CN108417620A - 一种氧化物绝缘体薄膜及薄膜晶体管 - Google Patents
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Abstract
一种氧化物绝缘体薄膜，成分为MxAlyZrzOδ，M为元素Sc或Y，0.01≤x≤0.5，0.3≤z＜0.99，x+y+z＝1，0<δ≤2，厚度为2～1000nm，采用真空法或溶液法制备，用作薄膜晶体管的绝缘层。一种薄膜晶体管设置有栅极、沟道层、位于栅极和沟道层之间的绝缘层、分别连接在沟道层两端的源极和漏极，绝缘层采用上述的氧化物绝缘体薄膜。该氧化物薄膜具有较大的禁带宽度、对空气中的水、氧气和二氧化碳气体不敏感，表面粗糙度小，且与氧化物半导体接触界面的界面载流子陷阱密度低，故绝缘层采用该氧化物绝缘体薄膜的薄膜晶体管载流子迁移率高、电学性能稳定。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种氧化物绝缘体薄膜及薄膜晶体管。
背景技术
近年来，氧化物薄膜晶体管(TFT)因其在平板显示，电子标签，传感器等方面的潜在应用而受到广泛关注与研究。由于TFT器件是薄膜型结构，其绝缘层的介电常数、结晶度、致密度、带隙宽度和厚度等对晶体管的电学性能有重要的影响。目前，很大一部分氧化物TFT器件采用热氧化的SiO2作为绝缘层，但SiO2的相对介电常数较低(～4)，器件往往需要较高的驱动电压，才能有较高的输出电流以满足驱动的要求，在很多应用场合，出于节能和安全方面的考虑，一般要求TFT具备较低的驱动电压。另一方面，由于氧化物半导体的迁移率随电子浓度的增加而增大，在绝缘层厚度相同的情况下，采用介电常数高的氧化物绝缘层的器件电子迁移率往往比采用SiO2绝缘层的器件电子迁移率更大。基于此，很多相对介电常数大于8的氧化物绝缘层材料，如ZrO2、Al2O3、HfO2、Y2O3、Sc2O3等，应用于氧化物TFT，以实现器件的低电压工作。这些二元氧化物作为绝缘层材料应用于氧化物TFT均存在一定的不足之处，如ZrO2、HfO2、Y2O3和Sc2O3在相对较低的退火温度条件下(＜500℃)容易结晶，薄膜的表面粗糙度增大，从而不利于电子的传输，另一方面，晶界的出现也造成较大的漏电流和较高的水氧透过率，降低了器件的可靠性和增加了器件能耗。Y2O3容易与空气中的水和二氧化碳反应而变质，器件的稳定性差。由于ZrO2与氧化物半导体InGaZnO的价带带阶约为0eV，而Sc2O3与InGaZnO的价带带阶约为-1.33eV，因此，ZrO2和Sc2O3被认为不适合作为氧化物TFT的绝缘层材料。Al2O3虽然具有较高的相对介电常数(～9)和带隙宽度(7.3-7.8eV)，并且在较高的退火温度下依然能保持非晶相，但由于Al的离子半径较小(0.053nm)，且与氧的结合能较小(511kj/mol)，容易产生扩散，特别是溶液法制备的器件中Al的扩散比较严重，对氧化物半导体器件的电学性能不利。
因此，针对现有技术不足，提供一种介电常数高且载流子迁移率大的氧化物绝缘体薄膜，及绝缘层采用该氧化物绝缘体薄膜的薄膜晶体管以克服现有技术不足甚为必要。
发明内容
本发明的目的之一为提供了一种氧化物绝缘体薄膜，该氧化物绝缘体薄膜具有介电常数高、漏电流小的特点。
本发明的上述目的通过如下技术方案实现。
提供一种氧化物绝缘体薄膜，成分为MxAlyZrzOδ，M为IIIB族金属元素，0.01≤x≤0.5，0.3≤z＜0.99，x+y+z＝1，0<δ≤2。
优选的，M为元素Sc或Y。
优选的，薄膜带隙宽度大于4.5eV，击穿场强大于3MV/cm。
优选的，薄膜厚度为2～1000nm。
优选的，薄膜采用溶液法制备。
优选的，溶液法为旋涂、刮涂、喷涂、喷墨印刷中的一种。
