專利名稱：薄膜晶體管和制備薄膜晶體管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜晶體管和一種制備薄膜晶體管的方法。
背景技術(shù)：
近年來，由組成式IrvxGaxO3(ZnO)ω(0 < χ < 2并且m為自然數(shù))表示的非晶 In-Ga-Zn-O基同系氧化物材料(以下，稱為“ IGZO基氧化物材料”或有時(shí)簡稱為“ IGZ0”) 在其結(jié)晶狀態(tài)已經(jīng)引起了關(guān)注。來自東京技術(shù)研究所(Tokyo Institute of Technology)的Hosono等報(bào)道了 非 晶IGZO基氧化物材料表現(xiàn)出與半導(dǎo)體的電阻率值類似的電阻率值，并且可以在室溫形成 為膜，并且報(bào)道了這些材料可以獲得等于或高于非晶硅的遷移率的遷移率(Hosono等，非 專利文獻(xiàn) 1，自然(Nature) ,432(2004)，第 488-492 頁)。特別地，由其中m = 1的以上組成式表示的非晶IGZO基氧化物材料是高度有希望 的材料體系，這是由于在In-In之間的電子軌道的大的重疊比率，其被認(rèn)為有助于電子的 傳導(dǎo)。針對(duì)非晶IGZO基氧化物材料作為例如用于薄膜晶體管(以下還稱為“TFT”)的活 性層的有效材料的用途，正在對(duì)這些材料認(rèn)真地進(jìn)行著研究和開發(fā)。另一方面，例如在下列文獻(xiàn)中描述了具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)的IGZO基氧化物材料。非專利文獻(xiàn)2 (美國陶瓷學(xué)會(huì)雜志(Journal of the American CeramicSociety), 82 (1999)，第2705-2710頁)描述了一種制備其中m = 1的結(jié)晶IGZO基氧化物材料的方法， 其中將包括In、Ga和Zn的原料的混合物在1350°C以上退火，然后從此極高的退火溫度快 速冷卻。此文獻(xiàn)還公開Ga的固溶體范圍(χ的范圍)為0. 66至1. 06。此外，日本專利3947575公開了一種在氫氣或氬氣氣氛中、在某個(gè)溫度對(duì)通過在 一定條件退火得到的其中m = 1的結(jié)晶IGZO基氧化物材料進(jìn)行還原熱處理的方法。在這點(diǎn)上，在包括IGZO的許多電子傳導(dǎo)氧化物材料中，對(duì)于這些材料所特有的性 質(zhì)顯著地受氧空位量δ的值影響。當(dāng)δ值大時(shí)，產(chǎn)生大量的載流子(電子)，并且形成在 導(dǎo)帶內(nèi)具有費(fèi)米能級(jí)的“簡并半導(dǎo)體”。換言之，處于此狀態(tài)中的氧化物材料是表現(xiàn)出金屬 導(dǎo)電性的導(dǎo)體。另一方面，當(dāng)δ值小時(shí)，可以抑制載流子的產(chǎn)生并且氧化物材料可以作為 半導(dǎo)體存在。以上事實(shí)表明取決于氧空位量δ的值，氧化物材料的屬性可以在導(dǎo)體和半 導(dǎo)體之間極大地改變。在非專利文獻(xiàn)2中所述的方法中，從高溫范圍快速冷卻(淬火)的目的是得到在 室溫也保持其在高溫得到的狀態(tài)的氧化物材料。通常，從化學(xué)平衡的觀點(diǎn)，結(jié)合到氧化物材 料上的氧在越高的溫度越容易逸出，從而增加δ的值。因此，具有較大δ值的IGZO基氧 化物材料可以作為進(jìn)行淬火的結(jié)果得到，并且具有較大δ值的IGZO基氧化物材料不能抑 制載流子的產(chǎn)生并且表現(xiàn)為簡并半導(dǎo)體，即金屬(導(dǎo)體)。另一方面，在日本專利3947575中所述的方法中，進(jìn)行還原熱處理以將氧空位引 入到氧化物材料中。因此，通過此方法得到的IGZO基氧化物材料具有大的δ值，從而增大了其載流子濃度。結(jié)果，通過此方法得到的IGZO基氧化物材料表現(xiàn)為簡并半導(dǎo)體，即金屬 (導(dǎo)體)。如上所述，非專利文獻(xiàn)2和日本專利3947575都表明其中m = 1的結(jié)晶IGZO基 氧化物材料是導(dǎo)體而非半導(dǎo)體。因此，如果其中m = 1的IGZO基氧化物材料可以作為半導(dǎo) 體獲得，則此材料可以廣泛地用于電子器件，例如用作TFT的活性層。此外，如果其中m= 1的IGZO基氧化物材料中的Ga的量不適當(dāng)，則此材料不形成 IGZO的單相，而是在其中包含多種晶相。因此，從微觀觀點(diǎn)，傾向于在晶粒間界等處發(fā)生電 子散射。因此，為了將其中m= 1的結(jié)晶IGZO基氧化物材料應(yīng)用于電子器件，考慮到保持 載流子(電子)的遷移率，如非專利文獻(xiàn)2中所述的其中Ga的量處于固溶體范圍并且形成 IGZO的單相的IGZO基氧化物材料是適宜的。本發(fā)明旨在提供一種具有有利電特性的薄膜晶體管以及一種制備薄膜晶體管的 方法。所述薄膜晶體管具有活性層，所述活性層包括單相半導(dǎo)體IGZO基氧化物材料。特別 地，本發(fā)明集中于一種由組成式IrvxGaxO3(ZnO)m表示的結(jié)晶IGZO基氧化物材料，其中m = 1。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是考慮到以上情形而進(jìn)行的，并且提供一種薄膜晶體管以及一種制備薄膜 晶體管的方法。本發(fā)明的第一方面提供一種薄膜晶體管，所述的薄膜晶體管具有活性層，所述活 性層包括IGZO基氧化物材料，所述IGZO基氧化物材料由組成式IrvxGaxZnCVs表示，其中 0. 75 < χ < 1. 10 并且 0 < δ < 1. 29161 Xexp (-χ/0. 11802)+0. 00153，并且所述 IGZO 基 氧化物材料由具有YbFe2O4型晶體結(jié)構(gòu)的IGZO的單相形成。本發(fā)明的第二方面提供一種制備根據(jù)本發(fā)明的第一方面的薄膜晶體管的方法，其 中所述活性層通過包括以下步驟的工藝制備將包括In、Ga和Zn的薄膜材料以50°C /hr 至500°C /hr的平均降溫速率從所述薄膜材料的結(jié)晶溫度冷卻到300°C，所述薄膜材料已經(jīng) 形成在基板上并且被加熱至所述薄膜材料的所述結(jié)晶溫度。根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種具有有利電特性的薄膜晶體管和一種制備薄膜晶體管 的方法。所述薄膜晶體管具有活性層，所述活性層包括由組成式IrvxGaxO3(ZnO)m表示的單 相半導(dǎo)體IGZO基氧化物材料，其中m = 1。


基于下列附圖，將詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方案，在附圖中圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施方案的IGZO基氧化物材料的晶體結(jié)構(gòu)；圖2顯示在不同的最高退火溫度得到的樣品的X射線衍射圖案；圖3顯示圖2中所述的X射線衍射圖案的放大圖；圖4顯示在不同的最高退火溫度得到的樣品的C-軸晶格常數(shù)；圖5顯示在主退火以后的樣品1至15的X射線衍射圖案；圖6顯示樣品1至15的a-軸晶格常數(shù)的計(jì)算結(jié)果；圖7顯示樣品1至15的C-軸晶格常數(shù)的計(jì)算結(jié)果；
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圖8顯示樣品1至15的電阻率的值的測(cè)量結(jié)果；圖9顯示樣品1至15的載流子濃度的計(jì)算結(jié)果；圖10顯示樣品1至15的遷移率的計(jì)算結(jié)果；圖11顯示樣品5、7和9的電阻率的溫度依賴性的測(cè)量結(jié)果；圖12顯示在不同溫度進(jìn)行的樣品5、7和9的霍爾(Hall)測(cè)量的結(jié)果；圖13顯示樣品5、7和9的熱解重量分析測(cè)量的結(jié)果；圖14顯示Ga的輸入摩爾比χ與IGZO的δ max的相互關(guān)系；圖15是根據(jù)本發(fā)明的第二示意性實(shí)施方案的TFT的示例性器件結(jié)構(gòu)的示意圖，所 述的TFT具有頂柵(top-gate)和頂接觸(top-contact)結(jié)構(gòu)；圖16顯示通過反應(yīng)性固相外延方法制備的單晶IGZO膜的X射線衍射圖案(測(cè)量 條件2 θ = 30. 0840°，軸通過固定在IGZO(009)而調(diào)節(jié))；和圖17顯示在不同的結(jié)晶溫度形成的IGZO膜的X射線衍射圖案。
具體實(shí)施例方式<第一示例性實(shí)施方案>在第一示例性實(shí)施方案中，參考附圖描述IGZO基氧化物材料，所述IGZO基氧化物 材料用作用于根據(jù)本發(fā)明的TFT的活性層的構(gòu)造材料。在附圖中，用相同的附圖標(biāo)記顯示 具有與之前已經(jīng)解釋的部件的功能基本上相同的功能的部件，并且有時(shí)可以省略對(duì)它們的 解釋。在下列第二示例性實(shí)施方案的部分中描述根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的TFT及其 制備方法的詳細(xì)內(nèi)容。(IGZ0基氧化物材料的詳細(xì)內(nèi)容)首先，描述IGZO基氧化物材料的詳細(xì)內(nèi)容。根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施方案的IGZO基氧化物材料具有由組成式 IrvxGaxO3(ZnO)m表示的晶體IGZO相，其中m= 1。特別地，考慮到氧空位，該材料從由組成 式In2_xGaxZn04_s表示的IGZO相形成。圖1顯示了根據(jù)第一示例性實(shí)施方案的IGZO基氧化物材料的晶體結(jié)構(gòu)。形成IGZO基氧化物材料的IGZO相可以是單晶的或多晶的，并且具有圖1中所 示的YbFe2O4的晶體結(jié)構(gòu)。圖1中所示的晶體結(jié)構(gòu)是基于InGaO3(ZnO)的JCPDS卡(編號(hào) 38-1104)，通過使用軟件(商品名VESTA)繪制的。此外，如上所述，IGZO基氧化物材料由IGZO的單相形成。在本說明書中，術(shù)語“單 相”是指這樣的情況，其中當(dāng)從通過使用粉末X射線衍射測(cè)量裝置(RINT-ULTIMA III，商 品名，由Rigaku Corporation制造)所進(jìn)行的測(cè)量的結(jié)果確認(rèn)峰時(shí)，所有的峰都源自IGZO 相，并且沒有觀察到源自雜質(zhì)的峰。因此，即使IGZO基氧化物材料含有少量不能通過粉末 X射線衍射測(cè)量確定的雜質(zhì)，也可以將此材料認(rèn)為是由IGZO的單相形成的。如上所示，當(dāng)IGZO基氧化物材料由IGZO的單相形成時(shí)，與其中組合存在多種晶相 的情況相比，可以抑制在晶粒間界等處發(fā)生電子散射，并且可以保持載流子(電子)的遷移 率。因此，可以將此材料有效地應(yīng)用到TFT等的活性層。當(dāng)通過電阻率測(cè)量裝置(AC霍爾(Hall)測(cè)量裝置，RESITEST 8300，商品名，由 Toyo Corporation制造)測(cè)量時(shí)，IGZO基氧化物材料的電阻率的值在1 X IO2 Ω · cm至1Χ109Ω 的范圍內(nèi)，所述范圍落入典型適于TFT的活性層的電阻率值的范圍之內(nèi)，并且 此范圍表明所述材料是半導(dǎo)體。當(dāng)將IGZO基氧化物材料用于TFT的活性層時(shí)，其電阻率的值優(yōu)選在1Χ104Ω -cm 至1 X IO5 Ω · cm的范圍內(nèi)，因?yàn)閂gS-Id曲線在約OV升高。在組成式In2_xGaxZn04_s中，考慮到可靠性，χ的范圍為0. 75 < χ < 1. 10，優(yōu)選 0.80 ^ χ ^ 1. 05。χ的此范圍表示Ga的固溶體范圍。當(dāng)Ga在IGZO基氧化物材料中的量 在此固溶體范圍之外時(shí)，IGZO基氧化物材料不是僅由IGZO相(單相)形成，而是處于IGZO 相與ln203、ZnGa2O4等的雜質(zhì)相的混合狀態(tài)。在組成式In2_xGaxZn04_s 中，氧空位量 δ 的范圍為 0< δ ( 1. 29161 Xexp (-χ/0. 11 802)+0. 00153，優(yōu)選 0. 0002 < δ ^ 1. 29161 X exp (-χ/0. 11802)+0. 00153ο 術(shù)語 “exp” 是
指其中基數(shù)為e的指數(shù)函數(shù)。然而，通常難以精確確定氧化物例如IGZO的氧空位量的絕對(duì)值或范圍，因?yàn)樾枰?高度測(cè)量精確度并且不容易將水分、雜質(zhì)等區(qū)別開來。因此，δ具有當(dāng)在IGZO基氧化物材 料的電阻率值在IX IO2 Ω 至1Χ109Ω · cm的范圍之內(nèi)時(shí)的值可以是滿意的。氧空位量δ的上限(δ max)是在In2_xGaxZn04_5的電阻率的值為IX IO2 Ω .cm以 上時(shí)的氧空位量值，其是從熱解重量分析結(jié)果和測(cè)量電阻率以及霍爾測(cè)量的結(jié)果計(jì)算的。 計(jì)算方法的詳細(xì)內(nèi)容在稍后描述。氧空位量δ的下限高于0的原因在于，當(dāng)δ = 0時(shí)，IGZO基氧化物材料據(jù)信是 絕緣體，因?yàn)椴划a(chǎn)生載流子(電子)。在這點(diǎn)上，例如，日本專利3644647描述了 即使氧空位量為零，通過進(jìn)行元素取 代也可以對(duì)IGZO基氧化物材料賦予導(dǎo)電性。的確，通過元素取代可以獲得摻雜效應(yīng)(dope effect)，但是在大多數(shù)情況下，通過將一種元素用具有不同價(jià)態(tài)的另一種元素取代，產(chǎn)生 載流子，并且原理上，通過將一種元素用具有相同價(jià)態(tài)的另一種元素取代，不產(chǎn)生載流子。 如果期望在氧空位量為零的同時(shí)有效地進(jìn)行電子摻雜，則通過將一種元素用具有不同價(jià)態(tài) 的另一種元素取代，例如，用四價(jià)元素取代三價(jià)位的In或Ga，或用三價(jià)元素取代二價(jià)位的 Zn，來進(jìn)行摻雜。(制備IGZO基氧化物材料的方法)下面，描述制備IGZO基氧化物材料的方法。制備根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施方案的IGZO基氧化物材料的示例性方法包 括制備粉末的方法如固相反應(yīng)法、溶膠_凝膠法、草酸鹽法、醇鹽法或共沉淀法；制備單晶 的方法如助熔劑法、區(qū)域熔融法、CZ法或經(jīng)由玻璃前體的玻璃退火法；和制備薄膜的方法 如濺射法、激光磨蝕法、化學(xué)氣相沉積(CVD)法或金屬有機(jī)分解(MOD)法。下面，描述固相 反應(yīng)方法的詳細(xì)內(nèi)容。1.原料的準(zhǔn)備首先，作為用于根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施方案的IGZO基氧化物材料的原料， 準(zhǔn)備包含In的化合物、包含Ga的化合物和包含Zn的化合物。包含In 的化合物的實(shí)例包括 ln203、In (NO3) 3、In (NO3) 3 · nH20、In (CH3COO) 3、 In(CH3COO)2(OH)、In2O3 · nH20、InN、In(0H)3、InO(OH)、In2 (C2O4) 3、In2 (C2O4)3 · 4H20、 In (C2H5OCS2) 3 和 In2 (SO4) 3 · ηΗ20。
與包含In的化合物類似地，包含Ga的化合物的實(shí)例包括Ga203、Ga (NO3) 3、 Ga (NO3) 3 · nH20、Ga (CH3COO) 3、Ga (CH3COO) 2 (OH)、Ga2O3 · nH20、GaN, Ga (OH) 3、GaO (OH)、 Ga2 (C2O4) 3、Ga2 (C2O4) 3 · 4H20、Ga (C2H5OCS2) 3 和 Ga2 (SO4) 3 · ηΗ20。包含Zn 的化合物的實(shí)例包括 ZnO、Zn (C2H3O2)2、Zn (C2H3O2)2 · 2H20、ZnBr2, ZnCO3> ZnS、ZnCl2, ZnF2, ZnF2 · 4H20、Zn (OH)2, ZnI2, Zn(NO3)2 · 6H20、ZnC2O4, Zn (CN) 2、Zn (OCH3) 2、 Zn (OC2H5)2 和 ZnSO4。2.原料的測(cè)量和混合使用電子天平測(cè)量如上準(zhǔn)備的原料，使得最終得到的IGZO基氧化物材料具有期 望的原料組成比。然后，使用陶瓷球形磨機(jī)、或研缽和研杵將原料均勻混合，從而得到包含 In、Ga和Zn的混合材料。3.混合材料的干燥和成型將包含In、Ga和Zn的混合材料適當(dāng)干燥并且成型。這些干燥和成型的工藝可以 省略。4.混合材料的預(yù)退火和主退火隨后，將包含In、Ga和Zn的混合材料進(jìn)行預(yù)退火。進(jìn)行預(yù)退火，以通過在剛好在 以單相得到期望的晶體相的溫度之下的溫度處理混合材料，保持處于未反應(yīng)相的粒子的活 性，來促進(jìn)反應(yīng)。進(jìn)行預(yù)退火的另一個(gè)原因是為了移除包含在混合材料中的少量碳。預(yù)退 火可以例如在下列條件下進(jìn)行在400°C至1200°C的最高退火溫度(Tmax)，將Tmax保持1 小時(shí)至24小時(shí)的時(shí)間，100°C至1000°C /hr (hr表示小時(shí))的平均升溫速率，和50°C /hr至 IOOO0C /hr的平均降溫速率。然而，用于預(yù)退火的條件不特別限于這些。其后，優(yōu)選將已經(jīng)進(jìn)行預(yù)退火的混合材料在包括下列(A)至(D)全部的條件下進(jìn) 行主退火(A)用于主退火的退火氣氛是含有氧的氣氛，以在降溫步驟的過程中允許燒結(jié)體 吸收氧?？紤]到開始氧的吸入，氣氛中的氧濃度優(yōu)選為10%以上，并且考慮到進(jìn)一步促進(jìn)氧 的吸入，氧濃度更優(yōu)選等于或高于空氣的氧濃度(約21%以上)。(B)考慮到充分引起原料的固相反應(yīng)，改進(jìn)生產(chǎn)率等，用于保持最高退火溫度 Tmax(其詳細(xì)內(nèi)容在稍后描述)的時(shí)間例如為0. 5小時(shí)至24小時(shí)。(C)從Tmax至300°C的平均降溫速率為50°C /hr至500°C /hr。此速率典型稱為 “緩慢冷卻”。平均降溫速率為50°C /hr以上的原因是為了抑制在主退火以后得到的燒結(jié)體 IrvxGaxZnCVs中的氧空位量δ減小至0，從而抑制由燒結(jié)體形成絕緣體，所述氧空位量δ 減小至0是在降溫過程中氧過量吸收的結(jié)果。平均降溫速率為500°C /hr以下的原因是為了抑制在主退火以后得到的燒結(jié)體 IrvxGaxZnCVs中的氧空位量δ的增大，從而保持燒結(jié)體為半導(dǎo)體，所述氧空位量δ的增大 是在典型稱為“淬火”的以高于500°C /hr的速率的降溫過程中過度抑制氧吸收的結(jié)果。為了將δ值控制在更加合適的范圍內(nèi)，平均降溫速率優(yōu)選為100°C /hr至200°C / hr。降溫的下限為300°C的原因是為了防止氧空位量δ顯著改變。在這點(diǎn)上，即使降溫的下限低于300°C，例如100°C，氧空位量δ也可以取決于退
