一種氧化物半導體材料及薄膜電晶體的製作方法

2023-05-08 00:06:41 4

專利名稱：一種氧化物半導體材料及薄膜電晶體的製作方法
技術領域：
本發明涉及氧化物半導體材料領域，特別涉及一種氧化物半導體材料及以該材料作為溝道層材料的薄膜電晶體。
背景技術：
近年來，在平板顯示尤其是在有機電致發光顯示(OLED)領域，基於氧化物半導體的薄膜電晶體越來越受到重視。目前用在平板顯示的薄膜電晶體的半導體溝道層的材料主要是矽材料，包括非晶矽(a-S1:H)、多晶矽、微晶矽等。然而非晶矽薄膜電晶體具有對光敏感、遷移率低(<lcm2/Vs)和穩定性差等缺點；多晶矽薄膜電晶體雖然具有較高的遷移率，但是由於晶界的影響導致其電學均勻性差，且多晶矽製備溫度高、成本高以及難以大面積 晶化，限制了其在平板顯示中的應用；微晶矽製備難度大，晶粒控制技術難度高，不容易實現大面積規模量產。基於氧化物半導體的薄膜電晶體具有載流子遷移率較高(I IOOcm2/Vs)、製備溫度低(<400°C，遠低於玻璃的熔點)、對可見光透明等優點，在平板顯示的TFT基板領域，有替代用傳統矽工藝製備的薄膜電晶體的發展趨勢。氧化物半導體材料主要包括氧化鋅(ZnO)、氧化銦鋅(IZO)以及氧化銦鎵鋅(IGZO)等。其中，ZnO的遷移率較低，如果製備成遷移率較高的多晶的ZnO薄膜，則需要較高的溫度，但多晶的ZnO薄膜的均勻性和穩定性較差(參見專利號為W0200030183-A的專利文獻)；ΙΖ0遷移率較高，但基於IZO的薄膜電晶體的亞閾值擺幅較大、穩定性不足，而且器件處於常開狀態(閾值電壓為負值，參見專利號為US2005199959-A的文獻)，因此器件在工作時必須要加一個負電壓才能將其關斷，增加了驅動難度和整體功耗。IGZO的亞閾值擺幅雖然能得到改善，但其穩定性依然不足，主要原因是含有較多的氧空位；雖然通過一些特殊工藝處理(如水汽熱處理、含氧等離子處理等)可以減少氧空位、提高穩定性，但是這樣又增加了工序、加大了工藝複雜度、提高了生產成本；此外基於IGZO的薄膜電晶體的閾值電壓為依然為負值(參見專利號為CN1998087A的專利文獻)，雖然在薄膜製備中提高氧氣的含量可以改善這種現象，但是這樣又會降低遷移率。

發明內容
鑑於上述問題，本發明的目的是提出一種新的氧化物半導體材料，這種半導體材料通過在氧化鋅基材料中引入氟化物摻雜物，可以減少氧空位和懸掛鍵、提高穩定性；本發明還包括了利用這種新的氧化物半導體材料作為溝道層的薄膜電晶體，這種薄膜電晶體能在不需要特殊工藝處理(如水汽熱處理、含氧等離子處理等)就能獲得較高的穩定性(磁滯效應小)，並且能通過調整新的摻雜物的含量來調節器件的閾值電壓，使得器件處於常關狀態，降低了驅動難度和整體功耗，同時降低工藝成本。本發明目的通過如下技術方案實現一種新的氧化物半導體材料，由氧化鋅基材料摻入氟化物組成。所述的氧化鋅基材料為(MO)x(ln203)y (ZnO) m，其中 MO 為 Ga203、A1203、Nd2O3 >La2O3> SnO2, TiO2, HfO2, Ta2O5 中的一種以上，O ≤ χ ≤ O. 4，O. 2 ≤ y ≤ O. 8。所述的氟化物為LiF、CsF、AgF、MgF2, ZnF2, AlF3, InF3, GaF3> SnF4,以及 TiF4 中的一種以上。氟化物與氧化鋅基材料的分子數比滿足0. 