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)明涉及場(chǎng)效應(yīng)晶體管，特別是涉及用于LCD和有機(jī)EL顯示器的開關(guān)元件的場(chǎng) 效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)包含柵電極、源電極和漏電極。 場(chǎng)效應(yīng)晶體管是向柵電極施加電壓以控制流過(guò)溝道層的電流并控制源電極和漏 電極之間的電流的電子有源元件。特別地，以在由陶瓷、玻璃和塑料等制成的絕緣襯底上進(jìn) 行成膜的薄膜為溝道層的FET被稱為薄膜晶體管(TFT)。 薄膜技術(shù)被應(yīng)用于上述的TFT，因此，有利地很容易在具有比較大的面積的襯底上 形成該TFT，并且該TFT被廣泛用作諸如液晶顯示元件的平板顯示元件的驅(qū)動(dòng)元件。
S卩，有源液晶顯示元件(ALCD)利用在玻璃襯底上制造的TFT切換各單個(gè)圖像像 素的0N/0FF。期望利用TFT的像素的電流驅(qū)動(dòng)將來(lái)對(duì)于高性能有機(jī)LED顯示器(OLED)有 效。此外，已實(shí)現(xiàn)另一高性能液晶顯示器，其具有在圖像周邊的襯底上形成的具有驅(qū)動(dòng)和控 制整個(gè)圖像功能的周邊電路。 使用最廣泛的TFT包含多晶硅膜或非晶硅膜作為溝道層材料。 為了驅(qū)動(dòng)像素，對(duì)于實(shí)際使用已實(shí)現(xiàn)了非晶硅TFT，對(duì)于驅(qū)動(dòng)和控制整個(gè)圖像，對(duì)
于實(shí)際使用已實(shí)現(xiàn)了高性能多晶硅TFT。 但是，由于器件制造需要高溫處理，因此難以在諸如塑料板或箔之類的襯底上制 造非晶硅TFT、多晶硅TFT和其它的TFT。 另一方面，近年來(lái)，通過(guò)在由聚合物板和箔制成的襯底上形成TFT用作用于驅(qū)動(dòng) LCD和OLED的電路，積極開發(fā)以實(shí)現(xiàn)柔性顯示器。關(guān)注點(diǎn)集中于使得能夠在塑料箔上低溫 成膜的有機(jī)半導(dǎo)體。 例如，正在進(jìn)行關(guān)于用作有機(jī)半導(dǎo)體膜材料的并五苯的研究和開發(fā)。這些有機(jī)半 導(dǎo)體中的任一種具有芳族環(huán)，由此在結(jié)晶的情況下沿芳族環(huán)的層疊方向獲得明顯的載流子 遷移率。例如，在使用并五苯作為活性層的情況下，載流子遷移率為約0.5cm2(Vs)—、據(jù)報(bào) 道，這等于非晶Si-MOSFET的載流子遷移率。 但是，諸如并五苯的有機(jī)半導(dǎo)體表現(xiàn)出較低的熱穩(wěn)定性(< 150° )，此外，還沒有 實(shí)現(xiàn)用于實(shí)際使用的器件。 另外，最近，用于TFT的溝道層的氧化物材料正在受到關(guān)注。
例如，具有ZnO的溝道的TFT正在得到積極開發(fā)。 ZnO膜允許在比較低的溫度下成膜?？梢栽谥T如塑料板和箔之類的襯底上形成薄膜。 但是，ZnO不能在室溫下形成穩(wěn)定的非晶膜，而是導(dǎo)致多晶相。因此，由于多晶粒 子的界面上的散射，不能增加電子遷移率。 另外，多晶粒子的形狀和互連接根據(jù)成膜方法大大不同。因此，特性會(huì)在TFT元件
3之間以及在批次之間散亂。 最近報(bào)告了具有In-Ga-Zn-O系的非晶氧化物的薄膜晶體管(K.Nomura等人，Nature VOL. 432， P.488-492(2004-11))。 可以在室溫下在塑料和玻璃襯底上制造該薄膜晶體管。此外，獲得具有為約6 9的電場(chǎng)效應(yīng)遷移率的常關(guān)型薄膜晶體管性能。另外，該晶體管的特征在于對(duì)于可見光透明。
上述的K. Nomura等人，Nature VOL. 432， P. 488-492(2004-11)特別公開了對(duì)于TFT的溝道層使用成分比為In : Ga : Zn = 1. 1 : 1. 1 : 0.9(原子比)的非晶氧化物的技術(shù)。 該技術(shù)使用具有三種金屬元素In、Ga和Zn的非晶氧化物。但是，從易于成分控制和材料制備的觀點(diǎn)看，優(yōu)選氧化物具有更少的金屬元素?cái)?shù)。 另一方面，用諸如濺射方法的技術(shù)實(shí)施的具有一種類型的金屬元素的諸如ZnO和ln203的氧化物的成膜一般導(dǎo)致多晶薄膜。如上所述，多晶相易于出現(xiàn)TFT的特性的變化。
