TWI508283B - 製造場效電晶體之方法 - Google Patents

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Description

製造場效電晶體之方法
本發明係關於薄膜電晶體。
本申請案主張2008年8月4日提出申請的美國臨時申請案第61/086,047號之優先權，其內容以整體引用的方式併入本文中。
薄膜電晶體(TFT)係特定類型之場效電晶體，其係藉由將半導體主動層、介電層及金屬接觸層之薄膜沈積於支撐基板之上製得。TFT之主要應用係用於液晶顯示器中，且為此最常用基板係玻璃。此不同於用於電子器件中之習用電晶體，在電子器件中半導體材料(通常矽晶圓)為基板。依賴於由背光所發射光之像素×像素調節之顯示器尤其期望透明TFT(TTFT)。
TFT可使用各種半導體材料來製作。常用材料係矽。基於矽之TFT的特性取決於矽晶態。半導體層可為非晶形矽或微晶矽，或其可退火成多晶矽。已用作TFT中之半導體的其他材料包括複合半導體(例如鎘硒(CdSe))及金屬氧化物(例如鋅氧化物)。亦已使用有機材料製作TFT(有機TFT或OTFT)。
用於典型液晶顯示器之玻璃基板不能承受多晶矽電晶體製造之高溫特性。為此，由於非晶形矽之低暗電導率且在大面積基板上在中溫下相對容易製造，故其係高解析度大面積顯示器之極為有效地主動層材料。目前最常用的TFT係基於氫化非晶形矽(「a-Si:H」)作為半導體主動層。
化學氣相沈積(CVD)、電漿增強之化學氣相沈積(PE-CVD)及物理氣相沈積方法(例如濺鍍)最常用於沈積構成TFT之矽、絕緣層及導電層。亦已報告基於化學沈澱之鋅氧化物及二氧化矽之溶液處理透明TFT。
在電晶體中，通常有三個用作閘極、源極及汲極之電極。閘極電極將控制電壓供應給電晶體，且電晶體之半導體通道響應閘極電壓將電流從源極傳導至汲極。TFT之閘極絕緣體或閘極介電質使閘極與半導體通道電絕緣。TFT之優良性能要求高通道電導，對所施加閘極電壓之快速「開」及「關」響應，當閘極電壓升高及降低超過臨限切換值時源極-至-汲極電流快速增加及降低，在未施加閘極電壓之情況下源極至汲極之最小電流洩漏及通道至閘極之可忽略電流洩漏。該等操作特性應穩定，且在長時期施加閘極電壓之情況下不會發生改變或漂移。
閘極介電材料在決定TFT之性能中起到關鍵作用。通常，較薄閘極介電層使得在閘極介電層兩端產生較大電壓梯度，且此進而使得半導體中較迅速的產生較多電荷載流子，並允許驅動電壓降低。閘極介電材料之性質會限制此層之厚度。材料在電壓梯度之影響下必須不能被擊穿並導電，其必須結合至半導體通道材料而不會留下太多懸掛鍵(「介面狀態」)，其必須足夠強健以承受熱循環而不會斷裂或與其所結合之各種材料(通常，基板、閘極及介電層)分離，且其在閘控電壓之擴展應用下必須展示穩定性。此外，為使商業上可行，材料應易於利用現有微製造技術敷設並圖案化。應能夠產生特別均勻之極薄層，此乃因大顯示器不可能含有數百萬個像素，且在每一該顯示器中數百萬個TFT之可接受缺陷率通常為零。其中，TFT之最適宜材料係矽氧化物(SiOx )及矽氮化物(SiNx )。儘管通常認為矽氮化物係用於a-Si:H TFT之優良閘極介電質，但SiNx作為閘極介電質具有一些缺點：其易碎，當冷卻時經受熱應力，且具有相對較低之透明度。長時間施加閘控偏壓可使得電荷捕獲於與a-Si:H之介面處，此導致TFT之臨限電壓移位。仍需要更穩定、撓性且透明閘極介電材料，尤其在撓性基板上所使用者。
除了與閘極介電質之介面以外，在a-Si:H通道另一側(即，所謂的「背向通道」)上之介面亦影響電晶體之性能。具體而言，蝕刻a-Si:H背向通道並隨後將介電「鈍化層」施加至其可降低表面狀態之密度，並控制表面洩漏電流及光致洩漏電流。在背向通道經蝕刻(BCE)之a-Si:H TFT中，需要鈍化層以保護背向通道在後續處理中免於損壞及污染。對於習用BCE TFT器件，通常使用PECVD沈積之矽氮化物(SiNx )作為鈍化層。然而，由於SiNx 具有相對較高之介電常數、高應力及低透射，故其限制了器件之尺寸及性能。業內仍需要較低介電常數、較低應力及較高透射之介電材料用於TFT中背向通道鈍化。
液晶顯示器面板愈來愈普遍地用於電腦顯示螢幕及平板電視機。該等商品之市場持續需要較大尺寸之顯示器、較高解析度及較高彩色圖像再現能力。需要適於用作主動矩陣顯示器中之開關器件的薄膜電晶體，其製造經濟，具有低缺陷率及經改良之電特性，例如高場效遷移率、高頻率之可靠性、及低洩漏電流。
有機高發射顯示器係用於平板顯示器之新技術。OLED顯示器之商業生產迅速加速，此乃因其具有若干優於液晶顯示器之優點。有機發光顯示器依賴於連續提供直流電之薄膜電晶體，且因此需要在長期使用中尤其穩定之電晶體。
揮發性矽烷及聚矽氧通常作為矽來源氣體用於以電漿增強之化學氣相沈積(PE-CVD)生長含碳矽氧化物膜(有時稱為有機矽酸鹽玻璃(OSG))。OSG通常用於鈍化導電元件間之絕緣層(低k介電層)，且在鑲嵌製程中用作下伏絕緣體。在較高的氧/聚矽氧比率下所得膜比在較低的氧/聚矽氧比率下所得膜更硬且更類似於二氧化矽，且該等膜已用作聚合物及金屬上之硬保護塗層。
本發明提供具有一或多個絕緣層之電晶體，該等絕緣層係由混合二氧化矽-聚矽氧材料(在業內亦稱為有機矽酸鹽玻璃(OSG))製得。本發明OSG層之物理及電性質使其尤其適合用於薄膜場效電晶體中。在某些實施例中，本發明提供閘極介電層、背向通道鈍化層、及/或基板鈍化層，其基本上係由混合二氧化矽-聚矽氧材料組成。混合材料較佳係自包含揮發性聚矽氧前驅體及氧化劑之氣體混合物藉由電漿增強之化學氣相沈積所形成。氧化劑可為此項技術中習知之任何氧化劑氣體，其包括(但不限於)氧氣、過氧化氫、臭氧及一氧化二氮。較佳為氧氣。
氣體混合物可視情況包括惰性氣體(例如氬)及為閘極絕緣體層貢獻原子之反應性氣體。實例包括(但不限於)為有機矽酸鹽玻璃貢獻氮原子之反應性氣體。適宜之氮供體包括(但不限於)有機矽氮烷及矽基化氮化合物、氨及氮氣。
在一個態樣中，本發明提供沈積有機矽酸鹽玻璃層之方法、及此方法在TFT、其他絕緣閘極場效電晶體、及相關器件之製造中沈積閘極介電質、背向通道鈍化層、及基板鈍化層之用途。
在某些實施例中，本發明提供包含場效電晶體之電子器件，該場效電晶體包含：包含半導體材料之半導體主動層；源極電極及汲極電極；閘極電極；及佈置於該閘極電極與該半導體主動層之間之絕緣材料，該絕緣材料基本上由有機矽酸鹽玻璃組成。
在某些實施例中，本發明提供製造場效電晶體之方法，該方法包含以下步驟：提供基板；在該基板之上藉由包含以下之步驟形成閘極絕緣體層：(a)將該基板置於沈積室中；(b)於該室中引入包含以下之來源氣體：揮發性聚矽氧前驅體及至少一種選自由氧、臭氧、過氧化氫、及一氧化二氮組成之群之氧化劑氣體；及(c)將射頻、微波頻率或DC電力施加於該室。
該電子器件可為場效電晶體本身(例如，安裝於基板上)或任一使用場效電晶體之器件，其包括有機發光器件及顯示螢幕(例如，平板電視機及電腦監視器中所用之液晶顯示器)。在一個組件與另一組件「電連接」或「以電方式連接」之情況下，其意味著該等組件係經排列以使電流可從一個組件流向另一組件。實體上在該兩個組件之間可能有或可能無其他組件(例如，導電或半導電材料)。
