CN102637746B - 一种高介电栅介质场效应透明薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高介电栅介质场效应透明薄膜晶体管及其制备方法。先在ITO衬底上通过磁控溅射生长高介电常数栅介质HfO₂和N型氧化物半导体材料ZnO，采用剥离工艺（Lift-off）形成栅极、源极和漏极的光刻胶图形，再通过磁控溅射生长金属电极Au或Al，并剥离出电极图形，最后对器件进行快速退火处理。与现有的硅基TFT技术相比，氧化物TFT具有低温操作、高迁移率、对可见光透明并且性能稳定等优点。与现有的氧化物TFT技术相比，该方法无需各种刻蚀工艺，将高介电常数栅介质、金属栅极和半导体材料整合到了透明薄膜晶体管中，简化了晶体管的制作流程。可用于有源矩阵液晶显示器件，打印机、复印机和摄像机等光电器件中。

Description

一种高介电栅介质场效应透明薄膜晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及的透明薄膜晶体管制造技术，特别是一种高介电常数栅介质透明薄膜晶体管及其制备方法，它是一种具有高介电常数栅介质+N型氧化物半导体+金属栅极的薄膜晶体管及其制备方法，属于半导体器件及其加工技术领域。

技术背景

透明电子器件的研究逐渐引起国内外科研人员的重视。透明电子器件要求电路透明，而实现透明电路的关键是制备透明的薄膜晶体管(TFT)。在过去的十几年中，非晶硅TFT和多晶硅TFT成为电子平板显示工业中的关键器件。然而，这些硅基TFT，特别是非晶硅TFT，存在一些先天的物理障碍：如光敏性高，场效应迁移率偏低(≤1cm²/Vs)以及材料的不透明性，使其在实现大屏幕高分辨率显示方面存在难以克服的困难；基于有机半导体材料(如并五苯)的TFT，其制备方法简单，温度要求低，可以在聚合物基片上制备，从而得到重量轻，价格低廉的柔性器件。虽然有机TFT应用前景广阔，但是也面临不少问题，常温下有机材料的场效应迁移率远小于无机材料，同时晶体管的饱和电流也比较小，这些都限制了有机TFT在实际中的应用。

与上述硅和有机半导体相比，氧化物半导体材料由于禁带宽度大和导电能力可控，近年来在功能器件中应用越来越广泛和深入。

薄膜晶体管是电压控制元件，通过栅极电压对导电沟道中电流进行调控，在栅极和有源层之间是介电绝缘层。绝缘层性能的好坏也直接影响着薄膜晶体管性能的好坏，绝缘层的几个重要参数，如绝缘层厚度就影响器件的漏电流和阈值电压；绝缘层表面的光滑程度也直接影响着它与有源层之间的相互作用，对器件的迁移率产生影响；绝缘层沉积过程中固定电荷累积及其它的结构缺陷会对器件的可靠性和稳定性产生影响；最后也是最重要的，绝缘材料的介电常数大小也直接对栅电容进而对栅极与有源层之间的介电耦合产生影响，最终影响着栅极对源漏极之间的电流的控制，要减小TFT的阈值电压和工作电压，必须采用合适的高介电常数的栅介质。因此，绝缘层在薄膜晶体管中也具有举足轻重的地位。

现有的薄膜晶体管(TFT)专利中存在以下几点需要改进的地方：(1)申请号(200910099947.1)中，虽然无需退火工艺，但其ITO栅极透明电极需要经过湿法腐蚀，这一工艺会产生过刻蚀进而使制备流程繁琐，开发成本大大提高。(2)申请号(200910055286.2)中，采用提拉或旋涂法制备有机介质层，需要重复提拉和多次烘烤30分钟，周期太长，而且这种方法制得的介质层薄膜均匀性和致密性也不好；并用热蒸发法制备源和漏极，导致薄膜晶体管沟道的宽长比较小，直接导致输出电流很小。

发明内容

本发明针对上述问题提供一种新型高介电常数栅介质透明薄膜晶体管及其制备方法。该薄膜晶体管采用了高介电常数栅介质材料HfO₂、N型氧化物半导体ZnO和金属栅极Au或Al材料，在制备过程中使用了剥离工艺(Lift-off)，避免了薄膜过刻蚀和操作复杂等问题，简化了制备流程；我们用光刻和剥离技术制备源极、漏极和栅极，有效增大了导电沟道的宽长比，进而提高了器件的电学性能。

一种高介电栅介质场效应透明薄膜晶体管，其结构由导电玻璃ITO衬底、栅介质、氧化物半导体ZnO、源电极、栅电极、漏电极组成，在导电玻璃ITO衬底与氧化物半导体ZnO之间用磁控溅射法制备一层高介电栅介质HfO₂，厚度为100～300nm；

本发明具体制备工艺如下：

3、一种高介电常数栅介质场效应透明薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：所述透明薄膜晶体管制备工艺流程如下：

(a)选择清洗ITO玻璃衬底，ITO玻璃规格为：蓝青色外观，膜厚及均匀性为透过率≥82％，面电阻≤10Ω/口；清洗过程为：依次将Si片用去离子水、丙酮、乙醇和去离子水超声清洗各10min，最后用去离子水冲洗干净，取出冷风吹干；

(b)沉积HfO₂薄膜和ZnO薄膜

将清洗好的ITO片放入超高真空磁控溅射仪中，设置纯度为99.99％的HfO₂靶和纯度为99.99％的ZnO靶，在放入ITO玻璃基片之前，用清洗好的一小Si片(0.8cm×0.8cm)压在ITO上面，此处压着的部分留着以后要用作薄膜晶体管的栅极。溅射仪沉积系统的本底真空5×10^-5Pa，沉积时通入氩气的流量为30sccm，溅射的工作气压为0.28Pa，先沉积HfO₂薄膜，溅射功率为50W，溅射时间50～150min，厚度为100～300nm；然后沉积ZnO薄膜，溅射功率为50W，溅射时间20～80min，厚度为30～100nm；沉积温度为室温；

(c)光刻电极图形

1)涂胶，将上面沉积了2层薄膜的ITO片去掉之前我们压在上面的小Si片，并吸在甩胶机上，用吸管吸取适量的光刻胶并滴在硅片表面的中心，此过程中不能产生气泡，然后按下甩胶机上的开始按钮甩胶，胶厚1.2～1.7um。

2)前烘，甩胶后将样品放在烘板上烘烤90-120s；

3)第一次曝光，将烘干的样品放在曝光机承片台上，放上掩模版，然后曝光，曝光功率为15mW/cm²时，曝光时长设定为6-8s；

4)反转烘，将样品由光刻机上取下，放在烘板上105℃烘烤2min；

5)泛曝光。将样品放到曝光机承片台，无掩模版曝光8-15s；

6)显影、清洗、后烘，从曝光机上取下样品，放在AZ351B显影液中浸泡30-60s，然后取出，用去离子水冲洗干净，放在烘板上烘干。

(d)制备电极，在样品的正面用磁控溅射的方法形成厚度为200nm的Au或Al电极薄膜。采用JGP560C12型超高真空多功能磁控溅射装置。本底真空为5×10^-4Pa，Au靶，其溅射功率为60W，沉积时通入氩气的流量为20sccm，溅射工作气压稳定在0.5Pa，溅射2min，大约有200nm的电极厚度。采用ACS-400-C4超高真空多功能磁控溅射仪，本地真空为5×10^-5，Al靶，其溅射功率为100W，沉积时通入氩气的流量为30sccm，溅射工作气压稳定在0.32Pa，溅射40min，大约有200nm的电极厚度。

(e)电极剥离，电极薄膜淀积完成后，将ITO片从磁控溅射仪中取出，放在丙酮(Acetone)浸泡30-60min，然后摇晃一下看是否可以剥离，如果不行则需要使用超声仪超声几秒至几分钟，时间长短以剥离出图形为止，在ITO玻璃片上能清晰的看出每个250um×250um的小正方形电极为止，每个小正方形间距50um，这样我们制备的薄膜晶体管(TFT)的源极、漏极和栅极就全部形成了。剥离就是在浸泡的过程中，有光刻胶的地方被泡掉，其上的电极材料连同光刻胶一并随着光刻胶脱落，留下第一次未曝光区域上面的电极材料。如果没剥离完全，则需要使用超声仪超声几秒至几分钟，时间长短以剥离出图形为止，但不可超声太久，否则有可能使需要的薄膜电极也被超声脱落。

(f)将剥离完成的样品用快速退火炉在在空气气氛中进行退火处理。退火温度450℃，快速退火时间10～20min。

本发明的优点：

本发明所提供的高介电常数栅介质+N型氧化物半导体+金属栅极薄膜晶体管及其制备方法，采用磁控溅射的方法低温沉积高介电常数栅介质层和半导体沟道层，采用光刻和剥离工艺制备源极、漏极和栅极，器件采用底栅结构，可以大面积生长，且与目前成熟的液晶显示器工艺兼容。本发明的优点是采用高介电常数的HfO₂作栅介质，同时采用剥离工艺，减少了工艺流程，提高了器件的电学性能。

