CN101740397B - ZnO基薄膜晶体管的金属有机化学气相沉积制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种氧化锌(ZnO)基薄膜晶体管(TFT)的金属有机化学气相沉积(MOCVD)制备方法。ZnO基薄膜晶体管由衬底、栅极、绝缘层、ZnO基有源沟道层以及源电极、漏电极构成，绝缘层和ZnO基有源沟道层全部采用MOCVD技术完成材料生长，相对于其它外延技术，其制备的半导体材料质量较高。在MOCVD生长设备中一次完成各层材料生长，可大大简化材料生长工艺，同时能够实现各层半导体材料厚度的精确控制。本发明提出了采用适合工业化生产MOCVD设备生长ZnO基薄膜晶体管的一种工艺方法，解决了其它方法制备ZnO质量不高等关键问题，进而制备出具有较高质量的ZnO基TFT。

Description

ZnO基薄膜晶体管的金属有机化学气相沉积制备方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种氧化锌(ZnO)基薄膜晶体管(TFT)的金属有机化学气相沉积(MOCVD)制备方法。

背景技术

随着信息时代的到来，平板显示器件作为信息终端具有完全平面化、轻、薄、省电等特点，符合未来图像显示器发展的必然趋势。在各种消费类电子产品中有源驱动平板显示技术应用日趋广泛，其中最具有代表性的是薄膜晶体管驱动的液晶显示器(TFT-LCD)和有机发光显示器(TFT-OLED)。随着3G在世界范围内的大规模商用，TFT显示屏将迎来一个难得的发展机遇。

传统的薄膜晶体管通常采用Si材料，包括非晶硅(a-Si)和多晶硅(p-Si)。但两者都存在一定的不足之处：非晶硅TFT迁移率低，随着工作时间的增加存在阈值漂移问题；多晶硅TFT由于工艺原因均匀性较差，制备成本高昂。同时由于Si材料窄的带隙宽度，使其在可见光波段不透明，且容易受可见光光生载流子影响，使显示单元开口率降低，不利于提高显示器的亮度。

氧化锌(ZnO)是一种近年来被广泛研究的宽带隙II-VI族化合物半导体材料。将ZnO材料用于有源驱动具有很多优势。ZnO-TFT具有较高的电子迁移率，可以提高显示器的响应速度，满足高清晰、大容量显示的要求。ZnO对于可见光是透明的，可以制备可见光范围有较高透过率的全透明器件，提高像素的开口率，使显示器屏幕更清晰明亮。ZnO薄膜的制备温度较低，甚至可以使用塑料为衬底，适合于制造柔性显示器。

目前制备ZnO薄膜晶体管的主要方法是溅射法，或者溅射法与其他方法混合进行制备。而溅射法制备的ZnO晶体质量不高，影响器件特性。而溅射法和其他方法混合制备ZnO薄膜晶体管的工艺复杂。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述困难，提出一种采用MOCVD设备制备ZnO基薄膜晶体管的方法，其制备出了适合工业化应用的高质量的ZnO基薄膜晶体管(TFT)。

本发明所制备的ZnO基薄膜晶体管，由衬底1、衬底上依次制备的栅极2、绝缘层3和ZnO基有源沟道层4以及源电极5、漏电极6构成，所述的ZnO基薄膜晶体管的金属有机化学气相沉积制备方法，其特征在于：绝缘层3和ZnO基有源沟道层4是采用MOCVD方法生长制备的。

进一步地，以ITO玻璃为衬底1、ITO薄膜为栅极2，栅极的厚度50～500纳米之间，或以Si同时为衬底和栅极，栅极的厚度500微米左右。以Al₂O₃、MgO或高Mg含量(1＞y＞0.5)的Mg_yZn_1-yO为绝缘层3，厚度在10～500纳米之间，以ZnO或低Mg含量(0＜x＜0.5)的Mg_xZn_1-XO为有源沟道层4，厚度在50～500纳米之间。对于源、漏电极，可采用蒸发或溅射方法制备。电极材料为铝、银、金、ITO或掺铝的ZnO、掺镓的ZnO等导电薄膜，厚度在50～200纳米之间。

