专利名称：金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜晶体管，特别是涉及一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方 法，该薄膜晶体管主要用于有机发光显示、液晶显示以及电子纸的有源驱动，也可 以用于集 成电路。
背景技术：
近年来，基于金属氧化物的薄膜晶体管因为其迁移率高、透光性好、薄膜结构稳 定、制备温度低以及成本低等优点受到越来越多的重视。金属氧化物薄膜晶体管的发展主 要目标是用于平板显示、柔性电子器件、透明电子器件以及传感器等方面。在平板显示方 面，目前主要使用氢化非晶硅(a_Si:H)或多晶硅等材料的薄膜晶体管，然而氢化非晶硅材 料的局限性主要表现在对光敏感、电子迁移率低(< lcm2/Vs)以及电学参数稳定性差等方 面，而多晶硅薄膜的局限性主要体现在电学性质均勻性差、制备温度高以及成本高等方面。金属氧化物半导体材料主要包括氧化锌(ZnO)、氧化铟镓(InGaO)、氧化锌锡 (ZnSnO)、氧化铟镓锌(InGaZnO)等。基于这些金属氧化物的薄膜晶体管电子迁移率较高 (1 100cm7Vs)、制备温度低(< 400°C，远远低于玻璃的熔点)、成本低(只需要普通的 溅射工艺即可完成)以及持续工作稳定性好。正因为如此，基于金属氧化物的薄膜晶体管 在平板显示领域尤其是有机发光显示(OLED)领域有替代传统的硅材料工艺薄膜晶体管的 趋势，受到学术界和业界的关注和广泛研究。到目前为止，报导的基于金属氧化物的薄膜晶体管都是只含有单层金属氧化物 层，即只有半导体层，为了实现较好的欧姆接触，源漏电极通常采用价格较高的金属钼(Pt) 或者金属金(Au)这些贵重金属，器件才有可能实现漏电流小于IO-12A,电流开关比大于IO8 的性能。
发明内容
本发明的目的是开发低成本制备高性能薄膜晶体管的技术，提出一种能够同时改 善绝缘层和半导体层、半导体层与源漏电极之间的界面接触特性的金属氧化物薄膜晶体管 及其制备方法，采用低成本金属M作为源漏电极材料实现晶体管的低关态电流，高电子迁 移率和电流开关比。本发明为了同时改善绝缘层与金属氧化物层、源漏电极(Ni)与金属氧化物层的 接触特性，提高器件的电学稳定性，通过高含氧量的金属氧化物过渡层与绝缘层有较好的 界面接触，低含氧量的金属氧化物半导体层与金属镍有很好的界面接触，从而能够显著改 善使用金属镍作为源漏电极材料的薄膜晶体管的电学性能；其中低含氧量金属氧化物层主 要起半导体的作用；高含氧量金属氧化物层的电学性能介于半导体和绝缘体之间，主要起 过渡作用，过渡层能够改善半导体层和绝缘层之间的界面接触，减少界面的电荷缺陷，因此 能降低关态电流(I。ff)，提高电子迁移率，提高电流开关比(I。n/I。ff)，提高晶体管电学性能。 采用价格较低储量较丰富的金属镍(Ni)或者金属氧化物做漏极和源极材料，在产业化生产过程中具有在保证器件高性能的前提下的低成本优势。本发明的目的通过如下技术方案实现一种金属氧化物薄膜晶体管，由栅极、绝缘层、过渡层、半导体层、漏极以及源极 构成；从下到上由栅极、绝缘层、过渡层和半导体层依次连接；漏极和源极位于半导体层上 面；所述过渡层和半导体层通过溅射的方法制备，并且在溅射过程中使用同一个靶材，靶材 的材料为(In2O3) x(Ga203)y (ZnO)z，其中0彡x、y、z彡1，且x+y+z = 1 ；在制备过渡层时通过 控制进氧量，使制备出的过渡层的氧含量大于理论值(3X+3y+z)/(5X+5y+2z)；在制备半导 体层时，通过控制进氧量，使制备出的过渡层的氧含量小于理论值(3x+3y+Z)/(5x+5y+2Z)。所述绝缘层为绝缘金属氧化物或者高分子绝缘材料。所述绝缘金属氧化物优选氧 化铝或氧化钽。所述绝缘层也可优选为二氧化硅或氮化硅材料。