專利名稱：場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，更具體地說，涉及一種具有由無 定形氧化物膜構(gòu)成的柵絕緣層并能夠應(yīng)用于顯示器件等的場(chǎng)效應(yīng)晶 體管。
背景技術(shù)：
場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)是一種三端器件，其具有柵電極、源電極 和漏電極。
場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種電子有源器件，其中，將電壓施加到柵電極， 對(duì)流經(jīng)溝道層的電流進(jìn)行控制，以便開關(guān)源電極與漏電極之間的電 流。
具體說來，將形成在絕緣基底(由陶瓷、玻璃、塑料等形成)上 的薄膜用作溝道層的FET被稱為薄膜FET (薄膜晶體管，TFT)。
上述TFT由于使用薄膜技術(shù)來制造而具有容易形成在具有相對(duì) 較大的區(qū)域的基底上的優(yōu)點(diǎn)，并廣泛地在諸如液晶顯示器件之類的平 板顯示器件中用作驅(qū)動(dòng)器件。
更具體地說，在有源液晶顯示器件(ALCD)中，形成在玻璃基 底上的TFT被用于導(dǎo)通/關(guān)斷各個(gè)圖像像素。
此外，在具備前景的高性能有機(jī)LED顯示器(OLED)中，預(yù) 期使用TFT來進(jìn)行像素的電流驅(qū)動(dòng)是有效的。
此外，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了更高性能的液晶顯示器件，其中，具有驅(qū)動(dòng)和 控制整個(gè)圖像的功能的TFT電路被形成在與圖像顯示區(qū)相鄰的基底 上。
現(xiàn)在最常用的TFT是金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場(chǎng)晶體管(MIS-FET ) 器件。該器件將多晶硅膜或無定形硅膜用作溝道層的材料。
近來，氧化物材料作為可應(yīng)用于TFT溝道層的材料而受到關(guān)注。 例如，正在積極開發(fā)將透明導(dǎo)電氧化物(其將ZnO用作主要成
分)的多晶薄膜用作溝道層的TFT。
可在相對(duì)較低的溫度下形成上述薄膜，因而，該薄膜可形成在諸
如塑料板和膜之類的基底上。
然而，由于在多晶粒子界面處的散射，所以無法使電子遷移率高。 此外，因?yàn)槎嗑ЯＷ拥男螤詈突ミB取決于形成膜的方法而有很大
不同，所以TFT器件的特性會(huì)有差異。
此外，K.Nomura等人在Nature 432,488 ( 2004 )中報(bào)告了一種
使用基于In-Ga-Zn-O的無定形氧化物的薄膜晶體管。 該晶體管可在室溫下形成在塑料或玻璃基底上。 此外，已經(jīng)獲得具有大約6-9的場(chǎng)效應(yīng)遷移率的常斷晶體管特性。 此外，該晶體管的特征在于對(duì)于可見光是透明的。 作為薄膜晶體管的柵絕緣層，通常使用SK)2、 SiNx等。 關(guān)于同樣將氧化物用于溝道層的晶體管，正在考慮使用所述柵絕緣層。
另一方面，作為具有包含Ga作為主要成分的柵絕緣膜的常規(guī)晶 體管，第2005-268507號(hào)日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_公開了 一種將GaN用作溝 道層的FET。
然而，該現(xiàn)有技術(shù)將結(jié)晶度極好的氮化合物用于溝道層。
第2003-086808號(hào)日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_中公開在將結(jié)晶ZnO用
作溝道層的TFT中，LiGa02或(Ga^Al,) 02被用作絕緣層。
然而，在第2003-086808號(hào)日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_中描述的絕緣層是
結(jié)晶薄膜，并且考慮溝道層與絕緣層之間的晶格匹配而選擇用于各個(gè)
層的材料。
順便提及，關(guān)于使用基于In-Ga-Zn-O的無定形氧化物的薄膜晶 體管，嘗試通過使用具有高介電常數(shù)的柵絕緣層(諸如Hf02或Y203) 來制造具有較大的導(dǎo)通電流的薄膜晶體管。

發(fā)明內(nèi)容
然而，利用這些柵絕緣層，難以獲得令人滿意的晶體管特性和工 作穩(wěn)定性兩者。
其中的原因之一被認(rèn)為是利用這些柵絕緣層，難以在柵絕緣層 與溝道層之間形成令人滿意的界面。
這里，令人滿意的晶體管特性包括獲得大的導(dǎo)通電流和小的關(guān)斷電流。
并且，令人滿意的晶體管特性還包括高的場(chǎng)效應(yīng)遷移率以及常斷。
工作穩(wěn)定性包括小的滯后、時(shí)間上的穩(wěn)定性、驅(qū)動(dòng)歷史上的穩(wěn) 定性和對(duì)抗環(huán)境改變的穩(wěn)定性。
回顧將無定形的基于In-Ga-Zn-O的氧化物用作溝道層的薄膜晶 體管，取決于成分、制造條件等，存在TFT的晶體管特性(Id-Vg特 性)中產(chǎn)生滯后的情況。
當(dāng)例如在顯示器的像素電路中使用TFT時(shí)，滯后的生成在要被 驅(qū)動(dòng)的有機(jī)LED、液晶等的工作中產(chǎn)生差異，這最終導(dǎo)致顯示器的圖 像質(zhì)量下降。因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是實(shí)現(xiàn)一種薄膜晶體管，其獲 得令人滿意的晶體管特性和工作穩(wěn)定性兩者。
