CN103943683B - 一种铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管，及薄膜晶体管及其制备方法，包括衬底、栅极、绝缘层、沟道层、源极和漏极；其特征在于所述沟道层、源极和漏极材料均为铟锡锌氧化物，所述的铟锡锌氧化物是由氧化铟（In2O3）、氧化锡（SnO2）和氧化锌（ZnO）粉末球磨并混合均匀，再经过成型、烧结等工艺制成铟锡锌氧化物陶瓷靶材，铟锡锌氧化物陶瓷靶材中铟、锡、锌的原子个数比a:b:c=35‑88：8‑35：2‑25；利用磁控溅射法将铟锡锌氧化物陶瓷靶材沉积成薄膜。本发明制备工艺简单，适合工业化生产，非晶电极表面平整度好，与沟道层界面接触更好，载流子注入更容易，迁移率高、开关比高。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜晶体管及其制备方法，详细讲是一种制备工艺简单，载流子注入更容易，迁移率高、开关比高的铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
21世纪以来，平板显示技术产业得到飞速发展。平板显示的核心元件是薄膜晶体管(Thin Film Transistor, TFT)。TFT是一种场效应半导体器件，包括半导体沟道层、绝缘层、栅极和源漏电极、衬底等部分。
沟道层是载流子传输的通道，是影响TFT性能参数的最重要因素。TFT液晶显示器（TFT-LCD）是目前使用范围最广泛的平板显示器，其驱动单元中的TFT沟道层主要采用非晶硅和多晶硅。利用非晶硅或多晶硅材料制备的TFT-LCD具有分辨率高、色彩丰富、屏幕可视角度大、大面积显示、容易实现等一系列优点，成为目前平板显示器的主流。近年来，随着新一代平板显示技术逐渐走进人们的生活中,如有机发光二极管(Organic Light EmittingDiode, OLED), OLED属于电流驱动型器件，要求TFT能提供比较大的驱动电流，且TFT的阈值电压漂移要比较小。对于常规非晶硅TFT器件来说，场致迁移率低，光敏性较强，稳定性差，可以作为LCD的驱动元件，却不能满足驱动OLED的要求。多晶硅TFT虽然具备较高的场致迁移率，但其制备工艺复杂，成本高，以至于不能应用在大众化的显示产品中。因此，显示技术想要进一步发展，需要一种迁移率较高，稳定性强的TFT,这要求器件的沟道层材料稳定，并且可以在低温下制备，从而满足显示器件向柔性可卷曲方向发展的需要。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术的不足，提供一种制备工艺简单，适合工业化生产，非晶电极表面平整度好，与沟道层界面接触更好，载流子注入更容易，迁移率高、开关比高的铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管及其制备方法。
高迁移率、可实现全透明和柔性显示的同质ITZO-TFT设计及其制备方法。
本发明通过如下技术方案实现：
一种铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管，包括衬底、栅极、绝缘层、沟道层、源极和漏极；其特征在于所述沟道层、源极和漏极材料均为铟锡锌氧化物，所述的铟锡锌氧化物是由氧化铟（In2O3）、氧化锡（SnO2）和氧化锌（ZnO）粉末球磨并混合均匀，再经过成型、烧结等工艺制成铟锡锌氧化物陶瓷靶材，铟锡锌氧化物陶瓷靶材中铟、锡、锌的原子个数比a:b:c=35-88：8-35：2-25；利用磁控溅射法将铟锡锌氧化物陶瓷靶材沉积成薄膜。
本发明中所述的铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管为顶栅结构或底栅结构。
本发明中所述的底栅铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管的结构为：设有衬底层，栅极设在衬底上侧中部，绝缘层设在栅极上侧及衬底上侧；沟道层设置在绝缘层上侧中部，位于栅极上方；源极和漏极分别覆盖在沟道层上侧面的左右两侧及绝缘层上侧面，其中源极和漏极相对面间设有隔离空隙，隔离空隙的长宽比为10：1。
一种铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）、将衬底进行超声清洗，清洗液先后分别为半导体清洗剂、无水酒精、丙酮，然后用高纯氮气吹干；
2）、在衬底上采用磁控溅射、电子束蒸发方法制备栅极，栅极厚度为100~400 nm；
3）、再利用磁控溅射、原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积方法制备绝缘层，绝缘层厚度为20-300 nm；
