低温薄膜晶体管工艺、装置特性、和装置稳定性改进的制作方法

专利名称：低温薄膜晶体管工艺、装置特性、和装置稳定性改进的制作方法
低温薄膜晶体管工艺、装置特性、和装置稳定性改进发明背景 发明领域本发明的实施方式一般涉及具有稳定的电气性能的薄膜晶体管及这种晶体管的 制造方法。现有技术描述薄膜晶体管(TFT)广泛用于制造许多大小和类型的平板显示器。一般来说，薄膜 晶体管成层形成于基板上。一导电底部栅极层被一介电材料覆盖，以在该导电底部栅极层 和其后形成的顶部栅极层之间，支持维持一个电场。一半导体层通常形成在介电层之上。半 导体层作为电子的供应者，供应电子到晶体管沟道(channel)，晶体管沟道是一个形成在有 源层上的被掺杂的半导体材料。顶部栅极触点形成在沟道层上。在运作中，经由源极和漏极结(junction)，一栅极电压被施加于栅极，及一偏压被 施加于沟道。栅极电压藉由介电层通过晶体管产生一电场。电场促使电子从有源层进入沟 道层。当有足够的电子迁移，一电流流经沟道层。为了确保操作TFT的可靠度，在有源层的电子迁移率是非常重要的。电子必须是 自由的，以随时响应一施加的栅极电压，从有源层迁移到沟道层。如果在有源层的电子迁移 率下降，则在沟道产生电流所需的栅极电压增加，可能导致晶体管失效。此外，特性的稳定 度，例如，热和电应力下的阈值电压对于操作的可靠度是非常关键的。因此，持续需要性能稳定且具有高电子迁移率的薄膜晶体管。

发明内容
本发明的实施方式一般提供一薄膜晶体管，其藉由在一基板上沉积一介电层、有 源层、掺杂有源层、和导电层来形成。在一实施方式中，该介电是双层的，包含一富硅氮化 硅层，其作为第一介电层；和一氮化硅层，其作为第二介电层。在另一项实施方式中，该有源 层是双层的，包含一第一非晶硅层，其以一低沉积速率沉积；及一第二非晶硅层，其以一 高沉积速率沉积。在一些实施方式中，该薄膜晶体管具有一至少约1. 90的折射率、一至少 约0. 83 1的硅氮比率、及硅氢键的含量介于约18原子百分比和约21原子百分比之间。本发明的实施方式亦提供一种用以形成一薄膜晶体管的方法，包含在一基板上依 序形成一介电层、一有源层、一掺杂有源层、和一导电层。在一些实施方式中，介电层是由两 层组成，即一第一介电层和一第二介电层。在一些实施方式中，该第一介电层是一富硅氮化 硅层。在其它实施方式中，以一低于第二介电层的沉积速率形成第一介电层。在另一项实 施方式中，该有源层是双层的，包含一第一非晶硅层，其以一低沉积速率沉积；及一第二 非晶硅层，其以一高沉积速率沉积。附图简要说明所以，上述简介的本发明的特征可参考实施方式进一步理解和叙述，部分实施方 式绘示于附图中。然而要指出的是，附图仅说明本发明的典型实施方式，因此不应被视为其范围的限制，本发明亦适用于其它具有同等功效的实施方式。

图1是一截面图，其绘示依据本发明的一实施方式的一 PECVD设备。图2是一 TFT结构的示意图。图3是根据本发明的一实施方式的一流程图。为了便于理解，已经在可能的情况下，使用相同的元件符号指示各图式中相同的 元件。意即，在一实施方式中所揭示的元件亦可用于其它实施方式而无需特别指明。详细描述本发明的实施方式提供一薄膜晶体管(TFT)及这种晶体管的制造方法。图1是一截面图，其绘示依据本发明的一实施方式的一 PECVD设备。该设备包 括一腔室100，其用以沉积一或多个薄膜至一基板120。可使用的一合适的化学气相沉积 设备可获取自位于美国加州圣大克劳拉市(Santa Clara, CA)的应用材料公司(Applied Materials, Inc. )0虽然下面的说明将以PECVD设备进行说明，应理解本发明也同样适用于 其它处理腔室，包括那些由其它制造商生产的。腔室100 —般包括腔壁102、一底部104、一喷头106、及基座118，其界定一处理容 积(process volume)。处理容积可经由一个狭缝阀门(slit valve)开口 108进入，以使 基板120能被转移进出腔室100。基座118可耦接至一致动器(actuator) 116，以升高和降 低基座118。贯穿基座118移动放置举升销(lift pin) 122，以在放置到基座118之前和从 基座118移除之后，支撑一基板120。基座118还可以包括加热和/或冷却元件124，以保 持基座118在理想的温度。基座118可能还包括接地线(grounding strap) 126，其在基座 118周围提供射频接地。喷头106藉由一固定机构150 (fastening mechanism)连接至一背板112。喷头 106可由一或多个耦合支架150耦接至背板112，以帮助防止凹陷(sag)和/或控制喷头106 的平直度/曲率(straightness/curvature)。在一个实施方式中，十二个耦合支架150可 用于耦接喷头106至背板112。耦合支架150可包括一固定机构，如，螺母和螺栓组件。在 一实施方式中，螺母和螺栓组件可由电绝缘材料(electrically insulating material)制 成。在另一实施方式中，螺栓可由金属制成并且由电绝缘材料包围。