CN101803028B - 利用薄膜半导体材料的薄膜晶体管 - Google Patents

利用薄膜半导体材料的薄膜晶体管 Download PDF

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Abstract

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。

Description

利用薄膜半导体材料的薄膜晶体管
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。非晶硅需要高电流，而高电流可能导致OLED不稳定。另一方面，多晶硅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。尽管氧化锌的迁移率高于非晶硅，但仍不够高。
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。
附图说明
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LCD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9A-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4300 PVD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(susceptor)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包含多个靶条。再一实施例中，靶材104包含一或多个圆柱形旋转式靶材。接合层(未图示)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(gaspanel)132的溅射气体。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℃。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:Al、ZnGaOxNy:Sn、SnInOxNy:Al、SnCdOxNy:Al、SnGaOxNy:Al、InCdOxNy:Al、InCdOxNy:Sn、InGaOxNy:Al、InGaOxNy:Sn、CdGaOxNy:Al、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N2O。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、CdOxNy、GaOxNy、ZnSnOxNy、ZnInOxNy、ZnCdOxNy、ZnGaOxNy、SnInOxNy、SnCdOxNy、SnGaOxNy、InCdOxNy、InGaOxNy、CdGaOxNy、ZnSnInOxNy、ZnSnCdOxNy、ZnSnGaOxNy、ZnInCdOxNy、ZnInGaOxNy、ZnCdGaOxNy、SnInCdOxNy、SnInGaOxNy、SnCdGaOxNy、InCdGaOxNy、ZnSnInCdOxNy、ZnSnInGaOxNy、ZnInCdGaOxNy和SnInCdGaOxNy。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n型半导体材料，所述n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1
含氧气体也会影响半导体膜的迁移率、载流子浓度和电阻率。表II显示在氩气、氮气与氧气氛围中溅射锡靶材时，氧气流速对迁移率、电阻率和载流子浓度的影响。氩气流速维持不变。表II中，氩气流速为60sccm。大致说来，表II指出若氮气与氧气呈高比例，则迁移率将高于非晶硅的迁移率。此外，氮气与氧气的比例越高，载流子浓度越低。氮气流速为200sccm时，迁移率先随着氧气流速增加而提高，但当氧气流速持续增加，迁移率接着将会下降。在一个实施例中，迁移率在150℃时介于约4平方厘米/伏特-秒(cm2/V-s)至约10cm2/V-s之间。迁移率提高与载流子浓度无关。故迁移率提高可能是因为载流子较少散射所致。若无使用氮气添加剂，则迁移率很低。在此情况下，随着氧气流速增加，载流子浓度大幅下降。就锡靶材而言，基板温度越高，迁移率越高。在一个实施例中，压力可介于约5毫托(mTorr)至约20毫托之间。
表II
Figure GSB00000615366400071
掺杂的量也会影响沉积薄膜的迁移率。然不论靶材是否有掺杂，迁移率仍大致随着氮气流量增加而提高。表III显示掺杂对迁移率、载流子浓度和电阻率的影响。掺杂剂按重量百分比表示。各沉积薄膜的氩气流速都一样。表III中，氩气流速为120sccm。使用掺杂剂的载流子浓度比没有使用掺杂剂时要低。因此，掺杂剂可用来调整载流子浓度。
表III
Figure GSB00000615366400081
表IV公开氧气流速对半导体膜的迁移率、载流子浓度和电阻率的影响。一般在氮气流量固定的情况下，薄膜的迁移率先随氧气流量增加而提高，但氧气流速进一步增加之后，迁移率将转而下降。各沉积薄膜的氩气流速都一样。表IV中，氩气流速为120sccm。在一个实施例中，当含氮气体与含氧气体的比例小于约10∶1时，薄膜的迁移率降低。氧气流速增加时，迁移率提高与载流子浓度增加无关。使用掺杂会降低迁移率和载流子浓度。故掺杂量可用来调整载流子浓度和迁移率。
表IV
Figure GSB00000615366400082
Figure GSB00000615366400091
表V显示施加功率密度对半导体膜的迁移率、载流子浓度和电阻率的影响。大致说来，功率密度对迁移率的影响并不大，但功率密度越大，载流子浓度和电阻率越高。在一实施例中，施加至溅射靶材的功率密度介于约0.3瓦/平方厘米(W/cm2)至约1.0W/cm2之间。
表V
Figure GSB00000615366400092
表VI显示使用N2O做为含氧气体来沉积半导体膜的影响。N2O作为含氧气体能有效提高半导体膜的迁移率，以及产生相当低的载流子浓度。
表VI
Figure GSB00000615366400102
表VII列出利用X射线光电子光谱仪(XPS)化学分析包含锡、氧和氮的半导体膜的结果，以及显示含氧气体对薄膜的影响。薄膜1的沉积方式为溅射锡靶材360秒，同时施加400W的直流(DC)偏压于溅射靶材。氩气引入处理室的流速为60sccm，氮气引进流速为200sccm，氧气引进流速为5sccm。沉积温度为250℃。薄膜1的碳含量为22.5原子百分比(atomic％)、氮含量为19.4原子％、氧含量为29.4原子％、氟含量为0.7原子％、锡含量为28.1原子％。若非全部，则碳大多源自外来的碳(即来自吸附在任何接触大气的样品表面上的碳化合物)。薄膜2的沉积方式为溅射锡靶材360秒，同时施加400W的DC偏压至溅射靶材。引入处理室的氩气流速为60sccm，氮气引进流速为200sccm，氧气引进流速为20sccm。沉积温度为250℃。薄膜2的碳含量为17.3原子％、氮含量为4.5原子％、氧含量为49.9原子％、氟含量为0.6原子％、锡含量为27.7原子％。若非全部，则碳大多源自外来的碳(即吸附在任何接触大气的样品表面上的碳化合物)。如表VII所示，随着氧气流速(和氧气与氮气的比例)增加，氮氧化物含量增多，氧化锡含量也增多。然而氮化锡含量和氮氧化硅含量减少。表VII中，R代表氧或氮。
表VII
Figure GSB00000615366400111
Figure GSB00000615366400121
表VIII显示数个溅射沉积的半导体膜的结果。半导体膜包含锌、锡、氧和氮。半导体膜是使用锌含量70原子％、锡含量30原子％的溅射靶材溅射沉积而得。沉积温度为250℃，施加至溅射靶材的功率为400W。沉积时间为360秒，且氩气流速为60sccm，氧气流速为20sccm。数据显示，半导体膜的迁移率随氮气流速(和氮气对氧气的比例)增加而提高。
表VIII
Figure GSB00000615366400122
锌、氧和氮化合物
为测定用来形成含有锌、氧和氮的半导体膜的期望氧气流速，可选择氧气量，使得氧的量不足以将锌完全氧化而产生氧化锌。若供应太多含氧气体，则会过度氧化该薄膜，以致薄膜的迁移率不够高。锌的氧化量会影响透光率。例如，完全氧化的锌具有大于约80％的透光率。一种测定期望氧气流量的方法是使用氩气与氧气并且不使用氮气来施行反应性溅射工艺。可以不同氧气流速进行实验，及测量在可见光波长下的透光率。期望的氧气流量可能是在薄膜恰好达到最大透明度之前的量。表IX列出在不同氧气流速下，反应性溅射沉积的氧化锌的透光率。在一个实施例中，最大透光率较佳为80％。在其他实施例中，倘若算入玻璃吸收或光干涉作用，则最大透光率可能不是80％。实验还可采取不同的DC靶材功率、不同的基板温度、甚至采用不同的含氧气体，例如N2O。
表IX
  氧气流速(sccm/m3)   透光率(％)
  0   ＜5
  50   ＜5
  100   ＜5
  125   82
  150   85
  200   90
另一种测定期望氧气流量的方法是在上述不供应氮气或供应少量氮气的条件下施行反应性溅射形成氧化锌，接着测量薄膜电阻。预定氧气流速为产生约100Ω/sq至1.0×107Ω/sq的薄膜电阻。
又一种测定期望氧气流速的方法为进行X射线衍射(XRD)薄膜结构测量。图2A至图2E为薄膜随氧气流量变化的XRD图，所述XRD图显示形成锌(Zn)和氧化锌(ZnO)的衍射峰。图2A至图2E中，各薄膜的沉积条件为：氩气流速600sccm/m3、1000W和不同氧气流速。
图2A为溅射时不供应氧气所形成的薄膜的XRD图。所述XRD图产生数个不同强度的锌衍射峰。锌(002)衍射峰出现在2θ(即入射X射线与衍射仪侦测器的夹角)介于约35.5至37之间，强度约625计数(count)。锌(100)衍射峰出现在约38至40之间，强度约450计数。锌(101)衍射峰出现在约42.5至44之间，强度约1050计数。锌(102)衍射峰出现在约53至55之间，强度约325计数。锌(103)衍射峰出现在约69.5至70之间，强度约300计数。锌(110)衍射峰出现在约70至71之间，强度约275计数。锌(002)∶锌(100)∶锌(101)∶锌(102)∶锌(103)∶锌(110)的衍射峰高度的比约为2.27∶1.64∶3.82∶1.182∶1.091∶1。所有衍射峰的相分析均使用国际衍射数据中心(ICDD)PDF2数据库(2004修订)标示。
如图2B所示，氧气供应流速为50sccm/m3时，锌衍射峰的强度减弱。锌(002)衍射峰减弱成约500计数。锌(100)衍射峰减弱成约375计数。锌(101)衍射峰减弱成约750计数。锌(102)衍射峰减弱成约250计数。锌(110)衍射峰减弱成约225计数，锌(103)衍射峰消失。锌(002)∶锌(100)∶锌(101)∶锌(102)∶锌(110)的衍射峰高度比约为2.22∶1.67∶3.33∶1.11∶1。
如图2C所示，氧气供应流速为100sccm/m3时，所有锌衍射峰消失，除了锌(101)衍射峰减弱成约375计数。如图2D所示，氧气供应流速为150sccm/m3时，锌衍射峰完全消失，但氧化锌(002)衍射峰出现在约33.5至35之间，强度约950计数。如图2E所示，氧气供应流速增加至200sccm/m3时，氧化锌(002)衍射峰强度提高到约1000计数。
根据XRD数据，氧气供应量应小于约150sccm/m3，因为达150sccm/m3时会出现强的氧化锌衍射峰。应理解氧气流速与腔室大小成正比。故腔室尺寸增大，氧气流速随之增加。同样地，腔室尺寸缩小，氧气流速随之减小。
为测定期望氮气流速，可进行XRD薄膜结构测量。图3A至图3F为根据本发明一个实施例，于不同氮气流速下形成半导体膜的XRD图。图3A至图3F中，各薄膜的沉积条件为：氩气流速600sccm/m3、2000W、氧气流速100sccm/m3和不同氮气流速。
图3A为在无氮气下所沉积的薄膜的XRD图。图中显示数个强峰，包括介于约35至约37之间且强度约575计数的氧化锌(101)与锌(002)衍射峰、介于约38至40之间且强度约380计数的锌(100)衍射峰，以及介于约42.5至44之间且强度约700计数的锌(101)衍射峰。较小的氧化锌(002)衍射峰出现在约35.5至37之间，强度约390计数；锌(102)衍射峰出现在约53至55之间，强度约275计数；锌(103)衍射峰出现在约69.5至70之间，强度约225计数；以及锌(110)衍射峰出现在约70至71之间，强度约225计数。氧化锌(101)∶锌(002)∶锌(100)∶锌(101)∶氧化锌(002)∶锌(102)∶锌(103)∶锌(110)的衍射峰高度比为约2.55∶2.55∶1.24∶3.11∶1.73∶1.22∶1∶1。
如图3B所示，当反应性溅射期间的氮气供应流速为300sccm/m3时，锌与氧化锌衍射峰将大幅减弱至不再存有氧化锌的一点。如图3C所示，氮气流速增加至500sccm/m3时，所有锌与氧化锌衍射峰消失，薄膜则具有非晶结构。
如图3D所示，氮气流速增加至1000sccm/m3时，出现两个新的衍射峰。第一个氮化锌(Zn3N2)(222)衍射峰介于约31至33之间，强度约2050计数。第二个Zn3N2(411)衍射峰介于约35至42之间，强度约1850计数。Zn3N2(222)∶Zn3N2(411)的衍射峰高度比约为1.11∶1。如图3E所示，氮气流速增加至1250sccm/m3时，Zn3N2(222)衍射峰强度为约2500计数，Zn3N2(411)衍射峰强度为约2600计数。Zn3N2(222)∶Zn3N2(411)的衍射峰高度比约为0.96∶1。如图3F所示，氮气流速增加至2500sccm/m3时，Zn3N2(222)衍射峰和Zn3N2(411)衍射峰分别减弱成约2350和2050计数，但在约36至37.5之间产生新的Zn3N2(400)衍射峰，所述Zn3N2(400)衍射峰的强度约1700计数。Zn3N2(222)∶Zn3N2(411)∶Zn3N2(400)的衍射峰高度比为约1.38∶1.21∶1。
根据XRD数据，氮气供应量应大于约300sccm/m3，因为在300sccm/m3时，氧化锌衍射峰会大幅减弱，以致薄膜实质上不含氧化锌。应理解到，氮气流速与腔室大小成正比。故腔室尺寸增大，氮气流速随之增加。同样地，腔室尺寸缩小，氮气流速随之减小。
因此，结合上述氧气流速和氮气流速，可使用氮气对氧气的流速比例大于约2∶1的条件来沉积本文所述的新颖的半导体膜层。在一个实施例中，氮气与氧气的流量比为10∶1至50∶1。在另一个实施例中，氮气与氧气的流量比为20∶1。
如上述，为制造该半导体材料，含氮气体的流速远大于含氧气体的流速。所沉积的半导体材料的迁移率高于非晶硅。表X列出根据本发明一个实施例，迁移率随氮气流速变化的关系。
表X
Figure GSB00000615366400151
Figure GSB00000615366400161
对所有氮气流速来说，在氧气供应0sccm的条件下沉积而得的薄膜，所述薄膜的迁移率低于5cm2/V-s。在氧气供应25sccm/m3的条件下，以氮气流速为1500sccm/m3时所沉积而得的薄膜的迁移率为约8cm2/V-s，氮气流速为2500sccm/m3时所沉积而得的薄膜的迁移率为约15cm2/V-s。在氧气供应200sccm/m3的条件下，氮气流速为1500sccm/m3时所沉积而得的薄膜的迁移率为约1cm2/V-s，以氮气流速为2500sccm/m3时所沉积而得的薄膜的迁移率为约10cm2/V-s。在氧气供应250sccm/m3的条件下，氮气流速为500sccm/m3时所沉积而得的薄膜的迁移率为约5cm2/V-s，氮气流速为1500sccm/m3时所沉积而得的薄膜的迁移率为约2cm2/V-s，氮气流速为2500sccm/m3时所沉积而得的薄膜的迁移率为约12cm2/V-s。
以氧气流速为50sccm/m3至150sccm/m3所沉积的薄膜而言，此薄膜的迁移率明显高于以氧气流速为25sccm/m3所沉积的薄膜，但低于以氧气流速为200sccm/m3以上所沉积的薄膜。另外，以氧气流速为50sccm/m3至150sccm/m3所沉积的薄膜的迁移率远高于非晶硅的迁移率。在大部分的情况下，氮气流速介于1000sccm/m3至2500sccm/m3之间时，薄膜的迁移率高于22cm2/V-s。相较于迁移率约1cm2/V-s的非晶硅，含有锌、氧和氮的半导体膜的迁移率明显较高。因此，以约10∶1至约50∶1的氮气对氧气流量比所形成的半导体膜，所述半导体膜的迁移率比非晶硅的迁移率要大20倍，并且比多晶硅的迁移率要大2倍。应理解到，尽管表中列出多种特定的氮气和氧气流速，但氧气和氮气流速与腔室大小有关，故可依据不同腔室尺寸做调整。
表XI显示根据本发明的一个实施例，薄膜电阻(sheet resistance)、载流子浓度和电阻率随氮气流速变化的情形。氮气与氧气的流量比介于约10∶1至约50∶1时，包含锌、氧和氮的半导体层的薄膜电阻为约100Ω/sq(或表示成Ω/□)至约10000Ω/sq之间。随着氮气流速和氧气流速增加，电子载流子浓度下降。因此，电阻率上升。
表XI
Figure GSB00000615366400171
退火也可有效提高含有锌、氧和氮的半导体膜的迁移率。表XII显示根据本发明的一各实施例，经退火后，迁移率随氮气流速变化的情形。退火后，迁移率大于50cm2/V-s。在一个实施例中，迁移率因退火而提高至大于90cm2/V-s。可在氮气氛围中且于约400℃下进行退火处理约5分钟。
表XII
Figure GSB00000615366400181
掺杂量也会影响含有锌、氮和氧的半导体膜的迁移率。表XIII和表XIV列出以不同氮气与氧气流速反应性溅射掺杂铝的锌溅射靶材时的迁移率、薄膜电阻、载流子浓度和电阻率。因此，可调整溅射靶材的掺杂量，以确保达到预定的迁移率、薄膜电阻、载流子浓度和电阻率。
表XIII
Figure GSB00000615366400191
表XIV
Figure GSB00000615366400201
基座温度也会影响半导体膜的迁移率。表XV列出以不同氮气流速、在30℃、50℃和95℃下溅射锌溅射靶材时的迁移率、薄膜电阻、载流子浓度和电阻率。从表XV可看出，在明显低于400℃的温度下(包括接近室温的温度)进行反应性溅射能有效形成迁移率高于非晶硅与多晶硅的半导体膜。因此，即使没有退火处理，该半导体膜的迁移率仍高于非晶硅。
表XV
Figure GSB00000615366400202
虽然文中举出多个功率的特定值，但应理解施加至溅射靶材的功率与靶材面积成正比。因此介于约10W/cm2至约100W/cm2之间的功率值通常可达到期望的结果。表XVI显示氮气流速为1500sccm/m3至2500sccm/m3之间时，施加DC功率对迁移率、载流子浓度和电阻率的影响。以约1000W至2000W之间的功率形成薄膜的迁移率明显高于非晶硅。
表XVI
Figure GSB00000615366400211
依上述沉积技术沉积而得的薄膜包含具有锌、氮和氧的三元化合物半导体材料，例如ZnNxOy。在一个实施例中，该三元化合物半导体材料为掺杂材料，例如ZnNxOy:Al。相较于具有高电子迁移率和高电子载流子密度的氧化锌，在室温沉积的三元半导体化合物具有高迁移率和低电子载流子密度。在一个实施例中，该三元化合物的迁移率高于30cm2/V-cm，电子载流子密度低于1.0E+19#/cc。如果以约400℃退火处理该薄膜，那么迁移率则提高至大于100cm2/V-cm，而电子载流子密度将低于1.0E+18#/cc，且不会改变薄膜的晶向和组成。即便薄膜为非晶化合物或缺乏定向(poorly oriented)的结晶化合物，该三元化合物仍可达到高迁移率和低电子密度。
