专利名称：场效应晶体管和显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用非晶氧化物的场效应晶体管。更具体地讲，本发明涉及一种使用非晶氧化物作为沟道层的场效应晶体管。
背景技术：
场效应晶体管(FET)为具有栅极电极、源极电极和漏极电极的电子有源器件，其通过借助于向栅极电极进行电压施加来控制进入到沟道层的电流的流动，控制源极电极和漏极电极之间的电流。特别地，使用形成在绝缘衬底(例如陶瓷、玻璃或塑料衬底)上的薄膜作为沟道层的FET被称为薄膜晶体管(TFT)。上述TFT通过使用薄膜技术而形成，因而，TFT具有易于形成在面积相对大的衬底上的优点，并因此被广泛用作平板显示装置(例如液晶显示装置)的驱动装置。在有源矩阵液晶显示装置(ALCD)中，通过使用形成在玻璃衬底上的TFT来开启/关断每个图像像素。 此外，在未来的高性能有机LED显示器(OLED)中，通过TFT对每个像素进行电流驱动被认为是有效的。另外，实现了一种性能更高的液晶显示装置，在该液晶显示装置中，具有驱动和控制整个图像的功能的TFT电路形成在置于图像显示区域的周边的衬底上。最普遍的TFT为使用多晶硅膜或非晶硅膜作为沟道层的TFT。对于像素驱动，非晶硅TFT已投入实际使用。对于总体图像驱动/控制，多晶硅TFT已投入实际使用。然而，由于器件制作需要高温处理，所以难以在例如塑料板或片的衬底上制作非晶硅TFT、多晶硅TFT和其它TFT。同时，最近几年，柔性显示器的发展变得活跃，在柔性显示器中，形成在聚合物板或片上的TFT用作LCD或OLED的驱动电路。这引起了对有机半导体膜的关注，有机半导体膜可在低温下在塑料膜等上形成。并五苯为其研发得到大力发展的有机半导体膜的示例。据报道，并五苯的载流子迁移率约为0. 5cm2/vs，这等于非晶Si-MOSFET中的载流子迁移率。然而，并五苯和其它有机半导体具有热稳定性低(< 150°C)和有毒(致癌)的问题，因此，没有成功用于制作适合于实际使用的器件。引起关注的作为可应用于TFT的沟道层的另一材料为氧化物材料。例如，使用ZnO作为沟道层的TFT得到积极发展。可在相对低的温度下在塑料板、 片或其它类似的衬底上形成ZnO膜。然而，ZnO不能在室温下形成稳定的非晶相，而是形成多晶相，这在多晶颗粒边界中引起电子散射并使得难以提高电子迁移率。另外，多晶颗粒的尺寸极大改变，并且它们的互连受到膜形成方法的显著影响。因此，TFT特性在器件之间、 批量之间可能分散。已报道了使用 In-Ga-Zn-O 基非晶氧化物的 TFT(K. Nomura et. al, Naturevol. 432，pp. 488-492Q004-11))。可在室温下在塑料或玻璃衬底上形成这种晶体管。该晶体管还在场效应迁移率大约为6-9时实现了常闭型晶体管特性。另一有利的特性是晶体管对于可见光是透明的。上述文档描述了一种将成分比为h Ga Zn = 1. 1 1. 1 0. 9 的非晶氧化物用于TFT沟道层的技术。尽管如上所述在K.Nomura et. al,Nature vol. 432，ρρ· 488-492 (2004-11)中采用使用In、Ga和Si这三种金属元素的非晶氧化物，但是如果使用更少的金属元素，则就成分控制和材料调整而言会更好。另一方面，当通过溅射或者类似的方法被沉积时，诸如ZnO和 M2O3的使用一种类型的金属元素的氧化物通常形成多晶薄膜，于是，会引起上述的TFT器件特性的波动(器件之间的变化和批量之间的变化)。Applied Physics Letters 89,062103(2006)描述了 In-Si-O 基非晶氧化物作为使用两种类型的金属元素的示例。这种包含两种类型的金属元素的氧化物不存在上述问题。此外，已知，采用h-Zn-0基非晶氧化物的TFT在可见光范围的近UV区域(波长380nm、 450nm、550nm)中具有光学灵敏性(Journal of Non-Crystalline Solids Volume352, Issues 9-20,15 June 2006，pages 1756-1760)。为了在明亮的地方稳定地使用在Journal of Non-CrystallineSolids Volume 352，Issues 9-20,15 June 2006，pages 1756-1760 中所述的包含 h-Zn-O 基非晶氧化物的TFT，理想情况是降低TFT的光学灵敏性。这是由于采用TFT的显示器有时在可见光下工作。例如，可能通过用于显示图像的光或者从外部进入的光照射TFT。当TFT的沟道层具有特定级别的光学灵敏性时，沟道层的电特性根据光照射的量而改变，其结果是TFT的工作变得不稳定。一种避免光的这种不利影响的方法是为显示器设置遮光层，但是完全消除杂散光对显示器的结构有严格的限制。因此，期望采用一种包含含有尽可能少的元素的非晶氧化物并且具有低可见光灵敏性的TFT。由于根据本发明的发明人所进行的研究，当h-Ζη-Ο基非晶氧化物存放在大气中时，该非晶氧化物的电阻率可随时间改变，所以还期望改进环境稳定性。
发明内容
