CN102651317B - 金属氧化物半导体表面处理方法和薄膜晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属氧化物半导体表面处理方法和薄膜晶体管的制备方法，其中，所述金属氧化物表面处理方法包括：利用等离子体对待处理的器件进行表面处理；所述等离子体包括F基气体和O2的混合气体，所述待处理的器件为金属氧化物半导体或镀有金属氧化物半导体的制品。本发明提供的实施例中，利用F基气体和O2的混合气体获取的等离子体对金属氧化物进行处理，以增加金属氧化物中氧空位的浓度，降低金属氧化物与其它电极之间的接触电阻，改善金属氧化物的欧姆接触效果。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体地，涉及一种金属氧化物半导体表面处理方法和薄膜晶体管的制备方法。
背景技术
金属氧化物可以广泛应用于透明电极、发光二极管、太阳能电池、气体传感器以及显示领域，在金属氧化物的各个使用领域中，金属氧化物通常需要具有一定的电学特性要求，主要的电学特性参数包括载流子浓度、接触电阻或电阻率等。
现有技术中，为了实现不同条件下制备的金属氧化物的欧姆接触，可以利用氩等离子体、氢等离子体或N2O等离子体来处理金属氧化物，以改善金属氧化物的欧姆接触。然而，金属氧化物经过上述等离子体处理之后，并不能呈现良好的欧姆接触。图1为现有技术中金属氧化物的IV特性谱线。如图1所示，现有技术中的金属氧化物的IV特性谱线为曲线，标识在金属氧化物表面与金属铟、金属钼或透明电极氧化铟锡（ITO）等电极的接触处存在肖特基势垒，若做成器件，金属氧化物与电极的接触电阻大，导致功耗比较高。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种金属氧化物半导体表面处理方法和薄膜晶体管的制备方法，用于解决现有技术中金属氧化物与电极的接触电阻过大的问题。
为此，本发明提供一种金属氧化物半导体表面处理方法，其中，利用等离子体对待处理的器件进行表面处理；
所述等离子体包括F基气体和O2的混合气体，所述待处理的器件为金属氧化物半导体或镀有金属氧化物半导体的制品。
其中，所述待处理的器件包括：氧化锌、氧化锡，含有铟、铝和镓中至少一种元素的氧化锌系金属氧化物半导体，以及含有铟、铝和镓中至少一种元素的氧化锡系金属氧化物半导体。
其中，所述利用等离子体对待处理的器件进行表面处理具体包括：
在放置所述待处理的器件的腔体内充入压强为Y的F基气体与O2的混合气体，所述O2占所述混合气体的含量为η；
利用功率为P的射频作用于所述混合气体以得到等离子体；
所述等离子体作用于所述待处理的器件上的时间为t。
其中，所述F基气体包括CF4、SF6、NF3和C2F8中的至少一种气体。
其中，所述F基气体为CF4；
其中，所述O2占所述CF4与O2混合气体的含量η的范围在0-38%之间；
所述CF4与O2混合气体的压强Y的范围在40-400mTorr之间；
所述等离子体作用于所述待处理的器件上的时间为t的范围在5-120s之间；
所述射频功率P的范围在200-1500W之间。
本发明还提供一种薄膜晶体管的制备方法，其中，包括在基板上依次制备栅极、栅绝缘层、沟道层、阻挡层、源极和漏极以及钝化保护层，制备所述沟道层包括：
利用等离子体对所述沟道层进行表面处理；
所述等离子体包括F基气体和O2的混合气体得到的等离子体；
所述沟道层的材料为金属氧化物半导体。
其中，所述金属氧化物半导体包括：氧化锌、氧化锡，含有铟、铝和镓中至少一种元素的氧化锌系金属氧化物半导体，以及含有铟、铝和镓中至少一种元素的氧化锡系金属氧化物半导体。
其中，所述利用等离子体对所述沟道层进行表面处理包括：