7火氣氛的條件而改變。因此，降溫的下限為優(yōu)選100°C，更優(yōu)選室溫(25°C )。(D)只要在主退火以后得到的燒結(jié)體形成IGZO的單相，則對(duì)最高退火溫度Tmax沒 有特別限制，并且可以取決于原料的類型或粒度而變化。例如，當(dāng)將In203、Ga203和ZnO用作 起始材料時(shí)，最高退火溫度Tmax在1200°C至1400°C，更優(yōu)選1350°C至1400°C的范圍內(nèi)。如在(D)中所述的最高退火溫度Tmax的范圍基于下列實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由其中χ = 1的In2_xGaxZn04_s，即InGaZn04_s表示的IGZO基氧化物通過下列方法 制備將In203、Ga203和ZnO的氧化物粉末以所需的摩爾比混合，將混合材料成型，并且將其 退火。退火在空氣中在下列條件下進(jìn)行其中，以500°C /hr的速率將溫度升高到適宜溫度 (IOOO0C U100°C> 1200 V、1300°C、1350°C、1400 V或 1450°C )，將所述溫度保持 2 小時(shí)，然后 將溫度緩慢降低到室溫。使用粉末X射線衍射測(cè)量裝置(RINT-ULTIMA III，商品名，由RigakuCorporation 制造)對(duì)在如上所述的各個(gè)退火溫度退火的樣品進(jìn)行粉末X射線衍射測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示 在圖2和表1中。表 1 從圖2和表1中所示的結(jié)果證實(shí)在1000°C以下沒有充分進(jìn)行反應(yīng)并且沒有得到 IGZO相，而在1100°C以上析出了 IGZO相。還證實(shí)當(dāng)在1200°C進(jìn)行退火時(shí)，IGZO相作為單 相存在。而且，證實(shí)當(dāng)在1450°c以上的甚至更高的溫度進(jìn)行退火時(shí)，IGZO相開始分解?？紤]到上述結(jié)果，為了在其中以如(C)中所述的“緩慢冷卻”的方式進(jìn)行降溫的固 相反應(yīng)方法中得到IGZO的單相，如上所述，在主退火過程中的最高退火溫度Tmax優(yōu)選在 1200°C至1400°C的范圍內(nèi)。這是因?yàn)楫?dāng)在處于此范圍之內(nèi)的最高退火溫度Tmax進(jìn)行退火 時(shí)，可以抑制雜質(zhì)析出。此外，證明的是，從在1200°C至1400°C的IGZO單相區(qū)域的X射線衍射圖案中的峰(006)計(jì)算的C-軸晶格常數(shù)隨著退火溫度升高到1350°C而減小，同時(shí)C-軸晶格常數(shù)在 13500C以上不變(參見圖3和4)。這顯示IGZO相的晶體在1350°C以上以穩(wěn)定的方式存在。結(jié)果，證明的是，當(dāng)溫度以如在固相反應(yīng)方法中的(C)中所述的“緩慢冷卻”的方 式降低時(shí)，主退火中的Tmax更優(yōu)選為1350°C至1400°C。通過在滿足所有上述(A)至(D)的條件下將預(yù)退火材料進(jìn)行主退火，可以制備根 據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施方案的IGZO基氧化物材料。<第二示例性實(shí)施方案>下面，參考附圖描述制備(場(chǎng)效應(yīng))TFT的方法以及制備根據(jù)本發(fā)明的第二示例性 實(shí)施方案的(場(chǎng)效應(yīng))TFT的方法。根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施方案的TFT是有源器件，所述有源器件至少包括柵 電極、柵絕緣層、活性層、源電極和漏電極，并且具有下列功能通過對(duì)柵電極施加電壓控 制流動(dòng)到活性層中的電流，從而接通或關(guān)閉(switching)在源電極和漏電極之間流動(dòng)的電流。TFT的器件結(jié)構(gòu)可以基于柵電極的位置而反向交錯(cuò)(也稱為底柵(bottom-gate)) 或交錯(cuò)(也稱為頂柵(top-gate))。此外，基于活性層接觸源電極和漏電極(有時(shí)也稱為 “源/漏電極”)所處的部分的位置，TFT可以具有頂接觸結(jié)構(gòu)或底接觸結(jié)構(gòu)。在頂柵結(jié)構(gòu)中，柵電極位于柵絕緣層之上，而活性層在柵絕緣層之下形成。在底柵 結(jié)構(gòu)中，柵電極位于柵絕緣層之下，而活性層在柵絕緣層之上形成。此外，在底接觸結(jié)構(gòu)中， 在形成活性層之前形成源/漏電極，從而使得活性層的底表面接觸源/漏電極，而在頂接觸 結(jié)構(gòu)中，在形成源/漏電極之前形成活性層，從而使得活性層的上表面接觸源/漏電極。下面，通過采取具有頂柵和頂接觸結(jié)構(gòu)的TFT作為實(shí)例描述根據(jù)本發(fā)明的第二示 例性實(shí)施方案的TFT和制備所述TFT的方法。圖15是根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施方案的，具有頂柵和頂接觸器件結(jié)構(gòu)的示 例性TFT的示意圖。TFT 10具有形成在基板12上的結(jié)構(gòu)，并且此結(jié)構(gòu)以下列順序包括在基 板12的表面上形成的活性層14、在源電極16和漏電極18之間具有一定間隔的情況下在活 性層14上形成的源電極16和漏電極18，以及柵絕緣層20和在其上形成的柵電極22。(基板)基板12 (載體)由具有尺寸穩(wěn)定性、耐溶劑性、可加工性、耐熱性等以及至少在所 述基板12的其上將要形成TFT 10的表面上具有絕緣性質(zhì)的材料形成。此外，當(dāng)將TFT 10 作為最終產(chǎn)品用于有機(jī)EL顯示器等中時(shí)，基板12由抑制水分或氧氣滲透的材料形成。當(dāng) 通過從基板12側(cè)傳送光而進(jìn)行發(fā)光或顯示時(shí)，它由傳送光的材料形成。滿足以上要求的合適基板包括無機(jī)材料例如玻璃或氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)。 為了抑制離子洗脫的量，玻璃優(yōu)選是無堿的。當(dāng)將鈉鈣玻璃用于該基板時(shí)，優(yōu)選在其上形成 二氧化硅等的阻擋涂層(barrier coating)。當(dāng)不需要從基板側(cè)取光時(shí)，基板可以選自金屬基板如不銹鋼、Fe、Al、Ni、Co、Cu 或其合金；或選自半導(dǎo)體基板如Si?？梢栽诨迳闲纬山^緣膜以保證電絕緣性質(zhì)。當(dāng)將金 屬用于基板時(shí)，其可以以低的成本制備，并且甚至在減小的厚度的情況下可以得到具有高 強(qiáng)度和對(duì)于空氣中的水分或氧的高度阻擋性質(zhì)的基板。對(duì)基板的形狀、結(jié)構(gòu)或尺寸沒有特別限制，并且其可以根據(jù)目的而適當(dāng)選擇。典型地，考慮到容易操作基板或容易在基板上形成TFT 10，基板優(yōu)選為板的形式?；蹇梢跃哂?單層結(jié)構(gòu)或?qū)訅航Y(jié)構(gòu)。此外，基板可以由單個(gè)構(gòu)件或多個(gè)構(gòu)件形成。(活性層)在基板12上，通過使用如在第一示例性實(shí)施方案中所述的IGZO基氧化物材料作 為結(jié)構(gòu)材料形成活性層14。此IGZO基氧化物材料由組成式IrvxGaxZnCVs表示，并且由具有 YbFe2O4晶體結(jié)構(gòu)的IGZO的單相形成。在組成式中，χ和δ的范圍分別為0. 75 < χ < 1. 10 和 0< δ ^ 1. 29161 Xexp (-χ/0. 11802)+0. 00153ο活性層的電阻率的值在1Χ102Ω · cm至1Χ109Ω · cm的范圍內(nèi)。當(dāng)TFT具有 擁有在此范圍內(nèi)的電阻率的值的活性層時(shí)，TFT表現(xiàn)出有利的電特性。電阻率的值優(yōu)選在 IX IO4 Ω · cm至1 X IO5 Ω .cm的范圍內(nèi)，因?yàn)閂gs-Id曲線在約OV升高。在以上組成式中，考慮到可靠性，χ的范圍優(yōu)選為0. 80 < χ < 1. 05。如在第一示 意性實(shí)施方案中所述的，當(dāng)在固相反應(yīng)方法中而非在稍后關(guān)于第二示例性實(shí)施方案的此部 分中所述的成膜方法或結(jié)晶方法中制備塊體時(shí)，此范圍對(duì)應(yīng)于Ga的固溶體范圍。因此，存 在甚至當(dāng)χ的范圍不是0. 80彡χ < 1. 05或0. 75彡χ < 1. 10時(shí)，IGZO基氧化物材料也形 成IGZO的單相的情況。因此，在第二示例性實(shí)施方案中，χ的任何范圍都是令人滿意的，只 要形成單相即可。然而，由于與在固相反應(yīng)方法中制備塊體的方法的情況相比，在制備薄膜 的方法中Ga等的固溶體范圍典型較寬，因此當(dāng)χ的范圍為如上所述的Ga形成以塊體形式 的固溶體時(shí)的0. 75 < χ < 1. 10時(shí)，甚至在形成薄膜時(shí)，也高度確保由IGZO基氧化物材料 形成IGZO的單相。活性層14通過下列方法形成將包含IruGa和Zn的薄膜材料冷卻，所述的薄膜材 料已經(jīng)形成在基板12上并且被加熱到其結(jié)晶溫度。該冷卻在所述結(jié)晶溫度至300°C的范圍 內(nèi)以50°C /hr至500°C /hr的平均降溫速率進(jìn)行。更具體地，活性層14通過其中在基板12上形成包含In、Ga和Zn的非晶IGZO膜 的成膜工藝并且其中在含氧氣氛中、在IGZO膜結(jié)晶所處的結(jié)晶溫度將IGZO膜退火的結(jié)晶 工藝制備，然后冷卻。在該成膜工藝中，優(yōu)選通過使用包含IruGa和Zn的非晶氧化物半導(dǎo)體的多晶燒結(jié) 體作為靶材的氣相成膜方法形成IGZO膜。在氣相成膜的方法中，優(yōu)選濺射法和脈沖激光沉 積(PLD)法，并且考慮到用于大規(guī)模生產(chǎn)的適宜性，特別優(yōu)選濺射法。在以上方法中形成的IGZO膜是由組成式IrvxGaxZnCVs表示的非晶材料。在此組 成式中，δ的范圍不具體規(guī)定，而χ的范圍為0.75 <χ< 1.10。這是因?yàn)棣牡闹悼梢栽?隨后的工藝中得到控制。以上結(jié)晶工藝可以通過簡單的方法進(jìn)行，例如，通過將其上形成有非晶IGZO膜的 基板12放置在加熱爐中并且將其在預(yù)定的結(jié)晶溫度退火。然而，當(dāng)需要將IGZO膜加熱到 不低于基板12可以耐受的溫度時(shí)，優(yōu)選其中將熱射線用于加熱(退火)進(jìn)行結(jié)晶的方法。 使用熱射線的熱處理的實(shí)例包括激光退火，其中通過采用用作熱射線的激光束掃描來將 IGZO膜退火以使其結(jié)晶；和閃光燈退火，其中將氙閃光燈等用作熱射線。激光退火是一種其中通過用高能熱射線掃描物體而進(jìn)行加熱的處理。根據(jù)此方 法，可以以高的效率進(jìn)行結(jié)晶，并且通過改變激光照射條件例如掃描速度或激光功率，可以 控制達(dá)到基板12的能量水平。因此，當(dāng)基板12具有低程度的耐熱性時(shí)，此方法是合適的，因?yàn)榭梢钥刂萍す庹丈錀l件以符合基板12的耐熱性程度，從而使得基板溫度不升高到高 于基板可以耐受的溫度的水平。