CN102290443A - 一种非晶薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属氧化物薄膜晶体管(Metal oxide thin film transistor，MOTFT)的制备工艺。首先，采用最优O含量的有源层来提高MOTFT的EBS稳定性。其次，采用掺Mg有源层来提高MOTFT的UV光稳定性。最后，采用富In₂O₃或纯ZnO有源层来提高MOTFT的迁移率。

Description

一种非晶薄膜晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属氧化物薄膜晶体管(Metal oxide thin film transistor，MOTFT)及其制备方法。

背景技术

当前，具有制备成本低、电学性能优良和透明等优点的MOTFT，极有可能成为新一代的主流TFT技术，将在有源平板显示(Active-matrix flat paneldisplay，AM-FPD)领域得到大量的应用。但MOTFT的缺点是易吸收或脱附O、H和H₂O有关的分子，这些因素改变透明氧化物半导体(Transparent oxidesemiconductor，TOS)的电子浓度(N_e)而影响TFT的稳定性。MOTFT的电致偏应力(Electrical bias stress，EBS)稳定性和p-Si TFT相比还有差距。研究认为HfInZnO-TFT及ZrInZnO-TFT的EBS稳定性远远高于a-IGZO TFT，但各元素对稳定性影响的物理机制缺乏深入的分析。这是当前a-IGZO TFT产业化研究的焦点。因为，如有源有机发光二极管(Active matrix organic lightemitting diode，AM-OLED)对TFT的稳定性要求非常高，如TFT的V_th变化±0.1V将使OLED亮度变化16％。

其次，MOTFT对紫外(UV)光的稳定性差。TOS的带隙(E_g)～3eV，a-Si的E_g～1.78eV。因此，尽管MOTFT比a-Si TFT光稳定，但TOS仍易吸收光子能量大于3.4eV(波长λ＜365nm)的UV光，由此产生的光电子束缚在有源层/绝缘层界面，使TFT的栅滞后电压和I_off明显提高。TFT及显示器件在制备过程中常需UV光刻工艺。因此，MOTFT的UV光稳定性待进一步提高。

当前液晶显示(Liquid crystal display，LCD)面板发展的特点是玻璃基板尺寸每2.5年增加一倍。随着基板尺寸的增加，要求显示分辨率提高。当显示像素数大于10M时，则要求TFT μ＞10cm²/(V.s)。3D显示是目前AM-FPD领域的一个热点。3D显像原理是要让左眼及右眼在同样的帧传输时间(T)内，同时看到不同角度的不同影像讯号。因此，相比于一般2D显像时(左右眼看到的是相同讯号)的操作，3D显像给出讯号的频率要更高，才可以在同一T内传递供左眼及右眼看的不同的讯号。帧频率f和T之间满足：

f＝1/T， $T\∝\frac{1}{V}=\frac{1}{\mathrm{nq\μ}},$

式中V为电子传输速度，n为材料中的电子浓度，q＝1.6×10^-19K，μ为TFT迁移率。可见，帧频率f若要越高，则μ就要越大。对于f＜1kHz，要求TFT：1cm²/(V.s)＜μ＜10cm²/(V.s)；当1kHz＜f＜100kHz，则要求10cm²/(V.s)＜μ＜100cm²/(V.s)；当100kHz＜f＜1MHz，则要求100cm²/(V.s)＜μ＜1000cm²/(V.s)。

近年来，AM-OLED已成为海内外非常热门的新兴FPD产业，被喻为下一代的“明星”FPD技术。AM-OLED的像素是通过电流注入才发光，因此要求驱动TFT具有高μ和提供高电流才能提高像素的发光亮度。如OLED一般要求10-100mA.cm^-2范围的电流来驱动显示，对于100μm×100μm尺寸的像素，要求1-10μA的驱动电流。因此要求TFT的μ＞1cm²/(V.s)。

但当前MOTFT的性能仅为：μ～10cm²/(V.s)，这远不能满足AM-FPD发展的要求。因此研制具有高μ的MOTFT对于未来AM-FPD的应用意义重大。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是，提供一种薄膜晶体管及其制备方法，具有更好的EBS稳定性。

为解决上述技术问题，本发明提供了：一种MOTFT，采用O含量优化的有源层。

本发明还提出了：一种MOTFT的制备方法，包括制作栅极、制作栅介质、制作有源层、制作源漏极、制作保护层、退火，所述制作有源层的步骤为：用磁控溅射法制备，制备过程不充O₂气或从小到大增加O₂气流量，当TFT的EBS稳定性较佳时，即为找到最佳工艺点，持续使用该最佳工艺条件制备有源层。

