半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)及其制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)及其制造方法。半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)包括柵電極、介電層、有源層、源極、漏極與保護(hù)層。有源層與柵電極位在介電層的相反側(cè)上。源極配置在有源層上。漏極配置在有源層上。保護(hù)層配置于有源層上。保護(hù)層具有氫含量小于或等于0.1at%，并且薄膜片電阻大于或等于10^10Ohm/sq。
【專(zhuān)利說(shuō)明】半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氧化物半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)及其制造方法，特別是涉及具有通道保護(hù)層或半導(dǎo)體蝕刻阻障層的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前氧化物晶體管元件具有優(yōu)異的元件特性、極佳的均勻性以及適用于大面積且低溫制作工藝的特性，使得目前各個(gè)廠商紛紛投入該領(lǐng)域的研發(fā)。然而，氧化物晶體管雖然具有優(yōu)異的元件特性，但受到材料系統(tǒng)容易受到外界環(huán)境以及制作工藝手法所影響的限制，仍需要發(fā)展增進(jìn)元件特性及穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)及制作工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供氧化物半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)及其制造方法。半導(dǎo)體元件或陣列結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定、優(yōu)異的電性與操作效能。
[0004]為達(dá)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)包括柵電極、介電層、有源層、源極、漏極與保護(hù)層。有源層與柵電極位在介電層的相反側(cè)上。源極配置于在有源層上。漏極配置于在有源層上。保護(hù)層配置于有源層上。保護(hù)層具有氫含量小于或等于0.lat%，并且薄膜片電阻大于或等于10~100hm/sq。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)包括柵電極、介電層、有源層、源極、漏極與保護(hù)層。有源層與柵電極位在介電層的相反側(cè)上。源極配置于有源層上。漏極配置于有源層上。保護(hù)層配置于有源層上。保護(hù)層具有氫含量小于或等于0.lat%,并且薄膜片電阻大于或等于10~100hm/sq。保護(hù)層包括NbOx, 2.4〈x〈5。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的又另一方面，提供一種半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的制造方法。方法包括以下步驟。形成柵電極。形成介電層。形成有源層。有源層與柵電極位在介電層的相反側(cè)上。形成源極配置于有源層上。形成漏極配置于有源層上。形成保護(hù)層配置于有源層上。保護(hù)層具有氫含量小于或等于0.lat%，并且薄膜片電阻大于或等于10~100hm/sq。
[0007]為讓本發(fā)明的上述目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下:
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1繪示根據(jù)一實(shí)施例的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的剖視圖；
[0009]圖2繪示根據(jù)一實(shí)施例的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的剖視圖；
[0010]圖3繪示根據(jù)一實(shí)施例的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的剖視圖；
[0011]圖4繪示根據(jù)一實(shí)施例的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的剖視圖；
[0012]圖5繪示根據(jù)一實(shí)施例的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的剖視圖；
[0013]圖6繪示實(shí)施例與比較例的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的電性曲線；
[0014]圖7繪示實(shí)施例的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的電性曲線；[0015]圖8繪示比較例的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的電性曲線；
