專利名稱：無定形氧化物和場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無定形氧化物。本發(fā)明還涉及使用無定形氧化物的場效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
近年來，作為液晶技術(shù)、場致發(fā)光(EL)和相關(guān)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，平板顯示器(FPD)得以商業(yè)化。FPD通過包括場效應(yīng)薄膜晶體管(TFT)的有源矩陣電路驅(qū)動(dòng)，該薄膜晶體管采用無定形硅薄膜或多晶硅薄膜作為形成在玻璃襯底上的有源層(active layer)。
為了得到FPD更小的厚度、更輕的重量和更大的沖擊強(qiáng)度，研究了用輕質(zhì)且柔性的樹脂襯底來代替玻璃襯底。但是，因?yàn)樵谠摴に囍泄璞∧ぞw管的制造需要比較高的溫度，所以采用硅薄膜的晶體管不能直接形成在耐熱性能較差的樹脂襯底上。
因此，對于TFT，研究了使用能夠在較低溫度下形成膜的氧化物半導(dǎo)體薄膜如ZnO薄膜(日本專利申請公開No.2003-298062)。
但是，使用傳統(tǒng)氧化物半導(dǎo)體薄膜的TFT還不能提供與使用硅的TFT相同級別的性能。
本發(fā)明涉及一種無定形氧化物，還涉及使用該無定形氧化物的場效應(yīng)晶體管。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于諸如薄膜晶體管(TFT)的半導(dǎo)體器件中的有源層并用作合適的半導(dǎo)體的無定形氧化物，還涉及一種場效應(yīng)晶體管。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種包括微晶體并且電子載流子濃度低于1018/cm3的無定形氧化物。
該無定形氧化物優(yōu)選包含從In、Zn和Sn中選擇的至少一種元素。
可替換地，所述無定形氧化物優(yōu)選是從含有In、Zn和Sn的氧化物；含有In和Zn的氧化物；含有In和Sn的氧化物；以及含有In的氧化物中任選的一種。
可替換地，所述無定形氧化物優(yōu)選包含In、Ga和Zn。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種無定形氧化物，其中電子遷移率隨著電子載流子濃度的增加而增大。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種場效應(yīng)晶體管，其包括由含有微晶體的無定形氧化物形成的有源層和形成為通過柵極絕緣體面向該有源層的柵電極。
該晶體管優(yōu)選是常斷類型的晶體管。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種成分在層厚度方向上變化并且電子載流子濃度低于1018/cm3的無定形氧化物。
該無定形氧化物優(yōu)選包含從In、Zn和Sn中選擇的至少一種元素。
可替換地，該無定形氧化物優(yōu)選是從含有In、Zn和Sn的氧化物；含有In和Zn的氧化物；含有In和Sn的氧化物；以及含有In的氧化物中任選的一種。
可替換地，所述無定形氧化物優(yōu)選包含In、Ga和Zn。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種場效應(yīng)晶體管，包括成分在層厚度方向上變化的無定形氧化物有源層，以及形成為通過柵極絕緣體面向該有源層的柵電極，其中所述有源層包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，第二區(qū)域比第一區(qū)域更靠近柵極絕緣體，并且第一區(qū)域的氧濃度高于第二區(qū)域的氧濃度。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種場效應(yīng)晶體管，包括具有從In和Zn中選擇的至少一種元素的無定形氧化物有源層，以及形成為通過柵極絕緣體面向該有源層的柵電極，其中所述有源層包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，第二區(qū)域比第一區(qū)域更靠近柵極絕緣體，并且第二區(qū)域的In濃度高于第一區(qū)域的In濃度，或者第二區(qū)域的Zn濃度高于第一區(qū)域的Zn濃度。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種成分在層厚度方向上變化的無定形氧化物，其中電子遷移率隨著電子載流子濃度的增加而增大。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種場效應(yīng)晶體管，包括具有從In和Zn中選擇的至少一種元素的無定形氧化物有源層，以及形成為通過柵極絕緣體面向該有源層的柵電極，其中所述有源層包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，第二區(qū)域比第一區(qū)域更靠近柵極絕緣體，并且第二區(qū)域的In濃度高于第一區(qū)域的In濃度，或者第二區(qū)域的Zn濃度高于第一區(qū)域的Zn濃度。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種包含從Li、Na、Mn、Ni、Pd、Cu、Cd、C、N、P、Ti、Zr、V、Ru、Ge、Sn和F中選擇的一種元素或多種元素并且電子載流子濃度低于1018/cm3的無定形氧化物。
該無定形氧化物優(yōu)選包含從In、Zn和Sn中選擇的至少一種元素。
可替換地，所述無定形氧化物優(yōu)選是從含有In、Zn和Sn的氧化物；含有In和Zn的氧化物；含有In和Sn的氧化物；以及含有In的氧化物中任選的一種。
可替換地，所述無定形氧化物優(yōu)選包含In、Ga和Zn。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種包含從Li、Na、Mn、Ni、Pd、Cu、Cd、C、N、P、Ti、Zr、V、Ru、Ge、Sn和F中選擇的至少一種元素的無定形氧化物，其中電子遷移率隨著電子載流子濃度的增加而增大。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種場效應(yīng)晶體管，包括包含從Li、Na、Mn、Ni、Pd、Cu、Cd、C、N、P、Ti、Zr、V、Ru、Ge、Sn和F中選擇的至少一種元素的無定形氧化物有源層；以及形成為通過柵極絕緣體面向該有源層的柵電極。
此外，在本發(fā)明中，無定形氧化物優(yōu)選從含有In、Zn和Sn的氧化物；含有In和Zn的氧化物；含有In和Sn的氧化物；以及含有In的氧化物中選擇。
作為本發(fā)明的發(fā)明人對該氧化物半導(dǎo)體的調(diào)查的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)上述ZnO以多晶體相的狀態(tài)形成，導(dǎo)致載流子在多晶體晶格之間的界面上散射從而降低了電子遷移率。此外，還發(fā)現(xiàn)ZnO容易在其中導(dǎo)致氧缺位(oxygen defect)，從而產(chǎn)生大量的載流子電子，這使得難以降低電導(dǎo)率。由此，即使沒有向晶體管施加?xùn)烹妷?，也?huì)在源極端子和漏極端子之間產(chǎn)生很大的電流，從而使得不可能實(shí)現(xiàn)TFT的常斷狀態(tài)和更大的晶體管開-關(guān)比(on-off ratio)。
本發(fā)明的發(fā)明人考察了在日本專利申請公開No.2000-044236中提到的無定形氧化物膜ZnxMyInzO(x+3y/2+3z/2)(MAl和Ga中的至少一種元素)。該材料包含濃度不低于1×1018/cm3的電子載流子，并適合用作簡單的透明電極。但是，在TFT溝道層中使用的包含濃度不低于1×1018/cm3的電子載流子的氧化物不能給出足夠的開-關(guān)比，且不適合于常斷的TFT。因此，傳統(tǒng)的無定形氧化物膜無法提供載流子濃度低于1×1018/cm3的膜。
本發(fā)明的發(fā)明人利用載流子濃度低于1×1018/cm3的無定形氧化物作為場效應(yīng)晶體管的有源層來制備TFT。發(fā)現(xiàn)該TFT具有期望的特性，并可用于諸如發(fā)光裝置的圖像顯示裝置。
此外，本發(fā)明的發(fā)明人考察了材料InGaO3(ZnO)m和該材料的膜形成條件，發(fā)現(xiàn)通過控制膜形成時(shí)的氧氣氣氛條件可以將該材料的載流子濃度可以控制為低于1×1018/cm3。
上述說明針對使用該無定形氧化物作為TFT的用作例如溝道層的有源層的情況。但是本發(fā)明不限于使用這種有源層的情況。
在上面的描述中，主要提及用無定形氧化物作為TFT的用作溝道的有源層。但是本發(fā)明不限于這種情況。
按照本發(fā)明，提供了一種適用于晶體管如TFT的溝道層的無定形氧化物。本發(fā)明還提供一種具有優(yōu)異特性的場效應(yīng)晶體管。


圖1是示出通過脈沖激光沉積方法形成的基于In-Ga-Zn-O的無定形膜的電子載流子濃度與膜形成期間的氧分壓之間的關(guān)系的圖；圖2是示出使用氬氣通過濺射方法形成的基于In-Ga-Zn-O的無定形膜的電導(dǎo)率與膜形成期間的氧分壓之間的關(guān)系的圖；圖3是示出通過脈沖激光沉積方法形成的基于In-Ga-Zn-O的無定形膜的電子載流子數(shù)量與電子遷移率之間的關(guān)系的圖；圖4A、4B和4C分別示出通過脈沖激光沉積方法在氧分壓為0.8Pa的氧氣氣氛中形成的具有InGaO3(Zn1-xMgxO)成分的膜的電導(dǎo)率、載流子濃度和電子遷移率相對于x值的變化；圖5是示出頂部柵極型金屬絕緣體半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MISFET)的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6是示出頂部柵極型MISFET器件的電流-電壓特性的圖；圖7是采用脈沖激光沉積方法的膜成型裝置的示意圖；圖8是采用濺射方法的膜成型裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面，分別按照第一至第三實(shí)施例說明第一至第三發(fā)明。然后，說明可用于本發(fā)明的無定形氧化物材料。在下面的實(shí)施例中，主要說明基于In-Ga-Zn-O的氧化物；但是，本發(fā)明不限于這些材料。
<第一實(shí)施例具有微晶體的無定形氧化物>
按照第一實(shí)施例的本發(fā)明涉及無定形氧化物，其特征在于該無定形氧化物包含微晶體。微晶體是否包含在無定形氧化物中是通過對所形成的無定形氧化物膜的片段拍攝TEM(透射電子顯微鏡)照片來確定的。按照本發(fā)明的無定形氧化物膜包括In-Ga-Zn-O，該無定形氧化物膜的晶體狀態(tài)的成分由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然數(shù))表示。
本說明書中的術(shù)語“無定形氧化物”代表的氧化物具有小于1018/cm3的電子載流子濃度，或展示出電子遷移率隨著電子載流子濃度增加而增大的趨勢，等等。盡管取決于TFT的使用類型，優(yōu)選使用無定形TFT來制造常斷類型的TFT。
可替換地，按照本發(fā)明的無定形氧化物膜包括In-Ga-Zn-Mg-O，該無定形氧化物膜的晶體狀態(tài)的成分由InGaO3(Zn1-xMgxO)m(m是小于6的自然數(shù)，0＜x≤1)表示。優(yōu)選這些無定形氧化物膜具有超過1cm2/V.sec的電子遷移率。
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)使用上述膜作為溝道層使得可以形成具有以下晶體管特性的柔性TFT當(dāng)TFT斷開(常斷)并且開/關(guān)比超過1×103時(shí)，柵電流小于0.1微安，并能被可見光穿過。
這種透明膜的特征在于電子遷移率隨著導(dǎo)電電子數(shù)量的增加而增大。作為用于形成該透明膜的襯底，可以使用玻璃襯底、塑料襯底和塑料膜。
