專利名稱：頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及頂柵型薄膜晶體管領域，尤其涉及頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法。
背景技術(shù)：
與目前在液晶顯示器有源驅(qū)動矩陣中廣泛采用的非晶硅TFT (薄膜場效應晶體管)相比，氧化物半導體TFT具有如下優(yōu)勢(1)場效應遷移率高；(2)開關比高；(3)制備工藝溫度低；(4)可以制作大面積非晶薄膜，均勻性好，具有良好一致的電學特性；(5)受可見光影響小，比非晶硅和有機薄膜晶體管穩(wěn)定；(6)可以制作成透明器件。在平板顯示領域，氧化物TFT技術(shù)幾乎滿足包括AMOLED驅(qū)動、快速超大屏幕液晶顯示、3D顯示等諸多顯示模式的所有要求。在柔性顯示方面，襯底材料不能承受高溫，而氧化物TFT的制備工藝溫度低，與柔性襯底兼容，因而具備較大優(yōu)勢。
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基于氧化物半導體的頂柵薄膜晶體管的優(yōu)點有光刻工藝次數(shù)少，制造工藝簡單，制造成本低；柵極與源漏極之間的寄生電容?。徊淮嬖诜唇化B結(jié)構(gòu)中臺階覆蓋的問題，柵極絕緣層可以很薄，柵極可以更厚，有利于減小RC導致的信號延遲；有源層也可以很薄，有利于減少有源層對光的吸收，降低光對TFT性能的影響；適合R2R工藝(卷對卷工藝)。但是，目前頂柵薄膜晶體管器件的性能較低，其表現(xiàn)在1、晶體管的場效應遷移率較低；2、TFT的輸出特性在低漏極電壓時，會出現(xiàn)電流擁擠現(xiàn)象。另外，目前的電極材料具有與有源層半導體材料并不相匹配的功函數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，以使晶體管的場效應遷移率更高，且在薄膜場效應晶體管在低漏極電壓時，不容易出現(xiàn)電流擁擠現(xiàn)象，本發(fā)明提供了頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法。頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法，所述頂柵氧化物薄膜晶體管包括氧化物半導體層、源極和漏極，所述源極和漏極分別與氧化物半導體層接觸，所述氧化物半導體層采用氧化銦、氧化鎵、氧化鋅或氧化錫、或者銦、鎵、鋅、錫的二元或多元氧化物，采用變化的磁場對源極、漏極和氧化物半導體層進行輻射。采用上述方案后，變化的磁場在源極、漏極上產(chǎn)生感應電流，源極和漏極被迅速加熱，與源極和漏極接觸的氧化物半導體層也被加熱，導電性能提高，電導率增大，在變化的磁場的輻射下也產(chǎn)生感應電流而被加熱，這樣與源極和漏極接觸的氧化物半導體層不僅受源極和漏極的傳導加熱，還被感應加熱，溫度迅速升高，使金屬與氧之間弱的離子鍵斷裂，載流子濃度迅速提高，氧化物半導體層、以及氧化物半導體層與源極和漏極接觸區(qū)域的導電率大幅上升；另外，加熱使得源極和漏極的材料在氧化物的擴散、以及在相互接觸區(qū)域合金的形成還降低了源極和漏極與氧化物半導體層的接觸電阻(源極和漏極分別與氧化物半導體層之間形成了良好的接觸)，進一步降低了源極和漏極總串聯(lián)電阻。這樣，晶體管的場效應遷移率會較高，因為當源極漏極串聯(lián)電阻較大時，施加的漏極電壓在較高的源極漏極串聯(lián)電阻上有一個較大的不可忽略的電壓降，從而導致場效應遷移率的下降；同時，也可以減少或避免出現(xiàn)電流擁擠現(xiàn)象，因為源極漏極串聯(lián)電阻較大時，當TFT的輸出特性在低漏電壓時，會出現(xiàn)電流擁擠現(xiàn)象。在更優(yōu)的方案中，所述頂柵氧化物薄膜晶體管的基板采用柔性材料，所述柔性材料包括塑料。在更優(yōu)的方案中，對源極、漏極和與源極和漏極接觸的氧化物半導體層采用激光輔助加熱。在更優(yōu)的方案中，還包括如下步驟
1.1)在基板上沉積導電層；1. 2)刻蝕所述導電層形成源極和漏極；1. 3)在所述基板、源極和漏極上沉積氧化物半導體薄膜；1. 4)采用氫氟酸濕法刻蝕氧化物半導體薄膜形成氧化物半導體層；1. 5)在氧化物半導體層上沉積形成柵極絕緣層； 1.6)在柵極絕緣層上沉積形成柵極；
