CN110491771A - 金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法和钝化层的制备方法 - Google Patents

金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法和钝化层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法和钝化层的制备方法，所述金属氧化物薄膜晶体管的钝化层的制备方法包括以下步骤：将制备好源电极和漏电极的衬底放入图形化的金属掩膜版中固定；开启脉冲激光发生器将激光打在氧化钪靶材上，沉积50～200nm厚的氧化钪作为表面钝化层。本发明采用脉冲激光沉积的方法制备氧化钪作为金属氧化物薄膜晶体管的钝化层，其隔绝了薄膜晶体管的金属氧化物沟道层的背表面与大气的直接接触，使得制备的带有钝化层的金属氧化物薄膜晶体管具有稳定的电学性能，相比于没有氧化钪的器件，迁移率、亚阈值摆幅、阈值电压和正负偏压稳定性能都有一定程度上的改善。本发明可以广泛应用于半导体领域。

Description

金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法和钝化层的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其是一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法和钝化层的制备方法。
背景技术
薄膜晶体管(即TFT，Thin Film Transistor)主要应用于控制和驱动液晶显示(即LCD，Liquid Crystal Display)、有机发光二极管(即OLED，Organic Light-EmittingDiode)显示器的子像素，是平板显示领域中最重要的电子器件之一。随着下一代有源矩阵平板显示技术正朝着大尺寸、超高清、高帧率及外围电路全集成等方向发展，薄膜晶体管作为显示面板的构成要素，要求其必须提供足够的电学驱动能力。无机金属氧化物薄膜晶体管因其成本低廉、制备温度低、可见光透过率高和电学性能适中等特点，近来愈发受到关注与研究。其中，以非晶型铟镓锌氧化物，如a-InGaZnO等，作为有源层的底栅型薄膜晶体管最具代表性。然而，非晶型铟镓锌氧化物TFT在实际使用中的场效应迁移率通常限制在约10cm2/Vs，这不能满足高分辨率显示的要求。因此，开发高迁移率的无机金属氧化物薄膜晶体管是亟待解决的一个问题。同时，由于氧化物半导体对外界环境诸如水分子，吸附氧等非常敏感，容易造成氧化物薄膜晶体管的电学稳定性差，因此，需要通过钝化层来改善器件性能。
一般而言，在TFT中使用的钝化层材料在特性上有以下要求：较好的绝缘特性、良好的致密性、适当的介电常数、与有源层之间能形成较好的界面态等等。通常，不同的钝化层材料和制造方法不仅可以对TFT特性产生各种影响，而且还可以对器件稳定性产生影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法和钝化层的制备方法，以提升薄膜晶体管的电学性能。
本发明实施例的第一方面提供了：
一种金属氧化物薄膜晶体管的钝化层的制备方法，包括以下步骤：
将制备好有源层的衬底或者制备好源电极和漏电极的衬底放入图形化的掩膜版中固定；
开启脉冲激光发生器将激光打在氧化钪靶材上，沉积50～200nm厚的氧化钪作为表面钝化层。
进一步，所述氧化钪的沉积厚度为100nm。
进一步，所述脉冲激光发生器所输出的激光脉冲功率为450mJ，脉冲频率为4Hz。
进一步，沉积钝化层时采用氧气气氛且氧气流量为65.5sccm，设置激光脉冲数为20000shots。
本发明实施例的第二方面提供了：
一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上制备栅极层，并对栅极层进行图形化形成栅极；
在衬底和栅极上制备栅介质层，并对栅介质层进行图形化；
