具有氧化物半导体薄膜层的层叠结构以及薄膜晶体管的制作方法

具有氧化物半导体薄膜层的层叠结构以及薄膜晶体管的制作方法
【专利摘要】一种层叠结构，其特征在于，其为包含氧化物层和绝缘层的层叠结构，其中，所述氧化物层的载流子浓度为1018/cm3以下，平均晶体粒径为1μm以上，所述氧化物层的晶体以柱状配置在所述绝缘层的表面。
【专利说明】具有氧化物半导体薄膜层的层叠结构以及薄膜晶体管
[0001]本发明是申请号为201180037647.6的发明专利的分案申请，母案的申请日为2011年12月27日，母案的发明名称为“具有氧化物半导体薄膜层的层叠结构以及薄膜晶体管”。
【技术领域】
[0002]本发明涉及具有氧化物半导体薄膜层的层叠结构以及使其用于沟道层的薄膜晶体管。
【背景技术】
[0003]电场效应型晶体管被广泛用作半导体存储器集成电路的单元电子元件、高频信号放大元件、液晶驱动用元件等，是目前被最多实用化的电子设备。
[0004]尤其，伴随近年来的显示装置的显著发展，不仅液晶显示装置(LCD)，甚至在电致发光显示装置(EL)、场发射显示器(FED)等各种显示装置中，作为对显示元件施加驱动电压而驱动显示装置的转换元件，也大多使用薄膜晶体管(TFT)。
[0005]近年来，作为比硅系半导体薄膜的稳定性更优异的物质，包含金属氧化物的透明半导体薄膜、特别是包含氧化锌晶体的透明半导体薄膜受到瞩目。
[0006]例如，在专利文献1、专利文献2等中公开了在高温下使氧化锌晶体化并构成薄膜晶体管的方法。另外，在获得薄膜晶体管的工序中，记载了如下实例:在使非晶质氧化物膜图案化后进行晶体化，从而实现高迁移率(专利文献3)。
[0007]另外，专利文献4中记载了如下内容:在使用In2O3的TFT中，期望的是，施加热处理的工序前的氧化铟为非晶质，在施加热处理的工序后为晶体。然而，专利文献4中记载的将In2O3晶体用于沟道层的薄膜晶体管为常导通状态，由于进行晶体化的工序而有可能导致载流子浓度的上升、迁移率的下降。
[0008]现有技术文献
[0009]专利文献
[0010]专利文献1:日本特开2003-86808号公报
[0011]专利文献2:日本特开2004-273614号公报
[0012]专利文献3:国际公开第2008/096768号小册子
[0013]专利文献4:日本特开2008-130814号公报

【发明内容】

[0014]本发明的目的在于提供氧化物薄膜的晶体配置的方向和粒径得到控制的、良好的氧化物薄膜。另外，本发明的目的在于，通过将上述氧化物薄膜用于TFT的沟道层，从而大幅改善TFT特性。
[0015]本发明人等发现:通过制作均匀的非晶质的氧化物薄膜，然后对非晶质薄膜进行加热处理(退火)而制得的晶体薄膜成为晶体配置的方向、晶体粒径均匀的晶体质半导体薄膜。还发现:若将这样的晶体质氧化物半导体薄膜用于薄膜晶体管的沟道层，则高电场效应迁移率、S值等的TFT特性得到大幅改善，从而完成本发明。
[0016]根据本发明，提供以下层叠结构、其制造方法、薄膜晶体管以及显示装置。
[0017]1、一种层叠结构，其特征在于，其为包含氧化物层和绝缘层的层叠结构，其中，
[0018]所述氧化物层的载流子浓度为IO1Vcm3以下，平均晶体粒径为I μ m以上，
[0019]所述氧化物层的晶体以柱状配置在所述绝缘层的表面。
[0020]2、根据I所述的层叠结构，其特征在于，
[0021]构成所述氧化物层的材料为选自氧化铟、掺杂有Ga的氧化铟、掺杂有Al的氧化铟、掺杂有Zn的氧化铟、以及掺杂有Sn的氧化铟所组成的组中的材料。
[0022]3、根据2所述的层叠结构，其特征在于，
[0023]所述掺杂有Ga的氧化铟的原子比Ga/ (Ga+In)为0.01?0.09。
[0024]4、根据2所述的层叠结构，其特征在于，
[0025]所述掺杂有Al的氧化铟的原子比Al/(A1+In)为0.01?0.05。
[0026]5、一种层叠结构的制造方法，其特征在于，是包含氧化物层和绝缘层的层叠结构的制造方法，所述层叠结构的制造方法具有如下工序:
[0027](I)设置绝缘层的工序；
[0028](2)在所述绝缘层上，按照在20 X 20 μ m2下的Rrms即均方根粗糙度=1.0?
5.3爲的范围的方式成膜氧化物薄膜的工序；以及
[0029](3)在150?500°C下对所得的薄膜进行加热处理的工序。
[0030]6、根据5所述的层叠结构的制造方法，其特征在于，
[0031]在含有稀有气体、和选自水、氧气以及一氧化二氮中的一个以上的混合气体的气氛下进行所述氧化物层的成膜。
[0032]7、根据6所述的层叠结构的制造方法，其特征在于，
[0033]在至少含有水和稀有气体的混合气体的气氛下进行所述氧化物层的成膜。
[0034]8、根据7所述的层叠结构的制造方法，其特征在于，
[0035]所述气氛中所含的水的比例以分压比计为0.1 %?25%。
[0036]9、根据5?8中任一项所述的层叠结构的制造方法，其特征在于，
[0037]所述氧化物层由选自氧化铟、掺杂有Ga的氧化铟、掺杂有Al的氧化铟、掺杂有Zn的氧化铟以及掺杂有Sn的氧化铟所组成的组中的材料构成。
[0038]10、根据9所述的层叠结构的制造方法，其特征在于，
[0039]所述掺杂有Ga的氧化铟的原子比Ga/ (Ga+In)为0.01?0.09。
[0040]11、根据9所述的层叠结构的制造方法，其特征在于，
[0041]所述掺杂有Al的氧化铟的原子比Al/(A1+In)为0.01?0.05。
[0042]12、根据5?11中任一项所述的层叠结构的制造方法，其特征在于，
[0043]利用如下所述的溅射方法进行所述工序(2)的氧化物层的成膜，
[0044]所述溅射方法如下所述:
[0045]将基板依次搬送至与隔开规定间隔并排设置在真空腔内的3个以上的靶材相对向的位置，在对所述各靶材由交流电源交替施加负电位及正电位的情况下，在分支连接了来自所述交流电源的输出的至少I个的2个以上的靶材之间，边进行施加电位的靶材的切换，边在靶材上产生等离子而在基板表面进行成膜。
[0046]13、根据12所述的层叠结构的制造方法，其特征在于，
[0047]使所述交流电源的交流功率密度为3W/cm2以上20W/cm2以下。
[0048]14、根据12或13所述的层叠结构的制造方法，其特征在于，
[0049]所述交流电源的频率为IOkHz?IMHz。
[0050]15、一种层叠结构,其是通过5?14中任一项所述的制造方法制造的。
[0051]16、一种薄膜晶体管，其特征在于，以I?4及15中任一项所述的层叠结构中的氧化物层作为沟道层，
[0052]以绝缘层作为栅绝缘膜，
[0053]在所述氧化物层上具有至少含有SiNx的保护膜。
[0054]17、一种显示装置，其特征在于，具有16所述的薄膜晶体管。
【专利附图】

【附图说明】
[0055]图1为实施例1?3中在玻璃基板上成膜的薄膜刚刚堆积后的各薄膜的X射线图。
[0056]图2为实施例1?3中在玻璃基板上成膜的薄膜的加热处理(退火)后的各薄膜的X射线图。
[0057]图3为在玻璃基板上成膜的实施例1的薄膜的300°C X Ih加热晶体化后的薄膜的SIM(扫描离子显微镜)图像(观察倍率10000倍、35 μ m见方的SIM图像的一部分放大图)。
[0058]图4为在玻璃基板上成膜的实施例1的薄膜的300°C X Ih加热晶体化后的薄膜截面的TEM(透射电子显微镜)图像(观察倍率100000倍、I μ m见方下观察的视野中的氧化物薄膜部分的一部分放大图)。
