CN103021871A - 一种薄膜晶体管的制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种底栅结构的双电层ITO薄膜晶体管的制备工艺，包括：清洁衬底步骤；制备栅极步骤；制备绝缘层步骤；ITO沟道层的沉积步骤；源、漏极的制备步骤。上述制备绝缘层步骤、ITO沟道层的沉积步骤以及源、漏极的制备步骤均在室温下进行。

Description

一种薄膜晶体管的制备工艺

技术领域

本发明涉及金属氧化物TFT的制备工艺，特别是全室温下制备TFT的工艺。

背景技术

近几年来，越来越多的小组对全室温下制备的TFT有着很大的兴趣。自从2005年，Fortunato等人在全室温条件下制备出性能很好的TTFT器件，其饱和迁移率达到27cm2／Vs，阈值电压为19V，开关比大于105，全室温条件下制备的器件，性能已经比较理想，阈值电压有待于优化。

对于改善器件的性能，采用非晶氧化物作为沟道层也是一种方法。由于非晶态的薄膜比多晶态的薄膜少了晶界的散射，从而可以提高沟道层的载流子迁移率。Hsieh等人通过减小ZnO薄膜的厚度(从60nm到10nm)，使其从多晶态变为为非晶态。同时采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)法，沉积了50nm的SiNx薄膜作为栅介质层，磁控溅射ITO作为栅和源、漏电极，且制备了顶栅和底栅两种结构的TFT。顶栅结构的TFT性能很好，其迁移率和开关比分别达到了25cm2／Vs和107且TTFT在可见光波长范围的透光率均大于80％。

Song等报道了全室温下采用全射频磁控溅射工艺制备的非晶铟锌氧化物(a-IZO)TTFT。采用射频磁控溅射法制备IZO沟道层、IZO栅以及源、漏电极，通过调节氧压来控制IZO的电阻率。栅介质为100nm的AIOx，也是由射频溅射方法制备的。器件的阈值电压，开关比和饱和迁移率分别达到了1.1V，106和0.53cm2／Vs并且器件的透光率在可见光范围达到了80％。

除了以上描述的比较有代表性的结果外，还有不少关于化学镀膜方法和喷墨打印方法制作的TFT以及纳米线沟道TFT的报道，不过由于这些器件的场效应迁移率普遍不高或者不适合产业化生产，这里就没有做过多的研究。从TFT的发展历程中我们可以看到，不同沟道材料，栅绝缘层材料，不同结构以及不同的制备工艺等多种多样的TFT，最终人们都在寻找性能最佳且易于产业化的TFT，其中金属氧化物TFT在未来的应用前景最广阔。

发明内容

本发明涉及一种薄膜晶体管的制备工艺，特别是底栅结构的双电层ITO薄膜晶体管的制备工艺，包括：

清洁衬底步骤；

制备栅极步骤，分别用丙酮和乙醇进行超声波清洗10分钟，除去硅片上的有机物和油迹，再用去离子水把残留在硅片上的丙酮和乙醇清洗掉，最后在80℃干燥箱内烘干；

制备绝缘层步骤，把处理好的硅片放入PECVD的真空室内，用机械泵和罗茨泵把真空室的气压抽至10Pa以下，通入的反应气体为氧气和硅烷，同时通入惰性气体氩气作为保护气体以及电离气体；

ITO沟道层的沉积步骤，在沉积好介孔Si02的衬底上，采用射频磁控溅射沉积ITO沟道层，溅射时的本底真空为3×10-3Pa，极限真空为1×10-5Pa，溅射气体为氧气和氩气的混合气体，其中O2的流量占总气流的6％至10％，工作气压为0.5pa，溅射功率为100W；

源、漏极的制备步骤，用掩模法，采用射频磁控溅射沉积完成的，溅射时的本底真空为3×10-3Pa，极限溅射气体为氩气，工作气压为0.5pa，溅射功率为100W。

上述制备绝缘层步骤、ITO沟道层的沉积步骤以及源、漏极的制备步骤均在室温下进行。

上述绝缘层步骤中，其中硅烷和氧气的比例为5:18seem，沉积的总气压和时间分别为25pa和l小时，射频功率为150W。

ZnO：Al沟道层的厚度为50nm。

具体实施方式

本发明的具有底栅结构的双电层ITO薄膜晶体管的制备工艺，包括：

清洁衬底步骤；

制备栅极步骤，分别用丙酮和乙醇进行超声波清洗10分钟，除去硅片上的有机物和油迹，再用去离子水把残留在硅片上的丙酮和乙醇清洗掉，最后在80℃干燥箱内烘干。本发明中所用的硅片为导电性较好的，可以做为栅极使用的。

制备绝缘层步骤，把处理好的硅片放入PECVD的真空室内，用机械泵和罗茨泵把真空室的气压抽至10Pa以下，通入的反应气体为氧气和硅烷，同时通入惰性气体氩气作为保护气体以及电离气体。其中硅烷和氧气的比例为5：18seem(体积流量单位，标况毫升每分)，沉积的总气压和

时间分别为25pa和l小时，射频功率为150W。这个过程中是在室温情况下完成的，实验结束之后可以取出被沉积了介孔Si02的样品。

ITO沟道层的沉积步骤，在沉积好介孔Si02的衬底上，采用射频磁控溅射沉积ITO沟道层，溅射时的本底真空为3×10-3Pa，极限真空为1×10-5Pa，溅射气体为氧气和氩气的混合气体，其中O2的流量占总气流的6％至10％，工作气压为0.5pa，溅射功率为100W。沟道的膜厚取决于时间，一般溅射5-8分钟就差不多为50nm厚。此过程也是在室温下进行的，实验结束之后可以将样品取出。

源、漏极的制备步骤，用掩模法，采用射频磁控溅射沉积完成的，溅射时的本底真空为3×10-3Pa，极限溅射气体为氩气，工作气压为0.5pa，溅射功率为100W。源、漏电极一般溅射15分钟左右。此过程也是在室温下进行的，实验结束之后可以将样品取出。

以上步骤都完成，基于介孔Si02的ITO薄膜晶体管就制备完了。

ITO沟道薄膜的电阻率为1．04×10-3Ω·cm，源、漏电极ITO薄膜的电阻率为3．85×10-4Ω·cm，说明了在ITO薄膜溅射的过程中，氧气的通入会使得ITO薄膜的电阻率上升。采用SiH4和02作为栅介质Si02的反应气体，沉积出的Si02为介孔疏松状，并含有大量的质子，为双电层的形成提供了有利的条件。并且当反应气体中SiH4所占的比例越大，低频下Si02的电容就越大。同时，沉积温度对SiO2单位电容也有很大的影响，温度越高，在一定的频率下，Si02的单位电容就越小。通过对双电层ITO薄膜晶体管的电学性能进行分析，器件的饱和迁移率、亚阈值摆幅和开关电流比分别为1l8cm2／Vs，92mV／decade，5×106。由于双电层形成，物理厚度为8μm的栅介质工作的时候等效厚度只有1～2nm，双电层电容高达2.14μF／em2，最终使得器件的工作电压为1．5V，极大的满足了微电子领域低功耗的要求。

Claims (3)

1.一种底栅结构的双电层ITO薄膜晶体管的制备工艺，其特征在于，包括：

清洁衬底步骤；

制备栅极步骤，分别用丙酮和乙醇进行超声波清洗10分钟，除去硅片上的有机物和油迹，再用去离子水把残留在硅片上的丙酮和乙醇清洗掉，最后在80℃干燥箱内烘干；

制备绝缘层步骤，把处理好的硅片放入PECVD的真空室内，用机械泵和罗茨泵把真空室的气压抽至10Pa以下，通入的反应气体为氧气和硅烷，同时通入惰性气体氩气作为保护气体以及电离气体；

ITO沟道层的沉积步骤，在沉积好介孔Si02的衬底上，采用射频磁控溅射沉积ITO沟道层，溅射时的本底真空为3×10-3Pa，极限真空为1×10-5Pa，溅射气体为氧气和氩气的混合气体，其中O2的流量占总气流的6％至10％，工作气压为0.5pa，溅射功率为100W；

源、漏极的制备步骤，用掩模法，采用射频磁控溅射沉积完成的，溅射时的本底真空为3×10-3Pa，极限溅射气体为氩气，工作气压为0.5pa，溅射功率为100W。

2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管的制备工艺，其特征在于，上述制备绝缘层步骤、ITO沟道层的沉积步骤以及源、漏极的制备步骤均在室温下进行。

3.根据权利要求1所述的薄膜晶体管的制备工艺，其特征在于，上述绝缘层步骤中，其中硅烷和氧气的比例为5:18seem，沉积的总气压和时间分别为25pa和l小时，射频功率为150W。