CN101478005A - 一种金属氧化物薄膜晶体管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属氧化物薄膜晶体管及其制作方法。该晶体管为底栅结构，包括一栅电极，一栅介质层，一沟道区，一源区和一漏区，所述源区和漏区分别在沟道区两端并与沟道区相连，且源漏区与沟道区为同一层金属氧化物半导体薄膜，未偏置状态下，源漏区为高载流子浓度区，而沟道区为低载流子浓度区。该薄膜晶体管的源漏区与沟道区由同一次的薄膜工艺形成，在真空或氢气或氮气气氛下热处理半导体薄膜实现源漏区的高载流子浓度，在氧气气氛下热处理则获得沟道区的低载流子浓度，不需另加源漏金属层工艺步骤，简化了制备工艺。同时，器件的阈值电压由氧气氛下的退火条件所控制，可在线检测，使器件特性的可控性大为提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜晶体管结构及其制备方法，尤其涉及一种金属氧化物半导体薄膜晶体管结构和制备方法。
背景技术
平板显示技术和器件已经发展成信息显示的主流技术和器件。对平板显示器而言，无论是目前居主导地位的液晶显示器(LCD)，还是有望成为下一代主流的发光二极管(OLED)显示器，还是将来的柔性基底显示器，要实现大尺寸和高分辨率的显示，都必需采用薄膜晶体管作为开关控制元件或周边驱动电路的集成元件。目前被广泛采用的薄膜晶体管主要有非晶硅薄膜晶体管和多晶硅薄膜晶体管。
非晶硅薄膜晶体管具有工艺温度低、制作成本低和器件性能均匀等优点成为目前商品化有源矩阵平板显示的主流技术。但由于低的迁移率和性能易退化等缺点，在OLED像素驱动以及LCD和OLED周边驱动电路集成等方面的应用上受到了很大的限制。而多晶硅薄膜晶体管具有高的迁移率和稳定的器件性能，既能用于像素驱动开关和电路，也可用于周边电路的集成。但多晶硅薄膜晶体管的工艺温度较高，制作成本高，而且器件性能的均匀性较差，因此不太适合大尺寸平板显示应用。因此，为了平板显示技术的发展，迫切需要开发更为先进的薄膜晶体管技术。目前处于研究开发之中的新型薄膜晶体管技术主要有以氧化锌为代表的金属氧化物半导体薄膜晶体管、微晶硅薄膜晶体管和有机半导体薄膜晶体管等。
氧化锌基薄膜晶体管具有低的工艺温度，低的工艺成本，高的载流子迁移率以及均匀且稳定的器件性能，即汇集了非晶硅和多晶硅薄膜晶体管两者的优点，是一种非常有希望的大尺寸微电子器件。氧化锌薄膜晶体管的一个主要问题是生成的半导体沟道层往往具有很高的载流子浓度，使得器件的阈值电压很低甚至为负值(对n型器件而言)，即在栅为零偏时，器件不能充分的关断。另一方面，如沟道层制成低浓度的高阻层，则源漏部分的寄生电阻增加，需要另加一层低阻的金属层工艺，导致了制备工艺的复杂度增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的金属氧化物薄膜晶体管结构和制备方法，该结构及其制备方法可保证器件的有源层在源漏两端具有高的载流子浓度，而在沟道区零栅偏下为低载流子浓度。
本发明的技术方案如下：
一种金属氧化物薄膜晶体管，为底栅结构，形成于玻璃衬底之上，包括一栅电极，一栅介质层，一沟道区，一源区和一漏区，所述栅电极位于玻璃衬底之上，所述栅介质层位于玻璃衬底和栅电极之上，覆盖栅电极，所述沟道区、源区和漏区位于栅介质层上，源区和漏区分别在沟道区两端并与沟道区相连，而沟道区在栅电极的上方，其特征是，所述源区和漏区与沟道区为同一层金属氧化物半导体薄膜，未偏置状态下，源漏区为高载流子浓度区，而沟道区为低载流子浓度区。
