全溶液加工法制备无机薄膜三极管的方法

摘要

本发明涉及一种全溶液加工法制备无机薄膜三极管TFT的方法。该方法采用全溶液加工法来制备三极管的绝缘层TiO

说明书

技术领域

本发明涉及一种无机薄膜三极管TFT的制备方法，特别是一种全溶液加工法制备无机薄膜三极管TFT的方法。

背景技术

薄膜晶体管自上世纪60年代发明开始，已经得到了非常广泛的推广和应用，发展速度之快超乎想象。从非晶硅TFT到多晶硅TFT，从高温多晶硅TFT到低温多晶硅TFT，技术越来越成熟，应用的对象也从只是驱动LCD发展到既可以驱动LCD也可以驱动OLED、甚至电子纸。TFT可以分为非晶硅薄膜、多晶硅薄膜(poly-Si)和有机薄膜TFT。通常采用TiO₂做其中的绝缘层。随着芯片制造商在微小的硅片上安装越来越多的晶体管，半导体制造等比例缩小的过程中，除了特征尺寸沟道长度的缩小，栅氧化层厚度也需近似成比例地减薄以避免短沟道效应。45nm技术节点的等效栅氧化层厚度EOT为0.18nm；32nm技术节点的EOT将进一步减小到0.16nm，这只相当于两个SiO₂分子层厚。通常所用的SiO₂，在原理上可以减薄到两个分子层厚。但实际上，使用这种超薄SiO₂使得SiO₂/Si不再是最佳组合，会导致直接隧穿电流大和界面情况变差。由于SiO₂变得越来越薄，通过栅极电介质漏电现象逐渐增加，从而导致电流浪费和额外产生的不必要热量。而TiO₂具有良好的绝缘性以及很高的介电常数，使得在与SiO₂等效栅氧化层厚度EOT相同的条件下，TiO₂的厚度比SiO₂的厚度大，这样大大减少可能的隧道电流。使用ZnO做有源层，是基于它的优良性质。它是一种属于直接宽带隙(常温下带隙为3.37eV)透明氧化物半导体，具有六方纤锌矿结构、C轴优先取向，具有优良的压电、光电、气敏、压敏等性质。ZnO.TFT能获得较高的电子迁移率，能实现较大的驱动电流、较快的器件响应速度，在可见光谱范围均有较高的光透过率，很小的光敏退化性。

通常绝缘层和有源层的加工方法可以分为两种：(1)高温工艺，指整个加工过程中温度高于900℃。高温工艺只能以昂贵的石英为衬底，TFT性能好，高温工艺只适用于中小尺寸的显示屏或投影屏系列。(2)低温工艺，整个加工过程中温度低于600℃。采用低温工艺可在廉价玻璃衬底上制作较大的显示屏。低温多晶硅(LTPS)TFT由于其低功耗、轻便、薄型、提供大电流和系统集成性而被广泛地应用于有源(主动)驱动显示TFT—LCD和AMOLED中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全溶液加工法制备无机薄膜三极管TFT的方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种全溶液加工法制备无机薄膜三极管TFT的方法，其特征在于该三极管的绝缘层TiO₂和有缘层ZnO采用全溶液加工法来制备，具体步骤如下：

a)采用热液法或者溶胶凝胶法将TiO₂和ZnO制备一定浓度的溶液；

b)将步骤a中得到的ZnO和TiO₂通过旋涂法、提拉法或滴定覆盖法涂敷在衬底电极上，形成ZnO和TiO₂薄膜。

上述的采用旋涂法制备TiO₂薄膜时，转速为2500-3500rpm，旋涂时间为90秒，从而得到的薄膜厚度为100-120nm；采用旋涂法制备ZnO薄膜时，转速为2000-2500rpm，旋涂时间为60秒，得到的薄膜厚度为100-150nm。

上述的制备ZnO薄膜时，采用高温退火(400-600℃)或者激光进行退火处理，具体工艺为：激光的波长为355nm或532nm，使用能量分布均匀的直径0.25cm的圆形激光光斑，以0.1-5J/cm2的能量密度，功率为75kW，单脉冲辐照厚度达100-150nm的ZnO薄膜，在N₂等惰性气体环境中，并且调整基板的温度在25-250℃；退火时间为0.5-10秒。

本发明可以在小于500℃的低温下制备TiO₂薄膜和ZnO薄膜，工艺相对简单，有助于降低制备成本，加快制备速度，十分有利于进行产业化；并可在玻璃等廉价材料上制备，与弹性、塑性材料工艺兼容。最终得到有高介电常数的绝缘层以及极高电荷迁移率的有源层的TFT器件，它具有毫安级大电流密度，以及高达数万的电流开关比，能够驱动低压OLED。

附图说明

图1为TiO₂作绝缘层的底栅结构的TFT

图2为TiO₂连同SiN作绝缘层的底栅结构的TFT

图3为TiO₂作绝缘层的顶栅结构的TFT

具体实施方式

采用热液法或者溶胶凝胶法制备TiO₂和ZnO薄膜，并对ZnO薄膜进行激光退火处理，最后蒸镀金属阴极，导电沟道依据三极管的结构在适当的时候形成。

实施例一：以ITO作为栅极(gate)的底栅结构的薄膜三极管的制备，参见图1：

1.TiO₂溶液的制备：①用移液枪量取400ul盐酸融入200ml乙醇；②加入55ml钛酸四丁酯，并加入200ml乙醇溶解；③继续加入5ml乙酰丙酮和11ml去离子水。上述溶液都是边加边均匀搅拌，溶剂添加完全，搅拌即结束。得到浓度为0.33的TiO₂溶液。

