一种非晶氧化物薄膜晶体管沟道层及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜及其制备方法，所述非晶氧化物薄膜化学式为Zn4In7-xSnxO0.5x+14.5（0≦x≦7）。制备步骤为：将称量好的Zn(NO3)2·6H2O、In(NO3)3·H2O及SnCl2+NH4NO3分别溶解于二甲氧基乙醇+乙酰丙酮+14.5M的氨水溶液里配成浓度为0.2M的前驱体溶液（配置Zn和In源时三者体积比为25：1：0.57，配置Sn源时三者体积比为25：1：0.285）并在常温~50℃下搅拌6~24h，经过滤后按Zn:In:Sn=4:(7-x):x(0≦x≦7)比例混合均匀，陈化4~24h；在衬底上旋涂成膜，并进行退火处理，得到薄膜的厚度为10~50nm。本发明制得的薄膜表面粗糙度RMS小于2nm、载流子浓度1014~1017cm-3、透过率>80%；将其用作沟道层制得薄膜晶体管，阈值电压为-4~10V、迁移率为0.5~3cm2V-1S-1。本发明制备的用作薄膜晶体管的非晶氧化物薄膜具有迁移率高、减少In用量、方法简单、成本低等优点。
【专利说明】一种非晶氧化物薄膜晶体管沟道层及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种非晶氧化物薄膜及其制备方法，尤其涉及一种非晶氧化物薄膜晶 体管沟道层及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 薄膜晶体管（TFT)是微电子特别是显示工程领域的核心技术之一。目前，在很多平 板显示、手机等领域主要采用的是氢化非晶硅(a-Si :H)TFT。但是a-Si :H TFT自身存在很 多缺点，包括不透明，光敏性强，而且显示屏的像素开口率低，迁移率低（〈1 cm2 fS4)，这 些缺点直接限制了 a-Si :H TFT的应用。据报道，低迁移率的a-Si :H TFT无法驱动帧率 高于120 Hz的大尺寸AMLCD。对于大尺寸、高分辨率和高帧率的显示器，所需的TFT器件的 迁移率要求比较高，尽管基于多晶硅（P-Si)技术的TFT虽然迁移率高，但是器件均匀性差， 而且制备成本较高，这在一定程度上阻碍了 P-Si的应用。此外，对于AM0LED，其驱动方式 是电流模式，一般需要注入较大的电流才能驱动0LED。因此，a-Si:H TFT和多晶硅（p-Si) TFT器件已经不能完全满足这些要求。为了解决上述问题，科研工作者开始着力研究新型 氧化物半导体TFT。氧化物TFT具有沉积温度低、迁移率高、开启电压低、均匀性好并且容 易制备等优点，能够极大地满足大面积显示驱动电路的要求，这些都是a-Si :H TFT和多晶 硅（p-Si )TFT无法满足的。目前，研究最为广泛的TFT沟道层是非晶氧化物半导体，特别是 InGaZnO沟道层，而且目前正走向实际应用。其中最常用生长InGaZnO沟道层的方法是磁控 溅射，这种高真空的设备在一定程度上大大增加了工业成本，而且沟道层中含有In和Ga这 两种贵金属，特别是In元素，铟是一种稀有贵重金属，地质储量非常少，有报道称15年左右 将消耗殆尽，这不仅造成了其生产成本居高不下，而且也不利于可持续发展。因此有必要采 用新型方法制备In元素含量较少的TFT器件。
[0003] 相比较传统的物理沉积方法，低温溶液方法被广泛研究以降低工业成本。溶液法 具有制备薄膜温度低、操作简便、所制备的薄膜迁移率高、金属阳离子离子级混合等优势， 可以充分满足TFT沟道层的要求。因此有必要开发出新型低成本的技术来制备TFT沟道层。
【发明内容】
[0004] 为克服现有技术制作新型氧化物半导体TFT高成本以及使用如In和Ga等储量稀 少的贵金属等问题，本发明利用低温溶液法制备氧化物沟道层，并且在满足器件性能要求 的基础上，Sn元素有望完全取代In元素的趋势，来降低工业成本。
[0005] 本发明制备的一种非晶氧化物薄膜晶体管沟道层，其特征在于：所述非晶氧 化物薄膜晶体管沟道层为一种非晶氧化物薄膜，其化学式为Zn 4In7_xSnx0a5x+14. 5，其中： 0刍X刍7。
