專利名稱：一種薄膜晶體管有源層及其生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種薄膜晶體管(TFT)有源溝道層及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，液晶顯示技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，薄膜晶體管尋址的液晶顯示器以其大容量，高清晰度和全彩色的視頻顯示成為液晶乃至整個平板顯示技術(shù)的主流，相關(guān)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)也成為目前的主要投資方向，受到人們的廣泛青睞?；诒∧ぞw管的液晶顯示器的顯示質(zhì)量和整體性能在很大程度上取決于薄膜晶體管的性能。隨著透明氧化物的深入研究，與傳統(tǒng)的非晶硅和多晶硅相比，一些金屬化合物的半導(dǎo)體材料也作為有源層用來制作薄膜晶體管，如氧化鋅(ZnO)。這些材料有很多高性能的參數(shù)，如高的載流子遷移率，低的亞閾值擺幅，高的開關(guān)電流比率。但是這些材料的溝道層和溝道與介質(zhì)的界面處存在很多的缺陷，為此會出現(xiàn)負(fù)偏壓不穩(wěn)定性，使器件在運行的時候容易損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能改善薄膜晶體管性能的薄膜晶體管新的有源溝道層，并提供有源溝道層的生長方法。本發(fā)明提出的薄膜晶體管有源層，為由ZnO摻雜Hf元素的HfZnO薄膜。原子層淀積(ALD)技術(shù)，是一種特殊的化學(xué)氣相淀積(CVD)方法，原名為原子層外延(ALE)，早在上世紀(jì)70年代就有芬蘭人Simtola T.和Anston J.獲得了這項技術(shù)的專利 (專利名稱Method for producing compound thin films;號碼US Patent 4058430)。 相較于其他的薄膜淀積方法，ALD可以使得制備的薄膜材料非常的純，而且能夠精確控制薄膜的厚度和組分。在大面積的襯底上厚度平整，無晶粒晶界及很好的保形性，此外ALD技術(shù)所需的工藝溫度遠(yuǎn)低于其他的化學(xué)氣相淀積方法，一般都低于400 °C。ALD淀積雖然是一種化學(xué)氣相淀積技術(shù)，但與傳統(tǒng)的CVD技術(shù)相比，還是有很大差別的，ALD技術(shù)是基于有序表面化學(xué)特性的自限制生長制程。它是將反應(yīng)氣體交替脈沖式的通入到反應(yīng)腔中。一個ALD反應(yīng)循環(huán)的4個步驟(1)第一種反應(yīng)前體以脈沖的方式進(jìn)入反應(yīng)腔并化學(xué)吸附在襯底表面；(2)待表面吸附飽和后，用惰性氣體將多余的反應(yīng)前體吹洗出反應(yīng)腔；(3)接著第二種反應(yīng)前體以脈沖的方式進(jìn)入反應(yīng)腔，并與上一次化學(xué)吸附在表面上的前體發(fā)生反應(yīng)；(4)待反應(yīng)完全后再用惰性氣體將多余的反應(yīng)前體及其副產(chǎn)物吹洗出反應(yīng)腔。典型的ALD生長過程由一個周期的多次重復(fù)實現(xiàn)。所有的ALD的本質(zhì)特征就是表面反應(yīng)達(dá)到飽和，使得生長停止，因此薄膜的厚度直接正比于表面反應(yīng)已完成的次數(shù)， 既反應(yīng)循環(huán)數(shù)，這樣可以通過控制淀積的反應(yīng)循環(huán)數(shù)，就可以實現(xiàn)對薄膜厚度的精確控制。對于ALD淀積，選擇合適的反應(yīng)源是重要，ALD原始反應(yīng)源應(yīng)具有幾個品質(zhì)特點， 要有一定的揮發(fā)性；在理想情況下，不應(yīng)在反應(yīng)溫度下發(fā)生自身反應(yīng)或者分解；能夠產(chǎn)生可揮發(fā)性的副產(chǎn)物。為使用方便，原始反應(yīng)源最好為液態(tài)有機物。
為了生長出電性符合要求的HfZnO有源層薄膜，我們選擇使用TEMAH和DESi為Hf 和Si的反應(yīng)源。本發(fā)明提出應(yīng)用于TFT的HfZnO層的生長方法，具體步驟為提供一個半導(dǎo)體襯底，在原子層淀積反應(yīng)腔中，對于每個生長周期，交替脈沖式地通入鉿(Hf)源、鋅(Zn)源和去離子水(H2O),然后交替地生長HfO2和&10，通過控制ALD的生長周期，最終形成所需的 HfZnO有源層薄膜，反應(yīng)襯底溫度為150-300 °C，反應(yīng)腔的工作壓強保持在2_5 torr。其中，形成HfZnO有源層所需要的Hf源、Si源分別為Hf [N(C2H5) (CH3)J4 (TEMAH) 禾口 Zn (C2H5) (DEZn)。