一種摻鈣氧化鋅薄膜晶體管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種玻璃襯底或者塑料襯底上制備薄膜晶體管的方法，屬于半導(dǎo)體行業(yè)、平板顯示領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在信息化時代中，顯示技術(shù)占據(jù)著重要地位，顯示技術(shù)的日益發(fā)展為人們帶來了更加豐富多彩的視覺體驗。當(dāng)今的平板顯示技術(shù)包括AMLCD (液晶顯示)、AMOLED (有機發(fā)光二極管顯示)、柔性顯示、透明顯示等。隨著顯示工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，平板顯示器(Flatpanel display, FPD)的亮度、視角、全彩色等方面均得到了提升。
[0003]透明電子顯示是當(dāng)今顯示領(lǐng)域的一個前沿課題，因此，關(guān)于透明氧化物半導(dǎo)體薄膜的探索和研宄成為了關(guān)鍵。透明導(dǎo)電氧化物材料需同時具備高透過率和高導(dǎo)電率兩種物理特性，這種特性要求氧化物材料具有足夠大的帶隙寬度，即禁帶寬度約大于3.1eV0氧化鋅材料為寬禁帶半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為3.37eV，因此，氧化鋅基薄膜晶體管是TFT領(lǐng)域的研宄熱點。氧化鋅基TFT有如下優(yōu)點:可以通過濺射的方法在低溫下淀積有源層，成本低廉，工藝簡單；氧化鋅基半導(dǎo)體的電子迀移率高，使TFT具有高的驅(qū)動性能和開關(guān)速度；光學(xué)透過率高于80%，可用于透明顯示。
[0004]1968年，第一個單晶氧化鋅薄膜晶體管的報告發(fā)表，大概在2003年后，氧化鋅薄膜晶體管的研宄報告才逐漸增加。然而，通常情況下所使用的氧化鋅材料為多晶結(jié)構(gòu)，單晶或非晶的氧化鋅制備是很困難的。由于晶界的存在，顯示屏的不同區(qū)域的薄膜晶體管的均勻性會很差。此外，氧化鋅薄膜的自由電子濃度很高，因而薄膜晶體管的關(guān)態(tài)電流和閾值電壓難以控制。正因如此，科研工作者希望通過對氧化鋅薄膜進行摻雜來提高薄膜的電學(xué)性能。目前被大家廣泛研宄的是IGZO薄膜晶體管，通過Ga元素的引入可以有效地抑制薄膜電子濃度，關(guān)態(tài)性能因而改善。此外，非晶的結(jié)構(gòu)保證了器件的均勻性。然而，In是一種稀有且有毒的元素，使用摻In的材料制造成本高昂而且不環(huán)保，難以在大規(guī)模生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。氧化鋅鈣(ZnO+CaO)薄膜晶體管還沒有被研宄，且Ca是一種常見且環(huán)保的元素，因而將氧化鋅鈣作為透明導(dǎo)電材料進行研宄具有重要的科研價值和實際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種納米晶氧化鋅鈣薄膜晶體管及其制備方法，可以改善器件的迀移率、開關(guān)比、閾值電壓、亞閾擺幅等方面的性能。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種氧化鋅鈣薄膜晶體管，包括襯底、柵電極、柵介質(zhì)層、半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道層、源區(qū)和漏區(qū)，其特征在于，所述半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道層采用摻鈣的氧化鋅納米晶半導(dǎo)體材料，鈣的含量占 2% -20% ο
[0008]一種在玻璃或塑料襯底上制備氧化鋅鈣薄膜晶體管的制備方法，具體步驟包括以下:
[0009]I)在玻璃或者塑料襯底上生長一層透明導(dǎo)電薄膜，光刻刻蝕出柵電極。
[0010]2)緊接著生長一層?xùn)沤橘|(zhì)薄膜，光刻刻蝕出柵介質(zhì)層。
[0011]3)在柵介質(zhì)層上利用濺射工藝生長一層溝道層，濺射使用的靶材為摻鈣的氧化鋅陶瓷靶，鈣的含量占2%-20%，濺射過程中氧氣分壓控制在0%-15%光刻刻蝕出導(dǎo)電溝道層O
