专利名称：利用氮气通过反应溅射锌靶形成的薄膜半导体材料的制作方法
技术领域：
本发明实施方式大致有关于利用含氮气体在低温及高温条件下反应溅射锌靶而形成具有高迁移率(high mobility)的薄膜半导体材料。
背景技术：
半导体层的电子迁移率对设备速度和用以驱动设备的电流影响很大。电子迁移率越高，设备速度越快，并且相同电压下的源极-漏极电流越高。近年来，多选用非晶硅与多晶硅来形成场效应薄膜晶体管(TFT)的半导体层，用以制造驱动液晶显示器(LCD)的背板、有机发光二极管显示器(OLED)和量子点显示器，以及用以制造太阳能电池面板。非晶硅的电子迁移率高达lcm2/V-S，低温多晶硅的电子迁移率可能高于50cm2/V-s，但需要复杂的工艺步骤(例如，激光退火)才可获得这么高电子迁移率。因此，制造电子迁移率高于50cm2/V-s的多晶硅的成本相当高，且不适合大面积衬底的应用。在场效应晶体管(FET)中，半导体材料会在源极与漏极电极之间形成沟道。在不供应栅极电压的情况下，即使在源极-漏极之间有电压，仍然没有电流通过源极-漏极。当电压供应到栅极，半导体层内流动电子会聚积在非常靠近栅极介电层与半导体层的界面区域。这些半导体层会变成具有导电性，且电子可轻易地经由源极-漏极之间 的低电压而通过源极-漏极。半导体材料的高迁移率显示半导体内的流动电子对栅极形成的电场较为敏感，且半导体沟道也变得更具传导性。半导体材料会决定受施加在栅极与源极端的电压影响而可穿过半导体沟道的电流。半导体材料的迁移率越高，穿过FET的电流所需要的电压就越低。非晶硅可依赖氢钝化来获得TFT中所需的迁移率。一般可在高达约350°C的温度下，利用化学气相沉积(CVD)来沉积非晶硅。氢钝化虽有助于非晶硅获得所需的迁移率，但稳定性不佳，例如处于栅极电压与设备本身所产生的相对高温下，TFT阈值电压(thresholdvoltage)会随着时间改变。因此，需要一种稳定的半导体材料，该半导体材料不仅在高处理温度的玻璃衬底上具有足够高的迁移率，在其它塑性衬底或柔性衬底上也具有足够高的迁移率。
发明内容
本发明大致包含半导体膜及用来沉积该半导体膜的反应溅射工艺。溅射靶可包含锌，锌可掺杂有铝和其它金属。可利用引入含氮气体与含氧气体到腔室内来反应溅射该锌靶。含氮气体的量可由不具有典型氧化锌特征峰(例如，由XRD测量出来的氧化锌(002)峰)的膜结构来决定。可选择含氮气体的流速使得膜是非晶(即，在XRD中没有测量到明显的峰)，或是具有某些微弱的氮化锌或氧氮化锌峰。含氮气体的流速可明显高于含氧气体的流速。含氧气体的量可由膜结构的转变点(turning point)来决定。可使含氧气体的量比产生XRD可测得的氧化锌(002)峰所需的量还要低。为简化工艺起见，可依据在没有含氮气体时进行沉积所测得的膜的透射率(transmittance)、DC电压的变化或膜传导性(因为它们与膜的结构有关)，来决定出含氧气体的流速。在某种程度上，可调整所形成的膜为非晶或晶体结构。反应溅射可在室温至高达几百摄氏度的温度范围发生。沉积后，可将半导体膜退火以进一步提高膜的迁移率。当用XRD测量时，该膜可能不具有明显的氧化锌峰，虽然该膜的氧含量可能达25%或更高。在一实施方式中，该膜可能不具有Zn3N2的峰。在另一实施方式中，由XRD可能测得存在有一个或多个Zn3N2的峰。该膜可包含锌、氧、氮及其它掺杂在膜中的金属种类，例如招。当用XPS测量时,该膜可能具有氮化物(nitride)或亚硝酸盐(nitrite)键合。该膜可具有介于约400nm至约1，OOOnm之间的光吸收边(optical absorption edge)和介于约
