專利名稱：用于薄膜晶體管的氧化物半導(dǎo)體薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧化物半導(dǎo)體薄膜及其制備方法，該氧化物半導(dǎo)體薄膜作為薄膜 晶體管(TFT)的有源層可以應(yīng)用在有機(jī)發(fā)光顯示(OLED)、液晶顯示(LCD)、電子紙顯示等的 驅(qū)動方面，也可以用于集成電路領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，在平板顯示領(lǐng)域，基于氧化物半導(dǎo)體薄膜的晶體管越來越受到重視。目前 用在平板顯示的薄膜晶體管的半導(dǎo)體有源層材料主要是硅材料，包括非晶硅(a_Si:H)、多 晶硅、微晶硅等。然而非晶硅薄膜晶體管具有對光敏感、遷移率低(< lcm2/Vs)和穩(wěn)定性 差等缺點(diǎn)；多晶硅薄膜晶體管雖然具有較高的遷移率，但是由于晶界的影響導(dǎo)致其電學(xué)均 勻性差，多晶硅制備溫度高和成本高，限制了其在平板顯示中的應(yīng)用；微晶硅制備難度大， 晶粒控制技術(shù)難度高，不容易實(shí)現(xiàn)大面積規(guī)模量產(chǎn)。基于氧化物半導(dǎo)體的薄膜晶體管具有 載流子遷移率較高(1 50cm7Vs)、制備溫度低(< 400°C，遠(yuǎn)低于玻璃的熔點(diǎn))、對可見光 透明以及持續(xù)工作電學(xué)穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)，在平板顯示的TFT基板領(lǐng)域，有替代用傳統(tǒng)硅 工藝制備的薄膜晶體管的發(fā)展趨勢。氧化物半導(dǎo)體材料主要包括氧化鋅(ZnO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鎵(IGO)、氧化 鋅錫(ZTO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)等。但是，基于這些氧化物半導(dǎo)體材料的薄膜晶體管的電學(xué) 穩(wěn)定性仍然較差。電學(xué)穩(wěn)定性差主要表現(xiàn)在薄膜晶體管經(jīng)過一段持續(xù)時間工作后，其閾值 電壓會出現(xiàn)較大的漂移，導(dǎo)致輸出電流減小。因此，制備高穩(wěn)定性的氧化物半導(dǎo)體薄膜，成 為低成本高可靠性驅(qū)動平板顯示的迫切任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的基于氧化物半導(dǎo)體材料的薄膜晶體管的穩(wěn)定性較差 的問題，提出一種電學(xué)穩(wěn)定性好的用于薄膜晶體管的氧化物半導(dǎo)體薄膜及其制備方法。本發(fā)明通過新的摻雜物，改善載流子遷移率，改善晶體管中氧化物半導(dǎo)體薄膜與 絕緣層之間的接觸，減少閾值電壓漂移，達(dá)到提高薄膜晶體管的電學(xué)穩(wěn)定性的目的。本發(fā)明的上述目的可以通過以下步驟實(shí)現(xiàn)—種用于薄膜晶體管的氧化物半導(dǎo)體薄膜該氧化物半導(dǎo)體薄膜材料成分為 (Al2O3)x(Nd2O3)y(In2O3)z(ZnO) (1-x-y-z)，其中，0 < χ < 1,0 < y < 1,0 < ζ < 1,0 ^ Ι-χ-y-z < 1，該氧化物半導(dǎo)體薄膜材料用于制作薄膜晶體管的有源層。優(yōu)選地X <0.01。所述的用于薄膜晶體管的氧化物半導(dǎo)體薄膜的制備方法，包括以下的工藝步驟(1)靶材的制備將摩爾百分比含量分別為χ、y、ζ和(l-x-y-ζ)的A1203、Nd203、 In2O3和ZnO粉末混合均勻，再經(jīng)過鑄漿或熱壓成型、燒結(jié)、機(jī)械加工、打磨形成靶材；(2)濺射制備氧化物半導(dǎo)體薄膜將靶材安裝在濺射儀上，通過濺射方法制備 用于薄膜晶體管的氧化物半導(dǎo)體薄膜，該氧化物半導(dǎo)體薄膜材料成分為=(Al2O3)x(Nd2O3) y (In2O3)z (ZnO) (1-x-y_z)，其中，0 < χ < 0. 1，0 < y < 1，0 < ζ < 1，0 < Ι-χ-y-z < 1。
