專(zhuān)利名稱(chēng)：一種柔性igzo薄膜晶體管制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及ー種IGZO(In-Ga-Zn-O)薄膜晶體管制造方法。
背景技術(shù)：
TFT-IXD因其體積薄、重量輕、畫(huà)面質(zhì)量?jī)?yōu)異、功耗低、壽命長(zhǎng)、數(shù)字化和無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)，在各種大、中、小尺寸的產(chǎn)品上廣泛得到應(yīng)用，幾乎涵蓋了當(dāng)今信息社會(huì)的主要電子產(chǎn)品，如電視、電腦(臺(tái)式和筆記本)、手機(jī)、PDA、GPS、車(chē)載顯示、儀器儀表、公共顯示和虛幻顯示等。由于全球投入了大量的人力、物カ和財(cái)力，目前形成了巨大的市場(chǎng)規(guī)模，在2007年Display Search 中國(guó)平板顯不會(huì)議(2007Display Search China FPD Conference)上，業(yè) 界普遍認(rèn)為任何ー種平板顯示技術(shù)在未來(lái)十年內(nèi)都無(wú)法取代TFT-LCD在平板顯示領(lǐng)域內(nèi)所占的主導(dǎo)地位，并且在全球范圍內(nèi)，未來(lái)5-8年內(nèi)TFT-IXD產(chǎn)業(yè)總量將逐漸趕上半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。柔性顯示常規(guī)定義是“ー種由薄型柔性襯底構(gòu)成的平板顯示，它經(jīng)過(guò)彎曲、變形、卷曲成直徑幾厘米的圓筒而不影響和損壞其顯示性能”。柔性顯示器應(yīng)用范圍很廣，如移動(dòng)電話(huà)、筆記本電腦、電子書(shū)、汽車(chē)儀表、電子海報(bào)、個(gè)人數(shù)字助理、RF辨識(shí)系統(tǒng)、傳感器等。相比已產(chǎn)業(yè)化的以玻璃為基板的液晶顯示，柔性顯示有柔、薄、輕三個(gè)顯著的特性。柔使得柔性顯示器可以像紙一祥的彎曲，甚至折疊。薄，市面上平板顯示器的厚度一般大于3mm, 2010年底LG公司報(bào)道了全球最薄的液晶顯示器,厚度為2. 6mm,然而,該公司在2008年推出A4大小的電子書(shū)，厚度只有300 μ m,柔性顯示器的厚度只有傳統(tǒng)的顯示器厚度的十分之一左右。輕，由于傳統(tǒng)平板顯示器采用的是玻璃基板，而柔性顯示器采用的是塑料薄膜或者薄不銹鋼作為基板，因此柔性顯示器的質(zhì)量是傳統(tǒng)平板顯示器質(zhì)量的五分之一左右。柔性顯示器根據(jù)彎曲程度可以分為四類(lèi)超薄平板顯示器(Flat Thin Display)、弧形顯不器(Curved Displays)、可彎曲顯不器(Displays on Flexible Devices)和可卷曲顯示器(Roll Up Displays),其中理想的柔性顯示器是可卷曲顯示器。柔性顯示的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵技術(shù)之ー用有機(jī)或無(wú)機(jī)的柔性襯底制備TFT陣列替代傳統(tǒng)剛性的玻璃襯底TFT陣列。顯然，尋找ー種合適的襯底材料是制備出高質(zhì)量TFT的先決條件。顯示應(yīng)用要求的柔性襯底具備如下要求(I)較高的可見(jiàn)光透明度，在可見(jiàn)光400nm-800nm范圍內(nèi)的透明度達(dá)到85% (適用于像IXD和OLED透射型的顯示方式)；
(2)易彎曲，能夠承受1000次以上的彎曲；(3)價(jià)格比較低，與玻璃價(jià)格差不多，大約1-4分/英寸；(4)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與酸堿反應(yīng)；(5)良好的熱膨脹穩(wěn)定性，熱膨脹系數(shù)小于20ppm/°C ；(6)良好的勢(shì)壘層，能夠有效防止水和空氣的穿透；(7)較好的表面平整度，表面粗糙度小于5nm。當(dāng)前，柔性襯底主要有三類(lèi)，分別為塑料(Plastic)、薄玻璃(ThinGlass)和金屬薄片(Metal Foil),下面對(duì)這三種材料進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。
薄玻璃厚度為50-200 μ m的薄玻璃擁有與玻璃相似的性能和優(yōu)點(diǎn)，如好的勢(shì)壘層、優(yōu)良的光學(xué)質(zhì)量、價(jià)格較低等，缺點(diǎn)是基板非常脆，并且在制造的過(guò)程中容易出現(xiàn)破裂的情況，此外，盡管薄玻璃具有弾性，但是仍然不能彎曲。金屬薄片目前應(yīng)用的金屬薄片主要是不銹鋼材料。不銹鋼襯底可以阻止水汽和氣體的穿透，除此，沉積無(wú)機(jī)層時(shí)產(chǎn)生的熱壓カ會(huì)減少，并且由于是金屬薄片，エ藝能承受的溫度可達(dá)到900°C (金屬薄片的熔點(diǎn)為1400°C左右)。但是，其缺點(diǎn)也非常明顯，例如金屬表面必須覆蓋絕緣層以防止短路，不銹鋼薄片的透明性不好，以該材料為襯底制備的TFT只適合于反射(如電泳顯示)和發(fā)射型的顯示，而不適于透射型的有源矩陣液晶顯示和傳統(tǒng)的底端發(fā)射OLED ;金屬薄片有較好的弾性，但是仍然不能卷曲和深度彎曲。除此之外，對(duì)于大面積顯示，不銹鋼薄片的價(jià)格非常昂貴。同吋，不銹鋼薄片的表面粗糙程度比較高，要控制實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的5nm以?xún)?nèi)不是件容易的事情。