专利名称：薄膜晶体管及使用其的有机发光显示装置的制作方法
技术领域：
本实施例涉及一种薄膜晶体管，更具体地讲，涉及一种具有氧化物层的薄膜晶体 管及具有该薄膜晶体管的有机发光显示装置。
背景技术：
诸如液晶显示装置或有机发光显示装置的有源矩阵平板显示装置在每个像素中 包括至少一个薄膜晶体管(TFT)。薄膜晶体管包括有源层和栅电极，有源层设置有沟道区、源区和漏区，栅电极形成 在沟道区的上侧中并通过栅绝缘层与有源层电绝缘。TFT的有源层通常形成为诸如无定形硅或多晶硅的半导体层。当有源层由无定形硅形成时，迁移率低，因此难以实现以高速运行的驱动电路。当有源层由多晶硅形成时，迁移率高，但其多晶性导致阈值电压不均勻。同时，当将低温多晶硅(LTPS)用作有源层时，有源层表现高迁移率和稳定的DC稳 定性。然而，难以实现大规模的TFT，并且需要另外的昂贵的结晶器，导致制造成本增加。为了解决上述问题，近来，已经展开了将诸如ZnO和InGaZnO的氧化物半导体用作 有源层的研究。然而，这些氧化物半导体具有比无定形硅的迁移率更高的迁移率，且具有比 低温多晶硅的均勻性更好的均勻性，但在批量生产方面存在缺陷。一些氧化物半导体具有不稳定的DC稳定性(与TFT装置的可靠性有关)，从而在 运行过程中阈值电压持续地移动，难以实现期望的装置特性。
发明内容
本实施例提供了一种薄膜晶体管以及具有该薄膜晶体管的有机发光显示装置，该 薄膜晶体管通过将像Hf —样电负性与氧的电负性有巨大差值并且原子半径与加或Sn的 原子半径相似的材料添加到由SiSnO形成的氧化物半导体来形成有源层，以调整载流子浓 度并提高氧化物半导体的可靠性，从而表现稳定的可靠性和电学特性。为了获得本实施例的前述和/或其他方面，根据本实施例的方面提供一种薄膜晶 体管，该薄膜晶体管包括作为有源层的氧化物半导体层，包括源区、漏区和沟道区；栅电 极，形成在与沟道区叠置的区域中；栅绝缘层，形成在氧化物半导体层和栅电极之间；源电 极和漏电极，电连接到氧化物半导体层的源区和漏区，其中，通过将电负性与氧的电负性相 差至少2且原子半径与Si或Sn的原子半径相似的材料X添加到由SiSnO形成的氧化物半 导体中来制成氧化物半导体层。当将形成氧化物半导体层的正离子X、Zn和Sn的含量转换为摩尔百分比时，X的 摩尔含量为从大约2%至大约20%。
材料X的电负性小于大约1. 6，材料X的离子半径从大约0. 007nm至大约0. 008nm, 材料X为Hf、Zr、Al和Mg中的一种。薄膜晶体管还包括形成在氧化物半导体层与源电极和漏电极之间的保护层，薄膜 晶体管具有倒置的交错的底部栅结构或顶部栅结构。另外，提供了一种有机发光显示装置，该有机发光显示装置包括像素、扫描驱动单 元、数据驱动单元，像素位于数据线和扫描线的基本每个交叉处并且分别包括多个薄膜晶 体管，扫描驱动单元包括多个薄膜晶体管并将扫描信号提供给扫描线，数据驱动单元包括 多个薄膜晶体管并将数据信号提供给数据线，每个薄膜晶体管设置给像素、扫描驱动单元 和数据驱动单元中的至少一个，薄膜晶体管包括作为有源层的氧化物半导体层，包括源 区、漏区和沟道区；栅电极，形成在与沟道区叠置的区域中；栅绝缘层，形成在氧化物半导 体层和栅电极之间；源电极和漏电极，电连接到氧化物半导体层的源区和漏区，其中，氧化 物半导体层通过将电负性比氧的电负性高2且原子半径与Si或Sn的原子半径相似的材料 X添加到SiSnO的氧化物半导体而形成。根据本实施例，有源层通过将像Hf —样电负性与氧的电负性有高差值且原子半 径与Si或Sn的原子半径相似的材料形成来调整载流子浓度并提高氧化物半导体的稳定 性，从而可以实现薄膜晶体管的稳定的可靠性以及电学特性。
附图与说明书一起示出了示例性实施例，并与描述一起用于解释本实施例的原理。图IA和图IB为示出根据实施例的薄膜晶体管的剖视图；图2A为示出在栅DC应力下的TFT的阈值电压随着时间变化的曲线图；图2B为示出根据实施例的[X]ZnSnO半导体的X的摩尔含量与TFT的阈值电压 (-Vth)的变化之间关系的曲线图；图2C为示出根据实施例的[X]ZnSnO半导体的X的摩尔含量与S值和迁移率的变 化之间关系的曲线图；图3A和图;3B为分别示出根据实施例的有机发光显示装置的平面图和剖视图。
