CN105304468B - 一种n2处理的非晶igzo透明氧化物薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种N2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜及其制备方法，该制备方法包括：1)在生长有SiO2的Si基片上溅射IGZO非晶薄膜，得到生长有IGZO非晶薄膜的硅基片；2)将生长有IGZO非晶薄膜的硅基片利用气氛保护退火管式炉在N2气氛下350‑450℃保温45‑75分钟，得到非晶IGZO透明氧化物薄膜。本发明制备的IGZO透明氧化物薄膜包括In、Ga、Zn、O四种成分；其中，In的原子数百分含量为18～21％，Ga的原子数百分含量为18～21％，Zn的原子数百分含量为8～10％，O的原子数百分含量为48～56％。本发明由于改变了退火温度，一方面减少薄膜内部缺陷，提高其稳定性；另一方面提高了氧空位的浓度，进而提高载流子浓度，降低器件电阻，有效提高了IGZO透明薄膜的导电能力。进而在一定程度上提升了器件的运作速度，抗干扰能力。
Description
技术领域：
本发明属于LCD、LED显示器领域，具体涉及一种N2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜及其制备方法。
背景技术：
薄膜晶体管(TFT,Thin Film Transistor)是TFT-LCD和AMOLED有源驱动的核心部件，对显示质量的提高有决定性影响。
图1是TFT基本结构及工作原理图。以栅极(Gate)作输入端，漏电极(Drain) 作输出端，源电极(Source)接地。施加足够大的栅压后，半导体内载流子向绝缘层(GateInsulator)移动，在有源层与绝缘层界面靠近绝缘层内形成了导电沟道，晶体管导通，称之为增强型。没有施加栅压时半导体仍有导通电流的称为耗尽型。然后施加漏电压，在偏压的作用下，沟道内的载流子开始漂移，形成漏电流。
TFT器件的一个重要参数就是电流开关比。它指的是开态电流(Ion)和关态电流(Ioff)的比(Ion/Ioff)，反映了开和关的相对能力。我们希望开态电流大，关态电流小，开关比大。因为开态电流越高代表驱动能力越强，且开关比大意味着器件抗干扰能力、稳定性好。材料特性方面，TFT的载流子迁移率越大，其开态电流越大，晶体管开关速度提高。
其次，薄膜的电阻是与薄膜内部的载流子浓度和载流子迁移率成反比的。薄膜电阻越低，器件的功耗也就越低。因此薄膜的载流子浓度及电阻也是决定薄膜性能的重要因素。
TFT若使用全透明的氧化物材料，能够大大提高有源矩阵薄膜晶体管开口率，开口率是像素有效透光区域面积与像素总面积的比值。开口率越大，显示器对光学利用率越高，亮度越高，功耗降低。因此，采用迁移率高、透明的半导体材料对TFT的性能提高有很大的意义。
对于薄膜晶体管，有源层(沟道层)材料的质量对载流子在导电沟道内的传输影响很大。目前使用的TFT沟道层材料主要有四种：非晶硅(a-Si)、多晶硅 (poly-Si)、有机材料和氧化物。
随着TFT的发展，传统单一的沟道非晶硅，多晶硅材料已经越来越难满足高速发展的器件性能要求。无一例外的出现了制作工艺复杂，成本高稳定性差等缺点。研究者做出大量工作以期优化和改善TFT沟道层的工作性能，研究了多种不同的氧化物沟道层材料，比如有学者提出选用透明ZnO薄膜制备沟道层，以提高其开关比和光透过率。也有学者在ZnO薄膜中加入In，Ga等元素使其变成非晶结构以提高其载流子迁移率。还有学者利用脉冲激光沉积的方法制备出非晶态的IGZO透明氧化物薄膜作为沟道层材料。尽管这些设计都在不同程度上对介质保护膜的性能改善有一定的提高，但仍不能满足TFT的性能要求，因此，对于TFT沟道层材料的改性研究还有待于改善。
发明内容：
本发明的目的在于针对上述缺陷或不足，提供了一种N2处理的非晶IGZO 透明氧化物薄膜及其制备方法，制备得到的薄膜载流子浓度很高，载流子迁移率较高，方阻很低。
为达到以上目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种N2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜的制备方法，包括以下步骤：
1)在生长有SiO2的Si基片上溅射IGZO非晶薄膜，得到生长有IGZO非晶薄膜的硅基片；
2)将生长有IGZO非晶薄膜的硅基片利用气氛保护退火管式炉在N2气氛下 350-450℃保温45-75分钟，得到非晶IGZO透明氧化物薄膜。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中，采用JPG-450a型双室磁控溅射设备溅射IGZO非晶薄膜，其中，靶材为IGZO靶，通入纯度为99.99％的氩气；溅射功率80W，偏压-100V，氩气流量50sccm，工作气压为0.2Pa；预溅射时间为15min，溅射时间为90min。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，将生长有IGZO非晶薄膜的硅基片利用气氛保护退火管式炉在N2气氛下400℃保温60分钟，得到非晶IGZO透明氧化物薄膜。
