专利名称：一种透明氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及薄膜晶体管(Thin Film Transistor,简称TFT)及其制备方法， 具体涉及一种透明氧化物半导体(Transparent Oxide Semiconductor,简称TOS )
薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术：
薄膜晶体管(TFT)是一种有源器件，因其低开启电压和高开/关电流比的 特性而被用作液晶显示器(LCD)中的半导体开关器件。由于TFT-LCD中的4象 素点由相应的TFT控制，因而每个像素点都相对独立，并可以进行连续控制。 这样的设计方法不仅提高了显示屏的反应速度，同时也可以精确控制显示灰度， 使得TFT-LCD的色彩更为逼真。
TFT的性能与制作TFT所采用的材料的栽流子迁移率及电阻率有关，若要 提高TFT的性能，则需要提高材料的载流子迁移率，降低电阻率。此外，应用 于液晶显示器中的TFT还需具备良好的透光率，以提升显示效果。
目前，在有源矩阵液晶显示器(AMLCD)中使用的TFT主要有两种， 一种 是非晶硅(a-Si) TFT，另一种是多晶硅(p-Si) TFT。由于a-Si TFT易于在低 温下大面积制备，技术成熟，因此是目前使用最为广泛的技术。但a-Si TFT的 载流子迁移率低， 一般小于1 cm2/V's，电流供给能力较弱，不能适应快速、大 面积和更高清晰度显示的需求。而且a-Si薄膜是不透明的，它将占用像素中的 一定面积，使有效显示面积减小，像素开口率达不到100%,背光源的光不能全 部通过像素。为了获得足够的亮度，就需要增加光源强度，从而增加功率消耗。 另外，a-Si材料的能带间隙为1.7eV，在可见光范围内是光敏材料，在可见光照 射下将产生额外的光生载流子，使TFT性能恶化，因此每一像素单元TFT必须 对光屏蔽，即增加不透明金属掩膜板(黑矩阵)来阻挡光线对TFT的照射，这将增加TFT-LCD的工艺复杂性，提高成本，降低可靠性。因此，a-SiTFT局限 于逻辑开关和低分辨率面板的应用。
而p-Si TFT,例如低温多晶硅(LTPS) TFT，凭借其较高的载流子迁移率 (比非晶硅高两个数量级)，具有反应速度快、高亮度、高清晰度等优点，基 本上能够满足制备简单逻辑电路并在视频应用下的要求，也因此具有a-Si TFT 无法比拟的其它优越性可以适当集成驱动电路于面板中，减小了面板整体重 量与体积，开口率较大，整体的透光效率较佳，满足省电与高画质的显示效果。 基于上述优势，p-SiTFT成为一种继a-SiTFT之后的主流技术。但是，p-Si TFT 技术同时具有工艺复杂、设备昂贵、成本高等缺点，其工艺温度对有机基板而 言仍然太高，不能适应柔性显示的需求，而且LTPSTFT也不透明，严重阻碍了 它在柔性显示和透明显示领域的应用。
透明氧化物半导体(TOS)如氧化铟In203和氧化锌ZnO,其栽流子迁移 率较高，工艺温度低，因此在AMLCD中采用低温TOSTFT将是一个有效的解 决途径。若用全透明氧化物TFT代替a-SiTFT作为像素开关，将大大提高有源 矩阵的开口率，从而提高亮度，P争低功耗。世界各地的研究者开始对TOS TFT 进行研究。有研究小组报道成功开发了 InGa03(ZnO)5透明氧化物半导体单晶薄 膜的技术，利用其制作的TFT是全透明晶体管，实现了比传统的透明晶体管性 能高出l-2个数量级的结果。但是该工艺需要1000。C的高温，只能说是首次证 实了采用透明氧化物半导体制作全透明晶体管的潜在可能性，但还没能解决在 塑料基板上制作高性能TFT的实际应用性i果题。