但是對(duì)于小尺寸柔性顯示，不銹鋼薄片是個(gè)較好的選擇。相比上述兩種材料，更有希望應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的是塑料基板。塑料擁有合理的機(jī)械性能，光性能和化學(xué)特性；薄膜柔軟，能夠?qū)崿F(xiàn)卷輪式加工(Roll to Roll)，然而形狀的穩(wěn)定性和高的氣體和水汽的穿透率是它的兩大缺陷。尺寸穩(wěn)定性主要是因?yàn)橐话愕耐该?聚合物薄膜的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)不高，而TFT產(chǎn)業(yè)化的エ藝中要耐300°C-330°C的高溫，塑料熱膨數(shù)系數(shù)大于50ppm/°C，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于玻璃，因此，當(dāng)溫度升高時(shí)，尺寸的變化會(huì)對(duì)后期工作中諸如對(duì)準(zhǔn)曝光等エ藝帶來(lái)很大困難。除此之外，塑料薄膜的表面存在ー些黑點(diǎn)和缺陷。薄膜晶體管是指在襯底上沉積ー層半導(dǎo)體薄膜，通過(guò)光刻、刻蝕等技術(shù)制作出源、漏極，柵極及管體而成，它由柵絕緣層、有源層、柵電極、源和漏電極幾個(gè)部分組成。圖I是幾種常見(jiàn)的TFT結(jié)構(gòu),可分為兩類(lèi)一類(lèi)為頂柵結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)正疊(Normal Staggered,簡(jiǎn)稱(chēng)NS)結(jié)構(gòu)；一類(lèi)為底柵結(jié)構(gòu),又稱(chēng)反交疊(Inverted Staggered,簡(jiǎn)稱(chēng)IS)結(jié)構(gòu)。根據(jù)溝道層和源漏電極的沉積順序不同，頂柵、底柵結(jié)構(gòu)又分別有底接觸和頂接觸兩種形式。在底柵頂接觸結(jié)構(gòu)中，可以通過(guò)修飾絕緣層的界面而改善半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和形貌，從而提高器件的遷移率。這種結(jié)構(gòu)缺陷是源漏電極的光刻エ藝會(huì)對(duì)有源層造成污染。而在另外ー種底柵結(jié)構(gòu)中，源漏電極光刻エ藝在半導(dǎo)體層沉積之前進(jìn)行，不會(huì)造成對(duì)半導(dǎo)體層的污染，但是電極與絕緣層存在臺(tái)階不利于電荷的注入，并且有源層的上表面暴露在外，通常需要覆蓋保護(hù)層以提高器件的穩(wěn)定性。頂柵結(jié)構(gòu)對(duì)襯底有更高要求，特別是在表面粗糙度和化學(xué)穩(wěn)定性要求上。圖2是本申請(qǐng)采用的底柵頂接觸型TFT結(jié)構(gòu)圖，氧化物IGZO作為有源層，其原理是通過(guò)改變柵極與源漏極間的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制溝道的導(dǎo)電狀況。氧化物TFT是N型半導(dǎo)體材料，對(duì)于N溝道TFT，當(dāng)施加一定的正柵極電壓(VG ^ Vth)，在半導(dǎo)體層和絕緣層之間的界面上產(chǎn)生電子薄層，也就是導(dǎo)電溝道，此時(shí)所處的狀態(tài)對(duì)應(yīng)TFT開(kāi)態(tài)；而當(dāng)柵極電壓減少至導(dǎo)電溝道消失時(shí)，源漏極間為高阻狀態(tài)，溝道間的電阻非常大，使得源漏電流較小(通常彡10-12A)，對(duì)應(yīng)TFT的關(guān)態(tài)。這與耗盡場(chǎng)效應(yīng)晶體管中形成的反型層相似，因此MOS場(chǎng)效應(yīng)管的計(jì)算公式可以應(yīng)用在晶體管中。按照有源層的半導(dǎo)體材料不同，TFT可以分為有機(jī)TFT、非晶硅TFT、多晶硅TFT、氧化物TFT、納米線TFT和微晶硅TFT，其中前四種TFT被廣泛研究。
A:非晶硅 TFTB :多晶硅 TFTC :有機(jī) TFTD :氧化物 TFT相比上述其它三種半導(dǎo)體材料的TFT，氧化物TFT報(bào)道較晚，然而自2003年第一篇ZnO-TFT和2004年第一篇IGZO-TFT報(bào)道起，氧化物TFT受到了業(yè)界和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。氧化物TFT可采用磁控濺射在常溫下制備，因此適合在柔性塑料襯底上制備，實(shí)現(xiàn)柔性TFT電路而應(yīng)用于柔性顯示中。氧化物TFT可以獲得較高的遷移率(彡10cm2/V · s)，能夠滿(mǎn)足高清晰快響應(yīng)LCD以及電流驅(qū)動(dòng)的OLED顯示器的應(yīng)用要求。但是氧化物TFT —般都是N型器件，較難實(shí)現(xiàn)P型器件，這樣限制了它在集成電路上的應(yīng)用。
