CN111415994B - 一种薄膜晶体管及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供的一种薄膜晶体管及其制作方法，其中所述薄膜晶体管包括：衬底；栅极，设置于所述衬底上表面；有源层，覆盖在所述衬底的上表面，在所述栅极与所述有源层之间形成腔体结构；其中，所述腔体结构用于容纳气体介质形成栅介质层；源极和漏极，间隔的覆盖在所述有源层的两侧表面。本发明的薄膜晶体管采用腔体结构的栅介质层大幅降低了传统材料作为栅介质层存在的缺陷，提高了薄膜晶体管的器件性能。

Description

一种薄膜晶体管及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体材料及微电子技术领域，具体而言，涉及一种薄膜晶体管及其制作方法。
背景技术
半导体材料是一类具有半导体性能，其导电能力介于导体与绝缘体之间，可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。随着技术的不断进步，许多新型半导体材料被开发并广泛应用，例如，氧化锌(ZnO)，铟镓锌氧化物(IGZO)，二维材料等。新型半导体材料最主要的特性是电子在其上传输的迁移率较高。
薄膜晶体管的结构主要为分两种：顶栅结构和底栅结构两类，这两种结构最根本的区别在于栅电极的位置不同。底栅结构的薄膜晶体管的栅电极位于衬底与栅介质层之间；而顶栅结构的薄膜晶体管的栅电极位于有源层的上部。不同结构和材料的薄膜晶体管性能具有较大的差异。当前，薄膜晶体管的栅介质层一般是使用介电常数较大的材料，如二氧化铪(HfO2)、二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)等。然而，使用这些传统的材料制作后的晶体管由于材料和结构的特点，会导致薄膜晶体管的性能受到很大的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种薄膜晶体管及其制作方法，大幅降低了传统材料作为栅介质层存在的缺陷，提高了薄膜晶体管的器件性能。
第一方面，本申请通过一实施例提供如下技术方案：
一种薄膜晶体管，包括：
衬底；
栅极，设置于所述衬底上表面；
有源层，覆盖在所述衬底的上表面，在所述栅极与所述有源层之间形成腔体结构；其中，所述腔体结构用于容纳气体介质形成栅介质层；
源极和漏极，间隔的覆盖在所述有源层的两侧表面。
优选地，所述栅极嵌于所衬底的上表面的凹槽内。
优选地，所述栅极的厚度与所述凹槽的深度相同。
优选地，所述栅介质层的宽度大于所述栅极。
优选地，所述源极的一边部和所述漏极的一边部均延伸至所述衬底上表面。
第二方面，基于同一发明构思，本申请通过一实施例提供如下技术方案：
一种薄膜晶体管的制作方法，包括：
在衬底上方制作覆盖栅极的牺牲层；
制作覆盖在所述牺牲层上的有源层；
在所述有源层上表面的两侧分别制作源极和漏极；
刻蚀所述牺牲层，以去除所述牺牲层形成腔体结构的栅介质层。
优选地，所述在衬底上方制作覆盖栅极的牺牲层之前，还包括：
在所述衬底上形成凹槽；
在所述凹槽内填充金属材料，形成所述栅极。
优选地，所述在所述凹槽内填充金属材料，形成所述栅极，包括：
在所述凹槽内填充与所述凹槽深度相同的金属材料，形成所述栅极。
优选地，所述在衬底上方制作覆盖栅极的牺牲层，包括：
在所述衬底上方制作覆盖所述栅极且宽度大于所述栅极的所述牺牲层。
优选地，所述在所述有源层上表面的两侧分别制作源极和漏极，包括：在所述有源层上表面的两侧分别制作延伸至衬底的源极和漏极。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供的一种薄膜晶体管及其制作方法，其中薄膜晶体管中具有空腔结构容纳气体介质形成的栅介质层，因此就可避免HfO2、SiO2、Al2O3等栅介质层材料带来的材料缺陷，即避免了缺陷对载流子的定向移动形成负面影响；同时，腔体结构的栅介质层可以降低栅介质层、有源层以及栅极之间的接触影响，可大幅提高薄膜晶体管中电荷传输特性，提高了薄膜晶体管的性能。由于生产本发明实施例中的薄膜晶体管无需采用栅介质层材料，可大幅的降低材料成本。进一步的，本发明实施例中的制作工艺进行薄膜晶体管的制作，其过程也无需采用栅介质层材料，相比传统的制备薄膜晶体管工艺更为简单，制备成本也显著降低。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明第一实施例提供的一种薄膜晶体管的结构示意图；