附图说明

图1本发明透明薄膜晶体管的结构与各部分材料的示意图。

其中1----导电玻璃ITO衬底，2----栅介质HfO₂，3----氧化物半导体ZnO，4----源电极，5----栅电极，6----漏电极。

图2测试本发明制备的Au电极TFT器件的输出特性曲线。

图3测试本发明制备的Al电极TFT器件的输出特性曲线。

具体实施方式

实施例1

1)我们使用的ITO玻璃规格为：蓝青色外观，膜厚及均匀性为透过率≥82％，面电阻≤10Ω/口。ITO玻璃衬底在装入淀积室之前，首先进行表面化学清洁处理，具体清洗过程为：依次将Si片用去离子水、丙酮、乙醇和去离子水超声清洗各10min，最后用去离子水冲洗干净，取出冷风吹干。

2)将纯度为99.99％的HfO₂靶，纯度为99.99％的ZnO靶以及清洗好的ITO片都放入磁控溅射仪中，在放入ITO玻璃基片之前，用清洗好的一小Si片压在ITO上面，此处压着的部分留着以后要用作薄膜晶体管的栅极。溅射仪沉积系统的本底真空为5×10^-5Pa，HfO₂靶的溅射功率为50W，ZnO靶的溅射功率为50W，沉积时通入氩气的流量为30sccm，溅射的工作气压为0.28Pa，先溅射HfO₂，溅射时间125min，薄膜厚度约为250nm，然后溅射ZnO，溅射时间40min，薄膜厚度约为50nm，沉积温度为室温。

3)将上面沉积了2层薄膜的ITO片(去掉之前压在上面的小Si片)吸在甩胶机后，用吸管吸取适量的光刻胶并滴在硅片表面的中心，此过程中不能产生气泡，然后按下甩胶机上的开始按钮甩胶，胶厚约1.4um左右。

4)甩胶后放在烘板上烘烤90-120s。

5)将烘干的ITO放在曝光机承片台上，放上掩模版，并调节承片台上升至快要接触掩模版，利用对准系统将硅片与掩模版对准，然后将承片台上升旋钮拧至空转，使硅片顶紧掩模版。打开曝光开关曝光，曝光功率为15mW/cm²时，曝光时长设定为6-8s。

6)反转烘。将ITO片由光刻机上取下，放在烘板上105℃烘烤2min。

7)泛曝光。将ITO片放到曝光机承片台，无掩模版曝光8-15s。

8)显影、后烘。从曝光机上取下ITO片，放在AZ351B显影液中浸泡30-60s，然后取出，用去离子水冲洗干净，放在烘板上烘干。

9)在样品的正面形成Au电极。由于上面第5步光刻电极模板，模板的规格是250um×250um，小正方形间距是50um，所以我们的电极的面积为250um×250um。形成Au电极的实验条件为：采用JGP560C12型超高真空多功能磁控溅射装置。本底真空5×10^-4Pa，Au靶的溅射功率为60W，沉积时通入氩气的流量为20sccm，溅射工作气压稳定在0.5Pa，溅射2min，大约有200nm的电极厚度。

10)电极薄膜淀积完成后，将ITO片从磁控溅射仪中取出，放在丙酮(Acetone)浸泡30-60min，然后摇晃一下看是否可以剥离，如果不行则需要使用超声仪超声几秒至几分钟，时间长短以剥离出图形为止，但不可超声太久，否则有可能使需要的薄膜也被超声脱落。

11)电极Au沉积完成后，在快速退火炉(RTA)中进行退火处理。退火气氛是在空气中，450℃快速退火15min。

制得Au电极薄膜晶体管。检测结果见图2。

实施例2

1)我们使用的ITO玻璃规格为：蓝青色外观，膜厚及均匀性为透过率≥82％，面电阻≤10Ω/口。ITO玻璃衬底在装入淀积室之前，首先进行表面化学清洁处理，具体清洗过程为：依次将Si片用去离子水、丙酮、乙醇和去离子水超声清洗各10min，最后用去离子水冲洗干净，取出冷风吹干。

2)将纯度为99.99％的HfO₂靶，纯度为99.99％的ZnO靶以及清洗好的ITO片都放入磁控溅射仪中，在放入ITO玻璃基片之前，用清洗好的一小Si片压在ITO上面，此处压着的部分留着以后要用作薄膜晶体管的栅极。溅射仪沉积系统的本底真空为5×10^-5Pa，HfO₂靶的溅射功率为50W，ZnO靶的溅射功率为50W，沉积时通入氩气的流量为30sccm，溅射的工作气压为0.28Pa，HfO₂溅射125min(250nm)，然后ZnO溅射40min(50nm)，沉积温度为室温。

