一種高性能ZnSnO薄膜晶體管及其制備方法技術

本發明專利技術主要涉及半導體薄膜晶體管制備技術領域，具體涉及一種高性能ZnSnO薄膜晶體管及其制備方法；所述的薄膜晶體管包括在基板上依次制備形成的柵極、柵介質、有源層和源漏電極，其特征在于：所述的有源層是通過磁控濺射方法制備ZTO有源層材料，通過控制濺射氣氛的氧含量控制氧空位缺陷在有源層中的分布與含量，先沉積富含氧缺陷的ZTO薄膜，再沉積氧缺陷較少的ZTO薄膜，使兩者材料的能帶結構有所差異，從而形成同質結薄膜；然后通過光刻和濕法刻蝕的工藝進行圖形化；本發明專利技術的技術與主流的IGZO TFT性能相媲美,升級換代后可降低TFT顯示背板的制造成本；該方法也適用于其他氧化物半導體材料與電子器件，具有較強的可推廣性。具有較強的可推廣性。具有較強的可推廣性。

【技術實現步驟摘要】
一種高性能ZnSnO薄膜晶體管及其制備方法


[0001]本專利技術主要涉及半導體薄膜晶體管制備
，具體涉及一種高性能ZnSnO薄膜晶體管及其制備方法。

技術介紹

[0002]目前比較主流的氧化物TFT通常是基于In2O3半導體的TFT器件,但是In元素屬于稀缺戰略資源，價格昂貴且有毒性，十分不利于環境友好型的可持續性發展理念?；赯nSnO(ZTO)半導體材料的薄膜晶體管(TFT)由于其成本、環境友好等優點被認為是未來潛在的新型TFT器件。然而，目前ZTOTFT器件的電學性能通常較差，無法滿足先進顯示器件對高分辨率高幀頻的顯示需求?，F有的技術主要可分為以下三種：
[0003]一是通過元素摻雜來進行調控，但通常某個性能指標的提升會引起其他參數的下降，很難獲得綜合性能優良的TFT器件；例如中國專利申請號為2021100398930的一種ZnSnO薄膜晶體管的制備方法，該技術方案主要是通過制備ZTO前驅體溶液，將其旋涂在HfO2薄膜上然后將涂覆的薄膜放置在盛有氨水容器上方，具有揮發性NH3擴散到有源層薄膜表面，通過“氨浴”方法實現氮摻雜到ZTO TFT中，可以抑制與氧空位有關的缺陷，提高器件的穩定性；在該技術方案中，雖然陰離子氮摻雜到ZTO薄膜中可以成功抑制與氧空位有關的缺陷；但實際意義上還是實現場效應遷移率和穩定性之間的折衷選擇。
[0004]二是通過更先進的制備工藝技術，如原子層沉積技術，雖然性能有所提升，但該技術制造成本高，并且與主流工藝也不兼容；例如中國專利申請號為2021101001834的石墨烯導電薄膜的制備方法、以及薄膜晶體管和顯示裝置，該技術方案就是采用原子層沉積技術在介孔二氧化硅的孔道的內壁面上沉積金屬催化層；將沉積金屬催化層后的介孔二氧化硅分散在第一有機溶劑中，得到分散液，將分散液制成薄膜；以薄膜為模板，采用化學氣相沉積工藝制備石墨烯納米線，并去除薄膜，得到石墨烯納米線；將石墨烯納米線分散至第二有機溶劑中，得到成膜液，將成膜液涂設于基板的表面，得到石墨烯導電薄膜，該制備方法，通過原料的選擇和步驟的設計，并充分結合不同工藝的優勢，使制得的石墨烯導電薄膜的導電性、透明度和物理性能優良，但該技術制造的材料和工藝成本都很高，不利于產業化應用。
[0005]三是通過TFT器件結構設計，如異質結溝道和雙柵結構等，但由于存在一些非理想效應，所能實現的遷移率提升幅度有限。例如中國專利申請號為2022111837993的一種非晶InGaZnO異質結薄膜晶體管及其制備方法，包括通過磁控濺射方法由下自上依次生長的柵電極、介質層、InGaZnO前溝道層、源電極、漏電極、Ga2O3背溝道層。本專利技術通過引入非晶態的IGZO/Ga2O3溝道，利用IGZO和Ga2O3能帶結構的差異，使其形成異質結量子阱傳輸通道。雖然TFT器件性能有所提升，但由于兩種材料結構的差異會存在界面質量不佳等非理想效應，進而消弭部分異質結量子阱溝道的優勢，導致相對于IGZO單層TFT器件性能來講，其提升的幅度十分有限。
[0006]基于ZTO半導體的TFT器件是未來潛在的電子開關器件，但其性能通常不足以與主
流的IGZO TFT相媲美，嚴重限制了其自身的應用，目前提高TFT器件性能的主流方法中，如上所述均存在技術缺陷，如材料組分優化、先進制備工藝和異質結溝道等，存在著綜合性能優化困難、與主流工藝不兼容或者性能提升有限等局限性。

