本發(fā)明屬于非晶金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管制備技術(shù)領(lǐng)域,具體地說(shuō),涉及一種基于新型高效的非晶金屬氧化物的薄膜晶體管制備工藝中的新型退火方法-準(zhǔn)分子激光退火方法。
背景技術(shù):
近年來(lái),薄膜晶體管(Thin Film Transistor,TFT)在有源矩陣驅(qū)動(dòng)液晶顯示器件(Active Matrix Liquid Crystal Display, AMLCD)中發(fā)揮了重要作用。隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn),半導(dǎo)體工藝水平不斷提高,TFT的發(fā)展先后出現(xiàn)了非晶硅TFT、多晶硅TFT和微晶硅TFT等。目前應(yīng)用最廣泛的是非晶硅TFT。然而非晶硅TFT器件的場(chǎng)致遷移率較低,開態(tài)電阻較大,且穩(wěn)定性方面也存在較多問題,因此無(wú)法滿足目前顯示屏幕向著大面積、高分辨率、低價(jià)化和人性化(輕便、柔性等)等方向發(fā)展的要求。于是,氧化物薄膜晶體管進(jìn)入到人們的視線。隨著氧化物TFT的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)以非晶合金金屬氧化物為半導(dǎo)體層的TFT更能滿足人們的需要。非晶氧化物TFT制備溫度較低,具有較高的場(chǎng)效應(yīng)遷移率(~80 cm2V-1s-1),且可以制備在各種襯底上面,比如塑料,玻璃等。高性能的柔性TFT器件不僅拓寬TFT的應(yīng)用,還可以使人們的生活更加便利,比如可以將它制作為衣服或者商品的電子標(biāo)簽,也可以制作成可折疊、重量輕和耐沖擊的顯示屏幕等。
對(duì)于合金氧化物來(lái)說(shuō),在制備過程中保證薄膜中各金屬的比例是保持器件優(yōu)良性能的保證。與其他制作工藝相比,脈沖激光沉積技術(shù)(Pulsed Laser Deposition, PLD)可以很好地解決這一難題,其在合適的實(shí)驗(yàn)條件下,可以“化學(xué)計(jì)量”的沉積與靶材成分相同的薄膜,這也包括含有易揮發(fā)元素的多元化合物薄膜,并且其操作簡(jiǎn)單。相信,隨著輔助設(shè)備的工藝參數(shù)的優(yōu)化,理論研究的深入及技術(shù)條件的完善,PLD在薄膜的制備方面會(huì)得到進(jìn)一步的應(yīng)用,其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用應(yīng)該也是有可能的。
目前,非晶氧化物銦鎵鋅氧(Indium-Gallium-Zinc Oxide,IGZO)TFT的制備及應(yīng)用技術(shù)已有公開文獻(xiàn)。在銦鋅氧化物(Indium-Zinc Oxide,IZO)體系中摻雜鎵是為了抑制體系中過多的自由電子及氧空位的形成從而解決器件中載流子濃度過高的問題。然而IGZO TFT在光照及偏壓下的不穩(wěn)定性會(huì)劣化器件的電學(xué)性能,因此選用合適的元素替代鎵成為新的研究熱點(diǎn)(Applied Physics Letters, 99, 161908, 2011)。鑒于鈦離子與氧的結(jié)合能力要高于鎵離子與氧的結(jié)合能力,并且鈦元素(Titanium,T)作為“太空金屬”具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì),良好的耐高溫、耐低溫、抗腐蝕,以及高強(qiáng)度、低密度等優(yōu)點(diǎn)。因此理論上預(yù)測(cè),在IZO體系中摻入鈦(Indium-Titanium-Zinc-Oxide,ITZO),不僅會(huì)有較好的抑制載流子濃度的效果(載流子的濃度直接關(guān)系到TFT關(guān)態(tài)電流的大?。⑶铱梢蕴岣咂骷姆€(wěn)定性。這些優(yōu)點(diǎn)使其在未來(lái)的透明電子顯示器件領(lǐng)域有很廣闊的潛在市場(chǎng)。因此采用新型四元合金氧化物ITZO作為TFT的半導(dǎo)體溝道層。
