CN115679259A - Izo薄膜制备方法及物理气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供IZO薄膜制备方法及物理气相沉积设备，包括：制备IZO陶瓷靶材，其中，IZO陶瓷靶材由In₂O₃和ZnO烧结而成；采用物理气相沉积工艺并利用IZO陶瓷靶材在晶圆上制备IZO薄膜。本发明提供的IZO薄膜制备方法及物理气相沉积设备的技术方案，可以实现大尺寸晶圆镀膜的同时无需增大工艺腔室的体积，降低了工艺成本和工艺复杂性。

Description

IZO薄膜制备方法及物理气相沉积设备

技术领域

本发明涉及薄膜晶体管技术领域，特别涉及IZO薄膜制备方法及物理气相沉积设备。

背景技术

薄膜晶体管(Thin-Film Transistors，简称TFT)，是一种用途广泛的三端有源半导体器件，其最重要的用途是在显示器中用于驱动液晶排列变化以及驱动OLED像素发光。薄膜晶体管以其较高的载流子迁移率、良好的电学均匀性、较高的可见光透过性、较低的制备温度、以及较低的成本等优势受到学界和产业界的广泛关注。

TFT中的半导体层的性能很大程度上决定了整个器件的性能，在氧化物半导体中，氧化铟锌(In₂O₃-ZnO，简称IZO)半导体具有较高的载流子迁移率，较大的禁带宽度(>3eV)，可满足大尺寸、高分辨率、高开口率等显示要求，具有极大地应用潜力。

随着时代的进步，工业上常常需要由较大的薄膜晶体管制作而成的发光源，在制备现有的薄膜晶体管的过程中，采用的靶材通常为金属靶材和陶瓷靶材。而在采用金属靶材时，金属靶材在溅射过程中，因为需要不断通氧气，金属靶材的表面金属会与氧气反应形成氧化物(毒化层)，即毒化现象，当毒化层达到一定厚度，合金靶材表面会无法导电，这使得难以维持用于形成工艺腔室中的等离子体的电场，最终导致无法达到预设厚度。而在采用陶瓷靶材时，在制备大尺寸晶圆IZO薄膜过程中，通常采用双靶共溅射，需要两个尺寸较大的陶瓷靶材，导致工艺腔室的体积也必然相应增大，因此导致整体成本较高，且在溅射过程中需要分别调节两个陶瓷靶材的溅射功率，从而导致控制参数复杂，难以保证工艺过程的稳定，无法实现高均匀高透光IZO薄膜的制备。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种IZO薄膜制备方法及物理气相沉积设备，其可以实现大尺寸晶圆镀膜的同时无需增大工艺腔室的体积，降低了工艺成本和工艺复杂性。

为实现上述目的，本发明提供了一种IZO薄膜制备方法，包括：

制备IZO陶瓷靶材，其中，所述IZO陶瓷靶材由In₂O₃和ZnO烧结而成；

采用物理气相沉积工艺并利用所述IZO陶瓷靶材在晶圆上制备IZO薄膜。

可选的，制备所述IZO薄膜采用的工艺气体包括溅射气体和氧化气体，且通过设定所述氧化气体的流量与所述溅射气体的流量的比例，来调节所述IZO薄膜的方阻均匀性和透过率。

可选的，所述采用物理气相沉积工艺并利用所述IZO陶瓷靶材在晶圆上制备IZO薄膜，具体包括：

匀气步骤，按预设的所述流量比例将所述氧化气体和所述溅射气体混合，并将混合后的气体通入工艺腔室中，并经过预设的匀气时间之后，进行启辉步骤；

启辉步骤，保持将混合后的气体通入所述工艺腔室中，并向所述IZO陶瓷靶材加载第一直流功率值，以将所述溅射气体电离；

沉积步骤，保持将混合后的气体通入所述工艺腔室中，并向所述IZO陶瓷靶材加载第二直流功率值，以在所述晶圆上沉积形成所述IZO薄膜，所述第二直流功率值大于所述第一直流功率值。

可选的，所述预设匀气时间的范围为大于等于40s，且小于等于100s。

可选的，所述IZO陶瓷靶材中所述ZnO的质量分数范围为大于等于5％，且小于等于15％。

可选的，所述氧化气体与所述溅射气体的流量比例的范围为大于0，且小于等于0.025。

可选的，所述氧化气体的流量为大于0.1sccm，且小于0.4sccm；所述溅射气体的流量为20sccm。

可选的，所述溅射气体为惰性气体，所述氧化气体为氧气。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种物理气相沉积设备，所述物理气相沉积设备采用本发明提供的上述IZO薄膜制备方法在晶圆上制备IZO薄膜，所述物理气相沉积设备包括工艺腔室和上电极电源，其中，在所述工艺腔室中设置有用于承载所述晶圆的基座，且在所述工艺腔室中，位于所述基座的上方设置有IZO陶瓷靶材，所述IZO陶瓷靶材由In₂O₃和ZnO烧结而成，且所述IZO陶瓷靶材与所述上电极电源电连接；所述上电极电源用于向所述IZO陶瓷靶材加载直流功率。