為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，所述的熱壓成型優(yōu)選是用200KN 350KN的壓強(qiáng)壓制 成片。所述的燒結(jié)是指在溫度為800 1500°C燒結(jié)制成靶材。所述濺射方法的條件真空度為5. OxlO-4Pa 2. OxlO^Pa,濺射功率為100 200W，氬氣和氧氣混合氣體的流量分別為15 30sccm和0. 5 2. 5sccm。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)本發(fā)明氧化物半導(dǎo)體薄膜中含有Al和Nd 通常摻雜Al可以抑制氧化物半導(dǎo)體 薄膜中的本征自由電子的產(chǎn)生，降低氧化物半導(dǎo)體薄膜的本征電導(dǎo)率；同時引入Nd稀土元 素，可以改善氧化物半導(dǎo)體薄膜的熱穩(wěn)定性、提高耐蝕性。同時摻入Al和Nd，可以綜合改善 薄膜晶體管的載流子遷移率和電學(xué)穩(wěn)定性。


圖1是利用本發(fā)明所述的氧化物半導(dǎo)體薄膜作為有源層的薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)示 意圖。圖中示出，玻璃基片1、柵極2、絕緣層3、氧化物半導(dǎo)體層4、漏極51和源極52。圖2是實(shí)施例1中的薄膜晶體管的輸出特性曲線。圖3是實(shí)施例1中的薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。圖4是實(shí)施例2中的薄膜晶體管的輸出特性曲線。圖5是實(shí)施例2中的薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不 局限于實(shí)施例表述的范圍。實(shí)施例1(1)靶材制備將摩爾百分含量分別為1. 6%,0. 3%,32. 7%和 65. 4%的 Al203、Nd203、In2O3和 ZnO 粉末混合均勻，再經(jīng)過燒結(jié)制成靶材，具體條件為將混合粉末用300KN(千牛頓)的壓強(qiáng)壓 制成片，再用1200°C燒結(jié)制成直徑為100mm，厚度為5mm的氧化物半導(dǎo)體陶瓷靶材[(Al2O3) X(Nd2O3)y(In2O3)z(ZnO) (1_x_y_z)] (χ = 0. 016, y = 0. 003, ζ = 0. 654)。(2)濺射制備氧化物半導(dǎo)體薄膜以及薄膜晶體管的制備為了表征所制備的氧化物半導(dǎo)體薄膜的電學(xué)性能，本實(shí)施例還利用此氧化物半導(dǎo) 體薄膜為有源層，制備了薄膜晶體管，該薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，玻璃基片1、柵極 2 (Al-Nd)、絕緣層 3 (Al2O3)和氧化物半導(dǎo)體層 4 [ (Al2O3) x (Nd2O3) y (In2O3) z (ZnO) (1_x_y_z)]依次 連接，漏極51和源極52分別間隔設(shè)置在氧化物半導(dǎo)體層4上。該薄膜晶體管的具體制備 過程如下按照圖1的結(jié)構(gòu)，首先在玻璃基片1上通過直流濺射的方法制備一層厚度為300nm 的Al-Nd合金作為柵極2，再將其表面氧化成一層厚度為140nm的Al2O3作為絕緣層。將所制備的氧化物半導(dǎo)體靶材安裝在沈陽超高真空技術(shù)研究生產(chǎn)的濺射儀(儀 器型號WQL-1)上，用射頻濺射模式在絕緣層3 (Al2O3)上面制備氧化物半導(dǎo)體層4，濺射 的本底真空度為10_3Pa，濺射時氬氣(Ar)和氧氣(O2)混合氣體的流量分別為25sCCm和lsccm，壓力為0. 3Pa。在濺射氧化物半導(dǎo)體薄膜過程中，基片溫度為室溫，射頻濺射功率為150W，氧化物半導(dǎo)體薄膜厚度為30nm。用直流(DC)濺射的方法在氧化物半導(dǎo)體薄膜上面制備一層200nm厚的ITO分 別作為漏極和源極，漏極和源極的形狀通過光刻制成，晶體管溝道的寬度和長度分別為 ΙΟΟμ 和ΙΟμ ，溝道的寬長比為10 1。所制備的晶體管器件性能在空氣中測試。圖2是實(shí)施例1的薄膜晶體管測得的輸 出特性曲線，是不同柵極電壓下漏極電流(Id)與漏極電壓(Vd)之間的關(guān)系。曲線的 測試條件為源極接地(Vs = OV)，當(dāng)柵極電壓分別為0、5、IOV時漏極電壓從OV到IOV連續(xù) 掃描，測試漏極電流。從輸出特性曲線可以看出所制備的薄膜晶體管具有η溝道特性。