[发明专利]一种薄膜晶体管有源层及其生长方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种薄膜晶体管(TFT)有源沟道层及其制备方法。

背景技术

近年来，液晶显示技术得到了迅速的发展，薄膜晶体管寻址的液晶显示器以其大容量，高清晰度和全彩色的视频显示成为液晶乃至整个平板显示技术的主流，相关的高新技术产业也成为目前的主要投资方向，受到人们的广泛青睐。基于薄膜晶体管的液晶显示器的显示质量和整体性能在很大程度上取决于薄膜晶体管的性能。随着透明氧化物的深入研究，与传统的非晶硅和多晶硅相比，一些金属化合物的半导体材料也作为有源层用来制作薄膜晶体管，如氧化锌(ZnO)。这些材料有很多高性能的参数，如：高的载流子迁移率，低的亚阈值摆幅，高的开关电流比率。但是这些材料的沟道层和沟道与介质的界面处存在很多的缺陷，为此会出现负偏压不稳定性，使器件在运行的时候容易损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能改善薄膜晶体管性能的薄膜晶体管新的有源沟道层，并提供有源沟道层的生长方法。

本发明提出的薄膜晶体管有源层，为由ZnO掺杂Hf元素的HfZnO薄膜。

原子层淀积(ALD)技术，是一种特殊的化学气相淀积(CVD)方法，原名为原子层外延(ALE)，早在上世纪70年代就有芬兰人Suntola T.和Anston J.获得了这项技术的专利(专利名称: Method for producing compound thin films; 号码: US Patent 4058430)。相较于其他的薄膜淀积方法，ALD可以使得制备的薄膜材料非常的纯，而且能够精确控制薄膜的厚度和组分。在大面积的衬底上厚度平整，无晶粒晶界及很好的保形性，此外ALD技术所需的工艺温度远低于其他的化学气相淀积方法，一般都低于400 ^oC。

ALD淀积虽然是一种化学气相淀积技术，但与传统的CVD技术相比，还是有很大差别的，ALD技术是基于有序表面化学特性的自限制生长制程。它是将反应气体交替脉冲式的通入到反应腔中。一个ALD反应循环的4个步骤：(1)第一种反应前体以脉冲的方式进入反应腔并化学吸附在衬底表面；(2)待表面吸附饱和后，用惰性气体将多余的反应前体吹洗出反应腔；(3)接着第二种反应前体以脉冲的方式进入反应腔，并与上一次化学吸附在表面上的前体发生反应；(4)待反应完全后再用惰性气体将多余的反应前体及其副产物吹洗出反应腔。典型的ALD生长过程由一个周期的多次重复实现。所有的ALD的本质特征就是表面反应达到饱和，使得生长停止，因此薄膜的厚度直接正比于表面反应已完成的次数，既反应循环数，这样可以通过控制淀积的反应循环数，就可以实现对薄膜厚度的精确控制。

对于ALD淀积，选择合适的反应源是重要，ALD原始反应源应具有几个品质特点，要有一定的挥发性；在理想情况下，不应在反应温度下发生自身反应或者分解；能够产生可挥发性的副产物。为使用方便，原始反应源最好为液态有机物。

为了生长出电性符合要求的HfZnO有源层薄膜，我们选择使用TEMAH和DEZn为Hf和Zn的反应源。

本发明提出应用于TFT的HfZnO层的生长方法，具体步骤为：提供一个半导体衬底，在原子层淀积反应腔中，对于每个生长周期，交替脉冲式地通入铪(Hf)源、锌(Zn)源和去离子水(H₂O)，然后交替地生长HfO₂和ZnO，通过控制ALD的生长周期，最终形成所需的HfZnO有源层薄膜，反应衬底温度为150-300 ^oC，反应腔的工作压强保持在2-5 torr。

其中，形成HfZnO有源层所需要的Hf源、Zn源分别为Hf[N(C₂H₅)(CH₃)]₄ (TEMAH)和Zn(C₂H₅) (DEZn)。

其中，形成HfZnO有源层所需要的Hf源、Zn源的ALD脉冲时间分别为1-5秒和0.2-1秒，吹洗时间分别为1-5秒和1-5秒。

本发明还涉及由上述方法生长的由ZnO掺杂Hf元素的HfZnO薄膜作为有源沟道层的薄膜晶体管。