非晶态氧化物半导体材料、场效应晶体管和显示装置的制作方法

专利名称：非晶态氧化物半导体材料、场效应晶体管和显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及非晶态氧化物半导体材料、场效应晶体管和显示装置。
背景技术：
场效应晶体管被广泛地用作半导体存储器用集成电路的单位元件，高频信号放大 元件，和用于驱动显示元件例如液晶显示元件的元件，并且已经被制备成薄膜的晶体管称 为薄膜晶体管(TFT)。另外，具有包含可以大面积形成的非晶态硅的活性层的硅TFT被用于 平板显示器中。近年来，平板显示器技术(大屏、薄、重量轻)已经经历了显著的进步，并且已经尝 试将这些平板显示器技术应用于柔性基板(重量轻并且弯曲的显示器)使得它们变得更薄 并且重量更轻。另一方面，当前作为驱动显示器的TFT的主流的硅TFT的制造温度高，并且 难以在柔性基板上形成硅TFT。在此背景中，作为TFT的活性层，氧化物半导体当前正受到关注。特别是，由东京 工业大学(Tokyo Institute of ^Technology)的 Hosono 等报道的 h-Ga-Zn-O (以下简称为 IGZ0)显现了作为用于新型TFT的材料的希望，因为它可以在室温形成，并且即使在处于非 晶态时，也表现出作为半导体的优异特性，并且关于IGZO的研究正在极其活跃地进行(参 见以下所列出的非专利文献1和2)。在这些研究中，关于非晶态IGZO的光学性能，当将具有包含非晶态IGZO的活性层 的TFT应用于显示装置例如有机EL显示器时，有时该活性层被光照射，如在以下列出的非 专利文献3至6中所述的，已经报道了许多关于非晶态IGZO的光照射性能的研究结果。在非专利文献3和4中，对将TFT在暗处用单色光照射时的TFT性能进行了报道， 所述TFT的栅电极包含η-型Si，其栅绝缘膜包含热氧化膜，其源电极和漏电极包含Al，并 且其活性层包含非晶态IGZ0(In Ga Zn = 1 1 1)。具体地，可以证实的是，在使得照射量不变而单色光波长改变的情况下，当用 460nm ^ λ ^ 660nm的单色光照射TFT时，TFT性能几乎不改变(漏极电流略微位移)，而 当用λ彡420nm的单色光照射TFT时，TFT性能大大改变(当用λ = 365nm(3. 4eV)单色 光照射TFT时，阈值电压Vth经历7V的负位移)。另外，可以证实的是，此外在固定单色光 波长(λ = 420nm)并且改变照射强度时，TFT性能的变化(Vth的负位移)随照射强度增大 也变得更大。而且，应理解，除Vth以外，迁移率、亚阈值摆幅(sub-thresholdswing) (S值) 和断态电流(off-state current)也大大地改变，并且IGZO受可见光短波长区域的影响。在非专利文献3和4中记载的是，可以在不使用遮光膜的情况下驱动有机EL元 件，因为蓝色滤光片的透过波长峰和有机电致发光元件(有机EL元件)的蓝光的波长峰为 450nm。然而，考虑到蓝色滤光片通过约70%的400nm光，有机EL元件的蓝光的发射光谱的 边缘(skirt)持续到420nm，并且考虑到透明装置的制备而使所述装置暴露于日光，还没有 表明具有通过这些文献制备的IGZO作为其活性层的TFT是足够的。类似地，在非专利文献5和6中也报道了关于非晶态IGZO的光照射性能的研究结果。具体地，首先，将其中h Ga Zn = 1 1 1的多晶IGZO用作靶以形成非晶 态IGZO膜(In Ga Zn = 1. 01 1.00 0.76)。TFT从其基板侧具有下列构造玻璃 /Mo (栅电极)/Si02或SiNx H (栅绝缘膜)/IGZO (活性层)/Si02/SiN (钝化层)/Mo (源 电极和漏电极)。可以证实，通过用λ ( 440nm的单色光照射此TFT，TFT性能改变(Vth的 负位移)。而且，还可以证实，随着TFT被单色光照射的时间量变得更长，TFT性能的改变量 变得更大。此外，通过在120°C进行热处理，得到的结果是TFT性能恢复，从而得到与初始性 能相同的性能。作为以上研究结果的结论，应理解，当用可见光照射TFT的包含非晶态IGZO的活 性层时，对于可见光短波长区域中的光(其波长在400nm至420nm附近的光)，TFT性能(断 态电流的增大、Vth的位移等)大大地改变。另外，这些性能变化对TFT驱动时的稳定运行 具有大的影响。因而，当将非晶态IGZO用于其活性层的TFT被用作用于驱动显示元件的TFT时， 为了使TFT稳定地运行，在专利文献1中，使用了对于非晶态IGZO的遮光手段。此外，在专 利文献2中，使用了不将非晶态IGZO暴露于蓝光(在可见光短波长区域中的光)中的结构。然而，在专利文献1和2的发明中，目的是不允许作为活性层的非晶态IGZO被光 照射，并且没有关于改善非晶态IGZO本身的光照射性能的描述。这里，可以想到的是控制In，( 和Si的组成比，以改善非晶态IGZO的光照射性 能。为此，还提出了将非晶态IGZO的组成比限制到具体范围的材料(例如，参见以下列出 的专利文献3至6)。在专利文献3 中，报道了由 &ix[Al，Ga]yInz0(x+3y/2+3z/2)[比率 x/y 在 0. 