处理的非晶igzo透明氧化物薄膜及其制备方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于IXD、LED显示器领域，具体涉及一种H2处理的非晶IGZ0透明氧化物 薄膜及其制备方法。
【背景技术】：
[0002] 薄膜晶体管（TFT, Thin Film Transistor)是 TFT-LCD 和 AM0LED 有源驱动的核心 部件，对显不质量的提尚有决定性影响。
[0003] 图1是TFT基本结构及工作原理图。以栅极（Gate)作输入端，漏电极（Drain) 作输出端，源电极（Source)接地。施加足够大的栅压后，半导体内载流子向绝缘层（Gate Insulator)移动，在有源层与绝缘层界面靠近绝缘层内形成了导电沟道，晶体管导通，称之 为增强型。没有施加栅压时半导体仍有导通电流的称为耗尽型。然后施加漏电压，在偏压 的作用下，沟道内的载流子开始漂移，形成漏电流。
[0004] TFT器件的一个重要参数就是电流开关比。它指的是开态电流（IJ和关态电流 (IDff)的比（I Dn/IDff)，反映了开和关的相对能力。我们希望开态电流大，关态电流小，开关比 大。因为开态电流越高代表驱动能力越强，且开关比大意味着器件抗干扰能力、稳定性好。 材料特性方面，TFT的载流子迀移率越大，其开态电流越大，晶体管开关速度提高。
[0005] 其次，薄膜的电阻是与薄膜内部的载流子浓度和载流子迀移率成反比的。薄膜电 阻越低，器件的功耗也就越低。因此薄膜的载流子浓度及电阻也是决定薄膜性能的重要因 素。
[0006] TFT若使用全透明的氧化物材料，能够大大提高有源矩阵薄膜晶体管开口率，开口 率是像素有效透光区域面积与像素总面积的比值。开口率越大，显示器对光学利用率越高， 亮度越高，功耗降低。因此，采用迀移率高、透明的半导体材料对TFT的性能提高有很大的 意义。
[0007] 对于薄膜晶体管，有源层（沟道层）材料的质量对载流子在导电沟道内的传输影 响很大。目前使用的TFT沟道层材料主要有四种：非晶硅（a-Si)、多晶硅（poly-Si)、有机 材料和氧化物。
[0008] 随着TFT的发展，传统单一的沟道非晶硅，多晶硅材料已经越来越难满足高速发 展的器件性能要求。无一例外的出现了制作工艺复杂，成本高稳定性差等缺点。研究者做出 大量工作以期优化和改善TFT沟道层的工作性能，研究了多种不同的氧化物沟道层材料， 比如有学者提出选用透明ZnO薄膜制备沟道层，以提高其开关比和光透过率。也有学者在 ZnO薄膜中加入In，Ga等元素使其变成非晶结构以提高其载流子迀移率。还有学者利用脉 冲激光沉积的方法制备出非晶态的IGZ0透明氧化物薄膜作为沟道层材料。尽管这些设计 都在不同程度上对介质保护膜的性能改善有一定的提高，但仍不能满足TFT的性能要求， 因此，对于TFT沟道层材料的改性研究还有待于改善。
【发明内容】
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[0009] 本发明的目的在于针对上述缺陷或不足，提供了一种H2处理的非晶IGZ0透明氧 化物薄膜及其制备方法，制备得到的薄膜载流子浓度很高，载流子迀移率较高，方阻很低。
[0010] 为达到以上目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
[0011] -种H2处理的非晶IGZ0透明氧化物薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0012] 1)在生长有3102的Si基片上溅射IGZ0非晶薄膜，得到生长有IGZ0非晶薄膜的 娃基片；
[0013] 2)将生长有IGZ0非晶薄膜的硅基片利用气氛保护退火管式炉在H2气氛下 350-450°C保温45-75分钟，得到非晶IGZ0透明氧化物薄膜。
[0014] 本发明进一步的改进在于，步骤1)中，采用JPG-450a型双室磁控溅射设备溅 射IGZ0非晶薄膜，其中，靶材为IGZ0靶，通入纯度为99.99%的氩气；溅射功率801，偏 压-100V，氩气流量50sccm，工作气压为0. 2Pa;预溅射时间为15min，溅射时间为90min。