在將第一組件闡述為在第二組件「之上」之情況下，該第一組件之至少一部分係經佈置而遠離基板。此包括該第一及第二組件彼此物理接觸(例如，該第一組件佈置於該第二組件上)或該第一與第二組件之間存在其他組件之可能性。舉例而言，在TFT之頂部閘極構造中，閘極電極可闡述為佈置於基板「之上」，即使其間有各種組件存在。
本發明提供包含一或多個絕緣層之場效電晶體，其基本上由有機矽酸鹽玻璃組成。在一些實施例中，一或多個絕緣層完全由有機矽酸鹽玻璃組成。較佳地，電晶體包含佈置於閘極電極與半導體主動層之間之閘極絕緣體材料，其中該閘極絕緣體材料基本上(或完全)由有機矽酸鹽玻璃組成。本發明之電晶體可視情況包含背向通道鈍化層、及/或子層，其基本上(或完全)由有機矽酸鹽玻璃組成。
有機矽酸鹽玻璃較佳包含約70%至約95%二氧化矽及約30%至約5%矽氧烷聚合物。有機矽酸鹽玻璃係最方便地藉由電漿增強之化學氣相沈積自包含以下之氣體混合物來沈積：一或多種揮發性聚矽氧前驅體及氧化劑氣體(例如氧)，其中氧化劑氣體與揮發性聚矽氧前驅體之體積流量比為至少25:1。揮發性聚矽氧前驅體於氧中之體積流量百分比(以標準立方公分/分鐘量測)較佳介於0.1%與10%之間、更佳介於0.5%與8%之間、再更佳介於1%與6%之間，且最佳介於2%與5%之間。
本發明之電晶體可製造於剛性或撓性基板上，該基板可視情況包括一或多個佈置於基板與電晶體之間之子層(以改良黏著)或鈍化層。鈍化層較佳基本上(或完全)由有機矽酸鹽玻璃組成，且可視情況敷設於SiNx之黏著改良層(子層)之上。
本發明亦提供形成具有有機矽酸鹽玻璃閘極絕緣體層之「反轉交錯式(inverted staggered)」場效電晶體之方法，該方法包含以下步驟：(a)將閘極電極沈積於基板上；(b)將基板及閘極電極置於PE-CVD室；(c)於該室中引入包含以下之來源氣體：揮發性聚矽氧前驅體及至少一種選自由氧、臭氧、過氧化氫及一氧化二氮組成之群之氧化劑氣體；及(d)將射頻、微波頻率或DC電力施加於該室；以便將有機矽酸鹽玻璃層沈積於閘極電極及基板上。
該方法進一步包含沈積源極及汲極層之步驟，其較佳藉由沈積非晶形氫化矽層、經摻雜(供體或受體)非晶形氫化矽層、及奈米結晶矽、微晶矽或多晶矽之層來達成。該方法進一步包含沈積導電層以用作源極電極及汲極電極。
基板可為此項技術中習知可於其上製作場效電晶體之任一基板，例如，玻璃、聚合物箔或金屬箔。對各個層實施微影技術、圖案化及蝕刻以便獲得功能電晶體，如此項技術所習知。
在替代實施例中，本發明亦提供形成具有有機矽酸鹽玻璃閘極絕緣體層之「頂部閘極」場效電晶體的方法，該包含以下步驟：(a)將源極/汲極導體層沈積於基板上；(b)將經摻雜非晶形氫化矽層沈積於該源極/汲極導體層上；(c)圖案化該經摻雜非晶形氫化矽層及源極/汲極導體層，以形成個別源極電極及汲極電極；(d)沈積非晶形氫化矽層；(e)將帶有電極及矽層之基板安裝於PE-CVD室中；(f)於該室中引入包含以下之來源氣體：揮發性聚矽氧前驅體及至少一種選自由氧、臭氧、過氧化氫及一氧化二氮組成之群之氧化劑氣體；及(g)將射頻、微波頻率或DC電力施加於該室；以便將有機矽酸鹽玻璃層沈積於該非晶形氫化矽層上。
通常，以上方法將進一步包含將閘極導體層沈積於該非晶形氫化矽、及圖案化該閘極導體以形成閘極電極之步驟、以及圖案化該有機矽酸鹽玻璃、非晶形氫化矽、及經摻雜非晶形氫化矽層之步驟以便暴露該源極電極及汲極電極。
在又一實施例中，本發明提供形成具有有機矽酸鹽玻璃閘極絕緣體之電晶體的方法，該方法包含以下步驟：(a)於基板上製備矽膜，其中該矽選自由非晶形矽、奈米結晶矽、微晶矽、或多晶矽組成之群；(b)將該基板置於PE-CVD室中；(c)於該室中引入包含以下之來源氣體：揮發性聚矽氧前驅體及至少一種選自由氧、臭氧、過氧化氫及一氧化二氮組成之群之氧化劑氣體；及(d)將射頻功率施加於該室；以便將有機矽酸鹽玻璃層沈積於矽膜及基板上。
上述方法可進一步包含以下步驟：(a)圖案化該有機矽酸鹽玻璃層以暴露該矽層；(b)藉由離子植入摻雜該經暴露矽或藉由沈積經摻雜矽之層在該暴露矽上提供經摻雜矽之層；(c)沈積電極材料層；及(d)圖案化該電極材料以形成閘極、源極及汲極電極。
所有以上方法可進一步包含將有機矽酸鹽玻璃之鈍化層沈積於任何經暴露非晶形氫化矽上。
在某些實施例中，本發明之閘極絕緣體層包含混合二氧化矽-聚矽氧材料，此項技術中亦稱為有機矽酸鹽玻璃。電漿增強CVD(PE-CVD)較佳用於沈積混合二氧化矽-聚矽氧材料之層。出於各種原因PE-CVD可能合意，其包括低溫沈積(例如，小於150℃)、形成均勻塗層及可控制製程參數。適用於本發明之各種PE-CVD製程已為此項技術習知，其包括彼等使用射頻(RF)、微波、或直流電(DC)能量來產生電漿者。
揮發性聚矽氧前驅體可為當藉由化學氣相沈積來沈積時能夠形成有機矽酸鹽玻璃層之任何材料。有各種該等前驅體材料適用於本發明，且可針對其各種特性進行選擇。舉例而言，前驅體材料可針對其化學元素之含量、所存在化學元素之化學計量比、及/或在PECVD下所形成之聚合及非聚合材料來選擇。矽氧烷係一類尤其適於用作前驅體材料之化合物。矽氧烷化合物之代表性實例包括六甲基二矽氧烷(HMDSO)及二甲基二甲氧基矽烷。當在氧化劑之存在下藉由PECVD沈積時，該等矽氧烷化合物能夠形成聚矽氧聚合物及二氧化矽二者，並在適當條件下沈積該兩種物質之混合體，即有機矽酸鹽玻璃。前驅體材料亦可基於其他特性來選擇，例如成本、無毒性、黏度、凝固點、揮發性、及可用之純度程度。
適宜用作前驅體材料之其他有機矽化合物包括(但不限於)甲基矽烷；二甲基矽烷；乙烯基三甲基矽烷；三甲基矽烷；四甲基矽烷；乙基矽烷；二矽醇基甲烷；雙(甲基矽醇基)甲烷；1,2-二矽醇基乙烷；1,2-雙(甲基矽醇基)乙烷；2,2-二矽醇基丙烷；1,3,5-三矽醇基-2,4,6-三亞甲基、及該等化合物之氟化衍生物。適宜用作前驅體材料之含苯基之有機矽化合物包括：二甲基苯基矽烷及二苯基甲基矽烷。適宜用作前驅體材料之含氧有機矽化合物包括：二甲基二甲氧基矽烷；四甲基二矽氧烷、1,3,5,7-四甲基環四矽氧烷；1,3-二甲基二矽氧烷；1,1,3,3-四甲基二矽氧烷；1,3-雙(矽醇基亞甲基)二矽氧烷；雙(1-甲基二矽氧烷基)甲烷；2,2-雙(1-甲基二矽氧烷基)丙烷；2,4,6,8-四甲基環四矽氧烷；八甲基三矽氧烷；八甲基環四矽氧烷；2,4,6,8,10-五甲基環五矽氧烷；1,3,5,7-四矽醇基-2,6-二氧基-4,8-二亞甲基；六甲基環三矽氧烷；1,3,5,7,9-五甲基環五矽氧烷；六甲氧基二矽氧烷、十甲基環五矽氧烷、2,2,-二烷基-1,3-二氧雜-2-矽雜環戊烷(其中烷基為甲基、乙基、丙基、或異丙基)、及該等化合物之氟化衍生物。
較佳地，揮發性聚矽氧前驅體為四甲基二矽氧烷、六甲基二矽氧烷、八甲基三矽氧烷、六甲基環三矽氧烷、八甲基環四矽氧烷、十甲基環五矽氧烷、或2,2,-二烷基-1,3-二氧雜-2-矽雜環戊烷。最佳者係六甲基二矽氧烷。
