CN101057338B - 采用无定形氧化物的场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
提供了一种采用无定形氧化物的新颖的场效应晶体管。在本发明的实施例中,该晶体管包括含有浓度低于1×1018/cm3的电子载流子的无定形氧化物层,栅极绝缘层包括与该无定形氧化物接触的第一层和不同于第一层的第二层。
Description
技术领域
本发明涉及采用无定形氧化物的场效应晶体管。
背景技术
近年来,作为液晶技术、场致发光(EL)和相关技术发展的结果,平板显示器(FPD)得以商业化。FPD通过包括场效应薄膜晶体管(TFT)的有源矩阵电路驱动,该薄膜晶体管采用无定形硅薄膜或多晶硅薄膜作为形成在玻璃衬底上的有源层(active layer)。
为了得到FPD更小的厚度、更轻的重量和更大的冲击强度,研究了用轻质且柔性的树脂衬底来代替玻璃衬底。但是,因为在该工艺中硅薄膜晶体管的制造需要比较高的温度,所以采用硅薄膜的晶体管不能直接形成在耐热性能较差的树脂衬底上。
因此,对于TFT,研究了使用能够在较低温度下形成膜的氧化物半导体薄膜如ZnO薄膜(日本专利申请公开No.2003-298062)。
但是,还没有获得能同时满足TFT的透明特性和电特性、栅极绝缘膜的特性、防止电流泄漏以及有源层与衬底之间的粘附所有这些特性的晶体管。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用无定形氧化物的新颖的场效应晶体管。
本发明的目的还在于获得在TFT的透明特性和电特性、栅极绝缘膜的特性、防止电流泄漏以及有源层与衬底之间的粘附中的至少一种特性方面表现优异的晶体管。
按照本发明的第一方面,提供了一种具有源电极、漏电极、栅极绝缘体、栅电极和有源层的场效应晶体管:
该有源层包括电子载流子浓度低于1018/cm3的无定形氧化物或电子迁移率倾向于随着电子载流子浓度的增加而增大的无定形氧化物;并且
源电极、漏电极和栅电极中的至少一个对可见光透明。
所述场效应晶体管优选具有与源电极、漏电极和栅电极中的至少一个连接的金属布线。
该无定形氧化物优选是包含In、Zn和Sn中至少一种的氧化物或包含In、Zn和Ga的氧化物。
按照本发明的第二方面,提供了一种具有源电极、漏电极、栅极绝缘体、栅电极和有源层的场效应晶体管:
该有源层包括电子载流子浓度低于1018/cm3的无定形氧化物或电子迁移率倾向于随着电子载流子浓度的增加而增大的无定形氧化物;并且
具有包括第一层和由金属制成的第二层的叠层结构,在第一层中源电极、漏电极和栅电极中的至少一个对可见光透明,或者
具有包括第一层和由金属制成的第二层的叠层结构,在第一层中与源电极、漏电极和栅电极中的至少一个连接的布线对可见光透明。
按照本发明的第三方面,提供了一种具有源电极、漏电极、栅极绝缘膜、栅电极和有源层的场效应晶体管,
其中该有源层包括对可见光透明的无定形氧化物,并且源电极、漏电极和栅电极中的至少一个对可见光透明。
该晶体管优选是使用有源层的常断(normally-off)类型的晶体管。
金属布线优选与对光透明的电极连接,该电极属于源电极、漏电极或栅电极。
按照本发明的第四方面,提供了一种具有源电极、漏电极、栅极绝缘膜、栅电极和有源层的场效应晶体管:
该有源层包括电子载流子浓度低于1018/cm3的无定形氧化物,该栅极绝缘膜包括与该无定形氧化物接触的第一层和不同于第一层并且层叠在该第一层上的第二层。
第一层优选是包含HfO2、Y2O3或含有HfO2或Y2O3的混晶化合物的绝缘层。
该无定形氧化物优选是包含In、Zn和Sn中至少一种的氧化物或包含In、Zn和Ga的氧化物。
第一层优选是用于改善与有源层的界面特性的界面改善层,第二层是用于防止电流泄漏的电流泄漏防止层。
按照本发明的第五方面,提供了一种具有源电极、漏电极、栅极绝缘体、栅电极和有源层的场效应晶体管:
该有源层包括无定形氧化物,该栅极绝缘体包括与该无定形氧化物接触的第一层和不同于第一层并且叠加在该第一层上的第二层。
所述无定形氧化物优选是从含有In、Zn和Sn的氧化物;含有In和Zn的氧化物;含有In和Sn的氧化物;以及含有In的氧化物中任选的一种。
该晶体管优选是常断类型的晶体管。
按照本发明的第六方面,提供了一种具有源电极、漏电极、栅极绝缘膜、栅电极和有源层的场效应晶体管:
该有源层包括电子载流子浓度低于1018/cm3的无定形氧化物或电子迁移率倾向于随着电子载流子浓度的增加而增大的无定形氧化物;并且
在有源层和栅极绝缘体之间设置了钝化层。
该无定形氧化物优选是包含In、Zn和Sn中至少一种的氧化物或包含In、Zn和Ga的氧化物。
该钝化层优选是用于防止电流泄漏的电流泄漏防止层。
按照本发明的第七方面,提供了一种具有源电极、漏电极、栅极绝缘体、栅电极和有源层的场效应晶体管:
该有源层由无定形氧化物组成;并且
在有源层和栅极绝缘体之间设置了钝化层。
按照本发明的第八方面,提供了一种在衬底上设置了源电极、漏电极、栅极绝缘膜、栅电极和有源层的场效应晶体管:
该有源层包括电子载流子浓度低于1018/cm3的无定形氧化物或电子迁移率倾向于随着电子载流子浓度的增加而增大的无定形氧化物;并且
在有源层和衬底之间设置了表面涂层。
该无定形氧化物优选是包含In、Zn和Sn中至少一种的氧化物或包含In、Zn和Ga的氧化物。
所述表面涂层优选是用于提高衬底和有源层之间的粘附性的粘附性改善层。
按照本发明的第九方面,提供了一种具有源电极、漏电极、栅极绝缘体、栅电极和有源层的场效应晶体管:
该有源层由无定形氧化物组成;并且
在有源层和衬底之间设置了表面涂层。
作为本发明的发明人对该氧化物半导体的调查的结果,发现上述ZnO以多晶体相的状态形成,导致载流子在多晶体晶格之间的界面上散射从而降低了电子迁移率。此外,还发现ZnO容易在其中导致氧缺位(oxygen defect),从而产生大量的载流子电子,这使得难以降低电导率。由此,即使没有向晶体管施加栅电压,也会在源极端子和漏极端子之间产生很大的电流,从而使得不可能实现TFT的常断状态和更大的晶体管开-关比。
本发明的发明人考察了在日本专利申请公开No.2000-044236中提到的无定形氧化物膜ZnxMyInzO(x+3y/2+3z/2)(M:Al和Ga中的至少一种元素)。该材料包含浓度不低于1×1018/cm3的电子载流子,并适合用作简单的透明电极。但是,在TFT沟道层中使用的包含浓度不低于1×1018/cm3的电子载流子的氧化物不能给出足够的开-关比,且不适合于常断的TFT。因此,传统的无定形氧化物膜无法提供载流子浓度低于1×1018/cm3的膜。
本发明的发明人利用载流子浓度低于1×1018/cm3的无定形氧化物作为场效应晶体管的有源层来制备TFT。发现该TFT具有期望的特性,并可用于诸如发光装置的图像显示装置。
此外,本发明的发明人考察了材料InGaO3(ZnO)m和该材料的膜形成条件,发现通过控制膜形成时的氧气气氛条件可以将该材料的载流子浓度可以控制为低于1×1018/cm3。
按照本发明,通过使用无定形氧化物作为有源层,提供了一种新颖的场效应晶体管。
附图说明
图1是示出通过脉冲激光汽相沉积方法形成的In-Ga-Zn-O型无定形氧化物中的载流子浓度与膜形成期间的氧分压之间关系的图。
图2是示出电子迁移率与通过脉冲激光汽相沉积方法形成的In-Ga-Zn-O型无定形氧化物的载流子浓度之间关系的图。
图3是示出使用氩气通过高频溅射方法形成的In-Ga-Zn-O型无定形氧化物的电导率与膜形成期间的氧分压之间关系的图;
图4A、4B和4C分别示出通过脉冲激光汽相沉积方法在氧分压为0.8Pa的含氧气氛中形成的InGaO3(Zn1-xMgxO)4膜的电导率、载流子浓度和电子迁移率相对于x值的变化。
图5示意性示出在示例6-10中制备的顶部栅极型TFT元件的结构。
图6是示出在示例6中制备的采用Y2O3作为栅极绝缘膜的顶部栅极型TFT元件的电流-电压特性的图。
图7A、7B、7C、7D、7E、7F示出制作本发明TFT的过程的第一示例。
图8A、8B、8C、8D、8E、8F示出制作本发明TFT的过程的第二示例。
图9G、9H、9I、9J、9K、9L示出制作本发明TFT的过程的第二示例。
图10示意性示出在示例1中制备的顶部栅极型MISFET元件的结构。
图11示意性示出通过PLD过程形成膜的装置。
图12示意性示出通过溅射过程形成膜的装置。
具体实施方式
首先,描述本发明场效应晶体管的有源层的构造。
本发明的发明人发现一些类型的半绝缘氧化物的无定形薄膜具有电子迁移率随着导电电子数量的增加而增大的特性,还发现使用这种膜制备的TFT具有改善的晶体管特性,如开-关比(on-off ratio)、夹断状态下的饱和电流以及切换率(switching rate)。
通过利用这种透明的半绝缘薄膜作为膜晶体管的沟道层,对于高于1cm2/V.sec、优选高于5cm2/V.sec的电子迁移率来说,在低于1×1018/cm3、优选低于1×1016/cm3的载流子浓度下,断开状态下(没有施加栅电压)漏极端子和源极端子之间的电流可以控制为低于10微安,优选低于0.1微安。此外,通过利用该薄膜,对于高于1cm2/V.sec、优选高于5cm2/V.sec的电子迁移率来说,夹断之后的饱和电流可以提高到10微安或更高,而且开-关比可以提高到高于1×103。
在TFT的夹断状态下,向栅极端子施加高电压,电子以高密度存在于沟道中。因此,按照本发明,饱和电流可以对应于电子迁移率的增加而增大。由此,改善了几乎所有的晶体管特性,如提高开-关比,增大饱和电流和增加切换率。相反,在常用的化合物中,因为电子之间的碰撞,电子数量的增加降低了电子的迁移率。
上述TFT的结构可以是交错(顶部栅极)结构,其中栅极绝缘膜和栅极端子依次形成在半导体沟道层上,也可以是反交错(底部栅极)结构,其中栅极绝缘膜和半导体沟道层依次形成在栅极端子上。
构成有源层的无定形氧化物的具体例子是含有晶体状态的由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然数)表示的In-Ga-Zn-O的氧化物。另一个例子是包含由InGaO3(Zn1-xMgxO)m(m是小于6的自然数,0<x≤1)表示的In-Ga-Zn-Mg-O的氧化物,含有浓度低于1×1018/cm3的电子载流子。
该无定形氧化物膜优选展示出超过1cm2/V.sec的电子迁移率。
发现通过利用上述膜作为沟道层,可以制备这样的TFT:以晶体管断开状态下低于0.1微安的栅电流常断,具有超过1×103的开-关比,对可见光透明而且是柔性的。
在上述透明膜中,电子迁移率随着导电电子数量的增加而增大。用于形成该透明膜的衬底包括玻璃板、塑料板和塑料膜。
在采用上述透明氧化物膜作为沟道层的优选实施例中,通过用由SnO2、In2O3、ITO、Tl2O3、TlOF、SrTiO3、EuO、TiO或VO构成的至少一个层形成电极层作为透明电极来制备晶体管。
在采用上述透明氧化物膜作为沟道层的另一优选实施例中,通过用由Au、Ag、Al或Cu构成的至少一层形成电极层作为电极来制备晶体管。
在采用上述透明氧化物膜作为沟道层的又一优选实施例中,通过用由Y2O3或HfO2、其混晶化合物、或SiO2、Si3N4、TiO2、Ta2O5、PbTiO3、BaTa2O6、SrTiO3、MgO或AlN、或其无定形材料构成的至少一层形成栅极绝缘体来制备晶体管。
在另一优选实施例中,该膜在含有氧气的气氛中形成,而不有意添加杂质来增大电阻。
在描述第一至第三实施例之后更为具体地说明用于制作无定形氧化物膜的过程以及用于采用无定形氧化物制造TFT的过程。
通过将本发明的第一至第九方面分类为第一至第三实施例来说明场效应晶体管除有源层之外的构造要求。
对于下面的第一至第三实施例,优选使用如上所述的有源层、电极、栅极绝缘体材料等等。但是,本发明的以下实施例不限于上述有源层等。
(第一实施例:透明的S、D、G电极或叠层电极)
该实施例的场效应晶体管属于本发明上述第一、第二和第三方面的类型。
术语“对可见光透明”表示材料对至少一部分可见光波长范围透明的状态。这种透明性表示不仅没有光吸收而且一部分可见光透过的状态。在本发明中,可见光的透射不低于40%,优选不低于60%,更为优选的是不低于80%。
因此,通过使电极或构成晶体管的其它构件的至少一部分透明来实现高度透明的器件。
源电极、漏电极、栅电极和栅极绝缘膜全都对可见光透明是可取的。
对可见光透明的电极的示例是由SnO2、In2O3、ITO、Tl2O3、TlOF、SrTiO3、EuO、TiO或VO形成的电极。
一般来说,对可见光透明的电极材料具有低电导率或高电阻。因此,具有完全由这种电极材料形成的布线的显示器将具有很高的寄生电阻。因此,该布线由通过对可见光透明的材料形成的第一层和通过金、铜、铝或类似金属或含有该金属的合金形成的第二层的叠层构成。具体地说,例如用透明的第一层围绕晶体管,其它部分通过第一层和第二层的叠层形成,引出布线(lead-wiring)由具有高电导率的第二层形成,由此可以降低寄生电阻。当然,上述源电极、漏电极或栅电极本身可以通过叠层结构形成。
本发明第三方面的场效应晶体管的有源层由如上所述对可见光透明的无定形氧化物构成。该有源层优选构成常断类型的晶体管。
考虑到本发明的第一方面,根据本发明的第三方面,有源层由包含浓度低于1×1018/cm3的载流子的无定形氧化物形成,同时不倾向于随着载流子浓度的增加而增大电子迁移率,并且对可见光透明;并且源电极、漏电极和栅电极中的至少一个对可见光透明。
由此,可以通过使电极或其它构成晶体管的构件的至少一部分透明来制造具有更宽范围的透明性的器件。
(第二实施例:多层栅极绝缘体)
本实施例的场效应晶体管属于本发明上述第四和第五方面的类型。该实施例的有源层优选由至少含有晶体状态的由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然数)表示的In-Ga-Zn-O的透明无定形氧化物构成,含有浓度低于1×1018/cm3的电子载流子;或者由包含晶体状态的由InGaO3(Zn1-xMgxO)m(m是小于6的自然数,0<x≤1)表示的In-Ga-Zn-Mg-O的透明无定形氧化物构成。
构成栅极绝缘膜的第一层由例如Y2O3或HfO2或其混晶化合物构成。第二层例如由SiO2、Si3N4、TiO2、Ta2O5、PbTiO3、BaTa2O6、SrTiO3、MgO或AlN或含有上述物质的无定形结构构成。
第一层和第二层的上述材料只是例子,第一层和第二层的材料可以分别用于第二层和第一层。
HfO2和Y2O3是因为高介电常数而具有高电流驱动能力的优异材料。按照本发明人的知识,使用HfO2或Y2O3作为栅极绝缘膜与由InGaO3(ZnO)m或InGaO3(Zn1-xMgxO)m构成的沟道层一起产生了一种展示出异常高迁移率和低阈值的TFT。其机制还不清楚,但推测HfO2或Y2O3形成与InGaO3(ZnO)m或InGaO3(Zn1-xMgxO)m的优异界面,从而用于改善界面特性。
还要求栅极绝缘膜不导致栅极泄漏。栅极泄漏容易在如图5所示的源电极6和漏电极5的端部的高度差(level-difference)部分产生。因此,栅极绝缘层3的厚度优选等于源电极6和漏电极5的厚度,或者是其厚度的两倍。
但是,由于Hf和Y很贵,因此HfO2或Y2O3的厚栅极绝缘膜成为在制造大面积TFT板时导致成本增加的重要因素。
另一方面,HfO2或Y2O3能够形成与无定形氧化物如InGaO3(ZnO)m或InGaO3(Zn1-xMgxO)m的令人满意的界面。因此,这种栅极绝缘膜只用在与沟道层的界面的周围,并且在该栅极绝缘膜上由预定厚度的廉价材料如SiO2和Al2O3形成第二栅极绝缘层。也就是说,第二栅电极用作电流泄漏防止层。
通过这种方式,可以在充分利用HfO2或Y2O3的优异界面特性的同时有效防止栅极泄漏。因此按照本发明,即使用更少量的Hf或Y,也可以获得展示出高迁移率、低阈值但高度可靠没有栅极泄漏的TFT。由此,从高性能和低制造成本的角度来看,上述构造特别适合于大面积TFT板。
根据本发明人的知识,在形成导电层等等或者在沟道层上形成栅极绝缘层之前对由InGaO3(ZnO)m或InGaO3(Zn1-xMgxO)m构成的沟道层的表面进行蚀刻时可能出现以下问题:所形成的TFT中的电流容易随着时间而改变,或者容易出现栅极不足。尽管其详细机制并不知道,大概是可能通过沟道层中的杂质的不期望扩散、降低了的表面平坦度或者微粒的形成导致了该现象。
图7A至7F示出避免上述问题的TFT的构造及其制造过程:
(7A)沟道层2701形成在衬底2700上。
(7B)用掩模2702覆盖表面,并形成漏电极2703和源电极2704。掩模2702从沟道层2701的表面稍微抬起以防止与沟道层2701的表面接触。去掉掩模2702留下了漏电极2703和源电极2704。
(7C)形成第一栅极绝缘膜2705和第二栅极绝缘膜2706。在步骤7A至7C,附接和移除掩模的操作优选在中断外部空气的情况下进行,如在真空中进行。
(7D)形成通孔2707来与漏电极连接,形成通孔2708来通过栅极绝缘膜2705、2706与源电极连接。
(7E)形成导电层2709。
(7F)对导电膜2709形成图案以形成从漏电极引出的布线2710、从源电极引出的布线2711、以及栅电极2712。
在上述步骤中,沟道层2701的表面没有由于导电层和其它膜的形成以及蚀刻而被破坏,从而获得具有高性能和高可靠性的TFT。
图8A至8F和图9G至9L示出防止栅极泄漏并增加栅电极的驱动性能的更为有效的TFT构造及其制造。
(8A)沟道层2801形成在衬底2800上。
(8B)形成第一栅极绝缘膜2802。在步骤8A和8B,操作优选在中断外部空气的情况下进行,如在真空中进行。
(8C)涂敷光抗蚀剂2803,
(8D)对光抗蚀剂2803形成图案。
(8E)蚀刻第一栅极绝缘膜2802,以形成用于漏电极的开口2804和用于源电极2805的开口2805。
(8F)形成第一导电层2806。
(9G)导电层2806的不需要部分在箭头A方向上剥离。
(9H)形成漏电极2807和源电极2808。
(9I)形成第二栅极绝缘膜2809。
(9J)对第二栅极绝缘膜形成图案以形成用于与源电极连接的通孔2810和用于与漏电极连接的通孔2811。
(9K)形成第二导电层2812。
(9L)对第二导电膜2812形成图案以形成从漏电极引出的布线2813、从源电极引出的布线2814以及栅电极2815。
在上述过程中,第一栅极绝缘层2802覆盖整个沟道层2801,但没有覆盖漏电极2808和源电极2809。因此,第一栅极绝缘膜2802、漏电极2808和源电极2809的表面的高度是一致的。因此,第二栅极绝缘膜2809的高度差很小从而没有在栅极导致泄漏,并且第二栅极绝缘膜2809可以对应于栅电极的电容增加以及驱动性能的增加而做得很薄。
图7A至7F、图8A至8F和图9G至9L所示的构造和过程预计对由常见绝缘材料构成的栅极绝缘膜很有效。但是,上述构造和过程尤其是对下述沟道层很有效,该沟道层采用上述至少含有晶体状态的由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然数)表示的In-Ga-Zn-O并含有浓度低于1×1018/cm3的载流子的透明无定形氧化物,或者包含晶体状态的由InGaO3(Zn1-xMgxO)m(m是小于6的自然数,0<x≤1)表示的In-Ga-Zn-Mg-O的透明无定形氧化物;并采用由HfO2或Y2O3构成的栅极绝缘膜。
因此按照本发明,可以获得展示出高迁移率和低阈值、几乎不导致栅极泄漏并具有稳定特性的TFT。具体地说,按照本发明制作的大面积TFT板具有高度可靠的平衡特性。
(第三实施例:钝化,表面涂层)
该实施例的场效应晶体管属于本发明上述第七、第八和第九方面的类型。
第五方面的钝化层包括两种概念。第一概念的钝化层是设置在有源层和栅极绝缘层之间的隔离层,并由不同于有源层或栅极绝缘层的材料构成。下面将第一概念的钝化层称为“钝化层”。钝化层由例如无定形硅氧化物、无定形硅氮化物、氧化钛、氧化铝、氧化镁等构成。
第二概念的钝化层是用氧等离子体处理的有源层的最外面的表面部分。下面将用于形成第二概念的钝化层的处理称为“钝化处理”。在这种概念中,没有设置由不同于有源层和栅极绝缘层的材料构成的其它层。当然在该钝化处理之后,可以进一步形成由无定形硅氧化物构成的第一概念的钝化层。
