穩(wěn)定的無定形金屬氧化物半導體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及穩(wěn)定的無定形金屬氧化物半導體。本發(fā)明提供一種薄膜半導體器件，其具有含無定形半導體離子金屬氧化物和無定形絕緣共價金屬氧化物的混合物的半導體層。以與半導體層連通的方式設置一對端子，所述一對端子限定導電槽，并以與導電槽連通的方式設置柵極端子，且進一步設置該柵極端子以控制所述槽的導電。本發(fā)明還包括一種淀積混合物的方法，所述方法包括在淀積過程期間使用氮來控制在所得半導體層中的載流子濃度。
【專利說明】穩(wěn)定的無定形金屬氧化物半導體
[0001]本申請是申請日為2009年9月4日的中國專利申請第200980135164.2號的分案申請。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及用于半導體器件的溝道層(channel layer)的金屬氧化物半導體材料。
【背景技術(shù)】
[0003]在半導體工業(yè)，特別是薄膜半導體器件如薄膜晶體管(TFT)中，所述器件包括間隔的源極和漏極區(qū)，其通過設置在其間的溝道層導電。至少一個柵極絕緣層和柵電極被設置在溝道層之上和/或之下，從而控制導電。在許多應用中，將TFT用于在制造期間不能忍受高溫的情況中，因此，必須使用可以在相對低的溫度(例如室溫)下淀積但仍具有相對高遷移率的半導體。
[0004]由于金屬氧化物半導體的高載流子遷移率、透光性和低淀積溫度而對其有強烈的興趣。高載流子遷移率擴展了至需要更高頻率或更高電流的高性能領(lǐng)域的應用。透光性排除了在顯示器和傳感器有源矩陣(active matrices)中對光屏蔽的需求。低淀積溫度使得能夠應用于塑料襯底上的柔性電子設備。
[0005]金屬氧化 物半導體的獨特特征為:(I)載流子遷移率受膜粒度的影響更小，即，可以是高遷移率無定形金屬氧化物；(2)表面狀態(tài)的密度低且使得TFT能夠容易地獲得場效應，這與表面狀態(tài)必須被氫鈍化的共價半導體(例如S或a-Si)相反；以及(3)強烈取決于體載流子密度的遷移率。為了實現(xiàn)用于高性能應用的高遷移率，金屬氧化物溝道的體載流子密度應當高，并且金屬氧化物膜的厚度應當小(例如〈lOOnm，優(yōu)選<50nm)。
[0006]然而，金屬氧化物半導體的主要缺點是穩(wěn)定性和在較高加工溫度下變成多晶的趨勢。普通的金屬氧化物如氧化鋅、氧化銦鋅和銦鎵鋅氧化物不是很穩(wěn)定，且在中等加工溫度(例如大于約400°C)下成為多晶。由于一些原因，不希望在半導體器件中存在多晶半導體金屬氧化物。例如，由于晶體大小和位置的變化，即使在一批的相鄰器件之間，在多晶半導體金屬氧化物中形成的晶體管的特性也會發(fā)生變化。為了更好地理解這個問題，在亞微型柵下的導電區(qū)域中，每個不同的晶體管可以包含一個或兩個多晶硅晶粒至數(shù)個晶粒，且在導電區(qū)域中晶體數(shù)目的不同會產(chǎn)生不同的特性。不同粒子間的尺寸和物理特性也同樣不同。
[0007]金屬氧化物薄膜晶體管(TFT)的穩(wěn)定性主要取決于加工溫度。在高溫下，可以減少在塊狀半導體層(bulk semiconductor layer)中以及在柵極絕緣層和半導體層之間的界面處的阱。對于應用，諸如有源矩陣有機發(fā)光裝置(AMOLED)，需要最大的穩(wěn)定性。在加工期間，將金屬氧化物TFT放在高溫下，通常在250 V和700 V之間是有利的。同時，期望在這些加工溫度下保持金屬氧化物的無定形性質(zhì)。
[0008]因此，對在現(xiàn)有技術(shù)中的上述和其它缺陷進行補救是非常有利的。[0009]因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種新型改進的金屬氧化物半導體材料。
[0010]本發(fā)明的另一個目的是提供一種新型改進的金屬氧化物半導體材料，其具有改進的穩(wěn)定性且在較高加工溫度下變成多晶的趨勢更低。
[0011]本發(fā)明的另一個目的是提供一種新型改進的金屬氧化物半導體材料，其具有改進的穩(wěn)定性、高載流子遷移率以及氧空位和載流子密度的良好控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]簡言之，為了按照其優(yōu)選實施方案實現(xiàn)本發(fā)明的期望目的，提供了一種穩(wěn)定的無定形金屬氧化物材料以用作半導體器件中的半導體，所述材料包含無定形半導體離子金屬氧化物和無定形絕緣共價金屬氧化物的混合物。穩(wěn)定的無定形金屬氧化物材料由式XOaYOb和X-O-Y的一種表示，其中YO是無定形絕緣共價金屬氧化物，且XO是無定形半導體離子金
