薄膜晶体管和制备薄膜晶体管的方法技术

本发明专利技术公开薄膜晶体管和制备薄膜晶体管的方法。本发明专利技术提供一种包含活性层的薄膜晶体管，所述活性层包含ＩＧＺＯ基氧化物材料，所述ＩＧＺＯ基氧化物材料由组成式Ｉｎ２－ｘＧａｘＺｎＯ４－δ表示，其中０．７５＜ｘ＜１．１０并且０＜δ≤１．２９１６１×ｅｘｐ（－ｘ／０．１１８０２）＋０．００１５３，并且所述ＩＧＺＯ基氧化物材料由具有ＹｂＦｅ２Ｏ４的晶体结构的ＩＧＺＯ的单相形成，以及提供一种制备所述薄膜晶体管的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种薄膜晶体管和一种制备薄膜晶体管的方法。
技术介绍
近年来，由组成式IrvxGaxO3(ZnO)ω(0 < χ < 2并且m为自然数)表示的非晶 In-Ga-Zn-O基同系氧化物材料(以下，称为“ IGZO基氧化物材料”或有时简称为“ IGZ0”) 在其结晶状态已经引起了关注。来自东京技术研究所(Tokyo Institute of Technology)的Hosono等报道了 非 晶IGZO基氧化物材料表现出与半导体的电阻率值类似的电阻率值，并且可以在室温形成 为膜，并且报道了这些材料可以获得等于或高于非晶硅的迁移率的迁移率(Hosono等，非 专利文献 1，自然(Nature) ,432(2004)，第 488-492 页)。特别地，由其中m = 1的以上组成式表示的非晶IGZO基氧化物材料是高度有希望 的材料体系，这是由于在In-In之间的电子轨道的大的重叠比率，其被认为有助于电子的 传导。针对非晶IGZO基氧化物材料作为例如用于薄膜晶体管(以下还称为“TFT”)的活 性层的有效材料的用途，正在对这些材料认真地进行着研究和开发。另一方面，例如在下列文献中描述了具有结晶结构的IGZO基氧化物材料。非专利文献2 (美国陶瓷学会杂志(Journal of the American CeramicSociety), 82 (1999)，第2705-2710页)描述了一种制备其中m = 1的结晶IGZO基氧化物材料的方法， 其中将包括In、Ga和Zn的原料的混合物在1350°C以上退火，然后从此极高的退火温度快 速冷却。此文献还公开Ga的固溶体范围(χ的范围)为0. 66至1. 06。此外，日本专利3947575公开了一种在氢气或氩气气氛中、在某个温度对通过在 一定条件退火得到的其中m = 1的结晶IGZO基氧化物材料进行还原热处理的方法。在这点上，在包括IGZO的许多电子传导氧化物材料中，对于这些材料所特有的性 质显著地受氧空位量δ的值影响。当δ值大时，产生大量的载流子(电子)，并且形成在 导带内具有费米能级的“简并半导体”。换言之，处于此状态中的氧化物材料是表现出金属 导电性的导体。另一方面，当δ值小时，可以抑制载流子的产生并且氧化物材料可以作为 半导体存在。以上事实表明取决于氧空位量δ的值，氧化物材料的属性可以在导体和半 导体之间极大地改变。在非专利文献2中所述的方法中，从高温范围快速冷却(淬火)的目的是得到在 室温也保持其在高温得到的状态的氧化物材料。通常，从化学平衡的观点，结合到氧化物材 料上的氧在越高的温度越容易逸出，从而增加δ的值。因此，具有较大δ值的IGZO基氧 化物材料可以作为进行淬火的结果得到，并且具有较大δ值的IGZO基氧化物材料不能抑 制载流子的产生并且表现为简并半导体，即金属(导体)。另一方面，在日本专利3947575中所述的方法中，进行还原热处理以将氧空位引 入到氧化物材料中。因此，通过此方法得到的IGZO基氧化物材料具有大的δ值，从而增大了其载流子浓度。结果，通过此方法得到的IGZO基氧化物材料表现为简并半导体，即金属 (导体)。如上所述，非专利文献2和日本专利3947575都表明其中m = 1的结晶IGZO基 氧化物材料是导体而非半导体。因此，如果其中m = 1的IGZO基氧化物材料可以作为半导 体获得，则此材料可以广泛地用于电子器件，例如用作TFT的活性层。此外，如果其中m= 1的IGZO基氧化物材料中的Ga的量不适当，则此材料不形成 IGZO的单相，而是在其中包含多种晶相。因此，从微观观点，倾向于在晶粒间界等处发生电 子散射。因此，为了将其中m= 1的结晶IGZO基氧化物材料应用于电子器件，考虑到保持 载流子(电子)的迁移率，如非专利文献2中所述的其中Ga的量处于固溶体范围并且形成 IGZO的单相的IGZO基氧化物材料是适宜的。本专利技术旨在提供一种具有有利电特性的薄膜晶体管以及一种制备薄膜晶体管的 方法。所述薄膜晶体管具有活性层，所述活性层包括单相半导体IGZO基氧化物材料。特别 地，本专利技术集中于一种由组成式IrvxGaxO3(ZnO)m表示的结晶IGZO基氧化物材料，其中m = 1。