2 至 2的范围内，而比率z/y在0. 4至1. 4的范围内]表示的非晶态氧化物。作为实例，显示了 在In Ga Zn = 1 1 1附近的制备实例。然而，其目的是使用非晶态IGZO作为透明导电膜，即作为电极，并且其目的不是 使用非晶态IGZO作为半导体。此外，假定相当高密度的载流子浓度，因为电子浓度等于或 大于化川⑴至浙^！！^甚至对于实施例，川19/^3)。当将此非晶态氧化物用作晶体管的 活性层时，可以想到正常断开的实现是极其困难的。在专利文献4中，报道了具有下列组成的非晶态氧化物半导体材料其中由In/ (In+Zn)表示的原子组成比为35原子％至55原子％，而其中由fei/an+Ga+Zn)表示的原子 组成比等于或小于30原子％。然而，没有关于光吸收的实验数据作为实施例显示。在专利文献5中，报道了一种具有能够长时间稳定地通过恒定电流的非晶态IGZO 作为其活性层的TFT。此文献具有显示在光照射时的TFT性能(Vg-Id特性)的变化的图。然而，在专利文献5中，制备的是在富In、贫( 和贫Si区域中没有对于光照射的 性能变化的TFT，并且没有暗示富( 区域中的光稳定性的描述。此外，由于没有关于光源的详细描述，因此不清楚哪个波长区域的光影响TFT，并 且也不清楚是否存在对于可见光短波长区域，特别是400至420nm的可见光短波长区域的 光稳定性。因此，当在IGZO中存在缺陷等时，有时IGZO甚至受可见光短波长区域中的光影 响，因此还存在制备对于可见光短波长区域中的光照射不具有性能变化的TFT的可能性。此外，还存在制造对于在400至420nm范围以外的可见光短波长区域中的光照射不具有性 能变化的TFT的可能性。而且，在构成每一个TFT的活性层的非晶态IGZO中，Irufei和Si的组成比由于感 应耦合等离子体(ICP)的结果而不同，但是最终不清楚哪个组成量影响光稳定性的改善。另外，相同的靶被用于制造非晶态IGZ0，因此考虑到ICP误差(士0. 2)，制造多个 具有包含基本上相同组成的非晶态IGZO的活性层的TFT，但是每一个TFT对于光照射的 TFT性能大大地不同，并且认为再现性低。在专利文献6中，报道了一种场效应晶体管，该场效应晶体管的活性层具有非晶 态氧化物半导体，所述非晶态氧化物半导体包含元素In、元素和元素X(作为元素X的 一个候选者，包含元素Ga)并且满足In/(In+Zn+X) = 0. 200至0. 600并且Zn/(In+Zn+X) =0. 200至0. 800。在实例中，描述了其活性层具有其中( 浓度改变的IGZO的TFT的电 性能，但是没有关于光学性能的数据或暗示富( 区域中的光稳定性的结果。另外，要求保 护的组成范围还包括具有良好光稳定性的富( 区域，但是根据说明书，晶体管必须采取遮 住(block)半导体相的结构，因此认为光学性能不好。该场效应晶体管与本发明的不同之 处还在于膜厚度为Inm至15nm且极薄。非专利文献1 科学(Science)，300 (2003)，第 1269-1272 页非专利文献2 自然(Nature)，432 (2004)，第 488-492 页非专利文献3 信息显示杂志(Journal of Information Display)，9 (2008)，第 21-29 页非专利文献4 :SID08 Digest (2008)，第 1215-1218 页非专利文献5 日本应用物理杂志(Japanese Journal of AppliedPhysics)， 48 (2009)，03B018-1 页-03B018-5 页非专利文献6 “非晶态IGZO TFT在光照射下的不稳定性Qnstabilityof Amorphous IGZO TFTs under Light Illumination) ”，第 15 届有源矩阵平板显示器和 装置国际研讨会(The 15th Int. Workshop on Active-MatrixFlatpanel Display and Devices) [AM-FPD08] TFT 技术和 FPD 材料(TFTTechnologies and FPD Materials) (2008年7月2-4日，东京，日本)专利文献1 日本专利申请公开(JP-A)号2007-115902专利文献2 JP-A 号 2007-250984专利文献3 日本专利号4，170, 454专利文献4 JP-A 号 2007-281409专利文献5 美国专利申请公布号2007/0252147专利文献6 JP-A 号 2009-25320
发明内容
本发明的主要目的是提供一种其中对于波长在400至420nm的可见光短波长区域 中的光的光吸收降低的非晶态氧化物半导体材料。本发明的上述问题通过以下描述的手段解决。本发明的第一方面提供一种非晶态氧化物半导体材料，所述非晶态氧化物半导体材料包含含有In、( 和Si的非晶态氧化物半导体，其中当In Ga Zn = a b c表 示所述氧化物半导体的元素组成比时，所述元素组成比由下列范围限定a+b = 2，并且b