所述表面为沟道层的产品放置在充入压强为Y的F基气体与O2的混合气体腔体内，所述O2占所述混合气体的含量为η；
利用功率为P的射频作用于所述混合气体以得到等离子体；
所述等离子体作用于所述待处理的器件上的时间为t。
其中，所述沟道层包括中间区和二个分别用于接触源极和漏极的接触区，二个接触区位于中间区的两侧；
所述阻挡层沉积在所述沟道层上的中间区位置，用于阻挡等离子体到达所述沟道层的中间区。
其中，所述F基气体为CF4；
其中，所述O2占所述CF4与O2混合气体的含量η的范围在0-38%之间；
所述CF4与O2混合气体的压强Y的范围在40-400mTorr之间；
所述等离子体作用于所述待处理的器件上的时间为t的范围在5-120s之间；
所述射频功率P的范围在200-1500W之间。
本发明具有下述有益效果：
本发明提供的金属氧化物表面处理方法，利用F基气体和O2的混合气体获取的等离子体对金属氧化物进行处理，以增加金属氧化物中氧空位的浓度，降低金属氧化物与其它电极之间的接触电阻，改善金属氧化物的欧姆接触效果。
本发明提供的薄膜晶体管的制备方法，在制备薄膜晶体管的过程中，使用阻挡层形成自对准结构，利用F基气体与O2的混合气体得到的等离子体来处理沟道层，以增加沟道层中氧空位的浓度，改善沟道层的接触特性，降低沟道层与源极或漏极之间的接触电阻，提高了沟道层的霍尔迁移率和载流子浓度，有利于降低金属氧化物器件的功耗。
附图说明
图1为现有技术中的金属氧化物的IV特性谱线；
图2为本发明金属氧化物表面处理方法第一实施例中第一产品的结构示意图；
图3为本实施例中处理的金属氧化物的XPS光谱图；
图4为本实施例中处理的金属氧化物的IV特性曲线；
图5为本发明金属氧化物表面处理方法第一实施例中第二产品的结构示意图；
图6为本发明金属氧化物表面处理方法第二实施例的流程图；
图7为本发明薄膜晶体管的制备方法实施例的流程图；
图8为本发明薄膜晶体管的制备方法中产品的第一结构示意图；
图9为本发明薄膜晶体管的制备方法中产品的第二结构示意图；
图10为本发明薄膜晶体管的制备方法中产品的第三结构示意图；
图11为本发明薄膜晶体管的制备方法中产品的第四结构示意图；
图12为本发明薄膜晶体管的制备方法中产品的第五结构示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的金属氧化物表面处理方法和薄膜晶体管的制备方法进行详细描述。
利用等离子体对待处理的器件进行处理，待处理的器件可以为金属氧化物或镀有金属氧化物的制品，本实施例中以金属氧化物为例来介绍技术方案。图2为本发明金属氧化物表面处理方法第一实施例中第一产品的结构示意图，图3为本实施例中处理的金属氧化物的XPS光谱图，图4为本实施例中处理的金属氧化物的IV特性曲线。如图2所示，在衬底201上沉积有一层绝缘层202，然后再绝缘层202上制备一层金属氧化物；其中，衬底201可以为玻璃基片、硅基片或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基片等，绝缘层202的材料可以为SiOx，SiNx，SiON，HfO2等，然后通过烧结、溶胶-凝胶、化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)或溅射等方式在绝缘层202上制备得到金属氧化物203，金属氧化物203的材料为金属氧化物半导体材料，可以包括纯氧化锌、氧化锡，或通过添加铟In、铝Al、镓Ga或铪Hf等元素形成的氧化锌系金属氧化物或氧化锡系金属氧化物；本实施例中，金属氧化物203为采用磁控溅射制备得到的IGZO(氧化铟镓锌)薄膜，溅射气氛为O2和Ar混合气体，其中，IGZO薄膜的厚度为
