利用中性粒子束髮生裝置的非揮發性存儲薄膜器件的製造方法與流程

2023-05-28 01:50:46 2

本發明涉及利用中性粒子束髮生裝置的非揮發性存儲薄膜器件的製造方法。

背景技術：

如在專利文獻1中所公開的內容，現有的移動質子(mobileproton)生成及基於移動質子的存儲器件的製造方法，需要長時間(數十分鐘以上)在600℃以上的高溫中進行氫熱處理工序。

因此，現有存儲器件的製造方法工序複雜、需要進行長時間的高溫熱處理工序，因而具有無法將如玻璃或塑料膜等的基板用於存儲器件的製造的問題。並且，由於在形成半導體層之後執行氫熱處理工序，因而還存在半導體層材料的選擇及熱處理工序方面的限制。

因此，迫切地需要不利用這種氫熱處理工序也能夠生成移動質子且基於上述移動質子來製造存儲器件的新方法。

技術實現要素：

技術問題

本發明的目的在於提供可在300℃以下的低溫中在短時間內形成移動質子層的利用中性粒子束髮生裝置的非揮發性存儲薄膜器件的製造方法。

解決問題的方案

為了實現上述目的，本發明提供利用中性粒子束髮生裝置的非揮發性存儲薄膜器件的製造方法，其中，中性粒子束髮生裝置包括：腔室，具有規定大小的等離子體放電空間；氣體供給口，用於供給上述腔室內的氣體；以及反射器，通過與在上述腔室生成的等離子體離子進行碰撞，來將等離子體離子轉換為中性粒子，上述利用中性粒子束髮生裝置的非揮發性存儲薄膜器件的製造方法包括：將形成有第一絕緣膜的基板配置於上述腔室內的步驟：通過上述氣體供給口向上述腔室內供給用於發生氫等離子體的氫氣體及用於發生等離子體的非活性氣體的步驟：通過使在上述腔室生成的氫等離子體離子與上述反射器進行碰撞，來轉換為氫中性粒子的步驟：通過使上述氫中性粒子積累在上述第一絕緣膜的表面，來形成移動質子層的步驟：以及在上述移動質子層上形成第二絕緣膜的步驟。

其中，本發明的特徵在於，上述中性粒子束髮生裝置的上述反射器為由比上述氫氣體的氫粒子重且比上述非活性氣體的惰性粒子輕的粒子來構成的固體板。

發明的效果

本發明的利用中性粒子束髮生裝置的非揮發性存儲薄膜器件的製造方法可在300℃以下的較低溫度下在短時間(10分鐘)內形成移動質子層，以此代替現有的長時間(數十分鐘以上)在600℃以上的高溫中進行的氫熱處理工序。

並且，根據本發明，只需在用於製造非揮發性存儲薄膜器件的絕緣膜蒸鍍工序中增加利用中性粒子束髮生裝置的移動質子層形成工序，因而可直接利用現有存儲薄膜器件生產線的工序順序。

並且，本發明可解決在現有的形成移動質子層來製造具有非揮發性存儲功能的薄膜器件的過程中因進行長時間的高溫熱處理工序而無法將如玻璃或塑料薄膜等的基板用於存儲薄膜器件的製造的問題。

因此，本發明實現了利用玻璃或塑料等的基板來製造高特性的非揮發性存儲薄膜器件，從而可直接適用於新一代itc產品的柔性設備或穿戴式設備，也可適用於受現有技術限制而無法實現的新概念產品的製造，如超低消耗功率柔性設備、顯示器及傳感器等。

附圖說明

圖1為示出中性粒子束髮生裝置的一例的簡圖。

圖2為示出在單晶矽片基板上形成移動質子層後測定氫元素密度的測定結果的圖。

圖3為示出本發明一實施例的非揮發性存儲薄膜器件的製造方法的圖。

圖4至圖7為示出形成有移動質子層的納米晶矽薄膜電晶體(nc-sitft)的特性的圖。

具體實施方式

以下，參照附圖，對本發明進行更詳細的說明。對不必要地混淆本發明主旨的公知功能及結構，省略其詳細說明。

圖1為示出中性粒子束髮生裝置的一例的簡圖。

如圖所示，中性粒子束髮生裝置包括腔室101，具有規定大小的等離子體放電空間。

在腔室101的一側面配置有氣體供給口102，氣體供給口102用於供給用於形成等離子體的氣體或供給氣體元素的源氣體等。為了均勻地生成等離子體，可改變氣體供給口102的位置。

