专利名称：一种非晶薄膜晶体管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种金属氧化物薄膜晶体管(Metal oxide thin film transistor, MOTFT)及其制备方法。
背景技术：
当前，具有制备成本低、电学性能优良和透明等优点的M0TFT，极有可能成为新一代的主流TFT技术，将在有源平板显示(Active-matrix flat panel display, AM-FPD)领域得到大量的应用。但MOTFT的缺点是易吸收或脱附0、!1和!120有关的分子，这些因素改变透明氧化物半导体(Transparent oxide semiconductor,T0S)的电子浓度(Ne)而影响TFT 的稳定性。MOTFT的电致偏应力(Electrical bias stress,EBS)稳定性和p_Si TFT相比还有差距。研究认为HfIn ZnO-TFT及&InZn0-TFT的^S稳定性远远高于a_IGZ0 TFT，但各元素对稳定性影响的物理机制缺乏深入的分析。这是当前a-IGZO TFT产业化研究的焦点。 因为，如有源有机发光二极管(Active matrix organic light emitting diode,AM-0LED) 对TFT的稳定性要求非常高，如TFT的Vth变化士0. IV将使OLED亮度变化16%。其次，MOTFT对紫外(UV)光的稳定性差。TOS的带隙(Eg) 3eV，a-Si的Eg 1.78eV。因此，尽管MOTFT比a-Si TFT光稳定，但TOS仍易吸收光子能量大于3. 4eV (波长 λ < 365nm)的UV光，由此产生的光电子束缚在有源层/绝缘层界面，使TFT的栅滞后电压和I。ff明显提高。TFT及显示器件在制备过程中常需UV光刻工艺。因此，MOTFT的UV光稳定性待进一步提高。当前液晶显示(Liquid crystal display, LCD)面板发展的特点是玻璃基板尺寸每2. 5年增加一倍。随着基板尺寸的增加，要求显示分辨率提高。当显示像素数大于10M 时，则要求TFT μ > IOcm2/ (V. s)。3D显示是目前AM-FPD领域的一个热点。3D显像原理是要让左眼及右眼在同样的帧传输时间(T)内，同时看到不同角度的不同影像讯号。因此， 相比于一般2D显像时(左右眼看到的是相同讯号)的操作，3D显像给出讯号的频率要更高，才可以在同一 T内传递供左眼及右眼看的不同的讯号。帧频率f和T之间满足f = 1/T,T—~ ,
V nq μ式中V为电子传输速度，η为材料中的电子浓度，q= 1.6Χ10_19Κ，μ为TFT迁移率。可见，帧频率f若要越高，则μ就要越大。对于f< IkHz，要求TFT :1cm2/(V. s) < μ < IOcm2/(V. s)；当 IkHz < f < IOOkHz，则要求 IOcm2/(V. s) < μ < IOOcm2/(V. s)；当 100kHz < f < IMHz，则要求 IOOcm2/(V. s) < μ < 1000cm2/(V. s)。近年来，AM-OLED已成为海内外非常热门的新兴FPD产业，被喻为下一代的“明星"FPD技术。AM-OLED的像素是通过电流注入才发光，因此要求驱动TFT具有高μ和提供高电流才能提高像素的发光亮度。如OLED —般要求IO-IOOmA. cm_2范围的电流来驱动显示， 对于100 μ mX 100 μ m尺寸的像素，要求1-10 μ A的驱动电流。因此要求TFT的μ > Icm2/ (V. s)。
但当前MOTFT的性能仅为μ IOcm2/ (V. s)，这远不能满足AM-FPD发展的要求。 因此研制具有高μ的MOTFT对于未来AM-FPD的应用意义重大。
发明内容
本发明要解决的主要技术问题是，提供一种薄膜晶体管及其制备方法，具有更好的EBS稳定性。
为解决上述技术问题，本发明提供了 一种M0TFT，采用0含量优化的有源层。本发明还提出了 一种MOTFT的制备方法，包括制作栅极、制作栅介质、制作有源层、制作源漏极、制作保护层、退火，所述制作有源层的步骤为用磁控溅射法制备，制备过程不充O2气或从小到大增加O2气流量，当TFT的EBS稳定性较佳时，即为找到最佳工艺点， 持续使用该最佳工艺条件制备有源层。本发明的有益效果是随着有源层0含量的减少，薄膜内氧空位浓度增加，电子浓度(Ne)增加，由于是η型TFT，故TFT的阈值电压(Vth)和亚阈值摆幅⑶随着有源层Ne的减小而减小，并使得有源层/栅介质的界面束缚态(Ni)减少，在EBS过程中常是有源层/ 栅介质的界面束缚或释放电子，而改变有源层队，从而改变Vth(TFT稳定性的重要体现)，因此，随着TFT Ni的减小，在EBS过程中，有源层/栅介质界面束缚或释放的电子数将减少， 故TFT稳定性将提高。
图1为本发明一种MOTFT的实施例的结构示意图；图2为本发明一种MOTFT的制备方法的实施例的流程图。
具体实施例方式下面通过具体实施方式
结合附图对本发明作进一步详细说明。当前MOTFT要解决的主要技术问题有第一，提高EBS稳定性；第二、提高UV光稳定性；第三，提高μ。本发明实施例解决以上问题的技术方案有第一，采用最优0含量的有源层来提高MOTFT的EBS稳定性；第二、使用MS工艺连续制备非晶态栅介质和有源层工艺来提高MOTFT的EBS稳定性；第三，采用Mg掺杂有源层来提高MOTFT的UV光稳定性；第四，用掺Ga或Mg的In2O3作为有源层来制备高μ TFT ；第五，通过提高MS工艺制备ZnO有源层的Ts或用PLD工艺制备ZnO有源层，来制备高μ ZnO TFT。如图1所示，本发明实施例提出的TFT包括101、基底；在本发明实施例中，采用无碱玻璃作为基底；102、栅介质；103、有源层；104、栅极；在本发明实施例中，采用透明导电膜作为栅极；105、源漏极；在本发明实施例中，采用透明导电膜作为源漏极；
106、保护层； 在本发明实施例中，在所述制备有源层工艺基础上进一步掺N形成保护层。在本发明一种MOTFT的第一实施例中，所述栅介质为非晶态结构的栅介质，例如 SiO2, SiNx,Ta2O5等。本实施例采用非晶态结构的栅介质可以提高MOTFT的EBS稳定性至 AVth < IV，EBS =Vg = 20V, t = 1500s ；满足AM-FPD应用要求。非晶态结构的栅介质除了选用传统的a-Si(0，，N)，也可选用高介电常数(K)Ta2O5栅介质。目前在MOTFT中应用的高 K栅介质有Ti02、HfO2, ZrO2和HfLaO等，这些栅介质均为纳米晶体结构，而Ta2O5为非晶态结构。栅介质的非晶态结构将减小其本征缺陷(如晶界)和提高结构的致密度和减小漏电流，以及减小栅介质/半导体的界面束缚态(Ni)，这将提高MOTFT的EBS稳定性。在本发明一种MOTFT的第二实施例中，所述有源层为经过优化0含量处理的有源层。以a-IGZO TFT为例进行说明，随着a-IGZO中0含量的减少，其Ne增加，使TFT的Vth, S 及Ni减少。在EBS过程中常是a-IGZO/栅介质的界面束缚电子，而改变有源层Ne，从而改变 Vtho因此，随着TFT Ni的减小，在EBS过程中，a-IGZO/栅介质界面束缚的电子数将减少，使 TFT稳定性提高。本实施例通过优化a-IGZO的0含量可以提高TFT的EBS稳定性至Δ Vth < IV，EBS =Vg = 20V, t = 1500s ；满足AM-FPD应用要求。目前普遍认为在a-IGZ0中，作为非电子活性杂质的IV族元素如τχ或Hf和氧键合后，将在抑制电子浓度和改善TFT的EBS 稳定性方面起十分重要的作用。由于Hf、Zr的电子亲和能均比Ga要大，使得Hf-O和&-0 均比Ga-O键合牢固而抑制了自由电子的产生，现有技术中的HfInZnO-TFT及&InZn0_TFT 的EBS稳定性远远高于a-IGZ0TFT。但与a-IGZ0薄膜相比，HfInZnO薄膜和&ΙηΖη0薄膜存在以下缺点a.常需用双靶溅射系统制备，靶材成份尚未固定，因此薄膜成份难以控制； b.易出现结晶相而影响薄膜的均勻性；c.尚无大量的应用报道，因此开发靶材和制备工艺的成本高。本实施例继续以a-IGZO有源层为基础，通过优化有源层0含量来提高TFT稳定性。a-IGZO TFT目前已得到大量的应用，而且制备有源层的靶材成份稳定。在本发明一种MOTFT的第三实施例中，所述有源层为掺Mg的有源层。仍然以 a-IGZ0 TFT为例进行说明。因为Ga2O3薄膜的带隙Eg 4. 9eV,Mg0薄膜的Eg = 7. 9eV。因此，用Mg替代Ga，制备InMgZnO (即ΙΜΖ0)有源层，可进一步提高有源层的Eg和TFT的UV 光稳定性。本实施例采用Mg替代Ga提高a-IGZO TFT的UV光稳定性至| Δ VtJ < IV，光照波长λ 360nm，光即开即关；满足AM-FPD应用要求。在本发明一种MOTFT的第四实施例中，所述有源层为掺Ga或Mg的ln203。In2O3薄膜具有高迁移率，是a-IGZ0高迁移率的根源。