用作薄膜晶體管溝道層的非晶氧化物薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用作薄膜晶體管溝道層的非晶氧化物薄膜及其制備方法，所述非晶氧化物薄膜化學(xué)式為Zn4AlxSn7O1.5x+18(0≦x≦0.5)。制備步驟為：將稱量好的Zn(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O及SnCl2+NH4NO3分別溶解于二甲氧基乙醇、乙酰丙酮以及氨水組成的混合溶液中，配成前驅(qū)體溶液，并在常溫～50℃下攪拌6～24h，經(jīng)過濾后按Zn:Al:Sn＝4:x:7(0≦x≦0.5)比例混合均勻，陳化4～24h；在襯底上旋涂成膜，并進(jìn)行退火處理，得到薄膜的厚度為10～50nm；本發(fā)明制得的薄膜表面粗糙度RMS小于5nm、載流子濃度1014～1017cm-3、透過率>80％；將其用作溝道層制得薄膜晶體管，閾值電壓為-4～3V、遷移率為2～10cm2V-1S-1。本發(fā)明制備的用作薄膜晶體管的非晶氧化物薄膜具有遷移率高、環(huán)境友好、方法簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】用作薄膜晶體管溝道層的非晶氧化物薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非晶氧化物薄膜及其制備方法，尤其涉及一種用作薄膜晶體管溝道層的非晶氧化物薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著信息時(shí)代的到來，顯示器件加速向平板化、節(jié)能化的方向發(fā)展，其中以薄膜晶體管(TFT)為開關(guān)元件的有源陣列驅(qū)動(dòng)顯示器件在眾多平板顯示技術(shù)中脫穎而出，自然地，TFT也成為微電子特別是顯示工程領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。TFT是一種場效應(yīng)半導(dǎo)體器件，包括襯底、溝道層、絕緣層、柵極和源漏電極等幾個(gè)重要組成部分，其中溝道層的性能和制造工藝對TFT最終的性能有至關(guān)重要的影響。
[0003]隨著非晶硅(α -Si)和多晶硅摻雜技術(shù)的發(fā)展，近十多年來，以非晶硅或多晶硅材料制作溝道層的TFT為驅(qū)動(dòng)單元的液晶顯示器件獲得了迅速發(fā)展，并成為當(dāng)前市場主流的信息顯示終端。然而，非晶硅存在場效應(yīng)遷移率低、光敏性強(qiáng)、材料不透明致其顯示屏像素開口率低等缺點(diǎn)，而多晶硅TFT存在大面積制作工藝復(fù)雜、低溫工藝難以實(shí)現(xiàn)、制作成本高以及器件均勻性差等缺點(diǎn)。
[0004]因此，近年來，尋求制作具有高遷移率、高性能、且制作成本低的TFT成為滿足平板顯示器進(jìn)一步發(fā)展的研究熱點(diǎn)，研究比較熱門的是以并五苯等有機(jī)半導(dǎo)體材料為溝道層的有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)和以氧化物半導(dǎo)體薄膜為溝道層的TFT。OTFT具有加工溫度低、工藝過程簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是，目前報(bào)道的OTFT的遷移率較低(一般低于Icm2W1S-1)，且有一個(gè)致命缺點(diǎn)就是OTFT的壽命低，存在嚴(yán)重的老化問題。而以氧化物半導(dǎo)體薄膜為溝道層的TFT具有較高的遷移率和較大的電流開關(guān)比，能夠提高顯示器的響應(yīng)速度，滿足高清晰、大容量終端顯示的要求；另外氧化物薄膜在可見光范圍有較高的透過率，用在有源陣列驅(qū)動(dòng)液晶顯示中，可以提高液晶顯示器的開口率，使顯示器屏幕更清晰明亮并降低能耗。
