一種氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管及其制備方法
【專利摘要】一種氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管是以氫等離子體鈍化處理的摻雜鈦或鎂的氧化鋅基半導(dǎo)體材料為溝道層。其制法為以生長有二氧化硅的重?fù)诫sP型硅片為基底，對Ti或Mg與氧化鋅的復(fù)合靶材進(jìn)行射頻磁控濺射，同時通過第一次掩膜沉積在基底上形成小塊的摻雜Ti或Mg的氧化鋅薄膜層；原位氫等離子體處理；在原位氫等離子體處理的氧化鋅基薄膜層上采用直流濺射，第二次掩膜沉積制備Al電極，即得氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管。其優(yōu)點是：本發(fā)明提供的氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管具有電子遷移率較高、電學(xué)穩(wěn)定性好，開關(guān)比高等優(yōu)點；制備方法的工藝簡單，成本低，可通過氫鈍化時間和摻雜物的含量來調(diào)節(jié)器件的閾值電壓。
【專利說明】一種氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管及其制備方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管及其制備方法，屬納米材料與納米器件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著信息時代的到來，顯示屏、柔性電子紙正加速向平板化、節(jié)能化的方向發(fā)展，其中以薄膜晶體管為開關(guān)元件的有源陣列驅(qū)動顯示器件成為眾多平板顯示技術(shù)中的佼佼者。薄膜晶體管是一種場效應(yīng)半導(dǎo)體器件，包括襯底、半導(dǎo)體溝道層、絕緣層、柵極和源漏電極等幾個重要組成部分，其中半導(dǎo)體溝道層對器件性能至關(guān)重要。
[0004]目前，對于商用的薄膜晶體管的半導(dǎo)體溝道層主要采用氫化非晶硅和多晶硅材料。非晶硅的特點是均勻性好，適用于大面積制備，但是其遷移率很低，一般小于lcm2/V S，嚴(yán)重阻礙了薄膜晶體管性能的進(jìn)一步提升。多晶硅薄膜晶體管的遷移率有所提高，但其制備溫度高，大面積制備的均勻性差。此外，非晶硅和多晶硅薄膜晶體管都對光敏感，光照條件下器件性能會發(fā)生很大變化。因此，在平板顯示中需要引入黑矩陣，這降低了顯示器件的開口率，增加了制備工 藝的復(fù)雜度和成本。
[0005]為了進(jìn)一步提高薄膜晶體管的性能，解決黑矩陣、開口率、亮度等問題，近年來納米材料與納米器件領(lǐng)域掀起了透明電子學(xué)的熱潮。透明電子材料一般是寬禁帶材料，禁帶寬度大于3 eV，在可見光范圍內(nèi)是透明的半導(dǎo)體材料。目前，對透明半導(dǎo)體材料研究較多的是氧化鋅基材料。氧化鋅材料具有很多優(yōu)點:易于制備，利用磁控濺射法、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法、溶膠凝膠法等方法都可以制備出性能優(yōu)良的氧化鋅材料；制備或處理溫度低，可以控制在500 °C以內(nèi)，以便用于在玻璃襯底上；透明度高，氧化鋅是寬禁帶材料，禁帶寬度約為3.37 eV，在可見光范圍內(nèi)是透明的；電學(xué)性能好，氧化鋅的遷移率遠(yuǎn)高于非晶硅；環(huán)保、低廉材料，氧化鋅是無毒、無害的環(huán)保材料，價格低廉，可以有效降低產(chǎn)品的制造成本。透明電子學(xué)將發(fā)展成一個效率更高、價格更便宜的新興電子行業(yè)，它的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，包括平板顯示器、手機(jī)顯示屏、柔性電子紙等多方面領(lǐng)域，然而氧化鋅基的薄膜晶體管的電學(xué)性能及穩(wěn)定性尚需進(jìn)一步提高。尋找合適的共摻元素來改善氫鈍化工藝在氧化鋅基薄膜晶體管的應(yīng)用，使其既能提高器件的電學(xué)性能又能改善穩(wěn)定性對于氧化鋅基薄膜晶體管的進(jìn)一步擴(kuò)展商業(yè)應(yīng)用具有重要意義。氫鈍化處理是提高硅基薄膜晶體管性能常見的工藝方法，但在氧化鋅基晶體管制備中卻使器件電學(xué)性能易惡化且熱穩(wěn)定性變差，目前制備中很少采用且往往從工藝條件上避免氫的滲入。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的問題是提供一種工藝簡單、載流子遷移率高，穩(wěn)定性好的高性能薄膜晶體管及其制備方法。[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明所提供的高性能薄膜晶體管，以氫等離子體鈍化處理的氧化鋅基半導(dǎo)體材料為溝道層，其中氧化鋅基中摻雜少量的鈦或鎂元素。
[0008]高性能薄膜晶體管的制備方法是:利用射頻磁控濺射摻雜少量的鈦或鎂的氧化鋅基靶材得到氧化鋅基納米薄膜，進(jìn)行合適時間的氫等離子體原位處理，并以此為半導(dǎo)體溝道層，經(jīng)過晶體管制造工藝得到高性能的薄膜晶體管。
[0009]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
一種氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管，以氫等離子體鈍化處理的摻雜鈦或鎂的氧化鋅基半導(dǎo)體材料為溝道層。
[0010]所述Ti或Mg的摻雜量為0.5at%_5at%。
[0011]一種氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管的制備方法，包括如下步驟:
(1)以生長有二氧化硅的重?fù)诫sP型硅片為基底，對Ti或Mg與氧化鋅的復(fù)合靶材進(jìn)行射頻磁控濺射，同時通過第一次掩膜沉積在基底上形成小塊的摻雜Ti或Mg的氧化鋅薄膜層；
(2)對步驟(I)制備的摻雜Ti或Mg的氧化鋅薄膜層進(jìn)行原位氫等離子體處理；
(3)在步驟(2)原位氫等離子體處理的氧化鋅基薄膜層上采用直流濺射，第二次掩膜沉積制備Al電極，即得氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管。
[0012]所述步驟(I)中二氧化硅的厚度為90?110納米。
[0013]所述步驟(I)中射頻磁控濺射的條件為:濺射載氣氬氣，濺射氣壓為0.55?
0.65Pa，濺射功率50?70瓦，基底溫度為140?160°C。
[0014]所述步驟(I)中Ti或Mg的摻雜量為0.5at%_5at%。
[0015]所述步驟(I)中摻雜Ti或Mg的氧化鋅薄膜層的厚度為10-20納米。
[0016]所述步驟(2)中原位氫等離子體處理所用氣體為氫氣與氬氣的混合氣體，氫氣的體積百分?jǐn)?shù)為10%?20%。
[0017]原位氫等離子體處理的時間為30-60秒。
[0018]所述步驟(3)中直流濺射的功率為15-25瓦。
[0019]利用本發(fā)明制備的氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括基底、溝道層、源漏電極，其中基底包括襯底、柵極和絕緣層，硅片即為氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管的襯底，又為其柵極，而絕緣層的材料為S12,而氫等離子體鈍化處理的摻雜鈦或鎂的氧化鋅基半導(dǎo)體材料為溝道層，源漏電極材料為鋁。
[0020]對比氧化鋅鎂氫鈍化處理前后的紅外吸收譜圖(如圖2所示)，可以看出氫鈍化處理后在氧化鋅鎂薄膜中出現(xiàn)了 Mg-H峰，也就是說本發(fā)明所制備的溝道層中含有氫元素。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果:
(1)本發(fā)明的氧化鋅基半導(dǎo)體材料，通過氫鈍化工藝，減少了氧空位和懸掛鍵，增加了載流子濃度，具有電子遷移率較高、電學(xué)穩(wěn)定性好(磁滯效應(yīng)小、偏壓應(yīng)力閾值偏移小、熱應(yīng)力閾值偏移小)，開關(guān)比聞等優(yōu)點；
(2)本發(fā)明中原位氫鈍化處理，工藝簡單，成本低，并且可通過氫鈍化時間和摻雜物的濃度來調(diào)節(jié)器件的閾值電壓，使得器件處于常關(guān)狀態(tài)，降低驅(qū)動難度和整體功耗。
