專利名稱：具有通過使用非晶氧化物膜而形成的柵絕緣層的場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有通過使用非晶氧化物膜而形成的柵絕緣層 的場效應(yīng)晶體管，并且還涉及一種顯示裝置。
背景技術(shù)：
場效應(yīng)晶體管(FET)是一種具有柵電極、源電極和漏電極的三 端子器件。FET還是一種電子有源器件，其具有當(dāng)向柵電極施加電壓的功能特征。具有通過使用在諸如陶瓷、玻璃和塑料的絕緣體襯底上 形成的薄膜而形成的溝道層的FET被稱為TFT (薄膜晶體管)。由于TFT是利用薄膜技術(shù)形成的，所以TFT具有其可容易地在 大面積襯底上形成的優(yōu)點(diǎn)。TFT由于此優(yōu)點(diǎn)而廣泛用作液晶顯示器及 其它平板顯示器的驅(qū)動(dòng)器件。更具體地說，在有源液晶顯示器(ALCD ) 中，TFT在玻璃襯底上形成，并且被操作為用于單獨(dú)地打開/關(guān)閉各個(gè) 像素的開關(guān)器件。預(yù)計(jì)在將來，TFT可有效地用于高性能有機(jī)LED 顯示器(OLED)中像素的電流驅(qū)動(dòng)操作。另外，迄今已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在 圖像顯示區(qū)外圍形成TFT電路以驅(qū)動(dòng)和控制整個(gè)圖像的高性能液晶 顯示器。目前最普及的TFT是通過將多晶硅膜或非晶硅膜用作溝道層材 料而制造的金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MIS-FET)。非晶 硅TFT和多晶硅TFT已經(jīng)分別被商業(yè)化，用于驅(qū)動(dòng)像素和驅(qū)動(dòng)/控制 整個(gè)圖像。但是，制備非晶和多晶硅TFT需要熱器件制造工藝。因此，難 以在塑料板或膜上形成這種器件。同時(shí)，已經(jīng)大量地進(jìn)行了開發(fā)努力，以通過在聚合物板或膜上形成TFT并將它們用作LCD或OLED的驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)柔性(flexible ) 顯示器。由于有機(jī)半導(dǎo)體膜導(dǎo)電并且可在低溫下在塑料膜上形成，因 而這樣的膜正引起關(guān)注。
例如，并五苯和其它有機(jī)物質(zhì)提供了有機(jī)半導(dǎo)體膜的研究和開發(fā) 努力的對象。這些有機(jī)半導(dǎo)體具有芳香環(huán)(aromatic ring)，并且當(dāng) 結(jié)晶時(shí)沿芳香環(huán)的多層形成方向顯示高載流子遷移率。例如，已經(jīng)報(bào) 導(dǎo)，當(dāng)將并五苯用于有源層時(shí)，載流子遷移率大約為0.5 cit^Vs)-1, 其與非晶Si-MOSFET相當(dāng)(equivalent)。
但是，并五苯和其它有機(jī)半導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性差(<150。C )且高度 有毒(致癌)，因此通過使用這種有機(jī)半導(dǎo)體形成的器件迄今尚未市 售。
氧化物材料已經(jīng)作為可應(yīng)用于TFT的溝道層的材料而引起關(guān)注。 例如，正積極作出努力以開發(fā)包括通過使用透明導(dǎo)電氧化物多晶 薄膜而形成的溝道層的TFT,該薄膜是使用ZnO作為主要成分而制 備的。這種薄膜可在相對低的溫度下在襯底上形成，該襯底可以是塑 料板或膜。但是，主要包含ZnO的化合物在室溫下不能產(chǎn)生穩(wěn)定的非 晶相且不可避免地產(chǎn)生多晶相，因此，由于在多晶晶粒邊界處的散射 而不能提高電子遷移率。另外，成膜(film forming )工藝對多晶晶粒 的輪廓(profile)及其相互連接有很大影響，從而制備的TFT器件可 顯示出多樣化的特性。
