[发明专利]利用氮气通过反应溅射锌靶形成的薄膜半导体材料

说明书

本申请是2008年4月8日递交的名称为“Thin Film Semiconductor Material Produced though Reactive Sputtering of Zinc Target Using Nitrogen Gases”、国际申请号为PCT/US2008/059638、申请号为200880015621.X的国际专利申请的分案申请。

技术领域

本发明实施方式大致有关于利用含氮气体在低温及高温条件下反应溅射锌靶而形成具有高迁移率(high mobility)的薄膜半导体材料。

背景技术

半导体层的电子迁移率对设备速度和用以驱动设备的电流影响很大。电子迁移率越高，设备速度越快，并且相同电压下的源极-漏极电流越高。近年来，多选用非晶硅与多晶硅来形成场效应薄膜晶体管(TFT)的半导体层，用以制造驱动液晶显示器（LCD）的背板、有机发光二极管显示器（OLED）和量子点显示器，以及用以制造太阳能电池面板。非晶硅的电子迁移率高达1cm²/V-s，低温多晶硅的电子迁移率可能高于50cm²/V-s，但需要复杂的工艺步骤(例如，激光退火)才可获得这么高电子迁移率。因此，制造电子迁移率高于50cm²/V-s的多晶硅的成本相当高，且不适合大面积衬底的应用。

在场效应晶体管(FET)中，半导体材料会在源极与漏极电极之间形成沟道。在不供应栅极电压的情况下，即使在源极-漏极之间有电压，仍然没有电流通过源极-漏极。当电压供应到栅极，半导体层内流动电子会聚积在非常靠近栅极介电层与半导体层的界面区域。这些半导体层会变成具有导电性，且电子可轻易地经由源极-漏极之间的低电压而通过源极-漏极。半导体材料的高迁移率显示半导体内的流动电子对栅极形成的电场较为敏感，且半导体沟道也变得更具传导性。半导体材料会决定受施加在栅极与源极端的电压影响而可穿过半导体沟道的电流。半导体材料的迁移率越高，穿过FET的电流所需要的电压就越低。

非晶硅可依赖氢钝化来获得TFT中所需的迁移率。一般可在高达约350℃的温度下，利用化学气相沉积(CVD)来沉积非晶硅。氢钝化虽有助于非晶硅获得所需的迁移率，但稳定性不佳，例如处于栅极电压与设备本身所产生的相对高温下，TFT阈值电压(threshold voltage)会随着时间改变。

因此，需要一种稳定的半导体材料，该半导体材料不仅在高处理温度的玻璃衬底上具有足够高的迁移率，在其它塑性衬底或柔性衬底上也具有足够高的迁移率。

发明内容

本发明大致包含半导体膜及用来沉积该半导体膜的反应溅射工艺。溅射靶可包含锌，锌可掺杂有铝和其它金属。可利用引入含氮气体与含氧气体到腔室内来反应溅射该锌靶。含氮气体的量可由不具有典型氧化锌特征峰(例如，由XRD测量出来的氧化锌(002)峰)的膜结构来决定。可选择含氮气体的流速使得膜是非晶(即，在XRD中没有测量到明显的峰)，或是具有某些微弱的氮化锌或氧氮化锌峰。含氮气体的流速可明显高于含氧气体的流速。含氧气体的量可由膜结构的转变点(turning point)来决定。可使含氧气体的量比产生XRD可测得的氧化锌(002)峰所需的量还要低。为简化工艺起见，可依据在没有含氮气体时进行沉积所测得的膜的透射率(transmittance)、DC电压的变化或膜传导性(因为它们与膜的结构有关)，来决定出含氧气体的流速。在某种程度上，可调整所形成的膜为非晶或晶体结构。反应溅射可在室温至高达几百摄氏度的温度范围发生。沉积后，可将半导体膜退火以进一步提高膜的迁移率。

当用XRD测量时，该膜可能不具有明显的氧化锌峰，虽然该膜的氧含量可能达25%或更高。在一实施方式中，该膜可能不具有Zn₃N₂的峰。在另一实施方式中，由XRD可能测得存在有一个或多个Zn₃N₂的峰。该膜可包含锌、氧、氮及其它掺杂在膜中的金属种类，例如铝。当用XPS测量时，该膜可能具有氮化物(nitride)或亚硝酸盐(nitrite)键合。该膜可具有介于约400nm至约1,000nm之间的光吸收边(optical absorption edge)和介于约3.1eV至约1.2eV间的带隙(band gap)。由于半导体层是依据膜结构而形成的，因此该半导体层可以使用不同工艺温度、不同功率、甚至使用不同的制造平台来制造。