CN102208441A

CN102208441A - 一种薄膜晶体管有源层及其生长方法

Info

Publication number: CN102208441A
Application number: CN2011101123471A
Authority: CN
Inventors: 卢红亮; 陈佳; 王鹏飞; 张卫
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-05-03
Filing date: 2011-05-03
Publication date: 2011-10-05

Abstract

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种薄膜晶体管有源层及其生长方法。本发明提出的薄膜晶体管为由ZnO掺杂Hf元素的HfZnO薄膜，其生长方法包括：用原子层淀积技术在基板上周期性地生长HfO₂和ZnO薄膜，得到特定厚度的HfZnO有源沟道层。本发明方法所淀积的薄膜具有薄膜厚度的精确控制性，优异的保形性，良好的界面控制能力，极好的大面积均匀性，可以减少薄膜的缺陷密度，因此可大大降低沟道层中的缺陷以及介质层和沟道层界面处的缺陷，最终提高TFT的性能。

Description

一种薄膜晶体管有源层及其生长方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种薄膜晶体管(TFT)有源沟道层及其制备方法。

背景技术

近年来，液晶显示技术得到了迅速的发展，薄膜晶体管寻址的液晶显示器以其大容量，高清晰度和全彩色的视频显示成为液晶乃至整个平板显示技术的主流，相关的高新技术产业也成为目前的主要投资方向，受到人们的广泛青睐。基于薄膜晶体管的液晶显示器的显示质量和整体性能在很大程度上取决于薄膜晶体管的性能。随着透明氧化物的深入研究，与传统的非晶硅和多晶硅相比，一些金属化合物的半导体材料也作为有源层用来制作薄膜晶体管，如氧化锌(ZnO)。这些材料有很多高性能的参数，如：高的载流子迁移率，低的亚阈值摆幅，高的开关电流比率。但是这些材料的沟道层和沟道与介质的界面处存在很多的缺陷，为此会出现负偏压不稳定性，使器件在运行的时候容易损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能改善薄膜晶体管性能的薄膜晶体管新的有源沟道层，并提供有源沟道层的生长方法。

本发明提出的薄膜晶体管有源层，为由ZnO掺杂Hf元素的HfZnO薄膜。

原子层淀积(ALD)技术，是一种特殊的化学气相淀积(CVD)方法，原名为原子层外延(ALE)，早在上世纪70年代就有芬兰人Suntola T.和Anston J.获得了这项技术的专利(专利名称: Method for producing compound thin films; 号码: US Patent 4058430)。相较于其他的薄膜淀积方法，ALD可以使得制备的薄膜材料非常的纯，而且能够精确控制薄膜的厚度和组分。在大面积的衬底上厚度平整，无晶粒晶界及很好的保形性，此外ALD技术所需的工艺温度远低于其他的化学气相淀积方法，一般都低于400 ^oC。

ALD淀积虽然是一种化学气相淀积技术，但与传统的CVD技术相比，还是有很大差别的，ALD技术是基于有序表面化学特性的自限制生长制程。它是将反应气体交替脉冲式的通入到反应腔中。一个ALD反应循环的4个步骤：(1)第一种反应前体以脉冲的方式进入反应腔并化学吸附在衬底表面；(2)待表面吸附饱和后，用惰性气体将多余的反应前体吹洗出反应腔；(3)接着第二种反应前体以脉冲的方式进入反应腔，并与上一次化学吸附在表面上的前体发生反应；(4)待反应完全后再用惰性气体将多余的反应前体及其副产物吹洗出反应腔。典型的ALD生长过程由一个周期的多次重复实现。所有的ALD的本质特征就是表面反应达到饱和，使得生长停止，因此薄膜的厚度直接正比于表面反应已完成的次数，既反应循环数，这样可以通过控制淀积的反应循环数，就可以实现对薄膜厚度的精确控制。

对于ALD淀积，选择合适的反应源是重要，ALD原始反应源应具有几个品质特点，要有一定的挥发性；在理想情况下，不应在反应温度下发生自身反应或者分解；能够产生可挥发性的副产物。为使用方便，原始反应源最好为液态有机物。