钝化层或钝化处理防止栅极绝缘膜性能的劣化:钝化层用作电流泄漏防止层。
本发明第六方面的场效应晶体管中的表面涂层由无定形硅氮化物、无定形硅氧化物、无定形硅氮化物、氧化钛、氧化铝、氧化镁或类似材料形成。表面涂层可以由与上述钝化层相同的材料或不同的材料构成。
表面涂层提高了衬底和有源层之间的粘附性,从而用作防止膜脱落、降低电流泄漏等等的粘附性改善层。此外,表面涂层可以减缓衬底上的凸出和凹陷,以降低电流泄漏和提高晶体管的开-关比。
在上述采用透明膜的薄膜晶体管中,栅极绝缘膜优选由Al2O3、Y2O3、HfO2或包含其中的两种或更多种的混晶化合物形成。在栅极绝缘薄膜和薄沟道层之间的界面上的任何缺陷都会减小电子迁移率,并且导致晶体管特性的滞后现象。电流泄漏很大程度上依赖于栅极绝缘体的类型。因此,应当选择适合于沟道层的栅极绝缘膜。
上述问题通过引入层间钝化层来改善,使得能够使用具有高介电常数的绝缘层并增大电子迁移率。由此,作为本发明一个方面的层间钝化层使得能够形成电流泄漏和滞后现象减小、电子迁移率增大的TFT。由于栅极绝缘层和沟道层可以在室温下形成,因此TFT可以形成为交错结构或反交错结构。
薄膜晶体管(TFT)是具有栅极端子、源极端子和漏极端子的三端子元件。TFT是有源元件,其采用形成在由陶瓷材料、玻璃材料或塑料材料制成的绝缘衬底上的半导体膜作为用于电子或空穴迁移的沟道层;并且通过对栅极施加电压从而切换源极端子和漏极端子之间的电流来控制流过沟道层的电流。
通过按照需要控制氧缺位量可以控制电子载流子浓度。
在上述第一至第三实施例中,通过在含有规定浓度的氧的气氛中形成膜来控制透明氧化物膜中的氧含量(氧缺位量)。另外,可以在形成膜之后通过在含有氧的气氛中对该氧化物膜进行后处理来控制(减少或增加)氧缺位量。
为了有效控制氧缺位量,含有氧的气氛的温度控制在从0到300℃、优选从25到250℃、更为优选的是从100到200℃的范围内。
当然,膜可以在含有氧的气氛中形成,然后在含有氧的气氛中进行后处理。另外,只要可以获得预期的电子载流子浓度(低于1×1018/cm3),可以在不控制氧分压的情况下形成膜,并在含有氧的气氛中进行后处理。
在本发明中,根据采用所制作的氧化物膜的元件、电路和器件的类型,电子载流子浓度的下限例如是1×1014/cm3。
(无定形氧化物)
下面说明本发明上述实施例1至实施例3中采用的有源层。
本发明的无定形氧化物中的电子载流子浓度是在室温下测量的值。室温是在0℃到大约40℃范围内的温度,如25℃。本发明无定形氧化物中的电子载流子浓度不需要在从0℃到40℃的整个范围内都低于1×1018/cm3。例如,在25℃的温度下低于1×1018/cm3的电子载流子浓度是可以接受的。在更低的,不高于1×1017/cm3或不高于1×1016/cm3的电子载流子浓度下,可以高产量地制作常断的TFT。
在本说明书中,描述“低于1018/cm3”意思是“优选低于1×1018/cm3而且更为优选的是低于1.0×1018/cm3”。
可以通过测量霍耳效应来测量电子载流子浓度。
本发明的无定形氧化物是一种展现出光环(halo)图案而且在X射线衍射频谱中没有特征衍射线的氧化物。
在本发明的无定形氧化物中,电子载流子浓度的下限例如是1×1012/cm3,但不限于此,只要能用作TFT的沟道层就可以。
因此,在本发明中,通过象在下面描述的示例中那样控制无定形氧化物的材料、成分比、制作条件等等,将电子载流子浓度调节到例如从1×1012/cm3到1×1018/cm3的范围内,优选从1×1013/cm3到1×1017/cm3的范围内,更为优选的是从1×1015/cm3到1×1016/cm3的范围内。
除InZnGa氧化物之外,可以从In氧化物、InxZn1-x氧化物(0.2≤x≤1)、InxSn1-x氧化物(0.8≤x≤1)和Inx(Zn,Sn)1-x氧化物(0.15≤x≤1)中合适地选择无定形氧化物。Inx(Zn,Sn)1-x氧化物还可以由Inx(ZnySn1-y)1-x(0≤y≤1)来表示。
当In氧化物既不包含Zn又不包含Sn时,In可以部分地被Ga代替:InxGa1-x氧化物(0≤x≤1)。
下面详细描述由本发明的发明人制备的电子载流子浓度为1×1018/cm3的无定形氧化物。
一组上述氧化物特征性地由晶体状态的由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然数)表示的In-Ga-Zn-O构成,并包含浓度低于1×1018/cm3的电子载流子。
另一组上述氧化物特征性地由晶体状态的由InGaO3(Zn1-xMgxO)m(m是小于6的自然数,0<x≤1)表示的In-Ga-Zn-Mg-O构成,并且包含浓度低于1×1018/cm3的电子载流子。
由这种氧化物构成的膜优选设计为展现出高于1cm2/V.sec的电子迁移率。
通过用上述膜作为沟道层,TFT可以制备成常断而且在晶体管断开状态下栅电流小于0.1微安,开-关比高于1×103,对可见光透明并且是柔性的。
在上述膜中,电子迁移率随着导电电子的增加而增大。形成透明膜的衬底包括玻璃板、塑料板和塑料膜。
在使用上述无定形氧化物膜作为沟道层时,至少一个由Al2O3、Y2O3或HfO2或其混晶化合物构成的层可用作栅极绝缘膜。
在优选实施例中,该膜在含有氧气的气氛中形成,但没有特意向该无定形氧化物中添加杂质来增大电阻。
本发明的发明人发现半绝缘氧化物的无定形薄膜具有其中的电子迁移率随着导电电子数量的增加而增大的特性,还发现利用该膜制备的TFT在诸如开-关比、夹断状态中的饱和电流以及切换率的晶体管特性方面得到了改善。由此,可以利用该无定形氧化物来制作常断类型的TFT。
通过用该无定形氧化物薄膜作为膜晶体管的沟道层,电子迁移率可以高于1cm2/V.sec,优选高于5cm2/V.sec。在载流子浓度低于1×1018/cm3,优选低于1×1018/cm3时,断开状态下(没有施加栅电压)漏极端子和源极端子之间的电流可以控制为低于10微安,优选低于0.1微安。此外,利用该薄膜,对于高于1cm2/V.sec、优选高于5cm2/V.sec的电子迁移率来说,夹断之后的饱和电流可以提高到10微安或更高,而且开-关比可以提高到高于1×103。
在TFT的夹断状态中,向栅极端子施加高电压,电子以高密度存在于沟道中。因此,按照本发明,饱和电流可以对应于电子迁移率的增加而增大。由此,可以改善晶体管特性,如提高开-关比,增大饱和电流和增加切换率。相反,在常见的化合物中,因为电子之间的碰撞,电子的增加降低了电子迁移率。
上述TFT的结构可以是交错(顶部栅极)结构,其中栅极绝缘膜和栅极端子依次形成在半导体沟道层上;也可以是反交错(底部栅极)结构,其中栅极绝缘膜和半导体沟道层依次形成在栅极端子上。
(膜形成的第一过程:PLD过程)
具有晶体状态的成分InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然数)的无定形氧化物薄膜在m小于6时一直到800℃或更高的温度下都是稳定的,而随着m的增加,也就是随着ZnO与InGaO3之比增加到接近ZnO的成分,该氧化物趋向于结晶。因此,为了用作无定形TFT的沟道层,该氧化物的值m优选小于6。
优选通过气相膜形成过程利用具有InGaO3(ZnO)m成分的多晶烧结体作为靶来执行膜形成。在气相膜形成过程中,溅射和脉冲激光汽相沉积是合适的。溅射尤其适用于大批量制作。
但是,在常见条件下形成无定形膜时,可能发生氧缺位,从而无法达到低于1×1018/cm3的电子载流子浓度和低于10S/cm的电导率。利用这种膜,无法构成常断的晶体管。
本发明的发明人利用图11所示的装置通过脉冲激光汽相沉积制作了In-Ga-Zn-O膜。
该膜形成是利用如图11所示的PLD膜形成装置来实施的。
在图11中,附图标记表示如下:701是RP(旋转泵);702是TMP(涡轮分子泵);703是预备腔;704是用于RHEED的电子枪;705是用于旋转和垂直移动衬底的衬底保持装置;706是激光引入窗口;707是衬底;708是靶;709是原子团源;710是气体入口;711是用于旋转和垂直移动靶的靶保持装置;712是旁路线;713是主线;714是TMP(涡轮分子泵);715是RP(旋转泵);716是钛吸气泵;717是遮挡板;718是IG(离子压力计);719是PG(皮拉尼压力计);720是BG(baratron gage,巴拉脱压力计);721是生长腔。
采用KrF受激准分子激光通过脉冲激光汽相沉积在SiO2的玻璃衬底(Corning公司:1737)上沉积In-Ga-Zn-O类型的无定形氧化物半导体薄膜。作为在沉积之前的预处理,用丙酮、乙醇和超纯水以超声方式清洗衬底各5分钟以进行脱脂,并在空气中在100℃下干燥。
多晶体靶是InGaO3(ZnO)4烧结体(尺寸:直径20mm,厚5mm),其通过将作为源材料的In2O3、Ga2O3和ZnO(每个是4N试剂)湿法混合(溶剂:乙醇),锻烧该混合物(1000℃,2小时),干法压碎该混合物,并烧结该混合物(1550℃,2小时)来制备。该靶具有90S/cm的电导率。
该膜形成通过将生长腔的最终真空度控制为2×10-6Pa,将生长期间的氧分压控制在6.5Pa来进行。生长腔721中的氧分压是6.5Pa,衬底温度是25℃。靶708和膜保持衬底707之间的距离是30mm,通过引入窗口716引入的功率在1.5-3mJ/cm2/脉冲的范围内。脉冲宽度是20nsec,重复频率是10Hz,照射点的尺寸是1×1毫米见方。在上述条件下,该膜以7nm/min的速度形成。
通过小角度X射线散射方法(SAXS)(薄膜方法,入射角:0.5°)来检查所产生的薄膜:没有观察到清楚的衍射峰值。由此判断所获得的In-Ga-Zn-O类型薄膜是无定形的。从X射线的反射率及其图案分析中,发现均方粗糙度(Rrms)大约是0.5nm,膜厚度大约是120nm。根据荧光X射线光谱仪分析(XRF),发现该膜的金属成分是In∶Ga∶Zn=0.98∶1.02∶4。电导率小于大约1×10-2S/cm。电子载流子浓度估计不超过1×10-16/cm3。电子迁移率估计大约是5cm2/V.sec。根据光吸收频谱分析,估计所产生的无定形薄膜的光带隙能量宽度大约是3eV。
