專利名稱：使用氧化物膜用于溝道的場效應(yīng)晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括作為半導(dǎo)體層的氧化物膜的場效應(yīng)晶體管、制造 它的方法以及顯示裝置。本發(fā)明特別涉及具有能夠應(yīng)用于顯示裝置等 的晶體管特性的場效應(yīng)晶體管、制造它的方法以及顯示裝置。
背景技術(shù)：
場效應(yīng)晶體管(FET)是具有柵極電極、源極電極和漏極電極的 三端子裝置。而且，場效應(yīng)晶體管是其中通過施加到柵極電極的電壓 來控制流過溝道層的電流(源極電極和漏極電極之間的電流)的電子 有源裝置。特別地，使用薄膜作為溝道層的FET被稱作薄膜FET(薄 膜晶體管，TFT)?？梢栽谟商沾?、玻璃或塑料等形成的幾種基板上 形成所述裝置。因為上述TFT使用薄膜技術(shù)，所以該TFT具有易于形成在具有 相對大面積的基板上的優(yōu)點，并且被廣泛地用于諸如液晶顯示裝置的 平板顯示裝置中作為驅(qū)動裝置。更具體地說，在有源液晶顯示器 (ALCD)中，將形成在玻璃基板上的TFT用于打開和關(guān)閉單個的圖像 像素。在將來的高性能有機LED顯示器(OLED)中，用TFT電流 驅(qū)動像素也被認為是有效的。而且，實現(xiàn)了更高性能的液晶顯示裝置，其中，在基板上在圖像顯示區(qū)域附近形成具有驅(qū)動和控制整個圖像的 功能的TFT電路。當(dāng)前使用最廣泛的TFT是使用多晶硅膜或者非晶硅膜作為溝道 層材料的金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MIS-FET)裝置。實 踐上將非晶硅TFT用于像素驅(qū)動，而實踐上將高性能多晶硅TFT用 于整個圖像的驅(qū)動控制。然而，因為高溫處理對于裝置形成是必不可少的，所以難以在諸如塑料板或者塑料膜的基板上形成非晶硅TFT和多晶硅TFT。近年來，對于通過使用形成在諸如聚合物板或聚合物膜的基板上的TFT用于LCD或OLED的驅(qū)動電路而實現(xiàn)撓性(flexible )顯示器，已經(jīng)進行了積極的開發(fā)。注意力集中在能夠在低溫下形成、由能夠被形成在塑料膜等上的材料制造的有機半導(dǎo)體膜上。例如，已經(jīng)研究和開發(fā)并五苯(pentacene)用于有才幾半導(dǎo)體膜。所述有機半導(dǎo)體具有芳香環(huán)(aromatic ring)。在結(jié)晶化時在所述芳香環(huán)的堆疊方向中獲得大的栽流子遷移率。例如，有報導(dǎo)在將并五苯用于有源層的情形中，栽流子遷移率大約為0.5 cir^Vs)-1,這等于非晶Si MOSFET的載流子遷移率。然而，諸如并五苯的有機半導(dǎo)體具有低的熱穩(wěn)定性(當(dāng)溫度超過150。C時，它是不穩(wěn)定的)和毒性(致癌性)。因此，還沒有實現(xiàn)實際的裝置。最近注意力已經(jīng)集中在作為能夠被應(yīng)用于TFT溝道層的材料的 氧化物材料上。例如，已經(jīng)在積極開發(fā)使用包含ZnO作為主要成分的透明導(dǎo)電 氧化物多晶薄膜作為其溝道層的TFT?？梢栽谙鄬Φ蜏叵滦纬伤霰?膜，因此有可能在諸如塑料板或塑料膜的基板上形成所述膜。然而， 在含有ZnO作為主要成分的化合物的情形中，不能在室溫下形成穩(wěn)定 的非晶相，而形成多晶相。因此，由于多晶晶粒邊界的散射，難以增 加其電子遷移率。另外，因為多晶晶粒形狀及其互連根據(jù)膜形成方法 而顯著地改變，所以難以實現(xiàn)TFT裝置的特性的再現(xiàn)性。K. Nomura等人，Nature, 432， 488 (2004)已經(jīng)報導(dǎo)了使用非晶的 基于In-Ga-Zn-O的氧化物的薄膜晶體管?？梢栽谑覝叵略谒芰习寤?者玻璃基板上形成所述薄膜晶體管。所述裝置顯示常閉(normally-off) 特性，具有約6到9的場效應(yīng)遷移率。還有如下優(yōu)點所述薄膜晶體 管對可見光是透明的。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)研究了使用包括非晶In-Ga-Zn-O氧化物的 氧化物的薄膜晶體管。結(jié)果，存在TFT的晶體管特性(Id-Vg特性) 發(fā)生變化的情形，盡管變化的程度取決于溝道材料或者制造條件等。當(dāng)將TFT用于例如顯示器的像素電路時，特性的變化導(dǎo)致要被 驅(qū)動的有機LED或者液晶元件的操作的變化，從而最終降低顯示器的 圖像質(zhì)量。發(fā)明內(nèi)容考慮到上述情況，本發(fā)明的目的是減少上述特性的變化。 所述變化的因素的例子包括1) 在源極電極和漏極電極中的每一個與溝道之間導(dǎo)致的寄生電 阻；以及2) 柵極、源極和漏極之間位置關(guān)系的變化。具體地，本發(fā)明的第一個目的是設(shè)計在晶體管的溝道與其源極電 極和漏極電極中的每一個之間的連接，從而減少特性的變化。本發(fā)明的第二個目的是提供能夠以高精度形成在柵極、源極和漏 極之間的位置關(guān)系的結(jié)構(gòu)及其制造方法，從而減少特性的變化。本發(fā)明提供一種場效應(yīng)晶體管，包括作為半導(dǎo)體層的氧化物膜， 其中所述氧化物膜包括添加有氫和氘(deuterium )之一的源極部分和 漏極部分之一。本發(fā)明還提供一種場效應(yīng)晶體管，包括作為半導(dǎo)體層的氧化物 膜，其中所述氧化物膜包括溝道部分、源極部分和漏極部分；并且所述源極部分和漏極部分中的氫和氘之一的濃度大于所述溝道部分中的氫和氘之一的濃度。根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管被用于根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置。 本發(fā)明還提供制造包括作為半導(dǎo)體層的氧化物膜的場效應(yīng)晶體管的方法，包括步驟在基板上形成氧化物膜；以及添加氫和氘之一到氧化物膜的一部分，以形成源極部分和漏極部分。而且，本發(fā)明提供制造包括作為半導(dǎo)體層的氧化物膜的場效應(yīng)晶體管的方法，包括步驟在基板上形成氧化物膜；通過柵極絕緣膜在氧化物膜上形成柵極電極；以及使用柵極電極的圖案作為掩模添加氫
和氘之一到氧化物膜，以在氧化物膜中形成與柵極電極的圖案自對準(zhǔn) 的源極部分和漏極部分。