为了生长出电性符合要求的HfZnO有源层薄膜，我们选择使用TEMAH和DEZn为Hf和Zn的反应源。

本发明提出应用于TFT的HfZnO层的生长方法，具体步骤为：提供一个半导体衬底，在原子层淀积反应腔中，对于每个生长周期，交替脉冲式地通入铪(Hf)源、锌(Zn)源和去离子水(H₂O)，然后交替地生长HfO₂和ZnO，通过控制ALD的生长周期，最终形成所需的HfZnO有源层薄膜，反应衬底温度为150-300 ^oC，反应腔的工作压强保持在2-5 torr。

其中，形成HfZnO有源层所需要的Hf源、Zn源分别为Hf[N(C₂H₅)(CH₃)]₄ (TEMAH)和Zn(C₂H₅) (DEZn)。

其中，形成HfZnO有源层所需要的Hf源、Zn源的ALD脉冲时间分别为1-5秒和0.2-1秒，吹洗时间分别为1-5秒和1-5秒。

本发明还涉及由上述方法生长的由ZnO掺杂Hf元素的HfZnO薄膜作为有源沟道层的薄膜晶体管。

ZnO薄膜晶体管以无掺杂的ZnO作为半导体有源层，在可见光谱的范围内有较高的光透射率，但ZnO中易形成氧空位，而氧空位会俘获沟道中的载流子，而使薄膜晶体管沟道迁移率大大下降。对于ZnO薄膜晶体管，一些研究已显示出由于偏压而导致的不稳定性已经破坏了晶体管电学特性。Hf离子的氧结合能比Zn离子的氧结合能要大，电场中的载流子迁移率主要受导带附近的浅缺陷影响，在ZnO薄膜晶体管中，氧空位和Zn间隙原子的相互作用产生了电子的导电机制。因此，本发明通过掺入Hf离子可以抑制氧空位的产生，进而有效抑制载流子的迁移率。

本发明使用原子层淀积（ALD）方法来制备TFT的HfZnO层。应用该方法淀积的薄膜具有厚度的精确控制性，优异的保形性，良好的界面控制能力，极好的大面积均匀性，可以减少薄膜的缺陷密度，即沟道层中的缺陷以及介质层和沟道层界面处的缺陷，大大提高TFT的电学性能。本方法扩展性强，也可以实现在ZnO中掺杂其他氧化物材料的淀积。

附图说明

图1 为整个TFT晶体管的制作流程图。

图2为经过清洗后的Si衬底结构。

图3 为在Si衬底上淀积SiN_x薄膜后的结构。

图4为在SiN_x薄膜上淀积SiO₂层作为缓冲的绝缘栅的结构。

图5为在SiO₂缓冲绝缘栅上淀积HfZnO薄膜后的结构。

图6为TFT晶体管的剖面图。

具体实施方式

下面结合整个TFT晶体管的制作流程图1与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，在图中，为了方便说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。

步骤1：请参照图1整个TFT晶体管的制作流程图的步骤1和图2，对n型(100)单晶硅片101经过标准RCA清洗，包括连续的用硫酸和双氧水混合水(SC1)溶液，氨水和双氧水混合水(SC2)溶液，稀释的氢氟酸溶液清洗，在刻蚀以后再用去离子水清洗1分钟。所述101层既是衬底硅片，同时也作为TFT晶体管的栅极。栅极一般也可以采用金属铬（Cr），铬的合金材料，或者钼（Mo）钽（Ta）合金，铝（Al）以及铝合金等材料制得。

步骤2：请参照图1整个TFT晶体管的制作流程图的步骤2和图3，用低压化学气相淀积（LPCVD）在基片上淀积一层90-110nm厚的第一绝缘层材料102层。所述的102层为SiN_x薄膜，作为第一层栅绝缘层，SiN_x薄膜的制作方法有很多，有直接氮化法，溅射法，热分解法，低压化学气相淀积(LPCVD)，也可以在700-1000 ^oC下有常压化学气相淀积（APCVD）制得，工业上和实验室一般使用等离子体增强化学气相淀积（PECVD）来生长SiN_x薄膜。在本发明中，采用LPCVD的方法生长，由于LPCVD反应通常是热壁的，颗粒易淀积在反应器的内壁上，所以常通过减小气相反应物的分压，使之产生更少的气相反应，来减少反应腔内的颗粒淀积物。同时由于LPCVD是反应速度限制的，所以必须精确控制反应温度。

