具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件及其制備方法，屬于薄膜場效應晶體管器件技術領域。含氮的氧化物的主要通過反應濺射、共濺射來實現，N元素相對總的摩爾百分比含量控制在0.1到3%之間。本器件依次由基板、柵極、絕緣層、含氮氧化物有源層、源極、漏極、鈍化層構成。本發明能同時實現提升氧化物的電學性能和光照負偏壓穩定性。另外，含氮氧化物的制備方法與現有的氧化物TFT制備工藝具有良好的兼容性，這樣有效地節約了含氮氧化物TFT的制造成本。
【專利說明】
具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種場效應晶體管器件及其制備方法，特別是涉及一種薄膜場效應晶體管器件及其制備方法，應用于薄膜場效應晶體管技術領域。
【背景技術】
[0002]顯示技術被稱為現代人類社會的智慧之窗和文明之窗，而薄膜場效應晶體管(TFT)技術是顯示技術的關鍵核心技術之一。相比傳統的非晶硅TFT，氧化物薄膜晶體管具有迀移率高、制備工藝溫度低、可見光透過率高，制作成本低等諸多優點，以期取代非晶硅TFT應用于有源顯示。盡管氧化物TFT表現出良好的電學性能，然而氧化物TFT在穩定性仍然不能滿足實際的應用要求，已成為氧化物TFT發展的瓶頸技術。由于TFT在持續工作的過程中，往往會受到光照和偏壓的同時作用，氧化物TFT的光照負偏壓穩定性明顯變差，當前的研究主要采用Hf、Zr、Ga等陽離子摻雜來減小氧空位，從而提升氧化物TFT的光照負偏壓穩定性，然而這種陽離子抑制空位提升穩定性的方法，常常是以犧牲氧化物TFT的迀移率為代價，導致這種陽離子摻雜提升光照負偏壓穩定性的方案應用受到制約。
【發明內容】
[0003]為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件及其制備方法，具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件能同時實現提升氧化物薄膜TFT的電學性能和光照負偏壓穩定性。另外，本發明場效應晶體管器件制備方法與現有的氧化物TFT制備工藝具有良好的兼容性，這樣有效地節約了含氮氧化物TFT的制造成本。
[0004]為達到上述發明創造目的，本發明采用下述技術方案:
一種具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件，按結構層次序依次逐層制備而成，主要由基板、柵極、絕緣層、有源層、源極、漏極和鈍化層構成底柵結構或頂柵結構，有源層采用含N元素相對于有源層中總物質量的摩爾百分比含量為0.1?3%的氧化物薄膜制成，有源層的厚度為20?80 nm，絕緣層和鈍化層的厚度均為50?200 nm，柵極、源極和漏極的厚度均為50?100 nm。
[0005]上述有源層的氧化物薄膜優選采用氮氧化銦鎵鋅、氮氧化鋅、氮氧化錫和氮氧化銦中的任意一種氧化物或者任意幾種的氧化物混合材料制成。
[0006]上述基板優選采用硅片、柔性襯底、玻璃襯底和陶瓷襯底中的任意一種。
[0007]上述柵極的材料優選采用Au、Al、Cu、Mo、Cr、T1、ITO、W、Ag和Ta中的任意一種或者任意幾種。
[0008]上述源極和上述漏極材料分別優選采用六11^8、10^1、01、0、11、1%和0&中的任意一種或者任意幾種。
[0009]上述絕緣層和上述鈍化層分別優選采用Ta205、Al203、Si02、Ti02和SiNx中的任意一種材料或者任意幾種材料制備而成的薄膜。
[0010]—種本發明具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備方法，按結構層次序依次逐層制備，包括如下步驟:
a.選擇符合設定尺寸要求的基板，清洗后烘干，備用；
b.在步驟a中制備的干燥潔凈的基板上，通過真空蒸發方法或濺射工藝，并實現圖案化，制備厚度為50?100 nm的圖案化的柵極，得到具有柵極的基板;當采用真空蒸鍍的方法制備柵極時，優選控制真空度小于10—3Pa;
c.在步驟b中制備的具有柵極的基板上，采用原子層沉積法、化學氣相沉積法、濺射法或蒸發方法制備厚度為50?200 nm的絕緣層；
d.采用通入他進行反應濺射方法或采用含有N元素的靶材進行共濺射方法，并實現圖案化，在步驟c中制備的絕緣層上，制備厚度為20?80 nm的圖案化的含氮的氧化物薄膜，作為有源層，有源層中的N元素相對于有源層中總物質量的摩爾百分比含量為0.1?3%;優選采用氧化銦鎵鋅、氧化鋅、氧化錫和氧化銦中的任意一種氧化物或者任意幾種的氧化物混合材料制成陶瓷靶，優選使通入的％流量為I?4 sccm，采用反應濺射方法，進行圖案化制備含氮的氧化物薄膜，形成有源層，并采用調節N2流量的方法來控制氧化物薄膜有源層中的氮元素含量；
