透明氧化物半导体薄膜晶体管制造技术

一种在场效应晶体管中沉积选自氧化锌、氧化铟、氧化锡和氧化镉的无掺杂的透明氧化物半导体的方法，包括选自以下的一种方法：　　　　ａ）在混合了惰性气体的氧气有效分压下物理气相沉积无掺杂的ＴＯＳ；　　　　ｂ）在有效氧气分压下电阻蒸发无掺杂的ＴＯＳ；　　　　ｃ）在有效氧气分压下激光蒸发无掺杂的ＴＯＳ；　　　　ｄ）在有效氧气分压下电子束蒸发无掺杂的ＴＯＳ；和　　　　ｅ）在有效氧气分压下化学气相沉积无掺杂的ＴＯＳ。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用选自氧化锌、氧化铟、氧化锡和氧化镉的透明氧化物半导体制造的晶体管，其中在沉积所述氧化物半导体时没有特意掺入额外的掺杂元素，本专利技术还涉及所述氧化物半导体的沉积方法。透明氧化物半导体可用于制造透明薄膜晶体管。透明晶体管可用于控制显示器中的像素。由于是透明的，晶体管不会显著降低像素的有效面积。
技术介绍
Fortunato等(Materials Research Society Symposium Proceedings(2001)666)记述了通过射频磁控管溅射法沉积在聚酯上的含铝氧化锌薄膜。日本专利申请JP2002076356A中记述了一种由氧化锌制成的并掺杂了过渡金属元素的沟道层。Goodman(US 4204217A)公开了一种液晶晶体管。Ohya等(Japanese Journal of Applied Physics，Part 1(Jan.2001)vol 40，no.1，p297-8)公开了一种由化学溶液沉积法制备的ZnO薄膜晶体管。Maniv等(J.Vac.Sci Technol.，A(1983)，1(3)，1370-5)记述了由改进的反应平面磁控管溅射技术制备的导电ZnO薄膜。Giancaterian等(Surface and Coatings Technology(2001)138(1)，84-94)记述了由射频磁控管溅射法沉积的氧化锌涂层。Seager等(Appl.Phys.Lett.68，2660-2662，1996)记述了利用铁电绝缘体发出的电场来控制或调节ZnO:Al或ZnO:In导电膜的电阻。在2000年8月期的Materials Research Bullitin，Volume25(8)2000中回顾了透明导电氧化物，专门论述了透明导电氧化物的材料和性能。专利技术概述本专利技术涉及新型的透明氧化物半导体(TOS)薄膜晶体管(TFT)及其沉积方法，其中透明氧化物半导体(TOS)选自氧化锌(ZnO)、氧化铟(In2O3)、氧化锡(SnO2)或氧化镉(CdO)半导体及其组合。所述TFT结构包括具有用于将电流注入TOS的通常称为源极和漏极的导电电极的TOS，以及用于控制和/或调节源-漏电流的电容充电电路。半导体沉积工艺采用磁控管溅射技术，在具有可控氧气分压的惰性气体气氛中溅射氧化物(ZnO、In2O3、SnO2、CdO)或金属(Zn、In、Sn、Cd)靶。这是一种与温度敏感基底和元件相容的低温工艺。TOS TFT的一个特别诱人的应用是用于在柔性聚合物基底上的显示器驱动电路。本方法具体涉及在场效应晶体管中沉积无掺杂的透明氧化物半导体，包括选自以下的一种方法a)在混合了惰性气体的氧气有效分压下物理气相沉积无掺杂的TOS；b)在有效氧气分压下电阻蒸发无掺杂的TOS；c)在有效氧气分压下激光蒸发无掺杂的TOS；d)在有效氧气分压下电子束蒸发无掺杂的TOS；和e)在有效氧气分压下化学气相沉积无掺杂的TOS。本专利技术还涉及一种包括无掺杂的透明氧化物半导体的晶体管。在一个实施方案中，晶体管位于柔性基底上并进一步包含由选自氧化锌、氧化铟、氧化锡和氧化镉的材料制成的栅极介质。附图简述附图说明图1显示了在10毫托和20毫托的氩气和氧气中射频磁控管溅射的ZnO膜中，电阻率与pO2的关系。图2显示了通过PVD或CVD法制造的ZnO膜的总的电阻特性与氧气源分压的关系。图3显示了ZnO TFT的测试结构。图4显示了pO2＝Pc条件下制造的射频磁控管溅射薄膜的ZnO TFTI-V曲线。图5显示了pO2＝2Pc条件下制造的射频磁控管溅射薄膜的ZnOTFT I-V曲线。图6显示了pO2＝0.75Pc条件下制造的射频磁控管溅射薄膜的ZnOTFT I-V曲线。图7显示了pO2＝0.08Pc条件下制造的射频磁控管溅射薄膜的ZnOIFI I-V曲线。图8显示了pO2＝20Pc条件下制造的射频磁控管溅射薄膜的ZnOTFT I-V曲线。图9(a)和(b)显示了在柔性基底上制造的ZnO TFT的I-V曲线。图9(a)显示了栅电压以1V的幅度从0V增加到20V时Id相对于Vd的曲线。