CN103413833A

CN103413833A - 一种柔性ZnO基薄膜晶体管及其制备方法

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Publication number: CN103413833A
Application number: CN2013102860474A
Authority: CN
Inventors: 繁萌; 李辉; 瞿敏妮; 仇志军; 刘冉
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-07-09
Also published as: CN103413833B

Abstract

本发明属于微电子及平板显示技术领域，具体为一种柔性金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法。该柔性薄膜晶体管包括柔性基底、平坦层、隔绝缓冲层、栅极、栅极绝缘层、源极、漏极及半导体沟道层。n型和p型氧化锌半导体沟道层采用简单的无机溶液法制备，整个工艺温度控制在200℃以内。制作时在基底双面生长同样厚度的平坦层及隔绝缓冲层，并通过热退火的方式缓解工艺过程中的柔性衬底弯曲，提高后续的光刻对准精度。本发明可提高柔性TFT及后续器件的可操作性及稳定性，且制备工艺简单，生产成本较低。

Description

一种柔性ZnO基薄膜晶体管及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子及平板显示技术领域，具体涉及一种柔性ZnO基薄膜晶体管（Thin Film Transistor, TFT）的结构及其制备方法。

背景技术

当代显示技术的发展需要更高性能的薄膜晶体管（TFT）以驱动LCD像素及AMOLED像素，目前薄膜晶体管广泛采用的沟道材料为非晶硅（a-Si：H）和多晶硅。非晶硅TFT具有制备工艺简单，均一性好的优点，但其迁移率较低（< 1cm²/V·s）,无法满足现在AMOLED显示对驱动的要求；低温多晶硅TFT虽然迁移率较高（> 10cm²/V·s）,但其需要激光辅助退火而制造成本很高，且多晶材料量产均一性差，无法满足大面积高分辨率的显示器生产的需求。因此人们展开了有机物薄膜晶体管和非晶金属氧化物TFT的研究以解决上述问题。

金属氧化物薄膜晶体管兼具高透光率、高电子迁移率和非晶态结构可室温沉积等优点。1)由于包含后过渡金属阳离子的金属氧化物中的载流子传输通道大部分为相邻金属阳离子的ns轨道交叠组成，该通路受原子排列结构影响较小，即使在非晶态情况下也可以保持较高的载流子迁移率。2)非晶态金属氧化物可在低温下制备并具有表面粗糙度小的特点，能有效抑制载流子的界面陷阱捕获及散射。3）禁带宽度大（> 3.0eV）,透光率高，可以制成透明TFT以增大面板的开口率，降低显示器功耗。

ZnO基氧化物半导体当前主要由磁控溅射、脉冲激光沉积等方法制备，设备依赖性高，产率较低，成本高。研究低成本的溶液制备方法迫在眉睫，溶液法制备的高性能半导体可与传统旋涂、喷墨打印及新型roll-to-roll工艺结合大大降低生产成本。溶液法制备的主要障碍是：为形成致密缺陷少的功能半导体薄膜需要较高的退火温度（400℃），使其与柔性衬底不兼容。且目前的溶液法主要有纳米球胶体和金属盐的溶胶-凝胶法，低温处理条件下盐离子如Cl^-、NO₃ ^-等无法完全分解，由此形成的杂质对薄膜质量有很不好的影响。

柔性显示具有轻薄、可弯曲的特点，可用于制造电子书、电报纸、移动电视的显示屏。这类显示器柔软可变性，耐冲击性强，可以实现卷曲显示，为人们的生活提出了新的概念，且功耗也比传统显示面板更低。但当前的塑料基底，表面平整性差，表面微米量级的凸起会引起器件损坏，可靠性差；且水、氧透过率高，器件易老化。同时晶体管制备过程中由于不同膜层的热膨胀系数不同，薄膜的生长、热处理等都会对其造成弯曲收缩等影响，不利用光刻图形对准，也不利用面板制作。

