CN102832131A

CN102832131A - 一种柔性igzo薄膜晶体管制造方法

Info

Publication number: CN102832131A
Application number: CN2011102672067A
Authority: CN
Inventors: 王彬
Original assignee: GUANGDONG ZHONGXIAN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: GUANGDONG ZHONGXIAN TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2012-12-19
Also published as: CN102832103A; CN102832109A; CN102832257A; CN102831850A; CN102832130A; CN102832252A; CN202307906U; CN102832251A; CN202404869U; CN202285237U; CN202487581U

Abstract

本发明提出一种柔性IGZO薄膜晶体管制造方法。包括下述步骤：步骤1、柔性衬底的清洗；步骤2、使用PECVD沉积SiNx隔离层；步骤3、制备栅电极图形；步骤4、制备栅绝缘层；步骤5、制备IGZO半导体层；步骤6、制备源漏电极；步骤7、制备保护层。通过降低沉积温度，优化保护层的沉积功率和氮化硅绝缘层的厚度，成功制备柔性IGZO-TFT器件，性能如下：阈值电压为8V，开关比为5×107，饱和迁移率为7.8cm2/V·s，亚阈值斜率为0.9V/dec；器件放在曲率半径为10mm的圆柱上弯曲3min，性能几乎不发生变化；保护层对于保持器件的稳定性发挥着重要作用。

Description

一种柔性IGZO薄膜晶体管制造方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，更具体地，涉及一种IGZO(In-Ga-Zn-O)薄膜晶体管制造方法。

背景技术

TFT-LCD因其体积薄、重量轻、画面质量优异、功耗低、寿命长、数字化和无辐射等优点，在各种大、中、小尺寸的产品上广泛得到应用，几乎涵盖了当今信息社会的主要电子产品，如电视、电脑(台式和笔记本)、手机、PDA、GPS、车载显示、仪器仪表、公共显示和虚幻显示等。由于全球投入了大量的人力、物力和财力，目前形成了巨大的市场规模，在2007年Display Search中国平板显示会议(2007Display Search China FPD Conference)上，业界普遍认为任何一种平板显示技术在未来十年内都无法取代TFT-LCD在平板显示领域内所占的主导地位，并且在全球范围内，未来5-8年内TFT-LCD产业总量将逐渐赶上半导体产业。

柔性显示常规定义是“一种由薄型柔性衬底构成的平板显示，它经过弯曲、变形、卷曲成直径几厘米的圆筒而不影响和损坏其显示性能”。柔性显示器应用范围很广，如移动电话、笔记本电脑、电子书、汽车仪表、电子海报、个人数字助理、RF辨识系统、传感器等。

相比已产业化的以玻璃为基板的液晶显示，柔性显示有柔、薄、轻三个显著的特性。柔使得柔性显示器可以像纸一样的弯曲，甚至折叠。薄，市面上平板显示器的厚度一般大于3mm，2010年底LG公司报道了全球最薄的液晶显示器，厚度为2.6mm，然而，该公司在2008年推出A4大小的电子书，厚度只有300μm，柔性显示器的厚度只有传统的显示器厚度的十分之一左右。轻，由于传统平板显示器采用的是玻璃基板，而柔性显示器采用的是塑料薄膜或者薄不锈钢作为基板，因此柔性显示器的质量是传统平板显示器质量的五分之一左右。

柔性显示器根据弯曲程度可以分为四类：超薄平板显示器(Flat ThinDisplay)、弧形显示器(Curved Displays)、可弯曲显示器(Displays on FlexibleDevices)和可卷曲显示器(Roll Up Displays)，其中理想的柔性显示器是可卷曲显示器。

柔性显示的实现，关键技术之一用有机或无机的柔性衬底制备TFT阵列替代传统刚性的玻璃衬底TFT阵列。显然，寻找一种合适的衬底材料是制备出高质量TFT的先决条件。显示应用要求的柔性衬底具备如下要求：(1)较高的可见光透明度，在可见光400nm-800nm范围内的透明度达到85％(适用于像LCD和OLED透射型的显示方式)；(2)易弯曲，能够承受1000次以上的弯曲；(3)价格比较低，与玻璃价格差不多，大约1-4分/英寸；(4)化学性质稳定，不与酸碱反应；(5)良好的热膨胀稳定性，热膨胀系数小于20ppm/℃；(6)良好的势垒层，能够有效防止水和空气的穿透；(7)较好的表面平整度，表面粗糙度小于5nm。

当前，柔性衬底主要有三类，分别为塑料(Plastic)、薄玻璃(ThinGlass)和金属薄片(Metal Foil)，下面对这三种材料进行简单说明。

薄玻璃：厚度为50-200μm的薄玻璃拥有与玻璃相似的性能和优点，如好的势垒层、优良的光学质量、价格较低等，缺点是基板非常脆，并且在制造的过程中容易出现破裂的情况，此外，尽管薄玻璃具有弹性，但是仍然不能弯曲。

金属薄片：目前应用的金属薄片主要是不锈钢材料。不锈钢衬底可以阻止水汽和气体的穿透，除此，沉积无机层时产生的热压力会减少，并且由于是金属薄片，工艺能承受的温度可达到900℃(金属薄片的熔点为1400℃左右)。但是，其缺点也非常明显，例如金属表面必须覆盖绝缘层以防止短路，不锈钢薄片的透明性不好，以该材料为衬底制备的TFT只适合于反射(如电泳显示)和发射型的显示，而不适于透射型的有源矩阵液晶显示和传统的底端发射OLED；金属薄片有较好的弹性，但是仍然不能卷曲和深度弯曲。除此之外，对于大面积显示，不锈钢薄片的价格非常昂贵。同时，不锈钢薄片的表面粗糙程度比较高，要控制实现产业化的5nm以内不是件容易的事情。但是对于小尺寸柔性显示，不锈钢薄片是个较好的选择。