在步驟1. 4)和步驟1. 6)之間采用變化的磁場對源極、漏極和氧化物半導體層進行輻射。在更優(yōu)的方案中，所述步驟1. 5)包括
在氧化物半導體層上沉積柵極絕緣薄膜；
在柵極絕緣薄膜上沉積柵極金屬層；
刻蝕柵極金屬層形成柵極；
以柵極為掩膜，刻蝕柵極絕緣薄膜形成柵極絕緣層。在更優(yōu)的方案中，采用磁控濺射形成氧化物半導體薄膜，磁控濺射靶材由摩爾百分比相等的In203、Ga203、Zn0組成，氧化物半導體薄膜的厚度為10_2000nm。在更優(yōu)的方案中，源極和漏極的材料采用鈦、銀、金、鉻、鋁、銅、鑰、鉭、鎢中的一種、或者一種以上的合金、或源極和漏極采用透明導電膜如ΙΤ0、ΙΖ0。由于上述材料具有與有源層半導體材料相匹配的功函數(shù)，因而可以降低接觸勢壘，并利于載流子的注入，從而減少歐姆接觸電阻，提高器件的性能。在更優(yōu)的方案中，還包括如下步驟
2.1)在基板上沉積氧化物半導體薄膜；
2.2)采用氫氟酸濕法刻蝕氧化物半導體薄膜形成氧化物半導體層；
2.3)在氧化物半導體層上沉積導電層；
2.4)刻蝕所述導電層形成源極和漏極；
2.5)在所述氧化物半導體層、源極和漏極上沉積形成柵極絕緣層；
2.6)在柵極絕緣層上沉積形成柵極；
在步驟2. 4)和步驟2. 5)之間采用變化的磁場對源極、漏極和氧化物半導體層進行輻射。在更優(yōu)的方案中，采用磁控濺射形成氧化物半導體薄膜，磁控濺射靶材由摩爾百分比相等的In203、Ga203、Zn0組成，氧化物半導體薄膜的厚度為10_2000nm。
在更優(yōu)的方案中，氧化物半導體薄膜的載流子濃度小于1015cm_3，經(jīng)過變化的磁場輻射后，與源極和漏極接觸的氧化物半導體層的載流子濃度大于102°cnT3。上述方案控制氧化物半導體薄膜中的載流子濃度，使氧化物半導體薄膜中的載流子濃度與源漏電極載流子濃度有2個數(shù)量級，進一步有5個數(shù)量級以上的差異，利用變化的磁場對源極、漏極、以及與源極和漏極接觸的氧化物半導體層進行加熱的方法，大大低了源極和漏極之間的串聯(lián)電阻。上述方案對源極、漏極和氧化物半導體層的加熱迅速，可以有效降低工藝溫度，保持基板處于低溫狀態(tài)，因而可以采用柔性基板，并且可以降低工藝難度，降低生產(chǎn)成本。


圖1是本發(fā)明一種實施例的頂柵氧化物薄膜晶體管的剖面示意 圖2是本發(fā)明另一種實施例的頂柵氧化物薄膜晶體管的剖面示意圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施例作進一步詳細說明。實施例1
如圖1所示，一種實施例的頂柵氧化物薄膜晶體管，包括基板1、形成在基板I上的源極3和漏極4、形成在源極3、漏極4和基板I上的氧化物半導體層2、在氧化物半導體層2上的柵極絕緣層5、以及在柵極絕緣層5上的柵極5，氧化物半導體層2包括與柵極區(qū)域?qū)臏系绤^(qū)域21、以及溝道區(qū)域21兩邊分別與源極3和漏極4接觸的區(qū)域22和區(qū)域23，溝道區(qū)域21位于源極3和漏極4之間，其中，柵極6與絕緣層5以及溝道區(qū)域21可以形成自對準。本實施例的頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法包括下列步驟1.1、基板I可以是玻璃、石英、硅片或其它柔性基板如塑料、不銹鋼等，在基板I上沉積形成導電層，沉積方式可以采用熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、磁控濺射等，導電層可以是鈦、銀、金、鉻、鋁、銅、鑰、鉭、鎢等或透明導電膜，也可以是這些導電材料的合金，既可以是單層結(jié)構(gòu)，也可以是以這些導電層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的采用磁控濺射金屬鈦Ti，導電層厚度在IOnm-1OOOnm之間，較佳厚度為200nm，濺射的背景真空度小于IX 10 6托。1. 2、采用濕法或干法刻蝕導電層形成源極3和漏極4。1. 