专利名称：氧化物半导体及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体领域，尤其涉及ー类氧化物半导体及其制造方法。
背景技术：
作为具有广泛应用前景的新型显示——有机发光二极管(OLED，OrganicLight-Emitting Diode),近年来已经开始有中小尺寸的产品进入市场，但大尺寸电视产品还没有产业化，大尺寸OLED须采用有源矩阵有机发光二极管面板(AMOLED，ActiveMatrix/Organic Light Emitting Diode),它包括 2 个部分薄膜晶体管(TFT, Thin FilmTransistor)驱动部分和OLED发光部分。因为OLED是电流驱动型的，这要求驱动OLED的TFT的有源层有较高载流子迁移率，传统的用于驱动液晶显示(IXD，Liquid CrystalDisplay)的非晶硅TFT的电子迁移率较低，较难满足OLED的需求。目前AMOLED产品主要用低温多晶娃(LTPS, Low Temperature Poly-silicon) TFT驱动,但是其在大面积晶化工 艺方面遇到困难，并且晶化工艺成本较高，无法突破AMOLED高成本的瓶颈，因此迫切需要研究新的具有替代硅材料潜力的有源材料。基于氧化锌(ZnO)的氧化物半导体以其迁移率高、电学均匀性好、对可见光透明、制造温度低和成本低等优点被认为是最适合驱动OLED的有源材料之一。氧化物半导体主要包括氧化锌(ZnO)、氧化铟锌(ΙΖ0)、氧化铟镓锌(IGZO)以及氧化铝铟锌(AIZO)等。目前这些氧化物半导体面临的主要问题是阈值电压为负(常开状态)、亚阈值摆幅较大以及电学稳定性不足等。其中，阈值电压为负数意味着需要加ー个负电压才能将其关断，会造成整个TFT面板的功耗増大；亚阈值摆幅较大意味着半导体内的缺陷较多，会影响器件的可靠性和开关特性。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供了ー类氧化物半导体，这类氧化物半导体包含微量掺杂物，这些微量掺杂物能抑制过剩的本征载流子，并能通过掺杂量的大小来调控TFT器件的阈值电压，同时能降低器件的亚阈值摆幅。本发明提供的氧化物半导体，包括AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物；所述x,y和z表示AlxInyZnz氧化物中招(Al),铟(In)和锌(Zn)的原子比；其中，0. 01 ^ X ^ 0. 2,0. 3 ^ y ^ 0. 7,0. 3 ^ z ^ 0. 7,并且 x+y+z=l ；所述微量掺杂物包括稀土元素，稀土元素的氧化物，4B族元素，4B族元素氧化物，5B族元素或5B族元素氧化物中的任意ー种或两种以上的组合。可选的，所述的稀土元素为镧(La)、铯(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钦(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu) JjUSc)和钇(Y)中的ー种；所述的4B族元素为钛(Ti)、锆(Zr)和铪(Hf)中的ー种；所述的5B族元素为钒(V)和铌(Nb)中的ー种。
可选的，所述微量掺杂物的量在O. Olwt. %至5wt. %范围内。本发明提供的氧化物半导体的制造方法，包括将微量掺杂物，氧化铝，氧化铟以及氧化锌四种原料分别制造成四个靶材，并安装在四个不同靶位上同时溅射，通过调节不同靶位的溅射功率控制所述四种原料的比例，以达到AlxInyZnz氧化物的目标原子比，及AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物的目标比例；或，将氧化铝，氧化铟以及氧化锌三种原料按所述目标原子比制造成氧化物靶材，将所述氧化物靶材与微量掺杂物靶材安装在两个不同靶位上同时溅射，通过调节不同靶位的溅射功率控制所述AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物的目标比例；或，将氧化铝，氧化铟以及氧化锌三种原料中的任意两种按所述目标原子制造成第一靶材，剰余的ー种原料制造成第二靶材；将第一靶材，第二靶材和微量掺杂物靶材安装在三个不同靶位上同时溅射，通过调节不同靶位的溅射功率控制所述AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物的目标比例。 