上述金属氧化物薄膜晶体管的源漏区的高载流子浓度是通过真空或氢气或氮气气氛下热处理金属氧化物半导体薄膜产生的。沟道区的低载流子浓度是通过在氧气气氛下热处理金属氧化物半导体薄膜获得的。
上述金属氧化物薄膜晶体管的一种制作方法，包括以下步骤：
(1)首先在玻璃衬底上生长一层导电薄膜，然后光刻和刻蚀形成栅电极；
(2)在玻璃衬底上覆盖栅电极生长一层绝缘介质层作为栅介质层；
(3)在栅介质层上生长一层金属氧化物半导体层，然后在真空或氢气或氮气气氛中进行热处理；
(4)在金属氧化物半导体层上生长一层保护介质层，并光刻和刻蚀保护介质层和金属氧化物半导体层形成器件的有源区，包括源区、漏区和沟道区；
(5)光刻和刻蚀保护介质层，使金属氧化物半导体层的沟道区露出，然后在氧气气氛中热处理；
(6)最后进入晶体管制作的后道工序，包括淀积钝化层、开接触孔以及金属化等，制得所述的薄膜晶体管。
上述制作方法中，步骤(1)所生长的导电薄膜，可为一般的金属材料，如钼、铬或铝等，也可为透明导电薄膜，如氧化铟锡(ITO)等。
上述制作方法中，步骤(3)一般采用射频磁控溅射技术生长金属氧化物半导体薄膜，优选控制溅射气压为0.5～2Pa，氧气与氩气的分压比小于或等于千分之一。所生长的金属氧化物半导体层在真空或氢气或氮气气氛中200～400℃热处理0.5～1小时，形成高载流子浓度。射频磁控溅射技术生长氧化锌基半导体薄膜时，使用的靶由氧化镓、氧化铟和氧化锌的混合材料构成，三种材料的摩尔含量X、Y、Z分别是40％<X<50％，40％<Y<50％，10％<Z<20％，X:Y:Z优选为3:3:1。
上述制作方法中，步骤(4)所生长的保护介质层为非氧化物介质。
上述制作方法中，步骤(5)在氧气气氛中200～400℃热处理0.5～1小时，使沟道区获得低载流子浓度。
上述制作方法中，步骤(6)的后道工序是先生长一层钝化介质层，光刻和刻蚀形成栅、源和漏的引出孔，然后生长一层导电薄膜，光刻和刻蚀形成电极和互连，其中所生长的导电薄膜，可为一般的金属材料，如钼、铬或铝等，也可为透明导电薄膜，如氧化铟锡(ITO)等。
本发明还提供了上述金属氧化物薄膜晶体管的另一种制作方法，包括以下步骤：
a.首先在玻璃衬底上生长一层导电薄膜，然后光刻和刻蚀形成栅电极；
b.在玻璃衬底上覆盖栅电极生长一层绝缘介质层作为栅介质层；
c.在栅介质层上生长一层金属氧化物半导体层，然后在氧气气氛中进行热处理；
d.在金属氧化物半导体层上生长一层保护介质层，并光刻和刻蚀保护介质层和金属氧化物半导体层形成器件的有源区，包括源区、漏区和沟道区；
e.光刻和刻蚀保护介质层，使金属氧化物半导体层两端的源区和漏区露出，然后在在真空或氢气或氮气气氛中热处理；
f.最后进入晶体管制作的后道工序，包括淀积钝化层、开接触孔以及金属化等，制得所述的薄膜晶体管。
上述制作方法中，步骤a所生长的导电薄膜，可为一般的金属材料，如钼、铬或铝等，也可为透明导电薄膜，如氧化铟锡(ITO)等。
上述制作方法中，步骤c一般采用射频磁控溅射技术生长金属氧化物半导体薄膜，优选控制溅射气压为0.5～2Pa，氧气与氩气的分压比大于千分之一。所生长的金属氧化物半导体层在氧气气氛中200～400℃热处理0.5～1小时，产生低载流子浓度。射频磁控溅射技术生长氧化锌基半导体薄膜时，使用的靶由氧化镓、氧化铟和氧化锌的混合材料构成，三种材料的摩尔含量X、Y、Z分别是40％<X<50％，40％<Y<50％，10％<Z<20％，X:Y:Z优选为3:3:1。
