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CN103038888A - 薄膜晶体管的半导体层用氧化物和溅射靶以及薄膜晶体管 - Google Patents

薄膜晶体管的半导体层用氧化物和溅射靶以及薄膜晶体管 Download PDF

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CN103038888A CN2011800371896A CN201180037189A CN103038888A CN 103038888 A CN103038888 A CN 103038888A CN 2011800371896 A CN2011800371896 A CN 2011800371896A CN 201180037189 A CN201180037189 A CN 201180037189A CN 103038888 A CN103038888 A CN 103038888A
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Abstract

提供一种薄膜晶体管的开关特性优异，特别是在保护膜形成后也可以稳定获得良好的特性的薄膜晶体管半导体用氧化物。本发明的薄膜晶体管的半导体层用氧化物，是用于薄膜晶体管的半导体层的氧化物，所述氧化物含有Zn、Sn和Si。

Description

薄膜晶体管的半导体层用氧化物和溅射靶以及薄膜晶体管
技术领域
本发明涉及液晶显示器和有机EL显示器等的显示装置所使用的薄膜晶体管(TFT)的半导体层用氧化物和用于成膜上述氧化物的溅射靶，以及薄膜晶体管。
背景技术
非晶质(amorphous)氧化物半导体与通用的非晶硅(a-Si)相比，因为具有高载流子迁移率(也称为场效应迁移率。以下有仅称为“迁移率”的情况。)，光学带隙大，能够以低温成膜，所以期待其面向要求大型/高分辨率/高速驱动的划时代显示器和耐热性低的树脂基板等的应用。
作为氧化物半导体的例子，例如可列举含In的非晶质氧化物半导体(In-Ga-Zn-O，In-Zn-O等)，但使用作为稀有金属的In，在大量生产过程中有材料成本上升的可能。因此，作为不含In而能够降低材料成本，适于大量生产的氧化物半导体，提出有在Zn中添加Sn而非晶质化的Zn-Sn-O(以下有由ZTO代表的情况。)系的氧化物半导体(例如专利文献1)。
以氧化物半导体作为薄膜晶体管的半导体层而使用时，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，有如下等要求：(1)通态电流(对栅极电极和漏极电极施加正电压时的最大漏电流)高；(2)断态电流(对栅电极施加负电压，对漏电压施加正电压时的漏电流)低；(3)S值(Subthreshold Swing，亚阈值摆幅，使漏电流提高一个数量级所需要的栅极电压)低；(4)阈值(对漏极电极施加正电压，对栅极电压施加正负任意电压时漏电流开始流通的电压，也称为阈值电压)在时间上不发生变化而保持稳定(意思是在基板面内均匀)；并且，(5)迁移率高。
上述之中作为表示TFT的性能的，特别重要的是(5)迁移率，迁移率越高，TFT的开关速度越快，能够得到更高性能的晶体管。近年来，在液晶显示器等的显示器件中，大画面化，高清晰度，高速驱动化等急速推进，随之而来的是渴望具有高迁移率的半导体材料。在此迁移率μ(cm2/Vs)使用电子和空穴这样的载流子的速度V(cm/s)和电场E(V)，定义为V＝μE。因此为了提高迁移率，需要减少半导体膜中的缺陷而抑制载流子的散乱，并延长平均自由行程。
在此，载流子密度能够通过控制氧化物半导体膜中所含的氧欠缺量来进行调整。作为控制氧欠缺量的方法，例如可列举如下等方法：调整由溅射对于氧化物半导体进行成膜时所使用的生产气体的氧分压；或在成膜氧化物半导体膜后，在氧或大气气氛中进行热处理。
另一方面，在将氧化物半导体应用于显示器件时，为了确保稳定的TFT特性，需要在氧化物半导体表面形成保护膜。作为保护膜，一般使用SiOx，SiNx，SiON，AlOx等的绝缘体氧化物。在上述保护膜的成膜中，通用的是等离子体CVD法和溅射法等。例如为了以等离子体CVD法成膜SiOx保护膜，例如所进行的方法是，在工业用频率13.56MHz的高频等离子体中，使SiH4和N2O的混合气体反应而形成SiOx，使之堆积在氧化物半导体膜上。
