CN101305468B - 在半导体/电介质界面处具有晶体区域的非晶氧化物场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
提供一种包括有源层和栅绝缘膜的场效应晶体管，其中，有源层包含含有非晶区域和晶体区域的非晶氧化物层，并且，晶体区域在非晶氧化物层和栅绝缘膜之间的界面附近或与所述界面接触。
Description
技术领域
本发明涉及场效应晶体管。特别地，本发明涉及将非晶氧化物用于有源层的场效应晶体管。
背景技术
近年来，已对氧化物半导体用于薄膜晶体管(TFT)的有源层的技术进行了研究。特别地，由于由InGaZn制成的非晶氧化物可以在室温被形成为膜，因此，在处理温度方面，由InGaZn制成的非晶氧化物可具有比典型地用于TFT的有源层的非晶硅高的效用。
例如，WO 2005/088726公开了由InGaZn制成的非晶氧化物用于TFT的有源层的技术。
一般认为非晶硅具有约0.5cm2/V·s的场效应迁移率。
同时，上述的WO 2005/088726公开了对于其有源层采用由InGaZn制成的非晶氧化物的TFT的输出特性。根据WO2005/088726，实施例显示TFT的饱和区域中的场效应迁移率约为10cm2/V·s。
但是，为了使得非晶氧化物半导体能够被用于替代具有高通用性的非晶硅，对于其功能的进一步改善是必需的。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的是，提供使用具有高场效应迁移率的非晶氧化物的新型场效应晶体管。
根据本发明，提供一种场效应晶体管，包括：
有源层，和
栅绝缘膜，
其中，有源层包含含有非晶区域和晶体区域的非晶氧化物层，并且，晶体区域在非晶氧化物层和栅绝缘膜之间的界面附近或与所述界面接触。
顺便说一句，本发明的发明人已进行了旨在进一步改善场效应迁移率的深入研究。作为研究的结果，发明人发现，在变成有源层的非晶氧化物层中在与栅绝缘膜的界面的附近存在晶体相(即，晶体区域)的情况下，可获得高场效应迁移率，并且提出了本发明。后面说明的例子显示通过形成两个有源层进行的实验，一个在非晶氧化物中存在这种晶体区域，另一个在非晶氧化物中没有晶体区域。然后就场效应迁移率将所述两个有源层相互比较。
附图说明
图1是用于解释本发明的横截面TEM图像；
图2是用于解释本发明的示意性横截面图；
图3是用于解释根据本发明的场效应晶体管的示意性横截面图；以及
图4是用于解释比较例子的横截面TEM图像。
具体实施方式
本发明的特征在于，如图2所示，场效应晶体管的有源层210由非晶氧化物层217形成，并且，晶体区域215存在于非晶氧化物层217中，以在与栅绝缘膜220的界面的附近或与该界面接触。换句话说，有源层210由非晶区域和晶体区域组成，并且晶体区域215存在于非晶氧化物层中，以在与栅绝缘膜220的界面的附近或与该界面接触。
在下面说明的例子中，作为例子使用包含In、Ga和Zn的氧化物。在与作为非晶氧化物和栅绝缘膜之间的界面的第一界面250相对的第二界面260的附近，不存在上述的晶体区域215。
有关在非晶氧化物中特别是在上述位置处形成晶体区域或微晶区域的原因的细节不清楚，但被认为可归因于氧化物的成分、制造时的氧浓度、沉积温度、绝缘膜的材料或制造方法。
在后面说明的例子中，确认了通过在制造晶体管时关于特定的成分来改变特别是氧气氛条件，在特定的位置处出现晶体区域。
一般地，对于用作半导体的非晶氧化物，难以找到适当的成分及其制造条件以便被用于晶体管的有源层。
但是，根据本发明，已发现以下的指导方针。即，能够通过在非晶层中在界面的附近或在与界面接触的位置处产生晶体区域以形成有源层，来制造具有高场效应迁移率的晶体管。
在本发明中仅在与栅绝缘膜的界面的附近存在晶体区域而不沿整个非晶氧化物的厚度方向分散晶体区域的原因被假设如下。
即使在非晶氧化物中，随着叠层的厚度增大，也会通过绝缘膜的形成在非晶氧化物的表面侧上积累应力或施加能量。并且，取决于非晶氧化物的成分，结晶可能出现，或者相反，可能不出现。在下面要说明的例子中所显示的非晶氧化物的成分可能刚好接近于容易导致结晶的成分。这是仅在与栅绝缘膜的界面的附近存在晶体区域的原因。
即，随着膜形成的进展，膜的性能(表面状况、电导率和热导率等)改变，由此，在一些情况下，在膜表面上的晶体生长的成核可能性变高以容易导致结晶。即使当原始的膜具有非晶结构时，也认为更接近晶体的非晶结构更可能导致上述的现象(其中在膜形成的途中开始结晶)。