本發(fā)明的另 一 目的是通過改變用于柵絕緣層的氧化物材料而減 少上述滯后并改善將氧化物用作溝道層的薄膜晶體管的驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其設(shè)置有柵電極、源電極 和漏電極，所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括溝道層，由氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成， 所述氧化物半導(dǎo)體包含從In、 Zn和Sn組成的組中選擇的至少一種； 柵絕緣層，布置在溝道層與柵電極之間，其中，柵絕緣層包括無定形 氧化物，所述無定形氧化物包含Ga作為主要成分。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的示例性結(jié) 構(gòu)的截面圖。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明該實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的另一示例性 結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的典型特性的曲線圖。 圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的典型特性的曲線圖。 圖5是示出當(dāng)包含Y作為主要成分的氧化物被用于柵絕緣層時(shí)
的滯后的曲線圖。
圖6是示出當(dāng)包含Ga作為主要成分的氧化物被用于柵絕緣層時(shí)
的滯后的曲線圖。
圖7是示出當(dāng)通過賊射形成基于In-Ga-Zn-O的氧化物薄膜時(shí)，
電導(dǎo)率對(duì)于氧分壓的示例性依賴關(guān)系的曲線圖。
圖8是本發(fā)明的一個(gè)示例中使用的高頻濺射設(shè)備。
具體實(shí)施例方式
以下將參照附圖來詳細(xì)描述用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式。 根據(jù)本發(fā)明 一個(gè)實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)晶體管是具有溝道層的場(chǎng)效應(yīng) 晶體管，所述溝道層由包括從由In、 Zn和Sn組成的組中選擇的至少 一個(gè)的氧化物組成，所迷氧化物諸如為氧化銦、氧化鋅和氧化錫，在 所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，柵絕緣層包括無定形氧化物，所述無定形氧化 物包含Ga作為主要成分。
首先，要求柵絕緣層具有高的絕緣性質(zhì)(高的電阻率以及高的介 電強(qiáng)度)。
高的絕緣性質(zhì)使得能夠?qū)崿F(xiàn)具有小的柵極漏電流(流經(jīng)源與柵之 間或者漏與柵之間的電流)的晶體管。
此外，如果TFT具有高的絕緣性質(zhì)，則可將絕緣層的膜厚度制 得較薄，所以可實(shí)現(xiàn)高性能的晶體管。
使用具有如此高絕緣性質(zhì)的絕緣材料使得能夠在高電壓下進(jìn)行 驅(qū)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)于過電壓高度可靠的器件。
此外，優(yōu)選的是，形成柵絕緣層的材料具有高的介電常數(shù)。
具有高的介電常數(shù)使得能夠?qū)崿F(xiàn)具有大的導(dǎo)通電流的晶體管。
此外，期望的是，期望形成柵絕緣層的材料在用于TFT時(shí)提供
表現(xiàn)出小的滯后的器件或隨著時(shí)間改變較小的器件。
在這方面，優(yōu)選的是，在絕緣膜中難以捕集電荷。 此外，優(yōu)選的是，在柵絕緣層與溝道層之間形成令人滿意的界面。 通過將包含Ga作為主要成分的無定形氧化物用于絕緣層，可實(shí)
現(xiàn)高絕緣性質(zhì)和相對(duì)較高的介電常數(shù)。
例如，優(yōu)選的是，無定形Ga203的薄膜具有大約為9的相對(duì)較高
的介電常數(shù)，并且可實(shí)現(xiàn)大約4MV/cm的介電強(qiáng)度。
此外，通過將所述結(jié)構(gòu)用于TFT的柵絕緣層，可獲得穩(wěn)定的器
件特性。
認(rèn)為，由于無定形狀態(tài)，可制造平坦薄膜，而在晶粒邊界處沒有 電荷捕集，因而，可獲得穩(wěn)定的器件特性。
具體說來，優(yōu)選的是，使用包含Ga作為主要成分的柵絕緣層， 其具有由無定形氧化物構(gòu)成的溝道層，所述無定形氧化物包含In、 Zn 或Sn作為主要成分。
具有如上所述的這種溝道層的TFT尤其可實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)出小的滯后 和極好的時(shí)間穩(wěn)定性的TFT。
雖然原因并不確定，但是可能是由于在包含In、 Zn或Sn作為 主要成分的氧化物半導(dǎo)體與包含Ga作為主要成分的氧化物絕緣體之 間形成了令人滿意的界面，因而，在所述界面難以捕集電荷。
另一原因可能是當(dāng)在絕緣層與溝道層之間造成原子(Ga等) 的相互擴(kuò)散時(shí)，它對(duì)晶體管特性的影響較小。
再一原因可能是當(dāng)Ga擴(kuò)散時(shí)，無定形溝道層沒有被結(jié)晶，保 持了穩(wěn)定的無定形結(jié)構(gòu)。
圖l和圖2是才艮據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的示例性結(jié)構(gòu)的 截面圖。
圖1示出示例性的錯(cuò)列結(jié)構(gòu)。