[0015] 本发明进一步的改进在于，步骤2)中，将生长有IGZ0非晶薄膜的硅基片利用气氛 保护退火管式炉在N2气氛下400°C保温60分钟，得到非晶IGZ0透明氧化物薄膜。
[0016] 本发明进一步的改进在于，步骤2)中，非晶IGZ0透明氧化物薄膜是通过在体积分 数为3~5%的H 2气氛下400°C保温60分钟制备而成的。
[0017] 本发明进一步的改进在于，体积分数为3~5%的H2气氛为体积比1:32~1:19 的氏与N 2混合气体。
[0018] -种H2处理的非晶IGZ0透明氧化物薄膜，该非晶IGZ0透明氧化物薄膜包括In、 Ga、Zn及0四种成分；其中，In的原子数百分含量为18~21%，Ga的原子数百分含量为 18~21%，Zn的原子数百分含量为8~10%，0的原子数百分含量为48~56%。
[0019] 本发明进一步的改进在于，所述非晶IGZ0透明氧化物薄膜厚度为150~300nm。
[0020] 本发明进一步的改进在于，所述非晶IGZ0透明氧化物薄膜是非晶结构。
[0021] 与现有技术比较，本发明的有益效果为：
[0022] 本发明提供的一种H2处理的非晶IGZ0透明氧化物薄膜及其制备方法，在基片上 生长IGZ0透明氧化物薄膜，并在将此薄膜在H 2气氛下350-450 °C保温45-75分钟。由于退 火可以减少有源层内部的悬挂键，减少其内部缺陷，提高器件的稳定性。并且很大程度上提 高了氧空位的浓度，继而提高了载流子浓度，有效降低器件的电阻，减低器件功耗。
【附图说明】：
[0023] 图1为TFT基本结构及工作原理图。
[0024]图2为本发明制备的非晶IGZ0透明氧化物薄膜的透射电镜照片。
[0025] 图3是不同退火温度下薄膜的载流子浓度、迀移率示意图。
[0026] 图4为不同退火温度下薄膜的方阻示意图。
【具体实施方式】：
[0027] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
[0028] -种H2处理的非晶IGZ0透明氧化物薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0029] 1)在生长有3102的Si基片上溅射IGZ0非晶薄膜，得到生长有IGZ0非晶薄膜的 娃基片；
[0030] 2)将生长有IGZ0非晶薄膜的硅基片利用气氛保护退火管式炉在N2气氛下 350-450°C保温45-75分钟，得到非晶IGZ0透明氧化物薄膜。
[0031] 具体来说，步骤1)中，采用JPG_450a型双室磁控溅射设备溅射IGZ0非晶薄膜， 其中，靶材为IGZ0靶，通入纯度为99. 99%的氩气；溅射功率80W，偏压-100V，氩气流量 50sccm，工作气压为0. 2Pa ;预派射时间为15min，派射时间为90min。
[0032] 步骤2)中，将生长有IGZ0非晶薄膜的硅基片利用气氛保护退火管式炉在N 2气氛 下400°C保温60分钟，得到非晶IGZ0透明氧化物薄膜。进一步，非晶IGZ0透明氧化物薄膜 是通过在体积分数为3~5%的H 2气氛下400°C保温60分钟制备而成的，其中，体积分数 为3~5%的H2气氛为体积比1:32~1:19的H 2与N 2混合气体。
[0033] 如图2所示，本发明制备的一种H2处理的非晶IGZ0透明氧化物薄膜，包括In、Ga、 Zn及0四种成分；其中，In的原子数百分含量为18~21 %，Ga的原子数百分含量为18~ 21%，Zn的原子数百分含量为8~10%，0的原子数百分含量为48~56%。
[0034] 并且，所述非晶IGZ0透明氧化物薄膜厚度为150~300nm。此外，所述非晶IGZ0 透明氧化物薄膜是非晶结构。
[0035] 利用XPS分析不同退火温度下制备的薄膜中氧空位浓度占氧含量的比值。分析结 果如表1所示
[0036] 表1:不同退火温度下的氧空位浓度
[0037]
[0038] 利用霍尔效应测试系统对IGZ0透明氧化物薄膜进行载流子浓度，载流子迀移率 的测试，测试结果如图3所示。
[0039] 利用四探针测试仪对IGZ0透明氧化物薄膜进行方阻的测试，测试结果如图4所 不。
[0040] 从表1，图3,图4可以看出，退火温度为400°C的时候，薄膜中的氧空位浓度比未进 行退火时有了很大的提升。并且载流子浓度也有了很大的提高。而薄膜的方阻大小对于降 低TFT器件的功耗是非常重要的。方阻受到载流子浓度，载流子迀移率的共同影响。方阻 的降低可以有效降低TFT器件的功耗，提升器件的工作效率，抗干扰能力。
