CN101656270A - 薄膜晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种薄膜晶体管及其制造方法。一种薄膜晶体管(TFT)包括栅极、有源层、源极和漏极。有源层包括与源极和漏极接触的接触区域，接触区域比有源层的剩余区域薄。接触区域减小有源层与源极和漏极之间的接触电阻。
Description
本申请要求于2008年8月21日在韩国知识产权局提交的第2008-81772号韩国专利申请的权益，其公开通过引用包含于此。
技术领域
本发明的各方面涉及一种薄膜晶体管及其制造方法。
背景技术
当前，薄膜晶体管(TFT)被广泛地用作控制诸如有机发光显示器(OLED)或液晶显示器(LCD)的显示装置中的像素的操作的开关器件和驱动电路。因此，当前正展开着改善TFT的特性的研究。
通过有源层与TFT的源极及有源层与TFT的漏极之间的接触产生的接触电阻会降低TFT的性能。高接触电阻会降低由TFT的电荷注入单元产生的功率。
发明内容
本发明的各方面提供了一种薄膜晶体管(TFT)及其制造方法，所述薄膜晶体管具有被减小了的电极和有源层之间的接触电阻。
根据本发明的各方面，提供了一种薄膜晶体管(TFT)，所述薄膜晶体管包括栅极、有源层、源极和漏极。有源层包括与源极和漏极接触的接触区域和除了接触区域以外的剩余区域。接触区域比剩余区域薄。
根据本发明的各方面，接触区域的厚度可以为剩余区域的厚度的10％到90％。
根据本发明的各方面，有源层可以包含氧化物半导体。
根据本发明的各方面，TFT可以具有底栅结构。源极和漏极可以直接接触有源层的接触区域。
根据本发明的各方面，TFT还可以包括形成在有源层的剩余区域上的蚀刻停止层。
根据本发明的各方面，TFT还可以包括形成在有源层下的界面稳定层。所述界面稳定层可以包含带隙与有源层的带隙相等或带隙大于有源层的带隙的氧化物。
根据本发明的各方面，提供了一种TFT的制造方法。所述方法包括如下步骤：在基板上形成栅极；在所述栅极上形成栅绝缘层；在所述栅绝缘层上形成有源层；在所述有源层的接触区域上形成源极和漏极。通过将有源层图案化来形成接触区域，使得接触区域比有源层的剩余区域薄。
根据本发明的各方面，形成有源层的步骤可以包括在栅绝缘层上形成氧化物半导体层，并利用半色调掩膜将氧化物半导体层图案化以形成具有接触区域的有源层。
根据本发明的各方面，在形成源极和漏极之前可以在有源层的剩余区域上形成蚀刻停止层。最初，有源层可以形成为具有均匀的厚度，将蚀刻停止层图案化的步骤可以包括过蚀刻工艺，过蚀刻工艺形成接触区域。
根据本发明的各方面，所述制造方法还可以包括在栅绝缘层上形成界面稳定层，然后在界面稳定层上形成有源层。所述界面稳定层可以包含带隙与有源层的带隙相等或带隙大于有源层的带隙的氧化物。
根据本发明的各方面，接触区域的厚度比剩余区域的厚度薄。因此，减小了源极和漏极与有源层之间的接触电阻，从而得到具有改善的性能的TFT。
根据本发明的各方面，有源层包含氧化物半导体，这改善了TFT的特性。
本发明的另外的方面和/或优点将部分地在下面的描述中阐明，将部分地从描述中明显看出，或可以从通过本发明的实践学到。
附图说明
从下面结合附图对示例性实施例的描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得明显且更容易理解，在附图中：
图1是示出根据本发明示例性实施例的薄膜晶体管(TFT)的剖面图；
图2A到图2C是顺序示出图1中的TFT的制造方法的剖面图；
图3是示出根据本发明另一示例性实施例的TFT的剖面图；
