專利名稱：使用非晶氧化物膜作為溝道層的場效應(yīng)晶體管、使用非晶氧化物膜作為溝道層的場效應(yīng) ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有由非晶氧化物形成的溝道層并具有適用于顯示器 件等的晶體管特性的場效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
場效應(yīng)晶體管(在下文中有時稱為"FET")具有柵電極、源電極、 以及漏電極。另外，場效應(yīng)晶體管是有源器件，其中，通過把電壓施加 到柵電極來控制在溝道層中流動的電流、即在源電極和漏電極之間流動 的電流。具體地，使用在陶瓷、玻璃、或者塑料的絕緣基底上形成的薄 膜作為溝道層的FET被稱為薄膜晶體管(在下文中有時稱為"TFT，，)。通過使用形成薄膜的技術(shù)，可以把TFT有益且容易地形成在相對 較大的基底上，結(jié)果，TFT已被廣泛地用作諸如液晶顯示器之類的平板 顯示器的驅(qū)動器件和開關(guān)器件。也就是說，在有源矩陣液晶顯示器 (ALCD)中，使用在玻璃基底上形成的對應(yīng)的TFT來執(zhí)行每一圖像像 素的導(dǎo)通/關(guān)斷操作。另外，在高性能有機(jī)LED顯示器(OLED)中，期 望由TFT來執(zhí)行像素電流的有效控制。此外，已實現(xiàn)了具有較高性能的 液晶顯示器件，其中，在圖像區(qū)域的外圍區(qū)域中的基底上形成由TFT組 成的驅(qū)動電路。近來最廣泛使用的TFT使用多晶硅膜或非晶硅膜作為溝道層材料。 上述的TFT被稱為金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MIS-FET)。對 于像素驅(qū)動器，使用非晶硅TFT，而對于驅(qū)動器和控制器的外圍電路， 已實際^^用了高性能的多晶硅TFT。然而，在迄今為止已開發(fā)的包括非晶硅TFT和多晶硅TFT的TFT 中，器件形成需要高溫處理，因而難以在諸如塑料板或塑料膜之類的基 底上形成TFT。另一方面，近年來，已通過把TFT形成在聚合物板或聚合物膜上 作為LCD或OLED的驅(qū)動電路來積極地進(jìn)行實現(xiàn)柔性顯示器的開發(fā)。 作為可以在塑料膜等上形成的材料，可以在低溫下形成的有機(jī)半導(dǎo)體膜 已引起人們的注意。例如，作為一種有機(jī)半導(dǎo)體膜，并五苯等的研究與開發(fā)已被實施。 上述的有機(jī)半導(dǎo)體均具有芳香環(huán)，并且在使它們結(jié)晶時，可以在芳香環(huán) 的層壓方向上獲得高載流子遷移率。例如，已報道了在把并五苯用于有 源層時，栽流子遷移率大約為O.Scm(Vs)-1并且大約等于非晶Si-MOSFET 的栽流子遷移率。然而，諸如并五苯之類的有機(jī)半導(dǎo)體不利地具有差的熱穩(wěn)定性 (<150。C)和毒性(致癌特性)，并且因此現(xiàn)在沒有實現(xiàn)實際的器件。另外，近年來，作為一種可以被應(yīng)用到TFT的溝道層的材料，氧 化物材料已開始引M們的注意。例如，已經(jīng)積極地進(jìn)行了使用主要由ZnO構(gòu)成的透明且導(dǎo)電的多 晶氧化物薄膜作為溝道層的TFT的開發(fā)。上述的薄膜可以以相對較低的 溫度形成并且因而可以形成在諸如塑料板或塑料膜之類的基底上。然而， 因為主要由ZnO構(gòu)成的化合物在室溫下不能形成為穩(wěn)定的非晶相，而是 形成為多晶相，所以由于在多晶粒界面上的散射而導(dǎo)致電子遷移率不能 增加。另外，因為通過成膜方法顯著地改變多晶粒的形狀及其間的連接， 所以TFT的特性被分歉。近來，已報道了一種薄膜晶體管，其中，使用了基于In-Ga-Zn-O 的非晶氧化物(K. Nomura等人，Nature Vol.432， p.488-492， Nov.2004 )。 這種晶體管可以在室溫下被形成在塑料或玻璃基底上。另外，以大約6 到9的場效應(yīng)遷移率，可以獲得常斷型的晶體管特性。此外，有利地， 這種晶體管對于可見光來說是透明的。在本發(fā)明的發(fā)明人研究使用了基于In-Ga-Zn-O的非晶氧化物的薄膜晶體管時，盡管依賴于組分和生產(chǎn)條件，但有時也產(chǎn)生了 TFT的晶體 管特性(Id-Vg特性)的遲滯現(xiàn)象。當(dāng)把上述的TFT用于例如顯示器件的像素電路時，如上所述的遲 滯現(xiàn)象的產(chǎn)生在要被驅(qū)動的有機(jī)LED、液晶等的操作中導(dǎo)致變動，結(jié)果， 降低了顯示器件的圖像質(zhì)量。發(fā)明內(nèi)容依據(jù)本發(fā)明，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計要用于晶體管溝道的氧化物材料來減 少上述遲滯現(xiàn)象。另外，在把非晶氧化物材料用于TFT的溝道層時，電子載流子濃 度被^L置在期望的范圍內(nèi)(諸如在大約10"到1018/0113的范圍內(nèi))。此夕卜， 為了確保晶體管特性的可再現(xiàn)性與均一性這二者，提供了用于精確控制電子載流子濃度的控制裝置。另外，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計用于形成要用于晶體管溝道的氧化物材料的 方法，本發(fā)明還提供了一種用于形成具有所期望的且?guī)в辛己每刂频碾?子載流子濃度的薄膜的方法。依據(jù)本發(fā)明 一個方面的場效應(yīng)晶體管包含有包括非晶氧化物膜的 溝道層，并且該非晶氧化物膜包含氫或氘。首先，包含在非晶氧化物膜中的氫或氘的濃度被設(shè)置在1016到 102(Vcm3的范圍內(nèi)或者被設(shè)置在1017到1019/cm3的范圍內(nèi)。此外，用下列不包括氫的等式來表示包含氫或氘的非晶氧化物膜的 組分[(SnLxM4x)02a'[(InLyM3y)203b'[ZnLzM2zOc，其中，0&S1 ， 05ySl， 0^1, 05a<l， 0￡b<l, 0^c<l，并且滿足a+b+c二l， M4是具有 比Sn小的原子序數(shù)的第IV族中的一個元素(Si，Ge,或者Zr)， M3是 Lu或具有比In小的原子序數(shù)的第IH族中的一個元素(B，Al，Ga，或者 Y)，并且M2是具有比Zn小的原子序數(shù)的第II族中的一個元素(Mg 或者Ca)。特別地，M3包括Ga。另外，依照本發(fā)明的另一方面，提供有一種用于制造非晶氧化物膜 的方法，該非晶氧化物膜用作場效應(yīng)晶體管的溝道層，所述方法包括以下步驟在成膜設(shè)備中放置基底；并在以各自預(yù)定的分壓在成膜設(shè)備中 引入氧氣和包含氫原子的氣體(除水蒸氣之外)的同時，在該基底上形 成非晶氧化物膜。特別地，通過濺射法來執(zhí)行成膜方法，并且成膜期間的氧分壓被設(shè) 置為0.01 Pa或更高。此外，依照本發(fā)明的另一方面，提供有一種用于制造非晶氧化物膜 的制造設(shè)備，所述非晶氧化物膜形成在基底上并且用作場效應(yīng)晶體管的 溝道層，所述設(shè)備包括成膜室；抽真空裝置，用于對成膜室內(nèi)部進(jìn)行 抽真空；基底保持裝置，用于把基底保持在成膜室中；材料源，被放置 為面向基底保持裝置；能量源，用于使材料源的材料蒸發(fā)；用于在成膜 室中提供氫氣的裝置；以及用于在成膜室中提供氧氣的裝置。參考附圖，從下面的示例性實施例的描述中，本發(fā)明的其他特征將 變得明顯。