但In2O3的Ne太高( 102°cm_3)使TFT性能差。Ga2O3和MgO薄膜的Ne均很低。因此可以通过掺Ga或Mg来减小In2O3的Ne。当前常用 a-IGZ0 的溅射靶材成份为 In2O3 Ga2O3 ZnO = 45 30 25wt%，In2O3 和 ZnO 迁移率相当，但靶材中仍含有25%的ZnO。因此，本实施例只使用一种高迁移率材料In2O3，利用 Ga2O3或MgO抑制In2O3的高队并使系统仍为非晶态氧化物。本实施例充分利用了 In2O3的高迁移率特征来制备以下性能的高迁移率TFT :10cm2/(V. s) < μ < IOOcm2/(V. s), Ion > 10_3A，Ion/Ioff > 106，满足未来 AM-FPD 应用要求。在本发明一种MOTFT的第五实施例中，所述有源层为ZnO。ZnO薄膜同样具有高迁移率，且Ne很低( IO16CnT3)，因此ZnO TFT性能很好。本实施例中的ZnO TFT可以达到以下晶态高迁移率:30cm2/(V. s) < μ < 500cm2/ (V. s)，Ion > 10_3A，Ion/Ioff > 106，满足未来AM-FPD应用要求。以上各实施例并非只能单独应用，相互之间也可以结合起来构成新的实施例，例如可以将第一实施例与第二实施例相互结合，那么就是既包括非晶态结构的栅介质，又包括经过优化0处理的有源层的M0TFT。如图2所示，本发明实施例还提出了一种MOTFT的制备方法，包括201、制作基底；以无碱玻璃作为基底；202、制作栅极；在该玻璃基底上制备IOOnm透明导电膜薄膜，湿法刻蚀形成栅极(Gate)；203、制作栅介质；制备300nm 栅介质(a-Si (0，N)或 Ta2O5)；204、制作有源层；本实施例仍然以a-IGZO TFT为例进行说明，在栅介质上制备40nma-IGZ0有源层， 湿法刻蚀形成半导体岛；205、制作源漏极；再在半导体岛上制备300nm透明导电膜薄膜，湿法刻蚀形成源、漏电极；206、制作保护层；再在有源层上通过制备a-IGZO时掺N形成a_IGZ0N保护层；207、退火；将TFT在N2气氛中350 °C退火1小时。其中在本发明一种MOTFT的制备方法的第一实施例中，所述栅介质为非晶态结构的栅介质，所述203与204分别可以是203A、以5丨02、5丨队或1 05为靶材，用MS工艺制备栅介质；204A、制备完栅介质后，立即在同一真空腔内换靶制备有源层；应用上述制备方法的优点包括目前，a-IGZO TFT的栅介质如SiO2和SiNx常用化学气相沉积。该工艺有三个缺点第一，栅介质和有源层在两台设备内分步制备完成，即中间过程需暴露在空气中，这增加了界面缺陷。第二，薄膜中含有大量的H，而提高了栅介质的束缚电荷密度。以上两缺点均使TFT的EBS稳定性降低。第三，设备投资大且工艺安全性低。而用MS工艺制备栅介质均避免了上述缺点，因为栅介质和有源层可以在同一台MS设备内连续镀膜完成，而且制备的栅介质不含H。最后，MS设备投资明显比化学气相沉积小且工艺安全性高。因此，用MS 制备栅介质工艺在MOTFT的制备中可望替代化学气相沉积制备栅介质工艺。在本发明一种MOTFT的制备方法的第二实施例中，所述有源层为经过优化0含量处理的有源层，所述204可以是204B、用InGaZnOx靶溅射制备高稳定性a_IGZ0 TFT有源层，制备过程不充氧(或者，从小到大增加反应气体O2流量(0，0. 5sccm, Isccm等))。测量TFT性能当EBS稳定性均较佳时(例如AVth < IV，EBS =Vg = 20V, t = 1500s)，即为找到最佳工艺点，持续使用该最佳工艺点的工艺条件制备有源层；
在本发明一种MOTFT的制备方法的第三实施例中，所述有源层为掺Mg的有源层， 所述204可以是204C、靶材成份为=In2O3 MgO ZnO = 45 30 25界1%或 In2O3 MgO ZnO =60 15 25wt%，用 MS 工艺制备 InMgZnO(IMZO)。在本发明一种MOTFT的制备方法的第四实施例中，所述有源层为掺Ga或Mg的 In2O3。所述204可以是204D、靴材成份为=In2O3 Ga2O3 = 70 30mol%, In2O3 MgO = 75 25界1%或 90 1(^丨％，用MS工艺制备。在本发明一种MOTFT的制备方法的第五实施例中，所述有源层为纯ZnO。