基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管，該薄膜晶體管包括溝道區，以及分別位于溝道區兩側，且與溝道區接觸的源區和漏區，所述的溝道區、源區和漏區均為氘摻雜的金屬氧化物。本發明的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管以氘摻雜的金屬氧化物作為溝道區、源區和漏區，能夠降低源區和漏區的電阻率，提高溝道區的載流子遷移率，進而有利于提高薄膜晶體管的開態電流、場效應遷移率以及開關速度。且本發明的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管在溫度為200℃的情況下，氘不擴散，晶體管仍然保持良好的電學性能。
【專利說明】基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管

【技術領域】
[0001] 本發明涉及半導體【技術領域】，具體涉及一種基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體 管。

【背景技術】
[0002] 基于金屬氧化物的透明薄膜晶體管，隨著在平板顯示屏中的成功應用高速發展起 來。近年來，平板顯示屏不斷追求大尺寸和高分辨率，如超高清的大尺寸智能電視，配備高 分辨率顯示屏的各種移動設備，這些產品的普及豐富了人們的生活，提高了人們的工作效 率，同時也帶來了巨大的經濟效益。由于傳統的非晶硅薄膜晶體管遷移率低于lcmVVs，而 高清像素中的晶體管尺寸較小，故開啟電流小、充放電延遲時間長、嚴重影響顯示屏的開關 速度，同時非晶硅薄膜晶體管的工作電壓高、功耗大、發熱嚴重對移動設備應用非常不利。
[0003] 目前使用的小尺寸高分辨率顯示屏主要由低溫多晶硅薄膜晶體管驅動，雖然低溫 多晶硅薄膜晶體管遷移率很高（?lOOcmVVs)，但是其需要激光掃描退火，工藝制造成本 高，難以實現大尺寸屏幕。金屬氧化物薄膜晶體管結合了非晶硅和多晶硅兩者的優點：擁有 較高的遷移率（10-120cm 2/Vs)，開口率高且功耗低；與非晶硅薄膜晶體管工藝兼容，工藝簡 單且制備溫度較低（〈300°C);非晶結構均勻性好，適合做大尺寸高分辨率屏幕。此外，由于 下一代電視將采用超高清分辨率（3840X2160)顯示面板，甚至是多視野裸眼3D技術，因此 越來越需要更高速度的薄膜晶體管。
[0004] 然而，由于金屬氧化物半導體薄膜本征缺陷很多，包括氧空位、金屬原子之間的 間隙等，以及晶界缺陷，降低了薄膜晶體管的場效應遷移率和可靠性、開關速度等器件性 能。雖然，氟和氫都能鈍化金屬氧化物中的缺陷，但是由于氟化薄膜晶體管遷移率不超 過lOOcmVVs，氫化薄膜晶體管的熱穩定性差，都不能滿足實際應用。如文獻"一種實現 自對準結構氧化鋅薄膜晶體管的簡單工藝技術"（Z.Ye，T. Chow，D. Zhang and M. Wong，SID Symposium Digest of Technical Papers 41 (1)，1139-1142 (2010) ·)中報道過一種氫化薄 膜晶體管，該薄膜晶體管以氫摻雜的多晶氧化鋅薄膜作為有源層來提高薄膜晶體管的場效 應遷移率，其場效應遷移率最高可以達到?280cm 2/Vs，逼近氧化鋅單晶材料目前測試出的 最高霍爾遷移率（?300cm2/Vs)。然而由于氫在氧化鋅中擴散得非常快，導致器件的熱穩 定性差。如器件加熱到ll〇°C測試，各項電學性能（包括可靠性、器件的開關比等）都開始 衰退，當加熱到150°C時，很快就失去了晶體管的特性，變成了不受柵壓控制的導體。


【發明內容】

[0005] 針對現有技術的不足，本發明提供了一種能夠實現高遷移率和高熱穩定性等優異 電學性能的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管。
[0006] -種基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管，包括溝道區，以及分別位于溝道區 兩側，且與溝道區接觸的源區（即薄膜晶體管的源極區域）和漏區（即薄膜晶體管的源極 區域），所述的溝道區、源區和漏區均為氘摻雜的金屬氧化物。
[0007] 本發明中氘在源區和漏區中所起到的作用與溝道區中不同：在源漏區（指源區和 漏區）中，氘原子作為施主雜質對金屬氧化物進行η型摻雜以降低源漏區的電阻率，提高其 導電性，進而提高薄膜晶體管的開態電流；在溝道區中，氘原子用來鈍化半導體的缺陷，進 而提高薄膜晶體管的場效應遷移率。進一步，對于薄膜晶體管而言，場效應遷移率越高，開 關速度越快，即利用氘摻雜的金屬氧化物（氘化金屬氧化物薄膜）還能夠提高薄膜晶體管 的開關速度。此外，以氘作為金屬氧化物的摻雜元素，還能夠提高器件的熱穩定性。
[0008] 本發明中的薄膜晶體管的結構可以是任何類型，包括但不限于平面溝道、垂直溝 道、共平面電極、交錯電極、頂柵、底柵、單柵或多柵結構。其中，共平面電極結構指的是薄膜 晶體管的源漏極和柵電極位于溝道區的同側。交錯電極結構指的是薄膜晶體管的源漏極和 柵電極位于溝道區不同側。
[0009] 薄膜晶體管的襯底材質可以是其中之一，但不限于以下幾種：聚合物、玻璃、非晶 硅、多晶硅或包含預制備傳統集成電路的單晶硅，襯底可以包含一層電絕緣覆蓋層的導電 材料，如具有電絕緣覆蓋層的不銹鋼。
[0010] 薄膜晶體管中柵電極可以是金屬和金屬合金，非晶或多晶形態的透明導電氧化 物，如摻錫氧化銦、摻雜的氧化鋅，等等。薄膜晶體管的柵介電層的材料可以是以下材料中 的其中之一但不限于以下幾種：二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或高介電常數的絕緣材料。鈍 化絕緣層所使用的材料包括但不限于以下幾種：二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、三氧化二鋁、 二氧化鈦、聚合物或其他絕緣材料。
[0011] 所述溝道區中氘原子的濃度小于源區和漏區中氘原子的濃度。
[0012] 對于源漏區，氘原子的摻雜濃度應保證源漏區能夠導電。對于溝道區，氘的最高摻 雜濃度不能使溝道區導電。因此根據不同的摻雜需求，溝道區中氘原子的濃度應遠遠小于 源漏區中氘原子的濃度。
[0013] 所述的源區和漏區中氘原子的濃度均為lX102°cnT3?lX 1023cnT3。
[0014] 源區和漏區中氘原子的作用是提高載流子濃度，降低源區和漏區的電阻率，使源 區和漏區導電。當摻雜濃度較低時不能起到使源區和漏區導電的功能，而摻雜濃度過高 (大于飽和濃度），剩余的氘原子會降低導致散射增強，反過來會增大電阻。因此，需要合 理設置氘原子的濃度，滿足應用需求。作為優選，所述的源區和漏區中氘原子的濃度均為 lX102°cnT3?lX1021cnT3,且源區中氘原子的濃度與漏區中氘原子的濃度各自獨立。
[0015] 源區中的氘原子的濃度和漏區中氘原子的濃度無關，二者可以相同，也可以不同， 根據具體需求設定。二者相同時，器件工藝簡單，二者不同時，器件工藝復雜。
[0016] 所述的溝道區中氘原子的濃度為IX 1012cnT3?5X 1019cnT3。
[0017] 在薄膜晶體管中溝道區必須不導電，摻雜氘原子主要起鈍化作用，減小溝道區中 的缺陷，進而提1?載流子遷移率，進而提1?薄I吳晶體管的場效應遷移率。慘雜濃度太1?，溝 道區會導電，太低效應不明顯，因此，為保證薄膜晶體管的功能需要合理設置溝道區中氘原 子的濃度。作為優選，所述的溝道區中氘原子的濃度為lX10 18cnT3?5X1019cnT3。
