一种C轴对称结晶氧化物半导体薄膜的制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种C轴对称结晶氧化物半导体薄膜的制备方法和应用。该方法采用溅射技术生长具有良好CAAC结构的无铟元素的氧化物半导体薄膜。采用本发明专利技术制备方法制备的CAAC结构的稀土元素掺杂的氧化锌铝(RE‑AZO)薄膜材料中锌元素、铝元素和稀土元素的摩尔百分比含量为：锌元素85％‑98％，铝元素1％‑10％，稀土元素1％‑14％，稀土元素为Gd、Lu、Y和Sc中的至少一种。采用本发明专利技术制备的薄膜材料作为有源层的TFT可用于柔性显示等需要低温制备工艺的应用。

Preparation and application of a C axisymmetric crystalline oxide semiconductor film

The invention discloses a preparation method and application of a C axisymmetric crystalline oxide semiconductor film. This method uses sputtering technology to grow oxide semiconductor thin films with good CAAC structure without indium. The rare earth doped CAAC structure preparation method of the invention for the preparation of the Zinc Oxide aluminum (RE AZO) mol percentage of films of zinc, aluminum and rare earth elements are: zinc 85% 98%, 1% 10% aluminum elements, rare earth elements 1% 14%, rare earth elements for at least one Gd, Lu, Y and Sc. The film material prepared by this invention can be used as the TFT of the active layer for flexible display and so on, which requires low temperature preparation technology.