可选的，所述物理气相沉积设备还包括第一进气管路、第二进气管路和匀气腔室，其中，所述第一进气管路和所述第二进气管路均与所述匀气腔室的进气口相连通，用以向所述匀气腔室分别通入所述氧化气体和所述溅射气体；所述匀气腔室的出气口与所述工艺腔室的进气口相连通，用于混合所述氧化气体和所述溅射气体，并将混合后的气体通入所述工艺腔室中。

本发明的有益效果：

本发明提供的IZO薄膜制备方法及物理气相沉积设备的技术方案中，采用物理气相沉积工艺，并利用由In₂O₃和ZnO烧结而成的IZO陶瓷靶材在晶圆上制备IZO薄膜，这与现有技术中使用金属靶材相比，可以避免现有技术在采用金属靶材时出现的毒化现象，导致晶圆上的IZO薄膜无法达到预设厚度的问题，同时由于IZO陶瓷靶材是由In₂O₃和ZnO烧结而成，这样既可以满足制备IZO薄膜的需要，又可以减小靶材的尺寸，在对大尺寸晶圆进行IZO薄膜制备时，相对于现有技术中需要采用两个尺寸较大的陶瓷靶材进行制作，IZO陶瓷靶材的尺寸更小，从而可以降低工艺成本，同时也避免了需要对两个陶瓷靶材进行溅射控制，从而可以降低工艺复杂性，保证工艺过程的稳定。

附图说明

图1为本发明实施例提供的IZO薄膜制备方法的流程框图。

图2为本发明实施例采用的物理气相沉积设备的结构示意图。

图3为IZO薄膜的透过率及方阻均匀性随氧气流量变化曲线图。

图4为本发明实施例采用的步骤S102的流程框图。

图5为制备

厚度时IZO薄膜方阻均匀性随通气时间变化的曲线图。

图6为制备

厚度时IZO薄膜电阻率随溅射气体流量变化的曲线图。

图7为制备

厚度时IZO薄膜的扫描电镜图。

图8为关于制备

厚度时IZO薄膜方阻均匀性与氧气流量的曲线图。

图9为关于制备

厚度时IZO薄膜方阻均匀性与氧气流量的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的IZO薄膜制备方法，其包括以下步骤：

S101、制备IZO陶瓷靶材，其中，上述IZO陶瓷靶材由In₂O₃和ZnO烧结而成；

S102、采用物理气相沉积工艺并利用所述IZO陶瓷靶材在晶圆上制备IZO薄膜。

图2为本发明实施例采用的物理气相沉积设备的结构示意图。请参阅图2，该物理气相沉积设备包括工艺腔室1和上电极电源(图中未示出)，其中，在工艺腔室1中设置有用于承载晶圆2的基座11，并且在工艺腔室1中，且位于基座11的上方设置有上述IZO陶瓷靶材3，该IZO陶瓷靶材3与上电极电源电连接，上电极电源用于向IZO陶瓷靶材3施加直流功率。该物理气相沉积设备采用物理气相沉积工艺并利用该IZO陶瓷靶材在晶圆2上制备IZO薄膜。

上述物理气相沉积设备中的IZO陶瓷靶材3由In₂O₃和ZnO烧结而成，这与现有技术中使用金属靶材相比，可以避免现有技术在采用金属靶材时出现的毒化现象，导致晶圆上的IZO薄膜无法达到预设厚度的问题，同时由于IZO陶瓷靶材是由In₂O₃和ZnO烧结而成，这样既可以满足制备IZO薄膜的需要，又可以减小靶材的尺寸，在对大尺寸晶圆进行IZO薄膜制备时，相对于现有技术中需要采用两个尺寸较大的陶瓷靶材进行制作，IZO陶瓷靶材的尺寸更小，从而可以降低工艺成本，同时也避免了需要对两个陶瓷靶材进行溅射控制，从而可以降低工艺复杂性，保证工艺过程的稳定。此外，本发明提供的IZO薄膜制备方法无需增加工艺步骤，缩短了工艺时间，降低了工艺成本。

