一种透明氧化物半导体薄膜及其晶体管的制备方法与流程

本领域涉及晶体管制备技术领域，尤其是一种半导体薄膜晶体管的制备方法。

背景技术：

透明氧化物半导体薄膜晶体管技术是近十年发展起来的，被认为是继非晶硅、多晶硅薄膜晶体管之后的新一代薄膜晶体管技术，可应用于很多电子领域，尤其是显示背板的像素驱动。现有技术中，透明氧化物半导体薄膜是采用真空沉积方法制备的。采用溶液法制备透明氧化物薄膜可以避免使用真空设备，实现大面积制造，进一步还可以采用印刷法形成图案化的薄膜，减少光刻步骤，具有低成本的优势。

为实现高性能的薄膜晶体管，溶液法、印刷法制备的透明氧化物半导体薄膜往往需要较高的温度(>400℃)，这样的高温阻碍了在塑料基底上制作柔性器件和电路，也超过了当前产业界制造显示背板常用的最高温度(350℃)。因此，采用溶液法，在较低温下获得高性能的透明氧化物薄膜及其晶体管，具有重要的意义。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明以金属硝酸盐溶液作为前驱体溶液，经溶液法沉积前驱体薄膜后，经过特定的热处理工艺将前驱体薄膜转化为氧化物薄膜。采用已知的透明氧化物薄膜晶体管结构和工艺，将该薄膜的制备植入整体工艺之中，形成可工作的晶体管。

本发明提供的透明氧化物半导体薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将金属硝酸盐溶液转移至一基底上，并在所述基底上固化后形成前驱体薄膜；

步骤二：将形成有所述前驱体薄膜的基底置于已升温至预设温度的热台上进行热处理；其中，所述热台温度不低于200℃，不高于所述前驱体薄膜的活化温度最大值；

步骤三：将经过所述步骤二处理后的所述前驱体薄膜置于马弗炉中退火活化；其中，控制升温速率不高于15℃/min，逐渐升温至所述活化温度最大值，保持所述活化温度最大值1～2小时，冷却后获得所述半导体薄膜。

进一步地，所述热处理温度为200～350℃；所述活化温度最大值为300～600℃。

进一步地，所述金属硝酸盐溶液是由硝酸锌、硝酸铟、硝酸镓中的一种或多种配成的物质的量浓度为0.05～0.2mol/L的溶液。进一步地，当所述金属硝酸盐溶液的溶剂为乙二醇甲醚时，所述金属硝酸盐溶液中还添加有乙醇胺，所述乙醇胺与所述金属硝酸盐溶液中金属元素的总物质的量之比为1:1。

本发明还提供一种晶体管的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将金属硝酸盐溶液转移至一基底上，并在所述基底上固化后形成前驱体薄膜；

步骤二：将形成有所述前驱体薄膜的基底置于已升至预设温度的热台上进行热处理；其中，所述热台温度不低于200℃，不高于所述前驱体薄膜的活化温度最大值；

步骤三：将经过所述步骤二处理后的前驱体薄膜置于马弗炉中退火活化；其中，控制升温速率不高于15℃/min，逐渐升温至所述活化温度最大值，保持所述活化温度最大值1～2小时，冷却后获得所述半导体薄膜；

步骤四：在所述半导体薄膜上蒸镀源极、漏极，形成晶体管。

进一步地，所述热处理温度为200～350℃；所述活化温度最大值为300～600℃。

进一步地，所述金属硝酸盐溶液是由硝酸锌、硝酸铟、硝酸镓中的一种或多种配成的物质的量浓度为0.05～0.2mol/L的溶液。进一步地，当所述金属硝酸盐溶液的溶剂为乙二醇甲醚时，所述金属硝酸盐溶液中还添加有乙醇胺，所述乙醇胺与所述金属硝酸盐溶液中金属元素的总物质的量之比为1:1。

有益效果：本发明使用常见的金属硝酸盐溶液和常规退火活化方式，通过引入优化的热处理工艺，提高了透明氧化物半导体薄膜及其晶体管的性能。该方法的优点至少有：(1)在350℃以下的热处理温度实现了溶液法制备InGaZnO组份的高性能晶体管；(2)原料廉价、易得、稳定、低毒、低腐蚀；(3)热处理采用常规加热设备，无须真空或特殊保护气氛。

