场效应晶体管、显示元件、图像显示装置和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及场效应晶体管、显示元件、图像显示装置和系统。
【背景技术】
[0002] 场效应晶体管(FET)是通过用电场的沟道为电子或空穴流提供闸门（栅，gate)而 控制源电极和漏电极之间的电流的晶体管。
[0003] FET由于其性质已经被用作开关元件(切换元件)或放大元件。由于FET具有平坦的 结构而且使用低的栅电流，因此与双极晶体管相比，FET可被容易地制造和集成。由于这些 原因，FET是在目前的电子装置的集成电路中使用的必要零件。FET作为薄膜晶体管(TFT)被 应用于有源矩阵显示器中。
[0004] 作为平板显示器(FPD)，液晶显示器(IXD)、有机电致发光(EL)显示器和电子纸近 来已投入使用。
[0005] 这些FH)通过包含在有源层(活性层，active layer)中使用非晶硅或多晶硅的TFT 的驱动电路来驱动。对于增大FPD的尺寸、改善其清晰度和图像品质、以及提高其驱动速度 存在需求。为此目的，存在对这样的TFT的需要:其具有高的载流子迀移率、高的开/关比、其 性质随时间的变动(偏差，变化，var i at i on)小和在元件之间的变动小。
[0006] 然而，对于有源层使用非晶硅或多晶硅的TFT有利有弊。因此，难以同时实现全部 要求。为了应对全部要求，已经积极地进行在有源层中使用氧化物半导体的TFT的开发，所 述氧化物半导体的迀移率预计高于非晶硅。例如，公开了在半导体层中使用InGaZn0 4的TFT (参见例如NPL 1)。
[0007] 要求TFT具有小的阈电压变动。
[0008] TFT的阈电压变动的因素之一是在大气中包含的水分、氢气或氧气被半导体层吸 收和/或从半导体层解吸。因此，提供钝化层以保护所述半导体免受大气中包含的水分、氢 气或氧气的影响。
[0009] 此外，阈电压还因长时间许多次地重复打开和关闭TFT而变化。对于评价由于长时 间和许多次的驱动而引起的阈电压变动的方法，已经广泛地实施偏压温度应力(BTS)测试。 该测试是其中在场效应晶体管的栅电极和源电极之间施加电压一定时间、和评价阈电压在 该段时间期间的变动的方法，或者其中在栅电极和源电极之间以及在漏电极和源电极之间 施加电压一段时间、和评价阈电压在该段时间期间的变动的方法。
[0010] 公开了用以防止TFT的阈电压变动的若干种钝化层。例如，公开了使用Si02、Si3N 4 或SiON作为钝化层的场效应晶体管(参见例如PTL 1)。据报道，其中有该钝化层的场效应晶 体管平稳地运行，该场效应晶体管的晶体管特性没有受到气氛例如真空和大气空气的影 响。然而，其中没有公开与BTS测试相关的数据。
[0011]此外，公开了使用Al2〇3、AlN或A10N作为钝化层的场效应晶体管(参见例如PTL 2)。 据报道，该场效应晶体管可通过防止杂质例如水分和氧气混入半导体层而抑制其晶体管特 性的变动。然而，其中没有公开与BTS测试相关的数据。
[0012]此外，公开了使用包含Al2〇3和Si02的层叠膜作为钝化层的场效应晶体管（参见例 如PTL 3)。据报道，使用该层叠膜作为钝化层的场效应晶体管可防止水分混入和吸收至半 导体层中，且其晶体管特性在高温-高湿度环境中的存储测试之后不变化。然而，其中没有 公开与BTS测试相关的数据。
[0013] 此外，公开了使用5池、了&2〇5、1102、祖)2、2抑 2、￥2〇3或412〇3的单层膜或者其层叠膜 作为钝化层的场效应晶体管(参见例如PTL 4)。据报道，其中形成前述钝化层的场效应晶体 管可防止氧从氧化物半导体解吸，且可改善可靠性。然而，其中没有公开与BTS测试相关的 数据。