本发明所述的另一种ZnO基薄膜晶体管的金属有机化学气相沉积制备方法，其特征在于：栅极2、绝缘层3和ZnO基有源沟道层4是采用MOCVD方法生长制备的。

进一步地，是以Al₂O₃或玻璃作为衬底1，掺铝的ZnO或掺镓的ZnO透明导电薄膜作为栅极2，栅极的厚度在100～500纳米之间，载流子浓度为10¹⁹cm^-3量级，Al₂O₃、MgO或高Mg含量(1＞y＞0.5)的Mg_yZn_1-yO为绝缘层3，层厚为10～500纳米，ZnO或低Mg含量(0＜x＜0.5)的Mg_xZn_1-XO有源层沟道层4，厚度约为50～500纳米。对于源、漏电极，可采用蒸发或溅射方法制备。电极材料为铝、银、金、ITO或掺铝的ZnO、掺镓的ZnO等导电薄膜，厚度在50～200纳米之间。

更进一步地，前面所述的两种全MOCVD方法制备的ZnO基薄膜晶体管的过程中，有源层沟道层4还可以用氨进行氮掺杂的MOCVD法生长制备。

本发明的效果和益处：

ZnO基材料价格便宜，化学稳定性好，无毒；MOCVD方法可在多种衬底上低温生长高质量ZnO薄膜，其迁移率高，适合于制造高速器件。全部采用MOCVD技术完成材料生长，可在MOCVD生长设备中一次完成各层材料生长，大大简化材料生长工艺，层厚控制精确。其中MgO材料具有较大的禁带宽度(～7.7eV)，较小的电子亲合势，可以有效的阻挡电子，其具有较大的介电常数(ε～9.7)，适合作为栅极绝缘层材料。

附图说明

图1：本发明所述的全MOCVD法生长的ZnO基薄膜晶体管结构示意图；

图中各部分的名称为：衬底1、栅极2、绝缘层3、ZnO基有源沟道层4、源电极5、漏电极6。

图2：本发明实施例1制备的ZnO-TFT的输出特性曲线；

图3：本发明实施例1制备的ZnO-TFT的转移特性曲线；

图4：本发明实施例1制备的ZnO-TFT的转移特性的对数坐标曲线；

如图2所示，为在不同栅极偏压V_G下测得的源漏电流曲线，栅极偏压变化范围为-2～14V。当栅极电压大于阈值电压5.1V后，可以形成导电沟道。

图3为源漏电压为24V时，测得的源漏电流I_D ^1/2随栅电压变化曲线，阈值电压为5.1V。

图4为转移特性的对数坐标曲线，从图中可读此器件的开关比约为10⁴。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例1

1、选取ITO玻璃作为衬底1，透明导电的ITO薄膜作为栅极2，将衬底进行化学清洗，其步骤为：甲苯超声清洗5分钟，丙酮超声清洗5分钟，乙醇超声清洗5分钟，然后再循环一次，之后用去离子水冲洗干净后，经高纯氮气吹干后备用；

2、在处理后的衬底片上用MOCVD法，特别是用ZL 02100436.6、ZL200410011164.0专利所述的专用生长MOCVD设备，用二茂镁作为镁源，镁源用氩气携带进入反应室内，在650℃与高纯氧进行化学反应，外延生长MgO绝缘层3，氩气流量为20sccm，氧气流量为200sccm，反应室的压强为150Pa，层厚为200纳米。接着继续采用上述MOCVD方法，用二乙基锌与高纯氧为反应源，生长ZnO有源沟道层4，氩气携带二乙基锌源进入反应室内，氩气流量为2sccm，氧气流量为180sccm，反应室的压强为75Pa，厚度为100纳米；

3、在有源沟道层4上采用掩模工艺，用真空镀膜机蒸发金属铝制备条形结构的源电极5和漏电极6，即得到ZnO基薄膜晶体管。电极的厚度为100纳米，两电极之间的距离为50微米，电极的长度为1000微米，，宽度为2000微米，这样形成的氧化锌导电沟道的长为50微米，宽为1000微米，宽长比为20∶1。

实施例2

本实施例与实施例1所不同的是，衬底1采用电阻率为10^-3Ω·cm的硅衬底，同时也作为晶体管的栅电极2，其它均同实施例1，即在硅片表面采用MOCVD技术制备Al₂O₃、MgO或Mg含量(y＝0.9)的Mg_yZn_1-yO绝缘层3，制备Al₂O₃采用的有机源可为三甲基铝，氧源为高纯氧气，流量分别为2sccm与200sccm；制备Mg_yZn_1-yO采用的有机源为二乙基锌与二茂镁，氧源为高纯氧气，氧气流量为200sccm，有机源通过氩气携带进入反应室内，锌源与镁源流量分别为1sccm和20sccm，生长温度为650℃，生长时反应室的压为约为150Pa，层厚为500纳米左右，接着采用MOCVD方法生长ZnO或低Mg(x＝0.1)含量的Mg_xZn_1-XO有源沟道层4，然后，在ZnO有源沟道层4上制备源极5和漏极6。

