專利名稱：利用薄膜半導體材料的薄膜晶體管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例一般涉及具有半導體材料的場效應晶體管(FET)和薄膜晶體管(TFT)，該半導體材料包含氧、氮及一或多個選自于由鋅、鎵、鎘、銦和錫所構成的群組中的元素。
背景技術：
因TFT陣列可用在常用于電腦和電視平面面板的液晶有源矩陣顯示器(LCD)，因此目前潮流對這些裝置特別感興趣。LCD還設有發(fā)光二極管(LED)做為背光源。另外，有機發(fā)光二極管(OLED)已用于有源矩陣顯示器，且這些OLED需要TFT來處理顯示器的動作。以非晶硅制作的TFT已成為平面顯示器產(chǎn)業(yè)的關鍵部件?？上Х蔷Ч璞旧碛芯窒扌?，例如遷移率低。OLED所需要的遷移率至少是非晶硅的十倍以上。非晶硅的沉積溫度高而造成Vth漂移。非晶娃需要聞電流，而聞電流可能導致OLED不穩(wěn)定。另一方面，多晶娃的遷移率比非晶硅要高。多晶硅為結晶的，這會引起不均勻沉積。由于非晶硅的多項限制，導致OLED的發(fā)展困難重重。近年來，已開發(fā)出透明TFT，在所述透明TFT中氧化鋅用作有源溝道層。氧化鋅是一種化合物半導體(compound semiconductor),所述化合物半導體可于相當?shù)偷某练e溫度下在例如玻璃和塑料等各種基板上生成結晶材料?；谘趸\的TFT暴露于可見光時并不會降解(degrade)。因此，不像基于硅的TFT需要防護層。沒有防護層，TFT保持透明。盡管氧化鋒的遷移率聞于非晶娃，但仍不夠聞。因此此技術領域中，需要具有透明有源溝道且遷移率高的TFT。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明大體上包含具有半導體材料的薄膜晶體管(TFT)，該半導體材料包含氧、氮以及一或多個選自于由鋅、錫、鎵、鎘和銦構成群組中的元素，以作為有源溝道。該半導體材料可用于底柵TFT、頂柵TFT和其他類型的TFT。通過蝕刻來圖案化TFT以形成溝道和金屬電極。接著，使用半導體材料當作蝕刻終止層來執(zhí)行干法蝕刻，以限定出源極/漏極。有源層的載流子濃度、遷移率以及與TFT其他層的界面可調(diào)整成預定值。調(diào)整方式可為改變含氮氣體與含氧氣體的流量比例、退火及/或等離子體處理所沉積的半導體膜，或改變鋁摻雜濃度。在一個實施例中，公開一種TFT。晶體管包含半導體層，該半導體層包含氧、氮及一或多個選自于由鋅、銦、錫、鎘、鎵和上述元素的組合所構成的群組中的元素。在另一實施例中，公開一種TFT制造方法。該方法包含沉積半導體層于基板上，該半導體層包含氧、氮及一或多個選自于由鋅、銦、錫、鎘、鎵和上述元素的組合所構成的群組中的元素。在另一個實施例中，公開一種TFT制造方法。該方法包含沉積半導體層于基板上，該半導體層包含氧、氮及一或多個選自于由s軌道與d軌道填滿的元素、f軌道填滿的元素和上述元素的組合所構成的群組中的元素。該方法還包括沉積源極-漏極層于該半導體層上、第一次蝕刻該源極-漏極層和該半導體層以形成有源溝道，以及第二次蝕刻該源極-漏極層以限定出源極和漏極。


為了更詳細了解本發(fā)明的上述特征，可參考部分繪示于附圖中的實施例來閱讀本發(fā)明的進一步敘述內(nèi)容。須注意的是，所述圖僅圖示本發(fā)明的數(shù)個代表性實施例，并非用以限定本發(fā)明范圍，本發(fā)明可包含其他等效實施例。圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的PVD室的截面圖。圖2A-2E為薄膜隨氧氣流量變化的XRD圖，所述XRD圖顯示形成鋅和氧化鋅的衍射峰。圖3A-3F為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在不同氮氣流速下形成半導體膜的XRD圖。圖4A-4G繪示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例形成底柵TFT的工藝順序。