CN102694053B

CN102694053B - 半导体器件及其制造方法

Info

Publication number: CN102694053B
Application number: CN201110068069.4A
Authority: CN
Inventors: 殷华湘; 陈大鹏
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: CN102694053A

Abstract

本发明提供了一种半导体器件，包括衬底、衬底上的栅电极、栅电极上的栅绝缘层、栅绝缘层上的非晶态氧化物半导体以及栅电极两侧的非晶态氧化物半导体上的源漏金属电极，基本结构为TFT型紫外探测器。其中，半导体为宽带隙(＞3.0eV)非晶态氧化物半导体，其材料成分可为掺In的ZnO系半导体，具体地，包括InGaZnO、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、YInZnO、AlInZnO、SnInZnO，其中，[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％。优选的各元素原子计数比为[In]：[第三金属]：[Zn]：[O]＝1：1：1：1或者1：1：1：2或者2：2：2：1或者1：1：1：4等。此外半导体还可为非晶态下的In₂O₃、ZTO、ITO、ZnO、SnO_x等材料。依照本发明的TFT型紫外探测器由于采用了非晶态氧化物半导体而具有高效、低成本和大面积均匀的优点。

Description

半导体器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，特别是涉及一种低成本大尺寸非晶态氧化物半导体的薄膜晶体管(TFT)型紫外探测器及其制造方法。

背景技术

近年来，随着天文、高能物理、空间技术等领域的研究和探索工作的不断深入，对紫外探测技术和探测材料提出了更高的要求。紫外(UV)探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用光电探测技术，在军事和民用方面均有很高的应用价值。军事上，紫外探测技术可用于导弹制导、导弹预警、紫外通信、紫外干扰、光电对抗等领域，这些已引起军方的高度重视。紫外探测技术在民用领域巾，可用于紫外天文学、紫外树脂同化、燃烧工程及紫外水净化处理巾的紫外线测量、火焰探测、生物效应、天际通信及环境污染检测等非常广泛的领域。

相比于传统红外探测器，紫外探测具备独特优势：比如说紫外探测可以用于在白天探测导弹或飞机，如果此时用红外，会受日光影响。紫外线在进入大气层时被吸收(200-290nm，日盲区)，而红外线则能穿过大气，所以大气环境里的红外干扰比较严重，而紫外环境相对较干净。所以紫外探测器可以在强红外干扰环境下探测热源。而且现在有的加油站里也在用紫外热源探测器来探测是否有危险热源。而红外探测器就容易因为干扰热源太多而产生误报警。

一般的光电探测器大致有光导型、金属-半导体-金属(MSM)型、肖特基结型以及光电二极管型等多种器件结构。光导型探测器结构简单，内部增益高，但是宽禁带材料容易存在的持续光电导现象给应用带来一系列问题，主要表现在响应速度慢、响应时间是光照强度的函数、暗电流高、长波波段会出现假信号现象等，不适合于直流、高速的工作要求。肖特基型光电探测器包含一个半透明的肖特基接触和一个欧姆接触。肖特基器件一般具有平滑短波区响应光谱，主要原因是肖特基器件的空间电荷区位于半导体表面，抑制了在pin结器件中短波时量子效率的降低，这是肖特基器件的一大优势，但受势垒高度的限制，耗尽层窄，漏电流比pin探测器高。光电二极管型探测器一般采用pn和pin结的形式。从入射方向看，有背照射和正照射两种方式。另外从器件结构看，还有同质结和异质结的区别。

上述这些结构都属于二极管类型，虽然结构简单，但响应信号强度较低，需要复杂的读出电路与信号处理电路，必须和CMOS硅芯片相结合，因而在制作大面积探测器时成本较高。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服传统紫外探测器反应信号强度弱、单位制作成本高的问题，为此提供一种新型的高效简单低成本大面积的应用于紫外探测的器件结构。

本发明提供了一种半导体器件，包括衬底、位于衬底上的栅电极、位于栅电极上的栅极绝缘层、位于栅极绝缘层上的宽禁带的非晶态氧化物半导体以及位于栅电极两侧的非晶态氧化物半导体上的金属源漏电极。

本发明还提供了一种半导体器件的制造方法，包括：在衬底上淀积栅电极和栅极绝缘层；在栅极绝缘层上通过磁控溅射法淀积非晶态氧化物半导体，在栅电极两侧的非晶态氧化物半导体上溅射淀积源漏金属电极。

