CN102403363A - 双层氧化物薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层氧化物薄膜晶体管及其制备方法，本发明包括基板、栅极、绝缘层、第一层氧化物层、第二层氧化物层、源极和漏极；从上到下依次是第二层氧化物层、第一层氧化物层、绝缘层、栅极、基板，绝缘层覆盖在栅极之上，源极和漏极分别覆盖在第二层氧化物层的两端并且相互间隔。第一层氧化物层和第二层氧化物层通过溅射的方法制备，并且在溅射过程中使用同一个靶材，通过控制氧气与氩气的流量来控制载流子浓度，其中第一层氧化物层的载流子浓度小于10¹⁶cm^-3；第二层氧化物层的载流子浓度大于10¹⁷cm^-3。这种结构的薄膜晶体管能有效降低关态电流，提高电流的开关比，提高器件稳定性。

Description

双层氧化物薄膜晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种薄膜晶体管，特别是涉及一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法，该薄膜晶体管主要用于有机发光显示、液晶显示以及电子纸的有源驱动，也可以用于集成电路。

背景技术

近年来，基于金属氧化物的薄膜晶体管因为其迁移率高、透光性好、薄膜结构稳定、制备温度低以及成本低等优点受到越来越多的重视。金属氧化物薄膜晶体管的发展主要目标是用于平板显示、柔性电子器件、透明电子器件以及传感器等方面。在平板显示方面，目前主要使用氢化非晶硅（a-Si：H）或多晶硅等材料的薄膜晶体管，然而氢化非晶硅材料的局限性主要表现在对光敏感、电子迁移率低（<1cm²/Vs）以及电学参数稳定性差等方面，而多晶硅薄膜的局限性主要体现在电学性质均匀性差、制备温度高以及成本高等方面。

氧化物半导体材料主要包括氧化锌（ZnO）、氧化铟镓（InGaO）、氧化锌锡（ZnSnO）、氧化铟镓锌（InGaZnO）等。基于这些金属氧化物的薄膜晶体管电子迁移率较高（1~100cm²/Vs）、制备温度低（<400℃，远远低于玻璃的熔点）、成本低（只需要普通的溅射工艺即可完成）以及持续工作稳定性好。正因为如此，基于氧化物的薄膜晶体管在平板显示领域尤其是有机发光显示（OLED）领域有替代传统的硅材料工艺薄膜晶体管的趋势，受到学术界和业界的关注和广泛研究。

通常，基于氧化物的薄膜晶体管都是只含有单层氧化物层，即只有一层氧化物半导体层，由于氧化物半导体的本征载流子浓度较大，这种器件的阈值电压为负值，关态电流较大，造成电流开关比较小。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点与不足，提供一种双层氧化物薄膜晶体管及其制备方法，本发明提出一种既能够抑制过剩的本征载流子、提高阈值电压、降低关态电流、提高电流开关比，同时又能够改善绝缘层和氧化物半导体层的接触，提高稳定性的新型双层氧化物薄膜晶体管及其制备方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种双层氧化物薄膜晶体管，包括基板、栅极、绝缘层、第一层氧化物层、第二层氧化物层、源极和漏极；从上到下依次是第二层氧化物层、第一层氧化物层、绝缘层、栅极、基板，绝缘层覆盖在栅极之上，源极和漏极分别覆盖在第二层氧化物层的两端并且相互间隔，所述的第一层氧化物层和第二层氧化物使用同一靶材，所述的靶材的材料的化学式为(Al₂O₃)_x(In₂O₃)_y(ZnO)_1-x-y 其中0＜x≤0.2、0.3≤y≤0.8。

所述第一层氧化物层的厚度为2~10nm、载流子浓度小于10¹⁶cm^-3，第二层氧化物层的厚度为20~100nm、载流子浓度大于10¹⁷cm^-3。

所述的靶材的材料进一步包括钽、钕、镍、锡中的一种以上元素，这些元素的原子数与铝、锌、铟三种元素的原子数之和的比例为0~0.05。所述的栅极的材料为铝或铝合金时，则所述的绝缘层为铝或铝合金的氧化物；所述的栅极的材料为钼、铬、金、银、铜、镍、锌、钛、铌、钽、钨或氧化铟锡时，则所述绝缘层材料为二氧化硅或氮化硅。

