使用氧化物半導體的薄膜晶體管和顯示器的制作方法

專利名稱：使用氧化物半導體的薄膜晶體管和顯示器的制作方法
技術領域：
本發明涉及使用氧化物半導體的薄膜晶體管。更具體地，本發明涉及用于有機電 致發光顯示器、無機電致發光顯示器或液晶顯示器的薄膜晶體管和使用該薄膜晶體管的顯 不器。
背景技術：
場效應晶體管(FET)具有柵電極、源電極和漏電極。其為用于對柵電極施加電壓 以控制流過溝道層的電流并且對在源電極和漏電極之間流動的電流進行開關的電子有源 元件。特別地，通過將由例如陶瓷、玻璃或塑料制成的絕緣襯底上形成的薄膜用于溝道 層而形成的FET稱為薄膜晶體管(TFT)。在眾多用途中使用的大量的薄膜晶體管(TFT)形成在具有大面積的襯底上。例 如，TFT是平板顯示器的主要元件。以往，在玻璃襯底上制造TFT和相關電子器件。除了具有較高性能外，要求未來的顯示系統尺寸更大并且更便攜。隨著玻璃襯底 的尺寸增加，顯示器的重量更要緊。解決方案之一是開發使用柔性塑料襯底的顯示系統。換言之，需要開發新型薄膜 晶體管技術，該技術能夠在比現有工藝溫度低的工藝溫度下在塑料襯底上制造器件并且提 供更好的顯示性能。目前最為廣泛使用的TFT是具有由多晶硅膜或無定形硅膜形成的溝道層的元件。 為了驅動像素，將無定形硅TFT投入實際應用，并且為了驅動和控制整個圖像，將具有高性 能的多晶硅TFT投入實際應用。但是，由于高溫工藝對于形成器件是必需的，因此難以在襯底例如塑料板或膜上 形成包括無定形硅TFT和多晶TFT的目前為止一直在開發的TFT。另一方面，近年來，已積極地進行通過在聚合物板或膜上形成TFT并且使用該TFT 作為IXD或OLED的驅動電路來實現柔性顯示器的開發。作為能夠在塑料膜等上形成的材料，能夠在低溫下形成并且展示導電性的有機半 導體膜已受到關注。例如，作為有機半導體膜，進行了并五苯等的研究和開發。其載流子遷移率報道為 約0. 5cm2 (Vsr1，其與無定形Si-MOSFET的載流子遷移率相當。但是，有機半導體例如并五苯具有低熱穩定性(< 150°C )并且有毒，因此沒有實 現實用的器件。最近，作為可應用于TFT的溝道層的材料，氧化物材料已引人關注。例如，已積極 地進行將主要由ZnO制成的透明導電性氧化物多晶薄膜用作溝道層的TFT的開發。上述薄膜能夠在相對低的溫度下形成并且能夠在襯底例如塑料板或膜上形成。但是，主要由ZnO制成的化合物在室溫下不能形成穩定的無定形相，并且形成多晶相。因此，由于在多晶顆粒界面的散射，不可能提高電子遷移率。此外，多晶顆粒的每一 個的形狀和它們之間的相互連接取決于成膜法在大程度上變化，因此TFT器件的特性也變 化。最近，K.Nomura 等，Nature，第 432 卷，第 488-492 頁(2004-11)(以下稱為非專利 文獻1)報道了使用In-Ga-Zn-O-基無定形氧化物的薄膜晶體管。該晶體管能夠在室溫下在塑料襯底或玻璃襯底上形成。此外，當場效應遷移率約 為6-9cm7Vs時得到常關型晶體管的晶體管特性。此外，該晶體管具有對于可見光透明的特性。在上述文獻中，將組成比為In Ga Zn = 1. 1 1. 1 0.9(at% )的無定形氧 化物用于TFT的溝道層。以往的In-Ga-Zn-O-基氧化物(非專利文獻1，WO 2007/032294A1 (以下稱為專利 文獻1))的報道已知作為含有三種不同金屬元素的多元氧化物半導體的實例。這些報道吸引了來自研究人員和工業的大量關注。為了將由氧化物材料制成的TFT投入工業應用，所需的氧化物材料是使TFT在寬 組成范圍(即具有大的組成裕度)中工作并且含有較少的不同金屬元素的氧化物材料。使 用這樣的氧化物材料在TFT特性的較好控制、均勻性和制造成本方面非常有利。要求有源矩陣有機發光二極管(AMOLED)的驅動TFT和開關TFT除了 TFT特性以 外，具有高的經時器件穩定性和經時工作穩定性。還要求進一步提高金屬元素組成裕度(例如，In/ (In+Ga+Zn)或Zn (Zn+In+Ga))。 本發明公開In-Ge-Zn-O-基氧化物作為氧化物半導體，其含有三種不同金屬元素。當用于 TFT中時本發明的氧化物半導體(In-Ge-Zn-Ο-基)的效果是組成裕度大于以往的采用兩種 或三種不同金屬元素的氧化物基半導體。相對于TFT工作的組成裕度大幅度取決于溝道材 料是否具有半導體的電特性和溝道材料是否為無定形。具有大的組成裕度在需要在大面積和/或以高速形成膜的大量生產中是重要的 優點。此外，為了保持成本低，要求用于TFT中的半導體材料含有的貴元素或稀有元素(In、 Ga等)的量少。因此本發明的目的在于提供解決上述問題的薄膜晶體管。

發明內容
作為解決上述問題的手段，本發明提供薄膜晶體管，其包括在襯底上形成的柵電 極、柵極絕緣層、溝道層、源電極和漏電極，其中該溝道層含有銦、鍺和氧；并且該溝道層 具有0. 5-0. 97的由In/(In+Ge)表示的組成比。此外，根據本發明，該溝道層具有0.5-0. 90的由In/dn+Ge)表示的組成比。這樣在開/關比和亞閾值擺幅(subthreshold swing value)方面得到優良的TFT 特性。此外，根據本發明，該溝道層具有0.6-0. 9的由In/dn+Ge)表示的組成比。這樣在開/關比、亞閾值擺幅和遷移率方面得到優良的TFT特性。此外，根據本發明，該溝道層具有0.5-0. 85的由In/dn+Ge)表示的組成比。這樣在開/關比、遷移率、亞閾值擺幅和閾值電壓方面得到優良的TFT特性。
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此外，根據本發明，該溝道層具有0.6-0. 75的由In/dn+Ge)表示的組成比。這樣得到優異的常關晶體管特性例如優良的亞閾值擺幅、開/關比、閾值電壓和 遷移率。此外，根據本發明，該溝道層具有IO3 Ω · cm-IO6 Ω · cm的比電阻。此外，根據本發明，該溝道層為無定形。這樣實現具有對于環境的高穩定性和高驅動穩定性(驅動時經歷較少的特性波 動)的晶體管。TFT不僅用作有機發光二極管(OLED)的開關器件而且用作模擬電流驅動器，其中 閾值電壓Vth的變化改變各個像素亮度(發射亮度)。因此長期穩定性對于模擬器件重要。本發明在0. 5-0. 75的In/dn+Ge)組成范圍內實現了在周圍環境條件下的非常高 的器件穩定性和驅動應力穩定性。此外，根據本發明，該柵極絕緣層由氧化硅制成。這樣能夠提供其中在μ FE、開/關比、Vth和S值方面具有優異的晶體管特性的高 可靠場效應晶體管。作為由兩種不同金屬元素構成的氧化物的實例，已報道了 In-Zn-O-基材料 (Applied Physics Letters，第89卷，第06期，2006，第2103頁，以下稱為非專利文獻2)。 另一實例為 In-Ga-O-基材料(Solid-State Electronics，第 50 卷，2006，第 500-503 頁，以 下稱為非專利文獻3)。根據由我們研究的實驗結果，使用In-Zn-O-基材料的TFT具有取決于組成的環境 穩定性，并且TFT穩定地顯示優良特性的In/(In+Zn)組成范圍并不太寬。另一方面，使用 In-Ga-O-基材料的TFT具有小的開/關比和大的S值。與使用兩金屬元素氧化物的其他TFT，包括In-Zn-O-基TFT相比，本發明的 In-Ge-O-基TFT能夠在較寬組成范圍內操作。與In-Zn-O-基氧化物(非專利文獻2)和In-Ga-O-基氧化物(非專利文獻3)相 比，本發明的TFT在穩定性和性能上優異。本發明包括薄膜晶體管，其溝道由含有Zn、In和Ge的氧化物半導體形成，并且 該薄膜晶體管的特征在于，該溝道的Ιη/αη+Ge)組成比為0. 50-0. 97，并且該溝道的Zn/ (Zn+In+Ge)組成比為0. 80以下。本發明還提供場效應晶體管，其包括由含有Zn、In和Ge的氧化物形成的溝道，其 中該氧化物具有表2中由a、b、c和d包圍的范圍內的組成。在該組成范圍內，能夠得到高 開/關電流比(IO6以上)。此外，根據本發明，在該場效應晶體管中，該氧化物具有表2中由a、b、e、m和1包 圍的范圍內的組成。在該組成范圍內，能夠得到高開/關電流比(IO9以上)和優良的遷移 率(彡 3cm2/V-s)。此外，根據本發明，在該場效應晶體管中，該氧化物具有表2中由a、b、e、f和g包 圍的范圍內的組成。在該組成范圍內，能夠得到高開/關電流比(IO9以上)和優良的(小) 亞閾值擺幅S(VMec)。此外，根據本發明，在該場效應晶體管中，該氧化物具有表2中由a、η、t和h包 圍的范圍內的組成。在該組成范圍內，能夠得到高開/關電流比(IO9以上)、高遷移率(彡7cm2/V-s)和小亞閾值擺幅(S(V/dec)彡0. 7)。此外，根據本發明，在該場效應晶體管中，該氧化物具有表2中由h、i、b、e、k和1 包圍的范圍內的組成。在該組成范圍內，能夠得到高開/關電流比(IO9以上)、優良的遷移 率(彡3cm2/V-s)和優良的閾值電壓Vth(V)。此外，根據本發明，在該場效應晶體管中，該氧化物具有表2中由h、i、n和t包圍 的范圍內的組成。在該組成范圍內，能夠得到高開/關電流比(IO9以上)、優良的遷移率 (彡7cm2/V-s)、小S值(S(V/dec) ( 0. 7)和優良的閾值電壓Vth(V)。此外，根據本發明，在該場效應晶體管中，該氧化物具有表2中由‘S’、‘U’、‘χ’、 ‘y’、‘v’和‘b’包圍的范圍內的組成。在該組成范圍內，能夠得到高開/關電流比(IOltl以 上)、優良的遷移率(彡9cm2/V-S)、小S值(S(V/dec) ^ 0. 5)和優良的閾值電壓Vth(V)。此外，根據本發明，在該場效應晶體管中，該氧化物具有表2中由s、u、t和η包圍 的范圍內的組成，并且其關電流非常小(關電流< ICT13(A))。此外，根據本發明，在該場效應晶體管中，該氧化物具有表2中由a、b、c和d包圍 的范圍內且由虛線包圍的范圍外的組成，并且該氧化物為無定形。因此使用In-Ge-O-基氧化物的TFT與基于非專利文獻2和3中記載的氧化物和其 他材料的TFT相比，具有較大的組成裕度。與非專利文獻1的三金屬元素氧化物In-Ga-Zn-O 相比，本發明的In-Ge-O-基氧化物只由兩金屬元素構成，其自身在制造成本上有利。根據本發明，得到使用較少元素的材料，因此在得到優良的TFT性能上非常具有 成本效益。另一優點在于本發明的氧化物半導體(例如In-Ge-Ο)，當用于TFT時，在基于兩 金屬元素氧化物材料的TFT中具有非常大的組成裕度。簡言之，由于組成變化小，本發明具 有保持特性變化的效果。此外，在0. 5-0. 9的整個In/dn+Ge)組成范圍內，得到高開/關比和優良的遷移率。根據本發明，通過控制In-Ge組成比能夠控制TFT特性并且能夠改善TFT性能。例 如，能夠顯著地改善由亞閾值擺幅(S值(V/Dec))、開/關電流比(開/關)、場效應遷移率 yFE(cm2/Vsec)、閾值電壓Vth(V)和開電壓Von(V)量度的TFT性能。由以下參照附圖對示例性實施方案的說明，本發明進一步的特征將變得清晰。


圖1A、1B和IC是概要表示根據本發明實施方案的含有無定形In-Ge-O的薄膜晶 體管的橫截面圖。圖2是例示制造薄膜晶體管時作為In/dn+Ge)組成比的函數的場效應遷移率 (μΡΕ)的實例的坐標圖。圖3是例示In-Ge-O-基薄膜晶體管的閾值電壓的組成依賴性的坐標圖。圖4是例示作為In/ (In+Ge)組成比的函數的亞閾值擺幅S (V/dec)變化的實例的 坐標圖。圖5是例示比電阻對組成比In/(In+Ge)的依賴性的坐標圖。圖6是例示退火前In-Ge-O薄膜晶體管的遷移特性的組成依賴性的實例的坐標 圖。
