一种氧化镁钛高介电常数薄膜及其制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明属于氧化物介质层薄膜【技术领域】，具体为一种氧化镁钛高介电常数薄膜及其制备方法和应用。本发明以乙二醇单甲醚为溶剂，浓盐酸为稳定剂，将Mg(OC2H5)2、Ti(C4H9O)4溶解其中，形成澄清稳定的前驱体溶液；将前驱体溶液旋转涂覆于玻璃基板上，经预热处理及后续高温热处理得到氧化镁钛薄膜。本发明还涉及采用氧化镁钛作为栅介质层的薄膜晶体管。以氧化镁钛薄膜作为栅介质层材料的IZO薄膜晶体管，开关电流比为6×106，饱和迁移率为3.4cm2/Vs，亚阈值摆幅为0.32V/dec。
【专利说明】一种氧化镁钛高介电常数薄膜及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于氧化物介质层薄膜【技术领域】，具体涉及一种氧化镁钛高介电常数薄膜及其制备方法，以及该氧化镁钛作为栅介质材料在薄膜晶体管中的应用。
【背景技术】
[0002]薄膜晶体管(ThinFilm Transistor: TFT)是一种场效应晶体管(Field EffectTransistor: FET),由半导体有源层即沟道层、介质层即绝缘层、栅电极、源电极和漏电极构成。作为电子开关广泛应用于液晶显示器件(Liquid Crystal Displays: LCD)和有源矩阵有机发光二极管显不器(Active Matrix Organic Light Emitting Diode: AMOLED)。薄膜晶体管技术已经成为平板显示(FPD)的象征性技术，当前的制备技术已经可以在对角线数米(m)长的基板上制备几千万个数微米(μ m)大小的TFT阵列。
[0003]随着显示技术的不断进步，人们对显示器件提出了更苛刻的要求，高分辨率、大尺寸、低功耗。而随着显示器分辨率的不断提高，所用驱动的晶体管密度也在不断加大，必然导致功耗的上升。随之出现的还有由于薄膜晶体管尺寸缩小栅介质层厚度变薄引起的漏电问题。目前最长采用的栅介质层材料为SiO2，其具有相当优异的界面性能及透明性。但是由于其自身的介电常数较低，耦合的电容较小，器件需要较大的电压驱动。采用高介电常数(high-k)材料替代传统的SiO2是最有可能解决上述问题的途径。High-k材料，因其很高的介电常数，可以有效的降低薄膜晶体管的驱动电压，而且在器件尺寸缩小时，还可以有效的抑制上电极的漏电，从而降低器件功耗，提高器件的稳定性。
[0004]在众多的high-k材料中，氧化镁由于具有7.3 eV的禁带宽度，优良的界面性能，出色的漏电流密度，受到广泛的关注。然而，美中不足的是与其他常见的high-k材料相比，氧化镁的介电常数较低(-9.6)。而二氧化钛是另一种常见的high-k材料，其介电常数高达100以上，而且具有无毒无污染的特点。二氧化钛因其较窄的禁带宽度(3.0 - 3.2 eV),虽具有极高的介电常数，却并不适合作为介质层材料。
[0005]随着显示技术的发展，面板的尺寸越来越大， 工艺线宽越来越低，随之而来的就是呈几何级数增长的生产成本。高昂的真空设备及运转成本几乎成了制约氧化物TFT在大尺寸平板显示领域发展的障碍。而溶胶凝胶法在这方面具有天然的优势，溶胶凝胶法是利用有机溶剂或水溶解相应的金属盐类，在一定的温度条件下搅拌形成稳定的溶胶，并利用旋转涂覆、喷墨打印、提拉、喷雾热解等方法，沉积氧化物薄膜。与传统的物理气相沉积(Physical Vapor Deposition, PVD)及化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)相比，溶液法无需昂贵的真空设备和靶材；通过前驱体溶液中各组分的配比，可有效控制制备薄膜的组分；制备的薄膜具有可与PVD/CVD相比拟的平整度等优点。
[0006]2OO7 年，Giovanni 等人报道了利用 Metal Organic Chemical Vapor Deposition(MOCVD)方法制备的氧化镁钛薄膜，但并未涉及薄膜的光学及电学性能。本发明提出氧化镁钛前驱体的配制方法及薄膜的制备方法，获得了表面平整、光学和电学性能优良的氧化镁钛薄膜，并将其应用到IZ0薄膜晶体管中，获得了良好的器件性能。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提出了一种工艺简单、成本较低的氧化镁钛薄膜的制备方法，包括前驱体的配制，及薄膜的制备。
