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1、(10)申请公布号 CN 102832109 A (43)申请公布日 2012.12.19 C N 1 0 2 8 3 2 1 0 9 A *CN102832109A* (21)申请号 201110267143.5 (22)申请日 2011.09.09 201110159569.9 2011.06.15 CN H01L 21/205(2006.01) H01L 21/336(2006.01) (71)申请人广东中显科技有限公司 地址 528225 广东省佛山市南海区狮山工业 园北园中路11号 (72)发明人王彬 (74)专利代理机构北京瑞恒信达知识产权代理 事务所(普通合伙) 11382 代理。
2、人曹津燕 (54) 发明名称 一种制备柔性薄膜晶体管过程强化薄膜的方 法 (57) 摘要 为克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出 一种制备柔性薄膜晶体管过程强化薄膜的方法。 该方法包含以下步骤：(1)降低最高沉积温度； (2)降低保护层的沉积功率；(3)降低SiNx绝缘 层的沉积厚度。通过降低沉积温度，优化保护层的 沉积功率和氮化硅绝缘层的厚度，成功制备柔性 IGZO-TFT器件，性能如下：阈值电压为8V，开关比 为5107，饱和迁移率为7.8cm2/Vs，亚阈值斜 率为0.9V/dec；器件放在曲率半径为10mm的圆柱 上弯曲3min，性能几乎不发生变化；保护层对于 保持器件的稳定性发挥着重。
3、要作用。 (66)本国优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 1/1页 2 1.一种制备柔性薄膜晶体管过程强化薄膜的方法，其特征在于，该方法包含以下步 骤： (1)、降低最高沉积温度； (2)、降低保护层的沉积功率； (3)、降低SiNx绝缘层的沉积厚度。 2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述降低最高沉积温度为从初始的270降 低到后期的240。 3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述降低保护层的沉积功率为从20W降低 到10W。 4.如。
4、权利要求3所述的方法，其特征在于：所述降低SiNx绝缘层的沉积厚度为从 200nm降低到130nm。 权 利 要 求 书CN 102832109 A 1/5页 3 一种制备柔性薄膜晶体管过程强化薄膜的方法 技术领域 0001 本发明涉及微电子技术领域，更具体地，涉及一种强化薄膜晶体管(TFT)的薄膜 的方法。 背景技术 0002 薄膜晶体管是指在衬底上沉积一层半导体薄膜，通过光刻、刻蚀等技术制作出源、 漏极，栅极及管体而成，它由栅绝缘层、有源层、栅电极、源和漏电极几个部分组成。图1是 几种常见的TFT结构，可分为两类：一类为顶栅结构，又称正叠(Normal Staggered，简称 NS)结构。
5、；一类为底栅结构，又称反交叠(Inverted Staggered，简称IS)结构。根据沟道层 和源漏电极的沉积顺序不同，顶栅、底栅结构又分别有底接触和顶接触两种形式。在底栅顶 接触结构中，可以通过修饰绝缘层的界面而改善半导体的结构和形貌，从而提高器件的迁 移率。这种结构缺陷是源漏电极的光刻工艺会对有源层造成污染。而在另外一种底栅结构 中，源漏电极光刻工艺在半导体层沉积之前进行，不会造成对半导体层的污染，但是电极与 绝缘层存在台阶不利于电荷的注入，并且有源层的上表面暴露在外，通常需要覆盖保护层 以提高器件的稳定性。顶栅结构对衬底有更高要求，特别是在表面粗糙度和化学稳定性要 求上。 0003 自。
6、从2004年日本东京工业大学Hosono第一次报道基于IGZO(In-Ga-Zn-O)制备 的柔性透明TFT。IGZO-TFT受到了研究机构和工业界的关注，并被开拓在显示领域中的应 用，尤其是新型显示器件技术中。IGZO-TFT受到关注和快速地进入平板显示应用领域，这与 它展示出来的特性分不开的，下面从电性能、稳定性、均匀性进行说明。 0004 优秀的电性能 0005 IGZO-TFT有较高的迁移率，一般在1-100cm2/Vs之间。例如，Kim M等人在底栅 结构IGZO-TFT上沉积一层二氧化硅刻蚀阻挡层，实现了35.8cm2/Vs的较高迁移率的TFT； LG电子的Ho-Nyun Lee等。
