CN107403842B - 基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件及其制备方法，属于电子技术领域，为解决反应溅射氧化铝表面的粗糙度高以及出现针孔现象对IGZO薄膜晶体管性能的破坏，本发明提供了一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件及其制备方法。本发明包括由下到上依次设置的衬底、栅电极、复合绝缘层、氧化物半导体层、和氧化物半导体层上的源电极和漏电极，复合绝缘层包括上下两层，下层为设置在栅电极上的氧化铝，上层为设置在氧化铝上的有机材料。本发明用于提高薄膜晶体管性能。
Description
技术领域
一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件及其制备方法，用于薄膜晶体管，属于电子技术领域。
背景技术
最近几年来，金属氧化物薄膜晶体管(TFTs)由其在有源矩阵发光二极管(AM-OLED)显示领域的潜在应用而受到广泛的关注。传统的非晶硅TFTs由于载流子迁移率较低，阈值电压漂移严重等问题，无法满足AM-OLED显示屏电流型驱动模式的要求；多晶硅TFTs虽然具有较高的载流子迁移率及稳定性，但受激光晶化等工艺的尺寸限制，薄膜中大量晶界的存在使得制备大尺寸器件时迁移率的均匀性较差，影响了在AM-OLED显示领域的应用。而金属氧化物TFTs，不仅具有较高的载流子迁移率，而且在可见光范围内透过率高(>85％)、制备薄膜均匀性好、可低温制备、可柔性等特点，在超大尺寸液晶显示、AM-OLED显示及柔性显示等领域具有重大的应用空间。
铟镓锌氧化物(IGZO)就是金属氧化物TFT中有源层的最典型的材料。而IGZO材料中的In3+和Zn2+离子保证了IGZO具有较高的迁移率，Ga3+离子又使得IGZO在大气环境中具有很高的稳定性。目前在市面上，基于IGZO的薄膜晶体管大多基于SiO2、Si3N4或者Al2O3这类无机绝缘层上。不管是通过化学气相沉积制备的SiO2、Si3N4，还是通过分子束外延方法制备的Al2O3，薄膜致密性好，表面缺陷比较少，但是会产生很多废料，不利于节能环保的主题，并且通过分子束外延制备Al2O3时间很长。而通过反应溅射方法只需要通入氧气和氩气，氩气在高能电场的作用下电离成氩离子并经电场加速打到铝靶上，被轰击出来的铝和通入的氧气反应生成氧化铝。这种反应溅射的方法，清洁环保，没有废料产生。Al2O3由于具有较高的介电常数，作为薄膜晶体管的绝缘层会获得很高的性能。但是反应溅射氧化铝的薄膜表面的粗糙度很高，并且会出现针孔现象，对后续IGZO薄膜晶体管产生了严重的影响，从而导致基于反应溅射氧化铝的IGZO薄膜晶体管的性能不佳。
发明内容
本发明的目的在于：为解决反应溅射氧化铝表面的粗糙度高以及出现针孔现象对IGZO薄膜晶体管性能的破坏或采用分子束外延的方法制备氧化铝表面成本比较高，制备时间长，并且会产生废气的问题，本发明提供了一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件及其制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件，其特征在于，包括由下到上依次设置的衬底、栅电极、复合绝缘层、氧化物半导体层、和氧化物半导体层上的源电极和漏电极，复合绝缘层包括上下两层，下层为设置在栅电极上的氧化铝，上层为设置在氧化铝上的有机材料。
进一步，所述衬底的材料为玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)或聚酰亚胺(PI)基板中的一种。
进一步，所述栅电极的材料为氧化铟锡(I TO)、氧化锌(ZnO)、氧化锌铝(AZO)、氧化铟锌(IZO)中的一种或多种，栅电极的厚度为150～250nm。
进一步，所述氧化铝采用反应溅射，厚度为80～180nm；有机材料(32)为有机绝缘层，有机绝缘材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇(PVA)、聚酰亚胺(PI)或聚苯乙烯(PS)中的一种或多种，厚度为20～80nm。
进一步，所述氧化物半导体层为铟镓锌氧化物(IGZO)，厚度为40-80nm。