但是，若以等离子体CVD法和溅射法等形成保护膜，则因等离子体等而高速化的基团和分子在氧化物半导体表面碰撞，所以会在氧化物半导体表面形成缺陷。具体来说，就是由等离子体CVD法和溅射法进行成膜时使用的气体成分，和受到溅射而加速到高速的分子等在氧化物半导体表面碰撞，产生氧化物半导体中所含的氧脱离的现象(氧欠缺)。该氧欠缺成为使氧化物半导体膜中的载流子过剩增加的原因，使氧化物半导体膜导体化而无法获得稳定的开关特性，或者阈值电压向负侧大幅偏移等，对TFT特性造成深刻的影响。
上述虽是对于氧欠缺造成的载流子的过剩增加进行了阐述，但关于氢也可见同样的问题。例如若SiOx和SiNx等的保护膜所含的氢在氧化物半导体膜中扩散，载流子成为过剩生成的要因，因此给TFT特性带来不良影响。
为了减少这样的由氧和氢造成的TFT特性的劣化，例如在非专利文献1中提出有，在形成保护膜之前对于氧化物半导体表面照射N2O等离子体，预先使氧化物半导体表面过剩氧化的方法等。但是，该方法难以进行N2O等离子体的照射条件(投入电功率、时间、基板温度等)等的调整，而且针对保护膜的成膜条件和膜质、还有氧化物半导体的膜质在内，都需要调整上述的照射条件，因此调整非常困难。另外，上述方法因其制程范围也不宽，所以由大型的基板制作TFT时会在基板面内产生偏差，或每批TFT特性发生变化等，成品率有可能降低。此外在上述方法中，在保护膜形成前需要追加N2O等离子体处理用室等，也有生产率降低和生产成本增加等的问题。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：特开2007-142196号公报
非专利文献
非专利文献1：J.Park等，Appl.Phys.Lett.，1993，053505(2008)
发明内容
如上述在ZTO等的氧化物半导体中，在TFT元件的保护膜(绝缘膜)形成加工时，存在半导体层导体化而得不到稳定的开关性能这样的问题。
本发明鉴于上述情况而形成，其目的在于，提供一种具备ZTO系氧化物半导体的薄膜晶体管的开关特性优异，特别是能够抑制由保护膜形成和源-漏电极形成等带来的TFT特性的劣化，可以稳定取得良好的TFT特性，而且可以低成本实现成品率提高的薄膜晶体管半导体层用氧化物，和用于上述氧化物的成膜的溅射靶，以及使用了该氧化物的薄膜晶体管。
本发明提供以下的薄膜晶体管的半导体层用氧化物、薄膜晶体管和溅射靶。
(1)一种用于薄膜晶体管的半导体层的氧化物，其特征在于，所述氧化物含有Zn、Sn和Si。
(2)根据(1)所述的氧化物，其中，设半导体层用氧化物中所含的Zn和Sn的含量(原子％)分别为[Zn]和[Sn]时，[Zn]/([Zn]+[Sn])的比为0.8以下。
(3)根据(1)所述的氧化物，其中，若设半导体层用氧化物中所含的Si的含量(原子％)为[Si]，则[Si]/([Zn]+[Sn]+[Si])的比为0.01以上、0.30以下。
(4)根据(2)所述的氧化物，其中，若设半导体层用氧化物中所含的Si的含量(原子％)为[Si]，则[Si]/([Zn]+[Sn]+[Si])的比为0.01以上、0.30以下。
(5)一种具备(1)～(4)中任一项所述的氧化物作为薄膜晶体管的半导体层的薄膜晶体管。
(6)根据(5)所述的薄膜晶体管，其中，所述半导体层的密度为5.8g/cm3以上。
(7)一种用于形成(1)～(4)中任一项所述的氧化物的溅射靶，其特征在于，含有Zn、Sn和Si。
(8)根据(7)所述的溅射靶，其中，设溅射靶中所含的Zn和Sn的含量(原子％)分别为[Zn]和[Sn]时，[Zn]/([Zn]+[Sn])的比为0.8以下。
(9)根据(7)所述的溅射靶，其中，若设溅射靶中所含的Si的含量(原子％)为[Si]，则[Si]/([Zn]+[Sn]+[Si])的比为0.01以上、0.30以下。
(10)根据(8)所述的溅射靶，其中，若设溅射靶中所含的Si的含量(原子％)为[Si]，则[Si]/([Zn]+[Sn]+[Si])的比为0.01以上、0.30以下。
根据本发明，能够得到薄膜晶体管的开关特性优异的半导体层用ZTO系氧化物。如果使用本发明的半导体层用氧化物，则能够提供一种薄膜晶体管，其在氧化物半导体膜上成膜保护膜时，可以抑制等离子体损害造成的氧欠缺和来自保护膜的氢扩散等造成的TFT特性的劣化，可以稳定获得良好的特性。其结果是，如果使用上述薄膜晶体管，则能够得到可靠性高的显示装置。
