專利名稱：薄膜晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜晶體管及其制造方法。
技術(shù)背景
薄膜晶體管(TFT)廣泛應(yīng)用于例如液晶顯示設(shè)備和有機(jī)EL顯示設(shè)備。具體而言， 將非晶硅用于活性層的TFT當(dāng)前廣泛用于大型液晶顯示設(shè)備。然而，存在對將來適用于例如較大尺寸、較高可靠性和較高遷移率的新穎活性層的實(shí)際應(yīng)用的要求。
例如，專利文獻(xiàn)1揭示了使用h-Ga-Si-O基非晶氧化物的TFT。該氧化物是以低溫成膜的并且在可見范圍是透明的。因此，有可能實(shí)現(xiàn)能在塑料襯底上形成的透明TFT。此外，已實(shí)現(xiàn)是非晶硅的遷移率的大約10倍的遷移率。
在使用這種氧化物的TFT中，期望對遷移率的進(jìn)一步改進(jìn)。
引用列表
專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)1 JP 2004-103957A 公報(bào)發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
本發(fā)明提供基于氧化物半導(dǎo)體的高遷移率的薄膜晶體管及其制造方法。
問題的解決方案
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種薄膜晶體管，其包括柵電極；半導(dǎo)體層，其面對柵電極設(shè)置并包括含有鎵和鋅中的至少一種以及銦的氧化物；柵絕緣膜，設(shè)置在柵電極和半導(dǎo)體層之間；以及源電極和漏電極，它們電連接到半導(dǎo)體層并彼此分隔開，該半導(dǎo)體層包括在半導(dǎo)體層中三維散布并具有原子排列周期性的多個(gè)微晶體。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造薄膜晶體管的方法，該薄膜晶體管包括 柵電極；半導(dǎo)體層，其面對柵電極設(shè)置，包括含有鎵和鋅中的至少一種以及銦的氧化物，并包括三維散布并具有原子排列周期性的多個(gè)微晶體；柵絕緣膜，設(shè)置在柵電極和半導(dǎo)體層之間；以及源電極和漏電極，它們電連接到半導(dǎo)體層并彼此分隔開，該方法包括形成柵電極、柵絕緣膜以及含有鎵和鋅中的至少一種以及銦的氧化物膜的層疊膜；通過在高于或等于320°C且低于或等于380°C的溫度下對層疊膜進(jìn)行熱處理在氧化物膜中形成微晶體；以及形成源電極和漏電極以連接至氧化物膜，形成層疊膜包括以下兩種方式在襯底的主表面上形成氧化物膜，在氧化物膜上形成由氧化硅膜制成的柵絕緣膜，以及在柵絕緣膜上形成柵電極，以使氧化物膜被柵絕緣膜覆蓋；或者在襯底的主表面上形成柵電極，在柵電極上形成柵絕緣膜，在柵絕緣膜上形成氧化物膜，以及在氧化物膜上形成由氧化硅膜制成的溝道保護(hù)層，以使氧化物膜被溝道保護(hù)層覆蓋，而形成微晶體在氧化物膜被構(gòu)成柵絕緣膜和溝道保護(hù)層的氧化硅膜覆蓋的狀態(tài)下執(zhí)行。
本發(fā)明的有利效果
根據(jù)本發(fā)明，提供基于氧化物半導(dǎo)體的高遷移率的薄膜晶體管及其制造方法。


是示出薄膜晶體管的示意圖。 是示出制造薄膜晶體管的方法的順序示意截面圖。 是示出薄膜晶體管的特性的曲線圖。 是示出薄膜晶體管的特性的曲線圖。 是薄膜晶體管中的半導(dǎo)體層的透射電子顯微圖。 示出半導(dǎo)體層的透射電子顯微圖的傅里葉變換圖。 是薄膜晶體管中的半導(dǎo)體層的透射電子顯微圖。 示出半導(dǎo)體層的透射電子顯微圖的傅里葉變換圖。 是示出薄膜晶體管的特性的曲線圖。 是示出半導(dǎo)體層的構(gòu)造的示意圖。 是示出薄膜晶體管的示意圖。 是示出制造薄膜晶體管的方法的順序示意截面圖。 是示出薄膜晶體管的示意圖。 是示出制造薄膜晶體管的方法的順序示意截面圖。 是示出有源矩陣顯示設(shè)備的示意圖。 是示出有源矩陣顯示設(shè)備的等效電路的電路圖。 是示出有源矩陣顯示設(shè)備的示意圖。是示出制造薄膜晶體管和有源矩陣顯示設(shè)備的方法的順序示意截面圖<是示出有源矩陣顯示設(shè)備的示意圖。是示出著色層的示意平面圖。是示出有源矩陣顯示設(shè)備的等效電路的電路圖。是示出制造薄膜晶體管的方法的流程圖。
在下文中，將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例。
附圖是示意性或概念性的。各部分的厚度和寬度之間的關(guān)系以及各部分之間的大小比例不一定與實(shí)際相同。此外，取決于附圖，相同部分可示為具有不同尺寸或比例。
在本說明書和附圖中，與先前參考在先附圖描述的部件相類似的部件用類似的附圖標(biāo)記標(biāo)記，并且適當(dāng)?shù)厥÷云湓敿?xì)描述。
(第一實(shí)施例)
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜晶體管的構(gòu)造的示意圖。
具體而言，圖1(b)是示意平面圖，而圖1(a)是沿圖1(b)的線A_A’所取的截面圖。
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜晶體管10包括柵電極110，面對柵電極110設(shè)置的半導(dǎo)體層130，設(shè)置在柵電極110和半導(dǎo)體層130之間的柵絕緣膜120，以及電連接到半導(dǎo)體層130并彼此分隔開的源電極181和漏電極182。
在此，為了便于描述，垂直于半導(dǎo)體層130和柵絕緣膜120之間的界面的方向被定義為Z軸方向。平行于該界面的一個(gè)方向被定義為X軸方向。垂直于Z軸方向和X軸方向
[圖1]
[圖2]
[圖3]
[圖4]
[圖5]
[圖6]
[圖7]
[圖8]
[圖9]
[圖10
[圖11
[圖12
[圖13
[圖14
[圖15
[圖16
[圖17
[圖18
[圖19
[圖20
[圖21
[圖22
各實(shí)施5的方向被定義為Y軸方向。X軸方向?qū)?zhǔn)源電極181和漏電極182彼此相對的方向。
柵電極110、柵絕緣膜120和半導(dǎo)體層130在Z軸方向上層疊。
半導(dǎo)體層130包括含有鎵和鋅中的至少一種以及銦的氧化物。具體而言，半導(dǎo)體層130例如是含有In、Ga和Si的氧化物膜(即h-Ga-Si-O氧化物膜)?；蛘?，半導(dǎo)體層 130可以是含有h和( 的氧化物膜(即^i-Ga-O氧化物膜)?；蛘撸雽?dǎo)體層130可以是含有h和Si的氧化物膜(即In-Si-O氧化物膜)。以下，In-Ga-Zn-O氧化物膜、In-Ga-O 氧化物膜和In-Si-O氧化物膜統(tǒng)稱為“ InGaZnO膜”。
半導(dǎo)體層130包括具有原子排列周期性的多個(gè)微晶體。即，每個(gè)微晶體在其中具有周期性。例如，在各個(gè)微晶體中，半導(dǎo)體層130中包括的原子排列具有特定周期性。更典型地，各個(gè)微晶體具有與上述氧化物中包括的金屬元素的排列相關(guān)的周期性。
微晶體三維地散布在半導(dǎo)體層130中。即，微晶體在半導(dǎo)體層130中沿Z軸方向、 X軸方向和Y軸方向中的任一方向散布。半導(dǎo)體層130中微晶體的散布狀態(tài)在之后描述。
在上文中，源電極181和漏電極182可互換。
在該示例中，源電極181和漏電極182具有Mo膜161、Al膜162和Mo膜163的層疊結(jié)構(gòu)。然而，本發(fā)明不限于此。源電極181和漏電極182的結(jié)構(gòu)以及其中所用的材料是任意的。
作為襯底105，例如可使用透光玻璃襯底或透光塑料襯底。然而，襯底105不限于此。例如，襯底105可由設(shè)置在諸如硅和不銹鋼的不透光基材上的絕緣層制成。例如，襯底 105只需要在設(shè)置有柵電極110的部分的表面處絕緣。
柵電極110可由諸如MoW、Ta和W的高熔點(diǎn)金屬制成?；蛘?，柵電極110可由主要由Al構(gòu)成并防止小丘的Al合金制成，或者由具有較低電阻的Cu制成。然而，本發(fā)明不限于此。柵電極110可由任何導(dǎo)電材料制成。
在該示例中，溝道保護(hù)層140設(shè)置在半導(dǎo)體層130上。源電極181和漏電極182 覆蓋在部分溝道保護(hù)層140上。半導(dǎo)體層130用溝道保護(hù)層140、源電極181和漏電極182之一覆蓋。
溝道保護(hù)層140可由氧化硅膜制成。
為了改善薄膜晶體管10的耐久性，例如可設(shè)置由諸如SiNx的絕緣物制成的鈍化膜以覆蓋圖1所示的結(jié)構(gòu)(柵電極110、柵絕緣膜120、半導(dǎo)體層130、溝道保護(hù)層140、源電極181和漏電極182)。
在此，如下所述，例如溝道保護(hù)層140可由氧化硅膜制成。溝道保護(hù)層140可覆蓋半導(dǎo)體層130、源電極181和漏電極182。并且在其上，可設(shè)置例如SiNx的鈍化膜。
以下，描述制造根據(jù)本實(shí)施例的薄膜晶體管10的示例方法。
圖2是示出制造根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜晶體管的方法的順序示意截面圖。
在這些圖中，左部對應(yīng)于TFT區(qū)域TFR，其中形成有薄膜晶體管10，而右部對應(yīng)于連接部分區(qū)域CPR，其中形成有連接至薄膜晶體管10的柵電極110的布線的連接部分115。
首先，如圖2(a)所示，例如在由玻璃制成的襯底105的主表面10 上，例如通過濺射使構(gòu)成柵電極110的Al膜IlOa和Mo膜IlOb分別形成至150nm (納米)和30nm的厚度，并將其處理成指定圖案形狀。此時(shí)，在連接部分區(qū)域CPR中也將構(gòu)成連接部分115的一部分的Al膜IlOa和Mo膜IlOb處理成指定圖案形狀。6
在該處理中，使用光刻。為了蝕刻，例如使用磷酸、醋酸和硝酸的混合酸。
接著，如圖2(b)所示，例如通過利用TEOS(原硅酸四乙酯)的等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PE-CVD)法，使構(gòu)成柵絕緣膜120的SW2膜120a形成至例如350nm的厚度。此時(shí)的膜形成溫度優(yōu)選為例如300°C或更高。
在此，要在柵絕緣膜120上形成的半導(dǎo)體層130的膜結(jié)構(gòu)隨柵絕緣膜120的表面形態(tài)而變化。因此，選擇構(gòu)成柵絕緣膜120的SiO2膜120a的膜形成條件以使柵絕緣膜120 的表面變得盡可能平坦。使用具有平坦表面的柵絕緣膜120減小由于柵電場應(yīng)力引起的薄膜晶體管10的特性變化。在膜形成之后，可以通過使用諸如CMP (化學(xué)機(jī)械拋光)處理、RIE 處理和用于輕微蝕刻表面層的反濺射處理之類的方法使柵絕緣膜120的表面平滑。
此外，在3丨02膜120a上，例如通過反應(yīng)DC濺射法，使構(gòu)成半導(dǎo)體層130的InGaZnO 膜130a(如L2O3-Gii2O3-ZnO膜)形成至例如30nm的厚度。此時(shí)，所用的靶的組分比按照 In Ga Si的原子比是例如1 1 1。在包括氧氣和氬氣的氣氛中執(zhí)行該膜形成。氧氣的比例設(shè)置為相對于氬氣例如約為5%。膜形成溫度為約幾十?dāng)z氏度，因?yàn)槔绮粓?zhí)行特定加熱。
此外，通過例如利用TEOS的PE-CVD法，使構(gòu)成溝道保護(hù)層140的SW2膜140a形成至例如200nm的厚度。此時(shí)，膜形成期間的襯底溫度設(shè)置為230°C。即，構(gòu)成溝道保護(hù)層 140的SW2膜HOa的膜形成期間的襯底溫度優(yōu)選為230°C或更高。如果SW2膜140a的膜形成期間的襯底溫度低于230°C，則留在膜中的碳和氫的量增加。因此，通過從源電極/漏電極的電荷注入以及由于柵極的負(fù)電位引起的電場應(yīng)力，在膜中更可能出現(xiàn)固定電荷。這增加了薄膜晶體管的特性變化。
接著，將SiO2膜140a處理成指定圖案形狀以形成溝道保護(hù)層140。在SiO2膜140a 的該處理中，掩模曝光與使用柵電極110作為掩模進(jìn)行光刻的背面曝光組合。為了蝕刻SiA 膜140a，例如采用利用CF4的RIE (反應(yīng)離子蝕刻)法。
接著，如圖2(c)所示，在具有環(huán)境氣氛的退火爐中，以指定退火溫度Ta保持工件一小時(shí)以執(zhí)行退火處理(熱處理)。在該示例中，采用包括氧氣的環(huán)境氣氛中的處理。然而，或者，退火爐中的氣氛可以是氮?dú)狻?br> 在此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，退火溫度I1a被設(shè)置為八個(gè)值，即250°C、280°C、300°C、320°C、 340°C、360°C、380°C和400°C。此外，還制造未經(jīng)退火處理的樣本作為比較示例。
如下所述，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置退火溫度Ta，在InGaZnO膜130a中形成具有原子排列周期性的微晶體。因此，可形成包括微晶體的半導(dǎo)體層130。
在此退火處理之后，如圖2(d)所示，在連接部分區(qū)域CPR，選擇性地去除半導(dǎo)體層 130 (InGaZnO膜130a)和柵絕緣膜120 (SW2膜120a)以形成用于形成連接部分115的接觸孔11證。在該處理中，用例如稀鹽酸蝕刻半導(dǎo)體層130的hfeiZnO膜130a。之后，通過例如利用CF4的RIE蝕刻柵絕緣膜120的SW2膜120a。該接觸孔11 到達(dá)例如構(gòu)成連接部分115的一部分的Mo膜110b。
接著，如圖2(e)所示，例如通過濺射法使構(gòu)成源電極181和漏電極182的Mo膜 16UA1膜162和Mo膜163分別形成至例如30nm、300nm和50nm的厚度。之后，用磷酸、醋酸和硝酸的混合酸將Mo膜161、Al膜162和Mo膜163處理成指定圖案形狀以形成源電極 181和漏電極182。此時(shí)，通過蝕刻去除未被源電極181、漏電極182和溝道保護(hù)層140覆蓋的部分中的半導(dǎo)體層130。因此，形成薄膜晶體管10的形狀。此外，形成用作連接至柵電極 110的布線的引出部分的連接部分115。
接著，適當(dāng)?shù)匦纬赦g化膜(未示出)。此外，為了去除過程中的損傷，例如在230°C 執(zhí)行損傷去除處理約一小時(shí)。因此，完成圖1中示出的薄膜晶體管10。
現(xiàn)在描述由此制造的薄膜晶體管的特性。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜晶體管的特性的曲線圖。
具體而言，圖3(a)至3(i)示出在沒有退火處理的條件下以及在退火處理的退火溫度iTa分別為250 V、280 V、300 V、320 V、340 V、360 V、380 V和400 V的條件下的薄膜晶體管的電壓-電流特性，如參考圖2(c)所描述的。在這些圖中，水平軸表示柵電壓Vg，而垂直軸表示漏電流Id。
在此，薄膜晶體管10具有沈μ m(微米)的溝道寬度以及Ilym的溝道長度。源電極181和漏電極182之間的源-漏電壓Vd被設(shè)置為15V(伏特)。在電壓-電流特性的測量中，執(zhí)行在增大和減小柵電壓Vg時(shí)的雙掃描測量。
如圖3(a)至3(c)所示，在沒有退火處理的情況下以及在退火溫度Ta為250°C和 280°C的情況下，電壓-電流特性呈現(xiàn)滯后。
相反，如圖3(d)至3(i)所示，在退火溫度Ta為300°C或更高的情況下，電壓-電流特性不呈現(xiàn)滯后。
由此，在300°C或更高的退火溫度Ta下，獲得沒有滯后的較佳的電壓_電流特性。
此外，從這些結(jié)果中計(jì)算薄膜晶體管的遷移率μ和閾值電壓Vth。在此，從圖 3(a)至3(i)所示的電壓-電流特性中15V的源-漏電壓Vd處的飽和區(qū)域的特性(Id = 1/2 · Cox . μ ·￥/!· (Vg-Vth)2，其中(^是單位面積的柵絕緣膜電容，W是溝道寬度，且L是溝道長度)計(jì)算遷移率μ和閾值電壓vth。
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜晶體管的特性的曲線圖。
具體而言，圖4(a)示出遷移率μ和退火溫度Ta之間的關(guān)系。圖4(b)示出閾值電壓Vth和退火溫度Ta之間的關(guān)系。這些圖中的水平軸表示退火溫度Ta。圖4(a)的垂直軸表示遷移率μ。圖4(b)的垂直軸表示閾值電壓Vth。
如圖4(a)和4(b)所示，在退火溫度Ta為^(TC或更低的情況下，遷移率μ為 7cm2/Vs或更低，而閾值電壓Vth為3. 8V或更高。
另一方面，在退火溫度Ta為300°C或更高的情況下，遷移率μ為12cm2/Vs或更高， 而閾值電壓Vth為3. 5V或更低。
S卩，如果退火溫度Ta為300°C或更高，則遷移率μ急劇增大。
在退火溫度Ta為320_380°C時(shí)，遷移率μ為13-16cm2/Vs，而閾值電壓Vth為 2. 7-0. 5V。
此外，在退火溫度Ta為400°C的情況下，遷移率μ進(jìn)一步增大到17cm2/Vs，而閾值電壓Vth顯著減小至負(fù)值-2V。
由此，在退火溫度Ta為觀01或更低的第一溫度范圍TRl中，遷移率μ較小，而閾值電壓Vth較大。
在退火溫度Ta為高于或等于300°C且低于400°C的第二溫度范圍TR2中，遷移率 μ顯著增大，而閾值電壓Vth減小。
即，在退火溫度TaW^Ot增大到300°C時(shí)，遷移率μ不連續(xù)地且急劇地增大。在退火溫度Ta從250°C增大到280°C時(shí)，閾值電壓Vth不連續(xù)地且急劇地減小。
在退火溫度Ta為400°C或更高的第三溫度范圍TR3中，遷移率μ增大，而閾值電壓Vth急劇減小。
其中，第二溫度范圍TR2和第三溫度范圍TR3對應(yīng)于根據(jù)該實(shí)施例的薄膜晶體管。 在此，其中退火溫度Ta為360°C的情況稱為根據(jù)該實(shí)施例的薄膜晶體管10a。其中退火溫度Ta為400°C的情況稱為根據(jù)該實(shí)施例的薄膜晶體管10b。
另一方面，第一溫度范圍TRl對應(yīng)于比較示例。在此，其中退火溫度Ta為第一溫度范圍TRl中的250°C的情況稱為根據(jù)比較示例的薄膜晶體管19。
以下，描述通過透射電子顯微鏡(TEM)分析這些薄膜晶體管10a、10b和19的半導(dǎo)體層130的結(jié)構(gòu)的結(jié)果。此外，還分析通過TEM圖像的數(shù)字傅里葉變換獲得的圖像。也描述該結(jié)果。
圖5是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜晶體管中的半導(dǎo)體層的透射電子顯微圖。
具體而言，圖5(a)是其中退火溫度Ta為360°C的上述薄膜晶體管IOa的半導(dǎo)體層130的TEM圖像。圖5(b)示出圖5(a)的圖像中要傅里葉變換的區(qū)域Al和區(qū)域Bi。圖 5(c)示出通過對圖5(a)的圖像中的區(qū)域Al和區(qū)域Bl進(jìn)行傅里葉變換獲得的傅里葉變換圖像Alf和傅里葉變換圖像Blf。在圖5(c)中，為了說明清楚，傅里葉變換圖像Alf和傅里葉變換圖像Blf的顯示位置分別從下層TEM圖像的區(qū)域Al和區(qū)域Bl的位置移位。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜晶體管中的半導(dǎo)體層的透射電子顯微圖的傅里葉變換圖像。
具體而言，圖6 (a)和6(b)分別是圖5 (c)所示的傅里葉變換圖像Alf和傅里葉變換圖像Blf的放大圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜晶體管中的半導(dǎo)體層的透射電子顯微圖。
具體而言，圖7(a)是其中退火溫度Ta為400°C的上述薄膜晶體管IOb的半導(dǎo)體層130的TEM圖像。圖7(b)示出圖7(a)的圖像中要傅里葉變換的區(qū)域Cl和區(qū)域D1。圖 7(c)示出通過對圖7(a)的圖像中的區(qū)域Cl和區(qū)域Dl進(jìn)行傅里葉變換獲得的傅里葉變換圖像Clf和傅里葉變換圖像Dlf。在圖7(c)中，為了清楚地說明，傅里葉變換圖像Clf和傅里葉變換圖像Dlf的顯示位置分別從下層圖像的區(qū)域Cl和區(qū)域Dl的位置移位。圖7(d) 示出圖7(a)中觀察到的微晶體，為了清楚地說明用實(shí)線示出。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜晶體管中的半導(dǎo)體層的透射電子顯微圖的傅里葉變換圖像。