所述204 可以是204E、用MS工艺制备ZnO，Ts 350°C，靶材为金属Zn靶；也就是说，提高磁控溅射制备ZnO有源层的基底温度Ts至 350°C，以此制备高迁移率纯ZnO TFT ；或，204F、用 PLD 制备 ZnO TFT 有源层，Ts 600°C，Zn 靶，氧分压 ICT3Pa ；薄膜沉积时的Ts是决定薄膜晶化程度的最重要参数。提高Ts可以进一步提高薄膜的晶粒尺寸G，而且薄膜迁移率μ随G增加而增加。因此，我们通过提高Ts来制备高迁移率 ZnO TFT (μ IOcm2 (V. s) IOOcm2 (V. s) “1)。此外，用PLD工艺制备的ZnO薄膜μ可达155 440cm2/(V. s)，且Ne低和稳定 (IO16CnT3)，G lOOnm。该工艺已用于单晶IGZO TFTXu2O TFT及SnOTFT等有源层的制备， 但尚未用于ZnO TFT有源层的制备。目前用室温MS工艺制备的ZnO薄膜μ仅2cm2/(V. s)， 但 TFT 已有很好的性能μ 27cm2/(V. s)，Ion ICT3A (Vd = 10V)，I。n/I。ff IO60 同样根据1增加一G增加一μ增加这一原理，及参考低温多晶硅TFT制备工艺的经验，我们用PLD 制备高迁移率 ZnO TFT(μ IOOcm2(V. s) 500cm2(V. s)“1)。以上各实施例并非只能单独应用，相互之间也可以结合起来构成新的实施例，例如可以将第一实施例中的栅介质的制备方法与第二实施例中的有源层的制备方法相互结合来制备既包括非晶态结构的栅介质，又包括有源层为经过优化0处理的M0TFT。以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种MOTFT，其特征在于采用O含量优化的有源层。
2.如权利要求1所述的M0TFT，其特征在于所述有源层采用Mg掺杂。
3.如权利要求1所述的M0TFT，其特征在于所述有源层为ZnO。
4.如权利要求1所述的M0TFT，其特征在于所述有源层为掺Ga或Mg的Ιη203。
5.如权利要求1所述的M0TFT，其特征在于所述栅介质为非晶态结构的栅介质。
6.一种MOTFT的制备方法，包括制作栅极、制作栅介质、制作有源层、制作源漏极、制作保护层、退火，其特征在于所述制作有源层的步骤为用磁控溅射(Magnetic sputtering,MS)制备，制备过程不充O2气或从小到大增加O2气流量，当TFT的EBS稳定性较佳时，即为找到最佳工艺点，持续使用该最佳工艺条件制备有源层。
7.如权利要求6所述的MOTFT的制备方法，其特征在于所述制作有源层的步骤为用MS工艺制备InMgZnOx,靶材成份为In2O3 MgO ZnO = 45 30 25界1%或 In2O3 MgO ZnO = 60 15 25wt%。
8.如权利要求6所述的MOTFT的制备方法，其特征在于所述制作有源层的步骤为用MS工艺制备ZnO，基底温度Ts 350°C，靶材为金属Zn 靶；或者用脉冲激光沉积(Pulsed laser deposition, PLD)工艺制备ZnO，制备条件为 Ts 6000C，Zn靴，氧分压 IO-3Pa0
9.如权利要求6所述的MOTFT的制备方法，其特征在于所述制作有源层的步骤为用MS工艺制备，靶材成份为In2O3 Ga2O3 = 70 30mol%, In2O3 MgO = 75 25界1%或90 IOwt %。
10.如权利要求6所述的MOTFT的制备方法，其特征在于所述制作栅极的步骤为在玻璃基底上制备透明导电膜薄膜，湿法刻蚀形成栅极；所述制作栅介质的步骤为用MS工艺制备栅介质，以a-Si (0，，N)或Ta2O5为靶材；所述制作源、漏极的步骤为在半导体岛上制备透明导电膜薄膜，湿法刻蚀形成源、漏电极；所述制作保护层的步骤包括在所述制备有源层工艺基础上进一步掺N形成保护层；所述退火的步骤包括将所述TFT在N2气氛中350°C退火1小时。
全文摘要
本发明公开了一种金属氧化物薄膜晶体管(Metal oxide thin film transistor，MOTFT)的制备工艺。首先，采用最优O含量的有源层来提高MOTFT的EBS稳定性。其次，采用掺Mg有源层来提高MOTFT的UV光稳定性。最后，采用富In2O3或纯ZnO有源层来提高MOTFT的迁移率。
文档编号H01L29/22GK102290443SQ201110213610
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月28日 优先权日2011年7月28日
发明者姚建可, 张盛东 申请人:北京大学深圳研究生院