CN107623040A - 一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管及其制造方法，晶体管包括衬底，所述衬底上设有缓冲层，所述缓冲层上设有铟镓锌氧化物薄膜，所述铟镓锌氧化物薄膜上设有钝化层、源漏接触电极和栅介质层，所述栅介质层上设有栅电极。本发明采用了顶栅结构，减少了寄生电容，增强了等比缩小能力，降低了栅极的驱动电压，采用砷离子或者磷离子作为注入离子，并对注入离子后的源漏区进行退火处理，得到了低阻的N型重掺杂区，使得晶体管具有低接触电阻和热稳定性好的优点。本发明可以广泛应用于半导体领域。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其是一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管及其制造方法。
背景技术
在下一代新型AMOLED有源显示的发展及推动下，金属氧化物薄膜晶体管受到越来越多的关注与研究，其中底栅型铟镓锌氧化物(a-InGaZnO)薄膜晶体管(TFT)最具代表性。然而底栅型结构具寄生电容大和等比例缩小能力的缺点，难以应用在外围电路的集成上以实现显示面板的系统整合SOP。有小部分学者开展了寄生电容小的自对准顶栅结构的研究，然而在源漏掺杂的方法上，普遍采用氢(J.Park et.al,Appl.Phys.Lett.,93,053501,2008)或氩(B.Du Ahn et.al,Appl.Phys.Lett.,93,203506,2008)等离子体处理来形成高导电区，但这样的晶体管存在稳定性问题，尤其是热稳定性较差的问题：因为氢元素较轻，较容易由源漏区扩散到沟道，沟道变低阻，而使器件短路；利用氩等离子体处理可形成氧空位缺陷以减少电阻率，但氧空位缺陷比较不稳定，只要稍微进行热处理，载流子浓度就会发生明显变化，从而造成器件性能的急剧下降。故热稳定性问题一直是a-InGaZnO TFT所面临的一大难题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的第一目的在于：提供一种寄生电容小和等比例缩小能力强的铟镓锌氧化物薄膜晶体管。
本发明的第二目的在于：提供一种寄生电容小、等比例缩小能力强和热稳定性强的铟镓锌氧化物薄膜晶体管的制造方法。
本发明所采用的第一种技术方案是：
一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管，包括衬底，所述衬底上设有缓冲层，所述缓冲层上设有铟镓锌氧化物薄膜，所述铟镓锌氧化物薄膜从左至右分为三个区域，其中，铟镓锌氧化物薄膜的左右两个区域均为N型重掺杂源漏区，铟镓锌氧化物薄膜的中间区域为无掺杂铟镓锌氧化物区，所述铟镓锌氧化物薄膜上设有钝化层、源漏接触电极和栅介质层，所述栅介质层上设有栅电极，所述源漏接触电极通过钝化层的接触孔与铟镓锌氧化物薄膜欧姆接触。
进一步，所述栅电极为金属铝、金属钼、金属钛或者ITO薄膜，所述源漏接触电极为金属铝、金属钼、金属钛或者ITO薄膜。
进一步，所述N型重掺杂源漏区为砷离子或磷离子的N型重掺杂区。
本发明所采用的第二种技术方案是：
一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管的制造方法，包括以下步骤：
在衬底上沉积缓冲层；
在缓冲层上沉积铟镓锌氧化物薄膜；
对铟镓锌氧化物薄膜进行光刻和刻蚀，得到图形化的铟镓锌氧化物薄膜；
在图形化的铟镓锌氧化物薄膜上沉积栅介质层；
在栅介质层上沉积栅电极，并将栅电极图形化；
对铟镓锌氧化物薄膜注入砷离子或磷离子，然后进行退火，以在铟镓锌氧化物薄膜中形成N型重掺杂源漏区；
以图形化后的栅电极为掩膜版，对栅介质层进行刻蚀；
在刻蚀栅介质层后的铟镓锌氧化物薄膜上沉积钝化层，并对钝化层进行光刻，再进行剥离或刻蚀，以形成源漏区的接触孔；
在源漏区的接触孔中沉积源漏接触电极。
进一步，所述在缓冲层上沉积铟镓锌氧化物薄膜的步骤具体为：使用DC直流磁控溅射法或者使用RF射频磁控溅射法在缓冲层上沉积铟镓锌氧化物薄膜，所述DC直流磁控溅射法或RF射频磁控溅射法反应时衬底的温度为23℃至400℃，所使用的靶材含有铟、镓和锌元素。
进一步，所述靶材为IGZO靶材，所述IGZO靶材由In2O3、Ga2O3和ZnO组成。
进一步，所述对铟镓锌氧化物薄膜注入砷离子或磷离子，然后进行退火，以在铟镓锌氧化物薄膜中形成N型重掺杂源漏区，这一步骤具体包括：
使用离子注入机或者离子喷淋机对铟镓锌氧化物薄膜注入砷离子或者磷离子。
进一步，所述砷离子或者磷离子的注入剂量为1014至1016/cm2，所述砷离子或者磷离子的注入能量为20至150keV。
进一步，所述对铟镓锌氧化物薄膜注入砷离子或磷离子，然后进行退火，以在铟镓锌氧化物薄膜中形成N型重掺杂源漏区，这一步骤具体还包括：
使用快速退火设备或者高温炉对进行离子注入后的铟镓锌氧化物薄膜进行退火，其中，退火温度为300℃至500℃，退火气氛为氮气、氧气、空气或者氩气。
进一步，所述在刻蚀栅介质层后的铟镓锌氧化物薄膜上沉积钝化层，并对钝化层进行光刻，再进行剥离或刻蚀，以形成源漏区的接触孔，这一步骤具体为：
使用磁控溅射设备或者电子束蒸发设备，在刻蚀栅介质层后的铟镓锌氧化物薄膜上沉积钝化层，并对钝化层进行光刻，再进行剥离或刻蚀，以形成源漏区接触孔。
本发明晶体管的有益效果是：采用了顶栅结构，减少了寄生电容，增强了等比缩小能力，降低了栅极的驱动电压，使得铟镓锌氧化物薄膜晶体管更加适合应用在显示面板之上。
本发明方法的有益效果是：包括对铟镓锌氧化物薄膜注入砷离子或磷离子和进行退火，以在铟镓锌氧化物薄膜中形成N型重掺杂源漏区的步骤，使得源漏接触电极与N型重掺杂源漏区形成良好的欧姆接触，降低了源漏区的欧姆接触电阻，使得器件的整体电性能提升；采用了砷离子或磷离子来注入铟镓锌氧化物薄膜，可以克服采用常规氢等离子或氩等离子处理源漏区的薄膜晶体管热稳定性差的问题，提升了铟镓锌氧化物薄膜晶体管的热稳定性；通过本发明的方法制造的铟镓锌氧化物薄膜晶体管，采用了顶栅结构，减少了寄生电容，增强了等比缩小能力，降低了栅极驱动电压低；使得铟镓锌氧化物薄膜晶体管更加适合应用在显示面板之上。
附图说明
图1为本发明实施例1的铟镓锌氧化物薄膜晶体管的横截面示意图；
图2为本发明实施例2在衬底上形成缓冲层后的横截面示意图；
图3为本发明实施例2使用磁控溅射法沉积铟镓锌氧化物薄膜后的横截面示意图；
图4为本发明实施例2在铟镓锌氧化物薄膜上沉积栅介质层后的横截面示意图；
图5为本发明实施例2在栅介质层上沉积栅电极并将栅电极图形化后的横截面示意图；
图6为本发明实施例2注入磷离子或砷离子并退火后的横截面示意图；
图7为本发明实施例2制造的薄膜晶体管在热应力测试前后的转移特性变化图；
图8为一种以氢等离子处理源漏区的薄膜晶体管热应力测试前后的转移特性变化图。
具体实施方式
参照图1，一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管，包括衬底101，所述衬底101上设有缓冲层102，所述缓冲层102上设有铟镓锌氧化物薄膜103，所述铟镓锌氧化物薄膜103从左至右分为三个区域，其中，铟镓锌氧化物薄膜103的左右两个区域均为N型重掺杂源漏区(左N型重掺杂区111和右N型重掺杂区112)，铟镓锌氧化物薄膜的中间区域为无掺杂铟镓锌氧化物区，所述铟镓锌氧化物薄膜上设有钝化层106、源漏接触电极107和栅介质层104，所述栅介质层104上设有栅电极105，所述源漏接触电极107通过钝化层106的接触孔与铟镓锌氧化物薄膜103欧姆接触。