對(duì)用于激光退火的激光光源沒有特別限制，并且其實(shí)例包括脈沖振蕩激光器例如 受激準(zhǔn)分子激光器。在這些中，優(yōu)選短波長脈沖激光束例如受激準(zhǔn)分子激光束，因?yàn)榇罅康?能量在膜的表面被吸收，并且可以容易地控制到達(dá)基板12的能量。此外，當(dāng)IGZO膜本身不吸收激光光源的波長的光時(shí)，通過提供熱吸收層，可以在 將基板溫度保持到不高于基板可以耐受的溫度的范圍的同時(shí)，僅加熱IGZO膜。在結(jié)晶工藝中，例如通過使用YSZ基板的反應(yīng)性固相外延方法，還可以不僅形成 多晶IGZO膜，而且形成單晶IGZO膜(參見圖16)。IGZO膜的結(jié)晶溫度為優(yōu)選700°C以上，但是1400°C以下。這是因?yàn)楫?dāng)溫度高于 1400°C時(shí)，IGZO相可能開始分解。圖17顯示了在不同結(jié)晶溫度的IGZO膜的X射線衍射 圖案。結(jié)晶溫度為700°C以上的原因在于IGZO膜在至高達(dá)600°C的溫度是非晶的，但是在 700°C以上的溫度作為IGZO的單相存在，如圖17中所示。在此部分中沒有解釋退火氣氛和IGZO膜的平均降溫速率，因?yàn)樵诘谝皇纠詫?shí) 施方案中所述的條件(A)和(C)也應(yīng)用于此示例性實(shí)施方案。然而，在結(jié)晶以后進(jìn)行后退 火(稍后描述)時(shí)，不需要考慮IGZO膜的退火氣氛或在結(jié)晶過程中的平均降溫速率。特別 地，上述使用熱射線的熱處理是進(jìn)行快速加熱的方法。因此，此方法伴隨有在結(jié)晶工藝中的 降溫步驟過程中的“淬火”。因此，不可能進(jìn)行“緩慢冷卻”，并且因此氧空位量S傾向于增 大。在此情況下，通過在含氧氣氛中進(jìn)行后退火可以降低氧空位量S的水平。在形成IGZO膜以后，以活性層14的形狀進(jìn)行圖案化。IGZO膜的圖案化可以通 過光刻法和蝕刻法進(jìn)行。具體地，將抗蝕劑掩膜以成圖案的方式通過光刻法形成到在基板 12上形成的IGZO膜保留作為活性層14的部分，并且通過下面的方法形成活性層14 使用 鹽酸、硝酸和稀硫酸的混合溶液，或磷酸、硝酸和乙酸的混合溶液(Al蝕刻溶液，由Kanto Chemical生產(chǎn))進(jìn)行IGZO膜的經(jīng)曝光部分的蝕刻。具體地，通過使用包含鹽酸、硝酸和乙 酸的水溶液可以在短的時(shí)間內(nèi)移除IGZO膜的經(jīng)曝光部分。在此部分中，在TFT 10具有頂柵和頂接觸結(jié)構(gòu)的前提下解釋了活性層14。當(dāng)TFT 10具有頂柵結(jié)構(gòu)時(shí)，將活性層14直接形成在基板12上。因此，與底柵結(jié)構(gòu)相比，可以抑制 對(duì)柵電極或柵絕緣層的熱擴(kuò)散，并且可以以高的可靠性進(jìn)行在結(jié)晶工藝的過程中對(duì)IGZO 膜的加熱，從而改善IGZO膜的結(jié)晶性。特別地，當(dāng)TFT 10具有頂柵和頂接觸結(jié)構(gòu)時(shí)，可以 進(jìn)一步抑制熱擴(kuò)散，因?yàn)樵?漏電極沒有位于活性層14和基板12之間。(源/漏電極)在形成活性層14以后，形成源電極16和漏電極18。首先，將形成源/漏電極的導(dǎo)電膜形成在活性層14的表面上。導(dǎo)電層由可以用作 電極和布線的具有導(dǎo)電性的金屬形成，以覆蓋活性層14，并且可以通過進(jìn)行蝕刻而以成圖 案的方式加工。用于導(dǎo)電膜的材料的具體實(shí)例包括金屬如Al、Mo、Cr、Ta、Ti、Au和Ag ；合 金如Al-Nd和APC ；金屬氧化物導(dǎo)電膜如氧化錫、氧化鋅、氧化銦、氧化錫銦(ITO)和氧化鋅 銦(IZO)；有機(jī)導(dǎo)電化合物如聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯；和這些材料的混合物。對(duì)形成導(dǎo)電膜的方法沒有特別限制，并且導(dǎo)電膜的形成可以根據(jù)對(duì)于材料的適宜 性而適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行。所述方法的實(shí)例包括濕法如印刷法和涂敷法；物理方法如真空沉積法、
11濺射法和離子鍍敷法；和化學(xué)方法如CVD法和等離子CVD法。例如，當(dāng)將ITO選作源電極 16和漏電極18的材料時(shí)，可以通過直流或高頻濺射法、真空沉積法、離子鍍敷法等形成導(dǎo) 電膜。此外，當(dāng)將有機(jī)導(dǎo)電化合物用于源電極16和漏電極18的材料時(shí)，可以通過濕式成膜 法形成導(dǎo)電膜。導(dǎo)電膜(源/漏電極)的厚度可以取決于原料或最終產(chǎn)物的類型而改變，但是考 慮到成膜性質(zhì)、通過進(jìn)行蝕刻而圖案化的容易性、導(dǎo)電性(降低的電阻率)等，形成源/漏 電極以及與其連接的布線的導(dǎo)電膜的總厚度優(yōu)選為IOnm至1000 μ m。(柵絕緣層)形成柵絕緣層20以覆蓋活性層14、源電極16和漏電極18。柵絕緣層20可以是絕緣膜，其包括絕緣體例如Si02、SiNx, SiON、A1203、Y203、Ta2O5 或HfO2,或這些化合物的兩種以上。聚合物絕緣體例如聚酰亞胺也可以應(yīng)用于柵絕緣層20 的形成。盡管柵絕緣層20需要具有足以抑制漏電流并且改進(jìn)電壓耐受性的厚度，但是如 果柵絕緣層20過厚，則可能引起驅(qū)動(dòng)電壓升高。盡管其取決于用于柵絕緣層20的原料的 類型，但是當(dāng)使用無機(jī)絕緣體時(shí)，其厚度優(yōu)選為50nm至lOOOnm，并且當(dāng)使用聚合物絕緣體 時(shí)，優(yōu)選0. 2μπι至5μπι?？紤]到對(duì)于材料的適宜性，將柵絕緣層20通過適當(dāng)?shù)剡x自下列各項(xiàng)方法中的方 法形成在基板上濕法如印刷法和涂敷法；物理方法如真空沉積法、濺射法和離子鍍敷法； 化學(xué)方法如CVD法和等離子CVD法；等。根據(jù)需要，柵絕緣層20可以通過光刻法以期望的 形狀圖案化。(柵電極)隨后，在柵絕緣層20上形成柵電極22，使得柵電極22位于柵絕緣層20的與活性 層14相反的一側(cè)上。用于柵電極22的合適材料的具體實(shí)例包括金屬如Al、Mo、Cr、Ta、Ti、Au和Ag ； 合金如Al-Nd和APC ；金屬氧化物導(dǎo)電膜如氧化錫、氧化鋅、氧化銦、氧化錫銦(ITO)和氧化 鋅銦(IZO)；有機(jī)導(dǎo)電化合物如聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯；和這些材料的混合物?？紤]到對(duì)于材料的適宜性，柵電極22通過適當(dāng)?shù)剡x自下列各項(xiàng)方法中的方法形 成濕法如印刷法和涂敷法；物理方法如真空沉積法、濺射法和離子鍍敷法；化學(xué)方法如 CVD法和等離子CVD法；等。柵電極22的厚度優(yōu)選為IOnm至lOOOnm。在形成柵電極22以 后，通過光刻法將其圖案化成期望的形狀。此時(shí)，優(yōu)選將柵電極22和柵布線同時(shí)圖案化?！醋兓翟谝陨喜糠种?，解釋了本發(fā)明的第一和第二示例性實(shí)施方案。然而，本發(fā)明不限于 這些示例性實(shí)施方案。例如，如果通過與如在第一示例性實(shí)施方案中所述的固相反應(yīng)方法不同的方法進(jìn) 行合成，則作為用于進(jìn)行主退火的條件之一的最高退火溫度Tmax不特別限制到1200°C至 1400°C的范圍。例如，當(dāng)使用低溫合成方法例如溶膠_凝膠法或共沉淀法時(shí)，可以將最高退 火溫度Tmax的范圍設(shè)置到比在固相反應(yīng)方法中所需的最高退火溫度Tmax的范圍更低的水平。此外，根據(jù)本發(fā)明的第一和第二示例性實(shí)施方案的IGZO基氧化物材料是通過在主退火過程中的冷卻步驟中使用“緩慢冷卻”技術(shù)制備的。然而，如果通過將IGZO基氧化 物材料(IrvxGaxZnCV J在含氧氣氛下進(jìn)一步進(jìn)行后退火，將通過將IGZO基氧化物材料在 一定條件下加熱所得到的IGZO基氧化物材料的組成式中的δ值控制到0< δ <1.29161 Xexp (-χ/0. 11802)+0. 00153，則在加熱過程中的冷卻步驟中可以不使用此“緩慢冷卻”技 術(shù)。當(dāng)例如氧空位量δ不小于1. 29161 Xexp (-χ/0. 11802)+0. 00153的IGZO基氧化 物材料是導(dǎo)體時(shí)，為了通過將δ值控制到0< δ < 1. 29161 Xexp (-χ/0. 11802)+0. 00153 的范圍而將IGZO基氧化物材料改變成半導(dǎo)體，此后退火技術(shù)是特別有效的。而且，在其中 IGZO基氧化物材料是δ在0< δ < 1. 29161 Xexp (-χ/0. 11802)+0. 00153的范圍內(nèi)的半 導(dǎo)體的情況下，為了通過將δ值改變成在0< δ < 1. 29161 Xexp (-χ/0. 11802)+0. 00153 的范圍內(nèi)的不同值而將IGZO基氧化物材料的電阻率的值改變成期望值，此技術(shù)也是有效 的。此外，在第二示例性實(shí)施方案中，解釋了一種在基板12上形成非晶IGZO膜，然后 將所述IGZO膜結(jié)晶的方法。然而，IGZO膜的結(jié)晶可以在成膜工藝的過程中進(jìn)行。在此情 況下，在成膜過程中的結(jié)晶工藝中使用上述“緩慢冷卻”技術(shù)。實(shí)施例下面，參考實(shí)施例描述根據(jù)本發(fā)明的TFT和制備TFT的方法。然而，本發(fā)明不限于 這些實(shí)施例。在下列實(shí)施例1至4中，在解釋根據(jù)本發(fā)明的TFT和制備TFT的方法之前描 述在TFT中使用的IGZO基氧化物材料。〈實(shí)施例1>1.原料的準(zhǔn)備作為用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的IGZO基氧化物材料的原料，準(zhǔn)備In2O3的氧化 物粉末(由 Kojundo Chemical Lab. Co.，Ltd.生產(chǎn)，純度99. 99% )，Ga2O3 的氧化物粉末 (由 Kojundo Chemical Lab. Co.，Ltd.生產(chǎn)，純度99. 99% )，和 ZnO 的氧化物粉末(由 Kojundo Chemical Lab. Co.，Ltd.生產(chǎn)，純度99. 99% ) 2.原料粉末的測(cè)量和混合使用電子天平測(cè)量這些氧化物粉末，使得In Ga Zn的摩爾比為 2-x χ 1 (0. 5 彡 χ 彡 1. 2)。例如，當(dāng) In Ga Zn 的摩爾比為 1 1 1 (χ = 1)時(shí)， In2O3 的質(zhì)量為 30. OOOOg, Ga2O3 的質(zhì)量為 20. 2430g，而 ZnO 的質(zhì)量為 17. 5758g。將這些氧化物粉末與IOOml乙醇和150顆直徑為IOmm的氧化鋁球一起放入聚乙 烯廣口瓶中。將此廣口瓶密封，使得液體不流出，并且通過濕法，通過使用臺(tái)式球形磨旋轉(zhuǎn) 臺(tái)將該廣口瓶在120至130rpm旋轉(zhuǎn)12小時(shí)，將該氧化物粉末均勻混合。3.粉末混合物的干燥和成型從通過濕法將粉末混合物混合而得到的粉末混合物的漿液中取出氧化鋁球，并且 使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器從其中移除乙醇。將得到的粉末混合物在100°c干燥12小時(shí)并且在研缽中 粗略壓碎，然后通過單軸成型方法在IOOMPa的成型壓力將其成型為具有6mm2的正方形和 2mm的厚度的粒料。4.粉末混合物的預(yù)退火和主退火將Pt片放置到氧化鋁坩堝(sagger) (SSA-S，商品名，由NikkatoCorporation制