e.在經過步驟d圖案化制備有源層之后，在未覆蓋有源層的部分絕緣層上，再采用真空蒸發方法或濺射方法分別制備源極和漏極，使源極和漏極實現圖案化，并使源極和漏極的厚度均為50?100 nm;當采用真空蒸鍍的方法制備源極和漏極時，優選控制真空度小于10—3Pa;
f.在經過步驟d圖案化制備有源層之后，在有源層上，采用原子層沉積方法、化學氣相沉積方法、濺射方法或蒸發方法制備厚度為50?200 nm的鈍化層，從而完成具有底柵結構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備。
[0011]本發明含氮氧化物作為有源層材料制備方法突破常規，這種含氮氧化物能有效地減小薄膜氧空位，同時無需犧牲氧化物薄膜的迀移率，能同時實現提升氧化物TFT的電學性能和光照負偏壓穩定性。另外，含氮氧化物的制備方法與現有的氧化物TFT制備工藝具有良好的兼容性，這樣有效地節約了含氮氧化物TFT的制造成本。本發明充分地結合了含氮氧化物的獨特優勢，有效改善氧化物TFT的光照負偏壓穩定性，該制備工藝將對氧化物TFT的發展有著積極的推動作用。
[0012]本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點:
1.本發明采用含氮氧化物半導體材料作為TFT的有源層，其中N摻雜是通過通入N2反應濺射或者通過含有N元素的靶材共濺射方法制備得到，工藝簡單可行，采用反應濺射或者共濺射方法能精確地控制N元素的含量；
2.本發明制備的含氮氧化物TFT與當前的普通氧化物TFT有著很好的工藝兼容性。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明實施例一含氮氧化物薄膜場效應晶體管器件結構示意圖。
[0014]圖2為采用不同的N2流量利用反應濺射方法制備氧化物薄膜有源時，本發明實施例一和實施例二制備的含氮氧化物薄膜場效應晶體管器件和對比例制備的不含氮氧化物薄膜場效應晶體管器件的轉移特性曲線對比圖。
[0015]圖3為對比例制備的不含氮的ZnSnO-TFT器件的光照負偏壓穩定性曲線。
[0016]圖4為本發明實施例一制備的具有含氮的ZnSnON-TFT器件的光照負偏壓穩定性曲線。
【具體實施方式】
[0017]本發明的優選實施例詳述如下:
實施例一:
在本實施例中，參見圖1、2和4，一種具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備方法，按結構層次序依次逐層制備，包括如下步驟:
a.選擇符合設定尺寸要求的硅片襯底作為基板，清洗后烘干，備用；
b.在步驟a中制備的干燥潔凈的基板上，通過濺射工藝形成一層ΙΤ0，并實現圖案化，制備厚度為80 nm的圖案化的柵極，得到具有柵極的基板；
c.在步驟b中制備的具有柵極的基板上，采用派射法制備厚度為100nm的S1x電介質絕緣層；
d.采用ZnSnO陶瓷革E，使通入的N2流量分別為Isccm，2sccm，4sccm，分別采用反應派射方法，并實現圖案化，在步驟c中制備的絕緣層上，分別制備厚度為40nm的圖案化的含氮的ZnSnON半導體氧化物薄膜層，作為有源層；
e.在經過步驟d圖案化制備有源層之后，在未覆蓋有源層的部分絕緣層上，再控制真空度小于10—3Pa,采用真空蒸發方法分別制備源極和漏極，使源極和漏極實現圖案化，并使源極和漏極的厚度均為60nm;
f.在經過步驟d圖案化制備有源層之后，在有源層上，采用原子層沉積方法制備厚度為100 nm的Al2O3層作為鈍化層，從而完成具有底柵結構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備。
[0018]本實施例制備的薄膜晶體管為底柵結構，參見圖1，從下至上由基板1、柵極2、絕緣層3、ZnSn0N半導體氧化物薄膜的有源層4、源極5、漏極6、鈍化層7依次構成。采用本實施例制備場效應晶體管器件與傳統器件相比，最大的區別在于能同時提升氧化物TFT器件的電學性能和光照負偏壓穩定性;另外，含氮氧化物的制備方法與現有的氧化物TFT制備工藝具有良好的兼容性，這樣有效地節約了含氮氧化物TFT的制造成本。可見采用本實施例方法制備的ZnSnON-TFT無需改變傳統的制備工藝，該方案簡單可行，將在平板顯示領域有著良好的應用前景。