进一步作为优选的实施方式，所述栅电极105为金属铝、金属钼、金属钛或者ITO薄膜，所述源漏接触电极107为金属铝、金属钼、金属钛或者ITO薄膜。
进一步作为优选的实施方式，所述N型重掺杂源漏区为砷离子或磷离子的N型重掺杂区。
参照图1至图6，一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管的制造方法，包括以下步骤：
在衬底101上沉积缓冲层102；
在缓冲层102上沉积铟镓锌氧化物薄膜103；
对铟镓锌氧化物薄膜103进行光刻和刻蚀，得到图形化的铟镓锌氧化物薄膜103；
在图形化的铟镓锌氧化物薄膜103上沉积栅介质层104；
在栅介质层104上沉积栅电极105，并将栅电极105图形化；
对铟镓锌氧化物薄膜103注入砷离子或磷离子，然后进行退火，以在铟镓锌氧化物薄膜103中形成N型重掺杂源漏区；
以图形化后的栅电极105为掩膜版，对栅介质层104进行刻蚀；
在刻蚀栅介质层后的铟镓锌氧化物薄膜103上沉积钝化层106，并对钝化层106进行光刻，再进行剥离或刻蚀，以形成源漏区的接触孔；
在源漏区的接触孔中沉积源漏接触电极107。
进一步作为优选的实施方式，所述在缓冲层上沉积铟镓锌氧化物薄膜的步骤具体为：使用DC直流磁控溅射法或者使用RF射频磁控溅射法在缓冲层上沉积铟镓锌氧化物薄膜，所述DC直流磁控溅射法或RF射频磁控溅射法反应时衬底的温度为23℃至400℃，所使用的靶材含有铟、镓和锌元素。
进一步作为优选的实施方式，所述靶材为IGZO靶材，所述IGZO靶材由In2O3、Ga2O3和ZnO组成。
进一步作为优选的实施方式，所述对铟镓锌氧化物薄膜注入砷离子或磷离子，然后进行退火，以在铟镓锌氧化物薄膜中形成N型重掺杂源漏区，这一步骤具体包括：
使用离子注入机或者离子喷淋机对铟镓锌氧化物薄膜注入砷离子或者磷离子。
进一步作为优选的实施方式，所述砷离子或者磷离子的注入剂量为1014至1016/cm2，所述砷离子或者磷离子的注入能量为20至150keV。
进一步作为优选的实施方式，所述对铟镓锌氧化物薄膜注入砷离子或磷离子，然后进行退火，以在铟镓锌氧化物薄膜中形成N型重掺杂源漏区，这一步骤具体还包括：
使用快速退火设备或者高温炉对进行离子注入后的铟镓锌氧化物薄膜进行退火，其中，退火温度为300℃至500℃，退火气氛为氮气、氧气、空气或者氩气。
进一步作为优选的实施方式，所述在刻蚀栅介质层后的铟镓锌氧化物薄膜上沉积钝化层，并对钝化层进行光刻，再进行剥离或刻蚀，以形成源漏区的接触孔，这一步骤具体为：
使用磁控溅射设备或者电子束蒸发设备，在刻蚀栅介质层后的铟镓锌氧化物薄膜上沉积钝化层，并对钝化层进行光刻，再进行剥离或刻蚀，以形成源漏区接触孔。
实施例1
参照图1，一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管，包括衬底101，所述衬底101上设有缓冲层102，所述缓冲层102上设有铟镓锌氧化物薄膜103，所述铟镓锌氧化物薄膜103从左至右分为三个区域，其中，铟镓锌氧化物薄膜103的左右两个区域均为N型重掺杂源漏区(左N型重掺杂区111和右N型重掺杂区112)，铟镓锌氧化物薄膜103的中间区域为无掺杂铟镓锌氧化物区，所述铟镓锌氧化物薄膜103上设有钝化层106、源漏接触电极107和栅介质层104，所述栅介质层104上设有栅电极105，所述源漏接触电极107有两个，所述的两个源漏接触电极107分别通过钝化层106的源漏区接触孔与铟镓锌氧化物薄膜103的左右两个N型重掺杂区欧姆接触。
所述N型重掺杂区均为注入砷离子的铟镓锌氧化物N型重掺杂区或者为注入磷离子的铟镓锌氧化物N型重掺杂区；所述衬底101为硅衬底或者玻璃衬底；所述缓冲层102为二氧化硅层、氮化硅层或者为二氧化硅和氮化硅的混合层；所述栅介质层为二氧化硅；所述栅电极105为ITO薄膜(也可以是金属铝、金属钼或者金属钛)，所述源漏接触电极107为金属钼Mo(也可以是金属铝、金属钛或ITO薄膜)。
