非晶绝缘体膜和薄膜晶体管

摘要

本发明提供一种由氧化硅(Si)制成的非晶绝缘体膜，其中该非晶绝缘体膜包括Ar并且其中所包括的Ar的量相对Si的原子比为等于或大于3原子％。

说明书

技术领域

本发明涉及非晶(amorphous)绝缘体膜及使用非晶绝缘体膜的薄膜晶体管。

背景技术

近年来，已经积极地开发了液晶显示器、等离子显示器和有机EL显示器，而无论其尺寸如何。已经作出一种尝试：对于充当显示器的像素驱动装置的薄膜晶体管(TFT)使用非晶硅薄膜、低温多晶硅薄膜或氧化物半导体薄膜。具体地，使用非晶氧化物半导体膜作为沟道的TFT可以被应用于使用在室温下形成的塑料衬底的柔性显示器。因此，如在Applied Physics Letters，Volume 89，112123-1，pp.1-3公开的，已经作出积极的研究和开发。

在Applied Physics Letters，Volume 89，112123-1，pp.1-3公开的TFT中，使用通过溅射方法被沉积作为非晶氧化物半导体沟道层的非晶InGaZnO₄薄膜。使用通过溅射方法被沉积作为栅绝缘体膜的Y₂O₃膜。充当栅绝缘体膜的Y₂O₃膜比通常用作TFT的栅绝缘体膜的氧化硅(SiO₂)膜更昂贵。因此，期待从Y₂O₃膜到诸如SiO₂膜的包含硅的非晶绝缘体膜的转换。

在很多情况下，通常通过化学气相沉积方法(CVD方法)来制造诸如SiO₂膜的包含硅的非晶绝缘体膜(在下文中，也称为绝缘膜)。为了通过CVD方法获得具有优良的绝缘性能的绝缘体膜，等于或高于300℃的沉积温度通常是必需的，因此难以在塑料衬底上形成绝缘体膜。

如上所述，可以利用溅射方法在等于或低于300℃的沉积温度下形成用于TFT的非晶氧化物半导体膜。因此，期望可以如在形成非晶氧化物半导体膜的情况下一样利用溅射方法形成绝缘体膜。这是因为可以采用具有低耐热性的衬底，例如塑料衬底。

然而，利用溅射方法沉积的传统的包含硅的非晶绝缘体膜在绝缘特性方面劣于利用CVD方法沉积的传统的包含硅的非晶绝缘体膜。因此，迄今为止，利用溅射方法沉积的包含硅的非晶绝缘体膜没有推向实际应用。因此，例如，当在塑料衬底上形成器件时，必须在比使用CVD方法的沉积温度低的温度下形成绝缘体膜。如在公开号为H02-90568的日本专利申请中描述的，希望改善利用溅射方法形成的绝缘体膜的性能。

在公开号为H02-258614的日本专利申请中，公开了包含5atomic％(原子％)或更少的Ar的SiO₂膜作为磁头的磁隙材料。然而，没有公开SiO₂膜在TFT的栅绝缘体膜中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种由Si氧化物制成并具有优良特性的非晶绝缘体膜和使用该非晶绝缘体膜的薄膜晶体管。

为了解决上述传统的问题，本发明的发明人广泛地研究利用溅射方法形成的、由氧化硅制成的非晶绝缘体膜。结果，获得关于绝缘体膜的Ar含量和其绝缘特性之间的相关性的发现，并且发明了具有优良的绝缘特性且由氧化硅制成的非晶绝缘体膜。

基于上述发现完成本发明，并且本发明涉及用作薄膜晶体管的栅绝缘体膜并且包括氧化硅(Si)的非晶绝缘体膜，其中该非晶绝缘体膜包括Ar，并且其中所包括的Ar的量相对硅的原子比为等于或大于3原子百分比。

根据本发明，可以获得绝缘特性优良的非晶绝缘体膜。此外，在使用根据本发明的绝缘体膜时，可以利用低温制造工艺获得性能优于传统的薄膜晶体管并且成本低于传统的薄膜晶体管的薄膜晶体管。

