一種金屬氧化物半導體薄膜及其制備方法與應用的制作方法

專利名稱：一種金屬氧化物半導體薄膜及其制備方法與應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于電子器件領域，具體涉及一種采用激光退火的工藝得到的金屬氧化物薄膜，及其在TFT中和OLED器件中的應用。
背景技術：
有機發光器件(英文全稱為organic lighting emitting display,簡稱 0LED)具有主動發光、色域寬、響應快、視角廣、對比度高、平面化等優點，是下一代顯示與照明技術的發展趨勢。OLED顯示器件按照驅動方式可以分為無源矩陣OLED (PMOLED)與有源矩陣OLED(AMOLED ) ； PMOLED采用掃描的方式，具有瞬間產生高亮度、消耗的電力多、壽命短、顯示組件較易劣化、不適合大畫面高分辨率發光等缺點，但是由于PMOLED的面板設計時程較短、制程簡單，小尺寸或低分辨率的OLED產品多采用被動技術；然而，當PMOLED應用于大尺寸或高分辨率的OLED產品時，會因為高功耗、低壽命等問題受到限制，此時就需要AMOLED。AMOLED采用獨立的薄膜晶體管(英文 全稱為thin film transistor，簡稱為TFT)去控制每個像素，每個像素皆可以連續且獨立的驅動發光，優點是驅動電壓低，面板尺寸可做大，發光元件壽命長。目前普遍薄膜晶體管(TFT)非晶硅和多晶硅的居多，但考慮到OLED是電流驅動元件，需要TFT能保證恒定電流特性從而穩定控制0LED。非晶硅TFT不能滿足恒定電流偏置條件，而多晶硅TFT工藝控制較難得到一致的特性，氧化物半導體薄膜制作的晶體管能滿足電流特性要求，其工藝制作方案也在開發中，其在OLED的驅動應用上得到了重視和廣泛關注。相比于傳統的非晶硅材料以及有機半導體材料，氧化物半導體材料，因其較高的載流子遷移率、透明性、熱穩定性、環境穩定性、原料易得、制備成本低等優點；相比多晶硅來說均勻性更好，而且制備氧化物半導體TFT器件所需要的工藝溫度更低。因此，主動發光顯示器件包括薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-1XD)和有機發光顯示器(OLED)甚至柔性有機發光顯示器(OLED)都可以采用金屬氧化物作為其半導體材料。近10年來，基于氧化物半導體材料的薄膜晶體管相關研究取得了非常大的技術進步，部分性質優異的氧化物半導體材料，如氧化銦鎵鋅(IGZ0)，已經在實際生產中得到廣泛的應用。因其較高的載流子遷移率和穩定性，采用IGZO等氧化物半導體制備的薄膜晶體管作為驅動裝置已經實現了對有源顯示設備(如有源矩陣有機發光二極管面板，AMOLED)的驅動，部分替代了基于硅半導體材料的晶體管驅動。在AMOLED中，采用透明氧化物半導體薄膜晶體管作為像素開關，將大大提高有源矩陣的開口率，從而提高亮度，降低功耗和減小工藝復雜性。基于日本著名學者H. Hosono的理論，氧化物半導體中金屬離子的ns軌道成球狀對稱結構，不受限于空間排列，可以實現較大程度上的原子軌道交疊，為載流子的有效傳輸提供了通道。這種電子結構，十分有利于η型載流子的傳輸。這同時也提供了氧化物半導體材料可作為有源層應用于η型薄膜晶體管的理論依據。目前在薄膜晶體管中應用的金屬氧化物薄膜大多需要依托真空技術來制備，最常見的制備方法為射頻磁控濺射法。這種需要大型真空設備的制備方法大大的增加了氧化物薄膜制備的成本，增加了大尺寸制備電子器件以及顯示設備的難度和可行性，增加了相關生產制備的能耗。