屬氧化物。
[0013]還在薄膜半導體器件中實現(xiàn)了本發(fā)明的期望目的，所述薄膜半導體器件具有包含無定形半導體離子金屬氧化物和無定形絕緣共價金屬氧化物的混合物的半導體層。以與半導體層連通的方式設置一對端子且所述一對端子限定導電槽，并以與導電槽連通的方式設置柵極端子(gate terminal)， 且進一步設置其以控制所述槽的導電。
[0014]本發(fā)明還包括一種淀積混合物的方法，所述方法包括在淀積過程期間使用氮來控制在所得半導體層中的載流子濃度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]根據(jù)參照附圖的優(yōu)選實施方案的下述詳細說明，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明的前述及其它更具體的目的和優(yōu)點將易于變得顯而易見，其中:
[0016]圖1是本發(fā)明具有上覆柵極(overlying gate)和底部源極/漏極(underlyingsource/drain)的TFT的簡化層狀圖；
[0017]圖2是本發(fā)明具有上覆柵極和上覆源極/漏極的TFT的簡化層狀圖；
[0018]圖3是本發(fā)明具有底部柵極和底部源極/漏極的TFT的簡化層狀圖；以及
[0019]圖4是本發(fā)明具有底部柵極和上覆源極/漏極的TFT的簡化層狀圖。
【具體實施方式】
[0020]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1，對本發(fā)明一個具體實施方案TFTlO的簡化層狀圖進行說明。TFTlO包括襯底12，其可以為柔性材料如塑料，或者任何其它方便的材料，諸如玻璃等。使用任何熟知的方法以間隔取向(spaced apart orientation)的方式在襯底12的上表面中或上(在下文中一般指“上”)形成源極13和漏極14。以與源極13和漏極14兩者以及其間的空間部分疊加(overlying)的方式形成金屬氧化物膜16。應理解,金屬氧化物膜16是在源極/漏極部件之間傳導載流子的有源層。在一個優(yōu)選實施方案中，金屬氧化物膜16的厚度小于IOOnm,優(yōu)選小于50nm。以與金屬氧化物膜16疊加的方式形成薄柵極電介質(zhì)層17,并以與源極13和漏極14之間的空間疊加的方式在柵極電介質(zhì)層17上形成柵極疊層18。因此，TFT10是頂柵極、底源極/漏極型器件。
[0021]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2，對本發(fā)明另一個實施方案TFT20的簡化層狀圖進行說明。TFT20包括襯底22，其可以為柔性材料如塑料，或者任何其它方便的材料，諸如玻璃等。在襯底22上淀積金屬氧化物膜26，并以部分疊加的方式在金屬氧化物膜26的上表面上形成源極23和漏極24，以便在上表面上形成間隔取向。以與柵極23和柵極24之間的空間中的金屬氧化物膜26以及與鄰近所述空間的柵極23和柵極24的部分疊加的方式形成薄柵極電介質(zhì)層
27。以與源極23和漏極24柵極之間的空間疊加的方式在柵極電介質(zhì)層27設置柵極疊層
28。因此，TFT20是一種頂柵極、頂源極/漏極型器件。
[0022]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，對本發(fā)明另一個具體實施方案TFT30的簡化層狀圖進行說明。TFT30包括襯底32，其可以為柔性材料如塑料，或者任何其它方便的材料，諸如玻璃等。通過任何方便且確定的方法在襯底32中形成柵極疊層38。以與柵極疊層38和襯底32的周圍區(qū)域疊加的方式形成薄柵極電介質(zhì)層37。使用任何熟知的方法以間隔取向的方式在柵極電介質(zhì)層37的上表面中或上(在下文中一般指“上”)形成源極33和漏極34。以與源極33和漏極34兩者以及其間的空間部分疊加的方式形成金屬氧化物膜36。在金屬氧化物膜36上形成任選的鈍化層。因此，TFT30是一種底柵極、底源極/漏極型器件。