圖5為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的蝕刻終止TFT的截面圖。圖6為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的頂柵TFT的截面圖。圖7為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的有源矩陣型IXD的示意圖。圖8為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的有源矩陣型OLED的示意圖。圖9 A -9C顯示不同有源溝道長度與寬度的Vth。圖10A-10C為比較具有共同長度與寬度的有源溝道的Vth。為助于理解，盡可能地以相同元件符號來表示各圖中共有的相同元件。某一實施例所公開的元件當可用于其他實施例中，而不需特別提及。
具體實施例方式本發(fā)明大體上包含具有半導體材料的薄膜晶體管(TFT)，該半導體材料包含氧、氮及一或多個選自于由鋅、錫、鎵、鎘和銦所構成的群組中的元素以作為有源溝道。該半導體材料可用于底柵TFT、頂柵TFT和其他類型的TFT。通過蝕刻來圖案化TFT可形成溝道和金屬電極。接著，使用該半導體材料當作蝕刻終止層來執(zhí)行干法蝕刻，以限定出源極/漏極。有源層的載流子濃度、遷移率和與TFT其他層的界面可調(diào)整成預定值。調(diào)整方式可為改變含氮氣體與含氧氣體的流量比例、退火及/或等離子體處理所沉積的半導體膜，或是改變鋁摻雜濃度。包含氮、氧以及一或多個選自鋅、銦、鎵、鎘和錫中的元素的半導體膜可由反應性濺射沉積而得。文中以反應性濺射法且施行于處理大面積基板用的PVD室中來做示范說明，PVD室例如取自美國加州圣克拉拉市的應用材料公司(Applied Materials, Inc.)的子公司:美國AKT公司的4300PVD室。然而，依此法制造的半導體膜由薄膜結構和組成而定，故應理解反應性濺射法當可應用到其他系統(tǒng)構造，包括該些設計用來處理大面積圓形基板的系統(tǒng)和其他制造商制造的系統(tǒng)，包括卷撓式(roll-to-roll)處理平臺。應理解到，盡管本發(fā)明是以PVD為例進行沉積，但其他包括化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)或旋涂工藝等方法也可用來沉積本發(fā)明的薄膜。圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施例的物理氣相沉積(PVD)室100的截面圖。利用真空泵114排空腔室100。腔室100內(nèi)，基板102放置在靶材104對面。基板可放置在腔室100內(nèi)的基座(SUS(^ptor) 106上。致動器112可依箭頭“A”抬高及降低基座106?；?06可上升而將基板102抬高到處理位置，且可降下讓基板102得以離開腔室100。當基座106位于下降位置時，舉升銷108抬起基板102而高于基座106。處理時，接地帶110將基座106接地。于處理時抬起基座106有助于均勻沉積。靶材104可能包含一或多個靶材104。在一個實施例中，靶材104包含大面積的濺射靶材104。在另一個實施例中，靶材104包含多個靶磚。在又一個實施例中，靶材104包含多個祀條。再一實施例中，祀材104包含一或多個圓柱形旋轉式祀材。接合層(未圖不)可將靶材104接合至背板116。一或多個磁電管118設在背板116后面。磁電管118可以線性移動或二維路徑的方式掃過背板116。暗區(qū)護罩(dark space shield) 120和腔室護罩122可保護腔室壁面不受沉積。為了能均勻濺射沉積整個基板102，陽極124可放在靶材104與基板102之間。在一個實施例中，陽極124為涂覆電弧噴涂鋁的噴珠處理(bead blasted)不銹鋼。在一個實施例中，陽極124的一端透過托架130而裝設在腔室壁面。陽極124提供與靶材104相反的電荷，使得帶電離子將被陽極124吸引，而非被通常處于接地電位的腔室壁面吸引。通過將陽極124設在靶材104與基板102之間，可使等離子體更均勻并有助于沉積。為減少剝落，冷卻流體可流過一或多個陽極124。