鉴于上述问题而做出本发明，因此，本发明的一个目的是提供一种使用包含少许元素的非晶氧化物的薄膜晶体管，其具有优良的环境稳定性，例如，在存放在大气中期间所承受的环境稳定性，并且其具有低的对于可见光的灵敏性。根据本发明的场效应晶体管至少包括形成在衬底上的沟道层、栅绝缘层、源极电极、漏极电极和栅极电极。沟道层由至少包含的非晶氧化物材料形成，该非晶氧化物材料的元素比Mg/an+Mg)为大于等于0. 1且小于等于0. 48。根据本发明，可通过从包含h和Mg(或Al)的非晶氧化物形成沟道层来实现具有优良特性的场效应晶体管。特别是，可获得具有低可见光灵敏性的晶体管，换句话说，对于光照射非常稳定的晶体管。因此，当被应用于显示器时，该TFT在明亮的地方也可稳定地工作。此外，本发明的晶体管在存放在大气中期间，其特性基本上不随时间改变，因此， 具有优良的环境稳定性。从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清楚。
图1是比较h-Mg-Ο基薄膜晶体管、h-Al-Ο基薄膜晶体管和h-Ga-Ο基薄膜晶体管在光照射下的关断电流(off-current)值的曲线图。图2是示出TFT传输特性在光照射下的变化的曲线图。图3是示出h-Mg-Ο薄膜、In-Al-O薄膜、In-Zn-O薄膜和In-Sn-O薄膜的电阻率随时间的变化的曲线图。图4是示出h-Mg-Ο基薄膜晶体管的传输特性及其成分依赖性的示例的曲线图。图5是示出h-Al-Ο基薄膜晶体管的传输特性及其成分依赖性的示例的曲线图。图6A和图6B是示出h_Mg-0基薄膜晶体管的TFT特性(图6A 场效应迁移率； 图6B:阈值电压Vth)的成分依赖性的曲线图。图7A和图7B是示出基薄膜晶体管的TFT特性(图7A 场效应迁移率； 图7B:阈值电压Vth)的成分依赖性的曲线图。图8A、图8B和图8C是示出根据本发明的薄膜晶体管的结构示例的截面图。图9A和图9B是示出根据本发明的薄膜晶体管的特性的示例的曲线图。图10是示出用于制造根据本发明的薄膜晶体管的薄膜形成设备的构造的示图。图11是示出h-Mg-Ο薄膜、In-Al-O薄膜和In-Si-O薄膜的光吸收谱的曲线图。
具体实施例方式以下将对根据本发明的场效应晶体管的实施例进行描述。本发明的发明人已对作为用于场效应晶体管的沟道层的材料的包含两种类型的金属元素的氧化物材料(例如包含h和Mg的氧化物和包含h和Al的氧化物)进行了广泛研究。图11示出通过溅射形成的薄膜的光吸收的波长依赖性。图11的每种氧化物以约为0. 3(30原子％)的元素比M/(In+M)包含化和另一金属元素Μ。通过使用由J. A. Woollam Co.，Inc.制造的椭偏光谱仪来测量吸收系数，其中，Tauc-Lorentz光学模型被用于拟合分析。从图11可看出，与包含h和Si的氧化物αη-Ζη-O)相比，包含h和Mg的氧化物αη-Mg-O)和包含的氧化物αη-Al-O)的光吸收在短波长处仍保持为小的。图3示出通过溅射形成的薄膜在空气中随时间的电阻率变化。图3的每种氧化物以约为0. 25的元素比Μαη+Μ)包含h和另一金属元素M。如图3所示，包含h和Si的氧化物αη-Ζη-O)与包含化和Sn的氧化物Qn-Sn-O)的电阻率随时间显著改变。另一方面，包含h和Mg的氧化物αη-Mg-O)的电阻率与包含h和Al的氧化物αη-Al-O)的电阻率几乎不随时间改变。h-Mg-Ο和h-Al-Ο的电属性在空气中稳定，因此，优选用于沟道材料。接着，分别形成具有上述材料的沟道层的TFT。通过h-Ζη-Ο和h-Sn-O，难以获得五位数以上的通/断比的晶体管。另一方面，具有h-Al-Ο和h-Mg-Ο的沟道的TFT成功用于以六位数以上的通/断比进行切换(参见图4和图5的传输特性(Id-Vg曲线图))。 图4和图5示出金属元素比不同的5个不同晶体管的特性。
接着将对薄膜晶体管的光学响应特性进行描述。图2是示出暗地方中的非晶氧化物TFT(例如h-Mg-0 TFT、In-Al-O TFT或h-Ga-OTFT)和被光照射的该TFT之间的晶体管特性(Id-Vg)差异的曲线图。如图2所示，TFT的关断电流在暗地方具有非常小的值 (a)，而当分别用波长500nm和350nm的单色光照射TFT时，关断电流增加到(b)和(C)。简而言之，关断电流在光照射下增加，从而减小通/断比。图1的曲线图将在暗地方测量的关断电流、在500nm单色光的照射下测量的关断电流和在350nm单色光的照射下测量的关断电流进行比较。这里，将使用h-Mg-0、h-Al-0和h-Ga-0作为其沟道层的TFT的关断电流彼此进行比较。从图1可看出，与h-Ga-Ο的情况相比，在h-Mg-Ο和h-Al-Ο的情况下关断电流在光照射下的增加较小。具体地讲，对于h-Mg-Ο，在关断电流光照射下的变化最小。这证明了将h-Mg-OUn-Al-O或类似的非晶氧化物材料用于沟道层的薄膜晶体管对光照射具有较好的稳定性。本发明的发明人因而发现，包含h和Mg(或Al)的氧化物是用于沟道层的优选材料。接着将对根据本发明的场效应晶体管的结构进行详细描述。根据本发明的场效应晶体管为包括栅极电极、源极电极和漏极电极三个端子的电子有源器件。场效应晶体管具有将电压Vg施加到栅极电极、控制流过沟道层的电流Id以及在源极电极和漏极电极之间切换电流Id的功能。