[0059]图5为比较例I中在玻璃基板上成膜的薄膜刚刚堆积后以及加热处理后的各薄膜的X射线图。
[0060]图6为在玻璃基板上成膜的比较例I的薄膜的300°C X Ih加热晶体化后的薄膜的SIM(扫描离子显微镜)图像(观察倍率10000倍、35 μ m见方的SIM图像的一部分放大图)。
[0061]图7为在玻璃基板上成膜的比较例I的薄膜的300°C X Ih加热晶体化后的薄膜截面的TEM(透射电子显微镜)图像(观察倍率100000倍、I μ m见方下观察的视野中的氧化物薄膜部分的一部分放大图)。
[0062]图8为表示实施例14?18以及比较例8中使用的AC(交流)溅射装置的溅射源的要部的概略图。
[0063]图9 为实施例 19 的薄膜的 EBSP (Electron Back Scattering Pattern)的图像质
量图像。
[0064]图10为基于实施例19的薄膜的EBSP的方位差数据。
[0065]图11为基于实施例19的薄膜的EBSP的方位图。
[0066]图12为实施例19的反极图上以点表示测定点的图。
[0067]图13为比较例9的薄膜的EBSP的图像质量图像。
[0068]图14为基于比较例9的薄膜的EBSP的方位差数据。[0069]图15为基于比较例9的薄膜的EBSP的方位图。
[0070]图16为在比较例9的反极图上以点表示测定点的图。
[0071]图17为表示实施例28?33中制作的薄膜晶体管的形状的图。
[0072]图18为表示实施例28中制作的薄膜晶体管的传输特性的图表。
[0073]图19为实施例28中，薄膜刚刚堆积后以及加热处理(退火)后的X射线图。
[0074]图20为实施例28中，薄膜刚刚堆积后以及加热处理后的薄膜截面的TEM图像。
[0075]图21为表示实施例28中，加热晶体化后的薄膜的表面电位轮廓的图。
【具体实施方式】
[0076]以下，对于本发明的包含氧化物层和绝缘层的层叠结构、其制造方法、将其用于沟道层的薄膜晶体管以及显示装置的实施方式进行详细说明，但本发明并不限于下述实施方式和实施例。
[0077]本发明的层叠结构其特征在于，是包含氧化物层和绝缘层的层叠结构，前述氧化物层的载流子浓度为IO1Vcm3以下，平均晶体粒径为Iym以上，前述氧化物层的晶体以柱状配置在绝缘层的表面。
[0078]本发明的层叠结构中的氧化物层是，根据成膜时的条件来控制薄膜刚刚堆积后的无定形结构的同时，非晶质氧化物薄膜(以下，有时称为“非晶质薄膜”)被成膜在绝缘层上，然后使上述非晶质氧化物薄膜加热晶体化的晶体质氧化物半导体薄膜(以下，有时称为“晶体质半导体薄膜”或“晶体质氧化物薄膜”)。
[0079]这里，薄膜为非晶质，是指通过X射线晶体结构解析，观测到晕圈图案，并没确认到晶体结构。
[0080]另外，本发明的层叠结构中的晶体质氧化物半导体薄膜具有所谓的晶粒-亚晶结构，具有I μ m以上的平均晶体粒径的晶体粒是指晶粒、以柱状配置在绝缘层的表面的晶体是指亚晶。
[0081]构成氧化物层的材料优选选自氧化铟、掺杂有Ga的氧化铟、掺杂有Al的氧化铟、掺杂有Zn的氧化铟以及掺杂有Sn的氧化铟中。另外，氧化物层只要主要由上述元素构成，则另外还可以含有不可避免的杂质。
[0082]通过在氧化铟中掺杂Ga、Al，晶格常数减少，因而In的5s轨道的堆叠变大，能够期待薄膜的迁移率上升。
[0083]若镓金属与铟金属的原子比Ga/ (Ga+In)超过0.09，则掺杂Ga的氧化铟薄膜的晶体化温度上升，因而若进一步在溅射时导入水，则退火后的晶体化可能变得不充分。另外，若原子比Ga/(Ga+In)小于0.01，则利用掺杂Ga的晶格常数的减少受到抑制，有可能无法充分发挥掺杂Ga的效果。
[0084]从以上可知，在导入水进行成膜时，掺杂有Ga的氧化铟薄膜中的镓金属与铟金属的原子比优选原子比Ga/(Ga+In)为0.01?0.09、更优选Ga/(Ga+In)为0.02?0.085、进一步优选 Ga/ (Ga+In)为 0.05 ?0.08。
[0085]若铝金属与铟金属的原子比Al/(A1+In)超过0.05，则Al可能析出在晶体粒界等而Al不固溶于In位点。另外，若原子比Al/(A1+In)小于0.01，则利用掺杂Al的晶格常数的减少受到抑制，有可能无法充分发挥掺杂Al的效果。[0086]从以上观点出发，本发明的氧化物层中的铝金属与铟金属的原子比Al/(A1+In)优选为0.01?0.05、更优选为0.01?0.04、进一步优选为0.01?0.03。
[0087]掺杂有Zn的氧化铟的原子比Zn/(Zn+In)优选为0.01?0.09，更优选为0.01?0.07。若掺杂有Zn的氧化铟薄膜中的铟金属与锌金属的原子比Zn/(Zn+In)超过0.09，则Zn可能析出在晶体粒界等而Zn不固溶于In位点。
[0088]掺杂有Sn的氧化铟的原子比Sn/ (Sn+In)优选为0.001?0.05、更优选为0.002?0.02。同样地若掺杂有Sn的氧化铟薄膜中的锡金属与铟金属的原子比Sn/(Sn+In)超过0.05，则固溶于In的Sn发挥供体的作用，可能由于载流子浓度的上升而导致无法半导体化。
[0089]形成本发明的层叠结构中的绝缘层的材料没有特别限定，可以任意选择通常使用的材料。具体来说，可以使用例如，SiO2, SiNx, A1203、Ta2O5, Ti02、MgO、ZrO2, Ce02、K20、Li2O,Na2O, Rb20、Sc2O3' Y203、HfO2, CaHfO3, PbTi3' BaTa2O6' SrTiO3, Sm2O3, AlN 等化合物。这些当中，优选 Si02、SiNx、Al2O3' Y2O3> HfO2, CaHfO3,更优选 Si02、SiNx、Y2O3> HfO2, CaHfO30
[0090]另外，上述氧化物的氧数不必与化学计量比一致，例如，可以为SiO2也可以为SiOx。
[0091]绝缘层可以为层叠由不同材料形成的2层以上的绝缘膜的结构。另外，构成绝缘层的绝缘膜可以为晶体质、多晶体质、非晶质中的任一个，但优选工业上容易制造的多晶体质或非晶质。
[0092]氧化物层的载流子浓度需要为IO1Vcm3以下，优选为IO13?1018/cm3，进一步优选为IO14?IO1Vcm3，特别优选为IO15?1018/cm3。若氧化物层的载流子浓度大于IO18CnT3，则构成薄膜晶体管等元件时，发生漏电流。另外，由于成为常导通状态，或者on-off比变小，可能无法发挥良好的晶体管性能。进一步，若载流子浓度小于IO13CnT3，则载体数少，因而可能无法作为TFT进行驱动。
[0093]氧化物层的载流子浓度可以通过孔效果测定方法进行测定。具体如实施例中的记载所述。
[0094]氧化物层(构成该氧化物层的氧化物半导体薄膜)的氧化物晶体粒子的平均晶体粒径需要为I μ m以上，优选为I?27 μ m，更优选为1.3?27 μ m，特别优选为2.1?27 μ m。若氧化物层的平均晶体粒径小于I μ m，则在薄膜堆积时有可能在膜中生成微晶体。另外，若平均晶体粒径超过27 μ m,则由于载体在晶体粒界发生散射的效果，有可能TFT特性产生不均。
[0095]本发明中，氧化物层(构成该氧化物层的氧化物半导体薄膜)的平均晶体粒径可以通过后述的电子背向散射图案(Electron BackScattering Pattern:EBSP)来测定。进行EBSP的方位角绘图，将以方位差15°以上的成分围成的区域作为晶体粒，对平均晶体粒径进行解析。具体的测定方法如在本实施例中的记载所述。