K. Nomura等人，Nature 432， 488 (2004)報(bào)導(dǎo)了通過使用 In-Ga-Zn-0型非晶氧化物而制備的薄膜晶體管。這種晶體管可在室溫 下在塑料或玻璃襯底上形成。另外，這種晶體管提供了常關(guān)斷 (normally-off)型晶體管特性和大約6到9的場效應(yīng)遷移率。此外， 這種晶體管具有相對于可見光透明的特性。
發(fā)明內(nèi)容
常規(guī)地，通常將Si()2或SiNx用于場效應(yīng)晶體管的柵絕緣層。對 于其中將氧化物應(yīng)用于溝道層的晶體管，正在討論這種柵絕緣層的使用。另一方面，正在嘗試通過使用由諸如Y203或Hf02的顯示高介電常數(shù)的物質(zhì)制成的柵絕緣層來實(shí)現(xiàn)顯示大的導(dǎo)通(ON )電流的薄膜晶 體管。但是，當(dāng)Y203和Hf02在低溫下生長時(shí)，它們變得被結(jié)晶以產(chǎn)生粒狀團(tuán)塊(granular agglomerate ),從而使得難以在柵絕緣層和溝道 層之間形成良好的邊界界面。因此，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的晶體管特性 和良好的操作穩(wěn)定性。這里所用的良好的晶體管特性是指顯示大的導(dǎo) 通電流和小的關(guān)斷(OFF)電流，提供高電場遷移率并且是常關(guān)斷型 的等等。另一方面，這里所用的良好的操作穩(wěn)定性是指顯示小的滯后， 并且相對于經(jīng)過的(elapsed)時(shí)間、驅(qū)動(dòng)歷史和環(huán)境變化具有良好的 穩(wěn)定性等等。作為本發(fā)明的發(fā)明人對通過將非晶In-Ga-Zn-O型氧化物用于溝 道層而形成的薄膜晶體管進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)取決于組分和制 造條件，TFT的晶體管特性(Id-Vg特性)可出現(xiàn)滯后。滯后的出現(xiàn)導(dǎo)致當(dāng)TFT用于例如顯示器的像素電路中時(shí)正被驅(qū) 動(dòng)的有機(jī)LED以及液晶的操作的變化，從而使顯示器的圖像質(zhì)量惡 化。因此，本發(fā)明的目的是提供一種同時(shí)顯示良好的晶體管特性和良 好的操作穩(wěn)定性的場效應(yīng)晶體管。根據(jù)本發(fā)明，上述目的是通過提供包括在襯底上形成的溝道層、 源電極、漏電極、柵絕緣層和柵電極的場效應(yīng)晶體管而實(shí)現(xiàn)的，其特 征在于，該溝道層由非晶氧化物制成，且該柵絕緣層由包含Y的非晶 氧化物制成。
圖1A和1B示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管，顯示出 各自的配置。圖2是示出In-Ga-Zn-O型非晶氧化物膜的電子載流子密度與成 膜工藝中的氧分壓之間的關(guān)系的曲線圖。圖3是濺射系統(tǒng)的示意性框圖。 圖4是PLD系統(tǒng)的示意性框圖。圖5是示出在Pt上形成的YMn03的X射線衍射的曲線圖。 圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的實(shí)施例的TFT特性之 一 (Id-Vg特性)的曲線圖。圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的實(shí)施例的滯后特性 (Id-Vg特性)的曲線圖。圖8是根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置的實(shí)施例的示意性橫截面視圖。 圖9是根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置的另一個(gè)實(shí)施例的示意性橫截面視圖。圖10是通過二維布置包括有機(jī)EL器件和薄膜晶體管的像素而 形成的顯示裝置的示意圖，顯示出其配置。
具體實(shí)施方式
