專利名稱：一種柔性igzo薄膜晶體管的制作方法
技術領域：
本發明涉及微電子技術領域，更具體地，涉及ー種IGZO(In-Ga-Zn-O)薄膜晶體管。
背景技術：
相比已產業化的以玻璃為基板的液晶顯示，柔性顯示有柔、薄、輕三個顯著的特性。柔使得柔性顯示器可以像紙一祥的彎曲，甚至折疊。薄，市面上平板顯示器的厚度一般大于3mm, 2010年底LG公司報道了全球最薄的液晶顯示器,厚度為2. 6mm,然而,該公司在2008年推出A4大小的電子書，厚度只有300 μ m,柔性顯示器的厚度只有傳統的顯示器厚度的十分之一左右。輕，由于傳統平板顯示器采用的是玻璃基板，而柔性顯示器采用的是塑料薄膜或者薄不銹鋼作為基板，因此柔性顯示器的質量是傳統平板顯示器質量的五分之一左 右。當前，柔性襯底主要有三類，分別為塑料(Plasic)、薄玻璃(Thin Glass)和金屬薄片(Metal Foil),下面對這三種材料進行簡單說明。薄玻璃厚度為50-200 μ m的薄玻璃擁有與玻璃相似的性能和優點，如好的勢壘層、優良的光學質量、價格較低等，缺點是基板非常脆，并且在制造的過程中容易出現破裂的情況，此外，盡管薄玻璃具有弾性，但是仍然不能彎曲。金屬薄片目前應用的金屬薄片主要是不銹鋼材料。不銹鋼襯底可以阻止水汽和氣體的穿透，除此，沉積無機層時產生的熱壓カ會減少，并且由于是金屬薄片，エ藝能承受的溫度可達到900°C (金屬薄片的熔點為1400°C左右)。但是，其缺點也非常明顯，例如金屬表面必須覆蓋絕緣層以防止短路，不銹鋼薄片的透明性不好，以該材料為襯底制備的TFT只適合于反射(如電泳顯示)和發射型的顯示，而不適于透射型的有源矩陣液晶顯示和傳統的底端發射OLED ;金屬薄片有較好的弾性，但是仍然不能卷曲和深度彎曲。除此之外，對于大面積顯示，不銹鋼薄片的價格非常昂貴。同吋，不銹鋼薄片的表面粗糙程度比較高，要控制實現產業化的5nm以內不是件容易的事情。但是對于小尺寸柔性顯示，不銹鋼薄片是個較好的選擇。相比上述兩種材料，更有希望應用于產業化領域的是塑料基板。塑料擁有合理的機械性能，光性能和化學特性；薄膜柔軟，能夠實現卷輪式加工(Roll to Roll)，然而形狀的穩定性和高的氣體和水汽的穿透率是它的兩大缺陷。尺寸穩定性主要是因為一般的透明聚合物薄膜的玻璃轉變溫度(Tg)不高，而TFT產業化的エ藝中要耐300°C-330°C的高溫，塑料熱膨數系數大于50ppm/°C，遠遠大于玻璃，因此，當溫度升高時，尺寸的變化會對后期工作中諸如對準曝光等エ藝帶來很大困難。除此之外，塑料薄膜的表面存在ー些黑點和缺陷。薄膜晶體管是指在襯底上沉積ー層半導體薄膜，通過光刻、刻蝕等技術制作出源、漏極，柵極及管體而成，它由柵絕緣層、有源層、柵電極、源和漏電極幾個部分組成。圖I是幾種常見的TFT結構,可分為兩類一類為頂柵結構，又稱正疊(Normal Staggered,簡稱NS)結構；一類為底柵結構,又稱反交疊(Inverted Staggered,簡稱IS)結構。根據溝道層和源漏電極的沉積順序不同，頂柵、底柵結構又分別有底接觸和頂接觸兩種形式。在底柵頂接觸結構中，可以通過修飾絕緣層的界面而改善半導體的結構和形貌，從而提高器件的遷移率。這種結構缺陷是源漏電極的光刻エ藝會對有源層造成污染。而在另外ー種底柵結構中，源漏電極光刻エ藝在半導體層沉積之前進行，不會造成對半導體層的污染，但是電極與絕緣層存在臺階不利于電荷的注入，并且有源層的上表面暴露在外，通常需要覆蓋保護層以提高器件的穩定性。頂柵結構對襯底有更高要求，特別是在表面粗糙度和化學穩定性要求上。圖2是本申請采用的底柵頂接觸型TFT結構圖，氧化物IGZO作為有源層，其原理是通過改變柵極與源漏極間的電場強度來控制溝道的導電狀況。氧化物TFT是N型半導體材料，對于N溝道TFT，當施加一定的正柵極電壓(VG ^ Vth)，在半導體層和絕緣層之間的界面上產生電子薄層，也就是導電溝道，此時所處的狀態對應TFT開態；而當柵極電壓減少至導電溝道消失時，源漏極間為高阻狀態，溝道間的電阻非常大，使得源漏電流較小(通常彡10-12A)，對應TFT的關態。這與耗盡場效應晶體管中形成的反型層相似，因此MOS場效應管的計算公式可以應用在晶體管中。