相较于氧化锌，也可改善该三元化合物的光学带隙(band gap)。氧化锌的带隙一般为3.2电子伏特(eV)。另一个方面，包含锌、氮和氧的三元化合物的带隙为约从3.1eV至约1.2eV。通过改变诸如氮气与氧气的流量比例、功率密度、压力、退火与沉积温度等沉积参数，可调整带隙。由于带隙较低，该三元化合物可用于光电器件和其他电子器件。在相当高的处理温度下，例如600℃，可将三元化合物薄膜转换成p型或n型半导体材料。退火或等离子体处理可加以微调，故基本上不会改变化合物结构和化学组成。进行微调可使化合物的性质符合采用此化合物的器件性能要求。
该三元化合物可作为TFT器件的透明半导体层、光电器件或太阳能面板中的化合物层，或传感器装置中的化合物层。图4A至图4G绘示根据本发明一实施例的形成底栅TFT 400的工艺步骤。TFT包含基板402。在一个实施例中，基板402可能包括玻璃。在另一个实施例中，基板402包含聚合物。在又一个实施例中，基板402包含塑料。在再一个实施例中，基板402包含金属。
在基板上形成栅极404。栅极404包含导电层，用以控制TFT内带电载流子的移动。栅极404可包含金属，例如铝、钨、铬、钽或上述物质的组合物。栅极404可以常规沉积技术形成，所述沉积技术包括溅射、光刻和蚀刻。栅介质层406沉积于栅极404上。栅介质层406可包含二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或上述物质的组合物。栅介质层406可以已有的沉积技术沉积，所述沉积技术包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
如图4B所示，在栅介质层406上形成有源沟道408(即半导体层)。在一个实施例中，有源沟道408经过退火处理。在另一个实施例中，有源沟道408经过等离子体处理。退火及/或等离子体处理可提高有源沟道408的迁移率。有源沟道408可包含如上述的具有锌、氧和氮的三元化合物。在一个实施例中，该三元化合物掺杂铝。如图4C所示，沉积有源沟道408后，沉积源极-漏极层410于有源沟道408上。在一个实施例中，源极-漏极层410包含金属，例如铝、钨、钼、铬、钽和上述物质的组合物。为了限定有源沟道408和源极与漏极，可蚀刻源极-漏极层410和有源沟道408。
如图4D所示，掩模412位在源极-漏极层410上。掩模412可具有预定图案。利用包括沉积光刻胶及显影图案等常规技术，可将掩模412置于源极-漏极层410上。
如图4E所示，可同时蚀刻有源沟道408和源极-漏极层410。图4F为图4E的上视图。如图4E和图4F所示，利用蚀刻来暴露出有源沟道408。在一个实施例中，可湿法蚀刻源极-漏极层410和一部分的有源沟道408，而露出有源沟道408。在另一个实施例中，可干法蚀刻源极-漏极层410，接着湿法蚀刻一部分的有源沟道408。在又一个实施例中，可蚀刻源极/漏极层410，但不蚀刻有源沟道408。在一个实施例中，可使用含有选自氯、氧、氟或上述物质的组合的元素的气体来执行干法蚀刻。
露出有源沟道408后，使用有源沟道408作为蚀刻终止层来干法蚀刻源极-漏极层410，以限定出源极与漏极。图4G为已暴露的有源沟道408和已限定的源极414与漏极416的上视图。由于等离子体无法有效蚀刻含有锌、氧和氮的三元化合物(某些实施例还含铝)，因此进行干法等离子体蚀刻时，有源沟道408的作用是当作蚀刻终止层。
图5为根据本发明一个实施例的蚀刻终止TFT 500的截面图。蚀刻终止TFT包含基板502、栅极504和栅介质层506。蚀刻终止TFT 500类似上述图4A-4G的底栅TFT，除了蚀刻终止层510是配置在源极512与漏极514之间的有源沟道508上。基板502、栅极504、栅介质层506、有源沟道508、源极512和漏极514的材料可如上述底栅TFT中所示的材料。蚀刻终止层510可包括含有硅以及氧与氮中的一个或多个的介电材料。
