专利名称：薄膜场效应晶体管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜场效应晶体管及其制备方法。更具体而言，本
发明涉及一种包含含有Si的氧化锌材料作为半导体层的沟槽材料(charmel material)的薄膜场效应晶体管及其制备方法。本申请要求了于2007年4月25日向韩国知识产权局提交的韩国专 利申请第10-2007-0040328号的优先权，其公开的内容在此全部引入作为参 考。
背景技术：
—般而言，薄膜场效应晶体管包括源极、漏极、栅极、半导体层、 绝缘层和基板。 一般而言，ZnO被用作半导体层的沟槽材料，以及特别地，将第1 族碱金属(Li、 Na)或第5族(N、 P、 As)掺杂在ZnO中用作p-型沟槽材料。然而，由于ZnO可以容易地起到空穴抑制剂的作用(这是自发形成 的，因为能够用作n-型掺杂剂的氧空位(oxygen vacancy)、 Zn填隙原子 (imerstitial)等的生成焓很低)，因此难以进行半导体层的p-型掺杂。此外，由于氧空位、Zn填隙原子等的生成焓较低的ZnO的固有特性， 在当制备ZnO薄膜场效应晶体管的情况下，因为形成了强n-型沟道并且阔 电压和沟道的移动性随着时间变化，所以存在不稳定的状态。同时，韩国未经审査的专利申请公开第2004-79516号公开了通过使 用包含第5族(N、 P、 As、 Sb、 Bi)元素或第5族元素的氧化物的氧化锌复合物在基板上形成其中加入第5族元素作为掺杂剂的氧化锌薄膜并激活掺杂剂 的方法。然而，该方法的缺点在于不能容易地进行激活。因此，在当制备ZnO薄膜场效应晶体管的情况下，由于难以仅使用 ZnO材料进行p-型掺杂，所以需要开发通过使用第l族碱金属(Li、 Na等)或 第5族(N、 P、 As等)而能够用于进行p-型掺杂的材料。
发明内容
技术问题本发明就是在留意在相关领域出现的问题的情况下作出的，那么， 本发明的发明人作出本发明的目的是提供薄膜场效应晶体管及其制备方法， 其中降低了半导体层的沟道的n型电导率，并且容易实现氮掺杂。
技术方案具体地，本发明提供了制备薄膜场效应晶体管的方法，其包括A) 在基板上形成栅极；B)在所述基板和栅极上形成绝缘层；C)通过使用含有 Si的氧化锌材料作为沟槽材料而在所述绝缘层上形成半导体层；和D)形成 源极和漏极从而与半导体层连接。此外，本发明提供了制备薄膜场效应晶体管的方法，其在形成半导 体层的步骤C)之后还包括1)通过采用等离子体硝化法在半导体层上进行 氮掺杂处理；和2)对经过氮惨杂处理的半导体层进行氧加热处理。此外，本发明提供了包括基板；栅极；绝缘层；半导体层；源极； 和漏极的薄膜场效应晶体管。所述半导体层包含含有Si的氧化锌半导体沟 槽材料。
有益效果在根据本发明的制备薄膜场效应晶体管的方法中，采用制备包含 含有Si的氧化锌材料作为半导体层的沟槽材料的薄膜场效应晶体管的方法
7和其中在沟槽材料沉积后实施等离子体硝化处理和氧加热处理工序制备薄膜 场效应晶体管的方法。因此，可以降低半导体层的沟道的n型电导率，并且 可以实现半导体层的氮掺杂。
图1为示意地说明根据本发明的一个实施方式的薄膜场效应晶体管 的剖面图；图2为图示根据本发明的一个实施方式用于制备薄膜场效应晶体管 的等离子体硝化处理的图；图3为图示根据本发明的一个实施方式用于制备薄膜场效应晶体管
的氧加热处理的图；图4为图示根据本发明的一个实施方式的薄膜场效应晶体管的转移
特性的图；图5为图示根据本发明的一个实施方式的薄膜场效应晶体管的输出 特性的图；图6为图示根据本发明的一个实施方式的薄膜场效应晶体管的转移 特性的图；以及图7为图示根据本发明的一个实施方式的薄膜场效应晶体管的输出 特性的图。<附图标记> [22] 10:基板 [23] 20:栅极 [24] 30:绝缘层 [25] 40:半导体层 [26] 50:源极[27] 60:漏极