在另一实施方式中，喷 头106可车上螺纹以接收螺栓。在又一实施方式中，螺母可由一电绝缘材料形成。介电材 料有助于防止耦合支架150电性耦合可能存在于腔室100的任何等离子体。此外和/或替 代性地，可有一中心耦合机构将背板112耦接至喷头106。中心耦合机构可围绕一背板支撑 环(未显示)，并悬挂在一桥接组件(bridge assembly)(未显示)上。喷头106可藉由托 架(bracket) 134另外耦接背板112。托架134可能有壁架(ledge) 136，用以设置喷头106。 背板112可设置在壁架114上，壁架114耦接腔壁102，以密封腔室100。一气源132耦合至背板112，以藉由喷头106的气道(gas passage)提供处理气 体和清洁气体给基板120。处理气体流动穿过一远程等离子体源/射频扼流圈单元(choke unit) 130。一真空泵110被耦接到腔室100的低于基座118的位置，以将处理容积保持在 一预定的压力下。一射频电源128被耦合到背板112和/或喷头106，以提供一射频电流给 喷头106。射频电流在喷头106和基座118之间产生一电场，以从喷头106和基座118之间 的气体产生等离子体。可以使用不同频率，例如，介于约0. 3兆赫兹和200兆赫兹之间的一 频率。在一个实施方式中，以13. 56兆赫兹的频率提供射频电流。
在处理基板之间，可提供清洁气体给远程等离子体源/射频扼流圈单元130，以使 远程等离子体生成，并被提供来清洁腔室100的组件。来自耦合到远程等离子体源/射频 扼流圈130的微波源138的一微波电流可引发等离子体。清洁气体可进一步由提供给喷头 106的射频电源128激发。合适的清洁气体包括但不限于NF3、F2*SF6。在基板120的顶 面和喷头106之间的间隔介于约400密尔(mil)至大约1200密尔之间。在一实施方式中， 间隔可能介于约400密尔到约800密尔之间。PECVD可用来沉积TFT的各层。图2是一示意图，其绘示依据本发明的一实施方式 的一 TFT结构200。TFT结构200包括一基板202，其可以是任何其上形成有含硅介电层的 任何基板。基板202可以是导电的或非导电的，而且可以是刚性的或弹性的。在一些实施 方式中，基板202可以是一玻璃基板。在一些实施方式中，基板202可以是一经掺杂或其它 处理的玻璃基板。TFT结构200进一步包括一第一介电层204、一底部栅极层206、一第二介 电层208、一第一有源层210、一第二有源层212、一掺杂半导体层214、一金属层216、和一钝 化层218。TFT结构200的第一介电层204 —般沉积在基板202上，以一第一沉积速率沉积达 一第一厚度。在许多实施方式中，TFT结构200的第一介电层204是一氮化硅层。在一些实施 方式中，第一介电层204可能是一个富硅氮化硅层，例如，具有一硅氮比大于约0.80 1.0 的富硅氮化硅层。在另一实施方式中，富硅氮化硅层可能有大于约0.83 1.0的硅氮比。 在另一实施方式中，富硅氮化硅层可能有大于约0.85 1.0的硅氮比。相反于人们普遍的 认知一富硅氮化硅层是“不好的氮化物”层，目前已发现，在低温下由于增加结构中硅氢键 的比例所造成的高缺陷密度，富硅氮化硅层可减少TFT沉积中负面的阈值电压漂移。这些 缺陷可作为电子阱，其中高密度电子阱被认为可用来减少入侵到介电层的电子。从而减少 会降低阈值电压的负面的阈值电压漂移。第一介电层204可沉积达一第一厚度，其介于约1000埃(人)和约4GGG人之间，如， 2000A和约3000A之间，例如，约2800 A。在实施方式中，第一介电层是一富硅氮化硅层， 第一介电层204具有高于标准氮化硅薄膜的一折射率。标准氮化硅薄膜具有约1. 8至1. 9 的折射率。相反的，富硅氮化硅薄膜具有约1.9或更高的折射率。在一些实施方式中，折射 率可介于约1.92和约1.96之间。在一些实施方式中，富硅氮化硅层(例如，上文所述的一 第一介电层204)可具有较氮氢键含量高的硅氢键。在其它实施方式，硅氢键的含量可能低 于氮氢键的含量。例如，在一些实施方式中，硅氢键的含量可介于约18原子百分比和约30 原子百分比之间，如，约21原子百分比和约27原子百分比之间。在其它实施方式中，氮氢 键的含量可能少于约20原子百分比，如，低于约18原子百分比。TFT结构的底部栅极层206 —般沉积在第一介电层204之上或之中。底部栅极 层206 —般包括一金属(如，铬、或例如铝钕合金的金属合金)，并沉积至介约500A和约 3500 A之间的厚度。底部栅极层可以是一双层，其包含可能相同或不同的两种金属或合 金。例如，底部栅极层可以是一双层，其包含铬和铝钕合金。第二介电层层208可包括一含有硅、氧、氮、碳或其组合的一层。例如，第二介电层 208可以是氮化硅、氧化硅、或碳化硅。此外，在一些实施方式中，第二介电层可以是氧氮化 硅、氧碳化硅、或碳氮化硅。在实施方式中，其中第二介电层208是一氮化硅层，它可能是一 禾中计量氮化娃层(stoichiometric silicon nitride layer),或一种富娃氮化娃层。在一些实施方式中，第二介电层208的组成可能实质上类似于第一介电层。在一些实施方式中， 第二介电层208可能有大于第一介电层204的硅氮比。在一些实施方式中，第二介电层208 可能有小于第一介电层204的硅氮比。第二介电层208通常沉积达一第二厚度，其介于约 200A和约IOOOA之间，如，介于约400A和约600A之间，例如，约500A。第二厚度一般小