[0023]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4，對本發(fā)明另一個具體實施方案TFT40的簡化層狀圖進行說明。TFT40包括襯底42，其可以為柔性材料如塑料，或者任何其它方便的材料，諸如玻璃等。通過任何方便且確定的方法在襯底42中形成柵極疊層48。以與柵極疊層48和襯底42的周圍區(qū)域疊加的方式形成薄柵極電介質(zhì)層47。以與柵極疊層48和周圍區(qū)域疊加的方式在柵極電介質(zhì)層47上形成金屬氧化物膜46。以部分疊加的方式在金屬氧化物膜46的上表面上形成源極43和漏極44，以便在與柵極疊層48疊加的上表面上限定其間的空間。在金屬氧化物膜46的曝露部分以 及源極43和漏極44的周圍部分上形成任選的鈍化層49。因此，TFT40是一種底柵極、頂源極/漏極型器件。
[0024]應理解，上述薄膜晶體管的四個例子僅示例性地說明了一些可能的實施方案。例如，上述例子的每一個都是單柵晶體管。雙柵晶體管，即在溝道之上和之下的柵極，連同實際的所有例子都是已知的。意圖是本發(fā)明適用于所有可能的或潛在的薄膜晶體管和其它薄膜器件，例如二極管等。而且，對本發(fā)明來說，應理解，在所有TFT例子中都將金屬氧化物膜定義為被“淀積到襯底上”，即使在其間插入膜。
[0025]無定形金屬氧化物半導體材料由于其高載流子遷移率而適合用于半導體器件的溝道層。對本發(fā)明來說，金屬氧化物半導體材料包括氧化鋅、氧化銦、氧化錫、氧化鎵、氧化鎘中的至少一種或其組合。然而，金屬氧化物半導體是相對不穩(wěn)定的并且在較高溫度下具有變?yōu)槎嗑У内厔?。多晶半導體金屬氧化物由于在結(jié)構(gòu)中具有包括相對大的粒度的許多缺陷，所以在半導體器件中是不期望的。
[0026]在本領(lǐng)域已知的是，目前標準的薄膜晶體管的溝道長度為小于約5微米。對本發(fā)明來說，將“無定形”定義為如下材料，其沿溝道長度的粒度遠小于目前標準的薄膜晶體管的溝道長度,例如約100納米以下。
[0027]一些無定形金屬氧化物，諸如氧化鋁、氧化硼、氧化硅、氧化鎂、氧化鈹及其組合是非常穩(wěn)定的而且不易變成多晶。然而，這些金屬氧化物不是良好的半導體，并且在其正常狀態(tài)下不能被用于半導體器件中。
[0028]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過將一些無定形絕緣金屬氧化物與無定形金屬氧化物半導體材料混合可以大大改善無定形金屬氧化物半導體材料的穩(wěn)定性。然而，因為無定形絕緣金屬氧化物實際上是不導電的，所以必須提供無定形金屬氧化物半導體材料通過所得混合物的連續(xù)網(wǎng)絡。因此，載流子流(carrier flow)不會被與無定形金屬氧化物半導體材料混合的無定形絕緣金屬氧化物中斷且復合氧化物的遷移率能夠是高的。因此，通過穩(wěn)定氧化物成分提高了復合氧化物的穩(wěn)定性，且遷移率仍然是高的。而且，應理解，在復合混合物中可以包含具有不同化合價或其它特性的幾種不同類型的無定形絕緣金屬氧化物，從而獲得不同的效果，至少要有提高穩(wěn)定性的結(jié)果。
[0029]可用于復合混合物的一些典型的無定形絕緣金屬氧化物包括A10、SiO, MgO, BeO,BO等及其組合。通常,所述無定形絕緣金屬氧化物本質(zhì)上(in nature)是更加共價的，同時具有大于約6eV的相對高的能隙即Eg。為了便于理解，可以通常將所述無定形絕緣金屬氧化物當作“共價金屬氧化物”。
[0030]通常，無定形金屬氧化物半導體材料本質(zhì)上是更加或?qū)嶋H上離子的，同時具有相對低的能隙，即Eg小于約4eV。為了便于理解，可以通常將所述無定形半導體金屬氧化物稱作“離子金屬氧化物”。
[0031]可以將不同化合價的金屬，即周期表中不同族的金屬及其混合物用于提高復合混合物中的穩(wěn)定性或期望的半導體特性。應理解，一些共價金屬氧化物會增加更多的穩(wěn)定性，因為其不結(jié)晶的趨勢更大(例如更高的能隙)。另外，添加至復合混合物中的穩(wěn)定或共價金屬氧化物的量由保持無定形金屬氧化物半導體材料的連續(xù)網(wǎng)絡的必要性來確定。
[0032]在本發(fā)明的復合混合物中，無定形金屬氧化物半導體材料由XO表示且無定形絕緣金屬氧化物由YO表示。因此，可以將復合混合物的化學式描述為XOaYOb,其中“a”為復合混合物中無定形金屬氧化 物半導體材料(離子金屬氧化物)的量且“b”為復合混合物中無定形絕緣金屬氧化物材料(共價金屬氧化物)的量。應理解，“a”和“b”是非零的(大于零)并且滿足復合混合物包含無定形金屬氧化物半導體材料的連續(xù)網(wǎng)絡的要求，“a”通常大于“b”。優(yōu)選地，“b”大于全部材料的約5%。另外，無定形半導體離子金屬氧化物的量優(yōu)選大于混合物的約17%。