[0016]圖9繪示實(shí)施例與比較例的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的電性曲線；
[0017]圖10為根據(jù)實(shí)施例的圖案化薄膜的AEI影像。
[0018]符號(hào)說(shuō)明
[0019] 102、402、502 ~電極層;104、404 ~基板；106、206、306、406B、506 ~介電層；108、208、308、408、508 ~有源層；110、210、310、406A ~保護(hù)層；410 ~平坦層;112、412 ~開(kāi)口 ；114、214、314、414~第一導(dǎo)電兀件；116、216、316、416~第二導(dǎo)電兀件。
【具體實(shí)施方式】
[0020]圖1繪示根據(jù)一實(shí)施例的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的剖視圖。電極層102形成在基板104上。基板104可包括娃基材或玻璃或聚合物基板(polymer substrate)或金屬薄板(metalfoil)，基板上方可以覆蓋一層平坦層或是絕緣層，材料可以為氧化硅或氮化硅或有機(jī)材料如Polyimide或SOG(spin-on-glass)材料或類(lèi)似上述材料特性的材料。電極層102 (可以為柵極)其材料可以為鋁(Al)、鈦(Ti)、鑰(Mo)、AlNd或MoW或上述材料的組合或具導(dǎo)電特性的材料。介電層106形成在電極層102與基板104上。介電層106可包括氧化物、氮化物，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅，或其他合適的材料，其材料的漏電流密度(I eakagecurrent density)于lMV/cm電場(chǎng)強(qiáng)度下小于l(T7A/cm2。介電層106可以沉積的方法形成，例如化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法、旋布法或可以其他合適的方法形成。
[0021]有源層108形成在介電層106上。有源層108可包括硅基材料、有機(jī)半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體、或上述的組合。有源層108可包括銦鎵鋅氧化物(InGaZnO; IGZ0)或鋁錫鋅氧化物(AlSnZnO;ATZO)或氧化銦(InOx)、氧化鎵(GaOx)、氧化錫(SnOx)、氧化鋅(ZnO)或上述的組合。于一實(shí)施例中，有源層108包括InxZnySnzO，其中0.2蘭x/ (x+y+z) ^ 0.6,0.15 ^ y/(x+y+z) ^ 0.35,0.2 ^ z/ (x+y+z) ^ 0.5,這樣的條件可提升半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的電性與操作效能，其中，X、y、z為原子比例(atomic ratio, at%)0舉例來(lái)說(shuō),有源層108可在形成半導(dǎo)體薄膜之后，圖案化半導(dǎo)體薄膜而形成。半導(dǎo)體薄膜可以沉積的方法形成，例如化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法，或可以其他合適的方法形成。圖案化的方法包括但不限制黃光光刻蝕刻。
[0022]保護(hù)層110可形成在有源層108或介電層106上。于一實(shí)施例中，保護(hù)層110實(shí)體接觸有源層108。保護(hù)層110可具有開(kāi)口 112露出有源層108。于一實(shí)施例中，實(shí)體接觸在有源層108的保護(hù)層110能保護(hù)半導(dǎo)體元件在制作工藝中不受外界水/氧氣、或制作工藝中氣氛、環(huán)境因素的影響，以提升半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的特性。
[0023]在實(shí)施例中，保護(hù)層110的氫含量小于或等于0.lat%，并且薄膜片電阻需大于或等于 ICT IOOhm/sq,例如 ICT IOOhm/sq 至 10'140hm/sq,或大于 10'140hm/sq。保護(hù)層 110 可包括IIA~IVA、IIIB~VIIB元素的氧化物、氮化物或碳化物、或上述的組合。保護(hù)層110可包括硅(Si)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鉿(Hf)、釩(V)、釔(Y)、鑰(Mo)、錳(Mn)、錫(Sn)或鈣(Ca)的氧化物、氮化物或碳化物、或上述的組合。保護(hù)層110包括鈮(Nb)的氧化物。保護(hù)層110可包括Nb0x、NbxTiyO, NbxSiy0、或上述的組合。其中NbOx符合條件:
2.4〈x〈5。NbxTiyO 符合條件:0〈x/ (x+y)<l,0<y/ (x+y)〈l。NbxSiyO 符合條件:0〈x/ (x+y) <1,0〈y/(x+y)〈l。此外，保護(hù)層110也可以為T(mén)ixMnyO或TixAlyO的材料系統(tǒng)，其中材料的比例符合:0〈x/(x+y)〈l,0〈y/(x+y)〈l這樣的條件可提升半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的電性與操作效能。于一實(shí)施例中，保護(hù)層110以直流濺鍍(DC sputter)步驟形成薄膜，然后圖案化薄膜形成。舉例來(lái)說(shuō)，派鍍步驟使用IkW?3kW的直流電源、50sccm?200sccm的U1氣(Ar)、0sccm?50sccm的氧氣(O2)與派鍍革巴材。派鍍革巴材的電阻率可為0.1?0.000005 Ω-cm。派鍍革巴材可包括NbOx、NbxTiyO, NbxSiy0、或上述的組合或是TixMny或是TixAly系統(tǒng)。NbOx符合條件:2.4〈x〈5。NbxTiyO 符合條件:0〈x/ (x+y)<l,0<y/ (x+y)〈l。NbxSiyO 符合條件:0〈x/ (x+y) <1,0<y/ (x+y)〈I JixMny符合條件:0〈x/ (x+y)<l,0<y/ (x+y)〈I, TixAly符合條件:0〈x/ (x+y)〈I,0〈y/(x+y)〈l。這樣的條件可提升半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的電性與操作效能。圖案化薄膜的方法包括但不限制黃光光刻蝕刻。于一實(shí)施例中，保護(hù)層具有容易圖案化的優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)成精細(xì)圖案的特點(diǎn)。保護(hù)層110的形成方法非常簡(jiǎn)單、并具有穩(wěn)定、易于控制的好處。實(shí)施例使用直流濺鍍方式形成保護(hù)層110，靶材不會(huì)因制作工藝導(dǎo)致鍍膜品質(zhì)飄移，因此保護(hù)層110可具有穩(wěn)定的性質(zhì)。再者，直流(DC)或交流(AC)濺鍍制作工藝較射頻(RF)濺鍍具有容易導(dǎo)入大尺寸制作工藝的特點(diǎn)，因此產(chǎn)業(yè)界傾向開(kāi)發(fā)直流或交流濺鍍制作工藝，但直流及交流濺鍍制作工藝則受限于濺鍍靶材電阻率，一般而言濺鍍靶材電阻值不高于0.5 Ω-cm，否則可能影響制作工藝薄膜品質(zhì)跟良率以及產(chǎn)率。此外，濺鍍制作工藝可以有效降低制作工藝薄膜的氫含量低于0.lat%，具有不易影響氧化物半導(dǎo)體元件的特性。
[0024]第一導(dǎo)電元件114 (可以為源極或漏極其中之一)與第二導(dǎo)電元件116 (可以為漏極或源極其中之另一)配置在保護(hù)層Iio的開(kāi)口 112中而耦接于有源層108。第一導(dǎo)電元件114與第二導(dǎo)電元件116可延伸至保護(hù)層110的上表面上。第一導(dǎo)電元件114與第二導(dǎo)電元件116可包括金屬，例如銅、金、銀，或其他合適的材料。在一實(shí)施例中，第一導(dǎo)電元件114與第二導(dǎo)電元件116可在形成導(dǎo)電薄膜之后，圖案化導(dǎo)電薄膜而形成。導(dǎo)電薄膜可以沉積的方法形成，例如化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法，或可以其他合適的方法形成。圖案化的方法包括黃光光刻蝕刻，但本發(fā)明對(duì)此不限制。
[0025]在一實(shí)施例中，圖1所示的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)為下柵極式晶體管。其中電極層102用作柵電極。介電層106用作柵介電層。第一導(dǎo)電元件114與第二導(dǎo)電元件116分別用作源極導(dǎo)電元件與漏極導(dǎo)電元件。
[0026]在一實(shí)施例中，選擇的元件的材料與形成方法能使得半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的電性、穩(wěn)定的操作性質(zhì)。
[0027]圖2繪示根據(jù)一實(shí)施例的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖2的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)與圖1的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的差異在于保護(hù)層210僅形成在有源層208上。第一導(dǎo)電元件214與第二導(dǎo)電元件216形成在保護(hù)層210與有源層208的兩側(cè)上，并延伸至介電層206的至少一部分上表面上。
[0028]圖3繪示根據(jù)一實(shí)施例的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖3的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)與圖1的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的差異在于第一導(dǎo)電元件314與第二導(dǎo)電元件316形成在有源層308的兩側(cè)上，并延伸至介電層306的至少一部分上表面上。保護(hù)層310形成在第一導(dǎo)電元件314與第二導(dǎo)電元件316之間的有源層308上，并延伸在第一導(dǎo)電元件314、第二導(dǎo)電元件316與介電層306上。