[0006] 该非晶氧化物薄膜晶体管沟道层，其特征在于：所述非晶氧化物薄膜及用其作沟 道层制作的薄膜晶体管的物理特性如下： 表面粗糙度RMS小于2 nm ; 载流子浓度?ο14?1017 cnT3; 阈值电压为-4?10 V ; 迁移率为0. 5?3 cm2 V-1 S-1 ; 透过率>80%。
[0007] 本发明还提供了该非晶氧化物薄膜晶体管沟道层的制备方法，其步骤如下： 1) 将称量好的Ζη(Ν03)2 · 6Η20、Ιη(Ν03)3 · H20及SnCl2+NH4N03分别溶解于二甲氧基乙 醇+乙酰丙酮+14. 5 Μ的氨水溶液里配成浓度为0. 2 Μ的前驱体溶液，其中配置Zn和In 源时三者体积比为25 :1 :0. 57,配置Sn源时三者体积比为25 :1 :0. 285,然后将配置好的前 驱体溶液在常温?5(TC下搅拌6?24 h，经过过滤后按照Zn: In : Sn=4: (7-x): X比例 混合均匀，其中：〇兰X兰7,陈化4?24 h ; 2) 将步骤1)陈化后所得到的溶液在衬底上旋涂成膜，旋涂条件为：2000 ~ 4500 r.p.m，旋涂时间为10-60 s ; 3) 将步骤2)旋涂所得到的薄膜进行退火处理，退火处理的温度为100?400 °C，退火 时间为10?90 min ; 4) 多次重复步骤2)和步骤3)，直到得到的薄膜厚度为10?50 nm。
[0008] 进一步，上述步骤 1)中所述的 Zn (N03) 2 · 6H20、In (N03) 3 · H20、SnCl2、ΝΗ4Ν03 的纯 度均在99. 99 %以上。
[0009] 进一步，上述步骤2)中所述衬底可以为单晶硅片、蓝宝石、石英、玻璃、聚碳酸酯或 苯二甲酸乙二酯。
[0010] 本发明的有益效果在于： 1) 溶液法制备Zn4In7_xSnxOa5x+14. 5薄膜，并作为TFT沟道层的方法极其简单，沟道层中 In和Sn元素的成分比例可以任意调整，而且Sn源存储量大，有望减少In元素的使用，降低 工业成本； 2) Zn4In7_xSnxOa5x+14. 5#晶氧化物薄膜作为TFT沟道层，比传统α-Si TFT的迁移率大； 3) Zn4In7_xSnxOa 5x+14.5在可见光区域(波长40(T800 nm)的透过率大于80%，性能较 InGaZnO薄膜相当，用在有源阵列驱动液晶显示中，可以提高液晶显示器的开口率，使显示 器屏幕更清晰明亮并降低能耗； 4) 本发明提供的Zn4In7_xSnxOa 5x+14.5非晶氧化物薄膜的制备方法，工艺简单、成本低，且 能实现薄膜的低温生长，使其制作在有机柔性衬底上成为可能，增加了其工业上应用的机 会； 5) Zn4In7_xSnxOa 5x+14.5非晶氧化物薄膜成分分布均匀，易于腐蚀，可大面积制备。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1为实施例1制得的Zn4In7_xSnxO Q.5x+14.5 (其中：x=5)非晶氧化物薄膜的AFM图。
[0012] 图2为制得的Zn4In7_xSn xOa5x+14.5非晶氧化物薄膜用作沟道层的底栅式结构TFT的 结构示意图。图中1为n ++Si衬底，同时也是栅电极，2为150nm的5102的栅极绝缘层，3为 沟道层，也就是薄I旲Zn 4In7_xSnxOa 5x+14.5,4为源极层，5为漏极层。
[0013] 图3为实施例1制得的Zn4In7_xSn xOa5x+14.5 (其中：x=5)非晶氧化物薄膜用作沟道 层的TFT的转移特性曲线。
[0014] 图4为实施例2制得的Zn4In7_xSn x0a5x+14.5 (其中：x=0)非晶氧化物薄膜用作沟道 层的TFT的转移特性曲线。
[0015] 图5为实施例3制得的Zn4In7_xSnx0 Q.5x+14.5 (其中：x=7)非晶氧化物薄膜用作沟道 层的TFT的转移特性曲线。
【具体实施方式】
[0016] 以下结合附图及具体实施例进一步说明本发明。
