穩(wěn)定高遷移率的motft和低溫下的制備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及高迀移率的穩(wěn)定M0TFT和低溫下的制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]目前金屬氧化物薄膜晶體管(M0TFT)因其在納米晶或非晶態(tài)中相對(duì)的高迀移率而引起人們的強(qiáng)烈興趣。另外，在許多應(yīng)用中，希望在低于某些溫度下制備高迀移率TFT，以便可以使用柔性和/或有機(jī)襯底。這種TFT中的有源半導(dǎo)體層必須在相對(duì)低的溫度(如室溫)形成/沉積，但是仍然有相對(duì)高的迀移率和穩(wěn)定性。
[0003]多晶硅不能被用于這樣的有源層:通過(guò)將晶粒的尺寸增加到與溝道長(zhǎng)度可比較的水平，可以實(shí)現(xiàn)多晶硅TFT中的高迀移率。僅有少量的晶粒存在于溝道區(qū)域，由于它的大統(tǒng)計(jì)波動(dòng)導(dǎo)致器件的非均一性。此外，多晶硅TFT中的高迀移率僅能在相對(duì)高的溫度(典型地，超過(guò)500°C )實(shí)現(xiàn)。相似的趨勢(shì)也存在于基于CdSe的TFT中，當(dāng)有源層在高于某個(gè)溫度形成(或后烘烤)并且晶粒的尺寸變得與溝道長(zhǎng)度基本上可比較時(shí)，才可以實(shí)現(xiàn)基于CdSe的TFT中的高迀移率。相似地，由于每個(gè)TFT溝道位置處的晶粒邊界和晶體晶粒尺寸和數(shù)量的波動(dòng)性，微晶半導(dǎo)體的TFT特性會(huì)變化，即使在陣列的相鄰的器件之間。例如，在亞微米柵極下的導(dǎo)電區(qū)域，每個(gè)不同的TFT可以包括從一個(gè)或兩個(gè)多晶硅晶體晶粒到數(shù)個(gè)晶體晶粒，并且導(dǎo)電區(qū)域中的不同數(shù)量的晶體會(huì)產(chǎn)生不同的特性。不同的晶粒之中的尺寸和它們的物理特性也是不同的。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中已知，目前標(biāo)準(zhǔn)薄膜晶體管的溝道長(zhǎng)度小于大約5微米，尤其對(duì)于便攜顯示應(yīng)用。出于本公開(kāi)的目的考慮，術(shù)語(yǔ)“非晶”限定為一種具有晶粒尺寸的材料，沿著溝道長(zhǎng)度，比當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)薄膜晶體管的溝道長(zhǎng)度小得多，比如大約100納米或更小。以這種方式，面積為5x5 = 25 μ m2的溝道區(qū)域的晶粒數(shù)量大于10 3，并且不同TFT中的性能差異在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)變得可以忽略不計(jì)。這樣，通過(guò)有造成器件之間小得多的性能波動(dòng)的大量的晶粒邊界，由非晶或納米晶體金屬氧化物形成的溝道層的M0TFT可以保證與非晶硅TFT相似的均一性。
[0005]典型的基于非晶In-Ga-Zn-Ο的M0TFT的迀移率小于15cm2/Vs。然而，高質(zhì)量的多晶硅TFT的迀移率大約在40到100cm2/Vs。許多顯示應(yīng)用需要迀移率與穩(wěn)定性與那些由多晶硅TFT展現(xiàn)的一樣。因此，將迀移率改善大于40cm2/Vs會(huì)使得MOTFT更有吸引力。M0TFT的迀移率強(qiáng)烈依賴于溝道層的體積載流子濃度。為了實(shí)現(xiàn)高迀移率，體積載流子濃度必須等于或大于10ls/cm3。但是體積載流子濃度能被提升到多高是有限制的。在大多數(shù)應(yīng)用中，希望閾值電壓(Vth)接近于零且柵極電壓處于小于20V的范圍內(nèi)。例如，有機(jī)發(fā)光二極管(0LED)或無(wú)機(jī)LED的TFT像素驅(qū)動(dòng)器通常工作在0-10V的期望范圍，而對(duì)于AMIXD是在0-15V的范圍。