<2，并且c < 4b-3. 2，并且c > -5b+8,并且1≤c≤2。本发明的第二方面提供根据第一方面的非晶态氧化物半导体材料，其中所述非晶 态氧化物半导体材料的光学带隙等于或大于3. 79eV。本发明的第三方面提供一种非晶态氧化物半导体材料，所述非晶态氧化物半导体 材料包含含有Irufei和Si的非晶态氧化物半导体，其中当h Ga Zn = a b c表 示所述氧化物半导体的元素组成比时，所述元素组成比由下列范围限定a+b = 2，并且c
<4b-3. 2，并且c < -5b+8，并且1≤c，并且所述非晶态氧化物半导体材料的光学带隙等于 或大于3. 79eV。本发明的第四方面提供一种场效应晶体管，所述场效应晶体管具有活性层，所述 活性层包含根据本发明的第一方面所述的非晶态氧化物半导体材料，并且所述活性层的电 导率 σ 为 10_9≤ σ ≤ 10_2 (S/cm)。本发明的第五方面提供根据第四方面的场效应晶体管，其中所述非晶态氧化物半 导体材料经过热处理。本发明的第六方面提供一种显示装置，所述显示装置配备有根据第四方面的场效 应晶体管。本发明的第七方面提供一种底部发光型显示装置，所述底部发光型显示装置包 括基板；根据本发明第四方面所述的场效应晶体管，所述场效应晶体管被安置在所述基板 上并且具有底栅结构；和有机电致发光元件，所述有机电致发光元件与所述基板上的所述场效应晶体管电 连接，其中由所述有机电致发光元件发射的光是从基板侧产生的。根据本发明，可以提供一种其中对于波长在400至420nm的可见光短波长区域中 的光的光吸收降低的非晶态氧化物半导体材料。


将基于下列附图详细描述本发明的示例性实施方案，在附图中图1是显示具有底栅结构的TFT作为属于本发明的示例性实施方案的TFT的一个 实例的示意图；图2是显示具有顶栅结构的TFT作为属于本发明的示例性实施方案的TFT的一个 实例的示意图；图3是显示底部发光型有机EL显示装置作为属于本发明的示例性实施方案的显 示装置的一个实例的示意图；图4是其中在相图中一起显示属于实施例1至4的IGZO膜1至4，和属于比较例 1至4的比较IGZO膜1至4的组成比的分析结果的图；图5是其中绘出属于实施例1至4的IGZO膜1至4，和属于比较例1至4的比较IGZO膜1至4的光学带隙的计算结果的图，其中横轴表示( 的组成比(b值)，而纵轴表示 光学带隙；图6是显示属于实施例1至4的IGZO膜1至4和属于比较例1至4的比较IGZO 膜1至4的电导率σ和( 的组成比b之间的关系的图；图7是显示实施例5和6的TFT 1和2以及比较例6的比较TFT 2的Vg-Id特性 的图；图8是显示实施例7和8的TFT 3和4以及比较例8的比较TFT 4的Vg-Id特性 的图；图9是显示实施例5和6的TFT 1和2以及比较例6的比较TFT 2的迁移率μ 的图；图10是显示实施例7和8的TFT 3和4以及比较例8的比较TFT 4的迁移率μ 的图；图11是显示实施例5和6的TFT 1和2以及比较例6的比较TFT 2的阈值电压 Vth的图；图12是显示实施例7和8的TFT 3和4以及比较例8的比较TFT 4的阈值电压 Vth的图；图13是显示在光照射时的TFT性能测量的总体构造的图；图14是其中绘出迁移率变化的测量结果的图，其中横轴表示波长(nm)，而纵轴表 示迁移率变化(μ/μο)；图15是其中绘出阈值电压随时间的变化的测量结果的图，其中横轴表示光照射 时间(min)，而纵轴表示阈值电压随时间的变化(AVth)；图16是其中绘出阈值电压的测量结果的图，其中横轴表示波长(nm)，而纵轴表示 阈值电压(Vth)；图17是显示当用不同波长的单色光照射比较TFT 1的活性层时，测量Vg-Id特性 的结果的图；图18是显示当用不同波长的单色光照射TFT 1的活性层时，测量Vg-Id特性的结 果的图；图19是显示当用不同波长的单色光照射TFT 2的活性层时，Vg-Id特性的测量结 果的图；图20是显示当用不同波长的单色光照射比较TFT 3的活性层时，Vg-Id特性的测 量结果的图；图21是显示当用不同波长的单色光照射TFT 3的活性层时，Vg-Id特性的测量结 果的图；图22是显示当用不同波长的单色光照射TFT 4的活性层时，Vg-Id特性的测量结 果的图；图23是显示具有组成比为a = 0. 7，b = 1. 3并且c = 1. O的IGZO作为其活性层 的TFT(TFT 1和TFT 5)在热处理之前和之后，Vg-Id特性的测量结果的图。
具体实施例方式将在以下使用附图描述本发明的非晶态氧化物半导体材料、场效应晶体管和显示 装置的示例性实施方案。对具有基本上相同功能的部分将在所有附图中提供相同的附图标 记并进行描述，并且在一些情况下将省略其描述。1.非晶态氧化物半导体材料首先，将描述属于本发明的示例性实施方案的非晶态氧化物半导体材料。< 构成 >属于本发明的示例性实施方案的非晶态氧化物半导体材料的构成如下。该非晶态氧化物半导体材料包含非晶态氧化物半导体，所述非晶态氧化物半导 体包含Irufei和Si，并且当h Ga Zn = a b c表示所述氧化物半导体的元素组 成比时，所述元素组成比由下列范围限定a+b = 2，并且b < 2，并且c < 4b-3.2，并且c > _5b+8，并且1彡c彡2。当非晶态氧化物半导体材料具有此组成时，对于波长在400至420nm的可见光短 波长区域中的光的光吸收降低。