专利名称：利用薄膜半导体材料的薄膜晶体管的制作方法
技术领域：
本发明的实施例一般涉及具有半导体材料的场效应晶体管(FET)和薄膜晶体管(TFT)，该半导体材料包含氧、氮及一或多个选自于由锌、镓、镉、铟和锡所构成的群组中的元素。
背景技术：
因TFT阵列可用在常用于电脑和电视平面面板的液晶有源矩阵显示器(LCD)，因此目前潮流对这些装置特别感兴趣。LCD还设有发光二极管(LED)做为背光源。另外，有机发光二极管(OLED)已用于有源矩阵显示器，且这些OLED需要TFT来处理显示器的动作。以非晶硅制作的TFT已成为平面显示器产业的关键部件。可惜非晶硅本身有局限性，例如迁移率低。OLED所需要的迁移率至少是非晶硅的十倍以上。非晶硅的沉积温度高而造成Vth漂移。非晶娃需要闻电流，而闻电流可能导致OLED不稳定。另一方面，多晶娃的迁移率比非晶硅要高。多晶硅为结晶的，这会引起不均匀沉积。由于非晶硅的多项限制，导致OLED的发展困难重重。近年来，已开发出透明TFT，在所述透明TFT中氧化锌用作有源沟道层。氧化锌是一种化合物半导体(compound semiconductor),所述化合物半导体可于相当低的沉积温度下在例如玻璃和塑料等各种基板上生成结晶材料。基于氧化锌的TFT暴露于可见光时并不会降解(degrade)。因此，不像基于硅的TFT需要防护层。没有防护层，TFT保持透明。尽管氧化锋的迁移率闻于非晶娃，但仍不够闻。因此此技术领域中，需要具有透明有源沟道且迁移率高的TFT。
发明内容
本发明大体上包含具有半导体材料的薄膜晶体管(TFT)，该半导体材料包含氧、氮以及一或多个选自于由锌、锡、镓、镉和铟构成群组中的元素，以作为有源沟道。该半导体材料可用于底栅TFT、顶栅TFT和其他类型的TFT。通过蚀刻来图案化TFT以形成沟道和金属电极。接着，使用半导体材料当作蚀刻终止层来执行干法蚀刻，以限定出源极/漏极。有源层的载流子浓度、迁移率以及与TFT其他层的界面可调整成预定值。调整方式可为改变含氮气体与含氧气体的流量比例、退火及/或等离子体处理所沉积的半导体膜，或改变铝掺杂浓度。在一个实施例中，公开一种TFT。晶体管包含半导体层，该半导体层包含氧、氮及一或多个选自于由锌、铟、锡、镉、镓和上述元素的组合所构成的群组中的元素。在另一实施例中，公开一种TFT制造方法。该方法包含沉积半导体层于基板上，该半导体层包含氧、氮及一或多个选自于由锌、铟、锡、镉、镓和上述元素的组合所构成的群组中的元素。在另一个实施例中，公开一种TFT制造方法。该方法包含沉积半导体层于基板上，该半导体层包含氧、氮及一或多个选自于由s轨道与d轨道填满的元素、f轨道填满的元素和上述元素的组合所构成的群组中的元素。该方法还包括沉积源极-漏极层于该半导体层上、第一次蚀刻该源极-漏极层和该半导体层以形成有源沟道，以及第二次蚀刻该源极-漏极层以限定出源极和漏极。
为了更详细了解本发明的上述特征，可参考部分绘示于附图中的实施例来阅读本发明的进一步叙述内容。须注意的是，所述图仅图示本发明的数个代表性实施例，并非用以限定本发明范围，本发明可包含其他等效实施例。图1为根据本发明的一个实施例的PVD室的截面图。图2A-2E为薄膜随氧气流量变化的XRD图，所述XRD图显示形成锌和氧化锌的衍射峰。图3A-3F为根据本发明的一个实施例，在不同氮气流速下形成半导体膜的XRD图。图4A-4G绘示根据本发明的一个实施例形成底栅TFT的工艺顺序。图5为根据本发明的一个实施例的蚀刻终止TFT的截面图。图6为根据本发明的一个实施例的顶栅TFT的截面图。图7为根据本发明的一个实施例的有源矩阵型IXD的示意图。图8为根据本发明的一个实施例的有源矩阵型OLED的示意图。图9 A -9C显示不同有源沟道长度与宽度的Vth。图10A-10C为比较具有共同长度与宽度的有源沟道的Vth。为助于理解，尽可能地以相同元件符号来表示各图中共有的相同元件。某一实施例所公开的元件当可用于其他实施例中，而不需特别提及。
