處理的非晶igzo透明氧化物薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于IXD、LED顯示器領(lǐng)域，具體涉及一種H2處理的非晶IGZ0透明氧化物 薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 薄膜晶體管（TFT, Thin Film Transistor)是 TFT-LCD 和 AM0LED 有源驅(qū)動(dòng)的核心 部件，對(duì)顯不質(zhì)量的提尚有決定性影響。
[0003] 圖1是TFT基本結(jié)構(gòu)及工作原理圖。以柵極（Gate)作輸入端，漏電極（Drain) 作輸出端，源電極（Source)接地。施加足夠大的柵壓后，半導(dǎo)體內(nèi)載流子向絕緣層（Gate Insulator)移動(dòng)，在有源層與絕緣層界面靠近絕緣層內(nèi)形成了導(dǎo)電溝道，晶體管導(dǎo)通，稱之 為增強(qiáng)型。沒(méi)有施加?xùn)艍簳r(shí)半導(dǎo)體仍有導(dǎo)通電流的稱為耗盡型。然后施加漏電壓，在偏壓 的作用下，溝道內(nèi)的載流子開始漂移，形成漏電流。
[0004] TFT器件的一個(gè)重要參數(shù)就是電流開關(guān)比。它指的是開態(tài)電流（IJ和關(guān)態(tài)電流 (IDff)的比（I Dn/IDff)，反映了開和關(guān)的相對(duì)能力。我們希望開態(tài)電流大，關(guān)態(tài)電流小，開關(guān)比 大。因?yàn)殚_態(tài)電流越高代表驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)，且開關(guān)比大意味著器件抗干擾能力、穩(wěn)定性好。 材料特性方面，TFT的載流子迀移率越大，其開態(tài)電流越大，晶體管開關(guān)速度提高。
[0005] 其次，薄膜的電阻是與薄膜內(nèi)部的載流子濃度和載流子迀移率成反比的。薄膜電 阻越低，器件的功耗也就越低。因此薄膜的載流子濃度及電阻也是決定薄膜性能的重要因 素。
[0006] TFT若使用全透明的氧化物材料，能夠大大提高有源矩陣薄膜晶體管開口率，開口 率是像素有效透光區(qū)域面積與像素總面積的比值。開口率越大，顯示器對(duì)光學(xué)利用率越高， 亮度越高，功耗降低。因此，采用迀移率高、透明的半導(dǎo)體材料對(duì)TFT的性能提高有很大的 意義。
[0007] 對(duì)于薄膜晶體管，有源層（溝道層）材料的質(zhì)量對(duì)載流子在導(dǎo)電溝道內(nèi)的傳輸影 響很大。目前使用的TFT溝道層材料主要有四種：非晶硅（a-Si)、多晶硅（poly-Si)、有機(jī) 材料和氧化物。
[0008] 隨著TFT的發(fā)展，傳統(tǒng)單一的溝道非晶硅，多晶硅材料已經(jīng)越來(lái)越難滿足高速發(fā) 展的器件性能要求。無(wú)一例外的出現(xiàn)了制作工藝復(fù)雜，成本高穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。研究者做出 大量工作以期優(yōu)化和改善TFT溝道層的工作性能，研究了多種不同的氧化物溝道層材料， 比如有學(xué)者提出選用透明ZnO薄膜制備溝道層，以提高其開關(guān)比和光透過(guò)率。也有學(xué)者在 ZnO薄膜中加入In，Ga等元素使其變成非晶結(jié)構(gòu)以提高其載流子迀移率。還有學(xué)者利用脈 沖激光沉積的方法制備出非晶態(tài)的IGZ0透明氧化物薄膜作為溝道層材料。盡管這些設(shè)計(jì) 都在不同程度上對(duì)介質(zhì)保護(hù)膜的性能改善有一定的提高，但仍不能滿足TFT的性能要求， 因此，對(duì)于TFT溝道層材料的改性研究還有待于改善。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0009] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述缺陷或不足，提供了一種H2處理的非晶IGZ0透明氧 化物薄膜及其制備方法，制備得到的薄膜載流子濃度很高，載流子迀移率較高，方阻很低。
[0010] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0011] -種H2處理的非晶IGZ0透明氧化物薄膜的制備方法，包括以下步驟：
[0012] 1)在生長(zhǎng)有3102的Si基片上濺射IGZ0非晶薄膜，得到生長(zhǎng)有IGZ0非晶薄膜的 娃基片；
[0013] 2)將生長(zhǎng)有IGZ0非晶薄膜的硅基片利用氣氛保護(hù)退火管式爐在H2氣氛下 350-450°C保溫45-75分鐘，得到非晶IGZ0透明氧化物薄膜。
[0014] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟1)中，采用JPG-450a型雙室磁控濺射設(shè)備濺 射IGZ0非晶薄膜，其中，靶材為IGZ0靶，通入純度為99.99%的氬氣；濺射功率801，偏 壓-100V，氬氣流量50sccm，工作氣壓為0. 2Pa;預(yù)濺射時(shí)間為15min，濺射時(shí)間為90min。
