[發明專利]通過低溫退火來降低氧化物半導體表面粗糙度的方法

在審

• 申請號: 202011014618.5
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN112164657A
• 公開（公告）日: 2021-01-01
• 發明（設計）人: 王萱;孫中琳;劉尚;劉大銪
• 申請（專利權）人: 山東華芯半導體有限公司
• 主分類號: H01L21/477
• 分類號: H01L21/477;H01L29/786
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 趙玉鳳

本發明公開一種通過低溫退火來降低氧化物半導體表面粗糙度的方法，本方法適用于以氧化銦鎵鋅作為通道的薄膜晶體管，將氧化銦鎵鋅沉積結束后的晶圓片在真空的條件下加熱到300°C~800°C，在該溫度下保持一定時間后緩慢退火；本方法使原來的無定形體氧化銦鎵鋅重新結晶，增加晶核的數目，使得晶粒成周期性排列，獲得均勻的表面性能。

技術領域

本發明涉及半導體集成電路技術領域，具體是一種通過低溫退火來降低氧化物半導體表面粗糙度的方法。

背景技術

傳統的硅半導體材料由于電子遷移度和穩定性較低、結晶較困難等一系列缺點，很難滿足未來智能產品的需求。氧化物半導體具有更高的遷移率和穩定性，同時更低的功耗和更有利的發展潛力，將成為替代傳統硅半導體材料的更好選擇。其中最引人注目的是氧化銦(In₂O₃)、氧化鎵(Ga₂O₃)、氧化鋅(ZnO)組成的IGZO材料。由于寬頻帶隙(~3.4eV)，這類材料具有高遷移率、低漏電流等優異的電子性能，廣泛應用于各種大屏幕背板和存儲設備中。同時，它也將支持NAND閃存材料的優化，基于IGZO的晶體化NAND閃存將成為未來存儲設備的發展方向。目前，以IGZO為通道的薄膜晶體管驅動的超高清顯示屏已經投入生產。然而，為了應對未來智能設備的發展，需要對氧化物半導體進行更高要求的性能優化。它也將支持NAND閃存材料的優化，基于IGZO的晶體化NAND閃存將成為未來存儲設備的發展方向。由于IGZO薄膜的組成較為復雜，在生產過程中多是利用磁控濺射（magnetron sputtering）設備中的等離子體擊打靶材來完成沉積的。這樣就會造成在沉積過程中等離子體會損傷薄膜表面使其容易被擊穿，還會降低薄膜的電學性能，使得IGZO半導體的優勢不能被充分發揮出來。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明提供一種通過低溫退火來降低氧化物半導體表面粗糙度的方法，通過引入退火這一工藝，實現晶粒的再結晶過程，細化晶粒的同時也降低了IGZO薄膜的表面粗糙度，改善IGZO與氧化物層之間的連接狀態，提高了電子遷移度，降低了閾值電壓等電學性能。

為了解決所述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種通過低溫退火來降低氧化物半導體表面粗糙度的方法，本方法適用于以氧化銦鎵鋅作為通道的薄膜晶體管，將氧化銦鎵鋅沉積結束后的晶圓片在真空的條件下加熱到300°C~800°C，在該溫度下保持一定時間后緩慢退火；本方法使原來的無定形體氧化銦鎵鋅重新結晶，增加晶核的數目，使得晶粒成周期性排列，獲得均勻的表面性能。

進一步的，本方法在真空退火爐中進行，通過抽真空將爐內氣壓降到1×10^-5Pa以下。

進一步的，所述緩慢退火是按照每分鐘2℃-4℃的速度冷卻到常溫狀態。

進一步的，所述緩慢退火是按照每分鐘3℃的速度冷卻到常溫狀態。

進一步的，所述加熱速率為每分鐘3℃-5℃。

進一步的，所述加熱速率為每分鐘4℃。

進一步的，達到退火溫度后保持50至70分鐘。

進一步的，達到退火溫度后保持60分鐘。

本發明的有益效果：本發明改善了磁控濺射沉積IGZO薄膜過程中氬等離子體對IGZO薄膜表面的破壞，提高了IGZO的薄膜質量和后續IGZO器件的穩定性和可靠性。將非晶型的IGZO在退火過程中進行了重結晶，形成了規律的結晶結構，提高了IGZO MOS晶體管的電學性能。在較低的退火溫度下就可以達到預期提高薄膜質量的效果，使得基于柔性底板的IGZO器件制作成為可能，促進了未來可穿戴顯示設備的發展。提高了IGZO成膜質量，降低了IGZO MOS晶體管的漏電電流，降低了晶體管或存儲器件的用電能耗，滿足未來低能高效的器件需求。

附圖說明

圖1為退火過程溫度變化圖；