2.ZnO溶液的制备：①称取0.628g的Zn(CH₃COO)_2·2H₂O溶于250ml的乙醇，用电热炉加热回流至沸腾。30分钟后待溶液不沸腾移入锥形瓶；②加入一定量的LiOH.H₂O固体，在超声浴中振荡20分钟，制得胶体。得到浓度为0.05ml的ZnO溶液。

3.以ITO作为栅极(gate)，在其上采用旋涂法制作TiO₂作为绝缘层，ZnO作为有源层，制备TiO₂薄膜时，转速为2500rpm，旋涂时间为90秒，从而得到的薄膜厚度为110nm；采用旋涂法制备ZnO薄膜时，转速为2500rpm，旋涂时间为60秒，得到的薄膜厚度为150nm。

4.然后使用VPE法蒸镀厚度150nm的金属(如Al、Mg/Ag等)作为源极(source)和漏极(drain)。即可得到无机薄膜三极管。在VPE法蒸镀金属的时候可以在器件上覆盖遮断式的掩膜板以形成导电沟道，沟道宽度从5um～50um。

实施例二：以ITO作为栅极(gate)的底栅结构的薄膜三极管的制备，参见图2，具体步骤为：

1.TiO₂溶液的制备：①用移液枪量取400ul盐酸融入200ml乙醇；②加入27.5ml钛酸四丁酯，并加入200ml乙醇溶解；③继续加入5ml乙酰丙酮和11ml去离子水。上述溶液都是边加边均匀搅拌，溶剂添加完全，搅拌即结束。得到浓度为0.165mol/L的TiO₂溶液。

2.ZnO溶液的制备：①称取0.319g的Zn(CH₃COO)_2·2H₂O溶于250ml的乙醇，用电热炉加热回流至沸腾。30分钟后将溶液冷却至室温移入锥形瓶；②同时将一定量的LiOH.H₂O加入另一个锥形瓶中，再倒入100ml的乙醇，在超声浴中震荡30分钟；③将溶解的LiOH.H₂O溶液缓慢加入已冷却的Zn(CH₃COO)_2·2H₂O溶液中，超声浴中振荡20分钟，制得胶体。得到浓度为0.025mol/L的ZnO溶液。

3.以ITO作为源漏(source-drain)，先采用提拉法制作ZnO有源层，具体工艺为：提拉法是先把烘箱温度定为80℃，将处理好后浸泡在乙醇中的基片取出用小夹子夹好，挂在铁丝架上，放入80℃烘箱中把基片烘热，取出将其浸入准备好的胶体中，迅速拿出来，用滤纸吸掉基片下边缘的液体，放入烘箱中干燥2分钟后取出，制得1层薄膜，再反复上述过程，便可制得多层薄膜。再使用同样的方法制作TiO₂绝缘层。在TiO₂绝缘层上再使用PECVD沉积一层SiN层，其厚度为150nm。最后真空热蒸镀厚度150nm的金属电极作为栅极。在VPE法蒸镀金属的时候可以在器件上覆盖遮断式的掩膜板以形成导电沟道，沟道宽度从5um～50um。

实施例三：顶栅结构薄膜三极管的制备，参见图3，具体步骤为：

1.TiO₂溶液的制备：①用移液枪量取400ul盐酸融入200ml乙醇；②加入18.3ml钛酸四丁酯，并加入200ml乙醇溶解；③继续加入5ml乙酰丙酮和11ml去离子水。上述溶液都是边加边均匀搅拌，溶剂添加完全，搅拌即结束。得到浓度为0.11mol/L的TiO2溶液。

2.ZnO溶液的制备：①称取0.511g的Zn(CH₃COO)_2·2H₂O溶于足量的异丙醇中。②加入与醋酸锌等摩尔的乙醇胺，在催化剂冰醋酸的作用下，于60℃水浴中充分搅拌，制得胶体。得到浓度为0.04mol/L的ZnO溶液。

3.以ITO作源极和漏极，金属作栅极。它的沟道可在ITO衬底上由光刻形成。在ITO上利用有极细窄缝(5um～50um)的掩膜板蒸镀500nm的LiF，使用不透光的金属Ag(300nm)蒸镀在基片上面，用热水将LiF洗掉，超声波处理30分。最后在金属Ag掩膜上旋涂光刻胶，使用紫外线暴光30秒钟，最后用强酸超声洗半小时，这样在ITO上形成一个有很细空隙的沟道。在光刻后的ITO上采用旋涂法制作TiO₂作为绝缘层，ZnO作为有源层。制备TiO₂薄膜时，初始转速为600rpm，持续时间为6秒，最终转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，按此步骤旋涂两层从而得到的薄膜厚度为220nm；制备ZnO薄膜时，初始转速为500rpm，持续时间为10秒，最终转速为2500rpm，旋涂时间为60秒，得到的薄膜厚度为150nm。最后真空热蒸镀200nm的金属电极作为阴极，这样就形成了顶栅结构薄膜三极管。

4.ZnO有源层的激光退火工艺：采用波长532nm或355nm的激光照射ZnO导电沟道，用能量分布均匀的直径0.25cm的圆形激光光斑，以0.5-1.0J/cm²的单脉冲能量密度、100Hz的重复频率，在沟道附近0.5mm范围内水平移动，调整退火时间在0.5-10秒之间。整个激光退火是在N₂等惰性气体环境中实施的，并且可以在25-250℃温度范围内调整基板的温度。