IGZO材料的選擇自從2004年日本東京エ業(yè)大學(xué)Hosono第一次報(bào)道基于IGZO制備的柔性透明TFT。IGZO-TFT受到了研究機(jī)構(gòu)和エ業(yè)界的關(guān)注，并被開(kāi)拓在顯示領(lǐng)域中的應(yīng)用，尤其是新型顯示器件技術(shù)中。如上所述，IGZO-TFT作為新型的有源驅(qū)動(dòng)電路被應(yīng)用于平板顯示器件中，但是進(jìn)入商品化階段尚需解決許多問(wèn)題，下面概括性的列出存在的問(wèn)題。エ藝的重復(fù)性IGZO半導(dǎo)體層對(duì)于エ藝的條件非常敏感，特別是對(duì)于氧氣，不僅沉積過(guò)程中的氧氣流量、Ar流量和沉積功率會(huì)對(duì)器件的性能產(chǎn)生極大的影響，空氣中的水汽和氧氣也會(huì)影響器件的性能。日前大多數(shù)IGZO半導(dǎo)體層的制備是采用磁控濺射制備，所以靶材的純度和靶材中金屬原子比例會(huì)影響器件的性能，當(dāng)靶材使用一段時(shí)間后，靶材表面的成分比例會(huì)發(fā)生變化，從而使得所制備的TFT的器件性能發(fā)生改變，因此，可重復(fù)性是在解決產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)之前必須要解決的重要問(wèn)題。絕緣層和鈍化層對(duì)IGZO的影響作為應(yīng)用與IGZO-TFT中的氮化硅絕緣層由于其存在很高濃度的H鍵，與IGZO半導(dǎo)體層接觸，H會(huì)作為施主原子，改變有源層的載流子濃度，使得遷移率發(fā)生變化；同理，作為非晶硅TFT和多晶硅TFT中的保護(hù)層氮化硅也是因?yàn)楹休^高的H原子，不宣作為保護(hù)層應(yīng)用于氧化物中。為了使得IGZO-TFT器件具備較好的穩(wěn)定性能，必需控制好絕緣層和保護(hù)層中H原子數(shù)量或者尋找合適的絕緣層和保護(hù)層。IGZO化學(xué)性質(zhì)活潑引起的エ藝問(wèn)題目前，大多數(shù)IGZO-TFT器件采用底柵結(jié)構(gòu)，底柵結(jié)構(gòu)的IGZO-TFT源漏電極的制備采用lift-offエ藝，這種エ藝很難制備2μπι以下的圖形，這與產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)不兼容，エ業(yè)化生產(chǎn)源漏電極通常采用干法刻蝕的方法，而采用干法刻蝕，等離子體會(huì)對(duì)IGZO薄膜產(chǎn)生較大的影響，甚至?xí)沟闷骷ВFT的基本特性。硬基板上TFTエ藝向柔性基底的轉(zhuǎn)移到目前為止，現(xiàn)有材料中找不到一種襯底材料既具備玻璃性能又具備輕薄柔等特點(diǎn)。這就決定了不能簡(jiǎn)單的把硬基板上的沉積エ藝直接復(fù)制到柔性基板上來(lái)。針對(duì)塑料襯底，通常不能耐300°C的高溫，這種缺點(diǎn)決定絕緣層不可能在最優(yōu)エ藝下(300°C _350°C )制備，不可能在高溫下退火獲得較穩(wěn)定的器件性能，只能從器件結(jié)構(gòu)、材料、沉積エ藝來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得性能較好的TFT器件。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，本發(fā)明提出一種柔性IGZO薄膜晶體管制造方法。其中，該制備方法，包括下述步驟步驟I、柔性襯底的清洗，步驟2、使用PECVD沉積SiNx隔離層；步驟3、制備柵電極圖形；步驟4、制備柵絕緣層；步驟5、制備IGZO半導(dǎo)體層，步驟6、制備源漏電極；步驟7、制備保護(hù)層。其中步驟3中包括采用直流磁控濺射方法制備Cr柵薄膜，將制備好的薄膜通過(guò)涂膠，烘烤、光刻，顯影，刻蝕和去膠技術(shù)生成柵電極圖形；其中，Cr電極的刻蝕是硝酸鈰銨混合溶液，配比為9ml高氯酸+25g硝酸鈰銨+IOOml去離子水，刻蝕時(shí)間大約為25s ;電極圖形制備好以后，用丙酮超聲去膠，接著用こ醇和去離子水清洗，每種溶劑超聲6-8min。通過(guò)降低沉積溫度，優(yōu)化保護(hù)層的沉積功率和氮化硅絕緣層的厚度，成功制備柔 性IGZO-TFT器件，性能如下閾值電壓為8V，開(kāi)關(guān)比為5 X 107，飽和遷移率為7. 8cm2/V*s,亞閾值斜率為O. 9V/dec ;器件放在曲率半徑為IOmm的圓柱上彎曲3min，性能幾乎不發(fā)生變化；保護(hù)層對(duì)于保持器件的穩(wěn)定性發(fā)揮著重要作用。將器件放在空氣中，沒(méi)有保護(hù)層的器件閾值電壓發(fā)生將近7V的漂移；同時(shí)器件經(jīng)過(guò)合適エ藝退火，獲得較好的性能，當(dāng)器件在200°C退火lh，器件的開(kāi)關(guān)比從IO3增加到1.9\107，閾值電壓從價(jià)增加到14V，遷移率從O. 45cm2/V · s 增加到 3. 3cm2/V · s,亞閾值擺幅從 IOV/decade 減少到 O. 7V/decade


圖I是幾種常見(jiàn)的TFT結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是底柵頂接觸型TFT結(jié)構(gòu)及工作原理圖；圖3是實(shí)用磁控濺射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖4是PECVD沉積系統(tǒng)工作原理示意圖以及氮化硅和氧化硅的沉積方程式；圖5是ME-3A型刻蝕系統(tǒng)原理圖；圖6是不同材料對(duì)水和氧氣的吸收速率以及器件對(duì)水和氧氣的要求；圖7a是電極測(cè)試結(jié)構(gòu)；圖7b示出萬(wàn)用表的探針接觸金屬電極的兩端的方塊電阻圖8是Cr薄膜退火前和退火后的電阻率變化曲線；圖9是IGZO-TFT器件結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)；圖10是柔性IGZO-TFT器件制備的エ藝流程圖；圖11是塑料襯底的清洗示意圖；圖12是源漏電極圖形化采用的Lift-offエ藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種柔性IGZO薄膜晶體管進(jìn)行詳細(xì)描述。