專利名稱：利用氮氣通過反應(yīng)濺射鋅靶形成的薄膜半導(dǎo)體材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明實施方式大致有關(guān)于利用含氮氣體在低溫及高溫條件下反應(yīng)濺射鋅靶而形成具有高遷移率(high mobility)的薄膜半導(dǎo)體材料。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體層的電子遷移率對設(shè)備速度和用以驅(qū)動設(shè)備的電流影響很大。電子遷移率越高，設(shè)備速度越快，并且相同電壓下的源極-漏極電流越高。近年來，多選用非晶硅與多晶硅來形成場效應(yīng)薄膜晶體管(TFT)的半導(dǎo)體層，用以制造驅(qū)動液晶顯示器(LCD)的背板、有機發(fā)光二極管顯示器(OLED)和量子點顯示器，以及用以制造太陽能電池面板。非晶硅的電子遷移率高達lcm2/V-S，低溫多晶硅的電子遷移率可能高于50cm2/V-s，但需要復(fù)雜的工藝步驟(例如，激光退火)才可獲得這么高電子遷移率。因此，制造電子遷移率高于50cm2/V-s的多晶硅的成本相當(dāng)高，且不適合大面積襯底的應(yīng)用。在場效應(yīng)晶體管(FET)中，半導(dǎo)體材料會在源極與漏極電極之間形成溝道。在不供應(yīng)柵極電壓的情況下，即使在源極-漏極之間有電壓，仍然沒有電流通過源極-漏極。當(dāng)電壓供應(yīng)到柵極，半導(dǎo)體層內(nèi)流動電子會聚積在非常靠近柵極介電層與半導(dǎo)體層的界面區(qū)域。這些半導(dǎo)體層會變成具有導(dǎo)電性，且電子可輕易地經(jīng)由源極-漏極之間 的低電壓而通過源極-漏極。半導(dǎo)體材料的高遷移率顯示半導(dǎo)體內(nèi)的流動電子對柵極形成的電場較為敏感，且半導(dǎo)體溝道也變得更具傳導(dǎo)性。半導(dǎo)體材料會決定受施加在柵極與源極端的電壓影響而可穿過半導(dǎo)體溝道的電流。半導(dǎo)體材料的遷移率越高，穿過FET的電流所需要的電壓就越低。非晶硅可依賴氫鈍化來獲得TFT中所需的遷移率。一般可在高達約350°C的溫度下，利用化學(xué)氣相沉積(CVD)來沉積非晶硅。氫鈍化雖有助于非晶硅獲得所需的遷移率，但穩(wěn)定性不佳，例如處于柵極電壓與設(shè)備本身所產(chǎn)生的相對高溫下，TFT閾值電壓(thresholdvoltage)會隨著時間改變。因此，需要一種穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料，該半導(dǎo)體材料不僅在高處理溫度的玻璃襯底上具有足夠高的遷移率，在其它塑性襯底或柔性襯底上也具有足夠高的遷移率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明大致包含半導(dǎo)體膜及用來沉積該半導(dǎo)體膜的反應(yīng)濺射工藝。濺射靶可包含鋅，鋅可摻雜有鋁和其它金屬?？衫靡牒獨怏w與含氧氣體到腔室內(nèi)來反應(yīng)濺射該鋅靶。含氮氣體的量可由不具有典型氧化鋅特征峰(例如，由XRD測量出來的氧化鋅(002)峰)的膜結(jié)構(gòu)來決定?？蛇x擇含氮氣體的流速使得膜是非晶(即，在XRD中沒有測量到明顯的峰)，或是具有某些微弱的氮化鋅或氧氮化鋅峰。含氮氣體的流速可明顯高于含氧氣體的流速。含氧氣體的量可由膜結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變點(turning point)來決定。可使含氧氣體的量比產(chǎn)生XRD可測得的氧化鋅(002)峰所需的量還要低。為簡化工藝起見，可依據(jù)在沒有含氮氣體時進行沉積所測得的膜的透射率(transmittance)、DC電壓的變化或膜傳導(dǎo)性(因為它們與膜的結(jié)構(gòu)有關(guān))，來決定出含氧氣體的流速。在某種程度上，可調(diào)整所形成的膜為非晶或晶體結(jié)構(gòu)。反應(yīng)濺射可在室溫至高達幾百攝氏度的溫度范圍發(fā)生。沉積后，可將半導(dǎo)體膜退火以進一步提高膜的遷移率。當(dāng)用XRD測量時，該膜可能不具有明顯的氧化鋅峰，雖然該膜的氧含量可能達25%或更高。在一實施方式中，該膜可能不具有Zn3N2的峰。在另一實施方式中，由XRD可能測得存在有一個或多個Zn3N2的峰。該膜可包含鋅、氧、氮及其它摻雜在膜中的金屬種類，例如招。當(dāng)用XPS測量時,該膜可能具有氮化物(nitride)或亞硝酸鹽(nitrite)鍵合。該膜可具有介于約400nm至約1，OOOnm之間的光吸收邊(optical absorption edge)和介于約
