金属氧化物半导体薄膜晶体管中的稳定性增强

摘要

本发明涉及半导体薄膜晶体管(TFT)结构的电介质层中的等离子体氢化区域提高了TFT的稳定性。TFT是包括电极、设置在电极上的电介质层和电介质层上的金属氧化物半导体的多层结构。在沉积半导体之前将电介质层暴露于含氢等离子体使得在半导体-电介质界面上产生等离子体氢化区域。等离子体氢化区域并入氢，从半导体/电介质界面至所述电介质层和所述半导体层中的一者或两者的本体中，氢的浓度降低。

说明书

技术领域

本发明涉及可用于制造薄膜结构的系统和方法。

背景技术

诸如氧化锌(ZnO)和铟镓锌氧化物(InGaZnO)之类的金属氧化物半导体由于其具有高载流子迁移率、低加工温度和光学透明性而在器件制造方面备受关注。由金属氧化物半导体制成的薄膜晶体管(TFT)尤其可用于光学显示器的有源矩阵型寻址方案。金属氧化物半导体的低加工温度使得能够在诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)之类的低成本塑料基板上形成显示器背板。氧化物半导体TFT的透明性导致像素开口率提高并且使显示器更亮。相比之下，非晶硅(a-Si)TFT使像素开口率减小，这是因为a-Si器件对光敏感并且必须被屏蔽以不受光影响。

虽然金属氧化物半导体TFT由于其具有透明性而具有很好的潜能并且使在室温下或接近室温形成高性能器件成为可能，但是稳定器件的制造仍然存在挑战。金属氧化物半导体TFT可以表现出取决于栅偏置的其特性的滞后。金属氧化物半导体技术的发展一直持续着，并且目前的努力集中在减少或消除滞后以增强TFT稳定性。本发明满足了这些和其他需求，并提供了超越现有技术的其他优势。

发明内容

本发明的实施例涉及用于制造薄膜结构的薄膜电子结构和方法。本发明的一个实施例涉及制造多层半导体结构的方法。电极层(例如，栅电极)形成在基板上并且靠近电极层形成电介质层。在形成电介质层之后，将电介质层暴露于含氢等离子体。在将电介质层暴露于含氢等离子体之后，靠近电介质层形成金属氧化物半导体层。

本发明的另一个实施例涉及制造金属氧化物半导体器件的方法。该工艺涉及形成电极层并且在电极层上形成电介质层。在形成电介质层之后，加工电介质层，以在电介质层表面上的氢化区域中形成不均匀的氢分布。在电介质表面上，氢化区域中的氢浓度相对高，而在电介质层的本体内，氢化区域中的氢浓度降低。在将电介质层暴露于含氢等离子体之后，在电介质层上方形成包括金属氧化物半导体的半导体层。

又一个实施例涉及一种多层半导体结构。该多层半导体结构包括电极和靠近电极设置的电介质层。该多层半导体结构还包括半导体层，半导体层包括靠近电介质形成的金属氧化物半导体。氢化区域形成在电介质层的半导体电介质界面上。在半导体-电介质界面上，氢化层的氢浓度相对高，从半导体-电介质界面至电介质层和半导体层中的一者或两者，氢浓度的浓度降低。

本发明的上述发明内容并非意图描述本发明的每一个实施例或每种实施方式。结合附图并参照下文的具体实施方式以及所附权利要求书，再结合对本发明比较完整的理解，本发明的优点和成效将变得显而易见并且为人所领悟。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例通过暴露于等离子来制造金属氧化物半导体薄膜晶体管的工艺的流程图；

图2是根据本发明实施例的包括等离子体氢化区域的器件的剖视图；

图3A至图3D是根据本发明实施例针对不同时间长度暴露于氘(D₂)等离子体的四个ZnO-Al₂O₃样品结构的二次离子质谱(SIMS)图线；

图4示出图3A至图3D的样品的电流-电压图线(正向扫描和反向扫描)，其证实了随着暴露于D₂等离子体的程度增加阈值电压稳定性改进；

图5示出根据本发明实施例的具有阳极化Al₂O₃电介质的TFT的电流-电压图线(正向扫描和反向扫描)，其证实了通过暴露于氢等离子体得到的稳定性和性能的改进；和

图6示出根据本发明实施例的具有溅射的SiO₂层的阳极化Al₂O₃电介质的TFT的电流-电压图线(正向扫描和反向扫描)，其证实了通过暴露于氢等离子体得到的稳定性和性能的改进。

虽然本发明可修改为各种修改形式和替代形式，但其具体的方式已以举例的方式在附图中示出并且将会作详细描述。然而，应当理解，其目的不在于将本发明局限于所述具体实施例。相反，其目的在于涵盖由所附权利要求书限定的本发明范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。

具体实施方式

在下文对各种示例性实施例的叙述中将参考构成本发明一部分的附图，并且其中通过举例说明示出多个可以在其中实施本发明的实施例。应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构性和操作性方面的修改。

近来，诸如氧化锌(ZnO)和如铟镓锌氧化物(InGaZnO)的相关合金之类的金属氧化物半导体作为透明薄膜晶体管(TFT)的活性层已备受关注。这类半导体可以在室温下被加工，以形成包括载流子迁移率高的透明晶体管的柔性电路，从而使得它们对于许多显示器应用而言有可能是理想的。然而，为了充分开发这些理想的性质，需要利用一些技术增强器件的稳定性。金属氧化物半导体TFT由于栅偏置诱导滞后导致可能在其电流-电压转移特性和阈值电压V_T方面表现出不稳定性。本文描述的这些方法减轻了这种滞后并且还改进了整体TFT操作。

本发明的实施例涉及通过将栅电介质暴露于含氢等离子体来增强金属氧化物半导体TFT的稳定性的方法。所描述的方法具有高性价比并且相对容易控制，并且特别有利于滚筒式制造。本文所讨论的这些方法涉及在沉积金属氧化物半导体(例如，ZnO、InGaZnO、InZnO、ZnSnO和/或其它金属氧化物半导体)之前将至少TFT的电介质层暴露于含氢等离子体。将电介质暴露于等离子体至少在半导体-电介质界面处在电介质层内形成等离子体氢化区域，并且可以延伸进入电介质层和/或半导体层。等离子体氢化区域显著稳定了器件的栅偏置转移特性以及阈值电压变化并且还提高了载流子迁移率，由此增强了整体TFT性能。

使用含氢等离子体减少金属氧化物半导体的阈值电压滞后在以前是未知的。将电介质表面暴露于氢对低温下制造的这些类型的金属氧化物半导体TFT的载流子迁移率的作用也是未预料到的。a-Si TFT的载流子迁移率增大与可能通过暴露于等离子而变化的电介质表面粗糙度的降低有关。然而，电介质表面粗糙度的变化没有充分说明由暴露于等离子体的金属氧化物半导体TFT表现出的载流子迁移率和/或稳定性提高，特别是根据使用低温工艺形成这些器件的事实。

在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)期间的氮化硅栅电介质的氢化已经表现出，与使用非PECVD栅电介质或含有较低氢水平的PECVD栅电介质形成的类似TFT相比，提高了金属氧化物半导体TFT中的载流子迁移率。在具有含有较高氢水平的PECVD SiN的TFT中，载流子迁移率提高可能归因于由电介质中的高浓度氢扩散到半导体中导致的沟道中的缺陷钝化。

在通过PECVD形成电介质的过程中栅电介质的氢化在工艺和所得结构方面都与电介质形成之后暴露于含氢等离子体的过程不同。PECVD工艺在电介质沉积时将电介质本体氢化，并且不会改变之前所形成电介质的表面从而在电介质表面上形成等离子体氢化区域。本体电介质特性将会随着PECVD工艺的任何改变而变化，以实现特定表面处理。在电介质形成之后的等离子体氢化允许实现特定的表面特性而不会改变电介质本体特性。此外，可以在进行或不进行电介质的大量本体氢化的情况下实现电介质表面的等离子体氢化。

图1是示出根据本发明实施例的金属氧化物半导体TFT的一种构造的制造过程的流程图。在基板上形成TFT栅电极(110)。基板可以是刚性或柔性、透明或不透明的材料，例如，玻璃、金属或塑料。柔性基板允许进行通常降低制造成本的滚筒式加工进行制造。低成本的柔性基板可以包含聚合物材料，例如PEN或PET。聚合物由于其具有光学透明性因此对于显示器应用而言是理想的。这些基板材料对于温度是敏感的，从而使低温加工成为可能。金属箔对于一些应用也是合适的柔性基板。

栅电极可以由任何导电材料制成，特别受关注的是铝(Al)、镁(Mg)、钽(Ta)、钛(Ti)、钼(Mo)、钨(W)和铬(Cr)。栅电极可以包含金属合金、导电金属氧化物或掺杂半导体。铝(Al)和铝类合金频繁用于电路金属化，这是因为这些材料的价格相对低，可以通过多个已知沉积工艺进行沉积并且非常适于薄膜应用。合适的栅电极沉积/图案化技术包括传统的光刻法、通过荫罩进行的金属蒸发和/或本领域已知的其它技术。

例如，通过将栅材料阳极化和/或在栅上方沉积电介质层，在栅电极上形成电介质层120。例如，在一个实现方式中，使用铝形成栅电极，然后将其阳极化以形成用作晶体管电介质层的Al₂O₃层。在一些实现方式中，电介质层可以包括多个次层。例如，溅射的SiO₂层(或其它电介质)可以沉积在阳极化Al₂O₃层上以形成栅电介质。

将栅电介质暴露于含氢等离子体130。在一些实现方式中，等离子体包括含氢和氩的气体，其中氢的含量至少约为5％。在其它实现方式中，等离子体可以包括氘。在一个实施例中，暴露于等离子体涉及在至少约0.01瓦/cm²的功率密度下施加5％氢/95％氩气至少约3至5分钟。

将栅电介质暴露于含氢等离子体导致在电介质表面上和/或在其附近形成氢化区域140。在氢化区域中，氢集中在电介质表面上并且从电介质层的表面至电介质的本体中，氢浓度降低。氢浓度从电介质层表面的第一水平降低为电介质层本体内的第二低水平。在暴露于含氢等离子体之后，金属氧化物半导体沉积在电介质层上方150并且形成漏电极和源电极160。TFT制造步骤110-160可以在低于约100℃的温度下进行并且可以在室温下执行。实验表明，氢化区域显著提高了载流子迁移率并且提高了金属氧化物半导体TFT中的阈值电压稳定性。可以使用滚筒式制造工艺，在柔性基板上实现图1所示的工艺110-160中的任一个或多个。

图2是通过上述工艺制造的多层TFT的剖视图。图2所示器件呈现了TFT组件层的特定布置。本领域的技术人员将认识到，各种其它构造也是有可能的。例如，可以构建TFT，使漏电极和源电极最开始沉积在基板上并且将半导体、电介质和栅层布置在其上以形成TFT。允许形成如本文所述栅电介质的氢化区域的TFT构造的所有变形被设想在本发明的范围内。

器件200形成在通常绝缘的基板210上并且可以是透明和/或柔性的，如之前所讨论的。栅导体(即，栅电极)220沉积在基板210上。电介质层230沉积在栅导体220上并且金属氧化物半导体层240沉积在电介质层230上。漏电极和源电极250布置在金属氧化物半导体层240上。在暴露于含氢等离子体之后，等离子体氢化区域260形成在电介质230和半导体层240的界面处和/或在其附近。等离子体氢化区域260包括可以在延伸到电介质层230和金属氧化物半导体层240中的一者或两者中的界面处集中的氢的区域。如果氢延伸到本体电介质或半导体中，则电介质层230和半导体层240中的一者或两者表现出不均匀的氢浓度分布。例如，在氢化区域260内，氢含量是不均匀的，从电介质-半导体界面270处相对高的浓度开始降低，在本体电介质230中浓度持续降低。在金属氧化物半导体内可以发现类似的不均匀的氢浓度分布，其中，从界面至本体半导体中，氢浓度降低。

实例1

图3A至图3D是在形成Al₂O₃层之后且在沉积ZnO层之前针对不同时间长度暴露于氘(D₂)等离子体的ZnO-Al₂O₃结构的二次离子质谱(SIMS)图线。曲线图3A示出没有暴露于氘等离子体的TFT对照样品(样品A)。如预期的一样，贯穿ZnO半导体区域的ZnO浓度310基本是恒定的，并且在ZnO-Al₂O₃界面312处降低。Al₂O₃曲线图315示出Al₂O₃浓度在ZnO-Al₂O₃界面处增大并且在Al₂O₃本体中基本是恒定的。图3A所示的样品没有暴露于氘等离子体，结果，D₂浓度在ZnO和Al₂O₃区域中基本保持平坦。

图3B、图3C和图3D示出三个ZnO-Al₂O₃样品TFT结构(样品B、C和D)，其中在500W下分别将Al₂O₃层暴露于5％D₂/Ar等离子体2分钟、5分钟和10分钟。对于各样品，曲线图327、337和347分别示出的D₂浓度在ZnO-Al₂O₃界面312处上升并且在Al₂O₃本体中降低。如曲线图327、337和347所示的，氢浓度分布随着暴露于氘等离子体时间的延长而变宽。

