專利名稱：一種以銦鋅鋁氧化物為溝道層的薄膜晶體管的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于薄膜晶體管技術領域，具體的說，涉及一種以銦鋅鋁氧化物為溝道層的薄膜晶體管的制備方法。
背景技術：
薄膜晶體管(TFT)作為有源驅動中的核心元件，其包括基底、半導體溝道層、介質層、柵極、源極和漏極等幾個重要組成部分。目前，在顯示領域應用最廣、技術成熟的是使用硅材料作為半導體溝道層制備的TFT。隨著人們需求的提高，加之為了突破處于飽和狀態(tài)的IXD市場，需要實現3D顯示、透明顯示以及柔性顯示等新一代顯示技術。面對新一代顯示技術，傳統硅基TFT顯示出一些不足。目前，透明非晶氧化物半導體薄膜晶體管(TAOS-TFT)憑借其高的場效應遷移率、好的均勻性、對可見光區(qū)透明以及環(huán)境穩(wěn)定性良好等優(yōu)點，成為 最有希望的下一代薄膜晶體管之一。自非晶銦鎵鋅氧化物薄膜晶體管報道以來，銦鋅氧化物(In-Zn-0，IZ0)成為一種很有研究價值的透明非晶氧化物體系。通常，IZO體系的載流子濃度過高，因此會導致器件的關態(tài)電流較大。IZO體系中摻Ga是為了抑制該體系中氧空位的形成從而解決IZO體系的載流子濃度過高的問題?？紤]到鋁離子與氧的結合能力要高于鎵離子與氧的結合能力，理論上來講摻鋁對IZO體系的載流子濃度能起到更好的抑制效果。此外，氧化鋁還可以作為非晶態(tài)的穩(wěn)定劑，而且它的來源豐富，價格低廉。這些優(yōu)點使它有望能替代鎵控制銦鋅氧化物溝道層薄膜缺陷從而進一步促進器件的性能。近年來，為了降低工業(yè)化成本，溶液法制備TAOS-TFT受到了研究人員的青睞。然而，溶液法制備半導體溝道層或介質層主要是結合旋涂或噴墨打印工藝來制備。事實上，浸潰提拉工藝具備成本低廉、操作簡單、對溶膠凝膠本身要求不苛刻、可大面積均勻成膜以及適合卷對卷生產等優(yōu)點。如果將該制備工藝應用于TFT的溝道層或介質層的制備可以大大簡化器件制備過程并降低工業(yè)化成本。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了提供一種低成本、工藝簡單、適合大面積制備的薄膜晶體管的制備方法。本發(fā)明以鋁來替代鎵改善銦鋅氧化物溝道層的性能，并提供了基于浸潰提拉工藝制備銦鋅鋁氧化物溝道層的方法，以成功應用于制備較高性能的薄膜晶體管。為此，本發(fā)明采用了如下技術方案
本發(fā)明選用普通玻璃作為基底，以銦鋅鋁氧化物作為溝道層，以有機聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料作為介質層，以鋁作為器件的源、漏、柵電極，制備了頂柵共面結構的薄膜晶體管。本發(fā)明中，溝道層及介質層均采用溶液法，基于浸潰提拉工藝來制備。器件的源、漏、柵電極采用真空熱蒸發(fā)的方法制備。本發(fā)明提供的一種以銦鋅鋁氧化物為溝道層的薄膜晶體管的制備方法，具體步驟如下
(1)將In (NO3) 3 4. 5H20、Zn (C2H3O2)2 5H20 和 AlCl3 6H20 溶于乙二醇中，以乙醇胺作為穩(wěn)定劑，20 80°C下攪拌I 24小時形成澄清、透明的前驅體溶液，其中，所述前驅體溶液濃度為 0. 05 0. 5M, In (NO3) 3 *4. 5H20、Zn (C2H3O2) 2 5H20 和 AlCl3 6H20 中銦離子、鋅離子、鋁離子的摩爾比為I: I: (0. 2-0. 8)；
(2)將所得的前驅體溶液靜置老化后，在玻璃基底上浸潰提拉鍍膜，提拉速度為0.I 0. 5 mm/s，提拉結束后的薄膜放入烘箱內在200 250°C溫度下預處理20 60分鐘，后經300 500°C退火2 10小時，得到銦鋅鋁氧化物薄膜溝道層；
(3)利用真空熱蒸發(fā)的方法結合掩膜在上述所得銦鋅鋁氧化物薄膜溝道層上制備源電極和漏電極；
(4)基于浸潰提拉工藝，在包含源電極和漏電極的銦鋅鋁氧化物薄膜溝道層上用溶有聚甲基丙烯酸甲酯的有機溶液制備PMMA介質層；·
(5)通過真空熱蒸發(fā)的方法在PMMA介質層的上面制備柵電極，即得到所需產品。本發(fā)明中，步驟(I)中乙醇胺與乙二醇體積之比為0.1:20-1:20。本發(fā)明中，步驟(2)中制備銦鋅鋁氧化物薄膜溝道層時所述前驅體溶液在玻璃基底上浸潰提拉、烘箱內烘烤及退火的次數均為1-3次。本發(fā)明中，步驟(3)中采用真空熱蒸發(fā)的方法，以氧化鋁為掩膜制備源電極和漏電極，控制熱蒸發(fā)電流為50 A ;熱蒸發(fā)電壓為75-100V ;制備得到的薄膜晶體管的源電極、漏電極及柵電極均為金屬鋁電極。本發(fā)明中，步驟(4)中所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液濃度為50 mg/mL，有機溶劑為丙酮，所述聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液在銦鋅鋁氧化物薄膜溝道層上浸潰提拉，0. 5-5 mm/s，提拉次數為1-5次，提拉后80-120°C烘烤15-30分鐘。利用本發(fā)明方法制備得到的薄膜晶體管，包括基底、半導體溝道層、源電極、漏電極、介質層及柵電極，溝道層為厚度為15nm-100nm的銦鋅鋁氧化物薄膜，介質層為聚甲基丙烯酸甲酯介質層。本發(fā)明中，所述源電極、漏電極及柵電極均為金屬鋁電極。最終，本發(fā)明獲得了一種具有較高飽和遷移率26. 8 cm2/Vs，較低亞閾值擺幅0.24V/decade，開關比大于104，器件綜合性能優(yōu)良的銦鋅鋁氧化物薄膜晶體管。本發(fā)明為低成本、簡單工藝、大面積制備較高性能薄膜晶體管提供了可行性方案。


圖I是銦鋅鋁氧化物薄膜晶體管的結構示意圖。圖2是基于浸潰提拉工藝制備的銦鋅鋁氧化物薄膜的SEM截面圖。圖3是不同摻鋁含量的銦鋅鋁氧化物薄膜作為溝道層的器件的轉移特性曲線比較圖。圖4是摻鋁摩爾濃度為0.3時的銦鋅鋁氧化物薄膜晶體管的滯回轉移特性曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
如圖I所示是銦鋅鋁氧化物薄膜晶體管的結構示意圖，其用普通玻璃作為基底，以銦鋅鋁氧化物作為溝道層，以有機聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料作為介質層，以鋁作為器件的源、漏、柵電極。實施例I
本發(fā)明中，PMMA固體粉末購于Sigma-Aldrich公司，分子量為12000.
首先在玻璃基底上制備銦鋅鋁氧化物薄膜作為溝道層。具體實施為以乙醇胺作為穩(wěn)定劑(其中，乙醇胺與乙二醇體積之比為0. 1:20 )，將分析純的In (NO3) 3 4. 5H20、Zn(C2H3O2)2 5H20和AlCl3 6H20溶于乙二醇中，經60°C攪拌I小時從而形成澄清、透明的前驅體溶液，在保證前驅體溶液([Al3+]+ [In3+]+ [Zn2+])濃度為0.25 M，銦鋅摩爾比(In3+:Zn2+)為1:1的前提下，配制鋁摩爾含量分別為[Al] 3+/([In3+] + [Zn2+]) =0，0.1，0.2，
0.3，0. 4的前驅體溶液。所配制的溶液經48小時靜置老化后，開始在玻璃基底上浸潰提拉 鍍膜，提拉結束后的薄膜放入烘箱以200°C預處理30分鐘，后經500°C退火2小時，從而得到銦鋅鋁氧化物薄膜。整個提拉和退火過程重復兩次，兩次的提速依次為0.25 mm/s、0. 15mm/s，從而制得50 nm厚的銦鋅鋁氧化物溝道層。從圖2中可以看出，基于浸潰提拉工藝可以制備出厚度均一，平整而致密的銦鋅鋁氧化物溝道層。隨后，通過熱蒸發(fā)的方法，在氧化物薄膜溝道層上用寬長比為500 U m/100 的氧化鋁掩膜制備90 nm厚的金屬鋁作為源、漏電極，熱蒸發(fā)電流為50 A，熱蒸發(fā)電壓為80 V。接著制備PMMA介質層，將純的PMMA粉末溶于丙酮溶劑中經攪拌從而得到均勻而澄清濃度為50 mg/mL的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)丙酮前驅體溶液。然后將含有源、漏電極的溝道層浸入前驅體溶液經I. 5 mm/s提速提拉后在烘箱中100°C烘烤30分鐘使其固化。提拉以及烘烤次數重復3次，最終獲得280 nm厚的PMMA介質層。最后,采用真空熱蒸發(fā)的方法,在PMMA介質層上,輔以氧化招掩膜制備90 nm厚的金屬鋁作為柵電極，熱蒸發(fā)電流為50 A，熱蒸發(fā)電壓為80 V。本發(fā)明中，以鋁摩爾含量[Al]3+/([In3+] + [Zn2+])依次為 0，0.1, 0.2 , 0.3，