001彡氟化物/(Μ0+Ιη203+Ζη0) La2O3> SnO2, TiO2, HfO2, Ta2O5 中的一種以上，O≤ χ ≤ O. 4，O. 2 ≤ y ≤ O. 8。所述的氟化物為LiF、CsF、AgF、MgF2, ZnF2, AlF3, InF3, GaF3> SnF4,以及 TiF4 中的一種以上。氟化物與氧化鋅基材料的分子數比滿足O. 001≤氟化物/(Μ0+Ιη203+Ζη0)≤O. 15。本發明的原理如下由於傳統的氧化鋅基材料(如ZnO、IZO、IGZO等)中通常含有大量的氧空位缺陷，造成大量的過剩載流子，所以其本徵電導率較高，基於這類材料為溝道層的TFT處於常開狀態；此外，這些氧空位缺陷還會影響到TFT的穩定性，表現在正向掃描與反向掃描的TFT轉移特性曲線之間的磁滯效應和在柵電壓應力感應下的閾值電壓漂移現象。在氧化鋅基材料摻入氟化物後，因為氟化物中的氟(F)具有極強的電負性(4. 0)，高於氧(O)的3. 5，這就意味著氟離子具有較強的吸引電子的能力，使得其不容易脫離陽離子而形成空位，可以減少空位缺陷。同時，氟離子還可以填充已經形成的氧空位缺陷、減少懸掛鍵，從而抑制本徵過剩載流子的廣生、提聞穩定性。與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果(I)本發明的氧化鋅基半導體材料，通過在氧化鋅基材料中引入氟化物摻雜物，減少了氧空位和懸掛鍵，具有電子遷移率較高、電學穩定性好(磁滯效應小)、開關比高等優佔.(2)利用本發明的氧化鋅基半導體材料作為溝道層的薄膜電晶體能在不需要特殊工藝處理(如水汽熱處理、含氧等離子處理等)就能獲得較高的穩定性(磁滯效應小)，並且能通過調整新的摻雜物的含量來調節器件的閾值電壓，使得器件處理常關狀態，降低了驅動難度和整體功耗，同時降低工藝成本。


圖1是利用本發明所述的氧化物半導體材料作為溝道層的底柵頂接觸薄膜電晶體的截面示意圖；圖2是利用本發明所述的氧化物半導體材料作為溝道層的底柵底接觸薄膜電晶體的截面示意圖3是利用本發明所述的氧化物半導體材料作為溝道層的頂柵底接觸薄膜電晶體的截面示意圖；圖4是利用本發明所述的氧化物半導體材料作為溝道層的頂柵頂接觸薄膜電晶體的截面示意圖；圖5是本發明實施例1中的薄膜電晶體的轉移特性曲線圖；圖6是本發明實施例2中的薄膜電晶體的轉移特性曲線圖；圖7是本發明實施例3中的薄膜電晶體的轉移特性曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施方式對本發明做進一步的描述，但需要說明的是，實施例並不構成對本發明要求保護的範圍的限定。 本發明的氧化物半導體材料為在氧化鋅基材料中摻入氟化物。其中氧化鋅基材料是含ZnO的透明氧化物半導體材料(不包括純ZnO)，如氧化銦鋅(ΙΖ0)、氧化銦鎵鋅(IGZO)等。IZO包括銦(In)和鋅(Zn)，並且In和Zn與氧結合分別形成氧化銦(In2O3)和氧化鋅(ZnO)。IGZO包括銦、鎵(Ga)和鋅，並且In、Ga和Zn與氧結合分別形成In2O3、氧化鎵(Ga2O3)和ZnO。此外，也可以用其它金屬氧化物取代Ga2O3，形成(MO)x(In2O3)y(ZnO)1IyA中 MO 為 Ni0、Mg0、A1203、Nd203、La203、SnO2、TiO2、SiO2、HfO2、Ta2O5 中的一種，0 彡 χ 彡 O. 4，O. 2 < y SnF4,以及 TiF4 中的一種以上。上述的氟化物並不僅限於完全化學計量匹配的狀況，如AgF中的F與Ag的比(F/Ag)可以不等於1，而是大於或小於1，對應為缺氟或富氟的氟化銀。