圖1A和IB是示出根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)例子的橫 截面視圖；圖2是示出將氫添加到非晶In-Ga-Zn-O氧化物膜的情形中其電 阻率的變化的圖；圖3A和3B是示出使用自對準(zhǔn)方法制造根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶 體管的方法的橫截面視圖；圖4A、 4B、 4C和4D是示出制造根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的 方法的橫截面視圖；圖5A和5B是示出根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)例子的橫 截面視圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)例子的橫截面視圖；圖7A和7B是示出根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的TFT特性的曲線圖；圖8A和8B是示出根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的滯后 (hysteresis)特性的曲線圖；圖9是示出非晶In-Ga-Zn-O氧化物膜的電導(dǎo)率與膜形成期間的 氧分壓之間關(guān)系的曲線圖；圖IO是示出用于形成非晶氧化物膜的設(shè)備的橫截面視圖； 圖ll是示出根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置的例子的橫截面視圖； 圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置的另一例子的橫截面視圖；以及圖13是示出其中二維布置每個包括有機EL裝置和薄膜晶體管 的像素的顯示裝置的結(jié)構(gòu)的圖。
具體實施方式
圖1A和1B是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu) 例子的橫截面視圖。圖1A示出頂柵極結(jié)構(gòu)的例子，而圖1B示出底柵 極結(jié)構(gòu)的例子。在圖1A和IB中，在基板10上提供溝道層(氧化物薄膜)11、 柵極絕緣層12、源極電極13、漏極電極14、柵極電極15、源極部分 16、漏極部分17以及溝道部分18。溝道層11包括源極部分16、漏極 部分17以及溝道部分18。如圖1A中所示，柵極絕緣層12和柵極電極15以所述順序被形 成在溝道層ll上，從而獲得頂柵極結(jié)構(gòu)。如圖1B中所示，柵極絕緣 層12和溝道層11以所述順序,皮形成在柵極電極15上，從而獲得底柵 極結(jié)構(gòu)。在圖1A中，所述源極部分和漏極部分還分別用作源極電極 和漏極電極。在圖1B中，晶體管的溝道部分和源極電極(漏極電極) 通過源極部分(漏極部分)彼此連接。如圖1A和1B中每一個所示，在根據(jù)這個實施例的場效應(yīng)晶體 管(FET)中，作為溝道層11的氧化物薄膜包括溝道部分18、源極 部分16和漏極部分17。源極部分16和漏極部分17 ,皮添加有氫或氘 以減小其電阻率。當(dāng)溝道部分18包含氫或氘時，將源極部分16和漏 極部分17中每一個的氫或氘的濃度設(shè)為大于溝道部分18的氫或氘的 濃度的值。存在將氫或氘主動添加到溝道部分18的情形，以及氫包含 在其中而沒有主動添加氫的情形。如隨后所述，能夠通過添加氫或氘 到源極部分(漏極部分)而增大源極部分(漏極部分)的電導(dǎo)率。另 外，當(dāng)源極部分(漏極部分)的氫或氘的濃度被增大到大于溝道部分 18的氫或氘的濃度的值時，能夠?qū)⒃礃O部分(漏極部分)的電導(dǎo)率設(shè) 為大于溝道部分的電導(dǎo)率的值。根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，能夠以高可靠性彼此 電連接溝道部分和源極(漏極)電極，由此能夠?qū)崿F(xiàn)具有小的變化的 薄膜晶體管。特別地，根據(jù)這個實施例，源極部分和漏極部分被形成在氧化物 膜中。因此，與其中源極電極和漏極電極被直接形成在氧化物膜上的
傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情形相比，能夠制造穩(wěn)定的電連接。在這個實施例中，可以任意使用頂柵極結(jié)構(gòu)、底柵極結(jié)構(gòu)、交錯(staggered)結(jié)構(gòu)或共面結(jié)構(gòu)作為場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)?？紤]到穩(wěn)定 的電連接，可以使用圖1A中所示的共面結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用共面結(jié)構(gòu)時，^L可以獲得'高可靠性:電連接?！?—、、 ' 、'根據(jù)這個實施例的晶體管可以具有其中自對準(zhǔn)地形成柵極電極 和源極(漏極)部分的結(jié)構(gòu)。即，如隨后所述，通過使用柵極電極的 圖案作為掩模，將氫添加到氧化物膜，從而在氧化物膜中形成關(guān)于柵 極電極的圖案自對準(zhǔn)的源極部分和ii極部分。當(dāng)使用自對準(zhǔn)方法時，能夠?qū)崿F(xiàn)其中源極(漏極)部分和柵極電 極之間的重疊小并且均勻的晶體管。結(jié)果，能夠減小在柵極電極和漏 極部分之間的重疊部分中導(dǎo)致的晶體管的寄生電容并且使其均勻。由 于小的寄生電容，所以能夠?qū)崿F(xiàn)高速操作。由于均勻的寄生電容，所 以能夠?qū)崿F(xiàn)均勻特性優(yōu)異的晶體管。(源極部分和漏極部分)如前所述，源極部分16和漏極部分17被添加有氫或氘以減小其 電阻率。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當(dāng)將氫(或氘)添加到非晶In-Ga-Zn-O 薄膜時，氧化物薄膜的電導(dǎo)率變大。在溝道部分18包含氫或氘的情形 中，源極部分和漏極部分中的每一個的氫或氘濃度被增大到大于溝道 部分的氫或氘濃度的值，因而能夠改善電連接。圖2是示出氫離子注入量和電阻率之間關(guān)系的例子的特性圖。圖 2示出在將離子注入具有大約500 nm膜厚度的InGaZn04薄膜的情形 中電導(dǎo)率相對于氫離子注入量的變化。橫坐標(biāo)(x軸)是每單位面積 氬離子注入量的對數(shù)表示，而縱坐標(biāo)(y軸)是電阻率的對數(shù)表示。 因此，能夠?qū)涮砑拥椒蔷а趸锬ひ钥刂齐妼?dǎo)率。當(dāng)將氫或氖添加到源極部分和漏極部分時，能夠增大其電導(dǎo)率。 當(dāng)溝道部分包含氫或氖時，源極部分和漏極部分中的每一個的氫濃度 被增大到大于溝道部分的氫濃度的值。因此，能夠?qū)⒃礃O部分和漏極
部分中的每一個的電導(dǎo)率設(shè)成大于溝道部分的電導(dǎo)率的值。如上所述， 當(dāng)源極部分和漏極部分中的每一個由與溝道部分的材料基本上同樣的 材料(除了氫濃度外)制成時，能夠?qū)崿F(xiàn)溝道部分與源極電極和漏極 電極中每一個之間的令人滿意的電連接。即，源極(漏極)電極通過 源極(漏極)部分與溝道部分連接，從而實現(xiàn)令人滿意的電連接。在這個實施例中，能夠使用小于溝道部分的電阻率的任何電阻率 作為源極部分和漏極部分中的每一個的電阻率。源極部分和漏極部分中的每一個的電阻率可以等于或小于溝道部分電阻率的1/10。當(dāng)源極部分和漏極部分中的每一個的電阻率變得等于或小于溝道部分電阻率的1/1000時，能夠使用所述源極(漏極)部分作為源極(漏極)電極。電阻率相對于氫濃度變化的變化量取決于氧化物膜的組分(composition)或其膜質(zhì)量等等。例如，當(dāng)將每體積約1017 (1/cm3) 的氫離子注入具有約1000 ftcm的In-Ga-Zn-O薄膜時，能夠?qū)⑵潆娮?率減小到約幾個50 i"lcm。當(dāng)注入約1019 (1/cm"的氫離子時，能夠?qū)?