[0017] 实施例1 1) 将称量好的Ζη(Ν03)2 · 6Η20、Ιη(Ν03)3 · H20及SnCl2+NH4N03分别溶解于二甲氧基乙 醇+乙酰丙酮+14. 5 Μ的氨水溶液里配成浓度为0. 2 Μ的前驱体溶液(配置Zn和In源时 三者体积比为25 :1 :0. 57,配置Sn源时三者体积比为25 :1 :0. 285)，并在常温下搅拌12 h， 经过过滤后按照Zn: In : Sn=4: 2: 5比例混合均勻，陈化24h; 2) 将步骤1)陈化后所得到的溶液在n++ Si/150 nm 5102衬底上旋涂成膜，旋涂条件 为：转速为4300 rpm,旋涂时间为35s,旋涂4次，每次旋涂后进行退火处理,退火处理的的 温度为300 °C，退火时间为30 min。得到的薄膜的分子式为：Zn4In7_xSnx0 Q.5x+14.5，其中：x=5 ; 3) 对制得的薄膜进行薄膜厚度、表面粗糙度、载流子浓度以及在紫外可见光区域的透 射谱测试，测试结果为：薄膜厚度为45 nm，表面粗糙度RMS为1. 24 nm，载流子浓度1014 ~ 1017 cnT3,透过率>80%，其AFM图如图1所示； 4) 为进一步测量制作的薄膜用作TFT的沟道层的性能，接着在上述制得的薄膜基础 上制作TFT的原型器件：利用掩膜板，在上述步骤2)所得到的薄膜上用电子束蒸发技术沉 积一层100 nm的A1金属电极作为薄膜晶体管的源极和漏极，TFT器件沟道层的宽长比 为1000 umX200 um。制作的TFT器件结构如图2所示，图中1为n++ Si衬底，同时也是栅 电极，2为150nm的Si02的栅极绝缘层，3为沟道层，也就是薄膜Zn4In 7_xSnx0Q.5x+14. 5 (其中： x=5)，4为源极层，5为漏极层； 5) 对上述得到的用Zn4In7_xSnx0 a5x+14.5 (其中：x=5)非晶氧化物薄膜作为沟道层的TFT 进行物理特性测试，如图3为测试所得的转移特性曲线，图中Ves是栅源极偏压，IDS为源漏 极电流，源漏极电压V DS为10 V，计算得到的场效应迁移率为1.44 cm2 Γ1 S'阈值电压为 1.23 V，开关态电流比为5. 18X106。
[0018] 实施例2 1) 将称量好的Ζη(Ν03)2 · 6H20和Ιη(Ν03)3 · H20分别溶解于二甲氧基乙醇+乙酰丙酮 +14. 5 Μ的氨水溶液里配成浓度为0. 2 Μ的前驱体溶液(配置Zn和In源时三者体积比为 25 :1 :0. 57)，并在30°C下搅拌18 h，经过过滤后按照Zn: In =4: 7比例混合均匀，陈化24 h ； 2) 将步骤1)陈化后所得到的溶液在n++ Si/150 nm 5102衬底上旋涂成膜，旋涂条件 为：转速为3500 rpm,旋涂时间为30 s,旋涂4次，每次旋涂后进行退火处理,退火处理的温 度为300 °C，退火时间为50 min。得到的薄膜的分子式为：Zn4In7_xSnx0 Q.5x+14.5 (其中：x=0); 3) 对制得的薄膜进行薄膜厚度、表面粗糙度、载流子浓度以及在紫外可见光区域的透 射谱测试，测试结果为：薄膜厚度为45 nm，表面粗糙度RMS为0. 41 nm，载流子浓度1014 ~ 1017 cnT3,透过率 >80%; 4) 利用掩膜板，在步骤2)所得到的薄膜上用电子束蒸发技术沉积一层100 nm A1金 属电极作为薄膜晶体管的源极和漏极，TFT器件沟道层的宽长比为1000 umX200 um; 5) 对上述得到的用Zn4In7_xSnxO Q.5x+14.5 (其中：x=0)非晶氧化物薄膜作为沟道层的TFT 进行物理特性测试，如图4为测试所得的转移特性曲线，图中Ves是栅源极偏压，IDS为源 漏极电流，源漏极电压V DS为10 V，计算得到的场效应迁移率为2.51 cm2" S'阈值电压 为-3.24 V，开关态电流比为3.66X 105。