[0033]復合混合物中的無定形半導體離子金屬(X)和無定形絕緣共價金屬(Y)在一些情況下可以與氧形成原子鍵，在本文中以X-O-Y表示。在這種情況下應理解，式X-O-Y簡單地代替了式X0aY0b。而且，應理解，在任意情況下在穩(wěn)定的無定形金屬氧化物材料中都包含無定形半導體離子金屬氧化物和無定形絕緣共價金屬氧化物的混合物。
[0034]從將穩(wěn)定金屬氧化物與無定形金屬氧化物半導體材料混合而產(chǎn)生的另一個問題是穩(wěn)定的金屬氧化物趨于減少氧空位。如果在常規(guī)程序中的淀積期間使用氧(例如小于5% )，則可以大量減少氧空位且復合材料的電導率(遷移率)會變得太低。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過在淀積期間使用氧，將載流子降低至小于IO18載流子/cm3。因此，在復合混合物中使用氧來控制載流子濃度，盡管是可以的，但是是非常困難和敏感的。
[0035]已發(fā)現(xiàn)可以使用氮(N2)來降低載流子濃度，從而代替使用氧來在淀積期間控制載流子濃度。在淀積期間N2的存在可以降低載流子濃度，但由于與氧相比，氮的反應性較低，因此不會像氧那樣強烈。因此，氮的使用敏感度更低且更易于得到期望的結(jié)果。
[0036]因此，本發(fā)明公開了一種新型改進的金屬氧化物半導體材料，其具有改進的穩(wěn)定性且在較高溫度下變成多晶的趨勢更低。另外，所述新型改進的金屬氧化物半導體材料具有高載流子遷移率和良好的氧空位控制性。[0037]本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以容易地對本文中為了示例性說明而選擇的實施方案進行各種變化和修改。只要這種修改和變化沒有背離本發(fā)明的精神，都旨在將其包含在僅由權(quán)利要求書的合理解釋所確定的范圍內(nèi)。
[0038]已經(jīng)以這樣清楚和簡明的措辭對本發(fā)明進行了充分說明，使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解并實踐本發(fā)明，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種底柵極、頂源極/漏極結(jié)構(gòu)的薄膜半導體器件，包含: 襯底； 設置在所述襯底上的柵極； 與所述柵極和所述襯底的周圍區(qū)域呈疊加方式的柵極電介質(zhì)層； 以與所述柵極疊加的方式設置在所述柵極電介質(zhì)層上的金屬氧化物層； 以其間具有空間的方式設置在所述金屬氧化物層的上表面上的源極和漏極，所述空間與所述柵極呈疊加方式； 在所述源極和所述漏極以及其間空間中的所述金屬氧化物上至少部分設置的鈍化層；以及 所述金屬氧化物層包含能隙小于4eV的無定形半導體離子金屬氧化物和能隙大于6eV的無定形絕緣共價金屬/非金屬氧化物的混合物，所述無定形半導體離子金屬氧化物的量大于混合物的17%且所述無定形絕緣共價金屬/非金屬氧化物的量大于混合物的5%，并且所述無定形絕緣共價金屬/非金屬氧化物的量足以防止所述無定形半導體離子金屬氧化物在加工溫度下變成多晶且粒度足夠小以提供所述無定形半導體離子金屬氧化物的連續(xù)網(wǎng)絡。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導體器件，其中所述襯底由玻璃或塑料膜制成。
3.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導體器件，其中所述襯底為剛性或柔性的。
4.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導體器件，其中所述金屬氧化物層具有小于IOOnm的厚度。
5.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導體器件，其中所述金屬氧化物層具有小于50nm的厚度。
6.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導體器件，其中所述金屬氧化物層中的粒度基本小于IOOnm0
7.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導體器件，其中在所述金屬氧化物層中，無定形半導體離子金屬氧化物成分的量遠大于無定形絕緣共價金屬氧化物層的氧化物成分的量。
8.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導體器件，其中在所述金屬氧化物層中，無定形絕緣共價金屬/非金屬氧化物的量足以防止所述無定形半導體離子金屬氧化物在約250°C至約700 0C的范圍內(nèi)的加工溫度下變成多晶。