電阻率減小到約0，5 ftcm。添加到源才及部分和漏極部分中的每一個的 氫的濃度范圍取決于氧化物膜的結(jié)構(gòu)，但是濃度可以等于或大于 1017/cm3。特別地，當(dāng)設(shè)置等于或大于約10"/ci^的濃度時，源極部分 和漏極部分中的每一個的電導(dǎo)率變得較大，因而能夠?qū)⒃礃O部分和漏 極部分用作源極電極和漏極電極。如上所述，在一些情形中，取決于膜形成條件，氧化物膜可以包 含氫而沒有主動的氫添加。因此，存在溝道部分包含氫而沒有主動添 加氫的情形。即使在這樣的情形中，為了形成源極部分和漏極部分， 在后處理中添加氫，以將超過溝道部分中包含的氫量的氫量引入源極 部分和漏極部分。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)如上所述的結(jié)構(gòu)和效果。也可以采用在氧化物膜的一部分中局部減少氫量的方法，以使用 所述部分作為溝道部分。可以4吏用 SIMS ( 二次離子質(zhì)i瞽法，secondary ion mass spectrometry)通過測量來評估氫濃度。取決于評估設(shè)備，檢測極限 約為1017/cm3。通過基于氫添加處理參數(shù)(如隨后所述的膜形成時的氧分壓或者離子注入量)與薄膜中包含的氫量之間的線性關(guān)系的外推 法，能夠間接計算等于或小于檢測極限的值。在圖1A和1B的每一個中，形成單個源極部分和單個漏極部分。 如圖6中所示，可以提供多個源極部分16a和16b以及多個漏極部分 17a和17b。源極部分16a和16b具有不同的電導(dǎo)率。漏極部分17a 和17b具有不同的電導(dǎo)率。電導(dǎo)率可以按照溝道部分18、源極部分16a 和源極部分16b的順序增大。而且，電導(dǎo)率可以按照溝道部分18、漏 極部分17a和漏極部分17b的順序增大。為了獲得這樣的結(jié)構(gòu)，只需 按照溝道部分18、源極部分16a和源極部分16b的順序增加氫離子添 加量，以及按照溝道部分18、漏極部分17a和漏極部分17b的順序增 力cf氫添力口量o(溝道層；氧化物膜)可以使用作為氧化物的任何材料作為溝道層(氧化物膜)的材料。 所述材料的例子包括從其可以獲得大的遷移率的In氧化物和Zn氧化 物。而且，溝道層可由非晶氧化物制成。當(dāng)下面的非晶氧化物膜被添 加氫時，能夠有效增大電導(dǎo)率。特別地，如下表示由非晶氧化物制成的溝道層的成分 [(Sn!-xM4x)02a'[(In，-yM3y)203]b'[(Zih-zM2zO)c 其中0￡x^l、 0^y￡l、 0￡z^l、 0^a^l、 05b^l、 O^c^l且a+b+c = 1, M4為具有小于Sn的原子序數(shù)的第VI族元素(Si、 Ge或者Zr )， M3為Lu或者具有小于In的原子序數(shù)的第III族元素(B、 Al、 Ga 或者Y)，以及M2為具有小于Zn的原子序數(shù)的第II族元素(Mg 或Ca)。特別地，[(In，陽yGay)203lb'[(ZnO)c(其中0SySl， O^b^l且0￡c￡l ) —[Sn02a'[(In203)]b'[(ZnO)c (其中0^1， 0^1且)是優(yōu)選的。例如，能夠基于位于其中在頂點設(shè)置Sn02、 111203和ZnO的三 角形的內(nèi)部區(qū)域中的一元、二元或三元組分來實現(xiàn)非晶氧化物膜。取 決于三元組分的組分比率，存在在一組分比率范圍中發(fā)生結(jié)晶化的情形。例如，關(guān)于如上所述包括三種化合物中的兩種的二元組分(位于三角形的邊中的組分)，能夠以其中含有等于或大于約80原子％或更 多的In的組分來形成非晶In-Zn-O膜，并且能夠以其中含有約80原 子％的In的組分來形成非晶Sn-In-O膜。而且，非晶氧化物可以包含In、 Ga和Zn。本發(fā)明的發(fā)明人研究了其中將非晶氧化物應(yīng)用于溝道層的薄膜 晶體管。作為研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)為了獲得優(yōu)異的TFT特性，可以將 具有10 S/cm或以上及0.0001 S/cm或以下的電導(dǎo)率的半絕緣非晶氧化 物膜應(yīng)用于溝道。取決于溝道的材料組分，為了獲得所述電導(dǎo)率，可 以形成具有約10"/cm3到1018/cm3的電子載流子濃度的非晶氧化物膜。當(dāng)電導(dǎo)率為10S/cm或更大時，不能形成常閉晶體管，且不能使 得開/關(guān)比率大。在極端情形中，即使施加?xùn)艠O電壓，源極電極和漏極 電極之間的電流也不被接通/切斷，且沒有觀察到晶體管操作。另一方面，在絕緣體的情形中，換句話說，當(dāng)電導(dǎo)率等于或小于 0.0001 S/cm時，不能使得導(dǎo)通電流(on-current)大。在極端情形中， 即使施加?xùn)艠O電壓，源極電極和漏極電極之間的電流也不被接通/切 斷，且沒有觀察到晶體管操作。例如，能夠通過控制形成膜時的氧分壓，控制用于溝道層的氧化 物的電導(dǎo)率。更具體地，通過控制氧分壓，主要控制薄膜中氧空位 (vacancy)的量，從而控制電子載流子的濃度。圖9是示出當(dāng)通過濺 射形成In-Ga-Zii-O氧化物薄膜時電導(dǎo)率對氧分壓的示例性依賴性的 圖。實際上，通過高度控制氧分壓，能夠獲得半絕緣膜，其為具有1014 到1018^1113電子載流子濃度的半絕緣性質(zhì)的非晶氧化物膜。通過將如 上所述的薄膜用于溝道層，能夠形成令人滿意的TFT。如圖9中所示， 通過以典型的約0.005 Pa的氧分壓形成膜，能夠獲得半絕緣薄膜。當(dāng) 氧分壓為0.001 Pa或更小時，所形成的薄膜是絕緣的，而當(dāng)氧分壓為 0.01 Pa或更大時，電導(dǎo)率是如此之高以致所述膜對于晶體管的溝道層 是不合適的。制備在不同的氧分壓下形成的幾個非晶氧化物膜，并且比較它們 的輸運性能。在膜形成中調(diào)整氣氛以評估當(dāng)氧分壓增大時的電子輸運 性能，存在增大載流子濃度和電子遷移率兩者的趨勢。為了所述評估 采用霍爾遷移率測量。在Si、 GaAs、 ZnO等一般半導(dǎo)體的情形中，當(dāng)載流子濃度增大 時，由于例如載流子和摻雜劑間的相互作用，電子遷移率降低。另一 方面，在用于這個實施例的非晶氧化物膜的情形中，電子遷移率隨著 電子載流子濃度的增大而增大。當(dāng)施加電壓到柵極電極時，能夠?qū)㈦?子注入非晶氧化物的溝道層。因此，電流在源極電極和漏極電極之間 流動，在所述兩個電極之間獲得導(dǎo)通狀態(tài)。在這個實施例中的非晶氧 化物膜的情形中，當(dāng)電子栽流子濃度增大時，電子遷移率變大，因而 能夠使流入處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶體管的電流較大。即，能夠使飽和電流 和開/關(guān)比率較大。(柵極絕緣層)-在根據(jù)這個實施例的場效應(yīng)晶體管的情形中，任何具有令人滿意 的絕緣性能的材料可以被用于柵極絕緣層12。例如，A1203、 Y203、 Hf02或者包括那些化合物中至少兩個的混合化合物可被用于柵極絕 緣層12。因此，能夠?qū)⒃谠礃O電極和柵極電極之間流動的漏電流與在漏極電極和柵極電極之間流動的漏電流中的每一個減小到約io-7安培。