CN101599437A - 薄膜晶体管的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属薄膜晶体管技术领域，涉及薄膜晶体管的制备方法，包括步骤：采用铟锌合金或铟锌氧化物为靶材，在室温条件下用磁控溅射技术在基板上生长具有透明非晶结构的铟锌氧化物半导体薄膜，形成薄膜晶体管的沟道层；采用热蒸发法在沟道层上制备源电极和漏电极；采用提拉或旋涂法在源电极和漏电极上面覆盖一层聚乙烯吡咯烷酮有机溶液制成的有机介质层薄膜；并采用热蒸发法在有机介质层薄膜上制备栅电极。所述靶材中的In∶Zn的原子比为0.5至5.0。本方法可制备具有良好电子光学性能的新型透明薄膜晶体管，其制备温度低，工艺简单，有利于大面积生产，具有广泛的应用前景。

Description

薄膜晶体管的制备方法

技术领域

本发明属薄膜晶体管技术领域，具体涉及一种聚乙烯吡咯烷酮有机介质层和非晶铟锌氧化物半导体沟道层构成的薄膜晶体管的制备方法。

背景技术

薄膜晶体管(Thin Film Transistor：TFT)是一种场效应晶体管(Field EffectTransistor：FET)，因其低开启电压和高开/关电流比而被广泛应用于平板显示(FPD)等技术领域。其特点是在对角线数米长的基板上制备几千万个数微米大小的TFT阵列，形成“大型微电子”设备。

目前，在有源矩阵液晶显示(AMLCD)中最为广泛使用的是非晶硅晶体管(a-Si TFT)。但因a-Si TFT的载流子迁移率一般小于1cm2/V·s，不能满足快速响应、高亮和更高清晰度显示的需求。多晶硅具有比对非晶硅高2-3个数量级的迁移率，所以开发了多晶硅晶体管(p-Si TFT)，高迁移率p-Si TFT还可以应用于有源矩阵有机发光二极管显示(AMOLED)。多晶硅p-Si TFT有高温多晶硅(HTPS)和低温多晶硅(LTPS)两种。HTPS的工艺温度需在600℃以上，一般只能在石英基板上制作。LTPS可以通过低温激光退火法或金属诱导横向晶化法等方法，使得工艺温度不高于550℃，可以在玻璃基板上制作。LTPS-TFT具有高清晰度、高开口率、响应速度快、高亮度和低功率消耗等优点，还可以将集成电路同时制作在面板上，达到节省空间、系统整合、提高可靠性和降低成本的目的。所以，LTPS-TFT有可能成为一种继a-Si TFT的主流技术。但是LTPS-TFT技术也具有设备昂贵和工艺难度大的缺点，且其相对有机基板太高的工艺温度，不适合应用于柔性显示。同时，硅材料的禁带宽度只有1.1-1.7eV，是光敏材料，为了不使可见光恶化Si-TFT性能，必须对每一像素单元TFT进行光屏蔽，即增加不透明金属掩膜板(黑矩阵)来阻挡光线对TFT的照射。这将使得像素开口率达不到100％，也增加TFT-LCD的工艺复杂性，提高成本，降低可靠性。

透明氧化物半导体薄膜如氧化铟和氧化锌的迁移率较高，工艺温度比较低，因此如果在AMLCD或AMOLED中采用低温透明氧化物半导体TFT作为像素开关，将大大提高有源矩阵的开口率，从而提高亮度，降低功耗和减小工艺复杂性。因此，研究者纷纷开始对透明氧化物半导体晶体管技术进行研究。目前，已有研究小组报道成功开发了In-Ga-Zn-O透明氧化物半导体单晶及非晶薄膜的制备技术，利用该透明氧化物半导体可以制作出透明的薄膜晶体管，其性能比非晶硅薄膜晶体管高出1-2个数量级，不仅可以在应用于显示器时能够有效利用背光源，降低能耗，甚至能期待在窗户/橱窗玻璃上显示信息。另外，非晶In-Ga-Zn-O无机半导体具有良好的热学和化学稳定性能，是一种环境友好材料。