所述的基板为透明材料，厚度为0.2~1mm。

所述的双层氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）栅极的制备

在基板上采用溅射的方法制备一层厚度为100~500nm的栅极材料的薄膜，并采用掩模或光刻的方法图形化得到栅极；

（2）绝缘层的制备

所述绝缘层采用阳极氧化或化学气相沉积的方法制备得到厚度为100~1000nm的绝缘层材料的薄膜，并采用掩模或光刻的方法图形化得到绝缘层；若所述的栅极的材料为铝或铝合金，则所述的绝缘层采用阳极氧化的方法制备得到铝或铝合金的氧化物；若所述的栅极的材料为钼、铬、金、银、铜、镍、锌、钛、铌、钽、钨或氧化铟锡时，则所述的绝缘层采用化学气相沉积的方法制备得到二氧化硅或氮化硅；

（3）第一层氧化物层、第二层氧化物层的制备

在绝缘层上面通过连续两次溅射的方法制备得到厚度为2~10nm的第一层氧化物层、厚度为20~100nm的第二层氧化物层，所述的第一层氧化物层和第二层氧化物层采用掩模或光刻的方法同时图形化，在制备过程中使用同一个靶材，并通过控制氧气与氩气的流量来控制氧化物层中的载流子浓度； 

（4）漏极和源极的制备

 在所述的第二层氧化物层的两端采用真空蒸镀或溅射的方法制备得到厚度为100~1000nm的源极和漏极的薄膜材料，并采用掩模或光刻的方法图形化得到漏极和源极。

所述步骤（3）中在制备第一层氧化物层时，氧气与氩气的流量比大于0.3，在制备第二层氧化物层时，氧气与氩气的流量比小于 0.2。

本发明提出的双层氧化物薄膜晶体管及其制备方法的最重要的特征是具有双层氧化物层的的结构。其中第一层氧化物层的载流子浓度较低（小于10¹⁶cm^-3），主要起过渡作用；第二层氧化物层的载流子浓度较高（大于10¹⁷cm^-3），主要起半导体的作用。由于第一层氧化物层的载流子浓度较低，所以器件较容易关断，并且当器件关断时，流经第一层氧化物层及其上下界面的电流也能得到减小，从而能降低关态电流，提高电子迁移率，提高电流开关比；当器件导通时，由于载流子浓度很高，而第一层氧化物层很薄，远远无法容纳高浓度的载流子，所以载流子仍然主要聚集在第二层氧化物层上，这时由于第一层氧化物和第二层氧化物层的材料成份相似，所以它们之间的界面的缺陷较少，能提高器件的稳定性。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益特征： 

（1）本发明的双层氧化物薄膜晶体管包括双层氧化物层的的结构，能有效降低关态电流，提高电流的开关比，提高器件的电学稳定性，这种不同含氧量的双层结构不同于传统的半导体晶体管只有含氧量均一的一层金属氧化物层；

（2）本发明的双层氧化物薄膜晶体管的第一层氧化物层和第二层氧化物层是用同一个靶材进行连续两次溅射获得，两次溅射之间无需移动基片位置，并且这两层薄膜是一起图形化的，因此，既能改善性能，又不会增加工艺难度。

附图说明

图1 是本发明的双层氧化物薄膜晶体管结构示意图；

图2是本发明的双层氧化物薄膜晶体管的沟道的俯视图；

图3是实施例1中的转移特性曲线，即在源漏电极之间施加5V电压时，输出电流与栅极电压之间的关系曲线；

图4是实施例2中的转移特性曲线，即在源漏电极之间施加5V电压时，输出电流与栅极电压之间的关系曲线；

图5是实施例3中的转移特性曲线，即在源漏电极之间施加5V电压时，输出电流与栅极电压之间的关系曲线；

图6是实施例4中的转移特性曲线，即在源漏电极之间施加5V电压时，输出电流与栅极电压之间的关系曲线。

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。

图1显示了根据实施方式中所述的双层氧化物薄膜晶体管的结构，其包括：包括基板10、栅极11、绝缘层12、第一层氧化物层13、第二层氧化物层14、源极15a和漏极15b；从上到下依次是第二层氧化物层14、第一层氧化物层13、绝缘层12、栅极11、基板10，绝缘层12覆盖在栅极11之上，源极15a和漏极15b分别覆盖在第二层氧化物层14的两端并且相互间隔；

