一种复合高k绝缘层薄膜晶体管结构及其制备方法与流程

本发明属于平板显示器制造技术领域，具体涉及一种复合高k(介电常数)绝缘层薄膜晶体管结构及其制备方法。

背景技术：

随着信息时代的到来，显示器件正加速向平板化、节能化、小尺寸化的方向发展，其中以薄膜晶体管(Thin-film transistor，简称TFT)为开关元件的有源阵列驱动显示器件成为众多平板显示技术中的佼佼者。TFT是一种场效应半导体器件，包括衬底、半导体沟道层、绝缘层、栅极和源漏电极等几个重要组成部分，TFT的工作原理和MOSFET类似，都是通过外加栅压来控制TFT的开启及关断，但两者也有一定的区别，从构造上来说，TFT结构本身具有沟道层材料，而MOSFET的沟道层是在外加栅压(V_GS)大于器件的阈值电压(V_th)后，半导体表层聚集的多数载流子将源漏电极连通而形成的。从应用上来说，TFT主要应用于平板显示器(包括液晶显示，OLED等)而MOSFET主要应用在超大规模集成电路中。

对于薄膜晶体管来说，绝缘层的性能对器件的可靠性和稳定性至关重要，栅绝缘层的选择主要考虑以下因素：材料对于泄漏电流的抑制能力，绝缘层介电常数以及材料制备方法等。目前大多数绝缘层材料都使用PECVD法制备的SiO₂和SiN_x，但是它们的相对介电常数较小，为了维持一定的栅电容，需要降低绝缘层厚度，这样会降低TFT的击穿电压并导致隧穿电流的产生，降低了TFT的稳定性。对于传统的TFT来说，器件尺寸不可能一直减小，所以说，寻找一种替代传统绝缘层的材料，既要减小TFT器件的尺寸，又不能降低器件的电学性能，成为了目前的工艺难点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种复合高k绝缘层薄膜晶体管结构及其制备方 法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明通过在普通绝缘层中掺杂高k材料来控制该复合绝缘层的厚度和介电常数，从而降低TFT的阈值电压和饱和电压，在降低TFT功耗的同时提升其电学特性；该方法操作简单，对设备要求低，易实现。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种复合高k绝缘层薄膜晶体管结构，包括基板以及沉积在基板上的栅电极，栅电极上依次沉积有第一绝缘层、高k绝缘层以及第二绝缘层，第二绝缘层上溅射有沟道层，紧贴沟道层对称设有两个源漏电极，且两个源漏电极之间的沟道宽度为20～100μm。

进一步地，所述第一绝缘层和第二绝缘层的厚度为50～80nm，且第一绝缘层和第二绝缘层采用氮化硅或二氧化硅制成。

进一步地，所述高k绝缘层的厚度为20～50nm，且高k绝缘层采用氧化铪、氧化锆或氧化钽制成。

进一步地，所述源漏电极的厚度为120～200nm；且源漏电极采用钛、铝、铬、钼、金、氧化铟锡中的一种或多种材料制成。

进一步地，所述沟道层的厚度为30～100nm；且沟道层采用铟镓锌氧或氧化锌制成。

进一步地，所述栅电极的厚度为150～200nm；且栅电极采用氧化铟锡、钼、铝中的一种材料制成。

进一步地，沟道层上还设有刻蚀阻挡层，刻蚀阻挡层位于两个源漏电极之间，且刻蚀阻挡层的厚度为10～20nm。

一种复合高k绝缘层薄膜晶体管结构的制备方法，包括以下步骤：

1)采用磁控溅射法在基板上沉积栅电极；

2)采用等离子体化学气相沉积法在栅电极上制作厚度为50～80nm的第一绝缘层、然后采用磁控溅射法在第一绝缘层上制作厚度为20～50nm的高k 绝缘层，最后采用等离子体化学气相沉积法在高k绝缘层制作厚度为50～80nm的第二绝缘层；

3)采用磁控溅射法在第二绝缘层上制作厚度为30～100nm的沟道层；

4)采用磁控溅射法紧贴沟道层对称制作两个厚度为120～200nm的源漏电极。

进一步地，第一绝缘层和第二绝缘层采用氮化硅或二氧化硅制成；高k绝缘层采用氧化铪、氧化锆或氧化钽制成；源漏电极采用钛、铝、铬、钼、金、氧化铟锡中的一种或多种材料制成；沟道层采用铟镓锌氧或氧化锌制成；栅电极采用氧化铟锡、钼、铝中的一种材料制成。

