本发明涉及用于液晶显示器和有机EL显示器等的显示装置的薄膜晶体管(TFT)、以及具备该薄膜晶体管的显示装置。
背景技术：
非晶(非晶质)氧化物半导体与通用的非晶硅(a-Si)相比，具有高载流子迁移率(也称为场效应迁移率。以下，有时仅称为“迁移率”。)，光学带隙大，能够以低温成膜，因此，期待其面向要求大型、高分辨率、高速驱动的新一代显示器或耐热性低的树脂基板等的应用(专利文献1等)。氧化物半导体之中，特别是由铟、镓、锌和氧构成的非晶氧化物半导体(In-Ga-Zn-O，以下有时称为“IGZO”。)，因为具有非常高的载流子迁移率，所以优选使用。例如在非专利文献1和2中公开了将In∶Ga∶Zn＝1.1∶1.1∶0.9(原子％比)的氧化物半导体薄膜用于薄膜晶体管(TFT)的半导体层(活性层)。将氧化物半导体作为薄膜晶体管的半导体层使用时，不仅要求载流子浓度(迁移率)高，而且还要求TFT的开关特性(晶体管特性、TFT特性)优异。具体来说，有如下要求：(1)通态电流(对栅电极和漏电极施加正电压时的最大漏电流)高；(2)断态电流(对栅电极施加负电压，对漏电极施加正电压时的漏电流)低；(3)SS值(SubthresholdSwing：亚阈值摆幅；使漏电流提高1个数量级所需要的栅电压)低；(4)阈值电压(对漏电极施加正电压，对栅电压施加正负任意一种电压时，漏电流开始流通的电压)不随时间上发生变化而保持稳定；并且，(5)迁移率高；等。此外，使用了IGZO等氧化物半导体层的TFT，还要求对于电压施加或光照射等的应力的耐受性(应力耐受性)优异。例如所指出的有，对于栅电极持续施加电压时，或持续照射在半导体层发生吸收的蓝色波段的光时，在薄膜晶体管的栅极绝缘膜与半导体层界面，电荷被捕获，由于半导体层内部的电荷的变化，所以阈值电压向负侧大幅变化(偏移)，由此导致TFT的开关特性变化。若由于光照射或电压施加形成的应力导致开关特性变化，则招致显示装置自身的可靠性降低。另外，在有机EL显示器中也同样，来自发光层的泄漏光照射到半导体层上，产生阈值电压等的值发生偏差这样的问题。特别是像这样的阈值电压的偏移会招致具备TFT的液晶显示器和有机EL显示器等的显示装置自身的可靠性降低，所以迫切希望应力耐受性的提高(应力施加前后的变化量少)。作为改善TFT的电气特性的技术，例如，可列举专利文献2。在专利文献2中公开有一种技术，其使与形成沟道区域的氧化物半导体层接触的绝缘层(含栅极绝缘层)的氢浓度减少至低于6×1020原子/cm3，以抑制氢向氧化物半导体层的扩散。若氢扩散至氧化物半导体层，则氧化物半导体层内的载流子过剩，因此，阈值电压向负方向变动，即使在没有向栅电极施加电压的状态(Vg＝0V)下，漏电流仍流通(常导通)，成为电气特性不良的晶体管。因此在专利文献2中记述，使与氧化物半导体层接触的绝缘层成为氢浓度减少了的氧化物绝缘层，从而抑制氢向氧化物半导体层的扩散，因为氧从绝缘层被供给到氧化物半导体层的缺陷，所以晶体管的电气特性变得良好。在专利文献2中记述，用于发挥这样的效果的绝缘层中的氢浓度需要减少至低于6×1020原子/cm3。另外还记述了，以等离子体CVD法形成这样降低了氢浓度的绝缘层时，作为堆积性气体，必须选择使用在分子结构中不含氢的气体(即，不是通常所用的SiH4，而是使用SiF4)。然而，在上述专利文献2中，对于应力耐受性的提高(特别是对于光或偏压应力的阈值电压变化的减少)完全没有注意。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2011-108873号公报专利文献2：日本特开2012-9845号公报非专利文献非专利文献1：固体物理，VOL44，P621(2009)非专利文献2：Nature，VOL432，P488(2004)
技术实现要素：