[0014] 另外，公开了使用Al2〇3作为钝化层的场效应晶体管(参见例如NPL 2)。报道了其中 形成前述钝化层的场效应晶体管的通过BTS测试进行的可靠性评价的结果，但是阈电压的 变动值（A Vth)相对于流逝的应力时间大。因此，不能说足够地保证了场效应晶体管的可靠 性。
[0015] 在任何前述技术中，通过BTS测试的可靠性评价均是不足的。
[0016] 相应地，目前对这样的场效应晶体管存在需要:其在BTS测试下具有小的阈电压变 动、且表现出高的可靠性。
[0017]引文列表 [0018]专利文献
[0019] PTL 1:日本专利申请特开(JP-A)No.2007-073705
[0020] PTL 2:JP-A No.2010-135770
[0021] PTL 3：JP-A No.2010-182819
[0022] PTL 4：JP-A No.2010-135462
[0023] 非专利文献
[0024] NPL 1 :K.Nomura和其它五位，"Room-temperature fabrication of transparent flexible thin film transistors using amorphous oxide semiconductors/'NATURE， VOL · 432，25，2004年11 月，p · 488-492
[0025] NPL 2:T.Arai和另一位，"Manufacturing Issues for Oxide TFT Technologies for Large-Sized AM0LED Displays,"SID 2012Digest，2012，p.756-759
【发明内容】
[0026] 技术问题
[0027] 本发明旨在解决本领域中的前述各种问题和实现以下目的。具体地，本发明的目 的在于提供这样的场效应晶体管:其在偏压应力温度(BTS)测试下具有小的阈电压变动、且 表现出高的可靠性。
[0028]问题的解决方案
[0029]用于解决前述问题的手段如下：
[0030]本发明的场效应晶体管包含：
[0031] 基体材料(基体，base);
[0032] 钝化层；
[0033] 在所述基体材料和所述钝化层之间形成的栅绝缘层；
[0034] 源电极和漏电极，其形成为与所述栅绝缘层接触；
[0035] 半导体层，其在至少所述源电极和所述漏电极之间形成，且与所述栅绝缘层、所述 源电极和所述漏电极接触;和
[0036] 栅电极，其与所述栅绝缘层接触且经由所述栅绝缘层面对所述半导体层，
[0037] 其中所述钝化层包含第一钝化层和第二钝化层，所述第一钝化层包含含有Si和碱 土金属的第一复合金属氧化物(composite metal oxide)，所述第二钝化层形成为与所述 第一钝化层接触且包含含有碱土金属和稀土元素的第二复合金属氧化物。
[0038]发明的有益效果
[0039] 本发明能解决本领域中的前述各种问题，且能提供这样的场效应晶体管:其在偏 压应力温度(BTS)测试下具有小的阈电压变动、且表现出高的可靠性。
【附图说明】
[0040] 图1是用于解释图像显示装置的图。
[0041] 图2是用于解释本发明的显示元件的一个实例的图。
[0042]图3A是示出本发明的场效应晶体管的一个实例(底接触/底栅)的图。
[0043]图3B是示出本发明的场效应晶体管的一个实例(顶接触/底栅)的图。
[0044]图3C是示出本发明的场效应晶体管的一个实例(底接触/顶栅)的图。
[0045] 图3D是示出本发明的场效应晶体管的一个实例(顶接触/顶栅)的图。
[0046] 图4是示出有机EL元件的一个实例的示意图。