具体地，所述非晶态氧化物半导体为掺In的ZnO基半导体或其它二元或多元非晶态氧化物半导体，所述掺In的ZnO基半导体优选地包括InGaZnO、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、YInZnO、AlInZnO、SnInZnO，所述其它二元或多元非晶态氧化物半导体优选地包括In₂O₃、ZTO、ITO、ZnO、SnO_x。其中，所述掺In的ZnO基半导体中[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％.其中，各元素原子计数比为[In]∶[第三金属]∶[Zn]∶[O]＝1∶1∶1∶1或者1∶1∶1∶2或者2∶2∶2∶1或者1∶1∶1∶4。其中，所述非晶态氧化物半导体厚度为1至10000nm。其中，所述衬底包括表面为二氧化硅的硅片、玻璃、石英或塑料，所述栅电极和/或源漏金属电极包括Mo、Pt、Al、Ti、Co、Au、Cu、Ag。

由于非晶态氧化物半导体表现出短程有序，各向同性，制作工艺简单，易做成大面积薄膜，并且在能带中缺陷较多、引入较多的局域能级，更有利于短波光波的吸收，因此依照本发明的非晶态氧化物半导体TFT型紫外探测器具有高效、低成本和大面积均匀的优点。

本发明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申请独立权利要求的范围内得以满足。本发明的实施例限定在独立权利要求中，具体特征限定在其从属权利要求中。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1是依照本发明的非晶态氧化物半导体TFT型紫外探测器的示意图；以及

图2是依照本发明的非晶态氧化物半导体TFT型紫外探测器的器件原理与电路结构图。

附图标记：

1、衬底

2、背栅电极

3、栅绝缘介质

4、非晶态氧化物半导体

5/5’、源漏金属电极

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了一种低成本大尺寸非晶态氧化物半导体的TFT型紫外探测器及其制造方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构的空间、次序或层级关系。

如图1所示，本发明为一种薄膜晶体管(TFT)型紫外探测器件，包括衬底1、背栅电极2、栅绝缘介质3、宽禁带的非晶态氧化物半导体4以及源漏金属电极5。其中，衬底1为绝缘衬底并提供支撑，其材质例如为表面为二氧化硅的硅片、玻璃(玻璃衬底1优选具有矩形形状以适于切割和大面积制造)、石英、塑料(优选为具有较高熔点和硬度以及良好绝缘性的组合物)等。衬底1基本为平板状，包括一对主表面，也即下表面和上表面，还包括位于上下主表面之间的侧表面。衬底1的上表面可以具有平滑无缺陷结构以降低衬底对器件有源层的影响，例如通过稀HF酸湿法刻蚀、等离子体刻蚀、化学机械抛光等常用技术来实现，还可以淀积形成氧化物、氮化硅等缓冲层以减缓应力、隔离衬底反掺杂效应或粘合层以增强接合强度(缓冲层或粘合层未示出)。

通过常用的成膜方法例如为溅射淀积来在衬底1的上表面上形成栅电极2，其材质可为高导电的金属，例如Mo、Pt、Al、Ti、Co、Au、Cu、Ag等，还可以是多晶硅，优选为高掺杂的多晶硅，以降低栅极电阻。由于在本发明的TFT结构中栅电极2是形成在栅绝缘层、源漏区之间的沟道区的下方，因此对于这种结构而言，栅电极2通常称为背栅电极2。背栅电极2如图1所示，在衬底1的上表面延伸为具有一定宽度和长度的布线，长度方向上超出稍后要形成的器件的有源区而便于与其他器件单元连接为阵列结构，作为阵列单元的选择布线，其宽度和厚度依据阈值电压需要而合理选择。

通过常用的成膜方法例如化学气相淀积(CVD)在背栅电极2以及衬底1上形成栅绝缘层3，用作TFT器件的栅极绝缘隔离，其材质可以低介电常数(低k)材料，例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，也可以是高介电常数(高k)材料，例如氧化铪、氧化钽、氧化铝等等，栅绝缘层3可以是单层结构也可以是多层层叠结构，或是这些材料交错层叠构成的绝缘介质堆叠，例如氧化硅与氮化硅层叠构成的ONO堆叠，或者氧化硅与氧化铪构成的层叠结构。栅绝缘介质3如图1所示形成为矩形，与器件的有源区相对应。

在栅绝缘层3上形成有由非晶态氧化物半导体4构成的半导体光电探测薄膜，其材质为掺In的ZnO基半导体或其它二元非晶态氧化物半导体，掺In的ZnO基半导体例如为GaInZnO、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、YInZnO、AlInZnO、SnInZnO，其它二元或多元非晶态氧化物半导体例如为In₂O₃、ZTO、ITO、ZnO、SnO_x(x＝1～2)等。其中，掺In的ZnO系半导体中[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％。优选的各元素原子计数比为[In]∶[第三金属]∶[Zn]∶[O]＝1∶1∶1∶1或者1∶1∶1∶2或者2∶2∶2∶1或者1∶1∶1∶4等。相比多晶、晶态与超晶格半导体，非晶态半导体表现出短程有序，各向同性，制作工艺简单，易做成大面积薄膜，并且在能带中缺陷较多、引入较多的局域能级，更有利于短波光波的吸收。材料中In原子外层电子是主要导电电子源，通过相邻氧空位导电，Zn原子起到稳定微晶胞结构的作用，而其他Ga、Hf、Ta、Zr、Y、Al、Sn等等第三掺杂剂起控制氧空位的产生率从而改变半导体的导电率。常见的制作方法为磁控溅射法(Sputter)、化学气相沉积法(CVD)、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积法(PLD)、溶胶-凝胶法(SOL-GEL)、水热法等，在本发明中优选使用磁控溅射法。控制其制造工艺的参数来控制所形成的掺In的ZnO基半导体的材质特性，例如选择合适的Ar/O₂比例、溅射气压、溅射功率、衬底温度、退火时间及温度等等。优选条件：Ar/O₂＝100∶x，x∶0～50；气压10～1000mtorr；功率50～500W；溅射衬底温度室温到400℃；退火100～450℃，10min～10hr。可依据器件电学性能需要和对于紫外线的透光需要选择形成的非晶态氧化物半导体2的厚度为1至10000nm，优选为20至2000nm，尤其是40至200nm，特别是60nm。对于其他二元或多元非晶态氧化物半导体，可以通过合理调整原子计数比以及溅射工艺参数来控制成膜状态，与掺In的ZnO基非晶态氧化物类似，可例如通过添加第三金属或者调整成膜厚度来得到所需的非晶态氧化物半导体，这些技术对本领域技术人员而言是公知常用的。非晶态氧化物半导体4形成为矩形，对应于有源区，在背栅电极2上方的部分构成TFT器件的沟道区，在背栅电极2两侧的部分构成TFT器件的源区和漏区。

在TFT器件的源区和漏区上形成一对金属电极5/5’以分别用作源极和漏极的金属电极，通常也称为金属源电极和金属漏电极，优选采用溅射淀积的方式，其材质例如为Mo、Pt、Al、Ti、Co、Au、Cu、Ag等。

在上述器件中，如图2所示的器件原理与电路结构图，金属电极(包括金属的背栅电极2、源漏金属电极5/5’)与非晶态氧化物半导体4构成欧姆接触，背栅电极2通过栅电场控制沟道有源区的横向导电，形成薄膜场效应晶体管。在栅电极2上加正偏置电压时，源极接地，漏极接正偏压，晶体管处于压控电流放大状态，此时向存贮电容(金属源极与TFT阵列单元的存储电容的下电极相连接，其上有电容的绝缘层以及上电极，这些结构在图中未示出；存储电容可以是叠置在源电极上方的平面电容，也可以是在器件中间介电层ILD中形成的沟槽电容)充电。在栅电极2上加负偏置电压时，源极接地，漏极接正偏压，晶体管一般处于电流截止状态，存储电容的电荷一般不变；若此时紫外线照射下，掺In的ZnO或其他材料制成的宽禁带的非晶态氧化物半导体构成的有源区中有光电电流产生，在沟道区中产生反向漏电，导致存储电荷泄漏，由此提供光电变化信号；若光电效应强，则反向漏电增大，电荷泄放速度增加，表征更强的探测信号。

通常TFT器件的沟道有源区由非晶硅组成，而非晶硅属于共价型非晶态半导体，载流子导电通过电子在能带带尾间的跳跃来实现，因而迁移率较低。依照本发明的TFT器件使用的非晶态氧化物半导体属于离子性的非晶态半导体，一般具有这样的电子结构(n-1)d¹⁰ns⁰(n＞4)，其导带底主要由重金属元素的s轨道的未被占据态组成。s态电子云密度呈球对称分布且半径较大，相互交叠形成电子的导通路径非常有利于电子的传输，即便当材料处于非晶态时原子排布比较杂乱，但由于s态电子云本身是球对称形分布对方向的变化不敏感，电子依然拥有良好的输运路径，因而载流子较大，在最终的TFT放大特性与反向光电响应效率上有更好的结果。非晶态氧化物半导体的禁带宽度通过选择掺杂杂质种类和剂量而控制在3.1eV～4.0eV之间，对应的直接吸收本征光波波长在310～400nm之间，因此对可见光(400～760nm)有较好的透过性而对于波长小于400nm的紫外线有较高的吸收性。表1给出了依照本发明的厚度均为60nm的三种薄膜InZnO、GaInZnO、HfInZnO的透射率与照射光线波长之间的对应关系，也即透射谱，测试仪器是多谱段透射率测试仪：

表1

由表1可见在大于400nm的谱线上三种材料的器件均有大于约80％的透过率，在小于400nm的谱线上有较强的吸收率，InZnO对应的最小吸收率在接近85％。

具体地，在制造工艺的参数选择上，掺In的ZnO基半导体中[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％时表现为非晶态，其它二元氧化物在前述的一定工艺条件下也表现为非晶态。相比多晶、晶态与超晶格半导体，非晶态半导体表现出短程有序，各向同性，制作工艺简单，易做成大面积薄膜，并且在能带中缺陷较多、引入较多的局域能级，更有利于短波光波的吸收和光电流的产生。

TFT在暗场与光照下负栅偏压的I-V电流曲线表现出极大的不同，通常在栅压负偏的状况下非晶态氧化物半导体TFT的暗电流极小；当外部紫外线照射下，有源区的宽禁带非晶态氧化物半导体4易产生光生载流子，由此提供额外的光电流并由源漏电极引出产生探测信号。

表2是TFT不同栅压下光电流和暗电流的不同数值：

从表2可看出，在栅压为零的条件下(此时TFT相当于源漏两个二极管对接，类似于MSM型紫外探测器)，光电流对暗电流的增益比为20∶1；在栅压为-5V的条件下，光电流对暗电流的增益比高达10⁷∶1，由此可见TFT型探测器相比MSM型探测器具备高得多的光电流增益比，在信号处理方面极大的提高了信噪比，降低了信号电路的处理规模与难度。

综上所述，依照本发明的TFT型紫外探测器由于采用了非晶态氧化物半导体而具有高效、低成本和大面积均匀的优点。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构和制造方法做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。

Claims

1.一种半导体TFT型紫外探测器，包括：

衬底，上表面具有平滑无缺陷结构；

栅电极，位于所述衬底上；

栅绝缘层，位于所述栅电极上；

宽带隙的非晶态氧化物半导体，位于所述栅绝缘层上，其中所述非晶态氧化物半导体属于离子性的非晶态半导体且具有(n-1)d¹⁰ns⁰的电子结构，其中n>4，禁带宽度为3.1eV～4.0eV，对应的直接吸收本征光波波长在310～400nm之间，所述非晶态氧化物半导体为掺In的ZnO基半导体，所述掺In的ZnO基半导体中[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％，各元素原子计数比为[In]:[第三金属]:[Zn]:[O]＝1:1:1:1或者1:1:1:2或者2:2:2:1或者1:1:1:4；以及

源漏金属电极，位于所述栅电极两侧的所述非晶态氧化物半导体上。

2.如权利要求1所述的半导体TFT型紫外探测器，其中，所述掺In的ZnO基半导体包括InGaZnO、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、YInZnO、AlInZnO、SnInZnO。

3.如权利要求1所述的半导体TFT型紫外探测器，其中，所述非晶态氧化物半导体厚度为1至10000nm。

4.如权利要求1所述的半导体TFT型紫外探测器，其中，所述衬底包括表面为二氧化硅的硅片、玻璃、石英或塑料，所述栅电极和/或源漏金属电极包括Mo、Pt、Al、Ti、Co、Au、Cu、Ag。

5.一种半导体TFT型紫外探测器的制造方法，包括：

在上表面具有平滑无缺陷结构的衬底上依次形成栅电极和栅绝缘层；

在所述栅绝缘层上通过磁控溅射法淀积宽禁带的非晶态氧化物半导体，其中所述非晶态氧化物半导体属于离子性的非晶态半导体且具有(n-1)d¹⁰ns⁰的电子结构，其中n>4，禁带宽度为3.1eV～4.0eV，对应的直接吸收本征光波波长在310～400nm之间，所述非晶态氧化物半导体为掺In的ZnO基半导体，所述掺In的ZnO基半导体中[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％，各元素原子计数比为[In]:[第三金属]:[Zn]:[O]＝1:1:1:1或者1:1:1:2或者2:2:2:1或者1:1:1:4；以及

在所述栅电极两侧的所述非晶态氧化物半导体上溅射淀积源漏金属电极。

6.如权利要求5所述的半导体TFT型紫外探测器的制造方法，其中，所述掺In的ZnO基半导体包括InGaZnO、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、YInZnO、AlInZnO、SnInZnO。