技術實現思路

[0007]針對上述問題，主要是基于ZTO半導體的TFT器件是未來潛在的電子開關器件，但其性能通常不足以與主流的IGZO TFT相媲美，嚴重限制了其自身的應用，目前提高TFT器件性能的方法，如材料組分優化、先進制備工藝和異質結溝道等，存在著綜合性能優化困難、與主流工藝不兼容或者性能提升有限等局限性，為此，本專利技術旨在提供一種制備綜合性能優良的ZTO TFT的方法，采用同質結策略增強ZTOTFT器件性能的方法，尤指一種高性能ZnSnO薄膜晶體管的制備方法。
[0008]本專利技術解決技術問題所采用的技術方案是：一種高性能ZnSnO薄膜晶體管，所述的薄膜晶體管包括在基板上依次制備生成的柵極、柵介質、有源層和源漏電極，所述的有源層是通過磁控濺射方法制備ZTO有源層材料，通過控制濺射氣氛的氧含量控制氧空位缺陷在有源層中的分布，先沉積富含氧缺陷的ZTO薄膜，再沉積氧缺陷較少的ZTO薄膜，使兩者的能帶結構有所差異，從而形成同質結薄膜；然后通過光刻和刻蝕的工藝進行圖形化。
[0009]一種高性能ZnSnO薄膜晶體管的制備方法，所述的制備方法包括以下步驟：
[0010]S1、基板預處理：采用玻璃襯底作為基層，并進行超聲清洗；
[0011]S2、制備柵極：采用磁控濺射沉積金屬層并圖形化形成柵電極；
[0012]S3、制備柵介質：采用PECVD方法沉積成致密的SiO2柵介質層；
[0013]S4、制備有源層：采用磁控濺射方法制備能帶結構差異化的ZTO有源層材料，形成ZTO同質結有源層；
[0014]S5、制備源漏電極：采用磁控濺射方法沉積Mo金屬層并圖形化形成柵電極；
[0015]S6、薄膜晶體管測試：Gate上方柵介質開孔，進行TFT器件測試。
[0016]所述S2中采用磁控濺射方法沉積50nm～150nm厚的Mo電極，沉積完成后通過光刻和刻蝕工藝對柵介質層進行圖形化。
[0017]S2中沉積條件為本地真空10
?4～10
?3Pa,直流濺射功率80W～160W,濺射氣氛純Ar,工作氣壓0.3～0.5Pa。
[0018]所述S3中通過PECVD在250℃～350℃條件下沉積一層150nm～250nm厚的SiO2柵介質層進行全局覆蓋。
[0019]所述S4中通過控制濺射氣氛的氧含量控制氧空位缺陷在有源層中的分布。
[0020]S4中基本濺射條件為：本地真空10
?4Pa～10
?3Pa,交流濺射功率100W～160W,工作氣壓0.3Pa～0.5Pa。
[0021]所述的濺射氣氛，先用(20～50)sccm/0sccm的濺射氣氛沉積10nm～30nm厚的富含氧缺陷的ZTO薄膜，再用(20～50)sccm/(1～10)sccm的濺射氣氛沉積20nm厚氧缺陷較少的ZTO薄膜，從而形成同質結薄膜；緊接著在250℃～400℃真空條件下退火0.5～2個小時，然后通過光刻和刻蝕的工藝進行圖形化。
[0022]所述的S5中，通過光刻和剝離工藝沉積和圖形化Mo源漏電極。
[0023]所述S6中，將全局覆蓋的SiO2柵介質局部進行開孔以暴露底柵電極。
[0024]所述SiO2柵介質開孔采用光刻圖形化和反應離子刻蝕的方法
[0025]本專利技術達到的技術效果是：本專利技術的技術方案，成功克服了目前主流技術中存在的不足，首先，本專利技術通過控制氧空位的分布制備同質結，制備方法簡單可控；其次，本專利技術通過同質結的策略提升TFT器件性能，能減少界面散射，最大限度發揮量子阱的正面效應；再次，本本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種高性能ZnSnO薄膜晶體管，所述的薄膜晶體管包括在基板上依次制備形成的柵極、柵介質、有源層和源漏電極，其特征在于：所述的有源層是通過磁控濺射方法制備ZTO有源層材料，通過控制濺射氣氛的氧含量控制氧空位缺陷在有源層中的分布，先沉積富含氧缺陷的ZTO薄膜，再沉積氧缺陷較少的ZTO薄膜，使兩者的能帶結構有所差異，從而形成同質結薄膜；然后通過光刻和刻蝕的工藝進行圖形化。2.一種高性能ZnSnO薄膜晶體管的制備方法，其特征在于：所述的制備方法包括以下步驟：S1、基板預處理：采用玻璃襯底作為基層，并進行超聲清洗；S2、制備柵極：采用磁控濺射沉積Mo金屬層并圖形化成柵電極；S3、制備柵介質：采用PECVD沉積致密的SiO2柵介質層；S4、制備有源層：采用磁控濺射方法制備ZTO有源層材料，生成ZTO同質結有源層；S5、制備源漏電極：采用磁控濺射沉積Mo金屬層并圖形化成源漏電極；S6、SiO2柵介質層開孔：Gate上方柵介質開孔，以便進行TFT器件測試。3.根據權利要求2所述的一種高性能ZnSnO薄膜晶體管的制備方法，其特征在于：所述S2中采用磁控濺射方法沉積50nm～150nm厚的Mo電極，沉積完成后通過光刻和濕法刻蝕工藝對柵介質層進行圖形化。4.根據權利要求2或3所述的一種高性能ZnSnO薄膜晶體管的制備方法，其特征在于：S2中沉積條件為本地真空10
?4Pa～10
?3Pa,直流濺射功率80W～160W,濺射氣氛純Ar,工作氣壓0.3Pa～0.5Pa。5.根據權利要求2所述的一種高性能ZnSnO薄膜晶體管的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：潘文高，陸磊，張盛東，張雪鳳，宋克興，劉新華，張國賞，盧瓊瓊，史榮豪，謝昆，肖麗麗，孟兆潔，高杰，王鴻業，張真真，
申請(專利權)人：河南省科學院材料研究所，
類型：發明
國別省市：