本发明涉及用于液晶显示器或有机EL显示器等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)。氧化物半导体中，特别是铟、镓、锌、以及氧构成的非晶氧化物半导体(In-Ga-Zn-O、以下有时称作“IGZO”。)因具有非常高的载流子迁移率，而被优选使用。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)。在使用氧化物半导体作为薄膜晶体管的半导体层时，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，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(分别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，使漏电流提高1位数量级所需要的栅电压)低；(4)阈值电压(向漏电极施加正电压，向栅电压施加正负任意一种电压时，漏电流开始流通的电压)在时间上不发生变化而保持稳定；并且，(5)迁移率高；等。此外，进一步要求使用了IGZO等氧化物半导体层的TFT对于电压施加或光照射等应力的耐受性(应力耐受性)优异。例如指出的有：在对栅电极持续施加电压时、或持续照射在半导体层中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，阈值电压向负侧大幅地变化(偏移)，由此，TFT的开关特性变化。若由于光照射或电压施加造成的应力导致开关特性发生变化，则会招致显示装置自身的可靠性降低。另外，对于有机EL显示器也同样，从发光层泄漏的光会照射到半导体层上，导致阈值电压等值散乱的问题。由此，尤其是阈值电压的偏移会招致具备TFT的液晶显示器或有机EL显示器等显示装置自身的可靠性降低，因此强烈希望提高应力耐受性(应力施加前后的变化量少)。作为改善了TFT的电学特性的技术，可以举出例如专利文献2。专利文献2中公开了使与形成沟道区域的氧化物半导体层相接的绝缘层(包括栅极绝缘层)的氢浓度降低到小于6×1020原子/cm3，抑制氢向氧化物半导体层扩散的技术。若氢向氧化物半导体层扩散，则氧化物半导体层内的载流子变得过剩，因此，阈值电压向负方向变动，即使在未对栅电极施加电压的状态(Vg＝0V)下，漏电流也流动(常导通)，成为电学特性不良的晶体管。所以在专利文献2中记载了通过使与氧化物半导体层相接的绝缘层成为氢浓度降低了的氧化物绝缘层，从而抑制氢向氧化物半导体层扩散，从绝缘层向氧化物半导体层的缺陷供给氧，因此晶体管的电学特性变得良好。专利文献2中记载了用于发挥该效果的绝缘层中的氢浓度必须降低到小于6×1020原子/cm3。另外，还记载了在利用等离子体CVD法形成这样的降低了氢浓度的绝缘层的情况下，必须选择分子结构中不含氢的气体(即，不使用通常使用的SiH4而使用SiF4)作为堆积性气体使用。但是，在上述专利文献2中，完全没有留意应力耐受性的提高(特别是对于光或偏压应力的阈值电压变化降低)。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：
发明要解决的课题本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于提供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、用于沟道层的单层的氧化物半导体层、用于保护氧化物半导体层的表面的蚀刻阻挡层、源-漏电极和配置于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：构成所述氧化物半导体层的金属元素由In、Zn及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被控制在4原子％以下。在本发明的优选实施方式中，上述栅极绝缘膜具有单层结构或两层以上的层叠结构，在具有所述层叠结构的情况下，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。在本发明的优选实施方式中，将各金属元素相对于除了氧的所有金属元素的含量(原子％)分别设为[In]、[Zn]及[Sn]时，所述氧化物半导体层满足以下的关系：15≤[In]≤35、50≤[Zn]≤60、15≤[Sn]≤30。本发明还包括具备上述中任一项所述的薄膜晶体管的显示装置。发明效果根据本发明，能够提供由于与氧化物半导体层直接接触的栅极绝缘膜中的氢浓度被降低到适当的范围内，因而开关特性及应力耐受性优异的(具体来说，不仅负偏压施加前后的阈值电压的偏移量少，而且光照射及负偏压施加前后的阈值电压的偏移量少)薄膜晶体管。若使用本发明的薄膜晶体管，能够得到可靠性高的显示装置。附图说明图1是用于对本发明的薄膜晶体管进行说明的示意剖面图。具体实施方式本发明人等为了提供将由规定的金属元素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，反复进行了研讨。其结果是，发现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降低到适当的范围内，则能达成预期的目的。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、作为堆积气体的SiH4相对于N2O的流量比)即可，从而完成本发明。即，本发明的薄膜晶体管的特征在于，具备栅电极、用于沟道层的单层的氧化物半导体层、用于保护氧化物半导体层的表面的蚀刻阻挡层、源-漏电极(还有时称作“S/D电极”)和配置于栅电极与沟道层之间的栅极绝缘膜的薄膜晶体管，构成氧化物半导体层的金属元素由In、Zn及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]是指In、Zn、Sn相对于除了氧(O)的所有金属元素(In、Zn、Sn)的各含量(原子％)。在本说明书中，“应力耐受性优异”是指，在利用后述的实施例所记载的方法，分别进行(a)对栅电极施加负偏压的应力施加试验(NBTS)、以及(b)边对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。对于(a)NBTS，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。