相比上述两种材料，更有希望应用于产业化领域的是塑料基板。塑料拥有合理的机械性能，光性能和化学特性；薄膜柔软，能够实现卷轮式加工(Roll toRoll)，然而形状的稳定性和高的气体和水汽的穿透率是它的两大缺陷。尺寸稳定性主要是因为一般的透明聚合物薄膜的玻璃转变温度(Tg)不高，而TFT产业化的工艺中要耐300℃-330℃的高温，塑料热膨数系数大于50ppm/℃，远远大于玻璃，因此，当温度升高时，尺寸的变化会对后期工作中诸如对准曝光等工艺带来很大困难。除此之外，塑料薄膜的表面存在一些黑点和缺陷。

薄膜晶体管是指在衬底上沉积一层半导体薄膜，通过光刻、刻蚀等技术制作出源、漏极，栅极及管体而成，它由栅绝缘层、有源层、栅电极、源和漏电极几个部分组成。图1是几种常见的TFT结构，可分为两类：一类为顶栅结构，又称正叠(Normal Staggered，简称NS)结构；一类为底栅结构，又称反交叠(Inverted Staggered，简称IS)结构。根据沟道层和源漏电极的沉积顺序不同，顶栅、底栅结构又分别有底接触和顶接触两种形式。在底栅顶接触结构中，可以通过修饰绝缘层的界面而改善半导体的结构和形貌，从而提高器件的迁移率。这种结构缺陷是源漏电极的光刻工艺会对有源层造成污染。而在另外一种底栅结构中，源漏电极光刻工艺在半导体层沉积之前进行，不会造成对半导体层的污染，但是电极与绝缘层存在台阶不利于电荷的注入，并且有源层的上表面暴露在外，通常需要覆盖保护层以提高器件的稳定性。顶栅结构对衬底有更高要求，特别是在表面粗糙度和化学稳定性要求上。

图2是本申请采用的底栅顶接触型TFT结构图，氧化物IGZO作为有源层，其原理是通过改变栅极与源漏极间的电场强度来控制沟道的导电状况。氧化物TFT是N型半导体材料，对于N沟道TFT，当施加一定的正栅极电压(VG≥Vth)，在半导体层和绝缘层之间的界面上产生电子薄层，也就是导电沟道，此时所处的状态对应TFT开态；而当栅极电压减少至导电沟道消失时，源漏极间为高阻状态，沟道间的电阻非常大，使得源漏电流较小(通常≤10-12A)，对应TFT的关态。这与耗尽场效应晶体管中形成的反型层相似，因此MOS场效应管的计算公式可以应用在晶体管中。

按照有源层的半导体材料不同，TFT可以分为有机TFT、非晶硅TFT、多晶硅TFT、氧化物TFT、纳米线TFT和微晶硅TFT，其中前四种TFT被广泛研究。

A：非晶硅TFT

B：多晶硅TFT

C：有机TFT

D：氧化物TFT

相比上述其它三种半导体材料的TFT，氧化物TFT报道较晚，然而自2003年第一篇ZnO-TFT和2004年第一篇IGZO-TFT报道起，氧化物TFT受到了业界和研究机构的关注。氧化物TFT可采用磁控溅射在常温下制备，因此适合在柔性塑料衬底上制备，实现柔性TFT电路而应用于柔性显示中。氧化物TFT可以获得较高的迁移率(≥10cm2/V·s)，能够满足高清晰快响应LCD以及电流驱动的OLED显示器的应用要求。但是氧化物TFT一般都是N型器件，较难实现P型器件，这样限制了它在集成电路上的应用。

IGZO材料的选择

自从2004年日本东京工业大学Hosono第一次报道基于IGZO制备的柔性透明TFT。IGZO-TFT受到了研究机构和工业界的关注，并被开拓在显示领域中的应用，尤其是新型显示器件技术中。

如上所述，IGZO-TFT作为新型的有源驱动电路被应用于平板显示器件中，但是进入商品化阶段尚需解决许多问题，下面概括性的列出存在的问题。

工艺的重复性

IGZO半导体层对于工艺的条件非常敏感，特别是对于氧气，不仅沉积过程中的氧气流量、Ar流量和沉积功率会对器件的性能产生极大的影响，空气中的水汽和氧气也会影响器件的性能。日前大多数IGZO半导体层的制备是采用磁控溅射制备，所以靶材的纯度和靶材中金属原子比例会影响器件的性能，当靶材使用一段时间后，靶材表面的成分比例会发生变化，从而使得所制备的TFT的器件性能发生改变，因此，可重复性是在解决产业化生产之前必须要解决的重要问题。

绝缘层和钝化层对IGZO的影响

作为应用与IGZO-TFT中的氮化硅绝缘层由于其存在很高浓度的H键，与IGZO半导体层接触，H会作为施主原子，改变有源层的载流子浓度，使得迁移率发生变化；同理，作为非晶硅TFT和多晶硅TFT中的保护层氮化硅也是因为含有较高的H原子，不宜作为保护层应用于氧化物中。为了使得IGZO-TFT器件具备较好的稳定性能，必需控制好绝缘层和保护层中H原子数量或者寻找合适的绝缘层和保护层。

IGZO化学性质活泼引起的工艺问题

目前，大多数IGZO-TFT器件采用底栅结构，底栅结构的IGZO-TFT源漏电极的制备采用lift-off工艺，这种工艺很难制备2μm以下的图形，这与产业化的生产不兼容，工业化生产源漏电极通常采用干法刻蚀的方法，而采用干法刻蚀，等离子体会对IGZO薄膜产生较大的影响，甚至会使得器件失效，失去TFT的基本特性。

硬基板上TFT工艺向柔性基底的转移

到目前为止，现有材料中找不到一种衬底材料既具备玻璃性能又具备轻薄柔等特点。这就决定了不能简单的把硬基板上的沉积工艺直接复制到柔性基板上来。针对塑料衬底，通常不能耐300℃的高温，这种缺点决定绝缘层不可能在最优工艺下(300℃-350℃)制备，不可能在高温下退火获得较稳定的器件性能，只能从器件结构、材料、沉积工艺来进行优化，以获得性能较好的TFT器件。