根据本发明，晶体区域在与栅绝缘膜的“界面处”或栅绝缘膜的“附近”存在，由此，用于在栅绝缘膜侧的有源层中形成沟道的区域变成非晶结构中的更接近晶体结构的非晶结构。由于具有这种特定的结构，因此，虽然它是非晶的，但能够获得具有更接近晶体的特性的优异特性的非晶结构。另一方面，由于晶体区域基本上以点状态存在，因此沟道路径的大部分是非晶区域，因此认为可防止由于晶界导致的迁移率降低。
相反，晶体区域在与这样的区域复合(composite)的区域中存在，所述这样的区域在与栅绝缘膜的“界面处”或栅绝缘膜的“附近”，由此，用于在栅绝缘膜侧的有源层中形成沟道的区域不总是变成非晶结构中的更接近晶体结构的非晶结构。因此，认为不总是能够获得具有更接近晶体的特性的优异特性的非晶结构。
在与本发明不同的在整个有源层中存在多晶或微晶的情况下，认为迁移率由于晶界的存在而降低。特别地，认为随着晶体的晶粒尺寸增大，出现这一问题：存在各特性的晶体取向依赖性以降低特性的均匀性。
根据本发明，仅在与栅绝缘膜的“界面处”或栅绝缘膜的“附近”形成晶体区域的方法包括在膜形成的过程中在不有意改变膜形成条件的情况下以自匹配的方式形成晶体区域的方法、和在膜形成的过程中在有意改变膜形成条件的情况下形成晶体区域的方法等。但是，如果晶体形成的形成等是不方便的，那么不对方法进行特别限制。
在膜形成的过程中在不有意改变膜形成条件的情况下以自匹配的方式形成晶体区域的方法利用了这一情况：其中，随着膜形成的进展，膜的性能(表面状况、电导率和热导率等)改变以容易导致结晶。例如，虽然膜形成条件在膜形成的过程中不变化，但是，随着膜形成的进展，对结晶进展条件(膜性能改变条件)的控制使得能够仅在与栅绝缘膜的“界面处”或栅绝缘膜的“附近”形成晶体区域。
在膜形成的过程中在有意改变膜形成条件的情况下形成晶体区域的方法利用了诸如衬底温度、膜形成速率、膜形成功率的膜形成条件。即，用于容易结晶的膜形成条件是升高衬底温度、降低膜形成速率和降低膜形成时的功率等。因此，在膜形成的过程中有意改变膜形成条件使得能够仅在与栅绝缘膜的“界面处”或栅绝缘膜的“附近”形成晶体区域。由于这些条件根据诸如膜形成装置的构成的条件而不同，因此事先进行样品膜形成、获得膜形成条件和沉积膜的结晶状态之间的关系、并基于所获得的结果来控制这些条件是重要的。
在本发明中使用的非晶氧化物包含例如In、Zn和Ga。
晶体区域代表通过横截面透射电子显微镜(TEM)技术观察的有源层的晶体区域。
根据本发明的场效应晶体管不仅包含交错型和反交错(invertedstagger)型，而且包含共面型和反共面型。
根据本发明的用作有源层的非晶氧化物层的厚度可优选为0.05μm或更大且1μm或更小。
根据以下的原因确定非晶氧化物层的厚度。根据本发明的晶体区域具有小于0.05μm的横截面直径。因此，当有源层具有小于0.05μm的厚度时，在其沟道中包含晶体区域的TFT和在其沟道中不包含晶体区域的TFT之间出现大的性能差异。并且，当厚度大于1μm时，非晶氧化物层需要长的时间用于其膜形成，大于1μm的厚度不适于大规模生产过程。
在使用由在与栅绝缘膜的界面的附近具有晶体区域的非晶氧化物形成的有源层的情况下，鉴于消除晶体管之间的性能差异，优选制造晶体管使得用作晶体管的沟道的部分不包含这种晶体区域。
并且，在本发明中，在形成根据本发明的非晶氧化物层之后，还能够根据场合需要去除存在于非晶氧化物层的表面层部分中的包含晶体区域的区域的至少一部分。当在非晶氧化物层上形成另一层时，这种处理可控制存在于层间的界面上的晶体区域的存在量和分布状态，由此增强界面的匹配。
本发明中的“界面的附近”意味着到界面的距离在有源层的厚度的1/2以内的区域，尽管它依赖于有源层的厚度，并且，距有源层和栅绝缘层之间的界面在300nm、优选100nm、更优选50nm以内。
另外，认为当本发明中的界面的附近的厚度是厚度等于或大于沟道厚度的区域时，本发明变得更有效。
(例子)
将解释根据本发明的场效应晶体管的具体制造方法。
(1)有源层的制造
首先，作为上面要沉积膜的衬底，制备SiO2玻璃衬底(由Corning公司制造的1737)。然后，通过RF溅射方法形成包含In、Zn和Ga的非晶氧化物层。