或，将微量掺杂物，氧化铝，氧化铟以及氧化锌四种原料按AlxInyZnz氧化物的目标原子比及AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物的目标比例制成靶材，通过溅射的方式制造成膜；所述X, y和z表示AlxInyZnz氧化物中Al, In和Zn的原子比；所述目标原子比为
O.01 ^ X ^ O. 2,0. 3 ^ y ^ O. 7,0. 3 ^ z ^ O. 7,并且 x+y+z=l ；所述微量掺杂物包括稀土元素，稀土元素的氧化物，4B族元素，4B族元素氧化物，5B族元素或5B族元素氧化物中的任意ー种或两种以上的组合。可选的，所述的稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc和Y中的ー种；所述的4B族元素为Ti、Zr和Hf中的ー种；所述的5B族元素为V和Nb中的ー种。可选的，所述微量掺杂物的量在O. Olwt. %至5wt. %范围内。所制备的氧化物半导体的薄膜厚度为l(Tl00nm之间。优选地，所制备的氧化物半导体的薄膜厚度为2(T50nm之间。从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点本发明提供的氧化物半导体材料通过引入新的具有低电负性的掺杂物(稀土元素，稀土元素的氧化物，4B族元素，4B族元素氧化物，5B族元素或5B族元素氧化物)，可以抑制过剩的本征载流子，提高电学稳定性。
图I是本发明实施例中氧化物半导体作为薄膜晶体管的沟道层的结构示意图。
具体实施例方式本发明实施例提供了ー种可抑制过剩的本征载流子，且电学稳定性高氧化物半导体。本发明实施例中的氧化物半导体包括AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物；所述X，y和z表示AlxInyZnz氧化物中铝(Al)，铟(In)和锌(Zn)的原子比；其中，
O.01 ^ X ^ O. 2,0. 3 ^ y ^ O. 7,0. 3 ^ z ^ O. 7,并且 x+y+z=l ；
所述微量掺杂物包括稀土元素，稀土元素的氧化物，4B族元素，4B族元素氧化物，5B族元素或5B族元素氧化物中的任意ー种或两种以上的组合。在本发明实施例中，In所占的原子比影响氧化物半导体的载流子迁移率，In所占的原子比越高，氧化物半导体的载流子迁移率就越高；而Al和Zn所占的原子比则决定氧化物半导体的载流子浓度和结晶特征，在实际应用中，Al、In和Zn的原子比在本发明实施例所掲示的比例范围内，可根据实际对氧化物半导体的载流子迁移率、载流子浓度和结晶特征的需求进行合理调配，此处不作具体限定。本发明提供的氧化物半导体材料通过引入新的具有低电负性的掺杂物(稀土元素，稀土元素的氧化物，4B族元素，4B族元素氧化物，5B族元素或5B族元素氧化物)，可以抑制过剩的本征载流子、调控TFT器件的阈值电压、降低TFT器件的亚阈值摆幅。可选的，所述稀土元素为镧La (I. I)、铯Ce (I. I)、镨Pr (I. I)、钕Nd (I. I)、钷Pm (O. 9)、钐 Sm (I. 2)、铕 Eu (I. 2)、钆 Gd (O. 9)、铽 Tb (I. 2)、镝 Dy (I. 2)、钦 Ho (1.2 )、铒 Er (I. 3)、铥 Tm (I. O)、镱 Yb (I. 3)、镥 Lu (I. 3)、钪 Sc (I. 3)或钇 Y (I. 2)中的ー种；可选的，所述4B族元素为钛Ti (1.5)、锆Zr (I. 4)和铪Hf (1.3)中的一种；可选的，所述5B族元素为钒V (I. 6)和铌Nb (I. 6)中的ー种。