圖7是例示將In/dn+Ge)組成比為0. 65的薄膜在大氣中放置時比電阻的經時穩 定性的坐標圖。圖8是例示比較剛制造后的TFT的遷移特性和制造后一個月的TFT的遷移特性的 實例的坐標圖。圖9是例示將In/dn+Ge)設定為0. 65和0. 75并且成膜中的氧分壓變化而其他 成膜參數保持恒定時In-Ge-O薄膜的比電阻的變化的實例的坐標圖。圖10是例示在漏電壓Vd固定在6V下l0g(ID)-Ve(遷移特性)的實例的坐標圖。圖11是例示具有表示為In/dn+Ge) = 0. 65的溝道層組成的TFT中在不同Ve水 平下Id-Vd(輸出特性)的實例的坐標圖。圖12是例示含有In-Ge-O-基氧化物的TFT的遷移特性的兩個實例的坐標圖，該 In-Ge-O-基氧化物具有0. 65和0. 75的In/(In+Ge)組成比。圖13是概要表示成膜系統的圖，該成膜系統用于形成作為根據本發明的實施方 案的場效應晶體管的溝道層的膜。圖14是例示In/ (In+Ge)比為0. 65和0. 75的退火氧化物溝道層的X射線衍射圖 案實例的坐標圖。圖15是例示作為In/(In+Ge)的函數的空穴遷移率μ軌(cm2/Vsec)的實例的坐 標圖。圖16是例示作為In/dn+Ge)原子比的函數的開/關電流比的實例的坐標圖。圖17是例示對于這些氧化物材料的每一個，TFT的遷移特性(Iog(I11)-Ve)的實例 的坐標圖。圖18例示比較含有In-Ga-O-基氧化物、In-Al-O-基氧化物和In-Mg-O-基氧化 物的TFT的亞閾值擺幅與含有本發明的In-Ge-O-基氧化物的TFT的亞閾值擺幅的實例的 坐標圖。圖19是例示比較含有In-Ga-O-基氧化物、In-Al-O-基氧化物和In-Mg-O-基氧 化物的TFT的開/關電流比與含有本發明的In-Ge-O-基氧化物的TFT的開/關電流比的 實例的坐標圖。圖20是例示比較含有In-Ga-O-基氧化物、In-Al-O-基氧化物和In-Mg-O-基氧 化物的TFT的場效應遷移率與含有本發明的In-Ge-O-基氧化物的TFT的場效應遷移率的 實例的坐標圖。圖21是根據本發明的實施方案的顯示器的截面示意圖。圖22是根據本發明的實施方案的顯示器的截面示意圖。圖23是例示顯示器的結構的示意圖，其中兩維地配置含有有機EL器件和薄膜晶 體管的像素。圖24A和24B是分別例示In-Ge-Zn-O TFT的遷移特性(Iog(I11)-Ve)的實例和輸 出特性(Id-Vd)的實例的坐標圖。圖25A、25B、25C、25D和25E是例示遷移特性(Iog(I11)-Ve)的坐標圖，在圖25A中將 組成比In Ge Zn設定為42 13 45，在圖25B中設定為51 23 26，在圖25C中 設定為32 9 59，在圖25D中設定為32 3 65，和在圖25E中設定為34 36 30。圖26是例示In Ge Zn 0膜的X射線衍射圖案的坐標圖，其中組成比In Ge Zn 為 42 13 45。圖27A和27B是比較In-Ge-Zn-O-基TFT的遷移特性和In-Ga-Zn-O-基TFT的遷 移特性的坐標圖，圖27A設定為Ge約等于9at%和圖27B設定為Ga約等于9at%，并且均 例示Zn/In比的依賴性。圖28A和28B是比較In-Ge-Zn-O-基TFT的遷移特性和In-Ga-Zn-O-基TFT的遷 移特性的坐標圖，圖28A例示在In-Ge-Zn-O的固定的Zn/In比和變化的Ge含量下的數據， 和圖28B例示在In-Ga-Zn-O的固定的Zn/In比和變化的Ga含量下的數據。 圖29是例示In-Ge-Zn-O-基材料的結構特性的三元相圖。圖30是例示沉積狀態的In-Ge-Zn-O膜和在退火處理后的電阻率的Zn/In比依賴 性的坐標圖，其中組成比Ge/dn+Ge+Zn)約等于0. 08并且測定的膜沒有接受退火處理。圖31是例示In-Ge-Zn-O膜的電阻率的Ge含量(at% )依賴性的坐標圖，其中在 沉積時 Ar+02 = 20sccm 下 Zn/In = 0. 4。圖32是例示In-Ge-Zn-O膜的電阻率對于成膜過程中的氧分壓的依賴性的坐標 圖。圖33是例示In-Ge-Zn-O膜的電阻率的Zn/In比依賴性的坐標圖，其中Ge含量約 等于8at%，成膜中的氬+氧氣的流量為(a)20sccm和(b) lOsccm。圖34是例示In-Ge-Zn-O膜的電阻率的Zn/In比依賴性的坐標圖，其中Ge含量約 等于8at%，成膜中的氬+氧氣的流量為(a)20SCCm和(b) lOsccm，并且在大氣中在300°C下 進行后退火處理。圖35是例示In-Ge-Zn-O膜的電阻率分布的圖，其中成膜中的Ar+(V流量為20sCCm 并且在大氣中在30(TC下進行后退火處理。圖36是例示In-Ge-Zn-O膜的電阻率分布的圖，其中成膜中的Ar+02流量為IOsccm 并且在大氣中在30(TC下進行后退火處理。圖37A和37B是例示組成lD(In Ge Zn = 65. 5 8. 5 26)的遷移特性的 坐標圖，其中成膜中的Ar/02流量在圖37A中為20sCCm和在圖37B中為lOsccm，并且圖37A 的樣品沒有接受退火處理而圖37B的樣品已接受了沉積后退火處理。圖38A和38B是例示組成3A(In Ge Zn = 37 25 38)的遷移特性的坐標 圖，其中成膜中的々『/02流量在圖38A中為20SCCm和在圖38B中為lOsccm，并且圖38A的 樣品沒有接受退火處理而圖38B的樣品已接受了沉積后退火處理。圖39A和39B是例示組成4E(In Ge Zn = 33 5 62)的遷移特性的坐標 圖，其中成膜中的々『/02流量在圖39A中為20SCCm和在圖39B中為lOsccm，并且圖39A的 樣品沒有接受退火處理而圖39B的樣品已接受了沉積后退火處理。圖40是例示場效應遷移率的Ge含量(at% )依賴性的坐標圖，其中Zn/In組成比 恒定。圖41是例示開啟電壓(Von，V)的Ge含量(at% )依賴性的坐標圖，其中Zn/In組 成比恒定。圖42是例示開/關電流比的Ge含量(at 依賴性的坐標圖，其中Zn/In組成比 約等于2。圖43A和43B是例示亞閾值擺幅(S，V/dec)的Ge含量(at% )依賴性的坐標圖，
9其中Zn/In組成比在圖43A中約等于0. 4和在圖43B中約等于2。圖44是例示In-Ge-O-基TFT的特性的In含量依賴性的坐標圖。圖45是例示Ge含量約等于8at%的In-Ge-Zn-O基TFT中場效應遷移率的Zn/In 組成比依賴性的坐標圖。圖46是例示Ge含量約等于8at%的In-Ge-Zn-O基TFT中Von的Zn/In組成比依 賴性的坐標圖。圖47是例示Ge含量約等于8站％的In-Ge-Zn-O基TFT中開/關電流比的Zn/In 組成比依賴性的坐標圖。圖48是例示Ge含量約等于8at%的In-Ge-Zn-O基TFT中亞閾值擺幅的Zn/In組 成比依賴性的坐標圖。圖49A和49B是例示由于DC驅動應力In-Ge-Zn-O-基TFT的特性變化的坐標圖， 其中將溝道的組成比在圖49A中設定為In Ge Zn = 42 13 45和在圖49中設定 為 In Ge Zn = 32 8 60。圖50是例示In-Ge-Zn-O膜的電阻率的組成比In/dn+Ge)依賴性的坐標圖，其中 通過將Zn含量設定為Oat %和25at%而得到數據。圖 51A、51B 和 51C 是例示當 Zn/(Zn+In+Ge) = 0. 25 而在圖 51A、圖 51B 和 51C 中 分別是In/dn+Ge) = 0. 85,0. 9和0. 95時TFT剛制造后和制造后三個月遷移特性的的坐標圖。圖 52 是例示組成比設定為 In Ge Zn = 33 3 64 的 In-Ge-Zn-O TFT 的 遷移特性的坐標圖并且所示的特性為沒有接受退火的器件和已接受了沉積后退火處理的 器件的特性。圖53是例示Ge含量約等于5%而Zn/In原子比變化的In-Ge-Zn-O膜的電阻率 (ohm. cm) -時間(小時)的坐標圖。圖54是例示組成比設定為Zn In Ge = 64 33 3的In-Ge-Zn-O膜的電 阻率(ohm. cm) -時間(小時)的坐標圖。圖55A、55B和55C是例示In-Ge-Zn-O TFT的遷移特性的經時變化的坐標圖，其中 在器件剛制造后(之前)和三個月后(之后)收集數據，并且In Ge Zn組成比在圖 55A中約為70 5 25，在圖55B中約為45 5 50和在圖55C中約為32 5 62。圖56是例示In-Ge-Zn-O TFT的遷移特性的Ge含量依賴性的坐標圖。
具體實施例方式以下參照附圖對用于實施本發明的最佳方式進行說明。圖1A-1C是概略表示根據本發明實施方案的含有無定形In-Ge-O的薄膜晶體管的 截面圖。圖IA和IB中，附圖標記10表示襯底；11表示溝道層(氧化物薄膜)；12表示柵 極絕緣層；13表示源電極；14表示漏電極；和15表示柵電極。場效應晶體管是具有柵電極15、源電極13和漏電極14的三終端器件。場效應晶體管是電子器件，其中通過向柵電極施加電壓Ve能夠控制流過溝道層的 漏電流Id，于是控制在源電極和漏電極之間流動的電流。
圖IA是頂部柵極結構的實例，該結構在半導體溝道層11上具有柵極絕緣層12和 柵電極15。圖IB是底部柵極結構的實例，該結構在柵電極15上具有柵極絕緣層12和半導 體溝道層11。圖IC是底部柵極晶體管的另一實例。圖IC中，將溝道層(氧化物)25放置在襯底21的上方，在襯底21上形成由熱氧 化的SiO2制成的柵極絕緣體22。附圖標記23和24分別表示源電極和漏電極。襯底21由 n+-Si形成并且也作為柵電極發揮作用。本發明的TFT并不限于上述結構并且能夠利用任何結構，包括頂部柵極、底部柵 極和交錯結構。(溝道層=In-Ge-O-基)本發明的薄膜晶體管的特征在于其溝道層由含有銦和鍺的無定形氧化物形成。由In和Ge的無定形氧化物構成的無定形氧化物(In-Ge-O)、或Ge和Zn的無定形 氧化物(Zn-Ge-O)、或In、Zn和Ge的無定形氧化物(In-Zn-Ge-O)是特別優選的材料。可 以使用含有In和Ge的其他無定形氧化物等。本發明中，In與構成無定形氧化物的所有元素的比為10% -40%。In-Ge-O無定 形氧化物在所有三種含有元素中含有氧最多，銦含量第二大，和鍺含量第三大。Zn-Ge-O無定形氧化物在所有三種含有元素中含有氧最多，鋅含量第二大，和鍺含
量第三大。In-Zn-Ge-O無定形氧化物在所有四種含有元素中含有氧最多，鋅(或銦)含量第 二大，銦(或鋅)含量第三大，和鍺含量第四大。首先對用于TFT的活性層時In-Ge-O材料的優選組成范圍進行說明。In-Ge-O-基材料能夠在In/(In+Ge)組成比的整個相對寬的范圍形成無定形薄 膜。例如，當滿足Ge/(In+Ge) > 0. 03的條件時通過在室溫下濺射來沉積該材料生成無定 形氧化物薄膜。如上所述，通過濺射形成的ZnO薄膜具有多晶結構并且，取決于晶粒大小和晶界 效應，可對TFT的性能產生不利影響。因此，從TFT性能的觀點出發，對于形成溝道的氧化 物非常重要的是為無定形。接下來考察TFT特性。圖2是例示作為用于制造薄膜晶體管的材料的In/dn+Ge)組成比的函數的電子 場效應遷移率(yFE)的實例的坐標圖。如圖2中所示，在0.6-0. 9的整個寬In/(In+Ge)組成范圍得到高開/關比和優良 的遷移率。隨著含有的In的比例增加，場效應遷移率上升。為了量化半導體溝道層的性能，場效應遷移率是TFT的最重要電參數之一，其尤 其影響電流驅動能力和最大開關頻率。所需的遷移率根據目的用途而改變。例如，要用于液晶顯示器件中，場效應遷移率 優選為0. IcmVvsec以上。要用于有機EL顯示器件，場效應遷移率優選為lcm2/VS以上。本發明中，適于驅動有機EL器件(OLED)的遷移率能夠在0. 6-0. 97的In/(In+Ge) 組成比下得到。由于其給予TFT優異的閾值和S值，更優選使用0. 6-0. 75的In/(In+Ge) 組成比。薄膜晶體管的閾值電壓Vth優選為OV以上，原因在于在該閾值電壓水平上電路構 筑容易。
