CN202487581U - 一种柔性igzo薄膜晶体管 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种柔性IGZO薄膜晶体管。该薄膜晶体管采用底栅顶接触型TFT结构，包含塑料衬底、缓冲保护层、删电极、栅绝缘层、源极以及漏极、IGZO半导体层以及保护层，其中塑料衬底位于薄膜晶体管的最下层，塑料衬底上覆盖缓冲保护层，缓冲保护层的上部中心区域采用直流磁控溅射方法制备梯形栅电极，梯形栅电极上部覆盖了栅绝缘层，栅绝缘层的两端分别覆盖至缓冲保护层上，在栅绝缘层的上部采用磁控溅射方法制备IGZO半导体层，源、漏两极中每一极中的一端分别位于半导体层的顶部的两侧，另一端位于栅绝缘层的上部。

Description

一种柔性IGZO薄膜晶体管

技术领域

本实用新型涉及微电子技术领域，更具体地，涉及一种IGZO(In-Ga-Zn-O)薄膜晶体管。

背景技术

近二十年来平板显示(Flat Panel Display，简称FPD)取得了飞速发展，其产业规模不断扩大，从2002年开始，FPD产品的销售额就超过了传统的CRT产品的销售额，并占显示器市场总销售额的60％。1998-2009年，FPD的产值从不到100亿美元成长到1000亿美元，10年增长10倍。

经过二十多年的研究、竞争、发展，平板显示器成为新世纪显示器的主流产品。平板显示技术种类多，代表性的有液晶显示(Liquid Crystal Display，简称LCD)、等离子体显示(Plasma Display Panel，简称PDP)、有机半导体发光二极管显示(Organic Light Emitting Diode，简称OLED)、场发射显示(Field Emission Display，简称FED)等。在平板显示技术已经成为显示技术主流地位的时候，LCD技术是“主流之中的主流”，而OLED技术被认为是下一代主流显示。

自从2004年日本东京工业大学Hosono第一次报道基于IGZO制备的柔性透明TFT。IGZO-TFT受到了研究机构和工业界的关注，并被开拓在显示领域中的应用，尤其是新型显示器件技术中。IGZO-TFT受到关注和快速地进入平板显示应用领域，这与它展示出来的特性分不开的。

IGZO-TFT作为新型的有源驱动电路被应用于平板显示器件中，但是进入商品化阶段尚需解决许多问题，下面概括性的列出存在的问题。

工艺的重复性

IGZO半导体层对于工艺的条件非常敏感，特别是对于氧气，不仅沉积过程中的氧气流量、Ar流量和沉积功率会对器件的性能产生极大的影响，空气中的水汽和氧气也会影响器件的性能。日前大多数IGZO半导体层的制备是采用磁控溅射制备，所以靶材的纯度和靶材中金属原子比例会影响器件的性能，当靶材使用一段时间后，靶材表面的成分比例会发生变化，从而使得所制备的TFT的器件性能发生改变，因此，可重复性是在解决产业化生产之前必须要解决的重要问题。

绝缘层和钝化层对IGZO的影响

作为应用与IGZO-TFT中的氮化硅绝缘层由于其存在很高浓度的H键，与IGZO半导体层接触，H会作为施主原子，改变有源层的载流子浓度，使得迁移率发生变化；同理，作为非晶硅TFT和多晶硅TFT中的保护层氮化硅也是因为含有较高的H原子，不宜作为保护层应用于氧化物中。为了使得IGZO-TFT器件具备较好的稳定性能，必需控制好绝缘层和保护层中H原子数量或者寻找合适的绝缘层和保护层。

IGZO化学性质活泼引起的工艺问题

目前，大多数IGZO-TFT器件采用底栅结构，底栅结构的IGZO-TFT源漏电极的制备采用lift-off工艺，这种工艺很难制备2μm以下的图形，这与产业化的生产不兼容，工业化生产源漏电极通常采用干法刻蚀的方法，而采用干法刻蚀，等离子体会对IGZO薄膜产生较大的影响，甚至会使得器件失效，失去TFT的基本特性。

硬基板上TFT工艺向柔性基底的转移

到目前为止，现有材料中找不到一种衬底材料既具备玻璃性能又具备轻薄柔等特点。这就决定了不能简单的把硬基板上的沉积工艺直接复制到柔性基板上来。针对塑料衬底，通常不能耐300℃的高温，这种缺点决定绝缘层不可能在最优工艺下(300℃-350℃)制备，不可能在高温下退火获得较稳定的器件性能，只能从器件结构、材料、沉积工艺来进行优化，以获得性能较好的TFT器件。

发明内容

为克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出一种柔性IGZO薄膜晶体管。

该薄膜晶体管包含塑料衬底、缓冲保护层、删电极、栅绝缘层、源极以及漏极、IGZO半导体层以及保护层，其中塑料衬底上覆盖缓冲保护层，缓冲保护层的上部中心区域具有梯形栅电极，梯形栅电极上部覆盖了栅绝缘层，IGZO半导体层位于栅绝缘层的上部，源、漏两极分别位于半导体层的上部的两侧，从而使半导体层被源极和漏极所覆盖，仅在半导体层的顶部，源漏两极的中间形成通道，在通道上覆盖保护层；其中保护层的厚度为120nm；缓冲保护层的厚度为150nm。

优选的，所述塑料衬底的厚度为50μm。

优选的，缓冲保护层与栅绝缘层采用氮化硅。

优选的，所述栅电极采用Cr材料。

优选的，源极、漏极采用ITO材料。

优选的，保护层采用SiO₂薄膜。

通过降低沉积温度，优化保护层的沉积功率和氮化硅绝缘层的厚度，成功制备柔性IGZO-TFT器件，性能如下：阈值电压为8V，开关比为5×107，饱和迁移率为7.8cm2/V·s，亚阈值斜率为0.9V/dec；器件放在曲率半径为10mm的圆柱上弯曲3min，性能几乎不发生变化；保护层对于保持器件的稳定性发挥着重要作用。将器件放在空气中，没有保护层的器件阈值电压发生将近7V的漂移。

附图说明

图1是实用磁控溅射系统结构原理示意图；

图2是PECVD沉积系统工作原理示意图以及氮化硅和氧化硅的沉积方程式；

图3是ME-3A型刻蚀系统原理图；

图4是IGZO-TFT器件结构及设计参数；

图5是柔性IGZO-TFT器件制备的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种柔性IGZO薄膜晶体管进行详细描述。

柔性IGZO-TFT器件结构薄膜层的制备及其特性表征

本申请的目标是寻找合适的柔性衬底，探索TFT各层薄膜材料和制备工艺，通过制作和测试IGZO-TFT器件样品的电性能，分析并不断改进工艺参数，实现三基色驱动微胶囊显示单元要求的TFT器件，上述工作涉及设备包括磁控溅射系统、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统和反应离子刻蚀(RIE)系统等，下面具体介绍。

磁控溅射系统

本工作中，TFT的栅电极、源漏电极和半导体层均是采用直流磁控溅射方法制备。下面介绍实验中所用到的溅射系统及基本溅射原理。

磁控溅射是在一相对稳定的真空状态下进行，阴极靶材是由镀膜材料制成，溅射时真空室通入一定流量的氩气，在阴极和阳极间直流负高压或者13.56MHz的射频电压作用下产生辉光放电，辉光放电使得电极间的氩原子离化形成氩离子和电子。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶材原子沉积在阳极表面的衬底上形成薄膜。而对于电子，在电场作用下加速飞向基片的过程中会受到磁场(洛伦兹力)的作用，使电子被束缚在靶材表面附近的等离子体区域内做圆周运动，由于电子的运动路径很长，在该过程中，不断同氩原子碰撞，产生电子和氩离子，氩离子不断轰击靶材，从而实现高速沉积的特点，二次电子起到维持辉光放电的作用。

本申请采用的磁控溅射台是中国科学院微电子中心研制的SP-3型磁控溅射台，图1为其示意图，它主要包括腔体、电源系统、排气系统、通气系统、加热系统。其中电源系统分为直流电源和射频电源，实验中是采用直流电源，并且镀膜时没有用到加热系统，常温下实现镀膜。工艺操作流程如下，放样完毕后关闭腔体，打开机械泵和低阀抽真空，待真空度达到7Pa以下，关闭低阀，打开高阀，一分钟之后，打开冷却水，启动分子泵，分子泵稳定时转速为600rpm，待腔体里的真空度达到5×10-3Pa，打开腔体内的马达使得样品产生公转(同时样品本身可以实现自转，可以进一步提高薄膜的均匀性)。然后向真空室内通入一定流量的Ar气，打开操作面板界面的电源控制开关和靶材控制开关，调节功率，进行10min-15min的预溅射。待预溅射完毕后，旋转挡板，设定时间参数，开始溅射。溅射完成后，关闭面板上的电源和靶材控制开关，关掉气源，停分子泵，关水，停机械泵，放气，取样。

磁控溅射和其它镀膜方法相比具有以下几个优点：薄膜附着力好、均匀性较好、容易做到大面积成膜、在常温下可方便地制备高熔点的金属薄膜，制备薄膜重复性好等，但它也存在着诸如靶材价格高和利用率低等一些不足。

等离子体化学气相沉积(PECVD)系统

在TFT结构中，缓冲层和绝缘层采用的是SiNx，保护层采用的是SiO2，这两种材料都是通过等离子体化学气相沉积系统制备(PlasmaEnhancedChemical Vapor Deposition，简称PECVD)。PECVD是利用辉光放电的物理作用来激活粒子的一种化学气相沉积反应，是集等离子体辉光放电与化学气相沉积于一体的薄膜沉积技术。沉积过程中，辉光放电产生等离子体，但等离子体内部没有统一的温度，存在着电子气温度、离子温度和中性粒子温度。所以从宏观上看来，这种等离子体温度不高，但其内部却处于受激发的状态，其电子能量足以使分子键断裂，并导致具有化学活性的物质(活化分子、原子、离子、原子团等)产生，使本来需要在高温下才能进行的化学反应，当处于等离子体场中时，在较低的温度下甚至在常温下就能在基片上形成固态薄膜。

本申请中采用的PECVD沉积系统是Oxford Instrument Plasma 80Plus系统，图2为它的工作原理示意图和沉积SiN_x、SiO₂的化学方程式。用该设备沉积薄膜主要包括以下步骤：(1)抽真空。在本系统中，总共有机械泵和罗茨泵两个泵体，待真空度达到实验所需的本底真空度，一般是2mTorr，才开始进行后续操作。(2)薄膜沉积。本部分分两个部分，预镀膜和正式镀膜，这一步是最为关键的，通过设置合适的沉积参数，制备出质量较好的薄膜。(3)气路清洗。在沉积过程中，反应室腔体和气路都会受到不同程度的污染，因此沉积前后都要进行清洗，一方面保证沉积薄膜的质量，另一方面保证设备的使用寿命。

反应离子刻蚀(RIE)系统

反应离子刻蚀(Reaction Ionic Etch，简称RIE)，是一种干法刻蚀方法。在TFT的制备过程中，主要应用于SiN_x和SiO₂的刻蚀，刻蚀气体是SF₆和O₂。本申请采用的反应离子刻蚀系统是中国科学院微电子中心研制的ME-3A型刻蚀台，图3为反应腔体结构示意图。RIE的工作原理：通常情况下，上极板接地作为阳极(一般整个真空壁也接地)，下电极接射频电源作为阴极，需要刻蚀的衬底基片放在阴极上，反应气体按照一定的工作压力从上电极的气孔充入反应室。对反应腔体中气体加上大于击穿临界值的射频电压，形成强电场，在强电场作用下，气体以辉光放电形成产生高能等离子体，等离子体包含由非弹性碰撞产生的离子、游离基(游离态的原子、分子或原子团)及电子，它们都具有很强的化学活性，可与被刻蚀样品表面的原子发生化学反应，形成挥发性的物质，达到刻蚀样品的目的。同时，由于阴极附近的电场方向垂直阴极表面，高能离子在一定的工作压力下垂直地打向样品表面，进行物理轰击，使得刻蚀也具有很好的各向异性。

IGZO-TFT器件结构设计与制备

TFT结构及其工艺流程

选择底栅顶接触型TFT结构，其各薄膜层的厚度设计如图4所示，在实际制备过程中会存在一定的误差。

该薄膜晶体管采用底栅顶接触型TFT结构，包含塑料衬底、缓冲保护层、删电极、栅绝缘层、源极以及漏极、IGZO半导体层以及保护层，其中，塑料衬底上覆盖缓冲保护层，缓冲保护层的上部中心区域具有梯形栅电极，梯形栅电极上部覆盖了栅绝缘层，栅绝缘层的两端分别覆盖至缓冲保护层上，在栅绝缘层的上部采用磁控溅射方法制备IGZO半导体层，源、漏两极中每一极中的一端分别位于半导体层的顶部的两侧，另一端位于栅绝缘层的上部，从而使半导体层被源极和漏极所覆盖，仅在半导体层的顶部，源漏两极的中间形成通道，在通道上覆盖保护层；其中保护层的厚度为120nm；缓冲保护层的厚度为150nm。