图4A到图4E是顺序示出图3中的TFT的制造方法的剖面图；
图5A和图5B是示出根据本发明又一示例性实施例的TFT的剖面图；
图6是示出传统TFT和示例性TFT的有源层的电阻RT根据长度L的曲线图；
图7是示出传统TFT和示例性TFT的漏电流Id根据栅电压Vg的曲线图。
具体实施方式
在下面的具体描述中，通过示例的方式仅示出并描述了本发明的某些示例性实施例。如本领域技术人员会意识到的，在全部不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以以各种不同的方式修改所描述的示例性实施例。因此，附图和描述应被认为本质上是说明性而非限定性的。此外，当元件被称作在另一元件“上”时，该元件可以直接在另一元件上，或者可以在它们之间设置有一个或多个中间元件。当元件被称作“连接到”另一元件时，该元件可以直接连接到另一元件，或者也可以在它们之间设置有一个或多个中间元件的情况下间接连接到另一元件。这里，相同的标号始终表示相同的元件。以下，将参照附图来描述本发明的示例性实施例。
图1是示出根据本发明示例性实施例的薄膜晶体管(TFT)10的剖面图。参照图1，TFT 10具有底栅结构(反转错列结构(inverse staggered structure))并包括基板1、形成在基板1上的栅极12、形成在栅极12和基板1上的栅绝缘层14、形成在栅绝缘层14上并设置在栅极12上方的有源层16及形成在有源层16的接触区域16a上的源极和漏极18.
有源层16可以包含诸如具有密度小于1018/cm3的电子载流子的非晶氧化物的氧化物半导体。有源层16可以减少TFT 10的漏电流、可以改善开关特性(提高导通-截止比率(on-off ratio))并可以改善在夹断状态下的饱和电流和切换速度。可以将有源层16设置为与栅极12叠置。
所述非晶氧化物可以包含铟(In)、锌(Zn)和锡(Sn)；铟(In)、锌(Zn)和镓(Ga)；或它们的组合物。例如，有源层16可以包含In-Ga-Zn-O(IGZO)，In-Ga-Zn-O可以表示结晶态的InGaO3(ZnO)m(m为小于6的自然数)。又例如，有源层16可以包含In-Ga-Zn-Mg-O(IGZMO)，In-Ga-Zn-Mg-O可以表示含有具有电子密度小于1×1018/cm3的电子载流子的InGaO3(Zn1-XMgXO)m(0＜X≤1且m为小于6的自然数)。此外，有源层16可以包含含有Li、Na、Mn、Ni、Pd、Cu、Cd、C、N、P、Ti、Zr、Hf、V、Ru、Ge、Sn和F中的至少一种的非晶氧化物。
在有源层16中，接触区域16a的厚度d2小于剩余区域16b的厚度d1。因此，减少了有源层16与源极和漏极18之间的接触电阻。剩余区域16b指有源层16的除了接触区域16a之外的所有区域。源极和漏极18可以被设置为接触所述接触区域。
如下面的等式1所示，有源层16的总电阻RT为由沟道单元产生的沟道电阻Rch与由有源层16与源极和漏极18之间的接触产生的接触电阻Rc之和。
[等式1]
RT＝Rch+Rc(单位均为[Ω])
这里，理想地，接触电阻Rc应为0。然而，实际上接触电阻Rc为有源层16与源极和漏极18之间的寄生电阻(parasitic resistance)。接触电阻Rc为注入电阻(injection resistance)Ri和接入电阻(access resistance)Ra之和。
注入电阻Ri与有源层16及源极和漏极18的材料特性有关。接入电阻Ra与接触区域16a的厚度d2有关。