具体实施例方式在下面的详细描述中，只通过简单示出的方式示出和描述了特定的示例性实施 例。如本领域的技术人员可以认识到的，在不脱离本实施例的精神或范围的情况下，可以以 各种不同方式对描述的实施例进行修改。因此，附图和描述将被认为本质上是示出性的而 非限制性的。另外，当元件被称作“在”另一个元件“上”时，它可以直接地在另一个元件上， 或可以在它们之间设置一个或多个中间元件而间接地在另一个元件上。另外，当元件被称 作“连接到”另一个元件时，它可以直接地连接到另一个元件，或可以在它们之间设置一个 或多个中间元件而间接地连接到另一个元件。在下文中，相同的标号代表相同的元件。在下文中，将描述本实施例，从而本领域的技术人员通过参照附图可以容易地实 践本实施例的细节。图IA和图IB为示出根据实施例的薄膜晶体管的剖视图。
这里，如图IA中所示出的薄膜晶体管具有倒置的交错的底部栅结构，如图IB中所 示出的薄膜晶体管具有顶部栅结构，然而，实施例不局限于此。参照图1A，缓冲层12形成在基底10上，栅电极14形成在缓冲层12上。绝缘层16形成在包括栅电极14的上侧上，作为有源层的设置有沟道区18a、源区 18b和漏区18c的氧化物半导体层18形成在绝缘层16上。此外，如所示出的，保护层22形成在氧化物半导体层18上，通孔形成在保护层22 的预定区域(与源区和漏区对应的区域)中，形成在保护层22上的源电极20a和漏电极20b 通过通孔分别与氧化物半导体层18的源区和漏区接触，从而完成底部栅极薄膜晶体管。参照图1B，缓冲层12形成在基底10上，作为有源层的设置有沟道区、源区和漏区 的氧化物半导体层18形成在缓冲层12上。绝缘层16形成在氧化物半导体层18上，栅电极形成在绝缘层的与氧化物半导体 层18的沟道区叠置的位置上。如附图中所示，保护层22形成在栅电极上，通孔形成在保护层22和绝缘层16的 预定区域(与源区和漏区对应的区域)中，形成在保护层22上的源电极20a和漏电极20b 通过通孔分别与氧化物半导体层18的源区和漏区接触，从而完成顶部栅极薄膜晶体管。根据现有技术，用作薄膜晶体管的有源层的氧化物半导体通常由ZnO或InGaZnO 形成。在该现有的氧化物半导体中，由于因不稳定的DC稳定性(与TFT装置的可靠性有 关)导致运行过程中阈值电压持续地移动，所以难以实现期望的装置特性。因此，在根据实施例的氧化物半导体中，为了克服上述的缺点，通过将电负性与氧 的电负性有巨大差值且原子半径与Si或Sn的原子半径相似的材料添加到由ZnSnO形成 的氧化物半导体来形成有源层，从而可以调整载流子浓度并可以提高氧化物半导体的可靠 性。根据如图IA和图IB中所示的实施例的氧化物半导体为DGZnSnO氧化物半导体， [X]ZnSnO氧化物半导体通过掺杂具有与Si或Sn的原子半径相似的原子半径且具有与氧的 电负性有巨大差值的电负性的过渡金属X来形成，以调整SiSnO氧化物半导体的载流子浓 度并提高氧化物半导体的可靠性。当将X、Zn和Sn的正离子的量转换为摩尔百分比时，例如，当假设(X+Si+Sn)为 100%时，X为从大约2%至大约20%。这是由于当X大于20%时，表示迁移率和亚阈值的 S值劣化。当X的量增加时，根据实施例的[X]ZnSnO半导体的载流子浓度降低。这是由于X 与氧的巨大差值的电负性在氧化物半导体的矩阵中加强了与氧的结合力，因此减少了通过 氧空位产生的载流子浓度。然而，这种现象提高了半导体的可靠性，特别提高了 DC稳定性 和处理温度(至大约400摄氏度)。因此，在该实施例中，当将形成氧化物半导体层的X、ai和Sn的正离子的量转换为 摩尔百分比时，X为从大约2%至大约20%，从而，根据实施例的氧化物半导体层的载流子 浓度维持在1018/cm3以下，并且可以表现有源层的特性。这里，如所描述的，X由电负性与氧的电负性有巨大差值且离子半径与Si或Sn的 离子半径相似的材料形成，诸如例如Hf、Zr、Al或Mg。考虑到离子结合，X可以实施为电负性与氧的电负性相差至少大约2的元素，由于该特性可以保持氧，所以可以提高氧化物半导体的可靠性。X的电负性满足“氧的电负性(ENo)-X的电负性(ENx)彡2”的式子。在这种情况 下，由于氧的电负性为3. 5，所以X可以选自具有小于1. 6的电负性的材料。在材料X的离子半径大的情况下，因在结合处晶体半径的差异而产生晶格畸变， 增加了内部应变能且增加了氧空位。这是由于因增加的应变能而导致晶体不稳定，从而降 低了可靠性。因此，材料X的离子半径与ai或Sn的离子半径相似或比Si或Sn的离子半 径小。