在包括通過使用非晶氧化物而形成的溝道層的場效應(yīng)晶體管的 實(shí)施例中，柵絕緣層是通過使用包含Y的非晶氧化物而形成的。期望 使用這樣的非晶氧化物，即該非晶氧化物具有當(dāng)在使包含Y的非晶氧 化物結(jié)晶的條件下制備柵絕緣層時(shí)用于形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的組分。更具 體地說，期望使用Y-Mn-O或Y-Ti-O。使用這種物質(zhì)形成的膜當(dāng)其在 低溫范圍中形成時(shí)是非晶的，但是當(dāng)其在高溫范圍內(nèi)形成時(shí)，這種膜 結(jié)晶以顯示鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。還期望通過使用至少包含In、 Ga或Zn的非晶氧化物來形成溝道層。圖1A和1B示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管，顯示出 各自的配置。圖1A示出頂柵結(jié)構(gòu)，而圖1B示出底柵結(jié)構(gòu)。在圖1A和圖1B的每一個(gè)中，示出襯底IO、溝道層ll、柵絕緣 層12、源電極13、漏電極14和柵電極15。場效應(yīng)晶體管是具有柵電極15、源電極13和漏電極14的三端子 器件。它還是電子有源器件，所述電子有源器件具有當(dāng)電壓Vg被施加到柵電極時(shí)控制流過溝道層的電流Id并且開關(guān)在源電極和漏電極之間流動(dòng)的電流Id的功能特征。圖1A所示的結(jié)構(gòu)是頂柵結(jié)構(gòu)，其中柵絕緣層12和柵電極15依 次被形成在半導(dǎo)體溝道層ll上。另一方面，圖1B所示的結(jié)構(gòu)是底柵 結(jié)構(gòu)，其中柵絕緣層12和半導(dǎo)體溝道層11依次被形成在柵電極15 上。圖1A的結(jié)構(gòu)被稱為交錯(cuò)(staggered)結(jié)構(gòu)，而圖1B的結(jié)構(gòu)被稱 為反交錯(cuò)結(jié)構(gòu)。此實(shí)施例的TFT的配置并不限于上述配置，對于此實(shí)施例可使 用任何其它的頂柵/底柵結(jié)構(gòu)和交錯(cuò)/反交錯(cuò)結(jié)構(gòu)。 (柵絕緣層)此實(shí)施例的柵絕緣層12由包含Y的非晶氧化物制成，該非晶氧 化物可選自Y-Mn-O和Y-Ti-O。這些氧化物當(dāng)該層的膜在^f氐溫下形成 時(shí)是非晶的，但是當(dāng)結(jié)晶時(shí)變成顯示鈣鈦礦結(jié)構(gòu)?？赏ㄟ^使用諸如濺射(SP)、脈沖激光沉積(PLD)、電子束沉 積或原子層沉積的氣相工藝來制備非晶氧化物的柵絕緣層，盡管可用 于形成柵絕緣膜的工藝并不限于上文列出的那些。通過應(yīng)用包含Y和Mn或Ti、并且具有當(dāng)在結(jié)晶條件下形成時(shí) 變成顯示4丐鈦礦結(jié)構(gòu)的組分(composition)的非晶氧化物，對于柵絕 緣層可實(shí)現(xiàn)相對高的介電常數(shù)。例如，非晶YMn03的薄膜的介電常 數(shù)大約為10。因此，可以實(shí)現(xiàn)顯示大的導(dǎo)通電流的晶體管。包括由非晶氧化物制成的溝道層和柵絕緣層的場效應(yīng)晶體管顯 示出優(yōu)異的晶體管特性和良好的操作穩(wěn)定性。 (溝道層)此實(shí)施例的溝道層11由包含In、 Ga和Zn中至少一種的非晶氧 化物制成?？赏ㄟ^使用諸如濺射(SP)、脈沖激光沉積(PLD)或電子束沉 積的氣相工藝來制備非晶氧化物膜，盡管可用于形成溝道層的工藝并 不限于上文列出的那些?？赏ㄟ^向柵電極施加電壓，將電子注入上述非晶氧化物溝道層。于是，電流在源電極和漏電極之間流動(dòng)以使這些電極之間的連接處于 導(dǎo)通狀態(tài)。此實(shí)施例的非晶氧化物膜的電子遷移率隨著電子栽流子密 度增加而提高，從而在晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)下可進(jìn)一步提高電流。換句話說，可提高該實(shí)施例的飽和電流和開/關(guān)比(ON/OFF ratio )。通常，通過控制形成氧化物膜時(shí)的氧分壓來控制該氧化物膜的電 子載流子密度。更具體地說，通過主要控制氧分壓來控制該薄膜內(nèi)的 氧缺陷量，以便從而控制電子載流子密度。圖2是示出In-Ga-Zn-O型氧化物薄膜的載流子密度與成膜工藝 中的氧分壓之間的關(guān)系的曲線圖。