进一步，所述源电极和漏电极的材料均为氧化铟锡、氧化锌、铟镓锌氧化物、石墨烯、金属单质银、铝、金中的一种，源电极和漏电极的厚度均为40～200nm。
一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：清洗衬底：
(a)先用沾有丙酮的无尘布轻轻擦拭衬底，去除掉衬底上的大的颗粒杂质；
(b)将擦拭干净的衬底放在聚四氟乙烯的基片架上，将基片架放入装满丙酮的玻璃烧杯中，对其进行第一次超声15分钟；
(c)取出第一次超声完毕的基片架，将基片架放入装满去离子水的玻璃烧杯，对其进行第二次超声15分钟；
(d)取出第二次超声完毕的基片架，将基片架放入装满异丙醇的玻璃烧杯，对其第三次超声15分钟；(e)最后取出第三次超声完毕的基片架，用纯度>99.99％氮气将基片架上的玻璃吹干；
S2：制备栅电极：通过磁控溅射的方法在S1制备的衬底的表面制备栅电极；
S3：制备复合绝缘层：首先通过反应溅射铝靶的方法，在S2制备好的栅电极上制备氧化铝，其中溅射功率为800～1000W，Ar流量保持在100sccm，O2流量保持在50sccm，腔体压强保持在5mTorr，溅射时间为2小时；然后通过旋涂的方法在氧化铝上制备有机材料，形成复合绝缘层；
S4：制备氧化物半导体层：采用直流磁控溅射IGZO陶瓷靶来制备；制备IGZO薄膜的溅射功率为80～200W，Ar流量保持在100sccm，O2流量保持在1～5sccm，腔体压强保持在1～5mTorr；
S5：制备源电极和漏电极：将S4制备后的器件放到金属真空腔中，通过真空蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发、丝网印刷、喷涂中的任意一种方法制备源电极和漏电极，然后对其退火处理，退火温度不能超过200℃。
进一步，所述步骤S3中，反应溅射铝靶的纯度>99.9999％。
进一步，所述步骤S4中，IGZO陶瓷靶的组分及其质量比为I n2O3：Ga2O3：ZnO＝1:1:2，纯度>99.9999％。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件及其制备方法，通过在反应溅射的氧化铝表面旋涂一层有机材料进行修饰，通过测试的原子力显微镜(AFM)图我们测得，单层的氧化铝绝缘层的表面粗糙度为9.83nm，而氧化铝表面旋涂PMMA有机材料后的表面粗糙度为0.31nm，在氧化铝表面旋涂PVA有机材料后的表面粗糙度为0.18nm，我们可以发现通过旋涂有机物后，复合绝缘层的表面粗糙度明显降低，表面的针孔也明显消失，表面针孔的消失，减少了栅电极和漏电极被尖端放电而导致的漏电流过大，从而降低了氧化物薄膜晶体管的关态电流，表面粗糙度的降低，使得源漏电流在沟道传输更加顺畅，从而提高了氧化物薄膜晶体管的开态电流。
(2)本发明本发明通过反应溅射的方法制备Al2O3时间较短，成本也较低，通过在氧化铝表旋涂较薄的有机物修饰层有效降低表面缺陷，选择Al2O3和有机物PMMA或者PVA作为氧化物的绝缘层，主要因为Al2O3具有较大的K值，并且致密性好，但是反应溅射Al2O3表面的粗糙度大，通过PMMA和PVA修饰后，行成复合绝缘层，很大程度上降低了绝缘层粗糙度。
(3)本发明采用反应溅射氧化铝和有机绝缘材料形成复合绝缘层，其中反应溅射氧化铝通过溅射铝和氧化反应生成，没有多余的废料产生，有利于节能环保，机物材料中的PVA的溶剂为去离子水，旋涂后去离子水挥发后不会对环境产生任何破坏，除此之外，PVA和PMMA溶剂都具有很好的生物可降解性，在柔性和透明显示领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的单层氧化铝表面AFM图；
图2为本发明的氧化铝和PMMA形成的复合绝缘层表面的AFM图；
图3为本发明的氧化铝和PVA形成的复合绝缘层表面的AFM图；
图4为本发明的结构示意图，图中标记：1-衬底，2-栅电极，3-复合绝缘层，31-氧化铝，32-有机物，4-氧化物半导体层，5-源电极，6-漏电极；
图5为单层反应溅射的氧化铝作为绝缘层的氧化物薄膜晶体管的实例1的转移特性曲线；
图6为本发明基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件实例2的转移特性曲线；