通過減低陽極124的膨脹與收縮量，可減少材料從陽極124剝落。就較小基板和較小處理室而言，腔室壁面已足以提供接地路徑以及使等離子體均勻分布，故不需使用跨越該處理空間的陽極124。對反應性濺射來說，將反應氣體供應給腔室100是有益的。一或多個進氣管126還可跨越過介于靶材104與基板102間的整個腔室100的距離。就較小基板和較小腔室而言，若常規(guī)的進氣裝置已可達成均勻的氣體分布，則不需使用跨越處理空間的進氣管126。進氣管126可引導來自氣體控制板(gas panel) 132的派射氣體。利用一或多個聯(lián)結器128耦接進氣管126和陽極124。聯(lián)結器128可由導熱材料組成，允許以傳導方式來冷卻進氣管126。此外，聯(lián)結器128也可具導電性，使進氣管126接地并當作陽極。反應濺射工藝包含將金屬 濺射靶材放置于濺射室中且位于基板對面。金屬濺射靶材實質上包含一或多個選自由鋅、鎵、銦、錫和鎘所構成的群組中的元素。在一個實施例中，濺射靶材包含一或多種具有填滿s軌道與填滿d軌道的元素。在另一實個施例中，濺射靶材包含一或多種具有填滿f軌道的元素。在又一個實施例中，濺射靶材包含一或多種二價元素。再一個實施例中，濺射靶材包含一或多種三價元素。再另一個實施例中，濺射靶材包含一或多種四價元素。濺射靶材還可包含摻雜劑(dopant)。適用的摻雜劑包括鋁(Al)、錫(Sn)、鎵(Ga)、鈣(Ca)、硅(Si)、鈦(Ti)、銅(Cu)、鍺(Ge)、銦(In)、鎳(Ni)、錳(Mn)、鉻(Cr)、釩(V)、鎂(Mg)、氮化硅(SixNy)、氧化鋁(AlxOy)和碳化硅(SiC)。在一實施例中，該摻雜劑包含鋁。在另一實施例中，摻雜劑包含錫。另一方面，基板可包含塑料、紙、聚合物、玻璃、不銹鋼和上述物質的組合物。若基板為塑料，則反應性濺射的施行溫度低于約180°C?？沙练e的半導體膜層實例包括 ZnOxNy: Al、ZnOxNy: Sn、SnOxNy: Al、InOxNy: Al、InOxNy: Sn、CdOxNy: Al、CdOxNy: Sn、GaOxNy:Al、GaOxNy:Sn、ZnSnOxNy:Al> ZnInOxNy:Al> ZnInOxNy:Sn、ZnCdOxNy:Al> ZnCdOxNy:Sn、ZnGaOxNy: AU ZnGaOxNy: Sn、SnInOxNy:Al、SnCdOxNy:Al、SnGaOxNy: AU InCdOxNy:Al、InCdOxNy: Sn, InGaOxNy: AU InGaOxNy: Sn, CdGaOxNy: AU CdGaOxNy: Sn, ZnSnInOxNy: Al、ZnSnCdOxNy:Al、ZnSnGaOxNy: Al、ZnInCdOxNy: Al、ZnInCdOxNy: Sn、ZnInGaOxNy: Al、ZnInGaOxNy: Sn、ZnCdGaOxNy: Al、ZnCdGaOxNy: Sn、SnInCdOxNy: Al、SnInGaOxNy: Al、SnCdGaOxNy: Al、InCdGaOxNy: Al、InCdGaOxNy: Sn、ZnSnInCdOxNy: Al、ZnSnInGaOxNy: Al、ZnInCdGaOxNy:Al、ZnInCdGaOxNy: Sn、和 SnInCdGaOxNy:Al。濺射工藝期間，可供給氬氣、含氮氣體和含氧氣體至腔室，用于反應性濺射金屬靶材。濺射時，諸如二硼烷(B2H6)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)和上述物質的組合物等添加劑也可額外提供給腔室。在一個實施例中，含氮氣體包含氮氣(N2)。在另一個實施例中，含氮氣體包含一氧化亞氮(N2O)、氨氣(NH3)或上述物質的組合物。在一個實施例中，含氧氣體包含氧氣(O2)。在另一個實施例中,含氧氣體包含N20。含氮氣體的氮和含氧氣體的氧與來自濺射靶材的金屬反應，而于基板上形成包含金屬、氧、氮和選用性摻雜的半導體材料。在一個實施例中，含氮氣體和含氧氣體為不同氣體。在另一個實施例中，含氮氣體和含氧氣體包含相同氣體。所沉積的薄膜為半導體膜?？