对于(b)LNBTS，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，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％。这些测定方法在后述的实施例一栏中详述。需要说明的是，在前述的专利文献2中，也公开了降低栅极绝缘层中的氢浓度来实现电学特性的改善的技术，但本发明在以下方面不同。首先，本发明中，如上所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，与此相对，专利文献2中，虽然有关于阈值电压的记载，但没有关于提高应力耐受性的记载。根据本发明人等的探讨结果明确了通过降低栅极绝缘膜的氢量，负偏压应力耐受性(NBTS)提高。还明确了通过降低栅极绝缘膜的氢量，对上述NBTS附加了光照射的负偏压+光照射应力耐受性(LNBTS)也提高。这些见解没有记载于专利文献2中。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引起的(详细后述)。即，如上所述在专利文献2中，作为堆积气体，不使用通常在栅极绝缘层的成膜中使用的SiH4，而选择使用通常不使用的SiF4，由此将栅极绝缘层中的氢浓度显著降低到小于6×1020原子/cm3(即小于0.667原子％)。与此相对，本发明中，以使用通常在栅极绝缘层的成膜中使用的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，从而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那样极端地降低氢量，则栅极绝缘层成膜时的成膜温度变得过高，或输入功率变得过高，成膜率极端地变缓，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，希望本发明中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，边参照图1，边对本发明的薄膜晶体管(TFT)及其优选制造方法进行详细说明。但是，图1是用于对本发明的TFT的一个优选实施方式进行说明的示意剖面图，本发明没有限于此的意思。例如图1中示出底栅型TFT，但并不限于此，可以是从基板侧开始依次在氧化物半导体层上具备栅极绝缘膜和栅电极的顶栅型TFT。如图1所示，本实施方式的TFT在基板1上依次形成了栅电极2及栅极绝缘膜3，在栅极绝缘膜3上形成了氧化物半导体层4。在氧化物半导体层4上形成了源-漏电极5，在其上形成了保护膜(绝缘膜)6，经由接触孔7将透明导电膜8电连接于漏电极5。另外，在氧化物半导体层4上，形成了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。用于本发明的基板1若为在显示装置的领域中通常使用的基板则没有特别限定，可例示出例如无碱玻璃、钠钙玻璃等。其中优选的是无碱玻璃。接着，在基板1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常用的栅电极。具体来说，可以优选使用电阻率低的Al或Cu金属、耐热性高的Mo、Cr、Ti等高熔点金属、或它们的合金。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。接下来，形成栅极绝缘膜3。栅极绝缘膜3配置于栅电极2与用作沟道层的氧化物半导体层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，明确了通过控制与氧化物半导体层4界面相接的栅极绝缘膜3中的氢量，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)。需要说明的是，栅极绝缘膜3可以由单层构成，也可以层叠两层以上而构成。层叠结构的层数没有特别限定，但考虑到生产率、加工性等，优选层叠大约三层以下。栅极绝缘膜3具有层叠结构的情况下，与氧化物半导体层4直接接触的层中的氢浓度被控制在4原子％以下即可，未直接接触的层中的氢浓度没有特别限定。若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，但若考虑到后述的栅极绝缘膜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。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法中的成膜条件而降低到规定范围。具体来说，首先优选将成膜时的温度控制在大约250℃以上。如后述的实施例中所证实，若成膜时的温度低于250℃，则不能充分降低氢浓度，而应力耐受性降低。推测这是由于，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。更优选的成膜温度为270℃以上，进一步优选为300℃以上。需要说明的是，若考虑到所使用的装置的上限温度等，则其上限优选控制在大约450℃以下。另外，成膜时的功率密度优选控制在大约0.6W/cm2以上。如后述的实施例中所证实，成膜时的功率密度若低于大约0.6W/cm2，则不能充分降低氢浓度，而应力耐受性降低。推测这是由于，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尽量少，即，使SiH4/N2O表示的流量比(体积比)为一定以下。该流量比高时，可见SiO2的膜密度的降低，可以认为大量含有Si-H键。上述以外的成膜条件没有特别限定，可以采用通常进行的条件。例如对于气压而言，作为放电稳定程度的气压，优选控制在大约50～300Pa。通过上述方法形成的栅极绝缘膜3以硅氧化膜(SiO2)为主，除此之外，在膜中的氢含量不增加的范围内可以包含Si-N键。例如，以SiO2为代表的硅氧化膜(SiOx)致密且体现出良好的绝缘特性，但有成膜速度慢的缺点。因此，通过将成膜速度较快的SiHx膜和SiOx膜层叠而构成栅极绝缘膜3，能够实现绝缘特性和生产率的兼顾。此时，为了确保绝缘特性，SiNx膜的厚度相对于SiOx膜的厚度优选为50倍以下，更优选为25倍以下。接着，在栅极绝缘膜3上形成氧化物半导体层4。该氧化物半导体层4通常夹在上述栅极绝缘膜3与源-漏电极(S/D电极)5之间。本发明中，氧化物半导体层4的金属元素由In、Zn及Sn构成(氧化物半导体层＝IZTO)。上述金属元素的作用的概要如下。首先，In具有增多载流子而提高迁移率的作用。但是，若In量变多，则载流子变得过多而导体化，除此之外，对于应力的稳定性降低。Sn具有提高湿蚀刻性等氧化...