TWI328288B - Field-effect transistor - Google Patents
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Description
1328288 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於場效電晶體。特別而言，本發明係有 關於主動層使用非晶氧化物之場效電晶體。 【先前技術】 近幾年來’已對將氧化物半導體用於薄膜電晶體（ φ TFT )的主動層之技術做硏究。特別而言，因爲由inGaZr 所組成的非晶氧化物於室溫時可形成爲膜，所以就製程溫 度的觀點而言’由InGaZn所組成的非晶氧化物會比典型 用於TFT的主動層之非晶矽有更高的實用性。 例如’ WO 2005/088726揭露將由InGaZn所組成的非 - 晶氧化物用於TFT的主動層之技術。 。 非晶矽一般聲稱有約〇·5 cm2/V · s之場效遷移率。 同時，以上所提及的WO 2005/088726揭露將由 φ InGaZn所組成的非晶氧化物用於其主動層之TFT的輸出 特徵。根據WO 2005/088726，實施例顯示TFT的飽和區 中之場效遷移率約爲10 cm2/ν· s。 然而，爲了使非晶氧化物半導體能用來取代很大易變 性之非晶矽，需要其功能的進一步改善。 【發明內容】 鑒於以上所提及的情況’本發明的目的係提出使用具 有高場效遷移率的非晶氧化物之新場效電晶體。 -5- (2) 1328288 根據本發明，係提出一種場效電晶體，包含： 主動層；以及 閘極絕緣膜， 其中該主動層包含非晶氧化層，此非晶氧化層包含非 晶區及結晶區，且結晶區係在非晶氧化層與閘極絕緣膜之 間的介面附近或與之接觸。 附帶而言，本發明的發明人已做透徹的硏究，目的爲 φ 進一步改善場效遷移率。由於硏究，發明人已發現在結晶 面（亦即，結晶區）存在於具有已變成主動層之非晶氧化 層中的閘極絕緣膜之介面附近的情況中，可達成高場效遷 " 移率，且已達成本發明。稍後所述的例子顯示藉由形成兩 個主動層所進行的實驗，一層具有存在於非晶氧化層中的 - 此種結晶區，而另一層具有非晶氧化層中的非結晶區。然 後，兩個主動層會就場效遷移率的觀點彼此做比較》 • 【實施方式】 本發明的特徵在於場效電晶體的主動層210係由如圖 2中所顯示的非晶氧化層2 1 7所組成，且結晶區2 1 5係存 在於非晶氧化層217中，以在具有閘極絕緣膜220的介面 附近或與此介面接觸。換言之，主動層210係由非晶區及 結晶區所組成，且結晶區2 1 5係存在於非晶氧化層中，以 在具有閘極絕緣膜220的介面附近或與此介面接觸。 在稍後所述的例子中，由In、Ga及Zn所組成的氧化 物係用來當作一例。以上所提及的結晶區2 1 5不在相對於 -6- (3) 1328288 第一介面250的第二介面260附近，第一介面250爲非晶 氧化層與閘極絕緣膜之間的介面。 結晶區或微結晶區爲何形成於非晶氧化層中（特別是 在上述的位置處）之原因的細節並不清楚，但是認爲可歸 因於氧化物的合成物、製造時的氧濃度、沈積溫度、絕緣 膜的材料、或製造方法。 在稍後所述的例子中，已確認結晶區藉由改變特別是 φ 相對於製造電晶體時的特定合成物之氧氣條件，而出現於 特定位置。 —般而言，至於用來當作半導體的非晶氧化物，很難 找出用於電晶體的主動層之合適的合成物及製造條件。 然而，根據本發明，已找出以下的準則。亦即，可藉 - 由在非晶層中的介面附近或位於與非晶層中的介面接觸之 位置處產生結晶區，而產生具有高場效遷移率的電晶體， 以形成主動層。 ^ 在本發明中，爲何結晶區僅存在於具有閘極絕緣膜的 介面附近，而結晶區未以整個非晶氧化物的厚度方向散佈 之原因係假設如下。 