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1、10申请公布号CN104078513A43申请公布日20141001CN104078513A21申请号201410335665822申请日20140715H01L29/786200601H01L29/26200601H01L21/02200601C23C14/34200601C23C14/0820060171申请人浙江大学地址310027浙江省杭州市西湖区浙大路38号72发明人吕建国孙汝杰江庆军闫伟超冯丽莎叶志镇74专利代理机构杭州宇信知识产权代理事务所普通合伙33231代理人张宇娟54发明名称一种非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法和应用57摘要本发明公开了一种透明非晶氧化物半导体薄膜及其制备方。
2、法以及作为沟道层在薄膜晶体管（TFT）中的应用。该氧化物的化学式为TIXZNSNO2X3，其中002X006。室温条件下，使用高纯度的TIO2，ZNO和SNO2粉末按一定比例混合烧结的靶材，利用射频磁控溅射方法制备非晶氧化物薄膜；制得的非晶氧化物薄膜具有均匀致密、表面平整、可见光透过率高、且制备成本低等优点。以该非晶氧化物薄膜为沟道层制备薄膜晶体管，表现出优异的电学性能，其饱和迁移率为161CM2/VS，亚阈值摆幅为079V/DECADE，开关比能达到105108。51INTCL权利要求书1页说明书4页附图3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4页附图3页10。
3、申请公布号CN104078513ACN104078513A1/1页21一种非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于所述非晶氧化物半导体薄膜化学式为TIXZNSNO2X3，其中002X006，所述非晶氧化物半导体薄膜的物理特性如下室温生长及400条件下退火后均保持非晶相；可见光透过率大于85。2权利要求1所述非晶氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤1）以纯度不低于9999的TIO2、ZNO、SNO2氧化物粉末为原料，按照原子比TIZNSNX11比例混合，经过球磨、干燥、成型、烧结，制成陶瓷靶材，其中002X006；2）利用射频磁控溅射方法，使用步骤1）制备的靶材，在清洗干净的衬底上及室温条。
4、件下沉积薄膜，生长条件如下真空抽至压强低于2103PA，通入高纯AR气，调节腔体压强至1050PA，射频源功率调至100200W，薄膜生长时间1020MIN；3）步骤2）制备的非晶氧化物半导体薄膜，空气气氛中300400条件下退火，保温时间3060MIN。3按权利要求2所述一种非晶氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于步骤2）所述衬底可以为硅片、氧化硅片、蓝宝石、石英、玻璃、苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯或聚酰亚胺。4权利要求1所述一种非晶氧化物半导体薄膜作为沟道层在薄膜晶体管中的应用。权利要求书CN104078513A1/4页3一种非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法和应用技术领域0001本发明涉及一。
5、种非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法以及作为沟道层在薄膜晶体管（TFT）中的应用。背景技术0002当下电子产品更新换代迅速，对显示技术提出了更高的要求。透明显示、大尺寸、柔性显示是技术发展的必然趋势。作为平面显示驱动电路的控制单元，性能优异的薄膜场效应晶体管（TFT）对于显示技术的发展进步具有重要意义。0003工业上最早被用作薄膜晶体管沟道层的是非晶硅和多晶硅材料。非晶硅可以在较低的温度条件下大面积沉积，衬底的选择范围很宽；其制备工艺与集成电路工艺相似，技术成熟且有技术优势；但是非晶硅具有光照条件下性能不稳定、载流子迁移率低等缺点。多晶硅虽然具有很高的载流子迁移率（30100CM2/VS，但是，。
6、由于晶粒尺寸不均匀造成其电学性能的不均一，进而影响显示效果。同时，晶界存在导致的性能衰退，限制了其在柔性显示领域的应用。0004后来，研究者发现非晶氧化物半导体可作为薄膜晶体管TFT沟道层材料，显示出优异的性能。非晶INGAZNO（IGZO）薄膜晶体管的研制成功及其在薄膜晶体管中的成功应用，引领了众多的研究者开始对非晶半导体氧化物的研究，此后不断开发出了一些新的体系。研究指出该类氧化物中含有电子结构为4D105S0（N为主量子数）的元素，球形分布的5S轨道作为载流子传输的通道，弯曲对其重叠程度影响很小，对电学性能的影响也不大，因此，可以很好的用于柔性显示。同时，较高的载流子迁移率（约10CM2。