當(dāng)用透明氧化物膜作為晶體管的溝道層時(shí)，優(yōu)選采用從Al2O3、Y2O3和HfO2組成的組中選擇的一種化合物或者包含從Al2O3、Y2O3和HfO2組成的組中選擇的至少兩種化合物的混晶化合物作為柵極絕緣體。
優(yōu)選該膜(透明氧化物膜)在含有氧的氣氛中在光照條件下形成，而不添加雜質(zhì)離子來特意增強(qiáng)電阻。
<膜成分>
在具有由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然數(shù))表示的晶體狀態(tài)的成分的透明無定形氧化物薄膜中，如果m值小于6，則可以穩(wěn)定地保持無定形狀態(tài)直到高達(dá)800℃或更高的溫度。但是，隨著m值增加，換句話說是ZnO與InGaO3之比增加(即膜的成分更接近于ZnO)，膜變得很容易結(jié)晶。
因此，優(yōu)選當(dāng)用無定形膜作為無定形TFT的溝道層時(shí)，m值小于6。但是，發(fā)現(xiàn)當(dāng)在光照條件下形成膜時(shí)，即使m值很小也可以形成微晶體。
可以用具有InGaO3(ZnO)m成分的多晶燒結(jié)體作為靶，通過氣相膜形成方法來形成該膜。在氣相膜形成方法中，濺射方法和脈沖激光沉積方法是合適的。此外，從大規(guī)模生產(chǎn)的觀點(diǎn)來看濺射方法更為優(yōu)選。
但是，這種無定形膜在一般條件下形成，主要出現(xiàn)氧缺位。因此，電子載流子濃度還沒有減小到小于1×1018/cm3，換句話說，就電導(dǎo)率而言是10S/cm或更低。在使用這種傳統(tǒng)薄膜時(shí)，不能形成常斷的晶體管。但是，當(dāng)通過脈沖激光沉積方法使用圖7所示裝置在具有超過3.2Pa的高氧分壓的氣氛中形成具有In-Ga-Zn-O成分和由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然數(shù))表示的晶體狀態(tài)成分的透明無定形氧化物膜時(shí)，電子載流子濃度可以降低至小于1×1018/cm3。在這種情況下，襯底不被特意加熱，并因此大致維持在室溫下。當(dāng)采用塑料膜作為襯底時(shí)，該塑料膜的溫度優(yōu)選維持在低于100℃。
按照本實(shí)施例，無定形氧化物包括In-Ga-Zn-O并通過脈沖激光沉積方法在光照下形成。更具體的說，本發(fā)明針對包含由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然數(shù))的晶體狀態(tài)成分表示的微晶體的透明無定形氧化物膜?？梢岳眠@種薄膜來形成常斷的晶體管。
在這種薄膜中，可以獲得超過1cm2/V.sec的電子遷移率和超過1×103的大開/關(guān)比。
此外，本發(fā)明針對包括In-Ga-Zn-O并通過濺射方法利用氬氣在光照下形成的無定形氧化物。更具體地說，本發(fā)明針對包含由晶體狀態(tài)成分InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然數(shù))表示的微晶體的透明無定形氧化物薄膜。這種膜可以利用圖8所示裝置在具有超過1×10-2Pa的高氧分壓的氣氛中通過濺射方法獲得。在這種情況下，襯底的溫度沒有特意升高，由此大致維持在室溫下。當(dāng)使用塑料膜作為襯底時(shí)，襯底溫度優(yōu)選維持在低于100℃。電子載流子的數(shù)量可以通過進(jìn)一步增加氧分壓來減少。
更具體地說，本發(fā)明針對在光照下通過濺射沉積方法制備的包括In-Ga-Zn-O的無定形氧化物。按照本發(fā)明，可以利用包含由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然數(shù))的晶體狀態(tài)成分表示的微晶體的透明無定形氧化物薄膜形成具有超過1×103的開/關(guān)比的常斷晶體管。
在通過脈沖激光沉積方法和濺射方法在光照下制備的薄膜中，電子遷移率隨著導(dǎo)電電子數(shù)量的增加而增大。
在這種情況下，如果用多晶體InGaO3(Zn1-xMgxO)m(m是小于6的自然數(shù)，0＜x≤1)作為靶，即使在低于1Pa的氧分壓下也可以獲得具有InGaO3(Zn1-xMgxO)m成分的高電阻無定形膜。
如上所述，通過控制氧分壓可以克服氧缺位。結(jié)果是可以在不添加預(yù)定雜質(zhì)離子的情況下降低電子載流子濃度。按照本發(fā)明的無定形氧化物可以通過在光照下按照圖1至圖5任一個(gè)所示形成薄膜來獲得。當(dāng)使用按照圖7和圖8的裝置時(shí)，可以在例如下述預(yù)定范圍的氧分壓下形成膜。在包含微晶體的無定形狀態(tài)下，微晶體的晶界界面被無定形結(jié)構(gòu)覆蓋(包圍)。因此，能夠俘獲移動(dòng)電子和空穴的晶界界面實(shí)際上不存在，這與如氧化鋅的多晶體狀態(tài)不同。結(jié)果是可以獲得具有高電子遷移率的無定形薄膜。此外，導(dǎo)電電子的數(shù)量可以在不添加預(yù)定雜質(zhì)離子的情況下減少。由于電子沒有被雜質(zhì)離子散射，所以可以維持高電子遷移率。按照本發(fā)明的微晶體不限于具有由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然數(shù))表示的成分的微晶體。
在采用上述透明膜的薄膜晶體管中，柵極絕緣體優(yōu)選由包含從Al2O3、Y2O3和HfO2組成的組中選擇的至少兩種化合物的混晶化合物形成。當(dāng)在柵極絕緣薄膜和溝道層薄膜之間的界面中存在缺陷(不足)時(shí)，電子遷移率減小，并且發(fā)生作為晶體管特性的滯后現(xiàn)象。此外，如果柵極絕緣體的類型不同，則泄漏電流變化很大。因此，需要選擇合適的柵極絕緣體來作為溝道層。如果采用Al2O3膜(作為柵極絕緣體)，則可以減少泄漏電流。如果使用Y2O3膜，則可以減小滯后現(xiàn)象。如果使用具有高介電常數(shù)的HfO2膜，則可以增加電子遷移率。此外，如果使用這些化合物的混晶(作為柵極絕緣體)，則可以形成泄漏電流和滯后現(xiàn)象很小但電子遷移率很大的TFT。由于柵極絕緣體形成過程和溝道層形成過程可以在室溫下執(zhí)行，因此不僅可以形成交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的TFT，還可以形成反交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的TFT。
TFT是具有三個(gè)端子即柵極端子、源極端子和漏極端子的器件。在TFT中，用形成在諸如陶瓷、玻璃或塑料襯底的絕緣襯底上的半導(dǎo)體薄膜作為通過其遷移電子和空穴的溝道層。通過對柵極端子施加電壓來控制流過溝道層的電流，由此切換源極端子和漏極端子之間的電流。由于TFT具有這樣的切換功能，因此TFT是有源器件。注意包含在無定形氧化物中的微晶體可以通過上述光照射(具體地說通過鹵素?zé)艋騏V光進(jìn)行的光照射)形成，也可以通過除光照之外的其它方法來形成。
<第二實(shí)施例無定形氧化物的成分分布>
按照該實(shí)施例，無定形氧化物的特征在于在膜厚度方向上變化的成分。
短語“在膜厚度方向上變化的成分”意思是包含在氧化物中的氧量在膜厚度方向上變化，構(gòu)成氧化物的元素在中間改變(也就是成分變化)，以及構(gòu)成氧化物的元素的含量變化。
因此，當(dāng)用無定形氧化物作為場效應(yīng)晶體管的有源層(也稱為溝道層)時(shí)，例如下面的構(gòu)造是優(yōu)選的。在具有包含在界面上相互接觸的無定形氧化物和柵極絕緣體的有源層的晶體管中，無定形氧化物層構(gòu)成為使得靠近界面處的氧濃度高于遠(yuǎn)離界面的區(qū)域中的氧濃度。在這種情況下，由于靠近界面的無定形氧化物層的電阻很高，因此所謂的晶體管溝道形成在遠(yuǎn)離界面的無定形氧化物層內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)在界面是粗糙表面時(shí)很有利，因?yàn)榭梢詼p小電流泄漏。
也就是說，在使用上述無定形氧化物作為晶體管的有源層的情況下，優(yōu)選將有源層設(shè)計(jì)為包括第一區(qū)域和比第一區(qū)域更靠近柵極絕緣體的第二區(qū)域，第二區(qū)域中的氧濃度大于在第一區(qū)域中的氧濃度。順便提一句，這兩個(gè)區(qū)域不必在其邊界上可區(qū)分，但是可以逐漸地或逐步地改變其各自的成分。
尤其是，無定形氧化物的電子載流子濃度優(yōu)選低于1018/cm3。
形成在襯底上的膜的方向表示不是在襯底平面中的方向上的任意方向，例如垂直于襯底平面中的方向的方向。此外，在具有由包含從In和Zn中選擇的至少一種元素的無定形氧化物形成的有源層和在界面處與該有緣層接觸的柵極絕緣體的晶體管中，包含在無定形氧化物層(有源層)靠近界面的區(qū)域中的In或Zn的濃度高于在遠(yuǎn)離界面的區(qū)域中的濃度。在這種情況下，可以提高電子場效應(yīng)遷移率。
也就是說，在使用上述無定形氧化物作為晶體管的有源層的情況下，優(yōu)選將有源層設(shè)計(jì)為包括第一區(qū)域和比第一區(qū)域更靠近柵極絕緣體的第二區(qū)域，第二區(qū)域中的In或Zn濃度大于在第一區(qū)域中的氧濃度。
根據(jù)第二發(fā)明，氧化物膜包括In-Ga-Zn-O，其成分在膜厚度方向上變化，而且其特征在于晶體狀態(tài)部分的成分由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然數(shù))表示而且電子載流子濃度低于1×1018/cm3。
可替換地，按照第二發(fā)明的氧化物膜是包括In-Ga-Zn-Mg-O的透明無定形氧化物膜，而且該氧化物膜的特征在于該成分在膜厚度方向上變化，而且晶體狀態(tài)部分的成分由InGaO3(Zn1-xMgxO)m(m是小于6的自然數(shù)，0＜x≤1)表示，電子載流子濃度低于1×1018/cm3。注意，這些膜具有超過1cm2/V.sec的電子遷移率也是優(yōu)選的。
當(dāng)用上述膜作為溝道層時(shí)，可以獲得具有如下晶體管特征的柔性TFT當(dāng)TFT斷開(常斷)時(shí)柵電流低于0.1微安，開/關(guān)比超過1×104，而且可以被可見光透過。
注意，這種透明膜的特征在于電子遷移率隨著導(dǎo)電電子數(shù)量的增加而增大。作為用于形成透明膜的襯底，可以使用玻璃襯底、塑料襯底和塑料膜。
當(dāng)用透明的氧化物膜作為晶體管的溝道層時(shí)，優(yōu)選采用從Al2O3、Y2O3和HfO2組成的組中選擇的一種化合物或者包含從Al2O3、Y2O3和HfO2組成的組中選擇的至少兩種化合物的混晶化合物作為柵極絕緣體。
優(yōu)選該膜(透明氧化物膜)在含有氧的氣氛中形成，而不添加雜質(zhì)離子來特意增強(qiáng)電阻。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了半絕緣無定形氧化物薄膜的特殊特征。也就是說，電子遷移率隨著導(dǎo)電電子數(shù)量的增加而增大。他們利用該膜形成TFT，并發(fā)現(xiàn)晶體管的特征如開/關(guān)比、夾斷狀態(tài)下的飽和電流以及開關(guān)速度都進(jìn)一步增大。
在利用透明半絕緣無定形氧化物薄膜作為溝道層而形成的膜晶體管中，當(dāng)電子遷移率大于1cm2/V.sec、優(yōu)選大于5cm2/V.sec，而且電子載流子濃度低于1×1018/cm3、優(yōu)選低于1×1016/cm3時(shí)，在斷開時(shí)間內(nèi)(沒有施加?xùn)烹妷?漏極和源極端子之間的電流可以減小到小于10微安，優(yōu)選小于0.1微安。此外，在這種情況(利用上述薄膜)下，當(dāng)電子遷移率大于1cm2/V.sec、優(yōu)選大于5cm2/V.sec時(shí)，夾斷之后的飽和電流可以增加到超過10微安。簡而言之，開/關(guān)比可以增加到大于1×104。