最近的研究结果表明，铟锌氧化物半导体薄膜具有高的迁移率、可见光透明性、表面平整性和可以室温大面积制备等优良性能。利用透明铟锌氧化物TFT代替a-Si TFT作为像素开关，可望进一步提高有源矩阵的开口率，提高亮度，降低功耗。

作为目前已知的技术，磁控溅射法具有可控性好，沉积速率高且能够获得大面积均匀薄膜的特点，是广为应用的薄膜制备方法之一。采用磁控溅射法，应可以在室温条件下制备高性能的非晶透明铟锌氧化物半导体薄膜。

另外，a-Si TFT中常用介质层是PECVD技术制备的氮化硅或氧化硅。PECVD的优点在于允许衬底保持在较低温度(约300℃)下大面积生长薄膜，且沉积均匀性高，阶梯覆盖性能以及工艺重复性好，技术成熟，是目前使用最为广泛的技术。氮化硅和氧化硅薄膜具有优良的电学性能外，氮化硅薄膜还具有较大的介电常数。但PECVD方法设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高，且不易在柔性衬底上使用。

考虑到有机材料具有良好的绝缘性能，成本低，易制备等特点，通过提拉方法和旋涂法制备绝缘性能良好的有机介质层，并应用于薄膜晶体管的制造工艺，可以充分发挥提拉法和旋涂法具有溶液易于配制、可控性好、制备便捷和设备廉价等优点。

因此，确实期待开发一种新的透明氧化物半导体薄膜晶体管的制备方法，具备可低温制备以及大规模生产的特性：成本低、工艺简单、性能良好的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电学性能好、易于低温和大面积制备的透明氧化物半导体薄膜晶体管的制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：采用铟锌合金或铟锌氧化物为靶材，在室温条件下利用磁控溅射技术，在基板上生长具有非晶结构的铟锌氧化物半导体(a-In-Zn-O)薄膜，形成透明氧化物半导体薄膜作为薄膜晶体管沟道层；采用热蒸发方法在透明氧化物半导体薄膜上面制备源电极和漏电极；采用提拉或旋涂法在源电极和漏电极上面覆盖一层有机介质层薄膜；以及采用热蒸发方法在有机介质层薄膜上面制备栅电极。其中铟锌合金靶或铟锌氧化物的In∶Zn的原子比为0.5至5.0；在磁控溅射步骤中将氧气和惰性气体，例如Ar通入反应室中，其中反应气体氧气的分压被控制在1.0×10^-2Pa至10×10^-2Pa，而工作压强被控制在1.0×10^-1Pa至5.0×10^-1Pa；磁控溅射电流设为50-200mA，溅射电压为300-500V，溅射时间为1-30分钟。在有机介质层的制备过程中，采用聚乙烯吡咯烷酮溶剂实行提拉方法或旋涂法，所述聚乙烯吡咯烷酮溶剂为浓度1-40mg/mL的聚乙烯吡咯烷酮酒精溶剂或聚乙烯吡咯烷酮四氢氟呋喃溶剂；所述提拉方法是将样品浸入聚乙烯吡咯烷酮有机溶液中提拉1-10次，每次提出后都烘烤5-30分钟，最后一次提拉后在150-220℃温度下烘烤5-150分钟；所述旋涂方法是将聚乙烯吡咯烷酮有机溶液滴在以800-6000rpm的转速旋转的样品上，而后在150-220℃烘烤5-150分钟。所述源电极、漏电极和栅电极是采用热蒸发方法对铝掩膜进行热蒸而制备的。

通过上述本发明的技术方案，制造出的非晶透明铟锌氧化物有机介质半导体薄膜晶体管的优点在于利用磁控溅射技术可使制备温度降低，从而可能在熔点较低的基底，甚至柔性基底上制作；制备工艺简单，有利于大面积大规模生产；铟锌氧化物的高迁移率使得铟锌氧化物半导体薄膜层的载流子获得很高的迁移率和开关比，取得良好的电子光学性能，在平板显示和透明电子技术等领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的有机介质层透明非晶氧化物半导体薄膜晶体管的结构图，

其中，1为基底层，2为沟道层，3为介质层，a为源电极，b为漏电极，c为栅电极。

图2为室温制备透明非晶铟锌氧化物半导体薄膜的XRD图谱和AFM表面形貌图。

图3为有机PVP介质层非晶铟锌氧化物薄膜晶体管转移特性曲线。

图4为有机PVP介质层非晶铟锌氧化物薄膜晶体管输出特性曲线。

具体实施方式

现结合附图详细描述本发明的原理和具体实施方式：

图1所示为根据本发明的有机介质层透明非晶氧化物半导体薄膜晶体管的结构，1为基底层，如图所示为玻璃衬底。在室温条件下，在基底层1上通过磁控溅射法沉积一层沟道层2，由透明非晶氧化物薄膜(a-In-Zn-O)组成，用于连接在其上面形成的源电极a和漏电极b；然后，在包含源电极a和漏电极b的沟道层2上方覆盖一层绝缘的有机介质层3；最后在绝缘层3的上面形成栅电极c。

根据本发明的原理，为取得非晶透明氧化物良好的载流子迁移性能，而采用铟锌合金或铟锌氧化物作为靶材，其中In和Zn的原子比在0.5-5.0范围内变化，利用成熟的磁控溅射法进行薄膜沉积反应。基板温度为室温，例如0-50℃。于反应前，将反应室抽真空，使压力低于2x10^-3Pa，然后将氧气和惰性气体，例如痖气Ar，通入反应室，控制反应气体氧气的分压为1.0×10^-2Pa至10×10^-2Pa，并控制工作压强为1.0×10^-1Pa至5.0×10^-1Pa；磁控溅射电流为50-200mA，溅射电压为300-500V，溅射时间为1-30分钟。

图2显示了以上述方法在室温条件下制备的透明非晶铟锌氧化物半导体薄膜的XRD图谱和AFM表面形貌图(扫描范围为1×1μm²)，从表面形貌图，可以看出其表面基本平整的特性。

接下来，通过掩膜采用热蒸发法制备源电极和漏电极，例如采用50nm至120nm厚度的氧化铝掩膜，热蒸发电流为40A至60A，热蒸发电压为70V至90V。

在制备绝缘的有机介质层的步骤中，选用聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone，简称PVP，分子式为(C6H9NO)n，结构式为

溶于酒精或四氢氟呋喃等有机溶剂，通过提拉方法或旋涂法制备有机介质层薄膜。将样品浸入1-40mg/mL的PVP酒精溶液(优选的是浓度为30mg/mL)提拉若干次，例如2-10次，或大约5次，每次提拉后烘烤5-30分钟使提拉的PVP层固化，最后一次在150-220℃炉中烘烤5-150分钟，提高有机膜的致密性。或者将聚乙烯吡咯烷酮有机溶液滴在以800-6000rpm的转速旋转的样品上，而后在150-220℃烘烤5-150分钟，这个方法较提拉法的效率更高，但需要满足工艺要求的设备。

最后在绝缘的有机介质层上面，通过热蒸发法对掩膜进行蒸发来制备栅电极。

图3和图4分别为有机PVP介质层非晶铟锌氧化物薄膜晶体管转移特性曲线；以及图4为有机PVP介质层非晶铟锌氧化物薄膜晶体管输出特性曲线。

下面，以本发明的一个具体实施例来进行说明：

实施例1

选用铟锌合金靶(In∶Zn＝0.586∶1原子比)，薄膜沉积前先将反应室真空抽到低于2×10^-3Pa，然后通过可变气导阀将O₂和Ar气体依次通入反应室，并控制反应室内的氧分压为5.0×10^-2Pa，工作压强为3.0×10^-1Pa。将溅射电流和溅射电压分别调制为120mA和300V，溅射时间10分钟，在普通玻璃片上形成薄膜。薄膜厚度约为110nm，电阻率大于1×10⁴Ω·cm，可见光平均透射率大于82％。