具體而言，圖8 (a)和8(b)分別是圖7(c)所示的傅里葉變換圖像Clf和傅里葉變換圖像Dlf的放大圖。
如圖7(a)和7(d)所示，在退火溫度Ta為400°C的情況下，在半導(dǎo)體層130中觀察到多個(gè)微晶體133。微晶體133是其中具有周期性的區(qū)域。在微晶體133和區(qū)域134之間可識別邊界135。在微晶體133內(nèi)，觀察到基于周期性的條紋圖案。另一方面，在區(qū)域134 中，未觀察到條紋圖案。區(qū)域134具有低于微晶體133的周期性。條紋圖案對應(yīng)于基于微晶體133中的周期性的晶格圖像。即，在退火溫度Ta為400°C的情況下，在半導(dǎo)體層130的 TEM圖像中觀察到晶格圖像。
如圖7(b)所示，對半導(dǎo)體層130的TEM圖像的部分區(qū)域(傅里葉變換區(qū)域Cl和傅里葉變換區(qū)域Dl)執(zhí)行傅里葉變換。
如圖7(c)所示，在通過對該TEM圖像的傅里葉變換區(qū)域Cl和傅里葉變換區(qū)域Dl 分別進(jìn)行傅里葉變換獲得的傅里葉變換圖像Clf和傅里葉變換圖像Dlf中，基于微晶體133 的內(nèi)部周期性觀察原則上與電子束衍射圖案相同的圖像。
具體而言，如圖8 (a)所示，在傅里葉變換圖像Clf中，除了位于中心的亮點(diǎn)CfO，在關(guān)于亮點(diǎn)CfO點(diǎn)對稱的位置處觀察到亮點(diǎn)Cfl-Cf4。這些亮點(diǎn)Cfl-Cf4是基于傅里葉變換區(qū)域Cl的內(nèi)部周期結(jié)構(gòu)的衍射圖案圖像。
如圖8(b)所示，在傅里葉變換圖像Dlf中，除了位于中心的亮點(diǎn)DfO，在關(guān)于亮點(diǎn) DfO點(diǎn)對稱的位置處觀察到亮點(diǎn)Dfl-Df6。這些亮點(diǎn)Dfl-Df6是基于傅里葉變換區(qū)域Dl的內(nèi)部周期性的衍射圖案圖像。在此，在圖8(b)的圖像中，一對亮點(diǎn)Df3和亮點(diǎn)Df4以及一對亮點(diǎn)Df5和亮點(diǎn)Df6在圖中在垂直方向上彼此靠近?？梢酝茰y，這些亮點(diǎn)對對應(yīng)于位于用于成像TEM圖像的樣本中成像深度方向上的兩個(gè)不同微晶體。
因此，在其中退火溫度Ta為400°C的半導(dǎo)體層130中，形成具有原子排列周期性的微晶體133。即，在TEM圖像中，可識別微晶體133的形狀，并且觀察到晶格圖像。此外，在 TEM圖像的傅里葉變換圖像中，觀察衍射圖案圖像。
另一方面，如圖5(a)所示，在退火溫度Ta為360°C的TEM圖像中，在半導(dǎo)體層130 中沒有清楚地觀察到微晶體。
如圖5(b)所示，對半導(dǎo)體層130的TEM圖像的部分區(qū)域(傅里葉變換區(qū)域Al和傅里葉變換區(qū)域Bi)執(zhí)行傅里葉變換。
如圖5(c)所示，在通過對該TEM圖像的傅里葉變換區(qū)域Al和傅里葉變換區(qū)域Bl 分別進(jìn)行傅里葉變換獲得的傅里葉變換圖像Alf和傅里葉變換圖像Blf中，沒有清楚地觀察到衍射圖案圖像。然而，觀察到基于周期性的亮點(diǎn)。
具體而言，如圖6 (a)所示，在傅里葉變換圖像Alf中，除了位于中心的亮點(diǎn)AfO，在關(guān)于亮點(diǎn)AfO點(diǎn)對稱的位置處觀察到亮點(diǎn)Afl和Af2。這些亮點(diǎn)Afl和Af2是由于基于傅里葉變換區(qū)域Al的內(nèi)部周期性的衍射現(xiàn)象產(chǎn)生的圖像。
如圖6(b)所示，同樣在傅里葉變換圖像Blf中，在關(guān)于亮點(diǎn)BfO點(diǎn)對稱的位置處觀察到亮點(diǎn)Bfl和Bf2。這些亮點(diǎn)Bfl和Bf2也是由于基于傅里葉變換區(qū)域Bl的內(nèi)部周期性的衍射現(xiàn)象產(chǎn)生的圖像。
因此，在360°C的退火溫度Ta，在TEM圖像中無法識別微晶體133的清楚形狀，并且沒有觀察到晶格圖像。然而，在TEM圖像的傅里葉變換圖像中，觀察到基于周期性的亮點(diǎn) Afl和Af2以及亮點(diǎn)Bfl和Bf2。由此，可以確定，在半導(dǎo)體層130中形成具有周期性的微晶體133。
另一方面，雖然未示出，但是在其中退火溫度Ta為250°C的薄膜晶體管19中，在半導(dǎo)體層130的TEM圖像中沒有識別出微晶體，并且沒有觀察到晶格圖像。此外，在TEM圖像的傅里葉變換圖像中，也沒有觀察到基于周期性的亮點(diǎn)。
S卩，考慮如下。在250°C的較低退火溫度Ta下，不形成微晶體。在360°C的退火溫度下，雖然在很小的區(qū)域中，但是形成其中具有周期性的微晶體133。隨著退火溫度Ta的升高，微晶體133的大小增大。在400°C的退火溫度Ta下，微晶體133生長到在TEM圖像中可觀察到微晶體133的大小。
鑒于當(dāng)前觀察手段(TEM)的性能，考慮如下。半導(dǎo)體層130包括相對重的原子(如 In).因此，微晶體133包括具有約為五個(gè)或更多周期的周期性的金屬元素的排列。當(dāng)微晶體133中的晶軸與觀察方向軸一致時(shí)，在TEM圖像的傅里葉變換圖像中觀察到亮點(diǎn)。
半導(dǎo)體層130的InGaZnO膜130a可近似正方形(立方體)。之后，可估計(jì)具有五個(gè)周期的晶體的大小約為1. 5nm。因此，可以確定，其中退火溫度Ta為360°C和400°C的薄膜晶體管IOa和IOb中的半導(dǎo)體層130包括大小為1. 5nm或更大的微晶體133。
如圖7 (d)所示，在退火溫度Ta為400°C的情況下，相對清楚地觀察到微晶體133 的圖像。在半導(dǎo)體層130中，其中基本上均質(zhì)的每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)于微晶體133。微晶體133的大小可從圖7(d)所示的TEM圖像估計(jì)。之后，觀察到的微晶體133的大小為5nm或更小。
在TEM圖像中，其中基本上均質(zhì)的區(qū)域的面積的平方根被定義為微晶體133的粒子直徑。然后，為粒子直徑為2nm或更大的微晶體133確定平均粒子直徑。S卩，在TEM圖像中，可相對清楚地識別大小為2nm或更大的微晶體133的形狀。因此，為大小為2nm或更大的這種微晶體133測量粒子直徑，并且將其平均值用作微晶體133的平均粒子直徑。在退火溫度iTa為400°C的情況下，微晶體133的平均粒子直徑為3. 5nm。
即，在對應(yīng)于該實(shí)施例的退火溫度Ta為300-400°C的范圍中，在半導(dǎo)體層130中形成具有原子排列周期性的微晶體133。微晶體133的平均粒子直徑為3. 5nm或更小。
在此，如果退火溫度Ta高于400°C，則使微晶體133的平均粒子直徑大于退火溫度 Ta為400°C的情況下的平均粒子直徑。之后，在多個(gè)微晶體133中，使粒子直徑為2nm或更大的微晶體133的平均粒子直徑大于3. 5nm。
因此，在較低退火溫度Ta的情況下(例如在第一溫度范圍TRl中)，InGaZnO膜 130a(半導(dǎo)體層130)是非晶態(tài)的膜，或者即使具有晶體結(jié)構(gòu)(周期性)，也是包括粒子直徑小于1. 5nm的微晶體的膜。
在較高退火溫度Ta情況下(例如在第二溫度范圍TR2和第三溫度范圍TR3中)， InGaZnO膜130a的晶體生長成使InGaZnO膜130a包括粒子直徑為1. 5nm或更大的微晶體 133。
因此，隨著退火溫度Ta的升高，形成微晶體133，并且微晶體133的粒子直徑增大。 該現(xiàn)象與薄膜晶體管的特性相關(guān)。例如，可以推測，在遷移率μ隨著退火溫度Ta的升高而急劇增大的溫度下，將促進(jìn)微晶體133的形成，并且促進(jìn)微晶體133的粒子直徑的增大。
如上所述，在退火溫度Ta從280°C增大到300°C時(shí)，遷移率μ不連續(xù)地且急劇地增大。在退火溫度Ta從250°C增大到280°C時(shí)，閾值電壓Vth不連續(xù)地且急劇地減小。因此，可以估計(jì)，當(dāng)退火溫度Ta在約^(TC至300°C的范圍內(nèi)時(shí)，開始促進(jìn)半導(dǎo)體層130中微晶體133的生長。
當(dāng)退火溫度Ta在第二溫度范圍TR2 (高于或等于300°C且低于400°C，更具體而言，高于或等于300°C且低于或等于380°C)內(nèi)時(shí)，在半導(dǎo)體層130的TEM圖像中，沒有觀察到晶格圖像。在TEM圖像的傅里葉變換圖像中，觀察到基于微晶體133的周期性的亮點(diǎn)。因此，可以確定，半導(dǎo)體層包括微晶體130。
當(dāng)退火溫度Ta相對較高(例如在第三溫度范圍TR3中)時(shí)，在半導(dǎo)體層130的 TEM圖像中，觀察到晶格圖像。在TEM圖像的傅里葉變換圖像中，觀察到基于微晶體133的內(nèi)部周期性的清楚的衍射圖案圖像。
如圖4(a)所示，在300°C或更高的退火溫度Ta下，遷移率μ從較低的第一溫度范圍TRl中的遷移率不連續(xù)地且急劇地增大。因此，可以確定，在300°C或更高時(shí)存在微晶體 133。此外，更可靠地，可以確定，在320°C或更高的退火溫度下，存在微晶體133。
因此，退火溫度Ta優(yōu)選為320°C或更高。這可增加遷移率μ。
S卩，當(dāng)退火溫度Ta為第二溫度范圍TR2中的高于或等于至少320°C且低于400°C 的溫度時(shí)，在TEM圖像中，在半導(dǎo)體層130中沒有觀察到晶格圖像。然而，在TEM圖像的傅里葉變換圖像中，觀察到基于微晶體133的周期性的亮點(diǎn)。因此，可以確定，半導(dǎo)體層包括微晶體130。
此外，如上所述，在退火溫度Ta為400°C的情況下，雖然遷移率μ增大，但是閾值電壓Vth顯著減小并變成負(fù)極性。閾值電壓Vth如此減小的原因推測如下。作為退火溫度 Ta增大的結(jié)果，微晶體133變大。因此，在半導(dǎo)體層130與半導(dǎo)體層130之上和之下的柵絕緣膜120和溝道保護(hù)層140的界面處發(fā)生氧空位。氧空位還發(fā)生在微晶體133之間的晶界處。由于該氧空位引起的施主能級導(dǎo)致閾值電壓Vth減小。