(電極)具有令人滿意的電導(dǎo)率以及能夠與源極部分16和漏極部分n進行電連接的任何材料可以被用于源極電極13、漏極電極14中的每一 個。任何材料也可以被用于柵極電極15。例如，可以使用由In203:Sn 或ZnO等組成的透明導(dǎo)電膜或者由Au、 Pt、 Al或Ni等組成的金屬膜。當(dāng)柵極部分和漏極部分中的每一個具有足夠的電導(dǎo)率時，可以如 圖1A中所示省略電極。圖1B、 5A和5B每個都示出其中提供源極電極13和漏極電極 14的結(jié)構(gòu)例子。在圖5A中，在圖1A中所示的結(jié)構(gòu)上提供絕緣層19， 并且通過通路(via )將源極電極和漏極電極與源極部分和漏極部分連 接。(基板)可以使用玻璃基板、塑料基板或塑料膜等作為基板IO。 如上所述的溝道層和柵極絕緣層對可見光是透明的。因此，當(dāng)透 明材料被用于電極和基板時，能夠制備透明的薄膜晶體管。 (TFT特性)場效應(yīng)晶體管具有包括柵極電極15、源極電極13和漏極電極14 的三端子裝置。場效應(yīng)晶體管是具有用于基于施加到柵極電極的電壓 Vg來控制流入溝道的電流Id的功能的電子有源裝置。這使得能夠控 制在源極電極和漏極電極之間流動的電流I d 。圖7A和7B示出根據(jù)這個實施例的場效應(yīng)晶體管的典型特性。 當(dāng)在源極電極和漏極電極之間施加約5 V的電壓Vd時，要施加的柵 極電壓Vg在0 V和5 V之間切換，能夠控制(接通/切斷)在源極電 極和漏極電極之間流動的電流Id (單位nA)。圖7A示出在各Vg 處的Id-Vd特性的例子，而圖7B示出在6 V的Vd處的Id-Vg特性(傳 輸特性)的例子。(滯后)將參考圖8A和8B描述作為這個實施例中效果之一的滯后的減 少。滯后是指如圖8A和8B中所示，在評估TFT傳輸特性的情形 中，當(dāng)在保持Vd的同時掃過(swept)(上升和下降)Vg時，在電 壓上升期間Id值的變化不同于在電壓下降期間Id值的變化。當(dāng)滯后 大時，在固定的(set) Vg處獲得的Id值變化。因此，可以使用具有 小的滯后的裝置。圖8A和8B示出在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情形中TFT傳輸特性以及在這個 實施例的結(jié)構(gòu)的情形中TFT傳輸特性的例子，在所述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，源 極電極和漏極電極直接形成在氧化物膜上，在這個實施例的結(jié)構(gòu)中， 提供源極部分和漏極部分，所述源極部分和漏極部分中的每一個具有 高的氫濃度。所述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)如圖8A所示的滯后特性。與此相比，
當(dāng)如在這個實施例中進一步提供每一個都添加有氫的源極部分和漏極
部分時，能夠獲得具有如圖8B中所示小的滯后的裝置。
當(dāng)通過添加有氮的源極(漏極)部分連接溝道與源極(漏極)電
極時，可以降低俘獲在連接部分中的電荷的量以減少滯后。 (制造方法)
可以通過下面的制造方法制造上述場效應(yīng)晶體管。
即，制造方法包括形成作為溝道層的氧化物膜的步驟，以及添
加氫到氧化物膜的部分以形成源極部分和漏極部分的步驟。
可以使用如下方法預(yù)先形成具有適于提供溝道部分的電阻值的
氧化物膜，以及然后添加氫到氧化物膜的部分以形成源極部分和漏極部分。
作為替換方案，可以使用如下方法其中，預(yù)先形成具有略微小 于適于提供溝道部分的電阻值的電阻值的氧化物膜，以及然后降低一 部分氧化物膜的氫濃度以形成溝道部分。因為易于控制氫濃度，所以 前面的方法是適合的。
可以4吏用i^如濺射方法(SP方法)、^"沖激光沉積方法(PLD 方法)或者電子束沉積方法的幾種沉積方法作為形成氧化物膜的方法。 考慮到大生產(chǎn)能力，所述SP方法是適合的。然而，膜形成方法不限 于那些方法。能夠?qū)⒛ば纬善陂g的基板溫度保持到基本上為室溫而沒 有故意加熱。
可以使用諸如氫離子注入、氫等離子體處理、氫氣氛處理或者從 鄰近含氫膜擴散的方法作為添加氫到氧化物膜的方法。在所述方法中， 考慮到氫含量控制，離子注入方法是適合的?？梢允褂肏+離子、H-離子、D+離子(氖離子)或H"離子(氫分子離子)等作為離子注入 方法的離子物種(species)。與此相比，考慮到生產(chǎn)量，氫等離子體 處理是適合的。
例如，可以使用平行板類型的等離子體CVD設(shè)備或者RIE類型 的等離子體蝕刻設(shè)備執(zhí)行氫等離子體處理。
然后，將描述這個實施例中的自對準(zhǔn)處理。
在這個方法中，為了形成源極部分和漏極部分，使用位于溝道層 之上的柵極電極的圖案作為掩模，將氫添加到氧化物膜。根據(jù)所述方 法，可以與柵極電極自對準(zhǔn)地形成源極部分和漏極部分。
將參考圖3A和3B描述關(guān)于圖1A中所示頂柵極薄膜晶體管例子 的這個實施例中的自對準(zhǔn)處理。
首先，通過圖案化在基板IO上形成作為溝道層11的氧化物膜。 然后，沉積柵極絕緣層12。然后，通過圖案化形成柵極電極15。在氫 添加步驟中，使用柵極電極作為掩模(圖3A)，通過諸如氫離子注入 或者氫等離子體處理的方法，將氫添加到氧化物膜中，從而形成源極 部分16和漏極部分17 (圖3B)。在那之后，可以進行退火以使氫的 量均勻。
因此，能夠通過使用柵極電極15作為掩模將氫添加到溝道層11 的自對準(zhǔn)方法容易地制備共面晶體管。
當(dāng)使用這樣的方法時，能夠減少柵極電極與源極部分和漏極部分 中的每一個之間的重疊。因為重疊作為電容器(寄生電容器)起作用， 所以重疊禁止了晶體管的高速操作。重疊的變化導(dǎo)致晶體管特性的變 化。當(dāng)使用自對準(zhǔn)處理時，能夠減少在柵極電極與源極部分和漏極部 分中每一個之間的重疊部分中導(dǎo)致的晶體管的寄生電容并使其均勻。
結(jié)果，有可能制備具有高驅(qū)動能力和優(yōu)異均勻性的晶體管。
當(dāng)使用所述方法時，能夠自動確定柵極、源極和漏極之間的位置 關(guān)系，而沒有可能導(dǎo)致誤差的掩模對準(zhǔn)。因為使用自對準(zhǔn)方法，所以 高精度掩模對準(zhǔn)是不必要的。用于允許掩模對準(zhǔn)中導(dǎo)致的誤差的掩模 對準(zhǔn)余裕(margin)也是不必要的，所以能夠減小裝置的尺寸。
能夠在低溫處理中執(zhí)行所述方法，因此能夠在諸如塑料板或塑料 膜的基板上形成薄膜晶體管。
根據(jù)這個實施例，能夠減少蝕刻處理的數(shù)量以及剝離(lift-off) 處理的數(shù)量以形成源極和漏極。因此，能夠以低成本處理以及優(yōu)異穩(wěn) 定性實現(xiàn)電極-半導(dǎo)體連接。
能夠制備顯示裝置，其中將對應(yīng)于場效應(yīng)晶體管的輸出端子的漏
極與諸如有機或無機電致發(fā)光(EL)元件或液晶元件的顯示元件的電極 連接。下面將參考顯示裝置橫截面視圖描述具體顯示裝置的結(jié)構(gòu)例子。