[0008]本发明提供的氧化镁钛薄膜的制备方法，采用溶胶凝胶法，具体步骤如下:
(1)配制镁钛前驱体溶液
以乙二醇单甲醚为溶剂，将乙醇镁|^(0(:2!15)2溶解其中，经0.2 - 2.0小时搅拌形成澄清溶液；再将钛酸四丁酯Ti (C4H9O) 4溶解其中，经0.2 - 1.0小时搅拌至澄清溶液；然后向其中加入质量浓度为38%的浓盐酸，并进行振荡，形成澄清稳定的前驱体溶液，然后静置45-60小时，形成镁钛溶胶；其中乙二醇单甲醚与浓盐酸的体积比为9:1 - 10:3，溶液中Mg离子、Ti离子的摩尔比为0.9:0.1 - 0.1:0.9，Mg离子摩尔浓度为0.1 - 1.5 M ；
(2)制备氧化镁钛薄膜
将步骤(1)制备的镁钛溶胶旋转涂覆于玻璃基板上，进行预热处理；再涂覆镁钛溶胶，经反复几次；然后在大气中进行高温热处理，得到目标厚度的氧化镁钛薄膜TixMgl_x0，X =
0.01 - 0.99。涂覆镁钛溶胶的次数根据氧化镁钛薄膜的厚度要求确定。
[0009]本发明中，所述制备氧化镁钛薄膜时，旋转涂覆转速为1000 - 6000转/分钟，每次涂覆时间为20 - 40秒。
[0010]本发明中，所述预热处理温度为100 - 350°C，每次预热处理时间5 - 30分钟。
[0011]本发明中，所述高温`热处理步骤为:将经预热处理后的薄膜，从室温开始以5 -20°C每分钟的升温速率升温，直至400 - 500°C，恒温维持30 - 240分钟，然后自然冷却至室温。
[0012]本发明方法制备得到的氧化镁钛薄膜具备优良的介电常数，当前驱体中Mg离子与Ti离子摩尔百分比从0.95:0.05变化到0.4:0.6时，制备得到的氧化镁钛薄膜的介电常数从10.5变化到21.3。
[0013]本发明还提供一种以氧化镁钛薄膜作为栅介质层的薄膜晶体管(ΙΖ0)。该薄膜晶体管开关电流比为6 X 106，饱和迁移率为3.4 cm2/Vs，亚阈值摆幅为0.32 V/dec。
[0014]本发明还提供采用氧化镁钛薄膜作为栅介质层的薄膜晶体管的制备方法，具体步骤如下:
(1)在玻璃基板上沉积Al栅电极；
(2)采用上述溶胶凝胶法，在已经沉积Al栅电极的基板上制备氧化镁钛薄膜，作为栅介质层；
(3)在上述氧化镁钛栅介质层上制备IZO半导体薄膜；
(4)在IZO半导体薄膜上制备源、漏电极，得到薄膜晶体管。
[0015]本发明采用38%的浓盐酸作为稳定剂加入前驱体溶液中，盐酸的引入可以有效抑制前驱体的水解和醇解过程，确保薄膜在预热处理过程中不至于水解过快导致薄膜粗糙甚至浑浊。多次预热再旋涂方法，与单次旋涂制备相同厚度的氧化镁钛薄膜相比，制备的薄膜具有更少缺陷，更优的介电性能，更平整的表面。采用上述氧化镁钛作为栅介质层的IZO薄膜晶体管开关电流比为6 X 106，饱和迁移率为3.4 cm2/Vs，亚阈值摆幅为0.32 V/dec。【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为实例中制备的180 nm氧化镁钛薄膜的透射率曲线。
[0017]图2为实例中制备的180 nm氧化镁钛薄膜的电容-电压扫描曲线。
[0018]图3为实例中制备的薄膜晶体管的转移特性曲线。
[0019]图4为实例中制备的薄膜晶体管的输出特性曲线。
【具体实施方式】
[0020]下面通过实例进一步具体描述本发明。
[0021]1.一种氧化镁钛薄膜的制备方法，具体步骤如下:
(I)配制镁钛前驱体溶液
以乙二醇单甲醚为溶剂，将乙醇镁|^(0(:2!15)2溶解其中，经I小时搅拌形成澄清溶液后，再将钛酸四丁酯Ti (C4H9O)4溶解其中，经0.2小时搅拌至澄清溶液，然后向其中加入浓度为38%的浓盐酸，并剧烈振荡，搅拌4小时后后静置48小时形成溶胶，使用前用孔径为
0.22微米的过滤筛将溶液过滤。其中乙二醇单甲醚与浓盐酸的体积比为9:1，溶液中Mg离子、Ti离子的摩尔比为1.0:0 - 0.4:0.6，Mg离子摩尔浓度为0.2M。
[0022]( 2 )制备氧化镁钛薄膜