[0029]在本發(fā)明一實(shí)施例中保護(hù)層310的結(jié)構(gòu)可以為單層薄膜或兩層或兩層以上的多層堆疊結(jié)構(gòu)。其材料除前述無(wú)機(jī)材料系統(tǒng)之外，也可以為有機(jī)材料或有機(jī)無(wú)機(jī)混合材料或sol-gel材料系統(tǒng)或旋布材料(spin-on-glass;SOG)材料系統(tǒng)。其中，在多層堆疊保護(hù)層310系統(tǒng)的實(shí)施例中，與有源層308(或半導(dǎo)體層)接觸的第一保護(hù)層(或者保護(hù)層310與有源層308接觸的部分)必須為直流或交流濺鍍形成的氧化物、氮化物、或碳化物的無(wú)機(jī)材料薄膜，其薄膜片電阻必須大于lxlO'lOohm/sq.以上。保護(hù)層310若為多層結(jié)構(gòu)時(shí)，其非與有源層308接觸的部分的制法包括但不限制化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、旋布法。
[0030]圖4繪示根據(jù)一實(shí)施例的上柵極式半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖4的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)與圖1的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的差異在于，有源層408形成在基板404上。保護(hù)層406A、介電層406B形成在有源層408上。柵極電極層402形成在介電層406B上。平坦層410形成在由保護(hù)層406A、介電層406B與電極層402構(gòu)成的堆疊結(jié)構(gòu)、有源層408與基板404上。平坦層410具有開(kāi)口 412露出有源層408。在一實(shí)施例中，第一導(dǎo)電元件414與第二導(dǎo)電元件416形成在平坦層410的開(kāi)口 412中而耦接至有源層408。在另一實(shí)施例中，第一導(dǎo)電元件414與第二導(dǎo)電元件416可延伸至平坦層410的至少一部分上表面上。
[0031]有源層408可包括硅基材料、有機(jī)半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體、或上述的組合。有源層408可包括銦鎵鋅氧化物(InGaZnO; IGZ0)或鋁錫鋅氧化物(AlSnZnO; ΑΤΖ0)或氧化銦(InOx)、氧化鎵(GaOx)、氧化錫(SnOx)、氧化鋅(ZnO)或上述的組合。在一實(shí)施例中，有源層408 包括 InxZnySnzO,其中 0.2 蘭 x/ (x+y+z) ^ 0.6,0.15 ^ y/ (x+y+z) ^ 0.35，0.2 ^ z/(χ+y+z) ^ 0.5，這樣的條件可提升半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的電性與操作效能。
[0032]在一實(shí)施例中，保護(hù)層406A實(shí)體接觸有源層408。保護(hù)層406A能保護(hù)其他元件在制作工藝中不受外界水/氧氣、或其他制作工藝因素的影響，以提升半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。在此實(shí)施例中，保護(hù)層406A也可具有介電材料的性質(zhì)。保護(hù)層406A可包括IIA~IVA、IIIB~VIIB元素的氧化物、氮化物或碳化物、或上述的組合。平坦層410可包括硅(Si)Ji(Ti)、鋁(Al)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鉿(Hf)、釩(V)、釔(Y)、鑰(Mo)、錳(Mn)、錫(Sn)或鈣(Ca)的氧化物、氮化物或碳化物、或上述的組合。保護(hù)層406A包括鈮(Nb)的氧化物。保護(hù)層406A可包括Nb0x、NbxTiyO, NbxSiy0、或上述的組合。其中NbOx符合條件:2.4〈x〈5。NbxTiyO符合條件:0〈X/(X+y)〈l，0〈y/(X+y)〈l。NbxSiyO符合條件:0〈x/(x+y)〈1，0〈y/(x+y)〈I。此外，保護(hù)層406A也可以為T(mén)ixMnyO或TixAlyO的材料系統(tǒng),其中材料的比例符合:0〈x/ (x+y) <1,0〈y/(x+y)〈l。這樣的條件可提升半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的電性與操作效能。在一實(shí)施例中，保護(hù)層406A以濺鍍步驟形成薄膜，然后圖案化薄膜形成。舉例來(lái)說(shuō)，濺鍍步驟使用IkW~3kW的直流電源、50sccm~200sccm的気氣(Ar)、0sccm~50sccm的氧氣(02)與派鍍祀材。派鍍靶材的電阻率可為0.1~0.000005 Ω -cm。濺鍍靶材可包括Nb0x、NbxTiyO, NbxSiy0、或上述的組合或是TixMny或是TixAly系統(tǒng)。NbOx符合條件:2.4〈x〈5。NbxTiyO符合條件:0〈x/(x+y)<l,0<y/(x+y)<lo NbxSiyO 符合條件:0〈x/(x+y)<l,0<y/(x+y)<l, TixMny 符合條件:0<x/ (x+y)〈1，0〈y/ (x+y)〈1，TixAly 符合條件:0<x/ (x+y)〈1，0〈y/ (x+y)〈I。。這樣的條件可提升半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的電性與操作效能。圖案化薄膜的方法包括黃光光刻蝕刻，但本發(fā)明對(duì)此不限制。在一實(shí)施例中，保護(hù)層406A具有容易圖案化的優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)成精細(xì)圖案的特點(diǎn)。保護(hù)層406A的形成方法非常簡(jiǎn)單、并具有穩(wěn)定、易于控制的好處。在一實(shí)施例中，使用直流濺鍍方式形成保護(hù)層406A，靶材不會(huì)因制作工藝導(dǎo)致鍍膜品質(zhì)飄移，因此保護(hù)層406A 可具有穩(wěn)定的性質(zhì)。再者，濺鍍制作工藝因制作工藝中可以有降低制作工藝薄膜氫含量小于0.lat%，因此具有不易影響氧化物晶體管元件的特性，因此，半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)可具有穩(wěn)定、優(yōu)異的操作效能。