本发明给出了一种低温制备ZnO薄膜的无机溶液法。利用锌氨络离子在低温下（＜100℃）即可分解为ZnO的特点，制备无杂质的高性能的ZnO非晶态薄膜。且提出了利用铜掺杂制备p型ZnO的方案。利用铜氨络离子实现p型掺杂。

本发明亦针对柔性显示提出了一种在柔性衬底上制备TFT的方法，可用以改善塑料衬底的表面平整度，减少后期工艺对柔性衬底的影响，提高了光刻对准精度及器件的使用可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本较低、性能优良的柔性氧化锌基薄膜晶体管及其制备方法。

本发明提供的柔性氧化锌基薄膜晶体管，其结构包括：柔性基底(1)、在柔性基底(1)两侧的平坦层(2a,2b)、分别在平坦层(2a,2b)外侧的隔绝缓冲层(3a,3b)、在其中一个隔绝缓冲层(3a)外侧的栅极(101)、与栅极（101）绝缘隔开的源极(103)和漏极(104)，与栅极绝缘且与源极、漏极连接的氧化物半导体沟道层(105)，以及将栅极与源漏电极、半导体层绝缘隔开的栅极绝缘层(102)。

本发明提供的柔性氧化锌基薄膜晶体管的制备方法，具体步骤为：

（a）在柔性基底（1）上，先用Ar等离子体轰击5min,再在其两面分别旋涂平坦层(2a)、平坦层(2b)，并进行表面平坦化处理；

（b）在平坦层(2a)、平坦层(2b)外侧分别生长隔绝缓冲层(3a)和隔绝缓冲层(3b)；

（c）用Lift-off工艺，在隔绝缓冲层(3a)上形成栅极（101）；

（d）在隔绝缓冲层(3a)和栅极（101）上形成栅极绝缘层（102）；

（e）在栅极绝缘层（102）上分别形成源极（103）和漏极（104）；

（f）在源极（103）和漏极（104）之间形成半导体沟道层（105）。

本发明中，所述柔性基板为PI、PET或PEN等柔性材料或柔性薄膜，其厚度为50μm~200μm。耐高温200℃以上。

本发明中，所述Ar等离子体由反应离子刻蚀设备产生。所述平坦层的材料为聚合物或环氧树脂，如SU-8，厚度为3μm~10μm。旋涂平坦层是，先500rpm旋涂5s，后1000-3000rpm旋转30s。所述表面平坦化处理为：先95℃烘10min，再UV光照10min，然后95℃烘10min。

本发明中，所述隔绝缓冲层材料为SiOx,SiNx或Al₂O₃等，利用电子束蒸发技术，室温下生长，以形成类似硅器件衬底表面，易于硅基工艺向柔性衬底转移。其厚度为50~300nm。

本发明中，所述的栅极、源极、漏极为氧化铟锡(ITO)、氧化锌铝（AZO）、氧化铟锌（IZO）等透明导电薄膜或Mo、Cr、Al等有色金属及其合金，由磁控溅射或电子束蒸发技术，室温下生长。

本发明中，所述栅极绝缘层材料为Al₂O₃或HfO₂等high-k材料，由原子层淀积技术生长，厚度为10~100nm。其中Al₂O₃薄膜由三甲基铝（TMA）做源，H₂O做氧化物，200℃生长。1个循环约为1.2埃，厚度可为10~100nm。HfO₂由四(二乙基酰胺)铪(TDEAH)做源，H₂O做氧化物，150℃~200℃生长，厚度可为20~100nm。

本发明中，所述半导体沟道层为n型和p型ZnO。其中n型成分为ZnO薄膜，p型成分为Cu_xZn_1-xO薄膜；采用无机溶液旋涂法生成，然后经退火处理制得，厚度7nm~100nm。其中：