其中，形成HfZnO有源層所需要的Hf源、Si源的ALD脈沖時間分別為1_5秒和 0. 2-1秒，吹洗時間分別為1-5秒和1-5秒。本發(fā)明還涉及由上述方法生長的由ZnO摻雜Hf元素的HfZnO薄膜作為有源溝道層的薄膜晶體管。ZnO薄膜晶體管以無摻雜的ZnO作為半導(dǎo)體有源層，在可見光譜的范圍內(nèi)有較高的光透射率，但aio中易形成氧空位，而氧空位會俘獲溝道中的載流子，而使薄膜晶體管溝道遷移率大大下降。對于ZnO薄膜晶體管，一些研究已顯示出由于偏壓而導(dǎo)致的不穩(wěn)定性已經(jīng)破壞了晶體管電學(xué)特性。Hf離子的氧結(jié)合能比ai離子的氧結(jié)合能要大，電場中的載流子遷移率主要受導(dǎo)帶附近的淺缺陷影響，在ZnO薄膜晶體管中，氧空位和Si間隙原子的相互作用產(chǎn)生了電子的導(dǎo)電機制。因此，本發(fā)明通過摻入Hf離子可以抑制氧空位的產(chǎn)生，進(jìn)而有效抑制載流子的遷移率。本發(fā)明使用原子層淀積(ALD)方法來制備TFT的HfZnO層。應(yīng)用該方法淀積的薄膜具有厚度的精確控制性，優(yōu)異的保形性，良好的界面控制能力，極好的大面積均勻性，可以減少薄膜的缺陷密度，即溝道層中的缺陷以及介質(zhì)層和溝道層界面處的缺陷，大大提高 TFT的電學(xué)性能。本方法擴展性強，也可以實現(xiàn)在aio中摻雜其他氧化物材料的淀積。


圖1為整個TFT晶體管的制作流程圖。圖2為經(jīng)過清洗后的Si襯底結(jié)構(gòu)。圖3為在Si襯底上淀積SiNx薄膜后的結(jié)構(gòu)。圖4為在SiNx薄膜上淀積S^2層作為緩沖的絕緣柵的結(jié)構(gòu)。圖5為在SW2緩沖絕緣柵上淀積HfZnO薄膜后的結(jié)構(gòu)。圖6為TFT晶體管的剖面圖。
具體實施例方式下面結(jié)合整個TFT晶體管的制作流程圖1與具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，在圖中，為了方便說明，放大或縮小了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實際尺寸。盡管這些圖并不能完全準(zhǔn)確的反映出器件的實際尺寸，但是它們還是完整的反映了區(qū)域和組成結(jié)構(gòu)之間的相互位置，特別是組成結(jié)構(gòu)之間的上下和相鄰關(guān)系。步驟1 請參照圖1整個TFT晶體管的制作流程圖的步驟1和圖2，對η型(100) 單晶硅片101經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗，包括連續(xù)的用硫酸和雙氧水混合水(SCl)溶液，氨水和雙氧水混合水(SU)溶液，稀釋的氫氟酸溶液清洗，在刻蝕以后再用去離子水清洗1分鐘。所述101層既是襯底硅片，同時也作為TFT晶體管的柵極。柵極一般也可以采用金屬鉻(Cr)， 鉻的合金材料，或者鉬(Mo)鉭(Ta)合金，鋁(Al)以及鋁合金等材料制得。步驟2 請參照圖1整個TFT晶體管的制作流程圖的步驟2和圖3，用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)在基片上淀積一層90-110nm厚的第一絕緣層材料102層。所述的102層為SiNx薄膜，作為第一層?xùn)沤^緣層，SiNx薄膜的制作方法有很多，有直接氮化法，濺射法，熱分解法，低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)，也可以在700-1000 °(下有常壓化學(xué)氣相淀積(APCVD) 制得，工業(yè)上和實驗室一般使用等離子體增強化學(xué)氣相淀積(PECVD)來生長SiNx薄膜。在本發(fā)明中，采用LPCVD的方法生長，由于LPCVD反應(yīng)通常是熱壁的，顆粒易淀積在反應(yīng)器的內(nèi)壁上，所以常通過減小氣相反應(yīng)物的分壓，使之產(chǎn)生更少的氣相反應(yīng)，來減少反應(yīng)腔內(nèi)的顆粒淀積物。同時由于LPCVD是反應(yīng)速度限制的，所以必須精確控制反應(yīng)溫度。步驟3 請參照圖1整個TFT晶體管的制作流程圖的步驟3和圖4，在102層淀積了之后，就用等離子體增強化學(xué)氣相淀積(PECVD)方法淀積一層5-15 nm厚的第二絕緣層材料103層，作為緩沖的柵絕緣層，這樣102層和103層就形成了高質(zhì)量的柵極絕緣膜。所述的103層是S^2薄膜，作為第二柵絕緣層，針對不同的用途和要求，有很多制備S^2薄膜的方法，主要有濺射法，蒸發(fā)法，化學(xué)氣相淀積(CVD)，等離子體增強化學(xué)氣相淀積(PECVD)， 熱氧化法，金屬有機物熱分解法，激光輔助淀積法，溶膠凝膠法(Sol-Gel)等。