优选的，薄膜采用真空法制备，真空法为单靶磁控溅射、多靶磁控溅射、等离子增强化学气相沉积、原子层沉积中的一种。
优选的，薄膜用作薄膜晶体管的绝缘层。
该氧化物绝缘体薄膜在较高的退火温度下依然保持非晶相，表面粗糙度小，对载流子的散射小，有利于载流子在其表面输运；薄膜的水氧透过率低，带隙宽度大，具有较小的漏电流密度，且击穿场强较大；薄膜的相对介电常数大(＞10)，化学稳定性好，在较高的退火温度下不存在明显的扩散现象，不与空气中的水氧等气体发生反应。
本发明的另一目的提供一种薄膜晶体管，设置有栅极、沟道层、位于栅极和沟道层之间的绝缘层、分别连接在沟道层两端的源极和漏极，绝缘层采用上述的氧化物绝缘体薄膜。
优选的，该薄膜晶体管的沟道层的材料为氧化物半导体。
该薄膜晶体管具有漏电流小、器件迁移率高、转移曲线迟滞小，在偏置电压下器件电学性能稳定的优势。
附图说明
利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明实施例5中底栅顶接触结构的薄膜晶体管的结构示意图；
图2是本发明实施例6中底栅底接触结构的薄膜晶体管的结构示意图；
图3是本发明实施例7中顶栅底接触结构的薄膜晶体管的结构示意图；
图4是本发明实施例8中顶栅顶接触结构的薄膜晶体管的结构示意图；
图5是本发明实施例9的薄膜晶体管的转移特性曲线；
图6是本发明实施例9中薄膜晶体管的负偏压特性曲线；
图7是本发明实施例9中薄膜晶体管的正偏压特性曲线。
图1至图7中，包括：基板10、栅极11、绝缘层12、沟道层13、源极14、漏极15。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明做进一步描述。
实施例1。
一种氧化物绝缘体薄膜，成分为MxAlyZrzOδ，M为IIIB族金属元素，0.01≤x≤0.5，0.3≤z＜0.99，x+y+z＝1，0<δ≤2。
薄膜厚度为2～1000nm。薄膜采用真空法制备。真空法具体可为单靶磁控溅射、多靶磁控溅射、等离子增强化学气相沉积、原子层沉积中的任意一种。
薄膜带隙宽度大于4.5eV，可有效地增加注入势垒，击穿场强大于3MV/cm，可有效地减小击穿概率。薄膜用作薄膜晶体管的绝缘层。
相较于传统的绝缘层薄膜材料，本实施例的MxAlyZrzOδ氧化物绝缘体薄膜具有以下优异的技术效果：
(1)薄膜在较高的退火温度下依然保持非晶相，表面粗糙度小，对载流子的散射小，有利于载流子在其表面输运，薄膜的水氧透过率低；
(2)薄膜的带隙宽度大，具有较小的漏电流密度，且击穿场强较大；
(3)薄膜的相对介电常数大，大于10，所制备的器件可在较低的电压下工作；
(4)薄膜的化学稳定性好，在较高的退火温度下不存在明显的扩散现象，不与空气中的水氧等气体发生反应；
(5)氧化物绝缘体薄膜与氧化物半导体薄膜的导带带阶和价带带阶均较大，在偏压下，电子或者空穴难以注入到氧化物绝缘体的导带或者价带中，器件偏压稳定性佳；
(6)通过氧化物绝缘体薄膜组分的调节，可以调控绝缘层中负电荷的密度，从而调控薄膜晶体管的阈值电压。
实施例2。
一种氧化物绝缘体薄膜，其他特征与实施例1相同，不同之处在于：M为元素Sc或Y。
本实施例中的MxAlyZrzOδ氧化物绝缘体薄膜中M为元素Sc或Y，由于Sc或Y的氧化物具有较多负的固定电荷，能屏蔽部分栅极电场，从而抵消了因载流子浓度增大而造成的阈值电压漂移，有效地避免了由于Zr扩散至氧化物半导体(如InZnO、InGaZnO等)中造成的施主掺杂，使得载流子浓度增大的问题出现。
实施例3。
一种氧化物绝缘体薄膜，其他特征与实施例2相同，不同之处在于：薄膜采用溶液法制备，溶液法为旋涂、刮涂、喷涂、喷墨印刷中的一种。
本实施例中的氧化物绝缘体薄膜采用溶液法制备。相比真空法和其他薄膜制备方法，溶液法具有成本低、比例易于控制等优势，溶液法可简单地通过前驱体组分的调节，控制薄膜组分比例，达到调控绝缘层中负电荷密度的目的，从而能够更有效地调控薄膜晶体管的阈值电压。
