氧化物半导体薄膜及其制造方法以及薄膜晶体管技术

本发明专利技术的目的在于，通过氧化物结晶质薄膜提供具有比较高的载流子迁移率并且适宜作为TFT的信道层材料的氧化物半导体薄膜。该氧化物半导体薄膜是通过对由含有铟和钛的氧化物构成且钛含量以Ti/In原子数比计为0.005～0.12的非晶质膜，以250℃以上的加热温度以及1分钟～120分钟的处理时间进行退火处理而获得。所述氧化物半导体薄膜是结晶质薄膜且仅由方铁锰矿型结构的In2O3相构成，并且载流子浓度为1×1019cm-3以下，载流子迁移率为1cm2/Vsec以上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种氧化物半导体薄膜及其制造方法，以及使用了该氧化物半导体薄 膜的薄膜晶体管。
技术介绍
薄膜晶体管（Thin Film TranSistor :TFT)是电场效应晶体管（Field Effect TranSistor :FET)的一种。TFT，是作为基本构成具有栅极端子、源极端子以及漏极端子的 三端子元件，是具有如下功能的有源元件：将基板上成膜的半导体薄膜作为电子或空穴迀 移的信道层使用，在栅极端子上施加电压而控制流动于信道层的电流，从而开关源极端子 和漏极端子之间的电流。 目前，作为TFT的信道层，广泛使用着多结晶硅膜或非晶硅膜。特别是，非晶硅膜 因为能在大面积的第十代玻璃基板上均匀地成膜，因此其可作为液晶面板用TFT的信道层 广泛得到使用。但是，作为载流子的电子的迀移率（载流子迀移率）为lcmVVsec以下，因迀 移率低而难以适用于高精细面板用TFT。即，随着液晶的高精细化，要求TFT的高速驱动，为 了实现这样的TFT的高速驱动，需要在信道层中使用显示比非晶硅膜的载流子迀移率Icm 2/ Vsec更高的载流子迀移率的半导体薄膜。 相对于此，多结晶娃I旲显不出100cm2/Vsec左右的尚的载流子迁移率，因此，其具 有可用于高精细面板用TFT的信道层材料的充分的特性。但是，多结晶硅膜在晶界中载流 子迀移率降低，因此缺乏基板的面内均匀性，从而存在TFT的特性上产生偏差的问题。另 外，在多结晶硅膜的制造工序中，在300°C以下的比较低的温度条件下形成非晶硅膜之后， 通过对该膜进行退火处理而使之结晶化。该退火处理是适用了准分子激光退火等的特殊的 工序，因此需要高的运行成本。而且，可对应适用的玻璃基板的大小也只能是第五代程度， 因此在成本的降低方面存在局限性，在产品拓展方面也受到了限制。 根据上述情形，作为TFT的信道层的材料，目前在盛行开发一种兼具非晶硅膜和 多结晶硅膜的优异特性且能够以低成本获得的信道层材料。例如，在日本特开2010-219538 号公报中，提出了一种透明半绝缘性非晶态氧化物薄膜、以及以该透明半绝缘性非晶态氧 化物薄膜作为信道层的薄膜晶体管，其中，该透明半绝缘性非晶态氧化物薄膜是通过气相 成膜法成膜的由铟（In)、镓（Ga)、锌（Zn)和氧（0)构成的透明非晶态氧化物薄膜（a-IGZO 膜），并且，其结晶化时的组成为InGaO3 (Zn0)m(m为小于6的自然数），在不添加杂质离子的 情况下载流子迀移率超过lcmVVsec，且载流子浓度为IO 16CnT3以下。 然而，在日本特开2010-219538号公报中提出的通过溅射法或脉冲激光沉积法的 气相成膜法成膜的a-IGZO膜，虽然显示出大致lcm 2/Vsec~10cm2/Vsec范围的比较高的载 流子迀移率，但是，因为非晶态氧化物薄膜本身就易发生氧缺陷，而且作为载流子的电子对 热等外在因素的行为（振§舞〇)不一定稳定，由此产生TFT等设备的运行时常变得不稳 定的问题。而且，发生非晶态膜特有的现象即在可见光照射下对TFT元件连续施加负偏压 时阈电压向负侧移位的现象（光负偏压劣化现象），该现象在液晶等的显示器用途中成为 严重问题而被指出。 另一方面，在日本特开2008-192721号公报中提出了如下方案：以获得无需高温 的工艺也可在高分子基材上制作元件而且在低成本的情况下获得具有高性能且高可靠性 的薄膜晶体管为目的，对于信道层可适用掺杂有锡（Sn)、钛（Ti)、钨（W)中的任意成分的氧 化铟膜或掺杂有钨以及锌和/或锡的氧化铟膜。根据日本特开2008-192721号公报，通过将 采用该技术得到的氧化铟膜适用于信道层，可以使TFT元件的载流子迀移率达到5cm 2/Vsec 以上。 另外，在日本特开2010-251604号公报中，同样公开了以掺杂了锡、钛、钨和锌中 的一种或两种以上的氧化铟的烧结体作为靶，并以无加热的溅射成膜法形成后在150°C~ 300°C下进行10分钟~120分钟的热处理的技术。基于该技术，在保持着兼备高迀移率和 非晶态性的特征的情况下，能够通过比较容易的控制获得具有稳定特性的氧化铟膜，进而， 通过将该氧化铟膜作为信道层使用，可获得具有稳定特性的TFT元件。 但是，由这些文献所述的技术得到的氧化铟膜均为非晶态膜，因此无法从根本上 解决所谓容易产生氧缺陷、对热等外在因素不稳定的问题、发生非晶态膜特有的光负偏压 劣化现象的问题。另外，当考虑到作为面向高精细面板用TFT的信道层材料使用时，希望达 到更高的载流子迀移率。 现有技术文献 专利文献 专利文献1 :日本特开2010-219538号公报 专利文献2 :日本特开2008-192721号公报 专利文献3 :日本特开2010-251604号公报
技术实现思路
专利技术要解决的课题 本专利技术的目的在于，为了解决作为氧化物半导体薄膜的氧化物非晶态薄膜所具有 的问题，通过氧化物结晶质薄膜提供具有比较高的载流子迀移率且适宜作为薄膜晶体管 (TFT)的信道层材料的氧化物半导体薄膜。 解决课题的方法 本专利技术人等对可适用于氧化物半导体薄膜的氧化物非晶态薄膜的替代替材料反 复进行了精心研宄。具体而言，反复进行了如下实验：通过对由溅射法所获得的铟和钛的氧 化物实施退火处理，形成结晶质的氧化物半导体薄膜。此时，对于结晶化的氧化物半导体薄 膜显示出高的载流子迀移率的条件，即，对于作为氧化物半导体薄膜的铟和钛的氧化物的 组成、膜厚以及结晶化条件等，进行了详细的研宄。 其结果是，本专利技术人等获得了如下见解：通过将以铟和钛的氧化物作为主要成分 的氧化物半导体薄膜的钛含量限制在规定的范围内，并且，对这种组成的非晶质膜实施规 定条件的退火处理，形成仅由方铁猛矿型（bixbite type)结构的In2O3相构成的结晶质氧 化物半导体薄膜，能够获得显示出lcmVVsec以上的高载流子迀移率且IX IO19CnT3以下的 低载流子浓度，并适宜作为薄膜晶体管（TFT)的信道层材料的氧化物半导体薄膜。本专利技术 就是基于如上见解而完成的专利技术。 即，本专利技术的氧化物半导体薄膜，其特征在于，由含有铟和钛的氧化物构成，钛含 量以Ti/In原子数比计为0. 005~0. 12,并且，所述氧化物半导体薄膜是结晶质薄膜的仅 由方铁锰矿型结构的In2O3相构成且载流子浓度为IX 10 19CnT3以下，载流子迀移率为Icm2/ Vsec以上。 具备上述特性的本专利技术的氧化物半导体薄膜，可通过以下工序来制造：通过对由 含有铟和钛的氧化物构成且钛含量以Ti/In原子数比计为0. 005~0. 12的非晶质氧化物 半导体薄膜，以250°C以上的加热温度以及1分钟~120分钟的处理时间实施退火处理，由 此获得结晶质且仅由方铁锰矿型结构的In 2O3相构成，并且载流子浓度为1X10 19CnT3以下， 载流子迀移率为lcm2/Vsec以上的氧化物半导体薄膜。 优选前述钛含量以Ti/In原子数比计为0. 01~0. 06。 优选前述载流子迀移率为3cm2/Vsec以上，更优选前述载流子浓度为5 X IO17CnT3 以下并且前述载流子迀移率为5cm2/Vsec以上。 优选前述氧化物半导体薄膜的膜厚为15nm~200n本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化物半导体薄膜，其特征在于，所述氧化物半导体薄膜由含有铟和钛的氧化物构成，并且，钛含量以Ti/In原子数比计为0.005～0.12，并且，所述氧化物半导体薄膜是结晶质的薄膜且仅由方铁锰矿型结构的In2O3相构成，并且，载流子浓度为1×1019cm‑3以下，载流子迁移率为1cm2/Vsec以上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：中山德行，
申请(专利权)人：住友金属矿山株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP