CN102651399B - 微晶非晶硅复合型薄膜晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及薄膜晶体管技术领域，提供了一种微晶非晶硅复合型薄膜晶体管及其制造方法，采用微晶层和非晶硅层复合而成的有源层，大大提高了器件电学性能，克服了现有的技术瓶颈，制备出了性能稳定且漏电流较低的底栅结构微晶非晶硅复合型TFT；同时大大缩短了其生产时间并简化了生产工艺，可有效适用于有源矩阵有机发光二极管显示器(AMOLED)及低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器(LTPS TFT-LCD)等领域。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜晶体管技术领域，特别涉及一种微晶非晶硅复合型薄膜晶体管及其制造方法。
背景技术
平板显示技术发展至今，已全面取代了传统的CRT(Cathode RayTube，阴极射线管)显示器，尤其是随着九十年代初TFT(Thin FilmTransistor，薄膜晶体管)技术的成熟，彩色液晶平板显示器迅速发展，不到10年的时间，TFT-LCD迅速成长为主流显示器。目前主流的TFT面板有a-Si(非晶硅)TFT和LTPS(Low Temperature Poly-silicon，低温多晶硅)TFT两种。
低温多晶硅LTPS技术最初是为了降低笔记本电脑显示屏的能耗，令笔记本电脑显得更薄更轻而研发的技术，大约在二十世纪九十年代中期开始走向试用阶段。由LTPS衍生的新一代有机发光液晶面板OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)也正式走上实用阶段，它的最大优势在于超薄、重量轻、低耗电，同时其自身发光的特点，因而可以提供更艳丽的色彩和更清晰的影像。更进一步地，AMOLED(Active Matrix/Organic Light Emitting Diode，有源矩阵有机发光二极管)面板凭借其高画质、移动图像响应时间短、低功耗、宽视角及超轻超薄等优点，成为了未来显示技术的最好选择。
而之前普遍应用于LCD产业的a-Si非晶硅TFT，由于迁移率较低，阈值电压漂移严重，而且稳定性也较差，a-Si TFT较难直接应用于电流型驱动的AMOLED中。
多晶硅Poly-Si TFT凭借其不错的稳定性和较高的迁移率，获得了目前的部分液晶面板厂商的支持，希望开发出成熟的Poly-Si TFT阵列背板技术，提供给大尺寸的AMOLED及LTPS TFT-LCD面板使用。但是Poly-Si TFT需要特别的晶化工艺，如采用激光退火(准分子激光退火，ELA)及非激光退火(固相晶化，SPC；金属诱导晶化，MIC等)。针对ELA来讲，其均匀性一直无法提高，激光束尺寸小及工艺窗口窄，很难制作大尺寸的显示屏，成本昂贵，并且其工艺复杂；针对SPC来讲，退火温度非常高，时间比较长，不适用于玻璃基板；针对MIC来讲，则会出现金属离子残留于沟道区，导致漏电流非常大。
而最近出现的微晶硅TFT，因为拥有较佳的稳定性能、不错的背板均匀性、较低的工艺成本也日渐受到重视。同非晶硅一样，微晶硅TFT阵列背板工艺只需要简单的5次掩膜(Mask)工艺，较Poly-Si TFT阵列背板工艺需要9次掩膜生产工序而言，工艺简单并且投资较低，可制作大尺寸AMOLED及LTPS TFT-LCD面板。
但是微晶硅TFT之前的研发主要是倾向于采用顶栅结构，这种结构的微晶硅TFT容易造成比较高的漏电流；而如果采用底栅结构微晶硅TFT，又会在有源层沟道区域出现一层较为严重的“无序层”，这层无序层常被称为结晶孵化过程产生的“孵化层”，是生长的微晶硅材料在制备到100nm左右、甚至更厚的薄膜时显示出的非晶相的无序状况。随着该孵化层的出现，有源层沟道区域内部带来了更多的晶界及缺陷，阻碍了载流子的传输，使得TFT的动作延迟并且工作特性也变得不稳定。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述缺点，本发明为了解决现有技术中各种薄膜晶体管普遍存在的性能不稳定及漏电流较高的问题，提供了一种微晶非晶硅复合型薄膜晶体管及其制造方法，降低了薄膜晶体管的漏电流并提高了稳定性。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明具体采用如下方案进行：
首先，本发明提供一种微晶非晶硅复合型薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包括：
基底，以及在所述基底一侧依次形成的栅极、栅绝缘层、有源层的微晶硅部分、有源层的非晶硅部分、n+a-Si:H层、源漏极和钝化层。
优选地，所述薄膜晶体管为底栅结构，其中所述有源层的微晶硅部分厚度为30-50nm；所述有源层的非晶硅部分厚度为100-150nm。
更进一步地，本发明还同时提供一种微晶非晶硅复合型薄膜晶体管的制造方法，所述方法包括步骤：
S1，在基底的一侧，依次制备栅极和栅绝缘层；
S2，在所述栅绝缘层上，采用分区制作方式形成具有微晶硅部分和非晶硅部分的复合有源层；
S3，在所述复合有源层的非晶硅部分之上，依次制备n+a-Si:H层、源漏极和钝化层。
优选地，步骤S2中，先采用氢等离子体对所述栅绝缘层的表面进行处理，去除表面引起陷阱态的亚稳态物质，形成稳定的界面，接着在所述界面上形成所述复合有源层。
优选地，步骤S2中，所述采用分区制作方式形成具有微晶硅部分和非晶硅部分的复合有源层具体为：使用逐层生长方式形成所述微晶硅部分；在所述微晶硅部分之上采用快速连续沉积方式生长形成所述非晶硅部分。
优选地，所述逐层生长方式中各层的处理为：
(i)沉积厚度小于10nm的非晶硅超薄层；
(ii)对步骤(i)得到的所述非晶硅超薄层进行一定时间的氢等离子体处理，使所述非晶硅超薄层中的非晶硅经历化学退火过程，完全转变成微晶硅薄膜，以便在所述有源层的下部分形成微晶硅沟道区域。
优选地，所述逐层生长方式全过程为：
步骤(i)中，采用PECVD方法沉积4nm的非晶硅超薄层；
步骤(ii)中，进行24秒的氢等离子体处理；
步骤(iii)中，重复步骤(i)和(ii)10次，得到复合有源层的所述微晶硅部分。
优选地，所述逐层生长方式全过程为：
步骤(i)中，采用PECVD方法沉积1nm的非晶硅超薄层；
步骤(ii)中，进行90秒的氢等离子体处理；
步骤(iii)中，重复步骤(i)和(ii)40次，得到复合有源层的所述微晶硅部分。
优选地，采用PECVD方法快速连续沉积100-150nm的非晶硅薄膜作为所述非晶硅部分。
优选地，骤S1中，制备所述基底、栅极和栅绝缘层的具体步骤为：
S101，预清洗基板作为所述基底；
S102，在所述基底的一侧采用溅射法镀上导电物作为所述栅极；并且对所述导电物进行第一次掩膜工序，得到栅极图案；
S103，在所述栅极上采用PECVD方法形成绝缘薄膜作为所述栅绝缘层。
优选地，步骤S3中，制备所述n+a-Si:H层、源漏极和钝化层的步骤具体为：
S301，在所述复合有源层的非晶硅部分上，沉积n+a-Si:H得到所述n+a-Si:H层；然后对有源层和n+a-Si:H层进行第二次掩膜工序，得到有源层图案；
S302，在所述n+a-Si:H层上，采用溅射法沉积导电物作为源极和漏极，并对此层的导电物进行第三次掩膜工序，得到源极和漏极图案；
S302，在所述源极和漏极上，采用PECVD沉积绝缘薄膜作为钝化层。
(三)有益效果
本发明中采用微晶层和非晶硅层复合而成的有源层，克服了现有的技术瓶颈，制备出了性能稳定且漏电流较低的底栅结构微晶非晶硅复合型TFT，可有效应用于AMOLED及LTPS TFT-LCD面板的量化生产。
附图说明
图1为本发明中微晶非晶硅复合型TFT的剖面结构图；
图2为本发明的微晶非晶硅复合型TFT与普通微晶硅TFT的转移特性曲线的对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
首先，本发明中的微晶非晶硅复合型TFT的剖面结构如图1所示，在基底101的一侧上，依次制备有栅极102、栅绝缘层103、有源层的微晶硅部分104、有源层的非晶硅部分105、n+a-Si:H层106、源漏极、钝化层109；其中，微晶硅部分104和非晶硅部分105两层复合共同构成有源层，源极107及漏极108在制备时属于由导电物构成同一层(即源漏极层)中。
该微晶非晶硅复合型TFT相对于普通TFT的最大区别在于底栅结构的TFT中，由微晶硅层与非晶硅层复合构成有源层，其中生长质量良好的微晶硅薄膜可有效消除孵化层对TFT器件性能的严重影响；快速沉积的非晶硅层节省了大量的沉积薄膜时间，同时也满足了上层有源层与n+a-Si:H(n+型氢化非晶硅)层晶格匹配问题，使得n+a-Si:H层形成低电阻接触层，从而真正起到欧姆接触的作用。
本发明中该微晶非晶硅复合型TFT的复合有源层采用分区制作方式进行：有源层下部分(厚度范围较小)的微晶硅层，使用“逐层生长及处理”的技术生长；有源层上部分(厚度范围较大)的非晶硅层，则采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的快速连续沉积方法生长。
下面结合具体的实施例更进一步地说明本发明的微晶非晶硅复合型TFT的制备工艺。
实施例1
本实施例1为本发明的一个优选实施例，其仅用于详细介绍本发明中的微晶非晶硅复合型TFT的制造方法，本领域的技术人员应该能够意识到，下文所描述的方法仅仅是一种优选的实施例，是本发明可以优选采用的一部分实施方式，并非是本发明所必须采取的实施方式。现有技术中任何用于制造TFT基本组件的各公知材料或工艺均可以应用于本发明中以解决其技术问题，因而在其基础上本领域的技术人员所进行的任何无需创造性劳动而得到的实施方式均应落入本发明的保护范围内。具体地，本实施例的方法包括步骤：
S1，预清洗玻璃基板，玻璃基板作为基底101；
S2，在玻璃基板上采用溅射法镀220nm的金属钼作为栅极102；并且对金属钼进行第一次掩膜工序(曝光、刻蚀、剥离)，得到栅极图案；
S3，在栅极102上采用PECVD方法形成400nm的氮化硅薄膜作为栅绝缘层103；
S4，在栅绝缘层103上制作有源层；分为两个部分进行，首先制备微晶硅有源层下部分(沟道区域)104，然后再制备非晶硅有源层上部分105：
(1)在栅绝缘层103上，对氮化硅表面进行10秒钟的氢等离子体处理后，去除表面引起陷阱态的亚稳态物质，形成稳定的界面，接着在所述界面上制作微晶硅有源层下部分(沟道区域)104；
(i)采用PECVD方法沉积5秒钟，得到厚度为4nm的非晶硅超薄层(转化为微晶硅薄膜的前躯物)。其工艺条件如下：SiH4/H2＝100～250sccm/500～1250sccm，射频功率为100～300W，沉积腔内压强为800～1500mTorr及温度为350～380℃；
(ii)对(i)制作的非晶硅超薄层进行24秒钟的氢等离子体处理，让(i)制作的非晶硅经历一个化学退火的过程，完全转变为微晶硅薄膜；
(iii)重复步骤(i)和(ii)10次，以便在有源层的下部分，形成40nm微晶硅沟道区域；
(2)在微晶硅有源层下部分(沟道区域)104上，采用PECVD的方法，连续沉积100-150nm(最优选为130nm)的非晶硅薄膜，得到非晶硅有源层上部分105。其工艺条件如下：SiH4/H2＝100～250sccm/500～1250sccm，射频功率为100～300W，沉积腔内压强为800～1500mTorr及温度为350～380℃；
S5，在非晶硅有源层上部分105之上，制备50nm的n+a-Si:H层106；然后对有源层和n+a-Si:H层进行第二次掩膜工序(曝光、刻蚀、剥离)，得到有源层图案；
S6，在n+a-Si:H层106之上，采用溅射法沉积220nm的金属钼作为源极107和漏极108。并对此层金属钼，进行第三次掩膜工序(曝光、刻蚀、剥离)，得到源极和漏极图案；
S7，在源极107和漏极108上，采用PECVD沉积250nm的氮化硅薄膜作为钝化层109。
实施例2
本实施例的其它步骤与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤S4中第(1)步微晶硅有源层下部分(沟道区域)104的沉积条件不同：
(i)采用PECVD方法，仅沉积厚度为1nm的非晶硅超薄层；
(ii)对(i)制作的非晶硅超薄层进行90秒钟的氢等离子体处理；
(iii)重复步骤(i)和(ii)40次，以便在有源层的下部分，形成40nm微晶硅沟道区域。
本领域的技术人员应该能够意识到，上述基板的材料不仅限于玻璃，石英、塑料、硅片和陶瓷中的任一种也均可用于本发明；栅极、源漏极的材料也不仅限于金属钼，其他金属或合金(如Al、Ag、Cr、W、Ti、Ta等金属或其合金)、多晶硅或导电薄膜中的一种或几种组合也均可用于本发明；栅绝缘层和钝化层的材料也不仅限于氮化硅，其他的无机绝缘材料(如氧化物、氮化物或者氧氮化合物)或有机绝缘材料也同样适用于本发明。
下面结合图2来进一步说明本发明的有益效果，图2对比了本发明实施例1的方法制造出的微晶非晶硅复合型TFT与普通的(采用PECVD连续沉积有源层制备的)微晶硅TFT两者的转移特性曲线(TFT都经250℃，退火2小时后进行测试)，经过对各转移特性曲线的计算，得出两种器件的电学性质如表1所示。
表1
| 实施例 | 迁移率(μ) | 漏电流(Ioff) | 开关比 |
| 实施例1 | 0.177cm2/Vs | 2.08×10-13A | 4.7×106 |
| 普通 | 0.039cm2/Vs | 3.4×10-12A | 3×104 |
由表1的结果可知，本发明中制造出的微晶非晶硅复合型TFT获得了较好的器件电学性能，并且阈值电压比较低(约为1.3V)，足够满足背板驱动的要求；此外，其还拥有非常低的漏电流，这将在背板提供给AMOLED及LTPS TFT-LCD使用的时候显得非常重要。并且由表1可以看出，该方法制造的微晶非晶硅复合型TFT迁移率比普通方法制备的微晶硅TFT迁移率提高了4.5倍。在开关比方面，也可以看出本发明的器件有着明显地提高。
本发明中有源层采用微晶层和非晶硅层复合而成，并且微晶硅和非晶硅这两层材料的制作不一样，即本发明中有源层采用分区制作的方法。具体地，有源层下部分(厚度范围较小)的微晶硅层，使用“逐层生长及处理”的技术生长；有源层上部分(厚度范围较大)的非晶硅层，则采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的快速连续沉积方法生长。这种有源层分区制作的方法，既能得到结构较好的微晶硅沟道区，减少有源层底部沟道区域处的孵化层，提高晶体管的器件性能，包括提高迁移率，降低漏电流等；同时又能节省大量的薄膜沉积时间及简化薄膜晶体管生产工艺。本发明中有源层是微晶层与非晶硅层的复合层，满足有源层下部分沟道层的要求，有利于形成高的器件性能；同时也解决了有源层上部分和n+a-Si:H层晶格匹配问题，便于n+a-Si:H层形成低电阻接触层。本发明利用之前a-Si TFT的生产技术及设施，结合微晶硅的技术优势，制备微晶非晶硅复合型TFT，为AMOLED及LTPS TFT-LCD面板量产化提供了一条新道路。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的实际保护范围应由权利要求限定。
Claims (7)
1.一种微晶非晶硅复合型薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S1，在基底的一侧，依次制备栅极和栅绝缘层；
S2，在所述栅绝缘层上，采用分区制作方式形成具有微晶硅部分和非晶硅部分的复合有源层，具体为：使用逐层生长方式形成所述微晶硅部分，在所述微晶硅部分之上采用快速连续沉积方式生长形成所述非晶硅部分；
其中所述逐层生长方式中各层的处理为：
(i)采用PECVD方法沉积厚度小于10nm的非晶硅超薄层，沉积温度为350～380℃；
(ii)对步骤(i)得到的所述非晶硅超薄层进行一定时间的氢等离子体处理，使所述非晶硅超薄层中的非晶硅经历化学退火过程，完全转变成微晶硅薄膜，以便在所述有源层的下部分形成微晶硅沟道区域；
S3，在所述复合有源层的非晶硅部分之上，依次制备n+a-Si：H层、源漏极和钝化层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，先采用氢等离子体对所述栅绝缘层的表面进行处理，去除表面引起陷阱态的亚稳态物质，形成稳定的界面，接着在所述界面上形成所述复合有源层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述逐层生长方式全过程为：
步骤(i)中，采用PECVD方法沉积4nm的非晶硅超薄层；
步骤(ii)中，进行24秒的氢等离子体处理；
步骤(iii)中，重复步骤(i)和(ii)10次，得到复合有源层的所述微晶硅部分。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述逐层生长方式全过程为：
步骤(i)中，采用PECVD方法沉积1nm的非晶硅超薄层；
步骤(ii)中，进行90秒的氢等离子体处理；
步骤(iii)中，重复步骤(i)和(ii)40次，得到复合有源层的所述微晶硅部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用PECVD方法快速连续沉积100-150nm的非晶硅薄膜作为所述非晶硅部分。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤S1中，制备所述基底、栅极和栅绝缘层的具体步骤为：
S101，预清洗基板作为所述基底；
S102，在所述基底的一侧采用溅射法镀上导电物作为所述栅极；并且对所述导电物进行第一次掩膜工序，得到栅极图案；
S103，在所述栅极上采用PECVD方法形成绝缘薄膜作为所述栅绝缘层。
7.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤S3中，制备所述n+a-Si：H层、源漏极和钝化层的步骤具体为：
S301，在所述复合有源层的非晶硅部分上，沉积n+a-Si：H得到所述n+a-Si：H层；然后对有源层和n+a-Si：H层进行第二次掩膜工序，得到有源层图案；
S302，在所述n+a-Si：H层上，采用溅射法沉积导电物作为源极和漏极，并对此层的导电物进行第三次掩膜工序，得到源极和漏极图案；
S302，在所述源极和漏极上，采用PECVD沉积绝缘薄膜作为钝化层。
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