在栅介质层上制备有源层，并对有源层进行图形化；
在有源层上制备源电极和漏电极，并对源电极和漏电极进行图形化；
采用所述的金属氧化物薄膜晶体管的钝化层的制备方法制备氧化钪钝化层，在图形化后的氧化钪钝化层的开孔中引出源电极和漏电极；
对薄膜晶体管进行退火处理；
或者
在衬底上制备栅极层，并对栅极层进行图形化形成栅极；
在衬底和栅极上制备栅介质层，并对栅介质层进行图形化；
在栅介质层上制备有源层，并对有源层进行图形化；
采用所述金属氧化物薄膜晶体管的钝化层的制备方法制备氧化钪钝化层，在图形化后的氧化钪钝化层的开孔中制作源电极和漏电极，然后对源电极和漏电极进行图像化；
对薄膜晶体管进行退火处理。
进一步，所述有源层为具有半导体特性的无机金属氧化物薄膜。
进一步，所述在栅介质层上制备有源层，其具体为：
通过磁控溅射法或者蒸发法将至少一种金属氧化物靶材沉积在已经形成栅极和栅介质层的衬底上，得到一层设定厚度的金属氧化物半导体薄膜作为有源层。
进一步，所述退火处理的温度为300℃，退火气氛为空气，退火时间为120分钟。
本发明实施例的第三方面提供了：
一种金属氧化物薄膜晶体管，由所述的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法制备。
本发明实施例的第四方面提供了：
一种金属氧化物薄膜晶体管，包括衬底、栅极、栅介质层、金属氧化物有源层、源电极、漏电极以及由所述的金属氧化物薄膜晶体管的钝化层的制备方法制备的氧化钪钝化层，所述栅极位于衬底上方，所述栅介质层覆盖在栅极上，所述金属氧化物有源层位于所述栅介质层上方，所述源电极、漏电极和氧化钪钝化层均位于金属氧化物有源层上。
本发明的有益效果是：本发明采用脉冲激光沉积的方法制备氧化钪作为金属氧化物薄膜晶体管的钝化层，其隔绝了薄膜晶体管的金属氧化物沟道层的背表面与大气的直接接触，避免了过量的水分和氧气等空气中的敏感元素对沟道层的侵蚀作用，避免这种侵蚀导致器件的电学性能和稳定性发生退化；使用本方法制备的带有钝化层的金属氧化物薄膜晶体管具有稳定的电学性能，相比于没有氧化钪的器件，迁移率、亚阈值摆幅、阈值电压和正负偏压稳定性能都有一定程度上的改善。
附图说明
图1为本发明一种具体实施例的金属氧化物薄膜晶体管的钝化层的制备方法的流程图；
图2为本发明一种具体实施例的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法的流程图；
图3为本发明一种具体实施例中制备的金属氧化物薄膜晶体管的横截面结构示意图；
图4为本发明一种具体实施例中在玻璃衬底上沉积的氧化钪薄膜的AFM图；
图5为本发明一种具体实施例中制备的基于氧化钪钝化层的金属氧化物薄膜晶体管的输出特性曲线图；
图6为本发明一种具体实施例中制备的基于氧化钪钝化层的金属氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线图；
图7为本发明一种具体实施例中制备的基于氧化钪钝化层的金属氧化物薄膜晶体管在一定空气湿度条件下施加正栅极偏压应力一段时间后的转移特性曲线图；
图8为本发明一种具体实施例中制备的基于氧化钪钝化层的金属氧化物薄膜晶体管在一定空气湿度条件下施加负栅极偏压应力一段时间后的转移特性曲线图；
图9为本发明一种具体实施例中制备的基于氧化钪钝化层的金属氧化物薄膜晶体管与未加氧化钪钝化层的金属氧化物薄膜晶体管在相同条件下测试正、负栅极偏压应力一段时间后转移特性曲线的阈值电压漂移程度比较图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明。
参照图1，一种金属氧化物薄膜晶体管的钝化层的制备方法，本实施例包括以下步骤：
S101、将制备好源电极和漏电极的衬底放入图形化的金属掩膜版中固定。
在本步骤中，可以先在衬底上制作栅极、栅介质层、有源层、源电极和漏电极，而具体的制备结构视不同类型的晶体管而不同。然后将该已经制备好源电极和漏电极的衬底放入图形化的金属掩膜版中进行固定。当然，此时的制备好源电极和漏电极的衬底尚未制备任何钝化层。
