氧化鋅基薄膜電晶體及晶片製備工藝的製作方法
2023-05-22 16:18:16 3
專利名稱：氧化鋅基薄膜電晶體及晶片製備工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型薄膜電晶體的製造，屬於微電子技術領域，具體為氧化鋅基薄膜電晶體及晶片製備工藝。
背景技術：
薄膜電晶體(Thin-film transistor，TFT)，又稱薄膜場效應電晶體，是場效應電晶體的一種，當前TFT佔有矽晶片技術的第二大市場，在平板顯示、攝像器、印表機、複印機和消費類電子產品中都有重要的應用，低成本是它的特色，因為相對於在單晶Si和GaAs襯底上製造的微電子器件中使用的半導體表面處理、隔離、摻雜、光刻、減薄等複雜工藝過程而言，TFT器件工藝要簡單得多，主要工藝過程是在導電的透明玻璃等襯底上低溫沉積溝道和柵及隨後的光刻。更重要的是TFT器件的溝道層材料不局限於單晶矽，非晶矽和多晶矽薄膜是現有的TFT器件中用得最廣泛的，使用的襯底也可以是玻璃等。
TFT的發展可以追溯到20世紀70年代，W.Z.Spear等人通過場效應方法測量各種α-Si薄膜的界面態密度，發現薄膜的電導率可受到調製柵壓的控制，能在幾個數量級範圍內變化，並利用這種場效應結構設計出α-Si場效應電晶體，通稱非晶矽薄膜電晶體(α-Si:H TFT)。
在TFT-OLED(有機發光顯示)中，高性能的透明薄膜電晶體(TTFT)是關鍵器件，α-Si:H TFT作為有源開關器件，在TFT-LCD(液晶顯示)中得到廣泛的應用。
但是，α-Si:H TFT的最大缺點是有效遷移率低(＜1cm2/V.S)，同時由於α-Si的帶隙比較窄(～1.7eV)使得其在可見光範圍內不透明，對提高顯示器的亮度不利，而且光照或環境溫度變化都會引起器件失效，限制了α-Si:H TFT的應用範圍，尤其是α-Si:H TFT不能用來製作啟動電路，TFT-LCD需要配置專用的外圍驅動電路，提高了製造成本，降低了可靠性。
用多晶矽技術取代α-Si，雖然有效遷移率有望得到較大的提高，但是多晶矽的生長溫度高達600℃以上，透明的玻璃很難承受500℃以上的高溫，製造成本大幅上升，對可見光的吸收問題也沒有徹底解決。
用寬帶隙的GaN和SiC半導體製造透明薄膜電晶體，需要在半導體的單晶襯底上高溫生長，例如GaN的生長溫度≥800℃，不能在玻璃上生長，製造成本也很高。
發明內容
本發明針對現有透明薄膜電晶體存在的問題，目的是提供一種具有高遷移率，能在玻璃基底上低溫生長、與柵絕緣層具有良好界面、工藝處理過程簡單，良好熱穩定性，以及低成本的薄膜電晶體及其製備方法。
本發明提供的薄膜電晶體，包括外殼、引出電極、柵絕緣層及電極、薄膜溝道層、源漏電極，其特徵在於所述器件結構為柵電極-高k柵電極絕緣層-薄膜溝道層-源漏電極，所述溝道層為透明氧化鋅基半導體納米薄膜，柵電極絕緣層為高κ納米薄膜。
本發明所述高κ納米薄膜的材料為立方相ZnMgO，HfO2，ZrO2，Si3N4，Al2O3，Y2O3納米薄膜中的一種，以立方相ZnMgO納米薄膜為佳。
本發明所述氧化鋅基半導體納米薄膜做溝道層材料是非摻雜的ZnO，n-型摻雜的ZnO，p-型摻雜的ZnO，六方相ZnMgO，InGaZnO的一種，可根據器件性能的要求進行選擇。