实施例4。
一种薄膜晶体管，设置有栅极、沟道层、位于栅极和沟道层之间的绝缘层、分别连接在沟道层两端的源极和漏极，绝缘层采用实施例1或2中的氧化物绝缘体薄膜，沟道层为氧化物半导体薄膜。
该薄膜晶体管具有漏电流小、器件迁移率高、转移曲线迟滞小，在偏置电压下器件电学性能稳定的优势。
实施例5。
以一具体实例对本发明作进一步说明。
本实施例的器件结构为底栅顶接触结构，如图1所示，设置有：基板10、位于基板10之上的栅极11、位于基板10和栅极11之上的绝缘层12、覆盖在绝缘层12上表面且在栅极11上方的沟道层13、以及相互间隔并与沟道层13的两端电性相连的源极14和漏极15。
基板10为玻璃，可以进一步包括覆盖在衬底上面的缓冲层或水氧阻隔层等。栅极11为导电金属氧化物薄膜，厚度300nm。沟道层13为铟镓锌氧薄膜。绝缘层为Sc1/3Al1/3Zr1/3O氧化物绝缘体薄膜，厚度100nm。源极和漏极为铟锡氧薄膜，厚度为50nm。
上述薄膜晶体管通过如下方法制备：
(1)在基板10上通过溶液法制备导电金属氧化物薄膜，并通过光刻的方法图形化，得到栅极11；
(2)在栅极11上旋涂Sc1/3Al1/3Zr1/3O，干燥、烧结后形成Sc1/3Al1/3Zr1/3O氧化物绝缘体薄膜，并通过光刻的方法图形化，得到绝缘层12；
(3)在绝缘层12上旋涂制备铟镓锌氧薄膜，并通过光刻的方法图形化，得到沟道层13；
(4)在沟道层13上喷涂制备铟锡氧薄膜，并通过光刻的方法图形化，得到源极14和漏极15。
本实施例的薄膜晶体管，由于作为绝缘层的氧化物薄膜具有较大的禁带宽度、对空气中的水、氧气和二氧化碳气体不敏感，表面粗糙度小，且与氧化物半导体接触界面的界面载流子陷阱密度低，故所制备的薄膜晶体管载流子迁移率高、电学性能稳定。此外，该薄膜晶体管后退火温度较低，能与柔性衬底兼容。
实施例6。
以一具体实例对本发明作进一步说明。
本实施例的器件结构为底栅底接触结构，如图2所示，设置有：基板10、位于基板10之上的栅极11、位于基板10和栅极11之上的绝缘层12、位于绝缘层12之上并且互相间隔的源极14和漏极15、覆盖在源极14和漏极15之间的绝缘层12的表面之上的沟道层13。
基板10为金属箔片，可以进一步包括覆盖在衬底上面的缓冲层或水氧阻隔层等。栅极11为金属薄膜，厚度400nm。沟道层13为铟镓氧薄膜。绝缘层为Sc1/3Al1/3Zr1/3O2氧化物绝缘体薄膜，厚度150nm。源极和漏极为铟锡氧薄膜，厚度为80nm。
上述薄膜晶体管通过如下方法制备：
(1)在基板10上通过溶液法制备金属薄膜，并通过光刻的方法图形化，得到栅极11；
(2)在栅极11上喷涂Sc1/3Al1/3Zr1/3O2，干燥、烧结后形成Sc1/3Al1/3Zr1/3O2氧化物绝缘体薄膜，并通过光刻的方法图形化，得到绝缘层12；
(3)在绝缘层12上物理气相沉积制备铟锡氧薄膜，并通过光刻的方法图形化，得到源极14和漏极15；
(4)溅射制备铟镓氧薄膜使其两端覆盖源极14和漏极15，并通过光刻的方法图形化，得到沟道层13。
本实施例的薄膜晶体管，由于作为绝缘层的氧化物薄膜具有较大的禁带宽度、对空气中的水、氧气和二氧化碳气体不敏感，表面粗糙度小，且与氧化物半导体接触界面的界面载流子陷阱密度低，故所制备的薄膜晶体管载流子迁移率高、电学性能稳定。此外，该薄膜晶体管后退火温度较低，能与柔性衬底兼容。
实施例7。
以一具体实例对本发明作进一步说明。
本实施例的薄膜晶体管结构为顶栅底接触结构，如图3所示，设置有：基板10、在基板10之上并相互间隔的源极14和漏极15、覆盖在源极14和漏极15之间的基板10的表面之上的沟道层13、覆盖在沟道层13、源极14和漏极15之上的绝缘层12和覆盖在绝缘层12之上并与沟道层13相对应的栅极11，沟道层13的两端分别与源极14和漏极15电性相连。