3.1eV至約1.2eV間的帶隙(band gap)。由于半導(dǎo)體層是依據(jù)膜結(jié)構(gòu)而形成的，因此該半導(dǎo)體層可以使用不同工藝溫度、不同功率、甚至使用不同的制造平臺來制造。在一實施方式中，公開一種濺射方法。該方法包含在濺射腔室內(nèi)放置鋅靶；使濺射氣體流入該腔室內(nèi)，該濺射氣體包含含氮氣體和含氧氣體；對該靶施加偏壓；及沉積半導(dǎo)體層在襯底上，該半導(dǎo)體層包含鋅、氧及氮。在另一實施方式中，公開一種濺射方法。該方法包含使含氮氣體和含氧氣體流入濺射腔室內(nèi)，該濺射腔室具有包含鋅的金屬靶，及濺射沉積半導(dǎo)體層在襯底上，該半導(dǎo)體層包含鋅、氧及氮。在另一實施方式中，公開一種包含有鋅、氧及氮的半導(dǎo)體膜。在另一實施方式中，公開一種包含鋅且遷移率大于5cm2/v-s的半導(dǎo)體膜。在另一實施方式中，半導(dǎo)體膜用以X-射線衍射測量時，具有Zn3N2的第一峰在2 Θ處和約31.5度處具有可能的(222)取向，和具有Zn3N2的第二峰在2 Θ處和約39度處具有可能的(411)取向。也可觀察到其它的Zn3N2峰，例如在約2 Θ處和約36.7度處具有可能的(400)取向，例如圖3F所示。


為了詳細了解本發(fā)明的上述特征，參照多個實施例來進一步描述本發(fā)明，且部分實施例繪示于附圖中。然而，應(yīng)了解到，附圖僅顯示本發(fā)明的典型實施例，因此不應(yīng)視為對本發(fā)明的限制，本發(fā)明可能容許其它等效實施例。圖1示出可用來沉積依據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體層的濺射腔室截面圖；圖2A至2E為膜的XRD曲線圖，示出所形成的鋅和氧化鋅峰與氧氣流速有關(guān)；圖3A至3F為膜的XRD曲線圖，示出依據(jù)本發(fā)明實施方式在各種氮氣流速下所形成的半導(dǎo)體膜。為了便于了解，盡可能地使用相同的標(biāo)號來表示各圖中共有的相同元件。無需特別說明，可了解到實施例中所公開的元件可有利地應(yīng)用于其它實施例中。
具體實施例方式本發(fā)明大致包含一種半導(dǎo)體膜及一種用來沉積該半導(dǎo)體膜的反應(yīng)濺射工藝。濺射靶可包含鋅。在一實施方式中，該靶可包含純度為99.990原子百分比或更高純度的鋅，較佳是純度為99.995原子百分比或更高的純度。在另一實施方式中，該靶包含摻雜有一種或多種摻雜金屬的鋅。例如，該靶可包含摻雜有I原子百分比至約20原子百分比的鋁的鋅?？衫靡牒獨怏w、含氧氣體和氬氣到腔室內(nèi)來反應(yīng)濺射該鋅靶。含氮氣體的量可明顯高過含氧氣體和氬氣的量?？梢罁?jù)在沒有含氮氣體時進行沉積所測得的膜結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變點(turning point)、膜的透射率(transmittance)、DC電壓的變化或膜傳導(dǎo)性,來決定出含氧氣體的量。反應(yīng)濺射可在室溫至高達幾百攝氏度的溫度范圍發(fā)生。沉積后，可將半導(dǎo)體膜退火以進一步提高膜的遷移率。須知，雖然下列說明中靶可以使用直流偏壓，但也可使用交流偏壓。以下示范性地描述該反應(yīng)濺射方法，并且該方法可在用來處理大面積襯底的PVD腔室內(nèi)實施，例如4300PVD腔室(可購自美國加州圣克拉拉市應(yīng)用材料公司的子公司AKT)。但是，由于依據(jù)所述方法形成的半導(dǎo)體膜是由膜結(jié)構(gòu)和組成來決定，因此，該反應(yīng)濺射方法也可用于其它系統(tǒng)配置中，包括那些配置用來處理大面積圓形襯底的系統(tǒng)，以及那些由其它制造商所制造的系統(tǒng)，包括卷繞式(roll-to-toll)處理平臺。須知，下述本發(fā)明以PVD沉積進行說明，但包括化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)或旋涂處理的其它方法，也可用來沉積本發(fā)明的膜。圖1為依據(jù)本發(fā)明實施方式的PVD腔室100的截面圖?？捎谜婵毡?14對該腔室100抽真空。在該腔室100中，襯底102放置在靶104對面。