附图说明
图1是用于说明具备氧化物半导体的薄膜晶体管的概略剖面图。
图2是说明实施例1的晶体管特性、阈值电压，S值和迁移率的测量位置的图。
图3是表示使用现有例(Zn-Sn-O、ZTO)时的保护膜成膜前后的TFT特性的图。
图4是表示使用本发明例(Zn-Sn-Si-O)时的保护膜成膜前后的TFT特性的图。
图5是表示Zn-Sn-X-O(X＝Si或Ni)中，X添加量与迁移率的关系的标绘图。
具体实施方式
本发明者们，为了使含有Zn和Sn的氧化物(Zn-Sn-O)用于TFT的活性层(半导体层)时的TFT特性(特别是保护膜形成后的TFT特性)提高，而反复进行了各种研究。其结果发现，如果将ZTO中含有Si的氧化物(Zn-Sn-Si-O)用于TFT的半导体层，则可达成预期的目的，从而达成了本发明。如后述的实施例所示，将Zn-Sn-Si-O用于氧化物半导体的TFT，与使用没有添加Si的现有的Zn-Sn-O的情况相比，可知特别是保护膜形成后的TFT特性极其优异。
即，本发明的薄膜晶体管(TFT)的半导体层用氧化物，在含有Zn、Sn和Si方面具有特征。在本说明书中，在由ZTO-Si或ZTO+Si表示本发明的氧化物的情况。
首先，对于作为构成本发明的氧化物的母材成分的金属(Zn和Sn)进行说明。
关于上述金属(Zn、Sn)，只要含有这些金属的氧化物(Zn-Sn-O)具有非晶质相，并且处于显示半导体特性的范围，则各金属间的比率没有特别限定。若形成结晶相，则产生晶体管特性的偏差变大等的问题。
在此，设半导体层用氧化物中所含的Zn和Sn的含量(原子％)分别为[Zn]和[Sn]时，[Zn]/([Zn]+[Sn])的优选的比(以下，有由Zn比代表的情况。)为0.8以下，由此，在保护膜成膜后也能够得到期望的TFT特性。另一方面，若上述比变小，则有蚀刻性降低等问题，因此优选使上述比为0.2以上。更优选上述比为0.3以上、0.75以下。
本发明的氧化物，在Zn-Sn-O中含有Si的方面具有特征。通过Si的添加，能够抑制由等离子体损害而形成的氧化物表面的氧缺陷，和来自保护膜的氢扩散等造成的TFT特性的劣化，在保护膜形成后也能够维持良好的特性。具体来说，Si是共价性强的元素，并且，与Zn和Sn比较，其与氧更强地结合，通过添加Si，可推测氧化物半导体层的构造稳定化。
另外，通过Si的添加，也可抑制杂质导入带来的迁移率的降低。若Zn-Sn-O系氧化物半导体中混入杂质，则由于杂质散乱导致电子的平均自由程变短，因此伴随杂质量的增加，迁移率降低。但是，如果使用在Zn-Sn-O系氧化物半导体中添加有Si的本发明的Zn-Sn-Si-O氧化物半导体，则如后述的实施例所示，迁移率的降低难以发生，能够在维持高迁移率的状态下发挥上述效果(上述的氧缺陷和氢扩散的防止效果)。
构成本发明的氧化物(ZTO-Si)的全部金属元素(Zn、Sn、Si)中所含的Si的优选的比率[Si]/([Zn]+[Sn]+[Si])(以下，有以Si比代表的情况。)，虽然能够考虑保护膜形成的成膜条件和载流子密度等而决定，但大体上优选为0.01以上、0.30以下。还有，若上述Si比过多，则半导体中的载流子密度降低或迁移率降低，因此通态电流容易减少，所以上述Si比的更优选的上限为0.2以下，进一步优选为0.1以下。
还有，在本发明中，迁移率的优选的范围在线性区为10cm2/Vs以上，更优选为13cm2/Vs以上，进一步优选为15cm2/Vs以上。
以上，对于本发明的氧化物进行了说明。
上述氧化物，优选以溅射法使用溅射靶(以下称为“靶”。)成膜。虽然也能够通过涂布法等的化学的成膜法形成氧化物，但根据溅射法，能够容易地形成成分和膜厚的膜面内均匀性优异的薄膜。
作为用于溅射法的靶，优选使用含有前述的元素，与期望的氧化物具有相同组成的靶，由此，能够形成与期望的氧化物具有相同组成的薄膜。具体来说作为靶，能够使用含有Zn、Sn、Si的氧化物靶，优选为上述Zn比和上述Si比率得到适当控制的靶。
或者，采用使组成不同的两个靶同时放电的共溅射法(Co-Sputter法也可以进行成膜，通过在放电时调整各个靶的投入电功率密度，能够形成有期望组成的氧化物半导体膜。或者，准备例如ZnO的靶、SnO2的靶和含有Si的SiO2等的三个靶，通过共溅射法，能够成膜期望的Zn-Sn-Si-O的氧化物膜。
上述靶能够通过例如粉末烧结法制造。
使用上述靶进行溅射时，优选使基板温度为室温，适当控制氧添加量而进行。氧添加量根据溅射装置的构成和靶组成等适切控制即可，大体上优选使氧化物半导体的载流子浓度为1015～1016cm-3而添加氧量。本实施例中的氧添加量以添加流量比计为O2/(Ar+O2)＝2％。
另外，将上述氧化物作为TFT的半导体层时，氧化物半导体层的优选的密度为5.8g/cm3以上(后述。)，但为了成膜这样的氧化物，优选适切控制溅射成膜时的气压、对溅射靶的投入功率、基板温度等。例如若降低成膜时的气压，则溅射原子之间不会散乱，认为能够形成致密(高密度)的膜，因此成膜时的总气压在溅射的放电稳定的程度下，越低越好，优选大体上控制在0.5～5mTorr的范围内，更优选为1～3mTorr的范围内。另外，投入功率越高越好，以DC或RF计推荐大体设定在2.0W/cm2以上。成膜时的基板温度也越高越好，推荐大体上控制在室温～200℃的范围内。
如上述而成膜的氧化物的优选的膜厚为30nm以上、200nm以下，更优选为30nm以上、150nm以下。
在本发明中，也包括具备上述氧化物作为TFT的半导体层的TFT。TFT在基板上至少具有栅极电极、栅极绝缘膜、上述氧化物的半导体层、源极电极、漏极电极、保护膜(绝缘膜)即可，其构成只要是通常使用的则没有特别限定。
在此，优选上述氧化物半导体层的密度为5.8g/cm3以上。若氧化物半导体层的密度变高，则膜中的缺陷减少，膜质提高，另外原子间距变小，因此TFT元件的场效应迁移率大幅增加，电传导性也变高，面向对于光照射的应力的稳定性提高。上述氧化物半导体层的密度越高越好，更优选为5.9g/cm3以上，进一步优选为6.0g/cm3以上。还有，氧化物半导体层的密度，根据后述的实施例所述的方法测量。
以下，一边参照图1，一边说明上述TFT的制造方法的实施方式。图1和以下的制造方法，表示本发明的优选的实施方式的一例，并没有限定于此的意图。例如在图1中，展示的是底栅型构造的TFT，但并不限于此，也可以是在氧化物半导体层之上顺序具备栅极绝缘膜和栅极电极的顶栅型的TFT。
如图1所示，在基板1上形成栅极电极2和栅极绝缘膜3，在其上形成氧化物半导体层4。在氧化物半导体层4上形成源-漏电极5，在其上形成保护膜(绝缘膜)6，透明导电膜8经由接触孔7与漏极电极5电连接。
在基板1上形成栅极电极2和栅极绝缘膜3的方法未特别限定，能够采用通常所使用的方法。另外，栅极电极2和栅极绝缘膜3的种类也未特别限定，能够使用通用的。例如作为栅极电极2，能够优选使用电阻率低的Al和Cu的金属及其合金。另外，作为栅极绝缘膜3，可代表性地例示硅氧化膜、硅氮化膜、硅氧氮化膜等。除此之外，也能够使用Al2O3和Y2O3等的氧化物或将其层叠。
其欠形成氧化物半导体层4。氧化物半导体层4，如上述，优选通过使用了与薄膜具有同组成的溅射靶的DC溅射法或RF溅射法进行成膜。或者，也可以通过共溅射法成膜。
对于氧化物半导体层4实施湿蚀刻后，形成图案。形成图案之后，为了改善氧化物半导体层4的膜质而优选进行热处理(预先退火)，由此，将使晶体管特性的通态电流和场效应迁移率上升，晶体管性能提高。
预先退火的后，形成源-漏电极5。源-漏电极5的种类没有特别限定，能够使用通用的。例如可以与栅极电极2同样使用Al和Cu等的金属或合金，也可以如后述的实施例而使用纯Ti。
作为源-漏电极5的形成方法，例如能够通过磁控管溅射法成膜金属薄膜后，再由剥离法形成。或者，也有不像上述那样通过剥离法形成电极，而是预先通过溅射法形成规定的金属薄膜后，再通过图案形成百形成电极的方法，在此方法中，因为在电极的蚀刻之时有损伤进入氧化物半导体层，所以晶体管特性降低。因此，为了避免这一问题，也可采用在氧化物半导体层之上预先形成保护膜之后，再形成电极，进行图案形成的方法，在后述的实施例中采用了这一方法。
接着，在氧化物半导体层4之上通过CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)法形成保护膜(绝缘膜)6。在氧化物半导体层4的表面，由于CVD带来的等离子体损害而容易导通化(推测恐怕是由于在氧化物半导体表面所生成的氧欠缺成为电子供体。)，所以为了避免上述问题，在后述的实施例中，在保护膜的成膜前进行N2O等离子体照射。N2O等离子体的照射条件，采用前述的非专利文献1所述的条件。