在TFT中，在夾斷狀態(tài)下向柵極端子施加高電壓，結(jié)果是在溝道中存在高濃度的電子。因此，根據(jù)本發(fā)明，飽和電流可以增加對應(yīng)于電子遷移率增加的程度。結(jié)果是晶體管的幾乎所有特征如開/關(guān)比、飽和電流和開關(guān)速率都增大并且得到了改善。注意，在一般的化合物中，當(dāng)電子數(shù)量增加時(shí)，電子之間發(fā)生碰撞，結(jié)果是電子遷移率降低。
按照本發(fā)明的無定形氧化物可以在柵極絕緣體和柵極端子按照這種順序依次形成在半導(dǎo)體溝道層上的交錯(cuò)(頂部柵極)結(jié)構(gòu)TFT和柵極絕緣體和半導(dǎo)體溝道層按照這種順序依次形成在柵極端子上的反交錯(cuò)(底部柵極)結(jié)構(gòu)TFT中使用。
<膜成分>
在晶體部分具有由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然數(shù))表示的成分的透明無定形氧化物薄膜中，如果m值小于6，則無定形狀態(tài)可以穩(wěn)定地保持在高達(dá)800℃或更高的溫度。但是，隨著m值增加，換句話說，ZnO與InGaO3之比增加(也就是說膜的成分更接近于ZnO)，膜變得更容易結(jié)晶。
為此，優(yōu)選當(dāng)用無定形膜作為無定形TFT的溝道層時(shí)，m值小于6。
采用上述透明膜的薄膜晶體管優(yōu)選使用由包含從Al2O3、Y2O3和HfO2組成的組中選擇的一種化合物的混晶化合物或包含從Al2O3、Y2O3和HfO2組成的組中選擇的至少兩種化合物的混晶化合物形成的柵極絕緣體。當(dāng)在柵極絕緣薄膜和溝道層薄膜之間的界面中存在缺陷(不足)時(shí)，電子遷移率減小，并且發(fā)生作為晶體管特征的滯后現(xiàn)象。此外，如果柵極絕緣體的類型不同，則泄漏電流變化很大。為此，需要選擇合適的柵極絕緣體來作為溝道層。如果采用Al2O3膜(作為柵極絕緣體)，則可以減少泄漏電流。如果使用Y2O3膜，則可以減小滯后現(xiàn)象。如果使用具有高介電常數(shù)的HfO2膜，則可以增加電子遷移率。此外，如果使用這些化合物的混晶(作為柵極絕緣體)，則可以形成泄漏電流和滯后現(xiàn)象很小但電子遷移率很大的TFT。由于柵極絕緣體形成過程和溝道層形成過程可以在室溫下執(zhí)行，因此不僅可以形成交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的TFT，還可以形成反交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的TFT。
TFT是具有三個(gè)端子即柵極端子、源極端子和漏極端子的器件。在TFT中，用形成在諸如陶瓷、玻璃或塑料襯底的絕緣襯底上的半導(dǎo)體薄膜作為遷移電子和空穴的溝道層。通過對柵極端子施加電壓來控制流過溝道層的電流，由此切換源極端子和漏極端子之間的電流。由于該TFT具有這樣的切換功能，因此該TFT是有源器件。
如上所述，第二發(fā)明針對在透明膜的膜厚度方向上的成分的改進(jìn)，其中當(dāng)用該透明膜形成FET時(shí)，該透明膜用作場效應(yīng)晶體管(FET)的有源層。
為了更為具體地說明，在使用脈沖激光沉積方法時(shí)，通過在膜厚度方向上改變氧分壓，改變脈沖激光的振蕩功率或振蕩頻率，或者改變靶和襯底之間在膜厚度方向上的距離，來改變膜厚度方向上的成分。另一方面，在使用濺射沉積方法時(shí)，通過另外濺射靶如In2O3或ZnO來改變膜厚度方向上的成分。例如，在氧環(huán)境下形成膜時(shí)，包含在該膜中的氧的量隨著靶和襯底之間的距離增加而增大。此外，在膜形成期間增加ZnO靶時(shí)，在增加Zn靶之后形成的膜中Zn的含量增加。
<第三實(shí)施例包含添加劑的無定形氧化物>
按照本實(shí)施例的無定形氧化物的特征在于該無定形氧化物包含從Li、Na、Mn、Ni、Pd、Cu、Cd、C、N、P、Ti、Zr、V、Ru、Ge、Sn和F的組中選擇的至少一種或多種元素作為添加劑。將添加劑引入無定形氧化物中是通過將該添加劑引入要用于膜形成裝置的氣體、引入該膜形成裝置或者引入該裝置中使用的靶材料中來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然，在由不含添加劑的無定形氧化物形成膜之后，可以按照后面在示例中描述的那樣將該添加劑引入膜中。
無定形氧化物的電子載流子濃度優(yōu)選低于1018/cm3。
按照本發(fā)明的無定形氧化物可以包括含有In-Ga-Zn-O而且其晶體狀態(tài)的成分由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然數(shù))表示的透明無定形氧化物，也可以包括含有In-Ga-Zn-Mg-O而且其晶體狀態(tài)的成分由InGaO3(Zn1-xMgxO)m(m是小于6的自然數(shù)，0＜x≤1)表示的氧化物。對這些氧化物，還可以引入從Li、Na、Mn、Ni、Pd、Cu、Cd、C、N、P組成的組中選擇的至少一種或多種元素作為添加劑。
按照這種方式，可以降低電子載流子濃度。即使電子載流子濃度明顯降低，也可以防止電子載流子遷移率減小，從而使得對電子載流子濃度的控制變得容易。結(jié)果是如果用透明的無定形氧化物膜作為TFT的溝道層，則產(chǎn)生的TFT板具有均勻的特性，即使該板的面積很大。
當(dāng)用Li、Na、Mn、Ni、Pd、Cu、Cd、C、N、P作為雜質(zhì)(添加劑)時(shí)，這些雜質(zhì)可以替代In、Ga、Zn、O中的任一種并用作受主，而且可以降低電子載流子密度，盡管該機(jī)制的細(xì)節(jié)未知。在一般的氧化物半導(dǎo)體中，由于氧濃度無法精確控制，因此會(huì)產(chǎn)生大量的氧缺欠。此外，在晶界中由于多晶體狀態(tài)而產(chǎn)生缺欠的情況下，即使引入雜質(zhì)大多也無法很好地控制電子載流子密度。在這個(gè)方面，按照本發(fā)明的透明無定形氧化物膜具有很少的氧缺欠，而且由于無定形狀態(tài)而沒有晶界。因此，考慮將雜質(zhì)有效地作為受主工作。在通過增加氧分壓來形成薄膜以降低電子載流子密度時(shí)，原子鍵的骨架變化，增加了傳導(dǎo)帶的尾態(tài)。如果電子被該尾態(tài)捕獲，骨架載流子遷移率可以充分降低。但是，添加Li、Na、Mn、Ni、Pd、Cu、Cd、C、N、P使得可以控制載流子密度，同時(shí)將氧分壓維持在合適的范圍內(nèi)。因此，可以想到電子載流子遷移率受到更少的影響。由此，當(dāng)本發(fā)明與只通過控制氧分壓控制電子載流子濃度和電子載流子遷移率的情況相比時(shí)，即使使用大型襯底也可以很容易地增加氧化物膜的平面內(nèi)特征均勻性。
添加劑可以如下所述從Ti、Zr、V、Ru、Ge、Sn和F的組中選擇。
注意，獲得期望效果(在無定形膜中)所需要的雜質(zhì)濃度大約是0.1至3原子百分比，這高于在由Si等形成的晶體膜中的雜質(zhì)濃度。這是因?yàn)樵跓o定形狀態(tài)下雜質(zhì)原子進(jìn)入用于控制價(jià)電子的有效位置的概率低于在晶體狀態(tài)下的概率。更為一般地，通過雜質(zhì)引入方法將期望的雜質(zhì)引入靶。在雜質(zhì)是例如C、N、P的情況下，可以通過將諸如CH4、NO和PH3的氣體和氧一起引入氣氛中來引入該雜質(zhì)。當(dāng)引入金屬元素作為雜質(zhì)時(shí)，在形成透明無定形氧化物膜之后，將該膜與包含該金屬元素離子的溶液或糊劑接觸。此外，當(dāng)采用具有高耐熱性的襯底如玻璃時(shí)，這些金屬元素事先包含在該襯底中，然后在膜形成期間或之后加熱該襯底，由此將該金屬元素?cái)U(kuò)散到透明無定形氧化物膜中。作為Na源，例如可以使用蘇打玻璃，因?yàn)槠浜?0到20原子百分比的鈉。
圖5示出TFT器件的典型結(jié)構(gòu)。在TFT器件中，可以有效降低電子載流子密度的部分是夾在漏電極5和源電極6之間的溝道層2的部分。相反，有利的是溝道層2與漏電極5和源電極6接觸的部分具有高電子載流子密度。這是因?yàn)樵摬糠挚梢员３峙c電子的良好接觸。換句話說，該部分的雜質(zhì)濃度優(yōu)選很低。這種構(gòu)造可以通過在形成漏電極5和源電極6之后并在形成柵極絕緣膜3之前使溝道層2與包含雜質(zhì)的溶液接觸來實(shí)現(xiàn)。通過這種方式，可以用漏電極5和源電極6作為掩膜來擴(kuò)散該雜質(zhì)。
在圖5中，溝道層2的尤其是與襯底接觸的部分不容易在柵電極4針對電子載流子密度的控制之下。因此，如果將該部分的電子載流子密度事先抑制得很低以增加開/關(guān)比是很有用的。然后，尤其是增加面向襯底的界面上的雜質(zhì)的濃度是很有效的。這種結(jié)構(gòu)可以通過按照開始以過量的濃度供應(yīng)該氣體然后逐漸減小濃度的方式控制將要引入氣氛中的諸如CH4、NO和PH3的氣體的濃度來獲得。可替換地，在襯底中事先包含諸如Na的雜質(zhì)的情況下，這種結(jié)構(gòu)可以通過在合適的溫度下加熱該襯底以擴(kuò)散Na來獲得。
作為添加劑，可以將從Ti、Zr、V、Ru、Ge、Sn和F的組中選擇的至少一種或多種元素引入無定形氧化物中。在這種情況下，預(yù)計(jì)電子遷移率可以增加到1cm2/V.sec或更大，進(jìn)一步達(dá)到5cm2/V.sec或更大，同時(shí)保持電子載流子濃度低于1×1018/cm3。即使電子場效應(yīng)遷移率增加，電子載流子濃度卻幾乎不相應(yīng)增加。因此，當(dāng)用該透明無定形氧化物膜作為溝道層時(shí)，可以獲得具有高開/關(guān)比和夾斷期間的大飽和電流以及高開關(guān)速度的TFT。此外，與只通過調(diào)整氧分壓來控制電子載流子濃度和電子載流子遷移率的情況相比，即使使用大型襯底也很容易提高氧化物膜特征的平面內(nèi)均勻性。
盡管該機(jī)制的細(xì)節(jié)未知，但是在通過增加氧分壓來形成氧化物時(shí)，在導(dǎo)帶下的部分的尾態(tài)密度也會(huì)增加，從而遷移率可以降低。但是，可以想到諸如Ti、Zr、V、Ru、Ge、Sn和F的雜質(zhì)作用于原子鍵的骨架，由此減少了尾態(tài)，從而導(dǎo)致電子載流子遷移率提高同時(shí)電子載流子密度保持不變。
優(yōu)選以大約0.1至3原子百分比或0.01至1原子百分比范圍內(nèi)的濃度使用上述這些雜質(zhì)。術(shù)語“原子百分比”是指在氧化物中含有的組成元素的原子數(shù)量的比例。注意，如果難以測量氧的含量，則上述范圍可以通過除氧之外的其它組成元素的原子數(shù)量的比例來定義。更為一般地，通過用于引入雜質(zhì)的方法將期望的雜質(zhì)引入靶中。在雜質(zhì)是F的情況下，可以通過將諸如SF6、SiF4或CLF3的氣體和氧一起引入氣氛中來將雜質(zhì)F引入膜中。當(dāng)引入金屬元素作為雜質(zhì)時(shí)，在形成透明無定形氧化物膜之后，將該膜與含有該金屬元素離子的溶液或糊劑接觸。
圖5示出TFT器件的典型結(jié)構(gòu)。在TFT器件中，需要特別高的電子遷移率的部分是溝道層2的與柵極絕緣體3接觸的部分。然后，尤其是在與柵極絕緣體膜3接觸的界面中增加本發(fā)明的雜質(zhì)濃度是有效的。這種結(jié)構(gòu)可以通過在溝道層形成期間將諸如SF6、SiF4或CLF3的氣體引入氣氛中同時(shí)增加該氣體的濃度(從較低的水平開始)來獲得。
在本發(fā)明中，很重要的是原子鍵結(jié)構(gòu)可以通過控制氧的量(氧缺位量)來合適地形成。
在上面的描述中，通過在包含預(yù)定量的氧的氣氛中形成膜來控制透明氧化物膜中的氧的量。還優(yōu)選在形成氧化物膜之后，在含有氧的氣氛中對該氧化物膜進(jìn)行處理，由此控制(降低或增加)氧缺位量。
為了有效控制氧缺位量，在含有氧的氣氛中在從0到300℃(兩個(gè)端點(diǎn)都包括)、優(yōu)選從25到250℃(兩個(gè)端點(diǎn)都包括)、更為優(yōu)選的是從100到200℃(兩個(gè)端點(diǎn)都包括)的溫度下處理膜。
當(dāng)然，不僅膜形成而且膜形成之后的膜處理都可以在含有氧的氣氛中進(jìn)行。此外，只要獲得預(yù)定的電子載流子濃度(低于1×1018/cm3)，就可以在不控制氧分壓的情況下形成膜，此后可以在含有氧的氣氛中處理該膜。