发明所要解决课题本发明鉴于上述情况而形成，其目的在于，提供一种在具备氧化物半导体层薄膜的薄膜晶体管中，对于光或偏压应力等，阈值电压的变化量小且应力耐受性优异的薄膜晶体管、以及具备薄膜晶体管的显示装置。用于解决课题的手段能够解决上述课题的本发明的薄膜晶体管是具备栅电极、用于沟道层的两层以上的氧化物半导体层、用于保护氧化物半导体层的表面的蚀刻阻挡层、源-漏电极和配置在栅电极与沟道层之间的栅极绝缘膜的薄膜晶体管，其具有如下要点：构成与所述栅极绝缘膜直接接触的所述氧化物半导体层的金属元素由In、Zn和Sn构成，并且与所述氧化物半导体层直接接触的所述栅极绝缘膜中的氢浓度控制在4原子％以下。在本发明的优选的实施方式中，上述栅极绝缘膜具有单层结构或两层以上的层叠结构，具有上述层叠结构时，与所述氧化物半导体层直接接触的层中的氢浓度被控制在4原子％以下。在本发明的优选的实施方式中，与所述栅极绝缘膜直接接触的氧化物半导体层中，将各金属元素相对于除去氧的全部金属元素的含量(原子％)分别设为[In]、[Zn]和[Sn]，满足以下的关系15≤[In]≤35，50≤[Zn]≤60，15≤[Sn]≤30，并且，与所述源-漏电极直接接触的氧化物半导体层中，将各金属元素相对于除去氧的全部金属元素的含量(原子％)分别设为[In]、[Zn]、[Sn]和[Ga]时，满足以下的关系10≤[In]≤20，30≤[Zn]≤40，5≤[Sn]≤15，35≤[Ga]≤50。本发明还包括具备上述任意一项所述的薄膜晶体管的显示装置。发明效果根据本发明，因为与氧化物半导体层直接接触的栅极绝缘膜中的氢浓度被减少至适当的范围，所以能够提供开关特性和应力耐受性优异的(具体来说，不仅负偏压施加前后的阈值电压的偏移量少，而且光照射和负偏压施加前后的阈值电压的偏移量也少)薄膜晶体管。如果使用本发明的薄膜晶体管，则能够得到可靠性高的显示装置。附图说明图1是用于说明本发明的薄膜晶体管的示意剖面图。具体实施方式本发明人等为了提供将规定的金属元素所构成的氧化物半导体层用于TFT的活性层时的应力耐受性(负偏压施加前后、及光照射+负偏压施加前后的阈值电压的偏移量少)优异的薄膜晶体管，而反复研究。其结果确认到，若将与氧化物半导体层直接接触的栅极绝缘膜中的氢浓度减少至适当的范围内，则可达成预期的目的。另外发现，对于这样的栅极绝缘膜而言，至少适当控制利用等离子体CVD法将与氧化物半导体层直接接触的栅极绝缘膜成膜时的条件(例如，温度、成膜功率密度、作为堆积气体，SiH4对于N2O的流量比)即可，从而完成了本发明。即，本发明的薄膜晶体管的特征在于，是具备栅电极、用于沟道层的两层以上的氧化物半导体层、用于保护氧化物半导体层的表面的蚀刻阻挡层、源-漏电极(也有时称为“S/D电极”)和配置在栅电极与沟道层之间的栅极绝缘膜的薄膜晶体管，构成与栅极绝缘膜直接接触的氧化物半导体层的金属元素由In、Zn和Sn构成，并且与氧化物半导体层直接接触的栅极绝缘膜中的氢浓度被控制在4原子％以下。在本说明书中，[In]、[Zn]、[Sn]、[Ga]是指相对于除氧(O)的全部金属元素(In、Zn、Sn、和根据情况不同的Ga)，In、Zn、Sn、Ga的各含量(原子％)。在本说明书中，“应力耐受性优异”是指以后述的实施例所述的方法，分别进行(一)对栅电极施加负偏压的应力施加试验(NBTS)、以及(二)边向试样照射白色光边对栅电极持续施加负偏压的应力施加试验(LNBTS)2小时时，满足以下的要件。(一)在NBTS中，应力施加试验前后的阈值电压(Vth)的偏移量ΔVth(绝对值)低于5.0V(二)在LNBTS中，应力施加试验前后的阈值电压(Vth)的偏移量ΔVth(绝对值)低于5.0V，SS值低于0.55V/decade，并且应力施加试验前后的通态电流(Ion)的变化量ΔIon(绝对值)低于10％这些测量方法在后述的实施例一栏中详述。还有，在前述的专利文献2中，也公开有一种减少栅极绝缘层中的氢浓度来实现电气特性的改善的技术，但与本发明在以下的方面有所不同。首先，在本发明中，如上述以提供应力施加前后的阈值电压的变化量少的应力耐受性优异的薄膜晶体管为解决课题，相对于此，在专利文献2中，虽然有关于阈值电压的记述，但并没有关于应力耐受性提高的记述。根据本发明人等的研究结果判明，通过减少栅极绝缘膜的氢量，负偏压应力耐受性(NBTS)提高。此外还判明，通过减少栅极绝缘膜的氢量，在上述NBTS中附加了光照射的负偏压+光照射应力耐受性(LNBTS)也提高。这些见解在专利文献2中没有记述。另外，严格地说，二者的栅极绝缘层中的氢浓度的范围也不同。这是由于用于得到栅极绝缘层的二者的成膜方法不同(详情后述)。