具体实施例方式在下文中，将详细地描述本发明。 —种制备薄膜场效应晶体管的方法，其包括A)在基板上形成栅 极；B)在基板和栅极上形成绝缘层；C)通过使用含Si的氧化锌材料作为沟 槽材料在绝缘层上形成半导体层；和D)形成源极和漏极从而与半导体层连 接。在根据本发明的制备薄膜场效应晶体管的方法中，在步骤A)的在基 板上形成栅极的过程中，所述基板可以由能够符合薄膜场效应晶体管的热力 学性能和机械性能要求的玻璃、半导体晶片、金属氧化物、陶瓷材料和塑料 制成。特别地，所述基板优选地由玻璃或塑料制成，但是基板的材料并不限 于此。通过如下方法可以实施步骤A)的在基板上形成栅极的过程使用 导电材料在基板上形成导电材料层并使导电材料层图形化以形成电极图形。 此外，通过使用包括在基板上直接印刷导电材料进行图形化的方法可以实施 步骤A)的在基板上形成栅极的过程。步骤A)的在基板上形成栅极过程中的导电材料的实例可以包括碳、 铝、钒、铬、铜、锌、银、金、镁、钙、钠、钾、钛、铟、钇、锂、钆、锡、 铅、类金属(similar metal)及其合金；p-或n-掺杂的硅；氧化锌、氧化铟、氧 化铟锡(ITO)、氧化铟锌、类氧化锡(similar tin oxide)和基于氧化锡铟的复合 物(tin oxide indium-based complex compounds);氧化物和金属的混合物，例如 ZnO:Al、 SnO : Sb;和导电聚合物，例如聚(3-甲基噻吩)、聚[3，4-(亚乙基-1,2-二氧)噻吩]、聚吡咯和聚苯胺，但是并不限于此。
9[33]步骤A)的在基板上形成栅极的过程中，在形成导电材料层的步骤
中，可以使用选自化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法 (PECVD)、溅射法、电子束蒸镀法(e-beam evapomtion)、热蒸镀法、激光分 子束外延法(laser molecular beam epitaxy (L-MBE))、脉冲激光沉积法(PLD)和 原子层沉积法中的方法。形成导电材料层的方法并不限于此，而是本领域内 己知的任意一种形成导电材料层的方法都可以使用。步骤A)的在基板上形成栅极的过程中，在形成电极图形的步骤中， 可以使用选自光刻法、胶版印刷法、丝网印刷法、喷墨印刷法和使用荫罩的 方法中的方法。步骤A)的在基板上形成栅极的过程中，栅极的厚度优选在50 400 nm的范围内，并且更优选为200nm。在根据本发明制备薄膜场效应晶体管的方法中，在形成绝缘层的步 骤B)中的绝缘层材料的实例包括塑料绝缘体，例如，氧化硅、氮化硅；聚酰 亚胺、聚(2-乙烯基吡啶)、聚(4-乙烯基苯酚)、聚甲基丙烯酸甲酯，但并不限 于此。在步骤B)的形成绝缘层的过程中，可以使用选自化学气相沉积法 (CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、溅射法、电子束蒸镀法、 热蒸镀法、激光分子束外延法(L-MBE))、脉冲激光沉积法(PLD)和原子层沉 积法中的方法。形成绝缘层的方法并不限于此，而是本领域内已知的任意一 种形成绝缘层的方法都可以使用。在步骤B)的形成绝缘层的过程中，绝缘层的厚度优选在100 ~ 500 nm的范围内，并且更优选为300nm。在根据本发明的制备薄膜场效应晶体管的方法中，在步骤C)的形成 半导体层的过程中，优选地，所述用作沟槽材料的含有Si的氧化锌材料为包
10含ZnO、 ZnO:Al、 ZnO : Ga、 ZnO : In或者其复合氧化物的材料，并且Si 的含量大于0，且在30mol。/。以下。在根据本发明的制备薄膜场效应晶体管的方法中，在步骤C)的形成 半导体层的过程中，更优选地，所述用作沟槽材料的含有Si的氧化锌材料为 ZnO-In203-Si02。在ZnO-In203-Si02中，优选地，Si的含量为大于0，且在30摩尔 %以下，Zn的含量为大于O，且在66摩尔％以下，以及In的含量为大于O 且在33摩尔％以下，但是所述含量并不限于此。在ZnO-In203-Si02中，在 当Si的含量增加的情况下，半导体层的导电性可能显著地降低从而损失部分 的半导体层。