从下面参考附图的示范实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。

附图说明

图1是示出根据本发明的非晶绝缘体膜的Ar/Si比和在施加1MV/cm时其电流密度之间的相关性的曲线图。

图2是示出用于I-V特性评价的平行板电容器器件的结构的示意图，在根据本发明的实验例和例1中使用该平行板电容器器件。

图3是示出在根据本发明的实验例和例2中使用的底栅TFT的结构的示意图。

图4是示出底栅TFT的传输(transfer)特性的曲线图，该底栅TFT的栅绝缘体膜是根据本发明的非晶绝缘体膜并且其沟道层是非晶氧化物膜。

具体实施方式

将描述本发明人当前预期的实施本发明的最佳方式。迄今为止，如在公开号为H02-90568的日本专利申请中公开的，认为利用溅射方法制造的氧化硅膜的绝缘特性劣化的原因是在溅射期间氧化硅膜被Ar粒子破坏。已经采用在溅射气体中Ar气的量被最小化并且其中氧气的量被最大化的条件下形成氧化硅膜的方法，来作为改善氧化硅膜的绝缘特性的方法。即，认为随着在氧化硅膜中包含的Ar的量变得越小，绝缘特性越优。

然而，就溅射气体中Ar与氧的比和氧化硅膜的绝缘特性之间的关系而言，上述现有技术文件中并未必要充分地描述氧化硅膜的膜形成条件，因此膜形成条件的细节不清楚。此外，也没有公开在所形成的氧化硅膜中包含的Ar的量和氧化硅膜的绝缘特性之间的相关性。

本发明的发明人关注并广泛地研究氧化硅膜中包含的Ar的量和氧化硅膜的绝缘特性之间的关系。利用溅射方法在不同条件下制造氧化硅膜，从而发现氧化硅膜中包含的Ar的量和氧化硅膜的绝缘特性之间存在相关性。另外，发现即使当溅射气体中Ar的量是100％(不存在诸如氧气的其它气体)时，在调整的膜形成条件下制造的并且包含特定范围的Ar气的氧化硅膜显示出优良的绝缘特性。

结果，不同于注意力集中在减少溅射期间Ar的量的形成氧化硅膜的传统方法，通过将氧化硅膜中包含的Ar的量设置在适当的范围可以获得绝缘特性优良的氧化硅膜，由此完成本发明。

即，在本发明中，采用由氧化硅制成并且包含Ar的氧化硅非晶绝缘体膜，其中该非晶绝缘体膜中包含的Ar的量相对硅的原子比在特定范围内。因此，可以获得具有优良特性的绝缘膜。在使用绝缘膜时，可以获得具有优良特性的器件，例如薄膜晶体管。

根据本发明的非晶绝缘体膜是Si氧化物非晶绝缘体膜。非晶绝缘体膜包含Ar，并且该非晶绝缘体膜中包含的Ar的量相对硅的原子比等于或大于3原子百分比(Ar/Si≥3at.％)(在下文中，原子百分比被称为″at.％″)。

理想地，原子比等于或大于4原子％(atomic％)(Ar/Si≥4at.％)，并且更理想地，等于或大于5原子％(Ar/Si≥5at.％)。

理想地，该非晶绝缘体膜中包含的Ar的量的上限为等于或小于17原子％(Ar/Si≤17at.％)，并且更理想地，为等于或小于16原子％(Ar/Si≤16at.％)。

在调整诸如在膜形成时衬底的电势和衬底座的电势的膜形成参数时，由氧化硅制成的非晶绝缘体膜包含上述量的Ar并且具有优良的绝缘特性。因此，可以获得由氧化硅制成的非晶绝缘体膜，其中在1MV/cm的电场被施加到该非晶绝缘体膜时电流密度等于或小于1×10^-6A/cm²。另外，可以获得由氧化硅制成的非晶绝缘体膜，其中在1MV/cm的电场被施加到该非晶绝缘体膜时电流密度等于或小于3×10^-7A/cm²。

理想地，使用溅射方法作为形成根据本发明的非晶绝缘体膜的方法。更理想地，使用rf磁控溅射方法作为溅射方法。理想地，在等于或低于300℃的温度下形成根据本发明的非晶绝缘体膜，更理想地，在室温下形成根据本发明的非晶绝缘体膜。理想地，在膜形成时衬底的电势和衬底座的电势的至少一个相对于地电势为正的状态下，或在衬底和衬底座的至少一个与地分开的开路(open)状态下，形成非晶绝缘体膜。