甚至在非晶氧化物中，當堆疊層的厚度增加時，會因 絕緣膜的形成，而累積應力，或能量會施加於非晶氧化物 的表面側。另外，依據非晶氧化物的合成物，結晶可能會 發生，或反之可能不會發生。稍後所述的例子中所顯示之 非晶氧化物的合成物可僅靠近輕易產生結晶的合成物。這 就是爲何結晶區僅存在於具有閘極絕緣膜的介面附近之原 (4) 1328288 因。 亦即，當膜形成進行時，膜的特性（表面條件、導電 率、熱導率及類似）會變化，藉此膜表面上的晶體成長之 成核的可能性變的很高，以在某些情況中會輕易產生結晶 。甚至當原始膜具有非晶結構時，會認爲靠近晶體的非晶 結構具有導致上述現象（其中結晶於膜形成的方向上開始 )的可能性。 # 根據本發明，結晶區存在於「具有閘極絕緣膜的介面 . 處’或在閘極絕緣膜的附近」，藉此用以形成閘極絕緣膜 上的主動層中之通道的區域變成較靠近非晶結構中的結晶 結構之非晶結構。由於具有此種特定結構，所以雖然爲非 晶，但是可得到具有較接近晶體特徵的良好特徵之非晶結 • 構。另一方面，因爲結晶區實質上以點狀狀態存在，所以 . 幾乎通道路徑的部分爲非晶區，因此認爲可防止由於晶粒 邊界所產生的遷移率降低。 # 反之，結晶區存在於位於與「具有閘極絕緣膜的介面 處，或在閘極絕緣膜的附近」的區域混合之區域中，藉此 用以形成閘極絕緣膜上的主動層中之通道的區域不總是變 成較靠近非晶結構中的結晶結構之非晶結構。因此，認爲 不總是可得到具有較接近晶體特徵的良好特徵之非晶結構 〇 在複晶或微晶存在於整個主動層的情況中（其與本發 明不同）’遷移率降低認爲是因爲晶粒邊界存在。特別而 言，認爲當晶體的晶粒尺寸增加時，會產生晶體定向取決 -8 - (5) 1328288 於各特徵存在之問題，而降低特徵的一致性。 根據本發明，僅形成結晶區於「具有閘極絕緣膜的介 面處’或在閘極絕緣膜的附近」之方法包括以自我匹配方 式形成結晶區’而不在膜形成期間有意改變膜彤成條件之 方法、在膜形成期間有意改變膜形成條件而形成結晶區之 方法、以及類似方法。若晶體形成及類似形成的形成不便 ，則方法不會特別做限制。 φ 當膜形成進行時，以自我匹配方式形成結晶區，而不 在膜形成期間有意改變膜形成條件之方法利用膜的特性（ 表面條件、導電率、熱導率及類似）改變成輕易產生結晶 之情況。例如’雖然在膜形成期間未改變膜形成條件，但 是當膜形成進行時，結晶進行條件（膜特性改變條件）之 • 控制使其能形成僅「位於具有閘極絕緣膜的介面處，或在 閘極絕緣膜的附近」之結晶區。 在膜形成期間有意改變膜形成條件而形成結晶區之方 # 法利用如基底溫度、膜形成速率、膜形成功率的膜形成條 件。亦即，用於輕易結晶的膜形成條件係增加基底溫度、 降低膜形成速率、降低膜形成時的功率 '以及類似。因此 ’膜形成期間之膜形成條件的有意改變使其能形成僅「位 於具有閘極絕緣膜的介面處，或在閘極絕緣膜的附近」之 結晶區。因爲這些條件係取決於如膜形成裝置的結構而不 同’所以事先產生樣本膜形成、得到膜形成條件與沈積膜 的結晶狀態之間的關係、以及依據所得的結果控制這些條 件是重要的。 -9- (6) 1328288 本發明中所使用的非晶氧化物包含例如是In、Zn及 G a 〇 結晶區代表藉由截面穿透式電子顯微鏡（TEM)技術 所觀察之主動層的結晶區。 根據本發明的場效電晶體不僅包括交錯型及反相交錯 型，而且也包括共平面型及反相共平面型。 根據本發明之用來當作主動層的非晶氧化層之厚度較 籲 佳爲〇.〇5/zm或較大，及lym或較小。 非晶氧化層的厚度係根據以下原因而決定。根據本發 明的結晶區具有小於〇.〇5gm的截面直徑。因此，當主動 層具有小於0.05/zm的厚度時，包括結晶區於通道中的 TFT與不包括結晶區於通道中的TFT之效能會產生很大的 差異。另外，當厚度大於時，非晶氧化層的膜形成 . 需要長的時間，大於l/zm的厚度不適用於大量生產程序 〇 φ 在使用由具有在具有閘極絕緣膜的介面附近之非晶氧 化物所組成之主動層的情況中，鑒於消除電晶體之間的效 能差異，較佳爲將電晶體製造成使得用來當作電晶體的通 道之一部分不包括此種結晶區。 另外，在本發明中，在形成根據本發明的非晶氧化層 之後，若情況需要，也可移除包含存在於非晶氧化層的表 面層部分之結晶區的至少一部分區域。當另一層係形成於 非晶氧化層上時，此處理可控制存在於這些層之間的介面 上之結晶區的存在量及分佈狀態，藉此提升介面的匹配。 -10- (7) 1328288 雖然取決於主動層的厚度，但是本發明中之「介 附近」意謂主動層離介面之1/2厚度的距離內， 300nm內，較佳爲lOOnm，且更較佳爲離主動層與閘 緣膜之間的介面50nm之區域。 此外，認爲當本發明中之介面附近的厚度爲具有 或大於通道的厚度之區域時，本發明變的更有效。 φ (範例） 製造根據本發明的場效電晶體之特定方法將做解^ " (1 )主動層的製造 首先，Si02玻璃基底（由Corning公司所製造的 • )係製備爲基底，膜係沈積於此基底上。然後，由In . 及G a所組成的非晶氧化層係藉由RF濺鍍法而形成。 其中’ InGaZii氧化物的複晶燒結體係用來當作 • 材料》可置放複數個目標基底的SH-350C由ULVAC 所製造）係用來當作RF濺鍍裝置。rf功率係設 3 〇〇 W，膜形成壓力（亦即’總壓力）係設定爲4 m (亦即’約〇·533 Pa)，而基底溫度不會特別增加❶ 會使膜形成氣壓爲氧與氬的混合氣體氣壓。氧部 力係設定爲流率的3.7% (亦即，約0.0197 Pa)。目 基底的距離於垂直方向係設定爲約5 cm，且進行膜形 S非晶氧化層的厚度變成50nm時，此時會完成膜形 藉由X射線螢光分析，所得到的非晶氧化層之合成 面的 且在 極絕 等於 1737 、Zn 目標 公司 定爲 托耳 分壓 標與 成。 成。 物爲 -11 - (8) 1328288
In : Ga ： Zn=l : 0.9 ： 0.65。 (2 ) MISFET的製造 接著，會產生圖3中所顯示的頂閘極MISFET裝置。 電晶體會製造成使得通道長度及通道寬度分別係設定爲10 仁 m 及 1 50 /z m。 在基底上’ Ti膜（膜厚度：5nm) 283及Au膜（膜厚 φ 度：4〇nm) 28 1係藉由電子束沈積法而以顯示的順序形成 ，然後進行圖案化，以具有圖3中所顯示的圖案。因此， 形成源極電極及汲極電極。在此之後，進行圖案化的抗蝕 劑（未顯示）係形成於兩電極的一部分上，而非晶氧化層 210係藉由RF濺鍍法而產生。在此之後，用來當作閘極 • 絕緣層的Y2〇3膜220係藉由以上所提及的RF濺鍍法而形 成（膜厚度：140nm)。 在經由抗蝕劑移除而進行剝除之後，會再次形成抗蝕 # 劑，進行圖案化，然後由Ti膜23 3及Au膜231所組成的 閘極電極23 0係以與汲極電極及類似相同的方式而形成。 因此，可得到頂閘極TFT。電極及閘極絕緣膜的形成係於 不會特並進行加熱的狀態中進行。閘極電極230的結構係 與源極電極的結構相同。 (3) MISFET的特徵評估及結構評估 如此產生之TFT的電流-電壓特徵係於室溫中決定出 來。當汲極電壓VDS增加時，汲極電流IDS會增加，而此 -12- (9) 1328288 代表此通道爲η型半導體。另外，典型半導體電晶體的行 爲係顯示當汲極電壓VDS到達約6V時，會產生截止（飽 和）狀態。當檢查增益特徵時，於施加6V的汲極電壓 VDS時之閘極電壓VGS的臨界値約+1V。此外，當閘極電 壓VGS爲4V時’會流動7·5χ10·5 A的汲極電流IDS。 