[0022]【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的氫鈍化氧化鋅薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為氧化鋅鎂氫鈍化處理前后的紅外吸收譜。
[0025]圖3為實施例1制備的氧化鋅鎂薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線圖。
[0026]圖4為實施例4制備的氧化鋅鎂薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線圖。
[0027]圖5為實施例4制備的氧化鋅鎂薄膜晶體管的電學(xué)輸出特性曲線圖。
[0028]圖6為實施例4制備的氧化鋅鎂薄膜晶體管在真空條件下負(fù)偏壓穩(wěn)定性測試的電學(xué)轉(zhuǎn)移特性曲線演化圖。
[0029]圖7為實施例4制備的氧化鋅鎂薄膜晶體管在真空條件下的熱穩(wěn)定性測試的電學(xué)特性曲線演化圖。
[0030]圖8為實施例1-4制備的薄膜晶體管的電學(xué)轉(zhuǎn)移特性曲線對比圖。
[0031]圖9為實施例1、3和4制備的薄膜晶體管在真空條件下負(fù)偏壓穩(wěn)定性測試的閾值電壓漂移曲線圖。
[0032]圖10為實施例2-4制備的薄膜晶體管在真空條件下熱穩(wěn)定性測試的閾值電壓漂移曲線圖。
[0033]其中，I為娃片,2為S12絕緣層,3為氫等離子體鈍化處理的摻雜鈦或鎂的氧化鋅基半導(dǎo)體材料溝道層，4為招電極,5為氫鈍化處理前氧化鋅鎂的紅外吸收譜,6為氫鈍化處理后氧化鋅鎂的紅外吸收譜。
【具體實施方式】
[0034]實施例1
(I)生長有100納米厚的二氧化硅的硅片經(jīng)過丙酮、異丙醇、去離子水等超聲清洗氮氣吹干后作為基底，在基底的溫度為150°c，濺射氣壓為0.6Pa，濺射載氣為氬氣下，以50瓦的低功率射頻磁控濺射高純氧化鋅陶瓷靶(99.99%)，利用掩膜沉積分割成面積大小為530 umX530 um的小塊，以減小晶體管制備工藝過程中引入的寄生電容和漏電流，通過濺射時間來控制薄膜的厚度為15納米。(2)經(jīng)過二次掩膜板沉積以20瓦的低功率直流濺射生成鋁電極，即可獲得原始電學(xué)性能的氧化鋅薄膜晶體管，其遷移率為lOcmVVs。圖3顯示的是該氧化鋅薄膜晶體管在-50V到50V和50V到-50V的范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)移特性曲線圖，由圖3可知，最大回線電壓差值為5.5V。
[0035]實施例2
(I)生長有100納米厚的二氧化硅的硅片經(jīng)過丙酮、異丙醇、去離子水等超聲清洗氮氣吹干后作為基底，在基底的溫度為150°c，濺射氣壓為0.6Pa，濺射載氣為氬氣下，以50瓦的低功率射頻磁控濺射高純氧化鋅陶瓷靶(99.99%)，利用掩膜沉積分割成面積大小為530 umX530 um的小塊，以減小晶體管制備工藝過程中引入的寄生電容和漏電流，通過濺射時間來控制薄膜的厚度為15納米。(2)濺射結(jié)束后，關(guān)閉擋板，原位分別通入30s的氬氣與氫氣的混合氣體(氫氣占?xì)怏w總量的20%)進(jìn)行氫等離子體處理。(3)經(jīng)過二次掩膜板沉積以20瓦的低功率直流濺射生成鋁電極，即可獲得電學(xué)性能得到提升的氫鈍化氧化鋅薄膜晶體管。實驗測的，其遷移率為14.9cm2/Vs,最大回線電壓差值為2.1V。與實施例1制備的氧化鋅薄膜晶體管相比，原位氫等離子處理，有利于提高氧化鋅薄膜晶體管的遷移率，降低最大回線電壓差。
[0036]實施例3
(I)生長有100納米厚的二氧化硅的硅片經(jīng)過丙酮、異丙醇、去離子水等超聲清洗氮氣吹干后作為基底，基底的溫度為150°c，濺射氣壓為0.6Pa下，以50瓦的低功率射頻磁控濺射高純氧化鋅和鈦復(fù)合陶瓷靶(鈦的原子含量約0.5%)，利用掩膜沉積分割成面積大小為530 um X530 um的小塊，以減小晶體管制備工藝過程中引入的寄生電容和漏電流，通過濺射時間來控制薄膜的厚度為15納米。(2)濺射結(jié)束后，關(guān)閉擋板，原位通入30s的氬氣與氫氣的混合氣體(氫氣占?xì)怏w總量的20%)進(jìn)行等離子體處理。(3)以20瓦的低功率直流濺射經(jīng)過二次掩膜沉積鋁電極，即可獲得電學(xué)性能和穩(wěn)定性得到提升的氫化氧化鋅鈦薄膜晶體管。
[0037]實施例4