图2是本发明第二实施例提供的一种薄膜晶体管的制作方法的流程图；
图3是本发明第二实施例提供的一种薄膜晶体管的制作过程的结构变化示意图；
图4是本发明第四实施例提供的一种多介质检测传感器的制作方法的流程图。
图标：10-薄膜晶体管；11-衬底；12-栅极；13-有源层；14-栅介质层；15-源极；16-漏极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一实施例
请参照图1，本实施例提供一种薄膜晶体管10，包括：衬底11；栅极12，设置于衬底11上表面；有源层13，覆盖在衬底11的上表面，在栅极12与有源层13之间形成腔体结构，腔体结构用于容纳气体介质形成栅介质层14；源极15和漏极16，间隔的覆盖在有源层13的两侧表面。
衬底11为绝缘衬底，具体可为玻璃衬底、氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)等现有的衬底材料，不作限制。衬底11的厚度可根据器件的性能要求进行确定，如，本实施例中的衬底11厚度可为100μm-500μm，具体可取值为300um、350um、400um等。
栅极12设置在衬底11的上表面。具体的，栅极12为金属，例如栅极12可为钼(Mo)、铂(Pt)、金(Au)、铜(Cu)、银(Ag)中的至少一种组成。栅极12的厚度小于1um。优选地，栅极12厚度小于100nm。具体厚度可根据工艺和器件要求进行确定，例如可为30nm、50nm、100nm等。
为了便于半导体工艺过程中对牺牲层(栅介质层14由牺牲层被刻蚀后得到)进行刻蚀，在本实施例中可在衬底11上表面形成容纳栅极12的凹槽，将栅极12填充在凹槽内(即嵌在凹槽内)。此时，栅极12的厚度可与凹槽的厚度不同，例如栅极12的厚度大于或小于凹槽的厚度(深度)。当栅极12的厚度可与凹槽的厚度相同，此时结构规则有利于生产工艺的制作。
有源层13，覆盖在衬底11上表面的栅极12的上方，并且有源层13的宽度大于栅极12的宽度。在有源层13与栅极12之间形成腔体结构，腔体结构用于容纳气体介质形成栅介质层14，腔体结构中可为环境空气、氮气或其他气体介质，不作限制。当不同的环境气体充入到栅介质层中时，可对有源层产生不同的影响，致使沟道中载流子迁移率产生变化，可实现对不同环境气体起到对应的感应作用。具体的，有源层13为可氧化锌(ZnO)、IGZO(indiumgallium zinc oxide，铟镓锌氧化物)半导体、有机半导体等；以及多层二硫化钼(MoS2)二维材料、多层氮化硼薄膜(BN)二维材料等。有源层13的厚度可小于500nm，优选地，可小于100nm，例如，10nm、12nm、20nm、50nm、100nm等。栅介质层14的厚度小于1um，具体可取值为50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm等。优选地，小于100nm。
源极15和漏极16覆盖在有源层13的两侧，并相互之间形成间隔。具体的，源极15和漏极16可分别将有源层13两侧覆盖，并延伸连接到衬底11，可避免有源层13的坍塌，提高稳定性。源极15和漏极16均为金属，例如源极15或漏极16可为钼(Mo)、铂(Pt)、金(Au)、铜(Cu)、银(Ag)中的至少一种组成。源极15和漏极16的厚度小于1um。优选地，源极15和漏极16的厚度小于100nm。具体厚度可根据工艺和器件要求进行确定，例如可为30nm、50nm、100nm等。
在本实施例中，由于栅介质层14为腔体结构，可以避免采用现有技术中的二氧化铪(HfO2)、二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)等栅介质层14，因此也就避免了现有手段中栅介质层14中本身存在的缺陷对沟道中载流子的定向移动形成负面影响。同时，腔体结构的栅介质层14可以降低栅介质层14、有源层13以及栅极12之间的接触影响，可大幅提高薄膜晶体管10中电荷传输特性，提高了薄膜晶体管10的性能。由于生产本实施例中的薄膜晶体管10无需额外的栅介质层材料，可大幅的降低材料成本。
