処理中

しばらくお待ちください...

設定

設定

出願の表示

1. CN102460712 - 薄膜晶体管以及薄膜晶体管的制造方法

注意: このテキストは、OCR 処理によってテキスト化されたものです。法的な用途には PDF 版をご利用ください。

[ ZH ]
薄膜晶体管以及薄膜晶体管的制造方法


技术领域
本发明涉及薄膜晶体管的制造方法,所述薄膜晶体管的沟 道层或沟道层的一部分以及进一步诸如源电极、漏电极和栅电 极等电极由含铟的金属氧化物膜形成。
背景技术
到目前为止,非晶硅(a-Si)经常被用于薄膜晶体管中,因 此,需要高温处理和昂贵的成膜设备。此外,需要高温处理使 得难以将器件(元件)制造到高分子基板等上。
因此,为了以低成本在聚对苯二甲酸乙二酯(PET)上制 造电子器件,必须研发一种不需要复杂设备的简单的低温处理, 或者通过简单处理能获得充分特性的一种或多种材料、材料的 有效组合以及进一步的简单的装置结构等。
这里,氧化物半导体、特别是透明氧化物半导体是实现具 有新特性的电子-光学器件必须的材料。近来,已经报道使用 In-Ga-Zn-O(IGZO)氧化物半导体作为沟道层的柔性TFT器件 与使用a-Si的情况相比表现出优异的特性(非专利文献1: Nature,2004年432卷488页),并且已经尝试将其用作液晶显示 器、有机EL显示器等用的驱动背板。
IGZO在作为TFT器件用的半导体材料时比上述a-Si优异能 够提到两点。一点是IGZO的作为TFT器件最重要特性的迁移率 (mobility)超过1cm2/Vsec并且高于利用a-Si能获得的0.1至 1cm2/Vsec的迁移率值。另一点是甚至通过无加热处理也能获得 具有上述优良迁移率的IGZO膜,而a-Si形成过程温度不低于 300℃。另外,IGZO非常有益的是其具有维持非晶态的高倾向 性,使得能够容易地获得稳定的特性并且其有利于膜的柔性。
尽管IGZO由此具有非常高的性能,然而,IGZO的不利之 处在于其包含有害的Ga,并且需要非常精确地控制膜中的氧含 量;换言之,IGZO在可操纵性和成膜控制方面有困难。除此以 外,IGZO的不利之处在于因为其包含三种金属元素而成分复 杂,并且不利之处还在于因为其是至今尚未被处理过的材料而 难以新颖地导入到生产线中。
考虑到前述问题,本发明的申请人先前研发了作为半导体 材料的In-W-O,In-W-O能够通过无加热溅射成膜法相对容易地 形成(成型)并且具有超过1cm2/Vsec的高迁移率和非晶体性(专 利文献1:特开2008-192721号公报)。
如上所述,该In-W-O膜具有三大优点,即,(1)其具有超 过1cm2/Vsec的高迁移率,(2)其能够通过无加热溅射成膜法形 成,以及(3)其具有非晶体性;由此,In-W-O膜作为薄膜晶体 管用的半导体膜是非常有用的。然而,近年来对半导体部件的 特性的要求非常高,并且期望研发具有进一步增强的迁移率的 半导体膜。研发所述半导体膜确保TFT(薄膜晶体管)的特性 能够被进一步增强,使得晶体管膜所应用的器件的性能也能够 被进一步增强。这同时意味着作为材料的鲁棒性(robustness) 得以扩展并且所述材料的使用容易性得以增强。
因此,为了获得具有更高性能的薄膜晶体管,期望研发具 有更高迁移率的半导体膜,而不降低通过In-W-O膜拥有的特性, 诸如能通过无加热溅射成膜法形成的特性、具有非晶体性的特 性等。
此外,在薄膜晶体管(TFT)被应用于液晶显示器或电子 纸等用的背板的情况下,进行n型驱动就足够了。在薄膜晶体管 被应用于诸如液晶显示器、电子纸等显示器、CMOS等逻辑电 路或太阳能电池等的驱动的情况下,要求双极性操作,即不仅 要求n型操作还要求p型操作。
与双极性操作有关地,非专利文献2:Applied Physics  Letters 90,262104(2007)公开了基于有机-无机半导体结构的 n型和p型双极性晶体管。在该公开中,并五苯用作具有p型特性 的有机半导体材料,而IZO用作具有n型特性的氧化物半导体。
另一方面,上述专利文献1公开了一种薄膜晶体管,其中能 够通过形成沟道层来控制膜的电导率,所述沟道层由诸如氧化 铟(In 2 O 3 )、掺锡氧化铟(ITO)或进一步地由掺钛或掺钨氧化 铟(InTiO x ,InWO x )等含铟的金属氧化物的膜形成。
这次,本发明的发明人已经发现:在上述非专利文献2的n 型和p型双极性晶体管中并五苯用作具有p型特性的有机半导体 材料和IZO用作具有n型特性的氧化物半导体的情况下,并五苯 在成膜时将作为不纯物污染IZO,使得IZO的电导率将被增强, 由此恶化TFT特性。
为了避免该问题,考虑控制作为氧化物半导体的IZO的电导 率。然而,控制IZO的电导率相对困难,而且,即使控制了IZO 的电导率,仍不能获得满意的TFT特性。
考虑到该问题,进一步考虑下述方法:其中,非专利文献2 中所述的有机-无机半导体结构的双极性晶体管用的无机半导 体材料不由IZO形成而是由专利文献1中所述的材料形成。然而, 已经发现,甚至在该情况下,作为无机半导体的金属氧化物膜 简单地由专利文献1中所述的材料形成的方法导致金属氧化物 膜的特性在有机半导体被布置于金属氧化物膜上时将被改变。
由此,非专利文献1中所述的双极性晶体管中的无机半导体 简单地由专利文献1中所述的金属氧化物膜形成的方法不能使 晶体管被驱动为性能足够高并且可靠性高的n型和p型双极性半 导体。
除此以外,专利文献1和非专利文献1均没有以任何方式公 开在氧化物半导体和有机半导体如上所述地彼此堆叠的情况 下,维持氧化物半导体的特性中的良好半导体特性的同时具有 足够高性能和高可靠性的有机-无机半导体结构的双极性晶体 管。
另外,已经发现上述专利文献1中所述的通过无加热溅射成 膜法形成的In-W-O膜具有下面的三个不利点。
首先,在成膜期间导入的氧的流量对形成的膜的特性有非 常大的影响,从而需要非常精确地控制导入的氧的流量。此外, 随着靶材腐蚀的进行,对导入的氧的流量进行非常精细的控制 变得必要。因此,虽然如果使用具有等离子体发射监视控制 (PEM控制)的溅射成膜设备,能够在相对容易地控制氧流量 的状态下执行良好的成膜处理,但是通过现有技术中通常使用 的DC溅射法或RF溅射法不可能容易地获得具有稳定的特性的 TFT器件。
第二,由上述In-W-O膜形成的半导体膜表面(沟道层)和 源电极/漏电极之间的界面的状态以及半导体膜表面和栅极绝 缘膜之间的界面的状态容易不稳定,使得TFT器件的特性难以 变得稳定。进一步,第三,上述In-W-O膜容易具有产生于其中 的很多缺陷,使得难以获得稳定的TFT器件特性。