作為具有兩種類型的金屬元素的例子，關(guān)于In-Zn-O系的研究的報(bào)告是已知的(例如，Applied Physics Letters 89,062103(2006))。 但是，對(duì)于In-Zn-0系，由于在空氣中存放的過(guò)程中其電阻率容易隨著時(shí)間改變，因此希望環(huán)境穩(wěn)定性的改善。否則，報(bào)告的In-Zn-O系的研究使用50(TC的比較高的溫度下的熱處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管使用由少量種類的元素構(gòu)成的非晶氧化物，使得能夠在適用于塑料襯底的低溫下被形成并且在諸如空氣中存放的環(huán)境穩(wěn)定性方面優(yōu)異。 為了解決上述的問題，本發(fā)明提供一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管包含柵電極、源電極、漏電極和溝道層，以通過(guò)向柵電極施加電壓控制在源電極和漏電極之間流動(dòng)的電流，其特征在于，溝道層由包含In和Si并且具有不小于0. 05且不大于0. 40的由Si/(In+Si)表示的成分比的非晶氧化物構(gòu)成。 另外，本發(fā)明提供一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管包含柵電極、源電極、漏電極和溝道層，以通過(guò)向柵電極施加電壓控制在源電極和漏電極之間流動(dòng)的電流，其特征在于，溝道層由包含In、Zn和Si并且具有不小于0. 05且不大于0. 40的由Si/ (In+Zn+Si)表示的Si的成分比的氧化物材料構(gòu)成。 另外，本發(fā)明提供一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管包含柵電極、源電極、漏電極、溝道層和與溝道層接觸的柵絕緣層，以通過(guò)向柵電極施加電壓控制在源電極和漏電極之間流動(dòng)的電流，其特征在于，溝道層由包含In和Si并且具有不小于0. 05且不大于0. 40的由Si/(In+Si)表示的成分比的氧化物材料構(gòu)成，并且柵絕緣層由包含Si的氧化物或氮化物構(gòu)成。 根據(jù)本發(fā)明，溝道層由新穎材料即包含銦和硅的非晶氧化物形成，由此可實(shí)現(xiàn)表示良好特性的薄膜晶體管。特別地，包含場(chǎng)效應(yīng)遷移率和S值的其晶體管性能優(yōu)異并且其環(huán)境穩(wěn)定性良好。 另外，由于主要包含硅，因此存在材料成本低廉并且環(huán)境負(fù)荷小的優(yōu)點(diǎn)。
參照附圖閱讀示例性實(shí)施例的以下描述，本發(fā)明的其它特征將變得十分明顯。


圖1是示出通過(guò)濺射方法形成的氧化物半導(dǎo)體膜的電阻率隨時(shí)間過(guò)去的變化的 曲線圖。 圖2是示出作為本發(fā)明的實(shí)施例的薄膜晶體管的傳送特性的曲線圖。 圖3A、圖3B和圖3C是示出作為本發(fā)明的實(shí)施例的薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)的例子的斷面圖。 圖4是示出場(chǎng)效應(yīng)遷移率的In-Si成分比依賴性的例子的曲線圖。 圖5是示出關(guān)于In-Si-0薄膜晶體管的閾值電壓的成分依賴性的實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果
的曲線圖。 圖6是示出S值的In : Si比依賴性的曲線圖。 圖7A和圖7B是例示作為本發(fā)明的實(shí)施例的薄膜晶體管的特性的曲線圖。 圖8是用于制造作為本發(fā)明的實(shí)施例的薄膜晶體管的薄膜形成裝置的示意圖。 圖9是示出各種成分的Id-Vg特性的曲線圖。 圖10是示出退火之后的TFT(Id-Vg)特性的曲線圖。
具體實(shí)施例方式以下將參照附圖描述用于實(shí)施本發(fā)明的最佳方式。 本發(fā)明的發(fā)明人致力于研究作為用于薄膜晶體管的溝道層的材料的、諸如包含In 和Si的氧化物的由兩種類型的金屬元素制成的氧化物材料。 圖1是示出通過(guò)濺射方法形成的幾種氧化物膜的電阻率隨時(shí)間過(guò)去的變化的曲 線圖。 在圖1中，In和使用的其它金屬元素M的成分比M/(In+M)為約0. 3。 如圖1所示，由In和Zn構(gòu)成的氧化物(In-Zn-0)和由In和Sn構(gòu)成的氧化物
(In-Sn-0)表現(xiàn)出電阻率隨時(shí)間的過(guò)去而較大的變化。 另一方面，很顯然，由In和Si構(gòu)成的氧化物(In-Si-0)和由In和Ga構(gòu)成的氧化 物(In-Ga-0)幾乎不引起電阻率隨時(shí)間的過(guò)去而變化。 因此，由于In-Ga-0和In-Si-0氧化物可提供優(yōu)異的電阻穩(wěn)定性，這些氧化物是優(yōu) 選的。 然后，通過(guò)利用上述材料作為溝道，在實(shí)驗(yàn)上制造薄膜晶體管。對(duì)于In-Zn-0和 In-Sn-O氧化物，難以實(shí)現(xiàn)ON/OFF比為五(5)或更大的數(shù)位的晶體管。
另一方面，對(duì)于In-Ga-0和In-Si-0氧化物，可以實(shí)現(xiàn)具有圖2所示的傳輸特性 (Id-Vg曲線圖)的ON/OFF比為六(6)或更大的數(shù)位的晶體管。 特別地，如圖2所示，在電流Id上升的過(guò)程中，In-Si-0 TFT的傳送特性(Id_Vg曲