例如，如圖11中所示，在基底111上形成包括氧化物膜(溝道 層)112、源極電極113、漏極電極114、柵極絕緣膜115和柵極電極 116的場效應(yīng)晶體管。漏極電極114通過層間絕緣膜117連接到電極 118。電極118與發(fā)光層119接觸。發(fā)光層119與電極120接觸。根據(jù) 這樣的結(jié)構(gòu)，能夠基于通過在氧化物膜112中形成的溝道在源極電極 113和漏極電極114之間流動的電流值，控制注入發(fā)光層119的電流。 因此，可以基于施加到場效應(yīng)晶體管的柵極電極116的電壓，控制注 入發(fā)光層119的電流。所述電極118、發(fā)光層119和電極120組成無 機或有機電致發(fā)光元件。
作為替換方案，如圖12中所示，漏極電極114延伸以同樣用作 電極118，因而能夠提供其中漏極電極114被用作電極118的結(jié)構(gòu)， 所述電極118用于施加電壓到夾在高電阻膜121和122之間的液晶單 元或電泳顆粒單元123。液晶單元或電泳顆粒單元123、高電阻膜121 和122、電極118以及電極120組成顯示元件。能夠基于漏極電極114 的電壓值控制施加到顯示元件的電壓。因此，能夠基于施加到TFT的 柵極電極116的電壓控制施加到顯示元件的電壓。當(dāng)顯示元件的顯示 介質(zhì)為其中流體和顆粒被密封在絕緣涂層中的嚢狀物(capsule)時， 高電阻膜121和122是不必要的。
在上述場效應(yīng)晶體管的兩個例子中，典型地顯示了頂柵極共面結(jié) 構(gòu)。然而，這個實施例不必限于這個結(jié)構(gòu)。例如，在作為場效應(yīng)晶體 管的輸出端子的漏極電極和顯示元件之間的連接拓樸上 (topologically )相同，可以采用諸如交錯結(jié)構(gòu)的另 一結(jié)構(gòu)。
在所述兩個例子中，顯示出其中與基底平行地提供用于驅(qū)動顯示 元件的一對電極的例子。然而，這個實施例不必限于這樣的結(jié)構(gòu)。例 如，在作為場效應(yīng)晶體管的輸出端子的漏極電極和顯示元件之間的連 接拓樸上相同，可以垂直于基底提供所述電極中的任何一個或者兩個 電極。
在所迷兩個例子中，只顯示了與顯示元件連接的一個場效應(yīng)晶體 管。然而，這個實施例不必限于這樣的結(jié)構(gòu)。例如，根據(jù)這個實施例， 可以將圖中顯示的場效應(yīng)晶體管連接到另一場效應(yīng)晶體管。只需要在 包括場效應(yīng)晶體管的電路的最后級提供圖中所示的場效應(yīng)晶體管。
在與基底平行地提供用于驅(qū)動顯示元件的一對電極的情形中，當(dāng)
顯示元件為EL元件或諸如反射液晶元件的反射顯示元件時，任何一 個電極對發(fā)射光的波長或者反射光的波長都必須是透明的。作為替換 方案，在諸如透射型液晶元件的顯示裝置的情形中，每個電極對透射 的光必須是透明的。
也可以使組成根據(jù)這個實施例的場效應(yīng)晶體管的所有部件都是 透明的，結(jié)果能夠制備透明的顯示元件。能夠在諸如重量輕、撓性的 和透明的樹脂塑料基板的低耐熱(heat-resistance )基底上提供這樣的 顯示元件。
然后，將參考圖13描述其中二維布置每個包括EL元件(這種 情形中的有機EL元件)和場效應(yīng)晶體管的像素的顯示裝置。
在圖13中，晶體管181驅(qū)動有機EL層184,且晶體管182選擇 像素。被用于維持所選狀態(tài)以及位于公共電極線187和晶體管182的 源極部分之間的電容器183存儲電荷，以保持施加到晶體管181的柵 極的信號。通過掃描電極線185和信號電極線186確定像素選擇。
更具體地，從驅(qū)動電路(沒有示出)將圖像信號作為脈沖信號通 過掃描電極線185施加到柵極電極。同時，從另一驅(qū)動電路(沒有示 出)通過信號電極線186將脈沖信號施加到晶體管182，從而選擇像 素。這時，晶體管182被導(dǎo)通，以將電荷存儲在位于信號電極線186 和晶體管182的源極之間的電容器183中。因此，晶體管181的柵極 電壓被保持在期望的電壓，因而使所述晶體管導(dǎo)通。這樣的狀態(tài)被保 持，直到接收到下一信號。在其中晶體管181被導(dǎo)通的狀態(tài)期間，電 壓和電流被供給到有機EL層184以維持發(fā)光。
在圖13中所示的結(jié)構(gòu)例子中，每個像素包括兩個晶體管和一個 電容器。為了改善性能，可以并入大量的晶體管等。必要的是能夠
在低溫形成的、作為根據(jù)這個實施例的透明場效應(yīng)晶體管的
In-Ga-Zn-O場效應(yīng)晶體管被用于晶體管部分。因此，獲得有效的EL 元件。
然后，將參考附圖描述本發(fā)明的例子。 (例子1)
在這個例子中，制造了具有如圖1A中所示的共面結(jié)構(gòu)的頂柵極 TFT裝置。
關(guān)于制造方法，將圖3A和3B中所示的自對準(zhǔn)方法應(yīng)用于這個例子。
將非晶In-Ga-Zn-O氧化物用于溝道層11。使用氫離子注入方法 以形成源極部分和漏極部分。
首先，在玻璃基板10 (由Corning Incorporated, 1737制造)上 形成作為溝道層11的非晶氧化物膜。在這個例子中，在氬氣和氧氣的 混合氣氛下通過射頻濺射形成非晶In-Zn-Ga-O氧化物膜。
使用如圖10中所示用于膜形成的濺射設(shè)備，包括樣品51、靶 52、真空泵53、真空計54、基板保持裝置55、給各氣體引入系統(tǒng)提 供的氣體流率(flow rate)控制裝置56、壓力控制裝置57和膜形成 腔58。
即，使用用于膜形成的所述濺射設(shè)備，其包括膜形成腔58、用 于排空(evacuate)所述膜形成腔的真空泵53、用于在所述膜形成腔 中保持在其上形成了氧化物膜的基板的基板保持裝置55、以及與基板 保持裝置相對的固體材料源(靶)52，并進一步包括用于從所述固 體材料源蒸發(fā)材料的能量源(沒有示出的射頻電源)，以及用于將氧 氣供應(yīng)到膜形成腔中的裝置。
給氬、氧以及氬與氧的混合氣體(Ar:02 = 80:20 )提供有三個氣 體引入系統(tǒng)。利用能夠獨立控制各氣體流率的氣體流率控制裝置56 和用于控制排出(exhaust)速度的壓力控制裝置57，能夠在膜形成腔 中獲得預(yù)定的氣體氣氛。
在這個例子中，使用具有兩英寸的尺寸、具有InGa03 (ZnO)組 分的多晶燒結(jié)材料作為靶(材料源)，且施加的RF功率為100 W。 當(dāng)形成膜時的氣氛的總壓力是0.5Pa，其中氣體流比(flow ratio)為 Ar:02 = 100:1。膜形成速率為13 nm/min，而基板溫度為25°C。
關(guān)于獲得的膜，當(dāng)近似地在膜的表面上執(zhí)行掠射角(glance angle ) X射線衍射(薄膜方法，入射角為0.5度)時，沒有檢測到清楚的衍 射峰，這顯示制造的In-Zn-Ga-O膜為非晶膜。
進一步，作為4吏用橢圓偏振光i昝(spectroscopic ellipsometry ) 的圖案分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)薄膜的均方根粗糙度(Rrms)約為0.5 nm 以及其膜厚度約為60nm。作為X射線熒光(XRF)光譜的結(jié)果，薄 膜中金屬的組分比率為In:Ga:Zn = 38:37:25。
電導(dǎo)率約為l(T2S/cm，電子載流子濃度為4xl016/cm3，以及估計 的電子遷移率約為2cm2/V sec。
從光吸收光譜分析，制造的非晶氧化物膜的禁帶能量寬度約為3eV。
然后，使用光刻方法和剝離方法通過圖案化形成柵極絕緣層12。 通過使用電子束沉積方法以150 nm的厚度形成Y203膜而獲得柵極絕 緣層。￥203膜的相對介電常數(shù)約為15。