因此，根据本发明的各方面，减小接触区域16a的厚度d2，以减小接触电阻Rc并改善TFT 10的性能。例如，接触区域16a的厚度d2可以为剩余区域16b的厚度d1的10％到90％。这是因为如果厚度d2小于厚度d1的10％，则难以将有源层图案化。如果接触区域16a的厚度d2大于剩余区域16b的厚度d1的90％，则不能显著地减小接触电阻Rc。
如上所述，根据本发明的各方面，因为有源层16由氧化物半导体形成，所以与具有非晶硅(a-Si)有源层或多晶硅(poly-Si)有源层的TFT相比，TFT 10的特性得到了改善。此外，TFT 10不需要额外的结晶工艺来使有源层16结晶，这是当使用低温多晶硅(LTPS)有源层时的情况。有源层16可以通过溅射形成并可以利用电流设备容易地扩大。
接触区域16a的厚度d2比剩余区域16b的厚度d1小，这样减小了接触电阻Rc并改善了TFT 10的性能。此外，由于局部地减小了厚度d2，所以可以稳定地形成TFT 10。
在当前的示例性实施例中，有源层16包含氧化物半导体。然而，本发明不限于此。例如，有源层16可以由非晶硅(a-Si)或多晶硅(poly-Si)形成。在这种情况下，可以通过局部减小接触区域16a的厚度d2来减小接触电阻Rc。
图2A到图2C是顺序示出图1中的TFT 10的制造方法的剖面图。在所述方法中，在基板1上顺序地形成栅极12和栅绝缘层14(图2A)。
然后，在栅绝缘层14上形成氧化物半导体层，之后进行图案化以形成有源层16。利用半色调掩膜形成有源层16，从而相对于剩余区域16b的厚度d1，减小接触区域16a的厚度d2。例如，厚度d2可以形成为厚度d1的大约10％到90％(图2B)。
然后，在接触区域16a上形成源极和漏极18(图2C)。通过执行上面的工艺，可以局部地减小接触区域16a的厚度。
图3是示出根据本发明另一示例性实施例的TFT 10’的剖面图。与图2中的元件相似的元件具有相同的标号，并省掉其具体描述。参照图3，TFT 10’包括形成在有源层16的剩余区域16b上而没有形成在有源层16的与源极和漏极18接触的接触区域16a上的蚀刻停止层19。蚀刻停止层19可以由各种绝缘材料形成并可以为保护有源层16的钝化层。
图4A到图4E是顺序示出图3中的TFT 10’的制造方法的剖面图。在所述方法中，在基板1上顺序形成栅极12和栅绝缘层14(图4A)。
然后，在栅绝缘层14上形成由氧化物半导体形成的有源层16。起初有源层16可以具有均匀的厚度(图4B)。然后，在有源层16上形成蚀刻停止材料19a，以保护有源层16在下面的工艺过程中不受损坏(图4C)。
然后，利用图案化工艺来蚀刻蚀刻停止材料19a，以暴露接触区域16a，但没有从剩余区域16b去除蚀刻停止层19。在蚀刻停止层19被图案化之后，执行诸如干蚀刻或利用具有小的选择率的蚀刻溶液的湿蚀刻的过蚀刻工艺。过蚀刻减小了接触区域16a的厚度。例如，可以执行过蚀刻从而使接触区域16a的厚度d2为剩余区域16b的厚度d1的大约10％到90％。因此，图案化产生具有阶梯结构(图4D)的有源层16。
然后，在接触区域16a上形成源极和漏极18(图4E)。通过执行以上工艺，可以在接触区域16a中局部地减小有源层16的厚度。
图5A和图5B是示出根据本发明示例性实施例的TFT 10”和TFT 10”’的剖面图。与前述元件相似的元件具有相同的标号，且不具体描述。参照图5A和图5B，TFT 10”和TFT 10”’包括设置在有源层16下面的界面稳定层15。
