图4是表示表I的N0.4及N0.13的Si半导体侧的氧的深度分布的图。图5是表示表I的N0.4及N0.13的氧的EELS光谱分析的结果的图。图6A是表示TEM的界面观察的样子的图。图6B是表示TEM的界面观察的样子的图。图6C是表示TEM的界面观察的样子的图。图6D是表示TEM的界面观察的样子的图。图7是表示氧化物半导体TFT的氧和添加元素的原子浓度的分布的图。图8是表示实施例1的薄膜晶体管的制造工序的剖面图。图9是表示表I的N0.4、N0.13、及现有技术的TFT的传输特性的图。图10是表示实施例2的薄膜晶体管的制造工序的剖面图。 图11是表示实施例2和现有技术的TFT的传输特性的图。图12是表示实施例3的液晶显示装置的薄膜晶体管基板的像素构成例的图。图13是表示实施例3的液晶显示装置的构成例的剖面图。符号说明:
1:基板2:Cu 合金3:纯 Cu4:栅电极5:栅极绝缘膜6:活性半导体层6a:绝缘膜7:接触膜7a:极薄氧化膜8:半导体层(6.7)9:Cu 合金10:纯 Cu11:源电极12:漏电极13:保护膜14:氧化物膜(在SD电极11.12和半导体层8 (6.7)的界面形成)15:氧化物膜(在SD电极11.12和栅极绝缘膜5的界面形成)100:液晶显示装置101: TFT 基板102:扫描线103:信号线104:TFT105:像素电极106:储能电容器111:光源112:偏振片113:绝缘膜114:取向膜115:液晶层116:垫片117:共通电极118:滤色器119:黑底120:滤色器基板121:偏振膜
具体实施例方式下面，参照附图对本发明实施方式的TFT的制造方法和结构及将此适用于显示装置的情况下的技术进行详细说明。
首先，在详细地说明实施例之前，对配线中使用了 Cu合金的TFT中，产生电特性值降低的理由和其改善方法，以半导体层主要为硅膜的情况和氧化物半导体膜的情况分析进行说明。结构的例在实施例1中进行说明。<半导体层为硅膜的情况>半导体层为硅膜，在SD电极配线中应用Cu合金的情况下，硅膜由于不充分含有自己形成添加元素氧化物膜的必要的氧，在Cu合金的成膜前，预先进行氧化处理，使硅膜上层(表层)改性，暂时地形成氧化硅膜(SiOx)。通过与专利文献I记载的方法相同的方法制作TFT，评价电特性，但是，其移动度比应用了现有配线的Mo的TFT大幅降低。该移动度的降低导致接通电流的降低，存在引起驱动电压的上升的问题。于是，由于决定该移动度降低的主要原因，由“氧化处理的强度”、“添加元素量”、“Cu合金的膜厚”的3个控制因子制作L9正交表，调查了移动度降低的主要原因。氧化处理的强度以氧等离子处理的RF功率密度进行调整，作为Cu中的添加元素使用了锰(Mn)。各标准为RF功率密度为0.22,0.44,0.89ff/cm2, Cu合金中的Mn浓度设为2、4、10原子％，而且，Cu合金的膜厚设为17、33、50nm。所评价的元件的尺寸为沟道长度(L)为10 μ m及沟道宽度(W)为100 μ m，移动度由源 漏极电压(Vds)为IOV的饱和区域而算出。选择该元件尺寸的理由是因为实际上与应用于显示装置的尺寸接近，另外，沟道长度L为I 100 μ m，能够明确地观测寄生电阻的影响。此外，移动度用应用了现有配线的Mo的TFT的移动度的值进行标准化，将同值的情况设为1.0。图1为移动度的主要原 因效果图。其结果判明，根据不同的参数(Al A3、B1 B3、Cl C3)，标准化移动度为大地进行变动的主要原因，即，氧化处理的强度为移动度降低的主要原因，即，硅膜中的氧的深度分布为重要的。因此，调查氧的深度分布和TFT的移动度的对应，求出了不产生移动度降低的最适的氧的深度分布。调整了氧等离子处理的RF功率密度及处理时间，调整了氧的深度分布。TFT的详细的制造方法在以下的实施例1的栏进行说明。由于与上述相同的理由，评价元件的尺寸为沟道长度(U为10 μ m及沟道宽度(W)为100 μ m。另外,应用了 Cu合金配线的TFT的移动度以应用了现有配线的Mo的TFT的移动度值进行标准化，将同值的情况设为
1.0。另外，作为表示氧化处理的强度的指标，决定RF功率密度和处理时间之积，求取其值和标准化移动度的对应。另外，与应用了现有配线的Mo的TFT的移动度相比，将大的情况判定为〇、将大致同等的情况判定为Λ、将可看出明确降低(劣化)的情况判定为X。表I表示这些结果。表I
权利要求
1.膜晶体管，其为在基板上具备:栅极绝缘膜、Si系半导体层、具有Cu合金层的源/漏电极、以及在所述源电极及漏电极与所述Si系半导体层的界面形成的氧化物膜的薄膜晶体管，其特征在于， 所述Cu合金层含有Cu和至少一种添加元素， 所述氧化物膜中的氧的原子浓度的深度分布的峰值为40原子％以上且66原子％以下，并且，在将距所述氧的原子浓度的峰值的或距所述源电极及漏电极与所述Si系半导体层的界面的氧的分布成为10原子％的距离定义为所述氧化物膜的膜厚时，所述氧化物膜的膜厚为1.8nm以下。
2.按权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，在所述源电极及漏电极与所述Si系半导体层的界面，所述源电极及漏电极的构成材料向所述Si系半导体层扩散的部位的线密度为每距离480nm平均7个以下。