[0019]實施例二:
本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于:
在本對比例中，參見圖2，一種具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備方法，按結構層次序依次逐層制備，包括如下步驟:
a.本步驟與實施例一相同；
b.本步驟與實施例一相同；
c.本步驟與實施例一相同；
d.采用ZnSnO陶瓷靶，使通入的犯流量為6sCCm，采用反應濺射方法，并實現圖案化，在步驟c中制備的絕緣層上，制備厚度為40nm的圖案化的含氮的ZnSnON半導體氧化物薄膜層，作為有源層；
e.本步驟與實施例一相同；
f.本步驟與實施例一相同。
[0020]本實施例制備的具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的轉移特性和光照負偏壓穩定性與實施例一制備的具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件接近，采用本實施例制備場效應晶體管器件與傳統器件相比，最大的區別在于能同時提升氧化物TFT器件的電學性能和光照負偏壓穩定性。可見采用本實施例方法制備的ZnSnON-TFT無需改變傳統的制備工藝，該方案簡單可行，將在平板顯示領域有著良好的應用前景。
[0021]實施例三:
本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于:
在本對比例中，一種具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備方法，按結構層次序依次逐層制備，包括如下步驟:
a.本步驟與實施例一相同；
b.在步驟a中制備的干燥潔凈的基板上，通過濺射工藝形成一層ΙΤ0，并實現圖案化，制備厚度為50nm的圖案化的柵極，得到具有柵極的基板；
c.在步驟b中制備的具有柵極的基板上，采用化學氣相沉積制備厚度為50nm的SiNx電介質絕緣層；
d.采用ZnSnO陶瓷靶，使通入的犯流量為6sCCm，采用反應濺射方法，并實現圖案化，在步驟c中制備的絕緣層上，制備厚度為20nm的圖案化的含氮的ZnSnON半導體氧化物薄膜層，作為有源層；
e.在經過步驟d圖案化制備有源層之后，在未覆蓋有源層的部分絕緣層上，再采用濺射方法分別制備源極和漏極，使源極和漏極實現圖案化，并使源極和漏極的厚度均為50nm;
f.在經過步驟d圖案化制備有源層之后，在有源層上，采用原子層沉積方法、化學氣相沉積方法、濺射方法或蒸發方法制備厚度為50nm的Al2O3層作為鈍化層，從而完成具有底柵結構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備。
[0022]本實施例制備的具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的轉移特性和光照負偏壓穩定性與實施例一制備的具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件接近，采用本實施例制備場效應晶體管器件與傳統器件相比，最大的區別在于能同時提升氧化物TFT器件的電學性能和光照負偏壓穩定性。可見采用本實施例方法制備的ZnSnON-TFT無需改變傳統的制備工藝，該方案簡單可行，將在平板顯示領域有著良好的應用前景。
[0023]實施例四:
本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于:
在本對比例中，一種具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備方法，按結構層次序依次逐層制備，包括如下步驟:
a.本步驟與實施例一相同；
b.在步驟a中制備的干燥潔凈的基板上，通過濺射工藝形成一層ΙΤ0，并實現圖案化，制備厚度為100 nm的圖案化的柵極，得到具有柵極的基板；
c.在步驟b中制備的具有柵極的基板上，采用化學氣相沉積制備厚度為200nm的SiNx電介質絕緣層； d.采用ZnSnO陶瓷靶，使通入的犯流量為6sCCm，采用反應濺射方法，并實現圖案化，在步驟c中制備的絕緣層上，制備厚度為80 nm的圖案化的含氮的ZnSnON半導體氧化物薄膜層，作為有源層；
e.在經過步驟d圖案化制備有源層之后，在未覆蓋有源層的部分絕緣層上，再采用濺射方法分別制備源極和漏極，使源極和漏極實現圖案化，并使源極和漏極的厚度均為100 nm；
