專利名稱：用于氧化物薄膜晶體管的半導(dǎo)體層材料銦鋅鈦氧化物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于薄膜晶體管技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可以用于薄膜晶體管半導(dǎo)體層的氧化物材料。
背景技術(shù)：
薄膜晶體管(Thin Film Transistor, TFT)是半導(dǎo)體層為薄膜結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管的統(tǒng)稱。TFT作為輔助元件被應(yīng)用于各種顯示或傳感設(shè)備，尤其是在液晶顯示器(Liquid Crystal Displays, IXD)中的應(yīng)用，為IXD達(dá)到更高的圖像質(zhì)量和大面積化提供了技術(shù)基礎(chǔ)。對于新型顯示器如有機(jī)電致發(fā)光顯示器(Organic Light Emitting Displays, OLED) 和電子紙等，采用TFT技術(shù)也可以有效的改進(jìn)性能。目前，在IXD應(yīng)用最為廣泛的是非晶硅(α -Si)TFT。這類TFT以α -Si薄膜作為半導(dǎo)體層，可以采用傳統(tǒng)薄膜沉積工藝在大面積玻璃基板上制備，因而成本低廉，但其場致遷移率一般小于1 cm2/V*S，而且在電壓壓力作用下器件的穩(wěn)定性較差，通常只能用作開關(guān)元件。以多晶硅(poly-Si)為半導(dǎo)體層的poly-Si TFT具有比α-Si TFT高1-2個數(shù)量級的場致遷移率，在器件穩(wěn)定性上也更為優(yōu)越，不但可以用作開關(guān)元件，還可以作為驅(qū)動元件形成輔助驅(qū)動電路，但是制備工藝復(fù)雜，成本較高且很難應(yīng)用于大面積基板。氧化物TFT是以基于In、Zn、Ga、Sn等金屬元素的氧化物作為半導(dǎo)體層的。這類 TFT—方面可以采用傳統(tǒng)薄膜沉積工藝制備，適用于大面積玻璃基板，另一方面場致遷移率較高，在10 cm2/V*S左右，已有研究表明其穩(wěn)定性也要優(yōu)于α-Si TFT，因而被視為一種非常有發(fā)展前景的TFT器件。除去上述優(yōu)勢外，氧化物TFT的制備工藝溫度也比較低，能夠直接在柔軟的塑料基板上制備，因而有可能應(yīng)用于未來的柔性顯示面板中。氧化物TFT —般為N型器件，很難像poly-Si TFT那樣用于制作互補(bǔ)電路，但是這個問題很大程度上可以通過電路設(shè)計(jì)來克服。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備工藝簡單、成本較高低且能應(yīng)用于大面積基板的氧化物薄膜晶體管半導(dǎo)體層材料。本發(fā)明另一目的是提供一種以這種材料作為溝道層的薄膜晶體管。本發(fā)明提供的氧化物半導(dǎo)體材料，為一種銦鋅鈦氧化物，即摻有Ti的In、Zn氧化物，這種材料中的Ti、In、Si分別直接與氧結(jié)合，材料呈現(xiàn)為非晶態(tài)或者多晶態(tài)。Ti原子的電負(fù)性為1. 54 eV，低于h和Si原子的電負(fù)性，因而更容易和氧結(jié)合。 在In、Zn氧化物半導(dǎo)體中，載流子是通過氧缺位形成的，摻入Ti可以有效的減少材料中的氧缺位，降低半導(dǎo)體的載流子濃度。TFT是依靠調(diào)制器件半導(dǎo)體層的載流子濃度來工作的， 器件的閾值和載流子濃度直接相關(guān)，因此基于IruSi氧化物半導(dǎo)體的TFT中加入Ti可以使器件的閾值正向變化。摻入電負(fù)性較低的Ti還相當(dāng)于在氧化物材料中引入了作用力更強(qiáng)的離子鍵，可以使半導(dǎo)體材料更為穩(wěn)定。