此外,如果存在第二个和第三个问题,则TFT器件的传输 特性由于偏应力(bias stress)而大大改变。因此,为了将使用 诸如上述的In-W-O等含铟的金属氧化物的膜的TFT器件应用到 实际的电子器件,维持更稳定的特性是不可或缺的,从而期望 研发一种对策。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:特开2008-192721号公报
非专利文献
非专利文献1:Nature,2004年432卷488页
非专利文献2:Applied Physics Letters 90,262104(2007)
发明内容
发明要解决的问题
考虑到上述情形完成了本发明。因此,本发明的第一目的 是研发一种能够通过非加热溅射成膜方法形成的半导体膜,所 述半导体膜具有良好的非晶体性并且进一步具有高迁移率,由 此提供具有较高性能的薄膜晶体管。
此外,本发明的第二目的是构造能够进行良好的n型和p型 双极性操作的双极性薄膜晶体管,在通过堆叠氧化物半导体和 有机半导体而形成沟道层的情况下,双极性薄膜晶体管在维持 氧化物半导体的良好半导体特性的同时具有高性能和高可靠 性。
另外,本发明的第三目的是提供制造薄膜晶体管的方法, 通过该方法,在维持含铟的金属氧化物膜的能够通过非加热溅 射成膜方法形成的特征并且具有高迁移率和非晶体性的同时, 通过相对简单的控制能够获得具有稳定特性的含铟的金属氧化 物膜,并且通过该方法能够获得具有稳定特性的TFT器件。
用于解决问题的方案
为了实现上述目的,本发明的发明人进行了认真的研究。 作为研究的结果,本发明的发明人发现通过对掺钨的氧化铟 (In-W-O)进一步掺杂锌和/或锡获得的氧化铟(In-W-Zn-O, In-W-Sn-O,In-W-Sn-Zn-O)的金属氧化物膜具有大大超过传统 In-W-O的高迁移率,所述膜能够通过有利的非加热处理形成, 并且所述膜具有良好的非晶体性。本发明的发明人还发现当包 括沟道层的器件通过使用所述金属氧化物膜形成时,可以相对 容易地制作具有高性能的薄膜晶体管。
因此,作为第一发明,本发明提供一种薄膜晶体管,其包 括三个电极以及沟道层和栅极绝缘膜这些元件,所述三个电极 是源电极、漏电极和栅电极,其中,所述沟道层由掺杂有钨和 锌和/或锡的氧化铟膜形成。
此外,通过由包括有机材料膜和金属氧化物膜的堆叠体形 成沟道层而实现第二目的,其中金属氧化物膜包含掺杂有钨、 锡和钛中的至少一种的铟并且具有预控制的电阻率。
因此,作为第二发明,本发明提供一种双极性薄膜晶体管, 其包括三个电极以及沟道层和栅极绝缘膜这些元件,所述三个 电极是源电极、漏电极和栅电极,其中,所述沟道层是包括有 机材料膜和金属氧化物膜的堆叠体,所述金属氧化物膜包含掺 杂有钨、锡和钛中的至少一种的铟,并且所述金属氧化物膜具 有预控制的电阻率。
这里,表述“具有预控制的电阻率的金属氧化物膜”指的是 在通过堆叠氧化物半导体和有机半导体形成沟道层的情况下, 考虑到氧化物膜的特性,在堆叠之前预控制氧化物膜的电阻率, 从而维持氧化物半导体的特性中的良好半导体特性。
此外,在该双极性薄膜晶体管中,有机材料膜优选地是 F8T2、P3HT、并五苯、四苯并卟啉。
沟道层优选地具有从栅电极侧顺序地堆叠的金属氧化物和 有机材料膜。除此以外,源电极和漏电极设置为与有机材料膜 接触。顺便提及,与有机材料膜接触指的是,当通过堆叠金属 氧化物层和有机材料层形成沟道时,源电极和漏电极设置于有 机材料层上。
此外,金属氧化物膜中包含的钨的量优选地不少于0.5wt% 并且少于15wt%。另外,金属氧化物膜的电阻率优选地为10-1至104Ωcm。
另外,为了实现上述第三目的,本发明的发明人进行了认 真研究。研究包括下述情况的研究:在包含氧气的氛围中进行 使用含铟靶材的溅射,由此含铟的金属氧化物膜以预定图形形 成于基板上,并且TFT器件中的包括沟道层或沟道层的一部分 的一个或多个元件由含铟的金属氧化物膜形成,从而制造薄膜 晶体管。研究结果发现,当在上述研究情况下在通过溅射形成 金属氧化物膜而形成TFT器件的元件之后进行热处理时,能够 获得具有稳定的特性和充分的可再现性的TFT特性,通过在空 气中以150至300℃的温度进行大约10至120分钟的简单热处理 能够获得良好的效果,并且确保优异的生产率。
因此,作为第三发明,本发明提供一种制造薄膜晶体管的 方法,其包括通过溅射在基板上形成预定图形的含铟的金属氧 化物膜,所述溅射在含有氧气的氛围中使用含铟靶材进行,使 得沟道层、源电极、漏电极和栅电极这些元件中的至少包括所 述沟道层或所述沟道层的一部分的一个或多个元件由所述含铟 的金属氧化物膜形成,其中,通过在不加热所述基板的情况下 进行所述溅射而形成所述金属氧化物膜,使得在所述基板上形 成所述沟道层、所述源电极、所述漏电极和所述栅电极这些元 件,之后进行热处理。
此外,本发明的发明人开展了进一步研究。进一步研究结 果发现,作为含铟的金属氧化物膜,优选地通过使用掺杂有锡、 钛、钨和锌中的一种或多种的氧化铟烧结体作为含铟靶材形成 掺杂有锡、钛、钨和锌中的一种或多种的氧化铟膜。还有,发 现特别在通过使用In-W-Zn-O烧结体作为靶材形成In-W-Zn-O膜 的情况下,能够通过控制W的量和Zn的量简单地控制诸如阈电 压和迁移率等TFT特性。另外,发现当由In-W-Zn-O膜形成的沟 道层如后述的实施例中那样形成于由具有热氧化膜的硅晶片构 成的基板上时,则通过使用ITO烧结体作为靶材在沟道层上形成 ITO膜,由此形成源电极和漏电极,并且随后进行热处理,可以 容易并且稳定地获得高性能薄膜晶体管。
因此,作为第三发明的优选实施方式,本发明提供下述段 (1)至(5)的发明。
(1)根据上述第三发明的制造薄膜晶体管的方法,其 中,通过使用掺杂有锡、钛、钨和锌中的一种或多种的氧化铟 烧结体作为靶材,通过形成掺杂有锡、钛、钨和锌中的一种或 多种的氧化铟膜而形成至少所述沟道层或所述沟道层的一部 分。
(2)根据段(1)的制造薄膜晶体管的方法,其中, 通过使用In-W-Zn-O烧结体作为靶材,通过形成In-W-Zn-O膜而 形成至少所述沟道层。
(3)根据段(2)的制造薄膜晶体管的方法,其中, 通过调整用作靶材的In-W-Zn-O烧结体的W含量和/或Zn含量进 行特性控制。
(4)根据段(1)-(3)中任一段的制造薄膜晶体管 的方法,其中,具有将作为栅极绝缘膜的热氧化膜的硅晶片用 作也作为所述栅电极的基板,通过使用In-W-Zn-O烧结体作为 靶材在所述基板的热氧化膜上形成In-W-Zn-O膜从而形成所述 沟道层,并且通过使用ITO烧结体作为靶材而在所述沟道层上 形成ITO膜从而形成所述源电极和所述漏电极。
(5)根据上述第三发明的制造薄膜晶体管的方法,在 空气中以150℃至300℃进行所述热处理10分钟至120分钟。
发明的效果
根据第一发明,由在维持能够通过非加热溅射成膜方法形 成并且既具有高迁移率又具有非晶体性的特征的同时实现更高 迁移率的半导体膜形成沟道层,由此能够以高生产率获得高性 能薄膜晶体管。