其中，上述化学元素后括号中的数字代表这种元素的电负性；电负性代表元素吸引价外电子的能力，电负性越低，吸引价外电子的能力越强。这些元素的电负性与氧的电负性(3. 5)差异很大，从而它们能与氧结合生成具有较强离子键的氧化物。因此，当在氧化物半导体中掺入这些材料时，可提高氧化物半导体与氧的结合力，减少氧空位，从而能抑制过剩的载流子的产生，调控阈值电压，并降低亚阈值摆幅。可选的，所述微量掺杂物的量在O. Olwt. %至5wt. %范围内，即O. 01% ^ [微量掺杂物的质量+ (微量掺杂物的质量+AlxInyZnz氧化物的质量)]^ 5%。本发明实施例中氧化物半导体的制造方法可以为共溅射的方法，也可以为直接溅射的方法，具体包括共溅射的方法将微量掺杂物，氧化铝，氧化铟以及氧化锌四种原料分别制造成四个靶材安装在四个不同靶位上同时溅射，通过调节不同靶位的溅射功率控制所述四种原料的比例，以达到AlxInyZnz氧化物的目标原子比，及AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物的目标比例；或，将氧化铝，氧化铟以及氧化锌三种原料按所述目标原子比制造成氧化物靶材，将所述氧化物靶材与微量掺杂物靶材安装在两个不同靶位上同时溅射，通过调节不同靶位的溅射功率控制所述AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物的目标比例；或，将氧化铝，氧化铟以及氧化锌三种原料中的任意两种按所述目标原子制造成第一靶材，剰余的ー种原料制造成第二靶材；将第一靶材，第二靶材和微量掺杂物靶材安装在三个不同靶位上同时溅射，通过调节不同靶位的溅射功率控制所述AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物的目标比例；所述X, y和z表示AlxInyZnz氧化物中Al, In和Zn的原子比；所述目标原子比为
O.01 ^ X ^ O. 2,0. 3 ^ y ^ O. 7,0. 3 ^ z ^ O. 7,并且 x+y+z=l ；所述微量掺杂物包括稀土元素，稀土元素的氧化物，4B族元素，4B族元素氧化物，5B族元素或5B族元素氧化物中的任意ー种或两种以上的组合。
所制备的氧化物半导体的薄膜厚度为l(Tl00nm之间。优选地，所制备的氧化物半导体的薄膜厚度为2(T50nm之间。直接溅射的方法将微量掺杂物，氧化铝，氧化铟以及氧化锌四种原料按AlxInyZnz氧化物的目标原子比及AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物的目标比例制成靶材，通过溅射的方式制造成膜；所述X, y和z表示AlxInyZnz氧化物中Al, In和Zn的原子比；所述目标原子比为
O.01 ^ X ^ O. 2,0. 3 ^ y ^ O. 7,0. 3 ^ z ^ O. 7,并且 x+y+z=l ；所述微量掺杂物包括稀土元素，稀土元素的氧化物，4B族元素，4B族元素氧化物， 5B族元素或5B族元素氧化物中的任意ー种或两种以上的组合。可选的，所述稀土元素为La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu,Sc和Y中的任意ー种；所述B族元素为Ti ,Zr和Hf中的任意ー种；所述5B族元素为V，Nb和Ta中的任意ー种。可选的，所述微量掺杂物的量在O. Olwt. %至5wt. %范围内，即O. 01% ^ [微量掺杂物的质量+ (微量掺杂物的质量+AlxInyZnz氧化物的质量)]^ 5%。所制备的氧化物半导体的薄膜厚度为l(Tl00nm之间。优选地，所制备的氧化物半导体的薄膜厚度为2(T50nm之间。为了便于理解，下面以具体应用场景对上述的实施例中描述的氧化物半导体及其制造方法再进行详细描述，具体为应用实例I :所用的AlxInyZnz氧化物的χ=0· 02，y=0. 49，z= = O. 49 ;所用的微量掺杂物为稀土兀素Ce, Ce 的量分别为 O. Olwt. %、0· 05wt. %、0· lwt. %。氧化物半导体的制造方法将上述比例的原料制成ー个靶材，使用直接溅射的方法制造薄膜。