在本發明中，所有的非化學計量匹配的分子均統稱為其相應的化學計量匹配的分子，如=ZnOa，其中a無論是否等於I，統稱為ZnO，又如MgFb，其中b無論是否等於2，統稱為MgF2。由於傳統的氧化鋅基材料(如ZnO、IZO、IGZO等)中通常含有大量的氧空位缺陷，造成大量的過剩載流子，所以其本徵電導率較高，基於這類材料為溝道層的TFT處於常開狀態；此外，這些氧空位缺陷還會影響到TFT的穩定性，表現在正向掃描與反向掃描的TFT轉移特性曲線之間的磁滯效應和在柵電壓應力感應下的閾值電壓漂移現象。在氧化鋅基材料摻入氟化物後，因為氟化物中的氟(F)具有極強的電負性(4. 0)，高於氧(0)的3. 5，這就意味著氟離子具有較強的吸引電子的能力，使得其不容易脫離陽離子而形成空位，可以減少空位缺陷。同時，氟離子還可以填充已經形成的氧空位缺陷、減少懸掛鍵，從而抑制本徵過剩載流子的產生、提高穩定性。摻入的氟化物的量由氟化物與氧化鋅基材料的分子數比來衡量，其具體含義為氧化鋅基材料中所有成分的分子數之和與氟化物的分子數之比。如IGZO的分子數為Ιη203、Ga2O3和ZnO的分子數之和。
優選地，氟化物與氧化鋅基材料的分子數比大於等於O. 001小於等於O. 15。 所述的摻氟化物的氧化物半導體材料可以作為薄膜電晶體(TFT)的溝道層，這種TFT可以用以驅動IXD或OLED。圖1至圖4顯示了如實施方式中所述的含有上述摻氟化物的氧化物半導體材料作為溝道層的TFT的截面結構圖。其中圖1示出的是底柵頂接觸結構，圖2示出的是底柵底接觸結構，圖3示出的是頂柵底接觸結構，圖4示出的是頂柵頂接觸結構。現轉到圖1，一個底柵頂接觸結構的TFT，包括基板10，柵極11位於基板10之上，絕緣層12位於基板10和柵極11之上，溝道層13覆蓋在絕緣層12表面之上，源極14a和漏極14b分別部分覆蓋在溝道層13的上表面的兩端，並相互間隔。還可以進一步包括刻蝕阻擋層或鈍化層等。現轉到圖2，一個底柵底接觸結構的TFT，包括基板20，柵極21位於基板20之上，絕緣層22位於基板20和柵極21之上，源極23a和漏極23b製備在絕緣層22之上並相互間隔，溝道層24覆蓋在源極23a和漏極23b以及源極23a和漏極23b之間的絕緣層22的表面之上。還可以進一步包括鈍化層等。現轉到圖3，一個頂柵底接觸結構的TFT，包括基板30，源極31a和漏極31b製備在基板30之上並相互間隔，溝道層32覆蓋在源極31a和漏極31b以及源極31a和漏極31b之間的基板30的表面之上，絕緣層33覆蓋在溝道層32、源極31a、漏極31b以及基板30之上，柵極34覆蓋在絕緣層33之上。現轉到圖4，一個頂柵頂接觸結構的TFT，包括基板40，溝道層41在基板之上，源極42a和漏極42b分別部分覆蓋在溝道層41的上表面的兩端，並相互間隔，絕緣層43覆蓋在溝道層41、源極42a、漏極42b以及基板40之上，柵極，44覆蓋在絕緣層43之上。基板10、20、30或40可以為玻璃、塑料或表面被氧化的矽片等。柵極11、21、34和44為導電材料，如金屬、金屬合金或導電金屬氧化物等，還可以兩層以上的導電材料，如Mo/Al/Mo等，厚度為10(Tl000nm。絕緣層12、22、33或43可以為電解質材料如Si02、SiNx、S1-O-N, Al2O3' Ta2O5' Y2O3 或 HfO2 中的一層或多層，厚度為 5(Tl000nm。