3.1eV至约1.2eV间的带隙(band gap)。由于半导体层是依据膜结构而形成的，因此该半导体层可以使用不同工艺温度、不同功率、甚至使用不同的制造平台来制造。在一实施方式中，公开一种溅射方法。该方法包含在溅射腔室内放置锌靶；使溅射气体流入该腔室内，该溅射气体包含含氮气体和含氧气体；对该靶施加偏压；及沉积半导体层在衬底上，该半导体层包含锌、氧及氮。在另一实施方式中，公开一种溅射方法。该方法包含使含氮气体和含氧气体流入溅射腔室内，该溅射腔室具有包含锌的金属靶，及溅射沉积半导体层在衬底上，该半导体层包含锌、氧及氮。在另一实施方式中，公开一种包含有锌、氧及氮的半导体膜。在另一实施方式中，公开一种包含锌且迁移率大于5cm2/v-s的半导体膜。在另一实施方式中，半导体膜用以X-射线衍射测量时，具有Zn3N2的第一峰在2 Θ处和约31.5度处具有可能的(222)取向，和具有Zn3N2的第二峰在2 Θ处和约39度处具有可能的(411)取向。也可观察到其它的Zn3N2峰，例如在约2 Θ处和约36.7度处具有可能的(400)取向，例如图3F所示。
为了详细了解本发明的上述特征，参照多个实施例来进一步描述本发明，且部分实施例绘示于附图中。然而，应了解到，附图仅显示本发明的典型实施例，因此不应视为对本发明的限制，本发明可能容许其它等效实施例。图1示出可用来沉积依据本发明实施例的半导体层的溅射腔室截面图；图2A至2E为膜的XRD曲线图，示出所形成的锌和氧化锌峰与氧气流速有关；图3A至3F为膜的XRD曲线图，示出依据本发明实施方式在各种氮气流速下所形成的半导体膜。为了便于了解，尽可能地使用相同的标号来表示各图中共有的相同元件。无需特别说明，可了解到实施例中所公开的元件可有利地应用于其它实施例中。
具体实施例方式本发明大致包含一种半导体膜及一种用来沉积该半导体膜的反应溅射工艺。溅射靶可包含锌。在一实施方式中，该靶可包含纯度为99.990原子百分比或更高纯度的锌，较佳是纯度为99.995原子百分比或更高的纯度。在另一实施方式中，该靶包含掺杂有一种或多种掺杂金属的锌。例如，该靶可包含掺杂有I原子百分比至约20原子百分比的铝的锌。可利用引入含氮气体、含氧气体和氩气到腔室内来反应溅射该锌靶。含氮气体的量可明显高过含氧气体和氩气的量。可依据在没有含氮气体时进行沉积所测得的膜结构的转变点(turning point)、膜的透射率(transmittance)、DC电压的变化或膜传导性,来决定出含氧气体的量。反应溅射可在室温至高达几百摄氏度的温度范围发生。沉积后，可将半导体膜退火以进一步提高膜的迁移率。须知，虽然下列说明中靶可以使用直流偏压，但也可使用交流偏压。以下示范性地描述该反应溅射方法，并且该方法可在用来处理大面积衬底的PVD腔室内实施，例如4300PVD腔室(可购自美国加州圣克拉拉市应用材料公司的子公司AKT)。但是，由于依据所述方法形成的半导体膜是由膜结构和组成来决定，因此，该反应溅射方法也可用于其它系统配置中，包括那些配置用来处理大面积圆形衬底的系统，以及那些由其它制造商所制造的系统，包括卷绕式(roll-to-toll)处理平台。须知，下述本发明以PVD沉积进行说明，但包括化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或旋涂处理的其它方法，也可用来沉积本发明的膜。图1为依据本发明实施方式的PVD腔室100的截面图。