所述ZnO薄膜由锌氨络离子溶液经旋转涂布后退火获得；所述Cu_xZn_1-xO薄膜由铜氨络离子溶液与锌氨络离子溶液按一定比例混合，再经旋转涂布后退火制备获得。

本发明中，所述锌氨络离子溶液由以下步骤制备：由一定浓度的Zn(NO₃)₂与NaOH反应生成Zn(OH)₂沉淀，并经过重复离心、加入去离子水混合、离心等步骤进行沉淀的清洗及收集。清洗后无杂质的Zn(OH)₂沉淀溶于一定浓度氨水，搅拌形成特定浓度的锌氨络离子溶液。所述铜氨络离子溶液由以下方法制备：由一定浓度的CuSO₄溶液与氨水反应，直至生成的蓝色Cu(OH)₂沉淀完全溶解，然后取定量的上述溶液，加入适量NaOH，获得纯的Cu(OH)₂沉淀；再经离心、加入去离子水混合、离心等重复步骤，进行沉淀的清洗及收集，得到无杂质的Cu(OH)₂沉淀；然后将获得的无杂质的Cu(OH)₂沉淀溶于一定浓度的氨水，搅拌形成一定浓度的深蓝色透明铜氨络离子溶液。

本发明中，生成半导体沟道层的旋涂法为：1000-3000rpm旋转35s。所述退火处理为：快速热处理（RTP），空气中150~200℃加热处理1~3h，或者空气中240~480W微波处理10~20min。

所述栅电极、源漏电极图形由Lift-off工艺形成；半导体沟道及栅极绝缘层图形由光刻刻蚀工艺实现。所述Lift-off工艺是指：使用正胶旋涂，使其厚度为1.2~4μm，而后经光刻形成电极图形；而后生长电极，再丙酮超声5~10min形成栅、源、漏电极。所述半导体沟道刻蚀由HCl与水体积比为1:40的溶液进行腐蚀，栅极绝缘层图形由反应离子刻蚀进行干法腐蚀或稀释50倍的稀HF溶液进行腐蚀。

本发明所提出的柔性基底处理方法可以有效改善基底表面粗糙度，增强水氧阻隔性，并减少了后期工艺对薄膜形貌的影响，增大了对准精度，增强了后续面板器件的制作工艺可操作性及使用可靠性。

本发明所给出的无机溶液制备n型，p型ZnO半导体薄膜可以在低温下制备高质量的半导体薄膜。

本发明解决了制备过程中薄膜生长及热处理等工艺对薄膜影响。不但增强了表面平整度，且解决了工艺中的柔性弯曲收缩现象，提高了柔性TFT及后续器件的可操作性及稳定性。在柔性基底上形成类似硅器件的衬底表面，易于工艺转移。且沟道层采用简单的无机溶液法制备，可用于制备n型和p型ZnO薄膜晶体管，制备工艺简单，降低了生产成本。

附图说明

图1为柔性氧化锌薄膜晶体管底栅、底接触结构示意图。

图2为氧化锌薄膜晶体管底栅、顶接触结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，图中各层厚度及区域大小并不代表实际尺寸。

