非晶氧化物半导体和使用其的薄膜晶体管制造技术

提供非晶氧化物半导体，其包括铟（In）和锌（Zn）中的至少一种元素与氢，该非晶氧化物半导体含有1×1020cm-3～1×1022cm-3的氢原子和氘原子中的一种，并且在该非晶氧化物半导体中，除了过剩氧（OEX）和氢之间的键之外的氧和氢之间的键密度小于等于1×1018cm-3。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及非晶氧化物半导体、使用该非晶氧化物半导体膜的薄膜晶体管以及制造该薄膜晶体管的方法。
技术介绍
近年来，使用金属氧化物半导体薄膜的半导体器件引人瞩目。这些薄膜的特征在于能在低温下形成，并且具有大的光学带隙以致对于可见光透明。因此，可以在塑料基板、膜基板等上形成柔性透明薄膜晶体管(TFT)等(美国专利N0.6727522)。以往，为了控制膜的电特性，用作TFT活性层的氧化物半导体膜一般在其中引入了氧气的气氛中形成。例如，美国专利申请公开N0.2007/0194379公开了形成薄膜晶体管(TFT)的方法，其中使用含有铟镓锌氧化物(In-Ga-Zn-O)的η-型氧化物半导体作为沟道层并且使用铟锡氧化物(ITO)作为源电极和漏电极。在美国专利申请公开N0.2007/0194379中记载的成膜方法中，通过控制其中形成In-Ga-Zn-O膜的气氛中的氧分压来控制载流子密度，由此得到高载流子迁移率。此外，日本专利申请公开N0.2007-073697公开了作为使用上述氧化物半导体膜作为沟道层的制造高性能薄膜晶体管方法，在溅射中的氛围气中包括水蒸汽的技术。另外，美国专利申请公开N0.2009/0045397和日本专利申请公开N0.2007-194594公开了通过将氢引入用作薄膜晶体管的沟道层的氧化物半导体中来控制载流子密度的技术。但是，在常规的氧化物半导体膜中，即使如美国专利申请公开N0.2009/0045397和日本专利申请公开N0.2007-194594中公开那样通过引入氢来控制载流子密度时，氧化物半导体中氢的量以数量级大于载流子密度。换句话说，存在不可能仅通过膜中氢的量来控制载流子密度的问题。另外，本专利技术的专利技术人研究了通过溅射形成包括非晶In-Ga-Zn-O基半导体的非晶氧化物半导体，发现非晶氧化物半导体非常易于吸收氢。例如，发现了即使将氧化物半导体溅射装置的背压设定在小于等于2Χ KT4Pa时，也存在含有大于等于I X IO20Cm-3的氢的情形。这些研究已经表明不经预处理例如热处理难以在室温下低成本地形成含有大于等于lX102°cm_3的氢的非晶氧化物半导体并且难以使其电阻率适合非晶氧化物薄膜晶体管。
技术实现思路
鉴于上述问题而完成了本专利技术，本专利技术的目的是提供具有优异的晶体管特性的非晶氧化物薄膜晶体管。根据本专利技术，提供非晶氧化物半导体，其含有铟(In)和锌(Zn)中的至少一种元素与氢，其中:该非晶氧化物半导体含有lX102°cm_3 IXlO22cnT3的氢原子和氘原子中的一种；并且在该非晶氧化物半导体中除了过剩氧(0EX)(此处，过剩氧意指组成非晶氧化物半导体的一部分的几个原子的大小时微区中过剩的氧)和氢之间的键(Oex-H键和H-Oex-H键)之外的氧和氢之间的键的密度小于等于IX 1018cnT3。根据本专利技术，还提供显示装置，其包括显示器件和薄膜晶体管，该显示器件包括在基板上与薄膜晶体管的源电极和漏电极中的一者连接的电极，其中该薄膜晶体管是上述的薄膜晶体管。根据本专利技术，还提供薄膜晶体管的制造方法，该薄膜晶体管至少包括基板、沟道层、栅极绝缘层、源电极、漏电极和栅电极，该沟道层包括含有铟(In)和锌(Zn)中至少一种元素与氢的非晶氧化物半导体，该方法包括:通过使用含水蒸汽的成膜气体的溅射而形成沟道层；以及在形成该沟道层后在150°C 50(TC下进行热处理。根据本专利技术，还提供薄膜晶体管的制造方法，该薄膜晶体管至少包括基板、沟道层、栅极绝缘层、源电极、漏电极和栅电极，该沟道层包括含有铟(In)和锌(Zn)中至少一种元素与氢的非晶氧化物半导体，该方法包括:通过施涂溶液而形成沟道层；以及在形成该沟道层后在低于等于500°C下进行热处理。根据本专利技术，还提供薄膜晶体管的制造方法，该薄膜晶体管至少包括基板、沟道层、栅极绝缘层、源电极、漏电极和栅电极，该沟道层包括含有铟(In)和锌(Zn)中至少一种元素与氢的非晶氧化物半导体，该方法包括:通过电沉积形成沟道层；以及在形成该沟道层后在低于等于500°C下进行热处理。本专利技术能以低成本提供TFT器件，该TFT器件中使用非晶氧化物半导体作为其沟道层并且其可以精确控制载流子密度和具有令人满意的晶体管特性。由以下参照附图对示例性实施方案的说明本专利技术进一步的特征变得明了。附图说明图1A、1B、1C、1D、1E和IF示出通过计算根据本专利技术的非晶InGaZnO4 (a_IGZ0)结构模型的结构弛豫(structural relaxation)而得到的原子构造。图2A、2B、2C、2D、2E、2F和2G示出对于图1A IF中示出的模型使用400eV截止能量和4X5X6Monkhost-Pack特殊k点网格(mesh)计算而得到的态密度(DOS)。图3是示出由测定a-1GZO的Hall效应而得到的载流子密度、Hall迁移率和电阻率与通过溅射形成膜时水蒸汽分压之间的关系。图4是根据本专利技术实施方案的薄膜晶体管的剖面示意图。图5是示出根据本专利技术实施方案的薄膜晶体管的传输特性的图。图6是根据本专利技术另一实施方案的显示装置实例的剖面图。图7是根据本专利技术另一实施方案的显示装置另一实例的剖面图。图8示出根据本专利技术另一实施方案的显示装置的结构，在该显示装置中二维地设置包括有机电致发光(EL)器件和薄膜晶体管的像素。图9是示出根据本专利技术另一实施方案的薄膜晶体管的剖面示意图。图10是示出实施例1中制备的非晶氧化物半导体膜中氢的量和溅射气体中水蒸汽分压之间关系的图。图11是示出实施例2中制备的薄膜晶体管的传输特性的图。图12是实施例4中制备的薄膜晶体管的剖面示意图。具体实施例方式以下参照附图说明本专利技术的实施方案。首先，说明本专利技术专利技术人对其进行了积极研究和开发的关于非晶In-Ga-Zn-O的氢和载流子密度之间的关系。现在已知通过将氢离子注入用于非晶氧化物半导体TFT的非晶In-Ga-Zn-O薄膜中，使该薄膜的电导率提高并且氢在该膜中用作给体(参见美国专利申请公开N0.2009/0045397)。另一方面，在通过溅射等形成的非晶In-Ga-Zn-O薄膜中，即使不进行离子注入等时，也含有至多约IXlO2ciCnT3的氢原子。这源自含有氢例如H2和H2O的分子种类的残余气体，它们存在于形成膜的腔室中。取决于成膜条件，以此方式形成的非晶In-Ga-Zn-O薄膜具有约I X IO18CnT3或更小的载流子电子密度。该膜中氢原子的浓度和载流子电子密度之间的差为约I X IO2CnT3或更大，因此，认为该膜中存在的大部分氢原子并未起到给体的作用。通过计算电子结构，本专利技术的专利技术人的反复研究表明，取决于膜中存在的氧和氢之间的键合状态，存在着并未起到给体作用的氢，以下对其详细说明。要注意的是，在本专利技术中，不仅氢原子而且氘原子均视作包括在载流子密度中的氢。(计算模型)如下得到非晶InGaZnO4 (a_IGZ0)结构模型。通过经典分子动力学(MD)在8000K下以2f秒的时间步长熔融含2016个原子的结晶InGaZnO4晶胞模型20p秒。以125K/p秒的速率从8000Κ快速冷却到12Κ后，在IK下进行经典MD模拟IOOp秒。以此方式，得到经典MD模拟中非晶a-1GZO的稳定结构。从该模型切割出能根据第一原理计算进行的本文档来自技高网...

