具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件及其制备方法，属于薄膜场效应晶体管器件技术领域。含氮的氧化物的主要通过反应溅射、共溅射来实现，N元素相对总的摩尔百分比含量控制在0.1到3%之间。本器件依次由基板、栅极、绝缘层、含氮氧化物有源层、源极、漏极、钝化层构成。本发明能同时实现提升氧化物的电学性能和光照负偏压稳定性。另外，含氮氧化物的制备方法与现有的氧化物TFT制备工艺具有良好的兼容性，这样有效地节约了含氮氧化物TFT的制造成本。
【专利说明】
具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种场效应晶体管器件及其制备方法，特别是涉及一种薄膜场效应晶体管器件及其制备方法，应用于薄膜场效应晶体管技术领域。
【背景技术】
[0002]显示技术被称为现代人类社会的智慧之窗和文明之窗，而薄膜场效应晶体管(TFT)技术是显示技术的关键核心技术之一。相比传统的非晶硅TFT，氧化物薄膜晶体管具有迀移率高、制备工艺温度低、可见光透过率高，制作成本低等诸多优点，以期取代非晶硅TFT应用于有源显示。尽管氧化物TFT表现出良好的电学性能，然而氧化物TFT在稳定性仍然不能满足实际的应用要求，已成为氧化物TFT发展的瓶颈技术。由于TFT在持续工作的过程中，往往会受到光照和偏压的同时作用，氧化物TFT的光照负偏压稳定性明显变差，当前的研究主要采用Hf、Zr、Ga等阳离子掺杂来减小氧空位，从而提升氧化物TFT的光照负偏压稳定性，然而这种阳离子抑制空位提升稳定性的方法，常常是以牺牲氧化物TFT的迀移率为代价，导致这种阳离子掺杂提升光照负偏压稳定性的方案应用受到制约。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件及其制备方法，具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件能同时实现提升氧化物薄膜TFT的电学性能和光照负偏压稳定性。另外，本发明场效应晶体管器件制备方法与现有的氧化物TFT制备工艺具有良好的兼容性，这样有效地节约了含氮氧化物TFT的制造成本。
[0004]为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案:
一种具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，按结构层次序依次逐层制备而成，主要由基板、栅极、绝缘层、有源层、源极、漏极和钝化层构成底栅结构或顶栅结构，有源层采用含N元素相对于有源层中总物质量的摩尔百分比含量为0.1?3%的氧化物薄膜制成，有源层的厚度为20?80 nm，绝缘层和钝化层的厚度均为50?200 nm，栅极、源极和漏极的厚度均为50?100 nm。
[0005]上述有源层的氧化物薄膜优选采用氮氧化铟镓锌、氮氧化锌、氮氧化锡和氮氧化铟中的任意一种氧化物或者任意几种的氧化物混合材料制成。
[0006]上述基板优选采用硅片、柔性衬底、玻璃衬底和陶瓷衬底中的任意一种。
[0007]上述栅极的材料优选采用Au、Al、Cu、Mo、Cr、T1、ITO、W、Ag和Ta中的任意一种或者任意几种。
[0008]上述源极和上述漏极材料分别优选采用六11^8、10^1、01、0、11、1%和0&中的任意一种或者任意几种。
[0009]上述绝缘层和上述钝化层分别优选采用Ta205、Al203、Si02、Ti02和SiNx中的任意一种材料或者任意几种材料制备而成的薄膜。
[0010]—种本发明具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，按结构层次序依次逐层制备，包括如下步骤:
a.选择符合设定尺寸要求的基板，清洗后烘干，备用；
b.在步骤a中制备的干燥洁净的基板上，通过真空蒸发方法或溅射工艺，并实现图案化，制备厚度为50?100 nm的图案化的栅极，得到具有栅极的基板;当采用真空蒸镀的方法制备栅极时，优选控制真空度小于10—3Pa;
c.在步骤b中制备的具有栅极的基板上，采用原子层沉积法、化学气相沉积法、溅射法或蒸发方法制备厚度为50?200 nm的绝缘层；
