CN103779425A - 一种铟镓锌氧化物半导体薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铟镓锌氧化物半导体薄膜的制备方法，包括如下步骤：a）制备乙酰丙酮镓的乙醇溶液、乙酰丙酮锌水合物的乙醇溶液和乙酰丙酮铟的四氢呋喃溶液；b）将三种溶液进行混合并搅拌均匀，制得铟镓锌氧化物的前驱体溶液；c）将前驱体溶液沉积在基板材料上并进行退火处理，制得铟镓锌氧化物半导体薄膜。本发明制备工艺简单、可控，成本低，光电性能优良。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种制备铟镓锌氧化物半导体薄膜的方法；特别地，本发明还涉及一种利用铟镓锌氧化物半导体薄膜作为沟道层材料，制备铟镓锌氧化物晶体管的方法。
背景技术
薄膜晶体管（Thin Film transistor；TFT）是由半导体有源层即沟道层、介质层即绝缘层、栅电极、源电极和漏电极构成。由于薄膜晶体管容易制备且成本较低，因此被广泛应用于平板显示领域。近年来，随着液晶显示的发展壮大，薄膜晶体管技术已经成为平板显示的象征性技术，其特点是在对角线为数米长的基板上制备几千万个数微米大小的TFT阵列。
目前TFT按半导体有源层材料的不同大致可分为四种：非晶硅TFT、低温多晶硅TFT、有机TFT和氧化物TFT。目前TFT-LCD中应用最为广泛是非晶硅TFT。相对于非晶硅TFT而言，低温多晶硅TFT具有高清晰度、高开口率、快响应速度和低功耗等优点，因而有可能成为一种继非晶硅TFT之后的主流应用技术。但是低温多晶硅TFT技术存在设备昂贵、工艺难度大、均匀性差等缺点，而且其工艺温度相对有机基板而言太高，不适合应用于柔性显示器件。尽管有机TFT具有易弯折，可和柔性基板相兼容等优点，但是其迁移率较低，因此很难满足平板显示的需求。
最新的研究表明，氧化物TFT兼具迁移率高、可透光性好等优点，因此成为近年来研究的热点。而利用氧化物半导体制作透明氧化物薄膜晶体管，实现了比非晶硅薄膜晶体管性能高出1-2个数量级的结果。如采用氧化物半导体TFT作为像素开关，将大大提高有源矩阵的开口率，从而提高亮度，降低功耗和减少工艺复杂性。这预示着氧化物TFT在未来的平板显示领域将具有良好的应用前景。
目前生产中一般采用诸如磁控溅射法、等离子增强化学气相沉积的高真空沉积方法制备氧化物半导体薄膜。然而高昂的真空设备及运转成本显然已成为制约氧化物TFT在大尺寸平板显示显示领域发展的枷锁。因此低廉的溶液法沉积氧化物半导体薄膜成为追逐的热点。其优点是可在大气环境下制备、可应用于大尺寸、制备设备简单，对于多组分体系可精确控制其中各元素含量等优点。
目前报道的IGZO溶液前驱体一般由醋酸盐、硝酸盐或者氯酸盐和相对应的金属离子所构成的。然而，在退火时这类前驱体所发生的复杂化学反应将可能带来IGZO膜较多的空洞，或者由于诸如Cl-等残留的阴离子将可能造成IGZO的TFT性能的衰减。
因此，本领域的技术人员致力于开发新型的氧化物半导体薄膜，用于制备氧化物晶体管，具有制备工艺简单、可控，成本低，光电性能优良等优点。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种制备铟镓锌氧化物（IGZO）半导体薄膜的方法，采用不同于现有技术的金属盐和溶剂形成铟镓锌氧化物（IGZO）前驱体溶液，通过加热涂覆等方式在基板材料上形成表面平整、光电性能优良的IGZO半导体薄膜。