[0047]图5是示出本发明的显示元件的一个实例的示意图。
[0048]图6是示出本发明的显示元件的另一实例的示意图。
[0049]图7是用于解释显示控制装置的图。
[0050] 图8是用于解释液晶显不器的图。
[0051] 图9是用于解释图8中的显示元件的图。
[0052]图10是在Vgs = +20V和Vds = 0V的BTS测试下评价在实施例12中获得的场效应晶体 管的晶体管特性(Vgs-Ids)的图。
[0053]图11是在Vgs = +20V和Vds = +20V的BTS测试下评价在实施例12中获得的场效应晶 体管的晶体管特性(Vgs-Ids)的图。
[0054]图12是在Vgs = -20V和Vds = 0V的BTS测试下评价在实施例12中获得的场效应晶体 管的晶体管特性(Vgs-Ids)的图。
[0055]图13是在Vgs = -20V和Vds = +20V的BTS测试下评价在实施例12中获得的场效应晶 体管的晶体管特性(Vgs-Ids)的图。
[0056] 图14是在Vgs = +20V和Vds = 0V的BTS测试下评价在实施例12和对比例8中获得的 场效应晶体管的随时间（chrono logical)应力变化的图。
[0057]图15是示出在实施例1-16和对比例4和7的各自中制造的场效应晶体管的示意图。
【具体实施方式】
[0058](场效应晶体管）
[0059]本发明的场效应晶体管至少包含基体材料、钝化层、栅绝缘层、源电极、漏电极、半 导体层和栅电极，并且根据需要可进一步包含其它部件。
[0060]〈基体材料〉
[0061 ]基体材料的形状、结构和尺寸取决于预期目的适当选择而没有任何限制。
[0062] 基体材料的材料取决于预期目的适当选择而没有任何限制，且其实例包括玻璃基 体材料和塑料基体材料。
[0063] 玻璃基体材料取决于预期目的适当选择而没有任何限制，且其实例包括无碱玻璃 和二氧化硅玻璃。
[0064] 塑料基体材料取决于预期目的适当选择而没有任何限制，且其实例包括聚碳酸酯 (PC)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。
[0065] 注意，优选对基体材料进行预处理例如如氧等离子体、UV臭氧和UV辐射洗涤的预 处理以清洁其表面和以改善与另一层的粘附。
[0066] 〈钝化层〉
[0067] 钝化层典型地在所述基体材料上方形成。
[0068] 钝化层包含第一钝化层和形成为与第一钝化层接触的第二钝化层。
[0069] 钝化层中的第一钝化层和第二钝化层的布置取决于预期目的适当选择而没有任 何限制。第一钝化层可相对于第二钝化层布置在基体材料侧。替代地，第二钝化层可相对于 第一钝化层布置在基体材料侧。此外，可将第二钝化层布置成覆盖第一钝化层的顶表面和 侧表面。可将第一钝化层布置成覆盖第二钝化层的顶表面和侧表面。
[0070] -第一钝化层-
[0071] 第一钝化层包含第一复合金属氧化物。
[0072] 第一钝化层优选由第一复合金属氧化物本身形成。
[0073] 一第一复合金属氧化物一
[0074] 第一复合金属氧化物包含Si(硅)和碱土金属，优选进一步包含A1(铝）或B(硼)或 两者，且根据需要可进一步包含其它组分。
[0075]在第一复合金属氧化物中，由前述Si形成的Si〇2采取无定形结构。此外，碱土金属 具有切断Si-Ο键的作用。因此，待形成的第一复合金属氧化物的介电常数和线性膨胀系数 可用Si和碱土金属的组成比进行控制。
[0076] 第一复合金属氧化物优选包含A1或B或两者。类似于Si02,由A1形成的Al2〇3和由B 形成的B2〇3各自形成无定形结构。因此，在第一复合金属氧化物中更稳定地形成无定形结 构，且可形成更均匀的绝缘膜。由于碱土金属取决于对A1和B的组成比而使A1和B的配位结 构变化，因此可控制第一复合金属氧化物的介电常数和线性膨胀系数。
