專利名稱：一種高介電柵介質(zhì)場效應(yīng)透明薄膜晶體管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的透明薄膜晶體管制造技術(shù)，特別是ー種高介電常數(shù)柵介質(zhì)透明薄膜晶體管及其制備方法，它是ー種具有高介電常數(shù)柵介質(zhì)+N型氧化物半導(dǎo)體+金屬柵極的薄膜晶體管及其制備方法，屬于半導(dǎo)體器件及其加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
透明電子器件的研究逐漸引起國內(nèi)外科研人員的重視。透明電子器件要求電路透明，而實現(xiàn)透明電路的關(guān)鍵是制備透明的薄膜晶體管(TFT)。在過去的十幾年中，非晶硅TFT和多晶硅TFT成為電子平板顯示エ業(yè)中的關(guān)鍵器件。然而，這些硅基TFT，特別是非晶硅TFT，存在ー些先天的物理障礙如光敏性高，場效應(yīng)遷移率偏低lcm2/Vs)以及材料的不透明性，使其在實現(xiàn)大屏幕高分辨率顯示方面存在難以克服的困難；基于有機半導(dǎo)體材料(如并五苯)的TFT，其制備方法簡單，溫度要求低，可以在聚合物基片上制備，從而得到重量輕，價格低廉的柔性器件。雖然有機TFT應(yīng)用前景廣闊，但是也面臨不少問題，常溫下有機材料的場效應(yīng)遷移率遠小于無機材料，同時晶體管的飽和電流也比較小，這些都限制了有機TFT在實際中的應(yīng)用。與上述硅和有機半導(dǎo)體相比，氧化物半導(dǎo)體材料由于禁帶寬度大和導(dǎo)電能力可控，近年來在功能器件中應(yīng)用越來越廣泛和深入。薄膜晶體管是電壓控制元件，通過柵極電壓對導(dǎo)電溝道中電流進行調(diào)控，在柵極和有源層之間是介電絕緣層。絕緣層性能的好壞也直接影響著薄膜晶體管性能的好壞，絕緣層的幾個重要參數(shù)，如絕緣層厚度就影響器件的漏電流和閾值電壓；絕緣層表面的光滑程度也直接影響著它與有源層之間的相互作用，對器件的遷移率產(chǎn)生影響；絕緣層沉積過程中固定電荷累積及其它的結(jié)構(gòu)缺陷會對器件的可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；最后也是最重要的，絕緣材料的介電常數(shù)大小也直接對柵電容進而對柵極與有源層之間的介電耦合產(chǎn)生影響，最終影響著柵極對源漏極之間的電流的控制，要減小TFT的閾值電壓和工作電壓，必須采用合適的高介電常數(shù)的柵介質(zhì)。因此，絕緣層在薄膜晶體管中也具有舉足輕重的地位?，F(xiàn)有的薄膜晶體管(TFT)專利中存在以下幾點需要改進的地方(I)申請?zhí)?200910099947.1)中，雖然無需退火エ藝，但其ITO柵極透明電極需要經(jīng)過濕法腐蝕，這ーエ藝會產(chǎn)生過刻蝕進而使制備流程繁瑣，開發(fā)成本大大提高。(2)申請?zhí)?200910055286. 2)中，采用提拉或旋涂法制備有機介質(zhì)層，需要重復(fù)提拉和多次烘烤30分鐘，周期太長，而且這種方法制得的介質(zhì)層薄膜均勻性和致密性也不好；并用熱蒸發(fā)法制備源和漏極，導(dǎo)致薄膜晶體管溝道的寬長比較小，直接導(dǎo)致輸出電流很小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述問題提供ー種新型高介電常數(shù)柵介質(zhì)透明薄膜晶體管及其制備方法。該薄膜晶體管采用了高介電常數(shù)柵介質(zhì)材料Hf02、N型氧化物半導(dǎo)體ZnO和金屬柵極Au或Al材料，在制備過程中使用了剝離エ藝(Lift-off)，避免了薄膜過刻蝕和操作復(fù)雜等問題，簡化了制備流程；我們用光刻和剝離技術(shù)制備源極、漏極和柵極，有效增大了導(dǎo)電溝道的寬長比，進而提高了器件的電學(xué)性能。