一种氧化锡基半导体薄膜晶体管及其制备方法与流程

本发明属于显示器件技术领域，具体涉及一种氧化锡基半导体薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术：

近年来，平板显示面板的应用十分广泛，主要应用领域包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑、电视、显示器等，并且未来有可能在汽车电子、工业控制、电子标签、智慧医疗等新兴领域扮演重要角色。其中，非晶氧化物薄膜晶体管(tft)在以有源矩阵驱动液晶显示(amlcd)和有源矩阵有机发光二极管(amoled)为代表的平板显示中起重要作用。

对于非晶氧化物tft来说，初始沉积态氧化物薄膜存在大量内部缺陷态及有源层/栅绝缘层界面的缺陷，通常需要经过不同退火处理方式来改善器件的电学性能。传统的退火方法有空气热退火、真空气氛热退火、快速气氛热退火等。但热退火处理存在以下缺点：1.退火温度高(≥300℃)，退火时间长(≥30min)，生产成本高；2.由于氧化物tft是由多层薄膜材料构成，各层材料的热膨胀系数不同，热退火会造成器件内部应力变化；3.为了提高及优化器件性能，常会在多种混合气氛下退火，导致不安全，对退火设备安全系数要求高。

技术实现要素：

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种氧化锡基半导体薄膜晶体管。

本发明的另一目的在于提供上述氧化锡基半导体薄膜晶体管的制备方法。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种氧化锡基半导体薄膜晶体管，由玻璃基板、栅极、栅极绝缘层、有源层和源/漏电极构成，所述的有源层为非晶掺硅氧化锡薄膜。

优选地，所述的栅极为厚度为100～300nm的al薄膜。

优选地，所述的栅极绝缘层为厚度为100～200nm的al2o3。

优选地，所述非晶掺硅氧化锡薄膜的厚度为5～10nm。

优选地，所述非晶掺硅氧化锡薄膜中硅的掺杂浓度为3～6wt％。

上述氧化锡基半导体薄膜晶体管的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)在玻璃基板上直流磁控溅射沉积制备栅极，然后在栅极表面阳极氧化生长栅极绝缘层；

(2)采用射频磁控溅射在栅绝缘层上沉积非晶掺硅氧化锡薄膜作为有源层；

(3)利用掩膜法在非晶掺硅氧化锡薄膜上直流磁控溅射制备源/漏电极。

步骤(2)中所述射频磁控溅射的功率为200～500w，工作气压为1～5mtorr，氩气/氧气流量比为20/0～20/4。

步骤(2)中所述非晶掺硅氧化锡薄膜的霍尔迁移率控制为4.7～7.1cm²/vs，载流子浓度控制为4.09×10¹⁸～2.97×10¹⁹cm^-3，氧空位含量为40.05％～45％。

本发明的原理为：氧化物半导体材料的导电性与材料内部的氧空位密切相关。通常，初始态氧化物半导体内部缺陷太比较多，载流子浓度低，需要经过热退火工艺调制，实现半导体特性。本发明在特定硅掺杂浓度范围的靶材，优化出合理的有源层制备工艺(溅射的功率为200～500w，工作气压为1～5mtorr，氩气/氧气流量比为20/0～20/4)，使得薄膜内部缺陷态低，氧空位含量维持在合适的范围，使得非晶掺硅氧化锡的霍尔迁移率控制为4.7～7.1cm²/vs，载流子浓度控制为4.09×10¹⁸～2.97×10¹⁹cm^-3。关键技术在于可以控制初始态薄膜内部载流子浓度，不需要经过热处理优化薄膜性能，减少器件制备周期，节省能源消耗，降低生产成本。

本发明的薄膜晶体管及制备方法具有如下优点及有益效果：

本发明的tft器件无需退火即可获得不错的器件性能，有效地节约生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例所得薄膜晶体管的结构示意图。

图2为实施例1所得薄膜晶体管的输出特性曲线图。

图3为实施例1所得薄膜晶体管的转移特性曲线图。

图4为实施例1所得薄膜晶体管在不同沟道宽长比下的转移特性曲线图。

图5为实施例1所得薄膜晶体管在未经过热退火处理及不同温度下退火处理的转移特性曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例的一种氧化锡基半导体薄膜晶体管的制备方法，具体制备步骤如下：

(1)在玻璃基板上直流磁控溅射沉积制备厚度为200nm的al薄膜作为栅极，然后在al薄膜栅极表面阳极氧化生长厚度为150nm的al2o3栅极绝缘层。

(2)采用射频磁控溅射(功率为300w，工作气压为3mtorr，氩气/氧气流量比为20/2)在栅绝缘层上沉积厚度为8nm的非晶掺硅氧化锡半导体薄膜(溅射靶材为氧化硅和氧化锡粉末混合，利用热压烧结技术制备得到；所得非晶掺硅氧化锡硅的掺杂浓度为3wt％，霍尔迁移率控制为4.7～7.1cm²/vs，载流子浓度控制为4.09×10¹⁸～2.97×10¹⁹cm^-3，氧空位含量为45％)，作为有源层。