[0077]第一复合金属氧化物中的碱土金属的实例包括Be(铍）、Mg(镁）、Ca(钙）、Sr(锶)和 Ba (钡）。这些可单独或者组合使用。
[0078]第一复合金属氧化物中的Si和碱土金属的组成比取决于预期目的适当选择而没 有任何限制，但是其组成比优选在以下范围内。
[0079] 在第一复合金属氧化物中，Si和碱土金属的组成比（Si :碱土金属）优选为50.0摩 尔％-90.0摩尔％:10.0摩尔％-50.0摩尔％，基于氧化物（5丨02、860、]\%0、030、5抑、830)换 算。
[0080]第一复合金属氧化物中的Si、碱土金属和A1和/或B的组成比取决于预期目的适当 选择而没有任何限制，但其组成比优选在以下范围内。
[0081 ] 在第一复合金属氧化物中，Si、碱土金属和A1和/或B的组成比（Si:碱土金属:A1 和/或B)优选为50.0摩尔％-90.0摩尔％ :5.0摩尔％-20.0摩尔％ :5.0摩尔％-30.0摩尔％， 基于氧化物（Si02、BeO、MgO、CaO、SrO、BaO、Ah〇3、B 2〇3)换算。
[0082] 第一复合金属氧化物中的氧化物(5102、860、]\%0、030、3抑、830^1 203、8203)的比例 可例如通过如下而计算:经由X-射线荧光光谱法、电子探针显微分析(EPMA)、或者电感耦合 等尚子体原子发射光谱法（ICP-AES)分析所述氧化物的阳尚子兀素。
[0083] 第一钝化层的介电常数取决于预期目的适当选择而没有任何限制。
[0084] 所述介电常数可例如通过如下而测量：制造其中将下部电极、介电层(所述钝化 层)和上部电极层叠的电容器，并且使用LCR计进行测量。
[0085] 第一钝化层的线性膨胀系数取决于预期目的适当选择而没有任何限制。
[0086] 线性膨胀系数可例如通过热机械分析装置进行测量。在该测量中，线性膨胀系数 可通过在不制造场效应晶体管的情况下独立地制造具有与钝化层的组成相同组成的测量 样品而测量。
[0087]-第二钝化层-
[0088] 第二钝化层包含第二复合金属氧化物。
[0089] 第二钝化层优选由第二复合金属氧化物本身形成。
[0090] --第二复合金属氧化物--
[0091] 第二复合金属氧化物至少包含碱土金属和稀土元素，优选包含Zr(锆)或Hf(铪)或 其两者，且按照需要可进一步包含其它组分。
[0092] 第二复合金属氧化物在大气中是稳定的，且可以宽的组成范围稳定地形成无定形 结构。这是因为本发明人已经发现包含碱土金属和稀土元素的复合金属氧化物在大气中是 稳定的，且可以宽的组成范围稳定地形成无定形结构。
[0093] 典型地，碱土金属的简单氧化物倾向于与大气中的水分或二氧化碳反应而形成氢 氧化物或碳酸盐，且因此这样的简单氧化物不适合在电子装置中使用。此外，稀土元素的简 单氧化物倾向于结晶化，且在电子装置中使用时导致电流的泄露。然而，本发明人已经发 现，包含碱土金属和稀土元素的第二复合金属氧化物以宽的组成范围稳定地形成无定形 膜。由于第二复合金属氧化物以其宽的组成范围稳定地存在，待形成的第二复合金属氧化 物的介电常数和线性膨胀系数可取决于其组成比而宽范围地控制。
[0094]第二复合金属氧化物优选包含Zr(锆)或Hf (铪)或两者。当第二复合金属氧化物包 含Zr或Hf或两者时，可甚至进一步改善热稳定性、耐热性和致密性(compactness)。
[0095]第二复合金属氧化物中的碱土金属的实例包括Be (铍）、Mg (镁）、Ca (钙）、Sr (锶)和 Ba (钡）。这些可单独或者组合使用。
