[發明專利]一種非晶氧化物半導體薄膜及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201410335665.8
• 申請日: 2014-07-15
• 公開（公告）號: CN104078513A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 呂建國;孫汝杰;江慶軍;閆偉超;馮麗莎;葉志鎮
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L29/786
• 分類號: H01L29/786;H01L29/26;H01L21/02;C23C14/34;C23C14/08
• 代理公司: 杭州宇信知識產權代理事務所(普通合伙) 33231
• 代理人: 張宇娟

技術領域

本發明涉及一種非晶氧化物半導體薄膜及其制備方法以及作為溝道層在薄膜晶體管（TFT）中的應用。

背景技術

當下電子產品更新換代迅速，對顯示技術提出了更高的要求。透明顯示、大尺寸、柔性顯示是技術發展的必然趨勢。作為平面顯示驅動電路的控制單元，性能優異的薄膜場效應晶體管（TFT）對于顯示技術的發展進步具有重要意義。

工業上最早被用作薄膜晶體管溝道層的是非晶硅和多晶硅材料。非晶硅可以在較低的溫度條件下大面積沉積，襯底的選擇范圍很寬；其制備工藝與集成電路工藝相似，技術成熟且有技術優勢；但是非晶硅具有光照條件下性能不穩定、載流子遷移率低等缺點。多晶硅雖然具有很高的載流子遷移率（30-100cm²/Vs)，但是，由于晶粒尺寸不均勻造成其電學性能的不均一，進而影響顯示效果。同時，晶界存在導致的性能衰退，限制了其在柔性顯示領域的應用。

后來，研究者發現非晶氧化物半導體可作為薄膜晶體管(TFT)溝道層材料，顯示出優異的性能。非晶InGaZnO（IGZO）薄膜晶體管的研制成功及其在薄膜晶體管中的成功應用，引領了眾多的研究者開始對非晶半導體氧化物的研究，此后不斷開發出了一些新的體系。研究指出該類氧化物中含有電子結構為4d¹⁰5s⁰（n為主量子數）的元素，球形分布的5s軌道作為載流子傳輸的通道，彎曲對其重疊程度影響很小，對電學性能的影響也不大，因此，可以很好的用于柔性顯示。同時，較高的載流子遷移率（約10cm²/Vs）亦可滿足高幀頻的要求。

但是，早期開發的大部分體系中均使用稀有金屬元素In、Ga，由于其儲量少、價格高且資源有限，導致器件制備成本較高且不利于技術的可持續發展。研究發現Sn具有上述4d¹⁰5s⁰電子結構，可以替代In提供載流子傳輸通道。因此，ZnSnO（ZTO）作為一個替代體系被廣泛研究。

雖然，ZTO體系表現出與IGZO體系相接近的性能，但是，由于體系中缺少Ga元素的替代物，存在載流子濃度高、器件性能不穩定等問題。相關研究發現Ti元素的加入可以起到載流子抑制劑和穩定劑的作用。因此，研究TiZnSnO（TZTO）薄膜制備及其作為溝道層在TFT中的應用具有重要的基礎和實用價值。

發明內容

為克服現有技術中的問題，本發明提供了一種非晶氧化物半導體薄膜及其制備方法以及作為溝道層在薄膜晶體管中的應用。

本發明提供一種非晶氧化物半導體薄膜，其化學式為Ti_xZnSnO_2x+3，其中0.02≤x≤0.12，室溫生長及400℃退火后薄膜均保持非晶相，薄膜對可見光透過率超過85%。

本發明還提供了制備一種非晶氧化物半導體薄膜Ti_xZnSnO_2x+3的方法，其特征在于包括如下步驟：

1）以純度不低于99.99%的TiO₂、ZnO、SnO₂氧化物粉末為原料，按照原子比Ti：Zn：Sn=?x：1：1（0.02≤x≤0.06）比例混合，經過球磨、干燥、成型、燒結，制成陶瓷靶材；

2）利用射頻磁控濺射方法，使用步驟1）制備的靶材，在清洗干凈的襯底上及室溫條件下沉積薄膜，生長條件如下：真空抽至壓強低于2×10^-3Pa，通入高純Ar氣，調節腔體壓強至1.0-5.0Pa，射頻源功率調至100-200W，薄膜生長時間10-20min；

3）步驟2）制備的非晶氧化物半導體薄膜，空氣氣氛中300-400℃條件下退火，保溫時間30-60min。

優選的，上述非晶氧化物半導體薄膜的制備方法中使用的襯底可以為硅片、氧化硅片、藍寶石、石英、玻璃、苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯或聚酰亞胺。

本發明還提供了Ti_xZnSnO_2x+3（0.02≤x≤0.06）非晶氧化物半導體薄膜作為溝道層在制備薄膜晶體管（TFT）中的應用。

本發明與現有技術相比具有的有益效果為：

1）非晶半導體氧化物Ti_xZnSnO_2x+3薄膜相比于非晶硅薄膜具有更高的載流子遷移率，相比于多晶硅薄膜具有更好的性能穩定性，可用于高分辨率、高幀頻顯示；