7、人报道的非晶态IGZO-TFT，其迁移率高达95cm2/Vs。除较高的迁 移率以外，IGZO-TFT还具有较低关态电流，IGZO-TFT的最小关态电流达到10 -14 A，而通常应 用于平板显示对于TFT的关态电流要求是小于10 -12 A；IGZO-TFT缺陷密度也较低，是非晶硅 TFT的十分之一。 0006 较好的均匀性和稳定性 0007 Hayashi等在面积为10mm10mm的衬底上制备96个底栅型IGZO-TFT器件，其 中半导体层采用射频磁控溅射方法制备，每个器件具有同样尺寸的宽长(分别为60m和 10m)，在相同的条件下测试发现整批器件在阈值电压、饱和迁移率和亚阈值摆幅等重要 物。
8、理量上展现高度一致性。 0008 没有退火IGZO-TFT器件，稳定性能较差，而通过高于300的退火，才能够钝化非 晶IGZO中的缺陷，使得TFT器件展示较好的稳定性。 0009 然而，在IGZO-TFT制备过程中，为了获得TFT良好的物理性能，而又不超过300 的极限值，通常选用270作为初始沉积温度。当沉积温度为270，器件不仅没有表现出 说 明 书CN 102832109 A 2/5页 4 IGZO-TFT的电性能曲线，且薄膜在衬底上会破裂或者脱落。 发明内容 0010 为克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出一种制备柔性薄膜晶体管过程强化薄 膜的方法。 0011 该方法包含以下步骤： 0。
9、012 (1)、降低最高沉积温度； 0013 (2)、降低保护层的沉积功率； 0014 (3)、降低SiNx绝缘层的沉积厚度。 0015 通过降低沉积温度，优化保护层的沉积功率和氮化硅绝缘层的厚度，成功制备柔 性IGZO-TFT器件，性能如下：阈值电压为8V，开关比为5107，饱和迁移率为7.8cm2/Vs， 亚阈值斜率为0.9V/dec；器件放在曲率半径为10mm的圆柱上弯曲3min，性能几乎不发生变 化；保护层对于保持器件的稳定性发挥着重要作用。将器件放在空气中，没有保护层的器 件阈值电压发生将近7V的漂移；同时器件经过合适工艺退火，获得较好的性能，当器件在 200退火1h，器件的开关比从。
10、103增加到1.9107，阈值电压从4V增加到14V，迁移率从 0.45cm2/Vs增加到3.3cm2/Vs，亚阈值摆幅从10V/decade减少到0.7V/decade。 附图说明 0016 图1是几种常见的TFT结构； 0017 图2是所制备的IGZO-TFT器件电性能曲线。 具体实施方式 0018 下面结合附图和具体实施例对本发明提供的制备柔性薄膜晶体管过程强化薄膜 的方法进行详细描述。 0019 柔性IGZO-TFT器件结构薄膜层的制备 0020 衬底材料的选择 0021 选用杜邦(Dupont)公司的塑料衬底材料，型号为Kapton E，规格分别是50m和 25m，其中前者用于制备柔。
11、性器件，后者制备柔性透明器件的探索。它具有较高的玻璃化 转变温度(Tg340)，较低的热膨胀系数(当温度在50-200范围内，热膨胀系数为 16ppm/)，较好的化学稳定性(不与制备TFT中的溶液发生反应)，较好的防水性能(对 于50m厚的Kapton E衬底，水汽的渗透率为5mg/m2/day)，除此之外，还具有足够的柔性 和抗形变能力等优点。 0022 隔离层材料的选择及其制备 0023 水分和空气在一般的塑料衬底的穿透率是玻璃衬底的一千万倍。水分和空气中的 氧气对器件的性能会产生很大的影响。纯塑料薄膜是不能够满足TFT器件的要求。为了解 决这个问题，一般是在塑料薄膜上面镀上一层或者多层结。
12、构的无机薄膜钝化层。由于TFT 对空气和水汽影响不如OLED那样敏感，常用氧化硅、氮化硅、氧化铝等作为钝化层。实验 中，我们选用氮化硅作为器件的隔离层。隔离层除能够有效阻止水分和空气的渗透之外，还 能优化衬底表面粗糙度，且通过控制其沉积条件，可对器件的应力进行优化。 说 明 书CN 102832109 A 3/5页 5 0024 栅电极材料的选择 0025 Cr和Mo是常用于TFT栅电极的金属材料，它具有熔点高，稳定性好等优点，但是由 于Cr和Mo材料的电阻率较大(30cm左右)，一般应用在中小尺寸显示屏中，但无法 满足大尺寸TFT显示屏的阵列对栅信号延迟的要求。 0026 在显示屏朝着大屏幕。
