專利名稱：穩(wěn)定性提高的金屬氧化物tft的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般地，本發(fā)明涉及金屬氧化物薄膜器件，更具體地，本發(fā)明涉及金屬氧化物半導(dǎo)體膜的穩(wěn)定性。
背景技術(shù)：
由于金屬氧化物半導(dǎo)體的高載流子遷移率、透光性和低沉積溫度，金屬氧化物半導(dǎo)體引起了強(qiáng)烈的關(guān)注。高載流子遷移率將應(yīng)用擴(kuò)展到需要較高頻率或較高電流的更高的性能領(lǐng)域。透光性消除了在顯示器和傳感器有源矩陣中對(duì)遮光罩的需要。低沉積溫度使得能夠應(yīng)用于塑性鈍化層上的柔性電子設(shè)備。金屬氧化物半導(dǎo)體的獨(dú)特特點(diǎn)是:(1)載流子遷移率對(duì)膜粒度的依賴性較低，換言之，可實(shí)現(xiàn)高遷移率無(wú)定形金屬氧化物；(2)表面狀態(tài)的密度低，并且能夠容易地為TFT產(chǎn)生場(chǎng)效應(yīng)，這與其中表面狀態(tài) 必須通過(guò)氫進(jìn)行鈍化的共價(jià)半導(dǎo)體(例如Si或a-Si)相反；以及(3)遷移率強(qiáng)烈依賴于載流子的體積密度。對(duì)于高性能應(yīng)用，為了獲得高遷移率，金屬氧化物通道的載流子體積密度應(yīng)該高，并且金屬氧化物膜的厚度應(yīng)該小(例如〈lOOnm，并且優(yōu)選 <50nm)。在薄膜器件中，柵極介電層位于金屬氧化物半導(dǎo)體層的形成器件通道的部分的上方。金屬氧化物半導(dǎo)體層可以包括例如氧化鋅(ZnO)、氧化銦鋅(InZnO)、氧化銦鋅鎵(InZnGaO)等(參見下文列出的另外的實(shí)例)。柵極介電層一般是諸如二氧化硅(Si02)、SiN等的材料。一般來(lái)說(shuō)，由于沉積溫度等，所述金屬氧化物是無(wú)定形的，并優(yōu)選在加工后保持無(wú)定形。由于所使用的特定材料，在金屬氧化物半導(dǎo)體層與柵極介電層之間的界面處形成陷阱或陷阱態(tài)。如果界面陷阱態(tài)深入在帶隙中，則載流子在界面深阱中的捕獲和釋放可顯現(xiàn)為穩(wěn)定性問(wèn)題，即閾值電壓偏移。在這種情況下，根據(jù)TFT的閾值電壓來(lái)定義“穩(wěn)定性”。因此，補(bǔ)救現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷和其它缺陷將是非常有利的。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，為了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所希望的目的，提供了包括金屬氧化物有源層、柵極介電層和低陷阱密度材料層的金屬氧化物半導(dǎo)體器件。所述低陷阱密度材料層夾在所述金屬氧化物有源層與所述柵極介電層之間。所述低陷阱密度材料層具有與所述金屬氧化物有源層的主表面平行并接觸的主表面，以與所述金屬氧化物有源層形成低陷阱密度界面。第二低陷阱密度材料層可任選地被放置成與所述金屬氧化物有源層的相對(duì)主表面相接觸，從而與所述金屬氧化物有源層的兩個(gè)表面形成低陷阱密度界面。根據(jù)本發(fā)明的如下的特定實(shí)施方式，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所希望的目的，在所述特定實(shí)施方式中，金屬氧化物半導(dǎo)體器件包括金屬氧化物有源層、柵極介電層和置于所述金屬氧化物有源層與所述柵極介電層之間的低陷阱密度材料層。所述低陷阱密度材料層具有與所述金屬氧化物有源層平行并接觸的第一主表面，以與所述金屬氧化物有源層形成低陷阱密度界面。所述低陷阱密度材料層具有與所述柵極介電層的主表面平行并接觸的第二主表面，以與所述柵極介電層形成界面。所述低陷阱密度材料層具有與所述金屬氧化物有源層的帶隙接近的帶隙，并且與所述金屬氧化物有源層相比，具有低的遷移率。所述金屬氧化物有源層、所述柵極介電層和所述低陷阱密度材料層一般都包括在下列器件中的一種中:頂部柵極、底部源極/漏極型器件，頂部柵極、頂部源極/漏極型器件，底部柵極、底部源極/漏極型器件以及底部柵極、頂部源極/漏極型器件，或其它薄膜器件。


對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，從下文結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的上述的和其它的以及更具體的目的和優(yōu)點(diǎn)將容易變得顯而易見，在所述附圖中:圖1是具有上方柵極和下墊源極/漏極的TFT的簡(jiǎn)化的層示意圖；圖2是具有上方柵極和上方源極/漏極的TFT的簡(jiǎn)化的層示意圖；圖3是具有下方柵極和下方源極/漏極的TFT的簡(jiǎn)化的層示意圖；圖4是具有下方柵極和上方源極/漏極的TFT的簡(jiǎn)化的層示意圖；圖5是TFT中典型的正閾值電壓偏移的圖示；圖6是具有上方或相鄰 柵極介電層的金屬氧化物半導(dǎo)體的帶隙圖，其示出了在界面處形成的典型的深帶隙陷阱；以及圖7是本發(fā)明的TFT的一部分的帶隙圖。