衬底处理：

本发明的柔性基底处理工艺包括以下步骤：

a) 清洗柔性基底——PI衬底(1)；

b) 在PI衬底上正面旋涂一层SU-8薄膜(2a)，并通过薄膜成型处理，进行衬底表面平坦化；

c) 在PI衬底背面旋涂一层SU-8薄膜(2b)，并通过薄膜成型处理；

d) 在PI衬底正面沉积一层SiO₂(3a),厚度为200nm；

e) 在PI衬底背面沉积一层SiO₂(3b),厚度为200nm。

所述工艺步骤a)中，清洗工艺为碱性清洗液清洗30min,丙酮超声20min,乙醇超声20min,去离子水冲洗，氮气吹干。

所述工艺步骤b)、c)中，旋涂工艺为500rpm旋涂5s后1000~3000rpm旋涂30s,所形成的SU-8薄膜厚度约为3μm~10μm。

所述薄膜成型处理为95℃烘箱内前烘10分钟，而后紫外光处理10分钟，而后95℃后烘10分钟，形成SU-8薄膜

工艺步骤b)以后薄膜加热会产生弯曲。工艺步骤c)以后形变可忽略。

所述工艺步骤d)、e)中SiO₂为电子束蒸发生长。形成衬底双面阻隔，可增强器件可靠性。

实施例1

如图1所示，本发明的底栅、底接触氧化锌薄膜晶体管的制造工艺包括如下步骤：

a) 柔性衬底的预处理；

b) Lift-off工艺沉积栅电极薄膜(101)；

c) 沉积栅极绝缘材料(102)；

d) 通过光刻刻蚀形成栅极绝缘层图形；

e) Lift-off工艺沉积源、漏电极(103,104)；

f) 无机溶液旋涂得ZnO半导体层(105)；

g) 通过光刻湿法刻蚀获得沟道区图形。

所述步骤a),柔性衬底预处理同上。

所述步骤b)中lift-off工艺具体为，采用瑞红正胶，5000rpm旋涂30s,95℃前烘10min,曝光40s,显影20~40s,120℃后烘10min,得到电极区域窗口；磁控溅射沉积ITO,IZO,AZO等透明导电薄膜，或Mo，Al，Cr等有色金属100nm；丙酮超声5~10min去除光刻胶及其上导电薄膜，获得有图形的栅电极(101)。

所述步骤c)中栅极绝缘层(102)为Al₂O₃薄膜，由原子层淀积生长。厚度60nm。经曝光后稀释50倍的稀HF刻蚀成型，或由RIE干法刻蚀成型。

所述步骤f中ZnO无机溶液法由以下步骤制备：

1，取2.231gZn(NO₃)₂·6H₂O溶于15ml去离子水，搅拌0.5~1h得溶液

；

2，取1.8gNaOH溶于15ml去离子水，搅拌0.5~1h得溶液；

3，取2.5ml溶液

，加入1.6ml溶液，搅拌获得有白色沉淀的悬浊液；

4，将悬浊液

离心得沉淀；

5，对沉淀加入去离子水搅拌清洗；

6，重复4,5步骤4到5次得纯净的Zn(OH)₂沉淀

;

7，将沉淀溶于10ml,6.6M的氨水中，搅拌12h获得澄清锌氨络离子溶液。

所述铜氨络离子溶液由以下步骤制备：

1，取0.25gCuSO₄·5H₂O，溶于20ml去离子水，得溶液

；

2，取2.4gNaOH溶于15ml去离子水，得溶液

；

3，取2.5ml溶液

，加入200微升6.6M氨水至生成沉淀完全溶解，后加入溶液

，搅拌得浑浊液

;

4，将浑浊液

进行反复离心，加入去离子水清洗，得沉淀

;

5，将沉淀10份沉淀溶于20ml，6.6M氨水，搅拌12h得深蓝色透明溶液。

可根据上述数据等比例增加制备不同体积的无机溶液。掺铜氧化锌溶液由锌氨溶液与铜氨溶液按90：10,95：5,85:15的比例混合得所需掺杂浓度的铜锌溶液。

所述旋涂是指2000rpm，35s旋涂；而后经快速热处理200℃空气中退火1h,或微波退火480W，20min;得ZnO半导体薄膜。所得氧化锌薄膜厚度约为7~10nm,可通过反复旋涂，退火步骤获得所需厚度的沟道。