氧化物半导体的元素组成比优选由下列范围限定a+b = 2，并且1. 3彡b < 2，并 且(> _5b+8，并且1彡c彡2。此外，由于进一步降低光吸收，氧化物半导体的元素组成比 更优选由下列范围限定a+b = 2，并且1. 3彡b彡1. 5，并且c > _5b+8，并且1彡c彡2。由于进一步降低光吸收，非晶态氧化物半导体材料的光学带隙等于或大于3. 7eV, 并且优选等于或大于3. 79eV。此外，还对于其元素组成比由a+b = 2，并且c < 4b_3. 2，并且c < _5b+8，并且 1 ( c的范围限定的非晶态氧化物半导体材料，光学带隙等于或大于3. 7eV并且更优选等 于或大于3. 79eV,并且足够宽，对于波长在400至420nm的可见光短波长区域中的光的光 吸收可以降低。由于进一步降低光吸收，元素组成比更优选由下列范围限定a+b = 2，并且 1. 3彡b，并且c < -5b+8,并且1彡C。<制备方法>制备属于本发明的示例性实施方案的非晶态氧化物半导体材料的方法如下。制备非晶态氧化物半导体材料的方法的实例包括粉末制备方法如固相反应、溶 胶-凝胶法、草酸盐法、醇盐法和共沉淀，和薄膜制备方法如溅射、激光烧蚀、化学气相沉积 (CVD)和金属有机分解(MOD)。在粉末制备方法中，非晶态氧化物半导体材料可以通过下列方式制备将包含h 的化合物、包含( 的化合物和包含Si的化合物混合在一起。包含h 的化合物的实例包括 In2O3, In (NO3) 3，In (NO3) 3 · nH20, In (CH3COO) 3， In(CH3COO)2(OH) , In2O3 · nH20，InN, In(OH)3, InO(OH)，In2(C2O4)3, In2 (C2O4)3 ‘ 4H20, In (C2H5OC^2)3，和 In2(SO4)3 · ηΗ20。包含Ga 的化合物的实例包括 Ga2O3, Ga (NO3) 3，Ga (NO3) 3 · nH20, Ga (CH3COO) 3， Ga(CH3COO)2(OH) , Ga2O3 · nH20, GaN, Ga(OH)3, GaO (OH)，Ga2(C2O4)3, Ga2 (C2O4) 3 · 4H20, Ga (C2H5OCS2) 3，和 Ga2 (SO4) 3 · ηΗ20。包含Zn 的化合物的实例包括 ZnO, Zn (C2H3O2)2，Zn (C2H3O2)2 · 2H20，ZnBr2, ZnCO3, ZnS, ZnCl2, ZnF2, ZnF2 · 4H20, Zn (OH)2, ZnI2, Zn(NO3)2 · 6H20, ZnC2O4, Zn (CN)2, Zn (OCH3)2,Zn (OC2H5)2，和 ZnSO40非晶态氧化物半导体材料的组成比可以通过上述原料的输入量调节。在薄膜制备方法中，良好的是采用使用氧化物半导体的多晶烧结体作为靶的气相 成膜法。在气相沉积方法中，溅射和脉冲激光沉积(PLD)是合适的。而且，出于大规模生产 率的观点，溅射是优选的。例如，控制真空和氧流量并且通过RF磁控溅射形成膜。氧流量越大，可以使电导 率越小。非晶态氧化物半导体材料的组成比可以通过靶的选择或组合、每个靶的溅射方法 的选择、溅射输入功率和成膜压力来调节。还可以对已经通过粉末制备方法或薄膜制备方法制备的非晶态氧化物半导体材 料进行热处理(退火)。通过进行此热处理，可以调节非晶态氧化物半导体材料的载流子浓 度和电导率。非晶态氧化物半导体材料的热处理温度超过室温(例如，25°C )并且低于700°C， 并且出于热处理时间和热处理成本降低的观点，非晶态氧化物半导体材料优选在较低的温 度被热处理。热处理温度超过室温的原因是为了调节非晶态氧化物半导体材料的电导率，而热 处理温度低于700°C的原因是为了不使非晶态氧化物半导体材料结晶。即使当对非晶态氧化物半导体材料进行热处理时，对于波长在400至420nm的可见 光短波长区域中的光的光吸收也降低。此外，非晶态氧化物半导体材料的光学带隙趋于增大， 尽管是轻微地增大，因此与热处理之前的非晶态氧化物半导体材料相比，它没有下降。通过熟知的X-射线衍射可以证实，已经通过粉末制备方法或薄膜制备方法制备 的非晶态氧化物半导体材料是非晶态的。此外，已经通过薄膜制备方法制备的非晶态氧化 物半导体材料的膜厚度可以通过触针式表面形状测定(Stylus profilometry)得到。组成 比可以通过荧光X-射线分析得到。此外，光学带隙可以使用分光光度计得到。而且，电导 率可以使用电阻率计测定。2.场效应晶体管属于本发明的示例性实施方案的场效应晶体管是有源元件，所述有源元件至少具 有栅电极、栅绝缘膜、活性层、源电极和漏电极，并且具有下列功能对栅电极施加电压，控 制在活性层中流动的电流，并且切换源电极和漏电极之间的电流。场效应晶体管可以以交 错结构(也称为顶栅结构)或反向交错结构(也称为底栅结构)的形式形成。场效应晶体管的活性层包含上述非晶态氧化物半导体材料，并且其电导率σ优 选为 10-9 彡 O 彡 10_2 (S/cm)。<场效应晶体管的结构>接着，将更具体地描述场效应晶体管的结构。作为场效应晶体管的一个实例，以下 将描述薄膜晶体管(TFT)。图1是显示具有底栅结构的TFT 10作为属于本发明的示例性实施方案的TFT的 一个实例的示意图。TFT 10具有如下构造其中栅电极14、栅绝缘层16和活性层18依次 层压在基板12上，并且其中源电极20和漏电极22彼此远离地被设置在活性层18的表面 上。另外，活性层18包含上述非晶态氧化物半导体材料。
在TFT是以此方式具有底栅结构的TFT 10的情况下，当将TFT 10应用于底部发 光型有机EL显示装置时，有时活性层18被包含来自有机EL显示装置发光层的蓝光的光照 射，但是TFT 10可以稳定地运行而不受对其进行照射的光的影响，原因在于TFT 10具有活 性层18，所述活性层18包含上述其中对于可见光短波长区域的光吸收降低的非晶态氧化 物半导体材料。图2是显示具有顶栅结构的TFT 30作为属于本发明的示例性实施方案的TFT的 一个实例的示意图。TFT 30具有如下构造其中活性层34层压在基板32的表面上，源电 极36和漏电极38彼此远离地被设置在活性层34上，并且栅绝缘层40和栅电极42进一步 依次层压在这些上。在TFT是以此方式具有顶栅结构的TFT 30的情况下，当将TFT 30应用于底部发 光型有机EL显示装置时，与具有底栅结构的TFT 10相比，源电极36，漏电极38，栅绝缘层 40和栅电极42处于活性层34上，从而与具有底栅结构的TFT 10相比，活性层34难以被包 含来自有机EL显示装置发光层的蓝光的光照射。然而，当存在其中活性层34不被栅绝缘 层40等覆盖的暴露部分时，或当覆盖活性层34的源电极36，漏电极38，栅绝缘层40和栅 电极42透射光时，活性层34被包含来自有机EL显示装置发光层的蓝光的光照射。在本示 例性实施方案中，甚至在这样的情况下，TFT 30也可以稳定地运行而不受对其进行照射的 光的影响，原因在于TFT30具有活性层34，所述活性层34包含上述其中对于可见光短波长 区域的光吸收降低的非晶态氧化物半导体材料。属于本示例性实施方案的TFT还能够采取除以上所述的那些构造以外的各种构 造，并且还可以适当地具有配备有在活性层上的保护层或在基板上的绝缘层等的构造。<制造场效应晶体管的方法>接着，将简要描述制造上述TFT 10和30的方法。在制造具有底栅结构的TFT 10的方法中，首先，制备用于形成TFT 10的基板12， 并且在此基板12上相继形成栅电极14和栅绝缘层16。接着，在栅绝缘膜16上形成包含 hja和Si的氧化物半导体膜，并且对此氧化物半导体膜进行图案化，以形成活性层18。然 后，在活性层18上形成源电极20和漏电极22。从而，制备了具有底栅结构的TFT 10。氧 化物半导体膜(或活性层18)还可以直接在氧化物半导体膜形成以后、直接在氧化物半导 体膜的图案化以后、或在TFT 10的制备以后被热处理。在制备具有顶栅结构的TFT 30的方法中，首先，制备用于形成TFT 30的基板32， 在此基板32上形成包含In、Ga和Si的氧化物半导体膜，并且对此氧化物半导体膜进行图 案化，以形成活性层34。然后，在活性层34上形成源电极36和漏电极38，其后相继形成栅 绝缘层40和栅电极42。从而，制备了具有顶栅结构的TFT 30。同样在此情况下，氧化物半 导体膜(或活性层34)还可以直接在氧化物半导体膜形成以后、直接在氧化物半导体膜的 图案化以后、或在TFT 30的制备以后被热处理。另外，还可以应用具有其中Si用于栅电极而热氧化膜用于栅绝缘膜的简单结构 的底栅结构TFT。在此情况下，在热氧化膜上形成活性层，进行图案化，并且其后形成源电极 和漏电极就足够了。同样在此情况下，氧化物半导体膜(或活性层34)还可以直接在氧化 物半导体膜形成以后、直接在氧化物半导体膜的图案化以后、或在TFT 30的制备以后被热处理。
<场效应晶体管的每一种构造的细节>下面将详细描述TFT的每一种构造的材料、厚度和图案形成方法。(基板)对于基板，使用这样的基板，其中至少其上形成TFT的表面具有绝缘性能，并且该 基板具有尺寸稳定性、耐溶剂性、可加工性以及还具有对于热处理的耐热性。此外，使用这 样的基板，该基板在例如制造有机EL显示装置作为最终产品时抑制水分和氧气的透过，并 且在光从基板侧透射以进行发光和显示时透射光。作为满足这些条件的基板，无机材料例 如玻璃和氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)是合适的。为了减少从玻璃的离子洗脱(elution)，优 选使用无碱玻璃。此外，在使用钠钙玻璃时，优选使用已经进行了二氧化硅等的阻挡层涂覆 (barrier coat)的5 ^当在稍后所述的工艺中的热处理温度低时，还可以使用有机材料例如饱和聚酯树 脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)树脂、聚对苯二甲酸丁 二醇酯树脂、聚苯乙烯、聚环烯烃、降冰片烯树脂、聚(氯三氟乙烯)、交联二酯富马酸酯树 脂、聚碳酸酯(PC)树脂、聚醚砜(PES)树脂、聚砜(PSF，PSU)树脂、聚丙烯酸酯(PAR)树脂、 环状聚烯烃(COP，C0C)树脂、纤维素树脂、聚酰亚胺(PI)树脂、聚酰胺-酰亚胺(PAI)树 脂、马来酰亚胺-烯烃树脂、聚酰胺(PA)树脂、丙烯酸类树脂、氟化树脂、环氧树脂、硅氧烷 树脂膜、聚苯并唑树脂、环硫化物化合物、液晶聚合物(LCP)、氰酸酯树脂和芳族醚树脂。