在圖1中，標(biāo)號(hào)IO、 11、 12、 13、 14和15分別指示基底、溝道 層、絕緣層、源電極、漏電極和柵電極。
場(chǎng)效應(yīng)晶體管是三端器件，其具有柵電極15、源電極13和漏電 極14。
場(chǎng)效應(yīng)晶體管是電子有源器件，其具有以下功能將電壓Vg施 加到柵電極，控制流經(jīng)溝道層的電流Id，開關(guān)源電極與漏電極之間的 電流Id。
圖1示出示例性的頂柵結(jié)構(gòu)，其中，在半導(dǎo)體溝道層ll上按照 所示順序形成柵絕緣膜12和柵電極15。 圖2示出示例性的反向錯(cuò)列結(jié)構(gòu)。
相同的標(biāo)號(hào)用于指示與圖1所示的部件相似或相同的部件。
圖2示出示例性的底柵結(jié)構(gòu)，其中，在柵電極15上按照所示順 序形成柵絕緣膜12和半導(dǎo)體溝道層11。
TFT的結(jié)構(gòu)并不受限于本實(shí)施例中的這些，可使用任意的頂/底 柵結(jié)構(gòu)或錯(cuò)列/平面結(jié)構(gòu)。
術(shù)語"錯(cuò)列結(jié)構(gòu)"和"平面結(jié)構(gòu)"源于電極與溝道層和絕緣層間的 界面之間的位置關(guān)系。 (柵絕緣層)
柵絕緣層12的材料可以是任何包含Ga作為主要成分的無定形 氧化物。
包含Ga作為主要成分的示例性無定形氧化物包括Ga203、 Ga-In國O、 Ga-Zn-O、 Ga-Zn-O、 Ga-In-Zn畫O、 Ga-Al-O、 Ga-Si-O、 Ga-Hf-O和Ga-Ti-O。
在本發(fā)明中，"包含某成分(元素)作為主要成分"是指在除了氧 之外的元素中，所包含的該元素的量最大。
因此可知在以上描述中，"包含Ga作為主要成分，，是指在除了氧 之外的元素中，所包含的Ga元素的量最大。
此外，"包含某元素作為次要成分"是指在氧和主要成分元素之 后，所包含的所述元素的量第三大。
在晶體管中，因?yàn)闁沤^緣層與溝道層之間的界面的性質(zhì)在很大程 度上對(duì)這些特性有貢獻(xiàn)，所以柵絕緣層的材料與溝道層的材料的組合
是很重要的。
在這方面，具體說來，包含In作為主要成分的溝道層與包含Ga 作為主要成分的柵絕緣層的組合是優(yōu)選的。
此外，包含In作為主要成分的溝道層與包含Ga作為主要成分 且包含In作為次要成分的柵絕緣層的組合是另一優(yōu)選的示例。
如上所述，柵絕緣層材料與溝道層材料的那些組合之所以是優(yōu)選 的是由于形成了令人滿意的界面。
如上所述的柵絕緣層與溝道層的組合使得能夠?qū)崿F(xiàn)具有極好的 TFT特性(諸如高的導(dǎo)通/關(guān)斷比率和高的飽和電流)并在小的滯后 等方面具有極好的驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性的薄膜晶體管。
此外，還優(yōu)選的是，包含Ga作為主要成分的無定形氧化物包含 Ti、 Hf、 Zr、 Y、 La、 Nb或Ta作為次要成分。
這是因?yàn)槿缟纤龅拇我煞挚墒沟媒^緣層具有較高的介電常數(shù)。
這可實(shí)現(xiàn)具有相對(duì)較大的導(dǎo)通電流的薄膜晶體管。
可通過對(duì)多個(gè)絕緣膜進(jìn)行層疊來形成柵絕緣層。
例如，包含Ga作為主要成分的無定形氧化物可被層疊在普通的
絕緣層(諸如Si02或SiNx)上。
優(yōu)選地，通過汽相方法(諸如濺射(SP)、脈沖激光沉積(PLD)、
電子束沉積和原子層沉積)來形成由無定形氧化物構(gòu)成的柵絕緣膜。 應(yīng)注意在汽相沉積方法中，從批量生產(chǎn)的角度考慮，SP是適合的。
然而，形成膜的方法并不受限于以上所述?？梢圆粚?duì)基底有意加 熱而使形成膜時(shí)基底的溫度幾乎保持在室溫。 (溝道層)
作為用于形成在本發(fā)明中使用的溝道層的無定形氧化物，可使用 由式l表示的無定形半導(dǎo)體，諸如氧化銦、氧化鋅、氧化錫、氧化銦 錫、氧化銦鋅、氧化鋅錫或氧化銦錫鋅。
((Sih—xM4x)02)a.((Iih.YM3Y)203)b'(Zih-zM2zO)c(1)
其中，X大于或等于1并且小于或等于1, Y大于或等于1并且小于或等于1, Z大于或等于1并且小于或等于1, a大于或等于1并且小于或等于1, b大于或等于1并且小于或等于1, c大于或等于1并且小于或等于1, 并且a+b+c=l ， M4是原子序數(shù)小于Sn的IV族元素(Si、 Ge或Zr )， M3是原子序數(shù)小于In的III族元素(B、 Al、 Ga或Y)或者是 Lu， M2是原子序數(shù)小于Zn的II族元素(Mg或Ca)。
其中，具體說來，由以下的式2或3表示的那些是優(yōu)選的。 <formula>formula see original document page 10</formula> ( 2 ) y大于或等于1并且小于或等于1, b大于或等于1并且小于或等于1, c大于或等于1并且小于或等于1;
或者
<formula>formula see original document page 10</formula>( 3 ) a大于或等于1并且小于或等于1, b大于或等于1并且小于或等于1, c大于或等于1并且小于或等于1
例如，當(dāng)通過相圖來示出復(fù)合物時(shí)，可通過位于以Sn02、 ln20 和ZnO為頂點(diǎn)的三角形內(nèi)部的單成分、二元或三元復(fù)合物來實(shí)現(xiàn)無 定形氧化物膜。
取決于組成比率，可產(chǎn)生結(jié)晶氧化物膜。
例如，在包含上述三種化合物中的兩種的二元復(fù)合物(位于上述 三角形的邊上的復(fù)合物)中，當(dāng)基于In-Zn-O的復(fù)合物包括近似為 30。/。原子百分比或更多的In時(shí)，該復(fù)合物可形成無定形膜。