[0096]其中，氧化物层的平均晶体粒径可以通过扫描离子显微镜(SM:Scanning 1nMicroscopy)、扫描型电子显微镜(SEM:Scanning Electron Microscope)来检测 35 μ m 见方的框内观察到的晶体粒各自的最大直径，求出这些粒径的平均值，获得与通过上述EBSP得到的平均晶体粒径同样的结果。
[0097]SM是如下所述的方法:将在通过聚焦离子束扫描试样时放出的二次电子作为信号进行可视化。相比于SEM图像，其组成对比、晶体方位对比更强的显现。另外，离子与试样的相互作用比电子更大，因而表面的信息更强地显现。
[0098]氧化物层(构成该氧化物层的氧化物半导体薄膜)的晶体需要以柱状配置在前述绝缘层的表面。氧化物半导体薄膜的晶体以柱状配置是指，通过透射电子显微镜(TEM:Transmission Electron Microscope)对基板至试样表面进行观察的晶体作为大致椭圆，其长径比为1.2以上，长径比的长边相对于基板为40°以上160°以下，该结构占通过截面TEM观察的图像(Iym见方的视野中的、氧化物半导体的部分)的12%以上。长径比的长边相对于基板，进一步优选为60°以上140°以下，特别优选为70°以上120°以下。
[0099]在TEM中，对加工变薄的试样照射电子射线，使透射或者衍射的电子射线成像，从而能够观察试样的微细结构。在高倍率观察中，能够看到晶体中的原子的排列(格子纹)(格子图像)。另外，还能够进行多晶体的观察、晶体的缺陷等的观察。进一步，可以通过电子射线衍射图形，进行物质的鉴定、晶体状态的解析。
[0100]物质若被照射电子，则放出元素特有的X射线(特性X射线)。通过对该X射线的能量进行解析，能够鉴定元素(能量分散X射线分光分析=EDX分析)。通过使电子射线变窄而进行扫描，能够看到每个元素的分布(面分析)。另外，通过对一点照射数十秒电子射线、解析被放出的X射线的强度，可知元素量的比(组成)(定量分析)。
[0101]在氧化物薄膜的晶体粒界中优选方位差2°以上且小于15°的晶体粒界占60%以上90%以下。进一步优选方位差2°以上且小于15°的晶体粒界占70%以上90%以下，特别优选方位差2°以上且小于15°的晶体粒界占75%以上90%以下。
[0102]例如在35 μ m见方的框内观测上述晶体粒界。
[0103]若方位差2°以上且小于15°的晶体粒界小于60%，则有可能氧缺陷多、薄膜中的载流子浓度大于1018cm_3。若方位差2°以上且小于15°的晶体粒界超过90%，则TFT特性(迁移率、阈值电压、S值等)可能不均。
[0104]氧化物薄膜的晶体粒界可以通过EBSP来进行检测。EBSP与扫描型电子显微镜(Scanning Electron Microscope:SEM)组合,操作电子射线的同时,对近似菊池图案进行解析，由此测定微观的晶体方位、晶体系。与获得平均信息的X射线衍射不同，得到每个晶体粒的信息。
[0105]另外，还可以通过晶体方位数据，对晶体粒的方位分布=集合组织、晶体相分布进行解析。这里的近似菊池图案是指:对试样照射电子时，由反射电子被试样中的原子面衍射所产生的带状的图案。带的对称性与晶体系相对应，带的间隔与原子面间隔相对应。
[0106]通过EBSP测定获得的信息主要是以下4种。
[0107](I)强度分布的信息:Image Quality (IQ)图、Confidence Index (Cl)图等
[0108](2)方位数据的信息:Inverse pole figure (IPF)图(方位图)、极图、反极图等
[0109](3)方位差数据的信息:晶体粒界、残留应变图等
[0110](4)相信息:由晶体系的不同导致的相图等
[0111]另外，氧化物薄膜的晶体粒界的势垒可以使用开尔文探针原子间力显微镜(Kelvin Probe Force Microscopy:KFM)进行测定。
[0112]KFM法如下所述:使导电性探针振动的同时对探针和试样间施加交流电压，检测静电力导致的悬臂的振动，从而测定表面电位。通过进行粒界附近的局部表面电位的测定，从而确定各个粒界中的势垒的高度。
[0113]在氧化物薄膜的25 μ m见方的测定区域中，表面电位的最大值与最小值的电位差(晶体粒界的势垒)优选为60mV以下，进一步优选为50mV以下，特别优选为30mV以下。若电位差超过60mV，则可能基板面内的TFT特性的不均变大。
[0114]氧化物层(氧化物半导体薄膜)可以通过使用包含构成上述氧化物层的氧化物的溅射靶材的溅射法来形成。
[0115]在后述的本发明的层叠结构的制造方法中详细说明氧化物层的制作方法。
[0116]对于本发明中的氧化物薄膜(氧化物层)所含的各元素的原子比，可以通过电感耦合等离子发光分析装置(ICP-AES)来定量分析含有元素而求出。
[0117]具体来说，若在使用ICP-AES的分析中，通过喷雾器使溶液试样成雾状，导入到氩气等离子(约6000?8000°C )中，则试样中的元素吸收热能而受到激发，轨道电子由基底状态移动到高能级的轨道。该轨道电子为10_7?10_8秒左右、移动到更低的能级的轨道。此时，使能量的差以光的形式放射并发光。该光表示元素固有的波长(谱线)，因而可以通过谱线的有无来确认元素的存在(定性分析)。
[0118]另外，各个谱线的大小(发光强度)与试样中的元素数成比例，因而通过与已知浓度的标准液相比，可以求出试样浓度(定量分析)。
[0119]将定性分析中所含有的元素确定后，通过定量分析求出含量，由该结果求出各元素的原子比。
[0120]如上所述，专利文献4中公开了刚刚堆积后制作非晶质薄膜，退火后使其晶体化的In2O3薄膜的TFT。
[0121]然而，并没有进行对DC溅射时的水导入成膜等的讨论，有可能在薄膜堆积时生成微晶体。若对生成微晶体的薄膜进行退火，则发生晶体的方位偏移等，成为氧缺陷多的薄膜，可能有TFT显示常导通状态的特性等情况。
[0122]另外，在构成氧化物层的氧化物薄膜堆积时生成微晶体的膜中，加热晶体化工序中从基板侧的晶体成长受到微晶体的阻碍，从基板表面至试样表面，晶体未以柱状配置，平均晶体粒径小于I μ m。
[0123]因此，本发明的层叠结构的制造方法(以下，称为本发明的方法)，其特征在于，是包含氧化物层和绝缘层的层叠结构的制造方法，其具有如下工序:
[0124](I)设置绝缘层的工序；
[0125](2)在前述绝缘层上，按照在20 X 20 μ m2下的Rrms即均方根粗糙度=1.0?5.3羞的范围的方式成膜前述氧化物薄膜的工序；以及
[0126](3)在150?500°C下对所得的薄膜进行加热处理的工序。
[0127]通过使用具有上述工序的本发明的方法来制造层叠结构，能够获得具有氧化物层所优选的载流子浓度、优选的平均晶体粒径以及晶体以柱状配置的氧化物层的层叠结构。
[0128](I)设置绝缘层的工序
[0129]本发明的方法中能够使用的绝缘层的构成如本发明的层叠结构的说明中的说明。另外，绝缘层的制作方法没有特别限定，使用公知的方法即可。绝缘层可以使单独的层，也可以是例如带有热氧化膜的导电性硅基板等的、热氧化膜起到栅绝缘膜(层叠结构中的绝缘层)的作用、并且导电性硅部起到栅电极的作用。[0130](2)在绝缘层上，按照在20 X 20 μ m2下的Rrms即均方根粗糙度=1.0?5.3產的范围的方式成膜氧化物薄膜的工序；
[0131]本发明的方法中的氧化物层(氧化物薄膜)在薄膜刚刚堆积后具有无定形结构，但该氧化物薄膜的表面粗糙度的均方根(Rrms (均方根粗糙度，root-mean-square-roughness))在氧化物薄膜的 20 X 20 μ m2 的区域，需要为 Rrms = 1.0 ?
