一种非晶InGaZnO异质结薄膜晶体管及其制备方法
一种非晶ingazno异质结薄膜晶体管及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种非晶ingazno异质结薄膜晶体管及其制备方法，属于半导体技术领域。
背景技术：
2.薄膜晶体管(thin-film transistor，tft)在显示、成像、人工突触、集成电路等领域具有巨大的应用价值。相比非晶硅tft迁移率低、关态电流高，低温多晶硅tft成本高、均匀性差、工艺温度较高(～500℃)因而难以柔性制备且关态电流高，非晶铟镓锌氧化物(a-ingazno,a-igzo)tft工艺简单、成本低、可大面积均匀成膜、关态电流低(较非晶硅、低温多晶硅tft低1-3数量级)因而静态功耗低，因而在显示领域具有极好的应用价值。目前，a-igzo tft技术已被成功应用在部分高端显示器的背板驱动中。然而，a-igzo tft还存在迁移率偏低(～10cm-2
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)和偏压稳定性差等问题，从而一定程度上限制了其在高刷新率、高清(如8k)高保真度显示器领域的应用。
3.为了提高a-igzo tft的迁移率和偏压稳定性，近年来研究人员尝试了多种方案，比较有效的一种方案是引入叠层沟道结构。2018年，minuk lee等人利用溶液旋涂法在igzo沟道层与栅介质层之间插入一层高迁移率的铟锡锌氧(insnzno,itzo)，使tft迁移率从1.34cm-2
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(igzo tft)提升到20.24cm-2
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(itzo/igzo tft)[m.lee,j.w.jo,y.j.kim,s.choi,s.m.kwon,s.p.jeon,a.facchetti,y.h.kim,s.k.park.adv.mater.1804120(2018).]。但该器件的制备温度较高(450℃)，限制了该技术在柔性显示和薄膜电子领域的应用。另外，中国专利文献cn109585567a公开了高性能铟镓锌氧(igzo)基双层结构薄膜晶体管及其制备方法，该器件采用溅射igzo/溅射氧化铟(in2o3)双层沟道，降低了前沟道表面的缺陷，提高了器件迁移率。然而，上述所报导的利用叠层沟道提升igzo基tft迁移率的方法都是引入含in的高迁移率氧化物，in作为一种稀有贵金属，所制备的化合物成本高，不利于低成本产业中的应用。
[0004]
中国专利文献cn209747522u公开了一种双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体管，该器件采用溶液燃烧法制备了氧化锌(zno)或in2o3双层沟道，双层沟道层之间形成的二维电子气提升了器件迁移率(30cm-2
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)，但该器件的关态电流较高(～107)，不利于电路设计和功耗。
[0005]
因此，制备高迁移率、低关态电流的氧化物tft，在高刷新率、高清(如8k)高保真度显示器等领域具有很好的应用价值。
技术实现要素：
[0006]
针对现有技术的不足，本发明提供了一种非晶ingazno异质结薄膜晶体管；
[0007]
本发明通过引入非晶a-igzo/ga2o3异质结，既显著提升了器件的迁移率和偏压稳定性，又保证了较低的关态电流。该a-igzo/ga2o3异质结薄膜晶体管制备工艺简单、成本低、大面积均匀性好且制备温度较低(170℃)，因而在柔性显示与薄膜电子领域具备很好的应
用价值。
[0008]
本发明还提供了上述非晶ingazno异质结薄膜晶体管的制备方法。
[0009]
术语解释：
[0010]
1、igzo，ingazno，为铟镓锌氧化物；
[0011]
2、ga2o3，为氧化镓；
[0012]
3、室温，室温也称为常温或者一般温度，一般定义为25℃。有时会设为300k(约27℃),以利于使用绝对温度的计算。
[0013]
4、纯ar，纯氩气；
[0014]
5、ald，atomic layer deposition，原子层沉积，是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。
[0015]
