TW201820423A - 氧化物半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種氧化物半導體裝置及其製造方法。本發明的氧化物半導體裝置，其具備由氧化物半導體構成之活性層區域，並提高氧化物半導體裝置中施加應力時的穩定性。氧化物半導體裝置具備由銦（In）、鎵（Ga）、鋅（Zn）的氧化物半導體構成之活性層區域，該活性層區域中，在以數量密度計為1×10¹⁶～1×10²⁰cm^-3的範圍內含有選自第4族元素的鈦（Ti）、鋯（Zr）、鉿（Hf）或第14族元素的碳（C）、矽（Si）、鍺（Ge）、錫（Sn）之元素。

Description

氧化物半導體裝置及其製造方法

本發明係有關一種氧化物半導體裝置及其製造方法。

TFT（薄膜電晶體，Thin Film Transistor）作為形成於玻璃基板上之平面顯示器用的有源元件而普及。TFT作為基本結構為具備閘極端子、源極端子及汲極端子之3端子元件，其具有將成膜於基板上之半導體薄膜用作供電子或電洞移動之通道層，而對閘極端子施加電壓以控制在通道層流動之電流，並切換源極端子與汲極端子之間的電流之功能。 作為TFT的通道層，廣泛使用多晶矽薄膜和非晶矽薄膜，隨著以智能型手機為首之行動電子器件的普及，要求小型畫面的顯示器具有超高精度/高畫質且低電耗的圖像顯示性能，作為能夠應對該性能之TFT材料，氧化物半導體受到矚目。 眾所周知，氧化物半導體當中作為銦（In）、鎵（Ga）、鋅（Zn）的氧化物之IGZO與以往的非晶矽等相比，係可實現顯示器的高精度化和低電耗化之TFT材料。下述專利文獻1中示出一種透明非晶質氧化物薄膜，其以氣相成膜法成膜且由元素In、Ga、Zn及O構成，關於氧化物的組成，經過晶化之組成為InGaO₃ （ZnO）_m （m為小於6的自然數），將不添加雜質離子而電子遷移率超過1cm² /（V·秒）並且電子載體濃度為10¹⁶ /cm³ 以下之半絕緣性之透明半絕緣性非晶質氧化物薄膜設為TFT的通道層。 [先行技術文獻] [專利文獻] 專利文獻1：日本專利公開2010-219538號公報 [發明所欲解決之問題] 如前述，IGZO作為顯示器用TFT的通道材料有效，但有待於改進由氧缺損引起之缺陷所造成之TFT特性、尤其閾值電壓的應力施加時之穩定性。尤其，行動電子器件以在室外使用作為前提，因此要求可應對太陽光照射、溫度上升等之容易受應力的使用狀況，又，引起因長時間連續運行而導致基於背光之光應力的累積之問題。

本發明係為了應付該種問題而提出者。亦即，本發明的課題為，提高具備氧化物半導體的活性層區域之氧化物半導體裝置中應力施加時的穩定性。 [解決問題之技術手段] 為了解決該種課題，基於本發明之氧化物半導體裝置係具備以下結構者。 一種氧化物半導體裝置，其具備銦（In）、鎵（Ga）、鋅（Zn）的氧化物半導體的活性層區域，其特徵為，具備在以數量密度計為1×10¹⁶ ～1×10²⁰ cm^-3 的範圍內含有選自第4族元素的鈦（Ti）、鋯（Zr）、鉿（Hf）或第14族元素的碳（C）、矽（Si）、鍺（Ge）、錫（Sn）之元素之前述活性層區域。