上述制作方法中，步骤e在真空或氢气或氮气气氛中200～400℃热处理0.5～1小时，使源区和漏区获得高载流子浓度。
上述制作方法中，步骤f的后道工序是先生长一层钝化介质层，光刻和刻蚀形成栅、源和漏的引出孔，然后生长一层导电薄膜，光刻和刻蚀形成电极和互连，其中所生长的导电薄膜，可为一般的金属材料，如钼、铬或铝等，也可为透明导电薄膜，如氧化铟锡(ITO)等。
本发明的优点和积极效果：本发明金属氧化物薄膜晶体管的源漏区与沟道区的半导体材料由同一次的薄膜工艺形成，不需另加源漏金属层工艺步骤，因此简化了晶体管的制备工艺。另外，器件的阈值电压由氧气氛下的退火条件所控制，可以在线检测，因此器件特性的可控性大为提高。而常规的制备方法是通过调节溅射气氛中的氧气和氩气的分压比实现阈值电压控制的，由于阈值电压对分压比非常灵敏，因此可控性差。
附图说明
图1为本发明薄膜晶体管的剖面结构示意图。
图2～图8依次示出了本发明实施例1描述的薄膜晶体管的主要制作工艺步骤，其中：
图2示意了栅电极形成的工艺步骤。
图3示意了栅介质层生长的工艺步骤。
图4示意了金属氧化物半导体层生长和随后热处理的工艺步骤。
图5示意了保护介质层淀积及金属氧化物半导体层和保护介质层图形化的工艺步骤。
图6示意了保护介质层图形化和沟道区热处理的工艺步骤。
图7示意了钝化层淀积和开接触孔的工艺步骤。
图8示意了源漏金属层淀积和图形化的工艺步骤。
图9示意了本发明实施例2的金属氧化物半导体层生长和随后热处理的工艺步骤。
图10示意了本发明实施例2的保护介质层淀积及金属氧化物半导体层和保护介质层图形化的工艺步骤。
图11示意了本发明实施例2的保护介质层图形化和源漏区热处理的工艺步骤。
具体实施方式
下面通过实施例，结合附图进一步详细说明本发明。
实施例1
本实施例薄膜晶体管的剖面图如图1所示，该晶体管形成于玻璃衬底1上，包括一栅电极2，一栅介质层3，以及由一沟道区5、一源区6和一漏区7三部分组成的半导体有源层。所述栅电极2位于玻璃衬底1之上，所述栅介质层3位于玻璃1和栅电极2之上，所述半导体有源层位于栅介质层3之上，所述沟道区5为半导体有源层的中间部分，位于覆盖栅电极2的栅介质之上，所述源区6和漏区7为半导体有源层的两端部分。
所述栅电极2可为金属材料，如铬、钼或铝等，由磁控溅射方法或热蒸发方法形成；也可为透明导电薄膜，如氧化铟锡(ITO)等，由磁控溅射方法形成。栅电极2的厚度一般为150～300纳米。所述栅介质层3为氮化硅、氧化硅等绝缘介质，由等离子增强化学汽相淀积(PECVD)方法形成；也可为氧化铝、氧化铪等金属氧化物，由磁控溅射方法形成。栅介质层3的厚度一般为100～400纳米。所述半导体有源层为非晶或多晶的金属氧化物半导体材料，如氧化锌基的薄膜材料，由磁控溅射方法形成，厚度为50～200纳米；所述沟道区5为有源层的中间部分，其在未偏置状态下呈现高电阻状态(载流子浓度很低)，所述源区6和漏区7为有源层的两端部分，其载流子浓度很高，为低阻状态。
所述薄膜晶体管的制作方法的一具体例由图2至图8所示，包括以下步骤：
如图2所示，所用衬底为透明玻璃基板1。在玻璃基板1上磁控溅射生长一层100～200纳米厚的金属铬膜，然后光刻和刻蚀形成金属栅电极2。
如图3所示，采用等离子增强化学汽相淀积(PECVD)方法生长一层100～300纳米厚的氮化硅薄膜，形成栅电极2的栅介质层3。