在將薄膜晶體管應(yīng)用于例如液晶顯示設(shè)備和有機(jī)EL顯示設(shè)備的情況下，遷移率 μ優(yōu)選較大。然而，在電路構(gòu)造的限制下，閾值電壓Vth約為0-3V。具體而言，在除了用于切換顯示設(shè)備的像素之外將薄膜晶體管用于驅(qū)動電路中的情況下，閾值電壓Vth優(yōu)選為正值。
因此，更優(yōu)選地，退火溫度Ta小于400°C (如380°C或更低)。即，以下條件是更優(yōu)選的。半導(dǎo)體層130中的微晶體133相對較小。在TEM圖像中，在半導(dǎo)體層130中沒有觀察到晶格圖像。然而，在TEM圖像的傅里葉變換圖像中，觀察到基于微晶體133的周期性的亮點(diǎn)。在該條件下，在多個(gè)微晶體133中，粒子直徑為2nm或更大的微晶體133的平均粒子直徑小于3. 5nm。
因此，閾值電壓Vth可被設(shè)置為正值。在例如將薄膜晶體管應(yīng)用于顯示設(shè)備等的情況下，簡化了電路構(gòu)造。此外，薄膜晶體管還可應(yīng)用于除了像素之外的驅(qū)動電路。這便于實(shí)現(xiàn)具有較高集成度和較高可靠性的顯示設(shè)備。
InGaZnO膜130a的固相微結(jié)晶化與膜中的含氧量相關(guān)。即，如果氧空位的量較大， 則微結(jié)晶化從較低溫度開始。然而，如果氧空位的量相當(dāng)大，則膜的電阻減小。這使得難以獲得較佳的電流-電壓特性。
相反，在根據(jù)該實(shí)施例的薄膜晶體管10、10a和IOb中，半導(dǎo)體層130(InGaZn0膜 130a)被溝道保護(hù)層140 (SiO2膜140a)覆蓋，并且在此狀態(tài)下執(zhí)行退火。這抑制了上述的顯著氧脫附。因此，使在半導(dǎo)體層130中形成具有適當(dāng)粒子直徑的微晶體133與較佳的電流-電壓特性相兼容。
此外，參考比較示例描述根據(jù)該實(shí)施例的薄膜晶體管IOa的操作可靠性。
圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜晶體管的特性的曲線圖。
具體而言，該圖示出根據(jù)該實(shí)施例的薄膜晶體管IOa和比較示例的薄膜晶體管19 的在高溫壽命測試下施加的電偏壓的結(jié)果。該高溫工作壽命測試是偏壓/溫度應(yīng)力測試。 在80°C的溫度下，向薄膜晶體管連續(xù)施加Vg= 15V且Vd = OV的電壓應(yīng)力。評估從薄膜晶體管的閾值電壓Vth的初始值的偏移量(閾值電壓偏移AVth)。在該圖中，水平軸表示偏10/22 頁壓施加的經(jīng)過時(shí)間tl。垂直軸表示閾值電壓偏移AVth。
如圖9所示，在其中退火溫度Ta為250°C的比較示例的薄膜晶體管19中，對于 10000秒的經(jīng)過時(shí)間tl，閾值電壓偏移AVth約為2. IV。因此，隨著偏壓施加的時(shí)間tl的流逝，閾值電壓Vth顯著偏移。相反，在退火溫度Ta為360°C時(shí)包括微晶體133的根據(jù)該實(shí)施例的薄膜晶體管IOa中，對于10000秒的經(jīng)過時(shí)間tl，閾值電壓偏移AVth為非常小的0.33V。
因此，根據(jù)該實(shí)施例的薄膜晶體管在偏壓/溫度應(yīng)力測試中呈現(xiàn)較佳結(jié)果。其原因如下。通過使用適當(dāng)退火溫度Ta，在半導(dǎo)體層130中形成微晶體133。因此，半導(dǎo)體層 130從非晶態(tài)變成結(jié)晶態(tài)。這改進(jìn)了對電壓應(yīng)力的容限。
現(xiàn)在描述半導(dǎo)體層130中微晶體133的散布狀態(tài)。
圖10是示出薄膜晶體管中的半導(dǎo)體層的構(gòu)造的示意圖。
具體而言，圖10 (a)、10(b)和10(c)分別示出上述薄膜晶體管10a、IOb和19中的半導(dǎo)體層130的構(gòu)造的模型。圖10(d)示出替換比較示例的薄膜晶體管19a中的半導(dǎo)體層 130的構(gòu)造的模型。
如圖10(a)所示，在退火溫度Ta為360°C的根據(jù)實(shí)施例的薄膜晶體管IOa的半導(dǎo)體層130中，具有較小粒子直徑的微晶體133散布在X、Y和Z軸方向。粒子直徑超過2nm 的微晶體133的數(shù)量很小(粒子直徑為2nm或更大的微晶體的平均粒子直徑小于3. 5nm)。 在此，微晶體133周圍的區(qū)域134是粒子直徑主要為1. 5-2nm的微晶體的集合。該區(qū)域的一部分可以為非晶態(tài)。
如圖10(b)所示，在退火溫度Ta為400°C的根據(jù)實(shí)施例的薄膜晶體管IOb的半導(dǎo)體層130中，具有較大粒子直徑的微晶體133散布在X、Y和Z軸方向。微晶體133的平均粒子直徑為3. 5nm。在此，同樣在此情況下，微晶體133周圍的區(qū)域134是粒子直徑主要為1.5-2nm的微晶體的集合。該區(qū)域的一部分可以為非晶態(tài)。
在根據(jù)該實(shí)施例的薄膜晶體管IOa和IOb中，微晶體133三維地散布在半導(dǎo)體層 130中。因此，可獲得期望電流-電壓特性。因此，可實(shí)現(xiàn)具有高遷移率和較佳特性的薄膜晶體管。
如圖10(c)所示，在退火溫度Ta為250°C的比較示例的薄膜晶體管19的半導(dǎo)體層 130中，不形成微晶體133。半導(dǎo)體層130完全為非晶態(tài)。因此遷移率μ低。
如圖10(d)所示，在替換比較示例的薄膜晶體管19a的半導(dǎo)體層130中，形成柱狀晶粒136。柱狀晶粒136例如從半導(dǎo)體層130下方的柵絕緣膜120向半導(dǎo)體層130的內(nèi)部生長。這種柱狀晶粒136在半導(dǎo)體層130的金屬氧化物的晶體生長相對容易的情況下形成。這種晶粒136具有平行于Z軸方向的軸。晶粒136在X-Y平面中二維地排列，并且沒有三維地散布在半導(dǎo)體層130中。因此，例如電阻在Z軸方向過低。因此，無法獲得期望電流-電壓特性。
因此，在根據(jù)該實(shí)施例的薄膜晶體管中，半導(dǎo)體層130優(yōu)選包括三維地散布在半導(dǎo)體層130中并具有原子排列周期性的多個(gè)微晶體133。
在基于InGaZnO膜130a的薄膜晶體管中，例如在形成源電極181和漏電極182之后，以300°C或更高的高溫執(zhí)行退火。之后，氧可從InGaZnO膜130a向源電極181和漏電極 182遷移。13
例如，同樣在Mo膜或Ti膜用作源電極181和漏電極182的阻擋層金屬的情況下， 氧從InGaZnO膜130a向源電極181和漏電極182遷移。因此，薄膜晶體管的電流-電壓特性可呈現(xiàn)特性劣化，如閾值電壓Vth的負(fù)偏移。
因此，用于在半導(dǎo)體層130中形成微晶體133的上述退火處理優(yōu)選在InGaZnO膜 130a不與源電極181和漏電極182接觸的狀態(tài)下執(zhí)行。
S卩，如參考圖2(c)至2(e)所描述的，用于在^ifeaiO膜130a中形成微晶體133的退火處理(圖2(c)所示的處理)優(yōu)選在形成構(gòu)成源電極181和漏電極182的膜(圖2(e) 所示的步驟)之前執(zhí)行。
圖11是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的替換薄膜晶體管的構(gòu)造的示意圖。
具體而言，圖11(b)是示意平面圖，而圖11(a)是沿圖11(b)的線B-B’所取的截面圖。
如圖11 (a)和11 (b)所示，根據(jù)該實(shí)施例的替換薄膜晶體管11也包括柵電極110， 面對柵電極110設(shè)置的半導(dǎo)體層130，設(shè)置在柵電極110和半導(dǎo)體層130之間的柵絕緣膜 120，以及電連接到半導(dǎo)體層130并彼此分隔開的源電極181和漏電極182。
半導(dǎo)體層130包括含有鎵和鋅中的至少一種以及銦的氧化物。半導(dǎo)體層130包括三維地散布在半導(dǎo)體層130中并具有原子排列周期性的多個(gè)微晶體。
在薄膜晶體管11中，在Z軸方向觀看的溝道保護(hù)層140的平面圖案形狀是覆蓋橫越柵電極110的半導(dǎo)體層130邊緣的圖案形狀。即，溝道保護(hù)層140覆蓋半導(dǎo)體層130在 Y軸方向的邊緣。
可通過部分修改上述制造薄膜晶體管10的方法來制造如此構(gòu)造的薄膜晶體管 11。
圖12是示出制造根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的替換薄膜晶體管的方法的順序示意截面圖。
在這些圖中，左部對應(yīng)于TFT區(qū)域TFR，而右部對應(yīng)于連接部分區(qū)域CPR。
首先，如圖12(a)所示，類似于參考圖2 (a)所述的方法，在襯底105的主表面10 上，形成構(gòu)成柵電極110的Al膜IlOa和Mo膜110b，并將其處理成指定圖案形狀。在連接部分區(qū)域CPR中，也將構(gòu)成連接部分115的一部分的Al膜IlOa和Mo膜IlOb處理成指定圖案形狀。
接著，如圖12(b)所示，類似于參考圖2(b)所描述的，形成構(gòu)成柵絕緣膜120的 SiO2膜120a。此時(shí)的膜形成溫度優(yōu)選為例如300°C或更高。此外，在SW2膜120a上，形成構(gòu)成半導(dǎo)體層130的InGaZnO膜130a至例如20nm的厚度。
之后，通過光刻和蝕刻，將hfeiZnO膜130a處理成指定圖案形狀。在此，稀草酸可用作蝕刻液。
此外，通過例如利用SiH4和N2O的PE-CVD法，使構(gòu)成溝道保護(hù)層140的SW2膜 140a形成至例如200nm的厚度。此時(shí)，膜形成期間的襯底溫度設(shè)置為270°C。接著，將SW2 膜140a處理成指定圖案形狀。在此，溝道保護(hù)層140的圖案形狀被設(shè)置成覆蓋橫越柵電極 110的InGaZnO膜130a邊緣(Y軸方向的邊緣)的圖案形狀。此處，在襯底105透光的情況下，可通過使用背面曝光和掩模曝光的組合來執(zhí)行SW2膜HOa的處理。對于該步驟的蝕刻，可使用利用CF4的RIE。