5.3 A的范围，优选为Rrms = 1.0?4.1 Λ的范围，特别优选为Rrms = 1.0?3.1羞的范围。在Rrms超过5.3 Λ的情况下，可能从绝缘层基板表面至试样表面，晶体未以柱状配置，无法获得良好的TFT特性。这里，氧化物薄膜(氧化物层)的晶体以柱状配置是基于如前所述地通过透射电子显微镜(TEM:Transmission Electron Microscope)对基板至试样表面观察后的结果来判定的。
[0132]氧化物薄膜的Rrms可以通过原子间力显微镜(AFM:AtomicForceMicroscope)进行检测。AFM是检测作用到探针和试样的原子间力的类型的显微镜。AFM探针被安装在悬臂弹簧(悬臂)的前端。以微小的力使该探针与试样表面接触，按照悬臂的弯曲量为一定的方式，反作用控制探针和试样间距离(Z)的同时在水平(X、Y)上扫描，由此使表面形状图像化。
[0133]为了将薄膜刚刚堆积后的氧化物薄膜的Rrms控制在1.0?5.3羞，优选在例如含有稀有气体、水、氧气以及一氧化二氮中的一个以上的混合气体的气氛下进行溅射，特别优选在含有水的混合气体的气氛下进行溅射。通过存在水分子、氧分子、一氧化二氮分子等分子，能够期待氧化物的晶体紊乱、非晶质性提高、Rrms降低。
[0134]本发明中的氧化物薄膜(氧化物层)堆积时的溅射气体(气氛)所含的水分压优选为0.1?25%。若水分压小于0.1%，则薄膜刚刚堆积后膜中生成微晶体，有可能Rrms大于5.3 I。若对生成微晶体的薄膜进行退火，则引起2次晶体化，产生晶体方位的偏移，因而缺陷变多，可能导致载流子浓度的上升、迁移率的下降。另外，若水分压超过25%，则膜密度的下降变得显著，因而In的5s轨道的堆叠变小，可能导致迁移率的下降。溅射时的气氛中的水分压更优选为0.7?13%、特别优选为I?6%。
[0135]溅射时的气氛中的氧气分压优选O %以上且小于30%。若气氛气体中的氧气分压为30%以上，则有可能迁移率下降、或载流子浓度变得不稳定。这被推定为是如下原因:若成膜时气氛气体中的氧气过多，则进入到晶格间的氧气变多而成为散射的原因，或者容易从膜中脱离而不稳定化。更优选的氧气分压为O?12%，进一步优选的氧气分压为O?8%。
[0136]通过本发明的方法获得的氧化物层优选由选自氧化铟、掺杂有Ga的氧化铟、掺杂有Al的氧化铟、掺杂有Zn的氧化铟以及掺杂有Sn的氧化铟所组成的组中的材料形成。
[0137]为了获得由上述材料形成的氧化物层，优选使用由具有上述组成的氧化物烧结体形成的靶材来进行溅射。
[0138]另外，掺杂有Ga的氧化铟的原子比Ga/(Ga+In)优选为0.01?0.09，更优选为0.02?0.085，特别优选为0.05?0.08。若掺杂有Ga的氧化铟薄膜中的镓金属与铟金属的原子比Ga/(Ga+In)超过0.09，则有可能作为掺杂剂的Ga凝集，Rrms增加。
[0139]掺杂有Al的氧化铟的原子比Al/(A1+In)优选为0.01?0.05，更优选为0.01?0.04，特别优选为0.01?0.03。同样地若掺杂有Al的氧化铟薄膜中的铝金属与铟金属的原子比Al/(A1+In)超过0.05，则有可能作为掺杂剂的Al凝集，Rrms增加。
[0140]另外，掺杂有Zn的氧化铟的原子比Zn/(Zn+In)优选为0.01?0.09，更优选为0.01?0.07。若掺杂有Zn的氧化铟薄膜中的铟金属与锌金属的原子比Zn/(Zn+In)超过0.09,贝U有可能Zn不固溶于In位点、Zn可能析出在晶体粒界等。
[0141]掺杂有Sn的氧化铟的原子比Sn/(Sn+In)优选为0.001?0.05、更优选为0.002?0.02。同样地若掺杂有Sn的氧化铟薄膜中的锡金属与铟金属的原子比Sn/(Sn+In)超过
0.05，则固溶于In的Sn起到供体的作用，可能由载流子浓度的上升而导致无法半导体化。
[0142]为了降低溅射靶材的电阻值，可以按照相对于上述氧化物半导体靶材为3重量％以下的比例，含有Sn、T1、S1、Ce、Zr等的能够取正4价的元素。特别是Sn，其使烧结密度提高、靶材的电阻降低的效果大。能够取正4价的元素的含量更优选为2重量％以下，特别优选为I质量％以下。若正4价元素的含量超过3重量％，则可能无法将氧化物半导体薄膜的载流子浓度控制为低浓度。
[0143]本发明的方法中的氧化物层的成膜能够适合通过例如，DC(直流)溅射、AC(交流)溅射、RF溅射、脉冲DC溅射法等来成膜。在利用DC溅射进行成膜的情况下，期待电源装置简洁化，在利用AC溅射进行成膜的情况下，期待工业上大面积均匀性优异、靶材的利用效率提高。在通过RF溅射进行成膜的情况下，即使靶材的电阻高也能够放电，因而期待溅射靶材的烧结条件变缓和。
[0144]通过溅射进行成膜时的基板温度优选为20?120°C、进一步优选为25?100°C、特别优选为25?90°C。若成膜时的基板温度高于120°C，则薄膜刚刚堆积后的膜中生成微晶体，加热晶体化后的薄膜的载流子浓度可能超过1018/cm3。另外，若成膜时的基板温度低于25°C则薄膜的膜密度降低，可能TFT的迁移率下降。
[0145]靶材以及基板间的距离相对于基板的成膜面，在垂直方向优选为I?15cm、进一步优选为2?8cm。在该距离小于Icm的情况下，到达基板的靶材构成元素的粒子的运动能量变大，可能无法获得良好的膜特性，而且可能产生膜厚以及电特性的面内分布。另一方面，若靶材与基板的间隔超过15cm，则到达基板的靶材构成元素的粒子的运动能量变得过小，无法获得致密的膜，可能无法获得良好的半导体特性。
[0146]氧化物薄膜的成膜期望在磁场强度为300?1500高斯的气氛下进行溅射。在磁场强度小于300高斯的情况下，等离子密度变低，因而在高电阻的溅射靶材的情况下可能无法溅射。另一方面，在磁场强度超过1500的情况下，膜厚以及膜中的电特性的控制性可
能变差。
[0147]气体气氛的压力(溅射压力)只要在等离子能够稳定放电的范围就没有特别限定，优选为0.1?3.0Pa0进一步优选溅射压力为0.1?1.5Pa、特别优选为0.1?1.0Pa0在溅射压力超过3.0Pa的情况下，溅射粒子的平均自由工序变短，薄膜的密度可能下降。另夕卜，在溅射压力小于0.1Pa的情况下，成膜时可能在膜中生成微晶体。另外，溅射压力是指，导入氩气、水、氧气等后的溅射开始时的体系内的全压。
[0148]另外，可以通过如下所述的交流溅射进行工序(2)的氧化物层的成膜。
[0149]将基板依次搬送至与隔开规定间隔并排设置在真空腔内的3个以上的靶材相对向的位置，对各靶材由交流电源交替施加负电位及正电位，在靶材上产生等离子而在基板表面进行成膜。[0150]此时，在分支连接了来自多个交流电源的输出中的至少I个的2个以上的靶材之间，边进行施加电位的靶材的切换边进行成膜。即，使来自上述交流电源的输出的至少I个分支而连接到2个以上的靶材，边对相邻的靶材施加不同的电位边进行成膜。
[0151]另外，在通过交流溅射使氧化物层成膜的情况下，为了将薄膜刚刚堆积后的氧化物薄膜的Rrms控制在1.0?5.3羞，优选例如在含有稀有气体、和选自水、氧气以及一氧化二氮中的一种以上的混合气体的气氛中进行溅射，特别优选在含有水的混合气体的气氛下进行溅射。
[0152]如前所述，在通过AC溅射进行成膜的情况下，能够获得工业上大面积均匀性优异的氧化物层的同时，还能够期待靶材的利用效率的提高。
[0153]另外，若I边超过lm，则在大面积基板上进行溅射成膜的情况下，优选使用例如日本特开2005-290550号公报中记载的大面积生产用的AC溅射装置。
[0154]对于日本特开2005-290550号公报记载的AC溅射装置，具体来说，具有真空槽、配置在真空槽内部的基板支架、配置在与该基板支架相对向的位置的溅射源。图8表示AC溅射装置的溅射源的要部。溅射源具有多个溅射部，分别具有板状的靶材31a?31f，若将各靶材31a?31f被溅射的面作为溅射面，则各溅射部按照溅射面位于相同的平面上的方式配置。各靶材31a?31f被形成为具有长度方向的细长状，各靶材为相同形状，溅射面的长度方向的边缘部分(侧面)相互隔着规定间隔而平行配置。因此，相邻的靶材31a?31f的侧面是平行的。
[0155]在真空槽的外部配置有交流电源17a?17c,在各交流电源17a?17c的两个端子中，一方的端子被连接到相邻的两个电极中的一方的电极，另一方的端子被连接到另一方的电极。各交流电源17a?17c的两个端子输出正负不同的极性的电压,祀材31a?31f被密合安装到电极，因而相邻的两个祀材31a?31f由交流电源17a?17c施加相互不同极性的交流电压。因此，互相相邻的靶材31a?31f中，成为一方被配置成正电位时，另一方被配置为负电位的状态。
[0156]在与电极的靶材31a?31f相反侧的面上配置有磁界形成部件40a?40f。各磁界形成部件40a?40f分别具有外周与靶材31a?31f的外周大致相同大小的细长的环状磁石、和比环状磁石的长度更短的棒状磁石。
[0157]各环状磁石在对应的I个靶材31a?31f的正背面位置，相对于靶材31a?31f的长度方向平行地配置。如上所述，靶材31a?31f隔着规定间隔而平行配置，因而环状磁石也与靶材31a?31f同样地隔着间隔而配置。
[0158]AC溅射中，使用氧化物靶材时的交流功率密度优选为3W/cm2以上、20W/cm2以下。在功率密度小于3W/cm2的情况下，成膜速度变慢，在生产上并不经济。若超过20W/cm2，则有可能靶材破损。更优选的功率密度为4W/cm2?15W/cm2。
[0159]ACi贱射时的水的分压优选为5X 10 3?5X 10 1Pa0在该分压小于5X 10 3Pa的情况下，薄膜刚刚堆积后在膜中生成微晶体，有可能Rrms大于5.3羞。若该分压超过5 X KT1Pa,则膜密度的下降变得显著，因而In的5s轨道的堆叠变小，可能导致迁移率的下降。溅射时的水的分压根据放电的功率密度的不同而不同，但若该功率密度为5W/cm2，则优选I X KT2Pa ?IXKT1Pa 的范围。
[0160]AC溅射的频率优选为IOkHz?IMHz的范围。若该频率低于10kHz，则产生噪音的问题。若该频率超过1MHz，则等离子过于扩展，在期望的靶材位置以外的位置进行溅射，存在损害均匀性的情况。更优选的AC溅射的频率为20kHz?500kHz。
[0161]上述以外的溅射时的条件等从上述条件中适当选择即可。
[0162](3)在150?500°C下对所得的薄膜进行加热处理的工序
[0163]工序(3)是对工序(I)及(2)中获得的非晶质氧化物薄膜进行加热处理(退火)，使其变为晶体质的工序。
[0164]通过在150?500°C下对上述工序⑴及⑵中获得的Rrms(均方根粗糙度)=
1.0?5.3爲的范围的非晶质氧化物薄膜进行加热，使薄膜晶体化而获得氧化物层(晶体质氧化物薄膜)。加热温度优选为150?400°C，更优选为200?350°C。若加热温度小于1500C，则有可能晶体化不充分，若加热温度超过500°C，则有可能导致元件的破坏。
[0165]加热(晶体化)时间通常为10分钟?3.5小时，优选为15分钟?2.5小时。
[0166]工序(I)及(2)中获得的非晶质氧化物薄膜通过实施上述加热处理(退火)，从而掺杂剂固溶于氧化铟晶体中，显示出方锰铁矿的单一相。
[0167]使氧化物层晶体化的时机优选在保护膜形成前。若使晶体化前的非晶质薄膜曝露在等离子中，则有可能因为等离子损害而给其后的晶体化过程带来不良影响，在膜中产生晶格缺陷等。
[0168]非晶质氧化物薄膜的加热处理(退火)时的气氛没有特别限定，但从载体控制性的观点出发，优选大气气氛、氧气流通气氛。加热处理工序可以在氧气的存在下或不存在下使用灯退火装置、激光退火装置、热等离子装置、热风加热装置、接触加热装置等。
[0169]在将氧化物薄膜刚刚堆积后的无定形结构的Rrms控制在1.0?5.3羞的范围后进行加热晶体化的氧化物薄膜(氧化物层)中，从基板表面至试样表面，晶体以柱状配置。
[0170]对于晶体以柱状配置的氧化物薄膜，其晶体的方位偏移小且膜中的陷阱密度小，因而电场效应迁移率提高，并且，能够再现性良好地形成S值良好的TFT。
[0171]另外，氧缺损少，因而能够将载流子浓度控制在IO1Vcm3以下。
[0172]另外，在薄膜堆积时导入水而抑制微晶体的生成的膜中，加热处理工序中晶体从基板侧以柱状成长。在基板表面配置了柱状的晶体的膜中，加热晶体化工序中晶体成长由于膜中的微晶体而未受到阻碍，因而与未进行水导入的薄膜相比，晶体粒径变大，平均晶体粒径成为Iym以上。
[0173]加热晶体化后的氧化物半导体薄膜(氧化物层)中的平均晶体粒径优选为I?27 μ m。进一步优选薄膜的平均晶体粒径为1.3?27 μ m、特别优选为2.1?27 μ m。在平均晶体粒径小于Iym的情况下，有可能薄膜堆积时在膜中生成微晶体。另外，若平均晶体粒径超过27 μ m,则由于载体在晶体粒界散射的效果，有可能TFT特性产生不均。
[0174]本发明中在获得刚刚堆积后Rrms成为1.0?5.3羞的范围的非晶质膜之后，通过加热处理(退火)使其晶体化。晶体化后的氧化物薄膜(氧化物层)成为基本上由In2O3的方锰铁矿结构形成的薄膜。另外，“基本上由In2O3的方锰铁矿结构形成”是指，本发明中的氧化物层(晶体质氧化物薄膜)中，本发明的效果由方锰铁矿结构引起，或所得的晶体质氧化物薄膜中的晶体结构的70%以上(优选80%以上、进一步优选85%以上)为方锰铁矿结构。