基板10为柔性聚合物衬底，可以进一步包括覆盖在衬底上面的缓冲层或水氧阻隔层等。栅极11为锡锑氧薄膜，厚度300nm。沟道层13为铟镓氧薄膜。绝缘层为Sc1/3Al1/3Zr1/3O氧化物绝缘体薄膜，厚度200nm。源极和漏极为铟镓氧薄膜，厚度为60nm。
上述薄膜晶体管通过如下方法制备：
(1)在基板10上通过化学气相沉积法制备铟镓氧薄膜，并通过光刻的方法图形化，得到源极14和漏极15；
(2)溅射制备铟镓氧薄膜使其两端覆盖源极14和漏极15，中间部分覆盖在基板10上，并通过光刻的方法图形化，得到沟道层13；
(3)在沟道层13上喷涂Sc1/3Al1/3Zr1/3O，干燥、烧结后形成Sc1/3Al1/3Zr1/3O氧化物绝缘体薄膜，并通过光刻的方法图形化，得到绝缘层12；
(4)在绝缘层12上溅射制备锡锑氧薄膜，并通过光刻的方法图形化，得到栅极11。
本实施例的薄膜晶体管，由于作为绝缘层的氧化物薄膜具有较大的禁带宽度、对空气中的水、氧气和二氧化碳气体不敏感，表面粗糙度小，且与氧化物半导体接触界面的界面载流子陷阱密度低，故所制备的薄膜晶体管载流子迁移率高、电学性能稳定。此外，该薄膜晶体管后退火温度较低，能与柔性衬底兼容。
实施例8。
以一具体实例对本发明作进一步说明。
本实施例的器件结构为顶栅顶接触结构，如图4所示，设置有：基板10、位于基板10之上的沟道层13，位于沟道层13之上并相互间隔的源极14和漏极15、覆盖在源极14和漏极15之上且覆盖在源极14和漏极15之间的沟道层13的表面之上的绝缘层12、覆盖在绝缘层12之上的栅极11，沟道层13的两端分别与源极14和漏极15电性相连。
基板10为硅片，可以进一步包括覆盖在衬底上面的缓冲层或水氧阻隔层等。栅极11为合金薄膜，厚度400nm。沟道层13为氧化锌薄膜。绝缘层为Sc1/3Al1/3Zr1/3O氧化物绝缘体薄膜，厚度150nm。源极和漏极为铟镓氧薄膜，厚度为70nm。
上述薄膜晶体管通过如下方法制备：
(1)在基板10上通过化学气相沉积法制备氧化锌薄膜，并通过光刻的方法图形化，得到得到沟道层13；
(2)在沟道层13上溅射制备铟镓氧薄膜，并通过光刻的方法图形化使其覆盖沟道层13的两端，得到源极14和漏极15；
(3)在源极14和漏极15之间的沟道层13的表面之上及源极14和漏极15之上喷涂Sc1/3Al1/3Zr1/3O，干燥、烧结后形成Sc1/3Al1/3Zr1/3O氧化物绝缘体薄膜，并通过光刻的方法图形化，得到绝缘层12；
(4)在绝缘层12上溅射制备合金薄膜，并通过光刻的方法图形化，得到栅极11。
本实施例的薄膜晶体管，由于作为绝缘层的氧化物薄膜具有较大的禁带宽度、对空气中的水、氧气和二氧化碳气体不敏感，表面粗糙度小，且与氧化物半导体接触界面的界面载流子陷阱密度低，故所制备的薄膜晶体管载流子迁移率高、电学性能稳定。此外，该薄膜晶体管后退火温度较低，能与柔性衬底兼容。
实施例9。
本实施提供一种薄膜晶体管及其制备方法，其它特征与实施例6相同，不同之处在于：薄膜晶体管的制备方法如下，
源极14和漏极15的制备：
(1)将F系聚合物Cytop涂布在基板10上，制得Cytop薄膜；
(2)对步骤(1)制得的Cytop薄膜采用喷墨印刷Cytop溶剂的方法进行选择性蚀刻，得到图案化薄膜；
(3)将步骤(2)制得的图案化薄膜进行氧等离子体处理，功率为30W-200W，时间为1min-10min，除去图案内部残留的Cytop，并经紫外处理使图案内部亲水，紫外处理时间为5min-30min；
(4)在图案内部喷墨印刷铟镓氧前驱体墨水，经干燥、烧结得到铟镓氧薄膜；
沟道层13的制备：
(1)将F系聚合物Cytop涂布在已沉积源漏电极的样品上，制得Cytop薄膜；
