一种氮磷氧锌薄膜及其制备方法和薄膜晶体管的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种氮磷氧锌薄膜及其制备方法和薄膜晶体管，所述氮磷氧锌薄膜的组成为ZnxPyO1-x-y-zNz，其中，55%≤x≤65%，1%≤y≤10%，10%≤z≤22%，各原子的原子个数百分比之和为100%。通过离子溅射沉积该氮磷氧锌薄膜，同时对于给定薄膜材料制作的薄膜晶体管获得高载流子迁移率和高稳定性。
【专利说明】一种氮磷氧锌薄膜及其制备方法和薄膜晶体管
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种半导体薄膜的制备，特别是涉及一种氮磷氧锌薄膜及其制备方法和薄膜晶体管。
【背景技术】
[0002]在近十几年的时间中，以硅材料TFT为驱动单元的液晶显示器件以其体积小、重量轻、品质高等一系列优点获得了迅速发展，并成为主流的信息显示终端。然而随着人们对显示器件分辨率、响应速度、稳定性等性能要求的提高，以硅材料为有源层的TFT暴露出一系列的问题，a-Si TFT背板由于其自身迁移率较低(一般小于0.5cm2/(V.S)，无法实现高分辨率显示；低温多晶硅(LTPS)TFT技术生产工艺复杂，设备投资高，面板面临均匀性差、良品率低、生产成本居高不下等难以克服的问题，其在大尺寸FH)显示领域的进一步发展受到较大限制。
[0003]与目前在液晶显示器有源驱动矩阵中广泛采用的硅TFT相比，氧化物半导体TFT具有如下优势:(I)场效应迁移率较高；(2)开关比高；(3)制备工艺温度低；(4)可以制作大面积非晶薄膜，均匀性好，具有良好一致的电学特性；(5)受可见光影响小，比非晶硅薄膜晶体管稳定；(6)可以制作成透明器件。在平板显示领域，氧化物TFT技术几乎满足包括AMOLED驱动、快速超大屏幕液晶显示、3D显示等诸多显示模式的所有要求。在柔性显示方面，衬底材料不能承受高温，而氧化物TFT的制备工艺温度低，与柔性衬底兼容，因而金属氧化物TFT具备较大优势。
[0004]但在典型的a-1GZO中，大量正离子的随机分布了形成电子的散射机构，导致载流子迁移率相对较低。且由于在a-1GZO薄膜中存在大量氧空位，在光照和负偏压的条件下，其带隙中施主型氧空位的存在将会导致器件的稳定性变差，因此该薄膜晶体管存在稳定性问题。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:弥补上述现有技术的不足，提出一种氮磷氧锌薄膜及其制备方法和薄膜晶体管，其制作的薄膜晶体管能获得最大载流子迁移率
[0006]本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决:
[0007]一种氮磷氧锌薄膜，其组成为 ZnxPy(Vx_y_zNz，其中，55% ≤ x ≤ 65%，1% ≤ y ≤ 10%，10%≤Z ≤ 22%，各原子的原子个数百分比之和为100%。
[0008]优选地，59%≤ X ≤ 61%, 5% ≤ y ≤ 8%, 12% ≤ z ≤ 15%。
[0009]本发明采用非氧的阴离子代替氧化锌中氧离子，进而调整氧化物的价带，消除氧化物半导体中的氧空位，且由于阳离子几乎都是Zn2+，不同于传统的a-1GZO中，存在大量阳离子的随机分布，降低了载流子传输中的势垒。实验表明:
[0010]含锌的半导体本质上是靠阴离子缺位(缺陷)导电，如果锌含量少了，导电能力降低，如果锌含量过高，说明存在大量缺陷，越来越接近导体，性能好的TFT用薄膜需要在这之间找到平衡，获得导电能力适当，缺陷不太多，本发明中当原子锌小于55%时，薄膜的载流子迁移率降低，当原子锌大于65%时，薄膜呈多晶结构且具有大量生长缺陷。