事實(shí)上，可制備顯示出10"到 1018/cm3的電子載流子密度的非晶氧化物的半絕緣膜。于是，可通過 將這種薄膜應(yīng)用于溝道層而制備工作良好的TFT。如圖2所示，半絕 緣薄膜可通過典型地在大約0.005 Pa的氧分壓下形成該膜而被制備。 當(dāng)氧分壓高于0.01 Pa時(shí)該薄膜變成絕緣的，而當(dāng)氧分壓低于0.001 Pa 時(shí)其電導(dǎo)率太高以至于不能用于晶體管的溝道層。在此實(shí)施例中，當(dāng)通過將非晶氧化物用于場效應(yīng)晶體管以形成溝 道層和柵絕緣層時(shí)，溝道層和絕緣層的邊界界面工作良好。非晶氧化 物提供的優(yōu)點(diǎn)包括可通過使用非晶氧化物來制備平面薄膜，并且由 于在晶粒邊界處沒有產(chǎn)生電荷陷阱，所以該晶體管顯示出包括小的滯 后和良好的穩(wěn)定性的良好特性。 (電極)可用于此實(shí)施例的源電極13、漏電極14和柵電極15的材料包括 諸如Au、 Pt、 Al和Ni的金屬，以及諸如In-Sn-O (通常被稱為ITO) 和Ru02的氧化物。 (襯底)襯底10可以是玻璃襯底、塑料襯底或塑料膜。由于溝道層和柵絕緣層相對于可見光是透明的，所以可通過將透 明材料用于電極和襯底來制備透明場效應(yīng)晶體管?？赏ㄟ^將作為輸出端子工作的場效應(yīng)晶體管的漏電極連接到諸 如有機(jī)或無機(jī)電致發(fā)光(EL)器件或液晶器件的顯示元件的電極來制備顯示裝置。現(xiàn)在，作為例子，將參照相關(guān)
顯示裝置的特定 配置。參照圖8，在襯底111上形成包括非晶氧化物半導(dǎo)體膜112、源 電極113、漏電極114、柵絕緣膜115和柵電極116的TFT。電極118 經(jīng)由層間絕緣膜117連接到漏電極114并被保持與發(fā)光層119接觸， 該發(fā)光層119繼而被保持與另一電極120接觸。通過此布置，可利用 從源電極113經(jīng)由由非晶氧化物半導(dǎo)體膜112形成的溝道流到漏電極 114的電流來控制注入發(fā)光層119中的電流。因此，可利用TFT的柵 電極116的電壓來控制電流。注意，電極118、發(fā)光層119和電極120 形成無機(jī)或有機(jī)電致發(fā)光器件?，F(xiàn)在，對于圖9中所示的配置，漏電極114延伸以還作為電極118 工作，該電極118用于給夾在高阻抗膜121和122之間的液晶單元或 電泳型粒子單元123施加電壓。該液晶單元或電泳型粒子單元123、 高阻抗層121和122、電極118以及電極120形成顯示元件。于是， 可利用從源電極113經(jīng)由形成在非晶氧化物半導(dǎo)體膜112內(nèi)的溝道流 到漏電極114的電流來控制施加給顯示元件的電壓。因而，可利用TFT 的柵電極116的電壓來控制電流。當(dāng)顯示元件的顯示介質(zhì)是通過將流 體和粒子包含在絕緣膜中形成的嚢狀物(capsule)時(shí)，不需要高阻抗 膜121和122。盡管上述兩個(gè)示例中的每一個(gè)的TFT被示為頂柵共面型晶體管， 但是本發(fā)明決不限于此。例如，只要作為TFT的輸出端子而工作的漏 電極與顯示元件之間的連接在拓樸上是相當(dāng)?shù)模瑒t對于本發(fā)明的目的， 可作為備選方案使用交錯(cuò)型或某一其它類型的晶體管。盡管在上述兩個(gè)示例中的每一個(gè)中用于驅(qū)動(dòng)顯示元件的一對電 極被平行于村底布置，但是本發(fā)明決不限于此。例如，只要作為TFT 的輸出端子而工作的漏電極與顯示元件之間的連接在拓樸上是相當(dāng) 的，則對于本發(fā)明的目的，該成對電極中的任何一個(gè)或雙方可相對于 襯底4皮垂直地布置。盡管在上述兩個(gè)示例中的每一個(gè)中僅示出單個(gè)TFT，但是本發(fā)明決不限于此。例如，只要附圖中的TFT布置在通過這種TFT形成的 電路的末級，則附圖中所示的TFT可連接到另一TFT。當(dāng)用于驅(qū)動(dòng)顯示元件的一對電極,皮平行于襯底布置時(shí)，如果顯示 元件是諸如EL器件的發(fā)射型顯示元件或反射型液晶器件，則該電極 中的任一個(gè)需要相對于發(fā)射光或反射光的波長是透明的。