源極 14a、23a、31a或42a以及漏極14b、23b、31b或42b為導電材料，如金屬、金屬合金或導電金屬氧化物等，還可以兩層以上的導電材料，如Mo/Al/Mo等，厚度為10(Tl000nm。溝道層13、24、32或41的製備方法可以為共濺射的方法，也可以為直接濺射的方法，厚度為KTlOOnm之間，通過掩模或光刻的方法圖形化。共濺射的方法為將氟化物、MO、In2O3以及ZnO等材料按任意的組合製備成兩個以上靶材安裝在不同靶位上同時濺射，通過調節不同靶位的濺射功率來控制比例不同材料的比例。直接濺射的方法為將氟化物、MO、In2O3以及ZnO四種材料按照比例製備在同一個靶材上進行濺射。實施例1本實施例的TFT採用底柵頂接觸結構，如圖1所示。首先在玻璃基板上通過濺射的方法製造一層厚度為300nm的Al薄膜，通過光刻的方法進行圖形化，得到柵極11。絕緣層12用陽極氧化的方法製造，厚度為200nm。溝道層13通過共濺射的方法製造。在溝道層 13上面採用派射的方法製造一層氧化銦錫金屬氧化物(ΙΤ0, Indium Tin Oxides)薄膜,厚度為500nm，採用剝離(lift-off)的方法圖形化，同時得到源極14a和漏極14b。溝道層13採用上述氧化物半導體材料，由氧化鋅基材料摻入氟化物組成，所用的氧化鋅基材料的化學式為(In2O3)a33(ZnO)a67,即x=0，y=0. 33，所用的氟化物為MgF2。先將MgF2製成一個祀材，(In2O3)a33(ZnO)tl67製成另外一個祀材,再將這兩個祀材分別安裝在兩個不同靶位上通過共濺射的方法製備半導體材料薄膜。濺射過程中通過控制兩個靶位的濺射功率來控制MgF2與(In2O3)a33 (ZnO)a67的分子數比，分別製得MgF2/(Ιη203+Ζη0)為O. 001，
0.017,0. 067,0. 101,0. 15的五種薄膜，這五種薄膜的厚度均為40nm。圖5示出了上述基於不同MgF2/(In203+Zn0)的TFT的轉移特性曲線，從圖中可以看出，隨著MgF2的摻入量的增多，TFT的閾值電壓(這裡閾值電壓定義為在漏極電流的對數相對於柵極電流的曲線中，漏極電流剛開始大幅上升時對應的柵極電壓的值，本書明書中所有提到的「閾值電壓」都使用此定義)從-7V增加至+2V，當MgF2/(In203+Zn0) =0. 067時，TFT的閾值電壓剛好為0V，這 說明摻入MgF2能夠使TFT器件從「常開」狀態調整到「常關」狀態；摻入MgF2後TFT器件的關態電流也明顯減少，說明摻入MgF2能夠抑制過剩的本徵載流子。此外，摻入MgF2後TFT器件亞閾值擺幅降低，說明摻入MgF2能夠減少溝道層內的缺陷，提高穩定性。實施例2所用的氧化鋅基材料的化學式為(Al2O3) 04 (In2O3) 0.2 (ZnO) α4，所用的氟化物為AgF, AgF/ (Α1203+Ιη203+Ζη0)為 O. 025。將上述比例的AgF、Al203、In2O3和ZnO粉末混合均勻製成一個陶瓷靶材，通過濺射成膜作為TFT的溝道層。TFT的結構為頂柵底接觸結構，如圖3所示。首先在玻璃基板上通過濺射的方法製造Mo/Al/Mo疊層結構的三層薄膜，厚度分別為50nm、200nm和50nm,通過光刻的方法進行圖形化，得到源極31a和漏極31b。再對AgF、A1203、In2O3和ZnO粉末製成陶瓷靶材濺射形成薄膜，厚度為30nm，通過光刻的方法進行圖形化，得到溝道層32。絕緣層33採用等離子增強型化學氣相沉積(PECVD)的方法沉積一層300nm厚的Si02。