一種提高ZnON薄膜遷移率和穩(wěn)定性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種提高ZnON薄膜迀移率和穩(wěn)定性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著信息顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，液晶顯示已遍布于人們的日常生活和工作中。平板顯示器件正在向小型化、輕量化、品質(zhì)高、耗能低等方向發(fā)展，而薄膜晶體管又是顯示技術(shù)的核心驅(qū)動元件，因此，制備高迀移率、高穩(wěn)定性的薄膜晶體管溝道材料對新型信息顯示技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。
[0003]目前市場上液晶顯示器的驅(qū)動元件主要是以非晶硅薄膜晶體管、低溫多晶硅薄膜晶體管以及以銦鎵鋅氧為代表的非晶氧化物薄膜晶體管。非晶硅薄膜晶體管具有均勻性、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，但是非晶硅的迀移率低(?lcmVVs)、穩(wěn)定性差等缺點；低溫多晶硅薄膜晶體管具有迀移率高等優(yōu)點，但是低溫多晶硅的均勻性差，不利于大面積制造，生產(chǎn)成本高。因此，硅基薄膜晶體管不能滿足以高分辨率、大尺寸和高幀數(shù)為特點的下一代信息顯示的要求。銦鎵鋅氧薄膜晶體管雖然很好的解決了非晶硅迀移率和低溫多晶硅均勻性差的問題，但是由于銦鎵鋅氧的氧空位等缺陷密度比較高、存在持續(xù)光電流、制造工藝再現(xiàn)性差、薄膜晶體管的重復(fù)性以及在光照、偏壓、氣氛下的穩(wěn)定性還有待提高，而且銦鎵鋅氧薄膜晶體管含有銦、鎵等稀土金屬元素，這將嚴重限制生產(chǎn)成本的降低。因此人們積極尋找新一代具有優(yōu)良性能、高迀移率的材料，作為薄膜晶體管的溝道材料。
[0004]目前已有報道關(guān)于ZnON基高迀移率薄膜晶體管的研制，并已成功用于3.8英寸QVGA顯示的背板驅(qū)動。與銦鎵鋅氧相比，ZnON具有如下優(yōu)勢:(I)電子有效質(zhì)量小，迀移率高；(2)通過抬高價帶屏蔽了氧空位，使帶內(nèi)缺陷密度降低，同時也避免了持續(xù)光電流的產(chǎn)生；(3)在光照下的穩(wěn)定性顯著提高；(4)易于大面積制造，原材料豐富，制備方法簡單可靠。ZnON仍屬于新型的非晶氧化物材料，對它的材料物理特性研究仍處于初級階段，尤其是ZnON材料的化學(xué)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性仍未得到有效解決。所以，對ZnON材料的進一步研究，提高ZnON的迀移率和穩(wěn)定性至關(guān)重要，這將決定著下一代顯示技術(shù)的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出了一種提高ZnON薄膜的迀移率和穩(wěn)定性的方法，解決了ZnON薄膜在空氣中老化失效的問題，同時提高了ZnON薄膜的迀移率和穩(wěn)定性，為制備出性能良好的薄膜晶體管打下了堅實的基礎(chǔ)，有望實現(xiàn)下一代顯示技術(shù)向高分辨率、大尺寸、高幀數(shù)的方向發(fā)展。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來解決問題的:一種提高ZnON薄膜迀移率和穩(wěn)定性的方法，其特征在于，包括以下步驟:采用三明治結(jié)構(gòu)的ZnON薄膜，三明治結(jié)構(gòu)基底上的夾層為富氮ZnON薄膜2，夾層上部的覆蓋層為富氧ZnON薄膜3，采用反應(yīng)射頻磁控濺射制備三明治結(jié)構(gòu)的ZnON薄膜(異質(zhì)結(jié))，以純度為99.999%的鋅靶為濺射靶材，以氬氣、氮氣、氧氣的混合氣體為派射氣體，生長ZnON薄膜前派射室的背景真空度小于2 X 10—7Torr,以排凈派射室中的空氣，射頻功率為120-300W，襯底溫度為室溫至100°C，生長ZnON薄膜前對高純鋅靶材利用氬離子束預(yù)濺射5-15分鐘;通過兩步反應(yīng)射頻磁控濺射生長的方法，第一步:氬氣、氮氣、氧氣的流量分別為208(:011、10080011、0.8-580011，薄膜厚度為20-150納米，第一步生長得到一層富氮的ZnON薄膜2 ;第二步:氬氣、氮氣、氧氣的流量分別為20sccm、lOOsccnKS-SOsccm， 第二步生長得到一層富氧的 ZnON 薄膜 3， 薄膜層厚為 5-30 納米。
[0007]所述濺射氣體的純度均為99.999%。
[0008]在濺射的過程中，濺射室壓強保持為4-20mTOrr。
[0009]所述生長ZnON薄膜前預(yù)濺射的功率為120-300W。
[0010]三明治結(jié)構(gòu)中夾層富氮ZnON和覆蓋層富氧ZnON的氮氣和氬氣流量固定為lOOsccm和20sccm，氧氣流量分別為0.8_5sccm和8_20sccm。
