CN103451607B - 氧化物半导体溅射靶、用其制造的薄膜晶体管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

用于沉积具有高的电子迁移率和高的操作可靠性的薄膜的氧化物半导体溅射靶、使用该氧化物半导体溅射靶制造薄膜晶体管（TFT）的方法和使用该氧化物半导体溅射靶制造的TFT。该氧化物半导体溅射靶在TFT上沉积有源层的溅射工艺中使用。该氧化物半导体溅射靶由基于含有铟（In）、锡（Sn）、镓（Ga）和氧（O）的组合物的材料制成。该方法包括用上述氧化物半导体溅射靶沉积有源层的步骤。该薄膜晶体管可用在诸如液晶显示器（LCD）或有机发光显示器（OLED）的显示装置中。

Description

氧化物半导体溅射靶、用其制造的薄膜晶体管及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求分别于2012年5月31日和2013年5月8日提交的韩国专利申请第10-2012-0057851号和第10-2013-0051644号的优先权，该申请的全部内容就各方面而言通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及氧化物半导体溅射靶、用该氧化物半导体溅射靶制造薄膜晶体管（TFT）的方法和用该氧化物半导体溅射靶制造的TFT，更具体地，涉及用于沉积具有高的电子迁移率和高的操作可靠性的薄膜的氧化物半导体溅射靶、用该氧化物半导体溅射靶制造TFT的方法和用该方法制造的TFT。
背景技术
薄膜晶体管（TFT）主要用作有源矩阵平板显示器的像素转换器件，尽管它们还可用作静态随机存取存储器（SRAM）或只读存储器（ROM）。例如，TFT用作液晶显示器（LCD）或有机发光显示器（OLED）的转换器件或电流驱动器件。用作转换器件的TFT能使像素被独立控制，以便像素可表现互不相同的唯一的电信号。
当前，所有LCD和OLED都使用各具有硅（Si）类有源层的TFT。然而，用在LCD中的无定形Si由于约0.5cm2/Vs的低电子迁移率而具有低的运行速度且不稳定。因此，无定形Si实现大的、高清和高速显示器的能力受到限制。此外，由于用准分子激光器结晶，所以用在OLED中的多晶硅（多晶Si）比无定形Si呈现出更好的TFT器件特性，例如电子迁移率。然而，不可能由多晶硅制造大的器件，这是有问题的。
近来，作为克服这些问题的方法，具有基于氧化物的有源层的TFT作为下一代显示装置的驱动器件而受到关注。但是，由于在实际加工中其较低的产率和操作可靠性，该方法难以商业化。由于具有比多晶硅低的电子迁移率，该方法还难以应用于下一代大的、高清和高速的显示器。
发明背景部分中公开的信息仅为了更好地理解本发明的背景而提供，而不应作为对于该信息构成本领域技术人员已知现有技术的认可或任何暗示的形式。
发明内容
本发明的各个方面提供了一种用于沉积具有高的电子迁移率和高的操作可靠性的薄膜的氧化物半导体溅射靶、用该氧化物半导体溅射靶制造薄膜晶体管（TFT）的方法和用该氧化物半导体溅射靶制造的TFT。
在本发明的一个方面中，提供了一种在沉积TFT有源层的溅射工艺中使用的氧化物半导体溅射靶。所述氧化物半导体溅射靶由基于含有铟（In）、锡（Sn）、镓（Ga）和氧（O）的组合物的材料制成。
在本发明的示例性实施方式中，所述组合物可包含氧化镓、氧化锡和氧化铟，其中，相对于总的In+Ga+Sn，所述In、所述Ga和所述Sn的含量比为60原子%至70原子%、10原子%至25原子%和5原子%至30原子%。
在本发明的另一个方面中，提供了一种制造TFT的方法，所述方法包括用上述氧化物半导体溅射靶沉积有源层的步骤。所述薄膜晶体管可用在诸如液晶显示器（LCD）或有机发光显示器（OLED）的显示装置中。
在本发明的再一个方面中，提供了一种包含有源层的薄膜晶体管，所述有源层包含基于含有铟（In）、锡（Sn）、镓（Ga）和氧（O）的组合物的材料。相对于总的In+Ga+Sn，所述In、所述Ga和所述Sn的含量比可为60原子%至70原子%、10原子%至25原子%和5原子%至30原子%。