在這種摻有Ti的IruSi氧化物中，In相對于h、Zn、Ti總量的摩爾百分比含量在 5%到98%之間，Ti相對于In、Zn、Ti總量的摩爾百分比含量在0. 5%到5%之間，Zn的含量根據(jù)h、Ti的含量確定。在這種氧化物半導(dǎo)體中還可以含有I族、II族、III族、IV族、V族元素或者鑭系元素中之一種或幾種。這種材料可以通過物理氣相沉積(Physical Vapor D印osition)、化學(xué)氣相沉禾只(Chemical Vapor Deposition)、原子層沉禾只(Atomic Layer Deposition)或溶液方法等制備成薄膜。例如薄膜可以通過脈沖電子束蒸發(fā)摻Ti的In、Si氧化物陶瓷靶材沉積，或者通過磁控濺射摻Ti的In、Zn氧化物陶瓷靶材沉積，也可以通過對安置于同一腔體內(nèi)的ln203、ZnO和TW2靶材進(jìn)行多靶共濺射來沉積。本發(fā)明還將上述材料用于TFT中。這種TFT結(jié)構(gòu)包括柵電極、源電極和漏電極， 用于隔離柵電極和源電極、漏電極的柵極絕緣層，以及用于連接源電極和漏電極的、由上述材料做成的半導(dǎo)體層。其中，柵、源和漏電極材料可以為但不限于鈦(Ti)、鉬(Pt)、釕(Ru)、 金(Au)、銀(Ag)、鉬(Mo)、鋁(Al)、鎢(W)、銅(Cu)或?qū)щ娧趸?，?IZO αη-Ζη-Ο)或 AZO (Α1-&1-0)，柵極絕緣層材料可以為但不限于氧化硅(Si02)、氮化硅(SiNx)、氧化鉿(Hf02)、 氧化鉭(Ta2O5)或這些材料的混合物，或有機(jī)材料及有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料。 上述的TFT器件同樣具有一般氧化物TFT場致遷移率較高，制備工藝簡單的優(yōu)勢， 并且改變Ti的摻入量可以在不改變TFT其他性能的情況下有效的調(diào)節(jié)TFT的閾值。因?yàn)檠趸颰FT不能制作互補(bǔ)電路，一套制備雙閾值器件的工藝可以為TFT驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)提供很大便利。除去調(diào)節(jié)閾值的作用外，TFT在電壓壓力下的穩(wěn)定性也因摻Ti而改善。采用這種半導(dǎo)體材料的薄膜晶體管可以作為開關(guān)或驅(qū)動元件應(yīng)用于各類顯示設(shè)備，例如液晶顯示器、有機(jī)電致放光顯示器、電子紙等。


圖1為Ti含量對In2Zn2O5薄膜載流子濃度的影響。圖2為半導(dǎo)體層為摻Ti的In、Zn氧化物的TFT結(jié)構(gòu)圖。圖3為半導(dǎo)體層摻入2% Ti的In2Zn2O5 (a)和In2Zn4O7 (b) TFT器件的轉(zhuǎn)移特性曲線。圖中的箭頭表示測試時(shí)曲線掃描的方向。圖4為柵極偏壓壓力作用下?lián)?1 Ti和不摻Ti的In2Zn4O7 TFT轉(zhuǎn)移特性隨時(shí)間變化的比較。對兩個器件分別在0 s、10 s,30 S、100 s,300 s、600 sUOOO s共7個時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行了測試。
具體實(shí)施例方式以下將給出本發(fā)明涉及的摻有Ti的In、Zn氧化物及基于這種半導(dǎo)體材料的TFT 的實(shí)施例。圖1顯示了 Ti含量對In2Zn2O5薄膜載流子濃度的影響。其中摻Ti In2Zn2O5薄膜是采用不同摻Ti量的靶材在相同工藝條件下制備的，薄膜沉積時(shí)基底溫度為170 ° C。圖中Ti的摩爾百分比含量是指Ti相對于^uZruTi總量的摩爾百分比。在低Ti含量下，Ti 有可能作為施主，替位^或加給出1至2個電子使得載流子濃度增加。當(dāng)Ti在薄膜中的含量增至后，其壓低載流子濃度的作用才開始顯現(xiàn)。為達(dá)到降低載流子濃度的目的，需要足夠高的Ti含量，具體數(shù)值需要根據(jù)工藝條件確定。圖2為本發(fā)明涉及的TFT器件結(jié)構(gòu)圖，該例中，柵、源和漏電極材料為Al，柵極絕緣層材料為直流反應(yīng)濺射的Ta2O5，半導(dǎo)體層為脈沖電子束蒸發(fā)得到的摻Ti的IruSi氧化物。 