具有三元化合物溝道層的半導體器件的製作方法

2023-05-27 09:45:16

專利名稱：具有三元化合物溝道層的半導體器件的製作方法
相關申請的交叉引用本申請主張序號為60/490,239的、於2003年7月25日提交的同時待決申請的優先權，該申請通過引用而納入本文。
背景技術：
薄膜電晶體和其他三埠半導體器件通常包括由溝道材料部分地隔離的三個電極。在許多這樣的器件中，通過電介質材料將其中一個電極與其他電極進一步隔離，薄膜電晶體中的柵電極即如此。在薄膜電晶體和其他具有柵電極的電晶體中，加到柵電極上的電壓控制了所述溝道材料的性能。具體來說，加到柵電極上的電壓控制了所述溝道材料容許電荷穿越該溝道材料並在其他兩個電極(如源電極和漏電極)之間進行傳送的能力。
已對用於製造薄膜電晶體中的不同部件的材料進行了廣泛的研究。儘管已用於薄膜電晶體的材料可以適用於許多應用場合，但在某些情況下，要求溝道層由其他材料形成。其他材料可提供特定的性能方面的或加工方面的優點，這導致了成本的節約並/或提供了在其他情況下難以實現的一些特性。
附圖簡述

圖1以薄膜電晶體形式示出了本發明的的示範性三埠半導體器件的實施例。
圖2示出了可與圖1的三埠半導體器件共同實施的示範性電介質層的實施例。
圖3示出了可採用本發明的半導體器件的示範性顯示系統的實施例。
圖4示出了使用本發明的三埠半導體器件的示範性方法。
圖5-8示出了本發明的薄膜電晶體的其他示範性實施例。
詳細說明本發明涉及一種包括多埠半導體器件的系統和方法，在所述器件的一個或多個電荷攜帶部分，採用了新穎的配置方式。本系統和方法適用於各種半導體應用場合，但在薄膜電晶體(TFT)技術領域中，更具體地說，在至少部分透明的TFT中尤其有用。
圖1示出了本發明的示範性三埠半導體器件，如薄膜電晶體(TFT)10。如圖所示，TFT10可採用一種底柵(bottom-gate)結構，在該結構中，其材料包含配置成與襯底14相鄰的柵電極12。電介質層16設置在柵電極12之上，而溝道層18設置於電介質層16與源電極20和漏電極22之間。柵電極12處的電狀態(如加到埠24的柵電壓)決定了所述器件讓電荷穿越溝道層18並在源電極20和漏電極22之間傳送的能力(如作為穿越埠26和28之間的溝道的電流)。
當會了解到，可以採用各種不同的製造技術和材料來製造如圖中所示的薄膜電晶體。在示出的例子中，襯底14可以用玻璃形成，並在其上塗鍍氧化銦錫(ITO)等材料，以形成所述柵電極。儘管在圖1中將所述柵電極和電介質層表示成毯式覆蓋的、未經圖案化的層，但一般也可以用適當方式對它們進行圖案化。溝道層設置在所述電介質層上，這將在後面進行解釋。並配置用於源和漏電極的氧化銦錫接觸件。不論採用何種具體的製造技術，將所述不同區域設置/配置成以下的形式源電極和漏電極在形體上彼此不相連(如由所述溝道材料分隔)；所述三個埠(源、漏和柵極埠)在形體上彼此不相連(如由所述電介質層和溝道層分隔)；且所述電介質層將柵極與溝道分隔。同樣地，如以下的討論和圖示例所表示的，通過溝道將源和漏電極連接到一起。
此外，所述電介質層(如電介質層16)可以用不同材料的層(如AlOx和TiOy層)交替分布而，形成。具體而言，如圖2所示，電介質層16可以包括A型和B型的內部層，其中，A型層由AlOx形成，B型層由TiOy形成(x和y是正的非零值)，或與此相反地排列。而其外部的層(用C表示)可用Al2O3或其他合適材料形成，或覆蓋由前述材料構成的保護層(cap layer)。更準確地說，與柵電極12直接相鄰和接觸的電介質子層可以是Al2O3，而與溝道18直接相鄰和接觸的層可以是Al2O3。