根据本发明的实施方式，所述氧化物半导体溅射靶由基于含有In、Sn、Ga和O的组合物的四元半导体材料形成，并且用所述氧化物半导体溅射靶沉积TFT的有源层。因此，得到的有源层可呈现比现有技术的有源层更高的电子迁移率和操作可靠性，现有技术的有源层是由基于含有In、Ga、Zn和O的组合物的四元半导体材料形成的。因而能在提高TFT产率的同时，改善TFT和具有该TFT的显示装置的性能。
并入本文的附图和以下本发明的详细说明可使本发明的方法和设备具有的其它特征和优点更为明显，它们一起用来解释本发明的特定原理。
附图说明
图1为显示应用了根据本发明实施方式的溅射靶的薄膜晶体管（TFT）的横截面视图；
图2为显示由应用了根据本发明实施方式的溅射靶的TFT和由现有技术的TFT，漏极电流随栅极电压变化的曲线图；
图3为显示薄膜的电子迁移率随根据本发明的靶的In含量变化的曲线图；
图4为显示通过对图3的薄膜特性排序所得结果的表；
图5为显示TFT中Id含量根据Vg的量而变化的视图，其中，导电薄膜、即使呈现半导体的特性但因其差的特性而不适合作为TFT有源层的薄膜和具有卓越特性的半导体薄膜用作有源层；且
图6为显示TFT装置的操作可靠性随根据本发明的靶的Ga含量变化的曲线图。
具体实施方式
现将详细地参照根据本发明的氧化物半导体溅射靶、用该氧化物半导体溅射靶制造薄膜晶体管（TFT）的方法和用该氧化物半导体溅射靶制造的TFT，其实施方式在附图中说明并描述如下，因此本发明相关领域的普通技术人员可容易地将本发明付诸实践。
全文中，将参照附图，其中相同的附图标记和符号在所有不同的附图中使用，以表示相同或相似的部件。在本发明的以下说明中，当可能使本发明的主题不清楚时，对并入本文的已知功能和部件的详细说明将会省略。
图1为显示应用了根据本发明实施方式的溅射靶的TFT的横截面视图。
根据本发明实施方式的氧化物半导体溅射靶为在沉积图1所示TFT100的有源层130的溅射工艺中使用的靶。溅射工艺是以高速等离子颗粒轰击靶以便从该靶释放的原子沉积到附近基板的方法。
根据本发明的实施方式，氧化物半导体溅射靶由基于含有铟（In）、锡（Sn）、镓（Ga）和氧（O）的组合物的材料制成。例如，溅射靶的组合物可包含氧化镓、氧化锡和氧化铟。这里，相对于总的（In+Ga+Sn），In、Ga和Sn的含量比可为60原子%至70原子%、10原子%至25原子%和5原子%至30原子%。
虽然图1说明了具有底栅结构的TFT，但是本发明不限于此。例如，根据本发明的溅射靶可用于沉积诸如具有顶栅结构的TFT的各种TFT结构的薄膜。
图2为显示由应用了根据本发明实施方式的溅射靶的TFT和由现有技术的TFT，漏极电流随栅极电压变化的曲线图。
TFT100的有源层130由使用氧化物半导体溅射靶的溅射工艺沉积，如上所述该氧化物半导体溅射靶由含有In、Sn、Ga和O的组合物形成。如图2所示，具有用由含有In、Sn、Ga和O的组合物形成的氧化物半导体溅射靶沉积的有源层130的TFT100呈现出高的开-关转换比。在高电压范围内（Vg>Vth），具有有源层130的TFT100的漏极电流是由基于含有In、Ga、Zn和O的组合物的现有技术的四元半导体材料制成的TFT的约10倍。此外，由于转换器件的主要特性之一的亚阈值摆幅（V/dec）低，因此具有有源层130的TFT100可更快地转换。
图3为显示薄膜的电子迁移率随根据本发明的靶的In含量变化的曲线图，图4为显示通过对图3的薄膜特性排序所得结果的表。此外，图5为显示TFT中Id含量根据Vg的量而变化的视图，其中，导电薄膜、即使呈现半导体的特性但因其差的特性而不适合作为TFT有源层的薄膜和具有卓越特性的半导体薄膜用作有源层。