另 外，还可以使用层压塑料材料，其在含氧化硅粒子的复合塑料材料，含金属纳米粒子、无机 氧化物纳米粒子或无机氮化物纳米粒子的复合塑料材料，含金属或无机纳米纤维和/或微 米纤维的复合塑料材料，碳纤维，含碳纳米管的复合塑料材料，含玻璃薄片、玻璃纤维或玻 璃珠的复合塑料材料，含具有粘土矿物或云母衍生物晶体结构的粒子的复合塑料材料，或 薄玻璃与上述单种有机材料之间具有至少一个接合界面；或通过交替层压无机层(例如， SiO2, Al2O3，SiOxNy)和包含上述材料的有机层具有至少一个以上的接合界面并具有阻挡性 能的复合材料。当不必从基板侧产生光时，例如，可以使用由不锈钢，Fe, Al，Ni, Co, Cu或这些的 合金等制成的金属基板或由Si等制成的半导体基板，并且可以在基板上设置用于确保电 绝缘的绝缘膜。当基板是金属基板时，还存在廉价的金属，即使当金属基板的厚度薄时，金 属基板的强度也高，并且该基板具有对于大气中的水分和氧气的高阻挡性能。关于基板的 形状、结构和尺寸，没有特别限制，并且这些可以根据目的而适当地选择。通常，出于可操作 性和形成TFT的容易性的观点，基板的形状优选为板状的。基板可以具有单层结构或层压 体结构。此外，基板可以由单个构件或两个以上的构件构成。(栅电极)将导电和耐热性材料用于栅电极。例如，栅电极是使用下列材料形成的金属如 Al，Mo, Cr, Ta, Ti，Au，或Ag，或合金如Al-Nd或APC，或金属氧化物导电膜如氧化锡、氧化 锌、氧化铟、氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)。例如，根据考虑到其对于所使用的材料的 适宜性而从湿法如印刷和涂布，物理法例如真空沉积、溅射和离子电镀以及化学法如CVD 和等离子体CVD中适当地选择的方法，在基板上形成栅电极。栅电极的厚度优选为IOnm至 IOOOnm0在成膜以后，通过光刻法进行将栅电极形成为预定的形状的图案化。此时，优选将栅电极和栅布线同时图案化。(栅绝缘膜)将绝缘和耐热性材料用于栅绝缘膜。例如，绝缘膜可以是Si02，SiNx, SiONjAl2O3' Y2O3, Ta2O5或HfO2的绝缘膜，或包含这些化合物中的至少两种以上的绝缘膜。还根据考虑 到其对于所使用的材料的适宜性而从湿法如印刷和涂布，物理法例如真空沉积法、溅射和 离子电镀以及化学法如CVD和等离子体CVD中适当地选择的方法，在基板上形成栅绝缘膜。 根据需要，通过光刻法将栅绝缘膜进行形成为预定的形状的图案化。栅绝缘膜必须具有用于降低泄漏电流并且改善电压耐受性的厚度，但是当厚度过 大时，这最终导致驱动电压升高。取决于栅绝缘膜的材料，栅绝缘膜的厚度优选为IOnm至 10 μ m并且更优选50nm至lOOOnm。(活性层)优选采用使用包含In、Ga和Si的氧化物半导体的多晶烧结体作为靶的气相成膜 法形成活性层。在气相成膜法中，更优选溅射和脉冲激光沉积(PLD)，并且出于大规模生产 率的观点，溅射是特别优选的。例如，通过溅射或PLD形成厚度为20nm至150nm的IGZO的非晶态膜。通过X-射 线衍射可以证实所形成的IGZO膜是非晶态膜。此外，膜厚度可以通过触针式表面形状测定 得到，而组成比可以通过荧光χ-射线分析得到。在形成非晶态IGZO膜以后，必须通过蚀刻进行图案化。当活性层对用于其图案化 的蚀刻液不具有耐受性时，例如，通过所谓的浮脱(lift-off)形成图案的方法是最简单和 最便利的。IGZO膜的图案化可以通过光刻或蚀刻进行。具体地，通过下列方式形成活性层 在将保留作为活性层的IGZO膜的部分中通过光刻形成抗蚀剂掩模的图案，并且使用酸溶 液例如盐酸、硝酸、稀硫酸，或磷酸、硝酸和乙酸的混合液体(Al蚀刻液，由Kanto Chemical Co. , Inc.生产)蚀刻在栅绝缘膜上形成的IGZO膜。例如，优选使用包含磷酸、硝酸和乙酸 的水溶液，原因在于可以可靠地移除IGZO膜的暴露部分。本发明不限于以上所述的实施方案。例如，已经描述了其中将IGZO膜进行湿法蚀 刻并图案化的情况，但是IGZO膜还可以通过干法蚀刻而图案化。此外，非晶态IGZO膜还可以直接在成膜以后、直接在图案化以后、或在TFT的制备 以后被热处理。通过进行此热处理，可以改善TFT特性如非晶态IGZO膜的载流子浓度、电 导率、阈值电压、迁移率和S值。非晶态IGZO膜的热处理温度超过室温(例如，25°C)并且低于700°C，并且出于热 处理时间和热处理成本降低的观点以及增加可用于TFT的基板类型的观点，优选将非晶态 IGZO膜在低温热处理。而且，即使当对构成活性层的非晶态IGZO膜进行热处理时，对于波长在400至 420nm的可见光短波长区域中的光的光吸收也降低。此外，非晶态IGZO膜的光学带隙趋于 增大，尽管是轻微地增大，因此与热处理之前的非晶态IGZO膜相比，它没有下降。(源电极和漏电极)在活性层和栅绝缘膜上形成用于形成源电极和漏电极的金属膜。