如图2所示：源极15a和漏极15b的间隔左右两端的距离即为沟道长度（L），源漏电极的前后端的长度即为沟道宽度（W）。

基板10的材料为透明材料，厚度为0.2~1mm。

首先在玻璃基板上通过溅射的方法制备一层厚度为100~500nm的栅极材料的薄膜，通过掩模或光刻的方法图形化，得到栅极11。

所述的栅极的材料为铝或铝合金时，则所述的绝缘层为通过阳极氧化的方法制备得到铝或铝合金的氧化物；所述的栅极的材料为钼、铬、金、银、铜、镍、锌、钛、铌、钽、钨或氧化铟锡时，则所述绝缘层材料为通过化学气相沉积的方法制备得到二氧化硅或氮化硅。

若栅极11的材料为铝或铝合金，则绝缘层12通过阳极氧化的方法制备。

第一层氧化物层13和第二层氧化物层14依次通过对同一靶材经过两次溅射制备，第一层氧化物层13的厚度为2~10nm，第二层氧化物层14的厚度为20~100nm；第一层氧化物层13的载流子浓度小于10¹⁶cm^-3，第二层氧化物层14的载流子浓度大于10¹⁷cm^-3。第一层氧化物层13和第二层氧化物层14的载流子浓度通过溅射过程中的氧气和氩气的流量控制，在溅射制备第一层氧化物层13时，氧气与氩气的比例大于0.3，在溅射制备第二层氧化物层14时，氧气与氩气的流量比小于0.2。第一层氧化物层13和第二层氧化物层14通过掩模或光刻的方法一起图形化，得到完全重叠的图形，如图1B所示。

第一层氧化物层13和第二层氧化物层14的制备使用同一靶材，靶材的材料的化学式为(Al₂O₃)_x(In₂O₃)_y(ZnO)_1-x-y 其中0＜x≤0.2、0.3≤y≤0.8。

所述的靶材的材料进一步包括钽、钕、镍、锡中的一种以上元素，这些元素的原子数与铝、锌、铟三种元素的原子数之和的比例为0~0.05。第二层氧化物层14两端采用真空蒸镀或溅射的方法制备所述的源极15a和漏极15b，厚度为100~1000nm，采用光刻或者掩模技术图形化。源极15a和漏极15b的材料可以是铝（Al）、钼（Mo）、铬（Cr）、金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、镍（Ni）、锌（Zn）、钛（Ti）、铌（Nb）、钽（Ta）、钨（W）或氧化铟锡（ITO）等导电材料。

下面通过4个具体实施例对本发明做进一步的详细描述。

实施例1

本实施例利用铝合金（铝和钕的合金）作为栅极11材料。玻璃基板10的材料为无碱玻璃，厚度为0.4mm。

首先在玻璃基板10上通过溅射的方法制备一层厚度为300nm的铝合金薄膜，溅射本底真空度优于1×10^-3Pa，氩气流量为60SCCM，功率为10W/cm²，厚度为300nm，通过光刻的方法图形化得到栅极11。 

绝缘层12为通过阳极氧化制备，阳极氧化中使用的电解质溶液可以是酒石酸铵和乙二醇的混合液，将制备好栅极11的基片和不锈钢板放入电解质溶液中分别作为阳极和阴极，先在阳极和阴极之间加恒定的电流0.1mA /cm²，阳极和阴极之间的电压将随时间线性升高，当电压达到100V，恒定100V，直至阳极和阴极之间的电流减小至约为0.001 mA/cm²时，将基片取出用氮气吹干再清洗，测得氧化膜厚度为140nm。

第一层氧化物层13和第二层氧化物层14的制备使用同一靶材，靶材的材料的化学式为(Al₂O₃)_0.05(In₂O₃)_0.3(ZnO)_0.55，即x=0.05、y=0.3，此外，靶材中进一步包含Nd元素，Nd的原子数与Al、Zn、In三种元素的原子数之和的比例为0.005。

第一层氧化物层13的溅射的本底真空度为10^-3Pa，氩气流量为50SCCM，氧气流量为15SCCM，功率为1W/cm²，所制备的膜的厚度为2nm，载流子浓度为10¹⁵cm^-3；第二层氧化物层14的溅射的本底真空度为10^-3Pa，氩气流量为50SCCM，氧气流量为4SCCM，功率为1W/cm²，所制备的膜的厚度为30nm，载流子浓度为2×10¹⁷cm^-3；第一层氧化物层13和第二层氧化物层14通过光刻的方法同时图形化。

