CN102810569A - 可同时驱入镍和调整阈值电压的多晶硅薄膜晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属诱导晶化多晶硅薄膜晶体管，包括：衬底，位于衬底上的有源层，其特征在于，在低温氧化物层上蚀刻出相互间隔的诱发线，将磁控溅射的镍作为栅极电极；注入硼后在氮气中退火来完全晶化，去除低温氧化物层来限定有源岛。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶体管，更具体地，本发明涉及一种实现镍驱入和阈值电压调整的多晶硅薄膜晶体管。
背景技术
低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS TFT)被认为是用于下一代平板显示器的良好候选元件。较低的处理温度(600℃以下)使得LTPS TFT适合用于低成本的玻璃衬底。当用作像素的切换晶体管时，多晶硅TFT的较高的迁移性比硅TFT能够提供更高的开口率，多晶硅的较高迁移性还可以使得外围驱动电路集成在玻璃衬底上，并且实现平板上系统。
金属诱导晶化被认为是获取高质量多晶硅的快速的和低成本的方法，少量的镍被引入非晶硅中。在热退火的条件下，扩散到Si中并且形成NiSi2，用作晶化的晶体，还会在多晶硅中引入金属污染，导致泄漏电流的增加。
为了降低镍残渣的数量和晶粒边界，已经开发了不同的金属诱导晶化工艺，包括金属诱导横向晶化、金属诱导非横向晶化，基于MIC的解决方案，通过覆盖层的MIC等工艺。近期，提出用于n沟道多晶硅TFT的MILC工艺的一种新的方法，该方法使用氟注入工艺来将镍驱入a-Si中。在注入工艺之后，在退火之前去除遗留在a-Si的表面上的镍。
然而，多晶硅薄膜本质上总是n型的，从而，对于p沟道TFT，阈值电压总是很高，并且易于通过硼注入来掺杂到沟道中，来实现阈值电压的调整。该操作通常在镍沉积和热退火之前进行，用于完全激活掺杂物。但是，沟道掺杂会导致产生更高的漏电流，电流开关率下降，并且会产生不一致的更低 的阈值电压。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明提出金属诱导晶化多晶硅(poly-Si)薄膜晶体管的制造方法，通过该方法可以驱入镍并且通过单个的硼注入工艺来实现阈值电压调整。
根据本发明，提出了一种金属诱导晶化多晶硅薄膜晶体管，包括：衬底，位于衬底上的有源层，其特征在于，在低温氧化物层上蚀刻出相互间隔的诱发线，将磁控溅射的镍作为栅极电极；注入硼后在氮气中退火来完全晶化，去除低温氧化物层来限定有源岛。
根据本发明的另一个方面，提供了一种金属诱导晶化多晶硅薄膜晶体管的制造方法，包括：步骤10)、在衬底上通过低压化学气象沉积来沉积45nm的a-Si有源层，沉积100nm厚的低温氧化物；步骤20)、随后将低温氧化物层蚀刻，形成多个诱发线，溅射Ni沉积到表面上；步骤30)、在镍溅射之后进行硼注入。
附图说明
图1示出硼注入过程来驱入镍的方案；
图2示出三类设备的制造过程的流程图；
图3示出所产生的装置以及有源岛到诱导线的相对偏移的顶视图；
图4示出三种类型的装置的传输特性
图5示出样本B和样本C中横向晶化效果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的实现镍驱入和阈值电压调整的多晶硅薄膜晶体管进行详细描述。
总的来说，本发明提供一种金属诱导晶化多晶硅(poly-Si)薄膜晶体管的制造方法，通过在镍溅射之后进行硼离子注入而同时实现阈值电压调整和镍驱入。
制造方法开始时，使用500nm热氧化层覆盖的4英寸的c-Si晶片作为衬底。通过低压化学气象沉积(LPCVD)沉积45nm的a-Si有源层，之后沉积100nm厚的低温氧化物(LTO)。随后将LTO层蚀刻，形成多个相互间隔90μm的、宽度为8μm的诱发线。随后，通过在氩环境下使用7W的功率以9mTorr来磁控溅射6分钟，使用Ni/Si合金靶将Ni沉积到取样表面上。沉积之后的Ni-Si薄膜的厚度大约低于5nm。
将上述所得分为三种类型的TFT，样本A、样本B和样本C。其中，样本A用作传统的MIUC TFT。在Ni-Si溅射之后，样本A直接在590℃下退火10小时，退火之后通过硫酸将多余的镍清除。对于样本B和C，在镍溅射之后使用两种不同的方案进行硼注入。对于样本B，注入能量和剂量分别是40KeV和5E12/cm2。而对于样本C，注入能量和剂量分别是12KeV和4E15/cm2。图1示出该晶体管的结构以及示出硼注入过程来驱入镍的方案。
样本B和C上的镍在注入之后通过硫酸去除。样本B和C还在氮气中以590℃退火10小时，来完全晶化。图2示出三类样本的制造过程的流程图。样本上的LTO全部被移除，并且进行了有源岛定义。
通过LPCVD沉积70nm的LTO作为栅极氧化物。200nm的Ti被溅射并且图案化为栅极电极。在4E15/cm2的剂量下进行自对准25KeV的硼注入。随后沉积500nm的LTO并且限定接触孔，溅射700nm的Al-1％Si。图案化金属层之后，在混合气中以450℃持续30分钟来烧结。图3示出所产生的装置以及有源岛到诱导线的相对偏移的顶视图。
图4示出三种类型的装置的传输特性。下表1中总结了三种类型的TFT的装置特性的比较。
表1
| 样本A | 样本B | 样本C | |
| μFE(cm2/Vs) | 62.7 | 71.4 | 65.3 |
| Vth(V)当|Vds|＝5V | -6.5 | -5.6 | -3.8 |
| SS(mV/decade) | 852.5 | 963.2 | 983.5 |
| Ion/Ioff | 4.4E6 | 7.0E6 | 6.1E6 |
沟道宽度和沟道长度(W/L)的比值为10μm/10μm。使用方程来估计 
其中gm是跨导。在Vds＝-0.1V时计算场效应迁移率。Cox是每单元面积的栅极绝缘电容。W和L是装置的沟道宽度和长度。
当Vds等于-5V使得Id达到W/L×10-7A时，阈值电压限定为Vg。电流开关率限定为当Vds等于-5V时的测量范围中的最大和最小漏电流的比值。
相比于样本A，样本B和样本C的阈值电压从-6.5分别显著下降到-5.6和-3.8。该改进结果可以通过仿真结果来说明。
阈值电压的下降是由于硼注入通过LTO进入到有源区域，使用TS4，进行数值仿真，以给出诱导线和有源区域中的硼集中分布的清晰视图。
尽管镍是在退火之后移除，但在样本B和样本C中仍旧可以清晰的看到横向晶化效果，如图5所示。这表明硼注入可以将镍驱入a-Si中，此外，所驱入的镍的数量可以通过注入过程来控制，并且足以诱发横向晶化。
最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。
Claims (7)
1.一种金属诱导晶化多晶硅薄膜晶体管，包括：衬底，位于衬底上的有源层，其特征在于，在低温氧化物层上蚀刻出相互间隔的诱发线，将磁控溅射的镍作为栅极电极；注入硼后在氮气中退火来完全晶化，去除低温氧化物层来限定有源岛。
2.根据权利要求1所述的金属诱导晶化多晶硅薄膜晶体管，其特征在于，硼注入的注入能量和剂量分别是40KeV和5E12/cm2，或者注入能量和剂量分别是12KeV和4E15/cm2。
3.根据权利要求1所述的金属诱导晶化多晶硅薄膜晶体管，其特征在于，有源层为通过低压化学气象沉积所沉积的45nm a-Si。
4.根据权利要求1所述的金属诱导晶化多晶硅薄膜晶体管，其特征在于，所述诱发线为将LTO层蚀刻形成的多个相互间隔90μm的、宽度为8μm的沟槽。
5.根据权利要求4所述的金属诱导晶化多晶硅薄膜晶体管，其特征在于，所述镍是在氩环境下使用7W的功率以9mTorr来磁控溅射6分钟并且使用Ni/Si合金靶沉积到取样表面上，沉积之后的Ni-Si薄膜的厚度低于5nm。
6.根据权利要求5所述的金属诱导晶化多晶硅薄膜晶体管，其特征在于，所述衬底为500nm热氧化层覆盖的4英寸的c-Si晶片。
7.根据权利要求6所述的金属诱导晶化多晶硅薄膜晶体管，其特征在于，镍注入之后在氮气中以590℃退火10小时，来完全晶化。
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