CN102157563B - 金属氧化物薄膜晶体管制备方法 - Google Patents

金属氧化物薄膜晶体管制备方法 Download PDF

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Abstract

一种半导体技术领域的金属氧化物薄膜晶体管制备方法，通过依次制备栅极层、栅绝缘层、金属氧化物层、漏电极层和器件保护层，并通过湿法刻蚀得到漏电极，通过干法蚀刻得到位于器件保护层上的接触孔，最后采用退火或等离子体处理接触孔中外露的金属氧化物使其转化成导体特性，实现晶体管制备。本发明利用金属氧化物半导体材料经特殊处理后可以转化为透明导电材料的特点，整个工艺流程通常仅需要四张掩模版，且不需要额外的像素电极成膜、光刻和刻蚀等工艺步骤，简化现有制备步骤并保持晶体管特性及显示驱动功能，降低了生产制造的成本。

Description

金属氧化物薄膜晶体管制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种半导体技术领域的晶体管制备方法，具体是一种金属氧化物薄膜晶体管制备方法。
背景技术
薄膜晶体管(TFT)可以广泛应用于平板显示(FPD)、平板图像传感器(FPI)和随机存储器(RAM)等多个技术领域，其中在FPD技术中的应用最为重要。目前，在TFT技术领域非晶硅(a-Si)TFT和多晶硅(p-Si)TFT是主流。其中，a-Si TFT应用最广泛，可以覆盖几乎所有尺寸的FPD产品。p-Si TFT受膜质均一性的限制，目前只能适用于中小尺寸产品。从器件特性上讲，a-Si TFT具有构造简单、量产均一性好等优点，但同时具有迁移率低(约0.5cm2/V·s)、光照稳定性差等缺点；p-Si TFT尽管具有比a-Si TFT高出很多的迁移率(＞10cm2/V·s)，但同时具有构造复杂、漏电流大和量产均一性差等缺点。随着FPD技术的快速发展，对TFT的性能提出了越来越高的要求。从a-Si TFT和p-Si TFT的特性来看是无法完全满足上述要求的，所以新的更先进的TFT技术有待开发。从目前来看，金属氧化物TFT是最有希望的替代者之一。
与a-Si相比较，金属氧化物作为TFT的沟道材料具有以下两方面优点：(1)禁带宽(＞3.0eV)，由此带来非常好的光照稳定性，所以与a-Si TFT不同，金属氧化物TFT可以制作成全透明器件，从而显著增加面板的开口率，进而降低显示器的功耗；(2)高迁移率(～10cm2/V·s)。总体而言，金属氧化物TFT兼具a-Si TFT和p-Si TFT的技术优势，且在大规模量产上具有可行性，所以极有可能在不久的将来取代a-Si TFT成为平板显示有源电子驱动器件的主流。
从公开发表的文献看，目前研究所采用金属氧化物TFT的器件结构和制造工艺均采用与a-Si TFT相类似的技术。最常见的就是在a-Si TFT实际生产中最广泛采用的底栅错排型(Inverted-Staggered)结构及相关制造工艺流程。图1为用于平板显示像素驱动的金属氧化物薄膜晶体管常见结构的示意图，包括衬底110，设置于衬底上的栅电极层120，设置于衬底和栅电极层上的栅绝缘层130，设置于栅绝缘层上的金属氧化物半导体层140、漏电极层151和源电极层152，设置于金属氧化物半导体层、漏电极层和源电极层之上的器件保护层160以及通过接触孔170与源电极层相连接的透明像素电极层180(通常采用氧化铟锡，即ITO材料)。图2及图1为通常采用的工艺流程，包括形成栅电极图案T10，形成栅绝缘层T20，形成氧化物半导体层图案T30，形成源漏电极层图案T40，形成器件保护层T50，形成接触孔T60以及形成透明像素电极层T70。图2所示工艺流程通常需要5张掩模版，加工成本较高，完成制造流程所需时间也较长。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种金属氧化物薄膜晶体管制备方法，利用金属氧化物半导体材料经特殊处理后可以转化为透明导电材料的特点，整个工艺流程通常仅需要四张掩模版，且不需要额外的像素电极成膜、光刻和刻蚀等工艺步骤，简化现有制备步骤并保持晶体管特性及显示驱动功能，降低了生产制造的成本。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