第二实施例
请参阅图2，在本实施例中提供一种薄膜晶体管的制作方法，该方法可用于制备第一实施例中的薄膜晶体管。具体的，所述方法包括：
步骤S10：在衬底上方制作覆盖栅极的牺牲层。
步骤S20：制作覆盖在所述牺牲层上的有源层。
步骤S30：在所述有源层上表面的两侧分别制作源极和漏极。
步骤S40：刻蚀所述牺牲层，以去除所述牺牲层形成腔体结构的栅介质层。
为了便于栅极的制作，在步骤S10中可在衬底上进行凹槽的形成。具体的，可采用光刻胶制备光刻金属栅极图案，通过感应耦合等离子体技术(Inductively CoupledPlasma，ICP)在衬底上表面刻蚀一定深度的栅极图形凹槽，例如，该深度可小于1um，如为40nm、50nm、100nm等。刻蚀的凹槽深度可与栅极的厚度相同，更加规则，可便于步骤S40的进行。
进一步的，可通过使用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积或磁控溅射方法等在绝缘的衬底上的凹槽内沉积金属形成栅极，例如栅极可为钼(Mo)、铂(Pt)、金(Au)、铜(Cu)、银(Ag)中的至少一种组成。
进一步的，在栅极上方覆盖宽度大于栅极的牺牲层，即牺牲层的两侧延伸到衬底表面，并与衬底相接；其中，所述宽度所在的方向为沟道长度的方向。具体的，可采用磁控溅射方式在栅极上方生长一定厚度(如100nm-1000nm)的牺牲层材料，牺牲层材料可为硅(Si)，然后使用光刻胶制备牺牲层图案，通过ICP刻蚀机刻蚀一定厚度(如500nm-1000nm)的牺牲层材料，使用剥离液去除多余的光刻胶，形成牺牲层。该牺牲层的厚度即为栅介质层的厚度，栅介质层的厚度可小于1um，例如为100nm、300nm、500nm等。
在步骤S20中，可使用磁控溅射、化学气相淀积或者热淀积方法在牺牲层上生成氧化物半导体有源层，如氧化锌(ZnO)、IGZO(indium gallium zinc oxide，铟镓锌氧化物)半导体；还可采用采用旋涂的方法制作有机半导体有源层；还可采用转移的方法将二硫化钼(MoS2)、多层氮化硼薄膜(BN)等二维材料转移到牺牲层的表面上作为有源层。有源层的厚度可小于500nm，优选地，可小于100nm，例如，10nm、12nm、20nm、50nm等。
在步骤S30中，在有源层的两侧分别形成源极和漏极。进一步的，源极和漏极可向有源层的边部延伸并与衬底相连接。
例如，使用光刻胶光刻出源极、漏极图案，通过电子束蒸发等方法进行一定厚度的源极、漏极材料的生长，使用剥离液剥离光刻胶上多余的金属(剥离了有源层的中部位置的金属)，在有源层两侧形成源极和漏极。源极和漏极的厚度小于1um。优选地，源极和漏极的厚度小于100nm。具体厚度可根据工艺和器件要求进行确定，例如可为30nm、50nm、100nm等。
在步骤S40中，可使用ICP刻蚀机，以及采用六氟化硫(SF6)气体或六氟化硫/氧气(SF6/O2)混合气体为反应气体刻蚀牺牲层，刻蚀的厚度(深度)为可与牺牲层的厚度相同，最终得到腔体结构的栅介质层。
在本实施例中，一具体的制作示例如下：首先在绝衬底上刻蚀出栅极图形，深度为30nm，使用电子束蒸发生长填充Mo作为栅极金属。再进行磁控溅射生长500nm厚度的Si作为栅介质层的牺牲层，在其上使用旋涂的方法制作厚度为50nm的有机半导体作为有源层，使用电子束蒸发生长厚度为50nm-100nm的钛(Ti)或金(Au)等作为源极或漏极，最后使用ICP和离子束刻蚀掏空有源层下方的Si，形成腔体结构作为栅介质层。进一步的，可具体参阅图3的图示过程进行理解，其中，1、衬底；2、通过刻蚀栅极图形凹槽，并填充栅极图形凹槽形成栅极；3、生长牺牲层；4、制作有源层；5、制作源极、漏极；6、刻蚀牺牲层，形成腔体结构的栅介质层。
采用本实施例中的一种薄膜晶体管的制作方法进行薄膜晶体管的制作可形成具有空腔结构容纳气体介质形成的栅介质层，因此就可避免HfO2、SiO2、Al2O3等栅介质层材料带来的材料缺陷，即避免了缺陷对沟道中载流子的定向移动形成负面影响；同时，腔体结构的栅介质层可以降低栅介质层、有源层以及栅极之间的接触影响，可大幅提高薄膜晶体管中电荷传输特性，提高了薄膜晶体管的性能。由于生产本实施例中的制备工艺无需额外的栅介质层材料，可大幅的降低材料成本。进一步的，本实施例中的制作工艺相比传统的制备薄膜晶体管工艺更为简单，制备成本也显著降低。
