非晶氧化物半導體和使用其的薄膜晶體管制造技術

提供非晶氧化物半導體，其包括銦（In）和鋅（Zn）中的至少一種元素與氫，該非晶氧化物半導體含有1×1020cm-3～1×1022cm-3的氫原子和氘原子中的一種，并且在該非晶氧化物半導體中，除了過剩氧（OEX）和氫之間的鍵之外的氧和氫之間的鍵密度小于等于1×1018cm-3。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及非晶氧化物半導體、使用該非晶氧化物半導體膜的薄膜晶體管以及制造該薄膜晶體管的方法。
技術介紹
近年來，使用金屬氧化物半導體薄膜的半導體器件引人矚目。這些薄膜的特征在于能在低溫下形成，并且具有大的光學帶隙以致對于可見光透明。因此，可以在塑料基板、膜基板等上形成柔性透明薄膜晶體管(TFT)等(美國專利N0.6727522)。以往，為了控制膜的電特性，用作TFT活性層的氧化物半導體膜一般在其中引入了氧氣的氣氛中形成。例如，美國專利申請公開N0.2007/0194379公開了形成薄膜晶體管(TFT)的方法，其中使用含有銦鎵鋅氧化物(In-Ga-Zn-O)的η-型氧化物半導體作為溝道層并且使用銦錫氧化物(ITO)作為源電極和漏電極。在美國專利申請公開N0.2007/0194379中記載的成膜方法中，通過控制其中形成In-Ga-Zn-O膜的氣氛中的氧分壓來控制載流子密度，由此得到高載流子遷移率。此外，日本專利申請公開N0.2007-073697公開了作為使用上述氧化物半導體膜作為溝道層的制造高性能薄膜晶體管方法，在濺射中的氛圍氣中包括水蒸汽的技術。另外，美國專利申請公開N0.2009/0045397和日本專利申請公開N0.2007-194594公開了通過將氫引入用作薄膜晶體管的溝道層的氧化物半導體中來控制載流子密度的技術。但是，在常規的氧化物半導體膜中，即使如美國專利申請公開N0.2009/0045397和日本專利申請公開N0.2007-194594中公開那樣通過引入氫來控制載流子密度時，氧化物半導體中氫的量以數量級大于載流子密度。換句話說，存在不可能僅通過膜中氫的量來控制載流子密度的問題。另外，本專利技術的專利技術人研究了通過濺射形成包括非晶In-Ga-Zn-O基半導體的非晶氧化物半導體，發現非晶氧化物半導體非常易于吸收氫。例如，發現了即使將氧化物半導體濺射裝置的背壓設定在小于等于2Χ KT4Pa時，也存在含有大于等于I X IO20Cm-3的氫的情形。這些研究已經表明不經預處理例如熱處理難以在室溫下低成本地形成含有大于等于lX102°cm_3的氫的非晶氧化物半導體并且難以使其電阻率適合非晶氧化物薄膜晶體管。
技術實現思路
鑒于上述問題而完成了本專利技術，本專利技術的目的是提供具有優異的晶體管特性的非晶氧化物薄膜晶體管。根據本專利技術，提供非晶氧化物半導體，其含有銦(In)和鋅(Zn)中的至少一種元素與氫，其中:該非晶氧化物半導體含有lX102°cm_3 IXlO22cnT3的氫原子和氘原子中的一種；并且在該非晶氧化物半導體中除了過剩氧(0EX)(此處，過剩氧意指組成非晶氧化物半導體的一部分的幾個原子的大小時微區中過剩的氧)和氫之間的鍵(Oex-H鍵和H-Oex-H鍵)之外的氧和氫之間的鍵的密度小于等于IX 1018cnT3。根據本專利技術，還提供顯示裝置，其包括顯示器件和薄膜晶體管，該顯示器件包括在基板上與薄膜晶體管的源電極和漏電極中的一者連接的電極，其中該薄膜晶體管是上述的薄膜晶體管。根據本專利技術，還提供薄膜晶體管的制造方法，該薄膜晶體管至少包括基板、溝道層、柵極絕緣層、源電極、漏電極和柵電極，該溝道層包括含有銦(In)和鋅(Zn)中至少一種元素與氫的非晶氧化物半導體，該方法包括:通過使用含水蒸汽的成膜氣體的濺射而形成溝道層；以及在形成該溝道層后在150°C 50(TC下進行熱處理。根據本專利技術，還提供薄膜晶體管的制造方法，該薄膜晶體管至少包括基板、溝道層、柵極絕緣層、源電極、漏電極和柵電極，該溝道層包括含有銦(In)和鋅(Zn)中至少一種元素與氫的非晶氧化物半導體，該方法包括:通過施涂溶液而形成溝道層；以及在形成該溝道層后在低于等于500°C下進行熱處理。根據本專利技術，還提供薄膜晶體管的制造方法，該薄膜晶體管至少包括基板、溝道層、柵極絕緣層、源電極、漏電極和柵電極，該溝道層包括含有銦(In)和鋅(Zn)中至少一種元素與氫的非晶氧化物半導體，該方法包括:通過電沉積形成溝道層；以及在形成該溝道層后在低于等于500°C下進行熱處理。本專利技術能以低成本提供TFT器件，該TFT器件中使用非晶氧化物半導體作為其溝道層并且其可以精確控制載流子密度和具有令人滿意的晶體管特性。由以下參照附圖對示例性實施方案的說明本專利技術進一步的特征變得明了。附圖說明圖1A、1B、1C、1D、1E和IF示出通過計算根據本專利技術的非晶InGaZnO4 (a_IGZ0)結構模型的結構弛豫(structural relaxation)而得到的原子構造。圖2A、2B、2C、2D、2E、2F和2G示出對于圖1A IF中示出的模型使用400eV截止能量和4X5X6Monkhost-Pack特殊k點網格(mesh)計算而得到的態密度(DOS)。圖3是示出由測定a-1GZO的Hall效應而得到的載流子密度、Hall遷移率和電阻率與通過濺射形成膜時水蒸汽分壓之間的關系。圖4是根據本專利技術實施方案的薄膜晶體管的剖面示意圖。圖5是示出根據本專利技術實施方案的薄膜晶體管的傳輸特性的圖。圖6是根據本專利技術另一實施方案的顯示裝置實例的剖面圖。圖7是根據本專利技術另一實施方案的顯示裝置另一實例的剖面圖。圖8示出根據本專利技術另一實施方案的顯示裝置的結構，在該顯示裝置中二維地設置包括有機電致發光(EL)器件和薄膜晶體管的像素。圖9是示出根據本專利技術另一實施方案的薄膜晶體管的剖面示意圖。圖10是示出實施例1中制備的非晶氧化物半導體膜中氫的量和濺射氣體中水蒸汽分壓之間關系的圖。圖11是示出實施例2中制備的薄膜晶體管的傳輸特性的圖。圖12是實施例4中制備的薄膜晶體管的剖面示意圖。具體實施例方式以下參照附圖說明本專利技術的實施方案。首先，說明本專利技術專利技術人對其進行了積極研究和開發的關于非晶In-Ga-Zn-O的氫和載流子密度之間的關系。現在已知通過將氫離子注入用于非晶氧化物半導體TFT的非晶In-Ga-Zn-O薄膜中，使該薄膜的電導率提高并且氫在該膜中用作給體(參見美國專利申請公開N0.2009/0045397)。另一方面，在通過濺射等形成的非晶In-Ga-Zn-O薄膜中，即使不進行離子注入等時，也含有至多約IXlO2ciCnT3的氫原子。這源自含有氫例如H2和H2O的分子種類的殘余氣體，它們存在于形成膜的腔室中。取決于成膜條件，以此方式形成的非晶In-Ga-Zn-O薄膜具有約I X IO18CnT3或更小的載流子電子密度。該膜中氫原子的濃度和載流子電子密度之間的差為約I X IO2CnT3或更大，因此，認為該膜中存在的大部分氫原子并未起到給體的作用。通過計算電子結構，本專利技術的專利技術人的反復研究表明，取決于膜中存在的氧和氫之間的鍵合狀態，存在著并未起到給體作用的氫，以下對其詳細說明。要注意的是，在本專利技術中，不僅氫原子而且氘原子均視作包括在載流子密度中的氫。(計算模型)如下得到非晶InGaZnO4 (a_IGZ0)結構模型。通過經典分子動力學(MD)在8000K下以2f秒的時間步長熔融含2016個原子的結晶InGaZnO4晶胞模型20p秒。以125K/p秒的速率從8000Κ快速冷卻到12Κ后，在IK下進行經典MD模擬IOOp秒。以此方式，得到經典MD模擬中非晶a-1GZO的穩定結構。從該模型切割出能根據第一原理計算進行的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
非晶氧化物半導體，其含有氫、銦（In）和鋅（Zn），其中：該非晶氧化物半導體含有大于1×1020cm?3且小于等于1×1022cm?3的氫原子和氘原子中的一種；并且該非晶氧化物半導體的載流子電子密度小于等于1×1018cm?3。

【技術特征摘要】
2008.08.28 JP 2008-2198881.非晶氧化物半導體，其含有氫、銦(In)和鋅(Zn)，其中: 該非晶氧化物半導體含有大于IX 102°cm_3且小于等于IXlO22cnT3的氫原子和氘原子中的一種；并且 該非晶氧化物半導體的載流子電子密度小于等于IX 1018cnT3。2.根據權利要求1的非晶氧化物半導體，其中該非晶氧化物半導體中含有的過剩氧(Oex)大于等于 5 X IO19cnT3。3.根據權利要求1的非晶氧化物半導體，其中該非晶氧化物半導體還包括鎵(Ga)和錫(Sn)中的至少一種。4.薄膜晶體管，其包括基板、溝道層、柵極絕緣層、源電極、漏電極和柵電極， 其中該溝道層包括根據權利要求1 3的任一項的非晶氧化物半導體作為該層的至少一部分。5.顯示裝置，其包括顯示器件和用于驅動該顯示器件的根據權利要求4的薄膜晶體管。6.根據權利要求5的顯示裝置，其中該顯示器件是有機電致發光器件或液晶器件。7.制造薄膜晶體管的方法，該薄膜晶體管包括溝道層、柵極絕緣層、源電極、漏電極和柵電極，該溝道層包括含有銦(In)和鋅(Zn)的非晶氧化物半導體，該方法包括: 通過使用含水蒸汽的成膜氣體的濺射形成含有大于I X 102°cm_3且小于等于I X IO2...

【專利技術屬性】
技術研發人員：林享，大村秀之，云見日出也，重里有三，
申請(專利權)人：佳能株式會社，
類型：發明
國別省市：