CN102683208A - 一种钇铝氧复合氧化物高k介质薄膜晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管的制备方法,以金属钇靶(Y)和铝靶(Al)为源材料,采用磁控溅射和快速退火技术来制备YAlO3复合氧化物高K介质作为薄膜晶体管的栅介质层材料,并且以ITO玻璃作为衬底,源、漏电极为Ti/Au双层金属膜电极,制得的薄膜晶体管可采用顶栅结构或者底栅结构;本发明的制备方法简单可控,可实现低温制备,制造成本较低;制得的薄膜晶体管性能优良,具有较小的漏电流和较大的电容,可发展成全透明薄膜晶体管,在显示器件技术领域应用前景十分广阔。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜晶体管的制备技术领域,尤其涉及一种钇铝氧(YAlO3)复合氧化物高K介质薄膜晶体管的制备方法。
背景技术
薄膜晶体管(TFT)一般由衬底、栅介质层、沟道层、栅电极以及源漏电极构成,包括底栅结构的TFT(如图1所示)和顶栅结构的TFT(如图2所示)。TFT的主要作为驱动像素的开关元件应用于液晶显示器(TFT-LCD)等显示器件中。其中栅介质材料禁带宽度的大小决定了TFT漏电流的大小,而它的相对介电常数则决定了器件亚阈值摆幅的大小(Thin Solid Films 517,4115,2009)也即能耗的大小,因此栅介质层对TFT的性能起决定性的作用。目前技术成熟且大规模应用的栅介质都是SiO2,但它有阻碍TFT进一步发展的缺点:禁带宽度小(Eg=3.9),相对介电常数小(εr=1.45)。因此,显示技术的发展客观上要求开发新的宽禁带、大相对介电常数(高K)的介质材料。
目前成为研究热点的新型高K介质材料包括Y2O3(Applied Surface Science,256,2245,2010),HfO2(Journal of Applied Physics,107,014104,2010),Al2O3(Electrical andSolid-state Letters,12,H123,2009),Ta2O5(IEEE Electron Device Letters,31,1245,2010)等。虽然Y2O3和Al2O3作为新型高K介质材料得到了广泛关注,但是他们的合金形式复合氧化物,尤其是不掺杂的、以反应磁控溅射的方法制备的YAlO3复合氧化物用做高K介质的制备技术公开的并不多。目前YAlO3复合氧化物的报道多见于:Er3+:YAlO3用于光催化降解有机物(Water Science & Technology,60,917,2009),Pr3+:YAlO3用于固态激光系统的微芯片激光器(OPTICAS LETTERS,35,2556,2010),Er3+:YAlO3光波导材料(公开号CN1454324,公开日2003.11.05),铈、钆激活的钇铝石榴石荧光粉(公开号CN1730607,公开日2006.02.08)以及超导体的绝缘层(SUPERCONDUCTOR SCIENCEAND TECHNOLOGY,23,045012,2010)。而它们的制备方法也多为溶胶-凝胶法(sol-gel),粉末高温烧结法等。
YAlO3复合氧化物,Y2O3和Al2O3的合金,被认为是最具应用前景的新型高K氧化物介质之一。兼具Y2O3相对介电常数大和Al2O3禁带宽度大的优点.同时,Y和Al均为3价,可以预料YAlO3复合氧化物介质中会具有较少的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钇铝氧复合氧化物高K介质薄膜晶体管的制备方法,采用反应射频磁控溅射和快速退火技术来制备YAlO3复合氧化物高K介质,简化了以YAlO3复合氧化物为介质的薄膜晶体管的制备条件并提高了晶体管的性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种钇铝氧复合氧化物高K介质薄膜晶体管的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)选择ITO玻璃作为衬底,并对衬底进行超声清洗,预留边缘一部分作为栅电极;
2)采用磁控溅射镀膜设备及金属钇靶和铝靶,在衬底温度条件下,在衬底上用反应溅射沉积钇铝氧YAlO3复合氧化物薄膜(一般厚度为100nm-300nm),然后进行退火处理,完成栅介质层的制备;
3)在栅介质层上制备沟道层;
4)在沟道层上制备源电极和漏电极,制得底栅结构的YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管。
或者是,一种钇铝氧复合氧化物高K介质薄膜晶体管的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)选择ITO玻璃衬底并对衬底进行超声清洗,然后在其上进行沟道层的制备;
2)采用磁控溅射镀膜设备及金属钇靶和铝靶,在衬底温度条件下,在沟道层上用反应溅射沉积钇铝氧YAlO3复合氧化物薄膜(一般厚度为100nm-300nm),然后进行退火处理,完成栅介质层的制备;
3)制备源电极和漏电极以及栅电极,制得顶栅结构的YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管。
作为改进,所述退火处理采用快速退火处理,工艺条件为:在O2气氛中于200℃至400℃退火1分钟至15分钟。