7、/VS）亦可满足高帧频的要求。0005但是，早期开发的大部分体系中均使用稀有金属元素IN、GA，由于其储量少、价格高且资源有限，导致器件制备成本较高且不利于技术的可持续发展。研究发现SN具有上述4D105S0电子结构，可以替代IN提供载流子传输通道。因此，ZNSNO（ZTO）作为一个替代体系被广泛研究。0006虽然，ZTO体系表现出与IGZO体系相接近的性能，但是，由于体系中缺少GA元素的替代物，存在载流子浓度高、器件性能不稳定等问题。相关研究发现TI元素的加入可以起到载流子抑制剂和稳定剂的作用。因此，研究TIZNSNO（TZTO）薄膜制备及其作为沟道层在TFT中的应用具有重要的基础和实用价值。
8、。发明内容0007为克服现有技术中的问题，本发明提供了一种非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法以及作为沟道层在薄膜晶体管中的应用。0008本发明提供一种非晶氧化物半导体薄膜，其化学式为TIXZNSNO2X3，其中002X012，室温生长及400退火后薄膜均保持非晶相，薄膜对可见光透过率超过85。说明书CN104078513A2/4页40009本发明还提供了制备一种非晶氧化物半导体薄膜TIXZNSNO2X3的方法，其特征在于包括如下步骤1）以纯度不低于9999的TIO2、ZNO、SNO2氧化物粉末为原料，按照原子比TIZNSNX11（002X006）比例混合，经过球磨、干燥、成型、烧结，制成陶瓷靶材。
9、；2）利用射频磁控溅射方法，使用步骤1）制备的靶材，在清洗干净的衬底上及室温条件下沉积薄膜，生长条件如下真空抽至压强低于2103PA，通入高纯AR气，调节腔体压强至1050PA，射频源功率调至100200W，薄膜生长时间1020MIN；3）步骤2）制备的非晶氧化物半导体薄膜，空气气氛中300400条件下退火，保温时间3060MIN。0010优选的，上述非晶氧化物半导体薄膜的制备方法中使用的衬底可以为硅片、氧化硅片、蓝宝石、石英、玻璃、苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯或聚酰亚胺。0011本发明还提供了TIXZNSNO2X3（002X006）非晶氧化物半导体薄膜作为沟道层在制备薄膜晶体管（TFT）中的应用。
10、。0012本发明与现有技术相比具有的有益效果为1）非晶半导体氧化物TIXZNSNO2X3薄膜相比于非晶硅薄膜具有更高的载流子迁移率，相比于多晶硅薄膜具有更好的性能稳定性，可用于高分辨率、高帧频显示；2）氧化物TIXZNSNO2X3薄膜与IGZO薄膜相比，TI元素可以替代GA起到稳定剂和载流子抑制剂的作用；不使用稀有金属元素IN、GA，节约资源且成本低；3）使用射频磁控溅射方法制备非晶半导体氧化物TIXZNSNO2X3薄膜，薄膜均匀性好，与工业上普遍使用的磁控溅射镀膜工艺兼容，适合大面积生产；4）室温条件下使用射频磁控溅射方法制备薄膜，可选用耐温较低的柔性材料作为衬底，在柔性显示领域具有应用前景。
11、；5）薄膜在可见光范围透过率超过85，可用于制备透明TFT器件，在透明显示领域具有应用前景；6）以该非晶半导体氧化物为沟道层制备的薄膜晶体管表现出优异的电学性能，开关比能达到105108。附图说明0013图1为非晶氧化物半导体薄膜TI006ZNSNO312可见光范围的透射谱。0014图2为以非晶氧化物半导体薄膜TIXZNSNO2X3为沟道层的底栅薄膜晶体管结构示意图，其中1为硅衬底，2为氧化硅绝缘层，3为源电极、4为漏电极，5为非晶氧化物半导体薄膜制作的沟道层。0015图3为以非晶氧化物半导体薄膜TI002ZNSNO304为沟道层的薄膜晶体管的转移特性曲线。0016图4为以非晶氧化物半导体薄膜。
12、TI002ZNSNO304为沟道层的薄膜晶体管的输出特性曲线。0017图5为以非晶氧化物半导体薄膜TI006ZNSNO312为沟道层的薄膜晶体管的转移特性曲线。说明书CN104078513A3/4页5具体实施方式0018结合附图对本发明做进一步说明。0019实施例11）以阿拉丁试剂（上海）公司购买的TIO2、ZNO、SNO2氧化物粉末为原料，原料纯度均不低于9999；按照原子比TIZNSN00611分别称量06146GTIO2、104370GZNO、193285GSNO2于加玛瑙球的球磨罐中，加适量乙醇溶剂混合；将球磨罐放于球磨机上球磨48H，原料充分混合并细化颗粒；过滤，将玛瑙球滤出并将滤浆。