具體說來，當(dāng)使用包含Ga作為主要成分的柵絕緣層時(shí)，優(yōu)選的 是，使用包含In (Zn或Sn)作為主要成分并包含Ga作為次要成分 的溝道層。
在這種情況下，具體說來，可實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)出小的滯后以及極好的時(shí) 間穩(wěn)定性的TFT。
雖然原因并不確定，但是可能是，由于具有上述指定復(fù)合物的絕 緣層，所以改善了界面特性，結(jié)果難以在界面捕集電荷。
另一原因可能是，當(dāng)在絕緣層與溝道層之間造成原子(Ga等) 的相互擴(kuò)散時(shí)，其對(duì)于晶體管特性的影響較小。
例如，當(dāng)通過相圖來示出復(fù)合物時(shí)，通過位于以Ga203、 ln203 和ZnO為頂點(diǎn)的三角形內(nèi)部的三元復(fù)合物來形成溝道層是優(yōu)選的示 例。
更具體地說，由包含In、 Ga和Zn的無定形氧化物形成的溝道 層是更加優(yōu)選的示例。
通過這種方式，當(dāng)包含Ga的材料(諸如基于In-Ga-Zn-O的材 料)被用于溝道層時(shí)，因?yàn)榻^緣層和溝道層基于相同的材料系統(tǒng)，所 以能夠以低成本來制造晶體管，并且對(duì)于環(huán)境的負(fù)荷較低。
無定形氧化物具有以下特點(diǎn)。
更具體地說，在普通的半導(dǎo)體中，電子遷移率由于載流子之間的 散射等隨著載流子濃度增加而下降。另一方面，在上述無定形氧化物 半導(dǎo)體中，電子遷移率隨著電子載流子濃度增加而增加。
當(dāng)將電壓施加到柵電極時(shí)，電子可被注入上述無定形氧化物溝道 層，電流流經(jīng)源電極與漏電極之間，晶體管切換到導(dǎo)通狀態(tài)。
因?yàn)樵跓o定形氧化物膜中，電子遷移率隨著電子載流子濃度增加 而增加，所以可使導(dǎo)通狀態(tài)下的電流更大。更具體地說，可使飽和電 流以及導(dǎo)通/關(guān)斷比率更大。
優(yōu)選地，通過汽相方法(諸如濺射(SP)、脈沖激光沉積(PLD)、 以及電子束沉積)來形成無定形氧化物膜。
應(yīng)注意在汽相方法中，從批量生產(chǎn)的角度考慮，SP是適合的。
然而，形成膜的方法并不受限于這些。
可以不對(duì)基底有意加熱而將形成膜時(shí)基底的溫度幾乎保持在室溫。
當(dāng)無定形氧化物用于溝道層時(shí)，為了獲得令人滿意的TFT特性， 優(yōu)選的是，使用電導(dǎo)率為小于或等于10S/cm并且大于或等于 0.0001S/cm的無定形氧化物。
為了獲得如上所述的電導(dǎo)率，取決于溝道層材料的組分，優(yōu)選的 是，形成電子栽流子濃度近似10"-10"/cit^的無定形氧化物膜。
當(dāng)電導(dǎo)率為10S/cm或更高時(shí)，無法形成常斷的晶體管，無法使 導(dǎo)通/關(guān)斷比率高。
在極端情況下，即使施加了柵電壓，源電極與漏電極之間的電流 也不被導(dǎo)通/關(guān)斷，而且不會(huì)觀察到晶體管工作。另一方面，在絕緣體 的情況下，換言之，當(dāng)電導(dǎo)率為0.0001S/cm或更低時(shí)，無法使導(dǎo)通電 流高。
在極端情況下，即使施加了柵電壓，源電極與漏電極之間的電流 也不被接通/關(guān)斷，而且不會(huì)觀察到晶體管工作。
一般地，通過在形成膜時(shí)控制氧分壓來控制氧化物的電導(dǎo)率和載 流子濃度。
更具體地說，通過控制氧分壓，主要對(duì)薄膜中的氧缺位量進(jìn)行控 制，從而控制電子栽流子濃度。
圖7是示出當(dāng)通過濺射形成基于In-Ga-Zn-O的氧化物薄膜時(shí)， 載流子濃度對(duì)于氧分壓的示例性依賴關(guān)系的曲線圖。
實(shí)際中，通過精確地控制氧分壓，可獲得作為具有電子載流子濃 度為1014-1018/(^113的半絕緣性質(zhì)的無定形氧化物膜的半絕緣膜。通過 將如上所述的薄膜用于溝道層，可形成令人滿意的TFT。
如圖7所示，通過以典型地近似0.005Pa的氧分壓來形成膜，可 獲得半絕緣薄膜。
當(dāng)氧分壓為O.OOlPa或更低時(shí)，形成的薄膜成為絕緣體，然而當(dāng) 氧分壓為O.OlPa或更高時(shí)，電導(dǎo)率非常高，以致該膜不適于晶體管的 溝道層。
如果能夠獲得令人滿意的電導(dǎo)率以及到溝道層的電連接，則源電 極13、漏電極14和柵電極15的材料不特別受限。
例如，可使用In203:Sn、 ZnO等的透明導(dǎo)電膜或諸如Au、 Pt、 Al或Ni的金屬。
作為基底IO，可使用玻璃基底、塑料基底、塑料膜等。
因?yàn)樯鲜鰷系缹雍蜄沤^緣層對(duì)于可見光是透明的，所以如果透明 材料被用作上述電極和基底的材料，則可使薄膜晶體管透明。 (TFT特性)
圖3和圖4各是示出根據(jù)本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的典型特性的曲線圖。
當(dāng)在源電極與漏電極之間施加近似5V的電壓Vd時(shí)，在0-5V的
范圍之內(nèi)對(duì)柵電壓Vg的調(diào)制可控制源電極與漏電極之間的電流Id，
并將晶體管在導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)之間切換。
圖3示出變化的Vg下示例性的Id-Vd特性，而圖4示出當(dāng)Vd 為6V時(shí)的示例性Id-Vg特性(轉(zhuǎn)移特性)。 (滯后)
圖5和圖6用于描述滯后。