在另一种实施例中，所述步骤S101也可以是将制备好有源层的衬底放入图形化的掩膜版中固定，在这种实施例中，金属氧化物薄膜晶体管的源电极和漏电极是在制备完钝化层后再在钝化层的开孔中沉积的，例如采用气相沉积法沉积电极。具体地，在该实施例中，步骤S101中所述的制备好有源层的衬底通过以下方法获得，首先在衬底上制备栅极层，并对栅极层进行图形化形成栅极；然后在衬底和栅极上制备栅介质层，并对栅介质层进行图形化；接着在栅介质层上制备有源层，并对有源层进行图形化。
S102、开启脉冲激光发生器将激光打在氧化钪靶材上，沉积50～200nm厚的氧化钪作为表面钝化层。
具体地，本步骤将固定好的衬底放入脉冲激光沉积系统主腔室内，然后设置脉冲激光发生器的参数，将激光打在氧化钪靶材上，使得氧化钪沉积在有源层、源电极以及漏电极上方，形成一个表面钝化层，保护金属氧化物薄膜晶体管。所述氧化钪的沉积厚度，视性能而定，在满足绝缘条件的情况下，可以将钝化层的厚度设置为50～200nm。
参照图2，本实施例公开了一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，其中，该制备方法中，会采用如图1所示的金属氧化物薄膜晶体管的钝化层的制备方法，来制备氧化钪钝化层。参照图3，本实施例的产物是一种底栅接触型的晶体管结构。以玻璃作为衬底301，其中栅极302所用的材料为铝钕合金，栅介质层303是利用阳极氧化法在栅极302上形成的氧化铝，金属氧化物有源层304使用铟锡锌氧化合物，源电极305a和漏电极305b使用透明导电薄膜铟锡氧，钝化层306使用氧化钪。
本实施例的方法包括以下步骤：
S201、在衬底上制备栅极层，并对栅极层进行图形化形成栅极。
本实施例所选用的玻璃基片作为衬底，其中，玻璃基片需要预先清洗，具体过程为：选取玻璃的厚度为0.7mm，并依次使用去离子水和异丙醇将玻璃置于超声清洗机中清洗，每种清洗剂均清洗20分钟，清洗完后将其放入恒温箱中烘干5小时，恒温箱温度设为80℃。
本步骤在清洗好的玻璃基板上利用直流磁控溅射300nm的Al：Nd合金薄膜，并通过光刻来图形化。
S202、在衬底和栅极上制备栅介质层，并对栅介质层进行图形化。
具体地，本步骤利用阳极氧化法在铝钕合金表面形成厚度为200nm的氧化铝钕栅介质层，用于阳极氧化的电解质溶液是酒石酸铵和乙二醇的混合物，将制备好栅极的基片和不锈钢板放入电解质溶液中分别作为阳极和阴极，先在阳极和阴极之间加恒定的电流，阳极和阴极之间的电压将随时间线性升高，当电压达到100V时保持电压恒定，直至阳极和阴极之间的电流减小至约为0.001mA/cm2时，铝钕合金表面便形成一层厚度200nm的氧化铝钕层。
S203、在栅介质层上制备有源层，并对有源层进行图形化。
本步骤采用磁控溅射共溅射的方法制备有源层，将制备有栅电极和栅介质层的玻璃基片放入图形化的金属掩膜版中固定，通过同时使用直流电源磁控溅射控制的多晶氧化铟锡靶材和射频电源磁控溅射控制的多晶氧化锌靶材的方式，沉积40nm厚的铟锡锌氧化物薄膜作为有源层。
其中，溅射多晶氧化铟锡靶材时的功率密度约为5.4W/cm2，所述多晶氧化铟锡靶材的成分为In2O3:SnO2＝90:10wt％；溅射多晶氧化锌靶材时的功率密度约为7.4W/cm2。其中，溅射舱室气压被设定为0.9pa,使用的气体氛围为氧气和氩气，流量分别设定为6sccm和9sccm，溅射温度设定25℃，多晶氧化铟锡靶材的溅射功率设定为85W，多晶氧化锌靶材的溅射功率设定为130W，溅射时间设定为5分钟。
S204、在有源层上制备源电极和漏电极，并对源电极和漏电极进行图形化。
本步骤采用直流磁控溅射的方法制备源电极、漏电极，将上述已经制备好有源层的玻璃基片放入图形化的金属掩膜版中固定，形成的电极使得沟道的宽度和长度分别为300μm和300μm，即宽长比为1:1；通过使用直流电源磁控溅射控制的多晶氧化铟锡靶材，沉积240nm厚的氧化铟锡薄膜作为源电极和漏电极，其中，溅射的功率密度约为5.4W/cm2，多晶氧化铟锡靶材的成分为In2O3:SnO2＝90:10wt％，溅射舱室气压被设定为0.45pa,使用的气体氛围为氩气，流量设定为9sccm，溅射温度设定25℃，多晶氧化铟锡靶材的溅射功率设定为85W，溅射时间设定为20分钟。
