CN102110718B - 用于薄膜晶体管的氧化物半导体薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于薄膜晶体管的氧化物半导体薄膜及其制备方法，该氧化物半导体薄膜材料成分为：(Al₂O₃)_x(Nd₂O₃)_y(In₂O₃)_z(ZnO)_(1-x-y-z)，其中，0.008≤x≤0.023，0.003≤y≤0.05，0.322≤z≤0.327，该氧化物半导体薄膜材料用于制作薄膜晶体管的有源层。这种氧化物半导体薄膜可以用溅射方法制备。本发明的氧化物半导体薄膜具有载流子迁移率高、稳定性好、可以透射可见光等优点，这种氧化物半导体薄膜可以用于制备薄膜晶体管，包括所发明的氧化物半导体薄膜的晶体管可以应用在有机发光显示(OLED)、液晶显示(LCD)、电子纸显示等驱动方面，还可以应用在集成电路领域。

Description

用于薄膜晶体管的氧化物半导体薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种氧化物半导体薄膜及其制备方法，该氧化物半导体薄膜作为薄膜晶体管(TFT)的有源层可以应用在有机发光显示(OLED)、液晶显示(LCD)、电子纸显示等的驱动方面，也可以用于集成电路领域。

背景技术

近年来，在平板显示领域，基于氧化物半导体薄膜的晶体管越来越受到重视。目前用在平板显示的薄膜晶体管的半导体有源层材料主要是硅材料，包括非晶硅(a-Si:H)、多晶硅、微晶硅等。然而非晶硅薄膜晶体管具有对光敏感、迁移率低(＜1cm²/Vs)和稳定性差等缺点；多晶硅薄膜晶体管虽然具有较高的迁移率，但是由于晶界的影响导致其电学均匀性差，多晶硅制备温度高和成本高，限制了其在平板显示中的应用；微晶硅制备难度大，晶粒控制技术难度高，不容易实现大面积规模量产。基于氧化物半导体的薄膜晶体管具有载流子迁移率较高(1～50cm²/Vs)、制备温度低(＜400℃，远低于玻璃的熔点)、对可见光透明以及持续工作电学稳定性较好等优点，在平板显示的TFT基板领域，有替代用传统硅工艺制备的薄膜晶体管的发展趋势。

氧化物半导体材料主要包括氧化锌(ZnO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟镓(IGO)、氧化锌锡(ZTO)、氧化铟镓锌(IGZO)等。但是，基于这些氧化物半导体材料的薄膜晶体管的电学稳定性仍然较差。电学稳定性差主要表现在薄膜晶体管经过一段持续时间工作后，其阈值电压会出现较大的漂移，导致输出电流减小。因此，制备高稳定性的氧化物半导体薄膜，成为低成本高可靠性驱动平板显示的迫切任务。

发明内容

本发明的目的是针对现有的基于氧化物半导体材料的薄膜晶体管的稳定性较差的问题，提出一种电学稳定性好的用于薄膜晶体管的氧化物半导体薄膜及其制备方法。

本发明通过新的掺杂物，改善载流子迁移率，改善晶体管中氧化物半导体薄膜与绝缘层之间的接触，减少阈值电压漂移，达到提高薄膜晶体管的电学稳定性的目的。

本发明的上述目的可以通过以下步骤实现：

一种用于薄膜晶体管的氧化物半导体薄膜：该氧化物半导体薄膜材料成分为(Al₂O₃)_x(Nd₂O₃)_y(In₂O₃)_z(ZnO)_(1-x-y-z)，其中0.008≤x≤0.023，0.003≤y≤0.05，0.322≤z≤0.327，该氧化物半导体薄膜材料用于制作薄膜晶体管的有源层。

所述的用于薄膜晶体管的氧化物半导体薄膜的制备方法，包括以下的工艺步骤：

(1)靶材的制备：将摩尔百分比含量分别为x、y、z和(1-x-y-z)的Al₂O₃、Nd₂O₃、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过铸浆或热压成型、烧结、机械加工、打磨形成靶材；

(2)溅射制备氧化物半导体薄膜：将靶材安装在溅射仪上，通过溅射方法制备用于薄膜晶体管的氧化物半导体薄膜，该氧化物半导体薄膜材料成分为：(Al₂O₃)_x(Nd₂O₃)_y(In₂O₃)_z(ZnO)_(1-x-y-z)，其中，0.008≤x≤0.023，0.003≤y≤0.05，0.322≤z≤0.327。

为进一步实现本发明目的，所述的热压成型优选是用200KN～350KN的压强压制成片。

所述的烧结是指在温度为800～1500℃烧结制成靶材。

所述溅射方法的条件：真空度为5.0x10^-4Pa～2.0x10^-1Pa，溅射功率为100～200W，氩气和氧气混合气体的流量分别为15～30sccm和0.5～2.5sccm。