(I)生長有100納米厚的二氧化硅的硅片經(jīng)過丙酮、異丙醇、去離子水等超聲清洗氮氣吹干后作為基底，基底的溫度為150°C,i賤射氣壓為0.6Pa,i賤射載氣為気氣下，以50瓦的低功率射頻磁控濺射高純氧化鋅鎂陶瓷靶(其中鎂的原子含量約為5%)，利用掩膜沉積分割成面積大小為530 um X530 um的小塊，以減小晶體管制備工藝過程中引入的寄生電容和漏電流，通過濺射時間來控制薄膜的厚度為15納米。(2)濺射結(jié)束后，關(guān)閉擋板，原位通入60s的IS氣與氫氣的混合氣體(氫氣占?xì)怏w總量的20%)進(jìn)行等離子體處理。(3)以20瓦的低功率直流濺射，經(jīng)過二次掩膜沉積鋁電極，即可獲得電學(xué)性能及負(fù)偏壓穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性得到提升的氫鈍化氧化鋅鎂薄膜晶體管。按本發(fā)明方法所制備氧化鋅鎂薄膜晶體管，載流子遷移率高達(dá)30 cm2/Vs、開關(guān)電流比高于107、亞閾值擺幅低于300毫伏的高性能薄膜晶體管。而且在負(fù)30 V電壓偏應(yīng)力測試中，I小時后的閾值偏移小于0.7 V ;在溫度偏應(yīng)力測試中，60°C下閾值偏移小于1.1 V，展現(xiàn)出了優(yōu)良的穩(wěn)定性和較高的電學(xué)性能。
[0038]圖4顯示的是該氧化鋅鎂薄膜晶體管在-50V到50V和50V到-50V的范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)移特性曲線圖，由圖4可知，最大回線電壓差值為0.5V。
[0039]圖5-7分別為實施例4制備的氧化鋅鎂薄膜晶體管的電學(xué)輸出特性曲線圖、在真空條件下負(fù)偏壓穩(wěn)定性測試的電學(xué)轉(zhuǎn)移特性曲線演化圖及其真空條件下的熱穩(wěn)定性測試的電學(xué)特性曲線演化圖，圖5中柵極電壓為15和1V時，氧化鋅鎂薄膜晶體管的漏極電流/溝道寬度的數(shù)值比較接近，在圖中顯示為與漏極電流坐標(biāo)軸重合。由圖5-7所示，其電學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能良好。
[0040]圖8為實施例1-4制備的氧化鋅薄膜晶體管的電學(xué)轉(zhuǎn)移特性曲線對比圖，由圖8可知，當(dāng)原位氫等離子體處理時間為30s時，實施例1-4制備的氧化鋅薄膜晶體管的漏極電流隨柵極電壓的變化趨勢相一致。摻雜Ti或Mg后，薄膜晶體管依然保持了氧化鋅優(yōu)良的性能。
[0041]圖9為實施例1、3和4制備的氧化鋅薄膜晶體管在真空條件下負(fù)偏壓穩(wěn)定性測試的閾值電壓漂移曲線圖，由圖9可知，通過合適時間的氫等離子體處理后，提高了原始薄膜的電學(xué)性能。
[0042]圖10為實施例2、3和4制備的氧化鋅薄膜晶體管在真空條件下熱穩(wěn)定性測試的閾值電壓漂移曲線圖，由圖10可知，氫等離子體處理后，雖然提高了原始薄膜的電學(xué)性能，但是存在熱穩(wěn)定性惡化溫度。由圖10可知，摻入Ti或Mg的氧化鋅薄膜晶體管的惡化溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒有摻雜的，這說明摻入Ti或Mg的氧化鋅薄膜晶體管的熱穩(wěn)定性有所提高。
[0043]由圖8-10可知，摻入鈦或鎂后，原位氫鈍化氧化鋅鈦薄膜晶體管的電學(xué)性能相對于實施例1中原始薄膜晶體管有較大提升。摻入鈦或鎂后，氫鈍化氧化鋅薄膜晶體管的熱穩(wěn)定性相對于實施例2中的薄膜晶體管有較大提升。本發(fā)明制備的氧化鋅基薄膜晶體管制備中電學(xué)性能穩(wěn)定且熱穩(wěn)定性良好。
[0044]實施例5
(I)生長有90納米厚的二氧化硅的硅片經(jīng)過丙酮、異丙醇、去離子水等超聲清洗氮氣吹干后作為基底，基底的溫度為140°C，濺射氣壓為0.55Pa，濺射載氣為氬氣下，以70瓦的功率射頻磁控濺射高純氧化鋅鎂陶瓷靶(其中鎂的原子含量為2.5%)，利用掩膜沉積分割成面積大小為530 um X530 um的小塊，以減小晶體管制備工藝過程中引入寄生電容和漏電流，通過濺射時間來控制薄膜的厚度為10納米。(2)濺射結(jié)束后，關(guān)閉擋板，原位通入60s的氬氣與氫氣的混合氣體(氫氣占?xì)怏w總量的10%)進(jìn)行等離子體處理。(3)以15瓦的低功率直流濺射經(jīng)過二次掩膜沉積鋁電極，即可獲得與實施例4性能相近的氧化鋅鎂薄膜晶體管。
[0045]實施例6:
(I)以60瓦的功率射頻磁控濺射高純氧化鋅鎂陶瓷靶(其中鎂的原子含量為5%)，預(yù)先生長有110納米厚的二氧化硅的硅片經(jīng)過丙酮、異丙醇、去離子水等超聲清洗氮氣吹干后作為基底，基底的溫度為160°C，濺射氣壓為0.65Pa，濺射載氣為氬氣下，利用掩膜板濺射生成分割成面積大小530 um X 530 um的小塊，以減小晶體管制備工藝過程中引入寄生電容和漏電流，通過濺射時間來控制薄膜的厚度為20納米。(2)濺射結(jié)束后，關(guān)閉擋板，原位通入45s的氬氣與氫氣的混合氣體(氫氣占?xì)怏w總量的15%)進(jìn)行等離子體處理。(3)經(jīng)過二次掩膜板以25瓦的低功率直流濺射生成鋁電極即可獲得與實施例4性能相近的氧化鋅鎂薄膜晶體管。
【權(quán)利要求】
1.一種氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管，其特征在于:以氫等離子體鈍化處理的摻雜鈦或鎂的氧化鋅基半導(dǎo)體材料為溝道層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管，其特征在于:所述Ti或Mg的慘雜量為0.5at%-5at%。
3.一種制備權(quán)利要求1或2所述氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管的方法，其特征在于包括如下步驟: (1)以生長有二氧化硅的重?fù)诫sP型硅片為基底，對Ti或Mg與氧化鋅的復(fù)合靶材進(jìn)行射頻磁控濺射，同時通過第一次掩膜沉積在基底上形成小塊的摻雜Ti或Mg的氧化鋅薄膜層； (2)對步驟(I)制備的摻雜Ti或Mg的氧化鋅薄膜層進(jìn)行原位氫等離子體處理； (3)在步驟(2)原位氫等離子體處理的氧化鋅基薄膜層上采用直流濺射，第二次掩膜沉積制備Al電極，即得氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中二氧化硅的厚度為90?110納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管德爾制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中射頻磁控濺射的條件為:濺射載氣氬氣，濺射氣壓為0.55?0.65帕,濺射功率50?70瓦，基底溫度為140?160°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述一種氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中Ti或Mg的摻雜量為0.5at%_5at%。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述一種氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中摻雜Ti或Mg的氧化鋅薄膜層的厚度為10-20納米。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中原位氫等離子體處理所用氣體為氫氣與氬氣的混合氣體，氫氣的體積百分?jǐn)?shù)為 10% ?20%O
9.根據(jù)權(quán)利要求3或8所述一種氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管的制備方法，其特征在于:原位氫等離子體處理的時間為30-60秒。
10.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述一種氫鈍化氧化鋅基薄膜晶體管的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)中直流濺射的功率為15-25瓦。
【文檔編號】C23C14/35GK104037234SQ201410310520
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】廖蕾, 許磊, 劉興強, 劉傳勝 申請人:武漢大學(xué)