在当In的含量增加的情况下，导电性可以显著增加而起到电极 的作用。此外，在ZnO-In203-Si02中，优选地，Zn : In : Si的摩尔°/。比为1:1: 1，但是并不限于此。可以单独使用步骤C)的形成半导体层的过程中用作沟槽材料的含 有Si的氧化锌材料，或者可以使用包括含有Si的氧化锌材料和元素周期表 中的第1族或第5族材料的混合物。优选地，所述第1族材料为Li或Na， 以及第5族材料为N、 P或As，但并不限于此。优选地，加入的第1族或第5族材料的掺杂浓度为1015~ 102Q/cm3， 但并不限于此。在步骤C)的形成半导体层的过程中，通过采用溅射法、化学气相沉 积法(CVD)、原子层沉积法、脉冲激光沉积法(PLD)、激光分子束外延法 (L-MBE)、电子束蒸镀法或离子束蒸镀法可以沉积所述沟槽材料而形成半导 体层。与在当掺杂剂直接掺杂在ZnO上的情况相比，由于沟槽材料包含Si， 元素周期表的第5族掺杂剂可以容易地惨杂。此外，可以容易的实现半导体 层的反向掺杂(counter doping)。[46]在步骤C)的形成半导体层的过程中，所述半导体层的厚度优选在
10 200nm的范围内，并且更优选地在10 100 nm的范围内。可以使用如下的方法实施步骤D)的形成源极和漏极的过程，该方法 包括使用导电材料在绝缘层和半导体层上形成导电材料层，并使导电材料层 图形化以形成电极图形，从而使得绝缘层和半导体层同时被覆盖。此外，通 过使用包括在绝缘层和半导体层上直接印刷导电材料以进行图形化的方法可 以实施步骤D)的形成源极和漏极的过程。在步骤D)的形成源极和漏极中的导电材料的实例可以包括碳、铝、 钒、铬、铜、锌、银、金、镁、钙、钠、钾、钛、铟、钇、锂、轧、锡、铅、 钕、铂、类金属(similarmetal)及其合金；p-或n-掺杂的硅；氧化锌、氧化铟、 氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌、类氧化锡(similar tin oxide)和基于氧化锡铟的复 合物物(tin oxide indium-based complex compounds);氧化物与金属的混合物， 例如ZnO:Al、 SnO : Sb;和导电聚合物，例如聚(3-甲基噻吩)、聚[3,4-(亚乙 基-l,2-二氧)噻吩]、聚吡咯和聚苯胺，但是并不限于此。在步骤D)的形成源极和漏极的过程中，在形成导电材料层的步骤 中，可以使用选自化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法 (PECVD)、溅射法、电子束蒸镀法、热蒸镀法、激光分子束外延法(L-MBE)、 脉冲激光沉积法(PLD)和原子层沉积法中的方法。形成导电材料层的方法并 不限于此，而是本领域内已知的任意一种形成导电材料层的方法都可以使用。在步骤D)的形成源极和漏极的过程中，在形成电极图形的步骤中， 可以使用选自光刻法、胶版印刷法、丝网印刷法、喷墨印刷法、使用荫罩的 方法中的一种方法，但并不限于此。在步骤D)的形成源极和漏极的过程中，所述源极和漏极的厚度优选 在50 400nm的范围内，并且更优选为200 nm。
12[52]在根据本发明的制备薄膜场效应晶体管的方法中，由于含有Si的氧
化锌材料被用作半导体层的沟槽材料，所以可降低半导体层的沟道的n型电
导率，并且可以均匀地进行半导体层的氮掺杂。此外，制备薄膜场效应晶体管的方法在步骤C)的形成半导体层之 后还包括1)通过采用等离子体硝化法在半导体层上进行氮掺杂处理；和 2)对经过氮掺杂处理的半导体层进行氧加热处理。在根据本发明的制备薄膜场效应晶体管的方法中，步骤l)的氮掺杂 处理的等离子体硝化法起到将N注入到薄膜场效应晶体管的半导体层中的作 用，而步骤2)的氧加热处理起到更牢固地键连注入到薄膜场效应晶体管中的 半导体层中的N的作用。在步骤l)的氮掺杂处理中，所述等离子体硝化法可以使用选自 NH3、 N20、 N2、 NO和NF3中的一种或多种，但并不限于此。可以优选地在200 500 。C的范围内的温度下采用等离子体硝化法 进行氮掺杂处理60分钟或更短时间，但并不限于此。在使用等离子体硝化法的氮掺杂处理的具体实施方式
