專(zhuān)利名稱(chēng)：一種以氧化物半導(dǎo)體為溝道層的混合結(jié)構(gòu)薄膜晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于薄膜晶體管技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以氧化物半導(dǎo)體為溝道層的混合結(jié)構(gòu)薄膜晶體管結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
薄膜晶體管(ThinFilm Transistor :TFT)是一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor :FET)，由半導(dǎo)體有源層即溝道層、介質(zhì)層即絕緣層、柵電極、源電極和漏電極構(gòu)成。場(chǎng)效應(yīng)晶體管憑借其體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、耗電省等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電子電路中。二十世紀(jì)六十年代，基于低成本、大陣列顯示的實(shí)際需求，TFT的研究廣為興起。 1988年，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)14英寸的有源矩陣(Active-Matrix :AM)薄膜晶體管液晶顯示器(Thin FilmTransistor Liquid Crystal Displays =TFT-LCD)出現(xiàn)時(shí)，人們意識(shí)到重量輕厚度薄的壁掛式電視將成為現(xiàn)實(shí)。隨著非晶硅或低溫多晶硅作為半導(dǎo)體溝道層，薄膜晶體管技術(shù)已經(jīng)成為平板顯示(FPD)的象征性技術(shù)，其特點(diǎn)是在對(duì)角線(xiàn)數(shù)米(m)長(zhǎng)的基板上制備幾千萬(wàn)個(gè)數(shù)微米(Pm)大小的TFT陣列，形成“大型微電子”。薄膜晶體管的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在柵電極和半導(dǎo)體溝道層之間存在柵絕緣層。按照柵電極的位置不同可以分為頂柵和底柵兩種結(jié)構(gòu)，按照源漏電極與絕緣層和溝道層的接觸方式又可分為共面接觸和錯(cuò)面接觸，所謂共面接觸就是指源漏電極平面與絕緣層在溝道層的同一側(cè)，而錯(cuò)面接觸就是指源漏電極平面與絕緣層分別在溝道層兩側(cè)。下面以頂柵結(jié)構(gòu)為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。TFT-LCD中最為廣泛使用的是以非晶硅(amorphous silicon :a_Si)作為半導(dǎo)體溝道層的非晶硅(a-Si)TFT，而以多晶硅(Polysilicon)為半導(dǎo)體溝道層的低溫多晶硅薄膜晶體管(LTPS TFT)遷移率比非晶硅薄膜晶體管高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。相對(duì)于a-Si TFT而言， LTPS-TFT具有高清晰度、高開(kāi)口率、快響應(yīng)速度、高亮度和低功率消耗等優(yōu)點(diǎn)，因而有可能成為一種繼a-Si TFT之后的主流應(yīng)用技術(shù)。但是LTPS-TFT技術(shù)存在設(shè)備昂貴、工藝難度大、均勻性差等缺點(diǎn)，而且其工藝溫度相對(duì)有機(jī)基板而言太高，不適合應(yīng)用于柔性顯示屏。 圖Ia所示為a-Si TFT和LTPS TFT薄膜晶體管器件的一般示例性結(jié)構(gòu)，通常都采用硅半導(dǎo)體溝道層和無(wú)機(jī)介質(zhì)層，其中，最常用的兩種無(wú)機(jī)介質(zhì)層是用PECVD技術(shù)制備的氮化硅或氧化硅。PECVD的優(yōu)點(diǎn)在于允許襯底保持在較低溫度(約300°C )下大面積生長(zhǎng)薄膜，且沉積均勻性高，階梯覆蓋性能以及工藝重復(fù)性好，技術(shù)成熟，是目前使用最為廣泛的技術(shù)。氮化硅和氧化硅薄膜除具有優(yōu)良的電學(xué)性能外，氮化硅薄膜還具有較大的介電常數(shù)。但PECVD 方法設(shè)備投資大、成本高，對(duì)氣體的純度要求高，且不易在柔性襯底上使用。圖Ib所示為有機(jī)TFT薄膜晶體管器件的一般示例性結(jié)構(gòu)，其通常選用有機(jī)半導(dǎo)體溝道層和無(wú)機(jī)或有機(jī)介質(zhì)層。有機(jī)TFT薄膜晶體管因具有制備溫度低，成本低和良好的柔韌性等優(yōu)點(diǎn)，而得到了大量的研究，但目前有機(jī)TFT的載流子遷移率低，目前報(bào)道的OTFT的遷移率較低(一般在lcm2/V · s)，仍停留在非晶硅TFT的水平，還不能滿(mǎn)足于應(yīng)用的需求， 另外一個(gè)致命缺點(diǎn)就是OTFT的壽命低，存在嚴(yán)重的老化問(wèn)題。
金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管(MOS TFT)是以金屬氧化物半導(dǎo)體作為溝道層，并且以無(wú)機(jī)介質(zhì)層作為柵絕緣層。圖Ic所示例的為透明氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管(TOS-TFT) 器件的結(jié)構(gòu)，其選用氧化物半導(dǎo)體溝道層和無(wú)機(jī)介質(zhì)層，但是主要的問(wèn)題也在于介質(zhì)層的工藝溫度相對(duì)于有機(jī)襯底而言太高，不適用于柔性顯示屏。最新的研究表明，氧化銦基和氧化鋅基寬禁帶氧化物半導(dǎo)體薄膜具有遷移率高、 可見(jiàn)光透明性好、表面平整和可以室溫大面積制備等優(yōu)良性能。目前，可利用氧化物半導(dǎo)體制作透明氧化物薄膜晶體管，實(shí)現(xiàn)了比非晶硅薄膜晶體管性能高出1-2個(gè)數(shù)量級(jí)的結(jié)果。 因此如果在AMIXD或AMOLED中采用低溫透明氧化物半導(dǎo)體TFT作為像素開(kāi)關(guān)，將大大提高有源矩陣的開(kāi)口 率，從而提高亮度，降低功耗和減小工藝復(fù)雜性。這預(yù)示著氧化物TFT在平板顯示和透明電子學(xué)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。因此，本發(fā)明的目的即在于通過(guò)提供一種新的混合型薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，突破現(xiàn)有薄膜晶體管結(jié)構(gòu)在工藝和技術(shù)性能上的局限性，進(jìn)一步拓展氧化物半導(dǎo)體晶體管技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新的混合型結(jié)構(gòu)的透明氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管，具有傳統(tǒng)氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合通常用于有機(jī)薄膜晶體管中的有機(jī)介質(zhì)層作為氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的介質(zhì)層，從而獲得更好的工藝性能和更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下結(jié)構(gòu)一種透明氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管，包括基板，分別形成于基板上方的柵、源和漏電極，用于隔離柵電極與源/漏電極的有機(jī)柵介質(zhì)層，以及用于連接源電極和漏電極的非晶或多晶氧化物半導(dǎo)體溝道層。其中，所述半導(dǎo)體溝道層選自于 In-Zn-0、In-Ga-Zn-0, In-Zn-Sn-O、Sn-Ga_Zn-0、Zn-Sn-0、In-Al-Sn-Zn-O、 ZnO、以及Ti-O中任一種氧化物；所述柵介質(zhì)層為選自于聚四乙烯苯酚(PVP)、聚酰亞胺 (PI)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、光致抗蝕劑如聚甲基異丙烯基酮、酸催化酚醛樹(shù)脂、聚烯砜、環(huán)氧抗蝕劑以及有機(jī)硅聚合物薄膜等所組成的組中的任一種；并且所述柵電極、源電極和漏電極為選自于摻錫氧化銦(ΙΤ0)、摻鋁氧化鋅(ΑΖ0)、摻鎵氧化鋅(ZnO:Ga)、摻氟氧化錫(FTO)、摻銻氧化錫(SnO:Sb)、摻鎢氧化銦(IWO)、摻鉬氧化銦(IMO)等所組成的組中的任一種透明導(dǎo)電氧化物。通過(guò)本發(fā)明的上述技術(shù)方案所取得的透明氧化物半導(dǎo)體晶體管具有電學(xué)性能良好、透過(guò)率高、易于低溫和大面積制備的優(yōu)點(diǎn)，可以玻璃或柔性襯底為基底，在平板顯示器包括柔性顯示屏的制造技術(shù)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。