作為反射器103的固體板配置於腔室101的上端。通過向反射器103施加規定的偏壓，來從等離子體體粒子生成中性粒子。

在腔室101的下端配置有用於支撐基板的支架105。

並且，多個磁陣列限制器器(magneticarraylimiter)104配置於腔室101內。磁陣列限制器器104起到切斷存在於等離子體放電空間的電子及其他離子向基板側靠近並選擇性地僅使中性粒子向基板側移動。上述磁陣列限制器器104可設置於腔室101內，也可不設置於腔室101內。

本發明的非揮發性存儲薄膜器件的製造方法包括利用如圖1所示的中性粒子束髮生裝置來形成移動質子的方法，與通過高溫(600℃以上)熱處理工序將氫注入於絕緣膜來形成移動質子的現有方式不同，可通過在300℃以下的較低溫度下在短時間(10分鐘)內使氫中性粒子積累在第一絕緣膜與第二絕緣膜之間，來形成移動質子。

在本發明一實施例的移動質子的形成方法中，首先，將用於形成移動質子層的基板配置於中性粒子束髮生裝置的支架105。

作為一例，在要體現利用移動質子根據施加於柵電極的電壓在絕緣膜內移動的特性的存儲器件的情況下，可將在上部形成有絕緣膜的基板配置於支架105上。

並且，通過氣體供給口102將用於生成等離子體的非活性氣體及用於產生氫等離子體的氫氣體供給到等離子體放電空間。其中，非活性氣體為氬(ar)，氪(kr)，氙(xe)等的氣體。若僅通過氫氣體也能夠充分地形成等離子體放電，則可不利用上述非活性氣體。

對氣體供給口102供給的非活性氣體進行等離子體放電來生成等離子體粒子，氫氣體在腔室內與等離子體粒子進行碰撞來形成氫等離子體離子或陽離子。

此時，可將約10至數百伏特的負極偏壓施加於反射器103，從而使氫等離子體離子引導到反射器103。

氫等離子體離子與反射器103進行碰撞且從反射器103接收電子來轉變為氫中性粒子，與此同時，根據所施加的偏壓來接收能量並反射回來。

並且，氫中性粒子在通過多個磁陣列限制器104之間後，積累在配置於支架105的基板或絕緣膜的表面來形成移動質子層。此時，除氫中性粒子之外的氫等離子體離子也與基板或絕緣膜的表面相接觸來形成移動質子層。

本說明書中的氫粒子束(h-pb，hydrogen-particlebeam)包括氫中性粒子及氫等離子體離子中的一個以上。

另一方面，本發明的非揮發性存儲薄膜器件的製造方法的特徵在於，中性粒子束髮生裝置的反射器103為由比通過氣體供給口102流入的氫氣體的氫粒子重且比非活性氣體的惰性粒子輕的粒子來構成的固體板。

這是為了生成純度高的氫粒子束，在利用二體碰撞(binarycollision)解釋粒子的碰撞時，若進行碰撞的粒子比靶粒子輕，則可有效地進行反射，相反，若進行碰撞的粒子比靶粒子重，則反射效率急劇下降，其中，靶粒子為反射器103，因此，可在利用比氫粒子重且比非活性氣體粒子輕的材質的反射器103的中性粒子束髮生裝置中產生更多的氫粒子束。

作為一例，在利用氫氣體和氬氣體來向矽氧化膜或矽氮化膜表面照射氫粒子束的情況下，優選地，可將矽板用作中性粒子束髮生裝置的反射器。

如上所述，根據本發明的利用中性粒子束髮生裝置的非揮發性存儲薄膜器件的製造方法，無需進行高溫(600℃以上)熱處理工序，可在300℃以下的低溫中在短時間(10分鐘)內在基板(或絕緣膜)上形成移動質子層。

