本發(fā)明涉及一種場效應晶體管器件及其制備方法，特別是涉及一種薄膜場效應晶體管器件及其制備方法，應用于薄膜場效應晶體管技術領域。

背景技術：

氧化物薄膜晶體管因具有高遷移率、高透過率、低溫制備工藝，環(huán)保無毒等諸多優(yōu)點，成為下一代最具有發(fā)展前景的TFT背板技術，在平板顯示領域應用廣泛。

對于顯示品質(zhì)的不斷提升，大尺寸、高分辨率和節(jié)能的顯示技術必將成為未來發(fā)展的主流，所以開發(fā)高遷移、低功耗和高穩(wěn)定性的氧化物TFT技術成為重要的研究方向。目前氧化物TFT的發(fā)展主要瓶頸技術在于高遷移率和高穩(wěn)定性之間的矛盾，同時提升氧化物TFF的遷移率和穩(wěn)定性成為亟待解決的重要問題。當前提升氧化物TFT的穩(wěn)定性的方案，主要是采用Ga、Hf等離子摻雜減小TFT的器件的缺陷態(tài)，從而提升氧化物TFT的穩(wěn)定性，然而不幸的是，氧化物TFT的遷移率也隨之下降，因而采用Ga、Hf等離子摻雜難以實現(xiàn)高遷移率、高穩(wěn)定性的氧化物TFT。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種具有成分緩變有源層結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件及其制備方法，本發(fā)明場效應晶體管器件能同時提升氧化物TFT的遷移率和穩(wěn)定性，與現(xiàn)有的氧化物TFT和硅基TFT有著良好的工藝兼容性，能有效地節(jié)約緩變結(jié)構氧化物薄膜晶體管的制備成本。

為達到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術方案：

一種具有成分緩變有源層結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件，按結(jié)構層次序依次逐層制備而成，主要由基板、柵極、絕緣層、有源層、源極、漏極和鈍化層構成底柵結(jié)構或頂柵結(jié)構，所述有源層采用具有成分緩變結(jié)構的ZnSnO: HfO₂復合氧化物薄膜制成，具體為：以ZnSnO為基礎材料，以HfO₂為摻雜材料，通過調(diào)控HfO₂在ZnSnO氧化物薄膜中的摻雜量為X～Y%，使所述有源層的材料結(jié)構為：由ZnSnO層、ZnSnO: X% HfO₂復合層、ZnSnO: Y% HfO₂復合層組成的具有成分梯度的成分緩變結(jié)構，其中X<Y，X%和Y%皆采用相同的計量物質(zhì)的百分比。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，所述有源層的厚度為20～100 nm，所述絕緣層和所述鈍化層的厚度均為80～200 nm，所述柵極、所述源極和所述漏極的厚度均為50～200 nm。

優(yōu)選通過調(diào)控上述HfO₂在ZnSnO氧化物薄膜中的摻雜量為10～20%。

上述基板優(yōu)選采用硅片、柔性襯底、玻璃襯底和陶瓷襯底中的任意一種。

上述柵極的材料優(yōu)選采用Au、Al、Cu、Mo、Cr、Ti、ITO、W、Ag和Ta中的任意一種或者任意幾種。

上述源極和上述漏極材料分別優(yōu)選采用Au、Ag、Mo、Al、Cu、Cr、Ti、Mg和Ca中的任意一種或者任意幾種。

上述絕緣層和上述鈍化層分別優(yōu)選采用Ta₂O₅、Al₂O₃、SiO₂、TiO₂和SiN_x中的任意一種材料或者任意幾種材料制備而成的薄膜。

一種具有成分緩變有源層結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備方法，按結(jié)構層次序依次逐層制備，包括如下步驟：

a. 選擇符合設定尺寸要求的基板，清洗后烘干，備用；

b. 在所述步驟a中制備的干燥潔凈的基板上，通過真空蒸發(fā)方法或濺射工藝，并實現(xiàn)圖案化，制備厚度為50～200 nm的圖案化的柵極，得到具有柵極的基板；當采用真空蒸鍍的方法制備電極時，優(yōu)選控制真空度小于10^-3Pa；

