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CN107946365A - 一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜及其制造方法 - Google Patents

一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜及其制造方法 Download PDF

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CN107946365A CN201711000109.5A CN201711000109A CN107946365A CN 107946365 A CN107946365 A CN 107946365A CN 201711000109 A CN201711000109 A CN 201711000109A CN 107946365 A CN107946365 A CN 107946365A
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oxide film
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陈荣盛
邓孙斌
郭海成
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South China University of Technology SCUT
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Abstract

本发明公开了一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜及其制造方法，包括复合晶型结构，所述复合晶型结构由晶粒和非晶型结构组成，所述晶粒被非晶型的框架包围，所述晶粒的粒径为0.5～10纳米；所述无机金属氧化物薄膜用磁控溅射法或者蒸发法将原材料沉积在衬底上制得。本发明通过简单的方法将原材料沉积在衬底上，形成存在晶粒和非晶型结构的无机金属氧化物薄膜，晶粒的存在使得无机金属氧化物薄膜的原子排序更加有序，薄膜的载流子迁移率得到了提升；同时，由于晶粒与非晶型的框架的同时存在，使得薄膜保持较好的空间均匀性，从而使得相应的小尺寸器件在大尺寸的应用中保持良好均一的器件性能。本发明可以广泛应用于半导体领域。

Description

一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其是一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜及其制造方法。
背景技术
下一代有源矩阵平板显示技术正朝着大尺寸、超高清、高帧率及外围电路全集成等方向发展。薄膜晶体管(TFT)作为显示面板的构成要素，要求其必须提供足够的电学驱动能力，即需要薄膜晶体管具备足够大的载流子迁移率。无机金属氧化物薄膜晶体管因其成本低廉、制造温度低、可见光透过率高和电学性能适中等特点，近来愈发受到关注与研究。其中，以非晶型铟镓锌氧化物(a-InGaZnO)为有源层的底栅型薄膜晶体管最具代表性。然而，由于非晶型铟镓锌氧化物材料自身微观结构与元素成分的限制，非晶型铟镓锌氧化物薄膜的载流子迁移率一般在10cm2/Vs左右，载流子迁移率较低，相应TFT的驱动能力并不能完全满足各类型面板的实际需求。根据K.A.Stewart等人(SID Symposium Digest ofTechnical Papers,Vol.47,pp.944-946,2016及Journal of Non-Crystalline Solids,Vol.432,pp.196-199,2016)的研究，非晶型半导体材料理论上因原子的无序排列而存在载流子迁移率的上限。因此，要获得具有更高迁移率的无机金属氧化物材料，其微观结构不能局限于非晶微观结构，原子排列应更加有序。
另一方面，对于常见的拥有大晶粒的低温多晶硅和多晶型无机金属氧化物薄膜而言，其载流子迁移率相对非晶型无机金属氧化物薄膜高，但是其随机分布的晶界会使得小尺寸器件在大尺寸面板上的均匀性变差。
综上所述，合理设计薄膜的微观结构，并实现相应薄膜的制备，对于进一步拓展无机金属氧化物在薄膜晶体管乃至整个半导体器件领域的应用至关重要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的第一目的在于：提供一种载流子迁移率高且器件均匀性好的具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜。
本发明的第二目的在于：提供一种工艺简单的和制得器件载流子迁移率高且均匀性好的具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜的制造方法。
本发明所采用的第一种技术方案是：
一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜，所述无机金属氧化物薄膜包括晶粒和非晶型结构，所述晶粒被非晶型的框架包围，所述晶粒的粒径在0.5纳米至10纳米之间。
进一步，所述无机金属氧化物薄膜的成分为由铟、锌、锡和镓中的至少一种元素所组成的金属氧化物。
本发明所采用的第二种技术方案是：
一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜的制造方法，包括以下步骤：
用磁控溅射法或者蒸发法将原材料沉积在衬底上，形成一层无机金属氧化物薄膜；
所述无机金属氧化物薄膜包括晶粒和非晶型结构；
所述原材料中包括至少一种具有晶体结构的无机金属氧化物。
进一步，所述晶粒被非晶型的框架包围，所述晶粒的粒径在0.5纳米至10纳米之间。
进一步，所述无机金属氧化物薄膜的成分为由铟、锌、锡和镓中的至少一种元素所组成的金属氧化物。
进一步，所述原材料包括氧化铟、氧化锡、氧化镓、氧化锌、铟锡氧化物、铟镓氧化物、铟锌氧化物、锡镓氧化物、锡锌氧化物、镓锌氧化物、铟锡锌氧化物、铟镓锌氧化物、铟镓锡锌氧化物、氟掺杂氧化锡、氟掺杂铟锡氧化物、氟掺杂锡镓氧化物、氟掺杂锡锌氧化物、氟掺杂铟锡锌氧化物、氟掺杂铟镓锌氧化物和氟掺杂铟镓锡锌氧化物中的至少一种。
进一步，还包括以下步骤：
在氧气与惰性气体的混合气体、氧气或者空气中进行退火，退火温度为100℃至400℃。
进一步，所述磁控溅射法的反应温度为23℃至400℃，所述磁控溅射法的反应气氛为氩气和氧气的组成的混合气体。
进一步，所述衬底被固定在匀速自转的机构上。
进一步，所述衬底是覆有缓冲层的硅衬底、玻璃衬底或者柔性材料衬底，所述缓冲层是二氧化硅层、氮化硅层或者氧化硅和氮化硅的组合层。
本发明薄膜的有益效果是：包括复合晶型结构，同时具有晶粒和非晶型结构，晶粒的存在使得无机金属氧化物薄膜的原子排序更加有序，从而使得无机金属氧化物薄膜的载流子迁移率得到提升；同时，由于晶粒的大小在0.5纳米至10纳米之间，并且晶粒均匀分布并被非晶型的框架包围，使得无机金属氧化物薄膜具有良好的空间均匀性，从而具备优良且均匀的电学特性。相较于传统的具有纳米晶型的无机金属氧化物薄膜而言，具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜拥有更低的晶界密度，从而减少晶界引起的缺陷态，提高薄膜质量及其电学特性。
本发明方法的有益效果是：包括用磁控溅射法或者蒸发法将原材料沉积在衬底上，形成一层无机金属氧化物薄膜的步骤，将包含晶体结构的无机金属氧化物的原材料沉积在衬底上，形成存在晶粒和非晶型结构的无机金属氧化物薄膜，本方法的制造工艺简单；由于晶粒的存在使得本方法制造的无机金属氧化物薄膜的原子排序更加有序，从而使得无机金属氧化物薄膜的载流子迁移率得到了提升；同时，由于晶粒与非晶型结构的同时存在，使得无机金属氧化物薄膜具有良好的空间均匀性，从而具备优良且均匀的电学特性。相较于传统的具有纳米晶型的无机金属氧化物薄膜而言，具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜拥有更低的晶界密度，从而减少晶界引起的缺陷态，提高薄膜质量及其电学特性。
附图说明
图1为本发明实施例2在衬底上沉积复合晶型铟锡锌氧化物薄膜后的横截面示意图；
图2为本发明实施例2用磁控溅射法沉积复合晶型铟锡锌氧化物薄膜的示意图；
图3为本发明实施例2的一种复合晶型铟锡锌氧化物薄膜的X射线衍射图谱；