進一步，使用光刻方法和剝離方法形成柵極電極15。其溝道長度 為40 jLim， 同時，其溝道寬度為200 jam。 電極由Au制成，并且具有 30 nm的厚度。
接著，將氫(或氘)離子注入非晶氧化物薄膜(圖3A),以在 溝道層中形成源極部分和漏極部分(圖3B)。在離子注入期間，如圖 3A中所示，氫離子通過柵極絕緣層被注入溝道層。
根據(jù)這樣的方式，使用柵極電極作為掩模，且對應(yīng)于柵極電極的 圖案自對準(zhǔn)地布置源極部分和漏極部分。
在離子注入中，使用H+(質(zhì)子)作為離子物種，且加速電壓為20 kV。能夠?qū)⒚棵娣e的離子照射(irradiation)量設(shè)為約lx1013(1/cm2) 到lx1017 (l/cm2)。如在上述情形中一樣，單獨制備注入了氘離子D+ 的樣品。
使用SIMS執(zhí)行組分分析以評估氫含量。以lxlO"(l/cm"的離子 照射的樣品薄膜的氫濃度約為2xl019(l/cm3)。因此，例如，在其中離 子照射量為lxlO"(l/cm"的樣品的情形中，因為氫濃度等于或小于檢 測極限，所以不能測量氫濃度。然而，能夠評估氫濃度約為2xl017 (1/cm3)。
在依據(jù)這個例子的薄膜晶體管中源極部分和漏極部分中的每一 個的氫離子照射量被設(shè)為lx1016 (1/cm2)。氫濃度被評估為約2xlO" (l/cm3)。評估單獨制備的樣品的電導(dǎo)率。所述電導(dǎo)率約為80 S/cm。 在這個例子中，源極部分和漏極部分中的每一個具有足夠高的電導(dǎo)率， 從而釆用圖1A中所示省略了源極電極和漏極電極的結(jié)構(gòu)。 (比較例1)
在比較例中，制備具有其中在氧化物膜上直接形成源極電極和漏 極電極的結(jié)構(gòu)的裝置。在基板上形成非晶氧化物層。在那之后，通過 圖案化形成源極電極、漏極電極、柵極絕緣層和柵極電極。沒有使用 自對準(zhǔn)方法?；诶觢執(zhí)行每一層的形成。使用具有30nm厚度的 Au電極作為源極電極和漏極電極中的每一個。
評估TFT裝置的特性
圖7A和7B示出在室溫測量的TFT裝置的示例性電流-電壓特 性。圖7A示出Id-Vd特性，而圖7B示出Id-Vg特性。如圖7A中所 示，當(dāng)施加預(yù)定柵極電壓Vg并測量源極-漏極電流Id對漏極電壓 Vd連同Vd的變化的依賴性時，展現(xiàn)典型的半導(dǎo)體晶體管行為，即， 當(dāng)Vd約為6 V時飽和(夾斷)。關(guān)于增益特性，當(dāng)施加4 V的Vd 時，柵極電壓Vc的閾值約為-0.5 V。當(dāng)Vg為10V時，約l.Oxl(T5 A 的電流Id ;充動。
晶體管的開/關(guān)比率為106或更大。進一步，當(dāng)由輸出特性計算場 效應(yīng)遷移率時，在飽和區(qū)域中獲得約8cm、Vs)"的場效應(yīng)遷移率。用 可見光照射所制造的裝置，并進行相同的測量。沒有觀察到晶體管特 性的變化。
評估了在相同基板上制備的多個裝置的特性的變化。這個例子中
的變化小于比較例中的變化。例如，評估了導(dǎo)通電流的變化。在比較
例中變化約為土15%。與此相比，在這個例子中變化約為±10%。
在依據(jù)這個例子的場效應(yīng)晶體管中，溝道層(氧化物薄膜)包括 溝道部分以及源極部分和漏極部分，源極部分和漏極部分中的每一個 具有大于溝道部分氬濃度的氫濃度。因此，預(yù)期能夠在溝道部分與源 極電極和漏極電極中的每一個之間進行穩(wěn)定的電連接，從而改善裝置 的均勻性和可靠性。
依據(jù)這個例子的TFT具有小于比較例的TFT滯后的滯后。圖8A 和8B示出這個例子和比較例中的Id-Vg特性，用于在它們之間進行 比較。圖8A示出比較例，而圖8B示出這個例子中TFT特性的例子。 如圖中所示，當(dāng)將氯添加到溝道層時，能夠減少TFT的滯后。
即，根據(jù)這個例子，能夠在源極電極和漏極電極中每一個與溝道 之間實現(xiàn)對俘獲電荷有抵抗力的令人滿意的電連接，因而能夠?qū)崿F(xiàn)具 有小的滯后的薄膜晶體管。
然后，評估頂柵極薄膜晶體管的動態(tài)特性。在源極與漏極之間施 加5V的電壓。交替切換施加到柵極電極的+5 V和-5 V的電壓，以測 量漏極電流的響應(yīng)，所述電壓中的每一個具有30 nsec.的脈沖寬度和 30 msec.的周期。在這個例子中，電流上升是優(yōu)異的，而且裝置之間 上升時間的變化是小的。
即，根據(jù)這個例子，能夠通過自對準(zhǔn)方法高精度地實現(xiàn)柵極、源 極和漏極間的位置關(guān)系。因此，高速操作是可能的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)具 有高均勻性的裝置。
在氫離子注入的情形與氘離子注入的情形之間沒有觀察到大的 特性差異。
可以預(yù)期依據(jù)這個例子的具有相對大的場效應(yīng)遷移率的場效應(yīng) 晶體管被用于，例如，用于操作有機發(fā)光二極管的電路。 (例子2)
在這個例子中，結(jié)構(gòu)和制造方法基于例子1。然而，控制氫注入 量，以使源極部分和漏極部分中的每一個的氫濃度變?yōu)榧slx1018(l/cmJ)。在這個例子中，源極部分和漏極部分中的每一個的電導(dǎo)率是不夠 的，因此導(dǎo)通電流略微小于例子1中的導(dǎo)通電流。評估以上述氫濃度 單獨制備的樣品的電導(dǎo)率，以獲得約0.01 S/cm的電導(dǎo)率。當(dāng)施加相對低的氫濃度到源極部分和漏極部分時，如圖5A中所 示進一步提供絕緣層19、源極電極和漏極電極，從而如在例子l的情 形中，能夠?qū)崿F(xiàn)令人滿意的晶體管特性。滯后特性、均勻性和高速操 作性能也是優(yōu)選的。(例子3)這個例子是其中制造具有如圖1B中所示共面結(jié)構(gòu)的底柵極TFT 裝置的例子。在這個例子中，使用圖4A到4D所示的制造方法制備所述裝置。 沒有使用自對準(zhǔn)方法。使用PLD方法形成由非晶In-Ga-Zn-O氧化物制成的溝道層。使 用氫等離子體處理形成源極部分和漏極部分。首先，在玻璃基板10 (由Corning Incorporated, 1737制造)上 使用光刻方法和剝離方法將柵極電極15圖案化。電極由Ta制成，并 且具有50 nm的厚度。然后，使用光刻方法和剝離方法通過圖案化形成柵極絕緣層12。 通過使用激光沉積方法以150 nm的厚度形成Hf02膜而獲得柵極絕緣 層。進一步，使用光刻方法和剝離方法通過圖案化形成作為溝道層的 非晶In-Zn-Ga-O氧化物膜。使用KrF受激準(zhǔn)分子激光器通過PLD方法沉積非晶In-Zn-Ga-O氧化物膜。使用具有InGa03(ZnO)4組分的多晶燒結(jié)材料作為靶，沉積非晶 In-Zn-Ga-O氧化物膜。當(dāng)形成所述膜時的氧分壓為7 Pa。應(yīng)當(dāng)注意， KrF受激準(zhǔn)分子激光器的功率為1.5xl(T3 mJ/cmV脈沖，脈沖寬度為 20nsec，而重復(fù)頻率為10Hz。進一步，基板的溫度為25°C。 作為X射線熒光(XRF)光譜的結(jié)果，薄膜中金屬的組分比率為 In:Ga:Zn = 0.97:1.01:4。