ー種高介電柵介質(zhì)場效應(yīng)透明薄膜晶體管，其結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電玻璃ITO襯底、柵介質(zhì)、氧化物半導(dǎo)體ZnO、源電極、柵電極、漏電極組成，在導(dǎo)電玻璃ITO襯底與氧化物半導(dǎo)體ZnO之間用磁控派射法制備ー層高介電柵介質(zhì)HfO2,厚度為100 300nm ；
本發(fā)明具體制備エ藝如下3、ー種高介電常數(shù)柵介質(zhì)場效應(yīng)透明薄膜晶體管的制備方法，其特征在干所述透明薄膜晶體管制備エ藝流程如下(a)選擇清洗ITO玻璃襯底，ITO玻璃規(guī)格為藍青色外觀，膜厚及均勻性為1800A± 250A,透過率彡82%，面電阻彡10Ω/ ロ ；清洗過程為依次將Si片用去離子水、丙酮、こ醇和去離子水超聲清洗各lOmin，最后用去離子水沖洗干凈，取出冷風(fēng)吹干； (b)沉積HfO2薄膜和ZnO薄膜將清洗好的ITO片放入超高真空磁控濺射儀中，設(shè)置純度為99. 99%的HfO2靶和純度為99. 99%的ZnO靶，在放入ITO玻璃基片之前，用清洗好的一小Si片(O. 8cmX0. 8cm)壓在ITO上面，此處壓著的部分留著以后要用作薄膜晶體管的柵極。濺射儀沉積系統(tǒng)的本底真空5X10_5Pa，沉積時通入氬氣的流量為30SCCm，濺射的工作氣壓為O. 28Pa，先沉積HfO2薄膜，濺射功率為50W，濺射時間50 150min，厚度為100 300nm ;然后沉積ZnO薄膜，濺射功率為50W，濺射時間20 80min，厚度為30 IOOnm ;沉積溫度為室溫；(c)光刻電極圖形I)涂膠，將上面沉積了 2層薄膜的ITO片去掉之前我們壓在上面的小Si片，并吸在甩膠機上，用吸管吸取適量的光刻膠并滴在硅片表面的中心，此過程中不能產(chǎn)生氣泡，然后按下甩膠機上的開始按鈕甩膠，膠厚I. 2 I. 7um。2)前烘，甩膠后將樣品放在烘板上烘烤90-120S ；3)第一次曝光，將烘干的樣品放在曝光機承片臺上，放上掩模版，然后曝光，曝光功率為15mW/cm2時，曝光時長設(shè)定為6_8s ；4)反轉(zhuǎn)烘，將樣品由光刻機上取下，放在烘板上105°C烘烤2min ；5)泛曝光。將樣品放到曝光機承片臺，無掩模版曝光8_15s ;6)顯影、清洗、后供，從曝光機上取下樣品，放在AZ351B顯影液中浸泡30-60s，然后取出，用去離子水沖洗干凈，放在烘板上烘干。(d)制備電極，在樣品的正面用磁控濺射的方法形成厚度為200nm的Au或Al電極薄膜。采用JGP560C12型超高真空多功能磁控濺射裝置。本底真空為5X 10_4Pa，Au祀，其濺射功率為60W，沉積時通入氬氣的流量為20SCCm，濺射工作氣壓穩(wěn)定在O. 5Pa，濺射2min，大約有200nm的電極厚度。采用ACS-400-C4超高真空多功能磁控濺射儀，本地真空為5 X 10_5，Al靶，其濺射功率為100W，沉積時通入氬氣的流量為30SCCm，濺射工作氣壓穩(wěn)定在O. 32Pa，派射40min,大約有200nm的電極厚度。(e)電極剝離，電極薄膜淀積完成后，將ITO片從磁控濺射儀中取出，放在丙酮(Acetone)浸泡30_60min，然后搖晃ー下看是否可以剝離，如果不行則需要使用超聲儀超聲幾秒至幾分鐘，時間長短以剝離出圖形為止，在ITO玻璃片上能清晰的看出每個250umX250um的小正方形電極為止,姆個小正方形間距50um,這樣我們制備的薄膜晶體管(TFT)的源極、漏極和柵極就全部形成了。