有機矽酸鹽玻璃較佳藉由電漿增強之化學氣相沈積(PE-CVD)由包含以下之氣體混合物來沈積：如上文所闡述之揮發性聚矽氧前驅體及氧化劑氣體(其較佳為氧)。視情況，前驅體氣體混合物可包括一或多種揮發性氮源，例如氮氣、氨、有機矽氮烷、及矽基化胺化合物。
適宜用作氮源材料之含氮有機矽化合物包括(但不限於)六甲基二矽氮烷；二乙烯基四甲基二矽氮烷；六甲基環三矽氮烷；二甲基雙(N-甲基乙醯胺基)矽烷；二甲基雙-(N-乙基乙醯胺基)矽烷；甲基乙烯基雙(N-甲基乙醯胺基)矽烷；甲基乙烯基雙(N-丁基乙醯胺基)矽烷；甲基叁(N-苯基乙醯胺基)矽烷；乙烯基叁(N-乙基乙醯胺基)矽烷；四(N-甲基乙醯胺基)矽烷；二苯基雙(二乙基胺氧基)矽烷；甲基叁(二乙基胺氧基)矽烷；及雙(三甲基矽基)碳化二亞胺。
當藉由PECVD沈積時，前驅體材料可形成各種類型的不同量的聚合物材料，此取決於前驅體材料之類型、氧化劑及其他反應性氣體(例如氮供體)之數量及性質、及物理反應條件。當有機矽化合物用作前驅體材料時，所沈積混合層可包括(例如)聚合物鏈，該聚合物鏈納入Si-O鍵、Si-C鍵及/或Si-O-C鍵以形成聚矽氧烷、聚碳矽烷、及聚矽烷，以及各比例的主要為類無機二氧化矽之相。舉例而言，在有機矽化合物與含氧氧化劑氣體組合用作前驅體材料時，非聚合材料可包括矽氧化物，例如SiO、SiO2 及混合價氧化物SiOx 。當用含氮反應物氣體沈積時，非聚合材料亦可包括矽氮化物(SiNx )、氧碳化矽及氧氮化矽。
當使用PE-CVD時，一或多種前驅體材料可與一或多種在PE-CVD製程中與前驅體材料反應之反應物氣體聯合使用。在PE-CVD中使用反應物氣體已為此項技術習知，且有各種反應物氣體適用於本發明，其包括含氧氣體(例如，O2 、臭氧、過氧化氫、一氧化二氮、有機過氧化物及氫過氧化物、及水)及含氮氣體(例如，氨及六甲基二矽氮烷)。反應物氣體可用於改變反應混合物中所存在化學元素之化學計量比。舉例而言，當矽氧烷前驅體材料與含氧或含氮反應物氣體一起使用時，反應物氣體將相對於反應混合物中之矽及碳改變氧或氮之化學計量比。反應混合物中各種化學元素(例如，矽、碳、氧、氮)之化學計量關係可以各種方式改變。反應中前驅體材料及反應物氣體之濃度可藉由改變進入反應之前驅體材料與反應物氣體之流量來控制。另一途徑係改變反應中所用前驅體材料或反應物氣體之種類。舉例而言，使用環狀矽氧烷代替類似直鏈矽氧烷將使得有機矽酸鹽玻璃中碳與矽之比例降低。
改變反應混合物中元素之化學計量比可影響所沈積混合層中聚合及非聚合材料之性質及相對量。舉例而言，矽氧烷氣體可與不同量的氧組合以調節混合層中類二氧化矽及類聚矽氧材料之相對量。藉由相對於矽或碳增加氧之化學計量比，可使類二氧化矽材料之量增加。同樣地，藉由降低氧之化學計量比，可使含碳之類聚矽氧材料的相對量增加。混合層之組成亦可藉由調節其他反應條件來改變。舉例而言，在PE-CVD之情況下，可改變諸如RF功率及頻率、沈積壓力、沈積時間及氣體流量等製程參數。
在本發明中，閘極絕緣體層所用有機矽酸鹽玻璃富含類二氧化矽相。此最方便地可藉由從富氧前驅體氣體混合物沈積層來達成。舉例而言，當在本發明中使用氧作為氧化劑氣體且六甲基二矽氧烷作為揮發性聚矽氧前驅體時，聚矽氧前驅體於氧中之體積流量百分比(如以標準立方公分/分鐘所量測)係介於0.1%與10%之間。體積流量比近似地相當於在沈積製程期間CVD室中兩種分子物質之莫耳比。較佳地，聚矽氧前驅體於氧中之體積流量百分比係介於0.5%與8%之間，更佳地其介於1%與6%之間，且再更佳其介於2%與5%之間。為計及具有不同分子量、不同化學組成及相應地每標準平方公分之不同矽及碳含量之聚矽氧前驅體，該等數值可視需要進行調整。在六甲基二矽氧烷之情況下，「富氧」條件係指相對氧流量與六甲基二矽氧烷之流量相比大於約25:1。HMDSO之百分比最佳介於2%與4%之間。圖13展示氧與六甲基二矽氧烷之莫耳比對所得混合介電質之擊穿電壓的影響。
因此，藉由使用本發明方法所形成之混合有機矽酸鹽玻璃層可具有聚合(類聚矽氧)及非聚合(類二氧化矽)組份，且具有適宜用作閘極絕緣體之整體特性。
本發明之有機矽酸鹽玻璃閘極絕緣體材料包含約70%至約95%的二氧化矽(類二氧化矽材料)及約30%至約5%的矽氧烷聚合物(類聚矽氧材料)。如本文所用，二氧化矽與矽氧烷聚合物之百分比係指僅鍵結至氧之矽原子與鍵結至至少一個碳之矽原子的莫耳比。此比例可藉由各種適於表面及薄膜化學及元素分析之技術來確定，例如紅外吸收光譜、拉曼(Raman)散射光譜、用於化學分析之電子能譜(ESCA)、盧瑟福背散射(Rutherford backscattering)、及諸如此類。
本發明方法提供尤其適用於薄膜電晶體(TFT)中之閘極絕緣體層。閘極絕緣體層可製得極其薄，同時具有極好均勻性及極低缺陷度，此係在製造基於TFT之極大陣列的顯示器件中所期望的性質。閘極絕緣體層之厚度可小於300nm，且在一些情況下小於250nm，且在一些情況下小於150nm。此係優於矽氮化物閘極介電質的相當大的改良，矽氮化物閘極介電質通常需要至少300nm厚度來有效運行。(參見，例如，Lin等人，「Amorphous silicon thin-film transistors with field-effect mobilities of 2cm2 /V‧s for electrons and 0.1cm2 /V‧s for holes,」Appl. Phys. Lett. 94:162105(2009年4月))。本發明之TFT可能能夠利用極薄閘極絕緣體厚度來如此有效地運行，此乃因有機矽酸鹽玻璃混合材料具有較少允許電流洩漏之微裂紋。相反，習知脆性材料(例如SiNx 及SiO2 )具有該等微裂紋，導致電流洩漏。(參見，例如Lin Han等人，「A New Gate Dielectric for Highly Stable Amorphous-Silicon Thin-Film Transistors With ~1.5-cm2 /V‧s Electron Field-Effect Mobility,」IEEE Electron Device Lett. 30:5,第502-504頁(2009年5月))。本發明之閘極絕緣體可與用於製造TFT之其他材料形成強力結合，且產生低介面狀態數量。
由於PE-CVD中涉及低溫，故本發明方法尤其適用於製造有機TFT，有機TFT係使用相對熱敏感之有機半導體材料作為主動層。當藉由PE-CVD沈積於保持於室溫下之基板上時，本發明之混合介電質具有優良性質。此材料對於撓性電子器件中所用之薄膜電晶體尤其有利，此乃因其不易破裂，不像習用閘極絕緣體矽氮化物及二氧化矽之脆性材料一樣。由於混合介電質可在較低溫度(例如，大約室溫)下沈積，其在冷卻時不會收縮，且結合層不會因與其他層之介面處的不同收縮而產生應力。由於基板之熱膨脹係數無需密切匹配，故本發明之混合介電質使得在各種基板材料上、尤其適用於輕質、撓性LCD及OLED顯示器之透明撓性塑膠基板上構建TFT變得切實可行。