本發明所述透明導電襯底為鍍氧化銦錫玻璃，或鍍鋁摻雜的ZnO薄膜的玻璃。
本發明所述柵絕緣層正面電極為ITO或Al，或兩者的組合，或Al+％2Si，Pt/W，Pt/W，Au/Ni，Au/Ti或Au/C雙層電極結構，ITO引線電極對應為Pt/W，Au/Ni，Au/Ti或Au/Cr雙層電極結構；源漏電極用ITO引線電極對應為Pt/W，Au/Ni，Au/Ti或Au/Cr雙層電極結構。
本發明所述立方相ZnMgO柵絕緣層厚度1nm～500nm，溝導層氧化鋅基半導體納米薄膜厚度1nm～500nm，金屬電極厚度100nm～300nm。
本發明氧化鋅基薄膜電晶體製備方法，其特徵是在透明導電襯底上通過晶體薄膜的外延技術生長一層ZnO基半導體納米薄膜作為溝道層，接著沉積高κ的柵絕緣層，光刻、腐蝕工藝形成器件電極，步驟如下1、通過光刻、腐蝕，在ITO導電玻璃上製作源漏電極；2、在ITO導電玻璃上外延生長ZnO基半導體納米薄膜為溝道層；3、在溝道層上外延生長高k柵電極絕緣層；4、沉積TFT結構器件的電極薄膜；5、光刻、腐蝕出形成柵極、源、漏電極；6、在柵極、源、漏電極上球焊Al絲或Au絲電極引線，封裝，即獲得本發明的氧化鋅基透明薄膜電晶體。
本發明所述外延技術可以是脈衝雷射沉積、分子束外延、雷射-分子束外延、金屬有機化學氣相沉積、電子束蒸發反應沉積或磁控濺射等生長技術中的一種。
本發明所述腐蝕工藝，採用光刻和溼法腐蝕，或離子刻蝕與溼法腐蝕相結合的工藝路線腐蝕。
本發明所述光刻，包括勻膠，曝光，顯影，最後離子刻蝕去底膜。
本發明所述溼法腐蝕，特徵在於，ITO用配製腐蝕液HCl∶H2O∶HNO3＝3∶2∶1腐蝕，金屬電極Al或Al+2％Si用磷酸H3PO4腐蝕，金屬Pt/W，Au/Ni，Au/Ti或Au/C雙層電極電極用HNO3∶HCl(1∶3)腐蝕，Al+立方相ZnMgO晶體薄膜材料+六方相ZnO基納米薄膜材料用配製H3PO4∶H2O2＝10∶1腐蝕；Al電極的刻蝕也可採用感應耦合等離子刻蝕完成。
本發明的技術效果是由於寬帶隙ZnO(3.37eV)半導體對可見光透明、可低溫生長、對襯底無特殊要求，在玻璃和有機物等表面都能生長出具有高度選擇性取向的晶體薄膜，非摻雜ZnO薄膜材料呈n型，有利於製造多數載流子為電子的增強型場效應電晶體，ZnO的遷移率很高，室溫下單晶ZnO遷移率可以達到200cm2/V.S，多晶ZnO的遷移率為10～50cm2/V.S。
ZnMgO晶體薄膜則具有更寬的帶隙。ZnMgO晶體薄膜不僅帶隙寬，還具有其它許多優點，例如可以在各種不同的襯底上直接外延生長得到高質量的晶體薄膜，例如Si、玻璃、ITO透明導電玻璃等，其沉積厚度容許變化的範圍寬，從納米到微米量級均可得到高質量的薄膜，薄膜材料製備工藝可以多種多樣，分子束外延(MBE)，金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)，脈衝雷射沉積(PLD)，物理蒸發和濺射技術等。在薄膜生長過程中可以通過控制Mg2+離子摻雜濃度調節禁帶寬度；一方面，Mg2+高摻雜的立方相Zn1-xMgxO(x 0.5)表現高阻特性，由於其較大的介電常數ε～10.5(意味著較大的等效厚度)，較寬的禁帶寬度＞5.0eV(意味著較小的漏電流)可以作為合適的柵極絕緣層；另一方面，低摻雜六方相Zn1-xMgxO(x≤0.36)在滿足電學導電性和光透過率的條件下，可以通過調節禁帶寬度從而達到調節有源層載流子濃度的目的，載流子濃度可以在1015～1020之間調節，器件開關特性大於103，甚至可以達到反型(p型)半導體，製造耗盡型TFT器件；本發明結合高介電常數(κ)立方相ZnMgO晶體薄膜的高絕緣性與通過摻雜或非摻雜的六方相ZnO基半導體納米晶體薄膜可調節載流子濃度的優點，從而改進了溝道層和柵絕緣層的界面特性，提高了器件的性能，測試結果表明漏電流小，介電常數大，優於α-Si:H的TFT。
本發明採用透明的ITO導電玻璃作為襯底，在真空條件下連續澱積，連續沉積六方和立方相結構的納米ZnMgO晶體薄膜，通過光刻、電極工藝製備的ZnO透明薄膜電晶體，避免了工藝過程中的交叉汙染，改善了柵絕緣層/有源層界面質量，具有工藝簡單，熱穩定性好，成本的優點。
圖一、腐蝕ITO導電玻璃作源漏電極圖二、蒸鍍低摻雜六方相ZnO；圖三、蒸鍍高摻雜立方相ZnMgO圖四、蒸鍍Al電極圖五、腐蝕Al/MgZnO/ZnO圖六、TFT器件結構剖面七、TFT器件結構俯視中1為玻璃基底；2為ITO源漏電極；3為h-ZnO溝道層；4為c-ZnMgO柵絕緣層；5為Al電極。
具體實施例方式
下面通過具體實施例，進一步說明本發明實質性特點和顯著進步，但本發明不僅限於實施例。
實施例11.ITO導電玻璃清洗超聲清洗ITO襯底，先用四氯化碳、然後是丙酮、再是無水乙醇清洗，最後氮氣吹乾；2.ITO導電玻璃光刻，製作TFT結構器件單元圖形(1)在ITO導電玻璃正面塗光刻膠，厚度約為0.8～0.9μm；(2)置於熱板上前烘，乾燥光刻膠，條件為70～90℃，烘70～100秒；(3)光刻機曝光，曝光時間為20秒；(4)浸入顯影液顯影15秒，製作出ITO隔離孤島結構單元圖形；(5)離子刻蝕去底膜30秒；3.腐蝕ITO配製腐蝕液HCl∶H2O∶HNO3＝3∶2∶1，50℃水浴加熱，腐蝕時間40s～60s；4.在ITO導電玻璃上外延生長六方相ZnMgO晶體薄膜和Mg重摻雜形成立方相ZnMgO晶體薄膜。
5.蒸鍍電極，製作TFT器件結構的電極(1)超聲清洗在ITO襯底上生長好的六方相ZnMgO和立方相ZnMgO晶體薄膜器件結構，先用四氯化碳、然後是丙酮、再是無水乙醇清洗，最後氮氣吹乾；(2)立方相ZnMgO薄膜正面鍍電極，電極材料為純ITO或Al，或Al+％2Si，Pt/W，Pt/W，Au/Ni，Au/Ti或Au/Cr複合層，採用電子束蒸發鍍電極，鍍電極時，襯底ITO溫度設置為室溫，或者100～200℃，以提高金屬電極與襯底的粘附性，金屬電極厚度100nm～300nm。
6.光刻(1)在沉積了上述電極的ZnMgO薄膜正面塗光刻膠，厚度為0.8～0.9μm；(2)置於熱板上前烘，乾燥光刻膠，條件為70～90℃烘70～100秒；(3)光刻機曝光，曝光時間為20秒；(4)浸入顯影液顯影15秒，製作出TFT結構器件單元圖形；(5)離子刻蝕去底膜30秒。
7.溼法或幹法腐蝕溼法腐蝕Al+ZnMgO(絕緣層)+ZnMgO(有源層)直接用磷酸腐蝕Al+MgZnO，腐蝕液會破壞ITO圖形，此反應機理H3PO4中，有Al可以腐蝕ITO
；而在其中加入H2O2，Al作催化劑，H2O2分解反應生成氧氣(O2)和水(H2O)，同時O2可以將Al/Al3+帶離反應表面，從而避免以上化學反應。
