CN102779758B - 一种以铟锌铝氧化物为沟道层的薄膜晶体管的制备方法 - Google Patents

一种以铟锌铝氧化物为沟道层的薄膜晶体管的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于薄膜晶体管技术领域，具体为一种以铟锌铝氧化物为沟道层的薄膜晶体管的制备方法。该方法以铝掺杂铟锌氧化物获得铟锌铝氧化物半导体薄膜，改善铟锌氧化物半导体沟道层的性能。本发明利用一种成本低廉、工艺简单、大面积制备容易的浸渍提拉法工艺制备了表面平整、厚度均一而致密的铟锌铝氧化物薄膜，并将其应用于氧化物薄膜晶体管制备中。所制备的薄膜晶体管器件综合性能优良，具有较高饱和迁移率26.8 cm2/Vs，较低亚阈值摆幅0.24 V/decade，开关比大于104。

Description

一种以铟锌铝氧化物为沟道层的薄膜晶体管的制备方法
技术领域
本发明属于薄膜晶体管技术领域，具体的说，涉及一种以铟锌铝氧化物为沟道层的薄膜晶体管的制备方法。
背景技术
薄膜晶体管(TFT)作为有源驱动中的核心元件，其包括基底、半导体沟道层、介质层、栅极、源极和漏极等几个重要组成部分。目前，在显示领域应用最广、技术成熟的是使用硅材料作为半导体沟道层制备的TFT。随着人们需求的提高，加之为了突***于饱和状态的LCD市场，需要实现3D显示、透明显示以及柔性显示等新一代显示技术。面对新一代显示技术，传统硅基TFT显示出一些不足。目前，透明非晶氧化物半导体薄膜晶体管(TAOS-TFT)凭借其高的场效应迁移率、好的均匀性、对可见光区透明以及环境稳定性良好等优点，成为最有希望的下一代薄膜晶体管之一。
自非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管报道以来，铟锌氧化物(In-Zn-O, IZO)成为一种很有研究价值的透明非晶氧化物体系。通常，IZO体系的载流子浓度过高，因此会导致器件的关态电流较大。IZO体系中掺Ga是为了抑制该体系中氧空位的形成从而解决IZO体系的载流子浓度过高的问题。考虑到铝离子与氧的结合能力要高于镓离子与氧的结合能力，理论上来讲掺铝对IZO体系的载流子浓度能起到更好的抑制效果。此外，氧化铝还可以作为非晶态的稳定剂，而且它的来源丰富，价格低廉。这些优点使它有望能替代镓控制铟锌氧化物沟道层薄膜缺陷从而进一步促进器件的性能。
近年来，为了降低工业化成本，溶液法制备TAOS-TFT受到了研究人员的青睐。然而，溶液法制备半导体沟道层或介质层主要是结合旋涂或喷墨打印工艺来制备。事实上，浸渍提拉工艺具备成本低廉、操作简单、对溶胶凝胶本身要求不苛刻、可大面积均匀成膜以及适合卷对卷生产等优点。如果将该制备工艺应用于TFT的沟道层或介质层的制备可以大大简化器件制备过程并降低工业化成本。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种低成本、工艺简单、适合大面积制备的薄膜晶体管的制备方法。
本发明以铝来替代镓改善铟锌氧化物沟道层的性能，并提供了基于浸渍提拉工艺制备铟锌铝氧化物沟道层的方法，以成功应用于制备较高性能的薄膜晶体管。
为此，本发明采用了如下技术方案：
本发明选用普通玻璃作为基底，以铟锌铝氧化物作为沟道层，以有机聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料作为介质层，以铝作为器件的源、漏、栅电极，制备了顶栅共面结构的薄膜晶体管。本发明中，沟道层及介质层均采用溶液法，基于浸渍提拉工艺来制备。器件的源、漏、栅电极采用真空热蒸发的方法制备。
本发明提供的一种以铟锌铝氧化物为沟道层的薄膜晶体管的制备方法，具体步骤如下：
(1)将In(NO3)3·4.5H2O、Zn(C2H3O2)2·5H2O和AlCl3·6H2O溶于乙二醇中，以乙醇胺作为稳定剂，20～80℃下搅拌1～24小时形成澄清、透明的前驱体溶液，其中，所述前驱体溶液浓度为0.05～0.5M，In(NO3)3·4.5H2O、Zn(C2H3O2)2·5H2O和AlCl3·6H2O中铟离子、锌离子、铝离子的摩尔比为1:1:(0.2-0.8)；
(2)将所得的前驱体溶液静置老化后，在玻璃基底上浸渍提拉镀膜，提拉速度为0.1～0.5 mm/s，提拉结束后的薄膜放入烘箱内在200～250℃温度下预处理20～60分钟，后经300～500℃退火2～10小时，得到铟锌铝氧化物薄膜沟道层；
(3)利用真空热蒸发的方法结合掩膜在上述所得铟锌铝氧化物薄膜沟道层上制备源电极和漏电极；
(4)基于浸渍提拉工艺，在包含源电极和漏电极的铟锌铝氧化物薄膜沟道层上用溶有聚甲基丙烯酸甲酯的有机溶液制备PMMA介质层；
(5)通过真空热蒸发的方法在PMMA介质层的上面制备栅电极，即得到所需产品。
本发明中，步骤(1)中乙醇胺与乙二醇体积之比为 0.1:20-1:20 。