第一步、在衬底上采用磁控溅射技术沉积一层栅电极薄膜并采用湿法刻蚀得到栅极层；
所述的磁控溅射技术是指：利用氩气等离子体在电场和磁场的作用下，被加速的高能离子轰击靶材表面，能量交换后，靶材表面的原子脱离原晶格而逸出，转移到基板表面而成膜，其中：溅射功率为100W，气体压力为1Pa，氩气流量为30sccm。
所述的湿法刻蚀是指：将刻蚀材料浸泡在刻蚀液内进行腐蚀的技术；所述的刻蚀液成分为：55wt％H3PO4、15wt％HNO3以及5wt％CH3COOH。
第二步、在栅极层上采用等离子体增强化学气相沉积栅绝缘层；
所述的等离子体增强化学气相沉积是指：在等离子体放电过程的辅助下反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的基板表面，进而制得固体薄膜的工艺技术，其中的栅绝缘层是指：二氧化硅或氮化硅。
第三步、在栅绝缘层上采用交流磁控溅射沉积金属氧化物，并采用湿法刻蚀得到金属氧化物层；
所述的交流磁控溅射的溅射功率为80W，气压为1Pa，溅射气体中氧气与氩气的比例范围为：1∶20～1∶100。
所述的金属氧化物是指：氧化锌、氧化铟镓锌、氧化铟锌或氧化铟镓，其载流子浓度在1013-1015/cm3。
第四步、在金属氧化物层上依次沉积漏电极层和器件保护层，并通过湿法刻蚀得到漏电极，通过干法蚀刻得到位于器件保护层上的接触孔；
所述的漏电极层是指：铝、钼或铬金属或其合金；所述的器件保护层是指：二氧化硅或氮化硅。
所述的干法刻蚀是指：采用SF6和He作为反应气体进行薄膜刻蚀。
第五步、采用退火或等离子体处理接触孔中外露的金属氧化物使其转化成导体特性，实现晶体管制备。
所述的退火是指：在真空或还原性气氛下在200～400℃加热处理的过程。
所述的等离子体处理是指：采用氩气对器件表面进行1～3分钟表面处理。
所述的导体特性是指：使接触孔中的金属氧化物的载流子浓度增加至1020以上。
本发明涉及上述方法制备得到的晶体管，包括：依次设置于衬底上的栅电极层、栅绝缘层、金属氧化物层、漏电极层和器件保护层构成，其中：栅绝缘层位于栅电极层和衬底上并覆盖栅电极层，金属氧化物层和漏电极层位于栅绝缘层上，漏电极层在沟道区域附近与金属氧化物层交叠，器件保护层位于金属氧化物层、漏电极层和栅绝缘层之上，器件保护层在源极和像素电极位置设有接触孔并露出对应金属氧化物层。
所述的金属氧化物层根据导电特性的不同分成半导体区域和导体区域，其中：位于漏极和沟道区域的金属氧化物层呈现半导体特性；位于源极和像素电极区域的金属氧化物层呈现导体特性。
与现有技术相比，本发明充分利用了金属氧化物在不同工艺条件下可分呈半导体和导体的特点，将传统器件结构中的有源层、源电极和像素电极合为一层，节省了像素电极层的单独制备步骤，从而有效简化了氧化物薄膜晶体管的器件结构和工艺流程，显著降低了生产制造的成本和时间。
附图说明
图1为金属氧化物薄膜晶体管常见结构示意图；
图中：(a)为剖视图，(b)为俯视图。
图2为金属氧化物薄膜晶体管常见工艺流程示意图。
图3为本发明金属氧化物薄膜晶体管结构示意图；
图中：(a)为剖视图，(b)为俯视图。
图4为实施例1工艺流程示意图。
图5为实施例2工艺流程示意图。
图6为实施例3工艺流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图4所示，本实施例包括如下步骤：
N10：在衬底上沉积一层栅电极薄膜并通过光刻和刻蚀等工艺形成所需图案。
N20：沉积一层栅绝缘层材料。
N30沉积一层金属氧化物，通过控制工艺条件使其呈半导体特性并通过光刻和刻蚀等工艺形成所需图案。
N40沉积一层漏电极层并通过光刻和刻蚀等工艺形成所需图案。
N50沉积一层器件保护层。
N60通过光刻和刻蚀等工艺形成接触孔。
N70通过采用真空退火方法对外露的氧化物薄膜进行处理使其转化成导体特性。
所述的工艺步骤N10，成膜工艺通常采用磁控溅射技术，靶材采用AlNd与MoNb合金；刻蚀工艺采用传统的湿法刻蚀技术，刻蚀液采用磷酸、硫酸和醋酸的混合溶液。