进一步，本发明所要解决的技术问题还在于，利用铟镓锌氧化物半导体薄膜作为沟道层材料，制得铟镓锌氧化物晶体管及其制备方法，提高氧化物晶体管的性能参数。
为实现上述目的，在本发明的第一个方面，提供了一种溶液法制备铟镓锌氧化物半导体薄膜的方法，包括如下步骤：
a）分别制备乙酰丙酮镓的乙醇溶液、乙酰丙酮锌水合物的乙醇溶液和乙酰丙酮铟的四氢呋喃溶液；
b）将步骤a）所得的三种溶液按需要的比例进行混合，制得铟镓锌氧化物的前驱体溶液；
c）将步骤b）所得的前驱体溶液混合均匀；
d）将步骤c）所得的前驱体溶液沉积在基板材料上，制得铟镓锌氧化物半导体薄膜；
e）将步骤d)所得的铟镓锌氧化物半导体薄膜进行退火处理，即得所述铟镓锌氧化物半导体薄膜。
进一步地，所述步骤b）中，按照所述前驱体溶液中所需的镓、锌和铟的摩尔比，量取不同体积比的乙酰丙酮镓的乙醇溶液、乙酰丙酮锌水合物的乙醇溶液和乙酰丙酮铟的四氢呋喃溶液进行混合。
其中，镓、锌和铟的摩尔比为（0～2）:（0～2）:（0～2）。
进一步地，所述步骤c）中，将步骤b）所得的前驱体置于室温和氮气环境下进行磁力搅拌20～30分钟，然后加热至60～70℃备用。
进一步地，所述d）中，所述沉积为：采用旋涂法或喷墨印刷法将前驱体溶液沉积在基板材料上；所述基板材料包括硅片、玻璃基板或二氧化硅基板；所述铟镓锌氧化物半导体薄膜的厚度为5～100纳米。
进一步地，所述步骤e）中，所述退火处理为：将所得的铟镓锌氧化物半导体薄膜在空气气氛下加热1.5～2.5小时，加热温度为340～600℃。
在本发明的第二个方面，提供了一种铟镓锌氧化物晶体管，包括栅电极、绝缘层、沟道层、源电极和漏电极，其中，所述栅电极为金属薄膜或重掺杂硅；所述绝缘层为所述栅电极上形成的二氧化硅；所述沟道层为沉积在绝缘层上的铟镓锌氧化物半导体薄膜；所述源电极和漏电极为通过掩膜板沉积在沟道层上的金属材料或导电高分子薄膜材料。
进一步地，所述沟道层为采用本发明的第一个方面的制备工艺所制备得到的铟镓锌氧化物半导体薄膜。
在本发明的第三个方面，提供了一种铟镓锌氧化物晶体管的制备方法，包括如下步骤：
a）选取基板材料和栅电极材料，在所述栅电极的表面形成二氧化硅，作为绝缘层；
b）在所述绝缘层上利用溶液法制备铟镓锌氧化物半导体薄膜；
c）采用热蒸镀或溅射法，通过一层掩膜板在步骤b）所得的铟镓锌氧化物半导体薄膜上分别沉积源电极和漏电极。
可选地，所述步骤a）中，所述基板材料为无碱玻璃，所述栅电极材料为金属、导电金属氧化物或导电高分子；所述栅电极材料通过热蒸镀工艺或磁控溅射工艺沉积在无碱玻璃上；所述二氧化硅通过PECVD镀膜工艺沉积在所述栅电极材料。
可选地，所述步骤a）中，所述基板材料为重掺杂的晶向为<100>的硅片；所述二氧化硅通过热生长方法形成在所述硅片的表面。
进一步地，所述步骤b）中，所述溶液法为本发明的第一个方面的制备铟镓锌氧化物半导体薄膜的方法。
进一步地，所述步骤c）中，所述源电极和所述漏电极为金属材料、导电金属氧化物或导电高分子薄膜。
在本发明的一个较佳实施方式中，一种溶液法制备铟镓锌氧化物半导体薄膜的方法，包括如下步骤：第一步、选取一定量的粉末乙酰丙酮镓[Ga(C5H7O2)3]和粉末乙酰丙酮锌水合物[Zn(C5H7O2)2·xH2O]分别溶解于乙醇溶剂中，得到乙酰丙酮镓溶液和乙酰丙酮锌溶液；选取一定量的粉末乙酰丙酮铟[In(C5H7O2)3]溶解于四氢呋喃，得到乙酰丙酮铟溶液。第二步、按照前驱体溶液中所需的镓、锌和铟的摩尔比，换算量取不同体积比的乙酰丙酮镓溶液、乙酰丙酮锌溶液和乙酰丙酮铟溶液进行混合。第三步、将前驱体溶液置于室温和氮气环境下进行磁力搅拌20～30分钟进行均匀混合，然后加热至60～70℃保持均匀混合状态以备用。第四步、采用旋涂法或喷墨印刷法将前驱体溶液沉积在基板材料上，所得的铟镓锌氧化物半导体薄膜的厚度为5～100纳米。第五步、将所得样品进行退火处理，最终得到所需的铟镓锌氧化物半导体薄膜。
由此可见，本发明提供了一种新型的铟镓锌氧化物半导体薄膜的制备方法，区别于现有技术中的单溶剂系统，采用了双溶剂系统，可以明显提高混合均匀后的前驱体溶液的稳定性。其次，有别于现有技术的前驱材料的组分，本发明探索出一种新型的In、Ga、Zn前驱材料，配合基均为C5H7O2，可以实现更优异的器件性能。
在本发明的另一个较佳实施方式中，一种铟镓锌氧化物晶体管的制备方法，包括如下步骤：第一步、选取金属薄膜或硅片用作栅电极，通过PECVD镀膜工艺或热生长法在栅电极形成二氧化硅，作为绝缘层。第二步、利用本发明的溶液法在二氧化硅层上制备铟镓锌氧化物半导体薄膜，作为沟道层；第三步、利用采用热蒸镀或溅射法，通过一层掩膜板在步骤b）所得的铟镓锌氧化物半导体薄膜上分别沉积一层金属材料、金属氧化物或导电高分子薄膜，用作源电极和漏电极；最终得到铟镓锌氧化物晶体管。
由此可见，本发明还提供了一种新型的铟镓锌氧化物晶体管及其制备方法，采用铟镓锌氧化物半导体薄膜作为沟道层，可以显著提高薄膜晶体管的器件性能，其最大饱和迁移率为>3cm2/Vs。此外，本发明制备工艺简单、可控，成本低，光电性能优良。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的铟镓锌氧化物半导体薄膜的AFM图像。
图2是本发明的一个较佳实施例的饱和迁移率和门槛电压随退火温度增加而变化的曲线图。
图3是本发明的一个较佳实施例的薄膜晶体管的转移特性曲线。
具体实施方式
在本发明的一个实施例中，一种溶液法制备铟镓锌氧化物半导体薄膜的方法，包括如下步骤：
第一步、分别称取0.05毫克的乙酰丙酮镓[Ga(C5H7O2)3]粉末和0.05毫克[Zn(C5H7O2)2·xH2O]粉末溶解于乙醇溶剂中，得到乙酰丙酮镓溶液和乙酰丙酮锌溶液；称取0.05毫克的乙酰丙酮铟[In(C5H7O2)3]粉末溶解于四氢呋喃，得到乙酰丙酮铟溶液。
第二步、按照前驱体溶液中镓、锌和铟的摩尔比为x：y：z，换算量取不同体积比的乙酰丙酮镓溶液、乙酰丙酮锌溶液和乙酰丙酮铟溶液进行混合。
对应地，前驱体溶液中的镓、锌和铟分别为x摩尔、y摩尔、z摩尔，C5H7O2基团为(3x+2y+3z)摩尔。
可选地，镓、锌和铟元素的摩尔比为（0～2）:（0～2）:（0～2）。
较佳地，镓、锌和铟元素的摩尔比为1：1：1。
在本步骤中，区别于现有技术中的单溶剂系统，采用了双溶剂系统，分别为乙醇溶剂和四氢呋喃溶剂，可以明显提高混合均匀后的前驱体溶液的稳定性。
第三步、将前驱体溶液置于室温和氮气环境下进行磁力搅拌20～30分钟进行均匀混合，然后加热至60～70℃保持均匀混合状态以备用。
本步骤采用氮气环境替代空气气氛进行混合搅拌，可避免溶液中有毒气体的释放，避免空气污染。当然，氮气气氛也可以被替代为氩气气氛等环境，在此不作限定，只要达到避免有毒气体的随意排放的目的即可。
此外，本步骤中，前驱体溶液经过磁力搅拌20～30分钟后，加热至60～70℃进行保存备用，可有效避免室温下前驱体溶液的混浊，进而保存溶液的稳定性。
优选地，磁力搅拌时间为24分钟，加热温度至65℃并恒温保存。
第四步、采用旋涂法或喷墨印刷法将前驱体溶液沉积在基板材料上，所得的铟镓锌氧化物半导体薄膜的厚度为5～100纳米。
基板材料包括硅片、玻璃基板等，基板材料在用于沉积之前，需要进行清洁处理，用于避免沉积过程中杂质的引入和沉积的效果。
第五步、将所得样品进行退火处理，最终得到所需的铟镓锌氧化物半导体薄膜。
其中，退火处理为：将所得的铟镓锌氧化物半导体薄膜在空气气氛下加热1.5～2.5小时，加热温度为340～600℃。
退火温度采用340～600℃，一方面有利于溶剂的挥发，另一个方面有利于溶液中盐类的分解反应，生长所需的铟镓锌氧化物。
退火处理的加热方式可以为直接加热、将半导体薄膜置于加热板加热；退火处理也可以采用光照方式等。
如图1所示，为本发明的一个实施例在500℃下进行退火处理，得到的非晶体态铟镓锌氧化物（a-IGZO）半导体薄膜的原子力学显微镜（AFM）图像。可以看出，本实施例所制得的铟镓锌氧化物半导体薄膜的铟镓锌氧化物为纳米尺寸晶粒，大小均匀、表面平整。
在本发明的另一个实施例中，一种铟镓锌氧化物晶体管的制备方法，包括如下步骤：
第一步、选取金属薄膜或硅片等基板材料用作栅电极，通过等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)镀膜工艺或热生长法在栅电极形成二氧化硅，作为绝缘层。
其中，二氧化硅绝缘层的厚度约为200纳米。
可选地，当选取金属薄膜作为栅电极时，选用无碱玻璃作为基板材料，金属薄膜通过热蒸镀工艺或磁控溅射工艺沉积在无碱玻璃。进一步，采用PECVD镀膜工艺在金属薄膜表面沉积一层二氧化硅作为绝缘层。
可选地，当选取硅片作为栅电极时，采用热生长法直接在单晶硅片上生成一层二氧化硅作为绝缘层。
优选地，选取重掺杂的晶向为<100>的硅片作为基板材料。
第二步、利用本发明的溶液法在二氧化硅层上制备铟镓锌氧化物半导体薄膜，作为沟道层。
具体地，取出在65℃保温保存的前驱体溶液，采用旋涂法或喷墨印刷法将前驱体溶液沉积在二氧化硅（绝缘层）上，沉积的铟镓锌氧化物半导体薄膜的厚度为5～100纳米；进一步，将所得样品进行退火处理，加热温度为340～600℃，加热时间为1.5～2.5小时，最终得到所需的铟镓锌氧化物半导体薄膜。该铟镓锌氧化物半导体薄膜用作沟道层。
第三步、采用热蒸镀或溅射法，通过一层掩膜板在退火处理后的铟镓锌氧化物半导体薄膜上分别沉积一层金属材料、金属氧化物或导电高分子薄膜，用作源电极和漏电极；最终得到铟镓锌氧化物晶体管。
其中，源电极和漏电极的厚度为10～300纳米。
优选地，掩膜板的宽长比为1.8mm/100μm，源电极和漏电极的材质为铝，厚度为60纳米，工作压强为5*10-6Torr。
可选地，源电极和漏电极的材质还可以为银；金属氧化物为铟锡金属氧化物（ITO）。
由此，基于上述制备方法，本发明还提供了一种铟镓锌氧化物晶体管，包括栅电极、绝缘层、沟道层、源电极和漏电极，其中，栅电极为金属薄膜或重掺杂硅；绝缘层为栅电极上形成的二氧化硅；沟道层为沉积在绝缘层上的铟镓锌氧化物半导体薄膜；源电极和漏电极为通过掩膜板沉积在沟道层上的金属材料或导电高分子薄膜材料。
图2为本发明的实施例中，选取铟镓锌氧化物半导体薄膜中In:Ga:Zn=1:1:1时，所制得的铟镓锌氧化物晶体管的饱和迁移率和门槛电压随退火温度增加而变化的曲线图。
