氧化物半导体薄膜、氧化物半导体薄膜的制造方法以及使用其的薄膜晶体管技术

本发明专利技术提供一种在维持高载流子迁移率的状态下仅使载流子浓度降低的氧化物半导体薄膜以及其制造方法。本发明专利技术的非晶质的氧化物半导体薄膜，以氧化物的形式含有铟及镓，并且另外含有氢，以Ga/(In+Ga)原子数比计的镓的含量为0.15以上且0.55以下，通过二次离子质谱分析法，氢含量为1.0×10

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】氧化物半导体薄膜、氧化物半导体薄膜的制造方法以及使用其的薄膜晶体管
本专利技术涉及非晶质或微结晶的氧化物半导体薄膜，更详细而言，涉及通过使以氧化物的形式含有铟及镓并且还含有氢的高载流子迁移率的非晶质或微结晶的氧化物半导体薄膜进一步含有氢，从而在维持高载流子迁移率的状态下仅使载流子浓度降低的非晶质或微结晶的氧化物半导体薄膜。
技术介绍
薄膜晶体管(ThinFilmTransistor，TFT)是场效应晶体管(FieldEffectTransistor，以下FET)的一种。TFT是以具备栅极端子、源极端子以及漏极端子为基本构成的3端子元件，其是有源元件，作为电子或空穴作为载流子移动的沟道层使用在基板的表面上成膜的半导体薄膜，对栅极端子施加电压，控制在沟道层流动的电流，具有对源极端子与漏极端子间的电流进行开关的功能。TFT是目前应用化最多的电子设备，其代表性的用途是液晶驱动用TFT。液晶驱动用TFT多使用电子作为载流子移动的n型沟道层。目前使用最广泛的n型沟道层是低温多晶硅薄膜或非晶质硅薄膜。但是，近年来，随着液晶高精细化发展，逐渐开始要求液晶驱动用TFT的高速驱动。TFT的驱动速度依赖于沟道层电子的迁移率。为了实现高速驱动，需要在沟道层使用电子的迁移率至少比非晶质硅高的半导体薄膜。虽然低温多晶硅的电子的迁移率充分高，但是因为将其形成在大型玻璃基板上的情况下面内均匀性低，成品率低，或者与非晶质硅相比较，工序更多，需要设备投资等的原因，存在成本高等课题。针对这样的状况，在专利文献1中提出了一种透明半绝缘性非晶质氧化物薄膜以及以该透明半绝缘性非晶质氧化物薄膜为沟道层作为特征的薄膜晶体管，该透明半绝缘性非晶质氧化物薄膜是以气相成膜法成膜，由In、Ga、Zn及O元素构成的透明非晶质氧化物薄膜，其特征在于，该氧化物薄膜的组成在结晶化后的组成是InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然数)，没有添加杂质离子，具有载流子迁移率(也称作载流子电子迁移率)超过1cm2V-1·sec-1且载流子浓度(也称作载流子电子浓度)为1016cm-3以下的半绝缘性。但是，在专利文献1中提出的以溅射法、脉冲激光沉积法的任一种气相成膜法成膜的、由In、Ga、Zn及O元素构成的透明非晶氧化物薄膜(a-IGZO膜)，被指出，其载流子迁移率大概停留在1cm2V-1sec-1以上且10cm2V-1sec-1以下的范围，因此被指出形成TFT沟道层时载流子迁移率不足。为了解决载流子迁移率的不足，正在研究其他材料。例如，在专利文献2中提出了一种薄膜晶体管，其特征在于，使用氧化物半导体薄膜，该氧化物半导体薄膜中，镓固溶于氧化铟，原子数比Ga/(Ga+In)为0.001以上且0.12以下，铟和镓相对于总金属原子的含有率为80原子％以上，具有In2O3的方铁锰矿结构。与专利文献1相比较，在专利文献2中，通过提高铟含量而提高载流子迁移率，并且使In2O3的方铁锰矿结构结晶化而抑制载流子浓度的增加，但是在应用于TFT沟道层的情况下，有时结晶粒界会成为TFT特性偏差的原因，该点是仍残留的课题。进一步，在专利文献2中发现个别载流子浓度超过2.0×1018cm-3的实施例，作为应用在TFT沟道层作为氧化物半导体薄膜的话，稍微有些高，这也是仍残留的课题。在专利文献3中，为了解决专利文献2的高载流子浓度，提出了一种氧化物半导体薄膜的制造方法，其中，在体系内的水分压3.0×10-4Pa以上且5.0×10-2Pa以下的条件下，用溅射靶进行DC溅射而成膜为成膜体，将前述成膜体结晶化。另外，在专利文献4中提出了一种薄膜晶体管，其特征在于，相对于形成氧化物半导体薄膜的全部元素，使氧化物半导体膜中含有的氢元素的含量为0.1at％以上且5at％以下。但是，它们都是关于结晶膜的氧化物半导体薄膜的专利技术，因此，没有获得氢等对结晶质以外的氧化物半导体薄膜产生的影响的认识。而且，结晶粒界是在TFT特性方面重要的面内偏差的原因，其依然是残留的课题。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：WO2010/032422号公报。专利文献3：日本特开2011-222557号公报。专利文献4：WO2010/047077号公报。非专利文献非专利文献1：A.Takagi，K.Nomura，H.Ohta，H.Yanagi，T.Kamiya，M.Hirano，andH.Hosono，ThinSolidFilms486，38(2005)。