本发明的技术方案为：
[0016]
一种非晶ingazno异质结薄膜晶体管，包括由下自上依次生长的栅电极、介质层、a-igzo前沟道层、源电极和漏电极、a-ga2o3背沟道层。
[0017]
根据本发明优选的，所述栅电极为ti、au、pt、al金属以及ito、重掺杂si中的一种；所述介质层为sio2、al2o3、hfo2中的一种；所述源电极和漏电极均为金属电极。
[0018]
进一步优选的，所述栅电极为p型重掺杂si。
[0019]
根据本发明优选的，所述介质层的厚度为50-300nm；所述a-igzo前沟道层的厚度为5-30nm；所述a-ga2o3背沟道层的厚度为5-50nm。
[0020]
进一步优选的，所述介质层的厚度为100nm；所述a-igzo前沟道层的厚度为9nm；所述a-ga2o3背沟道层的厚度为10nm。
[0021]
上述非晶ingazno异质结薄膜晶体管的制备方法，包括：
[0022]
在衬底上生长栅电极，其上加载介质层；
[0023]
使用射频磁控溅射法在介质层上溅射沉积a-igzo薄膜，形成a-igzo前沟道层；
[0024]
在a-igzo前沟道层上生长金属，形成源电极和漏电极；
[0025]
使用射频磁控溅射法溅射沉积生长a-ga2o3薄膜，形成a-ga2o3背沟道层，既得。
[0026]
根据本发明优选的，使用射频磁控溅射法在衬底上溅射沉积a-igzo薄膜，形成a-igzo前沟道层，射频磁控溅射中的工艺参数如下：
[0027]
靶材为igzo陶瓷靶；
[0028]
溅射功率为50-120w；
[0029]
工作气压为2.5-5mtorr；
[0030]
气体流速为10-30sccm；
[0031]
衬底温度为25-100℃；
[0032]
生长氛围为体积分数为0-2.5％o2含量的氩氧混合气；
[0033]
溅射时间为1分20秒-7分54秒。
[0034]
进一步优选的，使用射频磁控溅射法在衬底上溅射沉积a-igzo薄膜，形成a-igzo前沟道层，射频磁控溅射中的工艺参数如下：
[0035]
溅射功率为90w；
[0036]
工作气压为4.1mtorr；
[0037]
气体流速为20sccm；
[0038]
衬底温度为室温；
[0039]
生长氛围为体积分数为2％o2含量的氩氧混合气体；
[0040]
溅射时间为2分22秒。
[0041]
根据本发明优选的，使用射频磁控溅射法溅射沉积生长a-ga2o3薄膜，形成a-ga2o3背沟道层；射频磁控溅射中的工艺参数如下：
[0042]
靶材为ga2o3陶瓷靶；
[0043]
溅射功率为50-120w；
[0044]
工作气压为2.5-5mtorr；
[0045]
气体流速为10-30sccm；
[0046]
衬底温度为25-300℃；
[0047]
生长氛围为纯ar；
[0048]
溅射时间为2分5秒-20分30秒。
[0049]
进一步优选的，使用射频磁控溅射法溅射沉积生长a-ga2o3薄膜，形成a-ga2o3背沟道层；射频磁控溅射中的工艺参数如下：
[0050]
溅射功率为90w；
[0051]
工作气压为4.1mtorr；
[0052]
气体流速为20sccm；
[0053]
衬底温度为室温；
[0054]
溅射时间为4分6秒。
[0055]
根据本发明优选的，形成a-ga2o3背沟道层之后执行如下操作，包括：空气环境下，在50-300℃条件下退火30-120分钟。
[0056]
进一步优选的，形成a-ga2o3背沟道层之后执行如下操作，包括：在170℃条件下退火60分钟。
[0057]
根据本发明优选的，对衬底进行抛光并进行清洗。
[0058]
进一步优选的，对衬底进行清洗，包括：依次使用迪康清洗剂、去离子水、异丙醇、乙醇超声清洗，吹干之后备用。
[0059]
根据本发明优选的，在a-igzo前沟道层上生长金属，形成源电极和漏电极，包括：使用电子束蒸发镀膜的方式生长20nm的ti和30nm的au，作源电极和漏电极。
[0060]
本发明的有益效果为：
[0061]
1、本发明非晶ingazno异质结薄膜晶体管，通过引入非晶a-igzo/ga2o3异质结，既显著提升了器件的迁移率和稳定性，又保证了较低的关态电流。
[0062]
2、本发明非晶ingazno异质结薄膜晶体管，通过对能带的分析，性能的提升主要由于在igzo/ga2o3异质结界面处形成的聚集载流子的势阱。
[0063]
3、本发明的非晶ingazno异质结薄膜晶体管，减轻了对金属in的依赖，降低制备成本。
[0064]