[0096]第二复合金属氧化物中的稀土元素的实例包括Sc(钪）、Y(钇）、La(镧）、Ce(铈）、Pr (镨）、Nd(钕）、Pm(钷）、Sm(钐）、Eu(铕）、Gd(钆）、Tb(铽）、Dy(镝）、Ho(钬）、Er(铒）、Tm(铥）、Yb (镜)和Lu (错）。
[0097]第二复合金属氧化物中的碱土金属和稀土元素的组成比取决于预期目的适当选 择而没有任何限制，但其组成比优选在以下范围内。
[0098]在第二复合金属氧化物中，碱土金属和稀土元素的组成比（碱土金属:稀土元素） 优选为10.0摩尔％_67.0摩尔％ : 33.0摩尔％-90.0摩尔％，基于氧化物(BeO、MgO、CaO、SrO、 BaO、Sc2〇3、Y2〇3、La2〇3、Ce2〇3、Pr2〇3、Nd2〇3、Pm2〇3、Sm2〇3、Eu2〇3、Gd2〇3、Tb2〇3、Dy2〇3、H〇2〇3、 Er2〇3、Τ??2〇3、Yb2〇3、LU2〇3 )换算。
[0099]在第二复合金属氧化物中的碱土金属、稀土元素和Zr和/或Hf的组成比取决于预 期目的适当选择而没有任何限制，但其组成比优选在以下范围内。
[0?00]在第二复合金属氧化物中，碱土金属、稀土元素和Zr和/或Hf的组成比（碱土金属： 稀土元素：Zr和/或Hf)优选为5.0摩尔％-22.0摩尔％ :33.0摩尔％-90.0摩尔％ : 5.0摩 尔％_45.0摩尔％，基于氧化物（86〇、]\^0、〇&0、51〇、8&0、5。2〇3、￥2〇3、1^2〇3、〇62〇3、？0〇3、 Nd2〇3、Pm2〇3、Sm2〇3、Eu2〇3、Gd2〇3、Tb2〇3、Dy2〇3、H02O3、Ε?〇3、Tm2〇3、Yb2〇3、Lu2〇3、Zr〇2、Hf〇2)换 算。
[0101] 第二复合金属氧化物中的氧化物(BeO、MgO、CaO、SrO、BaO、Sc2〇3、Y2〇 3、La2〇3、Ce2〇3、 Pr2〇3、Nd2〇3、Pm2〇3、Sm2〇3、Eu2〇3、Gd2〇3、Tb2〇3、Dy2〇3、H〇2〇3、Er2〇3、Tm2〇3、Yb2〇3、Lu2〇3、Zr〇2、 Hf〇2)的比例可例如通过如下而计算:经由X-射线荧光光谱法、电子探针显微分析(ΕΡΜΑ)或 电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)分析所述氧化物的阳离子元素。
[0102] 第二钝化层的介电常数取决于预期目的适当选择而没有任何限制。
[0103 ]第二钝化层的介电常数可例如通过与第一钝化层的介电常数的测量方法相同的 方法进行测量。
[0104] 第二钝化层的线性膨胀系数取决于预期目的适当选择而没有任何限制。
[0105] 第二钝化层的线性膨胀系数可例如通过与第一钝化层的线性膨胀系数的测量方 法相同的方法进行测量。
[0106] 在本发明中，本发明人已经发现，通过层叠包含第一复合金属氧化物的第一钝化 层和包含第二复合金属氧化物的第二钝化层而形成的钝化层表现出优异的对大气中的水 分、氧气和氢气的阻隔性质。
[0107] 因此，通过使用前述钝化层可提供表现出高的可靠性的场效应晶体管。-第一钝化 层和第二钝化层的形成方法-
[0108] 第一钝化层和第二钝化层的形成方法取决于预期目的适当选择而没有任何限制， 且其实例包括这样的方法:在该方法中通过真空工艺例如溅射、脉冲激光沉积(PLD)、化学 气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)形成膜，随后通过光刻法将该膜图案化。
[0109] 此外，第一钝化层可通过如下形成：制备包含第一复合金属氧化物的前体的涂覆 液(第一钝化层涂覆液），将该涂覆液施加