【技术实现步骤摘要】
一种C轴对称结晶氧化物半导体薄膜的制备方法和应用
本专利技术属于平板显示和集成电路制造领域，具体涉及一种稀土元素掺杂的氧化物薄膜材料的制备方法和应用。
技术介绍
薄膜晶体管(TFT)作为开关和驱动器件控制显示器像素单元，是平板显示核心技术。当前平板显示设备使用的TFT主要有：氢化非晶硅薄膜晶体管(a-Si:HTFT)、低温多晶硅薄膜晶体管(LTPSTFT)和氧化物薄膜晶体管(OxideTFT)。a-Si:HTFT制备成本低，但其较低迁移率(～1cm-2v-1S-1)无法满足OLED使用要求。LTPSTFT虽然迁移率足够高，但其较高制备成本会大幅推高显示产品价格；此外，LTPSTFT一致性较差，无法在大尺寸显示上使用。以非晶铟镓锌氧薄膜晶体管(a-IGZOTFT)为代表的OxideTFT兼备高迁移率(>10cm-2v-1S-1)、低制备成本和高一致性的优点，有巨大潜力成为OLED显示驱动器件。C轴对称结晶铟镓锌氧薄膜晶体管(CAACIGZOTFT)是一类新型氧化物薄膜晶体管，主要特点是IGZO有源层存在大量沿C轴方向对称结晶的IGZO纳米晶粒，这些IGZO纳米晶粒嵌合在非晶IGZO系统中。CAACIGZOTFT最重要的优点是优异的偏置可靠性，使其成为最具竞争力的平板显示设备像素电路驱动器件候选。但是，CAACIGZOTFT有源层通常在较高温度下制备(300℃)，在柔性显示等应用上的使用会受到限制；并且IGZO中铟(In)元素掺杂比例较高，而铟元素丰度很低，CAACIGZOTFT无法满足长期使用。因此，有必要研发其他类型的具有CAAC微观结构的无铟元素掺杂的氧化物半导体薄膜材料。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种CAAC结构的无铟元素的氧化物半导体薄膜材料的制备方法。该材料可在室温下制备，可作为薄膜晶体管有源层使用。本专利技术的技术方案是，本专利技术提供一种具有C轴对称结晶结构的稀土元素掺杂的氧化锌铝(CAACRare-EarthdopedAZO,CAACRE-AZO)薄膜材料制备方法，采用磁控射频溅射工艺实现。溅射在室温下进行，CAACRE-AZO半导体薄膜淀积沉底为硅、玻璃或柔性沉底。溅射过程：首先将溅射设备背底气压抽至5×10-4帕；然后向溅射设备先后通入氧气和氩气，氧气与氩气的比例范围为3～60％：97～40％，保持溅射设备气压在0.5-2帕；之后开启溅射台托盘转动按钮，保持托盘匀速旋转；接着开启射频电源预溅射1-10分钟；最后转动溅射靶材挡板，溅射10-30分钟，溅射完成，其中靶材中锌元素、铝元素和稀土元素的摩尔百分比含量为：锌元素85％-98％，铝元素1％-10％，稀土元素1％-14％，稀土元素为Gd、Lu、Y和Sc中的至少一种，且该薄膜材料具有C轴对称结晶结构。制备的RE-AZO薄膜具有CAAC结构，该RE-AZO薄膜材料中锌元素、铝元素和稀土元素的摩尔百分比含量为：锌元素85％-98％，铝元素1％-10％，稀土元素1％-14％，稀土元素为Gd、Lu、Y和Sc中的至少一种。以稀土钆掺杂氧化锌铝(Gd-AZO)为例，薄膜截面透射电镜图像如图1所示，微观结构呈明显的C轴对称结晶。本专利技术还提供一种薄膜晶体管，包括顶栅和底栅薄膜晶体管。顶栅器件结构为源电极和漏电极、有源层(沟道区)、栅介质以及栅电极，首先制备的源、漏电极位于衬底之上，所述有源层位于衬底和源、漏电极之上，栅介质层位于有源层之上，栅电极位于栅介质之上，具体结构如图2所示。底栅器件结构为源电极和漏电极、有源层(沟道区)、栅介质以及栅电极，首先制备的栅电极位于衬底之上，所述的栅介质层位于栅电极之上，有源层位于栅介质层之上,源、漏电极位于有源层之上，具体结构如图3所示。所述有源层为RE-AZO薄膜。源、漏电极为非透明的导电薄膜，如Al、Cr、Mo等导电金属中的一种或多种的组合；或透明导电薄膜，如ITO、AZO、InO等导电薄膜中的一种或多种的组合。栅介质材料为二氧化硅、氮化硅以及高介电常数绝缘材料中的一种或多种的组合。栅电极为Al、Ti和Cr等金属中的一种或多种的组合；或透明导电薄膜ITO、AZO、InO等导电薄膜中的一种或多种的组合。一种顶栅结构的薄膜晶体管的制备方法，其步骤包括：1)在硅、玻璃或柔性衬底上生长二氧化硅缓冲保护层；溅射制备非透明导电薄膜或透明导电薄膜，然后光刻和刻蚀形成源、漏电极；2)溅射形成RE-AZO半导体有源层；3)生长形成一层绝缘栅介质层；4)溅射生长一层导电栅电极；5)定义栅电极，然后光刻和刻蚀形成栅电极和互连。一种底栅结构的薄膜晶体管的制备方法，其步骤包括：1)在硅、玻璃或柔性衬底上生长二氧化硅缓冲保护层；溅射制备非透明导电薄膜或透明导电薄膜，然后光刻和刻蚀形成栅电极；2)生长形成一层绝缘栅介质层；3)溅射形成RE-AZO半导体有源层；4)溅射生长一层非透明导电薄膜或透明导电薄膜；5)定义源、漏电极，然后光刻和刻蚀形成源、漏电极和互连。本专利技术的优点：本专利技术采用溅射技术生长具有良好CAAC结构的无铟元素的氧化物半导体薄膜。材料体系中包含锌、铝和稀土元素。其中，锌和铝是丰度较高的金属元素；稀土元素丰度远高于元素铟，并且稀土族元素物化性质相近。因此，本专利技术制备的材料可满足长期使用。本专利技术提供的CAACRE-AZO半导体薄膜材料在室温即可制备。因此，使用本专利技术薄膜材料作为有源层的TFT可用于柔性显示等需要低温制备工艺的应用。附图说明图1为本专利技术所制备的稀土钆掺杂氧化锌铝薄膜横截面透射电镜图，材料呈现明显CAAC结构；图2为本专利技术RE-AZO薄膜晶体管顶栅结构的剖面示意图；图3为本专利技术RE-AZO薄膜晶体管底栅结构的剖面示意图；图4(a)～(d)依次为本专利技术RE-AZO薄膜晶体管顶栅结构制备方法的实施例的主要工艺步骤。上述图中1—衬底；2—缓冲保护层；3—源、漏电极；4—有源区；5—栅介质；6—栅电极。具体实施方式下面结合说明书附图，通过实例对本专利技术做进一步说明。需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本专利技术，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本专利技术及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本专利技术不应局限于实施例所公开的内容，本专利技术要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。本专利技术提供的是RE-AZO薄膜材料，薄膜为CAAC结构。采用溅射方法在硅、玻璃或柔性衬底表面形成，该半导体薄膜的锌元素、铝元素和稀土元素的摩尔百分比含量为：锌元素85％-98％，铝元素1％-10％，稀土元素1％-14％，稀土元素为Gd、Lu、Y和Sc中的至少一种。图1所示的薄膜晶体管包括源电极和漏电极、有源层、栅介质层以及栅电极。源、漏电极位于衬底之上，所述有源层位于衬底和源、漏电极之上，栅介质层位于有源层之上，栅电极位于栅介质层之上，此结构为顶栅TFT结构。图2所示的薄膜晶体管包括源漏电极、有源层(沟道区)、栅介质以及栅电极。首先制备的栅电极位于衬底之上，所述的栅介质层位于栅电极之上，有源层位于栅介质层之上,源、漏电极位于有源层之上，此结构为底栅TFT结构。本专利技术的CAACRE-AZO薄膜以稀土钆掺杂的氧化锌铝(Gd-AZO)为例，具体步骤：(1)硅衬底至于溅射设备托盘，试用高温胶带等固定硅沉底。(2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种C轴对称结晶氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于，采用磁控射频溅射工艺实现，具体为：溅射在室温下进行，采用硅、玻璃或柔性材料为衬底，溅射过程：首先将溅射设备背底气压抽至5×10