金属膜作为电极和布线是导电的，并且由可以通过蚀刻而图案化的金属将金属膜形成为覆盖活性层就足够了。具体地，实例包括金属如Al，Mo, Cr, Ta, Ti，Au和Ag，合金 如Al-Nd或APC，金属氧化物导电膜如氧化锡、氧化锌、氧化铟、氧化铟锡(ITO)和氧化铟锌 (IZO)，有机导电化合物如聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯，和这些的混合物。特别是，出于成膜性、导电性和图案化能力的观点，优选通过例如溅射或沉积的技 术形成和层压包含Al或其主要组分为Al并且包含Nd，Y，Zr，Ta，Si，W和Ni中的至少一种 的金属的层(Al金属膜)，或从氧化物半导体膜侧，形成和层压包含其主要组分为Al并且包 含Nd，Y，Zr，Ta，Si，W和Ni中的至少一种的金属的第一层和其主要组分为Mo或Ti的第二 层。这里，“主要组分”是构成金属膜的组分的包含量(质量比)最大的组分，并且主要组分 优选等于或大于50质量％并且更优选等于或大于90质量％。在顶部接触类型的情况下，活性层已经形成，因此没有例如在源电极和漏电极以 后形成活性层时存在的对金属膜厚度的限制，并且可以形成厚的金属膜。考虑到成膜性、由 蚀刻产生的图案化能力以及导电性(使得它具有低电阻)，成为源电极和漏电极以及与其 连接的布线的金属膜的总厚度优选为IOnm至lOOOnm。顶部接触类型是其中在形成源电极 和漏电极之前形成活性层，并且其中活性层的顶表面接触源电极和漏电极的构造。此外，当将Al金属膜(第一层)和其主要组分为Mo或Ti的Mo金属膜或Ti金属 膜(第二层)层压时，第一层的厚度优选为IOnm至lOOOnm，而第二层的厚度优选为Inm至 300nmo接着，将金属膜蚀刻并图案化，从而形成接触活性层的源电极和漏电极。这里，源 电极和漏电极中的至少一个通过下列方式形成通过对要保留的金属膜的部分进行光刻形 成抗蚀剂掩模，使用其中将乙酸或硫酸加入到磷酸和硝酸中的酸溶液，并且进行蚀刻。出于 简化工艺的观点，优选将源电极和漏电极以及连接至这些电极的布线(数据线等)同时图案化。本发明不限于上述实施方案。例如，已经描述了其中将金属膜进行湿法蚀刻并图 案化的情况，但是金属膜还可以通过干法蚀刻而图案化。3.显示装置接着，作为属于本发明的示例性实施方案的显示装置的一个实例，将描述底部发 光型有机EL显示装置。底部发光型有机EL显示装置配备有基板，安置在基板上并且具有底栅结构的上 述场效应晶体管，以及与基板上的场效应晶体管电连接的有机电致发光元件，其中由有机 电致发光元件发射的光是从基板侧产生的。图3是显示底部发光型有机EL显示装置100作为属于本发明的示例性实施方案 的显示装置的一个实例的示意图。在底部发光型有机EL显示装置100中，基板102在柔性支持体如PEN膜上具有基 板绝缘膜104。其上设置有已经图案化的滤色层106。在驱动TFT部分上有栅电极108，并 且栅电极108上设置栅绝缘膜110。在栅绝缘膜110的一部分中形成用于电连接的连接孔。 属于本示例性实施方案的活性层112被设置在驱动TFT部分上，并且其上设置源电极114 和漏电极116。漏电极116和有机EL元件像素电极(阳极)118是连续的单一体并且由同 一材料和同一工艺形成。切换TFT的漏电极和驱动TFT通过连接电极120在连接孔中电连 接。而且，除了其中形成像素电极部的有机EL元件的部分以外，整体都被绝缘膜122覆盖。包括发光层的有机层1 和阴极1 被设置在像素电极部上，并且形成有机EL元件部。另外，在图3中所示的底部发光型有机EL显示装置100中，由发光层产生的光透 过像素电极118，被滤色层106改变，透过基板102，并且取出到外部。这里，根据本发明的示例性实施方案的有机EL显示装置100，活性层112被包含由 发光层产生的蓝光的光照射，但是TFT可以稳定地运行而不受对其进行照射的光的影响， 原因在于TFT具有活性层112，所述活性层112包含上述其中对于可见光短波长区域的光吸 收降低的非晶态氧化物半导体材料。此外，可以预期制备步骤数的减少和成本的降低，因为 不再需要使用如在专利文献1中的用于阻挡朝向TFT行进的光的手段。4.应用上述有机EL显示装置100具有宽的应用领域，包括移动电话显示器、个人数字助 手(PDA)、计算机显示器、汽车中的信息显示器、TV监视器或普通照明。此外，当将属于本发明的示例性实施方案的场效应晶体管在上述有机EL显示装 置100外部使用时，可以在透明基板上进行装置制备时提供具有优异透光性的装置。具有 优异透光性的装置的实例包括透明显示装置如透明显示器和电子纸。另外，属于本发明的示例性实施方案的场效应晶体管还可以应用于光传感器和 X-射线成像设备。〈实施例〉以下将通过实施例描述属于本发明的非晶态氧化物半导体材料，但是本发明绝不 受这些实施例限制。-非晶态氧化物半导体材料的制备-〈实施例1>作为属于本发明的实施例1的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为 In Ga Zn = 0. 7 1. 3 1. 0 的 IGZO 膜 1。具体地，通过由LfeiaiO4，ZnO和Ga2O3中的每一个靶产生的共溅射在25mm2的石英 玻璃上形成属于实施例1的IGZO膜1。