图8A、图8B和图8C是示出根据本发明的薄膜晶体管的结构示例的截面图。图8A 示出顶栅结构的示例，在该顶栅结构中，栅绝缘层12和栅极电极15依次形成在设置在衬底 10上的沟道层11上。图8B示出底栅结构的示例，在该底栅结构中，栅绝缘层12和沟道层 11依次形成在栅极电极15上。在图8A和图8B中，分别用标号13和14表示源极电极和漏极电极。图8C示出底栅晶体管的另一示例。在图8C中，分别用标号21、22、25、23和对表示衬底(兼作栅极电极的n+Si衬底)、栅绝缘层(SiO2)、沟道层(氧化物)、源极电极和漏极电极。薄膜晶体管的结构不限于本实施例中的结构，可使用任意顶栅/底栅结构或者交错/反交错结构。接着将对构成本发明的场效应晶体管的组成部分进行详细描述。(沟道层)首先将对沟道层进行描述。本发明的场效应晶体管将至少包含h和Mg(或Al)的非晶氧化物用于沟道层。 原因如上所述。包含h和Mg的非晶氧化物αη-Mg-O)和包含In、Mg和Si的非晶氧化物 (In-Zn-Mg-O)是特别优选的材料。还可采用包含In、Sn和Mg的非晶氧化物。将包含h和Al的非晶氧化物αη-Al-O)和包含In、Al和Si的非晶氧化物 (In-Zn-Al-O)用作沟道层也是优选的。还可采用包含In、Sn和Al的非晶氧化物。(1)由至少包含h和Mg的非晶氧化物形成的沟道层首先将对将至少包含h和Mg(In-Mg-O)的非晶氧化物用作沟道层的情况进行描述。在将h-Mg-Ο用于沟道的情况下，存在优选的h-Mg元素比。优选的元素比Mg/an+Mg) 为大于等于0. 1，这是由于以这个元素比，可在衬底温度被保持为室温的情况下通过溅射沉积来获得非晶薄膜。这是由于，如上所述，多晶相引起TFT器件特性波动，在多晶相中，多晶颗粒的形状和互连根据膜形成方法而极大改变。对将包含h和Mg的非晶氧化物用作其沟道层的薄膜晶体管进行了进一步研究。 结果发现，相对于薄膜晶体管的晶体管特性，以特定的元素比Mg/an+Mg)将非晶氧化物有利地用作沟道层。图6A示出使用h-Mg-Ο制造的薄膜晶体管关于场效应迁移率的h-Mg 成分依赖性的示例。图6A的曲线图示出，随着Mg含量减少，场效应迁移率增加。所需的场效应迁移率的值根据用途而改变。例如，在液晶显示器中优选的场效应迁移率为大于等于 0. lcm2/Vs，在有机EL显示器中优选的场效应迁移率为大于等于lcm2/VS。根据这些观点， In-Mg元素比Mg/ (In+Mg)理想地为小于等于0. 48，更理想地，为小于等于0. 42。另一方面，当薄膜晶体管的阈值电压Vth为大于等于OV时，电路构建更容易。图 6B示出对^i-Mg-O基薄膜晶体管的阈值的成分依赖性的研究结果。如图6B所示，元素比 Mg/(In+Mg)理想地为大于等于0.2。更理想的元素比Mg/an-Mg)为大于等于0.3，这是由于在这个元素比，Vth具有正值。从以上可得出结论，在将h-Mg-Ο用于薄膜晶体管的沟道层的情况下，In-Mg元素比Mg/ (In+Mg)理想地为大于等于0. 1且小于等于0. 48，更理想地，为大于等于0. 2且小于等于0. 48，最理想地，为大于等于0. 3且小于等于0. 42 (参见以下示例)。在本发明中，如果除了 In、Mg和0之外的其它元素为不可避免地被包含的元素或者如果它们的含量不影响特性，则允许将它们包含在非晶氧化物中。(2)由至少包含h和Al的非晶氧化物形成的沟道层接着，将对将至少包含h和Al的非晶氧化物(In-Al-O)用作沟道层的情况进行描述。在这种情况下，也存在优选的^i-Al元素比。优选的元素比Al/an+Al)为大于等于 0. 15，这是由于在这个元素比，可在衬底温度被保持为室温的情况下通过溅射沉积来获得非晶薄膜。这是由于，如上所述，多晶相引起TFT器件特性的波动，在多晶相中，多晶颗粒的形状和互连根据膜形成方法而极大改变。对将包含h和Al的非晶氧化物an-Al-Ο)用作其沟道层的薄膜晶体管进一步进行研究。结果发现，以特定的元素比Al/an+Al)将非晶氧化物有利地用作沟道层。图7A示出使用h-Al-Ο制造的薄膜晶体管关于场效应迁移率的h-Al成分依赖性的示例。图7A的曲线图示出，随着Al含量减少，场效应迁移率增加。例如，在液晶显示器中，所需的场效应迁移率的值优选为大于等于0. lcm7Vs，在有机EL显示器中，所需的场效应迁移率的值优选为大于等于lcm2/Vs。根据这些观点，h-Al元素比Al/an+Al)理想地为小于等于0. 45，更理想地，为小于等于0. 40，最理想地，为小于等于0. 3。另一方面，当薄膜晶体管的阈值电压Vth为大于等于OV时，电路构建更容易。图 7B示出对h-Al-O基薄膜晶体管的阈值的成分依赖性的研究结果。如图7B所示，元素比 Al/an+Al)理想地为大于等于0. 19。更理想的元素比Al/(h+Al)为大于等于0.25，这是由于在这个元素比，Vth具有正值。从以上可得出结论，在将h-Al-Ο用于薄膜晶体管的沟道层的情况下，In-Al元素比Al/ (In+Al)理想地为大于等于0. 15且小于等于0. 45，更理想地，为大于等于0. 19且小于等于0. 