在本發(fā)明中，最低電子載流子濃度根據(jù)所獲得的氧化物膜的用途而改變，更具體地說，根據(jù)器件、電路和裝置的類型而改變；但是，例如1×1014/cm3或更大是優(yōu)選的。
下面，詳細(xì)描述可應(yīng)用于實(shí)施例1至3的無定形氧化物。向無定形氧化物或其制造方法增加以下條件。在按照第一實(shí)施例的發(fā)明中，向制造條件增加光照。在按照第二實(shí)施例的發(fā)明中，采用在示例中描述的用于改變膜成分的手段。在按照第三實(shí)施例的發(fā)明中，除了膜形成條件之外，還采用用于添加雜質(zhì)的氣體和靶，或者在膜形成之后可以采用用于向下面所給出的無定形氧化物添加雜質(zhì)的預(yù)定方法。
(無定形氧化物)下面說明本發(fā)明上述實(shí)施例1至實(shí)施例3中采用的有源層。
本發(fā)明的無定形氧化物中的電子載流子濃度是在室溫下測量的值。室溫是在0℃到大約40℃范圍內(nèi)的溫度，如25℃。本發(fā)明無定形氧化物中的電子載流子濃度不需要在從0℃到40℃的整個(gè)范圍內(nèi)都低于1×1018/cm3。例如，在25℃的溫度下低于1×1018/cm3的電子載流子濃度是可以接受的。在更低的，不高于1×1017/cm3或不高于1×1016/cm3的電子載流子濃度下，可以高產(chǎn)量地制作常斷的TFT。
在本說明書中，描述“低于1018/cm3”意思是“優(yōu)選低于1×1018/cm3而且更為優(yōu)選的是低于1.0×1018/cm3”。
可以通過測量霍耳效應(yīng)來測量電子載流子濃度。
本發(fā)明的無定形氧化物是一種展現(xiàn)出光環(huán)(halo)圖案而且在X射線衍射頻譜中沒有特征衍射線的氧化物。
在本發(fā)明的無定形氧化物中，電子載流子濃度的下限例如是1×1012/cm3，但不限于此，只要能用作TFT的溝道層就可以。
因此，在本發(fā)明中，通過象在下面描述的示例中那樣控制無定形氧化物的材料、成分比、制作條件等等，將電子載流子濃度調(diào)節(jié)到例如從1×1012/cm3到1×1018/cm3的范圍內(nèi)，優(yōu)選從1×1013/cm3到1×1017/cm3的范圍內(nèi)，更為優(yōu)選的是從1×1015/cm3到1×1016/cm3的范圍內(nèi)。
除InZnGa氧化物之外，可以從In氧化物、InxZn1-x氧化物(0.2≤x≤1)、InxSn1-x氧化物(0.8≤x≤1)和Inx(Zn，Sn)1-x氧化物(0.15≤x≤1)中合適地選擇無定形氧化物。Inx(Zn，Sn)1-x氧化物還可以由Inx(ZnySn1-y)1-x(0≤y≤1)來表示。
當(dāng)In氧化物既不包含Zn又不包含Sn時(shí)，In可以部分地被Ga代替InxGa1-x氧化物(0≤x≤1)。
下面詳細(xì)描述由本發(fā)明的發(fā)明人制備的電子載流子濃度為1×1018/cm3的無定形氧化物。
一組上述氧化物特征性地由晶體狀態(tài)的由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然數(shù))表示的In-Ga-Zn-O構(gòu)成，并包含濃度低于1×1018/cm3的電子載流子。
另一組上述氧化物特征性地由晶體狀態(tài)的由InGaO3(Zn1-xMgxO)m(m是小于6的自然數(shù)，0＜x≤1)表示的In-Ga-Zn-Mg-O構(gòu)成，并且包含濃度低于1×1018/cm3的電子載流子。
由這種氧化物構(gòu)成的膜優(yōu)選設(shè)計(jì)為展現(xiàn)出高于1cm2/V.sec的電子遷移率。
通過用上述膜作為溝道層，TFT可以制備成常斷而且在晶體管斷開狀態(tài)下柵電流小于0.1微安，開-關(guān)比高于1×103，對可見光透明并且是柔性的。
在上述膜中，電子遷移率隨著導(dǎo)電電子的增加而增大。形成透明膜的襯底包括玻璃板、塑料板和塑料膜。
在使用上述無定形氧化物膜作為溝道層時(shí)，至少一個(gè)由Al2O3、Y2O3或HfO2或其混晶化合物構(gòu)成的層可用作柵極絕緣體。
在優(yōu)選實(shí)施例中，該膜在含有氧氣的氣氛中形成，但沒有特意向該無定形氧化物中添加雜質(zhì)來增大電阻。
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)半絕緣氧化物的無定形薄膜具有其中的電子遷移率隨著導(dǎo)電電子數(shù)量的增加而增大的特性，還發(fā)現(xiàn)利用該膜制備的TFT在諸如開-關(guān)比、夾斷狀態(tài)中的飽和電流以及切換率的晶體管特性方面得到了改善。由此，可以利用該無定形氧化物來制作常斷類型的TFT。
通過用該無定形氧化物薄膜作為膜晶體管的溝道層，電子遷移率可以高于1cm2/V.sec，優(yōu)選高于5cm2/V.sec。在載流子濃度低于1×1018/cm3，優(yōu)選低于1×1018/cm3時(shí)，斷開狀態(tài)下(沒有施加?xùn)烹妷?漏極端子和源極端子之間的電流可以控制為低于10微安，優(yōu)選低于0.1微安。此外，利用該薄膜，對于高于1cm2/V.sec、優(yōu)選高于5cm2/V.sec的電子遷移率來說，夾斷之后的飽和電流可以提高到10微安或更高，而且開-關(guān)比可以提高到高于1×103。
在TFT的夾斷狀態(tài)中，向柵極端子施加高電壓，電子以高密度存在于溝道中。因此，按照本發(fā)明，飽和電流可以對應(yīng)于電子遷移率的增加而增大。由此，可以改善晶體管特性，如提高開-關(guān)比，增大飽和電流和增加切換率。相反，在常見的化合物中，因?yàn)殡娮又g的碰撞，電子的增加降低了電子遷移率。
上述TFT的結(jié)構(gòu)可以是交錯(cuò)(頂部柵極)結(jié)構(gòu)，其中柵極絕緣體和柵極端子依次形成在半導(dǎo)體溝道層上；也可以是反交錯(cuò)(底部柵極)結(jié)構(gòu)，其中柵極絕緣體和半導(dǎo)體溝道層依次形成在柵極端子上。
(膜形成的第一過程PLD過程)具有晶體狀態(tài)的成分InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然數(shù))的無定形氧化物薄膜在m小于6時(shí)一直到800℃或更高的溫度下都是穩(wěn)定的，而隨著m的增加，也就是隨著ZnO與InGaO3之比增加到接近ZnO的成分，該氧化物趨向于結(jié)晶。因此，為了用作無定形TFT的溝道層，該氧化物的值m優(yōu)選小于6。
優(yōu)選通過氣相膜形成過程利用具有InGaO3(ZnO)m成分的多晶燒結(jié)體作為靶來執(zhí)行膜形成。在氣相膜形成過程中，濺射和脈沖激光汽相沉積是合適的。濺射尤其適用于大批量制作。
但是，在常見條件下形成無定形膜時(shí)，可能發(fā)生氧缺位，從而無法達(dá)到低于1×1018/cm3的電子載流子濃度和低于10S/cm的電導(dǎo)率。利用這種膜，無法構(gòu)成常斷的晶體管。
本發(fā)明的發(fā)明人利用圖7所示的裝置通過脈沖激光汽相沉積制作了In-Ga-Zn-O膜。
該膜形成是利用如圖7所示的PLD膜形成裝置來實(shí)施的。
在圖7中，附圖標(biāo)記表示如下701是RP(旋轉(zhuǎn)泵)；702是TMP(渦輪分子泵)；703是預(yù)備腔；704是用于RHEED的電子槍；705是用于旋轉(zhuǎn)和垂直移動(dòng)襯底的襯底保持裝置；706是激光引入窗口；707是襯底；708是靶；709是原子團(tuán)源；710是氣體入口；711是用于旋轉(zhuǎn)和垂直移動(dòng)靶的靶保持裝置；712是旁路線；713是主線；714是TMP(渦輪分子泵)；715是RP(旋轉(zhuǎn)泵)；716是鈦吸氣泵；717是遮擋板；718是IG(離子壓力計(jì))；719是PG(皮拉尼壓力計(jì))；720是BG(baratron gage，巴拉脫壓力計(jì))；721是生長腔。
采用KrF受激準(zhǔn)分子激光通過脈沖激光汽相沉積在SiO2的玻璃襯底(Corning公司1737)上沉積In-Ga-Zn-O類型的無定形氧化物半導(dǎo)體薄膜。作為在沉積之前的預(yù)處理，用丙酮、乙醇和超純水以超聲方式清洗襯底各5分鐘以進(jìn)行脫脂，并在空氣中在100℃下干燥。
多晶體靶是InGaO3(ZnO)4燒結(jié)體(尺寸直徑20mm，厚5mm)，其通過將作為源材料的In2O3、Ga2O3和ZnO(每個(gè)是4N試劑)濕法混合(溶劑乙醇)，鍛燒該混合物(1000℃，2小時(shí))，干法壓碎該混合物，并燒結(jié)該混合物(1550℃，2小時(shí))來制備。該靶具有90S/cm的電導(dǎo)率。
該膜形成通過將生長腔的最終真空度控制為2×10-6Pa，將生長期間的氧分壓控制在6.5Pa來進(jìn)行。生長腔721中的氧分壓是6.5Pa，襯底溫度是25℃。靶708和膜保持襯底707之間的距離是30mm，通過引入窗口716引入的功率在1.5-3mJ/cm2/脈沖的范圍內(nèi)。脈沖寬度是20nsec，重復(fù)頻率是10Hz，照射點(diǎn)的尺寸是1×1毫米見方。在上述條件下，該膜以7nm/min的速度形成。
通過小角度X射線散射方法(SAXS)(薄膜方法，入射角0.5°)來檢查所產(chǎn)生的薄膜沒有觀察到清楚的衍射峰值。由此判斷所獲得的In-Ga-Zn-O類型薄膜是無定形的。從X射線的反射率及其圖案分析中，發(fā)現(xiàn)均方粗糙度(Rrms)大約是0.5nm，膜厚度大約是120nm。根據(jù)熒光X射線光譜儀分析(XRF)，發(fā)現(xiàn)該膜的金屬成分是In∶Ga∶Zn＝0.98∶1.02∶4。電導(dǎo)率小于大約1×10-2S/cm。電子載流子濃度估計(jì)不超過1×10-16/cm3。電子遷移率估計(jì)大約是5cm2/V.sec。根據(jù)光吸收頻譜分析，估計(jì)所產(chǎn)生的無定形薄膜的光帶隙能量寬度大約是3eV。
上述結(jié)果表明所獲得的In-Ga-Zn-O類型薄膜是一種透明的平薄膜，具有接近晶體InGaO3(ZnO)4的成分的無定形相，具有更少的氧缺位，并具有更低的電導(dǎo)率。
下面參照圖1具體說明上述膜形成。圖1示出在與上述例子相同的膜形成條件下，所形成的透明無定形氧化物薄膜中的電子載流子濃度相對于用于假設(shè)晶體狀態(tài)的InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然數(shù))成分的膜的氧分壓的依賴關(guān)系。
通過在與上述例子相同的條件下，在氧分壓大于4.5Pa的氣氛中形成膜，電子載流子濃度可以降低到1×1018/cm3，如圖1所示。在該膜形成過程中，襯底保持在接近室溫的溫度下而沒有特意加熱。為了用柔性塑料膜作為襯底，襯底溫度優(yōu)選保持在低于100℃的溫度下。
更高的氧分壓使得能夠降低電子載流子濃度。例如，如圖1所示，在襯底溫度為25℃、氧分壓為5Pa時(shí)形成的薄InGaO3(ZnO)4膜具有1×1016/cm3的更低的電子載流子濃度。
在獲得的薄膜中，電子遷移率高于1cm2/V.sec，如圖2所示。但是，在該例子中，通過脈沖激光汽相沉積在高于6.5Pa的氧分壓下沉積的膜具有粗糙的表面，不適于作TFT的溝道層。
因此，可以利用在上述例子中通過脈沖激光汽相沉積方法在高于4.5Pa、優(yōu)選高于5Pa但低于6.5Pa的氧分壓下形成的晶體狀態(tài)的由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然數(shù))表示的透明薄無定形氧化物來構(gòu)成常斷類型的晶體管。
上述獲得的薄膜展示出高于1cm2/V的電子遷移率，而且開-關(guān)比可以高于1×103。
如上所述，在通過PLD方法在該例子中示出的條件下形成InGaZn氧化物膜時(shí)，將氧分壓控制在優(yōu)選從4.5Pa到6.5Pa的范圍內(nèi)。
為了達(dá)到1×1018/cm3的電子載流子濃度，應(yīng)當(dāng)控制氧分壓條件、膜形成裝置的結(jié)構(gòu)、膜形成材料的類型和成分。