13、和高清晰发展的背景之下，低电阻金属Al(3.3cm)和 Cu(2.2cm)两种材料脱颖而出，成为TFT栅电极的首选。然而，不管是纯Al还是纯 Cu材料，存在不足，例如对于纯Cu，熔点比较低，粘附性较差，且存在Cu原子向有源层扩散 等现象；而对于纯Al材料，热稳定性较差，高温处理后，薄膜表面容易产生小丘现象，可能 导致电极之间的短路，化学稳定性差，易与其它材料的腐蚀液反应而产生缺陷，并且在TFT 制造工艺中，Al原子会向有源层中扩散，使得漏电流增大，不利于获得较高的开关比。 0027 通过制备合金结构或者双层结构，能够改善纯Al和纯Cu诸如稳定性差，产生小丘 等缺陷。但是，对于前者，仍然会存在着。
14、Al和Cu向半导体层扩散的现象。因此选用Cr作 为栅电极材料结构。 0028 源漏电极材料的选择 0029 与栅电极材料要求一样，低电阻率也是TFT对源漏电极的要求，除此之外，源漏电 极与半导体层形成良好的欧姆接触是TFT对于源漏电极材料一个重要要求。它可以降低漏 源之间的电阻，防止产生电流拥挤效应。经过论证，Honsor研究小组总结出，在现有的材料 体系当中，金属Ti和ITO是作为IGZO-TFT源漏电极较好的两种材料。金属Ti材料不仅与 IGZO层有较好的粘附能力，并且能够减少与有源层的接触电阻。ITO材料除具有较低的电 阻率，还能与IGZO有源层形成较好的欧姆接触，并且具有较好的透明度，。
15、本申请选用ITO材 料作为源漏电极。 0030 绝缘层材料的选择 0031 TFT对栅绝缘层有以下几个方面的要求：好的绝缘耐压性能、高的稳定性能以及 与有源层之间形成好的界面特性等。在本申请中，选用SiNx作为绝缘层材料。与常用绝 缘材料SiO2相比，SiNx除具有相当的击穿电压外，SiNx还具有以下优点：1)相对介电常 数高，PECVD制备的二氧化硅为3.9左右，而氮化硅薄膜的值约为8；2)氮化硅对碱金属的 阻挡能力强，可以有效地防止碱金属离子通过栅绝缘层进入沟道；3)氮化硅的化学稳定性 高，除了氢氟酸和热磷酸外，它几乎不和其它的酸碱发生反应；4)氮化硅具有更好的防水 和防气体渗透性能，能够。
16、有效减少气体和水汽渗透对器件造成的影响。 0032 IGZO薄膜制备及表征 0033 IGZO半导体薄膜制备 0034 本申请采用直流磁控溅射制备IGZO靶材，其中IGZO靶材由江西海特新材料有限 公司提供，靶材的原子比：In2O3-Ga2O3-ZnO111(摩尔比)，纯度：99.99。IGZO 薄膜性能受制备参数影响，主要包括氧气流量、沉积功率，气体流量等影响。在本申请中，主 要是通过氧气流量的调整来获得满足应用要求的IGZO薄膜。具体实验条件如下：Ar流量 为40sccm，真空度为710 -3 Pa，溅射功率为200W，O2气体流量分别为0sccm、5sccm、10sccm、 15sccm。
17、、20sccm，以玻璃为衬底。 0035 钝化保护层材料的选择及薄膜制备 0036 氧气和水汽对于IGZO-TFT有影响，主要表现在两方面：一是空气中的氧分子填充 说 明 书CN 102832109 A 4/5页 6 半导体层的氧空位会使得IGZO有源层的电阻率增加。在IGZO-TFT中，器件的电性能主要 是由氧空位决定的，因此IGZO-TFT的性能势必受到大气中氧分子的影响，除此之外，大气 中的氧气分子会带电子，从而也会影响器件的电性能。二是大气中的水分子会在IGZO界面 形成空穴陷阱中心，影响器件的阈值电压。 0037 为了阻止空气中水和氧气对器件性能造成影响，在IGZO有源层上面镀一层保。
18、护 层。在商业产品用的非晶硅TFT中，保护层一般是采用SiNx，用PECVD方法制备。然而，在 IGZO-TFT中，却不能够用SiNx作为保护层，因为PECVD方法中制备SiNx会含有大量的H原 子，H原子会使得器件的电性能发生变化，甚至会导致有源层从半导体变为导体。当然，如 果通过射频磁控溅射制备氮化硅，仍然是可以用作保护层。 0038 结合本实验室条件，本申请选用二氧化硅作为保护层，通过PECVD方法制备，采 用的工艺条件如下：温度：200，N2O：710sccm，5SiH4/N2：170sccm，功率：20W，压强： 1000mTorr，厚度：约120nm。 0039 如前所述，在IGZ。
19、O-TFT制备过程中，制备过程温度是指沉积SiNx时的温度，我们 选用270作为初始沉积温度。当沉积温度为270，器件不仅没有表现出IGZO-TFT的电 性能曲线，且薄膜在衬底上会破裂或者脱落。薄膜破裂的主要原因是薄膜受到较大的应力。 下面分析在柔性TFT制备过程中，应力对器件的影响，并提出解决措施。 0040 根据公式s-f df/ds，其中，s是衬底所受到的力，f是TFT薄膜受力， df是TFT薄膜的厚度，ds是衬底的厚度。可以看出，一般情况下，衬底的厚度远大于薄膜的 厚度，因此薄膜受到的力远大于衬底受到的力，这也是为什么通常是薄膜破裂。 0041 根据胡克定律，Y，其中，是物体受到的力，。