圖1A是依據(jù)本發(fā)明的具有頂柵結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管的剖面視圖。 圖1B是依據(jù)本發(fā)明的具有底柵結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管的剖視圖。 圖2A是示出了依據(jù)本發(fā)明的薄膜晶體管的晶體管特性的曲線圖。 圖2B是示出了依據(jù)本發(fā)明的薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性的曲線圖。 圖3A是示出了依據(jù)比較例的薄膜晶體管的遲滯特性的曲線圖。 圖3B是示出了依據(jù)本發(fā)明的一個示例的薄膜晶體管的遲滯特性的 曲線圖。圖4是示出了基于In-Ga-Zn-O的非晶氧化物膜的電子載流子濃度 與成膜期間的氧氣分壓之間的關(guān)系的曲線圖。 圖5是非晶氧化物膜的制造設(shè)備的示意圖。圖6是示出了電阻率與基于In-Ga-Zn-O的非晶氧化物膜中摻雜的 氫的量之間的關(guān)系的曲線圖。圖7是示出了通過SIMS測量的深度方向上氫濃度的分布的曲線圖。在下文中，將參考附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)描述。圖1A和IB是各自示出依據(jù)本發(fā)明的薄膜晶體管、即薄膜場效應(yīng) 晶體管的一個實施例的剖面視圖。圖1A是示出了頂柵結(jié)構(gòu)的剖面視圖， 其中，在半導(dǎo)體溝道層11上以那種次序形成柵絕緣膜12和柵電極15。 圖1B是示出了底柵結(jié)構(gòu)的剖視圖，其中，在柵電極15上以那種次序形 成柵絕緣膜12和半導(dǎo)體溝道層11。根據(jù)溝道層與絕緣膜之間的界面和 電極的位置關(guān)系，把圖1A中示出的結(jié)構(gòu)稱為交錯結(jié)構(gòu)，并把圖1B中示 出的結(jié)構(gòu)稱為反向交錯結(jié)構(gòu)。如圖1A所示，在形成于基底10上的半導(dǎo)體溝道層11上，順序地 形成源電極13、漏電極14、柵絕緣膜12、柵電極15,以便形成具有頂 柵結(jié)構(gòu)(交錯結(jié)構(gòu))的場效應(yīng)晶體管。另外，如圖1B所示，在形成于基 底10上的柵電極15上，順序地形成柵絕緣膜12、半導(dǎo)體溝道層ll、源 電極13、以及漏電極14,以便形成具有底柵結(jié)構(gòu)(反向交錯結(jié)構(gòu))的場 效應(yīng)晶體管。在圖1A和圖1B中示出的場效應(yīng)晶體管各自是具有柵電極15、源 電極13、以及漏電極14的三端子器件。上述場效應(yīng)晶體管是具有如下 功能的有源器件，其中，通過向柵電極施加電壓Vg來控制流經(jīng)溝道層 的電流Id，即在源電極和漏電極之間流動的電流Id。在本發(fā)明中，TFT結(jié)構(gòu)不限于上述結(jié)構(gòu)，并且也可以使用任何頂柵 或底柵結(jié)構(gòu)，即任何交錯或反向交錯結(jié)構(gòu)。圖2A和2B示出了本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管(TFT)的典型特性。從 具有要在示例1中描述的結(jié)構(gòu)、并通過其中描述的制造方法形成的場效 應(yīng)晶體管中獲得TFT的特性。當(dāng)在源電極和漏電極之間施加大約5V的 電壓Vd時，并且當(dāng)柵電壓Vg在O到5V之間導(dǎo)通及關(guān)斷時，可以(在 導(dǎo)通和關(guān)斷之間)控制在源電極和漏電極之間流動的電流Id。圖2A示 出了不同Vg值下的Id-Vd特性，并且圖2B示出了 6V的電壓Vd下的 Id-Vg特性(轉(zhuǎn)移特性)。此實施例的TFT的溝道層由包含氫或氖的非晶氧化物膜形成。參考圖3A和3B，將描述通過向溝道層添加氫獲得的效果，也就是 遲滯現(xiàn)象的減少。圖3A和3B分別示出了在比較例l和示例1中獲得的 TFT晶體管特性。也就是說，在示例1中，向溝道層添加氫，并且在比 較例1中，不向溝道層添加氫。遲滯現(xiàn)象意味著，例如，為了評估TFT轉(zhuǎn)移特性，在固定Vd的同 時(向上和向下)掃描Vg時，通過如圖3A所示的向上掃描和向下掃描， Id的值是不同的。當(dāng)在預(yù)定的Vg下，Id值在向上掃描和向下掃描之間 變化4艮大時，遲滯現(xiàn)象^f艮大；因而，為了精確控制Id，具有小遲滯現(xiàn)象 的器件是優(yōu)選的。當(dāng)不包含氫時，遲滯現(xiàn)象特性如圖3A所示，并且在使用了依據(jù)本 發(fā)明的包含氫的溝道層時，可以獲得如圖3B所示的具有小遲滯現(xiàn)象的器 件。從物理的觀點來看，還不能清楚地理解在向溝道層施加包含氫的氧 化物時遲滯現(xiàn)象減少的原因。 一種估計的原因是通過添加氫來減輕非晶 薄膜中的局部結(jié)構(gòu)無序，并且結(jié)果是，實現(xiàn)了載流子不容易被俘獲的非 晶結(jié)構(gòu)(深陷阱的數(shù)量減少)。另外，還可以解釋為通過向溝道層添加氫 減少了溝道層和絕緣膜之間的界面上的結(jié)構(gòu)無序，并且結(jié)果是，在溝道 層和絕緣膜之間實現(xiàn)了載流子不容易被俘獲的界面。為了評估遲滯現(xiàn)象，通過在把源-漏電壓Vd固定在5到30V之間的 適當(dāng)值上的同時，在-10到30v的范圍內(nèi)(向上或向下)掃描柵電壓Vg 來測量Id (源漏電流)。在此測量中，將晶體管特性處于飽和區(qū)中的電 壓作為Vd，并且在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間掃描Vg。然而，因為可以依賴 于晶體管特性和晶體管結(jié)構(gòu)來確定Vg和Vd的值，所以不總是把Vg和 Vd限制為上述范圍內(nèi)。可以通過向上掃描的Id-Vg曲線和向下掃描的Id-Vg曲線之間的差 來評估遲滯現(xiàn)象的大小。例如，可以M向上掃描的Id-Vg曲線和向下 掃描的Id-Vg曲線獲得的環(huán)的面積用于這種評估。當(dāng)該面積4艮小時，可 以說遲滯現(xiàn)^jf艮小。