圖 3是實(shí)施例1的薄膜晶體管測得的轉(zhuǎn)移特性曲線，是漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系。曲 線的測試條件為源極接地，漏極電壓恒定為5V，柵極電壓從-IOV到IOV再從IOV到-IOV 來回掃描2次，測試漏極電流(Id)。計(jì)算得到薄膜晶體管的載流子遷移率為8. Qcm2ZT1s-1, 電流開關(guān)比高達(dá)109，閾值電壓(Vth)為IV。從圖3中可以看出正向和反向掃描的曲線基本 重合，說明晶體管薄膜界面缺陷較少；此外，當(dāng)該晶體管在Vd = 5V、Ve = 10V、Vs = OV的條 件下連續(xù)工作600秒后，其閾值電壓漂移量(AVth)僅為0. 3V，遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)報道的基于其它 氧化物半導(dǎo)體薄膜的TFT的AVth(> IV)，說明所制備的晶體管具有非常好的電學(xué)穩(wěn)定性。 研究表明，摻雜Al可以抑制氧化物半導(dǎo)體薄膜中的本征自由電子的產(chǎn)生，降低氧化物半導(dǎo) 體薄膜的本征電導(dǎo)率，可以提高電流開關(guān)比；摻雜Nd稀土元素，可以改善氧化物半導(dǎo)體薄 膜的熱穩(wěn)定性，提高薄膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時摻入Al和Nd，可以綜合改善薄膜晶體管的載流 子遷移率和電學(xué)穩(wěn)定性。實(shí)施例2(1)靶材制備將摩爾百分含量分別為2. 3%,3. 2%,32. 3%和 62. 2%的 Al203、Nd203、In2O3和 ZnO 粉末混合均勻，再經(jīng)過燒結(jié)制成靶材，具體條件為將混合粉末用270KN(千牛頓)的壓強(qiáng)壓 制成片，再用1300°C燒結(jié)制成直徑為100mm，厚度為5mm的氧化物半導(dǎo)體陶瓷靶材[(Al2O3) X(Nd2O3)y(In2O3)z(ZnO) (1_x_y_z)] (χ = 0. 016, y = 0. 003, ζ = 0. 654)。(2)濺射制備氧化物半導(dǎo)體薄膜以及薄膜晶體管的制備薄膜晶體管與實(shí)施例1相同。氧化物半導(dǎo)體層4的制備方法如下將所制備的氧化物半導(dǎo)體靶材安裝在沈陽超高真空技術(shù)研究生產(chǎn)的濺射儀(儀 器型號WQL-1)上，用射頻濺射模式在絕緣層3 (Al2O3)上面制備氧化物半導(dǎo)體層4，濺射 的本底真空度為10_3Pa，濺射時氬氣(Ar)和氧氣(O2)混合氣體的流量分別為27sCCm和 1. 5Sccm，壓力為0. 7Pa。在濺射氧化物半導(dǎo)體薄膜過程中，基片溫度為室溫，射頻濺射功率 為180W，氧化物半導(dǎo)體薄膜厚度為35nm。圖4是實(shí)施例2的薄膜晶體管測得的輸出特性曲線。曲線的測試條件同實(shí)施例1。 從輸出特性曲線可以看出所制備的薄膜晶體管顯示出η溝道特性。圖5是實(shí)施例2的薄膜 晶體管測得的轉(zhuǎn)移特性曲線。曲線的測試條件同實(shí)施例1。計(jì)算得到所制備的薄膜晶體管 的載流子遷移率為8. Icm2ZT1iT1,開關(guān)比為106，閾值電壓為-2V。當(dāng)此器件在Vd = 10V、Vg =10V、Vs = OV的條件下連續(xù)工作600秒后，其閾值電壓漂移量(AVth)僅為0. 5V，遠(yuǎn)小于 文獻(xiàn)報道的其它氧化物半導(dǎo)體薄膜的電壓漂移量(> IV)，說明所制備的晶體管具有較好的電學(xué)穩(wěn)定性。實(shí)施例3將摩爾比為0.8%: 5. 0% 32. 2% 62. 0%的 Al203、Nd203、In203 和 ZnO 粉末混 合均勻，再經(jīng)過鑄漿成型、燒結(jié)、機(jī)械加工、打磨制成直徑為100mm，厚度為5mm的陶瓷靶材。薄膜晶體管與實(shí)施例1相同。氧化物半導(dǎo)體層4的制備方法如下將所制備的氧化物半導(dǎo)體靶材安裝在濺射儀(沈陽超高真空技術(shù)研究生產(chǎn)的 濺射儀WQL-1)上，用射頻濺射模式在絕緣層3 (Al2O3)上面制備氧化物半導(dǎo)體層4，濺射 的本底真空度為10_3Pa，濺射時氬氣(Ar)和氧氣(O2)混合氣體的流量分別為ISsccm和 2. Osccm，壓力為0. 9Pa。在濺射氧化物半導(dǎo)體薄膜過程中，基片溫度為室溫，射頻濺射功率 為120W，氧化物半導(dǎo)體薄膜厚度為39nm。