[0005]基于氧化物半導(dǎo)體薄膜應(yīng)用于TFT溝道層的這些優(yōu)點(diǎn)，最近我國、日本以及韓國多個(gè)課題組均在致力于氧化物半導(dǎo)體薄膜為溝道層的TFT的研究，目前研究較為成熟的為非晶InGaZnO薄膜制作溝道層的TFT，但是這種TFT含有In和Ga這兩種價(jià)格昂貴的稀有元素，尤其是In元素，在地球的儲量極少，且都是作為Zn、Sn等元素的伴生礦而存在，開采十分困難，且目前In大量用于透明導(dǎo)電薄膜ITO中，更加速了 In的消耗，有研究者預(yù)測在未來幾十年內(nèi)，In資源就會(huì)枯竭；另外，目前研究中，作為TFT溝道層應(yīng)用的非晶InGaZnO薄膜的制備方法多采用物理沉積方法如磁控濺射、脈沖激光沉積以及分子束外延等，這些制備方法非常的昂貴，也使制得的TFT工業(yè)成本居高不下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種用作薄膜晶體管溝道層的非晶氧化物薄膜及其制備方法；本發(fā)明提供的用作薄膜晶體管溝道層的非晶氧化物薄膜相對于目前研究的OTFT具有高的遷移率特點(diǎn)，且不含有非晶InGaZnO薄膜中昂貴的In、Ga元素；且制備工藝簡單、制作成本低。
[0007]本發(fā)明制備的用作薄膜晶體管溝道層的非晶氧化物薄膜，其特征在于:所述非晶氧化物薄膜的化學(xué)式為Zn4AlxSn7CW18，其中:0 ^ x ^ 0.5?
[0008]進(jìn)一步，該用作薄膜晶體管溝道層的非晶氧化物薄膜，其特征在于:所述非晶氧化物薄膜的物理特性如下:
表面粗糙度RMS小于5nm ；
載流子濃度IO14~IO17cnT3 ；
閾值電壓為-4~3V;
遷移率為2~lOcmVt1 ；
透過率>80%。
[0009]本發(fā)明還提供所述用作薄膜晶體管溝道層的非晶氧化物薄膜的制備方法，其步驟如下:
(1)將稱量好的Zn(NO3)2.6H20、Al (NO3)3.9H20 及 SnCl2+NH4N03 分別溶解于二甲氧基乙醇、乙酰丙酮以及氨水組成的混合溶液中，配成前驅(qū)體溶液，并在常溫~50°C下攪拌6~24h,經(jīng)過過濾后按照Zn:Al:Sn = 4:x:7比例混合均勻，其中:0蘭x蘭0.5,陳化4~24h ；
(2)將步驟(1)陳化后所得到的溶液在襯底上旋涂成膜，旋涂的轉(zhuǎn)速為:2000~4500rpm，旋涂時(shí)間為10~60s ；
(3)將步驟(2)旋涂所得到的薄膜進(jìn)行退火處理，退火處理的溫度為100~400°C，退火時(shí)間為10~90min ；
(4)多次重復(fù)步驟(2)和步驟(3)，直到得到的薄膜厚度為10~50nm。
[0010]進(jìn)一步，上述步驟(1)中所述的Zn (NO3)2.6H20、Al (NO3)3.9H20、SnCl2, NH4NO3 的純度均在99.99%以上。
[0011]進(jìn)一步，上述步驟(2)中所述襯底可以為單晶硅片、藍(lán)寶石、石英、玻璃、聚碳酸酯或苯二甲酸乙二酯。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于:
(1)應(yīng)用本發(fā)明制作的Zn4AlxSn7O1L非晶氧化物薄膜作為溝道層的TFT，比有機(jī)薄膜晶體管和傳統(tǒng)的非晶硅(α -Si)薄膜晶體管，具有更高的遷移率:2~IOcm2V-1S'應(yīng)用于有源陣列平板顯示器，能夠提高顯示器的響應(yīng)速度，滿足高清晰、大容量終端顯示的要求；
