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處理的非晶igzo透明氧化物薄膜及其制備方法

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處理的非晶igzo透明氧化物薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001] 本發(fā)明屬于IXD、LED顯示器領(lǐng)域,具體涉及一種N2處理的非晶IGZ0透明氧化物 薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】:
[0002] 薄膜晶體管(TFT,ThinFilmTransistor)是TFT-LCD和AM0LED有源驅(qū)動(dòng)的核心 部件,對(duì)顯不質(zhì)量的提尚有決定性影響。
[0003] 圖1是TFT基本結(jié)構(gòu)及工作原理圖。以柵極(Gate)作輸入端,漏電極(Drain) 作輸出端,源電極(Source)接地。施加足夠大的柵壓后,半導(dǎo)體內(nèi)載流子向絕緣層(Gate Insulator)移動(dòng),在有源層與絕緣層界面靠近絕緣層內(nèi)形成了導(dǎo)電溝道,晶體管導(dǎo)通,稱之 為增強(qiáng)型。沒(méi)有施加?xùn)艍簳r(shí)半導(dǎo)體仍有導(dǎo)通電流的稱為耗盡型。然后施加漏電壓,在偏壓 的作用下,溝道內(nèi)的載流子開(kāi)始漂移,形成漏電流。
[0004]TFT器件的一個(gè)重要參數(shù)就是電流開(kāi)關(guān)比。它指的是開(kāi)態(tài)電流(IJ和關(guān)態(tài)電流 (1。")的比(1。"/1。"),反映了開(kāi)和關(guān)的相對(duì)能力。我們希望開(kāi)態(tài)電流大,關(guān)態(tài)電流小,開(kāi)關(guān)比 大。因?yàn)殚_(kāi)態(tài)電流越高代表驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng),且開(kāi)關(guān)比大意味著器件抗干擾能力、穩(wěn)定性好。 材料特性方面,TFT的載流子迀移率越大,其開(kāi)態(tài)電流越大,晶體管開(kāi)關(guān)速度提高。
[0005] 其次,薄膜的電阻是與薄膜內(nèi)部的載流子濃度和載流子迀移率成反比的。薄膜電 阻越低,器件的功耗也就越低。因此薄膜的載流子濃度及電阻也是決定薄膜性能的重要因 素。
[0006]TFT若使用全透明的氧化物材料,能夠大大提高有源矩陣薄膜晶體管開(kāi)口率,開(kāi)口 率是像素有效透光區(qū)域面積與像素總面積的比值。開(kāi)口率越大,顯示器對(duì)光學(xué)利用率越高, 亮度越高,功耗降低。因此,采用迀移率高、透明的半導(dǎo)體材料對(duì)TFT的性能提高有很大的 意義。
[0007] 對(duì)于薄膜晶體管,有源層(溝道層)材料的質(zhì)量對(duì)載流子在導(dǎo)電溝道內(nèi)的傳輸影 響很大。目前使用的TFT溝道層材料主要有四種:非晶硅(a-Si)、多晶硅(poly-Si)、有機(jī) 材料和氧化物。
[0008] 隨著TFT的發(fā)展,傳統(tǒng)單一的溝道非晶硅,多晶硅材料已經(jīng)越來(lái)越難滿足高速發(fā) 展的器件性能要求。無(wú)一例外的出現(xiàn)了制作工藝復(fù)雜,成本高穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。研究者做出 大量工作以期優(yōu)化和改善TFT溝道層的工作性能,研究了多種不同的氧化物溝道層材料, 比如有學(xué)者提出選用透明ZnO薄膜制備溝道層,以提高其開(kāi)關(guān)比和光透過(guò)率。也有學(xué)者在 ZnO薄膜中加入In,Ga等元素使其變成非晶結(jié)構(gòu)以提高其載流子迀移率。還有學(xué)者利用脈 沖激光沉積的方法制備出非晶態(tài)的IGZ0透明氧化物薄膜作為溝道層材料。盡管這些設(shè)計(jì) 都在不同程度上對(duì)介質(zhì)保護(hù)膜的性能改善有一定的提高,但仍不能滿足TFT的性能要求, 因此,對(duì)于TFT溝道層材料的改性研究還有待于改善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述缺陷或不足,提供了一種N2處理的非晶IGZ0透明氧 化物薄膜及其制備方法,制備得到的薄膜載流子濃度很高,載流子迀移率較高,方阻很低。 [0010] 為達(dá)到以上目的,本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0011] -種N2處理的非晶IGZ0透明氧化物薄膜的制備方法,包括以下步驟:
[0012] 1)在生長(zhǎng)有3丨02的Si基片上濺射IGZ0非晶薄膜,得到生長(zhǎng)有IGZ0非晶薄膜的 娃基片;
[0013] 2)將生長(zhǎng)有IGZ0非晶薄膜的硅基片利用氣氛保護(hù)退火管式爐在N2氣氛下 350-450°C保溫45-75分鐘,得到非晶IGZ0透明氧化物薄膜。
[0014] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于,步驟1)中,采用JPG_450a型雙室磁控濺射設(shè)備濺 射IGZ0非晶薄膜,其中,靶材為IGZ0靶,通入純度為99.99%的氬氣;濺射功率801,偏 壓-100V,氬氣流量50sccm,工作氣壓為0. 2Pa;預(yù)濺射時(shí)間為15min,濺射時(shí)間為90min。
[0015] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于,步驟2)中,將生長(zhǎng)有IGZ0非晶薄膜的硅基片利用氣氛 保護(hù)退火管式爐在N2氣氛下400°C保溫60分鐘,得到非晶IGZ0透明氧化物薄膜。
[0016] -種N2處理的非晶IGZ0透明氧化物薄膜,所述IGZ0透明氧化物薄膜包括In、Ga、 Zn、0四種成分;其中,In的原子數(shù)百分含量為18~21%,Ga的原子數(shù)百分含量為18~ 21%,Zn的原子數(shù)百分含量為8~10%,0的原子數(shù)百分含量為48~56%。
[0017] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于,所述IGZ0透明氧化物薄膜厚度為150~300nm。
[0018] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于,所述IGZ0透明氧化物薄膜是非晶結(jié)構(gòu)。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)比較,本發(fā)明的有益效果為:
[0020] 本發(fā)明提供的一種N2處理的非晶IGZ0透明氧化物薄膜及其制備方法,在基片上 生長(zhǎng)IGZ0透明氧化物薄膜,并在將此薄膜在N2氣氛下350-450 °C保溫45-75分鐘。由于退 火可以減少有源層內(nèi)部的懸掛鍵,減少其內(nèi)部缺陷,提高器件的穩(wěn)定性。并且提高了氧空位 的濃度,繼而提高了載流子濃度,有效降低器件的電阻,減低器件功耗。
【附圖說(shuō)明】:
[0021] 圖1是TFT基本結(jié)構(gòu)及工作原理圖。
[0022] 圖2是本發(fā)明制備的非晶IGZ0透明氧化物薄膜的透射電鏡照片。。
[0023] 圖3是不同退火溫度下的載流子濃度、迀移率示意圖。
[0024] 圖4是不同退火溫度下的方阻示意圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0025] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。
[0026] 本發(fā)明一種N2處理的非晶IGZ0透明氧化物薄膜的制備方法,包括以下步驟:
[0027] 1)在生長(zhǎng)有3丨02的Si基片上濺射IGZ0非晶薄膜,得到生長(zhǎng)有IGZ0非晶薄膜的 娃基片;
[0028] 2)將生長(zhǎng)有IGZ0非晶薄膜的硅基片利用氣氛保護(hù)退火管式爐在N2氣氛下 350-450°C保溫45-75分鐘,得到非晶IGZ0透明氧化物薄膜。
[0029] 具體來(lái)說(shuō),步驟1)中,采用JPG_450a型雙室磁控濺射設(shè)備濺射IGZ0非晶薄膜, 其中,靶材為IGZ0靶,通入純度為99. 99%的氬氣;濺射功率80W,偏壓-100V,氬氣流量 50sccm,工作氣壓為0. 2Pa;預(yù)派射時(shí)間為15min,派射時(shí)間為90min。
[0030] 步驟2)中,將生長(zhǎng)有IGZ0非晶薄膜的硅基片利用氣氛保護(hù)退火管式爐在N2氣氛 下400°C保溫60分鐘,得到非晶IGZ0透明氧化物薄膜。
[0031] 如圖2所示,本發(fā)明制備的一種N2處理的非晶IGZ0透明氧化物薄膜,包括In、Ga、 Zn、0四種成分;其中,In的原子數(shù)百分含量為18~21%,Ga的原子數(shù)百分含量為18~ 21%,Zn的原子數(shù)百分含量為8~10%,0的原子數(shù)百分含量為48~56%。
[0032] 并且,所述IGZ0透明氧化物薄膜厚度為150~300nm。并且,所述IGZ0透明氧化 物薄膜是非晶結(jié)構(gòu)。
[0033] 利用XPS分析不同退火溫度下制備的薄膜中氧空位濃度占氧含量的比值。分析結(jié) 果如表1所示