圖3是例示In-Ge-O-基薄膜晶體管的閾值電壓的組成依賴性的坐標圖。在圖3中可以看到當In/(In+Ge)為0.65-0. 75時Vth為正。考慮到亞閾值擺幅 S(V/Dec)，得到非常小的S值的0. 65-0. 75之間的組成范圍是高度優選的。圖4是例示作為In/ (In+Ge)組成比的函數的亞閾值擺幅S (V/dec)變化的實例的 坐標圖。總之，當薄膜晶體管的溝道層中采用In-Ge-O時，TFT能夠在0. 5-0. 97的寬In/ (In+Ge)組成內工作。特別優選的組成比是0.6 < In/(In+Ge) < 0. 75。氧化物(溝道層)厚度優選為10nm-200nm，更優選25nm_70nm。從確保優良的TFT特性的觀點出發，氧化物膜的比電阻應為適當值。為了得到優 異的TFT特性，優選在溝道層中使用具有IO3 Ω .Cm-IO5Q · cm數量級的比電阻P的無定 形氧化物膜。作為廣泛研究的結果，本發明的發明人已發現，當溝道層中采用具有適當的比電 阻(彡IO3 Ω · cm)的氧化物半導體時TFT具有顯示所謂常關特性的傾向。晶體管顯示常關特性意味著當沒有施加柵電壓時，閾值電壓為正并且將晶體管關 上。通過控制金屬元素組成、成膜中的氧分壓、膜厚度、成膜后退火的條件等，能夠控 制膜的比電阻。圖5是例示比電阻對組成比In/(In+Ge)的依賴性的坐標圖。如圖5中所示，隨著組成從富In組成區域轉變到富Ge組成區域，膜的比電阻增 加。具體地，如圖5中所示，膜從導體(小于KT1 Ω · cm)變為半導體 (1 Ω · cm-IO6 Ω · cm),并且從半導體變為絕緣體(大于IO7 Ω · cm) 0為了得到具有高閾值和優異的經時穩定性的TFT，氧化物優選以高于0. 25的Ge/ (Ge+In)比含有 Ge。換言之，為了提高穩定性，氧化物需要以0. 75以下的In/(Ge+In)比含有In。優選 地，形成含有約1014-1018/cm3的電子載流子密度的無定形氧化物膜。是否能夠得到這種水 平的比電阻取決于成膜參數并且取決于溝道層中材料的組成。難以以小于103Ω · cm的比電阻構造常關晶體管。當比電阻小于10 Ω · cm時，提
高開/關比困難。即使施加柵電壓，源_漏電流也不顯示開_關行為，并且在極端的情況下，觀察不 到晶體管工作。這種行為能夠在圖6的曲線D和E中看到，其為載流子密度(可能是氧空 穴)高的富In組成區域的情況。圖6是例示沒有接受退火的In-Ge-O薄膜晶體管的遷移 特性的組成依賴性的實例的坐標圖。另一方面，當氧化物層為絕緣體時，即當比電阻大于IX IO7Ω · cm時，增加源-漏 電流變得困難。即使施加柵電壓，電極間源-漏電流也不顯示開-關行為，并且在極端的情 況下，觀察不到晶體管工作。接下來對比電阻的經時變化進行說明。由于在得到的薄膜晶體管中閾值電壓和關 電流的經時變化小，因此優選使用只經歷小的比電阻的經時變化的氧化物半導體。圖7是例示將In/dn+Ge)組成比為0. 65的薄膜放置在大氣中時比電阻的經時穩
12定性的坐標圖。觀察到在成膜后的頭300小時左右氧化物半導體的比電阻隨時間而減小，但最終
變得穩定。與未退火的膜相比，退火的膜的比電阻以更快的速率變得穩定。富Ge組成區域的最終比電阻仍為高數量級(> 103Q.cm)。穩定的比電阻對應于TFT特性的經時穩定性，并且表示含有In-Ge-O-基氧化物的 TFT具有高穩定性。此外，在0. 5-0. 75的In/dn+Ge)組成范圍，遷移特性以及TFT特性例如閾值電壓 和關電流幾乎不隨時間變化。圖8是例示對剛制造后的TFT的遷移特性與制造后一個月的TFT的遷移特性進行 比較的實例的坐標圖。在此經時穩定性等于或高于兩金屬元素氧化物In-Zn-O的經時穩定性。通過控制成膜過程中的氧分壓，薄膜中氧空穴的濃度得到控制，結果能夠控制電 子載流子密度。圖9是例示將In/dn+Ge)設定為0. 65-0. 75并且在其他成膜參數保持恒定的同 時改變成膜中氧分壓時In-Ge-O薄膜的比電阻變化的實例的坐標圖。(柵極絕緣層)柵極絕緣層由絕緣材料形成。例如，可以使用氧化硅SiOx或氮化硅SiNj^n氧氮化 硅SiOxNy作為柵極絕緣層12。能夠用作柵極絕緣層的硅氧化物以外的氧化物是Ge02、Al203、 Ga203、Y2O3、HfO2 等。這些氧化物中，特別優選通過CVD法形成優質膜的SiOx。SiOx也給出TFT優良的 穩定性。因此，本發明中，當將SiO2用作柵極絕緣材料時得到優良的TFT性能。使用具有優異絕緣特性的薄膜柵極絕緣體使得能夠將源電極和柵電極之間以及 漏電極和柵電極之間的泄漏電流調節到約10_12A。柵極絕緣層的厚度為例如50-300nm。(電極)源電極13、漏電極14和柵電極15的材料具有高導電性。例如，優選金屬電極例 如Pt、Au、Ni、W、Mo或Ag。還優選透明電極例如In2O3 = Sn或ZnO。可以采用由Au和Ti或 其他元素的多層構成的層疊結構。(襯底)作為襯底10，可以使用玻璃襯底、塑料襯底、塑料膜等。上述溝道層和柵極絕緣層對于可見光為透明。因此，如果采用的電極材料也對可見光透明，則產生在可見光范圍完全透明的薄
膜晶體管。(制造方法)作為形成溝道層的方法，優選使用氣相沉積法例如濺射法(SP法)、脈沖激光沉積 法(PLD法)和電子束沉積法(EB法)。在氣相沉積法中，從大量生產的觀點出發，SP法適 合。但是，沉積法并不限于這些方法。
可在將襯底溫度保持在室溫而無需有意施加熱的情況下形成膜。以這種方式能夠 實現塑料襯底上透明薄膜晶體管的低溫制造法。(特性)接下來說明TFT特性。場效應晶體管是具有柵電極15、源電極13和漏電極14的三終端器件。場效應晶體管是電子器件，其中通過向柵電極施加電壓Ve，能夠控制流過溝道層 的漏電流ID，并且在源電極和漏電極之間流動的電流于是顯示出開關行為。通過在源電極和漏電極之間施加5V-20V的漏電壓，此外掃描-20V至20V的柵電 壓，從而控制通過溝道的電流。圖10是例示將漏電壓Vd固定為6V下l0g(ID)-Ve(遷移特性)的實例的坐標圖。 其中的五條曲線表示具有彼此不同的溝道層組成的五個TFT的特性。圖11是例示在具有表示為In/dn+Ge) = 0. 65的溝道層組成的TFT中在不同Ve 水平下Id對Vd(輸出特性)的實例的坐標圖。圖12是例示TFT的遷移特性的兩個實例的坐標圖，該TFT含有In-Ge-O-基氧化 物，該In-Ge-O-基氧化物具有0. 65-0. 75的In/(In+Ge)組成比。下表1示出在這些情況下S的值(V/dec)、開/關比、Von (V)、Vth (V)和μ (cm2/ Vsec)的列表。表 1 這些晶體管的特性之間的不同可表示為例如場效應遷移率Pfe、閾值電壓(Vth)、 開/關比和S值的不同。場效應遷移率可由線性區域或飽和區域的特性得到。給出的實例是由遷移特性結果繪制V Id-Vg的坐標圖并由該坐標圖的斜率得到 場效應遷移率的方法。除非另外說明，否則采用該評價法。可通過幾種方法計算閾值電壓，其中一種是由V Id-Vg的坐標圖的χ-軸截距得到 閾值電壓Vth。開/關比可由遷移特性的最大Id值與最小Id值的比計算。S值由Log(ID)-VD的坐標圖的斜率的倒數得到，該坐標圖由遷移特性結果繪制。另一選擇是評價作為開啟電壓Von的在l0g(ID)-Vd#性中電流的陡然上升的開始 時的電壓(柵電壓)。能夠使用上述參數以外的各種參數來表示晶體管特性之間的差異。(應用)鑒于未來顯示系統中OLED的TFT要求，由這些TFT展示的小S值、漏電流的高開
14/關比、優良的遷移率和常關特性是非常希望的特性。由于半導體器件使用透明襯底和無定形氧化物，當應用于顯示器時裝備有如這些 那樣的薄膜晶體管的TFT半導體器件(有源矩陣襯底)可具有增加的開口率(aperture ratio)ο當應用于有機EL顯示器時，特別地，半導體器件使顯示器能夠采用底部發射結 構，在該結構中也從襯底側發光。本實施方案的半導體器件具有各種可能的用途包括ID標簽或IC標簽。以下對作為裝備有本實施方案的場效應晶體管的半導體器件的具體實例的顯示 器進行詳細說明。通過將顯示器件例如有機或無機電致發光(EL)器件或液晶器件的電極與漏電極 連接來構造顯示器，該漏電極是本實施方案的場效應晶體管的輸出端。以下參照顯示器的截面圖，對顯示器結構的具體實例進行說明。如圖21中所示，在襯底111上形成場效應晶體管，該場效應晶體管由例如溝道層 112、源電極113、漏電極114、柵極絕緣膜115和柵電極116形成。通過中間層絕緣層117將電極118與漏電極114連接。電極118與發光層119接 觸，發光層與電極120接觸。在這種結構下，能夠通過從源電極113經過在溝道層112中形成的溝道流到漏電 極114的電流的值來控制進入發光層119的電流。因此能夠通過場效應晶體管的柵電極116的電壓來對其進行控制。在此電極118、 發光層119和電極120構成無機或有機電致發光器件。或者，場效應晶體管可以采取圖22中所示的結構，其中使漏電極114延伸以還用 作電極118，其向夾持在高電阻膜121和122之間的液晶盒或電泳顆粒盒123施加電壓。液晶盒或電泳顆粒盒123、高電阻層121和122、電極118和電極120形成顯示器 件。能夠通過從源電極113經過在溝道層112中形成的溝道流到漏電極114的電流的 值來控制向這些顯示器件施加的電壓。因此能夠通過TFT的柵電極116的電壓來對其進行控制。在顯示器件的顯示介質 是將流體和顆粒密封在絕緣涂層內的包囊的情況下，不需要高電阻膜121和122。上述兩例中的薄膜晶體管采用交錯(staggered)(頂部柵極)結構作為代表性結 構，但本發明未必限于這種結構。如果作為薄膜晶體管的輸出端的漏電極與顯示器件之間 的連接拓撲相同，可以采用其他結構例如共面結構。以上兩例將驅動顯示器件的一對電極與基底平行地放置，但本發明未必限于這種 結構。如果作為薄膜晶體管的輸出端的漏電極與顯示器件之間的連接拓撲相同，例如， 成對電極中的一個或兩個可以與基底垂直。在驅動顯示器件的電極對與基底平行并且顯示器件是EL器件或反射型顯示器件 例如反射型液晶器件的情況下，要求電極中的一個對于發光波長或反射光的波長透明。在 透射型顯示器件例如透射型液晶器件的情況下，要求透射型液晶器件、兩個電極對于透射 光透明。
本實施方案的薄膜晶體管的全部部件可以是透明的，因此能夠形成透明顯示器 件。該顯示器件可在低耐熱性基底例如輕質、柔性和透明的塑料樹脂襯底上形成。以下參照圖23對顯示器進行說明，在該顯示器中將含有EL器件(在此為有機EL 器件)和場效應晶體管的多個像素兩維地排列。圖23例示驅動有機EL層204的晶體管201和選擇像素的晶體管202。電容器203用于保持選擇的像素，并且在公共電極線207和晶體管202的源部分 之間積累電荷以保持晶體管201的柵信號。通過掃描電極線205和信號電極線206確定像
素選擇。為了更具體地說明，驅動電路(未圖示)以脈沖信號的形式通過相關的掃描電極 線205向柵電極施加視頻信號。同時，另一驅動電路(未圖示)通過相關的信號電極線206 向晶體管202施加脈沖信號，由此選擇像素。像素的選擇將晶體管202打開，這使插入信號 電極線206和晶體管202的源之間的電容器203積累電荷。這樣將晶體管201的柵電壓保持在所需的水平并且將晶體管201打開。保持這種 狀態直至接收下一信號。在晶體管201開時，保持將電壓和電流供給到有機EL層204并且 有機EL層204保持發光。在圖23的實例中每個像素具有兩個晶體管和一個電容器。為了改善性能，可在每 個像素中構建更多的晶體管和其他部件。以下對本發明的另一實施方案(In-Ge-Zn-Ο-基溝道層)進行說明。作為具有大的組成裕度并且展示高性能特性的TFT，該實施方案公開了具有 氧化物溝道的TFT，該氧化物溝道含有金屬元素Zn、In和Ge的新型組合。本發明的 In-Ge-Zn-O-基TFT與具有含有In、Ga和Zn的氧化物溝道的In-Ga-Zn-O-基TFT相比，能 夠在更寬的組成范圍內工作。這種In-Ge-Zn-O-基TFT值得注意的特征是與基于非專利文獻1和專利文獻1中 記載的材料的TFT相比，其具有更大的組成裕度。In-Ge-Zn-O-基TFT能夠展示出與非專利 文獻2的In-Ga-Zn-O-基TFT相當或更好的穩定性和半導體特性。例如，作為具有其金屬組 成比設定為In Ge Zn = 42 13 45的溝道層的In-Ge-Zn-O-基薄膜晶體管的特性， 得到0. 5 (V/decade)的S值、約7. 00cm2/Vs的場效應遷移率和7. 5V的閾值電壓。圖24A例 示設定為 In Ge Zn = 42 13 45 的 In-Ge-Zn-O-基 TFT 的遷移特性(Log (Id)-Vg)。 圖24B例示輸出特性。值得注意的另一特征是與基于非專利文獻1和專利文獻1的材料的TFT相比，制 造時In-Ge-Zn-O-基TFT具有更大的工藝裕度。