一种铟镓锌氧薄膜晶体管及其制备方法与流程

本发明属于显示技术领域，更具体的，涉及一种铟镓锌氧薄膜晶体管及其制备方法。

技术背景

薄膜晶体管液晶显示是继集成电路后的第二大电子产业，高分辨率、大尺寸是薄膜晶体管液晶显示技术的发展趋势。此外，一种新的显示装置有源矩阵发光二极管也正处于在快速发展中，有源矩阵发光二极管在不久的将来具有巨大的市场。然而，无论是薄膜晶体管液晶显示还是有源矩阵发光二极管，二者的发展都依赖于晶体管，需要晶体管具备更高的迁移率和开关比、更低的阈值电压和亚阈值斜率。

晶体管结构形态分为顶栅顶接触、顶栅底接触、底栅顶接触、底栅底接触四种，在这四种结构中，以底栅顶接触和顶栅顶结构这两种结构使用的较多。传统的底栅顶接触结构晶体管从下到上分别由栅极、衬底、绝缘层、沟道层、源、漏电极构成。非晶硅薄膜晶体管沟道层材料采用非晶硅薄膜，但由于非晶硅迁移率很低，导致该晶体管无法驱动高分辨率液晶显示。与传统的非晶硅晶体管相比，非晶铟镓锌氧薄膜晶体管(a-IGZO TFT)由于沟道层材料非晶铟镓锌氧(IGZO)薄膜的迁移率可以达到非晶硅薄膜的十倍甚至几十倍，所以a-IGZO TFT更有利于研发高分辨率的显示器。一般晶体管源、漏电极使用的是诸如铜、银或铝等导电性优良的金属材料，在a-IGZO TFT中，金属电极与沟道层非晶铟镓锌氧薄膜的接触导致金属原子容易被非晶铟镓锌氧薄膜中的氧原子氧化，尤其是随着非晶铟镓锌氧薄膜中的氧含量增大时，这种氧化现象更严重，会在金属电极与非晶铟镓锌氧薄膜的接触表面形成氧化物，从而增大金属电极与非晶铟镓锌氧薄膜的接触电阻，接触电阻越大，载流子的注入能力越弱，导致a-IGZO TFT器件的性能变差，尤其是阈值电压增加。

由于显示器技术的迅速发展，研发性能更优异的晶体管是非常迫切的，保证高迁移率、高开关比同时避免金属电极被氧化，具备低阈值电压的优异晶体管对显示器技术是非常有利的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具备高迁移率、高开关比、电极不被氧化、低阈值电压的铟镓锌氧薄膜晶体管及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种铟镓锌氧薄膜晶体管，该晶体管由下至上包括栅极、Si衬底、绝缘层、第一层铟镓锌氧沟道层、第二层铟镓锌氧沟道层、第二层铟镓锌氧沟道层上的两个电极；所述两个电极尺寸材料完全相同，电极间的沟道长度为20～100um，电极宽度为50～120um，电极由第一铂薄膜、金属薄膜、第二铂薄膜三层薄膜结构构成，第一铂薄膜厚度为20～30nm，金属薄膜采用金属铜或银或铝，厚度为120～150nm，第二铂薄膜厚度为20～30nm；所述栅极为导电薄膜；所述第一层铟镓锌氧沟道层为氧化铟，氧化镓掺杂氧化锌的铟镓锌氧薄膜，薄膜的原子比In：Ga：Zn：O＝1：1：1：6～7，薄膜厚度为90～140nm；所述第二层铟镓锌氧沟道层为氧化铟，氧化镓掺杂氧化锌的铟镓锌氧薄膜，薄膜的原子比In：Ga：Zn：O＝1：1：1：13～15，薄膜厚度为20～40nm。

上述晶体管的制备方法包括如下步骤：

1)在Si衬底上生长一层导电薄膜，构成栅极；

2)在经过步骤1)处理的衬底的另一面生长一层绝缘层；

3)在绝缘层上生长第一层铟镓锌氧薄膜：在室温下采用射频磁控溅射，溅射时通入的气体为氩气和氧气的混合气体，氩气和氧气的摩尔比为100～95：0～5，溅射铟镓锌氧薄膜的厚度为90～140nm；

4)在第一层铟镓锌氧薄膜上生长第二层铟镓锌氧薄膜：在室温下采用射频磁控溅射，溅射时通入的气体为氩气和氧气的混合气体，氩气和氧气的摩尔比为75～65：25～35，溅射铟镓锌氧薄膜的厚度为20～40nm；

5)将经过步骤4)镀膜后的样品放入热处理设备中，在空气氛围下进行热处理，温度从室温按2℃-10℃/min的升温速率升至300℃～450℃，保温50分钟后随炉冷却；

6)将经过步骤5)热处理后的样品进行光刻，在第二层铟镓锌氧薄膜上制得一层光刻胶膜，光刻胶膜上具有两个图形相同位置不同的空隙，胶膜厚度为0.5～1um，两空隙间的间距为20～100um，空隙宽度为50～120um；

7)将经步骤6)光刻后的样品，通过镀膜方法在胶膜上镀一层厚度为20～30nm的铂薄膜；然后再镀一层厚度为120～150nm的金属薄膜，金属薄膜材料为铜或银或铝；最后镀一层厚度为20～30nm的铂薄膜，镀膜完成后，将样品置于丙酮溶液中洗去光刻胶膜，得到目标晶体管。