中，可在如下 条件下实施基本的步骤压力为1 mTorr、等离子体功率为200W、温度为 300°C、时间3分钟。在这种情况下，可以注入1050 sccm的Nz和80 sccm 的NH3作为使用的气体(usedgas)。此外，通过使用等离子体功率可以控制掺 杂浓度，并且更优选地使用ICP(电感耦合等离子体)型的等离子体掺杂。在当进行氮掺杂处理的情况下，氮掺杂浓度优选为1015~102Q/cm3， 但是并不限于此。作为步骤2)的氧加热处理，可以实施在氧气氛围下的快速加热退火 (RTA) (rapid thermal annealing)法。快速加热退火指的是一种热处理方法，其 中应用到基板上的温度变化，即，温度变化率(temperature ramping rate)较高。
13[60]作为氧加热处理的具体的例子，在氧气氛围下，在200 500 。C范 围内的温度下可以实施快速加热退火1小时或更短时间，但是并不限于此。至于根据本发明的制备薄膜场效应晶体管的方法，使用如下根据本 发明的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，含有Si的氧化锌用作半导体层 的沟槽材料，并且在沉积沟槽材料之后进行等离子体硝化处理和氧加热处理。 因此，消除了氧化锌半导体的由锌填隙引起的氧空位和自发的n-型掺杂剂的 问题，以及第5族p型掺杂剂的N被键连到Si上而形成沟道所需的导电率 并保持该导电率。此外，本发明提供了包括基板；栅极；绝缘层；半导体层；源极； 和漏极的薄膜场效应晶体管。所述半导体层包含含有Si的氧化锌半导体沟槽 材料。在本发明中，在形成半导体层后，所述半导体层可以依次地进行等
离子体硝化处理和氧加热处理。如在制备薄膜场效应晶体管的方法中所述，含有Si的氧化锌材料优 选为包含ZnO、 ZnO:Al、 ZnO : Ga、 ZnO : In或者其复合氧化物的材料，并 且Si的含量大于O且在30摩尔％以下，但是并不限于此。此外，仅仅使用含有Si的氧化锌材料或者包含含有Si的氧化锌材 料和元素周期表中的第1族或第5族的材料的沟槽材料可以形成半导体层。
实施例通过如下的实施例可以更好地理解本发明，提出的这些实施例是用 来说明的，而不能解释成限制本发明。 [67] <实施例〉根据本发明的一个实施方式的制备薄膜场效应晶体管的方法，其包 括l)在基板10上形成栅极20;2)在基板和栅极20上形成绝缘层30;3)通 过使用含有Si的氧化锌材料作为沟槽材料在绝缘层30上形成半导体层40;4)采用等离子体硝化法在半导体层40上进行氮掺杂处理；5)对经过氮掺杂
处理的半导体层40进行氧加热处理；和6)形成源极50和漏极60从而使其 与经过氧加热处理的半导体层40连接。在步骤1)中，在采用溅射法在玻璃基板IO上沉积氧化铟锡(ITO)之 后，釆用光刻法进行图形化以形成多个栅布线(gate wire)和栅极20。在步骤2)中，在玻璃基板10的上表面上形成绝缘层30，其中，采 用溅射法己在玻璃基板10上形成栅极布线(gate electrode wire)，以及采用 PECVD法形成了栅极20。在这种情况下，所述栅绝缘层30由SiNx形成。在步骤3)中，ZnO-In203-Si02(摩尔。/。比Zn : In : Si = 1 : 1 : l)用作沟 槽材料，以及所述半导体层40是采用溅射法形成的。在步骤4)中，所述半导体层40在如下条件下使用NH3进行等离子 体氮掺杂处理3分钟等离子体功率为200W、温度为30(TC、以及压力为l mTorr 。在步骤5)中，对经过氮掺杂处理的半导体层40进行快速氧加热处 理(RTO)。在步骤6)中，釆用溅射法在半导体层40的上部分和绝缘层30的上 部分沉积钼层之后，采用光刻法进行图形化以形成与栅布线交叉的数据布线 (data wire)并形成源极50和漏极60。