[0012]4)生長一層透明導(dǎo)電薄膜，光刻刻蝕出源、漏電極。
[0013]5)生長一層鈍化介質(zhì)層，光刻和刻蝕形成柵、源和漏的引出孔。
[0014]6)生長一層金屬薄膜，光刻和刻蝕形成金屬電極和互連。
[0015]所述的制備方法，步驟(I)所生長的導(dǎo)電薄膜，由透明導(dǎo)電薄膜材料IT0、AZ0、GZ0等形成。
[0016]所述的制備方法，步驟(2)所生長的柵介質(zhì)材料，由二氧化硅，或者氮化硅、氧化鉿、氧化鋁、氧化鋯等絕緣材料形成。
[0017]所述的制備方法，步驟⑷所生長的導(dǎo)電薄膜，由透明導(dǎo)電材料IT0、AZ0、GZ0等形成。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果:本發(fā)明提供了一種在玻璃或者塑料襯底上制備納米晶氧化鋅鈣薄膜晶體管的制造方法，制備的半導(dǎo)體薄膜晶粒尺寸低于20nm，且分布均勻，屬于納米晶氧化物半導(dǎo)體。這種工藝方法具有步驟簡單，制造成本低廉，均勻性好，用于低溫工藝，對提高薄膜晶體管器件的性能具有積極效果，改善了器件的迀移率、開關(guān)比、閾值電壓、亞閾擺幅等方面的性能，適用于透明顯示和柔性顯示技術(shù)。而且該薄膜晶體管呈現(xiàn)出對氧分壓不敏感的特性，說明在制備過程中可以在較大的工藝條件范圍內(nèi)調(diào)控器件的特性，拓寬了工藝窗口。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明具體實例所描述的玻璃或者塑料襯底上制備薄膜晶體管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明具體實例所描述的玻璃或者塑料襯底上制備薄膜晶體管的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3(a)?(e)依次示出了本發(fā)明的薄膜晶體管一個制作方法的主要工藝步驟，其中:
[0022]圖3(b)示意了柵電極形成的工藝步驟；
[0023]圖3(c)示意了柵介質(zhì)層形成的工藝步驟；
[0024]圖3(d)示意了溝道層形成的工藝步驟；
[0025]圖3(e)示意了源、漏端電極形成的工藝步驟；
[0026]圖4(a)為本發(fā)明制得的氧化鋅鈣薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線，其中轉(zhuǎn)移特性曲線隨氧分壓的增加沒有明顯的變化，說明該薄膜晶體管對氧分壓不敏感，可以在較大的工藝條件范圍內(nèi)調(diào)控器件特性；
[0027]圖4(b)為本發(fā)明制得的氧化鋅鈣薄膜晶體管的電學(xué)參數(shù)與氧分壓的相關(guān)性，其中開關(guān)電流比、亞閾值斜率和飽和迀移率隨氧分壓的增加變化不大，呈現(xiàn)出較弱的相關(guān)性；
[0028]圖5為制備在不同氧氣分壓條件下的氧化鋅鈣薄膜SEM圖，由圖可見，晶粒分布均勻，有利于器件實現(xiàn)良好的均勻性。
【具體實施方式】
[0029]下面通過實例對本發(fā)明做進一步說明。需要注意的是，公布實例的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求的精神范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
[0030]本發(fā)明薄膜晶體管形成于玻璃或者塑料襯底I上，如圖1和圖2所示。該薄膜晶體管包括柵電極2，柵介質(zhì)層3，半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道層4，源、漏端電極5。所述柵電極2位于玻璃或者塑料襯底I之上，所述柵介質(zhì)層3位于電極2之上，所述半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道層4位于柵介質(zhì)層3之上，所述源漏端電極5位于半導(dǎo)體溝道層4兩端。
[0031]所述薄膜晶體管的制備方法的具體實例由圖3(a)至圖3(e)所示，包括以下步驟:
[0032]如圖3(a)所示，襯底I選用透明玻璃或者塑料襯底基板。
