透气导电材料、制造方法、半导体器件以及双栅TFT器件

透气导电材料、制造方法、半导体器件以及双栅tft器件
技术领域
1.本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种透气导电材料、制造方法、半导体器件以及双栅tft器件。


背景技术：

2.现有透气导电材料主要为碳材料、导电氧化物、有机导电材料等，由于晶界、悬挂键和孔隙等缺陷的存在使气体能透过材料，可用于气体透过、气体传感或气体选择等领域。
3.碳材料和有机导电材料存在成本和可靠性问题，且与半导体器件工艺不兼容，而导电氧化物存在透气性与导电性的取舍问题。
4.因此，需要一款透气性良好同时兼顾导电性能的电极材料，应用于电极需要较高气体扩散系数的场合。


技术实现要素：

5.本发明主要解决的技术问题是现有的导电透气与半导体器件工艺不兼容的技术问题。
6.根据第一方面，一种实施例中提供一种透气导电材料，包括主体材料以及掺杂材料；
7.主体材料包括至少一种金属氧化物，金属氧化物为导电氧化物，且金属氧化物的晶粒尺寸为1nm-100nm；
8.掺杂材料包括过渡金属以及后过渡金属中的至少一种单质或氧化物，掺杂材料按质量百分比的含量为1％-50％。
9.根据第二方面，一种实施例中提供一种透气导电电极的制造方法，包括：
10.采用第一方面所描述的透气导电材料进行电极制备，得到透气导电电极；
11.对透气导电电极进行热处理，得到热处理后的透气导电电极。
12.根据第三方面，一种实施例中提供一种双栅tft器件，包括顶栅电极、有源层以及底栅电极；
13.有源层位于顶栅电极与底栅电极之间，有源层为非晶氧化物半导体层；
14.顶栅电极为第二方面所描述的制造方法制造的透气导电电极。
15.根据第四方面，一种实施例中提供一种双栅tft器件的制造方法，其特征在于，包括：
16.在基板上形成底栅电极以及底栅介质层；
17.在底栅介质层上形成有源层，有源层为非晶氧化物半导体层；
18.在有源层上形成顶栅介质层；
19.采用第二方面所描述的制造方法，在顶栅介质层上形成透气导电电极，透气导电电极作为顶栅电极。
20.依据上述实施例的透气导电材料、制造方法、半导体器件以及双栅tft器件，通过
在导电氧化物中进行特定元素掺杂，从而改变导电氧化物的微观结构，在保证其导电性能的同时，提高导电氧化物的透气性，以使得采用该透气导电材料制成的电极，可以应用在需要导电以及透气需求的半导体器件中。
附图说明
21.图1为一种实施例提供的半导体器件的结构示意图；
22.图2为一种实施例提供的双栅tft器件的结构示意图；
23.图3为一种实施例提供的双栅tft器件的制造方法的流程示意图；
24.图4为一种实施例提供的双栅tft器件退火前后的电学特征曲线示意图；
25.图5为一种实施例提供的另一种半导体器件的结构示意图。
26.附图标记：1-基板；2-底栅电极；3-底栅介质层；4-有源层；5-顶栅介质层；6-顶栅电极；7-钝化层；8-源极电极；9-漏极电极。
具体实施方式
27.下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
28.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
29.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
30.在半导体器件领域中，电极是不可缺少的一部分，电极在器件中可以作为电阻、电感、电容的一部分，可以用于例如是tft、mosfet、mos、mesfet等器件的电极。在一些半导体器件的应用场合中，需要电极具有一定的透气性，且这种透气的电极需要半导体器件兼容，常规的碳材料或导电氧化物以及有机导电材料存在各自的问题，例如是成本或者可靠性。