而近十年中新興起的采用溶液方法制備氧化物薄膜的技術可以克服以上缺點。目前，較為成熟的溶液法工藝包括旋轉涂布，噴墨打印，熱噴涂分解，浸潰提拉等類另IJ。為了提高金屬氧化物的半導體性能，傳統的方式是使用高溫退火爐中進行退火，退火溫度大約在300-400°C，退火時間通常在0. 5-2h。退火的過程中，退火爐氛圍中的氧進入到金屬氧化物薄膜內部，與缺氧鍵結合。從而提高金屬氧化物薄膜的半導體性能。但是傳統退火方式需要的工藝時間比較長，而且退火的效果不佳。中國專利CN101388342A公開了一種全溶液加工法制備無機薄膜三極管的方法，該方法采用全溶液法來制備三極管的絕緣層TiO2和有源層ZnO，并通過激光退火工藝使ZnO薄膜形成微晶化,所述激光退火的具體工藝為激光的波長為355nm或532nm,1. OJ/cm2的單脈沖使用能量分布均勻的直徑0. 25cm的圓形激光光斑，以0. 5-能量密度，在N2等惰性氣體環境的氣氛中，脈沖輻照溝道附近0. 5mm范圍內的ZnO薄膜，并且調整基板的溫度在25-250°C，退火時間0. 5-10秒。該工藝可以在小于500°C的溫度下制備TiO2薄膜和ZnO薄膜，可得到高介電常數的絕緣層和極高電荷遷移率的有源層的TFT器件，所述TFT器件具有毫安級大電流密度以及高達數萬的電流開關比，能夠驅動低壓0LED。但是申請人研究發現其所述的在N2氛圍中進行激光退 火的工藝僅僅適用于ZnO薄膜的制備之用，對于現有技術中應用更為廣泛的以ZnO為基礎并添加有其他金屬元素形成的氧化物薄膜的半導體性能并沒有明顯的增幅，這也在一定程度上限制了其應用。這可能是因為ZnO薄膜的半導體性能的形成和以ZnO為基礎并添加有其他金屬元素形成的氧化物薄膜的半導體性能的形成原理并不相同所致，由于內部形成元素的不同導致了薄膜本身內部結構的巨大變化，因此，迫切需要開發出一種適用于以ZnO為基礎并添加有其他金屬元素形成的氧化物薄膜的能夠有效提高其半導體性能的新的退火工藝。

發明內容
為此，本發明所要解決的技術問題在于現有技術中以ZnO為基礎并加入其他金屬元素形成的金屬氧化物薄膜退火溫度高、退火效率不佳導致薄膜半導體性能差的問題，進而提供一種采用低溫退火工藝得到的半導體性能較好的金屬氧化物薄膜；本發明所要解決的第二個技術問題在于提供上述薄膜的制備方法；本發明還提供了以上述薄膜作為半導體層的薄膜晶體管及含有所述薄膜晶體管的OLED器件。為解決上述技術問題，本發明所述的制備金屬氧化物半導體薄膜的方法，包括如下步驟(I)制備以ZnO為基礎并加入其他金屬元素形成的金屬氧化物薄膜；(2)將步驟(I)中得到的金屬氧化物薄膜在含氧氣氛下進行激光退火程序3-6min，形成所需的金屬氧化物半導體薄膜。所述步驟(2)中，所述含氧氣氛中的含氧量為10-100%，并進一步優選含氧量為63%。本發明所述的含氧氣氛可以是氧氣與惰性氣體混合形成的，也可以是含有氧氣的混合氣體如空氣或壓縮空氣與惰性氣體混合形成的，只要保證整個氣氛的含氧量即可，而無需限定與之混合的氣體的類別，所述的惰性氣體可以為本領域常見的N2或其他常見惰性氣體，本發明下述各實施例中統一選用N2和氧氣的混合氣體作為含氧氣氛之用，但并不表示本發明方案的實現僅限于此。優選的,本發明所述步驟(I)中，所述金屬氧化物優選適用于IGZO (In-Ga-Zn-O)>YIZO (Y-1n-Zn-0),HIZO (Hf-1n-Zn-O)或 ZZO (Zn-Zr-O)0所述步驟(2)中，所述激光的波長為200-1 IOOnm,并優選200_350nm或600_800nm