沟道区图形由光刻后湿法刻蚀获得，采用HCl与水体积比为1:40的溶液刻蚀5~20s。

光刻刻蚀后光刻胶可保留在沟道上做直接的钝化层，保护沟道不受外界环境中水、氧等影响，亦可去胶后再沉积别的钝化层进行器件钝化及封装。

实施例2

底栅、顶接触的薄膜晶体管制备方法：1，衬底预处理；2，淀积栅电极201；3，淀积栅极绝缘层202；4，淀积ZnO半导体沟道层203；5，淀积源、漏(204a,204b)。此方法中栅绝缘层及沟道层可用一套光刻板同时光刻刻蚀形成图形，栅电极、源漏电极为Lift-off工艺制作，此结构可避免退火工艺对源、漏电极的影响。

Claims

1. 一种柔性氧化锌基薄膜晶体管，其特征在于包括：柔性基底、在柔性基底两侧的平坦层、分别在两侧的平坦层外侧的隔绝缓冲层、在一个隔绝缓冲层外侧的栅极、与所述栅极绝缘隔开的源极和漏极，与栅极绝缘且与源极、漏极连接的氧化物半导体沟道层，及将栅极与源漏电极、半导体层绝缘隔开的栅极绝缘层；

所述半导体沟道层为n型和p型ZnO，n型成分为ZnO薄膜，p型成分为Cu_xZn_1-xO薄膜；采用无机溶液旋涂法生成，然后经退火处理制得，厚度7nm~100nm；其中：

所述ZnO薄膜由锌氨络离子溶液旋涂法制备获得；Cu_xZn_1-xO薄膜由铜氨络离子溶液与锌氨络离子溶液按一定比例混合，再经旋转涂布方法制备获得。

2. 一种如权利要求1所述的柔性氧化锌基薄膜晶体管的制备方法，其特征在于具体步骤为：

（a）在柔性基底上，先用Ar等离子体轰击5min,再用旋涂法在柔性基底两面分别旋涂平坦层，进行表面平坦化处理；

（b）在两平坦层外侧分别生长隔绝缓冲层；

（c）用Lift-off工艺，在一隔绝缓冲层上形成栅极；

（d）在栅极上形成栅极绝缘层；

（e）在栅极绝缘层上分别形成源极和漏极；

（f）在源极和漏极之间形成半导体沟道层。

3. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述柔性基底材料为PI、PET或PEN，其厚度为50μm~200μm。

4. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述平坦层的材料为聚合物或环氧树脂。

5. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述隔绝缓冲层材料为SiOx、SiNx或Al₂O₃，其厚度为50~300nm。

6. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的栅极、源极、漏极材料为氧化铟锡、氧化锌铝、氧化铟锌，或Mo、Cr、Al有色金属及其合金，由磁控溅射或电子束蒸发技术，室温下生长获得。

7. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述栅极绝缘层材料为Al₂O₃或HfO₂high-k材料，由原子层淀积技术生长获得，其厚度为10~100nm。

8. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述半导体沟道层为n型和p型ZnO；其中n型成分为ZnO薄膜，p型成分为Cu_xZn_1-xO薄膜；采用无机溶液旋涂法生成，然后经退火处理制得，厚度7nm~100nm，其中：

9. 根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于所述锌氨络离子溶液由以下步骤制备：由一定浓度的Zn(NO₃)₂与NaOH反应生成Zn(OH)₂沉淀，并经过重复离心、加入去离子水混合、离心步骤进行沉淀的清洗及收集，得到无杂质的Zn(OH)₂沉淀；然后将无杂质的Zn(OH)₂沉淀溶于一定浓度氨水，搅拌形成特定浓度的锌氨络离子溶液；所述铜氨络离子溶液由以下方法制备：由一定浓度的CuSO₄溶液与氨水反应，直至生成的蓝色Cu(OH)₂沉淀完全溶解，然后取定量的上述溶液，加入适量NaOH，获得纯的Cu(OH)₂沉淀；再经离心、加入去离子水混合、离心等重复步骤，进行沉淀的清洗及收集，得到无杂质的Cu(OH)₂沉淀；然后将无杂质的Cu(OH)₂沉淀溶于一定浓度的氨水，搅拌形成一定浓度的深蓝色透明铜氨络离子溶液。