(2)本發(fā)明制作的Zn4AlxSn7O1^18非晶氧化物薄膜，與InGaZnO相比，性能相當(dāng)，且不含In、Ga貴金屬元素,采用普通的Sn、Al分別取代了昂貴的In、Ga,對環(huán)境友好，同時(shí)原料存儲量大，成本大幅降低，有利于信息顯示領(lǐng)域的大規(guī)模推廣應(yīng)用；
(3)本發(fā)明制作的Zn4AlxSn7O1Lli^g晶氧化物薄膜，在可見光區(qū)域(波長400~800nm)的透過率大于80%，用在有源陣列驅(qū)動(dòng)液晶顯示中，可以提高液晶顯示器的開口率，使顯示器屏幕更清晰明亮并降低能耗；
(4)本發(fā)明提供的Zn4AlxSn7Oh55w8非晶氧化物薄膜的制備方法，工藝簡單、成本低，且能實(shí)現(xiàn)薄膜的低溫生長，使其制作在有機(jī)柔性襯底上成為可能，增加了在工業(yè)上應(yīng)用的機(jī)會(huì)；
(5)本方法制作的Zn4AlxSn7O1.5X+18非晶氧化物薄膜成分分布均勻，易于腐蝕，可大面積制備。【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為實(shí)施例1制得的Zn4AlxSn7CW18(其中:x = 0.5)非晶氧化物薄膜的紫外可見光透射譜。
[0014]圖2為制得的Zn4AlxSn7O1H8非晶氧化物薄膜用作溝道層的底柵式結(jié)構(gòu)TFT的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中I為n++Si襯底，同時(shí)也是柵電極，2為150nm的SiO2的柵極絕緣層，3為溝道層，也就是薄I吳Zn4AlxSn7O1 5χ+?8? 4為源極層，5為漏極層。
[0015]圖3為實(shí)施例1制得的Zn4AlxSn7CW18(其中:x = 0.5)非晶氧化物薄膜用作溝道層的TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線。
[0016]圖4為實(shí)施例2制得的Zn4AlxSn7O1H8(其中:x = O)非晶氧化物薄膜用作溝道層的TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線。
[0017]圖5為實(shí)施例3制得的Zn4AlxSn7O1.5X+18 (其中:x = 0.25)非晶氧化物薄膜用作溝道層的TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0019]實(shí)施例1
[0020](I)將稱量好的 Zn (NO3) 2.6H20、Al (NO3) 3.9H20 及 SnCl2+NH4N03 分別溶解于二甲氧基乙醇+乙酰丙酮+14.5M的氨水溶液里配成濃度為0.2M的前驅(qū)體溶液，在30°C下攪拌24h,經(jīng)過過濾后按照Zn: Al: Sn = 4:0.5:7比例混合均勻，陳化24h ；
[0021](2)將步驟(1)陳化后所得到的溶液在n++Si/150nmSi02襯底上旋涂成膜，旋涂條件為:轉(zhuǎn)速為4000rpm,旋涂時(shí)間為35s,旋涂4次,每次旋涂后進(jìn)行退火處理,退火處理的溫度為300°C，退火時(shí)間為30min。得到的薄膜的分子式為=Zn4AlxSn7On18，其中:x = 0.5。
[0022](3)對制得的薄膜進(jìn)行薄膜厚度、表面粗糙度、載流子濃度以及在紫外可見光區(qū)域的透射譜測試，測試結(jié)果為:薄膜厚度為23nm，表面粗糙度RMS為0.97nm,載流子濃度IO14~1017cm_3，透過率>80%，透射譜如圖1所示；