另夕卜，可以使用差值A(chǔ)Vt叫Vtu-Vtdl來評估遲滯現(xiàn)象的大小，其中，Vtu是從向上掃描的Id-Vg曲線中估算的閾值電壓，而 Vtd是從向下掃描的Id-Vg曲線中估算的閾值電壓。在下文中，這個AVt 被稱為閾值偏移量。小的AVt表示小的遲滯現(xiàn)象。借助于依據(jù)本發(fā)明的使用包含氫的氧化物用于其溝道層的薄膜晶 體管，可以實現(xiàn)具有小AVt的薄膜晶體管。因為本發(fā)明的薄膜晶體管的閾值偏移量取決于器件結(jié)構(gòu)、溝道材 料、評估條件、等等，因此例如在預(yù)定的條件下，優(yōu)選地把施加到器件 上的電壓設(shè)為恒定值。作為本發(fā)明的薄膜晶體管的一個評估示例，可以 使用閾值偏移量來執(zhí)行評估，這種閾值偏移量是在10V的恒定Vg下， 以100 mV/秒的掃描速度在-5到15V的范圍內(nèi)(向上和向下)掃描Vg 的情況中獲得的。具體地，在上述的評估條件下，閾值偏移量可以減小 到2V或更低，優(yōu)選地為IV或更低，并且更優(yōu)選地是0.5V或更低。所需的遲滯現(xiàn)象的程度取決于薄膜晶體管的應(yīng)用、要使用的電路結(jié) 構(gòu)等等。例如，對于液晶顯示和電泳顯示應(yīng)用來說，要求相對較低；然 而，對于有機(jī)EL顯示器件、算術(shù)電路等等來說，需要更高的程度(更 小的遲滯現(xiàn)象)。例如，對于有機(jī)EL顯示器件應(yīng)用來說，閾值偏移量優(yōu) 選地為2V或更低，更優(yōu)選地為1V或更低。此外，對于更高性能的有機(jī) EL顯示器件來說，閾值偏移量優(yōu)選地為0.5V或更低。 (氫濃度和電子載流子濃度)另外，研究了具有由非晶氧化物構(gòu)成的溝道層的薄膜晶體管。為了 獲得優(yōu)異的TFT特性，有利地，使用具有0.0001到0.1 S/cm范圍內(nèi)的 電導(dǎo)率的半絕緣非晶氧化物膜作為溝道層。為了獲得如上所述的電導(dǎo)率， 盡管依賴于溝道層的材料組分，但是優(yōu)選地形成具有大約IO"到1018/cm3 的電子載流子濃度的非晶氧化物膜。當(dāng)電導(dǎo)率大于0.1S/cm時，就變得難以形成常斷的晶體管，并且難 以形成具有大的導(dǎo)通/關(guān)斷比率的晶體管。在極端的情況下，即使在施加 了柵電壓時，也不能控制源電極和漏電極之間的電流的流動和停止，并 且因而不能獲得晶體管操作(開關(guān))。另一方面，在使用了絕緣材料時，也就是說，在電導(dǎo)率小于0.0001S/cm時，就變得難以增大導(dǎo)通電流。在極端的情況下，即使在施加了柵 電壓時，也不能控制源電極和漏電極之間的電流的流動和停止，并且因 而不能獲得晶體管操作。為了控制氧化物的電導(dǎo)率和電子載流子濃度，在成膜期間控制了氧 分壓。也就是說，通過控制氧分壓，主要控制薄膜中的缺氧量，從而控 制電子載流子濃度。圖4是示出了在用濺射法形成基于In-Ga-Zn-O的 氧化物薄膜時獲得的載流子濃度對氧分壓的依賴性的一個示例的曲線 圖。在實際上以高精度控制氧分壓時，獲得了具有1014到1018/ 113的載 流子濃度的半絕緣非晶氧化物膜，并且在把這樣獲得的薄膜應(yīng)用到溝道 層時，可以形成良好的TFT。如圖4所示，當(dāng)?shù)湫偷卦诖蠹s0.005 Pa的 氧分壓執(zhí)行成膜時，可以獲得半絕緣薄膜。當(dāng)分壓大于0.01Pa時，形成 絕緣膜，而另一方面，當(dāng)分壓小于0.001 Pa時，形成具有過高的電導(dǎo)率 的膜；因而，優(yōu)選地不把這樣形成的膜應(yīng)用到溝道層。然而，如圖4所 示，因為載流子濃度隨氧分壓中的變化而很靈敏地變化，所以特性受到 成膜條件中微小變化的顯著影響，結(jié)果，趨于難以獲得TFT特性的可再 現(xiàn)性。依據(jù)本發(fā)明，通過添加氫(或氘)來控制電子載流子濃度。通過本 發(fā)明的發(fā)明人所進(jìn)行的深入的研究，發(fā)現(xiàn)了可以通過向非晶氧化物膜添 加氫來控制電子栽流子的量。例如，為了實現(xiàn)大約1018/ 113的電子載流子濃度，盡管依賴于成膜 期間的氧分壓和材料組分,但也可以添加氫以便具有大約1018到102G/cm3 的濃度。在這種情況下，可以通過控制氫摻雜物的量來執(zhí)行對電子栽流 子濃度的控制。另外，還可以通過氫摻雜物的量和缺氧的量來控制電子 載流子濃度。因此，為了形成具有優(yōu)秀特性的TFT，添加的氫的濃度優(yōu)選地被控 制在1016到102°/0113的范圍內(nèi)。盡管依賴于氧分壓和材料組分，但通過 上述的氫的添加，可以實現(xiàn)具有大約1014到1018/ 113的電子載流子濃度 且適于用作TFT的溝道層的氧化物薄膜。具體地，當(dāng)把氫濃度設(shè)為1019/ 113或更小時，可以實現(xiàn)晶體管的常斷操作和大的導(dǎo)通/關(guān)斷比率。此外，氫濃度優(yōu)選地被設(shè)為1017/0113或更 高，并且通過1017/0113或更高的氫濃度，可以更有效地減少晶體管的遲 滯現(xiàn)象。例如，可以通過二次離子質(zhì)i脊法(SIMS)來評估氫濃度。盡管依 賴于評估設(shè)備，檢測極限大約為1017/cm3。在小于檢測極限的區(qū)域內(nèi)， 可以通過以薄膜中的氫濃度和用于添加氫的工藝參數(shù)(氫分壓或者稍后 將描述的成膜期間的離子注入量)之間存在線性關(guān)系的假定為基礎(chǔ)的外 插法來間接獲得氫濃度。用下列等式(不包括氫)來表示本發(fā)明中由包含了氫的非晶氧化物 構(gòu)成的溝道層的組成成分(Sn"M4x)02a參(Ii^yM3y)203b.(Zn-zM2zO)c其中，滿足0Sx化05y￡l， O^zSl, 0^a<l， 0$b<l, 0^c<l， 以及 a+b+c=l,M4是具有比Sn小的原子序數(shù)的第IV族的元素(Si、 Ge、或Zr)， M3是Lu或者具有比In小的原子序數(shù)的第HI族的元素(B、 Al、 Ga、或Y)，以及M2是具有比Zn小的原子序數(shù)的第II族的元素(Mg或Ca )。 在上述的組成成分中，具體地，下列組合是優(yōu)選的，即， [(InLyGay)203b'[(ZnO)c，其中，滿足0^ySl， 0<b<l，以及0〈c〈1，以 及[(Sn02)Ia'[(In203)b'[(ZnO)c，其中，滿足0Sa^1， 0<b<l，以及(Xe〈1。 例如，可以用下列組分來實現(xiàn)依據(jù)本發(fā)明的包含氫的非晶氧化物 膜。也就是說，非晶氧化物膜具有位于擁有3個峰Ga203、 ln203、以及 ZnO的三角形內(nèi)的二重組分或三重組分，或者具有位于擁有3個峰 Sn02、 ln203、以及ZnO的三角形內(nèi)的二重組分或三重組分。在某些情 況下，可以^使特定組分范圍內(nèi)的某些三重組分結(jié)晶。