图4为本发明实施例2的一种复合晶型铟锡锌氧化物薄膜的高分辨透射电子显微镜图像；
图5为本发明实施例3所制造的具有复合晶型的长沟道薄膜晶体管的转移特性曲线图；
图6为本发明实施例3所制造的具有复合晶型的短沟道薄膜晶体管的转移特性曲线图。
具体实施方式
本发明一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜，所述无机金属氧化物薄膜包括晶粒和非晶型结构，所述晶粒被非晶型的框架包围，所述晶粒的粒径在0.5纳米至10纳米之间。
进一步作为优选的实施方式，所述无机金属氧化物薄膜的成分为由铟、锌、锡和镓中的至少一种元素所组成的金属氧化物。
参照图1，一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜的制造方法，包括以下步骤：
用磁控溅射法或者蒸发法将原材料沉积在衬底101(衬底101可以是覆盖有缓冲层102的衬底)上，形成一层无机金属氧化物薄膜；
所述无机金属氧化物薄膜的结构中存在晶粒和非晶型结构；
所述原材料中包括至少一种具有晶体结构的无机金属氧化物。
进一步作为优选的实施方式，所述晶粒被非晶型的框架包围，所述晶粒的粒径在0.5纳米至10纳米之间。
参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述无机金属氧化物薄膜的成分为由铟、锌、锡和镓中的至少一种元素所组成的金属氧化物，例如，铟锌氧化物、锡锌氧化物、铟锡锌氧化物、铟镓锌氧化物或者氟掺杂锡锌氧化物。
进一步作为优选的实施方式，所述原材料包括氧化铟、氧化锡、氧化镓、氧化锌、铟锡氧化物、铟镓氧化物、铟锌氧化物、锡镓氧化物、锡锌氧化物、镓锌氧化物、铟锡锌氧化物、铟镓锌氧化物、铟镓锡锌氧化物、氟掺杂氧化锡、氟掺杂铟锡氧化物、氟掺杂锡镓氧化物、氟掺杂锡锌氧化物、氟掺杂铟锡锌氧化物、氟掺杂铟镓锌氧化物和氟掺杂铟镓锡锌氧化物中的至少一种。例如是铟锌氧化物、锡锌氧化物、铟锡锌氧化物、铟镓锌氧化物、氟掺杂锡锌氧化物、氧化锌和氧化铟的组合、氧化锡和氧化锌的组合、氧化铟锡和氧化锌的组合、氧化铟镓和氧化锌的组合、氟掺杂氧化锡和氧化锌的组合、氧化铟和氧化锡以及氧化锌的组合、和氧化铟或者氧化镓以及氧化锌的组合。
进一步作为优选的实施方式，还包括以下步骤：
在氧气与惰性气体的混合气体、氧气或者空气中进行退火，退火温度为100℃至400℃。
进一步作为优选的实施方式，所述磁控溅射法的反应温度为23℃至400℃，所述磁控溅射法的反应气氛为氩气和氧气的组成的混合气体。
参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述衬底101被固定在匀速自转的机构上。所述匀速自转的机构可以为匀速自转的夹具、匀速自转的托盘和匀速自转的吸盘等。
进一步作为优选的实施方式，所述衬底101是覆有缓冲层102的硅衬底、玻璃衬底或者柔性材料衬底，所述缓冲层102是二氧化硅层、氮化硅层或者氧化硅和氮化硅的组合层。
下面结合附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
为了解决非晶型无机金属氧化物薄膜因原子无序排列而导致的载流子迁移率偏低，和低温多晶硅薄膜及多晶结构无机金属氧化物薄膜电学特性的空间均匀性较差的问题，本实施例提出一种具有复合晶型的铟锡锌氧化物薄膜。
所述具有复合晶型的铟锡锌氧化物薄膜的结构中包括晶粒和非晶型结构，所述晶粒被非晶型的框架包围，铟锡锌氧化物薄膜的原子有序度介于非晶和多晶材料之间，所述晶粒的大小为0.5纳米至10纳米。同理，薄膜的成分也可以用铟锡氧化物、铟镓氧化物、铟锌氧化物、锡镓氧化物、锡锌氧化物、镓锌氧化物、铟锡锌氧化物、铟镓锌氧化物、铟镓锡锌氧化物、氟掺杂氧化锡、氟掺杂铟锡氧化物、氟掺杂锡镓氧化物、氟掺杂锡锌氧化物、氟掺杂铟锡锌氧化物、氟掺杂铟镓锌氧化物和氟掺杂铟镓锡锌氧化物中的任一种替代。
实施例2
参照图1和图2，本实施例1中复合晶型的铟锡锌氧化物薄膜的制造方法，包括以下步骤：
A1、用等离子体增强化学气相沉积法，在玻璃衬底101上沉积一层二氧化硅作为缓冲层102，如图1所示。
A2、在缓冲层102之上，同时磁控溅射多晶氧化铟锡靶材113和多晶氧化锌靶材114，以沉积复合晶型的铟锡锌氧化物薄膜103，如图2所示。所述铟锡锌氧化物薄膜103的厚度为50纳米。