此外,根据第二发明,在通过堆叠有机材料膜和金属氧化 物膜形成沟道层的薄膜晶体管中,金属氧化物膜包括掺杂有钨、 锡和钛中的至少一种的铟并且具有预控制的电阻率。该构造确 保甚至在有机材料膜堆叠在金属氧化物膜上的情况下,可以提 供能够进行n型和p型双极性操作的双极性薄膜晶体管,所述晶 体管在维持金属氧化物膜的特性中的良好半导体特性的同时具 有高性能和高可靠性。另外,可以提供能够进行n型和p型双极 性操作并且成本低和热稳定性高的双极性薄膜晶体管。
而且,根据第三发明,在维持能够通过非加热溅射成膜方 法形成并且既具有高迁移率也具有非晶体性的特征的同时,通 过相对简单的控制,可以获得具有稳定的特性的含铟的金属氧 化物膜,由此能够获得具有稳定的特性的TFT器件。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一发明的TFT器件(薄膜晶体 管)的一个示例的概略剖视图。
图2是示出根据本发明的第二发明的TFT器件(双极性薄膜 晶体管)的一个示例的概略剖视图。
图3是示出实验1的结果的表示实施例4中制作的TFT器件 (薄膜晶体管)的操作特性的图。
图4是示出实验1的结果的表示比较例2中制作的TFT器件 (薄膜晶体管)的操作特性的图。
图5是示出实验2的结果的表示实施例4中制作的TFT器件 (薄膜晶体管)的操作特性的图。
图6是示出实验2的结果的表示比较例2中制作的TFT器件 (薄膜晶体管)的操作特性的图。
图7是表示实施例5中制作的TFT器件(薄膜晶体管)的操 作特性的图。
图8是表示实施例6和7以及比较例3和4中制作的TFT器件 (双极性薄膜晶体管)的操作特性的图。
图9是表示实施例6和8中制作的TFT器件(双极性薄膜晶体 管)的操作特性的图。
图10是表示在比较例5中进行的TFT器件(双极性薄膜晶体 管)的特性的评价的结果的图。
图11是表示在比较例5中进行的TFT器件(双极性薄膜晶体 管)的特性的评价的结果的图。
具体实施方式
现在,下面将更详细地说明本发明。
如上所述,根据第一发明的薄膜晶体管是沟道层由掺杂有 钨和锌和/或锡的氧化铟膜形成的薄膜晶体管,并且所述薄膜晶 体管例如能够通过图1中所示的TFT器件结构例示。
图1的薄膜晶体管是如下薄膜晶体管:沟道层3形成于表面 形成有作为栅极绝缘膜2的热氧化膜(SiO 2 )的Si基板(栅电极) 1上,而且,另外,源电极4和漏电极5形成于沟道层3上。在根 据第一发明的所述薄膜晶体管中,至少沟道层3由含铟的金属氧 化物膜形成。顺便提及,图1中的附图标记6表示用于与Si基板 (栅电极)导通的银浆6。
如上所述,用于形成沟道层3的金属氧化物膜是掺杂有钨和 锌和/或锡的氧化铟膜;换言之,使用In-W-Zn-O、In-W-Sn-O 或In-W-Sn-Zn-O。这些氧化铟膜中的每一种均能够形成透明导 电膜,从而能够制作透明薄膜晶体管。此外,这些氧化铟膜具 有保持非晶体性的趋势并且热稳定性和膜平坦性优异。另外, 在通过溅射形成这些金属氧化物膜时通过控制靶材的W含量、 Zn含量和Sn含量,可以容易地控制TFT特性。
虽然未特别地限制,但是沟道层3具有通常被控制为10-1至 106Ωcm、特别地为1至105Ωcm的电阻率。在该情况下,在形成 上述的In-W-Zn-O、In-W-Sn-O和In-W-Sn-Zn-O的膜时,通过控 制氧缺乏程度,In-W-Zn-O、In-W-Sn-O和In-W-Sn-Zn-O均允许 其电阻率被相对容易地控制。
作为在由In-W-Zn-O膜、In-W-Sn-O膜或In-W-Sn-Zn-O膜形 成沟道层3的情况下的成膜方法,能够使用诸如DC反应性溅射 方法、RF溅射方法和脉冲激光蒸发方法等物理气相沉积方法。 特别地,优选地采用在包含氧气的氛围中使用含铟靶材进行的 溅射方法。在该情况下,通过控制地改变氧气的流量,能够控 制In-W-Zn-O膜、In-W-Sn-O膜或In-W-Sn-Zn-O膜的氧缺乏量, 由此能够将膜的电阻率控制为适用于沟道层3的上述电阻率。
作为以该方式通过溅射方法成膜时使用的靶材,在形成 In-W-Zn-O膜的情况下能够使用InWZn金属靶材和In-W-Zn-O陶 瓷靶材,在形成In-W-Sn-O膜的情况下能够使用InWSn金属靶材 和In-W-Sn-O陶瓷靶材,在形成In-W-Sn-Zn-O膜的情况下能够使 用InWSnZn金属靶材和In-W-Sn-Zn-O陶瓷靶材。
这里,在通过DC反应性溅射方法或RF溅射方法形成含铟的 金属氧化物膜时,在本发明中不需要加热基板,并且能够通过 在常温下进行溅射来良好地形成金属氧化物膜。此外,尽管不 特别地限制,但是通过应用对多个阴极交替地施加脉冲电压从 而高速地形成金属氧化物膜的双阴极溅射方法能够提高生产 率。除此以外,可以使用基于PEM(等离子体发射监视)控制 的反馈系统,通过测量等离子体中的离子浓度在实时的基础上 控制导入的氧的量,由此能够实现薄膜成分和氧含量的稳定控 制。
其次,对于源电极4和漏电极5来说,能够使用已知的材料, 例如,诸如In 2 O 3 、ITO、FTO、In-Ti-O膜、In-W-O膜等透明电 极材料,并且如果不要求透明性,则可以使用诸如Au、Pt、Ti、 Al等金属材料和各种导电性高分子材料。除此以外,根据情况, 源电极和漏电极中的一方或两方与沟道层3相同地能够由 In-W-Zn-O膜、In-W-Sn-O膜或In-W-Sn-Zn-O膜形成。在该情况 下,沟道层3以及源电极4和漏电极5能够通过使用相同的成膜设 备而形成,由此能够设法做到减少成本。此外,由于能够获得 可见光区域的透明性,所以可以应对宽范围的应用。
源电极4和漏电极5要求良好的电导性;即,这些电极被控 制为具有10-5至10-1Ωcm、特别地10-5至10-3Ωcm的电阻率。在该 情况下,当与沟道层3相同地通过溅射方法通过形成In 2 O 3 膜、 ITO膜、In-Ti-O膜、In-W-O膜、In-W-Zn-O膜、In-W-Sn-O膜或 In-W-Sn-Zn-O膜而形成源电极4和漏电极5时,通过以积极地将 氧缺乏导入到膜中的方式控制导入到膜中的氧的量来获得所述 的低电阻率。除此以外,在降低电阻率方面还有效的是在添加 氢或水的同时进行成膜。另外,根据情况,还可以与沟道层3 的情况相同地通过采用双阴极溅射方法或PEM控制来进行这些 电极4和5的形成。在该情况下,能够与靶材的状态无关地进行 薄膜成分和氧含量的稳定控制;由此,能够进行具有高可靠性 的成膜处理。
此外,在源电极4和漏电极5与沟道层3一起通过溅射方法由 含铟的金属氧化物膜由此形成的情况下,膜的氧含量逐渐变化 的组成倾斜膜(导电率倾斜膜)可以形成于源电极4和漏电极5 中的每一方与沟道层3之间的界面。这确保减少源电极4和漏电 极5中的每一方与沟道层3之间的界面处的壁垒(barrier),便于 注入载体(carrier),并且可以期待增强特性。
