場效應晶體管、顯示元件、圖像顯示裝置和系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及場效應晶體管、顯示元件、圖像顯示裝置和系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 場效應晶體管(FET)是通過用電場的溝道為電子或空穴流提供閘門（柵，gate)而 控制源電極和漏電極之間的電流的晶體管。
[0003] FET由于其性質已經被用作開關元件(切換元件)或放大元件。由于FET具有平坦的 結構而且使用低的柵電流，因此與雙極晶體管相比，FET可被容易地制造和集成。由于這些 原因，FET是在目前的電子裝置的集成電路中使用的必要零件。FET作為薄膜晶體管(TFT)被 應用于有源矩陣顯示器中。
[0004] 作為平板顯示器(FPD)，液晶顯示器(IXD)、有機電致發(fā)光(EL)顯示器和電子紙近 來已投入使用。
[0005] 這些FH)通過包含在有源層(活性層，active layer)中使用非晶硅或多晶硅的TFT 的驅動電路來驅動。對于增大FPD的尺寸、改善其清晰度和圖像品質、以及提高其驅動速度 存在需求。為此目的，存在對這樣的TFT的需要:其具有高的載流子迀移率、高的開/關比、其 性質隨時間的變動(偏差，變化，var i at i on)小和在元件之間的變動小。
[0006] 然而，對于有源層使用非晶硅或多晶硅的TFT有利有弊。因此，難以同時實現全部 要求。為了應對全部要求，已經積極地進行在有源層中使用氧化物半導體的TFT的開發(fā)，所 述氧化物半導體的迀移率預計高于非晶硅。例如，公開了在半導體層中使用InGaZn0 4的TFT (參見例如NPL 1)。
[0007] 要求TFT具有小的閾電壓變動。
[0008] TFT的閾電壓變動的因素之一是在大氣中包含的水分、氫氣或氧氣被半導體層吸 收和/或從半導體層解吸。因此，提供鈍化層以保護所述半導體免受大氣中包含的水分、氫 氣或氧氣的影響。
[0009] 此外，閾電壓還因長時間許多次地重復打開和關閉TFT而變化。對于評價由于長時 間和許多次的驅動而引起的閾電壓變動的方法，已經廣泛地實施偏壓溫度應力(BTS)測試。 該測試是其中在場效應晶體管的柵電極和源電極之間施加電壓一定時間、和評價閾電壓在 該段時間期間的變動的方法，或者其中在柵電極和源電極之間以及在漏電極和源電極之間 施加電壓一段時間、和評價閾電壓在該段時間期間的變動的方法。
[0010] 公開了用以防止TFT的閾電壓變動的若干種鈍化層。例如，公開了使用Si02、Si3N 4 或SiON作為鈍化層的場效應晶體管(參見例如PTL 1)。據報道，其中有該鈍化層的場效應晶 體管平穩(wěn)地運行，該場效應晶體管的晶體管特性沒有受到氣氛例如真空和大氣空氣的影 響。然而，其中沒有公開與BTS測試相關的數據。
[0011]此外，公開了使用Al2〇3、AlN或A10N作為鈍化層的場效應晶體管(參見例如PTL 2)。 據報道，該場效應晶體管可通過防止雜質例如水分和氧氣混入半導體層而抑制其晶體管特 性的變動。然而，其中沒有公開與BTS測試相關的數據。
[0012]此外，公開了使用包含Al2〇3和Si02的層疊膜作為鈍化層的場效應晶體管（參見例 如PTL 3)。據報道，使用該層疊膜作為鈍化層的場效應晶體管可防止水分混入和吸收至半 導體層中，且其晶體管特性在高溫-高濕度環(huán)境中的存儲測試之后不變化。然而，其中沒有 公開與BTS測試相關的數據。
[0013] 此外，公開了使用5池、了&2〇5、1102、祖)2、2抑 2、￥2〇3或412〇3的單層膜或者其層疊膜 作為鈍化層的場效應晶體管(參見例如PTL 4)。據報道，其中形成前述鈍化層的場效應晶體 管可防止氧從氧化物半導體解吸，且可改善可靠性。然而，其中沒有公開與BTS測試相關的 數據。