圖5是示出當(dāng)包含Y作為主要成分的氧化物被用于柵絕緣層時(shí) 的滯后的曲線圖。
圖6是示出當(dāng)包含Ga作為主要成分的氧化物被用于柵絕緣層時(shí) 的滯后的曲線圖。
"滯后"是指如下特性在評(píng)價(jià)TFT轉(zhuǎn)移特性時(shí)，當(dāng)如圖5和圖 6所示，Vd固定而Vg (向上和向下)掃描時(shí)，Id在電壓上升時(shí)與電 壓下降時(shí)之間具有不同的值。
因?yàn)楫?dāng)滯后較大時(shí)，針對(duì)預(yù)定Vg而獲得的Id的值改變，所以 優(yōu)選的是具有小的滯后的器件。
當(dāng)包含Y作為主要成分的氧化物被用于柵絕緣層時(shí)，所述器件 表現(xiàn)出如圖5所示的滯后特性。
與此相比，當(dāng)包含Ga作為主要成分的無定形氧化物被用于柵絕 緣層時(shí)，如圖6所示，可獲得具有小的滯后的器件。
關(guān)于通過將包含Ga作為主要成分的無定形氧化物用于柵絕緣層 來減小滯后的事實(shí)的物理原因并不確定，但是假設(shè)在溝道層與絕緣層 之間實(shí)現(xiàn)不大可能捕集載流子的界面。
盡管在基于示例的以下內(nèi)容中更加具體地描述了本發(fā)明，但是本 發(fā)明決不受限于此。 (示例1)
無定形Ga203絕緣層
在本示例中，制造了圖1所示的頂柵類型的TFT器件。 該TFT器件具有由基于In-Ga-Zn-O的無定形氧化物構(gòu)成的溝 道層以及由無定形Ga203構(gòu)成的柵絕緣層。
首先，在玻璃基底10 (Corning #1737)上形成作為溝道層11 的無定形氧化物膜。
在本示例中，在氬氣和氧氣的混合氣體環(huán)境中，通過射頻濺射來 形成基于In-Zn-Ga-O的無定形氧化物膜。
使用圖8所示的濺射設(shè)備。
在圖8中，標(biāo)號(hào)51、 52、 53、 54、 55、 56、 57和58分別指示樣 本、靶、真空泵、真空計(jì)、基底保持裝置、為各個(gè)氣體引入系統(tǒng)設(shè)置 的氣體流速控制裝置、壓力控制裝置和膜形成室。
設(shè)置有用于氬氣、氧氣以及氬氣與氧氣的混合氣體(Ar:02 = 80:20 )的三個(gè)氣體引入系統(tǒng)。
利用能夠獨(dú)立控制各個(gè)氣體的流速的氣體流速控制裝置56以及 用于控制排放速度的壓力控制裝置57，能夠在膜形成室中獲得預(yù)定氣 體環(huán)境。
在本示例中，大小為2英寸的具有InGa03 (ZnO)的組分的多 晶燒結(jié)材料被用作靶(材料源)，施加的RF功率是100W。
膜形成時(shí)的總氣壓是0.4Pa，其中，氣流比率是Ar:Oz-100:1。 膜形成速率是12nm/min，基底的溫度是25。C。
關(guān)于荻得的膜，當(dāng)在該膜上執(zhí)行X射線衍射分析(薄膜方法， 入射角=0.5度)時(shí)，沒有檢測(cè)到清楚的衍射峰，這表示制造的基于 In-Zn-Ga-O的膜是無定形膜。
此外，作為使用橢圓偏振光語進(jìn)行圖案分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該薄膜 的均方根粗糙度(Rrms)近似為0.5nm，其膜厚度近似為60nm。
作為X射線焚光光鐠分析(XRF)的結(jié)果，薄膜的金屬組分比 率為In:Ga:Zn-38:37:25。
電導(dǎo)率近似為10"S/cm，電子載流子濃度為4xl016/cm3，估計(jì)的 電子遷移率近似為2cm2/V
通過光吸收光譜分析，制造的無定形氧化物膜的禁帶帶隙能量近
似為3eV。
接著，使用光刻和剝離技術(shù)來形成漏電極14和源電極13，并對(duì)
其進(jìn)行圖案化。這些電極的材料是Au，厚度為30nm。
然后，使用光刻和剝離來形成柵絕緣層12，并對(duì)其進(jìn)行圖案化。 柵絕緣膜是通過高頻RF濺射形成的Ga203膜，其厚度為150nm。 在本示例中，大小為2英寸的多晶Ga203的燒結(jié)材料被用作靶 (材料源)，施加的RF功率是160W。
形成膜時(shí)的總氣壓是0.4Pa，其中，氣流比率是Ar:O產(chǎn)100:5。
基底的溫度是25°C。
關(guān)于形成的Ga203膜，測(cè)得相對(duì)介電常數(shù)近似為9，介電強(qiáng)度近
似為4MV/cm。
此外，X射線衍射確認(rèn)該薄膜是無定形的。 此外，使用光刻和剝離技術(shù)來形成柵電極15。 電極的溝道長度為50|um，而其溝道寬度為200nm。電極的材料
是Au,厚度為30nm。 (比較示例1)
除了柵絕緣膜之外，比較示例1中的結(jié)構(gòu)類似于上述示例的結(jié) 構(gòu)。柵絕緣膜是通過濺射形成的￥203膜，其厚度為150nm。 ￥203膜 的相對(duì)介電常數(shù)近似為12。此外，X射線衍射確認(rèn)該膜是多晶膜。 (比較示例2)
除了柵絕緣膜之外，比較示例2中的結(jié)構(gòu)類似于上述示例的結(jié) 構(gòu)。柵絕緣膜是通過濺射形成的Si02膜，其厚度為150nm。
SK)2膜的相對(duì)介電常數(shù)近似為4。此外，X射線衍射確認(rèn)該膜是 無定形膜。
TFT器件特性評(píng)價(jià)
圖3和圖4各示出在室溫下測(cè)量的TFT器件的示例性電流-電壓 特性。圖3示出Id-Vd特性，而圖4示出Id-Vg特性。
如圖3所示，當(dāng)施加預(yù)定柵電壓Vg,并且測(cè)量出隨著變化的漏 電壓Vd的源-漏電流Id對(duì)漏電壓Vd的依賴關(guān)系時(shí)，觀察到在近似 Vd-6V的情況下示出飽和(夾斷)的典型半導(dǎo)體晶體管的行為。
關(guān)于增益特性，當(dāng)施加Vd = 4V時(shí)，柵電壓Vc的閾值近似為