接着，基于常规方法，经由接触孔7使透明导电膜8与漏极电极5电连接。透明导电膜和漏极电极的种类没有特别限定，能够使用通常所使的。作为漏极电极，例如能够使用以前述的源-漏电极例示的。
【实施例】
以下，列举实施例更具体地说明本发明，但本发明不受下述实施例限制，在能够符合前/后述的宗旨的范围也可以加以变更实施，这些均包含在本发明的技术的范围内。
实施例1
基于前述的方法，制作图1所示的薄膜晶体管(TFT)，评价保护膜形成前后的TFT特性。
首先，在玻璃基板(コ一ニング社制イ一グル2000，直径100mm×厚0.7mm)上，作为栅极电极，依次成膜Ti薄膜100nm和栅极绝缘膜SiO2(200nm)。栅极电极使用纯Ti的溅射靶，通过DC溅射法，以成膜温度：室温、成膜功率：300W、载气：Ar、气压：2mTorr进行成膜。另外，栅极绝缘膜使用等离子体CVD法，以载气：SiH4和N2O的混合气体、成膜功率：100W、成膜温度：300℃进行成膜。
其次，使用溅射靶(后述。)，通过溅射法，成膜表1和表2所述的各种组成的氧化物薄膜。作为氧化物薄膜，除了在Zn-Sn-O中含有Si的ZTO-Si(本发明例)之外，为了进行比较，还成膜不含Si的ZTO(现有例)和含有Ni而取代Si的ZTO-Ni(比较例)。溅射所使用的装置是(株)アルバツク制“CS-200”，溅射条件如下。
基板温度：室温
气压：5mTorr
氧分压：O2/(Ar+O2)＝2％
膜厚：50nm
使用靶尺寸：φ4英寸×5mm
在Zn-Sn-O(现有例)的成膜时，采用使Zn∶Sn的比(原子％比)为6∶4的氧化物靶(Zn-Sn-O)和ZnO的氧化物靶同时放电的Co-Sputter法进行成膜。另外，在Zn-Sn-Si-O或Zn-Sn-Ni-O的成膜时，使用在上述ZTO的成膜中所用的靶[即，Zn∶Sn的比(原子％比)为6∶4的氧化物靶(ZTO)和ZnO的靶]，和SiO2或NiO的氧化物靶，运用使之同时放电的Co-Sputter法进行成膜。还有，Zn-Sn-Si-O中的Si比，或Zn-Sn-Ni-O中的Ni比，使Si比或Ni比处于表1或表2所述的范围而调整投入电功率密度。
如此得到的氧化物薄膜中的金属元素的各含量，通过XPS(X-rayPhotoelectron Spectroscopy：X射线光电子能谱)法进行分析。详细地说，就是以Ar离子对于从最表面至1nm左右深度的范围进行溅射后，以下述条件进行分析。
X射线源：Al Kα
X射线出力：350W
光电子飞离角：20°
如上述这样形成氧化物薄膜后，通过光刻法和湿蚀刻进行图案形成。作为湿蚀刻液，使用关东科学制“ITO-07N”。在本实施例中，对于进行了实验的氧化物薄膜，通过光学显微镜观察评价湿蚀刻性。由评价结果确认，进行了实验的全部的组成中没有来自湿蚀刻的残渣，能够恰当地进行蚀刻。
对氧化物半导体膜进行图案形成后，为了使膜质提高而进行预先退火处理。预先退火在大气压下，以350℃进行1小时。
接着，使用纯Ti，通过剥离法形成源-漏电极。具体来说就是使用光致抗蚀剂而进行图案形成后，通过DC溅射法成膜Ti薄膜(膜厚为100nm)。源-漏电极用Ti薄膜的成膜方法，与前述的栅极电极的情况相同。接着，在丙酮中放入超音波洗浄器而除去不需要光致抗蚀剂，使TFT的沟道长度为10μm，沟道宽度为200μm。
如此形成源-漏电极后，再形成用于保护氧化物半导体层的保护膜。作为保护膜，使用SiO2(膜厚200nm)和SiN(膜厚200nm)的层叠膜(合计膜厚400nm)。上述SiO2和SiN的形成，使用サムコ制“PD-220NL”，运用等离子体CVD法进行。在本实施例中，由N2O气进行等离子体处理后，依次形成SiO2膜和SiN膜。在SiO2膜的形成中使用N2O和SiH4的混合气体，在SiN膜的形成中使用SiH4、N2、NH3的混合气体。任何情况下，成膜功率均为100W，成膜温度均为150℃。
接着通过光刻法和干蚀刻，在保护膜上形成用于晶体管特性评价用探测的接触孔。接着，使用DC溅射法，以载气：氩和氧气的混合气体、成膜功率：200W，气压：5mTorr成膜ITO膜(膜厚80nm)，制作图1的TFT。
对于如此得到的各TFT，以如下方式，测量保护膜形成前后的(1)晶体管特性(漏极电流-栅极电压特性、Id-Vg特性)；(2)阈值电压；(3)S值；和(4)场效应迁移率。在本实施例中，如图2所示，对于6英寸基板面内(φ＝150mm)的9处进行下述(1)～(4)的测量时，求得其最小值和最大值，评价基板面内的偏差。
(1)晶体管特性的测量
晶体管特性的测量使用National Instruments社制“4156C”的半导体参数分析仪。详细的测量条件如下。
源极电压：0V
漏极电压：10V
栅极电压：-30～30V(测量间隔：1V)
(2)阈值电压(Vth)
所谓阈值电压，如果粗略地说，就是晶体管从断态(漏极电流低的状态)过渡到通态(漏极电流高的状态)时的栅极电压的值。在本实施例中，漏极电流是将通态电流和断态电流之间的1nA附近时的电压定义为阈值电压，并测量各TFT的每个的阈值电压。
(3)S值
S值是使漏极电流增加一个数量级所需要的栅极电压的最小值。
(4)场效应迁移率
场效应迁移率由TFT特性在作为Vg＞Vd-Vth的线性区导出。在线性区，设Vg、Vd分别为栅极电压、漏极电压，Id为漏极电流，L、W分别为TFT元件的沟道长度、沟道宽度，Ci为栅极绝缘膜的静电容量，μFE为场效应迁移率由以下的式导出。在本实施例中，根据满足线性区的栅极电压附近的漏极电流-栅极电压特性(Id-Vg特性)的倾斜度导出场效应迁移率μFE。
【算式1】
μ FE = ∂ I d ∂ V g ( L C i WV d )
这些结果显示在表1和2以及图3和图4中。在这些表中设有“迁移率判定”一栏，迁移率的最小值为10cm2/Vs以上，并且，最大值与最小值的差被抑制在6以下的范围，基板面内偏差小的评价为“○”，其以外的为“×”。此外，关于Vth，在这些表中设有“Vth偏差”一栏，在各例中记入最大值与最小值的差，并且设有“Vth偏差判定”一栏，上述Vth偏差为10以下，基板面内偏差小的评价为“○”，其以外的为“×”。另外，在这些表的最右栏中设有“综合判定”一栏，无论哪种特性均全部良好的附加“○”，任意一个差的均附加“×”。
【表1】
【表2】
Figure BDA00002788964800123
首先，对于表1进行考察。表1是[Zn]对于[Zn]+[Sn]的原子比(Zn比)全部为0.60(固定)的例子。其中No.1和3是使用现有的ZTO(未添加Si)的例子，No.1表示保护膜的成膜前，No.3表示保护膜的成膜后的结果。另外，No.10是添加Ni代替Si的例子。
首先，使用现有的ZTO时，如No.1和3所示，在保护膜的成膜前后未见迁移率发生大幅变化，但保护膜成膜后的S值和阈值电压Vth发生巨大偏差，在某些地方可见Vth低于-30V，和作为开关元件无法发挥功能的地方(Vth偏差判定×)。
此外使用上述的试料(Zn比＝0.60)，保护膜成膜前后的TFT特性的基板面内分布变化其调查结果显示在图3(a)和(b)中。图3(a)是表示保护膜成膜前的结果的标绘图，对应前述的表1的No.1。图3(b)是表示保护膜成膜后的结果的标绘图，对应前述的表1的No.3。在图3中，图中的编号表示图2的测量位置(点1～9)。
如图3(a)所示可知，在保护膜的成膜前，随着栅极电压Vg从-30V向30V变化，漏极电流Id增加8个数量级左右，显示出良好的开关特性。另外，在基板面内的特性分布中，阈值电压限制在-5～-2V的范围。
另一方面，保护膜在成膜后，如图3(b)所示，TFT特性在基板面内发生大幅偏差，虽然也如点7～9这样显示出良好的开关特性，但在点1～3中完全未显示出开关特性，可知氧化物半导体层导体化。这被推测是由于，氧化物半导体表面因保护膜成膜时的等离子体照射而损伤。
相对于此，含有Si，[Si]对于[Zn]+[Sn]+[Si]的原子比(Si比)满足本发明的优选的范围(0.01以上、0.30以下)的，如表1、还有图4(后述。)所示，在保护膜的成膜前后全部显示出良好的特性。
详细地说，No.2(保护膜的成膜前)和No.4(保护膜的成膜后)，是上述Si比为0.05的例子，但如表1所示，在保护膜成膜前后未见到迁移率和S值的巨大变化，显示出良好的值，并且保护膜成膜后的阈值电压Vth也在-2～-10V的范围内，可知作为开关元件有用。同样关于在本发明的优选的范围使Si比变化的No.5～8(保护膜成膜后)，可知任意一种特性均良好。还有，在上述No.5～8中，虽未显示保护膜成膜前的数据，但均确认具有良好的特性。
另一方面，上述的Si比超过本发明的优选的上限(0.30)的No.9，虽然Vth偏差受到抑制，但迁移率降低。
另外，添加Ni替代Si的No.10，迁移率低，Vth偏差也大。
图4(a)和(b)表示使用Si比＝0.05的试料，与前述的图3同样而调查保护膜成膜前后的TFT特性的基板面内分布变化的结果。图4(a)是表示保护膜成膜前的结果的标绘图，与前述表1的No.2对应。图4(b)是表示保护膜成膜后的结果的标绘图，与前述的表1的No.4对应。在图4(b)中，图中的编号表示图2的测量位置(点1～9)。
若将图4(b)与未添加Si的前述图3(b)对比，则表明，通过Si的添加，保护膜成膜后的基板面内偏差得到解除，可知任何一处均具有良好的开关特性。另外还可知，保护膜成膜后的TFT特性，几乎不比保护膜形成前[图4(a)]逊色。
由上述的结果可知，通过在ZTO中以优选的范围添加Si，在具备高迁移率等的状态下，保护膜成膜后的Vth偏差得到特别有效地抑制。即确认到，Si的添加非常有助于ZTO系氧化物半导体的构造稳定，即使在氧欠缺容易生成的保护膜成膜过程中，也不会产生TFT特性的劣化。
接着对于表2进行考察。在表2中，显示在使上述Si比全部为0.05(固定)，使Zn比如表2所示这样变化的例子中，保护膜成膜后的结果。表2中，“-”的意思是不能进行测量。
如表2所示，Zn比被控制在本发明的优选的范围(0.8以下)的No.1～5，均显示出良好的特性。相对于此，在Zn比超过本发明的优选的上限的No.6中，迁移率低，未表现出开关特性。这被推测是由于，若Zn比大，则Zn的结晶相形成，从而不能稳定控制载流子浓度。
接着对于图5进行考察。图5是表示调整Si的添加量对迁移率造成的影响的结果的标绘图。在此，为了进行比较，还显示添加Ni而取代Si时的结果。详细地说，设添加于ZTO的元素为X元素(X元素＝Si或Ni)时，使[Zn]+[Sn]+[X]中所占的[X]的原子比(X比)，以图5所示的方式变化时，与上述同样而测量保护膜成膜后的迁移率μ。还有，Zn比均为0.6。在此迁移率μ≥10cm2/Vs为合格目标。
如图5所示，在添加Ni时，随着Ni比增加，迁移率急剧降低。这被推测是由于，氧化物半导体中所含的Ni作为使载流子散乱的杂质而起作用。
相对于此，可知在添加Si时，随着Si比增加，虽然可见迁移率有降低的倾向，但迁移率的降低程度与Ni相比要小得多，即使将Si比提高到作为本发明的优选的上限的0.3，迁移率也不会低于合格目标的10cm2/Vs。这被认为是由于，Si被配置在不妨碍电子的运动的稳定的晶格位置，载流子的散乱小，难以使迁移率降低。
若综合地考虑以上的实验结果，则可证实，作为X元素而添加Si，通过将Si比和Zn比控制在优选的范围，在保护膜成膜后仍能够取得高迁移率，能够得到基板面内偏差少的良好的TFT。
还有，添加有Si的氧化物，由于也可以良好地进行湿蚀刻加工，所以推测为非晶质构造。
实施例2
在本实施例中，使用表1的No.4所对应的组成的氧化物[Zn-Sn-5at％Si-O，[Zn]∶[Sn]＝6∶4，Zn比＝[Zn]/([Zn]+[Sn])＝0.6，Si比＝[Si]/([Zn]+[Sn]+[Si])＝0.05)，将溅射成膜时的气压控制在1mTorr或5mTorr，测量所得到的氧化物膜(膜厚100nm)的密度。此外，在与前述实施例1同样而制成的TFT中，载流子迁移率(场效应迁移率)运用下式计处迁移率。在本实施例中如此得到的饱和迁移率在5cm2/Vs以上的为合格。此外，调查应力试验(外加光照射+负偏压)后的阈值电压的变化量(ΔVth)。其测量方法如下。
【算式2】
I d = 1 2 μ FE C OX W L ( V gs - V th ) 2
Cox：绝缘膜的容量
W：沟道宽度
L：沟道长度
Vth：阈值电压
(氧化物膜的密度的测量)
氧化物膜的密度用XRR(X射线反射率法)进行测量。详细的测量条件如下。
·分析装置：(株)リガク制水平型X射线回折装置SmartLab
·靶：Cu(线源：Kα线)
·靶输出功率：45kV-200mA
·测量试料的制作
使用的试料是，在玻璃基板上以下述溅射条件成膜各组成的氧化物(膜厚100nm)后，模拟在前述的实施例1的TFT制造过程中的预先退火处理，实施了与该预先退火处理相同的热处理的
溅射气压：1mTorr或5mTorr
氧分压：O2/(Ar+O2)＝2％
成膜功率密度：DC2.55W/cm2