上述结果表明所获得的In-Ga-Zn-O类型薄膜是一种透明的平薄膜,具有接近晶体InGaO3(ZnO)4的成分的无定形相,具有更少的氧缺位,并具有更低的电导率。
下面参照图1具体说明上述膜形成。图1示出在与上述例子相同的膜形成条件下,所形成的透明无定形氧化物薄膜中的电子载流子浓度相对于用于假设晶体状态的InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然数)成分的膜的氧分压的依赖关系。
通过在与上述例子相同的条件下,在氧分压大于4.5Pa的气氛中形成膜,电子载流子浓度可以降低到1×1018/cm3,如图1所示。在该膜形成过程中,衬底保持在接近室温的温度下而没有特意加热。为了用柔性塑料膜作为衬底,衬底温度优选保持在低于100℃的温度下。
更高的氧分压使得能够降低电子载流子浓度。例如,如图1所示,在衬底温度为25℃、氧分压为5Pa时形成的薄InGaO3(ZnO)4膜具有1×1016/cm3的更低的电子载流子浓度。
在获得的薄膜中,电子迁移率高于1cm2/V.sec,如图2所示。但是,在该例子中,通过脉冲激光汽相沉积在高于6.5Pa的氧分压下沉积的膜具有粗糙的表面,不适于作TFT的沟道层。
因此,可以利用在上述例子中通过脉冲激光汽相沉积方法在高于4.5Pa、优选高于5Pa但低于6.5Pa的氧分压下形成的晶体状态的由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然数)表示的透明薄无定形氧化物来构成常断类型的晶体管。
上述获得的薄膜展示出高于1cm2/V的电子迁移率,而且开-关比可以高于1×103。
如上所述,在通过PLD方法在该例子中示出的条件下形成InGaZn氧化物膜时,将氧分压控制在优选从4.5Pa到6.5Pa的范围内。
为了达到1×1018/cm3的电子载流子浓度,应当控制氧分压条件、膜形成装置的结构、膜形成材料的类型和成分。
接着,通过用上述装置在6.5Pa的氧分压下形成无定形氧化物来制作如图5所示的顶部栅极类型MISFET元件。具体地说,在玻璃衬底1上,通过上述形成无定形薄Ga-Ga-Zn-O膜的方法形成120nm厚的半绝缘无定形InGaO3(ZnO)4膜以用作沟道层2。此外,在其上通过脉冲激光沉积在该腔中低于1Pa的氧分压下分别以30nm的厚度层叠具有更高电导率的InGaO3(ZnO)4膜和金膜。然后,通过光刻和剥离方法形成漏极端子5和源极端子6。最后,通过电子束汽相沉积方法形成用作栅极绝缘膜3的Y2O3膜(厚度:90nm,相对介电常数:大约15,漏电流密度:施加0.5MV/cm时是1×10-3A/cm3)。在该膜上形成金膜,并通过光刻和剥离形成栅极端子4。
MISFET元件特性的评估
图6示出在室温下测量的MISFET元件的电流-电压特性。从漏电流IDS随着漏电压VDS的增加而增大的情况来看,该沟道应理解为n型半导体。这与无定形In-Ga-Zn-O型半导体是n型的事实相符。IDS在VDS=6V时饱和(夹断),这是半导体晶体管的典型性能。根据对增益特性的检查,发现在施加VDS=4V的情况下栅电压VGS的阈值大约是-0.5V。在VG=10V时导致IDS=1.0×10-5A的电流。这对应于通过栅极偏压在In-Ga-Zn-O型无定形半导体薄膜中的载流子感生。
该晶体管的开-关比高于1×103。根据输出特性,计算出场效应迁移率大约是7cm2(Vs)-1。根据相同的测量,可见光的照射不会改变所制作的元件的晶体管特性。
按照本发明,可以制作这样的薄膜晶体管,其具有包含更低浓度电子载流子以实现更高电阻并展示出更高电子迁移率的沟道层。
上述无定形氧化物具有电子迁移率随着电子载流子浓度的增加而增大的优异特性,并展示出简并导电性。在该示例中,薄膜形成在玻璃衬底上。但是塑料板或塑料膜可以用作衬底,因为膜形成可以在室温下进行。此外,在该示例中获得的无定形氧化物仅吸收很少的可见光,从而给出透明的柔性TFT。
(膜形成的第二过程:溅射过程(SP过程))
下面说明利用氩气作为环境气体通过高频SP过程的膜形成。
利用图12所示的装置来实施SP过程。在图12中,附图标记表示如下:807是用于形成膜的衬底;808是靶;805是具有冷却机构的衬底保持装置;814是涡轮分子泵;815是旋转泵;817是遮挡板;818是离子压力计;819是皮拉尼压力计;821是生长腔;830是闸门阀。
用于膜形成的衬底807是SiO2玻璃衬底(Corning公司:1737),该玻璃衬底已经用丙酮、乙醇和超纯水以超声方式分别清洗5分钟以进行脱脂,并在空气中在100℃下干燥。
所述靶是具有InGaO3(ZnO)4成分的多晶烧结体(尺寸:直径20mm,厚5mm),其通过将源材料In2O3、Ga2O3和ZnO(每个是4N试剂)湿法混合(溶剂:乙醇),锻烧该混合物(1000℃,2小时),干法压碎该混合物,并烧结该混合物(1550℃,2小时)来制备。靶808具有90S/cm的电导率,是半绝缘的。
生长腔821的最终真空度控制为1×10-4托。在生长期间,氧和氩气的总压力恒定地保持在4到0.1×10-1Pa的范围内。氩与氧的分压比在从1×10-3到2×10-1Pa的氧分压范围内变化。
衬底温度是室温。靶808和用于膜形成的衬底807之间的距离是30mm。
输入的电功率是RF180W,膜形成速率是10nm/min。
通过小角度X射线散射方法(SAXS)(薄膜方法,入射角:0.5°)来检查所产生的薄膜:没有观察到清楚的衍射峰值。由此判断所获得的In-Ga-Zn-O类型薄膜是无定形的。从X射线的反射率及其图案分析中,发现均方粗糙度(Rrms)大约是0.5nm,膜厚度大约是120nm。根据荧光X射线光谱仪分析(XRF),发现该膜的金属成分是In∶Ga∶Zn=0.98∶1.02∶4。
该膜在环境气体的不同氧分压下形成,并测量所产生的无定形氧化物膜的电导率。图3示出其结果。
如图3所示,可以通过在氧分压高于3×10-2Pa的气氛中进行膜形成来将电导率降至低于10S/cm。电子载流子数目可以通过增加氧分压来减少。
如图3所示,例如,在衬底温度为25℃、氧分压为1×10-1Pa时形成的薄InGaO3(ZnO)4膜具有1×10-10S/cm的更低的电导率。此外,在氧分压为1×10-1Pa时形成的薄InGaO3(ZnO)4膜具有过高的电阻,从而具有不可测量的电导率。对于该膜,尽管不能测量电子迁移率,也可以通过从高电子载流子浓度的膜的值外推来估计出电子迁移率大约是1cm2/V.sec。
因此,可以通过利用通过溅射汽相沉积在含有分压高于3×10-2Pa、优选高于5×10-1Pa的氧的氩气气氛中制作的、由晶体状态的由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然数)表示的In-Ga-Zn-O构成的透明无定形氧化物薄膜,来获得开-关比高于1×103的常断晶体管。
在使用该示例中采用的装置和材料时,通过溅射进行的膜形成在从3×10-2Pa到5×10-1Pa的氧分压范围内进行。顺便提一句,在通过脉冲激光汽相沉积或溅射制作的薄膜中,电子迁移率随着导电电子数量的增加而增大,如图2所示。
如上所述,通过控制氧分压可以减少氧缺位,由此可以减小电子载流子浓度。在无定形薄膜中,因为在不同于多晶体状态的无定形状态中基本上不存在晶界,所以电子迁移率可以很高。
顺便提一句,用200μm厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜替换玻璃衬底不会改变其上面形成的InGaO3(ZnO)4无定形氧化物膜的特性。
利用多晶体InGaO3(Zn1-xMgxO)m作为靶,甚至在低于1Pa的氧分压下,也可以获得高电阻无定形膜InGaO3(Zn1-xMgxO)m(m是小于6的自然数,0<x≤1)。例如,利用80原子百分比的Zn被Mg代替的靶,可以通过脉冲激光沉积在含有分压为0.8Pa的氧的气氛中实现低于1×1016/cm(电阻:大约是1×10-2S/cm)的电子载流子浓度。在这种膜中,电子迁移率低于无Mg膜的电子迁移率,但是减小的程度很小:电子迁移率在室温下是5cm2/V.sec,比无定形硅的电子迁移率高大约一位。当在相同的条件下形成膜时,增加Mg的含量将同时降低电导率和电子迁移率。因此Mg的含量优选在20%到85%内变化(0.2<x<0.85)。
如上所述,通过控制氧分压减少了氧缺位,而且可以在不添加特定杂质离子的情况下降低电子载流子浓度。在该无定形薄膜中,电子迁移率可以很高,这是因为在无定形状态下基本上不存在晶界,这不同于多晶体状态。此外,由于可以在不添加特定杂质离子的情况下减小电导率,因此电子迁移率可以保持为高,而不被杂质散射。
在采用上述无定形氧化物膜的薄膜晶体管中,栅极绝缘膜优选包括含有Al2O3、Y2O3、HfO2及其化合物中的两种或更多的混晶化合物。
在栅极绝缘薄膜和沟道层薄膜之间的界面上存在缺陷降低了电子迁移率,并导致晶体管特性的滞后现象。此外,电流泄漏很大程度上取决于栅极绝缘膜的类型。因此,应当选择适合用于沟道层的栅极绝缘膜。可以利用Al2O3膜来降低电流泄漏,可以利用Y2O3膜来减小滞后现象,可以利用具有高介电常数的HfO2膜来增大电子迁移率。利用上述化合物的混晶,可以形成产生更小电流泄漏、更低滞后现象并展现更高电子迁移率的TFT。由于栅极绝缘膜形成过程和沟道层形成过程可以在室温下进行,因此可以按照交错结构或反交错结构来形成TFT。
由此形成的TFT是具有栅极端子、源极端子和漏极端子的三端子元件。该TFT通过在陶瓷、玻璃或塑料的绝缘衬底上形成半导体薄膜作为用于电子或空穴迁移的沟道层来形成,并用作有源元件,具有通过对栅极端子施加电压来控制流过沟道层的电流并切换源极端子和漏极端子之间的电流的功能。
在本发明中,重要的是通过控制氧缺位量来达到期望的电子载流子浓度。
在上述描述中,通过控制膜形成气氛中的氧浓度来控制无定形氧化物膜中的氧含量。另外,作为优选实施例,通过在含有氧的气氛中对该氧化物膜进行后处理来控制(减少或增加)氧缺位量。
为了有效控制氧缺位量,含有氧的气氛的温度控制在从0到300℃、优选从25到250℃、更为优选的是从100到200℃的范围内。
当然,膜可以在含有氧的气氛中形成,并在含有氧的气氛中进行后处理。另外,只要可以获得期望的电子载流子浓度(低于1×1018/cm3),可以在不控制氧分压的情况下形成膜,并在含有氧的气氛中进行后处理。