[0175]另外，通过本发明的方法获得的层叠结构中的氧化物层(氧化物薄膜)为包含铟及氧的薄膜、包含铟、氧及镓的薄膜、包含铟、氧及铝的薄膜、包含铟、氧及锌的薄膜或铟、包含氧及锡的薄膜，但若主要通过上述元素构成，则还可以含有不可避免的杂质。其中，晶体结构期望基本上仅由氧化铟的方锰铁矿结构构成。
[0176]在氧化物薄膜(氧化物层)堆积时使Rrms为L O?5.3羞的范围后，通过加热处理(退火)使其晶体化而获得的氧化铟的方锰铁矿结构的薄膜中，从基板界面至薄膜表面配置有柱状的晶体，因而获得良好的TFT特性。
[0177]本发明中的氧化物薄膜(氧化物层)包含显示方锰铁矿结构的氧化铟可以通过X射线衍射测定(XRD测定)来确认。
[0178]另外，若X射线入射到原子规则排列的晶体，则观察到在特定方向上强的X射线，产生衍射现象。由于若在各个位置散射的X射线的光路差成为X射线的波长的整数倍，则波的位相一致，因而其可以通过波的振幅变大来说明。
[0179]物质由于制成各自具有特有的规则性的晶体，因而在X射线衍射中可以检测化合物的种类。另外，还可以进行晶体的大小(晶体的秩序性)、材料中存在的晶体的方位的分布状态(晶体取向)、对晶体施加的残留应力的评价。
[0180]本发明的方法中获得的氧化物层(氧化物薄膜)的密度优选为6.2g/cm3以上、更优选为6.4g/cm3以上。若密度低于6.2g/cm3，承担载体的传导的In的5S轨道的堆叠变小，因而迁移率可能下降。
[0181]本发明的方法中的氧化物层(氧化物薄膜)期望密度高，特别优选为6.2g/cm3以上7.lg/cm3以下。
[0182]通过上述本发明中任一个制造方法制造的层叠结构具有与前述本发明的层叠结构同样的结构和特性。
[0183]前述本发明的氧化物薄膜及通过上述本发明的制造方法制造的层叠结构可以用于薄膜晶体管。特别是，可以将层叠结构中的氧化物层作为沟道层使用。
[0184]本发明的薄膜晶体管，其特征在于，将上述本发明的层叠结构中的氧化物层作为沟道层，将绝缘层作为栅绝缘膜，在前述氧化物层上具有含有例如SiNx等的保护膜。
[0185]本发明的薄膜晶体管中的沟道层包含本发明的层叠结构中的氧化物层，其构成等如上所述。
[0186]本发明的薄膜晶体管中的栅绝缘膜包含本发明的层叠结构中的绝缘层，其构成如上所述。
[0187]本发明的层叠结构中的氧化物层为控制了晶体的配置方向和粒径的晶体质氧化物薄膜，在将其适用于沟道层的情况下，具有如下优点:即使通过CVD等的制造过程也不易产生氧缺损，不会引起TFT特性的劣化。
[0188]本发明的薄膜晶体管中的沟道层的膜厚通常为10?300nm、优选为20?250nm、更优选为30?200nm、进一步优选为35?120nm、特别优选为40?80nm。在沟道层的膜厚小于IOnm的情况下，由于大面积成膜时的膜厚的不均匀性，有可能所制作的TFT的特性在面内变得不均匀。另一方面，在膜厚超过300nm的情况下，成膜时间变长，有可能无法在工业上米用。
[0189]本发明的薄膜晶体管中的沟道层通常在N型区域使用，还可以与P型Si系半导体、P型氧化物半导体、P型有机半导体等的各种P型半导体组合而用于PN接合型晶体管等的各种半导体设备中。
[0190]本发明的薄膜晶体管中的保护膜特别优选含有SiNx。SiNx与SiO2相比，能够形成致密的膜，因而具有TFT的劣化抑制效果高的优点。
[0191]保护膜可以层叠到上述沟道层而形成。
[0192]通过使用包含上述本发明的层叠结构中的氧化物层的沟道层，不需要缓冲层，可以直接在沟道层设置保护膜。因此，还可以使制造工序简略化。
[0193]保护膜除了含有SiNx以外，还可以含有例如Si02、A1203、Ta2O5, TiO2, MgO、ZrO2,CeO2, K2O, Li20、Na2O, Rb20、Sc2O3> Y2O3> HfO2, CaHfO3> PbTi3' BaTa2O6、8m203、SrTiO3 或 AlN 等的氧化物等，优选基本上仅由SiNx形成。这里，“基本上仅由SiNx形成”是指，构成本发明的薄膜晶体管中的保护层的薄膜的70wt%以上(优选80wt%以上、进一步优选85wt%以上)为 SiNx0
[0194]另一方面，作为形成保护膜的前阶段的处理，优选对氧化物半导体膜实施臭氧处理、氧气等离子处理、二氧化氮等离子处理、或一氧化二氮等离子处理。这样的处理只要在形成氧化物半导体膜后，形成保护膜前，可以在任意时机进行。其中，期望在形成保护膜之前立即进行。通过进行这样的前处理，能够抑制氧化物半导体膜中的氧缺陷的发生。
[0195]另外，若在TFT驱动中氧化物半导体膜中的氢气扩散，则引起阈值电压的位移，TFT的可靠性可能下降。通过对氧化物半导体膜，实施臭氧处理、氧气等离子处理、二氧化氮等离子处理、或一氧化二氮等离子处理，晶体结构中In-OH键被稳定化，能够抑制氧化物半导体膜中的氢气的扩散。
[0196]栅绝缘膜可以通过例如等离子CVD (Chemical Vapor Deposition ;化学气相生长)法来形成。通过等离子CVD法形成栅绝缘膜，在其上成膜氧化物半导体层的情况下，栅绝缘膜中的氢气扩散到氧化物半导体层，有可能导致氧化物半导体层的晶体性的下降、TFT的可靠性下降。
[0197]为了防止氧化物半导体层的晶体性的下降、TFT的可靠性下降，优选在成膜氧化物半导体层之前，对栅绝缘膜实施臭氧处理、氧气等离子处理、二氧化氮等离子处理、或一氧化二氮等离子处理。通过进行这样的前处理，能够防止氧化物半导体膜的晶体性的下降、TFT的可靠性下降。
[0198]栅绝缘膜的膜厚通常为5?400nm、优选为50?300nm。
[0199]形成本发明的薄膜晶体管中的漏电极、源电极以及栅电极的各电极的材料没有特别限定，可以任意选择通常使用的材料。例如，还可以使用IT0、IZ0、Zn0、Sn02等透明电极、Al、Ag、Cu、Cr、N1、Mo、Au、T1、Ta等金属电极、或含有它们的合金的金属电极。
[0200]漏电极、源电极以及栅电极的各电极还可以为使不同的2层以上的导电层层叠而成的多层结构。特别是源和漏电极对低电阻布线的要求强，因而可以用T1、Mo等的密合性优异的金属将Al、Cu等良导体夹持而使用。
[0201]本发明的薄膜晶体管还可以适用于电场效应型晶体管、逻辑电路、存储器电路、差动放大电路等各种的集成电路。进一步，除了电场效应型晶体管以外，还可以适用于静电诱发型晶体管、肖特基势垒型晶体管、肖特基二极管、电阻元件。
[0202]本发明的薄膜晶体管的构成可以无限制地利用底格栅、底部接触、顶部接触等公知的构成。[0203]特别是底格栅构成能够获得相比无定形硅、ZnO的薄膜晶体管更高的性能，因而是有利的。底格栅构成容易减少制造时的掩模个数、容易减少大型显示器等的用途的制造成本，因而优选。
[0204]本发明的薄膜晶体管可以适合用于显示装置。