[0019] 实施例3 1) 将称量好的Ζη(Ν03)2 · 6H20及SnCl2+NH4N03分别溶解于二甲氧基乙醇+乙酰丙酮 +14. 5 Μ的氨水溶液里配成浓度为0. 2 Μ的前驱体溶液(配置Zn源时三者体积比为25 :1 : 0. 57,配置Sn源时三者体积比为25 :1 :0. 285)，在40°C下搅拌24 h，经过过滤后按照Zn: Sn=4:7比例混合均匀，陈化12 h; 2) 将步骤1)陈化后所得到的溶液在n++ Si/150 nm 5102衬底上旋涂成膜，旋涂条件 为：转速为4300 rpm,旋涂时间为35 s,旋涂4次，每次旋涂后进行退火处理,退火处理的温 度为300 °C，退火时间为30 min。得到的薄膜的分子式为：Zn4In7_xSnx0 Q.5x+14.5 (其中：x=7); 3) 对制得的薄膜进行薄膜厚度、表面粗糙度、载流子浓度以及在紫外可见光区域的透 射谱测试，测试结果为：薄膜厚度为35 nm，表面粗糙度RMS为1. 46 nm，载流子浓度1014 ~ 1017 cnT3,透过率 >80%; 4) 利用掩膜板，在步骤2)所得到的薄膜上用电子束蒸发技术沉积一层100 nm A1金 属电极作为薄膜晶体管的源极和漏极，TFT器件沟道层的宽长比为1000 umX200 um; 5) 对上述得到的用Zn4In7_xSnx0 a5x+14.5 (其中：x=7)非晶氧化物薄膜作为沟道层的TFT 进行物理特性测试，如图5为测试所得的转移特性曲线，图中Ves是栅源极偏压，IDS为源漏 极电流，源漏极电压V DS为10 V，计算得到的场效应迁移率为1.20 m2^1 S'阈值电压为 2. 57 V，开关态电流比为4.89X 106。
[0020] 上述各实施例中，使用的原料Zn (N03) 2 · 6H20、In (N03) 3 · H20、SnCl2以及ΝΗ4Ν03的 纯度均在99. 99 %以上。
[0021] 本发明非晶氧化物薄膜制备所使用的衬底，并不局限于实施例中的单晶硅片，还 可以使用蓝宝石、石英、玻璃、聚碳酸酯或苯二甲酸乙二酯。
【权利要求】
1. 一种非晶氧化物薄膜晶体管沟道层，其特征在于：所述非晶氧化物薄膜晶体管沟道 层为一种非晶氧化物薄膜，其化学式为Zn 4In7_xSnxOQ.5x+14. 5，其中：0 g X g 7。
2. 根据权利要求1所述的一种非晶氧化物薄膜晶体管沟道层，其特征在于：所述非晶 氧化物薄膜及用其作沟道层制作的薄膜晶体管的物理特性如下： 表面粗糙度RMS小于2 nm ; 载流子浓度1〇14?1〇17 cnT3 ; 阈值电压为-4?10 V ; 迁移率为0. 5?3 cm2 V-1 S-1 ; 透过率>80%。
3. 制备权利要求1或2所述的一种非晶氧化物薄膜晶体管沟道层的方法，其特征在于 包括如下步骤： 1) 将称量好的Ζη(Ν03)2 · 6Η20、Ιη(Ν03)3 · H20及SnCl2+NH4N03分别溶解于二甲氧基乙 醇+乙酰丙酮+14. 5 Μ的氨水溶液里配成浓度为0. 2 Μ的前驱体溶液，其中配置Zn和In 源时三者体积比为25 :1 :0. 57,配置Sn源时三者体积比为25 :1 :0. 285,然后将配置好的前 驱体溶液在常温?50°C下搅拌6?24 h，经过滤后按照Zn: In : Sn=4: (7-x): X比例混 合均匀，其中：〇兰X兰7 ; 2) 将步骤1)陈化后所得到的溶液在衬底上旋涂成膜，旋涂的转速为：2000 ~ 4500 r. ρ· m，旋涂时间为10?60 s ; 3) 将步骤2)旋涂所得到的薄膜进行退火处理，退火处理的温度为200?400 °C，退火 时间为10?90 min ; 4) 多次重复步骤2)和步骤3)，直到得到的薄膜厚度为10?50 nm。
4. 根据权利要求3所述的一种非晶氧化物薄膜晶体管沟道层的制备方法，其特征在 于：步骤 1)中所述的 Ζη(Ν03)2 · 6Η20、Ιη(Ν03)3 · H20、SnCl2、ΝΗ4Ν03 的纯度均在 99. 99 % 以 上。
5. 根据权利要求3所述的一种非晶氧化物薄膜晶体管沟道层的制备方法，其特征在 于：步骤2)中所述衬底可以为单晶硅片、蓝宝石、石英、玻璃、聚碳酸酯或苯二甲酸乙二酯。
【文档编号】H01L29/10GK104091833SQ201410335545
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】吕建国, 江庆军, 孙汝杰, 冯丽莎, 叶志镇 申请人:浙江大学