對(duì)于非晶金屬氧化物TFT,退火可以提高器件的電學(xué)性能及穩(wěn)定性,這是因?yàn)橥嘶鹂梢源偈闺姌O與半導(dǎo)體層形成歐姆接觸,減少器件半導(dǎo)體層的缺陷,以及半導(dǎo)體層和絕緣層之間界面的缺陷。傳統(tǒng)的方法是用熱方法退火,退火時(shí)間以小時(shí)或分鐘計(jì)算,由于加熱退火是對(duì)材料的均勻加熱,會(huì)使得半導(dǎo)體材料摻雜劑再分布,并且熱退火方法工藝復(fù)雜,操作過程中容易產(chǎn)生污染。最重要的是,熱退火方法不能對(duì)基于熱敏感材料為襯底的TFT來(lái)退火。因?yàn)閷?duì)于采用塑料和導(dǎo)電玻璃為襯底的TFT來(lái)說(shuō),其最高耐火溫度為200oC左右。因此需要探索一種新的適合TFT的退火方法。作為冷激光的準(zhǔn)分子激光填補(bǔ)了這一缺陷。準(zhǔn)分子激光是指受到電子束激發(fā)的惰性氣體和鹵素氣體結(jié)合的混合氣體形成的分子向其基態(tài)躍遷時(shí)發(fā)射所產(chǎn)生的激光。它最突出的優(yōu)點(diǎn)是波長(zhǎng)短,大多數(shù)材料的光吸收率隨波長(zhǎng)的減小而增加,這使得其與材料間的相互作用方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。并且它無(wú)熱效應(yīng),滿足了柔性顯示器件的要求。除此之外,激光退火操作簡(jiǎn)單,退火時(shí)間極短,表面不易玷污,且可以高度定域,可以只對(duì)退火相關(guān)區(qū)域進(jìn)行激光退火。
在新型非晶ITZO-TFT研究的基礎(chǔ)上,采用新型無(wú)污染的準(zhǔn)分子激光對(duì)TFT進(jìn)行退火并研究。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn),尋求設(shè)計(jì)和提供一種新型半導(dǎo)體材料ITZO的非晶氧化物薄膜晶體管,并在其基礎(chǔ)上探究新型激光退火方法的適用條件。
本發(fā)明選用p型重?fù)诫sSi作為基底,采用熱氧氧化方法生長(zhǎng)SiO2柵介電層;在室溫下采用PLD制備高透過率、高遷移率的新型In-Ti-Zn-O四元合金半導(dǎo)體溝道層,在成功制備了較高性能的薄膜晶體管后,進(jìn)而對(duì)器件進(jìn)行了不同激光退火能量密度和不同激光退火脈沖數(shù)目的研究,成功制備了高性能的薄膜晶體管。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下具體步驟:
(1)將p型重?fù)诫sSi經(jīng)過熱氧氧化方法生長(zhǎng)SiO2;SiO2是在900-1200℃生長(zhǎng)1-3 h得到,厚度為60-200 nm;
(2)采用脈沖激光沉積技術(shù),在SiO2柵介質(zhì)層樣品表面室溫沉積新型溝道層材料為銦鈦鋅氧(In-Ti-Zn-O, ITZO)四元合金氧化物,作為薄膜晶體管(Thin Film Transistors, TFT)的半導(dǎo)體薄膜溝道層,所述半導(dǎo)體薄膜溝道層厚度為100-140 nm;
(3)利用真空熱蒸發(fā)的方法在ITZO溝道層上面制備源、漏電極,完成后得到基于ITZO半導(dǎo)體層的薄膜晶體管;
(4)采用準(zhǔn)分子激光,將樣品進(jìn)行相同激光脈沖數(shù)目不同激光退火能量,激光能量為100 mJ-200 mJ;
(5)采用準(zhǔn)分子激光,將樣品進(jìn)行相同激光脈沖數(shù)目不同激光退火能量,激光頻率為1 Hz-10 Hz。
其中,所述步驟(1)中p型重?fù)诫sSi依次使用丙酮、酒精超聲波清洗各10-20分鐘,然后用去離子水反復(fù)沖洗后,高純氮?dú)獯蹈桑?/p>
