[发明专利]薄膜晶体管及其制造方法、以及具备该薄膜晶体管的装置

说明书

技术领域

本发明涉及具备氧化物半导体膜的薄膜晶体管及其制造方法。另外，本发明还涉及使用了该薄膜晶体管的显示装置、图像传感器及X射线数码摄影装置等装置。

背景技术

近年来，对将In-Ga-Zn-O系(IGZO)的氧化物半导体薄膜用于沟道层中的薄膜晶体管的研究、开发如火如荼。上述氧化物薄膜由于可以低温成膜，并且比无定形硅显示出更高的迁移率，而且在可见光下是透明的，因此可以在塑料板或薄膜等基板上形成挠性的透明薄膜晶体管。

表1中给出各种晶体管特性的迁移率、加工温度等的比较表。

[表1]

以往的多晶硅薄膜晶体管虽然可以获得100cm²/Vs左右的迁移率，然而加工温度非常高，达到450℃以上，因此只能形成于耐热性高的基板上，不适于廉价化、大面积化、挠性化。另外，虽然无定形硅薄膜晶体管由于可以在300℃左右的比较低的温度下形成，因此基板的选择性与多晶硅相比更宽，然而最多只能获得1cm²/Vs左右的迁移率，不适于高精细的显示器用途。另一方面，从低温成膜的观点考虑，有机薄膜晶体管可以在100℃以下形成，因此可以期待应用于使用了耐热性低的塑料薄膜基板等的挠性显示器用途等中，然而迁移率只能获得与无定形硅相同程度的结果。

即，很难实现可以在300℃左右以下的比较低的温度下形成并且具有100cm²/Vs左右以上的高迁移率的薄膜晶体管。

作为提高晶体管的载流子迁移率的方法，提出过如下的HEMT(High Electron Mobility Transistor：高电子迁移率晶体管)结构，即，接合电子亲和力不同的异种半导体，将量子阱作为晶体管的沟道利用。有过如下的文献报告(非专利文献1)，即，在氧化物半导体薄膜晶体管中制作将ZnO用ZnMgO夹入的HEMT结构器件，可以获得140cm²/Vs这样高的迁移率。

另外，在使用了IGZO系的氧化物半导体薄膜的薄膜晶体管中，提出过将物理量不同的IGZO膜制成多层结构而作为活性层使用的薄膜晶体管。专利文献1中对于如下的场效应型晶体管有记载，即，其特征在于，含有非晶体氧化物的活性层是包括第一区域和比第一区域更靠近栅绝缘膜的第二区域的2层结构，第二区域的氧浓度比第一区域的氧浓度高。通过设为此种结构，栅绝缘膜侧的活性层的电阻就会变高，因此在非晶体氧化物的内部形成沟道，从而可以减小泄漏电流。

另外，专利文献2中，提出过具有由IGZO系的氧化物半导体薄膜和a-Si薄膜的多层结构构成的活性层的薄膜晶体管。通过将能带间隙小的a-Si膜用能带间隙较大的IGZO膜夹入，在层厚方向上载流子就会集中于活性层中心的a-Si部分，场效应迁移率与以往的a-Si膜相比升高。

专利文献3中，作为场效应迁移率高、使用了显示出高通/断比的无定形氧化物半导体的场效应型晶体管，公开有如下的构成，即，在活性层与源/漏电极之间，具备含有Ga含有率比活性层的氧化物的Ga含有率高的氧化物的电阻层。

专利文献1日本特开2006-165529号公报

专利文献2日本特开2009-170905号公报

专利文献3日本特开2010-073881号公报

非专利文献1 K.Koike et al.，Applied Physics Letters，87(2005)112106

但是，专利文献1中，并非利用活性层的电子亲和力差向载流子行进层供给载流子的设计。另外，虽然有可以减小泄漏电流的记载，然而无法获得足够的载流子密度，其结果是，存在无法获得足够的迁移率的问题。

在非专利文献1中为了获得高迁移率，利用基于分子束外延法(MBE法)的外延生长，制作异质结场效应晶体管(HEMT)，需要使基板与半导体膜层的晶格不匹配极小。由此，需要将基板温度加热到超过700℃，从而会有明显地降低基板的选择性的问题。

专利文献2中，由于在作为量子阱部的载流子行进层中使用与氧化物半导体相比迁移率低1个数量级左右的非晶体硅，因此无法获得足够的迁移率。另外，将作为氧化物半导体的IGZO膜与作为非氧化物的a-Si这样的异种半导体材料接合，因而存在无法获得良好的接合界面的问题。