[0015] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟2)中，將生長(zhǎng)有IGZ0非晶薄膜的硅基片利用氣氛 保護(hù)退火管式爐在N2氣氛下400°C保溫60分鐘，得到非晶IGZ0透明氧化物薄膜。
[0016] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟2)中，非晶IGZ0透明氧化物薄膜是通過(guò)在體積分 數(shù)為3~5%的H 2氣氛下400°C保溫60分鐘制備而成的。
[0017] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，體積分?jǐn)?shù)為3~5%的H2氣氛為體積比1:32~1:19 的氏與N 2混合氣體。
[0018] -種H2處理的非晶IGZ0透明氧化物薄膜，該非晶IGZ0透明氧化物薄膜包括In、 Ga、Zn及0四種成分；其中，In的原子數(shù)百分含量為18~21%，Ga的原子數(shù)百分含量為 18~21%，Zn的原子數(shù)百分含量為8~10%，0的原子數(shù)百分含量為48~56%。
[0019] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述非晶IGZ0透明氧化物薄膜厚度為150~300nm。
[0020] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述非晶IGZ0透明氧化物薄膜是非晶結(jié)構(gòu)。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的有益效果為：
[0022] 本發(fā)明提供的一種H2處理的非晶IGZ0透明氧化物薄膜及其制備方法，在基片上 生長(zhǎng)IGZ0透明氧化物薄膜，并在將此薄膜在H 2氣氛下350-450 °C保溫45-75分鐘。由于退 火可以減少有源層內(nèi)部的懸掛鍵，減少其內(nèi)部缺陷，提高器件的穩(wěn)定性。并且很大程度上提 高了氧空位的濃度，繼而提高了載流子濃度，有效降低器件的電阻，減低器件功耗。
【附圖說(shuō)明】：
[0023] 圖1為TFT基本結(jié)構(gòu)及工作原理圖。
[0024]圖2為本發(fā)明制備的非晶IGZ0透明氧化物薄膜的透射電鏡照片。
[0025] 圖3是不同退火溫度下薄膜的載流子濃度、迀移率示意圖。
[0026] 圖4為不同退火溫度下薄膜的方阻示意圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0028] -種H2處理的非晶IGZ0透明氧化物薄膜的制備方法，包括以下步驟：
[0029] 1)在生長(zhǎng)有3102的Si基片上濺射IGZ0非晶薄膜，得到生長(zhǎng)有IGZ0非晶薄膜的 娃基片；
[0030] 2)將生長(zhǎng)有IGZ0非晶薄膜的硅基片利用氣氛保護(hù)退火管式爐在N2氣氛下 350-450°C保溫45-75分鐘，得到非晶IGZ0透明氧化物薄膜。
[0031] 具體來(lái)說(shuō)，步驟1)中，采用JPG_450a型雙室磁控濺射設(shè)備濺射IGZ0非晶薄膜， 其中，靶材為IGZ0靶，通入純度為99. 99%的氬氣；濺射功率80W，偏壓-100V，氬氣流量 50sccm，工作氣壓為0. 2Pa ;預(yù)派射時(shí)間為15min，派射時(shí)間為90min。
[0032] 步驟2)中，將生長(zhǎng)有IGZ0非晶薄膜的硅基片利用氣氛保護(hù)退火管式爐在N 2氣氛 下400°C保溫60分鐘，得到非晶IGZ0透明氧化物薄膜。進(jìn)一步，非晶IGZ0透明氧化物薄膜 是通過(guò)在體積分?jǐn)?shù)為3~5%的H 2氣氛下400°C保溫60分鐘制備而成的，其中，體積分?jǐn)?shù) 為3~5%的H2氣氛為體積比1:32~1:19的H 2與N 2混合氣體。
[0033] 如圖2所示，本發(fā)明制備的一種H2處理的非晶IGZ0透明氧化物薄膜，包括In、Ga、 Zn及0四種成分；其中，In的原子數(shù)百分含量為18~21 %，Ga的原子數(shù)百分含量為18~ 21%，Zn的原子數(shù)百分含量為8~10%，0的原子數(shù)百分含量為48~56%。
[0034] 并且，所述非晶IGZ0透明氧化物薄膜厚度為150~300nm。此外，所述非晶IGZ0 透明氧化物薄膜是非晶結(jié)構(gòu)。
[0035] 利用XPS分析不同退火溫度下制備的薄膜中氧空位濃度占氧含量的比值。分析結(jié) 果如表1所示
[0036] 表1:不同退火溫度下的氧空位濃度
[0037]
[0038] 利用霍爾效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)IGZ0透明氧化物薄膜進(jìn)行載流子濃度，載流子迀移率 的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。