图7为本发明基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件实例3的转移特性曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实例1：
如图4所示，一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件，依次包括1-衬底，2-栅电极，3-复合绝缘层，4-氧化物半导体层，5-源电极，6-漏电极。
具体结构：衬底为ITO玻璃衬底、栅电极为ITO(200nm)、复合绝缘层为Al2O3绝缘层(110nm)、氧化物半导体层为IGZO(50nm)、源电极和漏电极为Ag(60nm)。
一种基于单层绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件的制备方法，包括以下步骤：
S1：清洗玻璃衬底1：(a)先用沾有丙酮的无尘布轻轻擦拭ITO玻璃衬底，去除掉玻璃衬底上的大的颗粒杂质；(b)将擦拭干净的玻璃放在聚四氟乙烯的基片架上，将基片架放入装满丙酮的玻璃烧杯中，对其进行第一次超声15分钟；(c)取出第一次超声完毕的基片架，将基片架放入装满去离子水的玻璃烧杯，对其进行第二次超声15分钟；(d)取出第二次超声完毕的基片架，将基片架放入装满异丙醇的玻璃烧杯，对其第三次超声15分钟；(e)最后取出第三次超声完毕的基片架，用氮气(纯度>99.99％)将基片架上的玻璃吹干。
S2：制备栅电极2：通过磁控溅射的方法在S1制备的衬底1的表面制备氧化铟锡栅电极2。
S3：制备氧化铝绝缘层3：首先通过反应溅射铝靶的方法，在S2制备好的氧化铟锡栅电极上制备氧化铝绝缘层31，其中溅射功率为800W，Ar流量保持在100sccm，O2流量保持在50sccm，腔体压强保持在5mTorr，溅射时间为2小时。
S4：制备氧化物半导体层4：采用直流磁控溅射IGZO陶瓷靶来制备；制备IGZO薄膜的溅射功率为120W，Ar流量保持在100sccm，O2流量保持在2sccm，腔体压强保持在3mTorr。
S5：制备源电极5和漏电极6：将S4处理后的器件放到金属真空腔中，其中腔体压强为4mTorr，调节蒸镀速度为0.1nm/s，通过真空蒸镀的方法制备源电极5和漏电极6。
采用反应溅射的氧化铝绝缘层的表面粗糙度为9.83nm。制备的IGZO薄膜晶体管的关态电流Ioff＝4.38×10-8A，载流子迁移率μ＝8.5cm2V-1s-1，阈值电压Vth＝5V，开关比电流Ion/off＝6.68×103。该器件的漏电流比较大，导致器件开关比比较大。
实例2：
如图4所示，一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件，依次包括1-衬底，2-栅电极，3-复合绝缘层，31-氧化铝，32-有机物，4-氧化物半导体层，5-源电极，6-漏电极。
具体结构：衬底为ITO玻璃衬底、栅电极为ITO(200nm)、复合绝缘层Al2O3绝缘层(110nm)/PMMA(50nm)、氧化物半导体层为IGZO(50nm)、源电极和漏电极为Ag(60nm)。
一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件及其制备方法，包括以下步骤：
S1：清洗玻璃衬底1：(a)先用沾有丙酮的无尘布轻轻擦拭ITO玻璃衬底，去除掉玻璃衬底上的大的颗粒杂质；(b)将擦拭干净的玻璃放在聚四氟乙烯的基片架上，将基片架放入装满丙酮的玻璃烧杯中，对其进行第一次超声15分钟；(c)取出第一次超声完毕的基片架，将基片架放入装满去离子水的玻璃烧杯，对其进行第二次超声15分钟；(d)取出第二次超声完毕的基片架，将基片架放入装满异丙醇的玻璃烧杯，对其第三次超声15分钟；(e)最后取出第三次超声完毕的基片架，用氮气(纯度>99.99％)将基片架上的玻璃吹干。
S2：制备栅电极2：通过磁控溅射的方法在S1制备的衬底1的表面制备氧化铟锡栅电极2。
S3：制备复合绝缘层3：首先通过反应溅射铝靶的方法，在S2制备好的氧化铟锡栅电极上制备氧化铝绝缘层31，其中溅射功率为800W，Ar流量保持在100sccm，O2流量保持在50sccm，腔体压强保持在5mTorr，溅射时间为2小时；然后通过旋涂的方法在氧化铝绝缘层31上制备有机物32聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。其中旋涂PMMA薄膜之前先将PMMA溶于苯甲醚中，苯甲醚质量比10％：90％，将混合后的溶液放在磁力搅拌器中搅拌24小时后通过旋涂的方法进行制备，旋涂转速为：2800rpm，旋涂时间为：1分钟，退火温度80℃，退火时间30分钟，制备的PMMA的厚度为50nm。
S4：制备化物半导体层4：采用直流磁控溅射IGZO陶瓷靶来制备；制备IGZO薄膜的的溅射功率为120W，Ar流量保持在100sccm，O2流量保持在2sccm，腔体压强保持在3mTorr。
S5：制备源电极5和漏电极6：将S4处理后的器件放到金属真空腔中，其中腔体压强为4mTorr，调节蒸镀速度为0.1nm/s，通过真空蒸镀的方法制备源电极5和漏电极6。
采用上述方法制备的复合绝缘层(Al2O3+PMMA)的表面粗燥度为0.31nm，相比于单层氧化铝，表面粗糙度大幅度降低。制备的IGZO薄膜晶体管的关态电流Ioff＝1.05×10-9A，载流子迁移率μ＝6.3cm2V-1s-1，阈值电压Vth＝1.5V，开关比电流Ion/off＝3.88×104。该器件的漏电流比比较小，阈值电压为1.5V，载流子迁移率稍微降低了一点，但整体性能提高了。
实例3：
如图4所示，一种基基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件，依次包括1-衬底，2-栅电极，3-复合绝缘层，31-氧化铝，32-有机物，4-氧化物半导体层，5-源电极，6-漏电极。
具体结构：衬底为ITO玻璃衬底、栅电极为ITO(200nm)、复合绝缘层Al2O3绝缘层(110nm)/PVA(40nm)、氧化物半导体层为IGZO(50nm)、源电极和漏电极为Ag(60nm)。
一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件及其制备方法，包括以下步骤：
S1：清洗玻璃衬底1：(a)先用沾有丙酮的无尘布轻轻擦拭ITO玻璃衬底，去除掉玻璃衬底上的大的颗粒杂质；(b)将擦拭干净的玻璃放在聚四氟乙烯的基片架上，将基片架放入装满丙酮的玻璃烧杯中，对其进行第一次超声15分钟；(c)取出第一次超声完毕的基片架，将基片架放入装满去离子水的玻璃烧杯，对其进行第二次超声15分钟；(d)取出第二次超声完毕的基片架，将基片架放入装满异丙醇的玻璃烧杯，对其第三次超声15分钟；(e)最后取出第三次超声完毕的基片架，用氮气(纯度>99.99％)将基片架上的玻璃吹干。
S2：制备栅电极2：通过磁控溅射的方法在S1制备的衬底1的表面制备氧化铟锡栅电极2。
S3：制备复合绝缘层3：首先通过反应溅射铝靶的方法，在S2制备好的氧化铟锡栅电极上制备氧化铝绝缘层31，其中溅射功率为800W，Ar流量保持在100sccm，O2流量保持在50sccm，腔体压强保持在5mTorr，溅射时间为2小时；然后通过旋涂的方法在氧化铝绝缘层31上制备有机物32聚乙烯醇(PVA)。其中旋涂PVA之前先将PVA溶于去离子水中，质量比10％：90％，将混合后的溶液放在磁力搅拌器中搅拌24小时后通过旋涂的方法进行制备，旋涂转速为：3600rpm，旋涂时间为：1分钟，退火温度80℃，退火时间30分钟。制备的PVA的厚度为40nm。
S4：制备化物半导体层4：采用直流磁控溅射IGZO陶瓷靶来制备；制备IGZO薄膜的的溅射功率为120W，Ar流量保持在100sccm，O2流量保持在2sccm，腔体压强保持在3mTorr。
S5：制备源电极5和漏电极6：将S4处理后的器件放到金属真空腔中，其中腔体压强为4mTorr，调节蒸镀速度为0.1nm/s，通过真空蒸镀的方法制备源电极5和漏电极6。
采用上述方法制备的复合绝缘层(Al2O3+PVA)的表面粗燥度为0.18nm，相比于单层氧化铝，表面粗糙度大幅度降低。制备的IGZO薄膜晶体管的关态电流Ioff＝1.83×10-10A，载流子迁移率μ＝4.4cm2V-1s-1，阈值电压Vth＝0.2V，开关比电流Ion/off＝1.58×105。该器件的漏电流最低，阈值电压也最低，器件的整体性能也比较好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件，其特征在于，包括由下到上依次设置的衬底(1)、栅电极(2)、复合绝缘层(3)、氧化物半导体层(4)、和氧化物半导体层(4)上的源电极(5)和漏电极(6)，复合绝缘层(3)包括上下两层，下层为设置在栅电极(2)上的氧化铝(31)，上层为设置在氧化铝(31)上的有机材料(32)，所述栅电极(2)材料为氧化铟锡，首先通过反应溅射铝靶的方法，在制备好的氧化铟锡栅电极(2)上制备氧化铝(31)绝缘层，其中溅射功率为800W，Ar流量保持在100sccm，O2流量保持在50sccm，腔体压强保持在5mTorr，溅射时间为2小时；然后通过旋涂的方法在氧化铝(31)绝缘层上制备有机物聚乙烯醇，旋涂聚乙烯醇之前先将聚乙烯醇溶于去离子水中，质量比10％：90％，将混合后的溶液放在磁力搅拌器中搅拌24小时后通过旋涂的方法进行制备，旋涂转速为：3600rpm，旋涂时间为：1分钟，退火温度80℃，退火时间30分钟，制备的聚乙烯醇的厚度为40nm，复合绝缘层(3)的表面粗燥度为0.18nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件，其特征在于：所述衬底(1)的材料为玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯或聚酰亚胺基板中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件，其特征在于：所述氧化物半导体层(4)为铟镓锌氧化物，厚度为40-80nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件，其特征在于：所述源电极(5)和漏电极(6)的材料均为氧化铟锡、氧化锌、铟镓锌氧化物、石墨烯、金属单质银、铝、金中的一种，源电极(5)和漏电极(6)的厚度均为40～200nm。
5.基于权利要求1所述的一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：清洗衬底(1)：
(a)先用沾有丙酮的无尘布轻轻擦拭衬底，去除掉衬底上的大的颗粒杂质；
(b)将擦拭干净的衬底放在聚四氟乙烯的基片架上，将基片架放入装满丙酮的玻璃烧杯中，对其进行第一次超声15分钟；
(c)取出第一次超声完毕的基片架，将基片架放入装满去离子水的玻璃烧杯，对其进行第二次超声15分钟；
(d)取出第二次超声完毕的基片架，将基片架放入装满异丙醇的玻璃烧杯，对其第三次超声15分钟；
(e)最后取出第三次超声完毕的基片架，用纯度>99.99％氮气将基片架上的玻璃吹干；
S2：制备栅电极(2)：通过磁控溅射的方法在S1制备的衬底(1)的表面制备栅电极(2)；
S3：制备复合绝缘层(3)：首先通过反应溅射铝靶的方法，在S2制备好的栅电极(2)上制备氧化铝(31)，其中溅射功率为800～1000W，Ar流量保持在100sccm，O2流量保持在50sccm，腔体压强保持在5mTorr，溅射时间为2小时；然后通过旋涂的方法在氧化铝(31)上制备有机材料，形成复合绝缘层；
S4：制备氧化物半导体层(4)：采用直流磁控溅射IGZO陶瓷靶来制备；制备IGZO薄膜的溅射功率为80～200W，Ar流量保持在100sccm，O2流量保持在1～5sccm，腔体压强保持在1～5mTorr；
S5：制备源电极(5)和漏电极(6)：将S4制备后的器件放到金属真空腔中，通过真空蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发、丝网印刷、喷涂中的任意一种方法制备源电极(5)和漏电极(6)，然后对其退火处理，退火温度不能超过200℃。
6.根据权利要求5所述的一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，反应溅射铝靶的纯度>99.9999％。
7.根据权利要求5所述的一种基于复合绝缘层的氧化物薄膜晶体管器件的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，IGZO陶瓷靶的组分及其质量比为In2O3：Ga2O3：ZnO＝1:1:2，纯度>99.9999％。
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