4、本发明的非晶ingazno异质结薄膜晶体管，制备工艺简单、成本低、大面积均匀性好且制备温度较低(170℃)，因而，在柔性显示与薄膜电子领域具备很好的应用价值。
附图说明
[0065]
图1为本发明非晶ingazno异质结薄膜晶体管结构示意图；
[0066]
图2为本发明方法制备的a-igzo和a-ga2o3形成异质结后的能级图；
[0067]
图3为本发明方法制备的在si/sio2上溅射的igzo和ga2o3的x射线衍射(xrd)谱图；
[0068]
图4为本发明方法制得的a-igzo单沟道tft、a-ga2o3单沟道tft、a-igzo/ga2o3异质结tft的转移特性曲线；
[0069]
图5为本发明方法制得的a-igzo单沟道tft在20v栅偏压(vg)下持续3000s转移特性曲线的变化。
[0070]
图6为本发明方法制得的a-igzo/ga2o3异质结tft在20v栅偏压(vg)下持续3000s转移特性曲线的变化。
[0071]
1、栅电极，2、介质层，3、a-igzo前沟道层，4、源电极，5、漏电极，6、a-ga2o3背沟道层。
具体实施方式
[0072]
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
[0073]
实施例1
[0074]
一种非晶ingazno异质结薄膜晶体管，如图1所示，包括由下自上依次生长的栅电极1、介质层2、a-igzo前沟道层3、源电极4、漏电极5、a-ga2o3背沟道层6。
[0075]
栅电极1为ti、au、pt、al金属以及ito、重掺杂si中的一种；介质层2为sio2、al2o3、hfo2中的一种；其中，sio2由热氧化、ald制备，厚度为50-300nm；al2o3由ald制备，厚度为10-100nm；hfo2由ald制备，厚度为10-100nm。源电极4和漏电极5均为金属电极。
[0076]
介质层2的厚度为50-300nm；igzo前沟道层3的厚度为5-30nm；ga2o3背沟道层6的厚度为5-50nm。通过对薄膜厚度优化，降低薄膜中杂质散射和缺陷对电荷的捕获，获得最佳电学性能。每一层膜层表面粗糙度近原子级别，有利于良好异质结的形成。
[0077]
实施例2
[0078]
根据实施例1所述的一种非晶ingazno异质结薄膜晶体管，其区别在于：
[0079]
栅电极1为p型重掺杂si；介质层2为sio2；介质层2的厚度为100nm；a-igzo前沟道层3的厚度为9nm；a-ga2o3背沟道层6的厚度为10nm。
[0080]
实施例3
[0081]
实施例1或2所述的一种非晶ingazno异质结薄膜晶体管的制备方法，包括：
[0082]
在衬底上生长栅电极1，其上加载介质层2；
[0083]
使用射频磁控溅射法在介质层2上溅射沉积a-igzo薄膜，形成a-igzo前沟道层3；
[0084]
在a-igzo前沟道层3上生长金属，形成源电极4和漏电极5；
[0085]
使用射频磁控溅射法溅射沉积生长a-ga2o3薄膜，形成a-ga2o3背沟道层6，既得。
[0086]
使用射频磁控溅射法在衬底上溅射沉积a-igzo薄膜，形成a-igzo前沟道层3，射频磁控溅射中的工艺参数如下：
[0087]
靶材为igzo陶瓷靶；
[0088]
溅射功率为50-120w；
[0089]
工作气压为2.5-5mtorr；
[0090]
气体流速为10-30sccm；
[0091]
衬底温度为25-100℃；
[0092]
生长氛围为体积分数为0-2.5％o2含量的氩氧混合气；
[0093]
溅射时间为1分20秒-7分54秒。
[0094]
射频磁控溅射法可以制备与靶材组分相近、致密、均一性良好的半导体薄膜材料，并且可以大面积低成本沉积，有利于非晶ingazno异质结薄膜晶体管的制备。合适的生长条件有效获得了表面平整均匀的a-igzo薄膜，易于形成良好的异质结。
[0095]
使用射频磁控溅射法溅射沉积生长a-ga2o3薄膜，形成a-ga2o3背沟道层6；射频磁控溅射中的工艺参数如下：
[0096]
靶材为ga2o3陶瓷靶；
[0097]
溅射功率为50-120w；
[0098]
工作气压为2.5-5mtorr；
[0099]
气体流速为10-30sccm；
[0100]
衬底温度为25-300℃；
[0101]
生长氛围为纯ar；
[0102]
溅射时间为2分5秒-20分30秒。
[0103]
形成a-ga2o3背沟道层6之后执行如下操作，包括：空气环境下，使用加热台在50-300℃条件下退火30-120分钟。
[0104]
对衬底进行抛光并进行清洗。
