一种提高ZnON薄膜迁移率和稳定性的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种提高ZnON薄膜迀移率和稳定性的方法。
【背景技术】
[0002]随着信息显示技术的不断发展，液晶显示已遍布于人们的日常生活和工作中。平板显示器件正在向小型化、轻量化、品质高、耗能低等方向发展，而薄膜晶体管又是显示技术的核心驱动元件，因此，制备高迀移率、高稳定性的薄膜晶体管沟道材料对新型信息显示技术的发展至关重要。
[0003]目前市场上液晶显示器的驱动元件主要是以非晶硅薄膜晶体管、低温多晶硅薄膜晶体管以及以铟镓锌氧为代表的非晶氧化物薄膜晶体管。非晶硅薄膜晶体管具有均匀性、生产成本低等优点，但是非晶硅的迀移率低(?lcmVVs)、稳定性差等缺点；低温多晶硅薄膜晶体管具有迀移率高等优点，但是低温多晶硅的均匀性差，不利于大面积制造，生产成本高。因此，硅基薄膜晶体管不能满足以高分辨率、大尺寸和高帧数为特点的下一代信息显示的要求。铟镓锌氧薄膜晶体管虽然很好的解决了非晶硅迀移率和低温多晶硅均匀性差的问题，但是由于铟镓锌氧的氧空位等缺陷密度比较高、存在持续光电流、制造工艺再现性差、薄膜晶体管的重复性以及在光照、偏压、气氛下的稳定性还有待提高，而且铟镓锌氧薄膜晶体管含有铟、镓等稀土金属元素，这将严重限制生产成本的降低。因此人们积极寻找新一代具有优良性能、高迀移率的材料，作为薄膜晶体管的沟道材料。
[0004]目前已有报道关于ZnON基高迀移率薄膜晶体管的研制，并已成功用于3.8英寸QVGA显示的背板驱动。与铟镓锌氧相比，ZnON具有如下优势:(I)电子有效质量小，迀移率高；(2)通过抬高价带屏蔽了氧空位，使带内缺陷密度降低，同时也避免了持续光电流的产生；(3)在光照下的稳定性显著提高；(4)易于大面积制造，原材料丰富，制备方法简单可靠。ZnON仍属于新型的非晶氧化物材料，对它的材料物理特性研究仍处于初级阶段，尤其是ZnON材料的化学稳定性和结构稳定性仍未得到有效解决。所以，对ZnON材料的进一步研究，提高ZnON的迀移率和稳定性至关重要，这将决定着下一代显示技术的发展。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提出了一种提高ZnON薄膜的迀移率和稳定性的方法，解决了ZnON薄膜在空气中老化失效的问题，同时提高了ZnON薄膜的迀移率和稳定性，为制备出性能良好的薄膜晶体管打下了坚实的基础，有望实现下一代显示技术向高分辨率、大尺寸、高帧数的方向发展。
[0006]本发明是通过以下技术方案来解决问题的:一种提高ZnON薄膜迀移率和稳定性的方法，其特征在于，包括以下步骤:采用三明治结构的ZnON薄膜，三明治结构基底上的夹层为富氮ZnON薄膜2，夹层上部的覆盖层为富氧ZnON薄膜3，采用反应射频磁控溅射制备三明治结构的ZnON薄膜(异质结)，以纯度为99.999%的锌靶为溅射靶材，以氩气、氮气、氧气的混合气体为派射气体，生长ZnON薄膜前派射室的背景真空度小于2 X 10—7Torr,以排净派射室中的空气，射频功率为120-300W，衬底温度为室温至100°C，生长ZnON薄膜前对高纯锌靶材利用氩离子束预溅射5-15分钟;通过两步反应射频磁控溅射生长的方法，第一步:氩气、氮气、氧气的流量分别为208(:011、10080011、0.8-580011，薄膜厚度为20-150纳米，第一步生长得到一层富氮的ZnON薄膜2 ;第二步:氩气、氮气、氧气的流量分别为20sccm、lOOsccnKS-SOsccm， 第二步生长得到一层富氧的 ZnON 薄膜 3， 薄膜层厚为 5-30 纳米。
[0007]所述溅射气体的纯度均为99.999%。
[0008]在溅射的过程中，溅射室压强保持为4-20mTOrr。
[0009]所述生长ZnON薄膜前预溅射的功率为120-300W。
[0010]三明治结构中夹层富氮ZnON和覆盖层富氧ZnON的氮气和氩气流量固定为lOOsccm和20sccm，氧气流量分别为0.8_5sccm和8_20sccm。
[0011]对生长的ZnON薄膜在不同气氛、不同温度下进行退火处理，所述的不同气氛为氮气、真空、一氧化二氮和氧气;所述的不同温度为250°C_500°C。
[0012]退火时间均为60分钟，升温速率为30°C/min，自然冷却至室温。