在本发明中,电子载流子浓度的下限根据采用所制作的氧化物膜的元件、电路和器件的类型例如是1×1014/cm3。
(更宽的材料范围)
在调查其它用于该系统的材料之后,发现由Zn、In和Sn元素的至少一种氧化物构成的无定形氧化物可用作低载流子浓度和高电子迁移率的无定形氧化物膜。发现该无定形氧化物膜具有导电电子数量的增加导致电子迁移率增大的特殊特性。利用该膜可以制作晶体管特性如开-关比、夹断状态的饱和电流和切换率非常优异的常断类型TFT。
可以通过另外将下面所给出的一种元素添加到上述包含Zn、In和Sn中至少一种元素的无定形氧化物中来形成络合氧化物,该添加的元素包括:
原子序号低于Zn的第2族元素M2(Mg和Ca),
原子序号低于In的第3族元素M3(B、Al、Ga和Y),
原子序号低于Sn的第4族元素M4(Si、Ge和Zr),
第5族元素M5(V、Nb和Ta)以及Lu和W。
在本发明中,具有以下(a)至(h)任一种特性的氧化物都是有用的:
(a)电子载流子浓度低于1×1018/cm3的无定形氧化物;
(b)电子迁移率随着电子载流子浓度的增加而增大的无定形氧化物;
(室温表示从大约0℃到大约40℃的温度。术语“无定形化合物”表示一种在X射线衍射频谱中只展示出光环图案而没有展示出特征衍射图案的化合物。电子迁移率表示通过霍耳效应测量的电子迁移率。)
(c)在(a)或(b)中提到的、电子迁移率在室温下高于0.1cm2/V.sec的无定形氧化物;
(d)在(b)至(c)中任何一项中提到的、展示出简并导电性的无定形氧化物;
(术语“简并导电性”表示这样一种状态,其中电阻的温度依赖关系中的热激活能量不高于30meV。)
(e)在(a)至(d)中任何一项所述的、包含Zn、In和Sn中至少一种元素作为构成元素的无定形氧化物;
(f)由(e)提到的无定形氧化物和以下元素中的另外至少一种构成的无定形氧化物膜:
原子序号低于Zn的第2族元素M2(Mg和Ca),
原子序号低于In的第3族元素M3(B、Al、Ga和Y),
原子序号低于Sn的第4族元素M4(Si、Ge和Zr),
第5族元素M5(V、Nb和Ta)以及Lu和W以降低电子载流子浓度;
(分别具有低于Zn、In和Sn的原子序数的元素M2,M3、M4高度离子化,由此产生更少的氧缺位,而且降低了电子载流子浓度。具有高于Ga的原子序数的元素Lu具有很小的离子半径,并且高度离子化,从而可起到与M3相同的功能。可离子化为+5价的M5可以与氧很强地键合,不容易产生氧缺位。可离子化为+6价的W可以与氧很强地键合,不容易产生氧缺位。)
(g)在(a)至(f)中任何一项所提到的无定形氧化物膜,由具有晶体状态的In1-xM3xO3(Zn1-yM2yO)m(0≤x≤1;0≤y≤1;m是0或小于6的自然数)成分的单一化合物构成,或m不同的上述化合物的混合物构成,例如,M3是Ga,M2是Mg;
(h)在(a)至(g)中任何一项所提到的、形成在塑料衬底或塑料膜上的无定形氧化物膜。
本发明还提供采用上述无定形氧化物或无定形氧化物膜作为沟道层的场效应晶体管。
制备这样的场效应晶体管,其采用电子载流子浓度低于1×1018/cm3但高于1×1015/cm3的无定形氧化物膜作为沟道层,并具有源极端子、漏极端子、插入了栅极绝缘膜的栅极端子。当在源极端子和漏极端子之间施加大约5V的电压而没有施加栅电压时,源极和漏极端子之间的电流大约是1×10-7安培。
氧化物晶体中的电子迁移率随着金属离子的s轨道的重叠增加而增大。在具有较高原子序号的Zn、In或Sn的氧化物晶体中,电子迁移率在0.1到200cm2/V.sec的范围内。
在氧化物中,氧和金属离子通过离子键结合而没有化学键的取向,具有随机的结构。因此在无定形状态下的氧化物中,电子迁移率与晶体状态下的电子迁移率相当。
另一方面,用较低原子序号的元素来代替Zn、In或Sn会降低电子迁移率。由此,本发明的无定形氧化物中的电子迁移率在大约0.01到20cm2/V.sec的范围内。
在具有由上述氧化物构成的沟道层的晶体管中,优选由Al2O3、Y2O3和HfO2或包含其中两种或更多的混晶化合物来形成栅极绝缘膜。
在栅极绝缘薄膜和沟道层薄膜之间的界面上存在缺陷降低了电子迁移率,并导致晶体管特性的滞后现象。此外,电流泄漏很大程度上取决于栅极绝缘膜的类型。因此,应当选择适合用于沟道层的栅极绝缘膜。可以利用Al2O3膜来降低电流泄漏,可以利用Y2O3膜来减小滞后现象,可以利用具有高介电常数的HfO2膜来增大电子迁移率。利用上述化合物的混晶,可以形成产生更小电流泄漏、更低滞后现象并展现更高电子迁移率的TFT。由于栅极绝缘膜形成过程和沟道层形成过程可以在室温下进行,因此可以按照交错结构或反交错结构来形成TFT。
In2O3氧化物膜可以通过气相过程来形成,在大约0.1Pa的氧分压下向膜形成气氛增加湿度会使形成的膜无定形。
ZnO和SnO2分别无法容易地形成为无定形膜状态。为了形成无定形状态的ZnO膜,添加20原子百分比的In2O3。为了形成无定形状态的SnO2膜,添加90原子百分比的In2O3。在形成Sn-In-O类型的无定形膜时,在膜形成气氛中引入大约0.1Pa的分压的气态氮。
可以向上述无定形膜添加能够形成络合氧化物的元素,该元素从原子序号低于Zn的第2族元素M2(Mg和Ca)、原子序号低于In的第3族元素M3(B、Al、Ga和Y)、原子序号低于Sn的第4族元素M4(Si、Ge和Zr)、第5族元素M5(V、Nb、Ta)以及Lu和W中选择。上述元素的添加在室温下稳定了无定形膜,并加宽了用于形成无定形膜的成分范围。
具体地说,添加倾向于形成共价键的B、Si或Ge有利于无定形相稳定。添加由离子半径极为不同的离子构成的络合氧化物有利于无定形相稳定。例如,在In-Zn-O系统中,为了形成在室温下稳定的膜,应当包含超过大约20原子百分比的In。但是,添加含量等同于In的Mg使得能够在不低于约15原子百分比的In的成分范围内形成稳定的无定形膜。
在气相膜形成中,通过控制膜形成气氛可以获得电子载流子浓度在1×1015/cm3到1×1018/cm3范围内的无定形氧化物膜。
无定形氧化物膜可以通过汽相过程,如脉冲激光汽相沉积过程(PLD过程)、溅射过程(SP过程)和电子束汽相沉积,来适当地形成。在汽相过程中,PLD过程适于使材料合成控制变得容易,而SP过程适于大批量制作。但是,膜形成过程不限于此。
(通过PLD过程形成In-Zn-Ga-O类型的无定形氧化物膜)
In-Zn-Ga-O类型的无定形氧化物通过采用KrF受激准分子激光的PLD过程沉积在玻璃衬底(Corning公司:1737)上,其中用多晶烧结体作为具有InGaO3(ZnO)或InGaO3(ZnO)4成分的靶。
采用上面已描述过的图11所示的装置,膜形成条件和前面针对该装置所描述的条件相同。
衬底温度是25℃。
通过小角度X射线散射方法(SAXS)(薄膜方法,入射角:0.5°)来检查所产生的两个薄膜:没有观察到清楚的衍射峰值,这表示用两种不同靶制作的In-Ga-Zn-O类型薄膜都是无定形的。
从玻璃衬底的In-Zn-Ga-O类型无定形氧化物膜的X射线反射率及其图案分析中,发现该薄膜的均方粗糙度(Rrms)大约是0.5nm,膜厚度大约是120nm。根据荧光X射线光谱仪分析(XRF),发现用InGaO3(ZnO)的多晶烧结体作为靶获得的膜包含成分比为In∶Ga∶Zn=1.1∶1.1∶0.9的金属,而用InGaO3(ZnO)4的多晶烧结体作为靶获得的膜包含成分比为In∶Ga∶Zn=0.98∶1.02∶4的金属。
无定形氧化物膜在膜形成气氛的各种氧分压下用具有InGaO3(ZnO)4成分的靶来形成。测量所形成的无定形氧化物膜的电子载流子浓度。图1示出其结果。通过在氧分压高于4.2Pa的气氛中形成膜,可以将电子载流子浓度降低到低于1×1018/cm3,如图1所示。在该膜形成中,衬底保持在接近室温的温度而无需特意加热。在氧分压低于6.5Pa时,所获得的无定形氧化物膜的表面是平的。
在氧分压为5Pa时,在用InGaO3(ZnO)4靶形成的无定形膜中,电子载流子浓度为1×1016/cm3,电导率是1×10-2S/cm,电子迁移率估计大约是5cm2/V.sec。根据光吸收频谱分析,估计所产生的无定形薄膜的光带隙能量宽度大约是3eV。
更高的氧分压进一步降低了电子载流子浓度。如图1所示,在衬底温度为25℃、氧分压为6Pa时形成的In-Zn-Ga-O类型的无定形氧化物膜中,电子载流子浓度降低到8×1015/cm3(电导率:大约是8×10-3S/cm)。膜中的电子迁移率估计是1cm2/V.sec或更大。但是,通过PLD过程,在氧分压为6.5Pa或更高时,沉积的膜具有粗糙的表面,不适于用作TFT的沟道层。
In-Zn-Ga-O类型的无定形氧化物膜在膜形成气氛的各种氧分压下用具有InGaO3(ZnO)4成分的多晶烧结体构成的靶来形成。针对电子载流子浓度和电子迁移率之间的关系来检查所产生的膜。图2示出了该结果。对应于电子载流子浓度从1×1016/cm3增加到1×1020/cm3,电子迁移率也从3cm2/V.sec增加到大约11cm2/V.sec。在用多晶体烧结InGaO3(ZnO)靶获得的无定形氧化物膜中也观察到相同的趋势。
形成在代替玻璃衬底的200μm厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜上的In-Zn-Ga-O类型无定形氧化物膜具有类似的特性。
(通过PLD过程来形成In-Zn-Ga-Mg-O类型的无定形氧化物膜)
通过PLD过程用InGaO3(Zn1-xMgxO)4(0<x≤1)靶在玻璃衬底上形成InGaO3(Zn1-xMgxO)4(0<x≤1)膜。所采用的装置是如图11所示的装置。
SiO2玻璃衬底(Corning公司:1737)用作衬底。作为预处理,用丙酮、乙醇和超纯水以超声方式分别清洗衬底5分钟以进行脱脂,并在空气中在100℃下干燥。该靶是InGaO3(Zn1-xMgxO)4(x=1-0)的烧结体(尺寸:直径20mm,厚5mm)。