3、之后在源極3、漏極4和基板I上繼續(xù)沉積氧化物半導體薄膜，氧化物半導體材料可以是氧化銦、氧化鎵、氧化鋅、氧化錫等以及它們形成的二元、多元合金(二元或多元氧化物)。沉積方式可以采用激光沉積、MOCVD (氣相外延生長)、磁控濺射或電子束蒸發(fā)的方式，典型地，采用磁控濺射工藝制作IGZO薄膜，磁控濺射靶材采用In203、Ga203、和ZnO，三者的摩爾百分比為1: 1: 1，濺射功率2. 47ff/cm2,氣壓O. 5毫托，氧含量1%?；錓保持在室溫狀態(tài)，靶基距(磁控濺射靶材與基板I之間的距離)為7cm，背景真空小于IX 10_7托，預濺射lOmin。所形成的IGZO薄膜厚度為10_2000nm，較優(yōu)的厚度為50nm。氧化物半導體薄膜在氧化氣氛下退火，氧化氣氛為原子氧、氧氣、水、臭氧，退火方法可以為爐退火、紅外加熱或RTA，加熱溫度為100-600°C。氧化物半導體薄膜的載流子濃度小于1018cm_3，甚至小于IO15CnT3。當然，也可以通過控制氧分壓在O. 01-7. OPa之間，來控制氧化物半導體薄膜的載流子濃度。1. 4、采用氫氟酸濕法刻蝕氧化物半導體薄膜形成氧化物半導體層2。1. 5、利用變化的磁場對源極3、漏極4和氧化物半導體層2進行輻射?？梢岳酶袘€圈的開口一端貼近源極3和漏極4所在的膜層，通電產(chǎn)生的交變磁場垂直于源極3和漏極4，從而源極3和漏極4產(chǎn)生感應鏇渦電流,迅速加熱源極3和漏極4，從而加熱與兩者接觸的氧化物半導體層2的區(qū)域(例如區(qū)域22和區(qū)域23)，氧化物氧化物半導體層2被加熱后，導電性能提高，電導率增大，在磁場作用下也會產(chǎn)生漩渦電流，這樣，氧化物半導體層2與源極3和漏極4的接觸區(qū)域除了受源極3和漏極4的熱傳導加熱外，還受到感應加熱，溫度迅速升高導致氧化物半導體層2中弱的金屬與氧之間的離子鍵In-O鍵、Zn-O鍵斷裂，氧化物半導體層2的載流子濃度高于1018cm_3，進一步可高于102°cm_3，接觸區(qū)域電導率大幅
上升。源極3和漏極4的金屬在氧化物半導體層2中的擴散，以及接觸區(qū)域合金的形成也降低了源極3和漏極4與氧化物半導體層2的接觸電阻，進一步降低了源極3和漏極4的總串聯(lián)電阻。感應線圈電流、加熱時間可以根據(jù)源極3和漏極4采用的材料電導率、厚度的來調(diào)整。磁場頻率可以選擇工頻(50HZ)，中頻(1-10KHZ)和高頻(10KHZ以上)。加熱氣氛可以是惰性氣氛、氫氣或真空氣氛。氧化物半導體層2與源極3和漏極4的接觸區(qū)域的感應加熱還可以進一步以光輔助(如激光)加熱，進一步加速處理速度，進一步可以降低處理時的基板I的溫度。1. 6、在氧化物半導體層2上形成柵極絕緣薄膜，柵極絕緣薄膜的沉積方式可以采用PECVD、PLD、電子束蒸發(fā)、磁控濺射及ALD，可由氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)、氮氧化硅、氧化鋁、氧化釔或HfO2等制成，一種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)采用ALD技術(shù)，在室溫下沉積厚度IOOnm的a-SiOx柵極絕緣薄膜，沉積的背景真空小于I X 10 6托。1. 7、在柵極絕緣薄膜上形成柵極金屬層，柵極金屬層的沉積方式可以采用熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、磁控濺射等技術(shù)。1. 8、采用濕法或干法刻蝕柵極金屬層形成頂柵氧化物薄膜晶體管的柵極6，再以柵極6為掩膜，干法刻蝕柵極絕緣薄膜形成與柵極6圖案一致的頂柵氧化物薄膜晶體管柵極絕緣層5。其中，步驟1. 8可以在步驟1. 7之后，以源極3和漏極4為曝光掩膜，采用背面曝光方式實現(xiàn)自對準頂柵氧化物薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，即柵極6、柵極絕緣層5和溝道區(qū)域21均對準。上述步驟1. 6和步驟1. 5可以調(diào)換順序，之后再進行步驟1. 7和步驟1. 8，在步驟1. 8中，同樣可以采用背面曝光方式實現(xiàn)自對準頂柵氧化物薄膜晶體管結(jié)構(gòu)。實施例2
如圖2所示，頂柵氧化物薄膜晶體管包括基板7、形成在基板上7的氧化物半導體層8、形成在氧化物半導體層8上的源極9和漏極10、形成在源極3、漏極4和氧化物半導體層8上的柵極絕緣層11、形成在柵極絕緣層11上的柵極12，氧化物半導體層8包括與柵極區(qū)域?qū)臏系绤^(qū)域81和溝道兩邊分別接觸到源漏電極9和10的區(qū)域82和83，溝道區(qū)域位于源極9和漏極10之間；
本實施例的頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法包括下列步驟
2.1、基板7可以是玻璃、石英、硅片或其它柔性基板如塑料、不銹鋼等，在基板7上沉積形成氧化物半導體薄膜，氧化物半導體材料可以是氧化銦、氧化鎵、氧化鋅、氧化錫等以及它們形成的二元、多元合金(二元或多元氧化物)。沉積方式可以采用激光沉積、MOCVD (氣相外延生長)、磁控濺射或電子束蒸發(fā)的方式，典型地，采用磁控濺射工藝制作IGZO薄膜，磁控濺射靶材采用In203、Ga203、和ZnO，三者的摩爾百分比為1: 1: 1，濺射功率2. 47W/cm2，氣壓O. 5毫托，氧含量1%?；?保持在室溫狀態(tài)，靶基距(磁控濺射靶材與基板7之間的距離)為7cm,背景真空小于I X 10〃托,預派射lOmin。所形成的IGZO薄膜厚度為10-2000nm,較優(yōu)的厚度為50nm。氧化物半導體薄膜在氧化氣氛下退火，氧化氣氛為原子氧、氧氣、水、臭氧，退火方法可以為爐退火、紅外加熱或RTA，加熱溫度為100-600°C。氧化物半導體薄膜的載流子濃度小于1018cm_3,進一步達到<1015cm_3。當然，也可以通過控制氧分壓在O. 01-7. OPa之間，來控制氧化物半導體薄膜的載流子濃度。2. 2、采用氫氟酸濕法刻蝕氧化物半導體薄膜形成氧化物半導體層8。2. 3、在氧化物半導體層8上沉積導電層，沉積方式可以采用熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、磁控濺射等，導電層可以是鈦、銀、金、鉻、鋁、銅、鑰、鉭、鎢等或透明導電膜如ITO、IZO等， 也可以是這些導電材料的合金，既可以是單層結(jié)構(gòu)，也可以是以這些導電層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的采用磁控派射金屬鈦Ti,導電層厚度在IOnm-1OOOnm之間，較佳厚度為200nm,濺射的背景真空度小于I X 10 6托。2. 4、采用濕法或干法刻蝕導電層形成源極3和漏極4。2. 5、此步驟與實施例1的步驟1. 5相同。2. 6、在氧化物半導體層8、源極9和漏極11上沉積柵極絕緣薄膜，柵極絕緣薄膜的沉積方式可以采用PECVD、PLD、電子束蒸發(fā)、磁控濺射及ALD，可由氮化硅(SiNx )、氧化硅(Si02)、氮氧化硅、氧化鋁、氧化釔或HfO2等制成，一種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)采用ALD技術(shù)，在室溫下沉積厚度IOOnm的a-SiOx柵極絕緣薄膜，沉積的背景真空小于I X 10 6托。2. 7、在柵極絕緣薄膜上形成柵極金屬層，柵極金屬層的沉積方式可以采用熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、磁控濺射等技術(shù)。2. 8、采用濕法或干法刻蝕柵極金屬層形成頂柵氧化物薄膜晶體管的柵極12，再以柵極12為掩膜，干法刻蝕柵極絕緣薄膜形成與柵極12圖案一致的頂柵氧化物薄膜晶體管柵極絕緣層11。步驟2. 8可以在步驟2. 7之后，以源極9和漏極11為曝光掩膜，采用背面曝光方式實現(xiàn)自對準頂柵氧化物薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，即柵極12、柵極絕緣層11和溝道區(qū)域81均對準。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法，所述頂柵氧化物薄膜晶體管包括氧化物半導體層、源極和漏極，所述源極和漏極分別與氧化物半導體層接觸，其特征是所述氧化物半導體層采用氧化銦、氧化鎵、氧化鋅或氧化錫、或者銦、鎵、鋅、錫的二元或多元氧化物，采用變化的磁場對源極、漏極和氧化物半導體層進行輻射。