具體地，In-Ge-Zn-O-基TFT由于薄膜形 成中的氧分壓和溝道層的厚度只經歷小的特性變化。簡言之，本發明的In-Ge-Zn-O-基TFT 在成本和大量生產性方面優于In-Ga-Zn-O-基TFT。以下參照附圖詳細說明上述特征。In-Ge-Zn-O-基材料能夠形成無定形態的薄膜，其在整個寬組成范圍中適合作為 TFT的溝道材料。表2中示出通過濺射形成的In-Ge-Zn-O-基材料的膜呈現無定形相的組 成范圍。在由虛線包圍的區域中得到晶體膜。在由“a”、“b”、“C”和“d”包圍的區域(排 除區域abed和由虛線包圍的區域之間相交的區域)中得到無定形膜。晶體和無定形之間 的邊界沒有嚴格地設定，并且由成膜條件、膜的厚度等影響。使用無定形膜對于構建高性能TFT是重要的，原因是如上對于ZnO膜所述，多晶膜中晶粒邊界和晶體尺寸變化對TFT特性 產生不利影響。與In-Ga-Zn-O-基材料或In-Zn-O-基材料相比具有更寬的得到無定形相 的組成范圍(Zn/In比范圍)，因此In-Ge-Zn-O-基材料適于TFT的溝道層。以下通過將In-Ge-Zn-O-基材料與In-Zn-O-基材料進行對比來說明含有Ge的效 果。根據專利文獻1,0. 3-0. 7的Zn/ (Zn+In)比是In-Zn-O-基TFT的組成裕度(TFT能夠良 好地工作的組成范圍)。如果TFT含有3at% Ge (換言之，當Ge/(Zn+In+Ge) = 0. 03時)， 其將組成裕度改變為0. 80以下的Zn/(Zn+In+Ge)比。簡言之，In-Ge-Zn-O-基TFT中含有 的少量Ge使其組成裕度大于Zn-In-O-基TFT。與Zn-In-O-基材料相比，In-Ge-Zn-O-基 材料具有更寬的展示半導體性質并且得到無定形相的組成范圍，因此具有寬的TFT能夠工 作的組成范圍。鑒于對環境的穩定性，優選地含有某適當量以上的Ge。含有Ge (Ge含量約等于 13at%的點，Ge含量約等于3at%的點)改善在大氣中電阻率的經時穩定性，因此電阻率幾 乎不經時變化。簡言之，向Zn-In-O-基材料添加Ge產生電阻率對于環境非常穩定的氧化 物半導體。(對于In-Ge-Zn-O-基溝道優選的組成范圍)以下說明將In-Ge-Zn-O-基材料應用于TFT的溝道層時優選的組成范圍。參照作為三元相圖的表2對In-Ge-Zn-O-基材料中元素組成比及其范圍進行說 明。表2中，對于氧的量沒有特別考慮。表2 例如，該材料可以含有三價In、四價Ge和二價Zn，并且含有的氧的量等于或接近 化學計量的氧量。與化學計量的偏差(例如，氧缺乏)可通過例如成膜中的氧分壓和后面 說明的退火條件來控制。
相圖中的點“a”，例如，表示In原子計數與In原子加上Ge原子的總計數的比，即 In/(In+Ge)為0.97。在該點含有的In的比例為97at%。相圖中，虛線左側的區域是得到 結晶的In-Ge-Zn-O膜的區域，虛線右側的包括在由“a”、“b”、“C”和“d”包圍的區域內的區 域是得到無定形In-Ge-Zn-O膜的區域。由本發明的發明人進行的廣泛研究已發現具有大于0. 97的In/dn+Ge)組成比的 材料是結晶的，因此是不需要的。而且，具有小于0.5的In/dn+Ge)組成比的材料變為絕 緣體并且變得不適合作為溝道層。專利文獻1指出具有70at%以上的Zn/(Zn+In)比的In-Zn-O-基材料是結晶的， 因此不需要，而具有30at %以下的Zn/ (Zn+In)比的In-Zn-O-基材料形成低電阻膜，因此不 適合作為溝道。向Zn-In-O添加3at% Ge使得到無定形相的組成范圍擴展到Zn (Zn+In)約等于 0.8的程度。相圖中每個點的金屬元素組成比(at% )如下(a) InGeZn=973 0
(b)InGeZn=173 80
(c)InGeZn=205030
(d)InGeZn=50500
(e)InGeZn=182161
(f)InGeZn=404020
(g)InGeZn=60400
(h)InGeZn=84160
(i)InGeZn=653 32
(k)InGeZn=502030
(I)InGeZn=62380
(m)InGeZn=253837
(n)InGeZn=253 72
(w) InGeZn=333 64
(s)InGeZn=373 60
(u)InGeZn=451540
(v)InGeZn=181567
(x)InGeZn=402040
(y)InGeZn=252055
明 說 行 進 圍 范 成 組 的 圍 包 線 的
和
C U
，，“u” “C”和“d”的線包圍的區域內時，使用該薄膜首先對相圖表2中由連接點“a”、“b 當In-Ge-Zn-O薄膜的組成在由連接“a”、“b 作為溝道層產生工作的晶體管(在執行開關操作中無問題的晶體管)。通過選擇具有該區 域內的任意組成的薄膜并且由選擇的薄膜形成溝道層，得到具有IO6以上的開/關電流比 的晶體管。使用具有表2中相圖中由“a”、“b”、“e”、“f”和“g”包圍的區域中的組成的薄膜
產生以良好的再現性具有小S值(亞閾值擺幅)的晶體管。
優選使用具有點“W”附近的組成(換言之，當Zn/(Zn+In)為65士5站％時)的膜， 因為得到的晶體管在遷移率和開/關電流比方面大。也優選該組成在于能夠產生其閾值電 壓在OV左右的的晶體管。在相圖表2中由“h”、“ i，，、“b ”、“ e，，、“k”和“ 1 ”包圍的組成范圍中，得到其閾值電
壓具有接近OV的值的晶體管。在相圖表2中由“a”、“b”、“e”、“m”和“1”包圍的組成范圍中，得到具有較大遷移
率(彡3cm2/V-s)的晶體管。在相圖表2中由“ a”、“b ”、“ e ”、“ f ”和“ g”包圍的組成范圍中，容易產生具有小S
值的晶體管。在相圖表2中由“a”、“n”、“t”和“h”包圍的組成范圍中，容易產生具有大遷移率 (彡7cm2/V-s)的晶體管。特別地，能夠得到具有IOki以上的開/關電流比和小S值的常關晶體管。在相圖表2中由“h”、“i”、“n”和“t”包圍的組成范圍中，得到同時具有大遷移率 (彡7cm2/V-s)、小S值(彡0. 7V/dec)和大開/關電流比的常關晶體管。在相圖表2中由“S”、“u”、“X”、“y”、“v”和“b”包圍的組成范圍中，得到具有非常
小的S值和非常高的遷移率的常關晶體管。在相圖表2中由“a”、“i”和“h”包圍的組成范圍中，容易產生具有負閾值的晶體 管。通過在成膜中選擇適當的氧分壓，能夠得到開電流相對大且滯后小的晶體管。簡言之， 該組成范圍對于產生常開晶體管有效。在相圖表2中由“ 1，，、“k”、“ e，，、“ c ”和“ d”包圍的組成范圍中，容易產生具有正閾
值的晶體管。而且得到關電流相對小的晶體管。該組成范圍中的材料能夠穩定地形成遷移 率相當小但載流子濃度低的薄膜。而且，由于相對大的Ge含量，該材料在短波長側具有其 光學吸收邊緣并且在波長400nm附近具有優異的透光率。該材料的折射率小。隨著該區域 中Ge含量增加，開電流減小。簡言之，當需要小的關電流和高透光率而遷移率不需要太大 時，該組成范圍有效。將遷移特性的實例示于表3中并且圖25A-25E與In-Ge-Zn-O TFT的各種組成有 關。表3中圖編號A、B、C、D和E分別對應于圖25A、25B、25C、25D和25E。表3中的圖C和 D以及圖25C和25D屬于相圖表2中由“S”、“u”、“t”和“η”包圍的陰影區域。將各TFT的 S (V/dec)、開 / 關、Von (V)、Vth (V)和 μ (cm2/V-s)值組織在下表 3 中表3In-Ge-Zn-O TFT 的特性 (第一實施方案)圖IA例示具有根據本實施方案的無定形In-Ge-O溝道層的頂部柵極場效應晶體 管的截面示意圖。如圖IA中所示，在玻璃襯底(Corning 1737，由Corning Incorporated制造)上 形成無定形In-Ge-O氧化物膜作為溝道層。在濺射室內在氬和氧的混合氣體氣氛中通過高 頻濺射法形成In-Ge-O無定形氧化物膜。圖13是概要示出用于形成膜作為根據本發明實施方案的場效應晶體管的溝道層 的膜沉積系統的圖。如圖13中所示，本實施方案的成膜系統具有用于控制真空泵送能力的閘閥57和 為了控制流入氣體系統的氣體的量而對每個氣體系統提供的質量流量控制器56。成膜系統 還具有真空離子計54、襯底支架55、襯底51、渦輪分子泵53、沉積室58和帶有濺射靶的濺 射槍52。渦輪分子泵53是將沉積室58排氣直至達到lX10_5Pa(基壓)的渦輪分子真空泵。襯底支架55能夠在χ和y平面內和在垂直方向ζ調節襯底位置。濺射槍52在其頂表面具有氧化物靶52(靶)。除了這些以外，膜沉積系統具有為 了防止在成膜過程中發生的過熱對濺射槍的任何損害的供給制冷劑的部件。成膜系統具有用于濺射靶的RF電源和匹配網絡59。提供一個質量流量控制器(MFC)作為氬氣和稀釋的氧氣(Ar+02，其中Ar O2 = 95 5)每個的氣體引入系統。通過用MFC控制氬和稀釋的氧氣的流入并且通過用閘閥控制總壓力，于是在沉積 室中形成預定的氣氛(總壓力和氧分壓)。通過同時濺射直徑2英寸的GeO2陶瓷靶和兩個直徑均為2英寸的In2O3陶瓷靶 (材料源)，將本實施方案中形成的In-Ge-O膜形成在玻璃襯底上。在沉積的持續過程中將固定的RF功率對于每個In2O3靶保持在35W并且對于GeO2 靶保持在30W。沉積過程中總氣壓和Ar O2流量比分別為0. 4Pa和69 1。沉積速率為Ilnm/ min。將襯底溫度保持在室溫(25°C以下)。圖14是例示In/ (In+Ge)比為0. 65和0. 75的退火氧化物溝道層的X射線衍射圖 形實例的坐標圖。根據圖14中所示的該膜的X-射線衍射圖形(薄膜XRD，入射角0.5° )，對于表 示為In/dn+Ge) = 0. 65的組成沒有觀察到衍射峰。因此該組成的In-Ge-O膜具有無定形結構。該膜的厚度為25nm。由分光橢偏儀的測定值估算的均方根(rms)表面粗糙度約為 0. lnm。熒光X射線分析(XRF)已發現該薄膜的In/dn+Ge)金屬組成比為0. 65。該膜的比電阻約為IO5 Ω · cm。
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電子載流子密度估算為1 X 1014/cm3。圖15是例示作為In/dn+Ge)的函數的空穴遷移率μ軌(cm2/Vs)的實例的坐標 圖。進行在純氬氣氛中形成的氧化物膜的空穴測定。隨著含有的In的比例增加，遷移 率明顯上升。當滿足In/(In+Ge)約為0. 95時，以40cm2/Vsec實現非常高的遷移率。接下來，采用光刻圖案化法和剝離(lift-off)法以將漏電極14和源電極13形成 為圖案。源電極和漏電極各自為由40nm-厚Au層和5nm-厚Ti層形成的層狀結構。通過濺射法將SiO2介電材料形成為150nm厚的柵極絕緣體。SiO2膜的相對介電 常數約為3. 7。通過使用標準光刻法和剝離法來圖案化也形成柵電極15。溝道的寬度和長度分別 為 200 μ m 禾口 50 μ m。(TFT器件特性的評價)圖11是例示在室溫下測定的In/(In+Ge)比為0. 65的TFT的電流-電壓特性的 坐標圖。 在測定漏電壓Vd對漏電流Id的依賴性的同時，在源電極和漏電極之間施加恒定的 柵電壓。結果，觀察到典型的半導體晶體管行為，其中在約6V的漏電壓Vd下達到飽和 (夾斷)。為了評價TFT遷移特性log (Id) -Vg,將Vd設定為6V下從-20V到20V以0. IV增加 來改變\。結果得到3. 5V的閾值柵電壓(Vth)。在20V的柵電壓Ve下，源-漏電流Id測定為5X 10_4A。圖12為例示TFT的遷移特性Iog(I11)-Ve的實例的坐標圖，該TFT具有無定形 In-Ge-O溝道層，該In-Ge-O溝道層具有表示為In/(In+Ge) = 0. 65的組成。晶體管的開/關電流比為IOki以上。由輸出特性，在TFT的飽和區域中將場效應 遷移率計算為3.4cm2/VS。得到優良的常關TFT特性的開關性能，包括3. 5V的閾值電壓Vth和小到0. 4V/dec 的亞閾值擺幅S。此外，在相同的工藝條件下制造兩個以上TFT時，本實施方案成功地再現相同的 TFT特性。