图4示出样品A、B、C和D的电流-电压转移特性的覆盖曲线，其示出随着暴露于D₂等离子体的程度增强，阈值电压稳定性改进。曲线410和411分别是样品A(没有暴露于等离子体)的正向电压扫描和反向电压扫描；曲线420和421分别是样品B(暴露于D₂等离子体2分钟)的正向电压扫描和反向电压扫描；曲线图430和431分别是样品C(暴露于D₂等离子体5分钟)的正向电压扫描和反向电压扫描；并且曲线图440和441分别是样品D(暴露于等离子体10分钟)的正向电压扫描和反向电压扫描。注意的是，样品A中的不稳定性被证实为正向和反向栅电压扫描之间的阈值电压的不期望的正偏移。样品的稳定性随着暴露于D₂而增加。注意，暴露于D₂等离子体10分钟的样品D的正向轨迹440和反向轨迹441之间的滞后最小。与没有暴露于D₂等离子体的TFT的载流子迁移率相比，暴露于D₂等离子体的TFT(样品B、C和D)的载流子迁移率也增大。

实例2

在根据标准构造工序沉积铝栅金属并将其图案化之后，栅金属被阳极化为所需厚度的Al₂O₃，通常约为100nm(75V)。在阳极化之后，器件暴露于由95％的氩和5％的氢组成的Ar-H₂成气等离子体。在500W下执行暴露于等离子体的工艺，通常执行约3至5分钟。在暴露于等离子体期间，样品被放置在接地电极台板上。等离子体系统的频率约为40kHz。在暴露于等离子体之后，执行ZnO沉积。然后，使用标准加工来完成样品的制造。

图5示出电流-电压转移特性，其证实了由氢等离子体处理得到的稳定性和性能的改进。图线示出在采用520、525和不采用510、515上述Ar-H₂等离子体处理制成的两个TFT的电流-电压图线。注意，对于没有进行等离子体处理的TFT，正向电流轨迹510和反向电流轨迹515之间的滞后较大。这种不稳定性被证实为阈值电压的不期望的正偏移。第二组电流轨迹520、525得自同一基板上并不相同的TFT，不同之处在于，根据本文描述的工艺，第二TFT暴露于Ar-H₂等离子体。注意，暴露于等离子体的TFT的正向轨迹520和反向轨迹525之间的滞后最小。与没有暴露于氢等离子体的TFT的载流子迁移率相比，暴露于氢等离子体的TFT的载流子迁移率也增加。

实例3

在根据标准构造工序沉积铝栅金属之后，栅金属被阳极化为所需厚度的Al₂O₃，通常约为100nm(75V)。在阳极化之后，约20nm厚的SiO₂层通过RF溅射被沉积在阳极化Al₂O₃层表面的顶部上。在沉积SiO₂层之后，将器件暴露于由95％的氩和5％的氢组成的Ar-H₂成气等离子体。在500W下执行暴露于等离子体的工艺，通常执行约3至5分钟。在暴露于等离子体期间，样品被放置在接地电极台板上。等离子体系统的频率约为40kHz。在暴露于等离子体之后，执行ZnO沉积。然后，使用标准加工来完成样品的构造。

图6示出电流-电压转移特性，其证实了由氢等离子体处理得到的稳定性和性能的改进。图线示出在采用620、625和不采用610、615上述Ar-H₂等离子体处理制成的两个TFT的电流-电压图线。注意，对于没有进行等离子体处理的TFT，正向电流轨迹610和反向电流轨迹615之间的滞后较大。这种不稳定性被证实为阈值电压的不期望的正偏移。第二组电流轨迹620、625得自同一基板上并不相同的TFT，不同之处在于，根据本文描述的工艺，第二TFT暴露于Ar-H₂等离子体。注意，暴露于等离子体的TFT的正向轨迹620和反向轨迹625之间的滞后最小。与没有暴露于氢等离子体的TFT的载流子迁移率相比，暴露于氢等离子体的TFT的载流子迁移率也增加。

上文对于本发明的各种实施例的描述，其目的在于进行举例说明和描述，并非意图穷举本发明或将本发明局限于所公开的精确形式。可以按照上述教导进行多种修改和变化。本发明的范围不受所述具体实施方式的限定，而仅受所附权利要求书的限定。