31.在本技术中，透气导电电极需要满足导电性能以及透气性能的需求，这就与气体传感器有着明显的区别，气体传感器不要求良好的导电性能与气体扩散能力，其要求膜层的电学特性变化能反映气体浓度变化、有良好的灵敏度。
32.在本发明实施例中，通过在导电氧化物中进行掺杂，利用掺杂来改变导电氧化物的气体透过能力，电极材料在掺杂后结晶度提升，孔隙尺寸随之增大，克努森扩散系数提高。
33.实施例一：
34.本实施例提供一种透气导电材料，包括主体材料以及掺杂材料。
35.主体材料包括至少一种金属氧化物，金属氧化物为导电氧化物，且金属氧化物的晶粒尺寸为1nm-100nm。
36.主体材料为金属氧化物，可以包括氧化铟、氧化锌以及氧化锡中至少一种。为了实现提高气体在电极中的透气性，需要气体在电极中以克努森扩散占主导，此时需要多孔材料的孔隙半径为1nm至100nm，一般认为晶粒尺寸与孔隙尺寸相近，因此在选择主体材料的时候，选取晶粒尺寸在1nm至100nm的导电氧化物。
37.在实际应用中，主体材料可以采用氧化铟、氧化锌以及氧化锡中的一种或组合，作为透气导电材料的主体材料。
38.掺杂材料可以包括过渡金属以及后过渡金属中的至少一种单质或氧化物，掺杂材料按质量百分比的含量为1％-50％。采用过渡金属或者后过渡金属进行替位掺杂后，形成的透气导电材料的晶粒尺寸依旧满足上述尺寸要求，以使得透气导电材料同时具备良好的导电性以及透气性。
39.在实际应用中，掺杂材料可以为铜、铌、锆、银、铈、钛、钼、钨、铝以及镓中的至少一种单质或氧化物。
40.例如，钛常用于半导体器件中，作为电极与半导体层之间的阻挡层或粘合层，与半导体器件的兼容性强。因此，本技术主要以掺杂材料为钛进行说明，但并不是限制掺杂材料，例如钼也是与半导体器件兼容性较好的材料。掺杂材料的选择，一方面要考虑掺杂后能提高主体材料的透气能力，还要保证导电能力，另一方面，还要考虑与半导体器件的兼容性，包括工艺上的兼容以及材料上的兼容。
41.在实际应用中，主体材料可以包括氧化铟以及氧化锡，氧化铟以及氧化锡的质量比为9：1；和/或，掺杂材料包括钼，钼的含量为10％-30％。
42.在另一种实际应用中，主体材料包括氧化铟以及氧化锡，氧化铟以及氧化锡的质量比为9：1；和/或，掺杂材料包括钛，钛的含量为1％-31.4％，或钛的含量为42.7％-50％。
43.本实施例通过在导电氧化物中进行特定元素掺杂，从而改变导电氧化物的微观结构，采用这种材料制成的电极，可以保证电极导电性能的同时，提高导电氧化物的透气性，以使得采用该透气导电材料制成的电极，可以应用在需要导电以及透气需求的半导体器件中。
44.一般情况下，质量比为9:1的氧化铟以及氧化锡被称为ito材料，如图2所示，可以用于双栅tft器件中作为顶栅电极6。本技术以此为例子，验证透气导电材料在半导体器件中的应用，具体为在双栅tft器件中的验证。
45.实施例二：
46.本实施例提供一种透气导电电极及其制造方法，采用实施例一所描述的透气导电材料制成，制造方法可以包括：
47.采用实施例一所描述的透气导电材料进行电极制备，得到透气导电电极。
48.对透气导电电极进行热处理，得到热处理后的透气导电电极。
49.例如是，利用磁控溅射、脉冲激光沉积、溶胶-凝胶、喷射热分解以及化学气相沉积中一种方式，在半导体器件上形成，根据当前的器件条件选择合适的方式，例如采用磁控溅射或者化学气相沉积。
50.随后将透气导电电极(或半导体器件)进行热处理，热处理可以使得透气导电电极的导电能力提升，降低电阻率，以满足半导体器件的电极导电能力要求。
51.在实际应用中，热处理的处理温度可以为250℃-350℃，处理时长可以为2.5小时-3.5小时，热处理的环境为有氧环境。此时，可以采用有氧退火，可以提升导电性。实际上，透气导电电极的导电性主要受热退火影响，采用氧气是为了兼容半导体性能。此时可以根据透气导电电极应用的场景来判定是否采用有氧退火。
52.如图1所示，本实施例提供一种半导体器件，其包括衬底以及依次沉积非晶氧化物半导体层、sio2缓冲层和电极膜层，非晶氧化物半导体层可以是缺氧a-igzo层(非晶铟镓锌氧层，其中in:ga:zn＝1:1:1)。其中，电极膜层分别采用无掺杂的ito层、本实施例提供的透气导电电极(具体是ito掺杂ti)；作为对比，还存在无电极膜层的情况。
53.本实施例通过在有氧环境下进行退火后，测量a-igzo层的电阻率，以表征是否存在氧气从sio2缓冲层扩散到a-igzo层，这是由于缺氧的a-igzo层与氧气会反应，导致a-igzo层电阻率上升。
54.如下表1所示，本实施例提供了多种对比测试结果：
55.实验分组ito厚度(nm)ti含量(w％)氧气退火电阻率(ω
·
cm)10——否2.5
×
10-2
20——是1.7
×
1053500是3.1
×
10-2
45012.5是1.4855022.2是0.8565031.4是0.7875036.4是0.8885042.7是1.80
56.如上实验分组1与2可见，当不设置电极膜层时，a-igzo层上仅具有sio2缓冲层，sio2缓冲层是可以让氧气透过的介质层，因此，在进行有氧退火后，a-igzo层的电阻率从2.5
×
10-2
上升至1.7
×
105，上升了7个数量级。
57.如上实验分组1与3可见，当设置无ti掺杂的ito层作为电极薄膜时，经过有氧退火后，a-igzo层的电阻率为3.1
×
10-2
，与实验分组1的2.5
×
10-2
相同数量级，分组3的电阻率仅略有上升，可以证明无ti掺杂的的ito层氧气透气性极低甚至不具有氧气透气性。
58.如上实验分组4-8可见，采用本技术提供的透气导电材料制成的透气导电电极，即ti掺杂的ito层，在有氧退火后，a-igzo层的电阻率上升，上升了1-2个数量级，也就是证明a-igzo层与氧气进行了反应，可见ti掺杂的ito层具有较于无ti掺杂的ito层更强的氧气透气性。
59.如下表2所示，对应表1的实验分组，对退火后的器件进行ito层的电阻率测量：
60.[0061][0062]
如表2所示，在退火前，掺杂ti的ito的电阻率将于无掺杂的ito(分组3)上升，且上升了5-7个数量级。这是因为在退火前，掺杂后的ito为沉积态，结晶度很低而电阻率很高；在退火后，随ti比例增加，由于ti的电离杂质散射作用使ito霍尔迁移率降低。虽然霍尔迁移率降低，但随着ti比例增加，ito膜层载流子浓度会增加，电阻率可能会先增加后降低，即对应分组8中的电阻率较于分组7降低。
[0063]
如上表2所示，不同掺杂比例的ito层的导电能力并不相同，结合表1所示，氧气退火后，掺有ti的ito对应a-igzo膜层电阻率上升相比无掺杂ito组更明显，说明掺ti后改善了电极层透气性。退火后各组电极膜层电阻率如表2所示，可以看出，掺入ti会影响ito的导电性。在兼顾膜层导电性能时，选取ti质量比例小于或等于31.4％可得到较大膜层透气率；在膜层导电性能要求不高时(如作为栅电极)，可考虑ti质量比例大于或等于42.7％获得良好透气性能。
[0064]
在本实施例中，透气导电电极的制造过程中，需要进行一步热处理，其目的在于提高透气导电电极的导电性。由于本实施例中的有源层为a-igzo膜层，需要通过与氧气反应体现透气电极导电的透气性，因此，本实施例的热处理为有氧退火。
[0065]
实施例三：
[0066]
本实施例提供一种双栅tft器件及其制造方法，如图2所示，一种双栅tft器件，包括顶栅电极6、有源层4以及底栅电极2；还包括基板1(或称衬底)、底栅介质层3、顶栅介质层5、钝化层7、源极电极8以及漏极电极9。
[0067]
有源层4位于顶栅电极6与底栅电极2之间，有源层4可以为非晶氧化物半导体层，例如是非晶铟镓锌氧层；
[0068]
顶栅电极6为本技术提供的制造方法制造的透气导电电极。
[0069]
如图3所示，本实施例还提供一种双栅tft器件的制造方法，包括：
[0070]
步骤1、在基板1上形成底栅电极2以及底栅介质层3。
[0071]