可用真空泵114对该腔室100抽真空。在该腔室100中，衬底102放置在靶104对面。该衬底可放置在该腔室100内的基座106 (susceptorl06)上。可如图示,用致动器112依照箭头A将基座106升高或下降。可将基座106升高以将衬底102抬高至处理位置，以及将衬底102下降，使得衬底102可自腔室100中移出。当基座106处于较低位置时，用举升销108将衬底102抬高到基座106上方。处理期间，则以接地母线110 (grounding strap)使基座106接地。处理期间，也可将基座106升高以使沉积可以均匀地进行。靶104可包含一个或多个靶104。在一实施方式中，靶104可包含大面积溅射靶104。在另一实施方式中,祀104可包含多个祀砖(target tile)。在再一实施方式中，革巴104可包含多个祀条(target strip)。在还一实施方式中，祀104可包含一个或多个圆柱形、可转动的靶。可将靶104以黏合层(未示出)黏合到背板116上。在该背板116后方可设有一个或多个磁控管118。这些磁控管118可以直线运动或以二维路径方式对整个背板116进行扫描。可使用暗区屏蔽罩120和腔室屏蔽罩122来遮蔽腔室的墙壁，使该墙壁不会受到沉积。为了在整个衬底102上提供均匀的溅射沉积，可在靶104和衬底102之间设置阳极124。在一实施方式中，该阳极124可为喷丸处理的不锈钢，该不锈钢上涂覆有电弧喷涂铝。在一实施方式中，可利用托架130将该阳极124的一端安装到腔室的墙壁上。阳极124可在靶104的对面提供电荷，使得带电离子可被吸引到阳极上，而非到腔室的墙壁上(墙壁通常为接地电位)。利用在靶104与衬底102之间设置阳极124，可使等离子体更为均匀，有助于沉积。为减少剥落现象，可让冷却流体流过该一个或多个阳极124。通过减少阳极的膨胀与收缩量，也可减少自阳极124上剥离的材料量。对于面积较小的衬底来说，也就是说，较小的处理腔室来说，可能不须让阳极124跨越处理空间，因为腔室墙壁可能就足以提供接地路径及均匀的等离子体 分布 。
对反应溅射来说，提供反应性气体到腔室100可能是有利的。可跨越腔室100在靶104与衬底102之间设置一个或多个进气管126。而对于面积较小的衬底来说，也就是说，较小的处理腔室来说，跨越处理空间的进气管126可能不是必要的，因为通过传统进气方式即可提供均匀的气体分布。进气管126可从气体面板132引入多种溅射气体。进气管126可经由一个或多个连接管128而与阳极124连接。这些连接管128可由导热材料制成以容许进气管126以传导的方式冷却。此外，连接管128也可导电，使得进气管126可接地并具有阳极的功能。反应溅射工艺包括在溅射腔室内的衬底对面设置锌溅射靶。该锌溅射靶可实质包含锌，或包含锌以及掺杂元素。可使用的适当掺杂物包括Al、Sn、Ga、Ca、S1、T1、Cu、Ge、In、N1、Mn、Cr、V、Mg、Si具、AlxOy和SiC。在一实施方式中，该掺杂物包含铝。另一方面，衬底可能包括塑料、纸、聚合物、玻璃、不锈钢及上述材料的组合。当衬底是以塑料制成时，反应溅射可发生在低于约180°C的温度下。在溅射期间，可将氩气、含氮气体及含氧气体提供到腔室中，以反应溅射锌靶。也可在溅射期间，提供额外的添加物(如，B2H6, CO2, CO、CH4及上述物质的组合)到腔室中。在一实施方式中，该含氮气体包含氮气。在另一实施方式中，该含氮气体包含N20、NH3或上述物质的组合。在一实施方式中，该含氧气体包含氧气。在另一实施方式中，该含氧气体包含队0。