在根据本发明的一个实施方式的制备薄膜场效应晶体管的方法中， ZnO-In203-Si02用作半导体层的沟槽材料，并且在沉积沟槽材料之后，使薄 膜场效应晶体管进行等离子体硝化处理和氧加热处理工序。薄膜场效应晶体 管的特性如图6和7所示。此外，没有进行等离子体硝化处理，但是进行氧 加热处理的薄膜场效应晶体管的特性如图4和5所示。图4为图示没有进行等离子体硝化处理但进行了氧加热处理工序的 薄膜场效应晶体管的转移特性图，其中，出现4V的阈电压偏移(movement)。图5为图示没有进行等离子体硝化处理但是进行了氧加热处理工序的薄膜场 效应晶体管的输出特性的图，其中，该薄膜场效应晶体管的输出特性没有饱 和，而是随着VD(漏电压)的增加而增加。另一方面，图6为图示根据本发明的进行了等离子体硝化处理和氧 加热处理工序的薄膜场效应晶体管的转移特性的图，其中，出现了0.75V的 阈电压的偏移。图7为图示根据本发明的进行了等离子体硝化处理和氧加热 处理工序的薄膜场效应晶体管的输出特性图，其中，薄膜场效应晶体管的输
出特性是饱和的，并且随着VD(漏电压)的增加而保持稳定。在图4 7中，ID为漏电流，VG为栅电压(gate voltage), V。为漏电 压(dmin voltage),以及W/L为沟道的宽度和长度。
权利要求
1、一种制备薄膜场效应晶体管的方法，该方法包括如下步骤A)在基板上形成栅极；B)在所述基板和栅极上形成绝缘层；C)通过使用含有Si的氧化锌材料作为沟槽材料而在所述绝缘层上形成半导体层；和D)形成源极和漏极从而与半导体层连接。
2、 根据权利要求1所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，在步骤 C)的形成半导体层的过程中，所述含有Si的氧化锌材料为包含ZnO、 ZnO : Al、 ZnO:Ga、 ZnO : In或者其复合氧化物的材料，并且Si的含量大于0且 在30mol。/。以下。
3、 根据权利要求1所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，在步骤 C)的形成半导体层的过程中，所述含有Si的氧化锌材料为ZnO-In203-Si02。
4、 根据权利要求3所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，在 ZnO-In203-Si02中，Si的含量为大于0且在30摩尔°/。以下，Zn的含量为大 于0且在66摩尔％以下，以及In的含量为大于0且在33摩尔％以下。
5、 根据权利要求3所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中， ZnO-In203-Si02中的Zn : In : Si的摩尔％比为1:1:1。
6、 根据权利要求l所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，在步骤 C)的形成半导体层的过程中，所述沟槽材料为单独使用的含有Si的氧化锌材 料或者包含含有Si的氧化锌材料和元素周期表中的第1族或第5族材料的材
7、 根据权利要求1所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，通过使 用如下方法实施步骤D)的形成源极和漏极的过程使用导电材料在绝缘层和 半导体层上形成导电材料层，并使导电材料层图形化以形成电极图形的方法； 或者，在绝缘层和半导体层上直接印刷导电材料而进行图形化的方法。
8、 根据权利要求1所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其还包括 在步骤C)的形成半导体层之后，1) 采用等离子体硝化法在半导体层上进行氮掺杂处理；和2) 对经过氮掺杂处理的半导体层进行氧加热处理。