对于这些靶，使用由Toshima Manufacturing Co.， Ltd.制造的靶(99. 99%纯度)。当使用InGaZnO4和Ga2O3靶时，通过RF溅射进行成膜，而 当使用ZnO靶时，通过DC溅射进行成膜。当使用ZnO靶时，通常ZnO的电阻高并且成膜经 常通过RF溅射进行，但是由于通过DC溅射可以成膜并且出于大规模生产率的观点，使用DC 溅射。〈实施例2>作为属于本发明的实施例2的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为 h Ga Zn = 0. 5 1. 5 1. 0的IGZO膜2。除组成比改变以外，此IGZO膜2使用与 实施例1中相同的成膜方法形成。〈实施例3>作为属于本发明的实施例3的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为 In Ga Zn = 0. 7 1. 3 2.0的IGZO膜3。除组成比改变以外，此IGZO膜3使用与 实施例1中相同的成膜方法形成。〈实施例4>作为属于本发明的实施例4的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为In Ga Zn = 0. 5 1. 5 2.0的IGZO膜4。除组成比改变以外，此IGZO膜4使用与 实施例1中相同的成膜方法形成。<比较例1>作为属于本发明的比较例1的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为 In Ga Zn=Ll 0.9 1. 0的比较IGZO膜1。除组成比改变以外，此比较IGZO膜 1使用与实施例1中相同的成膜方法形成。〈比较例2>作为属于本发明的比较例2的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为 In Ga Zn=LO 1.0 1. 0的比较IGZO膜2。除组成比改变以外，此比较IGZO膜 2使用与实施例1中相同的成膜方法形成。〈比较例3>作为属于本发明的比较例3的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为 In Ga Zn = 1. 1 0. 9 2. 0的比较IGZO膜3。除组成比改变以外，此比较IGZO膜 3使用与实施例1中相同的成膜方法形成。〈比较例4>作为属于本发明的比较例4的非晶态氧化物半导体材料，形成组成比为 In Ga Zn = 1. 0 1. 0 2. 0的比较IGZO膜4。除组成比改变以外，此比较IGZO膜 4使用与实施例1中相同的成膜方法形成。属于实施例1至4和比较例1至4的IGZO膜1至4和比较IGZO膜1至4的成膜 条件如表1所示。
权利要求
1.一种非晶态氧化物半导体材料，所述非晶态氧化物半导体材料包含含有^ja和Si 的非晶态氧化物半导体，其中当h Ga Zn = a b c表示所述氧化物半导体的元素 组成比时，所述元素组成比由下列范围限定a+b = 2，并且b < 2，并且c < 4b-3. 2，并且c > _5b+8，并且1彡c彡2。
2.根据权利要求1所述的非晶态氧化物半导体材料，其中所述非晶态氧化物半导体材 料的光学带隙等于或大于3. 79eV。
3.一种非晶态氧化物半导体材料，所述非晶态氧化物半导体材料包含含有^、(^和ai 的非晶态氧化物半导体，其中当h Ga Zn = a b c表示所述氧化物半导体的元素 组成比时，所述元素组成比由下列范围限定a+b = 2，并且c < 4b-3. 2，并且c < _5b+8，并 且1 ( c，并且所述非晶态氧化物半导体材料的光学带隙等于或大于3. 79eV。
4.一种场效应晶体管，所述场效应晶体管具有活性层，所述活性层包含根据权利要求 1所述的非晶态氧化物半导体材料，并且所述活性层的电导率ο为10_9S/cm彡σ彡10_2S/ cm0
5.根据权利要求4所述的场效应晶体管，其中所述非晶态氧化物半导体材料经过热处理。
6.一种显示装置，所述显示装置配备有根据权利要求4所述的场效应晶体管。
7.一种底部发光型显示装置，所述底部发光型显示装置包括 基板；根据权利要求4所述的场效应晶体管，所述场效应晶体管被安置在所述基板上并且具 有底栅结构；和有机电致发光元件，所述有机电致发光元件与所述基板上的所述场效应晶体管电连接，其中由所述有机电致发光元件发射的光是从所述基板侧产生的。
全文摘要
本发明提供一种非晶态氧化物半导体材料，场效应晶体管和显示装置。所述非晶态氧化物半导体材料包含含有In、Ga和Zn的非晶态氧化物半导体，其中当In∶Ga∶Zn＝a∶b∶c表示所述氧化物半导体的元素组成比时，所述元素组成比由下列范围限定a+b＝2，并且b＜2，并且c＜4b-3.2，并且c＞-5b+8，并且1≤c≤2。
文档编号H01L29/786GK102082170SQ20101025584
公开日2011年6月1日 申请日期2010年8月16日 优先权日2009年8月18日
发明者望月文彦, 滨威史, 田中淳, 铃木真之 申请人:富士胶片株式会社