作为改进,所述衬底温度为室温至300℃。
所述沟道层的材料为In2O3。
作为优选,所述源电极和漏电极为Ti/Au双层金属膜电极。Ti与YAlO3薄膜能形成良好的欧姆接触,而Au具有稳定性且不易被氧化,覆盖在上面与引线形成良好的接触。
最后,所述源电极和漏电极上的Ti/Au双层金属膜采用电子束蒸发设备进行制备。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1、薄膜晶体管中介质层的制备在磁控溅射镀膜设备中完成,磁控溅射相对于其他物理镀膜设备来说,具有操作简单、实验过程精确可控、可大面积均匀成膜等优势;相对于化学方法,则有薄膜致密,成膜效率高等优势;
2、采用两个金属靶与氧气共同反应溅射的方法,在室温下制备YAlO3复合氧化物介质薄膜,根据实验结果的需要,可实时调整气压和功率,并且可免去靶材开裂(如陶瓷靶)的危险,降低制备难度;
3、使用金属钇靶(Y)和铝靶(Al)为源材料,源材料无需高温烧结,制备简单,且其价格远低于Y2O3陶瓷靶、Al2O3陶瓷靶及YAlO3复合氧化物陶瓷靶,减少制备成本;
4、选用ITO玻璃作为衬底,同时又是栅电极的一部分,省去了制备栅电极的步骤,简化了工艺;同时沉积薄膜与衬底之间无需外延关系,因而制备的晶体管可以采用顶栅结构和底栅结构,但后者相对于前者来说,其电极的制备工艺更为简单,甚至无需采用光刻技术,降低器件制备难度也节约了成本;本发明是在透明玻璃衬底上制备的薄膜晶体管,拓展了其应用范围;
5、制备的薄膜晶体管具有较小的漏电流和较大的电容,蒸镀上透明电极可发展氧化物基全透明薄膜晶体管,在显示器件领域中应用十分广阔。
附图说明
图1是底栅结构的薄膜晶体管的结构示意图;
图2是顶栅结构的薄膜晶体管的结构示意图;
图3是本发明实施例所制备的底栅结构YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管的结构示意图。
图4是本发明实施例所制备的顶栅结构YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种底栅结构的YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管的制备方法,具体过程为:
步骤1:选择商业购买的ITO玻璃作为衬底,同时在制备时玻璃边缘留出一部分作为栅电极,ITO玻璃的面电阻率小于15Ω/cm2;
步骤2:采用磁控溅射设备与金属钇靶(Y)和铝靶(Al),在室温条件下与氧气共同反应溅射沉积150nm左右的YAlO3复合氧化物介质薄膜,然后在O2气氛下进行快速退火处理,退火温度为200℃至400℃,升温速度为20℃/min,退火时间为10min;
步骤3:采用磁控溅射的方法,在O2气氛下室温沉积In2O3沟道层;
步骤4:采用电子束蒸发设备和Al掩模版制备Ti/Au源电极和漏电极,源漏之间的沟道长(L)和宽(W)分别为150μm和7500μm,制得YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管(如图3所示)。
实施例2
一种顶栅结构的YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管的制备方法,具体过程为:
步骤1:选择商业购买的ITO玻璃作为衬底,ITO玻璃的面电阻率小于15Ω/cm2;
步骤2:采用磁控溅射的方法,在O2气氛下室温在ITO玻璃上沉积In2O3沟道层;
步骤3:采用磁控溅射设备与金属钇靶(Y)和铝靶(Al),在室温条件下在In2O3沟道层上与氧气共同反应溅射沉积150nm左右的YAlO3复合氧化物介质薄膜,然后在O2气氛下进行快速退火处理,退火温度为200℃至400℃,升温速度为20℃/min,退火时间为10min;
步骤4:采用电子束蒸发设备和Al掩模版制备Ti/Au源电极和漏电极以及栅电极,源漏之间的沟道长(L)和宽(W)分别为150μm和7500μm,制得YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管(如图4所示)。
实施例3
一种底栅结构的YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管的制备方法,具体过程为:
步骤1:选择商业购买的ITO玻璃作为衬底,同时在制备时玻璃边缘留出一部分作为栅电极,ITO玻璃的面电阻率小于15Ω/cm2;并将衬底温度加热到250℃。
步骤2:采用磁控溅射设备与金属钇靶(Y)和铝靶(Al),在衬底温度条件下与氧气共同反应溅射沉积150nm左右的YAlO3复合氧化物介质薄膜,然后在O2气氛下进行快速退火处理,退火温度为200℃至400℃,升温速度为20℃/min,退火时间为10min;
步骤3:采用磁控溅射的方法,在O2气氛衬底温度下沉积In2O3沟道层;
步骤4:采用电子束蒸发设备和Al掩模版制备Ti/Au源电极和漏电极,源漏之间的沟道长(L)和宽(W)分别为150μm和7500μm,制得YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管。
实施例4
一种顶栅结构的YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管的制备方法,具体过程为:
步骤1:选择商业购买的ITO玻璃作为衬底,ITO玻璃的面电阻率小于15Ω/cm2;并将衬底温度加热到250℃。