如图4所示，用射频磁控溅射淀积一层150纳米厚的非晶氧化锌基金属氧化物半导体材料。所用的靶由氧化镓、氧化铟和氧化锌三种材料混合构成，三种材料的摩尔比为3:3:1。溅射气压为1Pa，氧气与氩气的分压比为万分之一。此时，所生成的整个金属氧化物半导体层4由于产生大量的氧空位，而呈现为高载流子浓度的低阻材料。如电阻率仍不够低，可将样品置于真空腔内(真空度优于10-3Torr)，300℃的温度下热处理30分钟。
如图5所示，采用等离子增强化学汽相淀积(PECVD)方法生长一层50纳米厚的氮化硅薄膜41作为保护介质层，然后光刻和刻蚀氮化硅薄膜41和其下的金属氧化物半导体层4，形成晶体管的有源区。
如图6所示，再次光刻和刻蚀氮化硅薄膜41，使得其下金属氧化物半导体层4的中间部分露出，然后在氧气气氛中，250℃的温度下热处理30分钟。这样，金属氧化物半导体层4的中间部分由于氧空位被耗尽，而被转变成低载流子浓度的材料，而成为器件的沟道区5。而金属氧化物半导体层4两端被氮化硅覆盖的区域仍然维持为高载流子浓度的低阻区，成为器件的源区6和漏区7。
如图7所示，用磁控溅射方法淀积一层100～300纳米厚的氮化硅层，即钝化层8，然后光刻和刻蚀形成电极的接触孔9和10。
如图8所示，用磁控溅射方法淀积一层100～300纳米厚的金属铝膜，然后光刻和刻蚀制成薄膜晶体管各电极的金属引出电极和互连线11和12。
实施例2
本实施例所制作的薄膜晶体管结构同实施例1，只是源漏区和沟道区不同载流子浓度形成的步骤顺序不同(对比图4～图6和图9～图11)，具体制作步骤如下：
如图2所示，所用衬底为透明玻璃基板1。在玻璃基板1上磁控溅射生长一层100～200纳米厚的金属铬膜，然后光刻和刻蚀形成金属栅电极2。
如图3所示，采用等离子增强化学汽相淀积(PECVD)方法生长一层100～300纳米厚的氮化硅薄膜，形成栅电极2的栅介质层3。
如图9所示，用射频磁控溅射淀积一层150纳米厚的非晶氧化锌基金属氧化物半导体材料。所用的靶由氧化镓、氧化铟和氧化锌三种材料混合构成，三种材料的摩尔比优选为3:3:1。溅射气压为1Pa，氧气与氩气的分压比为五百分之一。此时，所生成的整个金属氧化物半导体层4’由于产生过量的氧，而呈现为低载流子浓度的高阻材料。如电阻率仍不够高，可将样品置于氧气气氛，300℃的温度下热处理30分钟。
如图10所示，采用等离子增强化学汽相淀积(PECVD)方法生长一层50纳米厚的氮化硅薄膜41，然后光刻和刻蚀氮化硅41和其下的金属氧化物半导体层4’，形成晶体管的有源区。
如图11所示，再次光刻和刻蚀氮化硅层41，使得其下金属氧化物半导体层4’的两端部分露出，然后在真空腔内，300℃的温度下热处理30分钟。这样，金属氧化物半导体层4’两端的部分由于氧空位产生，而被转变成高载流子浓度的材料，而成为器件的源区6和漏区7。而半导体层中间被氮化硅覆盖的区域仍然维持为低载流子浓度的高阻区，成为器件的沟道区5。
如图7所示，用磁控溅射方法淀积一层100～300纳米厚的氮化硅层，即钝化层8，然后光刻和刻蚀形成电极的接触孔9和10。
如图8所示，用磁控溅射方法淀积一层100～300纳米厚的金属铝膜，然后光刻和刻蚀制成薄膜晶体管各电极的金属引出电极和互连线11和12。
上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。
Claims (10)
1.一种金属氧化物薄膜晶体管，形成于玻璃衬底之上，包括一栅电极，一栅介质层，一沟道区，一源区和一漏区，所述栅电极位于玻璃衬底之上，所述栅介质层位于玻璃衬底和栅电极之上，覆盖栅电极，所述沟道区、源区和漏区位于栅介质层上，源区和漏区分别在沟道区两端并与沟道区相连，而沟道区在栅电极的上方，其特征是：所述源区和漏区与沟道区为同一层金属氧化物半导体薄膜，未偏置状态下，源漏区为高载流子浓度区，而沟道区为低载流子浓度区。