有鉴于此，需要开发一种适用于平板显示、透明电子器件和柔性显示等领 域的具有实际应用意义的高性能全透明TFT。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学透明性好、载流子迁移率高、电阻率低的 透明氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法，在提高TFT性能的同时，实现全 透明晶体管的实际工业生产。
6为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案 一种透明氧化物半导体 薄膜晶体管(TOSTFT)，包括基板，分别形成于基板上方的栅、源和漏电极， 用于隔离栅电极和源、漏电极的栅极绝缘层，以及用于连接源电极和漏电极的 沟道层，其中，所述的栅、源和漏电极均为掺杂氧化铟透明导电氧化物薄膜； 所述的沟道层为透明氧化物半导体；所述的4册极绝缘层为透明绝缘介质。
在上述的TOS TFT中，所述掺杂氧化铟中的掺杂物为鴒W、钛Ti或锆Zr， 且掺杂物的含量为铟的质量的1%~5%。
在上述的TOS TFT中，所述的摻杂氧化铟透明导电氧化物薄膜厚度为30 100 nm;所述的源和漏电极的长度为10-100 ^m，宽度为50-500 jim;所述的沟 道层的厚度为30~200nm,栅极绝缘层的厚度为20 100nrn。
在上述的TOS TFT中，所述的透明氧化物半导体为铟锌氧化物IZO或铟镓 锌氧化物IGZO;所述的透明绝缘介质为氮化硅SiNx、氧化铪Hf02、氧化铝 A1203、氧化钇Y203或五氧化二钽Ta205中的任一种。
本发明还提供了 一种顶栅结构的TOS TFT的制备方法，其包括如下步骤 提供一玻璃基板；在所述基板上生长透明氧化物半导体作为沟道层；在所述沟 道层上制作源、漏电极；在源、漏电极之间以及源、漏电极的部分表面上形成 透明绝缘介质作为栅极绝缘层；在所述栅极绝缘层上制作栅电极；其中，所述 栅电极、源电极和漏电极均为掺杂氧化铟透明导电氧化物薄膜，所述掺杂氧化 铟透明导电氧化物薄膜通过^兹控溅射的方法，在基板温度为300 350。C的条件 下，'戚射2 30分钟而形成。
相应的，本发明也提供了一种底栅结构的TOSTFT的制备方法，其包括如 下步骤提供一玻璃基板；利用真空方法在所述基板上生长栅电极；在所述栅 电极表面以及未被栅电极覆盖的基板上方生长透明绝缘介质作为栅极绝缘层； 在所述栅极绝缘层上生长透明氧化物半导体作为沟道层；在所述沟道层上制作 源、漏电极；其中，所述的栅电极、源电极和漏电极均为掺杂氧化铟透明导电 氧化物薄膜，所述掺杂氧化铟透明导电氧化物薄膜通过磁控溅射的方法，在基板温度为300~350°C的条件下，溅射2~30分钟而形成。
在上迷的制备方法中，所述的掺杂氧化铟中的掺杂物为鴒W、钛Ti或锆 Zr，且掺杂物的含量为铟的质量的1% 5°/0。
在上述的制备方法中，所述掺杂氧化铟透明导电氧化物薄膜的具体形成条 件为采用铟金属镶嵌鴒、钛或锆靶，或相应的氧化物靶作为靶材；将氧气和 氩气通入反应室，使反应室内的工作压强为0.3-1 .OPa;采用氩离子束照射靶材 将耙材賊射；'践射电流为50 250rnA;賊射电压为300~500V。
进一步的，将氧气反应气体的分压控制在1.0xl(T2~7.0xl(r2Pa的范围内。
由于上述透明氧化物薄膜晶体管及其制备方法采用掺杂氧化铟IMeO透明 导电氧化物薄膜制作电极，所形成的电极具有表面平整、载流子迁移率高、电 阻率低、可见光范围透明性好的特性，加上采用透明氧化物半导体作为沟道层， 使得该透明氧化物薄膜晶体管也具有栽流子迁移率高、电阻率低、可见光范围 透明性好的有益效果，而且制备工艺简单、工艺温度相对于背景技术的1000多 度要低得多，使得全透明薄膜晶体管的制作在实际工业生产中得以实现。