所述的工艺步骤N20，通常采用等离子体增强化学气相沉积技术。以沉积二氧化硅为例，采用硅烷和氧气为反应气体，放电功率为200W，基板加热温度为300℃。
所述的工艺步骤N30，通常采用交流磁控溅射溅射技术成膜，靶材采用ZnO，InGaZnO，InZnO，InGaO等氧化物陶瓷烧结体。溅射气压为1Pa，通过调整溅射气体中氧气与氩气的比例使金属氧化物薄膜中载流子浓度在1013-1015/cm3范围内，从而表现出半导体特性。刻蚀工艺通常采用传统的湿法刻蚀技术。刻蚀液采用磷酸和双氧水的混合液。
所述的工艺步骤N40，成膜工艺通常采用磁控溅射技术，靶材采用AlNd与MoNb合金；刻蚀工艺采用传统的湿法刻蚀技术，刻蚀液采用磷酸、硫酸和醋酸的混合溶液。
所述的工艺步骤N50，通常采用等离子体增强化学气相沉积技术，以沉积二氧化硅为例，采用硅烷和氧气为反应气体，放电功率为200W，基板加热温度为300℃。
所述的工艺步骤N60，通常采用干法刻蚀技术。以刻蚀对象为二氧化硅为例，工艺气体采用SF6和He。
所述的工艺步骤N70，在真空下将样品加热至300℃，保持30分钟后在空气中冷却。使被处理的金属氧化物薄膜的载流子浓度增加至1020以上，从而呈现导体特性。
实施例2
如图5所示，本实施例的工艺步骤与实施例1相似，不同之处在于最后一步以在还原性气氛中退火处理(N80)实现氧化物材料由半导体向导体的转变。
所述的工艺步骤N80，在氢气或氮气等还原性气氛下将样品加热至300℃，保持20分钟后在空气中冷却。使被处理的金属氧化物薄膜的载流子浓度增加至1020以上，从而呈现导体特性。
实施例3
如图6所示，本实施例的工艺步骤与实施例1相似，不同之处在于最后一步以等离子体处理(N90)实现氧化物材料由半导体向导体的转变。
所述的工艺步骤N90，将样品置于真空腔室中，采用氩气等离子体对样品作1～3分钟的等离子体表面处理，放电功率为150W。使被处理的金属氧化物薄膜的载流子浓度增加至1020以上，从而呈现导体特性。
上述实施例1-3中的工艺流程通常仅需要四张掩模版(N10，N30，N40，N60)，比附图2所示的传统流程(T10，T30，T40，T60，T70)减少一张掩模版，降低了生产制造所需成本。另外，与传统工艺相比较上述工艺流程不需要额外的像素电极成膜、光刻和刻蚀等工艺步骤，显著提高了生产效率。
如图3所示，上述方法制备得到的金属氧化物薄膜晶体管的基本结构如下：形成于衬底310上，包含一栅电极层320，一栅绝缘层330，一金属氧化物层340，一漏电极层350和一器件保护层360。
所述的栅电极层310位于衬底上，通常由金属铝、钼、铬等材料构成。在大尺寸平板显示背板技术中栅电极层一般由铝钕/钼铌合金构成，既能获得好的导电特性又能防止薄膜表面出现“小丘”等不良。栅电极层厚度通常为300纳米左右。
所述的栅绝缘层位于栅电极层和玻璃基板之上并覆盖栅电极层，通常由二氧化硅或氮化硅构成，薄膜厚度为300纳米左右。
所述的金属氧化物层位于栅绝缘层之上，可以为氧化锌(ZnO)为代表的多晶金属氧化物，也可以是铟镓锌氧(IGZO)为代表的非晶金属氧化物。其特征是：金属氧化物层根据导电特性的不同分成两个区域，即半导体区域和导体区域；位于漏极和沟道区域的金属氧化物薄膜的载流子浓度较低，呈现半导体特性；位于源极和像素电极区域的金属氧化物薄膜的载流子浓度较高，呈现导体特性。金属氧化物层的厚度可以在100-300纳米范围内。
所述的漏电极层位于栅绝缘层上且在沟道附近与金属氧化物层交叠，通常由金属铝、钼、铬等材料构成，在大尺寸平板显示背板技术中栅电极层一般由钼铌/铝钕/钼铌合金构成，既能获得好的导电特性又能防止薄膜上下表面出现“小丘”等不良。漏电极层的厚度通常为300纳米左右。
所述的器件保护层位于金属氧化物层、漏电极层和栅绝缘层之上并覆盖大部分区域，器件保护层在源极和像素电极位置开有接触孔从而使该区域金属氧化物层外露。器件保护层通常由二氧化硅或氮化硅构成，薄膜厚度为150纳米左右。
与现有技术相比，本方法充分利用了金属氧化物在不同工艺条件下可分呈半导体和导体的特点，将传统器件结构中的有源层、源电极和像素电极合为一层，有效简化了氧化物薄膜晶体管的器件结构和工艺流程，显著降低了生产制造的成本和时间。