步骤3：请参照图1整个TFT晶体管的制作流程图的步骤3和图4，在102层淀积了之后，就用等离子体增强化学气相淀积（PECVD）方法淀积一层5-15 nm厚的第二绝缘层材料103层，作为缓冲的栅绝缘层，这样102层和103层就形成了高质量的栅极绝缘膜。所述的103层是SiO₂薄膜，作为第二栅绝缘层，针对不同的用途和要求，有很多制备SiO₂薄膜的方法，主要有溅射法，蒸发法，化学气相淀积(CVD)，等离子体增强化学气相淀积（PECVD）,热氧化法，金属有机物热分解法，激光辅助淀积法，溶胶凝胶法（Sol-Gel）等。在本发明中，采用PECVD的生长方法，它是一种能在比较低的温度下进行等离子体淀积薄膜的CVD技术，生产时能耗也较低，淀积速度较快，工艺重复性好，淀积薄膜均匀，薄膜的缺陷密度较低。

步骤4：请参照图1整个TFT晶体管的制作流程图的步骤4和图5，把衬底放入ALD反应腔中，以TEMAH和H₂O为反应源，在ALD反应腔中生长HfO₂层， TEMAH和H₂O分别提供HfO₂生长所需要的Hf和O源；以DEZn和H₂O来作为生长ZnO层的反应源，DEZn和H₂O分别提供ZnO生长所需要的Zn和O源，反应衬底温度为300 ^oC，反应腔的工作压强保持在665 Pa。在ALD反应周期中，交替地脉冲式地通入Hf源和Zn源，来交替地生长HfO₂和ZnO，进而通过控制ALD生长周期，来生成所需厚度的104有源层。所述的104层为HfZnO层，该层是TFT的核心层，我们把它称为有源层，器件的电学性质和功能主要是由这一层材料的质量决定的。形成HfZnO有源层所需要的Hf源、Zn源的ALD脉冲时间分别为2秒与0.5秒，吹洗时间分别为5秒和2秒。除此之外，还可采用溅射法，等离子体辅助激光分子束外延技术（L-MBE），金属有机物化学气相淀积（MOCVD）中的一种来生长活性有源层。

步骤5：请参照图1整个TFT晶体管的制作流程图的步骤5和图6，用lift-off工艺淀积105和106层，在104上涂上光刻胶，通过曝光和显影制成图形，要求在不需要制备金属图形的地方覆盖光刻胶，然后再上面淀积金属Al膜，这样，金属膜仅在需要的区域和104接触，最后用不侵蚀金属膜的溶剂除去光刻胶，去除光刻胶的过程中，胶上的金属便会自动剥离，留下所需的金属图形，即是105和106。所述的105和106层分别为源极和漏极。另外，实际还可采用溅射法，蒸发法，和化学气相淀积（CVD）法中的任意一种来制备105和106。作为电极的金属层和金属材料也可以是铝合金，铝（Al），铬（Cr），钼（Mo），钨（W），镍（Ni），钛（Ti），氮化钛（TiN_x），铜（Cu），银（Ag），金（Au）或铂（Pt）中的一种。

如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。

Claims

1.一种薄膜晶体管有源层，其特征在于为由ZnO掺杂Hf元素的HfZnO薄膜。

2.一种薄膜晶体管有源层的生长方法，采用原子层淀积方法，其特征在于具体步骤为：提供一个半导体衬底，在原子层淀积反应腔中，对于每个生长周期，交替脉冲式地通入Hf源、Zn源和去离子水，交替地生长HfO₂和ZnO，通过控制原子层淀积的生长周期，最终形成所需的HfZnO有源层薄膜，反应衬底温度为150-300 ^oC，反应腔的工作压强保持在2-5 torr。

3.根据权利要求2的生长方法，其特征在于，形成HfZnO有源层所需要的Hf源、Zn源分别为Hf[N(C₂H₅)(CH₃)]₄ 和Zn(C₂H₅) 。

4.根据权利要求2的生长方法，其特征在于，形成HfZnO有源层所需要的Hf源、Zn源的原子层淀积的脉冲时间分别为1-5秒和0.2-1秒，吹洗时间分别为1-5秒和1-5秒。

5.一种使用如权利要求2所述方法生长的由ZnO掺杂Hf元素的HfZnO薄膜作为有源沟道层的薄膜晶体管。