[0033]如圖3(b)所示，在襯底I上采用磁控濺射技術(shù)生長一層30?150納米厚的ITO等導(dǎo)電薄膜，然后光刻刻蝕出柵電極。
[0034]如圖3(c)所示，利用PECVD生長一層50?250納米厚的二氧化硅層，然后光刻刻蝕形成柵介質(zhì)。
[0035]如圖3(d)所示，利用濺射工藝生長一層摻鈣的氧化鋅半導(dǎo)體材料溝道層。濺射使用的靶材為摻鈣的氧化鋅陶瓷靶，鈣的含量占2% _20%，濺射過程中氧氣分壓控制在0% -15%。
[0036]如圖3(e)所示，采用磁控濺射技術(shù)生長一層50?300納米厚的ITO等導(dǎo)電薄膜，然后光刻刻蝕形成源、漏電極。
[0037]隨后按照標(biāo)準(zhǔn)工藝生長一層鈍化介質(zhì)層，光刻和刻蝕形成柵、源和漏的引出孔，再生長一層Al或者透明的導(dǎo)電薄膜材料，光刻和刻蝕形成電極和互連。
[0038]最后需要注意的是，公布實施方式的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，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)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1.一種氧化鋅鈣薄膜晶體管，包括襯底、柵電極、柵介質(zhì)層、半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道層、源區(qū)和漏區(qū)，其特征在于，所述半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道層采用摻鈣的氧化鋅納米晶半導(dǎo)體材料，鈣的含量占 2% -20% O
2.一種氧化鋅鈣薄膜晶體管的制備方法，具體步驟包括以下: 1)在玻璃或者塑料襯底上生長一層透明導(dǎo)電薄膜，光刻刻蝕出柵電極； 2)緊接著生長一層?xùn)沤橘|(zhì)薄膜，光刻刻蝕出柵介質(zhì)層； 3)在柵介質(zhì)層上利用濺射工藝生長一層摻鈣的氧化鋅納米晶半導(dǎo)體材料溝道層，濺射使用的靶材為摻鈣的氧化鋅陶瓷靶，鈣的含量占2% _20%，濺射過程中氧氣分壓控制在0% -15%，光刻刻蝕出溝道層； 4)生長一層導(dǎo)電薄膜，光刻刻蝕出源、漏電極； 5)生長一層鈍化介質(zhì)層，光刻和刻蝕形成柵、源和漏的引出孔； 6)生長一層金屬薄膜，光刻和刻蝕形成金屬電極和互連。
3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟I)所生長的導(dǎo)電薄膜為30?150納米厚的透明導(dǎo)電薄膜材料ITO、AZO或GZ0。
4.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟2)所生長的柵介質(zhì)材料為二氧化硅、氮化硅、氧化鉿、氧化鋁或氧化鋯。
5.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟4)所生長的導(dǎo)電薄膜為透明導(dǎo)電材料 ITO、AZO 或 GZO。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種薄膜晶體管及其制備方法，屬于半導(dǎo)體行業(yè)、平板顯示領(lǐng)域。本發(fā)明的核心在于采用摻鈣的氧化鋅半導(dǎo)體材料作為薄膜晶體管的導(dǎo)電溝道層，制備的半導(dǎo)體薄膜晶粒尺寸低于20nm，且分布均勻，屬于納米晶氧化物半導(dǎo)體。這種工藝方法具有步驟簡單，制造成本低廉，均勻性好，用于低溫工藝，對提高薄膜晶體管器件的性能具有積極效果，改善了器件的遷移率、開關(guān)比、閾值電壓、亞閾擺幅等方面的性能，適用于透明顯示和柔性顯示技術(shù)。
【IPC分類】H01L29-227, H01L21-34, H01L29-786
【公開號】CN104766892
【申請?zhí)枴緾N201510158994
【發(fā)明人】韓德棟, 郁文, 王漪, 石盼, 叢瑛瑛, 張翼, 董俊辰, 周曉梁, 黃伶靈, 張盛東, 劉力鋒, 劉曉彥, 康晉鋒
【申請人】北京大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月3日