[0018] 所述的金屬氧化物為單氧化物或復合氧化物；
[0019] 單氧化物中的金屬元素為鋅、錫、銅或銦；
[0020] 復合氧化物中的金屬元素為鋅、錫、銦、鎵、鋁、鈦、銀、銅中兩種或兩種以上。
[0021] 本發明中的薄膜晶體管中溝道區、源區和漏區三者所采用的金屬氧化物相互獨 立。可以根據應用需求對于溝道區、源區和漏區，可以分別選擇不同的金屬氧化物作。通常， 出于對制備工藝的考慮，通常溝道區、源區和漏區三者采用的同一種金屬氧化物。
[0022] 本發明中氘化金屬氧化物薄膜的采用的離子注入法制備得到，先利用薄膜沉積技 術制備得到金屬氧化物薄膜，再采用離子注入法向制備好的金屬氧化物薄膜注入一定濃度 的氘。也可以在含氘的氣氛環境下制備得到化金屬氧化物薄膜，制備時通過流量控制，通過 控制氣氛環境中氘的濃度制備得到氘濃度不同的氘化金屬氧化物薄膜。
[0023] 為保證溝道區和源區、漏區中氘的濃度不同，制備工藝較為復雜。當溝道區和源 區、漏區采用的金屬氧化物相同，則直接先制備得打滿足溝道區的氘濃度的氘化金屬氧化 物薄膜（可先制備金屬氧化物薄膜，在利用離子注入法氘化，也可以直接在含氘的氣氛環 境下制備得到滿足溝道區中氘濃度的氘化金屬氧化物薄膜），再使用一定的方法將溝道區 遮擋后，避免在之后進行離子注入時有氘注入到溝道區中，利用離子注入法繼續向源區和 漏區注入一定濃度的氘，提高使源區和漏區中的氘濃度。當溝道區和源區、漏區采用不同的 金屬氧化物方法時，可先制備金屬氧化物薄膜，然后針對溝道區和源區、漏區分別采用離子 注入法向相應的區域注入設定濃度的氘（其他區域采用掩膜版遮擋）。
[0024] 本發明中未作特殊說明溝道區、源區和漏區的氘原子的濃度均指每立方厘米中包 含的氘原子的個數，單位為cnT 3。
[0025] 此外，制備工藝還與薄膜晶體管的結構有關，基于以上原理，根據不同的結構，靈 活調整具體制備過程即可。
[0026] 本發明的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管可通過如下步驟制備得到：
[0027] 1)在襯底上沉積形成金屬氧化物半導體薄膜，并刻蝕成有源層；
[0028] 2)沉積形成柵絕緣層，覆蓋半導體有源層和襯底；
[0029] 3)透過柵絕緣層引入低濃度的氘原子到半導體有源層；
[0030] 4)在柵絕緣層上沉積形成導電薄膜，經過刻蝕后形成柵電極；
[0031] 5)透過柵絕緣層引入高濃度的氘原子到源漏區，由于有柵電極的阻擋，氘原子不 能注入到溝道區中；
[0032] 6)沉積形成鈍化絕緣層保護整個器件；
[0033] 7)通過光刻和刻蝕鈍化絕緣層和柵絕緣層開引線孔，暴露出柵電極、源區和漏 區；
[0034] 8)在鈍化絕緣層上沉積金屬并刻蝕形成導電層，連接各電極。
[0035] 所述的沉積方法為化學氣相法，物理氣相法，電化學法或溶膠凝膠法。
[0036] 與現有技術相比，本發明的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管優點在于，以 氘摻雜的金屬氧化物作為溝道區、源區和漏區，能夠降低源區和漏區的電阻率，提高溝道區 的載流子遷移率，進而有利于提高薄膜晶體管的開態電流、場效應遷移率以及開關速度。且 本發明的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管在在溫度為200°C下熱處理1小時后，晶 體管仍然保持良好的電學性能，源極和漏極之間的電流受柵壓的大小的控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037] 圖1為頂柵電極自對準結構薄膜晶體管的剖面結構示意圖；