2.如權(quán)利要求1所述的頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法，其特征是所述頂柵氧化物薄膜晶體管的基板采用柔性材料，所述柔性材料包括塑料。
3.如權(quán)利要求1所述的頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法，其特征是對源極、漏極和源漏氧化物半導體層采用激光輔助加熱。
4.如權(quán)利要求1所述的頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法，其特征是，還包括如下步驟1.1)在基板上沉積導電層；1. 2)刻蝕所述導電層形成源極和漏極；1. 3)在所述基板、源極和漏極上沉積氧化物半導體薄膜；1. 4)采用氫氟酸濕法刻蝕氧化物半導體薄膜形成氧化物半導體層；1. 5)在氧化物半導體層上沉積形成柵極絕緣層；1.6)在柵極絕緣層上沉積形成柵極；在步驟1. 4)和步驟1. 6)之間采用變化的磁場對源極、漏極和氧化物半導體層進行輻射。
5.如權(quán)利要求4所述的頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法，其特征是所述步驟1. 5)包括在氧化物半導體層上沉積柵極絕緣薄膜；在柵極絕緣薄膜上沉積柵極金屬層；刻蝕柵極金屬層形成柵極；以柵極為掩膜，刻蝕柵極絕緣薄膜形成柵極絕緣層。
6.如權(quán)利要求5所述的頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法，其特征是采用磁控濺射形成氧化物半導體薄膜，磁控濺射靶材由摩爾百分比相等的Ιη203、 Ga203、ZnO組成，氧化物半導體薄膜的厚度為10-2000nm。
7.如權(quán)利要求1所述的頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法，其特征是源極和漏極的材料采用鈦、銀、金、鉻、鋁、銅、鑰、鉭、鎢中的一種、或者一種以上的合金，或源極和漏極采用透明導電膜。
8.如權(quán)利要求1所述的頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法，其特征是，還包括如下步驟2.1)在基板上沉積氧化物半導體薄膜；2.2)采用氫氟酸濕法刻蝕氧化物半導體薄膜形成氧化物半導體層；2.3)在氧化物半導體層上沉積導電層；2.4)刻蝕所述導電層形成源極和漏極；2.5)在所述氧化物半導體層、源極和漏極上沉積形成柵極絕緣層；2.6)在柵極絕緣層上沉積形成柵極；在步驟2. 4)和步驟2. 5)之間采用變化的磁場對源極、漏極和氧化物半導體層進行輻射。
9.如權(quán)利要求8所述的頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法，其特征是采用磁控濺射形成氧化物半導體薄膜，磁控濺射靶材由摩爾百分比相等的Ιη203、 Ga203、ZnO組成，氧化物半導體薄膜的厚度為10-2000nm。
10.如權(quán)利要求5或8所述的頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法，其特征是氧化物半導體薄膜的載流子濃度小于1015cm_3，經(jīng)過變化的磁場輻射后，與源極和漏極接觸區(qū)域的氧化物半導體層的載流子濃度大于102°cnT3。
全文摘要
本發(fā)明公開了頂柵氧化物薄膜晶體管的制造方法，所述頂柵氧化物薄膜晶體管包括氧化物半導體層、源極和漏極，所述源極和漏極分別與氧化物半導體層接觸，所述氧化物半導體層采用氧化銦、氧化鎵、氧化鋅或氧化錫、或者銦、鎵、鋅、錫的二元或多元氧化物，采用變化的磁場對源極、漏極和氧化物半導體層進行輻射。本發(fā)明的頂柵氧化物薄膜晶體管的場效應遷移率較高，而且其輸出特性在低漏極電壓時，也不會出現(xiàn)電流擁擠現(xiàn)象。
文檔編號H01L21/336GK103000530SQ20121045291
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者劉萍 申請人:深圳丹邦投資集團有限公司