图5给出了设定的柔性IGZO-TFT的制备流程图，在整个流程当中，总共镀6层薄膜，完成4次光刻，下面对具体的工艺步骤和工艺参数做详细的介绍：

1.柔性衬底的清洗。将Kapton E衬底放在烧杯中清洗，由于薄膜比较薄，很容易聚集在一起。所以让Kapton E衬底夹在玻璃中间清洗，玻璃放在玻璃架上。先用清洗液洗Kapton E衬底的表面，用清水冲洗干净，接着放在丙酮、乙醇、去离子水中分别超声清洗30min，这个过程重复一次；接着用氮气枪吹干衬底，放在250℃的热板上烘烤10min左右，去除存留的水和有机溶剂，并且考虑到塑料薄膜在后续的热处理过程中会发生一定的机械形变，使用前的高温退火可以使这一现象提早发生，使得样品适应后续的加工条件。

2.使用PECVD沉积SiNx隔离层。将进行隔离层处理后的衬底固定在玻璃板上，以满足后期工艺的需要。

3.栅电极图形的制备。采用直流磁控溅射方法制备Cr栅薄膜。将制备好的薄膜通过涂胶，烘烤、光刻，显影，刻蚀和去胶技术生成栅电极图形。Cr电极的刻蚀是硝酸铈铵混合溶液，配比为：9ml高氯酸+25g硝酸铈铵+100ml去离子水，刻蚀时间大约为25s。电极图形制备好以后，用丙酮超声去胶，接着用乙醇和去离子水清洗，每种溶剂超声6min-8min。

4.栅绝缘层的制备。栅绝缘层采用SiNx材料。

5.IGZO半导体层的制备。半导体层IGZO采用磁控溅射制备，制备过程中分别研究了氧气流量和功率对器件性能的影响。制备好的IGZO薄膜经过涂胶、光刻、显影和刻蚀工艺制备图形，刻蚀液采用浓盐酸(36.5％)和去离子水的配比液，具体比例为36.5％HCl∶H2O＝1∶3(体积比)，刻蚀时间大概为10s-15s。

6.源漏电极的制备；源漏电极采用ITO材料，通过磁控溅射制备薄膜，与其它各层薄膜形成的图形化方法不同，源漏电极是采用lift-off工艺来制备电极图形。

7.保护层制备。保护层采用PECVD制备的SiO2薄膜.

8.绝缘层和保护层的刻蚀。绝缘层和保护层采用RIE干法刻蚀工艺，刻蚀完后，清洗去胶，然后进行电性能的测试。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (6)

1.一种柔性IGZO薄膜晶体管，该薄膜晶体管包含塑料衬底、缓冲保护层、删电极、栅绝缘层、源极以及漏极；其特征在于，该薄膜晶体管还包含IGZO半导体层以及保护层，其中塑料衬底上覆盖缓冲保护层，缓冲保护层的上部中心区域具有梯形栅电极，梯形栅电极上部覆盖栅绝缘层，IGZO半导体层位于栅绝缘层的上部，源、漏两极分别位于半导体层的上部的两侧，半导体层被源极和漏极所覆盖，仅在半导体层的顶部，源漏两极的中间形成通道，在通道上覆盖保护层；其中保护层的厚度为120nm；缓冲保护层的厚度为150nm。

2.如权利要求1所述的柔性IGZO薄膜晶体管，其特征在于，所述塑料衬底的厚度为50μm。

3.如权利要求1所述的柔性IGZO薄膜晶体管，其特征在于，缓冲保护层与栅绝缘层采用氮化硅。

4.如权利要求1所述的柔性IGZO薄膜晶体管，其特征在于，所述栅电极采用Cr材料。

5.如权利要求1所述的柔性IGZO薄膜晶体管，其特征在于，源极、漏极采用ITO材料。

6.如权利要求1所述的柔性IGZO薄膜晶体管，其特征在于，保护层采用SiO₂薄膜。

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