3)将上面沉积了2层薄膜的ITO片(去掉之前我们压在上面的小Si片)吸在甩胶机后，用吸管吸取适量的光刻胶并滴在硅片表面的中心，此过程中不能产生气泡，然后按下甩胶机上的开始按钮甩胶，胶厚约1.4um左右。

4)甩胶后放在烘板上烘烤90-120s。

5)将烘干的ITO放在曝光机承片台上，放上掩模版，并调节承片台上升至快要接触掩模版，利用对准系统将硅片与掩模版对准，然后将承片台上升旋钮拧至空转，使硅片顶紧掩模版。打开曝光开关曝光，曝光功率为15mW/cm²时，曝光时长设定为6-8s。

6)反转烘。将ITO片由光刻机上取下，放在烘板上105℃烘烤2min。

7)泛曝光。将ITO片放到曝光机承片台，无掩模版曝光8-15s。

8)显影、后烘。从曝光机上取下ITO片，放在AZ351B显影液中浸泡30-60s，然后取出，用去离子水冲洗干净，放在烘板上烘干。

9)在样品的正面形成Al电极。由于上一步光刻电极模板，模板的规格是250um×250um，小正方形间距是50um，所以我们的电极的面积为250um×250um。形成Al电极的实验条件为：采用ACS-400-C4超高真空多功能磁控溅射仪。本底真空5×10^-5Pa，Al靶的溅射功率为100W，沉积时通入氩气的流量为30sccm，溅射工作气压稳定在0.32Pa，溅射40min，大约有200nm的电极厚度。

10)电极薄膜淀积完成后，将ITO片从磁控溅射仪中取出，放在丙酮(Acetone)浸泡30-60min，然后摇晃一下看是否可以剥离，如果不行则需要使用超声仪超声几秒至几分钟，时间长短以剥离出图形为止，但不可超声太久，否则有可能使需要的薄膜也被超声脱落。

11)电极Al沉积完成后，在快速退火炉(RTA)中进行退火处理。退火气氛是在空气中，450℃快速退火15min。

制得Al电极薄膜晶体管。检测结果见图3.

Claims (1)

1.一种高介电常数栅介质场效应透明薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：所述透明薄膜晶体管制备工艺流程如下：

(a)选择清洗ITO玻璃衬底，ITO玻璃规格为：蓝青色外观，膜厚及均匀性为透过率≥82％，面电阻≤10Ω/口；清洗过程为：依次将Si片用去离子水、丙酮、乙醇和去离子水超声清洗各10min，最后用去离子水冲洗干净，取出冷风吹干；

(b)沉积HfO₂薄膜和ZnO薄膜

将清洗好的ITO片放入超高真空磁控溅射仪中，设置纯度为99.99％的HfO₂靶和纯度为99.99％的ZnO靶，在放入ITO玻璃基片之前，用清洗好的一小Si片压在ITO上面，此处压着的部分留着以后要用作薄膜晶体管的栅极；溅射仪沉积系统的本底真空5×l0^-5Pa，沉积时通入氩气的流量为30sccm，溅射的工作气压为0.28Pa，先沉积HfO₂薄膜，溅射功率为50W,溅射时间50～150min，厚度为100～300nm；然后沉积ZnO薄膜，溅射功率为50W,溅射时间20～80min，厚度为30～100nm；沉积温度为室温；

(c)光刻电极图形

1)涂胶，将上面沉积了2层薄膜的ITO片去掉之前我们压在上面的小Si片,并吸在甩胶机上，用吸管吸取适量的光刻胶并滴在硅片表面的中心，此过程中不能产生气泡，然后按下甩胶机上的开始按钮甩胶，胶厚1.2～1.7um；

2)前烘，甩胶后将样品放在烘板上烘烤90-120s；

3)第一次曝光，将烘干的样品放在曝光机承片台上，放上掩模版，然后曝光，曝光功率为15mW/cm²时，曝光时长设定为6-8s；

4)反转烘，将样品由光刻机上取下，放在烘板上105℃烘烤2min；

5)泛曝光，将样品放到曝光机承片台，无掩模版曝光8-15s；

6)显影、清洗、后烘，从曝光机上取下样品，放在AZ351B显影液中浸泡30-60s，然后取出，用去离子水冲洗干净，放在烘板上烘干；

(d)制备电极，在样品的正面用磁控溅射的方法形成厚度为200nm的Au或Al电极；

(e)电极剥离，电极薄膜淀积完成后，将ITO片从磁控溅射仪中取出，放在丙酮(Acetone)浸泡30-60min，然后摇晃一下看是否可以剥离，如果不行则需要使用超声仪超声几秒至几分钟，时间长短以剥离出图形为止；

(f)将剥离完成的样品用快速退火炉在在空气气氛中进行退火处理。退火温度450℃，快速退火时间10～20min。