[0205]作为大面积的显示器用，特别优选沟道H型的底格栅构成的薄膜晶体管。沟道H型的底格栅构成的薄膜晶体管在光刻工序时的光掩模数少且可以以低成本制造显示器用面板。其中，沟道H型的底格栅构成顶部接触构成的薄膜晶体管由于迁移率等特性良好且容易工业化，因而特别优选。
实施例
[0206]实施例1?13
[0207][I]孔效果测定用元件、XRD评价用元件、AFM评价用元件、SIM评价用元件、截面TEM评价用元件的制作
[0208]在磁控管溅射装置中装载包含表I所示的组成的氧化物的4英寸靶材，作为基板(层叠结构中的绝缘层)分别装载载玻片(Corning社制#1737)。通过DC磁控管溅射法，在下述条件下在载玻片上成膜膜厚50nm的非晶质膜。在成膜时，按照表I所示的分压比导入Ar气体、O2气体、以及H2O气体。在大气中在300°C下对形成了非晶质膜的基板进行I小时加热，使非晶质膜分别晶体化而形成氧化物半导体膜(层叠结构中的氧化物层)。
[0209]另外，通过ICP-AES分析，确认了晶体化氧化物薄膜所含的各元素的原子比与溅射靶材相同。
[0210]将孔效果测定用元件放置于Resi Test8300型(Τ0Υ0 Corporation制)，在室温下评价了孔效果。表I示出结果。
[0211]溅射条件如下所述。
[0212]基板温度:25°C
[0213]到达压力:8.5 X KT5Pa
[0214]气氛气体:Ar气体、O2气体、H2O气体(分压参照表I)
[0215]派射压力(全压):0.4Pa
[0216]投入电力:DC100W
[0217]S (基板)-T (靶材)距离:70mm
[0218][2]薄膜晶体管的制作
[0219]在与上述[I]相同的溅射条件下，使用了在基板上带有膜厚IOOnm的热氧化膜的导电性硅基板。热氧化膜作为栅绝缘膜(层叠结构中的绝缘层)起作用，导电性硅部作为栅电极起作用。
[0220]在表I所示的条件下在栅绝缘膜上溅射成膜，制作了膜厚50nm的非晶质薄膜。作为抗蚀剂使用0FPR#800 (东京应化工业株式会社制)，进行涂布、预烘焙(80°C、5分钟)、曝光。显影后，进行后烘焙(120°C、5分钟)，使用草酸进行蚀刻，图案化成期望的形状。然后在热风加热炉内在300°C下进行I小时加热处理(退火处理)，使薄膜晶体化。
[0221]然后，通过溅射成膜对Mo(200nm)进行成膜。通过沟道H，将源/漏电极图案化成期望的形状。然后，通过等离子CVD法(PECVD)对SiNx进行成膜而形成保护膜。使用氟酸将接触孔开孔，制作薄膜晶体管。
[0222][3]薄膜晶体管的电场效应迁移率(y)、S值以及阈值电压(Vth)的测定
[0223]对于所制作的薄膜晶体管，评价电场效应迁移率(U)、S值以及阈值电压(Vth)。这些特性值如下测定:使用半导体参数分析仪(Keithley Instruments Inc制4200SCS),在室温、遮光环境下(屏蔽盒内)进行测定。另外，漏电压(Vd)为10V。表I示出结果。
[0224][4]基于XRD (X射线衍射测定)的晶体性评价
[0225]对于在玻璃基板上成膜的薄膜，通过X射线衍射测定装置(Rigaku制Ultima-1II)检测晶体结构。将实施例1?3的薄膜刚刚堆积后的X射线图分别示于图1。
[0226]在薄膜刚刚堆积后未观测到衍射峰，确认为非晶质。另外，在大气下进行3000C X Ih加热处理(退火)后，观测到衍射峰，可知进行晶体化。将实施例1?3的加热处理(退火)后的X射线图分别示于图2。
[0227]分析图后的结果，在实施例1?3的晶体化后的薄膜中，仅观测到氧化铟的方猛铁矿结构。该晶体结构可以通过JCPDS(Joint Committee of Powder DiffractionStandards ;粉末衍射标准联合委员会)卡进行确认。氧化铟的方猛铁矿结构为JCPDS卡N0.06-0416。
[0228]对于实施例4?13的薄膜，与实施例1?3同样地在薄膜刚刚堆积后为非晶质，在大气下进行300°C X Ih退火后仅观测到氧化铟的方锰铁矿结构。
[0229]上述XRD的测定条件如下所述。
[0230]装置:(株)Rigaku制 Ultima-1II
[0231]X射线:Cu_Ka射线(波长1.5406A、通过石墨单色器进行单色化)
[0232]2 Θ-Θ反射法、连续扫描(1.0° /分钟)
[0233]试样间隔:0.02°
[0234]开口DS、SS:2/3°、RS:0.6mm
[0235][5]基于AFM(原子间力显微镜)的氧化物薄膜的表面粗糙度的均方根(Rrms (均方根粗糙度))的评价
[0236]对于在玻璃基板上制作的实施例1的薄膜，使用AFM装置(JSPM-4500、日本电子制)，对氧化物薄膜的薄膜刚刚堆积后的表面测定20 μ mX 20 μ m见方的Rrms，结果为2.3羞，非常平坦。对于实施例2?13的Rrms的结果，示于表I。
[0237][6]基于SIM(扫描离子显微镜！Scanning 1n Microscopy)的晶体粒径评价
[0238]对于在玻璃基板上制作的实施例1的薄膜，实施SM测定。装置利用日立制聚焦离子束加工观察装置FB-2100，加速电压为40kV。
[0239]图3示出实施例1的300°C Xlh加热晶体化后的结果(图3是观察倍率为Χ10000、35μπι见方的SM图像的一部分放大图。)。
[0240]观测到晶体粒，平均晶体粒径为2.1 μ m。
[0241]对于氧化物半导体薄膜的平均晶体粒径，检测在35 μ m见方的框内观察的晶体粒各自的最大直径，以这些粒径的平均值求出。对于实施例2?13的平均晶体粒径，示于表
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[0242][7]基于截面 TEM(透射电子显微镜；Transmission Electron Microscope)的晶体形态评价[0243]对于在玻璃基板上制作的实施例1的薄膜，实施了截面TEM测定。装置利用日立制电场放出型透射电子显微镜HF-2100，加速电压为200kV。
[0244]将实施例1的300°C X Ih加热晶体化后的薄膜截面的TEM图像示于图4 (图4是观察倍率为Χ100000、1μπι见方下观察视野中的氧化物薄膜部分的一部分放大图。)。
[0245]如图4所示，观测到从基板表面至试样表面配置有柱状的晶体的状态。
[0246]对于实施例2?13，观测到从基板表面至试样表面配置有柱状的晶体的状态。
[0247]比较例I?7
[0248]除了将在氧化物半导体膜的成膜中使用的靶材、以及其溅射条件以及加热处理(退火)条件变为具有表2中记载的组成的靶材及条件以外，与实施例1同样地，制作薄膜晶体管以及薄膜评价用元件，进行评价。结果示于表2。
[0249][ I]基于XRD的晶体性评价