柔性IGZO-TFT器件結(jié)構(gòu)薄膜層的制備及其特性表征本申請(qǐng)的目標(biāo)是尋找合適的柔性襯底，探索TFT各層薄膜材料和制備エ藝，通過(guò)制作和測(cè)試IGZO-TFT器件樣品的電性能，分析并不斷改進(jìn)エ藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)三基色驅(qū)動(dòng)微膠囊顯示単元要求的TFT器件，上述工作涉及設(shè)備包括磁控濺射系統(tǒng)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)和反應(yīng)離子刻蝕(RIE)系統(tǒng)等，下面具體介紹。磁控濺射系統(tǒng)本工作中，TFT的柵電極、源漏電極和半導(dǎo)體層均是采用直流磁控濺射方法制備。下面介紹實(shí)驗(yàn)中所用到的濺射系統(tǒng)及基本濺射原理。磁控濺射是在ー相對(duì)穩(wěn)定的真空狀態(tài)下進(jìn)行，陰極靶材是由鍍膜材料制成，濺射時(shí)真空室通入一定流量的氬氣，在陰極和陽(yáng)極間直流負(fù)高壓或者13. 56MHz的射頻電壓作用下產(chǎn)生輝光放電，輝光放電使得電極間的氬原子離化形成氬離子和電子。氬離子在電場(chǎng)的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶材原子沉積在陽(yáng)極表面的襯底上形成薄膜。而對(duì)于電子，在電場(chǎng)作用下加速飛向基片的過(guò)程中會(huì)受到磁場(chǎng)(洛倫茲力)的作用，使電子被束縛在靶材表面附近的等離子體區(qū)域內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，由于電子的運(yùn)動(dòng)路徑很長(zhǎng)，在該過(guò)程中，不斷同氬原子碰撞，產(chǎn)生電子和氬離子，氬離子不斷轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)高速沉積的特點(diǎn)，二次電子起到維持輝光放電的作用。
本申請(qǐng)采用的磁控濺射臺(tái)是中國(guó)科學(xué)院微電子中心研制的SP-3型磁控濺射臺(tái)，圖3為其示意圖，它主要包括腔體、電源系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、通氣系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)。其中電源系統(tǒng)分為直流電源和射頻電源，實(shí)驗(yàn)中是采用直流電源，并且鍍膜時(shí)沒(méi)有用到加熱系統(tǒng)，常溫下實(shí)現(xiàn)鍍膜。エ藝操作流程如下，放樣完畢后關(guān)閉腔體，打開(kāi)機(jī)械泵和低閥抽真空，待真空度達(dá)到7Pa以下，關(guān)閉低閥，打開(kāi)高閥，一分鐘之后，打開(kāi)冷卻水，啟動(dòng)分子泵，分子泵穩(wěn)定時(shí)轉(zhuǎn)速為600rpm，待腔體里的真空度達(dá)到5X 10_3Pa，打開(kāi)腔體內(nèi)的馬達(dá)使得樣品產(chǎn)生公轉(zhuǎn)(同時(shí)樣品本身可以實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)，可以進(jìn)ー步提高薄膜的均勻性)。然后向真空室內(nèi)通入一定流量的Ar氣，打開(kāi)操作面板界面的電源控制開(kāi)關(guān)和靶材控制開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)功率，進(jìn)行10min-15min的預(yù)濺射。待預(yù)濺射完畢后，旋轉(zhuǎn)擋板，設(shè)定時(shí)間參數(shù)，開(kāi)始濺射。濺射完成后，關(guān)閉面板上的電源和靶材控制開(kāi)關(guān)，關(guān)掉氣源，停分子泵，關(guān)水，停機(jī)械泵，放氣，取樣。磁控濺射和其它鍍膜方法相比具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)薄膜附著力好、均勻性較好、容易做到大面積成膜、在常溫下可方便地制備高熔點(diǎn)的金屬薄膜，制備薄膜重復(fù)性好等，但它也存在著諸如靶材價(jià)格高和利用率低等ー些不足。等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)在TFT結(jié)構(gòu)中，緩沖層和絕緣層采用的是SiNx，保護(hù)層采用的是SiO2,這兩種材料都是通過(guò)等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)制備(Plasma EnhancedChemical VaporDeposition,簡(jiǎn)稱(chēng)PECVD)。PECVD是利用輝光放電的物理作用來(lái)激活粒子的ー種化學(xué)氣相沉積反應(yīng)，是集等離子體輝光放電與化學(xué)氣相沉積于一體的薄膜沉積技木。沉積過(guò)程中，輝光放電產(chǎn)生等離子體，但等離子體內(nèi)部沒(méi)有統(tǒng)ー的溫度，存在著電子氣溫度、離子溫度和中性粒子溫度。所以從宏觀上看來(lái)，這種等離子體溫度不高，但其內(nèi)部卻處于受激發(fā)的狀態(tài)，其電子能量足以使分子鍵斷裂，并導(dǎo)致具有化學(xué)活性的物質(zhì)(活化分子、原子、離子、原子團(tuán)等)產(chǎn)生，使本來(lái)需要在高溫下才能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)處于等離子體場(chǎng)中時(shí)，在較低的溫度下甚至在常溫下就能在基片上形成固態(tài)薄膜。