[0011]在溅射过程中，立方形Zn3N2、六角形ZnO和属于四方晶系的Zn3P2间存在生长竞争关系，有助于氮氧磷锌非晶相的形成，然而当氮、磷含量减小时，薄膜呈现ZnO的多晶结构，当氧气含量减小时，薄膜呈现Zn3N2或Zn3P2的多晶结构。所以，当原子磷小于1%时，薄膜容易形成多晶结构，薄膜的缺陷多，当原子磷大于10%时，薄膜呈多晶结构且具有大量生长缺陷，相应的薄膜晶体管漏电流大；当原子氮小于10%时，薄膜容易形成多晶结构，薄膜的缺陷多，当原子氮大于22%时，薄膜呈多晶结构且具有大量生长缺陷，相应的薄膜晶体管漏电流大。
[0012]本发明中的氮磷氧锌薄膜呈非晶态，其表面平整，采用Accent HL5500PC型Hall效应测试系统测试载流子浓度和Hall迁移率。优化条件下的载流子浓度较低~1017cm_3，Hall迁移率达到49cm2/Vs。
[0013]本发明的另一个目的是在反应性气氛中通过磁控溅射来制造氮磷氧锌薄膜的方法,反应性气氛由纯氧气或纯氮气或者二者的任意混合或者二者与IS气的任意混合构成，如氮气/氩气的混合物，氧气/氮气/氩气的混合物，氧气/氮气的混合物所构成，所述的溅射镀膜的方法可以使将不同材料制作成靶材并安装在不同的靶位上同时溅射，通过调节不同靶位的溅射功率来控制所制备薄膜中各原子的比例；或者将其中的两种材料按照所述原子比例制作成一个靶材，然后再与其它靶材安装在不同靶位上实施共溅射，通过调节不同靶位的溅射功率来控制所制备薄膜中各原子的比例。
[0014]所述靶材为ZnO靶、P2O5靶、Zn3N2靶或Zn3P2靶。
[0015]采用射频磁控溅射，靶与 衬底的距离为20-150mm，所用的射频频率13.56MHz，反应性气氛的各种气体的比例通过气体流量计控制。样品生长时衬底温度保持在25-100°C以内，在0.5ff/cm2-5ff/cm2的功率密度下实施溅射，溅射室的背景真空小于I X 10_7托，溅射压强控制在0.1Pa-l0.0Pa间。
[0016]一种采用顶栅结构的薄膜晶体管，包括基板，形成在基板上的源极、漏极和氮磷氧锌半导体有源层，栅极和栅极绝缘层；所述源极和漏极分别与所述氮磷氧锌半导体有源层接触，所述栅极绝缘层覆盖在所述氮磷氧锌半导体有源层上、以及所述栅极形成在所述栅极绝缘层上，沟道区域位于所述源极和漏极之间，所述栅极与绝缘层以及沟道区域形成自对准，所述氮磷氧锌半导体有源层由上述的氮磷氧锌薄膜刻蚀形成。
[0017]该结构的优势在于氮磷氧锌半导体有源层被栅极绝缘层覆盖，不会受环境或工艺因素的影响且没有增加额外的工艺处理步骤。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为实例中所制备的氮磷氧锌薄膜晶体管的结构图。
【具体实施方式】
[0019]下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
[0020]本发明在氧化锌材料中同时掺磷和氮，其组成为ZnxPy(Vx_y_zNz，其中，55%≤X≤65%，1% ^ y ^ 10%, 10% ( z ( 22%。并通过离子溅射沉积该氮磷氧锌薄膜，同时对于给定薄膜材料制作的薄膜晶体管获得高载流子迁移率和高稳定性。
[0021]实施例1
[0022]将ZnO靶、P2O5靶和Zn3N2分别安装在三个不同靶位同时溅射，通过调节不同靶位的溅射功率控制镀膜速度，使ZnO、P2O5和ZnN的溅射镀膜速度比为1:1:12，相应的原子比约为 Zn:P:N=13:2:12。
[0023]ZnOPN采用射频磁控溅射，靶与衬底的距离为60mm，所用的射频频率13.56MHz，以高纯氮气和氧气的混合气体为溅射气体(反应性气氛)，气体的比例通过气体流量计控制。溅射室的背景真空小于IX 10_7托，为了防止污染，首先进行预溅射lOmin，样品生长时衬底温度保持在室温25°C，氧流量为5sccm，氮流量为20sccm。在0.8Pa压力和2W/cm2的功率密度下完成溅射镀膜。
[0024]所制备的氮磷氧锌薄膜的元素含量由X射线电子能谱(XPS)测定，其中锌含量为59%，磷含量为6%，氮含量为14%，氧含量为21%。