界面稳定层15包含带隙与有源层16的带隙相等或带隙大于有源层的带隙的氧化物。例如，所述带隙可以为大约3.0eV到8.0eV。所述氧化物可以从由硅氧化物、硅氮氧化物、硅碳氧化物、硅氟氧化物、锗氧化物、钆氧化物、铝氧化物、镓氧化物、锑氧化物、锆氧化物、铪氧化物、钽氧化物、钇氧化物、钒氧化物、镁氧化物、钙氧化物、钡氧化物、锶氧化物和SOG(旋涂玻璃)组成的组中选择。
当界面稳定层15的带隙小于大约3.0eV时，电荷会容易逃逸，不能有效地利用沟道的载流子。当带隙大于8.0eV时，电学特性会由于高绝缘特性而劣化。
由于界面稳定层15的材料与栅绝缘层的材料具有相似的特性，因此形成高稳定性界面。由于界面稳定层15的带隙与有源层16的带隙相等或大于有源层16的带隙，因此抑制了电荷俘获。
为改善电荷俘获抑制，界面稳定层15的氢的密度可以为10+19/cm3或更小。当界面稳定层15的氢的密度大于10+19/cm3时，氢会扩散到有源层16的表面中并起到陷阱的作用，从而使有源层16的电学性能劣化。为控制界面稳定层15的氢密度，可以使用诸如溅射的物理沉积方法，而不是化学沉积方法。
如图5A和5B所示，界面稳定层15可以整体地覆盖栅绝缘层14，或可以将界面稳定层15图案化以仅与有源层16对应。例如，当界面稳定层15由上述材料形成时，可以将界面稳定层15与有源层16同时图案化，以仅在有源层16下设置界面稳定层15。界面稳定层15的厚度可以形成为大约50
到5,000
从而可以充分地保护有源层16以保持界面稳定性。
如上所述，当在有源层16下设置界面稳定层15时，在形成栅绝缘层14的工艺和形成有源层16的工艺之间执行物理沉积工艺。因此，为避免赘言，省掉对TFT 10”和TFT 10”’的制造方法的详细描述。
虽未示出，但界面稳定层15可以设置在有源层16的上面。在这种情况下，界面稳定层15可以具有大约100
或更小的厚度，例如，界面稳定层15可以具有大约10到20
的厚度，以减小源极和漏极18与有源层16之间的接触电阻。可以与蚀刻停止层19对应地形成界面稳定层15。界面稳定层15可以保护有源层16，当刻蚀源极和漏极18时，可以将界面稳定层15用作蚀刻停止层。因此，不需要提供额外的蚀刻停止层。
图6是示出了根据本发明的各方面的示例性TFT和传统TFT的有源层的总电阻RT根据长度L的曲线图。在图6中，传统TFT线示出传统TFT的有源层的总电阻RT，其中，有源层形成为具有均匀的厚度d1。示例性TFT线示出示例性TFT的有源层的总电阻RT，其中，与有源层的剩余区域的厚度相比，有源层的接触区域的厚度减少了40％。Y轴的RTW表示有源层的总电阻RT和有源层的宽度(5μm)的积。X轴的单位是[μm]，Y轴的单位是[Ω·cm]。
参照图6，传统TFT和示例性TFT的有源层的总电阻根据长度L的增加而线性增加。传统TFT的接触电阻Rc大于示例性TFT的接触电阻Rc。长度L为源极和漏极与有源层之间的接触区域的长度。宽度W为有源层的宽度。示例性TFT和传统TFT相同，除了接触区域的厚度。
具体来说，如等式1中所描述的，有源层的总电阻RT为沟道电阻Rch和接触电阻Rc之和。由于沟道电阻Rch与单位表面电阻Rch’和长度L成比例，并与宽度W成反比，因此有源层的总电阻RT如等式2所示。
[等式2]
RT＝(Rch’/W)×L+Rc
在等式2中，Rc以欧姆为单位，Rch’以欧姆每单位面积为单位。因此，通过曲线图，Rch’可以从线的斜率得到，且Rc可以从Y轴截距得到。示例性TFT的接触电阻Rc小于传统TFT的接触电阻Rc。
图7是示出图6中的传统TFT和示例性TFT的漏电流Id的曲线图。在图7中，Vth表示阈值电压，Mobility表示载流子迁移率，且SS表示使漏电流Id增加一个数量级所需要的电压。虚线示出当漏极和源极之间的电压(Vds)为5.1V时测量的值。实线示出当电压(Vds)为0.1V时测量的值。X轴以伏特[V]表示栅电压Vg，Y轴以安培[A]表示漏电流。
参照图7，与传统TFT相比，在示例性TFT中，漏电流Id在亚阈值(sub-threshold)区域更快地增长。此外，与传统TFT相比，当栅电压Vg为30V时，较大的漏电流Id流过。
根据本发明的各方面，记录了当减小接触区域中的有源层的厚度时，TFT的特性得到改善。具体地讲，TFT的迁移率增加了近一倍。
尽管已经示出并描述了本发明的一些示例性实施例，但是本领域技术人员应该理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以在这些示例性实施例中作出改变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (16)
1、一种薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包括：
栅极；
有源层，与栅极叠置并具有接触区域和比所述接触区域厚的剩余区域；
源极和漏极，与接触区域接触。
2、如权利要求1所述薄膜晶体管，其中，接触区域的厚度为剩余区域的厚度的10％到90％。
3、如权利要求1所述薄膜晶体管，其中，有源层包含氧化物半导体。
4、如权利要求3所述薄膜晶体管，其中，有源层包含具有低于1018/cm3的电子载流子密度的非晶氧化物。
5、如权利要求4所述薄膜晶体管，其中，非晶氧化物包含从由下述氧化物组成的组中选择的至少一种，所述氧化物包括：包含In、Zn和Sn的氧化物；包含In、Zn和Ga的氧化物；或包含由从Li、Na、Mn、Ni、Pd、Cu、Cd、C、N、P、Ti、Zr、Hf、V、Ru、Ge、Sn和F组成的组中选择的至少一种的氧化物。
6、如权利要求1所述薄膜晶体管，其中，所述薄膜晶体管具有底栅结构。
7、如权利要求6所述薄膜晶体管，其中，源极和漏极与有源层的接触区域直接接触。
8、如权利要求1所述薄膜晶体管，所述薄膜晶体管还包括设置在剩余区域上的蚀刻停止层。
9、如权利要求1所述薄膜晶体管，所述薄膜晶体管还包括形成在有源层下面的界面稳定层，所述界面稳定层包含带隙与有源层的带隙相等或带隙大于有源层的带隙的氧化物。
10、一种制造薄膜晶体管的方法，包括如下步骤
在基板上形成栅极；
在栅极上形成栅绝缘层；
在栅绝缘层上形成有源层；
将有源层图案化，以在有源层中形成接触区域，接触区域比有源层的剩余区域薄；
在接触区域上形成源极和漏极。
11、如权利要求10所述的方法，其中：
有源层包含氧化物半导体；
将有源层图案化的步骤包括利用半色调掩膜。
12、如权利要求10所述的方法，所述方法还包括：在将有源层图案化的步骤之前，在剩余区域上形成蚀刻停止层。
13、如权利要求12所述的方法，其中：
形成有源层的步骤包括将有源层形成为具有均匀的厚度；
将有源层图案化的步骤包括过蚀刻所述蚀刻停止层以形成接触区域。
14、如权利要求10所述的方法，其中，将有源层图案化的步骤包括将接触区域的厚度相对剩余区域的厚度减小10％到90％。
15、如权利要求10所述的方法，所述方法还包括：在形成有源层的步骤之前，形成界面稳定层，所述界面稳定层包含带隙与有源层的带隙相等或带隙大于有源层的带隙的氧化物。
16、如权利要求15所述的方法，其中，形成界面稳定层的步骤包括使用物理沉积方法。
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