本申請(qǐng)中米用的PECVD沉積系統(tǒng)是Oxford Instrument Plasma 80Plus系統(tǒng)，圖4為它的工作原理示意圖和沉積SiNx、SiO2的化學(xué)方程式。用該設(shè)備沉積薄膜主要包括以下步驟(1)抽真空。在本系統(tǒng)中，總共有機(jī)械泵和羅茨泵兩個(gè)泵體，待真空度達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的本底真空度，一般是2mT0rr，才開(kāi)始進(jìn)行后續(xù)操作。(2)薄膜沉積。本部分分兩個(gè)部分，預(yù)鍍膜和正式鍍膜，這ー步是最為關(guān)鍵的，通過(guò)設(shè)置合適的沉積參數(shù)，制備出質(zhì)量較好的薄膜。(3)氣路清洗。在沉積過(guò)程中，反應(yīng)室腔體和氣路都會(huì)受到不同程度的污染，因此沉積前后都要進(jìn)行清洗，一方面保證沉積薄膜的質(zhì)量，另ー方面保證設(shè)備的使用壽命。反應(yīng)離子刻蝕(RIE)系統(tǒng)反應(yīng)離子刻蝕(Reaction Ionic Etch,簡(jiǎn)稱(chēng)RIE),是ー種干法刻蝕方法。在TFT的制備過(guò)程中，主要應(yīng)用于SiNx和SiO2的刻蝕，刻蝕氣體是SEf^P 02。本申請(qǐng)采用的反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)是中國(guó)科學(xué)院微電子中心研制的ME-3A型刻蝕臺(tái)，圖5為反應(yīng)腔體結(jié)構(gòu)示意圖。RIE的工作原理通常情況下，上極板接地作為陽(yáng)極(一般整個(gè)真空壁也接地)，下電極接射頻電源作為陰極，需要刻蝕的襯底基片放在陰極上，反應(yīng)氣體按照一定的工作壓カ從上電極的氣孔充入反應(yīng)室。對(duì)反應(yīng)腔體中氣體加上大于擊穿臨界值的射頻電壓，形成強(qiáng)電場(chǎng)，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，氣體以輝光放電形成產(chǎn)生高能等離子體，等離子體包含由非弾性碰撞產(chǎn) 生的離子、游離基(游離態(tài)的原子、分子或原子團(tuán))及電子，它們都具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，可與被刻蝕樣品表面的原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)性的物質(zhì)，達(dá)到刻蝕樣品的目的。同吋，由于陰極附近的電場(chǎng)方向垂直陰極表面，高能離子在一定的工作壓カ下垂直地打向樣品表面，進(jìn)行物理轟擊，使得刻蝕也具有很好的各向異性。襯底材料的選擇選用杜邦(Dupont)公司的塑料襯底材料,型號(hào)為Kapton E,規(guī)格分別是50 μ m和25 μ m，其中前者用于制備柔性器件，后者制備柔性透明器件的探索。它具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg = 3400C )，較低的熱膨脹系數(shù)(當(dāng)溫度在50°C _200°C范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)為16ppm/°C )，較好的化學(xué)穩(wěn)定性(不與制備TFT中的溶液發(fā)生反應(yīng))，較好的防水性能(對(duì)于50 μ m厚的Kapton E襯底,水汽的滲透率為5mg/m2/day),除此之外,還具有足夠的柔性和抗形變能力等優(yōu)點(diǎn)。隔離層材料的選擇及其制備水分和空氣在一般的塑料襯底的穿透率是玻璃襯底的一千萬(wàn)倍。水分和空氣中的氧氣對(duì)器件的性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響。圖6是各種薄膜對(duì)水分和空氣的吸收速率。可以看出純塑料薄膜是不能夠滿(mǎn)足TFT器件的要求。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一般是在塑料薄膜上面鍍上ー層或者多層結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)薄膜鈍化層。由于TFT對(duì)空氣和水汽影響不如OLED那樣敏感，常用氧化硅、氮化硅、氧化鋁等作為鈍化層。實(shí)驗(yàn)中，我們選用氮化硅作為器件的隔離層。隔離層除能夠有效阻止水分和空氣的滲透之外，還能優(yōu)化襯底表面粗糙度，且通過(guò)控制其沉積條件，可對(duì)器件的應(yīng)カ進(jìn)行優(yōu)化。柵電極材料的選擇Cr和Mo是常用于TFT柵電極的金屬材料，它具有熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于Cr和Mo材料的電阻率較大(30μ Ω · cm左右)，一般應(yīng)用在中小尺寸顯示屏中，但無(wú)法滿(mǎn)足大尺寸TFT顯示屏的陣列對(duì)柵信號(hào)延遲的要求。在顯示屏朝著大屏幕和高清晰發(fā)展的背景之下，低電阻金屬Al (3. 3 μ Ω · cm)和Cu (2. 2 μ Ω * cm)兩種材料脫穎而出，成為T(mén)FT柵電極的首選。然而，不管是純Al還是純Cu材料，存在不足，例如對(duì)于純Cu，熔點(diǎn)比較低，粘附性較差，且存在Cu原子向有源層擴(kuò)散等現(xiàn)象；而對(duì)于純Al材料，熱穩(wěn)定性較差，高溫處理后，薄膜表面容易產(chǎn)生小丘現(xiàn)象，可能導(dǎo)致電極之間的短路，化學(xué)穩(wěn)定性差，易與其它材料的腐蝕液反應(yīng)而產(chǎn)生缺陷，并且在TFT制造エ藝中，Al原子會(huì)向有源層中擴(kuò)散，使得漏電流増大，不利于獲得較高的開(kāi)關(guān)比。通過(guò)制備合金結(jié)構(gòu)或者雙層結(jié)構(gòu)，能夠改善純Al和純Cu諸如穩(wěn)定性差，產(chǎn)生小丘等缺陷。但是，對(duì)于前者，仍然會(huì)存在著Al和Cu向半導(dǎo)體層擴(kuò)散的現(xiàn)象。因此選用Cr作為柵電極材料結(jié)構(gòu)。柵電極材料的制備單層Cr薄膜電性能根據(jù)TFT參數(shù)設(shè)計(jì)的要求和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的性能，通過(guò)優(yōu)化功率，獲得電阻率較低的薄膜在柔性襯底上制備如圖7a所示的電極測(cè)試結(jié)構(gòu)，用萬(wàn)用表的探針接觸金屬電極的兩端的方塊電阻(如圖7b)。根據(jù)公式R= P L/S，可求得金屬電阻率，如圖8所示。
純Cr的電阻率(30μ Ω · cm左右)，經(jīng)過(guò)初歩分析，可能是由于以下幾個(gè)方面的原因引起的，第一 Cr靶材的純度太低，實(shí)驗(yàn)用的Cr靶材的純度是98%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于エ業(yè)產(chǎn)生99. 99%的純度;第二 :鍍膜時(shí)真空度太低，鍍膜系統(tǒng)所能達(dá)到的真空度級(jí)別只能是10_3Pa，真空度不高，在鍍膜的過(guò)程中會(huì)引起Cr部分氧化，使得電阻率増加。由于柵金屬薄膜在TFT的后期エ藝中需要進(jìn)行PECVD系統(tǒng)中高溫過(guò)程，因此對(duì)Cr薄膜進(jìn)行退火試驗(yàn)，以獲得實(shí)際應(yīng)用于TFT器件中純Cr的電阻率，退火溫度為300°C，退火時(shí)間為60min。從圖9可以看出，退火后的電阻率比退火前的電阻率要小?？梢赃@樣解釋退火300°C左右，薄膜表面的原子獲得能量，表面的遷移率增強(qiáng)，使得平均晶粒増大，晶粒增大使得晶粒間界減少，缺陷密度降低，晶粒間界勢(shì)壘對(duì)載流子的散射下降，導(dǎo)致電阻率下降。源漏電極材料的選擇與柵電極材料要求一祥，低電阻率也是TFT對(duì)源漏電極的要求，除此之外，源漏電極與半導(dǎo)體層形成良好的歐姆接觸是TFT對(duì)于源漏電極材料ー個(gè)重要要求。它可以降低漏源之間的電阻，防止產(chǎn)生電流擁擠效應(yīng)。經(jīng)過(guò)論證，Honsor研究小組總結(jié)出，在現(xiàn)有的材料體系當(dāng)中，金屬Ti和ITO是作為IGZO-TFT源漏電極較好的兩種材料。金屬Ti材料不僅與IGZO層有較好的粘附能力，并且能夠減少與有源層的接觸電阻。ITO材料除具有較低的電阻率，還能與IGZO有源層形成較好的歐姆接觸，并且具有較好的透明度，本申請(qǐng)選用ITO材料作為源漏電極。絕緣層材料的選擇TFT對(duì)柵絕緣層有以下幾個(gè)方面的要求好的絕緣耐壓性能、高的穩(wěn)定性能以及與有源層之間形成好的界面特性等。在本申請(qǐng)中，選用SiNx作為絕緣層材料。與常用絕緣材料Si02相比，SiNx除具有相當(dāng)?shù)膿舸╇妷和?，SiNx還具有以下優(yōu)點(diǎn)1)相對(duì)介電常數(shù)高，PECVD制備的ニ氧化硅為3. 9左右，而氮化硅薄膜的值約為8 ；2)氮化硅對(duì)堿金屬的阻擋能力強(qiáng)，可以有效地防止堿金屬離子通過(guò)柵絕緣層進(jìn)入溝道；3)氮化硅的化學(xué)穩(wěn)定性高，除了氫氟酸和熱磷酸外，它幾乎不和其它的酸堿發(fā)生反應(yīng)；4)氮化硅具有更好的防水和防氣體滲透性能，能夠有效減少氣體和水汽滲透對(duì)器件造成的影響。IGZO薄膜制備及表征IGZO半導(dǎo)體薄膜制備
本申請(qǐng)采用直流磁控濺射制備IGZO靶材，其中IGZO靶材由江西海特新材料有限公司提供，靶材的原子比In2O3-Ga2O3-ZnO= I I I (摩爾比)，純度99. 99%。IGZO薄膜性能受制備參數(shù)影響，主要包括氧氣流量、沉積功率，氣體流量等影響。在本申請(qǐng)中，主要是通過(guò)氧氣流量的調(diào)整來(lái)獲得滿(mǎn)足應(yīng)用要求的IGZO薄膜。具體實(shí)驗(yàn)條件如下-.Ar流量為40s ccm,真空度為7 X ICT3Pa,派射功率為200W, O2氣體流量分別為0sccm、5sccm、lOsccm、15sccm、20sccm,以玻璃為襯底。IGZO薄膜性能表征薄膜結(jié)構(gòu)使用X射線衍射儀(X-ray diffraction,簡(jiǎn)稱(chēng)XRD)測(cè)試薄膜的晶體結(jié)構(gòu),在不同O2氣體流量下制備的IGZO薄膜，可以看出當(dāng)掃描角從20°掃到100°變化時(shí)，薄膜并沒(méi)有明顯的衍射峰，在20° -30°之間和60°左右有兩個(gè)較弱的包絡(luò)，這表明IGZO薄膜屬于非晶形貌。
薄膜的透過(guò)率用分光光度計(jì)測(cè)量薄膜在波長(zhǎng)380nm-800nm下的透過(guò)率，不同O2流量下所制備的IGZO薄膜在可見(jiàn)光區(qū)域的透過(guò)率?？梢钥闯?，當(dāng)O2流量為Osccm吋，IGZO薄膜透過(guò)率最低，透過(guò)率為65%以上；當(dāng)O2流量從5SCCm增加到20SCCm時(shí)，薄膜的透過(guò)率幾乎不變，在可見(jiàn)光區(qū)域，透過(guò)率大于75%，在波長(zhǎng)為600nm左右的時(shí)候，透過(guò)率能達(dá)到85%。這也為后期制備透明晶體管提供了可能性。薄膜的電性能在IGZO薄膜的表面沉積ー層Al金屬電極構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，測(cè)試電極尺寸參數(shù)如下厚度lOOnm，兩電極的間距為2cm，電極尺寸為IcmX Icm0所制備IGZO薄膜的電阻率隨O2流量變化，可見(jiàn)看到，隨著O2流量的增加，IGZO的電阻率増大。當(dāng)02流量從Osccm增加到20sccm,薄膜電阻率從3. 75 Ω · cm增加到6. 9 X 105 Ω · cm。IGZO薄膜電阻率隨通入02流量變化而發(fā)生改變的物理機(jī)制描述如下IGZO薄膜的導(dǎo)電類(lèi)型與ZnO類(lèi)似，O空位是主要的載流子。在沒(méi)有通入O2時(shí)，半導(dǎo)體中O空位很多，載流子濃度就很高，電阻率就較低；當(dāng)通入少量O2的時(shí)候，如O2從Is ccm到IOsccm時(shí)，O2的通入很快填補(bǔ)了半導(dǎo)體中的O空位，使得O空位急劇減少,半導(dǎo)體載流子濃度急劇減少。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)O2含量從Isccm到IOsccm變化時(shí)，電導(dǎo)率下降了 5個(gè)數(shù)量級(jí)；而當(dāng)通入02從IOsccm到20sccm變化時(shí)，由于半導(dǎo)體中的O空位已經(jīng)基本填補(bǔ)完畢，因此薄膜的電阻率變化并不明顯。因此，在制備過(guò)程中，可以通過(guò)改變O2流量以實(shí)現(xiàn)對(duì)IGZO薄膜電性能的控制。薄膜組份的原子比X 射線光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectrometer,簡(jiǎn)稱(chēng) XPS)測(cè)試不同氧氣流量下制備的IGZO薄膜的原子比，在不同氧氣流量下制備的IGZO薄膜各組分的原子含量，可以看到不同O2流量下制備的IGZO薄膜，In、Ga、Zn的原子比變化不是很大，大約為10 : 10 : 3。制備IGZO-TFT的原子比例不一，主要有以下幾種比例In Ga Zn =2.2 : 2.2 : I. O, I. I I. I : 0. 9，I : 0. 9 : 0. 6 和 10 : 10 : 3。鈍化保護(hù)層材料的選擇及薄膜制備氧氣和水汽對(duì)于IGZO-TFT有影響，主要表現(xiàn)在兩方面一是空氣中的氧分子填充半導(dǎo)體層的氧空位會(huì)使得IGZO有源層的電阻率増加。在IGZO-TFT中，器件的電性能主要是由氧空位決定的，因此IGZO-TFT的性能勢(shì)必受到大氣中氧分子的影響，除此之外，大氣中的氧氣分子會(huì)帶電子，從而也會(huì)影響器件的電性能。ニ是大氣中的水分子會(huì)在IGZO界面形成空穴陷阱中心，影響器件的閾值電壓。為了阻止空氣中水和氧氣對(duì)器件性能造成影響，在IGZO有源層上面鍍ー層保護(hù)層。在商業(yè)產(chǎn)品用的非晶硅TFT中，保護(hù)層一般是采用SiNx，用PECVD方法制備。然而，在IGZO-TFT中，卻不能夠用SiNx作為保護(hù)層，因?yàn)镻ECVD方法中制備SiNx會(huì)含有大量的H原子，H原子會(huì)使得器件的電性能發(fā)生變化，甚至?xí)?dǎo)致有源層從半導(dǎo)體變?yōu)閷?dǎo)體。當(dāng)然，如果通過(guò)射頻磁控濺射制備氮化硅，仍然是可以用作保護(hù)層。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室條件，本申請(qǐng)選用ニ氧化硅作為保護(hù)層，通過(guò)PECVD方法制備，采用的エ藝條件如下溫度200°C, N20 710sccm,5% SiH4/N2 :170sccm，功率:20W，壓強(qiáng)IOOOmTorr,厚度約 120nm。通過(guò)對(duì)單層薄膜制備エ藝的探索，獲得滿(mǎn)足TFT器件應(yīng)用要求電極層，絕緣層和IGZO有源層薄膜制備エ藝參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)上述各層薄膜，其性能如下1，柵電極薄膜Cr薄 膜，平均電阻率為19·6μ Ω 退火后的電阻率為17·7μ Ω · cm，薄膜電阻率的均勻度在±10%。2.絕緣層=SiNx薄膜，擊穿場(chǎng)強(qiáng)為5. 8MV/cm，介電常數(shù)為6. 03。3.有源層IGZ0薄膜，呈現(xiàn)非晶結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)光的透過(guò)率達(dá)到80%以上，In Ga Zn的原子比為10 10 3 ；在一定范圍內(nèi)，薄膜的電阻率隨著氧氣流量的增加而急劇增加。4.其它=SiNx為緩沖層，用PECVD方法實(shí)現(xiàn)；選擇ニ氧化硅作為保護(hù)層，通過(guò)控制參數(shù)，可以調(diào)控器件受到的總應(yīng)力。IGZO-TFT器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備TFT結(jié)構(gòu)及其エ藝流程選擇底柵頂接觸型TFT結(jié)構(gòu)，其各薄膜層的厚度設(shè)計(jì)如圖9所示，在實(shí)際制備過(guò)程中會(huì)存在一定的誤差。該柔性IGZO薄膜晶體管，包含塑料襯底、緩沖保護(hù)層、刪電極、柵絕緣層、源極以及漏扱、IGZO半導(dǎo)體層以及保護(hù)層，其中塑料襯底位于薄膜晶體管的最下層，塑料襯底上覆蓋緩沖保護(hù)層，緩沖保護(hù)層的上部中心區(qū)域采用直流磁控濺射方法制備柵電扱，柵電極上部覆蓋了柵絕緣層，柵絕緣層的兩端分別覆蓋至緩沖保護(hù)層上，IGZO半導(dǎo)體層位于柵絕緣層的上部，源、漏兩極分別位于半導(dǎo)體層的上部的兩側(cè)，從而使半導(dǎo)體層被源極和漏極所覆蓋，僅在半導(dǎo)體層的頂部，源漏兩極的中間形成通道，在通道上采用PECVD制備保護(hù)層。