[0033]在實(shí)施例中，圖4所示的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)為上柵極式晶體管。其中電極層402用作柵電極。保護(hù)層406A、介電層406B用作柵介電層。第一導(dǎo)電兀件414與第二導(dǎo)電兀件416分別用作源極導(dǎo)電元件與漏極導(dǎo)電元件。
[0034]圖5繪示根據(jù)一實(shí)施例的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖5的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)與圖4的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的差異在于，使用介電層506配置在有源層508與電極層502之間同時(shí)具有介電層的功能。
[0035]圖6繪示實(shí)施例1、比較例2、比較例3之半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的電性曲線，其實(shí)施例1、比較例2及比較例3的有源層均相同，均為銦鎵鋅的氧化物(IGZ0)，其中銦(In):鎵(Ga):鋅(Zn)的比例約為1:1:1，此比例為莫耳比。其中實(shí)施例1使用以直流濺鍍法形成的鈮的氧化物(NbOx)作為保護(hù)層。比較例2使用以等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法(PECVD)形成的SiO2作為保護(hù)層。比較例3沒(méi)有使用任何保護(hù)層。長(zhǎng)時(shí)間電流應(yīng)力測(cè)試(long-termstress;LTS)的條件為柵極電壓為20V，初始輸出電流為80uA的狀況下比較各例于1800秒的時(shí)間內(nèi)輸出電流衰退的狀況。從圖6的結(jié)果可以看出，實(shí)施例1的電流衰退〈2%，比較例2的電流衰退約5%，比較例3的電流衰退>20%。其中實(shí)施例1的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的操作效能及穩(wěn)定性。
[0036]比較例2雖然使用了 PECVD制作工藝沉積SiO2薄膜作為保護(hù)層，推測(cè)是因?yàn)镻ECVD形成SiO2保護(hù)層的反應(yīng)氣體所產(chǎn)生的氫等離子體使得氧化物半導(dǎo)體中擴(kuò)散氫原子或氫離子使得氧化物半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生缺陷造成元件于長(zhǎng)時(shí)間電流應(yīng)力測(cè)試時(shí)發(fā)生穩(wěn)定性較差的狀況，且這樣的缺陷不易通過(guò)后續(xù)回火制作工藝改善。此外，制作工藝中過(guò)多的氫氣含量會(huì)使得氧化物半導(dǎo)體因?yàn)閾诫s了過(guò)多的氫原子或氫離子使得氧化物半導(dǎo)體薄膜由原本的具半導(dǎo)體特性轉(zhuǎn)變成接近導(dǎo)體的特性，如此會(huì)使得氧化物薄膜晶體管元件失效，因此使用PECVD形成SiO2保護(hù)層的制作工藝能使用的參數(shù)范圍非常窄，裝置的品質(zhì)不容易控制維持穩(wěn)定。一般而言，使用PECVD形成的SiO2薄膜內(nèi)氫含量約在I?4at.%，而實(shí)施例1使用濺鍍法形成的保護(hù)層其氫含量具有小于或等于0.lat%的特性，因此可以降低對(duì)于氧化物半導(dǎo)體特性的影響同時(shí)具有保護(hù)特性。比較例3因?yàn)檠趸锇雽?dǎo)體元件并沒(méi)有覆蓋任何的保護(hù)層，因此在長(zhǎng)時(shí)間電流應(yīng)力測(cè)試時(shí)，氧化物半導(dǎo)體會(huì)與空氣中的水氣，氧氣以及氫氣反應(yīng)產(chǎn)生缺陷，所以元件特性衰退非?？?。
[0037]圖7與圖8分別繪示實(shí)施例1與比較例2的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間電流應(yīng)力測(cè)試前后的Id-Vg曲線。圖7顯示實(shí)施例1的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的Vt飄移約0.08V，遠(yuǎn)小于圖8顯示比較例2的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的Vt飄移約0.4V。因此可以證明實(shí)施例1的濺鍍氧化物保護(hù)層具有比比較例2使用PECVD制作工藝的SiO2保護(hù)層對(duì)于氧化物半導(dǎo)體具有更佳的保護(hù)性。