接著，如圖12(c)所示，在具有氮?dú)鈿夥盏耐嘶馉t中，以例如340°C的退火溫度Ta 保持工件一小時(shí)以執(zhí)行退火處理。因此，在非晶態(tài)的InGaZnO膜130a中形成微晶體133。
接著，如圖12 (d)所示，通過與參考圖2 (d)所描述的方法類似的方法，在連接部分區(qū)域CPR中，選擇性地去除半導(dǎo)體層130和柵絕緣膜1206102膜120a)以形成用于形成連接部分115的接觸孔11證。在SW2膜120a的蝕刻中，例如可使用緩沖氫氟酸。
接著，如圖12E所示，通過與參考圖2(d)所描述方法類似的方法，形成源電極181 和漏電極182。
接著，例如，SiO2膜形成為鈍化膜。并且在其上形成SiN膜。接著，形成用于電極引出的開口。此外，為了去除過程中的損傷，例如在^KTC執(zhí)行損傷去除處理約一小時(shí)。因此，完成圖11(a)和11(b)中示出的薄膜晶體管11。損傷去除處理可在氮中執(zhí)行。
由于半導(dǎo)體層130包括微晶體133，因此薄膜晶體管11可實(shí)現(xiàn)高遷移率。
在此，例如，在上述鈍化膜上，可形成連接至漏電極182的像素電極。由此，制造用于TFT-LCD的有源矩陣襯底。或者，在鈍化膜上，可形成透明樹脂層或?yàn)V色層(著色層)，并且可在其上形成像素電極。
在此，如果將InGaZnO膜130a用作半導(dǎo)體層130的用于TFT-LCD的有源矩陣襯底的薄膜晶體管在用波長約為400nm的光照射時(shí)操作，則可能發(fā)生特性劣化。
然而，在根據(jù)該實(shí)施例的薄膜晶體管IOUOaUOb ^P 11中，在InGaZnO膜130a中形成微晶體133。這顯著改善了在用波長約為400nm的光照射時(shí)操作中的特性劣化。
此外，為了抑制該劣化，可采用減少薄膜晶體管的光照射量的構(gòu)造。具體而言，在薄膜晶體管10、10a、10b和11的構(gòu)造中，柵電極110用作對于來自襯底105側(cè)的光的遮光膜。由此，優(yōu)選在半導(dǎo)體層130的上側(cè)上(在襯底105的相對側(cè)上)設(shè)置遮光層。
在有源矩陣襯底上設(shè)置濾色層的情況下，G(綠色)濾色層對于約400nm的光具有較低的透射率。由此，不管像素的顏色，優(yōu)選在薄膜晶體管上設(shè)置綠色濾色層。稍后描述該構(gòu)造。
上述薄膜晶體管10、10a、10b和11是底柵結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管。即，柵電極110設(shè)置在襯底105的主表面10 上。半導(dǎo)體層130設(shè)置在柵電極110的與襯底105相對的一側(cè)上。
在設(shè)置有溝道保護(hù)層140的情況下，溝道保護(hù)層140設(shè)置在半導(dǎo)體層130的與柵電極110相對的一側(cè)上。
然而，本發(fā)明不限于此，而是可以基于頂柵結(jié)構(gòu)。
(第二實(shí)施例)
根據(jù)該實(shí)施例的薄膜晶體管具有頂柵結(jié)構(gòu)。
圖13是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的替換薄膜晶體管的構(gòu)造的示意圖。
具體而言，圖13(b)是示意平面圖，而圖13(a)是沿圖13(b)的線B-B’所取的截面圖。
如圖13(a)和13(b)所示，根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的薄膜晶體管12也包括柵電極 110，面對柵電極110設(shè)置的半導(dǎo)體層130，設(shè)置在柵電壓110和半導(dǎo)體層130之間的柵絕緣膜120，以及電連接到半導(dǎo)體層130并彼此分隔開的源電極181和漏電極182。
在這種情況下，半導(dǎo)體層130設(shè)置在襯底105的主表面10 上。柵電極110設(shè)置在半導(dǎo)體層130的與襯底105相對的一側(cè)上。g卩，半導(dǎo)體層130、柵絕緣膜120和柵電極110 按該次序設(shè)置在襯底105的主表面10 上。
在此，在這種情況下的襯底105中，設(shè)置有半導(dǎo)體層130的一部分的表面是絕緣的。
半導(dǎo)體層130、絕緣膜120和柵電極110被層間絕緣膜170覆蓋。在一部分層間絕緣膜170中，設(shè)置與半導(dǎo)體層130連通的電極孔181h和180h。其中嵌入導(dǎo)電材料以形成源電極181和漏電極182。在該示例中，進(jìn)一步在其上設(shè)置鈍化膜175。這可通過抑制水分等的外部影響而改進(jìn)可靠性。
同樣在這種情況下，半導(dǎo)體層130包括含有鎵和鋅中的至少一種以及銦的氧化物。半導(dǎo)體層130包括三維地散布在半導(dǎo)體層130中并具有原子排列周期性的多個(gè)微晶體。
在電極孔181h和柵電極110之間的區(qū)域181r的半導(dǎo)體層130 (InGaZnO II 130a) 以及電極孔18 和柵電極110之間的區(qū)域182r的半導(dǎo)體層130中，將電阻設(shè)置為低于半導(dǎo)體層130的其它部分。由此，期望電流可在一方的源電極181和漏電極182與另一方的柵電極110之間通過。這便于實(shí)現(xiàn)期望操作。
圖14是示出制造根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的薄膜晶體管的方法的順序示意截面圖。
在這些圖中，左部對應(yīng)于TFT區(qū)域TFR，而右部對應(yīng)于連接部分區(qū)域CPR。
首先，如圖14(a)所示，在玻璃制成的襯底105的主表面10 上，通過例如反應(yīng)DC 濺射法使構(gòu)成半導(dǎo)體層130的InGaZnO膜130a形成至20nm的厚度，并將其處理成指定圖案形狀。
在此，在襯底105的主表面10 上，可形成薄的阻擋底涂層膜(未示出)，并且 InGaZnO膜130a可形成在其上。InGaZnO膜130a在平坦襯底105或平坦薄阻擋底涂層膜上的膜形成便于獲得優(yōu)質(zhì)的hfeaiO film膜130a。
接著，如圖14(b)所示，通過例如利用SiH4和N2O的PE-CVD法使構(gòu)成柵絕緣膜120 的SW2膜120a形成至IOOnm的厚度。
此時(shí)，為了改善柵絕緣膜120的電穩(wěn)定性并增強(qiáng)TFT的柵電壓應(yīng)力容限，優(yōu)選使構(gòu)成柵絕緣膜120的SiO2膜120a的膜形成溫度盡可能的高。然而，通過將InGaZnO膜130a 暴露至高溫，發(fā)生表面氧的脫附，并減小InGaZnO膜130a的電阻。因此，SiO2膜120a的膜形成的有效方法是增加膜形成腔的隊(duì)0等離子體中的襯底溫度并逐漸將SiH4供應(yīng)至N2O等離子體。具體而言，在SW2膜120a的膜形成的初期，SiH4/N20的氣體流速比設(shè)置為1/100 或更低。之后，即使SW2的膜形成溫度升高至350°C，也可防止InGaZnO膜130a的電阻減小。因此，可形成高可靠性的柵絕緣膜120。
取決于構(gòu)成柵絕緣膜120的SW2膜120a的膜形成溫度，在SW2膜120a的膜形成期間可促進(jìn)InGaZnO膜130a的結(jié)晶化，以在InGaZnO膜130a中形成微晶體133。然而， SiO2膜120a的膜形成溫度通常不足以形成微晶體133。因此，為了通過更穩(wěn)定地形成期望微晶體133來獲得具有期望特性的薄膜晶體管12，優(yōu)選執(zhí)行在具有環(huán)境氣氛的退火爐中在例如340°C下將工件保持一小時(shí)的退火處理。之后，微晶體133可更穩(wěn)定地在InGaZnO膜 130a中形成。
接著，通過濺射使構(gòu)成柵電極110的Ti膜110c、Al膜IlOd和Ti膜IlOe分別形成至30nm、150nm和30nm的厚度。接著，將柵電極110和柵絕緣膜120處理成指定圖案形狀。
圖案化可使用以下方法執(zhí)行。通過利用氯和三氯化硼的反應(yīng)干法蝕刻將柵電極 Iio圖案化成指定圖案形狀。接著，通過將氣體切換至C4F8，以相同圖案形狀連續(xù)蝕刻柵絕緣膜120。因此，圖案化柵絕緣膜120。
接著，如圖14(c)所示，作為層間絕緣膜170，通過例如利用TEOS的PE-CVD法使 SiO2膜171形成至350nm的厚度。
此時(shí)，SiO2膜171的膜形成溫度可設(shè)置為例如230°C。這可減小電極孔181h和柵電極Iio之間的區(qū)域181r以及電極孔18 和柵電極110之間的區(qū)域182r的電阻。此時(shí) TEOS與氧氣的氣體比是7 500。
或者，可通過利用SiH4和N2O的PE-CVD法沉積SW2膜171。在這種情況下，SiH4 和N2O的氣體比是例如5 300。
接著，通過光刻，在InGaZnO膜130a上形成用于源電極181和漏電極182的電極孔181h和18池。對于該處理，例如可使用利用CHF3的反應(yīng)離子蝕刻。此時(shí)，在連接部分區(qū)域CPR，在層間絕緣膜1706102膜171)中形成與連接部分115連通的接觸孔170h。
接著，如圖14(d)所示，使構(gòu)成源電極181和漏電極182的Ti膜164、A1膜165和 Ti膜166分別形成至例如30nm、200nm和30nm的膜厚度。將該層疊膜嵌入電極孔181h和 182h以及接觸孔170h中。之后，將該層疊膜處理成指定圖案形狀。在該處理中，類似于柵電極110的處理，可使用利用氯和三氯化硼的反應(yīng)干法蝕刻。
如圖14(e)所示，進(jìn)一步在其上，通過PE-CVD使構(gòu)成鈍化膜175的SiN膜形成至例如200nm的厚度。之后，形成用于例如電極引出的開口 175。接著，為了去除過程中的設(shè)備損傷，在氮?dú)鈿夥罩性?60°C執(zhí)行損傷去除處理約一小時(shí)。由此，可制造圖13(a)和13(b) 中所示的薄膜晶體管12。
在薄膜晶體管12中，半導(dǎo)體層130包括三維地散布在半導(dǎo)體層130中并具有原子排列周期性的多個(gè)微晶體133。由此，可實(shí)現(xiàn)高遷移率。此外，采用頂柵結(jié)構(gòu)。此外，設(shè)置鈍化膜175。因此，半導(dǎo)體層130被有效地保護(hù)。因此，可改善長期可靠性。