特別地， 一重組分 并非優(yōu)選，這是因為其被結(jié)晶。例如，在包含了上述3種化合物中的兩 種的二重組分(位于上述三角形一邊上的組分)中，包含有20到70原 子百分比的In的基于In-Zii-O的組分可以形成非晶膜。另夕卜，對于基于 Sn-In-O的組分，可以由包含20到80原子百分比的In的組分形成非晶膜。當(dāng)如本發(fā)明所描述的那樣把氫原子添加到非晶氧化物膜中時，可以 在室溫下進(jìn)一步穩(wěn)定該非晶膜。因此，可以在很寬的三重組分范圍內(nèi)形 成非晶氧化物。(制造方法)作為一種用于形成依據(jù)本發(fā)明的包含氫的特定非晶氧化物的方法，例如，可以提及(1) 用于在成膜期間在預(yù)定的分壓下在成膜設(shè)備中提供包含氫原 子的氣體(除水蒸氣之外)的同時形成膜的方法；(2) 用于使用包含氫的材料源形成膜的方法；以及(3) 用于形成膜，然后通過離子注入或氫等離子加工而向其內(nèi)部 添加氫的方法。在上面的那些方法中，考慮到氫濃度的可控性，使用離子注入的方 法(3)是優(yōu)選的。然而，因為離子注入是在成膜之后執(zhí)行的，所以不利 地增加了步驟的數(shù)目，并且在膜厚度方向上還不利地產(chǎn)生了氫濃度的分 布。另一方面，作為成膜工藝，方法(2)很筒單；然而，不能容易地準(zhǔn) 備包含氫的材料源，并且不能容易地控制膜中的氫濃度。借助于用成膜 氣體環(huán)境中的氫分壓來控制膜中的氫濃度的方法(1)，可控性優(yōu)秀，另 外，制造工藝也相對比較簡單。因此，最優(yōu)選使用在包含氫的氣體中形 成膜的方法(1)。作為在方法(1)使用的包含氫的氣體，例如可以提及氫氣、氘氣、 以及烴氣體?？紤]到氣體分壓的可控性和氣體的安全性，尤其優(yōu)選地4吏 用以氬氣稀釋的氫氣。另外，作為在離子注入法(3)中使用的離子物類，例如可以提及 H+離子、H-離子、D+離子(氘離子)、以及H2+離子(氫分子離子)。作為用于形成非晶氧化物膜的方法，優(yōu)選地使用諸如濺射法(SP 方法)、脈沖激光沉積法(PLD法)、或者電子束沉積法之類的汽相法。 在上述的汽相法中，考慮到大,生產(chǎn)能力，適合使用SP法。然而，成 膜法不限于上述的那些方法。對于基底的溫度而言，不一定有意地執(zhí)行加熱，因此基底可以保持在大約室溫上。已知在氫氣氣體環(huán)境中對具有低電子載流子濃度的非晶氧化物膜進(jìn)行熱處理時，缺氧增加，因而，電子載流子濃度可以增大；然而，高 溫?zé)崽幚硎遣焕?。另外，難以精確地控制載流子濃度。如上所述，例如，通過在包含氫的氣體中執(zhí)行的成膜或者通過在成 膜之后執(zhí)行的離子注入，用非晶氧化物膜中的氫濃度來控制電子載流子 濃度。因此，能夠可再現(xiàn)地獲得具有1014到1018/ 113的電子栽流子濃度 的半絕緣非晶氧化物膜。當(dāng)如上所述的包含氫的非晶氧化物被應(yīng)用到薄 膜晶體管的溝道層時，能夠可再現(xiàn)地形成具有小遲滯現(xiàn)象的晶體管。在依據(jù)本發(fā)明的晶體管中，作為用于柵絕緣膜12的材料，可以使 用任何材料，只要其具有優(yōu)秀的絕緣特性。例如，作為柵絕緣膜12，可 以使用A1203、 Y203、 Hf02、或者包含了至少兩種上述化合物的混合化 合物。結(jié)果，源電極和漏電極之間的泄漏電流與漏電極和柵電極之間的 泄漏電流可以減小到大約1(T7A。另外，作為用于源電極13、漏電極14、以及柵電極15的材料，可 以使用任何材料，只要其具有良好的導(dǎo)電性并且可電連接到溝道層。例 如，可以4吏用由111203: Sn、 ZnO等制成的透明導(dǎo)電膜或者由Au、 Pt、 Al、 Ni等制成的金屬膜。作為基底IO，例如可以使用玻璃基底、塑料基底、或者塑料膜。因為上述的溝道層和柵絕緣膜對于可見光是透明的，所以當(dāng)把透明 材料用作用于上述電極和基底的材料時，可以形成透明的薄膜晶體管。迄今為止，盡管已借助于示例描述了包含In-Ga-Zn的非晶氧化物， 但是可以把包含Sn、 In、以及Zn中至少一種的非晶氧化物應(yīng)用到本發(fā) 明的溝道層。此外，當(dāng)選擇Sn作為非晶氧化物的至少一種組成元素時，可以用 Sm.xM4x來代替Sn，(其中滿足0<x<l，并且M4是具有比Sn小的原子 序數(shù)的第IV族的元素(Si、 Ge、或者Zr))。另外，當(dāng)選擇In作為非晶氧化物的至少一種組成元素時，可以用 i!h-yM3y來代替In，(其中滿足0，<1，并且M3是Lu或者具有比In小的原子序數(shù)的第III族的元素(B、 Al、 Ga或者Y))。另外，當(dāng)選擇Zn作為非晶氧化物的至少一種組成元素時，可以用 Zn,-zM2z來代替Zn,(其中滿足(Xz〈1,并且M2是具有比Zn小的原子 序數(shù)的第II族的元素(Mg或者Ca))。作為適用于本發(fā)明的非晶氧化物，例如，可以提及Ga-In-Zn氧化 物、Sn-In-Zn氧化物、In-Zn-Ga-Mg氧化物、In氧化物、In-Sn氧化物、 In-Ga氧化物、In-Zn氧化物、以及Zn-Ga氧化物。當(dāng)然，組成元素之 間的組分比不總是需要為1: 1。另外，可能難以僅由Zn或Sn自身形成 非晶相；然而，當(dāng)包含In時，可以很容易地形成非晶相。例如，在基于 In-Zn的系統(tǒng)的情況下，在金屬元素中包含大約20-70原子百分比的In 的組分的情況下，形成非晶膜。在基于Sn-In的系統(tǒng)的情況下，在金屬 元素中包含大約20-80原子百分比的In的組分的情況下，形成非晶膜。 在基于Sn-In-Zn的系統(tǒng)的情況下，在金屬元素中包含大約15原子百分 比或更高的In的組分的情況下，形成非晶膜。另外，當(dāng)以大約0.5。的小入射角對薄膜執(zhí)行x射線衍射測量時，因 為檢測不到清楚的衍射峰值(也就是說，觀測到空心圖案(hollow pattern)),所以可以確認(rèn)非晶相。在本發(fā)明中，當(dāng)把上述的材料用于場 效應(yīng)晶體管的溝道房時，該溝道層還可以包含微細(xì)結(jié)晶。另外，本發(fā)明的另一實施例涉及用于制造用于場效應(yīng)晶體管的溝道 層的非晶氧化物膜的方法；這種方法包括下述的第一和第二步驟。笫一步驟是在成膜設(shè)備中布置基底的步驟。第二步驟是在以各自預(yù)定的分壓在成膜設(shè)備中提供包含氫原子的 氣體(除水蒸氣之外)和氧氣的同時在基底上形成非晶氧化物膜的步驟。如之前參考圖4描述的那樣，當(dāng)想要僅通過氧分壓來控制電導(dǎo)率和 載流子濃度時，必須在窄區(qū)域中控制電導(dǎo)率，在這個區(qū)域中電導(dǎo)率取決 于氧分壓而急劇變化。當(dāng)如在本發(fā)明的情況下那樣使用了包含氫原子的氣體諸如氫氣時， 例如，氧分壓被設(shè)為0.008 Pa或更高，并且優(yōu)選地5MLi殳為0.01 Pa或更 高?