氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管及其制造方法。該晶體管包括襯底、柵極、柵絕緣層、有源層、源極和漏極；柵極于襯底上形成，柵絕緣層覆蓋柵極和襯底，有源層于柵絕緣層上形成，與柵極對(duì)應(yīng)，源極和漏極分別覆蓋有源層的兩端；有源層為摻X和Y的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體，隨著與柵絕緣層距離的增大，X的含量逐漸降低，Y的含量逐漸升高，其中，X為Cd、In、Sn、Sb、Ti、Pb和As中的一種，Y為Ga、Al、Hf、Ge、Ca和Cu中的一種。本發(fā)明能有效提高器件的遷移率和工作電流，減小器件的閾值電壓漂移，降低器件受工藝、光照及外界氣體的影響，并提高器件的機(jī)械穩(wěn)定性。
【專利說明】氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管及其制造方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于平板顯示驅(qū)動(dòng)【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著平板顯示技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的硅基薄膜晶體管已經(jīng)無法滿足顯示器的驅(qū)動(dòng)要求。為此，人們提出了利用非晶金屬氧化物作為有源層的薄膜晶體管，其具有透明、遷移率聞、均一性好等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]由于單有源層結(jié)構(gòu)的非晶金屬氧化物薄膜晶體管難以兼顧高遷移率和高電學(xué)穩(wěn)定性，為了改善其電學(xué)性能，有研究人員提出了雙層有源層結(jié)構(gòu)。例如，使用銦錫氧化物/銦鎵鋅氧化物(IT0/IGZ0)雙層有源層結(jié)構(gòu)，得到了遷移率為104cm2/V.S，閾值電壓為
0.5V，亞閾值擺幅為0.25V/decade的器件；Michael A.Marrs等人采用銦鋅氧化物/銦鎵鋅氧化物(IZ0/IGZ0)雙層有源層結(jié)構(gòu)，使載流子遷移率相對(duì)于IGZO單層結(jié)構(gòu)從1.2cm2/V.S提聞到了 18cm2/V.S。
[0004]盡管如此，雙層有源層結(jié)構(gòu)存在如下問題:(1)晶格、帶寬的不匹配導(dǎo)致雙層有源層的界面附近存在大量的缺陷態(tài)，器件在光照或電壓作用下，有源層內(nèi)的缺陷態(tài)、柵絕緣層和絕緣層與有源層界面的電荷陷阱以及光生載流子等因素會(huì)導(dǎo)致器件的閾值電壓發(fā)生漂移，使顯示電路無法正常工作，器件的電學(xué)穩(wěn)定性不高。(2)在柔性顯示應(yīng)用方面，如果使用雙層有源層結(jié)構(gòu)，在器件彎曲、扭轉(zhuǎn)時(shí)由于兩層結(jié)構(gòu)的晶格不匹配，界面將會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，致使部分區(qū)域產(chǎn)生大量的缺陷，甚至導(dǎo)致器件無法工作。(3)由于界面的反射作用，雙層有源層結(jié)構(gòu)的透光性會(huì)受到影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

`[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管及其制造方法，能有效提高器件的遷移率和工作電流，減小器件的閾值電壓漂移，降低器件受工藝、光照及外界氣體的影響，能有效提高器件的機(jī)械穩(wěn)定性，使器件能制作于柔性襯底之上，在彎曲、扭轉(zhuǎn)的作用下仍能保持較好的性能，且具有良好的透光性。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管，其特征在于，包括襯底、柵極、柵絕緣層、有源層、源極和漏極；所述柵極于所述襯底上形成，所述柵絕緣層覆蓋所述柵極和所述襯底，所述有源層于所述柵絕緣層上形成，與所述柵極對(duì)應(yīng)，所述源極和漏極分別覆蓋所述有源層的兩端；所述有源層為摻X和Y的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體，隨著與所述柵絕緣層距離的增大，X的含量逐漸降低，Y的含量逐漸升高，其中，X為Cd、In、Sn、Sb、T1、Pb和As中的一種，Y為Ga、Al、Hf、Ge、Ca和Cu中的一種。
[0007]優(yōu)選地，所述有源層的厚度為20~lOOnm。[0008]優(yōu)選地，所述有源層通過如下方法制備:在Ar氣環(huán)境下同時(shí)磁控濺射含X的氧化鋅基靶材和含Y的氧化鋅基靶材，施加在含X的氧化鋅基靶材上的濺射功率由開始時(shí)的30?400W逐漸下降至完成時(shí)的0W，施加在含Y的氧化鋅基靶材上的濺射功率由開始時(shí)的Off逐漸上升至完成時(shí)的30?400W，襯底轉(zhuǎn)速為5?20rpm。
[0009]優(yōu)選地，X為In，所述含X的氧化鋅基靶材為銦鋅摩爾比為9:1?81的銦鋅氧化物靶材，Y為Ga，所述含Y的氧化鋅基靶材為鎵鋅摩爾比為9:1?81的鎵鋅氧化物靶材。
[0010]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的制造方法，其特征在于，包括如下步驟:(1)在襯底上形成柵極；(2)形成覆蓋柵極和襯底的柵絕緣層；(3 )在Ar氣環(huán)境下同時(shí)磁控濺射含X的氧化鋅基靶材和含Y的氧化鋅基靶材，分別調(diào)整施加在兩個(gè)靶材上的濺射功率，在柵絕緣層上與柵極對(duì)應(yīng)的位置沉積一層摻X和Y的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體有源層，其中，隨著與柵絕緣層距離的增大，X的含量逐漸降低，Y的含量逐漸升高，X為Cd、In、Sn、Sb、T1、Pb和As中的一種，Y為Ga、Al、Hf、Ge、Ca和Cu中的一種；(4)形成覆蓋有源層兩端的源極和漏極。
[0011]優(yōu)選地，所述步驟(3)中，按如下方式調(diào)整施加在兩個(gè)靶材上的濺射功率:施加在含X的氧化鋅基靶材上的濺射功率由開始時(shí)的30?400W逐漸下降至完成時(shí)的0W，施加在含Y的氧化鋅基靶材上的濺射功率由開始時(shí)的OW逐漸上升至完成時(shí)的30?400W。
[0012]優(yōu)選地,所述步驟(3)中，襯底轉(zhuǎn)速為5?20rpm。
[0013]優(yōu)選地，所述有源層的厚度為20?lOOnm。
[0014]優(yōu)選地，X為In，所述含X的氧化鋅基靶材為銦鋅摩爾比為9:1?81的銦鋅氧化物靶材，Y為Ga，所述含Y的氧化鋅基靶材為鎵鋅摩爾比為9:1?81的鎵鋅氧化物靶材。
[0015]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0016]1、采用成分含量逐漸變化的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體作為有源層，晶格和帶寬變化不明顯，有源層內(nèi)不存在明顯的界面，改善了由于成分不同帶來的晶格、能帶適配問題，減少了有源層內(nèi)部的缺陷，有效提高了器件的機(jī)械穩(wěn)定性，使器件能制作于柔性襯底之上，在彎曲、扭轉(zhuǎn)的作用下仍能保持較好的性能，且具有良好的透光性。
[0017]2、緩變有源層材料靠近柵絕緣層的部分遷移率較高，能有效提高器件的遷移率和工作電流；緩變有源層材料遠(yuǎn)離柵絕緣層的部分電學(xué)性能穩(wěn)定，能降低器件受工藝、光照及外界氣體的影響，此外，柵絕緣層內(nèi)的陷阱及柵絕緣層與有源層的界面態(tài)很難俘獲來自遠(yuǎn)離柵絕緣層且電學(xué)性能穩(wěn)定的材料所提供的電荷，俘獲的電荷對(duì)柵電壓的屏蔽作用降低，因而能有效減小器件的閾值電壓漂移。
[0018]3、緩變有源層結(jié)構(gòu)具有較好的應(yīng)力平衡及較高的薄膜局部同質(zhì)性，其氣體滲透率較單層有源層結(jié)構(gòu)顯著降低，能減小周圍氣體分子對(duì)器件的影響，提高器件的穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1_襯底，2-柵極，3-柵絕緣層，4-有源層，5-源極，6-漏極。【具體實(shí)施方式】
[0021]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0022]由于薄膜晶體管在工作時(shí)形成的導(dǎo)電溝道主要分布于靠近柵絕緣層的有源層區(qū)域內(nèi)，而遠(yuǎn)離柵絕緣層的有源層區(qū)域?qū)?dǎo)電溝道基本沒有影響，另一方面，遠(yuǎn)離柵絕緣層的有源層區(qū)域與外界接觸，是影響器件穩(wěn)定性的主要區(qū)域。因此，本發(fā)明引入緩變有源層結(jié)構(gòu)，通過改變有源層內(nèi)的雜質(zhì)含量，使有源層材料靠近柵絕緣層的部分遷移率高，遠(yuǎn)離柵絕緣層的部分電學(xué)穩(wěn)定性高，從而在保證器件電學(xué)性能的同時(shí)提高器件的穩(wěn)定性。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管包括襯底1、柵極2、柵絕緣層3、有源層4、源極5和漏極6。其中，柵極2于襯底I上形成，柵絕緣層覆蓋柵極2和襯底I，有源層4于柵絕緣層3上形成，與柵極2對(duì)應(yīng)，源極5和漏極6分別覆蓋有源層4的兩端。
[0024]其中，有源層4的厚度為20?lOOnm，為摻X和Y的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體，隨著與柵絕緣層3距離的增大，X的含量逐漸降低，Y的含量逐漸升高。其中，X為Cd、In、Sn、Sb、T1、Pb 和 As 中的一種，Y 為 Ga、Al、Hf、Ge、Ca 和 Cu 中的一種。
[0025]其中，襯底為玻璃或者聚合物。
[0026]本發(fā)明實(shí)施例的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的制造方法包括如下步驟:
[0027]( I)在襯底上形成柵極。
[0028](2)形成覆蓋柵極和襯底的柵絕緣層。
[0029](3)在柵絕緣層上與柵極對(duì)應(yīng)的位置形成有源層。
[0030]具體地，在Ar氣環(huán)境下同時(shí)磁控濺射含X的氧化鋅基靶材和含Y的氧化鋅基靶材，分別調(diào)整施加在兩個(gè)靶材上的濺射功率，沉積一層厚20?IOOnm的摻X和Y的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體有源層，其中，隨著與柵絕緣層距離的增大，X的含量逐漸降低，Y的含量逐漸升高，X 為 Cd、In、Sn、Sb、T1、Pb、As、Hg 和 Bi 中的一種，Y 為 Ga、Al、Hf、Ge、Ca、Cu、Ag和Au中的一種。在沉積過程中，施加在含X的氧化鋅基靶材上的濺射功率由開始時(shí)的30?400W逐漸下降至完成時(shí)的0W，施加在含Y的氧化鋅基靶材上的濺射功率由開始時(shí)的Off逐漸上升至完成時(shí)的30?400W，襯底轉(zhuǎn)速為5?20rpm。
[0031](4)形成覆蓋有源層兩端的源極和漏極。
[0032]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的制造方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0033]實(shí)施例1
[0034]氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的制造方法包括如下步驟:
[0035](I)在清潔的玻璃襯底上直流濺射沉積一層厚150nm的Mo，刻蝕形成柵極。
[0036](2) PECVD生長(zhǎng)一層厚50nm的SiO2柵絕緣層，覆蓋柵極和襯底。
[0037](3)在壓強(qiáng)為3mtorr,溫度為30°C,流量為30sccm的Ar氣環(huán)境下同時(shí)磁控派射銦鋅氧化物靶材(銦鋅摩爾比為1:9)和鎵鋅氧化物靶材(鎵鋅摩爾比為9:1)，施加在銦鋅氧化物靶材上的濺射功率由開始時(shí)的30W逐漸下降至完成時(shí)的0W，施加在鎵鋅氧化物靶材上的濺射功率由開始時(shí)的OW逐漸上升至完成時(shí)的30W，襯底轉(zhuǎn)速為5rpm，沉積一層厚20nm的摻銦和鎵的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體有源層。
[0038](4)在有源層上磁控濺射沉積一層厚40nm的銦錫氧化物，刻蝕形成覆蓋有源層兩端的源極和漏極。
[0039]實(shí)施例2
[0040]氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的制造方法包括如下步驟:
[0041](I)在清潔的玻璃襯底上直流濺射沉積一層厚150nm的Mo，刻蝕形成柵極。
[0042](2) PECVD生長(zhǎng)一層厚50nm的SiO2柵絕緣層，覆蓋柵極和襯底。
[0043](3)在壓強(qiáng)為3mtorr,溫度為40°C,流量為50sccm的Ar氣環(huán)境下同時(shí)磁控派射銦鋅氧化物靶材(銦鋅摩爾比為9:1)和鎵鋅氧化物靶材(鎵鋅比為1:9)，施加在銦鋅氧化物靶材上的濺射功率由開始時(shí)的400W逐漸下降至完成時(shí)的0W，施加在鎵鋅氧化物靶材上的濺射功率由開始時(shí)的OW逐漸上升至完成時(shí)的400W，襯底轉(zhuǎn)速為20rpm，沉積一層厚IOOnm的摻銦和鎵的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體有源層。
[0044](4)在有源層上磁控濺射沉積一層厚40nm的銦錫氧化物，刻蝕形成覆蓋有源層兩端的源極和漏極。
[0045]實(shí)施例3
[0046](I)在清潔的玻璃襯底上直流濺射沉積一層厚150nm的Mo，刻蝕形成柵極。
[0047](2) PECVD生長(zhǎng)一層厚50nm的Si02柵絕緣層，覆蓋柵極和襯底。
[0048](3)在壓強(qiáng)為6mtorr,溫度為30°C,流量為40sccm的Ar氣環(huán)境下同時(shí)磁控派射銦鋅氧化物靶材(銦鋅摩爾比為4:3)和鎵鋅氧化物靶材(鎵鋅比為3:2)，施加在銦鋅氧化物靶材上的濺射功率由開始時(shí)的300W逐漸下降至完成時(shí)的0W，施加在鎵鋅氧化物靶材上的濺射功率由開始時(shí)的OW逐漸上升至完成時(shí)的300W，襯底轉(zhuǎn)速為lOrpm，沉積一層厚50nm的摻銦和鎵的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體有源層。
[0049](4)在有源層上磁控濺射沉積一層厚40nm的銦錫氧化物，刻蝕形成覆蓋有源層兩端的源極和漏極。
