[发明专利]氧化物半导体层的非破坏性测试方法和制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于以非接触、非破坏性方式调查可用作薄膜晶体管 等的活性层(active layer)的非晶或多晶氧化物半导体层的膜特性的测 试方法，以及利用该测试方法来制造非晶或多晶氧化物半导体层的方 法。

背景技术

被设计为薄膜晶体管(TFT)的场效应晶体管(FET)广泛用作电子 电路中的像素晶体管，特别是图像显示装置的有源矩阵电路中的像素 晶体管。当前可用的TFT一般使用非晶硅或多晶硅作为构成活性层 的半导体材料，并且使用玻璃基底作为基底。

然而，玻璃基底重、受到冲击容易破裂并且不具有柔性。因此， 现在开始研究和开发重量轻、不易破裂并且可以取代玻璃基底的柔性 塑料基底。由于制造硅薄膜需要高温热处理工艺，因此难以在耐热性 低的塑料基底上形成硅薄膜。这样就聚焦到非晶或多晶金属氧化物半 导体材料，这类材料可以在低温下形成膜，并且可以用作替代硅的半 导体材料。

例如，日本未经实质审查专利申请公布No.2006-165529(′529 文献)(第6-9、16、21和22页以及图3)推荐了基于包含铟、镓和 锌作为主要组成元素的In-Ga-Zn-O等的非晶氧化物。该非晶氧化物 的特征在于，其包括微晶，具有沿着层厚度方向变化的组成或者包含 至少一种预定元素，并且特征在于，其电子载流子浓度小于10¹⁸/cm³或者表现出电子迁移率随着电子载流子浓度而增大的趋势。该文献提 供了下面的描述。

当由组成分子式Zn_xGa_yIn_zO_x+3y/2+3z/2等表示的非晶氧化物通过 常规的溅射技术形成膜时，容易形成氧缺欠并且产生大量的载流子电 子。由此电子载流子浓度为10¹⁸/cm³或更大并且电导率为10S/cm或 更大。该氧化物是有用的导体，但是极少用于制造正常截止的TFT， 这是因为当在TFT的活性层中使用该氧化物时，在没有栅电压的情 况下，大电流在源电极和漏电极之间流动。此外，还难以提高导通/ 截止(ON/OFF)比率。

然而，在通过诸如脉冲激光沉积或溅射的气相沉积技术将 In-Ga-Zn-O基非晶氧化物形成膜的情况下，通过将沉积气氛中的氧 分压保持在预定水平或更高水平，可以减少氧缺欠量，结果，电子载 流子浓度可以被限制为小于10¹⁸/cm³，其中，所述气相沉积技术是利 用由组成分子式InGaO₃(ZnO)_m表示的多晶烧结物构成的靶材进行 的。观察到的电子迁移率超过1cm²/(V.sec)，从而发现了电子迁移率 随着导电电子的数量而增大的独特特性。如果柔性TFT的活性层可 以使用该非晶氧化物来形成，则制成的柔性TFT可以具有所需特性 并且在可见光下是透明的。

在沉积之后，通过在含氧气氛中处理氧化物膜，还可以控制非晶 氧化物中的氧缺欠量。在这个过程中，为了有效控制氧缺欠量，将含 氧气氛的温度控制成优选的0℃至300℃，更优选的25℃至250℃， 并且最优选的100℃至200℃。

图6是′529文献中公开的曲线图，示出了在通过溅射形成 In-Ga-Zn-O非晶氧化物半导体层的情况下气氛中的氧分压与氧化物 半导体层的电导率之间的关系。图6示出了：假设足够的电导率是10^-6至10S/cm，需要将氧分压控制在3×10^-2至5×10^-2Pa的这一窄范围内。

当氧化物半导体层被用作FET的活性层时，氧化物半导体层中 的载流子浓度是用于确定成分特性的关键参数。然而，如图6所示， 氧化物半导体层中的载流子浓度对沉积条件非常敏感。此外，由于氧 化物半导体层中的载流子浓度不稳定，因此根据各阶段的气氛和温度 以及沉积工艺之后的化学处理，载流子浓度会发生几个数量级的大小 变化。因此，通过在受控气氛下执行退火工艺来调节载流子浓度。

如果在沉积期间、在退火期间或者在制造完成后的氧化物半导体 层的载流子浓度可以通过非破坏性测试来快速检查，则可以高成品率 地制造氧化物半导体层和最终的半导体元件(例如FET)。