第三实施例
在本实施例中，还提供了一种多介质检测传感器，该多介质检测传感器的组成结构，包括：衬底；栅极，设置于衬底上表面；有源层，覆盖在衬底的上表面，在栅极与所述有源层之间形成腔体结构的栅介质层；源极和漏极，间隔的覆盖在有源层的两侧表面。本实施例中具体的一种实施结构可参照第一实施例中所阐述的结构，如图1所示。
与第一实施例相比，本实施例中的多介质检测传感器还有如下特征需要进行说明：
具体的，在本实施例中有源层为铟镓锌氧化物。利用铟镓锌氧化物半导体薄膜晶体管具有超低的关态电流和较高的迁移率，同时，铟镓锌氧化物半导体对紫外光敏感的特性，腔体结构的栅介质层使得不同气体直接影响到沟道中载流子的特性，即可实现不同气体和紫外光强度两种类型介质的检测。
进一步的，铟镓锌氧化物的厚度小于500nm。可提高对紫外光的敏感性，以及提高检测气体的灵敏性。优选地，铟镓锌氧化物的有源层厚度可大于50nm，以保证有源层具有较好的支撑性，提高器件的稳定性，避免器件损坏。具体的，有源层厚度的取值可为30nm、40nm、50nm、100nm、200nm、500nm等。
进一步的，栅介质层的厚度小于1um，可保证有源层的稳定性，避免有源层崩塌。具体的，栅介质层的厚度为500nm-1000nm，在保证有源层的稳定性的同时，还可保证具有一定厚度的介质层，具备更大的腔体结构，保证有源层对紫外光以及气体具有较高的敏感性。例如，栅介质层的取值可为300nm、400nm、500nm、700nm、900nm等。
需要说明的是，相关技术人员基于上述说明也可采用本实施例中的传感器进行液体的检测实验，因此即使本实施例中的传感器结构应用于液体检测中，也应当属于本发明的保护范围。
需要说明的是，在本实施例中的未提及之处及相关的有益效果可参考第一至第二实施例中的阐述。
本实施例提供的一种多介质检测传感器，由于具备腔体结构的栅介质层，在栅介质层中可充入需检测环境的气体和/或光线。由于有源层为IGZO半导体，其对紫外光具有较强的敏感性，同时，不同气体在栅介质层中可对源极漏极之间的沟道中的载流子产生不同的影响(即具有不同的敏感性)，该影响具有高灵敏度、高信噪比的特点。最终实现同一传感器对不同气体以及紫外光进行检测。进一步的，在本实施例中的多介质检测传感器其结构简单易于制作，可更有利于集成在显示或可穿戴设备上，还可节约成本。
第四实施例
请参阅图4，在本实施例中提供一种多介质检测传感器的制作方法，该方法可用于制备第三实施例中的多介质检测传感器。
具体的，所述方法包括：
步骤S100：在衬底上方制作覆盖栅极的牺牲层；
步骤S200：制作覆盖在所述牺牲层上的有源层；其中，所述有源层为铟镓锌氧化物；
步骤S300：在所述有源层上表面的两侧分别制作源极和漏极；
步骤S400：刻蚀所述牺牲层，以去除所述牺牲层形成腔体结构的栅介质层。
在步骤S100中，制作的牺牲层厚度小于1um。具体的，牺牲层厚度可为500nm-1000nm。该厚度范围可保证能够刻蚀出足够的腔体结构作为栅介质层，从而保证器件性能的灵敏性；同时避免牺牲层过厚导致有源层的不稳定，提高了器件的稳定性。
为了简要描述在本实施例中的步骤S100可参照第二实施例中步骤S10的阐述，已在第二实施例中说明的部分不再赘述。
在步骤S200中，可使用磁控溅射在牺牲层上生成IGZO半导体有源层。具体的，可使用磁控溅射生长一定厚度的IGZO薄膜，先用光刻胶光刻出IGZO光刻胶图形，用1:20硝酸溶液刻蚀多余IGZO，最后使用剥离液去除多余光刻胶，剩余IGZO作为有源层。其中，采用磁控溅射生长的IGZO薄膜厚度应小于500nm，保证源极和漏极之间形成沟道后，沟道中的载流子能够对紫外光和不同气体产生较高的灵敏性。优选的，制作的IGZO薄膜厚度应取值为50-500nm，避免形成的有源层过薄而应力失衡塌陷损坏，提高了器件稳定性。具体的，有源层厚度的取值可为30nm、40nm、50nm、100nm、200nm、500nm等。
为了简要描述，在本实施例中的步骤S300与步骤S400的详细解释可参见第二实施例中的阐述，在此不再赘述。
