一種氧化物薄膜晶體管及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氧化物薄膜晶體管及其制造方法，該晶體管包括源極、漏極和IGZO薄膜層，還包括鉿釹合金薄膜層，所述IGZO薄膜層的第一表面與所述源極和漏極接觸，所述IGZO薄膜層的與第一表面相背的另一表面與所述鉿釹合金薄膜層接觸。本氧化物薄膜晶體管具有穩(wěn)定的電學性能。
【專利說明】一種氧化物薄膜晶體管及其制造方法
【【技術領域】】
[0001]本發(fā)明涉及晶體管領域，具體涉及氧化物薄膜晶體管及其制造方法。
【【背景技術】】
[0002]在近十幾年的時間中，以硅基TFT為驅動單元的液晶顯示器件以其體積小、重量輕、品質高等一系列優(yōu)點獲得了迅速發(fā)展，并成為主流的信息顯示終端。然而隨著人們對顯示器件分辨率、響應速度、穩(wěn)定性等性能要求的提高，以硅材料為有源層的TFT暴露出一系列的問題，a-Si TFT背板由于其自身遷移率較低(一般小于0.5cm2/(Vs))，無法實現(xiàn)高分辨率顯示；低溫多晶硅TFT技術生產工藝復雜，設備投資高，面板面臨均勻性差、良品率低、生產成本居高不下等難以克服的問題，其在大尺寸平板顯示領域的進一步發(fā)展受到較大限制。[0003]與目前在液晶顯示器有源驅動矩陣中廣泛采用的硅TFT相比，氧化物半導體TFT具有如下優(yōu)勢:(I)場效應遷移率較高；(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技術幾乎滿足包括AMOLED驅動、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，因而氧化物TFT具備較大優(yōu)勢。
[0004]但是目前的IGZO薄膜晶體管的性能并不穩(wěn)定。
【
【發(fā)明內容】
】
[0005]經過研究發(fā)現(xiàn)電學穩(wěn)定性較低的原因是:傳統(tǒng)的IGZO薄膜晶體管由于在IGZO薄膜中存在氧空位，因此其載流子遷移率相對較低，在經過一段時間持續(xù)工作后，閾值電壓出現(xiàn)較大漂移。
[0006]為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種氧化物薄膜晶體管及其制造方法，以使IGZO氧化物薄膜晶體管具有更穩(wěn)定的閾值電壓以及降低亞閾值擺幅。
[0007]—種氧化物薄膜晶體管，包括源極、漏極和IGZO薄膜層，還包括鉿釹合金薄膜層，所述IGZO薄膜層的第一表面與所述源極和漏極接觸，所述IGZO薄膜層的與第一表面相背的另一表面與所述鉿釹合金薄膜層接觸。
[0008]優(yōu)選地,所述鉿釹合金中，鉿、釹原子數(shù)量的比值為1%至10%之間。
[0009]優(yōu)選地，IGZO薄膜層的層數(shù)至少是兩層，鉿釹合金薄膜層的層數(shù)至少是兩層，IGZO薄膜層和鉿釹合金薄膜層交替層疊。
[0010]優(yōu)選地，還包括基板和柵極絕緣層，所述IGZO薄膜層包括第一 IGZO薄膜層和第二IGZO薄膜層，所述源極和漏極在所述基板上，所述第一 IGZO薄膜層在所述基板上、且分別與所述源極和漏極接觸，所述第一 IGZO薄膜層上依次層疊所述鉿釹合金薄膜層、第二 IGZO薄膜層、柵極絕緣層和柵極。[0011]優(yōu)選地，還包括柵極絕緣層，所述鉿釹合金薄膜層上層疊所述IGZO薄膜層，所述源極和漏極在所述IGZO薄膜層上，所述柵極絕緣層在所述IGZO薄膜層上、且分別與源極和漏極接觸。
[0012]優(yōu)選地，所述鉿釹合金薄膜層的厚度占鉿釹合金薄膜層與IGZO薄膜層厚度總和的0.01%至30%，每一層鉿釹合金薄膜層的厚度不超過15nm，鉿釹合金薄膜層與IGZO薄膜層厚度總和在IO-1OOnm之間。
[0013]上述鉿釹合金可以是金屬與金屬或金屬氧化物的合金，氧化物并不僅限于完全化學計量匹配的狀況，對應為缺氧或富氧的氧化鉿或氧化釹。
[0014]本發(fā)明還提供了一種氧化物薄膜晶體管制造方法，包括如下步驟:
[0015]源漏極制造步驟:在基板上形成源極和漏極；
[0016]層疊薄膜制造步驟:在源極、漏極和基板上沉積第一 IGZO薄膜層，然后在第一IGZO薄膜層上依次沉積鉿釹合金薄膜層和第二 IGZO薄膜層，然后將附有源極、漏極、第一IGZO薄膜層、鉿釹合金薄膜層和第二 IGZO薄膜層的基板在200-600°的范圍內，在空氣中退火；其中，所述鉿釹合金中，鉿、釹原子數(shù)量的比值為1%至10%之間；
[0017]在第二 IGZO薄膜層沉積柵極絕緣層，在柵極絕緣層上形成柵極。
[0018]本發(fā)明還提供了一種氧化物薄膜晶體管制造方法，包括如下步驟:
[0019]層疊薄膜制造步驟:在基板上依次沉積鉿釹合金薄膜層和IGZO薄膜層，然后將附有鉿釹合金薄膜層和IGZO薄膜層的基板在200-600°的范圍內，在空氣中退火；其中，所述鉿釹合金中，鉿、釹原子數(shù)量的比值為1%至10%之間；
[0020]在IGZO薄膜層上形成源極、漏極和柵極絕緣層，在柵極絕緣層上形成柵極。
[0021]本發(fā)明還提供了一種氧化物薄膜晶體管制造方法，包括如下步驟:
[0022]層疊薄膜制造步驟:在基板上依次沉積第一 IGZO薄膜層、鉿釹合金薄膜層和第二IGZO薄膜層，然后將附有第一 IGZO薄膜層、鉿釹合金薄膜層和第二 IGZO薄膜層的基板在200-600°的范圍內，在空氣中退火；其中，所述鉿釹合金中，鉿、釹原子數(shù)量的比值為1%至10%之間；
[0023]在第二 IGZO薄膜層上形成源極、漏極和柵極絕緣層，在柵極絕緣層上形成柵極。
[0024]優(yōu)選地，第一 IGZO薄膜層、鉿釹合金薄膜層和第二 IGZO薄膜層的厚度依次是25nm、IOnm 和 25nm。
[0025]柵極絕緣層采用高k值含Hf的非晶絕緣材料，柵極位于柵極絕緣層之上，柵極采用含Nd的合金材料，該結構的優(yōu)勢在于堆積式IGZO有源層被柵極絕緣層覆蓋，不會受環(huán)境或工藝因素的影響且沒有增加額外的工藝處理步驟；含Hf的絕緣層和含ND的合金柵極可以降低驅動電壓，降低功耗，并且含Hf的絕緣層與有源層之間的界面態(tài)少，有利于進一步提高TFT性能。該頂柵極結構適用于柔性顯示。
[0026]傳統(tǒng)IGZO薄膜中存在大量的氧空位，這些氧空位影響到TFT的電學穩(wěn)定性，使得TFT在柵極電壓作用條件下產生閾值電壓的漂移。由于Hf和Nd的電負性低，前者為1.3，后者為1.1。電負性代表元素吸引價外電子的能力，電負性越低，吸引價外電子的能力越弱。元素的電負性與氧的電負性差異越大，與氧結合生成具有較強離子鍵的氧化物。因此，當在氧化物半導體中間隔插入含有Hf和Nd的間隔層并通過熱退火后，間隔層與IGZO層相互融合，摻入適量的Hf和Nd可以提高氧化物半導體與氧的結合力，減少IGZO中的氧空位，進而抑制過剩的載流子的產生，調控閾值電壓，降低亞閾值擺幅，并且降低了關態(tài)電流和提高了開關比，改善氧化物半導體薄膜與絕緣層之間的接觸，減少閾值電壓漂移，達到提高薄膜晶體管電學穩(wěn)定性的目的。但是，如果Nd的含量過大的話，氧化物薄膜晶體管TFT的光照特性會變差；另外，因為氧化鉿或氧化釹本身均為寬禁帶材料，如果兩者的摻雜比例過高，將降低載流子遷移率，同樣，鉿釹合金薄膜層的單層厚度不能超出上述厚度范圍，否則氧化物薄膜晶體管的性能將無法達到良好的狀態(tài)。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0027]圖1是本發(fā)明實施例1的氧化物薄膜晶體管的結構示意圖；