所述金属钝化层106为氧化铝层、氮化硅层或者二氧化硅层。
采用了砷离子或磷离子这样较重的离子来注入铟镓锌氧化物薄膜，可以克服采用氢等离子或氩等离子处理形成源漏区的薄膜晶体管热稳定性差的问题，提升了铟镓锌氧化物薄膜晶体管的热稳定性；ITO薄膜具有高导电率、高机械硬度、良好的化学稳定性和高的透光率，适用于显示面板的半导体。
实施例2
一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管的制造方法，包括以下步骤：
S1、参照图2，使用等离子体增强化学气相法(PECVD)在衬底101上沉积缓冲层102；其中，衬底101可以是硅衬底或者玻璃衬底，缓冲层102为二氧化硅层、氮化硅层或者为二氧化硅和氮化硅的混合层；
S2、参照图3，使用DC直流磁控溅射法或者使用RF射频磁控溅射法在缓冲层102上沉积铟镓锌氧化物薄膜103；其中，DC直流磁控溅射法和RF射频磁控溅射法中所使用的靶材为IGZO靶材(或者是IZO靶材和镓靶材的组合，组合形式可以有多种，只要靶材的组合含有铟、镓和锌元素均可)，IGZO靶材成分是摩尔百分比为1:1:1的In2O3、Ga2O3和ZnO(IGZO靶材中三种成分的比例没有严格的限制，利用其他比例的IGZO靶材亦可实现)；反应式衬底的温度为23℃至400℃，反应气体为氩气或氧气，输入功率为120W，反应气压为2mT，形成的铟镓锌氧化物薄膜103为a-InGaZnO薄膜。
S3、对铟镓锌氧化物薄膜103进行光刻和刻蚀，得到图形化的铟镓锌氧化物薄膜103；
S4、参照图4，使用PECVD法在图形化的铟镓锌氧化物薄膜103上沉积二氧化硅作为栅介质层104；
S5、参照图5，使用磁控溅射法在栅介质层104上沉积一层ITO薄膜作为栅电极105，并通过光刻、和剥离将栅电极105图形化；
S6、参照图6，以图形化后的栅电极105作为掩膜板，从而形成自对准结构，使用离子注入机或者离子喷淋机对铟镓锌氧化物薄膜103注入砷离子，然后使用快速退火设备或者高温炉对注入砷离子后的铟镓锌氧化物薄膜103进行退火，以在铟镓锌氧化物薄膜103中形成N型重掺杂源漏区(左N型重掺杂区111和右N型重掺杂区112)；其中，砷离子注入的剂量为5╳1015/cm2，砷离子或者磷离子的注入能量为100keV；退火温度为300℃至500℃，退火气氛为氮气、氧气、空气或者氩气；
S7、以图形化后的栅电极105为掩膜版，对栅介质层104进行刻蚀，以露出N型重掺杂源漏区(左N型重掺杂区111和右N型重掺杂区112)；
S8、使用磁控溅射设备或者电子束蒸发设备，在刻蚀栅介质层104后的铟镓锌氧化物薄膜103上沉积钝化层106，并对钝化层106进行光刻和剥离，以形成源漏区的接触孔；
S9、在源漏区的接触孔中沉积金属钼薄膜作为源漏接触电极107。
从图7可以看出，本实施例2制造出的铟镓锌氧化物薄膜晶体管，在受到热应力测试前后的转移特性曲线没有发生明显变化，而从图8可以看出，在相同条件下，用常规氢等离子处理源漏区铟镓锌氧化物薄膜晶体管，在受到热应力测试前后的转移特性曲线发生了明显的变化，在经过20分钟的200℃热应力测试后，该晶体管的转移特性曲线发生明显的衰减现象，说明使用砷离子这样较重的离子作为注入离子，能够有效地提升铟镓锌氧化物薄膜晶体管的热稳定性。