d.采用通入他进行反应溅射方法或采用含有N元素的靶材进行共溅射方法，并实现图案化，在步骤c中制备的绝缘层上，制备厚度为20?80 nm的图案化的含氮的氧化物薄膜，作为有源层，有源层中的N元素相对于有源层中总物质量的摩尔百分比含量为0.1?3%;优选采用氧化铟镓锌、氧化锌、氧化锡和氧化铟中的任意一种氧化物或者任意几种的氧化物混合材料制成陶瓷靶，优选使通入的％流量为I?4 sccm，采用反应溅射方法，进行图案化制备含氮的氧化物薄膜，形成有源层，并采用调节N2流量的方法来控制氧化物薄膜有源层中的氮元素含量；
e.在经过步骤d图案化制备有源层之后，在未覆盖有源层的部分绝缘层上，再采用真空蒸发方法或溅射方法分别制备源极和漏极，使源极和漏极实现图案化，并使源极和漏极的厚度均为50?100 nm;当采用真空蒸镀的方法制备源极和漏极时，优选控制真空度小于10—3Pa;
f.在经过步骤d图案化制备有源层之后，在有源层上，采用原子层沉积方法、化学气相沉积方法、溅射方法或蒸发方法制备厚度为50?200 nm的钝化层，从而完成具有底栅结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备。
[0011]本发明含氮氧化物作为有源层材料制备方法突破常规，这种含氮氧化物能有效地减小薄膜氧空位，同时无需牺牲氧化物薄膜的迀移率，能同时实现提升氧化物TFT的电学性能和光照负偏压稳定性。另外，含氮氧化物的制备方法与现有的氧化物TFT制备工艺具有良好的兼容性，这样有效地节约了含氮氧化物TFT的制造成本。本发明充分地结合了含氮氧化物的独特优势，有效改善氧化物TFT的光照负偏压稳定性，该制备工艺将对氧化物TFT的发展有着积极的推动作用。
[0012]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.本发明采用含氮氧化物半导体材料作为TFT的有源层，其中N掺杂是通过通入N2反应溅射或者通过含有N元素的靶材共溅射方法制备得到，工艺简单可行，采用反应溅射或者共溅射方法能精确地控制N元素的含量；
2.本发明制备的含氮氧化物TFT与当前的普通氧化物TFT有着很好的工艺兼容性。
【附图说明】
[0013]图1为本发明实施例一含氮氧化物薄膜场效应晶体管器件结构示意图。
[0014]图2为采用不同的N2流量利用反应溅射方法制备氧化物薄膜有源时，本发明实施例一和实施例二制备的含氮氧化物薄膜场效应晶体管器件和对比例制备的不含氮氧化物薄膜场效应晶体管器件的转移特性曲线对比图。
[0015]图3为对比例制备的不含氮的ZnSnO-TFT器件的光照负偏压稳定性曲线。
[0016]图4为本发明实施例一制备的具有含氮的ZnSnON-TFT器件的光照负偏压稳定性曲线。
【具体实施方式】
[0017]本发明的优选实施例详述如下:
实施例一:
在本实施例中，参见图1、2和4，一种具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，按结构层次序依次逐层制备，包括如下步骤:
a.选择符合设定尺寸要求的硅片衬底作为基板，清洗后烘干，备用；
b.在步骤a中制备的干燥洁净的基板上，通过溅射工艺形成一层ΙΤ0，并实现图案化，制备厚度为80 nm的图案化的栅极，得到具有栅极的基板；
c.在步骤b中制备的具有栅极的基板上，采用派射法制备厚度为100nm的S1x电介质绝缘层；
d.采用ZnSnO陶瓷革E，使通入的N2流量分别为Isccm，2sccm，4sccm，分别采用反应派射方法，并实现图案化，在步骤c中制备的绝缘层上，分别制备厚度为40nm的图案化的含氮的ZnSnON半导体氧化物薄膜层，作为有源层；
e.在经过步骤d图案化制备有源层之后，在未覆盖有源层的部分绝缘层上，再控制真空度小于10—3Pa,采用真空蒸发方法分别制备源极和漏极，使源极和漏极实现图案化，并使源极和漏极的厚度均为60nm;
f.在经过步骤d图案化制备有源层之后，在有源层上，采用原子层沉积方法制备厚度为100 nm的Al2O3层作为钝化层，从而完成具有底栅结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备。
[0018]本实施例制备的薄膜晶体管为底栅结构，参见图1，从下至上由基板1、栅极2、绝缘层3、ZnSn0N半导体氧化物薄膜的有源层4、源极5、漏极6、钝化层7依次构成。采用本实施例制备场效应晶体管器件与传统器件相比，最大的区别在于能同时提升氧化物TFT器件的电学性能和光照负偏压稳定性;另外，含氮氧化物的制备方法与现有的氧化物TFT制备工艺具有良好的兼容性，这样有效地节约了含氮氧化物TFT的制造成本。可见采用本实施例方法制备的ZnSnON-TFT无需改变传统的制备工艺，该方案简单可行，将在平板显示领域有着良好的应用前景。