具体实施例方式本发明大体上包含具有半导体材料的薄膜晶体管(TFT)，该半导体材料包含氧、氮及一或多个选自于由锌、锡、镓、镉和铟所构成的群组中的元素以作为有源沟道。该半导体材料可用于底栅TFT、顶栅TFT和其他类型的TFT。通过蚀刻来图案化TFT可形成沟道和金属电极。接着，使用该半导体材料当作蚀刻终止层来执行干法蚀刻，以限定出源极/漏极。有源层的载流子浓度、迁移率和与TFT其他层的界面可调整成预定值。调整方式可为改变含氮气体与含氧气体的流量比例、退火及/或等离子体处理所沉积的半导体膜，或是改变铝掺杂浓度。包含氮、氧以及一或多个选自锌、铟、镓、镉和锡中的元素的半导体膜可由反应性溅射沉积而得。文中以反应性溅射法且施行于处理大面积基板用的PVD室中来做示范说明，PVD室例如取自美国加州圣克拉拉市的应用材料公司(Applied Materials, Inc.)的子公司:美国AKT公司的4300PVD室。然而，依此法制造的半导体膜由薄膜结构和组成而定，故应理解反应性溅射法当可应用到其他系统构造，包括该些设计用来处理大面积圆形基板的系统和其他制造商制造的系统，包括卷挠式(roll-to-roll)处理平台。应理解到，尽管本发明是以PVD为例进行沉积，但其他包括化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或旋涂工艺等方法也可用来沉积本发明的薄膜。图1为根据本发明一实施例的物理气相沉积(PVD)室100的截面图。利用真空泵114排空腔室100。腔室100内，基板102放置在靶材104对面。基板可放置在腔室100内的基座(SUS(^ptor) 106上。致动器112可依箭头“A”抬高及降低基座106。基座106可上升而将基板102抬高到处理位置，且可降下让基板102得以离开腔室100。当基座106位于下降位置时，举升销108抬起基板102而高于基座106。处理时，接地带110将基座106接地。于处理时抬起基座106有助于均匀沉积。靶材104可能包含一或多个靶材104。在一个实施例中，靶材104包含大面积的溅射靶材104。在另一个实施例中，靶材104包含多个靶砖。在又一个实施例中，靶材104包含多个祀条。再一实施例中，祀材104包含一或多个圆柱形旋转式祀材。接合层(未图不)可将靶材104接合至背板116。一或多个磁电管118设在背板116后面。磁电管118可以线性移动或二维路径的方式扫过背板116。暗区护罩(dark space shield) 120和腔室护罩122可保护腔室壁面不受沉积。为了能均匀溅射沉积整个基板102，阳极124可放在靶材104与基板102之间。在一个实施例中，阳极124为涂覆电弧喷涂铝的喷珠处理(bead blasted)不锈钢。在一个实施例中，阳极124的一端透过托架130而装设在腔室壁面。阳极124提供与靶材104相反的电荷，使得带电离子将被阳极124吸引，而非被通常处于接地电位的腔室壁面吸引。通过将阳极124设在靶材104与基板102之间，可使等离子体更均匀并有助于沉积。为减少剥落，冷却流体可流过一或多个阳极124。通过减低阳极124的膨胀与收缩量，可减少材料从阳极124剥落。就较小基板和较小处理室而言，腔室壁面已足以提供接地路径以及使等离子体均匀分布，故不需使用跨越该处理空间的阳极124。对反应性溅射来说，将反应气体供应给腔室100是有益的。一或多个进气管126还可跨越过介于靶材104与基板102间的整个腔室100的距离。就较小基板和较小腔室而言，若常规的进气装置已可达成均匀的气体分布，则不需使用跨越处理空间的进气管126。进气管126可引导来自气体控制板(gas panel) 132的派射气体。利用一或多个联结器128耦接进气管126和阳极124。联结器128可由导热材料组成，允许以传导方式来冷却进气管126。