自從2004年日本東京エ業大學Hosono第一次報道基于IGZO制備的柔性透明TFT。IGZO-TFT受到了研究機構和エ業界的關注，并被開拓在顯示領域中的應用，尤其是新型顯示器件技術中。如上所述，IGZO-TFT作為新型的有源驅動電路被應用于平板顯示器件中，但是進入商品化階段尚需解決許多問題，下面概括性的列出存在的問題。エ藝的重復性IGZO半導體層對于エ藝的條件非常敏感，特別是對于氧氣，不僅沉積過程中的氧氣流量、Ar流量和沉積功率會對器件的性能產生極大的影響，空氣中的水汽和氧氣也會影響器件的性能。日前大多數IGZO半導體層的制備是采用磁控濺射制備，所以靶材的純度和靶材中金屬原子比例會影響器件的性能，當靶材使用一段時間后，靶材表面的成分比例會發生變化，從而使得所制備的TFT的器件性能發生改變，因此，可重復性是在解決產業化生產之前必須要解決的重要問題。絕緣層和鈍化層對IGZO的影響作為應用與IGZO-TFT中的氮化硅絕緣層由于其存在很高濃度的H鍵，與IGZO半導體層接觸，H會作為施主原子，改變有源層的載流子濃度，使得遷移率發生變化；同理，作為非晶硅TFT和多晶硅TFT中的保護層氮化硅也是因為含有較高的H原子，不宣作為保護層應用于氧化物中。為了使得IGZO-TFT器件具備較好的穩定性能，必需控制好絕緣層和保護層中H原子數量或者尋找合適的絕緣層和保護層。IGZO化學性質活潑引起的エ藝問題目前，大多數IGZO-TFT器件采用底柵結構，底柵結構的IGZO-TFT源漏電極的制備采用lift-offエ藝，這種エ藝很難制備2μπι以下的圖形，這與產業化的生產不兼容，エ業化生產源漏電極通常采用干法刻蝕的方法，而采用干法刻蝕，等離子體會對IGZO薄膜產生較大的影響，甚至會使得器件失效，失去TFT的基本特性。硬基板上TFTエ藝向柔性基底的轉移
到目前為止，現有材料中找不到一種襯底材料既具備玻璃性能又具備輕薄柔等特點。這就決定了不能簡單的把硬基板上的沉積エ藝直接復制到柔性基板上來。針對塑料襯底，通常不能耐300°C的高溫，這種缺點決定絕緣層不可能在最優エ藝下(300°C _350°C )制備，不可能在高溫下退火獲得較穩定的器件性能，只能從器件結構、材料、沉積エ藝來進行優化，以獲得性能較好的TFT器件。
發明內容
為克服現有技術中的上述缺陷，本發明提出一種柔性IGZO薄膜晶體管。該薄膜晶體管采用底柵頂接觸型TFT結構，包含塑料襯底、緩沖保護層、刪電扱、柵絕緣層、源極以及漏扱、IGZO半導體層以及保護層，其中，塑料襯底上覆蓋緩沖保護層，緩沖保護層的上部中心區域采用直流磁控濺射方法制備梯形柵電極，梯形柵電極上部覆蓋了柵絕緣層，柵絕緣層的兩端分別覆蓋至緩沖保護層上，在柵絕緣層的上部采用磁控濺射方法制備IGZO半導體層，源、漏兩極中每ー極中的一端分別位于半導體層的頂部的兩側，另 一端位于柵絕緣層的上部，從而使半導體層被源極和漏極所覆蓋，僅在半導體層的頂部，源漏兩極的中間形成通道，在通道上采用PECVD制備保護層。通過降低沉積溫度，優化保護層的沉積功率和氮化硅絕緣層的厚度，成功制備柔性IGZO-TFT器件，性能如下閾值電壓為8V，開關比為5 X 107，飽和遷移率為7. 8cm2/V*s,亞閾值斜率為O. 9V/dec ;器件放在曲率半徑為IOmm的圓柱上彎曲3min，性能幾乎不發生變化；保護層對于保持器件的穩定性發揮著重要作用。將器件放在空氣中，沒有保護層的器件閾值電壓發生將近7V的漂移；同時器件經過合適エ藝退火，獲得較好的性能，當器件在200°C退火lh，器件的開關比從IO3增加到1.9\107，閾值電壓從價增加到14V，遷移率從O. 45cm2/V · s 增加到 3. 3cm2/V · s,亞閾值擺幅從 IOV/decade 減少到 O. 7V/decade
