一种提升薄膜半导体晶体管电学性能的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种提升薄膜半导体晶体管电学性能的方法，属于半导体器件技术领 域。
【背景技术】
[0002] 氧化锌作为一种常见的金属半导体材料，具有较大的能带隙和激子束缚能，透明 度高，有优异的常温发光性能，在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等产 品中均有应用。
[0003] 非晶氧化铟镓锌（IGZO)是在ZnO材料中掺入In2O3和Ga203后获得的一种新型半 导体材料，被广泛应用于新一代薄膜晶体管技术领域，该技术是金属氧化物Metal-Oxide 面板技术的一种。
[0004] TFT(ThinFilmTransistor)是指薄膜场效应晶体管，TFT液晶屏幕是指液晶面板 上的每一液晶像素点都是由集成在其后的薄膜晶体管驱动，即曾经在手机领域上经常听到 的"TFT屏幕"。常见的TFT驱动分类主要有a-SiTFT(非晶硅）、LTPSTFT(低温多晶硅）， IGZOTFT也属于这一范畴。
[0005] 日本东京工业大学细野秀雄最先提出将非晶IGZO材料应用在TFT行业。
[0006] IGZO作为一种含有铟、镓和锌的非晶氧化物，其载流子迀移率是非晶硅的20~30 倍，大大提高了TFT对像素电极的充放电速率，提高了像素的响应速度，实现了更快的刷新 率，也大大提高了像素的行扫描速率，使超高分辨率在TFT-LCD中成为可能。另外，由于晶 体管数量的减少和每个像素透光率的提高，IGZO显示器具有更高的能效水平，效率更高。因 此，IGZOTFT具有广泛的研宄和应用前景。
[0007] 目前，国内外对于IGZOTFT已有很多研宄报道，但大多数采用的IGZO的 厚度较大，一般在 50nm左右。如文献[H.Yabuta,M.Sano,K.Abe,T.Aiba,T.Deb,and H.Kumomi.High-mobilitythin-filmtransistorwithamorphousInGaZn04channeI fabricatedbyroomtemperaturerf-magnetronsputtering.AppliedPhysics Letters. 2006,89:112123]中制备的顶栅结构的IGZOTFT，制备方法是在氩气和氧气混合 的氛围中采用射频磁控派射rfiagnetronsputter，在室温条件下沉积生长了 50nm的非 晶IGZ0,之后同样采用射频磁控溅射的方法在不同的氩气和氧气氛围下生长了 140nm的 三氧化二纪作为介质层，电极部分则全部是采用电子束蒸发electron-beamevaporated 的方法生长了Au(50nm)/Ti(5nm).该条件下制备所得的器件性能优良，其迀移率可以达到 12cm2/Vs，电流开关比可以达到108,但是由于IGZO中的铟是一种稀缺元素，价格昂贵，所以 此种方法具有很高的制备成本，不适合大量生产。
[0008] 文献[L.J.Shao,K.J.Nomura,T.Kamiya，andH.Hosono.Operation CharacteristicsofThin-FilmTransistorsUsingVeryThinAmorphousIn-Ga-Zn-0Channels.ElectrochemicalandSolid-StateLetters. 2011，14(5) :H197_H200]报道 了具有超薄非晶IGZO沟道层的TFT的电学性能，文献中采用的是底栅结构，以具有热氧化 Si02的Si片作为衬底，利用RF磁控溅射的方法在衬底上生长一层a-IGZO作为沟道层，之 后利用光刻和lift-off方法在a-IGZO上依次生长了Ti(IOnm)和Au(30nm)作为源、漏电 极，所有制备的器件都没有进行后期退火处理。结果显示，在非晶IGZO的厚度降到7nm甚 至更低时，虽然TFT仍然具有完好的器件结构，但是其电学性能已经严重恶化，表征器件性 能的关键参数即迀移率已经骤降到了 〇.3cm2/Vs。此种方法虽然有希望解决器件制备过程 中的成本问题，但是，是以牺牲器件性能为代价的。
[0009] 文献[M.Mativenga,D.Geng,J.H.Chang,T.J.Tredwell,andJ.Jang.Performance of5-nma-IGZ0TFTsWithVariousChannelLengthsandanEtchStopper ManufacturedbyBackUVExposure.IEEEElectronDeviceLetters. 20l2, 33:824]中介 绍了具有优良特性的IGZO只有5nm的TFT，他们的方法是把生长栅绝缘层、IGZO层以及封 装层的3个腔体连接在了一起，在不破坏真空的条件下实现了器件的制备，这种方法虽然 也实现了超薄IGZ0TFT的优良性能，但是制备设备非常复杂，制备成本很高，很难在工业生 产上实现。