13、放于瓷盘中；将瓷盘放于干燥箱中，80条件下干燥12H使得乙醇试剂完全挥发；将干燥的粉末于研钵中充分研磨，过筛得到均匀粉末；将粉末放于特定的模具中干压成型，20MPA条件下保持5MIN，得到2英寸的圆形胚体；胚体放于烧结炉中，1200条件下保温烧结4H，得到致密的陶瓷靶材。00202）利用射频磁控溅射仪，使用步骤1）制备的靶材，室温条件下在玻璃衬底上沉积薄膜；玻璃使用前在丙酮、乙醇、去离子水中分别超声清洗20MIN并使用高纯N2吹干；制备薄膜时，衬底与靶材的距离约50MM；真空抽至低于2103PA时，通入高纯AR气，AR气流量控制为100SCCM；薄膜生长过程，射频源功率调至120W，保持腔体压。
14、强至50PA，沉积10MIN，得到约20NM厚度的薄膜。0021上述制备的薄膜表面平整，如图1所示为制得薄膜测试的可见光透过率超过85，XRD分析表明材料为非晶态。0022将上述2）制得的薄膜放于管式炉中，空气气氛中400条件下退火，保温时间30MIN；退火后XRD分析表明材料仍保持非晶态。0023实施例21）以阿拉丁试剂（上海）公司购买的TIO2、ZNO、SNO2氧化物粉末为原料，原料纯度均不低于9999；按照原子比TIZNSN00211分别称量02049GTIO2、104370GZNO、193285GSNO2于加玛瑙球的球磨罐中，加适量乙醇溶剂混合；将球磨罐放于球磨机上球磨48H，原料充分。
15、混合并细化颗粒；过滤，将玛瑙球滤出并将滤浆放于瓷盘中；将瓷盘放于干燥箱中，80条件下干燥12H使得乙醇试剂完全挥发；将干燥的粉末于研钵中充分研磨，过筛得到均匀粉末；将粉末放于特定的模具中干压成型，20MPA条件下保持5MIN，得到2英寸的圆形胚体；胚体放于烧结炉中，1200条件下保温烧结4H，得到致密的陶瓷靶材。00242）利用射频磁控溅射仪，使用步骤1）制备的靶材，室温条件下在SI/SIO2衬底上沉积薄膜；其中SI的电阻率为104103CM，作为栅极；SIO2层厚度约150NM，作为绝缘层；衬底使用前在丙酮、乙醇、去离子水中分别超声清洗20MIN并使用高纯N2吹干；沉积过程中使用掩膜板形成分。
16、立沟道层；制备薄膜时，衬底与靶材的距离约50MM；真空抽至低于2103PA时，通入高纯AR气，AR气流量控制为100SCCM；薄膜生长过程，射频源功率调至120W，保持腔体压强至50PA，沉积10MIN，得到约20NM厚度的薄膜。00253）将上述2）制备的薄膜放于管式炉中，空气气氛中400条件下退火，保温时间30MIN。00264）使用电子束蒸发仪在上述3）处理后薄膜上生长源漏电极，完成器件薄膜晶体管的制备，制得的薄膜晶体管的器件结构如图2所示；沉积过程使用掩膜板形成电极形状，保持沟道层宽度W/长度L比为1000400M；源漏电极材料使用金属AL，电极的厚度约200NM。说明书CN10407。
17、8513A4/4页60027上述制备的薄膜晶体管具有优异的电学性能，如图3所示为本实施例制得的薄膜晶体管的转移特性曲线，饱和迁移率为161CM2/VS，亚阈值摆幅为079V/DECADE，开关比大于107；图4所示为薄膜晶体管的输出特性曲线；在线性区，电流随电压线性增大，进入饱和区后电流保持稳定。0028实施例31）使用实施例1步骤1）中制备的陶瓷靶材。00292）利用射频磁控溅射仪，使用步骤1）的靶材，室温条件下在SI/SIO2衬底上沉积薄膜；其中SI的电阻率为104103CM，作为栅极；SIO2层厚度约150NM，作为绝缘层；衬底使用前在丙酮、乙醇、去离子水中分别超声清洗20MIN并使用高。
18、纯N2吹干；沉积过程中使用掩膜板形成分立沟道层；制备薄膜时，衬底与靶材的距离约50MM；真空抽至压强低于2103PA时，通入高纯AR气，AR气流量控制为100SCCM；薄膜生长过程，射频源功率调至120W，保持腔体压强至50PA，沉积10MIN，得到约20NM厚度的薄膜。00303）将上述2）制备的材料放于管式炉中，空气气氛中300条件下退火，保温时间30MIN。00314）使用电子束蒸发仪在上述3）处理后薄膜上生长源漏电极，完成器件薄膜晶体管的制备，制得的薄膜晶体管的器件结构如图2所示；沉积过程使用掩膜板形成电极形状，保持沟道层宽度W/长度L比为1000300M；源漏电极材料使用金属AL，电极的厚度约200NM。0032上述制备的器件具有优异的电学性能，如图5所示为本实施例制得的薄膜晶体管的转移特性曲线，饱和迁移率为003CM2/VS，亚阈值摆幅为166V/DECADE，开关比约105。0033上述制备薄膜晶体管的源漏电极的材料，不限于实施例中使用的AL，还可使用TI、TI/AL、ITOINSNO导电薄膜、AZOALZNO导电薄膜等。说明书CN104078513A1/3页7图1图2说明书附图CN104078513A2/3页8图3图4说明书附图CN104078513A3/3页9图5说明书附图CN104078513A。