用于鈍化膜175的SiN膜具有如下性質(zhì)含有相對較大量氫的膜具有較高的阻水能力。為了改進(jìn)阻水能力，可將含有相對較大量氫的SiN膜用于鈍化膜175。在這種情況下，例如，通過用于去除由于紫外輻射等引起的設(shè)備損傷的退火，鈍化膜175中的氫可擴(kuò)散至柵電極110下方的溝道部分(半導(dǎo)體層130)內(nèi)。這可減小薄膜晶體管12的閾值電壓 Vth0然而，在這種情況下，如在根據(jù)該實(shí)施例的薄膜晶體管12中，柵電極110可基于其中插入Ti膜164、A1膜165和Ti膜166的構(gòu)造。該構(gòu)造對于抑制氫擴(kuò)散高度有效。因此，可抑制閾值電壓Vth的減小。
(第三實(shí)施例)
本發(fā)明的第三實(shí)施例涉及基于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的薄膜晶體管的有源矩陣顯示設(shè)備。以下，作為示例，描述基于根據(jù)第一實(shí)施例的薄膜晶體管10的有源矩陣液晶顯示設(shè)備。
圖15是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的有源矩陣顯示設(shè)備的主要構(gòu)造的示意圖。
具體而言，圖15(a)是示出根據(jù)該實(shí)施例的有源矩陣顯示設(shè)備30的兩個(gè)像素的構(gòu)造的示意平面圖。圖15(b)是沿圖15(a)的線C-C’所取的截面圖。在此，圖15(b)的示圖相對于圖15(a)放大。
如圖15(a)和15(b)所示，有源矩陣顯示設(shè)備30包括以矩陣構(gòu)造排列的多個(gè)薄膜晶體管10，連接至每個(gè)薄膜晶體管10的柵電極110的掃描線210，連接至每個(gè)薄膜晶體管 10的源電極181的信號線220，連接至每個(gè)薄膜晶體管10的漏電極182的像素電極190，以及響應(yīng)于施加至像素電極190的電信號改變其光學(xué)特性的光學(xué)元件300(在這種情況下為液晶層301)。
液晶層301設(shè)置在像素電極190和面對像素電極190設(shè)置的對向襯底305的對向電極310之間。
S卩，薄膜晶體管10、掃描線210、信號線220和像素電極190設(shè)置在有源矩陣襯底 106(襯底105)的主表面150a上。面對有源矩陣襯底106，放置包括對向電極310的對向襯底305。液晶層301設(shè)置在像素電極190和對向電極310之間。
在上文中，源電極181和漏電極182可互換。
圖15(a)和15(b)所示的有源矩陣顯示設(shè)備30還包括平行于掃描線210設(shè)置的輔助電容器線230，以及連接至輔助電容器線230的輔助電容器電極M0。
在薄膜晶體管10上設(shè)置鈍化膜175。在鈍化膜175中設(shè)置像素開口 175ο。在像素開口 175ο中暴露像素電極190。在此，在圖15(a)中，省略鈍化膜175，并且鈍化膜175 的像素開口 175ο示為實(shí)線。
像素電極190由通過減小構(gòu)成半導(dǎo)體層130的InGaZnO膜130a的電阻獲得的膜制成。
雖然未示出，例如，液晶層301的取向膜設(shè)置在像素電極190和對向電極310的表面上。此外，設(shè)置兩個(gè)偏振板以夾持有源矩陣襯底106和對向襯底105。按照需要，將相差板設(shè)置在偏振板與有源矩陣襯底106和對向襯底105中的每一個(gè)之間。此外，按照需要，可設(shè)置背光。
光學(xué)元件300不限于液晶層301。例如，光學(xué)元件300可以是響應(yīng)于電信號發(fā)光的元件，如有機(jī)EL層。S卩，光學(xué)元件300執(zhí)行響應(yīng)于電信號改變其光學(xué)特性和發(fā)光中的至少一個(gè)。
圖16是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的有源矩陣顯示設(shè)備的等效電路的電路圖。
如圖16所示，在根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的有源矩陣顯示設(shè)備30的一個(gè)單元中，用作光學(xué)元件300的液晶層301是夾在像素電極190和對向電極310之間的電負(fù)載。電負(fù)載與由輔助電容電極240形成的輔助電容Cs并聯(lián)。這些經(jīng)由薄膜晶體管10連接到信號線 220。通過掃描線210，薄膜晶體管10的柵電極110順序?qū)?截止以將期望電荷寫入液晶層301。因此，有源矩陣顯示設(shè)備30執(zhí)行顯示操作。
在有源矩陣顯示設(shè)備30中，薄膜晶體管10的半導(dǎo)體層130包括微晶體133。因此，有源矩陣顯示設(shè)備30具有高電流驅(qū)動性能并且能夠?qū)崿F(xiàn)高顯示性能。此外，設(shè)置鈍化膜175。因此，長期可靠性高。
在以上描述中，薄膜晶體管10用作示例。然而，可使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的任何薄膜晶體管及其變型。
圖17是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的替換有源矩陣顯示設(shè)備的主要構(gòu)造的示意18圖。
具體而言，圖17(a)是示出根據(jù)該實(shí)施例的替換有源矩陣顯示設(shè)備30a的主要構(gòu)造的示意平面圖。圖17(b)是沿圖17(a)的線D-D’所取的截面圖。
如圖17(a)和17(b)所示，有源矩陣顯示設(shè)備30a也包括薄膜晶體管13、掃描線 210、信號線220、像素電極190和光學(xué)元件300 (在這種情況下為液晶層301)。
如圖17(a)所示，在該薄膜晶體管13中，在柵絕緣膜120上，設(shè)置源電極181和漏電極182。進(jìn)一步在其上，設(shè)置構(gòu)成半導(dǎo)體層130的InGaZnO膜130a。進(jìn)一步在其上，設(shè)置溝道保護(hù)層141。該溝道保護(hù)層141由氧化硅膜制成。
在此，在圖17(a)中，省略溝道保護(hù)層141，并且溝道保護(hù)層141的像素開口 141ο 示為實(shí)線。溝道保護(hù)層141也用作鈍化膜。
雖然未示出，但是在溝道保護(hù)層141上，可進(jìn)一步設(shè)置由例如SiN制成的鈍化膜 175。在這種情況下，像素開口設(shè)置在鈍化膜175中以暴露像素電極190。
薄膜晶體管13還具有高遷移率，因?yàn)榘雽?dǎo)體層130包括三維地散布在半導(dǎo)體層 130中并具有原子排列周期性的多個(gè)微晶體133。因此，有源矩陣顯示設(shè)備30a具有高電流驅(qū)動特性并且能夠?qū)崿F(xiàn)高顯示性能。
以下，描述用于制造薄膜晶體管13和如此構(gòu)造的有源矩陣顯示設(shè)備30a的示例方法。
圖18是示出制造根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的薄膜晶體管和有源矩陣顯示設(shè)備的方法的順序示意截面圖。
在這些圖中，左部對應(yīng)于TFT區(qū)域TFR，右部對應(yīng)于連接部分區(qū)域CPR，并且中部對應(yīng)于其中形成像素電極190的像素區(qū)域PPR。
首先，如圖18(a)所示，類似于參考圖2 (a)所述的方法，在襯底105的主表面10 上，形成構(gòu)成柵電極110的Al膜IlOa和Mo膜110b，并將其處理成指定圖案形狀。在連接部分區(qū)域CPR中，也將構(gòu)成連接部分115的一部分的Al膜IlOa和Mo膜IlOb處理成指定圖案形狀。
接著，如圖18(b)所示，類似于參考圖2(b)所描述的，形成構(gòu)成柵絕緣膜120的 SiO2膜120a。此時(shí)的膜形成溫度優(yōu)選為例如300°C或更高。
接著，如圖18(c)所示，進(jìn)一步在SiO2膜120a上，通過濺射法使構(gòu)成信號線120 以及源電極181和漏電極180的Mo膜161、Al膜162和Mo膜163分別形成至例如30nm、 200nm和50nm的厚度，并用磷酸、醋酸和硝酸的混合酸將其處理成指定圖案形狀。
接著，如圖18(d)所示，通過例如反應(yīng)DC濺射法使構(gòu)成半導(dǎo)體層130和像素電極 190的InGaZnO膜130a形成至例如30nm的厚度。此時(shí)，所用的靶的組分比按照h Ga Zn 的原子比是例如1 1 1。
在此，根據(jù)關(guān)于InGaZnO膜130a(半導(dǎo)體層130)的厚度與TFT特性之間的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，InGaZnO膜130a的厚度優(yōu)選為10-30nm。
為了避免源電極181和漏電極182邊緣處InGaZnO膜130a的分段不連續(xù)，Mo膜 161、Al膜162和Mo膜163的上述處理基于錐形蝕刻，以使源電極181和漏電極182的邊緣部分是斜面。
之后，通過光刻和蝕刻，將InGaZnO膜130a處理成半導(dǎo)體層130和像素電極190的島狀圖案形狀。在此，稀草酸可用作蝕刻液。
接著，如圖18 (e)所示，通過例如利用SiH4和隊(duì)0的PE-CVD法，使構(gòu)成溝道保護(hù)層 141的SiO2膜141a形成至例如200nm的厚度。此時(shí)，SiO2膜141a的膜形成期間的襯底105 的溫度設(shè)置為270°C。在膜形成腔的N2O等離子體中襯底105的溫度升高，并且SiH4氣體逐漸供應(yīng)至N2O等離子體。在S^2膜Hla的膜形成的初期，SiH4/N20的氣體流速比設(shè)置為 1/100或更低。因此，在與hfeiZnO膜130a接觸的SiO2膜141a的下部充分地供應(yīng)氧。這可抑制氧從InGaZnO膜130a的表面脫附并實(shí)現(xiàn)較佳特性。
接著，在具有環(huán)境氣氛的退火爐中，在例如340°C的退火溫度Ta下執(zhí)行保持工件一小時(shí)的退火處理，以促進(jìn)非晶態(tài)的InGaZnO膜130a結(jié)晶化。因此，在半導(dǎo)體層130中形成微晶體133。