該襯底可放置在該腔室100內(nèi)的基座106 (susceptorl06)上?？扇鐖D示,用致動器112依照箭頭A將基座106升高或下降?？蓪⒒?06升高以將襯底102抬高至處理位置，以及將襯底102下降，使得襯底102可自腔室100中移出。當(dāng)基座106處于較低位置時，用舉升銷108將襯底102抬高到基座106上方。處理期間，則以接地母線110 (grounding strap)使基座106接地。處理期間，也可將基座106升高以使沉積可以均勻地進行。靶104可包含一個或多個靶104。在一實施方式中，靶104可包含大面積濺射靶104。在另一實施方式中,祀104可包含多個祀磚(target tile)。在再一實施方式中，革巴104可包含多個祀條(target strip)。在還一實施方式中，祀104可包含一個或多個圓柱形、可轉(zhuǎn)動的靶?？蓪?04以黏合層(未示出)黏合到背板116上。在該背板116后方可設(shè)有一個或多個磁控管118。這些磁控管118可以直線運動或以二維路徑方式對整個背板116進行掃描。可使用暗區(qū)屏蔽罩120和腔室屏蔽罩122來遮蔽腔室的墻壁，使該墻壁不會受到沉積。為了在整個襯底102上提供均勻的濺射沉積，可在靶104和襯底102之間設(shè)置陽極124。在一實施方式中，該陽極124可為噴丸處理的不銹鋼，該不銹鋼上涂覆有電弧噴涂鋁。在一實施方式中，可利用托架130將該陽極124的一端安裝到腔室的墻壁上。陽極124可在靶104的對面提供電荷，使得帶電離子可被吸引到陽極上，而非到腔室的墻壁上(墻壁通常為接地電位)。利用在靶104與襯底102之間設(shè)置陽極124，可使等離子體更為均勻，有助于沉積。為減少剝落現(xiàn)象，可讓冷卻流體流過該一個或多個陽極124。通過減少陽極的膨脹與收縮量，也可減少自陽極124上剝離的材料量。對于面積較小的襯底來說，也就是說，較小的處理腔室來說，可能不須讓陽極124跨越處理空間，因為腔室墻壁可能就足以提供接地路徑及均勻的等離子體 分布 。
對反應(yīng)濺射來說，提供反應(yīng)性氣體到腔室100可能是有利的?？煽缭角皇?00在靶104與襯底102之間設(shè)置一個或多個進氣管126。而對于面積較小的襯底來說，也就是說，較小的處理腔室來說，跨越處理空間的進氣管126可能不是必要的，因為通過傳統(tǒng)進氣方式即可提供均勻的氣體分布。進氣管126可從氣體面板132引入多種濺射氣體。進氣管126可經(jīng)由一個或多個連接管128而與陽極124連接。這些連接管128可由導(dǎo)熱材料制成以容許進氣管126以傳導(dǎo)的方式冷卻。此外，連接管128也可導(dǎo)電，使得進氣管126可接地并具有陽極的功能。反應(yīng)濺射工藝包括在濺射腔室內(nèi)的襯底對面設(shè)置鋅濺射靶。該鋅濺射靶可實質(zhì)包含鋅，或包含鋅以及摻雜元素。可使用的適當(dāng)摻雜物包括Al、Sn、Ga、Ca、S1、T1、Cu、Ge、In、N1、Mn、Cr、V、Mg、Si具、AlxOy和SiC。在一實施方式中，該摻雜物包含鋁。另一方面，襯底可能包括塑料、紙、聚合物、玻璃、不銹鋼及上述材料的組合。當(dāng)襯底是以塑料制成時，反應(yīng)濺射可發(fā)生在低于約180°C的溫度下。在濺射期間，可將氬氣、含氮氣體及含氧氣體提供到腔室中，以反應(yīng)濺射鋅靶。也可在濺射期間，提供額外的添加物(如，B2H6, CO2, CO、CH4及上述物質(zhì)的組合)到腔室中。在一實施方式中，該含氮氣體包含氮氣。在另一實施方式中，該含氮氣體包含N20、NH3或上述物質(zhì)的組合。在一實施方式中，該含氧氣體包含氧氣。在另一實施方式中，該含氧氣體包含隊0。含氮氣體中的氮與含氧氣體中的氧可和濺射靶中的鋅反應(yīng)，而在襯底上形成包含有鋅、氧及氮的半導(dǎo)體材料。在一實施方式中，該含氮氣體和含氧氣體包含多種氣體的組合，例如，N2O與N2的組合。為確定形成半導(dǎo)體膜期望的氧氣流速，可選擇氧氣的量，使得氧氣量不足以將鋅完全氧化成氧化鋅。鋅的氧化作用程度會影響透射率。舉例來說，完全氧化的鋅的透射率大于約80%。決定所需氧氣流速的一種方式是在不使用氮氣的情況下，以氬氣和氧氣來實施反應(yīng)濺射。在不同氧氣流速下進行實驗，并測量在可見光波長范圍下的透射率。所需的氧氣流速可以是膜達到最大透射率之前的流速。表I示出在不同的氧氣流速下反應(yīng)濺射沉積的氧化鋅的透射率。在一實施方式中，最大較佳透射率可以為80%。在其它實施方式中，如果包括有玻璃吸收或光干擾的話，最大的透射率可能不是80%。當(dāng)使用不同DC靶功率，不同襯底溫度或甚至使用不同的含氧氣體(例如，N2O)時，這些實驗數(shù)據(jù)可能有所幫助。