線圖)比In-Ga-0 TFT陡，從晶體管性能的觀點(diǎn)看，這是更合適的。 因此，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，包含In和Si的氧化物是溝道層的優(yōu)選材料。 在本發(fā)明中，氧化物半導(dǎo)體可包含不可避免地包含或僅在不對(duì)性能產(chǎn)生不利影響
的程度上包含的(In、 Si和0以外的)元素。
5明的薄膜晶體管。[OO54](薄膜晶體管) 首先，將描述本發(fā)明的氧化物薄膜晶體管包含什么。 圖3A、圖3B和圖3C是示出作為本發(fā)明的實(shí)施例的薄膜晶體管的例子的斷面圖。
圖3A、圖3B和圖3C包含襯底10、溝道層11、柵絕緣層12、源電極13、漏電極14和柵電極15。 場(chǎng)效應(yīng)晶體管是包含柵電極15、源電極13和漏電極14的三端子元件。這種電子有源元件包含向柵電極15施加電壓Vg以控制在溝道層中流動(dòng)的電流Id并且切換源電極13和漏電極14之間的電流Id的功能。 圖3A表示在半導(dǎo)體溝道層11上依次形成柵絕緣層12和柵電極15的頂柵結(jié)構(gòu)的例子。圖3B表示在柵電極15上依次形成柵絕緣層12和半導(dǎo)體溝道層11的底柵結(jié)構(gòu)的例子。圖3C表示另一底柵型晶體管的例子。 圖3C包含襯底21(n+Si襯底還用作柵電極)和絕緣膜22(SiO》和溝道層25(氧化物)。還包含源電極23和漏電極24。 在本實(shí)施例中，包含于TFT中的不限于這些結(jié)構(gòu)，而是可以使用任意的頂/底柵結(jié)構(gòu)和交錯(cuò)/反交錯(cuò)結(jié)構(gòu)。
以下，將描述各部件。
(溝道層) 本實(shí)施例的薄膜晶體管的特征在于，包含銦和硅的非晶氧化物被應(yīng)用于溝道層。
特別地，由In和Si構(gòu)成的非晶氧化物(In-Si-O)和由In、Si和Zn構(gòu)成的非晶氧化物(In-Zn-Si-0)是優(yōu)選的材料。另外，可以使用包含In、Sn和Si的非晶氧化物。
在將In-Si-0應(yīng)用于溝道的情況下，存在優(yōu)選的In和Si成分比(原子比)。
由于可以在使襯底溫度保持在室溫的同時(shí)通過(guò)濺射方法形成非晶薄膜，因此優(yōu)選Si/(In+Si)不小于0.05(5原子％)。另外，在30(TC的退火處理之后，獲得非晶薄膜。
如上所述，在多晶相的情況下，多晶粒子的形狀和互連根據(jù)成膜方法大大不同。因此，TFT元件的特性將在元件之間改變。 此外，我們制造和測(cè)試通過(guò)對(duì)溝道層應(yīng)用由In和Si構(gòu)成的非晶氧化物(In-Si-0)獲得的薄膜晶體管。作為結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)存在優(yōu)選的用于TFT溝道的材料成分(In : Si比)。 圖4是示出場(chǎng)效應(yīng)遷移率與In-Si成分比的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線圖，這里，研究了TFT溝道的In : Si成分依賴性。 如圖4所示，隨著Si含量減小，場(chǎng)效應(yīng)遷移率明顯增加。 希望的場(chǎng)效應(yīng)遷移率值依賴于應(yīng)用，并且，對(duì)于液晶顯示裝置可優(yōu)選不小于0. lcm7Vsec，并且對(duì)于有機(jī)EL顯示裝置可優(yōu)選不小于lcm7Vsec。 出于這種觀點(diǎn)，In和Si的比Si/(In+Si)可優(yōu)選不大于0. 30并且更加優(yōu)選不大于0. 23。 另一方面，當(dāng)薄膜晶體管具有不小于OV(或接近0)的閾值電壓Vth時(shí)，易于制造適當(dāng)?shù)碾娐贰?圖5是示出關(guān)于In-Si-0系薄膜晶體管的閾值電壓的成分依賴性的實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)
6果的曲線圖。圖6是示出S值的In : Si比依賴性的曲線圖。 如圖5所示，如果Si/(In+Si)不小于O. 15，那么閾值電壓Vth為正值(或接近0)， 這是優(yōu)選的。 另外，如圖6所示，可對(duì)于S值獲得在0. 15和0. 25之間的較小的值。
基于以上的描述，在對(duì)薄膜晶體管的溝道層應(yīng)用In-Si-0的情況下，In和Si的原 子比，即Si/(In+Si)，可優(yōu)選不小于0. 05(5原子％ )且不大于O. 40、更加優(yōu)選不小于0. 15 且不大于0. 30、特別優(yōu)選不小于0. 15且不大于0. 23。 另外，在對(duì)薄膜晶體管的溝道層應(yīng)用In-Si-Zn-0的情況下，In、Si和Zn的原子比， 即Si/(In+Si+Zn)，可優(yōu)選不小于0. 05且不大于0. 40。 本實(shí)施例的氧化物(溝道層)在10nm 200nm的范圍內(nèi)，優(yōu)選在20nm 100nm 的范圍內(nèi)，并且更加優(yōu)選在25nm 70nm的范圍內(nèi)。 可優(yōu)選通過(guò)對(duì)溝道層應(yīng)用具有不大于10S/cm且不小于0. 