13造)中，并且在Pt片上放置通過單軸成型方法得到的成型產(chǎn)物。將其上放置有成型產(chǎn)物的 氧化鋁坩堝放置在高溫加熱爐(FD41)中，并且將成型產(chǎn)物在一氣氛下通過下面的方法進(jìn) 行預(yù)退火以500°C /hr的速率升溫，將最高退火溫度在1100°C保持2小時(shí)，然后以100°C / hr的速率緩慢冷卻。在預(yù)退火以后，將預(yù)退火體在瑪瑙研缽中粉碎，并且通過單軸成型方法 在IOOMPa的成型壓力將得到的粉末再次形成為粒料。隨后，將以粒料形式成型的預(yù)燒結(jié)體在約1350°C的最高退火溫度Tmax進(jìn)行主退 火。用于主退火的其它條件與預(yù)退火的那些條件相同。在如下列表2中所示，改變Ga在原料中的輸入摩爾比χ的同時(shí)，重復(fù)上述過程 (1.原料的準(zhǔn)備，2.原料粉末的測(cè)量和混合，3.粉末混合物的干燥和成型，和4.預(yù)退火和主 退火)。在表2中，當(dāng)將Ga在原料中的輸入摩爾比χ的值作為預(yù)定值給出時(shí)，對(duì)所制備的樣 品給予樣品編號(hào)。表2 5. X射線衍射測(cè)量將通過進(jìn)行主退火得到的樣品1至15的粒料分別在瑪瑙研缽中粉碎，并且使用X 射線衍射測(cè)量裝置(RINT-ULTIMA III，商品名，由RigakuCorporation制造)對(duì)這些樣品進(jìn) 行X射線衍射測(cè)量。具體地，使用CuKa射線，在40kV的管電壓，40mA的管電流，2. Odeg/min的掃描速 度，0.15mm的光接收狹縫，和2 θ 5°至135°的掃描范圍，采用以上裝置進(jìn)行測(cè)量。從而 得到樣品1至15的X射線衍射圖案。圖5顯示在進(jìn)行主退火以后的樣品1至15的X射線衍射圖案。從圖5中所示的結(jié)果證實(shí)在樣品5至10(0. 80彡χ彡1.05)中存在InGaZnO4的單 相(JCPDS#38-1104)。在樣品 3 禾口 4(0. 70 彡 χ 彡 0. 75)中，除 InGaZnO4 相(JCPDS#38-1104) 以外，還析出了 In2O3相(JCPDS#06-0416)。在樣品1和2 (0. 50彡χ彡0. 60)中，進(jìn)一步析 出 了 InGaZn2O5 相(JCPDS#40_0252)。而且，在樣品11至 15(0. 80 彡 χ 彡 1. 05)中證實(shí)除 InGaZnO4 相(JCPDS#38_1104)
14以外，還析出了 ZnGa2O4相(JCPDS#38_0416)。以上結(jié)果顯示在表3中。表3 從表3中所述的結(jié)果證明Ga在In2_xGaxZn04_s中的固溶體范圍為 0.80 ^ χ ^ 1. 05。此外，盡管在表3中沒有顯示，但是還存在也在0. 75 < χ < 0. 80和 1.05 ^ x^ 1. 10的范圍內(nèi)得到InGaZnO4的單相的可能性。因此，Ga的固溶體范圍為 0. 75 彡 χ 彡 1. 10，優(yōu)選 0. 80 彡 χ 彡 1. 05。與在非專利文獻(xiàn)2中所述的0. 66 < χ < 1. 06的固溶體范圍相比，以上所示的固 溶體范圍較窄。這是因?yàn)樽鳛橐浴熬徛鋮s”的方式在主退火中降溫的結(jié)果，在實(shí)施例中得 到的由IrvxGaxZnCVs表示的氧化物材料在室溫處于熱平衡。由于在非專利文獻(xiàn)2的方法 中以“淬火”的方式進(jìn)行主退火中的降溫，因此其中描述的固溶體范圍是在高溫條件下的固 溶體范圍。由于認(rèn)為固溶體范圍在越高溫度通常越寬，因此在非專利文獻(xiàn)2中所述的固溶 體范圍比在本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)果中所示的固溶體范圍寬。6.晶格常數(shù)的計(jì)算為了計(jì)算樣品1至15的晶格常數(shù)，根據(jù)作為χ軸的從在X-衍射圖案中的每一個(gè)衍 射峰處的角2 θ計(jì)算的納爾遜-賴?yán)?Nelson-Riley)函數(shù)1/2 {(cos θ )2/sin θ + (cos θ )2/ θ }的值和作為y軸的在從布拉格(Bragg)衍射條件得到的每一個(gè)指數(shù)的晶格常數(shù)的值，對(duì) 值進(jìn)行繪圖。隨后，將通過最小二乘法得到的直線的y_截距的值計(jì)算為真實(shí)晶格常數(shù)。更具體地，由于InGaZnO4是六方晶體，因此在計(jì)算a_軸晶格常數(shù)的值之前，計(jì)算 C-軸晶格常數(shù)的值。使用納爾遜-賴?yán)瘮?shù)，由從在(0012)、(0015)和(0018)的衍射線 得到的晶格常數(shù)的值，計(jì)算真實(shí)C-軸晶格常數(shù)。使用納爾遜-賴?yán)瘮?shù)，從通過使用在2 θ =80°至135°得到的真實(shí)c_軸晶格 常數(shù)計(jì)算的晶格常數(shù)的值，計(jì)算真實(shí)軸晶格常數(shù)。圖6顯示了樣品1至15的a-軸晶格常數(shù)的計(jì)算結(jié)果，而圖7顯示了樣品1至15 的C-軸晶格常數(shù)的計(jì)算結(jié)果。如圖6和圖7中所示，證實(shí)樣品9 (χ = 1)的計(jì)算結(jié)果為a = 0. 3298nm并且c =2. 6028nm,其相對(duì)更接近于a = 0. 3295nm并且c = 2. 607nm的由InGaZnO4的JCPDS卡(編 號(hào)38-1104)所示的值。此外，證明的是，隨著Ga的輸入摩爾比χ增大，a_軸晶格常數(shù)和c_軸晶格常數(shù)都 減小。此結(jié)果被認(rèn)為是在根據(jù)費(fèi)伽德(Vegard)定律的可預(yù)測(cè)范圍之內(nèi)的行為，其源自Ga 的離子半徑小于In的離子半徑的事實(shí)。7.電特性的評(píng)價(jià)使用進(jìn)行主退火后的樣品1至15的尺寸為6mm3的粒料在Van derPauw位置形成 Au電極。其后，使用AC霍爾測(cè)量裝置(RESITEST 8300，商品名，由Toyo Corporation制 造)測(cè)量樣品1至15的電阻率值，并且通過進(jìn)行霍爾測(cè)量計(jì)算載流子濃度和遷移率的值。 這些測(cè)量在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行。圖8顯示了樣品1至15的電阻率值的測(cè)量結(jié)果(圖中的正方形符號(hào))。為了比 較，還描述了在非專利文獻(xiàn)2中所述的電阻率值(圖中的圓形符號(hào))和在日本應(yīng)用物理雜 志(Japanese Journal of Applied Physics), 34 (1995)第 L1550 至 L1552 頁中所述的電 阻率值(圖中的星形符號(hào))。從圖8中所示的測(cè)量結(jié)果證實(shí)與其中χ處于其它區(qū)域中的情況相比，其中Ga的 輸入摩爾比χ為0. 80 < χ < 1. 05的單相區(qū)域中的電阻率值較低。還證實(shí)電阻率值隨著 χ值增加而增加。此外，在本發(fā)明中得到的電阻率值比在非專利文獻(xiàn)2中所述的那些高超過3個(gè)數(shù) 量級(jí)。這是因?yàn)榉菍＠墨I(xiàn)2中所述的制備方法包括從高溫進(jìn)行淬火的工藝，并且作為進(jìn) 行淬火的結(jié)果，氧空位量S增加。在非專利文獻(xiàn)2的方法中，考慮到(with the vision of) 作為導(dǎo)電材料的開發(fā)，故意地通過進(jìn)行淬火增加氧空位量S。然而，例如，為了制備TFT的 半導(dǎo)體層(活性層)，材料優(yōu)選具有小的氧空位量δ和高度的電阻率。因此，可以說，由本 發(fā)明實(shí)施例首次顯示了具有小的氧空位并且在室溫處于熱平衡的IGZO基氧化物材料的電 特性中的變化。圖9顯示了樣品1至15的載流子濃度的計(jì)算結(jié)果，而圖10顯示了樣品1至15的 遷移率的計(jì)算結(jié)果。由圖9和圖10中所示的計(jì)算結(jié)果證明，當(dāng)在單相區(qū)域中增加Ga的輸入摩爾比χ 時(shí)，載流子濃度減小3個(gè)數(shù)量級(jí)，而遷移率沒有顯著變化。結(jié)果，證明載流子濃度上的改變 是單相區(qū)域中電阻率值改變的支配因素。而且，如圖9中所示，樣品1至15的載流子濃度不高于1018cm_3，即，處于由普通類 型的半導(dǎo)體所示的載流子濃度的區(qū)域內(nèi)。8.氧空位量的評(píng)價(jià)計(jì)算IrvxGaxZnCVs在電阻率值為適于TFT活性層的P彡IO2 Ω · cm時(shí)的氧空位 量Smax。具體地，以如下所述方式，基于電阻率值的溫度依賴性，霍爾測(cè)量和熱解重量分析 的測(cè)量結(jié)果的組合，計(jì)算δ max值。