A3、使用管式炉，对复合晶型的铟锡锌氧化物薄膜进行退火，退火温度为300℃，退火时间为1小时。
如图2所示，多晶氧化铟锡靶材113的成分为In2O3:SnO2＝9:1wt％(质量百分比)，溅射多晶氧化铟锡靶材113所使用的电源为直流电源111，所述直流电源111加载在多晶氧化铟锡靶材113上的功率密度约为5.4W/cm2，溅射多晶氧化锌靶材114所使用的电源为射频电源112，所述射频电源112加载在多晶氧化锌靶材114上的功率密度约为7.4W/cm2。
在进行磁控溅射时，沉积了二氧化硅缓冲层102的玻璃衬底101被固定在托盘115上，并随着托盘115自转，以使沉积的薄膜厚度均匀，同时使得生成的薄膜中，晶粒的分布相对均匀，从而可以提升薄膜的空间均匀性。在反应腔室116内通过氩气和氧气作为反应气氛，所述氩气和氧气通入的气量比为3：2，反应腔室116内的工作气压为3mTorr，磁控溅射的过程持续7分钟。
如图3所示，X射线衍射谱线在衍射角33.8°附近出现衍射峰，排除衬底的影响，说明沉积在衬底表面的铟锡锌氧化物薄膜中存在晶体结构。图4所示的高分辨透射电子显微镜图像进一步表明该铟锡锌氧化物薄膜中不仅拥有纳米尺度的晶粒，还有非晶型成分。其中，晶粒被非晶型材料构成的主体框架所包围。据此，本发明将具有上述特征的微观结构称之为“复合晶型”，在复合晶型中原子有序程度应介于非晶型和多晶型材料之间。
本实施例的方法，具有步骤简单，稳定可靠的优点，同时由于步骤少，因此成本低且容易实现。
实施例3
将实施例2中制造的铟锡锌氧化物薄膜应用在铟锡锌氧化物薄膜晶体管中，所述具有复合晶型的铟锡锌氧化物薄膜作为晶体管的有源层。并对所制得的晶体管进行转移特性测试，
从图5和图6中可以看出，本实施例制造的具有复合晶型的铟锡锌氧化物薄膜晶体管(包括长沟道和短沟道的薄膜晶体管)，具有优秀的电学性能，而且短沟道的薄膜晶体管没有明显的短沟道效应。通过图5和图6可以得出，具有复合晶型的铟锡锌氧化物薄膜晶体管的场效应载流子迁移率大于20cm2/Vs，亚阈值摆幅低于0.15V/decade，而采用非晶铟锡锌氧化物薄膜作为有源层的相同结构的晶体管，其器件场效应载流子迁移率只有10cm2/Vs，说明了复合晶型的铟锡锌氧化物薄膜的载流子迁移率较高。
实施例4
以具有复合晶型的氟掺杂锡锌氧化物作为具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜为例，本实施例提出一种复合晶型氟掺杂锡锌氧化物薄膜的制造方法，包括以下步骤：
B1、用等离子体增强化学气相沉积法，在玻璃衬底上沉积一层二氧化硅作为缓冲层。
B2、在缓冲层之上，通过直流电源磁控溅射多晶氟掺杂二氧化锡靶材(SnO2:SnF2＝95:5wt％)，同时通过射频电源磁控溅射多晶氧化锌靶材，以沉积复合晶型的氟掺杂锡锌氧化物薄膜，所述氟掺杂锡锌氧化物的厚度为50纳米。
B3、使用烘箱对复合晶型的氟掺杂锡锌氧化物薄膜进行退火，退火温度为300℃，退火时间为0.5小时，自然冷却至室温后取出。
在本实施例中，采用磁控溅射法时，覆盖有二氧化硅缓冲层的玻璃衬底被固定在托盘上，并随着托盘自转，以使沉积的薄膜厚度均匀。反应腔室内通入氩气和氧气，流量均为10sccm，反应气压为3mTorr。直流电源加载在多晶氟掺杂二氧化锡靶材上的功率密度约为4.4W/cm2，射频电源加载在多晶氧化锌靶材上的功率密度约为7.4W/cm2。磁控溅射20分钟后取出样品。
实施例5
以具有复合晶型的铟锌氧化物薄膜作为具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜为例，本实施例提出了一种复合晶型的铟锌氧化物薄膜的制造方法，包括以下步骤：
C1、用等离子体增强化学气相沉积法，在硅衬底上沉积一层二氧化硅作为缓冲层。
C2、在缓冲层之上，通过直流电源磁控溅射多晶氧化铟靶材，同时通过射频电源磁控溅射多晶氧化锌靶材，以沉积复合晶型的铟锌氧化物薄膜，所述铟锌氧化物薄膜的厚度为50纳米。
C3、使用炉管，对复合晶型的铟锌氧化物薄膜进行退火，退火温度为300℃，退火时间为0.5小时，自然冷却至室温后取出。