技术实现思路
本专利技术是考虑到以上情形而进行的，并且提供一种薄膜晶体管以及一种制备薄膜 晶体管的方法。本专利技术的第一方面提供一种薄膜晶体管，所述的薄膜晶体管具有活性层，所述活 性层包括IGZO基氧化物材料，所述IGZO基氧化物材料由组成式IrvxGaxZnCVs表示，其中 0. 75 < χ < 1. 10 并且 0 < δ < 1. 29161 Xexp (-χ/0. 11802)+0. 00153，并且所述 IGZO 基 氧化物材料由具有YbFe2O4型晶体结构的IGZO的单相形成。本专利技术的第二方面提供一种制备根据本专利技术的第一方面的薄膜晶体管的方法，其 中所述活性层通过包括以下步骤的工艺制备将包括In、Ga和Zn的薄膜材料以50°C /hr 至500°C /hr的平均降温速率从所述薄膜材料的结晶温度冷却到300°C，所述薄膜材料已经 形成在基板上并且被加热至所述薄膜材料的所述结晶温度。根据本专利技术，可以提供一种具有有利电特性的薄膜晶体管和一种制备薄膜晶体管 的方法。所述薄膜晶体管具有活性层，所述活性层包括由组成式IrvxGaxO3(ZnO)m表示的单 相半导体IGZO基氧化物材料，其中m = 1。附图说明基于下列附图，将详细描述本专利技术的示例性实施方案，在附图中图1显示根据本专利技术的第一示例性实施方案的IGZO基氧化物材料的晶体结构；图2显示在不同的最高退火温度得到的样品的X射线衍射图案；图3显示图2中所述的X射线衍射图案的放大图；图4显示在不同的最高退火温度得到的样品的C-轴晶格常数；图5显示在主退火以后的样品1至15的X射线衍射图案；图6显示样品1至15的a-轴晶格常数的计算结果；图7显示样品1至15的C-轴晶格常数的计算结果；4图8显示样品1至15的电阻率的值的测量结果；图9显示样品1至15的载流子浓度的计算结果；图10显示样品1至15的迁移率的计算结果；图11显示样品5、7和9的电阻率的温度依赖性的测量结果；图12显示在不同温度进行的样品5、7和9的霍尔(Hall)测量的结果；图13显示样品5、7和9的热解重量分析测量的结果；图14显示Ga的输入摩尔比χ与IGZO的δ max的相互关系；图15是根据本专利技术的第二示意性实施方案的TFT的示例性器件结构的示意图，所 述的TFT具有顶栅(top-gate)和顶接触(top-contact)结构；图16显示通过反应性固相外延方法制备的单晶IGZO膜的X射线衍射图案(测量 条件2 θ = 30. 0840°，轴通过固定在IGZO(009)而调节)；和图17显示在不同的结晶温度形成的IGZO膜的X射线衍射图案。具体实施例方式<第一示例性实施方案>在第一示例性实施方案中，参考附图描述IGZO基氧化物材料，所述IGZO基氧化物 材料用作用于根据本专利技术的TFT的活性层的构造材料。在附图中，用相同的附图标记显示 具有与之前已经解释的部件的功能基本上相同的功能的部件，并且有时可以省略对它本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄膜晶体管，所述的薄膜晶体管包含活性层，所述活性层包含ＩＧＺＯ基氧化物材料，所述ＩＧＺＯ基氧化物材料由组成式Ｉｎ↓［２－ｘ］Ｇａ↓［ｘ］ＺｎＯ↓［４－δ］表示，其中０．７５＜ｘ＜１．１０并且０＜δ≤１．２９１６１×ｅｘｐ（－ｘ／０．１１８０２）＋０．００１５３，并且所述ＩＧＺＯ基氧化物材料由具有ＹｂＦｅ↓［２］Ｏ↓［４］的晶体结构的ＩＧＺＯ的单相形成。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：梅田贤一，铃木真之，田中淳，奈良裕树，
申请(专利权)人：富士胶片株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]