0.4時的銦鋅鋁氧化物薄膜作為溝道層所制備的器件的轉移曲線如圖3所示?？梢钥闯觯瑴系缹又袚戒X，可以明顯降低關態(tài)電流，從而提高器件的開關比。綜合來看，以鋁摩爾含量[Al3+] / ([In3+] + [Zn] 2+) =0. 3時器件性能最優(yōu)，該器件具有較高飽和遷移率26. 8 cm2/Vs，較低亞閾值擺幅0. 24 V/decade,開關比大于104。從圖4可以看出[Al3+] / ([In3+] + [Zn2+]) =0. 3時，該器件還具備有較小的滯回電壓(-1.26V)，表明基于浸潰提拉工藝制備的器件還具有優(yōu)良的溝道層/介質層界面特性。
權利要求
1.一種以銦鋅鋁氧化物為溝道層的薄膜晶體管的制備方法，其特征在于具體步驟如下(1)將In (NO3) 3 4. 5H20、Zn (C2H3O2)2 5H20 和 AlCl3 6H20 溶于乙二醇中，以乙醇胺作為穩(wěn)定劑，20 80°C下攪拌I 24小時形成澄清、透明的前驅體溶液，其中，所述前驅體溶液濃度為 0. 05 0. 5M, In (NO3) 3 *4. 5H20、Zn (C2H3O2) 2 5H20 和 AlCl3 6H20 中銦離子、鋅離子、鋁離子的摩爾比為I: I: (0. 2-0. 8)； (2)將所得的前驅體溶液靜置老化后，在玻璃基底上浸潰提拉鍍膜，提拉速度為0.I 0. 5 mm/s，提拉結束后的薄膜放入烘箱內在200 250°C溫度下預處理20 60分鐘，后經300 500°C退火2 10小時，得到銦鋅鋁氧化物薄膜溝道層； (3)利用真空熱蒸發(fā)的方法結合掩膜在上述所得銦鋅鋁氧化物薄膜溝道層上制備源電極和漏電極； (4)基于浸潰提拉工藝，在包含源電極和漏電極的銦鋅鋁氧化物薄膜溝道層上用溶有聚甲基丙烯酸甲酯的有機溶液制備PMMA介質層； (5)通過真空熱蒸發(fā)的方法在PMMA介質層的上面制備柵電極，即得到所需產品。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于步驟(I)中乙醇胺與乙二醇體積之比為0. 1:20-1:20。
3.根據權利要求I所述的方法，其特征在于步驟(2)中制備銦鋅鋁氧化物薄膜溝道層時所述前驅體溶液在玻璃基底上浸潰提拉、烘箱內烘烤及退火的次數均為1-5次。
4.根據權利要求I所述的方法，其特征在于步驟(3)中采用真空熱蒸發(fā)的方法，以氧化鋁為掩膜制備源電極和漏電極，控制熱蒸發(fā)電流為50A ;熱蒸發(fā)電壓為75-100V ;制備得到的薄膜晶體管的源電極、漏電極及柵電極均為金屬鋁電極。
5.根據權利要求I所述的方法，其特征在于步驟(4)中所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液濃度為50 mg/mL，有機溶劑為丙酮，所述聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液在銦鋅鋁氧化物薄膜溝道層上浸潰提拉，控制提拉速度為0.5-5 mm/s，提拉次數為1_5次，提拉后80-120°C烘烤15-30分鐘。
6.根據權利要求I所述的方法，其特征在于所得薄膜晶體管包括基底、半導體溝道層、源電極、漏電極、介質層及柵電極，溝道層為厚度為15nm-100nm的銦鋅鋁氧化物薄膜，介質層為聚甲基丙烯酸甲酯介質層。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于所述源電極、漏電極及柵電極均為金屬鋁電極。
全文摘要
本發(fā)明屬于薄膜晶體管技術領域，具體為一種以銦鋅鋁氧化物為溝道層的薄膜晶體管的制備方法。該方法以鋁摻雜銦鋅氧化物獲得銦鋅鋁氧化物半導體薄膜，改善銦鋅氧化物半導體溝道層的性能。本發(fā)明利用一種成本低廉、工藝簡單、大面積制備容易的浸漬提拉法工藝制備了表面平整、厚度均一而致密的銦鋅鋁氧化物薄膜，并將其應用于氧化物薄膜晶體管制備中。所制備的薄膜晶體管器件綜合性能優(yōu)良，具有較高飽和遷移率26.8cm2/Vs，較低亞閾值擺幅0.24V/decade，開關比大于104。
文檔編號H01L21/336GK102779758SQ20121025732
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月24日 優(yōu)先權日2012年7月24日
發(fā)明者岳蘭, 張群 申請人:復旦大學