[发明专利]一种低亚阈值摆幅的氧化铟薄膜晶体管的制备方法

说明书

本发明公开了一种低亚阈值摆幅的氧化铟薄膜晶体管的制备方法，属于半导体薄膜晶体管制备技术领域。该方法采用原子层淀积（ALD）设备，在重掺杂硅衬底上沉积一层氧化铝薄膜，再采用旋涂的方式，将硝酸铟的水溶液均匀涂覆在氧化铝薄膜上，100‑150℃预热10 min后，置于高压汞灯下方10cm处进行1.5 h的光退火，使硝酸铟分解成氧化铟。最后用热蒸发的方式，将铝电极蒸镀到氧化铟薄膜上，得到了具有低亚阈值摆幅的薄膜晶体管。本发明优化了现有的氧化铟薄膜晶体管制备技术，成本低廉，操作简便，材料环保，因采用高压汞灯进行光退火，使得氧化铟薄膜在100℃以下就能制备，且得到的薄膜晶体管亚阈值摆幅较低，工作性能优异。

技术领域

本发明涉及金属氧化物半导体薄膜晶体管制备技术领域，具体地说，是采用一种具有低温优点的退火工艺，制备出低亚阈值摆幅的氧化铟薄膜晶体管。

背景技术

薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)是显示背板和其他光电子设备的像素驱动器件，其中，非晶金属氧化物半导体作为薄膜晶体管的沟道层材料一直是人们的研究热点。常用的非晶金属氧化物半导体包括有氧化铟(In₂O₃)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟镓锌(IGZO)等等，它们因为具有高迁移率、高透明度以及大面积均匀性等优点而成为平板显示领域中下一代半导体材料的候选人。

非晶金属氧化物半导体的制备工艺已有很大的发展，射频磁控溅射、直流磁控溅射、原子层淀积等都是较成熟的半导体制备工艺，而最近几年，溶液法逐渐引起科学研究者的关注。与磁控溅射、原子层淀积等基于真空的制备工艺相比，溶液法工艺采用液相原材料，成本低廉，易于图形化，且适合大面积生产。因此，研究人员对旋涂法(spin coating)、喷雾热分解法(spray pyrolysis)、丝网印刷(screen printing)、喷墨印刷(ink jetprinting)等溶液法工艺进行了大量的研究探索。其中，由于溶剂蒸发、金属盐分解为金属氧化物都需要足够高的能量，致使大多数溶液法制备的金属氧化物薄膜晶体管都需要进行高温退火。而工艺过程中温度过高不仅浪费资源，增加成本，也不利于金属氧化物薄膜晶体管向柔性器件的方向发展。为了降低退火温度，研究者们进行了诸多尝试，但依然存在工艺步骤多、操作繁琐、使用毒性溶剂等问题。

另一方面，薄膜晶体管的制备质量和性能优劣有很多参数可以衡量，其中，亚阈值摆幅SS是衡量沟道层和介电层之间界面态的重要指标。当施加的栅极电压小于阈值电压时，晶体管工作在亚阈值状态，而亚阈值摆幅SS则是在转移特性曲线(纵坐标为对数坐标)的最大斜率处(位于亚阈值区)测量得到，公式为其中，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷，C_D和C_SS分别为单位面积的耗尽层电容和界面态电容。当C_D和C_SS都为0时，亚阈值摆幅SS达到最小理论值60mV/dec。在亚阈值区，耗尽层电容C_D一般非常小，可以忽略不计，但界面态电容C_SS不可忽略。在沟道层和介电层之间的界面处分布着大量的缺陷，即大量的界面态，这些界面态形成的电容C_SS导致亚阈值摆幅SS的产生，也就是说，亚阈值摆幅SS从侧面反映了沟道层与介电层之间界面的缺陷密度。

众所周知，摩尔定律发展至今日，所需的不仅仅是工艺技术的改善，更要求晶体管能低功耗运行，即降低晶体管的工作电压。较小的亚阈值摆幅可表明电子需要填充的沟道层与介电层之间的界面态较少，使沟道可以实现快速地开启或关闭，即实现了晶体管阈值电压或工作电压的降低。因此，晶体管亚阈值摆幅的降低对器件性能的改善，乃至电子产业的发展至关重要。

发明内容

本发明的目的在于降低氧化铟薄膜晶体管的亚阈值摆幅，并实现氧化铟薄膜的低温制备而提出的一种氧化铟薄膜晶体管的制备方法，使用高压汞灯对氧化铟薄膜进行光退火，其中，汞灯提供的高能光子为氧化铟薄膜的形成提供外部能量，即用光能取代传统的热能，促进铟原子和氧原子的键合，消除薄膜中的缺陷，与下方的氧化铝介电层形成接触良好的界面。