2.如权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征是：所述源、漏区的高载流子浓度是通过真空或氢气或氮气气氛下热处理金属氧化物半导体薄膜产生的；沟道区的低载流子浓度是通过在氧气气氛下热处理金属氧化物半导体薄膜获得的。
3.权利要求1所述金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，包括以下步骤：
1)在玻璃衬底上生长一层导电薄膜，然后光刻和刻蚀形成栅电极；
2)在玻璃衬底上覆盖栅电极生长一层绝缘介质层作为栅介质层；
3)在栅介质层上生长一层金属氧化物半导体层，然后在真空或氢气或氮气气氛中进行热处理；
4)在金属氧化物半导体层上生长一层保护介质层，并光刻和刻蚀保护介质层和金属氧化物半导体层形成器件的有源区，包括源区、漏区和沟道区；
5)光刻和刻蚀保护介质层，使金属氧化物半导体层的沟道区露出，然后在氧气气氛中热处理；
6)最后进入晶体管制作的后道工序，制得所述的薄膜晶体管。
4.如权利要求3所述的制作方法，其特征是：所述步骤3)采用射频磁控溅射技术生长金属氧化物半导体层，其中溅射气压为0.5～2Pa，氧气与氩气的分压比小于或等于千分之一，所生长的金属氧化物半导体层在真空或氢气或氮气气氛中热处理，处理温度200～400℃，时间0.5～1小时。
5.如权利要求4所述的制作方法，其特征是：所述步骤3)射频磁控溅射技术生长金属氧化物半导体层使用的靶由氧化镓、氧化铟和氧化锌的混合材料构成，三种材料的摩尔含量X、Y、Z分别是40％<X<50％，40％<Y<50％，10％<Z<20％。
6.如权利要求3所述的制作方法，其特征是：所述步骤5)在氧气气氛中热处理的温度是200～400℃，时间0.5～1小时。
7.权利要求1所述金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，包括以下步骤：
a.在玻璃衬底上生长一层导电薄膜，然后光刻和刻蚀形成栅电极；
b.在玻璃衬底上覆盖栅电极生长一层绝缘介质层作为栅介质层；
c.在栅介质层上生长一层金属氧化物半导体层，然后在氧气气氛中进行热处理；
d.在金属氧化物半导体层上生长一层保护介质层，并光刻和刻蚀保护介质层和金属氧化物半导体层形成器件的有源区，包括源区、漏区和沟道区；
e.光刻和刻蚀保护介质层，使金属氧化物半导体层两端的源区和漏区露出，然后在在真空或氢气或氮气气氛中热处理；
f.最后进入晶体管制作的后道工序，制得所述的薄膜晶体管。
8.如权利要求7所述的制作方法，其特征是：所述步骤c采用射频磁控溅射技术生长金属氧化物半导体层，其中溅射气压为0.5～2Pa，氧气与氩气的分压比大于千分之一，所生长的金属氧化物半导体层在氧气气氛中热处理，处理温度200～400℃，0.5～1小时。
9.如权利要求8所述的制作方法，其特征是：所述步骤c射频磁控溅射技术生长金属氧化物半导体层使用的靶由氧化镓、氧化铟和氧化锌的混合材料构成，三种材料的摩尔含量X、Y、Z分别是40％<X<50％，40％<Y<50％，10％<Z<20％。
10.如权利要求7所述的制作方法，其特征是：所述步骤e在真空或氢气或氮气气氛中热处理的温度是200～400℃，时间0.5～1小时。
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