如果顯示元 件是諸如透射型液晶器件的透射型顯示元件，則該兩個(gè)電極都需要相 對于透射光的波長是透明的。此實(shí)施例的TFT的所有組件都可制成為透明的，以形成透明顯 示元件。這種顯示元件可布置在重量輕、柔性的且透明的耐熱性差的 村底上，諸如樹脂制成的塑料襯底上?，F(xiàn)在，下面將參照圖10說明通過二維布置包含EL器件(有機(jī) EL器件)和薄膜晶體管的像素而形成的顯示裝置。在圖10中，示出用于驅(qū)動(dòng)有機(jī)EL層184的晶體管181和用于 選擇像素的晶體管182。圖10中所示的每個(gè)電容器183是用于通過在 相應(yīng)的公共電極線187和相應(yīng)的晶體管182的源極部分之間存儲(chǔ)電荷 而保持所選狀態(tài)，并且保持相應(yīng)的晶體管181的柵極的信號。利用掃 描電極線185和信號電極線186選擇《象素。更具體地說，當(dāng)脈沖視頻信號被從驅(qū)動(dòng)電路(未示出)經(jīng)由相應(yīng) 的掃描電極185施加到其相應(yīng)的柵電極，且同時(shí)另一脈沖信號被從另 一驅(qū)動(dòng)電路(未示出)經(jīng)由相應(yīng)的信號電極186施加到其晶體管182 時(shí)，選擇像素。于是，晶體管182被導(dǎo)通，并且電荷被存儲(chǔ)在布置在 信號電極線186和晶體管182的源電極之間的電容器183中。結(jié)果， 晶體管181的柵電壓被保持為期望的電壓水平，且晶體管181被導(dǎo)通。 此狀態(tài)被保持，直到接收到下一個(gè)信號為止。只要晶體管181被保持 為導(dǎo)通狀態(tài)，則電壓和電流被持續(xù)供給到有機(jī)EL層184以維持發(fā)光。盡管在圖10的例子中每個(gè)像素具有兩個(gè)晶體管和一個(gè)電容器， 但是每個(gè)像素可具有多于兩個(gè)的晶體管以便改善其性能。必要的是， 可通過將In-Ga-Zn-O型TFT用于像素的晶體管部分來獲得有效的 EL器件，該In-Ga-Zn-O型TFT是透明TFT并且可在低溫下形成?，F(xiàn)在，將通過示例并參照相關(guān)附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。 (示例1 )在此示例中，制備如圖1A所示的頂柵型TFT器件。該TFT包 括由In-Ga-Zn-O型非晶氧化物制成的溝道層和由非晶YMn03制成的 柵絕緣層。首先，在玻璃襯底10 ( 1737:商品名稱，可從Corning得到) 上形成非晶氧化物膜作為溝道層11。在此示例中，通過在氬和氧的混合氣體氣氛中的高頻濺射形成 In-Ga-Zn-O型非晶氧化物膜。比率In:Ga:Zn = 1:0.9:0.6。如圖3所示的濺射成膜系統(tǒng)用于形成非晶氧化物膜。在圖3中， 示出樣品(襯底)31、靶32、真空泵33、真空計(jì)34、襯底保持單元 35、為各氣體引入系統(tǒng)提供的氣體流率控制單元36、壓力控制單元37 和成膜室38。氣體引入系統(tǒng)包含用于氬、氧和氬/氧氣混合氣體(Ar:02 =95:5)的三個(gè)系統(tǒng)?？衫脷怏w流率控制單元36和壓力控制單元 37在成膜室38中提供預(yù)定的氣體氣氛，該氣體流率控制單元36可獨(dú) 立地控制氣體的流率，該壓力控制單元37用于控制排氣速率。在此示例中，大小為3英寸的多晶燒結(jié)體被用作靶(材料源)， 并且制備RF功率為200 W。成膜工藝中的氣氛的總壓力為0.5 Pa, 且氣體流率比為Ar:02 = 97:3。膜沉積速率為14nm/min，且膜厚度為 50 nm。襯底溫度為25匸。利用X射線衍射測量(薄膜方法，入射角0.5° )觀測所得到的 膜，發(fā)現(xiàn)沒有檢測到清晰的衍射峰，制備的In-Zn-Ga-O型膜是非晶 膜。隨后，通過使用光刻和剝離工藝進(jìn)行構(gòu)圖(patterning)而形成 漏電極14和源電極13。電極的材料為Au，并且電極具有40nm的厚 度。此后，通過還使用光刻和剝離工藝進(jìn)行構(gòu)圖而形成柵絕緣層12。 柵絕緣層12是利用PLD工藝制備的YMn03膜。