于第一厚度。第一和第二介电层共同构成一栅极介电层，其具有低介电常数和良好的阻挡性 能。此外，栅极介电层藉由TFT支持良好的电子迁移率，以及促进稳定的电气性能。因此，形 成的第二介电层最好有一较低的湿蚀刻速率，其介于约700埃/分和约3000埃/分之间， 例如，介于约1000埃/分和约1500埃/分之间。第一有源层210可以是一非晶硅层、一多晶硅层、或一氢化非晶硅层。第一有源层 210 一般沉积达一第三厚度，其介于约100埃和约500埃之间，例如，介于约200埃和约400 埃之间，例如，约300埃。当电压被施加于栅极时，第一有源层210 —般将电子供应至掺杂 半导体层214。第一有源层210可以是一半导体材料(如硅或锗、或其结合)，一掺杂半导 体材料(如η型掺杂或ρ型掺杂硅材料)，或透明导电氧化物材料，如锌氧化氮。第二有源层212也可能是一种非晶硅层，沉积达一第四厚度，其介于约1200Α和 约2000Α之间，例如，约1400Α至约1800Α，例如，约1600Α。第四厚度通常大于第三厚度。 第二有源层212可能具有实质上类似于第一有源层210的构成。第二有源层212也可能是 一半导体材料、一掺杂半导体材料、或一透明导电氧化物，实质上如上所述。掺杂半导体层214 —般形成TFT 200的一源极区域。掺杂半导体层214 —般将是 一 η型掺杂或ρ型掺杂硅区域。例如，层214可以是一非晶硅掺杂区域，其以硼、磷、或砷中 的一或多种掺杂。金属层216可被溅射到层214上，并在其上形成钝化层218。钝化层218 可能是氮化硅层。本发明的实施方式还提供一种形成类似上文所述与图2相关的一薄膜晶体管的 方法。图3是一流程图，其描述根据本发明实施方式的一种方法300。在步骤302中，在一 基板上沉积可能是一富硅氮化硅层的一第一介电层。在示例性实施方式中，其中第一介电 层是一富硅氮化硅层，藉由提供一基板至如相关于图1的内容所述的一处理腔室，以沉积 第一介电层。提供一第一气体混合至处理腔室并产生一等离子体以在基板上沉积第一介电 层。气体混合一般包含一硅源，如硅烷(SiH4)；和一氮源，例如，氮气(N2)、氨(NH3)、或其 混合。此外，氢源(例如，氢气(H2),以及一载气，如氩气(Ar))可补充第一气体混合。在一 些实施方式中氨亦可作为氢源。一般情况下，气体混合物流进处理腔室的流率将取决于处理中基板的大小。在一 些实施方式中，例如，在一示例性实施方式中，被处理的一基板具有68厘米乘以88厘米的 大小，可提供流速介于约4，OOOsccm至约19，OOOsccm之间的第一气体混合，例如，介于约 7000sccm至约11，OOOsccm之间，例如，约9000sccm。在这样的实施方式中，SiH4气体的气 流介于约300到900sccm之间，例如，约400sccm至约700sccm，例如，约550sccm。NH3气 体的气流介于约600到约2，400sccm之间，例如，约800sccm至约2，OOOsccm之间，例如， 约1，200sccm。N2气体的气流介于约1，000到约7，OOOsccm之间，例如，约1，OOOsccm至约 4，OOOsccm之间，例如，约1，OOOsccm0 H2气体的气流介于约3，000到约9，OOOsccm之间，例 如，约 5，OOOsccm 至约 7，OOOsccm 之间，例如，约 6，OOOsccm。
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在一些实施方式中，第一气体混合的气流可被调配，输送到基板的区域。例如，在 一示例性实施方式中，第一气体混合可以特定的流量来提供，其介于约0. 8sccm/cm2至约 3. lsccm/cm2 之间，例如,约 1. Osccm/cm2 至约 2. Osccm/cm2 之间,例如，约 1. 4sccm/cm2。在 这样的实施方式中，SiH4气体的气流介于约0. 05到约0. 15sccm/cm2之间，例如，约0. 07至 约0. 1 lsccm/cm2之间，例如，约0. 09sccm/cm2。NH3气体的气流介于约0. 10到约0. 40sccm/ cm2之间，例如，约0. 16至约0. 24sccm/cm2之间，例如，约0. 20sccm/cm2。N2气体的气流介 于约0. 17到约1. lsccm/cm2之间，例如，约0. 17至约0. 5sccm/cm2之间，例如，约0. 17sccm/ cm2。H2气体的气流介于约0. 5到1. 5sccm/cm2之间，例如，约0. 7至约1. 3sccm/cm2之间， 例如，约 1. Osccm/cm2。此外，在一些实施方式中，第一气体混合有一特征为在NH3和SiH4 (NH3 SiH4)之 间的气体流量的比例约为0.7 1到约7.4 1，例如，约1.5 1到约3.0 1，例如，约 2.2 1。在N2*SiH4(N2 SiH4)之间的气体流量的比例约为1 1到21 1，例如，约 1.5 1到约10 1，例如，约2 1。在N2和NH3(N2 NH3)之间的气体流量的比例约为 0.4 1到约11 1，例如，约0.6 1到约4 1，例如，约0.8 1。第一介电层一般将沉积在一第一温度，其介于约150°C和约250°C之间，例如，约 200°C。较低的沉积温度允许在各种基板上形成TFT。通常形成等离子体以增强沉积，并且 通常施加射频功率至反应区以激发等离子体，其中射频功率是13. 56MHz的频率和介于约 2000瓦(W)和约3800W之间的功率水平(power level)，例如，介于约2400瓦和约3，200W 之间，例如，约2700W。在一些实施方式中，由RF所施加的特定功率可介于约0. 30ff/cm2至 约0. 70ff/cm2之间，例如，约0. 35ff/cm2至约0. 55ff/cm2之间，例如，约0. 45W/cm2。施加至第 一气体混合的功率与气流的比例一般将是介于约0. 2ff/sccm和约0. 4W/SCCm之间，例如， 约0. 33W/sccm。腔室内的压力一般维持在低于约4Torr之下，例如，介于约1. OTorr至约 3. OTorr之间，例如，约2. ITorr0在一些实施方式中，电极和基板之间的间距(spacing) — 般约介于约450mil和IOOOmil之间，例如，约900mil。这些条件导致第一介电层沉积的第 一速率相对较高，例如，介于约700人/111丨11和约2,000 A/min之间，例如约1,500 A/min0 第一介电层204可沉积达一第一厚度，其介于约1,000 A和约4,OOOA之间，例如，2,OOOA 和约3,OOOA之间，例如，约2,800 A。第二介电层形成于步骤304。第二介电层可与第一介电层一样形成于相同处理腔 室，或根据个别实施方式的特殊需要形成在不同的处理腔室。第二介电层可以是氮化硅、氧 化硅、或碳化硅。此外，在一些实施方式中，第二介电层可以是氧氮化硅、氧碳化硅、或碳氮 化硅。在示例性实施方式中，其中第二介电层是氮化硅层，第二介电层可以用大致相同的前 驱物和工艺条件，藉由类似于第一介电层的工艺来形成。在一些实施方式中，可改变前驱物 水平(precursorlevel)，以形成一层不同的成分。例如，如相关于图2的内容所述，如果第 一介电层是一富硅氮化硅层，而第二介电层是一氮化硅层，则硅源的流速可能会降低，或氮 源的流量会增加，以达成理想的薄膜组成。在一些实施方式中，可藉由提供第二气体混合给一处理腔室，以及产生一等离子 体来沉积第二介电层，以形成第二介电层。第二气体混合一般包含一硅源，如硅烷(SiH4)； 和一氮源，例如，氮气(N2)、氨(NH3)、或其混合。此外，一氢源(例如，氢气(H2),以及一载 气，如氩气(Ar))可补充第二气体混合。在一些实施方式中氨亦可作为氢源。
一般情况下，气体混合物流进处理腔室的流率将取决于处理中基板的大小。在 一些实施方式中，例如，在一示例性实施方式中，被处理的一基板具有68厘米乘以88厘 米的大小，可提供流速高于第一气体混合的第二气体混合，例如，介于约8，OOOsccm至约 20，OOOsccm之间，例如，介于约10，OOOsccm至约18，OOOsccm之间，例如，约14，OOOsccm。在 一些实施方式中，第二气体混合的流速高于第一气体混合的流速20%至100%之间，例如， 高于第一气体混合的流速约60%至70%之间，例如，高于第一气体混合的流速约65%。在 其它实施方式中，可以小于第一气体混合的流速来提供第二气体混合。在上述具有特征基 板大小的实施方式中，SiH4气体的气流介于约140到约360sccm之间，例如，介于约200sccm 至约420sccm之间，例如，约250sccm。NH3气体的气流介于约600至约1700sccm之间，例 如，介于约800sccm和约1300sccm之间，例如，约1050sccm。N2气体的气流介于约4，000至 约10，OOOsccm之间，例如，介于约6，OOOsccm和约8，OOOsccm之间，例如，约7，OOOsccm。在 这个实施方式中，H2气体的气流介于约3，500到约8，500sccm之间，例如，约4，500sccm至 约 7，500sccm 之间，例如，约 6，OOOsccm。在一些实施方式中，第二气体混合的特定流速介于约1. 4到约3. 3sCCm/Cm2，例如， 约2. 0至约2. 8sccm/cm2之间，例如，约2. 4sccm/cm2。SiH4气体的特定流速介于约0. 02到 约 0. 07sccm/cm2，例如，介于约 0. 03 至约 0. 05sccm/cm2 之间，例如，约 0. 04sccm/cm2。NH3 气 体的特定流速介于约0. 10到约0. 30sccm/cm2之间，例如，介于约0. 14至约0. 22sccm/cm2 之间，例如，约0. 18sccm/cm2。N2气体的特定流速介于约0. 7到约1. 7sccm/cm2之间，例如， 介于约0. 9至约1. 5sccm/cm2之间，例如，约1. 2sccm/cm2。H2气体的特定流速介于约0. 5到 约1. 4sccm/cm2之间，例如，介于约0. 8至约1. 2sccm/cm2之间，例如，约1. Osccm/cm2。此外，在一些实施方式中，第二气体混合具有的特征为SiH4(NH3 SiH4)的 气体流量比例介于约1 1至约12 1之间，例如，介于约2 1和约6 1之间，例如约 4 1。在N2和SiH4(N2 SiH4)间的气体流量的比例介于约10 1到约70 1，例如，介 于约25 1到约35 1，例如，约30 1。在N2和NH3(N2 NH3)间的气体流量的比例介 于约2 1到约16 1之间，例如，介于约4 1到约11 1之间，例如，约6. 5 1。第 二介电层通常以小于第一介电层的速率沉积。第二介电层一般将在与第一温度实质上相同的第二温度下沉积，其介于约150°C 和约250°C之间，例如，大约200°C。通常用一等离子体来加强沉积，且通常藉由施加射频功 率激发至反应区，其中采用13. 56MHz的频率，和介于约900瓦(W)和2100W的功率水平， 例如，介于约1，200W和约1800W之间，例如，约1500W。在第二介电层的一些实施方式中， 由RF所施加的特定功率可介于约0. 15ff/cm2至约0. 35ff/cm2之间，例如，约0. 20ff/cm2至约 0. 30W/cm2之间，例如，约0. 25W/cm2。施加至第二气体混合的功率与气流的比例一般将是介 于约0. 09W/sccm和约0. llW/sccm之间，例如，约0. 10W/sccm。腔室内的压力一般维持在 低于约4Torr之下，例如，介于约0. 6Torr至约2. OTorr之间，例如，约1. OTorr0在一些实 施方式中，电极和基板之间的间距一般约介于450mil和900mil之间，例如，约600mil。这 些条件通常导致第二介电层的沉积速率低于第一介电层。在一些实施方式中，第二介电层 可以第一介电层沉积速率的约40%至约60%之间的速率沉积。在如上所述的示例性实施 方式中，第二介电层的沉积速率将介于约400 A/min和约1000A/min之间，例如，介于约 500 A/min至约900 A/min之间，例如，约650 A/min。
在实施方式中，其中第二介电层是一氮化硅层，它可能是一种计量氮化硅层，或一 种富硅氮化硅层。在一些实施方式中，第二介电层的组成可能实质上类似于第一介电层。在 一些实施方式中，第二介电层可能具有大于第一介电层的硅氮比。在其它实施方式中，第二 介电层可能具有小于第一介电层的硅氮比。第二介电层通常沉积达一第二厚度，其介于约 200A至约IOOOA之间，例如，介于约400A和约600A之间，例如，约500 A。第二厚度一般 小于第一厚度。—第一有源层形成于步骤306。第一有源层可能是一非晶硅层、一多晶硅层、一氢 化非晶硅层、或一透明导电氧化层，例如，氧化锌，如上文中参照图2所述。第一有源层可能 是一半导体材料，例如，硅或锗；或一掺杂半导体材料，例如，一 η型或P型掺硅材料。在一 示例性实施方式中，其中第一有源层是一非晶硅层，一第三气体混合被提供至一处理腔室， 其可以是用来形成先前介电层的相同处理腔室。第三气体混合包括一硅源，如硅烷、一烷基 硅烷、一硅氧烷、一硅氮烷、一个硅醇(Silanol)、或其它直线或环状硅源。第三气体混合也 可能包括与硅源不同的氢源，例如，氢气。在一示例性实施方式中，其中硅源是硅烷(SiH4)，而氢源是氢气(H2)，以及基板的 尺寸相同于上述实施方式，第三气体混合的流速可以是介于约5000sCCm至约35，000sCCm 之间，例如，介于约7000sccm至约20，OOOsccm之间，例如，约ll，000sccm。SiH4气体的气 流介于约400至约l，400sccm之间，例如，介于约600sccm和约1，OOOsccm之间，例如，约 800sccm。H2气体的气流介于约4，000至约30，OOOsccm之间，例如，介于约7，OOOsccm至约 13，OOOsccm，例如，约 10，OOOsccm。在一些实施方式中，第三气体混合的特定流速介于约0. 8到约6. Osccm/cm2之间， 例如，介于约1. 5至约2. 5sccm/cm2之间，例如，约1. 8sccm/cm2。SiH4气体的特定流速介 于约0. 08到约0. 22sccm/cm2之间，例如，介于约0. 12至约0. 16sccm/cm2之间，例如，约 0. 14sccm/cm2。H2气体的特定流速介于约0. 8到约5. Osccm/cm2之间，例如，介于约1. 2至 约2. 5sccm/cm2之间，例如，约1. 7sccm/cm2。此外，在H2和SiH4 (H2 SiH4)之间的气流比 例介于约4 1至约60 1之间，例如，约12 1。在一些实施方式中，第一有源层将沉积于一般类似于上述层的温度，其介于约 150°C至约250°C之间，例如，大约200°C。等离子体的使用一般被施加以13. 