然后，将金属氧化物203放置在的处理腔体中，处理腔体内充入压强为Y的F基气体与O2的混合气体，O2占混合气体的含量为η，利用功率为P的射频作用于混合气体以得到等离子体，等离子体作用于金属氧化物203的表面上的时间为t；利用F基气体的强氧化性，增加金属氧化物203表面的氧空位浓度。
在实际应用中，F基气体可以包括CF4、SF6、NF3和C2F8中的至少一种气体。
本实施例中，F基气体可以为CF4，其中，CF4和O2的混合气体的压强Y的范围可以在40-400mTorr之间，混合气体中O2的含量η的范围通常在0-38%之间，如果O2的含量更高的话，将会影响对金属氧化物203表面的氧原子的处理，处理腔体中的电源输出射频的功率P的范围在200-1500W之间，对金属氧化物进行等离子体处理的时间t的范围在5-120s之间；在本实施例中，优选的，混合气体的压强Y为100mTorr，O2占混合气体含量η为20%，处理腔体中电源输出射频功率P为600W，对金属氧化物203进行等离子体处理的时间t为10s。其中，处理腔体中的CF4和O2产生的等离子体与金属氧化物203表面的O原子发生如下化学反应：
CF4+O→COF2+2F （1）
2O+F→FO2 （2）
FO2+F→F2+O2 （3）
如图3所示，对经过CF4与O2混合气体得到的等离子体处理的IGZO薄膜进行X射线光电子能谱分析(X-ray PhotoelectronSpectroscopy Analysis，XPS)可知，金属氧化物的结合能曲线没有发现明显变化，而且没有出现金属氟化物成份。
表1为等离子体处理前后的IGZO薄膜中各元素原子含量表。
如表1所示，IGZO薄膜中包括铟In、镓Ga、锌Zn和氧O等元素，未经过等离子体处理的IGZO薄膜中各元素In:Ga:Zn:O的相对含量为7:1:3:52，经过等离子体处理之后，IGZO薄膜中各元素In:Ga:Zn:O相对含量为9:1:3:28，所以，通过对IGZO薄膜进行等离子体处理，使IGZO薄膜中的氧空位含量大大增加，有利于降低IGZO薄膜的接触电阻。
如图4所示，经过等离子体处理IGZO薄膜的IV特性曲线为一条斜线，标识IGZO薄膜与电极形成良好的欧姆接触，因此等离子体处理能有效降低IGZO薄膜与电极之间的接触电阻，形成欧姆接触，有效改善IGZO薄膜与电极之间形成欧姆接触的效果。
图5为本发明金属氧化物表面处理方法第一实施例中第二产品的结构示意图。如图5所示，在上述经过等离子体处理的IGZO薄膜的四角分别引出一个金属铟电极204，并对其进行电学特性检测，IGZO薄膜与金属铟电极组成的样品共有5个。
表2为IGZO薄膜与金属铟电极组成的样品的电学特性表。
如表2所示，通过对IGZO薄膜与金属铟电极组成的样品进行电学检测得知，上述半导体元件的电阻率为10-2（ohm.cm）量级，载流子浓度为1019(cm-3)量级，霍尔迁移率为16.058-19.05(cm2/V.s)之间。相对于未经过等离子体处理的IGZO薄膜，经过等离子体处理的IGZO薄膜的电阻率降低，而载流子浓度和霍尔迁移率大大提高。
本实施例中，利用F基气体和O2的混合气体获取的等离子体对金属氧化物进行处理，以增加金属氧化物中氧空位的浓度，降低金属氧化物与其它电极之间的接触电阻，改善金属氧化物的欧姆接触效果。
图6为本发明金属氧化物表面处理方法第二实施例的流程图。如图6所示，本实施例金属氧化物表面处理方法的流程包括如下步骤：
步骤601、清洗硅衬底。
在本步骤中，利用标准硅片清洗工序清洗硅片衬底，并用去离子水反复冲洗，然后进入步骤602。
步骤602、在硅衬底上沉积一层SiOx。
在本步骤中，采用PECVD的方式在硅衬底上沉积一层SiOx，SiOx的厚度为300nm，然后进入步骤603。