[0250]在与实施例同样的条件下在玻璃基板上成膜的薄膜，对于薄膜刚刚堆积后以及加热处理后，通过X射线衍射测定装置(RigakU制Ultima-1II)，检测晶体结构。将比较例I的薄膜的X射线图分别示于图5。
[0251]在薄膜刚刚堆积后观测到衍射峰，可知进行晶体化。另外，在大气下进行3000C X Ih退火后衍射峰的半值宽度变宽。
[0252]分析图后，其结果为比较例I的薄膜中仅观察到氧化铟的方锰铁矿结构。
[0253]对于比较例4、6，在薄膜刚刚堆积后为非晶质，在大气下进行300°C X Ih加热处理(退火)后晶体化，仅观测到氧化铟的方锰铁矿结构。
[0254][2]基于AFM的氧化物薄膜的Rrms的评价
[0255]对在玻璃基板上制作的比较例I的氧化物薄膜的薄膜刚刚堆积后的表面，利用AFM装置(JSPM-4500、日本电子制)测定20 μ mX 20 μ m见方的Rrms，结果为8.6A,可知比实施例更粗。对于比较例2?7的Rrms的结果,示于表2。
[0256][3]基于SM的晶体粒径评价
[0257]对于在玻璃基板上制作的比较例I的薄膜，在与实施例同样的测定条件下实施SM测定。装置利用日立制聚焦离子束加工观察装置FB-2100，加速电压为40kV。
[0258]图6示出比较例I的300°C X Ih加热处理后的结果(图6是观察倍率为X 10000、35 μ m见方的SIM图像的一部分放大图)。
[0259]观测到晶体粒，平均晶体粒径为0.57 μ m。
[0260]对于氧化物半导体薄膜的平均晶体粒径，检测在35 μ m见方的框内观察的晶体粒各自的最大直径，以这些粒径的平均值求出。对于比较例2?7的平均晶体粒径，示于表2。平均晶体粒径小于I μ m。
[0261][4]基于截面TEM的晶体形态评价
[0262]对于在玻璃基板上制作的比较例I的薄膜，在与实施例同样的测定条件下实施截面TEM测定。装置利用日立制电场放出型透射电子显微镜HF-2100，加速电压为200kV。
[0263]图7示出比较例I的300°C X Ih加热处理后的薄膜截面的TEM图像(图7是观察倍率为X 100000、I μ m见方下观察的视野中氧化物薄膜部分的一部分放大图)。
[0264]如图7所示，在膜中观测到微晶体。对于比较例2?7，与比较例I同样地在膜中观测到微晶体。[0265][5]元件的评价
[0266]将孔效果测定用元件放置于Resi Test8300型(Τ0Υ0 Corporation制)，在室温下评价了孔效果。表2示出结果。比较例I?7的载流子浓度超过1018cm_3，可知为氧缺陷多的薄膜。
[0267]另外,对于所制作的薄膜晶体管,使用半导体参数分析仪(Keithley InstrumentsInc制4200SCS)，在室温、遮光环境下(屏蔽盒内)进行测定。另外，漏电压(Vd)为10V。结果示于表2。如表2所示，对于比较例I?7的元件，由于载流子浓度超过1018cm_3，则获得常导通状态的特性。
[0268][表 1-1]
【权利要求】
1.一种层叠结构，其特征在于，其为包含氧化物层和绝缘层的层叠结构，其中， 所述氧化物层的载流子浓度为1018/cm3以下、平均晶体粒径为1μm以上， 所述氧化物层的晶体以柱状配置在所述绝缘层的表面。
2.根据权利要求1所述的层叠结构，其特征在于， 构成所述氧化物层的材料为选自氧化铟、掺杂有Ga的氧化铟、掺杂有Al的氧化铟、掺杂有Zn的氧化铟、以及掺杂有Sn的氧化铟所组成的组中的材料。
3.根据权利要求2所述的层叠结构，其特征在于， 所述掺杂有Ga的氧化铟的原子比Ga/(Ga+In)为0.01~0.09。
4.根据权利要求2所述的层叠结构，其特征在于， 所述掺杂有Al的氧化铟的原子比Al/(A1+In)为0.01~0.05。
5.一种层叠结构的制造方法，其特征在于，是包含氧化物层和绝缘层的层叠结构的制造方法，所述层叠结构的制造方法具有如下工序: (1)设置绝缘层的工序； (2)在所述绝缘层上，按照在20X20μ m2中的Rrms即均方根粗糙度=1.0~5.3A的范围的方式成膜氧化物薄膜的工序；以及 (3)在150~500°C下对所得的薄膜进行加热处理的工序。
6.根据权利要求5所述的层叠结构的制造方法，其特征在于， 在含有稀有气体原子、和选自水分子、氧分子以及一氧化二氮分子中的一个以上的分子的混合气体的气氛下进行所述氧化物层的成膜。
7.根据权利要求6所述的层叠结构的制造方法，其特征在于， 在含有稀有气体和至少水的混合气体的气氛下进行所述氧化物层的成膜。
8.根据权利要求7所述的层叠结构的制造方法，其特征在于， 所述气氛中所含的水的比例以分压比计为0.1%~25%。
9.根据权利要求5~8中任一项所述的层叠结构的制造方法，其特征在于， 所述氧化物层由选自氧化铟、掺杂有Ga的氧化铟、掺杂有Al的氧化铟、掺杂有Zn的氧化铟以及掺杂有Sn的氧化铟所组成的组中的材料构成。
10.根据权利要求9所述的层叠结构的制造方法，其特征在于， 所述掺杂有Ga的氧化铟的原子比Ga/(Ga+In)为0.01~0.09。
11.根据权利要求9所述的层叠结构的制造方法，其特征在于， 所述掺杂有Al的氧化铟的原子比Al/(A1+In)为0.01~0.05。
12.根据权利要求5~11中任一项所述的层叠结构的制造方法，其特征在于， 利用如下所述的溅射方法进行所述工序(2)的氧化物层的成膜， 所述溅射方法如下所述:将基板依次搬送至与隔开规定间隔并排设置在真空腔内的3个以上的靶材相对向的位置，在对所述各靶材由交流电源交替施加负电位及正电位的情况下，在分支连接了来自所述交流电源的输出的至少I个的2个以上的靶材之间，边进行施加电位的靶材的切换，边在靶材上产生等离子而在基板表面进行成膜。
13.根据权利要求12所述的层叠结构的制造方法，其特征在于， 使所述交流电源的交流功率密度为3W/cm2以上20W/cm2以下。
14.根据权利要求12或13所述的层叠结构的制造方法，其特征在于，所述交流电源的频率为IOkHz~IMHz。
15.一种层叠结构，其是通过权利要求5~14中任一项所述的制造方法制造的。
16.一种薄膜晶体管，其特征在于，以权利要求1~4及15中任一项所述的层叠结构中的氧化物层作为沟道层， 以绝缘层作为栅绝缘膜， 在所述氧化物层上具有至少含有SiNx的保护膜。
17.—种显示装置，其特征在于，具有权利要求16所述的薄膜晶体管。
【文档编号】H01L29/786GK103474469SQ201310336580
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2011年12月27日 优先权日:2010年12月28日
【发明者】江端一晃, 笘井重和, 霍间勇辉, 松崎滋夫, 矢野公规 申请人:出光兴产株式会社