(1)電阻率值的溫度依賴性的測(cè)量在氬氣氣氛中測(cè)量如表2中所示的樣品5 (χ = 0.80)、樣品7& = 0. 90)和樣品 9 (χ = 1.00)的電阻率值的溫度依賴性。圖11顯示了樣品5、7和9的電阻率值的溫度依賴 性的測(cè)量結(jié)果。從這些測(cè)量結(jié)果計(jì)算電阻率P值處于適于TFT活性層的P彡IO2 Ω - cm范圍中時(shí)的溫度Tp (參見圖中的星形符號(hào))。結(jié)果，在χ = 0. 80的Tp為125.5°C，在χ = 0. 90 的 Tp 為 153. 4°C，而在 χ = 1. 00 的 Tp 為 194. 0°C。(2)霍爾測(cè)量在改變溫度的同時(shí)，在氬氣氣氛中進(jìn)行樣品5 (χ = 0. 80)、樣品7(x = 0. 90)和樣 品9(x = 1. 00)的霍爾測(cè)量。圖12顯示了在不同溫度測(cè)量的樣品5、7和9的霍爾測(cè)量結(jié) 果。從這些測(cè)量結(jié)果，計(jì)算載流子濃度ητρ的值(參見圖中的星形符號(hào))。結(jié)果，在x = 0. 80 的情況下的ητρ為8. 20X IO16(cm—3)，在χ = 0. 90的情況下的nTp為2. 09X IO16(cm—3)，而在 χ = 1.00 的情況下的 ητρ 為 1. 57 X IO16 (cm"3)。隨后，計(jì)算在溫度Tp的載流子濃度ητρ和在室溫TKT(25°C )的載流子(career) 濃度的差值Δη，其由Δη = ηΤρ-ηΕΤ表示。在χ = 0. 80的情況下的Δ η值為 3. 28 XlO16 (cnT3)，在 χ = 0. 90 的情況下的 Δ η 值為 1. 28 X IO16 (cm—3)，而在 χ = 1.00 的情 況下的 Δ η 值為 1.33 X IO16 (cm-3)。差值Δη表示在將IrvxGaxZnCVs的溫度從室溫Tkt改變到Tp的同時(shí)產(chǎn)生的載流 子的量，其對(duì)應(yīng)于如之后所述的由氧空位的相對(duì)變化量△ S產(chǎn)生的載流子的量。在本發(fā)明 實(shí)施例中，假定載流子濃度中的增大或減小都?xì)w因于氧空位。(3)熱解重量分析使用測(cè)量裝置(PYRIS 1 TGA，商品名，由PerkinElmer Inc.制造)進(jìn)行樣品5 (χ =0. 80)、樣品7(χ = 0. 90)和樣品9(χ = 1. 00)的熱解重量分析。具體地，在氬氣氣氛下， 在40CC/mm的流率，通過以15°C /min的速率將溫度升高到400°C進(jìn)行測(cè)量。圖13顯示了樣品5、7和9的熱解重量分析的測(cè)量結(jié)果。沿縱軸的Δ δ值表示相 對(duì)于每摩爾IGZO的相對(duì)氧空位變化量，其是基于在熱解重量分析中觀察到的所有變化都 是由氧空位引起的假定而從重量轉(zhuǎn)化成氧空位量的，并且表示在在室溫測(cè)量的氧空位量和 在將樣品加熱到預(yù)定溫度以后所測(cè)量的氧空位量之間的相對(duì)變化量。從在以上過程中得到的測(cè)量結(jié)果，計(jì)算在Tp的各個(gè)樣品的相對(duì)變化量Δ δ (附 圖中所示的星形符號(hào))。結(jié)果，樣品5 (χ = 0. 80)的Δ δ為0.00121，樣品7 (χ = 0.90)的 Δ δ 為 0. 00132，而樣品 9 (χ = 1. 00)的 Δ δ 為 0. 00153。(4)氧空位量δ max的計(jì)算氧空位量Smax的值可以通過將樣品5、7和9在室溫Tkt(在退火之前)已經(jīng)存在 的氧空位量Skt與將樣品退火到溫度Tp以后的相對(duì)氧空位變化量△ δ相加計(jì)算(參考下 列表達(dá)式(D)0δ max = δ ΕΤ+Δ δ (1)由于在氧空位量和載流子濃度之間存在相互關(guān)系，因此當(dāng)將用于將載流子濃度轉(zhuǎn) 化成氧空位量的轉(zhuǎn)化常數(shù)給定為α?xí)r，推導(dǎo)出下列表達(dá)式(2)和(3)。ηΕΤΧ α = δ RT (2)ΔηΧ α = Δ δ (3)為了計(jì)算δΜ的值，使用表達(dá)式(3)得到每一個(gè)樣品的轉(zhuǎn)化常數(shù)α。然后，將得 到的α與r% —起代入表達(dá)式(2)中，從而計(jì)算δΕ 。作為以上計(jì)算的結(jié)果，樣品5 (χ = 0.80)的δ κτ為0.00179，樣品7 (χ = 0. 90)的 δ m為0. 00084，而樣品9 (χ = 1. 00)的δ κτ為0. 00027。如圖8中所示，具有氧空位量δ ΕΤ
17的IGZO的電阻率P的值為102Ω .cm以上。因此，可以認(rèn)為這些氧空位量δκτ適用于TFT 的活性層。最后，將得到的Δ δ和計(jì)算的δκτ代入表達(dá)式(1)中，從而計(jì)算Smax。作為以上計(jì)算的結(jié)果，樣品5(x = 0.80)的δ max為0.00300，樣品7 (χ = 0.90) 的 Smax 為 0. 00216，而樣品 9 (X = 1. 00)的 δ max 為 0. 00180。圖14顯示Ga的輸入摩爾比χ與IGZO的δ max的相互關(guān)系。摩爾比χ和δ max的關(guān)系表達(dá)式從圖14中所示的三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)得到。具體地，使用 關(guān)系表達(dá)式y(tǒng) = AlXexp(-x/tl)+Y0進(jìn)行這三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合，并且得到常數(shù)Al、tl和 YO。結(jié)果，得到下列關(guān)系表達(dá)式(4)。δ max = 1. 29161 X exp (-χ/0. 11802)+0. 00153(4)從以上結(jié)果得出的是，考慮到當(dāng)氧空位量越小時(shí)越可以抑制載流子濃度的事實(shí)， 在 In2_xGaxZn04_s 的單相區(qū)域中，δ ( δ max = 1. 29161 X exp (_χ/0· 11802)+0. 00153 的范 圍是其中電阻率P的值為IO2 Ω · cm以上的δ。<實(shí)施例2>在實(shí)施例2中，根據(jù)與實(shí)施例1的方法和條件類似的方法和條件制備其中Ga的輸 入摩爾比χ為1. 00的樣品和其中Ga的輸入摩爾比χ為0. 80的樣品。然而，在主退火過程 中的平均降溫速率在實(shí)施例2中為500°C /h，代替在實(shí)施例1中的100°C /h。隨后，根據(jù)與實(shí)施例1的方法和條件類似的方法和條件進(jìn)行這兩個(gè)樣品(χ =
1.00,0. 80)的X射線衍射測(cè)量、晶格常數(shù)計(jì)算和電特性評(píng)價(jià)。作為X射線衍射測(cè)量的結(jié)果，證實(shí)在這兩個(gè)樣品(χ= 1.00,0. 80)中都得到了 InGaZnO4 的單相(JCPDS#38_1104)。作為晶格常數(shù)計(jì)算的結(jié)果，樣品(χ = 1. 00)的晶格常數(shù)為a = 0. 3294nm和c =
2.6036nm，其相對(duì)更接近于由InGaZnO4的JCPDS卡(編號(hào)38-1104)指示的a = 0. 3295nm 和c = 2. 6070nm的晶格常數(shù)。此外，樣品(χ = 0. 80)的晶格常數(shù)為a = 0. 3320nm和c = 2. 6272nm。從這些結(jié)果證明的是，隨著具有小離子半徑的Ga的輸入摩爾比χ增加，在a_軸 和C-軸上的晶格常數(shù)也降低，這與實(shí)施例1的情況相同。作為測(cè)量每一個(gè)樣品的電阻率值的結(jié)果，樣品(χ = 1.00)的電阻率P的值為 9. 83 X IO2 Ω · cm，而樣品(χ = 0. 80)的電阻率P的值為1.12 X IO2 Ω · cm。從這些結(jié)果 證明的是，隨著Ga的輸入摩爾比χ增加，電阻率的值也增加，這與實(shí)施例1的情況相同。然后，對(duì)每一個(gè)樣品進(jìn)行霍爾測(cè)量以計(jì)算其遷移率和載流子濃度。結(jié)果，樣品(X =1. 00)的遷移率(μ)和載流子濃度(η)分別為μ =0. 83cm2/V· S和η = 3. 50 X IO15CnT3 ； 并且樣品(χ = 0. 80)的遷移率(μ )和載流子濃度(η)分別為μ = 0. 74cm2/V. S和η = 6. 21X1016cm_3。鑒于以上內(nèi)容，證明載流子濃度是引起電阻率的值變化的主要因素，這與實(shí) 施例1的情況相同?！磳?shí)施例3>在實(shí)施例3中，根據(jù)與實(shí)施例1的方法和條件類似的方法和條件制備其中Ga的輸 入摩爾比χ為1. 00的樣品和其中Ga的輸入摩爾比χ為0. 80的樣品。然而，在主退火過程 中的平均降溫速率在實(shí)施例3中為50°C /h，代替在實(shí)施例1中的100°C /h。
隨后，根據(jù)與實(shí)施例1的方法和條件類似的方法和條件進(jìn)行這兩個(gè)樣品(X =
1.00,0. 80)的X射線衍射測(cè)量、晶格常數(shù)計(jì)算和電特性評(píng)價(jià)。作為X射線衍射測(cè)量的結(jié)果，證實(shí)在這兩個(gè)樣品(χ = 1.00，0.80)中得到了 InGaZnO4 的單相(JCPDS#38_1104)。作為晶格常數(shù)計(jì)算的結(jié)果，樣品(χ = 1. 00)的晶格常數(shù)為a = 0. 3295nm和c =