S205、采用所述的金属氧化物薄膜晶体管的钝化层的制备方法制备氧化钪钝化层，在图形化后的氧化钪钝化层的开孔中引出源电极和漏电极。
具体地，本步骤采用脉冲激光沉积的方法制备钝化层，将上述已经制备好源电极、漏电极的玻璃基片放入图形化的金属掩膜版中固定，将掩膜版放入脉冲激光沉积系统主腔室内，开启脉冲激光发生器将激光打在氧化钪靶材上，沉积100nm厚的氧化钪作为表面钝化层，其中，脉冲激光的功率被设定为450mJ，脉冲激光的频率被设定为4Hz，设置的激光脉冲数为20000shots，溅射主腔室内使用的气体氛围为氧气，流量设定为65.5sccm，靶材和衬底之间的距离固定为45cm，溅射过程的温度设为室温25℃。
S206、对薄膜晶体管进行退火处理。
在本步骤中，将制备好的器件放置在温度可调节的热台上，设置温度为300℃，在空气中退火120分钟。
在玻璃衬底上使用上述步骤S102的工艺单独制备一层厚度为100nm的氧化钪薄膜，并使用原子力显微镜型号为：AFM-SEIKO-sweep观察薄膜的表面形貌，参考图4。通过观察表面形貌可以发现，采用脉冲激光沉积制备的氧化钪薄膜具有较好的薄膜致密度和均匀度，利用软件计算出表面薄膜均方根粗糙度RMS为1.56nm，具备较好的光滑度。致密的氧化钪薄膜能够有效隔绝空气中的水汽和氧气，以减少对铟锡锌氧化物有源层背沟道表面的吸附和解吸附的效应，而光滑的氧化钪薄膜能够与铟锡锌氧化物之间形成良好的接触面，降低接触面的缺陷态密度，提高器件的电学性能。
为证明本发明所制备的基于氧化钪钝化层的金属氧化物薄膜晶体管表现出优越的电学性能与稳定性，将实施例中退火冷却后的基于氧化钪钝化层的铟锡锌氧化物薄膜晶体管进行测试，所述测试使用半导体参数分析仪进行，型号为Keysight-B1500A。在本实施例中，基于氧化钪钝化层的铟锡锌氧金属氧化物薄膜晶体管的输出特性曲线如图5所示。从输出曲线可以看出，输出特性在低电压密度下都表现出良好的线性增长，没有出现电流拥挤效应，曲线的线性区和饱和区有明显的区别，证实了加了氧化钪钝化层之后铟锡锌氧化物和铟锡氧化物源漏电极之间仍然具备良好的欧姆接触。
基于氧化钪钝化层的铟锡锌氧金属氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线如图6所示。从转移曲线可以看出，加入氧化钪钝化层的器件的场效应迁移率可达14.52cm2/Vs，亚阈值摆幅低于0.095V/decade，阈值电压为0.2V，开关电流比达到108以上，说明基于氧化钪钝化层的铟锡锌氧化物薄膜晶体管的载流子迁移率较高，缺陷态较少，并且氧化钪与金属氧化物薄膜铟锡锌氧化物之间具有高质量的界面，证实了氧化钪可以应用薄膜晶体管的钝化层且对器件的电学性能有一定的改善作用。
另外，实施例中基于氧化钪钝化层的铟锡锌氧化物薄膜晶体管在相对湿度为60％的空气中的正栅极偏压应力测试的结果如图7所示，在相对湿度为60％的空气中的负栅极偏压应力测试的结果如图8所示，基于氧化钪钝化层的铟锡锌氧化物薄膜晶体管与未加氧化钪钝化层的金属氧化物薄膜晶体管在相同条件下测试正、负栅极偏压应力一段时间后转移特性曲线的阈值电压漂移程度比较图如图9所示，其中所加的正栅极偏压大小为10V，负栅极偏压大小为-10V，测试时间为一小时。从图9可以看出，加了钝化层的器件比没有加钝化层的器件具备更好的正负栅压应力下稳定性，特别对于正栅压应力稳定性有大幅的改善。总的来说，通过脉冲激光制备的氧化钪钝化层能在不对器件的电学性能造成影响的情况下有效保护沟道层以减少水、氧吸附和解吸附现象，从而提高器件的稳定性。
本发明与已有技术相比，其具有以下优点：
