АМОРФНЫЙ ОКСИД И ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ Российский патент 2010 года по МПК H01L29/786 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к аморфному оксиду. Настоящее изобретение также относится к полевому транзистору, выполненному с использованием указанного аморфного оксида.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В последние годы плоскопанельный дисплей (ППД) получил широкое распространение в результате технологического прогресса в области жидких кристаллов и электролюминесценции (EL). ППД приводится в действие посредством схемы активной матрицы, состоящей из тонкопленочного полевого транзистора (ТПТ), использующего в качестве активного слоя тонкую аморфную кремниевую пленку или тонкую пленку из поликристаллического кремния, расположенную на стеклянной подложке.

С другой стороны, была сделана попытка вместо стеклянной подложки использовать легкую и гибкую полимерную подложку, чтобы еще больше уменьшить толщину ППД, сделать его более тонким и стойким к разрушению. Однако поскольку для производства транзистора с использованием вышеописанной тонкой кремниевой пленки требуется термический процесс со сравнительно высокой температурой, трудно сформировать тонкую кремниевую пленку непосредственно на полимерной подложке с низкой термостойкостью.

В связи с этим активно разрабатывался (выложенная заявка на патент Японии №2003-298062) ТПТ, использующий тонкую полупроводниковую оксидную пленку, содержащую в основном, например, ZnO, который может быть сформирован в виде пленки при низкой температуре.

Однако ТПТ, использующий обычные тонкие пленки оксидных полупроводников, не обеспечивает производительность на том уровне, который характерен для ТПТ, использующего кремний.

Настоящее изобретение относится к аморфному оксиду, а также к полевому транзистору, использующему аморфный оксид.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является предоставление аморфного оксида, который функционирует как подходящий полупроводник, для использования в активном слое полупроводникового устройства, например тонкопленочного транзистора, а также предоставление полевого транзистора.

Согласно аспекту настоящего изобретения предоставляется аморфный оксид, содержащий микрокристаллы и имеющий концентрацию электронных носителей менее 10¹⁸/см³. Аморфный оксид предпочтительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из In, Zn и Sn.

В качестве альтернативы, аморфный оксид предпочтительно представляет собой любой оксид, выбранный из группы, состоящей из: оксида, содержащего In, Zn и Sn; оксида, содержащего In и Zn; оксида, содержащего In и Sn; и оксида, содержащего In.

В качестве альтернативы, аморфный оксид предпочтительно представляет собой оксид, содержащий In, Zn и Sn.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется аморфный оксид, в котором подвижность электронов увеличивается с увеличением концентрации электронных носителей.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предоставляется полевой транзистор, содержащий активный слой, сформированный из аморфного оксида, содержащий микрокристаллы и электрод затвора, сформированный таким образом, чтобы он был обращен к активному слою через изолятор затвора.

Транзистор предпочтительно представляет собой транзистор нормально выключенного типа.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предоставляется аморфный оксид, состав которого изменяется с толщиной слоя и который имеет концентрацию электронных носителей менее 10¹⁸/см³.

Аморфный оксид предпочтительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из In, Zn и Sn.

В качестве альтернативы, аморфный оксид предпочтительно выбирают из группы, состоящей из: оксида, содержащего In, Zn и Sn; оксида, содержащего In и Zn; оксида, содержащего In и Sn; и оксида, содержащего In.

В качестве альтернативы, аморфный оксид предпочтительно представляет собой оксид, содержащий In, Zn и Sn.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется полевой транзистор, содержащий

активный слой из аморфного оксида, состав которого изменяется с толщиной слоя, и

электрод затвора, сформированный таким образом, чтобы он был обращен к активному слою через изолятор затвора,

причем активный слой содержит первую область и вторую область, которая расположена ближе к изолятору затвора, чем первая область, и концентрация кислорода в первой области выше, чем концентрация кислорода во второй области.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется полевой транзистор, содержащий

активный слой из аморфного оксида, имеющий, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из In, Zn и Sn, и

электрод затвора, сформированный таким образом, чтобы он был обращен к активному слою через изолятор затвора,

причем активный слой содержит первую область и вторую область, которая расположена к изолятору затвора ближе первой области, и концентрация In во второй области выше, чем концентрация кислорода в первой области, или концентрация Zn во второй области выше, чем концентрация кислорода в первой области.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предоставляется аморфный оксид, состав которого изменяется в направлении толщины слоя,

причем подвижность электронов увеличивается с увеличением концентрации электронных носителей.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется полевой транзистор, содержащий

активный слой из аморфного оксида, имеющего, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из In и Zn, и

электрод затвора, сформированный таким образом, чтобы он был обращен к активному слою через изолятор затвора,

причем активный слой содержит первую область и вторую область, которая расположена ближе к изолятору затвора, чем первая область, и концентрация In во второй области выше, чем концентрация In в первой области, или концентрация In во второй области выше, чем концентрация In в первой области.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предоставляется аморфный оксид, содержащий один тип элемента или множество типов элементов, выбранных из группы, состоящей из Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, P, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn и F, и имеющий концентрацию электронных носителей менее 10¹⁸/см³.

Аморфный оксид предпочтительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из In, Zn и Sn.

В качестве альтернативы, аморфный оксид предпочтительно выбирают из группы, состоящей из: оксида, содержащего In, Zn и Sn; оксида, содержащего In и Zn; оксида, содержащего In и Sn; оксида, содержащего In.

В качестве альтернативы, аморфный оксид предпочтительно содержит In, Zn и Ga.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется аморфный оксид, содержащий, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, P, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn и F, причем подвижность электронов увеличивается с увеличением концентрации электронных носителей.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется полевой транзистор, содержащий

активный слой из аморфного оксида, содержащего, по меньшей мере, один элемента, выбранный из группы, состоящей из Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, P, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn и F, и

электрод затвора, сформированный таким образом, чтобы он был обращен к активному слою через изолятор затвора.

Более того, в настоящем изобретении аморфный оксид предпочтительно выбирают из группы, состоящей из: оксида, содержащего In, Zn и Sn; оксида, содержащего In и Zn; оксида, содержащего In и Sn; оксида, содержащего In.

В результате исследований оксидных полупроводников авторами настоящего изобретения было обнаружено, что вышеуказанный ZnO формируется в виде поликристаллической фазы, вызывающей рассеяние носителей на поверхности между поликристаллическими гранулами с более низкой электронной подвижностью. Более того, было обнаружено, что в ZnO образуется большое количество кислородных дефектов, что приводит к появлению большого количества электронов и усложняет уменьшение электропроводности. Таким образом, даже если к транзистору не приложено напряжение затвора, между терминалом истока и терминалом стока возникает сильный электрический ток, который не позволяет получить нормально выключенное состояние ТПТ и увеличивает отношение транзистора ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО.

Авторы настоящего изобретения исследовали пленку из аморфного оксида Zn_xM_yIn_zO_{(x+3y/2+3z/2)} (где М представляет собой, по меньшей мере, один из Al или Ga), описанную в выложенной заявке на патент Японии №2000-044236. Материал имеет концентрацию электронных носителей не менее 1×10¹⁸/см³ и подходит для использования в качестве прозрачного электрода. Однако оксид, с концентрацией электронных носителей не менее 1×10¹⁸/см³, используемый в канальном слое ТПТ, не может обеспечить достаточное отношение ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО и не подходит для ТПТ нормально выключенного типа. Таким образом, обычная пленка из аморфного оксида не обеспечивает концентрацию электронных носителей меньшую чем 1×10¹⁸/см³.

Авторы настоящего изобретения изготовили ТПТ, используя в качестве активного слоя полевого транзистора аморфный оксид с концентрацией электронных носителей менее 1×10¹⁸/см³. Было обнаружено, что ТПТ имеет желаемые характеристики и может быть использован в плоскопанельном дисплее, таком как светоизлучающее устройство.

Более того, авторы настоящего изобретения исследовали материал InGaO₃(ZnO)_m и условия формирования пленки из этого материала и обнаружили, что путем управления параметрами кислородсодержащей атмосферы во время формирования пленки можно довести концентрацию носителей в этом материале до уровня менее 1×10¹⁸/см³.

Приведенные выше пояснения даны с точки зрения использования аморфного оксида в качестве активного слоя, который функционирует, например, в качестве канального слоя ТПТ. Однако настоящее изобретение не ограничивается случаем, в котором используется такой активный слой.

Вышеприведенное описание в основном дано для случая, в котором аморфный оксид используется в качестве активного слоя, функционирующего в качестве канального слоя ТПТ. Однако настоящее изобретение не ограничивается таким случаем.

Согласно настоящему изобретению предоставляется аморфный оксид, который подходит для использования в канальном слое транзистора, например ТПТ. Настоящее изобретение также предоставляет полевой транзистор, имеющий хорошие рабочие характеристики.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой диаграмму, показывающую связь между концентрацией электронных носителей в аморфной пленке на основе In-Ga-Zn-O, сформированной способом импульсного лазерного осаждения, и парциальным давлением кислорода во время формирования пленки;

Фиг.2 представляет собой диаграмму, показывающую связь между электропроводностью аморфной пленки на основе In-Ga-Zn-O, сформированной способом напыления в атмосфере аргона, и парциальным давлением кислорода во время формирования пленки;

Фиг.3 представляет собой диаграмму, показывающую связь между количеством электронных носителей и подвижностью электронов в аморфной пленке на основе In-Ga-Zn-O, сформированной способом импульсного лазерного осаждения;

Фиг.4А, 4В и 4С представляют собой диаграммы, показывающие изменение электропроводности, концентрации носителей и подвижности электронов в зависимости от значения х в пленке InGaO₃(Zn_1-xMg_xO), сформированной способом импульсного лазерного осаждения в атмосфере при парциальном давлении кислорода, равном 0,8 Па;

Фиг.5 представляет собой блок-схему, показывающую структуру МДП-транзистора с верхним затвором;

Фиг.6 представляет собой диаграмму, показывающую вольт-амперную характеристику МДП-транзистора с верхним затвором;

Фиг.7 представляет собой блок-схему, показывающую устройство для импульсного лазерного осаждения; и

Фиг.8 представляет собой блок-схему, показывающую устройство для формирования пленки напылением.

НАИЛУЧШИЕ РЕЖИМЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже описаны первое-третье изобретения согласно первому-третьему вариантам осуществления, соответственно. Затем описан материал аморфного оксида, применяемый в настоящем изобретении. В описанных ниже вариантах осуществления оксид на основе In-Ga-Zn-O, как правило, описывается в вариантах осуществления; однако настоящее изобретение не ограничено таким материалом.

Первый вариант осуществления: аморфный оксид, имеющий микрокристаллы

Изобретение согласно первому варианту осуществления относится к аморфному оксиду, отличающемуся тем, что он содержит микрокристалл(микрокристаллы). Содержится или нет микрокристалл(микрокристаллы) в аморфном оксиде определяют, используя ТЕМ (трансмиссионную электронную микроскопическую) фотографию участка, сформированного пленкой из аморфного оксида. Пленка из аморфного оксида согласно настоящему изобретению содержит In-Ga-Zn-O, и состав пленки из аморфного оксида в кристаллическом состоянии представлен в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6).

Оксиды, обозначенные в описании термином “аморфный оксид” имеют концентрацию электронных носителей менее 10¹⁸/см³ или проявляют тенденцию, при которой с увеличением подвижности электронов увеличивается концентрация электронных носителей. В зависимости от типа использования ТПТ предпочтительным является изготовление ТПТ нормально выключенного типа.

В качестве альтернативы, пленка из аморфного оксида согласно настоящему изобретению содержит In-Ga-Zn-Mg-O, и состав пленки из аморфного оксида в кристаллическом состоянии представлен в виде InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6, 0<x≤1). Предпочтительным является то, что такие пленки из аморфного оксида имеют подвижность электронов выше 1 см²/В·сек.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что использование такой упомянутой выше пленки в качестве канального слоя создает возможность для формирования гибкого ТПТ со следующими рабочими характеристиками: ток затвора менее 0,1 микроампер в выключенном ТПТ (нормально выключен), отношение ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО превышает 1×10³ и является проницаемым для видимого света.

Такая прозрачная пленка характеризуется тем, что подвижность электронов увеличивается с увеличением количества проводящих электронов. В качестве подложки для формирования прозрачной пленки можно использовать стеклянную подложку, пластмассовую подложку и пластмассовую пленку.

При использовании в качестве канального слоя транзистора прозрачной оксидной пленки предпочтительным является использование в качестве изолятора затвора одного типа соединения, выбранного из группы, состоящей из: Al₂O₃, Y₂O₃ и HfO₂, или смешанного кристаллического соединения, содержащего, по меньшей мере, два типа соединений, выбранных из группы, состоящей из Al₂O₃, Y₂O₃ и HfO₂.

С целью усиления электрической сопротивляемости предпочтительным является формирование пленки (прозрачной оксидной пленки) в содержащей кислород атмосфере при облучении света без добавления посторонних ионов.

Состав пленки

В прозрачной тонкой пленке из аморфного оксида, которая имеет состав в кристаллическом состоянии, представленный в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6), аморфное состояние сохраняется до температуры 800°С или выше, если m меньше 6. Однако поскольку m увеличивается, другими словами, отношение ZnO к InGaO₃ увеличивается (то есть, состав пленки приближается к ZnO), пленка кристаллизуется легче.

По этой причине предпочтительным является, чтобы значение m было меньше 6 при использовании аморфной пленки в качестве канального слоя аморфного ТПТ. Однако было обнаружено, что при формировании пленки при облучении светом микрокристаллы могут формироваться даже при небольших значениях m.

Пленка может быть сформирована способом формирования пленки из паровой фазы с поликристаллическим спеченным корпусом, имеющим состав InGaO₃(ZnO)_m, который используется в качестве мишени. Для способа формирования пленки из паровой фазы являются подходящими способ напыления и способ импульсного лазерного осаждения. Более того, способ напыления более предпочтителен с точки зрения массового производства.

Однако при формировании такой аморфной пленки в обычных условиях в основном образуются кислородные дефекты. Следовательно, концентрация электронных носителей не может быть уменьшена ниже 1×10¹⁸/см³, другими словами, 10 См/см или меньше в терминах электропроводности. При использовании такой обычной тонкой пленки не может быть сформирован транзистор нормально выключенного типа. Однако если прозрачная пленка из аморфного оксида, имеющая состав In-Ga-Zn-O, причем состав в кристаллическом состоянии представлен в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6), формируется способом импульсного лазерного осаждения при помощи устройства, показанного на Фиг.7, в атмосфере, имеющей парциальное давление кислорода выше 3,2 Па, концентрация электронных носителей может быть уменьшена ниже, чем 1×10¹⁸/см³. В этом случае, подложку специально не нагревают и, следовательно, поддерживают приблизительно комнатную температуру. Если в качестве подложки используется пластмассовая пленка, температура пластмассовой пленки предпочтительно поддерживается ниже 100°С.

Согласно варианту осуществления изобретения аморфный оксид содержит In-Ga-Zn-O и формируется при помощи способа импульсного лазерного осаждения при облучении светом. Более конкретно, изобретение относится к прозрачной тонкой пленке из аморфного оксида, содержащей микрокристалл(микрокристаллы), представленный составом в кристаллическом состоянии в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6). С использованием такой пленки может быть сформирован транзистор нормально выключенного типа.

В такой тонкой пленке можно получить подвижность электронов, превышающую 1 см²/В·сек, и высокое отношение ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО, превышающее 1×10³.

Более того, настоящее изобретение относится к аморфному оксиду, содержащему In-Ga-Zn-O и сформированному способом напыления с использованием газообразного аргона при облучении светом. Более конкретно, настоящее изобретение относится к прозрачной тонкой пленке из аморфного оксида, содержащей микрокристалл(микрокристаллы), представленного составом в кристаллическом состоянии в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6). Такая пленка может быть получена способом напыления при помощи устройства, показанного на Фиг.8, в атмосфере с парциальным давлением кислорода выше 1×10^-2 Па. В этом случае температуру подложки специально не увеличивают и, таким образом, поддерживают приблизительно комнатную температуру. Если в качестве подложки используется пластмассовая пленка, температура подложки предпочтительно поддерживается ниже 100°С. Количество электронных носителей может быть уменьшено путем увеличения парциального давления кислорода.

Более конкретно, настоящее изобретение относится к аморфному оксиду, содержащему In-Ga-Zn-O и сформированному способом напыления при облучении светом. Согласно настоящему изобретению транзистор нормально выключенного типа, имеющий отношение ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО, превышающее 1×10³, может быть сформирован при помощи прозрачной тонкой пленки из аморфного оксида, содержащей микрокристалл(микрокристаллы), представленного составом в кристаллическом состоянии в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6).

В тонкой пленке, изготовленной при помощи способа импульсного лазерного осаждения и способом напыления при облучении светом, подвижность электронов увеличивается с увеличением количества проводящих электронов.

В этом случае, если в качестве мишени используется поликристалл InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6, 0<x≤1), может быть получена аморфная пленка с высокой устойчивостью, имеющая состав InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m даже при парциальном давлении кислорода меньше 1 Па.

Как описано выше, можно избежать образования кислородных дефектов, регулируя парциальное давление кислорода. В результате концентрация электронных носителей может быть уменьшена без добавления заданных посторонних ионов. Аморфный оксид согласно настоящему изобретению может быть получен путем формирования тонкой пленки согласно любой одной из Фиг.1-5 при облучении светом. Если используется устройство по Фиг.7 или 8, пленка может быть сформирована при парциальном давлении кислорода, например, в заданной области, как описано ниже. В аморфном состоянии, содержащем микрокристалл(микрокристаллы) граница раздела зерен микрокристалла покрыта (окружена) аморфной структурой. Следовательно, фактически не существует границы раздела зерен, способной захватывать подвижные электроны и дырки, в отличие от поликристаллического состояния, подобного оксиду цинка. В результате может быть получена тонкая аморфная пленка, имеющая высокую подвижность электронов. Более того, количество проводящих электронов может быть уменьшено без добавления заданных посторонних ионов. Поскольку электроны не рассеиваются ионами примеси, может сохраняться высокая подвижность электронов. Микрокристаллы согласно настоящему изобретению не ограничены микрокристаллами, имеющими состав, представленный в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6).

В транзисторе с тонкой пленкой, использующем вышеуказанную прозрачную пленку, изолятор затвора предпочтительно формируют из смешанного кристаллического соединения, содержащего, по меньшей мере, два соединения, выбранных из группы, состоящей из Al₂O₃, Y₂O₃ и HfO₂. Если дефект (дефицит) имеется на границе между затвором, изолирующим тонкую пленку и тонкую пленку канального слоя, то подвижность электронов уменьшается и имеет место гистерезис как характеристика транзистора. Более того, если тип изолятора затвора отличается, ток утечки сильно изменяется. По этой причине необходимо выбрать подходящий изолятор затвора для канального слоя. Если используется Al₂O₃ пленка (в качестве изолятора затвора), ток утечки может быть уменьшен. Если используется Y₂O₃ пленка (в качестве изолятора затвора), может быть уменьшен гистерезис. Если используется HfO₂ пленка, имеющая высокую диэлектрическую постоянную, может быть увеличена подвижность электронов. Более того, если используется смешанный кристалл из этих соединений (в качестве изолятора затвора), ток утечки, можно сформировать ТПТ, имеющий небольшой ток утечки и гистерезис, и большую подвижность электронов. Поскольку процесс формирования изолятора затвора и процесс формирования канального слоя могут выполняться при комнатной температуре, может быть сформирован не только ТПТ с шахматной структурой, а также ТПТ с обратной шахматной структурой.

ТПТ представляет собой устройство, имеющее три терминала, а именно терминал затвора, терминал истока и терминал стока. Полупроводниковая тонкая пленка, сформированная на изолирующей подложке, такой как керамическое стекло, или пластмассовая подложка используется в ТПТ в качестве канального слоя для миграции электронов и дырок через этот слой. Ток, текущий через канальный слой, управляется путем приложения напряжения к терминалу затвора, тем самым переключая ток между терминалом истока и терминалом стока. Поскольку ТПТ имеет такую функцию переключения, он является активным устройством. Необходимо отметить, что микрокристаллы, содержащиеся в аморфном оксиде, могут быть сформированы путем облучения светом (а именно, облучением света, используя галогенную лампу или УФ облучение), как упоминалось выше, и могут быть сформированы другими способами помимо облучения светом.

Второй вариант осуществления: Композиционное распределение аморфного оксида

Согласно этому варианту осуществления аморфный оксид характеризуется составом, изменяющимся в направлении толщины.

Фраза “состав, изменяющийся в направлении толщины” означает, что количество кислорода, содержащегося в оксиде, изменяется в направлении толщины пленки, и элементы, составляющие оксид, изменяются в середине (то есть, изменяется состав), и изменяется содержание элементов, составляющих оксид.

Следовательно, если аморфный оксид используется в качестве активного слоя (также называемого канальным слоем) полевого транзистора, например, является предпочтительным следующее строение. В транзисторе, имеющем активный слой, содержащем аморфный оксид и изолятор затвора, которые находятся в контакте друг с другом на границе раздела, слой аморфного оксида устроен таким образом, что концентрация кислорода около границы раздела выше, чем в области удаленной от границы раздела. В этом случае, поскольку электрическое сопротивление слоя аморфного оксида, расположенного ближе к границе раздела, выше, то так называемый канал транзистора формируется внутри слоя аморфного оксида, удаленного от границы раздела. Такое строение является предпочтительным, когда граница раздела представляет собой неровную поверхность, поскольку может быть уменьшена утечка тока.

То есть в случае использования вышеуказанного аморфного оксида в качестве активного слоя транзистора является предпочтительным разработать активный слой таким образом, чтобы он содержал первую область и вторую область, расположенную к изолятору затвора ближе первой области, причем концентрация кислорода во второй области превышала концентрацию кислорода в первой области. В этой связи нет необходимости в том, чтобы обе области различались на своих границах, но соответствующие их составы могут меняться постепенно или ступенчато.

В частности, концентрация электронных носителей аморфного оксида предпочтительно меньше 10¹⁸/см³.

Направление пленки, сформированное на подложке, означает любое направление, которое не является направлением на плоскости подложки, т.е. направлением, перпендикулярным направлению плоскости подложки. Более того, в транзисторе, имеющем активный слой, сформированный аморфным оксидом, имеющим, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из In и Zn, и изолятор затвора, находящийся в контакте с активным слоем на границе раздела, концентрация In и Zn, содержащаяся в области слоя аморфного оксида (активного слоя), расположенной близко к границе раздела, выше, чем их концентрация в области, расположенной дальше от границы раздела. В этом случае может быть увеличена дрейфовая подвижность электронов.

То есть в случае использования вышеуказанного аморфного оксида в качестве активного слоя транзистора предпочтительной является разработка активного слоя таким образом, чтобы он содержал первую область и вторую область, которая расположена к изолятору затвора ближе первой области, причем концентрация In и Zn во второй области выше их концентрации в первой области.

Согласно второму изобретению оксидная пленка содержит In-Ga-Zn-O, и ее состав изменяется в направлении толщины пленки, и отличается тем, что состав части, имеющей кристаллическое состояние, представлен в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6), и концентрация электронных носителей ниже 1×10¹⁸/см³.

В качестве альтернативы, оксидная пленка согласно второму изобретению представляет собой прозрачную пленку из аморфного оксида, содержащую In-Ga-Zn-Mg-O и отличающуюся тем, что состав изменяется в направлении толщины пленки, и состав части, находящейся в кристаллическом состоянии, представлен в виде InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6, 0<x≤1), и концентрация электронных носителей ниже 1×10¹⁸/см³. Необходимо отметить, что также является предпочтительным, чтобы эти пленки имели подвижность электронов выше 1 см²/В·сек.

Если вышеуказанная пленка используется в качестве канального слоя, предпочтительным является получение гибкого ТПТ, имеющего следующие характеристики транзистора: ток затвора меньше 0,1 микроампера при выключенном ТПТ (нормально выключенном), отношение ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО выше 1×10⁴, проницаемость для видимого света.

Необходимо отметить, что такая прозрачная пленка отличается тем, что подвижность электронов увеличивается с увеличением количества проводящих электронов. В качестве подложки для формирования прозрачной пленки может использоваться стеклянная подложка, пластмассовая подложка или пластмассовая пленка.

Если прозрачная оксидная пленка используется в качестве канального слоя транзистора, предпочтительным является использование в качестве изолятора затвора одного типа из соединений, выбранных из группы, состоящей из Al₂O₃, Y₂O₃ и HfO₂ или смешанного кристаллического соединения, содержащего, по меньшей мере, два типа соединений, выбранных из группы, состоящей из Al₂O₃, Y₂O₃ и HfO₂.

Предпочтительным является, чтобы пленка (прозрачная оксидная пленка) была сформирована в атмосфере, содержащей кислород, без добавления посторонних ионов с целью усиления электрического сопротивления.

Авторы настоящего изобретения обнаружили специфическую особенность полуизолирующей тонкой пленки из аморфного оксида. То есть подвижность электронов увеличивается с увеличением количества проводящих электронов. Был сформирован ТПТ, использующий такую пленку, и было обнаружено, что дополнительно улучшились рабочие характеристики транзистора, такие как отношение ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО, ток насыщения в состоянии отсечки и скорость переключения.

В пленочном транзисторе, сформированном с использованием прозрачной полуизолирующей тонкой пленки из аморфного оксида в качестве канального слоя, если подвижность электронов больше 1 см²/В·сек, предпочтительно больше 5 см²/В·сек, и концентрация электронных носителей ниже 1×10¹⁸/см³, предпочтительно ниже 1×10¹⁶/см³, ток между терминалами стока и истока во время выключения (не прикладывается напряжение затвора) может быть уменьшен ниже 10 микроампер, предпочтительно, ниже 0,1 микроампер. Более того, в этом случае (при использовании вышеупомянутой тонкой пленки), если подвижность электронов выше 1 см²/В·сек, предпочтительно выше 5 см²/В·сек, ток насыщения после отсечки может быть увеличен выше 10 микроампер. Другими словами, отношение ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО может быть увеличено до 1×10⁴.

В ТПТ высокое напряжение прикладывается к терминалу затвора в состоянии отсечки, что приводит к возникновению большой плотности электронов в канале. Следовательно, согласно настоящему изобретению ток насыщения может увеличиваться во время соответствующего увеличения подвижности электронов. В результате почти все рабочие характеристики транзистора, такие как ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО, ток насыщения и скорость переключения увеличиваются и улучшаются. Необходимо отметить, что в обычном соединении при увеличении количества электронов между ними происходят столкновения друг с другом, в результате которых снижается подвижность электронов.

Аморфный оксид согласно настоящему изобретению может использоваться в ТПТ, имеющем шахматную структуру (верхний затвор), в котором изолятор затвора и терминал затвора формируют последовательно в таком порядке на полупроводящем канальном слое, и ТПТ, имеющем обратную шахматную структуру (нижний затвор), в котором изолятор затвора и полупроводящий канальный слой формируют последовательно в таком порядке на терминале затвора.

Состав пленки

В прозрачной тонкой пленке из аморфного оксида, кристаллическая часть которой имеет состав, представленный в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6), если значение m меньше 6, аморфное состояние может стабильно поддерживаться до температуры 800°С или больше. Однако с увеличением значения m, другими словами, отношение ZnO к InGaO₃ увеличивается (т.е. состав пленки приближается к ZnO), пленка кристаллизуется легче.

По этой причине предпочтительным является, чтобы значение m было меньше 6, если аморфная пленка используется в качестве канального слоя аморфного ТПТ.

В тонкопленочном транзисторе, использующем вышеуказанную прозрачную пленку, предпочтительно используется изолятор затвора, сформированный из смешанного кристаллического соединения, содержащего один тип соединения, выбранного из группы, состоящей из Al₂O₃, Y₂O₃ и HfO₂, или смешанное кристаллическое соединение, содержащее, по меньшей мере, два типа соединений, выбранных из группы, состоящей Al₂O₃, Y₂O₃ и HfO₂. Если дефект (дефицит) имеется на границе между затвором, изолирующим тонкую пленку и тонкую пленку канального слоя, подвижность электронов уменьшается и имеет место гистерезис как характеристика транзистора. Более того, если тип изолятора затвора отличается, ток утечки сильно изменяется. По этой причине необходимо выбирать подходящий изолятор затвора для канального слоя. Если используется Al₂O₃ пленка (в качестве изолятора затвора), ток утечки может быть уменьшен. Если используется Y₂O₃ пленка (в качестве изолятора затвора), может быть уменьшен гистерезис. Если используется HfO₂ пленка, имеющая высокую диэлектрическую постоянную, может быть увеличена подвижность электронов. Более того, если используется смешанный кристалл из этих соединений (в качестве изолятора затвора), ток утечки, можно сформировать ТПТ, имеющий небольшой ток утечки и гистерезис и большую подвижность электронов. Поскольку процесс формирования изолятора затвора и процесс формирования канального слоя могут выполняться при комнатной температуре, может быть сформирован не только ТПТ с шахматной структурой, а также ТПТ с обратной шахматной структурой.

ТПТ представляет собой устройство, имеющее три терминала, а именно терминал затвора, терминал истока и терминал стока. Полупроводниковая тонкая пленка, сформированная на изолирующей подложке, такой как керамическое стекло, или пластмассовая подложка, используется в ТПТ в качестве канального слоя для миграции электронов и дырок через этот слой. Ток, текущий через канальный слой, управляется путем приложения напряжения к терминалу затвора, таким образом переключая ток между терминалом истока и терминалом стока. Поскольку ТПТ имеет такую функцию переключения, он является активным устройством.

Как описано выше, второе изобретение относится к улучшению состава в направлении толщины прозрачной пленки, которая функционирует в качестве активного слоя полевого транзистора (ТПТ), если ТПТ сформирован с использованием прозрачной пленки.

Для более подробного объяснения, при использовании способа импульсного лазерного осаждения состав изменяется в направлении толщины пленки путем изменения парциального давления кислорода в направлении толщины пленки, изменяющей энергию осцилляции импульсного лазера или частоту осцилляции, или изменяется расстояние между мишенью и подложкой в направлении толщины пленки. С другой стороны, если используется способ шахматного распределения, состав изменяется в направлении толщины пленки дополнительно к шахматному порядку мишени, такой как In₂O₃ или ZnO. Например, если пленка формируется в атмосфере кислорода, количество кислорода, содержащегося в пленке, увеличивается с увеличением расстояния между мишенью и подложкой. Более того, если ZnO мишень добавляется во время формирования пленки, в пленке, сформированной после добавления Zn мишени, количество Zn увеличивается.

Третий вариант осуществления: Аморфный оксид, содержащий добавку(добавки)

Аморфный оксид согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что аморфный оксид содержит в качестве добавки, по меньшей мере, один или множество типов элементов, выбранных из группы, состоящей из: Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, P, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn и F. Введение добавки в аморфный оксид достигается путем введения добавки в газ, используемый в устройстве формирования пленки, или в целевой материал, который используется в устройстве. Как правило, после формирования пленки из аморфного оксида без добавок в пленку может быть введена добавка, как описано ниже в примерах.

Концентрация электронных носителей аморфной пленки предпочтительно меньше 10¹⁸/см³.

Аморфный оксид согласно настоящему изобретению может включать прозрачный аморфный оксид, содержащий In-Ga-Zn-O, состав которой в кристаллическом состоянии представлен в виде InGaO₃(ZnO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6), и включает оксид, содержащий In-Ga-Zn-Mg-O, состав которой в кристаллическом состоянии представлен в виде InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m (m представляет собой натуральное число меньше 6, 0<х≤1). Более того, в таких оксидах, по меньшей мере, в качестве добавки вносят один тип или множество типов элементов, выбранных из группы, состоящей из Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N и P.

Таким образом может быть уменьшена концентрация электронных носителей. Даже хотя концентрация электронных носителей значимо уменьшена, можно предотвратить уменьшение подвижности электронных носителей, легко регулируя концентрацию электронных носителей. В результате если прозрачная пленка из аморфного оксида используется в качестве канального слоя ТПТ, получающаяся пластина ТПТ имеет одинаковые характеристики, даже если пластина ТПТ имеет большую площадь.

Если в качестве примеси (добавки) используются Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N и P, такие примеси могут быть заменены на любую одну из In, Ga, Zn, O, которые служат в качестве акцептора и могут снизить плотность электронных носителей, хотя подробности механизма неизвестны. В обычном полупроводнике из оксида, поскольку концентрация кислорода не может регулироваться подходящим образом, образуется большой дефицит кислорода. Более того, в большинстве случаев, если дефицит образовался на границе зерен как следствие поликристаллического состояния, плотность электронных носителей не может хорошо регулироваться даже при введении примесей. В этом отношении прозрачная пленка из аморфного оксида согласно настоящему изобретению имеет небольшой дефицит кислорода и не имеет границы зерен благодаря аморфному состоянию. В этом случае, предполагается, что примеси эффективно функционируют в качестве акцепторов. Если тонкая пленка сформирована путем увеличения парциального давления кислорода для уменьшения плотности электронных носителей, изменяется скелет атомной связи, увеличивая хвост распределения зоны проводимости. Если электроны захватываются в хвосте распределения, подвижность электронных носителей может существенно снизиться. Однако добавки Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N и P создают возможность для регулировки плотности носителя, при этом поддерживая парциальное давление кислорода в подходящем диапазоне. Следовательно, вероятно, подвижность электронных носителей меньше подвержена влиянию. Таким образом, если настоящее изобретение сравнить со случаем, при котором концентрация электронных носителей и подвижность электронных носителей регулируется только парциальным давлением кислорода, однородность рабочих характеристик оксидной пленки в пластине может быть легко увеличена, даже если используется большая подложка.

Добавка может быть выбрана из группы, состоящей из Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn и F, как упоминалось выше.

Необходимо отметить, что концентрация примесей, необходимая для получения желаемого эффекта (в аморфной пленке) составляет примерно 0,1-3 атом.%, что выше чем концентрация в кристаллической форме, сформированной Si и т.п. Такое предположение существует, поскольку вероятность того, что атомы примеси займут положения, эффективные для воздействия на валентные электроны, ниже в аморфном состоянии, чем в кристаллическом состоянии. В более общем смысле, желаемая примесь вводится в мишень при помощи способа введения примеси. В случае таких примесей, как C, N и P, они могут вводиться в пленку путем введения в атмосферу такого газа, как CH₄, NO и PH₃, вместе с кислородом. Если в качестве примеси вводится металл, после формирования прозрачной пленки из аморфного оксида, пленку вводят в контакт с раствором или пастой, содержащей ионы металлов. Более того, если используется такая подложка, как стекло, имеющая высокую теплостойкость, такие металлы предпочтительно содержатся в подложке, затем подложку нагревают во время и после формирования пленки, таким образом, происходит диффузия металлов в прозрачную пленку из аморфного оксида. В качестве источника Na, например, может быть использовано натриевое стекло, поскольку оно содержит 10-20 атом.% Na.

На Фиг.5 показана обычная структура ТПТ устройства. В ТПТ устройстве часть, которая может эффективно уменьшить плотность электронных носителей, представляет собой часть канального слоя 2, расположенного между электродом 5 стока и электродом 6 истока. Напротив, преимущество заключается в том, что часть канального слоя 2, находящаяся в контакте с электродом 5 стока и электродом 6 истока, имеет высокую плотность электронных носителей. Это происходит, поскольку она может поддерживать хороший контакт с электродами. Другими словами, концентрация примесей в этой части предпочтительно ниже. Такая конструкция может быть получена путем приведения канального слоя 2 в контакт с раствором, содержащим примеси, после формирования электрода 5 стока и электрода 6 истока и до формирования изолирующей пленки 3 затвора. Таким образом, примеси можно диффундировать при помощи электрода 5 стока и электрода 6 истока, используемых в качестве маски.

На Фиг.5 часть канального слоя 2, особенно находящаяся в контакте с подложкой, слабо подвержена регулирующему воздействию электрода 4 затвора в отношении плотности электронных носителей. Следовательно, для увеличения отношения ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО является полезным, чтобы плотность электронных носителей указанной части была заранее сильно подавлена. К тому же, эффективным является увеличение концентрации примесей в частности на границе раздела, обращенной к подложке. Такое строение может быть получено путем регулирования концентрации газа, такого как CH₄, NO и PH₃, предназначенного для введения в атмосферу таким образом, чтобы вначале газ подавался с избыточной концентрацией, а затем концентрация плавно уменьшалась. В качестве альтернативы, в случае примеси, такой как Na, который ранее находился в подложке, такое строение может быть получено при помощи диффузии Na путем нагревания подложки при подходящей температуре.

В качестве добавки, по меньшей мере, в аморфный оксид может быть введен один тип или множество типов элементов, выбранных из группы, состоящей из Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn и F. В этом случае, предполагается, что подвижность электронов может быть увеличена до 1 см²/В·сек или более, и даже до 5 см²/В·сек или более, в то же время поддерживая концентрацию электронных носителей ниже 1×10¹⁸/см³. Даже в случае увеличения дрейфовой подвижности электронов, вместе с ней редко увеличивается концентрация электронных носителей. В этом случае, если прозрачная пленка из аморфного оксида используется в качестве канального слоя, существует возможность для получения ТПТ, имеющего высокое отношение ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО и высокий ток насыщения во время отсечки, а также высокую скорость переключения. Более того, легко увеличить однородность рабочих характеристик в пластине, даже если используется большая подложка, по сравнению со случаем, при котором концентрация электронных носителей и подвижность электронных носителей управляются только регулировкой парциального давления кислорода.

Хотя детали этого механизма неизвестны, если оксид формируется путем увеличения парциального давления кислорода, увеличивается плотность состояний в хвосте распределения, находящихся под зоной проводимости. Однако возможно, что примеси, такие как Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn и F, оказывают воздействие на скелет атомной связи, таким образом уменьшая хвост распределения, в результате чего подвижность электронных носителей может быть увеличена, сохраняя при этом плотность электронных носителей.

Такие примеси, указанные выше, предпочтительно используются с концентрацией в пределах примерно 0,1-3 атом.% или 0,01-1 атом.%. Термин “атом.%” представляет собой долю атомов элемента, составляющего оксид. Необходимо отметить, что если количество кислорода сложно для измерения, вышеупомянутые отношения могут быть определены через отношения количеств атомов составляющих элементов, отличных от кислорода. В более общем смысле, желаемую примесь можно вводить в мишень при помощи способа введения примеси. В случае примеси F, она может быть введена в пленку путем введения в атмосферу вместе с кислородом такого газа, как SF₆, SiF₄ или ClF₃. Если в качестве примеси вводят металл после формирования прозрачной пленки из аморфного оксида, пленку вводят в контакт с раствором или пастой, содержащей ионы металла.

На Фиг.5 показана обычная структура ТПТ устройства. В ТПТ устройстве часть, в которой необходима особенно высокая подвижность электронов, представляет собой часть канального слоя 2, находящуюся в контакте с изолятором 3 затвора. Затем, эффективным является увеличение концентрации примесей настоящего изобретения, в частности на границе раздела, которая находится в контакте с изолирующей пленкой 3 затвора. Такое строение может быть получено путем введения в атмосферу такого газа, как SF₆, SiF₄ и ClF₃, во время формирования канального слоя, в то же время увеличивая концентрацию газа (начиная с более низкого уровня).

Настоящее изобретение в сущности важно тем, что структура атомной связи может быть сформирована подходящим способом путем регулирования количества кислорода (количества кислородных дефектов).

В вышеприведенном описании количество кислорода в прозрачной оксидной пленке управляется путем формирования пленки в атмосфере, содержащей заданное количество кислорода. Также предпочтительным является, чтобы после формирования оксидной пленки, ее обрабатывали в атмосфере, содержащей кислород, таким образом управляя (уменьшая или увеличивая) количеством кислородных дефектов.

Для эффективного управления количеством кислородных дефектов пленку обрабатывают в атмосфере, содержащей кислород, при температуре от 0 до 300°С (включая обе границы), предпочтительно от 25 до 250°С (включая обе границы), более того предпочтительно от 100 до 200°С (включая обе границы).

Как правило, не только формирование пленки, а также обработка после формирования пленки может выполняться в атмосфере, содержащей кислород. Более того, при условии получения заданной концентрации электронных носителей (менее 1×10¹⁸/см³) может быть сформирована пленка без регулировки парциального давления кислорода и, следовательно, пленку можно обрабатывать в атмосфере, содержащей кислород.

В настоящем изобретении самая низкая концентрация электронных носителей изменяется в зависимости от использования полученной оксидной пленки, более конкретно, типа устройства, схемы и устройства; однако предпочтительна, например, 1×10¹⁴/см³ или более.

Ниже более подробно будут описаны аморфные оксиды, используемые в вариантах осуществления 1-3. В аморфных оксидах или способах их получения дополнительными являются следующие условия. В изобретении согласно первому варианту осуществления в условия получения добавляется облучение светом. В изобретение согласно второму варианту осуществления средство изменения состава пленки используется, как описано в примерах. В изобретение согласно третьему варианту осуществления дополнительно к условиям формирования пленки используются газ и мишень для добавления примесей, или после формирования пленки может использоваться заданный способ добавления примесей в аморфный оксид, показанный ниже.

АМОРФНЫЙ ОКСИД

Ниже более подробно описан активный слой, использованный выше в 1-3 вариантах осуществления.

Концентрация электронных носителей в аморфном оксиде в настоящем изобретении равно значению, измеренному при комнатной температуре. Комнатная температура представляет собой температуру в пределах от 0°С до примерно 40°С, например 25°С. Концентрация электронных носителей в аморфном оксиде в настоящем изобретении необязательно должна быть меньше чем 10¹⁸/см³ в пределах всей области от 0°С до 40°С. Например, приемлема концентрация электронных носителей меньше чем 10¹⁸/см³ при температуре 25°С. При более низких концентрациях электронных носителей, не более чем 10¹⁷/см³ или не более чем 10¹⁶/см³ может быть получен с высоким выходом ТПТ нормально выключенного типа.

В настоящей спецификации определение “менее чем 10¹⁸/см³” означает “предпочтительно меньше чем 1×10¹⁸/см³ и более предпочтительно менее чем 1,0×10¹⁸/см³”. Концентрация электронных носителей может быть измерена посредством измерения эффекта Холла.

Аморфный оксид настоящего изобретения представляет собой оксид, который обнаруживает гало-паттерн и у которого отсутствуют характерные дифракционные линии в рентгеновской дифракционной спектрометрии.

В аморфном оксиде настоящего изобретения нижний предел концентрации электронных носителей составляет, например, 1×10¹²/см3, но не ограничен этим пределом, поскольку он может быть использован в качестве канального слоя ТПТ.

Соответственно, в настоящем изобретении концентрацию электронных носителей регулируют путем подбора материала, состава композиции, условий изготовления и т.п. аморфного оксида, например, как в описанных ниже примерах, так чтобы она находилась в пределах, например, от 1×10¹²/см³ до 1×10¹⁸/см³, предпочтительно от 1×10¹³/см³ до 1×10¹⁷/см³, более предпочтительно от 1×10¹⁵/см³ до 1×10¹⁶/см³.

Аморфный оксид, отличный от InZnGa оксидов, может быть выбран подходящим образом из In оксидов, In_xZn_1-x оксидов (0,2≤х≤1), In_xSn_1-x оксидов (0,8≤х≤1), In_x(Zn, Sn)_1-x оксидов (0,15≤х≤1). In_x(Zn, Sn)_1-x оксид также может представлять собой In_x(Zn_ySn_1-y)_1-x (0≤y≤1).

Если In оксид не содержит ни Zn, ни Sn, то In может быть частично замещен Ga: In_xGa_1-x оксид (0≤х≤1).

Аморфный оксид с концентрацией электронных носителей 1×10¹⁸/см³, который получен авторами настоящего изобретения, более подробно описан ниже.

Одна группа вышеупомянутых оксидов обычно имеет состав In-Ga-Zn-O, представленный в виде InGaO₃(ZnO)_m (m: натуральное число меньше 6) в кристаллическом состоянии, и содержит электронные носители с концентрацией менее чем 1×10¹⁸/см³.

Другая группа вышеупомянутых оксидов обычно имеет состав In-Ga-Zn-Mg-O, представленный в виде InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m (m: натуральное число меньше 6, и 0<x≤1) в кристаллическом состоянии, и содержит электронные носители с концентрацией менее чем 1×10¹⁸/см³.

Пленка, состоящая из такого оксида, предпочтительно разработана для получения подвижности электронов, больше чем 1 см²/В·сек.

Используя вышеописанную пленку в качестве канального слоя, может быть получен ТПТ нормально выключенного типа с током затвора менее чем 0,1 микроампер и отношением включен/выключен выше чем 1×10³, который при этом является прозрачным для видимого света и гибким.

В вышеуказанной пленке подвижность электронов возрастает с увеличением проводимости электронов. Подложка для формирования прозрачной пленки включает в себя стеклянные пластины, пластмассовые пластины и пластмассовые пленки.

При использовании вышеописанной пленки из аморфного оксида в качестве канального слоя, по меньшей мере, один из слоев, состоящий из Al₂O₃, Y₂O₃ и HfO₂, или их кристаллической смеси может быть использован в качестве изолятора затвора.

В предпочтительном варианте осуществления пленку формируют в атмосфере, содержащей газообразный кислород, без добавления в аморфный оксид примесей для увеличения электрического сопротивления.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что тонкие аморфные пленки полуизолирующих оксидов имеют характеристики, заключающиеся в том, что подвижность электронов в них увеличивается с увеличением количества электронов проводимости, и, кроме того, обнаружили, что ТПТ, полученный путем использования такой пленки, имеет улучшенные характеристики транзистора, такие как отношение включено/выключено, ток насыщения в состоянии отсечки и скорость переключения. Таким образом, ТПТ нормально выключенного типа может быть получен путем использования аморфного оксида.

Путем использования тонкой пленки из аморфного оксида в качестве канального слоя пленочного транзистора можно получить подвижность электронов выше 1 см²/В·сек, предпочтительно выше 5 см²/В·сек. Ток между терминалом стока и терминалом истока в выключенном состоянии (без приложенного напряжения затвора) может управляться таким образом, чтобы он составлял менее 10 микроампер, предпочтительно менее 0,1 микроампера при концентрации носителей ниже чем 1×10¹⁸/см³, предпочтительно ниже чем 1×10¹⁶/см³. Кроме того, путем использования такой тонкой пленки ток насыщения после отсечки может быть увеличен до 10 микроампер или более, и отношение включено/выключено может быть выше чем 1×10³ при подвижности электронов выше чем 1 см²/В·сек, предпочтительно выше чем 5 см²/В·сек.

В состоянии отсечки ТПТ к терминалу затвора прикладывается высокое напряжение, и в канале электроны имеют высокую плотность. Следовательно, согласно настоящему изобретению ток насыщения может быть увеличен в соответствии с увеличением подвижности электронов. Таким образом, могут быть улучшены характеристики транзистора, такие как увеличение отношения включено/выключено, увеличение тока насыщения и увеличение скорости переключения. Напротив, при использовании обычного соединения увеличение количества электронов снижает подвижность электронов из-за столкновений между электронами.

Структура вышеописанного ТПТ может представлять собой структуру расположения в шахматном порядке (верхний затвор), при котором изолятор затвора и терминал затвора последовательно сформированы на полупроводниковом канальном слое, или структуру расположения в обратном шахматном порядке (нижний затвор), при котором изолятор затвора и полупроводниковый канальный слой последовательно сформированы на терминале затвора.

ПЕРВЫЙ ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ ПЛЕНКИ: PLD ПРОЦЕСС

Тонкая пленка из аморфного оксида, состоящая из InGaO₃(ZnO)_m (m: натуральное число меньше 6) в кристаллическом состоянии, является стабильной при высокой температуре вплоть до 800°С или выше, если m меньше 6, тогда как при увеличении m, то есть с увеличением отношения ZnO к InGaO₃ ближе к композиции ZnO, оксид имеет тенденцию кристаллизоваться. Следовательно, для использования в качестве канального слоя аморфного ТПТ является предпочтительным, чтобы значение m оксида было меньше 6.

Формирование пленки предпочтительно происходит в процессе формирования пленки в газовой фазе путем использования мишени из поликристаллического спеченного компакта, имеющего состав InGaO₃(ZnO)_m. Подходящими являются процессы формирования пленки в газовой фазе, напыление и импульсное лазерное осаждение. Для массового производства особенно подходящим является напыление.

Однако при формировании аморфной пленки в обычных условиях могут возникать кислородные дефекты так, что нельзя получить концентрацию электронных носителей меньше чем 1×10¹⁸/см³ и электропроводность меньше чем 10 См/см. С такой пленкой не может быть создан транзистор нормально выключенного типа.

Авторы настоящего изобретения создали In-Ga-Zn-O пленку при помощи импульсного лазерного осаждения, используя устройство, показанное на Фиг.7.

Формирование пленки осуществлялось путем использования такого PLD устройства для формирования пленки, как показано на Фиг.7.

На Фиг.7 ссылочные позиции обозначают следующее: 701 - РН (роторный насос); 702 - ТМН (турбо молекулярный насос); 703 - подготовительную камеру; 704 - электронную пушку для RHEED; 705 - средство крепления подложки для вращения и вертикального перемещения подложки; 706 - окно ввода лазерного пучка; 707 - подложку; 708 - мишень; 709 - источник радикалов; 710 - отверстие для подачи газа; 711 - средство крепления мишени для вращения и вертикального перемещения мишени; 712 - линию обхода; 713 - основную линию; 714 - ТМН (турбо молекулярный насос); 715 - РН (роторный насос); 716 - титановый газопоглотительный насос; 717 - шторку; 718 - ИМ (ионный манометр); 719 - ИП (манометр Пирани); 720 - ДДБ (датчик давления Баратрон); и 721 - камеру роста.

Полупроводниковую тонкую пленку из In-Ga-Zn-O аморфного оксида наслаивают на SiO₂ стеклянную подложку (Corning Co.: 1737) импульсным лазерным осаждением, используя KrF эксимерный лазер. В качестве предварительной обработки перед осаждением подложку промывали для обезжиривания с использованием ультразвука ацетоном, этанолом и сверхчистой водой, по пять минут каждым, и сушили при 100°С.

Поликристаллическая мишень представляла собой InGaO₃(ZnO)₄ спеченный компакт (размером: 20 мм в диаметре, 5 мм в толщину), который был получен мокрым смешиванием In₂O₃, Ga₂O₃ и ZnO (4-нормальный раствор каждого реагента) в качестве материала источника (растворитель: этанол), обжигом смеси (1000°С, 2 часа), сухим измельчением и спеканием (1550°С, 2 часа). Мишень имела электропроводность 90 См/см.

Формирование пленки осуществлялось путем поддержания конечного давления в камере роста до 2×10^-6 Па и парциального давления кислорода во время роста до 6,5 Па. Парциальное давление кислорода в камере 721 роста составляло 6,5 Па, а температура подложки была равна 25°С. Расстояние между мишенью 708 и подложкой 707, удерживающей пленку, составляло 30 мм, мощность, вводимая через окно 706 ввода находилось в пределах 1,5-3 мДж/см²/импульс. Длительность импульса составляла 20 нс, частота повторения была равна 10 Гц, и точка облучения представляла собой квадрат 1×1 мм. В вышеописанных условиях формировали пленку со скоростью 7 нм/мин.

Полученную тонкую пленку исследовали способом малоугловой рентгенографии (SAXS) (метод тонких пленок, угол падения: 0,5°): четкого дифракционного пика не наблюдалось. Полученная таким образом тонкая пленка типа In-Ga-Zn-O считалась аморфной. Из коэффициента отражения рентгеновских лучей и анализа его паттерна была найдена среднеквадратичная неровность поверхности (Rrms), равная примерно 0,5 нм, и толщина пленки, равная примерно 120 нм. Из рентгенофлуоресцентного анализа (XRF) было найдено, что содержание металлов в пленке соответствует отношению In:Ga:Zn=0,98:1,02:4. Электропроводность была ниже чем примерно 1×10^-2 См/см. Была оценена концентрация электронных носителей, которая была меньше чем 1×10^-16/см³. Подвижность электронов составляла примерно 5 см²/В·сек. При помощи анализа абсорбции света была оценена ширина запрещенной зоны в оптическом диапазоне в полученной тонкой аморфной пленке, которая составляла примерно 3 эВ.

Описанные выше результаты показывают, что полученная тонкая пленка типа In-Ga-Zn-O является прозрачной плоской тонкой пленкой, имеющей аморфную фазу композиции, близкую к кристаллическому InGaO₃(ZnO)₄, которая имеет меньше кислородных дефектов и более низкую электропроводность.

Формирование вышеописанной пленки объясняется в частности со ссылкой на Фиг.1. На Фиг.1 показана зависимость концентрации электронных носителей в сформированной прозрачной тонкой пленке из аморфного оксида от парциального давления кислорода для пленки состава InGaO₃(ZnO)_m (m: целое число, меньшее 6) в предполагаемом кристаллическом состоянии в тех же самых условиях формирования пленки, как описано в примере выше.

Путем формирования пленки в атмосфере, имеющей парциальное давление кислорода выше чем 4,5 Па в тех же самых условиях, как описано выше, концентрация электронных носителей может быть снижена до менее 1×10¹⁸/см³, как показано на Фиг.1. При таком формировании пленки подложка может находиться при температуре, близкой к комнатной температуре, без специального нагревания. Для использования гибкой пластмассовой пленки в качестве подложки температуру подложки предпочтительно поддерживают ниже 100°С.

Более высокое парциальное давление кислорода может привести к уменьшению концентрации электронных носителей. Например, как показано на Фиг.1, тонкая InGaO₃(ZnO)₄ пленка, сформированная при температуре подложки 25°С и парциальном давлении кислорода, равном 5 Па, имела более низкую концентрацию электронных носителей, составляющую 1×10¹⁶/см³.

В полученной тонкой пленке подвижность электронов была выше 1 см²/В·сек, как показано на Фиг.2. Однако пленка, наслоенная при помощи импульсного лазерного осаждения при парциальном давлении кислорода выше 6,5 Па, как в этом примере, имела неровную поверхность, неподходящую для канального слоя ТПТ.

Соответственно, в вышеприведенном примере транзистор нормально выключенного типа может быть создан путем использования тонкого прозрачного оксида, представленного формулой InGaO₃(ZnO)_m (m: целое число, меньшее 6) в кристаллическом состоянии, сформированного при парциальном давлении кислорода выше 4,5 Па, предпочтительно выше 5 Па, но ниже 6,5 Па способом импульсного лазерного осаждения.

Полученная тонкая пленка имела подвижность электронов выше 1 см²/В·сек, и отношение включено/выключено могло превышать 1×10³.

Как описано выше, при формировании InGaZn оксидной пленки способом PLD в условиях, приведенных в этом примере, парциальное давление кислорода поддерживали в пределах от 4,5 до 6,5 Па.

Для достижения концентрации электронных носителей 1×10¹⁸/см³ следует контролировать парциальное давление кислорода, структуру устройства формирования пленки, вид и состав материала для формирования пленки.

Затем, МДП-транзистор с верхним затвором, как показано на Фиг.5, изготавливали путем формирования аморфного оксида при помощи вышеописанного устройства при парциальном давлении кислорода, равном 6,5 Па. В частности, на стеклянной подложке 1 формировали полуизолирующую аморфную InGaO₃(ZnO)₄ пленку толщиной 120 нм для использования в качестве канального слоя 2 вышеописанным способом формирования тонкой аморфной Ga-Ga-Zn-O пленки. Кроме того, на ней были наслоены InGaO₃(ZnO)₄ пленка, имеющая более высокую электропроводность, и золотая пленка соответственно толщиной 30 нм импульсным лазерным осаждением при парциальном давлении кислорода в камере ниже 1 Па. Затем терминал 5 стока и терминал 6 истока были сформированы способом фотолитографии и способом обратной литографии. Наконец Y₂O₃ пленку формировали для изолятора 3 затвора путем осаждения с использованием электроннолучевого испарения (толщина: 90 нм, относительная диэлектрическая постоянная: примерно 15, плотность тока утечки: 1×10^-3 А/см³ при напряжении 0,5 МВ/см). На ней была сформирована золотая пленка, а терминал 4 затвора был сформирован способом фотолитографии и способом обратной литографии.

Оценка рабочих характеристик элемента МДП-транзистора

На фиг.6 показана вольт-амперная характеристика элемента МДП-транзистора, измеренная при комнатной температуре. Учитывая, что ток стока I_DS увеличивается с увеличением напряжения стока V_DS очевидно, что канал представляет собой полупроводник n-типа. Это согласуется с тем фактом, что аморфный полупроводник типа In-Ga-Zn-O относится к n-типу. I_DS достигает насыщения (отсекается) при V_DS=6 В, что является обычным для полупроводникового транзистора. Из оценки характеристик затвора было обнаружено, что пороговое значение напряжения затвора V_GS при напряжении V_DS=4 В составляет примерно -0,5 В. При V_G=10 В возникал ток I_DS=1,0×10^-5 А. Это соответствует влиянию смещения на затворе на носители в полупроводниковой тонкой аморфной In-Ga-Zn-O пленке.

Отношение включено/выключено транзистора превышало 1×10³. Из выходных характеристик вычисляли подвижность полевого эффекта, которая составила примерно 7 см²/В·сек. Согласно аналогичным измерениям излучение видимого света не меняет характеристики полученного элемента.

Согласно настоящему изобретению может быть изготовлен тонкопленочный транзистор, который имеет канальный слой, содержащий электронные носители с более низкой концентрацией для достижения более высокого удельного сопротивления, и достижения более высокой подвижности электронов.

Вышеописанный аморфный оксид имеет хорошие характеристики, заключающиеся в том, что подвижность электронов увеличивается с увеличением концентрации электронных носителей, и имеет вырожденное состояние. В этом примере тонкая пленка была сформирована на стеклянной подложке. Однако пластмассовая пластина или пленка также могут применяться в качестве подложки, поскольку образование пленки может проходить при комнатной температуре. Более того, аморфный оксид, полученный в этом примере, поглощает видимый свет только в небольшом количестве, позволяя создать прозрачный гибкий ТПТ.

(Второй процесс формирования пленки: процесс напыления (SP процесс))

Ниже описано формирование тонкой пленки высокочастотным SP процессом в атмосфере газообразного аргона.

SP процесс проводят с использованием устройства, показанного на Фиг.8. На Фиг.8 ссылочные позиции обозначают следующее: 807 - подложку для формирования пленки; 808 - мишень; 805 - средство крепления подложки, оборудованное охлаждающим механизмом; 814 - турбомолекулярный насос; 815 - роторный насос; 817 - шторка; 818 - ионный манометр; 819 - манометр Пирани; 821 - камеру роста; и 830 - клапан затвора.

Подложка 807 для формирования пленки представляла собой SiO₂ стеклянную подложку (Corning Co.: 1737), которую промывали для обезжиривания с использованием ультразвука ацетоном, этанолом и сверхчистой водой, по пять минут каждым, и сушили при 100°С.

Мишень представляла собой поликристаллический спеченный компакт, имеющий состав InGaO₃(ZnO)₄ (размером: 20 мм в диаметре, 5 мм в толщину), который был получен мокрым смешиванием In₂O₃, Ga₂O₃ и ZnO (4 - нормальный раствор каждого реагента) в качестве материала источника (растворитель: этанол), обжигом смеси (1000°С, 2 часа), сухим измельчением и спеканием (1550°С, 2 часа). Мишень 808 имела электропроводность 90 См/см, и являлась полуизолирующей.

Конечное значение вакуума в камере роста 821 составляло 1×10^-4 Торр. Во время роста общее давление кислорода и аргона поддерживали в пределах от 4 до 0,1×10^-1 Па. Отношение парциального давления аргона и кислорода изменялось в пределах парциального давления кислорода от 1×10^-3 до 2×10^-1 Па.

Температура подложки была комнатной. Расстояние между мишенью 808 и подложкой 807 для формирования пленки составляло 30 мм.

Подаваемая электрическая мощность составляла 180 Вт РЧ, и скорость формирования пленки составляла 10 нм/мин.

Полученную тонкую пленку исследовали способом малоугловой рентгенографии (SAXS) (метод тонких пленок, угол падения: 0,5°): четкого дифракционного пика не наблюдалось. Полученная таким образом тонкая пленка типа In-Ga-Zn-O считалась аморфной. Из коэффициента отражения рентгеновских лучей и анализа его паттерна была найдена среднеквадратичная неровность поверхности (Rrms), равная примерно 0,5 нм, и толщина пленки, равная примерно 120 нм. Из рентгенофлуоресцентного анализа (XRF) было найдено, что содержание металлов в пленке соответствует отношению In:Ga:Zn=0,98:1,02:4.

Пленка была сформирована при различных парциальных давлениях кислорода среды и измеряли электропроводность полученной аморфной оксидной пленки. Результат представлен на Фиг.3.

Как показано на Фиг.3, электропроводность может быть снижена до величины меньше чем 10 См/см путем проведением процесса формирования пленки в атмосфере с парциальным давлением кислорода, превышающим 3×10^-2 Па. Количество электронных носителей может быть уменьшено путем повышения парциального давления кислорода.

Как показано на Фиг.3, например, тонкая InGaO₃(ZnO)₄ пленка, сформированная при температуре подложки, равной 25°С, и парциальном давлении кислорода 1×10^-1 Па, имела более низкую электропроводность, равную примерно 1×10^-10 См/см. Более того, тонкая InGaO₃(ZnO)₄ пленка, сформированная при парциальном давлении кислорода 1×10^-1 Па, имела слишком высокое сопротивление, имея при этом не поддающуюся измерению электропроводность. У этой пленки, несмотря на то, что подвижность электронов не поддавалась измерению, подвижность электронов была оценена, как равная примерно 1 см²/В·сек, путем экстраполяции из значений пленок, имеющих более высокую концентрацию электронных носителей.

Таким образом, транзистор нормально выключенного типа, имеющий отношение включено/выключено выше чем 1×10³, может быть получен путем использования прозрачной тонкой пленки из аморфного оксида, содержащей In-Ga-Zn-O, представленной в кристаллическом состоянии как InGaO₃(ZnO)_m (m: натуральное число меньше 6), полученной способом вакуумного напыления в атмосфере аргона, содержащей кислород с парциальным давлением выше 3×10^-2 Па, предпочтительно выше 5×10^-1 Па.

При использовании устройства и материала, применяемого в этом Примере, формирование пленки напылением проводят при парциальном давлении кислорода в пределах от 3×10^-2 Па до 5×10^-1 Па. В этой связи, в тонкой пленке, полученной импульсным лазерным осаждением или напылением, подвижность электронов увеличивается с увеличением количества проводящих электронов.

Как описано выше, управляя парциальным давлением кислорода можно уменьшить количество кислородных дефектов, и таким образом может быть снижена концентрация электронных носителей. В тонкой аморфной пленке подвижность электронов может быть высокой, поскольку в аморфном состоянии отсутствуют границы разделов между зернами в отличие от поликристаллического состояния.

В этой связи, замена стеклянной подложки 200 мкм полиэтиленовой терефталатной (PET) пленкой не изменяет свойства сформированной на ней пленки из аморфного оксида InGaO₃(ZnO)₄.

Аморфная пленка InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m (m: натуральное число меньше 6 0<x≤1) с высоким удельным сопротивлением может быть получена путем использования в качестве мишени поликристаллического InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)_m даже при парциальном давлении кислорода ниже 1 Па. Например, при помощи мишени, у которой 80% атомов Zn замещено Mg, можно получить концентрацию электронных носителей ниже 1×10¹⁶/см³ (удельное сопротивление: примерно 1×10^-2 См/см) при помощи импульсного лазерного осаждения в атмосфере, содержащей кислород с парциальным давлением 0,8 Па. В такой пленке подвижность электронов ниже, чем подвижность электронов в пленке не содержащей Mg, но уменьшение является незначительным: подвижность электронов составляет примерно 5 см²/В·сек при комнатной температуре, что выше подвижности электронов в аморфном кремнии примерно на один порядок. При формировании пленок в тех же условиях увеличение содержания Mg уменьшает как электропроводность, так и подвижность электронов. Следовательно, содержание Mg составляет примерно 20%-85% (0,2<x<0,85).

В тонкопленочном транзисторе, использующем вышеописанную аморфную оксидную пленку, изолятор затвора содержит предпочтительно сложное кристаллическое соединение, состоящее из 2 или более Al₂O₃, Y₂O₃, HfO₂ и их смесей.

Наличие дефекта на границе раздела между тонкой пленкой изолирующего слоя затвора и тонкой пленкой канального слоя снижает подвижность электронов и является причиной гестериза рабочих характеристик транзистора. Более того, ток утечки сильно зависит от вида изолятора затвора. Следовательно, изолятор затвора необходимо выбирать таким образом, чтобы он был подходящим для канального слоя. Ток утечки можно уменьшить, используя Al₂O₃ пленку, гестерезис можно снизить, используя Y₂O₃ пленку, а электронную подвижность можно увеличить, используя HfO₂ пленку, имеющую высокую диэлектрическую постоянную. ТПТ может быть сформирован, посредством использования сложного кристаллического соединения из вышеописанных оксидов, что может привести к меньшему току утечки, меньшему гистерезису и более высокой подвижности электронов. Поскольку процесс формирования изолятора затвора и процесс формирования канального слоя могут проводиться при комнатной температуре, ТПТ могут быть расположены в шахматном порядке или расположены в обратном шахматном порядке.

Таким образом сформированный ТПТ представляет собой трехтерминальный элемент, имеющий терминал затвора, терминал истока и терминал стока. Такой ТПТ образован посредством формирования тонкой полупроводниковой пленки на изолирующей подложке из керамики, стекла или пластмассы в качестве канального слоя для переноса электронов или дырок и служит в качестве активного элемента, имеющего функцию управления током, текущим через канальный слой, путем приложения напряжения к терминалу затвора, и переключения тока между терминалом истока и терминалом стока.

В настоящем изобретении также важно, чтобы планируемая концентрация электронных носителей достигалась посредством управления количеством кислородных дефектов.

В вышеприведенном описании количество кислорода в пленке из аморфного оксида управляется посредством концентрации кислорода в атмосфере формирования пленки. В противном случае, количество кислородных дефектов может управляться (увеличиваться или уменьшаться) последующей обработкой оксидной пленки в атмосфере, содержащей кислород, как в предпочтительном варианте осуществления.

Для эффективного управления количеством кислородных дефектов температура атмосферы, содержащей кислород, поддерживается в пределах от 0°С до 300°С, предпочтительно от 25°С до 250°С, более предпочтительно от 100°С до 200°С.

Естественно, пленка может быть сформирована в атмосфере, содержащей кислород, и дальнейшей последующей обработкой в атмосфере, содержащей кислород. В противном случае, пленку формируют без управления парциальным давлением кислорода, а последующая обработка проходит в атмосфере, содержащей кислород, при условии, что может быть достигнута планируемая концентрация электронных носителей (менее 1×10¹⁸/см³).

Нижним пределом концентрации электронных носителей в настоящем изобретении является, например, 1×10¹⁴/см³, который зависит от типа элемента или устройства, используемого для изготовления пленки.

Более широкий набор материалов

После изучения материалов для системы было обнаружено, что аморфный оксидный состав, по меньшей мере, из одного оксида из элементов Zn, In и Sn может применяться для пленки из аморфного оксида с низкой концентрацией носителей и высокой подвижностью электронов. Обнаружено, что такая пленка из аморфного оксида имеет специфическое свойство, заключающееся в том, что увеличение в ней количества электронов проводимости увеличивает подвижность электронов. Используя эту пленку, может быть изготовлен ТПТ нормально выключенного типа, который имеет хорошие свойства, такие как отношение включено/выключено, ток насыщения в состоянии отсечки и скорость переключения.

В настоящем изобретении может использоваться оксид, имеющий любую одну из рабочих характеристик (а)-(h), представленных ниже:

(а) аморфный оксид, имеющий концентрацию электронных носителей менее чем 1×10¹⁸/см³;

(b) аморфный оксид, в котором подвижность электронов увеличивается с увеличением концентрации электронных носителей;

(Под комнатной температурой имеется в виду температура в пределах от примерно 0°С до примерно 40°С. Термин “аморфное соединение” обозначает соединение, которое имеет только гало-паттерн без характерного дифракционного паттерна в дифракционном спектре рентгеновских лучей. Подвижность электронов означает подвижность, измеренную при помощи эффекта Холла.)

(с) Аморфный оксид, упомянутый выше в пунктах (а) и (b), в котором подвижность электронов при комнатной температуре выше чем 0,1 см²/В·сек;

(d) аморфный оксид, упомянутый выше в пунктах (b)-(с), имеющий вырожденный характер проводимости;

(Термин “вырожденный характер проводимости” означает состояние, при котором энергия термической активации в температурной зависимости удельного сопротивления не превышает 30 мэВ.)

(е) аморфный оксид, упомянутый выше в любом из пунктов (а)-(d), который в качестве составляющего элемента содержит, по меньшей мере, один из элементов Zn, In и Sn;

(f) пленка из аморфного оксида, выполненная из аморфного оксида, описанного выше в пункте (е), и дополнительно, по меньшей мере, одного элемента из:

элементов группы 2 М2 с атомным номером меньше чем у Zn (Mg и Са),

элементов группы 3 М3 с атомным номером меньше чем у In (В, Al, Ga и Y),

элементов группы 4 М4 с атомным номером меньше чем у Sn (Si, Ge и Zr),

элементов группы 5 М5 (V, Nb и Та) и

Lu и W для уменьшения концентрации электронных носителей;

(g) пленка из аморфного оксида, описанная выше в любом из пунктов (a)-(f), состоящая из одного соединения, имеющего состав In_2-xM3_xO₃(Zn_1-yM2_yO)_m; (0≤x≤2; 0≤y≤1; m: 0 или натуральное число меньше 6) в кристаллическом состоянии, или смесь соединений с различным m например, из М3, представляющим собой Ga, и, например, из М2, представляющим собой Mg; и

(h) пленка из аморфного оксида, описанная выше в любом из пунктов (а)-(g), сформированная на пластмассовой подложке или пластмассовой пленке.

Настоящее изобретение также предоставляет полевой транзистор, использующий в качестве канального слоя вышеописанный аморфный оксид или пленку из аморфного оксида.

Полевой транзистор изготавливают с использованием в качестве канального слоя пленки из аморфного оксида, которая имеет концентрацию электронных носителей менее чем 1×10¹⁸/см³, но более чем 1×10¹⁵/см³, и который имеет терминал истока, терминал стока и терминал затвора с расположенным между ними изолятором затвора. Если между терминалами истока и стока прикладывают напряжение примерно 5 В без приложения напряжения затвора, электрический ток между терминалами истока и стока составляет примерно 1×10^-7 ампер.

Подвижность электронов в кристаллическом оксиде увеличивается с увеличением перекрытий s-орбиталей у ионов металла. В кристалле оксида из Zn, In или Sn с большими атомными номерами электронная подвижность находится в пределах от 0,1 до 200 см²/В·сек.

В оксиде ионы кислорода и металла связаны ионными связями, не имеющими ориентации и имеющими случайную структуру. Следовательно, в оксиде в аморфном состоянии подвижность электронов может быть сравнима с подвижностью электронов в кристаллическом состоянии.

С другой стороны, замена Zn, In или Sn элементами с меньшими атомными номерами уменьшает подвижность электронов. Таким образом, подвижность электронов в аморфном оксиде настоящего изобретения находится в пределах от 0,01 до 20 см²/В·сек.

В транзисторе, имеющем канальный слой, состоящий из вышеописанного оксида, изолятор затвора предпочтительно формируют из Al₂O₃, Y₂O₃, HfO₂ или смешанного кристаллического соединения, содержащего два или более из этих оксидов.