剝離就是在浸泡的過程中，有光刻膠的地方被泡掉，其上的電極材料連同光刻膠ー并隨著光刻膠脫落，留下第一次未曝光區(qū)域上面的電極材料。如果沒剝離完全，則需要使用超聲儀超聲幾秒至幾分鐘，時間長短以剝離出圖形為止，但不可超聲太久，否則有可能使需要的薄膜電極也被超聲脫落。(f)將剝離完成的樣品用快速退火爐在在空氣氣氛中進行退火處理。退火溫度450°C，快速退火時間10 20min。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明所提供的高介電常數(shù)柵介質(zhì)+N型 氧化物半導(dǎo)體+金屬柵極薄膜晶體管及其制備方法，采用磁控濺射的方法低溫沉積高介電常數(shù)柵介質(zhì)層和半導(dǎo)體溝道層，采用光刻和剝離エ藝制備源極、漏極和柵極，器件采用底柵結(jié)構(gòu)，可以大面積生長，且與目前成熟的液晶顯示器エ藝兼容。本發(fā)明的優(yōu)點是采用高介電常數(shù)的HfO2作柵介質(zhì)，同時采用剝離エ藝，減少了エ藝流程，提高了器件的電學(xué)性能。


圖I本發(fā)明透明薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)與各部分材料的示意圖。其中I——導(dǎo)電玻璃ITO襯底，2——柵介質(zhì)HfO2, 3——氧化物半導(dǎo)體ZnO，
4----源電極，5----柵電極，6----漏電極。圖2測試本發(fā)明制備的Au電極TFT器件的輸出特性曲線。圖3測試本發(fā)明制備的Al電極TFT器件的輸出特性曲線。
具體實施例方式實施例II)我們使用的ITO玻璃規(guī)格為藍青色外觀，膜厚及均勻性為1800A± 250A,透過率彡82%，面電阻< 10Ω/ ロ。ITO玻璃襯底在裝入淀積室之前，首先進行表面化學(xué)清潔處理，具體清洗過程為依次將Si片用去離子水、丙酮、こ醇和去離子水超聲清洗各lOmin，最后用去離子水沖洗干凈，取出冷風(fēng)吹干。2)將純度為99. 99%的HfO2革巴，純度為99. 99%的ZnO靶以及清洗好的ITO片都放入磁控濺射儀中，在放入ITO玻璃基片之前，用清洗好的一小Si片壓在ITO上面，此處壓著的部分留著以后要用作薄膜晶體管的柵極。濺射儀沉積系統(tǒng)的本底真空為5X10_5Pa，Hf02靶的濺射功率為50W，ZnO靶的濺射功率為50W，沉積時通入氬氣的流量為30sCCm，濺射的エ作氣壓為O. 28Pa，先濺射HfO2，濺射時間125min，薄膜厚度約為250nm，然后濺射ZnO，濺射時間40min，薄膜厚度約為50nm，沉積溫度為室溫。3)將上面沉積了 2層薄膜的ITO片(去掉之前壓在上面的小Si片)吸在甩膠機后，用吸管吸取適量的光刻膠并滴在硅片表面的中心，此過程中不能產(chǎn)生氣泡，然后按下甩膠機上的開始按鈕甩膠，膠厚約1.4um左右。4)甩膠后放在烘板上烘烤90-120S。5)將烘干的ITO放在曝光機承片臺上，放上掩模版，并調(diào)節(jié)承片臺上升至快要接觸掩模版，利用對準系統(tǒng)將硅片與掩模版對準，然后將承片臺上升旋鈕擰至空轉(zhuǎn)，使硅片頂緊掩模版。打開曝光開關(guān)曝光，曝光功率為15mW/cm2時,曝光時長設(shè)定為6_8s。
6)反轉(zhuǎn)烘。將ITO片由光刻機上取下，放在烘板上105°C烘烤2min。7)泛曝光。將ITO片放到曝光機承片臺,無掩模版曝光8_15s。8)顯影、后供。從曝光機上取下ITO片，放在AZ351B顯影液中浸泡30-60s，然后取出，用去離子水沖洗干凈，放在烘板上烘干。9)在樣品的正面形成Au電極。由于上面第5步光刻電極模板，模板的規(guī)格是250umX250um，小正方形間距是50um，所以我們的電極的面積為250umX250um。形成Au電極的實驗條件為采用JGP560C12型超高真空多功能磁控濺射裝置。本底真空5X 10_4Pa，Au靶的濺射功率為60W，沉積時通入氬氣的流量為20SCCm，濺射工作氣壓穩(wěn)定在O. 5Pa，濺射2min，大約有200nm的電極厚度。
10)電極薄膜淀積完成后，將ITO片從磁控濺射儀中取出，放在丙酮(Acetone)浸泡30-60min，然后搖晃ー下看是否可以剝離，如果不行則需要使用超聲儀超聲幾秒至幾分鐘，時間長短以剝離出圖形為止，但不可超聲太久，否則有可能使需要的薄膜也被超聲脫落。11)電極Au沉積完成后，在快速退火爐(RTA)中進行退火處理。退火氣氛是在空氣中，450°C快速退火15min。制得Au電極薄膜晶體管。檢測結(jié)果見圖2。實施例2I)我們使用的ITO玻璃規(guī)格為藍青色外觀，膜厚及均勻性為1800A± 250A,透過率彡82%，面電阻< 10Ω/ ロ。ITO玻璃襯底在裝入淀積室之前，首先進行表面化學(xué)清潔處理，具體清洗過程為依次將Si片用去離子水、丙酮、こ醇和去離子水超聲清洗各lOmin，最后用去離子水沖洗干凈，取出冷風(fēng)吹干。2)將純度為99. 99 %的HfO2革巴，純度為99. 99 %的ZnO靶以及清洗好的ITO片都放入磁控濺射儀中，在放入ITO玻璃基片之前，用清洗好的一小Si片壓在ITO上面，此處壓著的部分留著以后要用作薄膜晶體管的柵極。濺射儀沉積系統(tǒng)的本底真空為5X10_5Pa，Hf02靶的濺射功率為50W，ZnO靶的濺射功率為50W，沉積時通入氬氣的流量為30sCCm，濺射的エ作氣壓為O. 28Pa，HfO2濺射125min (250nm)，然后ZnO濺射40min (50nm)，沉積溫度為室溫。3)將上面沉積了 2層薄膜的ITO片(去掉之前我們壓在上面的小Si片)吸在甩膠機后，用吸管吸取適量的光刻膠并滴在硅片表面的中心，此過程中不能產(chǎn)生氣泡，然后按下甩膠機上的開始按鈕甩膠，膠厚約1.4um左右。4)甩膠后放在烘板上烘烤90-120S。5)將烘干的ITO放在曝光機承片臺上，放上掩模版，并調(diào)節(jié)承片臺上升至快要接觸掩模版，利用對準系統(tǒng)將硅片與掩模版對準，然后將承片臺上升旋鈕擰至空轉(zhuǎn)，使硅片頂緊掩模版。打開曝光開關(guān)曝光，曝光功率為15mW/cm2時,曝光時長設(shè)定為6_8s。6)反轉(zhuǎn)烘。將ITO片由光刻機上取下，放在烘板上105°C烘烤2min。7)泛曝光。將ITO片放到曝光機承片臺，無掩模版曝光8_15s。8)顯影、后供。從曝光機上取下ITO片，放在AZ351B顯影液中浸泡30_60s,然后取出，用去離子水沖洗干凈，放在烘板上烘干。 9)在樣品的正面形成Al電極。由于上ー步光刻電極模板，模板的規(guī)格是250umX250um，小正方形間距是50um，所以我們的電極的面積為250umX250um。形成Al電極的實驗條件為采用ACS-400-C4超高真空多功能磁控濺射儀。本底真空5X10_5Pa，Al靶的濺射功率為100W，沉積時通入氬氣的流量為30SCCm，濺射工作氣壓穩(wěn)定在O. 32Pa，濺射40min，大約有200nm的電極厚度。10)電極薄膜淀積完成后，將ITO片從磁控濺射儀中取出，放在丙酮(Acetone)浸泡30-60min，然后搖晃ー下看是否可以剝離，如果不行則需要使用超聲儀超聲幾秒至幾分鐘，時間長短以剝離出圖形為止，但不可超聲太久，否則有可能使需要的薄膜也被超聲脫 落。11)電極Al沉積完成后，在快速退火爐(RTA)中進行退火處理。退火氣氛是在空氣中，450°C快速退火15min。制得Al電極薄膜晶體管。檢測結(jié)果見圖3.