[0105]
在a-igzo前沟道层3上生长金属，形成源电极4和漏电极5，包括：使用电子束蒸发镀膜的方式生长20nm的ti和30nm的au，作源电极4和漏电极5。与igzo形成良好的欧姆接触，作为a-igzo/ga2o3异质结tft的源电极4、漏电极5。
[0106]
实施例4
[0107]
根据实施例3所述的一种非晶ingazno异质结薄膜晶体管的制备方法，其区别在于：
[0108]
使用射频磁控溅射法在衬底上溅射沉积a-igzo薄膜，形成a-igzo前沟道层3，射频磁控溅射中的工艺参数如下：
[0109]
溅射功率为90w；
[0110]
工作气压为4.1mtorr；
[0111]
气体流速为20sccm；
[0112]
衬底温度为室温；
[0113]
生长氛围为体积分数为2％o2含量的氩氧混合气体；
[0114]
溅射时间为2分22秒。
[0115]
合适的生长条件有效获得了表面平整均匀的a-igzo薄膜，易于形成良好的异质结。
[0116]
使用射频磁控溅射法溅射沉积生长a-ga2o3薄膜，形成a-ga2o3背沟道层6；射频磁控溅射中的工艺参数如下：
[0117]
溅射功率为90w；
[0118]
工作气压为4.1mtorr；
[0119]
气体流速为20sccm；
[0120]
衬底温度为室温；
[0121]
溅射时间为4分6秒。
[0122]
形成a-ga2o3背沟道层6之后执行如下操作，包括：在170℃条件下退火60分钟。
[0123]
对衬底进行清洗，包括：依次使用迪康清洗剂(decon)、去离子水、异丙醇、乙醇超声清洗5分钟，氮气吹干之后备用。
[0124]
图2为制得的a-igzo和a-ga2o3形成异质结后的能级图。由于a-igzo的费米能级ef，
igzo
比a-ga2o3的费米能级ef，
ga2o3
低，a-igzo的导带底ec，
igzo
比a-ga2o3的导带底ec，
ga2o3
低。当a-igzo/ga2o3异质结形成时，为了保持热平衡，电子从a-ga2o3转移到a-igzo，导致费米能级ef对齐，使得a-igzo界面处的能带向下弯曲，a-ga2o3能带向上弯曲。由于能带的弯曲，电子被限制在a-igzo/ga2o3界面a-igzo一侧的势阱中，形成准二维电子气。电子的带状传输可消除输运过程中离子杂质对电子的散射效应，提高器件迁移率。因此，a-igzo异质结薄膜晶体管克服了现有a-igzo tft迁移率低的缺陷，为实现高性能、大面积薄膜晶体管提供了一种可靠的途径。
[0125]
图3为制得的在si/sio2上溅射的igzo、ga2o3的x射线衍射(xrd)谱图，其中，igzo和ga2o3的xrd曲线中，除了si/sio2的衍射峰，没出现其他峰，说明igzo和ga2o3为非晶。
[0126]
图4为制得的a-igzo单沟道tft、a-ga2o3单沟道tft和a-igzo/ga2o3异质结tft的转移特性曲线，其中，id为源漏电流，vg为栅电压，vd为源漏电压。未退火的a-igzo/ga2o3异质结tft迁移率为22.2cm
2 v-1
s-1
、开态电流为0.97μa μm-1
，比a-igzo单沟道tft和a-ga2o3单沟道tft高出7个数量级。退火后的a-igzo/ga2o3异质结tft迁移率为15.8cm
2 v-1
s-1
、开态电流为0.21μa μm-1
、开关电流比为1.2
×
107。
[0127]
图5为制得的a-igzo(19nm)tft在20v栅偏压(vg)下持续3000s转移特性曲线的变化，阈值电压(v
th
)正偏移为2.8v。
[0128]
图6为制得的a-igzo/ga2o3异质结tft在20v栅偏压(vg)下持续3000s转移特性曲线的变化，阈值电压(v
th
)正偏移为1.9v。
[0129]
从图5和图6的阈值电压偏移对比中可以发现，a-ga2o3通过悬挂键补偿和隔离环境水分和氧气，可以钝化a-igzo后沟道表面，使得偏压稳定性增加。
[0130]
对磁控溅射a-igzo与a-ga2o3电学性能进行检测、分析和表征；
[0131]
用agilent b2902a半导体分析仪对非晶ingazno异质结薄膜晶体管进行电学性能测试。
[0132]
表1为制得的非晶ingazno异质结薄膜晶体管的基本性能参数。
[0133]
表1
[0134]
技术特征：
