一种掺钙氧化锌薄膜晶体管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种玻璃衬底或者塑料衬底上制备薄膜晶体管的方法，属于半导体行业、平板显示领域。
【背景技术】
[0002]在信息化时代中，显示技术占据着重要地位，显示技术的日益发展为人们带来了更加丰富多彩的视觉体验。当今的平板显示技术包括AMLCD (液晶显示)、AMOLED (有机发光二极管显示)、柔性显示、透明显示等。随着显示工艺技术的不断发展，平板显示器(Flatpanel display, FPD)的亮度、视角、全彩色等方面均得到了提升。
[0003]透明电子显示是当今显示领域的一个前沿课题，因此，关于透明氧化物半导体薄膜的探索和研宄成为了关键。透明导电氧化物材料需同时具备高透过率和高导电率两种物理特性，这种特性要求氧化物材料具有足够大的带隙宽度，即禁带宽度约大于3.1eV0氧化锌材料为宽禁带半导体材料，禁带宽度为3.37eV，因此，氧化锌基薄膜晶体管是TFT领域的研宄热点。氧化锌基TFT有如下优点:可以通过溅射的方法在低温下淀积有源层，成本低廉，工艺简单；氧化锌基半导体的电子迀移率高，使TFT具有高的驱动性能和开关速度；光学透过率高于80%，可用于透明显示。
[0004]1968年，第一个单晶氧化锌薄膜晶体管的报告发表，大概在2003年后，氧化锌薄膜晶体管的研宄报告才逐渐增加。然而，通常情况下所使用的氧化锌材料为多晶结构，单晶或非晶的氧化锌制备是很困难的。由于晶界的存在，显示屏的不同区域的薄膜晶体管的均匀性会很差。此外，氧化锌薄膜的自由电子浓度很高，因而薄膜晶体管的关态电流和阈值电压难以控制。正因如此，科研工作者希望通过对氧化锌薄膜进行掺杂来提高薄膜的电学性能。目前被大家广泛研宄的是IGZO薄膜晶体管，通过Ga元素的引入可以有效地抑制薄膜电子浓度，关态性能因而改善。此外，非晶的结构保证了器件的均匀性。然而，In是一种稀有且有毒的元素，使用掺In的材料制造成本高昂而且不环保，难以在大规模生产中得到广泛的应用。氧化锌钙(ZnO+CaO)薄膜晶体管还没有被研宄，且Ca是一种常见且环保的元素，因而将氧化锌钙作为透明导电材料进行研宄具有重要的科研价值和实际意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种纳米晶氧化锌钙薄膜晶体管及其制备方法，可以改善器件的迀移率、开关比、阈值电压、亚阈摆幅等方面的性能。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]—种氧化锌钙薄膜晶体管，包括衬底、栅电极、栅介质层、半导体导电沟道层、源区和漏区，其特征在于，所述半导体导电沟道层采用掺钙的氧化锌纳米晶半导体材料，钙的含量占 2% -20% ο
[0008]一种在玻璃或塑料衬底上制备氧化锌钙薄膜晶体管的制备方法，具体步骤包括以下:
[0009]I)在玻璃或者塑料衬底上生长一层透明导电薄膜，光刻刻蚀出栅电极。
[0010]2)紧接着生长一层栅介质薄膜，光刻刻蚀出栅介质层。
[0011]3)在栅介质层上利用溅射工艺生长一层沟道层，溅射使用的靶材为掺钙的氧化锌陶瓷靶，钙的含量占2%-20%，溅射过程中氧气分压控制在0%-15%光刻刻蚀出导电沟道层O
[0012]4)生长一层透明导电薄膜，光刻刻蚀出源、漏电极。
[0013]5)生长一层钝化介质层，光刻和刻蚀形成栅、源和漏的引出孔。
[0014]6)生长一层金属薄膜，光刻和刻蚀形成金属电极和互连。
[0015]所述的制备方法，步骤(I)所生长的导电薄膜，由透明导电薄膜材料IT0、AZ0、GZ0等形成。
[0016]所述的制备方法，步骤(2)所生长的栅介质材料，由二氧化硅，或者氮化硅、氧化铪、氧化铝、氧化锆等绝缘材料形成。
[0017]所述的制备方法，步骤⑷所生长的导电薄膜，由透明导电材料IT0、AZ0、GZ0等形成。
[0018]本发明的优点和积极效果:本发明提供了一种在玻璃或者塑料衬底上制备纳米晶氧化锌钙薄膜晶体管的制造方法，制备的半导体薄膜晶粒尺寸低于20nm，且分布均匀，属于纳米晶氧化物半导体。这种工艺方法具有步骤简单，制造成本低廉，均匀性好，用于低温工艺，对提高薄膜晶体管器件的性能具有积极效果，改善了器件的迀移率、开关比、阈值电压、亚阈摆幅等方面的性能，适用于透明显示和柔性显示技术。而且该薄膜晶体管呈现出对氧分压不敏感的特性，说明在制备过程中可以在较大的工艺条件范围内调控器件的特性，拓宽了工艺窗口。
【附图说明】
[0019]图1为本发明具体实例所描述的玻璃或者塑料衬底上制备薄膜晶体管的剖面结构示意图；
[0020]图2为本发明具体实例所描述的玻璃或者塑料衬底上制备薄膜晶体管的俯视结构示意图；
[0021]图3(a)?(e)依次示出了本发明的薄膜晶体管一个利记博彩app的主要工艺步骤，其中:
[0022]图3(b)示意了栅电极形成的工艺步骤；
[0023]图3(c)示意了栅介质层形成的工艺步骤；
[0024]图3(d)示意了沟道层形成的工艺步骤；