0001S/cm的導(dǎo)電率的非 晶氧化物來(lái)獲得良好的TFT性能。 雖然這種導(dǎo)電率依賴于材料成分，但可優(yōu)選通過(guò)形成具有約1014 1018/cm3的電 子載流子濃度的非晶氧化物膜，實(shí)現(xiàn)這種導(dǎo)電率。 當(dāng)導(dǎo)電率不小于10S/cm時(shí)，不能制造正常OFF晶體管。另外，不能使得ON/OFF比 大。 在極端的情況下，即使施加?xùn)艠O電壓，也不能使源電極_漏電極之間的電流流動(dòng) 開/關(guān)，即，不表現(xiàn)出晶體管動(dòng)作。 另一方面，在絕緣體的情況下，即，在具有不大于0. 0001S/cm的導(dǎo)電率的情況下， 不能使得ON電流大。在極端的情況下，即使施加?xùn)艠O電壓，也不能使源電極_漏電極之間 的電流流動(dòng)開/關(guān)，即，不表現(xiàn)出晶體管動(dòng)作。 可通過(guò)控制金屬元素的成分比、成膜時(shí)的氧分壓和形成薄膜之后的退火條件，控 制要應(yīng)用于溝道層的氧化物的導(dǎo)電率。 特別地，成膜時(shí)的氧分壓被控制，以主要控制膜中的缺氧(oxygendeficiency)，并 可由此控制電子載流子濃度。
(柵絕緣層) 對(duì)于用于柵絕緣層12的材料沒有特別的限制，只要在適用于本實(shí)施例的晶體管 中該材料表現(xiàn)出良好的絕緣性能。優(yōu)選地，通過(guò)使用包含硅作為主要成分的薄膜作為柵絕 緣層12，薄膜晶體管可表現(xiàn)出良好的性能。 以上現(xiàn)象的原因沒有得到確認(rèn)，但可被視為在包含硅的溝道層和包含硅作為主要 成分的柵絕緣層之間形成良好的界面。 例如，柵絕緣層12可優(yōu)選由氧化物或氮化物構(gòu)成。特別地，優(yōu)選的是硅氧化物 SiOp硅氮化物SiN,和硅氧氮化物SiOxNy。另外，可以使用諸如Si-Hf-0、Si-Al-0和Si-Y-O 的以硅為主要成分的化合物氧化物。 應(yīng)用這種良好絕緣的薄膜使得能夠在源電極_柵電極之間以及在漏氮極_柵電極 之間實(shí)現(xiàn)約10—7安培的泄漏電流。柵絕緣層的厚度為約50 300nm。
(電極) 只要可提供良好的導(dǎo)電性能和與溝道層的電連接性，對(duì)于用于源電極13、漏電極14和柵電極15的材料就沒有特別的限制。例如，可以使用諸如ln203 : Sn和Zn0的透明導(dǎo)電膜和諸如由Au、Ni、W、Mo、Ag和 Pt制成的金屬電極。另外，可以使用包含Au和Ti的層疊結(jié)構(gòu)的任意層疊結(jié)構(gòu)。
(襯底) 作為襯底10，可以使用玻璃襯底、塑料襯底和塑料箔。 上述的溝道層和柵絕緣層對(duì)于可見光透明。在使用透明材料作為上述的電極和襯 底的情況下，可以制造透明的薄膜晶體管。 [OO"](制造方法) 作為氧化物薄膜的成膜方法，可以使用諸如濺射方法(SP方法)、脈沖激光汽相沉 積方法(PLD方法)和電子束汽相沉積方法的氣相方法。這里，在這些氣相方法中，從大規(guī) 模制造的觀點(diǎn)看，SP方法是更加合適的。但是，在本發(fā)明中使用的成膜方法不限于這些方 法。 在成膜過(guò)程中，可以在不有意加熱的狀態(tài)下使襯底大致保持在室溫。 由于可以在低溫過(guò)程中實(shí)施該技術(shù)，因此可以在諸如塑料板和箔之類的襯底上制
造薄膜晶體管。 可以實(shí)現(xiàn)設(shè)置有這種薄膜晶體管的半導(dǎo)體裝置(有源矩陣襯底)。當(dāng)使用透明襯 底和透明非晶氧化物TFT時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)透明的半導(dǎo)體裝置。作為結(jié)果，當(dāng)透明半導(dǎo)體裝置被 應(yīng)用于顯示裝置時(shí)，其孔徑比可增加。 特別地，當(dāng)在有機(jī)EL顯示器中使用該半導(dǎo)體裝置時(shí)，可采用還拾取來(lái)自襯底側(cè)的 光的配置(底部發(fā)射)。 本實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置可被視為可用于諸如ID標(biāo)簽和IC標(biāo)簽的各種用途。
(特性) 這里，將利用圖7A和圖7B描述本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性。 該場(chǎng)效應(yīng)晶體管是包含柵電極15、源電極13和漏電極14的三端子元件。 該場(chǎng)效應(yīng)晶體管是能夠履行向柵電極15施加電壓Vg以控制在溝道層中流動(dòng)的電
流Id并且切換源電極13和漏電極14之間的電流Id的功能的電子有源元件。 當(dāng)在源電極-漏電極之間施加約5 20V的電壓Vd時(shí)，在0V和5 20V之間切
換柵極電壓Vg，由此控制(切換0N/0FF)源電極-漏電極之間的電流Id。 圖7A例示各種Vg上的Id-Vg特性；圖7B例示Vd = 6V時(shí)的Id-Vg特性(傳送特性)。 例如，晶體管性能可被表示為場(chǎng)效應(yīng)遷移率y 、閾值電壓(Vth)、開/關(guān)比和S值。