在本实施例中，采用磁控溅射法时，覆盖有二氧化硅缓冲层的硅衬底被固定在托盘上，并随着托盘自转，以使沉积的薄膜厚度均匀。反应腔室内通入流量为12sccm的氩气和流量为8sccm的氧气，反应气压为3mTorr。直流电源加载在多晶氧化铟靶材上的功率密度约为7.4W/cm2，射频电源加载在多晶氧化锌靶材上的功率密度约为7.4W/cm2。磁控溅射10分钟后取出样品。
本发明具备以下优点：
1)通过对具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜进行退火，可以修复薄膜在沉积过程中由于离子轰击等因素引起的缺陷，提升薄膜的质量。
2)本发明的制造方法简单，容易实现，有利于应用在工业上。
3)通过本方法制造的具有复合晶型的无机金属氧化物材料缺陷态更小，载流子迁移率更高。
4)所制得的具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜，由于薄膜结构中存在晶粒，使得薄膜的原子有序度提升，从而具有更高的载流子迁移率；同时由于薄膜结构中晶粒和非晶型结构的同时存在，使得薄膜相对于低温多晶硅薄膜及多晶结构的无机金属氧化物薄膜更加均匀，从而使得相应的小尺寸器件在大尺寸的应用中保持良好均一的器件性能。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜，其特征在于：包括复合晶型结构，所述复合晶型结构由晶粒和非晶型结构组成，所述晶粒被非晶型的框架包围，所述晶粒的粒径为0.5～10纳米。
2.根据权利要求1所述的一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜，其特征在于：所述无机金属氧化物薄膜的成分为由铟、锌、锡和镓中的至少一种元素所组成的金属氧化物。
3.一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
用磁控溅射法或者蒸发法将原材料沉积在衬底上，形成一层无机金属氧化物薄膜；
所述无机金属氧化物薄膜包括晶粒和非晶型结构；
所述原材料中包括至少一种具有晶体结构的无机金属氧化物。
4.根据权利要求3所述的一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜的制造方法，其特征在于：所述晶粒被非晶型的框架包围，所述晶粒的粒径在0.5纳米至10纳米之间。
5.根据权利要求3所述的一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜的制造方法，其特征在于：所述无机金属氧化物薄膜的成分为由铟、锌、锡和镓中的至少一种元素所组成的金属氧化物。
6.根据权利要求3所述的一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜的制造方法，其特征在于：所述原材料包括氧化铟、氧化锡、氧化镓、氧化锌、铟锡氧化物、铟镓氧化物、铟锌氧化物、锡镓氧化物、锡锌氧化物、镓锌氧化物、铟锡锌氧化物、铟镓锌氧化物、铟镓锡锌氧化物、氟掺杂氧化锡、氟掺杂铟锡氧化物、氟掺杂锡镓氧化物、氟掺杂锡锌氧化物、氟掺杂铟锡锌氧化物、氟掺杂铟镓锌氧化物和氟掺杂铟镓锡锌氧化物中的至少一种。
7.根据权利要求3所述的一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜的制造方法，其特征在于：还包括以下步骤：
在氧气与惰性气体的混合气体、氧气或者空气中进行退火，退火温度为100℃至400℃。
8.根据权利要求3所述的一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜的制造方法，其特征在于：所述磁控溅射法的反应温度为23℃至400℃，所述磁控溅射法的反应气氛为氩气和氧气的组成的混合气体。
9.根据权利要求3所述的一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜的制造方法，其特征在于：所述衬底被固定在匀速自转的机构上。
10.根据权利要求3-9任一项所述的一种具有复合晶型的无机金属氧化物薄膜的制造方法，其特征在于：所述衬底是覆有缓冲层的硅衬底、玻璃衬底或者柔性材料衬底，所述缓冲层是二氧化硅层、氮化硅层或者氧化硅和氮化硅的组合层。
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