以下，參閱圖式對本發明的實施形態進行說明。圖1表示作為本發明的實施形態之氧化物半導體裝置之TFT的結構例。TFT1中，在玻璃基板10上形成有閘極端子11，其以覆蓋該閘極端子11之方式形成有閘極絕緣膜12，在閘極絕緣膜12上形成有通道層13、與通道層接觸之源極端子14及汲極端子15。又，以覆蓋通道層13、源極端子14及汲極端子15之方式形成有鈍化膜16。 關於各端子的材料，例如閘極端子11、源極端子14、汲極端子15由TiN構成，閘極絕緣膜12及鈍化膜16由SiO₂ 構成。而且，作為活性層區域之通道層13如後述由植入了特定元素之In、Ga、Zn的氧化物半導體（IGZO）構成。該TFT1具有對閘極端子11施加電壓以控制在通道層13流動之電流，並且切換極端子14與汲極端子15之間的電流之功能。 植入於通道層13之元素為第4族元素Ti、Zr、Hf或第14族元素C、Si、Ge、Sn。以下，以植入Si之情況為例進行說明，但只要係前述之各元素，則能夠獲得相同的效果。在此，元素植入量係對氧化物半導體植入使塊狀材料以外的材料起到雜質的功能之程度的量者，藉此，能夠改善由氧缺損引起之缺陷所導致之TFT特性，尤其閾值電壓的穩定性。較佳的元素植入量以數量密度計為1×10¹⁶ ～1×10²⁰ cm^-3 的範圍。 以下，示出獲得圖1所示之結構的TFT1之具體的製程例（第1實施例）。首先，在玻璃基板10上藉由濺射成膜150nm左右的TiN，並藉由光微影法和蝕刻進行圖案形成，藉此形成閘極端子11。閘極端子11的材料不限於TiN，亦可以係Al、Ti、Mo、W等。 接著，藉由電漿CVD（氣體SiH₄ 、O₂ 、Ar）成膜SiO₂ ，並形成閘極絕緣膜12。閘極絕緣膜12的材料不限於SiO₂ ，亦可以係矽氮化膜和Al₂ O₃ 等。 之後，使用IGZO（In:Ga:Zn=1:1:1）的靶，藉由濺射成膜通道層13。作為成膜條件的一例，將膜厚設定為50nm，並在Ar/O₂ 氣氛下將壓力設為5mTorr，將O₂ 分壓設為16%。在此，成膜中例如能夠使用旋轉磁鐵濺射裝置。通道層13中之IGZO的元素比率並不限定於前述之比率（In:Ga:Zn=1:1:1）。 另外，前述之O₂ 分壓16%係藉由之後所進行之水蒸氣氣氛的400℃退火，氧缺損量成為1×10¹⁷ cm^-3 以下之條件。另一方面，不進行元素植入之以往的IGZO膜（通道層）中，以O₂ 分壓2%成膜。該情況下，400℃的退火後的氧缺損量成為1×10¹⁸ cm^-3 左右。 前述之成膜之後，對IGZO的通道層13使用離子植入機植入Si。關於植入條件，作為一例將Si⁺ 離子在能量40keV下設為劑量1×10¹³ cm^-2 。藉此，Si原子以1×10¹⁸ cm^-3 的密度植入於IGZO膜。Si原子在IGZO中的密度為1×10¹⁶ ～1×10²⁰ cm^-3 ，1×10¹⁷ ～1×10¹⁹ cm^-3 為較佳。 植入Si之後，在水分氣氛（H₂ O/O₂ =100/900sccm）、400℃下進行1小時退火。退火溫度不限於400℃，可以為300℃～800℃，350℃～500℃為較佳。又，在此，退火不限於水分氣氛，亦可以係氧氣氛。 植入有Si之IGZO膜在前述之退火之後，藉由光微影法和蝕刻而進行圖案形成，從而形成島狀的通道層13。 之後，將成為源極端子14和汲極端子15之TiN例如成膜150nm，並藉由光微影法和蝕刻形成源極端子14和汲極端子15。源極端子14和汲極端子15的材料不限於Ti，亦可以係Al、Ti、Mo、W等。之後，將成為鈍化膜16之SiO₂ 藉由電漿CVD等成膜，之後，藉由光微影法和蝕刻以實現對各端子（源極端子14、汲極端子15、閘極端子11）的電接觸的方式形成連接端子。 藉由試驗確認到，如此獲得之TFT1（參閱圖1）對負偏壓/光應力的連續施加顯示出穩定的TFT特性。關於試驗條件，器件尺寸為通道長度：40μm、通道寬度：20μm，作為應力條件，對閘極電壓施加-20V，在氣氛溫度60℃下進行了基於白色LED之光照射（30,000lx）。 圖2表示施加前述之應力時的TFT1的閾值電壓的經時變化（ΔV_T （V））。如圖2所示，確認到與具備未植入Si離子的IGZO膜的通道層之TFT相比，具備植入有Si離子之IGZO膜的通道層13之TFT1的閾值電壓的經時變化（ΔV_T （V））更少。 該種試驗結果表示，在活性層區域的IGZO膜植入規定量的Si，藉此TFT動作的穩定性提高。出現該種結果的原因不在於由氧缺損引起之載波，而在於Si起到摻雜劑的作用，且供給作為載波之電子，並且還在於因氧缺損形成之IGZO的帶隙內之較深的準位的捕集量減少。 接著，對其他製程例（第2實施例）進行說明。該例中，進行前述之製程例（第1實施例）中之水分氣氛下的退火之前，進行了基於波長400nm以下的XeF雷射之局部雷射退火。其他製程與第1實施例相同。 雷射退火中之雷射能量密度設為一次照射下150mJ/cm² ，並將此重疊，藉此進行了退火。關於退火之區域，設為60μm×60μm，並以包括成為TFT的通道層13之活性層區域之方式進行了退火。在雷射照射的對位中，使用了閘極端子11的圖案。另外，在製作頂閘極TFT時，無法將閘極端子11使用在對位中，但自如地形成任意的對位圖案，藉此能夠在活性層區域精確地實施局部退火。 圖3係將依據在前述的製程例中製作之TFT的傳遞特性（汲極電流的閘極電壓依存性）求出之閾值電壓附近的磁滯電壓標繪到XeF雷射退火的shot（發射）次數上之曲線圖。圖3中，示出沒有Si離子植入之情況和經Si離子植入之情況。 曲線圖縱軸的磁滯電壓（V）係將閘極電壓從負到正掃描之情況的電壓特性與從正至負掃描而求出之電壓特性的偏差，具體而言，作為依據兩者的電壓特性求出之閾值電壓之差而進行了評價。 如從圖3所知，能夠確認到藉由導入XeF雷射的局部退火，將IGZO使用於活性層區域之TFT的磁滯電壓減少，TFT的穩定性提高之情況。若在IGZO膜中存在例如捕獲電子的捕集準位，則磁滯電壓增加，且導致成為不穩定的器件，但認為在IGZO的活性層區域植入Si而進行雷射退火，藉此如捕獲電子的捕集準位變少。 如以上說明，若依本發明的實施形態之氧化物半導體裝置及其製造方法，則能夠提高施加應力時的穩定性，且能夠提高在室外使用和長時間使用等情況下的耐久性。又，藉由追加對活性層區域的雷射退火，能夠獲得高穩定性的器件。