相对于现有技术，本发明具有如下特点：

本发明氧化物半导体薄膜中含有Al和Nd：通常掺杂Al可以抑制氧化物半导体薄膜中的本征自由电子的产生，降低氧化物半导体薄膜的本征电导率；同时引入Nd稀土元素，可以改善氧化物半导体薄膜的热稳定性、提高耐蚀性。同时掺入Al和Nd，可以综合改善薄膜晶体管的载流子迁移率和电学稳定性。

附图说明

图1是利用本发明所述的氧化物半导体薄膜作为有源层的薄膜晶体管的结构示意图。图中示出，玻璃基片1、栅极2、绝缘层3、氧化物半导体层4、漏极51和源极52。

图2是实施例1中的薄膜晶体管的输出特性曲线。

图3是实施例1中的薄膜晶体管的转移特性曲线。

图4是实施例2中的薄膜晶体管的输出特性曲线。

图5是实施例2中的薄膜晶体管的转移特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1

(1)靶材制备

将摩尔百分含量分别为1.6％、0.3％、32.7％和65.4％的Al₂O₃、Nd₂O₃、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过烧结制成靶材，具体条件为：将混合粉末用300KN(千牛顿)的压强压制成片，再用1200℃烧结制成直径为100mm，厚度为5mm的氧化物半导体陶瓷靶材[(Al₂O₃)_x(Nd₂O₃)_y(In₂O₃)_z(ZnO)_(1-x-y-z)，其中，x＝0.016，y＝0.003，z＝0.327]。

(2)溅射制备氧化物半导体薄膜以及薄膜晶体管的制备

为了表征所制备的氧化物半导体薄膜的电学性能，本实施例还利用此氧化物半导体薄膜为有源层，制备了薄膜晶体管，该薄膜晶体管的结构如图1所示，玻璃基片1、栅极2(Al-Nd)、绝缘层3(Al₂O₃)和氧化物半导体层4[(Al₂O₃)_x(Nd₂O₃)_y(In₂O₃)_z(ZnO)_(1-x-y-z)]依次连接，漏极51和源极52分别间隔设置在氧化物半导体层4上。该薄膜晶体管的具体制备过程如下：

按照图1的结构，首先在玻璃基片1上通过直流溅射的方法制备一层厚度为300nm的Al-Nd合金作为栅极2，再将其表面氧化成一层厚度为140nm的Al₂O₃作为绝缘层。

将所制备的氧化物半导体靶材安装在沈阳超高真空技术研究生产的溅射仪(仪器型号：WQL-1)上，用射频溅射模式在绝缘层3(Al₂O₃)上面制备氧化物半导体层4，溅射的本底真空度为10^-3Pa，溅射时氩气(Ar)和氧气(O₂)混合气体的流量分别为25sccm和1sccm，压力为0.3Pa。在溅射氧化物半导体薄膜过程中，基片温度为室温，射频溅射功率为150W，氧化物半导体薄膜厚度为30nm。

用直流(DC)溅射的方法在氧化物半导体薄膜上面制备一层200nm厚的ITO分别作为漏极和源极，漏极和源极的形状通过光刻制成，晶体管沟道的宽度和长度分别为100μm和10μm，沟道的宽长比为10∶1。

所制备的晶体管器件性能在空气中测试。图2是实施例1的薄膜晶体管测得的输出特性曲线，是不同栅极电压(V_G)下漏极电流(I_D)与漏极电压(V_D)之间的关系。曲线的测试条件为：源极接地(V_S＝0V)，当栅极电压分别为0、5、10V时漏极电压从0V到10V连续扫描，测试漏极电流。从输出特性曲线可以看出所制备的薄膜晶体管具有n沟道特性。图3是实施例1的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，是漏极电流与栅极电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极接地，漏极电压恒定为5V，栅极电压从-10V到10V再从10V到-10V来回扫描2次，测试漏极电流(I_D)。计算得到薄膜晶体管的载流子迁移率为8.9cm²/V^-1s^-1，电流开关比高达10⁹，阈值电压(V_th)为1V。从图3中可以看出正向和反向扫描的曲线基本重合，说明晶体管薄膜界面缺陷较少；此外，当该晶体管在V_D＝5V、V_G＝10V、V_S＝0V的条件下连续工作600秒后，其阈值电压漂移量(ΔV_th)仅为0.3V，远小于文献报道的基于其它氧化物半导体薄膜的TFT的ΔV_th(＞1V)，说明所制备的晶体管具有非常好的电学稳定性。研究表明，掺杂Al可以抑制氧化物半导体薄膜中的本征自由电子的产生，降低氧化物半导体薄膜的本征电导率，可以提高电流开关比；掺杂Nd稀土元素，可以改善氧化物半导体薄膜的热稳定性，提高薄膜结构稳定性。同时掺入Al和Nd，可以综合改善薄膜晶体管的载流子迁移率和电学稳定性。

实施例2

(1)靶材制备

将摩尔百分含量分别为2.3％、3.2％、32.3％和62.2％的Al₂O₃、Nd₂O₃、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过烧结制成靶材，具体条件为：将混合粉末用270KN(千牛顿)的压强压制成片，再用1300℃烧结制成直径为100mm，厚度为5mm的氧化物半导体陶瓷靶材[(Al₂O₃)_x(Nd₂O₃)_y(In₂O₃)_z(ZnO)_(1-x-y-z)，其中，x＝0.023，y＝0.032，z＝0.323]。