本发明中，步骤(2)中制备铟锌铝氧化物薄膜沟道层时所述前驱体溶液在玻璃基底上浸渍提拉、烘箱内烘烤及退火的次数均为1-3次。
本发明中，步骤(3)中采用真空热蒸发的方法，以氧化铝为掩膜制备源电极和漏电极，控制热蒸发电流为50 A；热蒸发电压为75-100V；制备得到的薄膜晶体管的源电极、漏电极及栅电极均为金属铝电极。
本发明中，步骤(4)中所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液浓度为50 mg/mL，有机溶剂为丙酮，所述聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液在铟锌铝氧化物薄膜沟道层上浸渍提拉，0.5-5 mm/s， 提拉次数为1-5次 ，提拉后80-120℃烘烤15-30分钟。
利用本发明方法制备得到的薄膜晶体管，包括基底、半导体沟道层、源电极、漏电极、介质层及栅电极，沟道层为厚度为15nm-100nm的铟锌铝氧化物薄膜，介质层为聚甲基丙烯酸甲酯介质层。
本发明中，所述源电极、漏电极及栅电极均为金属铝电极。
最终，本发明获得了一种具有较高饱和迁移率26.8 cm2/Vs，较低亚阈值摆幅0.24 V/decade，开关比大于104，器件综合性能优良的铟锌铝氧化物薄膜晶体管。
本发明为低成本、简单工艺、大面积制备较高性能薄膜晶体管提供了可行性方案。
附图说明
图1是铟锌铝氧化物薄膜晶体管的结构示意图。
图2是基于浸渍提拉工艺制备的铟锌铝氧化物薄膜的SEM截面图。
图3是不同掺铝含量的铟锌铝氧化物薄膜作为沟道层的器件的转移特性曲线比较图。
图4是掺铝摩尔浓度为0.3时的铟锌铝氧化物薄膜晶体管的滞回转移特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示是铟锌铝氧化物薄膜晶体管的结构示意图，其用普通玻璃作为基底，以铟锌铝氧化物作为沟道层，以有机聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料作为介质层，以铝作为器件的源、漏、栅电极。
实施例1
本发明中，PMMA固体粉末购于Sigma-Aldrich公司,分子量为12000.
首先在玻璃基底上制备铟锌铝氧化物薄膜作为沟道层。具体实施为:以乙醇胺作为稳定剂（其中,乙醇胺与乙二醇体积之比为0.1:20），将分析纯的In(NO3)3·4.5H2O、Zn(C2H3O2)2·5H2O和AlCl3·6H2O溶于乙二醇中，经60℃搅拌1小时从而形成澄清、透明的前驱体溶液，在保证前驱体溶液([Al3+]+ [In3+]+[Zn2+])浓度为0.25 M，铟锌摩尔比(In3+：Zn2+)为1:1的前提下，配制铝摩尔含量分别为[Al] 3+/([In3+]+[Zn2+]) = 0, 0.1, 0.2 , 0.3, 0.4的前驱体溶液。所配制的溶液经48小时静置老化后，开始在玻璃基底上浸渍提拉镀膜，提拉结束后的薄膜放入烘箱以200℃预处理30分钟，后经500℃退火2小时，从而得到铟锌铝氧化物薄膜。整个提拉和退火过程重复两次，两次的提速依次为0.25 mm/s、0.15 mm/s，从而制得50 nm厚的铟锌铝氧化物沟道层。从图2中可以看出，基于浸渍提拉工艺可以制备出厚度均一，平整而致密的铟锌铝氧化物沟道层。
随后，通过热蒸发的方法，在氧化物薄膜沟道层上用宽长比为500 μm/100 μm的氧化铝掩膜制备90 nm厚的金属铝作为源、漏电极，热蒸发电流为50 A，热蒸发电压为80 V。
接着制备PMMA介质层，将纯的PMMA粉末溶于丙酮溶剂中经搅拌从而得到均匀而澄清浓度为50 mg/mL的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)丙酮前驱体溶液。然后将含有源、漏电极的沟道层浸入前驱体溶液经1.5 mm/s提速提拉后在烘箱中100℃烘烤30分钟使其固化。提拉以及烘烤次数重复3次，最终获得280 nm厚的PMMA介质层。
最后，采用真空热蒸发的方法，在PMMA介质层上，辅以氧化铝掩膜制备90 nm厚的金属铝作为栅电极，热蒸发电流为50 A，热蒸发电压为80 V。
本发明中，以铝摩尔含量[Al] 3+/([In3+]+[Zn2+])依次为0, 0.1, 0.2 , 0.3, 0.4时的铟锌铝氧化物薄膜作为沟道层所制备的器件的转移曲线如图3所示。可以看出，沟道层中掺铝，可以明显降低关态电流，从而提高器件的开关比。综合来看，以铝摩尔含量[Al3+]/([In3+]+[Zn] 2+)=0.3时器件性能最优，该器件具有较高饱和迁移率26.8 cm2/Vs，较低亚阈值摆幅0.24 V/decade，开关比大于104。从图4可以看出[Al3+]/([In3+]+[Zn2+])=0.3时，该器件还具备有较小的滞回电压(-1.26V)，表明基于浸渍提拉工艺制备的器件还具有优良的沟道层/介质层界面特性。

Claims (7)

1.一种以铟锌铝氧化物为沟道层的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)将In(NO3)3·4.5H2O、Zn(C2H3O2)2·5H2O和AlCl3·6H2O溶于乙二醇中，以乙醇胺作为稳定剂，20～80℃下搅拌1～24小时形成澄清、透明的前驱体溶液，其中，所述前驱体溶液浓度为0.05～0.5mol/L，In(NO3)3·4.5H2O、Zn(C2H3O2)2·5H2O和AlCl3·6H2O中铟离子、锌离子、铝离子的摩尔比为1:1:(0.2-0.8)；
(2)将所得的前驱体溶液静置老化后，在玻璃基底上浸渍提拉镀膜，提拉速度为0.1～0.5 mm/s，提拉结束后的薄膜放入烘箱内在200～250℃温度下预处理20～60分钟，后经300～500℃退火2～10小时，得到铟锌铝氧化物薄膜沟道层；
(3)利用真空热蒸发的方法结合掩膜在上述所得铟锌铝氧化物薄膜沟道层上制备源电极和漏电极；
(4)基于浸渍提拉工艺，在包含源电极和漏电极的铟锌铝氧化物薄膜沟道层上用溶有聚甲基丙烯酸甲酯的有机溶液制备PMMA介质层；
(5)通过真空热蒸发的方法在PMMA介质层的上面制备栅电极，即得到所需产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中乙醇胺与乙二醇体积之比为 0.1:20-1:20。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中制备铟锌铝氧化物薄膜沟道层时所述前驱体溶液在玻璃基底上浸渍提拉、烘箱内烘烤及退火的次数均为1-5次。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)中采用真空热蒸发的方法，以氧化铝为掩膜制备源电极和漏电极，控制热蒸发电流为50A；热蒸发电压为75-100V；制备得到的薄膜晶体管的源电极、漏电极及栅电极均为金属铝电极。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(4)中所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液浓度为50 mg/mL，有机溶剂为丙酮，所述聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液在铟锌铝氧化物薄膜沟道层上浸渍提拉，控制提拉速度为0.5-5 mm/s，提拉次数为1-5次，提拉后80-120℃烘烤15-30分钟。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所得薄膜晶体管包括基底、半导体沟道层、源电极、漏电极、介质层及栅电极，沟道层为厚度为15nm-100nm的铟锌铝氧化物薄膜，介质层为聚甲基丙烯酸甲酯介质层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述源电极、漏电极及栅电极均为金属铝电极。
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