【技术特征摘要】
1.一种C轴对称结晶氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于，采用磁控射频溅射工艺实现，具体为：溅射在室温下进行，采用硅、玻璃或柔性材料为衬底，溅射过程：首先将溅射设备背底气压抽至5×10-4帕；然后向溅射设备先后通入氧气和氩气，氧气与氩气的比例范围为3～60％：97～40％，保持溅射设备气压在0.5-2帕；之后开启溅射台托盘转动按钮，保持托盘匀速旋转；接着开启射频电源预溅射1-10分钟；最后转动溅射靶材挡板，溅射10-30分钟，溅射完成，其中靶材中锌元素、铝元素和稀土元素的摩尔百分比含量为：锌元素85％-98％，铝元素1％-10％，稀土元素1％-14％，稀土元素为Gd、Lu、Y和Sc中的至少一种。2.一种如权利要求1所述的制备方法制备的C轴对称结晶半导体薄膜，其特征在于，该C轴对称结晶氧化物半导体薄膜中锌元素、铝元素和稀土元素的摩尔百分比含量为：锌元素85％-98％，铝元素1％-10％，稀土元素1％-14％，稀土元素为Gd、Lu、Y和Sc中的至少一种。3.如权利要求2所述C轴对称结晶半导体薄膜作为有源层材料的应用。4.一种顶栅结构的薄膜晶体管，包括衬底、源电极和漏电极、有源层、栅介质...

【专利技术属性】
技术研发人员：王漪，董俊辰，韩德栋，李慧津，郁文，罗真，梁艺，周孝斌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11