[0011]對生長的ZnON薄膜在不同氣氛、不同溫度下進行退火處理，所述的不同氣氛為氮氣、真空、一氧化二氮和氧氣;所述的不同溫度為250°C_500°C。
[0012]退火時間均為60分鐘，升溫速率為30°C/min，自然冷卻至室溫。
[0013]相比現(xiàn)在已經(jīng)報道的結(jié)果，本發(fā)明的有益效果:
[0014](I)采用兩步生長方法:第一步三明治結(jié)構(gòu)中夾層富氮ZnON和第二步原位制備覆蓋層富氧ZnON，提高了晶體管溝道層的穩(wěn)定性，抑制后續(xù)晶體管器件的功能老化衰退。已研究了沒有覆蓋層富氧ZnON的ZnON薄膜在空氣中放置90天后完全變?yōu)閆nO。
[0015](2)對生長的ZnON薄膜在氮氣或真空中、300°C?350°C范圍內(nèi)退火60分鐘，可得到遷移率高達77.6 cm2/vs。
[0016](3)所述ZnON薄膜無論未退火或是退火的樣品在空氣中放置200天后均未明顯變化，ZnON薄膜的穩(wěn)定性得到了明顯提升。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明所述的采用兩步生長法制備的三明治結(jié)構(gòu)的ZnON薄膜。
[0018]圖2是本發(fā)明所述的ZnON薄膜的霍爾測試結(jié)果，圖中(a):Ζη0Ν薄膜在300°C、不同退火氣氛下退火lh; (b):Ζη0Ν薄膜在真空中不同溫度下退火lh。
[0019]圖3是本發(fā)明所述的ZnON薄膜未退火樣品、真空中300°C退火Ih和真空中500°C退火Ih的GIXRD圖。
[0020]圖4是本發(fā)明所述的ZnON薄膜未退火樣品、真空中300°C退火Ih和真空中500°C退火I h的Raman散射譜。
[0021]圖5是本發(fā)明所述的ZnON薄膜的SEM圖，圖中(a):未退火樣品；(b):真空中300°C退火lh; (c):真空中500°C退火lh。
【具體實施方式】
[0022]本發(fā)明提出了一種提高ZnON薄膜的迀移率和穩(wěn)定性的方法，以下結(jié)合具體實施例和附圖對其作進一步的說明。
[0023]提高ZnON薄膜迀移率和穩(wěn)定性的方法，包括以下一般步驟:
[0024]選用硅片、石英、玻璃或柔性襯底作為生長ZnON薄膜的襯底;采用反應(yīng)射頻磁控濺射，以純度為99.999%的鋅靶為濺射靶材，以氬氣、氮氣、氧氣的混合氣體為濺射氣體，濺射室的背景真空度小于2 X 1-7Torr，以排凈濺射室中的空氣，射頻功率為120-300W，襯底溫度為室溫至100°C，生長ZnON薄膜前對高純鋅靶材利用氬離子束預(yù)濺射15分鐘，有效去除靶材表面的污染物，降低生長薄膜中的雜質(zhì)濃度和提高薄膜的晶體質(zhì)量。本發(fā)明采用兩步生長方法制備富氧ZnON/富氮ZnON三明治結(jié)構(gòu)。第一步生長:氬氣、氮氣、氧氣的流量分別為20sccm、lOOsccm、0.8_5sccm，薄膜厚度為20-150納米;第二步生長:氬氣、氮氣、氧氣的流量分別為20sccm、lOOsccm、8_20sccm，薄膜層厚為5-30納米。最后對生長的ZnON薄膜在不同氣氛、不同溫度下進行退火處理，從而得到具有高迀移率、高穩(wěn)定性的ZnON薄膜材料。
[0025]較為優(yōu)選的，生長ZnON薄膜前先預(yù)濺射，預(yù)濺射選用氬氣為工作氣體，以15分鐘為宜，以去除鋅靶表面的污染物，進一步減小ZnON薄膜中雜質(zhì)濃度，提高ZnON薄膜的質(zhì)量。
[0026]較為優(yōu)選的，本發(fā)明采用兩步生長方法，第一步生長得到一層富氮的ZnON薄膜2，第二步生長得到一層富氧的ZnON薄膜3，而富氧的ZnON薄膜具有絕緣、致密特點，難與空氣中的氧氣和水分發(fā)生反應(yīng)，從而提高了 ZnON薄膜的穩(wěn)定性。
[0027]較為優(yōu)選的，第一步生長氧氣的流量為0.8-1.5SCCm，第二步生長氧氣的流量為8-12sccm0
[0028]進一步的，對生長的ZnON薄膜進行退火處理，退火氣氛分別為氮氣、真空、一氧化二氮和氧氣；退火溫度分別為250°C、300°C、350°C、400°C、450°C和500°C;退火的時間為30分鐘和60分鐘。
[0029]較為優(yōu)選的，所述退火氣氛以還原性氣氛氮氣和真空為宜，退火溫度為300°C?350°C，退火時間為60分鐘。
[0030]ZnON薄膜的生長過程和后退火處理過程的具體操作步驟如下:
[0031]步驟1:選用硅片作為生長ZnON薄膜的襯底，硅表面有一層熱氧化200nm的二氧化娃；
[0032]步驟2:選用磁控濺射設(shè)備，鋅靶作為鋅源，氧氣作為氧源，氮氣作為氮源，氬氣作為保護氣體，將清洗過的襯底放在磁控濺射設(shè)備的襯底托盤上，具體清洗過程如下:
[0033](I)將襯底置于燒杯I中，加入適量的去離子水，超聲清洗1min;
[0034](2)將襯底置于燒杯2中，加入適量的丙酮溶液，超聲清洗1min;
[0035](3)將襯底置于燒杯3中，加入適量的酒精溶液，超聲清洗1mi