(2)对步骤(1)制得的Cytop薄膜采用喷墨印刷Cytop溶剂的方法进行选择性蚀刻，得到图案化薄膜；
(3)将步骤(2)制备的图案化薄膜进行氧等离子体处理，功率为30W-200W，时间为1min-10min，除去图案内部残留的Cytop，并经紫外处理使图案内部亲水，紫外处理时间为5min-30min；
(4)在图案内部喷墨印刷铟镓氧前驱体墨水，经干燥、烧结得到铟镓氧薄膜；
绝缘层12制备：
(1)将F系聚合物Cytop涂布在已沉积源漏电极的样品上，制得Cytop薄膜；
(2)对步骤(1)制得的Cytop薄膜采用喷墨印刷Cytop溶剂的方法进行选择性蚀刻，得到图案化薄膜；
(3)将步骤(2)制备的图案化薄膜进行氧等离子体处理，功率为30W-200W，时间为1min-10min，除去图案内部残留的Cytop，并经紫外处理使图案内部亲水，紫外处理时间为5min-30min；
(4)在图案内部喷墨印刷Sc1/3Al1/3Zr1/3O前驱体墨水，前驱体薄膜经干燥、烧结得到氧化物绝缘体薄膜。
栅极11制备：
(1)将F系聚合物Cytop涂布在已沉积源漏电极的样品上，制得Cytop薄膜；
(2)对步骤(1)制得的Cytop薄膜采用喷墨印刷Cytop溶剂的方法进行选择性蚀刻，得到图案化薄膜；
(3)将步骤(2)制备的图案化薄膜进行氧等离子体处理，功率为30W-200W，时间为1min-10min，除去图案内部残留的Cytop，并经紫外处理使图案内部亲水，紫外处理时间为5min-30min；
(4)在图案内部喷墨印刷锡锑氧前驱体墨水，经干燥、烧结得到锡锑氧薄膜，为了增强导电性，在锡锑氧薄膜上印刷一层Ag薄膜，制得栅极11。
如图5所示，为上述Sc1/3Al1/3Zr1/3O薄膜作为绝缘层12，铟镓氧作为沟道层13的薄膜晶体管的转移特性曲线，从图中可以看出，器件不存在明显的迟滞，且可在低电压下工作，器件的迁移率为12cm2/Vs。如图6-7所示，为上述器件在负偏压和正偏压下转移曲线的漂移情况，从图中可以看出，器件在1h的持续偏压下，器件的转移曲线漂移极小，说明器件具有良好的稳定性。
可见，采用MxAlyZrzOδ薄膜作为绝缘层12的薄膜晶体管具有迁移率高、性能稳定的特点。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种氧化物绝缘体薄膜，其特征在于，成分为MxAlyZrzOδ，M为IIIB族金属元素，0.01≤x≤0.5，0.3≤z＜0.99，x+y+z＝1，0<δ≤2。
2.根据权利要求1所述的氧化物绝缘体薄膜，其特征在于，M为元素Sc或Y。
3.根据权利要求2所述的氧化物绝缘体薄膜，其特征在于：带隙宽度大于4.5eV，击穿场强大于3MV/cm。
4.根据权利要求3所述的氧化物绝缘体薄膜，其特征在于，厚度为2～1000nm。
5.根据权利要求4所述的氧化物绝缘体薄膜，其特征在于，采用溶液法制备。
6.根据权利要求5所述的氧化物绝缘体薄膜，其特征在于，所述溶液法为旋涂、刮涂、喷涂、喷墨印刷中的一种。
7.根据权利要求4所述的氧化物绝缘体薄膜，其特征在于，采用真空法制备；所述真空法为单靶磁控溅射、多靶磁控溅射、等离子增强化学气相沉积、原子层沉积中的一种。
8.如权利要求1-7所述的氧化物绝缘体薄膜，其特征在于，用作薄膜晶体管的绝缘层。
9.一种薄膜晶体管，其特征在于，设置有栅极、沟道层、位于栅极和沟道层之间的绝缘层、分别连接在沟道层两端的源极和漏极；所述绝缘层采用如权利要求1-8中任意一项所述的氧化物绝缘体薄膜。
10.根据权利要求9所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述沟道层为氧化物半导体薄膜。
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