權(quán)利要求
1.一種通過反應(yīng)濺射形成的非晶半導(dǎo)體膜，所述半導(dǎo)體膜包含鋅、氧和氮的三元化合物。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體膜，其中所述半導(dǎo)體膜具有介于約lOOohm/sq至約IxlO7Ohm/sq之間的方塊電阻。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體膜，其中所述半導(dǎo)體膜具有介于約0.0Olohm-cm至約30ohm-cm之間的電阻值。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體膜，其中所述半導(dǎo)體膜具有大于約30cm2/V-s的遷移率。
5.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體膜，其中所述半導(dǎo)體膜具有大于約90cm2/V-s的遷移率。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體膜，其中所述半導(dǎo)體膜具有高達約80%的透射率。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體膜，其中所述半導(dǎo)體膜具有介于約3.1eV至約1.2eV之間的漸變的帶隙能。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體膜，其中所述化合物包含ZnNxOy。
9.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體膜，其中所述化合物包含摻雜。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體膜，其中所述摻雜包含鋁。
11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體膜，其中所述半導(dǎo)體膜具有介于約lOOohm/sq至約IxlO7Ohm/sq之間的方塊電阻 。
12.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體膜，其中所述半導(dǎo)體膜具有介于約0.0Olohm-cm至約30ohm-cm之間的電阻值。
13.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體膜，其中所述半導(dǎo)體膜具有大于約30cm2/V-s的遷移率。
14.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體膜，其中所述半導(dǎo)體膜具有大于約90cm2/V-s的遷移率。
15.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體膜，其中所述半導(dǎo)體膜具有高達約80%的透射率。
16.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體膜，其中所述半導(dǎo)體膜具有介于約3.1eV至約1.2eV之間的漸變的帶隙能。
全文摘要
本發(fā)明大致包含一種半導(dǎo)體膜及一種用來沉積該半導(dǎo)體膜的反應(yīng)濺射工藝。濺射靶可包含純鋅，也就是純度為99.995%原子百分比或更高純度的鋅，鋅可摻雜有鋁(約1%原子百分比至約20%原子百分比)或其它摻雜金屬?？衫靡氲獨夂脱鯕獾角皇覂?nèi)來反應(yīng)濺射該鋅靶。氮氣的量可明顯超過氧氣和氬氣的量?？梢罁?jù)在沒有含氮氣體時沉積所測得的膜結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變點、膜的透射率、直流(DC)電壓變化或膜傳導(dǎo)性，來決定氧氣的量。反應(yīng)濺射可在室溫至高達幾百攝氏度的溫度范圍下進行。沉積后，可將半導(dǎo)體膜退火以進一步提高膜的遷移率。
文檔編號C23C14/34GK103147039SQ201310012850
公開日2013年6月12日 申請日期2008年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月27日
發(fā)明者彥·葉 申請人:應(yīng)用材料公司