本发明的有益效果是：随着有源层O含量的减少，薄膜内氧空位浓度增加，电子浓度(N_e)增加，由于是n型TFT，故TFT的阈值电压(V_th)和亚阈值摆幅(S)随着有源层N_e的减小而减小，并使得有源层/栅介质的界面束缚态(N_i)减少，在EBS过程中常是有源层/栅介质的界面束缚或释放电子，而改变有源层N_e，从而改变V_th(TFT稳定性的重要体现)，因此，随着TFT N_i的减小，在EBS过程中，有源层/栅介质界面束缚或释放的电子数将减少，故TFT稳定性将提高。

附图说明

图1为本发明一种MOTFT的实施例的结构示意图；

图2为本发明一种MOTFT的制备方法的实施例的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

当前MOTFT要解决的主要技术问题有：第一，提高EBS稳定性；第二、提高UV光稳定性；第三，提高μ。本发明实施例解决以上问题的技术方案有：第一，采用最优O含量的有源层来提高MOTFT的EBS稳定性；第二、使用MS工艺连续制备非晶态栅介质和有源层工艺来提高MOTFT的EBS稳定性；第三，采用Mg掺杂有源层来提高MOTFT的UV光稳定性；第四，用掺Ga或Mg的In₂O₃作为有源层来制备高μTFT；第五，通过提高MS工艺制备ZnO有源层的T_S或用PLD工艺制备ZnO有源层，来制备高μZnO TFT。

如图1所示，本发明实施例提出的TFT包括：

101、基底；

在本发明实施例中，采用无碱玻璃作为基底；

102、栅介质；

103、有源层；

104、栅极；

在本发明实施例中，采用透明导电膜作为栅极；

105、源漏极；

在本发明实施例中，采用透明导电膜作为源漏极；

106、保护层；

在本发明实施例中，在所述制备有源层工艺基础上进一步掺N形成保护层。

在本发明一种MOTFT的第一实施例中，所述栅介质为非晶态结构的栅介质，例如SiO₂、SiNx、Ta₂O₅等。本实施例采用非晶态结构的栅介质可以提高MOTFT的EBS稳定性至：ΔV_th＜1V，EBS：Vg＝20V，t＝1500s；满足AM-FPD应用要求。非晶态结构的栅介质除了选用传统的a-Si(O，，N)，也可选用高介电常数(K)Ta₂O₅栅介质。目前在MOTFT中应用的高K栅介质有TiO₂、HfO₂、ZrO₂和HfLaO等，这些栅介质均为纳米晶体结构，而Ta₂O₅为非晶态结构。栅介质的非晶态结构将减小其本征缺陷(如晶界)和提高结构的致密度和减小漏电流，以及减小栅介质/半导体的界面束缚态(N_i)，这将提高MOTFT的EBS稳定性。

在本发明一种MOTFT的第二实施例中，所述有源层为经过优化O含量处理的有源层。以a-IGZO TFT为例进行说明，随着a-IGZO中O含量的减少，其N_e增加，使TFT的V_th、S及N_i减少。在EBS过程中常是a-IGZO/栅介质的界面束缚电子，而改变有源层N_e，从而改变V_th。因此，随着TFT N_i的减小，在EBS过程中，a-IGZO/栅介质界面束缚的电子数将减少，使TFT稳定性提高。本实施例通过优化a-IGZO的O含量可以提高TFT的EBS稳定性至：ΔV_th＜1V，EBS：Vg＝20V，t＝1500s；满足AM-FPD应用要求。目前普遍认为在a-IGZO中，作为非电子活性杂质的Ⅳ族元素如Zr或Hf和氧键合后，将在抑制电子浓度和改善TFT的EBS稳定性方面起十分重要的作用。由于Hf、Zr的电子亲和能均比Ga要大，使得Hf-O和Zr-O均比Ga-O键合牢固而抑制了自由电子的产生，现有技术中的HfInZnO-TFT及ZrInZnO-TFT的EBS稳定性远远高于a-IGZOTFT。但与a-IGZO薄膜相比，HfInZnO薄膜和ZrInZnO薄膜存在以下缺点：a.常需用双靶溅射系统制备，靶材成份尚未固定，因此薄膜成份难以控制；b.易出现结晶相而影响薄膜的均匀性；c.尚无大量的应用报道，因此开发靶材和制备工艺的成本高。本实施例继续以a-IGZO有源层为基础，通过优化有源层O含量来提高TFT稳定性。a-IGZO TFT目前已得到大量的应用，而且制备有源层的靶材成份稳定。

在本发明一种MOTFT的第三实施例中，所述有源层为掺Mg的有源层。仍然以a-IGZO TFT为例进行说明。因为Ga₂O₃薄膜的带隙E_g～4.9eV，MgO薄膜的E_g＝7.9eV。因此，用Mg替代Ga，制备InMgZnO(即IMZO)有源层，可进一步提高有源层的E_g和TFT的UV光稳定性。本实施例采用Mg替代Ga提高a-IGZO TFT的UV光稳定性至：|ΔV_th|＜1V，光照波长λ～360nm，光即开即关；满足AM-FPD应用要求。