2.6038nm，其相對(duì)更接近于由InGaZnO4的JCPDS卡(編號(hào)38-1104)指示的a = 0. 3295nm 和c = 2. 6070nm的晶格常數(shù)。此外，樣品(χ = 0. 80)的晶格常數(shù)為a = 0. 332Inm和c = 2. 6275nm。從這些結(jié)果證明的是，隨著具有小離子半徑的Ga的輸入摩爾比χ增加，a_軸和 C-軸的晶格常數(shù)也降低，這與實(shí)施例1和實(shí)施例2的情況相同。作為測(cè)量每一個(gè)樣品的電阻率值的結(jié)果，樣品(χ = 1.00)的電阻率P的值為 5. 21 X IO3 Ω · cm，而樣品(χ = 0. 80)的電阻率P的值為3. 54X IO2 Ω · cm。從這些結(jié)果 證明的是，隨著Ga的輸入摩爾比χ增加，電阻率的值也增加，這與實(shí)施例1的情況相同。然后，對(duì)每一個(gè)樣品進(jìn)行霍爾測(cè)量以計(jì)算其遷移率和載流子濃度。結(jié)果，樣品(X =1. 00)的遷移率(μ )和載流子濃度(η)分別為μ =0. 67cm2/v. S和η = 9. 81 X IO14CnT3 ； 并且樣品(χ = 0. 80)的遷移率(μ )和載流子濃度(η)分別為μ = 0. 78cm2/V. S和η = 5. 23X1016cm_3。鑒于以上內(nèi)容，證明載流子濃度是引起電阻率的值變化的主要因素，這與實(shí) 施例1和實(shí)施例2的情況相同?！磳?shí)施例4>在實(shí)施例4中，通過與實(shí)施例1的方法和條件類似的方法和條件制備其中Ga的輸 入摩爾比χ為1. 00的樣品。然而，對(duì)于在主退火過程中的降溫，代替實(shí)施例1中使用的“緩 慢冷卻”的是，實(shí)施例4使用隨爐冷卻，其能夠通過關(guān)閉電爐的電源以允許從最高退火溫度 (Tmax = 1350 0C )自然冷卻而快速冷卻。此外，將該樣品通過下列方法進(jìn)行后退火在100%氧氣的氣氛中以500°C/h的升 溫速率將溫度升高到500°C，將此溫度保持2小時(shí)，然后將樣品以100°C /h的平均降溫速率 冷卻。在后退火之前和之后，通過與實(shí)施例1的方法和條件相同的方法和條件進(jìn)行樣品 的X射線測(cè)量、晶格常數(shù)計(jì)算和電特性評(píng)價(jià)。作為X射線衍射測(cè)量的結(jié)果，證實(shí)在后退火之前和之后的兩種情況下的樣品中 得到了 InGaZnO4 的單相(JCPDS#38_1104)。晶格常數(shù)的計(jì)算結(jié)果為后退火之前的樣品的晶格常數(shù)為a = 0. 3291nm和c = 2. 6040nm，而后退火之后的樣品的晶格常數(shù)為a = 0. 329Inm和c = 2. 6040nm。結(jié)果，證明在后退火之前和之后的兩種情況下的樣品的晶格常數(shù)相對(duì)類似于由 InGaZnO4 的 JCPDS 卡(編號(hào) 38-1104)顯示的 a = 0. 3321nm 禾口 c = 2. 6275nm。在后退火之前，測(cè)量樣品在后退火之前的電阻率值的結(jié)果為P = 3.21Χ103Ω ^m,而在后退火之后，各個(gè)樣品在后退火之后的電阻率的值為P = 5.31Χ103Ω ·_。因此，證實(shí)電阻率的值通過進(jìn)行后退火而增加。結(jié)果，證實(shí)通過在含 有氧的氧化氣氛中進(jìn)行后退火，可以將IGZO氧化物材料的電阻率的值增加到該材料可以 作為TFT等的活性層起作用的值。<實(shí)施例5>
在實(shí)施例5中，制備具有頂柵和頂接觸結(jié)構(gòu)的4個(gè)TFT。將IGZO單晶膜或IGZO多 晶膜用作用于TFT的活性層?；钚詫油ㄟ^如下所述的方法形成。而且，用于各個(gè)活性層退 火的平均降溫速率為100°C /h。1.使用由IGZO單晶膜形成的活性層制備TFT將具有由IGZO單晶膜形成的活性層的兩個(gè)TFT制備作為實(shí)施例5的TFT。具體地，在通過進(jìn)行階式處理(st印treatment)而以原子水平平坦化的單晶 YSZ(Ill)基板上，在550°C的基板溫度通過濺射形成厚度為2nm的ZnO薄膜，并且在室溫 通過進(jìn)行IGZO濺射在其上沉積厚度為IOOnm的非晶IGZO膜。Ga的輸入摩爾比χ為χ = 1. 00。將由此得到的IGZO膜用YSZ(Ill)單晶基板覆蓋以防止ZnO蒸發(fā)。于空氣中使用 電爐在1400°C進(jìn)行熱擴(kuò)散處理30分鐘以后，將IGZO膜以100°C /h的速率冷卻至室溫。熱 處理以后的IGZO膜(IGZ0基氧化物材料)具有IGZO單相的單晶結(jié)構(gòu)。隨后，通過光刻法和蝕刻法進(jìn)行IGZO膜的圖案化，然后由ITO形成源/漏電極。 ITO的形成是通過浮脫工藝(lift-off process)進(jìn)行的，成為L/W = 100 μ m/1000 μ m或 L/W = 5 μ m/5 μ m的圖案。其后，由厚度為200nm的SiOx形成柵絕緣膜，并且由ITO形成柵 電極。上述L和W分別是指溝道長度和溝道寬度。2.使用由IGZO多晶膜形成的活性層制備TFT此外，將具有由IGZO多晶膜形成的活性層的兩個(gè)TFT制備作為實(shí)施例5的TFT。 具體地，在石英基板(T-4040)上通過在室溫進(jìn)行濺射沉積IGZ0，以形成厚度為IOOnm的非 晶IGZO膜。Ga的輸入摩爾比χ為χ = 1. 00。使用電爐，將由此得到的IGZO膜在含氧氣氛中、在100°C進(jìn)行熱處理1小時(shí)，然后 以100°C /h的速率冷卻至室溫。熱處理以后的IGZO膜(IGZ0基氧化物材料)具有IGZO單 相的多晶結(jié)構(gòu)。隨后，通過光刻法和蝕刻法進(jìn)行IGZO膜的圖案化，然后通過浮脫工藝由ITO形成 源/漏電極，成為L/W = ΙΟΟμπι/ΙΟΟΟμπι或L/W = 5μπι/5μπι的圖案。其后，由厚度為 200nm的SiOx形成柵絕緣膜，并且由ITO形成柵電極。2.晶體管性能的評(píng)價(jià)通過使用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(AGILENT 4155C，商品名，由AgilentTechnologies 制造)評(píng)價(jià)如上制備的四個(gè)TFT的晶體管性能。在干燥空氣中進(jìn)行該測(cè)量。得到的評(píng)價(jià)結(jié) 果顯示在表4中。在表4中，對(duì)于所制備的四個(gè)TFT給定樣品編號(hào)(1)至(4)。表 4 如表4中所示，證實(shí)通過實(shí)施例5的方法制備的TFT能夠運(yùn)行。此外，證實(shí)由于 TFT的活性層表現(xiàn)出IO2 Ω · cm以上的電阻率的值的事實(shí)，通過實(shí)施例5的方法制備的TFT 表現(xiàn)出有利的電特性。<實(shí)施例6>在實(shí)施例6中，通過與實(shí)施例5的方法和條件相同的方法和條件制備四個(gè)TFT，不 同之處在于活性層的退火以500°C /h的平均降溫速率進(jìn)行。在實(shí)施例6中，Ga的輸入摩爾 比 χ 為 χ = 1. 00。以與實(shí)施例5類似的方式，評(píng)價(jià)如上制備的TFT的晶體管性能。得到的評(píng)價(jià)結(jié)果 顯示在表5中。在表5中，對(duì)于所制備的四個(gè)TFT給定樣品編號(hào)(5)至(8)。表 5 如表5中所示，證實(shí)通過實(shí)施例6的方法制備的TFT能夠運(yùn)行。此外，通過將表 4和表5的結(jié)果比較，證實(shí)隨著平均降溫速率降低，電阻率P增加，遷移率μ減小，并且 開-關(guān)比(Log(I。n/I。ff)增加。因此，證明平均降溫速率越低，晶體管性能越有利(開/關(guān)比越高)。<實(shí)施例7>在實(shí)施例7中，在進(jìn)行活性層的退火過程中以50°C /h的平均降溫速率制備四個(gè) TFT0其它方法和條件與實(shí)施例5的那些方法和條件相同。在實(shí)施例7中的Ga的輸入摩爾 比 χ 為 χ = 1. 00。與實(shí)施例5類似地，評(píng)價(jià)如上制備的TFT的晶體管性能。得到的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示在 表6中。在表6中，對(duì)于所制備的四個(gè)TFT給定樣品編號(hào)(9)至(12)。表6 如表6中所示，證實(shí)通過實(shí)施例7的方法制備的TFT能夠運(yùn)行。此外，通過將表 4、表5和表6中所示的結(jié)果進(jìn)行比較，證實(shí)隨著平均降溫速率降低，電阻率P增加，遷移 率P減小，并且開/關(guān)比(Log(I。n/I。ff)增加。因此，證明平均降溫速率越低，晶體管性能越加有利(開/關(guān)比越高)。<實(shí)施例8>
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在實(shí)施例8中，分別制備具有頂柵和頂接觸結(jié)構(gòu)的四個(gè)TFT以及具有底柵和頂接 觸結(jié)構(gòu)的四個(gè)TFT。以下列方式制備這些TFT的活性層。在進(jìn)行熱處理(結(jié)晶工藝)以后， 對(duì)每一個(gè)TFT的活性層進(jìn)行后退火。1.頂柵和頂接觸結(jié)構(gòu)單晶(在活性層形成以后后退火的)將具有頂柵和頂接觸結(jié)構(gòu)的兩個(gè)TFT制備作為實(shí)施例8的TFT。具體地，在通過進(jìn) 行階式處理(st印treatment)而以原子水平平坦化的YSZ(111)單晶基板上，在550°C的基 板溫度通過濺射形成厚度為2nm的ZnO薄膜，然后在室溫通過濺射IGZ0，沉積厚度為IOOnm 的非晶IGZO膜。對(duì)由此得到的膜用YSZ(Ill)單晶基板覆蓋以防止ZnO蒸發(fā)，并且在將其于空氣中 使用電爐在1400°C進(jìn)行熱擴(kuò)散處理30分鐘以后，通過隨爐冷卻將膜冷卻至室溫。隨后，通過光刻法和蝕刻法進(jìn)行IGZO膜的圖案化。然后，通過下列方法在100% 氧氣的氣氛中進(jìn)行后退火以500°C /h的升溫速率將溫度升高到500°C，將此溫度保持2小 時(shí)，然后以100°C/h的平均降溫速率冷卻。其后通過浮脫工藝由ITO形成源/漏電極，成為 L/W = 100 μ m/1000 μ m或L/W = 5 μ m/5 μ m的圖案。由SiOx形成柵絕緣膜至200nm的厚 度，并且由ITO形成柵電極。2.頂柵和頂接觸結(jié)構(gòu)單晶(在源/漏電極形成以后后退火的)制備具有頂柵和頂接觸結(jié)構(gòu)的兩個(gè)TFT作為實(shí)施例8的TFT。具體地，以與實(shí)施 例8的方法1相同的方式制備這些TFT，不同之處在于在源/漏電極的圖案化以后進(jìn)行后退 火。3.