实施例3

本实施例与实施例1所不同的是，衬底1采用玻璃，栅电极2采用MOCVD方法生长的ZnO掺Ga透明导电薄膜，其它均同实施例1；即本实施例的特征在于栅极2、绝缘层3和ZnO基有源沟道层4全部采用MOCVD技术完成材料生长，均可在MOCVD生长设备中一次完成各层材料生长。

实施例4

实施例1、2、3中生长ZnO或低Mg含量的Mg_xZn_1-XO有源层4时，可同时向反应室内通入20sccm的氨气作为氮掺杂源。氮原子掺入到有源层4中，可以取代有源层4中的部分氧原子，起受主作用。因此，采用MOCVD生长有源层4时进行氮掺杂，可以起到部分补偿ZnO或低Mg含量的Mg_xZn_1-XO薄膜中的固有施主缺陷的作用，从而可以降低有源层4中的背底载流子浓度，进而提高ZnO基薄膜晶体管的器件性能。

对实施例1中制备的MOCVD法生长ZnO薄膜晶体管的电学特性进行了测试，发现该晶体管具有很好的场控电流作用，电流开关比接近10⁴，阈值电压约为5.1V，电子的场效应迁移率达到1.36cm²/(V·s)(如图2、图3、图4)。

Claims (6)

1.一种ZnO基薄膜晶体管的金属有机化学气相沉积制备方法，所制备的ZnO基薄膜晶体管由衬底(1)、衬底上依次制备的栅极(2)、绝缘层(3)、ZnO基有源沟道层(4)以及源电极(5)和漏电极(6)构成，其特征在于：以ITO玻璃为衬底(1)、ITO薄膜为栅极(2)；或以Si同时为衬底(1)和栅极(2)；以Al₂O₃、MgO或高Mg含量的Mg_yZn_1-yO为绝缘层(3)，其中1＞y＞0.5，厚度在10～500纳米之间；以ZnO或低Mg含量的Mg_xZn_1-XO为ZnO基有源沟道层(4)，其中0＜x＜0.5，厚度在50～500纳米之间；绝缘层(3)和ZnO基有源沟道层(4)采用MOCVD方法生长制备；采用蒸发或溅射方法制备源电极(5)和漏电极(6)，电极材料为铝、银、金、ITO、掺铝的ZnO或掺镓的ZnO导电薄膜，厚度在50～200纳米之间。

2.如权利要求1所述的一种ZnO基薄膜晶体管的金属有机化学气相沉积制备方法，其特征在于：ZnO基有源沟道层(4)用进行氮掺杂的MOCVD法生长制备。

3.如权利要求2所述的一种ZnO基薄膜晶体管的金属有机化学气相沉积制备方法，其特征在于：以氨气作为氮掺杂源。

4.一种ZnO基薄膜晶体管的金属有机化学气相沉积制备方法，所制备的ZnO基薄膜晶体管由衬底(1)、衬底上依次制备的栅极(2)、绝缘层(3)、ZnO基有源沟道层(4)以及源电极(5)和漏电极(6)构成，其特征在于：以Al₂O₃或玻璃作为衬底(1)，掺铝的ZnO或掺镓的ZnO透明导电薄膜作为栅极(2)，栅极的厚度在100～500纳米之间，载流子浓度为10¹⁹cm^-3量级；以Al₂O₃、MgO或高Mg含量的Mg_yZn_1-yO为绝缘层(3)，其中1＞y＞0.5，层厚为10～500纳米；以ZnO或低Mg含量的Mg_xZn_1-XO为ZnO基有源沟道层(4)，其中0＜x＜0.5，厚度为50～500纳米；栅极(2)、绝缘层(3)和ZnO基有源沟道层(4)采用MOCVD方法生长制备；采用蒸发或溅射方法制备源电极(5)和漏电极(6)，电极材料为铝、银、金、ITO、掺铝的ZnO或掺镓的ZnO导电薄膜，厚度在50～200纳米之间。

5.如权利要求4所述的一种ZnO基薄膜晶体管的金属有机化学气相沉积制备方法，其特征在于：ZnO基有源沟道层(4)用进行氮掺杂的MOCVD法生长制备。

6.如权利要求5所述的一种ZnO基薄膜晶体管的金属有机化学气相沉积制备方法，其特征在于：以氨气作为氮掺杂源。

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