步骤603、在SiOx层上沉积一层IGZO薄膜。
在本步骤中，在O2和Ar的混合气体中，在SiOx层上溅射沉积一层IGZO薄膜，IGZO薄膜的厚度为然后进入步骤604。
步骤604、对IGZO薄膜进行等离子体处理。
在本步骤中，在干刻设备的腔体中利用能量为1000W的射频功率作用于CF4与O2的混合气体以得到等离子体，干刻设备的腔体中CF4和O2的混合气体的压强为100mTorr，O2占上述混合气体含量为20%；利用上述等离子体对IGZO薄膜进行处理，处理时间为10s。
在本实施例中，在经过等离子体处理的IGZO薄膜的四角，分别通过金属钼和氧化铟锡（ITO）引出电极，然后检测IGZO薄膜与金属钼组成半导体元件的电学特性以及IGZO薄膜与氧化铟锡成半导体元件的电学特性，样品的数量均为2个。
表3为IGZO薄膜与金属钼电极组成样品的电学特性表。
如表3所示，IGZO薄膜与金属钼电极组成样品的电阻率为10-2（ohm.cm）量级，载流子浓度为1019（cm-3）量级，霍尔迁移率为15.594-20.844(cm2/V.s)之间。
表4为IGZO薄膜与氧化铟锡电极组成样品的电学特性表。
如表4所示，IGZO薄膜与氧化铟锡电极组成半导体元件的电阻率为10-2（ohm.cm）量级，载流子浓度为1019（cm-3）量级，霍尔迁移率为9.823-11.740(cm2/V.s)之间。
在实际应用中，为提高等离子体的处理效果，可以对待处理的器件进行多次等离子体处理。
在上述各实施例中，利用CF4和O2获取的等离子体对IGZO金属氧化物进行处理，以增加金属氧化物中氧空位的浓度，提高金属氧化物的霍尔迁移率和载流子浓度，降低金属氧化物与钼、氧化铟锡或铟等电极之间的接触电阻，实现氧化物半导体材料与钼、氧化铟锡或铟等电极的欧姆接触。
图7为本发明薄膜晶体管的制备方法实施例的流程图，图8为本发明薄膜晶体管的制备方法中产品的第一结构示意图，图9为本发明薄膜晶体管的制备方法中产品的第二结构示意图，图10为本发明薄膜晶体管的制备方法中产品的第三结构示意图，图11为本发明薄膜晶体管的制备方法中产品的第四结构示意图，图12为本发明薄膜晶体管的制备方法中产品的第五结构示意图。如图7所示，本实施例薄膜晶体管的制备方法的流程具体包括如下步骤：
步骤701、在基板上制备栅极。
在本步骤中，可以采用玻璃、硅片或PET基片等作为基板，采用钼、铝铷合金或金钛合金等做为栅极材料。在本实施例中，以玻璃为基板、以钼为栅极材料来介绍技术方案。如图8所示，在玻璃基板801上用溅射方式沉积一层钼薄膜，然后通过光刻和湿法腐蚀工艺制备得到栅极802，然后进入步骤702。
步骤702、在完成上述步骤的基板上制备栅绝缘层。
在本步骤中，如图9所示，在完成上述步骤的基板801上，通过热生长、PECVD、溅射等方式沉积一层栅绝缘层803，栅绝缘层803的材料可以为SiOx、Si3N4、AlOx、TiOx或HfO2等。然后对沉积栅绝缘层的基板在氮气、氧气或真空条件下进行退火工艺，退火温度可以为400°C，然后进入步骤703。
步骤703、在完成上述步骤的基板上制备沟道层。
在本步骤中，如图10所示，在完成上述步骤的基板801上再沉积一层金属氧化物作为沟道层804，沟道层804通常包括中心区和位于中心区两侧的接触区，二个接触区分别用于连接薄膜晶体管的源极和漏极，金属氧化物可以为纯氧化锌、纯氧化锡、或适当添加铟In、铝Al、镓Ga或铪Hf等元素构成氧化锌系金属氧化物或氧化锡系金属氧化物等，本实施例中采用IGZO作为沟道层804，然后进入步骤704。
步骤704、对沟道层进行自对准等离子体处理。