Наличие дефекта на границе раздела между тонкой пленкой, изолирующей затвор, и тонкой пленкой канального слоя уменьшает подвижность электронов и вызывает гестерезис рабочих характеристик транзистора. Более того, ток утечки сильно зависит от вида изолятора затвора. Следовательно, изолятор затвора следует выбирать таким образом, чтобы он походил для канального слоя. Ток утечки можно уменьшить, используя пленку из Al₂O₃, гестерезис можно уменьшить, используя пленку из Y₂O₃, и подвижность электронов можно увеличить, используя пленку из HfO₂, имеющую высокую диэлектрическую постоянную. При использовании сложного кристаллического соединения вышеуказанных оксидов может быть изготовлен ТПТ, который имеет меньший ток утечки, меньший гестерезис и имеет большую подвижность электронов. Поскольку процесс формирования изолятора затвора и процесс формирования канального слоя могут проходить при комнатной температуре, может быть сформирован ТПТ, имеющий шахматную структуру или обратную шахматную структуру.

Пленка из оксида In₂O₃ может быть сформирована осаждением из газовой фазы, а добавление паров воды с парциальным давлением, равным примерно 0,1 Па, в атмосферу формирования пленки делает формируемую пленку аморфной.

ZnO и SnO₂ соответственно не могут быть легко сформированы в виде аморфной пленки. Для формирования пленки из ZnO в аморфном виде добавляют In₂O₃ в количестве, равном примерно 20 атом. %. Для формирования пленки из SnO₂ в аморфном виде добавляют In₂O₃ в количестве, равном 90 атом. %. При формировании аморфной пленки типа Sn-In-O в атмосферу формирования пленки вводят газообразный азот с парциальным давлением, равным примерно 0,1 Па.

В вышеописанную пленку может быть добавлен элемент, способный формировать сложный оксид, выбранный из элементов М2 группы 2 с атомным номером меньшим, чем у Zn (Mg и Ca), элементов М3 группы 3 с атомным номером, меньшим, чем у In (B, Al, Ga и Y), элементов М4 группы 4 с атомным номером, меньшим, чем у Sn (Si, Ge и Zr), элементов М5 группы 5 (V, Nb и Ta), Lu и W. Добавление вышеуказанных элементов стабилизирует аморфную пленку при комнатной температуре и расширяет набор композиций для формирования аморфной пленки.

В частности, добавление В, Si или Ge приводит к формированию ковалентной связи, которая эффективна для стабилизации аморфной фазы. Добавление сложного оксида, состоящего из ионов, имеющих сильно различающиеся радиусы ионов, является эффективным для стабилизации аморфной фазы. Например, в системе In-Zn-О для формирования пленки, стабильной при комнатной температуре, должен содержаться In в количестве больше чем 20 атом %. Однако добавление Mg в количестве, равном In, дает возможность формировать стабильную аморфную пленку в композиции с содержанием In меньше чем 15 атом %.

При формировании пленки осаждением из газовой фазы пленка из аморфного оксида с концентрацией электронных носителей, находящихся в пределах от 1×10¹⁵/см³ до 1×10¹⁸/см³, может быть получена путем управления атмосферой формирования пленки.

Пленка из аморфного оксида может быть подходящим образом сформирована при помощи процесса осаждения, например, процессом импульсного лазерного осаждения (процесс PLD), процессом напыления (процессом SP) и процессом осаждения с использованием электроннолучевого испарения. Для процессов осаждения из газовой фазы процесс PLD является подходящим с точки зрения легкости управления составом материала, в то время как процесс SP является подходящим с точки зрения массового производства. Однако процесс формирования тонкой пленки этим неограничен.

Формирование пленки из аморфного оксида типа In-Zn-Ga-O при помощи процесса PLD

Аморфный оксид типа In-Zn-Ga-O осаждали на стеклянную подложку (Corning Co.: 1737) процессом PLD, используя KrF эксимерный лазер с поликристаллическим спеченным компактом в качестве мишени, имеющим состав InGaO₃(ZnO) или InGaO₃(ZnO)₄.

Использовали устройство, показанное на Фиг.7, которое упомянуто выше, и условия формирования пленки были такими же, как было описано выше для данного устройства.

Температура подложки составляла 25°С.

Две полученные тонкие пленки исследовали способом малоугловой рентгенографии (SAXS) (метод тонких пленок, угол падения: 0,5°): четкого дифракционного пика не наблюдалось, что показало, что полученные тонкие пленки типа In-Ga-Zn-O, изготовленные с использованием двух разных мишеней, были аморфными.

Из коэффициента отражения рентгеновских лучей и анализа его паттерна была найдена среднеквадратичная неровность поверхности (Rrms), равная примерно 0,5 нм, и толщина пленки, равная примерно 120 нм. Из рентгенофлуоресцентного анализа (XRF) было найдено, что пленка, полученная с мишенью из поликристаллического спеченного компакта InGaO₃(ZnO), имела содержание металлов с отношением In:Ga:Zn=1,1:1,1:0,9, в то время как пленка, полученная с мишенью из поликристаллического спеченного компакта InGaO₃(ZnO)₄, имела содержание металлов с отношением In:Ga:Zn=0,98:1,02:4.

Пленки из аморфного оксида формировали при разных парциальных давлениях атмосферы для формирования пленки с мишенью, имеющей состав InGaO₃(ZnO)₄. У сформированных пленок из аморфного оксида измеряли концентрацию электронных носителей. Результаты представлены на Фиг.1. При формировании пленки в атмосфере, имеющей парциальное давление кислорода выше чем 4,2 Па, концентрация электронных носителей могла быть снижена до величины, не превышающей 1×10¹⁸/см³, как показано на Фиг.1. При таком формировании пленки подложка может находиться практически при комнатной температуре без необходимости нагревания. При парциальном давлении кислорода ниже чем 6,5 Па поверхности полученных пленок из аморфного оксида были плоскими.

При парциальном давлении кислорода, равном 5 Па, в аморфной пленке, сформированной с мишенью InGaO₃(ZnO)₄, концентрация электронных носителей составляла 1×10¹⁶/см³, электропроводность была равна 1×10^-2 См/см, а подвижность электронов в ней была оценена равной примерно 5 см²/В·сек. Из анализа спектра поглощения света была оценена ширина запрещенной зоны в оптическом диапазоне в полученной тонкой аморфной оксидной пленке, которая составляла примерно 3 эВ.

Более высокое парциальное давление дополнительно уменьшает концентрацию электронных носителей. Как показано на Фиг.1, в пленке из аморфного оксида типа In-Zn-Ga-O, сформированной при температуре подложки 25°С и при парциальном давлении кислорода, равном 6 Па, концентрация электронных носителей была ниже 8×10¹⁵/см³ (электропроводность: примерно 8×10^-3 См/см). Подвижность электронов в пленке была оценена, как равная 1 см²/В·сек или более. Однако при использовании процесса PLD при парциальном давлении кислорода, равном 6,5 Па или выше, нанесенная пленка имела неровную поверхность и не была подходящей для использования в качестве канального слоя ТПТ.

Пленки из аморфного оксида типа In-Zn-Ga-O формировали при разных парциальных давлениях кислорода в атмосфере формирования пленки с мишенью, состоящей из поликристаллического спеченного компакта, имеющего состав InGaO₃(ZnO)₄. В полученных пленках исследовали связь между концентрацией электронных носителей и подвижностью электронов. Результаты показаны на Фиг.2. При увеличении концентрации электронных носителей от 1×10¹⁶/см³ до 1×10²⁰/см³ подвижность электронов увеличивалась от примерно 3 см²/В·сек до примерно 11 см²/В·сек. Такая же тенденция наблюдалась у аморфных оксидных пленок, полученных с использованием поликристаллической спеченной InGaO₃(ZnO) мишени.

Пленка из аморфного оксида типа In-Zn-Ga-O, которую формировали на 200 мкм полиэтиленовой терефталатной (РЕТ) пленке вместо стеклянной подложки, имела аналогичные характеристики.

Формирование пленки из аморфного оксида типа In-Zn-Ga-Mg-O при помощи процесса PLD

Пленку из InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)₄ (0<x≤1) формировали на стеклянной подложке при помощи процесса PLD, используя мишень InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)₄ (0<x≤1). Используемое устройство показано на Фиг.7.

В качестве подложки использовали стеклянную подложку (Corning Co.: 1737). В качестве предварительной обработки перед осаждением подложку промывали для обезжиривания с использованием ультразвука ацетоном, этанолом и сверхчистой водой, по пять минут каждым, и сушили при 100°С. Мишень представляла собой спеченный компакт InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)₄ (x=1-0) (размер: 20 мм в диаметре, 5 мм в толщину). Мишень получали мокрым смешиванием исходных материалов In₂O₃, Ga₂O₃ и ZnO (4-нормальный раствор каждого реагента) (растворитель: этанол), обжигом смеси (1000°С, 2 часа), сухим измельчением и спеканием (1550°С, 2 часа). Конечное давление в камере роста составляло 2×10^-6 Па. Парциальное давление кислорода во время роста поддерживали равным 0,8 Па. Температура подложки была равна комнатной температуре (25°С). Расстояние между мишенью и подложкой для формирования пленки составляло 30 мм. KrF эксимерный лазер излучал с мощностью 1,5 мДж/см²/импульс с длительностью импульса 20 нсек, частотой повторения 10 Гц, и точка облучения представляла собой квадрат 1×1 мм. Скорость формирования пленки составляла 7 нм/мин. Парциальное давление кислорода в атмосфере формирования пленки составляло 0,8 Па. Температура подложки была равна 25°С.

Полученную тонкую пленку исследовали способом малоугловой рентгенографии (SAXS) (метод тонких пленок, угол падения: 0,5°): четкого дифракционного пика не наблюдалось. Таким образом, полученная тонкая пленка типа In-Ga-Zn-Mg-O была аморфной. Полученная пленка имела плоскую поверхность.

Используя мишени с различными значениями х (с разным содержанием Mg) пленку из аморфного оксида типа In-Ga-Zn-Mg-O формировали при парциальном давлении кислорода, равном 0,8 Па, в атмосфере для формирования пленки с целью изучения зависимости проводимости, концентрации электронных носителей и подвижности электронов от величины х.

Результаты приведены на фиг.4А, 4В и 4С. Если величина х больше 0,4, пленки из аморфного оксида, сформированные при помощи процесса PLD при парциальном давлении кислорода в атмосфере, равном 0,8 Па, концентрация электронных носителей уменьшалась до величины, меньшей чем 1×10¹⁸/см³. В аморфной пленке со значением х, большим 0,4, подвижность электронов превышала величину 1 см²/В·сек.

Как показано на фиг.4А, 4В и 4С, концентрация электронных носителей ниже чем 1×10¹⁶/см³ может быть получена в пленке, изготовленной способом импульсного лазерного осаждения с использованием мишени, у которой 80 атом. % Zn заменено Mg, и при парциальном давлении кислорода, равном 0,8 Па (удельное сопротивление: примерно 1×10^-2 См/см). В такой пленке подвижность электронов ниже по сравнению с пленкой, не содержащей Mg, но не намного. Подвижность электронов в пленках составляет примерно 5 см²/В·сек, что превышает подвижность электронов в аморфном кремнии примерно на один порядок. В тех же самых условиях формирования пленки как электропроводность, так и подвижность электронов в пленке уменьшаются с увеличением содержания Mg. Следовательно, предпочтительным является, чтобы содержание Mg в пленке составляло больше 20 атом. % и меньше 85 атом. % (0,2<x<0,85), более предпочтительно 0,5<x<0,85.

Аморфная пленка из InGaO₃(Zn_1-xMg_xO)₄ (0<x≤1), сформированная на 200 мкм полиэтиленовой терфталатной (РЕТ) пленке вместо стеклянной подложки, имеет аналогичные характеристики.

Формирование пленки из аморфного оксида In₂O₃ при помощи процесса PLD

In₂O₃ пленку формировали на 200 мкм пленке РЕТ, используя мишень, состоящую из In₂O₃ поликристаллического спеченного компакта при помощи процесса PLD, используя KrF эксимерный лазер.

Использованное устройство показано на Фиг.7. Подложка для формирования пленки представляла собой SiO₂ стеклянную подложку (Corning Co.: 1737).

В качестве предварительной обработки перед осаждением подложку промывали для обезжиривания с использованием ультразвука ацетоном, этанолом и сверхчистой водой, по пять минут каждым, и сушили при 100°С.

Мишень представляла собой In₂O₃ спеченный компакт (размер: 20 мм в диаметре и 5 мм в толщину), которую получали обжигом исходного реагента In₂O₃ (4 нормальный раствор реагента) (1000°С, 2 часа), сухим измельчением и спеканием (1550°С, 2 часа).

Конечное давление в камере роста составляло 2×10^-6 Па, парциальное давление кислорода во время роста было равно 5 Па, и температура подложки равна 25°С.

Парциальное давление паров воды составляло 0,1 Па, и радикалы кислорода генерировались прибором для генерации радикалов кислорода при приложенной мощности 200 Вт.

Расстояние между мишенью и подложкой для формирования пленки составляло 40 мм, мощность KrF эксимерного лазера составляла 0,5 мДж/см²/импульс с длительностью импульса 20 нсек, частотой повторения 10 Гц, и точка облучения представляла собой квадрат размером 1×1 мм.

Скорость формирования пленки составляла 3 нм/мин.

Полученную тонкую пленку исследовали способом малоугловой рентгенографии (SAXS) (метод тонких пленок, угол падения: 0,5°): четкого дифракционного пика не наблюдалось, что показало, что полученная пленка типа In-O была аморфной. Толщина пленки составила 80 нм.

В полученной пленке из аморфного оксида типа In-O концентрация электронных носителей составляла 5×10¹⁷/см³, и подвижность электронов была равна примерно 7 см²/В·сек.

Формирование пленки из аморфного оксида типа In-Sn-O при помощи процесса PLD

Оксидную пленку типа In-Sn-O формировали на 200 мкм пленке РЕТ, используя мишень, состоящую из поликристаллического спеченного компакта (In_0,9Sn_0,1)O_3,1 при помощи процесса PLD, используя KrF эксимерный лазер. Использованное устройство показано на Фиг.7.

Подложка для формирования пленки представляла собой SiO₂ стеклянную подложку (Corning Co.: 1737).

В качестве предварительной обработки перед осаждением подложку промывали для обезжиривания с использованием ультразвука ацетоном, этанолом и сверхчистой водой, по пять минут каждым, и сушили при 100°С.

Мишень представляла собой In₂O₃-SnO₂ спеченный компакт (размер: 20 мм в диаметре и 5 мм в толщину), которую получали мокрым смешиванием исходных материалов In₂O₃-SnO₂ (4-нормальный раствор реагента) (растворитель: этанол), обжигом смеси (1000°С, 2 часа), сухим измельчением и спеканием (1550°С, 2 часа).

Подложка находилась при комнатной температуре. Парциальное давление кислорода было равно 5 Па. Парциальное давление азота составляло 0,1 Па. Радикалы кислорода генерировались прибором для генерации радикалов кислорода при приложенной мощности 200 Вт.