如圖4所示的PLD成膜系統(tǒng)用于成膜的目的。在圖4中，示出樣品41、靶42、真空泵43、真空計(jì)44、襯底保持單元45、為氣體引 入系統(tǒng)提供的氣體流率控制單元、壓力控制單元47、成膜室48和激 光器49。氧可作為氣體被引入?？衫脷怏w流率控制單元46和用于 控制排氣速率的壓力控制單元47在膜沉積室中產(chǎn)生預(yù)定的氣體氣氛。 激光器49是脈沖寬度為20 nsec的KrF受激準(zhǔn)分子激光器。在此示例中，具有10 mm(p鉤鈦礦結(jié)構(gòu)的多晶YMn03燒結(jié)體被 用作靶(材料源)。制備激光功率為50 mJ，并且頻率為10 Hz。膜沉 積工藝中的氣氛的總氧壓力為0.1 Pa。膜沉積速率為2 nm/min，并且 膜厚度為150 nm。襯底溫度為25*C。》見測所制備的厚度為150 nm的 YMn03膜的比介電常數(shù)(specific dielectric constant)并發(fā)現(xiàn)其大約 為9。圖5是示出在上面列出的條件下在Pt上形成的YMn03膜的X 射線衍射的曲線圖。從圖5中可見，所制備的膜是非晶的。在圖5中， 在20 = 40°和46。處出現(xiàn)的峰是下面的Pt的峰。此外，確認(rèn)了直到襯底溫度超過500 C為止，YMn03膜是非晶的。然后，利用光刻和剝離工藝形成柵電極15。溝道長度為50nm， 且溝道寬度為200 nm。該電極由Au制成并且厚度為30 nm。圖6是示出在室溫下觀測到的TFT器件的電流(Id)-電壓(Vg) 特性的曲線圖。在圖6中，IE-4和IE-12 (A:安培)分別指示10" 和l(T12 ( A:安培)。晶體管的開/關(guān)比大約為108。場效應(yīng)遷移率大約為7ci^(Vs)"。還觀測到此示例的器件的滯后。圖7是示出此示例中觀測到的滯后的曲線圖。最初，柵電壓從-5V 升高到10V，并觀測漏極電流(SWP向上實(shí)線)。隨后，柵電壓從 10V降低到-5V，并且觀測漏極電流(SWP向下虛線)。作為觀測 結(jié)果，發(fā)現(xiàn)滯后不大于0.1 V。在圖7中，IE-4和IE-12 ( A:安培) 分別指示10-4和10"2 (A:安培)。 (示例2 )在此示例中，制備了如圖1B所示的底柵型TFT器件。該TFT 包括由In-Ga-Zn-O型非晶氧化物制成的溝道層，以及由非晶YMn03制成并且在300C的襯底溫度下形成的柵絕緣層。首先，使用Au在玻璃襯底10 ( 1737:商品名稱，可從Corning 得到)上形成厚度為50 nm的柵電極15。使用光刻和剝離工藝用于構(gòu) 圖。然后，形成厚度為150 nm的柵絕緣層12。柵絕緣層12是利用 PLD工藝制備的YMn03膜。襯底溫度被設(shè)定為300X:。對于柵絕緣 層的成膜工藝，使用除襯底溫度之外與示例1相似的工藝。對于構(gòu)圖， 還使用光刻和干法蝕刻。然后，在襯底溫度為室溫的情況下通過在氬氣和氧化物氣體的混 合物的氣氛中的高頻濺射形成In-Ga-Zn-O型氧化物膜的溝道層。比 率In:Ga:Zn-1:0.9:0.6。對于溝道層的膜沉積工藝，遵循類似于示例 1的工藝。最后，利用光刻和剝離工藝使用Au形成厚度各為200 nm的源 電極13和漏電極14。在此示例中，晶體管的開/關(guān)比大約為108，并且場效應(yīng)遷移率大 約為6 cm2(Vs)'1。 (示例3 )在此示例中，在塑料襯底上制備了如圖1A所示的頂柵型TFT器件。該襯底是聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate， PET )膜。首先，在襯底溫度為室溫的情況下，通過在氬和氧的混合氣體氣 氛中的高頻濺射形成厚度為50 nm的In-Ga-Zn-O型氧化物的溝道層 11。比率In:Ga:Zn = 1:0.9:0.6。對于溝道層的成膜工藝，遵循類似于 示例1的工藝。對于構(gòu)圖，還使用光刻和剝離工藝。然后，通過使用ITO形成厚度為40 nm的源電極13和漏電極14。對于構(gòu)圖，還使用光刻和剝離工藝。然后，形成厚度為150 nm的柵絕緣層12。柵絕緣層12是利用 PLD工藝制備的YMn03膜。襯底溫度被設(shè)定為室溫。對于柵絕緣層的成膜工藝，使用與示例l相似的工藝。 