热处理：大气气氛中以350℃进行1小时
(应力耐性的评价：作为应力，外加光照射+负偏压)
在本实施例中，模拟实际的面板驱动时的环境(应力)，进行一边向栅极电极施加负偏压一边照射光的应力外加试验。应力外加条件如下。作为光的波长，选择接近氧化物半导体的带隙，晶体管特性容易发生变动的400nm左右。
栅极电压：-20V
基板温度：60℃
光应力
波长：400nm
照度(照射到TFT的光的强度)：0.1μW/cm2
光源：OPTOSUPPLY社制LED(通过ND滤光片调整光量)
应力外加时间：3小时
详细地说，基于上述的方法，测量应力外加前后的阈值电压(Vth)，测量其差(ΔVth)。
这些结果显示在表3中。
【表3】
Figure BDA00002788964800161
由表3可知，本发明所规定的含有X群元素的Si的表3的氧化物，均能够得到5.8g/cm3以上的高密度。详细地说，气压＝5mTorr时(No.2)的膜密度为5.8g/cm3，相对于此，气压＝1mTorr的时(No.1)的膜密度为6.2g/cm3，随着气压变低，能够得到更高的密度。另外，随着膜密度的上升，应力试验的阈值电压偏移量ΔVth的绝对值也减少。
由以上的实验结果可知，氧化物膜的密度根据溅射成膜时的气压而变化，若降低该气压，则膜密度上升，随之而来是场效应迁移率也大幅增加，应力试验(光照射+负偏压应力)中的阈值电压偏移量ΔVth的绝对值也减少。这被推测是由于，通过使溅射成膜时的气压降低，溅射的原子(分子)的动乱得到抑制，膜中的缺陷变少，迁移率和电传导性提高，TFT的稳定性提高。
详细地并参照特定的实施方式说明了本申请，但能够不脱离本发明的精神和范围而加以各种变更和修改，这对于从业人员来说很清楚。
本申请基于2010年7月30日申请的日本专利申请(专利申请2010-172868)、2011年1月18日申请的日本专利申请(专利申请2011-008232)，其内容在此参照并援引。
产业上的可利用性
根据本发明，能够得到薄膜晶体管的开关特性优异的半导体层用ZTO系氧化物。如果使用本发明的半导体层用氧化物，则能够提供一种薄膜晶体管，其在氧化物半导体膜上成膜保护膜时，可以抑制等离子体损害造成的氧欠缺和来自保护膜的氢扩散等造成的TFT特性的劣化，可以稳定得到良好的特性。其结果是，如果使用上述薄膜晶体管，则能够得到可靠性高的显示装置。
【符号说明】
1基板
2栅极电极
3栅极绝缘膜
4氧化物半导体层
5源-漏电极
6保护膜(绝缘膜)
7接触孔
8透明导电膜

Claims (10)

1.一种薄膜晶体管的半导体层用氧化物，其特征在于，是用于薄膜晶体管的半导体层的氧化物，其中，所述氧化物含有Zn、Sn和Si。
2.根据权利要求1所述的氧化物，其中，在将半导体层用氧化物中所含的Zn和Sn的含量(原子％)分别设为[Zn]和[Sn]时，[Zn]/([Zn]+[Sn])的比为0.8以下。
3.根据权利要求1所述的氧化物，其中，在将半导体层用氧化物中所含的Si的含量(原子％)设为[Si]时，[Si]/([Zn]+[Sn]+[Si])的比为0.01以上0.30以下。
4.根据权利要求2所述的氧化物，其中，在将半导体层用氧化物中所含的Si的含量(原子％)设为[Si]时，[Si]/([Zn]+[Sn]+[Si])的比为0.01以上0.30以下。
5.一种薄膜晶体管，其具备权利要求1～4中任一项所述的氧化物作为薄膜晶体管的半导体层。
6.根据权利要求5所述的薄膜晶体管，其中，所述半导体层的密度为5.8g/cm3以上。
7.一种溅射靶，其特征在于，是用于形成权利要求1～4中任一项所述的氧化物的溅射靶，其中，含有Zn、Sn和Si。
8.根据权利要求7所述的溅射靶，其中，在将溅射靶中所含的Zn和Sn的含量(原子％)分别设为[Zn]和[Sn]时，[Zn]/([Zn]+[Sn])的比为0.8以下。
9.根据权利要求7所述的溅射靶，其中，在将溅射靶中所含的Si的含量(原子％)设为[Si]时，[Si]/([Zn]+[Sn]+[Si])的比为0.01以上0.30以下。
10.根据权利要求8所述的溅射靶，其中，在将溅射靶中所含的Si的含量(原子％)设为[Si]时，[Si]/([Zn]+[Sn]+[Si])的比为0.01以上0.30以下。
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