氧氮化物半导体薄膜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种薄膜晶体管，特别是涉及一种作为薄膜晶体管的沟道层材料的氧 氮化物半导体薄膜以及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 薄膜晶体管（ThinFilmTransistor:TFT)是一种场效应晶体管（FieldEffect Transistor:FET)。作为基本结构，TFT是具有栅极端子、源极端子以及漏极端子的3端子 元件，而且是具有将在基板上成膜的半导体薄膜作为电子或空穴移动的沟道层使用，通过 在栅极端子上施加电压，并且控制流向沟道层的电流，从而开关源极端子和漏极端子之间 的电流的功能的有源元件。目前，作为TFT的沟道层，广泛地使用多晶硅膜、非晶硅膜。
[0003] 其中，非晶硅膜可在大面积的第10代玻璃基板上均匀成膜，而且可作为液晶面板 用TFT的沟道层被广泛应用。但是，由于作为载流子的电子的迀移率（载流子迀移率）较 低且在lcmVVsec以下，其在高精细面板用TFT中的应用正趋于困难。即，伴随着液晶的高 精细化，需要TFT的高速驱动，为了实现这种TFT的高速驱动，需要在沟道层中使用表现出 比非晶硅膜的载流子迀移率lcm2/Vsec高的载流子迀移率的半导体薄膜。
[0004] 与此相对，多晶硅膜表现出100cm22/VSeC左右的高载流子迀移率，因此，其作为用 于高精细面板的TFT的沟道层材料，具有充分的特性。但是，多晶硅膜在晶界处的载流子迀 移率降低，因此，基板的面内均匀性欠缺，存在TFT的特性出现偏差的问题。另外，在多晶 硅膜的制造工序中，在300°C以下的较低温度形成非晶硅膜之后，通过退火处理工序使该膜 结晶化。该退火处理工序是应用准分子激光器退火等的特殊工序，因此，需要较高的运行成 本。此外，能够进行处理的玻璃基板的大小也停留在第5代左右的水平，因此，不仅在降低 成本方面受限，而且在产品扩展上也受限。
[0005] 因此，作为TFT的沟道层的材料，目前需要一种兼具非晶硅膜和多晶硅膜的优越 特性并且以较低成本即可获得的材料。例如，在日本特开2010-219538号公报中提出了一 种透明非晶氧化薄膜（a-IGZO膜），其是通过气相成膜法成膜，由In(铟）、Ga(镓）、Zn(锌） 以及〇(氧）构成，而且没有添加杂质离子，载流子迀移率高于lcm2/Vsec并且载流子的浓 度为1016/cm3以下。
[0006] 但是，在日本特开2010-219538号公报中提出的通过溅射法、脉冲激光蒸镀法等 气相成膜法所形成的a-IGZO膜，虽然表现出大致为lcm2/Vsec~10cm2/Vsec的范围的相对 较高的载流子迀移率，但是，由于非晶氧化物薄膜原本容易产生氧缺失，以及，面对加热等 外部因素，作为载流子的电子的行为不一定稳定，因此，会产生TFT等装置的动作时常变得 不稳定的问题。
[0007] 并且，进一步地指出，会产生非晶膜中特有的现象，S卩，若在可见光的照射下对TFT 元件连续施加负偏压，则阈值电压转移到负侧（光负偏压劣化现象）的现象，在液晶等的显 示的应用上成为严重的问题。
[0008] 另一方面，在日本特开2008-192721号公报中，以获得不需要高温程序即可制作 用于高分子基板的元件、而且能够达到低成本、高性能且高可靠性的薄膜晶体管作为目的， 提出了掺杂有Sn(锡）、Ti(钛）、W(钨）中的任意元素的ln203 (氧化铟）膜、掺杂有W和 Zn及/或Sn的ln203膜。根据日本特开2008-192721号公报，认为通过将这些非晶In203膜 用于沟道层中，TFT元件的载流子迀移率可达到5cm2/Vsec以上。