源极15a和漏极15b的材料为ITO，通过溅射的方法制备，溅射的本底真空度为10^-3Pa，功率为0.5W/cm²，厚度为250nm，通过剥起（lift-off）的方法形成沟道的宽度和长度分别为100μm和10μm，宽长比为10:1。

所制备的薄膜晶体管器件性能在空气中测试。图3是实施例1的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极电流与栅极电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极电压（V _S）为0V，漏极电压（V _D）恒定为5V，栅极电压（V _G）从-10V到10V扫描，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10.2 cm²V^-1s^-1，阈值电压为1.5V，器件的关态电流（I _off）可以低至10^-13~10^-14A，开关比（I _on/off）高达10⁹。

实施例2

本实施例利用铝合金（铝和钕的合金）作为栅极11材料。玻璃基板10的材料为无碱玻璃，厚度为0.4mm。栅极11和绝缘层12的制备过程与实施例1完全相同。

第一层氧化物层13和第二层氧化物层14的制备使用同一靶材，靶材的材料的化学式为(Al₂O₃)_0.2(In₂O₃)_0.6(ZnO)_0.2，即x=0.2、y=0.6。

第一层氧化物层13的溅射的本底真空度为10^-3Pa，氩气流量为50SCCM，氧气流量为15SCCM，功率为1W/cm²，所制备的膜的厚度为2nm，载流子浓度为3×10¹⁵cm^-3；第二层氧化物层14的溅射的本底真空度为10^-3Pa，氩气流量为50SCCM，氧气流量为4SCCM，功率为1W/cm²，所制备的膜的厚度为30nm，载流子浓度为3×10¹⁷cm^-3；第一层氧化物层13和第二层氧化物层14通过光刻的方法同时图形化。

源极15a和漏极15b的材料为ITO，其制备过程与实施例1完全相同。

所制备的薄膜晶体管器件性能在空气中测试。图4是实施例2的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极电流与栅极电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极电压（V _S）为0V，漏极电压（V _D）恒定为5V，栅极电压（V _G）从-10V到10V扫描，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11.8 cm²V^-1s^-1，阈值电压为-1V，器件的关态电流（I _off）可以低至10^-13~10^-14A，开关比（I _on/off）高达10⁹。

实施例3

本实施例利用铝合金（铝和钕的合金）作为栅极11材料。玻璃基板10的材料为无碱玻璃，厚度为0.4mm。栅极11和绝缘层12的制备过程与实施例1完全相同。

第一层氧化物层13和第二层氧化物层14的制备使用同一靶材，靶材的材料的化学式为(Al₂O₃)_0.1(In₂O₃)_0.8(ZnO)_0.1，即x=0.1、y=0.8。

第一层氧化物层13的溅射的本底真空度为10^-3Pa，氩气流量为50SCCM，氧气流量为30SCCM，功率为1W/cm²，所制备的膜的厚度为2nm，载流子浓度为8×10¹⁵cm^-3；第二层氧化物层14的溅射的本底真空度为10^-3Pa，氩气流量为50SCCM，氧气流量为10SCCM，功率为1W/cm²，所制备的膜的厚度为30nm，载流子浓度为2×10¹⁸cm^-3；第一层氧化物层13和第二层氧化物层14通过光刻的方法同时图形化。

源极15a和漏极15b的材料为ITO，其制备过程与实施例1完全相同。

所制备的薄膜晶体管器件性能在空气中测试。图5是实施例3的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极电流与栅极电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极电压（V _S）为0V，漏极电压（V _D）恒定为5V，栅极电压（V _G）从-10V到10V扫描，测试漏极电流（I _D）。测得薄膜晶体管的载流子迁移率为10.2 cm²V^-1s^-1，阈值电压为-5V，器件的关态电流（I _off）10^-6A，开关比（I _on/off）约为10³，器件的关态电流较高主要是因为所用的(Al₂O₃)_0.1(In₂O₃)_0.8(ZnO)_0.1材料的In含量较高，载流子浓度大，造成本征电流大。

实施例4

本实施例利用钼（Mo）作为栅极11材料。玻璃基板10的材料为无碱玻璃，厚度为0.4mm。

首先在玻璃基板10上通过溅射的方法制备一层厚度为300nm的Mo薄膜，溅射本底真空度优于1×10^-3Pa，氩气流量为60SCCM，功率为10W/cm²，厚度为200nm，通过光刻的方法图形化得到栅极11。