[0025]图3(e)示意了源、漏端电极形成的工艺步骤；
[0026]图4(a)为本发明制得的氧化锌钙薄膜晶体管的转移特性曲线，其中转移特性曲线随氧分压的增加没有明显的变化，说明该薄膜晶体管对氧分压不敏感，可以在较大的工艺条件范围内调控器件特性；
[0027]图4(b)为本发明制得的氧化锌钙薄膜晶体管的电学参数与氧分压的相关性，其中开关电流比、亚阈值斜率和饱和迀移率随氧分压的增加变化不大，呈现出较弱的相关性；
[0028]图5为制备在不同氧气分压条件下的氧化锌钙薄膜SEM图，由图可见，晶粒分布均匀，有利于器件实现良好的均匀性。
【具体实施方式】
[0029]下面通过实例对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解:在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
[0030]本发明薄膜晶体管形成于玻璃或者塑料衬底I上，如图1和图2所示。该薄膜晶体管包括栅电极2，栅介质层3，半导体导电沟道层4，源、漏端电极5。所述栅电极2位于玻璃或者塑料衬底I之上，所述栅介质层3位于电极2之上，所述半导体导电沟道层4位于栅介质层3之上，所述源漏端电极5位于半导体沟道层4两端。
[0031]所述薄膜晶体管的制备方法的具体实例由图3(a)至图3(e)所示，包括以下步骤:
[0032]如图3(a)所示，衬底I选用透明玻璃或者塑料衬底基板。
[0033]如图3(b)所示，在衬底I上采用磁控溅射技术生长一层30?150纳米厚的ITO等导电薄膜，然后光刻刻蚀出栅电极。
[0034]如图3(c)所示，利用PECVD生长一层50?250纳米厚的二氧化硅层，然后光刻刻蚀形成栅介质。
[0035]如图3(d)所示，利用溅射工艺生长一层掺钙的氧化锌半导体材料沟道层。溅射使用的靶材为掺钙的氧化锌陶瓷靶，钙的含量占2% _20%，溅射过程中氧气分压控制在0% -15%。
[0036]如图3(e)所示，采用磁控溅射技术生长一层50?300纳米厚的ITO等导电薄膜，然后光刻刻蚀形成源、漏电极。
[0037]随后按照标准工艺生长一层钝化介质层，光刻和刻蚀形成栅、源和漏的引出孔，再生长一层Al或者透明的导电薄膜材料，光刻和刻蚀形成电极和互连。
[0038]最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解:在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
【主权项】
1.一种氧化锌钙薄膜晶体管，包括衬底、栅电极、栅介质层、半导体导电沟道层、源区和漏区，其特征在于，所述半导体导电沟道层采用掺钙的氧化锌纳米晶半导体材料，钙的含量占 2% -20% O
2.一种氧化锌钙薄膜晶体管的制备方法，具体步骤包括以下: 1)在玻璃或者塑料衬底上生长一层透明导电薄膜，光刻刻蚀出栅电极； 2)紧接着生长一层栅介质薄膜，光刻刻蚀出栅介质层； 3)在栅介质层上利用溅射工艺生长一层掺钙的氧化锌纳米晶半导体材料沟道层，溅射使用的靶材为掺钙的氧化锌陶瓷靶，钙的含量占2% _20%，溅射过程中氧气分压控制在0% -15%，光刻刻蚀出沟道层； 4)生长一层导电薄膜，光刻刻蚀出源、漏电极； 5)生长一层钝化介质层，光刻和刻蚀形成栅、源和漏的引出孔； 6)生长一层金属薄膜，光刻和刻蚀形成金属电极和互连。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤I)所生长的导电薄膜为30?150纳米厚的透明导电薄膜材料ITO、AZO或GZ0。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所生长的栅介质材料为二氧化硅、氮化硅、氧化铪、氧化铝或氧化锆。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤4)所生长的导电薄膜为透明导电材料 ITO、AZO 或 GZO。
【专利摘要】本发明提供了一种薄膜晶体管及其制备方法，属于半导体行业、平板显示领域。本发明的核心在于采用掺钙的氧化锌半导体材料作为薄膜晶体管的导电沟道层，制备的半导体薄膜晶粒尺寸低于20nm，且分布均匀，属于纳米晶氧化物半导体。这种工艺方法具有步骤简单，制造成本低廉，均匀性好，用于低温工艺，对提高薄膜晶体管器件的性能具有积极效果，改善了器件的迁移率、开关比、阈值电压、亚阈摆幅等方面的性能，适用于透明显示和柔性显示技术。
【IPC分类】H01L29-227, H01L21-34, H01L29-786
【公开号】CN104766892
【申请号】CN201510158994
【发明人】韩德栋, 郁文, 王漪, 石盼, 丛瑛瑛, 张翼, 董俊辰, 周晓梁, 黄伶灵, 张盛东, 刘力锋, 刘晓彦, 康晋锋
【申请人】北京大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月3日