圖I是幾種常見的TFT結構示意圖；圖2是底柵頂接觸型TFT結構及工作原理圖；圖3是實用磁控濺射系統結構原理示意圖；圖4是PECVD沉積系統工作原理示意圖以及氮化硅和氧化硅的沉積方程式；圖5是ME-3A型刻蝕系統原理圖；圖6是不同材料對水和氧氣的吸收速率以及器件對水和氧氣的要求；圖7a是電極測試結構；圖7b示出萬用表的探針接觸金屬電極的兩端的方塊電阻圖8是Cr薄膜退火前和退火后的電阻率變化曲線；圖9是IGZO-TFT器件結構及設計參數；圖10是柔性IGZO-TFT器件制備的エ藝流程圖；圖11是塑料襯底的清洗示意圖；圖12是源漏電極圖形化采用的Lift-offエ藝流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的一種柔性IGZO薄膜晶體管進行詳細描述。柔性IGZO-TFT器件結構薄膜層的制備及其特性表征本申請的目標是尋找合適的柔性襯底，探索TFT各層薄膜材料和制備エ藝，通過制作和測試IGZO-TFT器件樣品的電性能，分析并不斷改進エ藝參數，實現三基色驅動微膠囊顯示単元要求的TFT器件，上述工作涉及設備包括磁控濺射系統、等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)系統和反應離子刻蝕(RIE)系統等，下面具體介紹。磁控濺射系統本工作中，TFT的柵電極、源漏電極和半導體層均是采用直流磁控濺射方法制備。下面介紹實驗中所用到的濺射系統及基本濺射原理。
磁控濺射是在ー相對穩定的真空狀態下進行，陰極靶材是由鍍膜材料制成，濺射時真空室通入一定流量的氬氣，在陰極和陽極間直流負高壓或者13. 56MHz的射頻電壓作用下產生輝光放電，輝光放電使得電極間的氬原子離化形成氬離子和電子。氬離子在電場的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶材原子沉積在陽極表面的襯底上形成薄膜。而對于電子，在電場作用下加速飛向基片的過程中會受到磁場(洛倫茲力)的作用，使電子被束縛在靶材表面附近的等離子體區域內做圓周運動，由于電子的運動路徑很長，在該過程中，不斷同氬原子碰撞，產生電子和氬離子，氬離子不斷轟擊靶材，從而實現高速沉積的特點，二次電子起到維持輝光放電的作用。本申請采用的磁控濺射臺是中國科學院微電子中心研制的SP-3型磁控濺射臺，圖3為其示意圖，它主要包括腔體、電源系統、排氣系統、通氣系統、加熱系統。其中電源系統分為直流電源和射頻電源，實驗中是采用直流電源，并且鍍膜時沒有用到加熱系統，常溫下實現鍍膜。エ藝操作流程如下，放樣完畢后關閉腔體，打開機械泵和低閥抽真空，待真空度達到7Pa以下，關閉低閥，打開高閥，一分鐘之后，打開冷卻水，啟動分子泵，分子泵穩定時轉速為600rpm，待腔體里的真空度達到5X 10_3Pa，打開腔體內的馬達使得樣品產生公轉(同時樣品本身可以實現自轉，可以進ー步提高薄膜的均勻性)。然后向真空室內通入一定流量的Ar氣，打開操作面板界面的電源控制開關和靶材控制開關，調節功率，進行10min-15min的預濺射。待預濺射完畢后，旋轉擋板，設定時間參數，開始濺射。濺射完成后，關閉面板上的電源和靶材控制開關，關掉氣源，停分子泵，關水，停機械泵，放氣，取樣。