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)包含氫原子的氣體的分壓來控制非晶氧化物膜的電導(dǎo)率。在借助于示例的上述范圍內(nèi)，例如與大約0.005 Pa的氧分壓的區(qū)域 相比，載流子濃度對氧分壓的依賴性不是那么高。也可以用氫分壓調(diào)節(jié)載流子濃度，另外，因為與對氧分壓的依賴性 相比，載流子濃度對氫分壓的依賴性很低，結(jié)果，可以提高成膜氣體環(huán) 境的可控性。氧分壓的上限例如是O.l Pa。這個上限可選地可,皮設(shè)置在0.05到0.5 Pa的范圍內(nèi)。盡管優(yōu)選的氫分壓也依賴于氧分壓，但是,其在例如0.001到0.01 Pa 的范圍內(nèi)。另外，優(yōu)選不使用水蒸氣，這是因為對氧和氫的分壓的控制在某些 情況下可能變得困難。并不總是需要在成膜步驟期間把氫包含在氧化物膜中。可以通過在 成膜之后執(zhí)行的步驟中添加氫而把氫包含在氧化物膜中。作為具體的氫添加方法，例如可以提及包含氫的離子注入或者等離 子處理。示例1在這個示例中，形成了圖1A中示出的頂柵TFT。在這個示例中， 溝if^是在包含氫的氣體環(huán)境中通過'減射法形成的基于In-Ga-Zn-O的 非晶氧化物。首先，在玻璃基底上(Corning公司生產(chǎn)的Corning #1737玻璃) 形成包含氫的非晶氧化物膜作為溝道層。在這個示例中，在包含氬氣、氧氣、以及氫氣的混合氣體氣體環(huán)境 中通過高頻的濺射形成包含氫的基于In-Ga-Zn-O的非晶氧化物膜。使用如圖5所示的濺射設(shè)備。在這幅圖中，附圖標(biāo)記51表示試樣， 附圖標(biāo)記52表示靶，附圖標(biāo)記53表示真空泵，附圖標(biāo)記54表示真空計， 附圖標(biāo)記55表示基底保持件，附圖標(biāo)記56表示為每一氣體引入系統(tǒng)提 供的氣體流速控制器，附圖標(biāo)記57表示壓力控制器，并且附圖標(biāo)記S8表示成膜室。真空泵53用來對成膜室58的內(nèi)部進(jìn)行抽真空?；妆３旨?5用 來把基底保持在成膜室58內(nèi)部；氧化物膜形成在基底上。把材料源(乾) 52布置為面向基底保持件55。此外，在濺射的成膜i殳備中，提供有使材 料源的材料蒸發(fā)的能量源(高頻電源，未示出)、用于向成膜室58中提 供氫氣的裝置、以及用于向成膜室58中提供氧氣的裝置。作為氣體引入系統(tǒng)，提供有用于氬氣、氬氣和氧氣的混合氣體(Ar: O2=80: 20)、以及氬氣和氫氣的混合氣體(Ar: H尸98: 2 )的3條線路。 通過獨(dú)立控制各個氣體流速的氣體流速控制器56以及控制泵速的壓力 控制器57,可以在成膜室58中獲得預(yù)定的氣體環(huán)境。在這個示例中，盡管使用了氬氣和氧氣的混合氣體以及氬氣與氫氣 的混合氣體，但是也可以使用純氫氣和純氧氣。另外，在這個示例中， 通過用于氬氣、氬氣和氧氣的混合氣體、氬氣與氫氣的混合氣體的3條 線路來執(zhí)行氣體引入；然而，可以通過用于氬氣、氧氣和氫氣的混合氣 體的一條線路或者通過用于氬氣與氧氣的混合氣體以及氬氣與氫氣的混 合氣體的2條線路來執(zhí)行氣體引入。在這個示例中，作為靶(材料源)，使用了 InGa03 (ZnO )的2英 寸的多晶燒結(jié)材料，并且輸入RF功率祐 沒為100 W。在成膜氣體環(huán)境 中，總壓力被設(shè)為0.4 Pa,并且作為氣體流速比率，滿足Ar: 02: H2=100: 4: 1。沉積速率為12nm/分鐘。此外，基底溫度不被加熱并且保持在大 約25'C的室溫下。當(dāng)通過掠入射x射線衍射(薄膜方法，0.5。的入射角)來評估這樣 形成的膜時，沒有觀測到清楚的衍射峰值，因而可以理解，這樣形成的 基于In-Zn-Ga-O的膜是非晶膜。此外，橢圓偏振光鐠法測量和分析示出，該薄膜的均方粗糙度 (Rrms)大約為0.5 nm，并且膜厚度大約為60 nm。依據(jù)熒光x射線 (XRF)分析的結(jié)果，薄膜中的金屬組分比為In:Ga:Zn-39:37:24。另夕卜,通過使用SIMS進(jìn)行組分分析，估算薄膜中的氫濃度為4xl018 (1/cm3),另外，電導(dǎo)率大約為10"S/cm，并且電子載流子濃度和電子遷移率 分別被估算為大約4><1016/ 113和2 cmVv'秒。另外，根據(jù)光吸收光謙測 定分析，估算出這樣形成的非晶氧化物膜的能帶間隙大約為3eV。接著，利用光刻法和剝離(lift-off)法，通過圖案化來形成漏電極 14和源電極13。各自的電極材料為Au，并且其厚度是30nm。接著，利用光刻法和剝離法，通過圖案化來形成柵絕緣膜12。對于 柵絕緣膜，通過電子束沉積法形成具有150nm厚度的Y203膜。另外， 該Y203膜的相對介電常數(shù)大約為15。此外，通過光刻法和剝離法，形成柵電極15。溝道長度和溝道寬度 分別是50 jim和200 nm。電極材料是Au，并且厚度為30 nm。比較例1在形成溝道層時，不提供氫，并且僅提供氬和氧，從而形成TFT。 在成膜氣體環(huán)境中，總壓力為0.4 Pa，并且在這種情況下，氣體流速比 Ar比02被設(shè)為100比1，使得氧分壓為0.004 Pa。成膜速率為14 nm/ 分鐘。另外，基底溫度不被加熱并且保持在大約25。C的室溫下。圖4是示出了在如上所述的非晶氧化物薄膜的電導(dǎo)率的變化的曲線 圖，當(dāng)氧分壓變化時獲得這種電導(dǎo)率的變化。如圖所示，在用于TFT形 成的氧分壓的范圍內(nèi)，隨著氧分壓中的微小變化，電導(dǎo)率發(fā)生顯著的變 化；因而，必須精確地控制氧分壓。 (TFT的特性評估)圖2A和2B是各自示出了在室溫下測量的TFT的電流-電壓特性的 曲線圖。圖2A示出了 Id-Vd特性，圖2B示出了 Id-Vg特性。如圖2A 所示，當(dāng)在施加了恒定的柵電壓Vg的同時測量源電極和漏電極之間的 電流Id對漏電壓Vd的依賴性時，示出了典型的半導(dǎo)體晶體管性狀，其 中，在大約6V的漏電壓Vd上Id飽和(夾斷)。在測量轉(zhuǎn)移特性時，4V 的漏電壓Vd處的柵電壓的閾值電壓Vc大約為-0.5V。另外，當(dāng)柵電壓 Vg為10V時，流過大約1.0xl(T5A的電流Id。晶體管的導(dǎo)通/關(guān)斷比高于106。另外，在從輸出特性中計算電子場效應(yīng)遷移率時，在飽和區(qū)獲得大約8 cm2 (Vs)"的場效應(yīng)遷移率。用可 見光照射這樣形成的器件并且以類似于上述的方式測量這種器件；然而， 根本沒有觀測到晶體管特性的變化。另外，這個示例的TFT的遲滯現(xiàn)象小于比較例的TFT的遲滯現(xiàn)象。 圖3A和3B是分別示出了比較例和這個示例的Id-Vg關(guān)系的曲線圖。 Id-Vg關(guān)系是TFT特性中的一種。