[0019]实施例二:
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于:
在本对比例中，参见图2，一种具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，按结构层次序依次逐层制备，包括如下步骤:
a.本步骤与实施例一相同；
b.本步骤与实施例一相同；
c.本步骤与实施例一相同；
d.采用ZnSnO陶瓷靶，使通入的犯流量为6sCCm，采用反应溅射方法，并实现图案化，在步骤c中制备的绝缘层上，制备厚度为40nm的图案化的含氮的ZnSnON半导体氧化物薄膜层，作为有源层；
e.本步骤与实施例一相同；
f.本步骤与实施例一相同。
[0020]本实施例制备的具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的转移特性和光照负偏压稳定性与实施例一制备的具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件接近，采用本实施例制备场效应晶体管器件与传统器件相比，最大的区别在于能同时提升氧化物TFT器件的电学性能和光照负偏压稳定性。可见采用本实施例方法制备的ZnSnON-TFT无需改变传统的制备工艺，该方案简单可行，将在平板显示领域有着良好的应用前景。
[0021]实施例三:
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于:
在本对比例中，一种具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，按结构层次序依次逐层制备，包括如下步骤:
a.本步骤与实施例一相同；
b.在步骤a中制备的干燥洁净的基板上，通过溅射工艺形成一层ΙΤ0，并实现图案化，制备厚度为50nm的图案化的栅极，得到具有栅极的基板；
c.在步骤b中制备的具有栅极的基板上，采用化学气相沉积制备厚度为50nm的SiNx电介质绝缘层；
d.采用ZnSnO陶瓷靶，使通入的犯流量为6sCCm，采用反应溅射方法，并实现图案化，在步骤c中制备的绝缘层上，制备厚度为20nm的图案化的含氮的ZnSnON半导体氧化物薄膜层，作为有源层；
e.在经过步骤d图案化制备有源层之后，在未覆盖有源层的部分绝缘层上，再采用溅射方法分别制备源极和漏极，使源极和漏极实现图案化，并使源极和漏极的厚度均为50nm;
f.在经过步骤d图案化制备有源层之后，在有源层上，采用原子层沉积方法、化学气相沉积方法、溅射方法或蒸发方法制备厚度为50nm的Al2O3层作为钝化层，从而完成具有底栅结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备。
[0022]本实施例制备的具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的转移特性和光照负偏压稳定性与实施例一制备的具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件接近，采用本实施例制备场效应晶体管器件与传统器件相比，最大的区别在于能同时提升氧化物TFT器件的电学性能和光照负偏压稳定性。可见采用本实施例方法制备的ZnSnON-TFT无需改变传统的制备工艺，该方案简单可行，将在平板显示领域有着良好的应用前景。
[0023]实施例四:
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于:
在本对比例中，一种具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，按结构层次序依次逐层制备，包括如下步骤:
a.本步骤与实施例一相同；
b.在步骤a中制备的干燥洁净的基板上，通过溅射工艺形成一层ΙΤ0，并实现图案化，制备厚度为100 nm的图案化的栅极，得到具有栅极的基板；
c.在步骤b中制备的具有栅极的基板上，采用化学气相沉积制备厚度为200nm的SiNx电介质绝缘层； d.采用ZnSnO陶瓷靶，使通入的犯流量为6sCCm，采用反应溅射方法，并实现图案化，在步骤c中制备的绝缘层上，制备厚度为80 nm的图案化的含氮的ZnSnON半导体氧化物薄膜层，作为有源层；