Claims (10)

1.一种金属氧化物薄膜晶体管制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、在衬底上采用磁控溅射技术沉积一层栅电极薄膜并采用湿法刻蚀得到栅极层；
第二步、在栅极层上采用等离子体增强化学气相沉积栅绝缘层；
第三步、在栅绝缘层上采用交流磁控溅射沉积金属氧化物，并采用湿法刻蚀得到金属氧化物层；
第四步、在金属氧化物层上依次沉积漏电极层和器件保护层，并通过湿法刻蚀得到漏电极，通过干法蚀刻得到位于器件保护层上的接触孔；器件保护层在源极和像素电极位置设有接触孔并露出对应金属氧化物层；
所述的漏电极层在沟道区域附近与金属氧化物层交叠；
第五步、采用退火或等离子体处理接触孔中外露的金属氧化物使其转化成导体特性，实现晶体管制备；所述的导体特性是指：使接触孔中的金属氧化物的载流子浓度增加至1020/cm3以上。
2.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管制备方法，其特征是，所述的磁控溅射技术是指：利用氩气等离子体在电场和磁场的作用下，被加速的高能离子轰击靶材表面，能量交换后，靶材表面的原子脱离原晶格而逸出，转移到基板表面而成膜，其中：溅射功率为100W，气体压力为1Pa，氩气流量为30sccm。
3.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管制备方法，其特征是，所述的湿法刻蚀是指：将刻蚀材料浸泡在刻蚀液内进行腐蚀的技术；所述的刻蚀液成分为：55wt%H3PO4、15wt%HNO3以及5wt%CH3COOH。
4.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管制备方法，其特征是，所述的等离子体增强化学气相沉积是指：在等离子体放电过程的辅助下反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的基板表面，进而制得固体薄膜的工艺技术，其中的栅绝缘层是指：二氧化硅或氮化硅。
5.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管制备方法，其特征是，所述的交流磁控溅射的溅射功率为80W，气压为1Pa，溅射气体中氧气与氩气的比例范围为：1:20 ～1:100。 
6.根据上述任一权利要求所述的金属氧化物薄膜晶体管制备方法，其特征是，所述的金属氧化物是指：氧化锌、氧化铟镓锌、氧化铟锌或氧化铟镓，其载流子浓度在1013-1015/cm3。
7.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管制备方法，其特征是，第四步中所述的漏电极层是指：铝、钼或铬金属或其合金；所述的器件保护层是指：二氧化硅或氮化硅。
8.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管制备方法，其特征是，所述的干法蚀刻是指：采用SF6和He作为反应气体进行薄膜刻蚀。
9.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管制备方法，其特征是，所述的退火是指：在真空或还原性气氛下在200～400℃加热处理的过程。
10.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管制备方法，其特征是，所述的等离子体处理是指：采用氩气对器件表面进行1～3分钟表面处理。 
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