如图所示，尽管呈现半导体的特性，但由于低的电子迁移率，所以使用具有In含量小于60原子%的靶沉积的薄膜不适合用作TFT的有源层。此外，由于具有低的电子迁移率或呈现导电特性，使用具有In含量超过70原子%的靶沉积的薄膜对TFT的有源层而言不可行。相反，使用具有In含量范围是60原子%至70原子%的靶沉积的薄膜呈现出卓越的电子迁移率。因此，可理解对于根据本发明形成有源层的方法可行的靶的期望In含量范围是60原子%至70原子%。优选地，根据本发明的薄膜的电子迁移率为至少30cm2/V·s。
当有源层呈现导电特性时，由于不考虑栅极电压而测量的高的漏极电流，TFT不能实现在阈值电压下接通和断开的半导体装置特性。使用不适合用作半导体的薄膜的TFT在漏极电流随栅极电压变化方面没有显著变化。此外，由于高的泄漏电流在未超过阈值电压的栅极电压下发生，该TFT作为转换器件呈现出差的性能。相反，由于在漏极电流随栅极电压变化方面显示了显著变化，使用具有优异的半导体的特性的薄膜的TFT作为转换器件呈现出卓越的性能。
图6为显示装置的操作可靠性随根据本发明的靶的Ga含量变化的曲线图。
如图6所示，当靶的Ga含量范围是10原子%至25原子%时，使用该靶形成的薄膜具有高的操作可靠性，并可优选地用作TFT的有源层。这里，装置的操作可靠性通过测量装置在经受包括热、光和偏压（bias）的多因素应激后阈值电压Vth的变化而得到。当变化越小时，可靠性越高。
具有上述组合物和含量比的靶可通过在上述含量比混合氧化镓粉末、氧化锡粉末和氧化铟粉末，由诸如冷冲压、粉浆浇铸、压滤、冷等静压、凝胶铸造、离心沉降或重力沉降的形成方法形成混合物，然后烧结而制造。此外，以这种方式制造的靶可用于状态中的溅射工艺，在该状态中靶接合于由诸如金属制成的垫板，并由该垫板支撑。
同时，包含用根据本发明实施方式的氧化物半导体溅射靶沉积的有源层130的TFT100用作液晶显示器（LCD）或有机发光显示器（OLED）的转换器件或电流驱动器件。TFT100包含栅极110、栅极绝缘膜120、有源层130、源极140和漏极150。
同时，基板10可由满足TFT100的热力或机械需要的玻璃、半导体晶圆、金属氧化物、陶瓷材料或塑料等制造。具体而言，基板10优选为玻璃或塑料，但是本发明不限于此。
栅极110在基板10上形成。当应用于显示器时，栅极110从以诸如横向的第一方向设置在基板10上的栅极线（未显示）分出（diverge）。栅极110施加以接通/断开TFT100的电压。为此，栅极110可由诸如金属或金属氧化物的导电材料制成。例如，栅极110可由诸如Pt、Ru、Au、Ag、Mo、Al、W或Cu的金属或诸如氧化铟锌（IZO）或氧化铟锡（ITO）的金属氧化物或导电氧化物制成。栅极110通过在基板10上沉积上述导电材料然后图案化所得结构而形成，具体而言，在相同的工艺中同时形成栅极线（未显示）。
栅极110可包含扩散阻挡膜（未显示）和设置在扩散阻挡膜上的Cu膜（未显示）。扩散阻挡膜（未显示）防止铜原子扩散到基板10中，并旨在提高Cu的接合力和电特性。扩散阻挡膜（未显示）可具有包含选自但不限于Ti、Ta、Mo、Cr、Ni和Pt中的至少一种的组合物。
栅极绝缘膜120可由用于普通半导体装置的绝缘材料制成，具体而言，由Si氧化物或Si氮化物制成。例如，栅极绝缘膜120可由SiO2或诸如HfO2、Al2O3、Si3N4或其混合物的高K材料制成，高K材料的介电常数高于SiO2的介电常数。
有源层130在栅极绝缘膜120对应于栅极110的部分上形成，并具有通道区域CH。根据本发明的实施方式，由使用上述根据本发明实施方式的氧化物半导体溅射靶的溅射工艺在栅极绝缘膜120上沉积有源层130，即溅射靶相对于总的（In+Ga+Sn）具有包含60原子%至70原子%的In、10原子%至25原子%的Ga和5原子%至30原子%的Sn的组合物，然后图案化。
因此，具有上述组合物和含量比的有源层130可呈现比现有技术的有源层更高的电子迁移率和可靠性，现有技术的有源层是由基于含有In、Ga、Zn和O的组合物的四元半导体材料形成的，因此也可提高包含有源层130的TFT100的性能。