进一步地，沟道层上采用等离子体化学气相沉积法制作有厚度为10～20nm的刻蚀阻挡层，且刻蚀阻挡层位于两个源漏电极之间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的复合高k绝缘层薄膜晶体管结构，由制作在基板上的栅电极、覆盖栅电极的复合高k绝缘层、沟道层和源漏电极构成。其中复合高k绝缘层材料包括第一绝缘层和第二绝缘层以及设置在二者之间的高k绝缘层，利用了普通绝缘层良好的绝缘耐压特性和高k绝缘层较高的介电常数，能够在保证器件正常工作时提供绝缘耐压性能之外，降低器件的阈值电压和饱和电压，提高器件的栅控能力并降低器件工作电压，同时由于高k绝缘层的加入，使得器件饱和区电流增大，器件的开关电流比增大，有利于降低器件的响应时间，实现低电压驱动。此外，该复合高k绝缘层的等效氧化层厚度降低，有利于器件进一步向小尺寸化发展，不会出现电流隧穿现象。

进一步地，第一绝缘层和第二绝缘层厚度为50～80nm，该厚度可以保证器件具备良好的绝缘耐压特性，同时有效阻挡杂质。第二绝缘层可以防止下层的高k材料和上层沟道层直接接触，减小泄漏电流的产生。

进一步地，高k绝缘层厚度为20～50nm，一般选用氧化铪，氧化锆或氧 化钽，这类材料还具备良好的热稳定性、较宽的带隙、良好的界面特性等，可以与现有器件工艺兼容。

本发明方采用“掺杂”工艺制作复合高k绝缘层，步骤简单，对仪器设备要求低。将原有的绝缘层薄膜一次沉积变为了三次，虽然增加了工艺次数，但由于薄膜制备难度较低，工艺复杂性并未增加。在外加栅压之后，器件的开启电压和饱和电压降低，电学特性增强。同时器件的响应时间更快，功耗更低，适合用于工业生产。

附图说明

图1是一个像素单元的TFT原理结构示意图；

图2-1是本发明公开的一种复合高k绝缘层氧化物薄膜晶体管结构主视图；

图2-2为图2-1的俯视图；

图3-1是现有技术的氧化物薄膜晶体管的一种典型结构(背通道刻蚀)主视图；

图3-2为图3-1的俯视图；

图4-1是本发明实施例1移位单边栅电极的复合高k绝缘层氧化物薄膜晶体管阵列主视图；

图4-2为图4-1的俯视图；

图5-1是本发明实施例2共平面结构复合高k绝缘层氧化物薄膜晶体管主视图；

图5-2为图5-1的俯视图；

图6-1是本发明实施例3具有刻蚀阻挡层的复合高k绝缘层氧化物薄膜晶体管主视图；

图6-2为图6-1的俯视图。

其中，100、基板；110、数据信号；120、扫描信号；150、栅电极；160、 栅漏电容；170、平行板电容；180、存储电容；200、第一绝缘层；210、高k绝缘层；220、第二绝缘层；230、绝缘层；300、沟道层；310、刻蚀阻挡层；350、源漏电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

首先，介绍TFT工作原理。图1为TFT-LCD像素单元电路示意图(Cs on common)，包含了一个作为电开关的TFT，栅极连接行扫描信号(V_scan)120，用来控制数据信号(V_data)110的输入。V_data与TFT的源极相连，控制源极的充电电压大小。C_gd为栅漏电容160，C_LC为平行板电容170，由显示器上下玻璃基板间的液晶分子形成，C_S为存储电容180，用来储存数据电压V_data,使充好电的电压能保持到下一帧图像显示。TFT-LCD有两层玻璃基板，下基板主要包含TFT及存储电容，像素电极，每个像素单元包含红绿蓝三个子像素。上基板主要包含滤光膜，黑矩阵，共用电极等。

本发明的复合高k绝缘层薄膜晶体管结构，如图2-1和图2-2所示，包括沉积在基板100上的栅电极150，在栅电极150上沉积有三层复合绝缘层薄膜，分别为第一绝缘层200、高k绝缘层210、第二绝缘层220，在第二绝缘层220上溅射沟道层300薄膜；最后在沟道层300上制备一对对称的器件源漏电极350，在对称的源漏电极350之间设有20～100μm间隙作为沟道宽度。

其中，栅电极150的厚度为150～200nm；且栅电极(150)采用氧化铟锡、钼、铝中的一种材料制成。第一绝缘层200、第二绝缘层220的厚度为50～80nm；且第一绝缘层200和第二绝缘层220采用氮化硅或二氧化硅制成。所述高k绝缘层210的厚度为20～50nm；且高k绝缘层210设置在第一绝缘层200与第二绝缘层220之间，采用氧化铪、氧化锆或氧化钽制成。沟道层300的厚度为30～100nm；且沟道层300具备高迁移率，由铟稼锌氧或氧化锌 制成。

源漏电极350的厚度为120～200nm；且源漏电极350由钛、铝、铬、钼、金、氧化铟锡中的一种或几种材料制成。

第一绝缘层200、高k绝缘层210和第二绝缘层220要覆盖住栅电极150，保证栅电极150不与器件源漏电极350接触。

对比例：

参见图3-1和图3-2，为现有技术的一种典型结构氧化物薄膜晶体管示意图，该氧化物薄膜晶体管制备在基板100上。薄膜晶体管包括栅电极150，绝缘层230，源漏电极350和沟道层300。

实施例1

参见图4-1和图4-2，一种移位单边栅电极的复合高k绝缘层氧化物薄膜晶体管结构，包括栅电极150，源漏电极350，第一绝缘层200、高k绝缘层210和第二绝缘层220和位于电极间隙的沟道层薄膜300。

该结构的制作过程为：

1)用磁控溅射等方法在基板100上溅射若干组栅电极150，形成栅电极阵列，栅电极150厚度为150～200nm；

2)用磁控溅射/等离子体化学气相沉积法(PECVD)等方法在栅电极150上连续沉积三层复合栅绝缘层，分别为第一绝缘层200、高k绝缘层210和第二绝缘层220，长度与栅电极150的长度相当，总厚度为120～210nm；

3)用磁控溅射方法在复合栅绝缘层上溅射沟道层300，沟道层300厚度为30～100nm；

4)用磁控溅射方法在沟道层300上溅射器件的源漏电极350，沟道宽度为20～100μm，源漏电极350厚度为120～200nm；

这种移位单边栅电极结构将器件的栅电极引出，便于测试，同时使器件的布局更加合理。

实施例2

参见图5-1和图5-2，一种共面结构复合高k绝缘层氧化物薄膜晶体管结构，包括栅电极150，一组源漏电极350，第一绝缘层200、高k绝缘层210和第二绝缘层220和与一组源漏电极350共面的沟道层300。

该结构的制作过程为：

1)用磁控溅射等方法在基板100上溅射若干组栅电极150，形成栅电极阵列，栅电极150厚度为150～200nm；

2)用磁控溅射/PECVD等方法在栅电极150上连续沉积三层复合栅绝缘层，分别为第一绝缘层200、高k绝缘层210和第二绝缘层220，长度与栅电极150的长度相当，总厚度为120～210nm；

3)用磁控溅射方法在复合栅绝缘层上溅射沟道层300，沟道层300厚度为30～100nm；

4)用磁控溅射方法在沟道层300一侧对称溅射器件的源漏电极350，沟道宽度为20～100μm，源漏电极350厚度为120～200nm；

这种共面结构的特点是沟道层和源漏电极在一个平面上，能够形成良好的界面接触。同时工艺次数较少(4-5次)，降低成本。

实施例3

参见图6-1和图6-2，一种具有刻蚀阻挡层的复合高k绝缘层氧化物薄膜晶体管结构，包括栅电极150，一组源漏电极350，第一绝缘层200、高k绝缘层210和第二绝缘层220，沟道层300及沟道层300上的刻蚀阻挡层310。

该结构的制作过程为：

1)用磁控溅射等方法在基板100上溅射若干组栅电极150，形成栅电极阵列，栅电极厚度为150～200nm；

2)用磁控溅射/PECVD等方法在栅电极150上连续沉积三层复合栅绝缘层，分别为第一绝缘层200、高k绝缘层210和第二绝缘层220，长度与栅电 极150的长度相当，总厚度为120～210nm；

3)用磁控溅射方法在复合栅绝缘层上溅射沟道层300，之后利用PECVD方法在沟道层300上沉积一层刻蚀阻挡层310，沟道层300厚度为30～100nm；刻蚀阻挡层310厚度为10～20nm；

4)用磁控溅射方法在沟道层300上溅射器件的源漏电极350，该源漏电极350分别与沟道层300和刻蚀阻挡层310接触，沟道宽度为20～100μm，源漏电极350厚度为120～200nm；

这种结构的特点是在沟道层材料上生长一层绝缘层材料，可以防止沟道层与空气接触而导致的沟道层材料氧化，保证器件性能不衰减。

综上所述，本发明的复合高k绝缘层氧化物薄膜晶体管结构包括栅电极150、三层复合绝缘层、沟道层300和源漏电极350。现有技术制作TFT绝缘层的方法有很多，例如磁控溅射法，原子层沉积法(ALD)，电化学氧化法(electrochemical oxidation)，PECVD法，化学方法等。电化学氧化法的工艺过程不好控制，容易过量氧化，会影响栅电极材料的稳定性。原子层沉积法的设备造价昂贵，不利于工业化生产。本发明利用磁控溅射和PECVD结合的办法，连续沉积氮化硅/高k层/氮化硅三层材料(氮化硅也可采用二氧化硅替代)，利用了氮化硅良好的绝缘耐压性能和高k层的电学特性，降低TFT开启电压和饱和电压，缩短TFT-LCD的响应时间，降低功耗，提高工作效率。