1.一种非晶ingazno异质结薄膜晶体管，其特征在于，包括由下自上依次生长的栅电极、介质层、a-igzo前沟道层、源电极和漏电极、a-ga2o3背沟道层。2.根据权利要求1所述的一种非晶ingazno异质结薄膜晶体管，其特征在于，所述栅电极为ti、au、pt、al金属以及ito、重掺杂si中的一种；所述介质层为sio2、al2o3、hfo2中的一种；所述源电极和漏电极均为金属电极；进一步优选的，所述栅电极为p型重掺杂si。3.根据权利要求1所述的一种非晶ingazno异质结薄膜晶体管，其特征在于，所述介质层的厚度为50-300nm；所述a-igzo前沟道层的厚度为5-30nm；所述a-ga2o3背沟道层的厚度为5-50nm。4.根据权利要求1所述的一种非晶ingazno异质结薄膜晶体管，其特征在于，所述介质层的厚度为100nm；所述a-igzo前沟道层的厚度为9nm；所述a-ga2o3背沟道层的厚度为10nm。5.权利要求1-4任一所述的非晶ingazno异质结薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括：在衬底上生长栅电极，其上加载介质层；使用射频磁控溅射法在介质层上溅射沉积a-igzo薄膜，形成a-igzo前沟道层；在igzo前沟道层上生长金属，形成源电极和漏电极；使用射频磁控溅射法溅射沉积生长a-ga2o3薄膜，形成a-ga2o3背沟道层，既得。6.根据权利要求5所述的非晶ingazno异质结薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，使用射频磁控溅射法在衬底上溅射沉积a-igzo薄膜，形成a-igzo前沟道层，射频磁控溅射中的工艺参数如下：靶材为igzo陶瓷靶；溅射功率为50-120w；工作气压为2.5-5mtorr；气体流速为10-30sccm；衬底温度为25-100℃；生长氛围为体积分数为0-2.5％o2含量的氩氧混合气；溅射时间为1分20秒-7分54秒；进一步优选的，使用射频磁控溅射法在衬底上溅射沉积a-igzo薄膜，形成a-igzo前沟道层，射频磁控溅射中的工艺参数如下：溅射功率为90w；工作气压为4.1mtorr；气体流速为20sccm；衬底温度为室温；生长氛围为体积分数为2％o2含量的氩氧混合气体；溅射时间为2分22秒。7.根据权利要求5所述的非晶ingazno异质结薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，使用射频磁控溅射法溅射沉积生长a-ga2o3薄膜，形成a-ga2o3背沟道层；射频磁控溅射中的工艺参数如下：靶材为ga2o3陶瓷靶；
溅射功率为50-120w；工作气压为2.5-5mtorr；气体流速为10-30sccm；衬底温度为25-300℃；生长氛围为纯ar；溅射时间为2分5秒-20分30秒；进一步优选的，使用射频磁控溅射法溅射沉积生长a-ga2o3薄膜，形成a-ga2o3背沟道层；射频磁控溅射中的工艺参数如下：溅射功率为90w；工作气压为4.1mtorr；气体流速为20sccm；衬底温度为室温；溅射时间为4分6秒。8.根据权利要求5所述的非晶ingazno异质结薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，形成a-ga2o3背沟道层之后执行如下操作，包括：空气环境下，在50-300℃条件下退火30-120分钟。进一步优选的，形成a-ga2o3背沟道层之后执行如下操作，包括：在170℃条件下退火60分钟。9.根据权利要求5所述的非晶ingazno异质结薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，对衬底进行抛光并进行清洗。进一步优选的，对衬底进行清洗，包括：依次使用迪康清洗剂、去离子水、异丙醇、乙醇超声清洗，吹干之后备用。10.根据权利要求5-9任一所述的非晶ingazno异质结薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在a-igzo前沟道层上生长金属，形成源电极和漏电极，包括：使用电子束蒸发镀膜的方式生长20nm的ti和30nm的au，作源电极和漏电极。
技术总结
本发明涉及一种非晶InGaZnO异质结薄膜晶体管及其制备方法，包括由下自上依次生长的栅电极、介质层、InGaZnO前沟道层、源电极、漏电极、Ga2O3背沟道层。本发明通过引入非晶IGZO/Ga2O3异质结，既显著提升了器件的迁移率和偏压稳定性，又保证了较低的关态电流。该非晶InGaZnO异质结薄膜晶体管制备工艺简单、成本低、大面积均匀性好且制备温度较低(170℃)，因而在柔性显示与薄膜电子领域具备很好的应用价值。价值。价值。