例如，先在基板1上溅射沉积厚度为100nm的mo金属并进行图形化，形成底栅电极2，采用pecvd的方式沉积100nm后的二氧化硅层作为底栅介质。
[0072]
步骤2、在底栅介质层3上形成有源层4，有源层4可以为非晶氧化物半导体层，例如是非晶铟镓锌氧层。
[0073]
例如，采用溅射沉积100nm的a-igzo层并图形化形成有源层4。退后进行有氧退火，可以是350℃氧气退火1小时。
[0074]
步骤3、在有源层4上形成顶栅介质层5。例如是，沉积100nm二氧化硅层作为顶栅介质
[0075]
步骤4、采用实施例二所述描述的制造方法，在顶栅介质层5上形成透气导电电极，透气导电电极作为顶栅电极6。
[0076]
例如，使用ito靶和ti靶磁控共溅射，ito为dc 70w，ti为rf 120w，得到30nm掺杂ti的ito层图形化后作为顶栅电极6。
[0077]
步骤5、形成覆盖顶栅电极6的钝化层7；开窗处理，形成与有源层4电连接的源极电极8以及漏极电极9。
[0078]
例如，沉积200nm sio2作为钝化层7并开孔，依次沉积175nm mo和50nm al并图形化作为源漏电极。
[0079]
步骤6、对双栅tft器件进行热处理，热处理温度为300℃-400℃，处理时长为1.5小时-2.5小时。对比与步骤2中的退火，这里的退火可以称为后退火。在此步骤中，可以进一步提高有源层4的含氧量，还可以提高透气导电电极(顶栅电极6)的导电能力。
[0080]
例如，在350℃氧气中后退火2小时。
[0081]
如图4所述，采用上述双栅tft器件的制造方法，分别在退火前后进行电学特征测试，选择器件宽长比为w/l＝20/10，漏端电压vd＝0.1v/10.1v，方格和三角分别为后退火前后的器件转移特征曲线。在退火前，器件有着较负的阈值电压vth(vth《-5v)；而在2小时的氧气后退火后，阈值电压发生了正向漂移(vth＝0.6v)，关态电流ioff也明显减小，普通不透气电极器件退火后则已无开关特性。这说明退火过程氧气能够透过顶栅电极6层到达有源层4，即说明ti掺杂后的掺杂ito膜层是透气电极。透气导电电极在有顶栅结构的tft等需要透气导电材料的器件中有十分广泛的应用前景。
[0082]
具体地，传统的双栅tft器件，顶栅为金属时，氧气在退火时无法有效进入有源层，而a-igzo在高温缺氧条件下会产生大量氧空位，从而特性曲线漂负甚至失去开关性能。在低温(《400℃)tft工艺过程中，a-igzo层存在大量缺陷，不紧密的氧原子键形成的氧空位作为浅施主能级会提供载流子，使器件阈值电压较负。本技术在最后的后退火阶段，进一步退火，一方面引入氧气进一步提高a-igzo层氧含量，也能加强原子键连接增强稳定性。另一方面提高透气导电电极(顶栅电极6)的导电能力。
[0083]
因此，采用本技术提供的双栅tft器件，可以在后退火步骤中更进一步提高有源层的含氧量，保证器件的稳定性以及均匀性。
[0084]
实施例四：
[0085]
本技术提供一种半导体器件，在实际应用中，包括上述透气导电电极的制造方法制造的透气导电电极。
[0086]
除了实施例三描述的双栅tft器件，半导体器件还可以是mosfet、mos、mesfet等器件。
[0087]
例如，透气导电材料的主体材料可以包括氧化铟以及氧化锡，氧化铟以及氧化锡的质量比为9：1；和/或，掺杂材料包括钼，钼的含量为10％-30％。此时形成的电极可以用于金属氧化物(aos)晶体管的电极，作为后段工艺(beol)的氧气通道，结构如图5所示，采用透气导电电极作为器件的布线层。
[0088]
又例如，透气导电电极还可以作为tft、mosfet或mesfet的栅极，还可以作为pn结二极管或肖特基二极管的电极。在一些应用场景中，还可以直接作为电极或者与其他电极串联。
[0089]
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。