【主权项】
1. 一种H2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 在生长有3102的Si基片上溅射IGZO非晶薄膜，得到生长有IGZO非晶薄膜的硅基 片； 2) 将生长有IGZO非晶薄膜的硅基片利用气氛保护退火管式炉在H2气氛下350-450°C 保温45-75分钟，得到非晶IGZO透明氧化物薄膜。2. 根据权利要求1所述的一种H2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜的制备方法，其特 征在于，步骤1)中，采用JPG-450a型双室磁控溅射设备溅射IGZO非晶薄膜，其中，靶材为 IGZO靶，通入纯度为99. 99 %的氩气；溅射功率80W，偏压-100V，氩气流量50sccm，工作气 压为0. 2Pa;预溅射时间为15min，溅射时间为90min。3. 根据权利要求1所述的一种H2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜的制备方法，其特 征在于，步骤2)中，将生长有IGZO非晶薄膜的硅基片利用气氛保护退火管式炉在N2气氛 下400°C保温60分钟，得到非晶IGZO透明氧化物薄膜。4. 根据权利要求1所述的一种H2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜的制备方法，其特 征在于，步骤2)中，非晶IGZO透明氧化物薄膜是通过在体积分数为3~5%的H2气氛下 400 °C保温60分钟制备而成的。5. 根据权利要求4所述的一种H2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜的制备方法，其特 征在于，体积分数为3~5%的H2气氛为体积比1:32~1:19的H2与N2混合气体。6. 权利要求1制备的一种H2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜，其特征在于，该非晶 IGZO透明氧化物薄膜包括In、Ga、Zn及0四种成分；其中，In的原子数百分含量为18~ 21 %，Ga的原子数百分含量为18~21 %，Zn的原子数百分含量为8~10%，0的原子数百 分含量为48~56%。7. 根据权利要求1所述的一种H2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜，其特征在于，所述 非晶IGZO透明氧化物薄膜厚度为150~300nm。8. 根据权利要求1所述的一种H2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜，其特征在于，所述 非晶IGZO透明氧化物薄膜是非晶结构。
【专利摘要】一种H2处理的非晶IGZO透明氧化物薄膜及其制备方法，该制备方法包括：1)在生长有SiO2的Si基片上溅射IGZO非晶薄膜，得到生长有IGZO非晶薄膜的硅基片；2)将生长有IGZO非晶薄膜的硅基片利用气氛保护退火管式炉在N2气氛下350-450℃保温45-75分钟，得到非晶IGZO透明氧化物薄膜。本发明制备的非晶IGZO透明氧化物薄膜包括In、Ga、Zn及O四种成分；其中，In的原子数百分含量为18～21％，Ga的原子数百分含量为18～21％，Zn的原子数百分含量为8～10％，O的原子数百分含量为48～56％。本发明由于改变了退火温度，一方面减少薄膜内部缺陷，提高其稳定性；另一方面提高了氧空位的浓度，进而提高载流子浓度，降低器件电阻，提高了IGZO透明薄膜的导电能力。进而在一定程度上提升了器件的运作速度，抗干扰能力。
【IPC分类】H01L21/324, C23C14/35, C23C14/08, H01L21/336, H01L29/10
【公开号】CN105185708
【申请号】CN201510604284
【发明人】宋忠孝, 李雁淮, 李怡雪, 张丹
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年9月21日