56MHz的射频 功率，其功率水平介于约100W至约700W之间，例如，介于约300W至约500W之间，例如，约 350W。在一些实施方式中，特定功率将介于约0. 017ff/cm2至约0. 12ff/cm2之间，例如，介于 约0. 030W/cm2至约0. 070W/cm2之间，例如，约0. 057W/cm2。施加至第三气体混合的气流的功 率比例一般将是介于约0. 01W/sccm至约0. 04W/sccm之间，例如，约0. 03W/sccm。处理压力 一般维持在低于约5Torr之下，例如，介于约1. OTorr至约5. OTorr之间，例如，约2. 5Torr0 在一些实施方式中，电极和基板之间的间距一般介于约400mil和900mil之间，例如，约 550mil。这些条件通常导致第一有源层的较低的沉积速率。整体而言，一较低的沉积速率 是有吸引力的，因为可以保有有源层的电子迁移率。在如上所述的示例性实施方式中，第一 有源层的沉积速率将是介于约80 A/min至约500 A/min之间，例如，约200A/min。在一些 实施方式中，第一有源层一般沉积达一第三厚度，其介于约100埃和约500埃之间，例如，介 于约200埃和约400埃之间，例如，约300埃。第二有源层形成于步骤308。第二有源层可能是一非晶硅层、一多晶硅层、一氢化非晶硅层、或一透明导电氧化层，例如，氧化锌，如上文中参照图2所述。第二有源层可能是 一半导体材料，例如，硅或锗；或一掺杂半导体材料，例如，一 η型或P型掺硅材料。在一示 例性实施方式中，其中第二有源层是一非晶硅层，一第四气体混合被提供至一处理腔室，其 可以是用来形成先前介电层和有源层的相同处理腔室，或不同处理腔室。第四气体混合包 括一硅源，例如，一硅烷、一烷基硅烷、一硅氧烷、一硅氮烷、一个硅醇、或其它直线或环状硅 源。第四气体混合也可能包括与硅源不同的氢源，例如，氢气。在一示例性实施方式中，其中硅源是硅烷(SiH4)，而氢源是氢气(H2)，以及基板的 尺寸相同于上述实施方式，第四气体混合的流速可以是介于约3，OOOsccm至约12，OOOsccm 之间，例如，介于约6000sccm至约8，OOOsccm之间，例如，约7，OOOsccm0 SiH4气体的气 流介于约500至约2，200sccm之间，例如，介于约700sccm和约1，IOOsccm之间，例如，约 900sccm。H2气体的气流介于约3，000到约10，OOOsccm,例如，约5，OOOsccm至约7，OOOsccm 之间，例如，约6，OOOsccm。在一些实施方式中，第四气体混合的特定流速介于约0. 5到2. Osccm/cm2之间，例 如，介于约0. 9至约1. 3sccm/cm2，例如，约1. lsccm/cm2。SiH4气体的特定流速介于约0. 08 到约 0. 40sccm/cm2 之间，例如，介于约 0. 13 至约 0. 20sccm/cm2，例如，约 0. 15sccm/cm2。H2 气体的特定流速介于约0. 4到约1. 6sccm/cm2之间，例如，介于约0. 8至1. 2sccm/cm2之间， 例如，约1. Osccm/cm2。此外，在H2和SiH4(H2 SiH4)之间的气流比例介于约1 1至约 18 1之间，例如，约7 1。在一些实施方式中，第二有源层将沉积于一般类似于上述层的温度，其介于约 150°C至约250°C之间，例如，大约200°C。等离子体的使用一般被施加以13. 56MHz的射频 功率，其功率水平介于约400W至约2，000W之间，例如，介于约500W至约900W之间，例如， 约750W。在一些实施方式中，特定功率可介于约0. 07ff/cm2至约0. 40ff/cm2之间，例如，介 于约0. 09ff/cm2至约0. 20ff/cm2之间，例如，约0. 12W/cm2。施加至第四气体混合的功率与 气流的比例一般将是介于约0. 05W/sccm至约0. 15W/sccm之间，例如，约0. llW/sccm。处 理压力一般维持在低于约5Torr之下，例如，介于约1. OTorr至约5. OTorr之间，例如，约 2. ITorr。在一些实施方式中，电极和基板之间的间距一般介于约400mil和约900mil之间， 例如，约500mil。这些条件通常导致第二有源层的相对高的沉积速率。第二有源层的沉积 速率一般将高于第一有源层，并可能会高于或低于第一或第二介电层的沉积速率。在如上 所述的示例性实施方式中，第二有源层的沉积速率将介于约500至约1800人/min之间，例 如，约700 A/min。在一些实施方式中，第二有源层一般沉积达一第四厚度，其介于约1，200 埃至约2，000埃之间，例如，介于约1，500埃至约1，700埃之间，例如，约1，600埃。在步骤310中，一含掺杂硅层沉积于第二有源层之上。含掺杂硅层可以是η型掺杂 或P型掺杂的非晶硅层。在其它实施方式中，含掺杂硅层可能是一混合硅锗层，其以η型和 P型掺杂物来掺杂。掺杂硅层可作为一晶体管的沟道层，例如，上文中参照图2说明的薄膜 晶体管。使用的掺杂物可选自包含下列的群组硼、磷、砷、以及它们的组合。