f.在經過步驟d圖案化制備有源層之后，在有源層上，采用原子層沉積方法、化學氣相沉積方法、濺射方法或蒸發方法制備厚度為200 nm的Al2O3層作為鈍化層，從而完成具有底柵結構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備。
[0024]本實施例制備的具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的轉移特性和光照負偏壓穩定性與實施例一制備的具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件接近，采用本實施例制備場效應晶體管器件與傳統器件相比，最大的區別在于能同時提升氧化物TFT器件的電學性能和光照負偏壓穩定性。可見采用本實施例方法制備的ZnSnON-TFT無需改變傳統的制備工藝，該方案簡單可行，將在平板顯示領域有著良好的應用前景。
[0025]對比例:
本對比例與前述實施例基本相同，特別之處在于:
在本對比例中，參見圖2和3，一種具有氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備方法，按結構層次序依次逐層制備，包括如下步驟:
a.本步驟與實施例一相同；
b.本步驟與實施例一相同；
c.本步驟與實施例一相同；
d.采用ZnSnO陶瓷靶，采用濺射方法，并實現圖案化，在步驟c中制備的絕緣層上，制備厚度為40nm的圖案化的ZnSnO半導體氧化物薄膜層，作為有源層；
e.本步驟與實施例一相同；
f.在經過步驟d圖案化制備有源層之后，在有源層上，采用原子層沉積方法制備厚度為100 nm的Al2O3層作為鈍化層，從而完成具有底柵結構的不含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備。
[0026]本對比例制備的薄膜晶體管為底柵結構，從下至上由基板、柵極、絕緣層、ZnSnO半導體氧化物薄膜的有源層、源極、漏極、鈍化層依次構成。
[0027]實驗測試分析:
對上述實施例制備的含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件和對比例制備的不含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件進行分別進行檢測分析，并結合實施例一、實施例二和對比例進行比較，從圖2可知當氮氣的流量從O sccm變化至6sccm，迀移率先增大后減小，閾值電壓逐漸減小。相比實施例一，實施例二中的ZnSnON薄膜效應晶體管器件呈現較差的電學性能。綜合考慮，如實施例一，氮氣的流量為2 sccm時，ZnSnON薄膜效應晶體管器件具有最優的電學性能，迀移率為7.0 cm2/V S，閾值電壓為2.5 V，開關比為17量級。
[0028]由圖3可知，常規的ZnSnO薄膜效應晶體管器件在光強為2000lux，負偏壓為-10 V時，老化3600 s后，閾值電壓漂移了6.2V。由圖4可知，氮氣的流量為2 sccm時ZnSnON薄膜效應晶體管器件在同樣的條件下，閾值電壓僅漂移了2.9V。可見，摻入N后的ZnSnON薄膜效應晶體管器件的光照負偏壓穩定性明顯優于常規的ZnSnO薄膜效應晶體管器件。
[0029]采用上述實施例制備的含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件與傳統器件相比，最大的區別在于能同時提升氧化物TFT器件的電學性能和光照負偏壓穩定性。參見圖2可知，在實施例一和實施例二中，采用氮氣的流量來控制ZnSnON薄膜中的氮元素含量，從而調控ZnSnON薄膜的電學性能和氧空位含量。可見采用此種技術制備的ZnSnON-TFT無需改變傳統的制備工藝，該方案簡單可行，將在平板顯示領域有著良好的應用前景。
[0030]上面結合附圖對本發明實施例進行了說明，但本發明不限于上述實施例，還可以根據本發明的發明創造的目的做出多種變化，凡依據本發明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發明的發明目的，只要不背離本發明具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件及其制備方法的技術原理和發明構思，都屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件，其特征在于:按結構層次序依次逐層制備而成，主要由基板(I)、柵極(2)、絕緣層(3)、有源層(4)、源極(5)、漏極(6)和鈍化層(7)構成底柵結構或頂柵結構，所述有源層(4)采用含N元素相對于有源層(4)中總物質量的摩爾百分比含量為0.1?3%的氧化物薄膜制成，所述有源層(4)的厚度為20?80 nm，所述絕緣層(3)和所述鈍化層(7)的厚度均為50?200 nm，所述柵極(2)、所述源極(5)和所述漏極(6)的厚度均為50?100 nm。2.根據權利要求1所述具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件，其特征在于:所述有源層(4)的氧化物薄膜采用氮氧化銦鎵鋅、氮氧化鋅、氮氧化錫和氮氧化銦中的任意一種氧化物或者任意幾種的氧化物混合材料制成。3.根據權利要求1所述具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件，其特征在于:基板(I)采用硅片、柔性襯底、玻璃襯底和陶瓷襯底中的任意一種。4.根據權利要求1所述具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件，其特征在于:所述柵極(2)的材料采用Au、Al、Cu、Mo、Cr、T1、ITO、W、Ag和Ta中的任意一種或者任意幾種。5.根據權利要求1所述具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件，其特征在于:所述源極(5)和所述漏極(6)材料分別采用411^8、10^1、(:11、0、11、1%和0&中的任意一種或者任意幾種。6.根據權利要求1所述具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件，其特征在于:所述絕緣層(3)和所述鈍化層(7)分別采用Ta205、Al203、Si02、Ti02和SiNx中的任意一種材料或者任意幾種材料制備而成的薄膜。7.—種權利要求1所述具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備方法，其特征在于，按結構層次序依次逐層制備，包括如下步驟: a.選擇符合設定尺寸要求的基板，清洗后烘干，備用； b.在所述步驟a中制備的干燥潔凈的基板上，通過真空蒸發方法或濺射工藝，并實現圖案化，制備厚度為50?100 nm的圖案化的柵極，得到具有柵極的基板； c.在所述步驟b中制備的具有柵極的基板上，采用原子層沉積法、化學氣相沉積法、濺射法或蒸發方法制備厚度為50?200 nm的絕緣層； d.采用通入犯進行反應濺射方法或采用含有N元素的靶材進行共濺射方法，并實現圖案化，在所述步驟c中制備的絕緣層上，制備厚度為20?80 nm的圖案化的含氮的氧化物薄膜，作為有源層，有源層中的N元素相對于有源層中總物質量的摩爾百分比含量為0.1?3%; e.在經過所述步驟d圖案化制備有源層之后，在未覆蓋有源層的部分絕緣層上，再采用真空蒸發方法或濺射方法分別制備源極和漏極，使源極和漏極實現圖案化，并使源極和漏極的厚度均為50?100 nm； f.在經過所述步驟d圖案化制備有源層之后，在有源層上，采用原子層沉積方法、化學氣相沉積方法、濺射方法或蒸發方法制備厚度為50?200 nm的鈍化層，從而完成具有底柵結構的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備。8.根據權利要求7所述具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備方法，其特征在于:在所述步驟b和步驟e中，當采用真空蒸鍍的方法制備電極時，控制真空度小于10—3Pa09.根據權利要求7所述具有含氮的氧化物薄膜的場效應晶體管器件的制備方法，其特征在于:在所述步驟d中，采用氧化銦鎵鋅、氧化鋅、氧化錫和氧化銦中的任意一種氧化物或者任意幾種的氧化物混合材料制成陶瓷革E，使通入的N2流量為I?4 sccm，采用反應派射方法，進行圖案化制備含氮的氧化物薄膜，形成有源層，并采用調節犯流量的方法來控制氧化物薄膜有源層中的氮元素含量。
【文檔編號】H01L29/06GK106098790SQ201610761105
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月30日
【發明人】李俊, 張建華, 蔣雪茵, 張志林
【申請人】上海大學