4）、随后在绝缘层上沉积沟道层，将铟锡锌氧化物靶材安装在磁控溅射仪上，利用磁控溅射法沉积沟道层，磁控溅射本底真空为1×10-4 Pa，溅射气体为Ar/O2混合气体，氩气流量为30~50 sccm，氧气流量为0.2~8 sccm，气压为0.4~3 Pa，溅射功率为50~120 W，沟道层厚度为15~100 nm；
5）、采用与步骤4相同的铟锡锌氧化物靶材安装在磁控溅射仪上，利用磁控溅射法沉积源极和漏极，磁控溅射本底真空为1×10-4 Pa，溅射气体为氩气，氩气流量为50 sccm，气压为0.4~3 Pa，溅射功率为50~120 W，源极和漏极厚度为100~300 nm；底栅铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管制备完成。
一种铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）、将衬底进行超声清洗，清洗液先后分别为半导体清洗剂、无水酒精、丙酮，然后用高纯氮气吹干；
2）、将铟锡锌氧化物靶材安装在磁控溅射仪上，利用磁控溅射法沉积沟道层，磁控溅射本底真空为1×10-4 Pa，溅射气体为Ar/O2混合气体，氩气流量为30~50 sccm，氧气流量为0.2~8 sccm，气压为0.4~3 Pa，溅射功率为50~120 W，沟道层厚度为15~100 nm；
3）、采用与步骤2相同的铟锡锌氧化物靶材安装在磁控溅射仪上，利用磁控溅射法沉积源极和漏极，磁控溅射本底真空为1×10-4 Pa，溅射气体为氩气，氩气流量为50 sccm，气压为0.4~3 Pa，溅射功率为50~120 W，源漏电极厚度为100~300 nm；
4）、随后利用磁控溅射、原子层沉积（ALD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等方法制备绝缘层，绝缘层厚度为20-300 nm；
5）、最后采用磁控溅射、电子束蒸发方法沉积栅极，栅极厚度为100~400 nm；顶栅铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管制备完成。
本发明制备的铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管（同质ITZO-TFT）场迁移率最高达到50 cm2V-1s-1，电流开关比高达108，亚阈值摆幅最小为0.2 V/decade，阈值电压最小为0.2V。
本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明中的非晶ITZO薄膜材料中铟、锡、锌三种材料互相配合，使得制备的ITZO-TFT场致迁移率高、开关比高。
（2）本发明中的ITZO-TFT，其源漏电极采用与沟道层材料相同的非晶ITZO，不仅可以简化TFT的制备工艺，适合工业化生产，而且非晶电极表面平整度好，与沟道层界面接触更好，载流子注入更容易。
（3）本发明中ITZO-TFT，非晶电极和沟道层生长温度低，对可见光透明，可实现柔性衬底上的全透明TFT。
附图说明
图1本发明的结构示意图；
图2是铟、锡、锌的原子个数比a:b:c=87.44：9.15：3.41的ITZO靶材制备的源漏电极及有源层ITZO薄膜的XRD图谱。
图3质量比为88:10:2的ITZO靶材制备的源漏电极及有源层ITZO薄膜的紫外-可见光透过率图谱。
图4实施例1中ITZO-TFT的转移特性曲线。
图5实施例1中ITZO-TFT的输出特性曲线。
图6实施例2中ITZO-TFT的转移特性曲线。
图7实施例2中ITZO-TFT的输出特性曲线。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步描述，但需要说明的是，实施例并不构成对本发明要求保护的范围的限定。
如图1所示的铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管，包括衬底、栅极、绝缘层、沟道层、源极和漏极；其特征在于所述沟道层、源极和漏极材料均为铟锡锌氧化物，所述的铟锡锌氧化物是由氧化铟（In2O3）、氧化锡（SnO2）和氧化锌（ZnO）粉末球磨并混合均匀，再经过成型、烧结等工艺制成铟锡锌氧化物陶瓷靶材，铟锡锌氧化物陶瓷靶材中铟、锡、锌的原子个数比a:b:c=35-88：8-35：2-25；利用磁控溅射法将铟锡锌氧化物陶瓷靶材沉积成沟道层、源极和漏极薄膜。
铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管为可以为顶栅结构的铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管，也可以为底栅结构的铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管。图1所示的为底栅铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管，其结构为：设有衬底1，栅极2设在衬底1上侧中部，绝缘层3设在栅极2上侧；沟道层4设在绝缘层3上侧中部，位于栅极上方；源极5和漏极6分别覆盖在沟道层上侧面的左右两侧及绝缘层上侧面，其中源极和漏极相对面间为导电沟道，沟道长宽比为10：1。
上述铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：
1）、将玻璃或者柔性衬底进行超声清洗，清洗液先后分别为半导体清洗剂、无水酒精、丙酮，然后用高纯氮气吹干；
2）、在衬底上采用磁控溅射、电子束蒸发等方法制备栅极，栅极材料可以是Al、Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、Ag、Au、Ti、Pt等金属材料，也可以铟锡氧化物（ITO）、掺铝氧化锌（AZO）、IGZO、ITZO等金属氧化物材料，栅极厚度为100~400 nm，通过掩膜法或光刻法成形；
3）、再利用磁控溅射、原子层沉积（ALD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等方法制备绝缘层，绝缘层材料可以是氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化硅和氮化硅等，厚度为20-300 nm，通过掩膜法或光刻法成形；
或者直接利用热氧化硅片作为衬底材料，将热氧化硅片衬底进行超声清洗，清洗液先后分别为半导体清洗剂、无水酒精、丙酮，然后用高纯氮气吹干，热氧化硅片中的底层Si作为栅极，上层SiO2作为绝缘层；
4）、随后在绝缘层上沉积沟道层，将铟锡锌氧化物（ITZO）靶材安装在磁控溅射仪上，利用磁控溅射法沉积沟道层，磁控溅射本底真空为1×10-4 Pa，溅射气体为Ar/O2混合气体，氩气流量为30~50 sccm，氧气流量为0.2~8 sccm，气压为0.4~3 Pa，溅射功率为50~120W，沟道层厚度为15~100 nm，通过掩膜法或光刻法成形；
5）、采用与步骤4）相同的铟锡锌氧化物靶材安装在磁控溅射仪上，同样利用磁控溅射法沉积源漏电极，磁控溅射本底真空为1×10-4 Pa，溅射气体为氩气，氩气流量为50sccm，气压为0.4~3 Pa，溅射功率为50~120 W，源漏电极厚度为100~300 nm，通过掩膜法或光刻法成形。底栅铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管制备完成。
上述铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管的另一种制备方法，包括如下步骤：
1）、将玻璃或者柔性衬底进行超声清洗，清洗液先后分别为半导体清洗剂、无水酒精、丙酮，然后用高纯氮气吹干；
2）、将ITZO靶材安装在磁控溅射仪上，利用磁控溅射法沉积沟道层，磁控溅射本底真空为1×10-4 Pa，溅射气体为Ar/O2混合气体，氩气流量为30~50 sccm，氧气流量为0.2~8sccm，气压为0.4~3 Pa，溅射功率为50~120 W，沟道层厚度为15~100 nm；
3）、采用与步骤2相同的铟锡锌氧化物靶材安装在磁控溅射仪上，同样利用磁控溅射法沉积源漏电极，磁控溅射本底真空为1×10-4 Pa，溅射气体为氩气，氩气流量为50sccm，气压为0.4~3 Pa，溅射功率为50~120 W，源漏电极厚度为100~300 nm，通过掩膜法或光刻法成形；
4）、随后利用磁控溅射、原子层沉积（ALD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等方法制备绝缘层，绝缘层材料可以是氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化硅和氮化硅等，厚度为20-300 nm，通过掩膜法或光刻法成形；
5）、最后采用磁控溅射、电子束蒸发等方法沉积栅极，栅极材料可以是Al、Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、Ag、Au、Ti、Pt等金属材料，也可以铟锡氧化物（ITO）、掺铝氧化锌（AZO）、IGZO、ITZO等金属氧化物材料，栅极厚度为100~400 nm，通过掩膜法或光刻法成形；顶栅铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管制备完成。
实施例1：
将铟、锡、锌的原子个数比a:b:c=87.44：9.15：3.41的In2O3、SnO2和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工和打磨等工艺制成ITZO陶瓷靶材；烧结温度在1000-1200℃。