在一示例性实 施方式中，其中含掺杂硅层是一 η型掺杂非晶硅层，一第五气体混合被提供至一处理腔室， 其可以是用来形成先前介电层和有源层的相同处理腔室，或不同处理腔室。第五气体混合 包括一硅源，例如，一硅烷、一烷基硅烷、一硅氧烷、一硅氮烷、一硅醇、或其它具有η型掺杂 物的硅源。在一示例性实施方式中，η型掺杂物可以是一含磷前驱物，例如，磷化氢(PH3)或低聚物磷化氢。第五气体混合也可能包括与硅源不同的氢源，例如，氢气。在一示例性实施方式中，其中硅源是硅烷(SiH4)，而氢源是氢气(H2)，以及掺杂物 前驱物是磷化氢(PH3)，而基板的尺寸相同于上述实施方式，第五气体混合的流速可以是介 于约3，OOOsccm至约20，OOOsccm之间，例如，介于约6000sccm至约17，OOOsccm之间，例如， 约ll，500sccm。SiH4气体的气流介于约500至约1，400sccm之间，例如，介于约700sccm 和约1，IOOsccm之间，例如，约900sccm。H2气体的气流介于约3，000到约15，OOOsccm,例 如，约5，OOOsccm至约13，000sccm，例如，约9，500sccm。PH3气体的气流介于约100到约 3，OOOsccm之间，例如，介于约300sccm至约2，OOOsccm之间，例如，约1，OOOsccm。在一些实施方式中，第五气体混合的特定流速介于约0. 6到约2. Osccm/cm2之间， 例如，介于约0. 9至约1. 9sccm/cm2之间，例如，约1. 9sccm/cm2。SiH4气体的特定流速介于 约0. 08到约0. 24sccm/cm2之间，例如，介于约0. 11至约0. 17sccm/cm2，例如，约0. 14sccm/ cm2。H2气体的特定流速介于约0. 5到约2. 5sccm/cm2之间，例如，介于约1. 0至约2. Osccm/ cm2之间，例如，约1. 5sccm/cm2。PH3气体的特定流速介于约0. 03到约0. 5sccm/cm2之间，例 如，介于约 0. 04 至约 0. 30sccm/cm2 之间，例如，约 0. 17sccm/cm2。此夕卜，H2 和 SiH4 (H2 SiH4) 之间的气体流量比例约介于2 1至约36 1之间，例如约13 1，及H2和PH3之间的气 体流量比例一般约10 1(即，PH3占有约H2体积的0.5%)。在一些实施方式中，含掺杂硅层将沉积于一般类似于上述层的温度，其介于约 150°C至约250°C之间，例如，大约200°C。等离子体的使用一般被施加以13. 56MHz的射频 功率，其功率水平介于约100W至约600W之间，例如，介于约200W至约500W之间，例如，约 350W。在一些实施方式中，特定功率可介于约0. 01W/cm2至约0. 10W/cm2之间，例如，介于约 0. 03ff/cm2至约0. 08ff/cm2之间，例如，约0. 06W/cm2。施加至第五气体混合的功率与气流的 比例一般将是介于约0. 02W/sccm至约0. 04W/sccm之间，例如，约0. 03W/sccm。处理压力一 般维持在低于约5Torr之下，例如，介于约1. 5Torr至约5Torr之间，例如，约2. 5Torr。在一 些实施方式中，电极和基板之间的间距一般介于约400mi 1和900mi 1之间，例如，约550mi 1。 这些条件一般导致含掺杂硅层的沉积速率高于第一有源层但低于第二有源层。在如上所述 的示例性实施方式中，含掺杂硅层的沉积速率将介于约100 A/min至约500人/min之间， 例如，约200A/min。在一些实施方式中，含掺杂硅层将被沉积达一第五厚度，其介于约 200埃至约600埃之间，例如，介于约300埃至约500埃之间，例如，约400埃。在步骤312中，一导电层形成在含掺杂硅层上。该导电层可以是一种金属或金属 合金，以及可依据本领域公知技艺藉由溅射沉积。一钝化层也可形成在导电层之上。在一 些实施方式中，钝化层可能是一含硅和氮层，例如，氮化硅，且亦可由公知技艺来形成。根据特定实施方式，方法300的步骤可执行在相同的处理腔室或不同的处理腔 室。在一些实施方式中，例如，在一单一处理腔室中，执行步骤302-310可能是有利的。
实施例在一第一实施例中，藉由沉积一富硅氮化硅层在一基板上形成一薄膜晶体管，其 中该基板上形成有一底栅极层。富硅氮化硅层被沉积达一厚度约2800 A。一氮化硅层被形 成在相同处理腔室中，且被形成在富硅氮化硅层上，达到约500 A的深度。一第一非晶硅层 被形成在氮化硅层上达到约300 A的厚度。而后在同一处理腔室中，以一高沉积速率将非晶硅的一第二有源层沉积在该第一有源层上，达到厚度约1600 A。再次在相同的腔室中， 在其上沉积一掺杂非晶硅层达到约400A的厚度。而顶部已增加金属接触(metal contact) 和钝化层。各种沉积步骤的工艺条件详列如下表1。表1-实施例1的工艺条件
