專利名稱：用原子層沉積的氧化鋁作為柵介質(zhì)的多晶硅薄膜晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多晶硅薄膜晶體管，特別涉及一種利用原子層沉積的氧化鋁作為柵介質(zhì)的多晶硅薄膜晶體管。
背景技術(shù)：
低溫多晶硅技術(shù)(LTPS)在生產(chǎn)像素開關(guān)和外圍電路這兩個(gè)應(yīng)用程序的高性能薄膜晶體管(TFT)方面是最有應(yīng)用前景的技術(shù)之一。所有LTPS技術(shù)中，固相結(jié)晶法(SPC)在獲得高均勻性和低成本多晶硅薄膜(Poly-Si)方面是最簡單和最直接的方法。然而，由于受SPC poly-Si薄膜內(nèi)部小晶粒尺寸和高密度的影響，傳統(tǒng)的SPC薄膜晶體管會出現(xiàn)高閾值電壓(Vth)和差亞閾值斜率(SS)。高閾值電壓給設(shè)計(jì)單獨(dú)使用P型TFT的反相器帶來困難，影響反相器的輸出電壓范圍。差的亞閾值斜率會嚴(yán)重影響電路的速度。這些缺陷限制 了 SPC薄膜晶體管有源矩陣顯示器在驅(qū)動電路方面的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種SPC多晶硅薄膜晶體管，其利用原子層沉淀的氧化鋁作為柵介質(zhì)，能夠解決SPC薄膜晶體管的高閾值電壓(Vth)和差亞閾值斜率(SS)的問題。本發(fā)明提供一種多晶硅薄膜晶體管，包括襯底；襯底上的絕緣層；多晶硅有源層，由固相結(jié)晶法制成，該多晶硅有源層中具有源區(qū)和漏區(qū)；多晶硅有源層上的由ALD沉積的氧化鋁層，用作柵介質(zhì)層；氧化鋁層上的柵電極。根據(jù)本發(fā)明提供的多晶硅薄膜晶體管，其中氧化鋁層的厚度為25nm至75nm。根據(jù)本發(fā)明提供的多晶硅薄膜晶體管，其中氧化鋁層的厚度為50nm。根據(jù)本發(fā)明提供的多晶硅薄膜晶體管，其中襯底為單晶硅、玻璃、石英。根據(jù)本發(fā)明提供的多晶硅薄膜晶體管，還包括覆蓋柵電極和氧化鋁層的低溫沉積
氧化物層。根據(jù)本發(fā)明提供的多晶硅薄膜晶體管，其中低溫沉積氧化物層具有延伸到源區(qū)、漏區(qū)和柵電極的接觸孔，接觸孔中填充有Si含量為1%的Al材料。本發(fā)明還提供一種多晶硅薄膜晶體管的制造方法，包括形成非晶Si有源層，再進(jìn)行固體結(jié)晶工藝，形成多晶硅有源層；利用ALD法在多晶硅有源層上沉積Al2O3作為柵介質(zhì)層；在柵介質(zhì)層上形成柵電極。根據(jù)本發(fā)明提供的多晶硅薄膜晶體管的制造方法，其中ALD沉積的溫度在室溫至400攝氏度。根據(jù)本發(fā)明提供的多晶硅薄膜晶體管的制造方法，其中ALD沉積的溫度為300攝氏度。根據(jù)本發(fā)明提供的多晶硅薄膜晶體管的制造方法，其中ALD沉積可在等離子體輔助條件下進(jìn)行。本發(fā)明提供的以ALD氧化鋁作為柵介質(zhì)的SPC多晶硅薄膜晶體管顯示出-2. 53V的低閾值電壓，電場有效遷移率(uFE)為17. 65cm2/Vs，亞閾值斜率(SS)為529mV/decade。有效的解決SPC薄膜晶體管的高閾值電壓(Vth)和差亞閾值斜率(SS)的問題。


以下參照附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中圖I為實(shí)施例I中的SPC多晶硅薄膜晶體管的示意圖；圖2為Al2O3膜的原子力顯微鏡圖像； 圖3為柵極電容密度；圖4為以ALD氧化鋁作為多晶硅薄膜晶體管的柵介質(zhì)的傳輸曲線(實(shí)心=Gni，空心
I Ids I);圖5為不同Vds值下測量所得出的關(guān)閉狀態(tài)下的柵極電流。圖6為不同柵介質(zhì)下薄膜晶體管轉(zhuǎn)換曲線的比較(實(shí)心50nm LPCVD 二氧化硅，空心50nm ALD Al2O3)；圖7為ALD氧化鋁作為柵介質(zhì)的多晶硅薄膜晶體管的輸出曲線；圖8為50個(gè)薄膜晶體管均勻性測量(實(shí)心Vth均勻性，空心GIDL均勻性)。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例提供了一種SPC多晶硅薄膜晶體管，其利用原子層沉積(ALD)的氧化鋁作為柵介質(zhì)。在同樣介質(zhì)厚度的情況下，高k材料比SiO2能夠提供更大的柵極電容。可以吸引更多的載流子，從而降低閾值電壓(Vth)和減小亞閾值斜率(SS)?？衫酶遦材料作為SPC多晶硅薄膜晶體管的柵介質(zhì)，如電子束蒸發(fā)氧化鉿，物理氣相沉積Pr2O3, PrTiO3等。在高k材料中，氧化鋁(Al2O3)具有9ev的較大帶隙，這能夠降低柵極的隧穿。Al2O3由于其在與多晶硅接觸時(shí)具有較高的介電常數(shù)和較好的熱穩(wěn)定性，因此很有潛力作為MOSFET的柵介質(zhì)。原子層沉淀工藝(ALD)是一種具有精確的自我限制特性的沉積工藝，該沉積工藝能夠沉積出覆蓋率高和均勻性好的氧化鋁。ALD氧化鋁作為柵介質(zhì)的應(yīng)用在CMOS和GaN高電子遷移率晶體管方面已經(jīng)得到廣泛的研究和報(bào)道。然而，還沒有將ALD沉積的氧化鋁作為柵介質(zhì)應(yīng)用在多晶硅薄膜晶體管的相關(guān)報(bào)道。本實(shí)施例提供的SPC多晶硅薄膜晶體管包括c-si (單晶硅片)襯底；襯底上的熱氧化硅層；熱氧化硅層上的多晶硅層，由SPC(固相結(jié)晶)工藝形成，作為晶體管的有源層，多晶硅層中具有源區(qū)和漏區(qū)；多晶硅層上的氧化鋁(Al2O3)層，由ALD沉積而成，用作柵介質(zhì)層；柵介質(zhì)層上的柵電極；
LT0(low temperature oxide,低溫沉積氧化物)層,覆蓋柵電極和氧化招層，LTO層中具有三個(gè)接觸孔，三個(gè)接觸孔分別連接到源區(qū)、漏區(qū)和柵電極；Al-1% Si (Si含量為1%的Al)，填充到接觸孔中，分別與源區(qū)、漏區(qū)和柵電極電連接，以作為引出電極。本實(shí)施例提供的SPC多晶硅薄膜晶體管可由以下方法制成I)在c-si襯底表面上覆蓋500nm的熱氧化硅；2)通過低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)沉積IOOnm的非晶si有源層；3)執(zhí)行SPC (固相結(jié)晶)工藝將c-si襯底在N2條件于600°C下退火24小時(shí)；4)刻蝕以形成有源島；·5)在300°C溫度下通過ALD沉積50nm的Al2O3 ；6)濺射沉積300nm的招，并被圖案化成柵電極；7)自對準(zhǔn)地以33eV注入硼，注入劑量為4X1015/cm2，以形成源區(qū)和漏區(qū)； 8)沉積500nm的LT0，并在LTO中形成接觸孔；9)濺射沉積700nm的Al-I % Si，并進(jìn)行圖案化；10)將得到的器件在420°C溫度下于氮?dú)浠旌蠚夥罩型嘶?0分鐘，通過在氮?dú)浠旌蠚夥罩型嘶鹂筛纳艫l-I % Si層與源漏極的接觸。其中在步驟5)的ALD沉積中，ALD的前體是三甲基色氨酸鋁和H2O,基板在下述兩個(gè)獨(dú)立的半反應(yīng)中暴露于前體中
AlOH* +Al(CH3)3 — Al-O-Al(CH3);+CH4 (A)