H3PO4∶H2O2＝10∶1，腐蝕溫度50℃，腐蝕時間1分30秒，配一次溶液僅腐蝕一次片子。
然後，丙酮浸泡去除殘餘的光刻膠，完成製成了Al電極/立方相ZnMgO/六方相ZnO/ITO電極的TFT器件流片，見圖五、圖六。
或採用感應耦合等離子(ICP)刻蝕，先完成鋁電極的刻蝕，ICP低功率刻蝕對ZnMgO不刻蝕，對Al卻是腐蝕的，能夠比較好的控制Al的刻蝕深度，然後採用溼法腐蝕完成對ZnMgO刻蝕。然後，丙酮浸泡去除殘餘的光刻膠，完成ITO器件流片。
8.在柵極、源、漏電極上球焊Al絲或Au絲電極引線，最後完成封裝。
纖鋅礦結構的ZnO基半導體溝道層，也可以採用脈衝雷射沉積、分子束外延、雷射-分子束外延、金屬有機化學氣相沉積或磁控濺射中的一種等。
採用不同電極材料、以立方相ZnMgO材料為絕緣層，不同摻雜的六方相ZnO基材料為溝道層的TFT結構器件的製備工藝與上述相同。
實施例21.ITO導電玻璃清洗超聲清洗ITO襯底，先用四氯化碳、然後是丙酮、再是無水乙醇清洗，最後氮氣吹乾；2.ITO導電玻璃清洗、光刻，製作TFT結構器件單元圖形(1)在ITO導電玻璃正面塗正光刻膠，厚度為0.8～0.9μm；(2)置於熱板上前烘，乾燥光刻膠，條件為70～90℃烘70～100秒；(3)光刻機曝光，曝光時間為20秒；(4)浸入顯影液顯影15秒，製作出ITO隔離孤島結構單元圖形；(5)離子刻蝕去底膜30秒；3.腐蝕ITO，見圖一配製腐蝕液HCl∶H2O∶HNO3＝3∶2∶1，50℃水浴加熱，腐蝕時間40秒～60秒；4.在ITO導電玻璃上用MOCVD方法外延生長N輕摻雜六方相ZnO溝道層，然後用Mg重摻雜生長立方相ZnMgO晶體薄膜，見圖二、三；5.蒸鍍電極，製作TFT結構器件的電極，見圖四；(1)超聲清洗在ITO襯底上生長好的六方相和立方相ZnMgO晶體薄膜器件結構，先用四氯化碳、然後是丙酮、再是無水乙醇清洗，最後氮氣吹乾；(2)立方相ZnMgO薄膜正面鍍電極，電極材料為Al薄膜，採用電子束蒸發鍍電極，鍍電極時，襯底ITO溫度設置為室溫，金屬電極厚度200nm。
6.離子刻蝕(1)在沉積了Al電極的ZnMgO薄膜正面塗光刻膠，厚度為0.8～0.9μm；(2)置於熱板上前烘，乾燥光刻膠，條件為90℃，烘100秒；(3)光刻機曝光，曝光時間為20秒；(4)浸入顯影液顯影15秒，製作出TFT結構器件單元圖形；(5)離子刻蝕去底膜30秒。
7.幹法刻蝕Al電極採用感應耦合等離子(ICP)刻蝕鋁電極，刻蝕氣體Cl2/Ar，ICP功率150W，在該功率下ZnMgO不刻蝕，對Al卻是腐蝕的，能夠比較好的控制Al的刻蝕深度，然後採用溼法腐蝕完成對ZnMgO刻蝕。
8.溼法腐蝕ZnMgO(絕緣層)+ZnMgO(有源層)H3PO4∶H2O＝10∶1，腐蝕溫度50℃，腐蝕時間1分30秒，配一次溶液僅腐蝕一次片子。最後，丙酮浸泡去除殘餘的光刻膠，，完成ITO器件流片。
9.在柵極、源、漏電極上球焊Al絲或Au絲電極引線，最後是完成封裝。
權利要求
1.一種氧化鋅基薄膜電晶體，包括外殼、引出電極、柵絕緣層、薄膜溝道層、源漏電極、柵電極，其特徵在於，所述溝道層為透明氧化鋅基半導體納米薄膜，柵絕緣層為高κ納米薄膜。
2.根據權利要求1所述氧化鋅基薄膜電晶體，其特徵是所述高κ納米薄膜的材料為立方相ZnMgO，HfO2，ZrO2，Si3N4，Al2O3，Y2O3納米薄膜中的一種。