Расстояние между мишенью и подложкой для формирования пленки составляло 30 мм, мощность KrF эксимерного лазера составляла 0,5 мДж/см²/импульс с длительностью импульса 20 нсек, частотой повторения 10 Гц, и точка облучения представляла собой квадрат с размером равен 1×1 мм.

Скорость формирования пленки составляла 6 нм/мин.

Полученную тонкую пленку исследовали способом малоугловой рентгенографии (SAXS) (метод тонких пленок, угол падения: 0,5°): четкого дифракционного пика не наблюдалось, что показало, что полученная пленка типа In-Sn-O была аморфной.

В полученной пленке из аморфного оксида типа In-Sn-O концентрация электронных носителей составляла 8×10¹⁷/см³, и подвижность электронов была равна примерно 5 см²/В·сек. Толщина пленки составляла 100 нм.

ФОРМИРОВАНИЕ ПЛЕНКИ ИЗ АМОРФНОГО ОКСИДА ТИПА In-Ga-O ПРИ ПОМОЩИ ПРОЦЕССА PLD

Подложка для формирования пленки представляла собой SiO₂ стеклянную подложку (Corning Co.: 1737).

В качестве предварительной обработки перед осаждением подложку промывали для обезжиривания с использованием ультразвука ацетоном, этанолом и сверхчистой водой, по пять минут каждым, и сушили при 100°С.

Мишень представляла собой спеченный компакт (In₂O₃)_1-x-(Ga₂O₃)_x (x=0-1) (размер: 20 мм в диаметре и 5 мм в толщину). Например, при х=0,1, мишень представляет собой поликристаллический спеченный компакт (In_0,9Ga_0,1)₂O₃.

Мишень получали мокрым смешиванием исходных материалов In₂O₃-Ga₂O₃ (4-нормальный раствор реагентов) (растворитель: этанол), обжигом смеси (1000°С, 2 часа), сухим измельчением и спеканием (1550°С, 2 часа).

Конечное давление в камере роста составляло 2×10^-6 Па. Парциальное давление кислорода во время роста было равно 1 Па.

Подложка находилась при комнатной температуре. Расстояние между мишенью и подложкой для формирования пленки составляло 30 мм. Мощность KrF эксимерного лазера составляла 1,5 мДж/см²/импульс с длительностью импульса 20 нсек, частотой повторения 10 Гц. Точка облучения представляла собой квадрат с размером 1×1 мм. Скорость формирования пленки составляла 6 нм/мин.

Температура подложки была равна 25°С.Парциальное давление кислорода составляло 1 Па. Полученную тонкую пленку исследовали способом малоугловой рентгенографии (SAXS) (метод тонких пленок, угол падения: 0,5°): четкого дифракционного пика не наблюдалось, что показало, что полученная пленка типа In-Ga-O была аморфной. Толщина пленки составляла 120 нм.

В полученной пленке из аморфного оксида типа In-Ga-O концентрация электронных носителей составляла 8×10¹⁶/см³, и подвижность электронов была равна примерно 1 см²/В·сек.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТА ТПТ С ПЛЕНКОЙ ИЗ АМОРФНОГО ОКСИДА ТИПА In-Ga-Zn-O (СТЕКЛЯННАЯ ПОДЛОЖКА)

Изготовили ТПТ с верхним затвором, показанный на Фиг.5.

Сначала пленку из аморфного оксида типа In-Ga-Zn-O изготовили на стеклянной подложке 1 при помощи вышеуказанного устройства PLS, используя мишень, состоящую из поликристаллического спеченного компакта, имеющего состав InGaO₃(ZnO)₄ при парциальном давлении кислорода, равном 5 Па. Сформированная In-Ga-Zn-O пленка имела толщину 120 нм и была использована в качестве канального слоя 2.

Далее, способом PLD при парциальном давлении кислорода в камере ниже 1 Па были наслоены еще одна пленка из аморфного оксида типа In-Ga-Zn-O с большей подвижностью электронов и золотой слой, каждая из которых имела толщину 30 нм. Затем из них были сформированы терминал 5 стока и терминал 6 истока способом фотолитографии и обратной литографии.

Наконец, способом осаждения с использованием электроннолучевого испарения была сформирована Y₂O₃ пленка в качестве изолятора затвора (толщина: 90 нм, относительная диэлектрическая постоянная: примерно 15, плотность тока утечки: 1×10^-3 А/см² при приложении напряжения 0,5 МВ/см). Далее была сформирована золотая пленка, из которой затем способом фотолитографии и способом обратной литографии был сформирован терминал 4 затвора. Длина канала составила 50 мкм, а ширина - 200 мкм.

Оценка рабочих характеристик элемента ТПТ

На Фиг.6 показана вольт-амперная характеристика элемента ТПТ при комнатной температуре. Ток стока I_DS увеличивается с увеличением напряжения стока V_DS, что показывает, что канал имеет проводимость n-типа.

Это согласуется с тем фактом, что аморфный полупроводник типа In-Ga-Zn-O является полупроводником n-типа. I_DS насыщается (отсекается) при V_DS=6 В, что характерно для полупроводникового транзистора. Из оценки рабочих характеристик затвора найдено, что пороговая величина напряжения затвора V_GS при приложении напряжения V_DS=4 В составляет примерно -0,5 В. Ток I_DS=1,0×10^-5 А возникает при V_G=10 В. Это соответствует влиянию смещения на затворе на носители в полупроводниковой тонкой аморфной In-Ga-Zn-O пленке, используемой в качестве изолятора.

Отношение включено/выключено транзистора выше чем 1×10³. Из выходных рабочих характеристик вычислили подвижность полевого эффекта, которая в области насыщения составляла примерно 7 см²/В·сек. Облучение видимым светом не меняло рабочих характеристик полученного элемента согласно тем же измерениям.

Аморфный оксид с концентрацией электронных носителей ниже чем 1×10¹⁸/см³ может использоваться в качестве канального слоя ТПТ. Более предпочтительна концентрация электронных носителей ниже чем 1×10¹⁷/см³, еще более предпочтительна - ниже чем 1×10¹⁶/см³.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТА ТПТ С ПЛЕНКОЙ ИЗ АМОРФНОГО ОКСИДА ТИПА In-Zn-Ga-O (АМОРФНАЯ ПОДЛОЖКА)

Изготовили элемент ТПТ с верхним затвором, показанный на Фиг.5.

Сначала пленку из аморфного оксида типа In-Ga-Zn-O изготовили на полиэтиленовой терфталатной (РЕТ) подложке 1 при помощи вышеуказанного устройства PLS, используя мишень, состоящую из поликристаллического спеченного компакта, имеющего состав InGaO₃(ZnO) при парциальном давлении кислорода в атмосфере, равном 5 Па. Сформированная пленка имела толщину 120 нм и была использована в качестве канального слоя 2.

Далее, способом PLD при парциальном давлении кислорода в камере ниже 1 Па были наслоены еще одна пленка из аморфного оксида типа In-Ga-Zn-O с большей подвижностью электронов и золотой слой, каждый из которых имел толщину 30 нм. Затем из них были сформированы терминал 5 стока и терминал 6 истока способом фотолитографии и обратной литографии.

Наконец, способом осаждения с использованием электроннолучевого испарения был сформирован изолятор 3 затвора. Далее на нем была сформирована золотая пленка, из которой затем способом фотолитографии и способом обратной литографии был сформирован терминал 4 затвора. Длина канала составила 50 мкм, а ширина - 200 мкм. Три ТПТ вышеописанной структуры изготовили, используя соответственно один из трех видов изоляторов затвора: Y₂O₃ (толщиной 140 нм), Al₂O₃ (толщиной 130 мкм) и HfO₂ (толщиной 140 мкм).

Оценка рабочих характеристик элемента ТПТ

Элементы ТПТ, сформированные на пленке РЕТ, при комнатной температуре имели вольт-амперные характеристики, аналогичные тем, которые показаны на Фиг.6. Ток стока I_DS увеличивается с увеличением напряжения стока V_DS, что показывает, что канал имеет проводимость n-типа. Это согласуется с тем фактом, что полупроводник типа In-Ga-Zn-O является полупроводником n-типа. I_DS насыщается (отсекается) при V_DS=6 В, что характерно для полупроводникового транзистора. Ток I_DS=1,0×10^-8 А возникает при V_G=0 В, а ток I_DS=2,0×10^-5 А возникает при V_G=10 В. Это соответствует влиянию смещения на затворе на носители в изоляторе, в полупроводниковой тонкой аморфной In-Ga-Zn-O пленке.

Отношение включено/выключено транзистора выше чем 1×10³. Из выходных рабочих характеристик вычислили подвижность полевого эффекта, которая в области насыщения составляла примерно 7 см²/В·сек.

Элементы, сформированные на пленке РЕТ, были согнуты до радиуса кривизны 30 мм и в таком состоянии были измерены рабочие характеристики транзистора. Однако в рабочих характеристиках изменения не наблюдались. Облучение видимым светом не меняло рабочих характеристик транзистора.

ТПТ, использующий в качестве изолятора затвора Al₂O₃ пленку, также имел рабочие характеристики транзистора, аналогичные тем, как показано на Фиг.6. Ток I_DS=1,0×10^-8 А возникает при V_G=0 В, а ток I_DS=5,0×10^-6 А возникает при V_G=10 В. Отношение включено/выключено транзистора выше чем 1×10². Из выходных характеристик была вычислена подвижность полевого эффекта, которая в области насыщения составляет 2 см²/В·сек.

ТПТ, использующий в качестве изолятора затвора HfO₂ пленку, также имел рабочие характеристики транзистора, аналогичные тем, как показано на Фиг.6. Ток I_DS=1,0×10^-8 А возникает при V_G=0 В, а ток I_DS=1,0×10^-6 А возникает при V_G=10 В. Отношение включено/выключено транзистора выше чем 1×10². Из выходных характеристик была вычислена подвижность полевого эффекта, которая в области насыщения составляет 10 см²/В·сек.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТА ТПТ С ПЛЕНКОЙ ИЗ АМОРФНОГО ОКСИДА In₂O₃ ТИПА ПРИ ПОМОЩИ СПОСОБА PLD

Изготовили ТПТ с верхним затвором, показанный на Фиг.5.

Сначала на полиэтиленовой терфталатной (РЕТ) подложке 1 способом PLD изготовили пленку из аморфного оксида типа In₂O₃ в качестве канального слоя 2 толщиной 80 нм.

Далее, способом PLD при парциальном давлении кислорода в камере ниже 1 Па и приложенном напряжении, равном 0 В, к устройству генерации радикалов кислорода на нее были наслоены еще одна пленка из аморфного оксида типа In₂O₃ с большей подвижностью электронов и золотой слой, каждый из которых имел толщину 30 нм. Затем из них были сформированы терминал 5 стока и терминал 6 истока способом фотолитографии и обратной литографии.

Наконец, способом осаждения с использованием электроннолучевого испарения была сформирована Y₂O₃ пленка в качестве изолятора 3 затвора. Далее на ней была сформирована золотая пленка, из которой затем способом фотолитографии и способом обратной литографии был сформирован терминал 4 затвора.

Оценка рабочих характеристик элемента ТПТ

Изучали вольт-амперные характеристики элементов, сформированных на пленке РЕТ при комнатной температуре. Ток стока I_DS увеличивался с увеличением напряжения стока V_DS, что показало, что канал имеет проводимость n-типа. Это согласуется с тем фактом, что аморфная оксидная пленка типа In-O является полупроводником n-типа. I_DS насыщается (отсекается) при V_DS=6 В, что характерно для полупроводникового транзистора. Ток I_DS=2,0×10^-8 А возникает при V_G=0 В, а ток I_DS=2,0×10^-6 А возникает при V_G=10 В. Это соответствует влиянию смещения на затворе на носители в полупроводниковой тонкой аморфной In-O пленке.

Отношение включено/выключено транзистора выше чем 1×10². Из выходных рабочих характеристик вычислили подвижность полевого эффекта, которая в области насыщения составляет примерно 1×10 см²/В*сек. ТПТ элемент, сформированный на стеклянной подложке, имел аналогичные характеристики.

Элементы, сформированные на пленке РЕТ, были согнуты до радиуса кривизны 30 мм и в таком состоянии были измерены рабочие характеристики транзистора. В рабочих характеристиках изменения не наблюдались.

Изготовление ТПТ с пленкой из аморфного оксида типа In-Sn-O при помощи процесса PLD

Изготовили ТПТ с верхним затвором, показанный на Фиг.5.

Сначала на полиэтиленовой терфталатной (РЕТ) пленке 1 способом PLD сформировали пленку 2 из аморфного оксида типа In-Sn-O толщиной 100 нм в качестве канального слоя.

Далее на нее способом PLD при парциальном давлении кислорода в камере ниже 1 Па и приложенном напряжении 0 В к устройству генерации радикалов кислорода были наслоены еще одна пленка из аморфного оксида In-Sn-O с большей подвижностью электронов и золотой слой, каждый из которых имел толщину 30 нм. Затем из них были сформированы терминал 5 стока и терминал 6 истока способом фотолитографии и обратной литографии.

Наконец, способом осаждения с использованием электроннолучевого испарения была сформирована Y₂O₃ пленка в качестве изолятора 3 затвора. Далее на ней была сформирована золотая пленка, из которой затем способом фотолитографии и способом обратной литографии был сформирован терминал 4 затвора.

Оценка рабочих характеристик элемента ТПТ

Исследовали вольт-амперные характеристики элементов ТПТ, сформированных на РЕТ пленке при комнатной температуре. Ток стока I_DS увеличивался с увеличением напряжения стока V_DS, что показывает, что канал имеет проводимость n-типа. Это согласуется с тем фактом, что пленка из аморфного оксида типа In-Sn-O является полупроводником n-типа. I_DS насыщается (отсекается) при V_DS=6 В, что характерно для транзистора. Ток I_DS=5×10^-8 А возникает при V_G=0 В, а ток I_DS=5,0×10^-5 А возникает при V_G=10 В. Это соответствует влиянию смещения на затворе на носители в изоляторе, пленке из аморфного оксида типа In-Sn-O.

Отношение включено/выключено транзистора составляло примерно 1×10³. Из выходных рабочих характеристик вычислили подвижность полевого эффекта, которая в области насыщения составляла примерно 5 см²/В·сек. ТПТ элемент, сформированный на стеклянной подложке, имел аналогичные характеристики.

Элементы, сформированные на пленке РЕТ, были согнуты до радиуса кривизны 30 мм, и в таком состоянии были измерены рабочие характеристики транзистора. В рабочих характеристиках изменения не наблюдались.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТА ТПТ С ПЛЕНКОЙ ИЗ АМОРФНОГО ОКСИДА ТИПА In-Ga-O ПРИ ПОМОЩИ ПРОЦЕССА PLD

Изготовили ТПТ с верхним затвором, показанный на Фиг.5.