接著，通過用上述裝置在6.5Pa的氧分壓下形成無定形氧化物來制作如圖5所示的頂部柵極類型MISFET元件。具體地說，在玻璃襯底1上，通過上述形成無定形薄Ga-Ga-Zn-O膜的方法形成120nm厚的半絕緣無定形InGaO3(ZnO)4膜以用作溝道層2。此外，在其上通過脈沖激光沉積在該腔中低于1Pa的氧分壓下分別以30nm的厚度層疊具有更高電導(dǎo)率的InGaO3(ZnO)4膜和金膜。然后，通過光刻和剝離方法形成漏極端子5和源極端子6。最后，通過電子束汽相沉積方法形成用作柵極絕緣體3的Y2O3膜(厚度90nm，相對介電常數(shù)大約15，漏電流密度施加0.5MV/cm時(shí)是1×10-3A/cm3)。在該膜上形成金膜，并通過光刻和剝離形成柵極端子4。
MISFET元件特性的評估圖6示出在室溫下測量的MISFET元件的電流-電壓特性。從漏電流IDS隨著漏電壓VDS的增加而增大的情況來看，該溝道應(yīng)理解為n型半導(dǎo)體。這與無定形In-Ga-Zn-O型半導(dǎo)體是n型的事實(shí)相符。IDS在VDS＝6V時(shí)飽和(夾斷)，這是半導(dǎo)體晶體管的典型性能。根據(jù)對增益特性的檢查，發(fā)現(xiàn)在施加VDS＝4V的情況下柵電壓VGS的閾值大約是-0.5V。在VG＝10V時(shí)導(dǎo)致IDS＝1.0×10-5A的電流。這對應(yīng)于通過柵極偏壓在In-Ga-Zn-O型無定形半導(dǎo)體薄膜中的載流子感生。
該晶體管的開-關(guān)比高于1×103。根據(jù)輸出特性，計(jì)算出場效應(yīng)遷移率大約是7cm2(Vs)-1。根據(jù)相同的測量，可見光的照射不會(huì)改變所制作的元件的晶體管特性。
按照本發(fā)明，可以制作這樣的薄膜晶體管，其具有包含更低濃度電子載流子以實(shí)現(xiàn)更高電阻并展示出更高電子遷移率的溝道層。
上述無定形氧化物具有電子遷移率隨著電子載流子濃度的增加而增大的優(yōu)異特性，并展示出簡并導(dǎo)電性。在該示例中，薄膜形成在玻璃襯底上。但是塑料板或塑料膜可以用作襯底，因?yàn)槟ば纬煽梢栽谑覝叵逻M(jìn)行。此外，在該示例中獲得的無定形氧化物僅吸收很少的可見光，從而給出透明的柔性TFT。
(膜形成的第二過程濺射過程(SP過程))下面說明利用氬氣作為環(huán)境氣體通過高頻SP過程的膜形成。
利用圖8所示的裝置來實(shí)施SP過程。在圖8中，附圖標(biāo)記表示如下807是用于形成膜的襯底；808是靶；805是具有冷卻機(jī)構(gòu)的襯底保持裝置；814是渦輪分子泵；815是旋轉(zhuǎn)泵；817是遮擋板；818是離子壓力計(jì)；819是皮拉尼壓力計(jì)；821是生長腔；830是閘門閥。
用于膜形成的襯底807是SiO2玻璃襯底(Corning公司1737)，該玻璃襯底已經(jīng)用丙酮、乙醇和超純水以超聲方式分別清洗5分鐘以進(jìn)行脫脂，并在空氣中在100℃下干燥。
所述靶是具有InGaO3(ZnO)4成分的多晶燒結(jié)體(尺寸直徑20mm，厚5mm)，其通過將源材料In2O3、Ga2O3和ZnO(每個(gè)是4N試劑)濕法混合(溶劑乙醇)，鍛燒該混合物(1000℃，2小時(shí))，干法壓碎該混合物，并燒結(jié)該混合物(1550℃，2小時(shí))來制備。靶808具有90S/cm的電導(dǎo)率，是半絕緣的。
生長腔821的最終真空度控制為1×10-4Pa。在生長期間，氧和氬氣的總壓力恒定地保持在4到0.1×10-1Pa的范圍內(nèi)。氬與氧的分壓比在從1×10-3到2×10-1Pa的氧分壓范圍內(nèi)變化。
襯底溫度是室溫。靶808和用于膜形成的襯底807之間的距離是30mm。
輸入的電功率是RF 180W，膜形成速率是10nm/min。
通過小角度X射線散射方法(SAXS)(薄膜方法，入射角0.5°)來檢查所產(chǎn)生的薄膜沒有觀察到清楚的衍射峰值。由此判斷所獲得的In-Ga-Zn-O類型薄膜是無定形的。從X射線的反射率及其圖案分析中，發(fā)現(xiàn)均方粗糙度(Rrms)大約是0.5nm，膜厚度大約是120nm。根據(jù)熒光X射線光譜儀分析(XRF)，發(fā)現(xiàn)該膜的金屬成分是In∶Ga∶Zn＝0.98∶1.02∶4。
該膜在環(huán)境氣體的不同氧分壓下形成，并測量所產(chǎn)生的無定形氧化物膜的電導(dǎo)率。圖3示出其結(jié)果。
如圖3所示，可以通過在氧分壓高于3×10-2Pa的氣氛中進(jìn)行膜形成來將電導(dǎo)率降至低于10S/cm。電子載流子數(shù)目可以通過增加氧分壓來減少。
如圖3所示，例如，在襯底溫度為25℃、氧分壓為1×10-1Pa時(shí)形成的薄InGaO3(ZnO)4膜具有1×10-10S/cm的更低的電導(dǎo)率。此外，在氧分壓為1×10-1Pa時(shí)形成的薄InGaO3(ZnO)4膜具有過高的電阻，從而具有不可測量的電導(dǎo)率。對于該膜，盡管不能測量電子遷移率，也可以通過從高電子載流子濃度的膜的值外推來估計(jì)出電子遷移率大約是1cm2/V.sec。
因此，可以通過利用通過濺射汽相沉積在含有分壓高于3×10-2Pa、優(yōu)選高于5×10-1Pa的氧的氬氣氣氛中制作的、由晶體狀態(tài)的由InGaO3(ZnO)m(m是小于6的自然數(shù))表示的In-Ga-Zn-O構(gòu)成的透明無定形氧化物薄膜，來獲得開-關(guān)比高于1×103的常斷晶體管。
在使用該示例中采用的裝置和材料時(shí)，通過濺射進(jìn)行的膜形成在從3×10-2Pa到5×10-1Pa的氧分壓范圍內(nèi)進(jìn)行。順便提一句，在通過脈沖激光汽相沉積或?yàn)R射制作的薄膜中，電子遷移率隨著導(dǎo)電電子數(shù)量的增加而增大。
如上所述，通過控制氧分壓可以減少氧缺位，由此可以減小電子載流子濃度。在無定形薄膜中，因?yàn)樵诓煌诙嗑w狀態(tài)的無定形狀態(tài)中基本上不存在晶界，所以電子遷移率可以很高。
順便提一句，用200μm厚的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜替換玻璃襯底不會(huì)改變其上面形成的InGaO3(ZnO)4無定形氧化物膜的特性。
利用多晶體InGaO3(Zn1-xMgxO)m作為靶，甚至在低于1Pa的氧分壓下，也可以獲得高電阻無定形膜InGaO3(Zn1-xMgxO)m(m是小于6的自然數(shù)，0＜x≤1)。例如，利用80原子百分比的Zn被Mg代替的靶，可以通過脈沖激光沉積在含有分壓為0.8Pa的氧的氣氛中實(shí)現(xiàn)低于1×1016/cm(電阻大約是1×10-2S/cm)的電子載流子濃度。在這種膜中，電子遷移率低于無Mg膜的電子遷移率，但是減小的程度很小電子遷移率在室溫下是5cm2/V.sec，比無定形硅的電子遷移率高大約一位。當(dāng)在相同的條件下形成膜時(shí)，增加Mg的含量將同時(shí)降低電導(dǎo)率和電子遷移率。因此Mg的含量優(yōu)選在20％到85％內(nèi)變化(0.2＜x＜0.85)。
在采用上述無定形氧化物膜的薄膜晶體管中，柵極絕緣體優(yōu)選包括含有Al2O3、Y2O3、HfO2及其化合物中的兩種或更多的混晶化合物。
在柵極絕緣薄膜和溝道層薄膜之間的界面上存在缺陷降低了電子遷移率，并導(dǎo)致晶體管特性的滯后現(xiàn)象。此外，電流泄漏很大程度上取決于柵極絕緣體的類型。因此，應(yīng)當(dāng)選擇適合用于溝道層的柵極絕緣體?？梢岳肁l2O3膜來降低電流泄漏，可以利用Y2O3膜來減小滯后現(xiàn)象，可以利用具有高介電常數(shù)的HfO2膜來增大電子遷移率。利用上述化合物的混晶，可以形成產(chǎn)生更小電流泄漏、更低滯后現(xiàn)象并展現(xiàn)更高電子遷移率的TFT。由于柵極絕緣體形成過程和溝道層形成過程可以在室溫下進(jìn)行，因此可以按照交錯(cuò)結(jié)構(gòu)或反交錯(cuò)結(jié)構(gòu)來形成TFT。
由此形成的TFT是具有柵極端子、源極端子和漏極端子的三端子元件。該TFT通過在陶瓷、玻璃或塑料的絕緣襯底上形成半導(dǎo)體薄膜作為用于電子或空穴遷移的溝道層來形成，并用作有源元件，具有通過對柵極端子施加電壓來控制流過溝道層的電流并切換源極端子和漏極端子之間的電流的功能。
在本發(fā)明中，重要的是通過控制氧缺位量來達(dá)到期望的電子載流子濃度。
在上述描述中，通過控制膜形成氣氛中的氧濃度來控制無定形氧化物膜中的氧含量。另外，作為優(yōu)選實(shí)施例，通過在含有氧的氣氛中對該氧化物膜進(jìn)行后處理來控制(減少或增加)氧缺位量。
為了有效控制氧缺位量，含有氧的氣氛的溫度控制在從0到300℃、優(yōu)選從25到250℃、更為優(yōu)選的是從100到200℃的范圍內(nèi)。
當(dāng)然，膜可以在含有氧的氣氛中形成，并在含有氧的氣氛中進(jìn)行后處理。另外，只要可以獲得期望的電子載流子濃度(低于1×1018/cm3)，可以在不控制氧分壓的情況下形成膜，并在含有氧的氣氛中進(jìn)行后處理。
在本發(fā)明中，電子載流子濃度的下限根據(jù)采用所制作的氧化物膜的元件、電路和器件的類型例如是1×1014/cm3。
(更寬的材料范圍)在調(diào)查其它用于該系統(tǒng)的材料之后，發(fā)現(xiàn)由Zn、In和Sn元素的至少一種氧化物構(gòu)成的無定形氧化物可用作低載流子濃度和高電子遷移率的無定形氧化物膜。發(fā)現(xiàn)該無定形氧化物膜具有導(dǎo)電電子數(shù)量的增加導(dǎo)致電子遷移率增大的特殊特性。利用該膜可以制作晶體管特性如開-關(guān)比、夾斷狀態(tài)的飽和電流和切換率非常優(yōu)異的常斷類型TFT。
在本發(fā)明中，具有以下(a)至(h)任一種特性的氧化物都是有用的(a)電子載流子濃度低于1×1018/cm3的無定形氧化物；(b)電子遷移率隨著電子載流子濃度的增加而增大的無定形氧化物；(室溫表示從大約0℃到大約40℃的溫度。術(shù)語“無定形化合物”表示一種在X射線衍射頻譜中只展示出光環(huán)圖案而沒有展示出特征衍射圖案的化合物。電子遷移率表示通過霍耳效應(yīng)測量的電子遷移率。)(c)在(a)或(b)中提到的、電子遷移率在室溫下高于0.1cm2/V.sec的無定形氧化物；(d)在(b)至(c)中任何一項(xiàng)中提到的、展示出簡并導(dǎo)電性的無定形氧化物；(術(shù)語“簡并導(dǎo)電性”表示這樣一種狀態(tài)，其中電阻的溫度依賴關(guān)系中的熱激活能量不高于30meV。)
(e)在(a)至(d)中任何一項(xiàng)所述的、包含Zn、In和Sn中至少一種元素作為構(gòu)成元素的無定形氧化物；(f)由(e)提到的無定形氧化物和以下元素中的另外至少一種構(gòu)成的無定形氧化物膜原子序號(hào)低于Zn的第2族元素M2(Mg和Ca)，原子序號(hào)低于In的第3族元素M3(B、Al、Ga和Y)，原子序號(hào)低于Sn的第4族元素M4(Si、Ge和Zr)，第5族元素M5(V、Nb和Ta)以及Lu和W以降低電子載流子濃度；(g)在(a)至(f)中任何一項(xiàng)所提到的無定形氧化物膜，由具有晶體狀態(tài)的In1-xM3xO3(Zn1-yM2yO)m(0≤x≤1；0≤y≤1；m是0或小于6的自然數(shù))成分的單一化合物構(gòu)成，或m不同的上述化合物的混合物構(gòu)成，例如，M3是Ga，M2是Mg；(h)在(a)至(g)中任何一項(xiàng)所提到的、形成在塑料襯底或塑料膜上的無定形氧化物膜。
本發(fā)明還提供采用上述無定形氧化物或無定形氧化物膜作為溝道層的場效應(yīng)晶體管。
制備這樣的場效應(yīng)晶體管，其采用電子載流子濃度低于1×1018/cm3但高于1×1015/cm3的無定形氧化物膜作為溝道層，并具有源極端子、漏極端子、插入了柵極絕緣體的柵極端子。當(dāng)在源極端子和漏極端子之間施加大約5V的電壓而沒有施加?xùn)烹妷簳r(shí)，源極和漏極端子之間的電流大約是1×10-7安培。
氧化物晶體中的電子遷移率隨著金屬離子的s軌道的重疊增加而增大。在具有較高原子序號(hào)的Zn、In或Sn的氧化物晶體中，電子遷移率在0.1到200cm2/V.sec的范圍內(nèi)。
在氧化物中，氧和金屬離子通過離子鍵結(jié)合而沒有化學(xué)鍵的取向，具有隨機(jī)的結(jié)構(gòu)。因此在無定形狀態(tài)下的氧化物中，電子遷移率與晶體狀態(tài)下的電子遷移率相當(dāng)。