使用根据本发明的非晶绝缘体膜的器件的例子包括TFT。在使用该非晶绝缘体膜的TFT中，非晶绝缘体膜被用作其栅绝缘体膜。

理想地，使用氧化物半导体膜作为TFT的沟道层。更理想地，使用非晶氧化物半导体膜。理想地，利用溅射方法形成沟道层。另外，理想地，利用真空沉积方法(包括脉冲激光沉积(PLD)方法)形成沟道层。

因此，根据本发明，获得绝缘特性优良的非晶绝缘体膜。在使用该非晶绝缘体膜时，可以在低于传统的制造工艺温度的温度下制造与传统的TFT相比性能更高并且成本更低的TFT。

例如，在使用氧化物半导体薄膜作为沟道层的TFT中，可以低成本地提供具有高的性能、稳定性和可靠性的器件。即使在制造工艺期间不能升高温度的情形下，例如在塑料衬底上形成上述器件的情形下，也可以在低温形成器件。

(实验例)

接下来，将参考实验例更详细地描述本发明。为了解决传统的问题，本发明的发明人研究了利用溅射方法形成的、由氧化硅制成的非晶绝缘体膜，特别地，研究非晶绝缘体膜中包含的Ar的量和其绝缘特性之间的相关性。平行板rf磁控溅射装置被用作溅射装置。具有75mm直径的SiO₂板被用作靶。在膜形成时衬底的温度被设置在室温。

Ti/Au/Ti多层被形成在其上作为电极的玻璃衬底被用作衬底。在衬底和衬底座与地分开的开路状态(也称为″浮动状态″)下制造由氧化硅制成的非晶绝缘体膜。变化的膜形成参数是衬底位置(衬底被设置在垂直于靶的方向或在靶的斜上方向)、沉积压力(0.06Pa到2Pa)、膜形成气体组分(0≤O₂/(Ar+O₂)≤0.50)以及靶功率(10W到400W)。

通过荧光X射线分析测量在制造的由氧化硅制成的非晶绝缘体膜中包含的Ar的量。通过降低作为膜形成参数的膜形成气体组分(Ar/O₂比)控制非晶绝缘体膜中的Ar/Si比。例如，增加在膜形成气体中O₂比例以增加Ar/Si比。即使在不引入O₂从而仅使用Ar的膜形成条件下，在降低靶功率时，也可以显著地增加Ar/Si比。

在制造的非晶绝缘体膜上形成复数个Au(40nm)/Ti(5nm)多层电极(每个直径为0.3mm)以制造如图2所示的平行板电容器器件，然后测量非晶绝缘体膜的电流-电压特性。图1示出从测量的非晶绝缘体膜的电流-电压特性的结果中获得的、在施加1MV/cm时电流密度对Ar/Si比的依赖性。

从图1可知，在Ar/Si≥3at.％的范围获得如下的泄漏电流特性，其中在施加1MV/cm时电流密度等于或小于1×10^-6A/cm²。具有这样的泄漏电流特性的非晶绝缘体膜被应用到具有图3示出的结构的TFT的栅绝缘体膜中。结果，除由在制造工艺期间的错误所引起的有缺陷的器件以及使用低电阻沟道半导体层的器件外，如图4所示的TFT的传输特性的截止电流值(off-current value)等于或小于10^-12A，由此显示出优良的TFT特性。

因此，Ar/Si≥3at.％的范围可以用作显示出优良的绝缘特性的非晶绝缘体膜(由Si氧化物制成)的指标。从图1的曲线图显而易见的，在比Ar/Si＝4at.％的点小的Ar/Si比的范围中，随着Ar的量增大，泄漏电流值降低。在Ar/Si≥4at.％的范围中，不管Ar的量增加，泄漏电流值被保持基本恒定。

从上可知，在Ar/Si比等于或大于4at.％的范围中，随着Ar量的增大的泄漏电流降低的效应变得最大。Ar/Si＝4at.％的点对应于外推图1示出的两条线而获得的交点，该两条线是通过绘出的实验数据的内插而画制的。在基于实验数据的绘点(plot point)限定Ar/Si比的范围时，其成为Ar/Si≥5at.％。因此，Ar/Si≥5at.％的范围可以被定义为这样的范围，在该范围中有高的概率获得随着Ar量的增大泄漏电流降低的效应。