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提供一种通过使以氧化物的形式主要含有铟及镓的非晶质或微结晶的氧化物半导体薄膜进一步含有氢，从而在维持高载流子迁移率的状态下仅使载流子浓度降低的氧化物半导体薄膜以及其制造方法。同时，本专利技术的目的也在于解决专利文献2～4中的成为TFT特性偏差的原因的结晶粒界的课题。进一步，本专利技术的目的还在于，为了得到上述的以氧化物的形式主要含有铟及镓且还含有氢的非晶质或微结晶的氧化物半导体薄膜，提供一种与专利文献2～4的结晶质的氧化物半导体薄膜不同的合适的制造方法。解决课题的技术方案本专利技术人等为了解决上述课题进行了潜心研究，结果新发现了，通过使镓相对于铟和镓的合计的原子数比即Ga/(In+Ga)为0.15以上且0.55以下的非晶质或微结晶的氧化物半导体薄膜含有适量的氢，从而能在维持载流子迁移率10cm2V-1sec-1以上的状态下得到充分低的载流子浓度作为半导体。本专利技术的第一专利技术是一种非晶质的氧化物半导体薄膜，其中，以氧化物的形式含有铟及镓，并且还含有氢，以Ga/(In+Ga)原子数比计的前述镓的含量是0.15以上且0.55以下，通过二次离子质谱分析法，前述氢的含量是1.0×1020原子/cm3以上且1.0×1022原子/cm3以下。本专利技术的第二专利技术是一种微结晶的氧化物半导体薄膜，以氧化物的形式含有铟及镓，并且还含有氢，以Ga/(In+Ga)原子数比计的前述镓的含量是0.15以上且0.55以下，通过二次离子质谱分析法，前述氢的含量是1.0×1020原子/cm3以上且1.0×1022原子/cm3以下。本专利技术的第三专利技术是如第一或第二专利技术所述的氧化物半导体薄膜，其中，基板附近的平均氢浓度相对于膜表面附近的平均氢浓度之比是0.50～1.20。本专利技术的第四专利技术是如第一～第三专利技术中任一者所述的氧化物半导体薄膜，其中，通过飞行时间型二次离子质谱分析法确认到OH-。本专利技术的第五专利技术是如第一～第四专利技术中任一者所述的氧化物半导体薄膜，其中，以Ga/(In+Ga)原子数比计的前述镓的含量是0.20以上且0.35以下。本专利技术的第六专利技术是如第一～第三专利技术中任一者所述的氧化物半导体薄膜，其中，载流子浓度是2.0×1018cm-3以下。本专利技术的第七专利技术是如第一～第四专利技术中任一者所述的氧化物半导体薄膜，其中，载流子迁移率是10cm2V-1sec-1以上。本专利技术的第八专利技术是如第一～第五专利技术中任一者所述的氧化物半导体薄膜，其中，载流子浓度是1.0×1018cm-3以下且载流子迁移率是20cm2V-1sec-1以上。本专利技术的第九专利技术是一种薄膜晶体管，其中，作为沟道层具备第一～第六专利技术中任一者所述的氧化物半导体薄膜。本专利技术的第十专利技术是一种非晶质的氧化物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非晶质的氧化物半导体薄膜，其中，以氧化物的形式含有铟及镓，并且，还含有氢，以Ga/(In+Ga)原子数比计的所述镓的含量是0.15以上且0.55以下，通过二次离子质谱分析法测定的所述氢的含量是1.0×1020原子/cm3以上且1.0×1022原子/cm3以下。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.29 JP 2016-0370261.一种非晶质的氧化物半导体薄膜，其中，以氧化物的形式含有铟及镓，并且，还含有氢，以Ga/(In+Ga)原子数比计的所述镓的含量是0.15以上且0.55以下，通过二次离子质谱分析法测定的所述氢的含量是1.0×1020原子/cm3以上且1.0×1022原子/cm3以下。2.一种微结晶的氧化物半导体薄膜，其中，以氧化物的形式含有铟及镓，并且，还含有氢，以Ga/(In+Ga)原子数比计的所述镓的含量是0.15以上且0.55以下，通过二次离子质谱分析法测定的所述氢的含量是1.0×1020原子/cm3以上且1.0×1022原子/cm3以下。3.根据权利要求1或2所述的氧化物半导体薄膜，其中，基板附近的平均氢浓度相对于膜表面附近的平均氢浓度之比是0.50～1.20。4.根据权利要求1～3中任一项所述的氧化物半导体薄膜，其中，通过飞行时间型二次离子质谱分析法确认到OH-。5.根据权利要求1～4中任一项所述的氧化物半导体薄膜，其中，以Ga/(In+Ga)原子数比计的所述镓的含量是0.20以上且0.35以下。6.根据权利要求1～5中任一项所述的氧化物半导体薄膜，其中，载流子浓度是2.0×1018cm-3以下。7.根据权利要求1～6中任一项所述的氧化物半导体薄膜，其中，载流子迁移率是10cm2V-1sec-1以上。8.根据权利要求1～7中任一项所述的氧化物半导体薄膜，其中，载流子浓度是1.0×1018cm-3以下且载流子迁移率是20...

【专利技术属性】
技术研发人员：中山德行，西村英一郎，松村文彦，白木真菜，
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