(2)溅射制备氧化物半导体薄膜以及薄膜晶体管的制备

薄膜晶体管与实施例1相同。氧化物半导体层4的制备方法如下：

将所制备的氧化物半导体靶材安装在沈阳超高真空技术研究生产的溅射仪(仪器型号：WQL-1)上，用射频溅射模式在绝缘层3(Al₂O₃)上面制备氧化物半导体层4，溅射的本底真空度为10^-3Pa，溅射时氩气(Ar)和氧气(O₂)混合气体的流量分别为27sccm和1.5sccm，压力为0.7Pa。在溅射氧化物半导体薄膜过程中，基片温度为室温，射频溅射功率为180W，氧化物半导体薄膜厚度为35nm。

图4是实施例2的薄膜晶体管测得的输出特性曲线。曲线的测试条件同实施例1。从输出特性曲线可以看出所制备的薄膜晶体管显示出n沟道特性。图5是实施例2的薄膜晶体管测得的转移特性曲线。曲线的测试条件同实施例1。计算得到所制备的薄膜晶体管的载流子迁移率为8.1cm²/V^-1s^-1，开关比为10⁶，阈值电压为-2V。当此器件在V_D＝10V、V_G＝10V、V_S＝0V的条件下连续工作600秒后，其阈值电压漂移量(ΔV_th)仅为0.5V，远小于文献报道的其它氧化物半导体薄膜的电压漂移量(＞1V)，说明所制备的晶体管具有较好的电学稳定性。

实施例3

将摩尔比为0.8％∶5.0％∶32.2％∶62.0％的Al₂O₃、Nd₂O₃、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过铸浆成型、烧结、机械加工、打磨制成直径为100mm，厚度为5mm的陶瓷靶材[(Al₂O₃)_x(Nd₂O₃)_y(In₂O₃)_z(ZnO)_(1-x-y-z)，其中，x＝0.008，y＝0.05，z＝0.322]。

薄膜晶体管与实施例1相同。氧化物半导体层4的制备方法如下：

将所制备的氧化物半导体靶材安装在溅射仪(沈阳超高真空技术研究生产的溅射仪：WQL-1)上，用射频溅射模式在绝缘层3(Al₂O₃)上面制备氧化物半导体层4，溅射的本底真空度为10^-3Pa，溅射时氩气(Ar)和氧气(O₂)混合气体的流量分别为18sccm和2.0sccm，压力为0.9Pa。在溅射氧化物半导体薄膜过程中，基片温度为室温，射频溅射功率为120W，氧化物半导体薄膜厚度为39nm。

测量了薄膜晶体管的输出和转移特性曲线，可以得到所制备的薄膜晶体管的载流子迁移率为4.5cm²/V^-1s^-1，开关比为10⁶，阈值电压为-2.5V。当此器件在V_D＝10V、V_G＝10V、V_S＝0V的条件下连续工作600秒后，其阈值电压漂移量(ΔV_th)为0.4V，远小于文献报道的其它氧化物半导体薄膜的电压漂移量(＞1V)，说明所制备的薄膜晶体管具有较好的电学稳定性。

Claims (5)

1.一种用于薄膜晶体管的氧化物半导体薄膜，其特征在于：该氧化物半导体薄膜材料成分为：(Al₂O₃)_x(Nd₂O₃)_y(In₂O₃)_z(ZnO)_(1-x-y-z)，其中，0.008≤x≤0.023，0.003≤y≤0.05，0.322≤z≤0.327，该氧化物半导体薄膜材料用于制作薄膜晶体管的有源层。

2.权利要求1所述的用于薄膜晶体管的氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于包括以下的工艺步骤：

(1)靶材的制备：将摩尔百分比含量分别为x、y、z和(1-x-y-z)的Al₂O₃、Nd₂O₃、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过铸浆或热压成型、烧结、机械加工、打磨形成靶材；

(2)溅射制备氧化物半导体薄膜：将靶材安装在溅射仪上，通过溅射方法制备用于薄膜晶体管的氧化物半导体薄膜，该氧化物半导体薄膜材料成分为：(Al₂O₃)_x(Nd₂O₃)_y(In₂O₃)_z(ZnO)_(1-x-y-z)，其中，0.008≤x≤0.023，0.003≤y≤0.05，0.322≤z≤0.327。

3.根据权利要求2所述的用于薄膜晶体管的氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于：所述的热压成型是用200KN～350KN的压强压制成片。

4.根据权利要求2所述的用于薄膜晶体管的氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于：所述的烧结是指在温度为800～1500℃烧结制成靶材。

5.根据权利要求2所述的用于薄膜晶体管的氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于：所述溅射方法的条件：真空度为5.0x10^-4Pa～2.0x10^-1Pa，溅射功率为100～200W，氩气和氧气混合气体的流量分别为15～30sccm和0.5～2.5sccm。

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