图3为上述实施例中，饱和迁移率3.4cm2/V.s的a-IGZO薄膜晶体管的转移特性曲线，对应为温度为500℃，退火时间为2个小时。也即是说，本发明探索出了最佳的退火条件，即退火温度为500℃，退火时间为2个小时，可实现薄膜晶体管最优的器件性能。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种铟镓锌氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a）分别制备乙酰丙酮镓的乙醇溶液、乙酰丙酮锌水合物的乙醇溶液和乙酰丙酮铟的四氢呋喃溶液；
b）将步骤a）所得的三种溶液进行混合，制得铟镓锌氧化物的前驱体溶液；
c）将步骤b）所得的前驱体溶液混合均匀；
d）将步骤c）所得的前驱体溶液沉积在基板材料上，制得铟镓锌氧化物半导体薄膜；
e）将步骤d)所得的铟镓锌氧化物半导体薄膜进行退火处理，即得所需的铟镓锌氧化物半导体薄膜。
2.如权利要求1所述的铟镓锌氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤b）中，按照所述前驱体溶液中所需的镓、锌和铟的摩尔比，量取对应体积比的乙酰丙酮镓的乙醇溶液、乙酰丙酮锌水合物的乙醇溶液、乙酰丙酮铟的四氢呋喃溶液进行混合。
3.如权利要求1所述的铟镓锌氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤c）中，将步骤b）所得的前驱体置于室温和氮气环境下进行磁力搅拌20～30分钟，然后加热至60～70℃备用。
4.如权利要求1所述的铟镓锌氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于，所述d）中，所述沉积为：采用旋涂法或喷墨印刷法将前驱体溶液沉积在基板材料上；所述基板材料包括硅片、玻璃基板或二氧化硅基板；所述铟镓锌氧化物半导体薄膜的厚度为5～100纳米。
5.如权利要求1所述的铟镓锌氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤e）中，所述退火处理为：将所得的铟镓锌氧化物半导体薄膜在空气气氛下加热1.5～2.5小时，加热温度为340～600℃。
6.一种铟镓锌氧化物晶体管的制备方法，包括如下步骤：
a）选取基板材料和栅电极材料，在所述栅电极材料的表面形成二氧化硅，作为绝缘层；
b）在所述绝缘层上利用溶液法制备铟镓锌氧化物半导体薄膜；
c）采用热蒸镀或溅射法，通过一层掩膜板在步骤b）所得的铟镓锌氧化物半导体薄膜上分别沉积源电极和漏电极；其特征在于，
所述溶液法为如权利1～8中的任一项的铟镓锌氧化物半导体薄膜的制备方法。
7.如权利要求6所述的铟镓锌氧化物晶体管的制备方法，所述步骤a）中，所述基板材料为无碱玻璃，栅电极材料为金属、导电金属氧化物或导电高分子；所述栅电极材料通过热蒸镀工艺或磁控溅射工艺沉积在无碱玻璃上；所述二氧化硅通过等离子体增强化学气相沉积法沉积在所述栅电极材料上。
8.如权利要求6所述的铟镓锌氧化物晶体管的制备方法，所述步骤a）中，所述基板材料为重掺杂的晶向为<100>的硅片；所述硅片作为栅电极材料；所述二氧化硅通过热生长方法形成在所述硅片的表面。
9.如权利要求6所述的铟镓锌氧化物晶体管的制备方法，所述步骤c）中，所述源电极和所述漏电极为金属、导电金属氧化物或导电高分子。
10.如权利要求6所述的铟镓锌氧化物晶体管的制备方法，所述金属的材质为铝或银；所述导电金属氧化物的材质为铟锡金属氧化物。
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