即，如前述在专利文献2中，作为堆积气体，不使用栅极绝缘层的成膜通常所用的SiH4，而是选择使用通常并不使用的SiF4，由此使栅极绝缘层中的氢浓度显著降低至低于6×1020原子/cm3(＝低于0.667原子％)。相对于此，在本发明中，以使用栅极绝缘层的成膜中通常所用的SiH4为前提，通过适当控制气体的流量比、温度、成膜功率密度等，将栅极绝缘层中的氢浓度降低到4原子％以下。若像专利文献2这样极端减少氢量，则栅极绝缘层成膜时的成膜温度变得过高，或输入功率过高，成膜速率极端迟缓，因此TFT制造的周期时间增加，而不适宜。因此，从实用化的观点出发，希望本发明的栅极绝缘层中的氢浓度的下限大于专利文献2的上限(低于0.667原子％)而为0.667原子％以上。以下，一边参照图1，一边对于本发明的薄膜晶体管(TFT)及其优选的制造方法进行详细地说明。但是，图1是用于说明本发明的TFT的优选的一个实施方式的示意剖面图，本发明没有限定于此的意思。例如在图1中显示底栅型的TFT，但不限定于此，也可以是从基板侧依次在氧化物半导体层之上具备栅极绝缘膜和栅电极的顶栅型的TFT。如图1所示，本实施方式的TFT，在基板1上依次形成有栅电极2和栅极绝缘膜3，在栅极绝缘膜3之上形成有氧化物半导体层4。在氧化物半导体层4之上形成有源-漏电极5，其上形成有保护膜(绝缘膜)6，经由接触孔7，透明导电膜8与漏电极5电连接。另外，在氧化物半导体层4之上，形成有用于保护氧化物半导体层4的表面的蚀刻阻挡层9。首先，准备基板。本发明所用的基板1如果是显示装置的领域通常所用的则没有特别限定，例如，可例示无碱玻璃、钠钙玻璃等。其中优选的是无碱玻璃。其次，在基板1之上形成栅电极2。栅电极2的种类也没有特别限定，可以使用在本发明的技术领域中通用的栅电极。具体来说，可以优选使用电阻率低的Al和Cu的金属、耐热性高的Mo、Cr、Ti等高熔点金属，以及它们的合金。形成栅电极2的方法也没有特别限定，可以采用通常使用的方法。接着，形成栅极绝缘膜3。栅极绝缘膜3配置在栅电极2与作为沟道层使用的氧化物半导体层4之间。而且本发明的特征在于，与所述氧化物半导体层直接接触的栅极绝缘膜3中的氢浓度被控制在4原子％以下。根据本发明人等的实验结果判明，通过控制与氧化物半导体层4在界面接触的栅极绝缘膜3中的氢量，对于偏压应力、以及对于光+负偏压应力的耐受性显著提高(参照后述的实施例)。还有，栅极绝缘膜3可以由单层构成，也可以两层以上层叠构成。层叠结构的层数没有特别限定，但考虑生产率、加工性等，则优选大致以三层以下层叠。栅极绝缘膜3具有层叠结构时，与氧化物半导体层4直接接触的层中的氢浓度控制在4原子％以下即可，没有直接接触的层中的氢浓度没有特别限定。如果从应力耐受性提高的观点出发，则栅极绝缘膜3中的氢浓度越小越好，优选为3.5原子％以下，更优选为3原子％以下。从上述特性的观点出发，栅极绝缘膜3中的氢浓度的下限没有特别限定，但如果考虑后述的栅极绝缘膜3的成膜方法，则优选高于专利文献2的上限(低于0.667原子％)而为0.667原子％以上。在本发明中，栅极绝缘膜中的氢浓度可以通过适当控制等离子体CVD法的成膜条件而降低至规定范围。具体来说，首先，优选将成膜时的温度大致控制在250℃以上。如后述实施例所证实的，若成膜时的温度低于250℃，则不能充分减低氢浓度，应力耐受性降低。这被推测是由于，成膜温度降低造成所形成的膜的密度降低，SiO2膜中的Si-H键增加。更优选的成膜温度是270℃以上，进一步优选为300℃以上。还有，若考虑使用的装置的上限温度等，则其上限优选大致控制在450℃以下。另外，成膜时的功率密度优选大致控制在0.6W/cm2以上。如后述的实施例所证实的，成膜时的功率密度大体上若低于0.6W/cm2，则不能充分减低氢浓度，应力耐受性降低。这被推测是由于，若成膜功率密度过低，则膜密度降低，Si-H键被纳入膜中。更优选的成膜功率密度为0.66W/cm2以上，进一步优选为0.7W/cm2以上。另外，对于成膜时的气体，优选使SiH4相对于N2O尽可能少，即，使SiH4/N2O所表示的流量比(体积比)在一定以下。该流量比高时，可见SiO2的膜密度的降低，认为大量含有Si-H键。上述以外的成膜条件未特别限定，可以采用通常进行的条件。例如对于气压而言，作为放电稳定的程度的气压，优选大致控制在50～300Pa。由上述方法...