40，最理想地，为大于等于0. 25且小于等于0. 3 (参见以下示例)。在本发明中，如果除了 In、Al和O之外的其它元素为不可避免地被包含的元素或者如果它们的含量不影响特性，则允许将它们包含在非晶氧化物中。沟道层的厚度理想地为大于等于IOnm且小于等于200nm，更理想地，为大于等于 20nm且小于等于lOOnm，最理想地，为大于等于25nm且小于等于70nm。为了获得优良的TFT特性，用作沟道层的非晶氧化物膜的电导率优选设为大于等于0. 000001S/cm且小于等于lOS/cm。当电导率大于lOS/cm时，不能获得常闭型晶体管，并且提高通/断比是不可能的。在极端的情况下，施加栅极电压不能导通/关断源极电极和漏极电极之间的电流，TFT不作为晶体管工作。另一方面，当电导率小于0. OOOOOlS/cm(这将氧化物膜变成绝缘体)时，不能充分地提高导通电流。在极端的情况下，施加栅极电压不能导通/关断源极电极和漏极电极之间的电流，TFT不作为晶体管工作。为了获得上述电导率范围，非晶氧化物膜优选具有约1014-1018/cm3的电子载流子浓度，虽然将沟道层的材料成分也考虑在内。可通过控制例如金属元素的元素比、膜形成期间氧的分压和薄膜形成之后的退火条件来形成这种非晶氧化物膜。特别是，控制膜形成期间氧的分压来帮助主要控制薄膜中的氧缺乏，从而控制电子载流子浓度。(栅绝缘层)接着将对栅绝缘层进行描述。对于栅绝缘层的材料，没有特别优选，只要它具有优良的绝缘属性即可。绝缘层的示例包括硅氧化物SiOx、硅氮化物SiNx和硅氧氮化物Si0xNy。在本发明中，可采用其成分不符合化学计量法的SiO2,因此，硅氧化物表达为Si0x。此外，在本发明中，可采用其成分不符合化学计量法的Si3N4，因此，硅氮化物可表达为SiNx。由于类似的原因，硅氧氮化物表达为 SiOxNy0特别地，在沟道层材料包含Al的情况下，将其主要成分为Al的薄膜用作栅绝缘层，这给予了薄膜晶体管优良的特性。通过采用具有如此优良绝缘属性的薄膜，在源极电极和栅极电极之间以及在漏极电极和栅极电极之间，泄漏电流可降至约10_8安培。栅绝缘层的足够厚度是例如约50-300nm的所通常采用的厚度。(电极)接着将对源极电极、漏极电极和栅极电极进行描述。对源极电极、漏极电极和栅极电极的每种材料均没有特别限制，只要可获得优良的电导率并且可与沟道层电连接即可。例如，可使用包含例如化203:511或SiO的透明导电膜或者包含例如Au、Ni、W、Mo、Ag或Pt的金属电极。还可采用包括Au-Ti层叠结构的任意层叠结构。(衬底)接着将对衬底进行描述。作为衬底，玻璃衬底、塑料衬底、塑料膜等可被使用。上述沟道层和栅绝缘层对于可见光是透明的，因此，可通过将透明材料用作上述电极和衬底的每种材料来获得透明薄膜晶体管。以下是对制造根据本发明的场效应晶体管的方法的详细描述。作为形成氧化物薄膜的方法，提供气相工艺，例如溅射法(SP法)、脉冲激光沉积法(PLD法)和电子束沉积法。应该指出，在气相工艺中，从生产率的观点来看，SP法是合适的。然而，膜形成方法不限于这些方法。 此外，可在没有故意地对衬底进行加热的状态下使膜形成时的衬底温度基本维持在室温。可在低温处理期间执行该方法，因此，可在例如塑料板或片的衬底上形成薄膜晶体管。在队中或者在大气中在所形成的氧化物半导体上执行热处理也是优选模式。在一些情况下，热处理可改进TFT特性。设置有根据上述方法制造的本发明的场效应晶体管的半导体器件(有源矩阵衬底)可包括透明衬底和透明非晶氧化物TFT。当透明有源矩阵应用于显示器时，显示器的孔径比可增大。具体地讲，当透明有源矩阵用于有机EL显示器时，可采用也从透明有源矩阵衬底侧取出光的结构(底部发射)。根据本实施例的半导体器件可用于各种用途，例如ID 标签或IC标签。接着将参照图9A和图9B对本发明的场效应晶体管的特性进行描述。图9A示出以各种电压Vg获得的Id-Vd特性的示例，图9B示出当Vd = 6V时Id-Vg 特性(传输特性)的示例。由于活性层的元素比的差异而导致的特性差异可被表达为场效应迁移率μ、阈值电压(Vth)、通/断比和S值的差异。可根据线性区或饱和区的特性获得场效应迁移率。例如，可采用根据传输特性的结果创建表示#-Vg的曲线图的方法，以根据该曲线图的倾度获得场效应迁移率。在本发明的描述中，除非另外指出，否则通过该方法进行评估。尽管存在获得阈值的一些方法，但是可根据例如表示V^-Vg的曲线图的X截距来获得阈值电压Vth。可根据传输特性中最大Id值与最小Id值之比来获得通/断比。可从根据传输特性的结果而创建的表示Log(Id)-Vd的曲线图的倾度的倒数来获得S值。晶体管特性的差异不限于以上差异，而是还可用各种参数来表示。以下对本发明的示例进行描述。然而，本发明不限于以下示例。示例 1在本示例中，以h-Mg-Ο基非晶氧化物作为沟道层来制造图8中所示的顶栅TFT 器件。首先，在玻璃衬底(由Corning Incorporated制造的1737)上将h-Mg-O基非晶氧化物膜形成为沟道层。使用图10中所示的设备在氩气和氧气的混合气氛中通过高频溅射形成该膜。在图10中，分别用标号51、52、53、讨和55表示样本、靶、真空泵、真空计和衬底支托物。为每个气体引入系统设置气体流速控制器56。分别用标号57和58表示压力控制器和膜形成室。真气泵53为用于将膜形成室58的内部排空的排气单元。衬底支托物阳为膜形成室内用于保持在其上将形成氧化物膜的衬底的单元。靶52为固态材料源，并被布置在衬底支托物对面。该设备还设有用于使材料从靶52蒸发的能量源(未显示，高频电源)和用于将气体供应到膜形成室的内部的单元。该设备具有两个气体引入系统，一个用于氩气，另一个用于氩和氧的混合气体 (Ar 仏=95 幻。通过气体流速控制器56和压力控制器57，可在膜形成室中获得特定的气体气氛，气体流速控制器56使得该设备能够单独控制各个气体流速，压力控制器57用于控制排气速度。