權(quán)利要求
1.一種高介電柵介質(zhì)場效應(yīng)透明薄膜晶體管，其結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電玻璃ITO襯底、柵介質(zhì)、氧化物半導(dǎo)體ZnO、源電極、柵電極、漏電極組成，其特征在于在導(dǎo)電玻璃ITO襯底(I)與氧化物半導(dǎo)體Zn0(3)之間用磁控派射法制備一層高介電柵介質(zhì)HfO2,厚度為100 300nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求I述的一種高介電柵介質(zhì)場效應(yīng)透明薄膜晶體管，其特征在于氧化物半導(dǎo)體Zn0(3)、源電極(4)、柵電極(5)、漏電極(6)是在襯底上按順序用磁控濺射法制備的，氧化物半導(dǎo)體ZnO (3)的厚度為30 lOOnm，電極的厚度為100 500nm，電極的材料為Au 或 Al。
3.一種高介電常數(shù)柵介質(zhì)場效應(yīng)透明薄膜晶體管的制備方法，其特征在于所述透明薄膜晶體管制備工藝流程如下(a)選擇清洗ITO玻璃襯底，ITO玻璃規(guī)格為藍青色外觀，膜厚及均勻性為1800A± 250A,透過率彡82%，面電阻彡10Ω/ 口 ；清洗過程為依次將Si片用去離子水、丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗各lOmin，最后用去離子水沖洗干凈，取出冷風(fēng)吹干；(b)沉積HfO2薄膜和ZnO薄膜將清洗好的ITO片放入超高真空磁控濺射儀中，設(shè)置純度為99. 99%的HfO2靶和純度為99. 99%的ZnO靶，在放入ITO玻璃基片之前，用清洗好的一小Si片壓在ITO上面，此處壓著的部分留著以后要用作薄膜晶體管的柵極；濺射儀沉積系統(tǒng)的本底真空5X 10_午&，沉積時通入氬氣的流量為30SCCm，濺射的工作氣壓為O. 28Pa，先沉積HfO2薄膜，濺射功率為50W,濺射時間50 150min，厚度為100 300nm ;然后沉積ZnO薄膜，濺射功率為50W，濺射時間20 80min，厚度為30 IOOnm ;沉積溫度為室溫；(c)光刻電極圖形1)涂膠，將上面沉積了2層薄膜的ITO片去掉之前我們壓在上面的小Si片，并吸在甩膠機上，用吸管吸取適量的光刻膠并滴在硅片表面的中心，此過程中不能產(chǎn)生氣泡，然后按下甩膠機上的開始按鈕甩膠，膠厚I. 2 I. 7um ；2)前烘，甩膠后將樣品放在烘板上烘烤90-120S；3)第一次曝光，將烘干的樣品放在曝光機承片臺上，放上掩模版，然后曝光，曝光功率為15mW/cm2時，曝光時長設(shè)定為6_8s ；4)反轉(zhuǎn)烘，將樣品由光刻機上取下，放在烘板上105°C烘烤2min；5)泛曝光,將樣品放到曝光機承片臺,無掩模版曝光8-15s；6)顯影、清洗、后烘，從曝光機上取下樣品，放在AZ351B顯影液中浸泡30-60s，然后取出，用去離子水沖洗干凈，放在烘板上烘干；(d)制備電極，在樣品的正面用磁控濺射的方法形成厚度為200nm的Au或Al電極；(e)電極剝離，電極薄膜淀積完成后，將ITO片從磁控濺射儀中取出，放在丙酮(Acetone)浸泡30_60min，然后搖晃一下看是否可以剝離，如果不行則需要使用超聲儀超聲幾秒至幾分鐘，時間長短以剝離出圖形為止；(f)將剝離完成的樣品用快速退火爐在在空氣氣氛中進行退火處理；退火溫度450°C，快速退火時間10 20min。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高介電柵介質(zhì)場效應(yīng)透明薄膜晶體管及其制備方法。先在ITO襯底上通過磁控濺射生長高介電常數(shù)柵介質(zhì)HfO2和N型氧化物半導(dǎo)體材料ZnO，采用剝離工藝(Lift-off)形成柵極、源極和漏極的光刻膠圖形，再通過磁控濺射生長金屬電極Au或Al，并剝離出電極圖形，最后對器件進行快速退火處理。與現(xiàn)有的硅基TFT技術(shù)相比，氧化物TFT具有低溫操作、高遷移率、對可見光透明并且性能穩(wěn)定等優(yōu)點。與現(xiàn)有的氧化物TFT技術(shù)相比，該方法無需各種刻蝕工藝，將高介電常數(shù)柵介質(zhì)、金屬柵極和半導(dǎo)體材料整合到了透明薄膜晶體管中，簡化了晶體管的制作流程?？捎糜谟性淳仃囈壕э@示器件，打印機、復(fù)印機和攝像機等光電器件中。
文檔編號H01L29/786GK102637746SQ20121012828
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者葉蔥, 李志雄, 汪寶元, 王浩 申請人:湖北大學(xué)