附图说明

图1为本发明实施例1所获得晶体管结构示意图；

图2(a)(b)(c)分别为本发明实施例1(a)(b)(c)三组平行实验所获得的晶体管的转移曲线图；

图3为本发明实施例2(a)(b)(c)三组平行实验所获得的晶体管的饱和迁移率曲线图；

图4(a)(b)(c)(d)分别为本发明实施例3(a)(b)(c)三组平行实验以及对照实验所获得的晶体管的转移曲线图；

图5为本发明实施例4中5个不同活化温度的样品分别进行三组平行实验所获得的晶体管的饱和迁移率曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作详细说明。

本发明提供一种透明氧化物半导体薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将金属硝酸盐溶液转移至一基底上，并在所述基底上固化后形成前驱体薄膜。

具体地，首先需要配制总物质的量浓度为0.05～0.2mol/L金属硝酸盐溶液。其中，所述金属硝酸盐溶液可以由硝酸锌(Zn(NO₃)₂)、硝酸铟(In(NO₃)₃)、硝酸镓(Ga(NO₃)₃)中的一种或多种配成的，溶剂可以选择有机溶剂或水。若选择有机溶剂(例如乙二醇甲醚)时，为提高溶液的稳定性，还需要添加稳定剂(例如乙醇胺)。

对于不同类型的晶体管，金属硝酸盐溶液的组分可以作出调整，例如，一些实施例中，金属硝酸盐溶液还可以只包括一种金属硝酸盐(例如硝酸铟)；另一些实施例中，金属元素In:Ga:Zn的比例范围优选为3～6:1:2。然后，对所述基底进行前处理。

选择预先生长有300nm厚SiO₂绝缘层的重掺杂Si片进行超声清洗。必要时，还可以使用紫外光对基底做亲水处理。

最后，将配置好的金属硝酸盐溶液采用旋涂或喷墨印刷等方式转移至所述基底的SiO₂绝缘层上，使所述SiO₂绝缘层上沉积一层金属硝酸盐溶液。优选地，控制基底温度为20～60℃，待金属硝酸盐溶液暴露在外界环境下自行固化，时间一般不超过5小时，形成没有流动性的金属硝酸盐前驱体薄膜。沉积所述金属硝酸盐溶液之前，基底上存在或不存在用于构建晶体管的功能层均是可以的。

步骤二：将形成有所述前驱体薄膜的基底置于已加热至预设温度的热台上进行热处理；其中，所述热台温度不低于200℃，不高于所述前驱体薄膜活化温度最大值。

具体地，本发明的热处理设备是常规的加热装置，无需真空或特殊气体保护氛围。例如，由发热装置和热台组成即可，预先将所述热台加热至200℃或以上，将形成有所述前驱体薄膜的基底置于热台上进行热处理。这种热处理的特点是能将前驱体薄膜极快地加热到预设温度，有利于后续活化过程中薄膜性能的提高。热处理时间灵活控制，且性能优化的高低程度与热处理时间长度没有必然关系，一般使所述前驱体薄膜整体的温度达到设定的热台温度并保持1分钟以上即可。热处理温度一般需要高于200℃，且接近所述前驱体薄膜活化温度最大值为佳。

步骤三：将经过所述步骤二处理后的前驱体薄膜置于马弗炉中退火活化。具体地，经过所述步骤二处理后的前驱体薄膜冷却至室温，然后再放入处于室温状态下的马弗炉中进行活化。活化过程中，控制升温速率不高于15℃/min，逐渐升温至活化温度最大值，保持所述活化温度最大值1～2小时，自然冷却至室温后获得所述半导体薄膜。该活化温度最大值是本领域技术人员能够根据半导体薄膜的材质、性能以及晶体管的性质用途获得、并作出调整的。活化温度最大值影响到步骤二的热处理温度。

不同前驱体薄膜所需要的活化温度是不同的，且退火活化过程是低温至高温逐渐升温的过程，一直升温至活化温度最高值时保持一段时间才能完成活化。热处理温度的选择范围一般需要考虑活化温度的范围。出于节约能源与产品性能提升之间平衡考虑，优选控制热处理温度为200～350℃的范围内，既能确保产品性能达标，又可以降低处理温度。