電晶體的導通/截止比率超過106。場效遷移率係從約 15.7 cm2/V · s之飽和區中的輸出特徵中計算出來，藉此 φ 得到高場效遷移率。 然後，具有此種高場效遷移率的電晶體係藉由截面 TEM技術所觀察出來。特定而言，電晶體的截面係使用 FIB (使用日立（Hitachi )有限公司所製造的FB-2000) ，且藉由截面TEM技術所觀察出來。爲了觀察，會使用 • 日立有限公司所製造的H-800。圖1顯示其截面TEM影像 。在圖1中，InGaZn氧化層係置於基底與絕緣膜之間。 周 近 附 其 在 或 近 附 面 介 的 膜 緣 絕 有 具 在 括 包。 層粒 化晶 氧體 ， 晶 外之 另圍 (4 )比較例子 爲了與以上例子做比較，電晶體係依據與例子中相同 的條件而製造出來，除了將形成非晶氧化層時的氧部分壓 力改變成3.4% (亦即，0.018 Pa)。電晶體係藉由以上所 提及的截面TEM技術所觀察出來。如圖4中所顯示，結 晶區不存在於非晶氧化層中。主動層的合成物幾乎與以上 例子相同。 -13- (10) 1328288 電晶體特徵會做評估，而顯示出在飽和區中，場效遷 移率約爲1 〇 cm2/V . S。此値小於以上所提及的電晶體例 子之値。 如從以上而顯然可知的，就場效遷移率的觀點，較佳 爲將主動層形成爲使得非晶氧化層包括在具有閘極絕緣膜 的介面附近之結晶區。 φ 產業可利用性 本發明係應用於顯示裝置的電晶體，此顯示裝置使用 液晶或如有機EL層或無機EL層的發光層。另外，根據 本發明的電晶體可於低溫時，藉由膜形成而製造出來，因 此可於由樹脂、塑膠、或類似物所組成的軟性基底上製造 出來。因此，電晶體可適用於1C卡、ID標籤、以及類似 一 物。 # 本發明的功效 根據本發明，可產生具有高場效遷移率的電晶體。 此申請案主張2005年1 1月8日所申請之曰本專利申 請案第2005-323689號，以及2006年10月18日所申請 之曰本專利申請案第2006-283893號，其在此倂入做爲參 考。 【圖式簡單說明】 圖1係用以解釋本發明之截面TEM影像； -14 - (11) 1328288 圖2係用以解釋本發明之槪要截面圖， 圖3係用以解釋根據本發明的場效電晶體之槪要截面 圖；以及 圖4係用以解釋比較例子之截面TEM影像。
【主要元件之符號說明】 210 :主動層 2 1 5 :結晶區 2 1 7 :非晶氧化層 220 :閘極絕緣膜 2 3 0 :閘極電極 231 ： Au 膜 233 ： Ti 膜 250 :第一介面 260 :第二介面 281: Au 膜 283 ： Ti 膜 -15-
Claims (1)
1328288 十、申請專利範圍 年f月2曰修i劃線本| L’1·...... ' . 」 第95 1 40809號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國99年4月2日修正 !· 一種場效電晶體，包含： 主動層；以及 閘極絕緣膜， 該主動層包含非晶氧化層，該非晶氧化層含有In、Zn 及Ga’且該非晶氧化層包含結晶區> 其中該結晶區以點狀狀態存在且接觸第一介面，該第 一介面爲該非晶氧化層與該閘極絕緣膜之間的介面，或者 該結晶區以點狀狀態存在於離該第一介面爲該非晶氧化層 厚度之1/2的距離之內且離該第一介面爲3 00 nm之內的區 域內，以及 其中該結晶區係不在相對於該非晶氧化層之該第一介 面的第二介面之附近。 2 ·如申請專利範圍第1項之場效電晶體，其中該非 晶氧化層具有0.05"m或較大，及l"m或較小的厚度。
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