國0.5V。
當(dāng)Vg-10V時(shí)，電流Id近似為1.0xl(T5A。
晶體管的導(dǎo)通/關(guān)斷比率高于106。此外，當(dāng)從輸出特性計(jì)算場(chǎng)效 應(yīng)遷移率時(shí)，在飽和區(qū)獲得近似9cm2 (Vs)"的場(chǎng)效應(yīng)遷移率。
用可見光來照射制造的器件，并且進(jìn)行相同的測(cè)量。沒有觀察到 晶體管特性的改變。
此外，本示例中的TFT的特性表征為表現(xiàn)出的滯后小于比較 示例1中的TFT的滯后。
圖5和圖6分別是所述示例與比較示例的Id-Vg的曲線圖用于進(jìn) 行比較。圖5示出比較示例1的示例性TFT特性，而圖6示出本示 例的示例性TFT特性。
通過按照這種方式將無定形Ga203用于柵絕緣層，可減少TFT 的滯后。
此外，可實(shí)現(xiàn)盡管具有某種程度上較小的導(dǎo)通電流但是在穩(wěn)定性 方面優(yōu)于比較示例1的TFT。這是因?yàn)椋^緣層的介電常數(shù)低于比較 示例1的介電常數(shù)。
另一方面，因?yàn)楸臼纠袞沤^緣層的介電常數(shù)高于比較示例2 中的柵絕緣層的介電常數(shù)，所以可獲得更大的導(dǎo)通電流。
盡管滯后是可比較的，但是有一種趨勢(shì)，即工作較長時(shí)間段期間 后的特性的改變較小。
如上所述，可認(rèn)為能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定性極好的TFT，這是因?yàn)闁沤^ 緣層的主要成分是Ga。
按照這種方式，通過使用由包含Ga作為主要成分的無定形氧化 物構(gòu)成的柵絕緣層，可實(shí)現(xiàn)具有相對(duì)較大的導(dǎo)通電流并表現(xiàn)出小的滯 后的晶體管。
預(yù)期要在有機(jī)發(fā)光二極管等的驅(qū)動(dòng)電路中使用本示例的具有相 對(duì)較高的場(chǎng)效應(yīng)遷移率的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 (示例2 )
無定形Ga-In-O絕緣層
在本示例中，制造圖1所示的頂柵類型的TFT器件。
將包含Ga作為主要成分并包含In作為次要成分的無定形氧化
物用作柵絕緣層。
首先，使用KrF受激準(zhǔn)分子激光器通過PLD方法將基于
In-Zn-Ga-O的無定形氧化物膜沉積于玻璃基底(Corning # 1737 )上。
將具有InGa03 (ZnO) 4的組分的多晶燒結(jié)材料用作耙來沉積 基于In-Zn-Ga-O的無定形氧化物膜。形成該膜時(shí)的氧分壓為6Pa。
應(yīng)注意KrF受激準(zhǔn)分子激光器的功率為1.5xl(T3mj/cmV脈沖， 脈沖寬度是20nsec，重復(fù)頻率是10Hz。此外，基底的溫度是25。C。
作為X射線熒光光譜分析(XRF)的結(jié)果，該薄膜的金屬組分 比率為In:Ga:Zn-0.97:1.03:4。
此外，作為使用橢圓偏振光譜進(jìn)行圖案分析的結(jié)果，該薄膜的均 方根粗糙度(Rrms)近似為0.6nm，其膜厚度近似為60nm。評(píng)估薄 膜的電阻率，并表現(xiàn)出近似為50Qc,"的半絕緣性質(zhì)。
關(guān)于獲得的薄膜，當(dāng)在該膜上實(shí)行X射線衍射(薄膜方法，入 射角=0.5度)時(shí)，沒有檢測(cè)到清楚的衍射峰，因此，制造的基于 In-Zn-Ga-O的膜是無定形膜。
使用光刻和剝離技術(shù)來形成漏電極14和源電極13，并對(duì)其進(jìn)行 圖案化。這些電極的材料是Au，其厚度為30nm。
然后，使用光刻和剝離技術(shù)來形成柵絕緣層12，并對(duì)其進(jìn)行圖 案化。柵絕緣膜是通過PLD形成的Ga-In-O膜。膜的厚度為150nm。
作為X射線熒光光譜分析(XRF)的結(jié)果，薄膜的金屬組分比 率為Ga:In=90:10。
關(guān)于形成的Ga203膜，測(cè)得相對(duì)介電常數(shù)近似為10，介電強(qiáng)度 近似為3MV/cm。此外，X射線衍射確認(rèn)該薄膜是無定形的。
此外，使用光刻和剝離技術(shù)來形成柵電極15。該電極的材料是 Au，其厚度為50nm。電極的溝道長度為50nm，而其溝道寬度為 200阿。
TFT器件特性評(píng)價(jià)
該示例的薄膜晶體管表現(xiàn)出在近似Vd-6V的情況下示出飽和 (夾斷)的典型半導(dǎo)體晶體管的行為。該晶體管的導(dǎo)通/關(guān)斷比率高于 106，場(chǎng)效應(yīng)遷移率近似為7cm2 (Vs)"。
此外，本示例的TFT表征為表現(xiàn)出的滯后進(jìn)一步小于示例1 的滯后。
可認(rèn)為能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定性極好的TFT,這是因?yàn)橛砂珿a作為主 要成分并包含In作為次要成分的無定形氧化物構(gòu)成柵絕緣層。 (示例3 )
無定形Ga-Hf-O絕緣層
在該示例中，制造圖1所示的頂柵類型的TFT器件。
包含Ga作為主要成分并包含Hf作為次要成分的無定形氧化物 被用作柵絕緣層。
除了柵絕緣層之外，制造本示例的TFT的方法及其結(jié)構(gòu)類似于 示例1中的那些。
柵絕緣膜是通過RF濺射形成的無定形Ga-Hf-O膜。該膜的厚 度是150nm。
在本示例中，大小為2英寸的由多晶Ga203和Hf02的混合物構(gòu) 成的燒結(jié)材料被用作靶(材料源)，施加的RF功率是160W。
形成膜時(shí)的總氣壓是0.4Pa，其中，氣流比率是Ar:O2-100:5。 基底的溫度是25。C。