如圖所示，通過向溝道層添加氫，可 以減小TFT的遲滯現(xiàn)象。另外，與比較例的情況相比，在這個示例中能夠可再現(xiàn)地形成TFT， 并且這樣形成的器件的特性的變動趨向于減小?？梢韵嘈?，因為與比較 例相比，在這個示例中可以在高氧分壓下執(zhí)行成膜，所以能夠可再現(xiàn)地 形成TFT。另外，還可以相信，因為可以在包含氫的氣體環(huán)境中形成溝 道層，所以減小了 TFT特性隨氧分壓的微小變化的變化，因而減小了特 ，性的變動。在比較例中氧分壓實際上大約為5 mPa，而在這個示例中大約為 0.015 Pa。如圖4所示，在比較例中，在濺射法中不添加氫的情況下控制 氧分壓。然后，形成具有適于TFT溝道層的電子載流子濃度的薄膜。因 而，必須把氧分壓設(shè)為大約5mPa的壓力。如上所述，因為在這種^Ht 下，載流子濃度隨氧分壓的變化而靈敏地變化，所以特性受到成膜條件 中的微小變化的顯著影響，結(jié)果，趨于難以可再現(xiàn)地獲得優(yōu)秀的TFT特 性。另一方面，在這個示例中，通過添加氫來控制電子載流子濃度。在 這個示例中，除了添加氫之外，還把0.01Pa或更高的壓力用作氧分壓。 如閨4所示，不添加氫而在這個氧分壓(>0.01 Pa )下形成的膜是絕緣材 料，因而，充分地減少了電子缺乏和電子栽流子濃度。在這個示例中， 以相對較高的氧分壓在包含氫的氣體環(huán)境中形成膜。通過上述的方法， 特性不受到氧分壓的微小變化的顯著影響，因而可以獲得期望的電子載 流子濃度。因此，能夠可再現(xiàn)地形成具有小的特性變動的晶體管。另外，在測量包含氫的非晶氧化物膜的電子載流子濃度和電子遷移 率時，在成膜氣體環(huán)境中以不同的氫分壓獲得非晶氧化物膜，當(dāng)氫分壓增加時，載流子濃度和電子遷移率趨于增加。通過空穴遷移率測量來執(zhí) 行這種估計。在一般的化合物中，當(dāng)載流子濃度增加時，由于在載流子等之間的分散引起電子遷移率減??；然而，在本發(fā)明的包含氫的非晶氧化物中， 當(dāng)電子載流子濃度增加時，電子遷移率也增加。還未4艮好地理解這種現(xiàn) 象的物理機(jī)制。在向柵電極施加電壓時，因為電子被注入在上述的非晶氧化物溝道 層中，所以電流在源電極和漏電極之間流動，使得其間的區(qū)域進(jìn)入導(dǎo)通 狀態(tài)。在本發(fā)明的非晶氧化物膜中，因為電子栽流子濃度增加時電子遷 移率增加，所以當(dāng)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時電流可以進(jìn)一步增大。也就是 說，飽和電流和導(dǎo)通/關(guān)斷比可以進(jìn)一步增大。期望把本發(fā)明的具有相對較高的場效應(yīng)遷移率的場效應(yīng)晶體管應(yīng) 用到例如有機(jī)發(fā)光二極管的運(yùn)算電路。示例2在這個示例中，將對包含氫的非晶氧化物膜進(jìn)行描述，這種非晶氧 化物膜要用于薄膜晶體管的溝道層。首先，在石英基底上形成非晶氧化 物的絕緣薄膜。依照示例1中描述的成膜方法來執(zhí)行非晶氧化物的成膜方法。乾(材 料源)是InGa03(ZnO)，并且成膜期間的氣體環(huán)境中的總壓力為0.3 Pa。 在這個步驟中，氣體流速比被設(shè)為Ar:0產(chǎn)95:5，因而氧分壓對應(yīng)于0.015 Pa。另外，未提供氬氣。膜厚度被設(shè)為大約400nm。在用四探針法測量 這樣形成的薄膜的電阻時，電導(dǎo)率不大于測量極限(0.0001 S/cm或更 小)，因而可以確認(rèn)該薄膜是絕緣膜。接著，對上述非晶氧化物薄膜執(zhí)行氫離子注入。在這種離子注入中， H+(質(zhì)子)被用作離子物類，并且加速電壓是20kV。制備在1><1012到 lxl016 (1/cm2)范圍內(nèi)的每單位面積各種照射量的試樣。對于用lxl016(l/cm2)的量的氫離子照射的試樣，通過SIMS在深 度方向上執(zhí)行組分分析，并且在圖7中示出結(jié)果。垂直軸(任意軸)表示氫濃度，水平軸表示深度。結(jié)果，獲得具有4面大約200 nm深的峰 值的深度分布。另外，該薄膜中的氫濃度大約為2xl02。 (1/cm3)。例如，對于具有l(wèi)xl013 (1/cm2)的每單位面積照射量的試樣，因為 其氫濃度不大于SIMS的檢測極限，所以不能執(zhí)行定量測量；然而，通 過使用上述結(jié)果，氫濃度可以被估算為大約2xl017 (l/cm3 )。圖6是示出了電阻率和非晶InGaZnO薄膜中注入的氫離子的量之 間的關(guān)系的曲線圖。在這個曲線圖中，水平軸表示用上述方法估算的注 入的氫離子的量，而垂直軸表示基于對數(shù)的電阻率。如上所述，可以理 解，可以通過向非晶氧化物膜添加氫來控制電導(dǎo)率。特別地，可以理解， 在大約1018 (l/cm3)的氫濃度處，電導(dǎo)率發(fā)生明顯的變化。也就是i兌， 當(dāng)在絕緣In-Ga-Zn氧化物中注入氬以具有大約1018 (l/cm3)的濃度時， 可以獲得半導(dǎo)體材料。在對以lxl015 (l/cm2)每單位面積的量用氫離子注入的試樣的空穴 遷移率進(jìn)行評估時，栽流子的極性為負(fù)，空穴遷移率為9 cm2/V">、，并 且栽流子濃度為6xl018 (l/cm2 )。如上所述，在把非晶氧化物半導(dǎo)體應(yīng)用到薄膜晶體管的有源層時， 從經(jīng)驗來看，優(yōu)選地形成具有0.0001到0.1 S/cm的電導(dǎo)率的半導(dǎo)體氧化 物膜。因而，可以理解，在這個示例的形成方法中，注入的氫離子的量 被優(yōu)選地設(shè)為大約1018 (1/cm3)。在使用離子注入的方法中，依據(jù)這個示例，可以通過離子照射量(照 射時間)來精確控制氫含量和載流子濃度。因而，當(dāng)把這種方法應(yīng)用到 薄膜晶體管的形成中時，可以精確控制溝道層的電阻率和載流子濃度， 結(jié)果，可以獲得可再現(xiàn)地形成器件的優(yōu)點。示例3在這個示例中，形成了圖1A中示出的頂柵TFT。在這種情況下， 通過在脈沖激光沉積法(PLD方法)形成的基于In-Ga-Zn-O的非晶氧 化物中離子注入氫或氘來形成包含有氫(或氘)的非晶氧化物的溝道層。首先，在玻璃基底上(Corning公司生產(chǎn)的Corning #1737玻璃)用PLD方法形成基于In- Zn-Ga-O的非晶氧化物膜。InGa03(ZnO)4的多晶燒結(jié)的材料被用作靶，并且基于In-Zn-Ga-O 的非晶氧化物膜被沉積。成膜期間的氧分壓為7Pa。 KrF準(zhǔn)分子激光器 的功率是1.5xl(T3 mJ/cmV脈沖，脈沖寬度是20納秒，并且重復(fù)頻率為 10Hz。另外，基底溫度不被加熱并且保持在大約25。C的室溫下。依據(jù)熒光x射線(XRF)分析的結(jié)果，作為薄膜的金屬組分比，滿 足ln:Ga:Zn-0.97:1.01:4。