磁控濺射和其它鍍膜方法相比具有以下幾個優點薄膜附著力好、均勻性較好、容易做到大面積成膜、在常溫下可方便地制備高熔點的金屬薄膜，制備薄膜重復性好等，但它也存在著諸如靶材價格高和利用率低等ー些不足。等離子體化學氣相沉積(PECVD)系統在TFT結構中，緩沖層和絕緣層采用的是SiNx，保護層采用的是Si02，這兩種材料都是通過等離子體化學氣相沉積系統制備(Plasma EnhancedChemical VaporDeposition,簡稱PECVD)。PECVD是利用輝光放電的物理作用來激活粒子的ー種化學氣相沉積反應，是集等離子體輝光放電與化學氣相沉積于一體的薄膜沉積技木。沉積過程中，輝光放電產生等離子體，但等離子體內部沒有統ー的溫度，存在著電子氣溫度、離子溫度和中性粒子溫度。所以從宏觀上看來，這種等離子體溫度不高，但其內部卻處于受激發的狀態，其電子能量足以使分子鍵斷裂，并導致具有化學活性的物質(活化分子、原子、離子、原子團等)產生，使本來需要在高溫下才能進行的化學反應，當處于等離子體場中時，在較低的溫度下甚至在常溫下就能在基片上形成固態薄膜。本申請中米用的PECVD沉積系統是Oxford Instrument Plasma 80Plus系統，圖4為它的工作原理示意圖和沉積SiNx、SiO2的化學方程式。用該設備沉積薄膜主要包括以下步驟(1)抽真空。在本系統中，總共有機械泵和羅茨泵兩個泵體，待真空度達到實驗所需的本底真空度，一般是2mT0rr，才開始進行后續操作。(2)薄膜沉積。本部分分兩個部分，預鍍膜和正式鍍膜，這ー步是最為關鍵的，通過設置合適的沉積參數，制備出質量較好的薄膜。(3)氣路清洗。在沉積過程中，反應室腔體和氣路都會受到不同程度的污染，因此沉積前后都要進行清洗，一方面保證沉積薄膜的質量，另ー方面保證設備的使用壽命。反應離子刻蝕(RIE)系統反應離子刻蝕(Reaction Ionic Etch,簡稱RIE),是ー種干法刻蝕方法。在TFT的制備過程中，主要應用于SiNx和SiO2的刻蝕，刻蝕氣體是SFf^P 02。本申請采用的反應離子刻蝕系統是中國科學院微電子中心研制的ME-3A型刻蝕臺，圖5為反應腔體結構示意圖。 RIE的工作原理通常情況下，上極板接地作為陽極(一般整個真空壁也接地)，下電極接射頻電源作為陰極，需要刻蝕的襯底基片放在陰極上，反應氣體按照一定的工作壓カ從上電極的氣孔充入反應室。對反應腔體中氣體加上大于擊穿臨界值的射頻電壓，形成強電場，在強電場作用下，氣體以輝光放電形成產生高能等離子體，等離子體包含由非弾性碰撞產生的離子、游離基(游離態的原子、分子或原子團)及電子，它們都具有很強的化學活性，可與被刻蝕樣品表面的原子發生化學反應，形成揮發性的物質，達到刻蝕樣品的目的。同吋，由于陰極附近的電場方向垂直陰極表面，高能離子在一定的工作壓カ下垂直地打向樣品表面，進行物理轟擊，使得刻蝕也具有很好的各向異性。襯底材料的選擇選用杜邦(Dupont)公司的塑料襯底材料,型號為Kapton E,規格分別是50 μ m和25 μ m，其中前者用于制備柔性器件，后者制備柔性透明器件的探索。它具有較高的玻璃化轉變溫度(Tg = 3400C )，較低的熱膨脹系數(當溫度在50°C _200°C范圍內，熱膨脹系數為16ppm/°C )，較好的化學穩定性(不與制備TFT中的溶液發生反應)，較好的防水性能(對于50 μ m厚的KaptonE襯底,水汽的滲透率為5mg/m2/day),除此之外,還具有足夠的柔性和抗形變能力等優點。隔離層材料的選擇及其制備水分和空氣在一般的塑料襯底的穿透率是玻璃襯底的一千萬倍。水分和空氣中的氧氣對器件的性能會產生很大的影響。圖6是各種薄膜對水分和空氣的吸收速率。