虽然具有SiO 2 栅极绝缘膜2的Si基板已经被用作上述图1的 薄膜晶体管(TFT器件)中的基板1,但是基板不限于这一种, 并且能够使用诸如晶体管等电子器件用的基板等传统已知基 板。例如,除了Si基板以外,还可以使用诸如白板玻璃、蓝板 玻璃、石英玻璃等例如玻璃基板的透明基板以及诸如聚对苯二 甲酸乙二酯(PET)等高分子膜基板。另外,在不要求器件的 透明性的情况下,可以使用各种金属基板、塑料基板、诸如聚 酰亚胺等非透明高分子基板。
除此以外,虽然Si基板1被制成为栅电极并且与该栅电极的 导通通过上述图1的TFT器件中的银浆得以确保,但是可以使用 绝缘性基板并且在基板上分开地形成栅电极和栅极绝缘膜。
在该情况下,作为形成栅电极的材料示例,可以提到的是 与源电极4和漏电极5用的材料相同的电极材料。当然,可以通 过使用与形成沟道层3时使用的成膜设备相同的成膜设备通过 形成In 2 O 3 膜、ITO膜、In-Ti-O膜、In-W-O膜、In-W-Zn-O膜、 In-W-Sn-O膜或In-W-Sn-Zn-O膜而形成栅电极。顺便提及,与源 电极4和漏电极5的情况相同,栅电极的电阻率可以设定成10-5至10-1Ωcm,特别地10-5至10-3Ωcm。
此外,可以在使用诸如金属氧化物或绝缘性高分子材料等 已知材料的状态下通过已知方法形成栅极绝缘膜,其中金属氧 化物例如是SiO 2 、Y 2 O 3 、Ta 2 O 5 、Hf氧化物等,绝缘性高分子材 料例如是聚酰亚胺。栅极绝缘膜的电阻率通常是1×106至 1×1015Ωcm,特别地1×1010至1×1015Ωcm。
其次,根据本发明的第二发明的双极性薄膜晶体管是例如 如图2所示的TFT器件,其中沟道层3由包括有机材料膜3b和掺 杂有钨、锡和钛中的至少一种的含铟的金属氧化物膜3a的堆叠 体形成。
这里,在图2中,Si基板(栅电极)1、热氧化膜(栅极绝 缘膜)2、源电极4、漏电极5和银浆6与作为根据第一发明的薄 膜晶体管的示例示出的图1的TFT器件中的相同。另外,这些元 件和沟道层3的布局构造也与图1的TFT器件中的相同。除此以 外,在根据第二发明的双极性薄膜晶体管中,如上所述,沟道 层3由有机材料膜3b和金属氧化物膜3a的堆叠结构形成。
在沟道层3由此通过堆叠有机材料膜3b和金属氧化物膜(无 机材料膜)3a而形成的根据第三发明的薄膜晶体管中,金属氧 化物膜3a形成为包括掺杂有钨、锡和钛中的至少一种的铟 (InWO x 、InSnO x 、InTiO x )。
另外优选地,金属氧化物膜3a形成为包括掺杂有锡、钛、 锌中的至少一种和钨的铟(InWSnO、InWTiO、InWZnO)。
使用所述材料确保在形成金属氧化物膜3a时通过控制氧缺 乏程度和掺杂的钨的量来相对容易地控制电阻率。例如,如果 与现有技术相同地IZO被用作金属氧化物膜3a,则膜的电导率变 得太高,导致在将有机材料膜3b堆叠在IZO的金属氧化物膜3a 上时,位于下侧的金属氧化物膜3a的特性将大大地变化。结果, 即使作为n型的金属氧化物膜3a和作为p型的有机材料膜3b堆 叠,在TFT特性没有很大改变的状况下不能充分地驱动n型和p 型两极。另一方面,当金属氧化物膜3a被设定为包含本发明中 的上述材料中的任一种时,可以控制金属氧化物膜3a的电阻率 从而控制膜的电导率。因此,在堆叠有机材料膜3b时考虑金属 氧化物膜3a的特性变化,可以在堆叠前预控制金属氧化物膜3a 的电导率使得膜具有期望的电阻率。经由控制导入的氧的量和 掺杂的钨的量通过由此将电阻率设定到较高值,可以确保能够 维持金属氧化物膜3a的良好特性中的半导体特性,换言之,在 有机材料膜3b形成于金属氧化物膜3a上之后,能够将TFT特性 维持在良好状况。因此,可以构造能够双极性操作并且具有高 性能和高可靠性的双极性薄膜晶体管。此外,当使用上述的材 料时,能够获得透明的导电性膜,从而能够制作透明的薄膜晶 体管。
除此以外,特别当金属氧化物膜3a被制成为必定包含掺钨 的铟时,能够更有效地控制金属氧化物膜的电导率。这里,在 诸如TFT等半导体器件中,在制成产品过程中总是需要作为在 后步骤(post-step)的附着到板、密封步骤等用的加热步骤。 执行作为加热步骤的在后退火(后面说明)之后,金属氧化物 膜的电导率仅依赖于掺杂的钨的量。
具体地,在退火之前,IWO的电导率既依赖于导入的氧的 量也依赖于掺杂的钨的量。然而,在后退火之后,金属氧化物 膜的氧含量停止在热力学稳定状态,使得电导率与成膜时导入 的氧的量无关。由此,当金属氧化物膜被制成为必定包含掺钨 的铟时,甚至在进行诸如在后退火等加热处理的情况下仍确保 膜的电导率能够通过变化掺杂的钨的量而被控制。
顺便提及,在上述非专利文献2中公开的使用IZO作为无机 半导体材料的有机-无机半导体结构的双极性晶体管中,无机半 导体材料的电导率在在后退火之后变得太强,使得该材料不能 用作半导体。另一方面,根据使用上述材料作为无机半导体材 料的本发明的有机-无机半导体结构的双极性晶体管,无机半导 体材料的电导率甚至在在后退火之后也不会变的太强,使得该 材料能够用作半导体。在诸如TFT等半导体器件中,如上所述, 在制成产品过程中总是需要作为在后步骤的附着到板、密封步 骤等用的加热步骤。因此,当上述材料被用作无机半导体材料 时,可以获得高度热稳定的晶体管,所述晶体管甚至在进行诸 如在后退火等加热处理的情况下仍能保持作为半导体的功能。
如上所述,当金属氧化物膜3a被制成为必定包含掺钨的铟 时,能够更容易地并且更精确地控制金属氧化物膜3a的电阻率。 这确保在将金属氧化物膜3a堆叠为沟道层之前,可以形成具有 期望的电阻率以提供良好的TFT特性的金属氧化物膜3a。除此 以外,特别地,含钨的InWO x 、InWSnO、InWTiO和InWZnO具 有保持非晶体性的趋势并且由此热稳定性和膜平坦性优异。
这里,包含在金属氧化物膜3a中的钨的量优选地不少于全 体金属氧化物膜的0.6wt%并且少于15wt%。如果钨含量达到或 超过15wt%,则电阻率将变得太高以至于使膜绝缘,从而不能 维持良好的TFT特性。
此外,虽然不特别地限制,但是沟道层3的金属氧化物膜3a 具有通常被控制为10-1至105Ωcm、特别地1至104Ωcm的电阻率。 在该情况下,通过控制成膜时的氧缺乏程度,上述InWO x 、 InSnO x 、InTiO x 、更优选地InWSnO、InWTiO和InWZnO允许电 阻率被相对容易地控制。
在确保所述电阻率的情况下,甚至在有机材料膜3b堆叠在 金属氧化物膜3a上的情况下,仍能确保不改变金属氧化物膜的 特性并且能够保持良好的TFT特性。结果,能够在确保高性能 和高可靠性的状况下驱动n型和p型双极性操作。
与第一发明的情况相同,为了形成用于形成沟道层3的一部 分的金属氧化物膜3a,具体地,上述InWO x 膜、InSnO x 膜、InTiO x 膜、或更优选地InWSnO膜、InWTiO膜或InWZnO膜,可以使用 诸如DC反应性溅射方法、RF溅射方法、脉冲激光蒸发方法等物 理气相沉积方法。特别地,优选地采用在含有氧化气体的氛围 中使用含铟靶材进行的溅射方法。在该情况下,通过控制氧气 的流量,可以控制金属氧化物膜(InWO x 膜、InSnO x 膜、InTiO x 膜、InWSnO膜、InWTiO膜、InWZnO膜)的氧缺乏量。因此, 甚至在通过将有机材料膜3b堆叠在金属氧化物膜3a上形成沟道 层3的情况下,仍可以防止金属氧化物膜3a的特性大大地改变。 换言之,甚至在有机材料膜3b被进一步堆叠在金属氧化物膜3a 上的情况下,仍能够将金属氧化物膜3a的电阻率控制为适用于 沟道层3的电阻率。因此,能够在良好的状况下驱动n型和p型双 极性操作。
作为通过溅射方法形成金属氧化物膜时所用的靶材,在形 成InWO x 膜的情况下可以使用InW金属靶材和InWO x 陶瓷靶材, 在形成InTiO x 膜的情况下可以使用InTi金属靶材和InTiO x 陶瓷 靶材,在形成InSnO x 膜的情况下可以使用InSn金属靶材和 InSnO x 陶瓷靶材。
顺便提及,诸如DC反应性溅射方法和RF溅射方法等传统成 膜方法的问题在于:由于相对低的成膜速率,不可能获得充足 的生产率。另一问题在于:由于不容易获得InWO x 膜、InSnO x 膜、InTiO x 膜、InWSnO膜、InWTiO膜或InWZnO膜的稳定成分 控制,所以难以维持特性。考虑到这一点,虽然不特别地限制, 但可以与第一发明一样应用双阴极溅射方法以提高生产率。另 外,优选地使用基于上述PEM(等离子体发射监视)控制的反 馈系统,由此能够与靶材的状态无关地进行薄膜成分和氧含量 的稳定控制。
其次,用于形成沟道层3的一部分的有机材料层3b由F8T2、 P3HT、并五苯或四苯并卟啉(tetrabenzoporphyrin)形成。然而, 所用的材料不限于这些材料,有机材料膜3b可以由用作晶体管 中的有机材料半导体的那些一般材料中的任一种形成。顺便提 及,用于形成构成沟道层3的一部分的有机材料膜3b的方法不特 别限制,膜可以由已知的方法形成。例如,适合使用旋转涂布 法(spin coating method)。
此外,如图2中所示,由金属氧化物膜3a和有机材料膜3b 的堆叠体构造的沟道层3优选地通过从栅电极1侧(图2中的下 侧)顺序地堆叠金属氧化物膜3a和有机材料膜3b而形成。在该 情况下,如上所述,特别地通过溅射方法形成金属氧化物膜3a; 另一方面,有机材料膜3b能够通过气相沉积形成,但是考虑到 成本的减少,优选地特别通过旋转涂布法形成。因此,如果栅 电极1上先形成有有机材料膜3b,则有机材料层3b在形成金属氧 化物膜3a的溅射期间可能由于暴露到等离子体而变质(变性); 除此以外,大量有机材料可能混合到金属氧化物膜3a。然而, 这里应注意,根据第三发明的TFT器件中的沟道层3不限于如图 2所示的具有作为下层的金属氧化物膜3a和作为上层的有机材 料膜3b的堆叠形态。通过对堆叠方法进行设计,可以采用有机 材料膜3b为下层而金属氧化物膜3a为上层的堆叠形态。
另外,源电极4和漏电极5优选地形成为与有机材料膜3b的 上表面接触。利用由此形成于有机材料膜3b上的两个电极,获 得大大地减小接触电阻的效果并且能够获得良好的TFT特性。 于是,从该观点出发,沟道层3也优选地通过从栅电极1侧(图2 中的下侧)顺序地堆叠金属氧化物膜3a和有机材料膜3b而形成。
其次,源电极4和漏电极5可以由与上述第一发明的情况下 相同的材料和相同的方式形成。特别地,优选地与沟道层3的金 属氧化物膜3a相同地由诸如InWO x 、InSnO x 、InTiO x 、InZnO x 、 InWSnO、InWTiO、InWZnO等含铟的金属氧化物膜形成电极4 和5中的一方或两方。这使得沟道层3的金属氧化物膜3a、源电 极4和/或漏电极5通过相同的成膜设备形成,从而能够降低制造 成本。
与上述第一发明的情况相同,源电极4和漏电极5的电导率 也被控制为通常10-5至10-1Ωcm、特别地10-5至10-2Ωcm的电阻率。 在该情况下,当源电极4和漏电极5由InWO x 膜、InSnO x 膜、InTiO x 膜、InZnO x 膜、InWSnO膜、InWTiO膜、InWZnO膜等形成时, 与形成构成沟道层3的一部分的金属氧化物膜3a的情况相同,电 极能够通过溅射方法形成。在该例子中,还有,通过控制导入 膜中的氧的量以将氧缺乏导入电极中,与第一发明的情况相同, 可以获得低电阻率。除此以外,在添加氢或水的状态下成膜的 效果以及采用双阴极溅射方法或PEM控制的效果与第一发明的 情况中相同。
另外,基板1、热氧化膜2、银浆6等与上述第一发明中相同, 所以与图1中相同的附图标记用于图2中,并且省略这些元件的 说明。
顺便提及,根据第一发明和第二发明的薄膜晶体管不限于 图1和图2分别示出的底栅顶接触型晶体管。薄膜晶体管可以采 用其他形式,诸如底栅底接触型、顶栅底接触型、顶栅顶接触 型等。
其次,如上所述,用于制造根据第三发明的薄膜晶体管的 方法包括通过溅射在基板上形成含铟的金属氧化物膜,使得沟 道层、源电极、漏电极和栅电极这些元件中的包括至少沟道层 或沟道层的一部分的一个或多个元件由含铟的金属氧化物膜形 成,并且在形成这些元件之后进行热处理。
这里,本发明中要制造的薄膜晶体管不特别限制。薄膜晶 体管的示例包括图1中所示的第一发明的薄膜晶体管以及图2中 所示的第二发明的双极性薄膜晶体管。
除此以外,在本发明的制造方法中,通过由上述溅射方法 形成含铟的金属氧化物膜而在基板1上形成沟道层3(图1)或沟 道层3的金属氧化物膜3a(图2),另外,形成源电极4和漏电极5 以及进一步根据TFT结构形成上述栅电极从而形成TFT器件的 元件,之后进行热处理。
进行热处理时的加热温度根据用于形成沟道层3(图1)的 金属氧化物膜或构成沟道层3的一部分的金属氧化物膜3a(图2) 的类型、尺寸、厚度等适当设定,并且不特别限定;通常,加 热温度可以是150至300℃,特别地150至200℃。处理时间可以 是10至120分钟,特别地30至60分钟。此外,作为热处理氛围, 可以采用大气中的空气而没有任何问题。
在本发明中,通过进行热处理,特别地通过对In-W-Zn-O 膜施加热处理,能够获得下面的三个效果。
第一,甚至在通过溅射成膜时导入的氧的量不是最优值并 且不一定获得满意的TFT特性的情况下,通过热处理仍能够使 TFT特性进入最优状态。因此,不需要随着溅射靶材的腐蚀的 进行精细地控制导入的氧的量。此外,消除了可能由于溅射成 膜期间达到的真空度引起的TFT特性的变化,从而能够容易地 制造具有稳定的特性的TFT器件。
第二,界面处或半导体膜中的缺陷被大大地减少,并且用 作TFT器件期间的特性变化被极大地减少。
另外,第三,通过控制溅射成膜所用的靶材的W含量和/ 或Zn含量,诸如阈电压和迁移率等TFT特性能够被容易地控制。
实施例
现在,下面将通过示出实施例和比较例更具体地说明本发 明,但本发明不限于下面的实施例。
实施例1至3,比较例1
[半导体膜的性能试验]
首先,以下面的方式评价在属于本发明的第一发明的薄膜 晶体管中用作沟道层的In-W-Zn-O膜、In-W-Sn-O膜和 In-W-Sn-Zn-O膜的性能。
试样的制备
(试样1:In-W-Zn-O膜)
在用乙醇和丙酮洗净的1.1mm厚石英玻璃基板上,在基板 未被加热的状况下通过DC磁控溅射处理形成30nm厚的 In-W-Zn-O膜。溅射条件如下。
(溅射条件)
由其上由此形成有In-W-Zn-O膜的石英玻璃基板,通过切割 形成10mm×10mm的试验片。以隐藏试验片的中央部的方式将荫 罩附着到试验片,并且通过DC磁控溅射处理在试验片的四角上 形成由30nm厚的ITO膜组成的欧姆电极以获得试样1。溅射条件 如下。
(溅射条件)
(试样2:In-W-Sn-O膜)
在用乙醇和丙酮洗净的1.1mm厚石英玻璃基板上,在基板 未被加热的状况下通过DC磁控溅射处理形成30nm厚的 In-W-Sn-O膜。溅射条件如下。
(溅射条件)
由其上由此形成有In-W-Sn-O膜的石英玻璃基板,通过切割 形成10mm×10mm的试验片。以与上述试样1的情况相同的方式 在试验片的四角上形成由ITO膜组成的欧姆电极,以获得试样2。
(试样3:In-W-Sn-Zn-O膜)
在用乙醇和丙酮洗净的1.1mm厚石英玻璃基板上,在基板 未被加热的状况下通过DC磁控溅射处理形成30nm厚的 In-W-Sn-Zn-O膜。溅射条件如下。
(溅射条件)
由其上由此形成有In-W-Sn-Zn-O膜的石英玻璃基板,通过 切割形成10mm×10mm的试验片。以与上述试样1的情况相同的 方式在试验片的四角上形成由ITO膜组成的欧姆电极,以获得试 样3。
(试样4:In-W-O膜)
在用乙醇和丙酮洗净的1.1mm厚石英玻璃基板上,在基板 未被加热的状况下通过DC磁控溅射处理形成30nm厚的In-W-O 膜。溅射条件如下。
(溅射条件)
由其上由此形成有In-W-O膜的石英玻璃基板,通过切割形 成10mm×10mm的试验片。以与上述试样1的情况相同的方式在 试验片的四角上形成由ITO膜组成的欧姆电极,以获得试样4。
对上述试样1至4,通过Van der Pauw方法进行霍尔测量。使 用Toyo Corp制作的霍尔测量系统“ResiTest 8300”执行该霍尔测 量。结果示于表1。
表1
如表1所示,从霍尔测量结果已经证明通过对In-W-O膜进一 步掺杂Zn和/或Sn获得的In-W-Zn-O膜、In-W-Sn-O膜和 In-W-Sn-Zn-O具有大大增强的霍尔迁移率。
实施例1
在表面形成有作为栅极绝缘膜的热氧化膜(SiO 2 ,300nm 厚)的硅晶片上,通过DC磁控溅射处理形成作为沟道层的30nm 厚的In-W-Zn-O膜。在该情况下,溅射条件被设定为与形成上 述试样1的In-W-Zn-O膜的情况相同,并且在不加热基板的情况 下进行溅射。
在如上获得的沟道层上,通过DC磁控溅射处理形成作为源 电极和漏电极的30nm厚ITO膜,以制作如图1所示构造的薄膜晶 体管(TFT器件)。在该情况下,溅射条件被设定为与形成上述 试样1的欧姆电极的情况相同。在形成源电极和漏电极时,使用 荫罩进行图形化以获得0.1mm的沟道长度和6.4mm的沟道宽度。
实施例2
在表面形成有作为栅极绝缘膜的热氧化膜(SiO 2 ,300nm 厚)的硅晶片上,通过DC磁控溅射处理形成作为沟道层的30nm 厚的In-W-Sn-O膜。在该情况下,溅射条件被设定为与形成上述 试样2的In-W-Sn-O膜的情况相同,并且在不加热基板的情况下 进行溅射。
在由此获得的沟道层上,通过DC磁控溅射处理形成作为源 电极和漏电极的30nm厚ITO膜,以制作如图1所示构造的薄膜晶 体管(TFT器件)。在该情况下,溅射条件被设定为与形成上述 试样2的欧姆电极的情况相同。在形成源电极和漏电极时,以与 上述实施例1相同的方式使用荫罩进行图形化,以获得0.1mm的 沟道长度和6.4mm的沟道宽度。
实施例3
在表面形成有作为栅极绝缘膜的热氧化膜(SiO 2 ,300nm 厚)的硅晶片上,通过DC磁控溅射处理形成作为沟道层的30nm 厚的In-W-Sn-Zn-O膜。在该情况下,溅射条件被设定为与形成 上述试样3的In-W-Sn-Zn-O膜的情况相同,并且在不加热基板的 情况下进行溅射。
在由此获得的沟道层上,通过DC磁控溅射处理形成作为源 电极和漏电极的30nm厚ITO膜,以制作如图1所示构造的薄膜晶 体管(TFT器件)。在该情况下,溅射条件被设定为与形成上述 试样3的欧姆电极的情况相同。在形成源电极和漏电极时,以与 上述实施例1相同的方式使用荫罩进行图形化,以获得0.1mm的 沟道长度和6.4mm的沟道宽度。
比较例1
在表面形成有作为栅极绝缘膜的热氧化膜(SiO 2 ,300nm 厚)的硅晶片上,通过DC磁控溅射处理形成作为沟道层的30nm 厚的In-W-O膜。在该情况下,溅射条件被设定为与形成上述试 样4的In-W-O膜的情况相同,并且在不加热基板的情况下进行 溅射。
在由此获得的沟道层上,通过DC磁控溅射处理形成作为源 电极和漏电极的30nm厚ITO膜,以制作如图1所示构造的薄膜晶 体管(TFT器件)。在该情况下,溅射条件被设定为与形成上述 试样4的欧姆电极的情况相同。在形成源电极和漏电极时,以与 上述实施例1相同的方式使用荫罩进行图形化,以获得0.1mm的 沟道长度和6.4mm的沟道宽度。
对上述实施例1至3和比较例1中获得的四种薄膜晶体管,使 用Agilent Technologies制作的“4155C”半导体参数分析仪评价 TFT特性。此时,漏电压为70V,并且栅电压扫过-70至+70V的 范围。从由此获得的TFT特性,计算场效应迁移率μ FE 。结果示 于表2。
表2
如表2所示,已经证明,与In-W-O膜用作沟道层的薄膜晶体 管(比较例1)相比,其中通过对In-W-O膜进一步掺杂Zn和/或 Sn获得的In-W-Zn-O膜、In-W-Sn-O膜或In-W-Sn-Zn-O膜组成沟 道层的属于本发明的第一发明的薄膜晶体管(实施例1至3)具 有大大增强的场效应迁移率。
实施例4
以与实施例1相同的方式,在硅晶片上形成作为沟道层的 30nm厚的In-W-Zn-O膜。在该例子中,成膜期间导入的氧的量 变化如下,以形成五种In-W-Zn-O膜。
成膜期间的气体流量
(1)Ar/O 2 =96/4.0sccm
(2)Ar/O 2 =95/5.0sccm
(3)Ar/O 2 =94/6.0sccm
(4)Ar/O 2 =93/7.0sccm
(5)Ar/O 2 =92/8.0sccm
