一种非晶氧化锌基薄膜晶体管及其制备方法.pdf

本发明公开了一种非晶氧化锌基薄膜晶体管及其制备方法。本发明的非晶氧化锌基薄膜晶体管包括：衬底、栅电极、栅介质层、沟道层、源电极和漏电极；其中，沟道层的材料采用掺铝锡的氧化锌半导体材料，氧化铝含量为3%～9%（质量），氧化锡含量为3%～50%（质量）。本发明制备的ATZO半导体薄膜晶粒尺寸在10nm左右，且分布均匀，属于纳米晶体氧化物半导体。这种工艺方法具有步骤简单，制造成本低廉，均匀性好，用于低温工艺，对提高薄膜晶体管器件的性能具有积极效果，改善了器件包括迁移率、开关比、阈值电压、亚阈摆幅率等方面的性能，适用于透明显示和柔性显示技术等优点。

权利要求书1.  一种非晶氧化锌基薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管包括：衬底（1）、栅电极（2）、 栅介质层（3）、沟道层（4）、源电极和漏电极（5）；其中，在衬底（1）上形成栅电极（2）， 在栅电极（2）上形成栅介质层（3），在栅介质层（3）上形成沟道层（4），以及在沟道层（4） 的两端分别形成源电极和漏电极（5）；所述沟道层（4）的材料采用掺铝锡的氧化锌半导体材 料，其中氧化铝含量为3%～9%（质量），氧化锡含量为3%～50%（质量）。 2.  如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述栅电极的材料为氧化铟锡ITO、氧化 锌铝AZO以及氧化氧化锌铝锡ATZO的透明的导电材料中的一种。 3.  如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述栅介质层的材料采用二氧化硅、氮化 硅、氧化铪、氧化铝以及氧化锆的绝缘材料中的一种。 4.  如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述源电极和漏电极为氧化铟锡ITO、氧 化锌铝AZO以及氧化氧化锌铝锡ATZO的透明的导电材料中的一种。 5.  一种权利要求1所述的非晶氧化锌基薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 1）在透明玻璃或者柔性塑料的衬底上淀积一层氧化铟锡ITO、氧化锌铝AZO或氧化氧 化锌铝锡ATZO等的透明的导电材料，然后光刻刻蚀形成栅电极； 2）生长一层绝缘材料作为栅介质层，然后光刻刻蚀出栅介质层； 3）利用溅射工艺生长一层氧化锌铝锡非晶半导体材料，溅射使用的靶材为掺铝锡的氧化 锌陶瓷靶，其中氧化铝的含量为3%～9%（质量），氧化锡的含量为3%～50%（质量）； 并且在溅射过程中加入0～30%（气体流量）适量的氧气生长一层氧化锌铝锡非晶半 导体材料，然后光刻刻蚀出半导体沟道层； 4）淀积一层ITO、AZO或ATZO等透明导电薄膜材料，然后光刻刻蚀形成源电极和漏 电极； 5）生长一层钝化介质层，光刻和刻蚀形成栅电极、源电极和漏电极的引出孔； 6）生长一层金属薄膜，光刻和刻蚀形成金属电极和互连。 6.  如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤1）中，采用溅射技术等生长一层ITO、 AZO或ATZO的透明导电薄膜材料形成栅电极。 7.  如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤2）中，采用等离子体增强化学气相 沉积法PECVD生长一层二氧化硅或者氮化硅的绝缘材料作为栅介质层；采用原子层沉积 （Atomic layer deposition）ALD生长一层氧化铪、氧化铝或者氧化锆的高K绝缘材料作栅介 质层。

说明书一种非晶氧化锌基薄膜晶体管及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体行业、平板显示领域，尤其涉及一种非晶氧化锌基薄膜晶体管及其制 备方法。
背景技术
随着信息化时代的逐步发展，信息显示技术也日趋成熟。在显示技术领域，平板显示技 术（如液晶显示器LCD）已经取代传统的体积笨重且耗能高的阴极射线管显示并占据主流地 位显示领域。