[0023](4)為進(jìn)一步測量制作的薄膜用作TFT的溝道層的性能，接著在上述制得的薄膜基礎(chǔ)上制作TFT的原型器件:利用掩膜板，在上述步驟(2)所得到的薄膜上用電子束蒸發(fā)技術(shù)沉積一層IOOnm的Al金屬電極作為薄膜晶體管的源極和漏極，TFT器件溝道層的寬度和長度分別為1000 μ m和200 μ m。制作的TFT器件結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中I為n++Si襯底，同時(shí)也是柵電極，2為150nm的SiO2的柵極絕緣層，3為溝道層，也就是薄膜Zn4AlxSn7O1L 4為源極層，5為漏極層；
[0024](5)對上述得到的用Zn4AlxSn7On18(其中:x = 0.5)非晶氧化物薄膜作為溝道層的TFT進(jìn)行物理特性測試，如圖3為測試所得的轉(zhuǎn)移特性曲線，圖中Ves是柵源極偏壓，Ids為源漏極電流，源漏極電壓Vds為10V，計(jì)算得到的場效應(yīng)遷移率為2.SScm2V-1S-1,閾值電壓為2.39V，開關(guān)態(tài)電流比為2.88X IO6。
[0025]實(shí)施例2
[0026](I)將稱量好的Zn (NO3) 2.6H20及SnCl2+NH4N03分別溶解于二甲氧基乙醇+乙酰丙酮+14.5M的氨水溶液里配成濃度為0.2M的前驅(qū)體溶液，在常溫下攪拌12h，經(jīng)過濾后按照Zn:Sn = 4:7比例混合均勻，陳化12h ；
[0027](2)將步驟(1)陳化后所得到的溶液在n++Si/150nmSi02襯底上旋涂成膜，旋涂條件為:轉(zhuǎn)速為4500rpm,旋涂時(shí)間為25s,旋涂5次,每次旋涂后進(jìn)行退火處理,退火處理的溫度為400°C，退火時(shí)間為50min。得到的薄膜的分子式為=Zn4AlxSn7On18，其中:x = O。
[0028](3)對制得的薄膜進(jìn)行薄膜厚度、表面粗糙度、載流子濃度以及在紫外可見光區(qū)域的透射譜測試，測試結(jié)果為:薄膜厚度為18nm，表面粗糙度RMS為3.3nm,載流子濃度IO14~1017cnT3，透過率 >80%。
[0029](4)利用掩膜板，在步驟(2)所得到的薄膜上用電子束蒸發(fā)技術(shù)沉積一層IOOnmAl金屬電極作為薄膜晶體管的源極和漏極，TFT器件溝道層的寬度和長度分別為1000 μ m和100 μ m ；
[0030](5)對上述得到的用Zn4AlxSn7O1^8(其中:x = O)非晶氧化物薄膜作為溝道層的TFT進(jìn)行物理特性測試，如圖4為測試所得的轉(zhuǎn)移特性曲線，圖中Ves是柵源極偏壓，Ids為源漏極電流，源漏極電壓Vds為10V，計(jì)算得到的場效應(yīng)遷移率為5.23^1^1,閾值電壓為-3.74V，開關(guān)態(tài)電流比為1.07X IO6。
[0031]實(shí)施例3
[0032](I)將稱量好的 Zn (NO3) 2.6H20、Al (NO3) 3.9H20 及 SnCl2+NH4N03 分別溶解于二甲氧基乙醇+乙酰丙酮+14.5M的氨水溶液里配成濃度為0.2M的前驅(qū)體溶液，在50°C下攪拌6h,經(jīng)過濾后按照Zn: Al: Sn = 4:0.25:7比例混合均勻，陳化6h ；
[0033](2)將步驟(1)陳化后所得到的溶液在n++Si/150nmSi02襯底上旋涂成膜，旋涂條件為:轉(zhuǎn)速為3500rpm,旋涂時(shí)間為40s,旋涂4次,每次旋涂后進(jìn)行退火處理,退火處理的溫度為400°C，退火時(shí)間為60min。得到的薄膜的分子式為=Zn4AlxSn7On18其中:x = 0.25。