的波長。所述步驟(2)中，所述激光的光束形狀為條狀、塊狀或其他形狀。所述步驟(2)中，所述激光為準分子脈沖激光或連續激光。所述步驟(I)中，可采用現有技術常見的制備金屬氧化物薄膜的方法制備所需的薄膜，可以采用現有技術中常見的射頻磁控濺射法、溶液旋涂法或脈沖激光沉積法，下述各實施例中僅以射頻磁控濺射法為例進行闡述，本領域技術人員公知采用其他的常見方法進行制備的金屬氧化物薄膜的性質并無影響，均可實現本發明的目的，并適用于本發明所述的方法。所述步驟(I)中，所述金屬氧化物薄膜的厚度為30_100nm。本發明還提供了一中有上述的方法制備得到的金屬氧化物半導體薄膜。進一步的，本發明還公開了一種薄膜晶體管，即是采用上述的金屬氧化物半導體薄膜作為半導體層。

進一步的，本發明還提供了一種制備上述薄膜晶體管的方法，所述方法可以為本領域中常規的制備薄膜晶體管的方法，具體包括如下步驟(a)對平板顯示用玻璃進行清洗，在其上沉積一層金屬層薄膜或透明導電薄膜作為柵電極薄膜。所述金屬層薄膜為Mo、MoW、或Al等常見金屬，所述透明導電薄膜為ITO或AZO等常見薄膜即可；(b)使用光刻的方法對上述玻璃基板上的金屬層薄膜或透明導電薄膜進行圖形化，并進行刻蝕形成柵電極的圖案，所述刻蝕步驟可以選擇干法刻蝕或濕法刻蝕；(C)在有柵電極圖案的玻璃基板上繼續上沉積一定厚度的柵介質層薄膜，薄膜可以選用氧化硅、氮化硅或氧化鋁等本領域常見的薄膜，可以使用化學氣相沉積或濺射或是旋涂的方法進行沉積；(d)按照本發明所述的制備金屬氧化物半導體薄膜的方法在所述的柵介質層上制備一層金屬氧化物半導體薄膜，作為半導體層，并對半導體層進行圖形化并刻蝕，及按照前述的方法進行激光退火程序，形成半導體層；(e)在所述半導體層圖形上覆蓋刻蝕阻擋層薄膜ESL，所述薄膜可以選用氧化硅、氮化硅或氧化鋁，可以使用化學氣相沉積或濺射或是旋涂的方法；(f)對刻蝕阻擋層和柵介質層進行圖形化和刻蝕，形成源漏接觸孔；(g)在其上使用濺射的方法沉積源漏電極薄膜，可以是金屬層薄膜或透明導電薄膜，所述金屬層薄膜如Mo、MoW、Al等常用電極，透明導電薄膜如ΙΤ0、ΑΖ0等薄膜；(h)使用光刻的方法對金屬層薄膜或透明導電薄膜進行圖形化，并進行刻蝕形成源漏電極的圖案，所述刻蝕可以選擇干法刻蝕或濕法刻蝕；封裝即得。本發明還公開了一種OLED器件，即含有所述的薄膜晶體管的OLED器件。
本發明還公開了一種制備所述的OLED器件的方法，包括如下步驟(A)按照前述的方法制備薄膜晶體管，并旋涂絕緣層光刻膠，進行顯影處理；(B)對處理后的晶體管蒸鍍Ag或其他金屬，光刻圖形構成OLED第一電極；(C)將步驟(B)處理后的基板置于真空腔室中，進行各膜層的蒸鍍，制備第二電極，得到前基板；(D)將OLED制備完成的前基板與阻隔水氧保護器件的后蓋封裝，即得。本發明的上述技術方案相比現有技術具有以下優點1、本發明所述的方法在含氧氛圍的腔室中使用激光照射金屬氧化物薄膜，金屬氧化薄膜吸收激光能量進而快速升溫，外界氛圍中的氧進入到金屬氧化物薄膜內部，與金屬氧化物薄膜中的缺氧鍵結合，使得金屬氧化物薄膜內的含氧量提高，從而改變金屬氧化物的內部結構，使其半導體性能，如遷移率和閾值電壓的穩定性大幅提高，因此相比傳統的使用高溫退火爐退火的方式效率更高，且穩定性跟好；2、使用激光照射對金屬氧化物薄膜進行退火還可以節省工藝時間，單片處理的時間可控制在3-6min，卻達到其他處理工藝所沒有的性能和效率； 3、由于含氧量較低使不足以達到0分子進入IGZO膜層內部的效果，而若是含氧量太高則會使IGZO中0含量過于充足，因此優選所述含氧氣氛的含氧量為63%，使所述金屬氧化物薄膜和TFT器件的性能均能達到最優化；4、所述金屬氧化物優選適用于IGZ0、YIZ0、HIZ0或ZZ0，能夠有效改善其內部的缺氧結構，大幅提高各氧化物薄膜的性能；