總之，本實施方案通過將新無定形氧化物半導體In-Ge-O應用于TFT的溝道層，成 功地得到優異的晶體管特性。由于通過使用由比In-Ga-Zn-O-基氧化物少的金屬元素形成的氧化物而得到優 異的TFT特性，因此這是值得注意的。此外，在氧化物中使用作為相對便宜的元素Ge有助于減少材料成本。此外，預期 這種材料對環境幾乎沒有影響。本發明的In-Ge-O溝道層薄膜晶體管使材料成本低并且展示優良的TFT性能，因 此在OLED的操作電路中使用這種晶體管有前途。(第二實施方案)本實施方案是研究溝道層的材料組成依賴性的實例。為了考察材料組成依賴性，將組合法用于沉積。具體地，已使用如下方法進行考察，該方法中通過濺射法一次性在單一襯底上形成組成改變的氧化物薄膜。但是，該方法并不總需要使用。可制備具有給定組成的材料源(靶)用于沉積，或 者可通過控制向多個靶的每一個施加的輸入功率來形成所需組成的薄膜。已通過組合濺射法在襯底上形成觀察到組成分布的氧化物薄膜。通過器件制造方 法，一次性在襯底上制造具有各種溝道組成的TFT。隨后對TFT進行評價和比較。通過使用與襯底表面成一定角度的三個濺射設備的濺射，通過沉積形成In-Ge-O 膜。取決于靶和襯底上給定點之間的距離和角度，襯底上膜的組成變化。于是在3英寸直徑襯底A上得到厚度均勻但具有寬組成分布的薄膜。同時將均具有2英寸直徑的GeO2靶和兩個In2O3靶濺射以形成In-Ge-O薄膜溝道。 將施加于In2O3靶和GeO2靶的RF功率分別保持恒定于35W和30W。通過使用用Ar稀釋的5% O2氣，精確地控制沉積過程中的O2分壓。總壓力為 0. 45Pa并且Ar O2為69 1。將襯底溫度保持在25°C。在通過熒光X射線分析、分光橢偏術和X射線衍射(XRD)對薄膜的物理性質進行 評價的同時，通過四點探針電阻率測定和空穴遷移率測定來對薄膜進行電測定。制造底部柵極、頂部接觸TFT，該TFT具有通過組合法形成的In-Ge-O膜作為n_型 無定形氧化物溝道層，并且在室溫下評價TFT特性。通過分光橢偏術的測定已發現薄膜具有25nm的厚度和厚度分布在士 10%中。在具有0. 5-0. 97的In/dn+Ge)組成比的膜的情況下，在剛形成的膜的X射線衍 射圖形(薄膜XRD，入射角度0.5° )中沒有發現衍射峰。因此，形成后即刻的In-Ge-O膜在該組成范圍中具有無定形結構。然后在300°C在 空氣中將該膜退火1小時。在In/(In+Ge)組成比為0. 5-0. 9的情況下，在退火膜的X射線 衍射圖形中沒有發現衍射峰。因此，退火In-Ge-O膜在該組成范圍中具有無定形結構。圖14的圖A和圖B分別 表示在0. 65和0. 75的In/(In+Ge)組成比下退火膜的衍射圖形實例。當In/(In+Ge)超過 0. 9時，膜呈現多晶結構并且觀察到衍射峰。接下來對In-Ge-O薄膜的比電阻和比電阻的組成依賴性進行說明。圖5是例示使用采用四點探針法的片材電阻率測定系統得到In-Ge-O膜的片材電 阻&的組成依賴性的結果的坐標圖。通過分光橢偏術測定膜的厚度，并且由厚度和薄層電阻Rs的測定值計算膜的比電 阻，檢查In-Ge組成比變化引起的比電阻P的變化。如圖5中所示，隨著組成由富In組成區域向富Ge組成區域移動，該膜的比電阻增 加。具體地，如圖5中所示，該膜由導體(小于ΙΟ—1 Ω · cm)向半導體(在ΙΟ—1 Ω · cm 和106Ω 之間)，并且由半導體向絕緣體(大于107Ω · cm)變化。本專利中大于或等 于IO7 Ω · cm的電阻率值稱為絕緣。在0. 5-0. 97的In/dn+Ge)組成范圍即觀察到半導體行為的組成范圍中，TFT良 好地工作。發現圖形狀和TFT性能之間存在相關關系。圖5的P-組成比曲線在半導體區域具有四個梯度。對于表示為0.97≥In/(In+Ge)彡0. 5的組成的電阻率能夠如下由圖6中的四個區域表示區域 1 中的梯度對應于 0. 1 Ω · cm 彡 P < 1 Ω · cm，0. 9 < In/(In+Ge)彡 0· 97。區域 2 中的梯度對應于 1 Ω · cm 彡 P < IO3 Ω · cm，0· 75 < In/ (In+Ge) <0.9。區域3中的梯度大致對應于IO3 Ω · cm彡P < IO4 Ω · cm，0. 65 < In/ (In+Ge) < 0· 75。區域 4 中的梯度對應于 IO4 Ω .cm ^ P < IO7 Ω .cm，0· 5 彡 In/(In+Ge)彡 0· 65。這種配置與TFT特性緊密相關。將與組成有關的TFT特性和區域1中的比電阻例 示為圖10的曲線E。類似地，將與組成有關的TFT特性和區域2中的比電阻例示為圖10的曲線D和C。按從區域1到區域4的順序考察圖5的區域時，可知TFT參數S、Vth和開/關電 流比得到顯著改善。但是，從區域1 (富In組成范圍)到區域4(富Ge組成范圍)，比電阻增加并且載 流子濃度降低，其使遷移率降低。因此在對應于區域3和區域4的組成下得到極其優良的TFT特性。更詳細的研究揭示對應于區域4的TFT(S = 0. 4)具有最佳的S值(圖16)和最 高的驅動穩定性(圖8)。圖16是例示作為In/(In+Ge)原子比的函數的開/關電流比的實 例的坐標圖。但是，區域4中的遷移率(=3. 4cm2/Vsec)低于區域3中的遷移率(=6cm2/ Vsec)。區域3和區域4都是對于TFT溝道優選的組成范圍。圖9是例示由于O2分壓In-Ge-O膜的比電阻變化的坐標圖。該圖的兩條曲線分 別對應于0. 65和0. 75的In/(In+Ge)組成比。從該坐標圖中可以看到具有給定組成的膜的比電阻隨著氧分壓上升而增加。這可能與如下事實關聯氧分壓的上升減少氧空穴。還觀察到適合TFT用途的比電阻范圍能夠通過調節氧分壓來調節。圖7是例示具有約等于0. 65的In/ (In+Ge)比的In-Ge-O膜的比電阻的經時變化 的測定結果的坐標圖。在寬組成范圍考察In-Ge-O薄膜。觀察到成膜后即刻的In-Ge-O薄膜的比電阻在成膜后的前300小時(1. 5周)左 右初期隨時間而減小，但最終變得穩定。在空氣中將該膜退火時該膜的比電阻以更快的速率變得穩定。在富 Ge組成范圍(0. 5彡Ge/(Ge+In)彡0. 25)中，最終穩定的比電阻適合TFT用途 (105Ω · cm^ Ρ ^ IO3 Ω .cm)。這解釋了在高Ge含量區域中TFT特性的優異穩定性。接下來制造具有圖IC中所示結構的底部柵極薄膜晶體管。首先，通過組合濺射在Ii+-Si襯底上形成In-Ge-O組成梯度膜，在n+_Si襯底形成 有厚度IOOnm的熱氧化的SiO2層。通過使用光刻圖案化和剝離進行圖案化，形成IOOnm厚Au層和5nm厚Ti層的兩 層作為源電極和漏電極。以這種方式，在3英寸直徑基材上得到含有大量TFT的薄膜，該TFT具有各種組成 的活性層。最高工藝溫度為120°C。該SiO2層充當柵極絕緣體和n+-Si作為柵電極發揮作 用。
接下來評價TFT特性和TFT穩定性。圖IC中，柵電極21由n+-Si形成，柵極絕緣體22由SiO2形成，源電極23和漏電 極24由Au/Ti形成，和活性層25由In-Ge-O形成。溝道的寬度和長度分別為150 μ m和10 μ m。在將漏電壓Vd設定為6V下得到TFT 的遷移特性。由最大漏電流值與最小漏電流值的比得到開/關電流比。由V Id (Id 漏電流)_柵 電壓(Ve)坐標圖的斜率計算場效應遷移率。由V Id-Vg坐標圖的χ-軸截距得到閾值電壓Vth。將dVe/d(l0gID)坐標圖的最小 值用作S值(即，使電流增加一位數所需的電壓Ve的值)。圖6是例示具有η-型In-Ge-O溝道層的場效應晶體管(FET)的遷移特性 (log(Id)-Vg)的組成依賴性的坐標圖。通過在襯底上的各點評價TFT特性，如圖6中所示得到取決于In-Ge組成比的TFT 特性的變化。由該坐標圖可以看到TFT特性隨著襯底上位置的變化而變化，換言之，隨著 In Ge組成比變化而變化。圖6例示組成變化的TFT(沒有退火)的Iog(I11)-Ve特性。在富Ge組成區域(例如，區域A和B)中，得到小的正閾值電壓、小的關電流和大 的開電流。于是得到常關TFT特性。在富In組成區域(例如，圖D和E)中，另一方面，得到非常大的關電流。由于非常大的關電流，在0. 85-0. 9的In/dn+Ge)組成范圍中TFT的開/關比在 IO1的數量級上，是非常小的。如圖6的曲線D和E所示，隨著含有的In的比例增力口，閾值電壓取更負的值。這可 能由于富In組成區域的高電導率(即，許多載流子)。因此，得到更負的閾值電壓(Vth)。在0. 5-0. 85的In/dn+Ge)組成范圍中，得到開/關電流比> IO9的相對優異的 特性。與含有的In的比例的上升相伴隨的場效應遷移率μ FE的增加使S值增加。盡管 高遷移率對于優良的開關頻率是希望的，但必須注意如下事實S值決定由關切換到開的 開關性能。因此非常希望小的正S值。但是，在一些情況下，遷移率取決于所需的用途而變 化。例如，為了用于有源矩陣有機發光二極管(AM0LED)，希望lcm7Vsec以上的遷移率。下表4、5和6均示出作為組成比的函數的成膜后即刻的TFT和退火的TFT的S、 Vth和μ值的列表。表 4 表 5 表 6 總之，在0. 6-0. 75的In/ (In+Ge)組成范圍內，成膜后即刻的In-Ge-O溝道層TFT 能夠如下具有優異的TFT特性開/ 關比> IO9漏極飽和電流Id > 10、Vth>0(小的正值)遷移率3cm2/Vsec 彡 μ 彡 6cm2/Vsec將相同的TFT在300°C下在空氣中退火時，使TFT特性進一步改善。圖10例示退火的TFT的遷移特性(log (Id) -Vg)。作為組成的函數的TFT特性具有類似于退火前的TFT特性的配置。但是，與成膜 后即刻的TFT相比揭示出TFT特性的絕對值的明顯變化，尤其在富In組成區域中。圖10中所示的是退火后TFT特性的組成依賴性的實例。圖10的曲線D和E與圖6的曲線D和E的比較清楚地例示出通過退火使TFT特
性改善。由該比較還可知，顯示優良的TFT特性的組成范圍甚至更寬。例如，In/dn+Ge)組 成比 0. 65、In/(In+Ge)組成比 0. 75 和 In/(In+Ge)組成比 0. 85 的曲線(B)、(C)和(D)顯 示出優良的TFT特性。在富Ge組成區域(例如，區域A和B)中，得到小的正閾值電壓Vth以及小的 關電流和大的開/關電流比，換言之，得到常關TFT特性。該組成區域的S值非常小 (0. 4彡S彡0. 55)，其給出優異的TFT開關性能。富Ge組成區域(例如，區域A和B)的關電流相當小，因此富Ge組成區域的開/ 關電流比大。圖2中例示退火的TFT的場效應遷移率μ FE的In Ge組成依賴性。由圖2可以 看到μ FE隨著含有的In的比例上升而增加。當含有的In的比例為0.97-0.65時，在由In/dn+Ge)表示的組成范圍中得到 17cm2/Vsec-3. 4cm2/Vsec 的 μ FE。