Сначала на полиэтиленовой терфталатной (РЕТ) пленке 1 способом PLD, показанным в примере 6, формировали пленку 2 из аморфного оксида типа In-Ga-O толщиной 120 нм в качестве канального слоя.

Далее на нее способом PLD при парциальном давлении кислорода в камере ниже 1 Па и приложенном к устройству генерации радикалов кислорода напряжении 0 В были наслоены еще одна пленка из аморфного оксида типа In-Ga-O с большей подвижностью электронов и золотой слой, каждая из которых имела толщину 30 нм. Затем из них были сформированы терминал 5 стока и терминал 6 истока способом фотолитографии и обратной литографии.

Наконец, способом осаждения с использованием электроннолучевого испарения была сформирована Y₂O₃ пленка в качестве изолятора 3 затвора. Далее на ней была сформирована золотая пленка, из которой затем способом фотолитографии и способом обратной литографии был сформирован терминал 4 затвора.

Оценка рабочих характеристик элемента ТПТ

Исследовали вольт-амперные характеристики элементов ТПТ, сформированных на РЕТ пленке при комнатной температуре. Ток стока I_DS увеличивался с увеличением напряжения стока V_DS, что показало, что канал имеет проводимость n-типа. Это согласуется с тем фактом, что пленка из аморфного оксида типа In-Ga-O является полупроводником n-типа. I_DS насыщается (отсекается) при V_DS=6 В, что характерно для транзистора. Ток I_DS=1×10^-8 А возникал при V_G=0 В, а ток I_DS=1,0×10^-6 А возникал при V_G=10 В. Это соответствует влиянию смещения на затворе на носители в изоляторе, пленке из аморфного оксида типа In-Ga-O.

Отношение включено/выключено транзистора составляло примерно 1×10². Из выходных рабочих характеристик вычислили подвижность полевого эффекта, которая в области насыщения составляла примерно 0,8 см²/В·сек. ТПТ элемент, сформированный на стеклянной подложке, имел аналогичные характеристики.

Элементы, сформированные на пленке РЕТ, были изогнуты с радиусом кривизны 30 мм и в таком состоянии были измерены рабочие характеристики транзистора. В рабочих характеристиках изменения не наблюдались.

Аморфный оксид с концентрацией электронных носителей ниже чем 1×10¹⁸/см³ может использоваться в качестве канального слоя ТПТ. Более предпочтительна концентрация электронных носителей ниже чем 1×10¹⁷/см³, еще более предпочтительна - ниже чем 1×10¹⁶/см³.

Ниже приведены примеры осуществления настоящего изобретения.

Пример 1: получение In-Ga-Zn-O аморфной тонкой пленки, содержащей микрокристаллы

Пленку получают при помощи устройства, показанного на Фиг.7. Способ импульсного лазерного осаждения с использованием KrF эксимерного лазера выполняют, используя в качестве мишени поликристаллический спеченный корпус, имеющий состав InGaO₃(ZnO)₄. На стеклянную подложку (1737, производства Corning Incorporated), осаждают полупроводящую тонкую пленку на основе In-Ga-Zn-O аморфного оксида. На этапе формирования пленки поверхность подложки облучают галогенной лампой (20 мВт/см²). Наличие или отсутствие микрокристаллов подтверждается при осмотре области пленки при помощи ТЕМ (трансмиссионного электронного микроскопа).

Получение МДП-транзистора (полевой транзистор со структурой металл-диэлектрик-полупроводник)

Изготавливают устройство МДП-транзистора с верхним затвором, показанное на Фиг.5. Сначала полупроводящую аморфную InGaO₃(ZnO)₄ пленку толщиной 30 нм, содержащую микрокристаллы и служащую в качестве канального слоя (2), формируют на стеклянной подложке (1) согласно вышеуказанному способу получения In-Ga-Zn-O аморфной тонкой пленки, содержащей микрокристаллы. Более того, на полученную конструкцию наслаивают InGaO₃(ZnO)₄ пленку и золотую пленку с большей электропроводностью, каждая из которых толщиной 30 нм, при помощи способа импульсного лазерного осаждения, устанавливая при этом парциальное давление кислорода в камере ниже 1 Па. Затем терминал (5) стока и терминал (6) истока формируют способом фотолитографии и способом обратной литографии. Наконец, Y₂O₃ пленку, служащую в качестве изолятора (3) затвора, формируют способом электронно-лучевого напыления (полученная пленка имеет толщину 90-110 нм, удельная диэлектрическая постоянная примерно 15, плотность тока утечки 1×10^-3 А/см² при приложении тока 0,5 МВ/см). Следовательно, золотую пленку формируют на полученной конструкции и затем формируют терминал (4) затвора способом фотолитографии и способом обратной литографии. Таким образом формируют полевой транзистор.

Отношение ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО транзистора превышает 1×10⁴. Если дрейфовая подвижность вычисляется на основе характеристик мощности, дрейфовую подвижность электронов примерно 7,5 см²/В·сек получают в насыщенном поле. Изготовленное таким образом устройство облучают видимым светом и подвергают такому же измерению. При этом какого либо изменения в характеристиках транзистора не наблюдается.

Более того, в вышеприведенных примерах получения In-Ga-Zn-O тонкой пленки, содержащей микрокристаллы, эффективные результаты получают, если подложку облучают светом, имеющим плотность энергии 0,3 мВт/см² - 100 мВт/см². В результате отношение транзистора ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО может быть увеличено и может быть получена большая дрейфовая подвижность электронов. По этой причине предпочтительно облучение светом. Хотя оно изменяется в зависимости от количества микрокристаллов в пленке из аморфного оксида, наличие микрокристаллов обычно подтверждается, если детектируется пик при помощи дифракции.

Пример 2: Получение In-Ga-Zn-O аморфной тонкой пленки, имеющей композиционное распределение в направлении толщины пленки

Полупроводящую тонкую пленку на основе In-Ga-Zn-O аморфного оксида, имеющего композиционное распределение в направлении толщины пленки, осаждают на стеклянной подложке (1737, производства Corning Incorporated) способом импульсного лазерного осаждения, используя KrF эксимерный лазер с использованием в качестве мишени поликристаллический спеченный корпус, имеющий состав InGaO₃(ZnO)₄. Пленку осаждают в камере, имеющей внутреннее парциальное давление кислорода в пределах заданного диапазона, увеличивая расстояние между мишенью и подложкой до 5 мм. Поскольку расстояние увеличивается, количество кислорода, введенного в формируемую пленку, увеличивается. Необходимо отметить, что температура подложки устанавливается равной 25°С.

В примере 2 (для формирования тонкой пленки, имеющей композиционное распределение в направлении толщины пленки) состав может меняться путем изменения парциального давления кислорода в направлении толщины пленки, или, в качестве альтернативы, путем изменения энергии осцилляции или частоты осцилляции импульсного лазера. Таким образом, можно уменьшить ток утечки или можно увеличить отношение транзистора ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО, а также может быть увеличена дрейфовая подвижность электронов.

Пример 3: получение In-Ga-Zn-O аморфной тонкой пленки, имеющей композиционное распределение в направлении толщины пленки

Пленку формируют способом напыления, используя газообразный аргон. В качестве мишеней изготавливают (1) поликристаллический спеченный корпус, имеющий состав InGaO₃(ZnO)₄, и (2) спеченный корпус из оксида цинка. Затем, на стеклянную подложку (1737, производства Corning Incorporated) наслаивают In-Ga-Zn-O аморфную тонкую пленку, имеющую композиционное распределение в направлении толщины. Пленку формируют способом напыления в атмосфере, имеющей заданное парциальное давление кислорода, сначала используя мишень (1), затем используя мишень (1) и мишень (2), одновременно. Таким образом, можно получить In-Ga-Zn-O аморфную тонкую пленку, имеющую композиционное распределение в направлении толщины. Необходимо отметить, что температуру подложки поддерживают при 25°С.

In-Ga-Zn-O аморфную тонкую пленку, имеющую композиционное распределение в направлении толщины можно получить следующим способом. Состав распределяется в направлении толщины пленки путем напыления In₂O₃ мишени одновременно или отдельно, или путем изменения парциального давления кислорода в направлении толщины пленки, или, в качестве альтернативы, путем изменения мощности, подаваемой в направлении толщины пленки для каждой мишени на этапе напыления. В частности предполагается, что в тонкой аморфной пленке около изолятора затвора увеличивается дрейфовая подвижность электронов с увеличением количества In₂O₃ или ZnO.

Пример 4: Получение In-Ga-Zn-O(N) аморфной тонкой пленки

Ниже описывается способ получения аморфного оксида, содержащего азот (N) в качестве добавки.

Полупроводящую аморфную пленку на основе In-Ga-Zn-O аморфного оксида, содержащую азот в качестве примеси (обозначенную просто как “In-Ga-Zn-O(N)”), наслаивают на стеклянную подложку такого же типа, как описано выше, способом импульсного лазерного осаждения, при помощи KrF эксимерного лазера, используя в качестве мишени InGaO₃(ZnO)₄ поликристаллический спеченный корпус. Необходимо отметить, что парциальное давление кислорода внутри камеры устанавливают равным, например, 4 Па, парциальное давление азота устанавливают равным 1 Па и температуру подложки, равную 25°С. Композиционное отношение кислорода к азоту в тонкой пленке предпочтительно составляет примерно 50:1, как было проанализировано при помощи второго ионного масс-спектра (SIMS).

Пример 5: Получение In-Ga-Zn-O(Ti) аморфной тонкой пленки

Полупроводниковую тонкую пленку на основе In-Ga-Zn-O аморфного оксида наслаивают на стеклянную подложку (1737, производства Corning Incorporated) способом импульсного лазерного осаждения при помощи KrF эксимерного лазера, используя в качестве мишени поликристаллический спеченный корпус, имеющий состав InGaO₃(ZnO)₄. Полученную тонкую пленку на основе In-Ga-Zn-O пропитывают водным раствором трихлорида титана при 80°С. Затем пленку отжигают при 300°С на воздухе. Таким образом, Ti можно ввести в аморфный оксид в виде примеси. При анализе концентрации Ti в тонкой пленке от ее поверхности в направлении подложки при помощи SIMS концентрация Ti на поверхности составляет примерно 0,5% и постепенно увеличивается в направлении подложки.

Аморфный оксид согласно настоящему изобретению наслаивают на канальный слой транзистора. Такой транзистор можно использовать в качестве устройства переключения для LCD и устройств отображения с органическим EL. В качестве альтернативы, аморфный оксид может быть нанесен на гибкий материал, такой как пластмассовая пленка, для формирования полупроводниковой тонкой пленки. Такая полупроводниковая тонкая пленка может широко использоваться в качестве панели для гибких устройств отображения, IC карт и идентификационных карточек.

Настоящая заявка притязает на приоритет японской заявки на патент No. 2004-326687, поданной 10 ноября 2004 г. и включенной в настоящее описание во всей своей полноте в качестве ссылки.

Изобретение относится к аморфному оксиду и полевому транзистору с его использованием. Сущность изобретения: аморфное оксидное соединение, имеющее состав, который при нахождении указанного соединения в кристаллическом состоянии описывается формулой In_2-XM3_XO₃(Zn_1-YM2_YO)_m, где М2 представляет собой Mg или Са, М3 представляет собой В, Al, Ga или Y, 0≤Х≤2, 0≤Y≤1, и m представляет собой 0 или натуральное число меньше 6, или смесь таких соединений, причем упомянутое аморфное оксидное соединение дополнительно содержит один тип элемента или множество элементов, выбранных из группы, состоящей из Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, P, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn и F, и упомянутое аморфное оксидное соединение имеет концентрацию электронных носителей в пределах от 10¹⁵/см³ до 10¹⁸/см³. Техническим результатом изобретения является предоставление аморфного оксида, который функционирует, как полупроводник для использования в активном слое тонкопленочного транзистора. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Аморфное оксидное соединение, имеющее состав, который при нахождении указанного соединения в кристаллическом состоянии описывается формулой In_2-XM3_XO₃(Zn_1-YM2_YO)_m, где М2 представляет собой Mg или Са, М3 представляет собой В, Al, Ga или Y, 0≤Х≤2, 0≤Y≤1, и m представляет собой 0 или натуральное число меньше 6, или смесь таких соединений,
причем упомянутое аморфное оксидное соединение дополнительно содержит один тип элемента или множество элементов, выбранных из группы, состоящей из Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, P, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn и F, и
упомянутое аморфное оксидное соединение имеет концентрацию электронных носителей в пределах от 10¹² до 10¹⁸/см³.

2. Аморфное оксидное соединение по п.1, содержащее, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из In, Zn и Sn.

3. Аморфное оксидное соединение по п.1, в котором аморфное оксидное соединение представляет собой любое одно, выбранное из группы, состоящей из оксида, содержащего In, Zn и Sn; оксида, содержащего In и Zn; оксида, содержащего In и Sn; оксида, содержащего In.

4. Аморфное оксидное соединение по п.1, причем упомянутое аморфное оксидное соединение представляет собой оксид, содержащий In, Zn и Ga.

5. Аморфное оксидное соединение, имеющее состав, который при нахождении указанного соединения в кристаллическом состоянии описывается формулой In_2-XM3_XO₃(Zn_1-YM2_YO)_m, где М2 представляет собой Mg или Са, М3 представляет собой В, Al, Ga или Y, 0≤Х≤2, 0≤Y≤1, и m представляет собой 0 или натуральное число меньше 6, или смесь таких соединений,
причем упомянутое аморфное оксидное соединение дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, C, N, P, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn и F, причем упомянутое аморфное оксидное соединение имеет подвижность электронов, которая увеличивается с увеличением концентрации электронных носителей.

6. Полевой транзистор, содержащий
активный слой и электрод затвора, сформированный таким образом, что активный слой обращен к электроду затвора через изолятор затвора,
причем активный слой выполнен из аморфного оксидного соединения, имеющего состав, который при нахождении указанного соединения в кристаллическом состоянии описывается формулой
In_2-XM3_XO₃(Zn_1-YM2_YO)_m, где М2 представляет собой Mg или Са, М3 представляет собой В, Al, Ga или Y, 0≤Х≤2, 0≤Y≤1, и m представляет собой 0 или натуральное число меньше 6, или смеси таких соединений,
причем упомянутое аморфное оксидное соединение дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из Li, Na, Mn, Ni, Pd, Cu, Cd, С, N, P, Ti, Zr, V, Ru, Ge, Sn и F.