5、對適用于本發明所述金屬氧化物薄膜退火處理的激光波長進行合理化的優選，使得俺有該薄膜的TFT及OLED器件均具有較強的性能穩定性；6、含有本發明所述金屬氧化物薄膜為半導體層的薄膜晶體管和OLED器件的性能突出且穩定，適用于更高要求的產品之用。


為了使本發明的內容更容易被清楚的理解，下面根據本發明的具體實施例并結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明，其中圖1為現有技術中高溫退火工藝的示意圖；圖2為本發明所述激光退火工藝的示意圖；圖3為本發明所示OLED裝置的結構示意圖；圖4為本發明所述OLED裝置的其中一種驅動方式；圖5為本發明適用的各種TFT結構示意圖；圖中附圖標記表示為1_基板，2-柵極，3-柵介質層，4-半導體層，5-源極，6-漏極，7-絕緣層，8-第一電極，9-有機層，10-第二電極，11-TFT。
具體實施例方式實施例1本實施例所述的金屬氧化物半導體薄膜為IGZO薄膜，通過如下步驟制備得到的(I)采用射頻磁控濺射法制備得到所需的IGZO金屬氧化物薄膜
具體步驟為在真空腔室內通入一定比例的Ar和O2的混合氣，在襯底IGZO靶之間加電場，并且使用高密度磁場對IGZO靶進行掃描。Ar離子在電場作用撞擊到IGZO靶上，濺射出In、Ga、Zn的原子或原子團，這些原子或原子之后沉積在玻璃襯底上形成30nm厚的IGZO薄膜；(2)激光退火程序具體步驟為在密閉腔室中通入一定比例N2和O2的混合氣體，調節密閉腔室內的含氧量為63%，并將上述得到的沉積有IGZO金屬氧化物薄膜的玻璃基板置于密閉的腔室內，通過準分子脈沖激光器發射波長為308nm的條狀激光對其進行掃描激光退火，并保持3-6min，掃描的過程中金屬氧化物薄膜吸收激光的能量而升高溫度達到退火的效果，得到所需的IGZO半導體薄膜。以上述IGZO金屬氧化物薄膜作為半導體層制備TFT器件如圖3所示，本實施例所述TFT結構11包括基板1、依次設置在基板上的柵極2、柵介質層3、半導體層4，設置在半導體層4上的漏極5和源極6，設置在半導體層4上未被覆蓋區域以及漏極5和源極6上的絕緣層7。本實施例所述薄膜晶體管的制備方法，包括如下步驟(a)對平板顯示用玻 璃進行清洗，在其上沉積一層ITO透明導電薄膜，形成導電玻璃基板I ;(b)使用光刻的方法對上述玻璃基板I上的透明導電薄膜進行圖形化處理，并選擇干法刻蝕法進行刻蝕柵電極的圖案，形成柵極2 ;(C)使用化學氣相沉積法在有柵電極圖案的玻璃基板I上繼續制作沉積80nm厚的Al2O3層薄膜作為柵介質層3;(d)按照前述的方法在所述的柵介質層3上制備30nm厚度的IGZO金屬氧化物半導體薄膜，作為半導體層4，并對半導體層進行圖形化并刻蝕；Ce)在所述半導體層4圖形上覆蓋刻蝕阻擋層氧化鋁薄膜ESL ；(f)對刻蝕阻擋層和柵介質層進行圖形化和刻蝕，形成源漏接觸孔；(g)在半導層4之上依次制作兩層Ag，將基板置于真空腔室中蒸鍍Ag，刻蝕出圖形，分別作為TFT的源極6、漏極5，并在漏極5與源極6之上制作一層絕緣層7 ；(h)使用光刻的方法進行圖形化處理，并進行刻蝕形成源漏電極的圖案，封裝即得。