步骤四：在所述半导体薄膜上沉积源极、漏极，形成晶体管。

具体地，采用掩膜板和真空蒸镀方法、或光刻工艺和磁控溅射方法，以所述半导体薄膜作为半导体沟道层，在所述半导体薄膜上形成铝或钼材质的源极、漏极，获得的晶体管结构如图1所示，即从下至上包括重掺杂Si衬底1、SiO₂绝缘层2、半导体薄膜3、源极和漏极4。其中，源极、漏极厚度优选为150～300nm，电极宽长比为15～20，沟道长度为50～70μm。

为了更直观展示本发明的优越性，本发明还引入对照实验。对照实验采用本发明申请的步骤一、步骤三和步骤四获得半导体薄膜及其晶体管，即对照实验中并没有步骤二的操作。

下面通过表1介绍实施例1～4、以及一对照实验说明本发明的优越性。为了探索热处理温度的优选范围，每个实施例的步骤二还设置了三个温度阶梯，进行平行实验。

表1 对照实验、实施例1～4的参数及其获得晶体管的性能参数

由表1可知，实施例1中针对热处理温度设置了(a)95℃、(b)185℃、(c)275℃三个阶梯进行三组平行实验。虽然实施例1的三种样品均在马弗炉中经过了同样的300℃活化处理，但是由于步骤二中热处理温度不同，导致所获得的产品性能也不同，图2中展示了(a)、(b)、(c)三组晶体管产品其饱和迁移率分别为(a)0.11cm²V^-1s^-1、(b)0.32cm²V^-1s^-1和(c)0.92cm²V^-1s^-1，图中电流是将宽长比归一化后的数值。由上可见，热处理温度最高(275℃)的一组所获得的晶体管迁移率是其余两组的三倍以上，具有明显更好的性能。

类似地，由表1可知，实施例2中针对热处理温度设置了(a)100℃、(b)200℃、(c)300℃三个阶梯进行三组平行实验。虽然实施例2的三种样品均在马弗炉中经过了同样的步骤三活化处理过程，但是由于步骤二中热处理温度不同，导致所获得的产品性能也不同。图3中展示了(a)、(b)、(c)三组晶体管产品其饱和迁移率分别为(a)1.9cm²V^-1s^-1、(b)6.1cm²V^-1s^-1和(c)9.1cm²V^-1s^-1，由上可见，热处理温度最高(300℃)的一组所获得的晶体管迁移率是远远高于其余两组，具有明显更好的性能。类似地，由表1可知，实施例3中针对热处理温度设置了(a)95℃、(b)185℃、(c)275℃三个阶梯进行三组平行实验，并引入了对照实验。实施例3的三种样品均在马弗炉中经过了同样的步骤三活化处理过程，但是由于步骤二中热处理温度不同，导致所获得的产品性能也不同。图4中展示了(a)、(b)、(c)三组晶体管产品其饱和迁移率分别为(a)0.97cm²V^-1s^-1、(b)1.42cm²V^-1s^-1和(c)3.51cm²V^-1s^-1，图中电流是将宽长比归一化后的数值。由上可见，热处理温度最高(275℃)的一组所获得的晶体管迁移率是远远高于其余两组，具有明显更好的性能。并且，通过对照实验可知，没有经过步骤二的热处理，所获得的晶体管饱和迁移率为0.19cm²V^-1s^-1，其性质远远低于实施例3的三组平行实验所得的产品。

表2 实施例4中不同条件下器件的迁移率(cm²/Vs)

类似地，结合表1、表2可知，实施例4中针对5个样品设置了5个不同的活化温度最大值(分别为300℃、350℃、400℃、500℃、600℃)，5个样品在热处理阶段均设置了100℃、200℃、300℃三个阶梯进行三组平行实验。虽然实施例4全部样品均在马弗炉中经过了同样的步骤三活化处理过程，但是由于步骤二中热处理温度不同，导致所获得的产品性能也不同。图5中展示了各种活化温度下晶体管产品其饱和迁移率曲线图。由图5可见，纵使各组样品活化温度最大值不同，但随着热处理温度升高，样品的性能均呈现提升的趋势，热处理温度最高(300℃)的一组所获得的晶体管迁移率是远远高于其余两组，具有明显更好的性能。

综上所述，本发明通过增加步骤二的热处理工艺，使前驱体薄膜在预先加热的热台上先受热一段时间，再进入活化阶段，能大大提高最终产品的性能。通过各个实施例的效果可以获知，综合产品性能及能源成本考虑，热处理阶段的预设温度控制在200～350℃的范围内效果最佳。