[0034](3)對制得的薄膜進(jìn)行薄膜厚度、表面粗糙度、載流子濃度以及在紫外可見光區(qū)域的透射譜測試，測試結(jié)果為:薄膜厚度為28nm，表面粗糙度RMS為1.8nm,載流子濃度IO14~1017cnT3，透過率 >80%。
[0035](4)利用掩膜板，在步驟(2)所得到的薄膜上用電子束蒸發(fā)技術(shù)沉積一層IOOnmAl金屬電極作為薄膜晶體管的源極和漏極，TFT器件溝道層的寬度和長度分別為1000 μ m和200 μ m ；
[0036](5)對上述得到的用Zn4AlxSn7Ow(其中:x = 0.25)非晶氧化物薄膜作為溝道層的TFT進(jìn)行物理特性測試，如圖5為測試所得的轉(zhuǎn)移特性曲線，圖中Ves是柵源極偏壓，Ids為源漏極電流，源漏極電壓Vds為10V，計(jì)算得到的場效應(yīng)遷移率為3.SQm2V-1S-1,閾值電壓為-1.42V，開關(guān)態(tài)電流比為1.32X 106。
[0037]上述各實(shí)施例中，使用的原料Zn (NO3) 2.6H20、Al (NO3) 3.9H20、SnCl2 以及 NH4NO3 的純度均在99.99%以上。
[0038]本發(fā)明非晶氧化物薄膜制備所使用的襯底，并不局限于實(shí)施例中的單晶硅片，還可以使用藍(lán)寶石、石英、玻璃、聚碳酸酯或苯二甲酸乙二酯。
【權(quán)利要求】
1.用作薄膜晶體管溝道層的非晶氧化物薄膜，其特征在于:所述非晶氧化物薄膜的化學(xué)式為Zn4AlxSn7O1H8，其中:0蘭x蘭0.5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用作薄膜晶體管溝道層的非晶氧化物薄膜，其特征在于:所述非晶氧化物薄膜及用其作溝道層制作的薄膜晶體管物理特性如下: 表面粗糙度RMS小于5nm ； 載流子濃度IO14~IO17cnT3 ； 閾值電壓為-4~3V; 遷移率為2~lOcmVt1 ； 透過率>80%。
3.制備權(quán)利要求1或2所述的用作薄膜晶體管溝道層的非晶氧化物薄膜的方法，其特征在于包括如下步驟:
(1)將稱量好的Zn(NO3)2.6H20、Al (NO3)3.9H20 及 SnCl2+NH4N03 分別溶解于二甲氧基乙醇、乙酰丙酮以及氨水組成的混合溶液中，配成前驅(qū)體溶液，并在常溫~50°C下攪拌6~24h,經(jīng)過過濾后按照Zn:Al:Sn = 4:x:7比例混合均勻，其中:0蘭x蘭0.5,陳化4~24h ； (2)將步驟(1)陳化后所得到的溶液在襯底上旋涂成膜，旋涂的轉(zhuǎn)速為:2000~4500rpm，旋涂時(shí)間為10~60s ； (3)將步驟(2)旋涂所得到的薄膜進(jìn)行退火處理，退火處理的溫度為100~400°C，退火時(shí)間為10~90min ； (4)多次重復(fù)步驟(2)和步驟(3)，直到得到的薄膜厚度為10~50nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用作薄膜晶體管溝道層的非晶氧化物薄膜的制備方法，其特征在于:步驟(1)中所述的Zn (NO3)2.6H20、Al (NO3) 3.9H20、SnCl2' NH4NO3的純度均在99.99% 以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用作薄膜晶體管溝道層的非晶氧化物薄膜的制備方法，其特征在于:步驟(2)中所述襯底可以為單晶硅片、藍(lán)寶石、石英、玻璃、聚碳酸酯或苯二甲酸乙二酯。
【文檔編號】C23C14/08GK104022159SQ201410270566
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】呂建國, 江慶軍, 孫汝杰, 閆偉超, 楊振輝, 葉志鎮(zhèn) 申請人:浙江大學(xué)