[0038] 圖2a為襯底上轉移圖案后有源層的剖面結構示意圖；
[0039] 圖2b為在有源層上沉積柵介電層后進行氘化處理的剖面結構示意圖；
[0040] 圖2c為在介電層上沉積及刻蝕柵電極后氘原子注入源漏區的剖面結構示意圖；
[0041] 圖2d為穿過介電層開引線孔后的器件結構示意圖；
[0042] 圖3為實施例1的薄膜晶體管未經熱處理和經過200°C熱處理1小時后的漏電流 與柵電壓的關系曲線；
[0043] 圖4為雙柵電極結構薄膜晶體管的剖面結構示意圖；
[0044] 圖5為對比例1的薄膜晶體管的漏電流與柵電壓的關系曲線；
[0045] 圖6為對比例2的薄膜晶體管未經熱處理和在不同溫度熱處理不同時間后的漏電 流與柵電壓的關系曲線。
[0046] 符號說明
[0047] 1 :襯底 2 :源區
[0048] 3 :漏區 4 :溝道區
[0049] 5 :柵介電層 6 :柵電極層
[0050] 7:鈍化絕緣層 8:源極金屬引線
[0051] 9:柵極金屬引線 10:漏極金屬引線
[0052] 11 :第二柵電極 12 :第二柵介電層
[0053] 13 :有源層 14 :光刻膠

【具體實施方式】
[0054] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，茲列舉較佳實施例并結合附圖對 本發明作進一步的詳細描述。
[0055] 實施例1
[0056] 本實施例的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管的結構如圖1所示，從下至上 依次包括襯底1，有源層、柵介電層5、柵電極6和鈍化絕緣層7。有源層包括溝道區4,以及 位于溝道區4的兩側，且與溝道區接觸的源區2和漏區3。源區2、漏區3和柵電極6分別 通過源極金屬引線8、柵極金屬引線9和漏極金屬引線10引出至鈍化絕緣層7之外。本實 施例中溝道區4的長度為16 μ m，寬度為10 μ m。
[0057] 其中，襯底1的材質為玻璃，柵介電層5的材質為氧化硅，柵電極6的材質為透明 導電氧化物（本實施例中為摻錫氧化銦）和鈍化絕緣層7的材質為氧化硅。有源層的厚 度為l〇〇nm，柵介電層5的厚度為100nm，柵電極6的厚度為100nm，鈍化絕緣層7的厚度為 300nm〇
[0058] 薄膜晶體管的源區2、漏區3和溝道區4為氘化金屬氧化物薄膜（本實施例中為氧 化鋅）。其中，源區2中氘原子的濃度為2X 102°cnT3,漏區3中氘原子的濃度為2X 102°cnT3， 溝道區4中氘原子的濃度為1 X 1019cnT3。
[0059] 本實施例的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管通過以下方法制備：
[0060] (1)在襯底1上沉積一層金屬氧化物薄膜（本實施例中為氧化鋅薄膜），并刻蝕形 成半導體有源層13,具體結構如圖2a所示；
[0061] (2)在圖2a所示的結構上面沉積形成柵介電層5,采用離子注入法，透過柵介電層 5向有源層13注入氘，具體結構見圖2b。
[0062] (2)在圖2b所示的結構上沉積一層導電層，使用光刻膠14刻蝕、轉移掩模版圖案 形成柵電極6。之后進行自對準，以光刻膠14做為硬膜，繼續注入氘離子，使更多氘離子被 引入到源2和漏3區，由于光刻膠14的作用溝道區不會有氘注入，進而源區和漏區的中氘 原子的濃度要高于在溝道區中的使氘原子的濃度，形成源區2和漏區3,具體結構如圖2c所 /_J、1 〇
[0063] (3)去掉圖2c所示結構中的光刻膠14后，沉積形成一層鈍化絕緣層7保護器件， 使用刻蝕或剝離的工藝穿過這層絕緣層開接觸引線孔，使源如2、漏區3和柵電極6部分露 出，具體結構如圖2d的所示。