所述直接溅射的方法为将事先按目标比例混合各种原料，再统ー使用所述混合各种原料所制成的ー个靶材直接#i射，制造薄膜，厚度为30nm。本应用实例利用上述制造的氧化物半导体薄膜作为沟道层，制造薄膜晶体管(其结构示意图如图I所示)。图I显示了根据实施方式中所述薄膜晶体管的结构，包括基板10，栅极11，绝缘层12，沟道层13，源极14a和漏极14b ;其中，栅极11位于基板10之上，绝缘层12位于栅极11之上，沟道层13位于绝缘层12之上，源极14a和漏极14b分别位于沟道层13的两端。源极14a和漏极14b的间隔左右两端的距离即为沟道长度，源、漏极的前后端的长度即为沟道宽度。首先在玻璃基板上通过溅射的方法制造ー层厚度为300nm的Al薄膜，通过光刻的方法进行图形化，得到栅极11。绝缘层12用阳极氧化的方法制造，厚度为200nm。阳极氧化的具体过程是将制造好铝栅极的基片放入电解质溶液中作为阳极，石墨或导电金属板放入电解质溶液中作为阴极，先在阳极和阴极之间加恒定的电流，此电流最优选的值为
O.ImA/cm2，阳极和阴极之间的电压将随时间线性升高，当电压达到设定值(150V)时恒定这个电压，直至阳极和阴极之间的电流小于O.OlmA/cm2吋，将基片取出用氮气吹干再经过清洗，这时栅极11表面形成一层氧化膜，此氧化膜即为绝缘层12 ;所述电解质溶液为酒石酸铵和こニ醇的混合液。沟道层13通过直接溅射的方法制造，溅射中氧气和氩气的流量分别为50SCCM和4SCCM (SCCM为一种体积流量单位，英文全称为standard-state cubiccentimeter per minute),厚度为30nm。在沟道层13上面采用派射的方法制造ー层氧化铟锡金属氧化物(ITO, Indium Tin Oxides)薄膜,厚度为500nm,采用剥离(lift-off )的方法图形化，同时得到源极14a和漏极14b。应用实例2:所用的AlxInyZnz氧化物的χ=(λ 01，y=0. 33，z=0. 66 ;所用的微量掺杂物为稀土元素Ce，Ce 的量分别为 O. Olwt. %、0· 05wt. %、0· lwt. %。将上述比例的原料制成一个靶材，使用直接溅射的方法制造薄膜，氧化物半导体的制造方法跟与应用实例I 一致，厚度为30nm。本应用实例利用上述制造的薄膜作为沟道层，制造了薄膜晶体管，制造方法与应用实例I相同，此处不再赘述。
应用实例3:所用的AlxInyZnz氧化物的χ=0· 01，y=0. 66，z=0. 33 ;所用的微量掺杂物为稀土元素Ce，Ce 的量分别为 O. Olwt. %、0· 05wt. %、0· lwt. %。将上述比例的原料制成一个靶材，使用直接溅射的方法制造薄膜，氧化物半导体的制造方法跟与应用实例I 一致，厚度为30nm。本应用实例利用上述制造的薄膜作为沟道层，制造了薄膜晶体管，制造方法与应用实例I相同，此处不再赘述。应用实例4:所用的AlxInyZnz氧化物的χ=0· 1，y=0. 45，z=0. 45 ;所用的微量掺杂物为稀土元素Ce，Ce 的量分别为 O. Olwt. %、O. 05wt. %、O. lwt. %。将上述比例的原料制成一个靶材，使用直接溅射的方法制造薄膜，氧化物半导体的制造方法跟与应用实例I 一致，厚度为30nm。本应用实例利用上述制造的薄膜作为沟道层，制造了薄膜晶体管，制造方法与应用实例I相同，此处不再赘述。应用实例I至4中的阈值电压、亚阈值摆幅与Ce的掺杂量的关系如表一所不,从表一中可以看出氧化物半导体TFT的阈值电压随着Ce的掺杂量的增加而増大，同时亚阈值摆幅减小。说明微量掺杂物Ce能起到调控阈值电压、降低亚阈值摆幅的作用。表一
、Ce阈值电压亚阈值摆
应用实例X V Z
(wt.%)(V) 幅(V/dec )--------
_应用实例 I 0.01 __0.02 0.49 0.49 -4.2__0.62 _
应用实例 I I 0.05 10.02 1_0.49] 0.49 1_ -2.3 I: 0.2权利要求