具體實(shí)施例方式在整個(gè)本討論部分中，應(yīng)該理解，薄膜晶體管(通稱為TFT)被用作實(shí)例，但其它薄膜器件也可以包括在TFT的定義中。TFT的質(zhì)量指標(biāo)由μν/L2定義，其中μ是遷移率，V是電壓，L是柵極長(zhǎng)度。主要問(wèn)題通過(guò)金屬氧化物半導(dǎo)體材料的最新進(jìn)展而得以部分補(bǔ)救，在所述最新進(jìn)展中證實(shí)了高達(dá)80cm2/V-秒的遷移率。金屬氧化物半導(dǎo)體的一個(gè)獨(dú)特特點(diǎn)在于，載流子遷移率對(duì)膜粒度的依賴性較低，換言之，可實(shí)現(xiàn)高遷移率無(wú)定形金屬氧化。由于所使用的材料和器件的尺寸(例如層厚度、柵極長(zhǎng)度等)，金屬氧化物與下方和上方材料的界面相互作用不再可以忽略。正如在2010年10月12日授權(quán)并通過(guò)參考引入本文的題為“Metal Oxide TFT with Improved Carrier Mobility”(具有改進(jìn)的載流子遷移率的金屬氧化物TFT)的專利號(hào)為7，812，346的美國(guó)專利中所詳細(xì)描述的，界面相互作用的控制能夠以如下兩種方式中的任一種或兩者來(lái)進(jìn)行:(1)與下方結(jié)構(gòu)的相互作用；和
(2)與上方結(jié)構(gòu)的相互作用。通常，相互作用被設(shè)計(jì)成與金屬氧化物中的氧反應(yīng)，以有利地改變氧含量，并由此改變載流子密度。通常，選擇用于形成各種上界面和下界面或用于提供與金屬氧化物有源層的界面相互作用的控制的材料類型，是決定最終器件的特性的一種方式。可以使用的金屬氧化物的實(shí)例包括 In2O3 (Eg (間接)=2.9eV ；Eg (直接)=3.7eV)、Zn0 (Eg=3.3eV)、Sn0 (Eg=3.4eV)、CuO (Eg=2.2eV)、CdO ( (Eg=2.3eV)、InZnO、InSiO、InTiO, InTaO, InAlO、ZnAlO、ZnSiO、ZnTiO, ZnTaO, InGaZnO, InAlZnO、InSiZnO、InTiZnO, InTaZnO 和包含上述材料或金屬-氧鍵的混合氧化物。柵極介電材料的實(shí)例是A1203、SiO2, SiN和類似材料或其組合。TFT的對(duì)運(yùn)行來(lái)說(shuō)重要的至少兩個(gè)特征包括柵極泄漏電流和開啟電壓或閾值電壓。柵極泄漏電流可通過(guò)增加?xùn)艠O介電層的厚度而降低。然而，增加?xùn)艠O介電層的厚度增大了柵極電壓，這是不合乎需要的。因此，在不增大開啟電壓的情況下降低柵極泄漏電流的優(yōu)選方式是提供金屬氧化物半導(dǎo)體或有源層與柵極介電層之間的大的帶隙差，其在圖6中被標(biāo)記為“d”。還希望TFT的閾值電壓保持恒定，即閾值電壓不應(yīng)隨著時(shí)間和/或多次運(yùn)行而變化?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1，圖1示出了 TFT 10的一種實(shí)施方式的簡(jiǎn)化的層示意圖。TFT 10包括基底或鈍化層12，其可以是柔性材料，例如塑料或任何其它合適的材料。如果需要，則基底或鈍化層12可以任選包括緩沖層(如果存在，則被當(dāng)作基底22的一部分)。源極13和漏極14通過(guò)使用任何公知的方法而以隔開的取向形成在基底或鈍化層12的上表面中或上表面上(在后文中統(tǒng)稱為“在其上”)。金屬氧化物膜16被形成為與源極13和漏極14兩者及其間的間隔成部分覆蓋的關(guān)系。應(yīng)該理解，金屬氧化物膜16是在源極/漏極部件之間傳導(dǎo)載流子的有源層。通常，金屬氧化物層16的厚度小于lOOnm，并優(yōu)選小于50nm。薄的柵極介電層17被形成為與金屬氧化物膜16成覆蓋關(guān)系，并將柵極疊層18置于柵極介電層17上，與源極13和漏極14之間的間隔成覆蓋關(guān)系。因此，TFTlO是頂部柵極、底部源極/漏極型的器件?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2，圖2示出了 TFT20的另一種實(shí)施方式的簡(jiǎn)化的層示意圖。TFT20包括基底或鈍化層22，其可以是柔性材料，例如塑料或任何其它合適的材料。如果需要，則基底或鈍化層22可以任選包括緩沖層(如果存在，則被當(dāng)作基底或鈍化層22的一部分)。將金屬氧化物膜26沉積在基底或鈍化層22上，并將源極23和漏極24部分地形成為在金屬氧化物膜26的上表面上成覆蓋關(guān)系，以便在所述上表面上形成隔開的取向。