由于磁控溅射生长的IGZO膜层压应力的影响，刻蚀掉牺牲层后，会导致IGZO膜层塌陷或者断裂，不能形成稳定空气介质层。因此，在步骤S400之后，还需要对有源层进行退火处理，即对IGZO薄膜进行退火处理。所采用的退火设备可为：真空管式炉(真空度<1×10- 4Pa)、可充氮气快速退火炉，等等。在退火处理时可进行如下步骤：
如用真空管式炉时，先样品放入真空管式炉中，然后将真空管式炉抽至真空度<1×10-4Pa。需要说明的是，退火时间和温度过短或者过长达不到平衡应力的作用，会直接影响器件的电学性能，因此需要在退火操作过程中进行如下的参数控制：控制退火温度为350-400度之间，具体可为350度、360度、380度、400度、等等；退火时间控制为15分钟到20分钟之间，具体可为：15分钟、17分钟、18分钟、20分钟、等等。
如用可充氮气快速退火炉时，先把样品放入炉中，然后抽真空至真空度<1×10- 4Pa，然后通过氮气，至常压下即可。
通过上述操作可平衡有源层应力，提高有源层的支撑强度，避免有源层塌陷，提高了器件的稳定性。
需要说明的是，在本实施例中的未提及之处及相关的有益效果可参考第一至第三实施例中的阐述，再次不再赘述。
本实施例中的一种多介质检测传感器的制作方法，进行薄膜晶体管的制作可形成具有空腔结构的栅介质层，在制作时采用IGZO半导体作为有源层。由于IGZO半导体对紫外光具有较强的敏感性，可实现对紫外光的检测。同时，在本实施例中通过对牺牲层的刻蚀可产生腔体结构的栅介质层，不同气体在栅介质层中可对源极漏极之间形成的沟道中的载流子产生不同的影响(即具有不同的敏感性)，可实现对不同气体的检测，具有高灵敏度、高信噪比的特点。最终通过本实施例制作的传感器可实现同一传感器对不同气体以及紫外光进行检测。进一步的，在本实施例中的制作方法简单，可更有利于集成在显示或可穿戴设备上，与电子皮肤进行兼容，材料成本低，可节约成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种薄膜晶体管，其特征在于，包括：
衬底；
栅极，设置于所述衬底上表面；
有源层，覆盖在所述衬底的上表面，在所述栅极与所述有源层之间形成腔体结构；其中，所述腔体结构用于容纳气体介质形成栅介质层；
源极和漏极，间隔的覆盖在所述有源层的两侧表面；
当不同的环境气体充入到栅介质层中时，对有源层产生不同的影响，以使沟道中载流子迁移率产生变化；
所述源极的一边部和所述漏极的一边部均延伸至所述衬底上表面。
2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述栅极嵌于所衬底的上表面的凹槽内。
3.根据权利要求2所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述栅极的厚度与所述凹槽的深度相同。
4.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述栅介质层的宽度大于所述栅极。
5.一种薄膜晶体管的制作方法，其特征在于，包括：
在衬底上方制作覆盖栅极的牺牲层；
制作覆盖在所述牺牲层上的有源层；
在所述有源层上表面的两侧分别制作源极和漏极，包括：在所述有源层上表面的两侧分别制作延伸至衬底的源极和漏极；
刻蚀所述牺牲层，以去除所述牺牲层形成腔体结构的栅介质层；
当不同的环境气体充入到栅介质层中时，对有源层产生不同的影响，以使沟道中载流子迁移率产生变化。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在衬底上方制作覆盖栅极的牺牲层之前，还包括：
在所述衬底上形成凹槽；
在所述凹槽内填充金属材料，形成所述栅极。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在所述凹槽内填充金属材料，形成所述栅极，包括：
在所述凹槽内填充与所述凹槽深度相同的金属材料，形成所述栅极。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在衬底上方制作覆盖栅极的牺牲层，包括：
在所述衬底上方制作覆盖所述栅极且宽度大于所述栅极的所述牺牲层。
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