含氮气体中的氮与含氧气体中的氧可和溅射靶中的锌反应，而在衬底上形成包含有锌、氧及氮的半导体材料。在一实施方式中，该含氮气体和含氧气体包含多种气体的组合，例如，N2O与N2的组合。为确定形成半导体膜期望的氧气流速，可选择氧气的量，使得氧气量不足以将锌完全氧化成氧化锌。锌的氧化作用程度会影响透射率。举例来说，完全氧化的锌的透射率大于约80%。决定所需氧气流速的一种方式是在不使用氮气的情况下，以氩气和氧气来实施反应溅射。在不同氧气流速下进行实验，并测量在可见光波长范围下的透射率。所需的氧气流速可以是膜达到最大透射率之前的流速。表I示出在不同的氧气流速下反应溅射沉积的氧化锌的透射率。在一实施方式中，最大较佳透射率可以为80%。在其它实施方式中，如果包括有玻璃吸收或光干扰的话，最大的透射率可能不是80%。当使用不同DC靶功率，不同衬底温度或甚至使用不同的含氧气体(例如，N2O)时，这些实验数据可能有所帮助。
权利要求
1.一种通过反应溅射形成的非晶半导体膜，所述半导体膜包含锌、氧和氮的三元化合物。
2.如权利要求1所述的半导体膜，其中所述半导体膜具有介于约lOOohm/sq至约IxlO7Ohm/sq之间的方块电阻。
3.如权利要求1所述的半导体膜，其中所述半导体膜具有介于约0.0Olohm-cm至约30ohm-cm之间的电阻值。
4.如权利要求1所述的半导体膜，其中所述半导体膜具有大于约30cm2/V-s的迁移率。
5.如权利要求4所述的半导体膜，其中所述半导体膜具有大于约90cm2/V-s的迁移率。
6.如权利要求1所述的半导体膜，其中所述半导体膜具有高达约80%的透射率。
7.如权利要求1所述的半导体膜，其中所述半导体膜具有介于约3.1eV至约1.2eV之间的渐变的带隙能。
8.如权利要求1所述的半导体膜，其中所述化合物包含ZnNxOy。
9.如权利要求8所述的半导体膜，其中所述化合物包含掺杂。
10.如权利要求9所述的半导体膜，其中所述掺杂包含铝。
11.如权利要求10所述的半导体膜，其中所述半导体膜具有介于约lOOohm/sq至约IxlO7Ohm/sq之间的方块电阻 。
12.如权利要求8所述的半导体膜，其中所述半导体膜具有介于约0.0Olohm-cm至约30ohm-cm之间的电阻值。
13.如权利要求8所述的半导体膜，其中所述半导体膜具有大于约30cm2/V-s的迁移率。
14.如权利要求13所述的半导体膜，其中所述半导体膜具有大于约90cm2/V-s的迁移率。
15.如权利要求8所述的半导体膜，其中所述半导体膜具有高达约80%的透射率。
16.如权利要求8所述的半导体膜，其中所述半导体膜具有介于约3.1eV至约1.2eV之间的渐变的带隙能。
全文摘要
本发明大致包含一种半导体膜及一种用来沉积该半导体膜的反应溅射工艺。溅射靶可包含纯锌，也就是纯度为99.995%原子百分比或更高纯度的锌，锌可掺杂有铝(约1%原子百分比至约20%原子百分比)或其它掺杂金属。可利用引入氮气和氧气到腔室内来反应溅射该锌靶。氮气的量可明显超过氧气和氩气的量。可依据在没有含氮气体时沉积所测得的膜结构的转变点、膜的透射率、直流(DC)电压变化或膜传导性，来决定氧气的量。反应溅射可在室温至高达几百摄氏度的温度范围下进行。沉积后，可将半导体膜退火以进一步提高膜的迁移率。
文档编号C23C14/34GK103147039SQ201310012850
公开日2013年6月12日 申请日期2008年4月8日 优先权日2007年4月27日
发明者彦·叶 申请人:应用材料公司