使用本实施例中的ITZO陶瓷靶材制备了结构如图1所示的同质ITZO-TFT，其中衬底为热氧化硅片，其中Si作为栅极及衬底，SiO2作为绝缘层，厚度为200 nm；沟道层通过磁控溅射方法制备，溅射所用靶材为本实施例中制备的ITZO陶瓷靶材，溅射本底真空为1×10-4 Pa，溅射气体为Ar/O2混合气体，氩气流量为50 sccm，氧气流量为5 sccm，气压为0.6Pa，溅射功率为60 W，所制备的沟道层厚度为30 nm，通过掩膜法成形；源漏电极通过磁控溅射方法制备，溅射所用靶材为本实施例中制备的ITZO陶瓷靶材，溅射气体为Ar气，流量为50sccm，不通氧气，其它制备参数与沟道层制备参数相同，所制备的源漏电极厚度为200 nm，沟道的宽度和长度分别为1500μm和150μm，宽长比为10:1，通过掩膜法成形。在空气中测试其性能，图4、5分别是其转移特性和输出特性曲线。转移曲线的测试条件为：源漏电压为10V，栅极电压从-20V到40V，测试源漏电流；输出特性曲线的测试条件为：栅极电压从0V到30V，步长为5V，源漏电压为0~20V，测试源漏电流。
实施例2：
将铟、锡、锌的原子个数比a:b:c=55.17：21.16：23.67的In2O3、SnO2和ZnO粉末混合均匀再经过成型、烧结、机械加工和打磨等工艺制成ITZO陶瓷靶材；
使用本实施例中的ITZO靶材制备了结构如图1所示的同质ITZO-TFT。其中衬底为热氧化硅片，其中Si作为栅极及衬底，SiO2作为绝缘层，厚度为200 nm；沟道层通过磁控溅射方法制备，溅射所用靶材为本实施例中制备的ITZO靶材，溅射本底真空为1×10-4 Pa，溅射气体为Ar/O2混合气体，氩气流量为50 sccm，氧气流量为5 sccm，气压为0.6 Pa，溅射功率为60 W，所制备的沟道层厚度为30 nm，通过掩膜法成形；源漏电极通过磁控溅射方法制备，溅射所用靶材为本实施例中制备的ITZO靶材，溅射气体为Ar气，流量为50 sccm，不通氧气，其它制备参数与沟道层制备参数相同，所制备的源漏电极厚度为200 nm，沟道的宽度和长度分别为1500μm和150μm，宽长比为10:1，通过掩膜法成形。
所制备的同质ITZO-TFT性能在空气中测试。图6、7分别是ITZO-TFT的转移特性和输出特性曲线。转移曲线的测试条件为：源漏电压为10V，栅极电压从-20V到40V，测试源漏电流；输出特性曲线的测试条件为：栅极电压从0V到25V，步长为5V，源漏电压为0~20V，测试源漏电流。
铟锡锌氧化物（ITZO）比铟镓锌氧化物IGZO含有更多具有5s轨道的重金属，较大主量子数（n大于等于5）的ns轨道的引入有助于形成更宽的导带底，从而导致相邻s轨道重叠增强，因此具有更大的电子迁移率。
源漏电极材料与制备工艺对TFT的性能影响很大。目前工业上绝大多数的TFT都采用金属作为源、漏电极材料，同时，透明导电氧化物（Transparent conductive oxides，TCOs）电极材料也逐渐成为研究热点。采用与沟道层材料相同的非晶ITZO做源、漏电极来制备同质ITZO-TFT，具有如下优势，第一，非晶电极表面平整度明显优于金属电极，且同质漏、源电极与有源层更加匹配，电极与有源层界面接触更好，载流子注入更容易；第二，非晶电极生长温度低，同质ITZO-TFT更容易实现柔性平板显示；第三，源、漏电极与沟道层选用相同的材料，可以简化TFT的制备工艺。第四、源、漏电极及沟道层材料对可见光透明，能实现全透明TFT。
从图2-图7可以看出，本发明制备的铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管（同质ITZO-TFT）场迁移率最高达到50 cm2V-1s-1，电流开关比高达108，亚阈值摆幅最小为0.2 V/decade，阈值电压最小为0.2 V；与现有的薄膜晶体管相比本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明中的非晶ITZO薄膜材料中铟、锡、锌三种材料互相配合，使得制备的ITZO-TFT场致迁移率高、开关比高。
（2）本发明中的ITZO-TFT，其源漏电极采用与沟道层材料相同的非晶ITZO，不仅可以简化TFT的制备工艺，适合工业化生产，而且非晶电极表面平整度好，与沟道层界面接触更好，载流子注入更容易。
（3）本发明中ITZO-TFT，非晶电极和沟道层生长温度低，对可见光透明，可实现柔性衬底上的全透明TFT。
Claims (4)