该靶通过将源材料In2O3、Ga2O3和ZnO(每个是4N试剂)湿法混合(溶剂:乙醇),锻烧该混合物(1000℃,2小时),干法压碎该混合物,并烧结该混合物(1550℃,2小时)来制备。生长腔中的最终压力是2×10-6Pa。生长期间的氧分压控制在0.8Pa。衬底温度是室温(25℃)。靶和用于形成膜的衬底之间的距离是30mm。KrF受激准分子激光以 1.5mJ/cm2/脉冲的功率照射,其脉冲宽度为20nsec,重复频率是10Hz,照射点的尺寸是1×1毫米见方。膜形成速度是7nm/min。在该膜形成气氛中的氧分压是0.8Pa。衬底温度是25℃。
通过小角度X射线散射方法(SAXS)(薄膜方法,入射角:0.5°)来检查所产生的薄膜:没有观察到清楚的衍射峰值。因此,所获得的In-Ga-Zn-Mg-O类型薄膜是无定形的。所产生的膜具有平坦的表面。
利用不同x值(Mg的含量不同)的靶,在氧分压为0.8Pa的膜形成气氛中形成In-Zn-Ga-Mg-O类型的无定形氧化物膜,以调查导电性、电子载流子浓度和电子迁移率对x值的依赖性。
图4A、4B和4C示出其结果。在x值高于0.4时,在氧分压为0.8Pa的膜形成气氛下通过PLD过程形成的无定形氧化物膜中,电子载流子浓度降低到小于1×1018/cm3。在x值高于0.4的无定形膜中,电子迁移率高于1cm2/V。
如图4A、4B和4C中所示,可以在通过脉冲激光沉积过程用80原子百分比的Zn被Mg代替的靶而且在0.8的氧分压下制备的膜(电阻:大约是1×10-2S.cm)中实现低于1×1016/cm3的电子载流子浓度。在这种膜中,与无Mg膜相比,减小了电子迁移率,但是减小的程度很小。该膜中的电子迁移率大约是5cm2/V.sec,比无定形硅的电子迁移率高大约一位。在相同的膜形成条件下,膜中的电导率和电子迁移率都随着Mg含量的增加而降低。因此,膜中的Mg含量优选大于20原子百分比且低于85原子百分比(0.2<x<0.85),更为优选的是0.5<x<0.85。
形成在代替玻璃衬底的200μm厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜上的InGaO3(Zn1-xMgxO)4(0<x≤1)无定形膜具有类似的特性。
(通过PLD过程来形成In2O3无定形氧化物膜)
通过采用KrF受激准分子激光的PLD过程用In2O3多晶烧结体构成的靶在200μm厚的PET膜上形成In2O3膜。
采用图11所示的装置。用于形成膜的衬底是SiO2玻璃衬底(Corning公司:1737)。
作为在沉积之前的预处理,用丙酮、乙醇和超纯水以超声方式清洗衬底各5分钟以进行脱脂,并在空气中在100℃下干燥。
该靶是In2O3烧结体(尺寸:直径20mm,厚5mm),其通过锻烧源材料In2O3(4N试剂)(1000℃,2小时),干法压碎,和烧结(1550℃,2小时)来制备。
生长腔的最终真空度是2×10-6Pa,生长期间的氧分压是5Pa,衬底温度是25℃。
水蒸气分压是0.1Pa,通过施加200W由氧原子团产生组件来产生氧原子团。
靶和膜保持衬底之间的距离是40mm,KrF受激准分子激光的功率在0.5mJ/cm2/脉冲,脉冲宽度是20nsec,重复频率是10Hz,照射点的尺寸是1×1毫米见方。
膜形成速率是3nm/min。
通过小角度X射线散射方法(SAXS)(薄膜方法,入射角:0.5°)来检查所产生的薄膜:没有观察到清楚的衍射峰值,这表示所获得的In-O类型氧化物膜是无定形的。膜厚度是80nm。
在所获得的In-O类型无定形氧化物膜中,电子载流子浓度是5×1017/cm3,电子迁移率大约是7cm2/V.sec。
(通过PLD过程形成In-Sn-O类型无定形氧化物膜)
通过采用KrF受激准分子激光的PLD过程用(In0.9Sn0.1)O3.1多晶烧结体构成的靶在200μm厚的PET膜上形成In-Sn-O型氧化物膜。所采用的装置如图11所示。
用于形成膜的衬底是SiO2玻璃衬底(Corning公司:1737)。
作为在沉积之前的预处理,用丙酮、乙醇和超纯水以超声方式清洗衬底各5分钟以进行脱脂,并在空气中在100℃下干燥。
该靶是In2O3-SnO2烧结体(尺寸:直径20mm,厚5mm),其通过湿法混合源材料In2O3-SnO2(4N试剂)(溶剂:乙醇),锻烧该混合物(1000℃,2小时),干法压碎,和烧结(1550℃,2小时)该混合物来制备。
衬底保持在室温下。氧分压是5Pa。氮分压是0.1Pa。通过施加200W由氧原子团产生组件来产生氧原子团。
靶和膜保持衬底之间的距离是30mm,KrF受激准分子激光的功率在1.5mJ/cm2/脉冲,脉冲宽度是20nsec,重复频率是10Hz,照射点的尺寸是1×1毫米见方。
膜形成速率是6nm/min。
通过小角度X射线散射方法(SAXS)(薄膜方法,入射角:0.5°)来检查所产生的薄膜:没有观察到清楚的衍射峰值,这表示所获得的In-Sn-O类型氧化物膜是无定形的。
在所获得的In-Sn-O类型无定形氧化物膜中,电子载流子浓度是8×1017/cm3,电子迁移率大约是5cm2/V.sec。膜厚度是100nm。
(通过PLD过程形成In-Ga-O型无定形氧化物膜)
用于形成膜的衬底是SiO2玻璃衬底(Corning公司:1737)。
作为在沉积之前的预处理,用丙酮、乙醇和超纯水以超声方式清洗衬底各5分钟以进行脱脂,并在空气中在100℃下干燥。
该靶是(In2O3)1-x-(Ga2O3)x(x=0-1)的烧结体(尺寸:直径20mm,厚5mm)。例如,在x=0.1时,该靶是(In0.9Ga0.1)2O3的多晶烧结体。
该靶通过湿法混合源材料In2O3-Ga2O2(4N试剂)(溶剂:乙醇),锻烧该混合物(1000℃,2小时),干法压碎,和烧结(1550℃,2小时)该混合物来制备。
生长腔的最终压力是2×10-6Pa。生长期间的氧分压是1Pa。
衬底保持在室温下。靶和膜保持衬底之间的距离是30mm。KrF受激准分子激光的功率在1.5mJ/cm2/脉冲。脉冲宽度是20nsec。重复频率是10Hz。照射点的尺寸是1×1毫米见方。膜形成速率是6nm/min。
衬底温度是25℃。氧压力是1Pa。通过小角度X射线散射方法(SAXS)(薄膜方法,入射角:0.5°)来检查所产生的薄膜:没有观察到清楚的衍射峰值,这表示所获得的In-Ga-O类型氧化物膜是无定形的。膜厚度是120nm。
在所获得的In-Ga-O类型无定形氧化物膜中,电子载流子浓度是8×1016/cm3,电子迁移率大约是1cm2/V.sec。
(制备具有In-Zn-Ga-O型无定形氧化物膜(玻璃衬底)的TFT元件)
制备如图5所示的顶部栅极类型的TFT元件。
首先,在玻璃衬底1上,通过上述PLS装置用具有InGaO3(ZnO)4成分的多晶烧结体构成的靶在5Pa的氧分压下制备In-Ga-Zn-O型无定形氧化物膜。所形成的In-Ga-Zn-O膜为120nm厚,并用作沟道层2。
此外,在其上通过PLD方法在该腔中低于1Pa的氧分压下分别以30nm的厚度层叠具有更高电导率的另一个In-Ga-Zn-O型无定形膜和金层。通过光刻和剥离方法从其中形成漏极端子5和源极端子6。
最后,通过电子束汽相沉积形成Y2O3膜作为栅极绝缘膜3(厚度:90nm,相对介电常数:大约15,漏电流密度:施加0.5MV/cm时是1×10-3A/cm3)。此外,在该膜上形成金膜,并通过光刻和剥离从其中形成栅极端子4。沟道长度是50μm,沟道宽度是200μm。
TFT元件特性的评估
图6示出TFT元件在室温下的电流-电压特性。漏电流IDS随着漏电压VDS的增加而增大,这表明该沟道是n型导电型。
这与无定形In-Ga-Zn-O型半导体是n型的事实相符。IDS在VDS=6V时饱和(夹断),这是半导体晶体管的典型性能。根据对增益特性的检查,发现在施加VDS=4V的情况下栅电压VGS的阈值大约是-0.5V。在VG=10V时导致IDS=1.0×10-5A的电流。这对应于通过栅极偏压在作为绝缘体的In-Ga-Zn-O型无定形半导体薄膜中的载流子感生。
该晶体管的开-关比高于1×103。根据输出特性,计算出在饱和区域中场效应迁移率大约是7cm2(Vs)-1。根据相同的测量,可见光的照射不会改变所制作的元件的晶体管特性。
电子载流子浓度低于1×1018/cm3的无定形氧化物可以用作TFT的沟道层。优选的是,电子载流子浓度小于1×1017/cm3。更为优选的是小于1×1016/cm3。
(制备具有In-Zn-Ga-O型无定形氧化物膜(无定形衬底)的TFT元件)
制备如图5所示的顶部栅极类型的TFT元件。
首先,在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜1上,通过上述PLS装置用具有InGaO3(ZnO)成分的多晶烧结体构成的靶在氧分压为5Pa的气氛中制备In-Ga-Zn-O型无定形氧化物膜。所形成的膜为120nm厚,并用作沟道层2。
此外,在其上通过PLD方法在该腔中低于1Pa的氧分压下分别以30nm的厚度层叠具有更高电导率的另一个In-Ga-Zn-O型无定形膜和金层。通过光刻和剥离方法从其中形成漏极端子5和源极端子6。
最后,通过电子束汽相沉积方法形成栅极绝缘膜3。此外在该膜上形成金膜,并通过光刻和剥离从其中形成栅极端子4。沟道长度是50μm,沟道宽度是200μm。分别利用以下三种栅极绝缘膜的一种来制备上述结构的三种TFT:Y2O3(140nm厚),Al2O3(130μm厚),HfO2(140μm厚)。
TFT元件特性的评估
形成在PET膜上的TFT元件在室温下具有类似于图6所示的电流-电压特性。漏电流IDS随着漏电压VDS的增加而增大,这表明该沟道是n型导电型。这与无定形In-Ga-Zn-O型半导体是n型的事实相符。IDS在VDS=6V时饱和(夹断),这是半导体晶体管的典型性能。在VG=0V时导致IDS=1.0×10-8A的电流,在VG=10V时导致IDS=2.0×10-5A的电流。这对应于通过栅极偏压在作为绝缘体的In-Ga-Zn-O型无定形半导体氧化物膜中的载流子感生。
该晶体管的开-关比高于1×103。根据输出特性,计算出在饱和区域中场效应迁移率大约是7cm2(Vs)-1。
形成在PET膜上的元件以30nm的曲率半径弯曲,并在该状态下测量晶体管特性。但是没有观察到晶体管特性的变化。可见光的照射不会改变该晶体管特性。