9、 根据权利要求2所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，在步骤 C)的形成半导体层的过程中，所述含有Si的氧化锌材料为包含ZnO、 ZnO : Al、 ZnO:Ga、 ZnO : In或者其复合氧化物的材料，并且Si的含量大于0且 在30摩尔％以下。
10、 根据权利要求2所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，在步 骤C)的形成半导体层的过程中，所述含有Si的氧化锌材料为ZnO-In203-Si02。
11、 根据权利要求10所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，在 ZnO-In203-Si02中，Si的含量为大于0且在30摩尔％以下，Zn的含量为大 于0且在66摩尔％以下，以及In的含量为大于O且在33摩尔％以下。
12、 根据权利要求10所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，在 ZnO-In203-Si02中的Zn : In : Si的摩尔％比为1:1:1。
13、 根据权利要求2所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，在步 骤C)的形成半导体层的过程中，所述沟槽材料为单独使用的含有Si的氧化锌材料或者包含含有Si的氧化锌材料和元素周期表中的第1族或第5族材料 的材料。
14、 根据权利要求2所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，步骤 l)的等离子体硝化法使用选自NH3、 N20、 N2、 NO和NF3中的一种或多种。
15、 根据权利要求2所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，在200 50(TC的温度下实施步骤l)的等离子体硝化处理60分钟或更短时间。
16、 根据权利要求2所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，步骤 l)的等离子体硝化法为ICP(电感耦合等离子体)型的等离子体硝化法。
17、 根据权利要求2所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，在步 骤2)中，在氧氛围中在200 50(TC的温度下实施快速加热退火法1小时或更 短时间作为氧加热处理。
18、 根据权利要求2所述的制备薄膜场效应晶体管的方法，其中，通过 使用如下方法实施步骤D)的形成源极和漏极的过程使用导电材料在绝缘层 和半导体层上形成导电材料层，并使导电材料层图形化以形成电极图形的方 法；或者，在绝缘层和半导体层上直接印刷导电材料而进行图形化的方法。
19、 一种薄膜场效应晶体管，其包括基板；栅极；绝缘层；半导体层； 源极；和漏极，其中，所述半导体层包含含有Si的氧化锌半导体沟槽材料。
20、 根据权利要求19所述的薄膜场效应晶体管，其中，所述半导体层为 在形成半导体层之后依次经历等离子体硝化处理，接着进行氧加热处理工序 的半导体层。
21、 根据权利要求19所述的薄膜场效应晶体管，其中，所述含有Si的 氧化锌半导体沟槽材料为包含ZnO、 ZnO:Al、 ZnO : Ga、 ZnO : In或者其复 合氧化物的材料，并且Si的含量大于0且在30摩尔。/。以下。
22、 根据权利要求19所述的薄膜场效应晶体管，其中，所述半导体层包 含单独使用的含有Si的氧化锌材料或者沟槽材料，该沟槽材料包括包含含有 Si的氧化锌材料和元素周期表中的第1族或第5族材料的材料。
全文摘要
本发明涉及一种薄膜场效应晶体管及其制备方法。更具体而言，本发明涉及一种包含含有Si的氧化锌材料作为半导体层的沟槽材料的薄膜场效应晶体管及其制备方法。
文档编号H01L29/786GK101669209SQ200880013431
公开日2010年3月10日 申请日期2008年4月25日 优先权日2007年4月25日
发明者李政炯 申请人:Lg化学株式会社