本發明亦提供包含一佈置於閘極電極與半導體主動層之間之閘極絕緣體材料的場效電晶體，其中該閘極絕緣體材料包含上述有機矽酸鹽玻璃、或較佳基本上由其組成。在此上下文中，「基本上由...組成」係指除本文所述揮發性前驅體氣體所提供之矽、碳、氫、氧及視情況氮以外無其他對本發明有機矽酸鹽玻璃絕緣體層之絕緣、介電及障壁狀態性質有功能相關影響之材料存在。在較佳實施例中，閘極絕緣體材料係由上述有機矽酸鹽玻璃組成，該玻璃可視情況具有氮組份。
適用於本發明TFT之半導體係此項技術中已知之所有半導體，其包括(但不限於)非晶形矽、奈米結晶矽、微晶矽、多晶矽、鋅氧化物、鋅錫氧化物、及鋅鎵氧化物。鑒於此項技術目前狀態，較佳為非晶形矽，且更佳為氫化非晶形矽。
適用於本發明有機薄膜電晶體之有機半導體層的有機半導體材料可為任何此項技術中已知之該等材料。最普遍地係使用π共軛材料。π共軛材料之實例包括(但不限於)聚吡咯類，例如聚吡咯、聚(N-經取代吡咯)、聚(3-經取代吡咯)、及聚(3,4-經二取代吡咯)；聚噻吩類，例如聚噻吩、聚(3-經取代噻吩)、聚(3,4-經二取代噻吩)、及聚苯并噻吩；聚二苯并噻吩類，例如聚二苯并噻吩；聚伸噻吩基伸乙烯基類，例如聚伸噻吩基伸乙烯基；聚(對-伸苯基伸乙烯基)類，例如聚(對-伸苯基伸乙烯基)；聚苯胺類，例如聚苯胺、聚(N-經取代苯胺)、聚(3-經取代苯胺)、及聚(2,3-經取代苯胺)；聚乙炔類，例如聚乙炔；聚二乙炔類，例如聚二乙炔；聚甘菊藍類，例如聚甘菊藍；聚嵌二萘類，例如聚嵌二萘；聚咔唑類，例如聚咔唑及聚(N-經取代咔唑)；聚硒吩類，例如聚硒吩；聚呋喃類，例如聚呋喃及聚苯并呋喃；聚(對-伸苯基)類，例如聚(對-伸苯基)；聚吲哚類，例如聚吲哚；聚噠嗪類，例如聚噠嗪；聚并苯類，例如稠四苯、稠五苯、稠六苯、稠七苯、二苯并五苯、四苯并五苯、嵌二萘、二苯并嵌二萘、、苝、蒄、達克綸(terylene)、間二蒽嵌四并苯(ovalene)、quoterylene、及環蒽；衍生物(例如三苯并二噁嗪、三苯并二噻嗪、稠六苯-6,15-苯酮)，其中聚并苯類之一些碳原子係經諸如N、S、及O等原子或經官能團(例如羰基)取代；聚合物類，例如聚乙烯基咔唑、聚苯硫醚、及聚伸乙烯基硫醚。
此外，可適當使用以與以上聚合物中相同之方式具有重複單元之寡聚物，例如，噻吩六聚體(包括α-六噻吩、α,ω-二己基-α-六噻吩、α,ω-二己基-α-五噻吩、及α,ω-雙(3-丁氧基丙基)-α-六噻吩)、或苯乙烯基苯衍生物。
此外，所列舉者係金屬酞青類，例如酞青銅及經氟取代之酞青銅；稠合環化合物之四羧酸二醯亞胺，其包括萘四羧酸醯亞胺類，例如萘1,4,5,8-四羧酸二醯亞胺、N,N'-雙(4-三氟甲基苄基)萘1,4,5,8-四羧酸二醯亞胺、N,N'-雙(1H,1H-全氟辛基)萘1,4,5,8-四羧酸二醯亞胺衍生物、N,N'-雙(1H,1H-全氟丁基)萘1,4,5,8-四羧酸二醯亞胺衍生物、N,N'-二辛基萘1,4,5,8-四羧酸二醯亞胺衍生物、及萘2,3,6,7-四羧酸二醯亞胺；及蒽四羧酸二醯亞胺類，例如蒽2,3,6,7-四羧酸二醯亞胺；富勒烯類，例如C60 、C70 、C76 、C78 、及C84 ；碳奈米管類，例如SWNT；及染料，例如部花青素及半花青素。
在該等π共軛化合物中，較佳使用至少一種選自由以下組成之群者：具有噻吩、伸乙烯基、伸噻吩基伸乙烯基、伸苯基伸乙烯基、對-伸苯基、其取代產物或其至少兩種作為重複單元且重複單元數n為4至10之寡聚物、具有與以上相同之單元且重複單元數n為至少20之聚合物、稠合多環芳族化合物(例如并五苯)、富勒烯(fullerene)、稠合環化合物之稠合環狀四羧酸二醯亞胺及金屬-酞青。
進一步作為其他材料用於有機半導體者可為有機分子錯合物，例如四硫富瓦烯(tetrathiafulvalene)(TTF)-四氰基苯醌二甲烷(TCNQ)錯合物、雙伸乙基四硫富瓦烯(BEDTTTF)-過氯酸錯合物、BEDTTTF-碘錯合物、及TCNQ-碘錯合物。
有機半導體層可藉由在層材料中納入電子接受分子(受體)或電子供給分子(供體)來進行摻雜處理，其包括(但不限於)苯并苯酮衍生物、四氰基乙烯、四氰基苯酮二甲烷；經取代胺，例如伸苯基二胺；蒽、苯并蒽及經取代苯并蒽、嵌二萘及經取代嵌二萘；咔唑及其衍生物；及四硫富瓦烯及其衍生物。
本發明亦提供藉由電漿增強之化學氣相沈積形成具有有機矽酸鹽玻璃閘極絕緣體層之電晶體的方法，該方法包含以下步驟：(a)將閘極電極沈積於基板上；(b)將該基板及閘極電極安裝於CVD室中；(c)於該室中引入包含以下之來源氣體：揮發性聚矽氧前驅體及至少一種選自由氧、臭氧、過氧化氫及一氧化二氮組成之群之氧化劑氣體；及(d)將射頻、微波頻率或DC電力施加於該室。由此將有機矽酸鹽玻璃層沈積於閘極電極及基板上作為閘極絕緣體。
適宜基板包括此項技術中已知之玻璃、金屬、及高強度聚合物膜及箔基板。高強度聚合物膜基板合意的用於製作撓性顯示器，且包括(例如)聚對苯二甲酸乙二酯(PET)及聚醯亞胺箔及膜。基板較佳塗佈有適當子層，如此項技術中所習知。舉例而言，對於玻璃基板，可使用矽氮化物或有機矽酸鹽玻璃(其可為本文所述之有機矽酸鹽玻璃)。已針對各種其他基板(例如金屬及聚合物基板)開發了各種聚合物子層。
方法進一步包含沈積主動半導體材料、較佳矽、且更佳非晶形氫化矽之層的步驟。經摻雜非晶形氫化矽層沈積於非晶形氫化矽上。最後，沈積源極/汲極導體層，並將此層圖案化以產生源極電極及汲極電極。適宜導體係此項技術中已知之任一者，其包括(但不限於)銦錫氧化物、鉻、鋁、銅、及諸如此類。
各種層之圖案化(如在實踐本發明中所實施)可藉由此項技術中習知之各種方式中的任一種來完成。可使用基於光微影之方法，且熟悉此項技術者將熟悉適當抗蝕劑之用途及蝕刻方法。圖案化方法可包括層自組裝至預先圖案化之層。蝕刻方法包括(但不限於)各種濕式化學及電漿方法。適宜非限制性方法闡述於以下實例中。在適當情況下可使用鑲嵌方法，例如，在敷設細銅導體時。
亦提供藉由電漿增強之化學氣相沈積形成具有有機矽酸鹽玻璃閘極絕緣體層之電晶體的替代方法，該方法包含以下步驟：(a)沈積半導電通道層於基板上；(b)沈積經摻雜非晶形氫化矽層於源極/汲極導體層上；(c)圖案化該經摻雜非晶形氫化矽層及源極/汲極導體層，以形成個別源極電極及汲極電極；(d)沈積非晶形氫化矽層；(e)將該基板及閘極電極安裝於CVD室中；(f)於該室中引入包含以下之來源氣體：揮發性聚矽氧前驅體及至少一種選自由氧、臭氧、過氧化氫、及一氧化二氮組成之群之氧化劑氣體；及(g)將射頻、微波頻率或DC電力施加於該室。以此方式，將有機矽酸鹽玻璃層沈積於該非晶形氫化矽層上。電晶體係藉由以下完成：沈積閘極導體層；及圖案化該閘極導體層以形成閘極電極。基板較佳塗佈有適宜子層或鈍化層，如此項技術中所習知。例如，對於玻璃基板，可使用矽氮化物或有機矽酸鹽玻璃(其可為本文所闡述之有機矽酸鹽玻璃)。已針對各種其他基板(例如金屬及聚合物基板)開發了各種聚合物子層或鈍化層。
然後將有機矽酸鹽玻璃、非晶形氫化矽、及經摻雜非晶形氫化矽層圖案化以便暴露源極電極及汲極電極。適用於二氧化矽之圖案化及蝕刻的工業標準方法(例如反應性離子蝕刻)通常適用於本發明之混合OSG介電材料。