[0028]圖2是本發(fā)明實施例2的氧化物薄膜晶體管的結構示意圖；
[0029]圖3是本發(fā)明實施例3的氧化物薄膜晶體管的結構示意圖。
【【具體實施方式】】
[0030]以下將結合附圖，對本發(fā)明的具體實施例作進一步詳細說明。
[0031]實施例1
[0032]本實施例中的堆積式氧化物半導體層由IGZO薄膜層(1:1:1:4)和間隔層構成。間隔層是一種Hf和Nd的合金，其中Nd:Hf原子數(shù)量比為2%。將間隔層靶材與IGZ0( 1:1:1:4)靶安裝在兩個不同靶位，用射頻濺射法層疊間隔層和IGZO薄膜層。
[0033]以氬氣為濺射氣體，濺射壓強為0.1Pa-l0.0Pa之間，樣品生長時襯底溫度保持在常溫至150°C，濺射功率為40-200W，濺射室的背景真空小于IX 10_7托，所制備的堆積式氧化物半導體薄膜的總厚度為50nm，濺射鍍膜順序是第一 IGZO薄膜層(20nm)、鉿釹合金薄膜層(IOnm)和第二 IGZO薄膜層(20nm)，在250°C的溫度范圍內，空氣中退火30分鐘。XRD測試表明退火后的薄膜呈非晶態(tài)。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明提供的頂柵底接觸堆積式氧化物薄膜晶體管的制造方法，包括下列步驟:
[0035](1)基板I可以是玻璃、石英、硅片或其它柔性基板如塑料等，在基板I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，也可以是這些導電材料的合金，既可以是單層結構，也可以是以這些導電層構成的多層結構。優(yōu)選的采用磁控濺射金屬Mo，導電層厚度在IOnm-1OOOnm之間,較佳厚度為45nm,派射的背景真空度小于1X10^^。
[0036](2)采用濕法或干法刻蝕導電層形成源極2和漏極3。典型的，TFT溝道寬長比采用 6:1。
[0037](3)之后在源極2、漏極3和基板I上按照上述具體實施例1的工藝條件首先沉積20nm第一 IGZO薄膜層，在第一 IGZO薄膜層上沉積IOnm的鉿釹合金薄膜層，再在鉿釹合金薄膜層上沉積20nm第二 IGZO薄膜層，所形成的堆積式氧化物半導體薄膜總厚度為50nm。該堆積式薄膜在250°C的溫度范圍內，空氣中退火30分鐘。
[0038](4)在第二 IGZO薄膜層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(Si02)、氮氧化硅、氧化鋁、氧化釔或HfO2等制成，優(yōu)化地，采用ALD技術，在室溫下沉積厚度IOOnm的含Hf的非晶柵極絕緣薄膜，如，典型的采用非晶HfOx絕緣層，沉積的背景真空小于I X IO-6托。
[0039](5)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。金屬層可以是鈦、銀、金、鉻、鋁、銅、鑰、鉭、鎢、釹等或透明導電膜，也可以是這些導電材料的合金，既可以是單層結構，也可以是以這些導電層構成的多層結構。優(yōu)選的采用磁控濺射金屬鋁釹合金，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。
[0040](6)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。
[0041](7)采用濕法刻蝕堆積式氧化物半導體薄膜形成堆積式IGZO氧化物半導體有源層4。