一种N2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜，所述IGZO透明氧化物薄膜包括In、Ga、Zn、O四种成分；其中，In的原子数百分含量为18～21％，Ga的原子数百分含量为18～21％，Zn的原子数百分含量为8～10％，O的原子数百分含量为48～56％。
本发明进一步的改进在于，所述IGZO透明氧化物薄膜厚度为150～300nm。
本发明进一步的改进在于，所述IGZO透明氧化物薄膜是非晶结构。
与现有技术比较，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种N2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜及其制备方法，在基片上生长IGZO透明氧化物薄膜，并在将此薄膜在N2气氛下350-450℃保温 45-75分钟。由于退火可以减少有源层内部的悬挂键，减少其内部缺陷，提高器件的稳定性。并且提高了氧空位的浓度，继而提高了载流子浓度，有效降低器件的电阻，减低器件功耗。
附图说明:
图1是TFT基本结构及工作原理图。
图2是本发明制备的非晶IGZO透明氧化物薄膜的透射电镜照片。。
图3是不同退火温度下的载流子浓度、迁移率示意图。
图4是不同退火温度下的方阻示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做详细描述。
本发明一种N2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜的制备方法，包括以下步骤：
1)在生长有SiO2的Si基片上溅射IGZO非晶薄膜，得到生长有IGZO非晶薄膜的硅基片；
2)将生长有IGZO非晶薄膜的硅基片利用气氛保护退火管式炉在N2气氛下 350-450℃保温45-75分钟，得到非晶IGZO透明氧化物薄膜。
具体来说，步骤1)中，采用JPG-450a型双室磁控溅射设备溅射IGZO非晶薄膜，其中，靶材为IGZO靶，通入纯度为99.99％的氩气；溅射功率80W，偏压-100V，氩气流量50sccm，工作气压为0.2Pa；预溅射时间为15min，溅射时间为90min。
步骤2)中，将生长有IGZO非晶薄膜的硅基片利用气氛保护退火管式炉在 N2气氛下400℃保温60分钟，得到非晶IGZO透明氧化物薄膜。
如图2所示，本发明制备的一种N2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜，包括In、Ga、Zn、O四种成分；其中，In的原子数百分含量为18～21％，Ga的原子数百分含量为18～21％，Zn的原子数百分含量为8～10％，O的原子数百分含量为48～56％。
并且，所述IGZO透明氧化物薄膜厚度为150～300nm。并且，所述IGZO透明氧化物薄膜是非晶结构。
利用XPS分析不同退火温度下制备的薄膜中氧空位浓度占氧含量的比值。分析结果如表1所示
表1：不同退火温度下的氧空位浓度
| 样品 | 沉积态 | 400℃N2退火 |
| 氧空位浓度 | 9.89％ | 15.57％ |
利用霍尔效应测试系统对IGZO透明氧化物薄膜进行载流子浓度，载流子迁移率的测试，测试结果如图3所示。
利用四探针测试仪对IGZO透明氧化物薄膜进行方阻测试，测试结果如图4 所示。
从表1，图3，图4可以看出，退火温度为400℃的时候，薄膜中的氧空位浓度比未进行退火时有了很大的提升。并且载流子浓度也有了很大的提高。而薄膜的方阻大小对于降低TFT器件的功耗是非常重要的。方阻受到载流子浓度，载流子迁移率的共同影响。方阻的降低可以有效降低TFT器件的功耗，提升器件的工作效率，抗干扰能力。
Claims (4)
1.一种N2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在生长有SiO2的Si基片上溅射IGZO非晶薄膜，得到生长有IGZO非晶薄膜的硅基片；采用JPG-450a型双室磁控溅射设备溅射IGZO非晶薄膜，其中，靶材为IGZO靶，通入纯度为99.99％的氩气；溅射功率80W，偏压-100V，氩气流量50sccm，工作气压为0.2Pa；预溅射时间为15min，溅射时间为90min；
2)将生长有IGZO非晶薄膜的硅基片利用气氛保护退火管式炉在N2气氛下400℃保温60分钟，得到非晶IGZO透明氧化物薄膜。
2.权利要求1制备的一种N2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜，其特征在于，所述IGZO透明氧化物薄膜包括In、Ga、Zn、O四种成分；其中，In的原子数百分含量为18～21％，Ga的原子数百分含量为18～21％，Zn的原子数百分含量为8～10％，O的原子数百分含量为48～56％。
3.根据权利要求2所述的非晶IGZO透明氧化物薄膜，其特征在于，所述IGZO透明氧化物薄膜厚度为150～300nm。
4.根据权利要求2所述的非晶IGZO透明氧化物薄膜，其特征在于，所述IGZO透明氧化物薄膜是非晶结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |