[发明专利]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

说明书

本发明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1.0×10²⁰原子/cm³以上且1.0×10²²原子/cm³以下。

技术领域

本发明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。

背景技术

薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)是场效应晶体管(Field EffectTransistor，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。