實施例2本實施例所述的金屬氧化物半導體薄膜為IGZO薄膜，通過如下步驟制備得到的(I)采用射頻磁控濺射法制備得到所需的IGZO金屬氧化物薄膜具體步驟為在真空腔室內通入一定比例的Ar和O2的混合氣，在襯底IGZO靶之間加電場，并且使用高密度磁場對IGZO靶進行掃描。Ar離子在電場作用撞擊到IGZO靶上，濺射出In、Ga、Zn的原子或原子團，這些原子或原子之后沉積在玻璃襯底上形成30nm厚的IGZO薄膜；(2)激光退火程序具體步驟為在密閉腔室中通入一定比例N2和O2的混合氣體，調節密閉腔室內的含氧量為10%，并將上述得到的沉積有IGZO金屬氧化物薄膜的玻璃基板置于密閉的腔室內，通過準分子脈沖激光器發射波長為600nm的塊狀激光對其進行掃描激光退火，并保持3-6min，掃描的過程中金屬氧化物薄膜吸收激光的能量而升高溫度達到退火的效果，得到所需的IGZO半導體薄膜。本實施例制備的以上述金屬氧化物薄膜作為半導體層的TFT器件的結構及制備方法如實施例1中所述。實施例3本實施例所述的金屬氧化物半導體薄膜為IGZO薄膜，通過如下步驟制備得到的(I)同實施例1中步驟(I);(2)將上述得到的沉積有IGZO金屬氧化物薄膜的玻璃基板置于全部是O2的密閉腔室內，通過連續激光器發射波長為800的條狀激光對其進行掃描激光退火，并保持3-6min，掃描的過程中金屬氧化物薄膜吸收激光的能量而升高溫度達到退火的效果，得到所需的IGZO半導體薄膜。本實施例制備的以上述金 屬氧化物薄膜作為半導體層的TFT器件的結構及制備方法如實施例1中所述。實施例4本實施例所述的金屬氧化物半導體薄膜為IGZ0，具體的制備步驟同實施例1中所述，其區別僅在于，調節所述含氧氣氛的含氧量為30%，且所述激光為準分子脈沖激光器發射波長為350nm的條狀激光。本實施例制備的以上述金屬氧化物薄膜作為半導體層的TFT器件的結構及制備方法如實施例1中所述。實施例5本實施例所述的金屬氧化物半導體薄膜為IGZ0，具體的制備步驟同實施例1中所述，其區別僅在于，調節所述含氧氣氛的含氧量為80%，且所述激光為準分子脈沖激光器發射波長為200nm的條狀激光。本實施例制備的以上述金屬氧化物薄膜作為半導體層的TFT器件的結構及制備方法如實施例1中所述。實施例6本實施例所述的金屬氧化物半導體薄膜為IGZ0，具體的制備步驟同實施例1中所述，其區別僅在于，調節所述含氧氣氛的含氧量為50%，且所述激光為準分子脈沖激光器發射波長為IlOOnm的條狀激光。本實施例制備的以上述金屬氧化物薄膜作為半導體層的TFT器件的結構及制備方法如實施例1中所述。實施例1本實施例所述的金屬氧化物半導體薄膜為YIZ0，同樣采用射頻磁控濺射法制備得至IJ，具體的制備步驟參照實施例1中所述，其區別僅在于，所述HZO薄膜的厚度為lOOnm。本實施例制備的以上述金屬氧化物薄膜作為半導體層的TFT器件的結構及制備方法如實施例1中所述。實施例8本實施例所述的金屬氧化物半導體薄膜為HIZ0，同樣采用射頻磁控濺射法制備得至|J，具體的制備步驟參照實施例1中所述，其區別僅在于，所述HIZO薄膜的厚度為70nm。本實施例制備的以上述金屬氧化物薄膜作為半導體層的TFT器件的結構及制備方法如實施例1中所述。實施例9本實施例所述的金屬氧化物半導體薄膜為ΖΖ0，同樣采用射頻磁控濺射法制備得至|J，具體的制備步驟參照實施例1中所述，其區別僅在于，所述ZZO薄膜的厚度為50nm。本實施例制備的以上述金屬氧化物薄膜作為半導體層的TFT器件的結構及制備方法如實施例1中所述。實施例10本實施例所述的金屬氧化物半導體薄膜為IGZ0，具體的制備步驟同實施例1中所述，其區別僅在于，所述步驟(2)中的激光退火程序是在全部N2的氣氛下進行的。