A、采用氧化钪作为金属氧化物薄膜晶体管的钝化层，制备的薄膜具有高致密度、高平滑度的优点，同时能与下层沟道形成良好的界面态，制备的过程对器件的电学性能不产生影响，还能提高器件的迁移率，降低器件的操作电压，减小功耗，能够满足未来电子器件发展的需要。
B、氧化钪作为金属氧化物薄膜晶体管的钝化层，能够有效隔绝半导体层与外界环境的接触，如减少与空气中的水分和氧气的接触，减少外界环境对半导体层的影响，从而增加器件在外界环境下的操作稳定性，尤其是高湿度环境的操作稳定性，延长器件的使用寿命，为基于表面钝化的电子器件提供一种新的选择。
对于上述方法实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种金属氧化物薄膜晶体管的钝化层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
将制备好有源层的衬底或者制备好源电极和漏电极的衬底放入图形化的掩膜版中固定；
开启脉冲激光发生器将激光打在氧化钪靶材上，沉积50～200nm厚的氧化钪作为表面钝化层。
2.根据权利要求1所述的一种金属氧化物薄膜晶体管的钝化层的制备方法，其特征在于：所述氧化钪的沉积厚度为100nm。
3.根据权利要求1所述的一种金属氧化物薄膜晶体管的钝化层的制备方法，其特征在于：所述脉冲激光发生器所输出的激光脉冲功率为450mJ，脉冲频率为4Hz。
4.根据权利要求3所述的一种金属氧化物薄膜晶体管的钝化层的制备方法，其特征在于：沉积钝化层时采用氧气气氛且氧气流量为65.5sccm，设置激光脉冲数为20000shots。
5.一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
在衬底上制备栅极层，并对栅极层进行图形化形成栅极；
在衬底和栅极上制备栅介质层，并对栅介质层进行图形化；
在栅介质层上制备有源层，并对有源层进行图形化；
在有源层上制备源电极和漏电极，并对源电极和漏电极进行图形化；
采用如权利要求1-4任一项所述的方法制备氧化钪钝化层，在图形化后的氧化钪钝化层的开孔中引出源电极和漏电极；
对薄膜晶体管进行退火处理；
或者
在衬底上制备栅极层，并对栅极层进行图形化形成栅极；
在衬底和栅极上制备栅介质层，并对栅介质层进行图形化；
在栅介质层上制备有源层，并对有源层进行图形化；
采用如权利要求1-4任一项所述的方法制备氧化钪钝化层，在图形化后的氧化钪钝化层的开孔中制作源电极和漏电极，然后对源电极和漏电极进行图像化；
对薄膜晶体管进行退火处理。
6.根据权利要求5所述的一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：所述有源层为具有半导体特性的无机金属氧化物薄膜。
7.根据权利要求5所述的一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：所述在栅介质层上制备有源层，其具体为：
通过磁控溅射法或者蒸发法将至少一种金属氧化物靶材沉积在已经形成栅极和栅介质层的衬底上，得到一层设定厚度的金属氧化物半导体薄膜作为有源层。
8.根据权利要求5所述的一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：所述退火处理的温度为300℃，退火气氛为空气，退火时间为120分钟。
9.一种金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于：由如权利要求5-8任一项所述的方法制备。
10.一种金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于：包括衬底、栅极、栅介质层、金属氧化物有源层、源电极、漏电极以及由权利要求1-4任一项所述的方法制备的氧化钪钝化层，所述栅极位于衬底上方，所述栅介质层覆盖在栅极上，所述金属氧化物有源层位于所述栅介质层上方，所述源电极、漏电极和氧化钪钝化层均位于金属氧化物有源层上。
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