c. 在所述步驟b中制備的具有柵極的基板上，采用原子層沉積法、化學氣相沉積法、濺射法或蒸發(fā)方法制備厚度為80～200 nm的絕緣層；

d. 采用共濺射方法，并實現(xiàn)圖案化，在所述步驟c中制備的絕緣層上，制備厚度為20～100 nm的圖案化的具有成分緩變結(jié)構的ZnSnO: HfO₂復合氧化物薄膜，作為有源層，在制備有源層氧化物薄膜時，以ZnSnO為基礎材料，以HfO₂為摻雜材料，通過調(diào)控HfO₂在ZnSnO氧化物薄膜中的摻雜量為X～Y%，使所述有源層（4）的材料結(jié)構為：由ZnSnO層、ZnSnO: X% HfO₂復合層、ZnSnO: Y% HfO₂復合層組成的具有成分梯度的成分緩變結(jié)構，其中X<Y，X%和Y%皆采用相同的計量物質(zhì)的百分比；作為優(yōu)選的技術方案，采用ZnSnO靶和HfO₂靶，采用共濺射方法，進行圖案化制備ZnSnO: HfO₂復合氧化物薄膜，并優(yōu)選通過調(diào)節(jié)HfO2靶的濺射功率的方法來控制氧化物薄膜有源層中的HfO₂的摻雜量；

e.在經(jīng)過所述步驟d圖案化制備有源層之后，在未覆蓋有源層的部分絕緣層上，再采用真空蒸發(fā)方法或濺射方法分別制備源極和漏極，使源極和漏極實現(xiàn)圖案化，并使源極和漏極的厚度均為50～200 nm；當采用真空蒸鍍的方法制備電極時，優(yōu)選控制真空度小于10^-3Pa；

f. 在經(jīng)過所述步驟d圖案化制備有源層之后，在有源層上，采用原子層沉積方法、化學氣相沉積方法、濺射方法或蒸發(fā)方法制備厚度為80～200 nm的鈍化層，從而完成具有底柵結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備。

本發(fā)明采用緩變結(jié)構氧化物薄膜作為有源層，突破了常規(guī)單一的有源層結(jié)構，通過緩變結(jié)構的設計，能同時提升氧化物薄膜的遷移率和穩(wěn)定性。通過共濺射方法實現(xiàn)來實現(xiàn)摻雜濃度梯度變化的氧化物薄膜作為有源層材料，一方面可以保證靠近絕緣層的溝道區(qū)域載流子的遷移率，另一方面通過摻雜濃度的梯度變化制備缺陷態(tài)密度小的氧化物薄膜。緩變結(jié)構氧化物TFT的制備方法與現(xiàn)有的氧化物TFT及硅基TFT制備工藝有著良好的兼容性，能有效地減小其制造成本。緩變結(jié)構氧化物TFT的制備為實現(xiàn)高遷移率和高穩(wěn)定性氧化物TFT提供了理論指導和技術支持。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點：

1. 本發(fā)明采用緩變結(jié)構氧化物作為TFT器件的有源層，其中Hf摻入是通過共濺射方式實現(xiàn)摻雜，摻雜量由濺射功率決定，維持如下結(jié)構：ZnSnO/ZnSnO: X% HfO2/ZnSnO: Y% HfO2 其中（X<Y）；緩變結(jié)構氧化物有源層，能保證氧化物TFT的遷移率的情況下，能有效地控制氧化物TFT的缺陷態(tài)，提升氧化物TFT的穩(wěn)定性；

2. 本發(fā)明緩變結(jié)構氧化物TFT與常規(guī)的氧化物TFT及硅基TFT具有很好的工藝兼容性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例一緩變結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件結(jié)構示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例一制備的具有成分緩變有源層結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件和對比例制備的均勻材質(zhì)氧化物薄膜場效應晶體管器件轉(zhuǎn)移特性曲線對比圖。

圖3為本發(fā)明實施例一緩變結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的偏壓穩(wěn)定性曲線。

具體實施方式

本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下：

實施例一：

在本實施例中，參見圖1～3，一種具有成分緩變有源層結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備方法，按結(jié)構層次序依次逐層制備，包括如下步驟：

a. 選擇符合設定尺寸要求的玻璃襯底作基板，依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗30 min，清洗后烘干，進行UV-Ozone處理10 min，備用；

b. 在所述步驟a中制備的干燥潔凈的基板上，通過濺射工藝，并實現(xiàn)圖案化，制備厚度為100 nm的圖案化的Al電極，作為柵極，得到具有柵極的基板；

c. 在所述步驟b中制備的具有柵極的基板上，采用ALD沉積方法制備厚度為150 nm的Al₂O₃薄膜，作為柵極的絕緣層；

d. 采用共濺射方法，并實現(xiàn)圖案化，在所述步驟c中制備的絕緣層上，制備厚度為30 nm的圖案化的具有成分緩變結(jié)構的ZnSnO: HfO₂復合氧化物薄膜，作為有源層，在制備有源層氧化物薄膜時，以ZnSnO為基礎材料，以HfO₂為摻雜材料，通過調(diào)控HfO₂在ZnSnO氧化物薄膜中的摻雜量分別為10%和20%，使所述有源層（4）的材料結(jié)構為：由ZnSnO層、ZnSnO: 10% HfO₂復合層、ZnSnO: 20% HfO₂復合層組成的具有成分梯度的成分緩變結(jié)構，其中HfO₂在ZnSnO氧化物薄膜中的摻雜量皆采用重量百分比；

e.在經(jīng)過所述步驟d圖案化制備有源層之后，在未覆蓋有源層的部分絕緣層上，再控制真空度小于10^-3 Pa，采用真空蒸發(fā)方法分別制備源極和漏極，使源極和漏極實現(xiàn)圖案化，并使源極和漏極的厚度均為80 nm；

f. 在經(jīng)過所述步驟d圖案化制備有源層之后，在有源層上，采用原子層沉積方法制備厚度為150 nm的Al₂O₃層作為鈍化層，從而完成具有底柵結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備。

本實施例薄膜晶體管為底柵結(jié)構，參見圖1，從下至上由基板1、柵極2、絕緣層3、緩變結(jié)構的有源層4、源極5、漏極6、鈍化層7依次構成。

本實施例緩變結(jié)構氧化物有源層所采用結(jié)構制備時，摻雜的控制主要通過共濺射方法來實現(xiàn)的，通過濺射功率的大小來調(diào)控摻雜量。采用本實施例方法制備具有成分緩變有源層結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件，與傳統(tǒng)器件相比，最大的區(qū)別在于能同時提升氧化物TFT器件的電學性能和穩(wěn)定性，采用HfO₂靶的濺射功率來調(diào)整Hf元素的摻雜量，從而制備出遷移率高、缺陷態(tài)少的新型緩變結(jié)構氧化物薄膜?？梢姴捎帽緦嵤├椒ǖ木徸兘Y(jié)構氧化物TFT，無需改變傳統(tǒng)的制備工藝，該方案簡單可行，將在平板顯示領域有著良好的應用前景。

實施例二：

本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于：

在本對比例中，一種具有成分緩變有源層結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備方法，按結(jié)構層次序依次逐層制備，包括如下步驟：

a. 選擇符合設定尺寸要求的玻璃襯底作基板，依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗30 min，清洗后烘干，進行UV-Ozone處理10 min，備用；

b. 在所述步驟a中制備的干燥潔凈的基板上，通過濺射工藝，并實現(xiàn)圖案化，制備厚度為50 nm的圖案化的Al電極，作為柵極，得到具有柵極的基板；

c. 在所述步驟b中制備的具有柵極的基板上，采用ALD沉積方法制備厚度為80 nm的Al₂O₃薄膜，作為柵極的絕緣層；

d. 采用共濺射方法，并實現(xiàn)圖案化，在所述步驟c中制備的絕緣層上，制備厚度為20nm的圖案化的具有成分緩變結(jié)構的ZnSnO: HfO₂復合氧化物薄膜，作為有源層，在制備有源層氧化物薄膜時，以ZnSnO為基礎材料，以HfO₂為摻雜材料，通過調(diào)控HfO₂在ZnSnO氧化物薄膜中的摻雜量分別為10%和20%，使所述有源層（4）的材料結(jié)構為：由ZnSnO層、ZnSnO: 10% HfO₂復合層、ZnSnO: 20% HfO₂復合層組成的具有成分梯度的成分緩變結(jié)構，其中HfO₂在ZnSnO氧化物薄膜中的摻雜量皆采用重量百分比；