[0025]采用Accent HL 5500PC型Hall效应测试系统测试薄膜载流子浓度和Hall迁移率，载流子浓度较低?1017cm_3，Hall迁移率为30cm2/Vs。薄膜呈非晶态。开关比达到107。
[0026]如图1所示，一种顶栅结构薄膜晶体管，包括基板1、形成在基板I上的源极2和漏极3、形成在源极2、漏极3和基板I上的氮磷氧锌半导体有源层4、在氮磷氧锌半导体有源层4上的栅极绝缘层5、以及在栅极绝缘层5上的栅极6，沟道区域位于源极2和漏极3之间，其中，栅极6与绝缘层5以及沟道区域可以形成自对准。该结构中，氮磷氧锌半导体有源层受绝缘层保护，TFT的场效应迁移率达到37cm2/Vs
[0027]本实施例的顶栅氮磷氧锌薄膜晶体管的制造方法包括下列步骤:
[0028](I)基板I可以是玻璃、石英、硅片或其它柔性基板如塑料等，在基板I上沉积导电层，沉积方式可以采用热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射等，导电层可以是钛、银、金、铬、铝、铜、钥、钽、钨等或透明导电膜，也可以是这些导电材料的合金，既可以是单层结构，也可以是以这些导电层构成的多层结构。优选的采用磁控溅射金属钛Mo，导电层厚度在IOnm-1OOOnm之间，较佳厚度为200nm，溅射的背景真空度小于I X 10_6托。
[0029](2)采用湿法或干法刻蚀导电层形成源极2和漏极3。
[0030](3)之后在源极2、漏极3和基板I上按照上述的工艺条件沉积氮磷氧锌半导体薄膜，所形成的ZnOPN薄膜厚度为5-2000nm，较优的厚度为50nm。
[0031](4)在氮磷氧锌半导体薄膜上形成栅极绝缘薄膜，栅极绝缘薄膜的沉积方式可以采用PECVD、PLD、电子束蒸发、磁控溅射及ALD，可由氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)、氮氧化硅、氧化铝、氧化钇或HfO2等制成，优化地，采用ALD技术，在室温下沉积厚度IOOnm的a-SiOx栅极绝缘薄膜，沉积的背景真空小于I X 10_6托。
[0032](5)在栅极绝缘薄膜上形成栅极金属层，栅极金属层的沉积方式可以采用热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射等技术。
[0033](6)采用湿法或干法刻蚀栅极金属层形成栅极6，再以栅极6为掩膜，干法刻蚀栅极绝缘薄膜形成与栅极6图案一致的栅极绝缘层5。
[0034](7)采用湿法刻蚀氮磷氧锌半导体薄膜形成氮磷氧锌半导体有源层4。
[0035]实施例2
[0036]利用溅射领域常规粘合剂将两种粉末Ζη0、Ρ205按照摩尔比12:1混合均匀，获得的革巴材原子比Zn:P=12:2,其余为氧。
[0037]ZnOPN采用射频磁控溅射，靶与衬底的距离为60mm，所用的射频频率13.56MHz，以高纯氮气和氧气的混合气体为溅射气体，气体的比例通过气体流量计控制。溅射室的背景真空小于I X 10_7托，预溅射lOmin。样品生长时衬底温度保持在室温25°C，氧流量为2sCCm，氮流量为lOOsccm。在IPa压力和2.0ff/cm2的功率密度下完成溅射镀膜。
[0038]所制备的氮磷氧锌薄膜的元素含量由X射线电子能谱(XPS)测定，其中锌含量为61%，磷含量为6.3%，氮含量为14.8%，氧含量为17.9%。
[0039]采用Accent HL 5500PC型Hall效应测试系统测试载流子浓度和Hall迁移率，载流子浓度较高，约为2.1 X 1019cnT3，Hall迁移率为55cm2/Vs。薄膜呈非晶态，非晶ZnOPN薄膜的表面平整。按照实施例1中的TFT结构，场效应迁移率达到51cm2/Vs。
[0040]实施例3
[0041]将ZnO靶、Zn3P2靶和Zn3N2靶分别安装在三个不同靶位同时溅射，通过调节不同靶位的溅射功率控制镀膜速度，使ZnO、Zn3P2靶和Zn3N2靶的溅射镀膜速度比为10:1: 2，相应的原子比约为Zn:P:N=15:2:2。