所述栅极为金属、金属氧化物或高掺杂的硅材料。 所述漏极和源极材料为金属Ni，或者金属氧化物。一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤(1)在基板上制备栅极；(2)在栅极上制备绝缘层；所述绝缘层用溅射或化学气相沉淀方法制备，或者是 所述绝缘层膜采用热氧化或阳极氧化的方法制备；若绝缘层为有机高分子绝缘材料，所述 绝缘层用旋涂或印刷的方法制备；(3)在绝缘层上面依次制备过渡层和半导体层；过渡层和半导体层采用溅射的方 法制备，在溅射过程中使用同一个靶材，靶材的材料为(In2O3)x (Ga2O3)y (ZnO)z，其中0 ‘ χ、 y、z<l，且x+y+z = 1 ；在制备过渡层时，控制氧气与氩气的流量比> 2，使制备的薄膜中氧 含量大于理论值(3X+3y+z)/(5X+5y+2z)；在制备半导体层过程中，控制氧气与氩气的流量 比< 0. 1，得到实际制备的薄膜中氧含量小于理论值(3x+3y+Z)/(5x+5y+2Z)；(4)在半导体层上制备漏极和源极；所述漏极和源极采用真空蒸镀或溅射方法制 备，采用光刻或者掩模技术控制漏极和源极形状，源漏电极材料为金属镍。所述栅极用真空热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发技术制备；或者是栅极用高掺杂 硅片，采用光刻或者掩模技术控制栅极图形。相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益特征(1)本发明晶体管同时包括过渡层和半导体层，因为过渡层是高含氧量的金属氧 化物，它与绝缘层有较好的匹配，同样，源漏电极与低含氧量金属氧化物的半导体层有较好 欧姆接触，该晶体管结构在使用低成本M源漏电极的情况下能有效降低关态电流，提高电 子载流子迁移率，明显改善电流的开关比。这种不同含氧量的双层结构不同于传统的半导 体晶体管只有含氧量均一的一层金属氧化物层。(2)本发明的金属氧化物薄膜晶体管的高含氧量金属氧化物层(过渡层)和低含 氧量金属氧化物层(半导体层)可以在同一次溅射过程中完成，既能达到改善界面接触的 目的，又不会增加工艺难度。
图1本发明的基于金属氧化物的薄膜晶体管结构示意图。
图2制备源漏电极时使用的模板形状，其中L为沟道长度，D为沟道宽度。图3基于过渡层和半导体层的金属氧化物的薄膜晶体管的输出特性曲线，即在不 同栅压下，器件的输出电流与源漏电极之间电压的关系。图4基于过渡层和半导体层的金属氧化物的薄膜晶体管的转移特性曲线，即在源 漏电极之间施加5V电压时，输出电流与栅极电压之间的关系。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不 局限于实施例表述的范围。如图1所示，一种金属氧化物薄膜晶体管由栅极1、绝缘层2、过渡层3、半导体层 4、漏极51以及源极52构成；从下到上栅极1、绝缘层2、过渡层3、半导体层4依次连接；漏 极51和源极52位于半导体层4上面。所述的过渡层3和半导体层4的金属氧化物的元素 成分相同，但元素成分中氧元素的含量不同。过渡层3和半导体层4均可以通过溅射的方法 制备，并且在溅射过程中可以使用同一个靶材，靶材可以是氧化铟(ln203)、氧化镓(Ga203) 和氧化锌(ZnO)中的一种或者多种的组合，即(In203)x(Ga203)y(Zn0)z，其中0 ( x、y、z ( 1， 且x+y+z = 1。过渡层3和半导体层4金属氧化物的氧含量通过在溅射过程中氧气(02)与 氩气(Ar)的流量比(02/Ar)进行控制，(02/Ar)越大，金属氧化物层中的氧含量越高，所制 备的过渡层3是高含氧量金属氧化物，其中的氧元素含量大于[(3x+3y+z) / (5x+5y+2z)]， 半导体层4是低含氧量金属氧化物，其中的氧元素含量小于[(3x+3y+z) / (5x+5y+2z)]，其 中0 < W ^ 1，且x+y+z = 1。