可從線性區(qū)域和飽和區(qū)域的性能確定場(chǎng)效應(yīng)遷移率。 確定場(chǎng)效應(yīng)遷移率的幾種方法是可用的。例如，從V Id-Vg曲線圖的傾度確定場(chǎng) 效應(yīng)遷移率。在本說(shuō)明書中，除非另外指出，否則采用這里的技術(shù)用于評(píng)價(jià)。
確定閾值電壓的幾種方法是可用的。例如，可提到從V Id-Vg曲線圖的x截距確 定閾值電壓Vth的方法。 可從傳送特性中的最大Id和最小Id的比獲得開/關(guān)比。 可從基于傳送特性的結(jié)果繪制的Log(Id)-Vd曲線圖的傾度的倒數(shù)確定S值。 晶體管性能的差異不限于上述的那些，并且可另外通過(guò)各種類型的參數(shù)被表示。
(例子)
(例子l) 本例子是制造圖3A所示的頂柵型TFT的例子，在該頂柵型TFT中，溝道層是 In-Si-O系的非晶氧化物。 首先，在玻璃襯底(由Corning Incorporated制造的產(chǎn)品1737)上形成In-Si-O 系的非晶氧化物膜作為溝道層。 在本例子中，在氬氣和氧氣的混合氣氛中通過(guò)射頻濺射方法形成In-Si-0系的非 晶氧化物膜。 使用圖8所示的濺射成膜裝置。 圖8包含試樣51、耙材(材料源)52、真空泵53、真空計(jì)54、襯底保持單元55、對(duì)于
各氣體引導(dǎo)系統(tǒng)提供的氣流控制單元56、壓力控制單元57和成膜室58。 真空泵53用作從成膜室58的內(nèi)部排氣的排氣單元。襯底保持單元55在成膜室內(nèi)
保持上面形成有氧化物膜的襯底。固體材料源(靶材)52被布置為與襯底保持單元相對(duì)。
此外，設(shè)置用于從固體材料源蒸發(fā)材料的能量源(圖中未示出的射頻電源)和用于向成膜
室內(nèi)供給氣體的單元。 氣體引導(dǎo)系統(tǒng)包含氬以及氬和氧的混合氣體(Ar : 02 = 95 : 5)的兩個(gè)系統(tǒng)?？?借助使得能夠獨(dú)立地控制各氣體流的氣流控制單元56和用于控制排氣速度的壓力控制單 元57，在成膜室內(nèi)獲得預(yù)定的氣體氣氛。 在本例子中，使用2英寸尺寸的ln203和Si02靶材作為靶材(材料源)，并且通過(guò) 同時(shí)的濺射形成In-Si-0膜。輸入的RF功率分別為70W和65W。成膜時(shí)的氣氛的總壓力 為0.4Pa，并且這種情況下的氣體流量比為Ar : 02 = 100 : 1。成膜速度為12nm/min。另 外，襯底溫度為25°C。隨后，在該氣氛中在28(TC下執(zhí)行30分鐘的退火處理。
對(duì)于獲得的膜，執(zhí)行小角度入射X射線衍射測(cè)量(入射角為0. 5度的薄膜方法)。 沒有檢測(cè)到清楚的衍射峰，從而發(fā)現(xiàn)制造的In-Si-0系膜為非晶的。 此夕卜，執(zhí)行橢圓偏振光譜測(cè)量(spectroscopic ellipsometricmeasurement)以 分析圖案。薄膜的均方根粗糙度(root-mean-squareroughness， Rrms)及其膜厚分別變?yōu)?約0.5nm和約40nm。作為熒光X射線(XRF)分析的結(jié)果，薄膜的金屬成分比為In : Si = 8 : 2。 另外，導(dǎo)電率估計(jì)為約10—2S/cm ;電子載流子濃度估計(jì)為4X1016/cm3 ;電子遷移率 估計(jì)為約3cm2/V second。 然后，通過(guò)光刻方法和剝離技術(shù)進(jìn)行漏電極14和源電極13的構(gòu)圖和形成。各電 極材料分別是厚度為40nm和5nm的由Au和Ti制成的層疊膜。 然后，通過(guò)光刻方法和剝離技術(shù)進(jìn)行柵絕緣層12的構(gòu)圖和形成。作為柵絕緣層， 通過(guò)濺射方法形成SiOj莫，并且其厚度為150nm。另外，Si02膜的相對(duì)介電常數(shù)為約3. 7。
此外，通過(guò)光刻方法和剝離技術(shù)形成柵電極15。溝道長(zhǎng)度為50iim，并且溝道寬度 為200 ii m。電極材料是厚度為30nm的Au。
(對(duì)于TFT的特性的評(píng)價(jià)) 圖7A和圖7B例示在室溫下測(cè)量的TFT的電流-電壓特性。
圖7A表示Id-Vd特性，此外，圖7B表示IchVg特性。
如圖7A所示，施加恒定的柵極電壓Vg，以測(cè)量伴隨漏極電壓Vd的變化的漏極電壓 Vd對(duì)源電極-漏電極電流Id的依賴性，作為結(jié)果，在Vd = 6V附近出現(xiàn)飽和(夾斷(pinch off))。 關(guān)于增益特性的調(diào)查揭示，在施加Vd = 6V時(shí)，柵極電壓Ve的閾值為約-0. 5V。另 外，在Vg = IOV時(shí)，約Id = 1.0X10—4A的電流流動(dòng)。 晶體管的ON/OFF比不小于107。另外，從輸出特性計(jì)算場(chǎng)效應(yīng)遷移率，此外，在飽 和區(qū)域中獲得約5cm2 (Vs)—1的場(chǎng)效應(yīng)遷移率。 在本例子中，可以以良好的可再現(xiàn)性制造TFT，并且當(dāng)制造多個(gè)TFT時(shí)，存在非常 小的特性變化。 