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CN107170833A - 一种非晶氧化物薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents

一种非晶氧化物薄膜晶体管及其制备方法 Download PDF

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CN107170833A
CN107170833A CN201710448040.6A CN201710448040A CN107170833A CN 107170833 A CN107170833 A CN 107170833A CN 201710448040 A CN201710448040 A CN 201710448040A CN 107170833 A CN107170833 A CN 107170833A
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CN
China
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thin film
film transistor
amorphous oxide
oxide thin
preparation
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CN201710448040.6A
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宁洪龙
刘贤哲
姚日晖
李晓庆
张啸尘
徐苗
王磊
彭俊彪
王晓峰
张紫辰
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South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60—Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/67—Thin-film transistors [TFT]
    • H10D30/674—Thin-film transistors [TFT] characterised by the active materials
    • H10D30/6755—Oxide semiconductors, e.g. zinc oxide, copper aluminium oxide or cadmium stannate
    • H10D30/6756—Amorphous oxide semiconductors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • H10P34/42—

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  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Abstract

本发明属于显示器件技术领域，公开了一种非晶氧化物薄膜晶体管及其制备方法。所述制备方法为：在玻璃基板上直流磁控溅射Al:Nd薄膜栅极，然后表面氧化生长栅极绝缘层AlOx:Nd；在栅绝缘层上沉积厚度为5～30nm的STO薄膜有源层，再在STO薄膜上直流磁控溅射制备源/漏电极；最后所得器件在能量密度为20～100mJ/cm2的全固态激光条件下进行激光能量密度处理，得到所述非晶氧化物薄膜晶体管。本发明采用全固态激光处理TFT器件，器件性能可达到与热退火处理器件性能相近，有效地节约生产成本。