可以看出純塑料薄膜是不能夠滿足TFT器件的要求。為了解決這個問題，一般是在塑料薄膜上面鍍上ー層或者多層結構的無機薄膜鈍化層。由于TFT對空氣和水汽影響不如OLED那樣敏感，常用氧化硅、氮化硅、氧化鋁等作為鈍化層。實驗中，我們選用氮化硅作為器件的隔離層。隔離層除能夠有效阻止水分和空氣的滲透之外，還能優化襯底表面粗糙度，且通過控制其沉積條件，可對器件的應カ進行優化。柵電極材料的選擇Cr和Mo是常用于TFT柵電極的金屬材料，它具有熔點高，穩定性好等優點，但是由于Cr和Mo材料的電阻率較大(30μ Ω · cm左右)，一般應用在中小尺寸顯示屏中，但無法滿足大尺寸TFT顯示屏的陣列對柵信號延遲的要求。在顯示屏朝著大屏幕和高清晰發展的背景之下，低電阻金屬Al (3. 3 μ Ω · cm)和Cu (2. 2 μ Ω * cm)兩種材料脫穎而出，成為TFT柵電極的首選。然而，不管是純Al還是純Cu材料，存在不足，例如對于純Cu，熔點比較低，粘附性較差，且存在Cu原子向有源層擴散等現象；而對于純Al材料，熱穩定性較差，高溫處理后，薄膜表面容易產生小丘現象，可能導致電極之間的短路，化學穩定性差，易與其它材料的腐蝕液反應而產生缺陷，并且在TFT制造エ藝中，Al原子會向有源層中擴散，使得漏電流増大，不利于獲得較高的開關比。通過制備合金結構或者雙層結構，能夠改善純Al和純Cu諸如穩定性差，產生小丘等缺陷。但是，對于前者，仍然會存在著Al和Cu向半導體層擴散的現象。因此選用Cr作為柵電極材料結構。
柵電極材料的制備單層Cr薄膜電性能根據TFT參數設計的要求和實驗室設備的性能，通過優化功率，獲得電阻率較低的薄膜在柔性襯底上制備如圖7a所示的電極測試結構，用萬用表的探針接觸金屬電極的兩端的方塊電阻(如圖7b)。根據公式R= P L/S，可求得金屬電阻率，如圖8所示。可以看出，Cr金屬薄膜的電阻率很大，大于700 μ Ω · cm，這遠遠大于エ業生產中純Cr的電阻率(30μ Ω · cm左右)，經過初歩分析，可能是由于以下幾個方面的原因引起的，第一 Cr靶材的純度太低，實驗用的Cr靶材的純度是98%，遠遠低于エ業產生99. 99%的純度;第二 :鍍膜時真空度太低，鍍膜系統所能達到的真空度級別只能是10_3Pa，真空度不高，在鍍膜的過程中會引起Cr部分氧化，使得電阻率増加。由于柵金屬薄膜在TFT的后期エ藝中需要進行PECVD系統中高溫過程，因此對Cr薄膜進行退火試驗，以獲得實際應用于TFT器件中純Cr的電阻率，退火溫度為300°C，退火時間為60min。可以看出，退火后的電阻率比退火前的電阻率要小。可以這樣解釋退火300°C左右，薄膜表面的原子獲得能量，表面的遷移率增強，使得平均晶粒増大，晶粒增大使得晶粒間界減少，缺陷密度降低，晶粒間界勢壘對載流子的散射下降，導致電阻率下降。源漏電極材料的選擇與柵電極材料要求一祥，低電阻率也是TFT對源漏電極的要求，除此之外，源漏電極與半導體層形成良好的歐姆接觸是TFT對于源漏電極材料ー個重要要求。它可以降低漏源之間的電阻，防止產生電流擁擠效應。經過論證，Honsor研究小組總結出，在現有的材料體系當中，金屬Ti和ITO是作為IGZO-TFT源漏電極較好的兩種材料。金屬Ti材料不僅與IGZO層有較好的粘附能力，并且能夠減少與有源層的接觸電阻。ITO材料除具有較低的電阻率，還能與IGZO有源層形成較好的歐姆接觸，并且具有較好的透明度，本申請選用ITO材料作為源漏電極。絕緣層材料的選擇TFT對柵絕緣層有以下幾個方面的要求好的絕緣耐壓性能、高的穩定性能以及與有源層之間形成好的界面特性等。在本申請中，選用SiNx作為絕緣層材料。與常用絕緣材料Si02相比，SiNx除具有相當的擊穿電壓外，SiNx還具有以下優點1)相對介電常數高，PECVD制備的ニ氧化硅為3. 