【发明内容】
[0010] 针对现有技术的不足，本发明公开了一种提升薄膜半导体晶体管电学性能的方 法。
[0011] 本发明的技术方案为：
[0012] 一种提升薄膜半导体晶体管电学性能的方法，具体是指，在所述薄膜半导体晶体 管表面覆盖一层有机层或无机层。
[0013] 此处设计的优势在于，在所述薄膜半导体晶体管表面覆盖一层有机层或无机层， 一方面很大程度地将薄膜半导体晶体管与外界空气隔离，极大地减少空气中的H20、O2以及 (〇Hr等物质对薄膜半导体晶体管性能的负面影响；另一方面很大程度地减少薄膜半导体 晶体管表面的缺陷态，由于表面缺陷态会束缚器件中载流子的输运，导致薄膜半导体晶体 管性能的恶化，所以，覆盖一层有机层或者无机层之后使得薄膜半导体晶体管性能得到很 大改善。
[0014] 根据本发明优选的，所述有机层为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚酰亚胺、光刻胶、环 氧树脂、聚酯类、聚氨脂类或缩醛类。
[0015] 此处设计的优势在于，聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚酰亚胺、光刻胶、环氧树脂、聚酯 类、聚氨脂类、缩醛类绝缘涂层或绝缘漆等，涂覆或成膜性好，绝缘性好，致密耐热，对薄膜 半导体晶体管无腐蚀性。
[0016] 根据本发明优选的，所述无机层为SiO2或高K材料，进一步优选的，所述高K材料 包括Ta2O5'Hf02、Y203、Si3N4'A1203、La2O3'TiO2。
[0017] 所述高K材料包括Ta205、Hf02、Y203、Si3N4、A1203、La203、TiO2，但不限于此，其它常 规的高K材料也包括在内。
[0018] 根据本发明优选的，所述提升薄膜半导体晶体管电学性能的方法还包括：对覆盖 一层有机层的薄膜半导体晶体管进行烘干处理。
[0019] 烘干处理过程中，将有机层的溶液中的溶剂充分地挥发掉，烘干过程即为完成。
[0020] 根据本发明优选的，所述提升薄膜半导体晶体管电学性能的方法还包括：对覆盖 一层无机层的薄膜半导体晶体管进行退火处理。
[0021] 所述薄膜半导体晶体管包括衬底、覆盖所述衬底的栅极、覆盖所述栅极的绝缘层、 覆盖所述绝缘层的沟道层及在所述沟道层表面的相对两侧形成的源极和漏极。
[0022] 所述薄膜半导体晶体管的栅极为Si、Al、Ti、Au中的一种或两种，所述绝缘层为 SiO2或高K材料的一种或两种，所述高K材料包括：Ta205、Hf02、Y203、Si3N4、Al203、La203、Ti02， 所述沟道层为a-IGZO、ZnO、GaN、P型SnO中的一种，所述源极为Al、Ti、Au中的一种或两 种，所述漏极为Al、Ti、Au中的一种或两种。
[0023] 所述薄膜半导体晶体管为超薄非晶氧化铟镓锌a-IGZO薄膜晶体管，所述衬底及 栅极为Si，所述绝缘层为SiO2，所述沟道层为a-IGZO,所述源极和所述漏极均为Ti，所述提 升薄膜半导体晶体管电学性能的方法，具体步骤包括：
[0024] (1)选用重掺杂硅片作为衬底及栅极；
[0025] (2)在步骤（1)所述重掺杂硅片上生长一层具有热生长的SiO2作为绝缘层；
[0026] (3)在步骤（2)所述绝缘层上生长厚度为4一6nm的a-IGZO,形成沟道层；
[0027](4)在步骤（3)所述a-IGZ0上生长厚度为40-60nm的Ti，形成源极和漏极；
[0028] ⑶后期退火；
[0029] (6)旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，再次进行退火处理，得超薄非晶氧化铟镓 锌a-IGZ0薄膜晶体管。
[0030] 此处设计的优势在于，选用具有热生长的SiO2的硅片作为绝缘层，热生长的SiO2 的结构致密、纯度高，厚度均匀，是一种非常优良的介质材料。
[0031] 上述步骤（3)中，在射频磁控派射仪中生长厚度为4一6nm的a-IGZ0,具体是指， 在功率为80- 100W、氩气流量为18 - 22SCCM条件下，利用溅射生长a-IGZ0的掩膜板溅射 60-90s;进一步优选的，在射频磁控溅射仪中生长厚度为5nm的a-IGZ0,具体是指，在功率 为90W、氩气流量为20SCCM条件下，利用溅射生长a-IGZ0的掩膜板