[0014] 另外，公開了使用Al2〇3作為鈍化層的場效應晶體管(參見例如NPL 2)。報道了其中 形成前述鈍化層的場效應晶體管的通過BTS測試進行的可靠性評價的結果，但是閾電壓的 變動值（A Vth)相對于流逝的應力時間大。因此，不能說足夠地保證了場效應晶體管的可靠 性。
[0015] 在任何前述技術中，通過BTS測試的可靠性評價均是不足的。
[0016] 相應地，目前對這樣的場效應晶體管存在需要:其在BTS測試下具有小的閾電壓變 動、且表現出高的可靠性。
[0017]引文列表 [0018]專利文獻
[0019] PTL 1:日本專利申請?zhí)亻_(JP-A)No.2007-073705
[0020] PTL 2:JP-A No.2010-135770
[0021] PTL 3：JP-A No.2010-182819
[0022] PTL 4：JP-A No.2010-135462
[0023] 非專利文獻
[0024] NPL 1 :K.Nomura和其它五位，"Room-temperature fabrication of transparent flexible thin film transistors using amorphous oxide semiconductors/'NATURE， VOL · 432，25，2004年11 月，p · 488-492
[0025] NPL 2:T.Arai和另一位，"Manufacturing Issues for Oxide TFT Technologies for Large-Sized AM0LED Displays,"SID 2012Digest，2012，p.756-759

【發(fā)明內容】

[0026] 技術問題
[0027] 本發(fā)明旨在解決本領域中的前述各種問題和實現以下目的。具體地，本發(fā)明的目 的在于提供這樣的場效應晶體管:其在偏壓應力溫度(BTS)測試下具有小的閾電壓變動、且 表現出高的可靠性。
[0028]問題的解決方案
[0029]用于解決前述問題的手段如下：
[0030]本發(fā)明的場效應晶體管包含：
[0031] 基體材料(基體，base);
[0032] 鈍化層；
[0033] 在所述基體材料和所述鈍化層之間形成的柵絕緣層；
[0034] 源電極和漏電極，其形成為與所述柵絕緣層接觸；
[0035] 半導體層，其在至少所述源電極和所述漏電極之間形成，且與所述柵絕緣層、所述 源電極和所述漏電極接觸;和
[0036] 柵電極，其與所述柵絕緣層接觸且經由所述柵絕緣層面對所述半導體層，
[0037] 其中所述鈍化層包含第一鈍化層和第二鈍化層，所述第一鈍化層包含含有Si和堿 土金屬的第一復合金屬氧化物(composite metal oxide)，所述第二鈍化層形成為與所述 第一鈍化層接觸且包含含有堿土金屬和稀土元素的第二復合金屬氧化物。
[0038]發(fā)明的有益效果
[0039] 本發(fā)明能解決本領域中的前述各種問題，且能提供這樣的場效應晶體管:其在偏 壓應力溫度(BTS)測試下具有小的閾電壓變動、且表現出高的可靠性。
【附圖說明】
[0040] 圖1是用于解釋圖像顯示裝置的圖。
[0041] 圖2是用于解釋本發(fā)明的顯示元件的一個實例的圖。
[0042]圖3A是示出本發(fā)明的場效應晶體管的一個實例(底接觸/底柵)的圖。
[0043]圖3B是示出本發(fā)明的場效應晶體管的一個實例(頂接觸/底柵)的圖。
[0044]圖3C是示出本發(fā)明的場效應晶體管的一個實例(底接觸/頂柵)的圖。
[0045] 圖3D是示出本發(fā)明的場效應晶體管的一個實例(頂接觸/頂柵)的圖。
[0046] 圖4是示出有機EL元件的一個實例的示意圖。