将步骤(1)制备的镁钛溶胶旋转涂覆于玻璃基板上，预热处理后重复涂覆镁钛溶胶，经反复几次后再经大气中的高温热处理得到目标厚度的氧化镁钛薄膜。
[0023]所述的溶胶凝法制备氧化镁钛薄膜的方法，旋转涂覆转速为1500转/分钟，时间为20秒。
[0024]所述的溶胶凝胶法制备氧化镁钛薄膜的方法，采用的预热处理温度为150°C，时间15分钟；经预热处理后的薄膜，从室温开始以10°C每分钟的升温速率升温，直至500°C，恒温维持60分钟，自然冷却至室温。
[0025]一种采用所述氧化镁钛薄膜作为栅介质层的薄膜晶体管，制备方法如下:
(1)利用热蒸发的方法在普通玻璃基板上沉积Al栅电极；
(2)在已经沉积Al栅电极的基板上，利用旋凃(1500转/分钟，时间20秒)及预热处理(150°C，时间15分钟)的方法沉积氧化镁钛薄膜；
(3)将上述薄膜从室温以10°C每分钟的升温速率升温，直至500°C，恒温维持60分钟，自然冷却至室温，得到180 nm氧化镁钛栅介质层薄膜；
(4)在上述氧化镁钛栅介质层上制备IZO半导体薄膜；
(5)在IZO半导体薄膜上制备源、漏电极，得到薄膜晶体管。
[0026]不同Mg:Ti摩尔比薄膜的透射曲线如图1所示。氧化镁钛薄膜在可见光区具有良好的光学透过率，Ti摩尔含量低于40%的薄膜在可见光区的透过率高达85%以上。图2为氧化镁钛薄膜电容-电压扫描曲线随Mg =Ti摩尔比的变化曲线。以此扫描曲线估算得到的薄膜介电常数分别为 10.5 (Mg0.95Ti0.050), 12.3 (Mga9TiaiO), 13.5 (Mga8Tia2O)，15.9(Mga7Tia3O), 17.2 (Mga6Tia4O)，21.3 (Mga4Tia6O)。图 3、图 4 分别为采用 Mg:Ti 摩尔比
0.6:0.4氧化镁钛薄膜作为栅介质层的IZO薄膜晶体管的转移特性曲线及输出特性曲线。器件的开关电流比为6X106，饱和迁移率为3.4 cm2/Vs，亚阈值摆幅为0.32 V/dec。
【权利要求】
1.一种氧化镁钛高介电常数薄膜的制备方法，其特征在于具体步骤如下: (1)配制镁钛前驱体溶液 以乙二醇单甲醚为溶剂，将乙醇镁|^(0(:2!15)2溶解其中，经0.2 - 2.0小时搅拌形成澄清溶液；再将钛酸四丁酯Ti (C4H9O) 4溶解其中，经0.2 - 1.0小时搅拌至澄清溶液；然后向其中加入质量浓度为38%的浓盐酸，并进行振荡，形成澄清稳定的前驱体溶液，再静置45 -60小时，形成溶胶；其中乙二醇单甲醚与浓盐酸的体积比为9:1 - 10:3，溶液中Mg离子、Ti离子的摩尔比为0.9:0.1 - 0.1:0.9，Mg离子摩尔浓度为0.1 - 1.5 M ； (2)制备氧化镁钛薄膜 将步骤(1)制备的镁钛溶胶旋转涂覆于玻璃基板上，进行预热处理；再旋转涂覆镁钛溶胶，经反复几次；然后在大气中进行高温热处理，得到目标厚度的氧化镁钛薄膜TixMgl_x0, X = 0.01 - 0.99 ;涂覆镁钛溶胶的次数根据氧化镁钛薄膜的厚度要求确定。
2.根据权利要求1所述的氧化镁钛高介电常数薄膜的制备方法，其特征在于所述旋转涂覆的转速为1000 - 6000转/分钟，每次涂覆时间为20 - 40秒。
3.根据权利要求2所述的氧化镁钛高介电常数薄膜的制备方法，其特征在于所述的预热处理温度为100 - 350°C，每次预热处理时间5 - 30分钟。
4.根据权利要求3所述的氧化镁钛高介电常数薄膜的制备方法，其特征在于所述高温热处理的步骤为，经预热处理后的薄膜，从室温开始以5 - 20°C每分钟的升温速率升温，直至400 - 500°C，恒温维持30 - 240分钟，自然冷却至室温。
5.一种由权利要求1 - 4之一所述制备方法制备得到的氧化镁钛高介电常数薄膜，该薄膜具备优良的介电常数，当前驱体中Mg离子与Ti离子摩尔百分比从0.95:0.05变化到0.4:0.6时，制备得到的氧化镁钛薄膜的介电常数从10.5变化到21.3。
6.一种如权利要求5所述氧化镁钛高介电常数薄膜作为栅介质层在薄膜晶体管中的应用。
7.一种以权利要求5所述氧化镁钛高介电常数薄膜作为栅介质层的薄膜晶体管。
【文档编号】H01L29/51GK103489766SQ201310420583
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】浦海峰, 张群 申请人:复旦大学