在該示例中，在hfeiZnO膜130a與源電極181和漏電極182接觸的狀態(tài)下執(zhí)行退火。因此，退火溫度設(shè)置為較低溫度，以使微晶體133可形成。在用于源電極181和漏電極 182的材料是Ti、Al和Ti的情況下，Ti容易從InGaZnO膜130a中奪取氧。因此，用于源電極181和漏電極182的材料優(yōu)選為Mo、Al和Mo的構(gòu)造。
按照需要，為了防止水分等進(jìn)入，可通過例如PE-CVD形成SiN膜作為鈍化膜達(dá)到例如50nm的厚度。在這種情況下，適當(dāng)襯底溫度為約260°C。
接著，為了電極引出，去除對應(yīng)于連接部分115的部分中的SiO2膜141a和像素電極190以上的部分中的SiA膜141a。
通過去除Si02膜141a而暴露的hfeiZnO膜130a的電阻非常高，例如薄層電阻為 1ΜΩ/ □或更大。然而，可通過例如利用還原等離子體(如氫等離子體)的處理來減小該電阻。例如，薄層電阻可減小至IOkQ/ □或更小。
接著，為了去除過程中的設(shè)備損傷，例如，在氮?dú)鈿夥罩性赹KTC執(zhí)行損傷去除處理約一小時(shí)。由此，可形成圖17(a)和17(b)所示的薄膜晶體管13和有源矩陣襯底106。
接著，有源矩陣襯底106和包括例如濾色片的對向襯底305面向彼此放置。液晶層301通過滴落法或注入法放置在它們之間。按照需要，放置偏振板和相差板。此外，連接指定驅(qū)動電路。按照需要，放置背光。由此，可制造圖17(a)和17(b)所示的有源矩陣顯示設(shè)備30a。
圖19是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的替換有源矩陣顯示設(shè)備的主要構(gòu)造的示意圖。
具體而言，圖19(a)是示出根據(jù)該實(shí)施例的替換有源矩陣顯示設(shè)備30b的紅色像素的構(gòu)造的示意平面圖。圖19(b)是沿圖19(a)的線E-E’所取的截面圖。
如圖19(a)和19(b)所示，在根據(jù)該實(shí)施例的替換有源矩陣顯示設(shè)備30b中，著色層330設(shè)置在薄膜晶體管10上。在以下描述中，將綠色著色層、藍(lán)色著色層和紅色著色層用作著色層330。然而，本發(fā)明不限于此。例如，青色、品紅和黃色著色層可用作著色層330。
在該示例中，在有源矩陣襯底106(襯底10 上，多個(gè)薄膜晶體管10按矩陣構(gòu)造排列。在其上設(shè)置綠色著色層330G。紅色著色層330R設(shè)置在對應(yīng)于紅色像素電極190的部分中，并且在其上設(shè)置像素電極190。像素電極190經(jīng)由紅色著色層330R中設(shè)置的接觸孔190h電連接到漏電極182。此處，綠色和藍(lán)色像素電極190中的每一個(gè)設(shè)置有對應(yīng)于相關(guān)聯(lián)顏色的著色層330。
圖20是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的替換有源矩陣顯示設(shè)備的著色層的構(gòu)造的示意平面圖。
具體而言，這些圖示出在綠色著色層330G、藍(lán)色著色層330B和紅色著色層330R按該順序形成為著色層330的情況下在各個(gè)步驟中著色層330的狀態(tài)。圖20(a)對應(yīng)于形成綠色著色層330G之后的狀態(tài)。圖20(b)對應(yīng)于形成藍(lán)色著色層330B之后的狀態(tài)。圖20 (c) 對應(yīng)于形成紅色著色層330R之后的狀態(tài)。
如圖20 (a)至20 (c)所示，有源矩陣襯底106設(shè)置有綠色像素陣列192G、藍(lán)色像素陣列192B和紅色像素陣列192R。在該示例中，這些像素陣列以條形構(gòu)造排列。然而，本發(fā)明不限于此。像素陣列的構(gòu)造是任意的。
綠色像素陣列192G、藍(lán)色像素陣列192B和紅色像素陣列192R分別設(shè)置有綠色像素191G、藍(lán)色像素191B和紅色像素191R。
如圖20(a)所示，綠色著色層330G在對應(yīng)于綠色像素191G的部分中且在所有顏色像素的薄膜晶體管10 (綠色像素薄膜晶體管10G、藍(lán)色像素薄膜晶體管IOB和紅色像素薄膜晶體管10R)上形成。
如圖20(b)所示，藍(lán)色著色層330B設(shè)置在對應(yīng)于藍(lán)色像素191B的部分中且在藍(lán)色像素薄膜晶體管IOB上。
如圖20(c)所示，紅色著色層330R設(shè)置在對應(yīng)于紅色像素191R的部分中且在綠色像素薄膜晶體管IOG和紅色像素薄膜晶體管IOR上。
在綠色著色層330G、藍(lán)色著色層330B和紅色著色層330R中的每一個(gè)中，設(shè)置用于在像素電極190和漏電極182之間進(jìn)行連接的接觸孔190h。
由此，在該示例中，在三個(gè)著色層中，對于約400nm的光具有最低透射率的綠色著色層330G層疊在薄膜晶體管10上。這可遮蔽薄膜晶體管10的半導(dǎo)體層130上波長約為 400nm的光的入射。因此，在用波長約為400nm的光照射有源矩陣襯底106時(shí)，可進(jìn)一步改善薄膜晶體管10的操作的特性劣化。
在上述示例中，在薄膜晶體管10上形成綠色著色層330G和紅色著色層330R的層疊膜。然而，本發(fā)明不限于此，只要在薄膜晶體管10上形成對于約400nm的光具有最低透射率的著色層。在將層疊結(jié)構(gòu)用于設(shè)置在薄膜晶體管上的著色層330(遮光層)的情況下， 優(yōu)選使薄膜晶體管上的著色層330的厚度在各像素之間盡可能均勻，以與對向襯底305和設(shè)置有薄膜晶體管的有源矩陣襯底106之間的間隔匹配。例如，綠色著色層330G、藍(lán)色著色層330B和紅色著色層330R這三個(gè)層可層疊在綠色像素薄膜晶體管10G、藍(lán)色像素薄膜晶體管IOB和紅色像素薄膜晶體管IOR上。這進(jìn)一步改進(jìn)了遮光能力。
形成綠色著色層330G、藍(lán)色著色層330B和紅色著色層330R的順序是任意的。
綠色著色層330G、藍(lán)色著色層330B和紅色著色層330R可由具有相應(yīng)顏色的彩色抗蝕劑制成。或者，可設(shè)置具有相應(yīng)顏色的樹脂層，并通過使用另一抗蝕劑將其處理成指定圖案形狀。此外，黑色抗蝕劑可用作設(shè)置在薄膜晶體管上的遮光層。
(第四實(shí)施例)
根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的有源矩陣顯示設(shè)備是基于根據(jù)本發(fā)明諸實(shí)施例的薄膜晶體管之一的有源矩陣有機(jī)EL(電致發(fā)光)顯示設(shè)備。
圖21是示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的有源矩陣顯示設(shè)備的等效電路的電路圖。
圖21 (a)和21 (b)示出基于有機(jī)EL的兩種有源矩陣顯示設(shè)備60和61的示例等效電路。
如圖21 (a)所示，根據(jù)該實(shí)施例的有源矩陣顯示設(shè)備60包括用于像素選擇的第一晶體管Trl和連接至電源線320并驅(qū)動有機(jī)EL層302的像素驅(qū)動晶體管DTr。對于這些第一晶體管Trl和像素驅(qū)動晶體管DTr，可使用根據(jù)上述實(shí)施例的薄膜晶體管。
如圖21 (b)所示，根據(jù)該實(shí)施例的替換有源矩陣顯示設(shè)備61包括用于像素選擇的第一至第四晶體管Trl_Tr4，以及像素驅(qū)動晶體管DTr。第二晶體管Tr2的柵極連接至第η 掃描線210η。第一晶體管Trl和第四晶體管Tr4的柵極連接至第(n_l)掃描線210^。對于這些第一至第四晶體管Trl_Tr4和像素驅(qū)動晶體管DTr，可使用根據(jù)上述實(shí)施例的任何薄膜晶體管。
這些有源矩陣顯示設(shè)備60和61還包括以矩陣構(gòu)造排列的多個(gè)薄膜晶體管10，連接至每個(gè)薄膜晶體管10的柵電極110的掃描線210，連接至每個(gè)薄膜晶體管10的源電極 181的信號線220，連接至每個(gè)薄膜晶體管10的漏電極182的像素電極190，以及響應(yīng)于施加至像素電極190的電信號改變其光學(xué)特性的光學(xué)元件300(在這種情況下為有機(jī)EL層 302)。
這些有源矩陣顯示設(shè)備60和61基于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的薄膜晶體管。由此，可實(shí)現(xiàn)高遷移率。因此，可提供具有高顯示性能、高可靠性和高生產(chǎn)率的有源矩陣顯示設(shè)備。
(第五實(shí)施例)
根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的用于制造薄膜晶體管的方法是一種制造薄膜晶體管的方法，該薄膜晶體管包括柵電極110、面對柵電極110設(shè)置并包括含有鎵和鋅中的至少一種以及銦的氧化物的半導(dǎo)體層130，設(shè)置在柵電極110和半導(dǎo)體層130之間的柵絕緣膜120， 以及電連接到半導(dǎo)體層130并彼此分隔開的源電極181和漏電極182。半導(dǎo)體層130包括三維散布的并具有原子排列周期性的多個(gè)微晶體133。
圖22是示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的制造薄膜晶體管的方法的流程圖。
如圖22所示，根據(jù)該實(shí)施例的制造薄膜晶體管的方法包括形成柵電極110、柵絕緣膜120以及含有鎵和鋅中的至少一種以及銦的氧化物膜(InGaZnO膜130a)的層疊膜的步驟(步驟S110)，通過在高于或等于320°C且低于或等于380°C的溫度下在氧氣氣氛中對層疊膜進(jìn)行熱處理(退火處理)在氧化物膜中形成微晶體133的步驟(步驟S120)，以及形成源電極181和漏電極182以連接至氧化物膜的步驟(步驟S130)。