这里，使用InGaZn氧化物的多晶烧结体作为靶材。使用其中可放置多个靶衬底的SH-350(由ULVAC公司制造)作为RF溅射装置。RF功率被设为300W，膜形成压力(即，总压力)被设为4mTorr(即，约0.533Pa)，并且衬底温度不被特别升高。
使得膜形成气氛为氧和氩的混合气体气氛。在流率(flow rate)中，氧分压被设为3.7％(即，约0.0197Pa)。将靶和衬底之间的距离设为沿垂直方向约5cm，并且执行膜形成。在非晶氧化物层的厚度变为50nm时完成膜形成。
通过X射线荧光分析，所获得的非晶氧化物层的成分为In∶Ga∶Zn＝1∶0.9∶0.65。
(2)MISFET的制造
然后，制造图3所示的顶栅MISFET器件。制造晶体管，使得沟道长度和沟道宽度分别被设为10μm和150μm。
在衬底上，Ti膜(膜厚：5nm)283和Au膜(膜厚：40nm)281通过电子束沉积方法以所述次序被形成，然后，被构图以具有图3所示的图案。作为结果，形成源电极和漏电极。此后，在两个电极的一部分上形成经受构图的抗蚀剂(未示出)，并且通过RF溅射方法提供非晶氧化物层210。此后，通过上述的RF溅射方法形成用作栅绝缘层的Y2O3膜220(膜厚：140nm)。
在通过抗蚀剂去除执行剥离(lift-off)之后，再次形成抗蚀剂，执行构图，然后以与漏电极等相同的方式形成包含Ti膜233和Au膜231的栅电极230。结果，可获得顶栅TFT。电极和栅绝缘膜的形成是在不特别实施加热的状态中进行的。栅电极230的结构与源电极的结构相同。
(3)MISFET的特性评价和结构评价
在室温确定由此制造的TFT的电流-电压特性。随着漏电压VDS增大，漏电流IDS增大，并且这表示沟道是n型半导体。并且，示出典型半导体晶体管的行为，其中，当漏电压VDS达到约6V时，出现夹断(饱和)状态。当检查增益特性时，施6V的漏电压VDS时的栅电压VGS的阈值约为+1V。另外，当栅电压VGS为4V时，7.5×10-5A的漏电流IDS流动。
晶体管的开/关比超过106。从饱和区域中的输出特性计算场效应迁移率约为15.7cm2/V·s，由此获得高场效应迁移率。
然后，通过横截面TEM技术观察具有这种高场效应迁移率的晶体管。具体而言，使用FIB(使用由Hitachi有限公司制造的FB-2000)形成并通过横截面TEM技术观察晶体管的横截面。为了观察，使用Hitachi有限公司制造的H-800。图1示出其横截面TEM图像。在图1中，InGaZn氧化物层位于衬底和绝缘膜之间。并且，氧化物层在与绝缘膜的界面的附近或周围包含晶体晶粒。
(4)比较例子
为了与上述的例子相比较，除了形成非晶氧化物层时的氧分压变为3.4％(即，0.018Pa)以外，在与例子中的条件相同的条件下制造晶体管。通过上述的横截面TEM技术观察晶体管。如图4所示，在非晶氧化物层中不存在晶体区域。有源层的成分与上述例子的几乎相同。
评价晶体管特性以揭示在饱和区域中场效应迁移率约为10cm2/V·s。该值比上述例子的晶体管的值低。
从上述明显可见，就场效应迁移率而言，优选形成有源层，使得非晶氧化物在与栅绝缘层的界面的附近包含晶体区域。
工业实用性
本发明应用于使用液晶或诸如有机EL层或无机EL层的发光层的显示器件用晶体管。并且，可通过低温的膜形成制造根据本发明的晶体管，并因此可在由树脂或塑料等制成的挠性衬底上制造它。因此，晶体管可被适当地用于IC卡和ID标签等。
本发明的效果
根据本发明，可提供具有高场效应迁移率的晶体管。
本申请要求在2005年11月8日提交的日本专利申请No.2005-323689和在2006年10月18日提交的日本专利申请No.2006-283893的优先权，它们在此通过引用而并入。
Claims (3)
1.一种场效应晶体管，包括：
有源层，和
栅绝缘膜，
其中，所述有源层包含含有非晶区域和晶体区域的非晶氧化物层，所述非晶氧化物层包含含有In、Zn和Ga的氧化物，其中，所述晶体区域以点状态存在，并且，所述晶体区域距作为所述非晶氧化物层和所述栅绝缘膜之间的界面的第一界面的距离在所述有源层的厚度的1/2之内并距所述第一界面在300nm之内，或者与所述第一界面接触。
2.根据权利要求1的场效应晶体管，其中，在与所述第一界面相对的第二界面的附近，不存在所述晶体区域。
3.根据权利要求1的场效应晶体管，其中，所述非晶氧化物层具有0.05μm或更大且1μm或更小的厚度。
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