[发明专利]一种C轴对称结晶氧化物半导体薄膜的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种C轴对称结晶氧化物半导体薄膜的制备方法和应用。该方法采用溅射技术生长具有良好CAAC结构的无铟元素的氧化物半导体薄膜。采用本发明制备方法制备的CAAC结构的稀土元素掺杂的氧化锌铝(RE‑AZO)薄膜材料中锌元素、铝元素和稀土元素的摩尔百分比含量为：锌元素85％‑98％，铝元素1％‑10％，稀土元素1％‑14％，稀土元素为Gd、Lu、Y和Sc中的至少一种。采用本发明制备的薄膜材料作为有源层的TFT可用于柔性显示等需要低温制备工艺的应用。

技术领域

本发明属于平板显示和集成电路制造领域，具体涉及一种稀土元素掺杂的氧化物薄膜材料的制备方法和应用。

背景技术

薄膜晶体管(TFT)作为开关和驱动器件控制显示器像素单元，是平板显示核心技术。当前平板显示设备使用的TFT主要有：氢化非晶硅薄膜晶体管(a-Si:H TFT)、低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS TFT)和氧化物薄膜晶体管(Oxide TFT)。a-Si:H TFT制备成本低，但其较低迁移率(～1cm^-2v^-1S^-1)无法满足OLED使用要求。LTPS TFT虽然迁移率足够高，但其较高制备成本会大幅推高显示产品价格；此外，LTPS TFT一致性较差，无法在大尺寸显示上使用。以非晶铟镓锌氧薄膜晶体管(a-IGZO TFT)为代表的Oxide TFT兼备高迁移率(>10cm^-2v^-1S^-1)、低制备成本和高一致性的优点，有巨大潜力成为OLED显示驱动器件。

C轴对称结晶铟镓锌氧薄膜晶体管(CAAC IGZO TFT)是一类新型氧化物薄膜晶体管，主要特点是IGZO有源层存在大量沿C轴方向对称结晶的IGZO纳米晶粒，这些IGZO纳米晶粒嵌合在非晶IGZO系统中。CAAC IGZO TFT最重要的优点是优异的偏置可靠性，使其成为最具竞争力的平板显示设备像素电路驱动器件候选。但是，CAAC IGZO TFT有源层通常在较高温度下制备(300℃)，在柔性显示等应用上的使用会受到限制；并且IGZO中铟(In)元素掺杂比例较高，而铟元素丰度很低，CAAC IGZO TFT无法满足长期使用。因此，有必要研发其他类型的具有CAAC微观结构的无铟元素掺杂的氧化物半导体薄膜材料。

发明内容

本发明目的在于提供一种CAAC结构的无铟元素的氧化物半导体薄膜材料的制备方法。该材料可在室温下制备，可作为薄膜晶体管有源层使用。

本发明的技术方案是，

本发明提供一种具有C轴对称结晶结构的稀土元素掺杂的氧化锌铝(CAAC Rare-Earth doped AZO,CAAC RE-AZO)薄膜材料制备方法，采用磁控射频溅射工艺实现。溅射在室温下进行，CAAC RE-AZO半导体薄膜淀积沉底为硅、玻璃或柔性沉底。溅射过程：首先将溅射设备背底气压抽至5×10^-4帕；然后向溅射设备先后通入氧气和氩气，氧气与氩气的比例范围为3～60％：97～40％，保持溅射设备气压在0.5-2帕；之后开启溅射台托盘转动按钮，保持托盘匀速旋转；接着开启射频电源预溅射1-10分钟；最后转动溅射靶材挡板，溅射10-30分钟，溅射完成，其中靶材中锌元素、铝元素和稀土元素的摩尔百分比含量为：锌元素85％-98％，铝元素1％-10％，稀土元素1％-14％，稀土元素为Gd、Lu、Y和Sc中的至少一种，且该薄膜材料具有C轴对称结晶结构。

制备的RE-AZO薄膜具有CAAC结构，该RE-AZO薄膜材料中锌元素、铝元素和稀土元素的摩尔百分比含量为：锌元素85％-98％，铝元素1％-10％，稀土元素1％-14％，稀土元素为Gd、Lu、Y和Sc中的至少一种。以稀土钆掺杂氧化锌铝(Gd-AZO)为例，薄膜截面透射电镜图像如图1所示，微观结构呈明显的C轴对称结晶。