在一些可选的实施例中，IZO陶瓷靶材中ZnO的质量分数范围为大于等于5％，且小于等于15％，优选为10.7％。通过将ZnO的质量分数设定在上述数值范围内，既可以满足制备IZO薄膜的工艺要求，又有利于制备出低电阻率的IZO薄膜，从而可以提高薄膜质量。

在一些可选的实施例中，制备IZO薄膜采用的工艺气体包括溅射气体和氧化气体，其中，溅射气体用于在被离化后对IZO陶瓷靶材进行溅射，该溅射气体例如为惰性气体，具体可以为氩气、氖气、氦气等等。氧化气体的作用是在制备IZO薄膜时，提高薄膜的均匀性和透过率，该氧化气体例如为氧气等。

而且，通过设定氧化气体与溅射气体的流量比例，可以调节IZO薄膜的方阻均匀性和透过率。由于氧化气体与溅射气体的流量比例不同，会使得在晶圆表面上沉积的IZO薄膜的均匀性、透过率和电阻率等的参数发生变化，因此，通过设定氧化气体与溅射气体的流量比例，可以根据不同的实际需要对上述各个参数进行相应的调节，以获得均匀性、透过率以及电阻率均满足实际需要的IZO薄膜，例如获得具备较高的均匀性、透过率以及较低的电阻率的IZO薄膜，从而可以实现高均匀性、高透光IZO薄膜的制备。

在一些可选的实施例中，氧化气体与溅射气体的流量比例的范围为大于0，且小于等于0.025。

如图3所示，以氧化气体为氧气为例，若溅射气体的流量不变，而氧气的流量增加，则随着氧气流量的增加，IZO薄膜的透过率会随之增加，而方阻均匀性先递减后递增，形成近似U形曲线，而方阻均匀性越大，薄膜均匀性会越小。由此可知，过量的氧气虽然透过率会很高，但会导致IZO薄膜均匀性不足。因此，通过将氧化气体与溅射气体的流量比例设定在大于0，且小于等于0.025的范围内，可以既提高IZO薄膜的透过率，又提高薄膜均匀性。进一步优选的，通过将上述流量比例设定在大于等于0.01，且小于等于0.02的范围内，可以获得最优的透过率和薄膜均匀性。

在一些可选的实施例中，氧化气体的流量为大于0.1sccm，且小于0.4sccm。

在一些可选的实施例中，溅射气体的流量为20sccm。如图6所示，随着溅射气体的流量的增加，IZO薄膜电阻率(uΩ·cm)会随之提高。因此，溅射气体的流量不易过大。

在一些可选的实施例中，如图4所示，上述步骤S102具体包括：

匀气步骤，按预设的流量比例将氧化气体和溅射气体混合，并将混合后的气体通入工艺腔室中，并经过预设的匀气时间之后，进行启辉步骤；

启辉步骤，保持将混合后的气体通入工艺腔室中，并向IZO陶瓷靶材加载第一直流功率值，以将溅射气体电离；

沉积步骤，保持将混合后的气体通入工艺腔室中，并向IZO陶瓷靶材加载第二直流功率值，以在晶圆上沉积形成IZO薄膜，该第二直流功率值大于第一直流功率值。

上述匀气步骤用于保证在进行启辉步骤之前溅射气体和氧化气体能够充分混合，从而可以提高薄膜均匀性。可选的，上述匀气时间的范围为大于等于40s，且小于等于100s。

如图2所示，物理气相沉积设备还包括第一进气管路7、第二进气管路9和匀气腔室6，其中，第一进气管路7和第二进气管路9均与匀气腔室6的进气口相连通，用以向匀气腔室6分别通入氧化气体和溅射气体；匀气腔室6的出气口与工艺腔室1的进气口相连通，用于混合氧化气体和溅射气体，并将混合后的气体通入工艺腔室1中。

借助上述匀气腔室6，可以实现氧化气体和溅射气体的均匀混合。通过实验发现，配备有匀气腔室6的物理气相沉积设备与未配备有匀气腔室6的物理气相沉积设备相比，晶圆上的IZO薄膜能够更快地达到高薄膜均匀性(方阻均匀性越低，薄膜均匀性越高)的状态，从而可以缩短匀气时间，提高工艺效率。如图5所示，在相同的工艺条件下，曲线1表示配备有匀气腔室6的物理气相沉积设备制备的IZO薄膜的方阻均匀性与匀气时间的关系；曲线2表示未配备有匀气腔室6的物理气相沉积设备制备的IZO薄膜的方阻均匀性与匀气时间的关系。对比曲线1与曲线2可知，采用配备有匀气腔室6的物理气相沉积设备进行工艺时，在匀气时间从20s增加到60s的过程中，晶圆表面上的IZO薄膜的方阻均匀性能够较快地降低至较小的数值范围(从4％下降至1％左右，继续增加匀气时间，均匀性不再变化)内，达到行业标准的方阻均匀性，从而可以缩短匀气时间，提高工艺效率。