20、Y是杨氏模量，物体发生的 形变。对于同种材料，一般情况下，杨氏模量是一定的，所以，受力同形变成正比。在TFT器 件的制备过程中，所产生的形变可以用公式表示： 0042 m0+th+ch，其中，0是内建压力产生的形变，th是热膨胀产生的 形变，在TFT器件的沉积过程中，主要表现在氮化硅层的沉积，可以用公式表示热膨胀所造 成的变化，th(af-as)(Troom-Tsubstrate)，其中af是氮化硅的热膨胀系数，as是 衬底的热膨胀系数；ch是湿润(humidity)不匹配压力，ch(s-f)RH， 表示湿润的膨胀系数，RH是相对的湿润百分比(指样品从大气中拿到真空箱中或者 从真空箱中拿到大气。
21、中形变的变化)，一般情况下，ch可以忽略不计。 0043 从上述分析，在柔性TFT制备的过程中，薄膜脱落或者破裂的主要原因是热压力 和内建压力，因此可以采取以下几点解决方法； 0044 1.降低薄膜的热压力。热压力是在沉积氮化硅绝缘层时产生的压力，其大小由沉 积SiNx的温度决定，并且同所沉积的温度成正比，因此，降低沉积温度，是减少热压力的有 效途径，而由于温度的降低会使得SiNx绝缘性能变差，直接导致器件的性能变差，因此，降 低温度需综合考虑。 0045 2.降低薄膜厚度。在相同温度下沉积的SiNx薄膜，厚度越厚，薄膜越容易破裂，因 此，通过降低沉积薄膜的厚度也能够减少薄膜破裂的概率。 00。
22、46 3.优化沉积功率。在沉积薄膜的过程中，薄膜主要是受到内建压力和热膨胀压力 的影响，如果温度一定，衬底一定，热匹配的压力就是一定的，此时通过调控沉积的工艺条 件，可以控制总压力。一般情况下，大多数薄膜破裂是因为压力而不是拉力，热膨胀通常是 说 明 书CN 102832109 A 5/5页 7 压力，可通过调控沉积的SiNx功率来调节最终的压力。根据文献调研，对于PECVD沉积SiNx 的功率，功率越大，薄膜受到的压力越大，当功率减少，压力减少，当功率减少到一定时，表 现出来的是拉力，这样，PECVD中小功率下制备SiNx受到拉力和较高功率下所受到的压力 相抵消。使得衬底受力平衡。然而另一方。
23、面，沉积SiNx的功率降低，使得薄膜的粘附性和 绝缘性能变差，因此也需要结合两方面考虑。 0047 综上讨论，针对在270下制备的器件结构失败，可以从以下几个方面对器件的结 构进行优化： 0048 1.降低最高沉积温度。沉积温度从初始的270降低到后期的240。 0049 2.降低保护层的沉积功率。功率从20W降低到10W。 0050 3.降低SiNx绝缘层的厚度。沉积厚度从200nm降低到130nm左右。 0051 经过上述工艺参数优化后，制备出的TFT器件，器件不会出现破裂或者脱落的现 象，图2为所制备的IGZO-TFT器件电性能曲线，从输出曲线可以看出器件展示较好的输出 饱和性能，源漏电。
24、极和半导体层能够形成较好的欧姆接触，没有电流拥挤现象；器件展示出 较好的阈值性能，阈值电压为8V，开关比为510 7 ，器件在栅源电压为20V时漏源电流为 1.010 4 A，计算饱和迁移率为7.8cm2/Vs，亚阈值斜率为0.9V/dec。 0052 通过降低沉积温度，优化保护层的沉积功率和氮化硅绝缘层的厚度，成功制备柔 性IGZO-TFT器件，性能如下：阈值电压为8V，开关比为5107，饱和迁移率为7.8cm2/Vs， 亚阈值斜率为0.9V/dec；器件放在曲率半径为10mm的圆柱上弯曲3min，性能几乎不发生变 化；保护层对于保持器件的稳定性发挥着重要作用。将器件放在空气中，没有保护层的。
25、器 件阈值电压发生将近7V的漂移；同时器件经过合适工艺退火，获得较好的性能，当器件在 200退火1h，器件的开关比从103增加到1.9107，阈值电压从4V增加到14V，迁移率从 0.45cm2/Vs增加到3.3cm2/Vs，亚阈值摆幅从10V/decade减少到0.7V/decade。 0053 最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法 进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所 有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。 说 明 书CN 102832109 A 1/1页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102832109 A 。