可通過有氬和氧參與的離子束濺射或其他合適的沉積技術來沉積生成ITO源/漏電極接觸件。並可通過採用遮罩(shadow mask)等的圖案化或其他合適的圖案化方法配置源和漏電極接觸件。
如圖1和圖4所示(圖4示出了一種將在下面進行說明的方法)，可以採用包含鋅、錫和氧的三元材料製造溝道18。那些更為複雜的材料(如三元化合物和具有超過三種元素成分的材料)更難於預測，且其結構的有序程度通常比二元化合物差得多。確實，三元化合物通常為非晶體。通常情況下，在允許電荷的運送方面，較為無序的材料(如非晶體材料)的效率遠為低下。例如，與晶體矽相比，非晶體矽是一種非常差的半導體材料。
因此，當試驗結果表明在當前的三元溝道材料中呈現出高度的電荷遷移率(charge mobility)時，確實有些出人意料。更出人意料的是，相關發現表明，在特定的非晶體鋅-錫氧化物中，也呈現出了足夠的電荷遷移率。
在溝道18中可以採用多種鋅-錫氧化物材料，以在薄膜電晶體中提供合適的性能。已證明有用的具體形成物包括ZnSnO3、Zn2SnO4和/或它們的組合物。更一般地，所關心的鋅-錫氧化物材料可以包括形如(ZnO)x(SnO2)1-x的成分範圍，此處x處於0.05至0.95之間。儘管以上列舉的形成物僅涉及化學計量(即在給定的鋅-錫氧化物材料中的鋅、錫和氧的相對數量)，但是根據其成分、加工條件和其他因素可以得到多種形態。例如，鋅-錫氧化物薄膜可以是基本上非晶體的，或是基本上多晶態的；多晶薄膜還可以包含單晶相(如Zn2SnO4)，或可以是相分離(phase-segregated)的，使得所述溝道包含多個相(如Zn2SnO4、ZnO、SnO2)。可通過各種方法將溝道層18配置成與電介質層16相鄰。在示出的例中，使用處於氬-氧氣氛中的RF濺射配置所述溝道層，並用遮罩對其進行圖案化。
可以將本公開中的鋅-錫氧化物半導體器件用於多種不同的應用場合。其中一種應用包括在薄膜電晶體內配置所述鋅-錫氧化物溝道，且所述薄膜電晶體用於圖3中用40標示的有源矩陣顯示器中。在顯示器應用和其他應用中，由於鋅-錫氧化物本身是透明的，因而常常要求將剩餘的器件層(如源、漏和柵電極)中的一個或多個製造得至少部分透明。
繼續參看圖3，示範性顯示器40包括多個顯示元件，如像素42，這些像素一起用來顯示圖像數據。每個像素可以包括一個或多個如以上聯繫圖1和圖2說明的薄膜電晶體，以有選擇地控制所述像素的激活。例如，每個像素可以包括3個薄膜電晶體，每個電晶體對應於紅、藍、綠三個子像素中的一個。在這樣的顯示器中，可以將器件10(圖1)用作開關，以有選擇地控制對所述子像素的激活。例如，在所述柵極上施加接通電壓(如向柵極埠24施加HI電壓)，可以使電流流過溝道層18並因此激活所要顏色(如紅、綠、藍等)的發光或光控制元件。
圖4示出了一例這樣的開關方法，可將所述方法與有源矩陣顯示器一起使用，或將該方法用於其他需要開關操作的設置中。在步驟60處，所述方法提供具有從含有鋅、錫和氧的化合物中形成的溝道區域的半導體器件。在步驟62處，將所述半導體器件連接到開關配置上。參見以上聯繫圖3討論的顯示器實例，這可以包括將所述半導體器件配置成電流源開關，該開關對是否將電流施加到發光顯示器元件上進行控制。此外，與以通-斷開關的形式簡單地運行於二元模式不同，所述器件可以對提供多少電流進行控制。在步驟64處，圖4示出了具體的控制機制的例子，即可根據柵電壓對所述開關的狀態進行控制。參見圖1，可將這樣的控制柵電壓施加於埠24，以啟動溝道18，從而增加溝道18根據加在端子26和28之間的電勢而允許電荷傳送的能力。