其中,所述步驟(2)在SiO2柵介電層上生長(zhǎng)ITZO薄膜時(shí),所采用的ITZO陶瓷靶材是由純度均高于99.99%的氧化銦(In2O3)、氧化鈦(TiO2)和氧化鋅(ZnO)的混合材料構(gòu)成,所述混合材料的摩爾含量In、Ti、Zn分別是33.33%<In<40%,20%<Ti<33.33%,33.33%<Zn<40%。
其中,所述步驟(2)中半導(dǎo)體薄膜溝道層采用脈沖激光沉積設(shè)備制備,通過控制所述準(zhǔn)分子激光的能量與所述激光頻率來(lái)控制薄膜的沉積速率;通過調(diào)節(jié)氧氣壓強(qiáng)來(lái)調(diào)節(jié)薄膜的電阻率及載流子濃度,所述實(shí)驗(yàn)中本底壓強(qiáng)范圍為1×10-6 Torr -4×10-6 Torr;準(zhǔn)分子激光能量范圍為100mJ-250mJ;激光脈沖范圍為1 Hz-10 Hz;氧氣壓強(qiáng)范圍為10 mTorr-40 mTorr;溫度為室溫;調(diào)節(jié)濺射靶材與樣品托的距離為3-10 cm;生長(zhǎng)時(shí)間為10-40min。
其中,步驟(3)中源、漏電極為金屬Ni電極,厚度為50-200 nm。所述金屬Ni電極采用真空熱蒸發(fā)的方法制備得到。
其中,步驟(4)中將激光退火脈沖數(shù)為1脈沖。
其中,步驟(5)中將激光退火能量為100mJ,其對(duì)應(yīng)的能量密度分別為38 mJ/cm2。
其中,所述步驟(2)(4)(5)中激光沉積設(shè)備采用KrF準(zhǔn)分子激光器作為激光光源,λ = 248 nm, τ = 25 ns。
其中,所述步驟(3)中源、漏電極為金屬Ni電極,厚度為50-200 nm。所述金屬Ni電極采用真空熱蒸發(fā)的方法制備得到。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,有如下優(yōu)點(diǎn):
(1)薄膜晶體管采用SiO2作為柵介電層,并采用熱氧氧化方法生長(zhǎng)。該方法具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便、氧化膜質(zhì)量佳、薄膜穩(wěn)定性和可靠性好,可以有效的降低表面懸掛鍵,從而使表面態(tài)勢(shì)密度減小,以便很好的控制界面陷阱和固定電荷等優(yōu)點(diǎn),且SiO2介電層是目前薄膜晶體管所采用的介電層中漏電流最小。
(2)薄膜晶體管的溝道層采用脈沖激光沉積技術(shù)制備。與其他工藝相比,該技術(shù)操作簡(jiǎn)單,薄膜的生長(zhǎng)參數(shù)獨(dú)立可調(diào),薄膜內(nèi)各元素的化學(xué)計(jì)量可以精確控制。在合適的實(shí)驗(yàn)條件下,可以“化學(xué)計(jì)量”的沉積與靶材成分相同的薄膜,這也包括含有易揮發(fā)元素的多元化合物薄膜。
(3)薄膜晶體管的溝道層為合金半導(dǎo)體層,其是一種新型四元合金氧化物(ITZO)。ITZO半導(dǎo)體薄膜本身具有的高透過率,(可見光波段大于80%),符合透明電子器件的要求;同時(shí)其室溫制備條件與平板顯示技術(shù)要求的低溫制造技術(shù)相兼容。
(4)薄膜晶體管的半導(dǎo)體層加入鈦元素(Titanium,T),其作為“太空金屬”具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì),良好的耐高溫、耐低溫、抗腐蝕,以及高強(qiáng)度、低密度等優(yōu)點(diǎn)。因此ITZO TFT較IGZO TFT具有較高器件的穩(wěn)定性。
(5)采用準(zhǔn)分子激光退火器件,降低半導(dǎo)體層的缺陷,以及半導(dǎo)體層與柵介電層界面的缺陷,從而提高器件的性能。激光退火操作簡(jiǎn)便,可以在空氣環(huán)境中進(jìn)行,不需要真空系統(tǒng),與超大規(guī)模集成電路工藝兼容性很好;激光退火時(shí)間極短,表面層不易玷污,而且容易獲得高濃度的淺摻雜層;準(zhǔn)分子激光退火適合于超淺結(jié)工藝加,符合目前薄膜晶體管的發(fā)展方向。隨著集成電路的發(fā)展,薄膜晶體管作為集成電路的核心器件,其集成度不斷提高,器件的特征尺寸一之在減小,各個(gè)膜層的厚度也在不斷降低;對(duì)表面加熱可以高度定域。退火不像熱退火過程那樣,使整個(gè)片子都處于相當(dāng)高的退火溫度,而只是退火相關(guān)區(qū)域才受到高溫沖擊,其余區(qū)域都可以處于低溫甚至室溫狀態(tài)。因此不會(huì)使其他部分因熱發(fā)生變形或損壞,這完全解決了柔性襯底器件的退火問題;并且還可以提高集成密度、成品率和可靠性。