最後用濺射的方法沉積一層300nm厚的Mo，過光刻的方法進行圖形化，得到柵極34。圖6示出了上述本實施例的TFT的轉移特性曲線，可以看出器件的閾值電壓為0V，處於「常關」狀態。實施例3所用的氧化鋅基材料的化學式為(Nd2O3) ο.1 (In2O3) 0.8 (ZnO) α i，所用的氟化物為ZnF2, ZnF2/ (Nd203+In203+Zn0)為 O. 04。將上述比例的ZnF2、Nd203、In203和ZnO粉末混合均勻製成一個陶瓷靶材，通過濺射成膜作為TFT的溝道層。採用底柵頂接觸結構，如圖1所示。首先在玻璃基板上通過濺射的方法製造一層厚度為300nm的Al薄膜，通過光刻的方法進行圖形化，得到柵極11。絕緣層12用陽極氧化的方法製造，厚度為200nm。溝道層13通過濺射ZnF2、Nd203、In2O3和ZnO粉末製成的陶瓷靶材的方法製造，厚度為30nm。在溝道層13上面採用濺射的方法製造一層氧化銦錫金屬氧化物(ITO, Indium Tin Oxides)薄膜,厚度為500nm,採用剝離(lift-off )的方法圖形化,同時得到源極14a和漏極14b。圖7示出了上述本實施例的TFT的轉移特性曲線，可以看出器件的閾值電壓為0V，處於「常關」狀態。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護 範圍之內。
權利要求
1.一種氧化物半導體材料，其特徵在於由氧化鋅基材料摻入氟化物組成。
2.根據權利要求1所述的氧化物半導體材料，其特徵在於所述的氧化鋅基材料為(MO) x(ln203)y (ZnO)1Ty,其中 MO 為 Ga203、A1203、Nd2O3> La2O3> SnO2, TiO2, HfO2, Ta2O5 中的一種以上，0彡X彡0. 4,0. 2彡y彡0. 8。
3.根據權利要求1所述的氧化物半導體材料，其特徵在於所述的氟化物為LiF、CsF、AgF, MgF2, ZnF2, AlF3, InF3, GaF3、SnF4、以及 TiF4 中的一種以上。
4.根據權利要求2所述的氧化物半導體材料，其特徵在於氟化物與氧化鋅基材料的分子數比滿足0. 001彡氟化物/(M0+In203+Zn0)彡0. 15。
5.一種薄膜電晶體，包括 柵極； 溝道層； 絕緣層，位於柵極和溝道層之間； 源極和漏極分別連接在溝道層的兩端； 其特徵在於所述溝道層的材料為權利要求1至4中任意一項所述的氧化物半導體材料。
全文摘要
本發明公開了一種氧化鋅基半導體材料，由氧化鋅基半導體材料摻入氟化物組成。所述氟化物的分子數與氧化鋅基半導體材料中的金屬氧化物的總分子數之比大於等於0.001小於等於0.15。本發明還公開了以上述材料作為溝道層材料的薄膜電晶體。本發明的氧化鋅基半導體材料具有電子遷移率較高、電學穩定性好(磁滯效應小)、開關比高等優點；本發明的氧化鋅基半導體材料作為溝道層的薄膜電晶體能在不需要特殊工藝處理，並且能通過調整新的摻雜物的含量來調節器件的閾值電壓，使得器件處理常關狀態，降低了驅動難度和整體功耗，同時降低工藝成本。
文檔編號H01L29/786GK103022146SQ20121051808
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月5日 優先權日2012年12月5日
發明者蘭林鋒, 肖鵬, 王磊, 彭俊彪 申請人:華南理工大學