將會了解到，可以將各種不同的電晶體配置與本公開的薄膜器件一起使用。在圖5-8中示出了其他典型的薄膜電晶體配置。從此例和之前的例中了解到，典型的配置將包括(a)三個主要電極，在圖5-8的實例中指明為柵極80，源極82和漏極84；(b)設置在柵電極80與源電極82和漏電極84中的每一電極之間的電介質材料90，結果是電介質材料90將柵極與源極和漏極在形體上分離；(c)稱為溝道92的半導體材料，配置成在源電極和漏電極之間提供一條可控的電通道。在這樣的配置中，如在電晶體技術領域和聯繫上述實例的討論中已知的，加在柵電極80處的電壓改變了溝道允許電荷在源和漏電極之間移動的能力。從而，所述溝道的導電特性至少部分地通過在所述柵電極處施加電壓而得以控制。
一般，將溝道92(以及之前例子中的溝道)以薄層的形式配置在與所述電介質材料直接相鄰的位置。確實，會了解到，圖中的圖示是示範性的，且用作為示意性圖示。根據本發明製造的器件或其組成部分的相對尺寸，可以顯著地不同於當前圖中示出的相對尺寸。
仍然參閱圖5-8，不論以何種順序對溝道92和源/漏電極82和84進行配置和圖案化，得到的配置通常如上所述，即所述溝道配置成在所述源和漏電極之間提供可控的電荷通道，且電介質層90將所述溝道與柵電極80在形體上分離。如前所述，通常要求用鋅-錫氧化物材料製造所述溝道。
在上述實例所示，本發明的薄膜電晶體可採用多種不同的配置。圖5和圖6示出了具有底柵配置的示範性薄膜電晶體。它採用了襯底100，但是，省略襯底的配置也是可能的。之後，澱積柵電極80並適當進行圖案化。在所述柵電極上澱積電介質層90並適當進行圖案化。然後，以澱積溝道92以及源和漏電極82和84並適當進行圖案化。在圖5的例中，首先形成源和漏電極，然後，在所述源和漏電極上澱積溝道92。在圖4的例中，首先澱積溝道92，接著澱積源/漏電極。
如圖7和圖8中的示例那樣，可以採用頂柵(top gate)結構。在這樣的配置中，可再採用襯底100，但在澱積包含電介質90和柵電極80的層之前，形成源極82、漏極84和溝道92。在圖7的例中，首先以薄膜形式澱積溝道92，並在所述澱積的溝道層上澱積源電極82和漏電極84並進行圖案化。在圖8的例中，在已形成的源和漏電極82和84上澱積溝道92。在任一種情況下，下一步均以合適的方式澱積電介質90並進行圖案化，然後在電介質層90上澱積柵電極80並進行圖案化。
儘管具體地示出並說明了本發明的實施例和方法的實現形式，那些本領域技術人員當會懂得，在不背離由以下的權利要求確定的精神和範圍的前提下，可對所述實施例和方法進行許多種變化。應當將本發明理解成包括此處所述的所有新穎的且非顯而易見的要素的組合，並且，在本申請或之後的申請中可對這些要素的任何新穎的且非顯而易見的組合主張所述的權利要求。當權利要求陳述「一個」或「第一」要素或其等價物時，應當將這樣的權利要求理解成包含一個或多個這樣的要素的合併，即既不要求也不排除兩個或更多這樣的要素。
權利要求
1.一種半導體器件，包括源電極(20，82)；漏電極(22，84)；連接到源電極(82)和漏電極(84)的、由含鋅、錫和氧的三元化合物組成的溝道(18，92)；以及配置成允許將電場加到溝道(18，92)的柵電極(12，80)。
2.權利要求1中所述的半導體器件，其中，所述溝道(18，92)的至少一部分由具有以下化學計量的鋅-錫氧化物形成ZnxSnyOz，式中x、y和z具有正的非零值。
3.權利要求2中所述的半導體器件，其中，所述鋅-錫氧化物具有以下的化學計量(ZnO)j(SnO2)1-j，式中j處於0.05至0.95之間。
4.權利要求2中所述的半導體器件，其中，所述鋅-錫氧化物基本上為非晶體。