e.在经过步骤d图案化制备有源层之后，在未覆盖有源层的部分绝缘层上，再采用溅射方法分别制备源极和漏极，使源极和漏极实现图案化，并使源极和漏极的厚度均为100 nm；
f.在经过步骤d图案化制备有源层之后，在有源层上，采用原子层沉积方法、化学气相沉积方法、溅射方法或蒸发方法制备厚度为200 nm的Al2O3层作为钝化层，从而完成具有底栅结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备。
[0024]本实施例制备的具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的转移特性和光照负偏压稳定性与实施例一制备的具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件接近，采用本实施例制备场效应晶体管器件与传统器件相比，最大的区别在于能同时提升氧化物TFT器件的电学性能和光照负偏压稳定性。可见采用本实施例方法制备的ZnSnON-TFT无需改变传统的制备工艺，该方案简单可行，将在平板显示领域有着良好的应用前景。
[0025]对比例:
本对比例与前述实施例基本相同，特别之处在于:
在本对比例中，参见图2和3，一种具有氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，按结构层次序依次逐层制备，包括如下步骤:
a.本步骤与实施例一相同；
b.本步骤与实施例一相同；
c.本步骤与实施例一相同；
d.采用ZnSnO陶瓷靶，采用溅射方法，并实现图案化，在步骤c中制备的绝缘层上，制备厚度为40nm的图案化的ZnSnO半导体氧化物薄膜层，作为有源层；
e.本步骤与实施例一相同；
f.在经过步骤d图案化制备有源层之后，在有源层上，采用原子层沉积方法制备厚度为100 nm的Al2O3层作为钝化层，从而完成具有底栅结构的不含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备。
[0026]本对比例制备的薄膜晶体管为底栅结构，从下至上由基板、栅极、绝缘层、ZnSnO半导体氧化物薄膜的有源层、源极、漏极、钝化层依次构成。
[0027]实验测试分析:
对上述实施例制备的含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件和对比例制备的不含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件进行分别进行检测分析，并结合实施例一、实施例二和对比例进行比较，从图2可知当氮气的流量从O sccm变化至6sccm，迀移率先增大后减小，阈值电压逐渐减小。相比实施例一，实施例二中的ZnSnON薄膜效应晶体管器件呈现较差的电学性能。综合考虑，如实施例一，氮气的流量为2 sccm时，ZnSnON薄膜效应晶体管器件具有最优的电学性能，迀移率为7.0 cm2/V S，阈值电压为2.5 V，开关比为17量级。
[0028]由图3可知，常规的ZnSnO薄膜效应晶体管器件在光强为2000lux，负偏压为-10 V时，老化3600 s后，阈值电压漂移了6.2V。由图4可知，氮气的流量为2 sccm时ZnSnON薄膜效应晶体管器件在同样的条件下，阈值电压仅漂移了2.9V。可见，掺入N后的ZnSnON薄膜效应晶体管器件的光照负偏压稳定性明显优于常规的ZnSnO薄膜效应晶体管器件。
[0029]采用上述实施例制备的含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件与传统器件相比，最大的区别在于能同时提升氧化物TFT器件的电学性能和光照负偏压稳定性。参见图2可知，在实施例一和实施例二中，采用氮气的流量来控制ZnSnON薄膜中的氮元素含量，从而调控ZnSnON薄膜的电学性能和氧空位含量。可见采用此种技术制备的ZnSnON-TFT无需改变传统的制备工艺，该方案简单可行，将在平板显示领域有着良好的应用前景。