层SiH4NH3N2H2PH3功率压力间距温■口、速度速度速度速度速度(W)(Torr)(mil)度速率(sccm)(scon)(sccm)(scan)(sccm)(C)(A/min)介頓1540119710005900026922.19002001455介幅2247106070705900014731.0580200651有源层1831103880003382.5550200215有源层288000590007412.1500200682NP型有83000950010003382.5550200230源层由此产生的TFT显示出阈值电压0. 10伏特、开启电流2. 98微安培(μ A)、截 止电流4. 05微微安培(pA)、0. 8cm2/ (V · S)的迁移率、及亚阈值摆幅(subthreshold swing)0. 62V/dec。表2和表3的工艺条件显示两个互相比较的实施例。表4绘示由此产生的TFT的特 性。实施例1产生的TFT的特性亦包括在表4中，以便于比较。表5节录在80°C和+/-40V 的栅极偏压时每一实施例的偏压温度应力数据，其显示相较于比较的实施例已改善了实施 例1的阈值电压漂移。表2-比较实施例1的工艺条件
层SiH4NH3N2H2PH3功率压力间距温度速度速度速度速度速度(W)(Torr)(mil)(C)速度(sccm)(sccm)(sccm)(sccm)(sccm)(A/min)介_15401196.844885900026922.19002001500介頓2247106070705900014731.0580200650有源层1830001000003402.5550200215有源层288000590007402.1500200666NP型有8800056052957402.1500200656源层
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表3-比较实施例2的工艺条件
权利要求
1.一种用以形成一薄膜晶体管的方法，包含下列步骤 以一第一速率，在一基板上形成一富硅氮化硅层； 以一第二速率，在该富硅氮化硅层上形成一氮化硅层； 以一第三速率，在该氮化硅层上形成一第一非晶硅层；和 以一第四速率，在该第一非晶硅层上形成一第二非晶硅层。
2.如权利要求1所述的方法，其中该第二速率低于该第一速率。
3.如权利要求1所述的方法，其中该第三速率低于该第四速率。
4.如权利要求1所述的方法，其中该富硅氮化硅层具有一硅氮比值，其大于约0.83。
5.如权利要求1所述的方法，其中该富硅氮化硅层具有一硅氢键含量，其介于约18原 子百分比及约30原子百分比之间。
6.如权利要求1所述的方法，其中该富硅氮化硅层的厚度比该氮化硅层厚。
7.如权利要求2所述的方法，其中该富硅氮化硅层具有一硅氮比值，其大于约0.83。
8.一种用以形成一薄膜晶体管的方法，包含下列步骤以一第一速率，在一基板上形成一富硅氮化硅层，达一第一厚度； 在该富硅氮化硅层上形成包含金属的一底部栅极层； 以一第二速率，在该底部栅极层上形成一氮化硅层，达一第二厚度； 以一第三速率，在该氮化硅层上形成一第一非晶硅层，达一第三厚度； 以一第四速率，在该第一非晶硅层上形成一第二非晶硅层，达一第四厚度； 在该第二非晶硅层上形成一含掺杂硅层，达一第五厚度；及 在该含掺杂硅层上形成一导电接触层。
9.如权利要求8所述的方法，其中该富硅氮化硅层具有一硅氮比值，其大于约0.83。
10.如权利要求9所述的方法，其中该富硅氮化硅层具有一硅氢键含量，其介于约18原 子百分比及约30原子百分比之间。
11.一种薄膜晶体管，包括一富硅氮化硅层，其配置在一基板上，具有一第一厚度；一氮化硅层，其配置在该富硅氮化硅层上，具有一第二厚度，该第二厚度小于该第一厚度；一第一非晶硅层，其配置在该氮化硅层上，具有一第三厚度； 一第二非晶硅层，其配置在该第一非晶硅层上，具有一第四厚度； 一含掺杂硅层，其配置在该第二非晶硅层上； 一导电层，其配置在该含掺杂硅层上；和 一钝化层，其配置在该导电层上。
12.如权利要求11所述的晶体管，其中该富硅氮化硅层具有一折射率，其介于约1.92 和约1.96之间。
13.如权利要求11所述的晶体管，其中该富硅氮化硅层具有一硅氮比值，其大于约 0. 85 1.0。
14.如权利要求11所述的晶体管，其中在该富硅氮化硅层的硅-氢键含量介于约21原 子百分比和约27原子百分比之间。
15.如权利要求11所述的晶体管，其中该富硅氮化硅层、该氮化硅层、该第一非晶硅层、及该第二非晶硅层形成于低于约250°C的一温度。
全文摘要
提供了一种用以形成一薄膜晶体管的方法和设备。形成一栅极介电层，它可能是双层的，第一层沉积以一低速率沉积，而第二层则以一高速率沉积。在一些实施方式中，该第一介电层是一富硅氮化硅层。形成一有源层，它亦可能是双层的，第一有源层以一低速率沉积，而第二有源层则以一高速率沉积。本文所述的薄膜晶体管具有优良的迁移率和压力下的稳定度。
文档编号H01L29/786GK102007597SQ200980113306
公开日2011年4月6日 申请日期2009年4月16日 优先权日2008年4月17日
发明者元泰景, 崔寿永, 朴范洙, 杨亚堂, 约翰·M·怀特 申请人:应用材料股份有限公司