[0006]柵極電壓控制下的電荷是Cg(Vg-Vth)，這里Cg是柵極電容，V g是柵極電壓，V th是閾值電壓。于是體積載流子濃度被Cg (Vg-Vth) /d限制，這里d是載流子傳輸層(M0TFT溝道)的厚度。為實(shí)現(xiàn)高迀移率器件，載流子傳輸層的厚度“d”應(yīng)做的盡可能的小。但是厚度d受底層襯底的表面質(zhì)量(如粗糙度和均一性)限制。在底層襯底表面是玻璃上的電介質(zhì)層或基于聚合物的襯底的情況下，溝道層下典型的表面粗糙度大約在0.2-2nm。
[0007]在使用薄膜載流子傳輸層的情況下，其它因素也必須被考慮到。例如，當(dāng)載流子傳輸層極薄的時(shí)候，穩(wěn)定性可能或易于被環(huán)境損害。首先，在工藝過(guò)程中，極薄的有源層可能被各種工藝材料攻擊和損壞或甚至破壞。其次，即使在工藝過(guò)程中設(shè)法避免此種問(wèn)題的普遍發(fā)生，但如果在器件的制備和操作過(guò)程中，極薄的有源層被暴露于氧氣或水，則運(yùn)行的穩(wěn)定性會(huì)受到損害。
[0008]因此，補(bǔ)救現(xiàn)有技術(shù)中上述的和其它的內(nèi)在缺陷將是非常有益的。
[0009]因此，本發(fā)明的目的是提供新的和改進(jìn)的制備穩(wěn)定高迀移率金屬氧化物薄膜晶體管(M0TFT)的工藝。
[0010]本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種新的和改進(jìn)的低溫下的制備穩(wěn)定非晶金屬氧化物薄膜晶體管(M0TFT)的工藝。
[0011]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種新的和改進(jìn)的制備迀移率等于或大于40cm2/Vs的穩(wěn)定非晶金屬氧化物薄膜晶體管(M0TFT)的工藝。
[0012]本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種新的和改進(jìn)的穩(wěn)定非晶高迀移率的金屬氧化物薄膜晶體管(M0TFT)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的期望目的是根據(jù)一種制備穩(wěn)定高迀移率的非晶M0TFT的方法實(shí)現(xiàn)的，這種方法包括提供其上形成有柵極的襯底和位于柵極之上的柵極電介質(zhì)層的步驟。該方法進(jìn)一步包括在柵極電介質(zhì)層之上沉積載流子傳輸結(jié)構(gòu)的步驟。這種載流子傳輸結(jié)構(gòu)包括與柵極電介質(zhì)相鄰的非晶高迀移率的金屬氧化物的層和具有與金屬氧化物的層相比相對(duì)惰性的材料的保護(hù)層，以及在保護(hù)層上沉積源極/漏極接觸。
[0014]本發(fā)明的期望目的是根據(jù)一種制備穩(wěn)定高迀移率的非晶M0TFT的特殊方法實(shí)現(xiàn)的，這種方法包括提供其上形成有柵極的襯底和位于柵極之上的柵極電介質(zhì)層的步驟。該方法進(jìn)一步包括在柵極電介質(zhì)層之上通過(guò)濺射沉積載流子傳輸結(jié)構(gòu)。這種載流子傳輸結(jié)構(gòu)包括鄰近于柵極電介質(zhì)的非晶高迀移率的金屬氧化物的層和沉積在非晶高迀移率的金屬氧化物的層上的材料的相對(duì)惰性的保護(hù)層，兩者被無(wú)氧和在原位地加以沉積。非晶金屬氧化物的層的迀移率大于40cm2/Vs，且載流子濃度處于大約10lscm 3到大約5x10 19cm 3的范圍內(nèi)。源極/漏極接觸被沉積在保護(hù)層之上并且與之形成電接觸。