e.在經(jīng)過所述步驟d圖案化制備有源層之后，在未覆蓋有源層的部分絕緣層上，再采用濺射方法分別制備源極和漏極，使源極和漏極實現(xiàn)圖案化，并使源極和漏極的厚度均為50 nm；

f. 在經(jīng)過所述步驟d圖案化制備有源層之后，在有源層上，采用原子層沉積方法制備厚度為80nm的Al₂O₃層作為鈍化層，從而完成具有底柵結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備。

本實施制備的與實施例一制備的具有成分緩變有源層結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的轉(zhuǎn)移特性、遷移率和穩(wěn)定性基本接近，采用本實施例方法制備具有成分緩變有源層結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件，與傳統(tǒng)器件相比，最大的區(qū)別在于能同時提升氧化物TFT器件的電學性能和穩(wěn)定性，采用HfO₂靶的濺射功率來調(diào)整Hf元素的摻雜量，從而制備出遷移率高、缺陷態(tài)少的新型緩變結(jié)構氧化物薄膜?？梢姴捎帽緦嵤├椒ǖ木徸兘Y(jié)構氧化物TFT，無需改變傳統(tǒng)的制備工藝，該方案簡單可行，將在平板顯示領域有著良好的應用前景。

實施例三：

本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于：

在本對比例中，一種具有成分緩變有源層結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備方法，按結(jié)構層次序依次逐層制備，包括如下步驟：

a. 選擇符合設定尺寸要求的玻璃襯底作基板，依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗30 min，清洗后烘干，進行UV-Ozone處理10 min，備用；

b. 在所述步驟a中制備的干燥潔凈的基板上，通過濺射工藝，并實現(xiàn)圖案化，制備厚度為200 nm的圖案化的Al電極，作為柵極，得到具有柵極的基板；

c. 在所述步驟b中制備的具有柵極的基板上，采用ALD沉積方法制備厚度為200 nm的Al₂O₃薄膜，作為柵極的絕緣層；

d. 采用共濺射方法，并實現(xiàn)圖案化，在所述步驟c中制備的絕緣層上，制備厚度為100 nm的圖案化的具有成分緩變結(jié)構的ZnSnO: HfO₂復合氧化物薄膜，作為有源層，在制備有源層氧化物薄膜時，以ZnSnO為基礎材料，以HfO₂為摻雜材料，通過調(diào)控HfO₂在ZnSnO氧化物薄膜中的摻雜量分別為10%和20%，使所述有源層（4）的材料結(jié)構為：由ZnSnO層、ZnSnO: 10% HfO₂復合層、ZnSnO: 20% HfO₂復合層組成的具有成分梯度的成分緩變結(jié)構，其中HfO₂在ZnSnO氧化物薄膜中的摻雜量皆采用重量百分比；

e.在經(jīng)過所述步驟d圖案化制備有源層之后，在未覆蓋有源層的部分絕緣層上，再采用濺射方法分別制備源極和漏極，使源極和漏極實現(xiàn)圖案化，并使源極和漏極的厚度均為200 nm；

f. 在經(jīng)過所述步驟d圖案化制備有源層之后，在有源層上，采用原子層沉積方法制備厚度為200 nm的Al₂O₃層作為鈍化層，從而完成具有底柵結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備。

本實施制備的與實施例一制備的具有成分緩變有源層結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的轉(zhuǎn)移特性、遷移率和穩(wěn)定性基本接近，采用本實施例方法制備具有成分緩變有源層結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件，與傳統(tǒng)器件相比，最大的區(qū)別在于能同時提升氧化物TFT器件的電學性能和穩(wěn)定性，采用HfO₂靶的濺射功率來調(diào)整Hf元素的摻雜量，從而制備出遷移率高、缺陷態(tài)少的新型緩變結(jié)構氧化物薄膜?？梢姴捎帽緦嵤├椒ǖ木徸兘Y(jié)構氧化物TFT，無需改變傳統(tǒng)的制備工藝，該方案簡單可行，將在平板顯示領域有著良好的應用前景。