在本示例中，尺寸为2英寸的In2O3和MgO的靶(纯度99. 9% )被用于通过同时溅射来形成h-Mg-Ο膜。对于前一靶和后一靶，输入RF功率为40W和180W。设置膜形成的气氛，以使总压力为0.4Pa，气体流速比为Ar O2 = 200 1。膜形成速率和衬底温度分别设为9nm/min和25°C。在膜形成之后，在大气中在280°C下对膜进行30分钟的退火处理。对所获得的膜的表面执行照射角(glance angle) X射线衍射(薄膜法，入射角 0.5° )。没有检测到明显的衍射峰，这表明所形成的h-Mg-Ο基膜为非晶膜。椭偏光谱法测量显示膜具有约0. 5nm的均方根的粗糙度(Rrms)和约40nm的厚度。执行X射线荧光(XRF)分析，显示膜的金属成分比为^! Mg = 6 4。估计电导率、 电子载流子浓度和电子迁移率分别为约10_3S/cm、3 X IOlfVcm3和约2cm2/Vs。接着，通过光刻构图和剥离法形成漏极电极14和源极电极13。电极的材料为 Au-Ti层叠膜。Au层的厚度为40nm，Ti层的厚度为5nm。接着，通过光刻构图和剥离法形成栅绝缘层12。栅绝缘层12为通过溅射沉积到 150nm的厚度所形成的SiOx膜。SiOx膜的特定介电常数约为3. 7。也通过光刻和剥离法形成栅极电极15。沟道长度和沟道宽度分别为50μπι和 200 μ m。电极的材料为Au，Au膜的厚度为30nm。以上述方式制造TFT器件。接着，对如此制造的TFT器件的特性进行评估。图9A和图9B示出在室温下测量的TFT器件的电流-电压特性的示例。图9A示出Id-Vd特性，而图9B示出Id-Vg特性。在图9A中，源漏电流Id对漏电压Vd的依赖性被测量为在施加恒定的栅电压Vg的条件下变化的Vd。如图9A所示，在Vd = 6V附近观察到饱和(夹断)，这是典型的半导体晶体管行为。增益特性为这样的，即，在Vd = 6V，阈值电压约为2V。在10V，Vg引起约1. 0X10_4A的电流作为源漏电流Id流动。晶体管的通/断比超过107。在饱和区中，根据输出特性计算的场效应迁移率约为 2cm2/Vs。在本示例中制造的TFT具有优良的再现性，多个制造的器件之间的特性波动小。通过将新颖的非晶氧化物h-Mg-Ο用于沟道层，如此获得优良的晶体管特性。比较示例1在本比较示例中，通过示例1中所采用的相同方法来制造将h-Ga-Ο用作其沟道层的顶栅TFT器件。薄膜的金属成分比为h Ga = 7 30接着，对将h-Mg-Ο用于沟道的示例1的TFT器件的光学响应特性和将In-Ca-O 用于沟道的比较示例1的TFT器件的光学响应特性进行评估。首先在暗地方中和在光照射下对示例1的TFT器件的晶体管特性(Id-Vg)进行评估。如图2所示，TFT的关断电流在暗地方中具有非常小的值(a)，而当在分别被500nm和 350nm的波长的单色光照射的时候就特性对TFT进行评估时，关断电流增加到(b)和(C)。 简而言之，关断电流在光照射下增加，从而通/断比降低。随后，如图1所示，通过在示例1的TFT器件和比较示例1的TFT器件在暗地方中、 用500nm单色光照射和用350nm单色光照射时测量关断电流，将示例1的TFT器件和比较示例1的TFT器件进行比较。从图1的曲线图可看出，与h-Ga-Ο的情况相比，在h_Mg-0 的情况下，关断电流在光照射下的增加较小。这证明了将h-Mg-Ο用于沟道的示例1的TFT 器件对光照射的稳定性优于将h-Ga-Ο用于沟道的比较示例1的TFT器件对光照射的稳定
10性。可以预期如上所述对光非常稳定的根据本发明的TFT器件可在有机发光二极管的工作电路等中找到应用。示例 2在本示例中，在具有包含h和Mg作为主成分的沟道层的薄膜晶体管中对^i-Mg 成分依赖性进行检验。为了检验沟道层的材料成分依赖性，本示例采用TFT制作的组合方法(沟道层形成)。换句话讲，使用下述方法来构成TFT组成库(compositional library)，该方法通过溅射在单个衬底上形成成分改变的氧化物薄膜。然而，不必需是这种组合方法，可制备给定成分的靶来形成膜，或者可通过分别控制用于多个靶的输入功率来形成期望成分的薄膜。使用三重掠人身寸 身寸(ternary grazing incidence sputtering)设备形成 h-Mg-0膜。在以相对于衬底的角度定位靶的情况下，由于距靶的距离的差异而改变衬底表面上的膜的成分。结果，可获得成分分布广的膜。在形成^-Mg-O膜中，通过溅射同时给 In2O3的两个靶和MgO的一个靶提供能量。对于前者和后者，输入RF功率分别设为20W和 180W。设置膜形成时的气氛，以使总压力为0.35Pa，气体流速比为Ar O2 = 200 1。衬底温度设为25 °C。通过X射线荧光分析、椭偏光谱法、X射线衍射和四点探针电阻率测量来对如此形成的膜的物理属性进行评估。还通过试验制造将^-Mg-O膜用作其η沟道层的顶接触TFT， 并在室温下对它们的电属性进行评估。通过椭偏光谱法对沟道层的厚度进行测量。结果发现，非晶氧化物膜的厚度约为 50nm。衬底上的TFT之间的膜厚度分布在士 10%内。通过X射线衍射(XRD)测量证实，所形成的h-Mg-Ο膜在元素比Mg/ (In+Mg)为大于等于0. 1的组分区中是非晶的。在元素比Mg/an+Mg)小于0. 1的一些膜中，观察到晶体的衍射峰。根据上述结果得出结论，可通过将h-Mg-Ο膜中的元素比Mg/an+Mg)设为大于等于0.1来获得非晶薄膜。为了获得膜的电阻率，通过四点探针法来测量h-Mg-0膜的薄层电阻，并通过椭偏光谱法测量膜的厚度。结果，证实，电阻率相对于^-Mg成分比的变化而改变，并且发现在富h的膜(元素比Mg/an+Mg)小)上电阻低，而在富Mg的膜上电阻高。接着，获得h-Mg-Ο膜在膜形成气氛中的氧流速改变时的电阻率。结果发现，氧流速的增加使得h-Mg-Ο膜的电阻增大。这可能是由氧缺乏的减轻和作为结果的电子载流子浓度的降低而导致的。还发现，其中电阻适用于TFT活性层的成分范围相对于氧流速的变化而改变。图3中示出了测量电阻率随时间的变化的结果。在宽的成分范围(元素比Mg/ (In+Mg)为0.2-0. 6的范围)内在^i-Mg-O基薄膜中没有观察到电阻率随时间的改变。另一方面，以与h-Mg-Ο膜相同的方式形成的h-Ζη-Ο膜和In-Sn-O膜表现出电阻率随时间下降的趋势。这证明了，h-Mg-Ο膜具有优越的环境稳定性。接着，对具有作为η沟道层的h-Mg-Ο膜的薄膜晶体管的特性和成分依赖性进行检验。该晶体管具有图8C所示的底栅结构。首先，在具有热氧化物膜的Si衬底上形成 ^i-Mg-O成分梯度膜，然后，执行包括构图和电极形成的处理，从而在单个衬底上形成许多包括彼此具有不同成分的活性层的器件。与此相同，在3英寸的晶片上制造许多具有各种沟道成分的薄膜晶体管，并对它们的电属性进行评估。薄膜晶体管具有底栅、顶接触结构， 该结构将n+-Si用于栅极电极，将SiO2用于绝缘层，将Au/Ti用于源极电极和漏极电极。沟道宽度和沟道长度分别为150μπι和10 μ m。FET评估中所使用的源漏电压为6V。在TFT特性评估中，根据# (Id 漏电流)相对于栅电压(Vg)的倾度获得电子迁移率，根据最大Id值与最小Id值之比获得电流通/断比。将当关于Vg绘制·^时相对于 Vg轴的截距看作阈值电压，并将dVg/d(log Id)的最小值设为S值(将电流增加一位数所需的电压值)。通过对衬底上各个位置处的TFT特性进行评估来检验TFT特性相对于In-Mg成分比变化的变化。结果发现，TFT特性根据衬底上的位置(即，In-Mg成分比)而变化。在富In的成分中，导通电流相对大，用Vg不能充分地抑制关断电流，阈值为负值。 另一方面，在富Mg的成分中，关断电流相对小，不能充分地提高导通电流，导通阈值电压取正值。因此，对于具有富Mg的成分的TFT，获得“常闭特性”。然而，在富Mg的成分中，导通电流小，场效应迁移率低。图4的器件(C)具有大于六位数的通/断比，这表明相对好的特性，在图4的器件 (C)中，元素比 Mg/(In+Mg)为 0.42。通过在大气中在300°C对TFT器件执行退火处理来改进上述TFT器件的特性。图 4中示出退火之后的TFT特性(Id-Vg)。TFT特性的成分依赖性表现出与退火之前相同的趋势。然而，可看出，其中TFT特性优良的成分范围变宽。例如，在⑶和(C)中获得优良特性，在(B)中，元素比Mg/(In+Mg)为0.3，以及在(C)中，元素比Mg/(In+Mg)为0. 42。图6A示出场效应迁移率的In:Mg成分依赖性。可看出，随着Mg含量减少，场效应迁移率增大。当In-Mg元素比Mg/(In+Mg)为小于等于0. 48时获得大于等于0. lcm2/Vs的场效应迁移率。当In-Mg元素比Mg/(In+Mg)为小于等于0. 4时获得大于等于lcm2/Vs的场效应迁移率。图6B示出阈值电压的成分依赖性。当薄膜晶体管的阈值电压Vth为大于等于OV 时，电路构建更容易。如图6B所示，元素比Mg/(In+Mg)优选为大于等于0. 2，这是由于在这个比率，Vth具有正值。获得优良晶体管特性的器件的电子迁移率、电流通/断比、阈值和S值分别为 2cm2/Vs、lX108、4V、l. 5V/dec。 示例 3在本示例中，沟道层由In-Al-O基非晶氧化物形成，通过与示例1中所采用的方法相同的方法制造和评估使用这个沟道层的图8A所示的顶栅TFT器件。尺寸为2英寸的In2O3和Al2O3的靶(纯度99. 9% )被用于通过同时溅射来形成 In-Al-O膜。对于前一靶和后一靶，输入RF功率为60W和180W。设置膜形成的气氛，以使总压力为0.4Pa，气体流速比为Ar O2 = 150 1。膜形成速率和衬底温度分别设为Ilnm/ min和25°C。随后，在大气中在280°C下对膜进行30分钟的退火处理。对所获得膜的表面执行照射角X射线衍射(薄膜法，入射角0. 5° )。没有检测到明显的衍射峰，这表明所形成的In-Al-O基膜为非晶膜。椭偏光谱法测量显示薄膜具有约0. Snm的均方根的粗糙度(Rrms)和约40nm的厚度。执行X射线荧光(XRF)分析显示，薄膜的金属成分比为In Al = 7 3。电导率、电子载流子浓度和电子迁移率分别被估计为约10_3S/cm、5X IOlfVcm3和约 3cm2/Vs。其后，采用与示例1中相同的步骤制造顶栅TFT。