測量了薄膜晶體管的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線，可以得到所制備的薄膜晶體管的載流子遷移率為4. Scm2ZT1s-1,開關(guān)比為IO6,閾值電壓為-2. 5V。當(dāng)此器件在Vd = 10V、Vg = 10V, Vs = OV的條件下連續(xù)工作600秒后，其閾值電壓漂移量(AVth)為0. 4V，遠(yuǎn)小于文獻(xiàn) 報道的其它氧化物半導(dǎo)體薄膜的電壓漂移量(> IV)，說明所制備的薄膜晶體管具有較好 的電學(xué)穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種用于薄膜晶體管的氧化物半導(dǎo)體薄膜，其特征在于該氧化物半導(dǎo)體薄膜材 料成分為=(Al2O3)X(Nd2O3)y (In2O3) z(ZnO) (1_x_y_z)，其中，O < χ < 1,0 < y < 1,0 < ζ < 1,0 < 1-x-y-z < 1，該氧化物半導(dǎo)體薄膜材料用于制作薄膜晶體管的有源層。
2.權(quán)利要求1所述的用于薄膜晶體管的氧化物半導(dǎo)體薄膜的制備方法，其特征在于包 括以下的工藝步驟(1)靶材的制備將摩爾百分比含量分別為χ、y、ζ和(l-x-y-ζ)的A1203、Nd203、In2O3 和ZnO粉末混合均勻，再經(jīng)過鑄漿或熱壓成型、燒結(jié)、機(jī)械加工、打磨形成靶材；(2)濺射制備氧化物半導(dǎo)體薄膜將靶材安裝在濺射儀上，通過濺射方法制備用于薄 膜晶體管的氧化物半導(dǎo)體薄膜，該氧化物半導(dǎo)體薄膜材料成分為=(Al2O3)x(Nd2O3)y(In2O3) z(ZnO) (1-x-y-z)，其中，0 < χ < 0. 1，0 < y < 1，0 < ζ < 1，0 彡 Ι-χ-y-z < 1。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于薄膜晶體管的氧化物半導(dǎo)體薄膜的制備方法，其特征在 于所述的熱壓成型是用200KN 350KN的壓強(qiáng)壓制成片。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于薄膜晶體管的氧化物半導(dǎo)體薄膜的制備方法，其特征在 于所述的燒結(jié)是指在溫度為800 1500°C燒結(jié)制成靶材。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于薄膜晶體管的氧化物半導(dǎo)體薄膜的制備方法，其特征在 于所述濺射方法的條件真空度為5. OxlO-4Pa 2. OxlO—Pa，濺射功率為100 200W，氬 氣和氧氣混合氣體的流量分別為15 30sccm和0. 5 2. 5sccm。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于薄膜晶體管的氧化物半導(dǎo)體薄膜及其制備方法，該氧化物半導(dǎo)體薄膜材料成分為(Al2O3)x(Nd2O3)y(In2O3)z(ZnO)(1-x-y-z)，其中，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1，0＜1-x-y-z＜1，該氧化物半導(dǎo)體薄膜材料用于制作薄膜晶體管的有源層。這種氧化物半導(dǎo)體薄膜可以用濺射方法制備。本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體薄膜具有載流子遷移率高、穩(wěn)定性好、可以透射可見光等優(yōu)點(diǎn)，這種氧化物半導(dǎo)體薄膜可以用于制備薄膜晶體管，包括所發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體薄膜的晶體管可以應(yīng)用在有機(jī)發(fā)光顯示(OLED)、液晶顯示(LCD)、電子紙顯示等驅(qū)動方面，還可以應(yīng)用在集成電路領(lǐng)域。
文檔編號H01L21/02GK102110718SQ20101051370
公開日2011年6月29日 申請日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月20日
發(fā)明者蘭林鋒, 彭俊彪, 王磊 申請人:華南理工大學(xué)