[0042]采用含鉿間隔層的堆積式氧化物半導體薄膜，并采用含Hf的非晶柵極絕緣薄膜和金屬鋁釹合金柵極，該頂柵底接觸TFT結構具有獨特的優(yōu)勢，更加適合柔性顯示。TFT整體性能也相應提高(如下表所示)。其中閾值電壓更加接近0V，亞閾值擺幅得以降低。
[0043]
【權利要求】
1.一種氧化物薄膜晶體管，包括源極、漏極和IGZO薄膜層，其特征是:還包括鉿釹合金薄膜層，所述IGZO薄膜層的第一表面與所述源極和漏極接觸，所述IGZO薄膜層的與第一表面相背的另一表面與所述鉿釹合金薄膜層接觸。
2.如權利要求1所述的氧化物薄膜晶體管，其特征是:所述鉿釹合金中，鉿、釹原子數(shù)量的比值為1%至10%之間。
3.如權利要求1所述的氧化物薄膜晶體管，其特征是:IGZ0薄膜層的層數(shù)至少是兩層，鉿釹合金薄膜層的層數(shù)至少是兩層，IGZO薄膜層和鉿釹合金薄膜層交替層疊。
4.如權利要求1所述的氧化物薄膜晶體管，其特征是:還包括基板和柵極絕緣層，所述IGZO薄膜層包括第一 IGZO薄膜層和第二 IGZO薄膜層，所述源極和漏極在所述基板上，所述第一 IGZO薄膜層在所述基板上、且分別與所述源極和漏極接觸，所述第一 IGZO薄膜層上依次層疊所述鉿釹合金薄膜層、第二 IGZO薄膜層、柵極絕緣層和柵極。
5.如權利要求1所述的氧化物薄膜晶體管，其特征是:還包括柵極絕緣層，所述鉿釹合金薄膜層上層疊所述IGZO薄膜層，所述源極和漏極在所述IGZO薄膜層上，所述柵極絕緣層在所述IGZO薄膜層上、且分別與源極和漏極接觸。
6.如權利要求1所述的氧化物薄膜晶體管，其特征是:所述鉿釹合金薄膜層的厚度占鉿釹合金薄膜層與IGZO薄膜層厚度總和的0.01%至30%，每一層鉿釹合金薄膜層的厚度不超過15nm，鉿釹合金薄膜層與IGZO薄膜層厚度總和在IO-1OOnm之間。
7.一種氧化物薄膜晶體管制造方法，其特征是，包括如下步驟: 源漏極制造步驟:在基板上形成源極和漏極； 層疊薄膜制造步驟:在源極、漏極和基板上沉積第一 IGZO薄膜層，然后在第一 IGZO薄膜層上依次沉積鉿釹合金薄膜層和第二 IGZO薄膜層，然后將附有源極、漏極、第一 IGZO薄膜層、鉿釹合金薄膜層和第二 IGZO薄膜層的基板在200-600°的范圍內，在空氣中退火；其中，所述鉿釹合金中，鉿、釹原子數(shù)量的比值為1%至10%之間； 在第二 IGZO薄膜層沉積柵極絕緣層，在柵極絕緣層上形成柵極。
8.一種氧化物薄膜晶體管制造方法，其特征是，包括如下步驟: 層疊薄膜制造步驟:在基板上依次沉積鉿釹合金薄膜層和IGZO薄膜層，然后將附有鉿釹合金薄膜層和IGZO薄膜層的基板在200-600°的范圍內，在空氣中退火；其中，所述鉿釹合金中，鉿、釹原子數(shù)量的比值為1%至10%之間； 在IGZO薄膜層上形成源極、漏極和柵極絕緣層，在柵極絕緣層上形成柵極。
9.一種氧化物薄膜晶體管制造方法，其特征是，包括如下步驟: 層疊薄膜制造步驟:在基板上依次沉積第一 IGZO薄膜層、鉿釹合金薄膜層和第二IGZO薄膜層，然后將附有第一 IGZO薄膜層、鉿釹合金薄膜層和第二 IGZO薄膜層的基板在200-600°的范圍內，在空氣中退火；其中，所述鉿釹合金中，鉿、釹原子數(shù)量的比值為1%至10%之間； 在第二 IGZO薄膜層上形成源極、漏極和柵極絕緣層，在柵極絕緣層上形成柵極。
10.如權利要求9所述的氧化物薄膜晶體管制造方法，其特征是:第一IGZO薄膜層、鉿釹合金薄膜層和第二 IGZO薄膜層的厚度依次是25nm、10nm和25nm。
【文檔編號】H01L29/06GK103545377SQ201310538444
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權日:2013年11月1日
【發(fā)明者】劉萍 申請人:深圳丹邦投資集團有限公司