采用Al2O3膜作为栅极绝缘膜的TFT也具有类似于图6所示的晶体管特性。在VG=0V时导致IDS=1.0×10-8A的电流,在VG=10V时导致IDS=5.0×10-6A的电流。该晶体管的开-关比高于1×102。根据输出特性,计算出在饱和区域内的场效应迁移率大约是2cm2(Vs)-1。
采用HfO2膜作为栅极绝缘膜的TFT也具有类似于图6所示的晶体管特性。在VG=0V时导致IDS=1×10-8A的电流,在VG=10V时导致IDS=1.0×10-6A的电流。该晶体管的开-关比高于1×102。根据输出特性,计算出在饱和区域内的场效应迁移率大约是10cm2(Vs)-1。
(通过PLD过程制备采用In2O3无定形氧化物膜的TFT元件)
制备如图5所示的顶部栅极类型的TFT元件。
首先,在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜1上,通过PLD方法形成厚度为80nm的In2O3型无定形氧化物膜作为沟道层2。
此外,在其上通过PLD方法在该腔中的氧分压低于1Pa、向氧原子团产生组件施加零伏的电压时分别以30nm的厚度层叠具有更高电导率的另一个In2O3无定形膜和金层。通过光刻和剥离方法从其中形成漏极端子5和源极端子6。
最后,通过电子束汽相沉积方法形成Y2O3膜作为栅极绝缘体3。此外在该膜上形成金膜,并通过光刻和剥离从其中形成栅极端子4。
TFT元件特性的评估
在室温下检查形成在PET膜上的TFT元件的电流-电压特性。漏电流IDS随着漏电压VDS的增加而增大,这表明该沟道是n型导体。这与无定形In-O型无定形氧化物膜是n型导体的事实相符。IDS在大约VDS=6V时饱和(夹断),这是晶体管的典型性能。在VG=0V时导致IDS=2×10-8A的电流,在VG=10V时导致IDS=2.0×10-6A的电流。这对应于通过栅极偏压在作为绝缘体的In-O型无定形氧化物膜中的电子载流子感生。
该晶体管的开-关比高于1×102。根据输出特性,计算出饱和区域中的场效应迁移率大约是1×10cm2(Vs)-1。形成在玻璃衬底上的TFT元件具有相似的特性。
形成在PET膜上的元件以30nm的曲率半径弯曲,并在该状态下测量晶体管特性。但是没有观察到晶体管特性的变化。
(通过PLD过程制备采用In-Sn-O型无定形氧化物膜的TFT元件)
制备如图5所示的顶部栅极类型的TFT元件。
首先,在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜1上,通过PLD方法形成厚度为100nm的In-Sn-O型无定形氧化物膜作为沟道层2。
此外,在其上通过PLD方法在该腔中的氧分压低于1Pa、向氧原子团产生组件施加零伏的电压时分别以30nm的厚度层叠具有更高电导率的另一个In-Sn-O无定形膜和金层。通过光刻和剥离方法从其中形成漏极端子5和源极端子6。
最后,通过电子束汽相沉积方法形成Y2O3膜作为栅极绝缘膜3。此外在该膜上形成金膜,并通过光刻和剥离从其中形成栅极端子4。
TFT元件特性的评估
在室温下检查形成在PET膜上的TFT元件的电流-电压特性。漏电流IDS随着漏电压VDS的增加而增大,这表示该沟道是n型导体。这与无定形In-Sn-O型无定形氧化物膜是n型导体的事实相符。IDS在大约VDS=6V时饱和(夹断),这是晶体管的典型性能。在VG=0V时导致IDS=5×10-8A的电流,在VG=10V时导致IDS=5.0×10-5A的电流。这对应于通过栅极偏压在作为绝缘体的In-Sn-O型无定形氧化物膜中的电子载流子感生。
该晶体管的开-关比高于1×103。根据输出特性,计算出饱和范围中的场效应迁移率大约是5cm2(Vs)-1。形成在玻璃衬底上的TFT元件具有相似的特性。
形成在PET膜上的元件以30nm的曲率半径弯曲,并在该状态下测量晶体管特性。没有因此导致晶体管特性的变化。
(通过PLD过程制备采用In-Ga-O型无定形氧化物膜的TFT元件)
制备如图5所示的顶部栅极类型的TFT元件。
首先,在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜1上,通过示例6所示的PLD方法形成厚度为120nm的In-Ga-O型无定形氧化物膜作为沟道层2。
此外,在其上通过PLD方法在该腔中的氧分压低于1Pa、向氧原子团产生组件施加零伏的电压时分别以30nm的厚度层叠具有更高电导率的另一个In-Ga-O无定形膜和金层。通过光刻和剥离方法从其中形成漏极端子5和源极端子6。
最后,通过电子束汽相沉积方法形成Y2O3膜作为栅极绝缘膜3。此外在该膜上形成金膜,并通过光刻和剥离从其中形成栅极端子4。
TFT元件特性的评估
在室温下检查形成在PET膜上的TFT元件的电流-电压特性。漏电流IDS随着漏电压VDS的增加而增大,这表明该沟道是n型导体。这与无定形In-Ga-O型无定形氧化物膜是n型导体的事实相符。IDS在大约VDS=6V时饱和(夹断),这是晶体管的典型性能。在VG=0V时导致IDS=1×10-8A的电流,在VG=10V时导致IDS=1.0×10-6A的电流。这对应于通过栅极偏压在作为绝缘体的In-Ga-O型无定形氧化物膜中的电子载流子感生。
该晶体管的开-关比大约是1×102。根据输出特性,计算出饱和范围中的场效应迁移率大约是0.8cm2(Vs)-1。形成在玻璃衬底上的TFT元件具有相似的特性。
形成在PET膜上的元件以30nm的曲率半径弯曲,并在该状态下测量晶体管特性。没有因此导致晶体管特性的变化。
电子载流子浓度低于1×1018/cm3的无定形氧化物可以用作TFT的沟道层。优选的是,电子载流子浓度不高于1×1017/cm3。,更为优选的是不高于1×1016/cm3。
描述上述实施例的例子。本发明不仅覆盖了第一实施例的发明,还覆盖了第一实施例结合第二发明并进一步结合第三实施例的发明。无论如何本发明都不限于下面所给出的例子。
A.第一发明的例子
(示例1:制备无定形In-Ga-Zn-O薄膜)
在玻璃衬底(Corning公司:1737)上,通过采用KrF受激准分子激光的脉冲激光汽相沉积方法,用具有InGaO3(ZnO)4成分的多晶烧结体作为靶,沉积In-Zn-Ga-O型无定形氧化物。
利用该薄膜制备如图5所示的顶部栅极类型的MISEFT元件。
首先,通过上述无定形In-Ga-Zn-O薄膜形成过程在玻璃衬底1上形成40nm厚的半绝缘无定形膜InGaO3(ZnO)4作为沟道层2。
此外在该膜上,通过脉冲激光沉积过程分别以30nm的厚度层叠具有更高电导率的In2O3无定形膜和金层。通过光刻和剥离方法从其中形成漏极端子5和源极端子6。
最后,通过电子束汽相沉积方法形成Y2O3膜作为栅极绝缘膜3(厚100nm,相对介电常数大约15)。此后在该膜上形成金膜,通过光刻和剥离从其中形成栅极端子4。
具体地说,可以通过至少在漏电极和源电极的一个上不形成导电金膜以保持那里透明来使该TFT局部对可见光透明。另外,可以用高导电性的ITO形成源电极、漏电极或栅电极,而不在其上形成金膜。利用这种结构,可以形成在可见光区域透明的TFT。这种TFT优选用于驱动显示器。
优选地,源电极、漏电极和栅电极是透明的,用于电连接的布线由高导电性的金属制成。在该结构中,在源电极、漏电极或栅电极附近,金属布线层叠在透明电极上。
(示例2:制备MISFET元件)
按照与示例1类似的方式制备如图5所示的顶部栅极类型的MISEFT元件。
在玻璃衬底1上形成30nm厚的半绝缘无定形InGaO3(ZnO)4膜作为沟道层2。
此外在该膜上,通过脉冲激光沉积过程层叠40nm厚的、具有更高电导率的SnO2膜。通过光刻和剥离方法从其中形成漏极端子5和源极端子6。
最后,通过电子束汽相沉积方法形成TiO2膜作为栅极绝缘膜3(厚110nm,相对介电常数大约11)。此后在该膜上形成金膜,通过光刻和剥离方法从其中形成栅极端子4。
由此提供了一种在漏极端子和源极端子部分对可见光透明的器件。
B.第二发明的例子
(示例3:制备无定形In-Ga-Zn-O薄膜)
在玻璃衬底(Corning公司:1737)上,通过采用KrF受激准分子激光的脉冲激光汽相沉积方法,用具有InGaO3(ZnO)4成分的多晶烧结体作为靶,沉积In-Zn-Ga-O型无定形氧化物。
通过图7A至7F所示的步骤制备顶部栅极类型的TFT板。
(a)在12cm×12cm的玻璃衬底2700上,通过上述用于形成无定形In-Ga-Zn-O薄膜的过程形成120nm厚的半绝缘无定形InGaO3(ZnO)4膜作为沟道层2701。
(b)将衬底保持在腔中,沟道层2701被掩模2702覆盖,在其上通过脉冲激光沉积方法在该腔中低于1Pa的氧分压下分别以30nm的厚度层叠另一个具有更高电导率的InGaO3(ZnO)4膜和金层,以形成漏电极2703和源电极2704。在附图中,没有区分InGaO3(ZnO)4膜和金膜。
(c)将衬底保持在腔中,去掉掩模2702,通过电子束汽相沉积形成Y2O3膜作为第一栅极绝缘膜2705(厚度:10nm,相对介电常数:大约15)。然后通过电子束汽相沉积形成SiO2膜作为第二栅极绝缘膜2706(厚度:80nm,相对介电常数:大约3.8)。
(d)用光抗蚀剂覆盖该膜,形成至漏电极的通孔2707的图案以及至源电极的通孔2708的图案。然后蚀刻栅极绝缘膜2705、2706来形成通孔2707、2708。
(e)在上面通过电阻加热方法汽相沉积Al,以形成厚度为100nm的导电层2709。
(f)对导电层2709形成图案以形成来自漏电极的引出布线2710、来自源电极的引出布线2711以及栅电极2712。由此完成形成步骤。
通过上述步骤,以均匀的间隔在对象上形成具有两层栅极绝缘层的10×10矩阵形式的100个TFT。
(示例4:TFT板的制作)
通过图8A至8F和9G至9L所示的步骤制备顶部栅极类型的TFT板。
(a)在12cm×12cm的玻璃衬底2800上,形成120nm厚的半绝缘无定形InGaO3(ZnO)4膜作为沟道层2801。
(b)将衬底保持在腔中,通过电子束汽相沉积形成Y2O3膜作为第一栅极绝缘膜2802(厚度:30nm,相对介电常数:大约15)。
(c)该膜被光抗蚀剂2803覆盖。
(d)对光抗蚀剂2803形成图案。
(e)选择性地蚀刻第一栅极绝缘膜2802,以形成用于漏电极的开口2804和用于源电极的开口2805。