其中过渡层和半导体层的氧含量通过在溅射过程中氧气 (02)与氩气(Ar)的流量比(02/Ar)进行控制，02/Ar比例越大，金属氧化物层中的氧含量越 高，反之，02/Ar比例越小，金属氧化物层中的氧含量越低。在栅极1加上电压后，在过渡层3内形成载流子沟道，在漏极51和源极52之间出 现传导电流，这样源极51和漏极52就是开关的两端，栅极就起到控制电流的作用。实施例1使用高掺杂硅片作为栅极1，在其上面热氧化一层300nm厚度的二氧化硅作为绝 缘层2，测得其电容率Q为11. 4nF/cm2。过渡层3是在绝缘层2上采用射频(RF)溅射的方法制备，溅射使用的靶材为氧化 铟镓锌(InGaZnO)，其中In203、Ga203和ZnO的摩尔比为1 1 2;通过摩尔比计算得出氧 的理论值含量为(x = 1，y = 1，z = 2) :[(3x+3y+z)/(5x+5y+2z)] = [ (3+3+2) / (5+5+4)] =57. 1% ；溅射过程中氧气(02)的流量为25SCCM，氩气(Ar)的流量为10SCCM, 02/Ar = 2. 5 ；溅射功率为100W，得到厚度为5nm的高含氧量氧化铟镓锌(InGaZnO)薄膜。半导体层4是在过渡层3上面再采用射频(RF)溅射的方法制备，溅射使用的靶 材同样为氧化铟镓锌(氧的理论值含量同样为57. )，溅射过程中氧气(02)的流量为 1SCCM，氩气(Ar)的流量为25SCCM，02/Ar = 0. 04 ；溅射功率为100W，得到厚度为30nm的低 含氧量氧化铟镓锌(InGaZnO)薄膜。所制备的金属氧化物层的氧含量由X射线电子能谱(XPS)测定，经测定过渡层3 的氧元素含量为77. 2%，显然过渡层3的氧含量(77. 2% )大于该靶材的理论值氧含量 (57.1%)；半导体层4的氧元素含量为27.6%，显然半导体层4的氧含量(27.6%)小于该靶材的理论值氧含量(57. 1%)0再用直流(DC)溅射的方法在半导体层4上面分别镀上金属镍(Ni)作为漏极和源 极，其图形用掩模板控制，制备的图形与掩膜的图形一致(如图2所示)，沟道的宽度和长度 分别为3mm和0. 4mm,宽长比为7. 5 1，Ni薄膜的厚度为200nm。对所制备的晶体管在空气中测试。由于氧化铟镓锌(InGaZnO)是η型半导体材料， 所以漏极51应加正电压，源极52接地，栅极1加正偏压。图3和图4分别给出了晶体管的 输出特性曲线和转移特性曲线。图3表明所述的基于过渡层3和半导体层4的金属氧化物 的薄膜晶体管与其它结构的薄膜晶体管一样，都具有典型的饱和特性，但输出电流可以高 达0.7mA，足以驱动有机发光显示屏(OLED)像素。从图4可以计算出薄膜晶体管的电子迁 移率为llcm7Vs，关态电流低到1.6X10_12A，电流开关比高达108，结果表明，该晶体管能够 很好的实 现开关作用，能够改善器件性能的主要原因是绝缘层二氧化硅能够与高含氧量的 金属氧化物(过渡层3)有较好的界面接触，减少了界面的载流子陷阱。如果器件没有高含 氧量金属氧化物层(过渡层3)而只有一层均一的金属氧化物层，其性能较差，数据列于表 1。通过表1对比可知，增加过渡层3，晶体管的关态电流显著降低，迁移率和电流开关比却 得到提高，说明所发明的薄膜晶体管的电学性能大大改善了。表 权利要求
一种金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于由栅极、绝缘层、过渡层、半导体层、漏极以及源极构成；从下到上由栅极、绝缘层、过渡层和半导体层依次连接；漏极和源极位于半导体层上；所述过渡层和半导体层通过溅射的方法制备，并且在溅射过程中使用同一个靶材，靶材的材料为(In2O3)x(Ga2O3)y(ZnO)z，其中0≤x、y、z≤1，且x+y+z＝1；在制备过渡层时通过控制进氧量，使制备出的过渡层的氧含量大于理论值(3x+3y+z)/(5x+5y+2z)；在制备半导体层时，通过控制进氧量，使制备出的过渡层的氧含量小于理论值(3x+3y+z)/(5x+5y+2z)。