本發(fā)明獲得一種器件綜合性能優(yōu)異的氧化物薄膜晶體管。其中,在不同的激光退火能量下制備得到的最優(yōu)器件的電學(xué)性能參數(shù)為:高場(chǎng)效應(yīng)遷移率25.2 cm2/ V?s,較低的閾值電壓1.02 V,較高的電流開關(guān)比109,合適的亞閾值擺幅0.51V/dec。另外,在不同的激光退火脈沖數(shù)下制備的最優(yōu)器件的電學(xué)性能參數(shù)為:高場(chǎng)效應(yīng)遷移率28.8 cm2/ V?s,較低亞閾值擺幅0.173 V/dec,合適的閾值電壓1.91 V,較高的電流開關(guān)比109。
附圖說(shuō)明:
圖1為本發(fā)明制備的基于新型半導(dǎo)體材料ITZO氧化物的薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)原理示意圖。其中,11為薄膜晶體管的源極,12為薄膜晶體管的漏極,13為薄膜晶體管的柵極,14為p型重?fù)诫sSi襯底,15為薄膜晶體管的柵介質(zhì)層,16為薄膜晶體管的溝道層。
圖2為不同氧氣壓強(qiáng)下薄膜晶體管輸出特性曲線。其中,201、202、203、204、205、206為氧氣壓強(qiáng)為10mTorr下制備的薄膜晶體管輸出特性曲線,分別對(duì)應(yīng)的VGS為0V,8V,16V,24V,32V,40V;207、208、209、210、211、212為氧氣壓強(qiáng)為20mTorr下制備的薄膜晶體管輸出特性曲線,分別對(duì)應(yīng)的VGS為0V,8V,16V,24V,32V,40V;213、214、215、216、217、218為氧氣壓強(qiáng)為30mTorr下制備的薄膜晶體管輸出特性曲線,分別對(duì)應(yīng)的VGS為0V,8V,16V,24V,32V,40V。219、220、221、222、223、224為氧氣壓強(qiáng)為40mTorr下制備的薄膜晶體管輸出特性曲線,分別對(duì)應(yīng)的VGS為0V,8V,16V,24V,32V,40V。
圖3為不同氧氣壓強(qiáng)下薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。其中,其中,61為氧氣壓強(qiáng)為10mTorr下制備的薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線;62為氧氣壓強(qiáng)為20mTorr下制備的薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線;63為氧氣壓強(qiáng)為30mTorr下制備的薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線;64為氧氣壓強(qiáng)為40mTorr下制備的薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線。
圖4為本發(fā)明樣品制備過程中,激光退火示意圖。其中,47為激光脈沖。
圖5為本發(fā)明制備的不同激光退火能量密度的薄膜晶體管的輸出特性曲線。其中,501、502、503、504、505、506為未經(jīng)激光退火薄膜晶體管輸出特性曲線,分別對(duì)應(yīng)的VGS為0V,8V,16V,24V,32V,40V;507、508、509、510、511、512為100mJ激光退火薄膜晶體管輸出特性曲線,分別對(duì)應(yīng)的VGS為0V,8V,16V,24V,32V,40V;513、514、515、516、517、518為130mJ激光退火薄膜晶體管輸出特性曲線,分別對(duì)應(yīng)的VGS為0V,8V,16V,24V,32V,40V。519、520、521、522、523、524為150mJ激光退火薄膜晶體管輸出特性曲線,分別對(duì)應(yīng)的VGS為0V,8V,16V,24V,32V,40V。