作為X射線熒光光譜分析(XRF)的結(jié)果，薄膜的金屬組分比 率為Ga:Hf=64:36。關(guān)于形成的。3203膜，測(cè)得相對(duì)介電常數(shù)近似為 11，介電強(qiáng)度近似為3MV/cm。
TFT器件特性評(píng)價(jià)
本示例的薄膜晶體管表現(xiàn)出在近似Vd = 6V的情況下示出飽和 (夾斷)的典型半導(dǎo)體晶體管的行為。晶體管的導(dǎo)通/關(guān)斷比率大于 106，場(chǎng)效應(yīng)遷移率近似為8cm2 (Vs)"。
此外，示例3的TFT表征為因?yàn)閷⒕哂斜仁纠?更高的介電常數(shù)的材料用于柵絕緣層，所以可獲得更大的導(dǎo)通電流。
這是因?yàn)橥ㄟ^使用包含Hf用作次要成分的柵絕緣層，可使柵 絕緣層的介電常數(shù)更高。
所述滯后小于比較示例1的滯后，近似地與示例1的滯后是可比的。
可認(rèn)為能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定性極好的TFT，這是因?yàn)榘珿a作為主要 成分的無定形氧化物被用于柵絕緣層。
預(yù)期要在工作電路等的有機(jī)發(fā)光二極管中使用本示例中具有相
對(duì)較大的導(dǎo)通電流的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 (示例4 ) 底柵結(jié)構(gòu)Ga-Si-O絕緣層
在本示例中，制造圖2所示的底柵類型的TFT器件。
此外，將包含Ga作為主要成分的無定形氧化物用于柵絕緣層。
首先，通過濺射沉積，以200nm的厚度在玻璃基底10上形成由
Ta構(gòu)成的柵電極15。使用光刻和干蝕刻技術(shù)來執(zhí)行圖案化。
然后，作為柵絕緣層12，形成SiNx和Ga-Si-O的層疊膜。使用
等離子CVD,形成厚度為100nm的由SiNx構(gòu)成的絕緣層。 接著，通過賊射來層疊厚度為50nm的Ga-Si-O絕緣層。 大小為2英寸的由多晶Gaz03和Si02的混合物構(gòu)成的燒結(jié)材料
被用作靶(材料源)，施加的RF功率是150W。形成該膜時(shí)的總氣
壓是0.4Pa,其中，氣流比率是入1*:02 = 100:5?；椎臏囟仁?5。C。 薄膜的金屬組分比率近似為Ga:Si=6:4。
通過層疊兩個(gè)層而形成的絕緣層具有對(duì)于均勻?qū)觼碚f相當(dāng)于近 似8的相對(duì)介電常數(shù)。該層的介電強(qiáng)度近似為6MV/cm。此外，X射 線衍射確認(rèn)該薄膜是無定形的。
然后，形成由基于In-Sn-O的氧化物構(gòu)成的溝道層。在本示例中， 形成溝道層的方法類似于示例1的方法。金屬組分比率近似為In:Sn =4:6。
TFT器件特性評(píng)價(jià)
與比較示例1的情況相比，在形成多個(gè)器件時(shí)，本示例的TFT 傾向于在特性方面具有更少的差異。
晶體管的導(dǎo)通/關(guān)斷比率高于106，場(chǎng)效應(yīng)遷移率近似為 6cm2(Vs)"。
因?yàn)楸臼纠腡FT的柵絕緣層具有高的介電強(qiáng)度，所以即使以 所施加的高的柵電壓來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的操作。
滯后與示例l中的一樣小，這是令人滿意的。
另一方面，TFT被驅(qū)動(dòng)較長時(shí)間段時(shí)的穩(wěn)定性與比較示例1和2 的該穩(wěn)定性相比是令人滿意的，只是某種程度上不如示例1和2的穩(wěn) 定性。
認(rèn)為示例l和2提供極好的穩(wěn)定性，這是因?yàn)樵诟鱾€(gè)示例中，溝 道層和柵絕緣層包含Ga。
換言之，認(rèn)為當(dāng)TFT被驅(qū)動(dòng)較長時(shí)間段時(shí)，柵絕緣層與溝道層 之間的界面是穩(wěn)定的。 (示例5 )
塑料基底
在本示例中，在塑料基底上制造圖1所示的頂柵類型的TFT器件。
將包含Ga作為主要成分并包含Zn作為次要成分的無定形氧化 物用作柵絕緣層。
制造的方法和結(jié)構(gòu)類似于示例1的情況。
然而，作為基底，使用了聚對(duì)苯二曱酸乙二醇酯(PET)膜。
溝道層由厚度為50nm的In-Ga-Zn-O膜形成，金屬元素組分比 率為In:Ga:Zn-2:2:6。通過RF濺射來形成該膜。大小為2英寸的由 ln203、 Gaz03和ZnO的混合物形成的燒結(jié)材料被用作靶(材料源)， 施加的RF功率是100W。
形成膜時(shí)的總氣壓是0.4Pa，其中，氣流比率是Ar:O產(chǎn)100:l。 基底的溫度是25°C。
然而，由厚度為200nm的In-Ga-Zn-O膜形成柵絕緣膜，金屬元
素組分比率為In:Ga:Zn=0.9:8:l.l。通過RF濺射來形成該膜。
大小為2英寸的由ln203、 Ga203和ZnO的混合物形成的燒結(jié)材 料被用作靶(材料源)，施加的RF功率是100W。
因?yàn)榘械慕M分比率不同于形成溝道層時(shí)的組分比率，所以形成了 包含Ga作為主要成分的薄膜。
形成膜時(shí)的總氣壓是0.4Pa，其中，氣流比率是Ar:O2=100:2。 基底的溫度是25°C。
源電極、漏電極和柵電極各為由In-Zn-O膜形成的透明導(dǎo)電膜。 金屬元素的組分比率為In:Zn=9:l。其厚度為lOOnm。通過RF濺射 來形成該膜。
大小為2英寸的由111203和ZnO的混合物形成的燒結(jié)材料被用 作耙(材料源)，施加的RF功率是50W。形成膜時(shí)的氣體環(huán)境是 Ar,總氣壓是0.5Pa。基底的溫度是25。C。
TFT器件特性評(píng)價(jià)