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圖3例示閾值電壓的組成依賴性。當薄膜晶體管的閾值電壓(Vth)為OV以上時， 容易產生電路。如圖3中所示，當In/dn+Ge)為0. 75以下時Vth為正，這是明顯希望的特性。圖4例示S值的組成依賴性的實例。由圖4可知0. 5-0. 75的In/ (In+Ge)組成比 是希望的。這是因為在該范圍內實現0.4和0.55之間的小S值。小S值給予TFT明顯優 異的開關(從關到開)性能。在具有0. 55的In/a n+Ge)比的圖10中所示的TFT(圖10，曲線A)的情況下， 場效應遷移率值為3. 4cm2/Vs,開/關電流比為4. 5X1010,開啟電壓為-1. 9V，閾值電壓為 3. 5V，和 S 值為 0. 4V/dec0在具有0. 75的In/(In+Ge)比的TFT (圖10，曲線B)的情況下，場效應遷移率值 為6. Ocm2 (Vsec)，開/關電流比為2. OX 101CI，開啟電壓為-5. 0V,閾值電壓為0V，和S值為 0.55V/dec0為了研究In-Ge-O-基材料相對于其他無定形氧化物半導體的優點，本發明的發 明人認真制造具有類似組成但具有不同氧化物作為它們的溝道層的TFT。為此，制造In-Mg-O TFT、In-Al-O TFT和In-Ga-O TFT,并對它們的TFT特性進行 比較。本發明的發明人以與In-Ge-O-基TFT相同的方式考察In-Mg-O、In-Al-O和 In-Ga-O TFT，由此得到組成依賴性結果。對于In-X-O-基氧化物的每一個，將顯示優良特 性的TFT抽出并且將抽出的TFT與含有In-Ge-O-基氧化物的TFT比較。圖17是對于這些氧化物材料的每一個例示基于該氧化物材料的TFT的遷移特性 (log(Id)-Vg)的實例的坐標圖。圖17中，Gel和Ge2表示具有0. 35的Ge/(Ge+In)組成比 的TFT和具有0. 25的Ge/(Ge+In)組成比的TFT。In-Ge-O TFT的特性明顯優于任何Ιη_Χ_0(Χ = Ga、Al或Mg) TFT。X表示兩金屬 元素氧化物基材料中的第二金屬元素，其中第一金屬元素為銦。圖18是例示將含有In-Ga-O-基氧化物、In-Al-O-基氧化物和In-Mg-O-基氧化 物的TFT的亞閾值擺幅與含有本發明的In-Ge-O-基氧化物的TFT的亞閾值擺幅比較的實 例的坐標圖。圖18中，用S(VZdec)表示亞閾值擺幅。圖19是例示將含有In-Ga-O-基氧化物、In-Al-O-基氧化物和In-Mg-O-基氧化 物的TFT的開/關電流比與含有本發明的In-Ge-O-基氧化物的TFT的開/關電流比進行 比較的實例的坐標圖。圖20是例示含有In-Ga-O-基氧化物、In-Al-O-基氧化物和In-Mg-O-基氧化物 溝道層的TFT的場效應遷移率與含有本發明的In-Ge-O-基氧化物溝道層的TFT的場效應 遷移率進行比較的實例的坐標圖。如圖18、19和20中所示，通過在S(VMec)、開/關和UFE(cm2/Vs)方面比較TFT 特性，使In-Ge-O TFT的占優的TFT特性更加明顯。在In-Ge-O TFT中，與圖18-20中所示的其他In-X-O TFT中相比，得到更小的S 值、更好的μ FE和更高的開/關比。對于In-Ge-O TFT，其小S值可能歸因于在In-Ge-O氧化物半導體和氧化硅柵極絕 緣體之間容易形成的有利的界面。
此外，必須注意如下事實=In-Ge-O-基TFT與In-Zn-O-基TFT相比能夠在寬得多 的組成比區域中工作。In-Ge-O TFT能夠工作的組成范圍和In-Zn-O TFT能夠工作的組成 范圍可從下表7中找出。表7 含有In-Ge-O-基氧化物的TFT也耐驅動應力。此外，含有In-Ge-O-基氧化物的 TFT具有優良的經時穩定性。圖8例示剛制造的TFT的遷移特性和制造后一個月的TFT的遷移特性。圖8對應 于0. 65的In/(In+Ge)溝道組成。從圖8可以看到特性的變化小。(第三實施方案)本實施方案是在塑料襯底上使用無定形In-Ge-O氧化物半導體作為溝道層的實 例。將本實施方案的薄膜晶體管的結構實例示于圖IB中。溝道的長度為60 μ m，和溝 道的寬度為180 μ m。襯底10是聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜。首先，使用光刻圖案化法和剝離法在襯底10上通過圖案化形成柵電極15和柵極 絕緣層12。柵電極15是厚度50nm的Ta層。柵極絕緣層是通過濺射形成為厚度150nm的 SiOxNy膜。SiOxNy膜的介電常數約為6。接下來，通過濺射形成晶體管的溝道層并且通過光刻圖案化和剝離來成形。溝道層11由In-Zn-Ge-O-基無定形氧化物制成并且具有表示為In Zn Ge = 1.4 2. 1 1 的組成。上述的無定形氧化物In-Zn-Ge膜在氬氣和氧氣的氣氛中通過RF濺射法形成。同時將本實施方案中的三個靶(材料源)濺射。為此，使用ln203、GeO2和ZnO的 三個燒結的小尺寸(直徑2英寸)的靶。通過控制向每個靶施加的RF功率，能夠控制In-Zn-Ge氧化物薄膜以具有所需的 In Zn Ge組成值。通過將總沉積壓力固定于0. 46Pa，使用用Ar稀釋的5 % O2氣并且 將Ar O2設定為69 1，從而精確地控制O2分壓。將襯底溫度保持在室溫(25°C以下)。在成膜后即刻和退火后的氧化物膜的衍射圖案(薄膜XRD，入射角度0.5° )中 沒有觀察到衍射峰。因此該氧化物膜為無定形。該無定形氧化物膜的厚度約為25nm。該無定形氧化物膜具有大于3eV的吸收邊緣能，并且如由吸收光譜能夠看到那 樣，在電磁波譜的可見光范圍和近紅外光范圍具有顯著高的透明性。源電極、漏電極和柵電極由認為是透明導電氧化物的氧化銦錫制成。該氧化銦錫 層的厚度為lOOnm。(TFT器件特性的評價)
在室溫條件下測定PET襯底上的TFT的特性。晶體管的開/關比為IOki以上。晶 體管的電子場效應遷移率μ FE計算為3cm2 (Vsec)。本實施方案的具有In-Zn-Ge溝道層的薄膜晶體管也具有高性能和高環境穩定 性。(第四實施方案)In-Ge-Zn-O TFT本實施方案是將無定形In-Ge-Zn-O用于其溝道層并且具有圖IA中截面中所示的 頂部柵極結構的場效應晶體管的實例。如圖IA中所示，在玻璃襯底(Corning 1737，Corning Incorporated的產品)上 形成無定形In-Ge-Zn-O氧化物的膜作為溝道層。在氬和氧的混合氣體氣氛中通過RF濺射 法形成無定形In-Ge-Zn-O氧化物膜。使用的成膜裝置是如圖13中所示的裝置。在本實施方案中，通過三個2英寸大小陶瓷靶(ZnO、GeO2和In2O3)的同時濺射， 在玻璃襯底上形成In-Ge-Zn-O膜。在沉積的持續過程中將施加的RF功率保持恒定在功 率45ff(對于ZnO)、30W(對于GeO2)和35ff(對于In2O3)。沉積過程中的總壓力為0. 46Pa， Ar O2流量比為69 1。沉積速率為llnm/min。在沉積過程中沒有加熱襯底，因此將襯 底溫度基本上保持在室溫。如圖26中所示，具有約等于42 13 45的In Ge Zn組成比的薄膜在其X 射線衍射圖案中不具有衍射峰，并且是無定形。該膜的厚度為25nm并且具有根據通過橢偏術的評價的約0. Inm的表面粗糙度。熒 光X射線分析發現In Ge Zn組成比為42 13 45。電阻率為105Ω ·αιι，并且電子 載流子濃度估算為lX1014/cm3。接下來通過光刻和剝離圖案化來形成漏電極14和源電極13。源電極和漏電極是 由40nm厚Au層和5nm厚Ti層的層合體形成的電極。通過濺射法將SiO2膜形成為厚IOOnm 作為柵極絕緣層。該SiO2膜的介電常數約為3. 7。隨后通過圖案化形成柵電極15。溝道 寬度和溝道長度分別為200 μ m和50 μ m。(TFT特性的評價)圖24B例示具有In-Ge-Zn-O溝道的In-Ge-Zn-O TFT的電特性的實例，該 In-Ge-Zn-O溝道具有約等于45 13 42的Zn In Ge組成比。在室溫下進行測定。 如圖24B中所示，觀察到典型的半導體晶體管行為。在保持柵電壓恒定和變化漏電壓的同 時測定漏電流。結果，在約6V的漏電壓Vd下觀察到電流飽和(夾斷)。為了評價TFT遷移 特性log (Id) -Vg,在將Vd設定為6V下將Ve從-30V變化到30V。在Ve為25V下源-漏電流 Id為5X10_4A。開/關電流比在IO11的數量級上。由遷移特性，在飽和區域中場效應遷移 率μ 經計算為7. OOcm2 (V_s)。顯示優良的常關TFT特性，包括_0. 3V的開啟電壓Von和 7. 5V的閾值電壓Vth。S值為0. 5V/dec。通過在相同工藝條件下嘗試兩次以上制造TFT，并且成功地再現相同的TFT特性。簡言之，通過在溝道層中采用新的無定形氧化物In-Ge-Zn-Ο，實現了優良的晶體 管特性。關于為什么能夠以良好的再現性制造具有優良特性的晶體管，沒有發現確切的原 因，但可能是因為在真空和各種氧氣氛中的穩定性和特性相對于溝道膜厚度的小的波動。圖 27A 和 27B 和圖 28A 和 28B 是例示 In-Zn-Ge-O-基 TFT 和 In-Zn-Ga-O-基 TFT
28之間的比較的圖。圖27A和27B例示關于各種Zn/In組成比的遷移特性的行為。將圖27A 中In-Zn-Ge-O基TFT的Ge含量固定在9(at% )。換言之，Ge/(Ge+Zn+In)約等于0. 09。 將圖27B中In-Zn-Ga-O-基TFT的Ga含量規定在9 (at % )。換言之，Ga/ (Ga+Zn+In)約 等于0. 09。圖28A和28B例示關于各種Ge (或Ga)含量的遷移特性的行為。將圖28A中 In-Zn-Ge-O-基 TFT 的 Zn/In 比固定在 0. 75 左右。將圖 28B 中 In-Zn-Ga-O-基 TFT 的 Zn/ In比固定在0.75左右。圖28A中遷移特性a、b、c、d和e的組成對應于圖29(其為三元相 圖)的1D、2D、3D、4D和5D處的組成。在In-Zn-Ge-O-基 TFT 中，當 Ge 含量為 3at% 以上(例如，Ge/(Ge+Zn+In) = 0. 05 和Zn/In = 0.75)時，載流子密度低并且能夠執行關閉。另一方面，參照圖28B，5at%以下 的Ga含量的In-Zn-Ga-O-基TFT不足以降低載流子濃度并且不足以關閉。簡言之，在Ga/ (Ga+Zn+In)比為 0. 05 且 Zn/In 比為 0. 75 下不能將 In-Zn-Ga-O-基 TFT 關閉。這是In-Ge-Zn-O-基TFT值得注意的優勢，原因在于其表明In-Ge-Zn-O-基TFT 能夠在寬得多的金屬組成范圍中具有優良的晶體管特性。換言之，作為本發明的新型半導 體材料的In-Ge-Zn-O-基氧化物具有優于In-Ga-Zn-O-基氧化物的組成裕度，這意味著 In-Ge-Zn-O-基氧化物在大量生產中具有優越的成本性能。將In-Ga-Zn-O-基氧化物呈無定形相的以Zn含量計的組成范圍限制為Zn/ (Zn+In+Ga) = 0. 7以下。另一方面，對于In-Ge-Zn-O-基氧化物，該值擴展到0. 8以下的 Zn/(Zn+In+Ge)組成范圍。因此In-Ge-Zn-O-基氧化物的無定形組成范圍寬。由于In和Ga與在環境上也占優的Zn相比是相對稀有并且貴的元素，因此鑒于成 本具有高Zn組成比的材料是優選的材料。如已說明那樣，使用In-Ge-Zn-O溝道層的晶體管具有優勢，包括優良的性能、大 的組成裕度和低材料成本，因此適合有機LED顯示器的驅動電路。(第五實施方案)In-Ge-Zn-O 膜的特性本實施方案中，為了考察在單一步驟中對薄膜材料組成的依賴性，通過組合濺射 法形成膜。通過將該技術應用于TFT的嘗試制造，能夠立即考察TFT特性的溝道組成依賴 性。通過進行經過一次RF濺射的組合法，在襯底上形成具有寬組成范圍分布的膜。該膜為In-Ge-Zn-O薄膜，其通過使用相對于襯底以一定角度配置的三個濺射靶 而形成。取決于襯底上的位置，該薄膜的組成變化。以這種方式能夠在襯底上形成具有均 勻(相同)厚度和變化組成的膜。采用的靶是Zn0、Ge02和In2O3的2英寸尺寸的陶瓷靶。施加的功率為4OT (對于ZnO)、35W (對于In2O3)和3OI5W (對于GeO2)。通過使用 稀釋到5% O2的Ar+02混合氣體以及Ar氣并且控制流量，精確地控制氧分壓。襯底溫度為 25 °C。表8例示In-Ge-Zn-O膜的薄膜形成條件。組成梯度膜的厚度為25nm并且具有根據通過橢偏術的評價的在士 10%內的膜厚 分布。表8. In-Ge-Zn-O薄膜形成條件