圖10給出了設(shè)定的柔性IGZO-TFT的制備流程圖，在整個(gè)流程當(dāng)中，總共鍍6層薄膜，完成4次光刻，下面對(duì)具體的エ藝步驟和エ藝參數(shù)做詳細(xì)的介紹I.柔性襯底的清洗。將Kapton E襯底放在燒杯中清洗，由于薄膜比較薄，很容易聚集在一起。所以讓Kapton E襯底夾在玻璃中間清洗，玻璃放在玻璃架上。如圖11所示，先用清洗液洗Kapton E襯底的表面，用清水沖洗干凈，接著放在丙酮、こ醇、去離子水中分別超聲清洗30min，這個(gè)過(guò)程重復(fù)一次；接著用氮?dú)鈽尨蹈梢r底，放在250°C的熱板上烘烤IOmin左右，去除存留的水和有機(jī)溶剤，并且考慮到塑料薄膜在后續(xù)的熱處理過(guò)程中會(huì)發(fā)生一定的機(jī)械形變，使用前的高溫退火可以使這ー現(xiàn)象提早發(fā)生，使得樣品適應(yīng)后續(xù)的加工條件。2.使用PECVD沉積SiNx隔離層。SiNx隔離層的制備エ藝參見(jiàn)表I ;表I
權(quán)利要求
1.一種柔性IGZO薄膜晶體管的制備方法，包括 步驟I、柔性襯底的清洗； 步驟2、使用PECVD沉積SiNx隔離層； 步驟3、制備柵電極圖形； 步驟4、制備柵絕緣層； 步驟5、制備IGZO半導(dǎo)體層， 步驟6、制備源漏電極； 步驟7、制備保護(hù)層； 其中步驟3中包括采用直流磁控濺射方法制備Cr柵薄膜，將制備好的薄膜通過(guò)涂膠，烘烤、光刻，顯影，刻蝕和去膠技術(shù)生成柵電極圖形；其中，Cr電極的刻蝕是硝酸鈰銨混合溶液,配比為9ml高氯酸+25g硝酸鈰銨+IOOml去離子水，刻蝕時(shí)間大約為25s ;電極圖形制備好以后，用丙酮超聲去膠，接著用乙醇和去離子水清洗，每種溶劑超聲6-8min。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟I包括該柔性襯墊為塑料襯墊，其厚度為50 μ m ;將塑料襯底放在燒杯中清洗，先用清洗液洗塑料襯底的表面，用清水沖洗干凈，接著放在丙酮、乙醇、去離子水中分別超聲清洗30min，這個(gè)過(guò)程重復(fù)一次；接著用氮?dú)鈽尨蹈梢r底，放在250°C的熱板上烘烤IOmin左右，去除存留的水和有機(jī)溶劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，還包括將進(jìn)行隔離層處理后的襯底固定在玻璃板上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，柵絕緣層采用SiNx材料；所述柵電極采用Cr材料；源極、漏極采用ITO材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟5包括半導(dǎo)體層IGZO采用磁控濺射制備，制備好的IGZO薄膜經(jīng)過(guò)涂膠、光刻、顯影和刻蝕工藝制備圖形，刻蝕液采用濃鹽酸和去離子水的配比液，具體比例為36. 5% HCl H20 = I 3，該比例為體積比，刻蝕時(shí)間大概為10s-15so
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，源漏電極采用ITO材料，通過(guò)磁控濺射制備薄膜，源漏電極是米用lift-off工藝來(lái)制備電極圖形。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟7中，保護(hù)層采用PECVD制備的Si02薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，絕緣層和保護(hù)層采用RIE干法刻蝕工藝，刻蝕完后，清洗去膠，然后進(jìn)行電性能的測(cè)試。
9.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在制備柔性IGZO薄膜晶體管過(guò)程中，沉積溫度從初始的270°C降低到后期的240°C ;保護(hù)層的沉積功率從20W降低到IOW ；SiNx絕緣層的沉積厚度從200nm降低到130nm ;柵電極Cr薄膜平均電阻率為19. 6 μ Ω ·αιι，退火后的電阻率為17. 7μ Ω · cm，薄膜電阻率的均勻度在±10% ;IGZ0薄膜，呈現(xiàn)非晶結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)光的透過(guò)率達(dá)到80%以上，In Ga Zn的原子比為10 : 10 : 3。
全文摘要
本發(fā)明提出一種柔性IGZO薄膜晶體管制造方法。包括下述步驟步驟1、柔性襯底的清洗；步驟2、使用PECVD沉積SiNx隔離層；步驟3、制備柵電極圖形；步驟4、制備柵絕緣層；步驟5、制備IGZO半導(dǎo)體層；步驟6、制備源漏電極；步驟7、制備保護(hù)層。通過(guò)降低沉積溫度，優(yōu)化保護(hù)層的沉積功率和氮化硅絕緣層的厚度，成功制備柔性IGZO-TFT器件，性能如下閾值電壓為8V，開(kāi)關(guān)比為5×107，飽和遷移率為7.8cm2/V·s，亞閾值斜率為0.9V/dec；器件放在曲率半徑為10mm的圓柱上彎曲3min，性能幾乎不發(fā)生變化；保護(hù)層對(duì)于保持器件的穩(wěn)定性發(fā)揮著重要作用。
文檔編號(hào)H01L21/336GK102832131SQ20111026720
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月15日
發(fā)明者王彬 申請(qǐng)人:廣東中顯科技有限公司