1.一种铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管，包括衬底、栅极、绝缘层、沟道层、源极和漏极；其特征在于所述沟道层、源极和漏极材料均为铟锡锌氧化物，所述的铟锡锌氧化物是由氧化铟（In2O3）、氧化锡（SnO2）和氧化锌（ZnO）粉末球磨并混合均匀，再经过成型、烧结等工艺制成铟锡锌氧化物陶瓷靶材，铟锡锌氧化物陶瓷靶材中铟、锡、锌的原子个数比a:b:c=35-88 ：8-35 ：2-25 ；利用磁控溅射法将铟锡锌氧化物陶瓷靶材沉积成薄膜；所述的源极和漏极采用与沟道层材料相同的非晶ITZO；所述的铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管的制备方法包括如下步骤：
1）、将衬底进行超声清洗，清洗液先后分别为半导体清洗剂、无水酒精、丙酮，然后用高纯氮气吹干；
2）、在衬底上采用磁控溅射、电子束蒸发方法制备栅极，栅极厚度为100~400 nm ；
3）、再利用磁控溅射、原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积方法制备绝缘层，绝缘层厚度为20-300 nm ；
4）、随后在绝缘层上沉积沟道层，将铟锡锌氧化物靶材安装在磁控溅射仪上，利用磁控溅射法沉积沟道层，磁控溅射本底真空为1×10-4 Pa，溅射气体为Ar/O2混合气体，氩气流量
为30~50 sccm，氧气流量为0.2~8 sccm，气压为0.4~3 Pa，溅射功率为50~120 W，沟道层厚度为15~100 nm ；
5）、采用与步骤4 相同的铟锡锌氧化物靶材安装在磁控溅射仪上，利用磁控溅射法沉积源极和漏极，磁控溅射本底真空为1×10-4 Pa，溅射气体为氩气，氩气流量为50 sccm，气
压为0.4~3 Pa，溅射功率为50~120 W，源极和漏极厚度为100~300 nm ；底栅铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管制备完成。
2.一种铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管，包括衬底、栅极、绝缘层、沟道层、源极和漏极；其特征在于所述沟道层、源极和漏极材料均为铟锡锌氧化物，所述的铟锡锌氧化物是由氧化铟（In2O3）、氧化锡（SnO2）和氧化锌（ZnO）粉末球磨并混合均匀，再经过成型、烧结等工艺制成铟锡锌氧化物陶瓷靶材，铟锡锌氧化物陶瓷靶材中铟、锡、锌的原子个数比a:b:c=35-88 ：8-35 ：2-25 ；利用磁控溅射法将铟锡锌氧化物陶瓷靶材沉积成薄膜;所述的源极和漏极采用与沟道层材料相同的非晶ITZO；所述的铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管的制备方法包括如下步骤：
1）、将衬底进行超声清洗，清洗液先后分别为半导体清洗剂、无水酒精、丙酮，然后用高纯氮气吹干；
2）、将铟锡锌氧化物靶材安装在磁控溅射仪上，利用磁控溅射法沉积沟道层，磁控溅射本底真空为1×10-4 Pa，溅射气体为Ar/O2 混合气体，氩气流量为30~50 sccm，氧气流量为0.2~8 sccm，气压为0.4~3 Pa，溅射功率为50~120 W，沟道层厚度为15~100 nm ；
3）、采用与步骤2 相同的铟锡锌氧化物靶材安装在磁控溅射仪上，利用磁控溅射法沉积源极和漏极，磁控溅射本底真空为1×10-4 Pa，溅射气体为氩气，氩气流量为50 sccm，气压为0.4~3 Pa，溅射功率为50~120 W，源漏电极厚度为100~300 nm ；
4）、随后利用磁控溅射、原子层沉积（ALD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等方法制备绝缘层，绝缘层厚度为20-300 nm ；
5）、最后采用磁控溅射、电子束蒸发方法沉积栅极，栅极厚度为100~400 nm ；顶栅铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管制备完成。
3.根据权利要求1或2 所述的铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管，其特征在于所述的铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管为顶栅结构或底栅结构。
4.根据权利要求1或2 所述的铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管，其特征在于所述的底栅铟锡锌氧化物同质薄膜晶体管的结构为：设有衬底层，栅极设在衬底上侧中部，绝缘层设在栅极上侧及衬底上侧；沟道层设置在绝缘层上侧中部，位于栅极上方；源极和漏极分别覆盖在沟道层上侧面的左右两侧及绝缘层上侧面，其中源极和漏极相对面间设有隔离空隙，隔离空隙的长宽比为10 ：1。
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