在本步骤中，如图11所示，首先通过光刻和干刻工艺制备在沟道层804上制备一层阻挡层805形成自对准结构，阻挡层805覆盖在沟道层804的中心区，在对沟道层804进行等离子体处理时阻止等离子体进入中心区，阻挡层805可以为SiOx、Si3N4、AlOx、TiOx、HfO2或者它们的组合结构等。
本实施例中，F基气体为CF4，其中，CF4和O2的混合气体的压强为Y，混合气体中O2的含量为η，处理腔体中的电源输出射频的功率为P，对金属氧化物进行等离子体处理的时间为t，在实际应用中，CF4和O2的混合气体的压强Y的范围可以在40-400mTorr之间，混合气体中O2的含量η的范围通常在0-38%之间，如果O2的含量更高的话，将会影响对金属氧化物203表面的氧原子的处理，处理腔体中的电源输出射频的功率P的范围在200-1500W之间，对金属氧化物进行等离子体处理的时间t的范围在5-120s之间。本实施例中，处理腔体中充满CF4和O2的混合气体，优选的，混合气体的压强为200mTorr，混合气体中O2的含量为30%，处理腔体中的电源输出射频的功率为700W，对沟道层804进行等离子体处理的10s，然后进入步骤后705。
步骤705、在完成上述步骤的基板上制备源极和漏极。
在本步骤中，如图12所示，在完成上述步骤的基板上溅射一层金属薄膜，金属薄膜的材料可以为铟In、钼Mo、氧化铟锡ITO等；然后对上述的金属薄膜采用光刻和湿刻工艺以得到源极806和漏极807，然后再在真空、氮气或氧气的环境中对上述产品进行退火，退火温度可以在120-400°C之间，再沉积一层钝化保护层，从而得到薄膜晶体管。
本实施例中，在制备薄膜晶体管的过程中，使用阻挡层形成自对准结构，利用F基气体与O2的混合气体得到的等离子体来处理沟道层，以增加沟道层中氧空位的浓度，改善沟道层的接触特性，降低沟道层与源极或漏极之间的接触电阻，提高了沟道层的霍尔迁移率和载流子浓度，有利于降低金属氧化物器件的功耗。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括在基板上依次制备栅极、栅绝缘层、沟道层、阻挡层、源极和漏极以及钝化保护层，制备所述沟道层包括：
利用等离子体对所述沟道层进行表面处理；
所述等离子体包括F基气体和O2的混合气体；
所述沟道层的材料为金属氧化物半导体；
所述利用等离子体对所述沟道层进行表面处理包括：
所述表面为沟道层的产品放置在充入压强为Y的F基气体与O2的混合气体腔体内，所述O2占所述混合气体的含量为η；
利用功率为P的射频作用于所述混合气体以得到等离子体；
所述等离子体作用于所述待处理的器件上的时间为t；
其中，所述F基气体为CF4；
所述O2占所述CF4与O2混合气体的含量η的范围在0-38％之间；
所述CF4与O2混合气体的压强Y的范围在40-400mTorr之间；
所述等离子体作用于所述待处理的器件上的时间为t的范围在5-120s之间；
所述射频功率P的范围在200-1500W之间。
2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物半导体包括：氧化锌、氧化锡，含有铟、铝和镓中至少一种元素的氧化锌系金属氧化物半导体，以及含有铝和镓中至少一种元素的氧化锡系金属氧化物半导体。
3.根据权利要求1所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述沟道层包括中间区和二个分别用于接触源极和漏极的接触区，二个接触区位于中间区的两侧；
所述阻挡层沉积在所述沟道层上的中间区位置，用于阻挡等离子体到达所述沟道层的中间区。
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