[0013]相比现在已经报道的结果，本发明的有益效果:
[0014](I)采用两步生长方法:第一步三明治结构中夹层富氮ZnON和第二步原位制备覆盖层富氧ZnON，提高了晶体管沟道层的稳定性，抑制后续晶体管器件的功能老化衰退。已研究了没有覆盖层富氧ZnON的ZnON薄膜在空气中放置90天后完全变为ZnO。
[0015](2)对生长的ZnON薄膜在氮气或真空中、300°C?350°C范围内退火60分钟，可得到迁移率高达77.6 cm2/vs。
[0016](3)所述ZnON薄膜无论未退火或是退火的样品在空气中放置200天后均未明显变化，ZnON薄膜的稳定性得到了明显提升。
【附图说明】
[0017]图1是本发明所述的采用两步生长法制备的三明治结构的ZnON薄膜。
[0018]图2是本发明所述的ZnON薄膜的霍尔测试结果，图中(a):Ζη0Ν薄膜在300°C、不同退火气氛下退火lh; (b):Ζη0Ν薄膜在真空中不同温度下退火lh。
[0019]图3是本发明所述的ZnON薄膜未退火样品、真空中300°C退火Ih和真空中500°C退火Ih的GIXRD图。
[0020]图4是本发明所述的ZnON薄膜未退火样品、真空中300°C退火Ih和真空中500°C退火I h的Raman散射谱。
[0021]图5是本发明所述的ZnON薄膜的SEM图，图中(a):未退火样品；(b):真空中300°C退火lh; (c):真空中500°C退火lh。
【具体实施方式】
[0022]本发明提出了一种提高ZnON薄膜的迀移率和稳定性的方法，以下结合具体实施例和附图对其作进一步的说明。
[0023]提高ZnON薄膜迀移率和稳定性的方法，包括以下一般步骤:
[0024]选用硅片、石英、玻璃或柔性衬底作为生长ZnON薄膜的衬底;采用反应射频磁控溅射，以纯度为99.999%的锌靶为溅射靶材，以氩气、氮气、氧气的混合气体为溅射气体，溅射室的背景真空度小于2 X 1-7Torr，以排净溅射室中的空气，射频功率为120-300W，衬底温度为室温至100°C，生长ZnON薄膜前对高纯锌靶材利用氩离子束预溅射15分钟，有效去除靶材表面的污染物，降低生长薄膜中的杂质浓度和提高薄膜的晶体质量。本发明采用两步生长方法制备富氧ZnON/富氮ZnON三明治结构。第一步生长:氩气、氮气、氧气的流量分别为20sccm、lOOsccm、0.8_5sccm，薄膜厚度为20-150纳米;第二步生长:氩气、氮气、氧气的流量分别为20sccm、lOOsccm、8_20sccm，薄膜层厚为5-30纳米。最后对生长的ZnON薄膜在不同气氛、不同温度下进行退火处理，从而得到具有高迀移率、高稳定性的ZnON薄膜材料。
[0025]较为优选的，生长ZnON薄膜前先预溅射，预溅射选用氩气为工作气体，以15分钟为宜，以去除锌靶表面的污染物，进一步减小ZnON薄膜中杂质浓度，提高ZnON薄膜的质量。
[0026]较为优选的，本发明采用两步生长方法，第一步生长得到一层富氮的ZnON薄膜2，第二步生长得到一层富氧的ZnON薄膜3，而富氧的ZnON薄膜具有绝缘、致密特点，难与空气中的氧气和水分发生反应，从而提高了 ZnON薄膜的稳定性。
[0027]较为优选的，第一步生长氧气的流量为0.8-1.5SCCm，第二步生长氧气的流量为8-12sccm0
[0028]进一步的，对生长的ZnON薄膜进行退火处理，退火气氛分别为氮气、真空、一氧化二氮和氧气；退火温度分别为250°C、300°C、350°C、400°C、450°C和500°C;退火的时间为30分钟和60分钟。
[0029]较为优选的，所述退火气氛以还原性气氛氮气和真空为宜，退火温度为300°C?350°C，退火时间为60分钟。
[0030]ZnON薄膜的生长过程和后退火处理过程的具体操作步骤如下:
[0031]步骤1:选用硅片作为生长ZnON薄膜的衬底，硅表面有一层热氧化200nm的二氧化娃；
[0032]步骤2:选用磁控溅射设备，锌靶作为锌源，氧气作为氧源，氮气作为氮源，氩气作为保护气体，将清洗过的衬底放在磁控溅射设备的衬底托盘上，具体清洗过程如下:
[0033](I)将衬底置于烧杯I中，加入适量的去离子水，超声清洗1min;
[0034](2)将衬底置于烧杯2中，加入适量的丙酮溶液，超声清洗1min;
[0035](3)将衬底置于烧杯3中，加入适量的酒精溶液，超声清洗1mi