也就是说，由于Si和Sn的离子半径为大约0. 007nm至0. 008nm,所以材料X可以 选自Si和Sn或相似的材料。Hf、Zr、Al和Mg为具有上述条件(小于1. 6的电负性和大约0. 007nm至0. 008nm 的离子半径)的典型的材料，因此，X可以例如为Hf、Zr、Al或Mg。在一些实施例中，X具 有从大约0. 002nm至0. 013nm的离子半径。在其他实施例中，X具有从大约0. 005nm至大 约0. OlOnm的离子半径。在其他实施例中，X具有从大约0. 006nm至大约0. 009nm的离子 半径。在一些实施例中，X具有从大约0. 007nm至大约0. 008nm的离子半径。根据实施例的具有上述的氧化物半导体层的TFT的特性可以在图2A至图2C中示 出ο图2A为示出在15V的栅DC应力下的TFT的阈值电压随着时间变化的曲线图，并 且图2A示出了与现有的氧化物(ZnSnO和hfeaiO)薄膜晶体管相比，根据实施例的将[X] ZnSnO半导体(DGZnSnO氧化物半导体)用作有源层的TFT表现出良好的DC稳定性(与 TFT装置的可靠性有关)。接下来，图2B为示出根据实施例的TFT的阈值电压(_Vth)的变化与[X]ZnSnO半 导体的X的摩尔含量关系的曲线图，图2C为示出根据实施例的迁移率和S值的变化与[X] ZnSnO半导体的X的摩尔含量关系的曲线图。这里，X为Hf。参照图2B和图2C，当X的摩尔含量增加时，阈值电压的变化减小且可靠性提高，但 迁移率和S值劣化。在一些实施例中，X的摩尔含量为从2%至大约20%。当X的摩尔含量在该范围内 时，可以提高TFT的稳定性并可以改善TFT的运行特性(operativecharacteristics)(迁 移率和S值)。如图2B中所示，当将X摩尔含量为2%处的12. 21V的-Vth与不具有X的16. 16V 的-Vth对比时，可以得到极大提高的可靠性，在X的摩尔含量为20%的情况下，由于-Vth 为1.60V，所以可以将可靠性的提高最大化。参照图2C，当X的摩尔含量为20%时，迁移率为0. ^cm2/Vs，S值为2. lldec/V。 当X的摩尔含量高于20%时，则不能保证TFT的特性。图3A和图;3B为分别示出根据实施例的有机发光显示装置的平面图和剖视图。在下文中，将描述作为平板显示装置实施例的具有参照图1所描述的薄膜晶体管 的有机发光显示装置。参照图3A，基底210由像素区域220和围绕像素区域220的非像素区域230限定。 以矩阵形式连接在扫描线2M和数据线2 之间的多个像素300形成在像素区域220的基 底210上。在非像素区域230的基底210上形成有从像素区域220的扫描线2M延伸出的扫描线224、从像素区域220的数据线2 延伸出的数据线226、用来操作各个像素300的 供电线(未示出)以及用来处理从外部通过焊盘2 提供的信号以将处理过的信号提供给 扫描线2M和数据线226的扫描驱动单元234和数据驱动单元236。各个像素300中的每一个包括具有多个薄膜晶体管的像素电路和连接到像素电 路的有机发光二极管，扫描驱动单元234和数据驱动单元236包括具有多个薄膜晶体管的 电路。另外，参照图:3B，用于包装像素区域220的包装基底400设置在形成有像素300的 基底210上，并且包装基底400利用密封材料410与基底210结合，从而完成显示面板200。形成在基底210上的多个像素300、扫描驱动单元2；34和数据驱动单元236包括多 个薄膜晶体管。在实施例中，，设置在像素300、扫描驱动单元234和数据驱动单元236的至 少一个中的薄膜晶体管为根据如参照图1和图2所描述的实施例的氧化物薄膜晶体管。根据实施例的有机发光显示装置使用了具有由^CZnSnO制成的氧化物半导体的薄 膜晶体管作为设置在像素300、扫描驱动单元234和/或数据驱动单元236中的薄膜晶体 管，从而可以实现执行更加稳定运行的有机发光显示装置。虽然已经结合具体示例性实施例描述了本实施例，但应该理解，本实施例不局限 于公开的实施例，但是相反，意图覆盖包括在权利要求及其等同物的精神和范围内各种修 改和等同布置。
权利要求