图9(b)显示了Vd＝20V时Id对栅电压的曲线。在此晶体管中，W＝400μm，L＝40μm。图10显示了仅由ZnO构成的TFT的光学图像。图11显示了仅由ZnO构成的TFT的I-V曲线。图12显示了pO2接近Pc时制造的氧化铟TFT的I-V曲线。图13显示了栅电压在0到3V以及Vd在0到3V之间时，晶体管电流(Id)对漏电压(Vd)的曲线图。详细说明虽然现在大部分电子器件是制造在刚性基底如单晶Si或玻璃上的，但对在塑性或柔性基底上制造的电子器件的关注在不断增长，特别是因为它们的机械强度会更高、重量更轻，且通过卷到卷法制造可能会更便宜。但是，塑性基底，例如聚对苯二甲酸乙二酯(例如，MylarR，E.I.Dupont de Nemours Inc.，Wilmington，DE)限制了器件的加工要低于100℃。一个后果就是基于Si甚至是非晶Si的电子元器件与对温度敏感的塑性基底不相容。这刺激了对有机半导体作为一种低温类的替代物质的广泛关注。然而，对于器件应用，大部分有机半导体与非晶Si相比通常电子性能较差。而且，有机材料在普通大气条件下通常会降解，需要保护措施。相反，与对温度敏感的基底加工相容且电子性能与非晶Si相当的稳定的无机半导体，能使电子元器件适合于多种柔性基底。对于这种应用，基于新型溅射透明氧化物半导体的薄膜晶体管可以制在柔性基底上且具有很好的电子性能。该TOS在电磁波频谱的可见部分也是透明的。这可能在电子显示器应用中尤其有利(1)。例如，磁控管溅射法被用于形成ZnO半导体层。采用某一特定范围内的沉积条件，没有特意对基底加热(与低温塑性基底相容)，制得了具有良好的电子传递性能的多晶(X-射线衍射)ZnO层。该ZnO层适于用作TFT中的半导体。本专利技术的ZnO半导体和这些TOS的原型的良好传导特性包括对较低的器件“关”电流的高电阻率与对较高的器件“开”电流的高电荷载流子迁移率相结合。在本专利技术的溅射ZnO薄膜中，电阻率通过计量沉积过程中的氧气分压来控制。我们制备ZnO的一个新颖性方面是，发现了有利于获得低ZnO膜应力的溅射条件同样有利于在室温下制造的ZnO TFT器件的高跨导和高开/关电流比。据信其原因在于低应力ZnO膜具有更少的缺陷和有利的电子结构，促进了更高的电荷载流子迁移率。因此，本专利技术的ZnO膜显示了更好的TFT器件性能。在本专利技术的一个实施方案中，源极、漏极和栅极是电阻蒸发的约100nm厚的Al。ZnO半导体是通过射频磁控管溅射法在Ar和O2混合气体中制造的约100nm厚的层。栅极绝缘体是通过电子束蒸气沉积的Al2O3，厚度在100nm到300nm之间。基底是聚对苯二甲酸乙二酯(PET和Kapton聚酰亚胺，E.I.Dupont de Nemours Inc.，Wilmington，DE)。所有的沉积都是在维持基底于室温或接近室温条件下进行的。薄膜晶体管(TFT)是一种有源器件，它是用于转换和放大电信号的电子电路的基本结构单元。TFT器件的特征包括低开启电压、高跨导或器件电流/(栅)控制电压比以及高“开”(Vg＞0)电流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种在场效应晶体管中沉积选自氧化锌、氧化铟、氧化锡和氧化镉的无掺杂的透明氧化物半导体的方法，包括选自以下的一种方法a)在混合了惰性气体的氧气有效分压下物理气相沉积无掺杂的TOS；b)在有效氧气分压下电阻蒸发无掺杂的TOS；c)在有效氧气分压下激光蒸发无掺杂的TOS；d)在有效氧气分压下电子束蒸发无掺杂的TOS；和e)在有效氧气分压下化学气相沉积无掺杂的TOS。2.权利要求1的方法，其中所述物理气相沉积是射频磁控管溅射。3.权利要求1的方法，其中所述物理气相沉积是直流磁控管溅射。4.权利要求1的方法，其中所述物理气相沉积是二极管溅射。5.权利要求1的方法，其中所述物理气相沉积是三极管溅射。6.权利要求1的方法，其中所述物理气相沉积是离子束溅射。7.权利要求1(a)、2、3、4、5或6中任何一项的方法，其中沉积是通过物理气相沉积进行的，且其中所述惰性气体选自氦气、氖气、氩气、氪气和氙气。8.权利要求1(e)的方法，其中所述化学气相沉积是低压化学气相沉积。9.权利要求1(e)的方法，其中所述化学气相沉积是等离子增强化学气相沉积。10.权利要求1(e)的方法，其中所述化学气相沉积是激光增强化学气相沉积。11.权利要求1(e)的方法，其中所述化学气相沉积是原子...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·F·卡西亚，R·S·麦克莱恩，
申请(专利权)人：纳幕尔杜邦公司，
类型：发明
国别省市：