[0064] (4)在圖2d的所示的結構上沉積形成一層金屬導電層，覆蓋這三端電極，通過刻 蝕形成相應的電互連線，即得到源極金屬引線8、柵極金屬引線9和漏極金屬引線10,進而 得到如圖1所示的薄膜晶體管。金屬導電層的形成可以使用諸如磁控濺射、電化學法或蒸 發的方法（本實施例中采用磁控濺射法制備）。
[0065] 有源層13、柵介電層5、柵電極6和鈍化絕緣層7都可以使用如下技術沉積而成： 磁控濺射法、化學氣相沉積、熱蒸發、原子層沉積、脈沖激光沉積、化學溶液或外延生長。本 實施例中采用磁控濺射法
[0066] 圖2a至2d所述的工藝流程所需設備是與傳統的平板顯示制造工藝相兼容的，例 如，磁控濺射設備、等離子體增強化學氣相沉積、離子噴淋儀器、光刻系統和反應離子刻蝕 設備。
[0067] 圖3為本實施例的薄膜晶體管未經熱處理和經過200°C熱處理1小時后的漏電流 (I D)與柵電壓（ves)的關系曲線（測量時源漏電壓VDS = 5V)。可以看出，熱處理前后的漏 電流與柵電壓關系曲線基本重合，則說明本實施例的薄膜晶體管經過200°C下熱處理1小 時前后，其電學性能基本保持不變。另外，根據薄膜晶體管未經熱處理前的漏電流與柵電壓 關系曲線，采用飽和區電流電壓的關系公式提取得到本實施例的薄膜晶體管的場效應遷移 率為280cm 2/Vs，開態電流為ΙΟ-'。
[0068] 實施例2
[0069] 與實施例1相同，所不同的是基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管為雙柵電極 結構薄膜晶體管，其剖面結構示意圖如圖4所示，包括襯底1，設置于襯底1上的柵電極6， 包覆于柵電極6的柵介電層5,位于柵介電層5上的有源層，第二柵介電層12,包覆于有源 層上與柵介電層5接觸，以及位于第二柵介電層12上的第二柵電極11。有源層包括溝道區 4,以及位于溝道區4的兩側，且與溝道區接觸的源區2和漏區3。且溝道區4成T型結構， 兩側部分區域分別位于源區2和漏區3上。
[0070] 本實施例的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管通過以下方法制備：
[0071] (1)在襯底1上沉積一層導電層并刻蝕得到柵電極6 ;
[0072] (2)經步驟⑴處理后，繼續制備柵介電層5 ;
[0073] (3)在柵介電層5上沉積氧化鋅薄膜并注入相應濃度的氘，注入完成后刻蝕得到 源區2和漏區3 ;
[0074] (4)經步驟⑶處理后沉積氧化鋅薄膜，并注入相應濃度的氘后，刻蝕得到溝道區 4 ；
[0075] (5)經步驟（4)處理后，繼續沉積第二柵介電層12 (與柵介電層5的材質相同） 后，繼續沉積一層導電層并刻蝕成第二柵電極11，進而得結構如圖4所示的薄膜晶體管。
[0076] 本實施例的薄膜晶體管的場效應遷移率為200cm2/Vs左右，開態電流為5X 10_5A， 且經過200°C下熱處理1小時后，其電學性能基本保持不變。
[0077] 實施例3
[0078] 與實施例1相同，所不同的源區2中氘原子的濃度為IX 1021cnT3,漏區3中氘原子 的濃度為lXl〇21cnT 3,溝道區4中氘原子的濃度為5X1015cnT3。
[0079] 本實施例的薄膜晶體管的場效應遷移率為40cm2/Vs左右，開態電流為IX 1(Γ5Α， 且經過200°C下熱處理1小時后，其電學性能基本保持不變。
[0080] 對比例1
[0081] 與實施例1相同，所不同的源區2中氘原子的濃度為2X 102°cnT3,漏區3中氘原子 的濃度為2X 102°cnT3,溝道區4中無氘原子。
[0082] 圖5為本實施例的薄膜晶體管在常溫下的漏電流與柵電壓的關系曲線（測量時源 漏電壓VDS = 5V)，可以計算得到本實施例的薄膜晶體管的場效應遷移率為8cm2/Vs，開態電 流為 2X10_6A。
[0083] 對比例2
[0084] 與實施例1相同，所不同的是薄膜晶體管的源區2、漏區3和溝道區4為氫化金 屬氧化物薄膜。其中，源區2中氫原子的濃度為2X10 2°cnT3,漏區3中氫原子的濃度為 2X102°cnT3,溝道區4中氫原子的濃度為lX10 19cnT3。且本實施例中溝道區4的長度為 16 μ m，寬度為 30 μ m。
[0085] 圖6為本實施例的薄膜晶體管未經熱處理和在不同溫度熱處理不同時間后的漏 電流與柵電壓的關系曲線（測量時源漏電壓V DS = 5V)。可以看出，熱處理的溫度越高，處 理時間越長，本實施例的薄膜晶體管的電學性能越差。且ll〇°C下處理20min后，薄膜晶體 管的電學性能已經出現明顯下降，進一步，在150°C下熱處理25min后，該薄膜晶體管幾乎 失去了晶體管的特性，變成了不受柵壓控制的導體。另外，通過計算得到本實施例的薄膜晶 體管的場效應遷移率為280cm 2/Vs，開態電流為4X 10_4A。
[0086] 以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何 熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應 涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為 準。
【權利要求】
1. 一種基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管，包括溝道區，以及分別位于溝道區兩 偵牝且與溝道區接觸的源區和漏區，其特征在于，所述的溝道區、源區和漏區均為氘摻雜的 金屬氧化物。
2. 如權利要求1所述的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管，其特征在于，所述溝 道區中氘原子的濃度小于源區和漏區中氘原子的濃度。
3. 如權利要求1所述的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管，其特征在于，所述的 源區和漏區中氘原子的濃度均為lX102°cnT 3?lX 1023cnT3。
4. 如權利要求1所述的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管，其特征在于，所述的 源區和漏區中氘原子的濃度均為lX102°cnT 3?lX1021cnT3。
5. 如權利要求1?4中任意一項權利要求所述的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體 管，其特征在于，所述的溝道區中氘原子的濃度為1X 1012cnT3?5X 1019cnT3。
6. 如權利要求1所述的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管，其特征在于，所述的 溝道區中氘原子的濃度為IX 1018cnT3?5X 1019cnT3。
7. 如權利要求1所述的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管，其特征在于，所述的 金屬氧化物為單氧化物或復合氧化物； 單氧化物中的金屬元素為鋅、錫、銅或銦； 復合氧化物中的金屬元素為鋅、錫、銦、鎵、鋁、鈦、銀、銅中兩種或兩種以上。
8. 如權利要求7所述的基于氘化金屬氧化物薄膜的薄膜晶體管，其特征在于，所述的 溝道區、源區和漏區三者所采用的金屬氧化物各自獨立。
【文檔編號】H01L29/786GK104112779SQ201410366289
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】葉志, 劉旸 申請人:葉志, 劉旸