[0009] 另外，在日本特开2010-251604号公报中，提出了一种非晶ln203膜，其是将掺杂 有Sn、Ti、W以及Zn中的一种或2种以上的ln203烧结体作为靶，使用非加热的溅射法成膜 后，在150°C~300°C的温度进行10分钟~120分钟的热处理，由此而得到。根据日本特开 2010-251604号公报，通过该热处理，在保持兼具高载流子迀移率和非晶性这一特征的同 时，通过相对容易的控制，能够得到稳定性优越的ln203膜。
[0010] 同样地，在日本特开2011-58012号公报中，提出了一种非晶ln203膜，其含有In、 Ga、Zn、0以及N(氮）、并且N的浓度被控制在1X102°原子/cc (atom/cc)以上且1X10 22原 子/cc以下，而且稳定性优越。
[0011] 但是，在这些文献中记载的ln203膜，均为非晶膜，因此，不能根本上解决其容易产 生氧缺失、对加热等外部因素不稳定的问题、或是发生光负偏压劣化现象的问题。另外，在 考虑将其作为面向高精细面板用TFT的沟道层材料来使用的情况下，期望达到更高的载流 子迀移率。
[0012] 对此，在非专利文献1中，提出了一种掺杂有Ga的ln203膜，其是将掺杂有Ga的 In2〇3烧结体作为靶，使用溅射法形成非晶膜后，在300°C温度进行1小时的热处理以使其结 晶化，由此而得到。该膜，虽然具有高载流子迀移率，但难以进行氧缺失的控制，而且，由于 载流子的浓度变高且达到1X1017cm3左右，因此，难以获得具有稳定特性的TFT元件。
[0013]另外，在日本特开2009-275236号公报中，提出了一种氧氮化物半导体薄膜，其含 有Zn和In或Ga等的添加元素、而且NAN+0)表示的N的原子组成比率为7原子％以上并 且低于100原子％。该氧氮化物半导体薄膜，可使用在气相中导入含有N(氮）原子的原 料气体或者使用自由基源照射N自由基的溅射法、蒸镀法以进行成膜，由此而形成，或者， 在成膜以后，任选地通过在150°C~450°C的温度进行热处理，由此而形成。根据日本特开 2009-275236号公报，该氧氮化物半导体薄膜具有六方晶系结构，而且具有10cm2/Vsec~ 30cm2/Vsec的高载流子迀移率和优越的稳定性。其中，载流子浓度变高且达到约1X10lscm3 左右。
[0014] 现有技术文献
[0015] 专利文献
[0016] 专利文献1:日本特开2010-219538号公报；
[0017] 专利文献2:日本特开2008-192721号公报；
[0018] 专利文献3:日本特开2010-251604号公报；
[0019] 专利文献4:日本特开2011-58012号公报；
[0020] 专利文献5:日本特开2009-275236号公报。
[0021] 非专利文献
[0022] 非专利文献 1:AppliedPhysicsExpress5 (2012) 011。
【发明内容】
[0023] 发明要解决的课题
[0024] 本发明的目的在于，通过氧氮化物结晶质薄膜提供一种适合作为薄膜晶体管 (TFT)的沟道层材料的半导体薄膜，其可消除硅半导体薄膜、氧化物半导体薄膜所存在的问 题并且具有较低的载流子浓度以及较高的载流子迀移率。
[0025] 解决课题的方法
[0026] 本发明的氧氮化物半导体薄膜，其特征在于，其是由含有In、0以及N的结晶质的 氧氮化物半导体构成，或者，由含有In、0、N以及添加元素M(M是从Zn、Ga、Ti、Si、Ge、Sn、 W、Mg、Al、Y以及稀土类元素中选出的一种以上的元素）的结晶质的氧氮化物半导体构成， 并且，载流子浓度为lX1017cm3以下、载流子的迀移率为5Cm2/Vsec以上。