將使用表8中列出的沉積參數得到的In-Ge-Zn-O組成分布分為25(5X5)部分， 例如給予樣品名稱 1B、1C、1D、2A、2B、2C、2D、2E、3A、3B、3C、3D、3E、4B、4C 和 4D。在 30 和 45 之間改變Ge02的rf功率時，能夠得到上述以外的樣品。圖29中三元相圖列出使用表8中 列出的沉積參數得到的每個獨特的樣品。通過熒光X射線分析來分析每個樣品的組成比 In Ge Zn。將組成示于圖29的三元相圖中。圖29例示膜為無定形的組成區域和膜結晶的組成區域。由X射線衍射來鑒定膜 是否為無定形。發現圖29中所示的全部點為無定形。In-Ge-Zn-O膜結晶的組成范圍存 在于高-Zn組成比區域。膜結晶的區域是由虛線包圍的圖29的陰影區域。應注意的是 In-Ge-Zn-O-基膜為無定形的組成范圍比In-Ga-Zn-O-基膜呈無定形相的范圍寬。具有寬 無定形組成范圍是In-Ge-Zn-O-基材料的優勢之一。分光橢偏術和光譜法發現Ge含量大的組成1A、2A、3A、4A、5A和IF在短波長側具 有光學吸收邊緣并且在可見范圍具有小折射率。簡言之，Ge含量大的薄膜具有如下優勢 在透明襯底上形成時，膜展示出優異的透射率。接下來評價電阻率的組成依賴性。為了控制成膜過程中的氧分壓，將Ar+(V流量 設定為20sCCm。已發現在In含量大的組成下電阻率小而在Ge和/或Zn含量大的組成下 電阻率大。In含量尤其顯著地影響電阻率的降低。這可能由于如下事實1η含量大的組成 具有大的氧空穴濃度和因此高的載流子濃度以及大的電子遷移率。在Ge含量大的組成中， Ge-O結合能大并且因此氧缺乏不可能存在。以下對已在大氣中在300°C下退火的薄膜進行 說明。將組成1D、2D、3D、4D和5D下的預退火電阻率(沉積狀態)和退火后電阻率示于表 9和圖30中。表9. In-Ge-Zn-O-基薄膜電阻率
30 如表9和圖30中所示，退火使電阻率降低，由此使膜展示出適合作為溝道層的半 導體行為的組成范圍擴展。接下來說明電阻率的Ge含量依賴性。圖31例示電阻率的Ge含量依賴性。在此 組成比Zn/(Zn+In)為0.4。由圖中可以看到電阻率隨Ge含量增加而上升。接下來說明電阻率對成膜中氧分壓的依賴性。能夠用氧分壓來控制載流子濃度。 這可能主要因為通過氧分壓控制氧空穴濃度。圖32例示In-Ge-Zn-O膜的載流子濃度的氧 分壓依賴性。通過精確地控制氧分壓，得到具有半導體特性(約1014/Cm3-1018/Cm3的載流子 濃度)的薄膜。將上述的薄膜用于溝道層產生展示有利特性的TFT。如圖32中所示，典型 地在0. OOSPa的氧分壓下能夠形成具有半導體特性的薄膜。該膜在0. OlPa以上的氧分壓 下是絕緣體并且在0. 002Pa以下的氧分壓下是導體，這使該膜適合作為溝道層。取決于溝道層的金屬組成，有利的氧分壓變化。因此，考察在不同氧分壓水平上形 成的膜。圖33是以設定為20sccm和IOsccm的Ar+02 (在圖33和圖34中將Ar+02氣體混 合物示為Ar/02)的流量形成的In-Ge-Zn-O膜之間的電阻率比較。圖34例示在300°C下 退火1小時后的膜的電阻率。由圖中可以看到，當Ar+02流量小時電阻率小。這可歸因于 Ar+02流量小時氧缺乏量的增加。如圖34中所示，退火降低電阻率。在圖35(20sCCm)和圖 36 (IOsccm)的相圖中示出電阻率的行為。取決于氧分壓，膜展示出適合TFT的溝道層的電阻率的組成范圍變化。(第六實施方案)In-Ge-Zn-O TFT的組成比依賴性本實施方案是通過在第二實施方案(涉及In-Ge-O TFT的組成依賴性的實施方 案)中采用的相同的方法考察In-Ge-Zn-O TFT的組成依賴性的實例。該實施方案采用組 合法用于TFT的嘗試制造。通過如第二實施方案中的方法形成溝道層的薄膜。溝道層的膜 厚約為25nm。以下說明In-Ge-Zn-O TFT的遷移特性的組成依賴性的結果。在形成溝道層中，將 Ar+02氣體的流量設定為20sCCm。已發現具有富In組成(相圖表2中由“a”、“i”和“h”包 圍的組成范圍)的TFT具有相對大的開電流和7cm2/VS以上的大的場效應遷移率。如果In 含量太大(97at%以上)，施加負柵電壓使與施加正柵電壓時相同大的電流流動。簡言之， In含量太大的TFT沒有顯示晶體管工作。
當溝道層組成在相圖表2中由“a”、“i”和“h”包圍的范圍中時，已得到具有大的開 電流和負的開啟電壓的晶體管。隨著Ge含量增加，關電流減小并且遷移率變小。閾值電壓 取正值并且結果得到常關特性(除非沒有施加柵電壓，TFT關并且基本上無電流流動的特 性)。在該具體實例中，在3站％和25at%之間的Ge含量下，得到IO9以上的開/關電流比 和小的關電流，并且遷移率取3cm2/Vs和16cm2/Vs之間的值。在In含量和Zn含量大的組成 下得到具有最大遷移率的晶體管。優選的組成范圍為富Zn組成區域，其中Zn/dn+Zn+Ge) 約等于0. 65并且得到總體優良的TFT特性。得到的遷移率、開/關電流比、閾值電壓和S 值分別為15. 65cm2 (V .SrlUXlO11JV和0. 26V/decade0 X射線衍射的結果確認該優選組 成區域中的In-Ge-Zn-O膜為無定形。此外，在由點“S”、“U”、“X”、“y”、“v”和“b”包圍的 富Zn區域中得到具有非常小的S值的晶體管。在由“s”、“U”、“t”和“η”包圍的組成范圍內，全部TFT特性(遷移率、開/關電流 比、常關特性)優良。已確認將電阻率幾Ω · cm到幾百Ω · cm的薄膜用作溝道層時，TFT工作可進行。以下說明在將Ar+02的流量設定為IOsccm的條件下形成其溝道層的TFT的TFT 特性。于是已研究了對形成In-Ge-Zn-O膜中的氧分壓的依賴性。沒有接受退火處理的 TFT的開/關電流比和閾值電壓隨著氧流量比增加而變大。Ar+02氣體流量為20sCCm時 In-Ge-Zn-O膜的電阻率高于Ar+02氣體流量為IOsccm時。結果，晶體管工作可進行的組 成范圍向富I η組成區域遷移。結果能夠得到具有大遷移率的TFT。已發現當成膜中的氧 分壓大時，沒有接受退火處理的晶體管的閾值電壓向正向遷移。換言之，沒有接受退火處理 (沉積狀態)的晶體管的性能受到成膜中的氧分壓(氧流量)的影響。另一方面，接受了在300°C下1小時的退火處理的TFT的性能幾乎沒有受到成膜 中氧分壓的影響。甚至在退火后的電阻率受到成膜中氧分壓影響的情況下，TFT特性(開 /關電流比、閾值電壓、遷移率等)幾乎沒有變化。這表明In-Ge-Zn-O-基TFT對于成膜中 的氧分壓具有寬特性裕度，即寬工藝裕度。將該結果示于圖37A和37B、圖38A和38B以及 圖39A和39B。這些圖例示在各個金屬元素組成下隨著成膜過程中氧分壓的變化遷移特性 的變化。ID是富111(111含量為60站％以上)組成，4E是富Zn(Zn含量為60at%以上)組 成，和3A為Ge含量約等于25站％的組成。將這些組成下的TFT特性組織在表10中。表10表示具有各種溝道組成的TFT的組成，該各種溝道組成由形成溝道層中采用 的Ar+02氣體(Ar+02混合物，其中Ar 02 = 95 5)流量組織。表10也示出形成TFT后 沒有進行退火處理(沉積狀態)而評價的數據和在退火后(退火后)評價的數據。表10.按溝道組成分類的TFT組成 得到最大場效應遷移率的組成區域是富In組成區域和富Zn組成區域。例如對于 以Ar+02 = IOsccm沉積并且后退火的TFT，以如下組成比得到具有高達11. 5cm2 (V -S)的 遷移率的薄膜晶體管其中Zn為62at%，In為33at%，和Ge為5at%，即Zn含量大于任何 其他元素的含量的組成。得到的開/關電流比、開啟電壓(Von)和S值分別為1Χ10"、-0. 7V 和0. 6V/decade0將溝道層形成中的Ar+02氣體流量比變為20sCCm時得到的特性基本上相 同。接下來，通過參照圖40和表11比較來說明具有各種Ge組成比的溝道的 In-Ge-Zn-O TFT0對具有表示為Ge/(In+Ge+Zn) = 25at%的Ge含量的晶體管進行評價并 發現具有約3cm2/Vs的場效應遷移率。當使用具有5站％的Ge含量的氧化物時，得到超過 12cm2/Vs的場效應遷移率。簡言之，減少Ge含量使場效應遷移率增加。表11.遷移率的Ge含量依賴性Zn/In含量約等于2。 使用具有OV以上的閾值電壓的薄膜晶體管有助于電子電路構建。圖41和表12示 出In-Ge-Zn-O-基TFT的開啟電壓Von的Ge含量依賴性。在此將Zn/In組成比固定。如 圖41中所示，當Zn/In約為2和Ge/ (Zn+In+Ge)為0. 03-0. 5時，得到具有正開啟電壓Von 和因此正閾值電壓的TFT。當Ge含量為5a 1%時Von為2. 4，隨著Ge含量增加到25at%， Von向大的正值10. 3移動。簡言之，通過增加Ge含量，容易得到常關晶體管。隨著Ge含量 增加，開啟電壓Von和閾值電壓Vth向更大的正值移動。表12. Von(V)的Ge含量依賴性:Zn/In比約等于2。
要求高性能開關器件具有高開/關電流比。圖42和表13示出添加Ge作為組分 對開/關電流比的效果。隨著Ge含量增加到25at %，開/關電流比降低到1E+10，盡管 In-Ge-Zn-O-基TFT通常具有大的開/關電流比，該值隨著Ge含量增加而減少，其通常在開 /關電流比上顯著大，通過增加Ge含量能夠具有特別大的開/關電流比。表13.開/關電流比的Ge含量依賴性 接下來說明添加Ge作為組分對S值的效果。圖43A和43B以及表14和15表示 In-Ge-Zn-O-基TFT的S值(V/dec)的Ge含量依賴性。當Zn/In組成比約等于0. 4時得 到圖43A中的數據和表14中的數據，當Zn/In組成比約等于2時得到圖43B中的數據和表 15中的數據。由圖中可以看到，具有富In組成的TFT (圖43A)和具有富Zn組成的TFT (圖 43B)具有不同的配置。當Zn/In約等于0.4并且Ge含量約等于5站％時S值約為0.9。當Zn/In約等于 0. 4且Ge含量為25站％時S值約為0. 5V/dec。簡言之，在富In組成下，S值隨Ge含量增 加而減少。表14. Zn/In = 0. 4 下 S 值(V/dec) -Ge 含量 Ge在Zn含量大的組成中的效果示于圖43B和表15中。當Zn/In約等于2并且 Ge含量為5站％時S值約為0.5。隨著Ge含量增加到25at%，S值增加到1.3左右。簡言 之，具有Zn含量大的組成的TFT的S值隨著Ge含量增加而增大。表15. S值的Ge含量依賴性Zn/In比約等于2。 結果，隨著Ge含量減少，場效應遷移率(yFE，cm2/V s)和開/關電流比增加并且 Vth向負向移動。另一方面，當In含量為45at% (In/(In+Ge+Zn) < 0. 45)時，Ge含量的 增加使S值增加。遷移率是最重要的TFT特性參數之一，因為遷移率貢獻于半導體溝道層的性能， 特別是電流驅動能力和最大驅動頻率。事實上，要求用于液晶顯示器的TFT具有0. Icm2/ V-s以上的遷移率，并且要求用于有機EL顯示器的TFT具有lcm2/V-s以上的遷移率。所要求的遷移率取決于應用而變化。本發明中，當組成比Zn/(Zn+In)為0. 10-0. 86并且由Ge/ (Ge+In+Zn)表示的Ge含量為0. 03-0. 3時，得到足以驅動有機EL器件的高遷移率。當組成 比 In/(In+Ge)為 0. 10-0. 75 并且由 Ge/(Ge+In+Zn)表示的 Ge 含量為 0. 03-0. 15 時，其為 優選的組成裕度，得到優良的TFT特性。因此，為了得到具有高遷移率和小S值的薄膜晶體管，優選Ge含量小。從該觀點 出發，由Ge/(Ge+In+Zn)表示的Ge含量優選為0. 3以下，更優選0. 03-0. 15。將使用Zn含 量為Oat %的In-Ge-O的TFT的TFT特性示于圖44中，其中隨著In含量增加，遷移率和S 值增加并且閾值電壓向負向移動。當由Ιη/αη+Ge)表示的組成比為0. 9以下時，TFT得到 小S值。當In/(In+Ge)為0. 50-0. 85時，得到具有顯著小的S值的TFT。接下來說明實驗的結果，該實驗是關于當Ge含量固定時關于Zn/In比TFT特性如 何動作。圖45和表16示出場效應遷移率μ FE的Zn/In比依賴性。在此Ge含量為8. 5at%。 當Zn濃度高和當In濃度高時，遷移率大。表16.場效應遷移率的Zn/In比依賴性。Ge含量等于8. 5at%。 圖46和表17示出Von的Zn/In比依賴性。表17. Von的Zn/In比依賴性。Ge含量為8. 5at%0 可以看到當Zn/In比小于1時Von取負值。隨著Zn/In比增大超過1，Von(以及 Vth)開始取正值。圖47和表18示出開/關電流比的Zn/In比依賴性。表18.開/關電流比的Zn/In比依賴性。Ge含量等于8. 5at%0 由圖中可以看到在整個寬組成范圍中得到IOki以上的大的開/關電流比。開/關 電流比隨著Zn/In比上升而單調地增加。圖48和表19示出S值的Zn/In比依賴性。由圖中可以看到，S值關于Zn/In比 單調地增加。