接着，对所制造的TFT器件的电特性进行评估。在图9A中，源漏电流Id对漏电压Vd的依赖性被测量为在施加恒定栅电压Vg时改变的Vd。如图9A所示，在Vd = 6V附近观察到饱和(夹断)，这是典型的半导体晶体管行为。增益特性为这样的，即，在Vd = 6V，栅电压Vg的阈值电压约为4V。在10V，Vg引起约1. OX 10_4A的电流作为源漏电流Id流动。晶体管的通/断比超过107。在饱和区中，根据输出特性计算的场效应迁移率约为 1. Scm2/Vs。本示例中所制造的TFT具有优良的再现性，多个制造的器件之间的特性波动小。通过将新颖的非晶氧化物In-Al-O用于沟道层，如此获得优良的晶体管特性。接着对将In-Al-O用于沟道层的本示例的TFT器件的光学响应特性进行评估。在暗地方中和在光照射下对TFT器件的晶体管特性(Id-Vg)进行评估。如图2所示，TFT的关断电流在暗地方中具有非常小的值，而当分别在500nm和350nm的单色光的照射下对TFT 进行评估时，关断电流增大到b和C。图1将当TFT置于暗地方中时、当用500nm单色光照射TFT时和当用350nm单色光照射TFT时测量的关断电流进行比较。从曲线图可看出，与 In-Ga-O的情况相比，在In-Al-O的情况下，光照射下的关断电流的增加较小。这证明了，将 In-Al-O用于沟道的TFT器件对光照射的稳定性优于将In-Ga-O用于沟道的TFT器件对光照射的稳定性。可以预期如上所述对光非常稳定的根据本发明的TFT器件在有机发光二极管的工作电路等中找到应用。示例 4在本示例中，以与示例2相同的方式在具有包含作为主成分的In和Al的沟道层的薄膜晶体管中检验In-Al成分依赖性。使用三重掠入射溅射设备形成In-Al-O膜。在形成In-Al-O膜中，通过溅射同时给In2O3的两个靶和Al2O3的一个靶提供能量。对于前者和后者，输入RF功率分别设为30W 和180W。设置膜形成的气氛，以使总压力为0.35Pa，气体流速比为Ar O2 = 150 1。衬底温度设为25 °C。通过X射线荧光分析、椭偏光谱法、X射线衍射和四点探针电阻率测量来对如此形成的膜的物理属性进行评估。还通过试验制造将In-Al-O膜用作其η沟道层的顶接触TFT， 并在室温下对它们的电属性进行评估。通过椭偏光谱法对膜的厚度进行测量。结果发现，非晶氧化物膜的厚度约为50nm。 衬底上的TFT沟道之间的膜厚度分布在士 10%内。通过X射线衍射(XRD)测量证实，所形成的In-Al-O膜在元素比Al/(In+Al)为大于等于0. 15的成分中是非晶的。通过四点探针法对In-Al-O膜的薄层电阻进行测量，并通过椭偏光谱法对膜的厚度进行测量，以获得膜的电阻率。结果，证实，电阻率相对于In-Al成分比的变化而改变，并发现在富In的成分上电阻低，在富Al的成分上电阻高。接着，获得In-Al-O膜在膜形成气氛中的氧流速改变时的电阻率。结果发现，氧流速的增加使得In-Al-O膜的电阻增大。这可能是由氧缺乏的减轻和作为结果的电子载流子浓度的降低而导致的。还发现，其中电阻适用于TFT活性层的成分范围相对于氧流速的变化而改变。图3中示出了测量电阻率随时间的变化的结果。在宽的成分范围上在In-Al-O 基薄膜中没有观察到电阻率随时间的变化。另一方面，以与In-Al-O膜相同的方式形成的 In-Zn-O膜和In-Sn-O膜表现出电阻率随时间的降低。这证明了 In-Al-O膜具有优越的环
境稳定性。 接着，对具有作为η沟道层的In-Al-O膜的薄膜晶体管的特性和成分依赖性进行检验。如示例2中那样，通过对衬底上的各个位置处的TFT特性进行评估来检验TFT特性相对于In-Al成分比变化的变化。结果发现，TFT特性根据衬底上的位置(即，In-Al成分比)而改变。在富In的成分中，导通电流相对大，用Vg不能充分地抑制关断电流，且阈值为负值。另一方面，在富Al的成分中，关断电流相对小，不能充分地提高导通电流，阈值电压取正值。因此，对于具有富Al的成分的TFT，获得“常闭特性”。然而，在富Al的成分中，漏电流小，场效应迁移率低。其中元素比Α1/(Ιη+Α1)为0. 36的器件具有大于六位数的通/断比，这表明相对好的特性。通过在大气中在300°C下对TFT器件执行退火处理来改进上述TFT器件的特性。 图5中示出退火之后的TFT特性(Id-Vg)。TFT特性的成分依赖性表现出与退火之前相同的趋势。然而，可看出，其中TFT特性优良的成分范围变宽。