发明内容

为克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出一种柔性IGZO薄膜晶体管制造方法。

其中，该制备方法，包括下述步骤：

步骤1、柔性衬底的清洗，步骤2、使用PECVD沉积SiNx隔离层；步骤3、制备栅电极图形；步骤4、制备栅绝缘层；步骤5、制备IGZO半导体层，步骤6、制备源漏电极；步骤7、制备保护层。其中步骤3中包括：采用直流磁控溅射方法制备Cr栅薄膜，将制备好的薄膜通过涂胶，烘烤、光刻，显影，刻蚀和去胶技术生成栅电极图形；其中，Cr电极的刻蚀是硝酸铈铵混合溶液，配比为：9ml高氯酸+25g硝酸铈铵+100ml去离子水，刻蚀时间大约为25s；电极图形制备好以后，用丙酮超声去胶，接着用乙醇和去离子水清洗，每种溶剂超声6-8min。

通过降低沉积温度，优化保护层的沉积功率和氮化硅绝缘层的厚度，成功制备柔性IGZO-TFT器件，性能如下：阈值电压为8V，开关比为5×10⁷，饱和迁移率为7.8cm²/V·s，亚阈值斜率为0.9V/dec；器件放在曲率半径为10mm的圆柱上弯曲3min，性能几乎不发生变化；保护层对于保持器件的稳定性发挥着重要作用。将器件放在空气中，没有保护层的器件阈值电压发生将近7V的漂移；同时器件经过合适工艺退火，获得较好的性能，当器件在200℃退火1h，器件的开关比从10³增加到1.9×10⁷，阈值电压从4V增加到14V，迁移率从0.45cm²/V·s增加到3.3cm²/V·s，亚阈值摆幅从10V/decade减少到0.7V/decade。

附图说明

图1是几种常见的TFT结构示意图；

图2是底栅顶接触型TFT结构及工作原理图；

图3是实用磁控溅射系统结构原理示意图；

图4是PECVD沉积系统工作原理示意图以及氮化硅和氧化硅的沉积方程式；

图5是ME-3A型刻蚀系统原理图；

图6是不同材料对水和氧气的吸收速率以及器件对水和氧气的要求；

图7a是电极测试结构；

图7b示出万用表的探针接触金属电极的两端的方块电阻

图8是Cr薄膜退火前和退火后的电阻率变化曲线；

图9是IGZO-TFT器件结构及设计参数；

图10是柔性IGZO-TFT器件制备的工艺流程图；

图11是塑料衬底的清洗示意图；

图12是源漏电极图形化采用的Lift-off工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种柔性IGZO薄膜晶体管进行详细描述。

柔性IGZO-TFT器件结构薄膜层的制备及其特性表征

本申请的目标是寻找合适的柔性衬底，探索TFT各层薄膜材料和制备工艺，通过制作和测试IGZO-TFT器件样品的电性能，分析并不断改进工艺参数，实现三基色驱动微胶囊显示单元要求的TFT器件，上述工作涉及设备包括磁控溅射系统、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统和反应离子刻蚀(RIE)系统等，下面具体介绍。

磁控溅射系统

本工作中，TFT的栅电极、源漏电极和半导体层均是采用直流磁控溅射方法制备。下面介绍实验中所用到的溅射系统及基本溅射原理。

磁控溅射是在一相对稳定的真空状态下进行，阴极靶材是由镀膜材料制成，溅射时真空室通入一定流量的氩气，在阴极和阳极间直流负高压或者13.56MHz的射频电压作用下产生辉光放电，辉光放电使得电极间的氩原子离化形成氩离子和电子。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶材原子沉积在阳极表面的衬底上形成薄膜。而对于电子，在电场作用下加速飞向基片的过程中会受到磁场(洛伦兹力)的作用，使电子被束缚在靶材表面附近的等离子体区域内做圆周运动，由于电子的运动路径很长，在该过程中，不断同氩原子碰撞，产生电子和氩离子，氩离子不断轰击靶材，从而实现高速沉积的特点，二次电子起到维持辉光放电的作用。

本申请采用的磁控溅射台是中国科学院微电子中心研制的SP-3型磁控溅射台，图3为其示意图，它主要包括腔体、电源系统、排气系统、通气系统、加热系统。其中电源系统分为直流电源和射频电源，实验中是采用直流电源，并且镀膜时没有用到加热系统，常温下实现镀膜。工艺操作流程如下，放样完毕后关闭腔体，打开机械泵和低阀抽真空，待真空度达到7Pa以下，关闭低阀，打开高阀，一分钟之后，打开冷却水，启动分子泵，分子泵稳定时转速为600rpm，待腔体里的真空度达到5×10^-3Pa，打开腔体内的马达使得样品产生公转(同时样品本身可以实现自转，可以进一步提高薄膜的均匀性)。然后向真空室内通入一定流量的Ar气，打开操作面板界面的电源控制开关和靶材控制开关，调节功率，进行10min-15min的预溅射。待预溅射完毕后，旋转挡板，设定时间参数，开始溅射。溅射完成后，关闭面板上的电源和靶材控制开关，关掉气源，停分子泵，关水，停机械泵，放气，取样。

磁控溅射和其它镀膜方法相比具有以下几个优点：薄膜附着力好、均匀性较好、容易做到大面积成膜、在常温下可方便地制备高熔点的金属薄膜，制备薄膜重复性好等，但它也存在着诸如靶材价格高和利用率低等一些不足。

等离子体化学气相沉积(PECVD)系统

在TFT结构中，缓冲层和绝缘层采用的是SiNx，保护层采用的是SiO₂，这两种材料都是通过等离子体化学气相沉积系统制备(Plasma EnhancedChemicalVapor Deposition，简称PECVD)。PECVD是利用辉光放电的物理作用来激活粒子的一种化学气相沉积反应，是集等离子体辉光放电与化学气相沉积于一体的薄膜沉积技术。沉积过程中，辉光放电产生等离子体，但等离子体内部没有统一的温度，存在着电子气温度、离子温度和中性粒子温度。所以从宏观上看来，这种等离子体温度不高，但其内部却处于受激发的状态，其电子能量足以使分子键断裂，并导致具有化学活性的物质(活化分子、原子、离子、原子团等)产生，使本来需要在高温下才能进行的化学反应，当处于等离子体场中时，在较低的温度下甚至在常温下就能在基片上形成固态薄膜。