薄的柵極介電層27被形成為與源極23和漏極24之間的間隔中的金屬氧化物膜26成覆蓋關(guān)系，并且與源極23和漏極24的與所述間隔相鄰的部分成覆蓋關(guān)系。將柵極疊層28置于柵極介電層27上，與源極23和漏極24之間的間隔成覆蓋關(guān)系。因此，TFT20是頂部柵極、頂部源極/漏極型的器件。 現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖3，圖3示出了 TFT30的另一種實(shí)施方式的簡(jiǎn)化的層示意圖。TFT30包括基底或鈍化層32，其可以是柔性材料，例如塑料或任何其它合適的材料。通過(guò)任何方便的和已確定的方法，將柵極疊層38形成在基底或鈍化層32中。將薄的柵極介電層37形成為與柵極疊層38和基底或鈍化層32的周圍區(qū)域成覆蓋關(guān)系。源極33和漏極34通過(guò)使用任何公知的方法而以隔開的取向形成在柵極介電層37的上表面中或上表面上(在后文中統(tǒng)稱為“在其上”)。金屬氧化物膜36被形成為與源極33和漏極34兩者及其間的間隔成部分覆蓋的關(guān)系。根據(jù)本發(fā)明，將上部或第二鈍化層39形成在金屬氧化物膜36上。因此，TFT30是底部柵極、底部源極/漏極型的器件?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4，圖4示出了 TFT40的另一種實(shí)施方式的簡(jiǎn)化的層示意圖。TFT40包括基底或鈍化層42，其可以是柔性材料，例如塑料或任何其它合適的材料。通過(guò)任何方便和已確定的方法，將柵極疊層48形成在基底或鈍化層42中。將薄的柵極介電層47形成為與柵極疊層48和基底或鈍化層42的周圍區(qū)域成覆蓋關(guān)系。將金屬氧化物膜46形成在柵極介電層47上，與柵極疊層48和周圍區(qū)域成覆蓋關(guān)系。將源極43和漏極44部分地形成為在金屬氧化物膜46的上表面成覆蓋關(guān)系，以便將其間的間隔限定在覆蓋柵極疊層48的上表面上。根據(jù)本發(fā)明，將上部或第二鈍化層49形成在金屬氧化物膜46的暴露部分和源極43與漏極44的周圍部分上方。因此，TFT40是底部柵極、頂部源極/漏極型的器件。在圖1-4中示出的TFT的四種實(shí)施方式是可選擇的不同構(gòu)造的實(shí)施例。在每種實(shí)施方式中，半導(dǎo)體器件具有通常小于IOOnm厚的金屬氧化物有源層，其具有上主表面和下主表面，并且所述上主表面和所述下主表面具有毗連接合以形成下方界面和上方界面的材料。在任何TFT的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述金屬氧化物有源層是無(wú)定形材料，并在整個(gè)加工期間保持無(wú)定形。在每種實(shí)施方式或構(gòu)造中，可在制造期間使用多種選擇和步驟來(lái)控制金屬氧化物有源層中的界面相互作用。通常，所述制造方法包括通過(guò)為金屬氧化物有源層選擇金屬氧化物和為柵極介電層材料選擇特定電介質(zhì)來(lái)控制特征和界面相互作用。具體參考圖5，圖5示出了 TFT中典型的正閾值電壓偏移的圖示。用于TFT的第一或初始開啟或運(yùn)行的閾值電壓由標(biāo)記為50的單線表示。在后續(xù)運(yùn)行中，在正偏壓下運(yùn)行相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間段后，閾值電壓向右偏移(正偏壓偏移)，正如由通稱為52的一系列線所標(biāo)出的。正如可看到的，初始偏移比較大，隨后的偏移傾向于變得比較小，但是在多次運(yùn)行中可能仍然存在。閾值電壓的這種偏移或變化，一般被稱為TFT的不穩(wěn)定性，并且是非常不希望的。另外參考圖6，圖6示出了具有覆蓋或毗連帶隙柵極介電層56的金屬氧化物半導(dǎo)體54的帶隙圖。線58表示金屬氧化物半導(dǎo)體54與柵極介電層56之間的界面。包括了被標(biāo)記為60的小的線或不規(guī)則物以表示由于材料中的不規(guī)則性而在界面58處形成的陷阱。通常，在界面處形成的深帶隙陷阱是最令人煩惱的，并且最可能顯現(xiàn)為穩(wěn)定性問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)TFT被開動(dòng)(啟動(dòng))時(shí)，載流子具有最初積累在陷阱中并在TFT的整個(gè)運(yùn)行中保持“被捕獲”且甚至在TFT關(guān)閉后仍保留在陷阱中的趨勢(shì)。載流子的這種“捕獲”引起閾值電壓逐漸偏移(在初始比較大的步長(zhǎng)后)，如圖5的曲線圖中所示。也正如該曲線圖所示出的，陷阱最終填充有載流子，并且如果出現(xiàn)移動(dòng)則也僅出現(xiàn)非常小的移動(dòng)。偏移量與深陷阱密度密切相關(guān)。在大多數(shù)情況下，一旦載流子被捕獲，則它們?cè)诳赡躎FT整個(gè)壽命的整個(gè)運(yùn)行(包括關(guān)閉時(shí)間)中保持被捕獲。