1.一种薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包括氧化物半导体层，包括源区、漏区和沟道区；栅电极，形成在与沟道区叠置的区域中；栅绝缘层，形成在氧化物半导体层和栅电极之间；源电极和漏电极，电连接到氧化物半导体层的源区和漏区，其中，氧化物半导体层包含SiSnO和材料X，材料X具有与氧的电负性相差至少2的电 负性并且具有从0. 002nm至0. 013nm的原子半径。
2.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其中，氧化物半导体层中的X的摩尔含量从2%至 20%。
3.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其中，材料X的电负性小于1.6。
4.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其中，材料X的原子半径从0.006nm至0. 009nm。
5.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其中，材料X的原子半径从0.007nm至0. OOSnm0
6.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其中，材料X为从由Hf、Zr、Al和Mg组成的组中 选择的一种。
7.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其中，材料X为Hf。
8.如权利要求1所述的薄膜晶体管，所述薄膜晶体管还包括保护层，保护层形成在氧 化物半导体层与源电极和漏电极之间。
9.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其中，所述薄膜晶体管具有倒置的交错的底部栅 结构。
10.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其中，所述薄膜晶体管具有顶部栅结构。
11.一种有机发光显示装置，所述有机发光显示装置包括像素、扫描驱动单元、数据驱 动单元，像素位于数据线和扫描线的基本每个交叉处并且分别包括多个薄膜晶体管，扫描 驱动单元包括多个薄膜晶体管并被构造为将扫描信号提供给扫描线，数据驱动单元包括多 个薄膜晶体管并被构造为将数据信号提供给数据线，每个薄膜晶体管设置到像素、扫描驱 动单元和数据驱动单元中的至少一个，其中，薄膜晶体管包括氧化物半导体层，包括源区、漏区和沟道区；栅电极，形成在与沟道区叠置的区域中；栅绝缘层，形成在氧化物半导体层和栅电极之间；源电极和漏电极，电连接到氧化物半导体层的源区和漏区，其中，氧化物半导体层包含SiSnO和材料X，材料X具有与氧的电负性相差至少2的电 负性并且具有从0. 002nm至0. 013nm的原子半径。
12.如权利要求11所述的有机发光显示装置，其中，氧化物半导体层中的X的摩尔含量 从2%至20%。
13.如权利要求11所述的有机发光显示装置，其中，材料X的电负性小于1.6。
14.如权利要求11所述的有机发光显示装置，其中，材料X的原子半径从0.006nm至 0.009nm。
15.如权利要求11所述的有机发光显示装置，其中，材料X的原子半径从0.007nm至0.008nmo
16.如权利要求11所述的有机发光显示装置，其中，材料X为从由Hf、Zr、Al和Mg组成的组中选择的一种。
17.如权利要求11所述的有机发光显示装置，其中，材料X为Hf。
18.如权利要求11所述的有机发光显示装置，所述有机发光显示装置还包括保护层， 保护层形成在氧化物半导体层与源电极和漏电极之间。
19.如权利要求11所述的有机发光显示装置，其中，所述薄膜晶体管具有倒置的交错 的底部栅结构。
20.如权利要求1所述的有机发光显示装置，其中，薄膜晶体管具有顶部栅结构。
全文摘要
本发明公开了一种薄膜晶体管及具有该薄膜晶体管的有机发光显示装置，该薄膜晶体管通过将像Hf一样电负性与氧的电负性有巨大差值并且原子半径与Zn或Sn的原子半径相似的材料添加到由ZnSnO形成的氧化物半导体来形成有源层，以调整载流子浓度并提高氧化物半导体的可靠性。
文档编号H01L27/32GK102064188SQ20101025056
公开日2011年5月18日 申请日期2010年8月10日 优先权日2009年11月11日
发明者朴镇成, 牟然坤, 郑在景, 金光淑 申请人:三星移动显示器株式会社