[0047]圖5是示出本發(fā)明的顯示元件的一個實例的示意圖。
[0048]圖6是示出本發(fā)明的顯示元件的另一實例的示意圖。
[0049]圖7是用于解釋顯示控制裝置的圖。
[0050] 圖8是用于解釋液晶顯不器的圖。
[0051] 圖9是用于解釋圖8中的顯示元件的圖。
[0052]圖10是在Vgs = +20V和Vds = 0V的BTS測試下評價在實施例12中獲得的場效應晶體 管的晶體管特性(Vgs-Ids)的圖。
[0053]圖11是在Vgs = +20V和Vds = +20V的BTS測試下評價在實施例12中獲得的場效應晶 體管的晶體管特性(Vgs-Ids)的圖。
[0054]圖12是在Vgs = -20V和Vds = 0V的BTS測試下評價在實施例12中獲得的場效應晶體 管的晶體管特性(Vgs-Ids)的圖。
[0055]圖13是在Vgs = -20V和Vds = +20V的BTS測試下評價在實施例12中獲得的場效應晶 體管的晶體管特性(Vgs-Ids)的圖。
[0056] 圖14是在Vgs = +20V和Vds = 0V的BTS測試下評價在實施例12和對比例8中獲得的 場效應晶體管的隨時間（chrono logical)應力變化的圖。
[0057]圖15是示出在實施例1-16和對比例4和7的各自中制造的場效應晶體管的示意圖。
【具體實施方式】
[0058](場效應晶體管）
[0059]本發(fā)明的場效應晶體管至少包含基體材料、鈍化層、柵絕緣層、源電極、漏電極、半 導體層和柵電極，并且根據需要可進一步包含其它部件。
[0060]〈基體材料〉
[0061 ]基體材料的形狀、結構和尺寸取決于預期目的適當選擇而沒有任何限制。
[0062] 基體材料的材料取決于預期目的適當選擇而沒有任何限制，且其實例包括玻璃基 體材料和塑料基體材料。
[0063] 玻璃基體材料取決于預期目的適當選擇而沒有任何限制，且其實例包括無堿玻璃 和二氧化硅玻璃。
[0064] 塑料基體材料取決于預期目的適當選擇而沒有任何限制，且其實例包括聚碳酸酯 (PC)、聚酰亞胺(PI)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。
[0065] 注意，優(yōu)選對基體材料進行預處理例如如氧等離子體、UV臭氧和UV輻射洗滌的預 處理以清潔其表面和以改善與另一層的粘附。
[0066] 〈鈍化層〉
[0067] 鈍化層典型地在所述基體材料上方形成。
[0068] 鈍化層包含第一鈍化層和形成為與第一鈍化層接觸的第二鈍化層。
[0069] 鈍化層中的第一鈍化層和第二鈍化層的布置取決于預期目的適當選擇而沒有任 何限制。第一鈍化層可相對于第二鈍化層布置在基體材料側。替代地，第二鈍化層可相對于 第一鈍化層布置在基體材料側。此外，可將第二鈍化層布置成覆蓋第一鈍化層的頂表面和 側表面?？蓪⒌谝烩g化層布置成覆蓋第二鈍化層的頂表面和側表面。
[0070] -第一鈍化層-
[0071] 第一鈍化層包含第一復合金屬氧化物。
[0072] 第一鈍化層優(yōu)選由第一復合金屬氧化物本身形成。
[0073] 一第一復合金屬氧化物一
[0074] 第一復合金屬氧化物包含Si(硅)和堿土金屬，優(yōu)選進一步包含A1(鋁）或B(硼)或 兩者，且根據需要可進一步包含其它組分。
[0075]在第一復合金屬氧化物中，由前述Si形成的Si〇2采取無定形結構。此外，堿土金屬 具有切斷Si-Ο鍵的作用。因此，待形成的第一復合金屬氧化物的介電常數和線性膨脹系數 可用Si和堿土金屬的組成比進行控制。
[0076] 第一復合金屬氧化物優(yōu)選包含A1或B或兩者。類似于Si02,由A1形成的Al2〇3和由B 形成的B2〇3各自形成無定形結構。因此，在第一復合金屬氧化物中更穩(wěn)定地形成無定形結 構，且可形成更均勻的絕緣膜。由于堿土金屬取決于對A1和B的組成比而使A1和B的配位結 構變化，因此可控制第一復合金屬氧化物的介電常數和線性膨脹系數。
[0077]第一復合金屬氧化物中的堿土金屬的實例包括Be(鈹）、Mg(鎂）、Ca(鈣）、Sr(鍶)和 Ba (鋇）。這些可單獨或者組合使用。
[0078]第一復合金屬氧化物中的Si和堿土金屬的組成比取決于預期目的適當選擇而沒 有任何限制，但是其組成比優(yōu)選在以下范圍內。
[0079] 在第一復合金屬氧化物中，Si和堿土金屬的組成比（Si :堿土金屬）優(yōu)選為50.0摩 爾％-90.0摩爾％:10.0摩爾％-50.0摩爾％，基于氧化物（5丨02、860、]\%0、030、5抑、830)換 算。
[0080]第一復合金屬氧化物中的Si、堿土金屬和A1和/或B的組成比取決于預期目的適當 選擇而沒有任何限制，但其組成比優(yōu)選在以下范圍內。
[0081 ] 在第一復合金屬氧化物中，Si、堿土金屬和A1和/或B的組成比（Si:堿土金屬:A1 和/或B)優(yōu)選為50.0摩爾％-90.0摩爾％ :5.0摩爾％-20.0摩爾％ :5.0摩爾％-30.0摩爾％， 基于氧化物（Si02、BeO、MgO、CaO、SrO、BaO、Ah〇3、B 2〇3)換算。
[0082] 第一復合金屬氧化物中的氧化物(5102、860、]\%0、030、3抑、830^1 203、8203)的比例 可例如通過如下而計算:經由X-射線熒光光譜法、電子探針顯微分析(EPMA)、或者電感耦合 等尚子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES)分析所述氧化物的陽尚子兀素。
[0083] 第一鈍化層的介電常數取決于預期目的適當選擇而沒有任何限制。
[0084] 所述介電常數可例如通過如下而測量：制造其中將下部電極、介電層(所述鈍化 層)和上部電極層疊的電容器，并且使用LCR計進行測量。
[0085] 第一鈍化層的線性膨脹系數取決于預期目的適當選擇而沒有任何限制。
[0086] 線性膨脹系數可例如通過熱機械分析裝置進行測量。在該測量中，線性膨脹系數 可通過在不制造場效應晶體管的情況下獨立地制造具有與鈍化層的組成相同組成的測量 樣品而測量。
[0087]-第二鈍化層-
[0088] 第二鈍化層包含第二復合金屬氧化物。
[0089] 第二鈍化層優(yōu)選由第二復合金屬氧化物本身形成。
[0090] --第二復合金屬氧化物--
[0091] 第二復合金屬氧化物至少包含堿土金屬和稀土元素，優(yōu)選包含Zr(鋯)或Hf(鉿)或 其兩者，且按照需要可進一步包含其它組分。
[0092] 第二復合金屬氧化物在大氣中是穩(wěn)定的，且可以寬的組成范圍穩(wěn)定地形成無定形 結構。這是因為本發(fā)明人已經發(fā)現包含堿土金屬和稀土元素的復合金屬氧化物在大氣中是 穩(wěn)定的，且可以寬的組成范圍穩(wěn)定地形成無定形結構。
[0093] 典型地，堿土金屬的簡單氧化物傾向于與大氣中的水分或二氧化碳反應而形成氫 氧化物或碳酸鹽，且因此這樣的簡單氧化物不適合在電子裝置中使用。此外，稀土元素的簡 單氧化物傾向于結晶化，且在電子裝置中使用時導致電流的泄露。然而，本發(fā)明人已經發(fā) 現，包含堿土金屬和稀土元素的第二復合金屬氧化物以寬的組成范圍穩(wěn)定地形成無定形 膜。由于第二復合金屬氧化物以其寬的組成范圍穩(wěn)定地存在，待形成的第二復合金屬氧化 物的介電常數和線性膨脹系數可取決于其組成比而寬范圍地控制。
[0094]第二復合金屬氧化物優(yōu)選包含Zr(鋯)或Hf (鉿)或兩者。當第二復合金屬氧化物包 含Zr或Hf或兩者時，可甚至進一步改善熱穩(wěn)定性、耐熱性和致密性(compactness)。