9左右，而氮化硅薄膜的值約為8 ；2)氮化硅對堿金屬的阻擋能力強，可以有效地防止堿金屬離子通過柵絕緣層進入溝道；3)氮化硅的化學穩定性高，除了氫氟酸和熱磷酸外，它幾乎不和其它的酸堿發生反應；4)氮化硅具有更好的防水和防氣體滲透性能，能夠有效減少氣體和水汽滲透對器件造成的影響。IGZO薄膜制備及表征IGZO半導體薄膜制備本申請采用直流磁控濺射制備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-ZnO= I I I (摩爾比)，純度99. 99%。IGZO薄膜性能受制備參數影響，主要包括氧氣流量、沉積功率，氣體流量等影響。在本申請中，主要是通過氧氣流量的調整來獲得滿足應用要求的IGZO薄膜。具體實驗條件如下-.Ar流量為40sccm,真空度為7X ICT3Pa,派射功率為200W, O2氣體流量分別為0sccm、5sccm、lOsccm、15sccm、20sccm,以玻璃為襯底。IGZO薄膜性能表征薄膜結構使用X射線衍射儀(X-ray diffraction,簡稱XRD)測試薄膜的晶體結構,在不同O2氣體流量下制備的IGZO薄膜，可以看出當掃描角從20°掃到100°變化時，薄膜并沒有明顯的衍射峰，在20° -30°之間和60°左右有兩個較弱的包絡，這表明IGZO薄膜屬于非晶形貌。薄膜的透過率用分光光度計測量薄膜在波長380nm-800nm下的透過率，不同O2流量下所制備的IGZO薄膜在可見光區域的透過率。可以看出，當O2流量為Osccm吋，IGZO薄膜透過率最低，透過率為65%以上；當O2流量從5SCCm增加到20SCCm時，薄膜的透過率幾乎不變，在可見光區域，透過率大于75%，在波長為600nm左右的時候，透過率能達到85%。這也為后期制備透明晶體管提供了可能性。薄膜的電性能在IGZO薄膜的表面沉積ー層Al金屬電極構成的結構，測試電極尺寸參數如下厚度lOOnm，兩電極的間距為2cm，電極尺寸為IcmX Icm0所制備IGZO薄膜的電阻率隨O2流量變化，可見看到，隨著O2流量的増加，IGZO的電阻率増大。當O2流量從Osccm増加到20sccm,薄膜電阻率從3. 75 Ω · cm增加到6. 9 X 105 Ω · cm。IGZO薄膜電阻率隨通入02流量變化而發生改變的物理機制描述如下IGZO薄膜的導電類型與ZnO類似，O空位是主要的載流子。在沒有通入O2時，半導體中O空位很多，載流子濃度就很高，電阻率就較低；當通入少量O2的時候，如O2從Isccm到IOsccm時，O2的通入很快填補了半導體中的O空位，使得O空位急劇減少,半導體載流子濃度急劇減少。在本實驗中，當O2含量從Isccm到IOsccm變化時，電導率下降了 5個數量級；而當通入02從IOsccm到20sccm變化時，由于半導體中的O空位已經基本填補完畢，因此薄膜的電阻率變化并不明顯。因此，在制備過程中，可以通過改變O2流量以實現對IGZO薄膜電性能的控制。薄膜組份的原子比X 射線光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectrometer,簡稱 XPS)測試不同氧氣流量下制備的IGZO薄膜的原子比，在不同氧氣流量下制備的IGZO薄膜各組分的原子含量，可以看到不同02流量下制備的IGZO薄膜，In、Ga、Zn的原子比變化不是很大，大約為10 : 10 : 3。制備IGZO-TFT的原子比例不一，主要有以下幾種比例In Ga Zn =2.2 : 2.2 : I. O, I. I I. I : O. 9，I : O. 9 : O. 6 和 10 : 10 : 3。