進一步，作為使用橢圓偏振光語的圖案分析 的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)薄膜的均方根粗糙度(Rrms)約為0.6 nm以及其膜厚 度約為100 nm。關(guān)于獲得的膜，當(dāng)近似地在膜的表面上執(zhí)行掠射角X 射線衍射(薄膜方法，入射角=0.5度)時，沒有檢測到清楚的衍射峰， 這顯示制造的In-Zn-Ga-O膜為非晶膜。然后，通過圖案化形成具有與柵極電極的圖案相同的圖案的抗蝕 劑掩模20 (圖4A)。在那之后，使用等離子體處理設(shè)備通過氫等離子體處理將氫添加 到作為溝道層的非晶In-Ga-Zn-O薄膜?？梢允褂闷叫邪孱愋偷牡入x 子體CVD設(shè)備或者RIE類型的等離子體蝕刻設(shè)備執(zhí)行氫等離子體處 理(圖4B )。將要被處理的樣品(在以上步驟后獲得的基板)保存在被排空的 設(shè)備中。在那之后，從反應(yīng)性氣體引入端口將含氫的氣體引入，且通 過射頻(RF)電源將射頻功率引入處理容器中，從而產(chǎn)生等離子體。 例如，將電極間隔設(shè)為5 cm，將基板溫度設(shè)為100。C，將H2氣體流 率設(shè)為500 sccm，且將腔的內(nèi)部壓力設(shè)為1Torr。受到氫等離子體處 理的薄膜的氫含量增加，且其電阻率減小。接著，通過圖案化形成漏極電極14和源極電極13。所迷電極中 的每一個由金制成，并且具有30nm的厚度(圖4C)。最后，蝕刻掩模20以形成圖4D中所示的薄膜晶體管。溝道長度 為50 nm,且溝道寬度為180 jim。 (比較例2 )制備沒有受到上述氫等離子體處理的樣品。即，溝道層在其整個 膜區(qū)域上具有基本上均勻的氫濃度，且不包括源極部分和漏極部分。 其他的結(jié)構(gòu)和制造方法基于例子2。TFT裝置的特性評估根據(jù)這個實施例的薄膜晶體管展現(xiàn)在Vd = 6 V處飽和(夾斷) 的典型半導(dǎo)體晶體管的行為。所述晶體管的開/關(guān)比率為106或更大，
且其場效應(yīng)遷移率約為7cm2(Vs)"。當(dāng)制備多個裝置時，根據(jù)例子3的TFT的特性的變化小于根據(jù) 比較例2的TFT的特性的變化。例子3的裝置的滯后特性和高速操作 性能也是優(yōu)選的。在依據(jù)這個例子的場效應(yīng)晶體管中，溝道層(氧化物薄膜)包括 溝道部分以及源極部分和漏極部分，源極部分和漏極部分中的每一個 具有大于溝道部分氫濃度的氫濃度。因此，預(yù)期能夠在溝道部分與源 極電極和漏極電極中的每一個之間制造穩(wěn)定的電連接，從而改善裝置 的均勻性和可靠性?？梢灶A(yù)期依據(jù)這個例子的具有相對大的場效應(yīng)遷移率的場效應(yīng) 晶體管被用于，例如，用于操作有機發(fā)光二極管的電路。 (例子4)這個例子是其中在塑料基板上形成如圖5B中所示頂柵極TFT裝 置的例子。使用聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate， PET )膜作為基板。首先，通過圖案化在基板上形成溝道層。進一步，在這個例子中，在溝道層的形成中，使用具有兩英寸的尺寸、具有Ill203/ZllO組分的多晶燒結(jié)材料作為靶(材料源)，且施加的RF功率為100W。當(dāng)形成膜時的氣氛的總壓力是0.4 Pa，其中 氣體流比為Ar:02 = 100:2。膜形成速率為12 nm/min，且基板溫度為 25°C。關(guān)于獲得的膜，當(dāng)近似地在膜的表面上執(zhí)行掠射角X射線衍射 (薄膜方法，入射角=0.5度)時，沒有檢測到清楚的衍射峰，這顯示 制造的In-Zn-O膜為非晶膜。作為X射線熒光(XRF)光譜的結(jié)果， 金屬的組分比率為In:Zn-1.1:0.9。然后，堆疊柵極絕緣層和柵極電極。柵極絕緣層和柵極電極被形 成為相同的圖案。柵極電極是由In203:Sn組成的透明導(dǎo)電膜。然后，如在例子3的情形中那樣，執(zhí)行氫等離子體處理。使用柵極電極作為掩模自對準(zhǔn)地形成源極部分16和漏極部分17。通過圖案化形成源極電極和漏極電極。使用由In203:Sn組成的 透明導(dǎo)電膜作為源極電極和漏極電極中的每一個，且其厚度為100 nm。TFT裝置的特性評估在室溫測量形成在PET膜上的TFT。晶體管的開/關(guān)比率為103 或更大。計算的場效應(yīng)遷移率約為3 cii^Vs)^如在例子1的情形中 那樣，裝置之間特性的變化、滯后特性和高速操作性能是優(yōu)選的。當(dāng)以30 mm的曲率半徑彎曲形成在PET膜上的裝置時，以相同 的方式測量晶體管特性。沒有觀察到晶體管特性的大的變化。用可見 照射執(zhí)行相同的測量。沒有觀察到晶體管特性的變化。在這個實施例 中制備的薄膜晶體管對可見光是透明的并且形成在撓性基板上。(例子5)在這個例子中，將描述使用圖12中所示場效應(yīng)晶體管的顯示裝 置。在所述場效應(yīng)晶體管中，用作漏極電極的ITO膜的島狀物(island ) 從其短邊延伸直到100 nm。留下對應(yīng)延伸部分90jim的部分，以確保 用于源極電極和柵極電極的配線。然后，用絕緣層涂覆TFT。聚酰亞 胺膜被施加到絕緣層上并且經(jīng)受摩擦(rub)步驟。另一方面，制備其 中ITO膜和聚酰亞胺膜被形成在其上并且執(zhí)行了摩擦步驟的塑料基 板。所述塑料基板與其上以5 ftm的縫隙形成每個場效應(yīng)晶體管的基 板相對，且然后將向列液晶注入到那兒。在這樣的結(jié)構(gòu)的兩側(cè)提供一 對偏振片(polarizing plate)。當(dāng)施加電壓到場效應(yīng)晶體管的源極電 極并且調(diào)整施加到其柵極電極的電壓時，光透射率僅在作為從漏極電 極延伸的ITO膜島狀物的部分的30 nmx90 nm的區(qū)域中被改變。在 場效應(yīng)晶體管變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)的柵極電壓的施加期間，能夠通過源極-漏極電壓連續(xù)改變所述透射率。因此，制備了使用液晶單元作為如圖 12中所示顯示元件的顯示裝置。在另一個例子中，使用白色塑料基板作為其上形成每個TFT的 基板。用金代替TFT電極中的每一個的材料。省略聚酰亞胺膜和偏振
片。用其中顆粒和流體被用絕緣涂層涂覆的嚢狀物填充白色塑料基板 和透明塑料基板之間的縫隙。在具有這樣結(jié)構(gòu)的顯示裝置的情形中，通過場效應(yīng)晶體管控制延伸的漏極電極和位于其上的ITO膜之間的 電壓，以使嚢狀物中的顆粒在縱向方向移動。因此，能夠為顯示器控 制從透明基板側(cè)觀察的延伸漏極區(qū)域的反射率。在另一例子中，彼此鄰近地形成多個場效應(yīng)晶體管，以制備例如 包括四個晶體管和一個電容器的正常電流控制電路。因此，能夠使用圖11中所示TFT作為最后級晶體管中的一個，以驅(qū)動EL元件。例 如，采用使用ITO膜作為漏極電極的場效應(yīng)晶體管。在作為從漏極電 極延伸的ITO膜島狀物的部分的30 nmx90 nm的區(qū)域中形成包括電 荷注入層和發(fā)光層的有機電致發(fā)光元件。這樣，能夠制備使用所述EL 元件的顯示裝置。 (例子6)二維布置顯示元件和場效應(yīng)晶體管，所述顯示元件和場效應(yīng)晶體 管中的每一個與例子5中的對應(yīng)。