用宽长比为500μm/100μm和400μm/40μm氧化铝掩膜通过热蒸发的方法制备80nm的铝膜作为源漏电极，热蒸发电流为50A，热蒸发电压为75V。

将30mg/mL的PVP酒精溶液配液磁力搅拌30min后，将样品浸入配液而后以7.2mm/s的拉速提出。共提出四次，每次提拉后放入200℃炉中依次烘烤15min、15min、15min和60min。每次提拉后配液接着磁力搅拌，使溶剂均匀。

最后，通过掩膜用热蒸发的方法制备80nm的铝膜作为栅电极，热蒸发电流为50A，热蒸发电为75V。

器件制备成功，器件的开关比为3.4×10⁵，阈值电压-1.2V，迁移率为4.38cm²V^-1s^-1。

综上所述，利用本发明的有机介质透明非晶铟锌氧化物半导体薄膜晶体管制备方法可以生产出具有良好的电子光学性能的新型透明薄膜晶体管，其制备温度低，工艺简单，有利于大面积生产，具有广泛的应用前景。

Claims (9)

1.一种薄膜晶体管制备方法，该薄膜晶体管由透明氧化物半导体层、源电极、漏电极、有机介质层、以及栅电极组成，其特征在于，所述制备方法包括步骤：

-采用铟锌合金或铟锌氧化物为靶材，在室温条件下利用磁控溅射技术，在基板上生长具有非晶结构的铟锌氧化物半导体(a-In-Zn-O)薄膜，形成透明氧化物半导体薄膜作为薄膜晶体管沟道层；

-采用热蒸发方法在透明氧化物半导体薄膜上面制备源电极和漏电极；

-采用提拉或旋涂法在源电极和漏电极上面覆盖一层有机介质层薄膜；以及

-采用热蒸发方法在有机介质层薄膜上面制备栅电极。

2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管制备方法，其特征在于，其中所述的铟锌合金靶或铟锌氧化物的In∶Zn的原子比为0.5至5.0。

3.根据权利要求1所述的薄膜晶体管制备方法，其特征在于，在磁控溅射步骤中氧气和惰性气体被通入反应室中，并且其中反应气体氧气的分压被控制在1.0×10^-2Pa至10×10^-2Pa，工作压强被控制在1.0×10^-1Pa至5.0×10^-1Pa。

4.根据权利要求1所述的薄膜晶体管制备方法，其特征在于，所述的磁控溅射电流设为50-200mA，溅射电压为300-500V，溅射时间为1-30分钟。

5.根据权利要求1所述的薄膜晶体管制备方法，其特征在于，所述的有机介质层薄膜是采用聚乙烯吡咯烷酮溶剂通过提拉方法或旋涂法制备。

6.根据权利要求5所述的薄膜晶体管制备方法，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮溶剂选自浓度1-40mg/mL聚乙烯吡咯烷酮酒精溶剂或聚乙烯吡咯烷酮四氢氟呋喃溶剂。

7.根据权利要求5所述的薄膜晶体管制备方法，其特征在于，所述提拉方法是将样品浸入聚乙烯吡咯烷酮有机溶液中提拉1-10次，每次提出后烘烤5-30分钟，最后一次提拉后在150-220℃温度下烘烤5-150分钟。

8.根据权利要求5所述的薄膜晶体管制备方法，其特征在于，所述旋涂方法是将聚乙烯吡咯烷酮有机溶液滴在以800-6000rpm的转速旋转的样品上，而后在150-220℃烘烤5-150分钟。

9.根据权利要求1所述的薄膜晶体管制备方法，其特征在于所述源电极、漏电极和栅电极是采用热蒸发法对氧化铝掩膜进行热蒸发而制备的。

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