本发明的 一种透明氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法由以下的实施例
及附图详细给出。
图la为本发明实施例的顶栅结构的薄膜晶体管示意图。
图lb为本发明实施例的底栅结构的薄膜晶体管示意图。
图2是本发明实施例的掺鴒氧化铟IWO薄膜的电阻率、载流子浓度和载流
子迁移率与氧气含量的关系图。
图3是在不同的氧分压下制备的IWO薄膜的光学透射率曲线图。
具体实施例方式
以下将对本发明的透明氧化物半导体薄膜晶体管(TOS TFT)及其制备方法 作进一步的详细描述。
8在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和 权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简 化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方〗更、明晰地辅助说明本发明实施例 的目的。此外，还应当了解，当提到某一器件结构在另一器件结构"上"时，
该器件结构可以直接在另一器件结构上，也可以有中间结构；当提到某一器件 结构在另一器件结构"下"时，该器件结构可以直接在另一器件结构下面，或 可以有一个或多个中间结构；当提到某一器件结构在别的器件结构"之间"时， 它可以只是在两个器件结构之间，或也可以有一个或多个中间结构。
本发明针对现有技术中提到的难以制作全透明、高性能TFT的问题，提出 了采用掺杂氧化铟IMeO透明导电氧化物薄膜作为电极，配合TOS和透明绝缘 介质，制作出具有高载流子迁移率、低电阻率及高透光性的TOS TFT，其适用 于各类薄膜晶体管的制作，为了举例说明，本发明的实施例仅给出了如图la和 图lb所示的顶栅结构和底栅结构的TFT，然而本领域的技术人员应当很容易将 本发明应用于其它TFT结构，故不应以此为限。
请参阅图la和图lb，本发明的TOSTFT包括基板10,分别形成于基板 IO上方的栅、源和漏电极20、 30、 40,用于隔离栅电极20和源、漏电极30、 40的栅极绝缘层50,以及用于连接源电极30和漏电极40的沟道层60。所述的 栅、源和漏电极20、 30、 40均为掺杂氧化铟IMeO透明导电氧化物薄膜，其中 的掺杂物Me为鴒W、钛Ti或锆Zr，掺杂物Me的掺杂含量为铟质量的1~5%; 所述的沟道层60为透明氧化物半导体；所述的栅极绝缘层50为高绝缘性的透 明介质。整个薄膜晶体管的电极、沟道层和栅极绝缘层均为透明物质，构成全 透明的薄膜晶体管。所述的掺杂氧化铟IMeO透明导电氧化物薄膜厚度为30~100 nm;所述的源、漏电极的长度为10-100拜，宽度为50 500 所述的沟道 层的厚度为30-200 nm;栅极绝缘层的厚度为20~100 nm。所述的透明氧化物半 导体可选用铟锌氧化物IZO或铟镓锌氧化物IGZO;所述的透明介质可采用二氧
化硅SiCb、氧化铪Hf02、氧化铝八1203、氧化钇Y203或五氧化二钽Ta205中的
9任一种。
参见图la,本发明提出的透明氧化物半导体TFT的制备方法一，即顶栅结 构的TOS TFT的制备方法，以普通玻璃为基板IO，首先在基板10上生长沟道 层60,然后在沟道层60上形成源、漏电极30、 40，再在源、漏电极30、 40之 间以及源、漏电才及的部分表面上形成栅极绝》彖层50,最后在栅4及绝多彖层50上制 作栅电极20。所述的栅、源和漏电极均为掺杂氧化铟IMeO透明导电氧化物薄 膜，采用磁控溅射的方法形成，其中，磁控溅射的基板温度为300 350。C，溅射 时间为2 30分钟，濺射电流为50~250mA，濺射电压为300~500 V，反应室内 的工作压强为0.3~1.0Pa, 02反应气体的分压为1.0xlO-2~7.0xl(T2Pa。