以上形成層疊膜的步驟(步驟S110)包括在襯底105的主表面10 上形成氧化物膜，在氧化物膜上形成由氧化硅膜制成的柵絕緣膜120，以及在柵絕緣膜120上形成柵電極110，以使氧化物膜被柵絕緣膜120覆蓋的步驟(例如，參考圖14(a)和14(b)描述的步驟)，或者在襯底105的主表面10 上形成柵電極110，在柵電極110上形成柵絕緣膜 120，在柵絕緣膜120上形成氧化物膜，以及在氧化物膜上形成由氧化硅膜制成的溝道保護(hù)層140(或溝道保護(hù)層141)，以使氧化物膜被溝道保護(hù)層覆蓋的步驟(例如，參考圖2(a)和 2(b)描述的步驟，或者參考圖18(a)至18(e)描述的步驟)。
以上形成微晶體133的步驟(步驟S120)在氧化物膜被構(gòu)成柵絕緣膜120和溝道保護(hù)層140(或溝道保護(hù)層141)的氧化硅膜覆蓋的狀態(tài)下執(zhí)行。即，作為步驟S120，例如執(zhí)行參考圖14(b)描述的步驟，參考圖2(c)描述的步驟，或者參考圖18(e)描述的步驟。
因此，在構(gòu)成半導(dǎo)體層130的氧化物膜(InGaZnO膜130a)被構(gòu)成柵絕緣膜120和溝道保護(hù)層140(或溝道保護(hù)層141)的氧化硅膜覆蓋的狀態(tài)下在高于或等于320°C且低于或等于380°C的溫度下對層疊膜進(jìn)行熱處理。這可在氧化物膜中形成具有期望大小的微晶體133，且不造成氧化物膜中的氧空位。因此，可制造基于氧化物半導(dǎo)體的高遷移率的薄膜晶體管。
如上所述，在形成源電極181和漏電極182之后，如果在300°C或更高的高溫下執(zhí)行熱處理，氧可從InGaZnO膜130a向源電極181和漏電極182遷移。這可導(dǎo)致特性劣化， 如閾值電壓Vth的負(fù)偏移。因此，上述熱處理優(yōu)選在不與源電極181和漏電極182接觸的狀態(tài)下執(zhí)行。即，步驟S120優(yōu)選在步驟S130之前執(zhí)行。因此，可制造具有更穩(wěn)定特性的薄膜晶體管。
此外，例如，構(gòu)成溝道保護(hù)層140 (或溝道保護(hù)層141)的SW2膜140a (或SW2膜 141a)優(yōu)選通過其中襯底溫度為230°C或更高的PE-CVD法形成。如果構(gòu)成溝道保護(hù)層140 的SW2膜HOa的膜形成期間的襯底溫度低于230°C，則除了硅和氧以外，原料氣體產(chǎn)生的元素(如氫和可能存在的碳)將留在膜中。這可能導(dǎo)致絕緣膜在化學(xué)上和電氣上變?nèi)?。然而，通過將襯底溫度設(shè)置為230°C或更高，可實(shí)現(xiàn)在化學(xué)上和電氣上強(qiáng)的絕緣膜。
如果大量氫留在SW2膜HOa中，則通過后續(xù)的退火步驟，氫將擴(kuò)散至InGaZnO膜 130a中并減小溝道層的電阻。此外，在膜中含有大量氫的SiO2膜中，氫所在的位點(diǎn)起電荷阱的作用。這改變薄膜晶體管的背溝道的電場并造成薄膜晶體管的可靠性劣化。
作為膜形成方法，可采用PE-CVD法，而不是濺射法。因此，可形成具有較佳覆蓋和均勻結(jié)構(gòu)的S^2膜HOa。這可改進(jìn)氣體阻擋性能。
已參考諸示例描述了本發(fā)明的實(shí)施例。然而，本發(fā)明不限于這些示例。例如，各個(gè)組件(如構(gòu)成薄膜晶體管的襯底、柵電極、柵絕緣膜、半導(dǎo)體層、源電極、漏電極、溝道保護(hù)層、鈍化膜和著色層)的任何具體構(gòu)造都包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)，只要本領(lǐng)域的技術(shù)人員可通過從公知的構(gòu)造中適當(dāng)?shù)剡x擇這種構(gòu)造以類似地實(shí)踐本發(fā)明并實(shí)現(xiàn)類似效果。
此外，在含有本發(fā)明主旨的程度上，在技術(shù)可行性的程度內(nèi)具體示例的任何兩個(gè)或更多個(gè)組件可組合在一起，并且被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可適當(dāng)?shù)匦薷牟?shí)現(xiàn)以上本發(fā)明諸實(shí)施例中描述的薄膜晶體管。如此修改的所有薄膜晶體管也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)，只要它們落在本發(fā)明的精神中。
在本發(fā)明精神范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可構(gòu)想各種其他變體和修改，并且應(yīng)當(dāng)理解，這些改變和修改也涵蓋在本發(fā)明范圍內(nèi)。
[工業(yè)實(shí)用性]
根據(jù)本發(fā)明，提供基于氧化物半導(dǎo)體的高遷移率的薄膜晶體管及其制造方法。
[附圖標(biāo)記列表]
10，10a, IOb, 11，12，13，19，19a 薄膜晶體管
IOB藍(lán)色像素薄膜晶體管
IOG綠色像素薄膜晶體管
IOR紅色像素薄膜晶體管
30，30a，30b，60，61有源矩陣顯示設(shè)備
05襯底
05a主表面
06有源矩陣襯底
10柵電極
IOa Al 膜
IOb Mo 膜
IOc Ti 膜
IOd Al 膜
IOe Ti 膜
15連接部分
15h接觸孔
20柵絕緣膜
20a Si02 膜
30半導(dǎo)體層
30a氧化物膜(InGaZnO膜)
33微晶體
34區(qū)域
35邊界
36晶粒
40，141溝道保護(hù)層
40a,141a SiO2 膜
41ο像素開口
6 IMo 膜
62Α1 膜
63Μο 膜
64Τ 膜
65Α1 膜
66Τ 膜
70層間絕緣膜
70h接觸孔
71Si02 膜
75鈍化膜
75h 開口
75ο像素開口
81源電極
8 Ih電極孔
81r區(qū)域
82漏區(qū)
82h電極孔190像素電極190h接觸孔191B藍(lán)色像素19IG綠色像素19IR紅色像素192B藍(lán)色像素陣列192G綠色像素陣列192R紅色像素陣列210, 210η, 210n-l 掃描線220信號線230輔助電容器線240輔助電容器電極300光學(xué)元件301液晶層302有機(jī)EL層305對向襯底310對向電極320電源線330著色層330Β藍(lán)色著色層330G綠色著色層330R紅色著色層Al，Bi，Cl，Dl傅里葉變換區(qū)域Alf, Blf, Clf, Dlf傅里葉變換圖像AfO-Af2, BfO-Bf2, CfO-Cf4, DfO-DfO 亮點(diǎn)CPR連接部分區(qū)域Cs輔助電容DTr晶體管Id漏電流PPR像素區(qū)域Ta退火溫度TFR TFT區(qū)域TR1-TR3第一至第三溫度范圍 Trl-Tr4第一至第四晶體管 Vd漏電壓 Vg柵電壓 Vth閾值電壓
權(quán)利要求
1.一種薄膜晶體管，包括 柵電極；半導(dǎo)體層，其面對所述柵電極設(shè)置并包括含有鎵和鋅中的至少一種以及銦的氧化物； 柵絕緣膜，設(shè)置在所述柵電極和所述半導(dǎo)體層之間；以及源電極和漏電極，它們電連接到所述半導(dǎo)體層并彼此分隔開，所述半導(dǎo)體層包括三維地散布在所述半導(dǎo)體層中并具有原子排列周期性的多個(gè)微晶體。
2.如權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于，所述多個(gè)微晶體中粒子直徑為2納米或更大的微晶體的平均粒子直徑為3. 5納米或更小。
3.如權(quán)利要求2所述的晶體管，其特征在于，在所述半導(dǎo)體層的透射電子顯微圖中沒有觀察到晶格圖像，并且在所述透射電子顯微圖的傅里葉變換圖像中觀察到基于所述周期性的亮點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求3所述的晶體管，其特征在于， 所述柵電極設(shè)置在襯底的主表面上，所述半導(dǎo)體層設(shè)置在所述柵電極的與所述襯底相對的一側(cè)上，以及所述晶體管還包括設(shè)置在所述半導(dǎo)體層的與所述柵電極相對的一側(cè)上的溝道保護(hù)層。
5.如權(quán)利要求3所述的晶體管，其特征在于， 所述半導(dǎo)體層設(shè)置在襯底的主表面上，以及所述柵電極設(shè)置在所述半導(dǎo)體層的與所述襯底相對的一側(cè)上。
6.一種用于制造薄膜晶體管的方法，所述薄膜晶體管包括 柵電極；半導(dǎo)體層，其面對所述柵電極設(shè)置，包括含有鎵和鋅中的至少一種以及銦的氧化物，并包括三維散布的并具有原子排列周期性的多個(gè)微晶體；柵絕緣膜，設(shè)置在所述柵電極和所述半導(dǎo)體層之間；以及源電極和漏電極，它們電連接到所述半導(dǎo)體層并彼此分隔開， 所述方法包括形成所述柵電極、所述柵絕緣膜以及含有鎵和鋅中的至少一種以及銦的氧化物膜的層疊膜；通過在高于或等于320°C且低于或等于380°C的溫度下對所述層疊膜進(jìn)行熱處理在所述氧化物膜中形成所述微晶體；以及形成所述源電極和所述漏電極以連接至所述氧化物膜， 所述形成所述層疊膜包括在襯底的主表面上形成所述氧化物膜，在所述氧化物膜上形成由氧化硅膜制成的所述柵絕緣膜，以及在所述柵絕緣膜上形成所述柵電極，以使所述氧化物膜被所述柵絕緣膜覆蓋，或者在襯底的主表面上形成所述柵電極，在所述柵電極上形成所述柵絕緣膜，在所述柵絕緣膜上形成所述氧化物膜，以及在所述氧化物膜上形成由氧化硅膜制成的溝道保護(hù)層，以使所述氧化物膜被所述溝道保護(hù)層覆蓋，以及所述形成微晶體在所述氧化物膜被構(gòu)成所述柵絕緣膜和所述溝道保護(hù)層的所述氧化硅膜覆蓋的狀態(tài)下執(zhí)行。
全文摘要
提供一種薄膜晶體管，它包括柵電極；半導(dǎo)體層，其面對柵電極設(shè)置并包括含有鎵和鋅中的至少一種以及銦的氧化物；柵絕緣膜，設(shè)置在柵電極和半導(dǎo)體層之間；以及源電極和漏電極，它們電連接到半導(dǎo)體層并彼此分隔開。半導(dǎo)體層包括三維地散布在半導(dǎo)體層中并具有原子排列周期性的多個(gè)微晶體。
文檔編號H01L21/336GK102484135SQ20098016125
公開日2012年5月30日 申請日期2009年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月4日
發(fā)明者上田知正, 中野慎太郎, 內(nèi)古閑修一, 原雄二郎, 齊藤信美 申請人:株式會社東芝