3.按权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述Cu合金层包含Cu与从Mn、Mg、Ca、N1、Zn、S1、Al、Be、Ga、In、Fe、T1、V、Co、Zr、Hf、Ce 中选择的至少 I 种以上的添加元素，添加元素的浓度为0.5 20at%。
4.膜晶体管的制造方法，薄膜晶体管在基板上具备:栅极绝缘膜、Si系半导体层、具有含有Cu和至少一种添加元素的Cu合金层的源/漏电极、以及在所述源电极及漏电极与所述Si系半导体层的界面形成的氧化物膜，其特征在于， 在所述基板上形成栅电极结构，在之上堆积了栅极绝缘膜之后，具有: 在所述栅极绝缘膜上堆积所述Si系半导体膜的步骤； 通过等离子氧化法在所述Si系半导体层的表面形成极薄氧化膜的步骤；以及 形成具有所述Cu合金层的 源/漏电极的步骤， 所述氧化物膜通过等离子氧化法形成，所述等离子氧化法中的RF功率密度为0.22 0.67ff/cm2以下，并且，处理时间为60秒以上且240秒以下。
5.膜晶体管的制造方法，薄膜晶体管在基板上具备:栅极绝缘膜、Si系半导体层、具有含有Cu和至少一种添加元素的Cu合金层的源/漏电极、在所述源电极及漏电极与所述Si系半导体层的界面形成的氧化物膜，其特征在于， 在所述基板上形成栅电极结构，在之上堆积了栅极绝缘膜之后，具有: 在所述栅极绝缘膜上堆积所述Si系半导体膜的步骤； 通过等离子氧化法在所述Si系半导体层的表面形成极薄氧化膜的步骤；以及 形成具有所述Cu合金层的源/漏电极的步骤， 所述氧化物膜通过等离子氧化法形成， 所述等离子氧化法中的RF功率密度和所述处理时间之积的值为26.4 52.8W.sec/2cm ο
6.射靶材，其特征在于，其为包含权利要求1 3中任一项记载的薄膜晶体管的铜合金的源/漏电极的形成中使用的溅射靶材，与铜合金层中的添加元素浓度相比在(添加元素浓度X 15%以上且不足50% )的范围浓度高。
7.膜晶体管，其在基板上具备:具有氧化物膜的栅极绝缘膜、氧化物半导体层、具有含有Cu和至少一种添加元素的Cu合金层的源/漏电极、在所述源电极及漏电极和所述氧化物半导体层的界面形成的氧化物膜、以及保护整体的保护膜，其特征在于，在所述氧化物膜中，所述源电极及漏电极中的添加元素及氧的原子浓度具有峰，氧的峰值比添加元素的峰值大。
8.按权利要求7所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述源电极及漏电极中的添加元素的氧化物生成反应的平衡氧电势比构成所述氧化物半导体层的至少一个元素的平衡氧电势小。
9.按权利要求7所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述源电极及漏电极的Cu合金层包含Cu与从Mn、Mg、Ca、Zn、S1、Al、Be、Ga、T1、V、Zr、Hf、Ce中选择的至少I种以上的添加元素，添加元素的浓度为0.5 20at%。
10.按权利要求7所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述保护膜的一部分由氮化硅膜构成。
11.膜晶体管的制造方法，薄膜晶体管在基板上具备:具有氧化物膜的栅极绝缘膜、氧化物半导体层、具有含有Cu和至少一种添加元素的Cu合金层的源/漏电极、在所述源电极及漏电极与所述氧化物半导体层的界面形成的氧化物膜、以及保护整体的保护膜，其特征在于， 在形成所述保护膜的步骤中，设定条件为: 在所述氧化物膜中，所述源电极及漏电极中的添加元素及氧的原子浓度具有峰，氧的峰值比添加元素的峰值大。
12.射靶材，其特征在于，其为包含权利要求7记载的薄膜晶体管的铜合金的源/漏电极的形成中使用的溅射靶材，与铜合金层中的添加元素浓度相比在添加元素浓度X 15%以上且不足50%的范围浓度高。
13.示装置，其使用了权利要求1所述的薄膜晶体管。
14.射靶材，其包含Cu 与从 Mn、Mg、Ca、N1、Zn、S1、Al、Be、Ga、In、Fe、T1、V、Co、Zr、Hf、Ce中选择的至少I种以上的添加元素，添加元素的浓度为0.7 40a t%。
15.射靶材，其包含:0.7 29&七％的Mn，以及余量为Cu。
全文摘要
在薄膜晶体管(TFT)的配线中使用Cu合金的情况下，在对由硅膜构成的半导体层进行氧化处理时产生TFT的移动度的降低，另外，在使Cu合金与由氧化物半导体膜构成的半导体层接触而进行加热时，存在发生亚阈值系数的增加及阈值电压的负位移，TFT成为正常接通动作的问题。本发明提供薄膜晶体管，其在基板上具备栅极绝缘膜、Si系半导体层、具有Cu合金层的源/漏电极、以及在所述源电极及漏电极与所述Si系半导体层的界面形成的氧化物膜，其特征在于，所述Cu合金层含有Cu和至少一种添加元素，所述氧化物膜中的氧的原子浓度的深度分布的峰值为40原子％以上且66原子％以下，并且，在将距所述氧的原子浓度的峰值的或距所述源电极及漏电极和所述Si系半导体层的界面的氧的分布成为10原子％的距离定义为所述氧化物膜的膜厚时，所述氧化物膜的膜厚为1.8nm以下。
文档编号H01L29/786GK103094352SQ201210440979
公开日2013年5月8日 申请日期2012年11月2日 优先权日2011年11月2日
发明者浅沼春彦, 楠敏明, 外木达也, 辰巳宪之 申请人:日立电线株式会社