另一方面，用較低原子序號(hào)的元素來代替Zn、In或Sn會(huì)降低電子遷移率。由此，本發(fā)明的無定形氧化物中的電子遷移率在大約0.01到20cm2/V.sec的范圍內(nèi)。
在具有由上述氧化物構(gòu)成的溝道層的晶體管中，優(yōu)選由Al2O3、Y2O3和HfO2或包含其中兩種或更多的混晶化合物來形成柵極絕緣體。
在柵極絕緣薄膜和溝道層薄膜之間的界面上存在缺陷降低了電子遷移率，并導(dǎo)致晶體管特性的滯后現(xiàn)象。此外，電流泄漏很大程度上取決于柵極絕緣體的類型。因此，應(yīng)當(dāng)選擇適合用于溝道層的柵極絕緣體?？梢岳肁l2O3膜來降低電流泄漏，可以利用Y2O3膜來減小滯后現(xiàn)象，可以利用具有高介電常數(shù)的HfO2膜來增大電子遷移率。利用上述化合物的混晶，可以形成產(chǎn)生更小電流泄漏、更低滯后現(xiàn)象并展現(xiàn)更高電子遷移率的TFT。由于柵極絕緣體形成過程和溝道層形成過程可以在室溫下進(jìn)行，因此可以按照交錯(cuò)結(jié)構(gòu)或反交錯(cuò)結(jié)構(gòu)來形成TFT。
In2O3氧化物膜可以通過氣相過程來形成，在大約0.1Pa的氧分壓下向膜形成氣氛增加濕度會(huì)使形成的膜無定形。
ZnO和SnO2分別無法容易地形成為無定形膜狀態(tài)。為了形成無定形狀態(tài)的ZnO膜，添加20原子百分比的In2O3。為了形成無定形狀態(tài)的SnO2膜，添加90原子百分比的In2O3。在形成Sn-In-O類型的無定形膜時(shí)，在膜形成氣氛中引入大約0.1Pa的分壓的氣態(tài)氮。
可以向上述無定形膜添加能夠形成絡(luò)合氧化物的元素，該元素從原子序號(hào)低于Zn的第2族元素M2(Mg和Ca)、原子序號(hào)低于In的第3族元素M3(B、Al、Ga和Y)、原子序號(hào)低于Sn的第4族元素M4(Si、Ge和Zr)、第5族元素M5(V、Nb、Ta)以及Lu和W中選擇。上述元素的添加在室溫下穩(wěn)定了無定形膜，并加寬了用于形成無定形膜的成分范圍。
具體地說，添加傾向于形成共價(jià)鍵的B、Si或Ge有利于無定形相穩(wěn)定。添加由離子半徑極為不同的離子構(gòu)成的絡(luò)合氧化物有利于無定形相穩(wěn)定。例如，在In-Zn-O系統(tǒng)中，為了形成在室溫下穩(wěn)定的膜，應(yīng)當(dāng)包含超過大約20原子百分比的In。但是，添加含量等同于In的Mg使得能夠在不低于約15原子百分比的In的成分范圍內(nèi)形成穩(wěn)定的無定形膜。
在氣相膜形成中，通過控制膜形成氣氛可以獲得電子載流子濃度在1×1015/cm3到1×1018/cm3范圍內(nèi)的無定形氧化物膜。
無定形氧化物膜可以通過汽相過程，如脈沖激光汽相沉積過程(PLD過程)、濺射過程(SP過程)和電子束汽相沉積，來適當(dāng)?shù)匦纬?。在汽相過程中，PLD過程適于使材料合成控制變得容易，而SP過程適于大批量制作。但是，膜形成過程不限于此。
(通過PLD過程形成In-Zn-Ga-O類型的無定形氧化物膜)In-Zn-Ga-O類型的無定形氧化物通過采用KrF受激準(zhǔn)分子激光的PLD過程沉積在玻璃襯底(Corning公司1737)上，其中用多晶燒結(jié)體作為具有InGaO3(ZnO)或InGaO3(ZnO)4成分的靶。
采用上面已描述過的圖7所示的裝置，膜形成條件和前面針對該裝置所描述的條件相同。
襯底溫度是25℃。
通過小角度X射線散射方法(SAXS)(薄膜方法，入射角0.5°)來檢查所產(chǎn)生的兩個(gè)薄膜沒有觀察到清楚的衍射峰值，這表示用兩種不同靶制作的In-Ga-Zn-O類型薄膜都是無定形的。
從玻璃襯底的In-Zn-Ga-O類型無定形氧化物膜的X射線反射率及其圖案分析中，發(fā)現(xiàn)該薄膜的均方粗糙度(Rrms)大約是0.5nm，膜厚度大約是120nm。根據(jù)熒光X射線光譜儀分析(XRF)，發(fā)現(xiàn)用InGaO3(ZnO)的多晶燒結(jié)體作為靶獲得的膜包含成分比為In∶Ga∶Zn＝1.1∶1.1∶0.9的金屬，而用InGaO3(ZnO)4的多晶燒結(jié)體作為靶獲得的膜包含成分比為In∶Ga∶Zn＝0.98∶1.02∶4的金屬。
無定形氧化物膜在膜形成氣氛的各種氧分壓下用具有InGaO3(ZnO)4成分的靶來形成。測量所形成的無定形氧化物膜的電子載流子濃度。圖1示出其結(jié)果。通過在氧分壓高于4.2Pa的氣氛中形成膜，可以將電子載流子濃度降低到低于1×1018/cm3，如圖1所示。在該膜形成中，襯底保持在接近室溫的溫度而無需特意加熱。在氧分壓低于6.5Pa時(shí)，所獲得的無定形氧化物膜的表面是平的。
在氧分壓為5Pa時(shí)，在用InGaO3(ZnO)4靶形成的無定形膜中，電子載流子濃度為1×1016/cm3，電導(dǎo)率是1×10-2S/cm，電子遷移率估計(jì)大約是5cm2/V.sec。根據(jù)光吸收頻譜分析，估計(jì)所產(chǎn)生的無定形薄膜的光帶隙能量寬度大約是3eV。
更高的氧分壓進(jìn)一步降低了電子載流子濃度。如圖1所示，在襯底溫度為25℃、氧分壓為6Pa時(shí)形成的In-Zn-Ga-O類型的無定形氧化物膜中，電子載流子濃度降低到8×1015/cm3(電導(dǎo)率大約是8×10-3S/cm)。膜中的電子遷移率估計(jì)是1cm2/V.sec或更大。但是，通過PLD過程，在氧分壓為6.5Pa或更高時(shí)，沉積的膜具有粗糙的表面，不適于用作TFT的溝道層。
In-Zn-Ga-O類型的無定形氧化物膜在膜形成氣氛的各種氧分壓下用具有InGaO3(ZnO)4成分的多晶燒結(jié)體構(gòu)成的靶來形成。針對電子載流子濃度和電子遷移率之間的關(guān)系來檢查所產(chǎn)生的膜。圖2示出了該結(jié)果。對應(yīng)于電子載流子濃度從1×1016/cm3增加到1×1020/cm3，電子遷移率也從3cm2/V.sec增加到大約11cm2/V.sec。在用多晶體燒結(jié)InGaO3(ZnO)靶獲得的無定形氧化物膜中也觀察到相同的趨勢。
形成在代替玻璃襯底的200μm厚的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜上的In-Zn-Ga-O類型無定形氧化物膜具有類似的特性。
(通過PLD過程來形成In-Zn-Ga-Mg-O類型的無定形氧化物膜)通過PLD過程用InGaO3(Zn1-xMgxO)4(0＜x≤1)靶在玻璃襯底上形成InGaO3(Zn1-xMgxO)4(0＜x≤1)膜。所采用的裝置是如圖7所示的裝置。
SiO2玻璃襯底(Corning公司1737)用作襯底。作為預(yù)處理，用丙酮、乙醇和超純水以超聲方式分別清洗襯底5分鐘以進(jìn)行脫脂，并在空氣中在100℃下干燥。該靶是InGaO3(Zn1-xMgxO)4(x＝1-0)的燒結(jié)體(尺寸直徑20mm，厚5mm)。
該靶通過將源材料In2O3、Ga2O3和ZnO(每個(gè)是4N試劑)濕法混合(溶劑乙醇)，鍛燒該混合物(1000℃，2小時(shí))，干法壓碎該混合物，并燒結(jié)該混合物(1550℃，2小時(shí))來制備。生長腔中的最終壓力是2×10-6Pa。生長期間的氧分壓控制在0.8Pa。襯底溫度是室溫(25℃)。靶和用于形成膜的襯底之間的距離是30mm。KrF受激準(zhǔn)分子激光以1.5mJ/cm2/脈沖的功率照射，其脈沖寬度為20nsec，重復(fù)頻率是10Hz，照射點(diǎn)的尺寸是1×1毫米見方。膜形成速度是7nm/min。在該膜形成氣氛中的氧分壓是0.8Pa。襯底溫度是25℃。
通過小角度X射線散射方法(SAXS)(薄膜方法，入射角0.5°)來檢查所產(chǎn)生的薄膜沒有觀察到清楚的衍射峰值。因此，所獲得的In-Ga-Zn-Mg-O類型薄膜是無定形的。所產(chǎn)生的膜具有平坦的表面。
利用不同x值(Mg的含量不同)的靶，在氧分壓為0.8Pa的膜形成氣氛中形成In-Zn-Ga-Mg-O類型的無定形氧化物膜，以調(diào)查導(dǎo)電性、電子載流子濃度和電子遷移率對x值的依賴性。
圖4A、4B和4C示出其結(jié)果。在x值高于0.4時(shí)，在氧分壓為0.8Pa的膜形成氣氛下通過PLD過程形成的無定形氧化物膜中，電子載流子濃度降低到小于1×1018/cm3。在x值高于0.4的無定形膜中，電子遷移率高于1cm2/V。
如圖4A、4B和4C中所示，可以在通過脈沖激光沉積過程用80原子百分比的Zn被Mg代替的靶而且在0.8的氧分壓下制備的膜(電阻大約是1×10-2S.cm)中實(shí)現(xiàn)低于1×1016/cm3的電子載流子濃度。在這種膜中，與無Mg膜相比，減小了電子遷移率，但是減小的程度很小。該膜中的電子遷移率大約是5cm2/V.sec，比無定形硅的電子遷移率高大約一位。在相同的膜形成條件下，膜中的電導(dǎo)率和電子遷移率都隨著Mg含量的增加而降低。因此，膜中的Mg含量優(yōu)選大于20原子百分比且低于85原子百分比(0.2＜x＜0.85)，更為優(yōu)選的是0.5＜x＜0.85。
形成在代替玻璃襯底的200μm厚的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜上的InGaO3(Zn1-xMgxO)4(0＜x≤1)無定形膜具有類似的特性。
(通過PLD過程來形成In2O3無定形氧化物膜)通過采用KrF受激準(zhǔn)分子激光的PLD過程用In2O3多晶燒結(jié)體構(gòu)成的靶在200μm厚的PET膜上形成In2O3膜。
采用圖7所示的裝置。用于形成膜的襯底是SiO2玻璃襯底(Corning公司1737)。
作為在沉積之前的預(yù)處理，用丙酮、乙醇和超純水以超聲方式清洗襯底各5分鐘以進(jìn)行脫脂，并在空氣中在100℃下干燥。
該靶是In2O3燒結(jié)體(尺寸直徑20mm，厚5mm)，其通過鍛燒源材料In2O3(4N試劑)(1000℃，2小時(shí))，干法壓碎，和燒結(jié)(1550℃，2小時(shí))來制備。
生長腔的最終真空度是2×10-6Pa，生長期間的氧分壓是5Pa，襯底溫度是25℃。
水蒸氣分壓是0.1Pa，通過施加200W由氧原子團(tuán)產(chǎn)生組件來產(chǎn)生氧原子團(tuán)。
靶和膜保持襯底之間的距離是40mm，KrF受激準(zhǔn)分子激光的功率在0.5mJ/cm2/脈沖，脈沖寬度是20nsec，重復(fù)頻率是10Hz，照射點(diǎn)的尺寸是1×1毫米見方。
膜形成速率是3nm/min。
通過小角度X射線散射方法(SAXS)(薄膜方法，入射角0.5°)來檢查所產(chǎn)生的薄膜沒有觀察到清楚的衍射峰值，這表示所獲得的In-O類型氧化物膜是無定形的。膜厚度是80nm。
在所獲得的In-O類型無定形氧化物膜中，電子載流子濃度是5×1017/cm3，電子遷移率大約是7cm2/V.sec。
(通過PLD過程形成In-Sn-O類型無定形氧化物膜)通過采用KrF受激準(zhǔn)分子激光的PLD過程用(In0.9Sn0.1)O3.1多晶燒結(jié)體構(gòu)成的靶在200μm厚的PET膜上形成In-Sn-O型氧化物膜。所采用的裝置如圖7所示。
用于形成膜的襯底是SiO2玻璃襯底(Corning公司1737)。
作為在沉積之前的預(yù)處理，用丙酮、乙醇和超純水以超聲方式清洗襯底各5分鐘以進(jìn)行脫脂，并在空氣中在100℃下干燥。
該靶是In2O3-SnO2燒結(jié)體(尺寸直徑20mm，厚5mm)，其通過濕法混合源材料In2O3-SnO2(4N試劑)(溶劑乙醇)，鍛燒該混合物(1000℃，2小時(shí))，干法壓碎，和燒結(jié)(1550℃，2小時(shí))該混合物來制備。
襯底保持在室溫下。氧分壓是5Pa。氮分壓是0.1Pa。通過施加200W由氧原子團(tuán)產(chǎn)生組件來產(chǎn)生氧原子團(tuán)。
靶和膜保持襯底之間的距離是30mm，KrF受激準(zhǔn)分子激光的功率在1.5mJ/cm2/脈沖，脈沖寬度是20nsec，重復(fù)頻率是10Hz，照射點(diǎn)的尺寸是1×1毫米見方。
膜形成速率是6nm/min。