本申请中采用的PECVD沉积系统是Oxford Instrument Plasma 80Plus系统，图4为它的工作原理示意图和沉积SiN_x、SiO₂的化学方程式。用该设备沉积薄膜主要包括以下步骤：(1)抽真空。在本系统中，总共有机械泵和罗茨泵两个泵体，待真空度达到实验所需的本底真空度，一般是2mTorr，才开始进行后续操作。(2)薄膜沉积。本部分分两个部分，预镀膜和正式镀膜，这一步是最为关键的，通过设置合适的沉积参数，制备出质量较好的薄膜。(3)气路清洗。在沉积过程中，反应室腔体和气路都会受到不同程度的污染，因此沉积前后都要进行清洗，一方面保证沉积薄膜的质量，另一方面保证设备的使用寿命。

反应离子刻蚀(RIE)系统

反应离子刻蚀(Reaction Ionic Etch，简称RIE)，是一种干法刻蚀方法。在TFT的制备过程中，主要应用于SiN_x和SiO₂的刻蚀，刻蚀气体是SE₆和O₂。本申请采用的反应离子刻蚀系统是中国科学院微电子中心研制的ME-3A型刻蚀台，图5为反应腔体结构示意图。RIE的工作原理：通常情况下，上极板接地作为阳极(一般整个真空壁也接地)，下电极接射频电源作为阴极，需要刻蚀的衬底基片放在阴极上，反应气体按照一定的工作压力从上电极的气孔充入反应室。对反应腔体中气体加上大于击穿临界值的射频电压，形成强电场，在强电场作用下，气体以辉光放电形成产生高能等离子体，等离子体包含由非弹性碰撞产生的离子、游离基(游离态的原子、分子或原子团)及电子，它们都具有很强的化学活性，可与被刻蚀样品表面的原子发生化学反应，形成挥发性的物质，达到刻蚀样品的目的。同时，由于阴极附近的电场方向垂直阴极表面，高能离子在一定的工作压力下垂直地打向样品表面，进行物理轰击，使得刻蚀也具有很好的各向异性。

衬底材料的选择

选用杜邦(Dupont)公司的塑料衬底材料，型号为Kapton E，规格分别是50μm和25μm，其中前者用于制备柔性器件，后者制备柔性透明器件的探索。它具有较高的玻璃化转变温度(Tg＝340℃)，较低的热膨胀系数(当温度在50℃-200℃范围内，热膨胀系数为16ppm/℃)，较好的化学稳定性(不与制备TFT中的溶液发生反应)，较好的防水性能(对于50μm厚的Kapton E衬底，水汽的渗透率为5mg/m2/day)，除此之外，还具有足够的柔性和抗形变能力等优点。

隔离层材料的选择及其制备

水分和空气在一般的塑料衬底的穿透率是玻璃衬底的一千万倍。水分和空气中的氧气对器件的性能会产生很大的影响。图6是各种薄膜对水分和空气的吸收速率。可以看出纯塑料薄膜是不能够满足TFT器件的要求。为了解决这个问题，一般是在塑料薄膜上面镀上一层或者多层结构的无机薄膜钝化层。由于TFT对空气和水汽影响不如OLED那样敏感，常用氧化硅、氮化硅、氧化铝等作为钝化层。实验中，我们选用氮化硅作为器件的隔离层。隔离层除能够有效阻止水分和空气的渗透之外，还能优化衬底表面粗糙度，且通过控制其沉积条件，可对器件的应力进行优化。

栅电极材料的选择

Cr和Mo是常用于TFT栅电极的金属材料，它具有熔点高，稳定性好等优点，但是由于Cr和Mo材料的电阻率较大(30μΩ·cm左右)，一般应用在中小尺寸显示屏中，但无法满足大尺寸TFT显示屏的阵列对栅信号延迟的要求。

在显示屏朝着大屏幕和高清晰发展的背景之下，低电阻金属Al(3.3μΩ·cm)和Cu(2.2μΩ·cm)两种材料脱颖而出，成为TFT栅电极的首选。然而，不管是纯Al还是纯Cu材料，存在不足，例如对于纯Cu，熔点比较低，粘附性较差，且存在Cu原子向有源层扩散等现象；而对于纯Al材料，热稳定性较差，高温处理后，薄膜表面容易产生小丘现象，可能导致电极之间的短路，化学稳定性差，易与其它材料的腐蚀液反应而产生缺陷，并且在TFT制造工艺中，Al原子会向有源层中扩散，使得漏电流增大，不利于获得较高的开关比。

通过制备合金结构或者双层结构，能够改善纯Al和纯Cu诸如稳定性差，产生小丘等缺陷。但是，对于前者，仍然会存在着Al和Cu向半导体层扩散的现象。因此选用Cr作为栅电极材料结构。

栅电极材料的制备

单层Cr薄膜电性能

根据TFT参数设计的要求和实验室设备的性能，通过优化功率，获得电阻率较低的薄膜在柔性衬底上制备如图7a所示的电极测试结构，用万用表的探针接触金属电极的两端的方块电阻(如图7b)。根据公式R＝ρL/S，可求得金属电阻率，如图8所示。

可以看出，Cr金属薄膜的电阻率很大，大于700μΩ·cm，这远远大于工业生产中纯Cr的电阻率(30μΩ·cm左右)，经过初步分析，可能是由于以下几个方面的原因引起的，第一：Cr靶材的纯度太低，实验用的Cr靶材的纯度是98％，远远低于工业产生99.99％的纯度；第二：镀膜时真空度太低，镀膜系统所能达到的真空度级别只能是10^-3Pa，真空度不高，在镀膜的过程中会引起Cr部分氧化，使得电阻率增加。由于栅金属薄膜在TFT的后期工艺中需要进行PECVD系统中高温过程，因此对Cr薄膜进行退火试验，以获得实际应用于TFT器件中纯Cr的电阻率，退火温度为300℃，退火时间为60min。从图9可以看出，退火后的电阻率比退火前的电阻率要小。可以这样解释：退火300℃左右，薄膜表面的原子获得能量，表面的迁移率增强，使得平均晶粒增大，晶粒增大使得晶粒间界减少，缺陷密度降低，晶粒间界势垒对载流子的散射下降，导致电阻率下降。