步骤2:采用磁控溅射的方法,在O2气氛衬底温度下在ITO玻璃上沉积In2O3沟道层;
步骤3:采用磁控溅射设备与金属钇靶(Y)和铝靶(Al),在衬底温度下在In2O3沟道层上与氧气共同反应溅射沉积150nm左右的YAlO3复合氧化物介质薄膜,然后在O2气氛下进行快速退火处理,退火温度为200℃至400℃,升温速度为20℃/min,退火时间为10min;
步骤4:采用电子束蒸发设备和Al掩模版制备Ti/Au源电极和漏电极以及栅电极,源漏之间的沟道长(L)和宽(W)分别为150μm和7500μm,制得YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管。
实施例5
一种底栅结构的YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管的制备方法,具体过程为:
步骤1:选择商业购买的ITO玻璃作为衬底,同时在制备时玻璃边缘留出一部分作为栅电极,ITO玻璃的面电阻率小于15Ω/cm2;
步骤2:采用磁控溅射设备与金属钇靶(Y)和铝靶(Al),在室温、衬底偏压为60w的条件下与氧气共同反应溅射沉积150nm左右的YAlO3复合氧化物介质薄膜,然后在O2气氛下进行快速退火处理,退火温度为200℃至400℃,升温速度为20℃/min,退火时间为10min;
步骤3:采用磁控溅射的方法,在O2气氛室温条件下沉积In2O3沟道层(沉积沟道层是不加衬底偏压);
步骤4:采用电子束蒸发设备和Al掩模版制备Ti/Au源电极和漏电极,源漏之间的沟道长(L)和宽(W)分别为150μm和7500μm,制得YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管。实施例6
一种顶栅结构的YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管的制备方法,具体过程为:
步骤1:选择商业购买的ITO玻璃作为衬底,ITO玻璃的面电阻率小于15Ω/cm2;
步骤2:采用磁控溅射的方法,在O2气氛下室温在ITO玻璃上沉积In2O3沟道层;
步骤3:采用磁控溅射设备与金属钇靶(Y)和铝靶(Al),在室温、衬底偏压为60w条件下在In2O3沟道层上与氧气共同反应溅射沉积150nm左右的YAlO3复合氧化物介质薄膜,然后在O2气氛下进行快速退火处理,退火温度为200℃至400℃,升温速度为20℃/min,退火时间为10min;
步骤4:采用电子束蒸发设备和Al掩模版制备Ti/Au源电极和漏电极以及栅电极,源漏之间的沟道长(L)和宽(W)分别为150μm和7500μm,制得YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管。
实施例子中没有展开来描写的技术内容请参考薄膜晶体管技术、磁控溅射技术和电子束蒸发技术,为常规技术内容。
Claims (8)
1.一种钇铝氧复合氧化物高K介质薄膜晶体管的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)选择ITO玻璃作为衬底,并对衬底进行超声清洗,预留边缘一部分作为栅电极;
2)采用磁控溅射镀膜设备及金属钇靶和铝靶,在衬底温度条件下在衬底上用反应溅射沉积钇铝氧YAlO3复合氧化物薄膜,然后进行退火处理,完成栅介质层的制备;
3)在栅介质层上制备沟道层;
4)在沟道层上制备源电极和漏电极,制得底栅结构的YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管。
2.一种钇铝氧复合氧化物高K介质薄膜晶体管的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)选择ITO玻璃作为衬底,并对衬底进行超声清洗,然后在其上进行沟道层的制备;
2)采用磁控溅射镀膜设备及金属钇靶和铝靶,在衬底温度条件下在沟道层上用反应溅射沉积钇铝氧YAlO3复合氧化物薄膜,然后进行退火处理,完成栅介质层的制备;
3)制备源电极和漏电极以及栅电极,制得顶栅结构的YAlO3复合氧化物高K介质薄膜晶体管。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于所述退火处理采用快速退火处理,工艺条件为:在O2气氛中于200℃至400℃退火1分钟至15分钟。
4.根据权利要1或2所述的制备方法,其特征在于所述衬底温度为室温至300℃。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于所述沟道层的材料为In2O3。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于所述源电极和漏电极为Ti/Au双层金属膜电极。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于所述源电极和漏电极上的Ti/Au双层金属膜采用电子束蒸发设备进行制备。
8.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于所述YAlO3复合氧化物薄膜厚度为100nm-300nm。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120919 |