具体的，在一实施例中，磁控賊射的工艺条件如下以普通玻璃为基板， 基板温度为32(TC，采用嵌钨W金属铟In作为靶材，靶材与基板的间距固定为 100 mm,薄膜沉积前先将反应室抽真空到低于2xl(^Pa,然后通过可变气导阀 将02和Ar气体通入反应室，橫反应室内的工作压强为0.3Pa, 02反应气体的分 压为2.0xlO々Pa;使Ar离子束照射靶材，将靶材溅射，溅射电流为100mA,溅 射电压为400 V,溅射时间为10分钟。采用上述条件制得的IWO薄膜厚度为 102nm,电阻率为3.1xlO-4Q.cm,载流子迁移率为67 cm2/V.s,可见光范围的平 均透射率为83%。
参见图lb，本发明提出的透明氧化物半导体TFT的制备方法二，即底栅结 构的TOSTFT的制备方法，以普通玻璃为基板IO,首先利用真空方法在基板10 上生长IMeO栅电极20，其次生长高绝缘性的透明介质层50，再在介质层50 上生长TOS沟道层60，最后生长IMeO源电极和漏电极30、 40，栅电极和源、 漏电极之间通过透明介质层形成的栅极绝缘层50绝缘，所述的栅、源和漏电极 均为掺杂氧化铟IMeO透明导电氧化物薄膜，采用》兹控溅射的方法形成，其中， 磁控溅射的基板温度为300~350°C，賊射时间为2~30分钟，溅射电流为50-250 mA,賊射电压为300~500 V,反应室内的工作压强为0.3~1.0Pa, 02反应气体的 分压为1.0xl(r2~7.0xl(r2Pa。具体的，在一实施例中，磁控溅射的工艺条件如下以普通玻璃为基板， 基板温度为320。C，采用嵌鴒W金属铟In作为靶材，把材与基板的间距固定为 100 mm，薄膜沉积前先将反应室抽真空到低于2xl(^Pa,然后通过可变气导阀 将02和Ar气体通入反应室。反应室内的工作压强为0.3 Pa, 02反应气体的分 压为1.5xl(T2Pa;使Ar离子束照射靶材，将耙材濺射，'减射电流为100 mA，溅 射电压为400V,溅射时间为IO分钟。采用上述条件制得的IWO薄膜厚度为95 nm,电阻率为3.7xl(T4 Q'cm，载流子迁移率为58 cm2/V's,可见光范围的平均 透射率为82%。
于其它实施例中，可根据所需的电阻率、栽流子迁移率及载流子浓度来调 整反应气体中02的含量，可将氧分压的范围控制在1.0xl(T2~7.0xlO-2Pa内。以 掺鴒氧化铟IWO薄膜为例，其电阻率(Resistivity)、载流子迁移率(Carrier mobility)和载流子浓度(Carrier Concentration)与氧气含量(Oxygen content) 的关系如图2所示，其中，电阻率随着氧气含量的增加先减小后增加，载流子 迁移率随着氧气含量的增加先增大后减小，载流子浓度随着氧气含量的增加而 降低。根据上述关系，可以合理寻找平衡点，以兼顾各项参数的性能指标。
除了采用铟金属镶嵌鴒作为靶材来制作IWO薄膜外，还可采用钛、锆或相 应的氧化物乾作为靶材制作相应的IMeO薄膜，其制备方法与IWO类似，故在 此不复赘述。
采用上述磁控濺射方法制作的掺杂氧化铟IMeO透明导电氧化物薄膜，其薄 膜电阻率为3.1xl(y4Q.cm,载流子迁移率高(67cm2/V.s)、可见光范围透明性 好(可见光范围的平均透射率大于85%)通过控制溅射时间、氧分压和溅射功 率等可以调整IMeO薄膜的厚度；通过金属掩膜或光刻方法可以改变源、漏电极 的长宽比。
下面通过具体实验数据来说明本发明的有益效果。