鈍化保護層材料的選擇及薄膜制備氧氣和水汽對于IGZO-TFT有影響，主要表現在兩方面一是空氣中的氧分子填充半導體層的氧空位會使得IGZO有源層的電阻率増加。在IGZO-TFT中，器件的電性能主要是由氧空位決定的，因此IGZO-TFT的性能勢必受到大氣中氧分子的影響，除此之外，大氣中的氧氣分子會帶電子，從而也會影響器件的電性能。ニ是大氣中的水分子會在IGZO界面形成空穴陷阱中心，影響器件的閾值電壓。為了阻止空氣中水和氧氣對器件性能造成影響，在IGZO有源層上面鍍ー層保護層。在商業產品用的非晶硅TFT中，保護層一般是采用SiNx，用PECVD方法制備。然而，在IGZO-TFT中，卻不能夠用SiNx作為保護層，因為PECVD方法中制備SiNx會含有大量的H原子，H原子會使得器件的電性能發生變化，甚至會導致有源層從半導體變為導體。當然，如果通過射頻磁控濺射制備氮化硅，仍然是可以用作保護層。結合本實驗室條件，本申請選用ニ氧化硅作為保護層，通過PECVD方法制備，采用的エ藝條件如下溫度200°C, N20 710sccm,5% SiH4/N2 170sccm,功率20W，壓強IOOOmTorr,厚度約 120nm。通過對單層薄膜制備エ藝的探索，獲得滿足TFT器件應用要求電極層，絕緣層和IGZO有源層薄膜制備エ藝參數，并實現上述各層薄膜，其性能如下1，柵電極薄膜Cr薄膜，平均電阻率為19·6μ Ω 退火后的電阻率為17·7μ Ω · cm，薄膜電阻率的均勻度在±10%。2.絕緣層=SiNx薄膜，擊穿場強為5. 8MV/cm，介電常數為6. 03。3.有源層IGZ0薄膜，呈現非晶結構，可見光的透過率達到80%以上，In Ga Zn的原子比為10 10 3 ；在一定范圍內，薄膜的電阻率隨著氧氣流量的增加而急劇增加。4.其它=SiNx為緩沖層，用PECVD方法實現；選擇ニ氧化硅作為保護層，通過控制參數，可以調控器件受到的總應力。IGZO-TFT器件結構設計與制備TFT結構及其エ藝流程選擇底柵頂接觸型TFT結構，其各薄膜層的厚度設計如圖9所示，在實際制備過程中會存在一定的誤差。該柔性IGZO薄膜晶體管，包含塑料襯底、緩沖保護層、刪電極、柵絕緣層、源極以及漏扱、IGZO半導體層以及保護層，其中，塑料襯底上覆蓋緩沖保護層，緩沖保護層的上部中心區域采用直流磁控濺射方法制備柵電扱，柵電極上部覆蓋了柵絕緣層，柵絕緣層的兩端分別覆蓋至緩沖保護層上，IGZO半導體層位于柵絕緣層的上部，源、漏兩極分別位于半導體層的頂部的兩側，從而使半導體層被源極和漏極所覆蓋，僅在半導體層的頂部，源漏兩極的中間形成通道，在通道上采用PECVD制備保護層。圖10給出了設定的柔性IGZO-TFT的制備流程圖，在整個流程當中，總共鍍6層薄膜，完成4次光刻，下面對具體的エ藝步驟和エ藝參數做詳細的介紹
I.柔性襯底的清洗。將Kapton E襯底放在燒杯中清洗，由于薄膜比較薄,很容易聚集在一起。所以讓Kapton E襯底夾在玻璃中間清洗，玻璃放在玻璃架上。如圖11所示，先用清洗液洗Kapton E襯底的表面，用清水沖洗干凈，接著放在丙酮、こ醇、去離子水中分別超聲清洗30min，這個過程重復一次；接著用氮氣槍吹干襯底，放在250°C的熱板上烘烤IOmin左右，去除存留的水和有機溶剤，并且考慮到塑料薄膜在后續的熱處理過程中會發生一定的機械形變，使用前的高溫退火可以使這ー現象提早發生，使得樣品適應后續的加工條件。2.使用PECVD沉積SiNx隔離層。SiNx隔離層的制備エ藝參見表I ;表I
薄膜 I反應氣體流量I壓強I功率I溫度rc)~時間(mi η)r _(sccm)( mTorr) (W)將進行隔離層處理后的襯底固定在玻璃板上，以滿足后期エ藝的需要。3.柵電極圖形的制備。采用直流磁控濺射方法制備Cr柵薄膜。其沉積エ藝參數如表2.將制備好的薄膜通過涂膠，烘烤、光刻，顯影，刻蝕和去膠技術生成柵電極圖形。其中涂膠、烘烤、光刻和刻蝕エ藝參數表3所示。Cr電極的刻蝕是硝酸鈰銨混合溶液，配比為9ml高氯酸+25g硝酸鈰銨+IOOml去離子水，刻蝕時間大約為25s。電極圖形制備好以后，用丙酮超聲去膠，接著用こ醇和去離子水清洗，姆種溶劑超聲6min-8min。表2
真空度Ar流量功率(W)溫度(°C) 時間(min)厚度(nm)(Pa)(sccm)
5X10-360300 25 ' 7' 85-90表3涂膠的エ藝參數
次序轉速(rpm) 時間(s)
1(低速) 3003
2(高速) 300040烘烤エ藝參數
烘烤溫度(°c ) I前烘時間(S)后烘時間(S)^
1059090曝光、顯影エ藝參數
曝光強度I曝光時間(s)|顯影劑顯影時間(s)|顯影溫度(°c )( mW/m2 )
1026-28O. 5%Na0H 35-40室溫(15-25)4.柵絕緣層的制備。柵絕緣層采用SiNx材料。沉積エ藝參數如下表4所示。表權利要求
1.一種柔性IGZO薄膜晶體管，包含塑料襯底、緩沖保護層、刪電極、柵絕緣層、源極以及漏極；其特征在于，該薄膜晶體管還包含IGZO半導體層以及保護層，其中塑料襯底上覆蓋緩沖保護層，緩沖保護層的上部中心區域采用直流磁控濺射方法制備柵電極，柵電極上部覆蓋了柵絕緣層，柵絕緣層的兩端分別覆蓋至緩沖保護層上，IGZO半導體層位于柵絕緣層的上部，源、漏兩極分別位于半導體層的上部的兩側，半導體層被源極和漏極所覆蓋，僅在半導體層的頂部，源漏兩極的中間形成通道，在通道上采用PECVD制備保護層。
2.如權利要求I所述的柔性IGZO薄膜晶體管，其特征在于，所述塑料襯底的厚度為50 μ m0
3.如權利要求2所述的柔性IGZO薄膜晶體管，其特征在于，緩沖保護層與柵絕緣層采用氮化硅。
4.如權利要求3所述的柔性IGZO薄膜晶體管，其特征在于，所述柵電極采用Cr材料。
5.如權利要求4所述的柔性IGZO薄膜晶體管，其特征在于，源極、漏極采用ITO材料。
6.如權利要求5所述的柔性IGZO薄膜晶體管，其特征在于，保護層采用PECVD制備的SiO2薄膜。
7.如權利要求I所述的柔性IGZO薄膜晶體管，其特征在于，在制備柔性IGZO薄膜晶體管過程中，沉積溫度從初始的270°C降低到后期的240°C ;保護層的沉積功率從20W降低到IOff ；SiNx絕緣層的沉積厚度從200nm降低到130nm。
8.如權利要求4所述的柔性IGZO薄膜晶體管，其特征在于，柵電極Cr薄膜平均電阻率為19·6μ Ω · cm，退火后的電阻率為17·7μ Ω · cm，薄膜電阻率的均勻度在±10%。
9.如權利要求I所述的柔性IGZO薄膜晶體管，其特征在于，IGZO薄膜，呈現非晶結構，可見光的透過率達到80%以上，In Ga Zn的原子比為10 : 10 : 3。
全文摘要
本發明提出一種柔性IGZO薄膜晶體管。該薄膜晶體管采用底柵頂接觸型TFT結構，包含塑料襯底、緩沖保護層、刪電極、柵絕緣層、源極以及漏極、IGZO半導體層以及保護層，其中塑料襯底位于薄膜晶體管的最下層，塑料襯底上覆蓋緩沖保護層，緩沖保護層的上部中心區域采用直流磁控濺射方法制備梯形柵電極，梯形柵電極上部覆蓋了柵絕緣層，柵絕緣層的兩端分別覆蓋至緩沖保護層上，在柵絕緣層的上部采用磁控濺射方法制備IGZO半導體層，源、漏兩極中每一極中的一端分別位于半導體層的頂部的兩側，另一端位于柵絕緣層的上部。
文檔編號H01L29/786GK102832252SQ20111026721
公開日2012年12月19日 申請日期2011年9月9日 優先權日2011年6月15日
發明者王彬 申請人:廣東中顯科技有限公司