圖Ia-Ic為現(xiàn)有技術(shù)的各種半導(dǎo)體溝道層和介質(zhì)層構(gòu)成的頂柵結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖Ia為硅半導(dǎo)體溝道層和無(wú)機(jī)介質(zhì)層構(gòu)成的TFT ；圖Ib為有機(jī)半導(dǎo)體溝道層和無(wú)機(jī)或有機(jī)介質(zhì)層構(gòu)成的TFT ；圖Ic為氧化物半導(dǎo)體溝道層和無(wú)機(jī)介質(zhì)層構(gòu)成的 TFT ；圖2為根據(jù)本發(fā)明提出的氧化物半導(dǎo)體溝道層和有機(jī)介質(zhì)層構(gòu)成的混合型薄膜晶體管；圖3為根據(jù)本發(fā)明的以非晶銦鋅氧化物為溝道層，聚四乙烯苯酚(PVP)為介質(zhì)層構(gòu)成的薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)；以及圖4為根據(jù)本發(fā)明的以非晶銦鋅氧化物為溝道層，聚四乙烯苯酚(PVP)為介質(zhì)層構(gòu)成的薄膜晶體管的輸出特性曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出混合型薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，如圖2所示，包括基底1，覆蓋于基底1之上的氧化物溝道層2，于該氧化物溝道層2形成源電極3和漏電極4，在源電極3和漏電極4之上覆蓋有有機(jī)介質(zhì)層5，柵電極6形成于有機(jī)介質(zhì)層5的另一側(cè)。有機(jī)材料具有絕緣性能良好、成膜溫度低、成本低、易制備等特點(diǎn)。通過(guò)提拉方法和旋涂法即成功制備了絕緣性能良好的有機(jī)介質(zhì)層，并進(jìn)而成功地用于薄膜晶體管的制備。提拉法和旋涂法具有溶液易于配制、可控性好、制備便捷和設(shè)備廉價(jià)等特點(diǎn)，是廣為應(yīng)用的薄膜制備方法。氧化物半導(dǎo)體溝道層薄膜和透明導(dǎo)電氧化物薄膜電極采用磁控濺射方法制備。實(shí)驗(yàn)證明基于寬禁帶氧化物半導(dǎo)體溝道層、有機(jī)介質(zhì)層和透明導(dǎo)電氧化物薄膜電極的氧化物薄膜晶體管具有良好的場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件性能?？捎糜谠摲N混合型薄膜晶體管的氧化物溝道層材料包括 In-Zn-0，In-Ga-Zn-0, In-Zn-Sn-0, Sn-Ga-Zn-O, Zn-Sn-O, In-Al-Sn-Zn-0, ZnO和Ti-O等薄膜；有機(jī)介質(zhì)層材料包括聚四乙烯苯酚(PVP)，聚酰亞胺 (PI)，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)，光致抗蝕劑如聚甲基異丙烯基酮，酸催化酚醛樹(shù)脂，聚烯砜，環(huán)氧抗蝕劑和有機(jī)硅聚合物等；透明導(dǎo)電氧化物薄膜包括摻錫氧化銦(ITO)，摻鋁氧化鋅(AZO)，摻鎵氧化鋅(ZnO Ga)，摻氟氧化錫(FTO)，摻銻氧化錫(SnO Sb)，摻鎢氧化銦 (IWO)，摻鉬氧化銦(IMO)等。非晶銦鋅氧化物半導(dǎo)體薄膜，是利用現(xiàn)有技術(shù)的反應(yīng)磁控濺射方法。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方案，是以普通玻璃為基板，在基板溫度為0-50°C的條件下，通過(guò)磁控濺射法，使Ar離子濺射靶材。在制備過(guò)程中，O2反應(yīng)氣體的分壓為1.0-10X10_2Pa，反應(yīng)室內(nèi)的工作壓強(qiáng)為1. 0-5. OX ICT1Pa,在濺射電流50_200mA、濺射電壓300-500V、濺射時(shí)間1-30分鐘的條件下形成具有非晶結(jié)構(gòu)的銦鋅氧化物半導(dǎo)體薄膜。制得的透明氧化物半導(dǎo)體薄膜厚度為20-150nm。可根據(jù)需要，通過(guò)控制濺射時(shí)間、氧分壓和濺射功率等來(lái)控制膜厚和電阻率。而后通過(guò)熱蒸發(fā)的方法制備源漏電極，接著用聚乙烯吡咯烷酮的無(wú)水乙醇或四氫氟呋喃有機(jī)溶液通過(guò)提拉方法或旋涂法制備介質(zhì)層薄膜。最后通過(guò)熱蒸發(fā)的方法制備柵電極。根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例，更好的制備條件如下基板溫度為10-30°C，通過(guò)可變氣導(dǎo)閥將O2和Ar氣體通入反應(yīng)室，O2反應(yīng)氣體的分壓為4. 5-8. OX 10_2Pa，反應(yīng)室內(nèi)的工作壓強(qiáng)為3. OX KT1Pa,反應(yīng)直流磁控濺射鍍膜時(shí)，濺射條件為濺射電流80-120mA，濺射電壓 300-400V，濺射時(shí)間5-15分鐘。通過(guò)掩膜用熱蒸發(fā)的方法制備50-120nm的源漏電極，熱蒸發(fā)電流為40-60A，熱蒸發(fā)電壓為70-90V。接下來(lái)，可以將樣品浸入30mg/mL的PVP無(wú)水乙醇溶液提拉2_5次，每次提拉后烘烤5-10分鐘(min)使提拉的PVP層固化，最后一次在180-200°C爐中烘烤30-90分鐘，提高有機(jī)膜的致密性。最后通過(guò)掩膜制備柵電極。下面舉例說(shuō)明