图6为根据本发明一实施例的顶栅TFT 600的截面图。顶栅TFT 600包含基板602，基板602上设置有遮光层604。介电层606沉积在遮光层604上。源极608和漏极610沉积在介电层606上。有源沟道层612沉积于源极608和漏极610上。栅介质层614沉积在有源沟道612上，栅极616则沉积在栅介质层614上。用于基板602、栅极616、栅介质层614、有源沟道612、源极608和漏极610的材料可如上述底栅TFT中所示的材料。形成顶栅TFT 600时，可利用湿法蚀刻，或是先干法蚀刻再进行湿法蚀刻来形成沟道与电极接触区。接着，使用有源沟道作为蚀刻终止层来进行干法蚀刻，以限定出接触区。
图7为根据本发明一实施例的有源矩阵型LCD 700的示意图。图7示出TFT基板和滤色器基板，且液晶材料夹设在所述TFT基板与所述滤色器基板之间。TFT控制电流使像素电极产生电场，以控制液晶材料的方向和光线通过滤色器的量。TFT排列在玻璃基板的矩阵中。为控制特定像素，开启适当列，接着往正确行的方向传递电荷。由于与此行相交的其他列皆为关闭，故只有位于指定像素处的电容器接收到电荷。电容器能储存电荷，直到下一个更新循环。若控制施加至晶体的电压量，则会扭开晶体让一些光线穿过。
图7的有源矩阵型LCD 700可由TFT 714控制。TFT 714可开启或关闭像素。LCD 700包含接合焊盘(bonding pad)706、像素电极708、储存电容器728、偏光板702、基板704、取向层710、衬垫料712、短路(short)716、密封垫718、黑矩阵720、滤色器724和公共电极726。
图8为根据本发明一个实施例的有源矩阵型OLED 800的示意图。图8示出TFT，所述TFT控制施予OLED的发光有机层的电流量。有源矩阵型OLED具有完整的阴极层、有机分子层和阳极层，但阳极层覆盖在形成矩阵的TFT阵列上。TFT阵列本身为电路，所述电路决定开启哪个像素来产生图像。有源矩阵型OLED的功率消耗量比无源矩阵型OLED要少，由于TFT阵列需要的功率比外部电路少，故可用于大型显示器。有源矩阵型OLED还具较快的更新速度，因而适合用于视频。有源矩阵型OLED可用于电脑屏幕、大屏幕电视、电子信号和电子看板。
OLED 800可由TFT 802控制，TFT 802用来开启或关闭像素。OLED 800包含TFT 802、阳极804、空穴注入层806、电离层808、缓冲层810、透明阴极812、发光层814和封装层816。
图9A至图9C显示不同的有源沟道长度(L)与宽度(W)的阈值电压(Vth)。图9A显示有源沟道长度40微米(μm)且宽度10微米的Vth。图9B显示有源沟道长度80微米且宽度10微米的Vth。图9C显示有源沟道长度80微米且宽度20微米的Vth。图9A至图9C显示，该三元化合物有源层具有高开-关比例和高电流。
图10A至图10C为比较具有共同的有源沟道长度与宽度的Vth。该有源沟道长度为40微米，宽度为10微米。图10A为非晶硅的Vth。图10B显示未经退火处理的三元化合物。图10C显示退火处理后的三元化合物。图10B的三元化合物TFT在Vg＝1时的源极-漏极电流大于非晶硅在10V时的源极-漏极电流。因此未经退火处理的薄膜比非晶硅要好10倍。
图10C中退火处理后的薄膜更佳。相较于未经退火处理的薄膜，经退火处理的薄膜具有较高的饱和电流。经退火处理的薄膜在Vd＝0.1V时的源极-漏极电流接近非晶硅TFT在Vd＝10V时的电流。故经退火处理的薄膜比非晶硅要好100倍。
通过改变有源层载流子浓度、有源层迁移率和有源层与其他层的界面特性，可调整上述TFT的性能。通过改变沉积薄膜过程中的含氮气体流速，可调整TFT。如上述，溅射沉积有源层过程中所使用的含氮气体与含氧气体比例会影响迁移率、载流子浓度和其他因素。使用者可设定载流子浓度、迁移率或其他特性的预定值，接着依此调整氮气与氧气的流速比，以得到期望的薄膜性质。甚至还可响应于现场测量值来进行调整，以即时控制沉积工艺。
