[發明專利]一種氧化鎂鈦高介電常數薄膜及其制備方法和應用

無效

• 申請號: 201310420583.9
• 申請日: 2013-09-16
• 公開（公告）號: CN103489766A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 浦海峰;張群
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L21/28
• 分類號: H01L21/28;H01L21/288;H01L29/51;H01L29/786
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于氧化物介質層薄膜技術領域，具體涉及一種氧化鎂鈦高介電常數薄膜及其制備方法，以及該氧化鎂鈦作為柵介質材料在薄膜晶體管中的應用。

背景技術

薄膜晶體管（Thin?Film?Transistor:?TFT）是一種場效應晶體管（Field?Effect?Transistor:?FET），由半導體有源層即溝道層、介質層即絕緣層、柵電極、源電極和漏電極構成。作為電子開關廣泛應用于液晶顯示器件（Liquid?Crystal?Displays:?LCD）和有源矩陣有機發光二極管顯示器（Active?Matrix?Organic?Light?Emitting?Diode:?AMOLED）。薄膜晶體管技術已經成為平板顯示（FPD）的象征性技術，當前的制備技術已經可以在對角線數米（m）長的基板上制備幾千萬個數微米（μm）大小的TFT陣列。

隨著顯示技術的不斷進步，人們對顯示器件提出了更苛刻的要求，高分辨率、大尺寸、低功耗。而隨著顯示器分辨率的不斷提高，所用驅動的晶體管密度也在不斷加大，必然導致功耗的上升。隨之出現的還有由于薄膜晶體管尺寸縮小柵介質層厚度變薄引起的漏電問題。目前最長采用的柵介質層材料為SiO₂，其具有相當優異的界面性能及透明性。但是由于其自身的介電常數較低，耦合的電容較小，器件需要較大的電壓驅動。采用高介電常數（high-k）材料替代傳統的SiO₂是最有可能解決上述問題的途徑。High-k材料，因其很高的介電常數，可以有效的降低薄膜晶體管的驅動電壓，而且在器件尺寸縮小時，還可以有效的抑制上電極的漏電，從而降低器件功耗，提高器件的穩定性。

在眾多的high-k材料中，氧化鎂由于具有7.3?eV的禁帶寬度，優良的界面性能，出色的漏電流密度，受到廣泛的關注。然而，美中不足的是與其他常見的high-k材料相比，氧化鎂的介電常數較低（~?9.6）。而二氧化鈦是另一種常見的high-k材料，其介電常數高達100以上，而且具有無毒無污染的特點。二氧化鈦因其較窄的禁帶寬度（3.0?-?3.2?eV），雖具有極高的介電常數，卻并不適合作為介質層材料。

?隨著顯示技術的發展，面板的尺寸越來越大，工藝線寬越來越低，隨之而來的就是呈幾何級數增長的生產成本。高昂的真空設備及運轉成本幾乎成了制約氧化物TFT在大尺寸平板顯示領域發展的障礙。而溶膠凝膠法在這方面具有天然的優勢，溶膠凝膠法是利用有機溶劑或水溶解相應的金屬鹽類，在一定的溫度條件下攪拌形成穩定的溶膠，并利用旋轉涂覆、噴墨打印、提拉、噴霧熱解等方法，沉積氧化物薄膜。與傳統的物理氣相沉積（Physical?Vapor?Deposition，?PVD）及化學氣相沉積（Chemical?Vapor?Deposition,?CVD）相比，溶液法無需昂貴的真空設備和靶材；通過前驅體溶液中各組分的配比，可有效控制制備薄膜的組分；制備的薄膜具有可與PVD/CVD相比擬的平整度等優點。

2007年，Giovanni等人報道了利用Metal?Organic?Chemical?Vapor?Deposition?(MOCVD)方法制備的氧化鎂鈦薄膜，但并未涉及薄膜的光學及電學性能。本發明提出氧化鎂鈦前驅體的配制方法及薄膜的制備方法，獲得了表面平整、光學和電學性能優良的氧化鎂鈦薄膜，并將其應用到IZO薄膜晶體管中，獲得了良好的器件性能。

發明內容

本發明的目的在于提出了一種工藝簡單、成本較低的氧化鎂鈦薄膜的制備方法，包括前驅體的配制，及薄膜的制備。

本發明提供的氧化鎂鈦薄膜的制備方法，采用溶膠凝膠法，具體步驟如下：

（1）配制鎂鈦前驅體溶液

以乙二醇單甲醚為溶劑，將乙醇鎂Mg(OC₂H₅)₂溶解其中，經0.2?-?2.0小時攪拌形成澄清溶液；再將鈦酸四丁酯Ti(C₄H₉O)₄溶解其中，經0.2?-?1.0小時攪拌至澄清溶液；然后向其中加入質量濃度為38%的濃鹽酸，并進行振蕩，形成澄清穩定的前驅體溶液，然后靜置45?-?60小時，形成鎂鈦溶膠；其中乙二醇單甲醚與濃鹽酸的體積比為9:1?-?10:3，溶液中Mg離子、Ti離子的摩爾比為0.9:0.1?-?0.1:0.9，Mg離子摩爾濃度為0.1?-?1.5?M；

（2）制備氧化鎂鈦薄膜