提供另一種形成具有有機矽酸鹽玻璃閘極絕緣體之電晶體的方法。該方法包含以下步驟：(a)在基板上製備非晶形矽、奈米結晶矽、微晶矽、或多晶矽之膜；(b)將該基板安裝於CVD室中；(c)於該室中引入包含以下之來源氣體：揮發性聚矽氧前驅體及如上所述之氧化劑氣體；及(d)將射頻功率施加於該室；由此將有機矽酸鹽玻璃層沈積於矽膜及基板上。基板較佳塗佈有適宜子層或鈍化層，如此項技術中所習知。例如，對於玻璃基板，可使用矽氮化物或有機矽酸鹽玻璃(其可為本文所闡述之有機矽酸鹽玻璃)。已針對各種其他基板(例如金屬及樹脂基板)開發了各種聚合物子層。
該方法進一步包含以下步驟：(a)圖案化該有機矽酸鹽玻璃層以暴露該矽層；(b)藉由離子植入摻雜暴露矽或藉由沈積經摻雜矽之層於該經暴露矽上提供經摻雜矽之層；(c)沈積電極材料層；及(d)圖案化該電極材料以形成閘極、源極及汲極電極。
本發明亦可提供藉由任一種上述方法製作之電晶體。以下闡述意欲例示本發明，且並不代表本發明之限制或對隨附申請專利範圍之範圍的限制。
實例
1.0混合閘極絕緣體層之沈積(「閘極介電質」)
混合體係藉由電漿增強之化學氣相沈積(PE-CVD)在單室反應器中沈積，在下文中表示為「小PE-CVD」。在形成混合材料之過程中，小PE-CVD經過若干次重新構造。將混合閘極介電質沈積成兩種構造，該兩種構造在電極表面積及氣體進給方面有所不同，如下文所解釋。
發現混合介電質在富氧條件(即，流量相對於六甲基二矽氧烷之流量大於約25:1)下之PE-CVD產生介電擊穿場為(接近熱SiO2 之介電擊穿場)之材料。(參見圖13。)
1.1 PECVD構造：
有功電極及氣體進給充氣室之上的格柵之表面積為102cm2
來源氣體流量：氧42sccm：六甲基二矽氧烷(HMDSO)1.17sccm；RF頻率：13.56MHz；沈積所用RF功率：50W(0.5W/cm2 )；沈積壓力：約120毫托=16Pa；基板溫度：標稱室溫。
1.2替代PECVD構造：
有功電極之表面積為182cm2 ，且氣體進給環之直徑為7.5cm。
來源氣體流量：O2 33sccm；HMDSO 1.25sccm；RF頻率：13.56MHz；沈積功率：70W(0.38W/cm2 )；沈積壓力：約115毫托=15Pa
基板溫度：標稱室溫至310℃
2.0薄膜電晶體(TFT)製造製程順序
以下闡述兩種不同TFT幾何結構之製程順序。二者均使用非晶形氫化矽(a-Si:H或a-Si)用於通道半導體。第一種係習用反轉交錯式幾何結構，其製作於玻璃及KaptonTM 聚醯亞胺箔基板上；第二種係頂部閘極交錯式幾何結構。
本文實例係使用兩種PE-CVD裝置來實施。一種係以上所闡述之「小PE-CVD」，其用於沈積有機矽酸鹽玻璃(OSG)閘極介電層、背向通道鈍化層、及基板鈍化層。另一種係四室PE-CVD系統，於其中沈積所有其他TFT層：矽氮化物(SiNx )用作鈍化層(且在習用a-Si TFT中作為閘極介電質)；未經摻雜之非晶形氫化矽(a-Si:H或a-Si)用於TFT之半導電通道；且高度摻雜n-型a-Si:H層用於源極及汲極接觸層。
利用兩種不同PE-CVD裝置進行工作需要試樣向前及向後穿過氣氛移動，此在薄膜電子器件中認為係極不期望的。原因在於暴露於氣氛以不可複製的方式改變所暴露表面(該表面在後續層沈積之後變成介面)。最敏感介面係在閘極絕緣體與半導體通道之間，在本文情況下在有機矽酸鹽玻璃與a-Si:H之間，此乃因傳導電子沿此介面移動。在兩個不同PE-CVD系統中實施此製程使此介面暴露於氣氛，且令人驚訝地利用此製程可獲得高場效遷移率。個別TFT製程運行之間場效遷移率之改變可能係由於在各室間之轉移產生差的可複製介面。
下文闡述在玻璃(2.1)及Kapton聚醯亞胺箔(2.2)基板上製造反轉交錯式TFT之方法。在圖中，OSG層亦可稱為「混合體」。
2.1玻璃上之反轉交錯式幾何結構：
在四室PECVD中於150℃或200℃下在玻璃基板上塗佈約250nm SiNx ，或在小PECVD中於室溫下塗佈約250nmOSG。然後熱蒸發50-70nm的Cr閘極接觸層金屬。(參見圖15A。)。遮罩#1：閘極圖案化。旋塗並預烘烤光阻劑，藉助具有閘極金屬圖案之光罩使抗蝕劑暴露於UV光，使抗蝕劑顯影，用鉻蝕刻劑濕式蝕刻鉻，剝除剩餘光阻劑。(參見圖15B。)
將試樣裝載於小PECVD中，並沈積約100-250nm OSG(有時隨後實施3分鐘氧電漿)。然後將試樣轉移至四室PECVD中以於150℃或約250℃下沈積未摻雜a-Si:H及n+ a-Si:H。沈積a-Si:H之前，運行Ar電漿3分鐘以清潔表面。然後在熱蒸發器中沈積約70nm的Cr用於源極及汲極金屬接觸層。(參見圖15C。)
遮罩#2：源極及汲極(S/D)圖案化。如針對遮罩#1所述一樣進行光微影。用Cr蝕刻劑濕式蝕刻鉻，並藉由反應性離子蝕刻(RIE)去除n+ a-Si。(參見圖15D)。遮罩#3：主動區(a-Si島)圖案化。如針對遮罩#1所述一樣進行光微影。藉由RIE去除a-Si。遮罩#4：在混合體中製作通孔用於閘極電極接觸。如針對遮罩#1所述一樣進行光微影。利用RIE蝕刻OSG。
2.2在50-μm厚Kapton TM E聚醯亞胺箔上之反轉交錯式幾何結構：
將KaptonTM 聚醯亞胺箔基板用約250nm SiNx 在四室PECVD中於150℃或200℃下塗佈，或用約250nm OSG在小PECVD中於室溫下塗佈。然後熱蒸發20/50/20nm三層Cr/Al/Cr閘極接觸層金屬。(參見圖16A。)
遮罩#1：閘極圖案化。旋塗並預烘烤光阻劑，藉助具有閘極金屬圖案之光罩使抗蝕劑暴露於UV光，使抗蝕劑顯影，用Cr及Al蝕刻劑濕式蝕刻Cr/Al/Cr，剝除剩餘光阻劑。(參見圖16B。)
將試樣裝載於小PECVD中，並沈積約100-250nmOSG(有時隨後實施3分鐘氧電漿)。然後將試樣轉移至四室PECVD中以於150℃或約250℃下沈積a-Si及n+ a-Si。沈積a-Si之前，運行3分鐘Ar電漿以清潔表面。然後在熱蒸發器中沈積20/50/20nm Cr/Al/Cr用於源極及汲極金屬接觸層。(參見圖16C。)
遮罩#2：源極及汲極(S/D)圖案化。如針對遮罩#1所述一樣進行光微影。用Cr及Al蝕刻劑濕式蝕刻Cr及Al，並藉由反應性離子蝕刻(RIE)去除n+ a-Si。(參見圖16D。)遮罩#3：主動區(a-Si島)圖案化。如針對遮罩#1所述一樣進行光微影。藉由RIE去除a-Si。(參見圖16E。)。遮罩#4：在混合體中製作通孔用於閘極電極接觸。如針對遮罩#1所述一樣進行光微影。利用RIE蝕刻OSG。
2.3玻璃上之頂部閘極交錯式幾何結構
在四室PECVD中於150℃或200℃下在玻璃基板上塗佈約250nm SiNx ，或在小PECVD中於室溫下塗佈約250nm混合體。然後熱蒸發50-70nm的Cr源極及汲極接觸層金屬。轉移至四室PECVD中之後，沈積大約40nm的n+ a-Si用於源極及汲極層。(參見圖17A。)
遮罩#1：源極及汲極(S/D)圖案化。如以上針對章節2.1之遮罩#1所述一樣進行光微影。藉由反應性離子蝕刻(RIE)來蝕刻n+ a-Si，並用Cr蝕刻劑濕式蝕刻鉻。(參見圖17B。)
在四室PECVD中沈積250-nm的a-Si層。然後在單室PECVD中沈積250nm OSG層用於閘極介電質。最後熱蒸發70nm的Cr用於閘極電極。(參見圖17C。)
遮罩#2：閘極圖案化。旋塗及預烘烤光阻劑，藉助具有閘極金屬圖案之光罩使抗蝕劑暴露於UV光，使抗蝕劑顯影，用鉻蝕刻劑濕式蝕刻鉻，剝除剩餘光阻劑。(參見圖17D。)遮罩#3：主動區(a-Si島)圖案化。如針對遮罩#1所述一樣進行光微影。藉由RIE去除OSG及a-Si。(參見圖17E。)
2.4在玻璃上具有背向通道鈍化之反轉交錯式幾何結構：
在四室PECVD中於150℃或200℃下在玻璃基板上塗佈約250nm SiNx ，隨後熱蒸發60nm的Cr金屬層作為閘極接觸層。
遮罩#1：閘極圖案化。旋塗並預烘烤光阻劑，藉助具有閘極金屬圖案之光罩使抗蝕劑暴露於UV光，使抗蝕劑顯影，用鉻蝕刻劑濕式蝕刻鉻，剝除剩餘光阻劑。
將試樣裝載於小PECVD中，並沈積100nm的OSG層。將試樣轉移至四室PECVD中以於250℃下沈積150nm的a-Si:H，然後返回至小PECVD中，並沈積150nm的OSG層。然後使用遮罩#2將150nm OSG層圖案化以形成背向通道鈍化層。
將試樣浸漬於1/100稀釋的緩衝氧化物蝕刻液(BOE)(一種基於HF的水性氧化劑)中20秒以去除任何氧化物，然後立即裝載於四室PECVD中。然後於250℃下沈積40-nm的n+ -摻雜a-Si:H層以提供源極/汲極層。(可使用3分鐘長的Ar電漿以清潔試樣表面，然後沈積n+ a-Si。)由藉由金屬之相繼熱蒸發沈積之Cr/Al/Cr夾層(20/200/20nm)提供源極及汲極接觸層。
遮罩#3：源極及汲極(S/D)圖案化。如以上針對遮罩#1所述一樣進行光微影。利用Cr及Al蝕刻劑來蝕刻Cr/Al/Cr。遮罩#4：主動區(a-Si島)圖案化。如針對遮罩#1所述一樣進行光微影。藉由RIE去除a-Si以隔離源極及汲極，如上文所述。遮罩#5：在混合體中製作通孔用於閘極電極接觸層。如針對遮罩#1所述一樣進行光微影。利用RIE蝕刻OSG及a-Si:H。
3.電晶體製造及評價
使用以上所闡述之方法，在玻璃基板上製備主要呈習用反轉交錯式幾何結構之a-Si:H TFT。此幾何結構之剖面圖展示於圖1及10中。代表性實例之製造、評價及特性闡述於下文中。該等實例指定為TFT 1、TFT 2、TFT 3、及TFT 4。亦在聚醯亞胺箔上製造一系列TFT用於應力及撓性測試，並製造OSG閘極介電質呈頂部閘極共平面幾何結構之TFT以驗證本發明之通用性。該等實例繪示閘極絕緣體之處理溫度、基板、幾何結構、及厚度的一些變化、混合材料用於閘極介電質、背向通道鈍化及基板鈍化之用途，且展示可獲得之經改良電及物理性質。
TFT 1係於低溫下處理且具有250-nm厚OSG閘極絕緣體，此接近習用SiNx 絕緣體之厚度300nm。TFT 2係於高溫下處理且具有100-nm OSG絕緣體，此對於習用SiNx 絕緣體之標準而言極薄。TFT 3係於低溫下處理，具有100-nm(薄)OSG閘極絕緣體，且特徵為具有150-nm厚的OSG背向通道鈍化層。TFT 4係於低溫下處理，且特徵為具有混合OSG鈍化層、混合OSG閘極絕緣體、及混合OSG背向通道鈍化層之撓性基板。
為製造TFT 1，在TFT生長之前於150℃下在玻璃基板上塗佈由PE-CVD所沈積之300-nm厚SiNx 層。蒸發70nm的Cr作為閘極電極。在圖1之特定實例中，閘極電極圖案化之後，於標稱室溫下在單室PE-CVD機中沈積250-nm厚OSG層。用於SiO2 -聚矽氧混合OSG沈積之來源氣體係HMDSO及氧，其環境友好且成本低。OSG材料之性質在熱氧化物與電漿聚合HMDSO之性質之間。(L. Han、P. Mandlik、J. Gartside及S. Wagner,Mater. Res. Soc. Symp .Proc .,2008,A18.3。)將試樣轉移至四室PE-CVD系統中以沈積300-nm厚a-Si:H通道層及50-nm n+ a-Si:H源極/汲極接觸層。藉由熱蒸發製作源極/汲極接觸層(70nm Cr)。
為製造TFT 2(圖6)，在TFT生長之前於250℃下在玻璃基板上塗佈由PE-CVD所沈積之200nm厚SiNx 層。蒸發70nm Cr層作為閘極電極。閘極電極圖案化之後，在310℃至280℃之基板溫度下在單室PE-CVD機中沈積100-nm厚OSG層。然後將試樣轉移至四室PE-CVD系統中以沈積150-nm厚a-Si:H通道層及50-nm n+ a-Si:H源極/汲極接觸層。源極/汲極接觸層係由熱蒸發70nm Cr製得。
為製造TFT 3(圖10)，在TFT生長之前於250℃下在玻璃基板上塗佈由PE-CVD所沈積之250nm厚的SiNx 層。蒸發70nm的Cr層作為閘極電極。閘極電極圖案化之後，於室溫下在單室PE-CVD機中沈積大約100-nm厚OSG層。然後將試樣轉移至四室PE-CVD系統中以沈積150-nm厚a-Si:H通道層。然後再次於室溫下敷設150nm OSG層，隨後圖案化背向通道鈍化層。然後將試樣浸漬於1/100稀釋的BOE中20秒以去除任何天然氧化物，並立即轉移至四室PECVD系統中用以沈積40-nm n+ a-Si:H源極/汲極層。藉由熱蒸發施加源極/汲極接觸層(Cr/Al/Cr(20/200/20nm)夾層)。藉由蝕刻以常用方式實施源極及汲極之圖案化、島之隔離及打開至閘極電極之通孔。
為製造TFT 4，藉由在50μm聚醯亞胺箔基板兩面上室溫PE-CVD沈積250nm的OSG層混合體將其封裝。熱蒸發Cr/Al/Cr(15/40/15nm)金屬夾層並圖案化以用於閘極電極。於室溫下藉由PE-CVD沈積150-nm厚的OSG混合閘極介電質，隨後於150℃下沈積150nm的a-Si:H層。然後趁機150-nm厚的OSG混合層用於背向通道鈍化。圖案化之後，於150℃下沈積40nmn + a-Si:H源極/汲極層，隨後熱蒸發15/40/15nm Cr/Al/Cr夾層用於源極/汲極接觸層。將源極及汲極圖案化，a-Si:H島隔離，並藉由蝕刻打開至閘極電極之通孔。
亦製造具有OSG閘極介電質呈頂部閘極共平面幾何結構之a-Si:H TFT。儘管在本發明揭示內容中並未進一步闡述該等TFT，但該等TFT同樣起作用，且能夠將頂部閘極幾何結構引入工業應用中。
利用HP4155A參數分析器評價該等TFT之IDS -VDS 輸出特性、IDS -VGS 轉換特性、及閘極偏壓-應力穩定性。對於輸出特性，源極汲極電壓從0V掃掠至20V，且閘極電壓以2V之步長從10V掃掠至22V。對於轉換特性，閘極電壓在10V及0.1V之源極-汲極偏壓下從20V掃掠至-10V。在閘極偏壓施加應力中，將源極及汲極接地，並施加正電壓給閘極並持續600s。然後藉由使閘極電壓從20V掃掠至-10V再次量測轉換特性。閘極偏壓電壓從5V變化至80V，此意味著閘極絕緣體兩端之電場從0.2MV/cm變化至3.2MV/cm。臨限電壓之移位係在1×10-10 A之汲極電流值下基於轉換曲線之次臨限斜率確定。
4.結論
TFT 1.
圖2展示通道寬度及通道長度分別為80μm及10μm之TFT 1的IDS -VDS 特性。將線性區域放大並展示於圖3中。轉換特性展示於圖4中。線性區域中電子場效遷移率1.11cm2 /V‧s係根據汲極電流對閘極電壓之斜率、閘極寬度W與閘極長度L之比例、閘極電容C及0.1V之源極-汲極偏壓電壓來擷取。飽和遷移率1.12cm2 /V‧s係根據汲極電流對閘極電壓斜率之平方根、W/L比、及閘極電容獲得。臨限電壓為約5V，開關電流比超過107 ，且次臨限斜率為500mV/decade。
閘極偏壓施加應力後之臨限電壓移位以及其他具有於一系列基板溫度下所沈積之SiNx -閘極介電質之TFT的文獻數據展示於中圖5。(K. Long等人，IEEE Electron Device Lett. ,27:111-113,2006；K. H. Cherenack等人，IEEE Electron Device Lett. ,28:1004-1006,2007；F. R. Libsch及J. Kanicki,Appl. Phys. Lett. ,62:1286-1288,1993)。
文獻教示，隨著處理溫度升高，使用SiNx 閘極介電質之a-Si:H TFT的臨限電壓穩定性得以改良。對於TFT 1而言，儘管SiO2 -聚矽氧混合閘極介電質係於標稱室溫下沈積，但TFT 1之穩定性與使用習用SiNx 用於在150℃下在塑膠上製造之閘極介電質的其他TFT之穩定性相當。而且，在較高閘極偏壓施加應力下，TFT 1之穩定性超過使用習用SiNx 用於於150℃下所製造之閘極介電質的TFT之穩定性。在最近獲得之數據中，根據本發明製作之TFT的臨限電壓穩定性甚至超過使用於350℃下所製造SiNx -閘極介電質之TFT。(本文未展示數據，但參見Lin Han等人，「A New Gate Dielectric for Highly Stable Amorphous-Silicon Thin-Film Transistors With ~1.5-cm2 /V‧s Electron Field-Effect Mobility,」IEEE Electron Device Lett. 30:5，第502-504頁(2009年5月)，其以引用的方式併入本文中。)
TFT 2.
圖7展示通道寬度為60μm且通道長度為60μm之TFT 2的I DS -V DS 特性 。展示偏壓施加應力之前及之後之特性。偏壓施加應力之前及之後之轉換特性及閘極洩漏電流展示於圖8中。此TFT之臨限電壓為2.9V；且在線性範圍中電子場效遷移率為2.37cm2 /V‧s且在飽和範圍內為2.29cm2 /V‧s。
閘極偏壓施加應力後TFT 2之臨限電壓移位展示於圖9，再次同時展示具有於一系列基板溫度下所沈積SiNx -閘極介電質之其他TFT之文獻數據。該數據表明，TFT 2之臨限電壓移位為具有在與TFT 2之混合介電質相同或類似溫度下所沈積SiNx -閘極介電質之習用a-Si:H TFT移位的大約一半。混合SiO2 -聚矽氧介電質與SiNx 介電質之一些基本電性質的比較展示於下表1中。應注意，混合SiO2 -聚矽氧介電質具有比SiNx 介電材料高的電容。
TFT 3.
圖11及12將具有混合介電質之TFT 3的特性與利用SiNx 作為閘極介電質製造之習用TFT的特性進行了比較。除閘極介電質及背向通道層以外，尺寸及量測條件相同。圖11中所繪示之輸出(I DS -V DS )特性展示「混合體」TFT產生為「SiNx 」TFT約4倍的電流。圖12之DC轉換(log10 [I DS -V GS ])特性展示，兩種TFT均類似地具有約1 pA之OFF電流及閘極洩漏電流，「混合體」TFT具有較高ON電流及ON/OFF比，且「混合體」之次臨限斜率為270mV/dec，相對「SiNx 」TFT為500mV/dec。將圖4之最小平方擬合至「混合體」TFT之飽和(V DS =10V)及線性範圍(V DS =0.1V)獲得μ n,sat =2.0cm2 /V‧s且μ n,lin =2.1cm2 /V‧s，且V T 分別=2.0及2.5V。
TFT 4.