2.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于所述绝缘层为绝缘金 属氧化物或者高分子绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于所述绝缘金属氧化物 为氧化铝或氧化钽。
4.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于所述绝缘层为二氧化 硅或氮化硅材料。
5.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于所述栅极为金属、金属 氧化物或高掺杂的硅材料。
6.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于所述漏极和源极材料 为金属Ni。
7.权利要求1所述金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征包括如下步骤(1)在基板上制备栅极；(2)制备绝缘层；所述绝缘层用溅射或化学气相沉淀方法制备，或者是所述绝缘层膜 采用热氧化或阳极氧化方法制备；若绝缘层为有机高分子绝缘材料，所述绝缘层用旋涂或 印刷的方法制备；(3)在绝缘层上面依次制备过渡层和半导体层；过渡层和半导体层采用溅射的方法制 备，在溅射过程中使用同一个靶材，靶材的材料为(In2O3)x(Ga2O3)y(ZnO)z，其中0彡x、y、 ζ ( 1，且x+y+z = 1 ；在制备过渡层时，控制氧气与氩气的流量比> 2，使制备的薄膜中氧含 量大于理论值(3x+3y+Z)/(5x+5y+2Z)；在制备半导体层过程中，控制氧气与氩气的流量比 < 0. 1，得到实际制备的薄膜中氧含量小于理论值(3x+3y+Z)/(5x+5y+2Z)；(4)在半导体层上面制备漏极和源极；所述漏极和源极采用真空蒸镀或溅射方法制 备，采用光刻或者掩模技术控制漏极和源极形状，源漏电极材料为金属镍。
8.根据权利要求7所述的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于栅极用真空 热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发技术制备；或者是栅极用高掺杂硅片，采用光刻或者掩模技 术控制栅极图形。
全文摘要
本发明公开了一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法，金属氧化物薄膜晶体管由栅极、绝缘层、过渡层、半导体层、漏极以及源极构成；从下到上由栅极、绝缘层、过渡层和半导体层依次连接；漏极和源极位于半导体层上；过渡层和半导体层通过溅射的方法制备，并且在溅射过程中使用同一个靶材，靶材的材料为(In2O3)x(Ga2O3)y(ZnO)z，其中0≤x、y、z≤1，且x+y+z＝1；过渡层与绝缘层具有很好的接触性质，可以有效减少绝缘层和过渡层接触界面之间的载流子陷阱密度，提高晶体管的输出电流和改善电学稳定性。源漏电极与半导体层能够形成较好的欧姆接触，能有效降低关态电流，提高电流的开关比，提高电子载流子迁移率。
文档编号H01L29/12GK101872787SQ20101018271
公开日2010年10月27日 申请日期2010年5月19日 优先权日2010年5月19日
发明者兰林锋, 彭俊彪, 徐瑞霞, 徐苗, 王磊, 许伟 申请人:华南理工大学