在室溫下測(cè)量在PET膜上形成的TFT。該晶體管的導(dǎo)通/關(guān)斷比 率大于103。場(chǎng)效應(yīng)遷移率被計(jì)算為大約3cm2 (Vs)"。此外，TFT 與示例1的情況相比具有令人滿意的滯后特性。
在PET膜上形成的器件以30mm的曲率半徑彎曲，對(duì)晶體管特 性執(zhí)行相同的測(cè)量。沒有觀察到晶體管特性的顯著改變。此外，用可 見光來照射該器件，并執(zhí)行相同的測(cè)量，沒有觀察到晶體管特性的改 變。
在本示例中形成的薄膜晶體管對(duì)于可見光是透明的，并形成在柔 性的基底上。
因?yàn)榛谙嗤牧舷到y(tǒng)的材料來形成本示例的TFT的溝道層、 柵絕緣層和電極，所以TFT表征為對(duì)于環(huán)境的負(fù)擔(dān)較低。
根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)榭稍谳^低的溫度下形成薄膜，并且材料是無定 形的，所以可在包括PET膜的柔性材料上形成TFT。更具體地說， 可以在彎曲狀態(tài)下進(jìn)行開關(guān)。此外，因?yàn)樵揟FT對(duì)于波長為400nm 或更高的可見光以及紅外光是透明的，所以其可應(yīng)用為LCD或有機(jī)
EL顯示器的開關(guān)器件。該TFT可應(yīng)用于范圍很廣的產(chǎn)品，包括柔 性顯示器、透視顯示器、IC卡、ID標(biāo)簽。
根據(jù)本發(fā)明，薄膜晶體管表現(xiàn)出極好的TFT特性以及極好的工 作穩(wěn)定性。
具體說來，可實(shí)現(xiàn)具有小的柵極漏電流以及相對(duì)較大的導(dǎo)通電流 的晶體管。
此外，該晶體管在被驅(qū)動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出小的滯后以及極好的時(shí)間穩(wěn)定性。
本申請(qǐng)要求于2006年1月30日提交的第2006-020983號(hào)日本專 利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其通過引用并入本文中。
權(quán)利要求
1.一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其具有柵電極、源電極和漏電極，所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括溝道層，由氧化物半導(dǎo)體形成，所述氧化物半導(dǎo)體包含從In、Zn和Sn組成的組中選擇的至少一種；以及柵絕緣層，布置在溝道層與柵電極之間，其中，柵絕緣層包括無定形氧化物，所述無定形氧化物包含Ga作為主要成分。
2、 如權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中，所述無定形氧化 物包含從In、 Zn和Sn組成的組中選擇的至少一種。
3、 如權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中，所述無定形氧化 物包含從Ti、 Hf、 Zr、 Y、 La、 Nb和Ta組成的組中選擇的至少一 種。
4、 如權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中，所述無定形氧化 物包含In和Zn。
5、 如權(quán)利要求l到4中的任何一個(gè)所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中，溝道層由下面的式1所表示的無定形氧化物形成((SiU-xM4x)02)a'((Iih—YM3Y)203)b.(Zih-zM2zO)c (1) 其中，0^x￡l ， O^Y^l ， 0￡z^l ， O^aSl ， 0￡b￡l ， O^c^l ，并且a+b+c=l ， M4是原子序數(shù)小于Sn的周期表中的IV族元素(Si、Ge或Zr)， M3是原子序數(shù)小于In的周期表中的III族元素(B、 Al、 Ga或Y)或者是Lu，并且M2是原子序數(shù)小于Zn的周期表中的II族元素(Mg或Ca)。
6、 如權(quán)利要求5所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中，由下面的式2和 式3之一所表示的無定形氧化物形成所述溝道層((Im-yGay)203)b'( (ZnO) )c( 2 ) 其中，0Sy化0^1， 0Sc化 (Sn02)a'((In203)M (ZnO) )c( 3 ) 其中，0<a^l, 0￡bSl， 0￡d
全文摘要
本發(fā)明提供一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，設(shè)置有基底上形成的柵電極15、源電極13和漏電極14，所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括由氧化物構(gòu)成的溝道層11，所述氧化物包含In、Zn或Sn作為主要成分；以及柵絕緣層12，設(shè)置在溝道層11與柵電極15之間，其中，所述柵絕緣層12由包含Ga作為主要成分的無定形氧化物形成。
文檔編號(hào)H01L21/336GK101375405SQ20078000378
公開日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2007年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月30日
發(fā)明者巖崎達(dá)哉 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社