例如，在⑶和(C)中获得优良特性，在(B)中，元素比Α1/(Ιη+Α1)为0.3，在(C)中，元素比Al/(In+Al)为0. 36。图7A示出场效应迁移率的In:Al成分依赖性。可看出，随着Al含量减少，场效应迁移率增大。当In-Al元素比Al/(In+Al)为小于等于0. 4时获得大于等于0. lcm2/Vs的场效应迁移率。当In-Al元素比Α1/(Ιη+Α1)为小于等于0. 3时获得大于等于lcm2/Vs的场效应迁移率。图7B示出阈值电压的成分依赖性。当薄膜晶体管的阈值电压Vth为大于等于OV 时，电路构建更容易。如图7B所示，元素比Α1/(Ιη+Α1)优选为大于等于0. 25，这是由于在这个比率，Vth具有正值。本示例中的获得优良晶体管特性的器件的电子迁移率、电流通/断比、阈值和S值分别为 lcm2/Vs、lX108、4V 禾口 1. 6V/dec。示例 5在本示例中，在塑料衬底上制造图8B所示的底栅TFT器件，其中以In-Zn-Mg-O基非晶氧化物作为沟道层。首先，将聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)膜制备为衬底。在这个PET衬底上，形成栅极电极和栅绝缘层。通过光刻和剥离法构图这些层。栅极电极由厚度为50nm的Ta膜形成。栅绝缘层为通过溅射成具有150nm的厚度而形成的SiOxNy膜(硅氧氮化物膜)。SiOxNy膜的特定介电常数约为6。接着，形成晶体管的沟道层，通过光刻和剥离法来构图沟道层。沟道层由以成分比为In Zn Mg = 4 6 1包含In、Zn和Mg的In-Zn-Mg-O基非晶氧化物形成。晶体管的沟道长度和沟道宽度分别为60 μ m和180 μ m。在氩气和氧气的混合气氛中通过高频溅射形成In-Zn-Mg-O基非晶氧化物膜。 在本示例中，三个靶(材料源)被用于通过同时沉积来形成膜。三个靶分别为 In2O3、MgO和ZnO的2英寸大的烧结体(sinteredcompact)(纯度99. 9% )。通过分别控制用于这些靶的输入RF功率，获得具有期望的In Zn Mg成分比的氧化物薄膜。设置气氛，以使总压力为0.5Pa，气体流速比为Ar O2 = 100 1。衬底温度设为25°C。由于在X射线衍射(薄膜法，入射角0. 5° )中没有检测到明显的衍射峰，所以发现如此形成的氧化物膜为非晶膜。非晶氧化物膜的厚度约为30nm。光吸收谱分析揭示，所形成的非晶氧化物膜具有约3eV的禁止能带间隙，并且对于可见光是透明的。源极电极、漏极电极和栅极电极由包含In2O3和Sn且厚度为IOOnm的透明导电膜形成。以这种方式制造底栅TFT器件。接着，就特性对如此制造的TFT器件进行检验。在室温下测量的本示例的TFT的通/断比超过109。计算的场效应迁移率约为 7cm2/VSo当非晶氧化物材料的元素比Mg/dn+Zn+Mg)为大于等于0. 1且小于等于0. 48时， 确保优良的晶体管工作。与将不包含Mg的In-Zn用作沟道的薄膜晶体管相比，本示例的将In-Zn-Mg-O基氧化物半导体用作沟道的薄膜晶体管对光的稳定性更高。通过包含Mg，本示例的晶体管的环境稳定性也得到改进。尽管已参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。将给予所附权利要求的范围以最广泛的解释，以包括所有这样的修改及等同的结构和功能。本申请要求于2007年12月13日提交的第2007-322148号日本专利申请的权益， 其在此整体引入作为参考。
权利要求
1.一种场效应晶体管，其至少包括沟道层、栅绝缘层、源极电极、漏极电极和栅极电极， 其中，所述沟道层由包含h和Al的非晶氧化物材料h-Al-Ο形成，以及其中，所述非晶氧化物材料的通过Al/αη+ΑΙ)表达的元素比为大于等于0. 15且小于等于0. 45。
2.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述非晶氧化物材料的通过Al/ (Ιη+Α1)表达的元素比为大于等于0. 19且小于等于0. 40。
3.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述非晶氧化物材料的通过Al/ (In+Al)表达的元素比为大于等于0. 25且小于等于0. 3。
4.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述栅绝缘层由硅氧化物构成。
5.一种显示器，其包括根据权利要求1所述的场效应晶体管，该场效应晶体管用作显示装置的驱动装置。
全文摘要
本发明涉及场效应晶体管和显示器。所述场效应晶体管至少包括沟道层、栅绝缘层、源极电极、漏极电极和栅极电极。所述沟道层由包含In和Al的非晶氧化物材料In-Al-O形成。所述非晶氧化物材料的通过Al/(In+Al)表达的元素比为大于等于0.15且小于等于0.45。
文档编号H01L29/786GK102394248SQ20111037481
公开日2012年3月28日 申请日期2008年12月2日 优先权日2007年12月13日
发明者岩崎达哉, 板垣奈穗 申请人:佳能株式会社