通過小角度X射線散射方法(SAXS)(薄膜方法，入射角0.5°)來檢查所產(chǎn)生的薄膜沒有觀察到清楚的衍射峰值，這表示所獲得的In-Sn-O類型氧化物膜是無定形的。
在所獲得的In-Sn-O類型無定形氧化物膜中，電子載流子濃度是8×1017/cm3，電子遷移率大約是5cm2/V.sec。膜厚度是100nm。
(通過PLD過程形成In-Ga-O型無定形氧化物膜)用于形成膜的襯底是SiO2玻璃襯底(Corning公司1737)。
作為在沉積之前的預(yù)處理，用丙酮、乙醇和超純水以超聲方式清洗襯底各5分鐘以進(jìn)行脫脂，并在空氣中在100℃下干燥。
該靶是(In2O3)1-x-(Ga2O3)x(x＝0-1)的燒結(jié)體(尺寸直徑20mm，厚5mm)。例如，在x＝0.1時(shí)，該靶是(In0.9Ga0.1)2O3的多晶燒結(jié)體。
該靶通過濕法混合源材料In2O3-Ga2O2(4N試劑)(溶劑乙醇)，鍛燒該混合物(1000℃，2小時(shí))，干法壓碎，和燒結(jié)(1550℃，2小時(shí))該混合物來制備。
生長腔的最終壓力是2×10-6Pa。生長期間的氧分壓是1Pa。
襯底保持在室溫下。靶和膜保持襯底之間的距離是30mm。KrF受激準(zhǔn)分子激光的功率在1.5mJ/cm2/脈沖。脈沖寬度是20nsec。重復(fù)頻率是10Hz。照射點(diǎn)的尺寸是1×1毫米見方。膜形成速率是6nm/min。
襯底溫度是25℃。氧壓力是1Pa。通過小角度X射線散射方法(SAXS)(薄膜方法，入射角0.5°)來檢查所產(chǎn)生的薄膜沒有觀察到清楚的衍射峰值，這表示所獲得的In-Ga-O類型氧化物膜是無定形的。膜厚度是120nm。
在所獲得的In-Ga-O類型無定形氧化物膜中，電子載流子濃度是8×1016/cm3，電子遷移率大約是1cm2/V.sec。
(制備具有In-Zn-Ga-O型無定形氧化物膜(玻璃襯底)的TFT元件)制備如圖5所示的頂部柵極類型的TFT元件。
首先，在玻璃襯底1上，通過上述PLS裝置用具有InGaO3(ZnO)4成分的多晶燒結(jié)體構(gòu)成的靶在5Pa的氧分壓下制備In-Ga-Zn-O型無定形氧化物膜。所形成的In-Ga-Zn-O膜為120nm厚，并用作溝道層2。
此外，在其上通過PLD方法在該腔中低于1Pa的氧分壓下分別以30nm的厚度層疊具有更高電導(dǎo)率的另一個(gè)In-Ga-Zn-O型無定形膜和金層。通過光刻和剝離方法從其中形成漏極端子5和源極端子6。
最后，通過電子束汽相沉積形成Y2O3膜作為柵極絕緣體3(厚度90nm，相對介電常數(shù)大約15，漏電流密度施加0.5MV/cm時(shí)是1×10-3A/cm3)。此外，在該膜上形成金膜，并通過光刻和剝離從其中形成柵極端子4。溝道長度是50μm，溝道寬度是200μm。
TFT元件特性的評估圖6示出TFT元件在室溫下的電流-電壓特性。漏電流IDS隨著漏電壓VDS的增加而增大，這表明該溝道是n型導(dǎo)電型。
這與無定形In-Ga-Zn-O型半導(dǎo)體是n型的事實(shí)相符。IDS在VDS＝6V時(shí)飽和(夾斷)，這是半導(dǎo)體晶體管的典型性能。根據(jù)對增益特性的檢查，發(fā)現(xiàn)在施加VDS＝4V的情況下柵電壓VGS的閾值大約是-0.5V。在VG＝10V時(shí)導(dǎo)致IDS＝1.0×10-5A的電流。這對應(yīng)于通過柵極偏壓在作為絕緣體的In-Ga-Zn-O型無定形半導(dǎo)體薄膜中的載流子感生。
該晶體管的開-關(guān)比高于1×103。根據(jù)輸出特性，計(jì)算出在飽和區(qū)域中場效應(yīng)遷移率大約是7cm2(Vs)-1。根據(jù)相同的測量，可見光的照射不會(huì)改變所制作的元件的晶體管特性。
電子載流子濃度低于1×1018/cm3的無定形氧化物可以用作TFT的溝道層。優(yōu)選的是，電子載流子濃度小于1×1017/cm3。更為優(yōu)選的是小于1×1016/cm3。
(制備具有In-Zn-Ga-O型無定形氧化物膜(無定形襯底)的TFT元件)制備如圖5所示的頂部柵極類型的TFT元件。
首先，在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜1上，通過上述PLS裝置用具有InGaO3(ZnO)成分的多晶燒結(jié)體構(gòu)成的靶在氧分壓為5Pa的氣氛中制備In-Ga-Zn-O型無定形氧化物膜。所形成的膜為120nm厚，并用作溝道層2。
此外，在其上通過PLD方法在該腔中低于1Pa的氧分壓下分別以30nm的厚度層疊具有更高電導(dǎo)率的另一個(gè)In-Ga-Zn-O型無定形膜和金層。通過光刻和剝離方法從其中形成漏極端子5和源極端子6。
最后，通過電子束汽相沉積方法形成柵極絕緣體3。此外在該膜上形成金膜，并通過光刻和剝離從其中形成柵極端子4。溝道長度是50μm，溝道寬度是200μm。分別利用以下三種柵極絕緣體的一種來制備上述結(jié)構(gòu)的三種TFTY2O3(140nm厚)，Al2O3(130μm厚)，HfO2(140μm厚)。
TFT元件特性的評估形成在PET膜上的TFT元件在室溫下具有類似于圖6所示的電流-電壓特性。漏電流IDS隨著漏電壓VDS的增加而增大，這表明該溝道是n型導(dǎo)電型。這與無定形In-Ga-Zn-O型半導(dǎo)體是n型的事實(shí)相符。IDS在VDS＝6V時(shí)飽和(夾斷)，這是半導(dǎo)體晶體管的典型性能。在VG＝0V時(shí)導(dǎo)致IDS＝1.0×10-8A的電流，在VG＝10V時(shí)導(dǎo)致IDS＝2.0×10-5A的電流。這對應(yīng)于通過柵極偏壓在作為絕緣體的In-Ga-Zn-O型無定形半導(dǎo)體氧化物膜中的載流子感生。
該晶體管的開-關(guān)比高于1×103。根據(jù)輸出特性，計(jì)算出在飽和區(qū)域中場效應(yīng)遷移率大約是7cm2(Vs)-1。
形成在PET膜上的元件以30nm的曲率半徑彎曲，并在該狀態(tài)下測量晶體管特性。但是沒有觀察到晶體管特性的變化。可見光的照射不會(huì)改變該晶體管特性。
采用Al2O3膜作為柵極絕緣體的TFT也具有類似于圖6所示的晶體管特性。在VG＝0V時(shí)導(dǎo)致IDS＝1.0×10-8A的電流，在VG＝10V時(shí)導(dǎo)致IDS＝5.0×10-6A的電流。該晶體管的開-關(guān)比高于1×102。根據(jù)輸出特性，計(jì)算出在飽和區(qū)域內(nèi)的場效應(yīng)遷移率大約是2cm2(Vs)-1。
采用HfO2膜作為柵極絕緣體的TFT也具有類似于圖6所示的晶體管特性。在VG＝0V時(shí)導(dǎo)致IDS＝1×10-8A的電流，在VG＝10V時(shí)導(dǎo)致IDS＝1.0×10-6A的電流。該晶體管的開-關(guān)比高于1×102。根據(jù)輸出特性，計(jì)算出在飽和區(qū)域內(nèi)的場效應(yīng)遷移率大約是10cm2(Vs)-1。
(通過PLD過程制備采用In2O3無定形氧化物膜的TFT元件)制備如圖5所示的頂部柵極類型的TFT元件。
首先，在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜1上，通過PLD方法形成厚度為80nm的In2O3型無定形氧化物膜作為溝道層2。
此外，在其上通過PLD方法在該腔中的氧分壓低于1Pa、向氧原子團(tuán)產(chǎn)生組件施加零伏的電壓時(shí)分別以30nm的厚度層疊具有更高電導(dǎo)率的另一個(gè)In2O3無定形膜和金層。通過光刻和剝離方法從其中形成漏極端子5和源極端子6。
最后，通過電子束汽相沉積方法形成Y2O3膜作為柵極絕緣體3。此外在該膜上形成金膜，并通過光刻和剝離從其中形成柵極端子4。
TFT元件特性的評估在室溫下檢查形成在PET膜上的TFT元件的電流-電壓特性。漏電流IDS隨著漏電壓VDS的增加而增大，這表明該溝道是n型導(dǎo)體。這與無定形In-O型無定形氧化物膜是n型導(dǎo)體的事實(shí)相符。IDS在大約VDS＝6V時(shí)飽和(夾斷)，這是晶體管的典型性能。在VG＝0V時(shí)導(dǎo)致IDS＝2×10-8A的電流，在VG＝10V時(shí)導(dǎo)致IDS＝2.0×10-6A的電流。這對應(yīng)于通過柵極偏壓在作為絕緣體的In-O型無定形氧化物膜中的電子載流子感生。
該晶體管的開-關(guān)比高于1×102。根據(jù)輸出特性，計(jì)算出飽和區(qū)域中的場效應(yīng)遷移率大約是1×10cm2(Vs)-1。形成在玻璃襯底上的TFT元件具有相似的特性。
形成在PET膜上的元件以30nm的曲率半徑彎曲，并在該狀態(tài)下測量晶體管特性。但是沒有觀察到晶體管特性的變化。
(通過PLD過程制備采用In-Sn-O型無定形氧化物膜的TFT元件)制備如圖5所示的頂部柵極類型的TFT元件。
首先，在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜1上，通過PLD方法形成厚度為100nm的In-Sn-O型無定形氧化物膜作為溝道層2。
此外，在其上通過PLD方法在該腔中的氧分壓低于1Pa、向氧原子團(tuán)產(chǎn)生組件施加零伏的電壓時(shí)分別以30nm的厚度層疊具有更高電導(dǎo)率的另一個(gè)In-Sn-O無定形膜和金層。通過光刻和剝離方法從其中形成漏極端子5和源極端子6。
最后，通過電子束汽相沉積方法形成Y2O3膜作為柵極絕緣體3。此外在該膜上形成金膜，并通過光刻和剝離從其中形成柵極端子4。
TFT元件特性的評估在室溫下檢查形成在PET膜上的TFT元件的電流-電壓特性。漏電流IDS隨著漏電壓VDS的增加而增大，這表示該溝道是n型導(dǎo)體。這與無定形In-Sn-O型無定形氧化物膜是n型導(dǎo)體的事實(shí)相符。IDS在大約VDS＝6V時(shí)飽和(夾斷)，這是晶體管的典型性能。在VG＝0V時(shí)導(dǎo)致IDS＝5×10-8A的電流，在VG＝10V時(shí)導(dǎo)致IDS＝5.0×10-5A的電流。這對應(yīng)于通過柵極偏壓在作為絕緣體的In-Sn-O型無定形氧化物膜中的電子載流子感生。
該晶體管的開-關(guān)比高于1×103。根據(jù)輸出特性，計(jì)算出飽和范圍中的場效應(yīng)遷移率大約是5cm2(Vs)-1。形成在玻璃襯底上的TFT元件具有相似的特性。
形成在PET膜上的元件以30nm的曲率半徑彎曲，并在該狀態(tài)下測量晶體管特性。沒有因此導(dǎo)致晶體管特性的變化。
(通過PLD過程制備采用In-Ga-O型無定形氧化物膜的TFT元件)制備如圖5所示的頂部柵極類型的TFT元件。
首先，在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜1上，通過示例6所示的PLD方法形成厚度為120nm的In-Ga-O型無定形氧化物膜作為溝道層2。
此外，在其上通過PLD方法在該腔中的氧分壓低于1Pa、向氧原子團(tuán)產(chǎn)生組件施加零伏的電壓時(shí)分別以30nm的厚度層疊具有更高電導(dǎo)率的另一個(gè)In-Ga-O無定形膜和金層。通過光刻和剝離方法從其中形成漏極端子5和源極端子6。
最后，通過電子束汽相沉積方法形成Y2O3膜作為柵極絕緣體3。此外在該膜上形成金膜，并通過光刻和剝離從其中形成柵極端子4。
TFT元件特性的評估在室溫下檢查形成在PET膜上的TFT元件的電流-電壓特性。漏電流IDS隨著漏電壓VDS的增加而增大，這表明該溝道是n型導(dǎo)體。這與無定形In-Ga-O型無定形氧化物膜是n型導(dǎo)體的事實(shí)相符。IDS在大約VDS＝6V時(shí)飽和(夾斷)，這是晶體管的典型性能。在VG＝0V時(shí)導(dǎo)致IDS＝1×10-8A的電流，在VG＝10V時(shí)導(dǎo)致IDS＝1.0×10-6A的電流。這對應(yīng)于通過柵極偏壓在作為絕緣體的In-Ga-O型無定形氧化物膜中的電子載流子感生。
該晶體管的開-關(guān)比大約是1×102。根據(jù)輸出特性，計(jì)算出飽和范圍中的場效應(yīng)遷移率大約是0.8cm2(Vs)-1。形成在玻璃襯底上的TFT元件具有相似的特性。
形成在PET膜上的元件以30nm的曲率半徑彎曲，并在該狀態(tài)下測量晶體管特性。沒有因此導(dǎo)致晶體管特性的變化。