[0027] 上述氧氮化物半导体中的N的含量，优选是3X102°原子/cm3以上并且低于 1X1022原子/cm3。
[0028] 上述氧氮化物半导体的结晶结构，优选是由方铁锰矿型结构的ln203所构成，并 且，N原子固溶于ln203相中。
[0029] 对上述添加元素M的含量而言，优选WMAln+M)的原子数比计是大于0且在0. 20 以下。
[0030] 上述载流子的迀移率，优选为15cm2/Vsec以上，更优选为25cm2/Vsec以上。
[0031] 上述氧氮化物半导体的膜厚，优选为15nm~200nm，更优选为40nm~100nm。
[0032] 该结晶质的氧氮化物半导体薄膜，能够通过对含有In、0以及N的非晶质的氧氮 化物半导体薄膜或者含有In、0、N以及添加元素M(M是从Zn、Ga、Ti、Si、Ge、Sn、W、Mg、A1、 Y以及稀土类元素中选出的一种以上的元素）的非晶质的氧氮化物半导体薄膜进行加热温 度为200°C以上、加热时间为1分钟~120分钟的退火处理而得到。
[0033] 另外，本发明的薄膜晶体管，其是具有源电极、漏电极、栅电极、沟道层以及栅绝缘 膜的薄膜晶体管，其特征在于，沟道层是由本发明的氧氮化物半导体薄膜构成。
[0034] 发明的效果
[0035] 本发明的氧氮化物半导体薄膜，是一种氧氮化物结晶质薄膜，并且其具有 1乂1017(^ 3以下的较低的载流子浓度和5(^2/^6(3以上的较高的载流子迀移率。此外，本发 明的氧氮化物半导体薄膜，不存在传统的氧化物半导体薄膜特别是非晶氧化物半导体薄膜 中的问题，即不存在易于产生氧缺失、对热等外部因素不稳定、或者易于产生光负偏压劣化 现象的缺陷。
[0036] 另外，根据本发明，通过对由规定的组成的氧氮化物构成的非晶质的薄膜进行 400°C以下的退火处理，可将其转换为具有高结晶度的结晶质的氧氮化物薄膜。
[0037] 此外，通过将本发明的氧氮化物半导体薄膜作为沟道层材料使用，能够以低成本 来实现TFT的特性的改善。因此，本发明在工业上是非常有用的。
【附图说明】
[0038] 图1是本发明的TFT元件的概略剖面图。
【具体实施方式】
[0039] 本发明人等针对氧化物半导体薄膜的替代材料进行了深入研究。具体而言，反复 进行了下述实验，即，对由溅射法得到的主要成分为In的氧氮化物半导体薄膜进行退火处 理，以形成结晶质的氧氮化物半导体薄膜。此时，针对结晶质的氧氮化物半导体薄膜的可在 抑制载流子浓度的同时表现出高载流子迀移率的条件，进行了详细探讨。其结果是，本发 明人等发现，对ln、0以及N，或者，在它们中加入了规定的添加元素的非晶质的氧氮化物半 导体薄膜，进行规定条件的退火处理，由此得到结晶质的氧氮化物半导体薄膜，该薄膜具有 5cm2/Vsec以上的高载流子浓度，同时表现出lX1017cm3以下的低载流子浓度，而且能够适 宜作为薄膜晶体管（TFT)的沟道材料使用。本发明是基于该发现而完成的。
[0040] 下面，对本发明的氧氮化物半导体薄膜，以及，将该氧氮化物半导体薄膜作为沟道 层材料使用的薄膜晶体管（TFT)，进行详细说明。
[0041] 1.氧氮化物半导体薄膜
[0042] (1)组成
[0043] 本发明的氧氮化物半导体，是由含有ln、0以及N，或者，除此之外另含有规定的添 加元素M的氧氮化物半导体所构成。
[0044] 通常，主要成分为In的结晶质的氧化物半导体薄膜容易产生氧缺失且该氧缺失 为主要的载流子源，因此，载流子浓度趋向于变高。但是，在本发明中，通过加入N来形成氧 氮化物半导体薄膜，并且，由作为受体而起作用的N所产生的空穴和由氧缺失所产生的成 为载流子的电子发生中和，因此，作为结果，可抑制载流子浓度。