具體實(shí)施例選用銦鋅合金靶(In Zn = 0. 586 1原子比)，a-IZO薄膜沉積前先將反應(yīng)室真空抽到低于2X 10-3Pa，然后通過(guò)可變氣導(dǎo)閥將O2和Ar氣體依次通入反應(yīng)室，并控制反應(yīng)室內(nèi)的氧分壓為5. OX 10_2Pa，工作壓強(qiáng)為3. OX KT1Patj將濺射電流和濺射電壓分別調(diào)制為120mA和300V，濺射時(shí)間10分鐘，在普通玻璃片上形成薄膜。薄膜厚度約為llOnm，電阻率大于IX IO4 Ω · cm，可見(jiàn)光平均透射率大于82%用寬長(zhǎng)比為500 μ m/100 μ m和400 μ m/40 μ m氧化鋁掩膜通過(guò)反應(yīng)磁控濺射的方法制備80nm的鋁膜作為源漏電極，濺射電流為100mA，濺射電壓為350V。將20mg/ml聚四乙烯苯酚四氫呋喃溶液在SOOrpm轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)涂布制備有機(jī)介質(zhì)層，而后100°C烘烤15分鐘。由此構(gòu)成的非晶銦鋅氧化物溝道層聚四乙烯苯酚(PVP)介質(zhì)層的TFT器件的遷移率為57cm2V-ls-l，開(kāi)關(guān)比為 106，閾值電壓1. 64V。參見(jiàn)圖3所示，為以非晶銦鋅氧化物為溝道層，聚四乙烯苯酚(PVP)為介質(zhì)層構(gòu)成的薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)；圖4所示，為這種氧化物半導(dǎo)體有機(jī)介質(zhì)薄膜晶體管的輸出特性曲線(xiàn)。本氧化物半導(dǎo)體溝道層和有機(jī)介質(zhì)層構(gòu)成的混合結(jié)構(gòu)型薄膜晶體管器件制備溫度低、方法簡(jiǎn)便、適合大規(guī)模生產(chǎn)，在平板顯示、透明電子器件和柔性顯示等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種薄膜晶體管，包括基板，分別形成于基板上方的柵、源和漏電極，用于隔離柵電極與源/漏電極的柵介質(zhì)層，以及用于連接源電極和漏電極的氧化物半導(dǎo)體溝道層；其特征在于所述柵介質(zhì)層為有機(jī)介質(zhì)層；所述氧化物半導(dǎo)體溝道層為非晶或多晶寬禁帶氧化物半導(dǎo)體層；所述柵電極、源電極和漏電極由透明導(dǎo)電氧化物構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于所述半導(dǎo)體溝道層選自于In-Zn-O、 In-Ga-Zn-O, In-Zn-Sn-O、Sn-Ga-Zn-O, Zn-Sn-O, In-Al-Sn-Zn-O、ZnO,以及 Ti-O 中任一種氧化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于所述柵介質(zhì)層為選自于聚四乙烯苯酚(PVP)、聚酰亞胺(PI)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、光致抗蝕劑如聚甲基異丙烯基酮、 酸催化酚醛樹(shù)脂、聚烯砜、環(huán)氧抗蝕劑以及有機(jī)硅聚合物薄膜等所組成的組中的任一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于所述柵電極、源電極和漏電極為選自于摻錫氧化銦(ITO)、摻鋁氧化鋅(AZO)、摻鎵氧化鋅(ZnO Ga)、摻氟氧化錫(FTO)、摻銻氧化錫(SnO Sb)、摻鎢氧化銦(IWO)、摻鉬氧化銦(IMO)等所組成的組中的任一種透明導(dǎo)電氧化。
全文摘要
本發(fā)明屬于薄膜晶體管技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種以氧化物半導(dǎo)體為溝道層的混合結(jié)構(gòu)薄膜晶體管結(jié)構(gòu)。本發(fā)明以氧化物半導(dǎo)體薄膜為溝道層，以有機(jī)介質(zhì)薄膜為柵介質(zhì)層，以透明導(dǎo)電氧化物薄膜為柵電極、源電極和漏電極，構(gòu)成混合型薄膜晶體管結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的薄膜晶體管以玻璃或柔性襯底為基底，采用真空鍍膜技術(shù)制備寬禁帶氧化物半導(dǎo)體溝道層，采用旋涂法或浸漬提拉法制備有機(jī)介質(zhì)層，采用真空鍍膜方法制備透明導(dǎo)電氧化物薄膜柵電極、源電極和漏電極。本發(fā)明制備的混合型薄膜晶體管具有制備溫度低、載流子遷移率高、電流開(kāi)關(guān)比高等特性，在平板顯示和透明電子學(xué)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛能。
文檔編號(hào)H01L29/51GK102222698SQ20101014940
公開(kāi)日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者馮佳涵, 周俊, 張群, 李桂鋒 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)