此外，联结器128也可具导电性，使进气管126接地并当作阳极。反应溅射工艺包含将金属 溅射靶材放置于溅射室中且位于基板对面。金属溅射靶材实质上包含一或多个选自由锌、镓、铟、锡和镉所构成的群组中的元素。在一个实施例中，溅射靶材包含一或多种具有填满s轨道与填满d轨道的元素。在另一实个施例中，溅射靶材包含一或多种具有填满f轨道的元素。在又一个实施例中，溅射靶材包含一或多种二价元素。再一个实施例中，溅射靶材包含一或多种三价元素。再另一个实施例中，溅射靶材包含一或多种四价元素。溅射靶材还可包含掺杂剂(dopant)。适用的掺杂剂包括铝(Al)、锡(Sn)、镓(Ga)、钙(Ca)、硅(Si)、钛(Ti)、铜(Cu)、锗(Ge)、铟(In)、镍(Ni)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)、镁(Mg)、氮化硅(SixNy)、氧化铝(AlxOy)和碳化硅(SiC)。在一实施例中，该掺杂剂包含铝。在另一实施例中，掺杂剂包含锡。另一方面，基板可包含塑料、纸、聚合物、玻璃、不锈钢和上述物质的组合物。若基板为塑料，则反应性溅射的施行温度低于约180°C。可沉积的半导体膜层实例包括 ZnOxNy: Al、ZnOxNy: Sn、SnOxNy: Al、InOxNy: Al、InOxNy: Sn、CdOxNy: Al、CdOxNy: Sn、GaOxNy:Al、GaOxNy:Sn、ZnSnOxNy:Al> ZnInOxNy:Al> ZnInOxNy:Sn、ZnCdOxNy:Al> ZnCdOxNy:Sn、ZnGaOxNy: AU ZnGaOxNy: Sn、SnInOxNy:Al、SnCdOxNy:Al、SnGaOxNy: AU InCdOxNy:Al、InCdOxNy: Sn, InGaOxNy: AU InGaOxNy: Sn, CdGaOxNy: AU CdGaOxNy: Sn, ZnSnInOxNy: Al、ZnSnCdOxNy:Al、ZnSnGaOxNy: Al、ZnInCdOxNy: Al、ZnInCdOxNy: Sn、ZnInGaOxNy: Al、ZnInGaOxNy: Sn、ZnCdGaOxNy: Al、ZnCdGaOxNy: Sn、SnInCdOxNy: Al、SnInGaOxNy: Al、SnCdGaOxNy: Al、InCdGaOxNy: Al、InCdGaOxNy: Sn、ZnSnInCdOxNy: Al、ZnSnInGaOxNy: Al、ZnInCdGaOxNy:Al、ZnInCdGaOxNy: Sn、和 SnInCdGaOxNy:Al。溅射工艺期间，可供给氩气、含氮气体和含氧气体至腔室，用于反应性溅射金属靶材。溅射时，诸如二硼烷(B2H6)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)和上述物质的组合物等添加剂也可额外提供给腔室。在一个实施例中，含氮气体包含氮气(N2)。在另一个实施例中，含氮气体包含一氧化亚氮(N2O)、氨气(NH3)或上述物质的组合物。在一个实施例中，含氧气体包含氧气(O2)。在另一个实施例中,含氧气体包含N20。含氮气体的氮和含氧气体的氧与来自溅射靶材的金属反应，而于基板上形成包含金属、氧、氮和选用性掺杂的半导体材料。在一个实施例中，含氮气体和含氧气体为不同气体。在另一个实施例中，含氮气体和含氧气体包含相同气体。所沉积的薄膜为半导体膜。可沉积的半导体膜例子包括ZnOxNy、SnOxNy、InOxNy、CdOxNyλ GaOxNyλ ZnSnOxNyΛ ZnInOxNyΛ ZnCdOxNyΛ ZnGaOxNyΛ SnInOxNyΛ SnCdOxNyΛ SnGaOxNyΛInCdOxNyλ InGaOxNyλ CdGaOxNy' ZnSnInOxNy' ZnSnCdOxNy' ZnSnGaOxNy' ZnInCdOxNy' ZnInGaOxNy'ZnCdGaOxNy' SnInCdOxNy^ SnInGaOxNy' SnCdGaOxNy' InCdGaOxNy' ZnSnInCdOxNy^ ZnSnInGaOxNy^ZnInCdGaOxNy和SnIn CdGaOxNy。