[0042]ZnOPN采用射频磁控溅射，各个靶与衬底的距离仍然为60mm，所用的射频频率13.56MHz,以高纯氮气和氧气的混合气体为溅射气体，气体的比例通过气体流量计控制。溅射室的背景真空小于IX 10_7托，预溅射lOmin。样品生长时衬底温度保持在室温25°C，氧流量为lOsccm，氮气的流量为50sccm，氩气流量为30sccm。在IPa压力和1.5ff/cm2的功率密度下完成共溅射镀膜。
[0043]所制备的氮磷氧锌薄膜的元素含量由X射线电子能谱(XPS)测定，其中锌含量为59%，磷含量为5.1%，氮含量为15%，氧含量为21%。
[0044]采用Accent HL 5500PC型Hall效应测试系统测试载流子浓度和Hall迁移率，载流子浓度约为?1018cm_3，Hall迁移率为60cm2/Vs。薄膜呈非晶态，非晶ZnOPN薄膜的表面平整。按照实施例1中的TFT结构，场效应迁移率达到58cm2/Vs，开关比达到106。
[0045]以上内容是结合具体的优选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，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种氮磷氧锌薄膜，其特征在于:所述氮磷氧锌薄膜的组成为ZnxPy(Vx_y_zNz，其中，55%≤X≤65%，1% ≤y ≤ 10%, 10% ≤ z ≤ 22%，各原子的原子个数百分比之和为100%。
2.如权利要求1所述的氮磷氧锌薄膜，其特征在于:59%≤ X ≤ 61%，5%≤ y ≤ 8%，12% ≤ z ≤ 15%。
3.—种权利要求1中的氮磷氧锌薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:在反应性气氛中通过磁控溅射来制造氮磷氧锌薄膜，所述反应性气氛由纯氧气或纯氮气或者二者的任意混合或者二者与氩气的任意混合构成，所述的磁控溅射是将含有锌、磷、氧、氮的靶材安装在不同的靶位上同时溅射，通过调节不同靶位的溅射功率来控制各个靶材的镀膜速度，从而控制所制备的氮磷氧锌薄膜中各原子的比例；或者将含有锌、磷、氧、氮的材料中的两种材料按照所述原子比例制作成一个靶材，然后再与其它靶材安装在不同靶位上实施共溅射，通过调节不同靶位的溅射功率来控制各个靶材的镀膜速度，从而控制所制备氮磷氧锌薄膜中各原子的比例。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于:采用射频磁控溅射，溅射靶材与衬底的距离为20-150mm，所用的射频频率13.56MHz，反应性气氛的各种气体的比例通过气体流量计控制，样品生长时衬底温度保持在25-100°C以内，在0.5ff/cm2-5ff/cm2的功率密度下实施溅射，溅射室的背景真空度小于IX 10_7托，溅射压强控制在0.1Pa-l0.0Pa间。
5.一种采用顶栅结构的薄膜晶体管，其特征在于:包括基板，形成在基板上的源极、漏极和氮磷氧锌半导体有源层，栅极和栅极绝缘层；所述源极和漏极分别与所述氮磷氧锌半导体有源层接触，所述栅极绝缘层覆盖在所述氮磷氧锌半导体有源层上、以及所述栅极形成在所述栅极绝缘层上，沟道区域位于所述源极和漏极之间，所述栅极与绝缘层以及沟道区域形成自对准，所述氮磷氧锌半导体有源层由权利要求1所述的氮磷氧锌薄膜刻蚀形成。
6.如权利要求5所述的薄膜晶体管，其特征在于:所述氮磷氧锌薄膜的厚度为5_2000nm。
7.如权利要求5所述 的薄膜晶体管，其特征在于:所述氮磷氧锌薄膜的厚度为50nm。
【文档编号】H01L29/24GK103560147SQ201310554881
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月7日 优先权日:2013年11月7日
【发明者】刘萍 申请人:深圳丹邦投资集团有限公司