(3)利用掩膜法在非晶掺硅氧化锡薄膜上直流磁控溅射制备源/漏电极，得到所述氧化锡基半导体薄膜晶体管。

所得薄膜晶体管的结构示意图如图1所示。由玻璃基板11，al栅极12，alox栅极绝缘层13，非晶掺硅氧化锡薄膜有源层14和源/漏电极15构成(其层叠结构关系为常规薄膜晶体管结构)。

本实施例所得薄膜晶体管的输出特性曲线图如图2所示。其中，曲线21、22、23和24分别为栅极电压vgs为0v、10v、20v和30v。

本实施例所得薄膜晶体管的转移特性曲线图(曲线31)如图3所示。其中，源/漏电压vds为30.1v。

本实施例所得薄膜晶体管在不同沟道宽长比(w:l)下的转移特性曲线图如图4所示。其中，曲线41、42、43、44、45分别为沟道宽长比为600/100、600/200、600/300、600/400和600/500。

本实施例所得薄膜晶体管在未经过热退火处理及不同温度下退火处理的转移特性曲线图如图5所示。其中，曲线51、52、53、54和55分别是未经过热退火处理(室温)、150℃、250℃、350℃和450℃。

由以上结果可以看出，未经过热退火处理的器件具有不错的器件性能，随着退火温度的逐渐升高，器件的转移特性曲线逐渐朝着负方向移动，“关态”电流逐渐升高，当退火温度过高时，器件呈高导态，失去“开关”特性。说明器件不经过热退火能够获得不错的器件性能。

实施例2

本实施例的一种氧化锡基半导体薄膜晶体管的制备方法，具体制备步骤如下：

(1)在玻璃基板上直流磁控溅射沉积制备厚度为300nm的al薄膜作为栅极，然后在al薄膜栅极表面阳极氧化生长厚度为200nm的al2o3栅极绝缘层。

(2)采用射频磁控溅射(功率为500w，工作气压为5mtorr，氩气/氧气流量比为20/4)在栅绝缘层上沉积厚度为10nm的非晶掺硅氧化锡半导体薄膜(溅射靶材为氧化硅和氧化锡粉末混合，利用热压烧结技术制备得到；所得非晶掺硅氧化锡硅的掺杂浓度为6wt％，霍尔迁移率控制为4.7～7.1cm²/vs，载流子浓度控制为4.09×10¹⁸～2.97×10¹⁹cm^-3，氧空位含量为40.05％)，作为有源层。

(3)利用掩膜法在非晶掺硅氧化锡薄膜上直流磁控溅射制备源/漏电极，得到所述氧化锡基半导体薄膜晶体管。

所得薄膜晶体管的结构示意图如图1所示。由玻璃基板11，al栅极12，alox栅极绝缘层13，非晶掺硅氧化锡薄膜有源层14和源/漏电极15构成(其层叠结构关系为常规薄膜晶体管结构)。

本实施例所得氧化锡基半导体薄膜晶体管的输出特性曲线图和转移特性曲线图与实施例1类似。所得薄膜晶体管无需经过热退火处理即能够获得不错的器件性能。

实施例3

本实施例的一种氧化锡基半导体薄膜晶体管的制备方法，具体制备步骤如下：

(1)在玻璃基板上直流磁控溅射沉积制备厚度为150nm的al薄膜作为栅极，然后在al薄膜栅极表面阳极氧化生长厚度为100nm的al2o3栅极绝缘层。

(2)采用射频磁控溅射(功率为200w，工作气压为1mtorr，氩气/氧气流量比为20/0)在栅绝缘层上沉积厚度为5nm的非晶掺硅氧化锡半导体薄膜(溅射靶材为氧化硅和氧化锡粉末混合，利用热压烧结技术制备得到；所得非晶掺硅氧化锡硅的掺杂浓度为5wt％，霍尔迁移率控制为4.7～7.1cm²/vs，载流子浓度控制为4.09×10¹⁸～2.97×10¹⁹cm^-3，氧空位含量为43％)，作为有源层。

(3)利用掩膜法在非晶掺硅氧化锡薄膜上直流磁控溅射制备源/漏电极，得到所述氧化锡基半导体薄膜晶体管。

所得薄膜晶体管的结构示意图如图1所示。由玻璃基板11，al栅极12，alox栅极绝缘层13，非晶掺硅氧化锡薄膜有源层14和源/漏电极15构成(其层叠结构关系为常规薄膜晶体管结构)。

本实施例所得氧化锡基半导体薄膜晶体管的输出特性曲线图和转移特性曲线图与实施例1类似。所得薄膜晶体管无需经过热退火处理即能够获得不错的器件性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。