上述半导体膜各自可掺杂掺杂剂。半导体膜可包含氮氧化物。在一个实施例中，半导体膜包含金属氮氧化物和金属氮化物。在另一个实施例中，半导体膜包含金属氮氧化物、金属氮化物和金属氧化物。在又一个实施例中，半导体膜包含金属氮氧化物和金属氧化物。再一个实施例中，半导体膜包含金属氮化物和金属氧化物。含氮气体与含氧气体的比例会影响半导体膜的迁移率、载流子浓度和电阻率。表I显示在氩气与氮气氛围中溅射锡靶材时，氮气流速对迁移率、电阻率和载流子浓度的影响。大致说来，表I指出氮气流速增加，迁移率随之提高。氩气与氧气流速维持不变。表I中，氩气流速为60sccm，氧气流速为5sccm。基板温度越高，迁移率越高。载流子浓度与迁移率的关联不大。沉积薄膜为η型半导体材料，所述η型半导体材料电子载流子起主要作用，因此所示载流子浓度为负值。表I
权利要求
1.一种薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包含: 在薄膜晶体管中的半导体层，所述半导体层包含选自于由以下物质构成的组中的化合物: 包含氧、氮、锌、铟和镓的氮氧化物；以及 包含氧、氮、锌和锡的氮氧化物。
2.如权利要求1所述的晶体管，其中所述晶体管为顶栅薄膜晶体管。
3.如权利要求1所述的晶体管，所述薄膜晶体管还包含: 基板； 栅极，所述栅极设置在所述基板上； 栅介质层，所述栅介质层设置在所述栅极上； 设置在所述栅介质层上的所述半导体层；以及 源极与漏极，所述源极与漏极设置在所述半导体层上，且所述源极与漏极相隔开来而限定出有源沟道。
4.如权利要求3所述的晶体管，所述薄膜晶体管还包含蚀刻终止层，所述蚀刻终止层设置在所述有源沟道中的半导体层上。
5.如权利要求1所述的晶体管，其中所述半导体层的迁移率大于约50cm2/V-s。
6.如权利要求1所述的晶体管，其中所述化合物还包含掺杂剂，所述掺杂剂选自于由铝(Al)、钙(Ca)、硅(Si)、钛(Ti)、铜(Cu)、锗(Ge)、镍(Ni)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)、镁(Mg)和上述物质的组合物所构成的组中。
7.如权利要求6所述的晶体管，其中所述化合物包含铝掺杂剂。
8.如权利要求1所述的晶体管，其中所述化合物包含含氧、氮、锌、铟和镓的氮氧化物。
9.如权利要求8所述的晶体管，其中所述化合物还包含掺杂剂。
10.如权利要求9所述的晶体管，其中所述掺杂剂包含铝。
11.如权利要求1所述的晶体管，其中所述化合物包含含氧、氮、锌和铟的氮氧化物。
12.如权利要求11所述的晶体管，其中所述化合物还包含掺杂剂。
13.如权利要求12所述的晶体管，其中所述掺杂剂包含铝。
全文摘要
本发明大体上包含具有半导体材料的薄膜晶体管(TFT)，所述半导体材料包含氧、氮及一或多个选自于由锌、锡、镓、镉和铟所构成的群组中的元素以作为有源沟道。该半导体材料可用于底栅TFT、顶栅TFT和其他类型的TFT中。通过蚀刻来图案化TFT可形成沟道和金属电极。接着，使用该半导体材料当作蚀刻终止层来执行干法蚀刻而限定出源极/漏极。有源层的载流子浓度、迁移率以及与TFT其他层的界面可调整成预定值。调整方式可为改变含氮气体与含氧气体的流量比例、退火及/或等离子体处理所沉积的半导体膜，或是改变铝掺杂浓度。
文档编号H01L29/26GK103151378SQ20131002089
公开日2013年6月12日 申请日期2008年8月1日 优先权日2007年8月2日
发明者叶洋 申请人:应用材料公司