電子載流子濃度低于1×1018/cm3的無定形氧化物可以用作TFT的溝道層。優(yōu)選的是，電子載流子濃度不高于1×1017/cm3。更為優(yōu)選的是不高于1×1016/cm3。
下面說明本發(fā)明的示例。
<示例1制備包含微晶體的無定形In-Ga-Zn-O薄膜>
利用圖7所示的裝置制備膜。用具有InGaO3(ZnO)4成分的多晶燒結(jié)體作為靶來執(zhí)行使用KrF受激準(zhǔn)分子激光的脈沖激光沉積方法。在玻璃襯底(Corning公司制造的1737)上，沉積包含微晶體的基于In-Ga-Zn-O的無定形氧化物半導(dǎo)體薄膜。在膜形成步驟中，用鹵素?zé)?20mW/cm2)照射襯底表面。通過對膜片段進(jìn)行TEM(透射電子顯微鏡)觀察來確認(rèn)是否存在微晶體。
<制備MISFET(金屬絕緣體半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)器件>
制造如圖5所示的頂部柵極類型的MISEFT。首先，根據(jù)上述用于制備包含微晶體的無定形In-Ga-Zn-O薄膜的方法在玻璃襯底(1)上形成包含微晶體、厚度為30nm并用作溝道層(2)的半絕緣無定形InGaO3(ZnO)4膜。此外，在所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)上，在將腔中的氧分壓設(shè)置為低于1Pa的同時(shí)通過脈沖激光沉積方法分別以30nm的厚度層疊具有高電導(dǎo)率的InGaO3(ZnO)4膜和金膜。然后，通過光刻和剝離方法形成漏極端子(5)和源極端子(6)。最后，通過電子束沉積方法形成Y2O3膜作為柵極絕緣體3(所獲得的膜具有90至110nm的厚度，相對介電常數(shù)大約15，漏電流密度在施加0.5MV/cm的電流時(shí)是1×10-3A/cm3)。此后，在所形成的結(jié)構(gòu)上形成金膜，然后，通過光刻和剝離方法形成柵極端子(4)。通過這種方式形成場效應(yīng)晶體管。
該晶體管的開/關(guān)比超過1×104。在基于功率特性計(jì)算場效應(yīng)遷移率時(shí)，得出飽和區(qū)域中的電子場效應(yīng)遷移率大約是7.5cm2(Vs)-1。用可見光照射由此制造的器件并進(jìn)行相同的測量。結(jié)果是沒有觀察到晶體管特性的變化。
此外，在上述用于制造包含微晶體的In-Ga-Zn-O薄膜的示例中，當(dāng)用功率密度為0.3mW/cm2至100mW/cm2的光照射襯底時(shí)獲得有益的結(jié)果。因此，該晶體管的開/關(guān)比可以增大，并可以獲得大的電子場效應(yīng)遷移率。為此，光照射是優(yōu)選的。盡管根據(jù)無定形氧化物膜中微晶體的量而不同，通常如果通過X射線衍射檢測到峰值則確定存在微晶體。
<示例2制備具有在膜厚度方向上的成分分布的無定形In-Ga-Zn-O薄膜>
利用具有InGaO3(ZnO)4成分的多晶燒結(jié)體作為靶，通過使用KrF受激準(zhǔn)分子激光的脈沖激光沉積方法，在玻璃襯底(Corning公司制造的1737)上沉積具有在膜厚度方向上的成分分布的基于In-Ga-Zn-O的無定形氧化物半導(dǎo)體薄膜。該膜在內(nèi)部氧分壓在預(yù)定范圍內(nèi)的腔中沉積，同時(shí)將靶和襯底之間的距離增加到5mm。隨著距離的增加，并入到所形成的膜中的氧的量也增加。注意，襯底的溫度設(shè)置在25℃。
在示例2(用于形成具有在膜厚度方向上的成分分布的薄膜)中，可以通過改變膜厚度方向上的氧分壓來改變成分，可替換地，可以通過改變脈沖激光的振蕩功率或振蕩頻率來改變成分。通過這種方式，可以減小泄漏電流或者增加晶體管的開/關(guān)比，并且增大電子場效應(yīng)遷移率。
<示例3制備具有在膜厚度方向上的成分分布的無定形In-Ga-Zn-O薄膜>
該膜是通過使用氬氣的濺射方法來形成的。作為靶，制備(1)具有InGaO3(ZnO)4成分的多晶燒結(jié)體以及(2)氧化鋅燒結(jié)體。然后，在玻璃襯底(Corning公司制造的1737)上沉積具有在膜厚度方向上的成分分布的無定形In-Ga-Zn-O薄膜。通過濺射方法，在具有預(yù)定氧分壓的氣氛中，首先通過利用靶(1)，然后同時(shí)利用靶(1)和靶(2)，來形成該膜。通過這種方式，可以制備具有在膜厚度方向上的成分分布的無定形In-Ga-Zn-O薄膜。注意，襯底的溫度設(shè)置在25℃。
具有在膜厚度方向上的成分分布的無定形In-Ga-Zn-O薄膜可以通過以下方式來制備。該成分通過同時(shí)或分開濺射In2O3靶或改變膜厚度方向上的氧分壓、或可替換地通過在濺射步驟中對每種靶改變膜厚度方向上的電力供應(yīng)來分布在膜厚度方向上。具體地說，在靠近柵極絕緣體的無定形薄膜中，電子場效應(yīng)遷移率預(yù)計(jì)隨著In2O3或ZnO量的增加而增大。
<示例4制備無定形In-Ga-Zn-O(N)薄膜>
下面說明制備包含氮(N)作為添加劑的無定形氧化物的方法。
利用InGaO3(ZnO)4多晶燒結(jié)體作為靶，通過使用KrF受激準(zhǔn)分子激光的脈沖激光沉積方法，在與上面相同類型的玻璃襯底上沉積包含氮(N)作為雜質(zhì)的基于In-Ga-Zn-O的無定形氧化物半導(dǎo)體薄膜(簡稱為“In-Ga-Zn-O(N)”)。注意，腔中的氧分壓設(shè)置為例如4Pa，氮分壓設(shè)置為1Pa，襯底溫度設(shè)置為25℃。薄膜中氧和氮的成分比例優(yōu)選大約是50∶1，這是通過次級離子質(zhì)譜法(SIMS)分析的。
<示例5制備無定形In-Ga-Zn-O(Ti)薄膜>
利用具有InGaO3(ZnO)4成分的多晶燒結(jié)體作為靶，通過使用KrF受激準(zhǔn)分子激光的脈沖激光沉積方法，在玻璃襯底(Corning公司制造的1737)上沉積基于In-Ga-Zn-O的無定形氧化物半導(dǎo)體薄膜。將所產(chǎn)生的基于In-Ga-Zn-O的薄膜浸在保持為80℃的三氯化鈦水溶液中。此后將該膜取出并在空氣中在300℃下退火。通過這種方式，可以將Ti作為雜質(zhì)引入到該無定形氧化物中。通過用SIMS分析從該薄膜表面到底部的Ti濃度，發(fā)現(xiàn)最外表面的Ti濃度大約是0.5％，并朝著底部逐漸減小。
按照本發(fā)明的無定形氧化物可用于晶體管的溝道層。這種晶體管可以用作LCD和有機(jī)EL顯示器的開關(guān)裝置?？商鎿Q地，該無定形氧化物可以涂敷在諸如塑料膜的柔性材料上，以形成半導(dǎo)體薄膜。這種半導(dǎo)體薄膜可以廣泛地用作柔性顯示器、IC卡和ID標(biāo)簽的板(panel)。
本申請要求2004年11月10日提交的日本專利申請No.2004-326687的優(yōu)先權(quán)，通過引用將其合并于此。
權(quán)利要求
1.一種無定形氧化物，包括微晶體，并且電子載流子濃度低于1018/cm3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無定形氧化物，其包含從In、Zn和Sn中選擇的至少一種元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場效應(yīng)晶體管，其中所述無定形氧化物是從含有In、Zn和Sn的氧化物；含有In和Zn的氧化物；含有In和Sn的氧化物；以及含有In的氧化物中任選的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無定形氧化物，其包含In、Ga和Zn。
5.一種無定形氧化物，其中電子遷移率隨著電子載流子濃度的增加而增大。
6.一種場效應(yīng)晶體管，其包括含有微晶體的無定形氧化物的有源層和形成為通過柵極絕緣體面向該有源層的柵電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的場效應(yīng)晶體管，其中該晶體管是常斷類型的晶體管。
8.一種無定形氧化物，其成分在層厚度方向上變化，并且電子載流子濃度低于1018/cm3。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的無定形氧化物，其中所述無定形氧化物包含從In、Zn和Sn中選擇的至少一種元素。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的場效應(yīng)晶體管，其中所述無定形氧化物是從含有In、Zn和Sn的氧化物；含有In和Zn的氧化物；含有In和Sn的氧化物；以及含有In的氧化物中任選的一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的無定形氧化物，其中所述無定形氧化物包含In、Ga和Zn。
12.一種場效應(yīng)晶體管，包括成分在層厚度方向上變化的無定形氧化物的有源層，以及形成為通過柵極絕緣體面向該有源層的柵電極，其中所述有源層包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，第二區(qū)域比第一區(qū)域更靠近柵極絕緣體，并且第二區(qū)域的氧濃度高于第一區(qū)域的氧濃度。
13.一種場效應(yīng)晶體管，包括具有從In和Zn中選擇的至少一種元素的無定形氧化物的有源層，以及形成為通過柵極絕緣體面向該有源層的柵電極，其中所述有源層包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，第二區(qū)域比第一區(qū)域更靠近柵極絕緣體，并且第二區(qū)域的In濃度高于第一區(qū)域的In濃度，或者第二區(qū)域的Zn濃度高于第一區(qū)域的Zn濃度。
14.一種無定形氧化物，其成分在層厚度方向上變化，其中電子遷移率隨著電子載流子濃度的增加而增大。
15.一種場效應(yīng)晶體管，包括具有從In和Zn中選擇的至少一種元素的無定形氧化物的有源層，以及形成為通過柵極絕緣體面向該有源層的柵電極，其中所述有源層包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，第二區(qū)域比第一區(qū)域更靠近柵極絕緣體，并且第二區(qū)域的In濃度高于第一區(qū)域的In濃度，或者第二區(qū)域的Zn濃度高于第一區(qū)域的Zn濃度。
16.一種無定形氧化物，包含從Li、Na、Mn、Ni、Pd、Cu、Cd、C、N、P、Ti、Zr、V、Ru、Ge、Sn和F中選擇的一種元素或多種元素，并且電子載流子濃度低于1018/cm3。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的無定形氧化物，其包含從In、Zn和Sn中選擇的至少一種元素。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的場效應(yīng)晶體管，其中所述無定形氧化物是從含有In、Zn和Sn的氧化物；含有In和Zn的氧化物；含有In和Sn的氧化物；以及含有In的氧化物中任選的一種。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的無定形氧化物，其包含In、Zn和Ga。
20.一種無定形氧化物，包含從Li、Na、Mn、Ni、Pd、Cu、Cd、C、N、P、Ti、Zr、V、Ru、Ge、Sn和F中選擇的至少一種元素，其中電子遷移率隨著電子載流子濃度的增加而增大。
21.一種場效應(yīng)晶體管，包括包含從Li、Na、Mn、Ni、Pd、Cu、Cd、C、N、P、Ti、Zr、V、Ru、Ge、Sn和F中選擇的至少一種元素的無定形氧化物的有源層；以及形成為通過柵極絕緣體面向該有源層的柵電極。
全文摘要
提供了一種新穎的無定形氧化物，其可用于例如TFT的有源層。該無定形氧化物包含微晶體。
文檔編號(hào)H01L21/428GK101057339SQ20058003827
公開日2007年10月17日 申請日期2005年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月10日
發(fā)明者佐野政史, 中川克己, 細(xì)野秀雄, 神谷利夫, 野村研二 申請人:佳能株式會(huì)社, 國立大學(xué)法人東京工業(yè)大學(xué)