1.ー种氧化物半导体，其特征在于，包括 AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物； 所述X，y和z表示AlxInyZnz氧化物中招(Al),铟(In)和锌(Zn)的原子比；其中，O. Ol 彡 X 彡 O. 2，O. 3 彡 y 彡 O. 7，O. 3 彡 z 彡 O. 7，并且 x+y+z=l ； 所述微量掺杂物包括稀土元素，稀土元素的氧化物，4B族元素,4B族元素氧化物,5B族元素或5B族元素氧化物中的任意ー种或两种以上的组合。
2.根据权利要求I所述氧化物半导体，其特征在于，所述的稀土元素为镧(La)、铯(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钦(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)中的ー种；所述的4B族元素为钛(Ti)、锆(Zr)和铪(Hf)中的ー种；所述的5B族元素为钒(V)和铌(Nb)中的ー种。
3.根据权利要求I或2所述氧化物半导体，其特征在干，所述微量掺杂物的量在 O. Olwt. % 至 5wt. % 范围内。
4.ー种氧化物半导体的制造方法，其特征在于，包括 将微量掺杂物，氧化铝，氧化铟以及氧化锌四种原料分别制造成四个靶材，并安装在四个不同靶位上同时溅射，通过调节不同靶位的溅射功率控制所述四种原料的比例，以达到AlxInyZnz氧化物的目标原子比，及AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物的目标比例； 或，将氧化铝，氧化铟以及氧化锌三种原料按所述目标原子比制造成氧化物靶材，将所述氧化物靶材与微量掺杂物靶材安装在两个不同靶位上同时溅射，通过调节不同靶位的溅射功率控制所述AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物的目标比例； 或，将氧化铝，氧化铟以及氧化锌三种原料中的任意两种按所述目标原子制造成第一靶材，剰余的ー种原料制造成第二靶材；将第一靶材，第二靶材和微量掺杂物靶材安装在三个不同靶位上同时溅射，通过调节不同靶位的溅射功率控制所述AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物的目标比例； 或，将微量掺杂物，氧化铝，氧化铟以及氧化锌四种原料按AlxInyZnz_化物的目标原子比及AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物的目标比例制成靶材，通过溅射的方式制造成膜； 所述X，y和z表示AlxInyZnz氧化物中Al, In和Zn的原子比；所述目标原子比为O. 01 ^ X ^ O. 2,0. 3 ^ y ^ O. 7,0. 3 ^ Z ^ O. 7,并且 x+y+z=l ； 所述微量掺杂物包括稀土元素，稀土元素的氧化物，4B族元素,4B族元素氧化物,5B族元素或5B族元素氧化物中的任意ー种或两种以上的组合。
5.根据权利要求4所述氧化物半导体，其特征在于，所述的稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc 和 Y 中的ー种；所述的 4B 族元素为 Ti、Zr 和Hf中的ー种；所述的5B族元素为V和Nb中的ー种。
6.根据权利要求4或5所述氧化物半导体，其特征在干，所述微量掺杂物的量在O. Olwt. % 至 5wt. % 范围内。
全文摘要
本发明实施例公开了一类可抑制过剩的本征载流子，且电学稳定性高氧化物半导体。本发明实施例的包括AlxInyZnz氧化物和微量掺杂物；所述微量掺杂物包括稀土元素，稀土元素的氧化物，4B族元素，4B族元素氧化物，5B族元素或5B族元素氧化物中的任意一种或两种以上的组合。
文档编号H01L21/203GK102832235SQ20121034286
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者兰林锋, 肖鹏, 彭俊彪 申请人:华南理工大学, 广州新视界光电科技有限公司