[0038]圖9繪示實(shí)施例4、實(shí)施例5、比較例6的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的IchVg曲線特性。實(shí)施例4使用InxZnySnzO有源層，其符合條件χ=0.33，y=0.19，z=0.48。實(shí)施例5使用InxZnySnzO有源層，其符合條件x=0.4，y=0.22, z=0.38，上述兩個(gè)比例為原子比例。比較例6使用一般的IGZ0(1114)有源層。其中，實(shí)施例4及5的InSnZnO的元素比例為此次發(fā)明中所提出，而比較例6則是使用常見(jiàn)的IGZO元素比例，為了客觀比較不同氧化物半導(dǎo)體元件特性，因此在實(shí)施例4以及5以及比較例6這三個(gè)氧化物半導(dǎo)體元件除了半導(dǎo)體層成分或元素不同之外，均使用DC直流濺鍍方式成長(zhǎng)，均使用本次發(fā)明中圖1的結(jié)構(gòu)，其中，鋁鈦堆疊薄膜為柵極與源極跟漏極電極材料，柵極介電層為PECVD沉積的SiO2薄膜，保護(hù)層為濺鍍方式形成的氧化鈮(NbOx)，由圖9比較三者氧化物薄膜晶體管元件可以發(fā)現(xiàn)實(shí)施例4的元件特性最佳，且實(shí)施例4及5均比常用的IGZO系統(tǒng)特性佳，其電子遷移率約為IGZO系統(tǒng)1.5倍以上。
[0039]在圖1至圖5的實(shí)施例結(jié)構(gòu)中，薄膜晶體管元件中的通道長(zhǎng)度(channel length)是由保護(hù)層圖案化的能力控制，一般而言，在固定元件的通道寬度之下，較短的通道長(zhǎng)度的元件可以提供較大的輸出電流以及較快的驅(qū)動(dòng)速度，圖10為本次提出的濺鍍保護(hù)層的圖案化能力驗(yàn)證，在此實(shí)施例為保護(hù)層經(jīng)過(guò)蝕刻制作工藝圖案化后的影像，由此圖可以觀察到保護(hù)層即使在2um的圖案上也能精確達(dá)成，已經(jīng)可以適用目前所有的氧化物薄膜晶體管中的于通道長(zhǎng)度需求。
[0040]在本發(fā)明中，若無(wú)特別注明時(shí)，于氧化物半導(dǎo)體成分比例的x，y.z指的是原子比例(atomic ratio, at%),而針對(duì)保護(hù)層材料比例的x, y, z貝丨J為莫耳比例(molecularratio, mol%)。
[0041]雖然已結(jié)合以上較佳實(shí)施例公開(kāi)了本發(fā)明，然而其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做些許更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以附上的權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)，包括: 柵電極； 介電層； 有源層，其中該有源層與該柵電極位在該介電層的相反側(cè)上； 源極，配置于該有源層上； 漏極，配置于該有源層上；以及 保護(hù)層，配置于該有源層上，其中該保護(hù)層具有氫含量小于或等于0.lat%，并且薄膜片電阻大于或等于10~100hm/sq。
2.—種半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)，包括: 柵電極； 介電層； 有源層，其中該有源層與該柵電極位在該介電層的相反側(cè)上； 源極，配置于該有源層上； 漏極，配置于該有源層上；以及 保護(hù)層，配置于該有源層上，其中該保護(hù)層具有氫含量小于或等于0.lat%，并且薄膜片電阻大于或等于10~10011111/89,該保護(hù)層材料至少包括他0!￡,2.4〈x〈5。
3.如權(quán)利要求1~2其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)，其中該保護(hù)層具有單層或多層結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1~2其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)，其中該保護(hù)層包括無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料、或上述的組合。
5.如權(quán)利要求1~2其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)，其中該保護(hù)層與該有源層接觸的部分是無(wú)機(jī)材料。
6.如權(quán)利要求1~2其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)，其中該保護(hù)層是以濺鍍的方式形成。
7.如權(quán)利要求6其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)，其中濺鍍制作工藝使用的保護(hù)層材料的革巴材電阻率在0.1~5x10' 6ohm_cm。
8.如權(quán)利要求1~2其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)，其中該保護(hù)層為多層結(jié)構(gòu)，該保護(hù)層中未與該有源層接觸的部分的制法包括化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)J^布法。