3.根據權利要求1所述氧化鋅基薄膜電晶體，其特徵是所述的氧化鋅基半導體納米薄膜作溝道層的材料是非摻雜的ZnO，n-型摻雜的ZnO，p-型摻雜的ZnO，ZnMgO，InGaZnO的一種。
4.根據權利要求1所述氧化鋅基薄膜電晶體，其特徵是所述氧化鋅基半導體納米薄膜透明導電介質為鍍氧化銦錫玻璃，或鍍鋁摻雜的ZnO薄膜的玻璃。
5.根據權利要求1所述氧化鋅基薄膜電晶體，其特徵是所述柵絕緣層材料正面電極為ITO或Al，或兩者的組合，或Al+％2Si，Pt/W，Pt/W，Au/Ni，Au/Ti或Au/C雙層電極結構，ITO引線電極對應為Pt/W，Au/Ni，Au/Ti或Au/Cr雙層電極結構；源漏電極用ITO引線電極對應為Pt/W，Au/Ni，Au/Ti或Au/Cr雙層電極結構。
6.根據權利要求1所述氧化鋅基薄膜電晶體，其特徵是所述立方相ZnMgO柵絕緣層厚度1nm～500nm，溝道層氧化鋅基半導體納米薄膜厚度1nm～500nm，金屬電極厚度100nm～300nm。
7.權利要求1所述氧化鋅基薄膜電晶體製備方法，其特徵是在透明導電介質襯底上通過晶體薄膜的外延技術生長一層ZnO基半導體納米薄膜作為溝道層，接著沉積高κ的柵絕緣層，採用腐蝕工藝除去底膜，步驟如下◆通過光刻、腐蝕工藝，在ITO導電玻璃上製作源漏電極；◆在ITO導電玻璃上外延生長ZnO基半導體納米薄膜為溝道層；◆在溝道層上外延生長高k柵電極絕緣層；◆製作TFT器件的柵、源、漏電極◆在柵、源、漏電極上球焊Al絲或Au絲電極引線，封裝，即獲得本發明的氧化鋅基透明薄膜電晶體。
8.根據權利要求7所述氧化鋅基薄膜電晶體製備方法，其特徵是所述晶體薄膜的外延方法是指脈衝雷射沉積、分子束外延、雷射-分子束外延、金屬有機化學氣相沉積、電子束蒸發反應沉積或磁控濺射生長技術中的一種。
9.根據權利要求7述氧化鋅基薄膜電晶體製備方法，其特徵是所述腐蝕工藝採用光刻和溼法腐蝕，或離子刻蝕與溼法腐蝕相結合的工藝。
10.根據權利要求7或9述氧化鋅基薄膜電晶體製備方法，其特徵是所述光刻經過勻膠，曝光，顯影，最後離子刻蝕去底膜；所述溼法腐，ITO用配製腐蝕液HCl∶H2O∶HNO3＝3∶2∶1腐蝕，金屬電極Al或Al+2％Si用磷酸H3PO4腐蝕，金屬Pt/W，Au/Ni，Au/Ti或Au/C雙層電極電極用HNO3∶HCl(1∶3)腐蝕，Al+立方相ZnMgO晶體薄膜材料+六方相ZnO基納米薄膜材料用配製H3PO4∶H2O2＝10∶1腐蝕。
全文摘要
本發明涉及一種應用新型高介電常數(κ)材料－立方鎂鋅氧(ZnMgO)晶體薄膜做柵絕緣層、六方相ZnO基半導體納米薄膜做溝道層、氧化銦錫(ITO)或摻鋁氧化鋅(ZnOAl)導電玻璃做電極的薄膜電晶體(TFT)的製備工藝，屬於微電子技術領域。其優點是能直接在玻璃襯底上低溫生長有源層與柵絕緣層器件結構，提供一種簡便地TFT製造工藝，與現有的非晶或多晶矽TFT相比，氧化鋅基TFT具有對可見光透明、遷移率高等特點。在平板顯示，印表機、複印機和攝像機等產品中具有重要的應用前景。
文檔編號H01L21/336GK1862834SQ20061005030
公開日2006年11月15日 申請日期2006年4月11日 優先權日2006年4月11日
發明者吳惠楨, 餘萍, 梁軍, 徐天寧 申請人:浙江大學