底柵和頂接觸結(jié)構(gòu)多晶(在活性層形成以后后退火的)制備具有底柵和頂接觸結(jié)構(gòu)的兩個(gè)TFT作為實(shí)施例8的TFT。具體地，在石英基板 上由Mo形成柵電極并且由SiOx形成絕緣膜至200nm的厚度。通過在室溫進(jìn)行IGZO的濺 射，沉積非晶IGZO膜至IOOnm的厚度。其后，通過在1000°C進(jìn)行熱處理30分鐘形成多晶 IGZO 膜。隨后，通過光刻法和蝕刻法進(jìn)行IGZO膜的圖案化。其后，通過下列方法在100% 氧氣的氣氛中進(jìn)行后退火以500°C /h的升溫速率將溫度升高到500°C，將此溫度保持2小 時(shí)，然后以100°C /h的平均降溫速率冷卻。然后，通過浮脫工藝由ITO形成源/漏電極，成為 L/W = 100 μ m/1000 μ m或L/W = 5 μ m/5 μ m的圖案。其后，由SiOx形成柵絕緣膜至200nm 的厚度，并且由ITO形成柵電極。4.底柵和頂接觸結(jié)構(gòu)多晶(在源/漏電極形成以后后退火的)制備具有底柵和頂接觸結(jié)構(gòu)的兩個(gè)TFT作為實(shí)施例8的TFT。具體地，以與實(shí)施 例8的方法3相同的方式制備這些TFT，不同之處在于在源/漏電極的圖案化以后進(jìn)行后退 火。5.晶體管性能的評(píng)價(jià)以與實(shí)施例5類似的方式評(píng)價(jià)這8個(gè)TFT的晶體管性能。得到的結(jié)果顯示在表7 中。在表7中，對(duì)這8個(gè)TFT給定了樣品編號(hào)(13)至(20)。表 7 如表7中所示，證實(shí)通過本實(shí)施例的方法制備的TFT能夠運(yùn)行。此外，盡管鑒于 活性層的不同結(jié)晶態(tài)即單晶或多晶而不能一般地提及，但是證實(shí)具有頂柵和頂接觸結(jié)構(gòu) 的TFT表現(xiàn)出的電阻率P的值是具有底柵和頂接觸結(jié)構(gòu)的TFT的電阻率P的值約10倍。 此外，證實(shí)具有頂柵和頂接觸結(jié)構(gòu)的TFT表現(xiàn)出的載流子遷移率μ比具有底柵和頂接觸 結(jié)構(gòu)的TFT的載流子遷移率μ高。而且，證實(shí)具有頂柵和頂接觸結(jié)構(gòu)的TFT表現(xiàn)出的開 /關(guān)比(Log(Ion/Ioff))比具有底柵和頂接觸結(jié)構(gòu)的TFT的開/關(guān)比(Log(Ion/Ioff))高?？紤]到以上內(nèi)容，證明的是，與制備具有底柵和頂接觸結(jié)構(gòu)的TFT的情況相比，通 過制備具有頂柵和頂接觸結(jié)構(gòu)的TFT而得到的晶體管性能更加有利(較高的開/關(guān)比)。此外，證實(shí)在源/漏電極形成之前進(jìn)行后退火的TFT表現(xiàn)出的電阻率P的值超 過在源/漏電極形成之后進(jìn)行后退火的TFT的電阻率P的值的10倍。而且，證實(shí)在源/ 漏電極形成之前進(jìn)行后退火的TFT表現(xiàn)出的載流子遷移率μ比在源/漏電極形成之后進(jìn) 行后退火的TFT的載流子遷移率μ高。另外，證實(shí)在源/漏電極形成之前進(jìn)行后退火的 TFT表現(xiàn)出的開/關(guān)比比在源/漏電極形成之后進(jìn)行后退火的TFT的開/關(guān)比高。關(guān)于活性層的IGZO基氧化物材料的氧空位量δ，考慮到活性層的電阻率的值為 IO2 Ω .cm以上的事實(shí)，證明δ的范圍為δ彡1. 29161 X exp (_χ/0. 11802)+0. 00153，如實(shí) 施例1中所解釋的。本發(fā)明包括下列示例性實(shí)施方案。(1) 一種薄膜晶體管，所述薄膜晶體管具有活性層，所述活性層包含IGZO基氧化 物材料，所述IGZO基氧化物材料由組成式IrvxGaxZnCVs表示，其中0. 75 < χ < 1. 10并且0 < δ ^ 1. 29161 Xexp (-χ/0. 11802)+0. 00153，并且所述 IGZO 基氧化物材料由具有 YbFe2O4 的晶體結(jié)構(gòu)的IGZO的單相形成。(2)根據(jù)(1)的薄膜晶體管，其中所述活性層的電阻率的值為1Χ102Ω · cm至 IX IO9 Ω · cm。(3)根據(jù)(1)或(2)的薄膜晶體管，其中所述組成式中的χ滿足1.05。(4) 一種制備根據(jù)(1)的薄膜晶體管的方法，其中所述活性層通過包括以下步驟 的工藝制備將包括IruGa和Zn的薄膜材料以50°C /hr至500°C /hr的平均降溫速率從所 述薄膜材料的結(jié)晶溫度冷卻到300°C，所述薄膜材料已經(jīng)形成在基板上并且被加熱至所述 薄膜材料的所述結(jié)晶溫度。(5)根據(jù)(4)的制備薄膜晶體管的方法，其中通過氣相成膜在所述基板上形成所 述薄膜材料。(6)根據(jù)(4)的制備薄膜晶體管的方法，其中所述結(jié)晶溫度為700°C至1400°C。(7)根據(jù)(4)的制備薄膜晶體管的方法，其中所述平均降溫速率為100°C /hr至 2000C /hr。(8) 一種制備根據(jù)(1)的薄膜晶體管的方法，所述方法包括在基板上形成活性層，所述活性層包括IGZO基氧化物材料，所述IGZO基氧化物材 料由組成式In2_xGaxZn04_s表示，其中0. 75 < χ < 1. 10并且δ > 0，并且所述IGZO基氧化 物材料由具有YbFe2O4的晶體結(jié)構(gòu)的IGZO的單相形成；和通過將所述活性層在含氧的氧化氣氛中進(jìn)行后退火，將δ的值控制到0< δ ^ 1. 29161 Xexp (-χ/0. 11802)+0. 00153 的范圍。
(9)根據(jù)(4)的制備薄膜晶體管的方法，所述方法還包括在所述活性層上至少形 成柵絕緣層和柵電極，并且所述薄膜晶體管具有頂柵器件結(jié)構(gòu)。(10)根據(jù)(9)的制備薄膜晶體管的方法，所述方法還包括在形成所述柵絕緣層和 所述柵電極之前形成源電極和漏電極，并且所述薄膜晶體管具有頂接觸器件結(jié)構(gòu)。將本說明書中提及的所有出版物、專利申請(qǐng)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都通過引用結(jié)合在此，達(dá) 到了就如同將每一個(gè)單獨(dú)的出版物、專利申請(qǐng)或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)明確且單獨(dú)地表示通過引用而結(jié) 合的程度。
權(quán)利要求
一種薄膜晶體管，所述的薄膜晶體管包含活性層，所述活性層包含IGZO基氧化物材料，所述IGZO基氧化物材料由組成式In2 xGaxZnO4 δ表示，其中0.75＜x＜1.10并且0＜δ≤1.29161×exp( x/0.11802)+0.00153，并且所述IGZO基氧化物材料由具有YbFe2O4的晶體結(jié)構(gòu)的IGZO的單相形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其中所述活性層的電阻率的值為1Χ102Ω- cm 至 1Χ109Ω · cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其中所述組成式中的χ滿足0.80 < χ < 1. 05。
4.一種制備根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管的方法，其中所述活性層通過包括以下 步驟的工藝制備在基板上形成包含In、Ga和Zn的薄膜材料；將所述薄膜材料加熱到所述薄膜材料的結(jié)晶溫度；和將所述薄膜材料以50°C /hr至500°C /hr的平均降溫速率從所述結(jié)晶溫度冷卻到 300 "C。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備薄膜晶體管的方法，其中通過氣相成膜在所述基板上形 成所述薄膜材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備薄膜晶體管的方法，其中所述結(jié)晶溫度為700°C至 1400 "C。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備薄膜晶體管的方法，其中所述平均降溫速率為100°C/hr 至 200°C /hr。
8.一種制備薄膜晶體管的方法，所述方法包括在基板上形成活性層，所述活性層包括IGZO基氧化物材料，所述IGZO基氧化物材料由 組成式In2_xGaxZn04_s表示，其中0. 75 < χ < 1. 10并且δ > 0，并且所述IGZO基氧化物材 料由具有YbFe2O4的晶體結(jié)構(gòu)的IGZO的單相形成；和通過將所述活性層在含氧的氧化氣氛中進(jìn)行后退火，將δ值控制到0< δ <1.29161 Xexp (-χ/0. 11802)+0. 00153 的范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一項(xiàng)所述的制備薄膜晶體管的方法，所述方法還包括在所 述活性層上至少形成柵絕緣層和柵電極，并且其中所述薄膜晶體管具有頂柵器件結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備薄膜晶體管的方法，所述方法還包括在形成所述柵絕 緣層和所述柵電極之前形成源電極和漏電極，并且其中所述薄膜晶體管具有頂接觸器件結(jié) 構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開薄膜晶體管和制備薄膜晶體管的方法。本發(fā)明提供一種包含活性層的薄膜晶體管，所述活性層包含IGZO基氧化物材料，所述IGZO基氧化物材料由組成式In2-xGaxZnO4-δ表示，其中0.75＜x＜1.10并且0＜δ≤1.29161×exp(-x/0.11802)+0.00153，并且所述IGZO基氧化物材料由具有YbFe2O4的晶體結(jié)構(gòu)的IGZO的單相形成，以及提供一種制備所述薄膜晶體管的方法。
文檔編號(hào)H01L21/34GK101931009SQ201010209348
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月22日
發(fā)明者奈良裕樹, 梅田賢一, 田中淳, 鈴木真之 申請(qǐng)人:富士膠片株式會(huì)社