圖6為本發(fā)明制備的不同激光退火能量密度的薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線(VDS=10 V)。 其中,61為沒有經(jīng)過激光退火薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線;62為100 mJ激光能量下退火1脈沖后薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線;63為130 mJ激光能量下退火1脈沖后薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線;64為150 mJ激光能量下退火1脈沖后薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線。
圖7為本發(fā)明制備的不同激光退火脈沖數(shù)目的薄膜晶體管的輸出特性曲線。其中,501、502、503、504、505、506為未經(jīng)激光退火薄膜晶體管輸出特性曲線,分別對(duì)應(yīng)的VGS為0V,8V,16V,24V,32V,40V;507、508、509、510、511、512為100mJ激光退火1脈沖后薄膜晶體管輸出特性曲線,分別對(duì)應(yīng)的VGS為0V,8V,16V,24V,32V,40V;513、514、515、516、517、518為100mJ激光退火3脈沖后薄膜晶體管輸出特性曲線,分別對(duì)應(yīng)的VGS為0V,8V,16V,24V,32V,40V;519、520、521、522、523、524100mJ激光退火5脈沖后薄膜晶體管輸出特性曲線,分別對(duì)應(yīng)的VGS為0V,8V,16V,24V,32V,40V。
圖8為本發(fā)明制備的不同激光退火脈沖數(shù)目的薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線(VDS=10 V)。其中,61為沒有經(jīng)過激光退火薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線;62為100 mJ激光能量下退火1脈沖后薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線;63為100 mJ激光能量下退火3脈沖后薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線;64為100 mJ激光能量下退火5脈沖后薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線。
具體實(shí)施方式:
下面通過具體實(shí)施例并結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
本發(fā)明中,制作ITZO靶材的氧化銦、氧化鈦和氧化鋅粉末均購(gòu)買于Sigma-Aldrich公司,純度大于99.99%。
以非晶ITZO為半導(dǎo)體層的底柵薄膜晶體管的制備過程為:
(1)采用熱氧氧化方法生長(zhǎng)SiO2柵介電層:
步驟1:選用商業(yè)購(gòu)買的p型重?fù)诫sSi作為襯底,將其依次用丙酮、酒精超聲波清洗各10分鐘,然后用去離子水反復(fù)沖洗后,高純氮?dú)獯蹈?;將p型重?fù)诫sSi經(jīng)過熱氧氧化方法生長(zhǎng)SiO2;SiO2是在900-1200℃生長(zhǎng)1-3 h得到,厚度為60-200 nm;