此外，依據(jù)橢圓偏振光諳法測量的模式分析的 結(jié)果，均方粗糙度(Rrms)大約為0.6nm，并且膜厚度大約為100 nm。 另外，電導(dǎo)率為l(T3 S/cm或更小(測量下限或更小)，因而該薄膜為絕 緣膜。接著，把氫(或氘)離子注入到非晶氧化物薄膜中。作為離子物類，使用了IT (質(zhì)子)，并且加速電壓為10kV。制備 了具有在lxiou到lxl015 (1/cm2)范圍內(nèi)的各種照射量的試樣。另外， 還制備了用氖D +離子注入后的試樣。當(dāng)為氫濃度的評估執(zhí)行通過SIMS 的組分分析時，用2xl014 (1/cm2)的離子量照射的試樣具有大約lxl019 (1/cm"的氫濃度。因此，例如，因為用2xl012 (1/cm2)的離子量照射 的試樣的氫濃度小于檢測極限，所以不能執(zhí)行測量；然而，可以把氫濃 度估算為大約lxl017 (1/cm3)。當(dāng)通過掠入射x射線衍射(薄膜方法，0,5。的入射角度)來評估這 樣形成的膜時，沒有觀測到清楚的衍射峰值，因而可以理解，這樣形成 的基于In-Zn-Ga-O的膜為非晶膜。在下面的這個示例的薄膜晶體管中，使用了由2xl013 (1/cm2)的離 子量照射的非晶氧化物。氫濃度被估算為大約lxl018 (1/cm3)。另外， 這種膜為具有大約l(T2 S/cm的電導(dǎo)率的半絕緣膜。通過光刻法和剝離法，通過圖案化來形成漏電極14和源電極13。 各自的電極材料為Au，并且其厚度為30 nm。接著，通過光刻法和剝離法，通過圖案化來形成柵絕緣膜12。對于 柵絕緣膜，通過激光沉積法形成具有150 nm厚度的Hf02膜。此外，通過光刻法和剝離法，形成柵電極15。電極材料為Au，并且厚度被設(shè)為50 nm。溝道長度和溝道寬度分別為50 和200nm。 比較例2除了溝道層的形成之外，以類似于示例2的方式形成圖1A中示出 的頂柵TFT。在6 Pa的氧化分壓下用PLD方法形成溝道層。另外，沒 有執(zhí)行氫和氘的離子注入。因為氧分壓低于示例中的氧分壓，由于缺氧 而形成半絕緣非晶氧化物膜。 (TFT的特性評估)這個示例中的薄膜晶體管示出了典型的半導(dǎo)體晶體管性狀，其中， 飽和(夾斷)出現(xiàn)在大約6 V的電壓Vd上。晶體管的導(dǎo)通/關(guān)斷比大于 106，并且場效應(yīng)遷移率大約為7cm"Vsr1。在離子注入了氫的情況和 離子注入了氘的情況之間，觀測不到明顯的差異。另夕卜，與比較例2的TFT相比，示例2的TFT具有小的遲滯現(xiàn)象。 另外，與比較例2相比，在形成多個器件時，示例2中的特性的變動趨 于較小。這說明了在這個示例中能夠可再現(xiàn)地形成TFT，這是因為在比 比較例高的氧分壓下執(zhí)行了成膜。另外，可以相信，因為在溝道層形成 期間，TFT特性幾乎不隨氧分壓的微小變化而改變，所以減小了 TFT之 間的特性的變動。另夕卜，當(dāng)溝道層中的氫濃度很低時，降低遲滯現(xiàn)象的效果趨于減小， 并且當(dāng)該氫濃度很高時，導(dǎo)通/關(guān)斷比趨于減小。因而，優(yōu)選地把氫濃度 設(shè)在1017到1019 (1/cm3)的范圍內(nèi)。當(dāng)通過改變氫離子注入的量來評估 包含氫的非晶氧化物膜的電子載流子濃度和電子遷移率時發(fā)現(xiàn)，伴隨著 注入的氫的量的增加，載流子濃度和電子遷移率均趨于增大。在通常的化合物中，當(dāng)載流子濃度增大時，由于載流子等等之間的 散射，電子遷移率減??；然而，在用于本發(fā)明的包含氫的非晶氧化物中， 隨著電子載流子濃度的增大，電子遷移率增加。然而，還未很好地理解 其物理機(jī)制。當(dāng)把電壓施加到柵電極時，因為電子被注入到上述的非晶氧化物溝 道層中，所以電流在源電極和漏電極之間流動，使得其間的區(qū)域進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。在本發(fā)明的非晶氧化物膜中，因為在電子載流子濃度增大時電 子遷移率增加，所以當(dāng)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時電流可以進(jìn)一步增大。也 就是"i兌，飽和電流和導(dǎo)通/關(guān)斷比可以進(jìn)一步增大。期望把本發(fā)明的具有相對較高的場效應(yīng)遷移率的場效應(yīng)晶體管應(yīng) 用到例如有機(jī)發(fā)光二極管的運(yùn)算電路。示例4在這個示例中，形成了圖1B中示出的底柵TFT。 首先，在玻璃基底上通過濺射來形成具有200 nm厚度的Ta的柵電 極。通過光刻法和干刻蝕法來執(zhí)行圖案化。接著，通過等離子CVD法形成具有250 nm厚度的a-SiN的絕緣膜。 隨后，形成包含氫的非晶氧化物的溝道層。在這個示例中，依照示 例1的方法來執(zhí)行形成溝道層的方法。然而，作為靶，使用了2英寸的 ln203 (Sn02)的多晶燒結(jié)材料，并且輸入RF功率被設(shè)為100 W。在成 膜氣體環(huán)境中，總壓力為0.4 Pa，并且作為用于成膜的氣體流動比，滿 足Ar:O2:H尸100:10:l。成膜速率為11 nm/分鐘。另夕卜，基底溫度不^ 熱并且保持在大約25'C的室溫下。當(dāng)通過掠入射x射線衍射(薄膜方法，0.5。的入射角度)來評估這 樣形成的膜時，觀測不到清楚的衍射峰值，因而可以理解，這樣形成的 基于In-Sn-O的膜是非晶膜。另外，依據(jù)熒光x射線(XRF)分析的結(jié) 果，作為金屬組分比，In對Sn的金屬比為0.95比1。 (TFT的特性評估)這個示例的薄膜晶體管示出了小的遲滯現(xiàn)象，并且在形成多個器件 時，特性的變動趨于很小。另外，晶體管的導(dǎo)通/關(guān)斷比大于106，并且 場效應(yīng)遷移率大約為9cm2 (Vs)"。示例5在這個示例中，在塑料基底上，形成了圖1A示出的頂柵TFT。制 造方法和結(jié)構(gòu)類似于示例1中的制造方法和結(jié)構(gòu)。然而，作為基底，使用了IW苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜。另外，在這個示例中，作為用于形成溝道層的乾，使用了2英寸的 In203'ZnO的多晶燒結(jié)材料，并且輸入RF功率被設(shè)為100 W。在成膜氣 體環(huán)境中，總壓力為0.4 Pa，并且作為用于成膜的氣體流動比，滿足 Ar:O2:H2=100:6:l。成膜速率為12 nm/分鐘。另外，基底溫度不被加熱 并且保持在大約25°C的室溫周圍下。當(dāng)通過掠入射x射線衍射(薄膜方法，0，5。的入射角度)來評估這 樣形成的膜時，觀測不到清楚的衍射峰值，因而可以理解，這樣形成的 基于In-Zn-O的膜是非晶膜。另外，依據(jù)熒光x射線(XRF)分析的結(jié) 果，作為金屬組分比，In對Zn的金屬比為1.1比0.9。