源漏电极材料的选择

与栅电极材料要求一样，低电阻率也是TFT对源漏电极的要求，除此之外，源漏电极与半导体层形成良好的欧姆接触是TFT对于源漏电极材料一个重要要求。它可以降低漏源之间的电阻，防止产生电流拥挤效应。经过论证，Honsor研究小组总结出，在现有的材料体系当中，金属Ti和ITO是作为IGZO-TFT源漏电极较好的两种材料。金属Ti材料不仅与IGZO层有较好的粘附能力，并且能够减少与有源层的接触电阻。ITO材料除具有较低的电阻率，还能与IGZO有源层形成较好的欧姆接触，并且具有较好的透明度，本申请选用ITO材料作为源漏电极。

绝缘层材料的选择

TFT对栅绝缘层有以下几个方面的要求：好的绝缘耐压性能、高的稳定性能以及与有源层之间形成好的界面特性等。在本申请中，选用SiNx作为绝缘层材料。与常用绝缘材料SiO2相比，SiNx除具有相当的击穿电压外，SiNx还具有以下优点：1)相对介电常数高，PECVD制备的二氧化硅为3.9左右，而氮化硅薄膜的值约为8；2)氮化硅对碱金属的阻挡能力强，可以有效地防止碱金属离子通过栅绝缘层进入沟道；3)氮化硅的化学稳定性高，除了氢氟酸和热磷酸外，它几乎不和其它的酸碱发生反应；4)氮化硅具有更好的防水和防气体渗透性能，能够有效减少气体和水汽渗透对器件造成的影响。

IGZO薄膜制备及表征

IGZO半导体薄膜制备

本申请采用直流磁控溅射制备IGZO靶材，其中IGZO靶材由江西海特新材料有限公司提供，靶材的原子比：In₂O₃-Ga₂O₃-ZnO＝1∶1∶1(摩尔比)，纯度：99.99％。IGZO薄膜性能受制备参数影响，主要包括氧气流量、沉积功率，气体流量等影响。在本申请中，主要是通过氧气流量的调整来获得满足应用要求的IGZO薄膜。具体实验条件如下：Ar流量为40s ccm，真空度为7×10^-3Pa，溅射功率为200W，O₂气体流量分别为0sccm、5sccm、10sccm、15sccm、20sccm，以玻璃为衬底。

IGZO薄膜性能表征

薄膜结构

使用X射线衍射仪(X-ray diffraction，简称XRD)测试薄膜的晶体结构，在不同O₂气体流量下制备的IGZO薄膜，可以看出当扫描角从20°扫到100°变化时，薄膜并没有明显的衍射峰，在20°-30°之间和60°左右有两个较弱的包络，这表明IGZO薄膜属于非晶形貌。

薄膜的透过率

用分光光度计测量薄膜在波长380nm-800nm下的透过率，不同O₂流量下所制备的IGZO薄膜在可见光区域的透过率。可以看出，当O₂流量为0sccm时，IGZO薄膜透过率最低，透过率为65％以上；当O₂流量从5sccm增加到20sccm时，薄膜的透过率几乎不变，在可见光区域，透过率大于75％，在波长为600nm左右的时候，透过率能达到85％。这也为后期制备透明晶体管提供了可能性。

薄膜的电性能

在IGZO薄膜的表面沉积一层Al金属电极构成的结构，测试电极尺寸参数如下：厚度100nm，两电极的间距为2cm，电极尺寸为1cm×1cm。所制备IGZO薄膜的电阻率随O₂流量变化，可见看到，随着O₂流量的增加，IGZO的电阻率增大。当O2流量从0sccm增加到20sccm，薄膜电阻率从3.75Ω·cm增加到6.9×105Ω·cm。IGZO薄膜电阻率随通入O2流量变化而发生改变的物理机制描述如下：IGZO薄膜的导电类型与ZnO类似，O空位是主要的载流子。在没有通入O₂时，半导体中O空位很多，载流子浓度就很高，电阻率就较低；当通入少量O₂的时候，如O₂从1s ccm到10sccm时，O₂的通入很快填补了半导体中的O空位，使得O空位急剧减少，半导体载流子浓度急剧减少。在本实验中，当O₂含量从1sccm到10sccm变化时，电导率下降了5个数量级；而当通入O2从10sccm到20sccm变化时，由于半导体中的O空位已经基本填补完毕，因此薄膜的电阻率变化并不明显。因此，在制备过程中，可以通过改变O₂流量以实现对IGZO薄膜电性能的控制。

薄膜组份的原子比

X射线光电子能谱仪(X-ray photoelectron spectrometer，简称XPS)测试不同氧气流量下制备的IGZO薄膜的原子比，在不同氧气流量下制备的IGZO薄膜各组分的原子含量，可以看到不同O²流量下制备的IGZO薄膜，In、Ga、Zn的原子比变化不是很大，大约为10∶10∶3。制备IGZO-TFT的原子比例不一，主要有以下几种比例In∶Ga∶Zn＝2.2∶2.2∶1.0，1.1∶1.1∶0.9，1∶0.9∶0.6和10∶10∶3。

钝化保护层材料的选择及薄膜制备

氧气和水汽对于IGZO-TFT有影响，主要表现在两方面：一是空气中的氧分子填充半导体层的氧空位会使得IGZO有源层的电阻率增加。在IGZO-TFT中，器件的电性能主要是由氧空位决定的，因此IGZO-TFT的性能势必受到大气中氧分子的影响，除此之外，大气中的氧气分子会带电子，从而也会影响器件的电性能。二是大气中的水分子会在IGZO界面形成空穴陷阱中心，影响器件的阈值电压。

为了阻止空气中水和氧气对器件性能造成影响，在IGZO有源层上面镀一层保护层。在商业产品用的非晶硅TFT中，保护层一般是采用SiNx，用PECVD方法制备。然而，在IGZO-TFT中，却不能够用SiNx作为保护层，因为PECVD方法中制备SiNx会含有大量的H原子，H原子会使得器件的电性能发生变化，甚至会导致有源层从半导体变为导体。当然，如果通过射频磁控溅射制备氮化硅，仍然是可以用作保护层。

结合本实验室条件，本申请选用二氧化硅作为保护层，通过PECVD方法制备，采用的工艺条件如下：温度：200℃，N2O：710sccm，5％SiH4/N2：170sccm，功率：20W，压强：1000mTorr，厚度：约120nm。

通过对单层薄膜制备工艺的探索，获得满足TFT器件应用要求电极层，绝缘层和IGZO有源层薄膜制备工艺参数，并实现上述各层薄膜，其性能如下：1，栅电极薄膜：Cr薄膜，平均电阻率为19.6μΩ·cm，退火后的电阻率为17.7μΩ·cm，薄膜电阻率的均匀度在±10％。2.绝缘层：SiNx薄膜，击穿场强为5.8MV/cm，介电常数为6.03。3.有源层：IGZO薄膜，呈现非晶结构，可见光的透过率达到80％以上，In∶Ga∶Zn的原子比为10∶10∶3；在一定范围内，薄膜的电阻率随着氧气流量的增加而急剧增加。4.其它：SiNx为缓冲层，用PECVD方法实现；选择二氧化硅作为保护层，通过控制参数，可以调控器件受到的总应力。

IGZO-TFT器件结构设计与制备

TFT结构及其工艺流程

选择底栅顶接触型TFT结构，其各薄膜层的厚度设计如图9所示，在实际制备过程中会存在一定的误差。该柔性IGZO薄膜晶体管，包含塑料衬底、缓冲保护层、删电极、栅绝缘层、源极以及漏极、IGZO半导体层以及保护层，其中塑料衬底位于薄膜晶体管的最下层，塑料衬底上覆盖缓冲保护层，缓冲保护层的上部中心区域采用直流磁控溅射方法制备栅电极，栅电极上部覆盖了栅绝缘层，栅绝缘层的两端分别覆盖至缓冲保护层上，IGZO半导体层位于栅绝缘层的上部，源、漏两极分别位于半导体层的上部的两侧，从而使半导体层被源极和漏极所覆盖，仅在半导体层的顶部，源漏两极的中间形成通道，在通道上采用PECVD制备保护层。

图10给出了设定的柔性IGZO-TFT的制备流程图，在整个流程当中，总共镀6层薄膜，完成4次光刻，下面对具体的工艺步骤和工艺参数做详细的介绍：

1.柔性衬底的清洗。将Kapton E衬底放在烧杯中清洗，由于薄膜比较薄，很容易聚集在一起。所以让Kapton E衬底夹在玻璃中间清洗，玻璃放在玻璃架上。如图11所示，先用清洗液洗Kapton E衬底的表面，用清水冲洗干净，接着放在丙酮、乙醇、去离子水中分别超声清洗30min，这个过程重复一次；接着用氮气枪吹干衬底，放在250℃的热板上烘烤10min左右，去除存留的水和有机溶剂，并且考虑到塑料薄膜在后续的热处理过程中会发生一定的机械形变，使用前的高温退火可以使这一现象提早发生，使得样品适应后续的加工条件。

2.使用PECVD沉积SiNx隔离层。SiNx隔离层的制备工艺参见表1；

表1

将进行隔离层处理后的衬底固定在玻璃板上，以满足后期工艺的需要。

3.栅电极图形的制备。采用直流磁控溅射方法制备Cr栅薄膜。其沉积工艺参数如表2.将制备好的薄膜通过涂胶，烘烤、光刻，显影，刻蚀和去胶技术生成栅电极图形。其中涂胶、烘烤、光刻和刻蚀工艺参数表3所示。Cr电极的刻蚀是硝酸铈铵混合溶液，配比为：9ml高氯酸+25g硝酸铈铵+100ml去离子水，刻蚀时间大约为25s。电极图形制备好以后，用丙酮超声去胶，接着用乙醇和去离子水清洗，每种溶剂超声6min-8min。

表2

表3

涂胶的工艺参数

次序	转速(rpm)	时间(s)
			1(低速)	300	3
2(高速)	3000	40

烘烤工艺参数

烘烤温度(℃)	前烘时间(s)	后烘时间(s)
			105	90	90

曝光、显影工艺参数

4.栅绝缘层的制备。栅绝缘层采用SiNx材料。沉积工艺参数如下表4所示。

表4

5.IGZO半导体层的制备。半导体层IGZO采用磁控溅射制备，制备过程中分别研究了氧气流量和功率对器件性能的影响。沉积工艺参数如表5所示；制备好的IGZO薄膜经过涂胶、光刻、显影和刻蚀工艺制备图形，刻蚀液采用浓盐酸(36.5％)和去离子水的配比液，具体比例为36.5％HCl∶H2O＝1∶3(体积比)，刻蚀时间大概为10s-15s。

表5

6.源漏电极的制备；源漏电极采用ITO材料，通过磁控溅射制备薄膜，表6为ITO薄膜的沉积工艺参数，与其它各层薄膜形成的图形化方法不同，源漏电极是采用lift-off工艺来制备电极图形，具体工艺流程如图12所示。

表6

7.保护层制备。保护层采用PECVD制备的SiO2薄膜。

8.绝缘层和保护层的刻蚀。绝缘层和保护层采用RIE干法刻蚀工艺，刻蚀完后，清洗去胶，然后进行电性能的测试。

柔性IGZO-TFT器件制备及工艺参数对器件性能的影响

制备温度对器件结构及性能影响

在IGZO-TFT制备过程中，制备过程温度是指沉积SiNx时的温度，我们选用270℃作为初始沉积温度。当沉积温度为270℃，器件不仅没有表现出IGZO-TFT的电性能曲线，且薄膜在衬底上会破裂或者脱落。薄膜破裂的主要原因是薄膜受到较大的应力。下面分析在柔性TFT制备过程中，应力对器件的影响，并提出解决措施。