本发明的有益效果是：

本发明通过控制溅射的氩氧比制备两层含氧量不同铟镓锌氧薄膜作为晶体管的两层沟道层，提高开态电流，降低关态电流，从而提高开关比，保证沟道层的迁移率，采用三层金属薄膜电极结构以铂作为电极最底层和最顶层分别与沟道层和空气接触，进一步避免电极氧化，电极三层结构的中间层采用铜或银或铝等电导率高的金属，保证了电极的性能。本发明提出的晶体管具备高迁移率、高开关比、金属电极不被氧化、低阈值电压等优异性能。

附图说明

图1为铟镓锌氧薄膜晶体管的结构示意图；

图2为本发明提供的铟镓锌氧薄膜晶体管与传统铟镓锌氧薄膜晶体管的转移曲线对比图。

其中，附图标记：1：栅极；2：Si衬底；3：绝缘层；4：第一层铟镓锌氧沟道层；5：第二层铟镓锌氧沟道层；6：第一铂薄膜；7：铜薄膜；8：第二铂薄膜；L：电极间的沟道长度；W：电极宽度。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的铟镓锌氧薄膜晶体管由下至上包括栅极1、Si衬底2、绝缘层3、第一层铟镓锌氧沟道层4、第二层铟镓锌氧沟道层5、第二层铟镓锌氧沟道层5上的两个电极；所述两个电极尺寸材料完全相同，电极间的沟道长度L为100um，电极宽度W为100um，长度为100um，电极由第一铂薄膜6，铜薄膜7，第二铂薄膜8三层薄膜结构构成，铂薄膜6厚度为22nm，铜薄膜7厚度为135nm，铂薄膜8厚度为22nm；所述栅极1为金属铝薄膜，所述第一层铟镓锌氧沟道层4为氧化铟，氧化镓掺杂氧化锌的铟镓锌氧薄膜，薄膜的原子比In：Ga：Zn：O＝1：1：1：7，薄膜厚度为112nm；所述第二层铟镓锌氧沟道层5为氧化铟，氧化镓掺杂氧化锌的铟镓锌氧薄膜，薄膜的原子比In：Ga：Zn：O＝1：1：1：13薄膜厚度为28nm。

本实施例的铟镓锌氧薄膜晶体管制备方法具体包括如下步骤：

1)本实施例中使用的是表面已制备好一层二氧化硅的Si(100)基片，二氧化硅厚度为300nm，Si作为衬底，二氧化硅作为绝缘层，采用真空蒸发镀膜法在Si基片的另一面(不具有二氧化硅层)镀一层铝薄膜，真空度为2.7×10^-3Pa，蒸镀时间为14s，厚度为200nm；

2)室温下采用射频磁控溅射法在绝缘层上镀第一层铟镓锌氧沟道层，使用靶材为IGZO靶材，靶材中原子比In：Ga：Zn＝1：1：1；溅射背景真空为3.6×10^-3Pa，溅射功率为50W，溅射时通入的气体为氩气和氧气的混合气体，氩气氧气摩尔比为95：5，溅射气压为0.42Pa，溅射时间为30分钟，厚度为112nm；

3)室温下采用射频磁控溅射法在第一层铟镓锌氧沟道层镀第二层铟镓锌氧沟道层，使用靶材为IGZO靶材，靶材中原子比In：Ga：Zn＝1：1：1；溅射背景真空为3.6×10^-3Pa，溅射功率为50W，溅射时通入的气体为氩气和氧气的混合气体，氩气氧气摩尔比为75：25，溅射气压为0.4Pa，溅射时间为10分钟，厚度为28nm；

4)将经过步骤3)制备好第二层铟镓锌氧沟道层的样品放入高温管式炉中，在空气环境中进行热处理，温度从室温按5℃/min的升温速率升至300℃，保温50分钟后随炉冷却；

5)将热处理后的样品进行光刻，在第二层铟镓锌氧薄膜上制得一层光刻胶膜，光刻胶膜上具有两个正方形空隙，光刻使用的光刻胶为负胶AZ5214，胶膜厚度为0.7um，空隙间的间距长度为100um，空隙的宽度长度均为100um；

6)将步骤5)光刻后的样品，通过直流磁控溅射在胶膜上镀一层铂薄膜，背景真空为5×10^-5Pa，溅射功率为50W，通入氩气，溅射气压为8.6×10^-2Pa，溅射时间为2.5分钟，铂薄膜厚度为22nm；再通过射频磁控溅射镀一层铜薄膜，背景真空为3.6×10^-3Pa，功率为50W，通入氩气，溅射气压为4.2Pa，溅射时间为13分钟，铜薄膜厚度为135nm；再通过直流磁控溅射镀一层铂薄膜，背景真空为5×10^-5Pa，溅射功率为50W，通入氩气，溅射气压为8.6×10^-2Pa，溅射时间为2.5分钟，铂薄膜厚度为22nm；镀膜完成后，将样品置于丙酮溶液中洗去光刻胶膜，得到目标晶体管。

经测试实施例1制备的晶体管与单沟道层的铟镓锌氧薄膜晶体管相比，实施例1所制备的薄膜晶体管的关态电流降低了一个数量级，开态电流提高了一个数量级，开关比提高了100倍，迁移率从3.53cm²/V.s大幅度提高到了15.32cm²/V.s，阈值电压从12.7V降低为6.3V，亚阈值斜率从2.94V/dec降低到1.43V/dec。在源、漏电极与富氧沟道层间引入铂金属薄膜作为过渡层，源、漏电极采用多层结构，进一步有效地降低了铟镓锌氧薄膜晶体管的阈值电压，阈值电压降为2.5V，同时也降低了关态电流，迁移率也进一步得到提高，提高为18.74cm²/V.s，亚阈值斜率降低为0.96V/dec。