A1CH； + H2O AlOH* + CH4 (B)其中星號表示表面種類。ALD進(jìn)程以ABABAB序列的形式工作。圖2為步驟5)所得的Al2O3膜的原子力顯微鏡(AFM)圖像，該Al2O3膜的均方根表面的粗糙度是O. 429nm。作為對照，在425°C溫度下用LPCVD沉積50nm的二氧化硅用作柵介質(zhì)，以比較本實(shí)施例提供的SPC多晶硅薄膜晶體管相比于現(xiàn)有技術(shù)的效果，除了柵介質(zhì)外，制造這兩種類型的器件的工藝沒有其它不同。一個(gè)薄膜晶體管的Vth被定義成在Vds = 5V時(shí)，當(dāng)Id達(dá)到W/LX 10_7A的\。電流開關(guān)比率定義為在確定Vds的條件下，測量范圍內(nèi)最大和最小的Ids比率。μΡΕ通過如下公式計(jì)算
LGmUff =-
WCoxVds其中Gm是在Vds = O. IV時(shí)的跨導(dǎo)，Cm是柵絕緣體上每單位面積上的電容。GIDL電流被定義為漏區(qū)電流在Vg = 5V和Vd = -5V時(shí)所測，由晶體管的寬度所劃分。在頻率IKHz下測量具有200mX200m面積的由有源層、柵介質(zhì)和柵極金屬所形成的電容，電容密度的測量結(jié)果如圖3所示。ALD氧化鋁的相對介電常數(shù)L約為8. 75，利用如下公式
權(quán)利要求
1.一種多晶硅薄膜晶體管，包括 襯底； 襯底上的絕緣層； 多晶硅有源層，由固相結(jié)晶法制成，該多晶硅有源層中具有源區(qū)和漏區(qū)； 多晶硅有源層上的由ALD沉積的氧化鋁層，用作柵介質(zhì)層； 氧化鋁層上的柵電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶硅薄膜晶體管，其中氧化鋁層的厚度為25nm至75nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多晶硅薄膜晶體管，其中氧化鋁層的厚度為50nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶硅薄膜晶體管，其中襯底為單晶硅、玻璃、石英。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶硅薄膜晶體管，還包括覆蓋柵電極和氧化鋁層的低溫沉積氧化物層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多晶硅薄膜晶體管，其中低溫沉積氧化物層具有延伸到源區(qū)、漏區(qū)和柵電極的接觸孔，接觸孔中填充有Si含量為1%的Al材料。
7.—種制造權(quán)利要求I所述的多晶硅薄膜晶體管的方法，包括 形成非晶Si有源層，再進(jìn)行固體結(jié)晶工藝，形成多晶硅有源層； 利用ALD法在多晶硅有源層上沉積Al2O3作為柵介質(zhì)層； 在柵介質(zhì)層上形成柵電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其中ALD沉積的溫度在室溫至400攝氏度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造方法，其中ALD沉積的溫度為300攝氏度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其中ALD沉積可在等離子體輔助條件下進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多晶硅薄膜晶體管，包括襯底；襯底上的絕緣層；多晶硅有源層，由固相結(jié)晶法制成，該多晶硅有源層中具有源區(qū)和漏區(qū)；多晶硅有源層上的由ALD沉積的氧化鋁層，用作柵介質(zhì)層；氧化鋁層上的柵電極。本發(fā)明還提供一種多晶硅薄膜晶體管的制造方法。
文檔編號H01L29/51GK102983175SQ20111025990
公開日2013年3月20日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月5日
發(fā)明者周瑋, 趙淑云, 孟志國, 郭海成 申請人:廣東中顯科技有限公司