參考圖7，圖7示出了本發(fā)明的TFT70的一部分的帶隙圖。應(yīng)該理解，TFT70可表示在圖1-4中所示的任一實(shí)施方式或任何其它TFT實(shí)施方式或器件。TFT70包括無(wú)定形半導(dǎo)體金屬氧化物72的有源層，該金屬氧`化物例如是氧化鋅(ZnO)、氧化銦鋅(InZnO)、氧化銦鋅鎵(InZnGaO)和來(lái)自于上文列表的任何金屬氧化物。TFT70還包括薄層的柵極介電材料74，例如A1203、SiO2, SiN和包含sp3構(gòu)型的碳-碳鍵的有機(jī)材料。應(yīng)該指出，根據(jù)良好的TFT制造技術(shù)，柵極介電材料74的帶隙遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體金屬氧化物72的帶隙，以將柵極泄漏電流降至最低。柵極金屬/柵極疊層76被置于柵極介電材料74上，從而以公知的方式形成柵極接觸。相似地，提供鈍化層80，其可以起到承載整個(gè)結(jié)構(gòu)的底部的作用。常規(guī)地，存在半導(dǎo)體金屬氧化物通道或有源層的兩個(gè)界面，一個(gè)是與柵極介電層的界面，另一個(gè)是與鈍化層的界面。盡管柵極介電層與鈍化層之間的界面可能具有一些小的影響，但是正偏壓下的穩(wěn)定性與半導(dǎo)體金屬氧化物和柵極介電層之間的界面最為相關(guān)。在半導(dǎo)體金屬氧化物與柵極介電層之間的界面處產(chǎn)生低陷阱密度會(huì)困難得多。根據(jù)本發(fā)明，將非常薄層的低陷阱密度成或低缺陷絕緣體材料82置于半導(dǎo)體金屬氧化物72與柵極介電層74之間。任選地，可將第二低陷阱密度或低缺陷絕緣體材料84置于半導(dǎo)體金屬氧化物72與鈍化層80之間。已發(fā)現(xiàn)存在如下的一組金屬氧化物，在所述金屬氧化物中缺陷不在帶隙內(nèi)深部產(chǎn)生陷阱態(tài)。這種類型的優(yōu)選金屬氧化物是氧化鈦(TiO2),其具有與半導(dǎo)體金屬氧化物72相近但略微大些的帶隙(如圖7中所示)。低陷阱密度絕緣體的一些其它實(shí)例是 TiO2 (3.1eV),Ta2O5 (3.4eV)、NbO (Eg=3.7eV)、V205 (Eg=3.87eV)、ScO2 (Eg=4.0eV)、Y2O3 (5.5eV)、Zr02 (Eg=4.7eV)、HfO2 (Eg=5.8eV)、La2O5 (5.5eV)、Mo0、Cr0、SrTi03、SrNb03、CsTi03、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鍶鋇(BST)以及包含上述材料或金屬-氧鍵的混合氧化物。還存在一組具有與半導(dǎo)體金屬氧化物72接近的帶隙但具有低陷阱密度和低遷移率的有機(jī)/有機(jī)金屬材料。這組有機(jī)材料的一些實(shí)例是Alq3:三(8-羥基喹啉根)合鋁(III)，BAlq3:雙(2-甲基_8_喹啉酸根)_4_(苯基苯酚根)合鋁，B印q2:雙(10-羥
基苯并[h]喹啉根)合鈹，PBD:2_ (4-聯(lián)苯基)-5-(4-叔丁基苯基)-1，3，4-藝二唑，TAZ:3- (4-聯(lián)苯基)-4-苯基-5-叔丁基苯基-1，2，4-三唑，Bphen:4，7- 二苯基-1，10-菲咯啉，和有機(jī)發(fā)光或光伏器件領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員已知的其它電子傳輸或空穴阻擋材料，C60、C70、納米管和其它富勒烯分子，石墨烯分子，PMGI (聚甲基戊二酰亞胺)，BCB (雙苯并環(huán)丁烯)，SU-8 (常用的基于環(huán)氧物質(zhì)的負(fù)型光刻膠)以及PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)。所有低陷阱密度材料(即金屬氧化物和有機(jī)材料)都具有低遷移率，并且不能用作半導(dǎo)體通道材料。此外，所有低陷阱密度材料(即金屬氧化物和有機(jī)材料)都具有與半導(dǎo)體金屬氧化物72接近的帶隙，并且因此不能用作柵極介電層。優(yōu)選地，用于低缺陷層的金屬氧化物可通過(guò)下列方法中的一種或其組合來(lái)加工:PVD (物理氣相沉積，例如熱、電子束或?yàn)R射)、CVD (化學(xué)氣相沉積)、ALD (原子層沉積)，所述膜可通過(guò)從飽和溶液凝結(jié)至柵極絕緣體表面上來(lái)形成，所述膜可通過(guò)流延、旋涂、條縫涂覆、絲網(wǎng)印刷、轉(zhuǎn)移印刷、噴墨印刷、沖壓以及本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的其它類型的加工方法處理溶膠-凝膠溶液來(lái)形成。所述 薄的低陷阱金屬氧化物膜也可通過(guò)“水解”從相應(yīng)的有機(jī)金屬前體溶液來(lái)形成。