本實施例制備的以上述金屬氧化物薄膜作為半導體層的TFT器件的結構及制備方法如實施例1中所述。實施例11本實施例所述的金屬氧化物半導體薄膜為IGZ0，具體的制備步驟同實施例1中所述，其區別僅在于，使用現有技術中的方法對所述金屬氧化物薄膜進行退火處理，即將所述薄膜置于高溫退火I爐中400°C退火處理2h，得到所需的薄膜。本實施例制備的以 上述金屬氧化物薄膜作為半導體層的TFT器件的結構及制備方法如實施例1中所述。分別測定實施例1-11中得到的TFT器件的性能，各參數見表I所示。表I各實施例中所述薄膜晶體管的性能參數
權利要求
1.一種制備金屬氧化物半導體薄膜的方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)制備以ZnO為基礎并加入其他金屬元素形成的金屬氧化物薄膜； (2)將步驟(1)中得到的金屬氧化物薄膜在含氧氣氛下進行激光退火程序3-6min，形成所需的金屬氧化物半導體薄膜。
2.根據權利要求1所述的制備金屬氧化物半導體薄膜的方法，其特征在于 所述步驟(2)中，所述含氧氣氛中的含氧量為10 100%。
3.根據權利要求2所述的制備金屬氧化物半導體薄膜的方法，其特征在于 所述含氧量為63%。
4.根據權利要求1-3任一所述的制備金屬氧化物半導體薄膜的方法，其特征在于 所述步驟(1)中，所述金屬氧化物為IGZO、YIZ0, HIZO或ZZ0。
5.根據權利要求4所述的制備金屬氧化物半導體薄膜的方法，其特征在于 所述步驟(2)中，所述激光的波長為200-1 lOOnm。
6.根據權利要求5所述的制備金屬氧化物半導體薄膜的方法，其特征在于 所述激光的波長為200-350nm或600_800nm。
7.根據權利要求5或6所述的制備金屬氧化物半導體薄膜的方法，其特征在于 所述步驟(2)中，所述激光的光束形狀為條狀或塊狀。
8.根據權利要求7所述的制備金屬氧化物半導體薄膜的方法，其特征在于 所述步驟(2)中，所述激光為準分子脈沖激光或連續激光。
9.根據權利要求1-8任一所述的制備金屬氧化物半導體薄膜的方法，其特征在于 所述步驟(1)中，采用射頻磁控濺射法、溶液旋涂法或脈沖激光沉積法制備所需的金屬氧化物薄膜。
10.根據權利要求9所述的制備金屬氧化物半導體薄膜的方法，其特征在于 所述步驟(I)中，所述金屬氧化物薄膜的厚度為30-100nm。
11.根據權利要求1-10任一所述的方法制備得到的金屬氧化物半導體薄膜。
12.一種薄膜晶體管，其特征在于，采用權利要求11所述的金屬氧化物半導體薄膜作為半導體層。
13.—種OLED器件，其特征在于，含有權利要求12所述的薄膜晶體管。
全文摘要
本發明屬于電子器件領域，具體涉及一種采用激光退火的工藝得到的金屬氧化物薄膜，及其在TFT中和OLED器件中的應用。本發明所述的制備金屬氧化物半導體薄膜的方法，包括(1)制備以ZnO為基礎并加入其他金屬元素形成的金屬氧化物薄膜；(2)將步驟(1)中得到的金屬氧化物薄膜在含氧氣氛下進行激光退火程序3-6min，形成所需的金屬氧化物半導體薄膜。本發明所述的薄膜的半導體性能，如遷移率和閾值電壓的穩定性大幅提高，因此相比傳統的使用高溫退火爐退火的方式效率更高，且穩定性更好。
文檔編號H01L29/786GK103065972SQ20121058641
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者平山秀雄, 邱勇, 施露, 張潔, 黃秀頎 申請人:昆山工研院新型平板顯示技術中心有限公司