[0045] 氧氮化物半导体薄膜中的N的含量，设为3X102°原子/cm3以上且小于1X10 22原 子/cm3,优选设为5X102°原子/cm3以上且8X1021原子/cm3以下，更优选设为8X1O20原 子/cm3以上且6X10 21原子/cm3以下。当N的含量低于3X10 2°原子/cm3时，不能充分 获得上述效果。另一方面，即使将N的含量设为IX1022原子/cm3以上，也不能期待获得更 大的效果。另外，结晶化温度变得过高，因此，即使在400°C以上的高温进行退火处理，也难 以得到结晶质的氧氮化物半导体薄膜。
[0046] 本发明的氧氮化物半导体薄膜，除了含有ln、0以及N以外，作为添加元素M，能够 含有可抑制载流子的迀移率的降低并且作为载流子源不会使载流子浓度增加到必要浓度 以上，并且以抑制产生氧缺失的作用为支配地位的添加元素。具体而言，能够含有从Zn、Ga、 Ti、Si(硅）、Ge(锗）、Sn、W、Mg(镁）、A1 (铝）、Y(钇）、以及La(镧）和Sc(钪）所代表 的稀土类元素中选出的一种以上的元素。此外，对稀土类元素而言，La、Sc等所代表的3价 元素，难以成为离子化杂质散射因素，因此，能够适宜地作为添加元素使用。
[0047] 在含有添加元素M的情况下，对其含量而言，优选以MAln+M)的原子数比计设为 大于0且在0. 20以下，更优选设为0. 05以上且在0. 15以下，进一步优选设为0. 08以上且 在0.12以下。若M的含量，以MAln+M)的原子数比计超过0.20,则氧氮化物半导体薄膜 中的In的比率降低，因此，载流子迀移率不能达到5cm2/Vsec以上。但是，在作为添加元素 M而使用Zn的情况下，结晶结构容易变成六方晶系结构，因此，其含量优选设为0. 10以下， 更优选设为0.05以下。
[0048] ⑵结晶结构
[0049] 在本发明的氧氮化物半导体薄膜中，只要其是结晶质，则对结晶结构没有特别的 限定，但是，优选其由方铁锰矿型结构的In2〇3相构成，而且，N原子固溶在In203相中。特别 优选，全部或一部分N原子在ln203相的氧位点进行取代，或者，全部或一部分N原子进入在 In203相的晶格之间。在方铁锰矿型结构的ln 203相中，形成了由In和0所构成的In06八面 体结构，而且，相邻接的In〇6A面体结构共边，因此，In-In间的距离变短，因此，作为载流子 的电子的轨道的重叠增加。因此，通过使氧氮化物半导体薄膜具有这种结晶结构，能够使载 流子的迀移率提高。
[0050] 此时，所谓由方铁锰矿型结构的ln203相构成，不仅包含仅由方铁锰矿型结构的 In2〇3相构成的情况，而且包含除方铁锰矿型结构的In2〇3相以外，在该结晶结构不发生坍塌 的范围内存在异相的情况。此外，氧氮化物半导体薄膜的结晶结构能够通过X射线衍射测 定进行鉴定。
[0051] ⑶膜厚
[0052] 本发明的氧氮化物半导体薄膜的膜厚，优选控制在15nm~200nm，更优选控制在 30nm~150nm，进而优选控制在40nm~100nm的范围内。此外，膜厚可通过表面形状测定 装置进行测定。
[0053] 通常，半导体薄膜多形成在玻璃基板上。即，在非晶质的基板上形成结晶质的氧氮 化物半导体薄膜。因此，在本发明的氧氮化物半导体薄膜中，在膜的厚度小于15nm的情况 下，由于受到基板的影响，即使在400°C左右的高温进行退火处理，作为前驱体的氧氮化物 非晶薄膜有时也不会结晶化。假设即使能够使该氧氮化物非晶薄膜结晶化，也难以使其具 有充分的结晶度。对于由非晶质的基板所造成的对氧氮化物半导体的结晶度的影响而言， 通过将膜厚设为30nm以上，能够进一步减轻，但是，通过将膜厚设为40nm以上，能够稳定 地排除其影响。但是，若从成本方面考