在本发明一种MOTFT的第四实施例中，所述有源层为掺Ga或Mg的In₂O₃。In₂O₃薄膜具有高迁移率，是a-IGZO高迁移率的根源。但In₂O₃的N_e太高(～10²⁰cm^-3)使TFT性能差。Ga₂O₃和MgO薄膜的Ne均很低。因此可以通过掺Ga或Mg来减小In₂O₃的Ne。当前常用a-IGZO的溅射靶材成份为In₂O₃∶Ga₂O₃∶ZnO＝45∶30∶25wt％，In₂O₃和ZnO迁移率相当，但靶材中仍含有25％的ZnO。因此，本实施例只使用一种高迁移率材料In₂O₃，利用Ga₂O₃或MgO抑制In₂O₃的高N_e并使系统仍为非晶态氧化物。本实施例充分利用了In₂O₃的高迁移率特征来制备以下性能的高迁移率TFT：10cm²/(V.s)＜μ＜100cm²/(V.s)，I_on＞10^-3A，I_on/I_off＞10⁶，满足未来AM-FPD应用要求。

在本发明一种MOTFT的第五实施例中，所述有源层为ZnO。ZnO薄膜同样具有高迁移率，且N_e很低(～10¹⁶cm^-3)，因此ZnO TFT性能很好。本实施例中的ZnO TFT可以达到以下晶态高迁移率：30cm²/(V.s)＜μ＜500cm²/(V.s)，I_on＞10^-3A，I_on/I_off＞10⁶，满足未来AM-FPD应用要求。

以上各实施例并非只能单独应用，相互之间也可以结合起来构成新的实施例，例如可以将第一实施例与第二实施例相互结合，那么就是既包括非晶态结构的栅介质，又包括经过优化O处理的有源层的MOTFT。

如图2所示，本发明实施例还提出了一种MOTFT的制备方法，包括：

201、制作基底；

以无碱玻璃作为基底；

202、制作栅极；

在该玻璃基底上制备100nm透明导电膜薄膜，湿法刻蚀形成栅极(Gate)；

203、制作栅介质；

制备300nm栅介质(a-Si(O，N)或Ta₂O₅)；

204、制作有源层；

本实施例仍然以a-IGZO TFT为例进行说明，在栅介质上制备40nma-IGZO有源层，湿法刻蚀形成半导体岛；

205、制作源漏极；

再在半导体岛上制备300nm透明导电膜薄膜，湿法刻蚀形成源、漏电极；

206、制作保护层；

再在有源层上通过制备a-IGZO时掺N形成a-IGZON保护层；

207、退火；

将TFT在N₂气氛中350℃退火1小时。

其中：

在本发明一种MOTFT的制备方法的第一实施例中，所述栅介质为非晶态结构的栅介质，所述203与204分别可以是：

203A、以SiO₂、SiN_x或Ta₂O₅为靶材，用MS工艺制备栅介质；

204A、制备完栅介质后，立即在同一真空腔内换靶制备有源层；

应用上述制备方法的优点包括：

目前，a-IGZO TFT的栅介质如SiO₂和SiN_x常用化学气相沉积。该工艺有三个缺点：第一，栅介质和有源层在两台设备内分步制备完成，即中间过程需暴露在空气中，这增加了界面缺陷。第二，薄膜中含有大量的H，而提高了栅介质的束缚电荷密度。以上两缺点均使TFT的EBS稳定性降低。第三，设备投资大且工艺安全性低。而用MS工艺制备栅介质均避免了上述缺点，因为：栅介质和有源层可以在同一台MS设备内连续镀膜完成，而且制备的栅介质不含H。最后，MS设备投资明显比化学气相沉积小且工艺安全性高。因此，用MS制备栅介质工艺在MOTFT的制备中可望替代化学气相沉积制备栅介质工艺。

在本发明一种MOTFT的制备方法的第二实施例中，所述有源层为经过优化O含量处理的有源层，所述204可以是：

204B、用InGaZnO_x靶溅射制备高稳定性a-IGZO TFT有源层，制备过程不充氧(或者，从小到大增加反应气体O₂流量(0，0.5sccm，1sccm等))。测量TFT性能：当EBS稳定性均较佳时(例如：ΔV_th＜1V，EBS：V_g＝20V，t＝1500s)，即为找到最佳工艺点，持续使用该最佳工艺点的工艺条件制备有源层；

在本发明一种MOTFT的制备方法的第三实施例中，所述有源层为掺M_g的有源层，所述204可以是：

204C、靶材成份为：In₂O₃∶MgO∶ZnO＝45∶30∶25wt％或In₂O₃∶MgO∶ZnO＝60∶15∶25wt％，用MS工艺制备InMgZnO(IMZO)。