根据公式δs＝-δfdf/ds，其中，δs是衬底所受到的力，δf是TFT薄膜受力，df是TFT薄膜的厚度，ds是衬底的厚度。可以看，一般情况下，衬底的厚度远大于薄膜的厚度，因此薄膜受到的力远大于衬底受到的力，这也是为什么通常是薄膜破裂。

根据胡克定律，δ＝Yε，其中，δ是物体受到的力，Y是杨氏模量，ε物体发生的形变。对于同种材料，一般情况下，杨氏模量是一定的，所以，受力同形变成正比。在TFT器件的制备过程中，所产生的形变可以用公式表示：

εm＝ε0+εth+εch，其中，ε0是内建压力产生的形变，εth是热膨胀产生的形变，在TFT器件的沉积过程中，主要表现在氮化硅层的沉积，可以用公式表示热膨胀所造成的变化，εth＝(af-as)×(Troom-Tsubstrate)，其中af是氮化硅的热膨胀系数，as是衬底的热膨胀系数；εch是湿润(humidity)不匹配压力，εch＝(βs-βf)×％R·H，β表示湿润的膨胀系数，％R·H是相对的湿润百分比(指样品从大气中拿到真空箱中或者从真空箱中拿到大气中形变的变化)，一般情况下，εch可以忽略不计。

从上述分析，在柔性TFT制备的过程中，薄膜脱落或者破裂的主要原因是热压力和内建压力，因此可以采取以下几点解决方法；

1.降低薄膜的热压力。热压力是在沉积氮化硅绝缘层时产生的压力，其大小由沉积SiNx的温度决定，并且同所沉积的温度成正比，因此，降低沉积温度，是减少热压力的有效途径，而由于温度的降低会使得SiNx绝缘性能变差，直接导致器件的性能变差，因此，降低温度需综合考虑。

2.降低薄膜厚度。在相同温度下沉积的SiNx薄膜，厚度越厚，薄膜越容易破裂，因此，通过降低沉积薄膜的厚度也能够减少薄膜破裂的概率。

3.优化沉积功率。在沉积薄膜的过程中，薄膜主要是受到内建压力和热膨胀压力的影响，如果温度一定，衬底一定，热匹配的压力就是一定的，此时通过调控沉积的工艺条件，可以控制总压力。一般情况下，大多数薄膜破裂是因为压力而不是拉力，热膨胀通常是压力，可通过调控沉积的SiNx功率来调节最终的压力。根据文献调研，对于PECVD沉积SiNx的功率，功率越大，薄膜受到的压力越大，当功率减少，压力减少，当功率减少到一定时，表现出来的是拉力，这样，PECVD中小功率下制备SiNx受到拉力和较高功率下所受到的压力相抵消。使得衬底受力平衡。然而另一方面，沉积SiNx的功率降低，使得薄膜的粘附性和绝缘性能变差，因此也需要结合两方面考虑。

综上讨论，针对在270℃下制备的器件结构失败，可以从以下几个方面对器件的结构进行优化：

1.降低最高沉积温度。沉积温度从初始的270℃降低到后期的240℃。

2.降低保护层的沉积功率。功率从20W降低到10W。

3.降低SiNx绝缘层的厚度。沉积厚度从200nm降低到130nm左右。

经过上述工艺参数优化后，制备出的TFT器件，器件不会出现破裂或者脱落的现象，器件展示较好的输出饱和性能，源漏电极和半导体层能够形成较好的欧姆接触，没有电流拥挤现象；器件展示出较好的阈值性能，阈值电压为8V，开关比为5×10⁷，器件在栅源电压为20V时漏源电流为1.0×10⁴A，计算饱和迁移率为7.8cm2/V·s，亚阈值斜率为0.9V/dec。

有源层制备过程中氧气流量对器件性能的影响

在IGZO半导体层的沉积工艺参数中，氧气流量是重要的参数。为了了解氧气流量对器件性能的影响，我们在设定其它参数相同，而氧气流量从0sccm到8sccm变化。

从性能表征的结果可以看到，在没有通入氧气的情况下，制备的器件电性能较好，阈值电压为9V，迁移率能够达到7cm2/V·s，而对于在氧气流量为8sccm下制备的器件，器件的阈值电压达到24V，迁移率和开态电流较低。这主要是氧气流量在一定范围内，流量越大，IGZO中越多的O空位被填补，使得载流子浓度越低，载流子浓度越低，越不容易形成积累层，使得阈值电压增高。另外载流子浓度较低，使得形成的积累层的厚度较薄，导致电阻率增大，同时，由于氧气浓度较高，可能会使得IGZO半导体层和ITO电极层的接触变差，导致接触电阻增加，总电阻增大，漏源电压不变，使得开态电流减少。

对于保护层，最主要的作用是减少阈值电压的漂移，而对于阈值电压的严重漂移。对于IGZO-TFT，水分子和氧气的吸收是导致阈值电压发生漂移的主要原因。然而这两种物质对于器件的阈值电压影响是相反的，对IGZO层，氧气分子扩散填补了氧空位，相当于电子受主作用，在IGZO层界面形成耗尽层，因此使得阈值电压向增大的方向移动，而对于水分子，在IGZO界面层作为电子陷阱中心，在其界面形成积累层，积累层使得电子向负偏压移动，即朝着阈值电压减少的方向移动。根据报道，在没有阻挡层的时候，水分子所起的作用比氧分子要大，使得阈值电压减少；而当加入了二氧化硅阻挡层，阻止了水分子向半导体层的扩散，理论上会使得阈值电压增加。这与我们所得到的结论相反，经过分析，有可能是因为IGZO-TFT的保护层采用PECVD系统制备的二氧化硅，在系统制备的二氧化硅，在该方法制备的二氧化硅中会含有一定量的氢原子，氢原子的扩散使得半导体层的载流子浓度增加，从而使得阈值电压减少。

退火温度对器件性能的影响

适当的退火能够提高器件的电性能和稳定性能。一般情况下，IGZO-TFT最佳退火温度为350℃-400℃左右，然而柔性衬底无法承受这么高的温度，因此我们选用退火温度为100℃、150℃、200℃和250℃。可以看出，器件在没有退火和退火100℃的条件下，不能够展示出较好的TFT性能，而在另外三个参考退火温度下，TFT的输出性能和转移性能较好，分析如下：输出曲线的饱和性能较差，有多种原因可能导致这种情况出现，通常是由于半导体层的载流子浓度过高，在加栅压的情况下，不能够使得载流子完全堆积在半导体层和绝缘层所处的界面，使得器件不能够饱和；而从转移曲线可以看出，在没有退火的条件下，器件关态电流达到10^-7A，远大于退火的10^-11A-10^-12A，这也间接地说明，没有退火的半导体层的载流子浓度过高，半导体层的电导率较高，使得转移曲线中关态电流较大。随着退火的温度增高，器件的电性能好转，当退火的温度高于150℃，器件展示较好的输出转移性能；可以这样解释，温度升高，一方面使得二氧化硅中的O原子获得能量，加速扩散到IGZO中，由于IGZO的载流子是氧空位，所以，随着二氧化硅的O原子的注入，IGZO的载流子浓度降低，电阻率增大；另一方面，绝缘层SiNx中H原子扩散到半导体层中，形成受主，使得载流子浓度降低，关态电流能达到10^-11A以下，而对于100℃退火的器件，由于退火的温度较低，因此O原子的扩散速度较慢，适当的填补了IGZO半导体层的氧空位，所以相比没有退火的情况，器件的性能出现好转，但却不如器件在退火温度150℃或者150℃以上所展示的性能。因此，不同的退火温度对器件性能的影响不同，在后期的工艺中，我们选用退火温度为200℃。

柔性器件弯曲性能的测试

柔性器件一个重要的特点就是在弯曲状态下能够保持器件性能不变。为了能够定量的测试器件的弯曲性能，把柔性器件放在一定的曲率半径的半圆柱上，经过一定时间弯曲，再重新进行器件性能测试。实验中将所制备的柔性IGZO-TFT器件放在曲率半径为10mm的曲率圆柱上，使用半导体分析仪测试器件前后电性能情况。

弯曲参数是：曲率半径为10mm，持续时间是3min，可以看出，器件的电性能几乎没有变化，这说明，制备的器件具备较好的弯曲性能，至少能够承受R≥10mm的弯曲而保持器件性能不变。

器件的弯曲性能和柔性衬底的厚度有着密切的关系，衬底越厚，器件受到的力越大，越不容易弯曲，衬底的厚度越薄，越容易弯曲，并且弯曲的极限半径与向内弯曲和向外弯曲有关系，薄膜向内弯曲受到的力叫张力(Tensilestress)，而向外弯曲受到的力叫压力(compressive stress)，对于相同的曲率半径，压力会大于张力。器件弯曲失效，大多数是绝缘层SiNx破裂导致的，主要有以下几个原因，一方面绝缘层比较厚，在TFT器件中，绝缘层的薄膜几乎是最厚的；另一方面绝缘层的面积比较大，几乎覆盖整片样品；最后，SiNx本身较硬，易碎。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims

1.一种柔性IGZO薄膜晶体管的制备方法，包括：

步骤1、柔性衬底的清洗；

步骤2、使用PECVD沉积SiNx隔离层；

步骤3、制备栅电极图形；

步骤4、制备栅绝缘层；

步骤5、制备IGZO半导体层，

步骤6、制备源漏电极；

步骤7、制备保护层；

其中步骤3中包括：采用直流磁控溅射方法制备Cr栅薄膜，将制备好的薄膜通过涂胶，烘烤、光刻，显影，刻蚀和去胶技术生成栅电极图形；其中，Cr电极的刻蚀是硝酸铈铵混合溶液，配比为：9ml高氯酸+25g硝酸铈铵+100ml去离子水，刻蚀时间大约为25s；电极图形制备好以后，用丙酮超声去胶，接着用乙醇和去离子水清洗，每种溶剂超声6-8min。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤1包括：该柔性衬垫为塑料衬垫，其厚度为50μm；将塑料衬底放在烧杯中清洗，先用清洗液洗塑料衬底的表面，用清水冲洗干净，接着放在丙酮、乙醇、去离子水中分别超声清洗30min，这个过程重复一次；接着用氮气枪吹干衬底，放在250℃的热板上烘烤10min左右，去除存留的水和有机溶剂。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，还包括：将进行隔离层处理后的衬底固定在玻璃板上。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，栅绝缘层采用SiNx材料；所述栅电极采用Cr材料；源极、漏极采用ITO材料。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤5包括：半导体层IGZO采用磁控溅射制备，制备好的IGZO薄膜经过涂胶、光刻、显影和刻蚀工艺制备图形，刻蚀液采用浓盐酸和去离子水的配比液，具体比例为36.5％HCl∶H2O＝1∶3，该比例为体积比，刻蚀时间大概为10s-15s。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，源漏电极采用ITO材料，通过磁控溅射制备薄膜，源漏电极是采用lift-off工艺来制备电极图形。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤7中，保护层采用PECVD制备的SiO2薄膜。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，绝缘层和保护层采用RIE干法刻蚀工艺，刻蚀完后，清洗去胶，然后进行电性能的测试。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在制备柔性IGZO薄膜晶体管过程中，沉积温度从初始的270℃降低到后期的240℃；保护层的沉积功率从20W降低到10W；SiNx绝缘层的沉积厚度从200nm降低到130nm；栅电极Cr薄膜：平均电阻率为19.6μΩ·cm，退火后的电阻率为17.7μΩ·cm，薄膜电阻率的均匀度在±10％；IGZO薄膜，呈现非晶结构，可见光的透过率达到80％以上，In∶Ga∶Zn的原子比为10∶10∶3。