對比例：

本對比例與前述實施例基本相同，特別之處在于：

在本對比例中，參見圖2，一種具有氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備方法，按結(jié)構層次序依次逐層制備，包括如下步驟：

a. 本步驟與實施例一相同；

b. 本步驟與實施例一相同；

c. 本步驟與實施例一相同；

d. 采用ZnSnO陶瓷靶，采用濺射方法，并實現(xiàn)圖案化，在所述步驟c中制備的絕緣層上，制備厚度為30 nm的圖案化的ZnSnO半導體氧化物薄膜層，作為有源層；

e. 本步驟與實施例一相同；

f. 在經(jīng)過所述步驟d圖案化制備有源層之后，在有源層上，采用原子層沉積方法制備厚度為150 nm的Al₂O₃層作為鈍化層，從而完成具有底柵結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備。

本對比例制備的薄膜晶體管為底柵結(jié)構，從下至上由基板、柵極、絕緣層、均勻成分的ZnSnO半導體氧化物薄膜的有源層、源極、漏極、鈍化層依次構成。

實驗測試分析：

對實施例一制備的具有底柵結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件和對比例制備的均勻成分氧化物薄膜的場效應晶體管器件進行分別進行檢測分析，并結(jié)合實施例一和對比例進行比較，從圖2可知采用緩變結(jié)構氧化物薄膜作為有源層的場效應晶體管器件呈現(xiàn)優(yōu)異的電學性能，明顯優(yōu)于均勻成分氧化物薄膜的場效應晶體管器件，同時驗證了具有底柵結(jié)構的成分緩變結(jié)構氧化物薄膜場效應晶體管器件制備的可行性。從圖2可知，實施例一采用緩變結(jié)構氧化物薄膜作為有源層，制備出了高遷移率高穩(wěn)定性的氧化物TFT，器件的遷移率高達16.5 cm²/Vs，閾值電壓為2.8 V。

從圖3可知采用緩變結(jié)構氧化物薄膜作為有源層的場效應晶體管器件呈現(xiàn)優(yōu)異的正向偏壓穩(wěn)定性，明顯優(yōu)于均勻成分氧化物薄膜的場效應晶體管器件的正向穩(wěn)定性。采用緩變結(jié)構氧化物場效應晶體管器件能同時提升電學性能和正向偏壓穩(wěn)定性，有效地克服均勻成分氧化物薄膜的場效應晶體管器件在此方面的不足。從圖3可知，器件在柵壓為10 V情況3600 s的閾值電壓漂移量為2.1 V，較傳統(tǒng)的ZnSnO-TFT的穩(wěn)定性有明顯的提升?？梢妼嵤├恢苽涞木徸兘Y(jié)構的有源層能夠?qū)崿F(xiàn)高遷移率和高穩(wěn)定性的氧化物TFT器件。

采用上述實施例制備的具有底柵結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件，與傳統(tǒng)器件相比，最大的區(qū)別在于能同時提升氧化物TFT器件的電學性能和穩(wěn)定性，采用HfO₂靶的濺射功率來調(diào)整Hf元素的摻雜量，從而制備出遷移率高、缺陷態(tài)少的新型緩變結(jié)構氧化物薄膜。可見采用此種技術制備的緩變結(jié)構氧化物TFT，無需改變傳統(tǒng)的制備工藝，上述實施例方案簡單可行，將在平板顯示領域有著良好的應用前景。

在上述實施例中，摻雜的控制主要通過共濺射方法來實現(xiàn)的，通過濺射功率的大小來調(diào)控摻雜量。本發(fā)明器件依次由基板、柵極、絕緣層、緩變結(jié)構氧化物有源層、源極、漏極、鈍化層構成。本發(fā)明能同時提升氧化物TFT的遷移率和穩(wěn)定性。與現(xiàn)有的氧化物TFT和硅基TFT有著良好的工藝兼容性，能有效地節(jié)約緩變結(jié)構氧化物薄膜晶體管的制備成本。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術方案的精神實質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明具有成分緩變有源層結(jié)構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件及其制備方法的技術原理和發(fā)明構思，都屬于本發(fā)明的保護范圍。