在本发明一种MOTFT的制备方法的第四实施例中，所述有源层为掺Ga或Mg的In₂O₃。所述204可以是：

204D、靶材成份为：In₂O₃∶Ga₂O₃＝70∶30mol％，In₂O₃∶MgO＝75∶25wt％或90∶10wt％，用MS工艺制备。

在本发明一种MOTFT的制备方法的第五实施例中，所述有源层为纯ZnO。所述204可以是：

204E、用MS工艺制备ZnO，T_S～350℃，靶材为金属Zn靶；也就是说，提高磁控溅射制备ZnO有源层的基底温度T_S至～350℃，以此制备高迁移率纯ZnO TFT；

或，

204F、用PLD制备ZnO TFT有源层，T_S～600℃，Zn靶，氧分压～10^-3Pa；

薄膜沉积时的T_S是决定薄膜晶化程度的最重要参数。提高T_S可以进一步提高薄膜的晶粒尺寸G，而且薄膜迁移率μ随G增加而增加。因此，我们通过提高T_S来制备高迁移率ZnO TFT(μ：10cm²(V.s)^-1～100cm²(V.s)^-1)。

此外，用PLD工艺制备的ZnO薄膜μ可达155～440cm²/(V.s)，且N_e低和稳定(10¹⁶cm^-3)，G～100nm。该工艺已用于单晶IGZO TFT、Cu₂O TFT及SnOTFT等有源层的制备，但尚未用于ZnO TFT有源层的制备。目前用室温MS工艺制备的ZnO薄膜μ仅2cm²/(V.s)，但TFT已有很好的性能：μ～27cm²/(V.s)，I_on～10^-3A(V_d＝10V)，I_on/I_off～10⁶。同样根据T_S增加→G增加→μ增加这一原理，及参考低温多晶硅TFT制备工艺的经验，我们用PLD制备高迁移率ZnO TFT(μ：100cm²(V.s)^-1～500cm²(V.s)^-1)。

以上各实施例并非只能单独应用，相互之间也可以结合起来构成新的实施例，例如可以将第一实施例中的栅介质的制备方法与第二实施例中的有源层的制备方法相互结合来制备既包括非晶态结构的栅介质，又包括有源层为经过优化O处理的MOTFT。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种MOTFT，其特征在于：采用O含量优化的有源层。

2.如权利要求1所述的MOTFT，其特征在于：所述有源层采用Mg掺杂。

3.如权利要求1所述的MOTFT，其特征在于：所述有源层为ZnO。

4.如权利要求1所述的MOTFT，其特征在于：所述有源层为掺Ga或Mg的In₂O₃。

5.如权利要求1所述的MOTFT，其特征在于：所述栅介质为非晶态结构的栅介质。

6.一种MOTFT的制备方法，包括制作栅极、制作栅介质、制作有源层、制作源漏极、制作保护层、退火，其特征在于：所述制作有源层的步骤为：用磁控溅射(Magnetic sputtering，MS)制备，制备过程不充O₂气或从小到大增加O₂气流量，当TFT的EBS稳定性较佳时，即为找到最佳工艺点，持续使用该最佳工艺条件制备有源层。

7.如权利要求6所述的MOTFT的制备方法，其特征在于：

所述制作有源层的步骤为：用MS工艺制备InMgZnO_x，靶材成份为In₂O₃∶MgO∶ZnO＝45∶30∶25wt％或In₂O₃∶MgO∶ZnO＝60∶15∶25wt％。

8.如权利要求6所述的MOTFT的制备方法，其特征在于：

所述制作有源层的步骤为：用MS工艺制备ZnO，基底温度T_S～350℃，靶材为金属Zn靶；或者用脉冲激光沉积(Pulsed laser deposition，PLD)工艺制备ZnO，制备条件为：T_S～600℃，Zn靶，氧分压～10^-3Pa。

9.如权利要求6所述的MOTFT的制备方法，其特征在于：

所述制作有源层的步骤为：用MS工艺制备，靶材成份为In₂O₃∶Ga₂O₃＝70∶30mol％，In₂O₃∶MgO＝75∶25wt％或90∶10wt％。

10.如权利要求6所述的MOTFT的制备方法，其特征在于：

所述制作栅极的步骤为：在玻璃基底上制备透明导电膜薄膜，湿法刻蚀形成栅极；

所述制作栅介质的步骤为：用MS工艺制备栅介质，以a-Si(O，，N)或Ta₂O₅为靶材；

所述制作源、漏极的步骤为：在半导体岛上制备透明导电膜薄膜，湿法刻蚀形成源、漏电极；

所述制作保护层的步骤包括：在所述制备有源层工艺基础上进一步掺N形成保护层；

所述退火的步骤包括：将所述TFT在N₂气氛中350℃退火1小时。

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