因此，通過(guò)將新穎的非晶氧化物即In-Si-O應(yīng)用于溝道層，可以實(shí)現(xiàn)良好的晶體 管特性。 特別地，In-Si-0系比In-Ga-Zn-0系更加有利，其原因在于前者具有更少數(shù)目的 組成元素。 另外，本發(fā)明的薄膜晶體管利用原材料成本廉價(jià)的硅元素。因此，可以降低材料成 本。此外，可以用具有更低的環(huán)境負(fù)荷的組成元素實(shí)現(xiàn)薄膜晶體管。 另外，類似地，在實(shí)驗(yàn)上制造并且評(píng)價(jià)以由氧化鋁制成的薄膜作為柵絕緣層的 TFT。遷移率為約1. 5cm2(Vs)—、 因此，優(yōu)選對(duì)于具有In-Si-0溝道的TFT使用以硅為主要成分的柵絕緣層。
以低材料成本制造的具有穩(wěn)定特性的本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管可望被應(yīng)用于有機(jī) 發(fā)光二極管顯示器的操作電路。 [OH8](例子2) 本例子是關(guān)于具有包含In和Si作為主要成分的溝道層的薄膜晶體管中的In和 Si的成分依賴性的實(shí)驗(yàn)研究的例子。 在本例子中，為了研究溝道層的材料成分依賴性，對(duì)于膜形成采用組合方法。艮卩， 用通過(guò)濺射方法在一個(gè)襯底上一次制造具有各種成分的氧化物的薄膜的技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研 究。但是，并非必須使用該技術(shù)以進(jìn)行研究。可通過(guò)制備具有預(yù)定成分的材料源(靶材) 執(zhí)行膜形成。通過(guò)控制對(duì)于多個(gè)靶材中的每一個(gè)的輸入功率，可以形成具有希望的成分的薄膜。 通過(guò)使用具有三個(gè)陰極的濺射裝置形成In-Si-0膜。由于相對(duì)于襯底沿傾斜的
方向布置靶材，因此在襯底表面上形成的膜的成分根據(jù)到靶材的距離的差異(即，襯底中
的位置)改變。作為結(jié)果，可以獲得在襯底表面中具有二元和寬成分分布的薄膜。對(duì)于
In-Si-0膜的膜制造，兩個(gè)ln203的靶材和一個(gè)Si02的靶材被同時(shí)供電(濺射)。對(duì)于ln203和Si02靶材的輸入RF功率分別為35W和65W。成膜時(shí)的氣氛的總壓力
0. 35Pa。此時(shí)的氣體流量比為Ar : 02 = 100 : 1。襯底溫度為25"。 通過(guò)熒光X射線分析、橢圓偏振光譜法(spectroscopicellipsometry) 、 X射線衍
射和四點(diǎn)探針電阻測(cè)量，評(píng)價(jià)制造的膜的物理性能。另外，通過(guò)使用組合技術(shù)在實(shí)驗(yàn)上制造
具有各種In-Si-0成分的底柵頂接觸型TFT。在室溫下評(píng)價(jià)器件特性。 通過(guò)橢圓偏振光譜法測(cè)量膜厚。作為結(jié)果，非晶氧化物膜的厚度為約50nm。通過(guò)X射線衍射(XRD)測(cè)量，確認(rèn)制造的In-Si-0膜為Si/In+Si)在不小于0. 05
10的范圍內(nèi)的非晶。 此外，在具有小于0. 05的Si成分的膜的情況下，偶爾觀察到結(jié)晶衍射峰。因此， 通過(guò)使得Si/(In+Si)不小于0. 05的In-Si-0膜，發(fā)現(xiàn)可獲得非晶薄膜。
In-Si-O膜的電阻率來(lái)自通過(guò)四點(diǎn)探針方法測(cè)量的膜的薄層電阻和通過(guò)橢圓偏振 光譜法得到的膜厚。電阻率被確認(rèn)為根據(jù)In-Si成分比改變。已發(fā)現(xiàn)，具有富In成分的膜 表現(xiàn)出相對(duì)較低的電阻。具有富Si成分的膜表現(xiàn)出相對(duì)較高的電阻。
然后，確定通過(guò)改變成膜氣氛中的氧流量形成的In-Si-O膜的電阻率，從而發(fā)現(xiàn)， 隨著氧流量增加，In-Si-O膜表現(xiàn)出高電阻。這被視為由于缺氧的減少和伴隨的電子載流 子濃度的損失。另外發(fā)現(xiàn)，對(duì)于氧流量，提供適于TFT活性層的電阻的成分范圍改變。
在圖1中示出隨時(shí)間過(guò)去的電阻率的變化的結(jié)果。關(guān)于In-Si-O系的薄膜，在寬 的成分范圍上，沒有觀察到隨時(shí)間過(guò)去的電阻率的變化。另一方面，關(guān)于以相同的方式形成 的In-Zn-O膜和In-Sn-O膜。發(fā)現(xiàn)這些膜趨于使電阻率隨時(shí)間的過(guò)去而降低。作為結(jié)果， 發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)電的In-Si-O膜具有優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性。 然后，檢查以In-Si-0膜作為n型溝道層的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的特性及其成分 依賴性。該晶體管具有圖3C所示的底柵型的配置。 當(dāng)在具有熱氧化膜的Si襯底上成膜制造具有成分梯度(gradiention)的In-Si-O 膜之后，執(zhí)行構(gòu)圖和電極形成，以在襯底片上形成具有不同成分的活性層的許多種類的 TFT。 制造在3英寸晶片上形成的大量的FET并且評(píng)價(jià)其特性。分別對(duì)于柵電極、絕緣 膜和源電極_漏電極使用N"-Si 、 Si02和Au/Ti 。 溝道寬度和溝道長(zhǎng)度分別為150iim禾P 10iim。用于FET評(píng)價(jià)的源電極-漏電極電 壓為6V。 在TFT特性評(píng)價(jià)中，通過(guò)V Id(Id :漏極電流)對(duì)柵極電壓(Vg)的傾度確定電子 遷移率，此外，通過(guò)Id-Vg曲線圖的Id的最大值和Id的最小值的比確定電流ON/OFF比。
另外，當(dāng)對(duì)于Vg畫出V Id時(shí)，Vg軸上的截距被視為閾值電壓。dVg/d(logld)的 最小值被視為S值(用于將電流增加一個(gè)數(shù)位所需要的電壓的值)。 通過(guò)評(píng)價(jià)襯底上的各種位置上的TFT特性，檢查根據(jù)In-Si成分比的TFT特性的 變化。 這揭示TFT特性根據(jù)襯底上的位置即In-Si成分比改變。圖9是表示用于各成分 的Id-Vg特性的曲線圖。 在富In的成分(例如，A和B)中，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ON電流大時(shí)，OFF電流大并且閾值變 負(fù)。 另一方面，在富Si的成分(例如，D禾P E)中，OFF電流趨于小并且ON電流也趨于 小。閾值電壓取正值并且獲得"常OFF特性"。但是，在ON的時(shí)間，漏極電流小并且場(chǎng)效應(yīng) 遷移率小。 在Si/(In+Si)為O. 23的TFT C)的情況下，獲得具有超過(guò)六(6)個(gè)數(shù)位的開/關(guān) 比的比較好的性能。 通過(guò)使上述的TFT經(jīng)受30(TC下的退火處理提高性能。 圖10是表示執(zhí)行退火處理之后的TFT特性(Id-Vg曲線)的曲線圖。
11
TFT特性的成分依賴性表示與執(zhí)行退火之前相同的趨勢(shì)。但是，發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)良好的特 性的成分范圍被擴(kuò)展。 例如，在b)Si/(In+Si) = 0. 18和c)Si/(In+Si) = 0. 23的成分比中，表現(xiàn)良好的 特性。 圖4示出場(chǎng)效應(yīng)遷移率的In : Si成分依賴性。 結(jié)果，隨著Si的含量變小，場(chǎng)效應(yīng)遷移率變大。利用In和Si的比，Si/(In+Si)不 大于0. 3，獲得不小于0. lcm7Vsec的場(chǎng)效應(yīng)遷移率。另外，利用不大于0. 23的Si/ (In+Si)， 獲得不小于lcm7Vsec的場(chǎng)效應(yīng)遷移率。 圖5表示閾值電壓的成分依賴性。閾值電壓Vth為不小于0V(或接近0)的值的 TFT有利于制造電路。如圖5所示，利用不小于0. 15的Si/(In+Si)，優(yōu)選地，閾值電壓Vth 可取正值(或接近0)。 另夕卜，圖6表示S值的成分依賴性。發(fā)現(xiàn)優(yōu)選用0. 15和0. 30之間的Si/(In+Si) 獲得小的S值。 在圖2中示出具有良好的晶體管特性的TFT的例子。電子遷移率、電流0N/0FF比、 閾值和S值分別如下。SP，這些值為3cm2(V s)—^1X1()9、0V和0. 5V/dec。
圖2還表示以類似的技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的In-Ga-0 TFT的傳送特性。結(jié)果， In-Si-0 TFT在晶體管的上升(亞閾值)性能方向優(yōu)于In-Ga-0 TFT，并且具有小的S值。
(例子3) 本例子是將非晶In-Zn-Si-O氧化物半導(dǎo)體應(yīng)用于溝道層的例子。 另外，本例子是制造在塑料襯底上具有圖3B所示的配置的TFT的例子。 使用聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)作為襯底。晶體管的溝道長(zhǎng)度為60ym。溝道寬
度為180iim。 首先，通過(guò)光刻方法和剝離技術(shù)在PET襯底10上進(jìn)行柵電極15和柵絕緣層12的 構(gòu)圖和形成。 柵電極15由厚度為50nm的Ta膜制成。柵絕緣層是通過(guò)濺射方法形成的厚度為 150nm的SiOxNy膜。SiOxNy膜的相對(duì)介電常數(shù)約為6。 然后，通過(guò)光刻方法和剝離技術(shù)進(jìn)行晶體管的溝道層的構(gòu)圖和形成。溝道層由 In-Zn-Si-O系的非晶氧化物lla制成。其金屬成分為In : Zn : Si = 4 : 6 : 1。