早期LCD平板显示，一般采用无源被动的形式，但其显示反应速度慢、对比度低，只适 用于显示品质要求不高的场合；而对于需要高性能显示要求的主流应用领域，包括手机、电 视、计算机等等，其逐步被有源矩阵显示所取代。有源显示的特点是各个像素单元相互独立， 可以分别对于特定的像素进行精确的操作，从而实现高品质画面输出。其中，作为开关转换 器件的薄膜晶体管则成为精确控制各像素，影响显示器性能的重要因素之一。
传统工艺使用氢化非晶硅和多晶硅薄膜晶体管和技术。但是氢化非晶硅材料的掺杂效率 和迁移率较低，不能满足薄膜晶体管逐渐向小尺寸、高充电能力和驱动能力发展的趋势；而 多晶硅技术引起制备温度高、工艺复杂、大面积均匀性差等工艺难点，难以实际应用。
除了硅基薄膜晶体管外，基于氧化锌基的新型薄膜晶体管技术在近年来逐步受到关注。 相比于硅基材料，氧化锌基薄膜晶体管具有诸多优势：氧化锌材料为宽禁带半导体材料，禁 带宽度为3.37eV，因此器件可以避免可见光的照射对其运行性能的影响，器件的结构更为简 单，制作成本降低；氧化锌基材料的制备温度低，并可采用多种制备方法，如溅射、ALD、 PLD、溶胶～凝胶法等；电学性能好，具有适中的载流子浓度和较高的迁移率，并可通过掺杂 改变；透明度高；材料价格低等。
目前，氧化锌基半导体薄膜材料正处于研究热点，采用不同掺杂的氧化锌基薄膜晶体管 层出不穷。常见的有氧化锌铟镓（Indium Gallium Zinc Oxide，IGZO），氧化锌铝（ZnO＋Al2O3， AZO），氧化锌铟（ZnO＋In2O3，IZO），氧化锌镁（ZnO＋MgO，MZO），氧化锌镓（ZnO ＋Ga2O3，GZO）等等。其中，IGZO应用较为广泛，并且已经投入工艺生产中。然而由于材 料中的In是稀有元素，地球中含量稀少，且In和Ga元素有毒，制造本高而且不环保。
氧化锌铝锡（ZnO＋Al2O3+SnO2,ATZO）还较少有人研究，且Al和Sn常见并无毒害， 环保健康，Al元素能稳定晶体结构，Sn元素能提高载流子迁移率，因而将氧化锌铝锡作为透 明导电材料研究。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种非晶氧化锌基薄膜晶体管及其制备方 法，本发明的制备方法工艺步骤简单，制造成本低廉，适用于低温工艺，并能简单有效的提 高了薄膜晶体管的各项性能。
本发明的一个目的在于提供一种非晶氧化锌基薄膜晶体管。
本发明的非晶氧化锌基薄膜晶体管包括：衬底、栅电极、栅介质层、沟道层、源电极和 漏电极；其中，衬底为透明玻璃或者柔性塑料，在衬底上形成栅电极，在栅电极上形成栅介 质层，在栅介质层上形成沟道层，以及在沟道层的两端分别形成源电极和漏电极；沟道层的 材料采用掺铝锡的氧化锌半导体材料，其中氧化铝含量为3%～9%（质量），氧化锡含量为 3%～50%（质量）。
栅电极的材料为氧化铟锡ITO、氧化锌铝AZO或氧化氧化锌铝锡ATZO等的透明的导电 材料。
栅介质层的材料采用二氧化硅、氮化硅、氧化铪、氧化铝或者氧化锆等的绝缘材料。
源电极和漏电极为氧化铟锡ITO、氧化锌铝AZO或氧化氧化锌铝锡ATZO等的透明的导 电材料。
本发明的非晶氧化锌基薄膜晶体管的制备方法包括以下步骤：
1）在透明玻璃或者柔性塑料的衬底上淀积一层氧化铟锡ITO、氧化锌铝AZO或氧化氧 化锌铝锡ATZO等的透明的导电材料，然后光刻刻蚀形成栅电极；
2）生长一层绝缘材料作为栅介质层，然后光刻刻蚀出栅介质层；
3）溅射生长一层氧化锌铝锡半导体材料，然后光刻刻蚀出半导体沟道层；
4）淀积一层ITO、AZO或ATZO等透明导电薄膜材料，然后光刻刻蚀形成源电极和漏 电极；
5）生长一层钝化介质层，光刻和刻蚀形成栅电极、源电极和漏电极的引出孔；
6）生长一层金属薄膜，光刻和刻蚀形成金属电极和互连。
其中，在步骤1）中，采用溅射技术等生长一层ITO、AZO、ATZO等透明导电薄膜材料 形成栅电极。
在步骤2）中，采用等离子体增强化学气相沉积法PECVD生长一层二氧化硅或者氮化硅 等绝缘材料作为栅介质层；采用原子层沉积（Atomic layer deposition）ALD生长一层氧化铪、 氧化铝或者氧化锆等高K绝缘材料作栅介质层。
在步骤3）中，利用溅射工艺生长一层氧化锌半导体材料形成沟道层，溅射使用的靶材 为掺铝锡的氧化锌陶瓷靶，其中氧化铝的含量为3%～9%（质量），氧化锡的含量为3%～50% （质量）；并且在溅射过程中加入0～30%（气体流量）适量的氧气。