下面结合具体实施例对本实施例提供的IZO薄膜制备方法进行说明。

以采用物理气相沉积设备在8寸晶圆上制备

厚度的IZO薄膜为例，该物理气相沉积设备例如采用图2中示出的物理气相沉积设备，其中，IZO陶瓷靶材由In₂O₃和质量分数为10.7％的ZnO烧结而成。并且该物理气相沉积设备配备有匀气腔室6。

在此基础上，本实施例提供的IZO薄膜制备方法包括：

步骤一，将8寸晶圆传入到工艺腔室1中，并放置于基座2上。

步骤二，进行上述匀气步骤。打开第一进气管路7上的通断开关8和第二进气管路9上的通断开关10，以将氧化气体和溅射气体分别通入到匀气腔室6中进行充分混合，并将混合后的气体通入工艺腔室1中。

其中，氧化气体为氧气，溅射气体为氩气，并将氧化气体与溅射气体的流量比例的范围设定为大于0，且小于等于0.025，以调节IZO薄膜的透过率和薄膜均匀性。具体地，溅射气体的流量为20sccm；氧化气体的流量为0.3sccm；匀气时间的范围为大于等于40s，且小于等于100s。

步骤三，进行上述启辉步骤。保持将混合后的气体通入工艺腔室1中，并开启上电极电源，在IZO陶瓷靶材上施加第一直流功率以实现对溅射气体的电离，实现等离子体启辉。

其中，上述第一直流功率例如为100W。

步骤四，进行上述沉积步骤。保持将混合后的气体通入工艺腔室1中，并向IZO陶瓷靶材加载第二直流功率值，以在8寸晶圆上沉积形成IZO薄膜。

其中，第二直流功率值大于第一直流功率值，例如第二直流功率为700W。

步骤四的持续时间为125s，以使IZO薄膜的厚度达到

步骤五，关闭上电极电源，完成8寸晶圆的IZO镀膜。

如图7所示，采用上述IZO薄膜制备方法在8寸晶圆表面上沉积的IZO薄膜的厚度为151nm(即，

)，达到目标厚度。采用上述IZO薄膜制备方法制备的

厚度的IZO薄膜的方阻均匀性为1.10％，目前，对于8寸晶圆IZO镀膜工艺，行业内一般要求方阻均匀性(1sigma，标准差/平均值)<5％，因此，上述IZO薄膜制备方法制备的IZO薄膜可以满足行业要求。

此外，采用上述IZO薄膜制备方法制备的

厚度的IZO薄膜，其550nm波长的透过率为94.1％，行业内一般要求550nm波长的薄膜透过率大于百分之85％，上述制备的IZO薄膜透过率远远高于行业标准，满足了行业要求。

图8为关于制备

厚度时IZO薄膜方阻均匀性与氧气流量的曲线图。图9为关于制备

厚度时IZO薄膜方阻均匀性与氧气流量的曲线图。对比图8和图9可知，厚度不同的IZO薄膜，二者方阻均匀性随氧气流量的变化略有不同，但是，二者在氧气流量为0.3sccm时，方阻均匀性均达到最优值。由此可知，氧化气体与溅射气体的流量比例的设定可以适用于不同厚度的IZO薄膜的制备，均能够获得最优的方阻均匀性。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种物理气相沉积设备，以图2示出的物理气相沉积设备为例，物理气相沉积设备包括工艺腔室1和上电极电源(图中未示出)，其中，在工艺腔室1中设置有用于承载晶圆2的基座11，并且在工艺腔室1中，且位于基座11的上方设置有上述IZO陶瓷靶材3，该IZO陶瓷靶材3与上电极电源电连接，上电极电源用于向IZO陶瓷靶材3施加直流功率。该物理气相沉积设备采用物理气相沉积工艺并利用该IZO陶瓷靶材在晶圆2上制备IZO薄膜。

在一些可选的实施例中，如图2所示，物理气相沉积设备还包括第一进气管路7、第二进气管路9和匀气腔室6，其中，第一进气管路7和第二进气管路9均与匀气腔室6的进气口相连通，用以向匀气腔室6分别通入氧化气体和溅射气体；匀气腔室6的出气口与工艺腔室1的进气口相连通，用于混合氧化气体和溅射气体，并将混合后的气体通入工艺腔室1中。