在氬氣和氧氣的混合氣氛中通過(guò)射頻濺射方法形成上述的In-Si-0系的非晶氧 化物膜。 在本例子中，使用三個(gè)靶材(材料源)以形成膜。三個(gè)靶材分別為2英寸尺寸的 In203、Si02和ZnO燒結(jié)體(sintered compact)。通過(guò)控制對(duì)于各靶材的輸入RF功率，可以 獲得具有希望的In : Zn : Si成分比的氧化物薄膜。氣氛的總壓力為0.5Pa，并且，此時(shí)的
氣體流量比為Ar : o2 = ioo : i。襯底溫度為25t:。 由于沒有在X射線衍射(入射角為0. 5度的薄膜方法)中檢測(cè)到清楚的衍射峰， 因此氧化物膜11a和lib是非晶膜。非晶氧化物膜的厚度為約30nm。 另外，作為光吸收譜的分析結(jié)果，產(chǎn)生的非晶氧化物膜的光學(xué)帶隙為約3eV，并且 對(duì)于可見光透明。 另外，形成源電極和漏電極，它們是由ln203 : Sn制成的透明導(dǎo)電膜。厚度為100nm。(對(duì)于TFT的特性的評(píng)價(jià)) 在室溫下測(cè)量在PET膜上形成的TFT。晶體管的ON/OFF比不小于109。另外，計(jì) 算場(chǎng)效應(yīng)遷移率，發(fā)現(xiàn)它約為7cm2(Vs)一1。 另外，通過(guò)應(yīng)用In-Zn-Si作為溝道獲得的本實(shí)施例的薄膜晶體管提供高性能和 高度的環(huán)境穩(wěn)定性。 雖然已參照示例性實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限于公開的示例性 實(shí)施例。以下的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬的解釋以包含所有這些變更方式以及等同的 結(jié)構(gòu)和功能。 本申請(qǐng)要求在2007年9月5日提交的日本專利申請(qǐng)No. 2007-230381和在2008 年6月4日提交的日本專利申請(qǐng)No. 2008-146890的益處，在此引入它們的全部?jī)?nèi)容作為參考。
權(quán)利要求
一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管包含柵電極、源電極、漏電極和溝道層，以通過(guò)向柵電極施加電壓控制在源電極和漏電極之間流動(dòng)的電流，其特征在于，形成溝道層的非晶氧化物由包含In和Si并且具有不小于0.05且不大于0.40的由Si/(In+Si)表示的成分比的非晶氧化物構(gòu)成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，由Si/(In+Si)表示的成分比不小于0. 15且不大于O. 30。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，由Si/(In+Si)表示的成分比不小于0. 15且不大于O. 23。
4. 一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管包含柵電極、源電極、漏電極和溝道層，以通過(guò)向柵電極施加電壓控制在源電極和漏電極之間流動(dòng)的電流，其特征在于，溝道層由包含In、 Zn和Si并且具有不小于0. 05且不大于0. 40的由Si/(In+Zn+Si)表示的Si的成分比的氧化物材料構(gòu)成。
5. —種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管包含柵電極、源電極、漏電極、溝道層和與溝道層接觸的柵絕緣層，以通過(guò)向柵電極施加電壓控制在源電極和漏電極之間流動(dòng)的電流，其特征在于，溝道層由包含In和Si并且具有不小于0. 05且不大于0. 40的由Si/ (In+Si)表示的成分比的氧化物材料構(gòu)成，并且柵絕緣層由包含Si的氧化物或氮化物構(gòu)成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，柵絕緣層由硅氧化物構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，溝道層和柵絕緣層通過(guò)利用濺射方法的成膜而形成。
全文摘要
提供一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管包含柵電極(15)、源電極(13)、漏電極(14)和溝道層(11)，以通過(guò)向柵電極(15)施加電壓控制在源電極(13)和漏電極(14)之間流動(dòng)的電流。溝道層(11)由包含In和Si并且具有不小于0.05且不大于0.40的由Si/(In+Si)表示的成分比的非晶氧化物構(gòu)成。
文檔編號(hào)H01L29/786GK101796644SQ20088010525
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月5日
發(fā)明者巖崎達(dá)哉, 板垣奈穗 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社