绝缘层12采用化学气相沉积（PECVD）的方法制备的二氧化硅（SiO₂）。制备过程中使用硅烷（SiH₄）和笑气（N₂O），它们的流量分别为15和300SCCM，基板温度为350摄氏度，所得SiO₂的厚度为200nm，通过光刻图形化。

第一层氧化物层13和第二层氧化物层14的制备使用的靶材和制备过程与实施例1完全相同。

源极15a和漏极15b的材料为ITO，其制备过程与实施例1完全相同。

所制备的薄膜晶体管器件性能在空气中测试。图6是实施例4的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极电流与栅极电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极电压（V _S）为0V，漏极电压（V _D）恒定为5V，栅极电压（V _G）从-10V到10V扫描，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8.2 cm²V^-1s^-1，阈值电压为1V，器件的关态电流（I _off）可以低至10^-13~10^-14A，开关比（I _on/off）高达10⁸。

Claims (7)

1.一种双层氧化物薄膜晶体管，其特征在于：包括基板、栅极、绝缘层、第一层氧化物层、第二层氧化物层、源极和漏极；从上到下依次是第二层氧化物层、第一层氧化物层、绝缘层、栅极、基板，绝缘层覆盖在栅极之上，源极和漏极分别覆盖在第二层氧化物层的两端并且相互间隔，所述的第一层氧化物层和第二层氧化物使用同一靶材，所述的靶材的材料的化学式为(Al₂O₃)_x(In₂O₃)_y(ZnO)_1-x-y 其中0＜x≤0.2、0.3≤y≤0.8，在制备第一层氧化物层和第二层氧化物层时，通过控制氧气和氩气的流量，得到第一层载流子浓度小于10¹⁶cm^-3、第二层氧化物层的载流子浓度大于10¹⁷cm^-3。

2.根据权利要求１所述的双层氧化物薄膜晶体管，其特征在于：第一层氧化物层的厚度为2~10nm、第二层氧化物层的厚度为20~100nm。

3.根据权利要求１所述的双层氧化物薄膜晶体管，其特征在于：所述的靶材的材料进一步包括钽、钕、镍、锡中的一种以上元素，这些元素的原子数与铝、锌、铟三种元素的原子数之和的比例为0~0.05。

4.根据权利要求１所述的双层氧化物薄膜晶体管，其特征在于：所述的栅极的材料为铝或铝合金时，则所述的绝缘层为铝或铝合金的氧化物；所述的栅极的材料为钼、铬、金、银、铜、镍、锌、钛、铌、钽、钨或氧化铟锡时，则所述绝缘层材料为二氧化硅或氮化硅。

5.根据权利要求1所述的双层氧化物薄膜晶体管，其特征在于：所述的基板为透明材料，厚度为0.2~1mm。

6.权利要求1–5之一所述的双层氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）栅极的制备

在基板上采用溅射的方法制备一层厚度为100~500nm的栅极材料的薄膜，并采用掩模或光刻的方法图形化得到栅极；

（2）绝缘层的制备

所述绝缘层采用阳极氧化或化学气相沉积的方法制备得到厚度为100~1000nm的绝缘层材料的薄膜，并采用掩模或光刻的方法图形化得到绝缘层；若所述的栅极的材料为铝或铝合金，则所述的绝缘层采用阳极氧化的方法制备得到铝或铝合金的氧化物；若所述的栅极的材料为钼、铬、金、银、铜、镍、锌、钛、铌、钽、钨或氧化铟锡时，则所述的绝缘层采用化学气相沉积的方法制备得到二氧化硅或氮化硅；

（3）第一层氧化物层、第二层氧化物层的制备

在绝缘层上面通过连续两次溅射的方法制备得到厚度为2~10nm的第一层氧化物层、厚度为20~100nm的第二层氧化物层，所述的第一层氧化物层和第二层氧化物层采用掩模或光刻的方法同时图形化，在制备过程中使用同一个靶材，并通过控制氧气与氩气的流量来控制氧化物层中的载流子浓度； 

（4）漏极和源极的制备

 在所述的第二层氧化物层的两端采用真空蒸镀或溅射的方法制备得到厚度为100~1000nm的源极和漏极的薄膜材料，并采用掩模或光刻的方法图形化得到漏极和源极。

7.根据权利要求6所述的双层氧化物薄膜晶体管的制备方法,其特征在于所述步骤（3）中在制备第一层氧化物层时，氧气与氩气的流量比大于0.3，在制备第二层氧化物层时，氧气与氩气的流量比小于 0.2。

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