[0015]本發(fā)明的期望目的也是根據(jù)穩(wěn)定高迀移率的非晶M0TFT的特定實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)特定實(shí)施例包括其上形成有柵極的襯底和位于柵極之上的柵極電介質(zhì)層。載流子傳輸結(jié)構(gòu)濺射在這個(gè)柵極電介質(zhì)層之上。該載流子傳輸結(jié)構(gòu)包括鄰近于柵極電介質(zhì)的非晶高迀移率的金屬氧化物的層，其厚度處于等于或小于大約5nm的范圍且優(yōu)選大約2nm，和沉積在非晶高迀移率的金屬氧化物上的相對(duì)惰性的材料的保護(hù)層，其厚度處于等于或小于大約50nm的范圍，并且非晶金屬氧化物的層的迀移率大于40cm2/Vs，且載流子濃度處于大約10lscm3到大約5X1019cm3的范圍內(nèi)。源極/漏極接觸被沉積在保護(hù)層之上并且與之形成電接觸。
【附圖說(shuō)明】
[0016]通過(guò)連同附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的下述的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的前述和進(jìn)一步以及更具體的目的和優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)變得更加顯而易見(jiàn)，附圖包括:
[0017]圖1示出簡(jiǎn)化的層圖，該簡(jiǎn)化的層圖圖示出按照本發(fā)明的制備用于高迀移率金屬氧化物薄膜晶體管(M0TFT)的高迀移率穩(wěn)定非晶金屬氧化物傳輸層的工藝的若干步驟；
[0018]圖2圖示出依據(jù)本發(fā)明的包含圖1中的高迀移率穩(wěn)定傳輸層的穩(wěn)定高迀移率金屬氧化物薄膜晶體管(限定為“刻蝕停止” M0TFT)的示例；
[0019]圖3圖示出包含圖1中的高迀移率穩(wěn)定傳輸層的另一個(gè)穩(wěn)定高迀移率金屬氧化物薄膜晶體管(限定為“背溝道刻蝕”M0TFT)的示例，且依據(jù)本發(fā)明，源極/漏極接觸被沉積在保護(hù)層之上并且與之形成電接觸；
[0020]圖4通過(guò)圖線圖示出本發(fā)明公開(kāi)的M0TFT的Id-Vgs和迀移率-Vgs的數(shù)據(jù)集。圖4A的數(shù)據(jù)來(lái)自于圖2中描述的具有刻蝕停止結(jié)構(gòu)的M0TFT，而圖4B的數(shù)據(jù)來(lái)自于圖3中描述的具有背溝道刻蝕結(jié)構(gòu)的M0TFT ;并且
[0021]圖5圖示出依據(jù)本發(fā)明在柔性PET襯底上制備的M0TFT的Id-Vgs和迀移率-Vgs曲線的圖線。
【具體實(shí)施方式】
[0022]金屬氧化物半導(dǎo)體的迀移率強(qiáng)烈依賴于體積載流子密度。為了實(shí)現(xiàn)高性能應(yīng)用的高迀移率，金屬氧化物溝道的體積載流子密度要高。傳統(tǒng)上，金屬氧化物的體積載流子濃度受氧空位的控制。因此，對(duì)高迀移率M0TFT至關(guān)重要的是，載流子傳輸層(M0TFT溝道)的氧空位濃度要盡可能的高，并且在工藝過(guò)程中或是過(guò)程后，氧空位不減少。
[0023]參考圖1，圖示出制備高迀移率穩(wěn)定傳輸結(jié)構(gòu)的工藝中的若干步驟。初始提供襯底12，它可以是任一適當(dāng)?shù)闹尾牧?，且在?yōu)選實(shí)施例中，它是一種對(duì)用于自對(duì)準(zhǔn)工序的輻射波長(zhǎng)透明的材料，或在底部發(fā)射發(fā)光顯示器或透射式液晶顯示器的情況下透明的材料。透明襯底12的典型材料包括玻璃、塑料膜等。在不要求襯底透明的應(yīng)用中，也可以