(f)在其上通过脉冲激光沉积法在该腔中低于例如1Pa的氧分压下分别以30nm的厚度层叠另一个具有更高电导率的InGaO3(ZnO)4膜和金层,以形成第一导电层2806。在附图中,没有区分InGaO3(ZnO)4膜和金膜。
(g)剥离第一导电层2806的不需要部分。
(h)由此形成漏电极2807和源电极2808。
(i)形成SiO2膜作为第二栅极绝缘膜2809(厚度:30nm,相对介电常数:大约3.8)。
(j)对第二栅极绝缘膜2809形成图案以形成通往漏电极的通孔2810和通往源电极的通孔2811。
(k)在上面通过电阻加热方法汽相沉积Al,以形成厚度为100nm的第二导电层2812。
(l)对第二导电层2812形成图案以形成来自漏电极的引出布线2813、来自源电极的引出布线2814以及栅电极2815。由此形成步骤结束。
通过上述步骤,以均匀的间隔在衬底上形成具有两层栅极绝缘层的10×10矩阵形式的100个TFT。
利用该示例中描述的结构,防止形成诸如栅极短路的缺陷,并阻止电流随时间变化。因此,本发明使得能够制造可靠且适用于驱动大面积液晶板和有机EL板的TFT板。
C.第三发明的例子
(示例5:制备无定形In-Ga-Zn-O薄膜)
在玻璃衬底(Corning公司:1737)上,通过采用KrF受激准分子激光的脉冲激光汽相沉积方法,沉积In-Zn-Ga-O型无定形氧化物薄膜。
制备如图10所示的顶部栅极类型的MISFET元件。
在塑料膜(PET)5001上沉积本发明之一的表面涂层5010(无定形氮化硅层:300nm)。
在该表面涂层上,通过上述用于制造无定形In-Ga-Zn-O薄膜的过程沉积35nm厚的半绝缘无定形InGaO3(ZnO)4膜作为沟道层5002。
此外在该膜上,沉积本发明之一的层间钝化层5100(无定形硅层:3nm)。
此外,在上面分别以30nm的厚度层叠具有高于上述半绝缘无定形氧化物(上述无定形氧化物)的电导率的InGaO3(ZnO)4和金层。通过光刻和剥离方法从其中形成漏极端子5007和源极端子5006。
最后,形成Y2O3膜作为栅极绝缘膜5003(厚度:70nm,相对介电常数:大约15),在该膜上形成金膜,通过光刻和剥离方法从其中形成栅极端子4。
在上述诸如表面涂层的薄膜的形成过程中,可以使用其它材料如无定形硅、氧化钛、氧化铝和氧化镁。这对提高与衬底之间的粘附性、减小衬底表面的粗糙度和防止该元件中的电流泄漏是优选的。
在上述诸如钝化层的薄膜的形成过程中,可以使用其它材料如无定形氮化硅、氧化钛、氧化铝和氧化镁。这对改善栅极绝缘层和防止电流泄漏是优选的。
在有些情况下,简单的钝化处理就足够了。例如,只对沟道的最外表面进行氧等离子体处理(O2:5sccm,20W,20sec)就足以改善与栅极绝缘层之间的界面以防止该元件中的电流泄漏。优选地,在钝化处理之后,可以另外层叠层间钝化层以防止该元件中的电流泄漏。
采用本发明透明氧化物膜的晶体管可用作LCD和有机EL显示装置的开关元件。本发明可以广泛地用于采用柔性材料如塑料膜、IC卡和ID标签等的柔性显示器。
本申请要求2004年11月10日提交的日本专利申请No.2004-326683的优先权,通过引用将其合并于此。
Claims (18)
1.一种具有源电极、漏电极、栅极绝缘体、栅电极和有源层的场效应晶体管,
该有源层包括电子载流子浓度为1012/cm3或更高但低于1018/cm3、且电子迁移率倾向于随着电子载流子浓度的增加而增大的无定形氧化物半导体,所述无定形氧化物半导体包括晶体状态中具有InGaO3(ZnO)m或InGaO3(Zn1-xMgxO)m的成分的化合物,其中m是小于6的自然数,0<x≤1;
源电极、漏电极和栅电极中的至少一个对可见光透明;并且
当不施加栅电压时,该场效应晶体管在源电极和漏电极之间提供10微安或更小的电流。
2.根据权利要求1所述的场效应晶体管,所述场效应晶体管具有与源电极、漏电极和栅电极中的至少一个连接的金属布线。
3.根据权利要求1所述的场效应晶体管,其中所述无定形氧化物半导体包含选自由Si、Ge、Zr和Sn构成的组的至少一种元素。
4.一种具有源电极、漏电极、栅极绝缘体、栅电极和有源层的场效应晶体管,
该有源层包括电子载流子浓度为1012/cm3或更高但低于1018/cm3、且电子迁移率倾向于随着电子载流子浓度的增加而增大的无定形氧化物半导体,所述无定形氧化物半导体包括晶体状态中具有InGaO3(ZnO)m或InGaO3(Zn1-xMgxO)m的成分的化合物,其中m是小于6的自然数,0<x≤1;
所述场效应晶体管具有包括第一层和由金属构成的第二层的叠层结构,在第一层中源电极、漏电极和栅电极中的至少一个对可见光透明,或者
所述场效应晶体管具有包括第一层和由金属构成的第二层的叠层结构,在第一层中与源电极、漏电极和栅电极中的至少一个连接的布线对可见光透明;并且
当不施加栅电压时,该场效应晶体管在源电极和漏电极之间提供10微安或更小的电流。
5.根据权利要求4所述的场效应晶体管,其中所述无定形氧化物半导体包含选自由Si、Ge、Zr和Sn构成的组的至少一种元素。
6.一种具有源电极、漏电极、栅极绝缘体、栅电极和有源层的场效应晶体管,
其中该有源层包括对可见光透明的无定形氧化物半导体,在所述无定形氧化物半导体中,电子载流子浓度为1012/cm3或更高但低于1018/cm3,且电子迁移率倾向于随着电子载流子浓度的增加而增大,所述无定形氧化物半导体包括晶体状态中具有InGaO3(ZnO)m或InGaO3(Zn1-xMgxO)m的成分的化合物,其中m是小于6的自然数,0<x≤1;
源电极、漏电极和栅电极中的至少一个对可见光透明;并且
当不施加栅电压时,该场效应晶体管在源电极和漏电极之间提供10微安或更小的电流。
7.根据权利要求6所述的场效应晶体管,其中对光透明的电极与金属布线连接,该对光透明的电极属于源电极、漏电极或栅电极。
8.根据权利要求6所述的场效应晶体管,其中所述无定形氧化物半导体包含选自由Si、Ge、Zr和Sn构成的组的至少一种元素。
9.一种具有源电极、漏电极、栅极绝缘体、栅电极和有源层的场效应晶体管,
该有源层包括电子载流子浓度为1012/cm3或更高但低于1018/cm3、且电子迁移率倾向于随着电子载流子浓度的增加而增大的无定形氧化物半导体,所述无定形氧化物半导体包括晶体状态中具有InGaO3(ZnO)m或InGaO3(Zn1-xMgxO)m的成分的化合物,其中m是小于6的自然数,0<x≤1;
该栅极绝缘体包括与该无定形氧化物半导体接触的第一层和不同于该第一层并且层叠在该第一层上的第二层;并且
当不施加栅电压时,该场效应晶体管在源电极和漏电极之间提供10微安或更小的电流。
10.根据权利要求9所述的场效应晶体管,其中第一层是包含HfO2、Y2O3或含有HfO2或Y2O3的混晶化合物的绝缘层。
11.根据权利要求9所述的场效应晶体管,其中所述无定形氧化物半导体包含选自由Si、Ge、Zr和Sn构成的组的至少一种元素。
12.根据权利要求9所述的场效应晶体管,其中第一层是用于改善与有源层的界面特性的界面改善层,第二层是用于防止电流泄漏的电流泄漏防止层。
13.一种具有源电极、漏电极、栅极绝缘体、栅电极和有源层的场效应晶体管,
该有源层包括电子载流子浓度为1012/cm3或更高但低于1018/cm3、且电子迁移率倾向于随着电子载流子浓度的增加而增大的无定形氧化物半导体,所述无定形氧化物半导体包括晶体状态中具有InGaO3(ZnO)m或InGaO3(Zn1-xMgxO)m的成分的化合物,其中m是小于6的自然数,0<x≤1;
在有源层和栅极绝缘体之间设置了钝化层;并且
当不施加栅电压时,该场效应晶体管在源电极和漏电极之间提供10微安或更小的电流。
14.根据权利要求13所述的场效应晶体管,其中所述无定形氧化物半导体包含选自由Si、Ge、Zr和Sn构成的组的至少一种元素。
15.根据权利要求13所述的场效应晶体管,其中所述钝化层是用于防止电流泄漏的电流泄漏防止层。
16.一种在衬底上设置了源电极、漏电极、栅极绝缘体、栅电极和有源层的场效应晶体管,
该有源层包括电子载流子浓度为1012/cm3或更高但低于1018/cm3、且电子迁移率倾向于随着电子载流子浓度的增加而增大的无定形氧化物半导体,所述无定形氧化物半导体包括晶体状态中具有InGaO3(ZnO)m或InGaO3(Zn1-xMgxO)m的成分的化合物,其中m是小于6的自然数,0<x≤1;
在有源层和衬底之间设置了表面涂层;并且
当不施加栅电压时,该场效应晶体管在源电极和漏电极之间提供10微安或更小的电流。
17.根据权利要求16所述的场效应晶体管,其中所述无定形氧化物半导体包含选自由Si、Ge、Zr和Sn构成的组的至少一种元素。
18.根据权利要求16所述的场效应晶体管,其中所述表面涂层是用于提高衬底和有源层之间的粘附性的粘附性改善层。
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GR01 | Patent grant | ||
EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20071017 Assignee: BOE Technology Group Co., Ltd. Assignor: Independent Administrative Corporation Japan Science & Tech Corp. Contract record no.: 2012990000753 Denomination of invention: Field effect transistor employing an amorphous oxide Granted publication date: 20110316 License type: Common License Record date: 20121015 |
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LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model |