于本实施例中，采用,氧化铟IWO透明导电氧化物薄膜制作栅、源和漏 电极，其中鴒W的含量为铟的质量的3.5%,所述的沟道层为透明的铟锌氧化物半导体；所迷的栅极绝缘层为高绝缘性的透明氮化硅SiNx。在溅射电流100 mA， '减射电压400 V,溅射气压为0.3 Pa的条件下f兹控賊射10分钟，形成的IWO 透明导电氧化物薄膜的厚度为90-110 nm，源极和漏极的长度为40 宽度为 400 沟道层的厚度是100 nm;栅极绝缘层的厚度为400 nm。
图3是在不同的氧分压下制备的IWO薄膜的光学透射率曲线图，从图中可 以看出在氧分压为1.5xl(T2~2.5xlO-2 Pa范围内，所制备的薄膜具有良好的光学 透明性，包括普通玻璃基板在内的可见光范围的平均透射率(Transmittance)均 大于80%，电阻率在3 5xlO"Q.cm范围内，载流子迁移率大于50 cm2/V.s，可 见，所制备的薄膜具有优良的光学和电学性能。
在本发明第二实施例中，采用榜4太氧化铟ITiO透明导电氧化物薄膜制作栅、 源和漏电极，其中钛的含量为铟的质量的5%,所述的沟道层为透明的铟锌氧化 物半导体；所述的栅极绝缘层为高绝缘性的透明氮化硅SiNx。在溅射电流100 mA,賊射电压400V,溅射气压0.6Pa的条件下磁控賊射10分钟，形成的ITiO 透明导电氧化物薄膜的厚度约为98 nm，源极和漏极的长度为40 pm，宽度为400 (im，沟道层的厚度是100nm;栅极绝缘层的厚度为400 nm。
在本发明第三实施例中，采用##氧化铟IZrO透明导电氧化物薄膜制作栅、 源和漏电极，其中锆的含量为铟的质量的4%,所述的沟道层为透明的铟锌氧化 物半导体；所述的栅极绝缘层为高绝缘性的透明氮化硅SiNx。在溅射电流100 mA,'减射电压400 V，賊射气压0.8 Pa的条件下磁控溅射10分钟，形成的IZrO 透明导电氧化物薄膜的厚度约为92 nm,源极和漏极的长度为40拜，宽度为400 Hm，沟道层的厚度是lOOnm;栅极绝缘层的厚度为400 nm。
实验结果表明，采用磁控溅射方法在玻璃基板表面制备的IMeO透明导电氧 化物薄膜具有表面平整、电阻率低(3xlO-、8xlO"Q.cm)，截流子迁移率为40 60 cmVv.s,可见光范围的平均透射率大于80%。而采用该薄膜作为栅源漏电极的 氧化物薄膜晶体管也具有较高的载流子迁移率，而且制备工艺简单、工艺温度 低，利于实际工业生产。
1权利要求
1、一种透明氧化物半导体薄膜晶体管，包括基板，分别形成于基板上方的栅、源和漏电极，用于隔离栅电极和源、漏电极的栅极绝缘层，以及用于连接源电极和漏电极的沟道层，其特征在于所述的栅、源和漏电极均为掺杂氧化铟透明导电氧化物薄膜；所述的沟道层为透明氧化物半导体；所述的栅极绝缘层为透明绝缘介质。
2、 如权利要求1所述的透明氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于所述 的掺杂氧化铟中的掺杂物为钨W、钛Ti或锆Zr。
3、 如权利要求2所述的透明氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于所述 的掺杂氧化铟中掺杂物的含量为铟的质量的1°/。 5%。
4、 如权利要求l所述的透明氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于所述 的掺杂氧化铟透明导电氧化物薄膜厚度为30-100 nm。
5、 如权利要求1所述的透明氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于所述 的源和漏电极的长度为10~100(xm，宽度为50-500 pm。
6、 如权利要求l所述的透明氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于所述 的沟道层的厚度为30 200nm,栅极绝缘层的厚度为20 100nm。
7、 如权利要求l所述的透明氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于所述 的透明氧化物半导体为铟锌氧化物IZO或铟镓锌氧化物IGZO。
8、 如权利要求l所述的透明氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于所述 的透明绝缘介质为氮化硅SiNx、氧化铪Hf02、氧化铝八1203、氧化钇丫203或五 氧化二钽Ta205中的任一种。
9、 一种透明氧化物半导体薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下 步骤提供一玻璃基板；在所述基板上生长透明氧化物半导体作为沟道层；在所述沟道层上制作源、漏电极；在源、漏电极之间以及源、漏电极的部分表面上形成透明绝缘介质作为才册 极绝缘层；在所述栅极绝缘层上制作栅电极；其中，所述栅电极、源电极和漏电极均为掺杂氧化铟透明导电氧化物薄膜， 所述掺杂氧化铟透明导电氧化物薄膜通过磁控溅射的方法，在基板温度为300 ~350°C的条件下，溅射2~30分钟而形成。
10、 一种透明氧化物半导体薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括如 下步骤提供一玻璃基板；利用真空方法在所述基板上生长栅电极；在所述栅电极表面以及未被栅电极覆盖的基板上方生长透明绝缘介质作为 栅极绝缘层；在所述栅极绝缘层上生长透明氧化物半导体作为沟道层； 在所述沟道层上制作源、漏电极；其中，所述的栅电极、源电极和漏电极均为掺杂氧化铟透明导电氧化物薄 膜，所述掺杂氧化铟透明导电氧化物薄膜通过磁控溅射的方法，在基板温度为 300 35(TC的条件下，賊射2 30分钟而形成。
11、 如权利要求9或IO所述的制备方法，其特征在于所述的掺杂氧化铟 中的掺杂物为鴒W、钛Ti或锆Zr。
12、 如权利要求11所述的制备方法，其特征在于所述的掺杂氧化铟中掺 杂物的含量为铟的质量的1%~5%。
13、 如权利要求9或IO所述的制备方法，其特征在于所述掺杂氧化铟透 明导电氧化物薄膜的具体形成条件如下釆用铟金属镶嵌鵠、钛或锆靶，或相应的氧化物把作为靶材； 将氧气和氩气通入反应室，^f吏反应室内的工作压强为0.3~1.0Pa;采用氩离子束照射靶材将靶材溅射； 賊射电流为50~250mA; 濺射电压为300~500V。
14、如权利要求13所述的制备方法，其特征在于将氧气反应气体的分压 控制在1.0xlO'2~7.0xlO'2Pa的范围内。
全文摘要
本发明涉及透明氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法，所述薄膜晶体管的栅极、源极和漏极采用高迁移率掺杂氧化铟IMeO透明导电氧化物薄膜制作，并以透明氧化物半导体TOS为沟道层，构成TOS-IMeO全透明氧化物薄膜晶体管。所述制备方法以普通玻璃为基板，在300～350℃温度下进行磁控溅射2～30分钟，根据顶栅结构和底栅结构按各自不同的顺序形成透明氧化物半导体薄膜晶体管。所制作的薄膜晶体管具有良好的电导率、载流子迁移率以及光学透明性，本发明获得的全透明氧化物半导体薄膜晶体管在平板显示领域具有良好的应用前景。
文档编号H01L29/66GK101567390SQ20091005255
公开日2009年10月28日 申请日期2009年6月4日 优先权日2009年6月4日
发明者卜东生, 俊 周, 群 张, 李桂锋 申请人:上海广电(集团)有限公司中央研究院;复旦大学