另外，源電極、漏電極、以及柵電極均由In203:Sn的透明導(dǎo)電膜制 成。電極厚度為100 nm。(TFT的特性評估)在室溫下測量在PET膜上形成的薄膜晶體管。晶體管的導(dǎo)通/關(guān)斷 比大于103。另外，在計算場效應(yīng)遷移率時，其大約為3cm2 (Vs) -1。當(dāng)使在PET膜上形成的器件彎曲以具有30mm的曲率半徑時，盡 管也評估了如上所述的晶體管特性，但是未觀察到晶體管特性的明顯變 化。另外，盡管執(zhí)行了可見光的照射并執(zhí)行了如上所述的測量，也未觀 察到晶體管特性的變化。在這個示例中形成的薄膜晶體管對于可見光是透明的并且形成在 柔性基底上。依據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管，因為可以在低溫下執(zhí)行成膜，并且由 此形成的膜為非晶的，所以可以在諸如PET膜之類的柔性材料上形成上 述場效應(yīng)晶體管。也就是說，在使這個晶體管彎曲的同時可以執(zhí)行開關(guān)， 并且晶體管對具有400 nm或更大波長的可見光和紅外光是透明的(在這 種情況下，晶體管不需要具有100%的透光性，而是可以需要它幾乎透 明)。因而，場效應(yīng)晶體管可以被用作LCD的開關(guān)器件和/或有機(jī)EL顯 示器件。另外，除柔性顯示器之外，還可以把本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管廣泛用于例如透視顯示器、IC卡、以及ID標(biāo)簽。依據(jù)本發(fā)明，因為把包含氫(或者氘)的非晶氧化物應(yīng)用于場效應(yīng) 晶體管的溝道層，可以實現(xiàn)具有小的遲滯現(xiàn)象的薄膜場效應(yīng)晶體管。依據(jù)本發(fā)明的制造方法，因為在包含氫氣和氧氣的氣體環(huán)境中執(zhí)行 成膜，可以高度精確地控制非晶氧化物的載流子濃度。另外，在本發(fā)明的制造方法中，可以執(zhí)行低溫處理，因而可以在諸 如塑料基板或塑料膜之類的基底上形成場效應(yīng)晶體管。此外，依據(jù)本發(fā)明的制造設(shè)備，能夠可再現(xiàn)地形成場效應(yīng)晶體管。 特別地，通過使用本發(fā)明的制造設(shè)備，可以用良好的控制形成具有低電 子載流子濃度的非晶氧化物。雖然已參考示例性實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)該理解，本 發(fā)明不限于公開的示例性實施例。應(yīng)該對以下的權(quán)利要求的范圍給予最 寬的解釋，以便包括所有變形、等同結(jié)構(gòu)以及功能。本申請要求2005年9月6日提交的日本專利申請No.2005-258263 和2006年8月15日提交的No.2006-221552的優(yōu)先權(quán)，在此通過參考引 入其全部內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種場效應(yīng)晶體管，包括包含In或Zn的非晶氧化物膜的溝道層，其中，非晶氧化物膜包含1016到1020/cm3范圍內(nèi)的濃度的氫或氘。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的場效應(yīng)晶體管，其中，用下面不包括氫的等式表示包含氫或氘的非晶氧化物膜的組 分(Sn"M4x)02l,[(Iih國yM3y)203b.[ZnkM2zOc，其中，滿足0W1， 0Sy$l, OSzll， 0￡a<l, 0^b<l， 0^c<l,以及 a+b+c=l，M4是具有比Sn小的原子序數(shù)的第IV族中的元素(Si， Ge，或者Zr),M3是Lu或具有比In小的原子序數(shù)的第III族中的元素(B， Al， Ga， 或者Y),以及M2是具有比Zn小的原子序數(shù)的第II族中的元素(Mg或者Ca)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的場效應(yīng)晶體管，其中，非晶氧化物膜中包含的氫或氘的濃度在1017到1019/ 113的范圍內(nèi)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的場效應(yīng)晶體管， 其中，M3包括Ga。
5、 一種用于制造包含In或Zn的非晶氧化物膜的方法，所述非晶 氧化物膜用作場效應(yīng)晶體管的溝道層，所述方法包括以下步驟在成膜設(shè)備中放置基底；以及在以各自預(yù)定的分壓在成膜設(shè)備中引入氧氣和包含氫原子的氣體 (除水蒸氣之外)的同時，在基底上形成所述非晶氧化物膜。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于制造非晶氧化物膜的方法，其中，用濺射法形成非晶氧化物膜，并且在形成非晶氧化物膜的步 驟期間的氧分壓為0.01 Pa或更高。
7、 一種用于制造非晶氧化物膜的制造設(shè)備，所述非晶氧化物膜形成在基底上并且用作場效應(yīng)晶體管的溝道層，所述設(shè)備包括 成膜室；抽真空裝置，用于對成膜室內(nèi)部進(jìn)行抽真空； 基底保持裝置，用于把基底保持在成膜室中； 材料源，被布置為面向基底保持裝置； 能量源，用于使材料源的材料蒸發(fā)； 用于在成膜室中提供氫氣的裝置；以及 用于在成膜室中提供氧氣的裝置。
8、 一種用于制造場效應(yīng)晶體管的方法，包括以下步驟； 形成柵電極；形成柵絕緣層； 形成源電極和漏電極；以及在以各自預(yù)定的分壓在成膜設(shè)備中引入氧氣和包含氫原子的氣體 (除水蒸氣之外)的同時，形成非晶氧化物的溝道層。
9、 一種用于制造場效應(yīng)晶體管的方法，包括以下步驟 形成柵電極；形成柵絕緣層； 形成源電極和漏電極；以及用濺射法在0.01 Pa或更高的分壓下在包含氧的氣體環(huán)境中形成非 晶氧化物的溝道層；以及增加由非晶氧化物形成的溝道層中包含的氫的量。
全文摘要
包含氫(或氘)的非晶氧化物被應(yīng)用到晶體管的溝道層。因此，可以實現(xiàn)具有優(yōu)秀的TFT特性的薄膜晶體管，所述優(yōu)秀的TFT特性包括小的遲滯現(xiàn)象、常斷操作、高導(dǎo)通/關(guān)斷比、高飽和電流等等。此外，作為一種用于制造由非晶氧化物制成的溝道層的方法，在包含氫氣和氧氣的氣體環(huán)境中執(zhí)行成膜，以便可以控制非晶氧化物的載流子濃度。
文檔編號H01L29/786GK101258607SQ20068003253
公開日2008年9月3日 申請日期2006年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月6日
發(fā)明者巖崎達(dá)哉 申請人:佳能株式會社