沙练e的半導體膜例子包括ZnOxNy、SnOxNy、InOxNy、CdOxNyλ GaOxNyλ ZnSnOxNyΛ ZnInOxNyΛ ZnCdOxNyΛ ZnGaOxNyΛ SnInOxNyΛ SnCdOxNyΛ SnGaOxNyΛInCdOxNyλ InGaOxNyλ CdGaOxNy' ZnSnInOxNy' ZnSnCdOxNy' ZnSnGaOxNy' ZnInCdOxNy' ZnInGaOxNy'ZnCdGaOxNy' SnInCdOxNy^ SnInGaOxNy' SnCdGaOxNy' InCdGaOxNy' ZnSnInCdOxNy^ ZnSnInGaOxNy^ZnInCdGaOxNy和SnIn CdGaOxNy。上述半導體膜各自可摻雜摻雜劑。半導體膜可包含氮氧化物。在一個實施例中，半導體膜包含金屬氮氧化物和金屬氮化物。在另一個實施例中，半導體膜包含金屬氮氧化物、金屬氮化物和金屬氧化物。在又一個實施例中，半導體膜包含金屬氮氧化物和金屬氧化物。再一個實施例中，半導體膜包含金屬氮化物和金屬氧化物。含氮氣體與含氧氣體的比例會影響半導體膜的遷移率、載流子濃度和電阻率。表I顯示在氬氣與氮氣氛圍中濺射錫靶材時，氮氣流速對遷移率、電阻率和載流子濃度的影響。大致說來，表I指出氮氣流速增加，遷移率隨之提高。氬氣與氧氣流速維持不變。表I中，氬氣流速為60sccm，氧氣流速為5sccm?；鍦囟仍礁撸w移率越高。載流子濃度與遷移率的關聯(lián)不大。沉積薄膜為η型半導體材料，所述η型半導體材料電子載流子起主要作用，因此所示載流子濃度為負值。表I
權利要求
1.一種薄膜晶體管，所述薄膜晶體管包含: 在薄膜晶體管中的半導體層，所述半導體層包含選自于由以下物質構成的組中的化合物: 包含氧、氮、鋅、銦和鎵的氮氧化物；以及 包含氧、氮、鋅和錫的氮氧化物。
2.如權利要求1所述的晶體管，其中所述晶體管為頂柵薄膜晶體管。
3.如權利要求1所述的晶體管，所述薄膜晶體管還包含: 基板； 柵極，所述柵極設置在所述基板上； 柵介質層，所述柵介質層設置在所述柵極上； 設置在所述柵介質層上的所述半導體層；以及 源極與漏極，所述源極與漏極設置在所述半導體層上，且所述源極與漏極相隔開來而限定出有源溝道。
4.如權利要求3所述的晶體管，所述薄膜晶體管還包含蝕刻終止層，所述蝕刻終止層設置在所述有源溝道中的半導體層上。
5.如權利要求1所述的晶體管，其中所述半導體層的遷移率大于約50cm2/V-s。
6.如權利要求1所述的晶體管，其中所述化合物還包含摻雜劑，所述摻雜劑選自于由鋁(Al)、鈣(Ca)、硅(Si)、鈦(Ti)、銅(Cu)、鍺(Ge)、鎳(Ni)、錳(Mn)、鉻(Cr)、釩(V)、鎂(Mg)和上述物質的組合物所構成的組中。
7.如權利要求6所述的晶體管，其中所述化合物包含鋁摻雜劑。
8.如權利要求1所述的晶體管，其中所述化合物包含含氧、氮、鋅、銦和鎵的氮氧化物。
9.如權利要求8所述的晶體管，其中所述化合物還包含摻雜劑。
10.如權利要求9所述的晶體管，其中所述摻雜劑包含鋁。
11.如權利要求1所述的晶體管，其中所述化合物包含含氧、氮、鋅和銦的氮氧化物。
12.如權利要求11所述的晶體管，其中所述化合物還包含摻雜劑。
13.如權利要求12所述的晶體管，其中所述摻雜劑包含鋁。
全文摘要
本發(fā)明大體上包含具有半導體材料的薄膜晶體管(TFT)，所述半導體材料包含氧、氮及一或多個選自于由鋅、錫、鎵、鎘和銦所構成的群組中的元素以作為有源溝道。該半導體材料可用于底柵TFT、頂柵TFT和其他類型的TFT中。通過蝕刻來圖案化TFT可形成溝道和金屬電極。接著，使用該半導體材料當作蝕刻終止層來執(zhí)行干法蝕刻而限定出源極/漏極。有源層的載流子濃度、遷移率以及與TFT其他層的界面可調(diào)整成預定值。調(diào)整方式可為改變含氮氣體與含氧氣體的流量比例、退火及/或等離子體處理所沉積的半導體膜，或是改變鋁摻雜濃度。
文檔編號H01L29/26GK103151378SQ20131002089
公開日2013年6月12日 申請日期2008年8月1日 優(yōu)先權日2007年8月2日
發(fā)明者葉洋 申請人:應用材料公司