5.一種三埠半導體器件，包括源電極(20，82)；漏電極(22，84)；柵電極(12，80)；以及用於提供配置在源電極(20，82)和漏電極(22，84)之間的溝道的部件，所述用於提供溝道(18，92)的部件配置成根據加於柵電極(12，80)的電壓而允許電荷在源電極(20，82)和柵電極(12，80)之間通過溝道移動，所述用於提供溝道(18，92)的部件至少部分地由含鋅、錫和氧的三元化合物形成。
6.一種薄膜電晶體，包括柵電極(12，80)；由鋅-錫氧化物材料形成的溝道層(18，92)；配置在柵電極(12，80)和溝道層(18，92)之間並隔離這兩者的電介質材料(16，90)；以及第一和第二電極(20，82，22，84)，所述電極彼此分隔，配置在溝道層(18，92)的與電介質材料(16，90)相對的一側，且與溝道層(18，92)鄰接，使得溝道層(18，92)配置在第一和第二電極(20，82，22，84)之間並將它們電隔離。
7.一種控制有源矩陣顯示器的方法，包括如下步驟設置一個三埠半導體器件，其中，所述半導體器件包含鋅-錫氧化物溝道層(18，92)，該溝道層配置成基於加到所述半導體器件的柵電極(12，80)的電壓而允許電荷在所述半導體器件的源電極(20，82)和漏電極(22，84)之間傳送；以及通過有選擇地控制柵電壓來有選擇地控制(64)對所述有源矩陣顯示器的像素的激活和去激活。
8.一種基於半導體的開關方法，包括如下步驟將具有鋅-錫氧化物電荷傳送溝道層(18，92)的半導體器件在激活狀態和去激活狀態之間有選擇地切換(64)，其中，將所述器件置於激活狀態的步驟包含使得所述半導體器件的柵電極(12，80)處的電壓等於或高於接通電壓，從而增強所述半導體器件的電荷傳送溝道層(18，92)在所述半導體器件的源電極(20，82)和漏電極(22，84)之間運載電荷的能力；而將所述器件置於去激活狀態的步驟包含使得柵電極(12，80)處的電壓為切斷電壓，從而抑制了電荷傳送溝道層在源電極(20，82)和漏電極(22，84)之間運載電荷的能力。
9.一種製造薄膜電晶體的方法，包括如下步驟設置襯底(14，100)；在襯底(14，100)上澱積柵電極(12，80)；在柵電極(12，80)上澱積電介質材料(16，90)；在電介質材料(16，90)上澱積溝道層(18，92)，使得電介質材料(16，90)配置在溝道層(18，92)和柵電極(12，80)之間，其中，溝道層(18，92)至少部分地由含鋅、錫和氧的三元化合物形成；以及形成與溝道層(18，92)相鄰的第一和第二電極(20，82，22，84)，使第一和第二電極(20，82，22，84)與溝道層(18，92)接觸但形體上彼此不相連，並使溝道層(18，92)將第一和第二電極(20，82，22，84)與電介質層(16，90)隔離。
10.一種顯示器(40)，包括配置成共同工作來顯示圖像的多個顯示元件(42)，其中，每個顯示元件(42)包含配置成用來控制顯示元件(42)所發出的光的半導體器件，所述半導體器件包括源電極(20，82)；漏電極(22，84)；連接到源電極(20，82)和漏電極(22，84)的、由含鋅、錫、氧的三元化合物形成的溝道(18，92)；以及配置成可將電場施加到溝道(18，92)上的柵電極(12，80)。
全文摘要
一種包括源電極(20，82)、漏電極(22，84)和與源電極(20，82)與漏電極(22，84)相連的溝道(18，92)的半導體器件。所述溝道(18，92)由含鋅、錫和氧的三元化合物形成。所述半導體器件還包括柵電極(12，80)，該柵電極配置成可將電場加到所述溝道(18，92)上。
文檔編號H01L29/786GK1853278SQ200480027030
公開日2006年10月25日 申請日期2004年6月25日 優先權日2003年7月25日
發明者R·霍夫曼, H·蔣, J·沃格 申請人:惠普開發有限公司, 俄勒岡州大學