【技术保护点】
非晶氧化物半导体，其含有氢、铟（In）和锌（Zn），其中：该非晶氧化物半导体含有大于1×1020cm?3且小于等于1×1022cm?3的氢原子和氘原子中的一种；并且该非晶氧化物半导体的载流子电子密度小于等于1×1018cm?3。

【技术特征摘要】
2008.08.28 JP 2008-2198881.非晶氧化物半导体，其含有氢、铟(In)和锌(Zn)，其中: 该非晶氧化物半导体含有大于IX 102°cm_3且小于等于IXlO22cnT3的氢原子和氘原子中的一种；并且 该非晶氧化物半导体的载流子电子密度小于等于IX 1018cnT3。2.根据权利要求1的非晶氧化物半导体，其中该非晶氧化物半导体中含有的过剩氧(Oex)大于等于 5 X IO19cnT3。3.根据权利要求1的非晶氧化物半导体，其中该非晶氧化物半导体还包括镓(Ga)和锡(Sn)中的至少一种。4.薄膜晶体管，其包括基板、沟道层、栅极绝缘层、源电极、漏电极和栅电极， 其中该沟道层包括根据权利要求1 3的任一项的非晶氧化物半导体作为该层的至少一部分。5.显示装置，其包括显示器件和用于驱动该显示器件的根据权利要求4的薄膜晶体管。6.根据权利要求5的显示装置，其中该显示器件是有机电致发光器件或液晶器件。7.制造薄膜晶体管的方法，该薄膜晶体管包括沟道层、栅极绝缘层、源电极、漏电极和栅电极，该沟道层包括含有铟(In)和锌(Zn)的非晶氧化物半导体，该方法包括: 通过使用含水蒸汽的成膜气体的溅射形成含有大于I X 102°cm_3且小于等于I X IO2...

【专利技术属性】
技术研发人员：林享，大村秀之，云见日出也，重里有三，
申请(专利权)人：佳能株式会社，
类型：发明
国别省市：