表19. S值的Zn/In比依賴性。Ge含量等于8. 5at%0 接下來，進一步增加溝道層形成過程中的氧流量以制造In-Ge-Zn-O TFT，將Ar+02 流量設定為40sCCm和50sCCm。在具有Ge含量大的組成的TFT中，盡管施加柵電流但電流 沒有上升，并且TFT沒有展示開關特性。在Ge含量小的組成下得到大的場效應遷移率和小 的S值。得到的特性值并不劣于將Ar+02流量設定為20sCCm時得到的那些。具體地，當Ge 含量為下時，TFT展示出7cm2/Vs以上的場效應遷移率和lV/decade以下的S值。以下簡要地總結本實施方案的結果，即In-Ge-Zn-O TFT的組成依賴性。在富In組成(相圖表2中由“a”、“i”和“h”包圍的區域)下遷移率和開/關電 流比大，滯后(hysteresis)小，并且Von為負。在富Ge組成(由“h”、“V”、“c”和“d”包圍的區域)下，關電流小(< IO14A)，開 /關電流比大，并且閾值電壓為正。對光的穩定性和透光率優異。在富Zn組成(由“S”、“u”、“X”、“y”、“v”和“b”包圍的區域)下，遷移率和開/
關電流比大，關電流和S值相對小，并且驅動穩定性相對好。接下來討論成膜中氧分壓的影響。在沒有進行退火處理的情況下，成膜中氧分壓的增加使晶體管工作可進行的組成 范圍向富In側移動。從增加遷移率的觀點出發，這是有益的。但是，在進行退火處理的情 況下，沉積氧分壓的影響并不大。接下來對DC驅動穩定性的評價結果進行說明。施加800秒柵電壓Ve為12V和 源-漏電壓Vd為6V的直流應力，并且將應力之前和之后的TFT特性進行比較以評價。圖49A 和49B例示應力之前和之后的遷移特性。在此組成比In Ge Zn設定為42 13 45 和32 8 60。前者和后者的情況下，觀察到閾值電壓向正值側分別移動1.48V和0.45V。 發現當Zn含量大時得到優良的驅動穩定性。表20是包括各種In-Ge-Zn-O溝道的TFT的特性列表。表20中的“-”表示沒有
考察該項目。表20. In-Ge-Zn-O-基 TFT 特性列表
36 (第七實施方案)In-Ge-Zn-O TFT II的組成比依賴性本實施方案是考察在3at%含量范圍(與第六實施方案相比較小的 Ge含量范圍)中In-Ge-Zn-O-基TFT的組成依賴性的實例。在該組成范圍中得到展示出優 良的經時穩定性和有利的特性的TFT。此外，器件之間的波動和批次之間的波動小，這使得 能夠制造具有優異的再現性的TFT。采用與第一實施方案中所述的裝置相同的裝置以形成In-Ge-Zn-O薄膜。表21示 出薄膜形成條件。表21.膜沉積條件
村底用于物理性質評價的薄膜具有熱氧化物膜的4英寸硅 溝道層具有熱氧化物膜的3英寸硅評價In-Ge-Zn-O膜的電阻率的In-Ge組成比依賴性(將Zn含量固定)并且 發現具有類似于In-Ge-O-基薄膜的配置。圖50是對In-Ge-O-基膜的電阻率的In/ (In+Ge)組成比依賴性與In-Ge-Zn-O-基膜的In/dn+Ge)組成比依賴性進行比較的圖。 In-Ge-Zn-O-基膜中的Zn含量為Oat%和25at%。由圖50可以看到，In/(In+Ge)組成比 相同時In-Ge-Zn-O-基膜的電阻率大于In-Ge-O-基膜的電阻率。因而In-Ge-Zn-O-基膜 具有比In-Ge-O-基膜更寬的組成范圍，在該組成范圍中得到適合TFT的溝道的電阻率(幾 Ω · cm-幾百 Ω · cm)。此外，In-Ge-Zn-O-基膜的電阻率具有高的經時穩定性。在富In組成(In/ (In+Ge)彡0. 85)下，特別地，與I n-Ge-O-基膜的電阻率相比In-Ge-Zn-O-基膜的電阻率 更穩定。比較的結果，為了評價，將TFT制造后即刻和制造后三個月的In-Ge-Zn-O TFT (Zn/ (In+Ge+Zn) = 0. 25，0. 95 彡 In/(In+Ge)彡 0. 85)的遷移特性示于圖 51A-51C。由圖中可 以看到上述組成的TFT具有經時穩定性。接下來給出考察In-Ge-Zn-O TFT的組成依賴性(Ge比例為3at% -15at% )的結 果。該TFT具有與第六實施方案中相同的結構。通過采用In-Ge-Zn-O-基溝道層，以良好的再現性成功地制造了展示相似特性的 TFT0特別地，在In含量為65at% _33站％且66含量為10at%的組成下，遷移率的再現性 良好并且得到10cm2/Vs以上的遷移率。當In Ge Zn為33 3 64時，在遷移率、開/ 關電流比、閾值和S值方面該TFT展示出最佳的特性。最佳的遷移率、開/關電流比、S值、 開啟電壓和閾值電壓分別為15. eScmVVsUO11^. 26V/decade、0. IV和6V。具有該最佳組成 的器件的遷移特性示于圖52中。以這種方式，使用In-Ge-Zn-O-基溝道產生具有極好特性 的 TFT。專利文獻1給出In Ga Zn = 38 5 57作為In-Ga-Zn-O-基材料的優選 組成。In-Ge-Zn-O-基材料的最優選的組成為Zn In Ge = 64 33 3。由于其Zn 含量比In-Ga-Zn-O基材料的優選組成的Zn含量大，因此該組成具有占優的成本性能。
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接下來，為了考察In-Ge-Zn-O膜的經時穩定性，對由于在大氣中存儲導致的電阻 率的變化對該膜進行評價。圖54例示In Ge Zn = 33 3 64的電阻率隨時間的 變化。可以看到不存在電阻率隨時間的顯著變化。結果發現，如果Ge含量為3at%以上， 與Zn/In的值無關，在大氣中存儲6個月后電阻率幾乎沒有變化。圖53是例示Ge含量為 5at%的膜的電阻率的經時變化的圖。圖53中所示的數據涉及各種Zn/In組成比。可以看 到當包括小至5站％的Ge時對于各種Zn/In比的電阻率沒有隨時間變化。接下來考察In-Ge-Zn-O TFT的特性的經時穩定性。圖55A、55B和55C例示遷移 特性的經時穩定性。結果，當組成為In Ge Zn-70 5 25時TFT特性例如閾值電壓 和開/關電流比幾乎沒有變化。另一方面，當組成為In Ge Zn-33 5 62時，確認 閾值電壓向較小的正值的遷移。但是，發現某一時期后閾值電壓Vth的這種波動停止，并且 此后展示穩定的常關特性。當Ge含量增加到13at%時，高Zn組成比TFT的環境穩定性能 夠更加地改善。接下來討論展示常關特性的In-Ge-Zn-O TFT。其結果可在圖56中找到。圖56例 示可用Ge組成比控制閾值電壓。當Ge含量增加時，閾值電壓向正向移動。關于閾值電壓 取小的正值的組成范圍，Ge含量為3站％和15at%之間。因而In-Ge-Zn-O TFT在3at% _15站％的Ge含量范圍內可具有優良的特性，并且 在器件之間和在批次之間特性波動小。特別地，當將具有33 3 64的In Ge Zn組 成比的氧化物用于TFT的溝道層時，得到具有優異經時穩定性的高性能TFT。表22是TFT特性的列表。表22示出各種組成比下的場效應遷移率、S值和閾值 電壓。表22還示出制造后即刻的器件的特性和制造后三個月的器件的特性。從表中可以 看到，在整個寬組成范圍中TFT特性長期穩定。表22. TFT特性列表。制造后即刻和三個月后之間的比較 參照三元相圖表2進行總結，通過使用由“h”、“i”、“n”和“t”包圍的組成范圍中 的薄膜作為TFT的溝道層，能夠得到具有高開/關電流比和優良的遷移率的常關TFT。具體 地，能夠得到開/關電流比為IO9以上且場效應遷移率為7cm2/VS以上的TFT。此外，當組成范圍中的In-Ge-Zn-O膜能夠用作溝道層，該組成范圍在上述組成范 圍內且在由“s”、“u”、“t”和“η”包圍的陰影區域中時，能夠得到具有優異性能和耐DC驅動 應力性的TFT。具體地，得到的TFT展示出常關特性，具有IOki以上的開/關電流比、IOcm2/ Vs以上的場效應遷移率和0. 5V/decade以下的S值，并且使DC驅動應力只以IV以下改變 閾值。如已說明那樣，本發明的薄膜能夠在低溫下形成并且是無定形的，其使得能夠在 柔性材料包括PET膜上形成場效應晶體管。因此本發明的場效應晶體管能夠用作IXD和有機EL顯示器的開關器件。此外，本 發明的場效應晶體管在包括柔性顯示器、IC卡和IC標簽的透明(看穿型)顯示器領域中 具有寬范圍的可能應用。盡管已參照示例性實施方案對本發明進行了說明，但應理解本發明并不限于公開 的示例性實施方案。以下權利要求的范圍應給予最寬泛的解釋以包括所有這樣的變形和等 同結構和功能。本申請要求2008年1月31日提交的日本專利申請No. 2008-021009和2009年1 月27日提交的日本專利申請No. 2009-015692的權益，在此通過參考將它們全文引入。
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權利要求
薄膜晶體管，其包括在襯底上形成的柵電極、柵極絕緣層、溝道層、源電極和漏電極，其中該溝道層含有銦、鍺和氧；并且該溝道層具有0.5 0.97的由In/(In+Ge)表示的組成比。
2.根據權利要求1所述的薄膜晶體管，其中該溝道層具有0.5-0.9&*In/(In+Ge)表 示的組成比。
3.根據權利要求2所述的薄膜晶體管，其中該溝道層具有0.6-0. 9的由In/dn+Ge)表 示的組成比。
4.根據權利要求1所述的薄膜晶體管，其中該溝道層具有0.5-0. 85的由In/dn+Ge) 表示的組成比。
5.根據權利要求1所述的薄膜晶體管，其中該溝道層具有0.5-0. 75的由In/dn+Ge) 表示的組成比。
6.根據權利要求1-5任一項所述的薄膜晶體管，其中該溝道層具有 IO3Ω · ο -106Ω · cm 的比電阻。
7.根據權利要求1-5任一項所述的薄膜晶體管，其中該溝道層為無定形。
8.根據權利要求1-5任一項所述的薄膜晶體管，其中該柵極絕緣層由氧化硅制成。
9.顯示器，其包括根據權利要求1-8任一項所述的薄膜晶體管；和由該薄膜晶體管驅動的有機發光二極管。
10.場效應晶體管，其包括由含有Zn、In和Ge的氧化物形成的溝道，其中該氧化物具 有表2中由a、b、c和d包圍的范圍內的組成。
11.根據權利要求10所述的場效應晶體管，其中該氧化物具有表2中由a、b、e、m和1 包圍的范圍內的組成。
12.根據權利要求10所述的場效應晶體管，其中該氧化物具有表2中由a、b、e、f和g 包圍的范圍內的組成。
13.根據權利要求10所述的場效應晶體管，其中該氧化物具有表2中由a、n、t和h包 圍的范圍內的組成。
14.根據權利要求10所述的場效應晶體管，其中該氧化物具有表2中由h、i、b、e、k和 1包圍的范圍內的組成。
15.根據權利要求10所述的場效應晶體管，其中該氧化物具有表2中由h、i、n和t包 圍的范圍內的組成。
16.根據權利要求10所述的場效應晶體管，其中該氧化物具有表2中由S、u、X、y、v和 b包圍的范圍內的組成。
17.根據權利要求10所述的場效應晶體管，其中該氧化物具有表2中由s、u、t和η包 圍的范圍內的組成。
18.根據權利要求16所述的場效應晶體管，其具有I(T13OV)以下的關電流。
19.根據權利要求10所述的場效應晶體管，其中該氧化物為無定形。
20.根據權利要求10所述的場效應晶體管，其還包括柵極絕緣膜，其中該柵極絕緣膜由氧化硅制成。
21.顯示器，其包括根據權利要求10所述的場效應晶體管；和 有機發光二極管。
全文摘要
薄膜晶體管包括在襯底上形成的柵電極、柵極絕緣層、溝道層、源電極和漏電極，其中該溝道層含有銦、鍺和氧；并且該溝道層具有0.5-0.97的由In/(In+Ge)表示的組成比。
文檔編號H01L29/786GK101933150SQ20098010388
公開日2010年12月29日 申請日期2009年1月30日 優先權日2008年1月31日
發明者巖崎達哉, 板垣奈穗, 阿米達·高亞 申請人:佳能株式會社