[0039] 利用四探針測(cè)試儀對(duì)IGZ0透明氧化物薄膜進(jìn)行方阻的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所 不。
[0040] 從表1，圖3,圖4可以看出，退火溫度為400°C的時(shí)候，薄膜中的氧空位濃度比未進(jìn) 行退火時(shí)有了很大的提升。并且載流子濃度也有了很大的提高。而薄膜的方阻大小對(duì)于降 低TFT器件的功耗是非常重要的。方阻受到載流子濃度，載流子迀移率的共同影響。方阻 的降低可以有效降低TFT器件的功耗，提升器件的工作效率，抗干擾能力。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種H2處理的非晶IGZO透明氧化物薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 在生長(zhǎng)有3102的Si基片上濺射IGZO非晶薄膜，得到生長(zhǎng)有IGZO非晶薄膜的硅基 片； 2) 將生長(zhǎng)有IGZO非晶薄膜的硅基片利用氣氛保護(hù)退火管式爐在H2氣氛下350-450°C 保溫45-75分鐘，得到非晶IGZO透明氧化物薄膜。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種H2處理的非晶IGZO透明氧化物薄膜的制備方法，其特 征在于，步驟1)中，采用JPG-450a型雙室磁控濺射設(shè)備濺射IGZO非晶薄膜，其中，靶材為 IGZO靶，通入純度為99. 99 %的氬氣；濺射功率80W，偏壓-100V，氬氣流量50sccm，工作氣 壓為0. 2Pa;預(yù)濺射時(shí)間為15min，濺射時(shí)間為90min。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種H2處理的非晶IGZO透明氧化物薄膜的制備方法，其特 征在于，步驟2)中，將生長(zhǎng)有IGZO非晶薄膜的硅基片利用氣氛保護(hù)退火管式爐在N2氣氛 下400°C保溫60分鐘，得到非晶IGZO透明氧化物薄膜。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種H2處理的非晶IGZO透明氧化物薄膜的制備方法，其特 征在于，步驟2)中，非晶IGZO透明氧化物薄膜是通過(guò)在體積分?jǐn)?shù)為3~5%的H2氣氛下 400 °C保溫60分鐘制備而成的。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種H2處理的非晶IGZO透明氧化物薄膜的制備方法，其特 征在于，體積分?jǐn)?shù)為3~5%的H2氣氛為體積比1:32~1:19的H2與N2混合氣體。6. 權(quán)利要求1制備的一種H2處理的非晶IGZO透明氧化物薄膜，其特征在于，該非晶 IGZO透明氧化物薄膜包括In、Ga、Zn及0四種成分；其中，In的原子數(shù)百分含量為18~ 21 %，Ga的原子數(shù)百分含量為18~21 %，Zn的原子數(shù)百分含量為8~10%，0的原子數(shù)百 分含量為48~56%。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種H2處理的非晶IGZO透明氧化物薄膜，其特征在于，所述 非晶IGZO透明氧化物薄膜厚度為150~300nm。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種H2處理的非晶IGZO透明氧化物薄膜，其特征在于，所述 非晶IGZO透明氧化物薄膜是非晶結(jié)構(gòu)。
【專利摘要】一種H2處理的非晶IGZO透明氧化物薄膜及其制備方法，該制備方法包括：1)在生長(zhǎng)有SiO2的Si基片上濺射IGZO非晶薄膜，得到生長(zhǎng)有IGZO非晶薄膜的硅基片；2)將生長(zhǎng)有IGZO非晶薄膜的硅基片利用氣氛保護(hù)退火管式爐在N2氣氛下350-450℃保溫45-75分鐘，得到非晶IGZO透明氧化物薄膜。本發(fā)明制備的非晶IGZO透明氧化物薄膜包括In、Ga、Zn及O四種成分；其中，In的原子數(shù)百分含量為18～21％，Ga的原子數(shù)百分含量為18～21％，Zn的原子數(shù)百分含量為8～10％，O的原子數(shù)百分含量為48～56％。本發(fā)明由于改變了退火溫度，一方面減少薄膜內(nèi)部缺陷，提高其穩(wěn)定性；另一方面提高了氧空位的濃度，進(jìn)而提高載流子濃度，降低器件電阻，提高了IGZO透明薄膜的導(dǎo)電能力。進(jìn)而在一定程度上提升了器件的運(yùn)作速度，抗干擾能力。
【IPC分類】H01L21/324, C23C14/35, C23C14/08, H01L21/336, H01L29/10
【公開號(hào)】CN105185708
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510604284
【發(fā)明人】宋忠孝, 李雁淮, 李怡雪, 張丹
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年9月21日