需要说明的是，在本发明实施例中是采用匀气腔室6对工艺气体进行匀气，但是，本发明实施例并不局限于此，在实际应用中，还可以采用其他任意结构的匀气装置对工艺气体进行匀气，本发明实施例对此没有特别的限制。

综上所述，本发明实施例提供的IZO薄膜制备方法及物理气相沉积设备的技术方案中，采用物理气相沉积工艺，并利用由In₂O₃和ZnO烧结而成的IZO陶瓷靶材在晶圆上制备IZO薄膜，这与现有技术中使用金属靶材相比，可以避免现有技术在采用金属靶材时出现的毒化现象，导致晶圆上的IZO薄膜无法达到预设厚度的问题，同时由于IZO陶瓷靶材是由In₂O₃和ZnO烧结而成，这样既可以满足制备IZO薄膜的需要，又可以减小靶材的尺寸，在对大尺寸晶圆进行IZO薄膜制备时，相对于现有技术中需要采用两个尺寸较大的陶瓷靶材进行制作，IZO陶瓷靶材的尺寸更小，从而可以降低工艺成本，同时也避免了需要对两个陶瓷靶材进行溅射控制，从而可以降低工艺复杂性，保证工艺过程的稳定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种IZO薄膜制备方法，其特征在于，包括：

制备IZO陶瓷靶材，其中，所述IZO陶瓷靶材由In₂O₃和ZnO烧结而成；

采用物理气相沉积工艺并利用所述IZO陶瓷靶材在晶圆上制备IZO薄膜。

2.根据权利要求1所述的IZO薄膜制备方法，其特征在于，制备所述IZO薄膜采用的工艺气体包括溅射气体和氧化气体，且通过设定所述氧化气体与所述溅射气体的流量比例，来调节所述IZO薄膜的方阻均匀性和透过率。

3.根据权利要求2所述的IZO薄膜制备方法，其特征在于，所述采用物理气相沉积工艺并利用所述IZO陶瓷靶材在晶圆上制备IZO薄膜，具体包括：

匀气步骤，按预设的所述流量比例将所述氧化气体和所述溅射气体混合，并将混合后的气体通入工艺腔室中，并经过预设的匀气时间之后，进行启辉步骤；

启辉步骤，保持将混合后的气体通入所述工艺腔室中，并向所述IZO陶瓷靶材加载第一直流功率值，以将所述溅射气体电离；

沉积步骤，保持将混合后的气体通入所述工艺腔室中，并向所述IZO陶瓷靶材加载第二直流功率值，以在所述晶圆上沉积形成所述IZO薄膜，所述第二直流功率值大于所述第一直流功率值。

4.根据权利要求3所述的IZO薄膜制备方法，其特征在于，所述匀气时间的范围为大于等于40s，且小于等于100s。

5.根据权利要求1所述的IZO薄膜制备方法，其特征在于，所述IZO陶瓷靶材中所述ZnO的质量分数范围为大于等于5％，且小于等于15％。

6.根据权利要求2所述的IZO薄膜制备方法，其特征在于，所述氧化气体与所述溅射气体的流量比例的范围为大于0，且小于等于0.025。

7.根据权利要求6所述的IZO薄膜制备方法，其特征在于，所述氧化气体的流量为大于0.1sccm，且小于0.4sccm；所述溅射气体的流量为20sccm。

8.根据权利要求2-7任意一项所述的IZO薄膜制备方法，其特征在于，所述溅射气体为惰性气体，所述氧化气体为氧气。

9.一种物理气相沉积设备，其特征在于，所述物理气相沉积设备采用如权利要求1-8任意一项所述的IZO薄膜制备方法在晶圆上制备IZO薄膜，所述物理气相沉积设备包括工艺腔室和上电极电源，其中，在所述工艺腔室中设置有用于承载所述晶圆的基座，且在所述工艺腔室中，位于所述基座的上方设置有IZO陶瓷靶材，所述IZO陶瓷靶材由In₂O₃和ZnO烧结而成，且所述IZO陶瓷靶材与所述上电极电源电连接；所述上电极电源用于向所述IZO陶瓷靶材加载直流功率。

10.根据权利要求9所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述物理气相沉积设备还包括第一进气管路、第二进气管路和匀气腔室，其中，所述第一进气管路和所述第二进气管路均与所述匀气腔室的进气口相连通，用以向所述匀气腔室分别通入所述氧化气体和所述溅射气体；所述匀气腔室的出气口与所述工艺腔室的进气口相连通，用于混合所述氧化气体和所述溅射气体，并将混合后的气体通入所述工艺腔室中。

Images