[0030]上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，其特征在于:按结构层次序依次逐层制备而成，主要由基板(I)、栅极(2)、绝缘层(3)、有源层(4)、源极(5)、漏极(6)和钝化层(7)构成底栅结构或顶栅结构，所述有源层(4)采用含N元素相对于有源层(4)中总物质量的摩尔百分比含量为0.1?3%的氧化物薄膜制成，所述有源层(4)的厚度为20?80 nm，所述绝缘层(3)和所述钝化层(7)的厚度均为50?200 nm，所述栅极(2)、所述源极(5)和所述漏极(6)的厚度均为50?100 nm。2.根据权利要求1所述具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，其特征在于:所述有源层(4)的氧化物薄膜采用氮氧化铟镓锌、氮氧化锌、氮氧化锡和氮氧化铟中的任意一种氧化物或者任意几种的氧化物混合材料制成。3.根据权利要求1所述具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，其特征在于:基板(I)采用硅片、柔性衬底、玻璃衬底和陶瓷衬底中的任意一种。4.根据权利要求1所述具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，其特征在于:所述栅极(2)的材料采用Au、Al、Cu、Mo、Cr、T1、ITO、W、Ag和Ta中的任意一种或者任意几种。5.根据权利要求1所述具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，其特征在于:所述源极(5)和所述漏极(6)材料分别采用411^8、10^1、(:11、0、11、1%和0&中的任意一种或者任意几种。6.根据权利要求1所述具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，其特征在于:所述绝缘层(3)和所述钝化层(7)分别采用Ta205、Al203、Si02、Ti02和SiNx中的任意一种材料或者任意几种材料制备而成的薄膜。7.—种权利要求1所述具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，其特征在于，按结构层次序依次逐层制备，包括如下步骤: a.选择符合设定尺寸要求的基板，清洗后烘干，备用； b.在所述步骤a中制备的干燥洁净的基板上，通过真空蒸发方法或溅射工艺，并实现图案化，制备厚度为50?100 nm的图案化的栅极，得到具有栅极的基板； c.在所述步骤b中制备的具有栅极的基板上，采用原子层沉积法、化学气相沉积法、溅射法或蒸发方法制备厚度为50?200 nm的绝缘层； d.采用通入犯进行反应溅射方法或采用含有N元素的靶材进行共溅射方法，并实现图案化，在所述步骤c中制备的绝缘层上，制备厚度为20?80 nm的图案化的含氮的氧化物薄膜，作为有源层，有源层中的N元素相对于有源层中总物质量的摩尔百分比含量为0.1?3%; e.在经过所述步骤d图案化制备有源层之后，在未覆盖有源层的部分绝缘层上，再采用真空蒸发方法或溅射方法分别制备源极和漏极，使源极和漏极实现图案化，并使源极和漏极的厚度均为50?100 nm； f.在经过所述步骤d图案化制备有源层之后，在有源层上，采用原子层沉积方法、化学气相沉积方法、溅射方法或蒸发方法制备厚度为50?200 nm的钝化层，从而完成具有底栅结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备。8.根据权利要求7所述具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，其特征在于:在所述步骤b和步骤e中，当采用真空蒸镀的方法制备电极时，控制真空度小于10—3Pa09.根据权利要求7所述具有含氮的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，其特征在于:在所述步骤d中，采用氧化铟镓锌、氧化锌、氧化锡和氧化铟中的任意一种氧化物或者任意几种的氧化物混合材料制成陶瓷革E，使通入的N2流量为I?4 sccm，采用反应派射方法，进行图案化制备含氮的氧化物薄膜，形成有源层，并采用调节犯流量的方法来控制氧化物薄膜有源层中的氮元素含量。
【文档编号】H01L29/06GK106098790SQ201610761105
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月30日
【发明人】李俊, 张建华, 蒋雪茵, 张志林
【申请人】上海大学