Description

一种非晶氧化物薄膜晶体管及其制备方法
技术领域
本发明属于显示器件技术领域，具体涉及一种非晶氧化物薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
近年来，非晶氧化物薄膜晶体管(TFT)在以有源矩阵驱动液晶显示(AMLCD)、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)和电子纸(E-paper)为代表的信息显示中起重要作用。非晶氧化物TFT具有较高的迁移率，低制备温度，高均匀性等优点可满足当前显示技术朝大尺寸、高分辨率和柔性等方向发展的要求。
对于非晶氧化物TFT通常需要经过退火处理来改善器件的电学性能。这是因为退火处理不仅可以降低有源层内部的缺陷及有源层/栅绝缘层界面的缺陷，还可以改善有源层与电极之间接触质量形成欧姆接触。传统的退火方法是气氛热退火，均匀加热器件，使得有源层材料中原子获得能量重新分布，填补缺陷态，但退火处理存在以下缺点：1.薄膜受热依靠内部原子热运动重新排列减少缺陷态，需要很长时间，导致热退火时间很长，通常以小时为单位。2.器件各部分需要同时加热，因此对退火设备均匀温升需要很高的要求。3.由于氧化物TFT是由多种薄膜材料构成，各组分热膨胀系数不同，热退火会造成器件热应力增大。4.由于柔性TFT器件中的柔性基板不耐高温，不能通过热处理改善器件性能，使得热处理样品种类有限。5.为了提高器件性能，常会在多种气氛混合退火或非惰性气氛下热退火，导致不安全。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种非晶氧化物薄膜晶体管的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的非晶氧化物薄膜晶体管。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种非晶氧化物薄膜晶体管的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)在玻璃基板上直流磁控溅射Al:Nd薄膜作为栅极，然后在Al:Nd薄膜栅极表面氧化生长AlOx:Nd栅极绝缘层；
(2)采用射频磁控溅射在栅绝缘层上沉积氧化物半导体(STO)薄膜，作为TFT的有源层，氧化物半导体薄膜厚度为5～30nm；
(3)利用光刻技术在STO薄膜上直流磁控溅射制备源/漏电极；
(4)将步骤(3)所得器件在能量密度为20～100mJ/cm2的全固态激光条件下进行激光能量密度处理，得到所述非晶氧化物薄膜晶体管(STO-TFT)。
优选地，步骤(1)中所述Al:Nd薄膜的厚度为100～300nm；所述AlOx:Nd栅极绝缘层的厚度为200～400nm。
优选地，步骤(1)中所述Al:Nd的掺杂浓度为1～5at％。
优选地，所述的氧化物半导体薄膜的材料为STO-5(SiO2:SnO2＝5:95wt％)。
优选地，所述全固态激光的波长为230～400nm。
一种非晶氧化物薄膜晶体管，通过上述方法制备得到。
本发明的原理为：选择全固态激光对STO-TFT进行激光退火处理。1.激光由于波长短，能量高，可以不需要惰性气体或真空环境，能够在短时间内快速彻底地消除薄膜内部缺陷，获得高质量薄膜。2.激光具有高能量，作用时间短的特点，使得薄膜内部原子吸收能量但来不及达到平衡态，只能在原位调整，材料变形小，减小器件应力畸变。3.激光可以通过光学整形，可以对器件进行局部处理(沟道区和源漏电极与有源层重叠区)，减少能量浪费。4.当激光照射TFT时，器件表面获得较高的温度，由于激光作用时间短温度来不及扩散，不会使基板温度升高太高，可以实现对柔性器件进行处理。
本发明的制备方法及所得到的非晶氧化物薄膜晶体管具有如下优点及有益效果：
本发明处理TFT器件时间短，器件性能可达到与热退火处理器件性能相近，有效地节约生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例的氧化物薄膜晶体管的结构示意图。
图2、图3和图4分别为实施例步骤(3)未经激光能量密度处理的器件、经热退火处理的器件和实施例步骤(4)激光处理的STO-TFT的输出特性曲线图。
图5为未经激光能量密度处理、热退火处理和激光处理STO-TFTs的转移特性曲线图。
图6为实施例中激光处理STO-TFT示意图。
图7为实施例步骤(3)未经激光能量密度处理的器件STO薄膜对不同波长激光的吸收率曲线图。
图8为实施例中不同激光能量密度处理后所得STO-TFT的转移特性曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例的一种非晶氧化物薄膜晶体管，其结构结构示意图如图1所示。所述氧化物薄膜晶体管从下至上依次为玻璃基板11、Al:Nd薄膜栅极12、AlOx:Nd栅极绝缘层13、STO薄膜有源层14和源/漏电极15，其中源/漏电极15与有源层14位于同一层，源/漏电极15分布在有源层14两端。
本实施例的非晶氧化物薄膜晶体管通过如下方法制备：
(1)在玻璃基板上直流磁控溅射100～300nm的Al:Nd薄膜作为栅极，然后在Al:Nd薄膜栅极表面氧化生长200～400nm的栅极绝缘层AlOx:Nd；
(2)采用射频磁控溅射在栅绝缘层上沉积氧化物半导体STO-5(SiO2:SnO2＝5:95wt％)薄膜，作为TFT的有源层，氧化物半导体薄膜厚度为5～20nm；
(3)利用光刻技术在STO薄膜上直流磁控溅射制备源/漏电极；
(4)将步骤(3)所得器件在功率因子为550～950，样品到场镜的距离为20-50cm，激光能量密度为20～100mJ/cm2、波长为355nm的全固态激光条件下进行激光能量密度处理，得到所述非晶氧化物薄膜晶体管(STO-TFT)。
本实施例步骤(3)未经激光能量密度处理的器件的输出特性曲线如图2所示。其中，曲线21，22，23，24分别对应在VGS为0V，10V，20V，30V时的输出特性曲线；图3为热退火处理(350℃，30～60min)的STO-TFT的输出特性曲线。其中，曲线31，32，33，34分别对应在VGS为0V，10V，20V，30V时的输出特性曲线；图4为实施例步骤(4)激光处理的STO-TFT的输出特性曲线。其中，曲线41，42，43，44分别对应在VGS为0V，10V，20V，30V时的输出特性曲线；图5为未经激光能量密度处理、热退火处理和激光处理STO-TFTs的转移特性曲线。其中，曲线51为未经激光能量密度处理的STO-TFT的转移特性曲线，曲线52为热退火处理的STO-TFT的转移特性曲线，曲线53为激光处理的转移特性曲线。
图6为本实施例激光处理STO-TFT示意图。其中66为波长为355nm的全固态激光。
图7为本实施例步骤(3)未经激光能量密度处理的器件STO薄膜对不同波长激光的吸收率曲线。
图8为不同激光能量密度处理后所得STO-TFT的转移特性曲线。
由以上结果可以看出，未经激光处理的STO-TFT没有器件性能，随着激光照射的能量逐渐升高，器件逐渐出现转移特性曲线。说明STO-TFT能够通过激光处理获得器件性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非晶氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：
(1)在玻璃基板上直流磁控溅射Al:Nd薄膜作为栅极，然后在Al:Nd薄膜栅极表面氧化生长AlOx:Nd栅极绝缘层；
(2)采用射频磁控溅射在栅绝缘层上沉积氧化物半导体薄膜，作为有源层，氧化物半导体薄膜厚度为5～30nm；
(3)利用光刻技术在STO薄膜上直流磁控溅射制备源/漏电极；
(4)将步骤(3)所得器件在能量密度为20～100mJ/cm2的全固态激光条件下进行激光能量密度处理，得到所述非晶氧化物薄膜晶体管。
2.根据权利要求1所述的一种非晶氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述Al:Nd薄膜的厚度为100～300nm；所述AlOx:Nd栅极绝缘层的厚度为200～400nm。
3.根据权利要求1所述的一种非晶氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述Al:Nd的掺杂浓度为1～5at％。
4.根据权利要求1所述的一种非晶氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：所述的氧化物半导体薄膜的材料为STO-5。
5.根据权利要求1所述的一种非晶氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：所述全固态激光的波长为230～400nm。
6.一种非晶氧化物薄膜晶体管，其特征在于：通过权利要求1～5任一项所述的方法制备得到。
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