1‧‧‧TFT

10‧‧‧玻璃基板

11‧‧‧閘極端子

12‧‧‧閘極絕緣膜

13‧‧‧通道層

14‧‧‧源極端子

15‧‧‧汲極端子

16‧‧‧鈍化膜

圖1係表示TFT的結構例之說明圖。 圖2係表示具備經Si離子植入之IGZO活性層區域之TFT具有施加應力時的穩定性之曲線圖。 圖3係表示對經Si離子植入之IGZO活性層區域進行雷射退火，藉此能夠減少TFT的磁滯電壓之曲線圖。

Claims (3)

1. 一種氧化物半導體裝置，其特徵在於：其係具有由銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)之氧化物半導體構成之活性層區域者，並且該氧化物半導體裝置具備在以數量密度計為1×10¹⁶ ～1×10²⁰ cm^-3 之範圍內含有選自第4族元素之鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)或第14族元素之碳(C)、矽(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)中之元素的上述活性層區域。
2. 如請求項1之氧化物半導體裝置，其中上述活性層區域係照射波長400nm以下之雷射而進行退火之區域。
3. 一種氧化物半導體裝置之製造方法，其特徵在於：該氧化物半導體具有由銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)之氧化物半導體構成之活性層區域，並且該製造方法具有如下製程： 對上述活性層區域於以數量密度計為1×10¹⁶ ～1×10²⁰ cm^-3 之範圍內植入選自第4族元素之鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)或第14族元素之碳(C)、矽(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)中之元素之離子；及 對植入離子後之上述活性層區域照射波長400 nm以下之雷射而進行退火。