[0095]第二復合金屬氧化物中的堿土金屬的實例包括Be (鈹）、Mg (鎂）、Ca (鈣）、Sr (鍶)和 Ba (鋇）。這些可單獨或者組合使用。
[0096]第二復合金屬氧化物中的稀土元素的實例包括Sc(鈧）、Y(釔）、La(鑭）、Ce(鈰）、Pr (鐠）、Nd(釹）、Pm(钷）、Sm(釤）、Eu(銪）、Gd(釓）、Tb(鋱）、Dy(鏑）、Ho(鈥）、Er(鉺）、Tm(銩）、Yb (鏡)和Lu (錯）。
[0097]第二復合金屬氧化物中的堿土金屬和稀土元素的組成比取決于預期目的適當選 擇而沒有任何限制，但其組成比優(yōu)選在以下范圍內。
[0098]在第二復合金屬氧化物中，堿土金屬和稀土元素的組成比（堿土金屬:稀土元素） 優(yōu)選為10.0摩爾％_67.0摩爾％ : 33.0摩爾％-90.0摩爾％，基于氧化物(BeO、MgO、CaO、SrO、 BaO、Sc2〇3、Y2〇3、La2〇3、Ce2〇3、Pr2〇3、Nd2〇3、Pm2〇3、Sm2〇3、Eu2〇3、Gd2〇3、Tb2〇3、Dy2〇3、H〇2〇3、 Er2〇3、Τ??2〇3、Yb2〇3、LU2〇3 )換算。
[0099]在第二復合金屬氧化物中的堿土金屬、稀土元素和Zr和/或Hf的組成比取決于預 期目的適當選擇而沒有任何限制，但其組成比優(yōu)選在以下范圍內。
[0?00]在第二復合金屬氧化物中，堿土金屬、稀土元素和Zr和/或Hf的組成比（堿土金屬： 稀土元素：Zr和/或Hf)優(yōu)選為5.0摩爾％-22.0摩爾％ :33.0摩爾％-90.0摩爾％ : 5.0摩 爾％_45.0摩爾％，基于氧化物（86〇、]\^0、〇&0、51〇、8&0、5。2〇3、￥2〇3、1^2〇3、〇62〇3、？0〇3、 Nd2〇3、Pm2〇3、Sm2〇3、Eu2〇3、Gd2〇3、Tb2〇3、Dy2〇3、H02O3、Ε?〇3、Tm2〇3、Yb2〇3、Lu2〇3、Zr〇2、Hf〇2)換 算。
[0101] 第二復合金屬氧化物中的氧化物(BeO、MgO、CaO、SrO、BaO、Sc2〇3、Y2〇 3、La2〇3、Ce2〇3、 Pr2〇3、Nd2〇3、Pm2〇3、Sm2〇3、Eu2〇3、Gd2〇3、Tb2〇3、Dy2〇3、H〇2〇3、Er2〇3、Tm2〇3、Yb2〇3、Lu2〇3、Zr〇2、 Hf〇2)的比例可例如通過如下而計算:經由X-射線熒光光譜法、電子探針顯微分析(ΕΡΜΑ)或 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)分析所述氧化物的陽離子元素。
[0102] 第二鈍化層的介電常數取決于預期目的適當選擇而沒有任何限制。
[0103 ]第二鈍化層的介電常數可例如通過與第一鈍化層的介電常數的測量方法相同的 方法進行測量。
[0104] 第二鈍化層的線性膨脹系數取決于預期目的適當選擇而沒有任何限制。
[0105] 第二鈍化層的線性膨脹系數可例如通過與第一鈍化層的線性膨脹系數的測量方 法相同的方法進行測量。
[0106] 在本發(fā)明中，本發(fā)明人已經發(fā)現，通過層疊包含第一復合金屬氧化物的第一鈍化 層和包含第二復合金屬氧化物的第二鈍化層而形成的鈍化層表現出優(yōu)異的對大氣中的水 分、氧氣和氫氣的阻隔性質。
[0107] 因此，通過使用前述鈍化層可提供表現出高的可靠性的場效應晶體管。-第一鈍化 層和第二鈍化層的形成方法-
[0108] 第一鈍化層和第二鈍化層的形成方法取決于預期目的適當選擇而沒有任何限制， 且其實例包括這樣的方法:在該方法中通過真空工藝例如濺射、脈沖激光沉積(PLD)、化學 氣相沉積(CVD)和原子層沉積(ALD)形成膜，隨后通過光刻法將該膜圖案化。
[0109] 此外，第一鈍化層可通過如下形成：制備包含第一復合金屬氧化物的前體的涂覆 液(第一鈍化層涂覆液），將該涂覆液施加