對于構(gòu)圖，還使用光刻和剝離工藝。然后，使用ITO形成厚度為200 nm的柵電極15。 對于構(gòu)圖，還使用光刻和剝離工藝。在室溫下觀測PET膜上形成的TFT，發(fā)現(xiàn)晶體管的開/關(guān)比不小 于104，并且場效應(yīng)遷移率大約為2 cm^Vs)-: (示例4)在此示例中，使用TFT制備顯示裝置，每一個(gè)TFT如圖9所示。 TFT制造工藝與示例1的相同。在該TFT中，作為漏電極114工作 的ITO膜的島的短邊延伸到100 nm，并且在將布線固定到源電極113 和柵電極116之后，該TFT除90 nm的延伸部分118之外被絕緣層 117覆蓋。然后，聚酰亞胺膜121被施加到該絕緣層117上并經(jīng)受摩 擦(rub)處理。另一方面，ITO膜120和聚酰亞胺膜122被形成在 在類似的塑料村底上并經(jīng)受摩擦處理。在其上制備有TFT的襯底和塑 料襯底相對地布置，在它們之間具有5 nm的間隙，且向列液晶123 被注入該間隙中。偏振板(polarization plate)在上述結(jié)構(gòu)的相對側(cè) 成對地布置。然后，當(dāng)電壓被施加到TFT的源電極113，且施加到柵 電極116的電壓,皮改變時(shí)，透光因數(shù)(light transmission factor)僅在 30 pmx90 nm的區(qū)域118中改變，該區(qū)域118是從漏電極114延伸的 ITO膜的島的一部分。當(dāng)柵電壓使得保持TFT處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，還可 通過改變源電極和漏電極之間的電壓來連續(xù)改變該透射因數(shù)。這樣， 制備了包含如圖9所示的液晶單元作為顯示元件的顯示裝置。在此示例中，作為備選方案，白塑料襯底被用作在其上形成有 TFT的襯底lll,并且Au被用作TFT的電極，而聚酰亞胺膜和偏振 板被取走。通過用絕緣涂層膜覆蓋粒子和流體而形成的嚢狀物被填充 在透明塑料襯底和白塑料襯底之間的間隙中。在這樣布置的顯示裝置 中，控制在每個(gè)TFT所延伸的漏電極與上部ITO膜之間的電壓，以 便驅(qū)動(dòng)囊狀物中的粒子上下移動(dòng)。結(jié)果，從透明襯底側(cè)觀看，可通過 控制延伸的漏電極區(qū)域的反射率來顯示圖像。在此示例中，仍作為備選方案，還可制備多個(gè)TFT并且并排地 布置它們，以形成電流控制電路，該電流控制電路具有例如四個(gè)晶體 管和一個(gè)電容器，使用如圖8所示的TFT作為末級晶體管中的一個(gè)， 以驅(qū)動(dòng)EL器件。例如，可使用其中ITO膜被用作漏電極的TFT。于 是，形成有機(jī)電致發(fā)光器件，該有機(jī)電致發(fā)光器件在作為從漏電極延 伸的ITO膜的鳥的一部分的30 jimx90 的區(qū)域中具有電荷注入層 和發(fā)光層。這樣，可制備包含EL器件的顯示裝置。 (示例5 )示例4的顯示元件和TFT ^皮二維布置。例如，沿短邊以40 nm 的間距且沿長邊以120 nm的間距布置示例4的^ 素，直到總共7425 x 1790個(gè)像素，每個(gè)示例4的像素包括諸如液晶單元和EL器件的顯 示元件以及TFT,并且面積大約為30nmxll5nm。然后，1790條柵 極布線沿長邊布置，以通過沿短邊布置的7425個(gè)TFT的柵電極，而 7425條信號布線沿短邊布置，以通過從非晶氧化物半導(dǎo)體膜的島突出 5nm的1790個(gè)TFT的源電極的部分。柵極布線和信號布線分別連接 到柵極驅(qū)動(dòng)電路和源極驅(qū)動(dòng)電路。在液晶顯示器的情況下，可通過布 置具有與液晶顯示器相同大小的濾色器并將它們與該液晶顯示器對 齊，以使RGB在長邊的方向重復(fù)出現(xiàn)，來制備大約211 ppi和A4大 小的有源矩陣型彩色圖像顯示裝置。在EL器件的情況下，可通過將每個(gè)EL器件中的兩個(gè)TFT的第 一 TFT的柵電極連接到柵極布線，并且還將第二 TFT的源電極連接 到信號布線，同時(shí)使得EL器件的RGB的發(fā)光波長在長邊的方向重復(fù) 出現(xiàn)，來制備相同分辨率的發(fā)光型彩色圖像顯示裝置。