在本發(fā)明中， 采用PECVD的生長方法，它是一種能在比較低的溫度下進(jìn)行等離子體淀積薄膜的CVD技術(shù)， 生產(chǎn)時能耗也較低，淀積速度較快，工藝重復(fù)性好，淀積薄膜均勻，薄膜的缺陷密度較低。步驟4 請參照圖1整個TFT晶體管的制作流程圖的步驟4和圖5，把襯底放入ALD 反應(yīng)腔中，以TEMAH和H2O為反應(yīng)源，在ALD反應(yīng)腔中生長HfO2層，TEMAH和H2O分別提供 HfO2生長所需要的Hf和0源；以DESi和H2O來作為生長ZnO層的反應(yīng)源，DESi和H2O分別提供ZnO生長所需要的Si和0源，反應(yīng)襯底溫度為300 °C，反應(yīng)腔的工作壓強保持在665 I^a。在ALD反應(yīng)周期中，交替地脈沖式地通入Hf源和Si源，來交替地生長HfO2和SiO，進(jìn)而通過控制ALD生長周期，來生成所需厚度的104有源層。所述的104層為HfZnO層，該層是TFT的核心層，我們把它稱為有源層，器件的電學(xué)性質(zhì)和功能主要是由這一層材料的質(zhì)量決定的。形成HfZnO有源層所需要的Hf源、Si源的ALD脈沖時間分別為2秒與0. 5秒， 吹洗時間分別為5秒和2秒。除此之外，還可采用濺射法，等離子體輔助激光分子束外延技術(shù)(L-MBE)，金屬有機物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)中的一種來生長活性有源層。步驟5 請參照圖1整個TFT晶體管的制作流程圖的步驟5和圖6，用lift-off 工藝淀積105和106層，在104上涂上光刻膠，通過曝光和顯影制成圖形，要求在不需要制備金屬圖形的地方覆蓋光刻膠，然后再上面淀積金屬Al膜，這樣，金屬膜僅在需要的區(qū)域和104接觸，最后用不侵蝕金屬膜的溶劑除去光刻膠，去除光刻膠的過程中，膠上的金屬便會自動剝離，留下所需的金屬圖形，即是105和106。所述的105和106層分別為源極和漏極。另外，實際還可采用濺射法，蒸發(fā)法，和化學(xué)氣相淀積(CVD)法中的任意一種來制備105 和106。作為電極的金屬層和金屬材料也可以是鋁合金，鋁(Al )，鉻(Cr)，鉬(Mo)，鎢(W)，鎳 (Ni)，鈦(Ti)，氮化鈦(TiNx)，銅(Cu)，銀(Ag)，金(Au)或鉬(Pt)中的一種。如上所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構(gòu)成許多有很大差別的實施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實例。
權(quán)利要求
1.一種薄膜晶體管有源層，其特征在于為由ZnO摻雜Hf元素的HfZnO薄膜。
2.一種薄膜晶體管有源層的生長方法，采用原子層淀積方法，其特征在于具體步驟為提供一個半導(dǎo)體襯底，在原子層淀積反應(yīng)腔中，對于每個生長周期，交替脈沖式地通入 Hf源、Si源和去離子水，交替地生長HfO2和&10，通過控制原子層淀積的生長周期，最終形成所需的HfZnO有源層薄膜，反應(yīng)襯底溫度為150-300 X’反應(yīng)腔的工作壓強保持在2_5 torrD
3.根據(jù)權(quán)利要求2的生長方法，其特征在于，形成HfZnO有源層所需要的Hf源、Si源分別為 Hf [N(C2H5) (CH3) ]4 和 Zn (C2H5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的生長方法，其特征在于，形成HfZnO有源層所需要的Hf源、Si源的原子層淀積的脈沖時間分別為1-5秒和0. 2-1秒，吹洗時間分別為1-5秒和1-5秒。
5.一種使用如權(quán)利要求2所述方法生長的由ZnO摻雜Hf元素的HfZnO薄膜作為有源溝道層的薄膜晶體管。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種薄膜晶體管有源層及其生長方法。本發(fā)明提出的薄膜晶體管為由ZnO摻雜Hf元素的HfZnO薄膜，其生長方法包括用原子層淀積技術(shù)在基板上周期性地生長HfO2和ZnO薄膜，得到特定厚度的HfZnO有源溝道層。本發(fā)明方法所淀積的薄膜具有薄膜厚度的精確控制性，優(yōu)異的保形性，良好的界面控制能力，極好的大面積均勻性，可以減少薄膜的缺陷密度，因此可大大降低溝道層中的缺陷以及介質(zhì)層和溝道層界面處的缺陷，最終提高TFT的性能。
文檔編號C23C16/44GK102208441SQ20111011234
公開日2011年10月5日 申請日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月3日
發(fā)明者盧紅亮, 張衛(wèi), 王鵬飛, 陳佳 申請人:復(fù)旦大學(xué)