例如，以短邊方向40 nm的間距和 長邊方向120 pm的間距以正方形形狀布置7425x1790個像素，每個 像素包括例子5中的諸如液晶單元或EL元件的顯示元件與場效應(yīng)晶 體管，并且具有30 nmxl15 nm的面積。然后，提供通過長邊方向的 7425個場效應(yīng)晶體管的柵極電極的1790條柵極配線，且提供通過在 短邊方向從非晶氧化物半導(dǎo)體膜島狀物突出5 nm的1790個TFT的源 極電極的部分的7425條信號配線。所述配線與柵極驅(qū)動電路和源極驅(qū) 動電路連接。在液晶顯示元件的情形中，當(dāng)在裝置的表面上提供其每 個的尺寸與液晶顯示元件的相等并且與其對準(zhǔn)的濾色器以在長邊方向 重復(fù)紅色(R)、綠色(G)和藍色(B)濾色器時，能夠構(gòu)建有源矩 陣彩色圖像顯示裝置(約211 ppi和A4尺寸)。在EL元件的情形中，在EL元件中包括的兩個場效應(yīng)晶體管中， 第一場效應(yīng)晶體管的柵極電極與柵極線連接，而第二場效應(yīng)晶體管的 源極電極與信號線連接。在長邊方向以R、 G和B光的順序重復(fù)EL 元件的發(fā)光波長。因此，能夠構(gòu)建具有相同分辨率的發(fā)光彩色圖像顯 示裝置?？梢允褂门c像素的場效應(yīng)晶體管同樣的根據(jù)這個實施例的TFT 來構(gòu)建或者使用現(xiàn)有的IC芯片來構(gòu)建用于驅(qū)動有源矩陣電路的驅(qū)動 電路。能夠在包括PET膜的撓性材料上形成根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體 管。即，能夠以彎曲狀態(tài)執(zhí)行開關(guān)(switch)。另外，場效應(yīng)晶體管 對可見光和具有400 nm或更長波長的紅外光是透明的，從而能夠?qū)?根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管應(yīng)用作為LCD或有機EL顯示器的開關(guān)元 件。能夠?qū)⒏鶕?jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管廣泛應(yīng)用于撓性顯示器、透視 (see-through)顯示器、IC卡和ID標(biāo)簽等等。根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管，溝道層(氧化物膜)包括添加有氬 或氘的源極部分和漏極部分。作為替換方案，溝道層(氧化物膜)包 括含有氫或氘的溝道部分與具有大于溝道部分氫濃度的氫濃度的源極 部分和漏極部分。因此，能夠在溝道部分與源極電極和漏極電極中的 每一個之間制造穩(wěn)定的電連接，從而改善裝置的均勻性和可靠性。能 夠在源極電極和漏極電極中每一個與溝道之間實現(xiàn)對俘獲電荷有抵抗 力的令人滿意的電連接，從而能夠?qū)崿F(xiàn)具有小的滯后與優(yōu)異的特性穩(wěn) 定性的場效應(yīng)晶體管。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)要制造場效應(yīng)晶體管時，使用柵極電極的圖案作 為掩模將氫添加到氧化物膜。因此，能夠與柵極電極的圖案自對準(zhǔn)地 形成源極部分和漏極部分，結(jié)果能夠以高精度實現(xiàn)柵極、源極和漏極 間的位置關(guān)系。這個申請要求2006年3月17日提交的日本專利申請No. 2006-074630的優(yōu)先權(quán)，其在此通過引用而^皮并入。
權(quán)利要求
1、一種場效應(yīng)晶體管，包括作為半導(dǎo)體層的氧化物膜，其中所述氧化物膜包括添加有氫和氘之一的源極部分和漏極部分之一。
2、 一種場效應(yīng)晶體管，包括作為半導(dǎo)體層的氧化物膜， 其中所迷氧化物膜包括溝道部分、源極部分和漏極部分，以及 其中所述源極部分和漏極部分中氫和氘之一的濃度大于所述溝道部分中氫和氘之一的濃度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1的場效應(yīng)晶體管，其中所述源極部分和漏極 部分被與柵極電極自對準(zhǔn)地設(shè)置，并且具有共面結(jié)構(gòu)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1的場效應(yīng)晶體管，其中所述源極部分和漏極 部分之一的電阻率為所述溝道部分的電阻率的1/10或更小。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1的場效應(yīng)晶體管，其中所述氧化物膜由下式 表達的非晶氧化物形成[(SnLxM4x)02la'(IiM國yM3y)203lb.(ZiiLzM2zO)Jc 其中0Sx51、 0SySl、 0Sz^1、 05a^l、 0Sb^1、 0^c￡l且a+b+c = 1; M4為原子序數(shù)比Sn小的從由Si、 Ge和Zr構(gòu)成的組選擇的第VI族 元素；M3為Lu或者原子序數(shù)比In小的從由B、 Al、 Ga和Y構(gòu)成的 組選擇的第III族元素；以及M2為原子序數(shù)比Zn小的從由Mg和 Ca構(gòu)成的組選擇的笫II族元素。
6、 一種顯示裝置，包括 包括電極的顯示元件；以及 根據(jù)權(quán)利要求1的場效應(yīng)晶體管，　其中所述場效應(yīng)晶體管的源極部分和漏極部分之一與所述顯示 裝置的所述電極電連接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的顯示裝置，其中多個顯示元件與多個場效 應(yīng)晶體管被二維布置在基板上。
8、 一種制造包括作為半導(dǎo)體層的氧化物膜的場效應(yīng)晶體管的方 法，包括步驟在基板上形成所述氧化物膜；以及將氫和氘之一添加到所述氧化物膜的一部分，以形成源極部分和 漏極部分。
9、 一種制造包括作為半導(dǎo)體層的氧化物膜的場效應(yīng)晶體管的方 法，包括步驟在基板上形成所述氧化物膜；在所述氧化物膜上形成柵極絕緣膜；在所述柵極絕緣膜上形成柵極電極；以及使用所述柵極電極的圖案作為掩模，將氫和氘之一添加到所述氧 化物膜，以在所述氧化物膜中與所述柵極電極的圖案自對準(zhǔn)地形成源 極部分和漏極部分。
10、 一種場效應(yīng)晶體管，包括 包括溝道區(qū)的氧化物半導(dǎo)體層； 柵極電極；柵極絕緣體； 漏極電極；以及 源極電極，其中所述氧化物半導(dǎo)體層進一步包括鄰近所述源極電極或漏極 電極的一對摻雜區(qū)，所述摻雜區(qū)中的每一個具有氫和氘中的至少一種，　以及其中所述摻雜區(qū)中氫和氘之一的濃度大于所述溝道區(qū)中氫和氘 之一的濃度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種包括作為半導(dǎo)體層的氧化物膜的場效應(yīng)晶體管，其中所述氧化物膜包括添加有氫和氘之一的源極部分和漏極部分之一。
文檔編號H01L29/786GK101401213SQ20078000914
公開日2009年4月1日 申請日期2007年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月17日
發(fā)明者云見日出也, 巖崎達哉 申請人:佳能株式會社