該前體步驟包括制備相應(yīng)的有機(jī)金屬化合物前體溶液，通過(guò)將前體溶液流延或印刷在基底的目標(biāo)區(qū)域上，然后通過(guò)水解和后烘烤進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，來(lái)形成膜。在光伏電池中在有源層與陰極之間形成TiOx膜的實(shí)例，已描述在Advanced Material(先進(jìn)材料)，第18卷，第572-576頁(yè)(2006)中。下面是制備TiO2和CsTiO3膜的實(shí)例=TiO2膜從TiO2在體積比為I:1的2_乙氧基乙醇和乙醇中的0.25被％ 溶液中以IOOOrpm旋轉(zhuǎn)成型，然后在100-200°C的溫度下熱退火5-30分鐘。CsTiO3膜從通過(guò)將0.5和0.2wt%的TiO2和Cs2CO3溶液以合適體積比進(jìn)行摻混而制備的溶液中旋涂，然后在100-200°C范圍內(nèi)的高溫下熱退火5-50分鐘。致密的無(wú)定形金屬氧化物膜也可通過(guò)相應(yīng)的有機(jī)金屬化合物前體溶液經(jīng)由流延或印刷，然后通過(guò)水解和后烘烤進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理來(lái)形成。使用這樣的方法形成TiOx膜的實(shí)例，已描述在AdvancedMaterial (先進(jìn)材料)，第 18 卷，第 572-576 頁(yè)(2006)中。低缺陷層可借助于薄的無(wú)定形金屬氧化物膜的PMOD (光化學(xué)金屬有機(jī)沉積)來(lái)加工，這樣的方法允許制造有圖案的膜而不需附加的光刻膠和相應(yīng)的蝕刻過(guò)程。通過(guò)PMOD加工金屬氧化物和金屬膜的實(shí)例可從下列參考文獻(xiàn)中找到:1.“Solid State Photochemistry of Cu2(0H2)2(02C(CH2)4CH3)4 in Films:ThePhotochemical Formation of High Quality Films of Copper and Copper(I)Oxide.Demonstration of a Novel Lithographic Technique for the Patterning of Copper，，(薄膜中Cu2(0H2)2(02C(CH2)4CH3)4的固相光化學(xué):銅和銅(I)氧化物的高質(zhì)量膜的光化學(xué)形成。用于銅圖案化的新型平版印刷技術(shù)的演示)，A.A.Avey和R.H.Hill J.Am.Chem.Soc.1181996237。2.“An Inorganic Approach to Photolithography:The photolithographicDeposition of Dielectric Matel Oxide Films”(無(wú)機(jī)光刻方法:介電金屬氧化物膜的光刻沉積)，R.H.Hill 和 S.L.Blair ACS Symposium Series706?；谔嫉母焕障?、納米管和石墨烯膜，基于有機(jī)金屬化合物的膜和基于有機(jī)分子的膜,可通過(guò)PVD或通過(guò)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的溶液方法中的一種來(lái)形成，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的溶液方法包括(但不限于)流延、旋涂、條縫涂覆、絲網(wǎng)印刷、轉(zhuǎn)移印刷、噴墨印刷、沖壓。應(yīng)該理解，通過(guò)將低陷阱密度絕緣體材料82夾在半導(dǎo)體金屬氧化物72與柵極介電層74之間，在器件70中的導(dǎo)電載流子被限制至半導(dǎo)體金屬氧化物72。在半導(dǎo)體金屬氧化物72與低陷阱密度絕緣體材料82之間的界面處幾乎不存在陷阱密度。即使在柵極介電層74與低陷阱密度絕緣體材料82之間的界面處可能存在深部陷阱，但導(dǎo)電載流子不能到達(dá)該界面以引起不穩(wěn)定性。置于半導(dǎo)體金屬氧化物72與柵極介電層74之間的低陷阱密度或低缺陷絕緣體材料82的非常薄的層，可薄至幾納米(例如5nm至50nm)。同樣地，任選的第二低陷阱密度或低缺陷絕緣體材料84可以是與材料82相同的材料或上面提到的實(shí)例的任何其它材料，并且取決于所使用的制造方法，可具有相同或不同的厚度。TFT70的各種材料也能夠以與待沉積材料相關(guān)的任何公知方式來(lái)沉積。沉積技術(shù)的一些實(shí)例提供在上面描述的專利申請(qǐng)中。此外，按照本發(fā)明構(gòu)造的最終器件是新穎的，這是由于所制造的結(jié)構(gòu)控制半導(dǎo)體金屬氧化物有源層的界面中的陷阱密度，并因此控制最終器件的特性和穩(wěn)定性。因此，公開了一種新型的改進(jìn)的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中金屬氧化物通道的界面中的陷阱密度非常低，并因此提高了 TFT器件的穩(wěn)定性。此外，還公開了制造具有低陷阱密度的金屬氧化物半導(dǎo)體器件的新型的改進(jìn)的方法。對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，對(duì)出于示例目的而選的本文的實(shí)施方式可容易地進(jìn)行各種改變和修改。在這樣的修改和變化不背離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)，旨在將它們包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，所述本發(fā)明的范圍只能通過(guò)本申請(qǐng)權(quán)利要求書的合理解釋來(lái)確定。

已經(jīng)用如此清楚并簡(jiǎn)要的術(shù)語(yǔ)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行充分描述以使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解并實(shí)施本發(fā)明,本發(fā)明的權(quán)利要求見本申請(qǐng)的權(quán)利要求書。
權(quán)利要求
1.金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其包含: 具有主表面的金屬氧化物有源層； 具有主表面的柵極介電層；以及 置于所述金屬氧化物有源層與所述柵極介電層之間的低陷阱密度材料層，所述低陷阱密度材料層具有與所述金屬氧化物有源層平行并接觸的第一主表面，以與所述金屬氧化物有源層形成低陷阱密度界面。
2.權(quán)利要求1中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中所述金屬氧化物有源層具有帶隙，所述柵極介電層具有比所述金屬氧化物有源層的帶隙大得多的帶隙，并且所述低陷阱密度材料層具有與所述金屬氧化物有源層的帶隙接近的帶隙。
3.權(quán)利要求1中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中，與所述金屬氧化物有源層相比，所述低陷阱密度材料層具有低遷移率。
4.權(quán)利要求1中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中所述低陷阱密度材料層包括TiO, Ta2O5、NbO、V2O5、ScO2、Y2O3、ZrO2、HfO2、La2O5、MoO、CrO、SrTiO3、SrNbO3、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鍶鋇(BST)和混合氧化物中的一種，所述混合氧化物包含多于一種的上述材料或金屬_氧鍵。
5.權(quán)利要求1中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中所述低陷阱密度材料層包括如下有機(jī)材料中的一種，所述有機(jī)材料包括Alq3:三(8-羥基喹啉根)合鋁(III)，BAlq3:雙(2-甲基-8-喹啉酸根)-4-(苯基苯酹根)合招，Bepq2:雙(10_輕基苯并[h]喹啉根)合鈹，PBD:2_(4-聯(lián)苯基)-5-(4-叔丁基苯基)-1，3，4_囉二唑，TAZ:3_(4-聯(lián)苯基)-4-苯基-5-叔丁基苯基-1，2，4-三唑，Bphen:4，7- 二苯基-1，10-菲咯啉，C60、C70、納米管和其它富勒烯分子，石墨烯分子，PMGI (聚甲基戊二酰亞胺)，BCB (雙苯并環(huán)丁烯)，SU-8和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。
6.權(quán)利要求1中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中所述低陷阱密度材料層具有與所述柵極介電層的主表面平行并接觸的第二主表面，以與所述柵極介電層形成界面。
7.權(quán)利要求1中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中所述金屬氧化物有源層具有相對(duì)的主表面，并且所述器件還包括第二低陷阱密度材料層，所述第二低陷阱密度材料層具有與所述金屬氧化物有源層的所述相對(duì)主表面平行并接觸的主表面，以與所述金屬氧化物有源層的相對(duì)主表面形成低陷阱密度界面。
8.權(quán)利要求1中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中所述金屬氧化物有源層、所述柵極介電層和所述低陷阱密度材料層都被包括在下列器件之一中:頂部柵極、底部源極/漏極型器件，頂部柵極、頂部源極/漏極型器件，底部柵極、底部源極/漏極型器件，以及底部柵極、頂部源極/漏極型器件。