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管，其特征在于：包括衬底，所述衬底上设有缓冲层，所述缓冲层上设有铟镓锌氧化物薄膜，所述铟镓锌氧化物薄膜从左至右分为三个区域，其中，铟镓锌氧化物薄膜的左右两个区域均为N型重掺杂源漏区，铟镓锌氧化物薄膜的中间区域为无掺杂铟镓锌氧化物区，所述铟镓锌氧化物薄膜上设有钝化层、源漏接触电极和栅介质层，所述栅介质层上设有栅电极，所述源漏接触电极通过钝化层的接触孔与铟镓锌氧化物薄膜欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管，其特征在于：所述栅电极为金属铝、金属钼、金属钛或者ITO薄膜，所述源漏接触电极为金属铝、金属钼、金属钛或者ITO薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管，其特征在于：所述N型重掺杂源漏区为砷离子或磷离子的N型重掺杂区。
4.一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上沉积缓冲层；
在缓冲层上沉积铟镓锌氧化物薄膜；
对铟镓锌氧化物薄膜进行光刻和刻蚀，得到图形化的铟镓锌氧化物薄膜；
在图形化的铟镓锌氧化物薄膜上沉积栅介质层；
在栅介质层上沉积栅电极，并将栅电极图形化；
对铟镓锌氧化物薄膜注入砷离子或磷离子，然后进行退火，以在铟镓锌氧化物薄膜中形成N型重掺杂源漏区；
以图形化后的栅电极为掩膜版，对栅介质层进行刻蚀；
在刻蚀栅介质层后的铟镓锌氧化物薄膜上沉积钝化层，并对钝化层进行光刻，再进行剥离或刻蚀，以形成源漏区的接触孔；
在源漏区的接触孔中沉积源漏接触电极。
5.根据权利要求4所述的一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管的制造方法，其特征在于：所述在缓冲层上沉积铟镓锌氧化物薄膜的步骤具体为：使用DC直流磁控溅射法或者使用RF射频磁控溅射法在缓冲层上沉积铟镓锌氧化物薄膜，所述DC直流磁控溅射法或RF射频磁控溅射法反应时衬底的温度为23℃至400℃，所使用的靶材含有铟、镓和锌元素。
6.根据权利要求5所述的一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管的制造方法，其特征在于：所述靶材为IGZO靶材，所述IGZO靶材由In2O3、Ga2O3和ZnO组成。
7.根据权利要求4所述的一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管的制造方法，其特征在于：所述对铟镓锌氧化物薄膜注入砷离子或磷离子，然后进行退火，以在铟镓锌氧化物薄膜中形成N型重掺杂源漏区，这一步骤具体包括：
使用离子注入机或者离子喷淋机对铟镓锌氧化物薄膜注入砷离子或者磷离子。
8.根据权利要求7所述的一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管的制造方法，其特征在于：所述砷离子或者磷离子的注入剂量为1014至1016/cm2，所述砷离子或者磷离子的注入能量为20至150keV。
9.根据权利要求7所述的一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管的制造方法，其特征在于：所述对铟镓锌氧化物薄膜注入砷离子或磷离子，然后进行退火，以在铟镓锌氧化物薄膜中形成N型重掺杂源漏区，这一步骤具体还包括：
使用快速退火设备或者高温炉对进行离子注入后的铟镓锌氧化物薄膜进行退火，其中，退火温度为300℃至500℃，退火气氛为氮气、氧气、空气或者氩气。
10.根据权利要求4-9任一项所述的一种铟镓锌氧化物薄膜晶体管的制造方法，其特征在于：所述在刻蚀栅介质层后的铟镓锌氧化物薄膜上沉积钝化层，并对钝化层进行光刻，再进行剥离或刻蚀，以形成源漏区的接触孔，这一步骤具体为：
使用磁控溅射设备或者电子束蒸发设备，在刻蚀栅介质层后的铟镓锌氧化物薄膜上沉积钝化层，并对钝化层进行光刻，再进行剥离或刻蚀，以形成源漏区接触孔。
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