該等TFT良好的黏著至箔基板(參見below)，且發現電子場效遷移率為1.2cm2 /V s，次臨限斜率為300mV/decade，ON/OFF比為107 ，且洩漏電流為10-12 A。
在混合OSG-鈍化聚醯亞胺上所構建TFT之撓性。
在TFT製造之前使用彈性SiO2 -聚矽氧混合材料來鈍化50μm-厚聚醯亞胺基板箔(參見上文章節2.2。)基板利用大約300-nm厚的混合材料層於基板之兩面上或僅在基板之TFT側上進行鈍化。混合鈍化層至聚醯亞胺基板之黏著可視情況藉由在沈積混合層之前沈積大約10nm厚的SiNx 子層來改良。將構建於鈍化聚醯亞胺上之個別TFT彎曲至已知半徑並持續1分鐘然後使其變平用以量測轉換特性。彎曲軸垂直於源極-汲極電流路徑。重複此過程直至TFT出現電故障。已證實，當壓縮應變時利用混合介電質製作之TFT具有類似於利用SiNx 製作之習用TFT的撓性，但當拉伸應變時展示明顯增加的撓性。
在彎曲產生壓縮應變時，所有所測試TFT對於大於2%之壓縮應變均與基板分層，無論基板在兩面還是僅在TFT側鈍化。先前已經發現，習用a-Si:H/SiNx TFT在類似壓縮應變下分層。在彎曲產生拉伸應變時，利用新混合材料在兩面鈍化之基板上製作之TFT在高達約0.8%之應變下並未展示轉換特性之明顯改變且在高達1.6%之應變下仍能工作。已發現，於兩面經鈍化之基板上的習用a-Si:H/SiNx TFT在約0.4%拉伸應變下展示轉換特性之改變且在高達0.5%之應變下仍能發揮作用，此值比利用新型混合材料製作之TFT小3倍以上。
對於僅在TFT側鈍化之基板，混合介電質TFT對於高達約2.5%之拉伸應變並未展示轉換特性之明顯改變。在僅TFT側鈍化之基板上的習用a-Si:H/SiNx TFT之性能當拉伸應變達約0.5%時劣化，此值比利用新型混合材料製作之TFT小5倍。該等結果表明，利用新型介電材料製作之TFT具有增強大面積電子器件(例如顯示器及感測器)之撓性及耐久性之潛力。
考慮到使用SiNx 閘極介電質之其他a-Si:H TFT之電子場效遷移率為約1cm2 /V‧s，故以上結果中所達成之電子場效遷移率驚人地高。(參見，例如D. Striakhilev等人，J. Display Technol.，第2卷，第364頁(2006))。一種分析報告，高性能a-Si:H TFT之有效電子場效遷移率在線性區域中達到1.2cm2 /V‧s，在飽和區域中為1.5cm2 /V‧s，且本質遷移率為1.6cm2 /V‧s(參見J. Kanicki及S. Martin,「Thin-Film Transistors,」C. Kagan及P. Andry.編者，第108頁,Marcel Dekker(2003))。因此，在以上所述a-Si:H TFT中所獲得之電子場效遷移率驚人地高。
以上結果中高電子場效遷移率表明，閘極絕緣體層與a-Si:H通道間之介面具有異常低的井密度。在某些實施例中，本發明電晶體在線性區域中之有效電子場效遷移率大於1.5cm2 /V‧s，且在一些情況下大於2.0cm2 /V‧s。在某些實施例中，本發明電晶體之開關電流比大於1×105 ，且在一些情況下大於1×106 ，且在一些情況下大於1×107 。在某些實施例中，本發明電晶體之臨限電壓(V th )小於4.0V，且在一些情況下小於2.0V。在某些實施例中，本發明電晶體之次臨限斜率小於500mV/dec，且在一些情況下小於300mV/dec。次臨限斜率表徵場效應開始之銳度且以S=dV GS /d(logI DS )給出，其中V GS 係閘極電壓，且IDS 係在其中行為為線性(即，V GS <V th )之區域中汲極與源極間之電流。該等性能特性可能難以利用厚度小於300nm之SiNx -閘極介電層達成。
應瞭解，本文所述之各種實施例僅用於舉例說明，且其並非意欲限制本發明之範圍。舉例而言，許多本文所述材料及結構可由其他材料及結構代替，此並不背離本發明之精神。應瞭解，各種關於本發明為什麼可行之理論不欲具有限制性。每一本發明所揭示態樣及實施例可個別考慮或與本發明之其他態樣、實施例及變化形式組合考慮。此外，除非明確說明，否則本發明方法之步驟並不限定於任何特定實施順序。
圖1係根據本發明一實施例之a-Si:H TFT的示意性剖面圖，其具有於標稱室溫下所沈積之250nm混合介電質閘極絕緣層；
圖2展示圖1之TFT的輸出特性；
圖3展示圖1之TFT在線性範圍內的輸出特性；
圖4展示圖1之TFT的轉換特性劑閘極洩漏電流；
圖5展示圖1具有混合閘極介電質之TFT、及具有於150℃、250℃、300℃、及350℃下在玻璃或塑膠基板上所製造之習用SiNx 閘極介電質之TFT的臨限電壓移位對閘極偏壓場；
圖6係根據本發明一實施例之a-Si:H TFT的示意性剖面圖，其具有於約300℃之溫度下所沈積的100-nm混合介電質閘極絕緣體；
圖7展示圖6之TFT在閘極偏壓施加應力之前及之後的輸出特性；
圖8展示圖6之TFT在閘極偏壓施加應力之前及之後的轉換特性劑閘極洩漏電流；
圖9展示圖6之TFT、及具有於300℃及350℃下所製造之習用SiNx 閘極介電質之TFT的臨限電壓移位對閘極偏壓場；
圖10係根據本發明一實施例之a-Si:H TFT的示意性剖面圖，其具有100-nm混合介電質閘極絕緣體、150-nm a-Si:H通道、及在通道與源極/汲極之間之150-nm混合介電質鈍化層；
圖11展示圖10之TFT的輸出特性；
圖12展示圖10之TFT的轉換特性及閘極洩漏電流；
圖13展示混合介電層隨沈積層所用六甲基二矽氧烷與氧之莫耳比變化之擊穿場；
圖14展示具有混合OSG背向通道鈍化層之撓性TFT；
圖15A-15D展示如何在玻璃基板上製作反轉交錯式TFT之實例；
圖16A-16E展示如何在撓性聚醯亞胺基板上製作反轉交錯式TFT之實例；及
圖17A-17E展示如何在玻璃上製作頂部閘極交錯式TFT之實例。
(無元件符號說明)

Claims (18)

  1. 一種製造場效電晶體之方法，其包含以下步驟：提供基板；在該基板之上藉由包含以下之步驟形成閘極絕緣體層：(a)將該基板置於沈積室中；(b)於該室中引入包含以下之來源氣體：揮發性聚矽氧前驅體及至少一種選自由氧、臭氧、過氧化氫、及一氧化二氮組成之群之氧化劑氣體；及(c)將射頻、微波頻率或DC電力施加於該室，其中該揮發性聚矽氧前驅體與氧氣之體積流量百分比係介於0.5%與8%之間，其中該閘極絕緣體層係在小於150℃之溫度下形成，其中該閘極絕緣體層基本上係由包含70%至95%二氧化矽及30%至5%矽氧烷聚合物之氧化矽-聚矽氧混成材料所組成；及背向通道鈍化層，其基本上係由氧化矽-聚矽氧混成材料所組成，該背向通道鈍化層與半導體主動層彼此物理接觸。
  2. 如請求項1之方法，其中該氧化劑氣體係氧氣。
  3. 如請求項2之方法，其中該揮發性聚矽氧前驅體與氧氣之體積流量百分比係介於1%與6%之間。
  4. 如請求項2之方法，其中氧與揮發性聚矽氧前驅體之體積流量比為至少25：1。
  5. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該揮發性聚矽氧前驅體係選自由以下組成之群：四甲基二矽氧烷、六甲基 二矽氧烷、八甲基三矽氧烷、六甲基環三矽氧烷、八甲基環四矽氧烷、十甲基環五矽氧烷、及2,2,-二烷基-1,3-二氧雜-2-矽雜環戊烷。
  6. 如請求項5之方法，其中該揮發性聚矽氧前驅體係六甲基二矽氧烷。
  7. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該基板具有由矽氮化物或有機矽酸鹽玻璃組成之子層或鈍化層。
  8. 如請求項1至4中任一項之方法，其進一步包含將非晶形氫化矽層沈積於該基板之上之步驟。
  9. 如請求項8之方法，其中該非晶形氫化矽層係沈積於該絕緣體層上。
  10. 如請求項9之方法，其進一步包含將經摻雜非晶形氫化矽層沈積於該非晶形氫化矽層上之步驟。
  11. 如請求項6之方法，其中該基板具有閘極電極，且其中該閘極絕緣體層係形成於該閘極電極之上。
  12. 如請求項11之方法，其進一步包含：將半導體材料沈積於該閘極絕緣體層之上以形成半導體主動層；及形成源極電極及汲極電極，其各自與該半導體主動層電連接。
  13. 如請求項1之方法，其中該基板包括源極電極、汲極電極、及與該源極電極及該汲極電極電連接之半導體主動層；且其中該閘極絕緣體層係形成於該半導體主動層之上。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包含：於該閘極絕緣體層之上形成閘極導體層；及圖案化該閘極導體層以形成閘極電極。
  15. 如請求項1之方法，其在形成該閘極絕緣體層之前進一步包含：在該基板之上形成源極/汲極導體層；在該源極/汲極導體層上形成經摻雜非晶形氫化矽層；圖案化該經摻雜非晶形氫化矽層及該源極/汲極導體層以形成個別源極電極及汲極電極；及在該經摻雜非晶形氫化矽層上形成非晶形氫化矽層；其中該閘極絕緣體層係形成於該非晶形氫化矽層上。
  16. 如請求項15之方法，其進一步包含藉由圖案化該閘極絕緣體層、該非晶形氫化矽層、及該經摻雜非晶形氫化矽層來暴露該源極電極及汲極電極。
  17. 如請求項1之方法，其中該基板具有包含選自由非晶形矽、奈米結晶矽、微晶矽、或多晶矽組成之群之矽材料的矽層；且其中該閘極絕緣體層係形成於該矽層上。
  18. 如請求項17之方法，其進一步包含以下步驟：圖案化該閘極絕緣體層以暴露該矽層；藉由離子植入摻雜該暴露矽或藉由沈積經摻雜矽之層而在該暴露矽上形成經摻雜矽之層；沈積一電極材料層；及圖案化該電極材料以形成閘極電極、源極電極及汲極電極。
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