[0050]上述實(shí)施例的制備方法中，采用IGZO材料作為有源層，靠近柵絕緣層的位置In含量高，載流子濃度高，有利于提高遷移率，從而提高器件的工作電流，遠(yuǎn)離柵絕緣層的位置Ga含量高，能夠有效降低材料中的缺陷態(tài)與雜質(zhì)，減小外界環(huán)境對(duì)有源層的影響，提高器件的整體穩(wěn)定性。同時(shí)，由于柵絕緣層內(nèi)的陷阱及柵絕緣層與有源層的界面態(tài)很難俘獲來自遠(yuǎn)離柵絕緣層且電學(xué)性能穩(wěn)定的高Ga含量的IGZO材料所提供的電荷，俘獲的電荷對(duì)柵電壓的屏蔽作用降低，因而能有效減小器件的閾值電壓漂移。
[0051]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管，其特征在于，包括襯底、柵極、柵絕緣層、有源層、源極和漏極； 所述柵極于所述襯底上形成，所述柵絕緣層覆蓋所述柵極和所述襯底，所述有源層于所述柵絕緣層上形成，與所述柵極對(duì)應(yīng)，所述源極和漏極分別覆蓋所述有源層的兩端； 所述有源層為摻X和Y的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體，隨著與所述柵絕緣層距離的增大，X的含量逐漸降低，Y的含量逐漸升高，其中，X為Cd、In、Sn、Sb、T1、Pb和As中的一種，Y為 Ga、Al、Hf、Ge、Ca 和 Cu 中的一種。
2.如權(quán)利要求1所述的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管，其特征在于，所述有源層的厚度為20?lOOnm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管，其特征在于，所述有源層通過如下方法制備:在Ar氣環(huán)境下同時(shí)磁控濺射含X的氧化鋅基靶材和含Y的氧化鋅基靶材，施加在含X的氧化鋅基靶材上的濺射功率由開始時(shí)的30?400W逐漸下降至完成時(shí)的0W，施加在含Y的氧化鋅基靶材上的濺射功率由開始時(shí)的OW逐漸上升至完成時(shí)的30?400W，襯底轉(zhuǎn)速為5?20rpm。
4.如權(quán)利要求3所述的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管，其特征在于，X為In，所述含X的氧化鋅基靶材為銦鋅摩爾比為9:1?81的銦鋅氧化物靶材，Y為Ga，所述含Y的氧化鋅基靶材為鎵鋅摩爾比為9:1?81的鎵鋅氧化物靶材。
5.一種氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的制造方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)在襯底上形成柵極； (2)形成覆蓋柵極和襯底的柵絕緣層； (3)在Ar氣環(huán)境下同時(shí)磁控濺射含X的氧化鋅基靶材和含Y的氧化鋅基靶材，分別調(diào)整施加在兩個(gè)靶材上的濺射功率，在柵絕緣層上與柵極對(duì)應(yīng)的位置沉積一層摻X和Y的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體有源層，其中，隨著與柵絕緣層距離的增大，X的含量逐漸降低，Y的含量逐漸升高，X為Cd、In、Sn、Sb、T1、Pb和As中的一種，Y為Ga、Al、Hf、Ge、Ca和Cu中的一種； (4)形成覆蓋有源層兩端的源極和漏極。
6.如權(quán)利要求5所述的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的制造方法，其特征在于，所述步驟(3)中，按如下方式調(diào)整施加在兩個(gè)靶材上的濺射功率:施加在含X的氧化鋅基靶材上的濺射功率由開始時(shí)的30?400W逐漸下降至完成時(shí)的0W，施加在含Y的氧化鋅基靶材上的濺射功率由開始時(shí)的OW逐漸上升至完成時(shí)的30?400W。
7.如權(quán)利要求6所述的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的制造方法，其特征在于，所述步驟(3)中，襯底轉(zhuǎn)速為5?20rpm。
8.如權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的制造方法，其特征在于，所述有源層的厚度為20?lOOnm。
9.如權(quán)利要求5至8中任一項(xiàng)所述的氧化鋅基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的制造方法，其特征在于，X為In，所述含X的氧化鋅基靶材為銦鋅摩爾比為9:1?81的銦鋅氧化物靶材，Y為Ga，所述含Y的氧化鋅基靶材為鎵鋅摩爾比為9:1?81的鎵鋅氧化物靶材。
【文檔編號(hào)】H01L21/34GK103840011SQ201410066494
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】尹盛, 李小月, 徐東 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)