9.權(quán)利要求1中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中所述低陷阱密度材料層的厚度是 5nm 至 5 Onm ο
10.金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其包含: 具有主表面的金屬氧化物有源層，所述金屬氧化物有源層具有帶隙； 具有主表面的柵極介電層，所述柵極介電層具有比所述金屬氧化物有源層的帶隙大得多的帶隙； 置于所述金屬氧化物有源層與所述柵極介電層之間的低陷阱密度材料層，所述低陷阱密度材料層具有與所述金屬氧化物有源層平行并接觸的第一主表面，以與所述金屬氧化物有源層形成低陷阱密度界面，所述低陷阱密度材料層具有與所述柵極介電層的主表面平行并接觸的第二主表面，以與所述柵極介電層形成界面，并且所述低陷阱密度材料層具有與所述金屬氧化物有源層的帶隙接近的帶隙。
11.權(quán)利要求10中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中，與所述金屬氧化物有源層相比，所述低陷阱密度材料層具有低遷移率。
12.權(quán)利要求10中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中所述低陷阱密度材料層包括TiO, Ta2O5、NbO、V2O5、ScO2、Y2O3、ZrO2、HfO2、La2O5、MoO、CrO、SrTiO3、SrNbO3、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鍶鋇(BST)和混合氧化物中的一種，所述混合氧化物包含多于一種的上述材料或金屬_氧鍵。
13.權(quán)利要求10中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中所述低陷阱密度材料層包括如下有機(jī)材料中的一種，所述有機(jī)材料包括Alq3:三(8-羥基喹啉根)合鋁(III)，BAlq3:雙(2-甲基-8-喹啉酸根)-4-(苯基苯酚根)合鋁，Bepq2:雙(10_羥基苯并[h]喹啉根)合鈹，PBD:2_ (4- 聯(lián)苯基)-5- (4-叔丁基苯基)-1，3，4-曝二唑，TAZ:3_ (4-聯(lián)苯基)~4~苯基-5-叔丁基苯基-1，2，4-三唑，Bphen:4，7- 二苯基-1，10-菲咯啉，C60、C70、納米管和其它富勒烯分子，石墨烯分子，PMGI (聚甲基戊二酰亞胺)，BCB (雙苯并環(huán)丁烯)，SU-8和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。
14.權(quán)利要求10中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中所述低陷阱密度材料層的厚度是5nm至50nm。
15.權(quán)利要求10中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中所述金屬氧化物有源層具有相對(duì)的主表面，并且所述器件還包括第二低陷阱密度材料層，所述第二低陷阱密度材料層具有與所述金屬氧化物有源層的所述相對(duì)主表面平行并接觸的主表面，以與所述金屬氧化物有源層的相對(duì)主表面形成低陷阱密度界面。
16.權(quán)利要求10中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中所述金屬氧化物有源層、所述柵極介電層和所述低陷阱密度材料層都被包括在下列器件之一中:頂部柵極、底部源極/漏極型器件，頂部柵極、頂部源極/漏極型器件，底部柵極、底部源極/漏極型器件，以及底部柵極、頂部源極/漏極型器件。
17.金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其包含: 具有主表面的金屬氧化物有源層，所述金屬氧化物有源層具有帶隙； 具有主表面的柵極介電層，所述柵極介電層具有比所述金屬氧化物有源層的帶隙大得多的帶隙； 置于所述金屬氧化物有源層與所述柵極介電層之間的低陷阱密度材料層，所述低陷阱密度材料層具有與所述金屬氧化物有源層平行并接觸的第一主表面，以與所述金屬氧化物有源層形成低陷阱密度界面，所述低陷阱密度材料層具有與所述柵極介電層的主表面平行并接觸的第二主表面，以與所述柵極介電層形成界面，所述低陷阱密度材料層具有與所述金屬氧化物有源層的帶隙接近的帶隙，并且與所述金屬氧化物有源層相比，所述低陷阱密度材料層具有低遷移率；并且 所述金屬氧化物有源層、所述柵極介電層和所述低陷阱密度材料層都被包括在下列器件之一中:頂部柵極、底部源極/漏極型器件，頂部柵極、頂部源極/漏極型器件，底部柵極、底部源極/漏極型器件，以及底部柵極、頂部源極/漏極型器件。