[0034] 表1:不同退火溫度下的氧空位濃度
[0035]
[0036] 利用霍爾效應(yīng)測(cè)訊系珧河iwum明虱1七徹得朕at仃軟狐度,載流子迀移率 的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖3所示。
[0037] 利用四探針測(cè)試儀對(duì)IGZ0透明氧化物薄膜進(jìn)行方阻測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖4所示。
[0038] 從表1,圖3,圖4可以看出,退火溫度為400°C的時(shí)候,薄膜中的氧空位濃度比未進(jìn) 行退火時(shí)有了很大的提升。并且載流子濃度也有了很大的提高。而薄膜的方阻大小對(duì)于降 低TFT器件的功耗是非常重要的。方阻受到載流子濃度,載流子迀移率的共同影響。方阻 的降低可以有效降低TFT器件的功耗,提升器件的工作效率,抗干擾能力。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種N2處理的非晶IGZO透明氧化物薄膜的制備方法,其特征在于,包括以下步驟: 1) 在生長(zhǎng)有3丨02的Si基片上濺射IGZ0非晶薄膜,得到生長(zhǎng)有IGZ0非晶薄膜的硅基 片; 2) 將生長(zhǎng)有IGZ0非晶薄膜的硅基片利用氣氛保護(hù)退火管式爐在N2氣氛下350-450°C 保溫45-75分鐘,得到非晶IGZO透明氧化物薄膜。2. 權(quán)利要求1所述的非晶IGZ0透明氧化物薄膜的制備方法,其特征在于,步驟1)中, 采用JPG_450a型雙室磁控濺射設(shè)備濺射IGZO非晶薄膜,其中,靶材為IGZO靶,通入純度為 99. 99 %的氬氣;濺射功率80W,偏壓-100V,氬氣流量50sccm,工作氣壓為0. 2Pa;預(yù)濺射時(shí) 間為15min,派射時(shí)間為90min。3. 權(quán)利要求1所述的非晶IGZO透明氧化物薄膜的制備方法,其特征在于,步驟2)中, 將生長(zhǎng)有IGZO非晶薄膜的硅基片利用氣氛保護(hù)退火管式爐在N2氣氛下400°C保溫60分鐘, 得到非晶IGZO透明氧化物薄膜。4. 權(quán)利要求1制備的一種N2處理的非晶IGZO透明氧化物薄膜,其特征在于,所述IGZO 透明氧化物薄膜包括In、Ga、Zn、0四種成分;其中,In的原子數(shù)百分含量為18~21%,Ga 的原子數(shù)百分含量為18~21 %,Zn的原子數(shù)百分含量為8~10%,0的原子數(shù)百分含量為 48 ~56%。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的非晶IGZO透明氧化物薄膜,其特征在于,所述IGZO透明氧化 物薄膜厚度為150~300nm〇6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的非晶IGZO透明氧化物薄膜,其特征在于,所述IGZO透明氧化 物薄膜是非晶結(jié)構(gòu)。
【專利摘要】一種N2處理的非晶IGZO透明氧化物薄膜及其制備方法,該制備方法包括:1)在生長(zhǎng)有SiO2的Si基片上濺射IGZO非晶薄膜,得到生長(zhǎng)有IGZO非晶薄膜的硅基片;2)將生長(zhǎng)有IGZO非晶薄膜的硅基片利用氣氛保護(hù)退火管式爐在N2氣氛下350-450℃保溫45-75分鐘,得到非晶IGZO透明氧化物薄膜。本發(fā)明制備的IGZO透明氧化物薄膜包括In、Ga、Zn、O四種成分;其中,In的原子數(shù)百分含量為18~21%,Ga的原子數(shù)百分含量為18~21%,Zn的原子數(shù)百分含量為8~10%,O的原子數(shù)百分含量為48~56%。本發(fā)明由于改變了退火溫度,一方面減少薄膜內(nèi)部缺陷,提高其穩(wěn)定性;另一方面提高了氧空位的濃度,進(jìn)而提高載流子濃度,降低器件電阻,有效提高了IGZO透明薄膜的導(dǎo)電能力。進(jìn)而在一定程度上提升了器件的運(yùn)作速度,抗干擾能力。
【IPC分類】H01L21/477, H01L29/24, H01L21/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105304468
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510606566
【發(fā)明人】宋忠孝, 李雁淮, 李怡雪, 張丹, 劉曉婷, 姜帆
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年9月21日
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