9.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導體器件，其中在所述金屬氧化物層中，所述無定形半導體離子金屬氧化物成分包含氧化鋅、氧化銦、氧化錫、氧化鎵、氧化鎘中的一種及其組合。
10.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導體器件，其中在所述金屬氧化物層中，所述無定形絕緣共價金屬/非金屬氧化物成分包含氧化鋁、氧化鎂、氧化鈹中的一種及其組合。
11.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導體器件，其中在所述金屬氧化物層中，所述無定形絕緣共價金屬/非金屬氧化物成分包含氧化硅、氧化硼中的一種及其組合。
12.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導體器件，其中在所述金屬氧化物層中，所述膜包含由式XOaYOb和X-O-Y的一種表示的金屬氧化物混合物，其中Y是無定形絕緣共價金屬/非金屬氧化物YO中的金屬/非金屬，X是無定形半導體離子金屬氧化物XO中的金屬，且‘a(chǎn)’為復合混合物中無定形半導體離子金屬氧化物的量，‘b’為復合混合物中無定形絕緣共價金屬/非金屬氧化物的量，且X-O-Y表示氧原子與金屬X離子鍵合且與金屬/非金屬Y共價鍵合。
13.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導體器件，其中所述器件被組裝到有源矩陣顯示器中。
14.如權(quán)利要求13所述的薄膜半導體器件，其中所述有源矩陣顯示器是有源矩陣有機發(fā)光裝置(AMOLED)。
15.一種形成底柵極、頂源極/漏極結(jié)構(gòu)的薄膜半導體器件的方法，包括如下步驟: 提供支持襯底； 在所述支持襯底上形成柵極； 以與所述柵極和所述支持襯底的周圍區(qū)域疊加的方式淀積柵極電介質(zhì)層； 以與所述柵極疊加的方式在所述柵極電介質(zhì)層之上淀積金屬氧化物層； 以其間具有空間的方式在所述金屬氧化物膜的上表面上形成源極和漏極，所述空間與所述柵極呈疊加方式； 在所述源極、所述漏極以及所述源極和所述漏極之間的空間中的所述金屬氧化物上至少部分地形成鈍化層；以及 所述金屬氧化物層包含能隙小于4eV的無定形半導體離子金屬氧化物和能隙大于6eV的無定形絕緣共價金屬/非金屬氧化物的混合物，所述無定形半導體離子金屬氧化物的量大于混合物的17%且所述無定形絕緣共價金屬/非金屬氧化物的量大于混合物的5%，并且所述無定形絕緣共價金屬/非金屬氧化物的量足以防止所述無定形半導體離子金屬氧化物在加工溫度下變成多晶且粒度足夠小以提供所述無定形半導體離子金屬氧化物的連續(xù)網(wǎng)絡。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述淀積金屬氧化物層的步驟包括在淀積期間使用氮氣來控制所述金屬氧化物層的載流子濃度。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述淀積金屬氧化物層的步驟包括淀積無定形半導體粒子金屬氧化物，其包含氧化鋅、氧化銦、氧化錫、氧化鎵、氧化鎘中的一種及其組合。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述淀積金屬氧化物層的步驟包括淀積無定形絕緣共價金屬/非金屬氧化物成分，其包含氧化鋁、氧化鎂、氧化鈹中的一種及其組合。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述淀積金屬氧化物層的步驟包括淀積無定形絕緣共價金屬/非金屬氧化物成分，其包含氧化硅、氧化硼中的一種及其組合。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述支持襯底為剛性或柔性的。
21.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述支持襯底由玻璃或塑料膜制成。
【文檔編號】H01L21/02GK104022155SQ201410171285
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2009年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2008年9月8日
【發(fā)明者】謝泉隆, 俞鋼 申請人:希百特股份有限公司