也可通过改变铝掺杂量来调整TFT。铝的掺杂量可预先决定，而使用具有适当组成的溅射靶材放置在处理室内。另外，可在沉积之后或在整合其他薄膜时，退火及/或等离子体处理该有源层以调整TFT。如上述，热处理该三元化合物可提高薄膜的迁移率。
包含氧、氮及一或多个选自于由锌、锡、镓、铟和镉所构成群组中的元素的TFT，所述TFT迁移率高于非晶硅所制成的TFT。提高TFT的迁移率能让TFT不仅可应用于LCD，还可应用到下一代的显示器，OLED。
虽然上文针对本发明的实施例，但在不脱离本发明基本范围的情况下可设计多种本发明的其他或进一步实施例，并且本发明的保护范围当视后附权利要求书所确定。

Claims (20)

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，所述半导体层包含氮氧化物，所述氮氧化物包含氧、氮以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。
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，其中所述氮氧化物还包含掺杂剂，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)和上述元素的组合物所构成的群组中。
7.一种薄膜晶体管制造方法，所述方法包含：
在基板上沉积半导体层，所述半导体层包含氮氧化物，所述氮氧化物包含氧、氮以及一或多个选自于由锌、锡、铟、镓、镉和上述元素的组合所构成的群组中的元素。
8.如权利要求7所述的方法，所述方法还包含：
在基板和栅极上沉积栅介质层；
在所述栅介质层上沉积所述半导体层；
在所述半导体层上沉积导电层；以及
蚀刻所述导电层以限定出源极与漏极和有源沟道。
9.如权利要求8所述的方法，所述方法还包含在沉积所述导电层之前，在所述半导体层上沉积蚀刻终止层。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述氮氧化物还包含掺杂剂，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)和上述元素的组合物所构成的群组中。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述半导体层的迁移率大于约50cm2/V-s。
12.如权利要求7所述的方法，所述方法还包含退火所述半导体层。
13.如权利要求7所述的方法，其中所述沉积包含供应含氮气体与含氧气体到腔室，以及溅射靶材，所述靶材包含一或多个选自于由锌、锡、铟、镓、镉和上述元素的组合所构成的群组中的元素。
14.如权利要求13所述的方法，所述方法还包含在沉积期间，改变所述含氮气体的供应量。
15.一种薄膜晶体管制造方法，所述方法包含：
在基板上沉积半导体层，所述半导体层包含氮氧化物，所述氮氧化物包含氧、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；
在所述半导体层上沉积源极-漏极层；
第一次蚀刻所述源极-漏极层和所述半导体层，以形成有源沟道；以及
第二次蚀刻所述源极-漏极层，以限定出源极与漏极。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述半导体层的迁移率大于约50cm2/V-s。
17.如权利要求15所述的方法，所述方法还包含在沉积期间，改变含氮气体的供应量。
18.如权利要求15所述的方法，其中所述氮氧化物还包含掺杂剂，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)和上述元素的组合物所构成的群组中。
19.如权利要求15所述的方法，所述方法还包含退火所述半导体层。
20.如权利要求15所述的方法，所述方法还包含在沉积所述源极-漏极层之前，在至少一部分的所述半导体层上沉积蚀刻终止层。
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