圖2為示出在單晶矽片基板上形成移動質子層後測定氫元素密度的測定結果的圖。

如圖2所示，在根據本發明來形成移動質子的情況下，若提高中性粒子束髮生裝置的反射器電壓(vref)，則基板表面的氫密度也隨之提高。即，隨著反射器電壓的提高，化學勢(chemicalpotential)高的氫粒子的表面擴散(surfacediffusion)及表面積累也隨之增加，因此，氫可在基板表面的數區域積累更多的量。

圖3為示出本發明一實施例的非揮發性存儲薄膜器件的製造方法的圖，更具體地，圖3為示出尤其製造非揮發性存儲薄膜器件中的反交錯(invertedstaggered)薄膜電晶體的工序的例。但本發明不局限於反交錯薄膜電晶體的製造工序，在製造具有根據本發明製造的非揮發性存儲薄膜器件的結構(即，基板、絕緣膜、移動質子層)的器件時，可同樣採用用於說明後述的反交錯薄膜電晶體的技術思想。

本發明提供具有非揮發性存儲功能的薄膜器件的製造方法，即，在絕緣膜內形成移動質子層，通過移動質子根據施加於柵電極的電壓來在上述絕緣膜內移動的特性來使薄膜器件具有非揮發性存儲功能。

如圖3所示，步驟(a)為如下步驟，即，在基板上形成柵電極並在上述柵電極上形成第一絕緣膜之後，將形成有上述第一絕緣膜的基板配置於作為中性粒子束髮生裝置的等離子體放電空間的腔室內，通過氣體供給口向腔室內供給氫氣體及非活性氣體，通過等離子體放電來使在腔室生成的氫等離子體離子與反射器進行碰撞，從而轉換為氫中性粒子，通過在上述第一絕緣膜的表面積累規定量以上的上述氫中性粒子，來形成移動質子層。其中，在第一絕緣膜的表面形成移動質子層的上述一系列工序在300℃以下的低溫中在短時間(10分鐘)內實現。

步驟(b)為在步驟(a)之後通過等離子體增強化學氣相沉積(pecvd)等的工序來在所形成的上述移動質子層上蒸鍍第二絕緣膜的步驟，最終，在第一絕緣膜與第二絕緣膜之間形成移動質子層。

並且，在步驟(b)之後，依次進行作為常規反交錯薄膜電晶體工序的步驟(c)及步驟(d)，從而可製造本發明一實施例的具有非揮發性存儲功能的反交錯薄膜電晶體。

這種本發明的非揮發性存儲薄膜器件的製造方法為僅在現有的在製造存儲薄膜器件時執行的絕緣膜形成過程中增加移動質子層的形成工序的形態，因此，除了圖3所示的反交錯結構的薄膜電晶體製造工序之外，還可適用於交錯(staggered)結構、共面(coplanar)結構、倒置共面(invertedcoplanar)結構等所有結構的薄膜電晶體製造工序。

並且，本發明的非揮發性存儲薄膜器件的製造方法僅在現有的利用非晶質矽薄膜電晶體、低溫聚矽(ltps)薄膜電晶體、氧化物半導體、有機物半導體、其它所有半導體薄膜的電晶體製造工序中在進行絕緣膜蒸鍍工序的過程中增加利用中性粒子束髮生裝置來在絕緣膜中間形成移動質子層的工序。

這使得本發明的非揮發性存儲薄膜器件的製造方法的意義體現在不僅可直接利用現有薄膜器件生產線的工序順序，還可在300℃以下的低溫中在短時間(10分鐘)內執行所增加的移動質子層形成工序。