在由此获得的各沟道层上,以与实施例1相同的方式形成作 为源电极和漏电极的30nm厚的ITO膜,以制作如图1所示构造的 薄膜晶体管(TFT器件)。
形成源电极和漏电极之后,薄膜晶体管在空气中以150℃热 处理30分钟,以制作五种薄膜晶体管。
比较例2
除了不进行最终热处理外,以与实施例4相同的方式制作 五种薄膜晶体管。
[实验1]
对上述实施例4和比较例2中分别获得的薄膜晶体管,使用 Agilent Technologies制造的“4155C”半导体参数分析仪评价TFT 特性。上述实施例4的薄膜晶体管的结果由图3中的图表示,而 比较例2的薄膜晶体管的结果由图4中的图表示。
上述实施例4的薄膜晶体管和上述比较例2的薄膜晶体管在 传输特性方面彼此比较。如图4所示,通过没有任何热处理的方 法制造的比较例2的薄膜晶体管的传输特性根据In-W-Zn-O膜形 成期间导入的氧的量而大大地变化。另一方面,如图3所示,利 用最终热处理制造的实施例4的薄膜晶体管的传输特性几乎不 受In-W-Zn-O膜形成期间导入的氧的量的变化的影响;由此,可 以看出TFT特性几乎不依赖于成膜期间导入的氧的量的变化。
这些结果表明,根据本发明的最终执行热处理的制造方法, 可以获得具有与半导体膜形成期间导入的氧的量无关的稳定的 TFT特性。
[实验2]
通过将In-W-Zn-O膜形成期间导入的氧的量设定为使得 Ar/O 2 =94/6.0sccm,以与实验1中相同的方式使上述实施例4和 比较例2中分别制作的薄膜晶体管进行连续的100次传输特性测 量,并且比较第1次测量、第10次测量和第100次测量时获得的 测量结果。实施例4的薄膜晶体管的结果由图5中的图表示,而 比较例2的薄膜晶体管的结果由图6中的图表示。
如图5和图6所示,通过实施例4的方法获得的薄膜晶体管的 传输特性甚至在测量重复100次时也几乎不表现出阈电压偏移 (图5)。另一方面,通过比较例2的方法获得的薄膜晶体管的传 输特性在重复测量时朝向阈电压的减号侧表现出大的偏移。
实施例5
在下面的溅射条件下,以与实施例1相同的方式在硅晶片 上形成由In-W-Zn-O膜组成的沟道层。在该情况下,作为由 In-W-Zn-O烧结体组成的靶材,使用由下面的溅射条件表明的W 含量不同的四种靶材,以形成四种In-W-Zn-O膜。
(溅射条件)
靶材:
(1)In-W-Zn-O烧结体(W=1wt%,Zn=0.5wt%,尺寸75mmφ)
(2)In-W-Zn-O烧结体(W=3wt%,Zn=0.5wt%,尺寸75mmφ)
(3)In-W-Zn-O烧结体(W=5wt%,Zn=0.5wt%,尺寸75mmφ)
(4)In-W-Zn-O烧结体(W=10wt%,Zn=0.5wt%,尺寸75mm φ)
达到的真空度:    1.0×10-3Pa
成膜期间的压强:  0.5Pa
施加的电力:      150W
溅射时间:              大约5分钟
成膜期间的气体流量:    Ar/O 2 =94/6.0sccm
在由此获得的各沟道层上,以与实施例1相同的方式形成由 ITO膜组成的源电极和漏电极,之后以与实施例1相同的方式在 空气中进行150℃热处理30分钟,以制作四种薄膜晶体管。对于 由此获得的各薄膜晶体管,以与上述实验1相同的方式进行输送 特性测量以评价TFT特性。结果由图7中的图表示。
如图7所示,已经证明TFT特性随着用作靶材的In-W-Zn-O 烧结体的W含量连续变化。可以看出,在该情况下,阈电压在 W含量增加时朝向加号侧偏移,表明半导体膜(沟道层)的载 体的量依赖于靶材的W含量。
因此,已经证明TFT特性能够通过调整形成In-W-Zn-O膜时 的靶材的W含量而被容易地控制。
实施例6
首先,在表面上形成有作为栅极绝缘膜的热氧化膜(SiO 2 ) 的硅晶片上,形成30nm厚的InWO氧化物半导体膜。在下面的 条件下通过溅射方法进行成膜。
<溅射条件>
靶材:InWO陶瓷靶材(尺寸75nmφ)
InWO陶瓷靶材的成分:In/W=95/5wt%
成膜期间的压强:0.5Pa
对靶材施加的电力:150W
所用基板:具有热氧化膜的硅晶片(300nm厚)
成膜期间导入的气体的量:Ar/O 2 =95/5sccm
成膜时间:150秒
接着,利用p型有机半导体涂布由此形成的InWO膜。在下 面的条件下通过旋转涂布进行涂布。
<旋转涂布条件>
所用的有机半导体:F8T2
溶剂:三氯甲烷
溶剂浓度:2mg/ml
旋转器转速:1000rpm
旋转时间:10秒
干燥条件:60℃×10分钟
<源电极/漏电极的制作>
另外,在由InWO氧化物半导体形成的沟道层上和如上制 备的p型有机半导体上,通过溅射方法形成具有3nm厚的Cr和 45nm厚的Au的堆叠体的源电极/漏电极。使用荫罩通过已知方 法进行图形化。除此以外,沟道长度被设定为0.1mm,沟道宽 度被设定为6.4mm。
<退火>
另外,由此获得的元件在空气中以150℃热处理1小时,以 获得具有与图2相同的构造的双极性薄膜晶体管(TFT器件)。
实施例7
在表面上形成有作为栅极绝缘膜的热氧化膜(SiO 2 )的硅 晶片上,形成30nm厚的InWO氧化物半导体膜。在下面的条件 下通过溅射方法进行成膜。
<溅射条件>
靶材:InWO陶瓷靶材(尺寸75nmφ)
InWO陶瓷靶材的成分:In/W=95/5wt%
成膜期间的压强:0.5Pa
对靶材施加的电力:150W
所用基板:具有热氧化膜的硅晶片(300nm厚)
成膜期间导入的气体的量:Ar/O 2 =95/5sccm
成膜时间:150秒
接着,通过气相沉积方法在由此获得的InWO膜上形成p型 有机半导体膜。气相沉积条件如下。
<气相沉积条件>
所用有机半导体:并五苯
达到的真空度:小于1×10-4Pa
膜厚:大约50nm
<源电极/漏电极的制作,退火>
以与实施例6相同的方式,形成源电极/漏电极,之后,进 行热处理,以获得具有与图2相同的构造的双极性薄膜晶体管 (TFT器件)。
比较例3
在表面上形成有作为栅极绝缘膜的热氧化膜(SiO 2 )的硅 晶片上,形成30nm厚的InZnO氧化物半导体膜。在下面的条件 下通过溅射方法执行成膜。
<溅射条件>
靶材:InZnO陶瓷靶材(尺寸75nmφ)
InZnO陶瓷靶材的成分:In/Zn=95/5wt%
成膜期间的压强:0.5Pa
对靶材施加的电力:150W
所用基板:具有热氧化膜的硅晶片(300nm厚)
成膜期间导入的气体的量:Ar/O 2 =95/5sccm
成膜时间:150秒
利用p型有机半导体涂布由此形成的InZnO膜。在下面的条 件下通过旋转涂布进行涂布。
<旋转涂布条件>
所用的有机半导体:F8T2
溶剂:三氯甲烷
溶剂浓度:2mg/ml
旋转器转速:1000rpm
旋转时间:10秒
干燥条件:60℃×10分钟
<源电极/漏电极的制作,退火>
以与实施例6相同的条件,形成源电极/漏电极,之后,进 行热处理,以获得双极性薄膜晶体管(TFT器件)。
比较例4
<溅射条件>
在表面上形成有作为栅极绝缘膜的热氧化膜(SiO 2 )的硅 晶片上,形成30nm厚的InZnO氧化物半导体膜。在下面的条件 下通过溅射方法执行成膜。
<溅射条件>
靶材:InZnO陶瓷靶材(尺寸75nmφ)
InZnO陶瓷靶材的成分:In/Zn=95/5wt%
成膜期间的压强:0.5Pa
对靶材施加的电力:150W
所用基板:具有热氧化膜的硅晶片(300nm厚)
成膜期间导入的气体的量:Ar/O 2 =95/5sccm
成膜时间:150秒
<气相沉积条件>
接着,通过气相沉积方法在由此形成的InZnO膜上形成p型 有机半导体膜。气相沉积条件如下。
<气相沉积条件>
所用有机半导体:并五苯
达到的真空度:小于1×10-4Pa
膜厚:大约50nm
<源电极/漏电极的制作,退火>
以与实施例6相同的方式,制作源电极/漏电极,之后,进 行热处理,以获得双极性薄膜晶体管(TFT器件)。
对如上制作的TFT器件,通过使用Agilent Technologies制造 的半导体参数分析仪4155C并且在施加+50V的漏电压的状态下 通过使栅电压扫过-200V至+50V的范围进行TFT特性评价实验。 图8示出TFT特性的评价结果。
如图8所示,TFT特性评价实验的结果表明在实施例6中, 当栅电压在-200V至-110V的范围时,蓄积在p型有机半导体中的 空穴作为载体流动,由此表现出p型操作。除此以外,当栅电压 在-90V至50V的范围时,蓄积在InWO膜构成的n型氧化物半导 体层中的电子作为载体流动,由此表现出n型操作。从-110V至 -90V的范围对应于OFF状态。因此,证明在具有n型氧化物半导 体和作为p型有机半导体的F8T2的多层膜被用于形成沟道层的 TFT器件中,通过将InWO膜形成为n型氧化物半导体能够实现n 型和p型两极操作。
此外,在实施例7中也基本上表现出相同的结果。具体地, 确认在具有n型氧化物半导体和作为p型有机半导体的并五苯的 多层膜被用于形成沟道的TFT器件中,通过将InWO膜形成为n 型氧化物半导体能够实现n型和p型两极操作。
另一方面,在比较例3和4中,没有发现任何适用的调制 (modulation)。这是因为InZnO膜通过退火被完全转变成导电 体。
实施例8
在形成实施例6中的InWO氧化物半导体膜时,通过变化掺 杂的钨的量进行成膜。
以与实施例6相同的方式,在表面上形成有作为栅极绝缘 膜的热氧化膜(SiO 2 )的硅晶片上,形成30nm厚的InWO氧化 物半导体膜。除了钨含量不同以外,以与实施例6相同的方式, 在下面的条件下通过溅射方法进行成膜。
<溅射条件>
靶材:InWO陶瓷靶材(尺寸75nmφ)
InWO陶瓷靶材的成分:In/W=97.5/2.5wt%
In/W=92.5/7.5wt%
成膜期间的压强:0.5Pa
对靶材施加的电力:150W
所用基板:具有热氧化膜的硅晶片(300nm厚)
成膜期间导入的气体的量:Ar/O 2 =95/5sccm
成膜时间:150秒
以与实施例6相同的方式,利用p型有机半导体旋转涂布由 此形成的InWO膜。另外,以与实施例6相同的方式,制作源电 极/漏电极,之后,进行热处理,以获得双极性薄膜晶体管(TFT 器件)。
对如上制作的TFT器件,通过使用Agilent Technologies制造 的半导体参数分析仪4155C并且在施加+50V的漏电压的状态下 通过使栅电压扫过-200V至+50V的范围进行TFT特性评价实验。 图9示出实施例6(△)和实施例8(□,○)中获得的TFT特性的 评价结果。
如图9所示,TFT特性评价实验的结果表明在掺杂的钨的量 被设定为较大的情况下,获得的双极性晶体管的特性较好。除 此以外,在该情况下,断开电压较接近0V,这表明器件较容易 使用。此外,断开电流较小,表明能够确保较高的开闭比 (ON/OFF ratio)。具体地,在InWO陶瓷靶材的成分被设定为使 得In/W=92.5/7.5wt%的情况下,与In/W=95/5wt%的实施例6相 比,双极性晶体管的特性较好。
比较例5
以与实施例8相同的方式,在形成实施例6的InWO氧化物 半导体膜时,通过变化掺杂的钨的量进行成膜,并且检查掺杂 的钨的量与InWO薄膜的电阻率的关系、与本发明的双极性晶体 管的特性的关系。
首先,图10示出掺杂的钨的量与InWO薄膜的电阻率的关 系。这里,掺杂的钨的量变化的InWO膜均在下面的与实施例6 中相同的溅射条件下形成于石英玻璃上。
<溅射条件>
靶材:InWO陶瓷靶材(尺寸75nmφ)
InWO陶瓷靶材的成分:In/W=100/0wt%
In/W=99.5/0.5wt%
In/W=97.5/2.5wt%
In/W=95/5wt%
In/W=92.5/7.5wt%
In/W=90/10wt%
In/W=85/15wt%
In/W=80/20wt%
In/W=75/25wt%
成膜期间的压强:0.5Pa
对靶材施加的电力:150W
成膜期间导入的气体的量:Ar/O 2 =95/5sccm
成膜时间:150秒
膜厚:30nm
由此获得的膜在空气中以150℃退火热处理,并且通过使用 Toyo Corp制造的霍尔测量系统ResiTest 8300进行电阻率测量。
结果,如图10所示,当掺杂的钨的量不小于0.5wt%并且小 于15wt%时,获得良好的类半导体(semiconductor-like)电阻 率。可以看出在掺杂的钨不少于15wt%的膜中,电阻率不小于 105Ωcm,表明绝缘特性太高,使得膜不适于作为TFT中所用的 半导体膜。还有,清楚的是,完全不包含钨的膜电导率太高。
另外,这些InWO膜均以与实施例6和8相同的方式形成于设 置有热氧化膜的硅晶片上以制作双极性晶体管。顺便提及,旋 转涂布条件、源电极/漏电极的制作以及退火与实施例6中相同。
对制作的TFT器件,通过使用Agilent Technologies制造的半 导体参数分析仪4155C并且在施加+50V的漏电压的状态下通过 使栅电压扫过-200V至+50V的范围进行TFT特性评价。
基于上面获得的结果,图11是通过在栅电压为+50V时绘制 的通过比较OFF状态的电流和ON状态的电流获得的依存于掺 杂的钨的量的开闭比的图。
如从这些结果看出的,在掺杂的钨的量不少于0.5wt%并且 少于15wt%的情况下,能够获得充分的开闭比。另一方面,当 掺杂的钨的量少于0.5wt%时,InWO变成完全的导电体,并且 TFT器件总是处于ON状态,使得开闭比为1。相反,当掺杂的 钨的量不少于15wt%时,InWO的电阻率太高,使得TFT器件总 是处于OFF状态,几乎不能获得充分的开闭比。
附图标记说明
1:基板(栅电极)
2:栅极绝缘膜
3:沟道层
3a:金属氧化物膜
3b:有机材料膜
4:源电极
5:漏电极
6:银浆