为了设置Ar/Si比的上限值以获得具有最大Ar/Si比的非晶绝缘体膜，溅射功率被设置为50W、20W和10W以制造由Si氧化物制成的非晶绝缘体膜。获得的非晶绝缘体膜的Ar/Si比具有下列关系：Ar/Si(在50W制造的膜)＞Ar/Si(在10W制造的膜)＞Ar/Si(在20W制造的膜)。在溅射功率等于或大于20W时，随着溅射功率的降低，Ar/Si比增加。

另一方面，在10W的溅射功率下的Ar/Si比小于在20W的溅射功率下的Ar/Si比，并且认为在20W制造的膜的Ar/Si比0.162是该膜的Ar/Si比的最大值。即使在Ar/Si比为0.162的膜(在20W制造的膜)中，绝缘特性也是优良的。因此，根据本发明，Ar/Si比的上限值被认为是17at.％(Ar/Si≤17at.％)。在Ar/Si比的最大值的第三小数位以下的数字被忽略并且基于实验数据的绘图限定范围时，获得Ar/Si≤16at.％。由此，该范围可以定义为这样的范围，在该范围中有较高的概率获得泄漏电流降低的效应。

在由Si氧化物制成的非晶绝缘体膜中包含相对大量的Ar的情况下绝缘特性被改善的原因尚未必然地弄清。然而，本发明的发明人认为如下。如在Journal of Applied Physics，Volume 78，pp.962-968中公开的，在利用诸如汽相(vapor)沉积方法的汽相膜形成方法形成Si氧化物膜时，在Si氧化物膜中产生大量微孔。

因此，在膜形成之后，只要Si氧化物膜被从真空室取出暴露于空气，水分子就穿透该Si氧化物膜并且停留在微孔中。认为在Si氧化物膜中的水分子导致了其绝缘特性劣化(对其电导起贡献)。

当在真空室中形成根据本发明的绝缘体膜时，Ar被引入微孔，从而阻止水分子进入绝缘体膜。通过X射线反射率(XRR)测量方法测量该实验例的绝缘体膜的密度。结果，密度随着Ar的量(Ar/Si比)增加而增加。这意味着将Ar引入到膜中不会引起绝缘体膜的体积改变或引起小的改变。

即，这与Ar存在于绝缘体膜的微孔中的上述模型没有矛盾。因此，在Ar被预先引入绝缘体膜的微孔时，可以预期在绝缘体膜被从真空室取出暴露于空气的情况下可以阻止水分子进入绝缘体膜，由此可以保持优良的绝缘特性。

在如上控制膜形成条件下制造的Si氧化物非晶绝缘体膜中的Ar/Si比和其绝缘特性之间的相关性时，可以在如上所述Ar/Si比的范围中获得具有优良的绝缘特性的绝缘体膜。然而，例如，在用较高能的Ar离子轰击绝缘体膜的条件下形成绝缘体膜时，如现有技术中已知的，通过Ar离子碰撞可以破坏Si-O键，从而形成绝缘特性较差的绝缘体膜。

因此，为了在如上所述Ar/Si比的范围中获得具有优良的特性的绝缘体膜，膜形成条件是重要的。当在根据本发明的发明人采用的条件设置的膜形成条件下制造的绝缘体膜具有如上所述的Ar/Si比时，在1MV/cm的电场被施加时的电流密度等于或小于1×10^-6A/cm²，理想地，等于或小于3×10^-7A/cm²。由此，根据本发明的绝缘体膜不同于在传统的膜形成条件(例如高能Ar离子轰击条件)下制造的膜，而是对应于具有如上所述的Ar/Si比和绝缘特性(电流密度)的膜。

(例子)

接下来，将通过工作实例具体地描述本发明。然而，本发明不限于此。

(例1：非晶绝缘体膜)

在本发明的例1中，通过使用Ti靶和Au靶的溅射方法在玻璃衬底上形成Ti层(5nm厚)、Au层(40nm厚)和Ti层(5nm厚)的多层作为底电极。通过使用SiO₂靶的rf磁控溅射装置在该多层上形成100nm厚的SiO₂膜。膜形成条件如下。衬底被放置在这样的位置：衬底的中心位于相对于靶中心的垂直方向倾斜近似55度的方向，并且靶中心和衬底中心之间的距离为近似130mm。

衬底和衬底座被保持在电绝缘状态(开路状态)。膜形成气体仅为Ar气。膜形成气体压力为0.1Pa。溅射功率为20W。在膜形成时设置的温度和温度计的指示温度每个是20℃。除设有底电极的衬底之外，还放置用于使用荧光X射线的Ar/Si组分分析的硅衬底。在两个衬底上同时进行膜形成。

在SiO₂膜上形成复数个Au(40nm)/Ti(5nm)多层电极(每个直径为0.3mm)以制造如图2所示的平行板电容器器件。在图2中，附图标记1表示玻璃衬底，附图标记2表示底电极(Ti/Au/Ti)，附图标记3表示SiO₂膜，并且附图标记4表示顶电极(0.3mm，Ti/Au/Ti)。

接下来，基于电压的施加，通过电流测量评估电容器器件的电流-电压(I-V)特性。在用于Ar/Si比估计的硅衬底上形成的SiO₂膜经过X射线荧光(XRF)分析以估计SiO₂膜中包含的Ar的量和O的量。然后，基于通过对在碳衬底上形成的SiO₂膜的XRF分析获得的Si值和O值，获得膜中Ar原子的数目与Si原子的数目的比(Ar/Si比)。

图1示出形成的SiO₂膜的Ar/Si比和在被施加1MV/cm的电场时电流密度之间的相关性。在图1最右位置绘出的点对应于在该例子中获得的SiO₂膜的值。由此，发现其显示出优良的绝缘特性值，其中当1MV/cm的电场被施加时电流密度为等于或小于1×10^-6A/cm²，以及等于或小于3×10^-7A/cm²。

(例2：TFT器件)

在本发明的例2中，制造了在图3中示出的使用根据本发明的非晶绝缘体膜的底栅TFT器件。

如图3所示，通过电子束蒸发在玻璃衬底11上形成Ti(5nm)/Au(40nm)/Ti(5nm)多层作为栅电极12，并且通过光刻方法和剥离(lift-off)方法成形。

通过使用SiO₂靶的rf磁控溅射装置在栅电极12上形成100nm厚的SiO₂膜作为栅绝缘体膜(也称为″SiO₂膜″)13。膜形成条件如下。溅射功率是400W。溅射气体压力是0.1Pa。溅射气体组分Ar/O₂是50/50。在室温下进行膜形成。在这样的条件下SiO₂膜中包含的Ar的量就Ar/Si比而言是4.9％。此后，通过光刻方法和刻蚀法成形SiO₂膜13。

接下来，在室温下通过使用InGaO₃(ZnO)靶的rf磁控溅射形成40nm厚的In_xGa_yZn_zO_v膜作为沟道层14。所获得的In_xGa_yZn_zO_v膜是非晶的。符号x、y、z和v分别为0＜x≤1、0＜y≤1、0＜z≤1和0＜v≤4。

接下来，通过刻蚀将In_xGa_yZn_zO_v膜14处理到必需的尺寸，然后利用光刻方法和剥离方法形成源电极15和漏电极16。

电极材料膜是Au(150nm)/Ti(5nm)多层，并且其膜形成方法是电子束汽相沉积法。通过上述工艺制造TFT器件。在获得的TFT器件之中，测量栅长为10μm并且栅宽为60μm的TFT器件的传输特性(漏电流-栅电压特性)，并且获得如图4所示的特性。如图4所示，获得这样的TFT器件，其中即使在施加高电压的情况下，栅极泄漏电流值也是小的，显示出优良的特性。

如上所述，当根据本发明的非晶绝缘体膜被用作TFT器件的栅绝缘体膜时，可以在室温下获得具有优良特性的非晶氧化物半导体沟道TFT器件。这不仅在室温下的工艺中是有效的，而且在升高的温度下的工艺中也是有效的。特别地，这在不能应用CVD工艺的、低于300℃的温度下的工艺中是有效的。即使在使用结晶氧化物半导体作为TFT沟道的TFT器件情况下，也获得相同的效果。

本申请要求在2007年2月19日提交的日本专利申请No.2007-037994的权益，在此通过引用将其整体并入。