半導(dǎo)體層厚約50 nm，在室溫下沉積，膜層中In、Zn、Ti的含量按照蒸發(fā)所用陶瓷靶材中的含量計(jì)算。為了舉例說明，本發(fā)明的實(shí)施例僅給出了如圖2所示的底柵結(jié)構(gòu)TFT，然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)很容易將本發(fā)明應(yīng)用于其他TFT結(jié)構(gòu)，故不應(yīng)以此為限。圖3為兩個半導(dǎo)體層摻入m Ti的In、Zn氧化物TFT器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，測試時(shí)漏極偏壓為1 V，柵極電壓由負(fù)值掃向正值再回掃。兩個器件半導(dǎo)體層^uZruTi成分比分別為49 49 2和32. 3 :65. 7 :2。器件的開關(guān)比均為約105，正向與反向掃描曲線差異不大，說明器件的性能穩(wěn)定。當(dāng)半導(dǎo)體層成分為摻入洲Ti的^i2O3時(shí)，器件沒有表現(xiàn)出晶體管特性，因此半導(dǎo)體層h成分的上限為98%。表1是擁有不同^uZruTi含量比半導(dǎo)體層的TFT器件性能比較。表中的數(shù)值是同一樣品基片上四個器件特性的平均值。從表中可見無論h和Si的比例為1還是1/2，隨著Ti含量的增加器件的閾值都明顯向正向變化，而場致遷移率并沒有因^uai氧化物半導(dǎo)體層摻入雜質(zhì)而減小，器件的亞閾值擺幅也沒有明顯的變化。 表1擁有不同In、Zn、Ti含量比半導(dǎo)體層的TFT器件性能比較
權(quán)利要求
1.一種用于薄膜晶體管的半導(dǎo)體層氧化物材料，其特征在于為含有鋅、銦和鈦的氧化物材料；在所述氧化物材料中，In相對于In、Zn、Ti總量的摩爾百分比含量在5%到98%之間，Ti相對于In、Zn、Ti總量的摩爾百分比含量在0. 5%到5%之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化物材料，其特征在于氧化物材料中還含有I族、II族、 III族、IV族、V族元素或者鑭系元素中之一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氧化物材料，其特征在于氧化物材料處于非晶態(tài)或多晶態(tài)。
4.一種氧化物薄膜晶體管，其特征在于該氧化物薄膜晶體管的構(gòu)成如下包括柵電極、源電極和漏電極，用于隔離柵電極和源電極、漏電極的柵極絕緣層，以及用于連接源電極和漏電極的、如權(quán)利要求1一3之一所述的氧化物半導(dǎo)體材料層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氧化物薄膜晶體管，其特征在于所述柵、源和漏電極材料為鈦、鉬、釕、金、銀、鉬、鋁、鎢、銅或?qū)щ娧趸?，柵極絕緣層材料為氧化硅、氮化硅、氧化鉿、 氧化鉭或這些材料的混合物，或有機(jī)材料及有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明屬于薄膜晶體管器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用于氧化物薄膜晶體管的半導(dǎo)體層材料。該半導(dǎo)體層材料為銦鋅鈦氧化物。其中銦、鋅和鈦的成分比例控制在一定范圍內(nèi)的。本發(fā)明還提供以這種氧化物作為溝道層材料的薄膜晶體管。本發(fā)明獲得的薄膜晶體管在平板顯示領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號H01L29/26GK102163625SQ20111006456
公開日2011年8月24日 申請日期2011年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月17日
發(fā)明者姚綺君, 張群, 李曙新 申請人:復(fù)旦大學(xué)