(2)采用脈沖激光沉積技術(shù),在SiO2柵介質(zhì)層樣品表面室溫沉積新型溝道層材料為銦鈦鋅氧(In-Ti-Zn-O, ITZO)四元合金氧化物,作為薄膜晶體管(Thin Film Transistors, TFT)的半導(dǎo)體薄膜溝道層,所述半導(dǎo)體薄膜溝道層厚度為140 nm;所采用的ITZO陶瓷靶材是由純度均高于99.99%的氧化銦(In2O3)、氧化鈦(TiO2)和氧化鋅(ZnO)的混合材料構(gòu)成,所述混合材料In、Ti、Zn的摩爾含量為1:0.5:1 mol%,ITZO半導(dǎo)體薄膜層的生長(zhǎng)參數(shù)為:本底氣壓為1×10-6 Torr -4×10-6 Torr;氧氣壓強(qiáng)為10 mTorr, 20 mTorr, 30 mTorr, 40 mTorr;生長(zhǎng)溫度為室溫;采用KrF準(zhǔn)分子激光器作為激光光源,激光能量為200 mJ;激光頻率為5 Hz;生長(zhǎng)時(shí)間為20 min;
(3)利用真空熱蒸發(fā)的方法在ITZO溝道層上面制備源、漏電極,在氧化物薄膜溝道層上用寬長(zhǎng)比為1000/200μm的不銹鋼掩膜版制備100 nm厚的金屬Ni作為源、漏電極,完成后得到基于ITZO半導(dǎo)體層的薄膜晶體管,如圖1所示;
(4)采用傳統(tǒng)的熱退火的方法對(duì)TFT進(jìn)行退火,將TFT放置于管式馬弗爐中在350oC真空退火30分鐘。
(5)采用Agilent 4155C半導(dǎo)體測(cè)試參數(shù)儀,對(duì)不同氧氣壓強(qiáng)下制作的樣品進(jìn)行測(cè)試。薄膜晶體管器件的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線分別如圖2、圖3所示。
(6)在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,擇器件性能最佳的制作條件,即在氧氣壓強(qiáng)為30mTorr時(shí),重新制作ITZO-TFT器件但未經(jīng)熱退火處理,然后研究激光退火這一新型的退火方式對(duì)TFT器件的影響,其示意圖如圖4所示。
(7)采用準(zhǔn)分子激光,將樣品進(jìn)行相同激光脈沖數(shù)目不同激光退火能量,激光能量為100 mJ-200 mJ;將激光能量分別設(shè)置為100 mJ,130 mJ,150 mJ,200mJ,其對(duì)應(yīng)的能量密度分別為38 mJ/cm2, 50 mJ/cm2, 58 mJ/cm2, 50 mJ/cm2, 77 mJ/cm2, 激光脈沖數(shù)目為1脈沖。
(8)將不同激光能量退火的ITZO/SiO2薄膜晶體管器件進(jìn)行測(cè)試:采用Agilent 4155C半導(dǎo)體測(cè)試參數(shù)儀,對(duì)不同激光退火能量密度退火的樣品進(jìn)行測(cè)試。薄膜晶體管器件的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線分別如圖5、圖6所示。
(9)采用準(zhǔn)分子激光,對(duì)樣品進(jìn)行相同能量不同脈沖數(shù)目的退火:將激光能量設(shè)置為100 mJ,其對(duì)應(yīng)的能量密度為38 mJ/cm2,樣品退火的脈沖數(shù)目分別為1,3,5脈沖。
(10)將不同激光退火脈沖數(shù)下退火的ITZO/SiO2薄膜晶體管器件進(jìn)行測(cè)試:采用Agilent 4155C半導(dǎo)體測(cè)試參數(shù)儀,對(duì)不同激光退火脈沖數(shù)下退火的樣品進(jìn)行測(cè)試。薄膜晶體管器件的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線分別如圖7、圖8所示。
上述實(shí)施例只是本發(fā)明的舉例,盡管為說(shuō)明目的公開了本發(fā)明的最佳實(shí)施例和附圖,但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi),各種替換、變化和修改都是可能的。因此,本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。