圖4至圖7為示出形成有移動質子層的納米晶矽薄膜電晶體(nc-sitft)的特性的圖。

圖4示出在柵極絕緣膜內部未形成移動質子層的納米晶矽薄膜電晶體(在圖4中表示為nonmemory)與在柵極絕緣膜內部根據本發明的方法來通過2分鐘的時間在絕緣膜內形成移動質子層的具有非揮發性存儲功能的納米晶矽薄膜電晶體(在圖4中表示為memory)之間的不同特性。

具有非揮發性存儲功能的納米晶矽薄膜電晶體根據柵極電壓的掃頻(sweep)來呈現出磁滯現象(hysteresis)，這是因絕緣膜內部的移動質子根據柵極電壓朝向有源膜/柵極絕緣膜界面或柵極絕緣膜/柵電極界面進行移動而發生的現象。

並且，圖5及圖7示出磁滯現象的大小根據柵極電壓(vg)的掃頻寬幅來產生線性反應。這呈現出以柵極電壓來定量地控制絕緣膜內部的移動質子。

圖6為示出為確認存儲功能的再現性而對具有非揮發性存儲功能的納米晶矽薄膜電晶體反覆施加寫入和擦除(write&erase)條件來進行測定的結果，圖6示出的漏極電流值(driancurrent)為在將作為寫入條件的柵極電壓(vg)施加+100v達1秒鐘後在vg＝0v、漏極電壓(vd)為5v時的漏極電流值，並且，表示在將作為擦除條件的柵極電壓施加－100v達1秒鐘後在vg＝0v、vd＝5v時的漏極電流值。

圖6示出了寫入和擦除狀態正常運行100次的情況，根據本發明製造的具有非揮發性存儲功能的納米晶矽薄膜電晶體即使在寫入或擦除狀態下被擱置數日也仍儲存有信息，從而可確認確保了作為存儲器件的核心特性的穩定的保留時間(retentiontime)。

作為一例，根據本發明製造的具有如圖4至圖7所示的特性的非揮發性存儲薄膜電晶體可有效地用於低功率穿戴式有機發光二極體(oled)。

在將具有非揮發性存儲功能的薄膜電晶體用於低功率穿戴式有機發光二極體的情況下，在現有驅動電路中無需利用用於像素維持功能的儲能電容器(storagecapacitor)，因不同的驅動方式，從而也可完全消除用於維持轉換(switching)薄膜電晶體的關閉狀態(offstate)的電力消耗。因此，沒有存儲電容且無需用於維持轉換薄膜電晶體的關閉狀態的電力，從而可實現低功率驅動。並且，薄膜電晶體具有存儲功能，因此在像素維持(靜止畫面)及低速幀驅動時，也解決了現有的問題。追加性地，因無需存儲電容而減少了基於其的面積和接觸用面積，從而可實現更高的解析度。

如上所示，根據本發明，可在300℃以下的低溫中在短時間(10分鐘)內實現非揮發性存儲薄膜器件的製造，以此代替長時間(數十分鐘以上)在600℃以上的高溫中進行氫熱處理工序。

並且，根據本發明，只需在用於製造非揮發性存儲薄膜器件的絕緣膜蒸鍍工序中增加利用中性粒子束髮生裝置的形成移動質子層形成工序，因而可直接利用現有薄膜器件生產線的工序順序。

並且，本發明可解決在現有的形成移動質子層來製造具有非揮發性存儲功能的薄膜器件的過程中因進行長時間的高溫熱處理工序而無法將如玻璃或塑料薄膜等的基板用於存儲薄膜器件的製造的問題。

因此，本發明實現了利用玻璃或塑料等的基板來製造高特性的非揮發性存儲薄膜器件，從而可直接適用於新一代itc產品的柔性設備或穿戴式設備，也可適用於受現有技術限制而無法實現的新概念產品的製造，如超低消耗功率柔性設備、顯示器及傳感器等。

以上，以限定的實施例和附圖對本發明進行了說明，但本發明並不局限於上述實施例，本發明所屬領域的普通技術人員可通過如上所述的記載來對本發明進行多種修改及變形。因此，本發明的思想應根據發明要求保護範圍來掌握，發明要求保護範圍的等同技術方案或等效變形均屬於本發明的思想範疇。