18.權(quán)利要求17中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中所述低陷阱密度材料層包括TiO、Ta205、Nb0、V205、ScO2、Y203、ZrO2、HfO2、La2O5、MoO、Cr0、SrTi03、SrNbO3、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鍶鋇(BST)和混合氧化物中的一種，所述混合氧化物包含多于一種的上述材料或金屬_氧鍵。
19.權(quán)利要求17中所限定的金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其中所述低陷阱密度材料層包括如下有機(jī)材料中的一種，所述有機(jī)材料包括Alq3:三(8-羥基喹啉根)合鋁(III)，BAlq3:雙(2-甲基-8-喹啉酸根)-4-(苯基苯酚根)合鋁，Bepq2:雙(10_羥基苯并[h]喹啉根)合鈹，PBD:2_ (4-聯(lián)苯基)-5- (4-叔丁基苯基)-1, 3，4-嚅二唑，TAZ:3_ (4-聯(lián)苯基)_4_苯基-5-叔丁基苯基-1，2，4-三唑，Bphen:4，7- 二苯基-1，10-菲咯啉，C60、C70、納米管和其它富勒烯分子，石墨烯分子，PMGI (聚甲基戊二酰亞胺)，BCB (雙苯并環(huán)丁烯)，SU-8和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。
20.制造金屬氧化物半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括下列步驟: 沉積具有主表面的金屬 氧化物有源層； 在所述金屬氧化物有源層的主表面上沉積低陷阱密度材料層，所述低陷阱密度材料層具有與所述金屬氧化物有源層平行并接觸的第一主表面，以與所述金屬氧化物有源層形成低陷阱密度界面，以及 在所述低陷阱密度材料 層上沉積柵極介電層；并且 所述沉積步驟的順序和層定位，將所述金屬氧化物有源層、所述柵極介電層和所述低陷阱密度材料層形成在下列器件中的一種中:頂部柵極、底部源極/漏極型器件，頂部柵極、頂部源極/漏極型器件，底部柵極、底部源極/漏極型器件，以及底部柵極、頂部源極/漏極型器件。
21.權(quán)利要求20中所限定的方法，其中所述的沉積低陷阱密度材料層的步驟包括沉積TiO、Ta205、Nb0、V205、ScO2、Y203、ZrO2、HfO2、La2O5、Mo0、Cr0、SrTi03、SrNbO3、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鍶鋇(BST)和混合氧化物中的一種，所述混合氧化物包含多于一種的上述材料或金屬_氧鍵。
22.權(quán)利要求20中所限定的方法，其中所述的沉積低陷阱密度材料層的步驟包括沉積如下有機(jī)材料中的一種，所述有機(jī)材料包括Alq3:三(8-羥基喹啉根)合鋁(III)，BAlq3:雙(2-甲基-8-喹啉酸根)-4-(苯基苯酚根)合鋁，Bepq2:雙(10_羥基苯并[h]喹啉根)合鈹，PBD:2_ (4-聯(lián)苯基)-5- (4-叔丁基苯基)-1，3，4-躔二唑，TAZ:3_ (4-聯(lián)苯基)_4_苯基-5-叔丁基苯基-1，2，4-三唑，Bphen:4，7- 二苯基-1，10-菲咯啉，C60、C70、納米管和其它富勒烯分子，石墨烯分子，PMGI (聚甲基戊二酰亞胺)，BCB (雙苯并環(huán)丁烯)，SU-8和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。
23.權(quán)利要求20中所限定的方法，其中所述的沉積低陷阱密度材料層的步驟包括沉積厚度在5nm至50nm范圍內(nèi)的層。
24.權(quán)利要求20中所限定的方法，其中所述的沉積低陷阱密度材料層的步驟包括使用下列方法中的一種:PVD (物理氣相沉積)，CVD (化學(xué)氣相沉積)，ALD (原子層沉積)，通過(guò)從飽和溶液凝結(jié)而形成膜，或通過(guò)用流延、旋涂、條縫涂覆、絲網(wǎng)印刷、轉(zhuǎn)移印刷、噴墨印刷和沖壓中的一種處理溶膠-凝膠溶液或相應(yīng)的有機(jī)金 屬前體溶液并隨后退火或水解來(lái)形成膜。
全文摘要
一種金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其包括金屬氧化物有源層、柵極介電層和低陷阱密度材料層。所述低陷阱密度材料層夾在所述金屬氧化物有源層與所述柵極介電層之間。所述低陷阱密度材料層具有與所述金屬氧化物有源層的主表面平行并接觸的主表面，以與所述金屬氧化物有源層形成低陷阱密度界面。第二低陷阱密度材料層可以任選放置成與所述金屬氧化物有源層的相對(duì)主表面相接觸，以便與所述金屬氧化物有源層的兩個(gè)表面形成低陷阱密度界面。
文檔編號(hào)H01L29/788GK103229305SQ201180052840
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者謝泉隆, 法特·弗恩格, 俞鋼 申請(qǐng)人:希百特股份有限公司