9.如權(quán)利要求1~2其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)，其中該保護(hù)層包括NbOx、NbxTiyO、NbxSiyO、或上述的組合，NbOjJ^合條件:2.4〈x〈5，NbxTiyO 與 NbxSiyO 符合條件:0〈x/(x+y)<l,0<y/(x+y)<lo
10.如權(quán)利要求1~2其中之一所敘述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)，其中該保護(hù)層包含TixMnyO或TixAlyO的材料系統(tǒng),其中材料的比例符合:0〈x/(x+y)〈l,0〈y/(x+y)〈l。
11.如權(quán)利要求1~2其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)，其中該有源層包括銦鎵鋅氧化物(InGaZnO; IGZ0)、鋁錫鋅氧化物(AlSnZnO;ATZO)、氧化銦(InOx)、氧化鎵(GaOx)、氧化錫(SnOx)、氧化鋅(ZnO)或上述的組合。
12.如權(quán)利要求1~2其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)，其中該有源層包括InxZnySnzO,其中 0.2 蘭 x/ (x+y+z) = 0.6,0.15 = y/ (x+y+z) = 0.35,0.2 = z/ (x+y+z) = 0.5。
13.—種半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的制造方法，包括: 形成一柵電極； 形成一介電層； 形成一有源層，其中該有源層與該柵電極位在該介電層的相反側(cè)上； 形成一源極配置于該有源層上； 形成一漏極配置于該有源層上；以及 形成一保護(hù)層配置于該有源層上，其中該保護(hù)層具有氫含量小于或等于0.lat%，并且薄膜片電阻大于或等于10~100hm/sq。
14.如權(quán)利要求13其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其中該保護(hù)層具有單層或多層結(jié)構(gòu)。
15.如權(quán)利要求13其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其中該保護(hù)層包括無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料、或上述的組合。
16.如權(quán)利要求13其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其中該保護(hù)層與該有源層接觸的部分是無(wú)機(jī) 材料。
17.如權(quán)利要求13其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其中該保護(hù)層是以濺鍍的方式形成。
18.如權(quán)利要求17其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其中濺鍍制作工藝使用的保護(hù)層材料的祀材電阻率在0.1~5xl0~_6ohm-cm。
19.如權(quán)利要求13其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其中該保護(hù)層為多層結(jié)構(gòu)，該保護(hù)層中未與該有源層接觸的部分的制法包括化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、旋布法。
20.如權(quán)利要求13其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其中該保護(hù)層包括NbOx、NbxTiyO、NbxSiyO、或上述的組合，NbOj^合條件:2.4〈x〈5，NbxTiyO 與 NbxSiyO 符合條件:0<x/(x+y)<l,0<y/(x+y)<lo
21.如權(quán)利要求1~2其中之一所敘述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)，其中該保護(hù)層包含TixMnyO或TixAlyO的材料系統(tǒng),其中材料的比例符合:0〈x/(x+y)〈l,0〈y/(x+y)〈l。
22.如權(quán)利要求13其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其中該有源層包括銦鎵鋅氧化物(InGaZnO; IGZ0)、鋁錫鋅氧化物(AlSnZnO; ATZO)、氧化銦(InOx)、氧化鎵(GaOx)、氧化錫(SnOx)、氧化鋅(ZnO)或上述的組合。
23.如權(quán)利要求13其中之一所述的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其中該有源層包括 InxZnySnzO,其中 0.2 蘭 x/ (x+y+z) ^ 0.6,0.15 ^ y/ (x+y+z) ^ 0.35，0.2 ^ z/(x+y+z)蘭 0.5。
【文檔編號(hào)】H01L29/786GK103972297SQ201310159532
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月5日
【發(fā)明者】顏精一, 洪楚茵, 陳良湘, 姚曉強(qiáng), 蔡武衛(wèi) 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院