本发明的氧化锌铝锡薄膜晶体管，采用氧化锌铝锡作为透明半导体导电沟道，在制备过 程中采用独特工艺使氧化锌铝锡呈现出半导体特性，并且显示出高迁移特性，具有较小的晶 粒尺寸且分不均匀，有效的提高了薄膜晶体管的性能，降低了工业制造成本，使制备工艺更 加绿色环保。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种在玻璃或者塑料的衬底上制备氧化锌铝锡ATZO非晶薄膜晶体管的 方法，制备的ATZO半导体薄膜晶粒尺寸在10nm左右，且分布均匀，属于纳米晶体氧化物 半导体。这种工艺方法具有步骤简单，制造成本低廉，均匀性好，用于低温工艺，对提高薄 膜晶体管器件的性能具有积极效果，改善了器件包括迁移率、开关比、阈值电压、亚阈摆幅 率等方面的性能，适用于透明显示和柔性显示技术等优点。
附图说明
图1为采用本发明的非晶氧化锌基薄膜晶体管的制备方法制备的在衬底上的薄膜晶体管的剖 面图；
图2为采用本发明的非晶氧化锌基薄膜晶体管的制备方法制备的在衬底上的薄膜晶体管的俯 视图；
图3（a）～（e）依次示出了本发明的在衬底上的非晶氧化锌基薄膜晶体管的制备方法的一个 实施例的主要工艺步骤，其中，（a）为柔性衬底的结构示意图，（b）为形成栅电极的工艺步 骤，（c）为形成栅介质层的工艺步骤，（d）为形成沟道层的光刻图案的工艺步骤，（e）为形 成源电极和漏电极的工艺步骤；
图4为采用本发明的非晶氧化锌基薄膜晶体管的制备方法制备的ATZO薄膜晶体管原子力显 微镜AFM图；
图5为采用本发明的非晶氧化锌基薄膜晶体管的制备方法制备的ATZO薄膜晶体管与AZO薄 膜晶体管的转移特性对比的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
如图1和图2所示，本发明的非晶氧化锌基薄膜晶体管包括：衬底1、栅电极2、栅介质 层3、沟道层4、源电极和漏电极5，其中，在衬底1上形成栅电极2，在栅电极2上形成栅 介质层3，在栅介质层3上形成沟道层4，以及在沟道层4的两端分别形成源电极和漏电极5。
本发明的薄膜晶体管的制备制作方法的一个实施例由图3（a）至（e）所示，包括以下步 骤：
1）采用透明玻璃或者塑料作为衬底1，如图3（a）所示，在衬底1上采用磁控溅射技术 生长一层50～150纳米厚的ITO的导电薄膜，然后光刻刻蚀出栅电极2，如图3（b）所示；
2）利用等离子体增强化学气相沉积法PECVD生长一层60～180纳米厚的二氧化硅层， 然后光刻刻蚀形成栅介质层3，如图3（c）所示；
3）利用溅射工艺生长一层掺铝锡的氧化锌半导体材料，溅射过程中加入0～30%的氧气， 光刻刻蚀形成沟道层4，溅射使用的靶材为掺铝锡的氧化锌陶瓷靶，氧化铝的含量为3%～9%， 氧化锡的含量为3%～50%，如图3（d）所示；
3）采用磁控溅射技术生长一层50～150纳米厚的ITO的导电薄膜，然后光刻刻蚀形成源 电极和漏电极5，如图3（e）所示；
4）按照标准工艺生长一层钝化介质层，光刻和刻蚀形成栅电极、源电极和漏电极的引出 孔；
5）生长一层Al或者透明的导电的金属薄膜，光刻和刻蚀形成电极和互连。
图4为按上述方法制备的一个ATZO薄膜的原子力显微镜照片，如图所示，ATZO的晶 粒尺寸较小，约10nm，且分布均匀，表面粗糙度RMS为0.932nm。
图5为ATZO TFT和AZO薄膜晶体管的转移特性对比图。图中，符号□■和○●分别代 表ATZO和AZO薄膜晶体管。两种晶体管是在相同的条件下制备的。由图可知，ATZO薄 膜晶体管开态电流明显高于AZO薄膜晶体管。其中，本发明制备的ATZO薄膜晶体管的迁移 率μFE-ATZO=145.33cm2/Vs，而AZO薄膜晶体管的迁移率μFE-AZO=62.84cm2/Vs，可见本发明制 备的ATZO薄膜晶体管对比于AZO薄膜晶体管，其特性明显提高。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技 术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是 可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求 书界定的范围为准。