用于驅(qū)動(dòng)有源矩陣的驅(qū)動(dòng)電路可通過使用與像素的TFT相同的 根據(jù)本發(fā)明的TFT而形成，或者商業(yè)上可獲得的IC芯片可用于該驅(qū) 動(dòng)電路。工業(yè)可應(yīng)用性由于薄膜可在低溫下以非晶狀態(tài)形成，所以根據(jù)本發(fā)明的非晶薄 膜晶體管可在諸如PET膜的柔性構(gòu)件上形成。換句話說，根據(jù)本發(fā)明的非晶薄膜晶體管能以彎曲狀態(tài)切換，并且相對于波長400 nm以上 的可見光和紅外線是透明的。因此，根據(jù)本發(fā)明的非晶薄膜晶體管可 在用于LCD和有機(jī)EL顯示器的開關(guān)器件的領(lǐng)域中以及在柔性顯示 器、透視(see-through)型顯示器、IC卡和ID標(biāo)簽的領(lǐng)域中找到應(yīng) 用。根據(jù)本發(fā)明的非晶薄膜晶體管是這樣一種場效應(yīng)晶體管，其包含 非晶氧化物的溝道層和也是非晶氧化物的柵絕緣層，該柵絕緣層在溝 道層和絕緣層之間提供了良好的界面。另外，非晶氧化物提供的優(yōu)點(diǎn) 包括可制備平面薄膜，并且，由于在晶粒邊界沒有產(chǎn)生電荷陷阱， 所以晶體管顯示出包括小的滯后和良好的穩(wěn)定性的優(yōu)異特性。本申請要求2006年3月20日提交的日本專利申請No.2006- 076843以及2007年3月7日提交的日本專利申請No.2007- 057256的權(quán)益，其全部內(nèi)容在此通過引用而并入。
權(quán)利要求
1.一種場效應(yīng)晶體管，包括在襯底上形成的溝道層、源電極、漏電極、柵絕緣層和柵電極，其特征在于，所述溝道層由非晶氧化物制成，并且所述柵絕緣層由包含Y的非晶氧化物制成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的晶體管，其中，所述包含Y的非晶氧化物是除了 Y之外還包含Mn或Ti、并且 具有當(dāng)在結(jié)晶條件下形成時(shí)產(chǎn)生鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的組分的氧化物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的晶體管，其中，所述溝道層由包含In、 Ga和Zn中的至少一種的非晶氧化物制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的晶體管，其中，所述襯底、所述源電極、所述漏電極和所述柵電極由各自透明的 材料制成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的晶體管，其中，所述襯底是柔性塑料膜，并且所述源電極、所述漏電極和所述柵 電極由各自透明的材料制成。
6. —種顯示裝置，包括具有連接到根據(jù)權(quán)利要求1的場效應(yīng)晶 體管的源電極或漏電極的電極的顯示元件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的顯示裝置，其中， 所述顯示元件是電致發(fā)光器件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6的顯示裝置，其中， 所述顯示元件是液晶單元。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6的顯示裝置，其中， 在村底上二維布置多個(gè)顯示元件和多個(gè)場效應(yīng)晶體管。
全文摘要
一種場效應(yīng)晶體管包括在襯底10上形成的溝道層11、源電極13、漏電極14、柵絕緣層12和柵電極15。該溝道層由非晶氧化物制成，并且該柵絕緣層由包含Y的非晶氧化物制成。
文檔編號H01L29/786GK101405870SQ20078000980
公開日2009年4月8日 申請日期2007年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月20日
發(fā)明者加地信幸, 藪田久人 申請人:佳能株式會(huì)社