源极140和漏极150设置在有源层130上，以使它们彼此隔开。源极140和漏极150的每个可由诸如金属的导电材料制成，并如同栅极110包含扩散阻挡膜（未显示）和设置在扩散阻挡膜上的Cu膜（未显示）。
源极140以第二方向连接到设置在基板10上的数据线（未显示），第二方向为例如垂直交叉于栅极线（未显示）的纵向。漏极150连接到像素电极（未显示）。
同时，欧姆接触层135或杂质半导体层可在有源层130和源、漏极140、150之间形成。
虽然图1中未显示，TFT可包含在源极和漏极上形成的保护层（未显示）等。保护层（未显示）可由诸如SiO2或SiNx的材料或任何一种其它氧化物制成。
应用了根据本发明实施方式的溅射靶的TFT100用作转换器件或电流驱动器件。例如，虽然未显示，TFT100可用在液晶显示器（LCD）中，液晶显示器包含彼此相对的上下基板、夹在上下基板之间的液晶层和设置在下基板的后面以使其向前发光的背光。在这种情况下，TFT100设置在下基板上，在下基板上多个栅极线和多个数据线特别设置，在由这些线交叉限定的下基板上的像素区内。上基板具有对应于像素区的彩色滤光器。此外，补偿LCD光学特性的光学膜（未显示）可在LCD的上基板的上表面上设置。
除了LCD，应用了根据本发明实施方式的溅射靶的TFT100还可用在有机发光显示器（OLED）中。在这种情况下，TFT100可设置在下基板上，在下基板上多个栅极线和多个数据线特别设置在由这些线交叉限定的下基板上的像素区内。这里，有机发光装置设置在下基板上。下基板与上基板接合，从而形成OLED的有机发光面板。每个有机发光装置包含阳极、阴极和设置在阳极与阴极之间的空穴传输层、发光层和电子传输层。这里，为了更有效地注入空穴和电子，也可提供阳极和空穴传输层之间的空穴注入层以及电子传输层和阴极之间的电子注入层。在该结构中，通过空穴注入层和空穴传输层从阳极注入发光层的空穴以及通过电子注入层和电子传输层从阴极注入发光层的电子形成发出对应于空穴和电子之间能隙的光的激子。这里，阳极可由诸如氧化铟锡（ITO）或氧化铟锌（IZO）的具有高功函且透明的材料制成；阴极可由诸如铝（Al）、钙（Ca）或铝合金的具有低功函且化学稳定的材料制造。
此外，补偿OLED光学特性的光学膜（未显示）也可设置在OLED的上基板的上表面上。
参照附图已经表述了本发明的具体示例性实施方式的上述说明。该说明并非意在穷举或限制本发明为公开的精确形式，根据上述教导，各种修改和改变对本领域普通技术人员来说显然是可能的。
因此，本发明的范围并非意在限于上述实施方式，而是由所附权利要求及其等效形式所限定。

Claims (6)

1.一种氧化物半导体溅射靶，在沉积薄膜晶体管的有源层的溅射工艺中使用，所述氧化物半导体溅射靶包含基于含有铟(In)、锡(Sn)、镓(Ga)和氧(O)的组合物的材料，
其中，所述组合物包含氧化镓、氧化锡和氧化铟，相对于总的In+Ga+Sn，所述In、所述Ga和所述Sn的含量比为大于60原子％且小于等于70原子％、10原子％至25原子％和5原子％至30原子％。
2.一种制造薄膜晶体管的方法，包括用如权利要求1所述的氧化物半导体溅射靶沉积有源层。
3.根据权利要求2的方法，包括沉积所述有源层后在200℃至400℃范围的温度退火处理所述有源层。
4.根据权利要求3的方法，包括沉积所述有源层后在250℃至350℃范围的温度退火处理所述有源层。
5.根据权利要求2的方法，其中，所述薄膜晶体管为在液晶显示器或有机发光显示器中提供的薄膜晶体管。
6.一种薄膜晶体管，包含有源层，所述有源层包含基于含有铟(In)、锡(Sn)、镓(Ga)和氧(O)的组合物的材料，
其中，相对于总的In+Ga+Sn，所述有源层具有的所述In、所述Ga和所述Sn的含量比为大于60原子％且小于等于70原子％、10原子％至25原子％和5原子％至30原子％。
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